CN108369300B - 使用具有相应不同的发射峰值的多个不同的窄带光进行成像的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

近眼或平视显示系统包括至少一个光源、成像设备和光学结构。该至少一个光源可以是，例如，产生红波长范围内的光的红光源，该光具有拥有相应不同的发射峰值的两个不同的窄带光。成像设备使用由光源产生的光来产生图像。光学结构被配置成将与图像对应的光从输入光瞳传输到人眼可在该处查看图像的输出光瞳。通过产生在颜色(例如，红)波长范围内具有相应不同的发射峰值的至少两个不同的窄带光，并利用色散，与仅产生彩色波长范围内的一个窄带光相比，在可视图像中提供更均匀的强度分布。

Description

使用具有相应不同的发射峰值的多个不同的窄带光进行成像 的系统和方法
背景
各种类型的计算、娱乐和/或移动设备可用透明或半透明显示器来实现，设备的用户可以透过该透明或半透明显示器来查看周围环境。此类设备(可以被称为透视、混合现实显示设备系统或增强现实(AR)系统)使得用户能够透视设备的透明或半透明显示器以查看周围环境，并且还能够看见虚拟对象(例如，文本、图表、视频等)的图像，这些虚拟对象被生成以供显示以表现为周围环境的一部分和/或表现为覆盖在周围环境上。这些设备(可以被实现为头戴式显示器(HMD)眼镜或其他可穿戴近眼显示设备，但不限于此)通常利用光学波导将例如由显示引擎产生的图像再现到一位置处，设备的用户能够查看该位置处的图像作为增强现实环境中的虚拟图像。由于这仍然是一项新兴技术，因此存在与利用波导和/或其他光学结构向用户显示虚拟对象的图像相关联的某些挑战。
概述
本文描述的某些实施例涉及包括光源组装件、成像设备和光学结构的近眼或平视显示系统。光源组装件可包括例如红、绿和/或蓝光源，该红、绿和/或蓝光源被配置成分别产生对应红波长范围内的红光、对应绿波长范围内的绿光、和/或对应蓝波长范围内的蓝光。成像设备可被配置成使用由光源组装件产生的光来产生图像。例如，成像设备可被配置成使用由光源组装件产生的红、绿和蓝光来产生图像。光学结构可包括一个或多个衍射光学元件(DOE)，并被配置成将与图像对应的光从输入光瞳传输到输出光瞳(人眼可在该输出光瞳处查看图像)。根据具体实施例，红、绿或蓝光源中的至少一个被配置成产生具有在光源的对应波长范围内的相应不同的发射峰值的至少两个不同的窄带光。出于将在下文被解释的原因，通过利用色散效应，与仅产生在光源的波长范围内的一个窄带光相比，这在可视图像中提供了更均匀的强度分布。
提供本概述以便以简化的形式介绍以下在详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并非旨在标识出要求保护的主题的关键特征或必要特征，亦非旨在用作辅助确定要求保护的主题的范围。
附图简述
图1A、1B和1C分别是可用于将与输入光瞳相关联的图像再现到经扩展的输出光瞳的示例性波导的前视图、俯视图和侧视图。
图2是参考图1A、1B和1C介绍的包括波导的示例性显示系统的侧视图，并且还示出了显示引擎，该显示引擎生成包括由输入耦合器耦合进入波导的角内容的图像，并且还示出了正在查看眼框(eye box)内邻近输出耦合器的图像的眼睛。
图3是例示由示例性宽带红发光二极管(LED)发射的光的光谱特性的图表。
图4是例示由示例性窄带红光二极管(LD)发射的光的光谱特性的图表。
图5A被用于概念性地例示如何在波导内再现光瞳。图5B例示了沿图5A中示出的线B-B的示例性光瞳强度分布。图5C例示了对应于在波导内再现的光瞳之间没有光瞳交叠的情景的替换光瞳强度分布。图5D例示了基本上均匀的光瞳强度分布。
图6被用于例示在使用光学波导执行成像时(更具体来说执行光瞳再现时)可能出现的强度方面的非均匀性。
图7(特意在图4和5的正下方示出，使得这些图可相互比较)例示了包括三个不同的窄带发射峰值的示例性发射红光的光谱特性。
图8例示了也可被称为红光源子组装件的红光源的一个示例，其可被用于产生具有图7所示的光谱特性的红光。
图9例示了也可被称为红光源子组装件的红光源的另一示例，其可被用于产生具有图7所示的光谱特性的红光。
图10类似于图2，被用于解释本技术的某些实施例如何以改善光瞳交叠和输出光瞳填充的方式利用窄带光源。
图11是被用于概述根据本技术的某些实施例的方法的高级流程图。
详细描述
本技术的某些实施例涉及包括光源组装件、成像设备和色散光学结构的近眼或平视显示系统。光源组装件可包括例如红、绿和/或蓝光源，该红、绿和/或蓝光源被配置成分别产生对应红波长范围内的红光、对应绿波长范围内的绿光、和对应蓝波长范围内的蓝光。作为一个更具体的示例，红光源可产生红波长范围(从600nm至650nm)内的光，该光具有拥有相应不同的发射峰值的两个不同的窄带光。成像设备可使用由光源产生的光来产生图像。光学结构(例如，包括一个或多个衍射光学元件的波导)可将与图像对应的光从输入光瞳传输到输出光瞳(可在该输出光瞳处查看图像)。通过产生具有相应不同的发射峰值的至少两个不同的窄带光，与仅产生在光源的波长范围内的一个窄带光相比，光源在可视图像中提供了更均匀的强度分布。
在之后的描述中，相同的标号或参考标记贯穿全文将被用来指代相同的部分或元件。另外，三位标号中的第一位或四位标号中的前两位标识了该标号首次出现的附图。
图1A、1B和1C分别是可用于将与输入光瞳相关联的图像再现到经扩展的输出光瞳的示例性平面光学波导100的前视图、俯视图和侧视图。如此处所使用的，术语“输入光瞳”指代孔径，对应于图像的光穿过该孔径被覆盖在波导的输入耦合器上。如此处所使用的，术语“输出光瞳”指代孔径，对应于图像的光穿过该孔径退出波导的输出耦合器。平面光学波导100在之后常常被更简洁地称为光学波导100或甚至更简洁地被称为波导100。如下文参考图2更详细地讨论的，波导100被用来再现以及可能还扩展的图像可以使用包括光源组装件和成像设备的显示引擎来生成。
参考图1A、1B和1C，平面光学波导100包括具有输入耦合器112和输出耦合器116的块基板106。输入耦合器112被配置成将与关联于输入光瞳的图像相对应的光耦合进入波导的块基板106。输出耦合器116被配置成将与关联于输入光瞳的图像相对应的光(在平面光学波导100中从输入耦合器112行进到输出耦合器116)耦合出波导100以使得光从输出光瞳被输出并且被成像。
