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CN108292048A - 在使用宽谱成像器的近眼显示器中的扩大视野 - Google Patents

在使用宽谱成像器的近眼显示器中的扩大视野 Download PDF

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CN108292048A CN201680070677.XA CN201680070677A CN108292048A CN 108292048 A CN108292048 A CN 108292048A CN 201680070677 A CN201680070677 A CN 201680070677A CN 108292048 A CN108292048 A CN 108292048A
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Abstract

在包括波导和配置用于输入耦合、出射光瞳扩张和输出耦合的衍射光学元件(DOE)的近眼光学显示系统中，宽谱成像器生成输入耦合到具有经扩大的视野(FOV)的输入光瞳的系统的成像光。宽谱成像光在入射角范围内入射输入耦合DOE。由于输入耦合DOE中的色散导致不同的波长以不同的角度传播，对于给定的输入光瞳入射角，成像光谱中的至少一部分满足使得在波导中以全内反射(TIR)的方式传播而不泄漏到外部的临界角条件。因此，成像光谱的不同部分可被用于FOV的不同区域。

Description

在使用宽谱成像器的近眼显示器中的扩大视野
背景
衍射光学元件(DOE)是具有周期性结构的光学元件，其通常被用于范围从生物技术，材料处理、传感和测试到技术光学及光学计量的应用中。例如，通过将DOE结合到激光或发射显示器的光学领域中，光的“形状”可根据应用需要而被灵活地控制和改变。
概述
在包括波导和配置用于输入耦合、出射光瞳扩张和输出耦合的衍射光学元件(DOE)的近眼光学显示系统中，宽谱成像器生成输入耦合到具有经扩大的视野(FOV)的输入光瞳的系统的成像光。宽谱成像光在入射角范围内照射在输入耦合DOE上。由于输入耦合DOE中的色散导致不同的波长以不同的角度传播，对于给定的输入光瞳入射角，成像光谱中的至少一部分满足使得在波导中以全内反射(TIR)的方式传播而不泄漏到外部的临界角条件。对输入耦合DOE处引起的色散的补偿在输出耦合DOE处执行。因此，成像光谱的不同部分可被用于FOV的不同区域。例如，成像光谱的长部分可被耦合到波导以用于FOV的一些角度，而光谱的短部分可被用于填充FOV的其余部分，并且与窄谱成像相比整体FOV可显著增加。
提供本概述以便以简化的形式介绍以下在详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并非旨在标识出要求保护的主题的关键特征或必要特征，亦非旨在用作辅助确定要求保护的主题的范围。此外，所要求保护的主题不限于解决在本公开的任一部分中所提及的任何或所有缺点的实现。
附图简述
图1示出了使用宽谱成像器的具有扩大视野(FOV)的说明性近眼显示系统的框图；
图2示出了光在波导中通过全内反射(TIR)的传播；
图3示出了波导中发生TIR的临界角；
图4示出了说明性出射光瞳扩展器的视图；
图5示出了其中出射光瞳沿两个方向被扩展的说明性出射光瞳扩展器的视图；
图6示出了到出射光瞳扩展器的说明性输入光瞳，其中FOV由水平和垂直角描述；
图7示出了色散，其中DOE中的光的相速是与波长有关的；
图8示出了耦合到波导中的长波长光，其中TIR传播取决于输入耦合DOE处的入射角；
