CN113138462A - 使用光导的显示器光学器件 - Google Patents

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市川一兴
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Abstract

本公开涉及一种投射显示器，其具有用于透视显示***的光导，使用全息光学元件或衍射光学元件作为输入耦合光学器件，并与作为输出耦合光学器件的菲涅耳反射镜镜组合。使用这种光导的显示器可以实现广角(例如，视场角超过90度)、高分辨率和大视窗，且尺寸紧凑。

Description

使用光导的显示器光学器件
相关申请
本申请要求2020年7月21日提交的美国专利申请16/934,536、2020年5月3日提交的美国临时专利申请63/019,388和2020年1月17日提交的美国临时专利申请62/962,566的优先权，其全部内容通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开涉及使用光导的显示器光学器件(例如，使用全息图或衍射光学元件通过薄光导投射图像的透视显示器)。
背景技术
近年来，在智能手机被市场广泛接受的情况下，透视显示器(例如，平视显示器和可穿戴显示器)已经受到关注。透视显示器可以解放双手，能够在与常规视野相同的距离内显示图像。尽管透视显示器很实用，但是在过去，某些透视显示器(例如，使用全息图的透视显示器)并不能使观看者满意，因为它们不能提供足够大的视角。能够透光、小型、明亮、具有高分辨率和/或透视特性的光学***会很实用，但是某些***要实现相对较大的视角仍面临巨大的挑战。
发明内容
在一方面，本公开提供一种用于向观看者的眼睛提供光线的显示***，包括：显示装置；一个或多个透镜构成的组，所述透镜被配置为接收来自所述显示装置的光线；光管；输入耦合光学元件，所述输入耦合光学元件被配置为接收来自所述一个或多个透镜构成的组的光线并将光提供到所述光管中，所述光管具有三个以上的侧面并且所述光管的所述侧面的至少一部分表面通过涂层或全内反射进行反射；输出耦合光导；和一个或多个反射镜，所述反射镜被配置为将来自所述光管的出口部分的光线反射到所述输出耦合光导中。所述一个或多个反射镜至少包括第一菲涅耳反射器，所述第一菲涅耳反射器包括多个锯齿形的光栅元件，所述光栅元件被配置为将光线反射到所述输出耦合光导中，并且所述输出耦合光导包括第二菲涅耳反射器，所述第二菲涅耳反射器包括多个锯齿形的光栅元件。
该方面可以包括以下一个或多个特征。
所述输入耦合光学元件包括棱镜，所述一个或多个透镜构成的组是远心的，其中从所述显示装置的像素发射的主光线基本上垂直于所述显示装置的表面，并且所述主光线在所述棱镜内或附近彼此交叉。
所述输入耦合光学元件包括棱镜，所述棱镜具有反射面，所述反射面被配置为接收来自所述一个或多个透镜构成的组的光线并将所述光线反射到所述光管中，并且所述反射面的法向量相对于所述一个或多个透镜构成的组的光轴为15度至45度。
所述输入耦合光学元件包括棱镜，所述棱镜具有反射面，所述反射面被配置为接收来自所述一个或多个透镜构成的组的光线并将所述光线反射到所述光管中，并且所述反射面的法向量被配置为旋转以相对于所述光管的长边形成介于30度和60度之间的角度。
所述输入耦合光学元件包括棱镜，所述棱镜的折射率大于1.4，所述光管的折射率大于1.4。
所述出口部分的尺寸至少部分地基于所述出口部分沿着所述光管的长边的位置而变化。
所述第一菲涅耳反射器的所述光栅元件在锯齿形的三角棱镜的表面上弯曲，并且所述表面相对于所述光管的顶表面倾斜15度至45度，设置所述第一菲涅耳反射器的法向量使得平行于所述一个或多个透镜构成的组的光轴的光线基本上平行于所述光管的顶表面的法向量。
所述输入耦合光学元件包括棱镜，所述棱镜的折射率大于1.3，所述输出耦合光导的折射率大于1.3，所述棱镜的折射率基本上等于所述光导的折射率。
