使用波导反射器阵列投射器的多深度平面三维显示器2013800422187

(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201380042218.7 (22)申请日 2013.06.11 61/658,355 2012.06.11 US G02B 27/22(2006.01) G02B 6/10(2006.01) G02B 5/08(2006.01) G02B 21/14(2006.01) (71)申请人 奇跃公司 地址 美国佛罗里达州 (72)发明人 J·G·麦克纳马拉 (74)专利代理机构 北京市中咨律师事务所 11247 代理人 杨晓光 于静 (54) 发明名称 使用波导反射器阵列投射器的多深度平面三 维显示器 (57) 摘要 线性波导的二维阵列包括多个 2D 平面波导 组装、列、集合或层，其中每个产生相应深度平面 以用于模拟的4D光场。线性波导可具有矩形圆柱 形状，并且可被堆积为行和列。每个线性波导至少 部分地内部反射，例如，通过至少部分地反射的平 面侧壁的至少一个相对的对，以沿着所述波导的 长度来传播光。弯曲微反射器可反射光的一些模 式而使其它的通过。所述侧壁或面可反射光的一 些模式而让其它的通过。任意给定的波导的所述 弯曲微反射器在限定的径向距离处贡献于球面波 前，各层在相应径向距离处产生图像平面。 (30)优先权数据 (85)PCT国际申请进入国家阶段日 2015.02.09 (86)PCT国际申请的申请数据 PCT/US2013/045267 2013.06.11 (87)PCT国际申请的公布数据 WO2013/188464 EN 2013.12.19 (51)Int.Cl. (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书7页 说明书11页 附图26页 (10)申请公布号 CN 104737061 A (43)申请公布日 2015.06.24 CN 104737061 A 1/7 页 2 1.一种波导反射器阵列投射器设备，包括 ： 多个矩形波导的第一平面集合，所述第一平面集合中的每个所述矩形波导具有至少第 一侧、第二侧、第一面和第二面，所述第二侧沿着所述矩形波导的长度与所述第一侧相对 至少所述第一和所述第二侧沿着所述矩形波导的所述长度的至少一部分而形成至少部分 地内部反射的光路，并且所述第一平面集合中的每个所述矩形波导包括被沿着所述相应矩 形波导的所述长度的至少一部分、在相应位置处在所述第一和所述第二侧之间放置的相应 多个弯曲微反射器，以从所述相应矩形波导的所述第一面向外部分地反射球面波前的相应 部分 ；以及 至少多个矩形波导的第二平面集合，所述第二平面集合中的每个所述矩形波导具有至 少第一侧、第二侧、第一面和第二面，所述第二侧沿着所述矩形波导的长度与所述第一侧相 对，至少所述第一和所述第二侧沿着所述矩形波导的所述长度的至少一部分而形成至少部 分地内部反射的光路，并且所述第二平面集合中的每个所述矩形波导包括沿着所述相应矩 形波导的所述长度的至少一部分、在相应位置处在所述第一和所述第二侧之间放置的相应 多个弯曲微反射器，以从所述相应矩形波导的所述第一面向外部分地反射相应部分， 所述矩形波导的所述第二平面集合被沿着第一横轴 (Z) 横向于矩形波导的所述第一 平面集合而布置，所述第一横轴与纵轴(X)垂直，所述纵轴(X)平行于至少所述第一和所述 第二平面集合的所述矩形波导的所述长度。 2.根据权利要求 1 所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，所述第一和至少所述第 二平面集合的每个中的所述矩形波导被沿着第二横轴 (Y) 而横向布置，所述第二横轴 (Y) 与所述第一横轴以及所述纵轴正交。 3.根据权利要求 1 所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，所述第二平面集合的所 述矩形波导的所述第一面与所述第一平面集合的所述矩形波导的所述第一面平行。 4.根据权利要求 1 所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，波导的所述第二平面集 合与波导的所述第一平面集合紧邻。 5.根据权利要求 1 所述的波导反射器阵列投射器设备，还包括 ： 波导的多个额外的平面集合，波导的所述第一、所述第二和所述多个额外的集合被沿 着所述第一横轴 (Z) 堆叠地布置为各层。 6.