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TWI897971B - 用於近眼顯示器的虛擬影像遞送系統 - Google Patents

用於近眼顯示器的虛擬影像遞送系統

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Publication number
TWI897971B
TWI897971B TW110119882A TW110119882A TWI897971B TW I897971 B TWI897971 B TW I897971B TW 110119882 A TW110119882 A TW 110119882A TW 110119882 A TW110119882 A TW 110119882A TW I897971 B TWI897971 B TW I897971B
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TW
Taiwan
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waveguide
facets
virtual image
light
facet
Prior art date
Application number
TW110119882A
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TW202206891A (zh
Inventor
齊翁 艾森菲爾德
希蒙 格拉巴尼克
Original Assignee
以色列商魯姆斯有限公司
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Publication date
Application filed by 以色列商魯姆斯有限公司 filed Critical 以色列商魯姆斯有限公司
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Abstract

一種圖像遞送系統(image delivery system,IDS)包括：第一波導，其包括輸入孔徑和第一多個第一小平面，輸入孔徑用於接收由顯示引擎提供的輸入虛擬影像，第一多個第一小平面被定位成將來自所接收到的輸入虛擬影像的光從第一波導反射出；第二波導，其被配置成接收從第一波導反射出的光並且包括第二多個第二小平面，第二多個第二小平面被定位成將所接收到的光從第二波導反射出以回應於輸入而將輸出虛擬影像投影到眼動箱(eye motion box，EMB)中；以及形成在每個小平面上的部分反射塗層，其選自不同的部分反射塗層，該不同的部分反射塗層的數目小於小平面的總數目，該小平面的總數目等於第一多個小平面和第二多個小平面中的小平面的數目之和；其中，輸出虛擬影像表現出80%或更好的保真度。

Description

用於近眼顯示器的虛擬影像遞送系統
本申請根據35 U.S.C.119(e)要求於2020年6月1日提交的美國臨時申請63032767的權益，該美國臨時申請63032767的公開內容通過引用併入本文中。
本公開內容的實施方式涉及提供近眼顯示器(near eye display，NED)圖像。
用於向用戶提供各種新風格的現實——虛擬實境(virtual reality，VR)、增強現實(augmented reality，AR)、混合現實(mixed reality，MR)——中的任意者的激增的耳機(proliferating headsets)、頭戴式顯示器(head mounted display，HMD)和智慧眼鏡將電腦生成的“虛擬影像”遞送至用戶的眼睛。對於VR，圖像是沉浸式的並且阻擋使用者的真實環境的圖像。對於AR和MR，圖像被疊加在使用者在他或她的視野(field of view，FOV)中看到的用戶真實環境中的場景的“真實圖像”上。作為示例，虛擬影像可以向使用者提供與真實圖像、由使用者執行的任務和/或明確的或隱含的用戶請求有關的娛樂和/或資訊材料。
