WO2019174447A1 - 衍射显示系统 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种防反射的衍射显示系统，该系统包括：基板；衍射投影屏和光学引擎，光学引擎向衍射投影屏投射载有目标图像的信息的光，从而通过衍射投影屏的衍射而显示目标图像，其中，所述光学引擎发出的光不照射到所述基板上的一反射窗口内，所述反射窗口为所述基板上的一个区域，当所述光学引擎发出的光照射到该区域并被反射时，反射的光将进入所述衍射显示系统的设计视窗。此外，本申请还公开了一种基于定向投射的具有多屏的衍射显示系统和一种基于定向投射的具有整体屏的衍射显示系统。

Description

衍射显示系统 技术领域
本发明总体上涉及用于衍射显示系统，具体地涉及防反射的衍射显示系统、基于定向投射的多屏衍射显示系统以及基于定向投射的整体屏衍射显示系统。
背景技术
在一个基于衍射成像的显示系统中，如基于衍射成像的增强现实(Augmented Reality,AR)以及混合现实(Mixed Reality,MR)显示器，以及基于衍射成像的车载抬头显示器(Head up Display)，光线不仅会被衍射器件衍射，而且会发生反射。反射光如果进入了显示系统中所设计的衍射成像的视窗，则对衍射成像形成干扰。当衍射显示系统中有一定厚度的透明基板时，反射光会形成多个虚像，与衍射成像部分或者全部叠加，使得反射光对衍射成像的干扰更加严重。因此在一个基于衍射成像的显示系统中，去除反射光对衍射成像质量的影响是一项重要的光学设计任务。
例如，已有的一种方法是提高衍射显示系统的衍射效率，譬如通过增透膜，使得衍射成像明亮，同时采用降低反射效率。这种方法可以极大的降低反射能量，增加衍射成像的对比度。这种方法用在如增强现实或者混合现实的显示装置中是可行的，但是如果用于如车载抬头显示器这样的应用中时，会面临增透膜面积大、制作成本高、不耐磨损与老化的问题。另外，这种方法仍然无法从根本上解决反射光线会降低衍射显示系统的成像对比度的问题。
因此，随着增强现实、混合现实、车载抬头显示器等为代表的不同种类的人机界面的逐步推广，其中基于衍射成像原理的各类增强现实、混合现实、车载抬头显示器也逐步出现，产业界出现了解决衍射显示系统中的反射光干扰的技术需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种衍射显示系统，其至少部分地解决了现有技术中存在的上述问题。
根据本发明的一个方面，提供一种防反射的衍射显示系统，该系统包括：基板；衍射投影屏，其包括设置在所述基板的至少一部分上的衍射光学器件；和光学引擎，包括相干光源和图像调制器，用于向衍射投影屏投射载有目标图像的信息的光，从而通过衍射投影屏的衍射而显示目标图像，其中，所述衍射显示系统具有一设计视窗，在该设计视窗范围内使用者可以观察到通过所述衍射投影屏显示的目标图像的虚像，并且所述光学引擎发出的光不照射到所述基板上的一反射窗口内，所述反射窗口为所述基板上的一个区域，当所述光学引擎发出的光照射到该区域并被反射时，反射的光将进入所述衍射显示系统的设计视窗。
在一些实施例中，所述光学引擎的最后一个器件表面构成光学引擎的光出射面，并且所述反射窗口由所述光学引擎的光出射面相对于所述基板的期待的反射成像位置的任一点与所述设计视窗中的任一点的连线与所述基板的交点的集合形成。
优选，所述光学引擎布置在使得所述反射窗口完全离开所述衍射投影屏的位置。
所述衍射显示系统可以实现为安装在机动交通工具上的HUD系统，并且所述基板为挡风玻璃。
在一些有利的实施例中，所述光学引擎还包括定向投射器件，其布置在光学引擎的光路中，用于改变从光学引擎上各点发出的光束的发散度使之具有预定的发散角，以及/或者改变该光束的中心光线的方向，从而使得所述光束具有特定的空间角分布。
所述定向投射器件可以构造成使得从光学引擎发出的光仅照射到所述衍射投影屏的范围内。
所述定向投射器件为具有大致平面形状基体的透射型器件，并且构造为使得从其出射的、对应于各像素的光束的中心光线偏离垂直于所述基体的方向。
在一些有利的实施例中，所述图像调制器对所述相干光源发出的 光进行调制以获得对应于所述目标图像的光空间分布；所述光学引擎还包括光扩散器件，其接收来自所述相干光源的光并形成面光源，使得从所述光学引擎发出的对应于每一个像素的光束是发散的；并且所述定向投射器件沿所述光学引擎的光路设置在所述光扩散器件的下游、所述图像调制器的上游，其限制从所述光学引擎发出的、对应于各像素的光束的发散角。在这样的实施例中，所述定向投射器件可以包括透镜、光阑、凹面镜中的至少一种。
在一些有利的实施例中，所述图像调制器对所述相干光源发出的光进行调制以获得对应于所述目标图像的光空间分布；所述光学引擎还包括光扩散器件，用于对光进行扩散，使得从所述光学引擎发出的、对应于每一个像素的光束是发散的；并且所述定向投射器件沿所述光学引擎的光路设置在所述光扩散器件与图像调制器的下游，其限制从所述光学引擎发出的、对应于各像素的光束的发散角。在这样的实施例中，所述光扩散器件可以沿所述光学引擎的光路设置在所述图像调制器的下游。所述光扩散器件还可以与定向投射器件集成在一起。或者，所述光扩散器件可以沿所述光学引擎的光路设置在所述图像调制器的上游。
所述定向投射器件可以包括光阑阵列、微棱镜阵列、微透镜阵列、光栅、CGH、HOE、DOE中的至少一种。
