CN117642575A - 具有基于波导的泰伯照明器的显示设备 - Google Patents

Abstract

一种用于照射显示面板的波导照明器(104)包括输入波导(106)、耦接到该输入波导(106)的波导分束器(112)和耦接到该波导分束器(112)的波导阵列(116)。该波导阵列(116)包括耦出器(120)阵列，该耦出器阵列耦出分束后的光束的多个部分，以形成用于照射显示面板的所耦出的射束部分(122)的阵列。所耦出的射束部分(122)经历光学干涉并且形成与该显示面板的像素阵列相关的照明的泰伯图案，通过使各个泰伯峰在该显示面板像素上居中来实现光通量的增大。

Description

具有基于波导的泰伯照明器的显示设备

技术领域

本公开涉及照明器、视觉显示设备以及相关的部件和模块。

背景技术

视觉显示器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)向多位用户显示图像，而一些视觉显示***(例如，近眼显示器(Near-Eye Display，NED))旨在供个体用户使用。

人工现实***通常包括被配置为向用户呈现内容的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(Mixed Reality，MR)应用中，显示虚拟对象、或将真实对象的图像与虚拟对象的图像进行组合。例如，在AR***中，用户可以通过透视“组合器”部件来观看与周围环境叠加的虚拟对象的图像(例如，计算机生成的图像(Computer-Generated Image，CGI))。可穿戴显示器的组合器通常对外部光是透明的，但包括一些光路由光学器件，以将显示光引导到用户的视场中。

因为头戴式显示器(Head-Mounted Display，HMD)或NED的显示器通常佩戴在用户的头部上，所以具有沉重电池的大型的、笨重的、不平衡的和/或沉重的显示设备对于用户穿戴来说将是麻烦的且是不舒适的。因此，头戴式显示设备受益于紧凑且高效的构造，该构造包括提供显示面板的照明的高效光源和照明器、高吞吐量目视透镜和图像形成链中的其它光学元件。

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波导照明器，该显示面板包括显示基板上的像素阵列，该波导照明器耦接到该显示面板，该波导照明器用于照射该像素阵列，该波导照明器包括：照明器基板；分束器，该分束器由该照明器基板支撑，该分束器用于将输入光束分为多个子射束；波导阵列，各波导由该照明器基板支撑并且平行于该像素阵列的像素行延伸，其中，该阵列中的每个波导被配置为在该波导中引导该多个子射束中的一子射束；以及耦出光栅阵列，该耦出光栅阵列耦接到该波导阵列；其中，该耦出光栅阵列沿着该像素阵列延伸，以将该多个子射束的多个部分耦出为传播通过该显示基板并且在该像素阵列的平面处形成泰伯峰阵列，其中，该泰伯峰阵列中的各个泰伯峰的位置对应于该像素阵列中的各个像素的位置。

该显示设备还可以包括光源，该光源用于向该分束器提供该输入光束。

该光源在波长上可以是可调谐的；其中，在运行中，该各个泰伯峰的位置可以取决于该光源的波长，其中，该波长可以被选择为使得该泰伯峰在该像素阵列中的像素上居中。

该光源可以具有发射带宽；其中，在运行中，该泰伯峰阵列中的泰伯峰的宽度可以取决于光源的发射带宽，其中，该泰伯峰的宽度可以大于该像素阵列中的像素的宽度，以过填充该像素的孔径，以促进该波导照明器与该显示面板的对准。

该光源可以是多色光源，该多色光源用于提供包括多个颜色通道的光的输入光束。

该分束器可以被配置为将该多个颜色通道中的多个颜色通道耦合到该波导阵列中的各个波导中，其中，该波导阵列中的每个波导可以被配置为在该波导中引导该多个颜色通道中的每个颜色通道的光。

该波导照明器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阵列与该显示面板的基板之间的光路中，其中，该颜色选择反射器可以被配置为为该多个颜色通道中的不同颜色通道的光提供不同的光路长度。

该颜色选择反射器可以包括分色反射器的叠置体，该分色反射器的叠置体被配置为将由该耦出光栅阵列耦出的该多个子射束的多个部分反射为往回传播通过该照明器基板，以照射到该像素阵列中的像素上。

该分束器可以被配置为将该多个颜色通道中的不同颜色通道耦合到该波导阵列中的不同的波导中，其中，该不同的波导可以设置在该照明器基板内的不同的深度处。

该波导阵列可以包括脊形波导，其中，该耦出光栅阵列中的光栅可以形成在该波导阵列中的脊形波导中。

根据本公开的第二方面，提供了一种用于将显示面板耦接到波导照明器的方法，该显示面板包括像素阵列，该波导照明器包括耦接到波导阵列的耦出光栅阵列，在该波导阵列中，输入光束的多个子射束在平行于该像素阵列的行的该波导中传播，该方法包括：使用该耦出光栅阵列将该波导阵列中传播的该多个子射束的该多个部分耦出为朝向该像素阵列传播通过该显示面板的基板；在该像素阵列的平面处形成泰伯峰阵列；以及调谐该光束的中心波长，以使该泰伯峰阵列中的各个泰伯峰的位置在该像素阵列中的像素上居中。

该方法还可以包括使用光源来提供该输入光束。

该方法还可以包括使用耦接到该波导阵列的分束器来使由该光源提供的输入光束分束。

该方法还可以包括对于包括多个颜色通道的光的输入光束使用多色光源。

该方法还可以包括：使用分束器将该多个颜色通道中的多个颜色通道耦合到该波导阵列中的各个波导中；以及引导该波导阵列中的每个波导中的该多个颜色通道中的每个颜色通道的光。

