CN105393161A

CN105393161A - 通过滤色的显示效率优化

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Publication number: CN105393161A
Application number: CN201480037144.2A
Authority: CN
Inventors: D·D·博恩; N·内斯特洛维克; R·G·弗莱克; C·贝尔
Original assignee: Microsoft Technology Licensing LLC
Current assignee: Microsoft Technology Licensing LLC
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2014-06-26
Publication date: 2016-03-09
Anticipated expiration: 2034-06-26
Also published as: CN105393161B; EP3014340B1; EP3014340A1; US9664905B2; US20150002528A1; WO2014210349A1

Abstract

揭示了用于使用波导来优化近眼显示器的技术。在如微显示器的图像生成单元的图像光中生成第一颜色的第一波段和在可视光谱中邻近所述第一颜色的第二颜色的第二波段，所述第一波段窄于所述第一颜色的完整光谱带宽。所述第一波段和第二波段被耦合入衍射波导的同一层中。该波导的同一层的输入光栅具有与一个波段大致匹配的光栅波长段，所述波段通过第一波段和第二波段延伸。在一些示例中，经转换的绿色发光二极管(LED)可被用于获得围绕515nm为中心的第一波段。可以使用滤波器，例如使用二向色镜面、量子点或其组合来获得更多波段之一。

Description

通过滤色的显示效率优化

背景技术

诸如基于波导的解决方案和投影解决方案的显示设备可以使用带宽选择光学元件来实现。近眼显示器(NED)设备(诸如头戴式显示器(HMD)设备)可由用户佩戴以得到诸如增强现实(AR)体验或虚拟现实(VR)体验之类的体验。NED设备包括用于生成图像的图像生成单元，通常被称为光引擎，它与可以使用波导技术实现的近眼显示器(NED)光学耦合，而近眼显示器将图像NED地导向用户的眼睛，从而用户看见了投影的图像。

实际上，NED波导模块可以包括多个波导的堆叠，其中每个波导被分配一个波长范围或波长带(也被称为波段)。多个波导是有用的，因为在可视光谱中的色谱带宽可以相当宽。多个波导支持更多的色调，当被人类眼睛观看时创建更加现实的映像。然而，对于衍射波导来说，耦合波导内或波导外的光的衍射光栅不能很好适应宽的带宽。更多的波导层可以被加入到堆叠中以便每个波导层处理色彩带宽的不同部分，但是这也为NED增加了更多的成本、重量和大小，该设备是人们通常佩戴在他或她的头上的一种设备。

发明内容

本技术提供了用于优化包括一个或多个波段选择光学元件的显示系统的一个或多个实施例。例如，本技术提供了用于通过减少至少一种颜色的色彩带宽并将变窄的色彩带宽与可视光谱中邻近的颜色的带宽耦合到同一层衍射波导中来使用波导优化近眼显示器的一个或多个实施例。

本技术提供了显示系统的一个或多个实施例。该显示系统的一个实施例包括显示器、光学耦合到所述显示器的一个或多个色彩波段选择光学元件，以及生成第一颜色的第一波段和第二颜色的第二波段的图像生成单元，所述第一波段窄于第一颜色的完整的光谱带宽。本技术还提供了近眼显示系统的一个实施例。近眼显示系统的一个实施例包括支持近眼显示器(NED)的近眼支撑结构，该近眼显示器包括具有多个层的波导。图像生成单元也由近眼支撑结构支持，并且包括用于发射光的一个或多个发光二极管(LED)。图像生成单元从由NED的一个或多个LED发射的光中生成至少三种颜色的图像光。图像光包括第一颜色的第一波段和在可视光谱中邻近所述第一颜色的第二颜色的第二波段，所述第一波段窄于所述第一颜色的完整光谱带宽。所述波导包括该波导的一个层的第一输入光栅。所述第一输入光栅被光学耦合以接收来自所述图像生成单元的图像光，并具有与一个波段大致匹配的光栅波长带，所述波段通过第一波段和第二波段延伸以将光耦合到所述一个层中。

本技术提供了近眼显示系统的另一个实施例。近眼显示系统的一个实施例包括支持近眼显示器(NED)的近眼支撑结构，该近眼显示器包括具有多个层的波导以及用于所述多个层的每个层的输入光栅。至少一个所述层具有一个输入光栅，该输入光栅具有通过第一颜色的第一波段和第二颜色的第二波段延伸的波长带，其中第二颜色在可视光谱中邻近第一颜色。第一颜色的第一波段窄于第一颜色的完整的光谱带宽。波导光学耦合到由用于接收图像光的近眼支撑结构所支持的图像生成单元。

该技术提供用于优化在近眼显示(NED)系统中的波导性能的方法的实施例。该方法的一种实施例包括由图像生成单元生成用于近眼显示器(NED)的波导的至少三种颜色的图像光。所述图像生成单元可以安装在近眼显示系统的近眼支撑结构上。图像光包括第一颜色的第一波段和在可视光谱中邻近所述第一颜色的三种颜色的第二颜色的第二波段，所述第一波段窄于所述第一颜色的完整光谱带宽。第一波段和第二波段被从图像生成单元光学耦合到波导的一个层的输入光栅中。输入光栅具有与一个波段大致匹配的光栅波长段，所述波段通过第一波段和第二波段延伸以将光耦合到所述一个层中。

提供本概述以便以简化形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概念。该概述不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在被用来帮助确定所要求保护的主题的范围。

附图说明

图1解说了用于标准绿色LED和经转换的绿色LED的颜色绿色的色彩带宽的示例。

图2是描绘近眼显示器(NED)设备系统的一实施例的各示例组件的框图。

图3A是NED设备的控制电路系统内包括计算机系统在内的各示例硬件组件的框图。

图3B是与图像生成单元耦合的近眼显示器的一实施例的俯视图。

图4A、4B、4C和4D是按照在图像生成单元中的LED、滤波器和显示设备的光流径来解说不同的布置的一些实施例的框图，所述图像生成单元可被用于实现本技术。

图5A是作为投影光引擎的图像生成单元120的实施例的框图，所述投影光引擎生成用于有效地将两个颜色波段耦合到多层波导123的同一层中的图像光。

图5B解说了可以被用于实现本技术的实施例中的一个或多个滤波器的色带滤波器的示例。

图5C解说了可以被用于实现本技术的实施例中的一个或多个滤波器的使用量子点的色带滤波器的另一个示例。

图5D解说了图像生成单元的另一个版本，在其中将白色LED用作照明源，其后跟随有一个或多个带滤波器。

图6A、6B、6C和6D解说了滤色器LCoS显示元件(也称为面板)的示例，它包括有用于生成至少第一颜色的经减少的带宽的滤波器。

图7A和7B是解说多层波导的实施例的框图，该多层波导具有所述层中的至少一个层，所述至少一个层具有输入光栅，所述输入光栅具有通过包括第一变窄颜色波段和第二颜色波段的波段延伸的波长段。

