CN113168003A - 用于增强现实设备中的高效目镜的方法和系统 - Google Patents

Abstract

一种显示系统，包括：投影光学器件，其被配置为在第一方向上投影光束；以及目镜单元，其包括第一波导层，该第一波导层设置在第一横向平面中并且包括入射光表面和与入射光表面相对的相对表面，以及设置在入射光表面上的入耦合衍射光学元件。入耦合衍射光学元件被配置为入耦合光束的第一部分，并且通过全内反射在第二方向上传播光束的第一部分，并且沿着第一方向透射光束的第二部分。该目镜还包括与相对表面相邻设置的后向反射器。后向反射器被配置为沿着与第一方向相反的反射方向来后向反射光束的第二部分。

Description

用于增强现实设备中的高效目镜的方法和系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年11月30日提交的题为“用于增强现实设备中的高效目镜的方法和系统(Methods and Systems for High Efficiency Eyepiece in AugmentedReality Devices)”的美国临时专利申请序列号62/773,821的优先权，其公开内容出于所有目的通过引用全部合并于此。

背景技术

现代计算和显示技术已经促进了用于所谓的“虚拟现实”或“增强现实”体验的系统的开发，其中，数字产生的图像或其一部分在可穿戴设备中以它们似乎是或可能被感知为真实的方式呈现给用户。虚拟现实或“VR”场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现，而对其它实际真实世界视觉输入没有透明度；增强现实或“AR”场景通常涉及呈现数字或虚拟图像信息，以增强对用户周围真实世界的可视化。

尽管在这些显示技术上取得了进步，但是在本领域中需要与增强现实系统(特别是显示系统)有关的改进的方法和系统。

发明内容

本公开总体上涉及与包括可穿戴显示器的投影显示系统有关的方法和系统。更具体地，本公开的实施例提供了用于目镜单元的方法和系统，该目镜单元包括提高系统亮度和性能的后向反射器。在特定实施例中，后向反射器与目镜的波导层集成在一起，以再循环光并提高投影到波导层中的光的有效耦合效率。本公开适用于计算机视觉和图像显示系统中的各种应用。

根据本发明的实施例，提供了一种显示系统。该显示系统包括：投影光学器件，其被配置为在第一方向上投影光束；以及目镜单元，其包括第一波导层，该第一波导层被设置在第一横向平面中并且包括入射光表面和与入射光表面相对的相对表面，以及设置在入射光表面上的入耦合衍射光学元件。入耦合衍射光学元件被配置为入耦合光束的第一部分，并且通过全内反射在第二方向上传播光束的第一部分，并且沿着第一方向透射光束的第二部分。目镜单元还包括与相对表面相邻设置的后向反射器。后向反射器被配置为沿着与第一方向相反的反射方向后向反射光束的第二部分。

根据本发明的另一个实施例，提供了一种目镜单元。目镜单元包括设置在横向平面中并且包括入射光表面和与入射光表面相对的相对表面的波导层，以及设置在入射光表面上的第一入耦合衍射光学元件。第一入耦合衍射光学元件被配置为入耦合在第一方向上传播的光束的第一部分，并且通过全内反射在第二方向上传播光束的第一部分，并且沿第一方向透射光束的第二部分。目镜单元还包括设置在相对表面上的第二入耦合衍射光学元件。第二入耦合衍射光学元件被配置为沿第一方向接收光束的第二部分，入耦合光束的第三部分，并通过全内反射在第三方向上传播光束的第三部分，并沿第一方向透射光束的第四部分。目镜单元进一步包括与相对表面相邻设置的后向反射器。后向反射器被配置为沿着与第一方向相反的反射方向后向反射光束的第四部分。

根据本发明的特定实施例，提供了一种操作显示系统的方法。该方法包括：在第一方向上引导光束；在波导层的入射光表面处接收光束，波导层具有与入射光表面相对的相对表面；以及在第一衍射光学元件处将光束的第一部分在第二方向上传播到波导层中。该方法还包括在第一衍射光学元件处将光束的第二部分透射朝向相对表面，并且沿着与第一方向相反的反射方向后向反射光束的第二部分。

通过本发明，与传统技术相比，获得了许多益处。例如，本发明的实施例提供了可以导致更高的效率并且可以回收通过使用后向反射器否则会损失的光的方法和系统。结合以下文本和附图更详细地描述本发明的这些和其它实施例以及其许多优点和特征。

附图说明

图1示意性地示出根据本发明的实施例的可用于向观看者呈现数字或虚拟图像的观看光学组件(VOA)的一部分中的光路。

图2示意性地示出根据本发明的实施例的用于观看虚拟图像的目镜中的分色的方法。

图3示意性地示出根据本发明的实施例的目镜的平面图。

图4是示出根据本发明的实施例的用于多个深度平面的颜色的时序编码的示意图。

图5是根据本发明的实施例的具有对准的衍射光学元件和集成后向反射器的目镜的横截面视图。

图6是根据本发明的实施例的投影仪、目镜和后向反射器的元件的横截面视图。

图7是根据本发明的实施例的目镜和集成后向反射器的平面波导的横截面视图。

图8是根据本发明的实施例的具有多个衍射光学元件和集成后向反射器的平面波导的横截面视图。

图9是示出根据本发明的实施例的减少目镜中的伪像的方法的简化流程图。

图10A是根据本发明的实施例的在多光瞳系统中使用的平面波导的简化横截面视图。

图10B是图10A中所示的平面波导的多光瞳布局的简化平面图。

图11是示出根据本发明的实施例的后向反射器的元件的简化示意图。

具体实施方式

本发明的实施例涉及利用包括可穿戴显示器的投影显示系统的方法和系统。更具体地，本公开的实施例提供了用于装配有后向反射器的目镜单元的方法和系统。本公开适用于计算机视觉和图像显示系统中的各种应用。

