CN213903958U

CN213903958U - 投影显示器以及增强现实或虚拟现实装置

Info

Publication number: CN213903958U
Application number: CN202022571579.0U
Authority: CN
Inventors: 大卫·伍兹
Original assignee: Wave Optics Ltd
Current assignee: Snap Inc
Priority date: 2019-11-11
Filing date: 2020-11-09
Publication date: 2021-08-06
Anticipated expiration: 2030-11-09
Also published as: US20230341603A1; CN115298478A; TWI828948B; TW202132836A; GB201916369D0; WO2021094706A1; KR20220099547A; US20220397716A1; US11747538B2; EP4058725A1

Abstract

提供了一种投影显示器以及增强现实或虚拟现实装置，该投影显示器包括：波导，该波导包括具有多个线性衍射特征的输入光栅，该输入光栅被构造成将光耦入到波导中；以及LED阵列，该LED阵列被构造成形成照射瞳，该照射瞳作为入瞳被光学中继到输入光栅上，使得在输入光栅处，入瞳具有在与线性衍射特征平行的方向上比在与线性衍射特征垂直的方向上更大的形状。

Description

投影显示器以及增强现实或虚拟现实装置

技术领域

本实用新型涉及包括照射器和波导的投影显示器以及增强现实或虚拟现实装置。

背景技术

将衍射波导用于成像显示器是众所周知的。这种类型的成像显示器可能遇到许多问题，从而导致在输出图像中出现不期望的效果。此外，期望提高这些系统的效率。

图1示出了现有技术的利用衍射波导2的投影显示器100。波导2具有输入光栅4和与输入光栅4间隔开的输出光栅10。输入光栅具有多个线性衍射特征6。

在使用时，投影仪(未示出)将光投射到输入光栅4上以形成入瞳8。入瞳8的形状为圆形。输入光栅4通过在波导2内的一系列全内反射将入瞳8的光朝向输出光栅10衍射。在输出光栅10处，入瞳8被复制为一系列出瞳12。随着光与输出光栅10的每次相互作用，一些光被因为出瞳复制12衍射出波导，从而形成图像。其余的光继续与输出光栅10形成另外的衍射，以形成另外的出瞳12。

通常优化输入光栅4的尺寸以使耦入光的效率最大化。这确保了最大量的光入射到输入光栅4上，使得入射的光不会损失。然而，如果入瞳太大，则可能发生不期望的再相互作用的效应。即在由输入光栅4进行初始衍射之后衍射光与输入光栅4再次相互作用的情况。

在图2A中示出了再相互作用，图2A示出了图1的波导2的侧视图。可以看出，在由输入光栅4进行初始衍射之后，光在再次入射到输入光栅4所位于的波导的面上之前经历单次全内反射。当最短光线传播14短于相互作用之间的输入光栅4的长度16时，如点15所示，光与输入光栅4再相互作用。这导致效率损失，因为这种再相互作用的光中的一些被损失。

图2B示出了波导2，其中，最短光线传播14长于同输入光栅4相互作用的第一点与输入光栅4的端部之间的距离。因此，不会发生相互作用。

最短光线传播14的长度取决于波导的宽度18。显然，波导2越厚，最短光线传播越长，因为在光从波导的面反射之前，光必须在波导2中行进得更远。这意味着对于相同尺寸的输入光栅4发生再相互作用的机会较小。然而，对于许多应用，为了效率目的和/或制造要求，期望具有薄波导2。

用于减小再相互作用的一种选择是简单地减小入瞳的尺寸。对于较小的瞳，可以减小输入光栅的长度。然而，如果瞳太小，则会在输出图像中出现不期望的间隙，从而引起“条带”效应。另外，在与线性衍射特征垂直的方向上的色散常导致入瞳在该维度上的某些加宽。

因此，期望解决特别是对于不可能减小波导厚度的波导的再相互作用的问题，同时还确保避免条带效应。

实用新型内容

根据本实用新型的一个方面，提供了一种投影显示器，该投影显示器包括：波导，该波导包括具有多个线性衍射特征的输入光栅，该输入光栅被构造成将光耦入波导中；以及LED阵列，该LED阵列被构造成形成照射瞳，该照射瞳作为入瞳被光学中继到输入光栅上，使得在输入光栅处，入瞳具有在与线性衍射特征平行的方向上比在与线性衍射特征垂直的方向上更大的形状。

