CN117677874A - 泰伯图案照明器及基于泰伯图案照明器的显示器 - Google Patents

泰伯图案照明器及基于泰伯图案照明器的显示器 Download PDF

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吕璐
李昀翰
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Abstract

一种用于显示面板的照明器包括光源和光导，该光源用于提供光束，该光导耦接到该光源以用于接收该光束并沿着该衬底传播该光束。该光导包括耦出光栅的阵列，各耦出光栅平行于该像素的阵列延伸，该耦出光栅的阵列用于从该光导耦出该光束的多个部分，使得所耦出的光束部分传播通过该衬底，并且由于泰伯效应而在该像素的阵列处生成光功率密度峰的阵列。峰的阵列的周期是该像素的阵列的间距的整数倍。

Description

泰伯图案照明器及基于泰伯图案照明器的显示器
技术领域
本公开涉及显示设备及适合在显示设备中使用的照明器。
背景技术
视觉显示器用于向一位或多位观看者提供包括静止图像、视频、数据等的信息。视觉显示器在各种领域中都有应用，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。一些视觉显示器(例如，电视机)向若干用户显示图像，而一些视觉显示系统旨在针对个体用户。视觉显示器可以被直接观看，或借助于特殊眼镜来观看，这种眼镜可以包括光学快门以及特殊的变焦透镜。
人工现实系统通常包括被配置为向用户呈现内容的近眼显示器(Near-EyeDisplay，NED)(例如，头戴式设备(headset)或一副眼镜)。近眼显示器可以如在虚拟现实(Virtual Reality，VR)应用、增强现实(Augmented Reality，AR)应用或混合现实(MixedReality，MR)应用中显示虚拟对象或将真实对象的图像与虚拟对象进行组合。例如，在AR系统中，用户可以观看叠加在周围环境上的虚拟对象的图像(例如，计算机生成的图像(Computer-Generated Image，CGI))。
期望减小头戴式显示器的尺寸和重量。轻巧紧凑的近眼显示器减小了用户的头部和颈部的压力，通常佩戴起来更舒适。通常，可穿戴显示器的光学模块是显示器中最庞大和最沉重的模块，特别是当光学模块包括庞大的光学元件(例如，折射透镜和立方体分束器)时。可以使用紧凑的平面光学部件(例如，波导、光栅、菲涅尔透镜等)来减小光学模块的尺寸和重量。然而，紧凑的平面光学器件可能具有效率低、图像失真、重影、残色、彩虹效应等问题，这阻碍了它们在可穿戴光学显示系统中的应用。
本公开寻求至少部分地解决上述缺陷和缺点中的任何或全部。
发明内容
根据本公开的第一方面，提供了一种显示设备，该显示设备包括显示面板和照明器，该显示面板包括衬底上的像素的阵列，该照明器用于照射该显示面板，该照明器包括光源和光导，该光源用于提供光束，该光导耦接到该光源，以用于接收光束并沿着该衬底传播该光束，该光导包括耦出光栅的第一阵列；其中，该第一阵列平行于该像素的阵列延伸，以从该光导耦出该光束的多个部分，使得所耦出的光束部分传播通过该衬底，并且由于泰伯效应而在该像素的阵列处生成光功率密度峰的阵列，其中，该光功率密度峰的阵列的周期是M乘以p，其中，p是该像素的阵列的间距，M是大于或等于1(≥1)的整数。
在一些实施例中，该耦出光栅的第一阵列的第一间距T1可以是M乘以p，其中，从包括该耦出光栅的第一阵列的平面到包括该像素的阵列的平面的距离D可以为D＝K(T1)2/(Nλ)，其中，K和N是大于或等于1(≥1)的整数，λ是该衬底中的该光束的波长。
在一些实施例中，该耦出光栅的第一阵列可以设置在该照明器的与该衬底连接的表面处，其中，该距离D可以等于该衬底的厚度。
在一些实施例中，该耦出光栅的第一阵列中的光栅可以被配置为使该光束的所耦出的部分聚焦或散焦。
在一些实施例中，该光导可以包括第一板，该第一板用于使该光束的至少一部分通过该第一板的相对平行的表面之间的一系列全内反射而在该第一板中传播。
在一些实施例中，该光导还可以包括重定向光栅的阵列，该重定向光栅的阵列用于使该光束的多个部分重新定向，以使该光束在该第一板内传播。
在一些实施例中，该耦出光栅的阵列中的光栅可以包括体全息光栅。
在一些实施例中，该光导还可以包括第二板，该第二板用于使该光束的至少一部分通过该第二板的相对平行的表面之间的一系列全内反射而在该第二板中传播，其中，该第一板和该第二板可以沿着该第一板和该第二板中的平行的表面光学耦合在一起。
在一些实施例中，该显示设备还可以包括可倾斜反射器，该可倾斜反射器位于该光源与该第一板之间的光路中，其中，该可倾斜反射器可以被配置为以通过使该可倾斜反射器倾斜而可变的角度将该光束耦合到该第一板中，从而在运行中，该像素的阵列处的该光功率密度峰的位置相对于该像素的阵列中的像素可以是可调节的。
在一些实施例中，该显示设备还可以包括控制器，该控制器可操作地耦接到该可倾斜反射器，该控制器用于使该可倾斜反射器倾斜，以将该像素的阵列处的该光功率密度峰的阵列偏移该像素的阵列的该间距p的整数倍。
在一些实施例中，该光源可以被配置为分别提供第一波长的第一光束分量、第二波长的第二光束分量和第三波长的第三光束分量，该光导还可以包括光学耦合到该第一板的耦出光栅的第二阵列和耦出光栅的第三阵列，其中，该耦出光栅的第一阵列、该耦出光栅的第二阵列和该耦出光栅的第三阵列在距该像素的阵列不同距离处平行于该像素的阵列延伸，以分别波长选择性地耦出该第一光束分量的一部分、该第二光束分量的一部分和该第三光束分量的一部分，从而穿过该衬底照射该像素的阵列。
在一些实施例中，该光导可以包括：光学调度电路，该光学调度电路耦接到该光源，该光学调度电路用于接收该光束并且将该光束分成多个子射束；以及线性波导的第一阵列，各线性波导耦接到该光学调度电路，该线性波导的第一阵列用于从该光学调度电路接收该多个子射束，其中，各线性波导彼此平行延伸，以使该多个子射束沿着该像素的阵列传播，其中，该第一阵列中的各耦出光栅可以光学耦合到该线性波导的第一阵列中的各线性波导。
在一些实施例中，该光源可以被配置为提供该光束的第一分量、第二分量和第三分量以分别携带第一波长的光、第二波长的光和第三波长的光；该光学调度电路可以被配置为用于接收该第一光束分量、该第二光束分量和该第三光束分量中的每个光束分量，并且将该第一光束分量、该第二光束分量和该第三光束分量中的每个光束分量分成多个子射束；以及该线性波导的第一阵列可以被配置为用于接收该第一光束分量的子射束；该光导还可以包括：线性波导的第二阵列和线性波导的第三阵列，各线性波导耦接到该光学调度电路，该线性波导的第二阵列和该线性波导的第三阵列用于分别从该光学调度电路接收该第二光束分量的子射束和该第三光束分量的子射束，其中，该第二阵列中的各线性波导和该第三阵列中的各线性波导彼此平行延伸，以使这些子射束沿着该像素的阵列传播；以及耦出光栅的第二阵列和耦出光栅的第三阵列，该耦出光栅的第二阵列中的各耦出光栅和该耦出光栅的第三阵列中的各耦出光栅分别光学耦合到该线性波导的第二阵列和该线性波导的第三阵列，该耦出光栅的第二阵列和该耦出光栅的第三阵列用于分别耦出该第二光束分量的一部分和该第三光束分量的一部分，以穿过该衬底照射该像素的阵列。
在一些实施例中，该光导还可以包括颜色选择反射器，该颜色选择反射器位于该耦出光栅的第一阵列、该耦出光栅的第二阵列和该耦出光栅的第三阵列与该显示面板的该衬底之间的光路中，其中，该颜色选择反射器可以被配置成为该第一光束分量、该第二光束分量和该第三光束分量提供不同的光路长度。
