使用聲光控制裝置的光投影儀的制作方法
背景技術：
現(xiàn)代計算和顯示技術促進了所謂的“虛擬現(xiàn)實”或“增強現(xiàn)實”體驗的系統(tǒng)的發(fā)展，其中將數(shù)字再現(xiàn)的圖像或其部分呈現(xiàn)給用戶并且可以被感知為真實的。虛擬現(xiàn)實(“vr”)場景通常涉及數(shù)字或虛擬圖像信息的呈現(xiàn)，而對其它實際的真實世界視覺輸入不透明。增強現(xiàn)實(“ar”)場景通常涉及將數(shù)字或虛擬圖像信息呈現(xiàn)為對用戶周圍的實際世界的可視化的增強。例如，參考圖1，描繪了增強現(xiàn)實場景100，其中ar技術裝置的用戶看到以在背景中的人、樹、建筑物以及實體平臺104為特征的現(xiàn)實世界公園式的設置102。除了這些項目之外，ar技術的用戶也感知到，他/她“看到”站在現(xiàn)實世界平臺104上的機器人雕像106，以及正在飛行的卡通式虛擬角色，即使這些元素(106，108)在現(xiàn)實世界中不存在。事實證明，人類視覺感知系統(tǒng)是非常復雜的，并且產生促進虛擬圖像元素在其它虛擬或現(xiàn)實世界圖像元素中的舒適的、感覺自然的、豐富的呈現(xiàn)的vr或ar技術具有挑戰(zhàn)性。
參考圖2，已經開發(fā)了立體可穿戴眼鏡200式配置，其通常具有兩個顯示器(例如，202，204)，該兩個顯示器被配置為顯示具有稍微不同的元素呈現(xiàn)的圖像，使得人類視覺系統(tǒng)感知到三維透視。已經發(fā)現(xiàn)這種配置由于聚散和調節(jié)(vergenceandaccommodation)之間的不匹配令很多用戶不舒服，必須克服該不匹配以在三維中感知圖像。實際上，一些用戶不能容忍立體配置。
參考圖3，描繪了人眼300的簡化截面圖，其具有角膜302、虹膜304、晶狀體(lens)或“晶狀體(crystallinelens)”306、鞏膜308、脈絡膜層310、黃斑312、視網(wǎng)膜314和通向大腦的視神經通路316。黃斑是視網(wǎng)膜的中心，用于觀察適度的細節(jié)。在黃斑的中心是“小窩”，用于觀察最細微的細節(jié)。小窩包含比視網(wǎng)膜的任何其它部分更多的感光體(每視覺度約120個視錐)。
人類視覺系統(tǒng)不是被動傳感器類型的系統(tǒng)。它被配置為主動掃描環(huán)境。以某種類似于使用平板掃描儀掃描圖像或者使用手指從紙上讀取盲文的方式，眼睛的感光體響應于刺激的變化而激發(fā)，而不是持續(xù)地響應刺激的恒定狀態(tài)。實際上，采用用于麻痹眼睛肌肉的諸如眼鏡蛇毒的物質的實驗已經表明，如果在他/她的眼睛是睜開的情況下定位，在眼睛的毒液誘導麻痹的下觀看靜態(tài)場景，則人類受試者將會經歷失明。換句話說，在沒有刺激變化的情況下，感光體不對大腦提供輸入，并且經歷失明。據(jù)信，至少有一個原因是正常人的眼睛已經被觀察到在所謂的“微跳動”中的一側到另一側的運動中來回移動、或者抖動。如上所述，視網(wǎng)膜的小窩包含最大密度的感光體，并且即使人類通常認為他們具有在整個視野中具有高分辨率可視化能力，但是他們通常實際上只有小的高分辨率中心，他們正在四處大量機械掃掠，伴隨由小窩最近捕獲的高分辨率信息的持久記憶。以某種類似的方式，眼睛的焦距控制機制(睫狀肌以如下方式可操作地耦合到晶狀體，其中睫狀肌松弛導致緊繃的睫狀體肌結締纖維將晶狀體變平，用于更遠的焦距；睫狀肌收縮導致睫狀肌結締纖維放松，其允許晶狀體呈現(xiàn)更圓的幾何形狀，用于更近焦距)以大約1/4至1/2的屈光度來回抖動，以在目標焦距的近端和遠端周期性地誘導少量的所謂“屈光模糊”。這被大腦的適應控制回路用作周期性的負反饋，其有助于不斷校正過程并且保持注視對象的視網(wǎng)膜圖像近視聚焦。
大腦的可視化中心同樣根據(jù)眼睛和其組件相對于彼此的運動來獲得有價值的感知信息。兩只眼睛相對于彼此的聚散運動(即，瞳孔朝向或遠離彼此的滾動運動，以匯聚眼睛視線來注視到對象上)與眼睛的晶狀體的聚焦(或“調節(jié)”)緊密相關。在正常情況下，為了聚焦在不同距離處的對象而改變眼睛的晶狀體的焦點，或者調節(jié)眼睛，將在已知的“調節(jié)-聚散反射”關系下自動地引起對相同距離的聚散的匹配變化。同樣，在正常情況下，聚散的變化將引起調節(jié)的匹配變化。已知與該反射相背的操作(如大多數(shù)傳統(tǒng)的立體ar或vr配置所做的那樣)將在用戶中產生眼疲勞、頭痛、或其它形式的不適。
容納眼睛的頭部的運動也對對象的可視化具有重要的影響。人類移動他們的頭部來使他們周圍的世界可視化。他們通常處于相對于感興趣的對象重定位以及重定向頭部的相當固定的狀態(tài)。此外，當大多數(shù)人的眼睛注視需要移動離中心超過20度時，他們喜歡移動他們的頭部以聚焦特定的對象(即，人們通常不喜歡“從眼睛的角部”看東西)。人類相對于聲音也通常掃描或移動他們的頭部-以提高聲音信號的捕獲并利用與頭部相關聯(lián)的耳朵的幾何形狀。人類視覺系統(tǒng)從所謂的“頭部運動視差”獲得強大的深度線索，“頭部運動視差”與不同距離處的對象的相對運動有關作為頭部運動和眼睛聚散距離的函數(shù)(即，如果一個人從一側到另一側移動他的頭部并保持注視對象，則更遠離那個對象的物品將在與頭部相同的方向上移動；在那個對象前方的物品將與頭部運動相反地移動。這些對于物體在相對于人的環(huán)境中在空間上位于哪里是十分顯著的線索-或許與立體視覺一樣強力)。當然，頭部運動也用于環(huán)視對象。
此外，頭部和眼睛的運動與“前庭眼球反射”協(xié)調，“前庭眼球反射”在頭部轉動期間穩(wěn)定相對于視網(wǎng)膜的圖像信息，因此保持對象圖像信息近似居中在視網(wǎng)膜上。響應于頭部轉動，眼睛在相反的方向上反射地并成比例地轉動以保持對對象的穩(wěn)定注視。這種補償關系的結果是，許多人可以在前后搖頭時讀書(有趣的是，如果書以相同的速度前后搖動而頭部近似靜止時，則通常不是同樣的情況-該人不太可能能夠閱讀移動的書；前庭眼球反射是頭部和眼睛運動的協(xié)調中的一種，通常不發(fā)展于手部的運動)。該范例對于增強現(xiàn)實系統(tǒng)很重要，因為用戶的頭部運動可相對直接地與眼睛的運動相關聯(lián)，并且系統(tǒng)將優(yōu)選地易于通過這種關系來工作。
實際上，考慮到這些各種關系，當放置數(shù)字內容時(例如，用于增強房間的真實世界視野而呈現(xiàn)的諸如虛擬枝形吊燈對象的3-d內容，或者用于增強房間的真實世界視野而呈現(xiàn)的諸如平面的/平的虛擬油畫對象的2-d內容)，可做出設計選擇以控制對象的行為。例如，2d油畫對象可以頭部為中心，在這種情況下對象圍繞著用戶的頭部移動(例如在
因此，當將虛擬內容放置到增強現(xiàn)實世界中時，必須考慮如何呈現(xiàn)內容。例如，在以世界為中心的方案中，虛擬對象停留在在現(xiàn)實世界中的位置，使得用戶可以圍繞它移動他/她的頭部，以從不同的視點觀看對象。
