CN115327773B - 显示设备、应用显示设备的车辆及显示虚拟图像的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种显示设备、应用显示设备的车辆及显示虚拟图像的方法，该显示设备包括：光引擎，产生输入光，形成输入图像；图像扩展器包括：光波导板、输入耦合元件，将输入光耦合到光波导板中，形成第一波导光和第二波导光；第一输出耦合元件，将第一波导光耦合出光波导板来形成输出光；第二输出耦合元件，将第二波导光耦合出光波导板来形成输出光，显示设备还包括底座和带动图像扩展器旋转的驱动装置，光引擎的光轴与图像扩展器的旋转轴之间的角度在10°至45°的范围内。因此，通过图像扩展器的旋转可提供更大的发光显示区域，使显示设备可以从输出耦合元件扫过的整个区域发出输出光。这样，通过小面积的出瞳就可以达到大Eye Box的显示效果。
Description
技术领域
本发明涉及显示装置领域技术，尤其是指一种显示设备、应用显示设备的车辆及显示虚拟图像的方法。
背景技术
一种已知的虚拟显示设备，包括光引擎和衍射光波导模组。其中光引擎产生输入光束，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，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，应对现有的虚拟显示设备进行改进，以实现大Eye Box的显示效果。
发明内容
有鉴于此，本发明针对现有技术存在之缺失，其主要目的是提供一种显示设备、应用显示设备的车辆及显示虚拟图像的方法，其通过旋转图像扩展器使得显示设备可以从输出耦合元件扫过的整个区域发出输出光。这样，通过小面积的出瞳和小的输出耦合元件就可以达到大Eye Box的显示效果。从而使显示设备实现通过小的输出耦合元件达到大EyeBox的显示效果。
为实现上述目的，本发明采用如下之技术方案：
一种用于显示虚拟图像的显示设备(500)，该显示设备(500)包括：
光引擎(ENG1)，产生输入光(IN1)，形成输入图像(IMG0)，
图像扩展器(EPE1)，通过扩展输入光(IN1)的子输入光束(B0P0,R，B0P1,R)形成输出光(OUT1)的子输出光束(B3P0,R，B3P1,R)，
所述图像扩展器(EPE1)包括：
光波导板(SUB1)，
输入耦合元件(DOE1)，通过衍射将输入光(IN1)耦合到光波导板(SUB1)中，形成第一波导光(B1a)和第二波导光(B1b)，
第一输出耦合元件(DOE3a)，通过衍射将第一波导光(B1a)耦合出光波导板(SUB1)来形成输出光(OUT1)，和
第二输出耦合元件(DOE3b)，通过衍射将第二波导光(B1b)耦合出光波导板(SUB1)来形成输出光(OUT1)，
其中，显示设备(500)还包括底座(BASE1)和驱动装置(MOTOR1)，以带动图像扩展器(EPE1)相对于底座(BASE1)的旋转，
其中，光引擎(ENG1)的光轴(AX0)与图像扩展器(EPE1)的旋转轴(AX1)之间的角度(γ1)在10°至45°的范围内。
作为一种优选方案，所述光引擎(ENG1)的光轴(AX0)与输入光(IN1)的轴向光束(B3P0,R)平行，其中所述轴向光束(B3P0,R)对应于输入图像(IMG0)的中心像点(P0)。
作为一种优选方案，所述输入耦合元件(DOE1)包括表面浮雕光栅(G1)。
作为一种优选方案，所述输入耦合元件(DOE1)具有第一输入光栅矢量(V1a)和方向相反的第二输入光栅矢量(V1b)，
其中，第一输出耦合元件(DOE3a)具有第一输出光栅矢量(V3a)，
其中，第二输出耦合元件(DOE3b)具有第二输出光栅矢量(V3b)，
其中，第一输入光栅矢量(V1a)和第一输出光栅矢量(V3a)之和为零，
其中，第二输入光栅矢量(V1b)和第二输出光栅矢量(V3b)之和为零。
作为一种优选方案，所述光引擎(ENG1)可产生所述输入图像(IMG0)，并将所述输入图像(IMG0)的所有像素点转换成所述输入光(IN1)的多个子输入光束(例如B0P0,R，B0P1,R)；其中，图像扩展器(EPE1)可通过扩展输入光(IN1)的子输入光束(例如B0P0,R，B0P1,R)来形成输出光(OUT1)的子输出光束(例如B3P0,R，B3P1,R)。
一种应用显示设备的车辆(1000)，包括所述的显示设备(500)。
一种显示虚拟图像的方法，该方法包括：
通过使用光引擎(ENG1)提供多个子输入光束(B0P0,R，B0P1,R)，使得子输入光束(B0P0,R，B0P1,R)对应于输入图像(IMG0)的图像点(P0，P1)，
通过使用图像扩展器(EPE1)扩展输入光(IN1)的子输入光束(B0P0,R，B0P1,R)形成输出光(OUT1)的子输出光束(B3P0,R，B3P1,R)，以及
引起图像扩展器(EPE1)的旋转运动，
所述图像扩展器(EPE1)包括：
光波导板(SUB1)，
输入耦合元件(DOE1)，通过衍射将输入光(IN1)耦合到光波导板(SUB1)中，形成第一波导光(B1a)和第二波导光(B1b)，
第一输出耦合元件(DOE3a)，通过衍射将第一波导光(B1a)耦合出光波导板(SUB1)来形成输出光(OUT1)，和
第二输出耦合元件(DOE3b)，通过衍射将第二波导光(B1b)耦合出光波导板(SUB1)来形成输出光(OUT1)，其中，光引擎(ENG1)的光轴(AX0)与图像扩展器(EPE1)的旋转轴(AX1)之间的角度(γ1)在10°至45°的范围内。
