CN115291391A - 基于平行投影图片的波导显示模组 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于平行投影图片的波导显示模组，包括平行投影图片光机、波导器件、会聚器件和控制器件，其中平行投影图片光机可基于时间复用、或空间复用、或时间和空间的联合复用，沿不同方向投射多个平行投影图片。所述平行投影图片由携带对应光信息的平行光束组成。经波导器件和会聚器件，平行投影图片光机所投射光束形成M≧1个分别对应M个平行投影图片组的会聚区。利用同组N≧2个平行投影图片光束会聚角的拼连，实现该平行投影图片组向对应会聚区所投射图像的视角展宽，并设计各平行投影图片组所对应会聚区间距小于观察者瞳孔直径，以最终实现大视角的麦克斯韦投射法或单目多图像显示。

Description

基于平行投影图片的波导显示模组

技术领域

本发明涉及三维显示技术领域，更具体涉及一种基于平行投影图片的波导显示模组。

背景技术

相对于传统二维显示，三维显示可以提供更多的维度信息，正受到越来多的关注。其中，因为轻薄结构优势，作为光信息传播路径的引导器件，波导已经常用于头戴式三维显示系统。但现有采用波导结构的三维显示系统，主要是利用双目视差原理，向观察者双目分别投射各自对应的一幅二维投射图像，通过双目视向的交叉激发大脑的深度感知，实现三维视觉的呈现。各目为了看清楚对应的二维投射图像，需一直聚焦于显示面(有限远或无限远处)，而双目视向交叉于出屏显示场景以激发深度感知，由此导致聚焦-会聚冲突问题，即观察者单目聚焦深度和双目会聚深度的不一致。自然情况下，观察者观察真实的三维场景时，单目聚焦深度和双目会聚深度一致于观察者所关注深度上的场景。所以，传统仅基于双目视差实现三维显示的光学设备，其固有聚焦-会聚冲突有悖于人体自然进化的生理习惯，由此导致观察者的视觉不适，是目前阻碍三维显示技术推广应用的瓶颈性问题。

发明名称为“基于多光源的光波导显示模组”、公开号为CN113359312A、公开日为2021-09-07的中国发明专利(对应发明名称为“OPTICAL-WAVEGUIDE DISPLAY MODULE WITHMULTIPLE LIGHT SOURCES、公告号为US 11330249 B1、公告日为2022-05-10的美国专利”)和发明名称为“孔径时序选通复用的光波导显示模组”、公开号为CN11311581 A、公开日为2021-08-27的中国发明专利利用显示器件时序投射不同方向的平行投影图片(各平行投影图片由显示器件所投射的平行光束组成)，通过光波导向观察者瞳孔引导这些平行投影图片的光束。过各显示物点，在观察者瞳孔接收到来自于平行投影图片的一条光束情况下，基于麦克斯韦投射法(maxwellian view)进行显示；过各显示物点，在观察者瞳孔接收到来自于多于一个平行投影图片的多于一条的光束情况下，基于单目多图像进行显示。这两种方法，均可以克服聚焦-会聚冲突，实现单目聚焦深度对双目会聚深度的跟随一致。但在上述专利所述模组中，各平行投影图片光束经共用的耦出器件耦出，其各平行投影图片显示图像给观察者瞳孔的视角大致重叠，也即最终显示场景的最大视角不超多各平行投影图片的对应视角。

发明内容

本发明提出一种基于平行投影图片的波导显示模组，可以作为目镜，基于分别对应观察者双眼的两个该显示模组搭建无聚焦-会聚冲突的头戴式三维显示系统；也可以在该显示模组可以向观察者双目分别投射会聚区的情况下，基于一个该显示模组搭建裸眼三维显示系统。该基于平行投影图片的波导显示模组包括平行投影图片光机、波导器件、会聚器件、及控制器件。其中，平行投影图片光机沿M×N个方向分别投射M≧1组共M×N个平行投影图片，各平行投影图片组分别包括N≧2个平行投影图片。波导器件引导该M个平行投影图片组，经会聚器件向观察者瞳孔所处区域投射，一一对应地形成M个会聚区。这里所述平行投影图片由各自携带对应光信息的平行光束组成，投影至一个面上时会形成图像。其中同组N个平行投影图片相对于该平行投影图片组所对应会聚区的视角，被设计为相互拼连，从而利用同一组N个平行投影图片实现一幅视角扩展的图像的投射，再利用M个平行投影图片组投射多个视角扩展的图像，进行麦克斯韦投射法或单目多图像显示。

本专利是背景技术中所述的几个专利的进一步发展，利用波导向观察者瞳孔投射M≧1组共M×N个平行投影图片。其中各组N>1个平行投影图片显示图像给观察者瞳孔的视角被设计为相互拼连，从而利用同一组的N个平行投影图片实现一幅视角扩展图像的显示，再利用M个平行投影图片组进行多幅视角扩展图像的投射，以实现麦克斯韦投射法或单目多图像显示。

为了实现M×N个平行投影图片的投射，也设计多种结构的平行投影图片光机，以期实现所需求的视角扩展和会聚区数量。本发明提供如下方案：

基于平行投影图片的波导显示模组，包括：

平行投影图片光机，该平行投影图片光机沿M×N个方向分别投射M组共M×N个平行投影图片，各平行投影图片组分别包括N个平行投影图片，其中M≧1，N≧2；

其中，各平行投影图片由各自携带对应光信息的平行光束组成；

波导器件，该波导器件包括波导体、入瞳、耦入器件、反射器件、由多个耦出单元组成的耦出器件和出瞳，平行投影图片光束经入瞳入射耦入器件，耦入器件引导入射的平行投影图片光束于波导体内经反射器件反射传播，并最终经耦出器件调制，过出瞳向观察者瞳孔所处区域传输；

会聚器件，该会聚器件置于与所述波导器件对应的位置，会聚经波导器件引导而来的光束；

控制器件，该控制器件与平行投影图片光机信号连接，用于控制各光束所携带的对应光信息，为沿该光束所对应投影光束，待显示场景的投影光信息；

其中，各光束所对应投影光束，为该光束经波导器件和会聚器件调制后，入射观察者瞳孔时的传播光束；

该基于平行投影图片的波导显示模组被设置为使得其平行投影图片光机所投射的各光束，在一个时间点最多仅一次地入射观察者瞳孔，同组N个平行投影图片一一对应地分别经空间错位排布的N个耦出单元所出射的光束，经会聚器件构建该平行投影图片组所对应会聚区，并满足θ≧1.5θ_min，

且，各会聚区沿至少一个方向尺寸小于观察者瞳孔直径D_p，对应同一观察者瞳孔的相邻会聚区间距不大于观察者瞳孔直径D_p；

其中，θ是过任一会聚区的、来自对应平行投影图片组的光束对该会聚区的会聚角值，θ_min是过该会聚区的、来自对应平行投影图片组中各平行投影图片的光束对该会聚区会聚角的极小值。

优选地，所述各会聚区为点状会聚区。

优选地，各耦出单元为入射角非敏感特性耦出单元，也调制来自非对应平行投影图片的入射并出射对应耦出光束；

该基于平行投影图片的波导显示模组被设置为同组平行投影图片所对应的耦出单元无间隙无重叠地拼连排布，各平行投影图片组共用耦出单元。

优选地，各耦出单元为入射角敏感特性耦出单元，各耦出单元阻止来自非对应平行投影图片光束对观察者瞳孔的入射。

优选地，所述平行投影图片光机包括显示器件、在控制器件驱动下能够时序打开的T个光源所组成时序光源组、及准直器件，其中显示器件包括多个像素或子像素，T个光源于任一时间周期的T个时间点，经准直器件时序给该显示器件提供沿不同方向的平行背光，控制器件驱动显示器件同步加载对应光信息，以进行T个平行投影图片的投射，其中T≧2。

优选地，所述平行投影图片光机还包括相位器件I、相位器件II和与T个光源一一对应的T个孔径所组成的滤波孔径组；

其中，各光源出射光依次经准直器件和相位器件I后会聚于各自对应孔径，各孔径出射光经相位器件II转化为沿各自对应方向的平行光，显示器件置于准直器件和相位器件I之间的光传播路径上，进行光信息加载。