在一些有利的实施例中，所述图像调制器对所述相干光源发出的光进行调制以获得对应于所述目标图像的光空间分布；并且所述定向投射器件接收对应于每一个像素的近似平行光束并对其进行扩散，使之具有特定的扩散的空间角分布。例如，所述图像调制器可以包括扫描振镜。优选地，所述定向投射器件可以为沿光路设置在扫描振镜下游的微反射镜阵列、反射型光栅或反射型DOE。所述图像调制器可以为LCD、LCOS或DMD，并且所述光学引擎还包括设置在所述相干光源和图像调制器之间的准直扩束装置。
所述定向投射器件可以包括微棱镜阵列、微透镜阵列、微反射镜阵列、光栅、CGH、HOE、DOE中的至少一种。
在一些有利的实施例中，所述衍射投影屏将来自所述光学引擎的 每一个像素的光衍射形成平行或近似平行的成像光束，并且对应于不同像素的成像光束的投射方向互不相同。
根据本发明的另一个方面，提供一种基于定向投射的衍射显示系统，该系统包括：基板；至少两个衍射投影屏，它们分别包括设置在所述基板的不同位置上的衍射光学器件；和单个光学引擎，包括相干光源和单个图像调制器，用于向衍射投影屏投射载有目标图像的信息的光，从而通过衍射投影屏的衍射而显示目标图像的虚像，其中，所述单个光学引擎还包括定向投射器件，其布置在光学引擎的光路中，用于改变至少一部分光的方向，使得对应于不同衍射投影屏的目标图像分别仅被投射至对应的衍射投影屏。
优选，所述衍射显示系统具有一设计视窗，所述至少两个衍射投影屏将衍射形成的光束均投射向该设计视窗。
在一些有利的实施例中，所述定向投射器件具有大致平面形状基体，并且构造为具有与所述衍射投影屏数量相同的分区，每个分区对照射到该分区的光的方向具有不同偏折作用，从而将光投射至对应的衍射投影屏。优选，所述定向投射器件还可以构造为限制从所述光学引擎发出的、对应于每一个像素的光束的发散角。
所述定向投射器件可以包括光阑阵列、微反射镜阵列、微棱镜阵列、微透镜阵列、光栅、CGH、HOE、DOE中的至少一种。
根据本发明的又一个方面，提供一种基于定向投射的衍射显示系统，该系统包括：基板；衍射投影屏，其包括设置在所述基板的大致整个表面上的衍射光学器件；和光学引擎，包括相干光源和图像调制器，用于向衍射投影屏投射载有目标图像的信息的光，从而通过衍射投影屏的衍射而投影显示目标图像，其中，所述光学引擎还包括定向投射器件，其布置在光学引擎的光路中，用于改变光的方向，使得对应于目标图像的每一个像素的光束仅被投射到衍射投影屏上的局部区域上，对应于彼此相邻的像素的光束被投射到衍射投影屏上彼此部分重叠的区域上，并且对应于不同像素的光束按照像素的排列秩序被投射到衍射投影屏上的不同区域上。
在一些实施例中，所述衍射投影屏相对于所述光学引擎的最大张 角大于120°。
在一些有利的实施例中，所述衍射投影屏将来自所述光学引擎的每一个像素的光衍射形成平行或近似平行的成像光束，并且对应于不同像素的成像光束的投射方向互不相同。
所述衍射显示系统可以实现为安装在机动交通工具上的HUD系统，所述基板为挡风玻璃，这种情况下优选所述光学引擎所发出的、对应于目标图像的每一个像素的光束在所述衍射投影屏上所投射到的所述局部区域大于10cm×10cm的面积。
优选，所述定向投射器件还可以限制从所述光学引擎发出的、对应于每一个像素的光束的发散角。
在一些有利的实施例中，所述定向投射器件为具有大致平面形状基体的透射型器件，并且构造为使得从其出射的光束的中心光线偏离垂直于所述基体的方向。
所述定向投射器件可以包括光阑阵列、微反射镜阵列、微棱镜阵列、微透镜阵列、光栅、CGH、HOE、DOE中的至少一种。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为可以应用本发明的技术的衍射显示系统的示意图；
图2图解了图1所示衍射显示系统中存在的反射问题；
图3图解了光学引擎上的一个像素对应的反射窗口；
图4图解了光学引擎整体对应的反射窗口；
图5示出了用于解决反射问题的挡光板的可能设置位置；
图6为根据本发明实施例的防反射的衍射显示系统的原理图；
图7为根据本发明实施例的防反射的衍射显示系统的结构示意图；
图8为可用于根据本发明实施例的衍射显示系统的光学引擎的第一实施例的示意图；
图9为可用于根据本发明实施例的衍射显示系统的光学引擎的第二实施例的示意图；
图10A、图10B、图10C和图10D示出了透射型的定向投射器件的示例；
图11示出了使用反射型的定向投射器件的根据本发明实施例的防反射的衍射显示系统的一个示例；
图12A和图12B示意性地示出了反射型的定向投射器件的示例；
图13为可用于根据本发明实施例的衍射显示系统的光学引擎的第三实施例的示意图；
图14为可用于根据本发明实施例的衍射显示系统的光学引擎的第四实施例的示意图；
图15为可用于根据本发明实施例的衍射显示系统的光学引擎的第五实施例的示意图；
图16示出了采用图15所示光学引擎的防反射衍射显示系统的一个示例；
图17和图18示意性地示出了根据本发明实施例的基于定向投射的具有多屏的衍射显示系统；以及
图19和图20示意性地示出了根据本发明实施例的基于定向投射的具有整体屏的衍射显示系统。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
