CN104737061B - 使用波导反射器阵列投射器的多深度平面三维显示器 - Google Patents

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Abstract

线性波导的二维阵列包括多个2D平面波导组装、列、集合或层，其中每个产生相应深度平面以用于模拟的4D光场。线性波导可具有矩形圆柱形状，并且可被堆积为行和列。每个线性波导至少部分地内部反射，例如，通过至少部分地反射的平面侧壁的至少一个相对的对，以沿着所述波导的长度来传播光。弯曲微反射器可反射光的一些模式而使其它的通过。所述侧壁或面可反射光的一些模式而让其它的通过。任意给定的波导的所述弯曲微反射器在限定的径向距离处贡献于球面波前，各层在相应径向距离处产生图像平面。

Description

使用波导反射器阵列投射器的多深度平面三维显示器
背景技术
光场包括在相应方向行进的空间的每个点上的所有光线。光场被认为是四维的，因为三维空间中的每个点还具有相关的方向，这是第四维度。
可穿戴三维显示器包括基底导向的光学装置，也被称为光导光学元件(LOE)***。这样的装置例如由Lumus Ltd.制造。如图1B-1、1B-2和1B-3所示，LOE***10使用由两个平行的平面表面14a、14b构成的单层波导12。使用微型投射器(未示出)和反射器带18将光16耦合到LOE波导12中。图1B-1、1B-2和1B-3示出了LOE***10的波导12，显示了光16以三个相应的角度进入。LOE***10使用平面微反射器20a-20n(为了绘图清楚仅显示了两个)，其仅沿着一个角度方向被定向，并被定置为互相平行。但是，LOE***10仅投射到无穷远聚焦的单个深度平面，其球面波前曲率为零。
附图说明
在附图中，相同的参考标号表示相同的元件或动作。图中元件的大小和相对位置不是必须按比例绘制的。例如，相应元件的形状以及角度不是按比例绘制的，并且这些元件中的某一些被任意放大和定位以增强绘图可辨识性。此外，所绘制的元件的特定形状，不是要传达与特定元件的实际形状相关的任何信息，并且仅被选择用于便于在图中识别。
图中示出了波导反射器阵列投射器(WRAP)***的实例。实例和图是说明性的而不是限制性的。
图1A示出示例性凸球面镜，其将在无穷远聚焦的光重新聚焦在特定的径向距离。
图1B-1、1B-2和1B-3示出了传统的***，其使用光导光学元件(LOE)技术来投射单个深度平面，其输入光以三个相应的角度进入。
图2A是示例性弯曲微反射器的示意图，其被用于产生看起来从虚拟点源辐射的球面波前。
图2B示出波导中的微反射器的示例性相对定向角。
图3A示出波导反射器阵列投射器中的示例层。
图3B示出波导中的微反射器的示例性定向角。
图3C示出示例性弯曲微反射器。
图4示出示例性平面和球面波前。
图5A是以示例性多深度平面3D显示***或者波导反射器阵列投射器(WRAP)设备的形式的光学设备的等距视图。
图5B是图5中的光学设备的一部分的示意图，根据一个所示实施例，示出了多个波导层，其投射光以产生具有相应径向距离的相应虚拟深度平面，该径向距离表示多个虚拟点源，以模拟4D光场。
图5C是图5A中的光学设备的一部分的示意图，根据一个所示实施例，示出了多个波导层，其投射光以产生相应虚拟深度平面，该虚拟深度平面在相应径向距离上具有球面波前，以模拟4D光场。
图6示出WRAP***的示例性投射和传播光锥。
图7示出由弯曲微反射器产生的减小的投射锥的实例。
图8示出多层复用***的实例，其z轴耦合管配备有光闸。
图9示出通过WRAP***的光传播的示例性图示。
图10示出使用可变形反射表面用于产生示例性波前。
图11示出使用透明显示器屏幕的示例性***，该显示器屏幕具有在指定方向上投射光的像素。
图12是如何从二维投射的堆叠产生三维体积的示例性图示。
图13示出虚拟物点的坐标***。
图14示出显示器表面上的4D光场的坐标***。
图15示出二维微反射器定向的坐标***。
图16示出二维光场的深度标引的实例。
图17示出用作微反射器的可变形微流体的实例。
图18示出与侧注入菲涅尔镜功能类似的微反射器的阵列的实例。
图19示出示例性波导管，其从单个窄光束来产生光束的宽二维阵列。
图20示出光束的实例，该光束必须足够宽以最小化光束阵列中的间隙。
图21是示出通过并行地驱动多层波导在显示器上重新产生三维体积的示例性过程的流程图。
具体实施方式
现在将描述本发明的相应方面和实例。下列描述提供了特定的细节以全面理解且能够描述这些实例。但是，本领域技术人员将理解，在没有许多这些细节的情况下，本发明可被实现。此外，某些众所周知的结构或功能不被详细示出或描述，以避免不必要地干扰相关描述。
下面展示的描述中使用的术语旨在以其最广泛的合理的方式来解释，即使它与本技术的某些特定实例的详细描述结合来使用。某些特定的词语甚至可在下面被强调；但是，旨在以任意限定方式来解释的任何术语将被明显且特别地限定为在该详细描述部分中这样。
人类感知场景中场的深度的能力受到限制，即，人类在不同径向距离具有受限的视觉分辨率。因此，为了重新产生物体或场景从而用户能体验全面的3D效果，并非3D体积中的每个可能的焦点平面需要被重新产生。可以通过简单地复制特定3D体积的有限数量的分片(slice)来重新产生3D体积以被人类感知。与需要被重新产生的分片的数量相关的理论从少于16到36或更多，其中，分片的宽度对于靠近眼睛的距离为最薄并随着距离而增加。人类视觉***(即眼睛、视神经、大脑)聚焦地倒坍(focally collapse)这些平面中的每一个，从而人类不需要所示信息的额外分片来感知3D体积。独立于所需分片的实际数量，基本的假设是，仅需要复制3D体积的有限数量的分片来让人类感知全面的3D效果。