优选地，所述显示器件的像素或子像素分为交错排列的K个像素组或子像素组，该K个像素组或子像素组一一对应地分别调制K种相异正交特性背光并出射各自对应调制光束，且各光源分别对应地由K个子光源组成，该K个子光源投射分别具有所述K种正交特性的背光，其中K≧2；

该基于平行投影图片的波导显示模组的平行投影图片光机，于各时间点所打开光源的K个子光源，沿不同方向所投射的K束平行背光，分别被显示器件的K个像素组或子像素组调制，沿各自对应的方向投射K个平行投影图片。

优选地，所述显示器件的像素或子像素分为交错排列的K个像素组或子像素组，该K个像素组或子像素组一一对应地分别调制K种相异正交特性背光并出射各自对应调制光束，且各光源分别对应地由K个子光源组成，该K个子光源投射分别具有所述K种正交特性的背光，各孔径由K个子孔径组成，T×K个子光源出射光依次经准直器件和相位器件I后，一一对应地分别会聚于该T×K个子孔径，其中K≧2；

该基于平行投影图片的波导显示模组，其平行投影图片光机于各时间点所打开光源的K个子光源，沿不同方向所投射的K束平行背光，分别被显示器件的K个像素组或子像素组调制，沿各自对应方向投射K个平行投影图片。

优选地，所述平行投影图片光机包括显示器件、在控制器件驱动下能够偏转入射光出射方向的可控偏转器件、及为显示器件提供平行背光的背光光源和准直器件的组合，其中显示器件包括多个像素或子像素，可控偏转器件时序偏转显示器件的入射光或出射光，并通过控制器件驱动显示器件同步加载对应光信息，从而沿不同方向时序投射各自对应的平行投影图片。

优选地，所述平行投影图片光机包括显示器件、相位器件I、相位器件II、置于相位器件I和相位器件II之间的滤波孔径、及在控制器件驱动下能够偏转入射光出射方向的可控偏转器件，其中显示器件包括多个像素或子像素，其投射光依次经相位器件I、滤波孔径和相位器件II后平行入射可控偏转器件，可控偏转器件时序偏转入射平行光束，并通过控制器件驱动显示器件同步加载对应光信息，沿不同方向时序投射各自对应的平行投影图片。

优选地，所述平行投影图片光机包括显示器件、相位器件、相位器件II、及由多个孔径组成的滤波孔径组，其中显示器件包括多个像素或子像素，其投射光依次经相位器件I、滤波孔径组和相位器件II出射，且各孔径出射光经相位器件II转换为沿各自对应方向的平行光束；

在控制器件驱动下，滤波孔径组各孔径依次时序打开，显示器件同步加载对应光信息，沿各自对应方向投射平行投影图片。

优选地，所述显示器件的像素或子像素分为交错排列的K个像素组或子像素组，该K个像素组或子像素组对应地分别出射K种不同正交特性光，且各孔径由K个子孔径组成，该K个子孔径在打开状态下一一对应地分别允许所述K种正交特性光通过，其中K≧2；

所述的平行投影图片光机的各像数组或子像素组，于各时间点，经各自对应子孔径，沿各自对应方向投射平行投影图片。

优选地，所述平行投影图片光机包括和控制器件信号连接的扫描投影单元和可控偏转器件、及准直器件，所述示扫描投影单元包括扫描器件和可调制光束生成单元；

其中，可调制光束生成单元出射光束被扫描器件时序偏转，沿不同方向投射光束给准直器件，并被所述准直器件转为平行光束，控偏转器件时序偏转经所述准直器件入射的平行光束，并通过控制器件同步调制各光束所携带光信息，从而沿不同方向时序投射各自对应平行投影图片。

优选地，所述平行投影图片光机包括多于一个的扫描投影单元。

优选地，多于一个的波导器件堆叠置放，各波导器件传导各自对应平行投影图片光机所投射的平行投影图片。

优选地，各波导器件共用会聚器件.

优选地，多于一个的波导器件堆叠置放，各波导器件传导各自对应平行投影图片光机所投射的平行投影图片的光束，其中各波导器件所对应的会聚器件被复合于该波导器件。

优选地，各耦出单元由间隔分布的耦出区域组成，来自对应平行投影图片的任一条光束，经该耦出单元的不同耦出区域所耦出的不同光束，不能多于一条地同时入射观察者瞳孔；

该基于平行投影图片的波导显示模组还包括瞳孔追踪单元，该瞳孔追踪单元用于实时确定对应瞳孔位置，控制器件同步刷新各光束所携带光信息，为沿其对应投影光束，待显示场景的投影光信息。

优选地，耦入器件由多于一个的耦入单元组成，各耦入单元分别对应一个平行投影图片光机；

该基于平行投影图片的波导显示模组被设置为，其多于一个的平行投影图片光机经各自对应耦入单元共投射M×N个平行投影图片。

优选地，其平行投影图片光机包含显示器件，该显示器件的像素或子像素，分为交错排列的K个像素组或子像素组，该K个像素组或子像素组所投射的光束集分别具有不同光学特性，经对该不同光学特性入射光具有不同调制能力的耦入器件引导，沿K个不同方向分别作为K个等效平行投影图片平行出射，其中K≧2。

优选地，平行投影图片光机包含投射光束的显示器件，且所述基于平行投影图片的波导显示模组包括微结构阵列，该微结构阵列由和显示器件各像素、或各子像素、或各像素或子像素所投射的光束一一对应的微结构组成，

其中，所述显示器件的像素或子像素，分为交错排列的K个像素组或子像素组，该K个像素组或子像素组各自投射的光束集，经各自对应微结构调控，沿K个不同方向作为K个等效平行投影图片分别平行出射，其中K≧2。

本发明具有以下技术效果：本发明利用同组各个平行投影图片光束会聚角的相互拼连，实现该组平行投影图片所呈现图像的视角扩展，利用多个平行投影图片组进行多幅视角扩展图像的投射，以基于麦克斯韦投射法或单目多图像进行显示。本发明基于平行投影图片的波导显示模组，具有轻薄结构，尤其适用于作为目镜搭建双目显示系统，且通过聚焦-会聚冲突的克服，可以有效提升三维视觉舒适度。

