CN117940829A - 用于将显示模块光定向到波导中的光学*** - Google Patents

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Abstract

一种显示***可以包括波导(50)、具有第一表面起伏光栅(SRG)的输入耦合器(74I)和具有第二SRG的输出耦合器。一种显示模块(20A)可以产生由第一SRG耦合到该波导中的图像光。第一SRG可以具有相对于该波导的法向轴不平行的输入向量。该显示模块可以具有相对于该输入向量倾斜非零角度的光轴。一种棱镜(86)可以在平行于该输入向量的方向上将来自模块的图像光重定向到第一SRG。该模块可以包括透镜元件(100)，该透镜元件具有相对于图像光的场的中心偏移的光轴。这可以使得该透镜元件在平行于该第一SRG的输入向量的方向上输出图像光。

Description

用于将显示模块光定向到波导中的光学***
本申请要求2021年9月2日提交的美国临时专利申请第63/240,277号的优先权，该美国临时专利申请据此以引用的方式全文并入本文中。
背景技术
本公开整体涉及光学***，并且更具体地，涉及用于具有显示器的电子设备的光学***。
电子设备通常包括靠近用户的眼睛呈现图像的显示器。例如，虚拟现实和增强现实头戴式耳机可包括具有允许用户观看显示器的光学元件的显示器。
诸如这些设备的设备可能在设计上具有挑战性。如果稍有不慎，用于在这些设备中显示图像的部件可能是难看、笨重或不舒适的，并且可能无法呈现出期望的光学性能。
发明内容
一种电子设备可具有显示***。该显示***可以包括波导、输入耦合器和输出耦合器。输入耦合器可以包括第一表面起伏光栅(SRG)。输出耦合器可以包括第二SRG。显示模块可以产生图像光，该图像光由第一SRG耦合到波导中并且由第二SRG耦合出波导。波导可以具有带有法向轴的侧表面。
第一SRG可以由相对于法向轴不平行的输入向量来表征。显示模块可以具有相对于输入向量倾斜非零角度的光轴。消色差棱镜可以光学地插置在显示模块与第一SRG之间。消色差棱镜可以在平行于输入向量的方向上将图像光从显示模块重定向到第一SRG。消色差棱镜可以包括由不同材料形成的第一光楔和第二光楔以减轻色散。这可以允许显示模块被放置在用于设备的外壳内，而不会不舒适地干扰用户对设备的佩戴，也不会牺牲光学性能。
如果需要，则显示模块可以包括将图像光透射到第一SRG的准直光学器件。准直光学器件可以包括透镜元件。透镜元件可以具有对准的光轴，该对准的光轴相对于图像光的场的中心偏移。这可以使得准直光学器件在平行于第一SRG的输入向量的方向上输出图像光。如果需要，则可以修整或者移除透镜元件的不用于透射图像光的部分以节省空间和重量。以此方式配置准直光学器件可以附加地或另选地用于减轻由于第一SRG的较高阶衍射模式将光反射离开显示模块中的像素而引起的重影伪影产生。
附图说明
图1是根据一些实施方案的具有显示器的例示性***的图示。
图2是根据一些实施方案的用于显示器的例示性光学***的顶视图，该光学***具有波导和光耦合器。
图3A至图3C是根据一些实施方案的设置有表面起伏光栅结构的例示性波导的顶视图。
图4是根据一些实施方案的具有输入耦合表面起伏光栅和输出耦合表面起伏光栅的例示性波导的俯视图，该输入耦合表面起伏光栅以一定输入角度接收图像光，该输出耦合表面起伏光栅将图像光以等于输入角度的输出角度耦合出波导。
图5是根据一些实施方案的具有棱镜的例示性显示器的俯视图，该棱镜将由显示模块输出的图像光重定向到与波导上的输入耦合表面起伏光栅的输入向量匹配的角度上。
图6是根据一些实施方案的具有使图像光与显示器的视场对准的准直光学器件的例示性显示模块的俯视图。
图7是示出根据一些实施方案的如何使显示模块中的准直光学器件偏移以将图像光以与输入耦合表面起伏光栅的输入向量匹配的角度定向到输入耦合表面起伏光栅上的图。
图8是示出根据一些实施方案的显示模块中的偏移准直光学器件可以如何减轻光学***中的重影图像产生的图。