图1为可以应用本发明的技术的衍射显示系统的示意图，如图所示，该衍射显示系统包括基板BP、光学引擎10以及衍射投影屏20。衍射投影屏20包括设置在基板BP的至少一部分上的衍射光学器件20a。光学引擎10包括相干光源11和图像调制器12，用于向衍射投 影屏20投射载有目标图像的信息的光，从而通过衍射投影屏20的衍射而显示该目标图像。该衍射显示系统具有一设计视窗EB(见图2)，在该设计视窗范围内使用者可以观察到通过所述衍射投影屏20显示的目标图像的虚像
图1所示的衍射显示系统例如可以实现为机动交通工具(例如车辆或飞行器)的HUD系统，其中例如基板BP由挡风玻璃构成，光学引擎10可以安装或集成在例如仪表台的顶部或其他位置。
这样的衍射显示系统存在的一个问题是，光学引擎10发出的光不仅通过衍射投影屏20的衍射而显示所述目标图像，而且还会被基板BP的表面(包括衍射投影屏20的表面)反射而形成光学引擎的虚像，该反射所成虚像如果落入衍射显示系统的设计视窗EB的视野内，则对衍射显示系统的使用者而言，会带来较大的干扰，特别是当光学引擎10提供较高亮度的光的情况下。
如图2所示，线k1、k2标示了位于设计视窗EB内的眼睛E通过衍射投影屏20能够观察的视野范围；线k1’、k2’由线k1、k2关于基板BP的反射表面成镜像而形成的；当光学引擎10a、10b、10c处于线k1’、k2’所夹范围内时，则光学引擎10a、10b、10c通过基板BP表面的反射所成的虚像10a’、10b’、10c’近似地位于线k1、k2所夹范围之内(基板BP可能具有一定的弧度，会影响虚像的位置)，从而位于设计视窗EB的视野内，带来视觉上的干扰。
即使将光学引擎10设置在图2所示的线k1’、k2’所夹范围以外，基板BP上除了衍射投影屏20以外的区域仍然可能形成对应的反射窗口，当光学引擎10发出的光照射到该区域并被反射时，反射的光将进入衍射显示系统的设计视窗EB。为了便于理解，首先在图2中示出了光学引擎10的光出射面上的一个点(例如一个像素X i)相对于设计视窗EB在基板BP上形成的反射窗口r。如图2所示，光学引擎10通过基板BP的表面反射形成虚像10’，虚像10’上对应于光学引擎10上一个像素X i的一点X i’与设计视窗EB内任一点的连线(图中仅示出与设计视窗EB的边界的连线)与基板BP的交点的集合形成该光出射表面的点相对于设计视窗EB在基板上的反射窗口r。类似地考虑到光 学引擎10的光出射面上的所有点，如图3所示得到整个光学引擎10相对于设计视窗EB在基板BP上的反射窗口R，该反射窗口R由光学引擎10的光出射面相对于基板BP的期待的反射成像位置(虚线位置)的任一点与设计视窗EB中的任一点的连线与基板BP的交点的集合形成。光学引擎10的最后一个器件表面构成光学引擎的光出射面。
为了解决上述反射带来的视觉干扰问题，可以通过如图5所示设置挡光板来解决。然而，为了不遮挡光学引擎10向衍射投影屏10投射的光线，同时又充分地遮挡投射向反射窗口R的光线，挡光板将具有显著的大小，并设置在靠近基板BP(例如挡风玻璃)的位置，例如图5所示挡光板LB与反射窗口R之间的位置。因此，这并不是令人满意的解决方案。
根据本发明实施例，在图1所示衍射显示系统的基础上提出了一种防反射的衍射显示系统，其中，图1所示的衍射显示系统被进一步构造为使得光学引擎10发出的光不照射到基板BP上的反射窗口R内。这样，光学引擎10发出的光就不会由于反射窗口R的反射而进入衍射显示系统的设计视窗EB，从而避免了视觉上的干扰。
图6和图7分别示出了根据本发明实施例的防反射的衍射显示系统DDS1的原理图和结构示意图。如图6所示，在根据本发明实施例的防反射的衍射显示系统中，光学引擎布置在使得反射窗口R完全离开衍射投影屏的位置。如图7所示，光学引擎10中可以进一步包括布置在光学引擎10的光路中的定向投射器件13。定向投射器件13改变从光学引擎10上各点发出的光束的发散度使之具有预定的发散角，以及/或者改变该光束的中心光线的方向，从而使得所述光束具有特定的空间角分布，以防止从光学引擎10出射的光照射到反射窗口R内，如图6所示。优选地，定向投射器件13构造成使得从光学引擎10发出的光仅照射到衍射投影屏20的范围内。
在根据本发明实施例的防反射衍射显示系统中，衍射投影屏20可以直接形成在基板BP上，也可以独立形成之后贴附到基板表面上或者例如夹在基板的可能的不止一个层之间。
在一些实施例中，为了形成目标图像的位于远处的、放大的虚像 以便于衍射显示系统的使用者观看图像，衍射投影屏20可以对来自光学引擎10的对应于每一个像素的光衍射形成平行或近似平行的成像光束，并且对应于不同像素的成像光束的投射方向互不相同。这样，来自光学引擎的对应于每一个像素的光束经过使用者的眼球E的作用，可以在视网膜上形成一个对应的像点，并且不同像素在人眼的视网膜的不同位置形成像点，从而使得使用者能够观察到位于或近似位于无穷远处的放大的虚像。然而，应该理解，根据本发明的衍射显示系统并不依赖于衍射投影屏20的上述工作方式来实现防反射，因此本发明在此方面不受限制。
用于本发明的衍射光学器件可以包括全息膜、计算机生成的全息图(Computer-Generated Holograms，CGH)、全息光学元件(Holographic Optical Elements，HOE)或衍射光学元件(Diffractive Optical Elements，DOE)中的至少一种。以全息膜为例，其可以通过例如作为平面波的物光和作为球面波的参考光的相干来形成。为了获得更加好的显示效果，也可以采用移动/多个参考光的光源点的方式进行曝光。此外，例如，全息图也可以由计算机生成，通过电子束/刻蚀加工成母板，进而通过压印生产带有全息图的衍射光学器件。