图1示意性地示出根据一些实施例的可用于向观看者呈现数字或虚拟图像的观看光学组件(VOA)中的光路。VOA包括投影仪101和可以戴在观看者的眼睛102周围的目镜100。在一些实施例中，投影仪101可以包括一组红色LED、一组绿色LED和一组蓝色LED。例如，投影仪101可以包括两个红色LED、两个绿色LED和两个蓝色LED。目镜100可包括一个或多个目镜层。在一些实施例中，目镜100包括三个目镜层，一个目镜层用于红色、绿色和蓝色这三种颜色中的每一种。在一些实施例中，目镜100可以包括六个目镜层，即，针对三种颜色中的每一种颜色的一组目镜层，其被配置为在一个深度平面处形成虚拟图像，以及针对三种颜色中的每一种颜色的另一组目镜层，其被配置为在另一深度平面处形成虚拟图像。在一些实施例中，目镜100可包括用于三个或更多个不同深度平面的三种颜色中的每一种颜色的三个或更多个目镜层。每个目镜层包括平面波导，并且可以包括入耦合光栅107、正交光瞳扩展器(OPE)区域108和出射光瞳扩展器(EPE)区域109。尽管在此将目镜层称为平面波导层，但是应当理解，衍射和/或反射结构可以与目镜层的一个或多个表面集成在一起，从而形成通常为平面的波导层，但是其特征在于可以对光进行衍射和/或反射的非平面区域。

仍参考图1，投影仪101将图像光投影到目镜层100中的入耦合光栅107上。入耦合光栅107将来自投影仪101的图像光耦合到平面波导中，该平面波导在朝向OPE区域108的方向上传播图像光。平面波导通过全内反射(TIR)在水平方向上传播图像光。目镜层的OPE区域108包括衍射元件，该衍射元件将在波导中传播的图像光的一部分朝向EPE区域109耦合并重定向。EPE区域109包括衍射元件，该衍射元件将在平面波导中传播的图像光的一部分在大致垂直于目镜层平面的方向上朝向观看者的眼睛102耦合并定向。以该方式，可以由观看者的眼睛102观看由投影仪101投影的图像。图1中所示的VOA的一部分可以构成观看者的一只眼睛的“单片镜”。整个VOA可以包括两个此类单片镜，每个用于观看者的一个眼睛。

如上所述，由投影仪生成的图像光可以包括蓝色(B)、绿色(G)和红色(R)三种颜色的光。可以将此类图像光分离为组分颜色，使得可以将每种组分颜色中的图像光耦合到目镜中的相应波导。

图2示意性地示出根据本发明的实施例的使用“成线(line)”方法的分色的方法。在该示例中，目镜230还可以包括蓝色波导240、绿色波导250和红色波导260。每个波导240、250或260可以包括ICG 242、252或262，OPE区域244、254、264，以及EPE区域246、256或266。这里，由投影仪子系统210生成的蓝色、绿色和红色的图像光在空间上没有彼此分离，并且蓝色、绿色和红色波导240、250和260中的ICG 242、252和262彼此横向地对准。因此，图像光以“连续(serial)”方式依次通过每个波导。目镜230可进一步包括：第一波长选择性光学元件292，其定位于蓝色波导240中的ICG 242与绿色波导250中的ICG 252之间；以及第二波长选择性光学元件294，其定位于绿色波导250中的ICG 252与红色波导260中的ICG 262之间。第一波长选择性光学元件292和第二波长选择性光学元件294可以例如表示波长选择性光学滤光片(即，在特定波长范围内选择性地透射光的光学元件)和/或波长选择性光反射器(即反射镜和其它光学元件，它们可选择性反射特定波长范围内的光)。二向色滤光片是被配置为基于波长选择性性地透射和反射光的光学元件的一个示例。在下面，第一波长选择性光学元件292和第二波长选择性光学元件294也可以分别称为“光学滤光片292”和“光学滤光片294”。类似地，参考图3-9中的任何一个图描述的其它波长选择性光学元件在此也可以称为“光学滤光片”。

如图2中所示，所有三种颜色的图像光入射在蓝色波导240中的ICG242上。蓝色波导240中的ICG 242可以将图像光的主要在蓝色波长范围内的一部分耦合到蓝色波导240中以被朝向OPE区域244被引导。如将进一步讨论的，蓝色波导240中的ICG 242还可将少量的绿色图像光，以及甚至更少量的红色光耦合到蓝色波导240中。未被耦合到蓝色波导240中的图像光透射通过蓝色波导240并入射在第一光学滤光片292上。第一光学滤光片292可被配置为在绿色和红色波长范围内具有高透射率值，并且在蓝色波长范围内具有低透射率值。因此，由第一光学滤光片292透射并入射到绿色波导250中的ICG 252上的图像光可以主要包含绿色图像光和红色图像光，并且几乎不包含蓝色图像光或不包含蓝色图像光。

仍参考图2，绿色波导250中的ICG 252可以将图像光的主要在绿色波长范围内的一部分耦合到绿色波导250中以被朝向OPE区域254引导。如将在后面进一步讨论的，绿色波导250中的ICG 252还可以将少量红色图像光耦合到绿色波导250中。未被耦合到绿色波导250中的图像光可以透射通过绿色波导250并入射到第二光学滤光片294上。第二光学滤光片294可以被配置为在红色波长范围内具有高透射率值，并且在绿色和蓝色波长范围内具有低透射率值。因此，由第二光学滤光片294透射并入射在红色波导260中的ICG 262上的图像光可以主要包含红色图像光，并且非常少或没有绿色图像光和蓝色图像光。红色波导260中的ICG 262可以将图像光的主要在红色波长范围内的一部分耦合到红色波导260中以朝向OPE区域264引导。

图3示意性地示出根据本发明的实施例的目镜300的平面图。目镜300可包括堆叠在相邻横向平面中的蓝色波导340、绿色波导350和红色波导360。每个波导340、350或360可以包括ICG区域310、OPE区域320和EPE区域330。用于三个波导340、350和360的ICG区域310可以被设置在相同的横向位置中，并且因此，它们沿着相同的光路被堆叠。第一光学滤光片392可以被定位于蓝色波导340的ICG 310与绿色波导350的ICG 310之间。第二光学滤光片392可以被定位于绿色波导350的ICG 310与红色波导360的ICG 310之间。

