CN116547476A - 用于显示面板的图案化背光器件 - Google Patents

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亚历山大·科舍列夫
朱塞佩·卡拉菲奥雷
饶玲晖
雅克·戈利耶
李昀翰
吕璐
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Abstract

一种显示面板(102)具有由背光器件(104)背光照明的像素(103)阵列，该背光器件包括光导(106)和多个耦出光栅(112)。耦出光栅(112)的位置与像素(103)阵列中的像素的位置相协调。背光器件(104)可以包括导光透明平板(106)或线性波导(207)阵列，该线性波导阵列平行于像素阵列(103)的行延伸，其中光栅(112)形成在平板(106)中或波导(207)中。由波导发出的光的波长组成和偏振可以与显示面板(102)的透射光谱波段和透射偏振相匹配。

Description

用于显示面板的图案化背光器件
技术领域
本公开涉及光学设备，尤其涉及用于背光照明视觉显示面板、视觉显示设备、视觉显示系统的光导、以及相关方法。
背景技术
视觉显示器用于向(一个或多个)观看者提供信息，这些信息包括静止图像、视频、数据等。视觉显示器在各种领域中具有应用，仅举几个示例，这些领域包括娱乐、教育、工程、科学、专业培训、广告。某些视觉显示器(例如，电视机(TV set))向数个用户显示图像，而一些视觉显示系统旨在针对单独用户。头戴式显示器(head mounted display，HMD)、近眼显示器(near-eye display，NED)等正越来越多地用于向单独用户显示内容。HMD/NED显示的内容包括虚拟现实(virtual reality，VR)内容、增强现实(augmented reality，AR)内容、混合现实(mixed reality，MR)内容等。所显示的VR/AR/MR内容可以是三维的(three-dimensional，3D)以增强体验，并且针对AR/MR应用，将虚拟对象与用户观察到的真实对象进行匹配。
头戴式显示器需要紧凑且高效的显示设备。由于HMD或NED的显示器通常戴在用户的头部上，因此大型的、体积庞大且笨重的、不平衡的、低效的、和/或重型的显示设备对于用户穿戴而言将是麻烦的且可能是不舒服的。紧凑且高效的显示设备需要紧凑且高效的光导和显示面板。
发明内容
根据本公开的第一方面，提供了一种显示面板，该显示面板包括：像素阵列，该像素阵列设置在第一平面中，像素具有可变的光透射率(variable transmission oflight)；以及背光器件(backlight)，该背光器件光学耦合到像素阵列以向该像素阵列提供光，该背光器件包括：光导，该光导用于使光沿着第一平面散布(spread)；以及光栅阵列，该光栅阵列光学耦合到光导，以用于使光导中的光的多个部分重定向成垂直于第一平面并且穿过像素阵列中的像素传播；其中，光栅阵列中的光栅的位置与像素阵列中的像素的位置相协调，以增加穿过像素阵列传播的光的部分。
在一些实施例中，光导可以包括第一部分和第二部分，该第一部分用于使光沿着与第一平面平行的第一方向扩展，该第二部分用于使光沿着与第一平面平行的第二方向扩展，第二方向不同于第一方向，其中，光栅阵列中的光栅光学耦合到光导的第二部分。
在一些实施例中，光导可以包括被配置用于将光重定向成在在光导内沿与第一平面平行的多个方向传播的光栅。
在一些实施例中，光栅阵列中的光栅可以被配置用于使穿过像素的被重定向的光的多个部分聚焦。
在一些实施例中，显示面板还可以包括微透镜阵列，该微透镜阵列与背光器件相对地光学耦合到像素阵列，并且该微透镜阵列被配置成使穿过像素传播的被重定向的光的多个部分扩展。
在一些实施例中，微透镜阵列可以包括Pancharatnam-Berry相位(PBP，Pancharatnam-Berry phase)微透镜。
在一些实施例中，光栅阵列可以包括多衍射级光栅，这些多衍射级光栅被配置成将光的多个部分分成多个衍射级，并且通过像素阵列中的不同像素使多个衍射级中的不同衍射级聚焦，使得光栅阵列中的不同光栅的衍射级穿过像素阵列中的同一像素传播。
在一些实施例中，光栅阵列中的光栅可以具有通过施加外部控制信号而可变的衍射效率。
在一些实施例中，光栅阵列的间距可以等于像素阵列的间距。
在一些实施例中，像素阵列可以包括液晶显示(LCD，liquid crystal display)面板，该LCD面板包括液晶光阀阵列。
在一些实施例中，LCD面板可以包括位于一对衬底之间的液晶层，其中，这些衬底中的一个衬底包括背光器件。
在一些实施例中，背光器件的光导可以包括：衬底；线性波导阵列，该线性波导阵列由衬底支承并且沿着像素阵列中的像素延伸；其中，光栅阵列光学耦合到线性波导阵列，以使在线性波导中传播的光的多个部分耦出以穿过像素阵列中的对应像素传播。
在一些实施例中，可以在线性波导阵列中的线性波导中形成光栅阵列中的光栅。
在一些实施例中，可以对光栅阵列中的光栅进行啁啾，以使通过光栅阵列中的光栅而被重定向的光至少部分地聚焦以穿过像素阵列中的对应像素传播。
在一些实施例中，显示面板还可以包括微透镜阵列，该微透镜阵列位于光栅阵列与像素阵列之间的光路中，以使通过光栅阵列中的光栅而被重定向的光至少部分地聚焦以穿过像素阵列中的对应像素传播。
在一些实施例中，背光器件的光导可以包括透明材料的平板，该平板用于通过来自该平板的相对表面的一系列连续反射而使光在该平板中传播，其中，光栅阵列由该平板支承。