本发明实施例的细节在附图或以下描述中进行体现。本发明的其它特性、目的和优点通过下述描述、附图而变得更为明显。

附图说明

附图用于帮助更好地理解本发明，也是本说明书的一部分。这些对实施例进行图解的附图和描述一起用以阐述本发明的原理。

图1是本发明实施例1中同组各平行投影图片光束会聚角的恰好拼连扩展示意图。

图2是本发明实施例1中对应同组平行投影图片的入射角非敏感特性耦出单元排布范例示意图。

图3是本发明实施例1中对应不同组平行投影图片的入射角非敏感特性耦出单元排布范例示意图。

图4是本发明实施例1中波导器件入瞳有效面积因子调控下单个平行投影图片光束于耦出器件上覆盖区域的变化示意图。

图5是本发明实施例1中波导器件入瞳有效面积因子调控下入射角非敏感特性耦出单元排布范例示意图。

图6是本发明实施例1中平行投影图片光束覆盖面尺寸大于对应耦出单元时的光束传播示意图。

图7是本发明实施例1中同组的不同平行投影图片各自对应点状会聚区错位排布情况示意图。

图8是本发明实施例1中平行投影图片部分光束同时经对应和非对应耦出单元时的耦出光束示意图。

图9是本发明实施例1中入射角敏感特性耦出单元排布范例示意图。

图10是本发明实施例1中为显示器件不同像素组所投射不同性质光束经耦入器件调制分别沿各自对应方向传输示意图。

图11为本发明实施例1中显示器件不同像素组所投射光束经微结构阵列调制分别沿各自对应方向传输示意图。

图12为本发明实施例1中包括多于一个耦入单元的耦入器件范例示意图。

图13是本发明实施例2的一种平行投影图片光机光学结构示意图。

图14是本发明实施例2的一种改进型的平行投影图片光机光学结构示意图。

图15是本发明实施例2的一种具有正交特性的平行投影图片光机光学结构示意图。

图16是本发明实施例3的另一种平行投影图片光机光学结构示意图。

图17是本发明实施例3的再一种平行投影图片光机光学结构示意图。

图18是本发明实施例3的具有正交特性的一种平行投影图片光机光学结构示意图。

图19是本发明实施例3的一种基于扫描投影单元的平行投影图片光机范例结构图。

图20是本发明实施例3的一种改进型的基于扫描投影单元的平行投影图片光机范例结构图。

图21是本发明实施例4的一种波导器件堆叠型显示模组光学结构示意图。

图22所示为本发明实施例4的各波导器件复合了对应会聚器件的波导器件堆叠型显示模组。

图23所示为本发明实施例4的间隔分布的耦出区域所组成耦出单元示意图。

具体实施方式

本发明基于平行投影图片的波导显示模组，其平行投影图片光机沿M×N个方向分别投射M≧1组共M×N个平行投影图片。波导器件引导该M个平行投影图片组，经会聚器件向观察者瞳孔所处区域投射，分别形成M个会聚区。其中同组N个平行投影图片光束的会聚角被设计为相互拼连(包括恰好地拼连、有缝隙地拼连和部分重叠地拼连)，通过同一组N个平行投影图片实现一幅视角扩展的图像呈现，并利用M个平行投影图片组所投射M个视角扩展图像，进行麦克斯韦投射法或单目多图像显示。利用两个所述基于平行投影图片的波导显示模组分布对应观察者双目搭建双目头戴式显示结构，或利用一个所述基于平行投影图片的波导显示模组向观察者双目分别投射至少一个的视角扩展图像，进行克服聚焦-会聚冲突的显示。

实施例1

如图1，平行投影图片光机10所投射的一组N个平行投影图片，其光束经波导器件20引导而入射会聚器件30后，会聚角恰好拼连地会聚至同一个点状会聚区CP₁。本实例中波导器件20包括波导体201、入瞳202、耦入器件203、反射器件206、由多个耦出单元组成的耦出器件204和出瞳205，其中该反射器件206包括反射面206a和206b。其中，各平行投影图片由平行于对应方向的光束组成。各光束所携带的光信息，由控制器件40驱动平行投影图片光机10进行加载；各光束携带的光信息为沿该光束所对应投影光束，待显示场景的投影光信息。其中，各光束所对应投影光束，为该光束经波导器件20和会聚器件30调制后，入射观察者瞳孔50时的传播光束。图1以N＝2平行投影图片所成平行投影图片组为例。具体地，该N＝2个平行投影图片分别对应方向V11和V12，图1示出对应方向V11的平行投影图片作为范例，其由沿V11方向的平行光束组成。对应方向V11的平行投影图片，其光束经波导器件20的入瞳202入射耦入器件203，并经耦入器件203对其传输方向的调制，于波导体201内通过反射面206a和206b的反射，入射耦出器件204的耦出单元204-11；耦出单元204-11调制入射光，引导其经出瞳205和会聚器件30，会聚至点CP₁。类似地，对应方向V12的平行投影图片的光束，也经波导器件20和会聚器件30，会聚至点CP₁。点CP₁为该平行投影图片组所对应点状会聚区。不同于方向V11对应平行投影图片光束的经耦出单元204-11被耦出，方向V12对应平行投影图片光束是经耦出器件204的耦出单元204-12被耦出。也即是说，方向V11对应平行投影图片的光束，经对应耦出单元204-11被耦出；方向V12对应平行投影图片的光束，经对应耦出单元204-12被耦出，如图2的上图和中图所示。耦出单元204-11和204-12以点S₁为共同边点，毗邻排布。此时，两个平行投影图片的光束会聚角θ₁和θ₂也恰好地拼连在一起，使点状会聚区CP₁处接收到图像(由对应方向V11和V12的K＝2平行投影图片各光束所携带光信息组成)的视角θ＝θ₁+θ₂，相对于两个平行投影图片各自光束的会聚角θ₁和θ₂，得到扩展。本专利所说视角扩展，满足θ≧1.5θ_min。其中θ是过一个会聚区的、来自对应平行投影图片组的光束对该会聚区的会聚角值，也即该会聚区对应平行投影图片组所显示图像的视角；θ_min是过该会聚区的、来自对应平行投影图片组中各平行投影图片的光束对该会聚区的会聚角中的极小值。具体就图1而言，θ≧1.5min(θ₁,θ₂)＝1.5θ_mi，其中min()是取最小值函数，min(θ₁,θ₂)取θ₁和θ₂中的最小值作为θ_mi。图2的下图，为更多个平行投影图片成组时，对应方向V13的第三个平行投影图片的光束传播路径示意图。图1和图2中，所示各耦出单元具有入射角非敏感特性，也即各耦出单元不仅对来自对应平行投影图片的光束进行调制并出射其对应耦出光束，若有来自非对应平行投影图片的光束入射，该耦出单元也对其进行调制并出射对应耦出光束。例如，面分布的周期微结构可以作为入射角非敏感特性耦出单元。图1和图2中，为了避免非对应平行投影图片光束的入射，各耦出单元被设计为仅有来自对应平行投影图片的光束入射；同时，为了保证不同平行投影图片光束会聚角间的恰好拼连，同组平行投影图片所对应的耦出单元之间被设计为不存在空隙地毗邻排布。来自平行投影图片光机10的一条光束，携带一个对应光信息。该光束经耦出器件204被耦出多于一束的耦出光束时，它们只能携带相同光信息；请情况下，仅能保证其一条耦出光束携带正确的光信息，其它耦出光束将作为串扰噪声存在，于设计中被希望不存在，或者不能入射观察者瞳孔50。也即要求来自平行投影图片的一条光束，其耦出光束在同一个时间点最多仅一次地入射观察者瞳孔。采用入射角非敏感特性耦出单元，当两个不同的耦出单元发生重叠时，入射该重叠区域的一条光束，被该两个耦出单元分光耦出两条光束，并均可能入射观察者瞳孔50。该情况相当于来自平行投影图片的一条光束，在同一个时间点可能多于一次地入射观察者瞳孔50，此时其中必定有一条光束会作为噪声存在。为了避免这种情况出现，图1和图2中，要求同组的不同平行投影图片所对应入射角非敏感特性耦出单元之间不发生重叠。图2中，入瞳202取在波导器件20反射面的垂面上，其尺寸取为波导器件20沿反射面垂向上的厚度尺寸，具体地，沿反射面垂向z向，入瞳202尺寸等于波导体201的厚度a。根据图2所示几何关系，方向V11对应平行投影图片的光束，于耦出器件204上的一个完整覆盖区域尺寸为atanθ₁₁，两个相邻完整覆盖区域之间存在一个尺寸同样为atanθ₁₁的空白区；方向V12的平行投影图片的光束，于耦出器件204上的一个完整覆盖区域尺寸为atanθ₁₂，两个相邻完整覆盖区域之间存在一个尺寸同样为atanθ₁₂的空白区；方向V13对应平行投影图片的光束，于耦出器件上的一个完整覆盖区域尺寸为atanθ₁₃，两个相邻完整覆盖区域之间存在一个尺寸同样为atanθ₁₃的空白区。其中θ₁₁、θ₁₂、θ₁₃分别为方向V11、V12、V13和z向夹角的锐角值，且此处设θ₁₁<θ₁₂<θ₁₃。为了满足各耦出单元仅允许来自对应平行投影图片光束入射，图2中，方向V11、V12、V13所分别对应平行投影图片，依次对应的耦出单元204-11、204-12、204-13沿x向依次毗邻排列，尺寸分别设计为atanθ₁₁、atanθ₁₂、atanθ₁₃。这种设计，使各平行投影图片的光束均入射对应会聚区，信息的有效利用率高。图1中，来自同组平行投影图片的光束经各自对应耦出单元的耦出，设计为平行入射会聚器件30，形成对应点状会聚区。

