CN114895467A - 用于高分辨率数字显示的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于高分辨率数字显示的方法和系统。用于提高动态数字化波前分辨率(即，输出子束的密度)的方法和系统，可以包括接收单个准直源光束并且当从波导外耦合时产生在空间上偏移的多个输出子束。可以通过偏移和复制准直源光束来获得多个输出子束。可替换地，可以通过使用具有在特定颜色的标称波长附近具有不同波长的多个输入光束的准直输入源光束来获得多个输出子束。准直的入射源光束可以内耦合到针对标称波长设计的目镜中。具有多个波长的输入光束在波导中经历全内反射时采用不同的路径，这产生多个输出子束。

Description

用于高分辨率数字显示的方法和系统
本申请是申请号为201780073726.X、申请日为2017年11月29日、发明名称为“用于高分辨率数字显示的方法和系统”的申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年11月30日提交的美国临时专利申请No.62/428,510的优先权，其内容为了所有目的通过引用整体并入。
背景技术
现代计算和显示技术促进了用于所谓的“虚拟现实”或“增强现实”体验的系统的开发，其中数字生成的图像或其部分以其中它们看起来是或者感觉上为真实的方式在可穿戴设备中呈现给用户。虚拟现实或“VR”场景通常涉及呈现数字或虚拟图像信息而不透明其他实际的现实世界视觉输入；增强现实或“AR”场景通常涉及呈现数字或虚拟图像信息，作为对用户周围的现实世界的可视化的增强。
可穿戴设备可包括增强和/或虚拟现实眼镜。可以使用图像帧或光栅扫描图像来显示图像。在扫描图像显示系统中，每个光束限定图像的像素。通过在两个正交轴上扫描反射镜，可以创建二维视场。图像可以投影到眼镜镜片上，眼镜镜片可以包括基于波导的目镜和其他光学元件，例如光纤。图像显示系统可以安装在眼镜框架的左侧和右侧中的每一侧上。
发明内容
在采用扫描投影仪和波导目镜的扫描图像显示系统中，图像光束在波导目镜内部经历全内反射(TIR)。在图像光束到达输出耦合元件的每个反射点处，子束(beamlet)从波导外耦合。如果这些输出光子束的密度低，即输出波前的分辨率低，则图像质量差。例如，当通过观察盒观看时，深度平面处的图像遭受“屏蔽门(screen door)”伪像或波前稀疏伪像。对于用户来说，这看起来像是通过屏蔽门观看图像。
本发明的一些实施例提供了一种方法和系统，用于通过偏移(offset)和重复准直源光束来增加动态数字化波前分辨率，即输出子束的密度。可以复制、重复或克隆源以形成多个子束，并且子束横向偏移或位移，使得有效地存在多个准直束源。该方法提供了一种不依赖于基板厚度来增加子束密度的方法。它还突出了目镜传递给眼睛的焦点/调节提示。
可替换地，本发明的特定实施例提供了一种通过波长分集(diversity)来增加输出子束密度的方法和系统。准直的入射源光束可以包括在特定颜色的标称波长附近具有不同波长的多个输入光束。入射源光束可以内耦合到针对标称波长设计的目镜中。具有多个波长的输入子束在内耦合到波导中时稍微不同地衍射，因此当它们在波导中经历全内反射时采用不同的路径，并且在不同的位置处耦合出以产生多个偏移输出子束。
根据本发明的一些实施例，一种图像显示系统包括波导和光学设备，该光学设备被配置用于接收入射光束并向波导提供多个输入子束。每个输入子束源自入射光束的一部分，并且输入子束在空间上彼此偏移。波导被配置为使用输入耦合元件接收多个输入子束，通过全内反射(TIR)传播多个输入子束，并使用输出耦合元件输出多组输出子束。每组输出子束包括通过全内反射在波导中传播的多个输入子束中的每个输入子束的一部分。
在上述图像显示系统的一些实施例中，光学设备包括平行且彼此相邻设置的第一表面和第二表面。第一表面是部分反射的，第二表面基本上是全反射的。在一些实施例中，部分反射的第一表面被配置为接收光束，并反射接收到的光束的第一部分并允许接收到的光束的第二部分通过。第二表面被配置为将从第一表面接收到的每个光束反射回第一表面。对于从第二表面引导到第一表面的每个光束，部分反射的第一表面被配置为允许一部分朝向波导穿过以形成新的子束，并将剩余部分反射到第二表面。
在上述图像显示系统的一些实施例中，光学设备还包括平行且彼此相邻设置的第三表面和第四表面，第三表面是部分反射的，第四表面基本上是全反射的。第一和第二表面被配置成接收入射光束并提供第一多个子束。第三和第四表面被配置为接收第一多个子束中的每一个并提供多个子束。
在上述图像显示系统的一些实施例中，第一表面和第二表面被配置为与波导的顶表面形成内耦合角，使得不需要波导中的输入光栅。
