CN115066643A - 具有角度选择性透射滤光片的光学系统 - Google Patents

具有角度选择性透射滤光片的光学系统 Download PDF

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Abstract

电子设备可包括发射光的发射显示面板。该光可沿着延伸到窥眼箱的光学路径传播。具有输入耦合器和输出耦合器的波导可插置在该光学路径上。角度选择性透射滤光片(ASTF)可插置在该光学路径上并且可根据角度来过滤该发射的光以在将该光提供给该输出耦合器之前从该光学路径去除高角度光。该ASTF可包括衍射光栅结构，诸如薄膜全息图、体积全息图或表面起伏光栅、百叶窗式反射镜、多层涂层或针孔阵列。该ASTF可用于使该显示器内的杂散光最小化，从而优化该显示器的对比度和调制传递函数(MTF)。

Description

具有角度选择性透射滤光片的光学系统
本申请要求2021年1月28日提交的美国专利申请号17/161,469以及2020年2月6日提交的美国临时专利申请号62/970,800的优先权，这些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。
电子设备可包括靠近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。
近眼显示器可包括具有发射光的像素阵列的发射显示面板。发射的光可沿着从发射显示面板朝向窥眼箱延伸的光学路径传播。波导可插置在光学路径上。输入耦合器可将光耦合到波导中。输出耦合器可将光耦合出波导并朝向窥眼箱。成像光学器件可将光朝向输入耦合器定向。棱镜可将来自发射显示面板的光朝向成像光学器件定向。棱镜可组合来自多个发射显示面板的光。
角度选择性透射滤光片(ASTF)可插置在光学路径上的一个或多个位置处。例如，ASTF可插置在发射显示面板中的一个或多个发射显示面板与棱镜之间，插置在棱镜与成像光学器件之间，插置在成像光学器件与输入耦合器之间，或插置在波导内。ASTF可根据角度来过滤发射的光以产生过滤的光。例如，ASTF可沿着光学路径透射发射的光的第一部分(例如，作为过滤的光)并且可将发射的光的第二部分重定向在光学路径之外。发射的光的第一部分可跨越离ASTF的法向轴相对较近的第一组入射角。发射的光的第二部分可以是高角度光，与发射的光的第一部分相比，其跨越离法向轴更远的第二组入射角。
作为示例，ASTF可包括衍射光栅结构，诸如薄膜全息图、体积全息图(例如，薄或厚体积全息图)或表面起伏光栅、百叶窗式反射镜、多层涂层或针孔阵列。衍射光栅可透射发射的光的第一部分，同时将发射的光的第二部分衍射到光学路径之外。衍射光栅可包括尽可能多地衍射光的第二部分的许多光栅(例如，在单独介质层中形成或在一个或多个相同介质层内复用)。ASTF可将发射的光的第二部分在与光的第一部分相关联的光锥内、朝向吸收器(例如，经由附加波导内的全内反射)或在光学路径之外的其他地方重定向(例如，衍射)。这可用于使显示器内的杂散光最小化，从而优化显示器的对比度和调制传递函数(MTF)。
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具有波导的显示器的例示性光学系统的顶视图，该波导具有输入耦合器和输出耦合器。
图3是根据一些实施方案的用于发射显示面板的例示性角度选择性透射滤光片的顶视图。
图4是根据一些实施方案的随显示面板输出角而变化的透射率的曲线图，该曲线图示出了例示性角度选择性透射滤光片对发射显示面板所发射的光的影响。
图5是根据一些实施方案的具有发射显示面板和一个或多个角度选择性透射滤光片的例示性光学系统的图示。
图6是根据一些实施方案的包括角度选择性透射滤光片且不含光学波导的例示性光学路径的图示。
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窥眼箱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)。在本文有时作为示例描述的一种合适的布置中，部件18可包括注视跟踪传感器，该注视跟踪传感器在窥眼箱24处从用户的眼睛收集注视图像数据以实时跟踪用户的注视的方向。例如，注视跟踪传感器可包括朝向窥眼箱发射红外光或其他光的红外或其他光发射器，以及感测从用户的眼睛反射的红外光或其他光的图像传感器(例如，其中所感测的光识别用户的眼睛的注视方向)。
显示模块14A可包括反射显示器(例如，硅基液晶(LCOS)显示器、数字微镜器件(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。显示模块14A包括具有发射显示面板的发射显示器的布置在本文中作为示例来描述。