图8A是用于在近眼显示(NED)系统中基于滤色来优化波导性能的方法的实施例的流程图。

图8B是用于在近眼显示(NED)系统中基于滤色来优化波导性能的方法的另一实施例的流程图。

图8C是用于在近眼显示(NED)系统中基于使用一个或多个量子点来将光转换到期望的波段的滤色来优化波导性能的方法的又一实施例的流程图。

详细描述

本技术的实施例可以被用于优化包括一个或多个色彩波段选择光学元件的显示系统。除了基于波导的显示器之外，用于使色彩波导变窄的技术还可用于诸如投影系统的显示器，所述投影系统使用带宽选择RGB反射面作为色彩波段选择光学元件。这样的显示器被用在大型3D显示系统中。

本技术的实施例描述了对可视光有效耦合到多层波导中进行优化，同时通过将多种颜色组合到所述多层波导的多个层中的一个层中还减少了波导层的数目。可以使用的波导的一个示例是具有用于将光耦合到每个波导层中的一个或多个衍射光栅的衍射波导。衍射光栅的示例是表面起伏光栅。每个层具有匹配于波长的带(在此也被称为波段)的至少一个输入光栅。

对于诸如衍射光栅的输入光栅来说，光进入波导层(以及在一些实施例中通过输出光栅到波导层之外)的耦合效率随着要耦合的波段减少而增加。另外，具有覆盖不同颜色的宽波导或大范围波长溢出的波导导致较低对比度图像。例如，发光二极管(LED)可以发射中心波长附近约150纳米(nm)的波段。诸如表面起伏光栅的衍射输入光栅可以具有相同的中心波长附近的约50nm到100nm的有效耦合范围。依赖于光栅所适应的波段，发射或发送的LED的三分之一到三分之二不被使用，而是用于耦合的较窄波段保持良好的衍射性能，并且因此保持耦合效率和图像对比度。另外，包括变窄的第一波段和第二波段的所述束可以被限制为与可开关布拉格光栅良好工作。

在描述实施例之前，提供了关于颜色和它们的光谱带宽的简短讨论。可见光谱的颜色通常由首字母缩略词ROYGBIV来记忆，所述词指示了红、橙、黄、绿、蓝、青和紫的从较长波长到较短波长的颜色顺序。对一种颜色的“光谱带宽”的引用是指在可见光谱中与该颜色相关联的完整波长段。例如，在下述表中，红色是用在620nm–750nm之间的光谱带宽来标识。在不同的参考源中在一种颜色开始和一个颜色结束的位置之间可能存在很小的差异。然而，可见光谱是连续的，某些光谱带宽已经与不同的颜色相关联，例如在由ThomasJ.Bruno(巴黎，D.N.斯沃罗欧斯)的基础光谱相关性图表的CRC手册(CRCHandbookofFundamentalSpectroscopicCorrelationCharts，第2页，CRC出版社(2005))所指示的下述表中所指示的那样。

可见区域：

颜色	光谱带宽
		红	620nm-750nm
橙	590nm–620nm
		黄	570nm-590nm
绿	495nm–570nm
		蓝	450nm–495nm
青和紫	380nm–450nm

彩色显示器通常生成红、绿和蓝光，因为人类的视网膜具有对红、绿和蓝敏感的感受体，这些颜色的组合可以形成许多颜色。传统的发光二极管(LEDs)，特别是绿色磷光LED，在分开足够远以不允许例如蓝色和绿色同时被同一光栅有效耦合的波段处发出这两种颜色。

在一些实施例中，经转换的绿色LED被用于生成绿色波段，因为经转换的绿色LED在可见光谱的更接近光谱的蓝色部分的绿色部分中发出更多的光。一种商用的经转换绿色LED的示例是由OSRAM制造的那些LED。图1解说了用于标准绿色LED20和经转换的绿色LED25的颜色绿色的颜色带宽的示例。这是在产生20ms的单个脉冲和具有归一化为最大值为一(1)的强度的1.4Amps输入电流处的发射带宽曲线。所述波长以纳米为单位呈现。对于标准的薄氮化镓(ThinGAN)真绿色LED来说，在虚线中示出的其发射带宽20窄于在实线中示出的经转换的绿色LED发射带宽25。这两个LED在约515nm达到峰值或围绕515nm为中心，但是经转换的绿色LED具有延伸到515nm之下的更宽的绿色带宽。

使用更接近蓝色的绿色光实现了绿光的更低的波长段或更低的波段，它可与蓝色光一起被耦合到同一波导层中，并且这样，通过光栅为波导提供了更高的吞吐量效率和改善的均匀性。视网膜的中央凹上的人类绿色感受体对约555nm的绿光尤其容易感受，这提供了良好的色饱和度。按照色调和饱和度的色域减少了一个比特，但是与人类眼睛还是存在良好的配合。另外地，可以减少用于颜色的波导层的数目，这样降低了系统的成本和资源。例如，围绕515nm为中心的约50nm的绿色波段捕捉绿色光谱带宽的较低部分，而围绕450nm为中心的约50nm的蓝色波段捕捉蓝色以及蓝色的某些青色调。这样两个波段可以被耦合到同一波导层中。以约617nm为中心且约50nm宽的红色波长段可以被耦合到另一波导层中。这样，在一些示例中，可以仅使用两个层的波导。

如所示，经转换的绿色LED的发射带宽延伸至少另一个50nm或为更长的波长。在一些实施例中，附加的波导层可以耦合同一色谱的不同部分，例如以约515nm为中心的绿色的较低部分和以约550nm为中心的绿色的较高部分。在其它示例中，附加的冗余色彩层可以被用于捕捉尽管有匹配光栅但在第一通层中没有耦合的光。

