CN110520784A - 集成的近眼显示器 - Google Patents

Abstract

提出了一种用于3D光场生成的显示系统。该显示系统包括光子电路，该光子电路包括多个光发射单元，其中每个光发射单元包括光强度调制器，并且该显示系统还包括相控液晶阵列，该相控液晶阵列被适配成控制光的出射光学角度以用于发射角转向。当重建由用户的眼睛查看的虚拟3D对象的光场时，光强度调制器和相控液晶阵列的操作被同步。

Description

集成的近眼显示器

发明领域

本发明涉及光学系统领域。更具体而言，其涉及3D光场显示器，诸如个人显示器。

发明背景

用于虚拟现实(VR)、增强现实(AR)和混合现实(MR)的显示器是为用户提供现实错觉的沉浸式系统。这些显示器可以被划分为两个主要子系统：3D显示和运动反馈。

显示器提供3D对象的视觉错觉。这些系统旨在提供看起来自然的3D图像，其通常被直接馈送到用户的眼睛。高分辨率显示器是提供逼真成像的基本要求。传统的三维显示通过简单的双目视差给出了体积和距离的错觉；然而，调节-收敛(accommodation-convergence)冲突给出了视觉混淆和疲劳。产生潜意识的调节反射(如对瞳孔和眼睛晶状体的肌肉的适应)减少调节-收敛冲突。例如，虽然3D图像显示器可以模仿深度感知(例如，通过双目视差)，但是使眼睛聚焦在离眼睛几厘米处的屏幕上可能在几分钟的暴露之后造成不适和疲劳。对于在对象处的聚焦的自然感受而言，根据由显示器产生的距离的错觉而需要至少一些眼睛适应性。光场3D显示器减少了不适和眼睛疲劳。光以围绕对象的宽立体角来被发射。可以以较少的视觉混淆再现生动的3D场景。传统液晶(LC)具有有限的操作速度，通常约为1kHz。这对于需要合理的图像质量、分辨率和反馈速度的应用来说还不够快。另一方面，包括多层LC或高速投影仪的空间调制的系统是昂贵和/或非常庞大的。例如，高速投影仪需要非常高的计算能力，这降低了便携性和/或增加了成本。

美国专利申请US2015/243094 A1(SCHOWENGERDT BRIAN T[US]等人)2015年8月27日(2015-08-27)展示了用于光场的机械扫描的若干选项。例如，机械元件(诸如光纤悬臂)沿着显示器分布图像，并且一组衍射元件(反射镜、光电子材料等)在不同方向上散射光。在其他示例中，衍射光学元件(例如，布拉格光栅)是机械适应性的。例如，它们可以被包括在可被拉伸的弹性材料中，它们可以改变与眼睛的距离，或者它们可以改变在两个非共面光栅之间的莫尔(Moiré)条纹图案。一些光栅是电活性的并且可以通过对分散在聚合物上的液晶(LC)液滴的偏振和控制来进行控制。LC的弛豫时间低，并且需要多层液晶。这些系统体积大、价格昂贵且耗电量大。便携性非常有限，并且机械元件的使用增加了制造复杂度和设备的脆弱性。需要一种集成的、廉价解决方案。

US 2017/003507 A1公开了一种用于增强现实的显示器，其包括用于发射被编码为四维光场的光的光学相位阵的阵列，以便在视网膜上创建虚拟对象的图像。与光学相阵通信的液晶层可以被用作对波束角进行转向的相位调制层。后者仅在TFT背板技术中实现。波束角转向通过在子像素级操作的纳米天线实现，这由于附加的布线和控制元件而增加了像素级处的设计复杂度并且导致每面积能量开销。

大多数VR显示器还包括运动反馈。运动反馈提供3D对象和用户之间的交互(例如，在移动头部或致动控制器之际的对象位置的改变)。用户头部的移动与图像的响应之间的轻微错配或者图像的缓慢刷新率可能在最好的情况下导致不良且笨拙的沉浸式体验，而在最坏的情况下导致眩晕和虚拟现实眩晕。这个问题可以通过提高系统的刷新率来解决，这意味着，一方面，数据量甚至比对3D显示器而言更高，不得不处理大量的数据，且另一方面，显示器必须足够快以处理这种大数据量。

发明内容

本发明的各实施例的目的是提供一种可以被制造得紧凑的3D显示系统。本发明的至少一些实施例的优点在于，可以获得具有良好分辨率的3D显示系统。本发明的至少一些实施例的优点在于，可以获得具有良好运动反馈的3D显示系统。本发明的至少一些实施例的优点在于，可以获得具有良好帧率的3D显示系统。本发明的至少一些实施例的优点在于，可以获得具有良好的光发射角转向的快速3D显示系统。一些实施例的优点在于，可以获得高角度分辨率。本发明的至少一些实施例的优点在于，可以结合一些且有利地所有这些上面提到的优点来获得3D显示系统。本发明的各实施例的优点在于，3D显示器可以以相对便宜的方式制造。