尽管图中未示出，衍射光学器件20a可以具有分别用于不同波长的多个衍射层，也可以具有用于不同波长的单层结构，或者包括用于单个波长的层结构与用于两个以上波长的层结构的组合。
相干光源11优选为激光光源，也可以为例如带有窄带滤波器的白光光源。考虑到衍射显示系统在例如白天和黑夜的不同环境光线条件的使用，相干光源11也可以形成为能够在不止一种光源之间切换。此外，相干光源11可以提供单色的相干光，也可以提供多色的相干光，例如红绿蓝三原色光。
图像调制器12可以例如对相干光源发出的光进行调制以获得对应于目标图像的光空间分布。在一些实施例中，图像调制器12可以采用空间光调制器(Spatial Light Modulator,SLM)，空间光调制器例如包括LCD、LCOS、DMD等。在另一些实施例中，图像调制器12例如可以包括扫描振镜，例如基于微机电系统(MEMS,Micro-Electro- Mechanical System)的扫描振镜。
尽管图7中示出定向投射器件13在光学引擎10的光路中设置在图像调制器12的下游，但是这仅仅是示意性的，而非限制性的。此外，光学引擎10中还可以包括其它的光学器件。以下将结合附图介绍可用于根据本发明实施例的防反射的衍射显示系统的光学引擎的不同实施例。
图8为可用于根据本发明实施例的衍射显示系统的光学引擎的第一实施例的示意图。如图8所示，根据第一实施例的光学引擎110包括沿光路依次设置的相干光源111、图像调制器112和定向投射器件113。光学引擎110还可以包括扩束装置114，其设置在相干光源111和图像调制器112之间，用于对来自相干光源111的光进行扩束，以便对图像调制器112的整个表面进行照明。优选地，该扩束装置114还对光进行准直。从图像调制器112的各个像素出射的具有良好方向性的光照射到定向投射器件113上，定向投射器件113使例如对应于每一个像素的光束具有预定发散角并改变光束的中心光线的方向，使得光学引擎发出的光能够投射到衍射投影屏上的适当的区域中且不进入反射窗口R内。
图9为根据第二实施例的光学引擎210的示意图。光学引擎210具有与根据第一实施例的光学引擎110基本上相同的构造，不同之处仅在于在光学引擎210中，定向投射器件213沿光路设置在图像调制器212的上游。来自相干光源211的光经过可选的扩束装置214的扩束、准直之后照射到定向投射器件213上；定向投射器件213使得从其出射的光具有预定发散角并改变光束中心光线的方向，从而具有特定的光的空间角分布；从图像调制器212出射的光保持了定向投射器件213所形成的光束的预定发散角和中心光线方向，从而光学引擎发出的光能够投射到衍射投影屏上的适当的区域中且不进入反射窗口R内。
图10A至图10D示出了可用于根据本发明实施例的衍射显示系统的透射型定向投射器件的示例。如图所示，定向投射器件可以构造为通过透射和/或折射使得从其发出的(例如对应于各像素的)光束具 有预定的发散角并且改变所述光束的中心光线的方向，从而具有特定的空间角分布。优选地，定向投射器件可以为具有大致平面形状基体的透射型器件，并且构造为使得从其出射的、对应于各像素的光束的中心光线偏离垂直于所述基体的方向。图10A示出的示例中，定向投射器件13A由微透镜阵列构成；图10B示出的示例中，定向投射器件13B由微透镜阵列与光阑阵列的组合构成；在图10C示出的示例中，定向投射器件13C由微棱镜阵列构成；在图10D示出的示例中，定向投射器件13D由例如HOE、CGH、DOE等衍射器件构成。应该理解，图10仅仅是示例性的，可用于本发明的透射型定向投射器件并不限于上述构造，而可以包括例如光阑阵列、微棱镜阵列、微透镜阵列、光栅、HOE、CGH、DOE或者任何其他适合的器件、或它们的组合。
尽管图8和图9所示光学引擎中，图像调制器112、212都被示出为透射型的，但是本发明并不限于此，图像调制器112、212也可以是反射型的。类似地，尽管图8、图9中，定向投射器件113、213都被示出为透射型的，但是本发明并不限于此，定向投射器件113、213也可以是反射型的。
图11示出了使用反射型的定向投射器件以及反射型图像调制器的根据本发明实施例的防反射的衍射显示系统的一个示例。在图11所示示例中，衍射显示系统包括基板BP、光学引擎110’和衍射投影屏20。光学引擎110’中的图像调制器包括扫描振镜，并且采用设置在扫描振镜下游光路中的定向投射器件113’。
根据本实施例，图像调制器包括扫描振镜112’，同时还可以包括结合在例如相干光源111’中的光源调制器(图中未示出)，该光源调制器按照时序调制相干光源111’输出的光，例如包括光的强度以及/或者光的波长(颜色)。
从相干光源111’输出的、例如按照时序经过光强/颜色调制的光照射到扫描振镜112’上，扫描振镜112’对应于光源调制的所述时序以不同的角度将其反射，从而形成对应于目标图像的光空间分布。从扫描振镜112’输出的、具有对应于目标图像的光空间分布的光照射到定向投射器件113’上，定向投射器件113’通过反射作用，使得从其发出的 (例如对应于各像素的)光束具有预定的发散角并且改变所述光束的中心光线的方向，从而具有特定的空间角分布，使得光学引擎发出的光能够投射到衍射投影屏上的适当的区域中且不进入反射窗口R内。该具有特定的空间角分布的光投射向衍射投影屏20，并经由衍射投影屏20的衍射作用形成目标图像的放大的虚像。