在此描述的系統(tǒng)和技術被配置為與典型人類的視覺配置一起工作以解決這些挑戰(zhàn)。
技術實現(xiàn)要素：
在一些實施例中，用于投射光的方法可以使用聲光深度開關來實現(xiàn)，所述聲光深度開關使用沿著基板產生的表面聲波來將圖像光引導到不同的區(qū)域。表面聲波可以使用換能器在基板上生成。不同頻率的表面聲波可以將圖像光引導到不同物理位置處的不同光學元件上。光學元件可以被配置為在與觀看者不同的距離處顯示圖像中的對象。在一些實施例中，ar系統(tǒng)用戶可佩戴耦合到位于用戶眼睛前面的顯示系統(tǒng)的框架結構。揚聲器可以耦合到框架并且定位成與用戶的耳道相鄰(在一個實施例中，另一個揚聲器可以被定位成與用戶的另一個耳道相鄰以提供立體聲/可塑形聲音控制)。根據(jù)一些實施例，顯示器諸如通過有線引線或無線連接可操作地耦合到本地處理和數(shù)據(jù)模塊，該本地處理和數(shù)據(jù)模塊可以以各種配置來安裝，諸如固定地附接到框架。在附加的實施例中，本地處理和數(shù)據(jù)模塊可以固定地附接到頭盔或帽子、嵌入在耳機中、以背包式的配置可拆卸地附接到用戶的軀干，或者以皮帶耦合式的配置可拆卸地附接到用戶的臀部。本地處理和數(shù)據(jù)模塊可以包括低功率處理器或控制器，以及諸如閃速存儲器的數(shù)字存儲器，它們二者都可以用于協(xié)助以下數(shù)據(jù)的處理、緩存和存儲，該數(shù)據(jù)：(a)從可以可操作地耦合到框架的傳感器捕獲，該傳感器諸如是圖像捕獲裝置(諸如相機)、麥克風、慣性測量單元、加速度計、指南針、gps單元、無線電設備和/或陀螺儀；和/或(b)使用遠程處理模塊和/或遠程數(shù)據(jù)存儲庫獲取和/或處理，可能在這樣的處理或檢索之后傳遞顯示器。
本地處理和數(shù)據(jù)模塊可以諸如經由有線或無線通信鏈路可操作地耦合到遠程處理模塊和遠程數(shù)據(jù)存儲庫，使得這些遠程模塊可操作地彼此耦合，并且作為資源可用于本地處理和數(shù)據(jù)模塊。在一些實施例中，遠程處理模塊可以包括被配置為分析和處理數(shù)據(jù)和/或圖像信息的一個或多個相對強大的處理器或控制器。在一些實施例中，遠程數(shù)據(jù)存儲庫可以包括相對較大規(guī)模的數(shù)字數(shù)據(jù)存儲設施，其可以通過因特網(wǎng)或“云”資源配置中的其它網(wǎng)絡配置而可獲得。在一些實施例中，在本地處理和數(shù)據(jù)模塊中存儲所有數(shù)據(jù)并且執(zhí)行所有計算，允許來自任何遠程模塊的完全自主使用。
在一些實施例中，虛擬現(xiàn)實(vr)或增強現(xiàn)實(ar)系統(tǒng)使用堆疊的波導組件(“edge”)。edge系統(tǒng)可以包括具有存儲器、cpu和gpu以及用于圖像生成和處理的其它電路的圖像生成處理器。圖像生成處理器可以采用用于呈現(xiàn)給ar系統(tǒng)用戶的所需的虛擬內容進行編程。應當理解，在一些實施例中，圖像生成處理器可以容納在可穿戴ar系統(tǒng)中。在其它實施例中，圖像生成處理器和其它電路可以容納在耦合到可穿戴光學器件的帶束包中或其它配置中。由圖像生成處理器生成的虛擬內容或信息可以被發(fā)送到顯示電路。顯示電路可以包括接口電路，該接口電路可以與圖像生成處理器通信，并且可以進一步與諸如芯片、溫度傳感器、壓電驅動器/換能器、紅色激光器、藍色激光器和綠色激光器的電路交互；以及組合激光器的光纖組合器。盡管激光器這里作為光生成器的示例被討論，但是其它類型的光生成器(例如，dlp、lcd、led)同樣可以在顯示電路中實現(xiàn)。顯示電路可以與諸如光纖掃描裝置(fsd)的顯示器或投影裝置交互。通常，fsd是具有被快速振動以產生各種圖案來遞送圖像的一個或多個光纖的顯示裝置。雖然所討論的實施例使用fsd作為顯示裝置，但是本領域普通技術人員可以理解，本領域中已知的其它顯示裝置(例如dlp、oled、lcd、lcos)可以被類似地實現(xiàn)。
在一些實施例中，vr/ar系統(tǒng)然后可以使用耦合光學器件將來自fsd的光引導到衍射光學元件(doe)組件(例如，衍射光學元件)。根據(jù)一些實施例，耦合光學器件可以指可以用于將光聚焦到doe組件中的不同深度平面的多個透鏡。簡而言之，根據(jù)一些實施例，doe組件可以是由一個或多個堆疊的具有衍射光柵的平面波導組成的設備，所述衍射光柵使(1)沿著波導的跨度偏轉圖像光，(2)允許圖像光以模擬自然現(xiàn)實世界衍射效應的角度離開波導。每個doe層可以被定制成特定的聚焦深度，如下面進一步詳細描述的。
在現(xiàn)實世界中，光隨著其行進而衍射或擴散。因此，從遙遠的對象(諸如月亮)反射的光比從更近的對象(諸如距離觀看者5米的人)反射的光擴散更多。如上所述，人類視覺系統(tǒng)以至少兩種方式來處理來自遠處和近處對象的光：(1)通過視線調節(jié)(例如聚散運動)以及(2)通過聚焦。例如，當觀看在現(xiàn)實世界中的月亮時，眼睛通過會聚每一只眼睛的視線以交叉到月亮所在的位置來調節(jié)。除了調節(jié)視線之外，每只眼睛都必須將其晶狀體系統(tǒng)聚焦以解決光線的擴散。在一些實施例中，doe組件通過在不同的深度平面中顯示近處和遠處的對象而與人類調節(jié)聚散反射相協(xié)調。例如，可以將平面圖像(例如，人、樹、地面和月亮)分解成三個深度平面dp1、dp2、dp3，以形成深度合成圖像。旨在最接近的對象(人)被顯示在深度平面1(dp1)中，該深度平面1已被調整為模擬從1米遠的對象擴散的光。中間對象(樹和地面)被顯示在深度平面2(dp2)中，該深度平面2已經被調整為模擬從5米遠的對象擴散的光。最后，最遠的對象(月亮)被顯示在深度平面3(dp3)中，該深度平面3已被調整為模擬從384,400,000米遠的對象擴散的光。(384,400,000米是從地球到月亮的近似距離。然而，對于超過一定距離的對象，通常將諸如透鏡系統(tǒng)的成像系統(tǒng)簡單地調節(jié)為光學無限遠，從而將入射光線近似為幾乎平行的光線)。以這種方式，當注視不同深度平面中的對象時，深度合成圖像的觀看者必須調節(jié)他/她的聚焦和視線會聚，并且不會發(fā)生頭痛或不適。
在一些實施例中，圖像生成處理器可以被實現(xiàn)為將平面圖像“分解成”多個深度平面中的多個對象的裝置。在其它實施例中，圖像序列被存儲為單獨的深度平面特定圖像序列，并且圖像處理生成器將預處理的深度平面圖像序列發(fā)送到準備顯示的顯示電路。在一些實施例中，doe可以在它們主動衍射的“開”狀態(tài)和它們不顯著衍射的“關”狀態(tài)之間切換。例如，可切換的doe可以包括聚合物分散液晶層，其中微滴在主介質中包含衍射圖案，并且可以將微滴的折射率切換成基本上匹配主材料的折射率(在該情況下，圖案不會明顯地衍射入射光)，或者微滴可以被切換到與主介質的折射率不匹配的折射率(在該情況下，圖案主動地衍射入射光)。為了節(jié)省資源，諸如電池功率，在一些實施例中，當觀看者正在注視深度平面中的對象時，可以優(yōu)選僅顯示特定深度平面的圖像信息。例如，如果圖像僅由月亮組成，則可以打開dp3，而其它深度平面dp1和dp2關閉。可選地，所有三個深度平面可以被打開并用于以順序的方式顯示對象。例如，fsd可以快速連續(xù)地在dp1、dp2、dp3上的投影圖像之間快速切換。因為人類視覺系統(tǒng)只能檢測到高至一定頻率(例如30hz)的移動/變化，所以觀看者將不會感覺到fsd在平面之間切換，而是將感覺到平滑的多深度平面合成圖像流。