块基板106(可以由玻璃或光学塑料制成，但不限于此)包括第一主平面表面108以及与第一主平面表面108相对且平行的第二主平面表面110。第一主平面表面108可替换地被称为前侧主表面108(或更简单地前侧表面108)，并且第二主平面表面110可替换地被称为背侧主表面110(或更简单地背侧表面110)。如术语“块”在此处所使用的，基板被认为是“块”基板，其中基板的厚度(其主表面之间)至少是该基板被用作其光学传输介质的光的波长的十倍(即10x)。例如，在光(基板被用作其光学传输介质的光)是具有620nm波长的红光的情况下，在基板的厚度(其主表面之间)至少是6200nm，即至少6.2μm的情况下，基板将被认为是块基板。根据某些实施例，块基板106在其主平面表面108与110之间具有至少25μm的厚度。在具体实施例中，块基板106具有在25μm到1000μm范围内的厚度(其主表面之间)。块基板106以及更一般地波导100是透明的，这意味着它允许光穿透，从而使得用户能够透视波导100并且观察波导100的与用户眼睛相对侧上的对象。
图1A、1B和1C中的平面光学波导100也被示为包括中间组件114，中间组件114可以替换地被称为中间区域114。在波导100包括中间组件114的情况下，输入耦合器112被配置成将光耦合进入波导100(且更具体地进入波导100的块基板106)并且在中间组件114的方向上耦合。中间组件114被配置成在输出耦合器116的方向上重新引导该光。此外，中间组件114被配置成执行水平或垂直光瞳扩展中的一者，并且输出耦合器116被配置成执行水平或垂直光瞳扩展中的另一者。例如，中间组件114可以被配置成执行水平光瞳扩展，并且输出耦合器116可以被配置成执行垂直光瞳扩展。替换地，如果中间组件114被重新定位到例如图1A中示出的输入耦合器112下方以及输出耦合器116左侧，则中间组件114可以被配置成执行垂直光瞳扩展，并且输出耦合器116可以被配置成执行水平光瞳扩展。与没有执行光瞳扩展相比，此类光瞳扩展提供了增加的眼框，从而使得本文所描述的实施例实用于近眼和平视显示器。在某些实施例中，中间组件被配置为折叠光栅。在其他实施例中，中间组件是基于镜面的组件而非基于光栅的组件。
输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116可以在此处被统称为波导的光学组件112、114和116或更简洁地被称为组件112、114和116。
波导包括输入耦合器和输出耦合器但不包括中间组件也是可能的。在此类实施例中，输入耦合器将被配置成将光耦合进入波导并且在朝向输出耦合器的方向上进行耦合。在此类实施例中，输出耦合器可以取决于实现提供水平或垂直光瞳扩展中的一者。
在图1A中，输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116被示为具有矩形外围形状，但也可具有替换的外围形状。例如，输入耦合器112可替换地具有圆形外围形状，但并不限于此。对于另一示例，中间组件可具有三角形或六边形外围形状，但并不限于此。此外，要注意外围形状中的每一者(例如在通常为矩形或三角形的情况下)的角可以被斜切或圆化，但并不限于此。这些仅仅是输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116的若干示例性外围形状，但它们并非旨在是全涵盖的。
如可以从图1B和1C中最佳地领会的，输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116全部被示为被提供在波导100的同一表面(即，背侧表面110)之中或之上。在此类情形中，输入耦合器112可以是透射式的(例如，透射式光栅)，中间组件114可以是反射式的(例如，反射式光栅)，而输出耦合器116也可以是反射式的(例如，又一反射式光栅)。输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116可以替换地全部被提供在波导100的前侧表面110中。在此类情形中，输入耦合器112可以是反射式的(例如，反射式光栅)，中间组件114可以是反射式的(例如，又一反射式光栅)，而输出耦合器116也可以是透射式的(例如，透射式光栅)。
替换地，输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116可以全部被嵌入(也被称为沉浸)在块基板106中。例如，块基板106可以被分成(与主表面108和110平行的)两个半块，并且输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116可以被提供(例如，被蚀刻进入)在这两个半块的内表面之一中，并且这两个半块的内表面可以彼此粘合。替换地，块基板106可以被分成(与主表面108和110平行的)两个半块，并且输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116可以被提供在这两个半块的内表面之间。用于将输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116嵌入块基板106的其他实现也是可能的，并且在本文所述的实施例的范围内。输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116中的一者被提供在波导108的前侧表面108之中或之上，而组件112、114和116中的另一者被提供在背侧表面110之中或之上，而组件112、114和116中的最后一者被嵌入或沉浸在块基板106中也是可能的。更一般地，除非另外指明，输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116中的任何单独一者可以被提供在块基板106的主平面表面108或110中的任一者之中或之上或者被嵌入其间。
