用于在可穿戴式平视显示器中进行适眼区扩大的系统、设备和方法与流程

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用于在可穿戴式平视显示器中进行适眼区扩大的系统、设备和方法与流程

本发明的系统、设备和方法总体上涉及基于扫描激光的显示技术,并且具体地涉及扩大基于扫描激光的可穿戴式平视显示器的适眼区(eyebox)。



背景技术:

可穿戴式平视显示器

头戴式显示器是以下电子设备:被穿戴在用户的头部上,并且当如此被穿戴时,将至少一个电子显示器固定在用户的至少一只眼睛的可视场内,而不管用户的头部的位置或取向如何。可穿戴式平视显示器是以下头戴式显示器:使用户能够看到显示内容,但是也不会阻碍用户看到其外部环境的能力。可穿戴式平视显示器的“显示器”组件是透明的抑或在用户的视场的外围,从而使得它并不完全妨碍用户看到其外部环境的能力。可穿戴式平视显示器的示例包括:仅列举几个而言,GoogleOptinventEpson以及Sony

可穿戴式平视显示器的光学性能是其设计中的重要因素。然而,当涉及到面戴式设备时,用户还非常关心美观。庞大的眼镜(包括太阳眼镜)框行业明显地突显了这一点。独立于可穿戴式平视显示器的性能限制,可穿戴式平视显示器的许多前述示例至少部分地因为它们缺乏时尚吸引力而努力寻找其在消费者市场中的魅力。迄今为止所呈现的大多数可穿戴式平视显示器采用了大显示器组件,并且因此,与常规眼镜框相比,迄今为止所呈现的大多数可穿戴式平视显示器要庞大很多且较不时髦。

可穿戴式平视显示器的设计上的挑战是:在仍提供具有足够的视觉质量的显示内容的同时使面戴式装置的体积最小化。本领域需要有着在美观上更具吸引力的设计的可穿戴式平视显示器,所述可穿戴式平视显示器能够向用户提供高质量图像而不限制用户看到其外部环境的能力。

适眼区

在诸如步枪瞄准镜和可穿戴式平视显示器的近眼光学设备中,用户在其内可看到所述设备所提供的特定内容/影像的眼睛(相对于设备本身的)位置范围总体上被称为“适眼区”。其中,内容/影像仅从单个眼睛位置或小范围的眼睛位置可见的应用具有“小适眼区”,并且其中,内容/影像从更宽广范围的眼睛位置可见的应用具有“大适眼区”。适眼区可以被认为是定位在光学设备附近的空间体积。当用户的眼睛(并且更具体地,用户的眼睛的瞳孔)位于这个体积之内并且面向设备时,用户能够看到设备所提供的所有内容/影像。当用户的眼睛位于这个体积之外时,用户不能够看到设备所提供的至少一些内容/影像。

适眼区的几何形状(即,大小和形状)是可以极大地影响用户对可穿戴式平视显示器的体验的重要特性。例如,如果可穿戴式平视显示器具有当用户凝视正前方时以用户的瞳孔为中心的小适眼区,那么当用户甚至略微偏离中心(诸如,略微向左、略微向右、略微向上、或略微向下)凝视时,可穿戴式平视显示器所显示的一些或所有内容可能对用户消失。此外,如果具有小适眼区的可穿戴式平视显示器被设计成针对一些用户将所述适眼区对准在瞳孔上,那么适眼区将不可避免地相对于其他用户的瞳孔不对准,因为并非所有用户都具有相同的面部结构。除非可穿戴式平视显示器被有意地设计成提供可扫视的显示(即,并不总是可见的而是仅当用户在某一方向上凝视时才可见的显示),否则对于可穿戴式平视显示器来说,具有大适眼区总体上是有利的。

用于提供具有大适眼区的可穿戴式平视显示器的所演示技术总体上需要向显示器添加更庞大的光学组件。本领域中总体上缺乏使最小体积(相对于常规眼镜框)的可穿戴式平视显示器能够提供大适眼区的技术。



技术实现要素:

一种可穿戴式平视显示器可以被概括为包括:支撑结构,所述支撑结构在使用中被穿戴在用户的头部上;扫描激光投射器,由所述支撑结构承载;全息组合器,由所述支撑结构承载,其中,所述全息组合器在所述支撑结构被穿戴在所述用户的所述头部上时被定位在所述用户的眼睛的视场内;以及分光器,由所述支撑结构承载并且被定位在所述扫描激光投射器与所述全息组合器之间的光路中,所述分光器包括至少一个光学元件,所述至少一个光学元件被安排用于接收由所述扫描激光投射器生成的光信号,并且有效地从所述扫描激光投射器的N个空间上分离的虚拟位置中的一个将每个光信号朝向所述全息组合器重定向,其中,N是大于1的整数,光信号由所述分光器从其重定向的所述扫描激光投射器的特定虚拟位置由所述光信号被所述分光器接收处的入射点确定,并且其中,所述全息组合器包括被定位并取向用于将所述光信号朝向所述用户的所述眼睛重定向的至少一个全息图。

所述扫描激光投射器可以具有总二维扫描范围θ,并且所述分光器的至少一个光学元件被可以安排用于将所述扫描激光投射器的所述总二维扫描范围θ分离成N个二维子范围其中,其中,所述N个子范围中的每一个对应于所述扫描激光投射器的所述N个空间上分离的虚拟位置中的对应一个。所述分光器的至少一个光学元件可以被安排用于:接收对应于所述扫描激光投射器对所述总二维扫描范围θ的扫掠的光信号;基于在所述分光器处的入射点,将对应于对所述总二维扫描范围θ的所述扫掠的所述光信号分离到所述N个二维子范围中;并且有效地从所述扫描激光投射器的所述N个空间上分离的虚拟位置中的每一个将对应于对所述总二维扫描范围θ的所述扫掠的所述光信号朝向所述全息组合器重定向,对所述总二维扫描范围θ的所述扫掠中的每个光信号由所述分光器从其重定向的所述扫描激光投射器的特定虚拟位置由所述光信号所对应于的特定二维子范围确定。

所述扫描激光投射器可以具有第一维度上的总扫描范围Ω,其中,0°<Ω<180°,并且所述分光器的至少一个光学元件可以被安排用于将所述扫描激光投射器在所述第一维度上的所述总扫描范围Ω分离成所述第一维度上的X个子范围ωi,其中,1<X≤N并且并且所述X个子范围ωi中的每一个可以对应于所述扫描激光投射器的所述N个空间上分离的虚拟位置中的不同一个。所述分光器的至少一个光学元件可以被安排用于:接收对应于所述扫描激光投射器对所述第一维度上的所述总扫描范围Ω的扫掠的光信号;基于在所述分光器处的入射点,将对应于对所述第一维度上的所述总扫描范围Ω的所述扫掠的所述光信号分离到所述第一维度上的所述X个子范围ωi中;并且有效地从所述扫描激光投射器的所述N个空间上分离的虚拟位置中的至少X个将对应于对所述第一维度上的所述总扫描范围Ω的所述扫掠的所述光信号朝向所述全息组合器重定向,对所述第一维度上的所述总扫描范围Ω的所述扫掠中的每个光信号由所述分光器从其重定向的所述扫描激光投射器的特定虚拟位置由所述光信号所对应于的所述第一维度上的特定子范围ωi确定。所述扫描激光投射器可以具有第二维度上的总扫描范围ψ,其中,0°<ψ<180°,并且所述分光器的至少一个光学元件可以被安排用于将所述扫描激光投射器在所述第二维度上的所述总扫描范围ψ分离成所述第二维度上的Y个子范围βi,其中,1<Y≤N并且并且所述Y个子范围βi中的每一个可以对应于所述扫描激光投射器的所述N个空间上分离的虚拟位置中的不同一个。所述分光器的至少一个光学元件被安排用于:接收对应于所述扫描激光投射器对所述第二维度上的所述总扫描范围ψ的扫掠的光信号;基于在所述分光器处的入射点,将对应于对所述第二维度上的所述总扫描范围ψ的所述扫掠的所述光信号分离到所述第二维度上的所述Y个子范围βi中;并且有效地从所述扫描激光投射器的所述N个空间上分离的虚拟位置中的至少Y个将对应于对所述第二维度上的所述总扫描范围ψ的所述扫掠的所述光信号朝向所述全息组合器重定向,对所述第二维度上的所述总扫描范围ψ的所述扫掠中的光信号由所述分光器从其重定向的所述扫描激光投射器的特定虚拟位置由所述光信号所对应于的所述第二维度上的特定子范围βi确定。

所述支撑结构可以具有眼镜框的总体形状和外观。所述可穿戴式平视显示器还可以包括处方眼镜镜片。所述全息组合器可以由所述处方眼镜镜片承载。

所述全息组合器的所述至少一个全息图可以将光信号会聚到所述用户的所述眼睛处或其附近的N个出射光瞳中的对应出射光瞳,所述特定出射光瞳由光信号由所述分光器从其重定向的所述扫描激光投射器的特定虚拟位置确定。所述全息组合器可以包括至少N个复用全息图,并且所述至少N个复用全息图中的每一个可以将对应于所述扫描激光投射器的所述N个空间上分离的虚拟位置中的对应一个的光信号会聚到所述用户的所述眼睛处或其附近的所述N个出射光瞳中的对应一个。所述扫描激光投射器可以包括红色激光二极管、绿色激光二极管、以及蓝色激光二极管,并且所述全息组合器可以包括波长复用全息组合器,所述波长复用全息组合器包括至少一个红色全息图、至少一个绿色全息图、以及至少一个蓝色全息图。在这种情况下,针对由所述分光器从所述扫描激光投射器的所述N个空间上分离的虚拟位置中的特定虚拟位置重定向的光信号,所述至少一个红色全息图可以将所述光信号的红色分量会聚到所述用户的所述眼睛处或其附近的所述N个出射光瞳中的特定出射光瞳,所述至少一个绿色全息图可以将所述光信号的绿色分量会聚到所述用户的所述眼睛处或其附近的所述N个出射光瞳中的所述特定出射光瞳,并且所述至少一个蓝色全息图可以将所述光信号的蓝色分量会聚到所述用户的所述眼睛处或其附近的所述N个出射光瞳中的所述特定出射光瞳。所述全息组合器可以包括波长复用且角度复用的全息组合器,所述波长复用且角度复用的全息组合器包括至少N个角度复用红色全息图、至少N个角度复用绿色全息图、以及至少N个角度复用蓝色全息图。在这种情况下,所述至少N个角度复用红色全息图中的每一个可以将由所述分光器从所述扫描激光投射器的所述N个空间上分离的虚拟位置中的对应一个重定向的光信号的红色分量会聚到所述用户的所述眼睛处或其附近的所述N个出射光瞳中的对应一个,所述至少N个角度复用绿色全息图中的每一个可以将由所述分光器从所述扫描激光投射器的所述N个空间上分离的虚拟位置中的对应一个重定向的光信号的绿色分量会聚到所述用户的所述眼睛处或其附近的所述N个出射光瞳中的对应一个,并且N个角度所述至少复用蓝色全息图中的每一个可以将由所述分光器从所述扫描激光投射器的所述N个空间上分离的虚拟位置中的对应一个重定向的光信号的蓝色分量会聚到所述用户的所述眼睛处或其附近的所述N个出射光瞳中的对应一个。

所述扫描激光投射器和/或所述分光器中的至少一个可以是在所述支撑结构上物理地可移动的和/或可旋转的,并且所述所述扫描激光投射器和/或所述分光器的物理移动和/或旋转可以改变所述N个出射光瞳中的至少一个相对于所述用户的所述眼睛的位置。

所述光信号可以包括具有至少两个像素的图像。

所述分光器的至少一个光学元件可以被安排用于接收由所述扫描激光投射器生成的N个光信号,并且有效地从所述扫描激光投射器的所述N个空间上分离的虚拟位置中的对应虚拟位置将所述N个光信号朝向所述全息组合器重定向,所述N个光信号中的每一个由所述分光器从其重定向的所述扫描激光投射器的特定虚拟位置由每个光信号被所述分光器接收处的对应入射点确定。所述全息组合器可以包括被定位并取向用于将所述N个光信号中的每一个会聚到所述用户的所述眼睛处或其附近的对应出射光瞳的至少一个全息图。所述N个光信号可以包括同一图像的N个不同实例,或者所述N个光信号可以包括图像的同一像素的N个不同实例。

所述分光器可以包括具有至少N个刻面的刻面光学结构。至少一个对应刻面可以对应于所述扫描激光投射器的所述N个空间上分离的虚拟位置中的每一对应虚拟位置。

一种可穿戴式平视显示器可以被概括为包括:支撑结构,所述支撑结构在使用中被穿戴在用户的头部上;扫描激光投射器,由所述支撑结构承载并且具有总二维扫描范围θ;全息组合器,由所述支撑结构承载,其中,所述全息组合器在所述支撑结构被穿戴在所述用户的所述头部上时被定位在所述用户的眼睛的视场内;分光器,由所述支撑结构承载并且被定位在所述扫描激光投射器与所述全息组合器之间的光路中,其中,所述分光器包括至少一个光学元件,所述至少一个光学元件被安排用于:接收对应于所述扫描激光投射器对所述总二维扫描范围θ的扫掠的光信号;基于在所述分光器处的入射点,将所述光信号分离到N个二维子范围中,其中,N是大于1的整数并且开且将所述光信号朝向所述全息组合器重定向,并且其中,所述全息组合器包括被定位并取向成将光信号会聚到所述用户的所述眼睛处或其附近的N个出射光瞳中的对应出射光瞳的至少一个全息图,光信号由所述全息组合器朝向其重定向的特定出射光瞳由所述光信号被所述分光器分离到其中的特定二维子范围确定。

所述扫描激光投射器的所述总二维扫描范围θ可以包括第一维度上的总扫描范围Ω,其中,0°<Ω<180°,并且所述分光器的至少一个元件可以被安排用于:接收对应于所述扫描激光投射器对所述第一维度上的所述总扫描范围Ω的至少一次扫掠的光信号;基于在所述分光器处的入射点,将所述光信号分离到所述第一维度上的X个子范围ωi中,其中,1<X≤N并且开且将所述光信号朝向所述全息组合器重定向,并且其中,所述全息组合器的至少一个全息图被定位并取向用于将所述光信号会聚到所述用户的所述眼睛处或其附近的所述N个出射光瞳中的至少X个中的对应出射光瞳,光信号由所述全息组合器朝向其重定向的特定出射光瞳至少由所述光信号被所述分光器分离到其中,的所述第一维度上的特定子范围ωi确定。