常規地稱為近眼顯示器(near-eye display，NED)的顯示系統向使用者提供虛擬影像。NED包括：生成虛擬影像的電腦控制的顯示引擎，例如矽上液晶(liquid crystal on silicon，LCOS)、有機發光二極體(organic light emitting diode，OLED)或雷射光束掃描(laser beam scanning，LBS)微顯示器；以及將所生成的虛擬影像遞送至用戶的眼睛以供觀看的圖像遞送系統。該圖像遞送系統包括至少一個光導光學元件(light guiding optical element， LOE)，該至少一個光導光學元件(LOE)在具有小於或等於約5mm的特徵尺寸的相對小的輸入孔徑處接收虛擬影像並且將圖像傳播至接近眼睛的輸出孔徑，通過該輸出孔徑，虛擬影像被引導到眼動箱(eye motion box，EMB)中以供用戶觀看。在用戶的眼睛位於EMB中時，虛擬影像穿過用戶的瞳孔並且到用戶的視網膜上。為了填充EMB以使得用戶可以舒適地看到虛擬影像而不會過度地費心將眼睛與NED對準，NED的至少一個LOE通常被配置成具有相對大的、擴大的輸出孔徑，通過該孔徑，NED將虛擬影像傳輸到EMB中。
實際的NED通常需要滿足人機工程學、技術和經濟約束的複雜組合，並且有利地被配置成具有舒適的大EMB、小、輕且節能，並且提供清晰的、相對高保真度的虛擬影像，該虛擬影像不存在過度突出的光學偽影。
本公開內容的實施方式的一方面涉及提供一種圖像遞送系統，其也稱為良好圖像遞送系統(Good Image Delivery System，GOODIS)，用於將虛擬影像的FOV投影到EMB的NED中，該FOV是顯示引擎提供給GOODIS的虛擬影像的FOV的有利的高保真度副本。GOODIS在輸入孔徑處接收來自顯示引擎的虛擬影像，並且從多個部分反射(可選地電介質的)鏡(也稱為小平面)反射來自所接收到的虛擬影像的光，以將虛擬影像遞送至擴大的輸出孔徑，從該擴大的輸出孔徑，虛擬影像被投影至EMB以供用戶觀看。從顯示引擎接收到的光的偏振以及/或者根據入射角的至少一個小平面的電介質塗層對s和/或p偏振光的反射率被配置成提供有利的保真度。在實施方式中，提供有利保真度的GOODIS中的每個小平面用兩種不同的部分反射可選電介質塗層中的相同的一種來塗覆。
投影到EMB中的FOV的保真度是指在投影的FOV中沿角度方向傳播的光的強度與在顯示引擎提供給GOODIS的虛擬影像的FOV中沿相同方向或宇稱反轉的相應角度方向傳播的光的強度均勻地成比例的程度。在以下情況下，投影至EMB的FOV與由顯示引擎提供的FOV(也稱為輸入FOV)相對均勻地成比例：1)在投影的FOV中沿不同角度方向投影的光的強度與在輸入FOV中沿相同方向或宇稱反轉的相應角度方向投影的光的強度以基本上 相同的比例常數成比例；以及2)比例常數相對獨立於投影的FOV在EMB中的位置。
根據本公開內容的實施方式，GOODIS包括：第一LOE和第二LOE、位於第一LOE上的輸入孔徑和位於第二LOE上的輸出孔徑，通過該輸入孔徑接收來自由顯示引擎生成的虛擬影像的光，通過該輸出孔徑將來自虛擬影像的光投影至EMB。LOE中的每一個包括具有兩個平行的全內反射(totally internally reflecting，TIR)表面的波導以及彼此平行的嵌入的小平面的陣列。每個波導中的小平面相對於該波導的傳播方向傾斜，進入波導的光沿該傳播方向在該波導中傳播。進入位於第一波導上的輸入孔徑的光沿第一波導的傳播方向傳播，並且通過該波導中的小平面從波導反射出以進入第二波導。從第一波導進入第二波導的光沿第二波導的傳播方向傳播，並且從該波導反射出並且通過第二波導中的小平面經由輸出孔徑投射至EMB。第一波導的傳播方向與第二波導的傳播方向可選地正交，並且第一波導和第二波導協作以沿每個正交傳播方向擴大輸入孔徑。
