CN107209372B - 显示系统 - Google Patents
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Abstract
公开了一种用于增强现实显示器(30)的显示系统，该系统包括具有前表面和后表面的波导(32)。前输入投影仪(34)通过前表面投射多色光，而后输入投影仪(36)通过后表面投射多色光。输入光射到波导(32)的后表面上的输入光栅(38)上，并且光通过全内反射行进通过波导。输出光栅(40)被设置用于将光从波导耦合出去。沿波导(32)的宽度，以交错配置来设置多个前输入投影仪和多个后输入投影仪(34，36)，并且邻近的前输入投影仪和后输入投影仪的相应边缘沿波导的宽度对准，以允许对光进行连续投射。
Description
本发明涉及增强现实显示器或平视显示器。这些显示器使得用户能够观看他们的周围以及投射图像。在军事或运输应用中，投射图像可以覆加在用户感知的真实世界上。针对这些显示器的其他应用包括视频游戏和可穿戴设备，例如眼镜。
在正常设置中，透明显示屏设置在用户的前方，使得用户可以继续观看物质世界。显示屏通常是玻璃波导，并且一侧设置有投影仪。来自投影仪的光通过衍射光栅耦合到波导中。投射光在波导内发生全内反射。然后，光通过另外的光栅从波导耦合出去，使得光可以被用户看到。投影仪可以提供增强用户对物质世界的观察的信息和/或图像。
因为需要跨显示器的整个宽度而提供来自输入投影仪的光(在期望跨全部宽度的增强现实的情况下)，因此，在生产宽屏增强现实显示器方面存在挑战。一种解决方案是设置具有跨显示器的全部宽度而延伸的光瞳的单输入投影仪。这会需要昂贵的定制投影仪，其制造复杂。替选解决方案是设置较小的投影仪和可以跨显示器的宽度扩大视场的光学元件。这种方法的缺点在于扩大光学元件(expansion optics)会在显示器下面占据很大的空间。另一替选方案是沿显示器的宽度并行设置若干输入投影仪，其进行组合以产生期望的增强图像。这种方法的缺点在于邻近投影仪之间的间隙会产生观看者所不期望的光学效果。
图1是示出宽屏增强现实显示器2和单个输入投影仪4的示意图。光通过输入投影仪2中的每个点投射成立体角(solid angle)，这意味着可以针对每个点而限定视场。图1示出了通过在投影仪4的相对边缘处的点产生的视场6、8。单个输入投影仪4不能跨显示器2的全部宽度而投射光。
图2是示出具有多个输入投影仪10、12、14、16、18、20、22的宽屏增强现实显示器2的示意图。投影仪被定位成彼此尽可能靠近。然而，投影仪的支承结构意味着在相邻投影仪之间存在微小的间隙。结果，在相邻投影仪的邻近边缘处的点的视场之间存在间隙。从观看者的视角来看，该间隙会产生不期望的光学效果。例如，观看者会看到显示器中的纵条纹，尤其在他们通过转动或移动他们的头而改变他们的视角的情况下。
本发明的目的是提供一种改进的增强现实显示器，特别是在宽屏应用方面。
根据本发明，提供了一种用于增强现实显示器的显示系统，该系统包括：波导，该波导是包括多个面的棱柱；第一输入投影仪，该第一输入投影仪被布置成通过第一面将光投射到波导中；第二输入投影仪，该第二输入投影仪被布置成通过第二面将光投射到波导中；至少一个输入光栅，该至少一个输入光栅被配置成将来自第一输入投影仪和第二输入投影仪的光耦合到波导中；以及至少一个输出光栅，该至少一个输出光栅被配置成将光朝向观看者从波导耦合出去。
通过同时将光通过波导的不同面进行投射，可以使邻近投影仪沿着波导的宽度非常靠近地定位。这可以减小投影仪的视场之间的任何间隙，使得增强现实显示器可以跨其宽度被更均匀地照射。这可以改进宽增强现实显示屏或平视显示屏的用户体验。