光学设备或***例如可被用于产生或投射光，以模拟可通过从真实三维物体或场景反射的光来产生的四维(4D)光场。例如，诸如波导反射器阵列投射器(WRAP)设备或者多深度平面三维(3D)显示***的光学设备，可在相应径向聚焦距离产生或投射多个虚拟深度平面，以模拟4D光场。以WRAP设备或多深度平面3D显示***形式的光学设备，例如，可直接或间接地将图像投射到用户的每只眼睛中。当虚拟深度平面的数量和径向放置与作为径向距离的函数的人类视觉***的深度分辨率可比较时，所投射的深度平面的离散集合模仿由真实、连续、三维的物体或场景所产生的心理生理效果。
如图5A最佳示出的，以WRAP设备或多深度平面3D显示***500形式的光学设备可包括多个波导504a-504n的2D阵列502(共同表示为504，为了绘图清楚仅显示了两个)。如图所示，每个波导504可具有穿过长度或其纵轴的矩形截面(纵轴在这里被表示为x轴)。波导504可被布置在多个列506(例如，在5A的视图中垂直延伸的xy平面，为了绘图清楚仅显示了一个)和行508(例如在图5A的视图中水平延伸的xz平面，为了绘图清楚仅显示了一个)中。列506可被表征为二维(2D)波导或者波导集合(每个用参考标号506来标识)。2D波导506可被堆叠成层，例如，沿着这里用z轴表示的第一横轴。如这里所解释，每个2D平面波导、波导集合、层或列506在相应距离产生或生成相应虚拟深度平面，以产生4D光场。
WRAP设备或多深度平面3D显示***500可包括一个或多个组件来提供一个或多个去往或来自波导504的光路。例如，分布波导(distribution wave guide)510a-510n的集合(共同表示为510，为了绘图清楚仅显示了两个)。分布波导可在各列或层506中提供到波导504的光路。还例如，在非复用实施中，WRAP设备或多深度平面3D显示***500可包括如箭头512(共同引用的)所示的多个光耦合器(例如，光纤)，其提供到相应分布波导510(即每个各列508)的光路。还例如，在复用实施中，WRAP设备或多深度平面3D显示***500可包括如箭头514所示的单个光耦合器(例如，光纤)，该单个光耦合器向两个、更多或所有分布波导510提供光路。例如，分布波导510和/或光耦合器512、514可向2D阵列502的波导504提供输入，例如作为来自红色/绿色/蓝色(RGB)光源(图5A中未示出)的像素图案。
如图5B和5C最佳示出的，每列或波导层506a-506c(仅示出了三个，共同表示为506)产生具有球面波前524a-524c(仅示出了三个，共同表示为524)的相应分片或虚拟深度平面522a-522c(仅示出了三个，共同表示为522)，以累积地模拟4D光场526。还示出了每个虚拟深度平面522a-522c的相应虚拟点源528a-528c(仅示出了三个，共同表示为528)。
图3A示出了根据一个所示实施例的单列2D平面波导、列、层或波导集合506，以及其相应的分布耦合器510和光耦合器512、514。每个2D平面波导或层506由多个线性波导504e、504f(共同表示为504，为了绘图清楚仅显示了两个)组成。每个2D平面波导506例如可包括矩形圆柱形波导504的系列或线性阵列，有时被称为波导管。尽管有时被表示为“管”，本领域技术人员将容易理解，这样的结构不需要是中空的，并且在很多实施中将是实心的，在很多方面类似于光纤，但具有至少一对相对的平面表面，其至少为部分地内部反射的以沿着波导504的长度530来传播电磁能(例如光)。如这里进一步解释，至少一对相对的平面表面532a、532b(共同表示为532)可基本上内部地反射光的某些限定模式，同时允许光的某些其它限定模式基本上传递到波导504以外。典型地，波导504将包括两对相对的平面表面532a/532b、532c/532d(共同表示为532)，其为部分地内部反射的，例如基本上内部地反射某些限定模式。如这里以及在权利要求中所使用，术语基本上表示多于百分之50，且典型地多于百分之85或百分之95。2D平面波导、层、列或集合506的波导504可单独形成且被组装或耦合到一起。备选地，2D平面波导、层、列或集合506的波导504可形成为单个单一结构。平面表面可促进产生想要的深度平面和/或增加将波导504堆积成3D结构的密度。
在每个线性波导504中嵌入、放置或形成的是一系列被拆解的弯曲球面反射器或镜540a-540n(为了绘图清楚仅显示了两个弯曲微反射器)，其被设计为将无穷远聚焦的光重新聚焦在特定的径向距离。需要注意，为绘图清晰起见，以虚线全面示出了仅一个线性波导504的单个线性阵列的全面微反射器，其它线性波导504的其它线性阵列的微反射器用简单的凸曲线来示意性表示。图5A中展示了用于单个线性或矩形波导504n的多个微反射器504A-504D。
图1A示出可以如何从凸球面镜102反射在无穷远处聚焦的输入平面波100以产生输出球面波104来表示虚拟点源106的实例，该虚拟点源106看起来位于凸球面镜102后面的限定的距离处。通过在(线性或矩形)波导中级联(concatenating)一系列微反射器540，该微反射器504的形状(例如围绕两个轴的曲率半径)和定向一起投射与特定x、y、z坐标处的虚拟点源所产生的球面波前相对应的3D图像。每个2D波导或层506提供相对于其它波导的独立的光路，并且使波前成形并聚焦进入的光以投射与相应径向距离相对应的虚拟深度平面522(图5C)。使用足够数量的2D波导，观看所投射的虚拟深度平面的用户能体验3D效果。
这里描述了平面波导506的多层2D阵列502，其中，每层投射与3D体积中的不同虚拟深度平面相对应的光。如上所解释，图5A-5C示出示例性多层WRAP显示设备或***500的一部分，该设备或***具有堆叠为层的2D平面波导、列或波导集合506。每层506包括多个波导，例如，如图3A的实例所示的线性或矩形波导504。光分布耦合器510的集合和/或其它光耦合器512、514将2D阵列502的线性或矩形波导504光耦合到其它组件。例如，光分布耦合器510和/或其它光耦合器512、514可将2D阵列502的线性或矩形波导504光耦合到提供像素图案(例如，RGB强度调制的像素图案)的子***。在一些情形下，光耦合器510的集合在这里和/或者在权利要求中被称为列分布耦合器的线性阵列或者被称为第二横轴(Y)分布光耦合器或耦合管。如前所述，本领域技术人员将容易理解，这样的结构不需要是中空的，并且在很多实施中将是实心的，在很多方面与光纤类似。
