CN114026485A - 具有反射棱镜输入耦合器的光学系统 - Google Patents

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Abstract

一种电子设备可包括产生光的显示模块以及将该光朝眼箱重定向的光学系统。该系统可包括在波导上的输入耦合器以及将该光朝该输入耦合器定向的透镜。该输入耦合器可包括棱镜，该棱镜具有将该光反射到该波导中的反射表面。该反射表面可弯曲以向该光提供屈光度。该棱镜可被配置为扩展该光的视场。双折射光束移位器可扩展该光的有效光瞳尺寸。该透镜可包括透镜元件，该透镜元件将该光会聚在该透镜元件与该波导之间的位置处。可切换面板可放置于该位置处并且在第一取向与第二取向之间来回切换以增加该光的有效分辨率。

Description

具有反射棱镜输入耦合器的光学系统
本专利申请要求于2019年9月19日提交的美国临时专利申请第62/902,645号的优先权，该美国临时专利申请据此全文以引用方式并入本文。
背景技术
本发明整体涉及光学系统，并且更具体地讲，涉及用于显示器的光学系统。
电子设备可包括向用户的眼睛呈现图像的显示器。例如，诸如虚拟现实和增强现实头戴式耳机之类的设备可包括具有允许用户观看显示器的光学元件的显示器。
设计设备诸如这些设备可能是有挑战性的。如果稍有不慎，用于显示内容的部件可能是难看且笨重的，并且可能未表现出期望的光学性能水平。
发明内容
电子设备诸如头戴式设备可具有为用户产生图像的一个或多个近眼显示器。头戴式设备可以是一副虚拟现实眼镜，或者可以是增强现实头戴式耳机，其允许观察者观看计算机生成的图像和观察者周围环境中的真实世界对象两者。
近眼显示器可包括产生光的显示模块以及将来自显示模块的光朝眼箱(eye box)重定向的光学系统。该光学系统可包括形成在波导上的输入耦合器和输出耦合器。输入耦合器可将来自显示模块的光重定向，使得该光在波导中朝输出耦合器传播。输出耦合器可将光耦合出波导并朝向眼箱。输出耦合器可包括衍射光栅结构诸如波导中的体积全息图。
输入耦合器可为安装到波导的反射输入耦合棱镜。透镜可引导来自显示模块的光穿过波导以到达输入耦合器。棱镜可接收穿过波导的来自透镜的光，并且可具有将光反射到波导中的反射表面。反射表面可弯曲以向反射光提供屈光度。这可以允许透镜相比于在棱镜不向光赋予屈光度的情况下具有更少的透镜元件。
该棱镜可被配置为扩展该光的视场。例如，可切换反射层可设置在反射表面上以用于扩展光的视场。如果需要，棱镜可为分体式棱镜，其包括具有第一反射表面的第一楔形物和安装到该第一反射表面的第二楔形物。第一反射表面可沿第一方向反射图像光，而第二反射表面在第二方向上反射图像光。偏振敏感膜可设置在第一反射表面上，并且可反射光的第一偏振，同时透射光的第二偏振。可切换偏振器可用于相继为棱镜提供第一偏振光和第二偏振光。在另一种合适的布置中，显示面板可同时为棱镜提供第一偏振光和第二偏振光。如果需要，可切换反射层可设置在第一反射表面上，并且可选择性地反射或透射来自显示模块的光。如果需要，双折射光束移位器可插置在显示器的光路上以用于扩展光的有效光瞳尺寸。
透镜可包括第一组透镜元件，该第一组透镜元件将来自显示模块的光会聚在该第一组透镜元件与该波导之间的位置处。能够在第一取向与第二取向之间切换的透明面板可放置于该位置处。透明面板可在第一取向与第二取向之间来回切换以增加光的有效分辨率。如果需要，第二组透镜元件可插置在该位置与波导之间。
附图说明
图1是根据一些实施方案的具有显示器的例示性系统的图示。
图2是根据一些实施方案的用于显示器的例示性光学系统的顶视图，该光学系统具有波导和输入耦合器。
图3是根据一个实施方案的由反射棱镜形成的例示性输入耦合器的顶视图。
图4是根据一个实施方案的由反射棱镜形成的例示性输入耦合器的顶视图，该反射棱镜具有弯曲的反射表面。
图5是根据一些实施方案的由反射棱镜形成的例示性输入耦合器的顶视图，该反射棱镜具有用于扩展显示器的视场的可切换反射部件。
图6是根据一个实施方案的由分体式反射棱镜形成的例示性输入耦合器的顶视图，该分体式反射棱镜具有用于扩展视场的偏振敏感型反射膜。
图7是根据一个实施方案的由分体式反射棱镜形成的例示性输入耦合器的顶视图，该分体式反射棱镜具有用于扩展视场的可切换反射部件。
图8是根据一些实施方案的例示性显示系统的顶视图，其中将不同偏振光同时提供给分体式反射棱镜，该分体式反射棱镜具有用于扩展视场的偏振敏感型反射膜。
图9是根据一些实施方案的可设置在波导上以用于扩展波导内的光瞳的例示性双折射光束移位器的透视图。
图10是示出根据一些实施方案的图9所示类型的例示性双折射光束移位器可如何使光穿过以到达具有分体式反射棱镜的输入耦合器的顶视图。
图11是示出根据一些实施方案的例示性分体式多元件透镜的顶视图，该分体式多元件透镜可将图像光提供给图2至图10所示类型的输入耦合器。
图12是示出根据一些实施方案的例示性可切换光移位元件可如何安装在图11所示类型的分体式多元件透镜内的顶视图。
图13是示出根据一些实施方案的图12所示类型的可切换光移位元件可如何在第一状态与第二状态之间调节以用于移位图像光的顶视图。
图14是根据一些实施方案的图像光的像素的前视图，其示出了图12和图13所示类型的例示性可切换光移位元件可如何增加图像光的有效分辨率。
图15是示出根据一些实施方案的输入耦合器可如何形成分体式多元件透镜的一部分的顶视图，该输入耦合器由具有弯曲的反射表面的反射棱镜形成。
图16是示出根据一些实施方案的由反射棱镜形成的输入耦合器可如何接收穿过色散补偿楔形物的图像光和/或可包括光吸收体的顶视图。
具体实施方式
图1中示出了一个例示性系统，其具有带有一个或多个近眼显示系统的设备。系统10可以是头戴式设备，其具有一个或多个显示器，诸如安装在支撑结构(壳体)20内的近眼显示器14。支撑结构20可具有一副眼镜(例如，支撑框架)的形状，可形成具有头盔形状的外壳，或者可具有用于帮助将近眼显示器14的部件安装和固定在用户的头部上或眼睛附近的其他配置。近眼显示器14可包括一个或多个显示模块诸如显示模块14A，以及一个或多个光学系统诸如光学系统14B。显示模块14A可安装在支撑结构诸如支撑结构20中。每个显示模块14A可以发射光22(图像光)，使用光学系统14B中的相关联的一个将该光朝眼箱24处的用户眼睛重定向。
可使用控制电路16来控制系统10的操作。控制电路16可包括用于控制系统10的操作的存储和处理电路。电路16可包括存储装置，诸如硬盘驱动器存储装置、非易失性存储器(例如，被配置为形成固态驱动器的电可编程只读存储器)、易失性存储器(例如，静态或动态随机存取存储器)等。控制电路16中的处理电路可基于一个或多个微处理器、微控制器、数字信号处理器、基带处理器、电源管理单元、音频芯片、图形处理单元、专用集成电路以及其他集成电路。软件代码(指令)可存储在电路16中的存储器上，并且在电路16中的处理电路上运行，以实现用于系统10的操作(例如，数据采集操作、涉及使用控制信号调节部件的操作、产生图像内容以向用户显示的图像渲染操作等)。
系统10可包括输入输出电路诸如输入-输出设备12。输入-输出设备12可用于允许由系统10从外部装置(例如，拴系计算机、便携式设备(诸如手持设备或膝上型计算机)或其他电气装置)接收数据，并且允许用户向头戴式设备10提供用户输入。输入-输出设备12还可用于收集有关在其中操作的系统10(例如，头戴式设备10)的环境的信息。设备12中的输出部件可允许系统10向用户提供输出，并且可用于与外部电子装置通信。输入-输出设备12可包括传感器和其他部件18(例如，用于采集与系统10中的显示器上的虚拟对象数字地合并的真实世界对象的图像的图像传感器、加速度计、深度传感器、光传感器、触觉输出设备、扬声器、电池、用于在系统10和外部电子装置之间通信的无线通信电路等)。
