CN115113396A - 包括具有不对称放大率的组合器的显示装置 - Google Patents
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Abstract
提供了一种包括具有非对称放大率的组合器的显示装置。该显示装置可以包括：成像器件，配置为形成虚拟图像；以及组合器，配置为将虚拟图像与包含外部景观的光混合，并向观看者提供彼此混合的虚拟图像和光，其中组合器可以包括弯曲表面，该弯曲表面以一方向上的第一放大率和垂直于第一方向的第二方向上的第二放大率来改变虚拟图像的尺寸，第二放大率小于第一放大率。
Description
技术领域
本公开涉及包括具有非对称放大率的组合器的显示装置，更具体地，涉及能够通过使用具有非对称放大率的组合器来增大虚拟图像的高宽比的显示装置。
背景技术
提供虚拟现实(VR)的头戴式显示器已经在市面上有售并广泛用于娱乐行业。与此同时，头戴式显示器已经发展成适用于医疗领域、教育领域和其他行业的领域。
作为VR显示器的高级形式的增强现实(AR)显示器是将现实世界与VR相结合并能够实现现实与VR之间的交互的图像设备。现实与VR之间的交互基于提供关于现实情景的实时信息的功能，并且现实的效果通过将虚拟对象或信息叠加在现实世界环境上而进一步增加。
发明内容
提供了包括具有非对称放大率的组合器的显示装置。
提供了能够通过使用具有非对称放大率的组合器来增大虚拟图像的高宽比的显示装置。
提供了增强现实(AR)显示装置，其配置为提供根据西涅玛斯科普式宽银幕(CinemaScope)标准具有大高宽比的虚拟图像。
额外的方面将部分地在以下描述中阐述，并将部分地自该描述明显，或者可以通过本公开的所呈现的实施方式的实践而获悉。
根据本公开的一方面，提供了一种显示装置，其包括：成像器件，配置为形成虚拟图像；以及组合器，配置为将虚拟图像与对应于外部环境的光混合，并向观看者提供彼此混合的虚拟图像和光，其中组合器包括弯曲表面，该弯曲表面基于第一方向上的第一放大率和垂直于第一方向的第二方向上的第二放大率来改变虚拟图像的尺寸，第二放大率小于第一放大率。
组合器包括配置为传输虚拟图像的透明波导，弯曲表面形成在透明波导的表面上。
透明波导包括：布置为彼此面对的第一表面和第二表面；以及布置在第一表面和第二表面之间的第三表面和第四表面，其中第三表面和第四表面彼此面对，其中弯曲表面包括形成在第一表面上的第一弯曲表面和形成在第二表面上的第二弯曲表面，以及其中第三表面和第四表面彼此平行地布置从而不具有屈光力。
第一弯曲表面和第二弯曲表面形成：在第一方向上，处于沿着光轴的第一位置处的第一主平面和处于沿着光轴的第二位置处的焦平面；以及在第二方向上，处于沿着光轴的不同于第一位置的第三位置处的第二主平面和处于沿着光轴的第二位置处的所述焦平面。
第一弯曲表面和第二弯曲表面中的每个在第一方向上具有比组合器在第一方向上的总宽度小的宽度。
成像器件被布置为朝向第一表面提供虚拟图像，并且第一表面被布置为使得穿过第一表面的虚拟图像传播到透明波导中。
成像器件被布置为面对第三表面的部分区域，并且第一表面被布置为反射穿过第三表面的虚拟图像。
成像器件被布置为面对第四表面的部分区域，并且第一表面被布置为反射穿过第四表面的虚拟图像。
组合器还包括透光板，该透光板包括：第五表面，与第二表面接触并具有与形成在第二表面上的第二弯曲表面互补的形状；从第三表面延伸的第六表面；以及从第四表面延伸的第七表面。
组合器还包括在第二表面上的半透半反涂层。
透明波导包括：布置为彼此面对的第一表面和第二表面；以及布置在第一表面和第二表面之间的第三表面和第四表面，其中第三表面和第四表面彼此面对，以及其中第一表面是倾斜的平坦表面，弯曲表面形成在第二表面上，第三表面和第四表面彼此平行地布置从而不具有屈光力。
组合器还包括透光板，该透光板包括：第五表面，与弯曲表面接触并具有与弯曲表面互补的形状；从第三表面延伸的第六表面；以及从第四表面延伸的第七表面。
成像器件被布置成朝向第一表面提供虚拟图像，并且第一表面被布置为使得穿过第一表面的虚拟图像传播到透明波导中。
成像器件被布置为面对第三表面的部分区域，并且第一表面被布置为反射穿过第三表面的虚拟图像。
显示装置还包括在成像器件和第三表面之间的投影光学系统，其中弯曲表面和投影光学系统形成：在第一方向上，处于沿着光轴的第一位置处的第一主平面和处于沿着光轴的第二位置处的焦平面；以及在第二方向上，处于沿着光轴的不同于第一位置的第三位置处的第二主平面和处于沿着光轴的第二位置处的所述焦平面。
透明波导包括：布置为彼此面对的第一表面和第二表面；以及布置在第一表面和第二表面之间的第三表面和第四表面，其中第三表面和第四表面彼此面对，其中弯曲表面形成在第一表面上，第三表面和第四表面彼此平行地布置从而不具有屈光力，成像器件被布置为朝向第一表面提供虚拟图像。
组合器还包括衍射图案，该衍射图案布置在第四表面的部分区域中以朝向第三表面反射虚拟图像。
衍射图案包括第一表面和第二表面，该第一表面在垂直于第一表面的方向上反射倾斜地入射在第一表面上的对应于虚拟图像的光，该第二表面使垂直入射在第二表面上的对应于外部环境的光穿过。
衍射图案包括全息光学元件、衍射光学元件或超表面。