该显示设备可以包括产生输入图像的光引擎、扩展光引擎出瞳图像的图像扩展器和旋转图像扩展器的电机。其中图像扩展器可以通过衍射光栅或反射面来实现。
图像扩展器的旋转可以提供更大的发光显示区域，该区域相当于一个大的虚拟的输出耦合元件。这种实现方式使实际显示区域的面积由旋转面积决定，该面积明显大于图像扩展器的输出耦合元件的面积。
旋转图像扩展器可以扩大光引擎的成像面积，使得显示设备可以从输出耦合元件扫过的整个区域发出输出光。这样，通过小面积的出瞳就可以达到大Eye Box的显示效果。从而使显示设备实现通过小的输出耦合元件达到大Eye Box的显示效果。
倾斜图像扩展器，可以提高输入光的耦合效率。图像扩展器的旋转轴可以相对于光引擎的光轴倾斜。例如，图像扩展器的旋转轴与光引擎的光轴之间的倾角(γ1)可以在例如10°至45°的范围内。耦合角度的倾斜可能会对显示区域的上半区域和下半区域的光强分布产生影响。图像扩展器的倾斜可以增加显示区域的最大亮度，和/或降低输入图像的亮度。
图像扩展器的倾斜可能会对光的输入耦合以及显示区域的上下区域之间波导光的分布产生影响。倾斜旋转轴可以增加显示区域中上半区域的光耦合效率，并且降低显示区域中下半区域的光耦合效率。
在一实施例中，只有显示区域的上半高亮度区域可以对用户可见，下半低亮度区域可以隐藏在例如盖子后面，上半区域可用作宽阔的显示区域。
在一实施例中，显示区域的上半区域可以向用户的眼睛耦合出光，下半区域耦合出的光可以被阻挡。
光引擎可以提供对应于输入图像的输入光。所述图像扩展器包括光波导板、将输入光通过衍射耦合到光波导板中形成第一波导光和第二波导光的输入耦合元件、通过将第一波导光衍射耦合出光波导板形成输出光的第一输出耦合元件，以及通过将第二波导光衍射耦合出光波导板形成输出光的第二输出耦合元件。当输出光进入用户眼睛时，用户可以观察所显示的虚拟图像。
输入光可以包括多个子输入光束。输出光可以包括多个子输出光束。可以选择输入耦合元件的光栅矢量和输出耦合元件的光栅矢量，使得输出光束的方向与输入光束的方向相对应。采用衍射元件可以促进图像扩展器的批量生产。
可以选择衍射元件的光栅周期，对于同一图像点，使得由第一输出耦合元件形成的第一输出光束可以与由第二输出耦合元件形成的第二输出光束平行。
可以提高图像扩展器的转速，从而减少视觉上可察觉的闪烁效果。例如，转速fRPM可以高于每秒20转。当使用两个输出耦合元件时，所显示图像的帧率可能等于图像扩展器转速fRPM的两倍。当图像帧率超过人眼的时间分辨率时，则由旋转图像扩展器定义的整个显示区域可以被视为视觉上均匀的显示表面。
在一个实施例中，该显示设备可用于车载抬头显示。例如，在车辆行驶过程中，用户的头部由于车辆的运动而移动的情况下，显示设备的大Eye Box仍然可以让用户观看到显示设备中的虚拟图像。
为更清楚地阐述本发明的结构特征和功效，下面结合附图与具体实施例来对其进行详细说明。
附图说明
图1a为本发明中显示设备的侧视示意图；
图1b为本发明中显示设备的轴向视图，以及输出耦合元件形成的有效显示区域示意图；
图1c为本发明中显示设备旋转角度为90°时的立体示意图；
图1d为本发明中显示设备旋转角度为0°时的立体示意图；
图2a为本发明显示设备中某一图像点的发光时序示意图；
图2b为本发明第一波导光的耦合效率与时间关系示意图，以及第二波导光的耦合效率与时间关系示意图；
图3a为本发明中抬头显示设备使用场景的侧视示意图；
图3b为本发明中抬头显示设备使用场景的侧视示意图，其中，驾驶员通过挡风玻璃接收车辆外的物体发出的光示意图；
图3c为本发明中抬头显示设备使用场景的侧视图，其中，驾驶员通过挡风玻璃接收车辆外的物体发出的光，同时接收通过挡风玻璃反射的抬头显示设备发出的光示意图；
图4a～4e为本发明中光引擎产生输入光的原理图，其中光引擎对输入图像的每个像素准直示意图；
图4f为本发明中观察者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示意图；
图4g为本发明中观看虚拟图像时的角宽度示意图；
图4h为本发明中观看虚拟图像时的角高度示意图；
图4i为本发明中展示了输入光束的波矢量示意图；
图5a为本发明中展示了波导光在光波导板中的传播示意图；
图5b为本发明中展示了光束在光波导板中耦入和耦出的过程示意图；
图6a为本发明中展示了衍射元件的尺寸示意图；
图6b为本发明中展示了光栅元件的光栅矢量示意图。
具体实施方式
本发明如图1a至图6b所示，一种显示设备、应用显示设备的车辆及显示虚拟图像的方法，其中：
该显示设备500参考图1a和图1b，其可以包括产生输入光IN1的光引擎ENG1、通过扩展输入光IN1形成输出光OUT1的图像扩展器EPE1、以及通过旋转图像扩展器EPE1来放大显示区域REG1的电机MOTOR1。
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。
光引擎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。光引擎ENG1也可以将输入光IN1投射到输入耦合元件DOE1上。光引擎ENG1也可以称为投影仪。