在一些实施例中，光栅阵列中的光栅可以被配置成衍射第一偏振的光并且基本上不衍射与第一偏振正交的第二偏振的光，该背光器件还包括可调偏振旋转器阵列，该可调偏振旋转器阵列在光栅阵列与平板之间的光路中光学耦合到平板；其中，可调偏振旋转器阵列中的各个可调偏振旋转器被配置成通过施加外部控制信号在第一偏振与第二偏振之间对光的多个部分的偏振进行调谐，从而控制通过光栅阵列中的光栅而被重定向以穿过像素阵列中的对应像素传播的光的多个部分的光功率。
根据本公开的另一个方面，提供了一种用于显示面板的背光器件，该显示面板包括设置在第一平面中的像素阵列，像素具有可变的光透射率，该背光器件包括：衬底；线性波导阵列，该线性波导阵列由衬底支承并且沿着像素阵列中的像素延伸；以及光栅阵列，该光栅阵列光学耦合到线性波导阵列，以使在线性波导阵列中传播的光重定向成垂直于第一平面并且穿过像素阵列中的像素传播；其中，光栅阵列中的光栅的位置与像素阵列中的像素的位置相协调，以增加穿过像素阵列传播的光的部分。
根据本公开的另一个方面，提供了一种用于增加由背光器件发出并且穿过显示面板的像素阵列传播的光的部分的方法，该方法包括：选择背光器件的光重定向元件阵列中的光重定向元件的空间分布来匹配显示面板的像素阵列中的像素的空间分布，以用于将光重定向成穿过像素阵列中的各个像素传播。
在一些实施例中，该方法还可以包括选择以下中的至少一者：通过光重定向元件而被重定向的光的光谱组成来匹配像素阵列中的像素的滤色器元件的光谱透射(spectraltransmission)；或者通过光重定向元件而被重定向的光的偏振来匹配像素阵列中的像素的透射偏振(transmission polarization)。
应当理解，本文被描述为适用于结合到本公开的一个或多个方面或实施例中的任何特征旨在可在本公开的任何和所有的方面和实施例上推广。本领域技术人员根据本公开的说明书、权利要求书和附图，可以理解本公开的其它方面。前文的概括描述和以下的详细描述仅是示例性和说明性的，而不是对权利要求的限制。
附图说明
现在将结合附图描述示例性实施例，在附图中：
图1A是包括耦接到本公开的背光器件的光阀像素阵列的视觉显示设备的侧截面图；
图1B是处于1D(一维)+1D扩束器构造的图1A的背光器件的实施例的平面图；
图1C是处于2D(二维)扩束器构造的图1A的背光器件的实施例的平面图；
图2A是本公开的光子集成电路(photonic integrated circuit，PIC)背光器件的俯视示意图；
图2B是与显示面板的单个RGB像素叠加的图2A的背光器件的一部分的俯视示意图；
图2C是图2A的PIC背光器件的线性波导的三维示意图；
图3A是包括耦接到多个光栅耦出器的平板光导的背光器件的侧截面图；
图3B是可在图3A的背光器件中使用的啁啾型耦出偏振体全息(polarizationvolume hologram，PVH)光栅的俯视放大图；
图3C是显示面板的侧截面图，展示了通过来自支承波导的光栅提取并引导穿过液晶阵列的像素的光束的聚焦；
图3D是使用本公开的背光器件的显示面板的侧截面图，该背光器件包括位于液晶像素阵列下游的微透镜阵列；
图3E和图3F是使用本公开的背光器件的显示面板的侧截面图，该背光器件包括多级衍射光栅；
图4示出了图3B的PVH光栅的耦出效率的光谱图；
图5A是包括电压控制的耦出光栅的可调光图案化背光器件的侧截面图；
图5B是包括耦接到耦出光栅的可调谐液晶波片阵列的可调光图案化背光器件的侧截面图；
图6是具有集成背光器件衬底的液晶(liquid crystal，LC)显示面板的分解侧截面图；
图7是使用基于偏振的滤色器的LCD面板的侧截面图；
图8是图7的基于偏振的滤色器的透射光谱；
图9是用于提高背光器件效率的方法的流程图；
图10A是利用本公开的背光器件的半透明显示器的示意图；
图10B是示出通过图10A的半透明显示器的连续光传播的光学图；以及
图11是本公开的头戴式显示器的示意图。
具体实施方式
虽然结合各种实施例和示例描述了本教导，但是并不意味着本教导受限于这些实施例。相反，如本领域技术人员将理解的，本教导涵盖各种替代物和等同物。本文中记载本公开的原理、方面和实施例的所有陈述以及这些原理、方面和实施例的具体示例旨在涵盖其结构等同物和功能等同物。另外，这样的等同物旨在包括当前已知的等同物以及将来开发的等同物，即所开发的用于执行相同功能的任何元件，而不管结构如何。
除非明确说明，否则如本文所使用的术语“第一”和“第二”等不旨在暗示顺序次序，而是旨在将一个元素与另一个元素区分开。类似地，除非明确说明，否则方法步骤的顺序次序并不暗示它们执行的顺序次序。在图1、图3A至图3B和图5A至图5B中，相似的附图标记表示相似的元件。
在包括耦接到背光器件的透射式像素面板的视觉显示器中，光利用效率取决于像素占据的几何面积与显示面板的总面积的比率。对于经常用于近眼显示器和/或头戴式显示器的微型显示器，该比率可以低于50％。显示面板上的滤色器可以进一步阻碍有效的背光利用，这些滤色器的平均透射量不超过入射光的30％。最重要的是，对于基于偏振的显示面板(例如，液晶(LC)显示面板)，可能存在50％的偏振损失。所有这些因素都大大降低了显示器的光利用率和整体光电转化效率(wall plug efficiency)，这是不期望的。
根据本公开，可以通过提供包括与显示面板的各个像素对准的光点阵列的背光器件来提高背光显示器的光利用率和光电转化效率。例如，可以为RGB显示面板的每个像素甚至每个颜色子像素提供点光源。点源阵列可以包括反射器阵列(例如，小的衍射光栅)，该反射器阵列将由背光器件的波导携带的光的多个部分耦出以穿过显示面板的各个像素传播。