根据本发明的一些实施例，一种用于显示图像的方法包括：提供波导，接收入射光束并向波导提供多个输入子束，输入子束在空间上偏移。该方法还包括在波导中接收多个输入子束，并沿着波导中的不同路径通过全内反射(TIR)传播多个输入子束。该方法还包括使用输出耦合元件输出多组输出子束。每组输出子束包括通过全内反射在波导中传播的多个输入光束中的每一个的一部分。
根据本发明的一些实施例，一种替代的图像显示系统包括波导和用于提供准直入射光束的光源，该准直入射光束包括具有不同波长的多个输入光束。波导被配置为使用波长敏感的输入耦合元件将多个输入光束耦合到波导中，并通过全内反射(TIR)传播多个输入光束，每个输入光束在不同方向上沿着不同路径传播。该系统还被配置为使用输出耦合元件输出多组输出光子束。每组输出光子束包括通过全内反射在波导中传播的多个输入光束中的每一个的一部分。
在上述系统的实施例中，其中波导被配置用于颜色的标称波长，并且多个输入光束具有在标称波长附近的波长。
根据本发明的一些实施例，一种用于显示图像的方法包括：提供波导，以及提供准直的入射光束。准直入射光束包括具有不同波长的多个输入光束。该方法还包括使用波长敏感的输入耦合元件将多个输入光束内耦合到波导中，并通过全内反射(TIR)传播多个输入子束。每个子束被配置为沿着不同的路径传播。该方法还包括使用输出耦合元件输出多组输出子束。每组输出子束包括通过全内反射在波导中传播的多个输入光束中的每一个的一部分。
以下在详细说明、附图和权利要求中描述了另外的特征、益处和实施例。
附图说明
图1是示出根据本发明的一些实施例的示例性可穿戴显示设备的透视图的简化示意图；
图2是示出根据本发明的一些实施例的扫描显示系统的简化示意图；
图3是示出根据本发明的一些实施例的图像显示系统的简化示意图；
图4A至图4D示出了根据本发明一些实施例的来自图像显示系统的输出子束波前；
图5A至图5D是示出根据本发明一些实施例的图像显示系统的简化示意图；
图6A和图6B是示出由根据本发明的一些实施例的上述光学设备减小屏蔽门效应的图像；
图6C是示出根据本发明的实施例的用于验证显示系统的功能的实验系统的简化图；
图7A是示出根据本发明的一些实施例的用于产生多个输出子束的另一光学设备的简化示意图；
图7B是示出根据本发明的一些实施例的用于产生多个输出子束的另一光学设备的简化示意图；
图8是示出根据本发明的实施例的用于显示具有减小的波前稀疏效应或屏蔽门效应的图像的方法的简化流程图。
图9是示出根据本发明的替代实施例的图像显示系统的简化示意图；
图10A和图10B是示出通过根据本发明的一些实施例的上述光学设备减小屏蔽门效应的图像；
图11是示出根据本发明的实施例的用于显示具有减小的波前稀疏效应或屏蔽门效应的图像的方法的简化流程图。
具体实施方式
在本节中描述了根据本申请的方法和装置的代表性应用。提供这些示例仅仅是为了增加背景并有助于理解所描述的实施例。因此，对于本领域技术人员来说清楚的是，可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实践所描述的实施例。在其他情况下，没有详细描述公知的处理步骤，以避免不必要地模糊所描述的实施例。其他应用是可能的，使得以下示例不应被视为限制。
图1是示出根据本发明的一些实施例的示例性可穿戴显示设备100的透视图的简化示意图。可穿戴显示设备100包括主显示器110。在一些实施例中，可穿戴显示设备100还包括投影仪组件120，其被集成到镜腿130中。投影仪组件120可以包括通过衍射光学器件照射光然后通过主显示器110反射到用户眼中的投影仪。
图2是示出根据本发明的一些实施例的扫描显示系统的简化示意图。在该示例中，扫描显示系统200可以是例如图1的可穿戴设备100的可穿戴设备中的目镜的一部分，目镜例如是基于波导的目镜。如图2所示，扫描显示系统200包括扫描投影仪210，该扫描投影仪210被配置为发射横跨表面250的例如光束240的光束以投影图像。在一些实施例中，扫描投影仪210可以是图1中的可穿戴显示设备100中的投影仪组件120的一部分。
图3是示出根据本发明的一些实施例的图像显示系统的简化示意图。图3示出了图像显示系统300，其包括具有波导310的目镜的侧视图。单个准直光束320被引导朝向波导310。光束320可以由扫描投影仪提供，例如光纤扫描仪。可替换地，光束320也可以由从扫描反射镜反射的准直光提供。图像显示系统300还包括输入耦合元件312和输出耦合元件314，输入耦合元件312被配置为允许入射光通过全内反射(TIR)传播，输出耦合元件314被配置为将通过TIR沿波导310传播的光朝向用户的眼睛390扩展和外耦合。光束320在波导310的输入耦合元件312处进入波导310并经历全内反射(TIR)，如波导310内的箭头322所示。子束的阵列330在波导310的出射光瞳中的输出耦合元件314处外耦合。输出子束的阵列330形成波前。在一些实施例中，图像显示系统还可以包括光学元件380，例如眼部透镜，其将图像引导到用户的眼睛390。从用户的角度来看，输出子束的阵列形成二维波前，如图4A至图4D进一步描述。输出子束的密度由反弹(bounce)间隔b确定，反弹间隔b又由基板厚度t确定。