形成具有在与输入光栅的线性衍射特征平行而不是与线性衍射特征垂直的方向上较大的形状的入瞳有助于避免再相互作用。这是由于以下事实：在与线性衍射特征垂直的维度上的小入瞳使再相互作用的机会减少。

在与线性衍射特征平行的维度上，再相互作用不是问题。因此，具有在与线性衍射特征平行的方向上较大的入瞳使得入瞳的整体尺寸能够较大而不经历再相互作用。期望具有大的光瞳，因为如果光瞳太小，则可能在输出图像中引起带状效应。在与线性衍射特征平行的方向上使入瞳的尺寸最大化增加了入瞳的整体尺寸。这使得带状效应减少，但不是以经历再相互作用为代价。

该投影显示器还可以包括锥形光管阵列，该锥形光管阵列被定位在LED阵列与投影仪光学器件的剩余部分之间，其中，锥形光管阵列被构造成在来自LED阵列的光被光学中继为输入光栅上的入瞳之前接收来自LED阵列的光。

这样，从每个LED发射的光被有效地收集到相应的锥形光管中。光管用作管以在使光的发射角度减小(即，使光的数值孔径减小)的同时在二维(2D)上扩展光束。与从LED入射在光管的第一端上的光相比，该光在锥形光管的第二端具有更大的面积但是在出射孔处以小得多的角度范围发射。

角度范围的减小使得任何后续的透镜以比没有光管时更高的效率和精度将光管的出射孔径的图像中继到波导。对于紧凑的投影仪，这样有效的光学装置通常是不可接受的大。

优选地，LED阵列中的每个LED具有相应的锥形光管。

由于每个LED具有相应的锥形光管，该锥形光管阵列优选地以与LED阵列的布置相同的模式布置。通过使第一端比第二端小来实现光管的渐缩，其中，第一端接收来自LED的光，从第二端发射光。锥形光管还对从LED透射的束进行扩展。在一些情况下，该扩展可以是以束宽度x3增加，与从所述光管的第二端发射的光相比，束宽度x3的增加与入射在锥形光管的第一端上的光的面积的x9扩展相对应。然而，在其他实施方式中，扩展可以是对束宽度的任何增加，例如x2、x4、x5。

每个锥形光管的端部可以具有与入瞳的形状相同的形状。波导处入瞳的形状可以由锥形光管的形状形成。在进入锥形光管时从LED透射的光可能不具有期望的形状。锥形光管可以确保光具有在与线性衍射特征平行的方向上比在与输入光栅的线性衍射特征垂直的方向上更大的形状。例如，锥形光管的端部的纵横比优选为16：9。可替选地，纵横比可以是5：4、4：3和16：10中的任何一个。此外，每个锥形光管的两端的形状也可以被成形为与入瞳匹配。

可替选地，在其他实施方式中，光管任何一端的形状可以与入瞳的形状不同。在这些实施方式中，可以在光管的第二端(最靠近波导)与波导之间提供光学部件以形成入瞳的形状。

可替选地，或者另外，LED阵列可以布置在2D表面上，其中，LED阵列的空间布置的形状与入瞳的形状相同。例如，LED阵列可以具有如上所述的任何纵横比。LED阵列可以以椭圆形状布置。可替选地，LED可以以椭圆形状布置。通过将LED阵列布置成椭圆形布置，来自LED阵列的照射瞳将具有入瞳的形状。可替选地，可以提供其他装置来创建入瞳的形状。