背光器件发出的光的中心波长可以被选择成匹配对应滤色器的透射波长，以提高吞吐量。在背光器件发出原色(例如红、绿和蓝)光的显示器中，可以省略滤色器层。此外，对于基于偏振的显示器，所发出的光的偏振可以与由显示面板的像素透射的偏振相匹配。换句话说，将显示面板的像素的空间分布、透射波长和所透射的偏振特性相匹配使得能够显著改善在光到达观察者的眼睛的途中未被显示面板吸收或反射的光的部分。
根据本公开，提供了一种显示面板，该显示面板包括：像素阵列，该像素阵列设置在第一平面中，像素具有可变的光透射率；以及背光器件，该背光器件光学耦合到像素阵列以向该像素阵列提供光。背光器件包括：光导，该光导用于使光沿着第一平面散布；以及光栅阵列，该光栅阵列光学耦合到光导，以用于使光导中的光的多个部分重定向成垂直于第一平面并且穿过像素阵列中的像素传播。光栅阵列中的光栅的位置与像素阵列中的像素的位置相协调，以增加穿过像素阵列传播的光的部分。
在一些实施例中，光导包括第一部分和第二部分，该第一部分用于使光沿着与第一平面平行的第一方向扩展，该第二部分用于使光沿着与第一平面平行的第二方向扩展，第二方向不同于第一方向。光栅阵列中的光栅光学耦合到光导的第二部分。在一些实施例中，光导包括被配置用于将光重定向成在光导内沿与第一平面平行的多个方向传播的光栅。光栅阵列中的光栅可以被配置用于使穿过像素的被重定向的光的多个部分聚焦。
显示面板还可以包括微透镜阵列，该微透镜阵列与背光器件相对地光学耦合到像素阵列，并且该微透镜阵列被配置成使穿过像素传播的被重定向的光的多个部分扩展。微透镜阵列包括Pancharatnam-Berry相位(PBP)微透镜。在一些实施例中，光栅阵列包括多衍射级光栅，这些多衍射级光栅被配置成将光的多个部分分成多个衍射级，并且通过像素阵列中的不同像素使多个衍射级中的不同衍射级聚焦，使得光栅阵列中的不同光栅的衍射级穿过像素阵列中的同一像素传播。
光栅阵列中的光栅可以具有通过施加外部控制信号而可变的衍射效率。光栅阵列的间距可以等于像素阵列的间距。在一些实施例中，像素阵列包括液晶显示(LCD)面板，该LCD面板包括液晶光阀阵列。LCD面板可以包括位于一对衬底之间的液晶层。这些衬底中的一个衬底可以包括背光器件。
本公开的显示面板的背光器件可以包括衬底和由衬底支承并沿像素阵列中的像素延伸的线性波导阵列。光栅阵列可以光学耦合到线性波导阵列，以使在线性波导中传播的光的多个部分耦出，以穿过像素阵列中的对应像素传播。可以在线性波导阵列中的线性波导中形成光栅阵列中的光栅。可以对光栅阵列中的光栅进行啁啾，以使通过光栅阵列中的光栅而被重定向的光至少部分地聚焦以穿过像素阵列中的对应像素传播。微透镜阵列可以设置在光栅阵列与像素阵列之间的光路中，以用于使通过光栅阵列中的光栅而被重定向的光至少部分地聚焦以穿过像素阵列中的对应像素传播。
本公开的显示面板的背光器件可以包括透明材料的平板，该平板用于通过来自该平板的相对表面的一系列连续反射使光在该平板中传播。光栅阵列可以由平板支承。光栅阵列中的光栅可以被配置成衍射第一偏振的光并且基本上不衍射与第一偏振正交的第二偏振的光。背光器件还可以包括可调偏振旋转器阵列，该可调偏振旋转器阵列在光栅阵列与平板之间的光路中光学耦合到平板。可调偏振旋转器阵列中的各个可调偏振旋转器可以被配置成通过施加外部控制信号在第一偏振与第二偏振之间对光的多个部分的偏振进行调谐，从而控制通过光栅阵列中的光栅而被重定向以穿过像素阵列中的对应像素传播的光的多个部分的光功率。
根据本发明，提供了一种用于显示面板的背光器件，该显示面板包括设置在第一平面中的像素阵列，像素具有可变的光透射率。背光器件包括：衬底；线性波导阵列，该线性波导阵列由衬底支承并且沿着像素阵列中的像素延伸；以及光栅阵列，该光栅阵列光学耦合到线性波导阵列，以使在线性波导阵列中传播的光重定向成垂直于第一平面并且穿过像素阵列中的像素传播。光栅阵列中的光栅的位置可以与像素阵列中的像素的位置相协调，以增加穿过像素阵列传播的光的部分。
根据本公开，还提供了一种用于显示面板的方法，该显示面板包括设置在第一平面中的像素阵列，像素具有可变的光透射率。该方法包括：选择背光器件的光重定向元件阵列中的光重定向元件的空间分布来匹配显示面板的像素阵列中的像素的空间分布，以用于将光重定向成穿过像素阵列中的各个像素传播。该方法还可以包括：选择通过光重定向元件而被重定向的光的光谱组成来匹配像素阵列中的像素的滤色器元件的光谱透射；或者选择通过光重定向元件而被重定向的光的偏振来匹配像素阵列中的像素的透射偏振。
现在参考图1A，显示器100包括耦接到背光器件104的显示面板102。显示面板102包括光阀像素103(即，具有可变透射率的像素)阵列，该光阀像素阵列设置XY平面中、位于顶部衬底114与底部衬底111之间。显示面板102可以是例如包括液晶光阀103阵列的液晶显示(liquid crystal display，LCD)面板。背光器件104包括光导106，该光导被配置成使由光源110发出的光108平行于XY平面(即沿显示面板102的宽度维度和长度维度)进行散布。背光器件104还包括光学耦合到光导106的光栅112阵列。光栅112使在光导106中传播的光108重定向，从而形成穿过像素阵列中的像素103传播的光束109阵列。像素103的光透射率可以以可控的方式改变，从而通过显示面板102显示所需图像。光束109主要垂直于XY平面传播，即在图1中主要沿Z方向传播。
阵列中的光栅112的位置与像素阵列中的像素103的位置相协调，使得由光栅112耦出的光束109主要穿过像素103传播，并且基本上不被像素103之间的边界115阻挡。像素103阵列和光栅112阵列可以是一维的，例如沿着X轴线或Y轴线延伸；或者可以是二维的，即既沿着X轴线又沿着Y轴线延伸。可以选择光栅112的空间位置来匹配显示面板102的像素103的空间位置。例如，光栅112阵列的间距可以是像素103阵列的间距的整数倍。在图1所示的实施例中，这两个间距相等，使得每个光栅112恰好设置在对应像素103的下方。