图9示出了短波长光在输入耦合DOE处在入射角范围内耦合到波导中并以TIR的方式传播；
图10示出了宽谱光在输入耦合DOE处在广角输入光瞳内耦合到波导中并以TIR的方式传播；
图11示出了被配置成用于输入耦合、出射光瞳扩展、和输出耦合的三种DOE的说明性布置；
图12示出了说明性方法；
图13是虚拟现实或混合现实头戴式显示(HMD)设备的说明性示例的图形视图。
图14示出了虚拟现实或混合现实HMD设备的说明性示例的框图；以及
图15示出了结合出射光瞳扩展器的说明性电子设备的框图。
各附图中相同的附图标记指示相同的元素。除非另外指明否则各元素不是按比例绘制的。
详细描述
图1示出了可结合宽谱成像器的说明性近眼显示系统100的框图。在说明性实施例中，近眼显示系统使用衍射光学元件(DOE)的组合，该组合提供进入波导的入射光的输入耦合、在两个方向上的出射光瞳扩展、以及离开波导的光的输出耦合。近眼显示系统在工业、商业和消费应用中被频繁使用在例如头戴式显示器(HMD)设备中。其他设备和系统也可使用具有宽谱成像器的近眼系统，如下文所描述的。近眼显示系统100是用于例示各种特征和方面的示例，并且宽谱成像器不必限于使用DOE的近眼显示系统。
系统100可包括与光学系统110一起工作以将图像作为虚拟显示递送到用户的眼睛115的宽谱成像器105。宽谱成像器105可包括例如RGB(红、绿、蓝)发光二极管(LED)、LCOS(硅上液晶)设备、OLED(有机发光二极管)阵列、MEMS(微电子机械系统)设备或任何其他合适的显示器或者以透射、反射或发射方式工作的微显示器。成像器105还可包括反射镜及其他组件，该反射镜及其他组件使得能够组成虚拟显示器并且向光学系统提供一个或多个输入光束。光学系统110可通常包括放大光学器件120、光瞳形成光学器件125以及一个或多个波导130。在特定的非限制性示例中，宽谱成像器被配置成利用宽度约40nm的光谱。在一些实现中，成像器105可包括或结合照明单元(未示出)，该照明单元可被配置成提供在一波长和强度范围内的照明。
在近眼显示系统中，成像器实际上不会在诸如玻璃透镜之类的表面上照射图像来为用户创建视觉显示。这是不可行的，因为人眼无法专注于那么接近的事物。近眼光学系统100不是在表面上创建可见图像，而是使用光瞳形成光学器件125来形成光瞳，并且眼睛115充当光链中的最后一个元件，并将来自光瞳的光转换成眼睛的视网膜上的图像作为虚拟显示。
波导130促进成像器和眼睛之间的光透射。一个或多个波导可被用于近眼显示系统，因为它们是透明的且因为它们通常小而重量轻(这在诸如HMD设备之类的应用中是期望的，在这类应用中，出于性能和用户舒适的原因，通常试图使大小和重量最小化)。例如，波导130可使成像器105能够靠边定位(例如，位于头部的一侧)，从而在眼睛的前方仅留下相对小的、轻的且透明的波导光学元件。
在说明性实现中，如图2所示，波导130使用全内反射(TIR)原理来工作，使得光可被耦合在系统100中的各种光学元件间。如图3所示，其中n是折射率，当入射角相对于波导130与光学密度较小的介质(例如，空气)之间的边界305处的法线超过临界角θc时，光线310可在波导130内以TIR的方式传播。对于小于θc的入射角，如光线315和320所例示的，一些光被折射出波导(光线325和330)而一些光在边界305(光线335和340)处被反射。因此，在传统近眼显示系统中，传播角可被限制在波导内，因为处于TIR界限之外的角度的光将泄漏出波导。