优选地，波导具有宽度并且输入光栅具有长度，并且根据波导的宽度和输入光栅的长度来选择入瞳的尺寸，使得光仅与输入光栅具有单次相互作用。这确保入瞳足够小，使得不会引起与输入光栅的再相互作用。因此，一旦光被衍射和全内反射，光不会与输入光栅相互作用。在这种布置中，输入光栅的宽度被定义为与输入光栅的长度垂直。最短光线传播被定义为光与输入光栅的第一相互作用与在发生单次全内反射之后光与波导的后续相互作用之间的距离。最短光线传播由波导的宽度决定。较厚的波导比较薄的波导提供更大的最短光线传播。这是因为在较厚的波导中，光在与波导相互作用之前必须传播得更远。在许多情况下，可能期望使波导的宽度较薄或者具有一定的厚度。这可能是由于设计约束或改善性能。然而，较薄的波导在与输入光栅的线性衍射特征垂直的方向上需要较小的入瞳以避免再相互作用。

投影显示器可以包括多个LED阵列，每个LED阵列发射特定颜色的光。以这种方式，可以在输入光栅处创建特定颜色的入瞳。LED的颜色可以是红色、绿色和蓝色。可替选地，LED的颜色可以是红色、黄色和蓝色。每个LED阵列可以以特定波长或者特定波长范围发射。每个LED阵列可以发射与每个其他LED阵列不同颜色的光。

LED阵列可以具有分布在整个LED阵列中的不同颜色。这不需要二向色组合器以组合不同颜色的光。LED的颜色可以是红色、绿色和蓝色(RGB)。在一些实施方式中，不同颜色的LED可以以重复模式布置。在其他实施方式中，不同颜色的LED可以随机地跨阵列分布。LED阵列可以包含每种颜色的相同数目的LED。可替选地，在LED是微型LED的情况下，由于绿色微型LED的更高效率，可能存在更多的绿色LED。

优选地，波导是多个波导，每个波导的输入光栅被构造成将不同颜色的光耦入到每个其他波导的输入光栅。通过具有波导的堆叠，每个波导可以被布置为透射特定颜色的光。每个波导的输入光栅可以被特别地构造成仅耦入单一颜色的光。可替选地，每个波导可以耦入多种颜色。

多个LED阵列可以被布置在2D表面上，在所述2D表面上，每个LED阵列与每个其他LED阵列相互偏移。表面可以是印刷电路板，或者是技术人员已知的任何类型的表面。

LED阵列可以以在第一轴线上的LED行和在第二轴线上的LED列的模式被布置在2D表面上。以这种方式，LED跨2D表面布置。布置可以是有序的模式。可替选地，LED可以随机地跨2D表面布置。

优选地，LED阵列中的每行LED相对于其相邻行的LED偏移。每列也可以相对于其相邻列偏移。换言之，每行与其最近的两行异相。在一些实施方式中，这可以是90°异相。

在一些实施方式中，LED阵列可以以六边形封装形式被布置。有利地，这种六边形封装或蜂窝结构使得能够在最小量的空间中最紧密地封装LED。这在最小的区域中提供了最大的LED密度，使可用的LED区域最大化，并且因此提高了投影显示器的效率。

优选地，每个波导的输入光栅相对于每个其他波导的输入光栅偏移，使得仅单一颜色的光入射在每个输入光栅上。

每个输入光栅的位置可以偏移与该颜色的LED的相应阵列相同的量。以这种方式，被布置以接收特定颜色的光的每个输入光栅被偏移，使得光栅与该颜色的LED阵列对准。这意味着单一颜色的光入射在每个输入光栅上。由于光不会通过与未被构造成对该颜色的光进行耦入的输入光栅进行不期望的相互作用而损失，这提高了效率。输入光栅可以在与波导宽度垂直的方向上偏移。可替选地，或者另外，输入光栅可以在与波导宽度平行的方向上偏移。

优选地，多个波导包括第一波导、第二波导和第三波导，第一波导的输入光栅被构造成耦入红光，第二波导的输入光栅被构造成耦入蓝光，并且第三波导的输入光栅被构造成耦入绿光。或者，多个波导可以是两个波导。可替选地，输入光栅可以被构造成耦入其他颜色。例如，红色、黄色和蓝色。