输入和输出耦合元件312和314可以是嵌入在波导310内或压印在波导310上的衍射光学元件(“DOE”)，例如，线性光栅。在一些示例中，图像显示系统300除了输出耦合元件314之外，可以进一步包括正交光瞳扩展器(“OPE”)元件(未示出)，以在X和Y方向上扩展光。输出耦合元件314可以在Z平面(即，垂直于X和Y方向中倾斜)，使得通过波导300传播的子束将在Z平面中偏转90°且朝向用户的眼睛390。输出耦合元件314也是部分透明的并且沿光路(Y轴)部分地反射，使得子束部分地穿过输出耦合元件314以形成彼此间隔开距离b的多个子束。关于输入耦合元件、输出耦合元件、OPE和其他DOE的更多细节描述于美国实用新型专利申请序列No.14/555,585和美国实用新型专利申请序列No.14/726,424，其内容通过引用整体并入本文。
图4A至图4D示出来自根据本发明的一些实施例的来自图像显示系统的输出子束波前。图4A示出形成稀疏波前的低密度输出子束的波导，也被称为具有低分辨率的波前。在此情况下，当通过观察盒观看时深度平面处的图像遭受“屏蔽门(screen door)”伪像，也称为波前稀疏伪像(其如同通过屏蔽门观看图像)。图4B是示出由波前稀疏引起的屏蔽门效应。该问题对于高度单色(例如，来自光纤扫描器)的窄内耦合光束特别严重。为了比较，图4C示出较高密度的输出子束的波导，并且图4D示出更高密度的输出子束的波导。在真实世界中，这些图像能够基本上具有无限分辨率，这能够提供强烈的深度提示(cue)。
如上所述，稀疏波前导致不期望的图像伪像，其中图像看起来好像正在通过屏蔽门观看。增大光束密度的直接方法是减小基板厚度。当光线以给定角度在波导的两个表面之间来回反弹时，随着两个平行表面更靠近在一起，即当波导的厚度减小时，间距或反弹间隔变小。然而，在一定厚度以下，进一步减小基板的厚度变得极其具有挑战性并且引入其他图像质量和制造问题。如下所述，本发明的实施例提供了提高波前分辨率而不依赖于基板厚度的技术。
根据本发明的一些实施例，为了增加动态数字化波前分辨率并减轻屏蔽门/波前稀疏伪像，可以复制、重复或克隆入射光束并横向偏移或位移，使得现在有效地存在多个准直光束源。这提供了一种增加子束密度而不依赖于基板厚度的方法。它还强调了目镜提供给用户眼睛的焦点和调节提示。
图5A是示出根据本发明的一些实施例的图像显示系统的简化示意图。如图5A所示，图像显示系统500包括波导510和光学设备550，光学设备550被配置用于接收入射光束520并向波导510提供多个输入子束521。每个图像子束521来自入射光束520的一部分。如图5A所示，四个源子束521在空间上偏移，使得它们被引导到光学耦合到波导510的输入耦合元件512上的不同位置。尽管图5A中仅示出了四个源子束，本发明的实施例不限于该特定数量的源子束。在其他实施例中，使用减少数量的源子束，而在其他实施例中，使用增加数量的源子束。如关于图5C的另外细节所讨论的那样，在一些实施例中，源子束的数量是与光学设备550相关联的空间参数的函数，其附加细节将相对于图5B至图5D更全面地描述。
如图5A所示，波导510被配置用于在输入耦合元件512处，例如输入耦合光栅处，接收多个输入子束521。在所示实施例中，源子束以正入射入射在输入耦合元件512上。然而，这不是本发明所要求的，并且在其他入射角下的操作也包括在本发明的范围内。源子束521在通过输入耦合元件512时，以在波导510内部传播以非正入射角衍射。
在通过输入耦合元件512并从输入耦合元件512衍射之后，输入子束521通过全内反射(TIR)沿波导510传播，在图5A中示为522的反射光束当它们从邻近输入耦合元件512的波导510的端部朝向光学耦合到波导510的下表面的输出耦合元件514的右端传播时，进行多次通过。波导510的特征在于纵轴与光沿波导传播的方向对准。如图5A所示，纵轴505与波导的顶表面和底表面对准，并且平行于入射光束520的传播方向。
在波导中，多个输入子束通过全内反射(TIR)沿波导传播，其中当子束到达波导的表面时，子束在内部被全部反射回来。如果子束的入射角大于波导的临界角，则会出现这种现象。如图5B所示，多个子束521中的每一个由不同的实线或虚线图案表示，并且多个输入子束中的每一个穿过波导中的不同路径。