解决波导中TIR的传播角限制的传统解决方案包括增加波导的折射率n以便减小临界角θc的大小，从而支持更宽范围的传播角。然而，具有高折射率的材料是有限的，并且诸如光学玻璃之类的一些材料的使用在向给定系统增加重量的同时可能是昂贵的。也可通过使用不同的波导板处理不同的范围来容适更宽范围的角度。但是这种解决方案在增加体积、重量和系统复杂性的同时还增加了成本。
继续当前近眼显示系统的描述，图4示出了说明性出射光瞳扩展器(EPE)405的视图。EPE 405通过放大光学器件120接收来自宽谱成像器105的输入光束，以在相对于成像器的出射光瞳的一个或两个方向上产生具有扩展的出射光瞳的一个或多个输出光束(其中成像器的出射光瞳对应于EPE的输入光瞳)。一般而言，输入可包括可由单独的源产生的多于一个的光束。经扩展的出射光瞳通常有助于虚拟显示被充分地调整大小以满足给定光学系统的各种设计要求(诸如图像分辨率、视野等)，同时使成像器及相关联的组件相对轻且紧凑。
在该说明性示例中，EPE 405被配置成支持左眼和右眼两者的双目操作。为了清楚呈现起见，未在图4中示出可被用于诸如扫描镜、透镜、滤波器、分束器、MEMS设备等立体视镜操作的组件。EPE 405利用两个输出耦合光栅410L和410R，这两个输出耦合光栅被支撑在波导130和中央输入耦合光栅440上。输入耦合光栅和输出耦合光栅可使用多个DOE来配置，如以下说明性示例中所描述。尽管EPE 405被描绘为具有平面配置，但是其他形状也可被使用，包括例如曲面或部分球形的形状，在这些情形中，其上所设置的光栅是非共面的。
如图5所示，EPE 405可被配置成在两个方向上(即，沿着第一和第二坐标轴中的每一个)提供经扩展的出射光瞳。如图所示，出射光瞳在垂直和水平两个方向上被扩展。应当理解，出于简单描述起见，术语“方向”、“水平的”和“垂直的”主要被用来在本文所示出和描述的说明性示例中建立相对朝向。这些术语对其中近眼显示设备的用户是直立和面向前方的使用场景而言可能是直观的，而对于其他使用场景则可能不太直观。所列出的术语不应被解释为限制具有宽谱成像器的近眼显示系统的配置(以及其中的使用场景)的范围。
到输入耦合光栅处的EPE 405的输入光瞳通常根据FOV来描述，例如使用图6中所示的水平FOV和垂直FOV。在使用传统窄成像的光学显示系统中，水平和垂直FOV可分别为例如30x17度。相反，使用宽谱成像的本近眼光学系统可在一些应用中将FOV扩大额外的30-50％，而不会有如使用涉及材料变化和/或诸如波导板之类的附加组件的传统解决方案时可能发生的增加系统成本的问题。
输入光瞳的FOV可通过使用在光学系统中发生的色散来扩大。如图7所例示的，色散是一种现象，在该现象中，给定介质中的波的相速度取决于其波长。因此，例如，相对于法线以θi的入射角从光学密度较小的介质行进到光学密度较大的介质的光线P(由附图标记705指示)将具有取决于其波长的不同的折射角。折射光线Q(710)对于较短的波长将具有更大的锐折射角θr，对于较长的波长将具有更小的折射角θr。即，较短的波长更多地朝向法线弯曲，并且对于那些波长，介质/材料的有效折射率增加。除了色散是材料特性的函数(称为块材料色散)之外，色散也可能由结构特征和几何形状产生，包括例如在输入耦合光栅和/或其他DOE中(称为波导色散)。
图8示出了以来自成像光谱的较长部分的波长为λL的来自宽谱成像器105(图1)的成像光。成像光以各种角度照射在输入耦合光栅440上，每个角度在附图中各自使用不同的线(实线和虚线)来描绘。如图所示，输入耦合光栅以不同的角度将入射光线耦合到波导130中。对于光线805和810，相对于输入耦合光栅的平面的入射角太陡以至于不能使光在波导内以TIR的方式传播并因此泄漏出波导，如参考标记812和814所指示的。通过比较，光线815的入射角相对于输入耦合平面足够浅，因此当它进入波导时，其传播角满足TIR条件使得它可在输出耦合光栅410处从光学系统输出。如图所示，输出光线820的出射角平行于输入光线815的角度。