图像扩展器EPE1可以包括光波导板SUB1，光波导板SUB1可以包括输入耦合元件DOE1和输出耦合元件DOE3、DOE3a、DOE3b。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。
旋转轴AX1可能与输入耦合元件DOE1相交。输入耦合元件DOE1可以与旋转轴AX1共轴。光引擎ENG1的光轴AX0可以与输入耦合元件DOE1相交。例如，光轴AX0与输入耦合元件DOE1的中心距离可以小于光波导板SUB1最大宽度(wSUB1)的5％。特别地，光轴AX0可以与输入耦合元件DOE1的中心相交。
每个元件DOE1、DOE3a、DOE3b可以包含一个或多个衍射光栅。例如，光栅可以在光波导板SUB1的第一和/或第二表面上。这些元件DOE1、DOE3a、DOE3b可以是衍射元件。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SUB 1，形成引导光B1a，B1b。引导光B1a、B1b可以作为波导光在光波导板SUB1中传播。
输出耦合元件DOE3a、DOE3b可以通过衍射将波导光B1a、B1b从光波导板SUB1中耦合出来，形成输出光OUT1。输出耦合元件DOE3a，DOE3b可以作为一对元件工作。输出耦合元件DOE3a，DOE3b可以位于输入耦合元件DOE1的相对两侧。
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。
光引擎ENG1的光轴AX0与图像扩展器EPE1的旋转轴AX1之间的倾斜角度为γ1。例如，倾斜角度γ1可以在10°至45°的范围内。特别地，倾斜角度γ1可以在例如20°至35°的范围内，例如，倾斜角度γ1可以基本等于30°。旋转轴AX1相对于光引擎光轴AX0的倾斜，会导致输入光IN1主要耦合到显示区域的上半区域。因此，倾斜旋转轴AX1可以增加上半显示区域的亮度，和/或可以允许降低输入图像IMG0的亮度。降低输入图像IMG0的亮度可以允许降低光引擎ENG1的功耗。
图像扩展器EPE1可以设置为相对于固定底座BASE1旋转。所述显示设备500可以通过底座BASE1安装到例如车辆1000上。例如，显示设备500可以经由一个或多个接头FIX1安装到车辆1000上，其中接头可采用粘合接头和/或螺纹接头。
光引擎ENG1可以固定地安装到底座BASE1中并保持相对静止。图像扩展器EPE1可设置为相对于固定底座BASE1旋转和/或振动。
显示设备500可以包括驱动装置MOTOR1，以带动图像扩展器EPE1相对于固定底座BASE1旋转和/或振动。其中驱动装置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底座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。
光引擎ENG1可以通过例如保护盖502机械地连接到底座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。
光引擎ENG1也可以通过连接结构连接到底座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的背面。
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的光束宽度可以大于输入光IN1的光束宽度。
图像扩展器EPE1旋转时，可以逐步增加输出光束OUT1的水平截面尺寸和垂直截面尺寸。旋转时，图像扩展器EPE1可以有效地在两个维度上(例如在SX方向和SY方向)上扩展输入光IN1。该扩展过程也可以称为出瞳扩展。图像扩展器EPE1也可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耦合到光波导板SUB1中来形成波导光B1。输入耦合元件DOE1可以通过将输入光IN1耦合到光波导板SUB1中来形成波导光B1a，B1b。波导光B1、B1a、B1b可以在平面光波导板SUB1内进行传播。B1，B1a，B1b可以通过全内反射限制在板SUB1上。术语“波导”可能意味着光在平面光波导板SUB1内传播，以便光通过全内反射(TIR)限制在板内。光波导板SUB1用作光导。术语“波导”可能与术语“引导”的含义相同。
SX、SY和SZ表示第一正交坐标系。光引擎ENG1的光轴AX0与SZ方向平行。方向SX和SY垂直于光轴AX0。
SX、SY'和SZ'表示第二正交坐标系。方向SZ'平行于图像扩展器EPE1的旋转轴AX1。方向SX和SY'垂直于旋转轴AX1。第二正交坐标系(SX，SY'，SZ')相对于第一正交坐标系(SX，SY，SZ')倾斜。第二正交坐标系的方向SX可以与第一正交坐标系的方向SX平行。
光波导板SUB1可以平行于由方向SX和SY'定义的平面。
图像扩展器EPE1可以相对于底座BASE1旋转。输入耦合元件DOE1可以与旋转轴AX1共轴。
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。
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。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和光引擎ENG1定位在图像扩展器EPE1的同一侧。
