使用波导反射器阵列投射器的多深度平面三维显示器的制造方法_3

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40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福射,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系统、显示器表面的4D光场以及2D微反射器定向。
[0060]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。
[0061]由于在(如这里所述的)光学系统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系统,这在传统的透镜中被认为是不可能的特征。
[0062]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。
[0063]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)。
[0064]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。
[0065]数学观察
[0066]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) ο图13示出了虚拟物点的坐标系统1300。图14示出了显示器表面上的4D光场的坐标系统1400。图15示出了二维微反射器定向的坐标系统1500。
[0067]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1902al902d(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。
[0068]示例性系统说明:
[0069]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。
[0070]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。
[0071]这会限制视野。例如,这将视野限制为45度的最大视野(F0V)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。
[0072]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。
[0073]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。
[0074]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系统感知到。
[0075]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Imm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。
[0076]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-平面显示系统应该以在N层系统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。
[0077]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。
[0078]操作WRAP
[0079]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。
[0080]然后在框2110,系统从多个输入光束中的每一个产生中间光束的集合。
[0081]接下来,在框2115,系统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。
[0082]结论
[0083]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入口 O
[0084]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系统。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。
[0085]这里提供的各种说明和教导也可以被应用于除上述系统以外的系统。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。
[0086]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系统、功能以及概念,以提供本发明的进一步实施。
[0087]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。系统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
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