图9示出了以来自成像光谱的较短部分的波长为λS的来自宽谱成像器105(图1)的成像光。如在图8中所示的说明性示例那样，在此情况下成像光以各种角度照射在输入耦合光栅440上，每个角度在附图中各自使用不同的线(实线和虚线)来描绘。在此，作为色散的结果，较短波长以与较长波长相比不同的角度被输入耦合并被传播。光线905和910(其与图8中的光线805和810的输入耦合光栅的入射角相同)因此能够在波导130中以TIR的方式传播并且通过输出耦合光栅410被输出耦合，如参考标记920和925所指示的。在如图8中的示例中，输入耦合和输出耦合光线是平行的。
因此，通过使用来自宽谱成像光的不同部分的光线的组合，输入光瞳的FOV包括输入耦合光栅处整个入射角的范围。未在成像光谱的长部分耦合到波导的FOV角度被耦合到光谱的短部分，从而填充整个FOV。这在图10中示出，其将图8和图9中的图示组合成单张附图。在输入耦合光栅处发生的色散在输出耦合光栅处得到补偿。即，输出耦合光栅被配置为引起与在输入耦合光栅处出现的色散相反方向的色散，并且输入端处的光线的入射角由输出耦合光栅输出端处的平行光线维持。虽然一部分成像器功率由于来自波导的泄漏而损失(即，在上文所讨论的示例中在一些FOV角度λL处)，但成像器的照明单元可被配置为补偿，使得光谱在整个FOV上略微移动，并且只有光谱的可在FOV的每个角度处在波导内传播的部分被用于FOV的该部分。
图11示出了可与波导一起使用或用作波导的一部分以提供在EPE中的输入耦合、在两个方向上的出射光瞳扩展、以及输出耦合的三个DOE的说明性布置1100。每个DOE是包括周期性结构的光学元件，该周期性结构可以以周期性模式(诸如光轴方向、光程长度，等等)来调制光的各种属性。第一DOE，即DOE 1(由附图标记1105指示)被配置成将来自宽谱成像器105的成像光束1102耦合到波导中。第二DOE，即DOE 2(1110)沿第一坐标轴在第一方向上扩展出射光瞳，第三DOE，即DOE 3(1115)沿第二坐标轴在第二方向上扩展出射光瞳，并且将光耦合出波导。如图所示，角度是DOE 2和DOE 3的周期线之间的旋转角度。
因此，DOE 1用作输入耦合光栅，而DOE 3用作输出耦合光栅，同时在一个方向上扩展光瞳。DOE 2可被认为是中间光栅，该中间光栅用于输入耦合光栅和输出耦合光栅之间耦合光，同时在另一方向上执行出射光瞳扩展。使用此类中间光栅可消除对用于诸如准直透镜之类的EPE中的出射光瞳扩展的传统功能的需要。
图12是说明性方法1200的流程图。除非明确说明，否则流程图中所示并且在伴随的文本中描述的方法或步骤不限于特定的次序或顺序。此外，一些方法或其步骤可同时发生或被执行，并且取决于给定实现的要求，在此类实现中不是所有方法或步骤均需要被执行，并且一些方法或步骤可任选地被使用。
在步骤1205中，宽谱成像器被操作，其中该成像器被配置为产生覆盖预定波长范围的成像光。在步骤1210中，在输入耦合DOE处接收光。输入耦合光栅被设置在EPE中，并与被设置在EPE中的下游中间DOE对接。在步骤1215中，在中间DOE中沿着第一坐标轴扩展所接收到的光的出射光瞳。中间DOE可被配置有具有非对称轮廓的光栅，例如倾斜光栅或闪耀光栅。在步骤1220中，出射光瞳在输出耦合DOE中被扩展，在步骤1225中，该输出耦合DOE沿着第一和第二坐标轴输出具有相对于输入耦合DOE处的所接收到的光的经扩展的出射光瞳的光。中间DOE被配置成与下游输出耦合DOE对接。在一些实现中，可以用被配置为直的或倾斜的浅光栅对输出耦合DOE进行切趾()。
