CN110221428A - 近眼显示系统 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种近眼显示系统，其包括光学引擎和衍射投影屏。光学引擎用于在其显示表面上输出目标图像，该光学引擎包括相干光源、图像调制器和光扩散器件，所述光扩散器件设置在从所述相干光源至显示表面的光路上，用于对光进行扩散，使得所述显示表面上的每一个像素发出的光束是发散的。衍射投影屏包括衍射光学器件，用于通过对来自所述光学引擎的光进行衍射而对所述目标图像形成虚像，所述显示表面上的每一个像素发出的光束在所述衍射投影屏上的投射区域与多个其它像素发出的光束在所述衍射投影屏上的投射区域至少部分地重叠。该近眼显示系统采用了新型的近眼显示技术，有利于显示装置的小型化。
Description
技术领域
本发明总体上涉及近眼显示系统，具体而言，涉及基于衍射的近眼显示系统。
背景技术
随着计算机技术和显示技术的发展，通过计算机仿真系统来体验虚拟世界的虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术以及将显示内容融合到真实环境背景中的增强现实(Augmented Reality,AR)技术和混合现实(Mixed Reality,MR)技术已经迅猛发展。
近眼显示装置是上述VR、AR和MR技术发展的重要基础。其中浸没式近眼显示装置可被用于VR技术，而透视式近眼显示装置可被用于AR和MR技术。原则上，部分用于AR以及MR的近眼显示装置在阻挡了外界进入使用者眼睛的光线后，也可以用于虚拟现实显示。
增强现实与混合现实技术，是一种将真实世界信息和虚拟世界信息有机地集成的新技术。这里并不是狭义地指虚拟世界与真实世界图像的简单图像叠加，而是把原本在现实世界的一定时间和空间范围内很难体验到的实体信息,通过计算机模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间同时存在。增强现实与混合现实技术，涉及到近眼显示(Near Eye Display)技术、人机互动技术、对真实世界的感知与建模技术、计算机视觉技术(Computer Vision)、真实世界的机器视觉定位技术(SLAM,Simultaneous Location and Mapping)，等等。
在增强现实与混合现实技术中，目前已有多种实现光学透射式的显示方案。一种方案是基于自由曲面棱镜元件，利用折反光路加补偿棱镜的方式实现的光学透射式的增强现实显示引擎。如美国Emagin公司生产与销售该类增强现实光学引擎，同时也提供基于该类光学引擎的增强现实产品。但鉴于自由曲面棱镜达成曲率的需要，在达到良好视觉体验的情况下，这种方案的光学系统的厚度不能做到非常轻薄，限制了眼镜类增强现实显示的进一步轻薄化。另一种方案采用了对用于头盔显示器(HMD,Head Mount Display)和抬头显示器(HUD,Heads-Up Display)中的光路进行小型化处理，其技术特征为投影光路以及需要45°反射板放置于用户眼前。美国Emagin公司于2016年注册了基于这种技术原理的方案，美国ODG公司也开发出了基于45°反射板的AR显示眼镜。但是这种方案由于45°射板在用户眼前的存在，同样限制了眼镜类增强现实显示的提及的进一步缩小。另一类设计则使用平面光波导传输图像与光栅耦合出射图像的技术方案，利用光线在平面波导元件内的全内反射来传输投影机的输入图像，并使用一个或者多个光栅耦合输出界面来将图像光束耦合入自由空间，对人眼形成图像的虚像，从而有效降低了光学元件的厚度。美国Microsoft公司的第一代Hololens产品、以色列Lumus公司的产品采用的均是这类方案。但是，目前已有的平面光波导设计方案中，传输部和光栅输出部的光学元件需要合成为一体，光学部分的安装精度相互牵制，制造难度大，成本高，成为其量产和普及的一个较大的困难。另一类设计则使用传统的显微镜光学方案，如美国Google公司的Google Glass产品。这类方案的问题在于显示器对用户的视场角(FOV，Field of View)过小，而增加这种技术方案的FOV又会增加显示器体积和重量以及功耗。
可以看到，近眼显示装置很难构造，并且其在性能和造价方面存在诸多不足，限制了AR和MR显示设备的发展和普及。因此，有待开发新的近眼显示技术来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种近眼显示系统，其至少部分地解决了现有技术中存在的上述问题。
根据本发明的一个方面，提供一种近眼显示系统，其包括光学引擎和衍射投影屏。光学引擎用于在其显示表面上输出目标图像，该光学引擎包括相干光源、对相干光源发出的光进行调制以获得对应于所述目标图像的光空间分布的图像调制器和光扩散器件，所述光扩散器件设置在从所述相干光源至显示表面的光路上，用于对光进行扩散，使得所述显示表面上的每一个像素发出的光束是发散的。衍射投影屏包括衍射光学器件，用于通过对来自所述光学引擎的光进行衍射而对所述目标图像形成虚像，所述显示表面上的每一个像素发出的光束在所述衍射投影屏上的投射区域与多个其它像素发出的光束在所述衍射投影屏上的投射区域至少部分地重叠。
优选，所述相干光源为激光光源。
在一些实施例中，所述显示表面上的每一个像素发出的光束在所述衍射投影屏上的投射区域基本上覆盖整个衍射投影屏。
所述近眼显示系统可以集成在眼镜形式的头戴设备中，并且所述衍射投影屏形成为眼镜的镜片。
