CN114217436A - 大出瞳的显示设备、显示方法、扩展方法及车用显示装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了大出瞳的显示设备、显示方法、扩展方法及车用显示装置，该显示设备用于显示虚拟图像，包括基座、设置在所述基座上的图像扩展器、控制所述图像扩展器相对所述基座旋转和/或振动的驱动装置和用于提供输入图像的光学引擎；所述图像扩展器包括光波导板、设置在所述光波导板上的输入耦合元件和输出耦合元件；所述输入耦合元件用于将输入光耦合进光波导板中形成波导光，并使波导光在光波导板中通过全反射朝向输出耦合元件传播；所述输出耦合元件用于将波导光耦合出光波导板形成输出光。本发明通过驱动装置控制所述图像扩展器旋转和/或振动，以达到扩大图像显示区域的技术效果。

Description

大出瞳的显示设备、显示方法、扩展方法及车用显示装置
技术领域
本发明涉及虚拟显示技术领域，特别涉及大出瞳的显示设备、显示方法、扩展方法及车用显示装置。
背景技术
当前的虚拟显示设备，包括光学引擎和衍射光波导模组。其中光学引擎产生输入光束，携带图像信息传播到不同方向，传播方向对应于光学引擎内微显示器的不同像素。衍射光波导模组对输入光进行扩束，通过出瞳区照射到用户眼睛上，从而让用户在出瞳平面上观察到微显示器中显示的图像。
该显示设备前方有一个区域，为Eye Box(眼箱)，是指瞳孔能获取完整图像信息的可运动空间。如果瞳孔落在Eye Box区域外，扩展光束将无法进入眼球，从而观察不到显示的图像。
然而，Eye Box的大小受限于衍射光波导模组的外耦合元件(出瞳区)的尺寸。外耦合元件的尺寸越大，Eye Box也就越大，但大型外耦合元件的制作是相当困难和/或昂贵的。因此，如何实现在外耦合元件尺寸一定的情况下扩大Eye Box区域是本领域技术人员需要解决的问题。
发明内容
本发明实施例提供了一种大出瞳的显示设备、图像显示方法、光束扩展方法及车用抬头显示装置，旨在扩大图像显示区域。
第一方面，本发明实施例提供了一种大出瞳的显示设备，用于显示虚拟图像，包括基座、设置在所述基座上的图像扩展器、控制所述图像扩展器相对所述基座旋转和/或振动的驱动装置和用于提供输入图像的光学引擎；
所述图像扩展器包括光波导板、设置在所述光波导板上的输入耦合元件和输出耦合元件；所述输入耦合元件用于将输入光耦合进光波导板中形成波导光，并使波导光在光波导板中通过全反射朝向输出耦合元件传播；所述输出耦合元件用于将波导光耦合出光波导板形成输出光。
第二方面，本发明实施例提供了一种图像显示方法，采用如第一方面所述的大出瞳的显示设备实现。
第三方面，本发明实施例提供了一种光束扩展方法，其特征在于，采用如第一方面所述的大出瞳的显示设备实现。
第四方面，本发明实施例提供了一种车用抬头显示设备，其特征在于，采用如第一方面所述的大出瞳的显示设备。
本发明实施例提供了一种大出瞳的显示设备、图像显示方法、光束扩展方法及车用抬头显示装置，该显示设备用于显示虚拟图像，包括基座、设置在所述基座上的图像扩展器、控制所述图像扩展器相对所述基座旋转和/或振动的驱动装置和用于提供输入图像的光学引擎；所述图像扩展器包括光波导板、设置在所述光波导板上的输入耦合元件和输出耦合元件；所述输入耦合元件用于将输入光耦合进光波导板中形成波导光，并使波导光在光波导板中通过全反射朝向输出耦合元件传播；所述输出耦合元件用于将波导光耦合出光波导板形成输出光。本发明实施例通过驱动装置控制所述图像扩展器旋转和/或振动，以达到扩大图像显示区域的技术效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a展示了显示设备的侧视图；
图1b展示了显示设备的立体图；
图1c展示了显示设备的正视图；
图1d展示了显示设备的有效显示区域；
图2a展示了某一显示区域的出光脉冲时序图；
图2b展示了某一显示区域的RGB出光脉冲时序图；
图3a展示了驾驶者透过车窗观察车外物体的侧视图；
图3b展示了驾驶者接收外部光束的侧视图；
图3c展示了驾驶者通过车窗同时观察到车外物体和显示设备的反射像的侧视图；
图4a～4e展示了光学引擎产生输入光的原理图，其中光学引擎对输入图像的每个像素准直；
图4f展示了用户观看虚拟图像的光路图，其中虚拟图像为图像扩展器扩展后的输入图像；
图4g展示了观看虚拟图像时的角宽度；
图4h展示了观看虚拟图像时的角高度；
图4i展示了输入光束的波矢量；
图5展示了光束在波导内传播的示意图；
图6展示了图像扩展器的尺寸示意图；
图7a展示了一种平衡的图像扩展器，包括一个输出耦合元件；
图7b展示了一种不平衡的图像扩展器，包括一个输出耦合元件；
图7c展示了一种平衡的图像扩展器，包括一个输入耦合元件和两个输出耦合元件；
图7d展示了一种平衡的图像扩展器，包括两个输入耦合元件和两个输出耦合元件；
图7e展示了一种圆形的图像扩展器，包括一个圆形光波导板；
图8a展示了图像扩展器旋转时的有效显示区域，包括输出耦合器扫过的面积和输入耦合器的直接透射光；
图8b展示了显示设备的侧视图，其中电机和光学引擎位于图像扩展器的同一侧；
图8c展示了显示设备的侧视图，其中电机和光学引擎位于图像扩展器的同一侧；
图9a展示了采用反射面后的图像扩展器的侧视图及光路图；
图9b展示了采用反射面后的显示设备的侧视图及光路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
下面请参见图1a～1c，本发明实施例提供的一种大出瞳的显示设备500，用于显示虚拟图像VIMG1，包括基座BASE1、设置在所述基座BASE1上的图像扩展器EPE1、控制所述图像扩展器EPE1相对所述基座BASE1旋转和/或振动的驱动装置MOTOR1和用于提供输入图像的光学引擎ENG1；
所述图像扩展器EPE1包括光波导板SUB1、设置在所述光波导板上SUB1的输入耦合元件DOE1和输出耦合元件DOE3；所述输入耦合元件DOE1用于将输入光IN1耦合进光波导板SUB1中形成波导光B1，并使波导光B1在光波导板SUB1中通过全反射朝向输出耦合元件DOE3传播；所述输出耦合元件DOE3用于将波导光B1耦合出光波导板SUB1形成输出光OUT1。
本实施例所提供的的用于显示虚拟图像VIMG1的显示设备500包括图像扩展器EPE1，可以将光学引擎发出的输入光IN1扩束形成输出光OUT1。具体的，所述图像扩展器EPE1包括光波导板SUB1、输入耦合元件DOE1以及输出耦合元件DOE3，其中输入耦合元件DOE1可以将输入光IN1耦合进光波导板SUB1成波导光B1，输出耦合元件DOE3可以将波导光B1耦合出光波导板SUB1形成输出光OUT1。显示设备500还包括基座BASE1和驱动装置MOTOR1，其中驱动装置MOTOR1可以带动光波导板SUB1相对基座BASE1产生旋转和/或振动，使图像扩展器能够扩大光学引擎ENG1的成像面积，从而达到扩大图像显示区域的技术效果。
当输出光OUT1照射到用户的眼睛EYE1上时，用户USER1可以通过显示设备500观察到显示的虚拟图像VIMG1。
输入光IN1可以包括在不同方向上传播的多个子输入光束。其中，输入光IN1的每一子输入光束可对应于输入图像IMG0的不同像素点。