根据本公开的第二方面，提供了一种照明器，该照明器包括：光源，该光源用于提供光束；板，该板用于使该光束的至少一部分通过该板的相对平行的表面之间的一系列全内反射而在该板中传播；可倾斜反射器，该可倾斜反射器设置在该光源与该板之间的光路中，并且被配置为将该光束以可变的耦入角度耦合到该板中；以及耦出光栅的第一阵列，各耦出光栅光学耦合到该板，该耦出光栅的第一阵列用于根据该耦入角度以耦出角度耦出该光束的多个部分，使得光束部分由于泰伯效应而在与该板分开的泰伯平面处形成光功率密度峰的阵列，其中，该泰伯平面处的峰的位置取决于该光束部分的该耦出角度。
在一些实施例中，该光源可以被配置为提供该光束的第一分量、第二分量和第三分量以分别携带第一波长的光、第二波长的光和第三波长的光，该板还可以包括耦出光栅的第二阵列和耦出光栅的第三阵列，各耦出光栅光学耦合到该板，其中，该耦出光栅的第一阵列、该耦出光栅的第二阵列和该耦出光栅的第三阵列可以彼此平行延伸，以分别波长选择性地耦出该第一光束分量的一部分、该第二光束分量的一部分和第三光束分量的一部分，从而由于泰伯效应而在该泰伯平面处分别形成该第一波长的、该第二波长的和该第三波长的光功率密度峰的阵列，其中，该第一波长的、该第二波长的和该第三波长的该光功率密度峰的位置可以分别取决于该第一光束分量的光束部分、该第二光束分量的光束部分和该第三光束分量的光束部分的耦出角度。
在一些实施例中，该耦出光栅的第一阵列、该耦出光栅的第二阵列和该耦出光栅的第三阵列可以包括体光栅，其中，该耦出光栅的第一阵列中的体光栅、该耦出光栅的第二阵列中的体光栅和该耦出光栅的第三阵列中的体光栅可以设置在该板中的不同的深度处。
根据本公开的第三方面，提供了一种照明器，该照明器包括光源和光导，该光源用于提供光束，该光导包括：光学调度电路，该光学调度电路耦接到该光源，该光学调度电路用于接收该光束并且将该光束分成多个子射束；线性波导的第一阵列，各线性波导耦接到该光学调度电路，该线性波导的第一阵列用于从该光学调度电路接收该多个子射束，其中，各线性波导彼此平行延伸，以使该多个子射束在各线性波导中传播；以及耦出光栅的第一阵列，各耦出光栅光学耦合到该线性波导的第一阵列中的各线性波导，该耦出光栅的第一阵列用于耦出该多个子射束的多个部分，从而由于泰伯效应而在与该耦出光栅的第一阵列分开的泰伯平面处形成光功率密度峰的阵列。
在一些实施例中，该光源可以被配置为提供该光束的第一分量、第二分量和第三分量以分别携带第一波长的光、第二波长的光和第三波长的光；该光学调度电路可以被配置为用于接收该第一光束分量、该第二光束分量和该第三光束分量中的每个光束分量，并且将该第一光束分量、该第二光束分量和该第三光束分量中的每个光束分量分成多个子射束；以及该线性波导的第一阵列可以被配置为用于接收该第一光束分量的子射束；该光导还可以包括：线性波导的第二阵列和线性波导的第三阵列，各线性波导耦接到该光学调度电路，该线性波导的第二阵列和该线性波导的第三阵列用于分别从该光学调度电路接收该第二光束分量的子射束和该第三光束分量的子射束，其中，该第二阵列中的各线性波导和该第三阵列中的各线性波导可以彼此平行延伸以传播该子射束；以及耦出光栅的第二阵列和耦出光栅的第三阵列，该耦出光栅的第二阵列中的各耦出光栅和该耦出光栅的第三阵列中的各耦出光栅分别光学耦合到该线性波导的第二阵列和该线性波导的第三阵列，该耦出光栅的第二阵列和该耦出光栅的第三阵列分别用于耦出该第二光束分量的一部分和该第三光束分量的一部分，使得该第二光束分量的该部分和该第三光束分量的该部分由于泰伯效应而在该泰伯平面处形成光功率密度峰的阵列。
在一些实施例中，该光导还可以包括颜色选择反射器，该颜色选择反射器位于该耦出光栅的第一阵列、该耦出光栅的第二阵列和该耦出光栅的第三阵列与该泰伯平面之间的光路中，其中，该颜色选择反射器可以被配置为向该第一光束分量、该第二光束分量和该第三光束分量提供到该泰伯平面的不同光路长度。
需要理解的是，本文中描述为适合于结合到本公开的一个或多个方面或一个或多个实施例中的任何特征旨在可通用于本公开的任何和所有方面、以及任何和所有实施例。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。前文的笼统描述和下文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是根据本公开的一个或多个实施例的显示设备的示意性剖视图；
图1B是根据本公开的一个或多个实施例的图1A的显示设备的像素阵列的放大剖视图，在该像素阵列处，叠加有照明光的有峰的泰伯(Talbot)光功率密度分布；
图2是根据本公开的一个或多个实施例的图1A的显示设备的显示面板衬底上的光功率密度分布的计算分布图；
图3是根据本公开的一个或多个实施例的图1A的显示设备的照明器的光导板的侧视剖视图；
图4是根据本公开的一个或多个实施例的使用可倾斜微机电(Microelectromechanical，MEMS)反射器来横向调节像素阵列上的泰伯光功率密度分布的峰位置的图3的照明器的侧视剖视图；
图5是根据本公开的一个或多个实施例的用图4的照明器照射的像素阵列的示意性主视图，示出了通过使MEMS反射器倾斜而偏移的不同颜色的光斑；
图6是根据本公开的一个或多个实施例的具有聚焦耦出光栅的图3的照明器的侧视剖视图；
图7是根据本公开的一个或多个实施例的用图6的照明器照射的显示面板衬底上的光功率密度分布的计算分布图；
图8是根据本公开的一个或多个实施例的图6的照明器的照明能量的示例角度分布，该照明器具有18微米宽聚焦光栅，该18微米宽聚焦光栅具有20微米焦距；
图9是根据本公开的一个或多个实施例的显示面板照明分布图示例，示出了不充分的光瞳复制密度；
图10是根据本公开的一个或多个实施例的具有埋入式局部反射器的导光板，该埋入式局部反射器用于更高的光瞳复制密度；
图11A是根据本公开的一个或多个实施例的没有埋入式反射器的导光板的参考照明分布图；
图11B是根据本公开的一个或多个实施例的具有埋入式反射器的导光板的照明分布图；
图12是根据本公开的一个或多个实施例的泰伯照明器的光子集成电路(PhotonicIntegrated Circuit，PIC)实施例的示意性平面图；
图13A是根据本公开的一个或多个实施例的在线性波导上具有表面浮雕光栅的多色PIC照明器实施方式的俯视示意图；
图13B是根据本公开的一个或多个实施例的与显示面板的单个RGB像素叠加的、图13A的PIC光源的一部分的俯视示意图；
图13C是根据本公开的一个或多个实施例的图13A的PIC光源的线性波导的三维示意图；
图14是根据本公开的一个或多个实施例的具有分色镜的多色PIC照明器的剖视分解图；
图15是根据本公开的一个或多个实施例的使用显示设备和/或照明器的近眼显示器的平面示意图；以及
图16是根据本公开的一个或多个实施例的使用显示设备和/或照明器的本公开的头戴式显示器的视图。
具体实施方式
虽然结合各种实施例和示例来描述本教导，但是本教导并不旨在局限于这些实施例。相反，正如本领域技术人员将理解的，本教导涵盖各种替代方案和等同物。本文中引用本公开的原理、方面和实施例以及其具体示例的所有陈述旨在涵盖其结构等同物和功能等同物。此外，旨在使这种等同物既包括目前已知的等同物，也包括未来开发的等同物，即，所开发的执行相同功能的任何元件，而无需考虑结构。
如本文所使用的，除非有明确说明，否则术语“第一”、“第二”等不旨在暗示顺序次序，而是旨在将一个要素与另一个要素区分开。类似地，除非明确说明，否则这些方法步骤的顺序次序并不暗示它们执行的顺序次序。
在包括耦接到照明器的透射型像素的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。对于近眼显示器和/或头戴式显示器中通常使用的微型显示器，该比率可能低于50％。高效照明器利用率可能进一步被显示面板上的滤色器阻碍，该显示面板上的滤色器平均透射不超过30％的入射光。除此之外，对于基于偏振的显示面板(例如，液晶(Liquid Crystal，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电光转化效率(wall plugefficiency)，这是不期望的。