如图所示，由单个光栅112从光源110发出的光108中分离出的各个光的多个部分或光束109可以通过各个像素103聚焦，以进一步减少在像素103之间的边界115处的光损失。显示面板102下游(图1中更高处)的扩展光锥109可以被虚线示意性示出的目镜117准直，并以特定于每个像素103的角度指向适眼区(eyebox)116。因此，在适眼区116处形成角域中的图像。这本文，术语“适眼区”指的是显示器的用户可以观看到质量可接受的图像的几何区域。
适眼区116的大小与光锥109的光锥宽度成比例。由于显示器的几何形状，当光栅112与对应像素103之间的距离减小时，光锥宽度增加。通过减小光栅112与对应像素103之间的距离，可以使光锥更宽，并因此可以例如通过将背光器件104集成到显示面板102的底部衬底111中而使适眼区116更大。关于集成背光器件的更多细节将在下文进一步提供。
可以根据要由显示器100显示的图像来设置各个像素103的透射值。图像的较亮像素与对应显示面板像素103的较高透射值相对应，而图像的较暗像素与对应显示面板像素103的较低透射值相对应。在一些实施例中，光栅112可以具有通过施加外部控制信号可变的衍射效率。可以使用光栅112的衍射效率的可变性来改善图像的总体对比度或动态范围。例如，可以调高在具有高透射率的像素103下方的光栅112的衍射效率以使图像的亮区域看起来更亮，并且可以调低在具有高透射率的像素103下方的光栅112的衍射效率以使图像的暗区域看起来更暗。下文将进一步提供关于可控光栅的更多细节。
图1B和图1C展示了图1A的背光器件104的平板型光导(slab-type lightguide)实施方式。图1B的背光器件124包括耦接到光导的光源110，该光导包括两个平板光导部分，这两个平板光导部分通过来自透明平板衬底的外部平行表面的光108的一系列连续反射，使光108沿着两个非平行方向扩展。第一1D扩束器131和第二1D扩束器132分别使光108在Y方向和X方向上扩展。第一1D扩束器接收来自光源110的光束108并产生Y扩展光束126，该Y扩展光束沿着平行于Y轴线的边缘127耦接到第二1D扩束器132。然后，Y扩展光束126通过第二1D扩束器132沿X轴线扩展，其中光束部分109穿过光学耦合到第二1D扩束器132的光栅112传播并部分地由光栅112耦出。因此，第一1D扩束器131和第二1D扩束器132使光108沿着XY平面扩展，该XY平面平行于显示面板102(图1A)的平面。
具体地参考图1C，背光器件144是基于平板光导的图1A的背光器件104的示例性实施方式。图1C的背光器件144包括耦接到平板光导130的光源110。平板光导130包括第一光栅141，这些第一光栅被配置成使光的多个部分耦出以穿过像素阵列中的各个像素传播(未示出)。平板光导130还包括第二光栅142，这些第二光栅被配置成将光108重定向以在光导130内传播，以便在XY平面中扩展。应当理解，光108通过来自平板光导130的外平行表面的一系列全内反射在XY平面中扩展，即在XY平面中传播。
图2A、图2B和图2C示出了图1A的背光器件104的线性波导实施方式。首先参考图2A和图2B，光子集成电路(PIC)背光器件204包括衬底206和线性波导207阵列，线性波导阵列由衬底206支承并且沿显示面板的像素阵列延伸(未示出)。本文中，术语“线性波导”指的是在两个维度上限制光传播的波导，如光导束(light wire)。线性波导可以是笔直的、弯曲的等；换句话说，术语“线性”并不是指笔直的波导部段。线形波导的一个示例是脊形波导(ridge-type waveguide)。
在图2A所示的PIC背光器件204中，线性波导207包括用于传送红色波长的光的“红色波导”207R、用于传送绿色波长的光的“绿色波导”207G、以及用于传送蓝色波长的光的“蓝色波导”207B。不同波长的光208可以由多波长光源210产生、并通过作为PIC的一部分的光学调度电路(optical dispatch circuit)219分布在不同的波导207R、207G与207B之间。调度电路219的功能是使光沿着Y方向扩展。显示面板的一行像素可以被设置成横跨红色通道、绿色通道和蓝色通道各自的所有线性波导207R、207G和207B，这些线性波导在图2A中竖直地延伸。图2A中用虚线矩形213勾勒出一行像素的轮廓。
图2B是位于显示面板的单个像素下方的三个颜色通道波导的放大图。三个颜色子像素中的每一个颜色子像素分别对应于图像的一个红色(R)通道、一个绿色(G)通道和一个蓝色(B)通道。例如，在RGGB方案中可以提供多于三个的颜色子像素。光的多个部分可以通过图2C中所示的相应光栅212R、212G和212B从脊形波导207R、207G和207B耦出或重定向。可以对光栅212R、212G和212B进行啁啾，以使耦出的光束在沿波导的方向上(即图2A和图2B中的竖直方向(沿X轴线))聚焦。此外，可以使光栅槽弯曲，以使光沿着图2A和图2B中的水平方向(即沿Y轴线)聚焦。在图2C的示例中，光栅212R、212G和212B分别形成在线性波导207R、207G和207B中，不过在一些实施例中，光栅阵列可以单独形成并且光学耦合到线性波导207阵列。
为了使耦出的光束在图2B中的水平方向上聚焦，可以如图所示提供1D微透镜218。这本文，术语“1D透镜”指的是主要在一个维度上聚焦光的透镜，例如柱面透镜。可以提供2D透镜(即，在两个正交平面中聚焦光的透镜)来替代1D透镜。设置在光栅212R、212G和212B与像素203R、203G和203B之间的光路中的微透镜218阵列可以用于至少部分地聚焦由光栅212R、212G和212B重定向的光以穿过对应的像素203R、203G和203B传播。图2B中针对一个白色像素203示出了一种构造。可以针对显示面板的每个白色像素来重复白色像素构造。