输出光OUT1可以包括在不同方向上传播的多个子输出光束。其中，输出光OUT1可以包括对应于虚像VIMG1的不同点的多个子输出光束。图像扩展器EPE1可以将输入光IN1扩展成输出光OUT1，并使得输出光OUT1的每一个子输出光束的光束方向和强度对应于输入图像IMG0的不同像素点。特别地，图像扩展器EPE1可以通过衍射来扩展输入光束来形成输出光束，使得每个子输出光束可以在与相应的子输入光束相同的方向上传播。因此，显示的虚拟图像VIMG1可以代表输入图像IMG0。
输入光IN1的光束可以对应于显示图像的单个像素点(P0)。在图像扩展器EPE1的作用下，输出光束的方向(k3P0,R)平行于对应的输入光束的方向(k0P0,R)。且对于不同像素点的光束可以沿不同的方向传播。不同像素点的传播方向如图4a～4i所示。
在一实施例中，所述光学引擎可将输入图像中的每一个发光像素转换成准直的并带有特定角度的子输入光束，所述子输入光束的集合为所述图像扩展器的输入光。
光学引擎ENG1可以产生对应于输入图像IMG0的输入光IN1，同时输入光IN1可以包括对应于输入图像IMG0的不同像素点在不同方向上传播的多个子输入光束。光学引擎ENG1可以包括显示器DISP1和准直光学器件LNS1以形成输入光束。
在一具体实施例中，所述输入光IN1中的一部分通过所述输入耦合元件DOE1利用衍射效应耦合进光波导板SUB1内形成波导光B1，另一部分则直接透射光波导板SUB1，形成直接输出光OUT1C。
进一步的，还包括一用于将直接输出光OUT1C的光强降低至与所述输出光OUT1的光强同一水平的衰减片。
在一实施例中，所述输入耦合元件DOE1包括至少一个衍射光栅，所述输入耦合元件DOE1通过衍射光栅将输入光IN1耦合进光波导板SUB1中形成波导光B1；
所述输出耦合元件DOE3包括至少一个衍射光栅，所述输出耦合元件DOE3通过衍射光栅将波导光B1耦合出光波导板SUB1形成输出光OUT1。
本实施例中，图像扩展器EPE1对输入光IN1的扩束可以通过衍射光栅来实现。图像扩展器EPE1可包括衍射输入耦合元件DOE1和衍射输出耦合元件DOE3。其中输入耦合元件DOE1可以包括一个或多个衍射光栅，输出耦合元件DOE3可以包括一个或多个衍射光栅。衍射输入耦合元件DOE1可以通过衍射将输入光IN1耦合进光波导板SUB1中来形成波导光。衍射输出耦合元件DOE3可以通过衍射将波导光耦合出光波导板SUB1来形成输出光OUT1。输入光IN1可以包括多个输入光束。输出光OUT1可以包括多个输出光束。可以通过调整衍射输入耦合元件DOE1的光栅矢量和衍射输出耦合元件的光栅矢量，使得输出光OUT1的方向对应于输入光的方向。衍射元件容易可以进行大规模生产，同时也可以使光波导板SUB1保持较高的机械强度。
在一实施例中，所述输入耦合元件DOE1包括至少一个反射面，所述输入耦合元件DOE1通过反射面将输入光IN1耦合进光波导板SUB1中形成波导光B1；
所述输出耦合元件DOE3包括至少一个反射面，所述输出耦合元件DOE3通过反射面将波导光B1耦合出光波导板SUB1形成输出光OUT1。
本实施例中，图像扩展器EPE1对输入光IN1的扩束可以通过反射面来实现。其中，输入耦合元件DOE1可以包括一个或多个反射面，输出耦合元件DOE3可以包括一个或多个反射面。输出耦合元件DOE3可以由多个半透半反的倾斜面组成，并嵌入光波导板SUB1中。输入耦合元件DOE1的一个或多个反射面可以通过反射将输入光IN1耦合进光波导板SUB1中来形成波导光B1。输出耦合元件DOE3的一个或多个反射面可以通过反射将波导光B1耦合出光波导板SUB1来形成输出光OUT1。可以通过调整输入耦合元件DOE1和输出耦合元件DOE3中小反射面的倾斜角，使得输出光OUT1的方向对应于输入光IN1的方向。当显示更大色域的虚拟图像时，反射面可以提供更高的显色保真度。
结合图1a～1c，在一实施例中，所述输入耦合元件DOE1可将输入光IN1中的一个或多个子输入光束耦合进所述光波导板SUB1内形成波导光，所述波导光通过全内反射朝所述输出耦合元件DOE3所在方向传播，所述输出耦合元件DOE3可波导光耦合出所述光波导板SUB1，形成输出光OUT1中的一个或多个子输出光束。
本实施例中，输入耦合元件DOE1可以接收输入光IN1，输出耦合元件DOE3、DOE3a、DOE3b可以提供输出光OUT1。输入光IN1可以包括在不同方向上传播的多个子输入光束。输出光OUT1可以包括由输入光IN1的子输入光束(B0)形成的多个扩展光束(B3)。
输入耦合元件DOE1可以将输入光IN1耦合到光波导板SUB1中，其中输入光IN1的照射面积与输入耦合元件DOE1重叠。同时，输入耦合元件DOE1的中心点也需与旋转轴线AX1共轴。图像扩展器EPE1可以在输入耦合元件DOE1的相对侧上设置一个输出耦合元件DOE3，或设置两个相对放置的输出耦合元件DOE3(DOE3a、DOE3b)。
元件DOE1、DOE3、DOE3a、DOE3b可以是衍射元件，其中每个衍射元件可以包括一个或多个衍射光栅，其中衍射光栅可以设置在光波导板SUB1的第一和/或第二表面上。输入耦合元件DOE1可以通过衍射将输入光IN1耦合进光波导板SUB1来形成波导光B1、B1a、B1b。波导光B1、B1a、B1b在波导板SUB1中利用全反射进行传播。输出耦合元件DOE3、DOE3a、DOE3b可以通过衍射将波导光B1、B1a、B1b耦合出光波导板SUB1并形成输出光OUT1。
图像扩展器EPE1可以作为显示设备500的出瞳，以便将眼睛保持在相对于显示设备500合适的位置上。
图像扩展器EPE1通过扩展输入光IN1形成输出光OUT1。其中，输出光OUT1的光束宽度wOUT1大于输入光IN1的光束宽度wIN1。图像扩展器EPE1可以在输入耦合元件DOE1的光栅矢量(V1)方向上扩展输入光IN1。当光栅矢量(V1)平行于水平方向(SX)时，图像扩展器EPE1可以在水平方向(SX)上扩展输入光IN1；当光栅矢量(V1)平行于垂直方向(SY)时，图像扩展器EPE1可以在垂直方向(SY)上扩展输入光IN1。
在旋转过程中，图像扩展器EPE1可以逐步扩展输出光OUT1中子输出光束(B3)的水平截面宽度wOUT1和垂直截面高度hOUT1。因此，图像扩展器EPE1在旋转过程中可有效地在二维方向(例如，在方向SX和在方向SY)上扩展输入光IN1，该扩展过程也可称为出瞳扩展。图像扩展器EPE1也可以称为光束扩展器或出瞳扩展器。
输入耦合元件DOE1可以通过将输入光IN1耦合进光波导板SUB1中来形成波导光B1或B1a、B1b。波导光B1、B1a、B1b可以在平面光波导板SUB1内传播，并通过全内反射被限制在光波导板SUB1上。
输出耦合元件DOE3可以通过将波导光B1耦合出光波导板SUB1而形成输出光OUT1。第一输出耦合元件DOE3a可以通过将第一波导光B1a耦合出光波导板SUB1而形成第一输出光OUT1；第二输出耦合元件DOE3b可以通过将第二波导光B1b耦合出光波导板SUB1而形成第二输出光OUT1。
在一实施例中，所述驱动装置MOTOR1带动图像扩展器EPE1绕一旋转轴AX1按照固定转速旋转，所述固定转速为5～200r/s，所述图像扩展器EPE1相对于所述旋转轴AX1平衡设置。