图9是示出根据一些实施方案的图5中所示出的类型的棱镜可以如何包括具有将图像光重定向的反射表面和透射表面的单个光楔的俯视图。
具体实施方式
图1的***10可以是具有一个或多个显示器的头戴式设备。***10中的显示器可包括安装在支撑结构(外壳)8内的近眼显示器20。支撑结构8可具有一副眼镜或护目镜(例如，支撑框架)的形状，可形成具有头盔形状的外壳，或者可具有用于帮助将近眼显示器20的部件安装和固定在用户的头部上或眼睛附近的其他构型。近眼显示器20可以包括一个或多个显示模块(投影仪)(诸如显示模块20A)以及一个或多个光学***(诸如光学***20B)。显示模块20A可安装在支撑结构诸如支撑结构8中。每个显示模块20A可以发射光38(图像光)，使用光学***20B中的相关联的一个将该光朝适眼区24处的用户眼睛重定向。
可使用控制电路16来控制***10的操作。控制电路16可包括用于控制***10的操作的存储和处理电路。电路16可包括存储装置，诸如硬盘驱动器存储装置、非易失性存储器(例如，被配置为形成固态驱动器的电可编程只读存储器)、易失性存储器(例如，静态或动态随机存取存储器)等。控制电路16中的处理电路可基于一个或多个微处理器、微控制器、数字信号处理器、基带处理器、电源管理单元、音频芯片、图形处理单元、专用集成电路以及其他集成电路。软件代码可存储在电路16中的存储器上，并且在电路16中的处理电路上运行，以实现用于***10的操作(例如，数据采集操作、涉及使用控制信号调节部件的操作、产生图像内容以向用户显示的图像渲染操作等)。
***10可包括输入输出电路诸如输入-输出设备12。输入-输出设备12可用于允许由***10从外部装置(例如，拴系计算机、便携式设备(诸如手持设备或膝上型计算机)或其他电气装置)接收数据，并且允许用户向头戴式设备10提供用户输入。输入-输出设备12还可用于收集有关在其中操作的***10(例如，头戴式设备10)的环境的信息。设备12中的输出部件可允许***10向用户提供输出，并且可用于与外部电子装置通信。输入-输出设备12可包括传感器和其他部件18(例如，用于采集与***10中的显示器上的虚拟对象数字地合并的真实世界对象的图像的图像传感器、加速度计、深度传感器、光传感器、触觉输出设备、扬声器、电池、用于在***10和外部电子装置之间通信的无线通信电路等)。
显示模块20A可以是液晶显示器、有机发光二极管显示器、基于激光的显示器，或其他类型的显示器。显示模块20A可以包括光源、发射式显示面板、用来自光源的照明光照明以产生图像光的透射式显示面板、用来自光源的照明光照明以产生图像光的反射式显示面板(诸如数字微镜显示(DMD)面板和/或硅上液晶(LCOS)显示面板)等。显示模块20A在本文中有时也可以称为投影仪20A。
光学***20B可以形成允许观察者(参见例如适眼区24处的观察者的眼睛)观察显示器20上的图像的镜头。可存在与用户的相应左眼和右眼相关联的两个光学***20B(例如，用于形成左透镜和右透镜)。单个显示器20可为双眼产生图像，或者一对显示器20可用于显示图像。在具有多个显示器(例如，左眼显示器和右眼显示器)的配置中，可以选择由***20B形成的镜头的焦距和定位，使得显示器之间存在的任何间隙对于用户将是不可见的(例如，使得左显示器和右显示器的图像无缝地重叠或合并)。
如果需要，光学***20B可包含部件(例如，光学组合器等)以允许来自真实世界图像或对象28的真实世界图像光与虚拟(计算机生成的)图像诸如图像光38中的虚拟图像被在光学上组合。在这种类型的***(有时称为增强现实***)中，***10的用户可查看真实世界内容和覆盖在真实世界内容之上的计算机生成的内容两者。基于相机的增强现实***也可用于设备10中(例如，相机捕获对象28的真实世界图像并且将该内容与光学***20B处的虚拟内容进行数字合并的布置)。
如果需要，***10可以包括无线电路和/或其他电路，以支持与计算机或其他外部装置(例如，向显示器20提供图像内容的计算机)通信。在操作期间，控制电路16可以将图像内容提供给显示器20。可以远程接收该内容(例如，从耦合到***10的计算机或其他内容源)和/或可以由控制电路16生成该内容(例如，文本、其他计算机生成的内容等)。由控制电路16提供给显示器20的内容可以由适眼区24处的观察者观看。