另外，根據(jù)一些實施例，系統(tǒng)同樣可以包括眼睛跟蹤子系統(tǒng)。在該情況下，眼睛跟蹤子系統(tǒng)可以監(jiān)視觀看者的眼睛(例如通過監(jiān)視眼睛的會聚角度)，以確定觀看者是否正在注視遠的對象或近的對象。例如，如果系統(tǒng)檢測到觀看者正在注視月亮，則可以打開dp3，并且關閉和/或減弱dp1和dp2。堆疊配置可以使用動態(tài)doe(而不是靜態(tài)波導和透鏡)來同時提供多平面聚焦。例如，通過三個同時的焦平面，可以向用戶呈現(xiàn)主焦平面(例如，基于測量的眼睛調節(jié))，并且可以利用+余量和-余量(一個焦平面更近，另一個更遠)以提供大的焦距范圍，在該大的焦距范圍內，在平面需要更新之前用戶可以調節(jié)。如果用戶切換到更近或更遠的焦點(例如通過調節(jié)測量所確定的)，則該增加的焦距范圍可以提供時間優(yōu)勢。然后，新的焦平面可以作為中間聚焦深度，其中+余量和-余量再次準備好快速切換到任一個，同時系統(tǒng)趕上。
在一些實施例中，可以實現(xiàn)ar/vr系統(tǒng)，用于在大的視場內快速顯示多個深度平面中的圖像。在那里，除了聲光深度開關(ads)之外，架構類似于架構。ads可以被耦合以接收來自fsd的光，并將光聚焦到處于不同深度處的不同doe層上。ads可以包括邏輯模塊和聲光(ao)調制器。來自fsd的光輸入進入ads單元并且可以以多個角度偏轉(例如衍射、折射)到doe組件中。每個doe層或衍射元件對應于深度平面(例如dp1、dp2、dp3)。例如，doe層可以對應于dp1，并且顯示在距離觀看者1米的感知距離處的人。類似地，doe層可以對應于dp2，并且顯示在距離觀看者5米的感知距離處的植根于地面中的樹。最后，doe層可以對應于dp3，并且顯示在384,400,000米遠的感知距離處(或在光學無限遠處)的月亮。在一些實施例中，每個doe層實現(xiàn)內耦合(in-coupling)光柵，以沿著深度平面的跨度偏轉從ads接收的圖像光。然后，使用第二組衍射光柵圖像可以朝向觀看者離開doe層。在一些實施例中，ao調制器通過耦合光學器件接收光，沿著波導引導接收的光，使用換能器來引起沿著基板的表面聲波(表面聲波改變基板的折射率)，這導致光以與表面聲波周期成比例的角度離開基板。特別地，輸入光首先通過耦合器(諸如棱鏡)與ao調制器交互。耦合器將光引導到基板上的波導中。在一些實施例中，基板包括諸如石英的壓電材料或如本領域已知的其它壓電透明/半透明材料。在一些實施例中，基板包括同樣是壓電的(即，響應于壓力/應力生成電)鈮酸鋰薄片。在一些實施例中，鈮酸鋰基板可以通過施加高電壓(例如30伏特)來用作電光開關，以改變材料的折射率并在期望的方向上折射光。然而，通常不期望在人臉附近運行高電壓。此外，使用諸如30伏鈮酸鋰開關的高電壓開關在電池功率通常受限的可穿戴計算機視覺系統(tǒng)中不實用?？商娲兀谝恍嵤├?，代替使用基板作為電光開關，ao調制器使用基板作為聲光開關。例如，換能器可以被提供有非常低的電壓，其使得基板來回搖擺以產生沿著基板表面的波(例如“表面聲波”)。表面聲波可以具有與由換能器產生的波的頻率成比例的特定定義的周期(例如，峰-峰距離)。也就是說，例如，如果換能器接收到60hzac，則表面聲波的周期近似匹配60hz(不考慮，例如材料本身中的能量損失，例如滯后)。同樣，如果將rf頻率功率提供給換能器，則表面聲波將近似匹配rf頻率。因此，通過改變換能器的頻率，可以控制和/或調諧感應表面波的周期。通常，在一些實施例中，邏輯模塊可以管理ao調制器以產生所需的頻率。例如，邏輯模塊可以接收數(shù)據(jù)流，使換能器能夠以一個序列改變頻率以將光引導到doe組件層。在其它實施例中，其它部件(諸如圖像處理生成器)管理ao調制器以產生頻率序列。表面聲波可以改變基板的折射率，并且同樣可以作為一種衍射光柵。最初，波導和基板具有兩個不同的折射率，使得在波導內部的光發(fā)生全內反射。某些基板(諸如鈮酸鋰)具有響應于電能或物理/機械能(例如應力)而變化的折射率。因此，通過將不同的表面聲波施加到鈮酸鋰基板上，可以改變折射率，以便打破在波導內發(fā)生的全內反射，并且從而允許波導內部的光逸出。
此外，給定波長的光偏轉出光柵的角度可以與光的波長成比例。在一些實施例中，表面聲波用作衍射光柵，該衍射光柵以與光柵寬度(例如，對于表面聲波，從峰到峰的距離)成比例的角度將圖像光衍射出波導/基板界面。以這種方式，行進通過波導的輸入光可以通過折射(由基板的折射率的變化引起)和衍射(由引起與波周期成比例的衍射光柵效應的表面聲波引起)來偏轉。組合的效應可用于將輸入光引導到多個內耦合光柵目標上，諸如內耦合光柵。另外，可以通過簡單地將不同的信號(例如，不同的頻率)施加到換能器來調節(jié)光可從一個目標偏轉到下一個目標的速度。以該方式，聲光深度開關可以在大的fov內獲得非常高的切換速度。
在一些實施例中，可以實現(xiàn)作為掃描器和開關的聲光裝置，而不需要fsd和/或耦合光學器件。在操作中，來自顯示電路的圖像信號被直接輸入到aos中。然后，aos可以使用如以上所描述的那些的聲光方法來調制光和將光偏轉到不同的深度平面上。來自顯示電路的輸入光/圖像光可以首先與耦合器交互，該耦合器可以是光學耦合器，諸如棱鏡。耦合器將光引導到波導中，該波導使用全內反射來引導基板上的光。ao調制器可以包括兩個換能器。垂直換能器產生垂直表面聲波，該垂直表面聲波使光以不同的角度朝向doe組件偏轉。在一些實施例中，水平換能器可以正交于垂直換能器對準。水平換能器可以被實現(xiàn)以產生水平表面聲波。類似于垂直地(相對于ao調制器)偏轉輸入光的垂直表面聲波，水平表面聲波同樣可以使用諸如布拉格衍射的機制來偏轉波導中的光，但是是水平地偏轉。因此，如所實現(xiàn)的，ao調制器可以在水平和垂直方向上控制輸入光。例如，在dp2中，待顯示的圖像是植根于地面的樹。為了引導光束以水平地掃描圖像，水平換能器可以通過控制頻率和由此光的水平偏轉來調制水平表面聲波。同樣，為了垂直掃描圖像，垂直換能器可以通過控制頻率和由此光的垂直偏轉來調制垂直表面聲波。