该方法还可以包括在该耦出光栅阵列与该显示面板之间的光路中使用颜色选择反射器，以为该多个颜色通道中的不同颜色通道的光提供不同的光路长度。

该方法还可以包括：使用分束器将该多个颜色通道中的不同颜色通道耦合到该波导阵列中的不同的波导中，其中，该不同的波导可以设置在该照明器的基板内的不同深度处。

根据本公开的第三方面，提供了一种用于将显示面板耦接到波导照明器的方法，该显示面板包括像素阵列，该波导照明器包括耦接到波导阵列的耦出光栅阵列，该方法包括：使用光源来提供具有发射带宽的输入光束；使用分束器将该输入光束分为多个子射束；使该多个子射束在平行于该像素阵列的行的该波导中传播；使用该耦出光栅阵列将该波导阵列中传播的该多个子射束的多个部分耦出为朝向该像素阵列传播通过该显示面板的基板；以及在该像素阵列的平面处形成泰伯峰阵列；其中，该泰伯峰阵列中的泰伯峰的宽度取决于该光源的发射带宽，该泰伯峰的宽度大于该像素阵列中的像素的宽度，以过填充该像素的孔径，以促进该波导照明器与该显示面板的对准。

该光源可以是多色光源，该多色光源提供包括多个颜色通道的光的输入光束。该分束器可以将该多个颜色通道中的多个颜色通道耦合到该波导阵列中的各个波导中。

该方法还可以包括在该耦出光栅阵列与该显示面板之间的光路中使用颜色选择反射器，以为该多个颜色通道中的不同颜色通道的光提供不同的光路长度。

该光源可以是多色光源，该多色光源提供包括多个颜色通道的光的输入光束。该分束器可以将该多个颜色通道中的不同颜色通道耦合到该波导阵列中的不同的波导中。该不同的波导可以设置在该照明器的基板内的不同深度处。

附图说明

现在将结合附图描述示例性实施例，在附图中：

图1是本公开的波导照明器的示意性平面图；

图2是图1的照明器的实施例的示意性平面图；

图3A是本公开的多色波导照明器的俯视示意图，该多色波导照明器在脊形波导上具有表面浮雕光栅；

图3B是图3A的多色波导照明器的与显示面板的单个RGB像素叠加的一部分的俯视示意图；

图3C是图3A的多色波导照明器的脊形波导的三维示意图；

图4A是本公开的显示设备的示意性剖视图；

图4B是图4A的显示设备的像素阵列的放大剖视图，其中，在该像素阵列处，该像素阵列与照明光的有峰泰伯(Talbot)光功率密度分布叠加；

图5是通过图4A的显示设备的显示面板基板的厚度的光功率密度分布的计算泰伯图；

图6是图4A的显示设备的侧视剖视图，示出了显示基板内部的光功率密度的泰伯图案；

图7是图6的剖视图的示意图，示出了泰伯峰位置的波长调谐的原理；

图8是图6的剖视图的示意图，示出了用宽带照明光过填充像素孔径的原理；

图9是具有埋置分色镜的波导照明器的实施例的剖视分解图；

图10是图4A的波导照明器的多色实施例的示意图；

图11是在波长调谐下将波导照明器耦接到显示面板的方法的流程图；

图12是在像素孔径过填充下将波导照明器耦接到显示面板的方法的流程图；

图13是本公开的具有一副眼镜的形状要素的增强现实(AR)显示器的视图；以及

图14是本公开的头戴式显示器(HMD)的三维视图。

具体实施方式

虽然结合各种实施例和示例描述了本教导，但是不旨在将本教导局限于这样的实施例。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，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，有明确说明除外。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像素阵列的视觉显示器中，光利用效率取决于各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％。显示面板上的滤色器平均透射不超过30％的入射光，该显示面板上的滤色器会进一步阻碍有效的背光利用。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 plug efficiency)，这是不期望的。

根据本公开，可以通过提供在显示面板处生成光功率密度的峰分布的波导照明器来提高背光显示器的光利用率和电光转化效率，其中，光功率密度的各个峰与显示像素重叠。在照明器发射例如红色、绿色和蓝色的原色光的显示器中，照明光的颜色可以与滤色器匹配，或者可以完全省略滤色器。对于基于偏振的显示器，发射光的偏振可以与预定义的输入偏振态相匹配。通过匹配显示面板的像素的空间分布、透射波长和/或透射偏振特性，能够显著地提高显示光在其到达观看者眼睛的途中未被显示面板吸收或反射的有用部分，因此显著地提高显示器的电光转化效率。

单模波导或少模波导(例如，脊形波导)与激光照明相结合允许有效地控制光性质，例如颜色和方向性。当光以单空间模式传播时，输出可能是衍射受限的和高度方向性的。单模传播允许在波导上的特定点耦出光，并且在需要时能够与聚焦耦出器结合。窄光谱的激光照明能够实现大色域显示。此外，单模波导可以保持偏振，这使得在不需要偏振器的情况下从背光单元获得高度偏振输出。

泰伯效应可以用于生成显示面板的峰照明。与该方法相关的一个挑战是照明器与显示面板的对准，该对准是将照明图案的光斑与显示面板的像素对齐所需要的。可以采用显示面板的波长调谐来调谐关于显示面板的像素的泰伯图案。在一些实施例中，照明光的波长光谱足够宽，以过填充显示面板的像素的孔径。

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耦接到该显示面板的波导照明器。该显示面板在显示基板上具有像素阵列。该波导照明器包括：照明器基板；分束器，该分束器由该照明器基板支撑，该分束器用于将输入光束分成多个子射束；波导阵列，各波导由该照明器基板支撑并且平行于该像素阵列的像素行延伸，其中，该阵列中的每个波导被配置为在该波导中引导该多个子射束中的一子射束；以及耦出光栅阵列，该耦出光栅阵列耦接到该波导阵列。该耦出光栅阵列沿着该像素阵列延伸，以将该多个子射束的多个部分耦出为传播通过该显示基板，并且在该像素阵列的平面处形成泰伯峰阵列。该泰伯峰阵列中的各个泰伯峰的位置对应于该像素阵列的各个像素的位置。