在一实施例中，图像扩展器EPE1和/或电机MOTOR1可以阻挡显示区域REG1的中心区域，使得主显示区域REG1具有暗中心。
图像扩展器EPE1可以相对于旋转轴AX1进行机械平衡，从而最大限度地减少或消除由图像扩展器EPE1的旋转引起的机械振动。
图像扩展器EPE1可以是静态平衡的，使得图像扩展器EPE1的重心可以落在旋转轴AX1上。
图像扩展器EPE1可以是动态平衡的，使得绕旋转轴AX1旋转不会产生任何离心力。
参照图1b，输出耦合元件DOE3a、DOE3b可以通过沿着圆形路径围绕图像扩展器EPE1的旋转轴AX1旋转来生成大显示面积DAR1。
显示区域DAR1可以具有主显示区域REG1和次显示区域REG2。主显示区域REG1可以是例如显示区域DAR1的上半区域，而次显示区域REG2可以是例如显示区域DAR1的下半区域。可以通过倾斜旋转轴AX1，使得从主显示区域REG1的输出光OUT1的亮度高于次显示区域REG2的输出光OUT1的亮度。
主显示区域REG1可由外边界BND1、内边界BND2、左边界BND3和右边界BND4定义。边界BND1、BND2可以与旋转轴AX1共轴。
主显示区域REG1可以具有外半径r1REG1和内半径r2REG1。输出耦合元件DOE3a，DOE3b可以定义主显示区域REG1的外边界BND1和/或内边界BND2。例如，BND1外边界的半径r1REG1可以在4cm至25cm的范围内。例如，主显示区域REG1的宽度wREG1可以在8厘米至50厘米的范围内。例如，主显示区域REG1的表面积AREG1可以在100平方厘米至1500平方厘米的范围内。
wREG1表示主显示区域REG1的宽度。hREG1表示主显示区域REG1的中心高度。AREG1表示主显示区域REG1的有效面积。ADOE3a表示输出耦合元件DOE3a的表面积。fRPM表示图像扩展器EPE1的旋转速度。
旋转角度φa可以指定第一输出耦合元件DOE3a的角度位置。旋转角度φa(t)可以是时间t的函数，通过以下等式确定：
φa(t)＝ω1·t+C1 (1)
其中ω1表示旋转图像扩展器EPE1的角速度，C1表示初始角度。例如，旋转角度φa指定DOE3a元件的中心点CPa到轴AX1绘制的直线与SX方向之间的角度。
元件DOE3a的中心点CPa沿环形路径PATH1围绕旋转轴AX1移动。中心点Cpa跟随图像扩展器EPE1一起旋转。显示点DP1，DP2，DP3，DP4是显示区域DAR1的固定点。显示点DP1、DP2、DP3、DP4可以是相对于底座BASE1的固定位置。DP1表示第一个显示点，当中心点CPa位于旋转角度φa＝0°时，它与元件DOE3a的中心点CPa重合。DP2表示第二个显示点，当中心点CPa位于旋转角度φa＝90°时，它与中心点CPa重合。DP3表示第三个显示点，当中心点CPa位于旋转角度φa＝180°时，它与中心点CPa重合。DP4表示第四个显示点，当中心点CPa位于旋转角度φa＝270°时，它与中心点CPa重合。
主显示区域REG1的任意点(例如POINT1)可以相对于底座BASE1固定在某一位置。当图像扩展器EPE1旋转时，任意点(POINT1)可以以脉冲的方式发射输出光OUT1。当图像扩展器EPE1旋转，任意点(POINT1)落在输出耦合元件(例如DOE3a)的范围内时，所述点(POINT1)可能发射输出光OUT1；任意点(POINT1)落在输出耦合元件(例如DOE3a)的范围外时，所述点(POINT1)无法发射输出光OUT1。可以选择足够高的旋转速度(fRPM)，以减少或避免显示区域REG1的所述点(POINT1)存在可检测的视觉闪烁。
当输出耦合元件DOE3a、DOE3b扫过任意点时，主显示区域REG1的所述点可以依次以脉冲方式发射输出光OUT1。整个主显示区域REG1可以以脉冲的方式发出输出光OUT1。
图2a通过示例示出了显示点DP2的局部强度IDP2的时序图。当图像扩张器EPE1旋转时，DP2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DP2与输出耦合元件DOE3a或DOE3b重叠时，点DP2的强度达到最大值IMAX；当DP2不与输出耦合元件DOE3a或DOE3b重叠时，点DP2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DP2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DP2时，从点DP2发出的光脉冲的持续时间。TBLANK表示点DP2不与输出耦合元件DOE3a和DOE3b重合时的时间段。点DP2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DP2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显示了从输入光形成波导光的(η1)耦合效率。图2b的实心曲线通过示例示出从输入光IN1到形成第一波导光B1a的第一耦合效率η1a(φa)，其中η1a为旋转角度φa的函数。图2b的虚线曲线通过示例示出从输入光IN1到形成第二波导光B1b的第二耦合效率η1b(φa)，其中η1b为旋转角度φa的函数。图2b的耦合效率为倾斜角γ1等于30°的情况。
例如，当旋转角度φa在30°至150°范围内时，第一耦合效率η1a(φa)可能高于30％。例如，当旋转角度φa在180°至360°的范围内时，第一耦合效率η1a(φa)可能低于或等于5％。