所述扫描激光投射器的所述总二维扫描范围θ可以包括第二维度上的总扫描范围ψ,其中,0°<ψ<180°,并且所述分光器的至少一个光学元件可以被安排用于:接收对应于所述扫描激光投射器对所述第二维度上的所述总扫描范围ψ的至少一次扫掠的光信号;基于在所述分光器处的入射点,将对应于对所述第二维度上的所述总扫描范围ψ的所述至少一次扫掠的所述光信号分离到所述第二维度上的Y个子范围βi中,其中,1<Y≤N并且并且将对应于对所述第二维度上的所述总扫描范围ψ的所述至少一次扫掠的所述光信号朝向所述全息组合器重定向,并且其中,所述全息组合器的至少一个全息图被定位并取向成将对应于对所述第二维度上的所述总扫描范围ψ的所述至少一次扫掠的所述光信号会聚到所述用户的所述眼睛处或其附近的所述N个出射光瞳中的不同出射光瞳,光信号由所述全息组合器朝向其重定向的特定出射光瞳由所述光信号被所述分光器分离到其中的所述第一维度上的特定子范围ωi和所述第二维度上的特定子范围βi两者确定。

一种操作可穿戴式平视显示器的方法,所述可穿戴式平视显示器包括扫描激光投射器、分光器以及全息组合器,所述全息组合器在所述可穿戴式平视显示器被穿戴在用户的头部上时被定位在所述用户的眼睛的视场内,可以被概括为包括:由所述扫描激光投射器生成第一光信号;由所述分光器在第一入射点处接收所述第一光信号;由所述分光器有效地从所述扫描激光投射器的N个空间上分离的虚拟位置中的第一个将所述第一光信号朝向所述全息组合器重定向,其中,N是大于1的整数,所述第一光信号被所述分光器从其重定向的所述扫描激光投射器的所述第一虚拟位置由所述第一光信号被所述分光器接收处的所述第一入射点确定;并且由所述全息组合器将所述第一光信号朝向所述用户的所述眼睛重定向。

由所述全息组合器将所述第一光信号朝向所述用户的所述眼睛重定向可以包括由所述全息组合器将所述第一光信号会聚到所述用户的所述眼睛处或其附近的N个出射光瞳中的第一个,所述第一光信号由所述全息组合器所会聚到的所述第一出射光瞳由所述第一光信号被所述分光器从其重定向的所述扫描激光投射器的所述第一虚拟位置确定。所述全息组合器可以包括至少N个复用全息图,并且由所述全息组合器将所述第一光信号会聚到所述用户的所述眼睛处或其附近的N个出射光瞳中的第一个可以包括由所述全息组合器的所述N个复用全息图中的第一个将所述第一光信号会聚到所述第一出射光瞳,会聚所述第一光信号的所述第一复用全息图由所述第一光信号被所述分光器从其重定向的所述扫描激光投射器的所述第一虚拟位置确定。所述扫描激光投射器可以包括红色激光二极管、绿色激光二极管、以及蓝色激光二极管,由所述扫描激光投射器生成的所述第一光信号可以包括红色分量、绿色分量、以及蓝色分量,并且所述全息组合器可以包括波长复用全息组合器,所述波长复用全息组合器包括至少一个红色全息图、至少一个绿色全息图、以及至少一个蓝色全息图。在这种情况下,由所述全息组合器的所述N个复用全息图中的一个将所述第一光信号会聚到所述用户的所述眼睛处或其附近的N个出射光瞳中的第一个可以包括:由所述至少一个红色全息图将所述第一光信号的红色分量会聚到所述第一出射光瞳;由所述至少一个绿色全息图将所述第一光信号的绿色分量会聚到所述第一出射光瞳;并且由所述至少一个蓝色全息图将所述第一光信号的蓝色分量会聚到所述第一出射光瞳。所述全息组合器可以包括波长复用且角度复用的全息组合器,所述波长复用且角度复用的全息组合器包括至少N个角度复用红色全息图、至少N个角度复用绿色全息图、以及至少N个角度复用蓝色全息图。在这种情况下,由所述至少一个红色全息图将所述第一光信号的红色分量会聚到所述第一出射光瞳可以包括由所述N个角度复用红色全息图中的第一个将所述第一光信号的所述红色分量会聚到所述第一出射光瞳,对所述第一光信号的所述红色分量进行会聚的所述第一角度复用红色全息图由所述第一光信号被所述分光器从其重定向的所述扫描激光投射器的所述第一虚拟位置确定;由所述至少一个绿色全息图将所述第一光信号的绿色分量会聚到所述第一出射光瞳可以包括由所述N个角度复用绿色全息图中的第一个将所述第一光信号的所述绿色分量会聚到所述第一出射光瞳,对所述第一光信号的所述绿色分量进行会聚的所述第一角度复用绿色全息图由所述第一光信号被所述分光器从其重定向的所述扫描激光投射器的所述第一虚拟位置确定;并且由所述至少一个蓝色全息图将所述第一光信号的蓝色分量会聚到所述第一出射光瞳可以包括由所述N个角度复用蓝色全息图中的第一个将所述第一光信号的所述蓝色分量会聚到所述第一出射光瞳,对所述第一光信号的所述蓝色分量进行会聚的所述第一角度复用蓝色全息图由所述第一光信号被所述分光器从其重定向的所述扫描激光投射器的所述第一虚拟位置确定。

所述方法可以进一步包括:由所述扫描激光投射器生成第二光信号;由所述分光器在第二入射点处接收所述第二光信号;由所述分光器有效地从所述扫描激光投射器的所述N个空间上分离的虚拟位置中的第二个将所述第二光信号朝向所述全息组合器重定向,所述第二光信号由所述分光器从其重定向的所述扫描激光投射器的所述第二虚拟位置由所述第二光信号被所述分光器接收处的所述第二入射点确定;并且由所述全息组合器将所述第二光信号会聚到所述用户的所述眼睛处或其附近的所述N个出射光瞳中的第二个。所述扫描激光投射器可以具有总扫描范围θ。由所述分光器在第一入射点处接收所述第一光信号可以包括由所述分光器在包括在所述扫描激光投射器的所述总扫描范围θ的N个子范围中的第一个子范围中的第一入射点处接收所述第一光信号,其中,由所述分光器有效地从所述扫描激光投射器的N个空间上分离的虚拟位置中的第一个将所述第一光信号朝向所述全息组合器重定向,所述第一光信号被所述分光器从其重定向的所述扫描激光投射器的所述第一虚拟位置由所述第一光信号被所述分光器接收处的所述第一入射点确定,可以包括:由所述分光器有效地从所述扫描激光投射器的N个空间上分离的虚拟位置中的第一个将所述第一光信号朝向所述全息组合器重定向,所述第一光信号被所述分光器从其重定向的所述扫描激光投射器的所述第一虚拟位置由所述扫描激光投射器的所述总扫描范围θ的所述第一子范围确定。由所述分光器在第二入射点处接收所述第二光信号可以包括由所述分光器在包括在所述扫描激光投射器的所述总扫描范围θ的所述N个子范围中的第二个子范围中的第二入射点处接收所述第二光信号。由所述分光器有效地从所述扫描激光投射器的所述N个空间上分离的虚拟位置中的第二个将所述第二光信号朝向所述全息组合器重定向,所述第二信号由所述分光器从其重定向的所述扫描激光投射器的所述第二虚拟位置由所述第二光信号被所述分光器接收处的所述第二入射点确定,可以包括:由所述分光器有效地从所述扫描激光投射器的所述N个空间上分离的虚拟位置中的第二个将所述第二光信号朝向所述全息组合器重定向,所述第二光信号由所述分光器从其重定向的所述扫描激光投射器的所述第二虚拟位置由所述扫描激光投射器的所述总扫描范围θ的所述第二子范围确定。

由所述扫描激光投射器生成第一光信号可以包括由所述扫描激光投射器生成图像的第一实例,所述图像的所述第一实例包括至少两个像素。

由所述扫描激光投射器生成第一光信号可以包括由所述扫描激光投射器生成图像的第一像素的第一实例。

一种操作可穿戴式平视显示器的方法,所述可穿戴式平视显示器包括扫描激光投射器、分光器以及全息组合器,所述全息组合器在所述可穿戴式平视显示器被穿戴在用户的头部上时被定位在所述用户的眼睛的视场内,可以被概括为包括:由所述扫描激光投射器生成光信号,所述光信号对应于对所述扫描激光投射器的所述总二维扫描范围θ的扫掠;由所述分光器接收对应于对所述扫描激光投射器的所述总二维扫描范围θ的所述扫掠的所述光信号;由所述分光器基于在所述分光器处的入射点将所述光信号分离到N个二维子范围中,其中,N是大于1的整数并且由所述分光器将所述光信号朝向所述全息组合器重定向;并且由所述全息组合器将每个光信号会聚到所述用户的所述眼睛处或其附近的N个出射光瞳中的一个出射光瞳,光信号由所述全息组合器所会聚到的所述N个出射光瞳中的特定出射光瞳由所述光信号被所述分光器分离到其中的特定二维子范围确定。所述全息组合器可以包括至少N个复用全息图,并且由所述全息组合器将每个光信号会聚到所述用户的所述眼睛处或其附近的N个出射光瞳中的一个可以包括由所述至少N个复用全息图中的一个将每个光信号会聚到所述N个出射光瞳中的一个

附图说明

在这些附图中,相同的参考号标识相似的元件或者动作。附图中元件的尺寸和相对位置不一定是按比例绘制的。例如,不同元件的形状以及角度不一定是按比例绘制的,并且这些元件中的一些被任意地放大和定位以提高附图的易读性。另外,所绘出的所述元件的特定形状不一定旨在传递与所述特定元件的实际形状有关的任何信息,并且选取它们只是为了方便在图中识别。

图1是根据本发明的系统、设备和方法的提供由多个光学复制的出射光瞳组成的大适眼区的可穿戴式平视显示器的局部剖面透视图。

图2A是根据本发明的系统、设备和方法的可穿戴式平视显示器的原理图,所述原理图示出了处于操作中以便通过出射光瞳复制进行适眼区扩大的分光器。

图2B是根据本发明的系统、设备和方法的来自图2A的可穿戴式平视显示器的原理图,所述原理图示出了扫描激光投射器对总扫描范围θ的第一子范围的扫掠(例如,对总扫描范围θ的局部扫掠)以及由分光器对来自第一虚拟位置的光信号进行的相应重定向。

图2C是根据本发明的系统、设备和方法的来自图2A和2B的可穿戴式平视显示器的原理图,所述原理图示出了扫描激光投射器对总扫描范围θ的第二子范围的扫掠(例如,对总扫描范围θ的局部扫掠)以及由分光器对来自第二虚拟位置的光信号进行的相应重定向。

图2D是根据本发明的系统、设备和方法的来自图2A、2B和2C的可穿戴式平视显示器的原理图,所述原理图示出了扫描激光投射器对总扫描范围θ的第三子范围的扫掠(例如,对总扫描范围θ的局部扫掠)以及由分光器对来自第三虚拟位置的光信号进行的相应重定向。

图2E是根据本发明的系统、设备和方法的来自图2A、2B、2C和2D的可穿戴式平视显示器的原理图,所述原理图示出了通过时间上顺序的出射光瞳复制进行的适眼区扩大,其中,同一显示内容的对应实例彼此在空间上平行地朝向对应出射光瞳被投射。

图3是在二维上示出了根据本发明的系统、设备和方法的示例性全息组合器的原理图,所述示例性全息组合器会聚四个复制(例如,重复)光信号实例以便形成扩大的适眼区,所述适眼区包括用户的眼睛处或其附近的四个空间上分离的出射光瞳。

图4是根据本发明的系统、设备和方法的用于将扫描激光投射器的总扫描范围θ分离成三个子范围和的分光器的示例的示意图。

图5是根据本发明的系统、设备和方法的用于将扫描激光投射器的总二维扫描范围θ分离成四个二维子范围和的分光器的示例的原理图。

图6是示出了根据本发明的系统、设备和方法的操作可穿戴式平视显示器的方法的流程图。

图7是示出了根据本发明的系统、设备和方法的操作可穿戴式平视显示器的方法的流程图。

具体实施方式

在以下说明中,列举了某些特定的细节以便提供对所披露的不同实施例的全面理解。然而,相关领域的技术人员将认识到,在没有这些特定细节中的一个或多个的情况下或在使用其他方法、组件、材料等的情况下,也可以实践实施例。在其他情况下,未详细地示出或描述与便携式电子设备和/或头戴式设备相关联的众所周知的结构,以便避免不必要地模糊对所述实施例的说明。

除非上下文另有要求,否则贯穿说明书和所附权利要求书,“包括”一词及其多种变体(诸如,“包括了(comprises)”和“包括着(comprising)”)将以一种开放式的和包含性的意义来进行解释,即作为“包括,但不限于”。

贯穿本说明书对“一个实施例”或“一种实施例”的引用意味着可以将特定特征、结构、或特性以任何适合的方式在一个或多个实施例中进行组合。

如在本说明书和所附权利要求书中所使用的,除非文中另外明确指明,否则单数形式的“一种”、“一个”以及“该”包括复数对象。还应注意,除非内容另外明确指明,否则通常以其最广泛的意义采用术语“或者”,也就是说如意味着“和/或”。

在此提供的本披露小标题以及摘要只是为了方便起见,而并非解释这些实施例的范围或含义。

在此描述的不同实施例提供用于在基于扫描激光的可穿戴式平视显示器(“WHUD”)中进行适眼区扩大的系统、设备和方法。总体上,基于扫描激光的WHUD是其中扫描激光投射器(“SLP”)将光栅扫描绘制到用户的眼睛上的虚拟视网膜显示器的形式。在没有任何另外的措施的情况下,SLP将光投射在被叫做显示器的出射光瞳的固定区域之上。为了使用户看到显示内容,出射光瞳典型地需要与用户的眼睛的入射光瞳对准、由其涵盖、或与其重叠。当显示器的出射光瞳完全包含在眼睛的入射光瞳内时,显示器的全分辨率和/或视场对于用户是可见的。由于这个原因,基于扫描激光的WHUD典型地采用相对小的出射光瞳,所述出射光瞳等于或小于用户的眼睛的入射光瞳的预期大小(例如,在直径上小于或等于约4mm)。

基于扫描激光的WHUD的适眼区由显示器在用户的眼睛处或其附近的出射光瞳的几何形状限定。采用小出射光瞳以便实现最大显示分辨率和/或视场的基于扫描激光的WHUD典型地有着具有相对小的适眼区的缺点。例如,可以使出射光瞳与用户的眼睛的中心对准,从而使得当用户凝视正前方时,眼睛的瞳孔位于“适眼区之内”,但是万一用户扫视偏离中心的任何位置,眼睛的瞳孔就可能快速离开适眼区。可以通过增加出射光瞳的大小来实现更大的适眼区,但这典型地以降低显示分辨率和/或减小视场为代价。根据本发明的系统、设备和方法,可以通过光学地复制或重复相对小的出射光瞳并在空间上将出射光瞳的多个复制品或实例分布在用户眼睛的相对更大(与单个出射光瞳独自的区域相比)的区域之上,来扩大基于扫描激光的WHUD的适眼区。以此方式,针对对应于用户的凝视方向范围的眼睛位置范围中的每一个,显示器出射光瞳的至少一个完整实例(整体地作为单个实例抑或作为多个实例的对应部分的组合)可以包含在眼睛的瞳孔的周界内。换言之,本发明的系统、设备和方法描述了通过在基于扫描激光的WHUD中复制出射光瞳进行的适眼区扩大。