显示模块14A可包括反射显示器(例如，硅基液晶(LCOS)显示器、数字微反射镜器件(digital micromirror device DMD)显示器或其他空间光调制器)、发射显示器(例如，微型发光二极管(uLED)显示器、有机发光二极管(OLED)显示器、基于激光的显示器等)或其他类型的显示器。显示模块14A中的光源可包括uLED、OLED、LED、激光器、这些器件的组合或任何其他所需的发光部件。
光学系统14B可形成允许观察者(参见例如眼箱24处的观察者的眼睛)观察显示器14上的图像的透镜。可存在与用户的相应左眼和右眼相关联的两个光学系统14B(例如，用于形成左透镜和右透镜)。单个显示器14可为双眼产生图像，或者一对显示器14可用于显示图像。在具有多个显示器(例如，左眼显示器和右眼显示器)的配置中，可选择由光学系统14B中的部件形成的透镜的焦距和位置，使得显示器之间存在的任何间隙对于用户将是不可见的(例如，使得左显示器和右显示器的图像无缝地重叠或合并)。
如果需要，光学系统14B可包含部件(例如，光学组合器等)以允许来自真实世界图像或对象25的真实世界图像光与虚拟(计算机生成的)图像诸如图像光22中的虚拟图像在光学上组合。在这种类型的系统(有时称为增强现实系统)中，系统10的用户可查看真实世界内容和覆盖在真实世界内容之上的计算机生成的内容两者。基于相机的增强现实系统也可用于设备10中(例如，相机捕获对象25的真实世界图像并且将该内容与光学系统14B处的虚拟内容进行数字合并的布置)。
如果需要，系统10可包括无线电路和/或其他电路，以支持与计算机或其他外部装置(例如，向显示器14提供图像内容的计算机)通信。在操作期间，控制电路16可将图像内容提供给显示器14。可以远程接收该内容(例如，从耦接到系统10的计算机或其他内容源)和/或可以由控制电路16生成该内容(例如，文本、其他计算机生成的内容等)。由控制电路16提供给显示器14的内容可由眼箱24处的观察者观看。
图2是可在图1的系统10中使用的例示性显示器14的顶视图。如图2所示，近眼显示器14可包括一个或多个显示模块诸如显示模块14A，以及一个光学系统诸如光学系统14B。光学系统14B可包括光学元件诸如一个或多个波导26。波导26可包括由光学透明材料诸如塑料、聚合物、玻璃等所形成的一个或多个层叠基底(例如，层叠平面和/或弯曲层，在本文中有时称为“波导基底”)。
如果需要，波导26还可包括一层或多层全息记录介质(在本文中有时称为“全息介质”、“光栅介质”或“衍射光栅介质”)，在该全息记录介质上记录一个或多个衍射光栅(例如，全息相位光栅，在本文中有时称为“全息图”)。全息记录可存储为光敏光学材料诸如全息介质内的光学干涉图案(例如，不同折射率的交替区域)。该光学干涉图案可产生全息相位光栅，当用给定光源照射该全息相位光栅时，该全息相位光栅衍射光以产生全息记录的三维重建。全息相位光栅可以是用永久干涉图案编码的不可开关的衍射光栅，或者可以是可开关的衍射光栅，其中可以通过控制施加到全息记录介质的电场来调制射光。如果需要，可在相同体积的全息介质内记录多个全息相位光栅(全息图)(例如，叠加在相同体积的光栅介质内)。全息相位光栅可为例如体积全息图或光栅介质中的薄膜全息图。光栅介质可包括光聚合物、明胶诸如重铬酸盐明胶、卤化银、全息聚合物分散液晶或其他合适的全息介质。
波导26上的衍射光栅可包括全息相位光栅诸如体积全息图或薄膜全息图、元光栅或任何其他所需的衍射光栅结构。波导26上的衍射光栅还可包括形成在波导26中的基底的一个或多个表面上的表面凹凸光栅、由金属结构的图案形成的光栅等。衍射光栅可例如包括在相同体积的光栅介质内至少部分重叠的多个复用光栅(例如，全息图)(例如，用于以一个或多个对应的输出角度衍射不同颜色的光和/或来自不同输入角度范围内的光)。
光学系统14B可包括准直光学器件诸如准直透镜34。准直透镜34可包括有助于将图像光22朝波导26定向的一个或多个透镜元件。如果需要，显示模块14A可安装在图1的支撑结构20内，而光学系统14B可安装在支撑结构20的部分之间(例如，以形成与眼箱24对准的透镜)。如果需要，可使用其他安装布置。
如图2所示，显示模块14A可产生与要显示到眼箱24的图像内容相关联的光22。可使用诸如准直透镜34的透镜将光22进行准直。光学系统14B可用于将从显示模块14A输出的光22呈现给眼箱24。
光学系统14B可包括一个或多个光学耦合器诸如输入耦合器28、交叉耦合器32和输出耦合器30。在图2的示例中，输入耦合器28、交叉耦合器32和输出耦合器30形成在波导26处或其上。输入耦合器28、交叉耦合器32和/或输出耦合器30可完全入在波导26的基底层内、可部分嵌入在波导26的基底层内、可安装到波导26(例如，安装到波导26的外表面)等。
图2的示例仅为例示性的。可省略这些耦合器中的一个耦合器或多个耦合器(例如，交叉耦合器32)。光学系统14B可包括相对于彼此横向和/或竖直堆叠的多个波导。每个波导可包括耦合器28、耦合器32和耦合器30中的一个耦合器、两个耦合器、全部耦合器或不包括这些耦合器。如果需要，波导26可为至少部分弯曲的或弯折的。
波导26可经由全内反射沿其长度向下引导光22。输入耦合器28可被配置为将来自显示模块14A(透镜34)的光22耦合到波导26中，而输出耦合器30可被配置为将来自波导26内的光22耦合至波导26的外部并朝向眼箱24。例如，显示模块14A可沿+Y方向发射朝光学系统14B的光22。当光22撞击输入耦合器28时，输入耦合器28可重定向光22，使得该光在波导26内经由全内反射朝输出耦合器30(例如，沿方向X)传播。当光22撞击输出耦合器30时，输出耦合器30可将光22朝眼箱24(例如，沿Y轴向后)离开波导26重定向。例如，在交叉耦合器32形成在波导26处的情况下，交叉耦合器32可在光22沿波导26的长度向下传播时将该光重定向至一个或多个方向。
输入耦合器28、交叉耦合器32和输出耦合器30可基于反射光学器件和折射光学器件，或者可基于全息(例如，衍射)光学器件。在其中耦合器28、耦合器30和耦合器32由反射光学器件和折射光学器件形成的布置中，耦合器28、耦合器30和耦合器32可包括一个或多个反射器(例如，微镜、部分镜或其他反射器的阵列)。在耦合器28、耦合器30和耦合器32基于全息光学器件的布置中，耦合器28、耦合器30和耦合器32可包括衍射光栅(例如，体积全息图、表面凹凸光栅等)。
在本文中有时作为示例描述的一种合适的布置中，输出耦合器30由嵌入在波导26内的衍射光栅或微镜(例如，堆叠在透明聚合物波导基底之间的光栅介质上记录的体积全息图，嵌入插置在透明聚合物波导基底等之间的聚合物层中的微镜阵列)形成，而输入耦合器28由安装到波导26的外表面(例如，由接触光栅介质或用于形成输出耦合器30的聚合物层的波导基底所限定的外表面)的反射棱镜形成。
图3是示出波导26处的输入耦合器28可如何由反射棱镜形成的顶视图。如图3所示，输入耦合器28可包括反射棱镜(例如，反射输入耦合棱镜)诸如棱镜36。棱镜36可具有安装到波导26的外表面40的底表面38(例如，使用光学透明的粘合剂，该光学透明的粘合剂在图3中为了清楚起见而未示出)。