成像器件被布置为朝向弯曲表面提供虚拟图像，并且显示装置还包括在成像器件和弯曲表面之间的投影光学系统。
组合器还包括在弯曲表面上的半透半反涂层。
组合器还包括支撑半透半反涂层的透光板。
根据本公开的另一方面，提供了一种显示装置，其包括：成像器件，配置为形成虚拟图像；以及组合器，配置为将虚拟图像与对应于外部环境的光混合，并向观看者提供彼此混合的虚拟图像和光，其中组合器包括：衍射图案，包括第一表面和第二表面，该第一表面在垂直于第一表面的方向上反射倾斜地入射在第一表面上的对应于虚拟图像的光，该第二表面使垂直入射在第二表面上的对应于外部环境的光穿过；以及投影光学系统，在成像器件和衍射图案之间，其中衍射图案和投影光学系统基于第一方向上的第一放大率和垂直于第一方向的第二方向上的第二放大率来改变虚拟图像的尺寸，第二放大率小于第一放大率。
衍射图案和投影光学系统：在第一方向上形成处于沿着光轴的第一位置处的主平面和处于沿着光轴的第二位置处的焦平面；以及在第二方向上形成处于沿着光轴的不同于第一位置的第三位置处的主平面和处于沿着光轴的第二位置处的焦平面。
组合器还包括支撑衍射图案的透光板。
根据本公开的另一方面，提供了一种显示装置，其包括配置为形成虚拟图像的成像器件和组合器，该组合器配置为：基于第一方向上的第一放大率和垂直于第一方向的第二方向上的第二放大率来改变虚拟图像的高宽比；通过将改变后的虚拟图像与对应于外部环境的光组合来形成增强图像；向观看者提供增强图像，其中第二放大率不同于第一放大率。
组合器包括改变虚拟图像的高宽比的弯曲表面。
组合器包括改变虚拟图像的高宽比的衍射图案。
附图说明
本公开的某些实施方式的以上及其他方面、特征和优点将由以下结合附图的描述更加明显，附图中：
图1是示意性示出根据一示例实施方式的显示装置的构造的剖视图；
图2是示意性示出根据一示例实施方式的组合器的示例结构的前视图；
图3是示出光学系统的主平面和焦平面的示例视图，该主平面和焦平面等效于图2所示的组合器的弯曲表面；
图4是示出通过图2所示的组合器来增大虚拟图像的高宽比的示例的视图；
图5是示出采用根据一示例实施方式的显示装置的电子设备的示例的视图；
图6是示意性示出根据另一示例实施方式的组合器的示例结构的剖视图；
图7是示意性示出根据另一示例实施方式的显示装置的构造的剖视图；
图8是示意性示出根据另一示例实施方式的显示装置的构造的剖视图；
图9是示意性示出根据另一示例实施方式的显示装置的构造的剖视图；
图10是示意性示出根据另一示例实施方式的显示装置的构造的剖视图；
图11是示意性示出根据另一示例实施方式的显示装置的构造的剖视图；
图12是示意性示出根据另一示例实施方式的显示装置的构造的剖视图；以及
图13是示意性示出根据另一示例实施方式的显示装置的构造的剖视图。
具体实施方式
现在将详细参照实施方式，其示例在附图中示出，其中，相同的附图标记始终指代相同的元件。就此而言，示例实施方式可以具有不同的形式并且不应被解释为限于在此阐述的描述。因此，下面通过参照附图仅描述示例实施方式以解释方面。如这里所使用的，术语“和/或”包括一个或更多个相关所列举项目的任何和所有组合。诸如“中的至少一个”的表述当在一列元素之后时，修饰整列元素，而不修饰该列中的个别元素。
在下文中，将参照附图描述包括具有非对称放大率的组合器的显示装置。在附图中，相同的附图标记指代相同的元件，并且为了图示的清楚，元件的尺寸可能被夸大。此外，这里描述的实施方式仅出于说明的目的，并且可以由此进行各种修改。
在以下描述中，当一元件被称为“在”另一元件“之上”或“在”另一元件“上”时，它可以在与该另一元件接触的同时直接在该另一元件上，或者可以在该另一元件之上而不与该另一元件接触。单数形式的术语可以包括复数形式，除非另有说明。还将理解，这里使用的术语“包括”和/或“包含”指明所陈述的特征或元件的存在，但不排除一个或更多个其他特征或元件的存在或添加。
用定冠词或指示代词提及的元件可以被解释为一个该元件或多个该元件，即使它具有单数形式。方法的操作可以按适当的顺序执行，除非在顺序方面明确描述或相反描述，并且方法的操作不限于其陈述的顺序。
在本公开中，诸如“单元”或“模块”的术语可以用于表示具有至少一个功能或操作并以硬件、软件或硬件和软件的组合来实现的单元。
此外，附图中所描绘的元件之间的线路连接或连接构件以举例的方式来表示功能连接和/或物理或电路连接，在实际应用中，它们可以用各种附加的功能连接、物理连接或电路连接来替换或体现。
示例或示例术语在此仅用于描述技术思想，并且不应出于限制的目的被考虑，除非由权利要求限定。
图1是示意性示出根据一示例实施方式的显示装置10的构造的剖视图。参照图1，该示例实施方式的显示装置100可以包括配置为形成虚拟图像的成像器件110、以及组合器120，该组合器120配置为将虚拟图像与包含外部景观的光混合并将该混合物提供给观看者。根据一示例实施方式，组合器120被配置为将虚拟图像与包含周围环境的光混合，并将该混合物提供给观看者。此外，显示装置100还可以包括用于封装成像器件110的壳体130、驱动电路、电源、附加光学系统等。壳体130也可以具有将成像器件110固定到组合器120的功能。