本实施例中，驱动装置MOTOR1可以设置为以转速fRPM旋转光波导板SUB1，其转速可以在每秒5至200转的范围内。例如，驱动装置MOTOR1可以带动图像扩展器EPE1旋转，使得图像扩展器EPE1的转速fRPM大于或等于30转/秒。此时，用户便难以在视觉上检测到显示图像VIMG1的闪烁。又例如，驱动装置MOTOR1可以带动图像扩展器EPE1旋转，使得图像扩展器EPE1的转速fRPM大于或等于60转/秒。此时，用户可能更难以视觉检测显示图像VIMG1的闪烁。
在一具体实施例中，图像扩展器EPE1可由驱动装置MOTOR1的一个或多个轴承可旋转地支撑。
驱动装置MOTOR1和光学引擎ENG1可以在图像扩展器EPE1的不同侧(见图1a)或在图像扩展器EPE1的同一侧(见图8b、8c)。例如，驱动装置MOTOR1可以具有中央开口(HOL1)，以允许将驱动装置MOTOR1和光学引擎ENG1定位在图像扩展器EPE1的同一侧。
在另一具体实施例中，图像扩展器EPE1可以作为MOTOR1的旋转部件操作。例如，图像扩展器EPE1可包括磁体或线圈以产生旋转所需的力。图像扩展器EPE1还可以由位于边缘处的轴承或由位于旋转轴AX1处的滚针轴承可旋转地支撑。
在一实施例中，所述大出瞳的显示设备还包括一罩设于所述显示设备500上的保护盖502，所述保护盖502用于防止用户与所述图像扩展器EPE1产生接触，同时用户可透过所述保护盖502观看到所述图像扩展器EPE1显示的虚拟图像VIMG1。
在一实施例中，所述驱动装置MOTOR1为电机或者气动涡轮机，所述驱动装置MOTOR1通过一保护盖502或者固定件与所述基座BASE1相连接。
本实施例中，驱动装置MOTOR1可以是电机或气动涡轮机，并可以通过例如保护盖502和/或固定件直接或间接地连接到基座BASE1中。驱动装置MOTOR1可以围绕旋转轴AX1带动图像扩展器EPE1以角速度ω1旋转，该角速度对应于旋转速度fRPM。
在一实施例中，所述光学引擎ENG1固定设置于所述基座BASE1上，并与所述基座BASE1保持相对静止。
本实施例中，光学引擎ENG1可以固定地安装到基座BASE1中并保持相对静止。图像扩展器EPE1可设置为相对于固定基座BASE1旋转和/或振动。
图像扩展器EPE1可以相对于基座BASE1旋转。其中，光学引擎ENG1的光轴AX0可以与图像扩展器EPE1的旋转轴AX1共轴，输入耦合元件DOE1可以与图像扩展器EPE1的旋转轴AX1共轴。
进一步的，光学引擎ENG1可以通过例如保护盖502机械地连接到基座BASE1中。保护盖502可以是透明的或半透明的。例如，透明盖502可以包括透明玻璃或塑料，半透明盖502可以包括具有透视特性的网。保护盖502还可以防止用户意外接触旋转中的图像扩展器EPE1。
光学引擎ENG1也可以通过连接结构连接到基座BASE1中。在一个实施例中，连接结构可以是开放结构，因为并非总是需要保护旋转中的图像扩展器EPE1的后侧。
在一实施例中，所述输入光IN1的光束宽度小于所述输出光OUT1的光束宽度，所述输入光IN1和输出光OUT1分别包含至少一个输入光束和输出光束。
本实施例中，结合图1a～1c，其中，符号LEYE1表示图像扩展器EPE1与用户眼睛EYE1之间的距离。当使用显示设备500作为车辆1000的抬头显示器时，距离LEYE1可以在例如0.1m到1.0m的范围内。SX、SY和SZ为正交坐标系。光波导板SUB1可以平行于由方向SX和SY定义的平面。
输入耦合元件DOE1可以接收输入光IN1，输出耦合元件DOE3、DOE3a、DOE3b可以提供输出光OUT1。输入光IN1可以包括在不同方向上传播的多个子输入光束。输出光OUT1可以包括由输入光IN1的子输入光束(B0)形成的多个扩展光束(B3)。
图像扩展器EPE1通过扩展输入光IN1形成输出光OUT1。其中，输出光OUT1的光束宽度wOUT1大于输入光IN1的光束宽度wIN1。图像扩展器EPE1可以在输入耦合元件DOE1的光栅矢量(V1)方向上扩展输入光IN1。当光栅矢量(V1)平行于水平方向(SX)时，图像扩展器EPE1可以在水平方向(SX)上扩展输入光IN1；当光栅矢量(V1)平行于垂直方向(SY)时，图像扩展器EPE1可以在垂直方向(SY)上扩展输入光IN1。
在旋转过程中，图像扩展器EPE1可以逐步扩展输出光OUT1中子输出光束(B3)的水平截面宽度wOUT1和垂直截面高度hOUT1。因此，图像扩展器EPE1在旋转过程中可有效地在二维方向(例如，在方向SX和在方向SY)上扩展输入光IN1，该扩展过程也可称为出瞳扩展。图像扩展器EPE1也可以称为光束扩展器或出瞳扩展器。在一实施例中，所述图像扩展器的宽度为8cm～50cm，有效显示面积为100cm2～2000cm2。
输入耦合元件DOE1可以通过将输入光IN1耦合进光波导板SUB1中来形成波导光B1或B1a、B1b。波导光B1、B1a、B1b可以在平面光波导板SUB1内传播，并通过全内反射被限制在光波导板SUB1上。
输出耦合元件DOE3可以通过将波导光B1耦合出光波导板SUB1而形成输出光OUT1。第一输出耦合元件DOE3a可以通过将第一波导光B1a耦合出光波导板SUB1而形成第一输出光OUT1；第二输出耦合元件DOE3b可以通过将第二波导光B1b耦合出光波导板SUB1而形成第二输出光OUT1。
在一实施例中，所述输出光OUT1的宽度与所述输入耦合元件DOE1的宽度相等，所述输出光OUT1的长度与所述输入耦合元件DOE1的长度相等。
本实施例中，光波导板EPE1的最大长度wEPE1可以在50mm到200mm的范围内。光波导板EPE1的旋转可能会产生离心力，其大小取决于转速和直径。当光波导板EPE1高速旋转时，保持长度wEPE1小于或等于200mm可以降低由于离心力而损坏光波导板的风险。
其中，w1表示输入耦合元件DOE1的宽度，h1表示输入耦合元件DOE1的高度。wIN1表示输入光束(IN1)的横截面宽度，hIN1表示输入光束(IN1)的横截面高度。w3表示输出耦合元件DOE3(DOE3a)的宽度，h3表示输出耦合元件DOE3(DOE3a)的高度。wOUT1表示输出光束(OUT1)的横截面宽度，hOUT1表示输出光束(OUT1)的横截面高度。在一个实施例中，输出光OUT1的横截面尺寸可以由输出耦合元件DOE3(DOE3a)的尺寸限定，其中宽度wOUT1基本上等于宽度w3和/或高度hOUT1可以基本上等于高度h3。
在一实施例中，所述光学引擎可同时投影红光、绿光和蓝光，以形成彩色图像；或者单独投影红光、绿光或蓝光，以形成对应的单色图像。在另一实施例中，所述光学引擎在所述图像扩展器的第一个旋转周期内投影红光，在所述图像扩展器的第二个旋转周期内投影绿光，在所述图像扩展器的第三个旋转周期内投影蓝光，以此循环，以形成彩色图像。
本实施例中，光学引擎ENG1可同时投影红光、绿光和蓝光，以显示彩色虚拟图像VIMG1，此时图像扩展器EPE1需设置为可显示三种波段；光学引擎ENG1也可设置为仅投射一种颜色(例如，红色、绿色或蓝色)，以显示单色虚拟图像VIMG1，此时图像扩展器EPE1需设置为可现实对应的色光。