图2是描绘近眼显示器(NED)系统的一实施例的各示例组件的框图。在所示的实施例中，系统8包括被通信地耦合到被标识为伴随处理模块4的另一计算机系统的作为头戴式显示器(HMD)设备2的近眼显示器(NED)设备。该示例中示出了无线通信，但也可实现经由模块4和显示设备2之间的线的通信。在其他实施例中，伴随处理模块4的功能可被集成在显示设备2的软件和硬件组件中。

在该实施例中，NED设备2采用框架115中眼镜的形状，其中相应的显示器光学系统14(14l和14r)被定位在NED设备的前部以在NED被用户佩戴时由每一只眼睛通过其查看。在这一实施例中，每一显示器光学系统14使用投影显示器，其中图像数据被投影到用户眼睛中以生成图像数据的显示，从而使得该图像数据对于用户而言看上去位于用户前方的三维视野中的一位置处。每个显示器光学系统14也被称为示器，并且两个显示器光学系统14一起也可以被称为显示器。

在该实施例中，框架115提供方便的眼镜框架作为用于将NED设备2的各元件保持在原位的近眼支撑结构以及用于电连接的管道。近眼支撑结构的一些其他示例是护目镜框架或护眼镜支撑。框架115包括鼻梁架104、前部顶端的覆盖部分117、针对该设备的左侧(130l)和右侧(130r)中的每一者的相应图像生成单元外壳130以及被设计成停留在用户的每一耳朵上的左和右镜腿或侧臂102l和102r。在该实施例中，鼻梁架104包括具有用于记录声音并向控制电路系统136传送音频数据的话筒110。在侧外壳单元130l和130r的外部是相应的面向外的相机113l和113r，这些相机捕捉在用户前面的现实环境的图像数据以用于映射什么在近眼显示器(NED)的视野内。

在该示例中，虚线128是连接到控制电路系统136(其也用虚线示出)的一些电连接路径的说明性示例。一个虚线电连接被标记128以避免使附图过于拥挤。在该示例中，电连接和控制电路系统136在虚线中以指示它们在顶端前部的覆盖部分117下面。在用于其他组件的侧臂中还可存在包括电源总线的延伸的其他电连接(未示出)，其他组件的一些示例是包括附加相机的传感器单元、耳机或单元等音频输出设备以及可能为附加处理器和存储器。示出了可用于将框架的各个部分连接在一起的诸如螺钉等连接器129的一些示例。

伴随处理模块4可采取各种实施例。在一些实施例中，伴随处理模块4采用可被佩戴在用户的身体(例如手腕)上的便携式形式，或者是如移动设备(例如，智能电话、平板、膝上型计算机)之类的单独便携式计算机系统。伴随处理模块4可以在一个或多个通信网络50上使用线缆或无线地与一个或多个网络可访问的计算机系统12通信，无论所述计算机系统是位于附近的还是在远程位置处。在其他实施例中，伴随处理模块4的功能可被集成在显示设备2的软件和硬件组件中。可以充分利用一个或多个网络可访问计算机系统12来处理电力和远程数据访问。组件的复杂性和数目可以因计算机系统12和伴随处理模块4的不同实施例而显著变化。

基于在控制电路系统136的一个或多个处理器上执行的应用(例如游戏和消息收发应用)、或向近眼显示器14提供图像数据的伴随处理模块4或远程计算机系统12、或这些的组合来标识要显示的图像数据。

图3A是NED设备的控制电路系统内包括计算机系统在内的各示例硬件组件的框图。控制电路系统136提供支撑头戴式、近眼显示器设备2的其他组件的各种电子装置。在该示例中，显示设备2的控制电路系统136包括：处理单元210；处理单元210可访问的存储器244，该存储器244用于存储处理器可读指令和数据；通信地耦合到处理单元210的通信模块137，该通信模块137可充当用于将NED设备连接到另一计算机系统的网络接口，另一计算机系统为诸如伴随处理模块4、另一NED设备的计算机系统或可通过因特网远程访问的计算机系统。电源239为控制电路系统136的各组件及显示设备2的其他组件(如捕捉设备113、话筒110、其他传感器单元)并为显示器14上用于显示图像数据的电源汲取组件(诸如光源以及图像生成单元中的微显示器等与图像生成单元相关联的电子电路系统)提供电力。

尤其在没有包含至少一个图形处理单元(GPU)的单独的伴随处理模块4的各实施例中，处理单元210可以包括一个或多个处理器，包括中央处理单元(CPU)和图形处理单元(GPU)。存储器244表示系统可使用的各种类型的存储器，诸如用于执行期间的应用使用的随机存取存储器(RAM)、用于传感器数据(包括捕捉到的图像数据和显示数据)的缓冲器、用于指令和系统数据的只读存储器(ROM)或闪存、用于存储其他项(其一些示例是应用和用户简档数据)的其他类型的非易失性存储器。在该示例中，数据总线270的电连接会连接传感器单元257、显示驱动器246、处理单元210、存储器244和通信模块137。数据总线270还通过控制电路系统的所有被示出的元件都连接到以汲取电力的功率总线272从电源239得到电力。

控制电路系统进一步包括显示驱动器246，该显示驱动器246用于选择数字控制数据(例如控制比特)来表示图像数据，该图像数据可由图像生成单元(例如图5B中的120)的微显示器电路系统259和不同的有源组件驱动器对数字控制数据进行解码得到。微显示器可以是有源的透射、发射或反射设备。例如，微显示器可以是需要电力的硅上液晶(LCoS)设备或需要电力来移动各个体反射镜的基于微机电机器(MEM)的设备。有源组件驱动器的一个示例是显示照明驱动器247，其将数字控制数据转换成用于驱动照明单元222的模拟信号，照明单元222包括一个或多个光源，如一个或多个发光二极管(LED)等。在一些实施例中，显示单元可包括诸如波导之类的用于耦合图像生成单元中的出射光瞳处的图像光的一个或多个有源光栅253。(诸)有源光栅的控制器249将数字控制数据转换成用于改变一个或多个光栅的属性的信号。类似地，图像生成单元的一个或多个偏振器可以是有源偏振器255，可任选的(诸)有源偏振器的控制器251可驱动该有源偏振器255。控制器电路系统136可包括本文中没有示出但涉及NED设备的其他功能(诸如提供音频输出、标识头部取向和位置信息)的其他控制单元。