所述衍射投影屏可以对来自所述显示表面的每一个像素的光衍射形成平行或近似平行的成像光束，并且对应于不同像素的成像光束的投射方向互不相同。
所述衍射光学器件可以包括全息膜、CGH(Computer-Generated Hologram，计算机生成全息图)、HOE(Holographic Optical Element，全息光学元件)或DOE(DiffractiveOptical Element，衍射光学元件)中的至少一种。所述衍射光学器件可以包括分别用于不同波长的单层或多层结构。
在一些实施例中，所述图像调制器包括空间光调制器，所述光扩散器件包括沿着从所述相干光源至显示表面的光路设置在所述空间光调制器上游的扩散器，所述显示表面形成在所述空间光调制器上。
在一些有利的实施例中，所述图像调制器为LCD，所述相干光源和所述扩散器构成该LCD的背光组件，并且该LCD和背光组件与所述衍射投影屏彼此平行且前后层叠。
在一些实施例中，所述图像调制器包括空间光调制器，所述光扩散器件包括沿着从所述相干光源至显示表面的光路设置在所述空间光调制器下游的扩散屏，所述显示表面形成在所述扩散屏上。
在一些有利的实施例中，所述光学引擎还包括设置在相干光源和图像调制器之间的扩束装置，用于将来自相干光源的光扩束以照明所述图像调制器的整个入射表面。优选地，所述扩束装置还对来自相干光源的光进行准直，得到基本上准直的光束，以照明所述图像调制器。
所述图像调制器可以为LCD、LCOS或数字微镜器件(即DMD)。
在一些实施例中，所述图像调制器包括基于微机电系统(MEMS)的扫描振镜，所述光扩散器件包括沿着从所述相干光源至显示表面的光路设置在所述扫描振镜下游的扩散屏，所述显示表面形成在所述扩散屏上。
在一些有利的实施例中，所述扩散屏可以设置为与所述衍射投影屏前后层叠。这样的实施例中，所述衍射投影屏还包括承载所述衍射光学器件的透明基板，并且所述扩散屏层叠在所述透明基板上，从而与所述衍射投影屏形成为一体。
所述光扩散器件可以包括散射元件、微反射镜阵列、微棱镜阵列、微透镜阵列、DOE、HOE、CGH或它们的组合。
在一些有利的实施例中，所述光扩散器件可以进一步构造成使得从其发出的对应于各像素的光束具有特定的空间角分布，从而光能量被集中地朝向所述衍射投影屏投射。例如，所述光扩散器件可以构造为使得发出的对应于各像素的光束的中心光线偏离垂直于该光扩散器件的方向。这样的光扩散器件可以包括光阑阵列、微反射镜阵列、微棱镜阵列、微透镜阵列、光栅、HOE、CGH和DOE中的至少一者。
在一些实施例中，所述光学引擎还包括沿着从所述相干光源至显示表面的光路设置在所述光扩散器件下游的定向投射器件，该定向投射器件构造成限制从其发出的对应于各像素的光束的发散角以及/或者改变所述光束的中心光线的方向，使得所述光束具有特定的空间角分布，从而光能量被集中地朝向所述衍射投影屏投射。在一些有利的实施例中，所述定向投射器件发出的对应于各像素的光束的中心光线偏离垂直于该定向投射器件的方向。
所述定向投射器件可以沿着从所述相干光源至显示表面的光路设置在所述图像调制器上游，并且所述显示表面形成在所述图像调制器上；或者所述定向投射器件可以沿着从所述相干光源至显示表面的光路设置在所述图像调制器下游，并且所述显示表面形成在所述定向投射器件上。
所述定向投射器件可以包括光阑阵列、微反射镜阵列、微棱镜阵列、微透镜阵列、光栅、HOE、CGH、DOE或它们的组合。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为结合有根据本发明第一实施例的近眼显示系统的头戴设备的示意图，该近眼显示系统中LCD用作图像调制器，并且在相干光源和图像调制器之间设置有扩散器；
图2A和图2B分别示意性地示出采用反射型衍射投影屏和透射型衍射投影屏的根据本发明实施例的近眼显示系统的示例；
图3A和图3B分别示意性地示出可用于反射型衍射投影屏和透射型衍射投影屏的衍射光学器件的示例性的形成方法；
图4示出可用于根据本发明实施例的衍射投影屏的衍射光学器件，该衍射光学器件具有分别用于不同波长的多层结构；
图5A、图5B、图5C和图5D示意性地示出可用于根据本发明实施例的近眼显示系统的扩散器的不同示例；
图6示意性地示出根据本发明第一实施例的近眼显示系统的一个变型例，其中，扩散器、LCD与衍射投影屏彼此平行且前后层叠；
图7为根据本发明第二实施例的近眼显示系统的示意图，其中LCD用作图像调制器，并且在图像调制器的下游设置有扩散屏；
图8为结合有根据本发明第三实施例的近眼显示系统的头戴设备的示意图，该近眼显示系统中LCOS用作图像调制器，并且在相干光源和图像调制器之间设置有扩散器；
图9示意性地示出图8所示近眼显示系统的一个示例；
图10A和图10B分别为根据本发明第四实施例的近眼显示系统的两个示例的示意图，所述近眼显示系统中LCOS用作图像调制器，并且在图像调制器的下游设置有扩散屏，其中图10A所示示例中采用反射型衍射投影屏，图10B所示示例采用透射型衍射投影屏；
图11为根据本发明第五实施例的近眼显示系统的示意图，其中DMD用作图像调制器，并且在相干光源和图像调制器之间设置有扩散器；
图12为根据本发明第六实施例的近眼显示系统的示意图，其中，DMD用作图像调制器，并且在图像调制器下游设置有扩散屏；
图13A和图13B分别为根据本发明第七实施例的近眼显示系统的两个示例的示意图，所述近眼显示系统中图像调制器包括基于MEMS的扫描振镜，并且在扫描振镜下游设置有扩散屏，图13A所示示例中采用了反射型扩散屏，图13B所示示例中采用了透射型扩散屏；
图14A和图14B示意性地示出根据本发明第七实施例的近眼显示系统的变型例，其中，扩散屏与衍射投影屏彼此平行且前后层叠；