参考图3A，图3A的背光器件304是图1A的显示器100的背光器件104的平板型光导实施方式。图3A的背光器件304包括透明材料(例如，玻璃或塑料)的平板306，该平板用作导光衬底。光308(用倾斜的箭头表示)通过来自平板306的外部相对平行表面的一系列连续反射、通常是全内反射在平板光导中传播。设置在平板306上的光栅结构312将对应颜色通道的光耦出。作为非限制性示例，光栅结构312可以包括表面浮雕光栅(surface-reliefgrating，SRG)、体布拉格光栅(volume Bragg grating，VBG)、偏振体全息(polarizationvolume hologram，PVH)光栅等。可以沿X轴线对光栅结构312进行啁啾，如图3B所示，以提供穿过显示面板的衬底311和像素303的耦出的光束309的1D聚焦(在XZ平面中)。2D聚焦(在XZ平面中和在YZ平面中)也可以通过对光栅槽进行啁啾和/或弯曲来提供。使衬底311变薄能够增加光束309的锥角θ，从而有效地增加适眼区的大小。附加的一个或多个透镜可以用于1D/2D聚焦或以其他方式调节耦出的光束309。
在图3C中进一步展示了通过光栅结构和/或位于光栅结构的顶部上的附加微透镜对光束309进行聚焦，图3C以截面图示出了显示器300。显示器300包括光导平板306，该光导平板支承被配置成使光束309聚焦的PVH光栅结构313阵列。为简明起见，仅示出了一个光栅结构313。可选的四分之一波片(quarter-wave plate，QWP)344将PVH光栅结构313耦接到具有TFT栅格346的衬底311(薄膜晶体管(thin film transistor)衬底或“TFT”衬底)，该TFT栅格限定LC层348中的像素，该LC层在顶侧由带有偏振器350的衬底(未示出)界定。
在运行中，PVH光栅结构313将光308的多个部分耦出并且使耦出的多个部分聚焦，从而形成光束309。每个光束309会聚，以穿过限定光阀像素的TFT栅格346中的对应开口进行传播。在限定显示器300的出射光瞳尺寸的焦点之后的光束会聚和随后发散的最大角度取决于PVH光栅结构313的宽度与衬底311的厚度的比率。显示器300的较大出射光瞳尺寸为用户提供了更舒适的观看条件。可以通过增加PVH光栅结构313的宽度、减小衬底311厚度、或者既增加PVH光栅结构的宽度又减小衬底厚度来增加会聚/发散角度和相关联的出射光瞳尺寸。然而，PVH光栅结构313的宽度受显示器300的像素间距的限制，并且衬底311的厚度受衬底311的结构强度和/或平坦度要求的限制。
克服光束发散和相关联的出射光瞳尺寸限制的一种方式是在背光器件的相对侧在显示面板像素上提供微透镜阵列。参考图3D，作为非限制性示例，显示器360包括支承光栅结构315阵列的光导平板306，在该示例中，PVH被配置成将光束309耦出，而没有聚焦或具有适度聚焦。可选的四分之一波片(QWP)344将光栅结构315耦接到具有TFT栅格346的衬底311(在该示例中为TFT衬底)，该TFT栅格限定LC层348中的像素。LC层348在顶侧由带有线性偏振器350的衬底界定。可选的第二QWP 344可以设置在线性偏振器350上。Pancharatnam-Berry相位(PBP)微透镜阵列352可以设置在第二QWP 344的顶部上，以在由线性偏振器350和第二QWP 344限定的偏振下为光束309提供期望的发散。可以使用折射性微透镜阵列或衍射性微透镜阵列来代替第二QWP 344和PBP微透镜阵列352。
另一种改善聚焦光束在像素平面的焦点之前的会聚和在像素平面之后的发散的方法是使用多级衍射。参考图3E，作为非限制性示例，显示器380包括支承光栅结构阵列的光导平板306。为了简洁起见，在图3E中仅示出了一个这样的光栅结构318。光栅结构318是多衍射级光栅，该多衍射级光栅被配置成将入射光308分成多个衍射级，包括例如0级360、+1级361和-1级362。不同的衍射级360、361和362通过TFT衬底311聚焦在由TFT栅格346(TFT栅格控制LC层348)限定的像素阵列的不同像素364处。
图3F展示了导致总体会聚角和发散角增加的光栅结构阵列的组合效应。图3F描绘了光栅结构阵列中的三个相邻的光栅结构，尤其是光栅结构318被两个光栅结构381和382包围，光栅结构381和382与中心光栅结构318以相同的方式进行配置，即产生至少三个衍射级。中心光栅结构318的衍射级在372处以实线表示，左侧光栅结构381的衍射级在371处以短虚线表示，并且右侧光栅结构383的衍射级在373处以长虚线表示。可以看到，光栅阵列中的不同光栅的衍射级可以穿过像素阵列中的同一像素传播，从而使该像素处的会聚角增至三倍。例如，对于与中心光栅结构318相对应的中心像素364*，左侧光栅结构371的-1级衍射级与中心光栅结构318的0级和右侧光栅结构373的1级衍射级相加。对于每个像素364，会聚角将增至三倍，从而使离开像素364的光束的总发散角增至三倍，并使显示器380的所得出射光瞳尺寸增至近三倍。
光栅结构312、313、315和318可以是偏振选择性的。换言之，光栅结构312可以被配置成衍射第一偏振的光并且基本上不衍射与第一偏振正交的第二偏振的光。例如，PVH光栅可以是偏振选择性的。PVH光栅也可以是颜色选择性的，如图4中所展示的那样。如图所示，每个PVH光栅可以被配置成仅衍射特定波长波段内的光，例如在0.6微米与0.64微米之间的红色波长波段400R、在0.525微米与0.575微米之间的绿色波长波段400G、以及在0.425微米与0.465微米之间的蓝色波长波段400B中的光。PVH光栅的偏振选择性可以进一步提高背光利用效率。
