CN113424085A - 用于通过光波导的倾斜表面的光耦合的色散补偿 - Google Patents

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Abstract

一种光学器件(例如，光瞳扩展器)包括具有倾斜面的波导。该光学器件包括在倾斜面上的反射器，以及棱镜，或在倾斜面处的光栅。棱镜或光栅补偿来自显示器的图像光的色散，这减少了显示图像的模糊。波导可以被配置用于一维或二维的瞳孔复制。

Description

用于通过光波导的倾斜表面的光耦合的色散补偿
相关申请
本申请要求享有2019年2月11日提交的第62/804,119号美国申请以及2019年11月14日提交的第16/684,009号美国申请的优先权的权益，其内容通过引用以其整体结合于此。
技术领域
本申请大体上涉及显示设备，且更具体地说，涉及头戴式显示设备。
背景
头戴式显示设备(本文也称为头戴式显示器)作为向用户提供视觉信息的手段越来越受欢迎。例如，头戴式显示设备用于虚拟现实和增强现实操作。
头戴式显示器中需要具有大视场(FOV)的显示器。大的FOV允许用户完全沉浸在虚拟现实或增强现实环境中，并且体验与用户在现实世界中可能体验到的场景类似的场景。
概述
因此，需要具有增加的FOV的头戴式显示设备。这种头戴式显示设备将增强用户对虚拟现实和/或增强现实操作的体验。
通过所公开的设备，减少或消除了与传统头戴式显示器相关的上述缺陷和其他问题。
根据一些实施例，光学器件包括光波导，该光波导具有第一光学表面和与第一光学表面相对的第二光学表面。第一光学表面和第二光学表面都从光波导的第一端延伸到与光波导的第一端相对的光波导的第二端。光波导还具有邻近光波导的第一端的倾斜面。倾斜面与第一光学表面和第二光学表面不平行且不垂直。该光学器件还包括在光波导的倾斜面上的反射器和定位成邻近光波导的第一端并且与光波导分离的棱镜。
根据一些实施例，光波导具有第一光学表面和与第一光学表面相对的第二光学表面。第一光学表面和第二光学表面都从光波导的第一端延伸到与光波导的第一端相对的光波导的第二端。光波导还具有邻近光波导的第一端的倾斜面。倾斜面与第一光学表面和第二光学表面不平行且不垂直。倾斜面包括光栅。
该设备还可以包括定位成邻近第二光学表面的一个或更多个输出耦合器。
棱镜可以包括第一光学表面和第二光学表面，并且棱镜可以被配置成通过棱镜的第一光学表面接收来自投光器在第一方向上的光，并且在不平行于第一方向的第二方向上将来自投光器的光引导向光波导。光波导可以被配置成通过光波导的第一光学表面接收来自棱镜的在不垂直于光波导的第一光学表面的第二方向上的光，并且在光波导的第一光学表面处，在不平行于第二方向的第三方向上将光引导向倾斜面。倾斜面上的反射器可以被配置成在光波导的第一光学表面处在第四方向上反射被引导的光，以便在光波导内传播。一个或更多个输出耦合器可以被配置成重定向照射在一个或更多个输出耦合器上的至少一部分光，以通过光波导的第一光学表面透射出光波导。在这样的实施例中，来自投光器的光可以以零入射角照射在棱镜的第一光学表面上。由一个或更多个输出耦合器重定向的光以零入射角照射在光波导的第一光学表面上。
一个或更多个输出耦合器可以被配置成将在光波导内传播的光从光波导的第一端重定向到光波导的第二端，使得光的第一部分通过光波导的第一光学表面的第一位置透射出光波导，并且光的不同于光的第一部分的第二部分通过光波导的第一光学表面的第二位置透射出光波导，第二位置与光波导的第一光学表面的第一位置不同并且分离。
一个或更多个输出耦合器包括多个反射器。多个反射器中的相应反射器可以被配置成将在光波导内传播的光的相应部分从光波导的第一端重定向到光波导的第二端，使得光的相应部分通过光波导的第一光学表面的对应位置透射出光波导。
一个或更多个输出耦合器可以包括体布拉格光栅，该体布拉格光栅被配置成将光波导内传播的光的相应部分从光波导的第一端定向到光波导的第二端，使得光的多个部分中的相应部分通过光波导的第一光学表面的对应位置透射出光波导。
棱镜接收的光可以具有第一角展度。通过光波导的第一光学表面透射的光的至少一部分可以具有第二角展度。棱镜的第一光学表面和棱镜的第二光学表面可以形成锐角。倾斜面可以限定相对于第一光学表面的面角(facet angle)。棱镜的面角和锐角可以被选择为使得第一角展度内的任何光在对应于第一角展度的第二角展度内通过光波导的第一光学表面输出。
棱镜可以包括第一光学表面和第二光学表面。棱镜的第二光学表面可以与光波导的第一光学表面光学耦合。在这样的实施例中，棱镜的第二光学表面可以定位成基本平行于光波导的第一光学表面。棱镜的第二光学表面可以与光波导的第一光学表面通过空气分离。
该器件可以对可见光基本透明。
棱镜接收的光可以是非单色的。
光波导可以具有至少40mm的长度和至少40mm的宽度。
棱镜可以具有小于光波导的宽度的长度。
根据本公开的显示设备可以包括投光器和如上定义的光学器件。
投光器可以被配置成投射对应于一个或更多个图像的光。显示设备可以被配置成组合从投光器投射的光和来自显示设备外部的光，以提供从投光器投射的一个或更多个图像与对应于来自显示设备外部的光的真实图像的重叠。
光学器件可以被配置成将由投光器投射的一个或更多个图像扩展到比投光器上的一个或更多个图像更大的视窗。
显示设备可以是头戴式显示设备。
根据一些实施例，光学器件包括光波导，该光波导具有第一光学表面和与第一光学表面相对的第二光学表面。第一光学表面和第二光学表面都从光波导的第一端延伸到与光波导的第一端相对的光波导的第二端。光波导还具有邻近光波导的第一端的倾斜面。倾斜面与第一光学表面和第二光学表面不平行且不垂直。倾斜面包括光栅。
该设备还可以包括定位成邻近第二光学表面的一个或更多个输出耦合器。
因此，所公开的实施例提供了具有大视场的显示设备。在一些实施例中，显示设备是头戴式显示设备。
附图简述
为了更好地理解所描述的各个实施例，应当结合以下附图来参考下面的实施例的描述，在所有附图中，相同的附图标记指示相应的部件。
图1是根据一些实施例的显示设备的透视图。
图2是根据一些实施例的包括显示设备的***的框图。
图3是根据一些实施例的显示设备的等轴视图(isometric view)。
图4示出了根据一些实施例的光学器件。
图5A-图5C示出了根据一些实施例的光学器件。
图6A示出了根据一些实施例的二维光学器件。
图6B示出了图6A所示的二维光学器件的横截面。
图6C示出了根据一些实施例的二维光学器件。
图7是根据一些实施例的显示设备的等轴视图。
图8示出了根据一些实施例的头戴式显示设备。
图9A-图9C示出了根据一些实施例的光学器件。
这些图不是按比例绘制的，除非另有说明。
详细描述
需要具有大FOV的头戴式显示设备来增强用户对虚拟现实和/或增强现实操作的体验。通过将来自光源的光耦合到光波导的倾斜面中，使得耦合光的主方向不垂直于光波导的倾斜面，从而增加显示设备的光波导的输入接受角，可以实现增加的FOV。然而，这可能导致耦合光的色散增加，并可能导致由光显示的图像模糊(smear)。棱镜或光栅可以用作输入耦合器，以防止或减少由光显示的图像的色散和模糊。
本公开提供了被配置成以大的视场将光定向到视窗或用户的眼睛、同时减少或消除色散的显示设备。
现在将参考实施例，其示例在附图中示出。在以下描述中，阐述了许多具体细节，以便提供对各种所描述的实施例的理解。然而，对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施各种所描述的实施例。在其他情况下，没有详细描述众所周知的方法、过程、组件、电路和网络，以免不必要地模糊实施例的各个方面。
还应当理解，尽管在一些情况下，术语第一、第二等在本文用于描述各种元素，但这些元素不应当被这些术语所限制。这些术语仅用于区分一个元素和另一个元素。例如，在不偏离各种所述实施例的范围的情况下，第一光学表面可以被称为第二光学表面，类似地，第二光学表面可以被称为第二光学表面。第一光学表面和第二光学表面都是光学表面，但它们不是相同的光学表面。
在本文各种所描述的实施例的描述中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不旨在是限制性的。如在各种所描述的实施例和所附权利要求的描述中所使用的，除非上下文清楚地另有指示，否则单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”也旨在包括复数形式。还应当理解，本文使用的术语“和/或”指的是并包括一个或更多个相关列出项目的任何和所有可能的组合。还应当理解，当在本说明书中使用时，术语“包括(includes)”、“包括(including)”、“包含(comprises)”和/或“包含(comprises)”指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除一个或更多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组合的存在或添加。术语“示例性的”在本文中是在“用作示例、实例或说明”的意义上使用的，而不是在“代表同类中最好”的意义上使用的。
