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動(dòng)態(tài)控制波導(dǎo)視窗

（映維網(wǎng)Nweon?2023年08月15日）AR頭顯利用透明波導(dǎo)將圖像從圖像源傳輸?shù)接脩舻难劬?。這種波導(dǎo)可以直接布置在用戶每只眼睛的前面。為了擴(kuò)大顯示圖像的視場(chǎng)，可以通過(guò)波導(dǎo)內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)光柵多次復(fù)制顯示圖像的視場(chǎng)。復(fù)制顯示圖像的視場(chǎng)可以允許用戶保持所呈現(xiàn)圖像的視圖。然而，這樣的復(fù)制同時(shí)會(huì)導(dǎo)致輸出諸多未被看到的光，從而低效地消耗能量。

所以在名為“Dynamic control of waveguide eye box”的專利申請(qǐng)中，微軟就介紹了一種旨在動(dòng)態(tài)控制波導(dǎo)視窗的方法。

具體來(lái)說(shuō)，發(fā)明描述了與包括耦出器的波導(dǎo)相關(guān)的示例。波導(dǎo)包括包含多個(gè)區(qū)域的耦出器，每個(gè)區(qū)域包括動(dòng)態(tài)可控的耦出元件。耦出器的區(qū)域可以根據(jù)眼動(dòng)追蹤和圖像數(shù)據(jù)可控地激活或停用。這允許生產(chǎn)相對(duì)較小的可移動(dòng)視窗，并比使用較大固定位置視窗實(shí)現(xiàn)更高的光效率。

另外，視窗尺寸的減小和耦出器的分割可以改善圖像質(zhì)量。

圖1示出一個(gè)示例近眼顯示設(shè)備100。顯示設(shè)備100包括右眼和左眼近眼顯示系統(tǒng)102R和102L。右眼和左眼近眼顯示系統(tǒng)102R、102L的每一個(gè)都包括圖像顯示組件。圖像顯示組件包括一個(gè)或多個(gè)波導(dǎo)，波導(dǎo)配置為將計(jì)算機(jī)生成的虛擬圖像投射到顯示設(shè)備100佩戴者的左眼和右眼。

圖2A-2C顯示了通過(guò)復(fù)制顯示圖像的視場(chǎng)，并且圖解地說(shuō)明了相對(duì)較大視窗的產(chǎn)生。

這種技術(shù)可稱為瞳孔復(fù)制。首先參考圖2A，近眼顯示設(shè)備200A包括通信耦合到并配置為控制圖像源204的控制器202。圖像源204可包括用于形成圖像的任何合適組件。

來(lái)自像源204的光通過(guò)一個(gè)或多個(gè)透鏡轉(zhuǎn)，并通過(guò)耦入器210輸入到波導(dǎo)208A。耦入器210可包括將光耦合到波導(dǎo)208A的任何合適結(jié)構(gòu)。用于耦入器210的示例結(jié)構(gòu)包括各種衍射結(jié)構(gòu)，例如表面浮雕光柵、偏振光柵、體全息圖和/或其他合適的光柵結(jié)構(gòu)。在其它示例中，耦入器210可包括折射或反射結(jié)構(gòu)，例如一個(gè)或多個(gè)棱鏡。

來(lái)自圖像源204的每個(gè)像素的耦合光對(duì)應(yīng)于一組小角度或一束角度，其角度范圍與像素的大小成比例。來(lái)自像源204的光通過(guò)耦出器212A輸出波導(dǎo)208A。耦出器212A配置成將光引導(dǎo)到近眼顯示設(shè)備200A的視窗214A。在這個(gè)位置，眼睛216看到的視場(chǎng)是基于從不同方向進(jìn)入瞳孔的光線220A。

在沒(méi)有瞳孔復(fù)制的情況下，視窗214A可能相對(duì)較小。因此，如果眼睛216位于位置218，則瞳孔位于視窗214A的外部。在這個(gè)位置，220A光線和投影圖像對(duì)用戶來(lái)說(shuō)不可見(jiàn)。

為了適應(yīng)不同的眼睛位置，可以配置波導(dǎo)的旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和解耦結(jié)構(gòu)，使得整個(gè)視場(chǎng)通過(guò)瞳孔復(fù)制多次耦出，其中每個(gè)副本在空間中略有移動(dòng)。

圖2B顯示了在近眼顯示系統(tǒng)200B的波導(dǎo)208B中復(fù)制三次的來(lái)自圖像源204的光線。復(fù)制的光線由耦出器212B作為光線220B輸出。用于復(fù)制光線的光柵的效率可以在波導(dǎo)的空間范圍內(nèi)逐漸減小。