图2a展示了显示区域DAR1的任一点(例如POINT1)的局部强度IPOINT1在显示虚拟图像VIMG1时的时序图。当图像扩张器EPE1旋转时，点POINT1可看作以脉冲的方式向眼睛EYE1发射光束。在该示例中，图像扩展器EPE1包括两个输出耦合元件DOE3a和DOE3b。当点POINT1与输出耦合元件DOE3a或DOE3b重叠时，点POINT1的强度达到最大值IMAX；当点POINT1不与输出耦合元件DOE3a或DOE3b重叠时，点POINT1的强度为零。TROT表示图像扩展器EPE1旋转一周的时间段，其中TROT＝1/fRPM。TON表示点POINT1与输出耦合元件DOE3a或DOE3b重叠时的时间段，同时也表示当输出耦合元件DOE3a或DOE3b扫过所述点POINT1时，从点POINT1发出的光脉冲的持续时间。TBLANK表示点POINT1不与输出耦合元件DOE3a和DOE3b重合时的时间段。点POINT1在时间t1a，t'1a之间、时间t2a，t'2a之间、时间t3a，t'3a之间以及时间t4a，t'4a之间位于第一输出耦合元件DOE3a的区域内；点POINT1在时间t1b，t'1b之间、时间t2b，t'2b之间以及时间t3b，t'3b之间位于第二输出耦合元件DOE3b的区域内。
图2b展示了用于显示彩色虚拟图像VIMG1的时序图。彩色图像可以是例如RGB图像，其包括红(R)光、绿(G)光和蓝(B)光。显示设备500可依序发出不同的色光，以显示彩色虚拟图像VIMG1。例如，显示设备500可以在图像扩展器EPE1的第一个旋转周期内显示第一种色光，在第二次旋转周期内显示第二种色光，并且在第三次旋转周期内显示第三种色光，三次投影结束后，重复该序列。其中，第一种色光可以是红色(R)，第二种色光可以是绿色(G)，第三种色光可以是蓝色(B)。不同色光的发射强度可以在每个旋转周期之间改变，以提供期望的混合颜色。
光学引擎ENG1可以设置为依序投射红光、绿光和蓝光。例如，光学引擎ENG1可以设置为在图像扩展器EPE1的第一次旋转周期内投射第一种色光，在图像扩展器EPE1的第二次旋转周期内投射第一种色光，在图像扩展器EPE1的第三次旋转周期内投射第三种色光，三次投影结束后，重复该序列。
参考图4a至4e，图像扩展器EPE1可以通过扩展由光学引擎ENG1产生的输入光IN1来形成输出光OUT1。
光学引擎ENG1可以包括微显示器DISP1和准直光学器件LNS1。其中，微显示器DISP1可用于显示输入图像IMG0，准直光学器件LNS1可用于将输入图像IMG0转换为输入光IN1。
输入图像IMG0可以包括中心点P0和四个角点P1、P2、P3、P4。P1可以表示左上角点。P2可以表示右上角点。P3可以表示左下角点。P4可以表示右下角点。输入图像IMG0可以包括例如图形字符“F”，“G”和“H”。
输入图像IMG0可以是单色图像，通过调制激光或调制一个或多个发光二极管来形成单色图像IMG0。输入图像IMG0也可以是彩色图像，例如RGB图像，其可以包括红色局部图像、绿色局部图像和蓝色局部图像。每个像点可以提供例如红光、绿光或蓝光。
光学引擎ENG1可以提供输入光IN1，其可以包括多个基本准直的光束(B0)。例如，每个红色光束可以在不同的方向上传播并且可以对应于输入图像IMG0的不同点。其中，每个光束可以具有不同的颜色，例如，下标“R”可以指代红色。例如，红色光束B0P0,R可以对应于中心像点P0，并且可以在波矢量k0P0,R的方向上传播。
红色光束B0P1,R可以对应于像点P1，并且可以在波矢量k0P1,R方向上传播；红色光束B0P2,R可以对应于像点P2，并且可以在波矢量k0P2,R的方向上传播；红色光束B0P3,R可以对应于像点P3，并且可以在波矢量k0P3,R的方向上传播；红色光束B0P4,R可以对应于像点P4，并且可以在波矢量k0P4,R的方向上传播。
此外，蓝色光束(B0P1,B)可以对应于像点P1，并且可以在波矢量(k0P1,B)的方向上传播。
例如，可以形成输入光IN1，使得对应于输入图像IMG0的第一角点P1的蓝色光束(B0P1,B)的传播方向(k0P1,B)可以与红色光束(B0P1,R)的传播方向(k0P1,R)平行；例如，可以形成输入光IN1，使得对应于输入图像IMG0的第二角点P2的蓝色光束(B0P2,B)的传播方向(k0P2,B)可以与红色光束(B0P2,R)的传播方向(k0P2,R)平行。
光的波矢量(k)可以定义为所述光的传播方向，其大小由2π/λ给出，其中λ是所述光的波长。
中心点P0的光B0P0,R可沿轴向(k0P0,R)传播。轴向(k0P0,R)可以与光学引擎ENG1的光轴(AX0)平行。
参考图4f，输出光OUT1可以包括多个子输出光束B3P1,R、B3P2,R、...，它们可以对应于显示的虚拟图像VIMG1的点P1'、P2'、…。例如，沿波矢量k3P0,R的方向传播的红色光束B3P0,R可以对应于图像VIMG1的点P0'；在波向量k3P1,R的方向上传播的红色光束B3P1,R可以对应于图像VIMG1的点P1'；在波向量k3P2,R的方向上传播的红色光束B3P2,R可以对应于图像VIMG1的点P2'；在波矢量k3P3,R的方向上传播的红色光束B3P3,R可以对应于点P3'。在波矢量k3P4,R的方向上传播的红色光束B3P4,R可以对应于点P4'。
图像扩展器EPE1可以通过扩展光学引擎ENG1的出瞳来形成输出光OUT1。输出光OUT1可以包括多个子输出光束，其分别对应于所显示的虚拟图像VIMG1的每个像点。输出光OUT1可以照射到用户的眼睛EYE1上，使得用户看到所显示的虚拟图像VIMG1。
所显示的虚拟图像VIMG1可具有中心点P0'和四个角点P1'、P2'、P3'、P4'。输入光IN1可包括对应于输入图像IMG0的点P0、P1、P2、P3、P4的多个部分光束。在图像扩展器EPE1中，可以通过衍射和全内反射将所述输入图像IMG0的点P0对应的子输入光转换为所显示的虚拟图像VIMG1的点P0'对应的子输出光。输入光IN1会在输入耦合元件DOE1的作用下产生衍射，将输入光IN1耦合进光波导板SUB1形成波导光B1、B1a、B1b，该波导光包括输入图像IMG0的中心点P0的光信息。波导光B1、B1a、B1b分别在对应的输出耦合元件DOE3、DOE3a、DOE3b的作用下，通过衍射耦合出光波导板SUB1，形成输出光OUT1，使得输出光OUT1包含中心点P0的全部光信息。
图像扩展器EPE1可以通过衍射和全内反射将点P1、P2、P3、P4转换成点P1'、P2'、P3'、P4'。
图像扩展器EPE1可以扩展输入光IN1，使得每个输出光束B3P1,R，B3P2,R，B3P3,R，...可以在与相应输入光束B0P1,R，B0P2,R，B0P3,R，...在相同的方向上传播。例如，图像扩展器EPE1可以将输入光束B0P1,R转换成输出光束B3P1,R，使得输出光束B3P1,R在与输入光束B0P1,R相同的方向上传播，同时光束B0P1,R、B3P1,R对应于输入图像IMG0的相同点P1。例如，图像扩展器EPE1可以将输入光束B0P2,R转换成输出光束B3P2,R，使得输出光束B3P2,R在与输入光束B0P2,R相同的方向上传播，同时光束B0P2,R、B3P2,R可对应于输入图像IMG0的相同点P2。
图像扩展器EPE1可以使波矢k3P1,R与输入光IN1中的点P1的红光的波矢k0P1,R平行；波矢k3P0,R可以与点P0的波矢k0P0,R平行；波矢k3P2,R可以与点P2的波矢k0P2,R平行；波矢k3P3,R可以与点P3的波矢k0P3,R平行；波矢k3P4,R可以与点P4的波矢k0P4,R平行。
