CN112639588A

CN112639588A - 具有扩展像素分辨率的紧凑型显示器

Info

Publication number: CN112639588A
Application number: CN201980057513.7A
Authority: CN
Inventors: T·A·巴特利特; S·A·肖; V·K·塔库尔
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 2018-09-10
Filing date: 2019-09-10
Publication date: 2021-04-09
Anticipated expiration: 2039-09-10
Also published as: CN112639588B; US11131796B2; WO2020055853A1; US20200081176A1; US20210389517A1; US20240111083A1; US11874486B2

Abstract

所描述的示例包括一种显示器，该显示器具有：第一光源(702A，720A)，其被配置为提供第一光；以及第二光源(702B，720B)，其被配置为提供第二光。该显示器还具有空间光调制器(712)，该空间光调制器被配置为通过调制第一光来产生第一调制光，并且被配置为通过调制第二光来产生第二调制光。该显示器还具有：第一衍射光学元件(734A)，其被配置为接收第一调制光并被配置为向显示光学器件(736，738)提供具有第一特性的第一图像；以及第二衍射光学元件(734B)，其被配置为接收第二调制光并被配置为向显示光学器件(736，738)提供具有第二特性的第二图像。

Description

具有扩展像素分辨率的紧凑型显示器

技术领域

本文总体上涉及光学显示器，并且更具体地涉及使用空间光调制器的显示系统。

背景技术

扩展像素分辨率(XPR)是在空间光调制器(SLM)投影显示器中使用的技术，其中显示的图像比用于生成显示图像的SLM具有更高的分辨率(更大的像素密度)。用于实现双向XPR的示例技术是移动板。利用这种技术，在光已经被SLM调制之后，将玻璃板插入光路中。致动器使该板移动，以便在一个位置中，投影仪的输出在x方向和y方向上均移位半个像素。该移位将已移位像素的中心放置在四个未移位像素的交点处。SLM的输出在未移位像素和已移位像素的像素信息之间足够快地交替，以使眼睛能够将未移位像素和已移位像素的组合视为具有两倍SLM分辨率的图像。通过移动到更多的子像素位置(例如四个)，可以将该技术扩展到4向(4-way)XPR或任意高的分辨率。然而，用于该板的光学器件和致动器并不紧凑，因此该技术不适用于紧凑型应用。

发明内容

在一个示例中，一种显示器包括被配置为提供第一光的第一光源和被配置为提供第二光的第二光源。该显示器还包括空间光调制器，该空间光调制器被配置为通过调制第一光来产生第一调制光并被配置为通过调制第二光来产生第二调制光。该显示器还包括：第一衍射光学元件，其被配置为接收第一调制光并被配置为向显示光学系统提供具有第一特性的第一图像；以及第二衍射光学元件，其被配置为接收第二调制光并被配置为向显示光学器件提供具有第二特性的第二图像。

附图说明

图1是示例投影仪的光生成部分的示意图。

图2是空间光调制器的一个像素的图。

图3是示例投影仪的图像投影部分的示意图。

图4是两个像素的相对像素位置的图。

图5是紧凑型显示系统的示意图。

图6是瞳孔扩展器的示意图。

图7是示例显示器的示意图。

图8是另一示例显示器的示意图。

图9是示出衍射光学元件(DOE)的操作的图。

图10是示出另一DOE的操作的图。

图11是示出另一DOE的操作的图。

具体实施方式

在附图中，除非另外指出，否则对应的数字和符号通常指的是对应的部分。附图不一定按比例绘制。

图1示出示例投影仪的光生成部分100。光源102和光源104可以是LED、激光二极管或其他高强度光源。在该示例中，光源102和光源104产生相同颜色的光。例如，光源102和光源104可以为红绿蓝(RGB)投影系统产生红色。在其他示例中，光源102和光源104可以产生白光并且使用诸如色轮的滤波系统来产生投影所需的颜色。