对于第二组平行投影图片，在选用入射角非敏感特性耦出单元的情况下，需要和第一组平行投影图片共用耦出单元，如图3。该设计可以避免对应不同平行投影图片组的、光学特性不同的耦出单元之间的重叠分布。具体地，方向V21、V22、V23所对应平行投影图片组成第二个平行投影图片组，它们所分别对应耦出单元204-21、204-22、204-23，同时也分别是耦出单元204-11、204-12、204-13。以θ₂₁、θ₂₂、θ₂₃作为向V21、V22、V23和z向的锐角夹角，明显地，θ₁₁、θ₁₂、θ₁₃、θ₂₁、θ₂₂、θ₂₃都不能相同，此处以θ₂₃>θ₂₂>θ₂₁>θ₁₃>θ₁₂>θ₁₁为例进行说明。此时，第二组各平行投影图片光束于耦出器件204上的一个完整覆盖尺寸atanθ₂₁、atanθ₂₂或atanθ₂₃，和对应的耦出单元204-21(204-11)、204-22(204-12)、204-23(204-13)沿x方向的尺寸atanθ₁₁、atanθ₁₂或atanθ₁₃不一致。为了实现第二组各平行投影图片光束仅覆盖对应耦出单元的要求，可以设置它们光束经入瞳202的部分区域入射。该区域被称之为有效入瞳区域，该有效入瞳区域尺寸和整个入瞳区域尺寸的比值，用入瞳有效面积因子β表示，以满足图3下图所示要求：β₂₁atanθ₂₁＝atanθ₁₁、β₂₂atanθ₂₂＝atanθ₁₂、β₂₃atanθ₂₃＝atanθ₁₃。其中，β₂₁、β₂₂、β₂₃分别是方向V21、V22、V23所对应平行投影图片分别对应的入瞳有效面积因子，均为小于1的值。实际应用中，各平行投影图片所需入瞳有效面积因子β，可以通过仅激活来自该平行投影图片、过入瞳202上对应有效入瞳区域的光束来实施。而且，在平行投影图片对应入瞳有效面积因子β确定后，该有效入瞳区域的位置也可以变化。如图4，随着有效入瞳区域于入瞳202上的移动，对应平行投影图片光束于耦出器件20上覆盖区域也发生对应移动。这种设计为各平行投影图片光束覆盖区域和对应耦出单元的对准提供更大的设计冗余。更多组平行投影图片时，同理设计。

实际上，各平行投影图片对应的耦出单元尺寸，均可以小于该平行投影图片光束经整个入瞳202入射时，于耦出器件204上所覆盖一个连续区域的尺寸，即各平行投影图片均可以对应一个入瞳有效面积因子。具体如图5所例，方向V12对应平行投影图片所对应耦出单元尺寸β₁₂atanθ₁₂，其中β₁₂是沿方向V12的平行投影图片所对应入瞳有效面积因子；共用该耦出单元的、方向V22对应平行投影图片所对应入瞳有效面积因子β₂₂取决于：β₂₂atanθ₂₂＝β₁₂atanθ₁₂。实际上，即使各平行投影图片对应耦出单元尺寸小于该平行投影图片光束于耦出器件204上所覆盖一个连续区域的尺寸，该平行投影图片的所有光束也可以通过整个入瞳202入射，而不是仅过对应有效入瞳区域的光束被激活。此时，虽然来自该平行投影图片的一条光束可能入射非对应的耦出单元，但其不会同时被另外一个耦出单元调制耦出情况下，满足“各光束在一个时间点仅最多一次地入射观察者瞳孔50”的要求。但此时，该经非对应耦出单元的耦出光束，可能不入射其所属平行投影图片组的对应会聚区。例如图6，方向V11对应平行投影图片所对应耦出单元204-11，尺寸设置为β₁₁atanθ₁₁(β₁₁<1)，于图6中示为S₀S'₁区域，其小于该平行投影图片光束于耦出器件204上一个完整覆盖区域S₀S₁的尺寸。该情况下，来自方向V11对应平行投影图片、覆盖S'₁S₁区域的光束，经非对应的耦出单元204-12(于图6中占据S'₁S'₂区域)，沿方向vec1'入射会聚器件30后，会聚至点CZ'₁；来自方向V11对应平行投影图片、覆盖S₀S'₁区域的光束，经对应耦出单元204-11，沿方向vec1入射会聚器件30后，会聚至点CZ₁。该情况下，以点CZ₁作为方向V11对应平行投影图片的点状会聚区，即使方向V11对应平行投影图片的光束并不全部地会聚至该点状会聚区。此时，点CZ'₁可以不属于方向V11对应平行投影图片的会聚区；但会聚至该点CZ'₁的光束，均携带沿其对应投影光束待显示场景的投影光信息，即使其入射观察者瞳孔50，其所携带的正确显示场景信息也不会带来串扰噪声。这里需要着重说明的是，一个平行投影图片对应的会聚区，不一定是其全部光束经波导器件20和会聚器件30后的会聚区，而是其全部光束中、经对应耦出单元所耦出光束的会聚区；对应的会聚角也是这些经对应耦出单元所耦出光束相对于其会聚区的会聚角。此时，该平行投影图片显示的图像，由来自该平行投影图片的光束中，过其对应会聚区的那部分光束所携带光信息进行呈现。同组平行投影图片各自对应的会聚区，共同构建该平行投影图片组所对应会聚区。一个平行投影图片组显示的图像，由来自该组各平行投影图片的光束中，经各自对应耦出单元所耦出的光束进行呈现。

图1所示情况下，来自同组平行投影图片的光束，平行入射会聚器件30，形成对应点状会聚区。进一步的，来自同组中不同平行投影图片的光束，可以分别沿不同的方向入射会聚器件30。如图7所示范例，方向V11对应平行投影图片的光束沿vec1方向入射会聚器件30，并会聚至CP₁点；方向V12所对应平行投影图片的光束沿vec2方向入射会聚器件30，并会聚至CP'₁点。则包含CP₁点和CP'₁点的区域，在其尺度不大于观察者瞳孔直径D_p情况下，做为该两个平行投影图片所组成平行投影图片组的对应会聚区，该会聚区处的观察者瞳孔50可以接收到该平行投影图片组各平行投影图片所携带的光信息，它们组成一幅视角扩展图像。进一步地，各平行投影图片光束经会聚器件30所形成的会聚区也可以不是点状，只要覆盖同组平行投影图片各自对应会聚区的区域沿至少一个方向的尺寸不大于观察者瞳孔直径D_p，它们就可以构建为该平行投影图片组所对应会聚区。图7中，同组两个平行投影图片光束会聚角的拼连，存在缝隙；该缝隙应该较小，对显示效果不产生明显的影响。当然，本专利中，同组平行投影图片光束会聚角的拼连，在其它可能情况下，也可以是发生部分重叠的拼连。

上述各图中，入瞳202的尺寸取为沿反射面垂向波导体201的厚度尺寸。在实际波导的应用中，波导器件20的入瞳202所在面往往和其反射面垂向z向有一个非零的夹角α。该夹角可以使各平行投影图片光束于波导器件20的耦出器件204上覆盖更大尺寸，如图8中方向V11对应平行投影图片的光束，于耦出器件204上的一个完整覆盖区域尺寸为atanθ₁₁+atanα。该情况下，来自一个平行投影图片的光束，不经对应耦出单元，但经非对应耦出单元出射的情况同样可能存在。来自平行投影图片光机10的各束光束在满足“一个时间点最多仅一次地入射观察者瞳孔50”的前提下，该类经非对应耦出单元所耦出光束不引入串扰噪声。另外一种需要注意的情况是，来自平行投影图片光机10的一条光束，入射并被对应耦出单元耦出光束的同时，也入射其它非对应耦出单元并被耦出，如图8下图所示范例。图8下图中，方向V12对应平行投影图片的光束e，经非对应耦出单元204-11出射耦出光束e_e后，再经206b反射而入射对应耦出单元204-12，并出射耦出光束e_o。此时，要求其经非对应耦出单元的耦出光束e_e被设计为不入射观察者瞳孔50。

上述过程中，各耦出单元具有入射角非敏感特性，即可以对不同角度的入射光束进行调制并出射耦出光束。也存在另外一种设计方案，各耦出单元具有入射角敏感特性，该类入射角敏感特性耦出单元仅调制来自对应平行投影图片的对应角度入射光束并出射对应耦出光束，阻止来自非对应平行投影图片的非对应角度入射光束的耦出出射，或调制非对应角度入射光束并出射耦出光束，但该耦出光束的出射方向不能入射观察者瞳孔50。例如，对入射角敏感的体全息光栅可以作为此类入射角敏感特性耦出单元。这里所述“阻止来自非对应平行投影图片的非对应角度入射光束的耦出出射”，并不是100％地阻止非对应角度入射光束的耦出出射，而是非对应角度入射光束的耦出光束光强较小，作为串扰噪声对显示质量的影响可以被容忍。则，采用入射角敏感特性耦出单元时，同组各平行投影图片所对应耦出单元、不同组平行投影图片所对应耦出单元之间可以发生重叠，如图9所示范例。此时，同组平行投影图片光束会聚角的拼连，也可能是发生部分重叠的拼连。图9中，耦出单元204-11、204-12、204-13对应一个平行投影图片组的三个平行投影图片，耦出单元204-21、204-22、204-23对应另一个平行投影图片组的三个平行投影图片。