本发明涉及用于3D光场生成的显示系统，其包括光子电路，该光子电路包括多个光发射单元，每个光发射单元包括用于调制光强度的装置(诸如光强度调制器)，以及被适配成用于控制由光发射单元发出的光的出射角的相控液晶阵列。相控液晶阵列因而可被适配置成用于发射角转向。在本发明中，至少一个处理单元能连接到光强度调制装置和相控液晶阵列，并且适合于(例如，被编程为)在重建由用户眼睛查看的虚拟3D对象的光场时同步光强度调制装置和相控液晶阵列的操作。

本发明的一些实施例的优点在于，紧凑/完全集成的3D光场生成显示系统可以被获得。本发明的各实施例的优点在于，显示系统的像素元件的高速调制可以被获得，从而导致具有高帧率的高质量显示系统。本发明的各实施例的优点在于，不需要庞大的组件。本发明的各实施例的优点在于，3D光场显示系统可以通过电子地调谐系统的每个组件来获得，而没有机械光出射角转向。

在一优选实施例中，包括多个光发射单元的光子电路是光子集成电路。

本发明的各实施例的优点在于，可以通过同步发射角转向和光强度调制来处置大量数据以用于3D对象的3D光场重建。

本发明的一些实施例的优点在于，所有构成组件，即光子集成电路、相控液晶阵列、微透镜阵列，可以以大规模生产的方式且以潜在地非常低的成本来制造。

在本发明的一些实施例中，光子电路是基于SiN的光子集成电路。光子电路可以进一步包括调制器，例如SiN调制器。在进一步的实施例中，SiN调制器包括至少PZT和/或工程化超材料的沉积层，以用于可见光的增强型光电相位调制。

本发明的一些实施例的优点在于，通过采用沉积的PZT或超材料获得高的普克尔(Pockels)系数，并且可以以低功率消耗获得由光发射单元发出的光束的快速相位和强度调制。光强度调制可被以高速执行。高速强度调制可以导致高角度分辨率(当光强度正被调制时，输出角度正被扫描，且因此更高的角度分辨率意味着光强度在更小的角度上变化，即光强度是在一小段时间内或者随高调制速度而改变)，而波束转向可以以连续方式完成，从而降低了相对慢的扫描速度的影响。

在本发明的各实施例中，显示系统此外还包括在光子电路的光发射单元和相控的液晶阵列之间的微透镜阵列，用于将从光发射单元发出的光引导朝向相控液晶阵列。在进一步的实施例中，微透镜阵列的每个微透镜与对应的光发射单元相关联，并且适合于准直从该光发射单元发出的光。

本发明的一些实施例的优点在于，每个微透镜的大小可以很好地适应其对应的光发射单元的大小，这不包括图像分辨率。

在本发明的一些实施例中，光子电路和相控液晶阵列被定位在平行平面中。在包括微透镜阵列的那些实施例中，光子电路、微透镜阵列和相控液晶阵列被定位在平行平面中。本发明的那些实施例的优点在于，该系统易于对准。

在本发明的一些实施例中，显示系统还包括光学透镜，以用于出于近眼成像的目的来重定向离开相控液晶阵列的光。在一些实施例中，显示系统可以包括半透明反射镜，以用于将所发射的经转向的光引导到眼睛，从而避免阻挡用户的正常视野。

在本发明的一些实施例中，如果光子电路是集成类型，则光子电路的光发射单元包括片上辐射源。片上辐射源可以例如包括在每个光发射单元中的集成激光二极管，或者与波导耦合的结合的半导体激光器，波导将光分布到每个光发射单元中。

在本发明的一些实施例中，可以直接地对被集成在每个光发射单元中的光源进行强度调制，因此不需要外部调制器，这降低了整个系统的复杂度。

本发明的一些实施例的优点在于，光源也可以被集成在显示系统的光子电路内，从而提高整体集成度和便携性。

在本发明的一些实施例中，相控液晶阵列包括至少两个级联的液晶转向层。在本发明的各实施例中，相控液晶阵列的每个液晶转向层可以在一个方向上(水平和垂直)控制相控液晶阵列处的光出射角。

本发明的各实施例的优点在于，可以使用电子控制的相控LC阵列获得适合于VR显示器的高速光出射角转向。

在本发明的一些实施例中，相控液晶阵列被适配成用于操纵由多个光发射单元发出且被引导朝向相控液晶阵列的光的小波束的截面中的光学相位分布。例如，每个层可以利用相同的信号操纵所有子波束。

在本发明的一些实施例中，显示系统是用于近眼3D光场显示的完全集成的解决方案。

本发明的一些实施例的优点在于，可以例如通过将处理单元集成在设备内来获得完全集成，从而允许移动的自由度。

在所附独立和从属权利要求中阐述了本发明的特定和优选方面。来自从属权利要求的特征可以与独立权利要求的特征以及其他从属权利要求的特征适当地结合，而不仅仅是如在权利要求中明确阐述的。