图2是可在图1的***10中使用的例示性显示器20的顶视图。如图2所示，近眼显示器20可包括一个或多个显示模块诸如显示模块20A，以及一个光学***诸如光学***20B。光学***20B可包括光学元件诸如一个或多个波导50。波导50可包括由光学透明材料诸如塑料、聚合物、玻璃等所形成的一个或多个堆叠基底(例如，堆叠平面和/或弯曲层，在本文中有时称为“波导基底”)。
如果需要，波导50还可包括一层或多层全息记录介质(在本文中有时称为“全息介质”、“光栅介质”或“衍射光栅介质”)，在该全息记录介质上记录一个或多个衍射光栅(例如，全息相位光栅，在本文中有时称为“全息图”)。全息记录可存储为光敏光学材料诸如全息介质内的光学干涉图案(例如，不同折射率的交替区域)。该光学干涉图案可以形成全息相位光栅，当用给定光源照明时，该全息相位光栅衍射光以形成虚拟图像的三维重建。全息相位光栅可以是用永久干涉图案编码的不可开关的衍射光栅，或者可以是可开关的衍射光栅，其中可以通过控制施加到全息记录介质的电场来调制衍射光。如果需要，可在相同体积的全息介质内记录多个全息相位光栅(全息图)(例如，叠加在相同体积的光栅介质内)。全息相位光栅可为例如体积全息图或光栅介质中的薄膜全息图。光栅介质可包括光聚合物、明胶诸如重铬酸盐明胶、卤化银、全息聚合物分散液晶或其他合适的全息介质。
波导50上的衍射光栅可包括全息相位光栅诸如体积全息图或薄膜全息图、元光栅或任何其他期望的衍射光栅结构。波导50上的衍射光栅还可以包括形成在波导50中的基底的一个或多个表面上的表面起伏光栅、由金属结构的图案形成的光栅等。衍射光栅可以例如包括在相同体积的光栅介质内至少部分地重叠的多个复用光栅(例如全息图)(例如以用于以一个或多个对应输出角度衍射不同颜色的光和/或来自不同输入角度范围的光)。如果需要，可以使用诸如百叶窗镜之类的其他光重定向元件来代替波导50中的衍射光栅。
如图2中所示出，显示模块20A可以产生与待向适眼区24显示的图像内容相关联的图像光38(例如图像光38可以传达用于在适眼区24处显示的一系列图像帧)。如果需要，可以使用准直透镜对图像光38进行准直。光学***20B可用于将从显示模块20A输出的图像光38呈现到适眼区24。如果需要，则显示模块20A可以安装在图1的支撑结构8内，而光学***20B可以安装在支撑结构8的部分之间(例如以形成与适眼区24对准的透镜)。如果需要，可使用其他安装布置。
光学***20B可包括一个或多个光学耦合器(例如，光重定向元件)诸如输入耦合器52、交叉耦合器54和输出耦合器56。在图2的示例中，输入耦合器52、交叉耦合器54和输出耦合器56形成在波导50处或该波导上。输入耦合器52、交叉耦合器54和/或输出耦合器56可完全嵌入在波导50的基底层内、可部分嵌入在波导50的基底层内、可安装到波导50(例如，安装到波导50的外表面)等。
波导50可经由全内反射沿其长度引导图像光38。输入耦合器52可被配置为将图像光38从显示模块20A耦合到波导50中，而输出耦合器56可被配置为将图像38从波导50内耦合到波导50外部并且朝向适眼区24。输入耦合器52可包括输入耦合棱镜、波导50的边缘或面、透镜、转向镜或液晶转向元件、或任何其他期望的输入耦合元件。例如，显示模块20A可沿+Y方向朝向光学***20B发射图像光38。当图像光38入射到输入耦合器52时，输入耦合器52可以将图像光38重定向，使得光在波导50内经由全内反射朝向输出耦合器56(例如在波导50的全内反射(TIR)范围内在+X方向上)传播。当图像光38入射到输出耦合器56时，输出耦合器56可以将图像光38重定向离开波导50并且朝向适眼区24(例如，再回到沿Y轴)。透镜诸如透镜60可有助于将图像光38引导或聚焦到适眼区24上。如果需要，可省略透镜60。例如，在交叉耦合器54形成在波导50处的场景中，交叉耦合器54可在图像光38沿波导50的长度传播时将该图像光在一个或多个方向上重定向。在重定向图像光38时，交叉耦合器54还可以对图像光38执行光瞳扩展。