如图3所示，透镜34可接收光22(例如，来自图2的显示模块14A)。棱镜36可安装到波导26的与透镜34和显示模块14A相对的侧面。例如，波导26可具有与外表面40相对的外表面42。外表面42可插置在棱镜36与透镜34之间(例如，波导26可插置在棱镜36与显示模块14A之间)。
透镜34可将光22朝波导26定向。光22可穿过表面42进入波导26(例如，相对于表面42的法向表面以足够低的角度进入波导以使得不发生全内反射)。光22可穿过波导26的表面40进入棱镜36。光22可反射出棱镜36的表面44(在本文中有时称为“反射表面44”或“反射面44”)并且穿过表面38和表面40返回波导26中。表面44可在一个或多个方向上倾斜(例如，包括页面的平面外，其中除相对于X-Y平面内的+Y轴的非零角度以外，表面44的法向轴还相对于Z-Y平面内的+Y轴以非零角度取向)。然后，光22可经由全内反射沿波导26的长度向下传播。通过这种方式，尽管棱镜36位于波导26的与透镜34和显示模块14A相对的侧面上(图2)，该棱镜也可将光22耦合到波导26中。
光22的角展度可在通过棱镜36耦合到波导26中之后被限制在波导26内的光瞳46(例如，由棱镜36反射的光线可会聚到波导26内的光瞳46处)。从表面42到表面38、从表面38到表面44以及从表面44到光瞳46的光路长度可例如显著大于(例如，增大两倍或增大两倍以上)在输入耦合器28由安装到波导26的表面42的透射式输入耦合棱镜形成的情况下从透镜34到波导内来自棱镜的光线会聚的点的光路长度。这可用于相对于使用透射式输入耦合棱镜的情况，优化光学系统14B的光学性能，同时使从透镜34的输入到表面42的距离53最小化(例如，从而允许光学系统14B占据更小的空间并且更好地与头戴式支撑结构诸如图1的支撑结构20的形状因数相配合)。
透镜34可由一个或多个透镜元件48(例如，第一透镜元件48-1、第N透镜元件48-N等)形成。透镜元件48可包括任何所需的透镜元件(例如，具有凹形表面、凸形表面、平坦表面、球形表面、非球形表面和/或自由曲面的透镜；具有微观结构的透镜；菲涅耳透镜；这些透镜的组合；和/或其他类型的透镜元件等)。透镜34可具有宽度52和长度50。
如果需要，可将任选的反射层诸如反射层45层叠到棱镜36的表面44上。反射层45可包括反射电介质涂层、反射金属涂层、三维金属结构图案和/或(反射)衍射光栅层诸如层叠到表面44上的光栅介质或表面凹凸光栅中的一个或多个薄膜或体积全息图。反射层45可例如有助于增加反射出表面44的光22的量。如果需要，反射层45还可被配置为在光22反射出棱镜36的表面44上的反射层45时向该光提供屈光度。例如，反射层45中的衍射光栅可将光22衍射回波导26，同时还将屈光度赋予衍射光。如果需要，可省略反射层45。
在图3的示例中，棱镜36的表面44为平面的。该示例仅仅是例示性的。如果需要，表面44可为弯曲的。图4是示出棱镜36的表面44可如何弯曲的顶视图。如图4所示，表面44的弯曲形状可在光22反射出表面44时赋予该光以屈光度。表面44可具有球形弯曲形状、非球形弯曲形状或沿任何所需的弯曲三维表面的自由弯曲形状。图4的曲面44上的反射层45可有助于增加反射出表面44的光22的量和/或可有助于反射到波导26中的光22的屈光度。如果需要，可省略反射层45。
在图4的示例中，透镜34包括M个透镜元件48(例如，第一透镜元件48-1、第M透镜元件48-M等)。图4的示例中的透镜34中的透镜元件48的数量M可小于图3的示例中的透镜34中的透镜元件48的数量N。由曲面44和/或反射层45赋予的屈光度可有助于光22的屈光度，否则光的屈光度原本由图3的透镜34中的N-M个额外透镜提供。这可以允许透镜34的输入与波导26的表面42分开的距离54短于图3的距离53。例如，这可用于进一步减小系统10(图1)中的光学系统14B所占据的空间大小。
在图3和图4的示例中，光22可被限制在波导26内相对较小的光瞳(例如，图3的光瞳46)。在实施过程中，期望光学系统14B利用均匀强度的光22尽可能大地填充眼箱24。如果需要，光重定向元件诸如输入耦合器28可被配置为在一个或多个维度上扩展光22，同时还将光22耦合到波导26中，以利用均匀强度的光22尽可能大地填充眼箱24。
图5示出其中棱镜36包括可切换反射表面以用于扩展光22的视场的示例。如图5所示，可切换反射层诸如可切换反射层56可层叠到棱镜36的表面44上。可切换反射层56可包括例如液晶(LC)光栅、数字微反射镜器件(DMD)或能够在至少第一状态与第二状态之间切换的其他微机电(MEM)结构。可切换反射层56可在控制路径58(例如，来自图1的控制电路16)上接收控制信号，该控制路径在任何给定时间将可切换反射层56置于第一状态和第二状态中所选择的一种状态。
在第一状态下，图像光22可沿第一方向从表面44和可切换反射层56(在本文中有时统称为“可切换反射表面”)反射到波导26中，如箭头(光线)60所示。该反射光可表现出相对较小的视场62。在第二状态下，图像光22可沿第二方向从表面44和可切换反射层56反射到波导26中，如箭头64所示。该反射光可表现出相对较小的视场66。
控制电路可使可切换反射层56在第一状态与第二状态之间快速来回切换，如箭头68所示，使得耦合到波导26中的光22表现出相对较宽的有效视场70。可切换反射层56可以大于人眼的响应速度的速度(例如，大于60Hz、大于120Hz、大于240Hz、大于1kHz、大于10kHz等)在第一状态与第二状态之间切换，使得在眼箱24(图2)处的用户无法单独感知每种状态，而是感知单个有效视场70。通过这种方式，图像光22可耦合到波导26中，并且将比原本通过其他方式提供给眼箱的有效视场更宽的有效视场提供给眼箱。例如，视场62和视场66可各自为30度、25度、介于25度与35度之间、小于45度等，而视场70为60度、介于55度与65度之间、大于45度或任何其他所需的大于视场62或视场66的角度。
图6示出其中棱镜36扩展光22的视场的另一个示例。如图6所示，棱镜36可为分体式棱镜，该分体式棱镜具有第一部分76和堆叠在第一部分76的上表面72上的第二部分78。上表面72可为平面的，可在一个或多个方向上(例如，包括在页面的平面外)倾斜，或者可为弯曲的(例如，自由弯曲的)。部分78和部分76可由相同的材料(例如，可具有相同的折射率)形成或者可由不同的材料(例如，具有不同折射率的材料)形成。
部分76可具有楔形形状，并且因此在本文中有时可称为“楔形物76”。部分78可具有楔形形状，并且因此在本文中有时可称为“楔形物78”。这仅仅是例示性的，并且一般来讲，部分78和部分76可具有任何所需的形状。楔形物76可包括棱镜36的底表面38并且可安装到波导26的表面40。楔形物76的上表面72可相对于表面38以锐角诸如角度80取向(例如，表面38、表面40和/或表面42可为平面的)。楔形物78可包括棱镜36的反射表面44。表面44可相对于表面80以锐角诸如角度82取向(例如，角度82可大于角度80)。
棱镜36可包括无源局部反射层诸如偏振敏感型反射膜74。偏振敏感型反射膜74(在本文中有时称为“偏振分束器74”或“反射膜74”)可层叠到楔形物76的上表面72上(例如，楔形物78可安装到反射膜74)。反射膜74可反射第一偏振光并且可使第二偏振光穿过(透射)而不反射第二偏振光。例如，第一偏振可为p偏振，而第二偏振可为s偏振，或者第一偏振可为s偏振，而第二偏振为p偏振。如果需要，可使用光学透明的粘合剂(为了清楚起见，在图6中未示出)以帮助将楔形物78附着至楔形物76。如果需要，反射膜74可由线栅偏振器形成。