可以提供用于生成输入光束并且将输入光束耦合到该分束器的光源。该光源在波长上可以是可调谐的，并且各个泰伯峰的位置可以取决于光源的波长。可以选择波长，使得泰伯峰在像素阵列中的像素上居中。该泰伯峰阵列中的泰伯峰的宽度通常取决于该光源的发射带宽。在一些实施例中，可以使该泰伯峰的宽度大于该像素阵列中的像素的宽度，用于过填充像素的孔径，以促进该波导照明器与该显示面板的对准。

在一些实施例中，该波导阵列包括脊形波导。该耦出光栅阵列中的光栅可以形成在该波导阵列中的脊形波导中。

在光源是用于提供包括多个颜色通道的光的输入光束的多色光源的实施例中，分束器可以被配置为将多个颜色通道中的多个颜色通道耦合到该波导阵列中的各个波导中。该波导阵列中的每个波导可以被配置为在该波导中引导多个颜色通道中的每个颜色通道的光。在这样的实施例中，该波导照明器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阵列与显示面板的基板之间的光路中。

该颜色选择反射器可以被配置为为该多个颜色通道中的不同颜色通道的光提供不同的光路长度。为此，该颜色选择反射器可以包括分色反射器的叠置体，该分色反射器的叠置体被配置为将由该耦出光栅阵列耦出的该多个子射束的该多个部分反射为往回传播通过照明器基板，以照射到该像素阵列中的像素上。替代地或附加地，该分束器可以被配置为将该多个颜色通道中的不同颜色通道耦合到该波导阵列中的不同的波导处，这些不同的波导设置在该照明器基板内的不同深度处。

根据本公开，提供了一种用于将显示面板耦接到波导照明器的方法，该显示面板包括像素阵列，该波导照明器包括耦接到波导阵列的耦出光栅阵列，在该波导阵列中，输入光束的多个子射束在平行于该像素阵列的行的波导中传播。该方法包括使用该耦出光栅阵列将该波导阵列中传播的子射束的多个部分耦出为朝向该像素阵列传播通过该显示面板的基板；在该像素阵列的平面处形成泰伯峰阵列；以及调谐光束的中心波长，以使该泰伯峰阵列中的各个泰伯峰的位置在像素阵列中的像素上居中。该方法还可以包括使用光源来提供输入光束，以及使用耦接到该波导阵列的分束器来使由光源提供的输入光束分束。

在该方法对包括多个颜色通道的光的输入光束使用多色光源的实施例中，该方法还可以包括在该耦出光栅阵列与该显示面板之间的光路中使用颜色选择反射器，以为该多个颜色通道中的不同颜色通道的光提供不同的光路长度。该方法还可以包括使用分束器将该多个颜色通道中的不同颜色通道耦合到该波导阵列中的不同波导中，这些不同的波导设置在该照明器的基板内的不同的深度处。

根据本公开，还提供了一种用于将显示面板耦接到波导照明器的方法，该显示面板包括像素阵列，该波导照明器包括耦接到波导阵列的耦出光栅阵列。该方法包括：使用光源提供具有发射带宽的输入光束；使用分束器将输入光束分为多个子射束；使该多个子射束在平行于该像素阵列的行的波导中传播；使用该耦出光栅阵列，以将在该波导阵列中传播的该多个子射束的多个部分耦出为朝向像素阵列传播通过该显示面板的基板；以及在像素阵列的平面处形成泰伯峰阵列。

该泰伯峰阵列中的泰伯峰的宽度可以通常取决于光源的发射带宽。可以使泰伯峰的宽度大于该像素阵列中的像素的宽度，用于过填充像素的孔径，以促进该波导照明器与显示面板的对准。

在光源是提供包括多个颜色通道的光的输入光束的多色光源并且分束器将该多个颜色通道中的多个颜色通道耦合到该波导阵列中的各个波导中的实施例中，该方法还可以包括在该耦出光栅阵列与显示面板之间的光路中使用颜色选择反射器，以为该多个颜色通道的不同颜色通道的光提供不同的光路长度。

在一些实施例中，该分束器可以将该多个颜色通道中的不同颜色通道耦合到该波导阵列中的不同波导中，这些不同的波导设置在该照明器的基板内的不同的深度处。

现在参考图1，波导照明器104包括照明器基板101，该照明器基板支撑用于引导输入光束108的输入波导106。输入光束108可以由光源110(例如，激光光源)提供。在本文中，术语“波导”表示一种光导结构，该光导结构在两个维度上限制光传播，像光导束(lightwire)一样，并且以单个横向模式或以若干横向模式(例如，多达12个传播模式)来引导光。波导可以是直的、弯曲的等等。波导的一个示例是脊形波导。波导照明器104可以在光子集成电路(Photonic Integrated Circuit，PIC)中实施。

波导分束器112耦接到输入波导106。波导分束器112的功能是将输入光束108分为多个子射束114。波导116阵列耦接到波导分束器112，用于引导波导116中的子射束114。如所示出的，波导116彼此平行地延伸。每个波导116被配置为将来自波导分束器112的多个子射束114中的一个子射束引导到该波导116的端部129。

耦出光栅120的行119的阵列由波导照明器104的基板101支撑。每行119的耦出光栅120沿着波导阵列中的一波导116的长度耦接到该波导116，用于将该波导116中传播的、多个子射束114中的一个子射束的多个部分122耦出。由所有行119的耦出器120耦出的多个部分122形成子射束部分122的二维阵列，这些子射束部分从波导阵列耦出并且对于基板101以例如锐角或直角的角度离开。子射束部分122的二维阵列的X间距和Y间距可以但不是必须与由波导照明器104照射的显示面板的X间距和Y间距匹配。