在一些實施例中，示出的聲光掃描器可以使用在混合aos單元中的水平ao調制器和垂直ao調制器。水平ao調制器可以包括耦合器、基板、波導和水平換能器(例如，水平換能器)，該水平換能器可以用于產生水平偏轉或偏移的光。然后可以將水平偏轉的光輸入到垂直ao調制器中。垂直ao調制器可以包括耦合器、基板、波導和垂直換能器(例如，垂直換能器)，該垂直換能器產生垂直偏轉光的垂直表面聲波。因此，代替一個組合的垂直/水平ao調制器，兩個調制器是單獨的單元，并且每一個調制器可以具有它們自己的基板、耦合器和波導，但是帶有正交換能器。垂直/豎直調制器的構造類似于ao調制器。也就是說，它能夠在向上/向下方向(相對于調制器)上偏轉光。當垂直輸入光被輸入豎直調制器時，它在垂直方向上偏轉以掃描圖像，諸如在垂直方向上的圖像輸出。正交ao調制器可以旋轉90度，使得其與豎直調制器正交。以該方式，正交ao調制器偏轉水平輸入光以在水平方向上掃描圖像，而不使用布拉格衍射。雖然這里討論的正交調制器作為示例，但是本領域普通技術人員認識到，可以類似地實現(xiàn)以不同角度對準的一個或多個ao調制器以實現(xiàn)全圖像掃描。例如，在三個ao調制器實施方式中，第一ao調制器可以以0度對準，并且將光輸入到以45度(相對于第一ao調制器)取向的第二ao調制器中，第二ao調制器可以將光輸入到以90度(相對于第一ao調制器)取向的第三ao調制器中。以該方式，一個或多個中間調制器可以緩慢減少地改變角度，而不是在一個步驟中從0到90度。
在一些實施例中，可優(yōu)選的是具有一個基板，但是利用其兩個正交表面。例如，基板的頂面可以實現(xiàn)第一耦合器、波導和換能器。而基板的側面上，實現(xiàn)第二耦合器、波導和換能器。在操作中，該實施例的功能類似于豎直和正交調制器，但不需要第二基板和/或ao調制器單元。
在一些實施例中，混合fsd/aos模塊，aos部件可以與fsd互補使用。在該方法中，fsd以一定分辨率生成待顯示的圖像，該圖像從fsd輸入。例如，參考圖像輸出，fsd通常具有有限的分辨率，并且可以沿著一定間隔的漩渦輸出光。在該方法中，混合fsd/aos部件具有帶有水平和垂直調制器的ao調制器，其可以更精細地生成fsd不能作為目標或無法達到的圖像點。根據(jù)一些實施例，“主要”圖像點可以首先由fsd生成(例如沿著fsd漩渦的點)，而輔助/補充圖像點然后由ao調制器生成，以便“填充”超出fsd的分辨率的點。
用于使用聲光深度開關投射光的方式的方法可以如下實現(xiàn)。首先，諸如激光器、led或lcd的圖像生成器生成包括一系列圖像的圖像光。該系列圖像可以是圖像的視頻序列，其中該系列中的每一個圖像描繪不同距離處的對象。例如，該系列的第一部分可以包括對觀看者(例如，佩戴虛擬現(xiàn)實或增強現(xiàn)實耳機的觀看者)關閉的第一深度平面中的所有對象。類似地，該系列的其它部分可以包括不同距離處的對象。在示例性實施例中，實現(xiàn)了六個深度平面，每一個深度平面對應于距觀看者的六個距離。在一些實施例中，六個深度平面中的第一深度平面對應于三米或更近的距離，并且第六深度平面對應于光學無限遠或另外非常大的距離。然后，由光生成器生成的圖像光被輸入到在一個角度內致動的fsd中。根據(jù)一些實施例，fsd用于將光投射到聲光深度開關耦合光學器件上。耦合光學器件(諸如棱鏡)可以沿著基板將圖像光引導到波導上。聲光深度開關內的換能器可以以不同的頻率振動，以在基板的表面上生成表面聲波。如上所述，不同頻率的表面聲波以不同的角度偏轉圖像光。然后，換能器可以從邏輯模塊接收指令，該邏輯模塊指示換能器產生不同頻率的saw以將圖像光偏轉到不同光學元件上，諸如衍射光學元件。
使用聲光深度開關來以不同頻率偏轉光的投射光的方法可以如下實現(xiàn)。在一些實施例中，圖像光可以是到對于不同深度平面的光的部分中的序列。例如，第一前導部分可以包括待顯示為最接近觀看者的對象。第二部分可以包括待顯示的在距觀看者的中間距離處的對象。第三部分可以包括待顯示的距觀看者最遠的距離處的對象。在該方法中，邏輯模塊可以引導換能器以交替的方式產生不同頻率的saw，以首先使用第一頻率將第一部分偏轉到第一光學元件，然后使用第二頻率將第二部分偏轉到第二光學元件，并且然后使用第三頻率將第三部分偏轉到第三光學元件。盡管這里僅討論三個深度平面和頻率作為示例，但是同樣可以實現(xiàn)其它數(shù)量的深度平面(例如，六個)和相應的頻率。
使用正交取向的換能器在正交方向上投射光的方法可以如下實現(xiàn)。首先，可以使用水平換能器生成水平saw。水平saw可以使用布拉格衍射沿水平方向將光偏轉或掃掠到光學元件上。接下來，可以使用垂直換能器來生成垂直saw。垂直saw可以使用折射和衍射沿著垂直方向將光偏轉或掃掠到光學元件上。雖然在上述方法中討論了具體的步驟排序，但是本領域普通技術人員可以理解，同樣可以實現(xiàn)不同的排序。
下面在具體實施方式、附圖和權利要求中描述一些實施例的方面、目的和優(yōu)點的進一步細節(jié)。前面一般描述和以下詳細描述都是示例性和解釋性的，并不意圖限制為實施例的范圍。
附圖說明
附圖示出了本發(fā)明的一些實施例的設計和實用性。應當注意，附圖未按比例繪制，并且在整個附圖中，相似結構或功能的元件由相同的附圖標記表示。為了更好地了解如何獲得本發(fā)明的各種實施例的上述和其它優(yōu)點和目的，將通過參考如在附圖中所示的其具體實施例對以上簡要描述的本發(fā)明的更詳細的描述進行說明。應當理解，這些附圖僅描繪了本發(fā)明的典型實施例，且因此不被認為是對其范圍的限制，將通過使用附圖采用附加特征和細節(jié)來描述和解釋本發(fā)明，在附圖中：
圖1示出了根據(jù)一些實施例的示例的虛擬或增強現(xiàn)實環(huán)境。
圖2示出了根據(jù)一些實施例的虛擬或增強現(xiàn)實耳機。
圖3示出了人眼的組成部分。
圖4示出了根據(jù)一些實施例的虛擬或增強現(xiàn)實耳機和顯示模塊。
圖5示出了根據(jù)一些實施例的用于使用光纖掃描裝置的虛擬或增強現(xiàn)實耳機和顯示模塊的架構。
圖6示出了根據(jù)一些實施例的作為平面圖像的虛擬或增強現(xiàn)實環(huán)境的示例。
圖7示出了根據(jù)一些實施例分割成不同深度平面的圖6的虛擬或增強現(xiàn)實環(huán)境的示例。
圖8示出了根據(jù)一些實施例的用于使用光纖掃描裝置和聲光深度開關的虛擬或增強現(xiàn)實耳機和顯示模塊的架構。
圖9示出了根據(jù)一些實施例的聲光深度開關和衍射光學組件的內部架構。
圖10示出了根據(jù)一些實施例的用于使用直接耦合到包括光生成器的顯示電路的聲光深度開關的虛擬或增強現(xiàn)實耳機和顯示模塊的架構。
圖11示出了根據(jù)一些實施例的具有水平和垂直換能器的衍射光學組件和聲光深度開關的內部架構。
圖12示出了根據(jù)一些實施例的衍射光學組件和耦合到垂直取向的聲光深度開關的水平取向的聲光深度開關的內部架構。
圖13示出了根據(jù)一些實施例的衍射光學組件和與垂直取向的聲光深度開關平行的水平取向的聲光深度開關的內部架構。
圖14示出了根據(jù)一些實施例的衍射光學組件和混合光纖掃描和聲光深度開關裝置的內部結構。
圖15示出了根據(jù)一些實施例的衍射光學組件和覆蓋光纖掃描裝置不能到達的分辨率的聲光深度開關的內部架構。
圖16a-c示出了根據(jù)一些實施例的用于使用聲光深度開關來投射光的方法的流程圖。
圖17示出了示例的系統(tǒng)架構。
具體實施方式
各種實施例涉及用于聲光控制裝置的方法、系統(tǒng)和計算機程序產品。其它目的、特征和優(yōu)點在具體實施方式、附圖和權利要求中描述。