图4是示出根据一些实施例的用于多个深度平面的颜色的时序编码的示意图。如图4中所示，深度平面(该图示中为三个)经由着色器被编码为每像素的最低有效位(LSB)。在此讨论的投影仪组件在所需的深度平面中提供了对于每种颜色的像素的精确放置。对于每个深度平面，依次对三种颜色进行编码-(平面0的R0、G0、B0)402、(平面1的R1、G1、B1)404、和(平面2的R2、G2、B2)406。每种颜色1.39ms的照明提供720Hz的照明帧速率408，并且所有三种颜色和三个深度平面410的80Hz的帧速率(基于12.5ms刷新所有的颜色和平面)。在一些实施例中，可以仅通过使用光源来使用针对每帧的单个深度平面的单个颜色，该光源与针对该特定深度平面的该特定颜色相关联。

在一些实施例中，可以通过使用接收顺序编码的颜色的可变焦距透镜来实现多个深度平面。在这些实施例中，可以存在三个目镜层并且入耦合光栅可以被进一步间隔开，使得入耦合光栅不围绕光轴彼此直接相对地定位。本领域普通技术人员将认识到许多变型、修改和替代。

图5是根据本发明的实施例的具有对准的衍射光学元件和集成后向反射器的目镜的横截面视图。可以用于将图像投影到观看者的眼睛的目镜500包括第一平面波导510，也称为第一波导，其定位在第一横向平面中(即，在第一x-y平面中，并且定位于第一纵向(z轴)位置)。第一平面波导510包括设置在第一横向位置(即，第一x-y坐标位置)处的第一衍射光学元件(DOE)512。第一DOE 512可以包括形成在第一平面波导510的第一表面513(也可以称为入射光表面)或第一波导510的与第一表面相对的第二表面514(可以称为相对表面)上的入耦合光栅(ICG)。在一些实施例中，第一DOE 512可以包括形成在第一平面波导510的第一表面513和第一波导510的与第一表面相对的第二表面514二者上的ICG。第一DOE 512可以是被配置为将第一波长范围中的图像光(例如，蓝色图像光)衍射到第一平面波导510中以被朝向第一波导510的第二横向区域引导的透射光栅。第二横向区域可以是ICG与OPE之间的区域。未被耦合到第一波导510中的图像光的一部分可以透射通过第一波导510。

目镜500还包括第二平面波导520，也称为第二波导，其定位于与第一横向平面相邻的第二横向平面中(即，在第二纵向位置处)。第二平面波导520包括设置在第一DOE 512下方的第一横向位置处的第二DOE 522。第二DOE 522可以包括形成在第二波导520的第一表面523、第二波导520的与第一表面相对的第二表面524、或第一表面523和与第一表面相对的第二表面524二者上的入耦合光栅(ICG)。第二DOE 522可以是被配置为将第二波长范围内的图像光(例如，绿色图像光)衍射到第二波导520中以被朝向第二波导520的第二横向区域引导的透射光栅。第二横向区域可以是ICG与OPE之间的区域。未被耦合到第二波导520中的图像光的一部分可以透射通过第二平面波导520。

目镜500还包括第三平面波导530，也称为第三波导，其定位在与第二横向平面相邻的第三横向平面中(即，在第三纵向位置处)。第三平面波导530包括第三DOE 532，该第三DOE 532设置在第一DOE 512和第二DOE 522下方的第一横向位置处，并且沿着纵向方向对准(即，与z轴对准)。第三DOE 532可以包括形成在第三平面波导530的第一表面533或第三平面波导530的与第一表面相对的第二表面534上的入耦合光栅(ICG)。第三DOE 532可以是被配置为将第三波长范围内的图像光(例如红色图像光)衍射到第三平面波导530中以被朝向第三平面波导530的第二横向区域引导的透射光栅。第二横向区域可以是ICG与OPE之间的区域。未被耦合到第三平面波导530中的图像光的一部分可以透射通过第三平面波导530。

尽管在图5中所示的实施例中所有三个DOE(例如，第一DOE 512、第二DOE 522和第三DOE 532)都被对准，但是这不是本公开所要求的，并且DOE可以在不同的横向位置处在空间上分开。作为示例，第一DOE 512(例如，以衍射绿光)可以与第二DOE 522和第三DOE 532在空间上分开，该第二DOE 522和第三DOE 532可以对准。在该示例中，由于绿光位于可见光谱的中间，因此它与蓝光和红光在空间上分开，而蓝光和红光在DOE中对于其它颜色没有强烈衍射，从而使得蓝色和红色DOE(例如，第二DOE 522和第三DOE 532)在空间上可以被对准。本领域普通技术人员将认识到许多变型、修改和替代。

参考图5，第一输入光束502(例如，蓝色输入光束)经由入耦合DOE 512耦合到第一平面波导510中。以类似的方式，第二输入光束504(例如，绿色输入光束)经由入耦合DOE522耦合到第二平面波导520中，并且第三输入光束506(例如，红色输入光束)经由入耦合DOE 532耦合到第三平面波导530中。如下面更全面描述的，在穿过波导之后，未被衍射到波导中的光由后向反射器550后向反射。如图5中所示，后向反射器550定位于第一横向位置处并与入耦合DOE对准。后向反射器可以被配置为将透射通过三个平面波导的图像光朝向投影仪(未示出)反射回去。如下所述，后向反射光可以在其朝向投影仪传播时耦合到波导中，从而增加输出到观看者的光场的亮度和对比度。