所述输出耦合光导具有形成棱镜的倾斜面，光线能够进入其中，并且所述倾斜面的法向量相对于所述光导管的顶表面在15度和45度之间，以使得来自一个或多个反射镜的光线被反射到所述输出耦合光导中。
所述输出耦合光导具有形成棱镜的倾斜面，光线进入其中，并且所述倾斜面的法向量相对于所述光管的顶表面在15度和45度之间，以使得来自所述一个或多个反射镜的光线反射到所述输出耦合光导中。
所述第二菲涅耳反射器包括光栅区域，所述光栅区域包括多个锯齿形的光栅元件，所述多个锯齿形的光栅元件被配置为将来自所述一个或多个反射镜的光线反射至观看者的眼睛，以及在所述锯齿形的光栅元件之间的平坦区域，在所述平坦区域中不存在锯齿形的光栅元件；输出耦合光导通过全内反射来反射光线并且基本上是透明的，使得外部光可以到达观看者的眼睛，并且所述光栅区域包括反射涂层。
所述第二菲涅耳反射器包括光栅区域，所述光栅区域包括多个锯齿形的光栅元件，所述多个锯齿形的光栅元件被配置为将来自所述一个或多个反射镜的光线反射至观看者的眼睛，以及在所述锯齿形的光栅元件之间的平坦区域，所述平坦区域和所述锯齿形的光栅元件的双反射被光吸收区域阻止。
所述光管和/或所述输出耦合光导中的至少一个包括一个或多个层，所述层被配置为至少部分地反射光以减少未照明的区域。
所述输出耦合光导的表面包括多个平坦表面的弯曲包络，使得内部反射光束具有与平坦表面相同的角度。
所述输出耦合光导的所述第二菲涅耳反射器的多个锯齿形的光栅元件的角度随位置而变化，使得图像聚焦在有限远距离处。
显示***还包括：多个由所述显示***构成的组，其重叠以便可以查看在多个距离处的图像。
显示***还包括：使用一个或多个二向色滤光片和至少一个二向色交叉棱镜将多个波导集成到单个波导中。
所述光导和/或所述光管中的至少一个覆有全息光学元件、衍射光学元件或多层薄膜，从而减小全内反射角，进而扩大显示***的视场。
所述光导和/或所述光管中的至少一个包括与所述输入耦合光学元件相邻的较低折射率材料和在输出耦合光导内或附近的较高折射率材料。
所述光导与比所述光导的折射率更高的较高折射率材料层压，并且所述第二菲涅耳反射器形成在所述较高折射率材料上。
所述输入耦合光学元件包括第一光学元件，所述第一光学元件包括全息光学元件(HOE)和/或衍射光学元件(DOE)中的至少一个，其被排列成使得衍射光束的对向角小于入射光束的对向角；以及第二光学元件，所述第二光学元件包括全息光学元件和/或衍射光学元件中的至少一个，其放置在所述光导中以接收来自所述光管的光，并且所述第二光学元件被排列成使得出射光束的对向角大于入射光束的对向角；对于来自相同像素的光束，出射光与所述第二光学元件的法线方向的角度基本上等于入射光与所述第一光学元件的法线方向的角度。
在另一方面，本公开提供一种显示***，包括：显示装置；一个或多个透镜构成的组，所述透镜被配置为接收来自所述显示装置的光线；输入耦合光学元件，所述输入耦合光学元件被配置为接收来自所述一个或多个透镜构成的组的光线；输出耦合光导；和一个或多个反射镜，所述反射镜被配置为将光线反射到所述输出耦合光导中。在所述输入耦合光学元件或所述输出耦合光导中的至少一个中的衍射光学元件(DOE)被配置为对包括蓝色光谱分量的光使用第7级衍射，对包括绿色光谱分量的光使用第6级衍射，对包括红色光谱分量的光使用第5级衍射。
该方面可以包括以下一个或多个特征。
显示***还包括：光管，所述光管被配置为将输入耦合光学元件中的第一衍射光学元件与输出耦合光导中的第二衍射光学元件之间的光耦合。
显示***还包括：电子可控焦距的光学元件。
所述电子可控焦距的光学元件被配置为在与所述显示装置顺序同步的多个相应距离处显示多个图像。
该方面可具有以下一项或多项优点。