图1示出了根据一些实施例的显示设备100。在一些实施例中，显示设备100被配置成佩戴在用户的头上(例如，通过具有如图1所示的眼镜(spectacles或eyeglasses)的形式)，或者作为用户要佩戴的头盔的一部分被包括。当显示设备100被配置成佩戴在用户的头上或者作为头盔的一部分被包括时，显示设备100被称为头戴式显示器。替代地，显示设备100被配置用于在固定位置处放置在用户的一只或两只眼睛附近，而不是头戴式的(例如，显示设备100被安装在诸如汽车或飞机的交通工具中，用于放置在用户的一只或两只眼睛前面)。如图1所示，显示设备100包括显示器110。显示器110被配置用于向用户呈现视觉内容(例如，增强现实内容、虚拟现实内容、混合现实内容或其任意组合)。
在一些实施例中，显示设备100包括本文参考图2所描述的一个或更多个部件。在一些实施例中，显示设备100包括图2中未示出的附加部件。
图2是根据一些实施例的***200的框图。图2所示的***200包括显示设备205(其对应于图1所示的显示设备100)、成像设备235和输入接口240，它们各自耦合到控制台210。虽然图2示出了包括一个显示设备205、成像设备235和输入接口240的***200的示例，但在其他实施例中，***200中可以包括任何数量的这些部件。
例如，可以有多个显示设备205，每个显示设备205具有相关联的输入接口240，并且由一个或更多个成像设备235监控，其中每个显示设备205、输入接口240和成像设备235都与控制台210通信。在替代配置中，不同部件和/或附加部件可以被包括在***200中。例如，在一些实施例中，控制台210经由网络(例如，互联网)连接到***200，或者作为显示设备205的一部分是独立的(self-contained)(例如，物理上位于显示设备205内部)。在一些实施例中，显示设备205用于通过添加现实环境的视图来创建混合现实。因此，这里描述的显示设备205和***200可以传送增强现实、虚拟现实和混合现实。
在一些实施例中，如图1所示，显示设备205是向用户呈现媒体的头戴式显示器。由显示设备205呈现的媒体的示例包括一个或更多个图像、视频、音频或它们的某种组合。在一些实施例中，经由外部设备(例如，扬声器和/或耳机)来呈现音频，该外部设备从显示设备205、控制台210或两者接收音频信息并基于该音频信息来呈现音频数据。在一些实施例中，显示设备205使用户沉浸在增强环境中。
在一些实施例中，显示设备205还充当增强现实(AR)头戴式装置。在这些实施例中，显示设备205用计算机生成的元素(例如，图像、视频、声音等)来增强物理现实世界环境的视图。此外，在一些实施例中，显示设备205能够在不同类型的操作之间循环。因此，基于来自应用引擎255的指令，显示设备205作为虚拟现实(VR)设备、增强现实(AR)设备、作为眼镜或其某种组合(例如，没有光学校正的眼镜、针对用户进行了光学校正的眼镜、太阳镜或其某种组合)来操作。
显示设备205包括电子显示器215、一个或更多个处理器216、眼睛跟踪模块217、调整模块218、一个或更多个***220、一个或更多个位置传感器225、一个或更多个位置照相机222、存储器228、惯性测量单元(IMU)230、一个或更多个反射元件260或其子集或超集(例如，具有电子显示器215、一个或更多个处理器216和存储器228而没有任何其他列出的部件的显示设备205)。显示设备205的一些实施例具有不同于这里描述的那些模块的模块。类似地，功能可以以不同于这里描述的方式分布在模块中。
一个或更多个处理器216(例如，处理单元或核心)执行存储在存储器228中的指令。存储器228包括高速随机存取存储器，例如DRAM、SRAM、DDR RAM或其他随机存取固态存储器设备；并且可以包括非易失性存储器，例如一个或更多个磁盘存储设备、光盘存储设备、闪存设备或其他非易失性固态存储设备。存储器228或者替代地在存储器228内的非易失性存储器设备包括非暂时性计算机可读存储介质。在一些实施例中，存储器228或存储器228的计算机可读存储介质存储用于在电子显示器215上显示一个或更多个图像的程序、模块和数据结构、和/或指令。
电子显示器215根据从控制台210和/或处理器216接收的数据来向用户显示图像。在各种实施例中，电子显示器215可以包括单个可调整显示元件或多个可调整显示元件(例如，用户的每只眼睛对应一个显示器)。在一些实施例中，电子显示器215被配置成通过将图像投射到一个或更多个反射元件260上来向用户显示图像。
在一些实施例中，显示元件包括一个或更多个发光器件和相应的空间光调制器阵列。空间光调制器是电光像素阵列、光电像素阵列、动态调整由每个器件传输的光量的某种其他器件阵列、或它们的某种组合。这些像素被放置在一个或更多个透镜的后面。在一些实施例中，空间光调制器是LCD(液晶显示器)中基于液晶的像素阵列。发光器件的示例包括：有机发光二极管、有源矩阵有机发光二极管、发光二极管、能够放置在柔性显示器中的某种类型的器件、或它们的某种组合。发光器件包括能够生成用于图像生成的可见光(例如，红色、绿色、蓝色等)的器件。空间光调制器被配置成选择性地衰减单个发光器件、发光器件组、或它们的某种组合。替代地，当发光器件被配置成选择性地衰减单个发射器件和/或发光器件组时，显示元件包括这种发光器件的阵列，而没有单独的发射强度阵列(emissionintensity array)。在一些实施例中，电子显示器215将图像投射到一个或更多个反射元件260，反射元件260将至少一部分光朝向用户的眼睛反射。
一个或更多个透镜将来自发光器件阵列的光定向(可选地穿过发射强度阵列)至每个视窗(eyebox)内的位置，并最终定向至用户视网膜的背面。视窗是位于显示设备205附近的用户(例如，佩戴显示设备205的用户)的眼睛所占据的区域，用于观看来自显示设备205的图像。在一些情况下，视窗被表示为10mm×10mm的正方形。在一些实施例中，一个或更多个透镜包括一个或更多个涂层，例如抗反射涂层。
在一些实施例中，显示元件包括红外(IR)检测器阵列，该IR检测器阵列检测从观看用户的视网膜、从角膜的表面、眼睛的晶状体或它们的某种组合逆反射(retro-reflect)的IR光。IR检测器阵列包括一个IR传感器或多个IR传感器，该多个IR传感器中的每一个对应于观看用户的眼睛瞳孔的不同位置。在替代实施例中，也可以采用其他眼睛跟踪***。
眼睛跟踪模块217确定用户眼睛的每个瞳孔的位置。在一些实施例中，眼睛跟踪模块217指示电子显示器215用IR光(例如，经由显示元件中的IR发射器件)照亮视窗。
发射的IR光的一部分将穿过观看用户的瞳孔，并从视网膜朝向IR检测器阵列逆反射，该IR检测器阵列用于确定瞳孔的位置。替代地，离开眼睛表面的反射光也被用于确定瞳孔的位置。IR检测器阵列扫描逆反射，并在检测到逆反射时识别出哪些IR发射器件处于活动状态。眼睛跟踪模块217可以使用跟踪查找表和所识别的IR发射器件来确定每只眼睛的瞳孔位置。跟踪查找表将IR检测器阵列上接收到的信号映射到每个视窗中的位置(对应于瞳孔位置)。在一些实施例中，跟踪查找表是经由校准过程生成的(例如，用户看图像中的各个已知参考点，并且眼睛跟踪模块217将在看参考点时用户的瞳孔的位置映射到在IR跟踪阵列上接收到的相应信号)。如上面所提到的，在一些实施例中，***200可以使用除了本文描述的嵌入式IR眼睛跟踪***之外的其他眼睛跟踪***。
调整模块218基于所确定的瞳孔位置生成图像帧。在一些实施例中，这将离散图像发送到显示器，显示器将子图像平铺在一起，因此连贯的拼接图像将出现在视网膜的背面。调整模块218基于检测到的瞳孔位置调整电子显示器215的输出(即，生成的图像帧)。调整模块218指示电子显示器215的一些部分将图像光传递到所确定的瞳孔位置。在一些实施例中，调整模块218还指示电子显示器不要将图像光传递到除了所确定的瞳孔位置之外的位置。调整模块218可以例如，阻挡和/或停止其图像光落在所确定的瞳孔位置之外的发光器件、允许其他发光器件发射落入所确定的瞳孔位置内的图像光、平移和/或旋转一个或更多个显示元件、动态调整透镜(例如，微透镜)阵列中的一个或更多个有源透镜的曲率和/或屈光力(refractive power)、或者这些操作的某种组合。
可选的***220是相对于彼此并且相对于显示设备205上的特定参考点位于显示设备205上特定位置的对象。***220可以是发光二极管(LED)、锥体棱镜(corner cubereflector)、反射标记(reflective marker)、与显示设备205的操作环境形成对比的一种类型的光源、或它们的某种组合。在***220是有源的(即，LED或其他类型的发光器件)的实施例中，***220可以发射在可见光波段(例如，约400nm至750nm)中、在红外波段(例如，约750nm至1mm)中、在紫外波段(约100nm至400nm)中、电磁波谱的某个其他部分或其某种组合中的光。
在一些实施例中，***220位于显示设备205的外表面下面，该外表面对于由***220发射或反射的光的波长是透光的，或者足够薄而基本上不减弱由***220发射或反射的光的波长。此外，在一些实施例中，显示设备205的外表面或其他部分在光的波长的可见光波段中是不透光的。因此，***220可以在外表面下发射在IR波段中的光，该外表面在IR波段中是透光的，但在可见光波段中是不透光的。