在其它实施例中，在图3A中标识的处理和存储器资源的一些可以在控制电路系统136和伴随处理模块4之间共享。

图3B是与图像生成单元120耦合的近眼显示器141的一实施例的俯视图。为了示出显示器光学系统14(在该情况下是针对左眼的14l)的各个组件，顶部框架部分117覆盖显示器14l的一部分，并且图像生成单元120未被描绘。箭头142表示显示器光学系统14l的光轴。当设备2被佩戴时，眼睛空间140近似用户眼睛的位置。

在该实施例中，显示器14l和14r是光学透视显示器。在其他实施例中，它们可以是视频观看显示器。每一显示器都包括显示单元112，该显示单元112被示为在两个可选的透视透镜116和118之间作为保护性覆盖物并包括多层波导123。为了避免过度拥挤，在本概览图中，除了输入光栅207之外未示出层和光栅的细节。在下面例如在图7A和7B中呈现了更多细节的实施例。波导将来自图像生成单元120的图像的图像数据以图像光形式将其引导向用户眼睛空间140，同时还允许来自现实世界的光朝着用户的眼睛空间通过，由此允许用户除了观看来自图像生成单元120的虚拟特征的图像外，还具有在NED设备2的前方的空间的实际的直接视图。

在所示的实施例中，在左侧外壳130l中的图像生成单元120包括一个或多个LED、产生图像光的微显示器以及用于将图像光耦合到在由输入光栅207所表示的一个或多个输入光栅处的波导123的波导耦合光学器件227。

存在可用于实现图像源的不同图像生成技术。例如，可使用透射投影技术来实现微显示器。在这样的技术的一个示例中，透射微显示器调制光学活性材料调制并且用白光从背后照亮。这些技术通常是使用具有强大背光和高光能量密度的LCD类型的显示器来实现的。其他微显示器使用用于使自照明单元的光被光学活性材料或机械微镜结构反射和调制的反射技术。取决于该技术，照明可以是白光源或RGB源。光学活性材料可以是液晶(LC)，一般被称为硅基液晶(LCOS)。机械微镜结构可以包括诸如数字光处理(DLP)、数字微镜设备(DMD)以及来自Qualcomm有限公司的显示技术之类的微镜阵列。全部都是高效的反射技术的示例，其将能量从已调制结构反射回来并且可被用于形成可见图像。附加地，微显示器可使用其中光由该显示器生成的发射技术来实现。发射技术的一示例是有机发光二极管(OLED)技术。自发光的OLED微型显示器的示例可以由诸如eMagin和MicroOLED之类的公司制造。该技术还将与在其中无机LED也形成图像的微显示器一起工作。

图3B示出了头戴式显示设备2的一半。针对所示实施例，完整的头戴式显示器设备2可以包括具有另一组任选的透视透镜116和118、另一波导123的另一显示器光学系统14，并包括另一图像生成单元120以及另一面朝外的捕捉设备113。在一些实施例中，可能存在由两只眼睛来查看的连续显示、而不是针对每只眼睛的显示光学系统。在一些实施例中，单个图像生成单元120可以在光学上耦合至两个眼睛查看的连续显示或者在光学上耦合至各个眼睛的单独显示。在2010年10月15日提交的题为“FusingVirtualContentIntoRealContent(将虚拟内容融合到现实内容中)”的美国专利申请序列号12/905952中示出头戴式个人A/V装置的附加细节。

图4A、4B、4C和4D是按照在图像生成单元中的从LED开始经过滤波器和显示设备的光流径来解说不同的布置的一些实施例的框图，所述图像生成单元可被用于实现本技术。在每个实施例中，控制电路系统136为照明单元222和显示元件224中的LED提供控制和功率信号，并且还能接收诸如来自温度传感器(现在示出)或其它监视传感器或电路的反馈信号。图像生成单元通过波导耦合光学元件227被光学耦合到多层波导123。

在图4A中，照明单元222包括一个或多个LED220和一个或多个滤波器221。在一些示例中，与一种颜色相关联的单个波段被滤波。例如，一个或多个LED可以包括红色LED、蓝色LED和经转换的绿色LED，并且一个或多个滤波器包括带式滤波器，例如带通滤波器或带阻滤波器，以允许绿色波段窄于其完整的光谱带宽并更接近蓝色波段，所述蓝色波段由耦合光学器件223光学耦合到显示元件224(例如LCoS、DMD等)。在可见光谱中，在经滤波的波段之间的带宽中可以存在间隙。带阻滤波器有时也被称为带斥滤波器或陷波滤波器。另一方面，陷波滤波器在光学器件中也可被称为窄带通滤波器。例如，带阻滤波器可以在绿色光谱中在约540nm之上或在515nm之上的25nm具有低透射率。一种带通滤波器在通带中无衰减地通过光，例如在绿色示例中的围绕515nm为中心的约50nm的通带内通过无衰减的绿光。

或者，取代经转换的绿色LED，白LED可以被用于提供三种颜色：红、绿和蓝，并且所述颜色针对期望波段被滤波。在其它示例中，一个或多个滤波器221可以被实现为蓝色波段滤波器，它接收白光并允许蓝色波段窄于蓝色的完整光谱带宽，其在更接近绿色波长光谱的较高的蓝色波长区域中。在一些实施例中，来自经转换的绿色LED或白色LED的绿光被滤波以允许较低的绿色波段被光学耦合到显示元件224，来自蓝色LED或白色LED的蓝光也被滤波以允许更接近较低绿色波段的上部蓝色波段被光学耦合到显示元件224。在被光学耦合到显示器之前，来自红色LED或白色LED的红光也可以由带通或带阻滤波器进行滤波。

在一些示例中，带式滤波器可使用吸收性着色剂或二向色滤光器来实现。在一些示例中，例如下面关于滤色镜LCoS显示器的更多细节中所讨论的那样，吸收性着色剂或二向色镜可以结合用于滤波和移位光波长到预定颜色波段的量子点使用。在其它示例中，具有响应于蓝光的量子点并设计成发射更长波长的光的量子点转换器可以被用作例如具有蓝色LED220的滤波器，以生成在预定颜色波段中的光，所述光光学耦合到多层波导123。通常量子点将紫外线或蓝光转换成绿色或红色，但它们也将任何较低(或大致相同的)波长的光转换到它们产生尺寸所确定的波长。例如，红色的量子点将紫外线、蓝色或绿色转换成红色。