图15A、图15B和图15C示意性地示出了可用于根据本发明实施例的第一扩展例的近眼显示系统中的定向投射器件的多个示例；
图16示出了集成在光扩散器件表面上的定向投射器件；
图17示出了分别设置在图像调制器两侧的光扩散器件和定向投射器件；
图18A示意性地示出了结合有根据本发明实施例的第二扩展例的近眼显示系统的头戴设备，其中定向投射器件使得从光学引擎的显示表面出射的对应于每一个像素的光束的中心光线偏离垂直于定向投射器件的方向而集中地朝向衍射投影屏投射；
图18B示意性地示出了根据本发明实施例的第二扩展例的近眼显示系统的一个示例；
图19A、图19B、图19C和图19D示意性地示出了可用于根据本发明实施例的第二扩展例的近眼显示系统中的定向投射器件的多个示例；以及
图20示例性地示出了表面集成有定向投射器件的光扩散器件的光出射情况。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
第一实施例及其变型例
图1示出结合有根据本发明第一实施例的近眼显示系统的头戴设备HMD1，图2A和图2B分别示意性地示出根据本发明第一实施例的近眼显示系统的两个示例，即采用反射型衍射投影屏120的近眼显示系统NED100和采用透射型衍射投影屏120’的近眼显示系统的示例NED100’。
如图1和图2所示，根据本发明第一实施例的近眼显示系统NED100包括光学引擎110和衍射投影屏120。光学引擎110用于在其显示表面(显示表面根据光学引擎的构造的不同而可能位于不同的器件表面上)上输出目标图像，该光学引擎110包括但不限于：相干光源111、图像调制器112和光扩散器件113。图像调制器112对相干光源111发出的光进行调制以获得对应于目标图像的光空间分布。光扩散器件113设置在从相干光源111至显示表面的光路上，用于对光进行扩散，使得显示表面上的每一个像素发出的光束是发散的(形成球面波或近似球面波)。衍射投影屏120包括衍射光学器件120a，用于通过对来自光学引擎的光进行衍射而对目标图像形成虚像。其中光学引擎110的显示表面上的每一个像素发出的光束在衍射投影屏120上的投射区域与多个其它像素发出的光束在衍射投影屏120上的投射区域至少部分地重叠。
在图示示例中，HMD1形成为眼镜形式，具有镜架和设置在镜架上对应于双眼的左右镜片，根据本发明实施例的近眼显示系统例如可以部分地结合在镜片上，部分地结合在镜架上。例如，近眼显示系统NED100的衍射投影屏120可以形成为眼镜的镜片或者形成为镜片的一部分。在一些示例中，镜片具有镜片基体LB，衍射投影屏120的衍射光学器件120a形成或贴附在镜片基体LB上，如图2A所示。在其他示例中，衍射投影屏120本身也可以包括基体。
在一些示例中，从每一个像素发出的光束在衍射投影屏120上的投射区域可以基本上覆盖整个衍射投影屏。
为了形成目标图像的位于远处的、放大的虚像以便于近眼显示系统的使用者观看图像，衍射投影屏120可以对来自光学引擎110的显示表面的每一个像素的光衍射形成平行或近似平行的成像光束，并且对应于不同像素的成像光束的投射方向互不相同。这样，来自光学引擎的对应于每一个像素的光束经过使用者的眼球E的作用，可以在视网膜上形成一个对应的像点，并且不同像素在人眼的视网膜的不同位置形成像点，从而使得使用者能够观察到位于或近似位于无穷远处的放大的虚像。
根据本发明实施例，图像调制器可以采用空间光调制器。例如在根据本发明第一实施例的近眼显示系统中，如图2A所示，采用LCD作为图像调制器112。作为图像调制器的LCD 112调制经过其各个像素的光的光强，经过LCD 112调制之后光在LCD 112的光出射面上具有对应于目标图像的光的空间分布。在根据本实施例的近眼显示系统中，显示表面形成在LCD的光出射表面上。
相干光源110优选为激光光源，也可以为例如带有窄带滤波器的白光光源。此外，相干光源10可以提供单色的相干光，也可以提供多色的相干光，例如红绿蓝三原色光。
根据本实施例，光扩散器件113可以为设置在相干光源111和图像调制器112之间的光路中的扩散器。在一些示例中，相干光源111和扩散器113可以构成该LCD 112的背光组件。来自相干光源111的光进入扩散器113并经过扩散器113对光的扩散作用，从扩散器113的正对着LCD 112的表面上的各点出射的光具有发散的空间角分布。LCD 112基本上不改变光的方向，因此，从LCD 112的每一个像素出射的光束保持了扩散器113的出射光的发散的空间角分布。该发散的空间角分布使得从光学引擎110的显示表面上的每一个像素发出的光束在衍射投影屏120上的投射区域与多个其它像素发出的光束在衍射投影屏120上的投射区域至少部分地重叠。例如在一些示例中，扩散器113的光出射表面的各点可以近似形成朗伯光源。当然，本发明并不限于形成朗伯光源的情况。
如图2B所示，根据本发明实施例的近眼显示系统也可以采用透射型衍射投影屏120’。图2B所示近眼显示系统NED100’与图2A所示近眼显示系统NED100的构造基本上相同，在此不再赘述。
用于本发明的衍射光学器件可以包括全息膜、计算机生成的全息图(Computer-Generated Holograms，CGH)、全息光学元件(Holographic Optical Elements，HOE)或衍射光学元件(Diffractive Optical Elements，DOE)中的至少一种。