成像器件110通过根据关于虚拟图像的图像信息调制光来形成虚拟图像，并将产生的虚拟图像提供给观看者。由成像器件110形成的虚拟图像可以是例如分别提供给观看者的左眼和右眼的立体图像、全息图像、光场图像或积分摄影(IP)图像，并且可以包括多视图图像或超级多视图图像。此外，由成像器件110形成的虚拟图像可以是但不限于一般的二维图像。
成像器件110可以包括例如硅基液晶(LCoS)器件、液晶显示(LCD)器件、有机发光二极管(OLED)显示器件或数字微镜器件(DMD)。此外，成像器件110可以包括诸如微LED显示器件或量子点(QD)LED显示器件的下一代显示器件。当成像器件110是诸如OLED显示器件或微LED显示器件的自发射式显示器件时，成像器件110可以仅包括一个显示面板。然而，当成像器件110是诸如LCoS器件或LCD器件的非发射式显示器件时，成像器件110可以进一步包括配置为提供照明光的光源和配置为调节照明光的路径的光学系统。
组合器120不仅可以将包含由成像器件110形成的虚拟图像的光L0输出到观看者的眼睛，而且也可以将包含在观看者前方的外部景观的光L1输出到观看者的眼睛。例如，组合器120可以将包含虚拟图像的光L0朝向观看者的眼睛反射，并且可以将包含外部景观的光L1朝向观看者的眼睛透射。
根据一示例实施方式，来自外部的光L1不是来自显示在单独的显示面板上的人工图像，而是包含存在于观看者前方的实际前景。因此，观看者可以同时感知由成像器件110人工产生的虚拟图像和实际前景。因此，显示装置100可以用作透视型显示器。此外，就此而言，示例实施方式的显示装置100可以用于实现增强现实(AR)或混合现实(MR)。例如，示例实施方式的显示装置100可以是眼镜型、护目镜型或头戴型近眼AR显示装置。
此外，组合器120可以通过将由成像器件110形成的虚拟图像的尺寸增大为在第一方向(即，x方向)上比在垂直于第一方向的第二方向(即z方向)上更大来提供根据西涅玛斯科普式宽银幕标准具有宽视角的虚拟图像，并且可以基本上没有失真地透射包含外部景观的光L1。为此，组合器120可以包括具有非对称放大率并布置在包含虚拟图像的光L0的光路上的光学元件、以及布置在包含外部景观的光L1的路径上的透明平板。
根据一示例实施方式，组合器120可以包括配置为引导虚拟图像的透明波导121。透明波导121可以包括多个表面，并且具有自由形状的弯曲表面可以形成在所述多个表面中的至少一个上。如图1所示，透明波导121可以包括布置为在第二方向(z方向)上彼此面对的第一表面S1和第二表面S2、以及布置在第一表面S1和第二表面S2之间并在垂直于第一方向(x方向)和第二方向(z方向)的第三方向(y方向)上彼此面对的第三表面S3和第四表面S4。弯曲表面可以包括形成在第一表面S1上的第一弯曲表面和形成在第二表面S2上的第二弯曲表面。第三表面S3和第四表面S4可以彼此平行，因此可以不具有屈光力。根据一示例实施方式，包含虚拟图像的光L0可以通过形成在第一表面S1上的第一弯曲表面和形成在第二表面S2上的第二弯曲表面聚焦在观看者的眼睛上。因此，观看者可以以宽视角看到虚拟图像。
成像器件110可以被布置为将包含虚拟图像的光L0提供给透明波导121的第一表面S1。此外，壳体130可以覆盖透明波导121的第一表面S1。成像器件110可以被固定，使得成像器件110可以在壳体130中面对透明波导121的第一表面S1。第一表面S1可以倾斜，使得包含虚拟图像并已穿过第一表面S1的光L0可以倾斜地传播到透明波导121中。例如，第一表面S1的中心轴线可以相对于第三表面S3和第四表面S4倾斜。在这种情况下，如图1所示，包含虚拟图像的光L0可以在透明波导121内部倾斜地入射在第三表面S3和第四表面S4上。
在包含虚拟图像的光L0穿过第一表面S1进入透明波导121的内部之后，包含虚拟图像的光L0在被第三表面S3和第四表面S4全反射的同时，在透明波导121中沿负z方向传播。然后，包含虚拟图像的光L0被第二表面S2沿负y方向反射，并穿过第三表面S3入射在观看者的眼睛上。这里，负y方向和负z方向可以指与图1所示的坐标中的箭头所指示的方向相反的方向。第二表面S2可以倾斜，使得从第二表面S2反射的光可以基本上在垂直于第三表面S3的方向上入射在第三表面S3上。例如，第二表面S2的中心轴线可以相对于第三表面S3和第四表面S4倾斜。
此外，组合器120还可以包括透光板122，其中透光板122可以包括与透明波导121的第二表面S2接触并具有与形成在第二表面S2上的第二弯曲表面互补的形状的表面、以及分别从第三表面S3和第四表面S4连续延伸的表面。因此，透光板122可以与透明波导121共用第二表面S2、第三表面S3和第四表面S4。包含外部景观的光线L1可以在负y方向上入射在第四表面S4上，然后可以依次通过第二表面S2和第三表面S3入射在观看者的眼睛上。
半透半反涂层可以布置在第二表面S2上以反射包含虚拟图像的光L0并透射包含外部景观的光L1。半透半反涂层可以仅反射一部分入射光并透射其余的入射光。在这种情况下，包含虚拟图像的光L0的一部分可以被第二表面S2上的半透半反涂层朝向观看者的眼睛反射，包含外部景观的光L1的一部分可以穿过第二表面S2上的半透半反涂层朝向观看者的眼睛。当包含由成像器件110形成的虚拟图像的光L0是偏振光时，半透半反涂层可以反射具有特定偏振分量的光并透射具有不同偏振分量的光。例如，当包含虚拟图像的光L0具有第一偏振分量时，半透半反涂层可以反射具有第一偏振分量的光并透射具有与第一偏振分量垂直的第二偏振分量的光。