為了便於呈現，假設光沿第一波導的傳播是沿笛卡爾坐標系的x軸，假設沿第二波導傳播的光沿y軸傳播，並且假設眼睛箱沿面對第二波導的輸出孔徑的z軸定位。第一波導和第二波導可以分別被稱為x波導和y波導，它們相應的嵌入的小平面分別被稱為x小平面和y小平面，並且第一LOE和第二LOE分別被稱為x LOE和y LOE。在輸入孔徑處從顯示引擎接收到的虛擬影像可以被稱為輸入虛擬影像，並且由GOODIS投影至EMB的圖像可以被稱為輸出虛擬影像。
在GOODIS的波導中傳播的入射在GOODIS中的波導的小平面上的光通常包括s偏振分量和p偏振分量兩者。S偏振是指垂直於光的入射平面的偏振，而p偏振是指平行於入射平面的偏振。每個小平面分別針對x小平面和y小平面的情況直接或間接地將來自入射光的光在由GOODIS投影至EMB的輸出FOV中角度方向的部分朝向EMB反射。令I(αm)表示在由顯示引擎生成的給定虛擬輸入圖像的輸入FOV中沿第m個角度方向αm傳播的光的強度。令Po k(p,αm)和Po k(s,αm)分別表示由FOV的角度方向αm上的第k 個小平面從入射在該小平面上的給定輸入虛擬影像中的光反射的p光和s光的強度並且令
TP0 k,m≡[P0 k(p,αm)+P0 k(s,αm)] (1)
如果GOODIS滿足以下約束，則回應於給定的虛擬輸入圖像而由GOODIS投影至EMB的輸出虛擬影像的FOV可以被認為是輸入虛擬影像的FOV的達到(1-δ)%保真度的相對高保真度副本：
由運算式(2)給出的約束要求對於在給定輸入虛擬影像的輸入FOV中沿任意兩個不同或相同的角度方向傳播的相同強度的光，小平面在輸出虛擬影像的輸出FOV中沿相同的相應角度方向朝向EMB反射基本上相同強度的光。該約束操作以在由GOODIS投影至EMB的投影的輸出虛擬影像中，將輸入虛擬影像中的特徵的相對亮度保持為優於δ%。該約束還提供了在投影的輸出虛擬影像的輸出FOV中光的強度的優於δ%的均勻性，而與EMB中的輸出FOV的位置無關。根據本公開內容的實施方式，x波導和y波導中的至少一個波導中的小平面上的塗層被配置成有利地滿足約束。
在實施方式中，可以回應於對不同塗層配置的反覆運算蒙特卡羅光線追蹤(Monte Carlo ray tracing)和指示塗層的給定配置何時收斂至為GOODIS提供期望保真度的配置的成本函數而確定塗層。根據本公開內容的實施方式，可用於對小平面的塗層進行建模和確定的多個自由度來自以下中的至少一個或以下中的多於一個的任何組合：根據s偏振光和/或p偏振光的入射角的可選電介質塗層的反射率、小平面的數目、小平面之間的間距和/或它們相應的傾斜角度。在塗層的配置滿足回應於成本函數的值的標準時，該配置可以被認為提供期望的保真度並且有利地滿足約束。
提供本發明內容來以簡化形式介紹一系列概念，這些概念將在下文的具體實施方式中進一步描述。本發明內容不旨在標識所要求保護的主題 的關鍵特徵或必要特徵，也不旨在用於限制所要求保護的主題的範圍。
101、102、103:三角形簇
121、131、151:實線箭頭
122、132:虛線箭頭
20:GOODIS
21:坐標系
23:光線
25:箭頭
30:x-LOE
31、51:波導
32、33、52、53:TIR表面
34:頂部邊緣表面
35:底部邊緣表面
36:輸入孔徑
37:端表面
38:中平面
40、40-1、40-2、40-3、60:小平面
401、402、403:陰影區域
41、61:法線
50:y-LOE
54:左邊緣表面
540、560、550:曲線圖
55:右邊緣表面
57:輸出孔徑
70:顯示引擎
71:輸入耦合器
75:輸入虛擬影像
80:EMB
85:輸出虛擬影像
AOI:入射角