IMU 230是基于从一个或更多个位置传感器225接收的测量信号来生成校准数据的电子设备。位置传感器225响应于显示设备205的运动而生成一个或更多个测量信号。位置传感器225的示例包括：一个或更多个加速度计、一个或更多个陀螺仪、一个或更多个磁力计、检测运动的另一合适类型的传感器、用于IMU 230的误差校正的一种类型的传感器、或者它们的某种组合。位置传感器225可以位于IMU 230的外部、IMU 230的内部或者其某种组合。
基于来自一个或更多个位置传感器225的一个或更多个测量信号，IMU 230生成第一校准数据，该第一校准数据指示相对于显示设备205的初始位置的显示设备205的估计位置。例如，位置传感器225包括测量平移运动(向前/向后、向上/向下、向左/向右)的多个加速度计和测量旋转运动(例如，俯仰、偏航、横滚)的多个陀螺仪。在一些实施例中，IMU 230对测量信号进行快速采样，并从采样的数据计算显示设备205的估计位置。例如，IMU 230在时间上对从加速度计接收的测量信号进行积分以估计速度向量，并在时间上对速度向量进行积分以确定显示设备205上参考点的估计位置。替代地，IMU 230向控制台210提供所采样的测量信号，控制台210确定第一校准数据。参考点是可以用来描述显示设备205的位置的点。尽管参考点通常可以被定义为空间中的点；但是，在实践中，参考点被定义为显示设备205内的点(例如，IMU 230的中心)。
在一些实施例中，IMU 230从控制台210接收一个或更多个校准参数。如下面进一步讨论的，一个或更多个校准参数用于保持对显示设备205的跟踪。基于接收到的校准参数，IMU 230可以调整一个或更多个IMU参数(例如，采样率)。在一些实施例中，某些校准参数使得IMU 230更新参考点的初始位置，使得其对应于参考点的下一个校准位置。将参考点的初始位置更新为参考点的下一个校准位置有助于减少与所确定的估计位置相关联的累积误差。累积误差(也称为漂移误差(drift error))导致参考点的估计位置随着时间的推移偏离参考点的实际位置。
成像设备235根据从控制台210接收的校准参数来生成校准数据。校准数据包括显示***220的所观察的位置的一个或更多个图像，这些位置由成像设备235可检测。在一些实施例中，成像设备235包括一个或更多个静止照相机、一个或更多个摄像机、能够捕获包括一个或更多个***220的图像的任何其他设备、或它们的某种组合。此外，成像设备235可以包括一个或更多个滤波器(例如，用于增加信噪比)。成像设备235被配置成可选地在成像设备235的视场中检测从***220发射或反射的光。在***220包括无源元件(例如，逆反射器(retroreflector))的实施例中，成像设备235可以包括照亮一些或所有***220的光源，这些***朝着成像设备235中的光源逆反射光。第二校准数据从成像设备235被传递到控制台210，并且成像设备235从控制台210接收一个或更多个校准参数以调整一个或更多个成像参数(例如，焦距、焦点、帧速率、ISO、传感器温度、快门速度、光圈等)。
在一些实施例中，显示设备205可选地包括一个或更多个反射元件260。在一些实施例中，电子显示设备205可选地包括单个反射元件260或多个反射元件260(例如，用户每只眼睛一个反射元件260)。在一些实施例中，电子显示设备215将计算机生成的图像投射到一个或更多个反射元件260上，反射元件260继而将图像朝向用户的一只眼睛或两只眼睛反射。计算机生成的图像包括静止图像、动画图像和/或它们的组合。计算机生成的图像包括看起来是二维和/或三维对象的对象。在一些实施例中，一个或更多个反射元件260是部分透光的(例如，一个或更多个反射元件260具有至少15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％或50％的透射率)，这允许环境光的传输。在这样的实施例中，由电子显示器215投射的计算机生成的图像与透射的环境光(例如，透射的环境图像)叠加，以提供增强现实图像。
输入接口240是允许用户向控制台210发送动作请求的设备。动作请求是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束应用，或者是在应用内执行特定动作。输入接口240可以包括一个或更多个输入设备。示例输入设备包括：键盘、鼠标、游戏控制器、来自大脑信号的数据、来自人体其他部位的数据、或者用于接收动作请求并将接收到的动作请求传送到控制台210的任何其他合适的设备。由输入接口240接收到的动作请求可以被传送到控制台210，控制台210执行对应于动作请求的动作。在一些实施例中，输入接口240可以根据从控制台210接收到的指令来向用户提供触觉反馈。例如，当接收到动作请求时，提供触觉反馈，或者控制台210向输入接口240传送指令，使输入接口240在控制台210执行动作时生成触觉反馈。
控制台210根据从成像设备235、显示设备205和输入接口240中的一个或更多个接收的信息来向显示设备205提供媒体以呈现给用户。在图2所示的示例中，控制台210包括应用储存器245、跟踪模块250和应用引擎255。控制台210的一些实施例具有与结合图2描述的模块不同的模块。类似地，本文进一步描述的功能可以以不同于这里描述的方式分布在控制台210的部件当中。
当应用储存器245被包括在控制台210中时，应用储存器245存储由控制台210执行的一个或更多个应用。应用是一组指令，该组指令当由处理器执行时被用来生成用于呈现给用户的内容。由处理器基于应用生成的内容可以响应于经由显示设备205的移动或输入接口240而从用户接收的输入。应用的示例包括：游戏应用、会议应用、视频回放应用或其他合适的应用。
当跟踪模块250被包括在控制台210中时，跟踪模块250使用一个或更多个校准参数来校准***200，并且可以调整一个或更多个校准参数以降低显示设备205位置确定中的误差。
例如，跟踪模块250调整成像设备235的焦点以获得在显示设备205上的被观察到的***的更准确的位置。此外，由跟踪模块250执行的校准还考虑从IMU 230接收到的信息。此外，如果失去对显示设备205的跟踪(例如，成像设备235失去至少阈值数量的***220的视线)，则跟踪模块250重新校准部分或全部***200。
在一些实施例中，跟踪模块250使用来自成像设备235的第二校准数据来跟踪显示设备205的移动。例如，跟踪模块250使用被观察的***根据第二校准数据和显示设备205的模型来确定显示设备205的参考点的位置。在一些实施例中，跟踪模块250还使用来自第一校准数据的位置信息来确定显示设备205的参考点的位置。此外，在一些实施例中，跟踪模块250可以使用第一校准数据、第二校准数据或其某种组合的部分来预测显示设备205的未来位置。跟踪模块250向应用引擎255提供显示设备205的估计位置或预测的未来位置。
应用引擎255执行在***200内的应用，并从跟踪模块250接收显示设备205的位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置或其某种组合。基于接收到的信息，应用引擎255确定要提供给显示设备205用于呈现给用户的内容。例如，如果接收到的信息指示用户已经向左看，则应用引擎255为显示设备205生成反映(mirror)用户在增强环境中的移动的内容。另外，应用引擎255响应于从输入接口240接收到的动作请求来在控制台210上执行的应用内执行动作，并且向用户提供动作被执行的反馈。所提供的反馈可以是经由显示设备205的视觉或听觉反馈或者经由输入接口240的触觉反馈。
图3是根据一些实施例的显示设备300的等轴视图。在一些其他实施例中，显示设备300是某种其他电子显示器(例如，数字显微镜、头戴式显示设备等)的一部分。在一些实施例中，显示设备300包括发光器件阵列310和一个或更多个透镜330。在一些实施例中，显示设备300还包括IR检测器阵列。
发光器件阵列310朝向观看用户发射图像光和可选的IR光。发光器件阵列310可以是例如，LED阵列、微LED阵列、OLED阵列或它们的某种组合。发光器件阵列310包括发射在可见光中的光的发光器件320(并且可选地包括发射在IR中的光的器件)。
在一些实施例中，显示设备300包括发射强度阵列，其被配置成选择性地衰减从发光设备阵列310发射的光。在一些实施例中，发射强度阵列由多个液晶单元或像素、发光器件组、或它们的某种组合组成。每个液晶单元(或者在一些实施例中，液晶单元组)是可寻址的，以具有特定的衰减水平。例如，在给定时间，一些液晶单元可以被设置为无衰减，而其他液晶单元可以被设置为最大衰减。以这种方式，发射强度阵列能够控制从发光器件阵列310发射的图像光的哪一部分被传递到一个或更多个透镜330。在一些实施例中，显示设备300使用发射强度阵列来促进向用户的眼睛340的瞳孔350的位置提供图像光，并且最小化向视窗中的其他区域提供的图像光的量。
一个或更多个透镜330接收来自发射强度阵列(或直接来自发射器件阵列310)的经修改的图像光(例如，经衰减的光)，并将经修改的图像光定向至瞳孔350的位置。
