[发明专利]用于具有出瞳扩展器的光学系统的系统和方法

说明书

提供了用于扩展包括一个或多个波导的系统的出瞳的架构。各种实施例包括具有一个或多个波导的显示设备。一个或多个波导的一个或多个物理/光学参数和/或输入到波导中的光的波长可以随着入射光入射到波导上的角度改变而改变，以便保持从一个或多个波导发射的输出光束不同小束之间的相位相关性。

相关申请的交叉引用

本申请主张2016年9月21日提交的序列号为62/397,759的，名称为“SYSTEMS ANDMETHODS FOR OPTICAL SYSTEMS WITH EXIT PUPIL EXPANDER(用于具有出瞳扩展器的光学系统的系统和方法)”的美国临时专利申请的优先权益，该申请的全部公开内容通过引用并入此文。

技术领域

本公开涉及虚拟现实和增强现实成像和可视化系统。

背景技术

现代计算和显示技术促进了用于所谓的“虚拟现实”或“增强现实”体验的系统的开发，在这些系统中，数字再现的图像或其一部分以看起来是真实的或可以被感知为真实的方式呈现给用户。虚拟现实或“VR”场景通常涉及以对其它实际的真实世界视觉输入不透明的方式呈现数字或虚拟图像信息；增强现实或“AR”场景通常涉及将数字或虚拟图像信息呈现为对用户周围真实世界的可视化的增强。例如，参考图1，该图示出了增强现实场景1000，其中AR技术的用户看到真实世界公园状设置1100，该设置以人、树、建筑物以及位于背景中的混凝土平台1120为特征。除了这些项目之外，AR技术的用户还可以感知到他“看到”站在真实世界平台1120上的机器人雕像1110，以及看起来是大黄蜂的化身的正在飞舞的卡通式化身角色1130，尽管这些元素在真实世界中不存在。事实证明，人类视觉感知系统非常复杂，并且开发促进虚拟图像元素在其它虚拟或真实世界的图像元素中舒适、感觉自然、丰富呈现的VR或AR技术也极具挑战性。本文公开的系统和方法解决了与VR和AR技术有关的各种挑战。

发明内容

本文公开的主题的一个创新方面在一种光学系统中实现，该光学系统包括：图像投射系统、波导和控制系统。该图像投射系统被配置为以可见光谱范围内的多个波长发射相干光束。该波导包括第一边缘、第二边缘和设置在该第一边缘与该第二边缘之间的对反射表面对。该反射表面对由具有间隙高度d的间隙隔开。该波导包括具有折射率n的材料。该反射表面对具有反射率r。从图像投射系统发射的光束以输入角θ耦合到波导中。输入光可以耦合通过第一边缘或第二边缘中的一者或耦合通过反射表面中的一者。控制系统被配置为改变从包括以下各项的组中选择的至少一个参数：来自该多个波长的波长、间隙高度d、折射率n和反射率r。该至少一个参数的改变与输入角θ的改变相关。

在光学系统的各种实施例中，图像投射系统被配置为以扫描速率改变发射的光束的输入角θ。控制系统可以被配置为以基本上等于扫描速率的调制速率调制至少一个参数。控制系统可以被配置为调制至少一个参数，调制速率被配置为使得对于输入角θ的所有值，满足等式2ndsinθ＝m，其中m为整数，λ是光束的波长。在各种实施例中，该至少一个参数可以是来自该多个波长的波长。在各种实施例中，该至少一个参数可以是间隙高度d。在各种实施例中，该至少一个参数可以是该折射率n。在各种实施例中，该至少一个参数可以是该反射率r。在各种实施例中，图像投射系统可以包括光纤。在各种实施例中，所发射的光束可以是准直的。该多个波长可以包括红色、绿色和蓝色光谱区域中的波长。该波导可以包括声光材料、压电材料、电光材料、微机电系统(MEMS)。该波导可以被配置为扩展和倍增所发射的光束的出瞳扩展器。该波导可以被配置为将光束扩展到光斑尺寸大于1mm。本文讨论的光学系统的各种实施例可以集成在增强现实(AR)设备、虚拟现实(VR)设备、近眼显示设备、或包括以下至少一项的眼镜中：框架、一个或多个镜片或一个或多个耳柄。