例如，当旋转角度φa在210°至330°范围内时，第二耦合效率η1b(φa)可能高于30％。例如，当旋转角度φa在0°至180°的范围内时，第二耦合效率η1b(φa)可能低于或等于5％。
耦合效率η1a(φa)也可以称为输入耦合效率。耦合效率η1b(φa)也可以称为输入耦合效率。第一耦合效率η1a(φa)可以表示第一波导光B1a的功率与输入光IN1入射输入耦合元件DOE1的功率之比。第二耦合效率η1b(φa)可以表示第二波导光B1b的功率与输入光IN1入射输入耦合元件DOE1的功率之比。
图2b的耦合效率表明，输入耦合元件DOE1可以将输入光IN1大部分耦合到显示区域DAR1的主显示区域REG1上。因此，上半部分REG1可能看起来比下半部分REG2更亮。
主显示区域REG1的左边界BND3和右边界BND4可以基于ηφ图像扩展器EPE1的角耦合效率函数η1a(a)，1aφ(a)来定义。例如，右边界BND4可以由第一个外耦合元件DOE3a的最下边缘在第一个旋转角度φa处定义，其中耦合效率函数η1a(φa)增加到5％(例如，当φa＝0°时)。例如，左边界BND3可以由第一个外耦合元件DOE3a的最下边缘在第二个旋转角度a处定义φ，其中耦合效率函数η1a(φa)降低到5％(例如，当φa＝180°时)。
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。车辆可以是电动车辆、内燃车辆、摩托车、有轨电车、火车、船只、飞机等交通工具。
驾驶车辆时，驾驶员USER1可能需要观察与驾驶相关的信息。车辆的显示设备500可以被安排成例如显示有关车辆速度、电池状态、车辆电机状态和/或导航指令的信息。显示设备500的用户USER1可以是车辆的驾驶员或乘客。用户USER1可以通过显示区域REG1看到真实对象OBJ1和/或环境，此外还可以看到显示的虚拟图像VIMG1。当使用显示设备500时，驾驶员USER1不需要低头看仪表板来观察显示的信息。当使用显示设备500时，驾驶员USER1可以通过车辆的挡风玻璃连续观察环境，而无需向下看。避免低头的需要可能会提高驾驶安全性。显示的虚拟图像VIMG1可以表示与驾驶有关的信息。由显示设备500形成的虚拟图像VIMG1可以落在驾驶员视线LIN1的前面，以便驾驶员USER1可以同时观察显示的信息和外部物体。驾驶员的视线LIN1可以与显示设备500的有效显示区域REG1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REG1。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REG1也可以便于显示具有大角宽和/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，底座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。
参考图4a至4e，图像扩展器EPE1可以通过扩展由光引擎ENG1产生的输入光IN1来形成输出光OUT1。
光引擎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B0P1,R可以对应于像点P1，并且可以在波矢量k0P1,R的方向上传播。
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。
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。
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B3P0,R、B3P1,R、B3P2,R、B3P3,R、B3P4,R；它们可以对应于显示的虚拟图像VIMG1的点P0'、P1'、P2'、P3'、P4'。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可以照射到观察者的眼睛EYE1上，使得观察者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可形成输出光OUT1，其包括多个子输出光束B3P0,R、B3P1,R、B3P2,R、B3P3,R、B3P4,R，并在波矢量k3P0,R、k3P1,R、k3P2,R、k3P3,R、k3P4,R指定的不同方向上传播。
与所显示的虚拟图像VIMG1的点P0'相对应的红光光束具有波矢量k3P0,R；对应于点P1'的红光光束具有波矢量k3P1,R；对应于点P2'的红光光束具有波矢量k3P2,R；对应于点P3'的红光光束具有波矢量k3P3,R；对应于点P4'的红光光束具有波矢量k3P4,R。
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、B3P4,R可以在与相应输入光束B0P1,R、B0P2,R、B0P3,R、B0P4,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和θ来指定。角度/>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。
参见图5a，光引擎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。