现在参考图2，波导照明器204包括光源210和PIC 234。光源210向PIC 234提供输入光束208。PIC 234包括耦接到光源210的光学调度电路241。光学调度电路241被配置为接收光束208，并且将该光束分为在各个波导中传播的多个子射束。为了将光束208分为多个子射束，光学调度电路241可以包括1×2波导分束器244的二叉树，这些波导分束器通过波导245彼此耦接。光学调度电路241的其它配置也是可能的，例如，这些配置可以基于马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer)、平板波导干涉仪等的树，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。

PIC 234还包括波导216阵列，这些波导耦接到光学调度电路241，该波导阵列用于接收来自光学调度电路241的子射束。这些波导216彼此平行地延伸，以使子射束在这些波导中传播。PIC 234还包括耦出光栅220阵列，该耦出光栅阵列光学耦合到波导阵列中的各波导216，用于将在各波导216中传播的子射束的多个部分耦出。如所示出的，耦出光栅220平行于XY平面设置，并且执行与图1的波导照明器104的耦出光栅120相同或类似的功能。耦出光栅220将来自相应的波导216的子射束部分耦出，以使这些子射束部分传播通过显示面板的基板，并且由于与耦出光栅220阵列分隔开的泰伯平面处的泰伯效应而形成光功率密度峰阵列，如将在以下更详细地解释的。

图3A至图3C示出了图2的PIC 234的可能的实施方式。首先参考图3A和图3B，PIC照明器304包括基板306和波导307阵列，该波导阵列由基板306支撑并且沿着待照射的显示面板的像素阵列延伸。在图3A所示的PIC照明器304中，各波导307包括用于传送红色波长的光的“红色波导”307R的阵列、用于传送绿色波长的光的“绿色波导”307G的阵列以及用于传送蓝色波长的光的“蓝色波导”307B的阵列。不同波长的光308可以由多波长光源310生成，并且由光学调度电路319分布在不同的波导307R、307G和307B之中，其中，该光学调度电路是PIC的一部分。光学调度电路319的功能是使光沿着Y方向扩展，以及将光重新路由到波导307阵列中。与图2的光学调度电路241类似，光学调度电路319可以包括分束器的二叉树。显示面板的多个像素中的一行像素可以被分别设置为遍及在红色通道的波导307R、绿色通道的波导307G和蓝色通道的波导307B中的所有波导上，这些波导在图3A中竖直地延伸。图3A中用虚线矩形313描绘出一行像素的轮廓。

图3B是位于显示面板的单个像素303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。光部分可以由图3C中所示的相应的光栅312R、312G和312B从脊形波导307R、307G和307B耦出或重新定向，形成用于每个颜色通道的相应光栅的阵列。光栅312R、312G和312B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3A和图3B中竖直地(即，沿着X轴线))聚焦。此外，可以使光栅槽弯曲，以使光在图3A和图3B中的水平方向上(即，沿着Y轴线)聚焦。在图3C的示例中，光栅312R、312G和312B分别形成在波导307R、307G和307B中，但是在一些实施例中，光栅阵列可以单独形成并且光学耦合到波导307阵列。

为了使所耦出的光束在图3B中的水平方向上聚焦，如所示出的，可以设置1D微透镜318。在本文中，术语“1D微透镜”表示使光主要在一个维度上聚焦的透镜，例如，柱面透镜。可以设置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312R、312G和312B与像素303R、303G和303B之间的光路中的微透镜318阵列可以用于使由光栅312R、312G和312B重新定向的光至少部分地聚焦，以传播通过对应的子像素303R、303G和303B。图3B中示出了用于一个白色像素303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。

图4A示出了使用图1的波导照明器104的显示设备400。也可以使用图2的波导照明器204和/或图3A的PIC照明器304。图4A的显示设备400包括由波导照明器104照射的显示面板402。显示面板402包括像素406阵列，该像素阵列由显示基板408支撑。作为非限制性示例，显示面板402可以是液晶(LC)面板，该液晶面板包括位于一对基板之间的LC流体的薄层，其中一个基板承载限定透射性LC像素的电极的阵列。光源110提供输入光束108，该输入光束被分束器112分为在波导阵列中的波导116中传播的子射束，如上参考图1所解释的。耦出光栅120将来自波导照明器104的子射束114的多个部分122耦出，使得所耦出的光束部分122传播通过显示基板408，并且由于泰伯效应而在像素406阵列处形成光功率密度峰422阵列(图4B)，该泰伯效应在下文中在图5和图6中进一步说明。光功率密度峰422的位置(图4)对应于像素406的位置，例如，光功率密度峰422可以在像素406上居中。由于光功率密度峰422在像素406上居中，因此大部分照明光传播通过像素406，并且不会被不透明的像素间区域407遮挡，从而提高了整体光通量，因此提高了显示设备400的电光转化效率。如所示出的，可以为每个像素406设置一个峰422。在一些实施例中，多个峰422之间的距离可以等于M乘以p，其中，p是像素阵列的间距，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，可以为像素阵列的每个颜色子像素设置特定颜色通道的波长处的一个峰422，若干子像素形成一个RGB像素。

形成泰伯峰422阵列的光束部分122由像素406阵列进行空间调制，并且朝向目视透镜(ocular lens)423传播。目视透镜423对光束部分122进行准直，并且将该光束部分朝向显示设备400的适眼区(eyebox)424重新定向。目视透镜423的功能是从由显示面板402显示的线性域中的图像形成适眼区424处的角域中的图像。在本文中，术语“线性域中的图像”是指图像的各个像素由这样的光束的坐标来表示的图像：该光束的颜色和/或亮度表示这些像素的颜色和/或亮度。因此，术语“角域中的图像”是指图像的各个像素由这样的光束的射束角度来表示的图像：该光束的颜色和/或亮度表示这些像素的颜色和/或亮度。