上述实施例中，各平行投影图片共用耦入器件203。所述耦入器件203可以进一步地被设计为对不同特性入射光具有不同的调制特性。例如，平行入射的K种不同特性光束，经耦入器件203调制，分别沿K个不同方向被耦出出射。此时，设计所述平行投影图片光机10中，出射光束的显示器件101的像素或子像素，分为交错排列的K个像素组或子像素组；该K个像素组或子像素组所投射平行光束，一一对应地分别具有所述K种不同特性。则，显示器件101的K个像素组或子像素组所分别出射光束集，经耦入器件203后分别沿不同方向平行出射，作为分别对应不同方向的K个等效平行投影图片。即，显示器件101的像素或子像素，经耦入器件203，沿K个方向，分别投射K个由平行光束组成的等效平行投影图片。则，若设计平行投影图片光机10沿M'×N'个方向分别投射M'×N'个平行投影图片时，经耦入器件203，变成M'×N'×K个等效平行投影图片的投射。该M'×N'×K个等效平行投影图片中的全部或部分，直接作为M×N个等效的平行投影图片，同理图1至图9所释实施显示。也即是说，本专利中，等效平行投影图片出现时，可以直接等效于前面所述的平行投影图片，进行显示。关于等效平行投影图片和平行投影图片之间的等效关系，以下部分不再重复说明。等效平行投影图片的设计，可以降低显示模组对时间复用度的要求。例如图10所示，对应V11方向的平行投影图片光束，来自于一个显示器件101；该显示器件101的像素，间隔一个像素的像素成组，并设计所成K＝2个像数组分别出射水平偏振光束(以“-”表示)和垂直偏振光束(以“·”表示)。耦入器件203对水平偏振入射光束和垂直偏振入射光束具有不同的调制能力，调制沿V11方向平行入射的水平偏振光沿Vd11方向平行出射，调制沿V11方向平行入射的垂直偏振光沿Vd'11方向平行出射，实现两个等效平行投影图片的投射。入射光所具特性，经波导器件20传播后无法良好地保持该特性的情况下，该设计可以避免波导器件20对光束特性的影响，利用入射光的不同特性提高等效的平行投影图片的投影数量。基于类似思想，还可以引入微结构阵列70。该微结构阵列由和显示器件101各像素、或各子像素、或各像素或子像素所投射光束一一对应的微结构组成。此时，所述显示器件101的像素或子像素，分为交错排列的K个像素组或子像素组，该K个像素组或子像素组分别投射的光束集，经各自对应微结构调控，沿K个不同方向分别平行出射，作为K个等效平行投影图片。则，平行投影图片光机10所投射、分别沿M'×N'个方向的平行投影图片，经微结构阵列70的调制，转变为M'×N'×K个等效平行投影图片的投射，基全部或部分等效平行投影图片作为M×N个等效的平行投影图片，基于图1至图9所述方法，同理进行显示。例如图11所示，对应V11方向的平行投影图片，在其光束来自于一个显示器件101的情况下，该显示器件101的像素，间隔一个像素分别成组，形成K＝2个像数组。微结构阵列70的各微结构和显示器件101的各像素一一对应置放，引导其K＝2个像数组沿Vd11方向和Vd'11方向分别平行出射光束；该K＝2像数组沿Vd11方向和Vd'11方向分别出射的平行光束集，作为K＝2个等效平行投影图片。图11中，微结构阵列70各微结构被设置为和显示器件101各像素一一对应置放。微结构阵列70各微结构也可以被设置为和显示器件101各子像素一一对应置放。微结构阵列70各微结构还可以被设置为和显示器件101各像素或子像素的出射光束一一对应置放，即各微结构被设置于各像素或子像素出射光束的传输路径上，此时各微结构可以不靠近对应像素或子像素置放。

更进一步地，类似于多个耦出单元组成的耦出器件204，耦入器件203也可以设计为由多于一个的耦入单元组成，各耦入单元分别对应一个平行投影图片光机。如图12所例，耦入单元203-1和203-2构成耦入器件203，它们各自对应地分别接收平行投影图片光机10和10'所投射平行投影图片，且耦入单元203-2允许来自耦入单元203-1的光束透射。平行投影图片光机10和10'共同地投影M×N个平行投影图片。此时，同组的平行投影图片，可以来自同一个平行投影图片光机，也可以来自同不同的平行投影图片光机。来自不同平行投影图片光机的平行投影图片，它们对应方向可以相同；该情况下，该来自不同组平行投影图片的光束相互平行入射入瞳202，但它们于入瞳202上不同的空间位置入射，也可以导致它们于耦出器件204上覆盖空间区域的不一致，即可以对应不同的耦出单元(即使它们所对应的该不同的耦出单元也可能具有相同的光调制特性)。图12仅以2个耦入单元及其各自对应的2个平行投影图片光机为例，各耦入单元以嵌于波导体201的反射面为例。各耦入单元也可是微纳光栅等结构，且经一个耦入单元出射的光束，也可以直接设计的不经过其它耦入单元传播。

上述各图仅以耦出单元沿一个方向x向排布为例进行说明，其可以同理扩展至二维排布。

本专利中所述波导器件20的结构，具体包括波导体201、入瞳202、耦入器件203、作为反射器件206的反射面206a和206b、耦出器件204和出瞳205。其中各组件均为功能性器件，它们可以选用各种可能的光学器件或光学结构，不受限于上述实施例具体所示光学器件。即使增加了一些组件和/或功能的波导结构，在其可以实现本专利所述波导器件20功能的情况下，均可作为本专利的波导器件20。

实施例2

实施例1所述的平行投影图片光机10，可以选择各种不同的光学结构，只要其可以沿不同方向分别投射所需平行投影图片。本实施例2与实施例1类似,其区别主要在于本实施例2相对于实施例1，采用了另一些具体结构的平行投影图片光机10。图13示出一种平行投影图片光机10，包括由像素组成的显示器件101、控制器件40驱动下可时序打开的T≧2个光源所组成时序光源组102、及准直器件104。其中T个光源于任一时间周期的T个时间点，经准直器件104时序给显示器件10提供沿不同方向的平行背光。图13以焦距f的透镜作为准直器件104，以T＝M×N＝4个位于透镜型准直器件104焦平面上的点光源S₁、S₂、S₃、S₄为例进行说明。则在一个时间点，显示器件101各像素调制对应平行背光后所投射光束，构成一个平行投影图片，其对应方向为该时间点入射显示器件101的平行背光的传输方向。各像素携带光信息，由对应像素在控制器件40驱动下进行同步加载，为该像素出射光束经波导器件20和会聚器件30后，沿其入射对应会聚区的传播光束，待显示场景的投影光信息。平行投影图片光机10投射光束进入波导器件20之前，还可以经过一些光学器件，例如棱镜、反射镜等，以引导该平行投影图片光机10投射光束通过入瞳202进入波导体201。该类光学器件的设置，为光学领域常用光传输方向导引方法，为本领域人员所熟知，未于本专利中单独说明。

图13所示光学结构中，可以进一步引入相位器件I105、相位器件II106和由T个孔径组成的滤波孔径组103，如图14所示T＝4个孔径A₁、A₂、A₃、A₄，它们和光源S₁、S₂、S₃、S₄依次对应。其中，各光源出射光依次经准直器件104和相位器件I105后会聚于各自对应孔径，各孔径出射光经相位器件II106转化为沿各自对应方向的平行光，显示器件101置于准直器件104和相位器件I105之间的光传播路径上，进行光信息加载，以实现T个平行投影图片的时序投射。这里，显示器件101示为透射式器件，其也可以为反射式器件。