应该理解，反射型的图像调制器可以与透射型的定向投射器件结合使用，而透射型的图像调制器也可以与反射型的定向投射器件结合使用，基于以上介绍，对此本领域技术人员可以根据需要来组合不同的图像调制器和定向投射器件，而本发明在此方面不受限制。
图12A和图12B示出了可用于根据本发明实施例的衍射显示系统的反射型的定向投射器件的示例。如图所示，定向投射器件可以构造为通过反射使得从其发出的(例如对应于各像素的)光束具有预定的发散角并且改变所述光束的中心光线的方向，从而具有特定的空间角分布。图12A示出了例如由光栅构成的定向投射器件13’A；图12B示出了由例如微反射镜阵列构成的定向投射器件13’B，微反射镜阵列可以包括微凸面镜，也可以包括微凹面镜。当然，图12所示仅仅是示例性的，而非限制性的。例如反射型的定向投射器件也可以由例如HOE、CGH、DOE等衍射器件构成。此外，例如，定向透射器件还可以结合有例如光阑阵列，以便更好地实现定向投射。
此外，根据本发明，无论是如图10所示的透射型定向投射器件，还是图12所示的反射型定向投射器件，它们可以进一步构造为使得对应于目标图像或者图像调制器上的不同的像素可以形成不同的光的空间角分布，即可以具有不同的发散角以及/或者具有不同的光束中线光线方向。这可以例如通过改变阵列(例如微透镜阵列、光阑阵列、微反射镜阵列)中的单元器件(例如微透镜、光阑、微反射镜)的参数(例如孔径、焦距)以及/或者排列周期来实现。对于由HOE、CGH、DOE等衍射器件构成的定向投射器件，这可以通过计算以及基于该计算的全息图加工来实现。
接下来，参照图13、图14和图15介绍可用于根据本发明实施例的衍射显示系统的光学引擎的第三、第四和第五实施例。在这些实施 例中，光学引擎进一步包括光扩散器件，光扩散器件用于对光进行扩散，使得从光学引擎发出的、对应于每一个像素的光束是发散的；并且定向投射器件沿光学引擎的光路设置在光扩散器件的下游，其限制从光学引擎发出的、对应于各像素的光束的发散角至所述预定发散角。
在图13所示第三实施例中，光学引擎310包括沿光路依次设置的相干光源311、图像调制器312、光扩散器件315和定向投射器件313。光学引擎310还可以包括扩束装置314，其设置在相干光源311和图像调制器312之间，用于对来自相干光源311的光进行扩束。优选地，该扩束装置314还对光进行准直。从图像调制器312的各个像素出射的具有良好方向性的光照射到光扩散器件315上，经光扩散器件315的扩散形成对应于各个像素的具有发散的空间角分布的光束。如图13中所示，光扩散器件315所形成的光束可能具有过于发散空间角分布和/或不合适的光束方向(可以以光束中心光线的方向来表示)，使得该光束将被投射到基板BP上的反射窗口R内。设置在光扩散器件315下游的定向投射器件313则通过其对光束的作用，限制对应于每一个像素的光束的发散角至预定的发散角，还可以改变光束中心光线的方向，使得光学引擎发出的光能够投射到衍射投影屏上的适当的区域中且不进入反射窗口R内。
图14示出了光学引擎的第四实施例。如图14所示，光学引擎410包括沿光路依次设置的相干光源411、光扩散器件415、图像调制器412和定向投射器件413。根据第四实施例的光学引擎410与根据第三实施例的光学引擎310具有基本上相同的结构，不同之处主要在于光学引擎310中光扩散器件315设置在图像调制器312的下游，而光学引擎410中光扩散器件415设置在图像调制器412的上游。
如图14所示，光学引擎410还可以包括合束器414，用于将来自相干光源411的例如具有不同波长的激光器的光合成一束光，以便传送给光扩散器件415。在图14所示示例中，光扩散器件415可以例如由导光板构成。在图像调制器412采用LCD的一些示例中，相干光源411还可以与光扩散器器件415一起集成为背光组件。
来自相干光源411的光经光扩散器件415的扩散以及图像调制器 412的调制形成对应于各个像素的具有发散的空间角分布的光束；然后通过定向投射器件413的作用，限制对应于每一个像素的光束的发散角至预定的发散角，同时还可以改变光束中心光线的方向，使得光学引擎发出的光能够投射到衍射投影屏上的适当的区域中且不进入反射窗口R内。
图15示出了光学引擎的第五实施例。如图15所示，光学引擎510包括沿光路依次设置的相干光源511、光扩散器件515、定向投射器件513和图像调制器512。根据第五实施例的光学引擎510与根据第四实施例的光学引擎410具有基本上相同的结构，不同之处仅在于光学引擎410中定向投射器件413设置在图像调制器412的下游，而光学引擎510中定向投射器件513设置在图像调制器512的上游。
来自相干光源511的光经光扩散器件515的扩散形成具有发散的空间角分布的光；然后通过定向投射器件513的作用，限制对应于每一个像素的光束的发散角至预定的发散角，同时还可以改变光束中心光线的方向，得到具有特定的空间角分布的光束；从图像调制器512出射的光保持了定向投射器件513所形成的光束的预定发散角和中心光线方向，从而光学引擎发出的光能够投射到衍射投影屏上的适当的区域中且不进入反射窗口R内。