可选的IR检测器阵列检测已经从眼睛340的视网膜、眼睛340的角膜、眼睛340的晶状体或其某种组合逆反射的IR光。IR检测器阵列包括单个IR传感器或多个IR敏感检测器(例如光电二极管)。在一些实施例中，IR检测器阵列与发光器件阵列310分离。在一些实施例中，IR检测器阵列被集成到发光器件阵列310中。
在一些实施例中，发光器件阵列310和发射强度阵列构成显示元件。替代地，显示元件包括发光器件阵列310(例如，当发光器件阵列310包括可单独调整的像素时)，而不包括发射强度阵列。在一些实施例中，显示元件另外包括IR阵列。在一些实施例中，响应于所确定的瞳孔350位置，显示元件调整发射的图像光，使得显示元件输出的光被一个或更多个透镜330朝向所确定的瞳孔350位置(而不是朝向视窗中的其他位置)折射。
在一些实施例中，除了发光器件阵列310之外，或者代替发光器件阵列310，显示设备300包括与多个滤色器耦合的一个或更多个宽带光源(例如，一个或更多个白色LED)。
图4示出了根据一些实施例的光学器件400。
在图4中，光学器件400包括光波导410。光波导410具有第一光学表面412和第二光学表面414。在一些实施例中，第二光学表面414基本平行于第一光学表面412(例如，第二光学表面414和第一光学表面412形成小于1弧分的角度)。在一些实施例中，第二光学表面414平行于第一光学表面412。光波导410具有两端415和417。第一端415具有与第一光学表面412和第二光学表面414不垂直并且不平行的倾斜面416。光波导410还包括沿着第二光学表面414定位的一个或更多个输出耦合器418。光波导410被配置成接收从投光器422投射的光。在图4中，光线430、432和434由投光器422输出，并由光波导410的倾斜面416接收。光线430、432和434通过倾斜面416耦合到(例如，进入)光波导410。
光线430以输入角450-1进入光波导410。光线432以输入角452-1进入光波导410。光线434以输入角454-1进入光波导410。光线434的输入角454-1大于光线430的输入角450-1和光线432的输入角452-1。光线430、432和434通过倾斜面416进入光波导410，并在第一光学表面412通过全内反射反射。光线434从波导内部被第一光学表面412朝向倾斜面416反射。光线434被倾斜面416反射并变成杂散光。在一些实施例中，诸如当投光器422具有在角度450-1和454-1内的视场时，由于在倾斜表面416处的反射而产生的杂散光可以忽略不计。
光线430和432在第一光学表面412被反射，并向第二光学表面414行进。光线430和432入射到一个或更多个输出耦合器418的至少一部分上。一个或更多个输出耦合器418将至少一部分光线430和至少一部分光线432重定向。被一个或更多个输出耦合器418重定向的光线430和432的一部分以不满足全内反射条件的角度(例如，入射角小于临界角)入射到第一光学表面412上。因此，被一个或更多个输出耦合器418重定向的光线430和432的一部分通过第一光学表面412离开光波导410，并被定向至视窗420和/或用户眼睛340的瞳孔350。光线430的被重定向到视窗420的部分(至少部分地)以对应于输入角450-1的出射角450-2离开光波导410。光线432的被重定向到视窗420的部分以对应于输入角452-1的出射角452-2离开光波导410。在一些实施例中，出射角450-2与输入角450-1相同，出射角452-2与输入角452-1相同。
在一些实施例中，投光器422在基本垂直于光波导410的倾斜面416的方向上提供光(例如，由投光器422投射的光的光轴和倾斜面416形成小于1弧分的角度)。
如图4所示，光学器件400能够将来自投光器(例如，投光器422)的光定向到视窗(例如，视窗420)或用户的眼睛。如本文所使用的，输入角展度(angular spread)是指耦合到光学器件(例如，光学器件400)中的输入光的角度范围。如本文所使用的，出射角展度是指从光学器件(例如，光学器件400)输出的光的角度范围。在一些情况下，如图4所示，光学器件400的输入角展度是输入角450-1和452-1的总和，并且光学器件400的出射角展度是出射角450-2和452-2的总和。在一些实施例中，出射角展度对应于输入角展度。在一些情况下，出射角展度与输入角展度相同。在一些情况下，光学器件的FOV由光学器件的出射角展度决定。为了增加光学器件400的FOV，投光器422可以相对于光波导410的倾斜面416倾斜，使得来自投光器422的光的主方向不垂直于倾斜面416。相对于倾斜面416倾斜投光器422允许光学器件400的FOV增加。在一些情况下，由投光器422投射的光的光轴426和垂直于倾斜面416的表面形成30度的角度。然而，当投光器422相对于光波导410的倾斜面416倾斜时，将从投光器422输出的光耦合到光波导410中会导致由所述光显示的图像的色散和/或模糊。
因此，需要一种用于将来自投光器(例如，投光器422)的光耦合到光波导(例如，光波导410)中的内耦合机制，其允许增加FOV并且补偿色散，以便防止或减少由光显示的图像的模糊。
我们现在转到光学器件的某些实施例，该光学器件被配置成以增加的FOV将来自投光器(例如，投光器422)的光定向到视窗(例如，视窗420)，使得以大的输入角度(例如，角度454-1)进入光波导410的光线被定向到用户眼睛的视窗和/或瞳孔。光学器件还被配置成补偿色散。
图5A-图5C示出了根据一些实施例的光学器件。
参考图5A，如上所述，光学器件500包括光波导410。光波导410的倾斜面416具有反射器413，反射器413被配置成反射入射(例如，从波导内部)到倾斜面416上的光。光学器件500还包括具有第一光学表面442和第二光学表面444的棱镜440。光学器件500还包括投光器422。由投光器422输出的光(例如，光线430和434)在通过光波导410的第一光学表面412耦合到(例如，进入)光波导410之前，通过棱镜440透射。棱镜440被配置成通过第一光学表面442接收来自投光器422的光(例如，光线430和434)。棱镜440还被配置成将光(例如，光线430和434)定向到光波导410。光(例如，光线430和434)通过第二光学表面444离开棱镜440，并通过光波导410的第一光学表面412进入光波导410。棱镜440还被配置成补偿耦合到光波导410中的光的色散。
光波导410中的光(例如，光线430和434)在倾斜面416处被反射(例如，被反射器413反射)，并入射到光波导410的第一光学表面412上。光(例如，光线430和434)在光波导410的第一光学表面412处经由全内反射被反射，并入射到一个或更多个输出耦合器418上。一个或更多个输出耦合器418重定向至少一部分光，使得光的重定向部分以不满足全内反射条件的角度(例如，该角度小于临界角)入射到光波导410的第一光学表面412上。光的重定向部分离开光波导410，并被定向到视窗420和/或用户眼睛340的瞳孔350。
在图5A中，光学器件500被配置成将来自投光器(例如，投光器422)的光定向，使得光的出射角对应于光的输入角。在一些实施例中，输入角和出射角相同(例如，出射角450-2和输入角450-1相同，出射角454-2和输入角454-1相同)。例如，光线430以输入角450-1进入棱镜440，并以出射角450-2离开光波导410。类似地，光线434以输入角454-1进入棱镜440，并以出射角454-2离开光波导410。输入角度(例如，角度450-1和454-1)定义了输入角展度。出射角度(例如，角度450-2和454-2)定义了出射角展度。在一些实施例中，出射角展度对应于输入角展度。在一些实施例中，出射角展度与输入角展度相同。
如图5A所示，光学器件500能够以大的输入角将光定向(例如，光线434以输入角454-1进入棱镜440)到视窗(例如，视窗420)和/或用户眼睛340的瞳孔350。因此，光学器件500具有比光学器件400更大的FOV。如上所述，通过倾斜投光器422使得来自投光器422的光的主方向不垂直于光波导410的倾斜面416，可以实现光学器件500的大的FOV。然而，这导致当从投光器422输出的光通过倾斜面416耦合到光波导410中时色散。在光学器件500中，棱镜440用作输入耦合器，以防止或减少由光显示的图像的色散和模糊。在一些情况下，如图5A所示，棱镜440的第一光学表面442基本上垂直于来自投光器422的光的主方向(例如，正交于棱镜440的第一光学表面442的表面和来自投光器422的轴向光线形成小于1弧分的角度)。在一些情况下，如图5A所示，棱镜440的第一光学表面442垂直于来自投光器422的光的主方向。在一些情况下，棱镜440的第二光学表面444基本上平行于光波导410的第一光学表面412。在一些情况下，棱镜440的第二光学表面444平行于光波导410的第一光学表面412。在一些实施例中，从投光器422经由棱镜440耦合到光波导410中的光的色散补偿了光从光波导410离开时的色散。在一些实施例中，色散的补偿防止或减少一个或更多个图像的模糊。在一些实施例中，与在没有棱镜440的情况下从投光器422耦合到光波导410中的光相比，从投光器422经由棱镜440耦合到光波导410中的光的色散减少了。