宽谱成像器可被结合到在虚拟或混合现实显示设备中使用的显示系统中。此类设备可采取任何合适的形式，包括但不限于诸如HMD设备之类的近眼设备。尽管在一些实现中可使用透视显示器，但在其他实现中，使用例如基于相机的传递或面向外的传感器的不透明(即非透视)显示器可以被使用。
图13示出了透视、混合现实或虚拟现实显示系统1300的一个特定说明性示例，而图14显示了系统1300的功能框图。显示系统1300包括形成透视显示子系统1304的一部分的一个或多个透镜1302，使得图像可以使用透镜1302(例如，使用到透镜1302上的投影、结合入透镜1302中的一个或多个波导系统和/或以任何其他合适的方式)来显示。显示系统1300进一步包括被配置成获取正在被用户查看的背景场景和/或物理环境的图像的一个或多个面向外的图像传感器1306，并可包括被配置成检测声音(诸如来自用户的语音命令)的一个或多个话筒1308。面向外的图像传感器1306可包括一个或多个深度传感器和/或一个或多个二维图像传感器。在替换布置中，如上所述，代替于结合透视显示子系统，混合现实或虚拟现实显示系统可以通过面向外的图像传感器的取景器模式来显示混合现实或虚拟现实图像。
显示系统1300可进一步包括被配置成检测用户的每个眼睛的注视方向或焦点的方向或位置的注视检测子系统1310，如上文所描述的。注视检测子系统1310可被配置以任何合适方式确定用户每个眼睛的注视方向。例如，在所例示的说明性示例中，注视检测子系统1310包括被配置成导致光的闪烁从用户的每个眼球反射的一个或多个闪光源1312(诸如红外光源)，以及被配置成捕捉用户的每个眼球的图像的一个或多个图像传感器1314(诸如面向内的传感器)。根据使用(诸)图像传感器1314收集的图像数据所确定的用户眼球的闪烁和/或用户光瞳的位置中的变化可被用于确定注视的方向。
此外，从用户眼睛投射的注视线与外部显示器交叉的位置可被用于确定用户正注视的对象(例如，所显示的虚拟对象和/或真实的背景对象)。注视检测子系统1310可具有任何合适数量和布置的光源以及图像传感器。在一些实现中，可省略注视检测子系统1310。
显示系统1300还可包括附加传感器。例如，显示系统1300可包括全球定位系统(GPS)子系统1316，以允许确定显示系统1300的位置。这可有助于标识可以位于用户的毗邻物理环境中的真实世界对象(诸如建筑物等)。
显示系统1300可进一步包括一个或多个运动传感器1318(例如惯性、多轴陀螺仪或加速度传感器)，以在用户戴着作为混合现实或虚拟现实HMD设备的部分的所述系统时检测用户的头部的移动和位置/朝向/姿态。运动数据可潜在地与眼睛跟踪闪烁数据和面向外的图像数据一起被使用来用于注视检测以及用于图像稳定化，以帮助校正来自(诸)面向外的图像传感器1306的图像中的模糊。运动数据的使用可允许注视位置的变化被跟踪，即使不能解析来自(诸)面向外的图像传感器1306的图像数据。
此外，运动传感器1318，以及话筒1308和注视检测子系统1310还可被用作用户输入设备，使得用户可经由眼睛、颈部和/或头部的姿势，以及在一些情况中经由语音命令来与显示系统1300进行交互。可以理解，在图13和14中例示并在附随的文本中描述的传感器出于示例的目的被包括，而不旨在以任何方式进行限制，因为任何其他合适的传感器和/或传感器的组合可被利用来满足特定实现的需求。例如，生物特征传感器(例如用于检测心脏和呼吸速率、血压、大脑活动、体温等)或环境传感器(例如用于检测温度、湿度、海拔、UV(紫外线)光等级等)可以在一些实现中被使用。