根据权利要求 5 所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，对于包含所述相应第一、 所述第二和所述额外的平面集合的所述矩形波导的所述第一、所述第二和所述额外的平面 集合中的每个，所述矩形波导被沿着所述第二横轴 (Y) 互相连续地紧邻地堆叠。 7.根据权利要求 6 所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，在矩形波导的所述第一、 所述第二和所述额外的平面集合的每个连续集合中的矩形波导被沿着所述第一横轴 (Z) 互相连续地紧邻地堆叠。 8.根据权利要求 5 所述的波导反射器阵列投射器设备，还包括 ： 多个第二横轴 (Y) 分布光耦合器的集合，所述集合中的每个所述第二横轴 (Y) 分布光 耦合器被光耦合，以向所述多个矩形波导的所述第一、所述第二和所述额外的平面集合的 相应集合提供相应光路。 9.根据权利要求 8 所述的波导反射器阵列投射器设备，还包括 ： 第一横轴 (Z) 分布耦合器，所述第一横轴 (Z) 分布耦合器具有第一端、沿着所述第一 权 利 要 求 书CN 104737061 A 2/7 页 3 横轴 (Z) 分布耦合器的长度与所述第一端间隔开的第二端、以及多个至少部分地反射的元 件，所述多个至少部分地反射的元件提供在所述横轴分布耦合器的所述第一端与所述多个 第二横轴(Y)分布耦合器的所述集合的所述第二横轴(Y)分布耦合器的对应耦合器之间的 光路。 10.根据权利要求 9 所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，所述第一横轴 (Z) 分布 耦合器的所述至少部分地反射的元件包括多个光闸，并且还包括 ： 至少一个光源，所述至少一个光源可操作为发射红色、绿色和蓝色像素图案 ； 强度调制器，其可操作为调制红色、绿色和蓝色像素图案的强度，以产生被调制的红 色、绿色和蓝色像素图案 ； 光束偏转器，所述光束偏转器在至少一个光源和列分布耦合器的线性阵列之间被光耦 合，并且可操作为偏转所述被调制的红色、绿色和蓝色像素图案，并且其中，所述光闸被控 制为与所述光束偏转器同步操作 ；以及 输入光纤，所述输入光纤被至少靠近于所述第一横轴 (Z) 分布耦合器的所述第一端而 光耦合到所述第一横轴 (Z) 分布耦合器，以提供强度调制的光束偏转的像素图案，作为光 的输入锥，所述光的输入锥表示要通过所述波导反射器阵列投射器设备来投射的图像的至 少一部分。 11.根据权利要求 8 所述的光学设备，还包括 ： 多个输入光纤，所述多个输入光纤被光耦合到所述第二横轴 (Y) 分布耦合器的相应耦 合器，以提供光的输入锥，所述光的输入锥表示要通过所述波导反射器阵列投射器设备来 投射的图像的至少一部分。 12.根据权利要求 1 所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，对于每个所述矩形波 导，所述多个弯曲微反射器以线性阵列来对齐。 13.根据权利要求 1 所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，所述弯曲微反射器被定 向，以从球面波前中的所述相应矩形波导的所述面反射光的一部分。 14.根据权利要求 1 所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，所述弯曲微反射器被定 向为，每个所述弯曲微反射器从所述相应矩形波导的所述面反射光线的锥形投影，以形成 球面波前的相应部分。 15.根据权利要求 1 所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，每个所述弯曲微反射器 被以围绕第二横轴 (Y) 的相应角度而定向，以从球面波前中的所述相应矩形波导的所述面 反射光的一部分，所述第二横轴 (X) 与所述第一横轴 (Z) 以及所述纵轴 (X) 正交。 16.根据权利要求 1 所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，对于至少一些所述矩形 波导中的每一个，每个所述相应弯曲微反射器围绕所述第二横轴 (Y) 的所述相应角度，大 于在所述纵轴 (X) 被穿过时紧接在前的所述相应弯曲微反射器的所述相应角度。 17.根据权利要求 1 所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，每个所述弯曲微反射器 以围绕纵轴 (X) 的相应角度而定向，以从球面波前的所述相应矩形波导的所述面反射光的 一部分。 18.