根据本公开，可以通过提供这样的照明器来提高背光显示器的光利用率和电光转化效率：该照明器生成与显示面板的透射型像素的位置匹配的光点阵列。由于照明光集中在像素区域，因此，像素间区域接收较少的光，可以提高显示器的整体电光转化效率。可以通过利用泰伯效应来提供光点阵列或光功率密度的横向分布中的峰的阵列，该泰伯效应在距照明器等于泰伯长度的距离处重新生成照明器处的周期性的光功率密度分布。可以分别为红色、绿色和蓝色照明光创建泰伯光图案，从而消除了对显示面板中的滤色器阵列的需要。
根据本公开，提供了一种显示设备，该显示设备包括显示面板和照明器，该显示面板包括衬底上的像素的阵列，该照明器用于照射该显示面板。该照明器包括光源和光导，该光源用于提供光束，该光导耦接到该光源，以用于接收该光束并沿着该衬底传播光束。该光导包括耦出光栅的第一阵列。第一阵列平行于该像素的阵列延伸，以从该光导耦出光束的多个部分，使得所耦出的光束部分传播通过该衬底，并且由于泰伯效应而在该像素的阵列处生成光功率密度峰的阵列。光功率密度峰的阵列的周期为M乘以p，其中，p是该像素的阵列的间距，M是大于或等于1(≥1)的整数。耦出光栅的第一阵列的第一间距T1可以是M乘以p。从包括耦出光栅的第一阵列的平面到包括该像素的阵列的平面的距离D可以被定义为D＝K(T1)2/(Nλ)，其中，K和N是大于或等于1(≥1)的整数，λ是该衬底中的光束的波长。在耦出光栅的第一阵列设置在该照明器的与该衬底连接的表面处的实施例中，距离D可以等于该衬底的厚度。耦出光栅的第一阵列中的光栅可以被配置为使光束的所耦出的部分聚焦或散焦。
在一些实施例中，该光导包括第一板，该第一板用于使光束中的至少一部分通过第一板的相对平行的表面之间的一系列全内反射而在该第一板中传播。该光导可以包括重定向光栅的阵列，该重定向光栅的阵列用于使该光束的多个部分重新定向，以使该光束在第一板内传播。例如，光栅可以包括体全息光栅。该光导还可以包括第二板，该第二板用于使该光束中的至少一部分通过第二板的相对平行的表面之间的一系列全内反射而在该第二板中传播。第一板和第二板可以沿着它们的平行的表面光学耦合在一起。
该显示设备还可以包括位于光源与第一板之间的光路中的可倾斜反射器。该可倾斜反射器可以被配置为以通过使该可倾斜反射器倾斜而可变的角度将光束耦合到第一板中。通过使该可倾斜反射器倾斜，该像素的阵列处的光功率密度峰的位置相对于该像素的阵列中的像素可以是可调节的。控制器可以可操作地耦接到该可倾斜反射器，以使该可倾斜反射器倾斜，以将该像素的阵列处的光功率密度峰的阵列偏移该像素的阵列的间距p的整数倍。
该光源可以被配置为分别提供第一波长的第一光束分量、第二波长的第二光束分量和第三波长的第三光束分量。对于这种实施例，该光导还可以包括光学耦合到第一板的耦出光栅的第二阵列和耦出光栅的第三阵列。耦出光栅的第一阵列、耦出光栅的第二阵列和耦出光栅的第三阵列可以在距该像素的阵列的不同距离处平行于该像素的阵列延伸，用于分别波长选择性地耦出第一光束分量的一部分、第二光束分量的一部分和第三光束分量的一部分，以穿过衬底照射像素的阵列。
在一些实施例中，该光导包括：光学调度电路，该光学调度电路耦接到该光源，该光学调度电路用于接收光束并且将该光束分成多个子射束；以及线性波导的第一阵列，各线性波导耦接到该光学调度电路，该线性波导的第一阵列用于从该光学调度电路接收该多个子射束。各线性波导可以彼此平行地延伸，以使该多个子射束沿着该像素的阵列传播。第一阵列中的各耦出光栅可以光学耦合到线性波导的第一阵列中的各线性波导。在光源被配置为提供光束的第一分量、第二分量和第三分量以分别携带第一波长的光、第二波长的光和第三波长的光的实施例中，该光学调度电路可以被配置为用于接收第一光束分量、第二光束分量和第三光束分量中的每个光束分量并且将其分成多个子射束。线性波导的第一阵列可以被配置为用于接收第一光束分量的子射束。该光导还可以包括线性波导的第二阵列和线性波导的第三阵列，各线性波导耦接到该光学调度电路，该线性波导的第二阵列和线性波导的第三阵列用于分别从该光学调度电路接收第二光束分量的子射束和第三光束分量的子射束。第二阵列中的各线性波导和第三阵列中的各线性波导可以彼此平行延伸，以使子射束沿着该像素的阵列传播。该光导还可以包括分别光学耦接到线性波导的第二阵列和线性波导的第三阵列的耦出光栅的第二阵列和耦出光栅的第三阵列，该耦出光栅的第二阵列和耦出光栅的第三阵列用于分别耦出第二光束分量的一部分和第三光束分量的一部分，以穿过衬底照射该像素的阵列。该光导还可以包括颜色选择反射器，该颜色选择反射器位于耦出光栅的第一阵列、耦出光栅的第二阵列和耦出光栅的第三阵列与显示面板的衬底之间的光路中。该颜色选择反射器可以被配置成为第一光束分量、第二光束分量和第三光束分量提供不同的光路长度，以确保所有波长的泰伯条纹在与该像素的阵列的平面相对应的同一平面上。
根据本公开，提供了一种照明器，该照明器包括用于提供光束的光源。板可以被配置为使光束的至少一部分通过该板的相对平行的表面之间的一系列全内反射而在该板中传播。可倾斜反射器可以设置在该光源与该板之间的光路中，并且被配置为将光束以可变的耦入角度耦合到该板中。耦出光栅的第一阵列可以光学耦合到板，用于根据耦入角度以耦出角度耦出光束的多个部分，使得光束部分由于泰伯效应而在与该板分开的泰伯平面处形成光功率密度峰的阵列，泰伯平面处的该峰的位置取决于光束部分的耦出角度。
在该光源被配置为提供光束的第一分量、第二分量和第三分量以分别携带第一波长的光、第二波长的光和第三波长的光的实施例中，该板还可以包括光学耦合到该板的耦出光栅的第二阵列和耦出光栅的第三阵列。耦出光栅的第一阵列、耦出光栅的第二阵列和耦出光栅的第三阵列彼此平行地延伸，以分别波长选择性地耦出第一光束分量的一部分、第二光束分量的一部分和第三光束分量的一部分，以由于泰伯效应而在泰伯平面处分别形成第一波长的、第二波长的和第三波长的光功率密度峰的阵列。第一波长的、第二波长的和第三波长的光功率密度峰的位置分别取决于第一光束分量的光束部分、第二光束分量的光束部分和第三光束分量的光束部分的耦出角度。在一些实施例中，耦出光栅的第一阵列、耦出光栅的第二阵列和耦出光栅的第三阵列可以包括体光栅。耦出光栅的第一阵列的体光栅、耦出光栅的第二阵列的体光栅和耦出光栅的第三阵列的体光栅可以设置在板中的不同的深度水平处。
根据本公开，还提供了一种照明器，该照明器包括：用于提供光束的光源；和光导。该光导包括：光学调度电路，该光学调度电路耦接到该光源，该光学调度电路用于接收光束并且将该光束分成多个子射束；以及线性波导的第一阵列，各线性波导耦接到该光学调度电路，该线性波导的第一阵列用于从该光学调度电路接收该多个子射束。各线性波导彼此平行延伸，以使该多个子射束在各线性波导中传播。该光导还包括耦出光栅的第一阵列，各耦出光栅光学耦合到线性波导的第一阵列中的各线性波导，用于耦出子射束的多个部分，从而由于泰伯效应而在与耦出光栅的第一阵列分开的泰伯平面处形成光功率密度峰的阵列。