本文所述的显示***的一些实施方式可用作潜望镜，具有薄光导(例如，波导或光管)且该薄光导与具有反射表面的棱镜或菲涅耳反射镜组合。该显示***可以适合车用透视平视显示器，并且可以被配置为可穿戴显示器(例如，像眼镜一样紧凑)，也可以被配置为实现宽视角(视场或FOV)、高分辨率和大视窗(eye-box)。
一些实施方式能够使用光导(例如波导或光管)来扩大显示器的视场(FOV)，从而将光从显示器传递到观看者。在一些示例中，如果波导的光学***仅使用镜面反射，则入射光入射到波导中的角度保持不变。这意味着，在这样的示例中，FOV与入射光的对向角相同，并且可以使用入射光会聚到波导中的更大角度来增大FOV，例如通过使用更多的透镜或更复杂的光学***来实现。通常，全息光学元件(HOE)或衍射光学元件(DOE)在用作输入耦合光学元件时会增加衍射光的对向角，而HOE或DOE在用作输出耦合光学器件时会减小衍射光的对向角。本文描述的***和装置的一些实施方式使用HOE或DOE作为输入耦合光学器件，以增加衍射光的对向角，并使用镜面反射进行输出耦合，以保持对向角(例如，不增加和不减小)。由于组合了衍射光学器件和几何光学器件，其中衍射光学器件用于输入耦合扩展入射光束，而几何光学器件不会改变光束的对向角，因此，最终的组合光学器件配置会扩展对向角(dθi至dθout)，并且扩大视场。如在图4所示的示例中，dθout大于dθi。如果反射器(图4中的403)是普通反射镜，则dθi＝dθout并且对向角不会增大，但是如果反射器403是HOE或DOE，则对向角会增大。
通过以下描述以及附图和权利要求可以更容易理解本发明的其他特征和优点。
附图说明
当结合附图阅读时，根据以下详细描述可以更好地理解本公开。要强调的是，根据惯例，附图的各个特征未按比例绘制。相反，为了清楚起见，各种特征的尺寸被任意扩大或缩小。
图1是光学***示例的示图，该光学***使得透视显示器能够通过棱镜和菲涅耳反射镜形成虚拟图像。
图2A是投射透镜组件示例的示图，该组件作为输入耦合光学器件的一部分包括其中。
图2B示出光导从作为输入耦合光学器件的一部分的棱镜接收光的示例。
图2C示出光导从作为输入耦合光学器件的一部分的全息图接收光的示例。
图2D示出光导通过投射透镜组和输入耦合光学器件接收光的示例。
图3示出显示***的示例。
图4示出如何通过HOE或DOE扩大入射光束的入射角。
图5示出衍射光束的角度受到HOE基材的折射率的限制的原因。
图6示出具有涂层的光导的示例，该涂层反射入射角小于TIR角的光束。
图7示出光导的另一示例。
图8A、图8B和图8C示出避免不必要的双反射的结构示例。
图9示出光束的最大角度受到HOE的基材的折射率的限制的原因。
图10示出无畸变的光管和光导***的实施方式。
图11示出无畸变的光管和光导***的另一实施方式。
图12是示出光管和波导内部的正确路径的透视图。
图13A示出在无限远距离处形成图像的示例。
图13B示出在可以电子控制的任意距离处形成图像的示例。
图14示出电子可控的可变焦距透镜的结构示例。
图15A和图15B示出由光学设计工具模拟的具有90度(水平)×90度(垂直)的非常广角FOV的示例。
图16是DOE的结构图，该DOE能够通过单层DOE将三种原色衍射到相同方向。
图17是图16所示的DOE的衍射效率与入射光的波长的关系曲线图。
具体实施方式
显示***的一些实施方式的特征是：透视显示器水平方向具有相对较大的FOV(例如，超过90度或+/-45度)，具有大于15mm的视窗(eye-box)。图1示出显示***的实施方式。显示***包括显示装置108，该显示装置108包括像素阵列和投射透镜组101。来自显示装置108的光线被投射在用作输入耦合光学器件的HOE 102上，并输入到光管103中。光线传播到光管103中，而只有与来自HOE 102的原始光线具有相同方向的光线才被选择并引导到折叠镜105。这些光线被折叠镜105以大约90度向输出耦合光导107反射。在一些实施方案中，光导107是片或板波导，其通过全内反射(TIR)在与空气或某些较低折射率材料的界面处的表面之间引导光，并且在一些实施方案中，光导107是片或板，其引导在片或板的反射表面之间反射的光。在该示例中，光线被形成在光导107的表面上的锯齿形的菲涅耳反射镜向观看者的眼睛反射。下面将更详细地说明每个元件示例的细节。