入瞳的形状可以是椭圆形或矩形。具有这种形状的入瞳避免了再相互作用，同时减少了带状化。这还提供了在输出光栅中改善入瞳的复制的交叠。

优选地，波导还包括输出光栅，输出光栅被构造成接收来自输入光栅的光并且将入瞳复制多次，以形成将光耦出波导的出瞳。

LED阵列可以是微型LED阵列。通过使用与微透镜阵列或微锥形管阵列耦合的微型LED，可以减小聚光光学器件的尺寸。与其他类型的光源或传统的LED相比，装置的效率也得到了提高。LED是朗伯(Lambertian)发射器，即，LED发射宽范围角度的光，通常为2π立体度。在与微透镜或微锥形阵列耦合时，微型LED阵列不是朗伯发射器并且在小得多的角度范围上发射，这导致较少的光损失。与使用当前已知的紧凑照射器设计的光引擎相比，该装置可以提供二倍至三倍的每瓦流明。

优选地，线性衍射特征是凹槽。可替选地，线性衍射特征可以是体全息图或者任何其他类型的线性衍射光栅。

优选地，投影显示器还包括硅上液晶、LCOS、位于LED阵列与波导之间的显示器。LCOS显示器可以被定位在LED阵列与波导的输入光栅之间的光路中。LCOS显示器可以使用来自LED的入射到其上的光形成图像。然后可以将图像作为入瞳投射到波导的输入光栅上。可替选地，可以使用任何其他类型的图像生成装置。显示器可以是任何类型的非自发射显示器，包括透射式液晶显示器、反射式液晶显示器、数字光处理显示器或动态镜阵列。

照射瞳可以形成在投影仪光学器件上，投影仪光学器件将照射瞳的图像中继到输入光栅上或者输入光栅附近。该中继图像可以形成入瞳。

根据另一方面，提供了一种增强现实(AR)或虚拟现实(VR)装置，包括上述方面的投影显示器。优选地，AR或VR装置是AR或VR耳机。

根据另一方面，提供了一种照射投影显示器的方法，包括：从LED阵列发射光以形成照射瞳；将照射瞳作为入瞳光学中继到波导的输入光栅上以将光耦入波导，使得在输入光栅处，入瞳具有在与波导的线性衍射特征平行的方向上比与波导的线性衍射特征垂直的方向上更大的形状；以及将光投射出波导以形成图像。

附图说明

图1是现有技术的波导投影显示器的示意性正面视图；

图2A和图2B是现有技术的波导投影显示器的侧视截面图；

图3A是根据本实用新型实施方式的波导投影显示器的示意性正面视图；

图3B是如图3B所示的投影显示器的波导的示意性正面视图。

图4是根据本实用新型实施方式的另一示例投影显示器的示意性侧视图；

图5是根据本实用新型实施方式的投影显示器的示例LED阵列的示意图；

图6是根据本实用新型实施方式的用于投影显示器的锥形光管的透视图；

图7是本实用新型的实施方式中的投影显示器的示例照射器的示意图；

图8A是根据本实用新型的另一示例实施方式的投影显示器的示意性侧视图；以及

图8B是如图8A所示的投影显示器的波导的示意性正面视图。

具体实施方式

图3A是根据本实用新型的实施方式的波导投影显示器200的示意性正面视图。波导投影显示器200包括波导2和照射器(由于图的取向而未示出)。照射器为LED阵列的形式。

波导2具有输入光栅4和输出光栅10。输出光栅10与输入光栅4间隔开。输入光栅4具有多个线性衍射特征6。线性衍射特征6用于对入射到输入光栅4上的光进行衍射。线性衍射特征在第一方向上延伸，该第一方向垂直于光从输入光栅衍射出时所经过的路径。该第一方向被称为跨轨方向。沿轨方向被定义为垂直于线性衍射特征。

从照射器(未示出)生成的光在输入光栅处产生入瞳8。照射器的光源是LED阵列。可以看出，入瞳8具有在与输入光栅4的线性衍射特征6平行的方向(由附图标记a表示)上比在与输入光栅4的线性衍射特征6垂直的方向(由附图标记b表示)上大的形状。该形状在跨轨方向上比在沿轨方向上更长。在图3A所示的例子中，入瞳8具有矩形形状。然而，可以使用与线性衍射特征平行的方向上比与线性衍射特征垂直的方向上更长的任何形状。如图1所示，传统的入瞳是圆形的。通过使入瞳8的尺寸在与线性衍射特征垂直的方向上保持较小来避免光与入瞳的再相互作用。然而，在与线性衍射特征6平行的方向上具有大的入瞳8确保了入瞳8的整体尺寸不会太小，从而避免了通过具有太小的瞳而具有带状输出所遇到的问题。