第一输出耦合元件DOE3a可以通过衍射将第一波导光B1耦合出光波导板SUB1来形成输出光OUT1的一部分B3a。第二输出耦合元件DOE3b可以通过衍射将第二波导光B1b形成输出光OUT1的另一部分B3b。
输入图像IMG0可以表示例如图形、文本、视频等信息。光引擎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可以扩大出瞳，从而扩大Eye Box。
光引擎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(Micro LED)等显示器件。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(4K UHD)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、P3、P4光引擎ENG1可以包括准直光学元件LNS1以从每个图像像素形成不同的准直光束。光引擎ENG1可以包括准直光学元件LNS1以从图像点P0的光形成基本上准直的光束。显示器DISP1的中心和准直光学元件LNS1的中心可以共同定义光引擎ENG1的光轴AX0。光引擎ENG1的光轴AX0的方向相对于光引擎ENG1是固定的。光轴AX0的方向相对于显示器DISP1是固定的。输入图像(IMG0)的中心点(P0)可以与显示器DISP1有效区域的中心点重合。符号P0也可以指显示器DISP1的可控有效区域的中心点。
所述光轴AX0可以平行于输入光(IN1)的轴向光束(B3P0,R)，其中所述轴向光束(B3P0,R)对应于输入图像(IMG0)的中心点(P0)。
光引擎ENG1可以设置为同时投射红光、绿光和蓝光，以显示彩色图像VIMG1。
光引擎ENG1也可以设置为仅投射一种颜色(例如红色，绿色或蓝色)，以显示单色图像VIMG1。
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应与SX和SY'方向定义的平面基本平行。
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、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、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。
特别地，输入耦合元件DOE1可以包括表面浮雕衍射光栅，从而增强倾斜角γ1对显示区域DAR1上下区域REG1、REG2的光强分布的影响。
在一个实施例中，衍射元件可以通过光刻技术来生产。例如，可以通过电子束光刻法生产压印工具，并且可以使用压印工具形成输出耦合元件的衍射光栅。增加压印工具的微结构面积的可能会大量增加压印工具的生产成本。旋转图像扩展器可以提供扩大的显示区域，而不需要增加压印工具的微结构区域的大小。
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。
参见图5b，光引擎ENG1可以产生光束B0P0,R，它代表图像点P0的红色分量。输入耦合元件DOE1可以通过衍射将光束B0P0,R转换成第一波导光B1aP0,R和第二波导光B1bP0,R。第一输出耦合元件DOE3a可以通过衍射将第一波导光B1aP0,R转化为输出光束B3aP0,R。第二输出耦合元件DOE3b可以通过衍射将第二波导光B1bP0,R转化为输出光束B3bP0,R。
输入耦合元件DOE1包括衍射特征F1a。输出耦合元件DOE3a包括衍射特征F3a。输出耦合元件DOE3b包括衍射特征F3b。输入耦合元件DOE1具有光栅周期d1a。输出耦合元件DOE3a具有光栅周期d3a。输出耦合元件DOE3b具有光栅周期d3b。
输出耦合元件可以形成输出光束，使得每个输出光束的方向和强度都对应于所显示图像VIMG1的相应图像点的位置和亮度。
可以选择输出耦合元件的衍射特征的位置和方向，使得由不同的输出耦合元件形成的输出光束在对应同一图像点的时候彼此平行。
例如，输出耦合元件DOE3a可以形成输出光束B3aP0,R，输出耦合元件DOE3b可以形成输出光束B3bP0,R，在输出光束对应于所显示图像VIMG1的相同图像点(P0)的情况下，输出光束B3aP0,R，B3bP0,R彼此平行。下标“R”表示红光光束。
输出光束的平行可以确保所显示的图像点(P0)在视觉上显示为单点像元，并且输出光束的平行还可以确保图像扩展器EPE1的旋转不会导致所显示图像点(P0)的产生视觉可检测的偏移。
输入耦合元件DOE1的衍射特征F1a可以相对于光引擎ENG1的光轴AX0倾斜。用于从轴向输入光束B0P0,R形成的第一波导光B1aP0,R的第一耦合效率可以不同于用于从轴向输入光束B0P0,R形成第二波导光B1bP0,R的第二耦合效率。
参考图6a，每个衍射元件DOE1、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。例如，输出耦合元件DOE3a可以包括光栅G3a，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(F1a、F3a、F3b)，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。