根据一些实施例，光学器件(例如，光学器件500)包括光波导(例如，光波导410)，其具有第一光学表面(例如，光学表面412)和与第一光学表面相对的第二光学表面(例如，光学表面414)。第一光学表面和第二光学表面都从光波导的第一端(例如，端415)延伸到与光波导的第一端相对的光波导的第二端(例如，端417)。光波导还具有邻近光波导的第一端的倾斜面(例如，面416)。倾斜面与第一光学表面和第二光学表面不平行且不垂直。光学器件还包括在光波导的倾斜面上的反射器(例如，反射器413)和定位成邻近光波导的第一端并且与光波导分离的棱镜(例如，棱镜440)(例如，光通过棱镜透射并且在没有在第二光学表面上反射的情况下进入光波导照射在倾斜面上)。在一些实施例中，棱镜定位成邻近光波导的第一光学表面。
在一些实施例中，一个或更多个输出耦合器(例如，一个或更多个输出耦合器418)定位成邻近光波导的第二光学表面(例如，光波导410的第二光学表面414)。在一些情况下，如图5A所示，一个或更多个输出耦合器418位于光波导410内。在一些情况下，一个或更多个输出耦合器418可以定位于光波导410的外部并且邻近第二光学表面414。当一个或更多个输出耦合器418定位于光波导410外部时，一个或更多个输出耦合器418的第一表面490和一个或更多个输出耦合器418的第二表面492基本上平行于光波导410的第一光学表面412和光波导410的第二光学表面414(例如，一个或更多个输出耦合器418的第一表面490和/或第二表面492与光波导410的第一光学表面412和/或第二光学表面414形成小于1弧分的角度)。
在一些实施例中，棱镜(例如，棱镜440)包括第一光学表面(例如，光学表面442)和第二光学表面(例如，第二光学表面444)。棱镜被配置成通过棱镜的第一光学表面接收来自投光器(例如，投光器422)的在第一方向上的光，并且在不平行于第一方向的第二方向上将来自投光器的光引导向光波导(例如，光波导410)(例如，光线430在进入棱镜440之前的方向不同于光线430在从棱镜440离开之后的方向，并且光线434在进入棱镜440之前的方向不同于光线434在从棱镜440离开之后的方向)。光波导被配置成通过光波导的第一光学表面接收来自棱镜的在不垂直于光波导的第一光学表面的第二方向上的光，并且在光波导的第一光学表面处，在不平行于第二方向的第三方向上将光引导到倾斜面416(例如，光线430在光波导的第一光学表面412处折射，使得光线430在进入光波导410之前的方向不同于光线430在进入光波导410之后的方向，并且光线434在光波导的第一光学表面412处折射，使得光线434在进入光波导410之前的方向不同于光线434在进入光波导410之后的方向)。倾斜面(例如，面416)上的反射器(例如，反射器413)被配置成将在光波导的第一光学表面处引导的光在第四方向上反射，以用于在光波导410内传播(例如，反射器413反射光线430，使得光线430在与光线430反射之前的方向不同的方向上传播)。一个或更多个输出耦合器(例如，一个或更多个输出耦合器418)被配置成重定向照射在一个或更多个输出耦合器上的光的至少一部分，以通过光波导的第一光学表面透射出光波导(例如，一个或更多个输出耦合器418将光线430重定向到这样的方向：该方向使得光线430不通过全内反射被光波导410的第一光学表面412反射，并且光线430通过光波导410的第一光学表面412离开光波导410)。
在一些实施例中，投光器422被配置成将光沿着其光轴426输出。在一些实施例中，由投光器422输出的光的光轴426基本上垂直于棱镜440的第一光学表面442(例如，由投光器422投射的光和棱镜440的第一光学表面442形成小于1弧分的角度)。在一些实施例中，由投光器422输出的光的方向不平行于光波导410的第一光学表面412。
在一些实施例中，由投光器422输出的光的主方向沿着投光器422的光轴426并且基本上垂直于棱镜440的第一光学表面442(例如，由投光器422输出的光的主方向和正交于棱镜440的第一光学表面442的表面形成小于1弧分的角度)。
在一些实施例中，来自投光器的光(例如，光线430和434)以零入射角照射在棱镜的第一光学表面上(例如，来自投光器422的光的主方向在棱镜440的第一光学表面442上具有零入射角)。光(例如，光线430和434)由一个或更多个输出耦合器重定向(例如，在光波导410内传播之后)，并以零入射角照射在光波导的第一光学表面上(例如，由一个或更多个输出耦合器418重定向的光的主方向在光波导410的第一光学表面412上具有零入射角)。
图5B示出了光线430在光学器件500中的进一步传播。图5A所示的一些特征在图5B中被省略，以免模糊光学器件500及其操作的其他方面。在图5B中，光线430耦合到光波导410中，如上面关于图5A所述。光线430入射到一个或更多个输出耦合器418上。一个或更多个输出耦合器418将光线430的至少一部分(例如，光线430-A)在第一方向上(朝向光波导410的第一光学表面412)重定向。光线430-A在第一光学表面412上的第一位置462-A以出射角450-2离开光波导410。光线430-A定向到视窗420。在图5B中，光线430-A没有定向到用户眼睛340的瞳孔350。
当光线430-A被反射向第一光学表面412时，光线430的剩余部分(例如，光线430-B)没有被一个或更多个输出耦合器418重定向(例如，由全内反射被光波导410的第二光学表面414反射，或者由一个或更多个输出耦合器418反射)，并且随后通过全内反射被第一光学表面412反射。在一些情况下，光线430-B的一部分被一个或更多个输出耦合器418重定向到第二方向(朝向第一光学表面412)，而不是经由全内反射被光波导410的第二光学表面414反射。一个或更多个输出耦合器418将光线430-B的一部分(例如，光线430-C)在第一方向上(朝向光波导410的第一光学表面412)重定向。光线430-C在第一光学表面412上的第二位置462-C以出射角450-3离开光波导410。在图5B中，光线430-C定向到视窗420和用户眼睛340的瞳孔350。
在一些实施例中，一个或更多个输出耦合器418被配置成将在光波导内传播的光从光波导的第一端重定向到光波导的第二端，使得光的第一部分通过光波导的第一光学表面的第一位置透射出光波导，并且光的不同于光的第一部分的第二部分通过光波导的第一光学表面的第二位置透射出光波导，该第二位置与光波导的第一光学表面的第一位置不同且分离(例如，一个或更多个输出耦合器418将光线430从光波导410的第一端415重定向到光波导410的第二端417)。光线430-A通过位置462-A离开光波导410，并且光线430-C在位置462-C离开光波导410。
虽然图5A和图5B中所示的一个或更多个输出耦合器418是单个连续输出耦合器，但是可以使用两个或更多个不同且分离的输出耦合器来代替单个连续的输出耦合器。例如，在一些实施例中，不同且分离的输出耦合器位于第二光学表面414上光将要被重定向的相应位置。
在一些实施例中，一个或更多个输出耦合器418包括体布拉格光栅。光线430耦合到光波导410中，如上文参考光学器件500所述。光线430在第一光学表面412反射后，入射到体布拉格光栅上。体布拉格光栅将光线430的一部分(例如，光线430-A)在第一方向上朝着光波导410的第一光学表面412重定向(例如，通过衍射，诸如一阶衍射)，使得光线430-A在第一光学表面412上的第一位置462-A以出射角450-2离开光波导410。
没有在第一方向上重定向的光线430的部分(例如，光线430-B)被体布拉格光栅在不同于第一方向的第二方向上重定向到光波导410的第一光学表面412(例如，通过衍射，诸如一阶衍射)。光线430-B通过全内反射被第一光学表面412反射向体布拉格光栅。体布拉格光栅将光线430-B的一部分(例如，光线430-C)在第一方向上朝着光波导410的第一光学表面412重定向(例如，通过衍射，诸如一阶衍射)，使得光线430-A在第一光学表面412上的第二位置462-C以出射角450-3离开光波导410。
在一些实施例中，体布拉格光栅包括两个或更多个光栅。例如，所示的体布拉格光栅可以分成两个或更多个单独的光栅。例如，第一光栅被定位成将至少一部分光线430(例如，通过衍射，诸如一阶衍射)重定向到第一位置462-A，并且第二光栅被定位成将至少一部分光线430-B(例如，通过衍射，诸如一阶衍射)重定向到第二位置462-C。在一些实施例中，第一光栅被配置成重定向具有第一波长范围的入射光的至少一部分，并且第二光栅被配置成重定向具有第二波长范围的入射光的至少一部分。
在一些实施例中，一个或更多个输出耦合器包括体布拉格光栅。体布拉格光栅被配置成将在光波导内传播的光的相应部分从光波导的第一端定向到光波导的第二端，使得光的多个部分中的相应部分通过光波导的第一光学表面的相应位置透射出光波导(例如，体布拉格光栅将光线430(包括光线430-A、430-B和430-C)定向，使得光线430-A通过位置462-A透射出光波导410，并光线430-C通过位置462-C透射出光波导410)。