图2是示意性示出根据一示例实施方式的组合器120的示例结构的前视图。参照图2，当透明波导121和透光板122彼此接合时，组合器120可以具有与眼镜镜片的形状类似的整体形状。在这种情况下，第一弯曲表面C1可以仅形成在第一表面S1的部分区域中，该部分区域是相对于包含虚拟图像的光L0的光学有效区域，第二弯曲表面C2可以仅形成在第二表面S2的部分区域中，该部分区域是关于包含虚拟图像的光L0的光学有效区域。换言之，第一弯曲表面C1和第二弯曲表面C2可以在包含虚拟图像的光L0所穿过的区域中形成在第一表面S1和第二表面S2上。第一表面S1和第二表面S2可以在x方向上延伸，其中第一弯曲表面C1可以在x方向上形成在第一表面S1的部分区域中，第二弯曲表面C2可以在x方向上形成在第二表面S2的部分区域中。因此，第一弯曲表面C1在x方向上的宽度W和第二弯曲表面C2在x方向上的宽度W可以小于组合器120在x方向上的总宽度WT。
包含虚拟图像并离开成像器件110的光L0可以仅在其中形成第一弯曲表面C1的区域中入射在第一表面S1上。此外，包含虚拟图像的光L0可以仅在其中形成第二弯曲表面C2的区域中入射在第二表面S2上。因此，将包含虚拟图像的光L0朝向观看者反射的半透半反涂层123可以不形成在整个第二表面S2上，而是可以仅形成在第二弯曲表面C2上。
到达观看者眼睛的虚拟图像的尺寸和高宽比可以由第一弯曲表面C1和第二弯曲表面C2的几何形状确定。第一弯曲表面C1和第二弯曲表面C2可以具有不对称的放大率，以通过增大水平方向即x方向上的视角来提供根据西涅玛斯科普式宽银幕标准具有宽视角的虚拟图像。换言之，第一弯曲表面C1和第二弯曲表面C2可以具有不对称的形状，使得虚拟图像的尺寸可以在水平方向即x方向上以第一放大率来调节并在垂直方向上即在z方向上以第二放大率来调节，其中第二放大率小于第一放大率。根据一示例实施方式，第二放大率可以不同于第一放大率。
图3是示出光学系统的主平面和焦平面的示例视图，该主平面和焦平面等效于图2所示的组合器120的第一弯曲表面C1和第二弯曲表面C2。在图1和图2所示的组合器120中，第一弯曲表面C1和第二弯曲表面C2是倾斜的，并且第一弯曲表面C1的光轴和第二弯曲表面C2的光轴彼此不重合，以便将包含虚拟图像的光L0与包含外部景观的光L1组合。然而，可以设置具有弯曲表面的等效光学系统，这些弯曲表面在对于包含虚拟图像的光L0用作第一弯曲表面C1和第二弯曲表面C2的光学等效物的同时，沿着公共光轴彼此面对。在下文中，为了易于描述，等效光学系统的弯曲表面将被描述为组合器120的第一弯曲表面C1和第二弯曲表面C2。
参照图3，第一弯曲表面C1和第二弯曲表面C2中的每个可以在x方向和z方向上具有不同的弯曲形状。换言之，第一弯曲表面C1的x方向弯曲分量C1x可以具有与第一弯曲表面C1的z方向弯曲分量C1z的形状不同的形状，第二弯曲表面C2的x方向弯曲分量C2x可以具有与第二弯曲表面C2的z方向弯曲分量C2z的形状不同的形状。这里，x方向弯曲分量C1x和C2x分别是指沿着包含光轴OX的平面当中的平行于x方向且垂直于z方向的平面截取的第一弯曲表面C1的截面和第二弯曲表面C2的截面，并且x方向弯曲分量C1x和C2x中的每个在x方向上折射入射光。此外，z向弯曲分量C1z和C2z分别是指沿着包含光轴OX的平面当中的平行于z方向且垂直于x方向的平面截取的第一弯曲表面C1的截面和第二弯曲表面C2的截面，并且z方向弯曲分量C1z和C2z中的每个在z方向上折射入射光。
因此，x方向上的第一放大率可以由第一弯曲表面C1的x方向弯曲分量C1x的形状和第二弯曲表面C2的x方向弯曲分量C2x的形状确定，z方向上的第二放大率可以由第一弯曲表面C1的z方向弯曲分量C1z和第二弯曲表面C2的z方向弯曲分量C2z的形状确定。一般而言，光学系统的放大率可以由光学系统的有效焦距确定。然而，当光学系统的焦平面的位置在x方向和z方向上不同时，观看者可以清楚地看到虚拟图像的位置在x方向和z方向上不同。
根据一示例实施方式，第一弯曲表面C1和第二弯曲表面C2被提供为使得主平面的位置在x方向和z方向上不同。术语“主平面”是指假想折射平面，入射在透镜上的平行光线在该假想折射平面处表现为开始折射。如图3所示，x方向上的主平面Px的位置和z方向上的主平面Pz的位置可以沿着光轴OX彼此不同。然而，焦平面P在x方向上的位置和焦平面P在z方向上的位置可以沿着光轴OX相同。在这种情况下，有效焦距即放大率可以在x方向和z方向上不同，并且虚拟图像在x方向上的像平面可以与虚拟图像在z方向上的像平面重合。主平面Px的位置和焦平面P在x方向上的位置可以由x方向弯曲分量C1x和C2x的形状确定，主平面Pz的位置和焦平面P在z方向上的位置可以由z方向弯曲分量C1z和C2z的形状确定。