根据一些其他实施例，平面波导510、520和530的顺序可以与图5中所示的顺序不同。另外，根据一些实施例，目镜500可包括少于三个的波导(例如，两个波导)，或多于三个的波导(例如，九个波导，每种颜色三个)。在一些实施例中，目镜500可以包括用于除了红色、绿色和蓝色以外的颜色的波导。例如，代替红色、绿色和蓝色或除了红色、绿色和蓝色之外，它还可以包括用于品红色和青色的波导。

图6是根据本发明的实施例的投影仪、目镜和后向反射器的元件的横截面视图。如图6中所示，用于生成由目镜的平面波导620产生的虚拟图像的光被显示元件610(例如，硅上液晶(LCOS)显示器)反射。为了说明的目的，显示元件的像素611被示出为反射入射光。反射光穿过投影光学器件612，在图6中被示为单个透镜。本领域技术人员将理解，将投影光学器件图示为单个透镜仅是为了清楚起见，并且在实践中，在投影光学器件612中将使用多个光学元件，包括透镜、光阑等。如果利用发射显示元件，则由显示元件发射的光以类似的方式穿过投影光学器件612。实施例不限于LCOS显示器，并且包括反射型和发射型显示器的其它显示技术也包括在本发明的范围内。

在穿过投影光学器件612之后，由光线601所示的光入射到入耦合DOE 622上。入射光的第一部分由入耦合DOE 622衍射，并如光线602所示基于TIR朝向目镜的平面波导620的OPE和EPE传播。应当理解，光通常将被衍射成多阶，并且为了清楚起见，在图6中仅示出了朝向OPE引导的衍射阶。作为衍射成多阶的结果，可以将光吸收器(未示出)集成到平面波导中，以吸收衍射成远离OPE引导的阶的光。入射光的第二部分如光线601所示穿过入耦合DOE622，并由后向反射器624进行后向反射。

后向反射器624沿着与入射光的原始方向平行但方向相反的方向反射入射光，该反射光由光线603示出。尽管在图6中光线601与光线603横向偏移，但是应当理解，在实际实现方式中，为了在图示中提供清晰度而在图6中利用横向偏移，与光束直径相比，后向反射光的横向偏移较小。在一些实施例中，后向反射器的横向尺寸或大小将大约等于入耦合衍射光学元件的横向尺寸，但是这不是必需的，并且后向反射器的横向尺寸可以大于或小于入耦合衍射光学元件的尺寸。本领域普通技术人员将认识到许多变型、修改和替代。

根据本发明的实施例，可以使用多种不同的后向反射器设计，包括角锥棱镜膜、角锥(corner cube)阵列(角隅尺寸在几十微米到几百微米的数量级)、金属化微棱镜结构等。使用纳米压印、半导体加工技术(包括无掩模光刻)、增材制造技术等，可以在平面波导层的远侧表面上制造具有横向范围的集成后向反射器，该横向范围例如与入耦合衍射光学元件的横向范围基本上匹配。因此，具有沿着x和y轴的0.5至-3.0mm测量的横向尺寸、沿着纵向z方向的20-600μm测量的高度的后向反射器(例如，在几十微米到几百微米的范围内)可以在本发明的各种实施例中利用。在这些实施例中，构成后向反射器的特征的尺寸可以是后向反射器的横向尺寸的一小部分，例如，尺寸小于100μm的角锥排列成可提供尺寸为几个毫米的后向反射器。如对于本领域技术人员将显而易见的，后向反射器的结构不限于角锥，而是可包括其它后向反射器结构，包括球形反射器、锥体反射器等。

如图6中的光锥605所示，后向反射光通过投影光学器件612返回，并入射在显示元件上的最初反射光的像素位置处。与来自目镜元件的镜面反射相反，后向反射光以与如上所述的入射光相同的角度传播，而不是以与入射角相等且相反的角度传播。结果，以相同角度传播的光将在平面波导中以相同角度衍射，从而与由光线602表示的初始衍射光重叠并向用户表示相同像素。此外，与导致镜面反射的光入射在显示元件的镜象像素上的镜面反射相反，从后向反射器624后向反射的光入射在显示元件的原始像素上。结果，通过本发明的实施例减少或防止了伪像(即，重影)。

因此，本发明的实施例对伪像的预防或减少与其中镜面可以邻近平面波导620定位并且仅导致镜面反射的系统形成对比。如图6中所示，如果光线601入射在镜面(未示出)上，则镜面的反射将导致反射的光线650，该反射的光线650将以与光线601的入射角相等且相反的反射角进行反射。应当注意，示出的反射光线650仅用于与利用镜面的方法进行比较，而在图6中所示的系统中并不物理地存在。然后，反射光线650将由投影光学器件612成像，并在相对于像素611的镜像位置613处入射在显示元件610上。因此，与像素611相关联的光将在镜像位置613处作为伪像出现。如果在镜像位置613处的像素是反射性的，则反射的光线650可以朝向投影光学器件612反射回，以最终投影到用户。因此，如在此所述，使用后向反射器防止了伪像的生成，因为后向反射光在与像素611相关联的原始位置处成像，而不是在镜像位置613处成像。关于与图6有关的伪像生成讨论了单个像素，但是将理解，仅作为示例并且为了清楚起见提供了单个像素示例，并且与单个像素有关的讨论适当地适用于显示器中的其它像素。

图7是根据本发明的实施例的目镜和集成后向反射器的平面波导的横截面视图。参考图7，由光线701表示的图像光入射到平面波导层710的近侧表面721(即与投影仪相邻)上。平面波导层710包括入耦合DOE 712、集成后向反射器714、和分别由衍射元件716和718示出的正交光瞳扩展器(OPE)和出射光瞳扩展器(EPE)。

由光线701表示的图像光的第一部分由入耦合衍射光学元件712衍射为如光线703所示。由光线701表示的图像光的其余部分穿过平面波导层710并由后向反射器714进行后向反射。在图7中所示的实施例中，后向反射器714被压印(例如，使用纳米压印)在平面波导层710的远侧表面723上。然而，其它光学布置包括在本发明的范围内，包括与平面波导层710的远侧表面723距预定距离定位的后向反射器。因此，后向反射器可以集成到平面波导层的表面中，从而导致平面波导层的非平面区域成为与平面波导层的平面表面连接(例如结合)的单独结构，或成为与平面波导层光学耦合但在空间上分开的单独结构。本领域普通技术人员将认识到许多变型、修改和替代。