波导510还被配置为使用输出耦合元件514，例如输出耦合光栅，来输出多组输出子束530。输出耦合元件514在波导的表面处耦合到波导510。输出耦合元件514使得波导中的子束522在表面处部分折射以离开波导并且部分反射回波导中。在图5A中，当子束在波导内部首先到达输出耦合元件514，每个子束的一部分被折射并且离开波导以形成第一组输出子束531。子束的剩余部分继续通过全内反射传播，并且当它们在沿纵轴的不同方向处离开波导时形成后续组输出子束532至534。因此，每组输出子束包括通过全内反射在波导中传播的多个输入光子束的每个输入子束的一部分。例如，如图5A所示，四组输出子束531、532、533和534。每组输出子束包括通过全内反射在波导中传播的多个输入子束521的每个输入子束的一部分。
图5B是示出根据本发明的一些实施例的图像显示系统的简化示意图。如图5B所示，图像显示系统560类似于图5A中的图像显示系统500，但是利用光学设备550代替了具体实施方式。在该示例中，光学设备550包括第一表面552和第二表面554，第一表面552和第二表面554平行地设置、彼此相邻，并且以例如45°角的倾斜角设置到波导510、输入耦合元件512和/或输出耦合元件514的一个或多个表面。第一表面552是部分反射的，第二表面554基本上是全反射的。参考如图5C所示的光学设备550的放大视图进一步解释光学设备550的操作。
图5C是示出根据本发明的一些实施例的图5B的图像显示系统中的光学设备550的简化示意图。在图5C中，部分反射的第一表面552和反射的第二表面554分别由两个棱镜562和561提供，它们是直角三角形并且尺寸相当。这样，在一些示例中，光学设备550可以是立方形或准立方形的形状。入射光束520进入光学设备550并提供在空间上偏移的多个图像子束521。每个图像子束521源自入射光束520的一部分。在该示例中，入射光束520由反射的第二表面554朝向部分反射表面552在A1点处反射。部分反射的第一表面552将入射光束的第一部分反射到第二表面，并允许入射光束的第二部分透射通过棱镜以形成第一子束B1。类似地，从第二表面554反射到达第一表面552的点A2的光束部分地朝向第二表面554反射，并且部分地穿过棱镜562以形成第二子束B2。以类似的方式，到达点A3的光束的一部分形成第三子束B3，并且到达点A4的光束的一部分形成第四子束B4。出于说明的目的，在图5C的示例中，部分反射表面552的反射率假定为50％。结果，光子束B1、B2、B3和B4的强度分别是入射光束520的强度的1/2、1/4、1/8和1/16，如图5C所示。
图5C中的强度分布基于具有50％反射率的部分反射表面552导出。在一些实施例中，可以改变反射率以导致不同的子束强度分布。在一些实施例中，沿着部分反射表面552的反射率可以被改变，以实现期望的强度分布。
部分反射的第一表面552可以包括部分反射涂层，诸如由以下组成的一种涂层：金属，例如金、铝、银、镍-铬、铬等；电介质，例如氧化物、氟化物、硫化物等；半导体，例如硅、锗等；和/或具有反射特性的胶或粘合剂，其可以通过任何合适的工艺施加到棱镜562，例如物理气相沉积(“PVD”)、离子辅助沉积(“IAD”)、离子束溅射(“IBS”)等。可以至少部分地基于涂层的厚度来选择或确定这种涂层的反射与透射的比率，或者涂层可以具有多个小穿孔以控制反射与透射的比率。由此得出，输出耦合元件514可以包括由一种或多种上述材料组成的部分反射涂层。反射第二表面554可以包括反射涂层，该反射涂层也可以由一种或多种上述材料构成，但是足够厚以便充分地使第二表面554完全或几乎完全反射。在一些实施例中，棱镜562和561的各自表面552和554可以用胶水或粘合剂直接或间接地粘合在一起，例如如上所述的具有反射特性的胶水或粘合剂。
在一些实施例中，可以通过改变部分反射表面552和反射表面554之间的间隔来改变输入子束的数量。例如，减小两个表面之间的间隔可以导致两个表面之间的反射数量增加，生成更多输入子束。在图5A至图5C中，部分反射的第一表面552和反射的第二表面554由平坦表面表示。在其他实施例中，部分反射的第一表面和反射的第二表面可以具有不同的形状，例如抛物线形、球形或其他形状。
在图5C中，入射光束520到达第二表面554并朝向第一表面552反射。可替换地，如果入射光束520在到达全反射表面554之前进入棱镜562，如图5D所示，然后部分反射的第一表面552被配置成将入射光束的第一部分朝向波导反射以形成第一子束，并且允许入射光束的第二部分透射到第二表面。随后的子束以上面结合图5C描述的方式形成。