贯穿本说明书和所附权利要求书,术语“复制”(例如,在“出射光瞳复制”的上下文中)被用来总体上指代其中产生基本上同一事物(例如,出射光瞳)的多个实例的情况。术语“出射光瞳复制”旨在总体上涵盖产生出射光瞳的同时(例如,在时间上平行)的实例的途径以及产生出射光瞳的顺序(例如,在时间上连续或“重复”)的实例的途径。在许多示例中,本发明的系统、设备和方法通过出射光瞳重复或顺序的出射光瞳平铺(tiling)来提供出射光瞳复制。除非具体上下文另有要求,否则在此对“出射光瞳复制”的引用包括通过出射光瞳重复进行的出射光瞳复制。

图1是根据本发明的系统、设备和方法的提供由多个光学复制的出射光瞳组成的大适眼区的WHUD 100的局部剖面透视图。WHUD 100包括支撑结构110,所述支撑结构在使用中被穿戴在用户的头部上并且具有眼镜(例如,太阳眼镜)框的总体形状和外观。支撑结构110承载多个组件,包括:SLP 120、全息组合器130和分光器150。SLP 120和分光器150的部分可以包含在支撑结构110的内部体积内;然而,图1提供了局部剖视图,其中,已经移除了支撑结构110的区,以便呈现SLP 120和分光器150的否则可能被隐藏的可见部分。

贯穿本说明书和所附权利要求书,术语“承载(carries)”以及诸如“由......承载(carried by)”的变体总体上被用来指代两个对象之间的物理偶联。物理偶联可以是直接物理偶联(即,通过两个对象之间的直接物理接触)或可以由一个或多个另外的对象介导的间接物理偶联。因此,术语承载以及诸如“由......承载”的变体意在总体上涵盖所有方式的直接和间接物理偶联,包括但不限于:在其间存在或不存在任何数量的中间物理对象的情况下,承载在......上、承载在......内、物理偶联到......上、和/或由......支撑。

SLP 120可以包括多个激光二极管(例如,红色激光二极管、绿色激光二极管、和/或蓝色激光二极管)和至少一个扫描镜(例如,单个二维扫描镜或两个一维扫描镜,所述扫描镜可以是例如基于MEMS的或基于压电的)。SLP 120可以通信偶联到(并且支撑结构110可以进一步承载)处理器以及存储处理器可执行数据和/或指令的非瞬态处理器可读存储介质或存储器,所述处理器可执行数据和/或指令在由处理器执行时,致使处理器控制SLP 120的操作。为了便于说明,图1未显现出处理器或存储器。

当支撑结构110被穿戴在用户的头部上时,全息组合器130被定位在用户的至少一只眼睛的视场内。全息组合器130是足够光学透明的,以便允许来自用户的环境的光(即,“环境光”)穿过,从而到达用户的眼睛。在图1所展示的示例中,支撑结构110进一步承载透明眼镜镜片140(例如,处方眼镜镜片),并且全息组合器130包括至少一个全息材料层,所述全息材料层被粘附到、附连到眼镜镜片140上,与眼镜镜片层叠,承载在眼镜镜片之中或之上,或以其他方式与眼镜镜片集成。至少一个全息材料层可以包括感光聚合物膜(诸如从拜耳材料科技有限公司(Bayer MaterialScience AG)可获得的HX)或卤化银化合物,并且可以例如使用美国临时专利申请序列号62/214,600中描述的任何技术与透明镜片140集成。全息组合器130在至少一个全息材料层之中或之上包括至少一个全息图。由于当支撑结构110被穿戴在用户的头部上时,全息组合器130被定位在用户的眼睛的视场中,全息组合器130的至少一个全息图被定位并取向用于将源自SLP 120的光朝向用户的眼睛重定向。具体地,至少一个全息图被定位并取向用于接收源自SLP 120的光信号,并将所述光信号会聚到在用户的眼睛处或其附近的至少一个出射光瞳。

分光器150被定位在SLP 120与全息组合器130之间的光路中。分光器150包括至少一个光学元件(例如,至少一个镜片、反射器、部分反射器、棱镜、衍射器、衍射光栅、镜子或其他光学元件,或者此类光学元件的至少一种配置、组合和/或安排),所述至少一个光学元件被安排用于接收由SLP 120生成并输出的光信号,并且有效地从SLP 120的多个(例如,N个,其中,N是大于1的整数)空间上分离的“虚拟位置”中的一个将每个此类光信号朝向全息组合器130重定向。有利地,分光器150可以是静态且无源的组件,在没有功率消耗或任何移动部件的情况下,所述组件(在其中或其上的第一入射点处)接收由SLP 120生成的第一光信号,并且将第一光信号沿着光路朝向全息组合器130导引/重定向,所述光路追溯到(如果在追溯过程中忽略分光器150)SLP 120的N个空间上分离的虚拟位置中的一个。第一光信号由分光器150从其重定向的SLP 120的N个空间上分离的虚拟位置中的特定位置由分光器150接收第一光信号的第一入射点确定。换言之,从全息组合器130的角度来看,分光器150致使由SLP 120生成的至少一些光信号似乎源自(即,“有效地”源自)SLP 120的N个空间上分离的“虚拟位置”(区别于源自SLP 120的真实位置)。

贯穿本说明书和所附权利要求书,经常引用一个或多个“(多个)虚拟位置”,诸如“SLP的N个空间上分离的虚拟位置”。对象的“真实位置”是它在真实三维空间中的实际位置。对象的“虚拟位置”是真实空间中的位置,系统的光学器件致使来自对象的光有效地源自于所述位置,即使对象的真实位置可能在别处。换言之,系统的光学器件致使来自对象的光沿循以下光路:如果在追溯过程中忽略系统的光学器件,所述光路将追溯到与对象在空间中的“真实位置”空间上分离的空间中的“虚拟位置”。作为简单的示例,平面镜前面的对象在所述平面镜的另一侧上具有“虚拟位置”。“虚拟位置”可以是光路中的一个或多个介入的光学元件的结果。当一个或多个光学元件将来自SLP的光信号重定向时,SLP的虚拟位置指代真实空间中的位置,在没有任何介入的光学器件的情况下,SLP将需要被定位在所述位置处,以便提供具有同一轨迹的光信号。系统的光学器件致使光信号沿循以下轨迹:如果系统中不存在这类光学器件,所述轨迹将对应于不同的原点。光信号似乎已“有效地”源自SLP的不同的或“虚拟的”位置。

图2A是根据本发明的系统、设备和方法的WHUD 200的原理图,所述原理图示出了处于操作中以便通过出射光瞳复制来进行适眼区扩大的分光器250。WHUD 200可以基本上类似于来自图1的WHUD 100,尽管在图2A中为了减少混乱而没有展示支撑结构(例如,支撑结构110)。与WHUD 100一样,WHUD 200包括SLP 220(所述SLP包括RGB激光器模块221和至少一个基于MEMS的扫描镜222)、由眼镜镜片240承载的全息组合器230、以及分光器250。如前所述,全息组合器230和眼镜镜片240的组合是足够透明的,以便允许环境光295穿过,从而到达用户的眼睛290。

SLP 220相对于全息组合器230被定位在一定位置260(即,“真实”位置)处,并且被示出为正在生成(例如,投射)一组光信号270。光信号270对应于SLP 220对总扫描范围(例如,总二维扫描范围,在图2A的视图中只有一个维度可见)θ的第一扫掠,并且可以集体地表示例如SLP 220对WHUD 200的第一图像、或视频的第一帧、或总体上显示内容的第一帧的投射。

分光器250被定位在SLP 220与全息组合器230之间的光路中,从而使得分光器250在从SLP 220到全息组合器230的途中中断(例如,接收)光信号270。如前所述,分光器250包括至少一个光学元件(例如,至少一个镜片、反射器、部分反射器、棱镜、衍射器、衍射光栅、镜子或其他光学元件,或者此类光学元件的至少一种配置、组合和/或安排),所述至少一个光学元件被安排用于有效地从SLP 220的N个空间上分离的“虚拟位置”261、262和263将光信号270朝向全息组合器230重定向。具体地,分光器250将光信号270分离、分开、分叉、分化、或总体上“分裂”到N个群组、组、范围、或“子范围”中,并且将每个子范围的光信号270沿着对应范围(或子范围)的光路重定向,所述对应范围(或子范围)的光路有效地源自SLP 220的N个空间上分离的虚拟位置261、262和263中的对应一个。

在操作中,SLP 220的扫描镜222在一定方向和/或角度范围(或范围的组合)内投射、引导、定向、或总体上“扫掠”调制光信号270,以便限定显示图像。为了简单起见,在图2A中示出了单个扫描镜222,但是在替代实现方式中,可以采用两个或更多个扫描镜的安排。SLP 220(例如,SLP 220的至少一个扫描镜222)在其内操作来投射光信号270的总可用方向和/或角度范围在此总体上被称为总“扫描范围”,并且在图2A中由符号θ标示。贯穿本说明书和所附权利要求书,符号θ用于表示SLP(例如,SLP 220)的总扫描范围(例如,总二维扫描范围),并且包括SLP在正常使用过程中在其上操作来输出光信号的所有可用方向和/或角度。根据正由SLP投射的具体显示内容(例如,根据激光器模块221的具体调制图案),总扫描范围θ中的任何特定方向和/或角度可以在任何特定时间对应于任何特定光信号(例如,红色光信号、绿色光信号、蓝色光信号、其任何组合、或根本没有光信号)。SLP 220对总扫描范围θ的一次“扫掠”可以产生一个投射图像、或投射视频或动画的一帧、或总体上显示内容的一帧,其中,显示内容的组成取决于扫掠过程中激光器模块221的调制图案。在此描述的SLP总体上操作来绘制光栅扫描,并且“总扫描范围”总体上涵盖SLP操作来绘制的全光栅扫描的外周界。这可以通过例如以下SLP来实现:所述SLP采用操作来在两个正交维度上进行扫描的单个扫描镜或者各自操作来在两个正交维度中的对应一个内进行扫描的两个单独的扫描镜。

SLP的总二维扫描范围θ可以被分解成:在第一维度上的总扫描范围Ω,所述总扫描范围Ω对应于SLP在正常使用过程中操作来输出的光信号在第一维度(例如,水平维度)上的所有可用方向和/或角度;以及第二维度上的总扫描范围Ψ,所述总扫描范围Ψ对应于SLP在正常使用过程中操作来输出的光信号在第二维度(例如,垂直维度)上的所有可用方向和/或角度。总体上,0°<Ω<180°并且0°<Ψ<180°,尽管在实践中,Ω和Ψ各自可以在较窄的范围内,诸如10°<Ω<60°并且10°<Ψ<60°。Ω和Ψ的相对值影响WHUD的宽高比。换言之,总二维扫描范围θ可以由第一一维分量Ω和第二(例如,正交的)一维分量Ψ组成,如θ=Ω×Ψ。总体上,SLP对单个维度上的总扫描范围的一次“扫掠”是指SLP的所述(多个)扫描镜的一个实例移动通过对应于光信号在与那个扫描范围相关联的维度上的所有可用方向/角度的所有取向或配置。SLP对第一维度上的总扫描范围Ω的扫掠因此对应于越过或跨越对应于光信号在那个第一维度上的所有可用方向/角度的所有取向或配置进行的扫掠(例如,由SLP的至少一个扫描镜进行),并且SLP对第二维度上的总扫描范围Ψ的扫掠因此越过或跨越对应于光信号在那个第二维度上的所有可用方向/角度进行的扫描(例如,由SLP的至少一个扫描镜进行)。然而,对总二维扫描范围θ的扫掠可以涉及对第一维度和第二维度中的每一个上的对应的总扫描范围Ω和Ψ的多次扫掠。SLP的常见操作模式是沿着对第二维度(例如,垂直维度)上的总扫描范围Ψ的扫掠在每个离散步骤或位置处执行对第一维度(例如,水平维度)上的总扫描范围Ω的对应扫掠。光信号是否实际上以任何给定方向/角度被投射取决于那时正被投射的特定显示内容的调制图案。

返回图2A,分光器250包括至少一个光学元件,所述至少一个光学元件被安排用于:接收对应于SLP 220对总扫描范围θ的扫掠的光信号270;基于每个光信号270在分光器250处的入射点将光信号分离到N个子范围中,其中,并且有效地从SLP 220的N个空间上分离的虚拟位置261、262和263中的每一个将光信号朝向全息组合器230重定向。N个子范围中的每一个可以对应于SLP 220的N个空间上分离的虚拟位置261、262和263中的对应一个。对总扫描范围θ的扫掠中的每个光信号270由分光器250从其重定向的SLP 220的N个虚拟位置261、262和263中的特定虚拟位置由光信号270所对应于的N个子范围中的特定子范围确定。在所展示的示例的视图中,N=3个子范围(例如,对应地为和但是为了减少混乱,并未单独地显现),并且每个子范围包括对应的一组光信号271、272和273,它们一起组成光信号270。也就是说,分光器250将光信号270分裂或分离到包括光信号271(由具有大划线的线表示)的第一子范围包括光信号272(由实线表示)的第二子范围以及包括光信号273(由点线表示)的第三子范围中。分光器250将光信号重定向,从而使得第一光信号271有效地源自第一虚拟位置261,第二光信号272有效地源自第二虚拟位置262,并且第三光信号273有效地源自第三虚拟位置263。图2B、2C和2D中对应地描绘了对应于第一光信号271、第二光信号272和第三光信号273中的对应光信号的N=3个子范围和中的连续的单独子范围。

SLP 220的N=3个虚拟位置261、262和263中的每一个与SLP 220的真实位置260在空间上分离,因此SLP 220的虚拟位置261、262和263(对应地对应于第一光信号271、第二光信号272和第三光信号273)中的每一个与全息组合器230之间的光路不同于SLP 220的真实位置260与全息组合器230之间的光路。例如,光信号271的光路不同于光信号272的光路,并且光信号273的光路不同于光信号271和光信号272两者的光路。有利地,SLP 220的N=3个虚拟位置261、262和263中的每一个可以对应于SLP 220的对应的位置和取向。换言之,相对于SLP 220的N=3个虚拟位置261、262和263中的其他虚拟位置,虚拟位置261、262和263中的每一个可以对应于SLP 220的对应的移位和旋转。WHUD 200中的情况就是这样,对于WHUD 200,如本领域普通技术人员将会明白的,图2A中连接SLP 220的N=3个虚拟位置261、262和263中的每一个的线将是曲线。