后向反射光705的第一部分由入耦合DOE 712衍射为如光线707所示。应当理解，光通常将沿多个阶衍射，并且为了清楚起见，在图7中仅示出了朝向OPE引导的衍射阶。该衍射光与由光线703表示的初始衍射光一起被朝向OPE和EPE引导，最终传递到观看者。由于光线703和707二者都与显示元件的相同像素相关联，因此与该像素相关联的亮度将增加。因此，集成后向反射器714的使用有效地为由入耦合衍射光学元件衍射的光提供了两次通过，从而增加了入耦合效率并且有效地提高了入耦合衍射光学元件的衍射效率。

后向反射光705的其余部分通过投影光学器件返回并入射在显示元件上的最初反射光的像素位置。如光线731所示，到达显示元件的光可以第二次(以及附加后续时间)反射离开显示元件。第二次从显示元件反射的光可以称为再循环图像光。由光线731表示的该再循环图像光可以用于产生衍射光线733和737，该衍射光线与通过在使再循环图像光通过入耦合衍射光学元件712的第一次通过时入耦合衍射光学元件712进行的衍射(即与光线731相关联)相关联，以及与在从后向反射器714的第二后向反射之后通过在使再循环图像光通过入耦合衍射光学元件712的第二次通过时入耦合衍射光学元件712进行的衍射(即与光线735相关联)相关联。如图7中所示，由于光线701和731从同一像素反射，因此它们是平行的。

如对于本领域技术人员将显而易见的，随着从后向反射器向后传播的光以与从原始像素初始反射的光相同的锥角照亮显示元件的原始像素，在与每种颜色和每个深度平面相关联的剩余帧时间期间，将发生来自显示元件的后续反射。因此，可以通过来自显示元件的反射来生成表示原始像素的反射，并且可以提高目镜效率。在实际实现方式中，由于帧时间远大于从显示元件到后向反射器的往返传播时间，所以图像光的再循环可导致图像光衍射到平面波导中，直到在显示元件处反射光的强度可以忽略不计。结果，由来自显示元件的多次反射产生的光的再循环将为用户带来增加的图像亮度和增加的系统效率。本领域普通技术人员将认识到许多变型、修改和替代。

如图7中所示，当由入耦合衍射光学元件712衍射的光入射到集成后向反射器714的左侧的远侧表面723上时，该衍射光被全内反射并朝向衍射元件716和718传播。如果衍射光入射在集成后向反射器714上，则该衍射光可以朝向入耦合衍射光学元件712向后反射回，这时它可以朝向投影光学器件衍射回，从不导致光耦合到平面波导层710中。为了防止衍射光的不期望的后向反射，可以增加平面波导层710的厚度，以使得能够在到达远侧表面723之前在衍射光的横向方向上进行附加传播。另外地或可替代地，可以减小ICG的横向尺寸。因此，在一些实施例中，选择后向反射器的横向尺寸(例如，面积)，使得从入耦合DOE衍射的光能够在衍射后在波导中进行全内反射，而在衍射后不会入射在后向反射器上，并且然后朝向入耦合DOE后向反射回，从而防止光到达平面波导的EPE/OPE部分。此外，如果在后向反射器与平面波导层之间引入气隙，则将关于图8进行更详细的讨论，可以实现防止衍射光的后向反射。

应当注意，衍射元件716和718可以被实现为组合的OPE/EPE，其可以被称为组合的光瞳扩展器(CPE)。CPE可以以如图7中所示的双面配置或单面配置实现。例如，CPE可以包括由衍射元件716表示的OPE组件和由衍射元件718表示的EPE组件。因此，OPE组件(例如，包括OPE光栅)可以位于基板710的一侧面上，并且EPE组件(例如，包括EPE光栅)可以位于基板710的另一侧面上。根据特定应用，可以将OPE组件和/或EPE组件实现为2D光栅或1D光栅。在共同转让的美国专利序列号10,481,317中提供了与CPE的制造有关的附加描述，该专利的公开内容出于所有目的通过引用整体并入在此。

图8是根据本发明的实施例的具有多个衍射光学元件的平面波导和集成后向反射器的横截面视图。参考图8，已将入耦合衍射光学元件与平面波导层的近侧表面以及平面波导层的远侧表面二者集成在一起。由光线801表示的图像光入射在平面波导层810的近侧表面821上(即，与投影仪相邻)。平面波导层810包括第一入耦合DOE 812、第二入耦合衍射光学元件814、集成后向反射器816，以及分别由衍射元件818和819示出的正交光瞳扩展器(OPE)和出射光瞳扩展器(EPE)。

由光线801表示的图像光的第一部分由第一入耦合衍射光学元件812衍射为如光线803所示。由光线801表示的图像光的其余部分穿过平面波导层810，并且其余部分的第二部分由第二入耦合衍射光学元件814衍射为如光线805所示。因此，在平面波导层的近侧和远侧表面二者上使用入耦合衍射光学元件增加了图像光朝向OPE的衍射效率。

穿过第二入耦合衍射光学元件的光由后向反射器816进行后向反射。在一些实施例中，后向反射器816被压印(例如，使用纳米压印)在平面波导层810的远侧表面822上。然而，其它光学布置包括在本发明的范围内，包括与平面波导层810的远侧表面822距预定距离D定位的后向反射器。因此，后向反射器可以集成到平面波导层的表面中，从而导致平面波导层的非平面区域为与平面波导层的平面连接(例如结合)的单独结构，或为与平面波导层光学耦合但在空间上分开的单独结构。本领域普通技术人员将认识到许多变型、修改和替代。