显示系统1300可以进一步包括通过通信子系统1326与传感器、注视检测子系统1310、显示子系统1304，和/或其他组件进行通信的具有逻辑子系统1322和数据存储子系统1324的控制器1320。通信子系统1326还可促进显示系统与位于远程的资源(例如处理、存储、功率、数据和服务)结合操作。即，在一些实现中，HMD设备可被作为一种系统的部分来操作，该系统可以在不同的组件和子系统间分布资源和功能。
存储子系统1324可以包括存储在其上的指令，这些指令能被逻辑子系统1322执行例如用以：接收并解释来自传感器的输入、标识用户的位置和移动、使用表面重构和其他技术来标识现实对象，以及基于到对象的距离来调暗/淡出显示以便允许对象被用户看到，以及其他任务。
显示系统1300被配置有一个或多个音频换能器1328(例如扬声器、耳机等)，这样，音频可以被用作混合现实或虚拟现实体验的部分。功率管理子系统1330可包括一个或多个电池1332和/或保护电路模块(PCM)以及相关联的充电器接口1334和/或用于对显示系统1300中的组件供电的远程电源接口。
应当理解，出于示例的目的描述显示系统1300，并且因此不意味着进行限制。进一步应当理解，显示设备可包括除所示出的那些之外的附加的和/或替换的传感器、相机、话筒、输入设备、输出设备等，而不会背离本布置的范围。附加地，显示设备及其各传感器和子组件的物理配置可采取各种不同的形式，而不会背离本安排的范围。
如图15所示，使用宽谱成像的光学显示系统可被用于移动或便携式电子设备1500中，诸如移动电话、智能电话、个人数字助理(PDA)、通信器、便携式互联网设备、手持式计算机、数字视频或静止相机、可穿戴计算机、计算机游戏设备、专用的用于观看的即视(bring-to-the-eye)产品或其他便携式电子设备。如图所示，便携式设备1500包括外壳1505，以容纳用于从外部设备或远程系统或服务(未示出)接收信息并向外部设备或远程系统或服务传送信息的通信模块1510。
便携式设备1500还可包括用于处理所接收到的所传送的信息的图像处理模块1515以及用于支持观看图像的虚拟显示系统1520。虚拟显示系统1520可包括微显示器或成像器1525(诸如上文所描述的宽谱成像器105)以及光学引擎1530。图像处理模块1515可被可操作地连接到光学引擎1530以将诸如视频数据之类的图像数据提供给成像器1525以在其上显示图像。EPE 1535可被光学地链接到光学引擎1530。EPE可以结合包括宽谱成像器的系统或是包括宽谱成像器的系统的一部分。
使用宽谱成像的光学显示系统也可被用于非便携式设备，诸如游戏设备、多媒体控制台、个人计算机、自动售货机、智能电器、互联网连接的设备和家用电器(诸如烤箱、微波炉和其他电器)，以及其他非便携式设备。
现在出于说明的目的呈现本发明的在使用宽谱成像器的近眼显示器中的扩大的视野的各种示例性实施例，并不是作为所有实施例的穷尽性列表。一示例包括一种显示系统，包括：成像器，所述成像器被配置成使用跨输入光瞳的视野(FOV)的可变光谱来生成成像光；包括波导的光学材料的基板；被设置在所述基板上的输入耦合衍射光学元件(DOE)，所述输入耦合DOE具有被配置为在所述输入光瞳上接收入射成像光的输入表面；以及被设置在所述基板上的输出耦合DOE，所述输出耦合DOE具有输出表面并被配置用于在一个方向上对所述成像光进行光瞳扩展，并且进一步被配置成相对于所述输入光瞳将所述成像光与扩展出射光瞳输出耦合作为来自所述输出表面的输出显示，其中所述输入耦合DOE被配置为将成像光的光谱在所述输入光瞳FOV上扩散，使得对于所述FOV的每个部分，所述光谱的至少一部分在所述波导中以全内反射的方式传播。