WRAP设备500中的每个单独的波导504包括一系列被拆解的弯曲球面反射器或镜540，弯曲球面反射器或镜540被设计为将无穷远聚焦的光重新聚焦到特定的径向距离。菲涅尔透镜是从一系列光学微组件构造的宏观光学元件的实例。WRAP设备500包括微反射器540的阵列，该微反射器有效地用作侧注入(例如从被表示为第一端的侧注入)的菲涅尔镜。图18示出了在球1804的一部分的配置中的微反射器1802a-1802n(共同表示为1802，为了绘图清楚仅显示了两个)的阵列的实例，而不是将在等效菲涅尔镜中发现的线性配置1808中的微反射器1806a-1806n(共同表示为1806，为了绘图清楚仅显示了两个)的阵列，其中，球面配置1804中的微反射器1802的定向与线性菲涅尔镜配置1808的微组件或微反射器1806的定向相匹配。
WRAP设备500包括含有每个2D波导506的线性或矩形波导504中的弯曲微反射器的阵列。弯曲微反射器的阵列被定位和定向，以和透镜或弯曲镜类似地起作用，以在特定的径向距离投射虚拟图像。尽管在这里和/或权利要求中被表示为“反射器”，如这里所解释，弯曲微反射器典型地部分地反射且部分地传递电磁能，例如光(即，近红外光或N-IR、可见光、近紫外光或N-UV)的光波长。如这里所述，反射率可为电磁能或光的角模的函数。
传统的基于透镜的成像***或基于弯曲镜的成像***使用具有大表面曲率的光学元件。传统的基于透镜的成像***或基于弯曲镜的成像***是前面或背面注入，典型地通过来自投射器元件的宽光场。这样的传统***倾向于相对较厚且重，并且通常使用多个光学元件和移动部件来改变其焦距。相反，所示WRAP设备500的线性波导504的2D阵列502(图5A)具有平面表面。所示WRAP设备500的线性波导504的2D阵列502可通过来自光纤的窄角度光束的锥542(图3A)为侧注入的(即，注入到在这里和在权利要求中用第一端来表示的侧中)，该窄角度光束然后被内部倍增为宽光场。所示WRAP设备500的线性波导504的2D阵列502可以变得很薄且轻。所示2D平面波导或层506可被容易地堆叠以产生多焦点显示器，其中，每个2D平面波导、层、列或集合506提供与其它2D平面波导、层、列或集合独立的光路，例如，允许每个提供在3D图像中的相应焦点或深度平面。
与如上所述的LOE***10(图1B-1、1B-2、1B-3)相反，在一个实施例中，WRAP设备500投射多个深度平面522(图5C)，每个通过对应球面波前曲率524(图5C)聚焦在不同的径向距离。WRAP设备500可包括一系列线性或矩形圆柱形波导，该波导被布置为垂直(xy)列以产生平面2D波导506，该平面2D波导506在某些情形下可被称为线性或矩形波导503的2D组装。WRAP设备500可包括多个2D平面波导、列、层或集合506，每个对应于不同的虚拟深度平面522(图5C)。WRAP设备500可使用凸球面弯曲微反射器540(图3A和5A)。微反射器540可具有一个或多个表面曲率，并且在每个波导层506中该表面曲率可改变。如图3B和3C最佳示出的，每个微反射器540可被沿着两个角度方向φ、θ而定向。角度方向φ、θ可在任意给定的线性波导504中改变，或者可在单层506中的线性波导504之间或者在不同层506之间改变。
如图8最佳示出的，例如，通过一个或多个光强度调制器546、光纤光缆548、角模(angular mode)调制器或光束偏转器550、通过光闸552来实施的可选的光多路去复用开关、可选的z轴耦合阵列554以及之前所描述和所示的y轴光耦合器或光耦合阵列510的单独集合，可从一个或多个RGB(红色、绿色、蓝色)光源544，将光(例如，像素图案)耦合到WRAP设备500的2D阵列503。
WRAP是什么
WRAP设备500可包括薄的平面2D波导506的堆叠，该波导506自身由线性或矩形圆柱形波导504的水平行构成。尽管被表示为2D，2D波导506物理地具有深度，但被表示为这样，因为每个表示2D阵列502的2D分片或部分(即，列)。尽管被表示为2D，波导的2D阵列物理地具有深度，但被表示为这样，因为长度是构成2D阵列502的单独线性或矩形波导504的固有属性。类似地，尽管有时被称为线性波导504，这些波导物理地具有高度和宽度，但被表示为这样，因为每个提供了线性光路。
图3A示出了WRAP设备500的示例性单层2D阵列503。通过光纤512、514、548将光的输入锥542引导到分布光耦合器或y轴光耦合器510中，该分布光耦合器或y轴光耦合器有时在这里被称为耦合管(在图3A中垂直定向)。被安装在光耦合器510内的行中的是多个分束器556a-556n(共同表示为556，为绘图清楚起见，仅显示了两个)。每个分束器556将在它上面入射的光的第一部分反射到多个堆叠的线性或矩形波导504中的一个(在图3A中水平定向)，并将光的第二部分传输到下一分束器556。于是，入射到分布光耦合器或y轴光耦合器510中的光被发射到沿着分布光耦合器或y轴光耦合器510的至少部分长度而定位的多个线性或矩形波导504中。
如之前所解释，在每个线性或矩形波导504中嵌入、定位或形成的是弯曲微反射器540的线性阵列，其被成形和角度定向，以致通过微反射器540，将被引导通过线性或矩形波导504的每个成角度的光束，从线性或矩形波导504投射到三维弯曲图案中。图3B示出了波导中的微反射器540的示例性定向角φ、θ，其中，为了图示简单，以平面形式展示了微反射器。图3C示出了用于弯曲微反射器540的定向角φ、θ的实例。所投射的图案对应于由置于给定x、y、z坐标的虚拟点源所产生的球面波前，该x和y坐标由光束的2D角度定向来确定，且该z坐标由微反射器的特定配置以及在给定2D平面波导、列、层或集合506中的2D定向梯度来确定。每个2D平面波导、列、层或集合506被配置为具有不同的波前形状和聚焦属性，以致每层投射与不同z坐标或径向坐标(r坐标)相对应的虚拟深度平面。