d:深度
h、h1、h2:高度
s、p:偏振
w:寬度
βx、βy:傾斜角
θ1、θ2、θ3:角度
φ1、φ2、φ3:反射角
下面參照在本段之後列出的本文的圖式來描述本公開內容的實施方式的非限制性示例。在多於一個圖中出現的相同特徵可以在其出現的多個圖中用相同標記來標記。標示圖中的表示本公開內容的實施方式的給定特徵的圖示的標記可以用於標識給定特徵。圖中所示的特徵的尺寸是為了方便和清楚地呈現而選擇的，並且不一定按比例示出。
圖1示意性地示出了根據本公開內容的實施方式的包括第一LOE和第二LOE的良好圖像遞送系統GOODIS的幾何結構，該第一LOE和第二LOE進行協作以在二維上將位於第一LOE中的輸入孔徑擴大到位於第二LOE中的輸出孔徑；圖2示意性地示出了根據本公開內容的實施方式的根據圖1所示的GOODIS的幾何結構的光傳播；圖3A示出了根據本公開內容的實施方式的第一LOE中根據入射在GOODIS的小平面上的p光和s光的入射角的電介質塗層的反射率的示意性曲線圖，這有助於提供表徵GOODIS的有利保真度；圖3B示出了根據本公開內容的實施方式的第二LOE中根據入射在GOODIS的小平面上的p光和s光的入射角的電介質塗層的反射率的示意性曲線圖，這有助於提供表徵GOODIS的有利保真度；圖3C示出了根據本公開內容的實施方式的從第一LOE反射到第二LOE中的s偏振光與p偏振光的相關性的示意性曲線圖，其中假設來自虛擬圖像的輸入到第一LOE中的光相對於第一LOE的TIR表面基本上是p偏振的；以及圖4示意性地示出了根據本公開內容的實施方式的具有用圖3A和圖3B所示的電介質塗層塗覆的小平面GOODIS的操作。
在討論中，除非另有說明，否則修飾本公開內容的實施方式的一個或多個特徵的條件或關係特性的形容詞例如“基本上”和“約”應理解成是指該條件或特性被限定為在實施方式所意圖的應用的實施方式的操作可接受的公差內。無論在什麼情況下，通過參考示例實例或示例實例清單來說明本公開內容中的一般術語，所參考的一個實例或多個實例是一般術語的非限制性示例實例，並且一般術語不旨在限於所參考的一個特定示例實例或多個特定示例實例。除非另有說明，否則說明書和申請專利範圍中的詞語“或”被認為是包含性的“或”而不是排他性的或，並且指示其所連接的項中的至少一個或多於一個項的任意組合。
圖1示意性地示出了根據本公開內容的實施方式的包括x-LOE 30和y-LOE 50的GOODIS 20，該x-LOE 30具有波導31和嵌入在波導中的小平面40，該y-LOE 50具有波導51和嵌入在波導中的小平面60。為了方便呈現，GOODIS 20的特徵和幾何形狀相對於坐標系21在空間上被參考。
波導31(也被稱為x波導31)可選地是具有平行於坐標系21的xy平面的相對大的平行全內反射(totally internally reflected，TIR)表面32和33以及平行於xz平面的平行的相對窄的頂部邊緣表面34和底部邊緣表面35的矩形棱鏡。來自由顯示引擎(例如，如圖1所示的顯示引擎70)生成的圖像的光可選地由棱鏡輸入耦合器71通過位於x波導的端表面37上的輸入孔徑36耦合到波導31中。通過輸入孔徑36進入x波導31的光從TIR表面32和33重複地全內反射，以在TIR表面之間來回跳動，並且在x波導中沿正x方向傳播以到達並且入射在小平面40上。
作為示例，由光線23示意性地表示輸入到x波導31中的、在x波導的平行於xz平面的中平面38中傳播並且從TIR表面32和33全內反射以在TIR表面之間來回跳動的光線。可選地，在進入x波導31時，由塊箭頭25示意性地指示的光線23中的光的偏振平行於中平面38，並且由於中平面是具有TIR表面32和33的光線的入射平面，因此光線相對於入射平面是p偏振的。
的入射在小平面上的光的一部分反射通過底部邊緣表面35並且進入波導51。例如，在光線23入射在小平面40上時，該小平面將光線中的光的一部分反射到y波導51中。注意，儘管光線23相對於TIR表面32和33是p偏振的，但是相對於小平面40由於小平面的法線41不位於中平面中，因此光線包括p偏振光和s偏振光兩者。