参考下文描述的(多个)实施例，本发明的这些和其他方面将变得显而易见并得以阐明。

附图的简要说明

图1解说了根据本发明的实施例的示例性3D显示系统。

图2解说了根据本发明的各实施例的用于光发射单元的集成的光强度调制装置的第一示例。

图3解说了根据本发明的各实施例的用于光发射单元的集成的光强度调制装置的第二示例。

图4解说了根据本发明的各实施例的被耦合到包括调制器的光发射单元的辐射源。

图5解说了用于AR和MR系统的具有半反射镜的示例性3D显示系统。

这些附图仅是示意性而非限制性的。在附图中，出于说明性目的，可将要素中的一些尺寸放大且不按比例绘制。

权利要求中的任何附图标记不应被解释为限制范围。

在不同的附图中，相同的附图标记指示相同或相似的要素。

具体实施方式

将就特定实施例并且参考某些附图来描述本发明，但是本发明不限于此，而仅由权利要求书来限定。所描述的附图仅是示意性且非限制性的。在附图中，出于说明性目的，可将要素中的一些尺寸放大且不按比例绘制。尺寸和相对尺寸不对应于对本发明的实施的实际减少量。

此外，说明书中和权利要求中的术语第一、第二等等用于在类似的要素之间进行区分，并且不一定用于在时间上、空间上、以排名或任何其他方式来描述顺序。应当理解，如此使用的术语在适当的情况下是可互换的并且本文中所描述的本发明实施例与本文中所描述或图示的相比能够以其他顺序操作。

另外，说明书和权利要求书中的术语顶部、下方等等被用于描述性目的而不一定用于描述相对位置。应该理解，如此使用的这些术语在合适情况下可以互换，并且本文描述的本发明的实施例能够以除了本文描述或说明取向的之外的其他取向来操作。

应当注意，权利要求中使用的术语“包括”不应被解释为限定于其后列出的装置；它并不排除其他要素或步骤。因此，该术语应被解释为指定如所提到的所陈述的特征、整数、步骤或组件的存在，但不排除一个或多个其他特征、整数、步骤或组件、或其群组的存在或添加。因此，表述“一种包括装置A和B的设备”的范围不应当被限定于仅由组件A和B构成的设备。这意味着对于本发明，该设备的仅有的相关组件是A和B。

贯穿本说明书对“一个实施例”或“实施例”的引用意指结合该实施例描述的特定的特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”贯穿本说明书在各个地方的出现并不一定全部指代同一实施例，而是可以指代同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，如从本公开中对本领域普通技术人员将是显而易见的，特定的特征、结构或特性可以用任何合适的方式进行组合。

类似地，应当领会，在本发明的示例性实施例的描述中，出于精简本公开和辅助对各个发明性方面中的一个或多个的理解的目的，本发明的各个特征有时被一起编组在单个实施例、附图或其描述中。然而，这种公开的方法不应被解释为反映所要求保护的本发明需要比每项权利要求中所明确记载的更多特征的意图。相反，如所附权利要求反映的，各发明方面可以存在比单个前述公开的实施例的全部特征更少的特征。因此，具体实施方式之后所附的权利要求由此被明确纳入本具体实施方式中，其中每一项权利要求本身代表本发明的单独实施例。

此外，尽管本文中所描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征但不包括其他实施例中所包括的其他特征，但是不同实施例的特征的组合旨在落在本发明的范围内，并且形成如将由本领域技术人员所理解的不同实施例。例如，在所附权利要求中，任何所要求保护的实施例均能以任何组合来使用。

在本文中所提供的描述中，阐述了众多具体细节。然而应当理解，在没有这些具体细节的情况下也可实践本发明的实施例。在其他实例中，公知的方法、结构和技术未被详细示出，以免混淆对本描述的理解。

本发明的虚拟现实系统适用于头戴式显示器，因而低功耗和稳健性是可穿戴设备的典型要求。这必须与良好的便携性、分辨率和速度相结合。

本发明的VR系统通过将基于半导体的光源阵列的高速和低功耗与所发射的光的出射角的快速转向相结合来提供具有高速和高分辨率的3D光场。该系统结合了不牺牲速度的液晶布置和光调制。

在第一方面，本发明涉及一种用于虚拟现实(VR)、增强现实(AR)和混合现实(MR)的显示系统。该显示系统包括光发射单元，该光发射单元可以例如利用光强度调制器来被强度调制，以及光角度转向装置，例如光衍射装置(诸如相控液晶(LC)阵列)，以操纵由光发射单元发出的光的发射角度，光发射单元可以包括合适的光源。所发射的光束的经调制的强度和出射角度被组合和同步，以便在由用户的眼睛查看时创建3D对象或场景的错觉。