如图8中所示，在一些实施例中，将入耦合DOE定位在平面波导810的前表面821以及后表面822上。在这些实施例中，后向反射器可以定位成与平面波导的后表面距预定距离，并且结果，在空间上与后表面分开预定距离。在这些实施例中，后向反射器可以被制造为与平面波导分开的结构，并且可以机械地安装到平面波导或支撑平面波导和后向反射器结构二者的支撑结构。可以用周围环境(例如，气隙)、间隔件材料等填充空间分隔。如果利用间隔件材料，则应考虑平面波导、平面波导810的后表面822上的入耦合DOE 814、间隔件材料和/或后向反射器的折射率，以避免间隔件材料和入耦合DOE 814之间的折射率匹配，这可能潜在地降低入耦合DOE的效率，因为入耦合DOE和间隔件材料之间的折射率差有效地淘汰(wash out)DOE。

在一些实施例中，使用聚合物材料制造入耦合DOE。如果入耦合DOE 814利用金属材料来提供衍射效果，则与折射率更紧密地匹配于间隔件材料的材料相比，衍射效率的降低可以很小。在一些实施例中，后向反射器可使用增材制造工艺形成为与入耦合DOE 814接触。在这些实施例中，对于入耦合DOE(例如金属)和间隔件材料(例如聚合物)和/或后向反射器(例如聚合物)，具有不同折射率的材料的使用可能导致低水平的折射率匹配并保持所需的DOE效率。

以类似于关于图7所讨论的方式，后向反射光的第一部分由入耦合DOE 814衍射为如光线807所示，并且在穿过平面波导层之后，第二部分由入耦合DOE 812衍射为如光线809所示。由于后向反射光817沿着与原始图像光相同的方向(即与原始图像光的传播方向相反)传播，因此，后向反射光的衍射将与与在第一次穿过平面波导层期间的衍射相关联的光线803和805重叠。如对本领域技术人员显而易见的，衍射阶将取决于DOE是以反射还是透射来操作而不同(即，正阶或负阶)。作为示例，光线803可以是通过在透射中操作的入耦合DOE812而产生的正衍射阶，而光线805可以是通过在反射中操作的入耦合DOE 814而产生的正衍射阶。光线807可以是通过在透射中操作的入耦合DOE 814而产生的负衍射阶，而光线809可以是通过在反射中操作的入耦合DOE 812而产生的负衍射阶。

与图7中所示的实施例相比，两个入耦合衍射光学元件的使用使得光在往返穿过入耦合衍射光学元件期间被衍射四次，如光线803、805、807和809所示。由于朝向OPE和EPE引导最终传递给观看者的衍射光与显示元件的同一像素相关联，因此与该像素相关联的亮度将增加，如光线803、805、807和809所示。在图8中所示的实施例中，两个入耦合衍射光学元件和集成后向反射器816的使用有效地为由每个入耦合衍射光学元件衍射的光提供两次通过，增加了入耦合效率以及有效地提高了入耦合衍射光学元件的衍射效率。

其余的后向反射光通过投影光学器件返回并入射在显示元件上的最初反射光的像素位置。到达显示元件的光可以第二次(以及附加后续时间)反射离开显示元件，并且入射在波导层810上。以类似于关于图7所讨论的方式，第二次从显示元件反射的光可以被称为再循环图像光。该再循环图像光(未示出)可用于产生衍射光线，该衍射光线分别与在再循环图像光第一次通过平面波导层时由第一入耦合衍射光学元件812和第二入耦合衍射光学元件814进行的衍射以及在再循环图像光第二次通过平面波导层时由第一入耦合衍射光学元件812和第二入耦合衍射光学元件814进行的衍射相关联。

图9是示出根据本发明的实施例的减少目镜中的伪像的方法的简化流程图。该方法包括在步骤905处在第一方向上引导光束。在步骤910处，该方法进一步包括在具有与入射光表面相对的相对表面的波导层的入射光表面处接收光束。

在步骤915处，该方法进一步包括在第一衍射光学元件处将光束的第一部分在第二方向上传播到波导层中。在步骤920处，该方法进一步包括由第一衍射光学元件朝向相对表面透射光束的第二部分。在步骤925处，该方法进一步包括沿着与第一方向相反的反射方向后向反射光束的第二部分。

在一些实施例中，该方法进一步包括在第一衍射光学元件处将光束的第二部分的第一小部分在第二方向上传播到波导层中。在一些实施例中，该方法进一步包括在第一衍射光学元件处沿着反射方向透射光束的第二部分的第二小部分。在一些实施例中，该方法进一步包括在第一方向上或朝向波导层反射第二小部分中的至少一部分。在一些实施例中，该方法进一步包括在波导层的入射光表面处接收反射部分。在一些实施例中，该方法进一步包括在第一衍射光学元件处将反射部分中的一部分在第二方向上传播到波导层中。

在一些实施例中，第一衍射光学元件设置在入射光表面上。在一些实施例中，后向反射光束的第二部分包括沿着与第一方向相反的反射方向后向反射第二部分。在一些实施例中，在第一方向上引导光束包括反射来自显示元件的时序彩色光束。

图10A是根据本发明的实施例的在多光瞳系统中使用的平面波导的简化横截面视图。参考图10A，使用多光瞳像素布局来照射显示元件1010(例如，LCOS显示面板)。图10B是图10A中所示的平面波导的多光瞳布局的简化平面图。如图10B中所示，每个像素包括与五个对应的入耦合DOE R1、R2、G1、B1和B2对准的五个阵列光源。尽管在图10B中示出了特定的阵列图案，但是本发明不限于该特定的阵列图案，并且其它阵列图案也包括在本发明的范围内。另外，尽管结合对应于与第三原色(绿色)相关联的光源的单个入耦合DOE而使用了对应于与两个原色(红色和蓝色)相关联的光源的两个入耦合DOE，但是这也不是必需的，并且不同的颜色组合可以根据需要用于特定应用。在图10A中，示出的横截面对应于在图10B中示出的等分线1080。因此，在所示实施例中，将入耦合DOE B1和B2分别设置在图平面的前面和图平面的后面的位置。