优选地，第一输入投影仪和第二输入投影仪沿波导的宽度但是在相对侧彼此邻近布置。优选地，第一投影仪的边缘与第二投影仪的边缘沿波导的宽度基本上对准或交叠。因为投影仪的支承结构必然会使得存在小的间隙，因此通过将投影仪设置在波导的同一侧通常不可能实现该布置。通过将光通过波导的不同面进行投射，可以将该间隙减小为零。在某些配置中，邻近投影仪之间的交叠也可能是可以的。这可以跨波导的宽度提供均匀照明，其有利于宽屏显示器。
优选地，第一输入投影仪和第二输入投影仪的相应视场被布置成使得在其之间沿波导的至少一个轴线(优选地其宽度)基本上不存在间隙。优选地，相应的输入投影仪的视场是用于显示系统的光被投射成的立体角。可以针对相应的输入投影仪上的每个点来限定视场。通过使边缘对准，在邻近投影仪的最边缘处的点的视场之间会基本上不存在间隙。这可以改进用户的观看体验。
在波导中，第一面和第二面可以基本上平行。以这种方式，当输入光已被耦合进来时，波导可以用于全内反射。
第一输入投影仪和第二输入投影仪优选地布置在波导的相对侧。优选地，存在跨波导的宽度相继布置在波导的相对侧的多个第一输入投影仪和多个第二输入投影仪。输入投影仪的这种交错布置可以跨显示器的全部宽度提供均匀照明。
优选地，波导相对于由第一输入投影仪和第二输入投影仪投射的光倾斜。因此，优选地，相应的光束的入射角相对于法线倾斜。优选地，波导相对于观看方向倾斜约70°的角度。优选地，来自第一输入投影仪和第二输入投影仪的光的入射角相对于第一输入光栅的法线约20°。已经发现，该布置可以提供全彩色显示器，其中，所有相关波长均成功地耦合到波导中并且从波导成功地耦合出去。
可以设置第一输入光栅，以将来自第一输入投影仪的光耦合到波导中并且可以设置第二输入光栅，以将来自第二输入投影仪的光耦合到波导中。第一输入光栅和第二输入光栅可以分别被布置为用于来自第一输入投影仪和第二输入投影仪的光的反射式光栅。这可以利用用于来自第一输入投影仪和第二输入投影仪两者的光的反射式光栅的更高效率。
在一个布置中，可以存在第一波导和第二波导。第一输入光栅可以被配置成将来自第一输入投影仪的光耦合到第一波导中，以及第一输出光栅可以被配置成将光朝向观看者从第一波导耦合出去。第二输入光栅可以被配置成将来自第二输入投影仪的光耦合到第二波导中，以及第二输出光栅可以被配置成将光朝向观看者从第二波导耦合出去。第一波导和第二波导的对准对于确保来自这些波导的光可以组合以产生期望图像而言是重要的。
在一个布置中，单个输入光栅被布置成将来自第一输入投影仪和第二输入投影仪的光耦合到波导中。该布置可以有利地使用单个波导。优选地，单个输入光栅被布置为用于来自第一输入投影仪的光的反射式光栅和用于来自第二输入投影仪的光的透射式光栅(或者反之亦然)。
根据本发明的另一方面，提供一种用于增强现实显示器的显示系统，该系统包括：波导，该波导是包括多个面的棱柱；多个输入投影仪，该多个输入投影仪分别被布置成通过第一面或第二面将光投射到波导中，其中，输入投影仪沿波导的宽度相继布置在波导的相对侧；至少一个输入光栅，该至少一个输入光栅被配置成使来自输入投影仪的光衍射到波导中；以及至少一个输出光栅，该至少一个输出光栅被配置成将光朝向观看者从波导耦合出去。
现在将参照附图，仅以示例的方式对本发明的实施方式进行描述，在附图中：
图1是示出增强现实显示器和单个输入投影仪的示意图；
图2是示出增强现实显示器和多个输入投影仪的示意图；
图3是本发明的实施方式中的增强现实显示器的侧视图；
图4是图3中所示的增强现实显示器的平面视图；
图5是示出本发明的实施方式中的增强现实显示器和多个输入投影仪的示意图；
图6是本发明的另一实施方式中的增强现实显示器的侧视图；以及
图7是本发明的又一实施方式中的增强现实显示器的侧视图。
图3示出增强现实显示器30的侧视图。显示器30包括玻璃波导32、前输入投影仪34、后输入投影仪36、输入光栅38以及输出光栅40。