与相控LC阵列处的所发射的光的快速角度转向相同步的光发射单元的高速调制(允许在光场中编码大量信息)的组合，可以在即使处理非常大量的数据的情况下提供快速刷新率。其还可以提供高空间分辨率和高角度分辨率。

在本发明的各实施例中，光发射单元被提供在光子电路中，例如光子集成电路。

一个或多个处理单元(例如，单个微处理器)控制光发射单元处的光发射、图像的刷新速率、操纵相控LC阵列处的光出射角的装置等。处理单元(例如CPU和/或图形卡)可以在显示系统外部，并且其可以经由有线或无线信号传输连接到显示系统并与显示系统通信。然而，其优选地被集成在设备中，从而提高了系统的便携性。一个或多个处理单元可以电子地调谐显示系统的每个组件，而不需要机械光角度转向。

在本发明的各实施例中，显示系统包括多个光发射单元。光发射单元可以以任何合适的方式来被布置，例如光发射单元可以按颜色来分类，并且不同颜色的一组光发射单元可以被分组以便形成显示系统的独特像素元件(例如，像素元件可包括一个红色、一个绿色和一个蓝色光发射单元，或者一个红色、两个绿色光发射单元和蓝色光发射单元等)的光发射部分。在一些实施例中，这些光发射单元包括激光源，例如激光二极管。每个光发射单元包括提供光强度调制的装置，例如调制器。

可以通过其他合适的手段提供调制。例如，激励光发射单元(例如，激光器)的电流可以例如由控制器或处理单元控制。一般而言，可以以合适的方式调制每个光发射单元的功率源。

在一些实施例中，光发射单元在半导体光子学平台上被片上地集成，从而形成光子集成电路。可以获得紧凑的3D光场生成显示系统，其可以是完全集成的，例如显示系统还可以集成相控LC阵列及其控制器以及还有其他光学元件。可以使用标准的众所周知的半导体制造路线，这降低了制造成本。

图1示出了显示系统100的示例性实施例，其中光子电路101被提供为包括光发射单元104的阵列的集成光子电路。显示系统100可以通过在主体的眼睛103中创建对象的虚拟图像来重建3D虚拟对象102。光发射单元104可包括辐射源。在其中这些是片上辐射源的实施例中，设备可以有利地是紧凑的。相控LC阵列105接收来自光发射单元104的阵列的经调制的光束，并且在它们行进到主体的眼睛103之前对光小波束的出射角进行转向。可以包括透镜106，以用于将经转向的光小波束从相控LC阵列会聚到眼睛103中，或者其可以在显示系统100外部。光发射单元104和电子控制(例如，在集成系统中)的使用允许高速，其与相控LC阵列105处的光出射角的经同步的转向相结合，导致了可以处置传达大量数据的快速帧率的显示系统100。利用处理单元107执行光发射单元104和相控LC阵列105的控制和同步。可以例如通过使处理单元107适于向相控LC阵列105发送更新信号来获得同步，以便以一定速率更新出射角，该速率是光发射单元104的光强度值被更新的整数倍。

其他光学元件可以被使用，诸如其他透镜。在一些实施例中，微透镜阵列108可以将光小波束从光发射单元104发送并引导到相控LC阵列105。例如，阵列的每个微透镜109可以被耦合到一个或多个对应的光发射单元104，从而确保光的有效准直。在一些实施例中，每个微透镜阵列108准直来自恰好一个对应的光发射单元104的光，之后将其引导到相控LC阵列。这导致均匀的波前。微透镜109的大小可以与一个或多个对应的光发射单元104的大小相适配，以避免劣化图像分辨率。

在本发明的各实施例中，光发射单元104的阵列可以与相控LC阵列105平行地布局。例如，光子电路101可以与相控LC阵列105平行。微透镜阵列108也可以与它们平行。然而，总体布局不必是平坦的。例如，光发射单元104的阵列和相控LC阵列105可以具有圆顶的形状。

在下文中，首先将使用例如激光源(但是本发明不限于这些)和电子调制来解释光和光强度调制的提供。接着，将解释在相控LC阵列105处的光出射角转向。

辐射源可以被包括在光子电路101中，并且如果光子电路101是集成类型，则也可以被集成在其中。片上辐射源的示例可以包括集成激光源，其输出经由任何一个或多个合适的波导耦合到光发射单元104。例如，可以例如通过倒装芯片技术、通过粘合等在片上提供不同颜色的激光源(例如，三种不同颜色的源，例如RGB)，并且激光输出可以经由总线波导被耦合到光发射单元104。然而，本发明可以包括向显示系统100提供光的其他方法，诸如片外激光器，或者通过提供可调谐激光器(例如微激光器)作为光发射单元104。