光学系统14B可形成允许观察者(参见例如窥眼箱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可包括部件(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的内容可由窥眼箱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起伏光栅、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)或形成在光栅介质的相应层中的重叠光栅。
光学系统14B可包括准直光学器件，诸如成像光学器件34。成像光学器件34(在本文中有时称为成像透镜34)可包括帮助将图像光22朝向波导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，以形成与窥眼箱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可产生与要显示到窥眼箱24的图像内容相关联的光22。可以使用透镜诸如成像光学器件34中的透镜将光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呈现给窥眼箱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可以被配置为将光22从显示模块14A(成像光学器件34)耦合到波导26中，而输出耦合器30可以被配置为将光22从波导26内耦合到波导26外部并朝向窥眼箱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朝窥眼箱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)。
在实施过程中，显示模块14A中的每个像素在对应角度范围内(例如，在对应光锥内)发射光。如果不加以注意，显示模块14A中的像素以相对较高(较宽)的角度发射的光可能不能适当地耦合到波导26中并且可能非期望地以杂散光的形式传播通过显示器14。这可限制向窥眼箱24提供的图像的对比度并且可降低系统的调制传递函数(MTF)。为了减轻这些影响，显示器14可包括滤除显示模块14A中的像素以相对较高的角度发射的光的一个或多个角度选择性透射滤光片。
图3是可用于显示器14中的例示性角度选择性透射滤光片的图示。如图3所示，光学路径40(例如，从图2的显示模块14A延伸到窥眼箱24的光学路径)可包括显示面板，诸如发射显示面板42(例如，图2的显示模块14A中的发射显示面板)。光学路径40还可包括角度选择性透射滤光片，诸如角度选择性透射滤光片(ASTF)44。ASTF 44可在光学上插置在发射显示面板42与窥眼箱24(图2)之间的光学路径40内。
发射显示面板42可包括光源诸如显示器像素P的阵列。显示器像素P可例如使用微发光二极管(uLED)、有机发光二极管(OLED)、发光二极管(LED)、激光器(例如，垂直腔面发射激光器)或任何其他期望的发射光源来形成。每个像素P在相对于发射显示面板42的法向轴46的一定显示面板输出角θ范围内(例如，在从相对于法向轴46的角度-θ2至角度θ2的对应光锥内)发射光。该光可例如形成图2的图像光22的一部分。
在实施过程中，只有像素P在离法向轴46相对较近的特定角度范围内发射的光才会适当地耦合到波导26中以便在窥眼箱24(图2)处显示。在图3的示例中，像素P在从角度-θ1至角度θ1的相对较窄的角度范围内发射的光可令人满意地耦合到波导26中(例如，光锥50内)。然而，像素P以更宽角度发射的光(例如，从角度-θ2至角度-θ1的光和从角度θ2至角度θ1的光)可不适合令人满意地耦合到波导26中。如果不加以注意，该光可能以杂散光的形式传播通过显示器14，从而非期望地限制系统的对比度和MTF。
为了减轻这些问题，ASTF 44可滤除像素P以这些宽角度(例如，从角度-θ2至角度-θ1和从角度θ2至角度θ1)发射的光，同时还透射像素P以适合令人满意地耦合到波导26中的角度(例如，从角度-θ1至角度-θ1)发射的光。换句话讲，ASTF 44可根据角度来过滤每个像素P所发射的光。ASTF44可包括衍射光栅结构，诸如体积全息图(例如，厚体积全息图或薄体积全息图)、薄膜全息图或表面起伏光栅、百叶窗式反射镜、多层涂层和/或针孔(微孔径)阵列。这些结构可被配置为将ASTF 44以任何期望角度(例如，从角度-θ2至角度-θ1和从角度θ2至角度θ1的宽角度)接收到的光定向到光学路径40之外，同时还(与此同时地)透射ASTF 44以其他期望角度(例如，从角度-θ1至角度θ1的窄角度)接收到的光。θ1可为10度、12度、15度、20度、8度、8度至20度、10度至20度、10度至15度、5度至25度、10度至30度、超过5度、小于45度或任何其他期望角度。ASTF44可包括一个或多个滤光层55。作为示例，滤光层55可各自由相应涂层、波导基底(例如，平面或弯曲波导基底)、光栅介质层、光栅介质层和对应波导基底、和/或一对对应波导基底所夹置的光栅介质层形成。