图13和图14所示光学结构基于时分复用进行多个平行投影图片的投射，其所能投射平行投影图片的数量T受限于显示器件101的帧频。也可以进一步地引入正交特性属性，将显示器件101的像素或子像素分为投射光具有可相互识别正交特性的像素组或子像素组，以增大所能投射平行投影图片的数量。如图15右图所示范例，显示器件101的像素中，间隔K-1＝1个像素的像素成组，该K＝2个像素组分别允许水平偏振光(以“-”表示)和垂直偏振光(以“·”表示)出射，同时分别挡除“·”光和“-”光(例如通过各像素附着对应偏光片来实现对入射“·”光和“-”光的允许出射和挡除，即赋予该K＝2种不同正交特性光之间的相互识别能力)。也即以水平偏振光(以“-”表示)和垂直偏振光(以“·”表示)作为K＝2个偏光态正交特性。对应地，各时间点打开的光源设计为由K＝2个子光源组成，如光源S₁所包含的子光源OS₁₁和OS₁₂分别沿K＝2个方向向所述显示器件101投射“-”光和“·”光，显示器件101的K＝2个像素组互不影响地分别以来自子光源OS₁₁和OS₁₂的平行光作为背光，沿两个对应方向分别投射K＝2个平行投影图片；在各时间周期的T个时间点，则可实现K×T个平行投影图片的投射。图15中，各孔径也分别由K＝2个子孔径代替，各子光源出射光经准直器件104和相位器件I105，会聚至各自对应子孔径。各子孔径也可以进一步被赋予对应的正交特性，以阻挡来自非对应的子光源的相异正交特性光通过。图15所示情况下，各平行投影图片分别由显示器件101的部分像素进行投射，对应一个平行投影图片的部分像素，类似于11所示，也可以进一步地设计为可以投射K个等效平行投影图片。例如，一个平行投影图片的部分像素，通过该其各像素一一对应置放的微结构(属于微结构阵列70)，分为K个平行光束集作为K个等效平行投影图片，分别沿K个不同方向投射。

图15仅以偏振方向相互垂直的K＝2个偏光态作为正交特性，所述正交特性也可以是其特性，只要不同正交特性光之间具有相互识别的能力。例如出射相同颜色的子像素分别作为一组，同一时间打开的光源分别出射不同子像素组对应的不同颜色光，该不同颜色光通过各自对应滤色片可以进行相互识别。或在进一步地，各同种颜色的子像素组，基于偏光态正交特性设计继续分为更多的组。

图13至图15中，各光源被描述为点状光源。它们也可以是长向沿y'向的条状光源。此时，显示器件101各像素或子像素出射的光束仅沿x'向是“细”的光束，本专利中称之为一维光束，此类光束的集合也同样称之为平行投影图片，虽然这些光束仅沿一维方向是平行的。此时，波导器件20耦出器件204的各耦出单元，仅沿一维方向排列，且仅沿该一维方向上各平行投影图片组对应的会聚区尺寸及间距小于观察者瞳孔直径。条状光源或/和条状孔径的设计和采用，也可用于其它光学结构，将不再累述。

图13中时序打开的各光源，可以被一个背光光源1020和一个可控偏转器件107的组合代替，如图16所示。该光源1020经准直器件104所投射平行光，经可控偏转器件107时，控制器件40调控下，受控地沿不同方向出射。图16中，显示器件101沿光传输方向置于可控偏转器件107之前，其也可以置于可控偏转器件107之后。上述替代也同样可以应用于图14和图15所示光学结构。

实施例3

本实施例3与本实施例1类似,其区别主要在于本实例3相对于实施例1采用了另一些具体结构的平行投影图片光机10。图17示出另一种平行投影图片光机10的光学结构，其包括由像素或子像素组成的显示器件101、相位器件I105、相位器件II106、及由T＝3个孔径组成的滤波孔径组103。其中，相位器件I105和相位器件II106于图17中均示为透镜，滤波孔径组103置于透镜型相位器件I105和透镜型相位器件II106的共用焦平面上。显示器件101投射光依次经相位器件I105、滤波孔径组103和相位器件II106出射；控制器件40驱动下，滤波孔径组103各孔径依次时序打开，显示器件101同步加载对应光信息；在一个孔径打开时，显示器件101所投射光束，经相位器件II106沿对应方向平行出射，投射一个对应的平行投影图片。实际上，滤波孔径组103距离透镜型相位器件I105的距离可以不等于其焦距f₁。相位器件II106也可以是具有将各孔径出射光调制为平行光的其它光学器件。本专利所述平行光，允许其各光束具有较小的发散角，该较小发散角要保证该束光束入射观察者瞳孔时，其光斑尺寸(最大光强的90％所对应区域)沿至少一个方向小于观察者瞳孔直径。透镜型相位器件I105也可以是其它对入射光具有会聚功能的器件，或者在显示器件101各像素或子像素出射光均可以入射滤波孔径组103的各孔径的前提下被舍弃不用。此处的显示器件101，既可以是需要背光源的被动式显示器件，也可以式主动发光的主动式显示器件。图17所示光学结构，也可以仅选用一个孔径作为滤波孔径1030，该滤波孔径1030一直处于打开状态，并引入偏转器件107对经相位器件II106出射光进行时序偏转，实现多个平行投影图片的投射。

类似于图15所示，正交特性属性也可以引入到图17所示光学结构，显示器件101的像素或子像素分为K≧2组出射互不相同正交特性光的像素组或子像素组，各孔径也设计为由允许该K种正交特性光通过的K个子孔径组成，如图18。具体以K＝2为例，显示器件101的像素中，间隔K-1＝1个像素的像素成组，该K＝2个像素组分别出射水平偏振光(以“-”表示)和垂直偏振光(以“·”表示)。对应地，在任一时间点，控制器件40仅打开一个孔径的K＝2个分别允许“-”光和“·”通过的子孔径，所有K×T＝6个子孔径在各时间周期的T＝3个时间点一次两个地循环打开，控制器件40驱动显示器件101同步刷新显示，可以实现K×T＝6个平行投影图片的投射。例如，子孔径A₁₁、A₁₂仅在各时间周期的第一个时间点打开，子孔径A₂₁、A₂₂仅在各时间周期的第二个时间点打开，子孔径A₃₁、A₃₂仅在各时间周期的第三个时间点打开。其中，A₁₁、A₂₁、A₃₁仅允许“·”光通过，A₁₂、A₂₂、A₃₂仅允许“-”光通过。在可选的正交特性种类(例如颜色正交特性，或颜色正交特性和偏光态正交特性的组合)足以支持足够数量平行投影图片的投射情况下，也可以不再采用时分复用。

平行投影图片光机10也可能是图19所示的扫描投影单元108和准直器件104的组合。其中，所述扫描投影单元108由扫描器件1081和可调制光束生成单元1082组成，如图19。该可调制光束生成单元1082包括红(R)光光源1082R、绿(G)光光源1082G、蓝(B)光光源1082B、蓝(B)光反射镜1082MB、绿(G)光反射镜1082MG、红(R)光反射镜1082MR。其中，绿(G)光反射镜1082MG允许蓝光通过，红(R)光反射镜1082MR允许蓝光和绿光通过就。来自光源1082R、1082G、1082B的光束经蓝(B)光反射镜1082MB、绿(G)光反射镜1082MG和红(R)光反射镜1082MR合为一束，入射扫描器件1081。控制器件40控制所述扫描器件1081时序偏转，将入射光束沿不同方向投射进入准直器件104，准直器件104将不同方向入射的光束调制为平行光束，并入射可控偏转器件107。从可调制光束生成单元1082出射的各光束，被控制器件40调制加载光信息；携带对应光信息的、入射可控偏转器件107的平行光束，被可控偏转器件107偏转形成时序出现的多个平行投影图片。其中，该结构的优点在于，可调制光束生成单元1082所投射的光束，可以具有很小的发散角，例如激光光束，有利于各光束于显示场景深度范围内各深度面上分布光斑尺寸的约束。但该光学结构中，所有光束都是基于时分复用生成的。为了进一步地降低对时分复用的要求，可以采用多于一个的扫描投影单元，如图20所示的扫描投影单元108和108'。在采用扫描投影单元108和准直器件104组合的情况下，平行光束于准直器件104的各出射点，也可以当作等效像素，类似地设计各等效像素具有对应正交特性，例如各等效像素处置对应该等效像素的偏光片以获得其偏光态正交特性，或通过对应各等效像素置放的微结构(所有该微结构组成微结构阵列70)来调制各等效像素出射光的出射方向，以实现等效平行投影图片的投射。其中，入射准直器件104各光束的对应等效像素，也可以设置到该光束上的任一点，而不是必需为该光束经准直器件104后的出射点。