图6A和图6B是示出通过根据本发明的一些实施例的上述光学设备减小屏蔽门效应的图像。图6A与图4B相同，示出了由波前稀疏引起的屏蔽门效应。图6B是说明通过从单个入射光束提供多个子束来减小屏蔽门效应的图像。子束强度绘制在图像下方。在图6B中，子束强度基于图5C，其中假设部分反射镜具有0.5的反射率。在本发明的实施例中，通过改变子束强度分布和增加源自入射光束的子束的数量，可以实现更多的改进。通过优化反射表面和部分反射表面的形状和反射率可以获得这些改进。
图6C是示出用于验证上述显示系统的功能的实验系统的简化图。图6C示出了来自光纤扫描器的单个准直光源610和光学设备620。准直光源610提供多个准直光束611。光学设备620分别包括两个棱镜621和622，分别提供部分反射镜623和100％反射镜624。来自两个反射镜的两个平行平面623和624之间保持一定的横向距离。光学设备620接收多个准直光束611中的每一个并产生投射到图像传感器640上的多个子束630。图6A和图6B是可以由图像传感器640提供的图像的示例。
图7A是示出根据本发明的一些实施例的用于产生多个输出子束的光学设备的简化示意图。如图7A所示，光学设备700可以用作图5A和图5B的图像显示系统中的光学设备550。光学设备700可以包括多个“光学设备”，每个“光学设备”可以类似于光学设备700中的光学设备550。多个光学设备可以以级联布置定位以提供额外的光束克隆。如图7A中所示，棱镜701和702形成第一光学设备721，并且棱镜703和704形成第二光学设备722。第一光学设备721和第二光学设备722都类似于光学设备550，但是以不同的方向定向。
在图7A中，光学设备721包括具有部分反射表面711的棱镜701和具有反射表面712的棱镜702。类似地，光学设备722包括具有部分反射表面713的棱镜703和具有反射表面714的棱镜704。在一些示例中，光学设备可以彼此不同地定向，使得克隆的子束的2D阵列可以内耦合到波导中。例如，入射光束710进入光学设备721，其提供多个图像子束(未示出)，这些图像子束在空间上偏移并沿着波导沿纵向穿过。从光学设备721进入光学设备722的每个子束可以提供多个子束，这些子束形成引导到波导的多个输入子束730的一部分。结果，克隆子束的2D阵列可以内耦合到波导中。
作为示例，光学设备721的特征在于m的克隆因子或多重(multiplicity)因子，即单个输入光束可以产生m个输出子束，而光学设备722的特征在于n的克隆因子或多重因子。然后，级联光学设备700可以具有m×n的克隆因子或多重因子。如图5A和图5B所示，进入波导的每个输入子束产生从波导出射的多个输出子束。波前密度可以大幅增加。在一些实施例中，可以级联两个以上的光学设备以进一步增加波前密度。
尽管主要在三角形棱镜，特别是直角三角形或“Porro”棱镜的背景下进行描述，但应理解，本文所述的一个或多个棱镜可以采用其他几何形状。例如，单个Porro-Abbe棱镜可以利用四个三角形棱镜实现，这些三角形棱镜具有完全反射表面，每个完全反射表面平行于Porro-Abbe棱镜的四个斜边侧中的相应一个，从而提供级联配置中的四个光学设备的光束克隆功能。其他几何形状可以包括任何各种其他多面体几何形状，例如“Amici”或Amici屋顶棱柱几何形状，平行四边形棱柱几何形状，梯形棱柱几何形状，金字塔形或半棱锥形棱柱几何形状，例如四面体棱柱几何形状，立方形对角切片(diagonal slice)或三角形棱柱几何形状等。
图7B是示出根据本发明的一些实施例的用于产生多个输出子束的另一光学设备的简化示意图。在这些实施例中，光学设备的底部棱镜可以提供内耦合功能。如图7B所示，光学系统750包括用于从输入光束产生多个子束的光学设备760和用于接收多个子束的波导780。光学设备760包括具有部分反射表面771的第一棱镜761和具有反射表面772的第二棱镜772。棱镜可以呈现除了45°-45°-90°三角形棱镜之外的几何形状，使得棱镜将入射光790以期望的倾斜内耦合角(例如，不同于90°角)反射到波导780内。如图7B所示，棱镜的表面771和772与波导780的顶表面形成小于45°的角度α，这可以使子束以倾斜的入射角进入波导。这样，在这些实施例的一些中，可以不需要内耦合光栅。也可以使用通过光学设备760和/或波导780提供内耦合功能的其他几何形状/配置。例如，棱镜的表面771和772与波导780的顶表面形成大于45°的角度α。在另一示例中，可以在第一棱镜761(其形状为正三角形)的一条腿(leg)或两条腿(例如，非斜边侧)的表面上，提供输入耦合元件(例如，光栅)。在又一示例中，第一棱镜761可以呈现除三角形棱镜之外的几何形状，例如平行四边形的几何形状。在这样的示例中，第一棱镜761可以布置成将光内耦合到波导780的侧表面，而不是波导780的顶表面。在一些示例中，第一棱镜761可以有效地与波导780成为一体。