放置在给定x、y、z坐标的光的点源产生了光的辐射三维图案，其以非常特定的方式在整个三维空间中改变。特别地，点源生成球面波前，该球面波前的表面曲率与辐射球的半径成反比例地改变。WRAP设备500被设计为，在接收到与给定x、y坐标相对应的输入光线时，对于特定的z坐标以合适的波前曲率和二维旋转，来生成该球的部分。
WRAP如何工作
如图3A的实例所示，可通过单独的多模光纤512来提供输入到每个WRAP 2D平面波导、列、层或集合506的光，光的小锥542已经被注入到该多模光纤512中。备选地，输入到每个2D平面波导、列、层或集合506的光是以通过去复用开关552(图8)的相应输入通道514的光锥542的形式。光锥542包含光束的二维角度分布，该光束的二维角度分布与在要重新产生的3D体积的单个深度平面中存在的二维x、y光强度图案相对应。存在多种方式将光锥的角度分布耦合到输入光纤中，例如，使用MEMS扫描仪、可切换液晶或者MEMS衍射光闸。
传播光锥542应具有限定或已知的角度图案，例如，如图6的实例中所示。在一些实施例中，在线性或矩形波导504内部传播的光锥542应大致位于-22.5度到-67.5度的角度范围内的两个角度方向上，并且被投射到波导外面的光锥560应大致位于-22.5度到+22.5度的角度范围内的两个角度方向上。显著地，在相对较窄的光线角度范围中，将在波导中传播，于是输入图像的角度范围应被对应地限制。在这些角度范围以外传播的光将产生混淆和重像。
存在两种方式来驱动2D阵列502中的2D平面波导、列、集合或多层506，并行或串行的。在并行的方法中(如图5A的实例所示)，每个波导层506被不同的多模光纤512驱动，该光纤传播与特定深度层体积中包含的视觉场的一部分相对应的角度图案。这些角度图案由位于基础单元中的驱动电子(例如RGB光源、强度调制器)生成，然后经过多个多模光纤512并行地发送到2D阵列502。例如，可以使用扫描投射器***(例如，扫描光纤投射器)或通过将2D微投射器耦合到针孔孔径(pinhole aperture)来对2D图像进行角度编码。
在串行方法中(如图8的实例所示)，整个视觉场的角度图案被同时产生并在不同的波导层506之间排序，每次一个角度光束，使用与产生图案的2D光束偏转器550相同步的光闸552。由于该过程在2D阵列、分布或y轴光耦合器510和/或z轴光耦合器562(图9)中而不是在基础单元中进行，它可以由单个单模光纤514来驱动。在该***中，输入图像被角度编码，从而传播经过光纤或其它波导514的每个可分解的角度与单个物点的强度相对应。为了以该方式来编码图像，使用多模光纤514和光耦合器514、562，其能够以和显示器的线性分辨率可比的角密度来传播多个角模式。光锥的角度范围与光学设备500的最大视野相对应，例如45度。
图9示出了经过部分WRAP设备的光传播的示例性图示，其包括z轴光耦合器562。图9展示了z轴光耦合器562、分布或y轴光耦合器510以及线性或矩形波导(可交换地被称为x轴波导)504的相对定向。在图9的实施例中，光最初通过z轴光耦合器562进入。z轴光耦合器在很多方面可以类似于线性或矩形波导，例如，具有至少一对相对的平面侧，该平面侧提供至少部分内部反射以沿着z轴光耦合器562的长度来传播或引导光。z轴光耦合器562包含成角度的平面微反射器564a-564n(共同表示为564)的线性阵列，其将光的入射角度分布的副本(copies)倍增并注入到相应列、集合或层506的分布或y轴光耦合器510中。分布或y轴光耦合器510可在构造上类似于z轴光耦合器562，具有成角度的平面微反射器566a-566n(共同表示为566)的线性阵列。分布或y轴光耦合器510将光的入射角度分布的副本倍增并注入到相应列、集合或层506中的每个x轴波导504中。
如图2A所示，窄的成角度的平面波光束566进入线性或矩形波导504，从平面反射器568朝着相对的反射表面532中的至少一个而反射。当每个窄的成角度的平面波光束传播经过波导并击中弯曲微反射器540时，平面波光束被分为两个光束。还如图2A所示，第一光束继续到下一微反射器540，且第二光束以发散图案来反射，其具有的曲率是反射第二光束的微反射器540的表面的曲率的两倍大。换句话说，窄的入射平面波被转换为具有2D定向的球面波前的小楔形部分，该2D定向与入射平面波的定向相对应。如果2D波导、列、集合或层506中的所有弯曲微反射器540的2D定向以非常精确的方式来变化，从每个微反射器540投射的所有球面波前楔形可以被对齐为单个球面波前569，该单个球面波前569看起来从虚拟点570辐射，该虚拟点570位于x和y坐标以及z坐标处，该x和y坐标与平面波566的2D定向相对应，该z坐标与微反射器540的曲率及2D波导、列、集合或层506的2D定向梯度相对应，如图2B所示。作为参考，图13-15分别示出了虚拟物点的坐标***、显示器表面的4D光场以及2D微反射器定向。
当输入锥中的所有成角度的平面波光束传播贯穿2D波导、平面、集合或层506时，光束重新产生由单个深度平面产生的重叠光场。当每个2D波导、平面、集合或层506的所有输入信号传播贯穿2D阵列502时，它们复制由多个深度平面体积生成的重叠光场。如果这些深度平面足够多并且具有作为其径向距离的函数的合适厚度(由场深度方程来确定)，从而如果深度平面满足或超过人类z坐标分辨率(以及x、y坐标分辨率)的限制，则对于人类来说，从虚拟3D体积生成的光场应该与来自真实、物理、三维空间的光场是不能区分的。
由于在(如这里所述的)光学***500中使用的材料的独特光学属性，每个2D波导、平面、集合或层506与其它2D波导、平面、集合或层506互不影响。该特征允许2D波导、平面、集合或层506互相堆叠以产生多焦点光学***，这在传统的透镜中被认为是不可能的特征。