一方面，显示***充当出射光瞳扩展器。例如，即使观看者移动眼球也应该能够看到图像。某些***仅具有相对较小的出射光瞳(例如0.5毫米直径的出射光瞳，例如手机相机镜头级别)。但是，人眼可以移动+/-半英寸或1英寸范围。本文描述的显示***的出射光瞳扩展器功能能够将出射光瞳从大约0.5毫米直径扩大到大约1英寸(25.4毫米)直径。
输入耦合的HOE或DOE能够将光束从外部投射透镜***重定向到光管内部。一些光束通过一个或多个狭缝或其他开口从光管出射到菲涅耳反射器。光束由输出耦合元件(例如由单独的反射光栅元件组成的菲涅耳反射器(在本文中也称为“菲涅耳反射镜”))向光管的外部反射，以进入光导。光束抵达连接光导的第二输入耦合HOE或DOE，并向光导内部反射。光束在光导内部传播之后，光束被输出耦合菲涅耳反射镜反射到观看者的眼球。例如，光导可以实现为光导板(具有约50mm×50mm大小的表面的扁平矩形板)。
有助于显示***能够用作出射光瞳扩展器的一些特征的示例包括以下。入射光束角可以被压缩(例如60度到20度)。压缩光束的光线在光管内传播，重定向并从多个开口沿光管分布到光导板的宽区域中，从而允许实现更大的FOV。例如，菲涅耳折叠镜的光栅元件将光重定向到光导板，光导板使出射光瞳在第一维度(例如，x维度)上扩大。连接光导板的输出耦合DOE(例如另一个菲涅耳反射镜)也会扩大出射到观看者的光束角度。输出耦合菲涅耳反射器使出射光瞳在第二维度上扩大(例如，垂直于x维度的y维度)。
在显示***的一些实施方式中可以包括其他附加特征。例如，单个DOE能够将三个原色光束衍射到同一方向。这将减少光导板或其他输出耦合光学器件所需的层数(例如，从3层减少到单层)。而且，可以动态地在多个选定距离处中的每一处上形成图像。
在图2A、图2B、图2C和图2D中示出了不同种类的输入耦合光学器件的实施方式。如图2A所示，显示装置203将光提供给投射透镜组205，显示装置203的中心与给定像素(标记为“X”201)之间的距离与来自该给定像素的光的投射角θ202成比例。例如，投射透镜被布置成确保输出光线的角度与像素距像素阵列的中心的距离成比例(或者θ与X成比例)的透镜组件。显示装置203从其每个像素向投射透镜组205发射光束204。该透镜组205被设计为远心光学装置，这意味着来自显示装置203的每个像素的光束204进入投射透镜组205的主光线基本上平行于投射透镜组的光轴。该透镜组205可以被配置为使得图像被聚焦在无限远或基本上远的距离处，使得从单个像素投射的所有光线基本上彼此平行，如图2A中的光线207A，207B和207C所示。此功能也称为F-Theta透镜。这种光学装置确保来自单个像素的所有光线平行。这是在一些实施方式中光线在光管中混合之后聚焦图像的原理，因为这种光学装置确保了具有相同方向的所有光线都来自单个像素。
图2B示出了光导214的示例(例如，光管或波导)，其中棱镜213作为输入耦合光学器件的一部分，通过透镜组212接收来自显示装置211的光。图2C示出了光导225的示例(例如，光管或波导)，其中全息图221作为输入耦合光学器件222的一部分，通过透镜组223接收来自显示装置220的光。图2D示出了光导233的示例(例如，光管或波导)，其中投射透镜组231向输入耦合光学器件232(例如，HOE或DOE或棱镜)提供光，并且该图还示出了光束234在光导233内部传播。