输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116可以各自被实现为衍射光栅或更一般地衍射式光学元件(DOE)。此类DOE可以使用全息工艺来产生，在此情形中，DOE可以更具体地被称为全息光学元件(HOE)。输入耦合器112可以替换地被实现为棱镜、反射式偏光镜或者可以是基于镜面的。类似地，输出耦合器116可以替换地被实现为棱镜、反射式偏光镜或者可以是基于镜面的。取决于具体配置和实现，输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116中的任何一者可以是反射式的、衍射式的或折射式的或其组合，并且可以被实现为例如线性光栅型耦合器、全息光栅型耦合器、棱镜或另一类型的光学耦合器。如上所述，中间组件114可以使用折叠光栅来实现，或者可替换地被实现为基于镜面的光瞳扩展器，但并不限于此。
在输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116被实现在波导100的表面108和/或110中的一者(或两者)之中或之上的情况下，它们中的一者或多者可以被实现为表面光栅或更具体地被实现为表面浮雕光栅(SRG)。表面光栅是光学组件(诸如块基板106)的表面之中或之上的周期性结构。当周期性结构归因于表面本身的调制或表面上的涂层时，其被称为表面浮雕光栅(SRG)。一个示例性SRG包括在光学组件的表面之中或之上的被均匀直槽间隔区域分隔开的均匀直槽。SRG的衍射的性质取决于入射在光栅上的光的波长和SRG的各种光学特性(例如线间隔、槽深度和槽倾斜角)这两者。SRG可通过合适的微制造工艺来制造，这可涉及蚀刻基板(例如，块基板106)和/或在基板上沉积以在基板之中或之上制造所需周期性微结构以形成光学组件，这随后可被用作生产母版，诸如用于制造进一步光学组件的模具或掩模。SRG是衍射光学元件(DOE)的示例。输入耦合器112和输出耦合器116可替换地各自实现为棱镜，这也将引起被本文所描述的具体实施例利用的色散效应。引起色散的其他类型的耦合器可替换地被用于将与图像对应的光耦合进入和离开光学波导或其他光学结构。
在输入耦合器112、中间组件114和/或输出耦合器116是SRG的情况下，每一个此类SRG可以被蚀刻进入块基板106的主平面表面108或110中的一者。在此类实施例中，SRG可以被称为被形成在块基板106“中”。替换地，每一SRG可以被物理地形成在涂层中，该各向同性的涂层覆盖块基板106中的主平面表面108或110中的一者，在此情形中，每一个此类SRG可以被称为被形成在块基板106“上”。通过任一种方式，组件112、114和116被认为是波导100的各部件。
具体地参见图1，在一示例性实施例中，输入耦合器112可具有在垂直(y)方向上延伸的表面光栅，输出耦合器116可具有在水平(x)方向上延伸的表面延伸，而中间组件114可具有相对于水平和垂直方向在对角线(例如，～45度)上延伸的表面光栅。这仅仅是一个示例。其它的变型也是可能的，并且在本发明的技术的实施例的范围内。
更一般地，输入耦合器112、中间组件114和输出耦合器116可具有各种不同的外围几何形状，可以被提供在块基板的主平面表面中的任一者之中或之上，或者可以被嵌入块基板106中，并且可以使用各种不同类型的光学结构来实现，如可以从以上讨论中领会的并且将进一步从以下讨论中领会的。
一般来说，对应于图像的光(经由输入耦合器112被耦合进入波导)能够通过全内反射(TIR)从输入耦合器112行进穿过波导到达输出耦合器114。TIR是在传播光波以比相对于垂直于表面的临界角更大的角度撞击(例如，块基板106的)介质边界时发生的现象。换言之，临界角(θc)是高于其就发生TIR的入射角，其由斯涅耳定律给出，如本领域公知的。更具体地，斯涅耳定律表明临界角(θc)使用以下等式来指定：
θc＝sin-1(n2/n1)
其中
θc是在介质边界处相遇的两种光学介质的临界角(例如，块基板106和空气或者毗邻块基板106的某一其他介质)，
n1是光在其中朝向介质边界行进的光学介质(例如，块基板106，一旦光被耦合进入其中)的折射率，而
n2是介质边界之外的光学介质(例如，空气或毗邻块基板106的某一其他介质)的折射率。
以TIR的方式从输入耦合器112行进通过波导100到达输出耦合器114的光的概念可以更好地从图2领会，现在将对其进行讨论。参考图2，其中示出了示例性显示系统200的侧视图。显示系统200被示为包括(参考图1A、1B和1C介绍的)波导100，并且显示引擎204生成包括由输入耦合器112耦合进入波导100的角内容的图像。图2还示出了正在查看眼框内邻近输出耦合器116的图像(作为虚拟图像)的人眼214。以另一方式解释，人眼214正在从与波导100相关联的输出光瞳查看图像。显示器200可以是例如近眼显示器或平视显示器。显示引擎204可包括例如成像设备206(也称为图像形成器)、成像透镜208和光源组装件210(也称为照明器210)，但并不限于此。
图像设备206可以使用透射投影技术来实现，其中光源由光学活性材料来调制，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液晶显示器(LCD)类型的显示器来实现的。光源组装件210可以提供前述背光。图像设备206还可使用反射技术来实现，其中外部光被光学活性材料反射并调制。数字光处理(DLP)、硅基液晶(LCOS)、扫描MEM(微机电系统)显示技术以及高通公司的
Figure GDA0002707126950000081
显示技术都是反射技术的示例。图像设备206单独或者与光源组装件210相组合地也可被称为微型显示器。成像透镜208被布置成从成像设备206接收显示图像以在给定的限定视野处对显示图像进行准直和投影，并且在波导100的输入耦合器112的位置处形成光瞳。根据一实施例，关联于波导的输入光瞳可以与关联于显示引擎204的输出光瞳具有大致相同的大小，例如，在一些实施例中约5mm或更小，但并不限于此。