图4B是示出在其中带式滤波器221接收图像光的布置的框图，所述图像光是表示来自显示单元224的图像的光。图4C是解说在其中由照明单元222中的一个或多个LED220所发射的光通过耦合光学器件223被光学耦合到滤色器显示元件224中的布置的框图，所述滤色器显示元件224包括一个或多个用于生成第一颜色的第一波段的滤波器，该第一波段窄于该第一颜色的完整光谱带宽且更接近第二颜色的第二波段，所述第二颜色是光谱上的邻近颜色。第二波段也可以如上面的示例所述那样变窄。这种滤色器显示元件224的更加详细的示例将在下面进一步讨论，在一些情形中使用量子点。

图4D是解说作为图像生成单元的直接LED微显示器，在其中由一个或多个LED220生成的经滤波的光和照明单元222的一个或多个滤波器221通过波导耦合光学元件227被光学耦合到多层波导123。(所述图像生成单元120还可以包括附加的耦合光学元件。)

图5A是作为投影光引擎的图像生成单元120的实施例的框图，所述投影光引擎生成了用于有效地将两个颜色波段耦合到多层波导123的同一层中的图像光。在一方面中，图5A是在图4A中的实施例的更加详细的示例。在这种实施例中，投影光引擎120包括具有滤色器320、322和324的照明单元222、具体化为反射色序硅基液晶(LCoS)微显示器230的图像源、以及许多用于将照明耦合到LCoS并将所得到的光耦合到波导123的光学元件，所述微显示器230具有反射来自照明单元222的光以表示要显示的图像数据的LCoS表面231。

在讨论光通过图像生成单元120的元件的光路径时，照明光和图像光的不同部分被不同的数字标记以方便讨论光的行进。为了避免使附图过于拥挤，在路径的每一阶段仅标记光束的一表示光线。

在一个实施例中，使用的色序LED设备220包括红色、绿色和蓝色LED，这些LED在关于LCoS的定时中按顺序方式打开以产生全彩色图像。LCoS表面231上的各个体显示元件(像素)被微显示器电路系统259控制以改变红色、绿色和蓝色光的极性状态以形成由显示驱动器246所指示的用于图像数据的颜色。照明单元222包括至少一个带式滤波器322，在此示为用于滤波，例如来自LED设备220的经转换的绿色LED的，绿光229G。滤波器320和324也可以针对红色和蓝色光存在。一些用于滤波器的实现示例在图5B和5C中被示出。由照明单元222顺序生成的红色、绿色和蓝色光229被引导到偏振照明分束器224，偏振照明分束器224以LCoS表面231的方向引导光233。在其它实施例中，LCoS可以是滤色器LCoS，这样，LED设备220通过滤波器322、324和320同时引导白色光或红色、绿色和蓝色光以与包括滤波器的LCoS面板230光学耦合，如下在图6A到6C中所讨论的。在本示例中，经滤波的LED光被偏振照明分束器224引导朝向LCoS显示设备230(有时称为面板)的反射表面231。

在该示例中，LCoS显示设备230具有补偿参数在制造期间确定的伴随的偏振分析器光学元件228，以吸收具有一种偏振状态的光，允许在LCoS之后的图像色阶形成。双合透镜226对色差进行校正。图像光237被偏振化并从LCoS表面231反射出，并且分析器228由于其弯曲表面而被双合透镜226准直化或增加光功率。图像光237在被包括鸟浴镜子(birdbathmirror)的光学元件的布置光学耦合到波导123之前通过照明分束器224。

在通过照明分束器224之后，图像光237截取偏振分束器232，偏振分束器232再次将经偏振的反射光241引导通过四分之一波片236(四分之一波片236再次被动地改变反射光的偏振状态)至鸟浴光学元件234的弯曲反射表面238，弯曲反射表面238对图像光进行准直化并将图像光反射回去通过四分之一波片236以得到另一偏振状态改变。四分之一波片提供圆偏振，而偏振分束器224、232一般充当线性偏振器。被鸟浴反射并两次被四分之一波片转变方向后，图像光243通过分束器232并且偏振状态又一次被红色旋转板240改变。红色旋转波片使红波长的偏振状态旋转九十(90)度。图像光235随后退出图像生成单元120(在此也称为投影光引擎120)以实现到波导123的光学耦合。在其他实施例中，如在使用包括其自己的照明单元222的透射性或发射性图像源的各实施例中，除了省略双合透镜以外，还可将照明分束器224省略。

波导123与眼睛区域140大致平行地延伸进入页面并进入近眼显示器14，并使小的多的量延伸到页面之外。在这个实施例中，在由通过图像光235的透视玻璃的外保护罩252包围的本示例中，波导123是具有两个示范性层(258和262)的多层。线122指示投影光引擎120和波导123之间的距离。该附图不是按比例绘制的，但光引擎和波导之间的这样的距离的示例为约0.5mm。在本示例中，最接近投影光引擎的光学输入光栅119a是要被投影的出射光瞳的目标位置或是在该处从出射光瞳内部到投影光引擎的光被重新聚焦以耦合到波导的目标位置。在该示例中，再次不是按比例绘制的，出射光瞳或重新聚焦的出射光瞳被投影在从投影光引擎120外部到波导的光学输入光栅119a的约5mm之处。

波导123被定位用于图像光的光耦合的外壳130内。每个层被示为具有其自己的输入光栅。输入光栅的示例是被制造成波导123中的每一层的表面的一部分的表面起伏光栅。层258首先接收已退出投影光引擎的图像光235，并通过其光学输入光栅119a耦合该光。类似地，层262通过其光学输入光栅119b耦合图像光235。图7A和7B在下面更详尽地讨论了波导光栅和它们与颜色波段的匹配。

继续对提供用于更有效与波导耦合的经滤波的颜色图像光的图像生成单元的实施例进行讨论，图5D解说了图5A中的图像生成单元120的另一个版本，在其中，白色LED被用作照明源，其后跟随串联的一个或多个带式滤波器320、322和324，以生成第一颜色的窄于该第一颜色的完整光谱带宽的至少一个第一颜色波段。还有，在本示例中，中央波片260位于波长层258和262之间，并且在外部出射光瞳或当出射光瞳在投影光引擎内部时的重新聚焦点的目标位置。中央波片层260可以耦合并改变其已接收到的图像光235的偏振状态。