对于图13和图15所示的光学引擎的第三和第五实施例，在一些优选的示例中，光扩散器件可以与定向投射器件集成在一起。对于图14所示的光学引擎的第四实施例，在一些优选的示例中，定向投射器件可以集成在图像调制器的表面上。
如以上结合图10和图12所讨论的，定向投射器件313、413、513可以包括光阑阵列、微棱镜阵列、微透镜阵列、微反射镜、光栅、CGH、HOE、DOE或者任何其他适合的器件、或它们的组合。
此外，类似于以上对图8和图9所示实施例的讨论，尽管图13-15所示光学引擎中，图像调制器、光扩散器件和定向投射器件都被示出为透射型的，但是这些图示仅仅是示意性的，本发明并不限于此，上述器件各自也可以是反射型的。
例如，图16示出了采用图15所示光学引擎的防反射衍射显示系 统的一个示例，其中光学引擎510’中采用了反射型的DMD作为图像调制器。
具体而言，在图16所示示例中，衍射显示系统包括基板BP、光学引擎510’、和衍射投影屏20。光学引擎510’包括沿光路依次设置的相干光源511’、光扩散器件515’、定向投射器件513’和图像调制器512’，其中光扩散器件515’采用的是导光板形式的，定向投射器件513’采用的是光阑，而图像调制器512’采用的是DMD。光扩散器件515’接收来自所述相干光源511’的光并形成面光源，使得发出的光束是发散的。光阑形式的定向投射器件513’设置在光扩散器件515的下游、图像调制器512’的上游，其限制在作为图像调制器的DMD的微反射镜表面上反射的、对应于各像素的光束的发散角，从而使得光学引擎510’发出的光能够投射到衍射投影屏20上的适当的区域中且不进入反射窗口R内。
作为替代，定向投射器件513’也可以采用透镜、凹面镜或者任何其他合适的器件。
以上结合附图介绍了根据本发明实施例的防反射的衍射显示系统，并结合附图和实施例介绍了可用于这种衍射显示系统的光学引擎，特别是其中的定向投射器件。
根据本发明的其它一些实施例，基于与上面所介绍的定向投射类似的定向投射构思，还提供了一种具有多屏的衍射显示系统和一种具有整体屏的衍射显示系统。这在下文中将结合附图来更加详细地介绍。
图17和图18示意性地示出了根据本发明实施例的基于定向投射的具有多屏的衍射显示系统DDS2。
如图17和图18所示，衍射显示系统DDS2包括基板BP、至少两个衍射投影屏20A、20B以及单个光学引擎10S。在图中所示示例中，仅以两个衍射投影屏为例来进行介绍，但是本发明并不限于此。两个衍射投影屏20A、20B分别包括设置在所述基板的不同位置上的衍射光学器件。衍射光学器件可以为例如以上结合衍射显示系统DDS1所介绍的衍射光学器件，在此不再赘述。
单个光学引擎10S包括相干光源和单个图像调制器(未示出)，用 于向衍射投影屏20A、20B投射载有目标图像的信息的光，从而通过衍射投影屏的衍射而显示目标图像的虚像。单个光学引擎10S还包括定向投射器件(未示出)，其布置在光学引擎的光路中，用于改变至少一部分光的方向。此外，衍射显示系统DDS2中的光学引擎10S也可以包括光扩散器件。
衍射显示系统DDS2中单个光学引擎10S及其所包括的各个器件，例如相干光源、图像调制器、定向投射器件、光扩散器件，可以具有与以上结合衍射显示系统DDS1所介绍的光学引擎10或对应器件相同或类似的构造，不同之处主要在于，在衍射显示系统DDS2中，单个光学引擎10S中的定向投射器件改变至少一部分光的方向，使得对应于不同衍射投影屏的目标图像的光分别仅被投射至对应的衍射投影屏。这可以通过例如对应于图像调制器的不同显示分区应用不同的定向投射器件，或者仅对图像调制器的一个显示分区应用定向投射器件来实现。作为一个示例，定向投射器件可以具有大致平面形状基体，并且构造为具有与衍射投影屏数量相同的分区，每个分区对照射到该分区的光的方向具有不同偏折作用，从而将光投射至对应的衍射投影屏。
在此基础上，衍射显示系统DDS2的单个光学引擎10S中，定向投射器件可以进一步构造为用于改变从光学引擎上各点发出的光束的发散度使之具有预定的发散角，从而使得所述光束具有特定的空间角分布。
尽管未示出，但是可以理解，类似于衍射显示系统DDS1中的定向投射器件，衍射显示系统DDS2中的定向投射器件也可以包括光阑阵列、微反射镜阵列、微棱镜阵列、微透镜阵列、光栅、CGH、HOE、DOE中的至少一种。
图18更加清楚地显示了衍射显示系统DDS2的一个优选示例。在图18所示示例中，衍射投影屏20A、20B中的每一者将来自光学引擎10S的一个像素的光衍射形成平行或近似平行的成像光束，对应于不同像素的成像光束的投射方向互不相同。衍射显示系统DDS2具有设计视窗EB，衍射投影屏20A、20B将所述成像光束均投射向设计视窗 EB，使得在该设计视窗EB内使用者可以观察到各个衍射投影屏投影显示的目标图像。
接下来将参照图19和图20介绍根据本发明实施例的基于定向投射的具有整体屏的衍射显示系统DDS3。
如图19和图20所示，衍射显示系统DDS3包括基板BP、衍射投影屏20W和光学引擎10W。
衍射投影屏20W包括设置在基板BP的大致整个表面上的衍射光学器件。衍射光学器件可以为例如以上结合衍射显示系统DDS1所介绍的衍射光学器件，在此不再赘述。在一些示例中，衍射投影屏20W相对于光学引擎10W的最大张角β大于120°。