参考图4g和4h，显示的虚拟图像VIMG1具有角宽
Figure BDA0003500553840000141
和角高Δθ。
所显示的虚拟图像VIMG1可以具有左侧的第一角点P1'和右侧的第二角点P2'，其中虚拟图像VIMG1的角宽度
Figure BDA0003500553840000142
可以等于角点P1'、P2'的波向量k3P1,R、k3P2,R之间的水平角。
所显示的虚拟图像VIMG1可以具有上角点P1'和下角点P3'，其中虚拟图像VIMG1的角高Δθ可以等于角点P1'、P3'的波矢k3P1,R、k3P3,R之间的垂直角。
波矢量的方向可以通过例如方向角
Figure BDA0003500553840000143
和θ来指定。角度
Figure BDA0003500553840000144
可以表示波矢量和参考平面REF1之间的角度，其中参考平面REF1由SZ和SY定义；角度θ可表示波矢量和参考平面REF2之间的角度，其中参考平面REF2由SZ和SX定义。
参考图4i，输入光IN1可以包括红光(R)、绿光(G)和/或蓝光(B)。例如，输入光IN1可以包括蓝色输入光束，其波矢可以为k0P0,B，k0P1,B，k0P2,B，k0P3,B，k0P4,B，分别对应于图像IMG0的蓝色像点P0，P1，P2，P3，P4。图像扩展器EPE1可以将蓝色输入光束转换成蓝色输出光束，使得每个蓝色输出光束的波矢与对应的蓝色输入光束的波矢平行。
参考图5，光学引擎ENG1可以导入输入图像IMG0并且可以将输入图像IMG0转换为输入光IN1的多个子输入光束。由光学引擎ENG1提供的一个或多个子输入光束可以作为输入光IN1通过输入耦合元件DOE1耦合到图像扩展器EPE1内。
输入图像IMG0可以表示例如图形、文本、视频等信息。光学引擎ENG1可以生成静止图像和/或视频，可以从数字图像生成真实的主图像IMG0，也可以从互联网服务器或从智能手机接收一个或多个数字图像。
图像扩展器EPE1可以将来自光学引擎ENG1的虚拟图像内容传送到用户眼睛EYE1的前方。图像扩展器EPE1可以扩张视瞳，从而扩大Eye Box。
光学引擎ENG1可包括微显示器DISP1以产生输入图像IMG0。微显示器DISP1可以包括发光的二维像素阵列。光学引擎ENG1可以包括例如一个或多个发光二极管(LED)。微显示器DISP1可以包括例如硅基液晶(LCOS)、液晶显示器(LCD)、数字微镜阵列(DMD)、微米发光二极管(MicroLED)等显示器件。位显示器DISP1可以以例如1280×720(HD)的分辨率生成输入图像IMG0，或是以1920×1080(全高清)的分辨率生成输入图像IMG0，也可以以3840×2160(4KUHD)的分辨率生成输入图像IMG0。其中，输入图像IMG0可以包括多个图像点P0、P1、P2、...。光学引擎ENG1可以包括准直光学器件LNS1以从每个图像像素形成不同方向的准直光束。微显示器DISP1的中心和准直光学器件LNS1的中心可以一起定义光学引擎ENG1的光轴AX0。
光波导板SUB1可以具有第一主表面SRF1和第二主表面SRF2。表面SRF1、SRF2应高度平行于由方向SX和SY限定的平面。
光波导板SUB1可以包括或基本上由透明固体材料组成。波导板SUB1可以包括例如玻璃、聚碳酸酯或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。衍射光学元件DOE1、DOE3、DOE3a、DOE3b可以例如通过模制、压花和/或蚀刻形成。衍射光学元件DOE1、DOE3、DOE3a、DOE3b可以例如由一个或多个表面浮雕光栅或由一个或多个体全息光栅实现。
元件DOE1、DOE3、DOE3a、DOE3b也可以通过使用反射面而不是使用衍射光栅来实现。
光波导板SUB1的厚度为tSUB1。波导板包括平面波导芯。在一个实施例中，个波导板SUB1可以包括一个或多个包覆层、一个或多个保护层和/或一个或多个机械支撑层。厚度tSUB1也可以指光波导板SUB1的平面波导芯的厚度。
参考图6，每个元件DOE1、DOE3、DOE3a、DOE3b可以包括一个或多个衍射光栅以产生衍射光。
例如，输入耦合元件DOE1可以包括一个或多个光栅G1，或是输入耦合元件DOE1可以包括一个或多个光栅G1a、G1b。例如，耦合输出元件DOE3可以包括光栅G3，和/或输出耦合元件DOE3a可以包括光栅G3a，和/或输出耦合元件DOE3b可以包括光栅G3b。
衍射光栅的光栅周期(d)和衍射光栅的光栅方向(β)可以由所述衍射光栅的光栅矢量V指定。衍射光栅包括多个作为衍射线的衍射特征(F1、F3)，衍射特征可以是例如微观脊或凹槽，还可以是微观突起(或凹陷)，其中相邻的突起(或凹陷)行可以充当衍射线。光栅矢量V的取值为2π/d，方向垂直于衍射光栅的衍射线，其中d为光栅周期。光栅周期可以是光栅的连续衍射特征之间的长度，或是单位长度除以位于所述单位长度内的衍射特征的数量。输入耦合元件DOE1的光栅周期d1可以例如在330nm到450nm的范围内。光栅周期d的最佳值取决于光波导板SUB1对波长λ的折射率。
输入耦合元件DOE1的光栅矢量可以为V1，通过对输入光IN1的衍射形成第一波导光B1、B1a、B1b。输入耦合元件DOE1具有衍射光栅G1，其衍射特征为F1，光栅周期为d1，光栅方向为β1且相对于参考方向SX的取向。光栅G1的衍射特征可以是例如微观脊或微观突起。
输出耦合元件DOE3、DOE3a、DOE3b的光栅矢量可以为V3，通过衍射将波导光B1、B1a、B1b耦合到光波导板SUB1之外。输出耦合元件DOE3、DOE3a、DOE3b具有衍射光栅G3，其衍射特征为F3，光栅周期为d3，光栅方向为β3且相对于参考方向SX的取向。光栅G3的衍射特征可以是例如微观脊或微观突起。
光栅矢量V1的方向为β1，幅度为2π/d1；光栅矢量V3的方向为β3，幅度为2π/d3。光栅矢量的方向(β)可以由所述矢量和参考方向(例如方向SX)之间的角度来指定。
可以选择光学元件的衍射光栅的光栅周期(d)和光栅方向(β)，使得输出光OUT1中主光线的传播方向(k3P0,R)与输入光IN1中主光线的传播方向(k0P0,R)相同。
可以选择光学元件DOE1、DOE3、DOE3a、DOE3b的衍射光栅的光栅周期(d)和光栅方向(β)，使得输出光OUT1的每个子输出光束的传播方向可以平行于输入光IN1对应的子输入光束的传播方向。
光栅矢量的光栅周期(d)和光栅方向(β)可以满足对于预定整数m1、m3，矢量和(m1V1+m3V3)＝0的条件。其中，V1表示元件DOE1的光栅矢量，V3表示元件DOE3、DOE3a、DOE3b的光栅矢量。整数m1和m3值可以是+1或-1。
参考图7a，光波导板SUB1可以相对于旋转轴AX1机械平衡，在个波导板SUB1仅包括一个输出耦合元件DOE3的情况下也是如此。
参考图7b，光波导板SUB1可以相对于旋转轴AX1不对称。