ASTF 44可例如将从角度-θ2至角度-θ1的光和从角度θ2至角度θ1的光重定向到光锥50内的角度，如箭头54所示。例如，ASTF 44内的衍射光栅结构可被配置为将像素P发射的从角度-θ2至角度-θ1和从角度θ2至角度θ1的光(例如，以从相对于ASTF 44的法向轴例如轴线46的90度-θ2至90度-θ1的入射角入射到ASTF 44上的光)衍射(例如，可使衍射光栅结构与该光发生布拉格匹配)到位于光锥50内的输出角(例如，从-θ1至θ1的输出角)上。
在另一种合适的布置中，ASTF 44可例如将从角度-θ2至角度-θ1的光和从角度θ2至角度θ1的光朝向光吸收器诸如光吸收器57重定向，如箭头56所示。在该示例中，ASTF 44可以以输出角输出从角度-θ2至角度-θ1和从角度θ2至角度θ1接收到的光，使得重定向的光经由全内反射沿ASTF 44的一个或多个滤光层55(例如，波导基底)向下传播直到光到达吸收器57。例如，ASTF 44内的衍射光栅结构可被配置为将像素P发射的从角度-θ2至角度-θ1和从角度θ2至角度θ1的光(例如，以从相对于ASTF 44的法向轴的90度-θ2至90度-θ1的入射角入射到ASTF上的光)衍射(例如，可使衍射光栅结构与该光发生布拉格匹配)到在滤光层55的全内反射模式所支持的角度范围内的输出角上。吸收器57可吸收或熄灭该光以防止杂散光传播通过该系统。在该布置中，如果需要，ASTF 44可包括各自由相应波导形成的两个滤光层55。一个波导中的衍射光栅可将光水平地(例如，在+Y和-Y方向上)朝向吸收器57定向，而另一波导中的衍射光栅将光竖直地(例如，在+Z和-Z方向上)朝向吸收器57定向。这仅仅是例示性的，并且一般来讲，ASTF 44可包括用于将光在任何期望的方向上定向的任何期望数量的波导。
在又一种合适的布置中，ASTF 44可包括反射镜结构(例如，百叶窗式反射镜或由衍射光栅诸如体积全息图或薄膜全息图形成的全息反射镜)或其他光重定向结构。这些结构可将从角度-θ2至角度-θ1的光和从角度θ2至角度θ1的光重定向到光学路径40之外的输出角，诸如往回朝向发射显示面板42重定向，如箭头58所示。该光可由吸收器(为了清楚起见，未在图3中示出)吸收或以其他方式从光学路径40去除。例如，ASTF 44内的衍射光栅结构可被配置为将像素P发射的从角度-θ2至角度-θ1和从角度θ2至角度θ1的光(例如，以从相对于ASTF 44的法向轴的90度-θ2至90度-θ1的入射角入射到ASTF 44上的光)衍射(例如，可使衍射光栅结构与该光发生布拉格匹配)到光学路径40之外(例如，远离图2的波导26)的输出角上。换句话讲，光栅结构中的全息图可由光栅矢量表征，这些光栅矢量被取向成使得任何超出与轴线46所成的|θ1|的光均被衍射到从光学路径40去除该光的某个任意输出角。衍射光栅结构可例如被写入，使得光栅结构的光栅矢量垂直于ASTF 44的侧表面(例如，平行于轴线46)。当以这种方式配置时，ATSF 44可将向上传播的光向下重定向并且可将向下传播的光向上重定向。光栅结构可包括多个光栅以确保全角范围被衍射。
这些布置仅仅是例示性的并且可在需要时组合。ATSF 44可在单个维度中(例如，在如图3所示的X-Y平面内)或在多个维度中(例如，在X-Y和Y-Z平面内)过滤像素P所发射的光。在ATSF 44包括衍射光栅结构诸如体积全息图或薄膜全息图的示例中，每个光栅(例如，每个全息图)可与对应输入角范围和对应波长范围发生布拉格匹配。换句话讲，每个光栅将以其对应输入角范围和波长范围接收到的光衍射到相应输出角范围。输出角范围可位于光锥50内(例如，ASTF 44可将宽角度光重定向到光锥50中，如箭头54所示)，可位于支持ASTF44内的全内反射的角度范围内(例如，ASTF 44可通过全内反射将宽角度光朝向吸收器57重定向，如箭头56所示)，或可包括光学路径40之外的任何其他期望角度(例如，如箭头58所示)。
ASTF 44可包括多个光栅(全息图)，该多个光栅各自衍射不同入射角范围的光以确保来自整个宽角度范围的光(例如，从角度-θ2至角度-θ1和从角度θ2至角度θ1的光)在期望方向上重定向。类似地，ASTF 44可包括多个光栅(全息图)，该多个光栅各自衍射不同波长范围的光以确保来自像素P所发射的整个波长范围的光在期望方向上重定向。如果需要，这些光栅可各自在ASTF 44的相应光栅介质层(例如，滤光层55)中形成(例如，其中这些光栅中的每个光栅与ASTF 44中的其他光栅在空间上重叠)，和/或这些光栅中的两个或更多个光栅(例如，所有光栅)可在ASTF 44的相同光栅介质层(例如，滤光层55)内复用(例如，其中两个或更多个光栅被记录并因此叠加在相同体积的光栅介质内)。