图8是示出根据本发明的实施例的用于显示具有减小的波前稀疏效应或屏蔽门效应的图像的方法的简化流程图。用于显示图像的方法800包括提供波导和光学设备(810)并接收入射光束(820)。示例性光学设备示于图5B和图5C中，其中光学设备550包括平行且彼此相邻设置的第一表面552和第二表面554。在该示例中，第一表面552是部分反射的，第二表面554基本上是全反射的。在一些实施例中，可以使用光纤扫描仪提供入射光束。
该方法还包括引导入射光束照射在光学设备的一部分上(830)并使用光学设备生成多个输入子束(840)。参考图5C，入射光束520被引导到光学设备550的第二表面554并被朝向第一表面552反射，其中光被部分地朝向第二表面554反射回。光的另一部分透射通过棱镜562，并且离开棱镜562作为第一输入子束B1。随后的输入子束B2、B3和B4以类似的方式生成。多个输入子束相对于彼此在空间上偏移。如图5C所示，输入子束B1至B4以距离棱镜562的左侧增加的距离离开棱镜562，使得每个输入子束定位成在沿纵向轴排列的不同纵向位置处照射输入耦合元件。
该方法还包括将多个输入子束耦合到波导中(850)，并且通过全内反射沿波导传播多个输入子束(860)。参考图5B，输入子束521通过输入耦合元件512耦合到波导510中。在波导中，多个输入子束通过全内反射(TIR)沿波导传播。在TIR中，当子束到达波导的表面时，子束在内部被全反射回来。在图5B中，多个子束521中的每一个由不同的实线或虚线图案表示，共同标记为522，并且多个输入子束中的每一个穿过波导中的不同路径。
方法800还包括提供光学耦合到波导的输出耦合元件(870)，并使用输出耦合元件输出多组输出子束(880)。如图5B所示，输出耦合元件514在波导和环境空气之间的界面处耦合到波导510。输出耦合元件514使得波导中的子束522在边界表面处被部分地折射以离开波导，并且部分地反射回到波导中。在图5B中，当波导内部的子束首先到达输出耦合元件514时，每个子束的一部分被折射并离开波导以形成第一组输出子束531。子束的其余部分继续通过全内反射传播并且在沿纵轴的不同位置处形成后续组输出子束532至534。因此，每组输出子束包括通过全内反射在波导中传播的多个输入光子束中的每个输入光子束的一部分。
以上结合图3至图7描述了实现方法800的图像显示系统的示例。在一些实施例中，上述方法包括提供光学设备，该光学设备用于接收入射光束并提供在空间上偏移的多个输入子束。多个输入子束可以被引导到波导以生成增加数量的输出子束，这可以增加波前密度并减小屏蔽门效应。在一些实施例中，该方法还可以包括使用眼睛透镜聚焦多组输出光子束。
应该理解的是，图8中所示的具体步骤提供了根据本发明实施例的用于显示具有减小的波前稀疏效应或屏蔽门效应的图像的特定方法。根据替代实施例，还可以执行其他步骤序列。例如，本发明的替代实施例可以以不同的顺序执行上面概述的步骤。此外，图8中所示的各个步骤可以包括多个子步骤，这些子步骤可以以适合于各个步骤的各种顺序执行。此外，取决于特定应用，可以添加或移除附加步骤。本领域普通技术人员将认识到许多变化、修改和替代。
图9是示出根据本发明的替代实施例的图像显示系统的简化示意图。如图9中所示，图像显示系统900包括被配置用于接收入射光束的波导910和用于提供准直入射光束920的光源905。准直入射光束920包括具有不同波长的多个输入光束。作为示例，在图9中，准直入射光束920包括具有第一波长的第一光束921和具有第二波长的第二光束922。
如图9所示，具有略微不同波长的两个输入光束921和922包括在准直入射光束920中，使得它们在输入耦合元件912中略微不同地衍射并以略微不同的入射角进入波导910。尽管在图9中仅示出了两个输入光束，本发明的实施例不限于该特定数量的输入光束。在其他实施例中，使用增加数量的输入光束。如在图9中可以看到的那样，增加输入光束的数量可以增加输出子束的数量并进一步增加输出图像的波前密度。
在一些实施例中，不同波长选自以波导目镜针对其而设计的标称波长为中心的波长范围。在一个实施例中，对于红色图像信号，波长为630nm、635nm和640nm的激光可以耦合到针对635nm而标称设计的波导目镜中。在另一实施例中，单个准直入射光束可以包括波长为635nm和642nm的分量光束。在一些实施例中，多个输入光束可以具有在标称波长附近跨越约5nm、10nm或20nm的光谱宽度的波长。在一些实施例中，多个输入光束可以具有在标称波长附近跨越约30nm或50nm的光谱宽度的波长。在这些实施例中，多个输入光束可以用于生成增加数量的输出子束，这些增加数量的输出子束可以增加对于标称波长的图像的波前密度。可以使用更多数量的输入光束来生成更多数量的输出光束。