在另一示例中，所述显示系统进一步包括：被设置在所述基板上并被定位在所述输入耦合DOE的下游和所述输出耦合DOE的上游的中间DOE，所述中间DOE被配置成在与所述输出耦合DOE不同的方向上进行光瞳扩展。在另一示例中，所述光谱的短部分填充所述输入光瞳FOV的第一部分，并且所述光谱的长部分填充所述输入光瞳FOV的第二部分。在另一示例中，所述输入耦合DOE中的色散导致所述波导中的所述成像光的光谱传播角随着波长而变化，并且所述输出耦合DOE中的色散导致所述输出耦合成像光相对于所述入射成像光具有平行的角度。在另一示例中，所述成像器包括被配置为在约40nm的波长带宽上提供照明的宽谱成像器。
又一示例包括一种支持包括来自虚拟世界的元素和来自真实世界的元素的混合现实体验的电子设备，包括：数据处理单元；光学引擎，所述光学引擎可操作地连接到所述数据处理单元并被配置成从所述数据处理单元接收图像数据；宽谱成像器，所述宽谱成像器可操作地连接到所述光学引擎以使用基于所述图像数据的预定光谱形成图像并且生成结合所述图像的成像光；以及响应于在具有视野(FOV)的输入光瞳上接收的所述成像光的出射光瞳扩展器，所述出射光瞳扩展器包括其上设置有多个衍射光学元件(DOE)的结构，其中所述出射光瞳扩展器被配置为使用所述DOE中的一个或多个提供一个或多个输出耦合光束作为具有相对于所述输入光瞳的扩展出射光瞳的近眼显示器，以及其中所述成像光的所述光谱的不同部分被用于所述输入光瞳的所述FOV的不同区域。
在另一示例中，所述宽谱成像器被配置为使得能够在所述FOV的给定角度处在所述出射光瞳扩展器内以全内反射的方式传播的所述成像光的特定波长被用于包括所述给定角度的所述FOV的所述区域。在另一示例中，出射光瞳扩展器在两个方向上提供光瞳扩展。在另一示例中，宽谱成像器包括发光二极管、硅上液晶设备、有机发光二极管阵列或微电子机械系统设备中的一者。在另一示例中，宽谱成像器包括以透射、反射或发射方式中的一者工作的微显示器。在另一示例中，电子设备被实现在头戴式显示设备或便携式电子设备中。在另一示例中，所述宽谱成像器包括或结合有照明单元。在另一示例中，所述宽谱成像器提供在所述FOV上的所述光谱的变化。在另一示例中，所述宽谱成像器被配置成使得对于所述FOV的每个部分，所述光谱的至少一部分以全内反射的方式被传播。
又一示例包括一种方法，包括：操作被配置成产生在预定波长范围内的成像光的宽谱成像器；在被设置在出射光瞳扩展器中的输入耦合衍射光学元件(DOE)处的具有视野(FOV)的输入光瞳上接收所述成像光；在被设置在所述出射光瞳扩展器中的中间DOE中沿着第一坐标轴扩展接收到的成像光的出射光瞳；在被设置在所述出射光瞳扩展器中的输出耦合DOE中沿着第二坐标轴扩展所述出射光瞳；以及使用所述输出耦合DOE沿着所述第一和第二坐标轴输出具有相对于所述输入光瞳的扩展出射光瞳的显示器中的成像光，其中所述输入耦合DOE被配置为在所接收的成像光中导致色散，并且所述输出耦合DOE被配置为在所述输出成像光中在所述输入耦合DOE中导致色散的相反方向上导致色散。
在另一示例中，所述预定波长范围覆盖至少40nm。在另一示例中，所述预定波长范围具有足够的宽度，使得光谱的至少一部分能够在所述出射光瞳扩展器中在所述输入光瞳的整个FOV内以全内反射的方式传播。在另一示例中，所述成像器进一步被配置成使得所述成像光谱在所述输入光瞳的所述FOV上变化，使得只有所述光谱的能够在所述出射光瞳扩展器内在所述FOV的每个角度处以全内反射的方式传播的部分被用于包括该角度的所述FOV的所述区域。在另一示例中，该方法在近眼显示系统中被执行。在另一示例中，输出成像光向近眼显示系统的用户提供虚拟显示。
尽管用结构特征和/或方法动作专用的语言描述了本发明主题，但可以理解，所附权利要求书中定义的主题不必限于以上所描述的具体特征或动作。更确切而言，以上所描述的具体特征和动作是作为实现权利要求的示例形式公开的。