光源102和光源104分别穿过透镜106和透镜105投影。透镜105和透镜106可以是单个透镜或透镜的系统。图中的光投影线是示意性的，并且没有示出光的完整路径，而是示出了光的大致路径。透镜105和透镜106分别将光源102和光源104的图像聚焦到蝇眼阵列108和蝇眼阵列110上。蝇眼阵列108和蝇眼阵列110包括许多小透镜。这些阵列可以包括数十个或数千个小透镜。这些透镜的目的是使光均匀或“均衡”以提供均匀的光并消除光源的图像。在图1的示例中，两个蝇眼阵列增强了来自光源102和光源104的两条光路的几何分离。然而，在一些示例中，一个蝇眼阵列可以用于两条路径。透镜118可以是单个透镜或一组透镜。在该示例中，空间光调制器(SLM)112是数字微镜器件(DMD)。透镜106、蝇眼阵列108、蝇眼阵列110和透镜118保持与由光源102和光源104提供的光的角度差，使得来自光源102和光源104的光以不同的角度到达SLM 112。

图2示出SLM 112(图1)的一个像素。在该示例中，SLM 112是DMD。在另一示例中，SLM 112可以是硅上液晶(LCOS)调制器或另一类型的调制器。在示例中，SLM 112包括2560×1600(4,096,000)个可单独寻址的反射镜。在图2中，一个反射镜202在ON位置上相对于基板204是倾斜的。ON位置是将入射光反射到投影光学器件的位置。处于OFF位置的其他反射镜将光反射远离投影光学器件。以此方式，SLM 112(图1)调制光以提供期望的图像。对每个图像帧多次执行该调制，以提供期望的阴影和光强度。如图2所示，光206以与光208不同的角度入射到反射镜202上。在该示例中，光206来自光源104(图1)，并且光208来自光源102(图1)。反射镜202是平坦的，因此光206以光206的入射角在反射镜202上被反射为反射光210。类似地，光208以光208的入射角在反射镜202上被反射为反射光212。因此，反射光210和反射光212以不同的角度离开SLM 112(图1)。

图3示出示例投影仪的图像投影部分300。SLM 312类似于SLM 112(图1)。调制光302类似于反射光210(图2)，并且调制光304类似于反射光212(图2)。透镜306将调制光302聚焦到板308上。透镜306还将调制光304聚焦到板310上。板308和板310的组合提供了图像导向器件309，该图像导向器件向调制光302和调制光304施加不同的像素移位特性。在该示例中，板308是不会显著改变调制光302的路径的平坦玻璃板。在该示例中，板310是梯形板(也被称为楔形棱镜)，其使调制光304的像素位置在水平方向(x方向)上移位半个像素并且在垂直方向(y方向)上移位半个像素。在其他示例中，板310可以是提供期望的像素移位的倾斜平坦板。透镜313将来自板308的调制光302和来自板310的调制光304投射到目标314上。在该示例中，目标314是投影屏幕。如下文进一步解释，插图320示出目标314显示重叠的像素。

图4示出两个像素的相对像素位置，一个像素来自调制光302(图3)，一个像素来自调制光304(图3)。像素402是来自调制光302(图3)的未移位像素。像素404是来自调制光304(图3)的移位像素。在该示例中，像素404在正y方向上移位半个像素并且在负x方向上移位半个像素。如图4所示，其他示例可以相对于x/y轴在不同的方向上移位。像素404的中心大约在像素402的拐角处。像素406、像素408和像素410是来自调制光302(图3)的与像素402相邻的像素。像素404的中心在像素402、像素406、像素408和像素410的拐角处并且与这些像素的中心等距。通过在一个帧中几次交替调制光302和调制光304的不同调制，观察者的眼睛将这两个调制整合在一起并且图像看起来具有的像素数是SLM 312的两倍。图1-图4的示例通过交替地打开和关闭光源102和光源104(图1)来实现调制之间的这种交替。因此，该示例无需任何机械像素移位器件即可实现扩展的像素分辨率(XPR)。另外，由于光源102和光源104仅在一半的时间导通(占空比为50％)，所以这些高强度光源的功率耗散问题得到显著缓解。然而，该示例系统很大并且不适用于紧凑型安装。