在该示例中，光学系统14B还可包括可切换偏振器诸如可切换偏振器84。波导26可插置在可切换偏振器84与棱镜36之间。可切换偏振器84可安装到波导26的表面42(例如，使用光学透明的粘合剂，该光学透明的粘合剂在图6中为了清楚起见而未示出)，或者可与表面42间隔开。一个或多个透镜元件(例如，来自图2的透镜34)可插置在可切换偏振器84与波导26之间。在另一种合适的布置中，显示模块14A可包括空间光调制器，诸如接收来自一个或多个光源的照明光的反射显示面板(例如，DMD或LCOS显示面板)或透射显示面板。在该示例中，如果需要，可切换偏振器84可光学耦合在光源与空间光调制器之间。
可切换偏振器84可接收光22。可切换偏振器84可具有第一状态和第二状态，在第一状态下可切换偏振器84仅使第一偏振光22A穿过(透射)，在第二状态下可切换偏振器84仅使第二偏振光22B穿过(透射)。当可切换偏振器84处于第一状态时，第一偏振光22A穿过楔形物76并且反射出反射膜72以在波导26内产生视场62。当可切换偏振器84处于第二状态时，第二偏振光22B穿过楔形物76和反射膜74(例如，不被反射膜74反射)。然后，光22B穿过楔形物78并且反射出楔形物78的表面44以在波导26内产生视场66。如果需要，反射层45可形成在表面44上以有助于增加反射强度和/或向光22B提供屈光度。如果需要，表面44和/或表面72(例如，反射膜74)可为弯曲的(例如，以向光22A和光22B提供屈光度)。如果需要，可省略反射层45。
可切换偏振器84可在控制路径86(例如，来自图1的控制电路16)上接收控制信号，该控制路径在任何给定时间将可切换偏振器84置于第一状态和第二状态中所选择的一种状态。控制电路可使可切换偏振器84在第一状态与第二状态之间快速来回切换，如箭头68所示，使得光22(例如，光22A和光22B)耦合到波导26中并且表现出相对较宽的有效视场70。可切换偏振器84可以大于人眼的响应速度的速度(例如，大于60Hz、大于120Hz、大于240Hz、大于1kHz、大于10kHz等)在第一状态与第二状态之间切换，使得在眼箱24(图1)处的用户无法感知每种状态，而是感知单个有效视场70。通过这种方式，图像光22可耦合到波导26中，并且将比原本通过其他方式提供给眼箱的有效视场更宽的有效视场提供给眼箱。在另一种合适的布置中，在光22A与光22B之间快速来回切换，可用于增加在眼箱处提供的图像的有效分辨率(例如，其中由表面72和表面44反射的光成角度地隔开要显示的图像数据的像素间距的约二分之一，从而使提供给眼箱的图像的有效分辨率加倍)。结合本文的任何实施方案所述的用于增大视场的方法和系统可附加地或另选地用于通过这种方式增加在眼箱处提供的图像的有效分辨率(例如，图5的布置也可用于在眼箱处产生具有增加的有效分辨率的图像，而不是扩展眼箱处光的视场)。
图7示出其中棱镜36扩展光22的视场的另一个示例。如图7所示，棱镜36可包括可切换反射层，诸如插置在楔形物76与楔形物78之间的可切换反射层88。可切换反射层88可包括层置到楔形物76的表面72上的胆甾型液晶反射器或任何其他所需的可切换反射器(反射镜)(例如，楔形物78可安装到可切换反射层88)。
可切换反射层88可接收穿过波导26和楔形物76的光22。可切换反射层88可具有第一状态和第二状态，在该第一状态下，可切换反射层88反射光22，在该第二状态下，可切换反射层88仅使光22穿过(透射)而不反射光22。当可切换反射层88处于第一状态时，光22穿过楔形物76并且反射出可切换反射层88以在波导26内产生视场62。当可切换反射层88处于第二状态时，光22穿过楔形物76和可切换反射层88(例如，不被可切换反射层88反射)。然后，光22穿过楔形物78并且反射出楔形物78的表面44以在波导26内产生视场66。如果需要，反射层45可形成在表面44上以有助于增加反射强度和/或向光22提供屈光度。如果需要，表面44和/或表面72(例如，可切换反射层88)可为弯曲的(例如，以向光22提供屈光度)。如果需要，可省略反射层45。
可切换反射层88可在控制路径90(例如，来自图1的控制电路16)上接收控制信号，该控制路径在任何给定时间将可切换反射层88置于第一状态和第二状态中所选择的一种状态。控制电路可使可切换反射层88在第一状态与第二状态之间快速来回切换，如箭头68所示，使得光22耦合到波导26中并且表现出相对较宽的有效视场70。可切换反射层88可以大于人眼的响应速度的速度(例如，大于60Hz、大于120Hz、大于240Hz、大于1kHz、大于10kHz等)在第一状态与第二状态之间切换，使得在眼箱24(图1)处的用户无法感知每种状态，而是感知单个有效视场70。通过这种方式，图像光22可耦合到波导26中，并且将比原本通过其他方式提供给眼箱的有效视场更宽的有效视场提供给眼箱。由于可切换反射层88对光22的偏振不敏感，因此图7的棱镜36可扩展光22的视场而不需要使光22偏振的其他部件。
在图6和图7的示例中，通过以快于人眼响应速度的速度来回切换可切换元件来扩展光22(例如，因为在任何给定时间仅在视场62或视场66中的一个视场内提供图像光)。为适应该切换，显示模块14A需要以相同的相对较高的速度在光22中产生图像数据帧，使得在眼箱处向用户提供完整的图像数据流。在实施过程中，这可能消耗系统10内不期望地过高的处理资源和电力。
在另一种合适的布置中，光22可同时提供于波导26中的两个视场62和66内。这可以允许扩展光22的视场而无需快速来回切换可切换元件并且无需显示模块以对应的高速显示图像数据。这可用于使系统10消耗的处理资源和电力最小化，同时仍然扩展提供给眼箱的光22的视场。在另一种合适的布置中，图7的结构可用于在眼箱处产生具有增加的有效分辨率的图像，而非扩展眼箱处的光的视场。
图8是示出光22可如何同时提供于波导26中的两个视场62和66内的示意图。如图8所示，显示模块14A可包括至少第一显示面板93和第二显示面板95。显示模块14A还可包括棱镜诸如棱镜94。显示面板93和显示面板95可为例如uLED面板或其他发射显示器。准直光学器件、偏振器和/或任何其他所需的光学部件可插置在显示面板93与棱镜94之间以及显示面板95与棱镜94之间。在另一种合适的布置中，显示面板93和显示面板95可包括反射空间光调制器(例如，DMD面板、LCOS面板等)。
显示面板93可发射第一偏振光22A，而显示面板95发射第二偏振光22B。棱镜94可包括偏振分束器，该偏振分束器朝透镜34和输入耦合器28反射第一偏振光22A，并且朝透镜34和输入耦合器28透射第二偏振光22B。楔形物76上的反射膜74可反射光22A以在波导26内产生视场62。同时，反射膜74可透射光22B，该光反射出表面44以在波导26内产生视场66。显示面板93和显示面板95可同时活动以同时向输入耦合器28提供光22A和光22B。这可以允许棱镜36同时产生视场62和视场66，使得所耦合的光在波导26内总体表现出宽的有效视场70。