图2并非旨在例示光源组装件210相对于成像设备206的精确位置。相反，图2旨在例示成像设备206利用由光源组装件210生成的光来产生图像。例如，诸如透镜、镜面、鸟浴盆(birdbath)光学器件和/或分束器之类的各种光学元件可被包括在显示引擎204中，以导致由光源组装件210产生的光被图像设备206的图像生成组件(例如，LCOS显示元件、DLP显示元件或扫描MEM微扫描镜元件)反射。不管确切配置如何，最终与图像相关联的光被导致入射在波导100的输入耦合器112上，致使与图像相关联的光可以以全内反射(TIR)的方式从输入耦合器112到达输出耦合器116，其中光被输出并由人眼从输出光瞳成像。
如上文在图1A-1C的讨论中所指出的，波导100可以可选地包括执行水平和垂直光瞳扩展中的一者的中间组件114，而输出耦合器116可执行水平或垂直光瞳扩展中的另一者。
在图2中，显示引擎204被示为面向波导100的背侧表面110，眼睛214被示为面向与背侧表面110相对且平行的前侧表面108。这提供了潜望镜型配置，其中光在波导100的一侧进入波导，并且在波导100的相对侧退出波导。替换地，输入耦合器112和输出耦合器116可以用如下方式来实现：使得显示引擎204和眼睛214邻近且面向同一主平面表面(108或110)。
波导100可以被纳入透视混合现实显示器设备系统中，但并不限于用于此用途。可为用户的左眼和右眼中的每一者提供波导100和显示引擎204的单独实例。在某些实施例中，此类波导100可以被放置为紧邻透视透镜或在透视透镜之间，透视透镜可以是眼镜中使用的标准透镜并且可以根据任何处方(包括无处方来制造。在透视混合现实显示设备系统被实现为包括框架的头戴式显示器(HMD)眼镜的情况下，显示引擎204可以被定位在框架的侧面以使得它靠近用户的太阳穴。替换地，显示引擎204可以被定位在HMD眼镜的架于用户鼻梁上的中心部分中。用于显示引擎204的其他位置也是可能的。在这些实例中，用户也可被称为穿戴者。在针对用户的左眼和右眼中的每一者存在单独波导的情况下，可能针对波导中的每一者并且因而针对用户的左眼和右眼中的每一者存在单独的显示引擎。一个或多个其他毗邻波导可被用于基于入射在用户眼睛214上以及从用户眼睛发射的红外光来执行眼睛跟踪，如本领域公知的。在某些实施例中，为用于产生图像的每种单独的颜色(例如，红、绿和蓝)提供单独的波导。在此类实施例中，可背对背堆叠三个波导(用于单独引导对应于图像的红、绿和蓝光)以提供波导组装件。此类波导组装件，或其个体波导是被配置成利用全内反射(TIR)将与图像对应的光从输入光瞳传输到人眼可在该处查看图像的输出光瞳的光学结构的示例。如上文所解释的，此类波导也可被用于提供光瞳扩展。
光源组装件210可包括红、绿和/或蓝光源，该红、绿和/或蓝光源被配置成分别产生对应红波长范围内的红光、对应绿波长范围内的绿光、和对应蓝波长范围内的蓝光。例如，光源组装件210可包括宽带红、绿和蓝发光二极管(LED)。如本文所使用的术语，宽带指的是具有大于10nm的全宽半峰值(FWHM)带宽，并且可能具有至少30nm的FWHM带宽的光。
例如，宽带红LED可具有从～605nm到～645nm的FWHM带宽，在～625nm处具有发射峰值。由此类示例性宽带红LED发射的红光的光谱特性被例示在图3的图表中。例如，宽带绿LED可具有从～505nm到～545nm的FWHM带宽，在～525nm处具有发射峰值。由此类宽带绿LED发射的绿光的光谱特性的图表可类似于图3中的图表，但发射峰值向下移动至～525nm。例如，宽带蓝LED可具有从～435nm到～475nm的FWHM带宽，在～455nm处具有发射峰值。由此类宽带蓝LED发射的蓝光的光谱特性的图表可类似于图3中的图表，但发射峰值向下移动至～455nm。这些仅仅是几个示例，其不旨在是限制性的。
尽管宽带LED是相对便宜且容易获得的，但使用诸如窄带激光二极管(LD)之类的窄带光源而非宽带LED存在某些益处。例如，窄带LD产生比宽带LED更多的准直和相干光、可提供比宽带LED更高的输出功率、可产生线性偏振光、并可实现对整个成像系统的更好的优化。如本文所使用的术语，窄带指的是具有小于10nm的FWHM带宽，并且可能具有小于5nm(例如，～2nm或更小)的FWHM带宽的光。附加地，诸如MEM扫描显示技术之类的某些类型的显示技术要求使用窄带光源。此外，窄带光源可被集成到通常重量比集成宽带LED所需的组装件重量更小的组装件中，这在光源被包括在便携式设备的情况下是有利的。而且，在窄带LD产生线偏振光的情况下，当DOE或其他耦合器被配置为具有优先偏振状态时，此类光可以提供更高的耦合效率。
窄带光源可包括例如激光二极管(LD)、超级发光的发光二极管(SLED)或量子点发光二极管(QD-LED)，或者发射具有小于10nm的FWHM带宽的光的一些其他发光元件。由示例性窄带红LD发射的红光的光谱特性的图表在图4中被示出。由示例性窄带绿LD发射的绿光的光谱特性的图表可类似于图4中的图表，但发射峰值向下移动至～525nm。由示例性窄带蓝LD发射的蓝光的光谱特性的图表可类似于图4中的图表，但发射峰值向下移动至～455nm。这些仅仅是几个示例，其不旨在是限制性的。
图1和2中示出并且参考图1和2描述的示例性波导100用于依赖于光瞳扩展和再现的成像系统。此类成像系统可以是例如近眼显示系统或平视显示系统。在此类系统中，即依赖于光瞳扩展和再现的系统，光瞳优选地对于所有角度并跨输出光瞳均匀地交叠。当情形并非如此时，例如因为光瞳彼此相距太远时，强度的角和空间相关非均匀性产生，这将它们本身表现为亮暗图像伪像，这是不合乎需要的。
图5A被用于概念性地例示当光以TIR的方式从输入耦合器112行进到中间组件114以及以TIR的方式从中间组件114行进到输出耦合器116(在输出耦合器116处光退出波导100)时由实线圆502表示的光瞳如何被再现。在图5A中，虚线圆中的每一者表示光瞳502的再现，其也可被简单地称为光瞳。尽管在图5A中被表示为圆，但每一光瞳实际上是角度集合。当光退出波导100，邻近输出耦合器116时，人眼(其中具有晶状体)接收与光瞳相关联的角度集合并且将其转换回图像，例如图2中的显示引擎204的成像设备206产生的图像。在波导100以及更具体地其组件114和/或116被配置成执行光瞳扩展的情况下，然后经扩展的光瞳被人眼的晶状体转换成图像。