图5示出了显示面板402的显示基板408(图4A)中作为光功率密度图的泰伯条纹图案500。图5中的水平方向是通过显示面板402的基板的厚度的方向。泰伯条纹图案500起源于平行于图4A中的XY平面设置的第一平面501。耦出光栅120设置在第一平面501中。在图5中，光从左向右传播，在距第一平面501不同距离处形成光功率密度峰阵列。在第二平面502处重复第一平面501处的光功率密度分布，该第二平面与第一平面501相隔一个泰伯图案周期T，在该示例中，该泰伯图案周期等于0.5mm。像素406阵列可以位于第二平面502处。对于耦出光栅120阵列设置在照明器与显示基板408接合的表面上的实施例，如图4A所示，泰伯图案周期(在显示基板408的厚度方向上)可以简单地等于基板的厚度。

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 T²/(N λ)， (1)

其中，K和N是大于或等于1(≥1)的整数，其中，λ是显示基板408中的光束的波长。在以上的式(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子平面。例如，在与第一平面501和第二平面502分开0.25mm的中间平面503处，该间距被加倍。

转到图6，通过波导116中传播的子射束114的不同部分之间的光学干涉形成显示基板408内的光功率密度分布的泰伯图案600。如此，光功率密度峰422相对于显示面板402的像素406的位置取决于由耦出光栅120耦出的子射束114的多个部分之间的相对相位。相对相位取决于波长；因此，可以通过调谐子射束114的波长使光功率密度峰422移位。提供波长可调谐光源(例如，可调谐激光器)并且调谐波长，能够使光功率密度峰422在显示面板402的像素406上居中。当调谐光源110的波长时，光功率密度峰422如箭头630所示移位。

图7进一步说明了波长调谐原理。示意图700描绘了子射束114的耦出部分的光路。以实线示出了第一路径对。第一路径对使得像素间区域407处产生局部干涉最大值721。左侧路径长度701A等于a，右侧路径长度701B等于b+c。局部干涉最大值的条件可以写为

b + c – a ＝ nλ， (2)

其中，n是整数，λ是子射束114在对应介质中的波长。

以虚线示出了第二路径对702A、702B。第二路径对使得产生在像素406上居中的局部干涉最大值722。左侧路径长度702A等于a’，右侧路径长度701B等于b+c’，其中，b是相邻的耦出光栅120之间的距离。此情况下的局部干涉最大值的条件可以写为

b+c’–a’＝nλ(3a)

通过选择满足条件(3a)的波长λ，局部干涉最大值722(即，泰伯光功率密度峰422)可以在像素406上居中。当c’＝a’时，如图7所示，条件(3a)简化为

b＝nλ(3b)

通过调谐光源110的波长来调整泰伯图案600的局部干涉最大值722的位置，使得能够在组装显示设备400时使由波导照明器104发射的光最大化地透射通过显示面板102。这种调整对于具有若干微米数量级的小像素的微型显示面板以及对于紧凑的像素间距可能特别有利。

替代调谐光源的波长，可以提供带宽足够宽的光源，使得泰伯峰过填充显示面板的像素的孔径。参考图8的说明性示例，示意图800描绘了子射束114被耦出光栅120耦出的部分的光路802。在该示例中，假设在光源的中心波长处满足条件(3b)，由此在显示面板402的像素406的中心处出现局部干涉最大值。泰伯峰822阵列中的泰伯峰822的宽度取决于光源110的发射带宽。通过选择光源的足够宽的发射带宽，可以使泰伯峰822足够宽，使得泰伯峰的宽度大于显示面板的像素406的宽度(孔径)。换言之，泰伯峰822过填充像素406的孔径，以促进波导照明器104与显示面板102的对准。

在显示设备400(图4A)的一些实施例中，光源110是提供包括多个颜色通道的输入光束的多色光源。由于泰伯距离D取决于由以上式(1)限定的波长，因此波导照明器的光学配置需要适于使用于不同颜色通道的泰伯平面在显示面板的像素阵列处重叠。在分束器112(图1和图4)被配置为将多个颜色通道中的多个颜色通道耦合到单独的波导116中的实施例中，多个颜色通道的光在单独的波导116中传播并且从同一平面耦出。为了确保用于不同颜色通道的泰伯平面在显示面板402(图4)的显示像素406阵列处重叠，可以提供光学组件来使耦出光栅120与像素406的平面之间的光路取决于波长。参考图9，作为非限制说明性示例，波导照明器904包括图2的照明器204的各元件。光学调度电路241的波导结构形成在由照明器基板954支撑的芯层952中，该波导结构包括波导分束器并且将线性波导与直线波导220阵列耦合。照明器904还包括颜色选择反射器956，该颜色选择反射器位于形成在芯层952中的耦出光栅220阵列与显示面板的基板908之间的光束208光路中。颜色选择反射器956被配置为为不同波长的光束分量(即，为不同颜色通道的光)提供不同的光路长度。为此，颜色选择反射器956可以包括第一反射器961、第二反射器962和第三反射器963的叠置体，该第一反射器、该第二反射器和该第三反射器由反射器基板964支撑在反射器基板964内的不同深度(即，不同Z坐标)处。第一反射器961和第二反射器962可以是分色反射器。第一反射器961反射第一波长的光并且透射第二波长和第三波长的光，第二反射器962透射第一波长和第三波长的光并且反射第二波长的光。第三反射器963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208携带第一射束分量271、第二射束分量272和第三射束分量273，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271、第二射束分量272和第三射束分量273可以分别处于红色波长、绿色波长和蓝色波长。耦出光栅220将携带所有射束分量的光部分212耦出。第一射束分量271被第一反射器961反射，其余射束分量272和273透射通过第一反射器。第二射束分量272被第二反射器962反射，第三射束分量273透射通过第二反射器。最后，第三射束分量273被第三反射器963反射。由于分束传播，因此不同的射束分量在它们到达显示面板的基板908之前将传播不同的距离。可以选择不同的距离，以对于如上式(1)所限定的不同波长的光到泰伯平面的不同距离进行补偿，从而使得有峰泰伯图案在显示面板的像素平面处重叠。颜色选择反射器956将由耦出光栅220阵列耦出的子射束的多个部分(即，不同波长或颜色的射束分量)反射为往回传播通过照明器基板954，以照射到显示面板的像素上。