如前所述,全息组合器230包括至少一个全息图,所述少一个全息图操作(例如,被设计、制作、编码、记录、和/或总体上定位并取向)来将从分光器250接收的光信号270朝向用户的眼睛290重定向。在所展示的实现方式中,全息组合器230的至少一个全息图将光信号271、272和273中的对应光信号会聚到在眼睛290处或其附近的N=3个出射光瞳281、282和283中的对应出射光瞳。全息组合器230将光信号所会聚到的特定出射光瞳281、282和283取决于光信号由分光器250从其重定向的SLP 220的特定虚拟位置261、262和263(例如,由所述特定虚拟位置确定)。因此,分光器250将光信号270分裂成N=3个群组(光信号271、272和273)或子范围(和),并且按照以下方式(例如,有效地从这种虚拟位置)将每个群组或子范围重定向到全息组合器230:每个群组或子范围由全息组合器230会聚到眼睛290处的N=3个空间上分离的出射光瞳281、282和283中的对应一个。WHUD 200的总适眼区280涵盖所有的三个空间上分离的出射光瞳281、282和283。如果分光器250不存在,那么WHUD 200的总适眼区280将由单个出射光瞳(例如,282)构成。通过将SLP 220的总扫描范围θ分解(或“分裂”)成N=3个子范围并相应地在眼睛290处的更大空间区域之上将单个出射光瞳(例如,282)复制或重复为N=3个出射光瞳281、282和283,分光器250扩大WHUD 200的适眼区280。如稍后将更详细地论述的,为了在每个出射光瞳281、282和283处复制同一显示内容,SLP 220可以在对总扫描范围θ的扫掠中重新调制标称地同一显示内容N次(例如,重复为标称地同一调制图案的N个实例),其中,每次对应调制(例如,N个实例中的每一个)对应于总扫描范围θ的N个子范围中的对应一个。N=3个子范围和以及N=3个出射光瞳281、282和283在图2A中仅用作说明性示例。本领域技术人员应当理解,在替代实现方式中,N可以是大于1的任何其他整数,诸如N=2,4,5,6等。

总体上,SLP 220对总扫描范围θ的扫掠可以包括超过(例如,显著地超过,诸如超过数十的量级、超过数百的量级、超过数千的量级、或超过甚至更大的量级)N个光信号。在这种扫掠内,分光器250的至少一个光学元件可以被安排用于接收由SLP 220生成的至少N个光信号,并且有效地从SLP 220的N个空间上分离的虚拟位置中的对应虚拟位置将至少N个光信号朝向全息组合器230重定向。在这种情况下,N个光信号中的每一个在总扫描范围θ的N个子范围中的对应一个中。也就是说,N个光信号中的第一个在N个子范围中的第一个中(例如,光信号271中的一个),并且由分光器250重定向成有效地源自SLP 220的第一虚拟位置261;N个光信号中的第二个在N个子范围中的第二个中(例如,光信号272中的一个),并且由分光器250重定向成有效地源自SLP 220的第二虚拟位置262;并且N个光信号中的第三个在N个子范围中的第三个中(例如,光信号273中的一个),并且由分光器250重定向成有效地源自SLP 220的第三虚拟位置263,诸如此类,视具体实现方式而定(例如,对于所有的N个)。N个光信号中的每一个由分光器250从其重定向的SLP 220的特定虚拟位置261、262和263取决于分光器250接收每个光信号的特定入射点(例如,由所述特定入射点确定)。全息组合器230从分光器250接收N个光信号,并将N个光信号中的每一个会聚到在眼睛290处或其附近的对应的空间上分离的出射光瞳281、282和283。在这个示例中,N个光信号可以包括例如同一图像的N个不同实例(即,包括至少两个像素的同一图像的N个重复或复制的实例),或者N个光信号可以包括例如图像的同一像素的N个不同实例(例如,同一图像中的同一像素的N个重复或复制的实例)。

图2A描绘了SLP 220对总扫描范围(例如,总二维扫描范围,其中,在图2A的视图中只有一个维度可见)θ的扫掠的说明性示例。如前所述,图2B、2C和2D对应地描绘了组成来自图2A的SLP 220对总扫描范围θ的扫掠的N=3个子范围和中的顺序的子范围。

图2B是根据本发明的系统、设备和方法的来自图2A的WHUD 200的原理图,所述原理图示出了SLP 220对总扫描范围θ的第一子范围的扫掠(例如,对总扫描范围θ的局部扫掠)以及由分光器250对来自第一虚拟位置261的光信号271进行的相应重定向。在所展示的示例中,第一子范围对应于由SLP 220在总扫描范围θ的第一三分之一内生成的光信号271(在图2B和图2A两者中由具有大划线的线表示),因此针对第一子范围中的光信号271的方向和/或角度范围,分光器250在第一入射点范围内的不同入射点处接收光信号271。至少部分地基于第一入射点范围内的入射点的位置/地点,分光器250有效地从SLP 220的第一虚拟位置261将光信号271朝向全息组合器230重定向。全息组合器230从分光器250接收第一子范围中的光信号271,并将光信号271会聚到在眼睛290处或其附近的第一出射光瞳281。

图2C是根据本系统、设备和方法的来自图2A和2B的WHUD 200的原理图,所述原理图示出了SLP 220对总扫描范围θ的第二子范围的扫掠(例如,对总扫描范围θ的局部扫掠)以及分光器250对来自第二虚拟位置262的光信号272进行的相应重定向。在所展示的示例中,第二子范围对应于由SLP 220在总扫描范围θ的第二三分之一内生成的光信号272(在图2C和图2A两者中由实线表示),因此针对第二子范围中的光信号272的方向和/或角度范围,分光器250在第二入射点范围内的不同入射点处接收光信号272。至少部分地基于第二入射点范围内的入射点的位置/地点,分光器250有效地从SLP 220的第二虚拟位置262将光信号272朝向全息组合器230重定向。全息组合器230从分光器250接收第二子范围中的光信号272,并将光信号272会聚到在眼睛290处或其附近的第二出射光瞳282。因为第二虚拟位置262与第一虚拟位置261在空间上分离,第二出射光瞳282在眼睛290处或其附近与第一出射光瞳281在空间上分离。

图2D是根据本系统、设备和方法的来自图2A、2B和2C的WHUD 200的原理图,所述原理图示出了SLP 220对总扫描范围θ的第三子范围的扫掠(例如,对总扫描范围θ的局部扫掠)以及分光器250从第三虚拟位置263对光信号273进行的相应重定向。在所展示的示例中,第三子范围对应于由SLP 220在总扫描范围θ的最后三分之一内生成的光信号273(在图2D和图2A两者中由点线表示),因此针对第三子范围中的光信号273的方向和/或角度范围,分光器250在第三入射点范围内的不同入射点处接收光信号273。至少部分地基于第三入射点范围内的入射点的位置/地点,分光器250有效地从SLP 220的第三虚拟位置263将光信号273朝向全息组合器230重定向。全息组合器230从分光器250接收第三子范围中的光信号273,并将光信号273会聚到在眼睛290处或其附近的第三出射光瞳283。因为第三虚拟位置263与第一虚拟位置261和第二虚拟位置262在空间上分离,第三出射光瞳283在眼睛290处或其附近与第一出射光瞳281和第二出射光瞳282在空间上分离。

贯穿本说明书和所附权利要求书,经常引用一个或多个光信号在分光器处的“入射点”。除非具体上下文另有要求,否则分光器处的“入射点”总体上指代分光器之上(例如,在其外表面处)或之中(例如,在其内部体积内)的位置或地点,在所述位置或地点处,光信号照射在分光器上和/或首次与分光器相互作用和/或首次受到分光器的影响。例如,如在此描述的分光器可以包括一个或多个光学元件,诸如光学元件安排,并且光信号在分光器处的“入射点”可以指代位置或地点(例如,空间“点”),在所述位置或地点处,光信号首次照射在光学元件安排中的光学元件上。术语“点”在本上下文中无约束地用来指代具有特定空间位置和/或地点的总体区,并且可以包括某种(某些)维度属性(例如,有限的长度、面积或体积),所述(所述)维度属性取决于光信号在入射点处的光点大小和光点几何形状。换言之,术语“点”在本上下文中并不旨在局限于空间中无量纲点的数学概念。

在图2B、2C和2D所展示的示例中,子范围和中的每一个对应于总扫描范围θ的对应相等部分(例如,对应的三分之一)。分光器250将来自SLP 220对总扫描范围θ的扫掠的光信号270分离或“分裂”成N=3个相等大小的子范围:对应于第一子范围的光信号271(图2B)、对应于第二子范围的光信号272(图2C)、以及对应于第三子范围的光信号273(图2D)。也就是说,针对与SLP 220在总扫描范围θ的第一子范围中投射的光信号271的所有方向和/或角度相对应的分光器250处的第一入射点范围,分光器250的至少一个光学元件接收光信号271并且(独自地或与其他光学元件结合地)有效地从SLP 220的第一虚拟位置261将光信号271朝向全息组合器230重定向;针对与SLP 220在总扫描范围θ的第二子范围中投射的光信号272的所有方向和/或角度相对应的分光器250处的第二入射点范围,分光器250的至少一个光学元件接收光信号272并且(独自地或与其他光学元件结合地)有效地从SLP 220的第二虚拟位置262将光信号272重定向朝向全息组合器230;并且针对与SLP 220在总扫描范围θ的第三子范围中投射的光信号273的所有方向和/或角度相对应的分光器250处的第三入射点范围,分光器250的至少一个光学元件接收光信号273并且(独自地或与其他光学元件结合地)有效地从SLP 220的第三虚拟位置263将光信号273重定向朝向全息组合器230。仅出于说明性目的,WHUD 200中的N=3个子范围和中的每一个对应于总扫描范围θ的对应相等部分(例如,对应的三分之一)。本领域技术人员应当理解,分光器的替代实现方式(和/或采用分光器的WHUD的替代实现方式)可以包括任何数量N的子范围并且子范围可以是或可以不是相等大小的。至少两个子范围可以是相同大小的并且/或者至少两个子范围可以是不同的对应大小的。例如,如果需要,具有N=3的分光器可以将光信号分裂到大小为和的三个子范围和中。

如前所述,在每个子范围内,SLP 220可以重新调制标称地同一光信号图案或安排。现在描述这种情况的示例。

在SLP 220对总扫描范围θ的扫掠内,SLP 220可以产生光信号270。光信号270可以包括第一光信号271、第二光信号272和第三光信号273。

在总扫描范围θ的第一子范围内,SLP 220可以生成第一光信号271,并且第一光信号271可以表示或体现对应于第一图像或图像的第一部分的第一组像素。第一光信号271由分光器250沿着光路朝向全息组合器230重定向,所述光路追溯到有效地源自SLP 220的第一虚拟位置261。全息组合器230接收第一光信号271,并将第一光信号271会聚到眼睛290处的第一出射光瞳281。

在总扫描范围θ的第二子范围内,SLP 220可以生成第二光信号272,并且第二光信号272可以与第一光信号271表示或体现对应于同一第一图像或图像的同一第一部分的标称地同一第一组像素。第二光信号272由分光器250沿着光路朝向全息组合器230重定向,所述光路追溯到有效地源自SLP 220的第二虚拟位置262。全息组合器230接收第二光信号272,并将第二光信号272会聚到眼睛290处的第二出射光瞳282。因为第一光信号271和第二光信号272表示或体现标称地同一显示内容,第一出射光瞳281和第二出射光瞳282各自将同一显示内容的对应实例(例如,对应的复制或重复的实例)提供到眼睛290处或其附近的不同对应位置。以此方式,眼睛290能够看到相同的内容,而不管第一出射光瞳281和/或第二出射光瞳282中的哪至少一个与眼睛290的凝视方向(例如,瞳孔位置)对准。WHUD 200的适眼区280不是包括一个位置处的单个出射光瞳,而是被扩大成包括空间上分离的第一出射光瞳281和第二出射光瞳282。

在总扫描范围θ的第三子范围内,SLP 220可以生成第三光信号273,并且第三光信号273可以与第一光信号271和第二光信号272表示或体现对应于同一第一图像或图像的同一第一部分的标称地同一第一组像素。第三光信号273由分光器250沿着光路朝向全息组合器230重定向,所述光路追溯到有效地源自SLP 220的第三虚拟位置263。全息组合器230接收第三光信号273,并将第三光信号273会聚到眼睛290处的第三出射光瞳283。因为第三光信号273与第一光信号271和第二光信号272表示或体现标称地同一显示内容,第三出射光瞳283将与第一出射光瞳281和第二出射光瞳282所提供的显示内容相同的显示内容的另一实例(例如,另一复制或重复的实例)提供到眼睛290处或其附近的另一位置。以此方式,眼睛290能够看到相同的内容,而不管第一出射光瞳281、第二出射光瞳282和/或第三出射光瞳283中的哪至少一个与眼睛290的凝视方向(例如,瞳孔位置)对准。WHUD 200的适眼区280被扩大成包括空间上分离的第一出射光瞳281、第二出射光瞳282和第三出射光瞳283。如前所述,在WHUD 200中将适眼区280扩大成包括三个出射光瞳281、282和283仅用于说明性目的。本发明的系统、设备和方法可以被扩展来根据具体应用的要求将WHUD的适眼区扩大成包括任何数量N的出射光瞳。

贯穿本说明书,短语“标称地相同的”总体上在提及某些光信号(例如,第一光信号271与第二光信号272标称地相同)时被用来指示:那些特定光信号被限定来在用户观看时表示同一内容。例如,当第一光信号271和第二光信号272都被SLP 220限定来表示同一图像、或图像的同一部分、或总体上同一显示内容时,第一光信号271和第二光信号272是“标称地相同的”。“标称地相同的”中的术语“标称地”意在反映以下事实:在一些情况下,即使两个光信号(例如,两组光信号,正如第一光信号271和第二光信号272)可以都被限定来表示同一显示内容,两个光信号(或两组光信号)也可以不是完全相同组的光信号。这种情况可能例如在两个光信号(例如,两组光信号)各自暴露于不同的对应光学畸变时出现。