此外，正交光偏振可以被用于将来自真实外部世界的光与虚拟显示器的光进行解耦，以产生增强的现实多深度平面3D显示。偏振的反射器540仅反射与反射器的偏振轴平行对齐的光的部分。交叉偏振的光不会被反射器540反射，并且在半透明反射器540的情形下，将简单地通过反射器传递而不会被反射。以此方式，通过对2D波导、平面、集合或层506的光简单地进行交叉偏振，2D波导、平面、集合或层506可以变得对来自外部世界或对其它2D波导、平面、集合或层506透明。
如果以时间顺序方式生成2D光线图案1602，它和整个虚拟3D体积1604的径向针孔投射相对应，并且2D场中的每个点被深度标引，例如如图16所示，则如图8所示，z轴光耦合器562(图9)可以被装备有光闸522，该光闸522与光束偏转器550同步，以将来自复用输入锥542的光束排序为与虚拟3D体积1604中的每个深度平面相对应的多个输出通道锥572(为了绘图清楚起见，在图8中仅显示了一个)。
在用于驱动如上讨论的2D阵列502的不同2D波导、平面、集合或层506的串行方法中，通过单个单模光纤514、548来驱动2D阵列502，并且与不同2D波导、平面、集合或层506相对应的光锥572被在装置自身之内产生。光角度应该被同时产生和排序，每次一个角度。如果不以时间顺序的方式来产生光角度，则该光角度无法被容易地排序为每个2D波导、平面、集合或层506。
数学观察
光学设备500可以被看作是将2D光场变换为4D光场的数学运算器。图4示出了该变换的示例性细节。光学设备500通过将正曲率施加至输入光锥402中的每个光束，并且将被调整的光锥的差别旋转的副本的2D阵列映射406到显示器的表面，来进行该变换。这些操作由微反射器540的阵列而物理地生成，并且具有将窄的平面波光束变换为宽的球面波前404的效果；将光锥转换为虚拟深度平面；以及从二维投射的堆叠生成3D体积的效果，如图12的实例所示。(为了比较，图4和12还示出了被生成为平面波前410的输入锥408)。图13示出了虚拟物点的坐标***1300。图14示出了显示器表面上的4D光场的坐标***1400。图15示出了二维微反射器定向的坐标***1500。
在光学设备500的上下文中，线性或矩形波导504用作光束倍增器(multiplier)或展宽器，其基于单个窄光束来数学和物理地生成光束的宽2D阵列。图19示出如何通过使用多个(multiple)分束器来倍增光锥1902a1902d(共同表示为1902)，该多个分束器透射入射光的一部分并反射入射光的一部分。
示例性***说明：
微反射器(例如，弯曲微反射器504)应为部分透明并进行分束器以及反射器的功能。以此方式，具有较窄范围角度的单个光束可被重复倍增并通过阵列来重新分布，以产生宽4D光场。
此外，波导(例如，线性或矩形波导504)的反射表面(例如532)和微反射器(例如，弯曲微反射器504)的反射率应该是角度特定的。特别地，微反射器(例如，弯曲微反射器504)应该仅反射从波导(例如，线性或矩形波导504)的表面(例如，532)内部反射的输入锥的角模式，且应该对所有其它角模式透明。每个波导(例如，线性或矩形波导504)应该仅对从微反射器(例如，弯曲微反射器504)反射的角模式透明，且应该将所有其它角模式限制在波导(例如，线性或矩形波导504)的内部。这允许来自输入锥的光在波导(例如，线性或矩形波导504)的整个长度上分布，并且在被投射到2D阵列502以外之前被耦合到每个微反射器(例如，弯曲微反射器504)。这还避免了光从波导(例如，线性或矩形波导504)中的两个相对表面(例如，532)击中微反射器(例如，弯曲微反射器504)，这将导致产生图像的双集合而不是图像的单集合。
这会限制视野。例如，这将视野限制为45度的最大视野(FOV)700(图7)。在可以在波导中传播的总共可能的360度角度中，那些角度的一半(180度)在错误的方向上传播(离开而不是进入波导中)，又一45度对应于由微反射器投射出来的视野，并且另外45度对应于在光锥击中微反射器之前由波导传播的角度偏移光锥。剩下的90度看来没有用，因为这些角度会从离开波导外表面的次级反射产生混淆效应，如图6所示。在实践中，光学设备500的视野700将小于45度，以适应由微反射器540所产生的光束曲率，如图7所示。
被耦合到线性或矩形波导504中的光束应该足够宽，从而微反射器540被光束均匀覆盖，并且输出中的间隙和不规则性被最小化。图20示出了光束2002的宽度对防止光束阵列中的间隙来说不够宽的实例。
为了使显示器用作增强的现实装置，来自输入锥的光应被沿着单个轴偏振，并且微反射器540以及波导504的反射相对表面532应仅反射沿着相同轴偏振的光线。此外，显示器的外侧应该具有正交的偏振屏幕(未示出)，例如液晶显示器，其允许用户调整真实-虚拟对比度，即，真实和虚拟视觉场的相对光强度。正交偏振的屏幕还可以相对于虚拟显示器的偏振轴来正交地偏振来自真实世界的光，由此允许光线传递经过显示器而不会受到微反射器540或者线性或矩形波导504的反射相对表面532的影响。
此外，路径长度、传输时间和波长的变化所带来的任意相位差和非相干性都不应被人类视觉***感知到。
为了足够薄以便作为可穿戴设备，2D阵列502中的每个2D平面波导、列、集合或层506应该尽可能地薄。例如，在具有10层的一个实施例中，大约每层1mm的厚度可用于可穿戴设备。使用更大数量的层，例如25到35层，近和远光场可以被完全重新产生。但是，可以使用小于10或大于35层。
在一些实施中，每个2D平面波导、列、集合或层506可以被实时重新配置，即，微反射器504的曲率和/或2D定向梯度可以以快速的方式来动态改变。使用这样的实施，每个虚拟深度层的投射可以被时间复用，而不是被同时展示。为此，单层N-平面显示***应该以在N层***中的单个层的刷新速率的N倍速率来重新配置。可采用动态可配置的弯曲微反射器504a(图10)。例如，可以使用二维液晶表面，其中，可以用电和/或磁场来控制该表面的形状和定向，如图10的实例所示。备选地，电和/或磁可变形微流体可以被用作微反射器504b，其中，形状和定向可以被动态改变，如图17的实例所示。