作为一个示例，ASTF 44中的光栅可包括衍射红光的一个或多个光栅、衍射绿光的一个或多个光栅和/或衍射蓝光的一个或多个光栅。作为示例，衍射红光的光栅可形成在第一滤光层55(例如，光栅介质的第一层)中，衍射绿光的光栅可形成在第二滤光层55(例如，光栅介质的第二层)中，并且衍射蓝光的光栅可形成在第三滤光层55(例如，光栅介质的第三层)中。在另一种合适的布置中，这些光栅中的每个光栅可以以被优化为衍射白光的单层(例如，包括衍射红光的光栅、衍射绿光的光栅和衍射蓝光的光栅的单层)的形式形成。如果需要，可使用这些布置的组合。这些示例仅仅是例示性的。可使用任何期望的波长范围或颜色。如果需要，像素P可发射红外或紫外光。虽然ASTF 44在图3中被示出为与发射显示面板42间隔开(例如，分开)，但这仅仅是例示性的。如果需要，ASTF 44可安装到发射显示面板42的侧表面(例如，与该侧表面直接接触)。
图4是示出ASTF 44可如何影响发射显示面板42的透射分布的图示。如图4所示，曲线60绘制了随显示面板输出角θ而变化的光通过ASTF 44的理想透射率。虽然为了清楚起见，图4仅绘制了单个维度(例如，ASTF44可在单个维度内过滤光)，但一般来讲，如果需要，ASTF 44可在两个维度内过滤光。如曲线60所示，ASTF 44在理想情况下透射从角度-θ1至角度θ1的所有光并且不透射大于角度θ1或小于角度-θ1的任何光。这将防止宽角度的任何光以杂散光的形式传播通过显示器14。通过将多个光栅(全息图)包括在ASTF 44内，ASTF 44的实际透射分布可近似曲线60。
考虑一下ASTF 44包括多个堆叠全息图(例如，各自在相应滤光层55中形成的薄全息图)的示例。相对于这些全息图全都在相同体积的光栅介质中(例如，在相同滤光层55内)复用的场景而言，这可用于增加全息图的衍射效率。每个全息图可与角度θ的相应范围发生布拉格匹配。在图4的示例中，ASTF 44包括各自与角度θ的相应范围匹配的四个全息图。例如，ASTF 44可包括与曲线62相关联的第一全息图、与曲线64相关联的第二全息图、与曲线66相关联的第三全息图和与曲线68相关联的第四全息图。每个全息图衍射以角度θ的相应范围入射的光，如曲线62、64、66和68的响应最小值70所示。这些角度范围的光从光学路径40去除并且不透射到波导26(或以从-θ1至θ1的输出角透射到波导26，如图3的箭头54所示)。通过增加ASTF 44中的全息图的数量，ASTF 44的透射响应可非常近似曲线60并且像素P以大于θ1且小于-θ1的角度发射的几乎所有光都可从光学路径滤除。如果需要，还可增加每层55的厚度以进一步减小最小值70，如箭头72所示。图4的示例仅仅是例示性的。曲线60、62、64、66和68可具有其他形状。为了简单起见，图4的示例对应于单个波长范围的光。在实施过程中，附加全息图可用于衍射处于这些入射角但在其他波长范围内的光(例如，以确保像素P所发射的每个波长的宽角度光从光学路径过滤)。ASTF 44可包括任何期望数量的全息图。
图5是示出可在显示器14内形成ASTF 44的例示性位置的图示。如图5所示，显示器14可包括显示模块14A(在本文中有时称为照明光学器件14A)和光学系统14B。显示模块14A可包括一个或多个发射显示面板42和棱镜86。发射显示面板42可包括发射光源(例如，像素P)诸如LED、OLED、uLED、激光器等的阵列。显示模块14A中的发射显示面板42可例如包括第一发射显示面板42A、第二发射显示面板42B和第三发射显示面板42C。发射显示面板42A、42B和42C可各自发射对应波长范围(例如，颜色)的照明光85。例如，发射显示面板42A可发射红光，发射显示面板42B可发射绿光，并且发射显示面板42C可发射蓝光。这仅仅是例示性的，并且一般来讲，发射显示面板42可各自发射任何期望数量的波长范围内的光。棱镜86可将由发射显示面板42A、42B和42C发射的光组合成光22(例如，光22可包括红光、绿光和蓝光等)。
成像光学器件34将光22朝向波导26定向(例如，准直)。波导26处的输入耦合器28将光22耦合到波导26中。光22经由全内反射沿波导26的长度向下传播。输出耦合器30将光22耦合出波导26并朝向窥眼箱24。可在显示器14中的一个或多个期望位置处形成角度选择性透射滤光片，诸如图3的ASTF 44。
如果需要，角度选择性透射滤光片诸如ASTF 44可位于发射显示面板42A中的一个或多个发射显示面板与棱镜86之间。例如，ASTF 44可安装在发射显示面板42A与棱镜86之间的位置88处，安装在发射显示面板42B与棱镜86之间的位置90处，和/或安装在发射显示面板42A与棱镜86之间的位置92处。ASTF 44(例如，位置88、90和92)可与发射显示面板42间隔开，可与对应发射显示面板直接接触，可与棱镜86间隔开，和/或可与棱镜86直接接触。滤光片在将照明光85透射到棱镜86之前可从该照明光滤除像素P所发射的宽角度光。
如果需要，角度选择性透射滤光片诸如ASTF 44可安装在棱镜86与成像光学器件34之间的位置94处。ASTF 44(例如，位置94)可与棱镜86间隔开，可与棱镜86直接接触，可与成像光学器件34间隔开，和/或可与成像光学器件34直接接触。滤光片可在将光22透射到成像光学器件34之前从该光滤除宽角度光。