在一些实施例中，由棱镜(例如，棱镜440)接收的光具有第一角展度(例如，输入角展度)。通过光波导的第一光学表面透射的光的至少一部分(例如，已经通过光波导410的第一光学表面412透射出光波导410的光)具有第二角展度(例如，出射角展度)。棱镜(例如棱镜440)的第一光学表面(例如光学表面442)和棱镜的第二光学表面(例如光学表面444)形成锐角(例如角度590，如图5A所示)。倾斜面(例如面416)相对于光波导的第一光学表面限定了面角(例如角度411)。选择面角(例如，角度411)和棱镜的锐角(例如，590)，使得第一角展度内的任何光在对应于第一角展度的第二角展度内通过光波导(例如，光波导410)的第一光学表面(例如，光学表面412)输出。
在一些实施例中，第一角展度(例如，输入角展度)和第二角展度(例如，出射角展度)是60度或更大。在一些实施例中，面角411在35度和45度之间。在一些实施例中，面角411在30度和65度之间。第二角展度(例如，出射角展度)对应于设备的FOV。
图5C示出了光学器件501，其类似于光学器件500，除了光学器件501的一个或更多个输出耦合器418包括多个反射器(例如，419-A、419-B)。光线430耦合到光波导410中，如上文参考光学器件500所述。光线430入射到多个反射器中的反射器419-A上。反射器419-A将光线430的一部分(例如，光线430-A)反射向光波导410的第一光学表面412。光线430-A在第一光学表面412上的第一位置462-A处以出射角450-2离开光波导410。在图5C中，光线430-A被定向到视窗420，但是没有被定向到用户眼睛340的瞳孔350。
光线430-B被定向到第一光学表面412，其方向不同于光波导410中光线430-A的方向。光线430-B随后通过全内反射被第一光学表面412反射向反射器419-B。反射器419-B将光线430-B的一部分(例如，光线430-C)反射向光波导410的第一光学表面412。光线430-C在第一光学表面412上的第二位置462-C以出射角450-3离开光波导410。在图5C中，光线430-C定向到视窗420和用户眼睛340的瞳孔350。光线430-B的一部分被定向到第一光学表面412，其方向不同于光波导410中光线430-C的方向。
在一些实施例中，一个或更多个输出耦合器包括多个反射器。多个反射器中的相应反射器被配置成将光波导内传播的光的相应部分从光波导的第一端反射向光波导的第二端，使得光的相应部分通过光波导的第一光学表面的对应位置透射出光波导(例如，反射器419-A反射光线430的一部分(即光线430-A)，使得光线430-A通过光波导410的第一光学表面412上的位置462-A从光波导410离开，并且反射器419-C反射光线430-B的一部分(即光线430-C)，使得光线430-C通过光波导410的第一光学表面412上的位置462-C从光波导410离开)。
在一些实施例中，光的相应部分以相同的角度透射出光波导410(例如，对于光线430-A和430-B，角度450-2和450-3相同)。
在一些实施例中，多个反射器的相应反射器(例如，反射器419-A和419-B)嵌入光波导410中。在一些实施例中，多个反射器中的相应反射器(例如，反射器419-A和419-B)不平行且不垂直于光波导410的第二光学表面414。在一些实施例中，多个反射器中的相应反射器是部分反射器，其反射入射在第一反射器上的第一部分光，并透射入射在第二反射器上的第二部分光(例如，反射器419-A反射一部分光线430(即光线430-A)，并透射光线430的剩余部分(即光线430-B)，其接下来通过全内反射被第二光学表面414反射)。
图5A-图5C示出了光学器件500和501利用棱镜(例如，棱镜440)将光输入耦合到光波导中。如图5A所示，光学器件500和501能够以大的输入角(例如，光线434以输入角454-1进入棱镜440)将来自投光器(例如，投光器422)的光定向到视窗(例如，视窗420)和/或用户眼睛340的瞳孔350。因此，光学器件500和501具有比光学器件400更大的FOV。
在一些实施例中，棱镜包括第一光学表面(例如，光学表面442)和第二光学表面(例如，光学表面444)。棱镜的第二光学表面可选地与光波导的第一光学表面光学耦合(例如，棱镜440的第二光学表面444朝向光波导410的第一光学表面412定位，使得从棱镜440的第二光学表面444离开的光照射在光波导410的第一光学表面412上)。
在一些实施例中，棱镜定位为比光波导的倾斜面更靠近光波导的第一光学表面(例如，从棱镜440的第二光学表面444离开的光在照射到光波导410的第一光学表面412上之前不会照射到光波导410的倾斜面416上)。
在一些实施例中，棱镜的第二光学表面定位成平行于光波导的第一光学表面定位(例如，第二光学表面444和第一光学表面412形成小于1弧分的角度)。棱镜的第二光学表面与光波导的第一光学表面分离(例如，由空气分离)。
在一些实施例中，棱镜的第二光学表面(例如，棱镜440的第二光学表面444)与光波导的第一光学表面(例如，光波导410的第一光学表面412)分开一段距离(例如，距离460)。在一些实施例中，距离(例如，距离460)为500纳米或更多。在一些实施例中，距离(例如，距离460)为400纳米或更大。在一些实施例中，距离460在400纳米和600纳米之间。
在一些实施例中，投光器的光轴426基本上垂直于棱镜的第一光学表面(例如，投光器的光轴426和第一光学表面412形成小于1弧分的角度)。
在一些实施例中，光学器件(例如，光学器件500和501)对于可见光(例如，480纳米至750纳米)基本上是透明的。在一些实施例中，光学器件(例如，光学器件500和501)透射至少95％、90％、85％、80％、75％、50％、65％、60％、55％、50％、45％、40％、35％、30％、25％的可见光。
在一些实施例中，棱镜接收的光是非单色的。在一些实施例中，光包括RGB波长(例如，635-680nm、520-560nm和450-490nm)。在一些实施例中，投光器是包括一个或更多个光源(例如，LED、微型LED或SLED)的显示器(例如，LCoS、DLP或MEMS扫描仪)。
图6A和图6C示出了根据一些实施例的二维光学器件。图6B示出了图6A所示的二维光学器件的横截面。
图6A示出了图5A-图5C所示的光学器件500和501可以被实现为二维光学器件(例如，光学器件600)。二维光学器件600被配置成将光从投光器定向到包围二维区域的视窗420。在图6A中，光学器件600包括倾斜面416、倾斜面416上的反射器413、光波导410和一个或更多个输出耦合器418。图6A还显示了视窗420。图6B示出了图6A所示的二维光学器件沿AA’的截面图。
图6C示出了二维光学器件603，其类似于光学器件600，除了二维光学器件603的一个或更多个输出耦合器418包括充当一个或更多个光栅(例如，光栅570-1和570-2)的组合的体布拉格光栅570。
例如，图6C中示出了两个光栅(例如，570-1和570-2)。光栅570-1偏离光栅570-2(例如，光栅570-1的光栅矢量不平行于光栅570-2的光栅矢量)。在一些实施例中，通过在可记录介质(例如，全息介质)中记录光栅图案，形成光栅570-1和570-2。在一些实施例中，光栅570-1和光栅570-2都记录在同一可记录介质中。在图6C中，光栅570-1被配置成将至少一部分入射光重定向到第一方向(例如，通过衍射，诸如第一光栅的一阶衍射)，并且光栅570-2被配置将至少一部分入射光重定向到不同于第一方向的第二方向(例如，通过衍射，诸如第二光栅的一阶衍射)。通过具有两个彼此不平行取向的光栅，光在两个维度上分布。在一些实施例中，光栅570-1被配置成重定向具有第一波长范围的入射光的至少一部分，并且光栅570-2被配置成重定向具有第二波长范围的入射光的至少一部分。
图7是根据一些实施例的显示设备700的等轴视图。显示设备700包括如上所述的光学器件(例如，光学器件500或501)。
在一些实施例中，光波导(例如，光波导410)具有至少8mm的长度(例如，长度710)和至少8mm的宽度(例如，宽度712，侧表面720和722之间的距离)。在一些实施例中，光波导具有至少20mm的长度。在一些实施例中，光波导具有至少20mm的宽度。在一些实施例中，光波导具有至少30mm的长度。在一些实施例中，光波导具有至少30mm的宽度。在一些实施例中，光波导具有至少40mm的长度。在一些实施例中，光波导具有至少40mm的宽度。在一些实施例中，光波导具有至少50mm的长度。在一些实施例中，光波导具有至少50mm的宽度。在一些实施例中，光波导具有在40mm和50mm之间的长度。在一些实施例中，光波导具有在40mm和50mm之间的宽度。在一些实施例中，光波导具有在1mm和2mm之间的厚度(例如，厚度714，第一光学表面412和第二光学表面414之间的距离)。
在一些实施例中，棱镜具有小于光波导410的宽度的长度(例如，如图7所示，棱镜440的长度718小于光波导410的宽度712)。这允许显示设备将图像从小型投光器投射到大的区域上，从而允许显示设备将图像投射到瞳孔中(即使瞳孔在视窗内横向来回移动)。
在一些实施例中，如图7所示，倾斜面的宽度小于光波导的宽度(例如，面416的宽度716比光波导410的全宽度712更窄，如图7所示)。在一些实施例中，倾斜面的宽度与光波导410的宽度相同(例如，面416沿着光波导410的整个宽度延伸，宽度716和宽度712相同)。