在在此描述的不同实现方式中,图像的多个(即,N个)实例是有效地是从多个(即,N个)不同虚拟位置中的对应位置投射的。N个虚拟位置中的每一个对应于对应的通过分光器的光路的范围,并且在包括对应的方向和/或角度范围的对应光路范围内有效地朝向全息组合器“投射”光信号或将光信号“投射”到全息组合器上。因此,N个虚拟位置中的每一个可以有效地“投射”具有不同的对应光学畸变曲线的光信号。例如,有效地源自第一虚拟位置的第一组光信号(例如,表示图像的第一实例)可以经受第一组光学畸变(例如,图像歪斜、梯形失真、像差等),所述第一组光学畸变由第一组光信号所沿循的、通过分光器的、从分光器到全息组合器的和/或从全息组合器到第一出射光瞳的一组特定光路造成。同样地,有效地源自第二虚拟位置的第二组光信号(例如,表示同一图像的第二实例)可以经受第二组光学畸变(例如,图像歪斜、梯形失真、像差等),所述第二组光学畸变由第二组光信号所沿循的、通过分光器的、从分光器到全息组合器的和/或从全息组合器到第二出射光瞳的一组特定光路造成。第一组光学畸变和第二组光学畸变可能不是完全相同的。为了针对光学畸变进行校正,可以校准SLP以便对所投射光信号应用不同的偏置、补偿、校正或其他措施,从而使得光信号考虑到光学畸变并且将正确地在用户的眼睛处呈现。由于第一组光学畸变和第二组光学畸变可能不是彼此完全相同的,因此可以校准SLP以便对第一组光信号(例如,表示图像的第一实例)应用第一图像校正曲线(例如,第一组图像校正措施),并且对第二组光信号(例如,表示同一图像的第二实例)应用第二图像校正曲线(例如,第二组图像校正措施)。因此,即使第一组光信号和第二组光信号各自可以被SLP限定来表示同一显示内容,第一组光信号和第二组光信号也可以不是彼此完全相同的。在这个示例中,第一组光信号和第二组光信号是不相同的,但它们据称是“标称地相同的”,因为它们各自被SLP限定来表示同一显示内容。

返回图2A,图2A描绘了根据本发明的系统、设备和方法的扫掠的累积效应,所述扫掠通过来自图2B的第一子范围来自图2C的第二子范围和来自图2D的第三子范围的顺序的范围,以便在由SLP 220对总扫描范围θ的扫掠过程中在眼睛290处对应地产生三个出射光瞳281、282和283。换言之,图2A同时描绘了全部重叠到一个图解中的图2B、2C和2D所示的三个时间范围中的每一个。适眼区280包括三个出射光瞳281、282和283,并且三个出射光瞳281、282和283中的每一个在不同的时间范围内向眼睛290提供同一显示内容的对应的时间上分离的复制品或实例。例如,第一出射光瞳281可以在SLP 220扫掠通过第一子范围的时间范围内(例如,在SLP 220扫掠通过总扫描范围θ的第一1/3的时间范围内)向眼睛290提供第一图像的第一实例,第二出射光瞳282可以在SLP 220扫掠通过第二子范围的时间范围内(例如,在SLP 220扫掠通过总扫描范围θ的第二1/3的时间范围内)向眼睛290提供第一图像的第二实例,并且第三出射光瞳283可以在SLP 220扫掠通过第三子范围的时间范围内(例如,在SLP 220扫掠通过总扫描范围θ的第三1/3的时间范围内)向眼睛290提供第一图像的第三实例。因此,由三个出射光瞳281、282和283中的对应出射光瞳提供的第一图像的三个实例可以在时间上彼此串行地(即,连串地)投射。为了使用户不看到同一显示内容的三个顺序的投影,SLP 220可以按太快以致眼睛290无法辨识的速率重新调制同一显示内容的三个对应实例。图2A所描绘的累积效应(即,出射光瞳281、282和283的同时性)可以表示用户在以下情况时实际感知到的内容:如图2B、2C和2D中顺序地描绘的,SLP 220在对总扫描范围θ的扫掠内快速地(例如,以约60Hz)重新调制同一显示内容的N个顺序的实例,并且分光器250将对总扫描范围θ的扫掠分裂到N个子范围中的对应子范围中,其中,每个子范围对应于显示内容的N个顺序的实例中的对应一个。

根据本发明的系统、设备和方法,SLP 220和分光器250一起将SLP 220在总扫描范围θ内所投射的光信号270分离或“分裂”到N=3个子范围和中,以便产生同一显示内容的N=3个实例271、272和273。因为这N=3个实例中的每一个沿循有效地源自SLP 220的不同的对应空间上分离的虚拟位置261、262和263的不同的对应范围的光路,全息组合器230将这N=3个实例中的每一个会聚到眼睛290处或其附近的对应空间上分离的出射光瞳281、282和283。空间上分离的出射光瞳281、282和283被分布在眼睛290的与单个出射光瞳(其具有与出射光瞳281、282和283中的任一个相同的大小)独自相比覆盖更宽瞳孔位置(例如,凝视方向)范围的区域之上。因此,适眼区280通过在WHUD 200中进行出射光瞳复制而得以扩大。

在所展示的示例中,有效地由分光器250创造或建立的SLP 220的N=3个虚拟位置261、262和263中的每一个与真实位置260不同(即,在空间上分离)。然而,在一些实现方式中,分光器250可以包括一个或多个光学元件或光学设备的配置或安排,对于所述配置或安排,子范围的光信号270有效地从真实位置260而不是从虚拟位置被定向到全息组合器230。

在图2A中,有效地源自第一虚拟位置261的光信号271、有效地源自第二虚拟位置262的光信号272、以及有效地源自第三虚拟位置263的光信号273全都被示出为入射在全息组合器230的几乎同一区处或所述同一区上。这种配置是示例性的,并且在实践中,根据具体实现方式,可以优选替代配置。总体上,每个子范围的光信号(例如,光信号271、光信号272和光信号273中的每一者)可以入射在全息组合器230的对应区或区域上(并且由其接收),并且全息组合器230的这些对应区域可以或可以不完全重叠(例如,这类区域可以部分重叠或对应于分离的非重叠区域)。

在诸如基于扫描激光的WHUD 100和/或基于扫描激光的WHUD 200的虚拟视网膜显示器中,可能没有在用户的眼睛之外形成的“图像”。典型地,没有微型显示器或投影屏幕或其中投射图像对第三方可见的其他地方;相反,图像可以完全形成于用户的眼睛内。由于这个原因,对于基于扫描激光的WHUD可能有利的是被设计成适应眼睛形成图像的方式。

针对进入眼睛的光信号(例如,光线、波前、来自SLP的入射光束或类似物),眼睛(或更准确地,眼睛和人类大脑的组合)可以基于视网膜由光信号照耀的区来确定光信号被定位在用户的视场中的“哪里”。照耀视网膜的同一区的两个光信号可以出现在用户的视场中的同一位置中。视网膜由任何给定光信号照耀的的特定区由光信号进入眼睛所处的角度而不是位置来确定。因此,倘若两个光信号在它们进入用户的眼睛时具有相同的入射角,那么两个光信号可以出现在用户的视场中的同一位置中,即使它们进入用户的瞳孔的不同位置也是如此。眼睛的晶状体的几何形状是这样以使得:以相同角度进入眼睛(不管光信号进入眼睛的位置/地点)的任何两个光信号总体上可以被定向到视网膜的同一区,并且因此总体上可以出现在用户的视场中的同一位置中。

在至少一些实现方式中,在此描述的基于扫描激光的WHUD快速依次地将同一图像的多个实例投射到眼睛的视网膜上。即使多个实例在时间上分离,时间间隔也可以小到足以是用户不可发现的。如果同一图像的多个实例中的任两个不在眼睛的视网膜上对准/重叠,那么图像的这两个实例可能不在用户的视场中对准/重叠,并且可能发生诸如重影的不良效应。为了确保同一图像的多个实例(各自对应于对应的出射光瞳)在视网膜上对准/重叠,从而使得图像的多个实例在用户的视场中对准/重叠,基于扫描激光的WHUD可以有利地被配置用于将任何给定光信号的多个实例(各自对应于对应的出射光瞳,并且各自表示同一显示内容的对应实例)彼此在空间上平行地朝向眼睛定向。更确切地,并且参考图2A,分光器250和/或全息组合器230可以被配置、安排和/或操作(单独地或组合地),从而使得全息组合器230将N=3组光信号271、272和273对应地、全都彼此在空间上平行地朝向用户的眼睛290的对应区(即,朝向N=3个空间上分离的出射光瞳281、282和283中的对应出射光瞳)重定向。

图2E是根据本发明的系统、设备和方法的来自图2A、2B、2C和2D的WHUD 200的原理图,所述原理图示出了通过时间上顺序的出射光瞳复制进行的适眼区扩大,其中,同一显示内容(例如,(多个)像素)的对应实例彼此在空间上平行地朝向对应出射光瞳被投射。为了突显图2E的实现方式中示出的一些特征,将首先指出图2A的相应方面。

在图2A的实现方式中,有效地源自第一虚拟位置261的光信号271、有效地源自第二虚拟位置262的光信号272、以及有效地源自第三虚拟位置263的光信号273全都在全息组合器230上彼此对准并完全重叠。因此,N=3个出射光瞳281、282和283中的每一个从全息组合器230的基本上同一区域会聚到眼睛290处或其附近。因为N=3个出射光瞳281、282和283中的每一个源自全息组合器230的基本上同一区域,但是会聚到眼睛290的对应的空间上分离的区,所以N=3个出射光瞳281、282和283中的每一个必须包括具有N=3个出射光瞳281、282和283中的至少另一个无法提供的入射角(在眼睛290处)或反射角(在全息组合器230处)的至少一些光信号。例如,会聚到出射光瞳281的光信号271(由具有大划线的线表示)包括会聚到出射光瞳282的光信号272(由实线表示)中所不包括的至少一些入射角(在眼睛290处,或在全息组合器230处的反射角),并且反之亦然。如前所述,光信号在其进入眼睛时的入射角确定光(或光信号所体现的图像的像素)将出现在用户的视场中的哪里。具有对一个出射光瞳唯一的入射角的光信号仅能在那个出射光瞳与用户的瞳孔对准时(例如,在用户的凝视方向包括那个出射光瞳时)被投射到用户。因此,当多个空间上分离的出射光瞳全都源自全息组合器230上的基本上同一空间区域时,仅那个空间区域的有限子区可以用于提供所有出射光瞳共有的入射角,并且因此,仅每个空间上分离的出射光瞳的可用视场和/或分辨率的对应有限部分可以用于跨所有出射光瞳提供一致的图像复制。使有效地源自第一虚拟位置261的光信号271、有效地源自第二虚拟位置262的光信号272、以及有效地源自第三虚拟位置263的光信号273全都在全息组合器230上对准并重叠可以简化分光器250和/或全息组合器230的设计的一些方面,但是也可能限制可以跨所有出射光瞳复制的显示内容的可用分辨率和/或视场。

在图2E的实现方式中,分光器250被修改(例如,在几何形状、取向和/或组成上),以便使光信号271、272和273的相对轨迹相较于它们在图2A的实现方式中的相应轨迹漂移。有效地源自第一虚拟位置261的光信号271、有效地源自第二虚拟位置262的光信号272、以及有效地源自第三虚拟位置263的光信号273在图2E中并未像它们在图2A中那样在全息组合器230上对准或完全重叠。相反,光信号271、光信号272和光信号273在空间上被分布在全息组合器230的区域之上,并且各自被定位(在入射在全息组合器230上时)成使得:当由全息组合器230朝向眼睛290处或其附近的N=3个空间上分离的出射光瞳281、282和283中的对应出射光瞳重定向(例如,反射)并会聚时,所述光信号全都基本上彼此在空间上平行。也就是说,由全息组合器230会聚到出射光瞳281的光信号271、由全息组合器230会聚到出射光瞳282的光信号272、以及由全息组合器230会聚到出射光瞳283的光信号273全都包括来自全息组合器230的相同的反射角以及相应地相对于眼睛290的相同的入射角。与图2A的实现方式相比,在图2E的实现方式中,N=3个出射光瞳281、282和283全都不包括具有N=3个出射光瞳281、282和283中的其他出射光瞳中的每一个中并未同样包括的入射角(相对于眼睛290,或相对于全息组合器230的反射角)的光信号。图2E中的实现方式的N=3个出射光瞳281、282和283中的每一个包括对其可用的整个视场和/或分辨率,并且因此图2E所描绘的WHUD 200的实现方式与图2A所描绘的WHUD 200的实现方式相比可以在更大的视场和/或更高的分辨率下跨多个出射光瞳(例如,多个时间上分离且空间上分离的出射光瞳)提供一致的图像复制,这以增加分光器250和/或全息组合器230的复杂性为代价。

如前所述,全息组合器230包括嵌入、编码、记录在至少一个全息膜层中或以其他方式由其承载的至少一个全息图。全息膜可以包括例如感光聚合物膜(诸如来自拜耳材料科技有限公司的)或卤化银化合物。至少一个全息图的性质可以取决于具体实现方式。

作为第一示例,全息组合器230可以包括单个全息图,所述单个全息图有效地操作为用于具有由SLP 220提供的(多个)波长的光的快速会聚(例如,约1cm内的会聚、约2cm内的会聚、或约3cm内的会聚)镜。在这个第一示例中,承载第一全息图的全息膜可以具有相对宽的带宽,这意味着记录在全息膜中的全息图可以赋予SLP 220在全息组合器230处的相对宽的入射角范围内投射的所有光信号270上基本上相同的光学效应或功能。出于本发明的系统、设备和方法的目的,与全息图和全息膜相关的术语“宽带宽”是指大于或等于由全息图或全息膜的任何给定的点、区或位置从分光器接收的所有光信号的总入射角范围的角度带宽。作为示例,WHUD 200可以在全息组合器230中实现具有大于或等于约8°的角度带宽的宽带宽全息图。在这种情况下,虚拟位置261、262和263之间的空间间隔可以是这样以使得全息组合器230的任何给定的点、区或位置接收跨越全息组合器230处的8°(或更小)的入射角范围的光信号(即,包括在光信号271、272和273中的任一者中的光信号)。

与常规镜像行为一致,对于由全息组合器230承载的单个宽带宽快速会聚全息图,入射在全息组合器230上的一定范围的光信号的入射角可以影响由全息组合器230重定向的那个范围的光信号的反射角。由于全息组合器230总体上在WHUD 200的正常操作过程中相对于SLP 220被固定在适当地方,因此一定范围的光信号的入射角至少部分地由分光器250致使所述范围的光信号有效地所源自的SLP 220的特定虚拟位置261、262或263确定。然后,所述范围的光信号由全息组合器230所会聚到的出射光瞳281、282或283的空间位置至少部分地由那个范围的光信号来自全息组合器230的反射角确定。虚拟位置261、262和263中的每一个在全息组合器230处的对应入射角范围(总体上但不一定具有至少一些重叠)内提供光信号,并且因此全息组合器230将来自虚拟位置261、262和263中的每一个的光信号会聚到出射光瞳281、282和283中的对应一个。这就是以下情况的原因:参考例如图2A,有效地源自虚拟位置261的、具有一定范围的相对小的入射角(与对应地有效地源自虚拟位置262和263的光信号272和273相比)的光信号271(由具有大划线的线表示)映射到具有一定范围的相对小的反射角(与其他出射光瞳282和283相比)的出射光瞳281,并且有效地源自虚拟位置263的、具有一定范围的相对大的入射角(与对应地有效地源自虚拟位置261和262的光信号271和272相比)的光信号273(由点线表示)映射到具有一定范围的相对大的反射角(与其他出射光瞳281和282相比)的出射光瞳283。