图5B解说了可以被用于实现本技术的实施例中的一个或多个滤波器的色带滤波器的示例。示范性滤波器322包括校准光学元件354和二向色滤光器352。在滤波器之间的层356可以是大气或高折射率玻璃，例如大于1.5的折射率。在本示例中，由射线351、353和355表示的由诸如经转换的绿色LED所生成的不同波长的光通过穿过光学元件354并由其校准来进入滤波器，并碰到滤波器352的部分反射表面。部分反射表面可以是涂覆以反射某种波长段(波段)的光的部分镜面，所述光例如是具有在540nm到约575nm的波长的绿色光。光线356表示在该波段之外的波长的光，因此，光线356通过部分镜面352以光学耦合到显示元件或波导。光线351和353具有在绿色光谱带宽的上部部分中的波长，并且因此，由二向色滤光器352向校准光学元件354反射。在再次校准之后，射线351和353行进向LED设备220返回。

图5C解说了可以被用于实现本技术的实施例中的一个或多个滤波器的使用量子点的色带滤波器的另一个示例。在讨论图5C的示例的细节之前，提供了关于量子点的一些背景。

相比较于(在LCD和LCoS显示元件中使用的)液晶而言，量子点可以发射光。通常，量子点包括其激子在所有三个空间维度中都受限的物质(例如半导体)的一部分。因此，量子点在那些体半导体和离散的分子之间具有电的和光学的属性。量子点可以由诸如硒化镉、硫化镉、砷化铟或磷化铟之类的二元合金来制造。量子点还可以由诸如硫硒化镉之类的三元合金来制造。一些量子点可以包含在量子点的体积内少至100个原子，所述原子具有粗略地在2和10纳米之间的对应的直径。

量子点具有荧光属性以吸收第一波长(吸收光谱)的光并发射长于第一波长的第二波长(发射光谱)的光。量子点可以用具有波长短于它们的荧光波长的光来激励。从量子点发射的光的光特性取决于量子点的化学成分以及量子点的大小和形状。作为光发射器时，量子点的这些属性赋予了光发射波长可以通过改变量子点粒子的大小来被精确微调的优点。与可以具有类似的光学属性的有机染色分子不同的是，量子点是非常稳定的并在长期暴露于短波光时不易于降级。

相同材料但不同大小的量子点可以发射不同颜色的光的物理原因是归因于量子约束效应。由于量子约束效应，与量子点相关联的能隙变得依赖大小。通常，量子点的大小越小，在最高价带和最低导带之间的差异越大(即更高的带隙)。利用量子点，确定荧光(以及因此所发射的颜色光)的能量的能隙与量子点的大小成反比例。因此，量子点越大，所发射的光的更红或能量更低。相反，量子点越小，所发射的光的更蓝或能量更高。

在图5C的本示例中，滤波器322包括部分反射颜色选择表面372，例如面对反射表面374的部分反射二向色镜面以及在反射表面之间的量子点层376。表面372允许特定颜色波段的光通过，同时反射其它波长。例如，向表面372施加涂层以创建通带，或者可以在表面上制造表面扰动来创建通带。在通带之外的光被反射回量子点的层以供转换中的另一次通过。在本示例中的反射表面374被完全反射，以便将没有被转换回进入量子点层376的光进行循环以提供在转换中的另一个机会，并且朝着在滤波器322之外的表面372传输反射回经转换的光。传入LED光可以是例如具有比绿色和红色更短波长的蓝色光。如在本示例中所述，传入LED具有较短波长，并且量子点将波长改变为更长波长，并且这样，颜色的不同色调或在期望通带(如可以邻近蓝色波段的围绕515nm为中心的50nm的示例)内的单独颜色(像绿色)延伸到490nm。

在量子点层376中的反射表面之间中的是包括一个或多个量子点380的透明材料。(仅一个量子点被标记以防止使附图过度拥挤。)在本示例中，层376是固态透明、非传导材料，如塑料绝缘体，而包在其内的量子点380由传入LED光(由射线371-1和373-1表示)来激励。在其它示例中，量子点可以在液态非传导材料(如有机溶剂)中。如在图6B的示例中所讨论的，单独的激励层可以被合并到滤波器中。

在本示例中，传入射线371-1与量子点碰撞，并被转换成更长的波长，如传出射线371-2所示。传入射线373-1在第一次通过滤波器时不与量子点碰撞，并且由部分反射二向色镜面372反射回进入量子点层376，在那它与量子点380碰撞。所得到的更长波长经转换射线373-2在反射表面374被反射出，并且通过部分反射表面372退出滤波器，因为它的更长波长位于通带中。

图6A、6B、6C和6D解说了滤色器LCoS显示器(也称为面板)的示例，它包括有用于生成至少第一颜色的经减少的带宽的滤波器。滤色器LCoS显示器具有空间上分开的滤色器，因此，可以使用白色LED光，可以使用在量子点促进中的蓝色LED光，或者，可以同时显示表示图像的红色、绿色和蓝色LED光。图6A、6B、6C和6D中的每个表示LCoS滤色器显示器的像素。

图6A的LCoS像素502示例包括衬底和电极驱动电路层528，例如硅衬底，在其顶部上是滤色器320、322和324层，其后跟随有被液晶层526覆盖的对齐层，在所述液晶层的顶部上是另一对齐层525、(例如由显示电路246控制以控制液晶显示器的显示什么的)透明电极524，以及透明的保护性衬底层522。如对于本领域的普通技术人员所熟知的，还可包括其他层，例如介入保护性层。仅有一个传入射线512和一个传出射线510被标记以避免附图过于拥挤。传入射线512表示朝着LCoS行进的LED光，而传出射线510表示由LCoS像素的操作所生成的图像数据。

在该示例中，滤色器是用于红色320、绿色322和蓝色324。在本示例中，传入LED光可以是白色光，或者同时进入的红色、绿色和蓝色LED光。滤色器LCoS还可以是以这样的色序来工作：在其中与对应的颜色LED协调一致地激活适当滤色器。在这个实施例中，每个滤波器320、322和324是各个吸收色素滤波器。至少一个色素滤波器可以被设计成由邻近或更接近另一个颜色生成的波段的较窄颜色波段通过，以去往液晶层526。在这个示例中，每个颜色波段都变窄。不在较窄颜色波段内的光被衬底528吸收。