如已经提到的，光发射单元104可以被直接地调制而不利用附加外部调制器，例如通过简单地控制驱动光发射单元104的输入电流。替代地或附加地，外部光调制器可以被使用。在这些实施例中，集成类型的光子电路101可以包括包含任何合适的光学材料的集成调制器，从而允许每个光发射单元104中的光强度调制。在本发明的一些实施例中，包含SiN的调制器可以被使用。在优选实施例中，光子电路101是光子集成电路，并且包括需要低功耗的高速调制器材料。包括SiN的调制器(SiN调制器)可以被容易地集成在基于SiN的光子集成电路中。在本发明的一些实施例中，SiN调制器进一步包括工程化的超材料。这些可以通过沉积(例如通过原子层沉积ALD)以层的形式提供。替代地或附加地，可以在调制器上提供(例如沉积)锆钛酸铅(PZT)材料。利用这些新材料增强了被用于可见光的调制(例如强度和/或相位调制)的光电效应，并且调制器功率消耗是小的。包括PZT(和/或其他超材料)的SiN调制器呈现高普克尔效应(例如，举例而言，在110至240pm/V之间)，这极大地有助于功耗的降低。这可以允许操作速度在几十GHz的量级内(例如，至少几百kHz到几MHz，例如10MHz)且功耗低至纳瓦。

SiN调制器可以在干涉仪、谐振器等中被实现，从而允许对强度和/或相位的控制。马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪(MZI)中的示例性实现可以通过将来自源(例如片上激光源)的光束拆分成在两个不同臂中行进的两个波束来被获得，如图2的调制器200中所示。MZI可以在SiN基板中实现，例如用任何合适的波导，诸如肋形波导、条形加载的或脊形波导等。为了增强光电调制强度和其他效果，高限制(confinement)可以被提供。例如，槽波导可以被使用，并且槽可以包括光电材料(例如，由光电材料填充)。

来自源的光通过波导输入201进入干涉仪，并且被划分到两个臂202、203中。在第一臂202的顶部，具有高普克尔系数的一种或多种材料204被沉积。此类材料的示例是PZT或者由交织的两种或更多种不同材料组成的超材料(诸如序列TiO2-Al2O3-In2O3的分层布置)或其组合。臂202内的光束将被至少部分地耦合(例如被完全耦合)到顶部上的高普克尔系数材料204中。干涉仪可以被认为是混合SiN相位调制器。通过在高普克尔系数材料204上(或在整个第一臂202上)施加电场来获得调制。电场可以被施加在电极205处，电极205在图2中被示为侧向电极，但是也可以具有其他配置，诸如顶部电极、底部电极等。有利的是，半导体平台可以以集成的方式容易地提供此类电子组件。

可以通过任何合适的手段来控制强度，例如可与处理单元107或其一部分相同的电压源206和控制器207。通过改变施加在电极205处的电场的强度，被施加到高普克尔系数材料204的电场强度改变，并且在该特定臂中行进的光的光学相位可以被调制以携带信息。当第一和第二臂202、203被重新组合时，在第一臂202中执行的相位调制被转换成光学强度调制，并且经调制的光可以经由波导输出208被发送到光发射单元104。

此类实现呈现比使用例如现有的热光调制器的实现低几个量级的功率消耗，这改善了便携性并且允许显示系统100被实现为可穿戴设备。

MZI调制器可以有利地呈现大的光学带宽，因此其可以有利地与除激光之外的光源组合。

本发明不限于基于MZI的调制器，并且其他光强度调制装置可以被使用。例如，环形谐振器可被用作调制器。图3示出了这种基于环形谐振器的调制器300，其中波导301携带来自激光源的光信号，并且环形谐振器302被光学地耦合到波导301。环形谐振器302在顶部包括例如通过沉积提供的一种或多种高普克尔系数材料204。当光信号进入谐振器时，其被至少部分地耦合到材料204中。通过施加电场(例如，在顶部电极处，例如成形电极303)，环形谐振器302的一种或多种高普克尔系数材料204的折射率改变，从而导致谐振波长中的偏移。环形谐振器302的谐振波长的变化将导致波导301的输出光强度的变化。因为光信号的波长对于激光源是固定的，所以光强度将根据激光源波长和谐振波长之间的偏移而变化。后者可以通过调制所施加的电场的强度来被调制。例如，当激光源波长在经调制的谐振波长上通/断(on/off)时，强度将分别打开/关闭(on/off)。

其他配置可以被应用于本发明的调制器中。例如，两个臂可以包括PZT和/或超材料，但是电场仅在一个臂中被引入(经由电极)。替代地，基于光子晶体的调制器可以被使用，诸如本领域已知的二维光子晶体在电子致动之际能够调制穿过它们的光。可以使用本领域中的任何已知配置，例如通过在MZI调制器的每个臂中提供光导光子晶体结构的一部分，该光导光子晶体结构包括例如包含微孔或其他合适的微结构的Si(或其他合适的材料)。通过在光导光子晶体结构的各部分之一中施加电场来提供调制。因而，本发明不限于包括PZT和/或其他超材料的调制器。