现在参考图5A，背光器件504A包括支承有源光栅结构512的光导板或平板506，该有源光栅结构可以在1D被像素化或在2D被像素化，即，该有源光栅结构可以包括设置在XY平面中的1D耦出光栅542阵列或2D耦出光栅542阵列。由光源510提供的照明光508通过来自平板的相对的顶表面和底表面的一系列之字形(zigzag)反射而在平板506中传播。照明光入射到耦出光栅542(耦出光栅将照明光508的多个部分耦出)上，从而形成光束509。可以对耦出光栅542进行啁啾和/或弯曲，以使光束509会聚。可以通过施加外部控制信号来控制由光栅结构542进行的耦出的效率，该外部控制信号例如为光栅结构512的各个耦出光栅542上的电压。该电压可以施加在例如背板顶部透明电极层532与由平板506支承的像素化透明电极层530之间。这使得能够独立地控制由光栅结构512的每个耦出光栅耦出的光量，或者换句话说，控制照射显示面板的彩色子像素、像素、或像素的子阵列的光束的亮度。
转到图5B，背光器件504B是图5B的背光器件504A的变型，并且包括类似的元件。图5B的背光器件504B包括像素化有源液晶(LC)波片534，该像素化有源液晶波片包括单独可调的LC偏振旋转器564。偏振选择性耦出光栅552可以设置在像素化有源LC波片534的顶部上。例如，LC波片534可以包括LC层，LC层位于像素化透明电极层530与背板顶部透明电极层532之间。偏振选择性耦出光栅552可以被配置成耦出某一预定偏振态(“第一偏振态”)的光，并且基本上不耦出正交偏振(“第二偏振态”)的光。在光导板中传播的光508可以具有两种偏振态中的一种。像素化有源LC波片534被配置成以空间选择性的方式切换或调谐光508的偏振。当传播通过LC偏振旋转器564的光处于第一偏振态时，光508耦出以作为光束509。当传播通过LC偏振旋转器564的光508处于第二偏振态时，光508不耦出。当传播通过LC偏振旋转器的光508处于某种中间偏振态时，仅该光的一部分耦出以作为光束509。
在本公开的一些实施例中，图案化背光器件可以被集成到显示面板本身中。例如，图6展示了有源矩阵(active matrix，AM)液晶显示(LCD)面板600，其包括由滤色器层622和薄膜晶体管(TFT)阵列624界定的扭曲向列型(TN，twisted nematic)LC层620。滤色器层622和顶部偏振器626设置在顶部衬底614的内表面上。TFT阵列624和底部偏振器628由包括阵列化光栅的光导面板(lightguide panel，LGP)604的内表面支承，如本文所公开的那样。LCD面板600中没有单独的底部衬底使得能够减小从LC层620到LGP 604的光栅的距离，从而允许由光栅重定向到LC像素上的光更紧密地聚焦，这增加了聚焦光的锥角。增大的锥角导致显示器100的适眼区116更宽。这在上文参考图1进行了解释。
现在参考图7，视觉显示器700包括耦接到光阀像素阵列的背光器件704，该背光器件例如为本文公开的任何背光器件，该光阀像素阵列例如为LC面板702，该LC面板包括位于间隔开的衬底(这些衬底在其外侧支承偏振器754)之间的LC层752。颜色选择性波片756阵列设置在LC面板702的下游，并且该颜色选择性波片例如为厚波片，该厚波片是用于红色、绿色和蓝色中的一种颜色的半波波片(half-wave waveplate)、以及用于其他两种颜色的一波波片(one-wave waveplate)。在本文中，术语“半波波片”包括在相应波长下具有奇数个光半波的光学延迟的波片，并且术语“一波波片”包括具有偶数个光半波的光学延迟的波片。阵列中的各个颜色选择性波片756的位置对应于LC面板702的各个像素的位置。输出偏振器758设置在颜色选择性波片756阵列的下游。
在运行中，背光器件704提供与LC面板702的各个像素的位置相对应的光点阵列。光点由光导706上的耦出光栅712提供，光导706例如为如上所述的PLC波导或平板型波导。由耦出光栅阵列反射的光通过LC面板702进行空间调制。LC面板702的光阀阵列的不同子像素对应于不同的颜色选择性波片。颜色选择性波片提供以颜色选择性的方式将光的线性偏振旋转90度的偏振相位延迟。输出偏振器758仅选择特定偏振的光，例如与离开LC面板702的光的偏振正交的偏振。颜色选择性波片756阵列和输出偏振器758一起形成基于偏振的滤色器阵列。
图8展示了图7的视觉显示器700的各个颜色选择性波片756的透射光谱，该透射光谱包括红色像素透射波段800R、绿色像素透射波段800G和蓝色像素透射波段800B。透射波段800R、800G和800B的光谱形状由每个颜色选择性波片756中的双折射层的厚度、以及可选的双折射层的数目和取向来确定。
转到图9，方法900使得能够增加由背光器件发出并且穿过显示面板的像素阵列传播的光的部分，从而提高使用背光显示面板的显示系统的背光利用效率。方法900包括选择(902)背光器件的光重定向元件阵列中的光重定向元件的空间分布来匹配显示面板的像素阵列中的像素的空间分布，用于将光重定向以穿过像素阵列的各个像素传播。如上面参考图1、图3A至图3B和图7所解释的，这使得能够重定向由重定向元件(例如光栅)耦出的各个光束，以穿过光阀像素阵列的各个像素传播。方法900还可以包括选择(904)通过光重定向元件重定向的光的光谱组成来匹配像素阵列中的像素的滤色器元件的光谱透射。例如，光的光谱组成可以被选择为包括在图8中所示的透射光谱的红色透射波段800R、绿色透射波段800G和/或蓝色透射波段800B的透射波长的光。这使得能够减少滤色器元件对光的吸收，从而提高整体的背光利用效率。方法900还可以包括选择(906)通过光重定向元件重定向的光的偏振来匹配像素阵列中的像素的透射偏振。这还有助于减少显示面板中的光学损失，从而提高整体的背光利用效率。