如果需要，角度选择性透射滤光片诸如ASTF 44可安装在成像光学器件34与波导26的输入耦合器28之间的位置96处。ASTF 44(例如，位置96)可与成像光学器件34间隔开，可与成像光学器件34直接接触，可与输入耦合器28间隔开，和/或可与输入耦合器28直接接触。滤光片可在将光22透射到输入耦合器28之前从该光滤除宽角度光。
如果需要，角度选择性透射滤光片诸如ASTF 44可安装在波导26上的位置98处(例如，与输入耦合器28重叠)。位置98可在波导26内、在波导26的表面82处或在波导26的表面80处。滤光片可在将光22透射到输出耦合器30之前从该光滤除宽角度光。作为两个示例，输入耦合器28可包括反射输入耦合棱镜或透射输入耦合棱镜。显示器14可在图5的位置88、90、92、94、96和98中的一个或多个位置的任何期望组合处包括角度选择性透射滤光片，诸如图3的ASTF 44。如果需要，可为显示器14提供其他光学布置。如果需要，其他光学部件(例如，偏光片、透镜、滤光片、分束器、棱镜等)可包括在显示模块14A和/或光学系统14B中。
光学路径40包括波导26的上述示例仅仅是例示性的。如果需要，可从光学路径40省略波导26。图6是示出光学路径40可如何不含波导26的图示。如图6所示，光学路径40可从光源100延伸到窥眼箱24。光源100可包括发射光源(例如，发射显示面板42)、使照明光透射通过透射式空间光调制器的光源(例如，LCD面板)和/或提供从反射式空间光调制器反射出而产生窥眼箱24的光22的照明光的光源(例如，LCOS面板或DMD面板)。光学路径40可包括将光22从光源100定向到窥眼箱24的光学器件102(例如，透镜、平面和/或弯曲反射表面等)。ASTF 44可位于位置104处(例如，插置在光源100与光学器件102之间的光学路径40上)，位于位置106处(例如，插置在光学器件102与窥眼箱24之间的光学路径40上)，和/或可散布在光学器件102内的光学元件间。光学器件102和/或光学路径40可不含光学波导诸如波导26(例如，可在没有用于将光22从光源100定向到窥眼箱24的任何光学波导的情况下形成光学器件102和/或光学路径)。这样，光22可由ASTF 44过滤并且可经由光学器件102(例如，经由目镜光学器件、平面或弯曲反射表面等)直接传递到窥眼箱24(例如，不通过光学波导诸如波导26)。在光学路径40包括反射式空间光调制器的示例中，光22可从反射式空间光调制器反射出并且可经由光学器件102直接传递到窥眼箱24(例如，其中ASTF 44在光从空间光调制器反射出之前和/或之后过滤该光)。
根据一个实施方案，提供一种显示系统，该显示系统包括发射显示面板，该发射显示面板具有被配置为发射光的像素；角度选择性透射滤光片，该角度选择性透射滤光片被配置为根据角度来过滤像素所发射的光以产生过滤的光；波导；输入耦合器，该输入耦合器位于波导上并被配置为将过滤的光耦合到波导中；以及输出耦合器，该输出耦合器位于波导上并被配置为将过滤的光耦合出波导并朝向窥眼箱。
根据另一个实施方案，显示系统包括发射显示面板与输入耦合器之间的成像光学器件以及成像光学器件与发射显示面板之间的棱镜。
根据另一个实施方案，角度选择性透射滤光片介于发射显示面板与棱镜之间，角度选择性透射滤光片被配置为朝向棱镜透射过滤的光，棱镜被配置为朝向成像光学器件透射过滤的光，并且成像光学器件被配置为朝向输入耦合器透射过滤的光，发射显示面板被配置为发射第一波长范围内的光，显示系统包括第一附加发射显示面板，该第一附加发射显示面板被配置为发射在与第一波长范围不同的第二波长范围内的光；第二附加发射显示面板，该第二附加发射显示面板被配置为发射在与第一波长范围和第二波长范围不同的第三波长范围内的光；第一附加发射显示面板与棱镜之间的第一附加角度选择性透射滤光片，该第一附加角度选择性透射滤光片被配置为根据角度来过滤第一附加发射显示面板所发射的光以产生第一附加过滤的光并且被配置为将第一附加过滤的光透射到棱镜；以及第二附加发射显示面板与棱镜之间的第二附加角度选择性透射滤光片，该第二附加角度选择性透射滤光片被配置为根据角度来过滤第二附加发射显示面板所发射的光以产生第二附加过滤的光并且被配置为将第二附加过滤的光透射到棱镜，第一波长范围包括红色波长范围，第二波长范围包括绿色波长范围，并且第三波长范围包括蓝色波长范围。
根据另一个实施方案，角度选择性透射滤光片介于棱镜与成像光学器件之间，角度选择性透射滤光片被配置为朝向成像光学器件透射过滤的光，并且成像光学器件被配置为朝向输入耦合器透射过滤的光。
根据另一个实施方案，角度选择性透射滤光片介于成像光学器件与输入耦合器之间，棱镜和成像光学器件被配置为朝向角度选择性透射滤光片透射像素所发射的光，并且角度选择性透射滤光片被配置为朝向输入耦合器透射过滤的光。