光学引擎10W包括相干光源11和图像调制器12，用于向衍射投影屏投射载有目标图像的信息的光，从而通过衍射投影屏20W的衍射而投影显示目标图像。光学引擎10W还包括定向投射器件13，其布置在光学引擎的光路中，用于改变光的方向。应该理解的是，图19中所示相干光源11、图像调制器和定向投射器件13沿光路的设置顺序仅仅是示意性的，而非限制性的。在一些实施例中，衍射显示系统DDS3中的光学引擎10W还可以包括光扩散器件。
衍射显示系统DDS3中光学引擎10W及其所包括的各个器件，例如相干光源、图像调制器、定向投射器件、光扩散器件，可以具有与以上结合衍射显示系统DDS1所介绍的光学引擎10或对应器件相同或类似的构造，不同之处主要在于，在衍射显示系统DDS3中，光学引擎10W中的定向投射器件改变光的方向，使得对应于目标图像的每一个像素的光束仅被投射到衍射投影屏上的局部区域(例如图19所示区域a、b、c、d、e……)上，对应于彼此相邻的像素的光束被投射到衍射投影屏上彼此部分重叠的区域(例如图19所示区域b、c、d)上，并且对应于不同像素的光束按照像素的排列秩序被投射到衍射投影屏上的不同区域(例如区域a、b、c、d、e)上。例如，阵列形式的定向投射器件中的各个单元元件可以与图像调制器的各个像素对应地设计，它们可以各自具有不同的参数或者变化的相互位置关系，从而实现对对应于不同像素的上述投射效果。
在此基础上，衍射显示系统DDS3的光学引擎10W中，定向投射器件可以进一步构造为用于改变从光学引擎上各点发出的光束的发散度使之具有预定的发散角，从而使得所述光束具有特定的空间角分布。
衍射显示系统DDS3可以实现为安装在机动交通工具上的HUD系统，其中，基板BP由挡风玻璃构成。在这样的情况下，优选光学引擎10W所发出的、对应于目标图像的每一个像素的光束在衍射投影屏20W上所投射到的所述局部区域a、b、c、d、e……各自大于10cm×10cm的面积。
尽管未示出，但是可以理解，类似于衍射显示系统DDS1、DDS2中的定向投射器件，衍射显示系统DDS3中的定向投射器件也可以包括光阑阵列、微反射镜阵列、微棱镜阵列、微透镜阵列、光栅、CGH、HOE、DOE中的至少一种。
图20更加清楚地显示了衍射显示系统DDS3的一个优选示例。在图20所示示例中，衍射投影屏20W将来自光学引擎10W的每一个像素的光衍射形成平行或近似平行的成像光束，并且对应于不同像素的成像光束的投射方向互不相同。衍射显示系统DDS3具有设计视窗EB，并且所述成像光束均投射向设计视窗EB，使得在该设计视窗EB内使用者可以观察到各个衍射投影屏投影显示的目标图像。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (32)

  1. 一种防反射的衍射显示系统，包括：
    基板；
    衍射投影屏，其包括设置在所述基板的至少一部分上的衍射光学器件；和
    光学引擎，包括相干光源和图像调制器，用于向衍射投影屏投射载有目标图像的信息的光，从而通过衍射投影屏的衍射而显示目标图像，
    其中，所述衍射显示系统具有一设计视窗，在该设计视窗范围内使用者可以观察到通过所述衍射投影屏显示的目标图像的虚像，并且
    所述光学引擎发出的光不照射到所述基板上的一反射窗口内，所述反射窗口为所述基板上的一个区域，当所述光学引擎发出的光照射到该区域并被反射时，反射的光将进入所述衍射显示系统的设计视窗。
  2. 如权利要求1所述的衍射显示系统，其中，所述光学引擎的最后一个器件表面构成光学引擎的光出射面，并且所述反射窗口由所述光学引擎的光出射面相对于所述基板的期待的反射成像位置的任一点与所述设计视窗中的任一点的连线与所述基板的交点的集合形成。
  3. 如权利要求1所述的衍射显示系统，其中，所述光学引擎布置在使得所述反射窗口完全离开所述衍射投影屏的位置。
  4. 如权利要求1-3中任一项所述的衍射显示系统，其中，所述衍射显示系统为安装在机动交通工具上的HUD系统，并且所述基板为挡风玻璃。
  5. 如权利要求1所述的衍射显示系统，其中，所述光学引擎还包括定向投射器件，其布置在光学引擎的光路中，用于改变从光学引擎上各点发出的光束的发散度使之具有预定的发散角，以及/或者改变该光束的中心光线的方向，从而使得所述光束具有特定的空间角分布。
  6. 如权利要求5所述的衍射显示系统，其中，所述定向投射器件构造成使得从光学引擎发出的光仅照射到所述衍射投影屏的范围内。
  7. 如权利要求5所述的衍射显示系统，其中，所述定向投射器件 为具有大致平面形状基体的透射型器件，并且构造为使得从其出射的、对应于各像素的光束的中心光线偏离垂直于所述基体的方向。
  8. 如权利要求5所述的衍射显示系统，其中，所述图像调制器对所述相干光源发出的光进行调制以获得对应于所述目标图像的光空间分布；
    所述光学引擎还包括光扩散器件，其接收来自所述相干光源的光并形成面光源，使得从所述光学引擎发出的对应于每一个像素的光束是发散的；并且
    所述定向投射器件沿所述光学引擎的光路设置在所述光扩散器件的下游、所述图像调制器的上游，其限制从所述光学引擎发出的、对应于各像素的光束的发散角。
  9. 如权利要求5或8所述的衍射显示系统，其中，所述定向投射器件包括透镜、光阑、凹面镜中的至少一种。
  10. 如权利要求5所述的衍射显示系统，其中，所述图像调制器对所述相干光源发出的光进行调制以获得对应于所述目标图像的光空间分布；
    所述光学引擎还包括光扩散器件，用于对光进行扩散，使得从所述光学引擎发出的、对应于每一个像素的光束是发散的；并且