波导910被配置用于使用波长敏感的输入耦合元件912(例如，输入耦合光栅)将准直入射光束920内耦合到波导910中。波长敏感的输入耦合元件可以是衍射光栅，其衍射特性取决于入射光束的波长。波长敏感的输入耦合元件912使第一光束921和第二光束922在进入波导910时以不同角度衍射。在所示实施例中，准直入射光束以法向入射入射在输入耦合元件912上。然而，这不是本发明所要求的，并且在其他入射角下的操作也包括在本发明的范围内。准直的入射光束在通过输入耦合元件912时以波导910内部传播的非法向角度发生衍射。
准直入射光束920中的多个输入光束被配置为沿波导910中的不同方向上的不同路径，通过全内反射(TIR)在波导910中传播。如图9所示，第一光束921和第二光束922以不同的角度进入波导910。结果，光束921和922在到达波导910的表面时具有不同的入射角。因此，每个输入光束穿过波导中的不同路径，如图9所示。
在通过输入耦合元件912并从输入耦合元件912衍射之后，输入光束921和922通过全内反射(TIR)沿波导910传播，当它们从邻近输入耦合元件912的波导510的端部，朝向光学耦合到波导910的下表面的输出耦合元件514的右端传播时，进行多次通过。波导910的特征在于纵轴与沿波导的光传播方向对齐。在图9中，纵轴905与波导的顶表面和底表面对齐，并且垂直于入射光束920的传播方向。
波导910还被配置为使用输出耦合元件914输出多组输出光束930。如图9所示，输出耦合元件914在波导的下表面耦合到波导910，并且输出耦合元件914沿波导910纵向延伸。由于每个输入光束穿过波导中的不同路径，它们在不同位置处到达输出耦合元件914，在不同的位置处每个子束的一部分被折射并离开波导以形成输出子束，并且剩余部分通过TIR继续在波导中传播。图9示出了多组输出光束930，包括组950、960、970和980。每组输出光束包括通过全内反射在波导中传播的多个输入光束中的每一个输入光束的一部分。例如，输出子束组950包括来自入射光束921的一部分的第一子束951和来自入射光束922的一部分的第二子束952。类似地，输出子束组960包括来自入射光束921的一部分的第一子束961和来自入射光束922的一部分的第二子束962。输出子束组970包括来自入射光束921的一部分的第一子束971和来自入射光束922的一部分的第二子束972。输出子束组980包括来自入射光束921的一部分的第一子束981和来自入射光束922的一部分的第二子束982。
可以看出，图像显示系统900包括在入射准直光束920中具有不同波长的多个输入光束和波长敏感的输入耦合元件912。通过使用波长敏感的输入耦合元件，输出子束的数量可以增加。结果，可以减少波前稀疏或屏蔽门效应。波长敏感的输入耦合元件可以是衍射光栅，其衍射特性取决于入射光束的波长。
图10A和图10B是示出通过根据本发明的一些实施例的上述光学设备减小屏蔽门效应的图像。为了验证上述图像显示系统的功能，进行了实验，其中入射光束由接收光波长为635nm和642nm的组合器来提供。通过针孔观察来自波导目镜的图像。图10A示出了由波前稀疏引起的屏蔽效应。图像显示为原始图像的稀疏采样版本。图10B是示出通过提供单个准直入射光束来减小屏蔽门效应的图像，单个准直入射光束包括具有波长635nm和642nm的分量光束。在该示例中，对于波长间隔7nm的两个激光，从针孔逃离的角度存在明显的移位，在图10B中被视为附加光斑。
如上所述，由于对于单角度光束，存在形成原始波前的一组子束，所以波前分辨率增加，但是，随着添加第二波长，存在一组移位的子束，其有效地增加了与该输入角度对应的波前的整体分辨率。这将改善“屏蔽门”或更正确的“波前稀疏”问题。通过增加入射准直光束中具有不同波长的子束的数量，可以实现更多改进。例如，630nm、635nm和640nm的激光可以内耦合到针对635nm而标称设计的波导目镜中。在本发明的实施例中，光谱宽度为约20nm的光源(例如，激光器)将显著改善图像质量。对于没有透镜功能的目镜，这提供了一种增加子束密度而不依赖于基板厚度的方法。对于具有透镜功能的目镜，每个波长的焦平面略有不同，可能会增加目镜的焦深。
图11是示出根据本发明的实施例的用于显示具有减小的波前稀疏效应或屏蔽门效应的图像的方法的简化流程图。如图11所示，用于显示图像的方法1100包括提供具有波长敏感的输入耦合元件的波导(1110)。参考图9，波导910具有波长敏感的输入耦合元件912。波长敏感的输入耦合元件可以是衍射光栅，其衍射特性取决于入射光束的波长。