本公开的背光器件和显示器可以被配置成至少部分地透射光，这使得它们适用于增强现实(AR)显示器。参考图10A和图10B，AR显示系统1000(图10A)包括显示设备1072，例如图1的显示器100或其任何变型、图6的LC显示器600、图7的视觉显示器700等。显示设备1072经由线性偏振器(linear polarizer，LP)1004(图10B)光学耦合到薄饼透镜1074。薄饼透镜1074包括顺序设置的反射性偏振器(RP，reflective polarizer)1006、四分之一波片(QWP)1008和50/50反射镜1010。
在运行中，由显示设备1072沿薄饼透镜1074的方向发出的图像光1082穿过线性偏振器1004、反射性偏振器1006传播，并被50/50反射镜1010反射。由于50/50反射镜1010是凹面的，所以被反射的图像光1082被部分地准直，并穿过QWP 1008传播回来，并且将该图像光的偏振改变为正交偏振。然后，被反射性偏振器1006反射的图像光1082再次向50/50反射镜1010传播，从而被反射和准直，并将该图像光的偏振改变回原来的偏振。然后，图像光1082穿过反射性偏振器1006、线性偏振器1004和显示设备1072传播，并朝向用户的眼睛1080。图10B的偏振构造确保图像光1082的光路折叠了两次，从而为显示设备1072提供非常紧凑的目镜。适当偏振的环境光1084可以直接穿过薄饼透镜1074和显示设备1072传播。
现在参考图11，HMD 1100是可穿戴显示系统的示例，该可穿戴显示系统围封用户面部以使用户更大程度地沉浸到AR/VR环境中。HMD 1100可以将内容作为AR/VR系统的一部分呈现给用户。该系统还可以包括用户位置和取向跟踪系统、外部相机、姿势识别系统、用于向系统提供用户输入和控制的控制装置、以及用于储存用于与用户交互以与AR/VR环境交互的软件程序和其他数据的中央控制台。HMD 1100的功能是用计算机生成的图像来增强物理真实世界环境的视图，或者生成完全虚拟的3D影像。
HMD 1100可以包括前部本体1102和带1104。前部本体1102被配置用于以可靠且舒适的方式放置在用户的眼前，并且带1104可以被拉伸以将前部本体1102固定在用户头部上。显示系统1180可以包括本文描述的任何显示器和/或背光器件。显示系统1180可以设置在前部本体1102中，以用于向用户呈现AR/VR影像。前部本体1102的侧部1106可以是不透明的或透明的。
在一些实施例中，前部本体1102包括定位器1108、用于跟踪HMD 1100的加速度的惯性测量单元(inertial measurement unit，IMU)1110、以及用于跟踪HMD 1100的位置的位置传感器1112。定位器1108由虚拟现实系统的外部成像设备跟踪，使得虚拟现实系统可以跟踪整个HMD 1100的位置和取向。可以将由IMU和位置传感器1112生成的信息与通过跟踪定位器1108获得的位置和取向进行比较，以改善对HMD 1100的位置和取向的跟踪。当用户在3D空间中移动和转动时，准确的位置和取向对于向用户呈现合适的虚拟场景非常重要。
HMD 1100还可以包括用于实时确定用户眼睛的取向和位置的眼睛跟踪系统1114。所获得的眼睛的位置和取向允许HMD 1100确定用户的注视方向，并相应地调整由显示系统1180生成的图像。在一个实施例中，确定聚散度，即用户眼睛注视的会聚角度。所确定的注视方向和聚散度也可以用于视觉伪影根据视角和眼睛位置的实时补偿。此外，所确定的聚散度和注视角度可以用于与用户交互、突出显示对象、将对象带到前景、创建附加对象或指针等。还可以设置音频系统，该音频系统包括例如内置到前部本体1102中的一组小扬声器。
本公开的实施例可以包括人工现实系统、或者结合人工现实系统来实现。人工现实系统以某种方式调整通过感测获得的关于外界的感觉信息(例如，视觉信息、音频、触摸(体感)信息、加速度、平衡等)，之后将信息呈现给用户。作为非限制性示例，人工现实可以包括虚拟现实(virtual reality，VR)、增强现实(augmented reality，AR)、混合现实(mixed reality，MR)、混合现实(hybrid reality)或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全产生的内容或与捕获的(例如，真实世界的)内容组合的生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、躯体或触觉反馈、或其某种组合。可以在单个通道中或在多个通道中(例如，在向观看者生成三维效果的立体视频中)呈现这些内容中的任何内容。
此外，在一些实施例中，人工现实还可以与应用程序、产品、附件、服务或其某种组合相关联，这些应用程序、产品、附件、服务或其某种组合用于例如在人工现实中创建内容和/或以其他方式用于人工现实中(例如，在人工现实中执行活动)。提供人工现实内容的人工现实系统可以在各种平台上实现，这些平台包括可穿戴显示器(例如，连接至主计算机系统的HMD)、独立的HMD、具有眼镜的形状要素的近眼显示器、移动设备或计算系统、或者能够向一个或多个观看者提供人工现实内容的任何其它硬件平台。