Claims (14)

1.一种显示系统，包括：
成像器，所述成像器被配置成使用跨输入光瞳的视野(FOV)的可变光谱来生成成像光；
包括波导的光学材料的基板；
被设置在所述基板上的输入耦合衍射光学元件(DOE)，所述输入耦合DOE具有被配置为在所述输入光瞳上接收入射成像光的输入表面；以及
被设置在所述基板上的输出耦合DOE，所述输出耦合DOE具有输出表面并被配置用于在一个方向上对所述成像光进行光瞳扩展，并且进一步被配置成相对于所述输入光瞳将所述成像光与扩展出射光瞳输出耦合作为来自所述输出表面的输出显示，
其中所述输入耦合DOE被配置为将成像光的光谱在所述输入光瞳FOV上扩散，使得对于所述FOV的每个部分，所述光谱的至少一部分在所述波导中以全内反射的方式传播。
2.如权利要求1所述的显示系统，其特征在于，进一步包括被设置在所述基板上并被定位在所述输入耦合DOE的下游和所述输出耦合DOE的上游的中间DOE，所述中间DOE被配置成在与所述输出耦合DOE不同的方向上进行光瞳扩展。
3.如权利要求1所述的显示系统，其特征在于，所述光谱的短部分填充所述输入光瞳FOV的第一部分，并且所述光谱的长部分填充所述输入光瞳FOV的第二部分。
4.如权利要求1所述的显示系统，其特征在于，所述输入耦合DOE中的色散导致所述波导中的所述成像光的光谱传播角随着波长而变化，并且所述输出耦合DOE中的色散导致所述输出耦合成像光相对于所述入射成像光具有平行的角度。
5.如权利要求1所述的显示系统，其特征在于，所述成像器包括被配置为在约40nm的波长带宽上提供照明的宽谱成像器。
6.一种支持包括来自虚拟世界的元素和来自真实世界的元素的混合现实体验的电子设备，包括：
数据处理单元；
光学引擎，所述光学引擎可操作地连接到所述数据处理单元并被配置成从所述数据处理单元接收图像数据；
宽谱成像器，所述宽谱成像器可操作地连接到所述光学引擎以使用基于所述图像数据的预定光谱形成图像并且生成结合所述图像的成像光；以及
响应于在具有视野(FOV)的输入光瞳上接收的所述成像光的出射光瞳扩展器，所述出射光瞳扩展器包括其上设置有多个衍射光学元件(DOE)的结构，
其中所述出射光瞳扩展器被配置为使用所述DOE中的一个或多个提供一个或多个输出耦合光束作为具有相对于所述输入光瞳的扩展出射光瞳的近眼显示器，以及
其中所述成像光的所述光谱的不同部分被用于所述输入光瞳的所述FOV的不同区域。
7.如权利要求6所述的电子设备，其特征在于，所述宽谱成像器被配置为使得能够在所述FOV的给定角度处在所述出射光瞳扩展器内以全内反射的方式传播的所述成像光的特定波长被用于包括所述给定角度的所述FOV的所述区域。
8.如权利要求6所述的电子设备，其特征在于，所述出射光瞳扩展器在两个方向上提供光瞳扩展。
9.如权利要求6所述的电子设备，其特征在于，所述宽谱成像器包括发光二极管、硅上液晶设备、有机发光二极管阵列、或微电子机械系统设备中的一者。
10.如权利要求6所述的电子设备，其特征在于，所述宽谱成像器包括以传输、反射、或发射之一操作的微显示器。
11.如权利要求6所述的电子设备，其特征在于，被实现在头戴式显示设备或便携式电子设备中。
12.如权利要求6所述的电子设备，其特征在于，所述宽谱成像器包括或结合有照明单元。
13.如权利要求6所述的电子设备，其特征在于，所述宽谱成像器提供在所述FOV上的所述光谱的变化。
14.如权利要求6所述的电子设备，其特征在于，所述宽谱成像器被配置成使得对于所述FOV的每个部分，所述光谱的至少一部分以全内反射的方式被传播。
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