图3中示出了另一实施方式，其中使用二向色滤光片和交叉棱镜将多个波导集成到单个波导中。HOE允许多次记录并将多个波长全息图叠加到单个层中。但是，某些类型的全息图材料具有最大记录数量的限制，并且表面起伏型DOE不允许多重波长衍射。这些可以使用多层波导，并且通常一层一种颜色。对于彩色显示器，可以使用三层波导。该实施方式实现了用于多色显示的单层波导将波导的三个颜色层集成为具有二向色滤光片和二向色交叉棱镜的单层，如图3所示。光学元件303是用于蓝色的波导，并且在307处具有HOE或DOE层。由HOE或DOE衍射的光束包含3种颜色，但是仅蓝色被二向色滤光片308过滤。光学元件302和301分别是绿色和红色的波导。滤光器之后的所有三个彩色光束被引入交叉棱镜311并被集成到中间层310中。将三层集成到单层中不仅限于波导，还适用于光管。
图4中示出了另一实施方式。入射光线被示出为例如在射线405和射线406之间，其对向角被示出为dθi(401)。θi(409)是它们之间的中间光线。入射光线会聚集到HOE或DOE403上，并由HOE/DOE 403衍射到光线402和光线407之间的输出角度。θout是中间光线408在光线402和光线407之间的角度。由于dθout＝cos(θi)*dθi/cos(θout)，θi约为零，θout约为120度，dθout＝-2*dθi，这意味着衍射光束在其组成射线之间的角度发散是入射光束的两倍大。因此，可以使用HOE或DOE来扩大入射光束的射线角度。如果将HOE或DOE用作输出耦合光学器件，其中θi约为60度，θout约为180度，则该关系相反并且dθout＝-0.5dθi。这意味着角度将减少一半。因此，如果***使用HOE或DOE用于输入耦合，并使用普通的光学反射镜(例如反射镜、棱镜或菲涅耳反射器)，则***可以从较小的入射角获得扩大的出射角。这将扩大FOV。
图5中示出了另一实施方式。光管501从输入耦合光学元件503(例如，HOE或DOE)接收光。第一扩展方向504表示通过输入耦合光学元件503的光束角扩展方向。衍射光束朝扩展方向504具有平行四边形的畸变。在光束通过沿着光管501的开口离开光管501之后，光束进入光导板502。沿着光管501的开口可以是缺少反射材料的位置，也可以是沿光管501传播的某些光线的入射角小于全内反射角的位置。在输出耦合光学元件505处(例如，折叠镜，包括菲涅耳反射器的菲涅耳反射镜)，第二扩展方向506可以配置为垂直于扩展方向504，以减少图像失真。
图6中示出了光导的实施方式。在某些情况下，光导可以被实现为具有由较低折射率的包层(例如，在某些情况下可以是空气)包围的高折射率芯的波导。但是，波导的FOV受波导芯所用材料的全内反射(TIR)的最小角度限制。为了增加FOV，对于配置为光管的光导601，透明材料板的任一表面上的涂层(605和608)反射其组成射线以小于与材料板相关的TIR角的角度入射的光束。输入耦合光学器件602是HOE或DOE。如果没有涂层，则光束606将作为光束607透射，但是如有涂层608，则光束606可以被反射为光束604。
图7中示出了光导的另一实施方式。该光导包括由具有不同折射率的两种不同材料组成的两个区域(区域701和区域707)。该实施方式使HOE 702能够将入射光束700衍射到入射在与材料703相关的TIR角以下的光束705，并产生具有较高折射率和较小TIR角的材料区域707，从而扩大FOV。由HOE 702衍射的衍射光束的最大角度由于HOE基材的折射率而受到限制，并且它要求放置HOE的波导使用低折射率或类似折射率的材料。波导可以与较高折射率材料朝向输出耦合区域连接，并且可以通过该技术来增大FOV。如果不存在较高折射率材料707，则衍射光束705发生透射(作为光束704)，可以如图所示由反射光束706和708进行反射。