波导26内的光22的光瞳(例如，图3的光瞳46)可在沿波导26的长度向下传播期间被复制，以利用光填充眼箱。在实施过程中，在所复制的光瞳之间可能存在间隙，该间隙在眼箱的整个区域产生不均一的辉度均匀性。在一些情形中，增大显示模块14A的尺寸可有助于填充所复制的光瞳之间的间隙，使得眼箱填充以具有均匀强度的光。然而，较大的显示模块14A可占据系统10内过大的空间。如果需要，光学系统14B的光路可包括双折射光束移位器，该双折射光束移位器有助于填充所复制的光瞳之间的间隙，使得眼箱填充以具有均匀强度的光(例如，无需增加显示模块14A的尺寸)。在另一种合适的布置中，图8的结构可用于在眼箱处产生具有增加的有效分辨率的图像。
图9是可设置在光学系统14B中的例示性双折射光束移位器102的透视图。如图9所示，双折射光束移位器102可由双折射材料诸如方解石形成并且可具有长度100(例如，在光路的方向上)。双折射光束移位器102可接收光22。光22可包括与第二偏振光98对准的第一偏振光96(例如，在双折射光束移位器102的输入面处的对应光瞳104内)。
双折射光束移位器102可将光22分离成包括第一偏振光96的第一光束108和包括第二偏振光98的第二光束109。在从双折射光束移位器102出射时，光束109可通过位移101与光束108分开。例如，位移101的量值可与双折射光束移位器102的长度100成正比。光束108和光束109可各自单独表现出相对较小的光瞳104。然而，位移101可将光束108和光束109的光瞳104分开，使得光束108和光束109总体表现出扩展的光瞳106。扩展的光瞳106可由波导26复制。由于扩展的光瞳106大于光瞳104，因此扩展的光瞳106可例如相对于省略双折射光束移位器的情况利用强度更均匀的光填充眼箱。
图10示出双折射光束移位器102可如何安装在光学系统14B内的一个示例。如图10所示，波导26可插置在棱镜36与双折射光束移位器102之间。双折射光束移位器102可安装到表面42(例如，使用光学透明的粘合剂，该光学透明的粘合剂在图10中为了清楚起见而未示出)，或者可与波导26分开。
棱镜36的楔形物76可例如由具有第一折射率n1的材料形成，而楔形物78由具有第二折射率n2的材料形成。折射率n1和n2的差值可使得光(例如，在分为图9的移位光束108和光束109之后)反射出表面72，使得光(例如，图9的扩展光瞳106)耦合到波导26中。如果需要，部分或完全反射层可形成在图10所示的棱镜36的任何表面上，该表面可为平面的和/或弯曲的。在另一个合适的布置中，双折射光束移位器102可用于形成棱镜36的一部分或全部(例如，楔形物76和/或楔形物78)。在另一种合适的布置中，图10的结构可用于在眼箱处产生具有增加的有效分辨率的图像。
在一个合适的布置中，图2至图4的透镜34可包括单组或单个群组的透镜元件(例如，图3和图4的透镜元件48)，其将光22朝波导26定向，而非将光会聚到透镜元件中的两个透镜元件或更多个透镜元件之间的点处。这仅是例示性的。如果需要，透镜34可设置有光中继元件，其中透镜34由通过间隙分开的多组或多个群组的透镜元件形成，其中透镜元件将光22会聚到透镜元件中的两个透镜元件或更多个透镜元件之间的点处。
图11是示出透镜34可如何包括由间隙分开的多个群组或多组透镜元件的示意图，其中透镜元件将光22会聚到透镜元件中的两个透镜元件或更多个透镜元件之间的点处。如图11所示，透镜34可包括第一组(群组)透镜元件34A和第二组(群组)透镜元件34B(例如，成组透镜元件，诸如图3和图4的透镜元件48)。透镜元件34A和透镜元件34B可各自包括任何所需数量的透镜元件(例如，一个透镜元件、两个透镜元件、三个透镜元件、四个透镜元件、多于四个透镜元件等)。透镜34可包括相同数量的透镜元件34A和透镜元件34B，或者可包括不同数量的透镜元件34A和透镜元件34B。透镜元件34A和透镜元件34B可包括任何所需类型的透镜元件。如果需要，物理光阑诸如光学吸收体114可被放置于透镜34中的一个或多个位置处(例如，在间隙110中、围绕透镜元件34A等)，以帮助减少系统中的杂散光。
透镜元件34A可通过间隙110与透镜34中的透镜元件34B分开。例如，间隙110可大于相邻透镜元件34B之间的距离并且大于相邻透镜元件34A之间的距离。透镜元件34A可接收来自显示模块14A的光22。透镜元件34A可将光22聚焦(会聚)到透镜元件34A与透镜元件34B之间的点(光瞳)112处。然后光线22可到达透镜元件34B，该透镜元件将光朝波导26(例如，如图3至图8和图10所示的波导26的表面42)重定向。通过这种方式将透镜元件布置在透镜34中，可允许透镜34表现出长度116和宽度118。图11中的透镜34的长度116可例如大于仅使用单组透镜元件的情况下(例如，如图3所示)的透镜34的长度50。然而，宽度118可小于仅使用单组透镜元件的情况下(例如，如图3所示)的透镜34的宽度52。这可以例如减小图1的设备10内所需的空间而不牺牲图像质量。图11的示例仅仅是例示性的，并且一般来讲，可使用其他透镜元件布置。
如果需要，可将可切换元件安装在透镜34的间隙110内以帮助增加显示器14的有效分辨率。图12是示出可切换元件可如何安装在透镜34的间隙110内以帮助增加显示器14的有效分辨率的示意图。如图12所示，可切换元件诸如可切换光移位元件120可安装在间隙110内的点112处。可切换光移位元件120可为透明平板(例如，玻璃板、塑料板等)，该透明平板能够在第一状态与第二状态之间切换。
在第一状态下，可切换光移位元件120可具有第一取向。在第二状态下，可切换光移位元件120可具有第二取向。可切换光移位元件120可包括MEM结构、压电结构或用于调整可切换元件的取向的其他结构，使得该可切换元件被置于所选择的第一状态和第二状态中的一种状态。可切换光移位元件120可在控制路径122(例如，来自图1的控制电路16)上接收控制信号，该控制路径在任何给定时间将可切换光移位元件120置于第一状态和第二状态中所选择的一种状态。
图13是示出可切换光移位元件120可如何置于第一状态和第二状态的示意图。如图13所示，可切换光移位元件120在第一状态下可具有第一取向诸如第一取向124。可切换光移位元件120在第二状态下可具有第二取向诸如第二取向126。为了清楚起见，在图13的示例中示出来自显示模块14A中的单个像素的光22。一般来讲，在显示模块中的每个像素的可切换光移位元件120处接收光22。
在第一状态下，光22可直接穿过可切换光移位元件120，如光线128所示。在第一状态下，光22可平行于可切换光移位元件120的侧向区域的法向轴入射到可切换光移位元件120上。这可以允许光22穿过可切换光移位元件120而不发生折射。在第二状态下，光22可相对于可切换光移位元件120的法向轴成非零角度入射到可切换光移位元件120上。这可使光22在被可切换光移位元件120输出之前发生折射，如光线130所示。这可使光22(光线130)在第二状态下相对于第一状态移位一偏移量诸如偏移量132(光线128)。
控制电路可使可切换光移位元件120在第一状态与第二状态之间快速来回切换(例如，旋转)，如箭头134所示，使得光22以第一对准(如光线128所示)和第二对准(例如，平行于第一对准并且与第一对准偏离的第二对准)(如光线130所示)提供给波导。针对显示器中的每个像素产生类似的光线，使得第一对准和第二对准总体使得光表现出比不存在可切换光移位元件120的情况下原本可获得的分辨率更高的分辨率。可切换光移位元件120可以大于人眼的响应速度的速度(例如，大于60Hz、大于120Hz、大于240Hz、大于1kHz、大于10kHz等)在第一状态与第二状态之间切换，使得在眼箱24(图2)处的用户无法感知每种状态。通过这种方式，光22可耦合到波导26中，并且将以比不存在可切换光移位元件120的情况下原本通过其他方式提供给眼箱的有效分辨率更大的有效分辨率提供。