将PZT或超材料用于调制器的优点在于，这些材料可以以大规模生产的方式以低成本沉积在光子平台(例如包括SiN波导)的顶部上。它们由非常大的普克尔系数，即强的线性光电耦合强度来表征，该光电耦合强度的效果与基于其光弹性属性的效果相比通常在量值上要大得多。后者可被用来在PZT或超材料层中或周围(例如在波导材料中)引起应力诱导的折射率变化。

使用基于环形谐振器的调制器的一个优点是它们的非常小的占用空间。虽然它们的光学带宽与其他基于干涉仪的调制器相比是有限的，但只要足够地窄的带激光源被使用，这就不会影响经调制的光输出的强度。

图4示出了包括辐射源401(例如片上激光器)的光发射单元104的示例，辐射源401向所有光发射单元104提供源光束。光发射单元104中的每个光发射单元包括基于环形谐振器的调制器300。

在呈现提供光和光强度调制的示例之后，将在下面呈现相控LC阵列处的光出射角转向。本发明提供一种系统，其中光强度的控制可以与光出射角的控制协同地执行，以便重建虚拟对象的3D光场。

角度转向可以通过机械或非机械手段完成。非机械角度转向手段在可穿戴设备领域中是优选的，因为角度转向手段(例如光栅的参数)可以是电子控制的。液晶显示技术是非常适合的，因为其可以以电子方式被控制以周期性地改变整个液晶层上液晶指向的取向，由此为入射的圆偏振光小波束感生相位偏振光栅，这允许实现大的转向角。替代地，对于经线性偏振的入射光小波束，可以在整个液晶层上对指向取向进行空间调制，使得周期性相位光栅可以被实现。角度转向可以是例如±1.5°，这可以被容易地实现。可以使用成熟的技术制造液晶。它们可以显示出高双折射并且可以使用相对低的电压提供大的光学路径差。在本发明的一些实施例中，相控液晶(LC)阵列包括变化偏振的偏振部分。可以以大角度扫描光(例如激光束)，因此显示系统可以被放置得离眼睛足够远，给人以自然的感觉并减少眼睛疲劳。其也可以在不阻挡用户的正常视野的情况下被使用，例如用于增强或混合现实应用。

将显示系统100放置成使其不阻挡用户的正常视野的另一种替代方式在图5中示出，其中通过利用反射系统500的反射将光从光发射单元104引导到眼睛103，反射系统500例如包括半透明反射镜501或薄膜反射镜(其将光分裂而没有可观察到的双重图像)等，这允许将所叠加的虚拟图像引导到真实世界的视野，诸如实物502。这样的布置可以被容易地应用于AR和MR系统。反射系统500可以包括其他光学系统和/或与其他光学系统组合，诸如其他透镜。

对相控LC阵列处的光出射角进行转向所必需的时间通常在毫秒的量级上，这意味着光出射角转向频率为1kHz或更低。每个单元的发射角度将由每个LC单元单独调谐。LC具有足够的带宽以为人眼提供高更新率，例如30Hz或60Hz。在每个时间帧内，光调制速度确定空间分辨率。为了克服在相控LC阵列处的光出射角度转向的有限速度，相控LC阵列可以包括可以被空间地调制的多个层。然而，这些解决方案是昂贵的。

由于诸如散射或吸收等其他因素，相控LC阵列内的经堆叠的转向层的数目限制了总效率。在本发明的各实施例中，可以在相控LC阵列中使用两个或更多个级联LC转向层。例如，显示系统可以包括两个级联的LC转向层，其被包括在相控LC阵列中，例如彼此堆叠并且具有不同的角度转向，例如不同的角度转向范围或分辨率。

在一些实施例中，每个LC转向层提供在一个方向上的角度转向，因而在包括两个LC转向层的相控LC阵列处获得二维的光出射角转向。

例如，相控LC阵列可以包括两个级联的LC转向层，每个LC转向层具有不同的操作速度。第一层可以以30Hz操作而第二层则可以以1kHz操作。然而，这些值是非限制性的。

任何相控LC阵列可以被使用。在一些实施例中，相控LC阵列包括液晶偏振光栅(LCGP)。在本发明的一些实施例中，相控LC阵列由LC单元形成，LC单元可以通过操纵收到光束的截面中的光相位分布来对光出射角进行转向。

当显示系统在使用中时，通过每个光发射单元中的控制装置(诸如处理单元)来电子地调制光的强度，光发射单元的每一者产生子波束或光小波束。该光强度调制可以直接地在被包括在光发射单元的每一者中的辐射源上完成(例如通过控制为它们供电的电流)，或者可以经由被包括在光发射单元中的外部调制器来完成。光发射单元的输出被引导朝向相控LC阵列，诸如级联相控LC阵列(任选地在准直之后，例如带有微透镜阵列)，其可以操纵入射在其上的小波束的每一者的截面中的光学相位分布。