参考图10，波导照明器1004类似于图1的波导照明器104，包括类似的元件，并且可以作为PIC来实施。图10的波导照明器1004还包括第一耦入器1041、第二耦入器1042和第三耦入器1043(例如，边缘耦入器)，该第一耦入器、该第二耦入器和该第三耦入器用于将第一光源1051、第二光源1052和第三光源1053(例如，激光光源)的光耦入到波导照明器1004中。第一光源1051、第二光源1052和第三光源1053可以分别发射第一颜色通道的光1061、第二颜色通道的光1062和第三颜色通道的光1063(例如，诸如红色通道的红光、绿色通道的绿光和蓝色通道的蓝光)。

波长多路复用器1070耦接到第一耦入器1041、第二耦入器1042和第三耦入器1043，用于分别将第一颜色通道的光1061、第二颜色通道的光1062和第三颜色通道的光1063组合到输入光束108中，并且将输入光束108耦入到输入波导106中。图10中的缩写“CWM”表示波长间隔为20nm或更多的“粗”波长多路复用器。波导分束器1012是图1的波导照明器104的波导分束器112的实施例。图10的波导分束器1012包括1×N分束器1072，其中，N是整数，该1×N分束器用于将输入光束108分为N个部分1008，每个部分在N个输出波导1016中的一个输出波导中传播。1×N分束器1072可以包括例如布置成如图2的波导照明器204中的二叉树的1×2分束器阵列。N个部分1008可以全部具有相同的光功率。

波导分束器1012还包括N个波长多路分配器1074，每个波长多路分配器耦接到N个输出波导1016中的一个特定输出波导，用于分别将第一颜色通道的光1061、第二颜色通道的光1062和第三颜色通道的光1063分离，以耦接到波导阵列1080中的不同波导116中的不同颜色通道，并且在该不同颜色通道中传播。不同的波导可以设置在照明器基板内的不同深度处，以确保第一颜色通道的光1061、第二颜色通道的光1062和第三颜色通道的光1063的泰伯平面在显示面板的像素阵列平面上重叠。换句话说，可以选择波导阵列1080中的波导的不同深度，使得不同颜色通道的光的泰伯峰聚焦在像素平面处。

转到图11，并且还参考图1、图4A和图4B，图11呈现了用于将显示面板(例如，图4A的显示面板402)耦接到波导照明器(例如，图1和图4A的波导照明器104)的方法1100。方法1100的可选的步骤由虚线矩形来表示。图11的方法1100可以包括使用光源(例如，图4A的光源110)来提供(1102)输入光束。光源110可以是单色光源或多色光源。方法1100可以包括使用分束器(例如，耦接到波导116阵列的分束器112)来使由光源110提供的输入光束分束(1104)。方法1100包括使用耦出光栅(例如，耦出光栅120(图4A))阵列将在波导阵列中传播的子射束的多个部分耦出(1108)为朝向像素406阵列传播通过显示面板402的基板408。在像素406阵列的平面处形成(1110)泰伯峰(例如，图4B中的泰伯峰422)阵列。调谐(1112)由光源108提供的光束108的中心波长，以使泰伯峰阵列中的各个泰伯峰422的位置在像素阵列中的像素406上居中。

在光源110是生成携带多个颜色通道的光的输入光束的多色光源的实施例中，方法1100可以包括：使用分束器将多个颜色通道中的多个颜色通道耦合(1105)到该波导阵列中的各个波导中，随后引导(1106)波导阵列中的每个波导中的多个颜色通道中的每个颜色通道的光。可以在输出耦合光栅阵列与显示面板之间的光路中使用(图11；1109)颜色选择反射器(例如，图9中的颜色选择反射器956)，以为多个颜色通道中的不同颜色通道的光提供不同的光路长度，如以上参考图9所解释的。

图12示出了用于将显示面板(例如，图4A的显示面板402)耦接到波导照明器(例如，图1和图4A的波导照明器104)和/或图10的波导照明器1004的方法1200。方法1200包括使用光源来提供(1202)具有足够宽的发射带宽的输入光束。分束器(例如，图1中的分束器112或图10中的分束器1012)用于将输入光束分为(图12；1204)多个子射束。该多个子射束在与像素阵列的行平行的各波导中传播(1206)。耦出光栅阵列用于将波导阵列中传播的子射束的多个部分耦出(1208)为朝向像素阵列传播通过显示面板的基板，例如，如图4A所示。方法1200还包括在像素阵列的平面处形成(1210)泰伯峰阵列，例如，如图4B所示。泰伯峰阵列中的泰伯峰的宽度取决于光源的发射带宽。为了促进波导照明器与显示面板的对准，带宽需要足够宽，使得泰伯峰的宽度大于像素阵列中的像素的宽度，以过填充像素的孔径，如以上所解释的以及如图8所示的。