作为第二示例,全息组合器230可以替代地包括任何数量的复用全息图而不是单个全息图。当例如使用多个波长的光信号(例如,由SLP 220生成的红色、绿色和蓝色光信号)时,复用全息图可以是有利的;并且/或者复用全息图可以有利于提供将有效地源自SLP 220的不同虚拟位置的光信号分离的另一装置。对于其中SLP 220仅提供单个波长的光信号(例如,仅红色光信号、仅绿色光信号、或仅蓝色光信号)的实现方式,上述“单个全息图”示例可以是适合的;但是对于其中SLP 220提供多个波长的光信号的实现方式,对于全息组合器230可能有利的是针对SLP 220所提供的每个对应波长的光信号(例如,由SLP 220提供的每个对应标称波长的光信号,因为激光二极管总体上可以提供在窄波带内的光信号)包括对应波长复用全息图。因此,当SLP 220包括各自提供对应标称波长的光信号的三个不同激光二极管(例如,红色激光二极管、绿色激光二极管和蓝色激光二极管)时,对全息组合器230可能有利的是包括各自被设计用于针对具有三个标称波长中的对应一个的光信号进行工作(例如,“重放”)的三个波长复用全息图(例如,红色全息图、绿色全息图和蓝色全息图)。在这个示例中,至少一个“红色全息图”(即,被设计用于针对具有对应于红光的波长的光信号进行重放的至少一个全息图)可以将光信号271、272和273中的每一者的对应的红色分量会聚到N=3个出射光瞳281、282和283中的对应一个,至少一个“绿色全息图”(即,被设计用于针对具有对应于绿光的波长的光信号进行重放的至少一个全息图)可以将光信号271、272和273中的每一者的对应的绿色分量会聚到N=3个出射光瞳281、282和283中的对应一个,并且至少一个“蓝色全息图”(即,被设计用于针对具有对应于蓝光的波长的光信号进行重放的至少一个全息图)可以将光信号271、272和273中的每一者的对应的蓝色分量会聚到N=3个出射光瞳281、282和283中的对应一个。换言之,针对由分光器从SLP的N个空间上分离的虚拟位置中的特定虚拟位置重定向的光信号,至少一个红色全息图可以将光信号的红色分量会聚到用户的眼睛处或其附近的N个出射光瞳中的特定出射光瞳,至少一个绿色全息图可以将光信号的绿色分量会聚到用户的眼睛处或其附近的N个出射光瞳中的特定出射光瞳,并且至少一个蓝色全息图可以将光信号的蓝色分量会聚到用户的眼睛处或其附近的N个出射光瞳中的特定出射光瞳。

作为第三示例,除去抑或除了多个波长复用全息图,全息组合器230可以包括至少N个角度复用全息图。也就是说,对于具有SLP 220的N=3个虚拟位置261、262和263以及N=3个出射光瞳281、282和283的实现方式,全息组合器230可以包括至少N=3个角度复用全息图(或者当还采用波长复用时,N=3组角度复用全息图,如稍后所论述的)。N=3个角度复用全息图中的每一个可以被设计用于针对有效地源自SLP 220的N=3个虚拟位置261、262和263中的对应一个的光信号进行重放,并且将这类光信号会聚到N=3个出射光瞳281、282和283中的对应一个。也就是说,第一角度复用全息图可以被设计用于针对有效地源自SLP 220的虚拟位置261的光信号271进行重放,并且将光信号271会聚到第一出射光瞳281;第二角度复用全息图可以被设计用于针对有效地源自SLP 220的虚拟位置262的光信号272进行重放,并且将光信号272会聚到第二出射光瞳282;并且第三角度复用全息图可以被设计用于针对有效地源自SLP 220的虚拟位置263的光信号273进行重放,并且将光信号273会聚到第三出射光瞳283。

对于采用角度复用的实现方式,对于包括角度复用全息图的全息膜可能有利的是具有相对窄的带宽。具体地,对于全息膜可能有利的是具有小于或约等于两个光信号的对应入射角之间的最小差的角带宽,所述光信号入射在全息组合器230的同一点、区或位置上,但有效地源自不同的虚拟位置261、262和263。作为示例,WHUD 200可以在全息组合器230中实现具有小于或等于约4°的角带宽的窄带宽角度复用全息图。在这种情况下,有效地源自虚拟位置261并入射在全息组合器230上的第一点处的光信号271(在全息组合器230处)的入射角与有效地源自虚拟位置262并入射在全息组合器230上的同一第一点处的光信号272(在全息组合器230处)的入射角之间的差可以小于或等于约4°。以此方式,全息组合器230中的每个对应的角度复用全息图可以被设计用于针对有效地源自SLP 220的虚拟位置261、262或263中的对应一个的光信号271、272或273中的对应一者实质性地、排他地进行重放,并且针对有效地源自SLP 220的虚拟位置261、262或263中的其他虚拟位置的光信号271、272或273中的其他光信号实质性地不进行重放(例如,非实质性地进行重放)。

总体上,全息组合器230可以包括至少N个复用全息图,并且所述至少N个复用全息图中的每一个可以将对应于SLP 220的N个空间上分离的虚拟位置中的对应一个的光信号会聚到用户的眼睛290处或其附近的N个出射光瞳中的对应一个。

一些实现方式可以采用波长复用和角度复用两者。例如,采用角度复用和多个波长的光信号的实现方式(例如,多色SLP)有利地也可以采用波长复用。在这种情况下,全息组合器230可以包括波长复用且角度复用的全息组合器,所述全息组合器包括至少N个角度复用红色全息图、至少N个角度复用绿色全息图、以及至少N个角度复用蓝色全息图。至少N个角度复用红色全息图中的每一个可以将由分光器250从SLP 220的N个空间上分离的虚拟位置中的对应一个(例如,261)重定向的光信号(例如,271)的红色分量会聚到眼睛290处或其附近的N个出射光瞳中的对应一个(例如,281)。至少N个角度复用绿色全息图中的每一个可以将由分光器250SLP 220的N个空间上分离的虚拟位置中的对应一个(例如,261)重定向的光信号(例如,271)的绿色分量会聚到眼睛290处或其附近的N个出射光瞳中的对应一个(例如,281)。至少N个角度复用蓝色全息图中的每一个可以将由分光器250从SLP 220的N个空间上分离的虚拟位置中的对应一个(例如,261)重定向的光信号(例如,271)的蓝色分量会聚到眼睛290处或其附近的N个出射光瞳中的对应一个(例如,281)。

采用多个复用全息图的全息组合器230的实现方式可以包括在单个全息膜层之中或之上(即,全都在同一层之中或之上)的多个全息图,或者可以包括多个全息膜层,其中,每个全息膜层承载至少一个对应全息图。全息组合器230可以包括或可以不包括至少一个体积式全息光学元件。总体上,全息组合器230可以包括承载任何数量的全息图的单个全息膜层,或者全息组合器230可以包括多个全息膜层(例如,层叠在一起的多个层),其中,每个对应的全息膜层承载任何数量的对应全息图。

全息组合器230在几何形状上可以是基本上平坦的或平面的,或者如图2A、2B、2C、2D和2E所展示,全息组合器230可以体现某种曲率。在一些实现方式中,全息组合器230可以体现曲率,因为全息组合器230由具有某种曲率的处方眼镜镜片240承载。必要时,全息组合器230可以包括美国临时专利申请序列号62/268,892中描述的用于曲面全息光学元件的系统、设备和/或方法。

在此描述的不同实施例提供用于通过在基于扫描激光的WHUD中复制出射光瞳来进行适眼区扩大的系统、设备和方法。每个复制的出射光瞳与用户的眼睛处或其附近的对应的空间上分离的位置对准,因为分光器选择性地沿着空间上分离的光路导引光信号,所述空间上分离的光路各自追溯到(例如,各自似乎有效地源自)SLP的不同的空间上分离的虚拟位置。效果与使用多个SLP替代分光器的情况相同,其中,每个SLP被定位在虚拟位置中的对应一个中,并且其中,每个SLP朝向全息组合器投射光信号的对应实例;然而,使用分光器在节省功率和最小化硬件体积方面具有相当大的优势。

分光器250将光信号270分离或分裂成光信号271、272和273,并且将光信号271、272和273最终朝向眼睛290处的出射光瞳281、282和283中的对应一个重定向。SLP 220可以被调制用于针对光信号271、272和273中的每一个重复标称地同一显示内容。这种冗余使WHUD 200能够在眼睛290的N=3个不同区处快速显示同一图像的N=3个实例,并由此将系统的适眼区280扩大成涵盖所有的N=3个出射光瞳281、282和283。然而,在一些应用或实现方式中,在任何给定时间处,可能仅需要或希望向眼睛290显示图像的一个实例。这样可以简化SLP 220的操作并节省产生同一图像的多个潜在冗余实例所需的功率。根据本发明的系统、设备和方法,WHUD 200可以包括眼睛追踪器以便确定眼睛290的瞳孔位置(例如,凝视方向),所述眼睛追踪器通信地偶联到SLP 220上(直接地,抑或通过共同通信偶联到另一元件上,诸如处理器或非瞬态处理器可读存储介质)。关于眼睛290的瞳孔位置(或凝视方向)的信息可以被SLP 220用于确定要在总扫描范围θ的N个子范围中的哪个(哪些)内调制光信号以便向用户提供显示内容。也就是说,基于关于眼睛290的瞳孔位置(或凝视方向)的信息,SLP 220可以任选地仅在总扫描范围θ的对应于与眼睛290的当前瞳孔位置(或凝视方向)对准的(多个)特定出射光瞳的(多个)特定子范围内生成光信号。如果眼睛290的凝视方向(由WHUID 200的眼睛追踪器确定)是这样以使得眼睛290的瞳孔仅与一个出射光瞳(例如,与出射光瞳283)对准,那么SLP 220可以被调制用于仅在总扫描范围θ的子范围部分过程中生成光信号,从而使得仅产生光信号273,并且可以节省与生成冗余光信号271和272相关联的功率。

根据具体实现方式,在此描述的WHUD的任何实现方式中所包括的眼睛追踪器可以采用各种各样不同的眼睛追踪技术中的任一种。例如,眼睛追踪器可以采用以下各项中描述的任何或所有系统、设备和方法:美国临时专利申请序列号62/167,767;美国临时专利申请序列号62/271,135;美国临时专利申请序列号62/245,792;和/或美国临时专利申请序列号62/281,041。如前所述,WHUD 200可以包括至少一个处理器以及通信地偶联到其上的至少一个非瞬态处理器可读存储介质或存储器。至少一个存储器可以存储处理器可执行数据和/或指令,当由至少一个处理器执行时,所述数据和/或指令致使所述至少一个处理器控制SLP 220和/或眼睛追踪器中的任一者或两者的操作。

如前所述,分光器250包括至少一个光学元件,所述至少一个光学元件被安排用于:接收对应于SLP 220对总二维扫描范围θ的扫掠的光信号270;基于每个光信号270在分光器250处的入射点将光信号分离到N个二维子范围中,其中,并且有效地从SLP 220的N个空间上分离的虚拟位置261、262和263中的对应一个将每个二维子范围中的光信号朝向全息组合器230重定向。同样如前所述,SLP的总二维扫描范围θ可以被分解成:在第一维度上的总扫描范围Ω,所述总扫描范围Ω对应于SLP在正常使用过程中操作来输出的光信号在第一维度(例如,水平维度)上的所有可用方向和/或角度;以及第二维度上的总扫描范围Ψ,所述总扫描范围Ψ对应于SLP在正常使用过程中操作来输出的光信号在第二维度(例如,垂直维度)上的所有可用方向和/或角度。当SLP 220的总二维扫描范围θ包括第一维度上的总扫描范围Ω时,那么分光器250的至少一个光学元件可以被安排用于:接收对应于SLP 220对第一维度上的总扫描范围Ω的扫掠的光信号;基于在分光器250处的入射点将对应于对第一维度上的总扫描范围Ω的扫掠的光信号分离到第一维度上的X个子范围ωi中,其中,1<X≤N并且并且有效地从SLP 220的N个空间上分离的虚拟位置中的至少X个将对应于对第一维度上的总扫描范围Ω的扫掠的光信号朝向全息组合器230重定向。在这种情况下,X个子范围ωi中的每一个可以对应于SLP 220的N个空间上分离的虚拟位置中的不同一个。对第一维度上的总扫描范围Ω的扫掠中的每个光信号由分光器250从其重定向的SLP 220的特定虚拟位置可以取决于光信号所对应于的第一维度上的特定子范围ωi(例如,可以由所述特定子范围确定)。当全息组合器230接收对应于对第一维度上的总扫描范围Ω的扫掠的光信号时,全息组合器230的至少一个全息图可以将光信号会聚到眼睛290处或其附近的N个出射光瞳中的至少X个中的对应出射光瞳。对第一维度上的总扫描范围Ω的扫掠中的光信号由全息组合器230朝向其重定向的特定出射光瞳可以至少取决于分光器250将光信号分离到其中的第一维度上的特定子范围ωi(例如,可以由所述特定子范围确定)。

当SLP 220的总二维扫描范围θ进一步包括第二维度上的总扫描范围Ψ(其中,例如θ=Ω×Ψ)时,那么分光器250的至少一个光学元件可以被安排用于:接收对应于SLP 220对第二维度上的总扫描范围Ψ的扫掠的光信号;基于在分光器250处的入射点将对应于对第二维度上的总扫描范围Ψ的扫掠的光信号分离到第二维度上的Y个子范围βi中,其中,1<Y≤N并且开且有效地从SLP 220的N个空间上分离的虚拟位置中的至少Y个将对应于对第二维度上的总扫描范围Ψ的扫掠的光信号朝向全息组合器230重定向。在这种情况下,Y个子范围βi中的每一个可以对应于SLP 220的N个空间上分离的虚拟位置中的不同一个。对于SLP 220的至少一个虚拟位置,第一维度上的X个子范围ωi中的至少一个和第二维度上的Y个子范围βi中的至少一个均可以对应于SLP 220的同一虚拟位置。对第二维度上的总扫描范围Ψ的扫掠中的每个光信号由分光器250从其重定向的SLP 220的特定虚拟位置可以取决于光信号所对应于的第二维度上的特定子范围βi(例如,可以由所述特定子范围确定)。

当全息组合器230接收对应于对第一维度上的总扫描范围Ω的扫掠和对第二维度上的总扫描范围Ψ的扫掠的光信号时,全息组合器230的至少一个全息图可以将光信号会聚到眼睛290处或其附近的N个出射光瞳。在这种情况下,光信号被全息组合器230会聚朝向的特定出射光瞳可以取决于分光器250将光信号分离到其中的第一维度上的特定子范围ωi和第二维度上的特定子范围βi(例如,可以由所述特定子范围确定)。