現(xiàn)在將參考附圖詳細描述方法、系統(tǒng)和制品的各種實施例，這些附圖被提供為說明性示例，以便使本領域技術人員能夠實踐各種實施例。值得注意的是，下面的附圖和示例并不意味著限制本發(fā)明的范圍。在本發(fā)明的某些元件可以使用已知的部件(或方法或過程)部分或完全實現(xiàn)的情況下，將僅描述理解本發(fā)明所必需的這些已知部件(或方法或過程)的那些部分，并且將省略對這些已知部件(或方法或過程)的其它部分的詳細描述，以便不使本發(fā)明變得模糊。此外，本發(fā)明包括在此通過說明的方式提及的部件的現(xiàn)在和未來已知的等同物。
圖4示出了可以實現(xiàn)聲光控制裝置的示例系統(tǒng)和操作環(huán)境。如圖4所示，ar系統(tǒng)用戶400被描繪為佩戴耦合到位于用戶眼睛前方的顯示系統(tǒng)402的框架404結構。揚聲器406在描繪的配置中被耦合到框架404并且定位成與用戶的耳道相鄰(在一個實施例中，未示出的另一揚聲器被定位成與用戶的另一個耳道相鄰以提供立體聲/可塑形聲音控制)。根據(jù)一些實施例，顯示器402諸如通過有線引線或無線連接可操作地耦合408到本地處理和數(shù)據(jù)模塊410，該本地處理和數(shù)據(jù)模塊410可以以各種配置來安裝，諸如固定地附接到框架404。在附加的實施例中，本地處理和數(shù)據(jù)模塊410可以固定地附接到頭盔或帽子、嵌入在耳機中、以背包式配置可拆卸地附接到用戶的軀干、或以皮帶耦合式配置可拆卸地附接到用戶的臀部(未示出)。
本地處理和數(shù)據(jù)模塊410可以包括低功耗處理器或控制器以及諸如閃速存儲器的數(shù)字存儲器，它們二者都可以用于協(xié)助以下數(shù)據(jù)的處理、緩存和存儲，該數(shù)據(jù)：(a)從可以可操作地耦合到框架404的傳感器捕獲，該傳感器諸如是圖像捕獲裝置(諸如相機)、麥克風、慣性測量單元、加速度計、指南針、gps單元、無線電設備和/或陀螺儀；和/或(b)使用遠程處理模塊412和/或遠程數(shù)據(jù)存儲庫414獲取和/或處理，可能在這樣的處理或檢索之后傳遞到顯示器402。
本地處理和數(shù)據(jù)模塊410可以諸如經由有線或無線通信鏈路可操作地耦合(416，418)到遠程處理模塊412和遠程數(shù)據(jù)存儲庫414，使得這些遠程模塊(412，414)可操作地彼此耦合，并且作為資源可用于本地處理和數(shù)據(jù)模塊410。在一些實施例中，遠程處理模塊412可以包括一個或多個相對強大的處理器或控制器，其被配置為分析和處理數(shù)據(jù)和/或圖像信息。在一些實施例中，遠程數(shù)據(jù)存儲庫414可以包括相對較大規(guī)模的數(shù)字數(shù)據(jù)存儲設施，其可以通過因特網(wǎng)或“云”資源配置中的其它網(wǎng)絡配置而可獲得。在一些實施例中，在本地處理和數(shù)據(jù)模塊中存儲所有數(shù)據(jù)并且執(zhí)行所有計算，允許來自任何遠程模塊的完全自主使用。
圖5示出了根據(jù)一些實施例的使用堆疊波導組件(“edge”)的示例ar系統(tǒng)。edge系統(tǒng)500通常包括具有存儲器512、cpu516和gpu514以及用于圖像生成和處理的其它電路的圖像生成處理器502。圖像生成處理器502可以采用用于呈現(xiàn)給ar系統(tǒng)用戶的所需的虛擬內容進行編程。應當理解，在一些實施例中，圖像生成處理器502可以容納在可穿戴ar系統(tǒng)中。在其它實施例中，圖像生成處理器和其它電路可以容納在耦合到可穿戴光學器件的帶束包中或其它配置中。
由圖像生成處理器502生成的虛擬內容或信息可以被發(fā)送到顯示電路510。顯示電路510可以包括接口電路532，該接口電路532可以與圖像生成處理器502通信，并且可以進一步與諸如芯片534、溫度傳感器536、壓電驅動器/換能器538、紅色激光器540、藍色激光器542和綠色激光器544的電路交互；以及組合激光器(未示出)的光纖組合器。盡管激光器在這里作為光生成器的示例被示出，但是其它類型的光生成器(例如，dlp、lcd、led)同樣可以在顯示電路510中實現(xiàn)。
顯示電路510可以與諸如光纖掃描裝置(fsd)520的顯示器或投影裝置交互。通常，fsd520是具有被快速振動以產生各種圖案來遞送圖像的一個或多個光纖的顯示裝置。雖然所示實施例使用fsd作為顯示裝置，但是本領域普通技術人員可以理解，本領域中已知的其它顯示裝置(例如dlp、oled、lcd、lcos)可以被類似地實現(xiàn)。
然后，ar系統(tǒng)可以使用耦合光學器件522將來自fsd的光引導到衍射光學元件(doe)組件530(例如，衍射光學元件)。根據(jù)一些實施例，耦合光學器件522可以指可以用于將光聚焦到doe組件中的不同深度平面的多個透鏡。簡而言之，根據(jù)一些實施例，doe組件530是由一個或多個堆疊的帶有衍射光柵的平面波導組成的設備，所述衍射光柵使(1)沿著波導的跨度偏轉圖像光，(2)允許圖像光以模擬自然現(xiàn)實世界衍射效應的角度離開波導。每個doe層可以被定制成特定的聚焦深度，如下面進一步詳細描述的。
圖6示出了在相同深度平面中示出的具有不同距離的對象的場景的說明性示例。在那里，平面圖像600示出了人602、植根于地面606中的樹604以及天空中的月亮608。在現(xiàn)實世界中，光會隨著其行進而衍射或擴散。因此，從遙遠對象(諸如月亮608)反射的光已經比從更近的對象(諸如人602)反射的光擴散更多。如上所述，人類視覺系統(tǒng)以至少兩種方式來處理來自遠處和近處對象的光：(1)通過視線調節(jié)(例如聚散運動)和(2)通過聚焦。例如，當觀看在現(xiàn)實世界中的月亮時，眼睛通過會聚每一只眼睛的視線以交叉到月亮所在的位置來調節(jié)。同樣，如果一個人注視他/她自己的鼻尖，眼睛就會再次調節(jié)會聚每一只眼睛的視線以交叉鼻尖所在的位置，并且受試人會向外出現(xiàn)“對視眼”。
除了調節(jié)視線之外，每一只眼睛必須將其晶狀體系統(tǒng)聚焦以解決光的擴散。例如，如果來自月亮的光未被聚焦，則從遙遠的月亮608反射的光可能會比從人602反射的光顯得更“模糊”。因此，為了觀看月亮，每一只眼睛通過平坦化其晶狀體來聚焦晶狀體，以折射月光越來越少，其最終將使月亮成為焦點。同樣，為了觀察人，每一只眼睛通過使晶狀體更加圓來聚焦其晶狀體，以便越來越多地折射入射光，直到人聚焦。如上所述，調節(jié)每一只眼睛的視線和聚焦自動地一起發(fā)生，并且被稱為“調節(jié)-聚散反射”。
具有傳統(tǒng)/遺留的立體ar或vr配置的問題是它們違背調節(jié)聚散反射。例如，參考圖6中的平面圖像600，如果傳統(tǒng)/遺留的立體ar或vr系統(tǒng)以不同的感知距離顯示月亮608、樹604和人602(例如，人顯現(xiàn)得更近，而月亮顯現(xiàn)得更遠)，但是全部合焦，則注視月亮或人時眼睛不需要重新聚焦。這導致違背調節(jié)聚散反射的不匹配。如所提到的，這些種類的遺傳方法已知會在用戶中產生眼睛疲勞、頭痛或其它形式的不適。