在一些实施例中，光源可以包括多色光源，该多色光源提供包括多个颜色通道的光的输入光束。分束器112可以将多个颜色通道中的多个颜色通道耦合到波导阵列中的各个波导116中。在这样的实施例中，方法1200还可以包括在耦出光栅阵列与显示面板之间的光路中使用颜色选择反射器(例如，图9的颜色选择反射器956)，以为多个颜色通道中的不同颜色通道的光提供不同的光路长度(1209处的虚线矩形)。替代地，不同颜色通道的光可以耦合到波导阵列中的不同波导中(例如，如在图10的波导照明器1004中)。对于这样的实施例，可以在照明器的基板内的不同深度处设置携带不同颜色通道的光的波导，以实现为多个颜色通道中的不同颜色通道的光提供不同光路长度的同一目标。

转到图13，虚拟现实(VR)近眼显示器1300包括框架1301，该框架针对每只眼睛支撑：光源1302；波导照明器1306，该波导照明器操作地耦接到光源1302，并且包括本文公开的波导照明器中的任何波导照明器；(光源可以内置在照明器中)；包括显示像素阵列的显示面板1318，其中，波导照明器1306中的耦出光栅的位置与显示面板1318的偏振调谐像素的位置相匹配；以及目视透镜1332，该目视透镜用于将由显示面板1318生成的线性域中的图像转换为用于在适眼区1326处直接观察的角域中的图像。多个适眼区照明器1362(示为黑点)可以放置在波导照明器1306的面向适眼区1326的一侧上。可以为每个适眼区1326设置眼动追踪摄像头1342。

眼动追踪摄像头1342的目的在于确定用户的两只眼睛的位置和/或取向。适眼区照明器1362在对应的适眼区1326处照射眼睛，从而允许眼动追踪摄像头1342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来促进眼睛注视方向的确定。为了避免适眼区照明器1362的光分散用户的注意力，可以使该适眼区照明器发射对用户不可见的光。例如，红外光可以用于照射适眼区1326。

转到图14，HMD 1400为包围用户的面部以使该用户更大程度地沉浸在AR/VR环境中的AR/VR可穿戴显示***的示例。HMD 1400可以生成完全虚拟的3D影像。HMD 1400可以包括前部本体1402和可以固定在用户头部周围的带1404。前部本体1402被配置用于以可靠且舒适的方式放置在用户眼睛的前方。显示***1480可以设置在前部本体1402中，用于向用户呈现AR/VR影像。显示***1480可以包括本文公开的这些显示设备和照明器中的任何显示设备和照明器。前部本体1402的侧部1406可以是不透明的或透明的。

在一些实施例中，前部本体1402包括***1408、用于追踪HMD 1400的加速度的惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)1410、以及用于追踪HMD 1400的位置的位置传感器1412。IMU 1410是一种基于接收到的来自一个或多个位置传感器1412的测量信号来生成指示HMD 1400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 1400的运动而生成一个或多个测量信号。位置传感器1412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、检测运动的另一合适类型的传感器、用于IMU 1410的误差校正的一类传感器、或它们的某种组合。位置传感器1412可以位于IMU1410的外部、IMU 1410的内部、或它们的某种组合。

***1408由虚拟现实***的外部成像设备追踪，使得虚拟现实***可以追踪整个HMD 1400的位置和取向。可以将由IMU 1410和位置传感器1412生成的信息与通过追踪***1408获取的位置和取向进行比较，以提高HMD 1400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 1400还可以包括深度摄像头组件(Depth Camera Assembly，DCA)1411，该深度摄像头组件采集描述HMD 1400的一些或所有部分周围的局部区域的深度信息的数据。可以将深度信息与来自IMU 1410的信息进行比较，以更准确地确定HMD 1400在3D空间中的位置和取向。

HMD 1400还可以包括用于实时确定用户眼睛的取向和位置的眼动追踪***1414。所获取的眼睛的位置和取向还允许HMD 1400确定用户的凝视方向，以及相应地调整由显示***1480生成的图像。可以使用所确定的凝视方向和辐辏角度来调节显示***1480，以减少辐辏调节冲突。如本文所公开的，方向和辐辏还可以用于显示器的出射光瞳转向。此外，所确定的辐辏角度和凝视角度可以用于与用户交互、突出对象、将对象带到前景、创建附加对象或指针等。还可以提供音频***，该音频***包括例如内置于前部本体1402中的一组小型扬声器。

本公开的实施例可以包括人工现实***或者结合人工现实***来实施。人工现实***在向用户呈现之前以某种方式调整了通过感官获得的关于外部世界的感官信息(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(Mixed Reality，MR)、混合现实(HybridReality)或它们的某种组合和/或其衍生物。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***可以在各种平台上实现，这些平台包括可穿戴显示器(例如，连接至主控计算机***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***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，除了本文描述的那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，这样的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的是，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，以下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 (20)

1.一种显示设备，包括：

显示面板，所述显示面板包括显示基板上的像素阵列；以及

波导照明器，所述波导照明器耦接到所述显示面板，所述波导照明器用于照射所述像素阵列，所述波导照明器包括：

照明器基板；

分束器，所述分束器由所述照明器基板支撑，所述分束器用于将输入光束分为多个子射束；

波导阵列，各波导由所述照明器基板支撑并且平行于所述像素阵列的像素行延伸，其中，所述阵列中的每个波导被配置为在所述波导中引导所述多个子射束中的一子射束；以及

耦出光栅阵列，所述耦出光栅阵列耦接到所述波导阵列；

其中，所述耦出光栅阵列沿着所述像素阵列延伸，以将所述多个子射束的多个部分耦出为传播通过所述显示基板并且在所述像素阵列的平面处形成泰伯峰阵列，其中，所述泰伯峰阵列中的各个泰伯峰的位置对应于所述像素阵列中的各个像素的位置。