在一些实施例中，其像素540b能够在特定方向投射光的透明显示器屏幕可以被用于改变投射光的方向，例如如图10底部和图11的实例所示。
操作WRAP
图21是示出通过并行地驱动多层波导在显示器上重新产生三维体积的示例性过程2100的流程图。在框2105，光学设备502接收多个输入光束。可以通过多模光纤来递送多个光束中的每一个。多个输入光束中的每一个与要重新产生的三维体积的不同层中的视觉场的一部分的强度图案相对应。
然后在框2110，***从多个输入光束中的每一个产生中间光束的集合。
接下来，在框2115，***独立地旋转多个中间光束的集合的副本，并且在2120，投射看起来是从虚拟点辐射的波前。所有被投射的波前一起重新产生3D体积以用于用户来观看。
结论
除非上下文另有清楚要求，贯穿说明书和权利要求，词“包括”、“包含”等要以包容性意义来解释(也就是说，“包括但不限于”)，而不是以排他性或者穷举性意义来解释。如在此使用的，术语“连接”、“耦合”或其任何等价物是指两个或多个元件之间的任何直接或间接的连接或耦合。这样的元件之间的耦合或连接可以为物理的、逻辑的或其组合。此外，当用在本申请时，词“此处”、“上面”、“下面”以及类似意义的词，是指本申请整体，而不是指本申请的任何特定部分。在上下文许可的情况下，使用单数或复数形式的上述具体实施方式部分的词也可分别包括复数或单数形式。在参考两个或多个项目的列表中，词“或”，涵盖了词的以下所有解释：列表中的任意项目、列表中的所有项目、以及列表中的项目的任意组合。
本发明的实例的上述具体实施方式部分不旨在是穷举性的或将本发明限定为在此公开的具体形式。尽管在此出于示例性目的，描述了本发明的特定实例，本领域技术人员将认识到本发明范围内的各种等价修改都是可能的。尽管在本申请中过程或方框是以给定顺序展示的，备选实施可进行使得步骤被以不同顺序执行的程序，或采用具有不同顺序的框的***。一些过程或框可被删除、移动、添加、细分、组合以及/或修改，以提供备选或子组合。而且，尽管过程或框有时被示出为串行地进行，这些过程或框可被并行地进行或实施，或可在不同时间被进行。进一步，在此注明的任何特定数字都仅是实例。将理解备选实施可采用不同的值或范围。
这里提供的各种说明和教导也可以被应用于除上述***以外的***。上述各种实例的元件和动作可以被组合，以提供本发明的进一步实施。
上述任何专利和申请以及其它参考文献，包括在所附申请文件中列出的任何文献，都通过引用结合于此。如必要，本发明的方面可被修改，以采用包括在这样的参考文献中的***、功能以及概念，以提供本发明的进一步实施。
可以在上述具体实施方式的教导下，做出这些和其它变化。尽管上述说明描述了本发明的一些实例，并描述了考虑到的最佳模式，不管上述描述如何详细地出现在文本中，本发明可以许多不同的方式被实施。***的细节可在其具体实施中而明显不同，尽管其仍然被在此公开的本发明包括。如上所述，当描述本发明的某些特征或方面时，使用的具体术语不应当被视为暗示术语在此被重新限定以限制本发明的任何与该术语有关的特定特性、特征或方面。通常，在所附权利要求书中使用的术语不应当被解释为将本发明限定为在说明书中公开的特定实例，除非上述具体实施方式部分明确地限定这些术语。因此，本发明的实际范围不仅包括公开的实例，也包括实施根据权利要求实践或实施本发明的所有等效方式。
尽管在下面以特定权利要求的形式展示了本发明的特定范围，申请人考虑以任何数量的权利要求形式的本发明的各方面。例如，尽管根据35U.S.C.§112第六段，仅有本发明的一个方面作为装置加功能权利要求被引用，其它方面可类似地被实施为装置加功能权利要求，或以其它形式，诸如被实施在计算机可读介质中。(根据35U.S.C.§112第六段处理的任何权利要求将用词“用于…的装置”开始)。因此，发明人保留在提交申请后添加额外权利要求的权利，以追求用于本发明的其它方面的这种额外的权利要求形式。
于2012年6月11日提交的美国专利申请61/658355在此通过全文引用结合于此。

Claims (44)

1.一种波导反射器阵列投射器设备，包括：
多个矩形波导的第一平面集合，所述第一平面集合中的每个所述矩形波导具有至少第一侧、第二侧、第一面和第二面，所述第二侧沿着所述矩形波导的长度与所述第一侧相对，至少所述第一和所述第二侧沿着所述矩形波导的所述长度的至少一部分而形成至少部分地内部反射的光路，并且所述第一平面集合中的每个所述矩形波导包括被沿着所述相应矩形波导的所述长度的至少一部分、在相应位置处在所述第一和所述第二侧之间放置的相应多个弯曲微反射器，以从所述相应矩形波导的所述第一面向外部分地反射球面波前的相应部分；以及
至少多个矩形波导的第二平面集合，所述第二平面集合中的每个所述矩形波导具有至少第一侧、第二侧、第一面和第二面，所述第二侧沿着所述矩形波导的长度与所述第一侧相对，至少所述第一和所述第二侧沿着所述矩形波导的所述长度的至少一部分而形成至少部分地内部反射的光路，并且所述第二平面集合中的每个所述矩形波导包括沿着所述相应矩形波导的所述长度的至少一部分、在相应位置处在所述第一和所述第二侧之间放置的相应多个弯曲微反射器，以从所述相应矩形波导的所述第一面向外部分地反射相应部分，
所述矩形波导的所述第二平面集合被沿着第一横轴(Z)横向于矩形波导的所述第一平面集合而布置，所述第一横轴与纵轴(X)垂直，所述纵轴(X)平行于至少所述第一和所述第二平面集合的所述矩形波导的所述长度。
2.根据权利要求1所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，所述第一和至少所述第二平面集合的每个中的所述矩形波导被沿着第二横轴(Y)而横向布置，所述第二横轴(Y)与所述第一横轴以及所述纵轴正交。