如上所述，通过使用在x方向和z方向上具有不同截面形状以具有在x方向和z方向上处于不同位置的主平面Px和Pz以及在x方向和z方向上处于相同位置的焦平面P的第一弯曲表面C1和第二弯曲表面C2，组合器120可以增大虚拟图像的高宽比并增大虚拟图像在x方向上的视角。例如，图4是示出通过图2所示的组合器120增大虚拟图像的高宽比的示例的视图。参照图4，当成像器件110形成具有例如16:9的高宽比的虚拟图像时，可以通过组合器120向观看者显示根据西涅玛斯科普式宽银幕标准具有21:9的高宽比的虚拟图像。成像器件110可以通过考虑虚拟图像将在x方向上被放大的程度来形成在x方向上压缩的虚拟图像。然后，可以向观看者显示具有正常高宽比的虚拟图像。尽管图4示出了组合器120将虚拟图像的高宽比从16:9改变到21:9，但这仅是非限制性示例。可以根据显示装置100的设计不同地选择由成像器件110形成的虚拟图像的高宽比和通过组合器120向观看者显示的虚拟图像的高宽比。
根据一示例实施方式，代替在组合器120上形成多个复杂的弯曲表面，彼此不对称的第一弯曲表面C1和第二弯曲表面C2仅形成在组合器120的彼此面对的第一表面S1和第二表面S2上，从而减小组合器120的厚度。例如，即使当组合器120具有约3mm至约6mm的小厚度时，第一弯曲表面C1和第二弯曲表面C2也可以形成在组合器120上。因此，可以使用具有小厚度的薄组合器120来提供具有宽视角和大高宽比的虚拟图像。此外，还可以减小包括组合器120的显示装置100的尺寸和重量。
如上所述，显示装置100可以用于实现AR或MR。例如，图5是示出电子设备200采用根据一示例实施方式的显示装置100的示例的视图。参照图5，例如，电子设备200可以是可穿戴设备、头戴式显示器(HMD)、眼镜型显示器或护目镜型显示器。电子设备200可以与智能电话结合操作。电子设备200可以是能够提供VR或虚拟图像和真实外部图像的混合的头戴型、眼镜型或护目镜型的虚拟现实(VR)、AR或MR显示器。
特别地，当电子设备200是眼镜型近眼显示器或护目镜型近眼显示器时，组合器120可以位于观看者眼睛的前方以用作眼镜的屏幕，并且壳体130可以用作支撑组合器120的眼镜架。壳体130可以延伸到眼镜的镜腿231。包括图像处理处理器等的控制电路可以布置在镜腿231中。电子设备200可以包括配置为分别布置在观看者的左眼和右眼前方的两个显示装置100，或者可以仅包括配置为布置在观看者的左眼和右眼之一的前方的一个显示装置100。
根据另一示例实施方式，在组合器120的第一弯曲表面C1和第二弯曲表面C2当中，第二弯曲表面C2可以用具有与第二弯曲表面C2相同的光学功能的衍射图案来替换。在这种情况下，可以省略透光板122，并且组合器120可以仅包括透明波导121。例如，图6是示意性示出根据另一示例实施方式的组合器120a的示例结构的剖视图。参照图6，组合器120a可以包括透明波导121a和衍射图案125。透明波导121a可以包括布置为彼此面对的第一表面S1和第二表面S2、以及布置在第一表面S1和第二表面S2之间并彼此相对的第三表面S3和第四表面S4。弯曲表面可以仅形成在第一表面S1上，并且第三表面S3和第四表面S4可以彼此平行地布置从而不具有屈光力。
衍射图案125可以布置在透明波导121a的第四表面S4的部分区域中。包含虚拟图像的光L0可以穿过第一表面S1进入透明波导121a，然后可以在被第三表面S3和第四表面S4全内反射的同时，在透明波导121a内部传播。此后，包含虚拟图像的光L0可以入射在布置于第四表面S4上的衍射图案125上。
衍射图案125可以配置为使得包含虚拟图像并倾斜地入射在衍射图案125上的光L0可以在被聚焦的同时朝向第三表面S3反射。特别地，衍射图案125可以被配置为提供与第二弯曲表面C2相同的光学效果。此外，衍射图案125可以对于包含外部景观的光L1简单地用作透明平板。为此，衍射图案125可以包括在垂直方向上倾斜地反射入射光的第一表面125a以及与第一表面125a相反并垂直地透射入射光的第二表面125b。衍射图案125的第一表面125a可以布置为与透明波导121a的第四表面S4直接接触。
衍射图案125可以包括衍射光学元件(DOE)、全息光学元件(HOE)或超表面。DOE可以包括多个周期性精细光栅图案。DOE的光栅图案充当衍射入射光的衍射光栅。特别地，根据光栅图案的尺寸、高度、周期等，在预定角度范围内入射的光可以被衍射并受到相消干涉和相长干涉，因此，在光聚焦的同时，光的传播方向可以改变。HOE可以包括具有不同折射率的材料的周期性精细图案而不是包括光栅图案。HOE可以仅在结构上与DOE不同，并且可以具有与DOE相同的工作原理。或者，衍射图案125可以包括超表面(meta-surface)。超表面可以包括具有比其周围高的折射率和比入射光的波长小的尺寸的纳米级图案。根据纳米级图案的尺寸、高度、周期、分布、折射率等，超表面可以具有给定的光学效果。
因为衍射图案125对包含虚拟图像的光L0具有与第二弯曲表面C2相同的光学效果，所以形成在第一表面S1上的弯曲表面和衍射图案125可以形成具有与参照图3描述的光学系统相同功能的光学系统。例如，衍射图案125可以以第一方向上的第一放大率和垂直于第一方向的第二方向上的第二放大率来改变虚拟图像的尺寸。第二放大率可以不同于第一放大率。第二放大率可以小于第一放大率。因此，图1所示的组合器120的光学功能的描述可以应用于图6所示的组合器120a。