根据权利要求 1 所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，每个所述弯曲微反射器 被以相应第一角度以及相应第二角度而定向，所述相应第一角度围绕第二横轴 (Y)，所述相 应第二角度围绕垂直于所述相应第一角度所在的平面的轴，以从球面波前中的所述相应矩 权 利 要 求 书CN 104737061 A 3/7 页 4 形波导的所述面反射光的一部分，所述第二横轴(Y)与所述第一横轴(Z)以及所述纵轴(X) 正交。 19.根据权利要求 1 所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，每个所述弯曲微反射器 被以围绕至少两个不同轴的相应角度而定向，以将无穷远聚焦的光重新聚焦到特定的径向 距离。 20.根据权利要求 1 所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，每个所述弯曲微反射器 被定向，以将通过所述相应矩形波导的端接收的光反射到所述相应矩形波导的所述第一面 以外，其中，将所述光反射到所述相应矩形波导外部的所述第一面垂直于接收所述光的所 述端。 21.根据权利要求 20 所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，所述弯曲微反射器沿 着相应径向轴 (R) 从所述相应矩形波导向外反射所述光，所述径向轴被以相对于第一面的 相应角度而定向，所述光从所述第一面向外反射。 22.根据权利要求21所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，所述相应径向轴(R)中 的至少一些被以相对于所述第一面的相应第一非垂直角度和相应第二非垂直角度而定向， 所述光从所述第一面向外反射，所述第一和所述第二非垂直角度是互相非平面的。 23.根据权利要求22所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，沿着所述第一横轴(Z) 互相连续横向布置的所述矩形波导在至少一个方向上能至少部分地传输从所述弯曲微反 射器互相反射的光。 24.根据权利要求23所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，沿着所述第一横轴(Z) 互相连续横向布置的所述矩形波导仅在一个方向上能至少部分地传输从所述弯曲微反射 器互相反射的光。 25.根据权利要求23所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，沿着所述第二横轴(Y) 互相连续横向布置的所述矩形波导不能传输从所述弯曲微反射器互相反射的光。 26.根据权利要求 1 所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，对于至少一些所述矩形 波导，所述多个弯曲微反射器每个具有相应第一曲率半径，至少一个所述弯曲微反射器的 所述第一曲率半径与所述相应矩形波导的至少另一所述弯曲微反射器的所述第一曲率半 径不同。 27.根据权利要求 1 所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，对于至少一些所述矩形 波导，所述多个弯曲微反射器每个具有围绕第一轴的相应第一曲率半径以及围绕第二轴的 相应第二曲率半径，所述第二轴与第一轴不共线。 28.根据权利要求 27 所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，对于至少一些所述矩 形波导，弯曲微反射器中的至少一个的所述相应第一和所述相应第二曲率半径与所述相应 矩形波导的所述弯曲微反射器中的至少第二个的所述相应第一和所述相应第二曲率半径 不同。 29.根据权利要求 27 所述的波导反射器阵列投射器设备，其中，对于每个所述矩形波 导，所述第一侧、所述第二侧、所述第一面或所述第二面中的至少一个基本上保持所述矩形 波导中的角模式的第一集合，并且从所述矩形波导基本上传递角模式的第二集合，并且所 述矩形波导的所述相应弯曲微反射器基本上反射角模式的第二集合且基本上传递角模式 的所述第一集合，以横穿所述相应矩形波导的所述长度。 权 利 要 求 书CN 104737061 A 4/7 页 5 30.