图14是示出可切换光移位元件120可如何向波导提供具有增加的有效分辨率的光22的前视图(例如，如沿图14的箭头131的方向所截取的)。在图14的示例中，为了清楚起见，示出光22的四个像素。一般来讲，灯22和显示模块可包括任何所需数量的像素。
如图14所示，当可切换光移位元件120处于第一状态(例如，图13的取向124)时，光22可包括像素P1、P2、P3和P4。当可切换光移位元件120处于第二状态(例如，图13的取向126)时，像素P1、P2、P3和P4可移位，产生位移138，如对应像素P1’、P2’、P3’和P4’所示。位移138可例如为二维位移，其包括平行于Z轴的偏移136和/或平行于X轴的偏移132。
像素P1、P2、P3和P4可表现出第一像素间距，并且像素P1’、P2’、P3’和P4’可表现出第一像素间距。然而，像素P1、P2、P3和P4与像素P1’、P2’、P3’和P4’的组合可表现出小于(例如，减小一半)第一像素间距的第二像素间距。通过在第一状态与第二状态之间快速来回切换，光22可有效地包括像素P1、P2、P3、P4、P1’、P2’、P3’和P4’中的每个像素(例如，如用户在眼箱处所感知)，并且由此包括第二像素间距，而非仅包括像素P1、P2、P3和P4以及第一像素间距(例如，在省略可切换光移位元件120的情况下)。这可用于相对于省略可切换光移位元件120的情况增加光22的有效分辨率(例如，增加至光22在不存在可切换光移位元件120的情况下原本具有的分辨率的两倍)，而不增加显示模块14A的尺寸或处理资源。
在棱镜36包括弯曲反射表面(例如，图4的表面44)的情况下，由弯曲反射表面引入的屈光度可允许省略透镜34的透镜元件34B(图11和图12)。图15是示出棱镜36的弯曲反射表面可如何代替图11和图12的透镜元件34B的示意图。
如图15所示，透镜34的透镜元件34A可将光22会聚到点112处。随后，光22可穿过波导26到达棱镜36，并且可被反射出棱镜36的曲面44。表面44的弯曲可向光引入屈光度，否则该屈光度将由图11和图12的透镜元件34B引入。这可以允许省略透镜元件34B，从而允许透镜元件34A被置于比透镜元件34B包括在透镜34中的情况下更靠近波导26的位置。例如，在透镜34的输入与波导26的表面42之间可存在距离140，其中距离140小于图11的长度116和图3的距离53。如果需要，可切换光移位元件120可安装在点112处以用于增加光22的有效分辨率。
图15的示例仅为例示性的。如果需要，反射层45可层叠到表面44上或者可省略。如果需要，可省略可切换光移位元件120。图15的棱镜36可包括一个或多个楔形物，诸如图6至图8和图10的楔形物76和楔形物78。表面44可具有任何所需的自由弯曲形状。可使用图3至图15的布置中的任何所需的组合。
在实施过程中，显示模块14A和透镜34可将图像光22聚焦到棱镜36的反射表面上的对应光瞳内。如果需要，层叠到棱镜36的反射表面上的结构可仅在反射表面的一部分上延伸(重叠)，其中该部分与聚焦到反射表面上的图像光22的光瞳重叠(例如，该部分可具有与光瞳相同的尺寸和形状或者可略大于光瞳)。反射表面的其余部分可被光学吸收体覆盖(重叠)，该光学吸收体用作图像光的物理光阑。例如，如图16所示，棱镜36可包括在反射表面44上的反射层150，该反射层将图像光22反射到波导26中。反射层150的尺寸可匹配图像光22的光瞳尺寸。反射表面44的其余部分可被光学吸收体152覆盖。该示例仅仅是例示性的，并且一般来讲，图3、图4、图6至图8和图15的反射层45、图5的可切换反射层56、图6和图8的偏振敏感型反射膜74以及图7的可切换反射层88可仅与棱镜36的对应反射表面的一部分重叠，该部分与聚焦在反射表面上的图像光22的光瞳所涵盖的区域(例如，如图16的反射层150所示)重叠(例如，匹配)，而反射表面的其余部分覆盖有光吸收体(例如，如图16的光吸收体152所示)。这可用于使光学系统14B中的杂散光最小化，从而使眼箱24处所提供的图像的对比度最大化。
如果需要，任选的光学楔形物可插置在波导26与显示模块14A之间的光路上，如图16的光学楔形物158所示。光学楔形物158可具有面向并且平行于波导26的侧表面的第一表面154。光学楔形物158可具有相对的第二表面156，该第二表面相对于第一表面154以非平行角度取向(例如，倾斜)。图像光22可在穿过波导26之前穿过光学楔形物158。光学楔形物158可为色散补偿楔形物，该色散补偿楔形物补偿棱镜36和/或系统的其他光学部件对图像光22的色散(例如，在棱镜36具有随波长变化的折射率的情况下，该折射率不同于随波导26中的光栅介质的波长而变化的本体折射率)。如果需要，光学楔形物158可附加地或另选地有助于重定向以其他角度(例如，相对于Y轴不平行的角度)朝棱镜36入射的图像光22。这可以允许显示模块14A相对于波导26安装到与不存在光学楔形物的情况下原本可能的位置或取向不同的位置或取向。例如，光学楔形物可允许显示模块14A位于波导26的主框架内(例如，在图1的支撑结构20内)，而无需位于支撑结构的镜腿或其他部分中(例如，从而优化系统10所占据的空间)。如果需要，在图3至图8、图10和图15的布置中的任何布置中，图16的光学楔形物158可插置在波导26与显示模块14A之间的图像光22的光路上。
根据一个实施方案，提供了一种显示系统，该显示系统包括：显示模块，该显示模块产生图像光；波导；安装到该波导的反射输入耦合棱镜，该反射输入耦合棱镜被配置为接收穿过波导的图像光，该反射输入耦合棱镜被配置为将图像光反射到波导中，并且该波导被配置为经由全内反射传播所反射的图像光；以及输出耦合器，该输出耦合器在波导上并且被配置为将所反射的图像光耦合出该波导。
根据另一个实施方案，输出耦合器包括嵌入在波导内的光栅介质中的衍射光栅结构，该衍射光栅结构包括体积全息图，并且显示系统还包括在光学上插置在显示模块与波导之间的色散补偿楔形物。
根据另一个实施方案，反射输入耦合棱镜具有被配置为将图像光反射到波导中的反射表面，显示系统包括在反射表面上的反射层。
根据另一个实施方案，反射层包括可切换反射层，该可切换反射层能够在第一状态与第二状态之间调节，在该第一状态下，可切换反射层沿第一方向将图像光反射到波导中，在该第二状态下，可切换反射层沿不同于第一方向的第二方向将图像光反射到波导中，并且该可切换反射层包括选自由以下项组成的组的结构：可切换液晶光栅和数字微反射镜器件。
根据另一个实施方案，反射层包括选自由以下项组成的组的层：电介质层、金属层、三维金属结构层和衍射光栅层。
根据另一个实施方案，反射表面包括被配置为向反射光提供屈光度的曲面。
根据另一个实施方案，反射层覆盖反射表面的与已聚焦到该反射表面上的图像光的光瞳叠置的一部分，并且显示系统包括覆盖该反射表面的其余部分的光学吸收体。
根据另一个实施方案，显示器包括：透镜，该透镜被配置为将来自显示模块的图像光朝波导定向，该透镜被配置为将图像光会聚到插置在波导与透镜之间的位置处；以及在该位置处的透明板，该透明板能够在第一取向与第二取向之间调节，在该第一取向，该透明板通过第一对准将图像光朝波导定向，在该第二取向，该透明板通过平行于第一对准并且与该第一对准偏离的第二对准将图像光朝波导定向。