图2A、2B、2C、2D和2E所描绘的本发明的系统、设备和方法的说明性示例全都总体上以二维示出,并且总体上展示了其中多个出射光瞳跨用户的眼睛在一个维度上在空间上分离的适眼区配置。在实践中,在此描述的扩大适眼区配置可以包括在用户的眼睛的区域之上以任何二维配置安排的任何数量N的复制或重复出射光瞳。图3中提供了具有N=4个复制/重复出射光瞳的示例性配置。

图3是在二维上示出了根据本发明的系统、设备和方法的示例性全息组合器330的原理图,所述示例性全息组合器会聚四个复制(例如,重复)光信号实例以便形成扩大的适眼区380,所述适眼区包括用户的眼睛390处或其附近的四个空间上分离的出射光瞳381、382、383和384。出射光瞳381、382、383和384分布在眼睛390处或其附近的二维区域之上,以便覆盖眼睛390的宽范围的瞳孔位置(例如,凝视方向)。只要眼睛390的瞳孔位于适眼区380内,出射光瞳381、382、383和384中的至少一个(在一些情况下,出射光瞳381、382、383和384中的至少两个的组合)将通过瞳孔向眼睛390提供光信号,并且用户将能够看到投射图像。就光路而言,出射光瞳381、382、383和384中的每一个可以接收对应于SLP的总扫描范围θ的对应子范围的光信号。

图2A、2B、2C、2D和2E中的示例性分光器250是刻面棱镜结构。这种结构仅出于说明性目的而示出,并且并不意图将在此描述的分光器的组成限制于刻面棱镜结构或具有类似几何形状的结构。尽管在某些实现方式中,刻面棱镜结构可以适合作为分光器,但是如前所述,在此描述的分光器可以根据具体实现方式包括各种各样不同组件中的任一种。图4和图5中提供了如在此描述的分光器的不同构造和操作的两个非限制性示例。

图4是根据本发明的系统、设备和方法的用于将SLP 420的总扫描范围θ分离成三个子范围和的分光器400的示例的示意图。分光器400包括具有两个反射表面401和402以及两个透射表面411和412的第一光学结构450。反射表面401和402被取向成处于两个不同的角度。SLP 420(可以基本上类似于来自图1的SLP 120和来自图2A、2B、2C、2D和2E的SLP 220)具有包括子范围和的总扫描范围θ,如图4所指示,其中,SLP 420可以被操作来扫描标称地同一图像的三个顺序的复制品或实例:子范围中的第一实例、子范围中的第二实例、以及子范围中的第三实例。图像投射在子范围上的第一实例由光学结构450的第一反射表面401反射,并且然后再次由第三反射器(例如,镜子)403反射。第三反射器403被取向用于将对应于子范围的光信号471(类同于来自图2A、2B和2E的光信号271)朝向例如投影屏幕或WHUD的全息组合器(为减少混乱未在图4中示出)重定向。图像投射在子范围上的第二实例作为对应于子范围的光信号472(类同于来自图2A、2C和2E的光信号272)穿过光学结构450的第一透射表面411和第二透射表面412朝向例如投影屏幕或WHUD的全息组合器透射。图像投射在子范围上的第三实例由光学结构450的第二反射表面402反射,并且然后再次由第四反射器(例如,镜子)404反射。第四反射器404被取向用于将对应于子范围的光信号473(类同于来自图2A、2D和2E的光信号273)朝向例如投影屏幕或WHUD的全息组合器重定向。以此方式,图像的三个标称上完全相同的实例可以由SLP 420产生(例如,顺序地生成),并且有效地从SLP 420的三个不同位置(一个真实位置、两个虚拟位置)朝向全息组合器(例如,230)被定向。取决于全息组合器的位置和取向,图像的所得实例中的任两个或所有的三个可以按各种各样不同的方式在全息组合器上重叠或不重叠。在一些实现方式中,全息组合器的其中所有的三个图像完全重叠的区域可以有利地在操作过程中用作主视场。

分光器400表示分光器的配置的示例,所述分光器可以与相应地适配的SLP操作模式结合使用,以便通过出射光瞳复制来扩大视网膜扫描显示系统的适眼区。

图5是根据本发明的系统、设备和方法的用于将SLP 520的总二维扫描范围θ分离成四个二维子范围和的分光器550的示例的原理图。分光器550是刻面棱镜光学设备或结构(类似于来自图2A、2B、2C、2D和2E的分光器250),其中,不同表面被安排用于反射、折射、衍射和/或总体上影响由SLP 520生成并入射到分光器之上或之中的光信号570的光路。分光器550是由诸如塑料、玻璃或萤石的常规光学材料形成的单个实心光学结构,尽管在替代实现方式中,分光器550可以包括分离光学结构的连续的或以其他方式配合的组合。分光器550的不同刻面501(共同地,为了减少混乱而仅显现出一个)被安排用于限定相异的输入区(对应于SLP 520的总扫描范围θ的特定子范围并且具有在分光器550上的特定入射点范围)和/或输出区(各自对应地对应于追溯到SLP 520的N=4个虚拟位置561、562、563和564中的对应一个的所有光路)。为了与来自SLP 520的光信号570对准并有意地将光信号重定向,分光器550的不同刻面501相对于光信号570的输入和输出光路并且相对于分光器550的长度、宽度和/或深度中的任一个或全部被安排成处于不同角度。总体上,分光器550是具有至少N=4个刻面501的刻面光学结构。至少一个对应刻面501对应于SLP 520的N=4个空间上分离的虚拟位置561、562、563和564中的每一对应虚拟位置。

图5示出了SLP 520的总二维扫描范围θ包括第一(例如,水平)维度上的总扫描范围Ω和第二(例如,垂直)维度上的总扫描范围Ψ,其中,θ=Ω×Ψ。SLP 520位于真实位置560处。针对SLP 520对总二维扫描范围θ的扫掠,分光器550(例如,其不同外部和或内部表面和/或刻面501)接收来自真实位置560处的SLP 520的光信号570,将光信号570分裂到四个二维子范围和中,并且将光信号570重定向,从而使得每个二维子范围和似乎有效地源自SLP 520的对应的空间上分离的虚拟位置561、562、563和564。虚拟位置561、562、563和564在至少两个空间维度(例如,超过两个或三个空间维度)之上在空间上分离。分光器550将任何给定光信号570分裂到其中的特定二维子范围取决于那个信号在分光器550处或在其上的特定入射点(例如,由所述特定入射点确定)。因此,针对SLP 520对总二维扫描范围θ的扫掠,分光器550将在第一入射点范围内(例如,在分光器550的与第一入射点范围对准的第一刻面501之上)入射到其中或其上的第一子范围的光信号570重定向成有效地源自第一虚拟位置561,分光器550将在第二入射点范围内(例如,在分光器550的与第二入射点范围对准的第二刻面501之上)入射到其中或其上的第二子范围的光信号570重定向成有效地源自第二虚拟位置562,分光器550将在第三入射点范围内(例如,在分光器550的与第三入射点范围对准的第三刻面501之上)入射到其中或其上的第三子范围的光信号570重定向成有效地源自第三虚拟位置563,并且分光器550将在第四入射点范围内(例如,在分光器550的与第四入射点范围对准的第四刻面501之上)入射到其中或其上的第四子范围的光信号570重定向成有效地源自第四虚拟位置564。上述对应的第一刻面、第二刻面、第三刻面和第四刻面501可以位于分光器550的输入表面处或位于所述输入表面上(即,位于接收侧处或位于所述接收侧上),或者位于分光器550的内部体积中,或者位于分光器550的输出表面处或位于所述输出表面上(即,位于重定向侧处或位于所述重定向侧上)。在一些实现方式中,上述对应的第一刻面、第二刻面、第三刻面和第四刻面501可以位于分光器的输入表面处或位于所述输入表面上(即,位于接收侧处或位于所述接收侧上),或者位于分光器的内部体积内,并且所描述的第一刻面、第二刻面、第三刻面和第四刻面501中的每一个可以具有位于分光器550的输出表面处或位于所述输出表面上(即,位于重定向侧处或位于所述重定向侧上)的相应的配对刻面(例如,第五刻面、第六刻面、第七刻面和第八刻面)。

因为SLP 520的总二维扫描范围θ包括第一(例如,水平)维度上的总扫描范围Ω和第二(例如,垂直)维度上的总扫描范围Ψ,所以每个对应的二维子范围和包括第一维度上的子范围ωi和第二维度上的子范围βi的对应组合。确切地,第一二维子范围包括第一维度上的第一子范围ω1和第二维度上的第一子范围β1,从而使得第二二维子范围包括第一维度上的第二子范围ω2和第二维度上的第一子范围β1,从而使得第三二维子范围包括第一维度上的第一子范围ω1和第二维度上的第二子范围β2,从而使得并且第四二维子范围包括第一维度上的第二子范围ω2和第二维度上的第二子范围β2,从而使得对于子范围的矩形或格栅状安排,当SLP 520的总二维扫描范围θ包括第一维度上的总扫描范围Ω和第二维度上的总扫描范围Ψ(其中,θ=Ω×Ψ)时,二维子范围的数量可以等于至少第一维度上的子范围ωi的数量乘以第二维度上的子范围βi的数量。然而,在其他实现方式中,可以采用子范围的非矩形安排,诸如子范围的三角形、圆形、多边形或无定形安排。

除了通过出射光瞳复制(例如,出射光瞳重复)提供适眼区扩大的不同WHUD系统和设备,在此描述的不同实施例还包括通过出射光瞳复制来扩大WHUD的适眼区的方法。

图6是示出了根据本发明的系统、设备和方法的操作WHUD的方法600的流程图。WHUD可以基本上类似于WHUD 100或WHUD 200,并且总体上包括SLP、分光器和全息组合器。方法600包括四个动作601、602、603和604,但是本领域技术人员应当理解,在替代实施例中,可以省略某些动作并且/或者可以添加另外的动作。本领域技术人员还将认识到所示出的行动的所展示的顺序仅出于示例性目的并且可以在替代性实施例中改变。出于方法600的目的,术语“用户”指代穿戴WHUD的人。

在601处,WHUD的SLP生成第一光信号。第一光信号可以表示图像的第一实例或图像的一部分的第一实例。例如,第一光信号可以表示图像的一个或多个像素的第一实例。

在602处,分光器在其上或其中的第一入射点处(例如,在分光器的外表面处或在所述外表面上,或者在分光器的内部体积内)接收第一光信号。取决于方法600的具体实现方式中的分光器的具体设计,第一入射点可以或可以不对应于组成分光器的多个可用光学元件中的第一个(或多个可用刻面中的第一刻面)。

在603处,分光器有效地从SLP的N个空间上分离的虚拟位置中的第一个将第一光信号朝向全息组合器重定向,其中,N是大于1的整数。分光器从其将第一光信号重定向的SLP的第一虚拟位置可以取决于在602处分光器接收第一光信号处的第一入射点(例如,可以由或部分地由第一入射点确定)。

在604处,全息组合器将第一光信号朝向用户的眼睛重定向。具体地,全息组合器可以将第一光信号会聚到用户的眼睛处或其附近的N个出射光瞳中的第一个。全息组合器将第一光信号所会聚到的第一出射光瞳可以取决于在603处分光器从其将第一光信号重定向的SLP的第一虚拟位置(例如,可以由所述第一虚拟位置确定)。

在一些实现方式中,全息组合器可以包括单个全息图,所述单个全息图基于第一光信号在第一光信号被接收处的全息组合器的特定点或区处的入射角(如由例如在603处分光器从其将第一光信号重定向的SLP的第一虚拟位置确定)将第一光信号会聚到用户的眼睛处的N个出射光瞳中的第一个。即使在这样的实现方式中,全息组合器也可以包括至少两个波长复用全息图,以便对应地针对第一光信号的具有不同波长的至少两个分量(诸如,第一光信号的至少两个颜色分量)进行重放(例如,执行动作604的重定向和/或会聚)。例如,SLP可以包括红色激光二极管、绿色激光二极管和蓝色激光二极管,并且第一光信号可以包括红色分量、绿色分量和蓝色分量。在这种情况下,全息组合器可以包括红色全息图、绿色全息图和蓝色全息图,并且:红色全息图可以将第一光信号的红色分量会聚到用户的眼睛处或其附近的第一出射光瞳,绿色全息图可以将第一光信号的绿色分量会聚到用户的眼睛处或其附近的第一出射光瞳,并且蓝色全息图可以将第一光信号的蓝色分量会聚到用户的眼睛处或其附近的第一出射光瞳。

在一些实现方式中,全息组合器可以包括N个角度复用红色全息图、N个角度复用绿色全息图、以及N个角度复用蓝色全息图。在这种情况下,N个角度复用红色全息图中的第一个可以将第一光信号的红色分量会聚到第一出射光瞳,N个角度复用绿色全息图中的第一个可以将第一光信号的绿色分量会聚到第一出射光瞳,并且N个角度复用蓝色全息图中的第一个可以将第一光信号的蓝色分量会聚到第一出射光瞳。N个角度复用红色全息图、N个角度复用绿色全息图和N个角度复用蓝色全息图中的特定全息图可以取决于在603处分光器从其将第一光信号重定向的SLP的第一虚拟位置(例如,可以由所述第一虚拟位置确定)。

方法600可以按不同的方式扩展。例如,SLP可以至少生成第二光信号,分光器可以在第二入射点处接收第二光信号,并且有效地从SLP的N个空间上分离的虚拟位置中的第二个将第二光信号朝向全息组合器重定向,并且全息组合器可以将第二光信号会聚到用户的眼睛处或其附近的N个出射光瞳中的第二个。分光器从其将第二光信号重定向的SLP的第二虚拟位置取决于分光器接收第二光信号处的第二入射点(例如,可以由所述第二入射点确定)。当SLP具有总扫描范围θ时,分光器可以在包括在SLP的总扫描范围θ的N个子范围中的第一个子范围中的第一入射点处接收第一光信号(在602处),其中,在这种情况下,在603处分光器从其将第一光信号重定向的SLP的N个空间上分离的虚拟位置中的第一个可以取决于SLP的总扫描范围θ的第一子范围(例如,可以由所述第一子范围确定)。类似地,分光器可以在包括在SLP的总扫描范围θ的N个子范围中的第二个子范围中的第二入射点处接收第二光信号,并且分光器从其将第二光信号重定向的SLP的N个空间上分离的虚拟位置中的第二个可以取决于SLP的总扫描范围θ的第二子范围(例如,可以由所述第二子范围确定)。