在该光源被配置为提供光束的第一分量、第二分量和第三分量以分别携带第一波长的光、第二波长的光和第三波长的光的实施例中，该光学调度电路可以被配置为用于接收第一光束分量、第二光束分量和第三光束分量中的每个分量并且将其分成多个子射束。该线性波导的第一阵列可以被配置为用于接收第一光束分量的子射束。该光导还可以包括耦接到该光学调度电路的线性波导的第二阵列和线性波导的第三阵列，该线性波导的第二阵列和线性波导的第三阵列用于分别从该光学调度电路接收第二光束分量的子射束和第三光束分量的子射束。第二阵列中的各线性波导和第三阵列中的各线性波导可以彼此平行延伸，以使子射束传播。该光导还可以包括分别光学耦合到线性波导的第二阵列和线性波导的第三阵列的耦出光栅的第二阵列和耦出光栅的第三阵列，该耦出光栅的第二阵列和该耦出光栅的第三阵列分别用于耦出第二光束分量的一部分和第三光束分量的一部分，使得第二光束分量的一部分和第三光束分量的一部分由于泰伯效应而在泰伯平面处形成光功率密度峰的阵列。该光导还可以包括颜色选择反射器，该颜色选择反射器位于耦出光栅的第一阵列、耦出光栅的第二阵列和耦出光栅的第三阵列与泰伯平面之间的光路中。该颜色选择反射器可以被配置成为第一光束分量、第二光束分量和第三光束分量提供到泰伯平面的不同光路长度。
现在参考图1A和图1B，显示设备100(图1A)包括显示面板102和用于照射显示面板102的照明器104。显示面板102包括由衬底108支撑的像素106的阵列。作为非限制性示例，显示面板102可以是液晶(LC)面板，该液晶面板包括位于一对衬底之间的LC流体的薄层，其中一个衬底承载限定透射型LC像素的电极的阵列。照明器104包括提供光束112的光源110和耦接到光源110的光导114。光导114接收并沿着衬底108传播光束112，并且可以使射束沿着光导114并且在该光导上传播，即，光导可以使射束在XY平面中传播。
光导114包括耦出光栅116的阵列，各耦出光栅平行于像素106的阵列延伸。在运行中，耦出光栅116从光导114耦出光束112的多个部分118，使得所耦出的光束部分118传播通过衬底108，并且由于泰伯效应而在像素106的阵列处生成光功率密度峰120的阵列(图1B)。光功率密度峰120的位置与像素106的位置相配合，使得大部分照明光传播通过像素106，并且不会被不透明的像素间区域107遮挡，提高了整体光通量，因此提高了显示设备100的电光转化效率。如所示出的，可以为每个像素106提供一个峰120。在一些实施例中，各峰120之间的距离可以等于M乘以p，其中，p是像素的阵列的间距，M是大于或等于1(≥1)的整数。例如，在照明光的若干波长处生成泰伯图案的实施例中，可以为像素的阵列的每个颜色子像素提供特定颜色通道的波长处的一个峰120，若干子像素形成一个RGB像素。这种结构将在下面进一步论述。
光束部分118朝向目视透镜122传播，该目视透镜对各个光束部分118进行准直，并且将这些光束部分朝向显示设备100的适眼区124重新定向。目视透镜122的功能是从由显示面板102显示的线性域中的图像形成适眼区124中的角域中的图像。
参考图2，示出了显示面板102的衬底108(图1A)中的泰伯条纹图案200作为光功率密度分布图。泰伯条纹图案200起源于平行于图1A中的XY平面设置的第一平面201。耦出光栅116设置在第一平面201中。在图2中，光从左向右传播，在距第一平面201不同距离处形成光功率密度峰的阵列。在第二平面202处重复第一平面201处的光功率密度分布，该第二平面与第一平面201相隔一个泰伯图案周期，在该示例中，该泰伯图案周期等于0.5mm。像素106的阵列可以位于第二平面202处。如图1A所示，对于耦出光栅116的阵列设置在照明器的与衬底108连接的表面上的实施例，泰伯图案周期可以简单地等于衬底的厚度。更一般地，根据以下式(1)，耦出光栅的平面与像素的平面之间的距离D可以仅包括泰伯图案的一部分或若干这样的图案。
D ＝ K (T1)2 / (N λ), (1)
其中，K和N是大于或等于1(≥1)的整数，其中，λ是衬底中的光束的波长。在上式(1)中，K是泰伯图案的重复次数，N限定具有更高间距的泰伯峰的子平面。例如，在与第一平面201和第二平面202分开0.25mm的中间平面203处，该间距被加倍。
参考图3，显示设备300是图1的显示设备100的实施例。图3的显示设备300使用导光板将照明光沿着显示面板并且在该显示面板(即，在XY平面中)上扩展。在所示出的示例中，显示设备300包括耦接到照明器304的显示面板302。显示面板302包括像素306的阵列，各像素由像素间间隙或黑色栅格307分开，并且由透明的衬底308支撑。显示面板302可以是例如LC面板，该LC面板包括位于一对衬底之间的LC流体的薄层，其中一个衬底上的电极图案限定LC流体层中的透射型像素。照明器304包括光源310和光导314，该光源提供光束312，该光导由耦入光栅335耦接到光源310。光导314接收光束312并沿着衬底308传播该光束，使光束312沿着光导314并且在该光导上(即，在X方向和Y方向上)传播。
光导314包括透明的平面平行的板334，该板具有相对平行的表面331和332。在运行中，板334接收来自光源310的光束312，并且使光束312通过从相对平行的表面331和332的一系列全内反射或TIR在该板中传播，如图3所示。耦出光栅316的阵列(例如，体全息光栅，该体全息光栅包括但不限于偏振体全息(Polarization Volume Hologram，PVH)光栅)从板334耦出光束312的多个部分318。光束部分318传播通过衬底308，由于泰伯效应而在显示面板302的像素306的阵列处形成光功率密度峰的阵列，类似于以上参考图1A、图1B和图2所解释的。光导314还可以包括重定向光栅337，该重定向光栅用于使光束312的多个部分318重新定向，以使光束312在板334内沿X方向和Y方向传播。
转到图4，显示设备400是图1的显示设备100的实施例。显示设备400类似于图3的显示设备300，其也使用导光板来使照明光沿着显示面板并且在显示面板上扩展。在所示出的示例中，显示设备400包括耦接到照明器404的显示面板302。照明器404使用光源310来提供光束312，该光束由耦入光栅335耦入到板334中，光束312通过从板334的相对表面331和332的一系列TIR进行传播。耦出光栅316耦出光束312的多个部分318，以传播通过衬底308。光束部分318在显示面板302的像素306的阵列处形成光功率密度的泰伯图案。泰伯图案具有多个峰420。重定向光栅337有助于使光束312沿着板334并且在该板上传播。
显示设备400与图3的显示设备300的不同之处在于，图4的照明器404包括可倾斜反射器440，该可倾斜反射器位于光源310与板334之间的光路上。可倾斜反射器440(例如，微机电系统(Microelectromechanical System，MEMS)反射器)被配置为通过将光束312以经由使可倾斜反射器440倾斜而可变的角度或可调节的角度重新定向到耦入光栅335，来将光束312耦合到板334中。因为光束312的耦入角度改变，所以光束部分318的耦出角度也改变。这在图4中由实线箭头418和虚线箭头418*示出，该实线箭头表示光束部分318的标称耦出角度，该虚线箭头表示以由可倾斜反射器440的当前倾斜角度限定的不同角度耦出的光束部分318。光束部分318的可调节耦出角度使得在像素306的阵列的平面处的光功率密度分布的峰420的位置相对于像素306是可调节的。例如，当光束部分318以箭头418*所示的倾斜角度离开时，峰420偏移到420*所示的位置。
可以使用峰420的位置的可调节性来精确地使峰420在像素306上居中。这可以例如在所制造的显示单元的校准期间完成，以增大光的传播通过显示面板302的部分，从而提高显示单元的电光转化效率。显示设备400还可以包括控制器450，该控制器可操作地耦接到可倾斜反射器440。控制器450可以提供控制信号，以使可倾斜反射器440倾斜，这使得像素306的阵列处的光功率密度分布根据需要偏移。