前输入投影仪34被布置成通过波导32的前表面投射多色光。然后，光射到在波导32的后表面上的输入光栅38上，其中，波导32的后表面与前表面平行。在该配置中，输入光栅38是反射式的，并且输入光栅38使来自前输入投影仪34的光衍射成多级。波导32被布置成使第一衍射级完全内反射。衍射光沿着波导32，朝向输出光栅40行进。当光碰到输出光栅40时，光再次被衍射，其中，输出光栅40也在波导32的后表面上。在该设置中，输出光栅40也是反射式的，并且输出光栅40使光沿用户的方向从波导32衍射出去。
后输入投影仪36被布置成通过波导32的后表面投射多色光，使得光射到输入光栅38上。输入光栅38以透射的方式对来自后输入投影仪36的光进行操作，并且输入光栅38使输入光衍射成多级。波导32被布置成使第一衍射级完全内反射。衍射光沿波导32行进，并且以与来自前输入投影仪34的光的方式相同的方式，通过输出光栅40朝向观看者向外耦合。
玻璃波导32是透明的，使得来自前输入投影仪34和后输入投影仪36的光可以覆加在来自真实世界的光上。因此，投射光可以用于通过覆加图像和/或提供视觉信息来增强用户对真实世界的感知。
来自前输入投影仪34和后输入投影仪36的光分别射到输入光栅38的角度相对于输入光栅的法线倾斜。输入光栅38使光以如下角度进行衍射：该角度取决于入射光的波长、光栅周期以及进入光的入射角。由于输入光是多色的，因此其包括衍射成不同角度的多个波长。这意味着，跟随衍射，存在不同波长的光的角色散。小心地控制波导32相对于输入光束的定向，以确保第一衍射级中的输入波长的全部范围实现全内反射。在该设置中，波导32相对于竖直方向倾斜20°的角度。来自第一输入投影仪34和第二输入投影仪36的光的入射角也相对于输入光栅的法线而倾斜20°的角度。在该配置中，输入光栅38的周期为588nm，尽管对于不同的倾斜角而言，获得全彩色增强现实显示器的优选周期可能不同。
图4是增强现实显示器30的平面视图。如可以理解的那样，显示器30包括沿波导32的宽度以交错配置布置的多个前输入投影仪34和多个后输入投影仪36。邻近的投影仪34、36的相应边缘沿波导32的宽度对准，这使得能够对光进行连续投射。
图5是示出增强现实显示器30和沿波导32的宽度布置的前输入投影仪34和后输入投影仪36的示意图。如可以理解的那样，前投影仪34和后投影仪36沿波导32的宽度交替布置。因此，通过前输入投影仪34的边缘上的点限定的视场与通过在后输入投影仪36的相邻边缘上的点限定的视场基本上交叠。这意味着，跨显示器30的宽度，视场不存在间隙，这允许更均匀的照明和改进的用户体验。
图6示出本发明的另一实施方式中的增强现实显示器130的侧视图。在该布置中，前输入投影仪134与后输入投影仪36通过图4所示的方式，以交错配置布置。然而，在该设置中，针对相应的投影仪134、136设置专用的输入光栅138a、138b。因为输入光被输入光栅138a、138b以相同的方式衍射，因此这会是有利的。具体地，输入光栅138a、138b被布置为反射式光栅，并且来自前输入投影仪134和后输入投影仪136的光在经历衍射之前必须首先穿过玻璃波导132的内部。这可以为来自前输入投影仪134和后输入投影仪136的光提供期望的对称性。此外，反射式光栅通常以更高效率进行操作，这可以改善观看体验。
在图6所示的实施方式中，来自前输入投影仪134的光会通过其专用输入光栅138a而经历衍射。然而，然后，当该光射到用于后输入投影仪136的专用输入光栅138b上时，其再次被衍射。这种效果可能需要平衡，以确保前输入投影仪134和后输入投影仪136可以组合，以给观看者提供期望的图像。