参考图7c，图像扩展器EPE1可以相对于旋转轴线AX1对称。图像扩展器EPE1可具有例如关于轴线AX1的两侧旋转对称。在两侧旋转对称的情况下，图像扩展器EPE1可设有两个输出耦合元件DOE3(DOE3a、DOE3b)。其中，输入耦合元件DOE1可以通过将输入光IN1耦合到光波导板SUB1内来形成第一波导光B1a和第二波导光B1b；第一输出耦合元件DOE3a可以通过将第一波导光B1a耦合出光波导板SUB1来形成输出光OUT1，第二输出耦合元件DOE3b可以通过将第二波导光B1b耦合出光波导板SUB1来形成输出光OUT1。
与图7b的图像扩展器EPE1相比，图7c的图像扩展器EPE1的旋转可引起更低的机械振动；与图7a的图像扩展器EPE1相比，图7c的图像扩展器EPE1的旋转可以提供更高的显示刷新率。
在一实施例中，所述输入耦合元件DOE1包括第一输入耦合子元件DOE1a和第二输入耦合子元件DOE1b，所述旋转轴AX1和第一输入耦合子元件DOE1a之间的距离以及所述旋转轴AX1和第二输入耦合子元件DOE1b之间的距离均小于光波导板SUB1宽度的5％。
以及，所述输出耦合元件DOE3设置有1～2个；所述输入耦合元件DOE1包括第一输入耦合子元件DOE1a和第二输入耦合子元件DOE1b，所述输出耦合元件DOE3包括第一输出耦合元件DOE3a和第二输出耦合元件DOE3b。
本实施例中，图像扩展器EPE1可设置两个输出耦合元件DOE3a、DOE3b。两个输出耦合元件DOE3a、DOE3b有助于平衡图像扩展器EPE1和/或提高刷新率。例如，具有两个输出耦合元件DOE3a、DOE3b的图像扩展器EPE1在每秒60转的转速下，刷新率可能等于每秒2×60/s＝120个输出光脉冲。每秒120个或更高的输出光脉冲有助于降低图像闪烁，提供更好的观看体验。当图像扩展器EPE1的转速超过人眼的时间分辨率时，则可以将图像扩展器EPE1旋转时的整个显示区域定义为视觉上均匀的显示面。
进一步的，在一个实施例中，可以通过使用光刻技术来生产输出耦合元件。例如，可以通过电子束光刻机来制作衍射光栅的压印模板，并利用纳米压印技术进行转录，从而大批量地生产衍射光栅元件。然而压印模板尺寸的增大会显着提高制作成本，而通过旋转图像扩展器便可提供扩大的显示区域而无需增大压印模板的尺寸。
所述第一输入耦合子元件DOE1a通过将输入光耦合进所述光波导板SUB1内形成第一波导光B1a，所述第二输入耦合子元件DOE1b通过将输入光耦合进光波导板SUB1内形成第二波导光B1b；所述第一输出耦合元件DOE3a通过将第一波导光B1a耦合出光波导板SUB1来形成输出光OUT1，所述第二输出耦合元件DOE3b通过将第二波导光B1b耦合出光波导板SUB1来形成输出光OUT1。
参考图7d，图像扩展器EPE1可以包括第一输入耦合子元件DOE1a以形成用于第一输出耦合元件DOE3a的第一波导光B1a，以及第二输入耦合子元件DOE1b以形成用于第二输出耦合元件DOE3b的第二波导光B1b。其中，第一元件DOE1a可以具有衍射光栅G1a，第二元件DOE1b可以具有衍射光栅G1b。第一元件DOE1a可以无间隙地邻接第二元件DOE1b，即元件DOE1a、DOE1b之间的距离可以为零。或者，第一元件DOE1a可以与第二元件DOE1b通过间隙GAP1分开。
输入耦合元件DOE1可以包括将输入光IN1耦合到光波导板SUB1中来形成第一波导光B1a的第一输入耦合子元件DOE1a，以及形成第二波导光B1b的第二输入耦合子元件DOE1b。图像扩展器EPE1可包括第一输出耦合元件DOE3a以将第一波导光B1a耦合出光波导板SUB1并形成输出光OUT1，以及第二输出耦合元件DOE3b以将第二波导光B1b耦合出光波导板SUB1并形成输出光OUT1。
符号e1可以表示输入耦合元件DOE1a(DOE1)和旋转轴AX1之间的距离，间隙GAP1的宽度可以是距离e1的两倍。距离e1可以小于光波导板SUB1宽度wEPE1的5％，以便于输入光IN1通过输入耦合元件DOE1a(DOE1)进行耦合。距离e1也可以等于0，如图7a-7c所示。旋转轴AX1也可以与内耦合元件DOE1相交。特别地，输入耦合元件DOE1可以与轴线AX1基本同心。
参考图7e，图像扩展器EPE1的光波导板SUB1也可以是圆形的。与图7c的矩形形状相比，圆形形状可以减少由图像扩展器EPE1旋转时产生的噪声，同时可以增加板的刚度。
图像扩展器EPE1可以是静态平衡的，使得图像扩展器EPE1的重心可以在旋转轴线AX1上。
图像扩展器EPE1可以是动态平衡的，使得绕轴线AX1的旋转不会产生任何额外的离心力。
图像扩展器EPE1的形状可以是关于旋转轴线AX1对称的，以减少或避免机械振动，同时图像扩展器EPE1可以是关于轴线AX1的两侧旋转对称。
参考图8a～8c，除了输出耦合元件DOE3a、DO3b之外，输入耦合元件DOE1也可以提供输出光OUT1。通过将波导光B1耦合出光波导板SUB1，并允许输入光IN1的一部分直接透过图像扩展器EPE1，以提供连续的圆形显示区域DAR1，使得显示区域DAR1不具有暗中心。其中，输入耦合元件DOE1可以形成输出光OUT1的中心部分OUT1C。
直接透射的输入光IN1强度较高，并且透射输入光IN1可能对用户的眼睛EYE1造成眩目效果。显示设备500可以通过设置过滤器FIL1以衰减输出光OUT1C的强度，使得输入耦合元件DOE1提供的输出光OUT1C的强度基本上等于输出耦合元件DOE3a、DOE3b提供的输出光OUT1的有效强度。过滤器FIL1可以通过在图像扩展器EPE1的主表面SRF2上沉积半反射层和/或吸收层来实现。
驱动装置MOTOR1可以是电机。驱动装置MOTOR1和光学引擎ENG1可以设置在图像扩展器EPE1的同一侧。显示设备500可包括数据传输线BUS1，其用于通过驱动装置MOTOR1将图像数据DATA1传输至光学引擎ENG1。
参考图8b，驱动装置MOTOR1可以由内部旋转转子ROTO1和外部静止定子STAT1组成。其中，定子STAT1相对于基座BASE1静止，转子ROTO1相对于基座BASE1旋转。驱动装置MOTOR1和光学引擎ENG1可以位于图像扩展器EPE1的后侧，使驱动装置MOTOR1不会阻挡显示区域DAR1的中央区域。
显示设备500可包括数据传输线BUS1，其用于通过驱动装置MOTOR1将图像数据DATA1传输至光学引擎ENG1中的微显示器DISP1上。显示设备500可以包括用于传输图像数据DATA1的引线FEED1，其中引线FEED1可以包括数据传输线BUS1，其能穿过驱动装置MOTOR1的中心开口HOL1连接光学引擎ENG1。中央开口HOL1还可容纳用于机械支撑光学引擎ENG1的固定支撑元件CE1。
定子STAT1可以直接或间接固定到基座BASE1。定子STAT1可以支撑微显示器DISP1，使得显示器DISP1相对于基座BASE1静止。固定支撑元件CE1可以经由驱动装置MOTOR1的中心开口HOL1将光学引擎ENG1机械连接到基座BASE1上，同时固定支撑元件CE1可以直接或间接连接到基座BASE1上。固定支撑元件CE1可以使显示器DISP1相对于基座BASE1保持静止。例如，固定支撑元件CE1可以是将光学引擎ENG1连接到基座BASE1的固定轴。传输线BUS1可以是电和/或光数据传输线。第二旋转支撑元件CE2可以通过将转子ROTO1机械连接到图像扩展器EPE1上，使得转子ROT1的旋转运动传递到图像扩展器EPE1。第二旋转支撑元件CE2可以部分或完全围绕光学引擎ENG1。