波導51(也被稱為y波導51)也可選地是矩形棱鏡。波導具有平行於xy平面的相對大的平行TIR表面52和53以及分別平行於yz平面的平行的相對窄的左邊緣表面54和右邊緣表面55。由x波導31中的小平面40反射到y波導51中的光從TIR表面52和53重複TIR反射，以在TIR表面之間來回跳動，並且在y波導51中沿y軸傳播以到達並且入射在y波導的小平面60上。可選地，小平面60彼此平行並且垂直於左邊緣表面54和右邊緣表面55。小平面相對於TIR表面52和y軸以傾斜角βy傾斜。每個小平面60的法線61相對於z軸旋轉傾斜角βy。如下所述，每個小平面60將在y波導51中沿y軸傳播的入射在小平面上的光的一部分反射通過TIR表面53上的輸出孔徑57到達EMB 80以供用戶(未示出)觀看。
如圖1所示的GOODIS 20具有高度h、寬度w和深度d的厚度。x波導31具有高度h1並且y波導51具有高度h2。兩個波導可選地具有基本上等於GOODIS的寬度w的相同寬度和相同的厚度或深度d。高度h可以等於(h1+h2)。作為數位元示例，在實施方式中，h可以具有在約30mm(毫米)與約50mm之間的值，高度h在30mm與約50mm之間，以及深度在約1.0mm至約3mm之間。在實施方式中，x波導31的高度h1可以在約10mm與約20mm之間，並且高度h2可以在約10mm與40mm之間。X波導31可以具有以在約25°與約65°之間的傾斜角βx傾斜的約20個與約30個之間的小平面40。Y波導51可以具有以在約20°與約70°之間的傾斜角βy傾斜的約8個與約12個之間的小平面60。
圖2示意性地示出來自由顯示引擎70生成的虛擬影像的光線的傳播，來自虛擬影像的光線由輸入耦合器71耦合到GOODIS 20中，以沿x波導31行進，並且由小平面40反射到y波導51中，然後由y波導中的小平 面60朝向EMB 80反射。
在x波導31中，會聚到小平面40上的點(小平面將光線從該點反射到y波導51中)的三角形箭頭簇表示包括角度方向的FOV的xy平面中的截面，從顯示引擎70接收到的光線沿所述角方向入射在該小平面上。作為示例，針對一系列分別由標記40-1、40-2和40-3個性化的小平面40，在圖2中示出了由光線的角度傳播方向的三角形簇101、102和103表示的三個FOV xy截面。FOV xy截面101、102和103中的由實線箭頭121表示的光線沿由實線箭頭131表示的角度方向被反射到y波導51中，對於該角度方向，y波導中的小平面60成功地將光反射到EMB 80中。然而，並非來自虛擬影像的FOV中的入射在小平面40上並且反射到y波導51中的光線的所有光都成功地被反射到EMB 80中。FOV截面101、102或103中的虛線箭頭122表示小平面40-1、40-2或40-3分別沿由虛線箭頭132表示的角度方向反射到y波導51中的光線，對於該角度方向，小平面60反射錯過EMB 80的光。表示光線的角度方向的實線箭頭131被示出為指向輸出孔徑57中，光從該角度方向被小平面60成功地反射到EMB 80中。表示光線的角度方向的虛線箭頭132被示出為指向輸出孔徑57外部的區域，小平面60從該角度方向反射未能到達EMB 80的光。
圖2中的陰影區域401、402和403示意性地指示以下角度方向的範圍，小平面40-1、40-2和40-3分別沿該角度方向反射光線，從所述角度方向，小平面60成功地將光反射到EMB 80中。在陰影區域401、402和403中的中位角度方向由範圍中的相對長的實線箭頭131指示，小平面沿中值角方向分別反射入射光線。陰影區域401，402和403的中位角度方向分別沿相對於小平面40-1、40-2和40-3的法線41的角度θ1、θ2和θ3定向。角度θ1、θ2和θ3是在範圍中沿中位角度方向反射的光線的入射角和反射角。由於小平面40-1、40-2和40-3相對於輸出孔徑57的定位，並且如圖2中示意性地示出的，θ1>θ2>θ3。通常，入射的中位角度方向和對應的反射角度方向隨小平面距輸入孔徑36的距離而減小，小平面40沿該對應的反射角度方向反射光線，並且隨後小平面60從該對應的反射角度方向成功地將光反射至EMB 80。