图5B概念性地例示沿图5A中示出的点划线B-B的示例性光瞳强度分布，由于每一光瞳具有高斯强度分布并且毗邻光瞳仅轻微地彼此交叠，光瞳分布被示为具有大致正弦函数。如果光瞳分散得很开从而它们完全不交叠，并且光瞳中的每一者具有封顶(top-hat)强度分布，则光瞳强度分布可能潜在地具有方波函数，例如图5C中示出的，尽管正弦函数(图5B中示出的示例)更有可能。具有正弦或方波函数的光瞳分布将其本身表现为亮暗图像伪像，这是不合乎需要的。优选地，光瞳将彼此交叠以达成均匀光瞳分布，这提供了均匀强度分布函数，如图5D中示出的，这可以例如在光瞳之间存在50％交叠的情况下达成。更一般地，期望使光瞳交叠均匀化以提供在波导内行进的入射在输出耦合器116上的光的基本上均匀的光瞳分布。
图6被用于例示在使用光学波导来执行成像时可能发生的局部和全局强度的非均匀性，其中非均匀性可能由于非均匀光瞳分布而发生。更具体而言，暗和亮一般对角线条纹，说明局部强度的非均匀性，至少部分由于光瞳分布不均匀而发生。
下文描述的本技术的实施例可被用于提供更均匀的光瞳分布。更一般地，下文描述的本发明的技术的各实施例可被用于致使由输出耦合器(例如116)从波导(例如100)输出的光具有更均匀的强度分布，以使得强度中的任何非均匀性对于使用波导查看图像的人眼是不可感知的(或者至少较不可感知的)。
再次参考图2，其中的虚线可被认为代表有色可见光(例如红光)，其在被显示引擎104输出之后入射在波导100的输入耦合器112上，以TIR的方式从输入耦合器传输到输出耦合器116，并然后离开波导。可使用宽带红LED或窄带光源(例如，红LD)产生有色可见光(例如，红光)。出于上文已解释过的原因，使用诸如LD之类的窄带光源存在某些优点。然而，使用窄带光源可能导致与以TIR的方式传输穿过波导的光相关联的不良光瞳交叠。此类不良光瞳交叠可能导致输出光瞳被不良填充，在从输出光瞳被查看时，该输出光瞳表现为图像中强度的不均匀性，这是不期望的。
减轻这个问题的一种方法是利用宽带光源而非窄带光源。这是因为宽带光源包括在更宽的带宽(例如，～40nm)上的光谱能量，其由于色散效应而涂抹出图2中所示的虚线，使得光瞳交叠被显著增加，导致输出光瞳填充的显著改善。然而，如上文已解释过的，在宽带光源上利用窄带光源存在某些优点。因此，在希望获得在宽带光源上提供的窄带光源的优点的情况下，使用宽带光源并非令人满意的选择。
下文描述的本技术的某些实施例以改进光瞳交叠和输出光瞳填充的方式利用包括窄带光发射器的一个或多个光源。从下文的讨论中将理解，此类实施例可经由产生具有在相同颜色波长范围内的不同的相应发射峰值的多个(即两个或更多个)不同的窄带光，通过本质上仿真宽带光源来实现这些目标。更具体而言，根据本技术的某些实施例，红、绿或蓝光源中的至少一个被配置成产生具有在光源的对应波长范围内的不同的相应发射峰值的至少两个不同的窄带光。例如，红光源可包括多个窄带激光二极管(LD)，每个窄带激光二极管都产生在从600nm至650nm的红波长范围内的不同的发射峰值。对于另一示例，绿光源可包括多个窄带LD，每个窄带LD都产生在从500nm至550nm的绿波长范围内的不同的发射峰值。对于又一示例，蓝光源可包括多个窄带LD，每个窄带LD都产生在从430nm至480nm的蓝波长范围内的不同的发射峰值。
图7例示了由包括三个窄带激光二极管(LD)的红光源发射的红光的示例性光谱特性，每个窄带激光二极管都产生在从600nm至650nm的红波长范围内的相应不同的发射峰值。图7被特意显示在图3和4之下，以便这些图中的图表可被容易地相互比较。参考图7，被用于产生其中示出的三个不同的发射峰值的红光源可包括例如，具有～2nm的FWHM带宽且在～615nm处具有发射峰值的第一红LD、具有～2nm的FWHM带宽且在～625nm处具有发射峰值的第二红LD、以及具有～2nm的FWHM带宽且在～635nm处具有发射峰值的第三红LD。
图8例示了可被用于产生具有图7中所示的光谱特性的红光的红光源802的一个示例。参考图8，红光源被示为包括第一红LD 812a、第二红LD 812b和第三红LD 812c。第一、第二和第三红LD 812a、812b和812c分别在～615nm、在～625nm和在～635nm处具有发射峰值，每个都具有～2nm的FWHM带宽，但并不限于此。
也可被称为红光源子组装件802的红光源802还被示为包括准直透镜814a、814b和814c和二向色滤波器816a、816b和816c，准直透镜和二向色滤波器被用于将具有不同的发射峰值的红光组合为具有不同的发射峰值的单一红光束。替换的(或附加的)光束组合光学器件可被用于代替(或补充)二向色滤波器816a、816b和816c。三个红LD 812a、812b和812c可例如包括三个半导体管芯，其被包括在相同的半导体LD封装中、或被包括在单独的半导体LD封装中。根据一个实施例，红光源802可包括三个红SLED而非三个红LD 812a、812b和812c。根据另一实施例，红光源802可包括三个红量子点LED而非三个LD 812a、812b和812c。其它的变化是可能的，并且落在本文所描述的本技术的实施例的范围内。
图9例示了可被用于产生具有图7中所示的光谱特性的红光的替换红光源902的示例。参考图9，红光源902被示为包括多条带激光二极管910，该多条带激光二极管910包括第一红激光条带912a、第二红激光条带912b、以及第三红激光条带912c，所有这些都被包括在普通的半导体管芯中。第一、第二和第三红激光条带912a、912b和912c产生分别在～615nm、在～625nm和在～635nm处具有发射峰值，每个都具有～2nm的FWHM带宽的红光，但并不限于此。也可被称为红光源子组装件的红光源902还被示为包括准直透镜918，准直透镜被用于将具有不同的发射峰值的红光组合为具有不同的发射峰值的单一红光束。