图7是示出了根据本发明的系统、设备和方法的操作WHUD的方法700的流程图。WHUD可以基本上类似于WHUD 100或WHUD 200,并且总体上包括SLP、分光器和全息组合器。方法700包括五个动作701、702、703、704和705,但是本领域技术人员应当理解,在替代实施例中,可以省略某些动作并且/或者可以添加另外的动作。本领域技术人员还将认识到所示出的行动的所展示的顺序仅出于示例性目的并且可以在替代性实施例中改变。出于方法700的目的,术语“用户”指代穿戴WHUD的人。

在701处,SLP生成对应于对SLP的总二维扫描范围θ的扫掠的光信号。取决于具体实现方式,SLP可以沿着对第二维度上的总扫描范围Ψ的扫掠在每个离散步骤处对第一维度上的总扫描范围Ω进行扫掠,以便对总二维扫描范围θ进行扫掠。

在702处,分光器接收701处的对应于SLP对总二维扫描范围θ的扫掠的光信号。SLP的总二维扫描范围θ可以包括N个二维子范围其中,N是大于1的整数并且每个二维子范围可以包括第一维度上的子范围ωi和第二维度上的子范围βi的对应组合。分光器可以被定位、取向和/或总体上安排成使得每个二维子范围对应于具外表面处或在所述外表面上的对应入射点范围的光信号。

在703处,基于在702处分光器接收每个光信号处的入射点,分光器将光信号分裂、分开、分化、分叉或总体上“分离”到N个二维子范围中。

在704处,分光器将光信号朝向全息组合器重定向。分光器可以有效地从SLP的N个空间上分离的虚拟位置中的特定虚拟位置将每个光信号重定向,其中,任何给定光信号的特定虚拟位置取决于光信号所对应于的特定二维子范围(例如,由所述特定二维子范围确定)。

在705处,全息组合器将每个光信号会聚到用户的眼睛处或其附近的N个出射光瞳中的一个。全息组合器将光信号所会聚到的N个出射光瞳中的特定出射光瞳可以取决于在703处分光器将光信号分离到其中的特定二维子范围(例如,可以由所述特定二维子范围确定)。如前所述,全息组合器可以包括任何数量的全息图,在一些实现方式中,包括至少N个复用全息图。当全息组合器包括至少N个复用全息图时,至少N个复用全息图中的每一个可以将光信号会聚到N个出射光瞳中的一个。

根据本发明的系统、设备和方法,可以通过复制一个或多个出射光瞳来扩大视网膜扫描投射器的适眼区。在这种途径中,给定出射光瞳可以具有约等于或小于眼睛的瞳孔的直径的限定大小,诸如约4mm或更小(例如,约2mm),从而使得当出射光瞳照射在用户的(物理)瞳孔上(例如,与瞳孔对准或覆盖瞳孔)时,来自图像的所有光进入眼睛。然而,当用户移动其眼睛时,出射光瞳与用户瞳孔之间可能失去对准,并且投射图像可能从用户的视场消失。因此,在在此描述的“通过出射光瞳复制进行的适眼区扩大”途径中,可以将多个出射光瞳投射并平铺在用户的眼睛之上,从而使得针对多个、许多、大多数或所有眼睛位置,至少一个出射光瞳与用户的眼睛对准。

贯穿本说明书和所附权利要求书,术语“约”有时关于具体值或量来使用。例如,“约2cm”内的快速会聚。除非具体上下文另有要求,否则术语约总体上意指±15%。

在此描述的“分光器”是光学设备。图4中展示了(并参考图4描述了)包括反射器安排的分光器的第一非限制性示例,并且图5中展示了(并参考图5描述了)包括刻面棱镜光学设备的分光器的第二非限制性示例;然而,本发明的系统、设备和方法并不意图局限于来自图4和图5的分光器的示例性实现方式。如在此描述的分光器可以包括任何数量和/或安排的光学元件和/或光学设备(包括无源或静态元件以及有源或动态(例如,可致动)元件),诸如镜子、镜片、衍射光栅、分束器、棱镜、半镀银面、分色镜(dichroics)、介电涂层、和/或如在此描述的本领域技术人员会采用来分裂光信号或图像的(多种)任何其他光学设备。本领域技术人员应当理解,取决于具体实现方式的要求,在此描述的分光器可以单独地或组合地采用宽范围的不同光学设备中的任一种或多种。因此,本发明的系统、设备和方法是在此描述的其中光学设备或光学设备安排光学地分裂光信号或图像的代表性实现方式。

本领域技术人员应当理解,本发明的系统、设备和方法可以应用于或以其他方式合并到采用SLP之外的一种或多种光源的WHUD体系结构中。例如,在一些实现方式中,在此描述的SLP可以由另一光源代替,所述另一光源诸如包括一个或多个发光二极管(“LED”)、一个或多个有机LED(“OLED”)、一个或多个数字光处理器(“DLP”)的光源。这类非激光实现方式可以有利地采用另外的光学器件来瞄准、聚焦和/或以其他方式定向所投射光信号。除非具体上下文另有要求,否则本领域技术人员应当理解,贯穿本发明的系统、设备和方法对“SLP”的引用是代表性的,并且其他光源(必要时,与其他光学器件组合)可以被应用或适配用于服务与在此描述的SLP相同的通用目的。

本领域技术人员应当理解,本发明的系统、设备和方法可以应用或以其他方式合并到采用全息组合器之外的一种或多种透明组合器的WHUD体系结构中。例如,在一些实现方式中,在此描述的全息组合器可以由服务基本上相同的通用目的的非全息设备代替,诸如棱镜膜、承载微透镜阵列的膜、和/或波导结构。这类非全息实现方式可以或可以不采用另外的光学器件。除非具体上下文另有要求,否则本领域技术人员应当理解,贯穿本发明的系统、设备和方法对“全息组合器”的引用是代表性的,并且其他透明组合器(必要时,与其他光学器件组合)可以被应用或适配于用于服务与在此描述的全息组合器相同的通用目的。

本领域技术人员应当理解,在此描述的通过出射光瞳复制来进行适眼区扩大的不同实施例可以应用于非WHUD应用中。例如,本发明的系统、设备和方法可以应用于非可穿戴式平视显示器和/或其他投影显示器中,包括虚拟现实显示器,其中,全息组合器不必一定是透明的。

在双目实现方式(即,其中,显示内容被投射到用户的双眼中的实现方式)中,可以通过有意地将不同的视场投射到用户的每只眼睛来增大总视场。这两个视场可以重叠,从而使得双眼看到视场的中心处的内容,同时左眼看到更多的视场左侧处的内容,并且右眼看到更多的视场右侧处的内容。

在采用多个出射光瞳的一些实现方式中,所有出射光瞳可以任选地是始终活跃的(允许时间分离)。可替代地,还采用眼睛追踪的实现方式可以仅激活对应于用户正在看的位置(基于眼睛追踪)的出射光瞳,同时可以去激活用户的视场之外的一个或多个出射光瞳。

在一些实现方式中,可以主动改变投射器的扫描范围,以便增大眼睛正在看的方向上或所占据出射光瞳中的分辨率。这是如美国临时专利申请序列号62/134,347中描述的非均匀图像分辨率的示例。

适眼区扩大可以有利地使用户能够于在宽范围的方向上凝视的同时看到所显示内容。此外,适眼区扩大还可以使具有更宽范围的眼睛安排的更多种多样的用户能够经由给定WHUD充分地看到所显示内容。诸如瞳孔间距、眼睛形状、相对眼睛位置等的解剖学细节可能在用户间都有所不同。在此描述的不同适眼区扩大方法可以用于提供对于具有解剖学差异的多种多样的用户更加鲁棒(并且因此更加可由用户使用)的WHUD。为了更进一步适应用户间的物理变化,在此描述的不同WHUD可以包括使用户能够可控地调整一个或多个出射光瞳相对于他们自己的(多个)眼睛的物理位置和/或对准的一个或多个机械结构。这类机械结构可以包括一个或多个铰链、刻度盘、弯曲部、榫槽或其他可滑动偶联的组件等。例如,SLP和/或分光器中的至少一个可以是在支撑结构上物理地可移动的和/或可旋转的,并且用户可以物理地移动和/或旋转SLP和/或分光器,以便改变N个出射光瞳中的至少一个相对于眼睛的位置。可替代地,在此传授的途径可以有利地避免对包括这类另外的机械结构的需要,从而允许与否则可获得相比更小的包装和更少的重量。

在一些实现方式中,可以使用一根或多根光学来沿着在此所展示的一些路径引导光信号。

在此描述的不同实现方式可以任选地采用美国临时专利申请序列号62/288,947中描述的用于防止适眼区退化的系统、设备和方法。

在此描述的WHUD可以包括用于从用户的环境收集数据的一个或多个传感器(例如,麦克风、照相机、温度计、指南针和/或其他传感器)。例如,一个或多个照相机可以用于向WHUD的处理器提供反馈并且影响任何给定图像在(多个)显示器上应当被显示的位置。

在此描述的WHUD可以包括一个或多个自带功率源(例如,一个或多个电池)、用于发送/接收无线通信的无线收发器、和/或用于偶联到计算机和/或给一个或多个自带功率源充电的系留连接器端口。

在此描述的WHUD可以按各种各样的方式中的一种或多种接收和响应来自用户的命令,包括但不限于:通过麦克风的语音命令;通过按钮、开关或触敏表面的触摸命令;和/或通过手势检测系统的基于手势的命令,如在例如美国非临时专利申请序列号14/155,087、美国非临时专利申请序列号14/155,107、PCT专利申请PCT/US2014/057029、和/或美国临时专利申请序列号62/236,060中所描述,所有所述专利通过引用以其全部内容结合在此。

在此描述的WHUD的不同实现方式可以包括美国临时专利申请序列号62/117,316、美国临时专利申请序列号62/156,736、和/或美国临时专利申请序列号62/242,844中所描述的任何或所有技术。

贯穿本说明书和所附权利要求书,如在“通信路径”、“通信偶联”中及在如“通信地偶联”的变体中的术语“通信”总体上用于指代用于传递和/或交换信息的任何工程化安排。示例性通信路径包括但不限于:导电路径(例如,导电电线、导电迹线)、磁性路径(例如,磁性介质)、和/或光路(例如,光纤),并且示例性通信偶联包括但不限于:电偶联、磁性偶联、和/或光偶联。

贯穿本说明书和所附权利要求书,通常使用不定式动词形式。示例包括但不限于:“来检测”、“来提供”、“来传输”、“来通信”、“来处理”、“来路由”等。除非具体上下文另有要求,以开放的、包容性意义使用此类不定式动词形式,即如“以至少检测”、“以至少提供”、“以至少传送”等。

对所展示的实施例的以上说明(包括在摘要中所描述的)并非旨在是穷尽的或者旨在把这些实施例限定于所披露的这些确切的形式。尽管出于说明性目的在此描述了多个具体的实施例和示例,但是相关领域的技术人员将认识到,可以做出不同的等价修改而不脱离本披露的精神与范围。各实施例的在此所提供的教导可以应用于其他便携式和/或可穿戴电子设备,而不必一定是以上总体所描述的示例性可穿戴电子设备。

例如,前述详细描述已经通过使用框图、示意图、和示例阐述了设备和/或过程的各实施例。在此类框图、示意图、和示例包含一项或多项功能和/或操作的情况下,本领域技术人员将理解到,此类框图、流程图、或示例内的每项功能和/或操作均能够由广泛范围的硬件、软件、固件、或其任何虚拟组合来单独地和/或共同地实现。在一个实施例中,可以由特定用途集成电路(ASIC)实现本主题。然而,本领域技术人员将认识到,在此所披露的实施例整体地或部分地可以在标准集成电路中等效地实现,作为由一个或多个计算机所执行的一个或多个计算机程序(例如,作为在一个或多个计算机系统上运行的一个或多个程序),作为由一个或多个控制器(例如,微控制器)所执行的一个或多个程序,作为由一个或多个处理器(例如,微处理器、中央处理单元、图形处理单元)所执行的一个或多个程序,作为固件,或作为其任何虚拟组合,并且认识到根据本披露的教导,设计电路和/或编写用于软件和/或固件的代码将在本领域普通技术人员的技术范围内。

当逻辑被实现为软件并且被存储在存储器中时,逻辑或信息可以被存储在任何处理器可读介质上,以便由或结合任何处理器相关的系统或方法使用。在本披露的上下文中,一个存储器是一个处理器可读介质,所述处理器可读介质是含有或存储一个计算机和/或处理器程序的一个电子、磁性、光学、或其他物理设备或装置。逻辑和/或信息可以被体现在任何处理器可读介质中,以便由或结合指令执行系统、装置、或设备使用,所述指令执行系统、装置、或设备诸如基于计算机的系统、含有处理器的系统、或可以从所述指令执行系统、装置、或设备提取指令并且执行与逻辑和/或信息相关联的指令的其他系统。

在本说明书的上下文中,“非瞬态处理器可读介质”可以是可以存储与逻辑和/或信息相关联的程序以便由或结合所述指令执行系统、装置、和/或设备使用的任何元件。所述处理器可读介质可以是例如但不限于电子、磁性、光学、电磁、红外、或半导体系统、装置或设备。所述计算机可读介质的更具体的实例(非穷尽列表)将包括以下各项:便携式计算机磁盘(磁卡、致密闪存卡、安全数字卡等)、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM、EEPROM、或闪存)、便携式光盘只读存储器(CDROM)、数字磁带、以及其他非瞬态介质。

可将以上所描述的各实施例进行组合以提供进一步实施例。在与在此的具体传授内容和定义相一致的程度上,包括但不限于以下各项的本说明书中所引用的和/或泰米实验室公司(Thalmic Labs Inc.)所拥有的申请数据表中所列出的所有美国专利、美国专利申请公布、美国专利申请、外国专利、外国专利申请以及非专利申请都通过引用以其全文结合在此:美国临时专利申请序列号62/214,600、美国临时专利申请序列号62/268,892、美国临时专利申请序列号62/167,767、美国临时专利申请序列号62/271,135、美国临时专利申请序列号62/245,792、美国临时专利申请序列号62/281,041、美国临时专利申请序列号62/134,347、美国临时专利申请序列号62/288,947、美国非临时专利申请序列号14/155,087、美国非临时专利申请序列号14/155,107、PCT专利申请PCT/US2014/057029、美国临时专利申请序列号62/236,060、美国临时专利申请序列号62/117,316、美国临时专利申请序列号62/156,736、以及美国临时专利申请序列号62/242,844。如有必要,可以对实施例的方面进行修改,以利用各专利、申请和出版物中的系统、电路及概念来提供更进一步的实施例。

鉴于以上的详细说明,可以对实施例做出这些和其他改变。总之,在以下权利要求书中,所使用的术语不应当被解释为将权利要求书局限于本说明书和权利要求书中所披露的特定实施例,而是应当被解释为包括所有可能的实施例、连同这些权利要求有权获得的等效物的整个范围。相应地,权利要求书并不受到本披露的限制。

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