根据另一个实施方案，波导具有相对的第一表面和第二表面，反射输入耦合棱镜包含安装到该第一表面的第一楔形物和安装到该第一楔形物的表面的第二楔形物，该第二楔形物包括反射表面，该第一楔形物的表面被配置为沿第一方向将图像光反射到波导中，并且该反射表面被配置为沿不同于第一方向的第二方向将图像光反射到波导中。
根据另一个实施方案，反射输入耦合棱镜具有被配置为将图像光反射到波导中的反射表面，显示器包括插置在第一楔形物与第二楔形物之间的偏振敏感膜，该偏振敏感膜被配置为沿第一方向反射图像光的第一偏振并且透射图像光的第二偏振，并且该反射表面被配置为沿第二方向反射由偏振敏感膜透射的图像光的第二偏振。
根据另一个实施方案，显示器包括可切换偏振器，该可切换偏振器能够在第一状态与第二状态之间切换，该可切换偏振器被配置为在第一状态下使图像光的第一偏振透射穿过波导的第二表面，并且该可切换偏振器被配置为在第二状态下使图像光的第二偏振透射穿过波导的第二表面。
根据另一个实施方案，显示模块包括第一显示面板，该第一显示面板被配置为朝反射输入耦合棱镜透射图像光的第一偏振，并且显示模块包括第二显示面板，该第二显示面板被配置为同时朝反射输入耦合棱镜透射图像光的第二偏振。
根据另一个实施方案，反射输入耦合棱镜具有被配置为将图像光反射到波导中的反射表面，该波导具有相对的第一表面和第二表面，该反射输入耦合棱镜包括安装到第一表面的第一楔形物和安装到该第一楔形物的表面的第二楔形物，该第二楔形物包括反射表面，该第一楔形物的表面被配置为在第一方向上将图像光反射到波导中，并且该反射表面被配置为在不同于第一方向的第二方向上将图像光反射到波导中，显示器包括插置在第一楔形物与第二楔形物之间的可切换反射层，该可切换反射层能够在第一状态与第二状态之间切换，该可切换反射层被配置为在第一状态下在第一方向上反射图像光，该可切换反射层被配置为在第二状态下朝反射表面透射图像光，并且该可切换反射层包括胆甾型液晶反射器。
根据另一个实施方案，显示器包括双折射光束移位器，该双折射光束移位器被配置为接收图像光的光瞳，该双折射光束移位器被配置为在第一光束内将光瞳的第一偏振朝反射输入耦合棱镜透射，并且该双折射光束移位器被配置为在从第一光束偏离的第二光束中朝反射输入耦合棱镜透射光瞳的第二偏振。
根据另一个实施方案，波导具有相对的第一表面和第二表面，该反射输入耦合棱镜包括安装到第一表面的第一楔形物和安装到第一楔形物的表面的第二楔形物，该双折射光束移位器安装到第二表面，该第一楔形物具有第一折射率，并且该第二楔形物具有不同于第一折射率的第二折射率。
根据另一个实施方案，反射输入耦合棱镜包括双折射光束移位器。
根据另一个实施方案，显示器包括透镜，该透镜被配置为将来自显示模块的图像光朝反射输入耦合棱镜定向，该透镜包括第一组透镜元件和第二组透镜元件，该第二组透镜元件通过间隙与第一组透镜元件分开，该第二组透镜元件插置在第一组透镜元件与波导之间，并且第一组透镜元件被配置为将图像光会聚到间隙内的位置处。
根据另一个实施方案，显示器包括在间隙内的位置处的可切换元件，该可切换元件能够在第一状态与第二状态之间切换，在该第一状态下，该可切换元件通过第一对准使图像光穿过以到达第二组透镜元件，在该第二状态下，该可切换元件通过第二对准使图像光穿过以到达第二组透镜元件，该第二对准相对于该第一对准移位，并且该可切换元件包括透明面板和压电部件，该压电部件被配置为使透明面板在第一状态下的第一取向与第二状态下的第二取向之间旋转。
根据一个实施方案，提供了一种电子设备，该电子设备包括：显示模块，该显示模块产生图像光；波导，该波导具有相对的第一表面和第二表面；准直光学器件，该准直光学器件将图像光朝波导的第二表面定向；以及输入耦合棱镜，该输入耦合棱镜被配置为接收穿过波导的来自准直光学器件的图像光，该输入耦合棱镜包括第一楔形物和第二楔形物，该第一楔形物安装到波导的第一表面并且具有相对于波导的第一表面以第一角度取向的第一反射表面，该第一楔形物被配置为在第一方向上将图像光反射到波导中，该第二楔形物安装到第一反射表面并且具有相对于波导的第一表面以第二角度取向的第二反射表面，其中第二角度大于第一角度，该第二楔形物被配置为接收穿过第一楔形物的图像光，并且该第二楔形物被配置为将图像光在不同于第一方向的第二方向上反射到波导中。
根据另一个实施方案，电子设备包括偏振分束器，该偏振分束器层叠在第一反射表面上。
根据另一个实施方案，电子设备包括可切换反射层，该可切换反射层在第一反射表面上。
根据另一个实施方案，第一楔形物具有第一折射率，并且第二楔形物具有不同于第一折射率的第二折射率。
根据另一个实施方案，第二反射表面是弯曲的，并且第一反射表面是弯曲的。
根据一个实施方案，提供了一种显示器，该显示器包括：显示模块，该显示模块产生图像光；波导，该波导具有相对的第一表面和第二表面；透镜，该透镜被配置为将图像光朝波导的第二表面定向，该透镜包含一组透镜元件，该组透镜元件被配置为将图像光会聚到插置在该组透镜元件与波导的第二表面之间的位置处；以及反射输入耦合棱镜，该反射输入耦合棱镜安装到波导的第一表面并且被配置为接收穿过波导的来自透镜的图像光，该反射输入耦合棱镜被配置为将图像光反射到波导中。
根据另一个实施方案，透镜包括插置在该位置与波导的第二表面之间的另外一组透镜元件，该显示器包括在该位置处的透明面板，该透明面板能够在第一取向与第二取向之间切换，该透明面板被配置为在第一取向上通过第一对准使图像光穿过以到达第二组透镜元件，并且该透明面板被配置为在第二取向上通过第二对准使图像光穿过以到达第二组透镜元件，该第二对准与该第一对准偏离。
前述内容仅为示例性的并且可对所述实施方案作出各种修改。前述实施方案可独立实施或可以任意组合实施。

Claims (25)

1.一种显示系统，包含：
显示模块，所述显示模块产生图像光；
波导；
安装到所述波导的反射输入耦合棱镜，其中所述反射输入耦合棱镜被配置为接收穿过所述波导的所述图像光，所述反射输入耦合棱镜被配置为将所述图像光反射到所述波导中，并且所述波导被配置为经由全内反射传播所反射的图像光；和
输出耦合器，所述输出耦合器在所述波导上并且被配置为将所反射的图像光耦合出所述波导。
2.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述输出耦合器包含嵌入在所述波导内的光栅介质中的衍射光栅结构，所述衍射光栅结构包含体积全息图，并且所述显示系统还包含在光学上插置在所述显示模块与所述波导之间的色散补偿楔形物。
3.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述反射输入耦合棱镜具有被配置为将所述图像光反射到所述波导中的反射表面，所述显示系统还包含在所述反射表面上的反射层。
4.根据权利要求3所述的显示系统，其中所述反射层包含可切换反射层，所述可切换反射层能够在第一状态与第二状态之间调节，在所述第一状态下，所述可切换反射层在第一方向上将所述图像光反射到所述波导中，在所述第二状态下，所述可切换反射层在不同于所述第一方向的第二方向上将所述图像光反射到所述波导中，并且其中所述可切换反射层包含选自由以下项组成的组的结构：可切换液晶光栅和数字微反射镜器件。
5.根据权利要求3所述的显示系统，其中所述反射层包含选自由以下项组成的组的层：电介质层、金属层、三维金属结构层和衍射光栅层。
6.根据权利要求3所述的显示系统，其中所述反射表面包含被配置为向所述反射光提供屈光度的曲面。
7.根据权利要求3所述的显示系统，其中所述反射层覆盖所述反射表面的与已聚焦到所述反射表面上的所述图像光的光瞳叠置的一部分，并且其中所述显示系统还包含覆盖所述反射表面的其余部分的光学吸收体。
