[发明专利]用于混合现实的系统和方法

说明书

一种虚拟图像生成系统包括：平面光波导，其具有相反的第一面和第二面；耦入(IC)元件，其被配置为将来自图像投影组件的准直光束光学耦合到平面光波导内作为耦入光束；第一正交光瞳扩展(OPE)元件，其与平面光波导的第一面相关联，用于将耦入光束分成第一组正交子光束；第二正交光瞳扩展(OPE)元件，其与平面光波导的第二面相关联，用于将耦入光束分成第二组正交子光束；以及出射光瞳扩展(EPE)元件，其与平面光波导相关联，用于将第一组正交子光束和第二组正交子光束分成从平面光波导出射的耦出子光束阵列。

技术领域

本公开涉及虚拟现实、增强现实和混合现实成像及可视化系统。

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”(VR)或“增强现实”(AR)体验的“混合现实”(AR)系统的开发，其中数字再现的图像或其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。VR场景通常涉及呈现数字或虚拟图像信息且对实际的真实世界视觉输入不透明。 AR场景通常涉及呈现数字或虚拟图像信息作为对用户周围的真实世界的可视化的增强(即，对真实世界视觉输入透明)。因此，AR场景涉及呈现数字或虚拟图像信息且对真实世界视觉输入透明。

MR系统通常生成并显示颜色数据，这增加了MR场景的逼真性。这些MR系统中的许多通过快速连续地循序投影与彩色图像相对应的不同 (例如，原色)颜色或“场”(例如，红色、绿色和蓝色)的子图像来显示彩色数据。以足够高的速率(例如60Hz、120Hz等)投影彩色子图像可以递送在用户的脑海中平滑的彩色MR场景。

例如，参考图1，示出了增强现实场景4，其中AR/MR技术的用户看到了以人、树、背景中的建筑物和混凝土平台8为特征的真实世界公园式设置6。除了这些项目外，AR/MR技术的终端用户还感知到他“看到”了站在真实世界平台8上的机器人雕像10以及看上去是大黄蜂的化身的飞过的卡通式化身角色12，即使这些元素10、12在真实世界中不存在。事实证明，人类的视觉感知系统非常复杂，并且产生便于在除其它虚拟或真实世界图像元素之外的虚拟图像元素的舒适、自然、丰富的呈现的VR、AR和 /或MR技术具有挑战性。

某些VR、AR和/或MR系统采用至少松散地耦合到用户头部的头戴式显示器(或头盔式显示器或智能眼镜)，并且因此在终端用户的头部移动时移动。如果显示子系统检测到终端用户的头部运动，则可以更新正显示的数据，以考虑头部姿态(即用户头部的取向和/或位置)的变化。使能 AR/MR(即，同时观看真实和虚拟对象)的头戴式显示器可以具有若干种不同类型的配置。在通常被称为“视频透视”显示器的一种这样的配置中，相机捕捉真实场景的元素，计算系统将虚拟元素叠加到捕捉的真实场景上，并且非透明显示器将合成图像呈现给眼睛。另一种配置通常被称为“光学透视”显示器，其中终端用户可以透视显示子系统中的透明(或半透明)元素以直接观看来自环境中真实对象的光。通常被称为“合成器”的透明元素将来自显示器的光叠加在终端用户对真实世界的视图之上。

一些头戴式VR/AR/MR系统采用位于终端用户的视场中的显示屏和将图像投影到显示屏上的图像投影组件。作为一个示例，图像投影组件可以采取基于光纤扫描的图像投影组件的形式，并且显示屏可以采取基于光波导的显示器的形式，来自图像投影组件的扫描和准直光束经由耦入 (in-coupling,IC)元件注入到该显示器中，这些光束从基于光波导的显示器的表面朝向用户的眼睛出射，从而产生例如比无限远更近的单个光学观察距离(例如，手臂的长度)处的图像、多个离散的光学观察距离或焦平面处的图像，和/或在多个观察距离或焦平面处堆叠的图像层，以表示体积 3D对象。