参考图10A，来自对应于入耦合DOE R1的第一光源(例如，红色光源)的光从显示元件1010反射以形成光锥1020。在光锥1020中包括的示例性光线由光线1022示出，该光线使用投影光学器件1015成像，以入射在包括三个平面波导1032、1034和1036的目镜1030上，每个平面波导与原色相关联。在实施例中，平面波导1032与绿色波长相关联，平面波导1034与蓝色波长相关联，并且平面波导1036与红色波长相关联。光线1022穿过平面波导1032和1034，并入射到入耦合DOE R1上。一部分入射光被衍射以在平面波导的平面中传播，如衍射光线1024所示。一部分入射光也穿过入耦合DOE R1以入射到后向反射器1040上。由后向反射光线1026表示的后向反射光在传播回显示元件1010时在与光线1022的方向相反的方向上传播。后向反射光(包括后向反射光线1026，其在后向反射之后在横向方向上偏移距离D)的特征在于，在传播回显示元件1010期间的光锥1020。

当由后向反射光线1026表示的光锥1020中的后向反射光入射在显示元件上时，将发生后向反射光的镜面反射，从而导致反射光锥1060，该反射光锥1060将由投影光学器件1015成像以入射在目镜上，如由反射光线1062表示。由于光锥1020具有不垂直于显示元件1010的中心光线，这是由于光源偏轴导致的，所以光锥1060也将具有等于并且与光锥1020的中心光线相反的中心光线。在光锥1060中从显示元件1010反射的光将穿过平面波导1032和1034并入射到入耦合DOE R2上。因此，一部分入射光将被衍射以在平面波导的平面内传播(为清晰起见，未示出衍射光)。一部分入射光还将穿过入耦合DOE R2以入射在后向反射器1040上，从而产生将传播回显示元件的后向反射光。在从显示元件进行镜面反射之后，在与每种颜色和每个深度平面相关联的剩余帧时间期间，将发生光线1022、后向反射光线1026和光线1062表示的光路的折回(retracing)。因此，将导致多次通过入耦合DOE R1和R2，从而提高了平面波导1036的入耦合效率。

再次参考图10A，来自对应于入耦合DOE G1的第二光源(例如，绿色光源)的光从显示元件1010反射以形成光锥1070。包括在光锥1070中的示例性光线由光线1072示出，该光线使用投影光学器件1015成像以入射在目镜1030上。光线1072入射在入耦合DOE G1上。一部分入射光被衍射以在平面波导的平面中传播(为清晰起见，未示出衍射光线)。一部分入射光也穿过入耦合DOE G1以入射在后向反射器1040上。由后向反射光线(为清晰起见，未示出)表示的后向反射光在其传播回显示元件1010时在与光线1072的方向相反的方向上传播。

当可以由后向反射光线表示的光锥1070中的后向反射光入射在显示元件1010上时，将发生后向反射光的镜面反射。因为光锥1070具有垂直于显示元件1010的中心光线，所以与从显示元件传播到目镜的光相关联的光锥将与与从后向反射器1040传播到显示元件的后向反射光相关联的光锥重叠。在来自显示元件进行镜面反射之后，在与每种颜色和每个深度平面相关联的剩余帧时间期间，将发生由光线1072和向后反射的光线表示的光路的折回。因此，多次通过入耦合DOE G1将导致平面波导1032的提高的入耦合效率。

在另一个实施例中，代替将第二入耦合DOE R2用于平面波导1036，可以去除第二入耦合DOE R2。因此，在一些实施例中，入耦合DOE R2以及入耦合DOE B2是可选的。在该情况下，在后向反射光的镜面反射之后，该光将穿过所有三个平面波导，第二次被后向反射，并在光锥1020中镜面反射回，并随后入射到入耦合DOE R1。

图11是示出根据本发明的实施例的后向反射器的元件的简化示意图。如在此所示，后向反射光在后向反射之后横向偏移。因此，尽管后向反射器之前和之后的传播方向是平行的，但是存在横向偏移。本发明的实施例在设计后向反射器以及入耦合DOE的尺寸时考虑了该横向偏移。参考图11，后向反射器的元件被示为角锥1110。由光线1120表示的入射光入射在角锥1110上，并且被后向反射为后向反射光线1122。在后向反射之后，在入射光线和后向反射光线之间存在横向偏移D。由于该横向偏移，后向反射光可能会耦合到相邻的光瞳中(即，入耦合DOE)，从而导致串扰。因此，可以通过利用后向反射器的相邻元件之间的较小的间距(pitch)大小P来防止该串扰，该间距大小P由相邻的角锥1110和1130示出。在一些实施例中，间距大小P小于100μm，而在其它实施例中，间距大小范围从约10μm到约500μm。

由于本发明的实施例利用的小间距尺寸，由后向反射器引起的横向偏移通常将不会导致串扰，因为相邻的光瞳之间的间隔通常约为几百微米的量级。参考图10B，在一些实施例中，包括例如入耦合DOE R1和入耦合DOE G1和/或入耦合DOE G1和入耦合DOE B2的入耦合DOE之间的间隔S是100μm的量级。因此，对于小于100μm的间距尺寸，横向偏移将不会导致入耦合DOE R1与入耦合DOE G1之间的串扰。因此，本发明的实施例利用了用于后向反射器，特别是后向反射器元件的制造工艺，该制造工艺足够小以防止相邻的入耦合DOE之间的串扰，否则该串扰可能是由于在后向反射期间可能发生的横向偏移引起的。如所描述的，一些实施例利用横向平面中的相邻的入耦合DOE之间的大于100μm的间距或间隔，该间距或间隔与小于100μm的后向反射器元件的间距尺寸(在横向平面中测量的)耦合，例如在几十微米的范围内防止串扰。如对本领域技术人员显而易见的，用于后向反射器元件的间距尺寸非常小，例如在光波长的量级上，可能导致不希望的衍射效应。本领域普通技术人员将认识到许多变型、修改和替代。