当控制器450将光功率密度分布的峰420偏移像素306的整个间距时，光束分量318通过显示面板302的光通量再次达到最大值。需要注意的是，在偏移了像素306的阵列的间距的整数倍的光功率密度分布处，传播通过显示面板302的光的整体方向改变了小的离散量。因此，通过使可倾斜反射器440倾斜，可以通过执行多个非零阶步(non-zero step)来将显示设备的输出光瞳转向到所需位置。所需的射束位置可以对应于例如由显示设备的眼动追踪系统确定的用户的眼睛瞳孔的位置。瞳孔转向能够进一步提高显示单元的整体光利用率和电光转化效率。
在一些实施例中，光源310可以被配置成提供各个颜色通道(例如，红色(R)颜色通道、绿色(G)颜色通道和蓝色(B)颜色通道)的光束分量。光源310可以分别提供第一(例如，红色)波长的第一射束分量、第二(例如，绿色)波长的第二射束分量和第三(例如，蓝色)波长的第三射束分量。可以通过使用波分复用器(Wavelength Division Multiplexor，WDM)将第一射束分量、第二射束分量和第三射束分量组合成单个光束，例如，该波分复用器可以包括一组分色镜。在光束包括不同波长的射束分量的实施例中，光导可以包括光学耦合到导光板的波长选择型耦出光栅的第一阵列、波长选择型耦出光栅的第二阵列和波长选择型耦出光栅的第三阵列。耦出光栅的第一阵列、耦出光栅的第二阵列和耦出光栅的第三阵列可以平行于像素的阵列延长或延伸，用于分别波长选择性地耦出第一射束分量的一部分、第二射束分量的一部分和第三射束分量的一部分，以穿过衬底照射像素的阵列。由于耦出光栅的平面与由上式(1)限定的像素的平面之间的距离D包括光束的波长，因此耦出光栅的第一阵列、耦出光栅的第二阵列和耦出光栅的第三阵列将需要设置在距像素的阵列的平面的不同距离处(即，在导光板中的不同的深度处)，以确保对于不同的颜色通道在同一平面处形成尖的泰伯峰。
耦出光栅的第一阵列、耦出光栅的第二阵列和耦出光栅的第三阵列可以彼此偏移，以形成用于照射不同颜色通道的子像素的横向偏移泰伯峰的阵列。例如，参考图5，可以在时刻T＝0ms时用红色泰伯峰(“R”，灰色阴影圆圈)的第一阵列、绿色泰伯峰(“G”，白色圆圈)的第二阵列和蓝色泰伯峰(“B”，黑色圆圈)的第三阵列照射像素500的阵列，如顶部的像素行所示。在T＝0ms时，阵列中的像素500从左到右依次被分配R子像素、G子像素和B子像素的角色。换言之，这些像素的透射值是根据特定的RGB像素的R颜色通道、G颜色通道和B颜色通道的相对强度来设置的。在T＝3ms时，这些角色偏移一个像素，即，阵列中的像素500从左到右依次被分配G子像素、B子像素和R子像素的角色。在T＝6ms时，这些角色再偏移一个像素，即，阵列中的像素500从左到右依次被分配B子像素、R子像素和G子像素的角色。其他偏移可以是可行的。这使得能够提供一个子像素的水平空间分辨率，而不是形成RGB像素的三个子像素的水平空间分辨率，从而将RGB像素的整体空间分辨率提高三倍。当然，同一技术可以应用于竖直偏移的像素。此外，需要注意的是，图5中3ms的时间间隔只是作为一个示例；当然，其它时间间隔也是可能的。将照明射束分量偏移像素间距的整数倍允许将R子像素、G子像素和B子像素非常灵活地分配给像素500的阵列中的各个像素，从而使得能够提高整体可实现的通量和空间分辨率。
现在参考图6，显示设备600是图1的显示设备100的实施例。显示设备600类似于图3的显示设备300，其也使用导光的板334将照明光扩展到显示面板上。为了简单起见，图6中仅示出了显示面板的衬底308的一部分。
显示设备600包括光源310，以提供光束312，该光束由耦入光栅335耦入到光导614的板334中，光束312通过从板334的相对表面331和332的一系列TIR而传播。光导614的耦出光栅616被配置为将光束312的所耦出的部分318聚焦在焦点618处，这些焦点设置在设置于距板334非零距离处的同一焦平面605上。到焦平面605的距离等于光栅616的焦距f。为了提供聚焦(使射束变窄)或散焦(使射束变宽)的能力，耦出光栅616可以包括具有弯曲条纹以提供聚焦功能的体光栅，例如，偏振体光栅(PVH)。使光束部分318聚焦在远离光导614的焦平面605处使得在具有泰伯光功率密度分布的情况下能够使利用光导614照射的显示面板衬底的厚度增大焦距f。
后一点在图7中示出，图7示出了用图6的光导614照射的显示面板的衬底中(例如，在显示面板的衬底308中)的光功率密度的分布图。所耦出的光束部分318(图6)聚焦在对应于图6中的焦平面605的焦平面705(图7)处，焦平面705在显示面板600的衬底308内与耦出光栅616的第一平面701相距0.1mm。图7的泰伯条纹图案700在第一平面701与像素阵列所在的第二平面702之间的区域类似于图2的泰伯条纹图案200。在光路中向前聚焦(即，向下游聚焦)允许使用显示面板的更厚的衬底，同时减小光斑尺寸并且增大在第二焦平面处光束的发散。附加的好处是，输出光束在目视透镜上游的发散增大使显示器在适眼区处(例如，在目视透镜122(图1)下游的显示设备的适眼区124)的出射光瞳尺寸增加。出射光瞳尺寸可以增加到大于典型的眼睛瞳孔尺寸，即，其可能会过填充眼睛瞳孔。根据显示设备的目视透镜的焦距，可能需要至少+/-15度的光锥来过填充眼睛瞳孔。作为说明，图8示出了在任意单元中的光功率密度的角度分布与光束离开像素阵列中的像素的射束角度的关系，其中，光束部分由具有20微米焦距的18微米宽体全息光栅的阵列进行耦出和聚焦。
用作显示面板的照明器的光瞳复制光导需要提供显示面板的均匀照明。参考图9，30mm×50mm的小型显示面板用平面平行导光板照明，该平面平行导光板配备有耦出光栅的2D阵列。尽管光栅的间距非常小并且可以与显示像素的间距一样小，但是照明图案仍然高度不均匀。不均匀由图9中所见的圆形光斑的六角形阵列来表示，并且不是由于耦出光栅的间距不足造成的，而是由于导光板中的照明光束的TIR之间的阶梯太大造成的。
可以通过使用更薄的导光板和/或通过提供若干这种板来减少该阶梯，若干这种板通过交错在这些板之间的一个或多个共用的部分反射表面而光学耦合为叠置体。例如，参考图10，导光板1000包括位于导光板1000的中间厚度处的埋入式部分反射器1010(例如，50％反射器)。实际上，导光板1000可以由一对更薄的板1001和1002制成，这对更薄的板通过部分反射器1010光学耦合在一起，该部分反射器沿着平行于XY平面的各自平行的导光表面中的一个导光表面与XY平面平行。
在运行中，光束1012由耦入光栅1035耦入到第一板1001中，并且在点1009处被分成两个射束(即，第一射束1021和第二射束1022)，这两个射束在各自的板1001和1002中部分地传播，并且在它们进一步传播时部分地跨越到其他板中。这种射束传播的最终结果是使每个射束1021和1022沿着X方向的步阶S减半，这使照明光斑的密度加倍，最终将它们合并成连续的照明图案。
后一点在图11A和图11B中示出。首先参考图11A，参考照明图案1100A包括一系列光斑1102，每个斑1102对应于光束从板的平行表面中的一个表面反射的区域。与光束直径相比，过大的板厚度造成出现分离的照明斑1102。转到图11B，照明图案1100B对应于具有埋入在中间厚度处的50％反射器的导光板的情况。照明图案1100B包括由密集重叠的光斑组成的连续条1104。该示例仅示出了射束在一个方向上的扩展。双向射束扩展示出了类似的趋势，整个显示面板连续照明。照明光束应当具有足够宽的光谱，并且相应地具有足够小的相干长度，以消除相邻光斑之间的任何光学干涉。作为非限制性示例，在约5nm的超辐射发光二极管(Superluminescent Light-Emitting Diode，SLED)或脉冲激光二极管的光谱宽度下，相干长度约为60微米。只要导光板厚度比相干长度大得多，干涉造成的斑点图案就会被消除。