3.根据权利要求1所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，所述第二平面集合的所述矩形波导的所述第一面与所述第一平面集合的所述矩形波导的所述第一面平行。
4.根据权利要求1所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，波导的所述第二平面集合与波导的所述第一平面集合紧邻。
5.根据权利要求1所述的波导反射器阵列投射器设备，还包括：
波导的多个额外的平面集合，波导的所述第一、所述第二和所述多个额外的平面集合被沿着所述第一横轴(Z)堆叠地布置为各层。
6.根据权利要求5所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，对于包含所述相应第一、所述第二和所述额外的平面集合的所述矩形波导的所述第一、所述第二和所述额外的平面集合中的每个，所述矩形波导被沿着第二横轴(Y)互相连续地紧邻地堆叠，所述第二横轴(Y)与所述第一横轴以及所述纵轴正交。
7.根据权利要求6所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，在矩形波导的所述第一、所述第二和所述额外的平面集合的每个连续集合中的矩形波导被沿着所述第一横轴(Z)互相连续地紧邻地堆叠。
8.根据权利要求5所述的波导反射器阵列投射器设备，还包括：
多个第二横轴(Y)分布光耦合器的集合，所述集合中的每个所述第二横轴(Y)分布光耦合器被光耦合，以向所述多个矩形波导的所述第一、所述第二和所述额外的平面集合的相应集合提供相应光路。
9.根据权利要求8所述的波导反射器阵列投射器设备，还包括：
第一横轴(Z)分布耦合器，所述第一横轴(Z)分布耦合器具有第一端、沿着所述第一横轴(Z)分布耦合器的长度与所述第一端间隔开的第二端、以及多个至少部分地反射的元件，所述多个至少部分地反射的元件提供在所述横轴分布耦合器的所述第一端与所述多个第二横轴(Y)分布耦合器的所述集合的所述第二横轴(Y)分布耦合器的对应耦合器之间的光路。
10.根据权利要求9所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，所述第一横轴(Z)分布耦合器的所述至少部分地反射的元件包括多个光闸，并且还包括：
至少一个光源，所述至少一个光源可操作为发射红色、绿色和蓝色像素图案；
强度调制器，其可操作为调制红色、绿色和蓝色像素图案的强度，以产生被调制的红色、绿色和蓝色像素图案；
光束偏转器，所述光束偏转器在至少一个光源和列分布耦合器的线性阵列之间被光耦合，并且可操作为偏转所述被调制的红色、绿色和蓝色像素图案，并且其中，所述光闸被控制为与所述光束偏转器同步操作；以及
输入光纤，所述输入光纤被至少靠近于所述第一横轴(Z)分布耦合器的所述第一端而光耦合到所述第一横轴(Z)分布耦合器，以提供强度调制的光束偏转的像素图案，作为光的输入锥，所述光的输入锥表示要通过所述波导反射器阵列投射器设备来投射的图像的至少一部分。
11.根据权利要求8所述的波导反射器阵列投射器设备，还包括：
多个输入光纤，所述多个输入光纤被光耦合到所述第二横轴(Y)分布耦合器的相应耦合器，以提供光的输入锥，所述光的输入锥表示要通过所述波导反射器阵列投射器设备来投射的图像的至少一部分。
12.根据权利要求1所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，对于每个所述矩形波导，所述多个弯曲微反射器以线性阵列来对齐。
13.根据权利要求1所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，所述弯曲微反射器被定向，以从球面波前中的所述相应矩形波导的所述第一面反射光的一部分。
14.根据权利要求1所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，所述弯曲微反射器被定向为，每个所述弯曲微反射器从所述相应矩形波导的所述第一面反射光线的锥形投影，以形成球面波前的相应部分。
15.根据权利要求1所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，每个所述弯曲微反射器被以围绕第二横轴(Y)的相应角度而定向，以从球面波前中的所述相应矩形波导的所述第一面反射光的一部分，所述第二横轴(Y)与所述第一横轴(Z)以及所述纵轴(X)正交。
16.根据权利要求1所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，对于至少一些所述矩形波导中的每一个，每个所述相应弯曲微反射器围绕第二横轴(Y)的相应角度，大于在所述纵轴(X)被穿过时紧接在前的所述相应弯曲微反射器的所述相应角度，所述第二横轴(Y)与所述第一横轴以及所述纵轴正交。
17.根据权利要求1所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，每个所述弯曲微反射器以围绕纵轴(X)的相应角度而定向，以从球面波前的所述相应矩形波导的所述第一面反射光的一部分。
18.根据权利要求1所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，每个所述弯曲微反射器被以相应第一角度以及相应第二角度而定向，所述相应第一角度围绕第二横轴(Y)，所述相应第二角度围绕垂直于所述相应第一角度所在的平面的轴，以从球面波前中的所述相应矩形波导的所述第一面反射光的一部分，所述第二横轴(Y)与所述第一横轴(Z)以及所述纵轴(X)正交。
19.根据权利要求1所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，每个所述弯曲微反射器被以围绕至少两个不同轴的相应角度而定向，以将无穷远聚焦的光重新聚焦到特定的径向距离。