该方法还包括提供准直的入射光束(1120)。准直入射光束包括具有不同波长的多个输入光束。作为示例，在图9中，准直入射光束920包括具有第一波长的第一光束921和具有第二波长的第二光束922。在一些实施例中，不同波长选自以波导目镜针对其而设计的标称波长为中心的波长范围。在一个实施例中，对于红色图像信号，波长为630nm、635nm和640nm的激光可以内耦合到针对635nm而标称设计的波导目镜中。在另一实施例中，单个准直入射光束包括具有635nm和642nm波长的分量光束。在一些实施例中，多个输入光束可以具有跨越约20nm的光谱宽度的波长。在这些实施例中，多个输入光束可以用于生成增加数量的输出子束，增加数量的输出子束可以增加对于标称波长的图像的波前密度。
该方法还包括使用波长敏感的输入耦合元件将多个输入光束内耦合到波导中(1130)。参考图9，波长敏感的输入耦合元件912被配置为内耦合准直入射光束920，其包括具有第一波长的第一光束921和具有第二波长的第二光束922。波长敏感的输入耦合元件912使得第一光束921和第二光束922在进入波导910时以不同的角度衍射。
方法1100还包括通过全内反射在波导中传播多个输入光束(1140)。如图9所示，第一光束921和第二光束922以不同的角度进入波导910。结果，光束921和922在到达波导910的表面时具有不同的入射角。因此，每个输入光束穿过波导中的不同路径，如图9所示。
该方法还包括提供光学耦合到波导的输出耦合元件(1150)，并使用该输出耦合元件输出多组输出子束(1160)。如图9所示，输出耦合元件914在波导的表面处耦合到波导910并且沿着波导910纵向延伸。由于每个输入光束穿过波导中的不同路径，它们在不同位置处到达输出耦合元件914，在不同位置处每个子束的一部分被折射并离开波导以形成输出子束，并且剩余部分通过TIR继续在波导中传播。如图9所示，多组输出光束930从输出耦合元件914发射。多组输出光束930包括组950、960、970和980。每组输出光束包括通过全内反射在波导中传播的多个输出光束中的每个输出光束的一部分。例如，子束组950包括来自入射光束921的一部分的第一子束951和来自入射光束922的一部分的第二子束952。类似地，子束组960包括来自入射光束921的一部分的第一子束961和来自入射光束922的一部分的第二子束962。子束组970包括来自入射光束921的一部分的第一子束971和来自入射光束922的一部分的第二子束972。子束组980包括来自入射光束921的一部分的第一子束981和来自入射光束922的一部分的第二子束982。
以上结合图9和图10描述了实现方法1100的图像显示系统的示例。通过使用波长敏感的输入耦合元件，可以增加输出子束的数量。该方法还可以包括使用眼睛透镜来聚焦多组输出光子束。此外，入射光束可以配备光纤扫描器。在一些实施例中，波导被配置用于颜色的标称波长，并且多个输入光束具有在标称波长附近的波长。
出于解释的目的，前述描述使用特定术语来提供对所描述的实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说清楚是，为了实践所描述的实施例，不需要具体细节。因此，出于说明和描述的目的给出了具体实施例的前述描述。它们并非旨在穷举或将所描述的实施例限制为所公开的精确形式。对于本领域普通技术人员清楚的是，鉴于上述教导，许多修改和变化是可能的。

Claims (4)

1.一种图像显示系统，包括：
波导，包括波长敏感的输入耦合元件和输出耦合元件；
光源，用于提供准直入射光束，所述准直入射光束包括具有不同波长的多个输入光束；
其中，所述波导被配置为：
使用所述波长敏感的输入耦合元件将所述多个输入光束内耦合到所述波导中；
通过全内反射(TIR)传播所述多个输入光束，每个输入光束沿不同的路径传播；以及
使用所述输出耦合元件输出多组输出光子束，其中所述多组输出光子束沿着所述波导沿着光传播方向连续地被定位，以及其中每组输出光子束包括通过全内反射在所述波导中传播的所述多个输入光束中的每一个输入光束的一部分。
2.根据权利要求1所述的图像显示系统，其中，所述波导被配置用于颜色的标称波长，并且所述多个输入光束具有在所述标称波长附近的波长。
3.根据权利要求1所述的图像显示系统，其中，所述准直入射光束由光纤扫描器提供。
4.根据权利要求1所述的图像显示系统，还包括用于聚焦所述多组输出光束以用于显示的眼睛透镜。
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