图7是示意性示出根据另一示例实施方式的显示装置100a的配置的剖视图。参照图7，显示装置100a可以包括成像器件110、组合器120b和壳体130。组合器120b可以包括透明波导121b和透光板122。透明波导121b可以包括布置为彼此面对的第一表面S1和第二表面S2、以及布置在第一表面S1和第二表面S2之间并彼此面对的第三表面S3和第四表面S4。弯曲表面可以仅形成在第二表面S2上，并且第三表面S3和第四表面S4可以彼此平行地布置从而不具有屈光力。第一表面S1可以具有没有屈光力的平坦形状。此外，第一表面S1可以是倾斜的平坦表面，其透射包含虚拟图像的光L0，使得包含虚拟图像的L0可以在透明波导121b中倾斜地传播。成像器件110、壳体130和透光板122与参照图1描述的那些相同，因此这里可以不给出其描述。
图7所示的组合器120b可以通过仅使用形成在透明波导121b的第二表面S2上的弯曲表面来增大包含虚拟图像的光L0的高宽比。在这种情况下，通过弯曲表面聚焦在观看者眼睛上的虚拟图像的像平面的位置可以在x方向和z方向上不同。弯曲表面的x方向放大率和z方向放大率之间的差异可以较小，使得观看者可能感知不到像平面在x方向上的位置和像平面在z方向上的位置之间的差异。例如，形成在透明波导121b的第二表面S2上的弯曲表面的x方向放大率可以是形成在透明波导121b的第二表面S2上的弯曲表面的z方向放大率的约1.05倍至约1.15倍。图7所示的组合器120b可以容易地制造并且可以引发较低的设计成本。
图8是示意性示出根据另一示例实施方式的显示装置100b的构造的剖视图。参照图8，显示装置100b可以包括成像器件110、组合器120c和壳体130。组合器120c可以包括透明波导121c和透光板122。透明波导121c可以包括布置为彼此面对的第一表面S1和第二表面S2、以及布置在第一表面S1和第二表面S2之间并彼此面对的第三表面S3和第四表面S4。用于聚焦包含虚拟图像的光L0的弯曲表面可以分别形成在第一表面S1和第二表面S2上，第三表面S3和第四表面S4可以彼此平行地布置。
成像器件110可以被布置为面对第三表面S3的部分区域。例如，成像器件110可以被布置为面对第三表面S3的上部区域。尽管图8示出了间隙形成在成像器件110和第三表面S3之间，但是成像器件110可以布置成与第三表面S3紧密接触。包含虚拟图像并由成像器件110形成的光L0可以在y方向上穿过第三表面S3并到达第一表面S1。此后，包含虚拟图像的光L0可以被第一表面S1倾斜地反射。为此，反射涂层可以形成在第一表面S1上。因此，形成在第一表面S1上的弯曲表面可以是凹反射表面。第一表面S1的反射表面可以朝向第三表面S3倾斜。
图9是示意性示出根据另一示例实施方式的显示装置100c的构造的剖视图。除了成像器件110的位置不同并且组合器120d的透明波导121d的第一表面S1与图8所示的透明波导121c的第一表面S1相比左右颠倒之外，图9所示的显示装置100c具有与图8所示的显示装置100b的构造类似的构造。成像器件110可以被布置为面对透明波导121d的第四表面S4的上部区域。在这种情况下，包含虚拟图像并由成像器件110形成的光L0可以在负y方向上穿过第四表面S4并到达第一表面S1。第一表面S1的反射表面可以朝向第四表面S4倾斜。
图10是示意性示出根据另一示例实施方式的显示装置100d的配置的剖视图。参照图10，显示装置100d可以包括成像器件110、投影光学系统140、组合器120e和壳体130。投影光学系统140可以布置在成像器件110和组合器120e之间，并且可以与成像器件110一起容纳在壳体130中。
组合器120e可以包括透明波导121e和透光板122。弯曲表面形成在透明波导121e的第二表面S2上，并且透明波导121e的第三表面S3和第四表面S4可以彼此平行地布置。透明波导121e的第一表面S1可以是没有屈光力并朝向第三表面S3倾斜的平坦表面。
成像器件110和投影光学系统140可以被布置为面对第三表面S3的上部区域。包含虚拟图像并由成像器件110形成的光L0可以在正y方向上穿过第三表面S3并到达第一表面S1。然后，包含虚拟图像的光L0可以被第一表面S1倾斜地反射。为此，反射涂层可以形成在透明波导121e的第一表面S1上。
投影光学系统140可以具有与形成在透明波导121e的第二表面S2上的弯曲表面一起增大虚拟图像的高宽比的功能。换言之，投影光学系统140可以具有与图2所示的第一弯曲表面C1相同的功能。因此，投影光学系统140和形成在透明波导121e的第二表面S2上的弯曲表面可以形成具有与参照图3描述的光学系统相同功能的光学系统。投影光学系统140可以包括多个透镜元件以补偿图像失真或像差。
图7至图10所示的示例实施方式可以与图6所示的示例实施方式结合。例如，形成在图7至图10所示的透明波导121b、121c、121d和121e的第二表面S2上的弯曲表面中的每个可以用图6所示的衍射图案125来替换。