还应当理解，在此描述的实施例和实施方案仅用于说明目的，并且对于本领域的技术人员将提出各种修改或改变，这些修改或改变将被包括在本申请的精神和范围以及所附权利要求的范围之内。

Claims (21)

1.一种显示系统，包括：

投影光学器件，其被配置为在第一方向上投影光束；

目镜单元，其包括：

第一波导层，其被设置在第一横向平面中，并包括入射光表面和与所述入射光表面相对的相对表面；

入耦合衍射光学元件，其被设置在所述入射光表面上，其中，所述入耦合衍射光学元件被配置为：

入耦合所述光束的第一部分，并通过全内反射在第二方向上传播所述光束的所述第一部分；以及

沿着所述第一方向透射所述光束的第二部分；以及

后向反射器，其与所述相对表面相邻设置，其中，所述后向反射器被配置为沿着与所述第一方向相反的反射方向后向反射所述光束的所述第二部分。

2.根据权利要求1所述的显示系统，其中，所述目镜单元还包括：

在横向上偏移所述入耦合衍射光学元件的正交光瞳扩展区域；以及

在横向上偏移所述入耦合衍射光学元件的出射光瞳扩展器EPE区域。

3.根据权利要求1所述的显示系统，还包括投影显示器，其被配置为将所述光束导向到所述投影光学器件。

4.根据权利要求1所述的显示系统，其中，所述光束包括被顺序投影的多种颜色。

5.根据权利要求1所述的显示系统，其中，所述第二方向平行于所述第一横向平面。

6.根据权利要求1所述的显示系统，其中，所述后向反射器被设置在所述相对表面上。

7.根据权利要求1所述的显示系统，其中，所述后向反射器被设置成平行于所述相对表面并与所述相对表面相距预定距离。

8.根据权利要求1所述的显示系统，其中，所述入耦合衍射光学元件还被配置为：

入耦合所述光束的所述第二部分的第三部分，并通过全内反射在所述第二方向上传播所述第三部分；以及

沿着所述反射方向透射所述光束的第四部分。

9.根据权利要求1所述的显示系统，还包括：

第二波导层，其被设置在与所述第一横向平面相邻的第二横向平面中，并包括被设置在第二横向位置的第二入耦合衍射光学元件、光学地耦合到所述第二入耦合衍射光学元件的第二波导、以及光学地耦合到所述第二波导的第二出耦合衍射光学元件；以及

第三波导层，其被设置在第三横向平面中，并包括被设置在第三横向位置的第三入耦合衍射光学元件、光学地耦合到所述第三入耦合衍射光学元件的第三波导、以及光学地耦合到所述第三波导的第三出耦合衍射光学元件。

10.根据权利要求9所述的显示系统，其中，所述入耦合衍射光学元件被设置在第一横向位置，并且所述第一横向位置和所述第二横向位置是相同的横向位置。

11.一种目镜单元，包括：

波导层，其被设置在横向平面中，并包括入射光表面和与所述入射光表面相对的相对表面；

第一入耦合衍射光学元件，其被设置在所述入射光表面上，其中，所述第一入耦合衍射光学元件被配置为：

入耦合在第一方向上传播的光束的第一部分，并通过全内反射在第二方向上传播所述光束的所述第一部分；以及

沿着所述第一方向透射所述光束的第二部分；

第二入耦合衍射光学元件，其被设置在所述相对表面上，其中，所述第二入耦合衍射光学元件被配置为：

沿着所述第一方向接收所述光束的所述第二部分；

入耦合所述光束的第三部分，并通过全内反射在第三方向上传播所述光束的所述第三部分；以及

沿着所述第一方向透射所述光束的第四部分；以及

后向反射器，其与所述相对表面相邻设置，其中，所述后向反射器被配置为沿着与所述第一方向相反的反射方向后向反射所述光束的所述第四部分。

12.根据权利要求11所述的目镜单元，其中，所述第二入耦合衍射光学元件包括金属化后向反射器。

13.根据权利要求11所述的目镜单元，其中，所述第一入耦合衍射光学元件被配置为入耦合第一光谱带中的光。

14.根据权利要求13所述的目镜单元，其中，所述第二入耦合衍射光学元件被配置为入耦合第二光谱带中的光。

15.根据权利要求14所述的目镜单元，其中，所述第一光谱带包括红光波长，并且所述第二光谱带包括绿光波长。

16.一种操作显示系统的方法，所述方法包括：

在第一方向上引导光束；

在波导层的入射光表面处接收所述光束，所述波导层具有与所述入射光表面相对的相对表面；

在第一衍射光学元件处，将所述光束的第一部分在第二方向上传播到所述波导层中；

在所述第一衍射光学元件处，将所述光束的第二部分朝向所述相对表面透射；以及

沿着与所述第一方向相反的反射方向后向反射所述光束的所述第二部分。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括：

在所述第一衍射光学元件处，将所述光束的所述第二部分的第一小部分在所述第二方向上传播到所述波导层中；以及

在所述第一衍射光学元件处，沿着所述反射方向透射所述光束的所述第二部分的第二小部分。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括：

在所述第一方向上将所述第二小部分的至少一部分朝向所述波导层反射；

在所述波导层的所述入射光表面处接收被反射的部分；以及

在所述第一衍射光学元件处，将被反射的部分中的一部分在所述第二方向上传播到所述波导层中。

19.根据权利要求16所述的方法，其中，所述第一衍射光学元件被设置在所述入射光表面上。

20.根据权利要求16所述的方法，其中，后向反射所述光束的所述第二部分包括：沿着与所述第一方向相反的反射方向后向反射光。

21.根据权利要求16所述的方法，其中，在所述第一方向上引导所述光束包括：反射来自显示元件的时序彩色光束。

Images