類似地，小平面60從被小平面40反射到y波導51中的光線反射到EMB 80中的光的中位角度方向隨著小平面60距x波導31的底表面35的距離而減小。一系列小平面60的中位角度方向由實線箭頭151表示。一系列小平面60的中位角度方向151與法線61之間的反射角被標記為φ1、φ2和φ3，其中越大的下標標識與距底表面35越遠的小平面60相關聯的角度。
以上討論指示GOODIS 20的不同小平面將來自顯示引擎70的虛擬影像的輸入FOV的不同角度部分反射到EMB 80中。並且通常，為了實現高保真度輸出圖像，x波導31中的小平面40距輸入孔徑36越遠，該小平面對來自輸入FOV的在該小平面上具有較小入射角AOI的部分的光的反射率應該越大，該小平面將該光反射為EMB中的較大的x值。類似地，y波導51中的小平面60距x波導31的底部邊緣表面35越遠，小平面對來自輸入FOV的在該小平面上具有較小入射角AOI的部分的光的反射率應該越大，該小平面將其反射為EMB中的較大的y值。
令例如k(x)的“x”索引指定x波導31中的小平面40，並且令索引的值隨著指定的小平面40距輸入孔徑36的距離而增大。類似地，令例如k(y)的“y”索引指定y波導51中的小平面60，並且令索引的值隨著指定的小平面60距表面35的距離而增大。由運算式(2)和(3)表達的用於提供高保真輸出虛擬影像的約束可以被寫為表達關於小平面40(其也可以被稱為x小平面40)的約束，
類似地，關於小平面60(可選地被稱為y小平面60)的約束也可以被寫為：
約束(3)和(4)是複雜的約束，通常在針對每個x小平面40和每個y小平面60不具有不同的專用反射塗層的情況下該約束相對難以滿足。根 據實施方式，GOODIS有利地使用p光和s光的反射率上的差異以在小平面40和60上提供塗層，以為GOODIS提供給EMB 80的虛擬影像提供有利的保真度。在實施方式中，波導31的x小平面40設置有相同的部分反射塗層，該部分反射塗層為p光和s光提供如由圖3A中的曲線圖540所示的那樣根據入射角AOI而變化的反射率。在實施方式中，波導51的y小平面60設置有相同的塗層，該塗層為p光和s光提供如由圖3B中的曲線圖560所示的那樣根據入射角AOI而變化的反射率。
可以使用各種材料和製造工藝中的任何一種來製造具有AOI相關的部分反射塗層——其表現出分別在曲線圖540和560中示出的反射率——的小平面40和60。例如，可以通過在預先形成的棱鏡的表面上沉積部分反射塗層並且將棱鏡接合在一起來產生小平面。棱鏡可以通過將矽酸鹽材料(例如BK-7)研磨和拋光成期望的形狀或者通過將合適的聚合物或溶膠-凝膠注射成型來製造。塗層可以由各種合適材料中的任何材料形成，例如作為示例由二氧化鉿(Hafnium dioxide，HfO2)、氟化鎂(Magnesium fluoride，MgF2)和/或五氧化二鉭(Tantalum pentoxide，Ta2O5)形成。
在實施方式中，顯示引擎70和/或棱鏡輸入耦合器71被配置成向GOODIS 20提供虛擬影像，對於該GOODIS 20，在光進入x波導31時，來自虛擬影像的光相對於光在TIR表面32和33上的入射平面基本上是p偏振的。對於圖3A所示的小平面40的反射率和向x波導31輸入的p偏振光，由於由小平面40反射的光的偏振與光的入射角的相關性，由小平面40反射到y波導51中的光的偏振與小平面60上的入射角的相關性基本上如圖3C中的曲線圖550所示的那樣。