图7示出本发明的另一实施方式中的增强现实显示器230的侧视图。在该实施方式中，针对前输入投影仪234和后输入投影仪236设置单独的波导232a、232b。波导232a、232b中的每个具有布置在第一面上的输入光栅238a、238b，该第一面与前输入投影仪234和后输入投影仪236通过其投射光的面相对。因此，输入光栅238a、238b两者都是反射式的，并且来自输入投影仪34、236的光在被衍射之前必须首先穿过玻璃波导232a、232b。这为前投影仪234和后投影仪236提供了期望的对称性。波导232a、232b在其背面上还包括用于使光朝向观看者从波导232a、232b衍射出去的输出光栅240a、240b。
由于光栅238a、238b、240a、240b全部是反射式的，因此图7所示的实施方式可以提供高效率。此外，因为光可以跟随几乎相同的路径，因此可以为来自前输入投影仪234和后输入投影仪236的光提供相等的效率。在该实施方式中，波导232a、232b可能需要精确对准，以确保来自前输入投影仪234和后输入投影仪236的图像按照期望进行组合。
Claims (7)
1.一种用于增强现实显示器的显示系统，所述系统包括：
波导，所述波导包括多个面；
多个第一输入投影仪，所述多个第一输入投影仪被布置成通过第一面将光投射到所述波导中；
多个第二输入投影仪，所述多个第二输入投影仪被布置成通过第二面将光投射到所述波导中，其中，在所述波导中，所述第一面和所述第二面基本上平行；
至少一个输入光栅，所述至少一个输入光栅被配置成将来自所述多个第一输入投影仪和所述多个第二输入投影仪的光耦合到所述波导中；以及至少一个输出光栅，所述至少一个输出光栅被配置成将光朝向观看者从所述波导耦合出去，
其中，所述多个第一输入投影仪被布置成跨所述波导的宽度、与所述多个第二输入投影仪呈交错关系，使得第一输入投影仪和第二输入投影仪在所述波导的宽度方向上邻近布置，
其中，所述多个第一输入投影仪和所述多个第二输入投影仪的相应视场被布置成使得在其之间沿所述波导的宽度基本上不存在间隙。
2.根据权利要求1所述的显示系统，其中，所述至少一个输入光栅的法线相对于由所述多个第一输入投影仪和所述多个第二输入投影仪投射的光倾斜。
3.根据权利要求1或2所述的显示系统，其中，所述至少一个输入光栅包括：第一输入光栅，所述第一输入光栅被配置成将来自所述多个第一输入投影仪的光耦合到所述波导中；以及第二输入光栅，所述第二输入光栅被配置成将来自所述多个第二输入投影仪的光耦合到所述波导中。
4.根据权利要求3所述的显示系统，其中，所述第一输入光栅和所述第二输入光栅分别被布置为用于来自所述多个第一输入投影仪和所述多个第二输入投影仪的光的反射式光栅。
5.根据权利要求3所述的显示系统，其中，所述波导包括第一波导和第二波导，并且所述至少一个输出光栅包括第一输出光栅和第二输出光栅，以及其中，所述第一输入光栅被配置成将来自所述多个第一输入投影仪的光耦合到所述第一波导中，并且所述第一输出光栅被配置成将光朝向观看者从所述第一波导耦合出去，而所述第二输入光栅被配置成将来自所述多个第二输入投影仪的光耦合到所述第二波导中，并且所述第二输出光栅被配置成将光朝向观看者从所述第二波导耦合出去。
6.根据权利要求4所述的显示系统，其中，所述波导包括第一波导和第二波导，并且所述至少一个输出光栅包括第一输出光栅和第二输出光栅，以及其中，所述第一输入光栅被配置成将来自所述多个第一输入投影仪的光耦合到所述第一波导中，并且所述第一输出光栅被配置成将光朝向观看者从所述第一波导耦合出去，而所述第二输入光栅被配置成将来自所述多个第二输入投影仪的光耦合到所述第二波导中，并且所述第二输出光栅被配置成将光朝向观看者从所述第二波导耦合出去。
7.根据权利要求1或2所述的显示系统，其中，单个输入光栅被布置成将来自所述多个第一输入投影仪和所述多个第二输入投影仪的光耦合到所述波导中。
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