在图8A、图8B和图8C中示出了来自光导的输出耦合的实施方式。在这些实施方式中，可以避免具有菲涅耳反射镜的波导不希望的双反射(或“重影”)。波导材料808具有比任一侧上的材料更高的折射率。波导设计为在平坦区域801或菲涅耳反射镜区域802进行单反射(如入射光线803A，803B和反射光线804A，804B所示)，而双反射是不希望的(如入射光线805至反射光线806所示)。FOV的另一个限制因素是波导的菲涅耳反射器的各个锯齿形反射镜产生的这种不希望的反射，如图8A所示。随着传播光束的角度增加(与波导表面的法向量的夹角更大)，光束可能会发生两次撞击806，然后再从波导中输出耦合，这可能是不希望的。图8B的示例是将较高折射率材料808层压在波导上并将菲涅耳反射镜放置在较高折射率材料808上。图8C示出了避免菲涅耳反射镜光栅元件815的外部锯齿形突起的双反射的另一实施方式。
图9示出了光束905的最大角度如何受到HOE(909和910)的基材的折射率的限制。如果HOE的基材的折射率小于波导(908)的折射率，则由HOE衍射的衍射光束(904)不能超过90度，并且θmax受波导材料(908)和HOE基材(909)之间的TIR角限制。
如图4所示，衍射光束的对向角(在402和407之间的dθout)由于衍射而基本上大于入射光束角(dθ1，401)，并且光束(402和407)必须在全内反射之内。这限制了入射光束(405和406)的角度。在图10中示出了另一实施方式，避免了这种潜在的限制。在图10中示出的结构中，入射光束的对向角(1007)由高折射率棱镜(1008)而减小，并由DOE(1003)衍射，从而进一步减小了该角度。该示例中，原始入射光束角为60度(1007)，并由于高折射率而减小到40度，在DOE衍射后减小到20度。在此示例中，光束的角度可以减少到1/3。光束以减小的角度通过光管传播后，此示例显示了通过第二DOE扩大角度，然后在波导内部传播，再扩大到人眼的原始角度。使用此技术(压缩＝>在光管和波导中传播＝>解压缩＝>眼睛)甚至可以实现90度FOV。该技术有助于实现无失真的图像，因为只要两个DOE平行，两个DOE就会补偿彼此引起的失真。
图11中示出了另一实施方式。尽管通过倾斜DOE可能会发生旋转变形，但是仍可以扩大FOV(与图10中的示例相比)。可以通过旋转显示***来补偿旋转失真。
图12中示出了显示***的另一实施方式，在光管中***半反射镜以增加保持相同传播角的光束数量。这将缩小波导中两个光束之间的距离。
图13A示出了从输入耦合DOE 1305衍射的光束轨迹，其中因为来自单个像素的光束是平行的，因此图像位置在无限远距离处。在图13B中示出的实施方式中图像的位置可以使用可变焦距衍射透镜进行电子控制，其中由驱动器1320静电驱动液晶材料以改变其折射率。
图14中示出了可变焦距透镜的示例。通过施加最大为0.2的静电电压可以改变液晶的折射率。但是，这不足以控制折射透镜的像距。图14所示的衍射透镜可以充分改变其焦距，因为衍射使光弯曲得远大于折射透镜。单个DOE透镜可以在液晶驱动电压的作用下，以多个距离顺序地显示多个图像。每个图像都可以与DOE透镜调整的焦距同步。例如，人A在时间1、3m距离处显示，人B在时间2、10m距离处显示，房屋A在时间3、100m距离处显示，背景场景在时间4、无限远处显示。如果这些图像的切换速度足够快，那么观看者将不会注意到这些变化，并且会在聚散度和适应性重合的同时将生成的组合场景识别为虚拟和/或增强现实3D场景(例如，不是像立体的那样而是所谓的“光场”)。
图15A和图15B示出利用光学设计工具成功地设计和模拟的具有90°(水平)×90°(垂直)的超宽FOV增强现实(AR)显示器的示例。
在图16中示出了DOE实施方式。不受理论的束缚，入射光的角度与出射光的角度之间的关系可以由下式给出：
sin(θout)–sin(θin)＝m/λ*常数(凹槽间距的函数，例如锯齿形的反射镜)
其中，θout＝出射光与DOE表面法线方向的角度，
θin＝入射光与DOE表面法线方向的角度，
m＝衍射级，