曲線圖550示出對於輸入到x波導31中並且由具有圖3A所示的反射率的小平面40反射的p偏振光，進入y波導的光的在y波導小平面上的入射角為約40度時，p分量比s分量大接近於約4倍。如由曲線圖3B所示，小平面60對p光和s光的反射率分別隨入射角而減小以及增大。結果，進入y波導51的p偏振光的優勢以及p光和s光的反射率的相關性有利地促進了由小平面60在相同的給定角度方向上投射到EMB 80中的光的強度沿y軸的均 質性。
例如，根據本公開內容的實施方式，通過由曲線圖540和560給出的反射率以及輸入到x波導31中的p偏振虛擬影像，GOODIS 20在EMB 80處提供表現出沿x方向和y方向兩者大於約70%的有利保真度的虛擬影像。對於80%的保真度，輸出的虛擬影像將由顯示引擎70和棱鏡輸入耦合器提供的虛擬輸入圖像的相對亮度保持在約30%內，並且將沿相同角度方向投射到EMB中的光的強度在EMB中的空間均勻性保持在約30%內。
圖4示意性地示出了GOODIS 20和小平面40和60在輸入虛擬影像75下提供EMB 80中的輸出虛擬影像85時的操作，該輸出虛擬影像85表徵為有利的保真度，該輸入虛擬影像75表徵為由輸入虛擬影像的均勻陰影指示的基本上均勻的亮度。在連接至中位AOI角θ1和θ3的曲線圖540的副本中指示與輸入虛擬影像75和輸出虛擬影像85的小平面朝向EMB 80反射的部分相關的x小平面40-1和40-3的p偏振光和s偏振光的反射率的值。在連接至中位AOI角Φ1和Φ3的曲線圖560的副本中指示與輸入虛擬影像75和輸出虛擬影像85的小平面朝向EMB 80反射的部分相關的分別最靠近表面35和最遠離表面35的小平面60的p偏振光和s偏振光的反射率的值。儘管輸出虛擬影像85可能不表現出完美的保真度，但是輸出虛擬影像的陰影的均勻性旨在示意性地指示輸出虛擬影像表明約70%的保真度並且沿x方向和y方向兩者將相對強度和空間均勻性保持為約30%。
應注意，儘管以上描述參考僅採用兩個不同反射塗層的GOODIS 20的實施方式，但本公開內容的實施方式不限於針對x小平面40的相同單個部分反射塗層和針對y小平面60的不同的同一單個部分反射塗層。例如，根據實施方式的GOODIS 20可以針對兩組或更多組小平面40中的每一組小平面具有不同的部分反射p塗層和s塗層。類似地，根據實施方式的GOODIS 20可以針對兩組或更多組小平面60中的每一組小平面具有不同的部分反射p塗層和s塗層。通常，隨著具有不同的相應的p和s AOI相關性的部分反射塗層的數目的增加，由根據本公開內容的實施方式的GOODIS提供的虛擬影像的保真度增加。還要注意，儘管圖3C和圖4假設進入x波導31的光相對於 TIR表面32和33(圖1)是p偏振的，但本公開內容的實施方式的實踐不限於p偏振輸入。輸入至x波導31的p偏振光和s偏振光的不同的相對強度可以與小平面40和60的不同反射率相協調，以提供由根據本公開內容的實施方式的GOODIS提供的有利保真度輸出圖像。
在本申請的說明書和申請專利範圍中，動詞“包括”、“包含”和“具有”及其變化形式中的每個都用於指示動詞的一個或多個賓語不必是動詞的一個或多個主語的部件、元件或部分的完整清單。
本申請中對本公開內容的實施方式的描述是通過示例的方式提供的，而不是旨在限制本公開內容的範圍。所描述的實施方式包括不同的特徵，並非所有的特徵都是所有實施方式中所需要的。一些實施方式僅利用一些特徵或特徵的可能組合。本領域的技術人員將想到所描述的本公開內容的實施方式的變化以及包括在所描述的實施方式中指出的特徵的不同組合的實施方式。本發明的範圍僅由申請專利範圍來限制。
20:GOODIS
21:坐標系
23:光線
25:箭頭
30:x-LOE
31、51:波導
32、33、52、53:TIR表面
34:頂部邊緣表面
35:底部邊緣表面
36:輸入孔徑
37:端表面
38:中平面
40、60:小平面
41、61:法線
50:y-LOE
54:左邊緣表面