现在参考图12，照明器1204包括光源1210，该光源用于向光导1234提供光束1212。光导1234包括耦接到光源1210的光学调度电路1241。光学调度电路1241基于线性波导，并且被配置为接收光束1212并将其分成在各个线性波导中传播的多个子射束。在本文中，术语“线性波导”指的是限制光在两个维度上传播的波导，就像光导束(light wire)一样。线性波导可以是笔直的、弯曲的等；换言之，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型波导(ridge-type waveguide)。
为了将光束1212分成多个子射束，光学调度电路1241可以包括1×2波导分束器1244的二叉树，这些波导分束器通过线性波导1245彼此耦接。光学调度电路1241的其它配置也是可能的，例如，这些光学调度电路可以基于马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnderinterferometer)的树，并且可以包括用于不同波长(例如，不同颜色通道的波长)的光源部件的单独的波导树。
光导1234还包括耦接到光学调度电路1241的线性波导1242的阵列，该线性波导的阵列用于从光学调度电路1241接收子射束。各线性波导1242彼此平行延伸，以使子射束在各线性波导中传播。光导1234还包括耦出光栅1216的阵列，各耦出光栅光学耦合到线性波导的阵列中的各线性波导1242，该耦出光栅的阵列用于将在各线性波导1242中传播的子射束的多个部分耦出。耦出光栅1216如所示出的平行于XY平面设置，并且执行与图1A的照明器104的光导114的耦出光栅116相同或相似的功能。具体地，耦出光栅1216将来自各个线性波导1242的子射束部分耦出，以传播通过显示面板的衬底，并且由于泰伯效应而在与耦出光栅1216的阵列分开的泰伯平面处形成光功率密度峰的阵列，如上面参考图1A、图1B和图2已经解释的。
图13A至图13C示出了图12的光导1234的一种可能的实施方式。首先参考图13A和图13B，光子集成电路(PIC)照明器1304包括衬底1306和线性波导1307的阵列，各线性波导由衬底1306支撑并且沿着显示面板的像素的阵列延伸。在图13A所示的PIC照明器1304中，线性波导1307包括用于传送红色波长的光的“红色波导”1307R的阵列、用于传送绿色波长的光的“绿色波导”1307G的阵列以及用于传送蓝色波长的光的“蓝色波导”1307B的阵列。不同波长的光1308可以由多波长光源1310生成，并且通过作为PIC的一部分的光学调度电路1319而分布在不同的波导1307R、1307G和1307B中。调度电路1319的功能是沿着Y方向扩展光并且将光重新路由到线性波导1307的阵列中。显示面板的一行像素可以被设置为遍及红色通道、绿色通道和蓝色通道的各自的线性波导1307R、1307G和1307B中的所有波导，这些线性波导在图13A中竖直地延伸。图13A中用虚线矩形1313描绘出一行像素的轮廓。
图13B是位于显示面板的单个像素1303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个颜色子像素分别对应于图像的红色(R)通道、绿色(G)通道和蓝色(B)通道中的一个通道。例如，在RGGB方案中，可以提供多于三个的颜色子像素。多个光部分可以通过图13C中所示的相应光栅1312R、1312G和1312B从脊形波导1307R、1307G和1307B耦出或重新定向，从而形成用于每个颜色通道的对应的光栅的阵列。光栅1312R、1312G和1312B可以是啁啾的，以使所耦出的光束在沿着波导的方向上(即，在图13A和图13B中竖直地(即，沿着X轴线))聚焦。此外，光栅槽可以是弯曲的，以使光在图13A和图13B中的水平方向上(即，沿着Y轴线)聚焦。在图13C的示例中，光栅1312R、1312G和1312B分别形成在线性波导1307R、1307G和1307B中，但是在一些实施例中，光栅的阵列可以单独形成并且光学耦合到线性波导1307的阵列。
为了使所耦出的光束在图13B中的水平方向上聚焦，可以如图所示地提供1D微透镜1318。在本文中，术语“1D微透镜”指的是使光主要在一个维度上聚焦的透镜，例如柱面透镜。可以提供2D透镜(即，使光在两个正交平面中聚焦的透镜)来替代1D透镜。设置在光栅1312R、1312G和1312B与像素1303R、1303G和1303B之间的光路中的微透镜1318的阵列可以用于使由光栅1312R、1312G和1312B重新定向的光至少部分地聚焦，以传播通过对应的子像素1303R、1303G和1303B。图13B中示出了用于一个白色像素1303的配置。可以针对显示面板的每个白色像素来重复白色像素配置。
转到图14，波导照明器1404包括图12的照明器1204的各元件。光学调度电路1241的波导结构形成在由衬底1454支撑的芯层1452中，该波导结构包括波导分束器并且将线性波导与直的线性波导1242的阵列耦合。照明器1404还包括颜色选择反射器1456，该颜色选择反射器位于一方面形成在芯层1452中的耦出光栅1216的阵列与另一方面显示面板的衬底1408之间的光束1212的光路中。颜色选择反射器1456被配置成为不同波长的光束分量提供不同的光路长度。为此，颜色选择反射器1456可以包括第一反射器1461、第二反射器1462和第三反射器1463，该第一反射器、该第二反射器和该第三反射器由反射器衬底1464在反射器衬底1464内的不同的深度处(即，不同的Z坐标)支撑。第一反射器1461和第二反射器1462可以是分色反射器。第一反射器1461反射第一波长的光并且透射第二波长的光和第三波长的光，第二反射器1462透射第一波长的光和第三波长的光并且反射第二波长的光。第三反射器可以是100％反射所有波长的光的反射镜，或者也可以是仅反射第三波长的光的分色镜，以减少颜色通道串扰。
在运行中，光束1212携带第一射束分量1271、第二射束分量1272和第三射束分量1273，该第一射束分量、该第二射束分量和该第三射束分量分别用于携带第一波长的光、第二波长的光和第三波长的光。例如，第一射束分量1271、第二射束分量1272和第三射束分量1273可以分别在红色波长、绿色波长和蓝色波长处。第一射束分量1271由第一反射器1461反射，其中，其余射束分量1272和1273透射通过。第二射束分量1272由第二反射器1462反射，其中，第三射束分量1273透射通过。最后，第三射束分量1273被第三反射器1463反射。由于分束传播，不同的射束分量在它们到达显示面板的衬底1408之前将传播不同的距离。可以选择不同的距离来补偿对于如以上式(1)所限定的不同波长的光到泰伯平面的不同距离，从而使得有峰的泰伯图案在显示面板的像素平面处重叠。
转到图15，近眼显示器1500包括具有一副眼镜的形状要素的框架1501。框架1501为每只眼睛支撑：显示面板1510，该显示面板用于提供线性域中的图像；目视透镜1520，该目视透镜用于将线性域中的图像转换为角域中的图像，以供置于适眼区1512中的眼睛进行观察；以及显示面板照明器1530，该显示面板照明器包括本公开的任何照明器。显示面板照明器1530用与如本文解释的像素阵列图案配合的泰伯照明图案来照射显示面板1510的像素阵列。多个适眼区照明器1506照射适眼区1512，眼动追踪摄像头1504拍摄用户的眼睛的实时图像。眼睛照明器1506可以由显示面板1510支撑。
眼动追踪摄像头1504的目的是确定用户的双眼的位置和/或取向。一旦知道了用户的眼睛的位置和取向，就可以调节背面照明的显示器的出射光瞳，以将显示光发送到眼睛瞳孔，例如，通过依赖于内置于图4的显示面板照明器中的可倾斜反射器。动态的出射光瞳转向提高了近眼显示器1500的整体光利用效率。眼动追踪数据的另一个用途是用于校准或图像校正目的。此外，考虑到用户的凝视，可以动态地调节由近眼显示器1500显示的影像，从而使用户更逼真地沉浸到所显示的增强现实场景中，和/或提供与增强现实交互的特定功能。