在光被输入光栅8衍射之后，它通过一系列全内反射朝向输出光栅10反射。一旦在输出光栅10处，光衍射使入瞳复制为出瞳12，出瞳12各自使光耦合出波导。在与输出光栅10的每次相互作用时，一些光继续产生入瞳12的另外复制，从而导致期望的图像扩展。光的路径由在图3A中示出的出瞳顶部的线表示(如用于现有技术系统的图1所示)。

从图3A可以看出，在输出光栅10处的出瞳12具有与在输入光栅4处的入瞳8基本相同的形状。有利地，与图1所示的现有技术的圆形瞳复制相比，图3A示出的出瞳12的矩形形状导致在输出光栅10处的瞳复制的更好的交叠。这形成更平滑且更均匀的图像而没有条带效应。

图3B示出了图3A的投影显示器200的侧视图。波导2具有如上所述的输入光栅4和输出光栅10。LED阵列20被示出为布置在2D表面22上。如上所述，LED阵列20生成光，该光入射到输入光栅4上，从而形成入瞳8。

图4示出了如何在根据本实用新型的示例投影显示器300中布置波导的另一示例。在该示例中，存在三个波导2a、2b和2c，每个具有相应的输入光栅4a、4b、4c和输出光栅10a、10b、10c。在图4所示的示例中，每个波导被构造成向其他波导中的每一个透射不同的颜色。波导2a及其光栅4a和10a被构造成透射蓝光，波导2b及其光栅4b和10b被构造成透射绿光，以及波导2c及其光栅4c和10c被构造成透射红光。在这种布置中，LED阵列20透射红光、绿光和蓝光。

LED阵列20被构造成将光透射到波导2a、2b和2c各自的输入光栅上以形成具有以上关于图3A描述的形状的入瞳8。

图5示出了在图3B和图4的布置中示出的LED的阵列20的示例布局。

LED的阵列20被示出为布置在表面22上。图5仅仅示出了表面22的示例部分，并且表面22可以包含数百个重复模式的LED。LED阵列的这种矩形布置以其期望的矩形形状形成入瞳。

可以看出，LED阵列20以行48a、48b、48c和48d以及列40a、40b、40c排列。行48b中的LED从行48a和48c中的LED偏移。同样地，每列42b也相对于相邻列42a、42c偏移。这种规则的重复模式将遍及表面22扩展，使得LED被紧密地封装。

每个LED之间的距离，也称为间距，由箭头44示出。该间距大于由箭头46指示的每个单独的LED的尺寸。LED之间的该空间可以被设置成容纳对来自LED的光进行耦合的光学器件，例如光管.

LED 42a、42b、42c上的字母“R”、“B”和“G”指示LED 42a、42b、42c的颜色。不同颜色的LED遍及LED阵列20分布。

如上所述，在波导2的输入光栅4处形成的入瞳8的形状在与输入光栅4的线性衍射特征6平行的方向上比在与线性衍射特征6垂直的方向上更大。入瞳是照射瞳的中继图像。可以在空间上将LED阵列布置成匹配输入光栅的尺寸。此外，也可以使用变形光学器件来改变LED阵列的比例以匹配在输入光栅处期望的形状。

确保入瞳8具有期望形状的可替选或者附加方式是通过使用光管。在图6中示出了示例光管。可以看出，锥形光管30包括第一端34和第二端32，光管30沿其长度L在第一端34与第二端32之间延伸。可以看出，第一端34的面积小于第二端32的面积，光管30的长度L在两端之间渐缩。光管30的第一端34覆盖LED的输出，使得从LED发出的光的最大比例进入光管30。

可以看出，第一端32与第二端34的截面使得当光离开光管30时，其具有与光管的第二端32的截面形状匹配的轮廓。在这种情况下，轮廓是矩形的。这意味着离开光管30的光束的形状可以在入射到输入光栅上时形成在与输入光栅的线性衍射特征的平行方向上比在与线性衍射特征6垂直的方向上更大的入瞳8。