本公开不限于本文描述的特定实施例的范围。实际上，根据前述的描述和附图，除了本文描述的实施例和修改之外，其它各种实施例和修改对于本领域的普通技术人员将是显而易见的。因此，这样的其它实施例和修改旨在落入本公开的范围内。此外，虽然本文已出于特定目的而在特定环境中的特定实施方案的上下文中描述了本公开，但所属领域的普通技术人员将认识到，其有用性不限于此，且本公开可以出于任何数量的目在任何数量的环境中有益地实现。

Claims (15)

1.一种显示面板，所述显示面板包括：
像素阵列，所述像素阵列设置在第一平面中，所述像素具有可变的光透射率；以及
背光器件，所述背光器件光学耦合到所述像素阵列以向所述像素阵列提供光，所述背光器件包括：
光导，所述光导用于使所述光沿着所述第一平面散布；以及
光栅阵列，所述光栅阵列光学耦合到所述光导，以用于使所述光导中的光的多个部分重定向成垂直于所述第一平面并且穿过所述像素阵列中的像素传播；
其中，所述光栅阵列中的光栅的位置与所述像素阵列中的像素的位置相协调，以增加穿过所述像素阵列传播的光的部分。
2.根据权利要求1所述的显示面板，其中，所述光导包括第一部分和第二部分，所述第一部分用于使所述光沿着与所述第一平面平行的第一方向扩展，所述第二部分用于使所述光沿着与所述第一平面平行的第二方向扩展，所述第二方向不同于所述第一方向，其中，所述光栅阵列中的光栅光学耦合到所述光导的第二部分。
3.根据权利要求1或2所述的显示面板，其中，所述光导包括被配置用于将所述光重定向成在所述光导内沿与所述第一平面平行的多个方向传播的光栅。
4.根据权利要求1、2或3所述的显示面板，其中，所述光栅阵列中的光栅被配置用于使穿过所述像素的被重定向的光的多个部分聚焦。
5.根据前述权利要求中任一项所述的显示面板，所述显示面板还包括微透镜阵列，所述微透镜阵列与所述背光器件相对地光学耦合到所述像素阵列，并且所述微透镜阵列被配置成使穿过所述像素传播的被重定向的光的多个部分扩展；并且优选地，其中，所述微透镜阵列包括Pancharatnam-Berry相位PBP微透镜。
6.根据前述权利要求中任一项所述的显示面板，其中，所述光栅阵列包括多衍射级光栅，所述多衍射级光栅被配置成将所述光的多个部分分成多个衍射级，并且通过所述像素阵列中的不同像素使所述多个衍射级中的不同衍射级聚焦，使得所述光栅阵列中的不同光栅的衍射级穿过所述像素阵列中的同一像素传播。
7.根据前述权利要求中任一项所述的显示面板，其中，所述光栅阵列中的光栅具有通过施加外部控制信号而可变的衍射效率。
8.根据前述权利要求中任一项所述的显示面板，其中，所述光栅阵列的间距等于所述像素阵列的间距。
9.根据前述权利要求中任一项所述的显示面板，其中，所述像素阵列包括液晶显示LCD面板，所述LCD面板包括液晶光阀阵列；并且优选地，所述LCD面板包括位于一对衬底之间的液晶层，其中，所述衬底中的一个衬底包括所述背光器件。
10.根据前述权利要求中任一项所述的显示面板，其中，所述背光器件的光导包括：
衬底；
线性波导阵列，所述线性波导阵列由所述衬底支承并且沿着所述像素阵列中的像素延伸；
其中，所述光栅阵列光学耦合到所述线性波导阵列，以使在所述线性波导中传播的所述光的多个部分耦出以穿过所述像素阵列中的对应像素传播。
11.根据权利要求10所述的显示面板，其中，
i.在所述线性波导阵列中的线性波导中形成所述光栅阵列中的光栅；并且/或者
ii.对所述光栅阵列中的光栅进行啁啾，以使通过所述光栅阵列中的光栅而被重定向的光至少部分地聚焦以穿过所述像素阵列中的对应像素传播；并且/或者
iii.所述显示面板还包括微透镜阵列，所述微透镜阵列位于所述光栅阵列与所述像素阵列之间的光路中，以使通过所述光栅阵列中的光栅而被重定向的光至少部分地聚焦以穿过所述像素阵列中的对应像素传播。
12.根据前述权利要求中任一项所述的显示面板，其中，所述背光器件的光导包括透明材料的平板，所述平板用于通过来自所述平板的相对表面的一系列连续反射而使所述光在所述平板中传播，其中，所述光栅阵列由所述平板支承；并且优选地，其中，所述光栅阵列中的光栅被配置成衍射第一偏振的光并且基本上不衍射与所述第一偏振正交的第二偏振的光，所述背光器件还包括可调偏振旋转器阵列，所述可调偏振旋转器阵列在所述平板与所述光栅阵列之间的光路中光学耦合到所述平板；
其中，所述可调偏振旋转器阵列中的各个可调偏振旋转器被配置成通过施加外部控制信号在所述第一偏振与所述第二偏振之间对所述光的多个部分的偏振进行调谐，从而控制通过所述光栅阵列中的光栅而被重定向以穿过所述像素阵列中的对应像素传播的所述光的多个部分的光功率。
13.一种用于显示面板的背光器件，所述显示面板包括设置在第一平面中的像素阵列，所述像素具有可变的光透射率，所述背光器件包括：
衬底；
线性波导阵列，所述线性波导阵列由所述衬底支承并且沿着所述像素阵列中的像素延伸；以及
光栅阵列，所述光栅阵列光学耦合到所述线性波导阵列，以使在所述线性波导阵列中传播的光重定向成垂直于所述第一平面并且穿过所述像素阵列中的像素传播；
其中，所述光栅阵列中的光栅的位置与所述像素阵列中的像素的位置相协调，以增加穿过所述像素阵列传播的光的部分。
14.一种用于增加由背光器件发出并且穿过显示面板的像素阵列传播的光的部分的方法，所述方法包括：选择所述背光器件的光重定向元件阵列中的光重定向元件的空间分布来匹配所述显示面板的像素阵列中的像素的空间分布，以用于将所述光重定向成穿过所述像素阵列中的各个像素传播。
15.根据权利要求14所述的方法，所述方法还包括选择以下中的至少一者：
通过所述光重定向元件而被重定向的光的光谱组成来匹配所述像素阵列中的像素的滤色器元件的光谱透射；或者
通过所述光重定向元件而被重定向的光的偏振来匹配所述像素阵列中的像素的透射偏振。
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