[发明专利]用于照明光学器件的衍射元件的基于偏振的复用

说明书

系统和方法提供了用于各种应用的照明光学器件。该照明光学器件能够包括光束扩展结构，该光束扩展结构为入射准直射束提供大的扩展角度或者与常规的衍射光学元件相比提供更精细的细节或分辨率。该光束扩展结构能够包括彼此光学对准的第一空间变化偏振器和第二空间变化偏振器。该第一空间变化偏振器和该第二空间变化偏振器能够由液晶材料形成，诸如多扭曲延迟器(MTR)。该第一空间变化偏振器和该第二空间变化偏振器能够衍射正交偏振态的光，这允许在单个光学结构中使用不同的衍射图案。两个图案能够提供大于第一视域和第二视域中的任一者的组合视域或能够提供比该第一视域或该第二视域单独提供的更精细的细节或分辨率。

技术领域

本公开总体上涉及照明光学器件。

背景技术

各种应用利用使用准直射束(例如，激光束)提供照明图案的照明光学器件以及扩展准直射束的光学系统(例如，负透镜、分束器)。此类应用可以包括抬头显示器、头戴式显示器(HMD)系统、飞行时间传感器、立体深度传感器等。例如，主动立体相机感测可以将红外(IR)投影图案与能够检测IR的一个或多个相机结合使用。对于特定的应用，可能期望提供具有更高分辨率的以更大视域和距离操作的传感器和照明光学器件。

由于其减小的尺寸、重量和功能，IR激光器连同一个或多个衍射光学元件(DOE)已经被用作照明源或投影仪以产生此类图案。然而，DOE的视域或“扩展角”固有地受其节距或光栅之间的距离限制，这要求扩展角与细节或分别率之间的权衡。因此，需要提供用于各种应用的照明光学器件，所述照明光学器件提供比当前可用的更大的视域和/或提供更精细的细节或分辨率。

如上所述，此类照明光学器件的示例应用包括使用头戴式显示器(“HMD”)创建的虚拟现实(“VR”)体验，所述头戴式显示器可以系到固定计算机(诸如个人计算机(“PC”)、膝上型计算机或游戏控制台)、与智能电话和/或其相关联的显示器组合和/或集成，或者是独立的。一般地，HMD是戴在用户的头部上的显示装置，其具有在一只眼睛(单目HMD)或每只眼睛(双目HMD)前面的小显示装置。显示单元典型地小型化，并且例如，可以包括CRT、LCD、硅上液晶(LCos)或OLED技术。双目HMD具有向每只眼睛显示不同图像的潜力。这种能力用于显示立体图像。

随着智能电话、高分辨率电视机以及其他电子装置的发展，对具有高性能的显示器的需求已经增加。虚拟显示和增强显示系统、特别是使用HMD的那些系统的日益普及进一步增加了这种需求。虚拟现实系统典型地完全包住佩戴者的眼睛并且用“虚拟”现实来代替在佩戴者前面的实际或物理视图(或实际现实)，而增强现实系统典型地在佩戴者的眼睛前面提供一个或多个屏幕的半透明或透明覆盖，使得用附加信息增强实际视图，并且介导现实系统可以类似地向观看者呈现将真实世界元素与虚拟元素相结合的信息。在很多虚拟现实和增强现实系统中，可以以各种方式(诸如经由在头戴式显示器中和/或在其外部的传感器)跟踪这种头戴式显示器的佩戴者的移动，以便使得显示的图像能够反映用户移动。

位置跟踪允许HMD使用硬件和软件的组合检测绝对位置来估计HMD相对于其周围环境的位置。位置跟踪是虚拟现实中的重要特征，从而使得可能用六自由度(6DOF)来跟踪移动。位置跟踪促进对虚拟现实体验的各种益处。例如，位置跟踪可以改变用户的视角以反映不同的动作，诸如闪避、前倾或跳跃，并且可以允许在虚拟环境中表示用户的手或其他物体。位置跟踪还因视差(即，靠近眼睛的物体比远离眼睛的物体移动更快的方式)而改进虚拟环境的3D感知。

位置跟踪有不同的方法，包括声学跟踪、惯性跟踪、磁性跟踪、光学跟踪等和/或它们的组合。内向外跟踪是可以用来跟踪HMD和/或相关物体(例如，控制器)的位置的一种位置跟踪。内向外跟踪与外向内跟踪的区别是用于确定HMD的位置的相机或其他传感器的位置。对于内向外跟踪，相机或传感器位于HMD或正在跟踪的物体上，而在外向外跟踪中，相机或传感器放置在环境中的固定位置。