由于在靠近圖像源處存在更多的光能，因此可以在靠近圖像源處使用效率較低的光柵，并且可以在遠(yuǎn)離圖像源處使用效率較高的光柵，以在視窗實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)囊恢铝炼取?/p>

當(dāng)瞳孔復(fù)制足夠密集時(shí)（復(fù)制間距小于用戶的瞳孔大?。?，可形成較大的視窗214B。

波導(dǎo)可以設(shè)計(jì)成旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和/或解耦結(jié)構(gòu)，從而為更大的視窗產(chǎn)生更多的重復(fù)。參考圖2C的近眼顯示器件200C。

波導(dǎo)208C將來(lái)自像源204的光線多次復(fù)制，通過(guò)耦出器212C輸出一個(gè)更大的視窗214C。視窗214C可容納大范圍的眼睛位置。然而，無(wú)論眼睛216位于何處，光都在不斷地傳遞到大體積的空間。

由于眼睛216一次只在視窗214C內(nèi)的一個(gè)地方，因此大部分發(fā)射的光被浪費(fèi)在產(chǎn)生視窗214C中沒(méi)有眼睛注視216的區(qū)域。另外，特定光會(huì)引導(dǎo)到視窗214C外的邊緣區(qū)域222、224。邊緣區(qū)域222,224不產(chǎn)生一個(gè)完整的視場(chǎng)，而是一個(gè)剪輯或部分視圖的圖像。因此，如圖所示的視窗214C的生成可能是低效的。

為了幫助解決此類問(wèn)題，近眼顯示設(shè)備可包括配置為允許動(dòng)態(tài)調(diào)整視窗位置的耦出器。這樣，圖像光的視場(chǎng)可以可控地輸出到一個(gè)較小的、動(dòng)態(tài)移動(dòng)的視窗，而不是輸出到一個(gè)較大的、靜態(tài)的視窗，如圖2C。這可能有助于減少輸出的未觀察圖像光和節(jié)省電力。

圖3示出的近眼顯示設(shè)備300配置為基于用戶瞳孔的位置動(dòng)態(tài)調(diào)整視窗的位置。

近眼顯示設(shè)備300包括控制器302、圖像源304、一個(gè)或多個(gè)透鏡306、配置為復(fù)制來(lái)自圖像源304的圖像的視場(chǎng)的波導(dǎo)308、用于波導(dǎo)308的耦入器310、用于波導(dǎo)308的耦出器312和配置為跟蹤用戶眼睛316的眼動(dòng)跟蹤系統(tǒng)315。

近眼顯示設(shè)備300顯示為將光引導(dǎo)到單個(gè)眼睛316，但可以配置為引導(dǎo)到兩只眼睛或耦合為一對(duì)近眼顯示設(shè)備的一半，每個(gè)設(shè)備將光引導(dǎo)到用戶的一只眼睛。

耦出器312配置成與圖2C的視窗214C相比，將光輸出到相對(duì)中等大小的視窗(例如視窗314A)。耦出器312包括多個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域包括動(dòng)態(tài)可控的耦出元件。

耦出器312的區(qū)域由控制器302控制，以至少基于眼睛316相對(duì)于近眼顯示設(shè)備300的確定位置來(lái)定位視窗。例如，眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)315確定，當(dāng)眼316位于位置322時(shí)，圖像光投射到視窗314A，當(dāng)眼316位于位置324時(shí)，圖像光投射到視窗314B。

與圖2C的視窗214C相比，視窗314A和314B的尺寸更小，這使得視窗316可以從與視窗214C相似的位置范圍內(nèi)看到完整的投影視場(chǎng)，比視窗214C浪費(fèi)的光更少。

通過(guò)這種方式，與產(chǎn)生圖2C中較大的靜態(tài)視窗214C相比，可以在相對(duì)較低的功率下維持投影圖像的完整視場(chǎng)。

眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)315可以以任何合適的方式確定眼316的位置。例如，眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)315可以包括將光投射到眼睛316上的一個(gè)或多個(gè)光源317，以及捕獲來(lái)自光源的瞳孔圖像和反射的圖像傳感器319。

圖像中的反射和瞳孔的位置可用于確定眼睛316相對(duì)于近眼顯示設(shè)備300的位置。眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)315進(jìn)一步配置為向控制器302提供確定的眼睛位置。