参考图8b，驱动装置MOTOR1可以由外部旋转转子ROTO1和内部静止定子STAT1组成。其中，定子STAT1相对于基座BASE1静止，转子ROTO1相对于基座BASE1旋转。驱动装置MOTOR1和光学引擎ENG1可以位于图像扩展器EPE1的后侧，使驱动装置MOTOR1不会阻挡显示区域DAR1的中央区域。
显示设备500可包括数据传输线BUS1，其用于通过驱动装置MOTOR1将图像数据DATA1传输至光学引擎ENG1中的微显示器DISP1上。显示设备500可以包括用于传输图像数据DATA1的引线FEED1，其中引线FEED1可以包括数据传输线BUS1，其能穿过驱动装置MOTOR1的中心开口HOL1连接光学引擎ENG1。中央开口HOL1还可容纳用于机械支撑光学引擎ENG1的固定支撑元件CE1。
定子STAT1可以直接或间接固定到基座BASE1。定子STAT1可以支撑微显示器DISP1，使得显示器DISP1相对于基座BASE1静止。固定支撑元件CE1可以经由驱动装置MOTOR1的中心开口HOL1将光学引擎ENG1机械连接到基座BASE1上，同时固定支撑元件CE1可以直接或间接连接到基座BASE1上。固定支撑元件CE1可以使显示器DISP1相对于基座BASE1保持静止。例如，固定支撑元件CE1可以是将光学引擎ENG1连接到基座BASE1的固定轴。传输线BUS1可以是电和/或光数据传输线。第二旋转支撑元件CE2可以通过将转子ROTO1机械连接到图像扩展器EPE1上，使得转子ROT1的旋转运动传递到图像扩展器EPE1。第二旋转支撑元件CE2可以部分或完全围绕光学引擎ENG1。
参考图9a～9b，元件DOE1、DOE3、DOE3a、DOE3b也可以通过使用反射面(FAC1、FAC3)而不是使用衍射光栅(G1、G3)来实现光束耦合。
输入耦合元件DOE1可以包括一个或多个倾斜反射面FAC1。反射面FAC1可以设置在光波导板SUB1内部和/或在光波导板SUB1的表面SRF1、SRF2上。
一个或多个输出耦合元件DOE3、DOE3a、DOE3b可以包括一个或多个倾斜反射面FAC3。反射面FAC3可以设置在光波导板SUB1内部和/或在光波导板SUB1的表面SRF1、SRF2上实现。特别地，反射面FAC3可以是嵌入在光波导板SUB1内的半反半透的倾斜平面。
一个或多个倾斜反射面FAC1的取向可以通过倾角α1来确定，同理，倾斜反射面FAC3的取向也可以通过倾角α3来确定。参考图4a～4i，可以选择反射面FAC1、FAC3的倾斜角度α1、α3，使得输出光束的方向(B3P1,R，B3P2,R)对应于输入光束的方向(B0P1,R,B0P2,R)。此外，可以选择倾斜角α1、α3使得所显示的虚拟图像VIMG1的波导光可以通过全内反射被限制到光波导板SUB1内。特别地，倾斜反射面FAC1、FAC3与光波导板SUB1的主表面SRF1、SRF2不垂直也不平行。
输出光束的方向(B3P1,R,B3P2,R)可以对应于输入光束的方向(B0P1,R,B0P2,R)。因此，显示图像VIMG1可包括对应于输入图像IMG0的图像点P0、P1、P2、P3、P4的图像点P0'、P1'、P2'、P3'、P4'。
参考图9b，图像扩展器EPE1可以包括第一输入耦合子元件DOE1a，通过将输入光IN1耦合到光波导板SUB1中来形成第一波导光B1a；第二输入耦合子元件DOE1b，通过将输入光IN1耦合到光波导板SUB1中来形成第二波导光B1b。第一输入耦合子元件DOE1a可以包括一个或多个(第一)倾斜面FAC1，第二输入耦合子元件DOE1b可以包括一个或多个(第二)倾斜面FAC1。图像扩展器EPE1可包括第一输出耦合元件DOE3a，通过将第一波导光B1a耦合出光波导板SUB1而形成输出光OUT1；第二输出耦合元件DOE3b，通过将第二波导光B1b耦合出光波导板SUB1而形成输出光OUT1。其中，第一输出耦合元件DOE3a可以包括一个或多个(第三)倾斜面FAC3，第二输出耦合元件DOE3b可以包括一个或多个(第四)倾斜面FAC3。
通常，光学引擎ENG1也可以与显示设备500分开设置。光学引擎ENG1可以是显示设备500的可更换部件，使得显示设备500可以在没有光学引擎ENG1的情况下进行交付。显示设备500可以包括图像扩展器EPE1和旋转机构，也可以不包括光学引擎ENG1。光学引擎ENG1可以例如在服务站点处或由用户USER1安装到显示设备500中。在一个实施例中，第一光学引擎ENG1可以被第二光学引擎代替。也可以在没有光学引擎ENG1的情况下交付车载抬头显示设备500。
对于某些应用程序，还可以使用低刷新率。所产生的闪烁可以用作例如特殊效果以引起观看者的注意。例如，图像扩展器EPE1可以包括两个输出耦合元件DOE3a、DOE3b，并且图像扩展器EPE1可以以每秒5转的转速旋转。在这种情况下，刷新率可能等于输出耦合元件的数目乘以转速，即2×5＝10。每秒10个光脉冲或更低的刷新率可以用于以闪烁的方式显示信息，以引起观看者的注意。图像扩展器EPE1的旋转速度可以例如在每秒1至5转的范围内，以提供闪光效果。
在一个实施例中，图像扩展器EPE1还可以设置为以往复方式摆动。例如，图像扩展器EPE1可沿顺时针方向旋转小于180°，之后图像扩展器EPE1可沿逆时针方向旋转小于180°。
本发明实施例还提供了一种图像显示方法，采用如上所述的大出瞳的显示设备实现。
本发明实施例还提供了一种光束扩展方法，采用如上所述的大出瞳的显示设备实现。
本发明实施例还提供了一种车用抬头显示设备，采用如上所述的大出瞳的显示设备。
参考图3a至3c，显示设备500可以是车载抬头显示器，其中车辆1000可以设置显示设备500。车辆1000可以是电动汽车、内燃汽车、摩托车、有轨电车、火车、船只、飞机等交通工具。
在一实施例中中，所述车辆1000包括半透半反的挡风玻璃WIN1和所述车用抬头显示设备500，用户USER1可通过所述挡风玻璃WIN1的反射像观察到所述图像扩展器EPE1产生的虚拟图像；以及，用户USER1可在Eye Box区域内通过挡风玻璃WIN1同时看到外部物体和所述图像扩展器EPE1显示的虚拟图像VIMG1。
在驾驶车辆时，驾驶员USER1可能需要观察与驾驶相关的信息，例如，车辆的显示设备500可以设置为显示关于车辆速度、电池状态、车辆电机状态和/或导航指令等信息。显示设备500的用户USER1可以是车辆的驾驶员或乘客。除了显示的虚拟图像VIMG1之外，用户USER1还可以通过显示区域DAR1看到真实物体OBJ1和/或环境。当使用显示设备500时，驾驶员USER1不需要为了观察车辆信息而低头查看仪表盘，可以通过车辆的挡风玻璃同时观察到外界环境和车辆信息，避免低头的需要以提高驾驶安全性。驾驶员的视线LIN1可以与显示设备500的有效显示区域DAR1相交。
旋转图像扩展器EPE1可以通过使用更小的输出耦合元件来提供更大的显示区域DAR1。这可以为用户USER1提供大的Eye Box(BOX1)。只要用户的眼睛EYE1保持在显示设备500的Eye Box范围内，就可以观察到完整虚拟图像VIMG1。旋转图像扩展器EPE1可以为输出光OUT1提供均匀的空间强度分布，并提供更高的图像显示质量。与大的输出耦合元件相比，较小的输出耦合元件会更容易生产，成本更低。
更大的显示区域DAR1也可以便于显示具有大角宽