以全息膜作为衍射光学器件为例，图3A和图3B分别示意性地示出用于反射型和透射型衍射投影屏的衍射光学器件的示例性的形成方法。如图3A所示，为了得到反射型衍射光学器件120’，可以通过从光敏胶层的不同两侧分别照射参考光RB和物光IB，其中参考光RB为来自点光源O的球面波，而物光IB为平面波，曝光后形成带有全息图的全息膜或用于制作全息膜的干板(干板可以作为模具以压印生产全息膜)。类似地，为了得到透射型衍射光学器件120a’，球面波形式的参考光RB和平面波形式的物光IB从光敏胶层的同一侧进行照射。为了获得更加好的显示效果，也可以采用移动/多个参考光的光源点O的方式进行曝光。此外，全息图也可以由计算机生成，通过电子束/刻蚀加工成母板，进而通过压印生产带有全息图的衍射光学器件。
图4示出可用于根据本发明实施例的衍射投影屏的衍射光学器件，该衍射光学器件具有分别用于不同波长λ1、λ2、λ3的多个衍射层a1、a2、a3，它们构造为使得从同一点A发出的球面波经由衍射层a1、a2、a3分别得到的成像光束彼此平行或者基本上彼此平行。然而，图4所示仅为示例，衍射光学器件也可以具有用于不同波长的单层结构，或者包括用于单个波长的层结构与用于两个以上波长的层结构的组合。
尽管以上结合第一实施例介绍了衍射投影屏以及其所包含的衍射光学器件，但是应该理解上述内容对于本发明的其他实施例也是适用的，以下不再赘述。
图5A、图5B、图5C和图5D示意性地示出可用于根据本发明实施例(不限于第一实施例)的近眼显示系统的扩散器的不同示例。图5A示出导光板形式的扩散器113A，其中相干光源的光例如从侧面进入扩散器，然后经过扩散器内部的折射、反射和/或衍射作用，从例如光出射面(图中所示上表面)的各点出射具有发散的空间角分布的光。在一些示例中，所述各点可以形成朗伯光源，但是本发明并不限于此。图5B示出的扩散器113B与图5A所示扩散器113A类似，不同之处在于在扩散器113B的光出射面上仅在预定的点阵位置上出射光，所述点阵优选对应于图像调制器(例如LCD)上的像素点阵。该点阵例如可以利用光阑阵列或光阑阵列与微透镜阵列的组合来实现，然而本发明并不限于此具体形式。图5C所示扩散器113C类似于图5B所示扩散器113B，不同之处仅在于来自光源的光的入射位置不同，例如可以从与光出射表面相反的面入射。另外，扩散器也可以形成为是反射型的。例如如图5D所示，扩散器113D对入射的光进行反射，从而在反射表面上形成具有发散的空间角分布的光。这种类型的扩散器113D与LCD结合时，需要与LCD相隔一定距离的背面，以便来自相干光源的光照射到扩散器113D上。扩散器113D例如可以由微反射镜阵列(微凸面镜阵列和/或微凹面镜阵列)、或其与光阑的组合构成。显然，上述扩散器也可以由例如DOE、HOE、CGH或它们与其他结构的组合来形成。
以上结合图5的描述仅为示例性的，而非限制性的。根据本发明实施例，光扩散器件可以包括散射元件、微反射镜阵列、微棱镜阵列、微透镜阵列、DOE、HOE、CGH或它们的组合。
第一实施例的变型例
图6所示近眼显示系统NED100”为根据本发明第一实施例的近眼显示系统的一个变型例，其中，扩散器113’、LCD 112’与衍射投影屏120”彼此平行且前后层叠。在图6所示变型例中，来自LCD 112’上不同像素Pi和Pj的具有发散的空间角分布的光(球面波或近似球面波)照射到衍射投影屏120”上的一定投射区域，该投射区域的大小对应于近眼显示系统的使用者的观察视窗大小。在衍射投影屏120”上所述投射区域的部分的衍射作用下，对应于不同像素形成不同方向的平行或近似平行光束，从而使使用者观察到形成于远处的放大的不同虚像点。可以调节衍射投影屏120”与LCD 112’之间的距离以调节视窗的大小。在一些示例中，LCD 112和衍射投影屏120”可以设置在例如头戴设备的眼镜镜片的镜片基体LB(图中未示出)的两侧。
第二实施例
图7为根据本发明第二实施例的近眼显示系统NED200的示意图。根据本发明第二实施例的近眼显示系统NED200与根据本发明第一实施例的近眼显示系统NED100在结构上基本上相同，不同之处在于光扩散器件采用的是位于图像调制器下游的扩散屏213。
具体而言，如图7所示，近眼显示系统NED200包括光学引擎210和衍射投影屏220。光学引擎210包括相干光源211、作为图像调制器的LCD 212和位于LCD 212下游的光路中的扩散屏213。在图示示例中，光学引擎210可选地还包括扩束装置214，用于对来自相干光源211的光进行扩束，以便对LCD 212的整个表面进行照明。优选地，该扩束装置214还对光进行准直。从LCD 212的各个像素出射的具有良好方向性的光照射到扩散屏213上，经过扩散屏213的扩散作用，形成对应于每一个像素的具有发散的空间角分布的光(球面波或近似球面波)。此时，光学引擎210的显示表面形成在扩散屏213的光出射表面上。
尽管图7所示示例中，扩散屏213是透射型的，但是其也可以是反射型的。此外，扩散屏可以具有与以上结合图5介绍的扩散器类似的构造，不同之处在于，扩散屏构造为不改变图像调制器已经调制形成的对应于目标图像的光空间分布，换句话说，扩散屏对各个像素的光产生独立的扩散作用，在扩散过程中不会使不同像素的光产生混合。作为示例，扩散屏例如可以由薄的毛玻璃片构成，或者例如可以由微透镜阵列构成。本领域技术人员根据上述说明可以理解，根据本发明实施例，光扩散器件(包括扩散器和扩散屏)可以包括散射元件、微反射镜阵列、微棱镜阵列、微透镜阵列、DOE、HOE、CGH或它们的组合。对于以下将介绍的本发明的其他实施例，以上关于扩散屏的说明也是适用的，下文中不再赘述。