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、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。
输入耦合元件DOE1具有第一光栅矢量V1a和第二光栅矢量V1b。光栅矢量V1a、V1b的大小可以通过输入耦合元元件DOE1的衍射光栅G1的光栅周期d1a来确定。衍射光栅G1可包含衍射特征F1a。第一光栅矢量V1a的方向可以由相对于参考方向的角度β1a指定。
例如，当方向角β1a为零时(即β1a＝0°)，参考方向可以是第一光栅矢量V1a的方向。在图像扩展器EPE1静止时，参考方向也可以是例如SX方向。图像扩展器EPE1可以旋转和停止，使得第一光栅矢量V1a平行于SX方向。
输入耦合元件DOE1具有第一光栅矢量V1a，可以将输入光IN1耦合到光波导板SUB1中形成第一波导光B1a。输入耦合元件DOE1具有第二光栅矢量V1b，可以将输入光IN1耦合到光波导板SUB1中来形成第二波导光B1b。
输入耦合元件DOE1可以在其光栅矢量V1a，V1b指定的方向上形成波导光B1a，B1b。
第一输出耦合元件DOE3a具有衍射光栅G3a，可以将第一波导光B1a耦合出光波导板SUB1。衍射光栅G3a具有衍射特征F3a，光栅周期为d3a。输出耦合元件DOE3a的光栅矢量V3a的方向由方向角β3a指定。
第二输出耦合元件DOE3b具有衍射光栅G3b，可以将第二波导光B1b耦合出光波导板SUB1。衍射光栅G3b具有衍射特征F3b，光栅周期为d3b。输出耦合元件DOE3b的光栅矢量V3b的方向由方向角β3b指定。
第一光栅矢量V1a的光栅方向为β1a，幅度为2π/d1a。第二光栅矢量V1b的光栅方向为β1b，幅度为2π/d1a。光栅矢量V3a的光栅方向为β3a，幅度为2π/d3a。光栅矢量V3b的光栅方向为β3b，幅度为2π/d3b。其中，光栅矢量的方向(β)可以通过所述矢量和参考方向(例如方向SX)之间的夹角决定。
光栅矢量V1b的幅度可以与光栅矢量V1a的幅度相同，光栅矢量V1b的方向可以与光栅矢量V1a的方向相反。
第一输出耦合元件DOE3a可以形成输出光OUT1的子输出光束B3a。第二输出耦合元件DOE3b可以形成输出光OUT1的子输出光束B3b。可以选择输出耦合元件DOE3a、DOE3b的光栅矢量d3a、d3b，使得对应所显示图像的同一图像点(P0)的情况下，输出光OUT1的不同子输出光束B3a、B3b的彼此平行。特别地，可选择使输出耦合元件DOE3a的光栅周期d3a和输出耦合元件DOE3b的光栅周期d3b与输入耦合元件DOE1的光栅周期d1a相同。
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。w3表示输出耦合元件DOE3a的宽度。h3表示输出耦合元件DOE3a的高度。wSUB1表示光波导板SUB1的宽度。其中，宽度w1、w3、wSUB1可以沿光栅矢量V1a的方向定义。
可以选择输出耦合元件DOE3a，DOE3b光栅周期(d)和光栅矢量(β)的方向，以便满足以下条件，使得对应于所显示图像的同一图像点，由不同的输出耦合元件提供的输出光束可以彼此平行。
V1a+V3a＝0(2a)
V1b+V3b＝0(2b)
可以选择第一输出耦合元件DOE3a的衍射特征F3a，使得第一输入光栅矢量V1a和第一输出光栅矢量V3a的和为零。
可以选择第二输出耦合元件DOE3b的衍射特征F3b，使得第二输入光栅向量V1b和第二输出光栅向量V3b的和为零。
方程(2a)和(2b)指定光栅矢量和的条件。方程(2a)和(2b)左侧的每项都是矢量，具有大小和方向。
在一实施例中，图像扩展器EPE1的光波导板SUB1可以使外部光EX1沿轴向(AX0，SZ)通过光波导板SUB1传播。例如，用户USER1在查看所显示的虚拟图像VIMG1时，可以通过光波导板SUB1同时观察外部物体OBJ1。外部光EX1可以从外部物体OBJ1通过光波导板SUB1传播到用户USER1的眼睛EYE1。
在一实施例中，光波导板SUB1可以包括切口或开口，以便外部光EX1可以通过切口或开口在轴向(AX0，SZ)传播。外部光EX1可通过切口或开口从外部对象OBJ1传播到用户USER1的眼睛EYE1。
采用上述显示设备显示虚拟图像(VIMG1)的方法，包括：
通过使用光引擎(ENG1)提供多个子输入光束(B0P0,R，B0P1,R)，使得子输入光束(B0P0,R，B0P1,R)对应于输入图像(IMG0)的图像点(P0，P1)，
通过使用图像扩展器(EPE1)扩展输入光(IN1)的子输入光束(B0P0,R，B0P1,R)形成输出光(OUT1)的子输出光束(B3P0,R，B3P1,R)，以及
引起图像扩展器(EPE1)的旋转运动，
所述图像扩展器(EPE1)包括：
光波导板(SUB1)，
输入耦合元件(DOE1)，通过衍射将输入光(IN1)耦合到光波导板(SUB1)中，形成第一波导光(B1a)和第二波导光(B1b)，
第一输出耦合元件(DOE3a)，通过衍射将第一波导光(B1a)耦合出光波导板(SUB1)来形成输出光(OUT1)，和
第二输出耦合元件(DOE3b)，通过衍射将第二波导光(B1b)耦合出光波导板(SUB1)来形成输出光(OUT1)，其中，光引擎(ENG1)的光轴(AX0)与图像扩展器(EPE1)的旋转轴(AX1)之间的角度(γ1)在10°至45°的范围内。