图6B的LCoS像素504示例是图6A中的像素的另一个版本，除了红色滤波器320和绿色滤波器322包括量子点以外。在这个示例中，蓝色滤波器324可以是吸收色素滤波器。573、572和571中的每个可以是光选择滤波器，如二向色镜面，它如同图5C中的反射表面374那样通过将其接收的光反射回进入相应的量子点层563和564来操作。蓝色的层561可以是通过材料。如所示，通过代表性的量子点，用于将蓝色光转换为红色光的量子点比用于将蓝色光转换为绿色光的量子点更大。部分反射元件543、542和541通过经转换的波长段的光并将未经转换的光反射回进入相应的量子点层563和562，或对于蓝色回到色素561。如此，光被循环以供转换中的另一个机会。

图6B解说了图6B的LCoS像素的另一个版本，包括量子点的附加的激励层520。由传入LED光510所激励的激励层520可以通过在激励层520内的全内反射来产生一个或多个渐逝场580。量子点550可以在清澈或透明的流体554中悬浮。量子点可以由于渐逝场580而变成带电量子点552，并且可以发射与特定波长相关联的光。可以以具有激励层520的平行板配置来安置盖板530。带电的量子点通过部分反射镜面543和542。

红色和绿色563和561的色带可以包括在固态透明材料(例如具有隔气层的透明塑料)内的量子点。在色带563和561内的量子点可以由从带电量子点552发射的光来激励。例如，由带电量子点552发射的第一频率的光(例如蓝色光)可以引起特定色带内的量子点发射第二频率的光(例如红色光)。在一个实施例中，色带563包括能够发射与颜色红相关联的光的量子点，色带562包括能够发射与颜色绿相关联的光的量子点，而色带561不包括量子点并且是完全透明的。

图6D解说了图6B的LCoS像素的另一个版本，除了来自一个或多个LED220的通过颜色选择滤波器573、572和571所接收的照明被，例如通过反射元件534，耦合之外。

所执行的将一个或多个颜色波段变窄到其光谱更接近邻近颜色的颜色波段的部分的滤色，允许通过如衍射光栅之类的输入光栅更有效率地耦合入波导层。可使用的波导的示例为表面起伏光栅。图7A和7B是解说多层波导的实施例的框图，该多层波导具有所述层中的至少一个层，所述至少一个层具有输入光栅，所述输入光栅具有通过包括第一颜色的第一波段和第二颜色的第二波段的波段延伸的波长段。换句话说，光栅的波长段从第一波段、第二波段和它们之间的任意波长延伸且包括所述第一波段、第二波段和它们之间的任意波长。第一波段(例如绿色的490nm到540nm)是其完整光谱颜色带宽(例如绿色的495nm–570nm)的较窄部分，并且该较窄部分被设计成更接近邻近第二颜色(例如蓝色)的第二波段。

还可以将光转换腔中的偏振反射器用于避免LCoS损耗。而且，由于在LCoS设备上可用的非常小的空间，其它实施例可以使用多个LCoS设备来允许每种颜色或两种颜色被单独地生成。

图7A是两层波导123的实施例的框图。在可见光谱的红色、绿色和蓝色部分中的波段是表示图像的图像光，并且可以通过代表性的耦合光学元件122(如在此所示的校准透镜)从图像生成单元120光学地耦合。来自图像生成单元120的颜色波长(λ)段1在本示例中包括以约450nm为中心的约35nm-50nm的蓝色波段。颜色λ波段2是以约515nm为中心的约35nm-50nm的绿色波段。颜色λ波段3是以约617nm为中心的红色波段。在一些示例中，红色λ波段3还可以延伸35nm-50nm，并且在其它示例中可延伸直至100nm。

在本示例中，每个衍射输入光栅144a、144b在将其波段匹配其用于全内反射的各个波导层160a、160b的波段中耦合光，并且通过不具有落入到其波段的波长的光。对于层160a，输入光栅144a在蓝色和绿色波段颜色λ波段1和颜色λ波段2中耦合，所述颜色λ波段1和颜色λ波段2每个都通过由图像生成单元120所执行的滤波在可见光谱中的它们的部分中变窄。红色波长通过光栅144a并通过光栅144b耦合入用于全内反射的波导层160b。

输出光栅148a和148b在本示例中被使用。输出光栅148a具有与包括蓝色和绿色波段两者的波段匹配的波长段，并将这些波段从层160a衍射出去。输出光栅148b衍射出红色颜色λ波段3。在本示例中输出衍射光栅被设计成当其顺波导向下行进时渐进地输出更多的输入红色光，这样，所有的光从所有角度被均匀地引导向眼睛区域140。

以入射角θ₁通过输入衍射光栅将光耦合入波导层。输入衍射光栅，例如144a或144b，通过衍射角θ₂重定向所述波段。预先确定折射率n2、入射角θ₁以及衍射角θ₂，这样，所述波段在波导层，例如160a或160b，中经历了全内反射。

可以优化波导或与特定波长段匹配，如上所述。这种关系可以根据光栅公式来确定：

mλ＝p(n₁sinθ₁+n₂sinθ₂),(1)

其中：

m＝衍射级；

λ＝匹配于波导/衍射光栅的波长段；

p＝光栅周期；

n₁＝入射介质的折射率；

n₂＝波导140的折射率；

θ₁＝入射角；

θ₂＝衍射角。

通过改变诸如光栅周期p和折射率n₂之类的参数，特定的波导层可被匹配到特定波长段。换句话说，特定的波段可以耦合入具有比其它波长段更高耦合效率的经匹配的波导层160a、160b。可使用的光栅的示例为表面起伏光栅。衍射光栅可以是透射光栅或反射光栅。

图7B是具有四个输入光栅144a、144b、144c和144d的四层波导123的实施例的框图。在本示例中，更多的波导层160a、160b、160c、160d可以被用作对更窄的衍射波段的折衷。取代输出光栅，部分反射元件162被用于向眼睛区域140反射图像光。例如，二向色镜面可以被使用，它在光顺着波段向下行进时反射所述波段之外的越来越多的光。颜色λ波段6可以例如覆盖青色和紫色的约50nm。颜色λ波段1&2和颜色λ波段2在图7A的示例中是相同的。颜色λ波段4&5可以捕捉例如围绕550nm为中心约50nm的绿色波段的上部绿色光谱的部分以及更多的围绕590nm为中心的较低的黄色和橙色光谱。将色带分隔入不同的波导层增强了对比度。