这些仅仅是红光源可被如何设计以产生具有图7中所示的光谱特性的红光，并更一般地，产生具有光源的对应的从600nm至650nm的红波长范围内的不同的相应发射峰值的三个不同的窄带光的若干示例。红光可替换地包括少至两个不同的窄带光，这些窄带光具有光源的对应的从600nm至650nm的红波长范围内的不同的相应发射峰值。在又一其他实施例中，红光可替换地包括多于三个的不同的窄带光，这些窄带光具有从600nm至650nm的光源的对应红波长范围内的不同的相应发射峰值。更一般地，红光源被配置成具有至少两个不同的窄带光的红光，这些窄带光具有在红波长范围内的相应不同的发射峰值。也可被称为红光源子组装件的红光源(例如，802或902，但并不限于此)可以是上文参考图2描述的光源组装件210的一部分。
附加地或替换地，光源组装件210的绿光源可被配置成具有至少两个不同的窄带光的绿光，这些窄带光具有从500nm至550nm的绿波长范围内的相应不同的发射峰值。此类绿光源可以以与图8中的红光源802或图9中的红光源902类似的方式制造，但并不限于此。也可被称为绿光源子组装件的此类绿光源可以是上文参考图2描述的光源组装件210的一部分。
附加地或替换地，光源组装件210的蓝光源可被配置成具有至少两个不同的窄带光的蓝光，这些窄带光具有从430nm至480nm的蓝波长范围内的相应不同的发射峰值。此类蓝光源可以以与图8中的红光源802或图9中的红光源902类似的方式制造，但并不限于此。也可被称为蓝光源子组装件的此类蓝光源可以是上文参考图2描述的光源组装件210的一部分。
二向色滤波器或其他光束组合器光学器件可被用于将(由红、绿和蓝光源产生的)红、绿和蓝光束组合成提供给成像设备206的单个光束，并且成像设备可使用红、绿和蓝光来产生图像。根据本技术的实施例，红、绿和蓝光源中的至少一个被配置成产生具有在光源的对应波长范围内的相应不同的发射峰值的至少两个不同的窄带光。上文参考图7-9描述了如何实现这一点的示例。
现在将参考图10来描述包括具有在红波长范围内的相应不同的发射峰值的至少两个不同的窄带光的红光的优点。更具体地，图10将被用于解释本技术的某些实施例如何以改善光瞳交叠和输出光瞳填充的方式利用窄带光源。如果替换地或附加地，(由绿光源产生的)绿光包括具有在绿波长范围内的相应不同的发射峰值的至少两个不同的窄带绿光，和/或(由蓝光源产生的)蓝光包括具有在蓝波长范围内的相应不同的发射峰值的至少两个不同的窄带蓝光，则类似的优点可被实现。
参考图10，标记为λR1+λR2+λR3的带箭头的实线表示由成像设备206使用由光源组装件210产生的红光而产生的图像的红光部分。更具体地，标记为λR1+λR2+λR3的带箭头的实线表示包括具有相应不同的发射峰值λR1、λR2和λR3的三个不同的窄带红光红光，其中λR1＝605nm、λR2＝625nm而λR3＝645nm。例如可使用参考图8描述的红光源802或参考图9描述的红光源902产生红光λR1+λR2+λR3，但并不限于此。
在图10中，带箭头的实线(标记为λR1+λR2+λR3)被示为入射在波导100的输入耦合器112上。波导100由诸如玻璃或光学塑料之类的波导材料制成。换言之，波导材料可以是玻璃或光学塑料，但并不限于此。诸如波导材料之类的光学材料的折射率随着光的波长而变化。因此，在输入耦合器112处进入波导100的光的折射角将取决于光的波长。换言之，因为材料的折射率取决于光的波长，所以不同波长的光在特定材料中以不同的速度传播，因此它们将在材料内部以略微不同的角度折射。这是波长相关折射的一个示例，其是色散效应。另一色散效应(其可能甚至比波长相关折射更为主导)是波长相关衍射，波长相关衍射导致与衍射光栅或更一般地与衍射光学元件(DOE)相互作用的不同频率分量的光的角度分离。因此，如果输入耦合器112被实现为衍射光学元件(例如，衍射光栅)，则输入耦合器112将充当色散元件，其中每个不同的波长在与衍射光学元件相互作用时将以略微不同的角度衍射，因此也在与衍射光学元件的每次相互作用中扩展光瞳分布。
由衍射光栅(例如，输入耦合器112)引起的色散效应可由以下等式表示：
θm＝arcsin((mλ/d)–sinθi)
其中
θm是衍射角，
m是衍射模式(例如，±1)，
λ是光的波长(其是n的函数，其中n是材料的折射率)，
d是衍射光栅的光栅周期，以及
θi是光的入射角。
被利用以改善输出光瞳填充，并且更一般地改善在输出光瞳处可见的图像中的强度分布均匀性的该分散效应将在与衍射结构的每次相互作用中发生。因此，如果输出耦合器116被实现为衍射光学元件(DOE)，则输出耦合器116将类似地导致上文所描述的分散效应。此外，如果波导100包括上文(例如，参考图1A-1C和5A)所描述的中间组件114，并且该中间组件114被实现为衍射光学元件，则中间组件114将类似地导致上文所描述的分散效应。
仍参考图10，示出了标记为λR1+λR2+λR3的实线(其表示图像的红光部分)，其在进入波导之际被分为三个单独的光束，由标记为λR1的长虚线，标记为λR2的短虚线和标记为λR3的点虚线表示。例如，标记为λR1的长虚线可对应于具有在～615nm处的发射峰值和～2nm的FWHM带宽的窄带红光。例如，标记为λR2的短虚线可对应于具有在～625nm处的发射峰值和～2nm的FWHM带宽的窄带红光。例如，标记为λR3的点虚线可对应于具有在～645nm处的发射峰值和～2nm的FWHM带宽的窄带红光。由于如上文所描述的色散，λR1光、λR2光和λR3光在波导内行进的角度彼此不同。本文描述的本技术的具体实施例利用色散效应来改善与波导内行进的光相关联的光瞳交叠，从而改善人眼在该处查看图像的输出光瞳的光瞳填充。更具体而言，通过使与图像对应的红光(和/或绿光、和/或蓝光)经由各具有不同的光程长度的两条或更多条不同路径以TIR的方式行进穿过波导(或另一光学结构)，产生了与红光(和/或绿光、和/或蓝光)对应的多个光瞳，这改善了与在波导(或另一光学结构)内行进的光相关联的光瞳交叠，并且从而改善了对应于人眼在该处查看图像的输出光瞳的光瞳填充。
将注意，图10和其他附图没有按比例绘制。例如，λR1光、λR2光和λR3光在波导100内行进的角度之间的差异可能会比图10所示的小。对于另一示例，当光以TIR的方式从输入耦合器112行进到输出耦合器116时，可能会存在比图10所示的更多的反弹。