55:右邊緣表面
57:輸出孔徑
70:顯示引擎
71:輸入耦合器
80:EMB
d:深度
h、h1、h2:高度
s:偏振
w:寬度
βx、βy:傾斜角

Claims (16)

  1. 一種用於近眼顯示器(NED)的圖像遞送系統(IDS)，所述IDS包括：第一波導，包括輸入孔徑和第一多個第一小平面，所述輸入孔徑用於接收由顯示引擎提供的輸入虛擬影像，所述第一多個第一小平面被定位成將來自所接收到的輸入虛擬影像的光從所述第一波導反射出；第二波導，被配置成接收從所述第一波導反射出的光並且包括第二多個第二小平面，所述第二多個第二小平面被定位成將所接收到的光從所述第二波導反射出以回應於輸入而將輸出虛擬影像投影到眼動箱(EMB)中；以及形成在每個小平面上的部分反射塗層，選自多個不同的部分反射塗層，所述不同的部分反射塗層的數目小於小平面的總數目，所述小平面的總數目等於所述第一多個第一小平面和所述第二多個第二小平面中的小平面的數目之和；其中，所述部分反射塗層對s偏振光和/或p偏振光的反射率被配置成使得在再現所述輸入虛擬影像時，所述輸出虛擬影像表現出80%或更高的保真度，以及其中，所述第一小平面上塗覆的第一反射塗層對s偏振光的反射率隨著所述第一小平面上的入射角從50°至60°的增大而單調地減小。
  2. 如請求項1所述的IDS，其中，所述不同的部分反射塗層的數目小於或等於20。
  3. 如請求項2所述的IDS，其中，對於所述第一波導，所述不同的部分反射塗層的數目小於或等於15，並且對於所述第二波導，所述不同的部分反射塗層的數目小於或等於5。
  4. 如請求項3所述的IDS，其中，所述不同的部分反射塗層的數目等於2，並且包括不同的第一反射塗層和第二反射塗層。
  5. 如請求項4所述的IDS，其中，所有所述第一小平面都塗覆有第一反射塗層。
  6. 如請求項5所述的IDS，其中，所有所述第二小平面都塗覆有第二反射塗層。
  7. 如請求項1所述的IDS，其中，所述第一反射塗層對p偏振光的反射率隨著所述第一小平面上的入射角從50°至60°的增加而單調地增大。
  8. 如請求項7所述的IDS，其中，對於所述第一小平面上的50°至60°之間的入射角，s反射率大於p反射率。
  9. 如請求項6所述的IDS，其中，所述第二反射塗層對s偏振光的反射率隨著所述第二小平面上小於40°的入射角的減小而單調地減小。
  10. 如請求項9所述的IDS，其中，所述第二反射塗層對p偏振光的反射率隨著所述第二小平面上小於50°的入射角的減小而單調地增大。
  11. 如請求項10所述的IDS，其中，對於所述第二小平面上的小於50°的入射角，s反射率大於p反射率。
  12. 一種用於向眼動箱(EMB)提供虛擬影像的系統，所述系統包括：根據請求項1至11中任一項所述的圖像遞送系統(IDS)；以及向所述IDS提供輸入虛擬影像的裝置。
  13. 如請求項12所述的系統，其中，提供所述輸入虛擬影像的所述裝置配置所述輸入虛擬影像中的光的偏振，使得來自所述輸入虛擬影像的入射在所述IDS的第二小平面上的光具有的p偏振光的分量大於s偏振光的分量。
  14. 如請求項13所述的系統，其中，所述p偏振光的強度大於所述s偏振光的強度的三倍。
  15. 一種通過根據請求項1至11中任一項所述的圖像遞送系統(IDS)控制由顯示引擎生成的投影至近眼顯示器(NED)的眼動箱(EMB)的虛擬影像的副本的保真度的方法，所述方法包括：根據光在所述虛擬影像的視野(FOV)中的傳播的角度方向來控制由所述顯示引擎提供的s偏振光與p偏振光之間的比率；以及從所述第一多個第一小平面和所述第二多個第二小平面將光反射到所述EMB中。
  16. 如請求項15所述的方法，其中，控制所述比率包括：將p偏振光的強度設置為大於s偏振光的強度。
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