图7所示示例中，衍射投影屏220为反射型的，但是如上结合第一实施例所讨论的，根据第二实施例的近眼显示系统NED200也可以采用透射型衍射投影屏，在此不再赘述。
根据本发明实施例的近眼显示系统还可以采用LCD以外的形式的图像调制器来实现，下面将介绍采用不同图像调制器的根据本发明实施例的近眼显示系统。
第三实施例
下面结合图8和图9介绍根据本发明第三实施例的近眼显示系统NED300，其中图8示意性地示出结合近眼显示系统NED300的头戴设备，图9示出近眼显示系统NED300的一个示例。
如图8和图9所示，近眼显示系统NED300包括光学引擎310和衍射投影屏320，其中光学引擎310包括相干光源311、用作图像调制器的LCOS 312和设置在相干光源311与LCOS312之间的光路中的作为光扩散器件的扩散器313。由于LCOS是反射型器件，因此光学引擎310还可以包括用于整合光路的光学器件，例如偏振分光棱镜(PBS)315。
相干光源311的光进入扩散器313，经过扩散器313的扩散作用，从扩散器313的光出射表面出射具有发散的空间角分布的光，这些光经由例如PBS的反射照射到LCOS的表面上并经由LCOS的调制，形成对应于目标图像的光空间分布。在近眼显示系统NED300中，光学引擎310的显示表面形成在LCOS的光出射表面上。光学引擎310的显示表面上对应于各个像素发出的具有发散的空间角分布的光投射向衍射投影屏320，并经由衍射投影屏320的衍射作用形成目标图像的放大的虚像。
衍射投影屏320可以采用与以上结合第一实施例和第二实施例介绍的反射型或透射型衍射投影屏，在此不再赘述。
第四实施例
图10A和图10B示出了根据本发明第四实施例的近眼显示系统的两个示例。根据第四实施例的近眼显示系统中，类似于根据第三实施例的近眼显示系统，也采用LCOS用作图像调制器，不同之处在于光扩散器件采用的是设置在LCOS的下游的扩散屏。
具体而言，如图10A所示，近眼显示系统NED400包括光学引擎410和衍射投影屏420，其中光学引擎410包括相干光源411、用作图像调制器的LCOS 412和设置在LCOS 412下游的光路中的、作为光扩散器件的扩散屏413。由于LCOS是反射型器件，因此光学引擎410还可以包括用于整合光路的光学器件，例如偏振分光棱镜(PBS)415。
相干光源411的光进入PBS 415，经其反射后照射到LCOS 412的表面上。为了更好地照明LCOS的整个表面，可以在相干光源411与LCOS 412之间设置例如扩束装置(图中未示出)，该扩束装置优选具有准直的功能。经由LCOS 412调制，形成对应于目标图像的光空间分布。LCOS基本上不改变经过其的光的方向，因此扩散屏413接收到来自LCOS 412调制形成的具有对应于目标图像的空间分布的光，并将对应于每一个像素的光扩散成具有发散的空间角分布的光。在近眼显示系统NED400中，光学引擎410的显示表面形成在扩散屏413的光出射表面上。光学引擎410的显示表面上对应于各个像素发出的具有发散的空间角分布的光投射向衍射投影屏420，并经由衍射投影屏420的衍射作用形成目标图像的放大的虚像。
图10B所示近眼显示系统NED400’与图10A所示近眼显示系统NED400的区别仅在于前者采用的是透射型衍射投影屏420’，而后者采用的是反射型衍射投影屏，其他结构相同，因此在此不再赘述。
第五实施例
图11为根据本发明第五实施例的近眼显示系统NED500的示意图，其中数字微镜器件(Digital Micromirror Device,DMD)用作图像调制器，并且采用设置在相干光源和图像调制器之间的扩散器作为光扩散器件。
如图11所示，近眼显示系统NED500包括光学引擎510和衍射投影屏520。光学引擎510包括相干光源511、用作图像调制器的DMD 512和设置在相干光源511与DMD 512之间的扩散器513。在一些示例中，扩散器513可以形成为导光板形式，其例如从侧面接收来自相干光源511的光。在另一示例中，光学引擎510还可以可选地包括位于相干光源511与扩散器513之间的扩束装置(图中未示出)，用于对来自相干光源511的光进行扩束，优选还进行准直，以更好地照射扩散器513。图11所示示例中，衍射投影屏520是反射型的，但是应该理解，根据本实施例，近眼显示系统也可以采用透射型的衍射投影屏。
相干光源511的光进入扩散器513，经过扩散器513的扩散作用，从扩散器513的光出射表面出射具有发散的空间角分布的光。这些光照射到DMD 512的表面上并经由DMD 512的调制，形成对应于目标图像的光空间分布。在近眼显示系统NED500中，光学引擎510的显示表面形成在DMD 512的光出射表面上。光学引擎510的显示表面上对应于各个像素发出的具有发散的空间角分布的光投射向衍射投影屏520，并经由衍射投影屏520的衍射作用形成目标图像的放大的虚像。
第六实施例
图12为根据本发明第六实施例的近眼显示系统NED600的示意图。根据第六实施例的近眼显示系统NED600中，类似于根据第五实施例的近眼显示系统NED500，也采用DMD作为图像调制器，不同之处在于光扩散器件采用的是设置在DMD下游光路中的扩散屏613。
如图12所示，近眼显示系统NED600包括光学引擎610和衍射投影屏620，其中光学引擎610包括相干光源611、用作图像调制器的DMD 612和设置在DMD 612下游的光路中的、作为光扩散器件的扩散屏613。可选地，在相干光源611与DMD 612之间可以设置扩束装置614，用于更好地照明DMD的整个表面。扩束装置614优选还具有准直功能。图12所示示例中，衍射投影屏620是反射型的，但是应该理解，根据本实施例，近眼显示系统也可以采用透射型的衍射投影屏。