λ＝光的波长，如果将第1级衍射用于DOE，则出射角将根据入射光的波长而有所不同。这就是为什么在某些情况下单个DOE不能用于不同颜色，而多板或多层DOE可以用于提供彩色显示的原因。本公开描述了将单层DOE用于3种原色的方式。如果对不同的颜色使用不同的衍射级数，即对于三种原色m/λ＝相同，例如对于λ＝0.45μ，m＝7(蓝色)，对于λ＝0.525μ，m＝6(绿色)，对于λ＝0.63μ，m＝5(红色)，对于所有3种颜色m/λ＝15.555。这意味着所有三种颜色都将向同一方向衍射。下一个问题在于是否存在交叉污染，这意味着不同级数的衍射可能会进入视场并引起交叉污染或所谓的重影。图17示出衍射效率图，示出没有交叉污染或非常少的污染的可能性。这表明可以为彩色显示制作单层DOE。
尽管已经结合某些实施例描述了本公开，但是应当理解，本公开不限于所公开的实施例，相反，其旨在覆盖包括在本公开所附权利要求书的范围中的各种修改和等同结构，该范围应被赋予最宽泛的解释，以涵盖法律允许的所有此类修改和等同结构。

Claims (25)

1.一种用于向观看者的眼睛提供光线的显示***，所述显示***包括：
显示装置；
一个或多个透镜构成的组，所述透镜被配置为接收来自所述显示装置的光线；
光管；
输入耦合光学元件，所述输入耦合光学元件被配置为接收来自所述一个或多个透镜构成的组的光线并将光提供到所述光管中，所述光管具有三个以上的侧面并且所述光管的所述侧面的至少一部分表面通过涂层或全内反射进行反射；
输出耦合光导；和
一个或多个反射镜，所述反射镜被配置为将来自所述光管的出口部分的光线反射到所述输出耦合光导中；其中
所述一个或多个反射镜至少包括第一菲涅耳反射器，所述第一菲涅耳反射器包括多个锯齿形的光栅元件，所述光栅元件被配置为将光线反射到所述输出耦合光导中，并且所述输出耦合光导包括第二菲涅耳反射器，所述第二菲涅耳反射器包括多个锯齿形的光栅元件。
2.根据权利要求1所述的显示***，其中：
所述输入耦合光学元件包括棱镜，并且所述一个或多个透镜构成的组是远心的，其中从所述显示装置的像素发射的主光线基本上垂直于所述显示装置的表面，并且所述主光线在所述棱镜内或附近彼此交叉。
3.根据权利要求1所述的显示***，其中：
所述输入耦合光学元件包括棱镜，所述棱镜具有反射面，所述反射面被配置为接收来自所述一个或多个透镜构成的组的光线并将所述光线反射到所述光管中，并且所述反射面的法向量相对于所述一个或多个透镜构成的组的光轴为15度至45度。
4.根据权利要求1所述的显示***，其中：
所述输入耦合光学元件包括棱镜，所述棱镜具有反射面，所述反射面被配置为接收来自所述一个或多个透镜构成的组的光线并将所述光线反射到所述光管中，并且所述反射面的法向量被配置为旋转以相对于所述光管的长边形成介于30度和60度之间的角度。
5.根据权利要求1所述的显示***，其中：
所述输入耦合光学元件包括棱镜，所述棱镜的折射率大于1.4，所述光管的折射率大于1.4。
6.根据权利要求1所述的显示***，其中：
所述出口部分的尺寸至少部分地基于所述出口部分沿着所述光管的长边的位置而变化。
7.根据权利要求1所述的显示***，其中：
所述第一菲涅耳反射器的所述光栅元件在锯齿形的三角棱镜的表面上弯曲，并且所述表面相对于所述光管的顶表面倾斜15度至45度，设置所述第一菲涅耳反射器的法向量使得平行于所述一个或多个透镜构成的组的光轴的光线基本上平行于所述光管的顶表面的法向量。
8.根据权利要求1所述的显示***，其中：
所述输入耦合光学元件包括棱镜，所述棱镜的折射率大于1.3，所述输出耦合光导的折射率大于1.3，所述棱镜的折射率基本上等于所述光导的折射率。
9.根据权利要求1所述的显示***，其中：
所述输出耦合光导具有形成棱镜的倾斜面，光线能够进入其中，并且所述倾斜面的法向量相对于所述光导管的顶表面在15度和45度之间，以使得来自一个或多个反射镜的光线被反射到所述输出耦合光导中。
10.根据权利要求1所述的显示***，其中：
所述输出耦合光导具有形成棱镜的倾斜面，光线进入其中，并且所述倾斜面的法向量相对于所述光管的顶表面在15度和45度之间，以使得来自所述一个或多个反射镜的光线反射到所述输出耦合光导中。
11.根据权利要求1所述的显示***，其中：