适眼区照明器1506在相应适眼区1512处照射眼睛，以使眼动追踪摄像头获取眼睛的图像，以及提供参考反射(即，闪烁)。闪烁可以用作所采集的眼睛图像中的参考点，从而通过确定眼睛瞳孔图像相对于闪烁图像的位置有助于确定眼睛凝视方向。为了避免照明光分散用户的注意力，可以使照明光对用户不可见。例如，可以使用红外光。
转到图16，HMD 1600是可以使用本公开的照明器和/或显示设备的可穿戴显示系统的另一个示例。HMD 1600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 1600可以包括前部本体1602和带1604。前部本体1602被配置用于以可靠并且舒适的方式放置在用户的眼睛的前方，并且带1604可以被拉伸以将前部本体1602固定在用户的头部上。显示系统1680可以设置在前部本体1602中，用于向用户呈现AR/VR影像。前部本体1602的侧部1606可以是不透明的或透明的。
在一些实施例中，前部本体1602包括定位器1608、惯性测量单元(InertialMeasurement Unit，IMU)1610和位置传感器1612，该IMU用于追踪HMD 1600的加速度，该位置传感器用于追踪HMD 1600的位置。IMU 1610是一种基于接收到的来自这些位置传感器1612中的一个或多个位置传感器的测量信号来生成指示HMD 1600的位置的数据的电子设备，其中，该一个或多个位置传感器响应于HMD 1600的运动而生成一个或多个测量信号。位置传感器1612的示例包括：一个或多个加速度计、一个或多个陀螺仪、一个或多个磁力计、检测运动的其他合适类型的传感器、用于IMU 1610的误差校正的一类传感器或它们的某种组合。位置传感器1612可以位于IMU 1610的外部、IMU 1610的内部或它们的某种组合。
定位器1608由虚拟现实系统的外部成像设备来追踪，使得虚拟现实系统可以追踪整个HMD 1600的位置和取向。可以将由IMU 1610和位置传感器1612生成的信息与通过追踪定位器1608获得的位置和取向进行比较，以提高HMD 1600的位置和取向的追踪精度。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该用户呈现合适的虚拟场景非常重要。
HMD 1600还可以包括深度摄像头组件(Depth Camera Assembly，DCA)1611，该深度摄像头组件采集描述一些或所有HMD 1600周围的局部区域的深度信息的数据。为此，DCA1611可以包括激光雷达(LIDAR)或类似设备。可以将深度信息与来自IMU 1610的信息进行比较，以便更准确地确定HMD 1600在3D空间中的位置和取向。
HMD 1600还可以包括眼动追踪系统1614，该眼动追踪系统用于实时确定用户眼睛的取向和位置。所获取的眼睛的位置和取向还允许HMD 1600提供显示出射光瞳转向，和/或确定用户的凝视方向，并且相应地调节由显示系统1680生成的图像。在一个实施例中，确定辐辏(即，用户的眼睛凝视的会聚角度)。所确定的凝视方向和辐辏角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，所确定的辐辏角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1602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施。人工现实系统在呈现给用户之前以某种方式调节了通过感测获取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)。作为非限制性示例，人工现实可以包括虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)、混合现实(hybrid reality)或它们的某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或与采集的(例如，真实世界的)内容相结合的生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、躯体反馈或触觉反馈或它们的某种组合。这些内容中的任何内容可以在单个通道中或在多个通道中(例如，在向观看者产生三维效果的立体视频中)呈现。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、服务或它们的某种组合相关联，这些应用程序、产品、附件、服务或它们的某种组合用于例如在人工现实中创建内容和/或以其它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施，这些平台包括可穿戴显示器(例如，连接至主控计算机系统的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位或多位观看者提供人工现实内容的任何其它硬件平台。
本公开的范围不受本文描述的特定实施例的限制。实际上，除了本文描述的这些实施例和修改之外，其它各种实施例和修改根据上述描述和附图对本领域普通技术人员来说将是显而易见的。因此，这种其它实施例和修改旨在落入本公开的范围内。此外，尽管本文中已出于特定目的在特定环境中的特定实施方式的上下文中描述了本公开，但是本领域的普通技术人员将认识到，本公开的实用性不限于此，并且本公开可以出于任何数量的目的在任何数量的环境中有利地实施。因此，下面随附的权利要求应当根据如本文所描述的本公开的全部广度来解释。

Claims (15)

1.一种显示设备，包括：
显示面板和照明器，所述显示面板包括衬底上的像素的阵列，所述照明器用于照射所述显示面板，所述照明器包括光源和光导，所述光源用于提供光束，所述光导耦接到所述光源，以用于接收所述光束并沿着所述衬底传播所述光束，所述光导包括耦出光栅的第一阵列；
其中，所述第一阵列平行于所述像素的阵列延伸，以从所述光导耦出所述光束的多个部分，使得所耦出的光束部分传播通过所述衬底，并且由于泰伯效应而在所述像素的阵列处生成光功率密度峰的阵列，其中，所述光功率密度峰的阵列的周期是M乘以p，其中，p是所述像素的阵列的间距，M是大于或等于1的整数。
2.根据权利要求1所述的显示设备，其中，所述耦出光栅的第一阵列的第一间距T1是M乘以p，其中，从包括所述耦出光栅的第一阵列的平面到包括所述像素的阵列的平面的距离D为D＝K(T1)2/(Nλ)，其中，K和N是大于或等于1的整数，λ是所述衬底中的所述光束的波长；
优选地，其中，所述耦出光栅的第一阵列设置在所述照明器的与所述衬底连接的表面处，其中，所述距离D等于所述衬底的厚度。
3.根据权利要求1或2所述的显示设备，其中，所述耦出光栅的第一阵列中的光栅被配置为使所述光束的所耦出的多个部分聚焦或散焦。
4.根据前述权利要求中任一项所述的显示设备，其中，所述光导包括第一板，所述第一板用于使所述光束的至少一部分通过所述第一板的相对平行的表面之间的一系列全内反射而在所述第一板中传播。
5.根据权利要求4所述的显示设备，其中，所述光导还包括重定向光栅的阵列，所述重定向光栅的阵列用于使所述光束的多个部分重新定向，以使所述光束在所述第一板内传播；优选地，其中，所述耦出光栅的阵列中的光栅包括体全息光栅。
6.根据权利要求4或5所述的显示设备，其中，所述光导还包括第二板，所述第二板用于使所述光束的至少一部分通过所述第二板的相对平行的表面之间的一系列全内反射而在所述第二板中传播，其中，所述第一板和所述第二板沿着所述第一板和所述第二板中的平行的表面光学耦合在一起。