在一些实施例中，面416和棱镜440可以相对于侧表面720和722居中设置，使得面416与每个侧表面720和722等距，并且棱镜440也与每个侧表面720和722等距。
在一些实施例中，面416和棱镜440可以相对于侧表面720和722偏心设置，使得面416和棱镜440定位为比另一侧更靠近波导410的一侧(例如，面416和棱镜440定位为比侧表面722更靠近侧表面720，反之亦然)。
在一些实施例中，波导410耦合到两个或更多个棱镜。例如，波导410可以耦合到第一棱镜，该第一棱镜设置成比波导410的侧表面722更靠近侧表面720。波导410还可以耦合到不同于第一棱镜的第二棱镜，该第二棱镜设置成比波导410的侧表面720更靠近侧表面722。至少在这种情况下，倾斜面416的宽度可以与光波导410的宽度相同(例如，面416沿着光波导410的整个宽度从侧表面720延伸到侧表面722，使得宽度716和宽度712相同)。可选地，波导可以包括两个不同的倾斜面，这两个倾斜面设置在波导的第一端415上，用于与两个棱镜耦合。例如，第一倾斜面可以被配置成接收来自第一棱镜(定位为更靠近侧表面720)的光，并且因此被设置成更靠近波导410的侧表面720而不是侧表面722，并且第二倾斜面可以被配置成接收来自第二棱镜(定位为更靠近侧表面722)的光，并且因此被设置成更靠近波导410的侧表面722而不是侧表面720。
在一些实施例中，倾斜面(例如，面416)的至少一部分没有被反射材料(例如，反射器413)覆盖。在一些实施例中，整个倾斜面(例如，面416)被反射材料(例如，反射器413)覆盖。
在一些实施例中，倾斜面(例如，面416)的至少一部分涂覆有抗反射涂层，以减少输入光的背向反射。
根据一些实施例，显示设备700包括投光器(例如，投光器422)和光学器件(例如，光学器件500和501)。
在一些实施例中，投光器(例如，投光器422)被配置成投射对应于一个或更多个图像的光。显示设备(例如，显示设备700)被配置成组合从投光器投射的光(例如，光线430)和来自显示设备外部的光(例如，光线530)，以提供从投光器投射的一个或更多个显示图像与对应于来自显示设备外部的光的真实图像的重叠。
在一些实施例中，显示设备(例如，显示设备700)被配置成将由投光器(例如，投光器422)投射的一个或更多个图像扩展到比投光器上的一个或更多个图像更大的视窗(例如，视窗420)。
图8示出了根据一些实施例的头戴式显示设备。
在一些实施例中，显示设备(例如，显示设备800)是头戴式显示设备。
如图8所示，图7所示的显示设备700可以被实现为头戴式显示设备(例如，头戴式显示设备800)。
头戴式显示设备800包括显示设备700(其包括光学器件500和501之一)。在一些实施例中，头戴式显示设备800包括一个或更多个透镜820，并且头戴式显示设备800被配置成将来自显示设备700的光(例如，光线430)通过一个或更多个透镜820定向至视窗420和/或用户眼睛340的瞳孔350。在一些实施例中，头戴式显示设备800还包括框架810，其被配置成将头戴式显示设备800架置在用户的头部。
图9A-图9C示出了根据一些实施例的光波导900。光学器件900被配置成将来自投光器(例如，投光器422)的光定向，使得光的出射角对应于光的输入角。如图9A所示，光学器件900包括光波导910。光波导910具有第一光学表面912和第二光学表面914，第二光学表面914与第一光学表面912分开距离L1(对应于波导910的厚度714)。在一些实施例中，第二光学表面914基本平行于第一光学表面912(例如，第二光学表面914和第一光学表面912形成小于1弧分的角度)。在一些实施例中，第二光学表面914平行于第一光学表面912。光波导910具有两端915和917。第一端915具有与第一光学表面912和第二光学表面914不垂直并且不平行的倾斜面916。倾斜面916包括光栅940。第二端917可以具有或可以不具有倾斜面(例如，在一些情况下，第二端917具有垂直于第一光学表面912和第二光学表面914的面)。光波导910还包括沿着第二光学表面914定位的一个或更多个输出耦合器918。光波导910被配置成接收从投光器422投射的光。光线430和434由投光器422输出，并由光波导10的倾斜面916接收。光线430和434通过在倾斜面916处的光栅940耦合到(例如，进入)光波导910。
光线430以输入角450-1进入光波导410。光线434以输入角454-1进入光波导410。光线434的输入角454-1大于光线430的输入角450-1。光线430和434通过倾斜面916进入光波导410，并由倾斜面916处的光栅940在第一方向上引导向第一光学表面912。光线430和434在第一光学表面912处经由全内反射被反射，并且向一个或更多个输出耦合器918和/或第二光学表面914传播。光线430和432入射到一个或更多个输出耦合器918的至少一部分上。一个或更多个输出耦合器918将至少一部分光线430和至少一部分光线432重定向。被一个或更多个输出耦合器918重定向的光线430和432的一部分以不满足全内反射条件的角度(例如，入射角小于临界角)入射到第一光学表面412上。因此，被一个或更多个输出耦合器918重定向的光线430和432的一部分通过第一光学表面412离开光波导410，并被定向至视窗420和/或用户眼睛340的瞳孔350。光线430的被重定向到视窗420的部分(至少部分地)以对应于输入角450-1的出射角450-2离开光波导410。光线432的被重定向到视窗420的部分以对应于输入角452-1的出射角452-2离开光波导410。在一些实施例中，出射角450-2与输入角450-1相同，出射角452-2与输入角452-1相同。
根据一些实施例，光学器件(例如，光学器件900)包括光波导(例如，光波导910)。光波导具有第一光学表面(例如，光学表面912)和与第一光学表面相对的第二光学表面(例如，光学表面914)。第一光学表面和第二光学表面都从光波导的第一端(例如，端915)延伸到与光波导的第一端相对的光波导的第二端(例如，端917)。光波导还具有邻近光波导的第一端的倾斜面(例如，面916)。倾斜面与第一光学表面和第二光学表面不平行且不垂直。倾斜面包括光栅(例如，光栅940)。在一些实施例中，光栅特征雕刻在倾斜面916上。在一些实施例中，光栅(例如，光栅940)涂覆有抗反射涂层，以减少输入光的背向反射。在一些实施例中，由投光器422投射的光的方向基本上平行于光波导910的倾斜面916(例如，投光器422的光轴和倾斜面916形成小于1弧分的角度)。
在一些实施例中，投光器(例如，投光器422)倾斜或不平行于光波导(例如，光波导910)的倾斜面(例如，面916)，以便增加光学器件(例如，光学器件900)的FOV，如上所述。例如，由投光器投射的光的方向和正交于倾斜面的表面形成至少10度的角度。在一些实施例中，投光器422相对于正交于光波导910的倾斜面916的表面在25度和30度之间倾斜。在一些实施例中，投光器422相对于正交于光波导910的倾斜面916的表面在20度和40度之间倾斜。结果，投射(例如，由投光器422投射)的光的主要方向与倾斜面916不正交，这增加了光学器件(例如，光学器件900)的FOV。在这种情况下，与倾斜面916不正交的投射光的色散会导致由光显示的图像模糊。如图9A所示，可以使用光栅来补偿投射光的色散。为了补偿色散，光栅在光进入光波导时引导光的主方向，使得光离开光波导的主方向与光进入光波导的主方向相匹配。例如，光栅940引导光以输入角450-1通过倾斜面916进入光波导910，使得输入角展度对应于出射角展度，这补偿了投射光的色散。在一些实施例中，光栅(例如，光栅940)对色散的补偿防止或减少了由光显示的一个或更多个图像的模糊。在一些实施例中，入射光被引导成当入射光在光波导内部时具有垂直于倾斜面的主方向(例如，通过倾斜面916耦合到光波导910中的光线430在进入光波导910之后垂直于倾斜面916)，并且通过光波导的第一光学表面离开的光垂直于光波导的第一光学表面(例如，通过第一光学表面912离开光波导910的光线430垂直于第一光学表面912)。
在一些实施例中，光栅(例如，光栅940)是闪耀光栅。光栅周期Λ(例如周期920，光栅的间距)可以基于以下等式来确定：
Figure BDA0003206979160000311
在这个等式中，β’是从投光器输出的光相对于倾斜面的入射角(例如，从投光器422输出的光线430以输入角450-1通过倾斜面916进入光波导910，β’为角450-1)。光波导910内的光线430在倾斜面916处折射的角度用β”表示。入射光(例如，光线430)的中心波长由λ0表示，并且光波导(例如，光波导910)的折射率由n表示。当条件
Figure BDA0003206979160000312
时，满足(例如，折射角β”与中心波长λ0无关)，光栅周期(例如周期920)由以下等式确定，
Figure BDA0003206979160000313
在一些实施例中，光栅周期(例如，周期920)在30微米和60微米之间。闪耀光栅的高度d(例如，光栅940的高度922)可以基于等式