相比之下，doe組件530(在圖5中)通過在不同的深度平面中顯示近處和遠處的對象而與人類的調節(jié)聚散反射相協(xié)調。例如，圖7示出了分解成三個深度平面dp1、dp2、dp3以形成深度合成圖像710的相同的平面圖像600(例如，人、樹、地面和月亮)。旨在最近的對象(人620)顯示在深度平面1(dp1)中，該深度平面1已被調整為模擬從1米遠的對象擴散的光。中間對象(樹604和地面606)被顯示在深度平面2(dp2)中，該深度平面2已被調整為模擬從5米遠的對象擴散的光。最后，最遠的對象(月亮608)被顯示在深度平面3(dp3)中，該深度平面3已被調整為模擬從384,400,000米遠的對象擴散的光。(384,400,000米是從地球到月亮的距離。然而，對于超過一定距離的對象，通常將諸如透鏡系統(tǒng)的成像系統(tǒng)簡單地調節(jié)為光學無限遠，從而將入射光線近似為幾乎平行的光線)。以該方式，當注視不同深度平面中的對象時，深度合成圖像710的觀看者必須調節(jié)他/她的聚焦和視線會聚，并且不會發(fā)生頭痛或不適。
再次參考圖5，根據(jù)一些實施例，圖像生成處理器502可以被實現(xiàn)為將平面圖像“分解成”多個深度平面中的多個對象的裝置。在其它實施例中，圖像序列被存儲為單獨的深度平面特定圖像序列，并且圖像處理生成器將預處理的深度平面圖像序列發(fā)送到準備顯示的顯示電路。
在一些實施例中，doe可以在它們主動衍射的“開”狀態(tài)和它們不顯著衍射的“關”狀態(tài)之間切換。例如，可切換的doe可以包括聚合物分散液晶層，其中微滴在主介質中包含衍射圖案，并且可以將微滴的折射率切換成基本上匹配主材料的折射率(在該情況下，圖案不會明顯地衍射入射光)，或者微滴可以被切換到與主介質的折射率不匹配的折射率(在該情況下，圖案主動地衍射入射光)。
為了節(jié)省資源，諸如電池功率，在一些實施例中，當觀看者正在注視深度平面中的對象時，可以優(yōu)選僅顯示特定深度平面的圖像信息。例如，參考圖7，如果圖像僅由月亮608組成，則可以打開dp3，而其它深度平面dp1和dp2關閉。可選地，所有三個深度平面可以被打開并用于以順序的方式顯示對象。例如，fsd520可以快速連續(xù)地在dp1、dp2、dp3上的投影圖像之間快速切換。因為人類視覺系統(tǒng)只能檢測到高至一定頻率(例如30hz)的移動/變化，所以觀看者將不會感覺到fsd520在平面之間切換，而是將感覺到平滑的多深度平面合成圖像流。
另外，根據(jù)一些實施例，系統(tǒng)同樣可以包括眼睛跟蹤子系統(tǒng)550(圖5)。在該情況下，眼睛跟蹤子系統(tǒng)可以監(jiān)視觀看者的眼睛(例如通過監(jiān)視眼睛的會聚角度)，以確定觀看者是否正在注視遠的對象或近的對象。例如，如果系統(tǒng)檢測到觀看者正在注視月亮，則可以打開dp3，并且關閉和/或減弱dp1和dp2。
堆疊配置可以使用動態(tài)doe(而不是靜態(tài)波導和透鏡)來同時提供多平面聚焦。例如，通過三個同時的焦平面，可以向用戶呈現(xiàn)主焦平面(例如，基于測量的眼睛調節(jié))，并且可以利用+余量和-余量(一個焦平面更近，另一個更遠)以提供大的焦距范圍，在該大的焦距范圍內，在平面需要更新之前用戶可以調節(jié)。如果用戶切換到更近或更遠的焦點(例如，如通過調節(jié)測量所確定的)，則該增加的焦距范圍可以提供時間優(yōu)勢。然后，新的焦平面可以作為中間聚焦深度，其中+余量和-余量再次準備好快速切換到任一個，同時系統(tǒng)趕上。
然而，該場景假設fsd能夠足夠快地操作以快速地生成要注入到多個doe中的不同圖像/圖像的部分。如所解釋的，fsd通常通過在給定的角度內來回掃掠(raster)而工作。該角度表示顯示的圖像的視場(fov)。在具有六個深度平面(例如dp1，dp2....dp6)的系統(tǒng)中，fsd必須能夠以無縫的方式每幀在深度平面之間切換六次。例如，如果每秒幀數(shù)(fps)為60(在許多視頻流實施方式中是典型的)，則對于每幀，fsd必須每幀切換六次。另外，在每個深度平面中，可以有兩個目標區(qū)域，一個用于綠色光，而另一個用于紅色和藍色光。因此，每幀可以存在fsd必須能夠切換到的12個目標。因此，對于60fps和12個目標，fsd必須能夠每秒切換約714次以掃掠無縫的圖像/視頻序列。因為fsd是通過一個角度致動光纖以掃掠圖像的物理/機械裝置，所以隨著每秒幀數(shù)或者深度平面的數(shù)量增加，足夠快地在更大的角度內致動變得越來越困難。
另外，假設fsd520可以足夠快地掃掠和切換，耦合光學器件522(其將從fsd接收的光以幾乎正交的角度引導到doe組件中)應當能夠匹配fsd的速度和fov要求。目前的方法，諸如使用透鏡將fsd光聚焦到每個深度平面上，至少相對于fov要求是受到限制的。理想情況下，為了逼真的模擬，需要120度的fov來模擬自然現(xiàn)實世界的視覺。然而，諸如使用可變焦透鏡系統(tǒng)、lc快門和/或光柵系統(tǒng)的當前耦合光學方法不能產生120度的fov，并且不能足夠快地在深度平面之間切換以產生無縫的視覺顯示。
另外，即使這種方法可以在所需的fov上足夠快地切換，機械地致動諸如透鏡系統(tǒng)的fsd和耦合光學器件也能夠耗盡功率和資源。因此，需要一種在大視場內快速顯示多個深度平面中的圖像的方法。
圖8示出了用于在大視場內快速顯示多個深度平面中的圖像的方法。在那里，架構800類似于圖5所示的架構，例外的是能夠在大的fov(諸如120度)內匹配和/或超過fsd速度的聲光深度開關(ads)802。如圖8的示例實施例所示，ads802被耦合以接收來自fsd520的光，并將光聚焦到處于不同深度處的不同doe層。
圖9示出了根據(jù)一些實施例的顯示ads和doe組件的方面的內部架構900。在那里，ads802包括邏輯模塊950和聲光(ao)調制器952。在所示實施例中，來自fsd520的光輸入902進入ads802單元并且以多個角度被偏轉(例如衍射、折射)到doe組件530中。每個doe層或衍射元件(例如，530a、530b、530c)對應于深度平面(例如dp1、dp2、dp3)。例如，doe層530a可以對應于dp1，并且顯示在距離觀看者1米的感知距離處的人620(圖7)。類似地，doe層530b可以對應于dp2，并且顯示在距離觀看者5米的感知距離處的植根在地面606中的樹604。最后，doe層530c可以對應于dp3，并且顯示在384,400,000米遠的感知距離處(或者在光學無限遠處)的月亮608。
在一些實施例中，每個doe層實現(xiàn)內耦合光柵960，以沿著深度平面的跨度偏轉從ads802接收的圖像光。然后，使用第二組衍射光柵(未示出)圖像可以朝向觀看者914離開doe層。