一种光学设备，包括 ： 在多个行和列中布置的多个波导的二维阵列，每个所述波导具有第一端、沿着所述波 导的长度与所述第一端间隔开的第二端、至少第一对相对的侧，所述相对的侧至少部分地 朝着所述波导内部反射，以沿着所述波导的所述长度来反射光，所述长度限定了所述相应 波导的主轴，每个所述波导具有多个弯曲微反射器，所述弯曲微反射器被放置在沿着所述 相应波导的所述长度的相应位置，并且所述弯曲微反射器至少部分地反射至少限定的波 长，所述弯曲微反射器被以相对于所述相应波导的所述面的相应角度而定向，以和至少所 述第一对相对的侧结合来提供在所述波导的所述面和所述第一端之间延伸的光路。 列分布耦合器的线性阵列，相应列分布耦合器用于所述多个矩形波导的所述二维阵列 中的每一列，每个所述列分布耦合器具有第一端、沿着所述列分布耦合器的长度与所述第 一端间隔开的第二端，每个所述列分布耦合器具有多个元件，所述多个元件提供列在所述 耦合器的所述第一端和所述多个波导的所述二维阵列的所述相应列中的所述波导的相应 波导之间的光路。 31.根据权利要求 30 所述的光学设备，其中，每个所述波导具有矩形截面。 32.根据权利要求 30 所述的光学设备，其中，所述弯曲微反射器被定向，以从所述波导 的所述面反射电磁能的一部分。 33.根据权利要求 30 所述的光学设备，其中，所述弯曲微反射器被定向，以从球面波前 中的所述波导的面反射电磁能的一部分。 34.根据权利要求 30 所述的光学设备，其中，所述弯曲微反射器被定向为，每个所述弯 曲微反射器从所述相应矩形波导的所述面反射光线的锥形投影，以形成球面波前的相应部 分。 35.根据权利要求 30 所述的光学设备，其中，每个所述弯曲微反射器被以围绕所述相 应波导的横轴的相应角度而定向，所述横轴与所述主轴垂直，以从球面波前中的所述波导 的面反射电磁能的一部分。 36.根据权利要求 30 所述的光学设备，其中，每个所述弯曲微反射器被以围绕所述主 轴的相应角度而定向，以从球面波前中的所述波导的面反射电磁能的一部分。 37.根据权利要求 30 所述的光学设备，其中，每个所述弯曲微反射器被以围绕所述主 轴以及围绕所述相应波导的横轴的相应角度而定向，所述横轴与所述主轴垂直，以从球面 波前中的所述波导的面反射电磁能的一部分。 38.根据权利要求 30 所述的光学设备，其中，每个所述弯曲微反射器被围绕所述主轴 和围绕所述相应波导的横轴的相应角度而定向，所述横轴与所述主轴垂直，以将无穷远聚 焦的光聚焦在特定的径向距离。 39.根据权利要求 30 所述的光学设备，其中，每个所述列分布耦合器的所述相应多个 元件包括分束器的线性阵列，以朝着所述多个矩形波导的所述二维阵列的所述相应列中的 所述波导的相应波导，分裂至少光的一部分。 40.根据权利要求 30 所述的光学设备，其中，所述多个矩形波导的所述二维阵列的每 一列形成四维图像的相应深度层。 41.根据权利要求 30 所述的光学设备，还包括 ： 横轴 (Z 轴 ) 分布耦合器，所述横轴 (Z 轴 ) 分布耦合器具有第一端、沿着所述横轴分布 权 利 要 求 书CN 104737061 A 5/7 页 6 耦合器的长度与所述第一端间隔开的第二端、以及多个至少部分地反射的元件，所述元件 提供在所述横轴分布耦合器的所述第一端和列分布耦合器的所述线性阵列的所述列分布 耦合器的相应耦合器之间的光路。 42.根据权利要求 41 所述的光学设备，还包括 ： 输入光纤 ( 复用 )，所述光纤被至少靠近于横轴分布耦合器所述第一端而光耦合到所 述横轴分布耦合器，以提供光的输入锥，所述光的输入锥表示要通过所述光学设备来投射 的图像。 43.根据权利要求 42 所述的光学设备，其中，所述横轴分布耦合器的所述至少部分地 反射的元件包括多个光闸。 44.根据权利要求 43 所述的光学设备，还包括 ： 光束偏转器，所述光束偏转器在至少一个光源和列分布耦合器的所述线性阵列之间光 耦合，并且其中，所述光闸被控制为与所述光束偏转器同步操作。 45.根据权利要求 44 所述的光学设备，还包括 ： 可操作为发射红光、绿光和蓝光的所述至少一个光源 ； 可操作为调制所述红光、绿光和蓝光的强度的强度调制器 ；以及 在所述至少一个光源和所述光束偏转器之间光耦合的单模光纤。 46.根据权利要求 30 所述的光学设备，还包括 ： 多个输入光纤 ( 非复用 )，所述多个输入光纤被光耦合到至少靠近所述相应列分布耦 合器的所述第一端的所述列分布耦合器的相应耦合器，以提供光的输入锥，所述光的输入 锥表示要通过所述光学设备来投射的图像。 47.根据权利要求 30 所述的光学设备，其中，响应于至少一个控制信号，所述弯曲微反 射器为能动态变形或者围绕至少一个轴能动态定向的中的至少一种。 48.根据权利要求 47 所述的光学设备，其中，所述弯曲微反射器包括弯曲的液晶表面。 49.