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
【专利说明】
【背景技术】
[0001]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。
[0002]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)系统。这样的装置例如由Lumus Ltd.制造。如图1Β-1、1Β-2和1B-3所示，LOE系统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系统10的波导12，显示了光16以三个相应的角度进入。LOE系统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系统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】
[0003]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。
[0004]图中示出了波导反射器阵列投射器(WRAP)系统的实例。实例和图是说明性的而不是限制性的。
[0005]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。
[0006]图1Β-1、1Β-2和1B-3示出了传统的系统，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。
[0007]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。
[0008]图2B示出波导中的微反射器的示例性相对定向角。
[0009]图3A示出波导反射器阵列投射器中的示例层。
[0010]图3B示出波导中的微反射器的示例性定向角。
[0011]图3C示出示例性弯曲微反射器。
[0012]图4示出示例性平面和球面波前。
[0013]图5A是以示例性多深度平面3D显示系统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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]图6示出WRAP系统的示例性投射和传播光锥。
[0017]图7示出由弯曲微反射器产生的减小的投射锥的实例。
[0018]图8示出多层复用系统的实例，其z轴耦合管配备有光闸。
[0019]图9示出通过WRAP系统的光传播的示例性图示。
[0020]图10示出使用可变形反射表面用于产生示例性波前。
[0021]图11示出使用透明显示器屏幕的示例性系统，该显示器屏幕具有在指定方向上投射光的像素。
[0022]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。
[0023]图13示出虚拟物点的坐标系统。
[0024]图14不出显不器表面上的4D光场的坐标系统。
[0025]图15示出二维微反射器定向的坐标系统。
[0026]图16示出二维光场的深度标引的实例。
[0027]图17示出用作微反射器的可变形微流体的实例。
[0028]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。
[0029]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。
[0030]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。
[0031]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】
[0032]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。
[0033]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。
[0034]人类感知场景中场的深度的能力受到限制，S卩，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。人类视觉系统(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。
[0035]光学设备或系统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)显示系统的光学设备，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显示系统形式的光学设备，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系统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。
[0036]如图5A最佳示出的，以WRAP设备或多深度平面3D显示系统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。
[0037]WRAP设备或多深度平面3D显示系统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(distribut1n 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显示系统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显示系统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/或光親合器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。
[0038]如图5B和5C最佳不出的，每列或波导层506a_506c(仅不出了三个，共同表不为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)。
[0039]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，以及其相应的分布親合器510和光親合器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。
[0040]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504η的多个微反射器 504A-504D。
[0041]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) —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。
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