在上文的描述中，波导100通常被描述为包括一对平面相对主表面的平面波导100。在替换实施例中，波导主表面中的一个或两个可以是非平面的，例如弯曲的。例如，并非利用平面波导，自由波导也可被使用。更一般地，被用于导致色散并将与图像对应的光从输入光瞳传输到人眼可在该处查看图像的输出光瞳的光学结构可包括一个或多个自由光学结构。
图11的高等级流程图现在将被用来概述根据本技术的某些实施例的方法。参考图11，步骤1102涉及产生红、绿或蓝光中的至少一者，其分别在对应的红波长范围、对应的绿波长范围以及对应的蓝波长范围内，其中红、绿或蓝光中的至少一者被产生以包括具有在光的对应波长范围内的相应不同的发射峰值的至少两个不同的窄带光。红波长范围可以从600nm至650nm、绿波长范围可以从500nm至550nm、而蓝波长范围可以从430nm至480nn。如上文所提及的，每个窄带光的FWHM都小于10nm，并且可能具有小于5nm(例如，～2nm或更小)的FWHM带宽。步骤1102可例如通过上文所讨论的光源组装件210执行。对于更具体的示例，步骤1102可使用与参考图8描述的光源802或参考图9描述的光源902相同或相似的光源来执行，但并不限于此。
更一般地，被产生以包括具有在光的对应波长范围内的相应不同的发射峰值的至少两个不同的窄带光的红、绿或蓝光中的每一个可使用至少两个光发射器元件来产生，每个光发射器元件产生具有在光源的波长范围内的不同的相应发射峰值的单独的一个不同的窄带光。该至少两个光发射器元件可以是例如包括在公共管芯中的多条带激光二极管的至少两个条带。在另一实施例中，该至少两个光发射器元件可以是包括在公共管芯中的多条带超级发光的发光二极管的至少两个条带。在又一个实施例中，至少两个光发射器元件可以是包括在至少两个单独的半导体管芯中的至少两个激光二极管，所述至少两个单独的半导体管芯可被包括或不被包括在相同的半导体封装中。在替换的实施例中，至少两个光发射器元件可以是包括在至少两个单独的半导体管芯中的至少两个超级发光的发光二极管，所述至少两个单独的半导体管芯可被包括或不被包括在相同的半导体封装中。在又一实施例中，至少两个光发射器元件可以是至少两个量子点发光二极管。其它变型也是可能的，且在本文描述的各实施例的范围内。
仍然参考图11，步骤1104涉及使用红、绿或蓝光中的至少一者来产生图像。步骤1104可例如通过上文所讨论的成像设备206执行。此类成像设备206可利用DLP技术、LCOS技术或扫描MEM显示技术，但并不限于此。
仍然参考图11，步骤1106涉及利用光学结构来将与图像对应的光从输入光瞳传输到输出光瞳(人眼可在该输出光瞳处查看图像)。该光学结构可以是或包括例如一个或多个光学波导，该一个或多个光学波导中的每一个包括一个或多个衍射光学元件(DOE)、一个或多个普里姆(prim)或导致色散的一个或多个其他耦合器。例如，光学结构可以是或包括一个或多个上文所讨论的波导100。如上文所描述的，此类光学结构可被用于执行光瞳扩展。
可以与权利要求1106同时发生的步骤1108涉及利用由于具有在光的对应波长范围内的相应不同的发射峰值的至少两个不同的窄带光的红、绿和/或蓝光而发生的色散，与在仅产生对应波长范围内的一个窄带光的情况相比，在输出光瞳处可见的图像中提供更均匀的强度分布。
本文描述的本技术的某些实施例包括用于执行光瞳复制的光学结构(例如，一个或多个波导，每个波导都包括一个或多个衍射光学元件)，其中所创建的光瞳的交叠是包括光学结构(例如，波导)的厚度、衍射光栅结构的设计、入射光瞳的大小和光源的频率带宽的多个因素的函数。如果光源的频率带宽包括单个窄带宽，则光瞳交叠会较差，这使得使用具有这些类型的光学结构(例如，波导)的窄带宽光源(例如，激光二极管或超级发光LED)变得困难或无效。根据某些实施例，具有多个窄带发射峰值的光而非单峰值窄带光被用于创建多个光瞳。具有不同频率发射峰值的此类多个窄带利用了具有单个发射频率峰值的单个窄带光不存在的色散效应。色散效应导致不同波长在波导内以稍微不同的角度传播并改善光瞳的交叠。
尽管用结构特征和/或方法动作专用的语言描述了本发明主题，但可以理解，所附权利要求书中定义的主题不必限于以上所描述的具体特征或动作。更确切而言，以上所描述的具体特征和动作是作为实现权利要求的示例形式公开的。

Claims (20)

1.一种近眼或平视显示系统，包括：
包括红、绿和蓝光源的光源组装件，所述红、绿和蓝光源被配置为分别产生相应红波长范围内的红光、相应绿波长范围内的绿光以及相应蓝波长范围内的蓝光；
成像设备，所述成像设备被配置成使用由所述光源组装件产生的红、绿和蓝光来产生图像；以及
光学结构，所述光学结构包括一个或多个衍射光学元件并被配置成将与所述图像对应的光从输入光瞳传输到输出光瞳；
其中所述红、绿或蓝光源中的至少一个被配置成产生具有在所述光源的所述对应波长范围内的相应不同的发射峰值的至少两个不同的窄带光，以仿真宽带光源来利用色散效应。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光学结构还被配置为执行光瞳扩展。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于：
针对被配置为产生具有在所述光源的所述波长范围内的相应不同的发射峰值的至少两个不同的窄带光的每个所述光源，与在仅产生在所述光源的所述波长范围内的一个窄带光相比，所述至少两个不同的窄带光在所述输出光瞳处可见的所述图像中提供更均匀的强度分布。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，被配置成产生具有在所述光源的所述波长范围内的相应不同的发射峰值的至少两个不同的窄带光的至少一个所述光源包括：
至少两个光发射器元件，其中的每一个光发射器元件产生具有在所述光源的所述波长范围内的不同的相应发射峰值的单独的一个不同的窄带光。
5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述至少两个光发射器元件包括：
被包括在公共管芯中的多条带激光二极管的至少两个条带；
被包括在公共管芯中的多条带超级发光的发光二极管的至少两个条带；
被包括在至少两个单独的半导体管芯中的至少两个激光二极管，所述至少两个单独的半导体管芯可被包括或不被包括在相同的半导体封装中；