2.根据权利要求1所述的显示设备，还包括光源，所述光源用于向所述分束器提供所述输入光束。

3.根据权利要求2所述的显示设备，其中，所述光源在波长上是可调谐的；

其中，在运行中，所述各个泰伯峰的所述位置取决于所述光源的波长，其中，所述波长被选择为使得所述泰伯峰在所述像素阵列中的像素上居中。

4.根据权利要求2或3所述的显示设备，其中，所述光源具有发射带宽；

其中，在运行中，所述泰伯峰阵列中的所述泰伯峰的宽度取决于所述光源的所述发射带宽，其中，所述泰伯峰的所述宽度大于所述像素阵列中的像素的宽度，以过填充所述像素的孔径，从而促进所述波导照明器与所述显示面板的对准。

5.根据权利要求2至4中任一项所述的显示设备，其中，所述光源是多色光源，所述多色光源用于提供包括多个颜色通道的光的所述输入光束。

6.根据权利要求5所述的显示设备，其中，所述分束器被配置为将所述多个颜色通道中的多个颜色通道耦合到所述波导阵列中的各个波导中，其中，所述波导阵列中的每个波导被配置为在所述波导中引导所述多个颜色通道中的每个颜色通道的光。

7.根据权利要求6所述的显示设备，其中，所述波导照明器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阵列与所述显示面板的所述基板之间的光路中，其中，所述颜色选择反射器被配置为为所述多个颜色通道中的不同颜色通道的光提供不同的光路长度。

8.根据权利要求7所述的显示设备，其中，所述颜色选择反射器包括分色反射器的叠置体，所述分色反射器的叠置体被配置为将由所述耦出光栅阵列耦出的所述多个子射束的所述多个部分反射为往回传播通过所述照明器基板，以照射在所述像素阵列中的像素上。

9.根据权利要求5所述的显示设备，其中，所述分束器被配置为将所述多个颜色通道中的不同颜色通道耦合到所述波导阵列中的不同的波导中，其中，所述不同的波导设置在所述照明器基板内的不同的深度处。

10.根据任一前述权利要求所述的显示设备，其中，所述波导阵列包括脊形波导，其中，所述耦出光栅阵列中的光栅形成在所述波导阵列中的所述脊形波导中。

11.一种用于将显示面板耦接到波导照明器的方法，所述显示面板包括像素阵列，所述波导照明器包括耦接到波导阵列的耦出光栅阵列，在所述波导阵列中，输入光束的多个子射束在平行于所述像素阵列的行的波导中传播，所述方法包括：

使用所述耦出光栅阵列来将所述波导阵列中传播的所述多个子射束的多个部分耦出为朝向所述像素阵列传播通过所述显示面板的基板；

在所述像素阵列的平面处形成泰伯峰阵列；以及

调谐所述光束的中心波长，以使所述泰伯峰阵列中的各个泰伯峰的位置在所述像素阵列中的像素上居中。

12.根据权利要求11所述的方法，还包括使用光源来提供所述输入光束。

13.根据权利要求12所述的方法，还包括使用耦接到所述波导阵列的分束器来使由所述光源提供的所述输入光束分束。

14.根据权利要求11所述的方法，还包括对于包括多个颜色通道的光的所述输入光束使用多色光源。

15.根据权利要求14所述的方法，还包括：

使用分束器将所述多个颜色通道中的多个颜色通道耦合到所述波导阵列中的各个波导中；以及

引导所述波导阵列中的每个波导中的所述多个颜色通道中的每个颜色通道的光。

16.根据权利要求15所述的方法，还包括在所述耦出光栅阵列与所述显示面板之间的光路中使用颜色选择反射器，以为所述多个颜色通道中的不同颜色通道的光提供不同的光路长度。

17.根据权利要求14所述的方法，还包括：

使用分束器将所述多个颜色通道中的不同颜色通道耦合到所述波导阵列中的不同的波导中，其中，所述不同的波导设置在所述照明器的基板内的不同的深度处。

18.一种用于将显示面板耦接到波导照明器的方法，所述显示面板包括像素阵列，所述波导照明器包括耦接到波导阵列的耦出光栅阵列，所述方法包括：

使用光源来提供具有发射带宽的输入光束；

使用分束器将所述输入光束分为多个子射束；

使所述多个子射束在平行于所述像素阵列的行的各波导中传播；

使用所述耦出光栅阵列来将所述波导阵列中传播的所述多个子射束的多个部分耦出为朝向所述像素阵列传播通过所述显示面板的基板；以及

在所述像素阵列的平面处形成泰伯峰阵列；

其中，所述泰伯峰阵列中的所述泰伯峰的宽度取决于所述光源的所述发射带宽，所述泰伯峰的所述宽度大于所述像素阵列中的像素的宽度，以过填充所述像素的孔径，从而促进所述波导照明器与所述显示面板的对准。

19.根据权利要求18所述的方法，其中：

所述光源是多色光源，所述多色光源提供包括多个颜色通道的光的所述输入光束；

所述分束器将所述多个颜色通道中的多个颜色通道耦合到所述波导阵列中的各个波导中；以及

所述方法还包括在所述耦出光栅阵列与所述显示面板之间的光路中使用颜色选择反射器，以为所述多个颜色通道中的不同颜色通道的光提供不同的光路长度。

20.根据权利要求18所述的方法，其中：

所述光源是多色光源，所述多色光源提供包括多个颜色通道的光的所述输入光束；

所述分束器将所述多个颜色通道中的不同颜色通道耦合到所述波导阵列中的不同的波导中；以及

所述不同的波导设置在所述照明器的基板内的不同的深度处。