根据权利要求 30 所述的光学设备，其中，对于所述列中的每一个，包含所述列的所 述波导被沿着第一横轴互相连续紧邻地堆叠，所述第一横轴与所述波导的所述主轴垂直。 50.根据权利要求 49 所述的光学设备，其中，对于多个波导的所述二维阵列中的所述 多行中的每一行，包含所述行的所述波导被沿着第二横轴互相连续紧邻地堆叠，所述第二 横轴与所述主轴以及所述第一横轴正交。 51.根据权利要求 30 所述的光学设备，其中，对于多个波导的所述二维阵列中的所述 多行中的每一行，包含所述相应行的所述波导能至少部分地传输从包含所述相应行的其它 列的所述弯曲微反射器反射过来的光。 52.根据权利要求 51 所述的光学设备，其中，所述多个波导的所述二维阵列中的所述 列中的每一列，包含所述列的所述波导不能传输从包含所述相应列的所述其它波导的所述 弯曲微反射器反射过来的光。 53.根据权利要求 30 所述的光学设备，其中，每个所述弯曲微反射器被定向，以将通过 所述相应波导的所述第一端接收的光反射到所述相应波导的所述面以外，其中，将所述光 反射到所述相应波导外面所经过的所述面与接收所述光的所述第一端垂直。 54.根据权利要求 30 所述的光学设备，其中，对于至少一些所述波导，所述多个弯曲微 反射器每个具有相应第一曲率半径，每个所述弯曲微反射器的所述第一曲率半径与所述相 权 利 要 求 书CN 104737061 A 6/7 页 7 应波导的每个其它的所述弯曲微反射器的所述第一曲率半径不同。 55.根据权利要求 30 所述的光学设备，其中，对于至少一些所述波导，所述多个弯曲微 反射器每个具有围绕第一轴的相应第一曲率半径和围绕第二轴的相应第二曲率半径，所述 第二轴与所述第一轴不共线。 56.根据权利要求 55 所述的光学设备，其中，对于至少一些所述波导，弯曲微反射器中 的至少一个的所述相应第一和所述相应第二曲率半径与所述相应波导的所述弯曲微反射 器中的至少第二个的所述相应第一和所述相应第二曲率半径不同。 57.根据权利要求 30 所述的光学设备，其中，所述弯曲微反射器允许未被反射的光的 一部分横穿所述相应波导的所述长度。 58.根据权利要求 30 所述的光学设备，其中，对于每个所述波导，至少所述第一和所述 第二侧基本上保持所述波导中的角模式的第一集合，并且从所述波导基本传递角模式的第 二集合，并且所述波导的所述相应弯曲微反射器基本上反射角模式的第二集合且基本上传 递角模式的所述第一集合，以横穿所述相应波导的所述长度。 59.一种设备，包括 耦合管，所述耦合管被定向在第一方向，并具有一系列分束器，其中，所述耦合管被配 置为接收输入光，并且进一步其中，每个所述分束器将在所述分束器上入射的光的一部分 反射到波导并传递光的第二部分 ； 被定向在不同于所述第一方向的第二方向的多个波导 ； 弯曲微反射器的多个集合，其中，弯曲微反射器的集合被嵌入到所述多个波导的每个 中， 其中，微反射器的每个集合将光反射为三维 (3D) 图案。 60.根据权利要求 59 所述的系统，其中，每个所述弯曲微反射器为部分透明。 61.根据权利要求 59 所述的系统，其中，所述输入光是光锥。 62.根据权利要求 61 所述的系统，其中，每个所述微反射器的第一反射率反射从所述 对应波导的内表面反射的所述光锥的角模式，且对其它角模式透明。 63.根据权利要求 61 所述的系统，其中，每个所述波导的第二反射率不反射从所述对 应微反射器反射的角模式，且反射所述波导内的其它角模式。 64.根据权利要求59所述的系统，其中，所述输入光足够宽，从而在从所述3D图案中的 所述微反射器反射的光之间不存在间隙。 65.根据权利要求 59 所述的系统，还包括被配置为将所述输入光引入到所述耦合管中 的多模式光纤。 66.根据权利要求 59 所述的系统，其中，所述输入光被沿着第一轴偏振，并且所述微反 射器和波导表面仅反射沿着所述第一轴偏振的光。 67.根据权利要求 66 所述的系统，其中，容纳所述设备的显示器的外部具有正交偏振 屏幕，所述正交偏振屏幕被配置为调整外部光和反射到 3D 图案中的光之间的对比度水平。 68.根据权利要求 59 所述的系统，其中，所述微反射器的曲率和形状能动态改变。 69.根据权利要求 59 所述的系统，其中，所述 3D 图案与由在给定 x 坐标、y 坐标和 z 坐 标处的虚拟点源产生的球面波前相对应。 70.根据权利要求69所述的系统，其中，所述x坐标和y坐标由弯曲微反射器的所述多 权 利 要 求 书CN 104737061 A 7/7 页 8 个集合中的每个所述弯曲微反射器的 2D 角度定向来确定。 71.根据权利要求69所述的系统，其中，所述z坐标由微反射器形状以及所述微反射器 的二维定向梯度的配置来确定。 