在一些實施例中，ao調制器通過耦合光學器件接收光，沿著波導引導接收的光，使用換能器引起沿著基板的表面聲波(表面聲波改變基板的折射率)，這導致光以與表面聲波周期成比例的角度離開基板。特別地，如圖9所示，輸入光902首先通過耦合器904(諸如棱鏡)與ao調制器952交互。耦合器904將光引導到基板912上的波導906中。在一些實施例中，基板包括諸如石英的壓電材料或本領域已知的其它壓電透明/半透明材料。在一些實施例中，基板包括也是壓電的(即，響應于壓力/應力生成電)鈮酸鋰薄片。
在一些實施例中，鈮酸鋰基板可以通過施加高電壓(例如30伏)來用作電光開關，以改變材料的折射率并在期望的方向上折射光。然而，通常不希望在人臉附近運行高電壓。此外，使用諸如30伏鈮酸鋰開關的高電壓開關在電池功率通常受限的可穿戴計算機視覺系統(tǒng)中不實用。
可替代地，如圖9所示，代替使用基板作為電光開關，ao調制器使用基板912作為聲光開關。例如，換能器908可以被提供有非常低的電壓，其使得基板來回搖擺以產生沿著基板的表面的波(例如“表面聲波”)。表面聲波可以具有與由換能器產生的波的頻率成比例的特定定義的周期(例如，峰-峰距離)。也就是說，例如，如果換能器908接收60hzac，則表面聲波的周期近似匹配60hz(不考慮例如在材料本身中的能量損失，例如滯后)。同樣，如果將rf頻率功率提供給換能器，則表面聲波將近似匹配rf頻率。因此，通過改變換能器的頻率，可以控制和/或調諧感應表面波的周期。通常，在一些實施例中，邏輯模塊950可以管理ao調制器952以產生所需的頻率。例如，邏輯模塊可以接收數(shù)據(jù)流，使換能器以序列改變頻率以將光引導到doe組件層。在其它實施例中，其它部件(諸如圖像處理生成器502)管理ao調制器以產生頻率序列。
如所提及的，表面聲波改變基板的折射率，并且同樣可以作為一種衍射光柵。最初，波導和基板具有兩種不同的折射率，使得在波導內部的光發(fā)生全內反射。某些基板(諸如鈮酸鋰)具有響應于電能或物理/機械能(例如應力)而變化的折射率。因此，通過將不同的表面聲波施加到鈮酸鋰基板上，可以改變折射率，以便打破在波導內發(fā)生的全內反射，并且從而允許波導內部的光逸出。
此外，給定波長的光偏轉出光柵的角度與光的波長成比例。例如，在光柵上照射白光可產生與不同波長對應的“分解”顏色的彩虹。在一些實施例中，表面聲波用作衍射光柵，其以與光柵寬度(例如，對于表面聲波，從峰到峰的距離)成比例的角度將圖像光衍射出波導/基板界面(例如，圖9中的912和906之間的界面)。以該方式，行進通過波導906的輸入光902可以通過折射(由基板912的折射率的變化引起)和衍射(由引起與波周期成比例的衍射光柵效應的表面聲波引起)來偏轉。組合的效應可以用于將輸入光902引導到多個內耦合光柵目標上，諸如內耦合光柵906。此外，可以通過簡單地將不同的信號(例如不同的頻率)施加到換能器908來調節(jié)光可從一個目標偏轉到下一個目標的速度。以該方式，聲光深度開關802可以在大的fov內獲得非常高的切換速度。
圖10示出了使用聲光裝置作為掃描器和開關的方法，而不需要fsd和/或耦合光學器件。在那里，架構1000類似于圖8中所示的架構，除了聲光掃描器(aos)1002和缺少fsd520之外。在操作中，來自顯示電路510的圖像信號被直接輸入到aos1002中。然后，aos1002可以使用如以上描述的那些的聲光方法調制光并將光偏轉到不同的深度平面上。
圖11示出了根據(jù)一些實施例的聲光掃描器(aos)1002和doe組件530的內部架構1100。如圖所示，來自顯示電路510(圖5)的輸入光/信號902可以首先與耦合器1114交互，該耦合器1114可以是光學耦合器，諸如棱鏡。耦合器1114將光引導到波導1110中，該波導1110使用全內反射來引導基板1108上的光。與上述方法相比，圖11中的ao調制器1106具有兩個換能器。垂直換能器1120在上面被討論并且通常產生垂直表面聲波1118，該垂直表面聲波使光以不同的角度朝向doe組件530偏轉。
在一些實施例中，水平換能器1116可以垂直于垂直換能器1120對準。水平換能器被實現(xiàn)以產生水平表面聲波1112。類似于垂直地(相對于ao調制器)偏轉輸入光的垂直表面聲波1118，水平表面聲波同樣可以使用諸如布拉格衍射的機制來偏轉波導中的光，但是是水平地偏轉。因此，如所實現(xiàn)的，ao調制器1106可以在水平和垂直方向上控制輸入光。例如，參考圖像輸出1150，在dp2中，待顯示的圖像是植根于地面的樹。為了引導光束以水平地1152掃描圖像，水平換能器可以通過控制頻率和由此光的水平偏轉來調制水平表面聲波。同樣，為了垂直地1154掃描圖像輸出，垂直換能器1120可以通過控制頻率和由此光的垂直偏轉來調制垂直表面聲波1118。
圖12示出了根據(jù)一些實施例的用于使用在混合aos單元1202中的水平ao調制器和垂直ao調制器偏轉光的aos架構1200。在那里，水平ao調制器1204可以包括耦合器、基板、波導和水平換能器(例如，水平換能器1116)，該水平換能器可以用于產生水平偏轉或偏移的光1222。然后可以將水平偏轉的光輸入垂直ao調制器1206。垂直ao調制器可以包括耦合器、基板、波導和垂直換能器(例如，垂直換能器1120)，該垂直換能器產生垂直偏轉光1224的垂直表面聲波。因此，代替一個組合的垂直/水平ao調制器(例如，圖11中的1106)，兩個調制器(1204，1206)是單獨的單元，并且每個可以具有它們自己的基板、耦合器和波導，但是帶有正交換能器。
圖13示出了根據(jù)一些實施例的用于使用混合aos單元1310中的豎直調制器和正交調制器偏轉光的aos架構1300。在那里，豎直調制器1320被構造成類似于如圖9所示的ao調制器952。也就是說，它能夠在向上/向下方向(相對于調制器)上偏轉光。當垂直輸入光1304被輸入豎直調制器1320時，它在垂直方向上被偏轉以掃描圖像，諸如垂直方向1154上的圖像輸出1150。
正交ao調制器1322同樣被構造成類似于如圖9所示的ao調制器952。然而，正交ao調制器可以旋轉90度，使得其與豎直調制器1320正交。以該方式，正交ao調制器1322將水平輸入光1302偏轉以在水平方向1152上掃描圖像，而不使用布拉格衍射。雖然這里示出了正交調制器作為示例，但是本領域普通技術人員認識到，可以類似地實現(xiàn)以不同角度對準的一個或多個ao調制器以實現(xiàn)全圖像掃描。例如，在三個ao調制器實施方式中，第一ao調制器可以以0度對準，并且將光輸入到以45度(相對于第一ao調制器)取向的第二ao調制器中，第二ao調制器可以將光輸入到以90度(相對于第一ao調制器)取向的第三ao調制器中。以該方式，一個或多個中間調制器可以緩慢減少地改變角度，而不是在一個步驟中從0到90度。
在一些實施例中，優(yōu)選的是具有一個基板，但是利用其兩個正交表面。例如，基板的頂面可以實現(xiàn)第一耦合器、波導和換能器。而在基板的側面上，實現(xiàn)第二耦合器、波導和換能器。在操作中，該實施例的功能類似于圖13中所示的豎直和正交調制器，但不需要第二基板和/或ao調制器單元。