相干光源611的光经由例如扩束装置614扩束和准直之后照射到DMD 612的表面上。经由DMD 612调制，形成对应于目标图像的光空间分布。DMD基本上不改变经过其的光的方向，因此扩散屏613接收到DMD 612调制形成的具有对应于目标图像的空间分布的光，并将对应于每一个像素的光扩散成具有发散的空间角分布的光。在近眼显示系统NED600中，光学引擎610的显示表面形成在扩散屏613的光出射表面上。光学引擎610的显示表面上对应于各个像素发出的具有发散的空间角分布的光投射向衍射投影屏620，并经由衍射投影屏620的衍射作用形成目标图像的放大的虚像。
第七实施例
以上结合附图描述的根据本发明第一至第六实施例的近眼显示系统中均采用了空间光调制器(Spatial Light Modulator,SLM)作为图像调制器，然而本发明并不限于采用SLM的情况，例如以下将结合图13和图14描述根据本发明第七实施例的近眼显示系统，其中图像调制器包括扫描振镜。
图13A和图13B分别为根据本发明第七实施例的近眼显示系统的两个示例的示意图。根据本实施例的近眼显示系统中图像调制器包括扫描振镜，并且采用设置在扫描振镜下游光路中的扩散屏作为光扩散器件。
如图13A所示，近眼显示系统NED700A包括光学引擎710和衍射投影屏720，其中光学引擎710沿着光路依次包括相干光源711、扫描振镜712和扩散屏713A。根据本实施例，图像调制器包括扫描振镜713A，同时还包括结合在例如相干光源711中的光源调制器(图中未示出)，该光源调制器按照时序调制相干光源711输出的光，例如包括光的强度以及/或者光的波长(颜色)。
从相干光源711输出的、按照时序经过光强/颜色调制的光照射到扫描振镜712上，扫描振镜712对应于光源调制的所述时序以不同的角度将其反射，从而形成对应于目标图像的光空间分布。从扫描振镜712输出的、具有对应于目标图像的光空间分布的光照射到扩散屏713A上，扩散屏713A将对应于每个像素的光扩散成具有发散的空间角分布的光。在近眼显示系统NED700A中，光学引擎710的显示表面形成在扩散屏713A的光出射表面上。光学引擎710的显示表面上对应于各个像素发出的具有发散的空间角分布的光投射向衍射投影屏720，并经由衍射投影屏720的衍射作用形成目标图像的放大的虚像。
图13B所示近眼显示系统NED700B与图13A所示近眼显示系统的结构基本上相同，不同之处仅在于，图13A所示系统中采用了反射型扩散屏713A和反射型衍射投影屏720，图13B所示系统中采用了透射型扩散屏713B和透射型衍射投影屏720’。因此，对于近眼显示系统NED700B在此不再详细说明。
应该理解的是，本实施例并不限于图13A和图13B所示示例，不同类型的扩散屏和衍射投影屏可以组合使用。例如，反射型的扩散屏可以与透射型衍射投影屏组合使用。为清楚简明起见，在此不再赘述。
第七实施例的变型例
图14A和图14B示意性地示出根据本发明第七实施例的近眼显示系统的变型例，其中，扩散屏与衍射投影屏彼此平行且前后层叠。
首先参照图14A，如图所示，近眼显示系统NED700C中，扩散屏713C形成为与衍射投影屏720’彼此平行且前后层叠。来自扫描振镜712的以不同角度被反射的、对应于不同像素的细光束照射到扩散屏13C上；扩散屏713C将对应于每个像素的光扩散成具有发散的空间角分布的光(球面波或近似球面波)，并将其投射到衍射投影屏720’的一定的投射区域上。该投射区域的大小对应于近眼显示系统的使用者的观察视窗大小。可以调节衍射投影屏720’与扩散屏713C之间的距离以调节视窗的大小。如图14A所示，在一些示例中，扩散屏713C可以与衍射投影屏720’或其衍射光学器件形成在同一基体(例如图中所示镜片基体LB)的两侧。
根据该变型例，优选衍射投影屏720’为透射型衍射投影屏。
图14B所示近眼显示系统NED700D与图14A所示近眼显示系统NED700C结构上基本相同，不同之处仅在于，图14A所示系统中采用了反射型扩散屏713C，而图14B所示系统中采用了透射型扩散屏713D。为清楚简明起见，在此省略对系统NED700D的详细描述。
以上结合图1至图14介绍了根据本发明第一至第七实施例的近眼显示系统，其中采用光扩散器件对光进行扩散，使得光学引擎的显示表面上的每一个像素发出的光束是发散的(即具有发散的空间角分布)，形成球面波或近似球面波，该球面波或近似球面波经衍射投影屏中的衍射光源器件的衍射，产生平行或近似平行的光束，从而形成与所述像素对应的放大的虚像像点。应该注意的是，根据本发明，光扩散器件并不需要使得其出射面上的各点构成朗伯光源或近似的朗伯光源。相反，为了例如提高光的利用效率，或者为了例如避免杂散光的干扰，在一些实施例中，光扩散器件优选构造为使得从其发出的对应于各像素的光束具有特定的空间角分布，从而光能量被集中地朝向所述衍射投影屏投射。这里“特定的空间角分布”指的是光辐射能量仅分布在有限的、选定的空间角度范围内，尤其是指光能量被集中分布在朝向衍射投影屏的空间角度范围内。例如，光扩散器件可以使得其发出的对应于各像素的光束的中心光线偏离垂直于该光扩散器件的方向。为了提供这样的定向扩散的功能，光扩散器件可以包括例如光阑阵列、微反射镜阵列、微棱镜阵列、微透镜阵列、光栅、HOE、CGH和DOE中的至少一者。