实施例4

实施例1所述的波导结构，也可以两个或更多个地堆叠置放，各自引导来自各自对应平行投影图片光机10所投射光束，经它们共用的会聚器件30，形成多个平行投影图片光束各自的会聚区；其中各平行投影图片分别成组，同组各平行投影图片光束会聚区构建该平行投影图片组的对应会聚区。如图21所示堆叠置放的波导器件20和20'，它们各自对应的平行投影图片光机分别为10和10'，共同形成一个复合结构。这种情况下，通过两个波导器件/平行投影图片光机组合的复用，其所能投射平行投影图片的数量获得一倍增大。其中，同组的平行投影图片可以来自同一个波导器件/平行投影图片光机组合，也可以分别来自两个不同的波导器件/平行投影图片光机组合。图21仅以两个波导结构的堆叠为例进行说明，当然也可以更多的波导结构堆叠。类似地，三个单色波导器件(分别仅传导红(R)、绿(G)、蓝(B)色光束)也可以堆叠成为复合结构。进一步地，各波导器件/平行投影图片光机组合也可以分别对应不同的会聚器件，但要一个波导器件/平行投影图片光机组合所投射光束入射非对应会聚器件而导致的串扰噪声。例如，各波导器件/平行投影图片光机组合对应的会聚器件为微纳结构器件，具有角度选择性，阻挡非对应波导器件投射光束；再例如，各波导器件/平行投影图片光机组合对应的会聚器件可以复合到各自的波导器件中，对通过对应反射器件206入射光进行调制，不调制近似垂直入射光，以实现更灵活的设计；再或者各波导器件/平行投影图片光机组合对应的会聚器件之间不发生空间重叠。具体到图22中，波导器件20对应的会聚器件30被复合至该波导器件20的耦出器件204上，波导器件20'对应会聚器件30'复合至该波导器件20'的耦出器件204'上。进一步地，于各波导器件/平行投影图片光机组合中，也可以设计引入等效平行投影图片。

会聚器件30复合至波导器件20中时，各耦出单元可以由间隔分布的耦出区域组成，如图23中离散分布的耦出区域204-s1和204-s2构成耦出单元204-s，30-s1和30-s2是区域204-s1和204-s2分别于会聚器件30中各自对应部分。该情况下，一条光束基于反射，分别入射耦出单元204-s的不同耦出区域时，其经不同耦出区域出射的光束分属两个会聚区，需要不同时地入射观察者瞳孔50。例如图23中，来自平行投影图片光机10的一条光束s，经耦出单元204-s的耦出区域204-s1所耦出光束s”，及光束s经耦出区域204-s1继续反射前行并经耦出区域204-s2所耦出光束s”'分属两个不同的会聚区，且不能同时入射观察者瞳孔50。例如，对处于某位置处的观察者瞳孔50，耦出光束s”入射，但耦出光束s”'不入射；当观察者瞳孔移到另外一个位置时，耦出光束s”不再入射，而是耦出光束s”'入射。针对这种情况，可以设置瞳孔追踪单元60，根据该瞳孔追踪单元60所实时确定对应观察者瞳孔50位置，确定此类光束经不同耦出区域出射的不同耦出光束中，实时入射观察者瞳孔50的那条耦出光束，将该光束对应光信息设计为沿该入射观察者瞳孔50的那条耦出光束，待显示场景的投影光信息。实际上，在来自于平行投影图片光机10的光束经出瞳205仅出射一条耦出光束，或出射多于一条的耦出光束，但仅其中一条有可能入射观察者瞳孔50的情况下，也可以于所述显示模组中设置瞳孔追踪单元60。此时，根据该瞳孔追踪单元60所实时确定对应观察者瞳孔50位置，控制其于平行投影图片光机10所能投射的所有光束中，仅激活实时入射该位置观察者瞳孔50或及其附件区域的光束，降低显示模组实际需要显示的数据量。

以上仅为本发明的优选实施例，但本发明的设计构思并不局限于此，凡通过波导引导多个平行投影图片，一个平行投影图片仅占用一个传输方向，利用多于一个的平行投影图片光束所对应会聚角的拼合进行投射图像视角展宽的构思，均落入本发明的保护范围之内。本专利实施例仅列出常规波导器件，其它各类改进型波导器件，尤其是由无法穷举的各种微结构构建其耦入器件或/和耦出器件的波导器件，只要其具有本专利所述波导器件功能，均可作为本专利的波导器件。本专利所述正交特性仅以偏光态正交特性、颜色正交特性为例，其也可以是其它可能的特性，只要该特性具有相互识别的能力。再例如，和本专利对比而言，发明名称为“基于多光源的光波导显示模组”、公开号为CN113359312A、公开日为2021-09-07的中国发明专利和发明名称为“孔径时序选通复用的光波导显示模组”、公开号为CN11311581 A、公开日为2021-08-27的中国发明专利对应本专利保护范围之外的N＝1、M≧2的情况。但本专利所列出、于上述两个专利中未出现的各种光学结构的平行投影图片光机，均可应用于上述两个专利。实际上，尚未举例的、甚至将来出现的可以投射平行投影图片的光学结构，均可作为本专利的平行投影图片光机。相应地，所有相关实施例都落入本发明的保护范围内。

Claims (21)

1.基于平行投影图片的波导显示模组，其特征在于，包括：

平行投影图片光机(10)，该平行投影图片光机(10)沿M×N个方向分别投射M组共M×N个平行投影图片，各平行投影图片组分别包括N个平行投影图片，其中M≧1，N≧2；其中，各平行投影图片由各自携带对应光信息的平行光束组成；

波导器件(20)，该波导器件(20)包括波导体(201)、入瞳(202)、耦入器件(203)、反射器件(206)、由多个耦出单元组成的耦出器件(204)和出瞳(205)，平行投影图片光束经入瞳(202)入射耦入器件(203)，耦入器件(203)引导入射的平行投影图片光束于波导体(201)内经反射器件(206)反射传播，并最终经耦出器件(204)调制，过出瞳(205)向观察者瞳孔(50)所处区域传输；

会聚器件(30)，该会聚器件(30)置于与所述波导器件(20)对应的位置，会聚经波导器件(20)引导而来的光束；

控制器件(40)，该控制器件(40)与平行投影图片光机(10)信号连接，用于控制各光束所携带的对应光信息，为沿该光束所对应投影光束，待显示场景的投影光信息；

其中，各光束所对应投影光束，为该光束经波导器件(20)和会聚器件(30)调制后，入射观察者瞳孔(50)时的传播光束；

该基于平行投影图片的波导显示模组被设置为使得平行投影图片光机(10)所投射的各光束，在一个时间点最多仅一次地入射观察者瞳孔(50)，同组N个平行投影图片一一对应地分别经空间错位排布的N个耦出单元所出射的光束，经会聚器件(30)构建该平行投影图片组所对应会聚区，并满足θ≧1.5θ_min，

且，各会聚区沿至少一个方向尺寸小于观察者瞳孔直径D_p，对应同一观察者瞳孔(50)的相邻会聚区间距不大于观察者瞳孔直径D_p；

其中，θ是过任一会聚区的、来自对应平行投影图片组的光束对该会聚区的会聚角值，θ_min是过该会聚区的、来自对应平行投影图片组中各平行投影图片的光束对该会聚区会聚角的极小值。

2.根据权利要求1所述的基于平行投影图片的波导显示模组，其特征在于，所述各会聚区为点状会聚区。

3.根据权利要求1所述的基于平行投影图片的波导显示模组，其特征在于，各耦出单元为入射角非敏感特性耦出单元，也调制来自非对应平行投影图片的入射并出射对应耦出光束；

该基于平行投影图片的波导显示模组被设置为同组平行投影图片所对应的耦出单元无间隙无重叠地拼连排布，各平行投影图片组共用耦出单元。

4.根据权利要求1所述的基于平行投影图片的波导显示模组，其特征在于，各耦出单元为入射角敏感特性耦出单元，各耦出单元阻止来自非对应平行投影图片光束对观察者瞳孔(50)的入射。