7.根据权利要求4至6中任一项所述的显示设备，还包括可倾斜反射器，所述可倾斜反射器位于所述光源与所述第一板之间的光路中，其中，所述可倾斜反射器被配置为以通过使所述可倾斜反射器倾斜而可变的角度将所述光束耦合到所述第一板中，从而在运行中，所述像素的阵列处的所述光功率密度峰的位置相对于所述像素的阵列的像素是可调节的；
优选地，其中，所述显示设备还包括控制器，所述控制器可操作地耦接到所述可倾斜反射器，所述控制器用于使所述可倾斜反射器倾斜，以将所述像素的阵列处的所述光功率密度峰的阵列偏移所述像素的阵列的所述间距p的整数倍。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的显示设备，其中，所述光源被配置为分别提供第一波长的第一光束分量、第二波长的第二光束分量和第三波长的第三光束分量，所述光导还包括光学耦合到所述第一板的耦出光栅的第二阵列和耦出光栅的第三阵列，其中，所述耦出光栅的第一阵列、所述耦出光栅的第二阵列和所述耦出光栅的第三阵列在距所述像素的阵列不同距离处平行于所述像素的阵列延伸，以分别波长选择性地耦出所述第一光束分量的一部分、所述第二光束分量的一部分和所述第三光束分量的一部分，从而穿过所述衬底照射所述像素的阵列。
9.根据前述权利要求中任一项所述的显示设备，其中，所述光导包括：
光学调度电路，所述光学调度电路耦接到所述光源，所述光学调度电路用于接收所述光束并且将所述光束分成多个子射束；以及
线性波导的第一阵列，各线性波导耦接到所述光学调度电路，所述线性波导的第一阵列用于从所述光学调度电路接收所述多个子射束，其中，各线性波导彼此平行延伸，以使所述多个子射束沿着所述像素的阵列传播，其中，所述第一阵列中的各耦出光栅光学耦合到所述线性波导的第一阵列中的各线性波导。
10.根据权利要求9所述的显示设备，其中：
所述光源被配置为提供所述光束的第一分量、第二分量和第三分量以分别携带第一波长的光、第二波长的光和第三波长的光；
所述光学调度电路被配置为用于接收所述第一光束分量、所述第二光束分量和所述第三光束分量中的每个光束分量，并且将所述第一光束分量、所述第二光束分量和所述第三光束分量中的每个光束分量分成多个子射束；并且
所述线性波导的第一阵列被配置为用于接收所述第一光束分量的子射束；
所述光导还包括：
线性波导的第二阵列和线性波导的第三阵列，各线性波导耦接到所述光学调度电路，所述线性波导的第二阵列和所述线性波导的第三阵列用于分别从所述光学调度电路接收所述第二光束分量的子射束和所述第三光束分量的子射束，其中，所述第二阵列中的各线性波导和所述第三阵列中的各线性波导彼此平行延伸，以使所述子射束沿着所述像素的阵列传播；以及
耦出光栅的第二阵列和耦出光栅的第三阵列，所述耦出光栅的第二阵列中的各耦出光栅和所述耦出光栅的第三阵列中的各耦出光栅分别光学耦合到所述线性波导的第二阵列和所述线性波导的第三阵列，所述耦出光栅的第二阵列和所述耦出光栅的第三阵列用于分别耦出所述第二光束分量的一部分和所述第三光束分量的一部分，以穿过所述衬底照射所述像素的阵列。
11.根据权利要求10所述的显示设备，其中，所述光导还包括颜色选择反射器，所述颜色选择反射器位于所述耦出光栅的第一阵列、所述耦出光栅的第二阵列和所述耦出光栅的第三阵列与所述显示面板的所述衬底之间的光路中，其中，所述颜色选择反射器被配置成为所述第一光束分量、所述第二光束分量和所述第三光束分量提供不同的光路长度。
12.一种照明器，包括：
光源，所述光源用于提供光束；
板，所述板用于使所述光束的至少一部分通过所述板的相对平行的表面之间的一系列全内反射而在所述板中传播；
可倾斜反射器，所述可倾斜反射器设置在所述光源与所述板之间的光路中，并且被配置为将所述光束以可变的耦入角度耦合到所述板中；以及
耦出光栅的第一阵列，各耦出光栅光学耦合到所述板，所述耦出光栅的第一阵列用于根据所述耦入角度以耦出角度耦出所述光束的多个部分，使得所述光束部分由于泰伯效应而在与所述板分开的泰伯平面处形成光功率密度峰的阵列，其中，所述泰伯平面处的所述峰的位置取决于所述光束部分的所述耦出角度。
13.根据权利要求12所述的照明器，其中，所述光源被配置为提供所述光束的第一分量、第二分量和第三分量以分别携带第一波长的光、第二波长的光和第三波长的光，所述板还包括耦出光栅的第二阵列和耦出光栅的第三阵列，各耦出光栅光学耦合到所述板，其中，所述耦出光栅的第一阵列、所述耦出光栅的第二阵列和所述耦出光栅的第三阵列彼此平行延伸，以分别波长选择性地耦出所述第一光束分量的一部分、所述第二光束分量的一部分和第三光束分量的一部分，从而由于泰伯效应而在所述泰伯平面处分别形成所述第一波长的、所述第二波长的和所述第三波长的光功率密度峰的阵列，其中，所述第一波长的、所述第二波长的和所述第三波长的光功率密度峰的位置分别取决于所述第一光束分量的光束部分、所述第二光束分量的光束部分和所述第三光束分量的光束部分的耦出角度；
优选地，其中，所述耦出光栅的第一阵列、所述耦出光栅的第二阵列和所述耦出光栅的第三阵列包括体光栅，其中，所述耦出光栅的第一阵列中的体光栅、所述耦出光栅的第二阵列中的体光栅和所述耦出光栅的第三阵列中的体光栅设置在所述板中的不同的深度处。
14.一种照明器，包括：
光源，所述光源用于提供光束；以及
光导，所述光导包括：
光学调度电路，所述光学调度电路耦接到所述光源，所述光学调度电路用于接收所述光束并且将所述光束分成多个子射束；
线性波导的第一阵列，各线性波导耦接到所述光学调度电路，所述线性波导的第一阵列用于从所述光学调度电路接收所述多个子射束，其中，各线性波导彼此平行延伸，以使所述多个子射束在各线性波导中传播；以及
耦出光栅的第一阵列，各耦出光栅光学耦合到所述线性波导的第一阵列中的各线性波导，所述耦出光栅的第一阵列用于耦出所述多个子射束的多个部分，从而由于泰伯效应而在与所述耦出光栅的第一阵列分开的泰伯平面处形成光功率密度峰的阵列。
15.根据权利要求14所述的照明器，其中：
所述光源被配置为提供所述光束的第一分量、第二分量和第三分量以分别携带第一波长的光、第二波长的光和第三波长的光；
所述光学调度电路被配置为用于接收所述第一光束分量、所述第二光束分量和所述第三光束分量中的每个光束分量，并且将所述第一光束分量、所述第二光束分量和所述第三光束分量中的每个光束分量分成多个子射束；并且
所述线性波导的第一阵列被配置为用于接收所述第一光束分量的子射束；
所述光导还包括：
线性波导的第二阵列和线性波导的第三阵列，各线性波导耦接到所述光学调度电路，所述线性波导的第二阵列和所述线性波导的第三阵列用于分别从所述光学调度电路接收所述第二光束分量的子射束和所述第三光束分量的子射束，其中，所述第二阵列中的各线性波导和所述第三阵列中的各线性波导彼此平行延伸以使所述子射束传播；以及
耦出光栅的第二阵列和耦出光栅的第三阵列，所述耦出光栅的第二阵列中的各耦出光栅和所述耦出光栅的第三阵列中的各耦出光栅分别光学耦合到所述线性波导的第二阵列和所述线性波导的第三阵列，所述耦出光栅的第二阵列和所述耦出光栅的第三阵列分别用于耦出所述第二光束分量的一部分和所述第三光束分量的一部分，使得所述第二光束分量的所述一部分和所述第三光束分量的所述一部分由于泰伯效应而在所述泰伯平面处形成光功率密度峰的阵列；
优选地，其中，所述光导还包括颜色选择反射器，所述颜色选择反射器位于所述耦出光栅的第一阵列、所述耦出光栅的第二阵列和所述耦出光栅的第三阵列与所述泰伯平面之间的光路中，其中，所述颜色选择反射器被配置成为所述第一光束分量、所述第二光束分量和所述第三光束分量提供到所述泰伯平面的不同光路长度。
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