上述组合器120、120a、120b、120c、120d和120e中的每个包括全反射型透明波导。然而，虚拟图像通过空气传输而不使用透明波导。例如，图11是示意性示出根据另一示例实施方式的显示装置100e的配置的剖视图。参照图11，显示装置100e可以包括成像器件110、投影光学系统150和组合器120f。组合器120f可以包括具有弯曲表面的半透半反涂层123。组合器120f还可以包括支撑并固定半透半反涂层123的透光板124。透光板124可以包括彼此接合的第一部分124a和第二部分124b。半透半反涂层123可以布置在透光板124的第一部分124a和第二部分124b之间的接合表面上。透光板124的第一部分124a和第二部分124b之间的接合表面可以具有互补的弯曲表面。
投影光学系统150可以被布置为将包含虚拟图像的光L0直接提供给半透半反涂层123。为了易于说明，图11示出了成像器件110直接将光发送到投影光学系统150，但是附加的中继光学系统可以布置在成像器件110和投影光学系统150之间。因为虚拟图像通过投影光学系统150被投影到空气中，所以可以提高成像器件110的位置的自由度。
投影光学系统150和半透半反涂层123的弯曲表面可以一起用于增大虚拟图像的高宽比。换言之，投影光学系统150可以具有与图2所示的第一弯曲表面C1相同的功能，并且半透半反涂层123的弯曲表面可以具有与图2所示的第二弯曲表面C2相同的功能。投影光学系统150和半透半反涂层123的弯曲表面可以形成具有与参照图3描述的光学系统相同功能的光学系统。
图11所示的半透半反涂层123可以用衍射图案来替换。例如，图12是示意性示出根据另一示例实施方式的显示装置100f的配置的剖视图。参照图12，显示装置100f的组合器120g可以包括衍射图案125而不是半透半反涂层123。此外，组合器120g还可以包括支撑并固定衍射图案125的透光板124。透光板124可以包括第一部分124a和第二部分124b，并且衍射图案125可以固定在透光板124的第一部分124a和第二部分124b之间。
投影光学系统150可以被布置为将包含虚拟图像的光L0直接提供给衍射图案125。衍射图案125可以被配置为使得从投影光学系统150倾斜地入射在衍射图案125上的包含虚拟图像的光L0可以被反射并聚焦到观看者的眼睛上。此外，衍射图案125可以对于包含外部景观的光L1用作透明平板。衍射图案125的构造和操作可以与参照图6描述的衍射图案125的构造和操作相同。此外，投影光学系统150和衍射图案125可以形成具有与参照图3描述的光学系统相同功能的光学系统。
图13是示意性示出根据另一示例实施方式的显示装置100g的配置的剖视图。参照图13，显示装置100g的组合器120h可以包括衍射图案125和支撑并固定衍射图案125的透光板124。与图12所示的示例实施方式不同，图13所示的透光板124是单片式平板，并且衍射图案125可以附接到透光板124的表面。除此之外，显示装置100g可以具有与图12所示的显示装置100f相同的结构和操作。
应理解，这里描述的实施方式应仅在描述性的意义上而不是出于限制的目的被考虑。对每个实施方式内的特征或方面的描述通常应被视为可用于其他实施方式中的其他类似特征或方面。虽然已经参照附图描述了一个或更多个实施方式，但是本领域普通技术人员将理解，在不脱离由所附权利要求限定的精神和范围的情况下，可以在其中进行形式和细节上的各种改变。
本申请基于2021年3月22日在韩国知识产权局提交的第10-2021-0036755号韩国专利申请并要求其优先权，该韩国专利申请的公开内容通过引用全文合并于此。
Claims (28)
1.一种显示装置，包括：
成像器件，配置为形成虚拟图像；以及
组合器，配置为将所述虚拟图像与对应于外部环境的光混合，并向观看者提供彼此混合的所述虚拟图像和所述光，
其中所述组合器包括弯曲表面，所述弯曲表面基于第一方向上的第一放大率和垂直于所述第一方向的第二方向上的第二放大率来改变所述虚拟图像的尺寸，所述第二放大率小于所述第一放大率。
2.根据权利要求1所述的显示装置，
其中所述组合器包括配置为传输所述虚拟图像的透明波导，所述弯曲表面形成在所述透明波导的表面上。
3.根据权利要求2所述的显示装置，
其中所述透明波导包括：
布置为彼此面对的第一表面和第二表面；以及
布置在所述第一表面和所述第二表面之间的第三表面和第四表面，其中所述第三表面和所述第四表面彼此面对，
其中所述弯曲表面包括形成在所述第一表面上的第一弯曲表面和形成在所述第二表面上的第二弯曲表面，以及
其中所述第三表面和所述第四表面彼此平行地布置从而不具有屈光力。
4.根据权利要求3所述的显示装置，
其中所述第一弯曲表面和所述第二弯曲表面形成：
在第一方向上，处于沿着光轴的第一位置处的第一主平面和处于沿着所述光轴的第二位置处的焦平面；以及
在第二方向上，处于沿着所述光轴的不同于所述第一位置的第三位置处的第二主平面和处于沿着所述光轴的所述第二位置处的所述焦平面。
5.根据权利要求3所述的显示装置，
其中所述第一弯曲表面和所述第二弯曲表面中的每个在所述第一方向上具有比所述组合器在所述第一方向上的总宽度小的宽度。
6.根据权利要求3所述的显示装置，
其中所述成像器件被布置为朝向所述第一表面提供所述虚拟图像，并且所述第一表面被布置为使得穿过所述第一表面的所述虚拟图像传播到所述透明波导中。
7.根据权利要求3所述的显示装置，
其中所述成像器件被布置为面对所述第三表面的部分区域，并且所述第一表面被布置为反射穿过所述第三表面的所述虚拟图像。
8.根据权利要求3所述的显示装置，