以下将基于上述介绍的根据本发明实施例的近眼显示系统，介绍本发明的扩展例，其中，在上述近眼显示系统的基础上，增加了定向投射器件。具体而言，根据本发明实施例的近眼显示系统中，光学引擎还可以包括沿着从相应的相干光源至显示表面的光路设置在光扩散器件下游的定向投射器件，该定向投射器件构造成限制从其发出的对应于各像素的光束的发散角以及/或者改变所述光束的中心光线的方向，使得所述光束具有特定的空间角分布，从而光能量被集中地朝向所述衍射投影屏投射。
以下结合图15至图20更加详细地介绍根据本发明实施例的扩展例的近眼显示系统。由于根据本发明实施例的近眼显示系统可以有很多不同的构造，而定向投射器件的施用并不局限于近眼显示系统的特定构造，因此部分附图中为了清楚简明起见，仅示意性地示出定向投射器件与光扩散器件和/或图像调制器之间的位置关系。
第一扩展例
以下首先参照图15、图16和图17介绍第一扩展例。在第一扩展例中，定向投射器件构造为限制从其发出的对应于各像素的光束的发散角，使得光束具有特定的空间角分布，从而光能量被击中地朝向衍射投影屏投射。
图15A、图15B和图15C示意性地示出了可用于根据本发明实施例的第一扩展例的近眼显示系统中的定向投射器件的多个示例。如图所示，定向投射器件15，包括但不限于图中所示的定向投射器件15A、15B和15C，设置在光扩散器件13下游的光路中。定向投射器件15接收来自光扩散器件13的发散的光，并限制光的发散角至角度α，从而实现定向投射。图15A示出的示例中，定向投射器件15A由微透镜阵列构成；图15B示出的示例中，定向投射器件15B由微透镜阵列与光阑阵列的组合构成；图15C示出的示例中，定向投射器件15C由例如HOE、CGH、DOE等衍射器件构成。应该理解，图15仅仅是示例性的，可用于本发明的定向投射器件并不限于上述构造，而可以包括例如光阑阵列、微反射镜阵列、微棱镜阵列、微透镜阵列、光栅、HOE、CGH、DOE或它们的组合。
尽管图15示出的定向投射器件15形成为与光扩散器件13分立的器件，但是它们也可以集成在一起。例如，如图16所示，定向投射器件15可以集成在光扩散器件13表面上。此时，也可以认为两者构成了新型的光扩散器件13’，该光扩散器件13’不仅能够提供光扩散的功能，还具有光定向投射的功能，即：使得从其发出的对应于各像素的光束具有特定的空间角分布，从而光能量被集中地朝向所述衍射投影屏投射。
尽管没有示出，但是基于上述描述可以理解，定向投射器件15可以与光扩散器件13一起设置于图像调制器12上游的光路中，也可以一起设置于图像调制器12下游的光路中。不仅如此，对于根据本发明实施例的采用LCD作为图像调制器的近眼显示系统，光扩散器件13和定向投射器件15还可以分别位于图像调制器12的上游和下游光路中，如图17所示。
当定向投射器件沿着从相干光源至显示表面的光路设置在图像调制器上游时，光学引擎的显示表面形成在图像调制器上；当定向投射器件沿着从相干光源至显示表面的光路设置在图像调制器下游时，光学引擎的显示表面形成在定向投射器件上。
第二扩展例
以下参照图18至图20介绍第二扩展例。在第二扩展例中，定向投射器件构造为限制从其发出的对应于各像素的光束的发散角并且改变所述光束的中心光线的方向，使得所述光束具有特定的空间角分布，从而光能量被集中地朝向所述衍射投影屏投射。
图18示意性地示出了结合有根据本发明实施例的第二扩展例的近眼显示系统NED-K的头戴设备HMD-K；图18B示意性地示出了近眼显示系统NED-K。
图18A所示头戴设备HMD-K和图18B所示近眼显示系统NED-K分别与图1所示头戴设备HMD1和图2A所示近眼显示系统NED100结构基本上相同，不同之处仅在于，头戴设备HMD-K和近眼显示系统NED-K在头戴设备HMD1和近眼显示系统NED100的基础上增加了定向投射器件15’，该定向投射器件15’设置在光扩散器件13的下游光路中，其限制从光学引擎10的显示表面出射的对应于每一个像素的光束的发散角并使其中心光线偏离垂直于定向投射器件的方向而集中地朝向衍射投影屏投射。对比图18A和图1，以及对比图18B和图2A，可以发现，由于定向投射器件15’的上述定向投射功能，图像调制器12可以相对于衍射投影屏20具有更加灵活的布置位置。这对于近眼显示系统以及结合有近眼显示系统的头戴设备的小型化而言是非常重要的。从另一方面来讲，这也有助于提高近眼显示的光利用效率，提高显示质量。
图19A、图19B、图19C和图19D示意性地示出了可用于根据本发明实施例的第二扩展例的近眼显示系统中的定向投射器件的多个示例。如图所示，定向投射器件15’，包括但不限于图中所示的定向投射器件15’A、15’B、15’C和15’D，设置在光扩散器件13下游的光路中。定向投射器件15’接收来自光扩散器件13的发散的光，并限制光的发散角至角度α并改变对应于每个像素的光束的中心光线的方向，使之偏离垂直于定向投射器件的方向而集中地朝向衍射投影屏投射，从而实现定向投射。图19A示出的示例中，定向投射器件15’A由微透镜阵列构成；图19B示出的示例中，定向投射器件15’B由微透镜阵列与光阑阵列的组合构成；在图19C示出的示例中，定向投射器件15’C由微反射镜阵列构成；在图19D示出的示例中，定向投射器件15’D由例如HOE、CGH、DOE等衍射器件构成。应该理解，图19仅仅是示例性的，可用于本发明的定向投射器件并不限于上述构造，而可以包括例如光阑阵列、微反射镜阵列、微棱镜阵列、微透镜阵列、光栅、HOE、CGH、DOE或它们的组合。
类似于第一扩展例中的情况，定向投射器件15’也可以与光扩散器件13集成在一起。图20示例性地示出了表面集成有定向投射器件的光扩散器件的光出射情况。