图8A是用于在近眼显示(NED)系统中基于滤光来优化波导性能的方法的实施例的流程图。在步骤402，图像生成单元生成至少三种颜色的NED图像光，包括第一颜色的窄于该第一颜色的完整光谱带宽并更接近邻近的第二颜色的第二波段的第一波段。在步骤404，第一波段和第二波段被光学耦合入NED的波导的多个层中的一个层的输入光栅。输入光栅具有与一个波段大致匹配的光栅波长段，所述波段通过第一波段和第二波段延伸以将光耦合入所述一个层中。

图8B是用于在近眼显示(NED)系统中基于滤光来优化波导性能的方法的另一实施例的流程图。步骤412和414可以被用于实现图8A中的实施例中的步骤402。在步骤412中，近眼显示(NED)系统的一个图像生成单元的一个或多个LED发射至少三种颜色的光。在步骤414中，将至少一种颜色所发射的光谱带宽变窄到光谱上更接近第二邻近颜色的第二波段的第一波段。在步骤416，第一波段和第二波段被光学耦合入NED的波导的多个层中的一个层的输入光栅。如上所述，输入光栅具有与一个波段大致匹配的光栅波长段，所述波段通过第一波段和第二波段延伸以将光耦合入所述一个层中。

图8C是用于在近眼显示(NED)系统中基于使用一个或多个量子点来将光转换到期望的波段的滤光来优化波导性能的方法的又一实施例的流程图。在步骤422，近眼显示(NED)系统的图像生成单元的一个或多个LED发射光，并且在步骤424中，发射的光的至少一部分被转换成第一颜色的窄于该第一颜色的完整光谱带宽并更接近邻近的第二颜色的第二波段的第一波段。步骤422和424可以被用于实现图8A中的实施例中的步骤402。在步骤426中，第一波段和第二波段被光学耦合入NED的波导的多个层中的一个层的输入光栅，所述输入光栅具有与一个波段大致匹配的光栅波长段，所述波段通过第一波段和第二波段延伸以将光耦合入所述一个层中。

尽管用结构特征和/或方法动作专用的语言描述了本主题，但可以理解，所附权利要求书中定义的主题不必限于上述具体特征或动作。更确切而言，上述具体特征和动作是作为实现权利要求的示例形式公开的。本发明的范围由所附的权利要求进行定义。

Claims

1.一种近眼显示系统，包括：

近眼支撑结构；

由所述近眼支撑结构支持的近眼显示器(NED)，所述近眼显示器包括具有多个层的波导；

具有用于多个层的每个层的输入光栅的波导，并且具有输入光栅的所述层中的至少一个层具有通过包括第一颜色的第一波段和在可见光谱中邻近所述第一颜色的第二颜色的第二波段的波段延伸的波长段，所述第一波段窄于所述第一颜色的完整光谱带宽；

由所述近眼支撑结构支持的图像生成单元；以及

所述波导被光学耦合到所述图像生成单元用于接收图像光。

2.如权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，所述图像生成单元包括一个或多个发光二极管(LED)。

3.如权利要求2所述的近眼显示系统，其特征在于，所述图像生成单元的所述一个或多个发光二极管(LED)包括用于发射以约515nm为中心的第一颜色的光的经转换绿色LED，所述第一颜色的光用于由输入光栅光学耦合，所述输入光栅具有通过包括所述第一波段和所述第二波段的所述波段延伸的所述波长段。

4.如权利要求1或3所述的近眼显示系统，其特征在于，还包括：

具有输入光栅的所述层的至少一个层将绿色作为第一颜色光学耦合并将蓝色作为第二颜色，所述输入光栅具有通过包括所述第一颜色的第一波段和在可见光谱中邻近所述第一颜色的所述第二颜色的第二波段的波段延伸的所述波长段，所述第一波段窄于所述第一颜色的完整光谱带宽，其中所述第一波段包括绿色的光谱波段的较低部分，并且大致以约515纳米(nm)为中心，并且具有约50nm的谱宽，并且所述第二波段大致以约450nm为中心。

5.如权利要求4所述的近眼显示系统，其特征在于，还包括：

所述多个层的不同于所述至少一个层的第二层包括用于耦合大致以约617nm为中心的红色图像光的第二输入光栅。

6.如权利要求1所述的近眼显示系统，其特征在于，还包括：

所述波导是衍射波导，并且所述输入光栅是表面起伏光栅。

7.如权利要求2所述的近眼显示系统，其特征在于，还包括所述图像生成单元使用一个或多个量子点以转换由所述一个或多个LED的蓝色LED发射的光来生成所述第一颜色的所述第一波段。

8.如权利要求2所述的近眼显示系统，其特征在于，其中

图像生成单元包括具有滤色器的滤色硅上液晶(LCoS)显示元件，以及通过所述滤色器的至少一个使用量子点将由所述一个或多个LED发射的光转换成所述第一波段来实现的至少一个带式滤波器。

9.一种用于优化在近眼显示(NED)系统中的波导性能的方法，包括：

由安装在所述近眼显示系统的近眼支撑结构上的图像生成单元生成用于所述近眼显示(NED)的波导的至少三种颜色的图像光，所述图像光包括第一颜色的第一波段和在可见光谱中邻近所述第一颜色的第二颜色的第二波段，所述第一波段窄于所述第一颜色的完整光谱带宽；以及

将来自所述图像生成单元的所述第一波段和所述第二波段光学耦合入所述波导的一个层的输入光栅，所述输入光栅具有与一个波段大致匹配的光栅波长段，所述波段通过所述第一波段和所述第二波段延伸以将光耦合入所述一个层中。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，由安装在所述近眼显示系统的近眼支撑结构上的图像生成单元生成用于所述近眼显示(NED)的波导的至少三种颜色的图像光，所述图像光包括第一颜色的第一波段和在可见光谱中邻近所述第一颜色的第二颜色的第二波段，所述第一波段窄于所述第一颜色的完整光谱带宽，所述生成图像光还包括：

由所述图像生成单元的一个或多个LED发射所述至少三种颜色的光，并将第一颜色所发射的所述光谱带宽变窄到第一波段，所述第一波段在光谱上更接近邻近的第二颜色的所述第二波段。