控制器302可以使用所確定的眼睛位置，通過(guò)控制圖像源304來(lái)定位視場(chǎng)內(nèi)的投影虛擬圖像，并控制動(dòng)態(tài)可控耦出器312將投影虛擬圖像輸出到合適的視窗位置。在這種情況下，眼動(dòng)追蹤可能不需要執(zhí)行特別高的準(zhǔn)確性，只要延遲適當(dāng)?shù)汀?/p>

可以使用基于眼動(dòng)追蹤數(shù)據(jù)的選擇性生成視窗的任何合適的機(jī)制。例如，靜態(tài)耦出器光柵的全部或部分可以用多個(gè)動(dòng)態(tài)可控的耦出器元件替換或增強(qiáng)，其中每個(gè)都可以控制為輸出光或不輸出光。

圖4A和4B示意性地示出具有這種耦出器的示例近眼顯示設(shè)備400。近眼顯示設(shè)備400是近眼顯示設(shè)備300的一個(gè)實(shí)例。

近眼顯示設(shè)備400包括控制器402、圖像源404、透鏡406、波導(dǎo)408、耦入器410、耦出器412和眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)414。

動(dòng)態(tài)可控耦出器412包括多個(gè)單獨(dú)可控區(qū)域420、422、424、426、428、430、432和434。每個(gè)單獨(dú)可控區(qū)域包括一個(gè)動(dòng)態(tài)可控的耦出元件，如可切換光柵。

每個(gè)單獨(dú)的可控區(qū)域可以控制為選擇性地發(fā)射/開啟，這樣光就會(huì)解耦，或者不發(fā)射這樣光就不會(huì)解耦。在圖4A和4B，區(qū)域內(nèi)的交叉孵化圖案表示失活/不發(fā)射狀態(tài)。

在一個(gè)實(shí)施例中，一個(gè)或多個(gè)區(qū)域中的每個(gè)區(qū)域的動(dòng)態(tài)可控耦出元件是偏置的，亦即在沒(méi)有控制信號(hào)的情況下不發(fā)射。

每個(gè)單獨(dú)可控區(qū)域可以是離散的，在各自的波導(dǎo)位置上具有有限的邊界，或者可以在波導(dǎo)408上具有完全可控邊界的模擬梯度上連續(xù)?；蛘呤强勺兊?，從而在波導(dǎo)408的表面上逐漸變化。

類似地，每個(gè)單獨(dú)可控區(qū)的效率可以沿著波導(dǎo)408逐漸增加。位于物理上更靠近耦入器410的區(qū)域可以具有較低的效率，以便一些光沿著耦出器412傳輸，從而允許一個(gè)或多個(gè)其他區(qū)域同時(shí)被激活。

物理上位于耦入器410遠(yuǎn)端的區(qū)域可以具有更高的效率。通過(guò)這種方法，可以在波導(dǎo)408上實(shí)現(xiàn)均勻的亮度。所述錐度可以是跨耦出器412的漸進(jìn)/模擬錐度，或者可以隨著與耦入器410的距離減小而逐區(qū)離散遞減，又或者是一種組合，其中每個(gè)區(qū)域具有其自己的內(nèi)部錐度。

每個(gè)區(qū)域的發(fā)射可以用二進(jìn)制開/關(guān)的方式來(lái)控制。這樣，物理上位于遠(yuǎn)離耦入器410的區(qū)域可以在0%和x%效率之間切換，而物理上位于更靠近耦入器410的區(qū)域可以在0%和y%效率之間切換，其中x>y。

耦出器412由控制器402控制，以根據(jù)眼動(dòng)追蹤系統(tǒng)414確定的眼418的檢測(cè)位置定位視窗416。在圖4A中，激活區(qū)域422、426和430，共同發(fā)射一組光線440A，形成視窗416A。

在圖4B中，根據(jù)眼睛418的不同位置，激活424、428和432區(qū)域，發(fā)射一組光線440B，形成視窗416B。

在一個(gè)實(shí)施例中，控制耦出器412以減少定向通過(guò)外圍區(qū)域的光量。另外，指向波導(dǎo)408外圍的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域可以配置為偏置關(guān)閉，而位于中心的區(qū)域配置為偏置打開。

通過(guò)這種方式，如果用戶可能只是偶爾激活特定區(qū)域，例如外圍區(qū)域，則所述區(qū)域可以被偏置，這樣就不會(huì)花費(fèi)精力提供去激活信號(hào)來(lái)維持去激活狀態(tài)。