图7示出了本实用新型的投影显示器的示例照射器部分60。照射器部分60包括LED阵列20、锥形光管阵列30、准直微透镜阵列50、场微透镜阵列52和中继透镜54。

LED阵列被布置在印刷电路板表面22上；具有被布置在所述表面22上的每个LED42a、42b和42c。

图7还示出了使用照射器30来照射的LCOS面板56。可以理解的是，可以使用任何类型的非发射面板。然后，如上所述，来自LCOS面板的光被反射到波导2的输入光栅4上。

每个LED 42a、42b、42c耦合到相应的锥形光管30a、30b、30c和相应的场微透镜50a、50b、50c以及准直微透镜52a、52b、52c。

LED阵列20包括红色LED、绿色LED和蓝色LED。为简单起见，在图7中仅示出了每种颜色LED的单个LED。然而，LED阵列20包括每种颜色的许多LED。LED阵列20可以包括布置在面板22上的几百个LED。例如，LED阵列20可以具有400个LED。

每个锥形光管30a、30b、30c被布置成紧邻其相对应的LED 42a、42b、42c，使得由LED 42a、42b、42c发射的光被收集到光管30中。典型地，从每个LED 42a、42b、42c发射的超过90％的光由与LED 42a、42b、42c相对应的光管30a、30b、30c收集。

如下面将讨论的，每个光管30a、30b、30c是渐缩的，使得最靠近LED 42a、42b、42c的端部小于距LED 42a、42b、42c最远的端部。每个锥形光管30a、30b、30c是透明材料的实心管。

观察LED 42a及其相对应的光管30a，从LED 42a发射的光一旦被接纳在光管30a中，光在沿着光管长度传播通过光管时被光管30a全内反射。每次对光进行全内反射时，光的角度减小。由于光管30a的锥形性质，一旦光离开光管30a，光束扩大，而束的角度减小。

然后，离开光管30a的光入射到场微透镜50a上，场微透镜50a改善了束的均匀性，使光管30a的出瞳成像。然后，光入射到准直微透镜52a上，准直微透镜52a使光准直以生成光管30a的出射孔的准直图像。然后，该光入射到中继透镜54上，中继透镜54将光投射到LCOS面板56上，从而生成光管30a的出射孔的准直图像并且将其聚焦到面板56上。

如上所述，光从每个LED 42a、42b、42c投射通过与LED 42a、42b、42c相对应的光管30a、30b、30c，场微透镜50a、50b、50c和准直微透镜52a、52b、52c。例如，来自LED 42b的光穿过光管30b、场微透镜50b、准直微透镜52b，然后到达中继透镜54上，以及来自LED 42c的光穿过光管30c、场微透镜50c、准直微透镜52c，然后到达中继透镜54上。单个中继透镜54将该光投射到整个LCOS面板56。因此，光管30a、30b、30c的每个发射端(出射孔径)的图像投射到整个LCOS面板56显示器上，导致所述图像的叠加覆盖面板56的整个区域。

这可以在图7中看出，其中，来自LED 42a和光管30a的光被投射到面板上的各个点58a、58b和58c处。类似地，来自LED 42b和光管30b的光被投射到面板上的各个点58a、58b和58c处，来自LED 42c和光管30c的光也是如此。因此，面板56被LED阵列20和锥形光管30均匀照射，在面板56处，每条光路的叠加提供期望的强度。尽管图7示出了来自每个LED的光入射到图像的离散部分(即，点58a、58b和58c)，实际上，这些点之间的距离足够小，使得整个显示器看起来被照亮。

具有LED阵列、对应的光管和微透镜使得能够减小照射光学器件的体积，从而使得以小得多的体积实现有效的照射器设计。这使得能够以高效率和小体积在显示器上实现均匀化的一致的辐射。

如上所述，LED可以是微型LED。使用微型LED使这种有效设计小型化意味着照射器的长度减小。然而，总体积与小型化因数成线性比例。因此，与使用单光源的情况相比，照射器更紧凑。由于光管阵列中的每个光管在整个显示器上成像，所以具有阵列确保了投影仪的入瞳被填充并且实现了足够的照明强度。每个典型的微型LED可以具有小于0.04mm ²的面积。