图5是紧凑型显示系统500的示意图。在该示例中，紧凑型显示系统500是近眼显示器(NED)。光源502是绿色光源。透镜504将来自光源502的光准直。透镜504可以是单个透镜或多个透镜。来自透镜504的光穿过二向色楔(dichroic wedge)506到蝇眼阵列508。反射镜510将来自蝇眼阵列508的光反射到空间光调制器512。透镜514和透镜516聚焦并调整光的尺寸，以获得空间光调制器512的形状因数。在该示例中，透镜514和透镜516中的每一个包括一个或多个透镜。光源520是红色光源和蓝色光源。也就是说，光源520选择性地提供红色光和/或蓝色光。透镜522将来自光源520的光准直。透镜522可以是单个透镜或多个透镜。二向色楔506将光从透镜522反射到蝇眼阵列508。红色光源在光源520内的位置与绿色光源在光源520内的位置不同。因此，二向色楔506中的红色二向色反射镜相对于二向色楔506中的蓝色二向色反射镜成略微不同的角度，以使来自光源520中的两个不同光源的光对准。因此，二向色楔506具有楔形构造并且用作来自光源502和光源520的光的组合器。与来自光源502的光一样，来自蝇眼阵列508的光使来自光源520的光均匀化。来自蝇眼阵列508的光通过透镜514和透镜516从反射镜510反射到空间光调制器512。因此，光源502和光源520向空间光调制器512提供红色、绿色和蓝色的光。通过定时提供红色、绿色和蓝色的光以及定时调制空间光调制器512的每个像素，紧凑型显示系统500中每个像素处选择性地产生来自整个色域的颜色。在该示例中，空间光调制器512是数字微镜器件。在其他示例中，空间光调制器是其他器件，诸如LCOS空间光调制器。

由于来自反射镜510的光通过透镜516的入射角，该光穿过全内反射(TIR)棱镜530。来自空间光调制器512的ON光以一定角度反射，使得ON光通过透镜532反射离开TIR棱镜530到达衍射光学元件(DOE)534。如本文所用，“衍射光学元件”是指薄相元件，它通过干涉和衍射进行操作，以产生任意的光分布或帮助设计光学系统。在该示例中，DOE 534包括压印图案。穿过图案的图像干扰穿过图案的其他部分的光。图案的设计确定对通过DOE的图像的影响，并且因此确定穿过DOE的图像的特性。来自空间光调制器512的OFF光以一定角度反射，使得其穿过TIR棱镜530到达光吸收器(light sink)(未示出)。因此，DOE 534接收调制图像。

透镜532将调制图像作为“瞳孔图像”提供给DOE 534。即，紧凑型显示系统500被设计成将聚焦图像投射到眼睛550的后部，用户将该聚焦图像感知为在用户前面的图像。瞳孔图像是在用户的瞳孔处提供以产生期望图像的图像。然而，用户的眼睛并不固定。波导536与DOE 534和DOE 538一起用作瞳孔扩展器。也就是说，在瞳孔扩展器的范围内，无论用户将他/她的眼睛指向何处，瞳孔图像都被提供给用户的眼睛550。因此，波导536和DOE 538用作显示光学器件。紧凑型显示系统500提供了紧凑型系统，但是其分辨率受限于空间光调制器512的原始分辨率。