在一个示例中，跨小波束的光学相位分布可以通过强制跨过相控LC阵列的一部分的折射率梯度来被控制，例如通过向相控LC阵列的该部分中的电极结构施加电压梯度，由此液晶的指向矢被相应地重定向。用于施加电压梯度目的的合适的电极结构可以包括底部电极和一系列顶部电极，或者可以包括电阻式顶部电极，对于该电阻式顶部电极，在电极的两个点之间延伸的电阻致使线性电压降。处理单元适合于确定电压梯度信号并将其递送到相控LC阵列的相应部分。替代地，小波束的光出射角度通过以下方式在相控LC阵列处被转向：局部地调节LC偏振光栅的光栅周期，或者经由重新对准LC指向矢的方式来局部或全局地接通或断开LC偏振光栅的动作。对于LC转向层堆叠的剩余LC转向层(如果有的话)，这可以以类似的方式被重复。因而，显示系统的每个单个像素元件被适配成用于在多色显示系统中调制光小波束或不同颜色的光小波束的光强度，以及通过以同步方式对相控LC阵列处的光出射角进行转向来控制其发射方向。可以以同步的(例如也可以是并行的)方式执行显示系统的不同像素元件的光小波束强度或出射角的更新。然而，通常能针对每个及每一像素元件个体地选择光小波束的强度及其出射角。本发明的各实施例的优点在于，显示系统的每像素元件仅需要发射例如单个小波束的单个光发射单元。作为结果，可以为显示系统设计更致密的像素元件阵列，从而改善图像质量并降低控制电子器件的复杂度和功率要求。而且，在该情形中，可以使单个光发射单元的侧向尺寸更大，这可以有利地减小所发射的光小波束的发散角，而不需要进一步的准直光学器件，例如微透镜阵列等。这对于相控LC阵列处的光出射角转向也是有益的，因为光小波束的不大且不发散的入射角通常是良好功能所必需的。然而，在本发明的其他实施例中，不排除这样的微透镜阵列被紧凑地放置在光子电路和相控LC阵列之间而不会损害3D光场创建，并且由光发射单元发出的光的更好的准直可以通过减少光学损耗来积极地增加图像亮度。

在本发明的一些实施例中，相控LC阵列的所有部分(每个部分被配置成对一个特定小波束的光出射角进行转向)可以被一致地驱动，例如使得它们都将小波束的光出射角同时地转向到相同的方向。因此，对于每个LC转向层，可以通过相同的信号来有利地控制相控LC阵列的所有这些部分，因而降低相控LC阵列的处理能力和复杂度。例如，可以跨整个相控LC阵列施加唯一的相位光栅，使得其各部分具有相同的相位光栅周期、强度和轮廓，但是具有小于总量的数个光栅周期。对于该情形中的同时光出射角扫描，处理单元可以被配置成均匀地改变跨整个相控LC阵列施加的相位光栅的光栅周期或轮廓。

强度调制和光出射角度转向装置由处理单元同步，以便重建3D光场。例如，算法可以被提供在处理单元中，或者其可以被编程为根据图像数据和聚焦数据来控制至少光强度调制和光出射角转向。

在实践中，可以使用以下控制，例如：关于两个LC层的同步，在一个示例性实施例中，处理单元将第一频率(例如，30Hz)的重复控制信号发送到一个层，这将从左到右均匀地扫描。同时，处理单元将把第二频率(例如，900Hz)的控制信号发送到另一LC层，这将垂直地对光进行转向。由于垂直扫描比水平扫描快得多，因此对于每次水平扫描，垂直扫描将被重复30次。发射光的轨迹将呈之字形，覆盖例如3度乘3度的整个二维角度空间。

同时，处理单元将处理要被递送的3D图像，并且在个体像素的每个输出角度处获得光强度信息。根据发射角的轨迹，处理单元将控制信号馈送到每个像素并且调制与输出角匹配的光强度。

本发明通过相控LC阵列提供快速2D角度扫描，并且在具有大量光发射单元的显示系统中提供强度调制，这可以在可被有利地集成的光子平台中获得。作为解说，在一个示例中，每个像素可包含3个光发射单元，以用于生成三种基色。在使用经直接地调制的纳米光源的情形中，像素大小可以非常小，例如10μm x 10μm。考虑到例如3cm×3cm的管芯大小，分辨率可以是约3000x 3000。例如，如果片上调制器被用来调制由外部源注入的CW光，则每个像素的大小是大的，因为调制器通常是大的。例如，基于环形谐振器的调制器通常具有几十微米乘几十微米的大小(SiN平台的情形)。单个像素的大小将接着为约100μm×100μm，对于相同的管芯大小，导致约300x 300的像素数。使用电吸收调制器可以帮助减小像素大小，并且预期像素数可因而加倍或增至三倍。可被递送的大量数据显著地提高了3D图像质量。角度分辨率由光调制的速度确定，因此LC阵列中的发射角转向(例如3°)与高速强度调制的同步允许3D虚拟对象的光场的重建。在一个示例中，帧更新速率(或渲染时间)受LC时间常数的限制。最高LC更新率约为1kHz。为了达成30Hz的帧更新速率(水平扫描速率)，水平角度分辨率可以是例如333。垂直角度分辨率由光调制速度BW确定为(1/1kHz)/(1/BW)。这可以在完全集成的电路中被获得。在一些实施例中，光源可以是外部源(片外)，并且它们所发射的光可以经由光载体(例如光纤和/或波导)分布到包括光发射单元的光子电路中，例如包括光发射单元的阵列集成的SiN光子电路，其中光强度由光电调制装置来调制。光强度调制和光出射角度转向两者均被光电地执行。