第二扩展例中定向投射器件在近眼显示系统中的设置位置与第一扩展例中定向投射器件的设置位置的情况相同，在此不再赘述。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。
Claims (25)
1.一种近眼显示系统，包括：
光学引擎，用于在其显示表面上输出目标图像，该光学引擎包括相干光源、对相干光源发出的光进行调制以获得对应于所述目标图像的光空间分布的图像调制器和光扩散器件，所述光扩散器件设置在从所述相干光源至显示表面的光路上，用于对光进行扩散，使得所述显示表面上的每一个像素发出的光束是发散的；和
衍射投影屏，包括衍射光学器件，用于通过对来自所述光学引擎的光进行衍射而对所述目标图像形成虚像，所述显示表面上的每一个像素发出的光束在所述衍射投影屏上的投射区域与多个其它像素发出的光束在所述衍射投影屏上的投射区域至少部分地重叠。
2.如权利要求1所述的近眼显示系统，其中，所述相干光源为激光光源。
3.如权利要求1所述的近眼显示系统，其中，所述显示表面上的每一个像素发出的光束在所述衍射投影屏上的投射区域基本上覆盖整个衍射投影屏。
4.如权利要求1或2所述的近眼显示系统，其中，该近眼显示系统集成在眼镜形式的头戴设备中，并且所述衍射投影屏形成为眼镜的镜片。
5.如权利要求1所述的近眼显示系统，其中，所述衍射投影屏对来自所述显示表面的每一个像素的光衍射形成平行或近似平行的成像光束，并且对应于不同像素的成像光束的投射方向互不相同。
6.如权利要求5所述的近眼显示系统，其中，所述衍射光学器件包括全息膜、CGH、HOE或衍射光学元件(即DOE)中的至少一种。
7.如权利要求6所述的近眼显示系统，其中，所述衍射光学器件包括分别用于不同波长的单层或多层结构。
8.如权利要求1所述的近眼显示系统，其中，所述图像调制器包括空间光调制器，所述光扩散器件包括沿着从所述相干光源至显示表面的光路设置在所述空间光调制器上游的扩散器，所述显示表面形成在所述空间光调制器上。
9.如权利要求8所述的近眼显示系统，其中，所述图像调制器为LCD，所述相干光源和所述扩散器构成该LCD的背光组件，并且该LCD和背光组件与所述衍射投影屏彼此平行且前后层叠。
10.如权利要求1所述的近眼显示系统，其中，所述图像调制器包括空间光调制器，所述光扩散器件包括沿着从所述相干光源至显示表面的光路设置在所述空间光调制器下游的扩散屏，所述显示表面形成在所述扩散屏上。
11.如权利要求10所述的近眼显示系统，其中，所述光学引擎还包括设置在所述相干光源和图像调制器之间的扩束装置，用于将来自相干光源的光扩束以照明所述图像调制器的整个入射表面。
12.如权利要求11所述的近眼显示系统，其中，所述扩束装置还对来自相干光源的光进行准直，得到基本上准直的光束，以照明所述图像调制器。
13.如权利要求12所述的近眼显示系统，其中，所述图像调制器为DMD或LCOS。
14.如权利要求8、10或11所述的近眼显示系统，其中，所述图像调制器为LCD、LCOS或数字微镜器件(即DMD)。
15.如权利要求1所述的近眼显示系统，其中，所述图像调制器包括基于微机电系统(MEMS)的扫描振镜，所述光扩散器件包括沿着从所述相干光源至显示表面的光路设置在所述扫描振镜下游的扩散屏，所述显示表面形成在所述扩散屏上。
16.如权利要求10或15所述的近眼显示系统，其中，所述扩散屏设置为与所述衍射投影屏前后层叠。
17.如权利要求16所述的近眼显示系统，其中，所述衍射投影屏还包括承载所述衍射光学器件的透明基板，并且所述扩散屏层叠在所述透明基板上，从而与所述衍射投影屏形成为一体。
18.如权利要求1-3、8、10和15中任一项所述的近眼显示系统，其中，所述光扩散器件包括散射元件、微反射镜阵列、微棱镜阵列、微透镜阵列、DOE、HOE、CGH或它们的组合。
19.如权利要求1-3、8、10和15中任一项所述的近眼显示系统，其中，所述光扩散器件进一步构造成使得从其发出的对应于各像素的光束具有特定的空间角分布，从而光能量被集中地朝向所述衍射投影屏投射。
20.如权利要求19所述的近眼显示系统，其中，所述光扩散器件发出的对应于各像素的光束的中心光线偏离垂直于该光扩散器件的方向。
21.如权利要求19所述的近眼显示系统，其中，所述光扩散器件包括光阑阵列、微反射镜阵列、微棱镜阵列、微透镜阵列、光栅、HOE、CGH和DOE中的至少一者。
22.如权利要求1-3中任一项所述的近眼显示系统，其中，所述光学引擎还包括沿着从所述相干光源至显示表面的光路设置在所述光扩散器件下游的定向投射器件，该定向投射器件构造成限制从其发出的对应于各像素的光束的发散角以及/或者改变所述光束的中心光线的方向，使得所述光束具有特定的空间角分布，从而光能量被集中地朝向所述衍射投影屏投射。
23.如权利要求22所述的近眼显示系统，其中，所述定向投射器件发出的对应于各像素的光束的中心光线偏离垂直于该定向投射器件的方向。
24.如权利要求22所述的近眼显示系统，其中，所述定向投射器件沿着从所述相干光源至显示表面的光路设置在所述图像调制器上游，并且所述显示表面形成在所述图像调制器上；或者
所述定向投射器件沿着从所述相干光源至显示表面的光路设置在所述图像调制器下游，并且所述显示表面形成在所述定向投射器件上。
25.如权利要求22所述的近眼显示系统，其中，所述定向投射器件包括光阑阵列、微反射镜阵列、微棱镜阵列、微透镜阵列、光栅、HOE、CGH、DOE或它们的组合。
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