所述第二菲涅耳反射器包括光栅区域，所述光栅区域包括多个锯齿形的光栅元件，所述多个锯齿形的光栅元件被配置为将来自所述一个或多个反射镜的光线反射至观看者的眼睛，以及在所述锯齿形的光栅元件之间的平坦区域，在所述平坦区域中不存在锯齿形的光栅元件；输出耦合光导通过全内反射来反射光线并且基本上是透明的，使得外部光可以到达观看者的眼睛，并且所述光栅区域包括反射涂层。
12.根据权利要求1所述的显示***，其中：
所述第二菲涅耳反射器包括光栅区域，所述光栅区域包括多个锯齿形的光栅元件，所述多个锯齿形的光栅元件被配置为将来自所述一个或多个反射镜的光线反射至观看者的眼睛，以及在所述锯齿形的光栅元件之间的平坦区域，所述平坦区域和所述锯齿形的光栅元件的双反射被光吸收区域阻止。
13.根据权利要求1所述的显示***，其中：
所述光管和/或所述输出耦合光导中的至少一个包括一个或多个层，所述层被配置为至少部分地反射光以减少未照明的区域。
14.根据权利要求1所述的显示***，其中：
所述输出耦合光导的表面包括多个平坦表面的弯曲包络，使得内部反射光束具有与平坦表面相同的角度。
15.根据权利要求1所述的显示***，其中：
所述输出耦合光导的所述第二菲涅耳反射器的多个锯齿形的光栅元件的角度随位置而变化，使得图像聚焦在有限远距离处。
16.根据权利要求1所述的显示***，还包括：
多个由所述显示***构成的组，其重叠以便可以查看在多个距离处的图像。
17.根据权利要求1所述的显示***，还包括：
使用一个或多个二向色滤光片和至少一个二向色交叉棱镜将多个波导集成到单个波导中。
18.根据权利要求1所述的显示***，其中：
所述光导和/或所述光管中的至少一个覆有全息光学元件、衍射光学元件或多层薄膜，从而减小全内反射角，进而扩大显示***的视场。
19.根据权利要求1所述的显示***，其中：
所述光导和/或所述光管中的至少一个包括与所述输入耦合光学元件相邻的较低折射率材料和在输出耦合光导内或附近的较高折射率材料。
20.根据权利要求1所述的显示***，其中：
所述光导与比所述光导的折射率更高的较高折射率材料层压，并且所述第二菲涅耳反射器形成在所述较高折射率材料上。
21.根据权利要求1所述的显示***，其中：
所述输入耦合光学元件包括第一光学元件，所述第一光学元件包括全息光学元件和/或衍射光学元件中的至少一个，其被排列成使得衍射光束的对向角小于入射光束的对向角；以及第二光学元件，所述第二光学元件包括全息光学元件和/或衍射光学元件中的至少一个，其放置在所述光导中以接收来自所述光管的光，并且所述第二光学元件被排列成使得出射光束的对向角大于入射光束的对向角；对于来自相同像素的光束，出射光与所述第二光学元件的法线方向的角度基本上等于入射光与所述第一光学元件的法线方向的角度。
22.一种显示***，包括：
显示装置；
一个或多个透镜构成的组，所述透镜被配置为接收来自所述显示装置的光线；
输入耦合光学元件，所述输入耦合光学元件被配置为接收来自所述一个或多个透镜构成的组的光线；
输出耦合光导；和
一个或多个反射镜，所述反射镜被配置为将光线反射到所述输出耦合光导中；其中，在所述输入耦合光学元件或所述输出耦合光导中的至少一个中的衍射光学元件被配置为对包括蓝色光谱分量的光使用第7级衍射，对包括绿色光谱分量的光使用第6级衍射，对包括红色光谱分量的光使用第5级衍射。
23.根据权利要求22所述的显示***，还包括：
光管，所述光管被配置为将所述输入耦合光学元件中的第一衍射光学元件与所述输出耦合光导中的第二衍射光学元件之间的光耦合。
24.根据权利要求22所述的显示***，还包括：
电子可控焦距的光学元件。
25.根据权利要求24所述的显示***，其中：
所述电子可控焦距的光学元件被配置为在与所述显示装置顺序同步的多个相应距离处显示多个图像。
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