图7中示出的颜色(R,G,B)仅用于说明的目的，并且LED 42a、42b和42c可以是任何颜色。例如，它们可以都是相同的颜色。对于颜色序列照射器，在不同的时间点发射来自每种颜色的每个LED的光。在该颜色序列模式中，来自具有相同颜色的LED 20的光将以如上所述的方式一起入射到面板56上。

图8A和图8B示出了根据本实用新型的另一示例的可替选投影显示器400。投影显示器400具有三个波导2a、2b和2c，每个波导具有相应的输入光栅4a、4b、4c。波导4a被构造成传播蓝光，波导4b被构造成传播绿光，并且波导4c被构造成传播红光。

投影显示器400还包括三个LED阵列。蓝色LED阵列20a、绿色LED阵列20b和红色LED阵列20c。每个LED阵列在面板22上彼此偏移。偏移在沿轨道方向上，即沿光在输入光栅与输出光栅之间的波导中传播的方向。每个LED阵列在其相应的输入光栅处创建具有上述形状的入瞳。

通过具有LED和输入光栅的这种交错阵列，可以实现光瞳按颜色的划分。输入光栅的这种布置意味着特定颜色的光仅入射在被构造成对该颜色的光进行衍射的光栅上。由于光不会因为被未被构造成对该颜色的光进行衍射的输入光栅进行不希望的衍射而受到损失，这提高了投影仪显示器的效率。例如，如果输入光栅彼此对准，则红光将必须穿过被构造成分别衍射绿光和蓝光的输入光栅4b和输入光栅4a。在这些光栅4a和4b的任何一个中都可能发生不希望的红光衍射，因此意味着某些红光会损失，从而降低了系统的效率。相对于光栅4a，绿光也可以发生相应的情况。通过使输入光栅偏移，避免了该潜在问题。这可以通过使特定颜色的LED阵列中的每一个偏移与相应的输入光栅相同的量来实现。通过每个输入光栅仅接收单一颜色的光，输入光栅不必对其他颜色是透明的。

尽管图8A(以及图3B和图4)中示出的输入光栅被示出为在波导的最靠近LED阵列的面上，但是应当理解，它们可以可替代地位于波导的相对面上。在该可替选布置中，光在被输入光栅衍射之前必须穿过波导。这将允许输入光栅被金属化。金属化输入光栅不允许光穿过光栅，它们只允许光的衍射。这可以进一步增加输入光栅的耦合频率。

在其他布置中，可以提供额外的光学器件以确保每个波导仅接收单一颜色的光，而不是使LED阵列偏移与输入光栅的偏移相同的量。

图3A、图4和图8A示出了本实用新型的投影仪系统，其中，LED阵列将光直接透射到波导的输入光栅上。应当理解，这可以是简化的布置，并且其他光学器件可以位于LED与波导之间。一种这样的布置可以是图7中示出的布置。然而，可以使用其他布置。为了在波导的输出处生成图像，可能需要用于从LED光生成图像的装置。这可以是LCOS或LCD型投影仪。该装置的输出中继来自LED阵列的光，以在如上所述的输入光栅处形成具有所需形状的入瞳。

通过具有LED的阵列20和光管的阵列30，每个光管的长度L可以很小。这通过使用LED阵列来进一步实现，其中，每个LED具有小尺寸，例如微型LED，因为较小的LED在较小的区域上发射。LED的尺寸与所需的光路的长度(即，在LED与面板56之间的距离)成正比。因此，每个微型LED具有传统光源的1/20的尺寸，通过使用微型LED使得光路被减少1/20。这提供了高达95％的体积节省。例如，可以将传统上40mm长的光路减少到2mm。

由于照射器尺寸的减小，投影显示器可以是手持或可穿戴装置。例如，投影显示器可以是虚拟现实或增强现实耳机，其中，尺寸约束是最重要的。

已经详细描述了本公开内容的方面，将明显的是，在不脱离如所附权利要求中所限定的本公开内容的方面的范围的情况下，修改和变化是可能的。由于可以在不脱离本公开内容的各方面的范围的情况下对上述构造、产品和方法做出各种改变，所以意图是以上描述中所包含的并且在附图中示出的所有内容应当被解释为说明性的而非限制性的意义。