5.根据权利要求1所述的基于平行投影图片的波导显示模组，其特征在于，所述平行投影图片光机(10)包括显示器件(101)、在控制器件(40)驱动下能够时序打开的T个光源所组成时序光源组(102)、及准直器件(104)，其中显示器件(101)包括多个像素或子像素，T个光源于任一时间周期的T个时间点，经准直器件(104)时序给该显示器件(10)提供沿不同方向的平行背光，控制器件(40)驱动显示器件(101)同步加载对应光信息，以进行T个平行投影图片的投射，其中T≧2。

6.根据权利要求5所述的基于平行投影图片的波导显示模组，其特征在于，所述平行投影图片光机(10)还包括相位器件I(105)、相位器件II(106)和与T个光源一一对应的T个孔径所组成的滤波孔径组(103)；

其中，各光源出射光依次经准直器件(104)和相位器件I(105)后会聚于各自对应孔径，各孔径出射光经相位器件II(106)转化为沿各自对应方向的平行光，显示器件(101)置于准直器件(104)和相位器件I(105)之间的光传播路径上，进行光信息加载。

7.根据权利要求5所述的基于平行投影图片的波导显示模组，其特征在于，所述显示器件(101)的像素或子像素分为交错排列的K个像素组或子像素组，该K个像素组或子像素组一一对应地分别调制K种相异正交特性背光并出射各自对应调制光束，且各光源分别对应地由K个子光源组成，该K个子光源投射分别具有所述K种正交特性的背光，其中K≧2；

该基于平行投影图片的波导显示模组的平行投影图片光机(10)，于各时间点所打开光源的K个子光源，沿不同方向所投射的K束平行背光，分别被显示器件(101)的K个像素组或子像素组调制，沿各自对应的方向投射K个平行投影图片。

8.根据权利要求6所述的基于平行投影图片的波导显示模组，其特征在于，所述显示器件(101)的像素或子像素分为交错排列的K个像素组或子像素组，该K个像素组或子像素组一一对应地分别调制K种相异正交特性背光并出射各自对应调制光束，且各光源分别对应地由K个子光源组成，该K个子光源投射分别具有所述K种正交特性的背光，各孔径由K个子孔径组成，T×K个子光源出射光依次经准直器件(104)和相位器件I(105)后，一一对应地分别会聚于该T×K个子孔径，其中K≧2；

该基于平行投影图片的波导显示模组，其平行投影图片光机(10)于各时间点所打开光源的K个子光源，沿不同方向所投射的K束平行背光，分别被显示器件(101)的K个像素组或子像素组调制，沿各自对应方向投射K个平行投影图片。

9.根据权利要求1所述的基于平行投影图片的波导显示模组，其特征在于，所述平行投影图片光机(10)包括显示器件(101)、在控制器件(40)驱动下能够偏转入射光出射方向的可控偏转器件(107)、及为显示器件(101)提供平行背光的背光光源1020和准直器件(104)的组合，其中显示器件(101)包括多个像素或子像素，可控偏转器件(107)时序偏转显示器件(101)的入射光或出射光，并通过控制器件(40)驱动显示器件(101)同步加载对应光信息，从而沿不同方向时序投射各自对应的平行投影图片。

10.根据权利要求1所述的基于平行投影图片的波导显示模组，其特征在于，所述平行投影图片光机(10)包括显示器件(101)、相位器件I(105)、相位器件II(106)、置于相位器件I(105)和相位器件II(106)之间的滤波孔径(1030)、及在控制器件(40)驱动下能够偏转入射光出射方向的可控偏转器件(107)，其中显示器件(101)包括多个像素或子像素，其投射光依次经相位器件I(105)、滤波孔径(1030)和相位器件II(106)后平行入射可控偏转器件(107)，可控偏转器件(107)时序偏转入射平行光束，并通过控制器件(40)驱动显示器件(101)同步加载对应光信息，沿不同方向时序投射各自对应的平行投影图片。

11.根据权利要求1所述的基于平行投影图片的波导显示模组，其特征在于，所述平行投影图片光机(10)包括显示器件(101)、相位器件I(105)、相位器件II(106)、及由多个孔径组成的滤波孔径组(103)，其中显示器件(101) 包括多个像素或子像素，其投射光依次经相位器件I(105)、滤波孔径组(103)和相位器件II(106)出射，且各孔径出射光经相位器件II(106)转换为沿各自对应方向的平行光束；

在控制器件(40)驱动下，滤波孔径组(103)各孔径依次时序打开，显示器件(10)同步加载对应光信息，沿各自对应方向投射平行投影图片。

12.根据权利要求11所述的基于平行投影图片的波导显示模组，其特征在于，所述显示器件(101)的像素或子像素分为交错排列的K个像素组或子像素组，该K个像素组或子像素组对应地分别出射K种不同正交特性光，且各孔径由K个子孔径组成，该K个子孔径在打开状态下一一对应地分别允许所述K种正交特性光通过，其中K≧2；

所述的平行投影图片光机(10)的各像数组或子像素组，于各时间点，经各自对应子孔径，沿各自对应方向投射平行投影图片。

13.根据权利要求1所述的基于平行投影图片的波导显示模组，其特征在于，所述平行投影图片光机(10)包括和控制器件(40)信号连接的扫描投影单元(108)和可控偏转器件(107)、及准直器件(104)，所述示扫描投影单元(108)包括扫描器件(1081)和可调制光束生成单元(1082)；

其中，可调制光束生成单元(1082)出射光束被扫描器件(1081)时序偏转，沿不同方向投射光束给准直器件(104)，并被所述准直器件(104)转为平行光束，控偏转器件(107)时序偏转经所述准直器件(104)入射的平行光束，并通过控制器件(40)同步调制各光束所携带光信息，从而沿不同方向时序投射各自对应平行投影图片。

14.根据权利要求13所述的基于平行投影图片的波导显示模组，其特征在于，所述平行投影图片光机(10)包括多于一个的扫描投影单元(108)。

15.根据权利要求1所述的基于平行投影图片的波导显示模组，其特征在于，多于一个的波导器件(20)堆叠置放，各波导器件(20)传导各自对应平行投影图片光机(10)所投射的平行投影图片。

16.根据权利要求15所述的基于平行投影图片的波导显示模组，其特征在于，各波导器件(20)共用会聚器件(30)。

17.根据权利要求1所述的基于平行投影图片的波导显示模组，其特征在于，多于一个的波导器件(20)堆叠置放，各波导器件(20)传导各自对应平行投影图片光机(10)所投射的平行投影图片的光束，其中各波导器件(20)所对应的会聚器件被复合于该波导器件(20)。

18.根据权利要求1所述的基于平行投影图片的波导显示模组，其特征在于，各耦出单元由间隔分布的耦出区域组成，来自对应平行投影图片的任一条光束，经该耦出单元的不同耦出区域所耦出的不同光束，不能多于一条地同时入射观察者瞳孔(50)；

该基于平行投影图片的波导显示模组还包括瞳孔追踪单元(60)，该瞳孔追踪单元(60)用于实时确定对应瞳孔位置，控制器件(40)同步刷新各光束所携带光信息，为沿其对应投影光束，待显示场景的投影光信息。

19.根据权利要求1所述的基于平行投影图片的波导显示模组，其特征在于，耦入器件(203)由多于一个的耦入单元组成，各耦入单元分别对应一个平行投影图片光机(10)；

该基于平行投影图片的波导显示模组被设置为，其多于一个的平行投影图片光机经各自对应耦入单元共投射M×N个平行投影图片。

20.根据权利要求1所述的基于平行投影图片的波导显示模组，其特征在于，平行投影图片光机(10)包含显示器件(101)，该显示器件(101)的像素或子像素，分为交错排列的K个像素组或子像素组，该K个像素组或子像素组所投射的光束集分别具有不同光学特性，经对该不同光学特性入射光具有不同调制能力的耦入器件(203)引导，沿K个不同方向分别作为K个等效平行投影图片平行出射，其中K≧2。

21.根据权利要求1所述的基于平行投影图片的波导显示模组，其特征在于，其平行投影图片光机(10)包含投射光束的显示器件(101)，且所述基于平行投影图片的波导显示模组包括微结构阵列(70)，该微结构阵列由和显示器件(101)各像素、或各子像素、或各像素或子像素所投射的光束一一对应的微结构组成，

其中，所述显示器件(101)的像素或子像素，分为交错排列的K个像素组或子像素组，该K个像素组或子像素组各自投射的光束集，经各自对应微结构调控，沿K个不同方向作为K个等效平行投影图片分别平行出射，其中K≧2。

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