20.根据权利要求1所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，每个所述弯曲微反射器被定向，以将通过所述相应矩形波导的端接收的光反射到所述相应矩形波导的所述第一面以外，其中，将所述光反射到所述相应矩形波导外部的所述第一面垂直于接收所述光的所述端。
21.根据权利要求20所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，所述弯曲微反射器沿着相应径向轴(R)从所述相应矩形波导向外反射所述光，所述径向轴被以相对于第一面的相应角度而定向，所述光从所述第一面向外反射。
22.根据权利要求21所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，所述相应径向轴(R)中的至少一些被以相对于所述第一面的相应第一非垂直角度和相应第二非垂直角度而定向，所述光从所述第一面向外反射，所述第一和所述第二非垂直角度是互相非平面的。
23.根据权利要求22所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，沿着所述第一横轴(Z)互相连续横向布置的所述矩形波导在至少一个方向上能至少部分地传输从所述弯曲微反射器互相反射的光。
24.根据权利要求23所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，沿着所述第一横轴(Z)互相连续横向布置的所述矩形波导仅在一个方向上能至少部分地传输从所述弯曲微反射器互相反射的光。
25.根据权利要求23所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，沿着第二横轴(Y)互相连续横向布置的所述矩形波导不能传输从所述弯曲微反射器互相反射的光，所述第二横轴(Y)与所述第一横轴以及所述纵轴正交。
26.根据权利要求1所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，对于至少一些所述矩形波导，所述多个弯曲微反射器每个具有相应第一曲率半径，至少一个所述弯曲微反射器的所述第一曲率半径与所述相应矩形波导的至少另一所述弯曲微反射器的所述第一曲率半径不同。
27.根据权利要求1所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，对于至少一些所述矩形波导，所述多个弯曲微反射器每个具有围绕第一轴的相应第一曲率半径以及围绕第二轴的相应第二曲率半径，所述第二轴与第一轴不共线。
28.根据权利要求27所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，对于至少一些所述矩形波导，弯曲微反射器中的至少一个的所述相应第一和所述相应第二曲率半径与所述相应矩形波导的所述弯曲微反射器中的至少第二个的所述相应第一和所述相应第二曲率半径不同。
29.根据权利要求27所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，对于每个所述矩形波导，所述第一侧、所述第二侧、所述第一面或所述第二面中的至少一个基本上保持所述矩形波导中的角模式的第一集合，并且从所述矩形波导基本上传递角模式的第二集合，并且所述矩形波导的所述相应弯曲微反射器基本上反射角模式的第二集合且基本上传递角模式的所述第一集合，以横穿所述相应矩形波导的所述长度。
30.一种光学设备，包括
耦合管，所述耦合管被定向在第一方向，并具有一系列分束器，其中，所述耦合管被配置为接收输入光，并且进一步其中，每个所述分束器将在所述分束器上入射的光的一部分反射到波导并传递光的第二部分；
被定向在不同于所述第一方向的第二方向的多个波导；
弯曲微反射器的多个集合，其中，弯曲微反射器的集合被嵌入到所述多个波导的每个中，
其中，微反射器的每个集合将光反射为三维(3D)图案。
31.根据权利要求30所述的光学设备，其中，每个所述弯曲微反射器为部分透明。
32.根据权利要求30所述的光学设备，其中，所述输入光是光锥。
33.根据权利要求32所述的光学设备，其中，每个所述微反射器的第一反射率反射从对应波导的内表面反射的所述光锥的角模式，且对其它角模式透明。
34.根据权利要求32所述的光学设备，其中，每个所述波导的第二反射率不反射从对应微反射器反射的角模式，且反射所述波导内的其它角模式。
35.根据权利要求30所述的光学设备，其中，所述输入光足够宽，从而在从所述3D图案中的所述微反射器反射的光之间不存在间隙。
36.根据权利要求30所述的光学设备，还包括被配置为将所述输入光引入到所述耦合管中的多模式光纤。
37.根据权利要求30所述的光学设备，其中，所述输入光被沿着第一轴偏振，并且所述微反射器和波导表面仅反射沿着所述第一轴偏振的光。
38.根据权利要求37所述的光学设备，其中，容纳所述设备的显示器的外部具有正交偏振屏幕，所述正交偏振屏幕被配置为调整外部光和反射到3D图案中的光之间的对比度水平。
39.根据权利要求30所述的光学设备，其中，所述微反射器的曲率和形状能动态改变。
40.根据权利要求30所述的光学设备，其中，所述3D图案与由在给定x坐标、y坐标和z坐标处的虚拟点源产生的球面波前相对应。
41.根据权利要求40所述的光学设备，其中，所述x坐标和y坐标由弯曲微反射器的所述多个集合中的每个所述弯曲微反射器的2D角度定向来确定。
42.根据权利要求40所述的光学设备，其中，所述z坐标由微反射器形状以及所述微反射器的二维定向梯度的配置来确定。
43.根据权利要求30所述的光学设备，其中，所述第二方向与第一方向基本上垂直。
44.一种三维投射***，包含多个堆叠的根据权利要求30所述的光学设备，其中，所述输入光被分离的多模光纤引入到每个耦合管中。
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