在一個(gè)實(shí)施例中，中心視窗區(qū)域可以具有始終發(fā)光的不可切換光柵。相反，外圍區(qū)域可以是可切換的。這種可切換的外圍區(qū)域可以在合適的時(shí)候通過(guò)眼動(dòng)追蹤激活，例如當(dāng)用戶的瞳孔旋轉(zhuǎn)到由外圍區(qū)域產(chǎn)生的視窗中，或者用戶的瞳孔間距相對(duì)較小或較大，將其置于中心視窗之外時(shí)。

在圖4A-4B，耦出器412包括沿一維布置的可控耦出器元件。圖5A示意性地示出了示例耦出器500，耦出器500包括設(shè)置在二維網(wǎng)格中的可控耦出區(qū)502，其中每個(gè)區(qū)域包括動(dòng)態(tài)可控耦出元件?？刂破骺梢酝瑫r(shí)激活一個(gè)或多個(gè)區(qū)域。

通過(guò)一個(gè)或多個(gè)激活區(qū)域502發(fā)射的光線504可以組合形成視窗506。耦出器500示出20個(gè)連續(xù)的502激活區(qū)域。激活的區(qū)域可以在眼睛接收用于圖像幀的光的持續(xù)時(shí)間內(nèi)同時(shí)、順序、隨機(jī)或以任何其他合適的方式激活。

在其它示例中，可以根據(jù)所顯示的圖像和/或眼508的位置激活非連續(xù)區(qū)域以發(fā)光以形成視窗506。

在其他例子中，可以使用兩組可控的一維光柵而不是單個(gè)二維可控耦出器。圖5B示意性地示出包含兩個(gè)一維光柵的示例波導(dǎo)。波導(dǎo)520包括耦入器522、轉(zhuǎn)動(dòng)光柵524，其配置為折疊光路并沿第一維擴(kuò)展光瞳，以及耦出器526，其配置為沿第二維擴(kuò)展光瞳。

轉(zhuǎn)動(dòng)光柵534和耦出光柵536中的一個(gè)或兩個(gè)可包括可切換光柵。這樣，轉(zhuǎn)動(dòng)光柵534和耦出光柵536中的一個(gè)或兩個(gè)可以包括多個(gè)動(dòng)態(tài)可控的衍射區(qū)，以選擇性地將光衍射到耦出器的相應(yīng)位置以進(jìn)行發(fā)射。

圖5B示意性地描繪了光柵524的動(dòng)態(tài)可控衍射區(qū)530A和530B，以及光柵526的動(dòng)態(tài)可控衍射區(qū)532A和532B。每個(gè)動(dòng)態(tài)可控衍射區(qū)可包括可切換偏振光柵。

其中轉(zhuǎn)動(dòng)光柵524包括動(dòng)態(tài)可控的衍射區(qū)，每個(gè)衍射區(qū)可被控制以選擇性地將光指向耦出器526。同樣地，其中耦出器526包括動(dòng)態(tài)可控的衍射區(qū)，每個(gè)區(qū)可被控制以選擇性地對(duì)光進(jìn)行外耦。其中轉(zhuǎn)動(dòng)光柵524和耦出526都是可控的，可以實(shí)現(xiàn)二維區(qū)域控制。

在一個(gè)實(shí)施例中，轉(zhuǎn)動(dòng)光柵534和耦出光柵536中只有一個(gè)可以切換。為了清晰起見(jiàn)，圖5B圖解地描繪了旋轉(zhuǎn)光柵524和耦出器526的兩個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域都可以具有任意合適數(shù)量的動(dòng)態(tài)可控衍射區(qū)域。

在一個(gè)實(shí)施例中，區(qū)域530A, 530B, 532A和532B可能具有復(fù)雜的形狀，甚至對(duì)于波導(dǎo)內(nèi)的每個(gè)角度具有不同的形狀和位置。例如，從眼睛到圖像源的向后光線追蹤可用于確定每個(gè)角度的每個(gè)區(qū)域的合適形狀和位置。

可采用任何合適的可控光柵結(jié)構(gòu)構(gòu)成耦出器412和500的動(dòng)態(tài)可控耦出元件。例如，可切換耦出元件可包括可切換偏振光柵，比方說(shuō)可切換布拉格光柵。

可切換的布拉格光柵可以包含雙折射分子，雙折射分子可以通過(guò)放置在雙折射分子附近的電極施加電場(chǎng)而選擇性地旋轉(zhuǎn)。基于雙折射分子的取向，可切換布拉格光柵可以選擇性地形成具有周期性折射率變化的區(qū)域，或者具有無(wú)周期性特征的折射率匹配結(jié)構(gòu)。