8.根据权利要求3所述的显示器，还包含：
透镜，所述透镜被配置为将来自所述显示模块的所述图像光朝所述波导定向，其中所述透镜被配置为将所述图像光会聚到插置在所述波导与所述透镜之间的位置处；和
在所述位置处的透明板，所述透明板能够在第一取向与第二取向之间调节，在所述第一取向，所述透明板通过第一对准将所述图像光朝所述波导定向，在所述第二取向，所述透明板通过平行于所述第一对准并且从所述第一对准偏离的第二对准将所述图像光朝所述波导定向。
9.根据权利要求3所述的显示器，其中所述波导具有相对的第一表面和第二表面，所述反射输入耦合棱镜包含安装到所述第一表面的第一楔形物和安装到所述第一楔形物的表面的第二楔形物，所述第二楔形物包括所述反射表面，所述第一楔形物的所述表面被配置为在第一方向上将所述图像光反射到所述波导中，并且所述反射表面被配置为在不同于所述第一方向的第二方向上将所述图像光反射到所述波导中。
10.根据权利要求1所述的显示器，其中所述反射输入耦合棱镜具有被配置为将所述图像光反射到所述波导中的反射表面，所述显示器还包含：
插置在所述第一楔形物与所述第二楔形物之间的偏振敏感膜，其中所述偏振敏感膜被配置为在所述第一方向上反射所述图像光的第一偏振并且透射所述图像光的第二偏振，并且其中所述反射表面被配置为在所述第二方向上反射由所述偏振敏感膜透射的所述图像光的所述第二偏振。
11.根据权利要求10所述的显示器，还包含：
可切换偏振器，其中所述可切换偏振器能够在第一状态与第二状态之间切换，其中所述可切换偏振器被配置为在所述第一状态下将所述图像光的所述第一偏振透射穿过所述波导的所述第二表面，并且其中可切换偏振器被配置为在所述第二状态下将所述图像光的所述第二偏振透射穿过所述波导的所述第二表面。
12.根据权利要求10所述的显示器，其中所述显示模块包含第一显示面板，所述第一显示面板被配置为朝所述反射输入耦合棱镜透射所述图像光的所述第一偏振，并且其中所述显示模块包含第二显示面板，所述第二显示面板被配置为同时朝所述反射输入耦合棱镜透射所述图像光的所述第二偏振。
13.根据权利要求1所述的显示器，其中所述反射输入耦合棱镜具有被配置为将所述图像光反射到所述波导中的反射表面，所述波导具有相对的第一表面和第二表面，所述反射输入耦合棱镜包含安装到所述第一表面的第一楔形物和安装到所述第一楔形物的表面的第二楔形物，所述第二楔形物包括所述反射表面，所述第一楔形物的所述表面被配置为在第一方向上将所述图像光反射到所述波导中，并且所述反射表面被配置为在不同于所述第一方向的第二方向上将所述图像光反射到所述波导中，所述显示器还包含：
插置在所述第一楔形物与所述第二楔形物之间的可切换反射层，其中所述可切换反射层能够在第一状态与第二状态之间切换，其中所述可切换反射层被配置为在所述第一状态下在所述第一方向上反射所述图像光，其中所述可切换反射层被配置为在所述第二状态下朝所述反射表面透射所述图像光，并且其中可切换反射层包含胆甾型液晶反射器。
14.根据权利要求1所述的显示器，还包含：
双折射光束移位器，所述双折射光束移位器被配置为接收图像光的光瞳，其中所述双折射光束移位器被配置为在第一光束内将所述光瞳的第一偏振朝所述反射输入耦合棱镜透射，并且其中所述双折射光束移位器被配置为在从所述第一光束偏离的第二光束中将所述光瞳的第二偏振朝所述反射输入耦合棱镜透射。
15.根据权利要求14所述的显示器，其中所述波导具有相对的第一表面和第二表面，所述反射输入耦合棱镜包含安装到所述第一表面的第一楔形物和安装到所述第一楔形物的表面的第二楔形物，所述双折射光束移位器安装到所述第二表面，所述第一楔形物具有第一折射率，并且所述第二楔形物具有不同于所述第一折射率的第二折射率。
16.根据权利要求1所述的显示器，其中所述反射输入耦合棱镜包含双折射光束移位器。
17.根据权利要求1所述的显示器，还包含：
透镜，所述透镜被配置为将来自所述显示模块的所述图像光朝所述反射输入耦合棱镜定向，其中所述透镜包含：
第一组透镜元件，和
第二组透镜元件，所述第二组透镜元件通过间隙与所述第一组透镜元件分开，其中所述第二组透镜元件插置在所述第一组透镜元件与所述波导之间，并且其中所述第一组透镜元件被配置为将所述图像光会聚到所述间隙内的位置处。
18.根据权利要求17所述的显示器，还包含：
在所述间隙内的所述位置处的可切换元件，其中所述可切换元件能够在第一状态与第二状态之间切换，在所述第一状态下，所述可切换元件通过第一对准使所述图像光穿过以到达所述第二组透镜元件，在所述第二状态下，所述可切换元件通过第二对准使所述图像光穿过以到达所述第二组透镜元件，所述第二对准相对于所述第一对准移位，并且其中所述可切换元件包含透明面板和压电部件，所述压电部件被配置为使所述透明面板在所述第一状态下的第一取向与所述第二状态下的第二取向之间旋转。
19.一种电子设备，包含：
显示模块，所述显示模块产生图像光；
波导，所述波导具有相对的第一表面和第二表面；
准直光学器件，所述准直光学器件将所述图像光朝所述波导的所述第二表面定向；和
输入耦合棱镜，所述输入耦合棱镜被配置为接收穿过所述波导的来自所述准直光学器件的所述图像光，其中所述输入耦合棱镜包含：
第一楔形物，所述第一楔形物安装到所述波导的所述第一表面并且具有相对于所述波导的所述第一表面以第一角度取向的第一反射表面，其中所述第一楔形物被配置为在第一方向上将所述图像光反射到所述波导中，和
第二楔形物，所述第二楔形物安装到所述第一反射表面并且具有相对于所述波导的所述第一表面以第二角度取向的第二反射表面，其中所述第二角度大于所述第一角度，其中所述第二楔形物被配置为接收穿过所述第一楔形物的所述图像光，并且其中所述第二楔形物被配置为将所述图像光在不同于所述第一方向的第二方向上反射到所述波导中。
20.根据权利要求19所述的电子设备，还包含：
偏振分束器，所述偏振分束器层叠在所述第一反射表面上。
21.根据权利要求19所述的电子设备，还包含：
可切换反射层，所述可切换反射层在所述第一反射表面上。
22.根据权利要求19所述的电子设备，其中所述第一楔形物具有第一折射率，并且所述第二楔形物具有不同于所述第一折射率的第二折射率。
23.根据权利要求19所述的电子设备，其中所述第二反射表面是弯曲的，并且其中所述第一反射表面是弯曲的。
24.一种显示器，包含：
显示模块，所述显示模块产生图像光；
波导，所述波导具有相对的第一表面和第二表面；
透镜，所述透镜被配置为将所述图像光朝所述波导的所述第二表面定向，其中所述透镜包含一组透镜元件，所述一组透镜元件被配置为将所述图像光会聚到插置在所述一组透镜元件与所述波导的所述第二表面之间的位置处；和
反射输入耦合棱镜，所述反射输入耦合棱镜安装到所述波导的所述第一表面并且被配置为接收穿过所述波导的来自所述透镜的所述图像光，其中所述反射输入耦合棱镜被配置为将所述图像光反射到所述波导中。
25.根据权利要求24所述的显示器，其中所述透镜还包含插置在所述位置与所述波导的所述第二表面之间的另外一组透镜元件，所述显示器还包含：
在所述位置处的透明面板，其中所述透明面板能够在第一取向与第二取向之间切换，其中所述透明面板被配置为在所述第一取向上通过第一对准使所述图像光穿过以到达所述第二组透镜元件，并且其中所述透明面板被配置为在所述第二取向上通过第二对准使所述图像光穿过以到达所述第二组透镜元件，其中所述第二对准从所述第一对准偏离。
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