根据另一个实施方案，像素包括选自发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、微发光二极管(uLED)和激光器的光源。
根据另一个实施方案，角度选择性透射滤光片被配置为透射发射显示面板所发射的光的第一部分并且被配置为重定向发射显示面板所发射的光的第二部分，第一部分跨越关于角度选择性透射滤光片的侧表面的法向轴的第一组角度，第二部分跨越关于法向轴的第二组角度，并且与第一组角度相比，第二组角度离法向轴更远。
根据另一个实施方案，角度选择性透射滤光片包括波导、波导上的吸收器和波导上的衍射光栅结构，该衍射光栅结构被配置为经由波导的全内反射模式朝向吸收器衍射光的第二部分。
根据另一个实施方案，角度选择性透射滤光片包括百叶窗式反射镜结构，所述百叶窗式反射镜结构被配置为远离波导反射光的第二部分。
根据另一个实施方案，角度选择性透射滤光片包括衍射光栅结构，所述衍射光栅结构被配置为衍射光的第二部分，同时透射光的第一部分。
根据另一个实施方案，衍射光栅结构包括选自以下的光栅结构：薄膜全息图、体积全息图和表面起伏光栅。
根据另一个实施方案，衍射光栅结构具有被取向成与法向轴平行的光栅矢量。
根据另一个实施方案，衍射光栅结构包括第一全息图、第二全息图和第三全息图，它们各自被配置为衍射以第二组角度的不同相应子组入射的光。
根据另一个实施方案，角度选择性透射滤光片包括具有第一全息图的光栅介质的第一层、具有第二全息图的光栅介质的第二层以及具有第三全息图的光栅介质的第三全息图层。
根据另一个实施方案，角度选择性透射滤光片包括具有第一全息图和第二全息图的光栅介质的第一层以及具有第三全息图的光栅介质的第二层，并且第一全息图和第二全息图叠加在光栅介质的第一层的相同体积内。
根据另一个实施方案，角度选择性透射滤光片包括具有第一全息图、第二全息图和第三全息图的光栅介质层，第一全息图、第二全息图和第三全息图叠加在光栅介质层的相同体积内。
根据另一个实施方案，衍射光栅结构包括第一全息图、第二全息图和第三全息图，它们各自被配置为衍射不同相应组波长的光，角度选择性透射滤光片包括具有第一全息图、第二全息图和第三全息图的光栅介质层，并且第一全息图、第二全息图和第三全息图叠加在光栅介质层的相同体积内。
根据另一个实施方案，衍射光栅结构包括第一全息图、第二全息图和第三全息图，它们各自被配置为衍射不同相应组波长的光，并且角度选择性透射滤光片包括具有第一全息图的光栅介质的第一层、具有第二全息图的光栅介质的第二层以及具有第三全息图的光栅介质的第三全息图层。
根据另一个实施方案，衍射光栅结构被配置为以与光的第一部分相关联的光锥内的输出角衍射光的第二部分。
根据一个实施方案，提供了一种显示系统，该显示系统包括发射显示面板，该发射显示面板具有被配置为发射光的像素阵列，该光沿着从发射显示面板延伸到窥眼箱的光学路径传播；波导，该波导插置在光学路径上；输入耦合器，该输入耦合器位于波导上并被配置为将光耦合到波导中；输出耦合器，该输出耦合器位于波导上并被配置为将光耦合出波导并朝向窥眼箱；以及衍射光栅结构，所述衍射光栅结构插置在发射显示面板与输出耦合器之间的光学路径上，所述衍射光栅结构被配置为透射在第一入射角范围内入射到衍射光栅结构上的光的第一部分，并且将在第二入射角范围内入射到衍射光栅结构上的光的第二部分衍射到光学路径之外，与第一入射角范围相比，第二入射角范围离衍射光栅结构的法向轴更远。
根据另一个实施方案，显示系统包括吸收器，衍射光栅结构被配置为以输出角衍射光的第二部分，所述输出角将光的第二部分朝向吸收器定向；以及附加波导，衍射光栅结构和吸收器位于附加波导上，并且附加波导被配置为经由全内反射朝向吸收器传播衍射光栅结构所衍射的光的第二部分。
根据一个实施方案，提供了一种显示系统，该显示系统包括发射显示面板，该发射显示面板具有发射光的像素；波导；成像光学器件，该成像光学器件将发射显示面板所发射的光朝向波导定向；输入耦合器，该输入耦合器位于波导上并被配置为将光耦合到波导中；输出耦合器，该输出耦合器位于波导上并被配置为将光耦合出波导并朝向窥眼箱；以及角度选择性透射滤光片，该角度选择性透射滤光片位于波导上并与输入耦合器重叠，该角度选择性透射滤光片被配置为朝向输出耦合器透射在第一入射角范围内入射到角度选择性透射滤光片上的光的第一部分，并且远离输出耦合器重定向在第二入射角范围内入射到角度选择性透射滤光片上的光的第二部分，与第一入射角范围相比，第二入射角范围离角度选择性透射滤光片的法向轴更远。
根据一个实施方案，提供了一种头戴式显示系统，该头戴式显示系统包括光源，所述光源被配置为产生光，该光沿着从光源延伸到窥眼箱的光学路径传播，该光学路径不含光学波导；以及角度选择性透射滤光片，该角度选择性透射滤光片插置在光学路径中，该角度选择性透射滤光片被配置为朝向窥眼箱透射在第一入射角范围内入射到角度选择性透射滤光片上的光的第一部分，并且远离窥眼箱重定向在第二入射角范围内入射到角度选择性透射滤光片上的光的第二部分，与第一入射角范围相比，第二入射角范围离角度选择性透射滤光片的法向轴更远。