图6是瞳孔扩展器600的示意图。波导636包括透射玻璃平板或塑料平板，并且类似于波导536(图5)。输入DOE 634和输出DOE 638具有表面浮雕衍射光学元件或作为体积全息图的全息光学元件(HOE)。输入DOE 634和输出DOE 638分别类似于DOE 534和DOE 538。用户的眼睛650类似于用户的眼睛550(图5)。进入DOE 634的光发生衍射，使得其通过全内反射反射离开波导636的壁。输出DOE 638压印有衍射或全息图案，该衍射或全息图案在垂直方向和水平方向将光分成多个瞳孔图像，该垂直方向是从图6的页面的底部到顶部的方向，而该水平方向是进入图6的页面中的方向。DOE 638衍射在波导636内垂直和水平地传播的光，从而提取多个瞳孔图像。理想地，用户在用户的眼睛相对于紧凑型显示系统500的每个位置处接收瞳孔图像。有关瞳孔扩展器的示例，请参阅Bigler等人的“Holographic WaveguideHeads-Up Display for Longitudinal Image Magnification and Pupil Expansion(用于纵向图像放大和瞳孔扩展的全息波导抬头显示器)”，pp.2007-13,Vol.57,No.9,AppliedOptics(2018年3月20日)。

图7是示例显示器700的示意图。在该示例中，显示器700是近眼显示器(NED)。二向色楔706类似于二向色楔506(图5)。蝇眼阵列708类似于蝇眼阵列508(图5)。透镜714和透镜716分别类似于透镜514和透镜516(图5)。反射镜710类似于反射镜510(图5)。空间光调制器712类似于空间光调制器512(图5)。TIR棱镜730类似于TIR棱镜530(图5)。在一个示例中，除了透镜732大于透镜532以外，透镜732类似于透镜532(图5)。波导736类似于波导536(图5)。DOE 738类似于DOE 538(图5)。因此，波导736和DOE 738用作显示光学器件。光源702A是绿色光源。光源702B也是绿色光源。由于光源702A和光源702B的位置不同，因此相对于蝇眼阵列708并且相对于空间光调制器712的表面来说，来自光源702A的光的路径的角度和来自光源702B的光的路径的角度是不同的。因为蝇眼阵列708包括多个透镜，所以蝇眼阵列708保留了这种角度差，这与其他光均化器件(例如灯管)不同。光源720A是红色光源和蓝色光源。光源720B也是红色光源和蓝色光源。类似于光源702A和光源702B，相对于蝇眼阵列708并且相对于空间光调制器712的表面来说，来自光源720A的光的路径的角度和来自光源720B的光的路径的角度是不同的。与二向色楔506(图5)一样，二向色楔706用作来自光源702A和光源720A的光的组合器，并且用作来自光源702B和光源720B的光的组合器。

来自光源702A与光源702B以及光源720A与光源720B的不同角度的光传递到空间光调制器712。如图2所示，这意味着来自光源702A和光源720A的由空间光调制器712调制的光沿着路径742到达DOE 734A，并且来自光源702B和光源720B的由空间光调制器712调制的光沿着路径744到达DOE 734B。DOE 734A和DOE 734B的衍射角是不同的，使得穿过DOE 734B来自空间光调制器712的像素的光相对于穿过DOE 734A的同一像素竖直地移位半个像素，并且水平地移位半个像素。DOE 734A和DOE 734B在波导736上的位置使得来自DOE 734A和DOE 734B的图像采用相同的路径，因此每个瞳孔图像都包括来自DOE 734A和DOE 734B两者的图像。因此，来自路径742和路径744的经修改的调制光被组合到波导736中的相同路径上。通过交替使用光源702A和光源702B，并且通过交替使用光源720A和720B，由用户的眼睛750通过波导736和DOE 738感知的输出图像使空间光调制器712本身提供的分辨率加倍。图7的示例使用图5的系统的光源的两倍，以将感知的分辨率加倍。然而，可以使用附加光源，诸如每种颜色四个或六个光源，以进一步提高感知的分辨率。