由于紧凑的部件，本发明的各实施例提供了一种具有低功耗的便携式显示系统，例如适用于头戴式显示器，其可以被快速地且可以被廉价地制造。附加地，在一些实施例中，给定光强度调制装置的宽光学带宽，显示系统可以用非相干光进行操作，如果具有足够长的相干长度以通过干涉效应干扰虚拟图像形成的激光源被使用，则这避免了更难以实现相干控制。

所提出的解决方案非常紧凑，例如，大小为1cm×1cm的平面2D屏幕。此外，得益于光子技术，大规模生产和低成本可以被预期。光子集成电路可以与控制电子器件(例如，处理单元、信号线或其他电子(逻辑)器件)共同集成，控制电子器件例如在TFT背板技术中或在CMOS平台中被制造。该光场3D技术可被应用于虚拟/增强现实应用、医学成像、电视、电影、移动电话、汽车等。

附图标记列表

100 显示系统

101 (集成的)光子电路

102 虚拟对象

103 眼睛

104 光发射单元

105 相控LC阵列

106 透镜

107 处理单元

108 微透镜阵列

109 微透镜

200,300 调制器

201 波导输入

202 第一臂

203 第二臂

204 高普克尔系数材料

205,305 电极

206 电压源

207 控制器

208 波导输出

301 波导

302 环形谐振器

303 成形电极

401 辐射源

500 反射系统

501 半透明反射镜

502 实物

Claims (13)

1.一种用于3D光场生成的显示系统(100)，所述显示系统包括：

-光子电路(101)，所述光子电路(101)包括多个光发射单元(104)，每个光发射单元包括用于光强度调制的光强度调制装置，以及

-相控液晶阵列(105)，所述相控液晶阵列(105)被适配成控制由所述多个光发射单元(104)发出的光的出射角，

-至少一个处理单元(107、207)，所述至少一个处理单元(107、207)能连接到所述光强度调制装置和所述相控液晶阵列(105)，并且适用于在重建对由用户眼睛查看的虚拟3D对象进行编码的光场时同步它们的操作。

2.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于，所述光子电路(101)是光子集成电路。

3.根据权利要求2所述的显示系统，其特征在于，所述光子集成电路是基于氮化硅的光子集成电路。

4.根据前述权利要求中任一项所述的显示系统，其特征在于，所述光子电路(101)的调制装置包括调制器(200、300)。

5.根据权利要求4所述的显示系统，其特征在于，所述调制器(200、300)包括氮化硅调制器，所述氮化硅调制器包括至少PZT和/或工程化超材料(204)的沉积层，以用于可见光的增强型光电相位调制。

6.根据前述权利要求中任一项所述的显示系统，其特征在于，所述系统此外还包括被布置在所述光发射单元(104)和所述相控液晶阵列(105)之间的微透镜阵列(108)，以用于将从所述光发射单元(104)发出的光引导朝向所述相控液晶阵列(105)。

7.根据权利要求6所述的显示系统，其特征在于，所述微透镜阵列(108)的每个微透镜(109)与对应的光发射单元(104)相关联，并且适合于准直从该光发射单元(104)发出的所述光。

8.根据前述权利要求中任一项所述的显示系统，其特征在于，所述光子电路(101)和所述相控液晶阵列(105)被定位在平行平面中。

9.根据权利要求6或7所述的显示系统，其特征在于，所述光子电路(101)、所述微透镜阵列(108)和所述相控液晶阵列(105)被定位在平行平面中。

10.根据前述权利要求中任一项所述的显示系统，其特征在于，所述显示系统此外还包括光学透镜(106)，以用于出于近眼成像的目的来重定向离开所述相控液晶阵列(105)的光。

11.根据前述权利要求中在从属于权利要求2的范围内的任一项所述的显示系统，其特征在于，所述光发射单元(104)包括片上辐射源(401)，诸如举例而言，每个光发射单元中的集成激光二极管，或者与将光分布到每个光发射单元中的波导耦合的结合的半导体激光器。

12.根据前述权利要求中任一项所述的显示系统，其特征在于，所述相控液晶阵列(105)包括至少两个级联的液晶转向层。

13.根据前述权利要求中任一项所述的显示系统，其特征在于，所述显示系统是用于近眼3D光场显示的完全集成的解决方案。