被包括在至少两个单独的半导体管芯中的至少两个超级发光的发光二极管，所述至少两个单独的半导体管芯可被包括或不被包括在相同的半导体封装中；或
至少两个量子点发光二极管。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，针对被配置为产生具有在所述光源的所述波长范围内的相应不同的发射峰值的至少两个不同的窄带光的每个所述光源，两个不同的发射峰值之间的最大波长差是50nm。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于：
所述红波长范围从600nm至650nm；
所述绿波长范围从500nm至550nm；以及
所述蓝波长范围从430nm至480nm。
8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述窄带光中的每一个的全宽半峰值(FWHM)小于10nm。
9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，进一步包括：
光束组合器光学器件，所述光束组合器光学器件被配置成在光束被提供给所述成像设备之前组合由所述红、绿和蓝光源中的一者或多者或其光发射器元件产生的一个或多个所述光束。
10.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述红、绿或蓝光源中的至少一个被配置成产生具有在所述光源的所述对应波长范围内的相应不同的发射峰值的至少三个不同的窄带光。
11.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光学结构包括光学波导，所述光学波导包括：
输入耦合器，所述输入耦合器被配置成将与所述图像对应的光耦合到所述光学波导；以及
输出耦合器，所述输出耦合器被配置成将在所述光学波导中从所述输入耦合器行进到所述输出耦合器的与所述图像对应的所述光耦合出所述波导，以使得所述光从所述输出光瞳被输出并被成像；以及
其中输入耦合器包括所述衍射光学元件；以及
其中输出耦合器被配置成执行水平或垂直光瞳扩展中的一者。
12.如权利要求11所述的系统，其特征在于：
所述波导进一步包括中间组件；
所述输入耦合器被配置成将耦合进所述波导的光朝向所述中间组件引导；以及
所述中间组件被配置成执行水平或垂直光瞳扩展中的另一者并且将对应于图像的光朝向输出耦合器引导；
其中所述中间组件或所述输出耦合器中的至少一个包括所述衍射光学元件。
13.一种用于近眼或平视显示系统的方法，包括：
产生分别在对应的红波长范围、对应的绿波长范围和对应的蓝波长范围内的红、绿或蓝光中的一者或多者，
其中红、绿或蓝光中的一者或多者中的至少一个被产生以包括具有在所述光的所述对应波长范围内的相应不同的发射峰值的至少两个不同的窄带光，以仿真宽带光源来利用色散效应；
使用红、绿或蓝光中的一者或多者来产生图像；
利用光学结构将与所述图像对应的光从输入光瞳传输到输出光瞳；以及
利用由于具有在所述光的所述对应波长范围内的相应不同的发射峰值的至少两个不同的窄带光的所述红、绿或蓝光中的至少一个而发生的色散，与在仅产生所述对应波长范围内的一个窄带光的情况相比，在所述输出光瞳处可见的所述图像中提供更均匀的强度分布。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，利用所述光学结构还包括利用所述光学结构来执行光瞳扩展。
15.如权利要求13所述的方法，其特征在于：
所述红波长范围从600nm至650nm；
所述绿波长范围从500nm至550nm；
所述蓝波长范围从430nm至480nm；
所述窄带光中的每一个的全宽半峰值(FWHM)小于10nm；以及
在所述光的相同对应波长范围内的两个所述不同的发射峰值之间的最大波长差是50nm。
16.如权利要求13所述的方法，其特征在于，被产生以包括具有在所述光的所述对应波长范围内的相应不同的发射峰值的至少两个不同的窄带光的所述红、绿或蓝光中的每一个使用至少两个光发射器元件来产生，每个光发射器元件产生具有在所述光源的所述波长范围内的不同的相应发射峰值的单独的一个不同的窄带光。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于，所述至少两个光发射器元件包括：
被包括在公共管芯中的多条带激光二极管的至少两个条带；
被包括在公共管芯中的多条带超级发光的发光二极管的至少两个条带；
被包括在至少两个单独的半导体管芯中的至少两个激光二极管，所述至少两个单独的半导体管芯可被包括或不被包括在相同的半导体封装中；
被包括在至少两个单独的半导体管芯中的至少两个超级发光的发光二极管，所述至少两个单独的半导体管芯可被包括或不被包括在相同的半导体封装中；或
至少两个量子点发光二极管。
18.一种近眼或平视显示系统，包括：
被配置成产生在彩色波长范围内的光的光源，其中所述彩色波长范围包括红波长范围、绿波长范围或蓝波长范围中的一者；
被配置成使用由所述光源产生的光来产生图像的成像设备；以及
包括输入耦合器和输出耦合器的光学波导，每个输入耦合器和输出耦合器都被配置成引起色散；
其中所述输入耦合器被配置成将与所述图像对应的光耦合到所述光学波导；
其中所述输出耦合器被配置成将已在所述波导中从所述输入耦合器行进到所述输出耦合器的与所述图像对应的所述光耦合出所述光学波导；
其中所述光源被配置为产生具有在所述光源的所述彩色波长范围内的相应不同的发射峰值的至少两个不同的窄带光，以仿真宽带光源来利用色散效应；以及
其中所述窄带光中的每一个的全宽半峰值(FWHM)小于10nm。
19.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述输入耦合器和所述输出耦合器各自实现为棱镜或衍射光学元件。
20.如权利要求18所述的系统，其特征在于，所述光源包括至少两个光发射器元件，每个光发射器元件都产生具有在所述光源的所述彩色波长范围内的不同的相应发射峰值的单独的一个不同的窄带光。
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