根据另一个实施方案，角度选择性透射滤光片包括衍射光栅结构。
根据另一个实施方案，头戴式显示系统包括插置在光学路径上的反射式空间光调制器，光源被配置为将光从空间光调制器反射出。
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，包括：
发射显示面板，所述发射显示面板具有被配置为发射光的像素；
角度选择性透射滤光片，所述角度选择性透射滤光片被配置为根据角度来过滤所述像素所发射的所述光以产生过滤的光；
波导；
输入耦合器，所述输入耦合器位于所述波导上并被配置为将所述过滤的光耦合到所述波导中；和
输出耦合器，所述输出耦合器位于所述波导上并被配置为将所述过滤的光耦合出所述波导并朝向窥眼箱。
2.根据权利要求1所述的显示系统，还包括：
所述发射显示面板与所述输入耦合器之间的成像光学器件；和
所述成像光学器件与所述发射显示面板之间的棱镜。
3.根据权利要求2所述的显示系统，其中所述角度选择性透射滤光片介于所述发射显示面板与所述棱镜之间，所述角度选择性透射滤光片被配置为朝向所述棱镜透射所述过滤的光，所述棱镜被配置为朝向所述成像光学器件透射所述过滤的光，并且所述成像光学器件被配置为朝向所述输入耦合器透射所述过滤的光，其中所述发射显示面板被配置为发射第一波长范围内的所述光，所述显示系统还包括：
第一附加发射显示面板，所述第一附加发射显示面板被配置为发射在与所述第一波长范围不同的第二波长范围内的光；
第二附加发射显示面板，所述第二附加发射显示面板被配置为发射在与所述第一波长范围和所述第二波长范围不同的第三波长范围内的光；
所述第一附加发射显示面板与所述棱镜之间的第一附加角度选择性透射滤光片，其中所述第一附加角度选择性透射滤光片被配置为根据角度来过滤所述第一附加发射显示面板所发射的所述光以产生第一附加过滤的光并且被配置为将所述第一附加过滤的光透射到所述棱镜；和
所述第二附加发射显示面板与所述棱镜之间的第二附加角度选择性透射滤光片，其中所述第二附加角度选择性透射滤光片被配置为根据角度来过滤所述第二附加发射显示面板所发射的所述光以产生第二附加过滤的光并且被配置为将所述第二附加过滤的光透射到所述棱镜，其中所述第一波长范围包括红色波长范围，所述第二波长范围包括绿色波长范围，并且所述第三波长范围包括蓝色波长范围。
4.根据权利要求2所述的显示系统，其中所述角度选择性透射滤光片介于所述棱镜与所述成像光学器件之间，所述角度选择性透射滤光片被配置为朝向所述成像光学器件透射所述过滤的光，并且所述成像光学器件被配置为朝向所述输入耦合器透射所述过滤的光。
5.根据权利要求2所述的显示系统，其中所述角度选择性透射滤光片介于所述成像光学器件与所述输入耦合器之间，所述棱镜和所述成像光学器件被配置为朝向所述角度选择性透射滤光片透射所述像素所发射的所述光，并且所述角度选择性透射滤光片被配置为朝向所述输入耦合器透射所述过滤的光。
6.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述像素包括选自由以下项组成的组的光源：发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、微发光二极管(uLED)和激光器。
7.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述角度选择性透射滤光片被配置为透射所述发射显示面板所发射的所述光的第一部分并且被配置为重定向所述发射显示面板所发射的所述光的第二部分，其中所述第一部分跨越关于所述角度选择性透射滤光片的侧表面的法向轴的第一组角度，其中所述第二部分跨越关于所述法向轴的第二组角度，并且其中与所述第一组角度相比，所述第二组角度离所述法向轴更远。
8.根据权利要求7所述的显示系统，其中所述角度选择性透射滤光片包括：
波导；
所述波导上的吸收器；和
所述波导上的衍射光栅结构，其中所述衍射光栅结构被配置为经由所述波导的全内反射模式朝向所述吸收器衍射所述光的所述第二部分。
9.根据权利要求7所述的显示系统，其中所述角度选择性透射滤光片包括：
百叶窗式反射镜结构，所述百叶窗式反射镜结构被配置为远离所述波导反射所述光的所述第二部分。
10.根据权利要求7所述的显示系统，其中所述角度选择性透射滤光片包括衍射光栅结构，所述衍射光栅结构被配置为衍射所述光的所述第二部分，同时透射所述光的所述第一部分。
11.根据权利要求10所述的显示系统，其中所述衍射光栅结构包括选自由以下项组成的组的光栅结构：薄膜全息图、体积全息图和表面起伏光栅。
12.根据权利要求10所述的显示系统，其中所述衍射光栅结构具有被取向成与所述法向轴平行的光栅矢量。
13.根据权利要求10所述的显示系统，其中所述衍射光栅结构包括第一全息图、第二全息图和第三全息图，所述第一全息图、所述第二全息图和所述第三全息图各自被配置为衍射以所述第二组角度的不同相应子组入射的光。