    所述定向投射器件沿所述光学引擎的光路设置在所述光扩散器件与图像调制器的下游，其限制从所述光学引擎发出的、对应于各像素的光束的发散角。
  11. 如权利要求10所述的衍射显示系统，其中，所述光扩散器件沿所述光学引擎的光路设置在所述图像调制器的下游。
  12. 如权利要求8或11所述的衍射显示系统，其中，所述光扩散器件与定向投射器件集成在一起。
  13. 如权利要求10所述的衍射显示系统，其中，所述光扩散器件沿所述光学引擎的光路设置在所述图像调制器的上游。
  14. 如权利要求5、8、10、11、13中任一项所述的衍射显示系统，其中，所述定向投射器件包括光阑阵列、微棱镜阵列、微透镜阵列、光栅、CGH、HOE、DOE中的至少一种。
  15. 如权利要求5所述的衍射显示系统，其中，所述图像调制器对所述相干光源发出的光进行调制以获得对应于所述目标图像的光空间分布；并且
    所述定向投射器件接收对应于每一个像素的近似平行光束并对其进行扩散，使之具有特定的扩散的空间角分布。
  16. 如权利要求15所述的衍射显示系统，其中，所述图像调制器包括扫描振镜。
  17. 如权利要求16所述的衍射显示系统，其中，所述定向投射器件为沿光路设置在扫描振镜下游的微反射镜阵列、反射型光栅或反射型DOE。
  18. 如权利要求15所述的衍射显示系统，其中，所述图像调制器为LCD、LCOS或DMD，并且所述光学引擎还包括设置在所述相干光源和图像调制器之间的准直扩束装置。
  19. 如权利要求15、16、18中任一项所述的衍射显示系统，其中，所述定向投射器件包括微棱镜阵列、微透镜阵列、微反射镜阵列、光栅、CGH、HOE、DOE中的至少一种。
  20. 如权利要求8、10、15所述的衍射显示系统，其中，所述衍射投影屏将来自所述光学引擎的每一个像素的光衍射形成平行或近似平行的成像光束，并且对应于不同像素的成像光束的投射方向互不相同。
  21. 一种基于定向投射的衍射显示系统，包括：
    基板；
    至少两个衍射投影屏，它们分别包括设置在所述基板的不同位置上的衍射光学器件；和
    单个光学引擎，包括相干光源和单个图像调制器，用于向衍射投影屏投射载有目标图像的信息的光，从而通过衍射投影屏的衍射而显示目标图像的虚像，
    其中，所述单个光学引擎还包括定向投射器件，其布置在光学引擎的光路中，用于改变至少一部分光的方向，使得对应于不同衍射投影屏的目标图像分别仅被投射至对应的衍射投影屏。
  22. 如权利要求21所述的衍射显示系统，其中，所述衍射显示系 统具有一设计视窗，所述至少两个衍射投影屏将衍射形成的光束均投射向该设计视窗。
  23. 如权利要求21所述的衍射显示系统，其中，所述定向投射器件具有大致平面形状基体，并且构造为具有与所述衍射投影屏数量相同的分区，每个分区对照射到该分区的光的方向具有不同偏折作用，从而将光投射至对应的衍射投影屏。
  24. 如权利要求23所述的衍射显示系统，其中，所述定向投射器件还构造为限制从所述光学引擎发出的、对应于每一个像素的光束的发散角。
  25. 如权利要求21-24中任一项所述的衍射显示系统，其中，所述定向投射器件包括光阑阵列、微反射镜阵列、微棱镜阵列、微透镜阵列、光栅、CGH、HOE、DOE中的至少一种。
  26. 一种基于定向投射的衍射显示系统，包括：
    基板；
    衍射投影屏，其包括设置在所述基板的大致整个表面上的衍射光学器件；和
    光学引擎，包括相干光源和图像调制器，用于向衍射投影屏投射载有目标图像的信息的光，从而通过衍射投影屏的衍射而投影显示目标图像，
    其中，所述光学引擎还包括定向投射器件，其布置在光学引擎的光路中，用于改变光的方向，使得对应于目标图像的每一个像素的光束仅被投射到衍射投影屏上的局部区域上，对应于彼此相邻的像素的光束被投射到衍射投影屏上彼此部分重叠的区域上，并且对应于不同像素的光束按照像素的排列秩序被投射到衍射投影屏上的不同区域上。
  27. 如权利要求26所述的衍射显示系统，其中，所述衍射投影屏相对于所述光学引擎的最大张角大于120°。
  28. 如权利要求26所述的衍射显示系统，其中，所述衍射投影屏将来自所述光学引擎的每一个像素的光衍射形成平行或近似平行的成像光束，并且对应于不同像素的成像光束的投射方向互不相同。
  29. 如权利要求26-所述的衍射显示系统，其中，所述衍射显示系 统为安装在机动交通工具上的HUD系统，所述基板为挡风玻璃，并且所述光学引擎所发出的、对应于目标图像的每一个像素的光束在所述衍射投影屏上所投射到的所述局部区域大于10cm×10cm的面积。
  30. 如权利要求26所述的衍射显示系统，其中，所述定向投射器件限制从所述光学引擎发出的、对应于每一个像素的光束的发散角。
  31. 如权利要求26-30中任一项所述的衍射显示系统，其中，所述定向投射器件为具有大致平面形状基体的透射型器件，并且构造为使得从其出射的光束的中心光线偏离垂直于所述基体的方向。
  32. 如权利要求26-30中任一项所述的衍射显示系统，其中，所述定向投射器件包括光阑阵列、微反射镜阵列、微棱镜阵列、微透镜阵列、光栅、CGH、HOE、DOE中的至少一种。
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