Figure BDA0003206979160000314
来确定。在一些实施例中，闪耀光栅的高度(例如，高度922)约为1微米。
在一些实施例中，一个或更多个输出耦合器定位成邻近第二光学表面(例如，一个或更多个耦合器918定位成邻近第二光学表面914)。在一些情况下，如图9A所示，一个或更多个耦合器918定位成邻近第二光学表面914并且在光波导910内部。可替代地，一个或更多个输出耦合器918可以定位于光波导910的外部并且邻近第二光学表面914。当一个或更多个输出耦合器918在光波导910外部时，一个或更多个输出耦合器918的第一表面950和一个或更多个输出耦合器918的第二表面952基本上平行于光波导910的第一光学表面912和光波导910的第二光学表面914(例如，一个或更多个输出耦合器918的第一表面950和/或第二表面952与光波导910的第一光学表面912和/或第二光学表面914形成小于1弧分的角度)。
一个或更多个输出耦合器918的第一表面950和一个或更多个输出耦合器918的第二表面952分开距离L2，对应于一个或更多个输出耦合器918的厚度。当一个或更多个耦合器918定位成邻近第二光学表面914并且在光波导910内部时，一个或更多个输出耦合器918的厚度小于或等于波导910的厚度(例如，L2≤L1)。
在一些实施例中，光波导被配置成通过光波导的倾斜面接收与光波导的倾斜面不垂直的第五方向的光。光波导还被配置成在光波导的倾斜面处的光栅处，在不平行于第五方向的第六方向上将光引导向第一光学表面(例如，倾斜面916被配置成接收光，并且位于倾斜面916处的光栅940被配置成将光引导到光波导910中)。光波导的第一光学表面被配置成在光波导的倾斜面处的光栅处在第七方向上反射被引导的光，以便在光波导内传播。一个或更多个输出耦合器918被配置成重定向照射在一个或更多个输出耦合器上的光的至少一部分，以通过光波导的第一光学表面透射出光波导(例如，光学表面912被配置成将光波导910内的光反射，由光栅940引导向一个或更多个输出耦合器918，并且一个或更多个输出耦合器918被配置成重定向光的至少一部分，以通过光学表面912透射出光波导910)。
如图9A所示，光学器件900能够以大的输入角(例如，光线434以输入角454-1进入棱镜440)将来自投光器(例如，投光器422)的光定向到视窗(例如，视窗420)和/或用户眼睛340的瞳孔350。因此，光学器件900具有比光学器件400更大的FOV。
在一些实施例中，如图9B所示，光学器件900包括设置在一个或更多个输出耦合器918的第三表面954上的光学不透明材料960(例如，光吸收材料或膜)。不透明材料960被配置成阻挡光的透射，并且可以减少重影图像或光学伪像的存在。
在一些实施例中，如图9C所示，一个或更多个输出耦合器918的厚度等于或大于波导910厚度的一半(例如，L2≥L1÷2)。在这种情况下，光学器件900可以包括设置在波导910内的可选的不透明材料962(例如，光吸收材料或膜)。不透明材料962被配置成阻挡光的透射，并且可以减少重影图像或光学伪像的存在。在这种配置中，光可以通过一个或更多个耦合器918的第三表面954投射。
与光学器件500和501相关的上述几个特征可以以对本领域普通技术人员来说显而易见的类似方式应用于光学器件900。因此，为了简洁起见，这里不再重复上述特征。
尽管各个附图示出了特定部件或特定部件组相对于一只眼睛的操作，但是本领域普通技术人员将理解，可以相对于另一只眼睛或两只眼睛执行类似的操作。为简洁起见，本文不再重复这样的细节。
为了解释的目的，已经参考具体实施例描述了前面的描述。然而，上述说明性讨论并不旨在是穷举的或将权利要求的范围限制到所公开的精确形式。鉴于上述教导，许多修改和变化是可能的。选择实施例是为了最好地解释权利要求书的基本原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够最佳地使用具有各种修改的实施例，以适合预期的特定用途。

Claims (15)

1.一种光学器件，包括：
光波导，所述光波导具有第一光学表面和与所述第一光学表面相对的第二光学表面，所述第一光学表面和所述第二光学表面都从所述光波导的第一端延伸到与所述光波导的第一端相对的所述光波导的第二端，所述光波导还具有邻近所述光波导的第一端的倾斜面，所述倾斜面与所述第一光学表面和所述第二光学表面不平行并且不垂直；
反射器，所述反射器在所述光波导的所述倾斜面上；和
棱镜，所述棱镜定位成邻近所述光波导的第一端，并且与所述光波导分离。
2.根据权利要求1所述的器件，还包括：
一个或更多个输出耦合器，所述一个或更多个输出耦合器定位成邻近所述第二光学表面。
3.根据权利要求2所述的器件，其中：
所述棱镜包括第一光学表面和第二光学表面；
所述棱镜被配置成通过所述棱镜的第一光学表面接收来自投光器在第一方向上的光，并且在不平行于所述第一方向的第二方向上将来自所述投光器的光引导向所述光波导；
所述光波导被配置成通过所述光波导的第一光学表面接收来自所述棱镜的在不垂直于所述光波导的第一光学表面的所述第二方向上的光，并且在所述光波导的第一光学表面处，在不平行于所述第二方向的第三方向上将光引导向所述倾斜面；
所述倾斜面上的所述反射器被配置成在所述光波导的第一光学表面处在第四方向上反射被引导的光，以便在所述光波导内传播；并且
所述一个或更多个输出耦合器被配置成重定向照射在所述一个或更多个输出耦合器上的至少一部分光，以通过所述光波导的第一光学表面透射出所述光波导；并且
任选地，其中：
来自所述投光器的光以零入射角照射在所述棱镜的第一光学表面上；并且
由所述一个或更多个输出耦合器重定向的光以零入射角照射在所述光波导的第一光学表面上。
4.根据权利要求2所述的器件，其中：
所述一个或更多个输出耦合器被配置成将在所述光波导内传播的光从所述光波导的第一端重定向到所述光波导的第二端，使得光的第一部分通过所述光波导的第一光学表面的第一位置透射出所述光波导，并且光的不同于光的第一部分的第二部分通过所述光波导的第一光学表面的第二位置透射出所述光波导，所述第二位置与所述光波导的第一光学表面的第一位置不同并且分离。
5.根据权利要求2所述的器件，其中：
所述一个或更多个输出耦合器包括多个反射器；并且
所述多个反射器中的相应反射器被配置成将在所述光波导内传播的光的相应部分从所述光波导的第一端重定向到所述光波导的第二端，使得光的相应部分通过所述光波导的第一光学表面的对应位置透射出所述光波导。
6.根据权利要求2所述的器件，其中：
所述一个或更多个输出耦合器包括体布拉格光栅，所述体布拉格光栅被配置成将所述光波导内传播的光的相应部分从所述光波导的第一端定向到所述光波导的第二端，使得光的多个部分中的相应部分通过所述光波导的第一光学表面的对应位置透射出所述光波导。
7.根据权利要求1所述的器件，其中：
所述棱镜接收的光具有第一角展度；
通过所述光波导的第一光学表面透射的光的至少一部分具有第二角展度；
所述棱镜的第一光学表面和所述棱镜的第二光学表面形成锐角；
所述倾斜面限定了相对于所述第一光学表面的面角；并且
所述棱镜的面角和锐角被选择为使得所述第一角展度内的任何光在对应于所述第一角展度的所述第二角展度内通过所述光波导的第一光学表面输出。
8.根据权利要求1所述的器件，其中：
所述棱镜包括第一光学表面和第二光学表面；并且
所述棱镜的第二光学表面与所述光波导的第一光学表面光学耦合；并且，任选地，其中：
所述棱镜的第二光学表面定位为基本上平行于所述光波导的第一光学表面；并且
所述棱镜的第二光学表面与所述光波导的第一光学表面通过空气分离。
9.根据权利要求1所述的器件，其中：
所述器件对可见光基本透明。
10.根据权利要求1所述的器件，其中：
由所述棱镜接收的光是非单色的。
11.根据权利要求1所述的器件，其中：
所述光波导具有至少40mm的长度和至少40mm的宽度；并且，任选地，其中：
所述棱镜的长度小于所述光波导的宽度。
12.一种显示设备，包括：
投光器；和
根据权利要求1所述的器件。
13.根据权利要求15所述的显示设备，其中：
所述投光器被配置成投射对应于一个或更多个图像的光；并且
所述显示设备被配置成组合从所述投光器投射的光和来自所述显示设备外部的光，以提供从所述投光器投射的所述一个或更多个图像与对应于来自所述显示设备外部的光的真实图像的重叠；并且，任选地，其中：
所述设备被配置成将由所述投光器投射的所述一个或更多个图像扩展到比所述投光器上的所述一个或更多个图像更大的视窗。
14.根据权利要求12所述的显示设备，其中：
所述显示设备是头戴式显示设备。
15.一种光学器件，包括：
光波导，所述光波导具有第一光学表面和与所述第一光学表面相对的第二光学表面，所述第一光学表面和所述第二光学表面都从所述光波导的第一端延伸到与所述光波导的第一端相对的所述光波导的第二端，所述光波导还具有邻近所述光波导的第一端的倾斜面，所述倾斜面与所述第一光学表面和所述第二光学表面不平行并且不垂直，其中，所述倾斜面包括光栅；并且，可选地，所述光学器件还包括：
一个或更多个输出耦合器，所述一个或更多个输出耦合器定位成邻近所述第二光学表面。
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