在上文中，当涉及由LED发射并且由每个波导透射的光时，使用了术语颜色。术语颜色是指光波长。通常存在与颜色相关联的波长范围。

可以使用替选布置来创建入瞳的期望形状，而不仅仅是光管的形状。例如，使用诸如透镜的多种光学器件以确保光具有期望的形状。可替选地，LED本身可以具有所期望的形状，使得光以所期望的形状发射而不需要额外的光学器件。

虽然示出的光管30是透明材料的实心管(其中在光束沿着所述管的内部长度全内反射)，但是可以使用使光束在2D平面上扩展同时使束角度减小的任何类型的光管。例如，锥形光管30可以由具有反射内侧的中空管制成。

本领域技术人员将理解，可以使用提供中继透镜功能的任何透镜阵列，而不仅仅是单个透镜。例如，这可能涉及具有多个中继透镜。此外，虽然在图7中示出了场微透镜阵列，但是场微透镜阵列的存在不是必需的。

光管的端部的形状不限于如图中所示的矩形。例如，光管的端部可以是椭圆形的。

Claims

1.一种投影显示器，其特征在于，所述投影显示器包括：

波导，所述波导包括具有多个线性衍射特征的输入光栅，所述输入光栅被构造成将光耦入到所述波导中；以及

LED阵列，所述LED阵列被构造成形成照射瞳，所述照射瞳作为入瞳被光学中继到所述输入光栅上，使得在所述输入光栅处，所述入瞳具有在与所述线性衍射特征平行的方向上比在与所述线性衍射特征垂直的方向上更大的形状。

2.根据权利要求1所述的投影显示器，其特征在于，所述投影显示器还包括：

锥形光管阵列，所述锥形光管阵列被定位在所述LED阵列与所述波导之间，其中，所述锥形光管阵列被构造成在来自所述LED阵列的光被作为所述入瞳光学中继到所述输入光栅上之前，接收来自所述LED阵列的所述光。

3.根据权利要求2所述的投影显示器，其特征在于，所述LED阵列的每个LED具有相应的锥形光管。

4.根据权利要求2所述的投影显示器，其特征在于，每个锥形光管的端部具有与所述入瞳的形状相同的形状。

5.根据权利要求1所述的投影显示器，其特征在于，所述波导具有宽度并且所述输入光栅具有长度，并且根据所述波导的宽度和所述输入光栅的长度来选择所述入瞳的尺寸，使得所述光与所述输入光栅仅具有单次相互作用。

6.根据权利要求1所述的投影显示器，其特征在于，所述投影显示器还包括多个LED阵列，每个LED阵列发射特定颜色的光。

7.根据权利要求6所述的投影显示器，其特征在于，所述波导是多个波导，每个波导的输入光栅被构造成将不同颜色的光耦入到每个其他波导的输入光栅。

8.根据权利要求7所述的投影显示器，其特征在于，所述多个LED阵列被布置在2D表面上，在所述2D表面上，每个LED阵列偏离每个其他LED阵列。

9.根据权利要求8所述的投影显示器，其特征在于，每个波导的输入光栅偏离每个其他波导的输入光栅，使得仅单一颜色的光入射在每个输入光栅上。

10.根据权利要求1所述的投影显示器，其特征在于，所述多个LED阵列被布置在2D表面上，其中，所述LED阵列的空间布置的形状与所述入瞳的形状相同。

11.根据权利要求1所述的投影显示器，其特征在于，所述入瞳的形状是椭圆形或矩形。

12.根据权利要求1所述的投影显示器，其特征在于，所述波导还包括输出光栅，所述输出光栅被构造成接收来自所述输入光栅的光并且将所述入瞳复制多次，以形成将所述光耦出所述波导的出瞳。

13.根据权利要求1所述的投影显示器，其特征在于，所述LED阵列是微型LED阵列。

14.一种增强现实或虚拟现实装置，其特征在于，所述增强现实或虚拟现实装置包括根据以上权利要求中任一项所述的投影显示器。