图8是另一示例显示器800的示意图。在该示例中，显示器800是近眼显示器(NED)。光源802A和光源802B分别类似于光源702A和光源702B(图7)。光源820A和光源820B分别类似于光源720A和光源720B(图7)。透镜804A和透镜804B分别类似于透镜704A和透镜704B(图7)。透镜822A和822B分别类似于透镜722A和722B(图7)。二向色楔806类似于二向色楔706(图7)。蝇眼阵列808类似于蝇眼阵列708(图7)。透镜814和透镜816分别类似于透镜714和透镜716(图7)。反射镜810类似于反射镜710(图7)。空间光调制器812类似于空间光调制器712(图7)。TIR棱镜830类似于TIR棱镜730(图7)。透镜832类似于透镜732(图7)。波导836类似于波导736(图7)。DOE 838类似于DOE 738(图7)。因此，波导836和DOE 838用作显示光学器件。与图7的示例一样，来自光源802A和光源802B的光沿着路径842通过DOE 834A、通过波导836和DOE 838到达用户的眼睛850。类似地，光源820A和光源820B沿着路径844通过DOE 834B、通过波导836和DOE838到达用户的眼睛850。除了由DOE 834B提供的像素移位之外，还可以机械地致动板860以使提供给DOE 834A和DOE 834B中的一个或两者的图像移位。因此，示例显示器800可以相对于示例显示器700(图7)使输出图像的感知分辨率加倍。

图9是示出DOE 902的操作的图。光904以一定角度进入DOE 902。在这种情况下，该角度垂直于DOE 902。由于DOE 902中的图案以及图案的间距，光904作为具有不同角度的光906从DOE 902射出。图10是DOE 1002的另一示例。光1010进入DOE 1002，并且光1012从DOE1002射出。DOE 1002包括图案1004、图案1006和图案1008。DOE 1002的不同图案对出射光1012具有不同的影响。可以使用DOE 1002来替换例如DOE 734A和DOE 734B(图7)。

图11是DOE 1102的另一示例。该示例中的DOE 1102具有光功率。也就是说，它影响作为图像1106穿过的DOE 1102的图像1104的焦距。使用类似于DOE 1102的DOE，可以修改图7和图8以提供多焦点显示器。多焦点显示器被用于通过三维立体显示器来减轻眼睛疲劳。在立体显示器中查看三维物体时，眼睛同时执行两种功能。首先，眼睛聚焦在从眼睛到图像的距离处。这被称为焦距。在传统的立体器件中，显示器与眼睛的光学距离是固定的。眼睛必须聚焦在显示器上，因此焦距是恒定的。其次，眼睛移动到与物体的感知距离相对应的角度。这被称为视线聚合距离(vergence distance)。视线聚合距离随着物体在显示器上的感知位置而变化。因此，利用立体技术，图像本身在一个距离处，但是物体的感知距离可以在另一距离处。这导致观看者疲劳。对于虚拟现实的护目镜来说，这尤其是个问题，因为焦距可能是短距离。

为减轻该问题，三维图像被分解到焦平面中，其中每个平面被显示在不同的焦距处。使用具有类似于DOE 1102的光功率的DOE，可以将每个焦平面指向具有与该焦平面的焦距相对应的光功率的DOE。为每个焦平面提供一组光源，诸如光源702A和光源720A。因此，提供了一种多焦点显示器，其不需要机械装置来改变所显示的图像的平面的焦点。