Figure BDA0003500553840000231
和/或大角高Δθ的虚拟图像VIMG1。由于显示区域DAR1增大，眼睛EYE1与图像扩展器EPE1之间的距离较大时，用户也可以看到完整的虚拟图像VIMG1，或至少大部分虚像VIMG1。
显示设备500可以经由基座BASE1安装到车辆1000。例如，基座BASE1可以安装到窗户WIN1、仪表盘或车辆1000的天花板上。
用户USER1的眼睛EYE1可以从外部物体OBJ1接收外部光EX1。当外部光线EX1照射在眼睛EYE1上时，用户USER1可以观察外部物体OBJ1。外部光EX1可以通过窗口WIN1并通过设备500的显示区域DAR1传播到用户USER1的眼睛EYE1。用户USER1可以同时观察外部物体OBJ1和显示的虚拟图像VIMG1。
参考图3c，窗口WIN1也可作为显示设备500的一部分来操作，其中窗口WIN1可以是例如车辆1000的挡风玻璃。窗口WIN1可以将输出光OUT1反射向用户EYE1，使得用户可以通过窗口WIN1看到显示的虚拟图像VIMG1。其中用户EYE1可以通过窗口WIN1同时观察车辆1000的外部环境，例如，从外部物体OBJ1到眼睛EYE1的视线LIN1可以与显示区域DAR1相交。例如，用户可以通过窗口WIN1观察外部对象OBJ1，使得显示的虚拟图像VIMG1可以在视觉上与外部对象OBJ1重叠。
窗口WIN1可以是平面(平坦)透明窗口或弯曲透明窗口。平面窗口可以反射输出光OUT1而不使显示的虚拟图像VIMG1变形。弯曲的窗口可能会使显示的虚拟图像VIMG1变形，此时显示设备500应设置为可至少部分地补偿虚拟图像VIMG1的变形。
窗口WIN1可以同时透射外部光EX1并反射输出光OUT1到用户USER1的眼睛EYE1。窗口WIN1可以采用半透半反玻璃，使其可以同时透射外部光EX1并反射输出光OUT1。
在一个实施例中，窗口WIN1可以涂覆有半透半反涂层，以增加反射输出光的强度。涂层可以是例如介电或金属涂层。
在一个实施例中，半透半反窗口WIN1也可以基于由窗的折射率和空气的折射率之间的差异引起的菲涅耳反射来操作，此时的窗口WIN1不需要涂覆反射涂层。
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的状况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (19)

1.一种大出瞳的显示设备，用于显示虚拟图像，其特征在于，包括基座、设置在所述基座上的图像扩展器、控制所述图像扩展器相对所述基座旋转和/或振动的驱动装置和用于提供输入图像的光学引擎；
所述图像扩展器包括光波导板、设置在所述光波导板上的输入耦合元件和输出耦合元件；所述输入耦合元件用于将输入光耦合进光波导板中形成波导光，并使波导光在光波导板中通过全反射朝向输出耦合元件传播；所述输出耦合元件用于将波导光耦合出光波导板形成输出光。
2.根据权利要求1所述的大出瞳的显示设备，其特征在于，所述驱动装置带动图像扩展器绕一旋转轴按照固定转速旋转，所述固定转速为5～200r/s，所述图像扩展器相对于所述旋转轴平衡设置。
3.根据权利要求2所述的大出瞳的显示设备，其特征在于，所述驱动装置为电机或者气动涡轮机，所述电机或者气动涡轮机与所述光学引擎位于图像扩展器的同一侧，并通过一数据传输线将图像数据传输至光学引擎。
4.根据权利要求1所述的大出瞳的显示设备，其特征在于，所述输入耦合元件包括第一输入耦合子元件和第二输入耦合子元件，所述旋转轴和第一输入耦合子元件之间的距离以及所述旋转轴和第二输入耦合子元件之间的距离均小于光波导板宽度的5％。
5.根据权利要求1所述的大出瞳的显示设备，其特征在于，还包括一罩设于所述显示设备上的保护盖，所述保护盖用于防止用户与所述图像扩展器产生接触，同时用户可透过所述保护盖观看到所述图像扩展器显示的虚拟图像。
6.根据权利要求1所述的大出瞳的显示设备，其特征在于，所述输入耦合元件包括至少一个衍射光栅，所述输入耦合元件通过衍射光栅将输入光耦合进光波导板中形成波导光；
所述输出耦合元件包括至少一个衍射光栅，所述输出耦合元件通过衍射光栅将波导光耦合出光波导板形成输出光。
7.根据权利要求1所述的大出瞳的显示设备，其特征在于，所述输入耦合元件包括至少一个反射面，所述输入耦合元件通过反射面将输入光耦合进光波导板中形成波导光；
所述输出耦合元件包括至少一个反射面，所述输出耦合元件通过反射面将波导光耦合出光波导板形成输出光。
8.根据权利要求1所述的大出瞳的显示设备，其特征在于，所述输入光中的一部分通过所述输入耦合元件利用衍射效应耦合进光波导板内形成波导光，另一部分直接透射光波导板，形成直接输出光。
9.根据权利要求8所述的大出瞳的显示设备，其特征在于，还包括一用于将直接输出光的光强降低至与所述输出光的光强同一水平的衰减片。
10.根据权利要求1所述的大出瞳的显示设备，其特征在于，所述光学引擎可将输入图像中的每一个发光像素转换成准直的并带有特定角度的子输入光束，所述子输入光束的集合为所述图像扩展器的输入光。
11.根据权利要求10所述的大出瞳的显示设备，其特征在于，所述光学引擎可同时投影红光、绿光和蓝光，以形成彩色图像；或者单独投影红光、绿光或蓝光，以形成对应的单色图像；
所述光学引擎在所述图像扩展器的第一个旋转周期内投影红光，在所述图像扩展器的第二个旋转周期内投影绿光，在所述图像扩展器的第三个旋转周期内投影蓝光，以此循环，以形成彩色图像。
12.根据权利要求1所述的大出瞳的显示设备，其特征在于，所述输入耦合元件可将输入光中的一个或多个子输入光束耦合进所述光波导板内形成波导光，所述波导光通过全内反射朝所述输出耦合元件所在方向传播，所述输出耦合元件可将波导光耦合出所述光波导板，形成输出光中的一个或多个子输出光束。
13.根据权利要求4所述的大出瞳的显示设备，其特征在于，所述输出耦合元件包括第一输出耦合元件和第二输出耦合元件；
所述第一输入耦合子元件通过将输入光耦合进所述光波导板内形成第一波导光，所述第二输入耦合子元件通过将输入光耦合进光波导板内形成第二波导光；所述第一输出耦合元件通过将第一波导光耦合出光波导板来形成输出光，所述第二输出耦合元件通过将第二波导光耦合出光波导板来形成输出光。
14.根据权利要求1所述的大出瞳的显示设备，其特征在于，所述图像扩展器的宽度为8cm～50cm，有效显示面积为100cm2～2000cm2。
15.根据权利要求1所述的大出瞳的显示设备，其特征在于，所述光学引擎固定设置于所述基座上，并与所述基座保持相对静止。
16.一种图像显示方法，其特征在于，采用如权利要求1～16任一项所述的大出瞳的显示设备实现。
17.一种光束扩展方法，其特征在于，采用如权利要求1～16任一项所述的大出瞳的显示设备实现。
18.一种车用抬头显示设备，其特征在于，采用如权利要求1～16任一项所述的大出瞳的显示设备。
19.一种车辆，其特征在于，包括半透半反的挡风玻璃和如权利要求18所述车用抬头显示设备，用户可通过所述挡风玻璃的反射像观察到所述图像扩展器产生的虚拟图像；以及，用户可在Eye Box区域内通过挡风玻璃同时看到外部物体和所述图像扩展器显示的虚拟图像。
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