14.根据权利要求13所述的显示系统，其中所述角度选择性透射滤光片包括具有所述第一全息图的光栅介质的第一层、具有所述第二全息图的光栅介质的第二层以及具有所述第三全息图的光栅介质的第三全息图层。
15.根据权利要求13所述的显示系统，其中所述角度选择性透射滤光片包括具有所述第一全息图和所述第二全息图的光栅介质的第一层以及具有所述第三全息图的光栅介质的第二层，并且所述第一全息图和所述第二全息图叠加在光栅介质的所述第一层的相同体积内。
16.根据权利要求13所述的显示系统，其中所述角度选择性透射滤光片包括具有所述第一全息图、所述第二全息图和所述第三全息图的光栅介质层，所述第一全息图、所述第二全息图和所述第三全息图叠加在所述光栅介质层的相同体积内。
17.根据权利要求10所述的显示系统，其中所述衍射光栅结构包括第一全息图、第二全息图和第三全息图，所述第一全息图、所述第二全息图和所述第三全息图各自被配置为衍射不同相应组波长的光，其中所述角度选择性透射滤光片包括具有所述第一全息图、所述第二全息图和所述第三全息图的光栅介质层，并且其中所述第一全息图、所述第二全息图和所述第三全息图叠加在所述光栅介质层的相同体积内。
18.根据权利要求10所述的显示系统，其中所述衍射光栅结构包括第一全息图、第二全息图和第三全息图，所述第一全息图、所述第二全息图和所述第三全息图各自被配置为衍射不同相应组波长的光，并且其中所述角度选择性透射滤光片包括具有所述第一全息图的光栅介质的第一层、具有所述第二全息图的光栅介质的第二层以及具有所述第三全息图的光栅介质的第三全息图层。
19.根据权利要求10所述的显示系统，其中衍射光栅结构被配置为以与所述光的所述第一部分相关联的光锥内的输出角衍射所述光的所述第二部分。
20.一种显示系统，包括：
发射显示面板，所述发射显示面板具有被配置为发射光的像素阵列，所述光沿着从所述发射显示面板延伸到窥眼箱的光学路径传播；
波导，所述波导插置在所述光学路径上；
输入耦合器，所述输入耦合器位于所述波导上并被配置为将所述光耦合到所述波导中；
输出耦合器，所述输出耦合器位于所述波导上并被配置为将所述光耦合出所述波导并朝向所述窥眼箱；和
衍射光栅结构，所述衍射光栅结构插置在所述发射显示面板与所述输出耦合器之间的所述光学路径上，其中所述衍射光栅结构被配置为：
透射在第一入射角范围内入射到所述衍射光栅结构上的所述光的第一部分，以及
将在第二入射角范围内入射到所述衍射光栅结构上的所述光的第二部分衍射到所述光学路径之外，与所述第一入射角范围相比，所述第二入射角范围离所述衍射光栅结构的法向轴更远。
21.根据权利要求20所述的显示系统，还包括：
吸收器，其中所述衍射光栅结构被配置为以输出角衍射所述光的所述第二部分，所述输出角将所述光的所述第二部分朝向所述吸收器定向；和
附加波导，其中所述衍射光栅结构和所述吸收器位于所述附加波导上，并且其中所述附加波导被配置为经由全内反射朝向所述吸收器传播所述衍射光栅结构所衍射的所述光的所述第二部分。
22.一种显示系统，包括：
发射显示面板，所述发射显示面板具有发射光的像素；
波导；
成像光学器件，所述成像光学器件将所述发射显示面板所发射的所述光朝向所述波导定向；
输入耦合器，所述输入耦合器位于所述波导上并被配置为将所述光耦合到所述波导中；
输出耦合器，所述输出耦合器位于所述波导上并被配置为将所述光耦合出所述波导并朝向窥眼箱；和
角度选择性透射滤光片，所述角度选择性透射滤光片位于所述波导上并与所述输入耦合器重叠，其中所述角度选择性透射滤光片被配置为：
朝向所述输出耦合器透射在第一入射角范围内入射到所述角度选择性透射滤光片上的所述光的第一部分，以及
远离所述输出耦合器重定向在第二入射角范围内入射到所述角度选择性透射滤光片上的所述光的第二部分，与所述第一入射角范围相比，所述第二入射角范围离所述角度选择性透射滤光片的法向轴更远。
23.一种头戴式显示系统，包括：
光源，所述光源被配置为产生光，所述光沿着从所述光源延伸到窥眼箱的光学路径传播，其中所述光学路径不含光学波导；和
角度选择性透射滤光片，所述角度选择性透射滤光片插置在所述光学路径中，其中所述角度选择性透射滤光片被配置为：
朝向所述窥眼箱透射在第一入射角范围内入射到所述角度选择性透射滤光片上的所述光的第一部分，以及
远离所述窥眼箱重定向在第二入射角范围内入射到所述角度选择性透射滤光片上的所述光的第二部分，与所述第一入射角范围相比，所述第二入射角范围离所述角度选择性透射滤光片的法向轴更远。
24.根据权利要求23所述的头戴式显示系统，其中所述角度选择性透射滤光片包括衍射光栅结构。
25.根据权利要求24所述的头戴式显示系统，还包括插置在所述光学路径上的反射式空间光调制器，其中所述光源被配置为将所述光从所述空间光调制器反射出。
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