72.根据权利要求 59 所述的系统，其中，所述第二方向与第一方向基本上垂直。 73.一种三维投射系统，包含根据权利要求 59 所述的多个堆叠的设备，其中，所述输入 光被分离的多模光纤引入到每个耦合管中。 74.一种具有反射器阵列的系统，其中，所述阵列将输入光束转换为虚拟深度平面的二 维投影的堆叠，所述堆叠在显示器上重新产生三维体积。 75.根据权利要求 74 所述的系统，还包括具有多个分束器的耦合管，所述分束器被配 置为接收所述输入光束并产生所述输入光束的多个副本。 76.根据权利要求 74 所述的系统，其中，所述阵列中的所述微反射器为部分透明。 77.一种用于重新产生三维体积来观看的方法，所述方法包括 ： 接收多个输入光束，其中，每个输入光束与所述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 ； 从所述多个输入光束中的每个来产生多个中间光束的集合 ； 将多个中间光束的每个集合的至少一部分投射到虚拟深度平面 ； 其中，所述虚拟深度平面一起重新产生所述三维体积。 78.根据权利要求 77 所述的方法，其中，所述多个输入光束包括具有角度范围的光。 79.根据权利要求 77 所述的方法，其中，将多个中间光束的每个集合的至少一部分投 射到虚拟深度平面包括独立地旋转每个集合的所述多个中间光束的副本，并投射看起来从 每个集合的虚拟点辐射的波前。 80.一种用于重新产生三维体积来观看的方法，所述方法包括 ： 通过单个单模光纤来接收时间复用的输入光，其中，所接收的输入光束与所述三维体 积的多个深度平面的视觉场的一部分的强度图案相对应 ； 将接收的时间复用的输入光传递到 z 轴光耦合器 ； 通过所述 z 轴光耦合器，将所述接收的时间复用的输入光的部分传递到 y 轴分布光耦 合器的集合中的相应耦合器 ； 通过所述 y 轴光耦合器，将所述接收的时间复用的输入光的部分传递到波导的相应集 合 ；以 及 通过波导的所述集合的至少一些的每个中的所述波导，来投射所述接收的时间复用的 输入光的至少一部分，其中，波导的每个集合投射相应虚拟深度平面，累积的虚拟深度平面 形成用于观看的所述三维体积。 权 利 要 求 书CN 104737061 A 1/11 页 9 使用波导反射器阵列投射器的多深度平面三维显示器 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 1B-1、1B-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 1B-1、1B-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。 说 明 书CN 104737061 A 2/11 页 10 [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 示出显示器表面上的 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，即，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 说 明 书CN 104737061 A 3/11 页 11 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 (distribution 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 / 或光耦合器 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 最佳示出的，每列或波导层 506a-506c( 仅示出了三个，共同表示为 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 其相应的分布耦合器 510 和光耦合器 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 说 明 书CN 104737061 A 4/11 页 12 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 504n 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) 一系列微反射 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