在失活狀態(tài)下，控制動(dòng)態(tài)可控耦出元件呈現(xiàn)折射率匹配狀態(tài)，從而保持全內(nèi)反射，而在激活狀態(tài)下，控制動(dòng)態(tài)可控耦出元件呈現(xiàn)周期性折射率，從而使光解耦。

可切換布拉格光柵的衍射效率可以通過(guò)控制光柵的開關(guān)占空比來(lái)改變，因?yàn)楣鈻盘幱谥芷谛耘渲玫臅r(shí)間越長(zhǎng)，通過(guò)的光子越多。

誘導(dǎo)雙折射分子的旋轉(zhuǎn)需要有限的時(shí)間。因此，激活和失活時(shí)間可以由控制器映射，以幫助產(chǎn)生所需的調(diào)制響應(yīng)?？刂泼總€(gè)區(qū)域的效率可允許多個(gè)單獨(dú)可控的耦出元件被控制以基于到圖像源的距離顯示端到端的漸變光柵效率。

除衍射可控耦出元件外，可在動(dòng)態(tài)可控耦出元件中使用可控折射或反射耦出元件。

在圖4A和4B中，圖像源404可在眼整合周期的持續(xù)時(shí)間內(nèi)輸出完整圖像，耦出器412的多個(gè)區(qū)域可在眼整合周期的持續(xù)時(shí)間內(nèi)以靜態(tài)方式激活/不激活。

在其他示例中，可以通過(guò)使用以掃描模式激活的可控耦出元件來(lái)實(shí)現(xiàn)更有效和適應(yīng)性更強(qiáng)的圖像顯示。例如，可以將圖像源配置為選擇性地照亮已打開的區(qū)域，而不照亮一個(gè)或多個(gè)其他區(qū)域。

這允許在顯示圖像的同時(shí)，在任何特定實(shí)例中只輸出圖像源的一部分像素。因此，與在相似光強(qiáng)下為每個(gè)眼睛積分周期輸出整個(gè)圖像相比，這樣的示例可以提供更高的效率，并且可以允許在相同功率水平下生成更高強(qiáng)度的圖像，或者在不降低總體強(qiáng)度的情況下降低功率。

另外，這可能會(huì)限制光線從圖像源到眼睛的光路，從而阻止雜散光和噪點(diǎn)射線，從而提高圖像對(duì)比度。

圖6A-6E說(shuō)明了投影圖像的示例顯示。

首先，在圖6A中，通過(guò)圖像源602激活區(qū)域622以及第一圖像部分的投影。它引導(dǎo)光線640射向視窗616。

在圖6B中，激活區(qū)域624，將與第二圖像部分相對(duì)應(yīng)的光線642指向視窗616。

在圖6C中，區(qū)域626與圖像部分624A的投影一起激活，將與第三圖像部分相對(duì)應(yīng)的光線644指向視窗616。

在圖6D中，激活區(qū)域628，其對(duì)應(yīng)于第四圖像部分。它將光線引導(dǎo)到視窗616。

在圖6E中，激活對(duì)應(yīng)于第五圖像部分的區(qū)域630，并將光線648引導(dǎo)至視窗616。在本例中，區(qū)域622、624、626、628和630可按眼618整合時(shí)間內(nèi)顯示的順序依次激活，或可按任何其他合適的順序激活。

如圖6F所示，通過(guò)眼睛618實(shí)現(xiàn)組合光線650，從而感知從像源604投射的圖像。為了清晰起見(jiàn)，圖6F省略了輸入光線。這樣，光線在眼睛積分時(shí)間內(nèi)以時(shí)間復(fù)用的方式從給定眼睛位置的不同角度和不同區(qū)域射入視窗616。

在一個(gè)實(shí)施例中，單個(gè)區(qū)域的激活可以與相應(yīng)圖像源的掃描模式和頻率協(xié)調(diào)。例如，在具有快速和慢鏡掃描方向的諧振MEMS顯示器件中，慢鏡掃描方向可以在120 Hz數(shù)量級(jí)工作。因此，圖像幀的單獨(dú)可控區(qū)域的激活可以在該頻率周期內(nèi)進(jìn)行時(shí)間復(fù)用。

延伸閱讀：Microsoft Patent | Dynamic control of waveguide eye box

https://patent.nweon.com/29689

名為“Dynamic control of waveguide eye box”的微軟專利申請(qǐng)最初在2022年1月提交，并在日前由美國(guó)專利商標(biāo)局公布。

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原文鏈接：https://news.nweon.com/111553