在权利要求的范围内，所描述的示例中的修改是可能的，并且其他示例是可能的。

Claims

1.一种显示器，包括：

第一光源，其被配置为提供第一光；

第二光源，其被配置为提供第二光；

空间光调制器，其被配置为通过调制所述第一光来产生第一调制光，并且被配置为通过调制所述第二光来产生第二调制光；

第一衍射光学元件，其被配置为接收所述第一调制光并被配置为向显示光学器件提供具有第一特性的第一图像；以及

第二衍射光学元件，其被配置为接收所述第二调制光并被配置为向所述显示光学器件提供具有第二特性的第二图像。

2.根据权利要求1所述的显示器，其中所述第一特性是第一像素位置，并且所述第二特性是第二像素位置。

3.根据权利要求1所述的显示器，其中所述第一衍射光学元件具有第一光功率，并且所述第二衍射光学元件具有第二光功率。

4.根据权利要求1所述的显示器，其中所述显示光学器件包括波导，并且包括第三衍射光学元件，所述第三衍射光学元件被配置为从所述波导中提取所述第一图像和所述第二图像。

5.根据权利要求4所述的显示器，其中所述第三衍射光学元件是全息光学元件。

6.根据权利要求1所述的显示器，其中所述第一光源被配置为向所述空间光调制器提供所述第一光，并且所述第二光源被配置为通过蝇眼阵列向所述空间光调制器提供所述第二光。

7.根据权利要求1所述的显示器，其中所述显示器是近眼显示器。

8.一种显示器，包括：

第一光源，其被配置为提供第一光，所述第一光源具有第一颜色光源、第二颜色光源和第三颜色光源，其中所述第一颜色光源、所述第二颜色光源和所述第三颜色光源被配置为交替地提供第一颜色光、第二颜色光和第三颜色光通过组合器以提供所述第一光；

第二光源，其被配置为提供第二光，所述第二光源具有第四颜色光源、第五颜色光源和第六颜色光源，其中所述第四颜色光源、所述第五颜色光源和所述第六颜色光源被配置为交替地提供所述第一颜色光、所述第二颜色光和所述第三颜色光通过所述组合器以提供所述第二光；

第一衍射光学元件，其被配置为从所述空间光调制器接收所述第一调制光并被配置为向显示光学器件提供具有第一特性的第一图像；

第二衍射光学元件，其被配置为从所述空间光调制器接收所述第二调制光并被配置为向所述显示光学器件提供具有第二特性的第二图像。

9.根据权利要求8所述的显示器，其中所述第一特性是第一像素位置，并且所述第二特性是第二像素位置。

10.根据权利要求8所述的显示器，其中所述第一衍射光学元件具有第一光功率，并且所述第二衍射光学元件具有第二光功率。

11.根据权利要求8所述的显示器，其中所述显示光学器件包括波导，并且包括第三衍射光学元件，所述第三衍射光学元件被配置为从所述波导中提取所述第一图像和所述第二图像。

12.根据权利要求11所述的显示器，其中所述第三衍射光学元件是全息光学元件。

13.根据权利要求8所述的显示器，其中所述第一光源被配置为向所述空间光调制器提供所述第一光，并且所述第二光源被配置为通过蝇眼阵列向所述空间光调制器提供所述第二光。

14.根据权利要求8所述的显示器，其中所述显示器是近眼显示器。

15.一种方法，包括：

提供相对于空间光调制器的表面具有第一角度的第一光；

提供相对于所述空间光调制器的所述表面具有第二角度的第二光；

使用所述空间光调制器调制所述第一光以提供第一调制光并且调制所述第二光以提供第二调制光；

使用第一衍射光学元件修改所述第一调制光以产生具有第一特性的第一修改调制光；

使用第二衍射光学元件修改所述第二调制光以产生具有第二特性的第二修改调制光；以及

使用显示光学器件显示所述第一修改调制光和所述第二修改调制光。

16.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一光包括第一颜色光、第二颜色光和第三颜色光，其中交替地提供所述第一颜色光、所述第二颜色光和所述第三颜色光通过组合器以提供所述第一光；并且其中所述第二光包括所述第一颜色光、所述第二颜色光和所述第三颜色光，其中交替地提供所述第一颜色光、所述第二颜色光和所述第三颜色光通过所述组合器以提供所述第一光。

17.根据权利要求15所述的方法，还包括在使用蝇眼阵列向所述空间光调制器提供所述第一光和所述第二光之前，使所述第一光和所述第二光均匀化。

18.根据权利要求15所述的方法，其中所述第一特性是第一像素位置，并且所述第二特性是第二像素位置。

19.根据权利要求15所述的方法，其中所述显示光学器件包括波导，并且包括第三衍射光学元件，以从所述波导中提取所述第一修改调制光和所述第二修改调制光。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述第三衍射光学元件是全息光学元件。