其中所述成像器件被布置为面对所述第四表面的部分区域，并且所述第一表面被布置为反射穿过所述第四表面的所述虚拟图像。
9.根据权利要求3所述的显示装置，
其中所述组合器还包括透光板，所述透光板包括：
第五表面，与所述第二表面接触并具有与形成在所述第二表面上的所述第二弯曲表面互补的形状；
从所述第三表面延伸的第六表面；以及
从所述第四表面延伸的第七表面。
10.根据权利要求9所述的显示装置，
其中所述组合器还包括在所述第二表面上的半透半反涂层。
11.根据权利要求2所述的显示装置，
其中所述透明波导包括：布置为彼此面对的第一表面和第二表面；以及布置在所述第一表面和所述第二表面之间的第三表面和第四表面，
其中所述第三表面和所述第四表面彼此面对，以及
其中所述第一表面是倾斜的平坦表面，所述弯曲表面形成在所述第二表面上，所述第三表面和所述第四表面彼此平行地布置从而不具有屈光力。
12.根据权利要求11所述的显示装置，
其中所述组合器还包括透光板，所述透光板包括：
第五表面，与所述弯曲表面接触并具有与所述弯曲表面互补的形状；
从所述第三表面延伸的第六表面；以及
从所述第四表面延伸的第七表面。
13.根据权利要求11所述的显示装置，
其中所述成像器件被布置成朝向所述第一表面提供所述虚拟图像，并且所述第一表面被布置为使得穿过所述第一表面的所述虚拟图像传播到所述透明波导中。
14.根据权利要求11所述的显示装置，
其中所述成像器件被布置为面对所述第三表面的部分区域，并且所述第一表面被布置为反射穿过所述第三表面的所述虚拟图像。
15.根据权利要求14所述的显示装置，还包括在所述成像器件和所述第三表面之间的投影光学系统，
其中所述弯曲表面和所述投影光学系统形成：
在所述第一方向上，处于沿着光轴的第一位置处的第一主平面和处于沿着所述光轴的第二位置处的焦平面；以及
在所述第二方向上，处于沿着所述光轴的不同于所述第一位置的第三位置处的第二主平面和处于沿着所述光轴的所述第二位置处的所述焦平面。
16.根据权利要求2所述的显示装置，
其中所述透明波导包括：布置为彼此面对的第一表面和第二表面；以及布置在所述第一表面和所述第二表面之间的第三表面和第四表面，
其中所述第三表面和所述第四表面彼此面对，
其中所述弯曲表面形成在所述第一表面上，所述第三表面和所述第四表面彼此平行地布置从而不具有屈光力，所述成像器件被布置为朝向所述第一表面提供所述虚拟图像。
17.根据权利要求16所述的显示装置，
其中所述组合器还包括衍射图案，所述衍射图案布置在所述第四表面的部分区域中以朝向所述第三表面反射所述虚拟图像。
18.根据权利要求17所述的显示装置，
其中所述衍射图案包括第一表面和第二表面，所述第一表面在垂直于所述第一表面的方向上反射倾斜地入射在所述第一表面上的对应于所述虚拟图像的光，所述第二表面使垂直入射在所述第二表面上的对应于所述外部环境的所述光穿过。
19.根据权利要求17所述的显示装置，
其中所述衍射图案包括全息光学元件、衍射光学元件或超表面。
20.根据权利要求1所述的显示装置，
其中所述成像器件被布置为朝向所述弯曲表面提供所述虚拟图像，并且所述显示装置还包括在所述成像器件和所述弯曲表面之间的投影光学系统。
21.根据权利要求20所述的显示装置，
其中所述组合器还包括在所述弯曲表面上的半透半反涂层。
22.根据权利要求20所述的显示装置，
其中所述组合器还包括支撑所述半透半反涂层的透光板。
23.一种显示装置，包括：
成像器件，配置为形成虚拟图像；以及
组合器，配置为将所述虚拟图像与对应于外部环境的光混合，并向观看者提供彼此混合的所述虚拟图像和所述光，
其中所述组合器包括：
衍射图案，包括第一表面和第二表面，所述第一表面在垂直于所述第一表面的方向上反射倾斜地入射在所述第一表面上的对应于所述虚拟图像的光，所述第二表面使垂直入射在所述第二表面上的对应于所述外部环境的所述光穿过；以及
投影光学系统，在所述成像器件和所述衍射图案之间，
其中所述衍射图案和所述投影光学系统基于第一方向上的第一放大率和垂直于所述第一方向的第二方向上的第二放大率来改变所述虚拟图像的尺寸，所述第二放大率小于所述第一放大率。
24.根据权利要求23所述的显示装置，
其中所述衍射图案和所述投影光学系统：
在第一方向上形成处于沿着光轴的第一位置处的主平面和处于沿着所述光轴的第二位置处的焦平面；以及
在第二方向上形成处于沿着所述光轴的不同于所述第一位置的第三位置处的主平面和处于沿着所述光轴的所述第二位置处的焦平面。
25.根据权利要求23所述的显示装置，
其中所述组合器还包括支撑所述衍射图案的透光板。
26.一种显示装置，包括：
成像器件，配置为形成虚拟图像；以及
组合器，配置为：
基于第一方向上的第一放大率和垂直于所述第一方向的第二方向上的第二放大率来改变所述虚拟图像的高宽比；
通过将改变后的虚拟图像与对应于外部环境的光组合来形成增强图像；
向观看者提供所述增强图像，
其中所述第二放大率不同于所述第一放大率。
27.根据权利要求26所述的显示装置，其中所述组合器包括改变所述虚拟图像的高宽比的弯曲表面。
28.根据权利要求26所述的显示装置，其中所述组合器包括改变所述虚拟图像的高宽比的衍射图案。
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