本发明的设计重点在于，
图像扩展器的旋转可以提供更大的发光显示区域，该区域相当于一个大的虚拟的输出耦合元件。这种实现方式使实际显示区域的面积由旋转面积决定，该面积明显大于图像扩展器的输出耦合元件的面积。
旋转图像扩展器可以扩大光引擎的成像面积，使得显示设备可以从输出耦合元件扫过的整个区域发出输出光。这样，通过小面积的出瞳就可以达到大Eye Box的显示效果。从而使显示设备实现通过小的输出耦合元件达到大Eye Box的显示效果。
倾斜图像扩展器，可以提高输入光的耦合效率。图像扩展器的旋转轴可以相对于光引擎的光轴倾斜。例如，图像扩展器的旋转轴与光引擎的光轴之间的倾角(γ1)可以在例如10°至45°的范围内。耦合角度的倾斜可能会对显示区域的上半区域和下半区域的光强分布产生影响。图像扩展器的倾斜可以增加显示区域的最大亮度，和/或降低输入图像的亮度。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种显示设备(500)，其特征在于：包括
光引擎(ENG1)，产生输入光(IN1)，形成输入图像(IMG0)，
图像扩展器(EPE1)，通过扩展输入光(IN1)的子输入光束(B0P0,R，B0P1,R)形成输出光(OUT1)的子输出光束(B3P0,R，B3P1,R)，
所述图像扩展器(EPE1)包括：
光波导板(SUB1)，
输入耦合元件(DOE1)，通过衍射将输入光(IN1)耦合到光波导板(SUB1)中，形成第一波导光(B1a)和第二波导光(B1b)，
第一输出耦合元件(DOE3a)，通过衍射将第一波导光(B1a)耦合出光波导板(SUB1)来形成输出光(OUT1)，和
第二输出耦合元件(DOE3b)，通过衍射将第二波导光(B1b)耦合出光波导板(SUB1)来形成输出光(OUT1)，
其中，显示设备(500)还包括底座(BASE1)和驱动装置(MOTOR1)，以带动图像扩展器(EPE1)相对于底座(BASE1)的旋转，
其中，光引擎(ENG1)的光轴(AX0)与图像扩展器(EPE1)的旋转轴(AX1)之间的角度(γ1)在10°至45°的范围内。
2.根据权利要求1所述的显示设备(500)，其特征在于：所述光引擎(ENG1)的光轴(AX0)与输入光(IN1)的轴向光束(B3P0,R)平行，其中所述轴向光束(B3P0,R)对应于输入图像(IMG0)的中心像点(P0)。
3.如权利要求1所述的显示设备(500)，其特征在于：所述输入耦合元件(DOE1)包括表面浮雕光栅(G1)。
4.根据权利要求1所述的显示设备(500)，其特征在于：所述输入耦合元件(DOE1)具有第一输入光栅矢量(V1a)和方向相反的第二输入光栅矢量(V1b)，
其中，第一输出耦合元件(DOE3a)具有第一输出光栅矢量(V3a)，
其中，第二输出耦合元件(DOE3b)具有第二输出光栅矢量(V3b)，
其中，第一输入光栅矢量(V1a)和第一输出光栅矢量(V3a)之和为零，
其中，第二输入光栅矢量(V1b)和第二输出光栅矢量(V3b)之和为零。
5.根据权利要求1所述的显示设备(500)，其特征在于：所述光引擎(ENG1)可产生所述输入图像(IMG0)，并将所述输入图像(IMG0)的所有像素点转换成所述输入光(IN1)的多个子输入光束；其中，图像扩展器(EPE1)可通过扩展输入光(IN1)的子输入光束来形成输出光(OUT1)的子输出光束。
6.一种应用显示设备的车辆(1000)，包括根据权利要求1至5任一项所述的显示设备(500)。
7.一种显示虚拟图像的方法，其特征在于：包括：
通过使用光引擎(ENG1)提供多个子输入光束(B0P0,R，B0P1,R)，使得子输入光束(B0P0,R，B0P1,R)对应于输入图像(IMG0)的图像点(P0，P1)，
通过使用图像扩展器(EPE1)扩展输入光(IN1)的子输入光束(B0P0,R，B0P1,R)形成输出光(OUT1)的子输出光束(B3P0,R，B3P1,R)，以及
引起图像扩展器(EPE1)的旋转运动，
所述图像扩展器(EPE1)包括：
光波导板(SUB1)，
输入耦合元件(DOE1)，通过衍射将输入光(IN1)耦合到光波导板(SUB1)中，形成第一波导光(B1a)和第二波导光(B1b)，
第一输出耦合元件(DOE3a)，通过衍射将第一波导光(B1a)耦合出光波导板(SUB1)来形成输出光(OUT1)，和
第二输出耦合元件(DOE3b)，通过衍射将第二波导光(B1b)耦合出光波导板(SUB1)来形成输出光(OUT1)，其中，光引擎(ENG1)的光轴(AX0)与图像扩展器(EPE1)的旋转轴(AX1)之间的角度(γ1)在10°至45°的范围内。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Zhu Yisheng Inventor after: Jiang Houqiang Inventor after: Tapani karevo livola Inventor before: Tapani karevo livola Inventor before: Jiang Houqiang Inventor before: Zhu Yisheng |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |