[发明专利]具有改进的衍射光栅结构的虚拟和增强现实系统和方法

说明书

公开了用于3D显示系统的改进的衍射结构。改进的衍射结构包括位于波导基底和顶部光栅表面之间的中间层。顶部光栅表面包括对应于第一折射率值的第一材料，底层包括对应于第二折射率值的第二材料，并且基底包括对应于第三折射率值的第三材料。

本申请是国际申请号为PCT/US2016/014988、国际申请日为2016年01月26日、中国国家申请号为201680018144.7、标题为“具有改进的衍射光栅结构的虚拟和增强现实系统和方法”的专利申请的分案申请。

技术领域

本公开涉及虚拟现实和增强现实成像和可视化系统。

背景技术

现代计算和显示技术促进了用于所谓的“虚拟现实”或“增强现实”体验的系统的开发，其中数字再现的图像或其部分以它们似乎是或可能被认为是真实的方式呈现给用户。虚拟现实或“VR”场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现，而不会对实际的真实世界视觉输入具有透明度。增强现实或“AR”场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现，其作为对用户周围的实际世界的可视化的增强。例如，参考图1，描绘了增强现实场景(4)，其中AR技术的用户看到以背景中的人、树、建筑物为特征的现实公园般的场景(6)和混凝土平台(1120)。除了这些项目之外，AR技术的用户还认为他“看到”站立在真实世界平台(1120)上的机器人雕像(1110)和一个飞过的漫画式的化身人物(2)，其似乎是一只大黄蜂的拟人化，尽管这些元素(2，1110)在现实世界中并不存在。事实证明，人类视觉感知系统是非常复杂的，并且制作VR或AR技术有助于虚拟图像元素以及其他虚拟或现实世界图像元素的舒适、感觉自然、丰富的呈现是具有挑战性的。

当向AR系统的用户呈现3D虚拟内容时存在许多挑战。向用户呈现3D内容的中心前提是创建多个深度的感知。换句话说，可能希望一些虚拟内容看起来更接近用户，而其他虚拟内容似乎来自更远的地方。因此，为了实现3D感知，AR系统应被配置为相对于用户在不同焦平面处传送虚拟内容。

为了使3D显示器产生深度的真实感觉，并且更具体地，产生表面深度的模拟感觉，希望显示器的视野中的每个点产生对应于其虚拟深度的调节响应。如果对显示点的调节响应不对应于该点的虚拟深度，如由会聚和立体视觉的双眼深度暗示所确定的，则人类视觉系统可能经历适应冲突，导致不稳定的成像、有害的眼睛疲劳、头痛，并且如果没有调节信息，几乎完全缺乏表面深度。

因此，需要改进的技术来实现解决传统方法的这些和其他问题的3D显示器。这里描述的系统和技术被配置为与典型人类的视觉配置一起工作以应对这些挑战。

发明内容

本发明的实施例涉及用于促进一个或多个用户的虚拟现实和/或增强现实交互的设备、系统和方法。

根据一些实施例的用于将增强现实内容传递给用户的增强现实(AR)显示系统包括：图像生成源，用于提供一个或多个图像数据帧；光调制器，用于传输与一个或多个图像数据帧相关联的光；衍射光学元件(DOE)，用于接收与所述一个或多个图像数据帧相关联的光并将光引导到用户的眼睛，所述DOE包括衍射光栅结构，所述衍射光栅结构具有对应于波导折射率的波导基板、表面光栅和布置在波导基板和表面光栅之间的中间层(本文中也称为“底层”)，其中底层对应于不同于波导折射的底层衍射率。

根据本发明的一些实施例，衍射光栅结构被用于DOE，其包括位于波导基板和顶部光栅表面之间的底层。顶部光栅表面包括对应于第一折射率值的第一材料，底层包括对应于第二折射率值的第二材料，并且基底包括对应于第三折射率值的第三材料。

可以使用相同或不同材料的任何组合来实现这些结构部分中的每一个，例如，其中所有三种材料都不同(并且全部三种对应于不同的折射率值)时，或者其中两层共享相同的材料(例如，三种材料中的两种是相同的，因此共享与第三种材料的折射率值不同的共同折射率值)。可以使用任何合适的材料来实现改进的衍射光栅结构的任何层。