圖14示出了根據(jù)一些實施例的用于實現(xiàn)混合fsd/aos模塊的架構1400。在那里，混合fsd/aos模塊1402在結構上類似于圖8中的fsd520和ads802。然而，在圖14中所示的方法中，aos部件用作互補掃描器/生成器和開關。圖15示出了根據(jù)該實施例的aos調制器1550的內部架構1500。在該方法中，fsd(例如，fsd520)以一定分辨率生成待顯示的圖像，如在1504處示出的從fsd輸入圖像。例如，參考圖像輸出1530，fsd通常具有有限的分辨率，并且可以沿著以一定間隔的漩渦輸出光。也就是說，圖像輸出1530中的漩渦1510表示fsd可投射光的點。漩渦之間的圓形點1512超出了fsd的分辨率。然而，雖然fsd無法到達漩渦之間的圓形點，但是ao模塊可以。在該方法中，混合fsd/aos部件具有帶有水平和垂直調制器的ao調制器1550，其可以更精細地生成fsd不能作為目標或無法達到的圖像點。根據(jù)一些實施例，“主要”圖像點可以首先由fsd生成(例如沿著fsd漩渦1510的點)，而輔助/補充圖像點然后由ao調制器1550生成，以便“填充”超出fsd的分辨率的點。
圖16a示出了根據(jù)一些實施例的用于使用聲光深度開關投射光的方法的流程圖1600。在1602處，諸如激光器、led或lcd的圖像生成器生成包括一系列圖像的圖像光。該系列圖像可以是圖像的視頻序列，其中該系列中的每個圖像描繪不同距離處的對象。例如，該系列的第一部分可以包括靠近觀看者(例如，佩戴虛擬現(xiàn)實或增強現(xiàn)實耳機的觀看者)的第一深度平面中的所有對象。類似地，該系列的其它部分可以包括不同距離處的對象。在示例性實施例中，實現(xiàn)了六個深度平面，每個深度平面對應于距觀看者的六個距離。在一些實施例中，六個深度平面中的第一深度平面對應于三米或更近的距離，并且第六深度平面對應于光學無限遠或另外非常大的距離。
在1604處，由光生成器生成的圖像光被輸入到在一角度內致動的fsd中。根據(jù)一些實施例，fsd用于將光投射到聲光深度開關耦合光學器件上，如1606處所示。耦合光學器件(諸如棱鏡)可以沿著基板將圖像光引導到波導上。聲光深度開關內的換能器可以以不同的頻率振動，以在基板的表面上生成表面聲波。如上所述，不同頻率的表面聲波以不同的角度偏轉圖像光。
在1608處，換能器可以從邏輯模塊接收的指令，該邏輯模塊指示換能器產生不同頻率的saw，以將圖像光偏轉到不同光學元件上，諸如衍射光學元件。
圖16b示出了根據(jù)一些實施例的用于使用聲光深度開關來以不同頻率偏轉光的流程圖1609。在一些實施例中，圖像光可以是到對于不同深度平面的光的部分中的序列。例如，第一前導部分可以包括待顯示為最接近觀看者的對象。第二部分可以包括待顯示的在距觀看者的中間距離處的對象。第三部分可以包括待顯示的距觀看者最遠距離處的對象。邏輯模塊可以引導換能器以交替方式產生不同頻率的saw，以如在1610處所示的使用第一頻率將第一部分偏轉到第一光學元件，如在1612處所示的使用第二頻率將第二部分偏轉到第二光學元件，并且如在1613處所示的使用第三頻率將第三部分偏轉到第三光學元件。盡管在此僅討論三個深度平面和頻率作為示例，但是同樣可以實現(xiàn)其它數(shù)量的深度平面(例如，六個)和相應的頻率。
圖16c示出了根據(jù)一些實施例的用于使用正交取向的換能器在正交方向上投射光的方法的流程圖1614。在1616處，使用水平換能器生成水平saw。水平saw可以使用布拉格衍射沿水平方向將光偏轉或掃掠到光學元件上。在1618處，使用垂直換能器生成垂直saw。垂直saw可以使用折射和衍射沿著垂直方向將光偏轉或掃掠到光學元件上。
圖17是根據(jù)一些實施例的適用于實現(xiàn)光投影儀和邏輯模塊方面的說明性計算系統(tǒng)1700的框圖。計算機系統(tǒng)1700包括用于傳送信息的總線1706或其它通信機制，其將諸如處理器1707、系統(tǒng)存儲器1708(例如，ram)、靜態(tài)存儲裝置1709(例如，rom)、磁盤驅動器1710(例如，磁的或光的)、通信接口1714(例如，調制解調器或以太網(wǎng)卡)、顯示器1711(例如，crt或lcd)、輸入裝置1712(例如，鍵盤)和光標控制器的子系統(tǒng)和裝置互連。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，計算機系統(tǒng)1700通過處理器1707執(zhí)行系統(tǒng)存儲器1708中包含的一個或多個指令的一個或多個序列來執(zhí)行特定操作。這些指令可以從另一計算機可讀/可用介質(諸如靜態(tài)存儲裝置1709或磁盤驅動器1710)讀取到系統(tǒng)存儲器1708中。在替代實施例中，可以使用硬連線電路代替軟件指令或與軟件指令組合來實現(xiàn)本發(fā)明。因此，本發(fā)明的實施例不限于硬件電路和/或軟件的任何特定組合。在一個實施例中，術語“邏輯”應當指用于實現(xiàn)本發(fā)明的全部或部分的軟件或硬件的任何組合。
可以使用術語暫時性實施例、硬連線電路來代替涉及向處理器1707提供指令以供執(zhí)行的任何介質。這種介質可以采取許多形式，包括但不限于非易失性介質和易失性介質。非易失性介質包括例如光盤或磁盤，諸如磁盤驅動器1710。易失性介質包括動態(tài)存儲器，諸如系統(tǒng)存儲器1708。根據(jù)一些實施例，數(shù)據(jù)庫1732可以使用數(shù)據(jù)接口1733”在計算機可讀介質1731上訪問。
計算機可讀介質的常見形式包括例如軟盤、柔性盤、硬盤、磁帶、任何其它磁介質、cd-rom、任何其它光學介質、打孔卡、紙帶、具有孔的任何其它物理介質、ram、prom、eprom、flash-eprom、任何其它存儲器芯片或盒式芯片，或計算機可從中讀取的任何其它介質。
在本發(fā)明的實施例中，實施本發(fā)明的指令序列的執(zhí)行由單個計算機系統(tǒng)1700執(zhí)行。根據(jù)本發(fā)明的其它實施例，通過通信鏈路1715耦合的兩個或多個計算機系統(tǒng)1700(例如，lan、ptsn或無線網(wǎng)絡)可以彼此協(xié)調地執(zhí)行實施本發(fā)明所需的指令序列。
計算機系統(tǒng)1700可以通過通信鏈路1715和通信接口1714來發(fā)送和接收消息、數(shù)據(jù)和指令，包括程序，即應用代碼。接收的程序代碼可以在被接收時由處理器1707執(zhí)行，和/或存儲在磁盤驅動器1710中或其它非易失性存儲器中，以供稍后執(zhí)行。
在前面的說明書中，已經參照本發(fā)明的具體實施例描述了本發(fā)明。然而，明顯的是，在不脫離本發(fā)明的更廣泛的精神和范圍的情況下，可以對其進行各種修改和改變。例如，參考處理動作的特定順序來描述上述處理流程。然而，可以改變許多描述的處理動作的排序，而不會影響本發(fā)明的范圍或操作。因此，說明書和附圖被認為是說明性的而不是限制性的。
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