输入耦合器52、交叉耦合器54和/或输出耦合器56可以基于反射光学器件和折射光学器件，或者可以基于衍射(例如，全息)光学器件。在其中耦合器52、54和56由反射光学器件和折射光学器件形成的布置中，耦合器52、54和56可包括一个或多个反射器(例如，微镜、部分镜、百叶窗镜、或其他反射器的阵列)。在其中耦合器52、54和56基于衍射光学器件的布置中，耦合器52、54和56可包括衍射光栅(例如，体积全息图、表面起伏光栅等)。
图2的示例仅为例示性的。光学***20B可以包括相对于彼此侧向和/或竖直堆叠的多个波导。每个波导可包括耦合器52、54和56中的一个耦合器、两个耦合器、全部耦合器或不包括这些耦合器。如果需要，波导50可为至少部分弯曲的或弯折的。可省略耦合器52、54和56中的一者或多者。如果需要，则光学***20B可以包括执行交叉耦合器54和输出耦合器56两者的操作的光耦合器(本文中有时称为交错耦合器、菱形耦合器或菱形扩展器)。例如，当图像光沿波导50向下传播时(例如当扩展图像光时)，表面起伏光栅结构可以将图像光38重定向，并且表面起伏光栅结构还可以将图像光38耦合出波导50并且朝向适眼区24耦合。
图3A是示出如何可在波导50上形成表面起伏光栅结构的一个示例的顶视图。如图3A所示，波导50可具有第一侧(例如，外)表面70和与侧表面70相对的第二侧表面72。波导50可以包括任何期望数量的一个或多个堆叠波导基底。如果需要，波导50还可包括夹置(插置)在第一波导基底与第二波导基底之间的光栅介质层(例如，其中第一波导基底包括侧表面70并且第二波导基底包括侧表面72)。
波导50可以设置有表面起伏光栅结构，诸如表面起伏光栅结构74。表面起伏光栅(SRG)结构74可以形成在基底内，诸如SRG基底(介质)76的层内。在图3A的示例中，SRG基底76层叠到波导50的侧表面70上。这仅为例示性的，并且如果需要，SRG基底76可以层叠到侧表面72(例如，波导50的面向适眼区的表面)上。
如果需要，则SRG结构74可以包括一个表面起伏光栅或至少两个部分重叠的表面起伏光栅。SRG结构74中的每个表面起伏光栅可以由SRG基底76的厚度中的对应脊(峰)78和谷(槽)80限定。在图3A的示例中，为了清楚起见，SRG结构74被示为二元结构，其中SRG结构74中的表面起伏光栅由与峰78相关联的第一厚度或与谷80相关联的第二厚度限定。这仅为例示性的。如果需要，SRG结构74可以是非二元的(例如，可以包括遵循任何期望轮廓的任何期望数量的厚度，可以包括相对于Y轴成非平行条纹角度的峰78等)。如果需要，可以使用粘合剂层(未示出)将SRG基底76粘附到波导50的侧表面70。例如，SRG结构74可以与波导50分开制造，并且可以在制造之后粘附到波导50。
图3A的示例仅为例示性的。在另一个具体实施中，SRG结构74可以放置在波导50内部的某位置处，如图3B的示例中所示。如图3B中所示出，波导50可以包括第一波导基底73、第二波导基底75以及插置在波导基底73与波导基底86之间的介质层82。介质层82可以是光栅或全息记录介质、粘合剂层、聚合物层、波导基底层或波导50内的任何其他期望层。SRG基底76可以层叠到波导基底73的面向波导基底86的表面上。另选地，SRG基底76可以层叠到波导基底86的面向波导基底73的表面上。
如果需要，SRG结构74可以分布在SRG基底的多个层上，如图3C的示例所示。如图3C所示，光学***可包括多个堆叠的波导，诸如至少第一波导50和第二波导50'。第一SRG基底76可以层叠到波导50的一个侧表面上，而第二SRG基底76'层叠到波导50'的一个侧表面上。第一SRG基底76可包括SRG结构74中的一个或多个表面起伏光栅。第二SRG基底76'可包括SRG结构74中的一个或多个表面起伏光栅。该示例仅为例示性的。如果需要，则光学***可以包括多于两个堆叠的波导和/或具有一个或多个相应SRG的SRG基底。在其中光学***包括多于两个波导的示例中，设置有SRG基底的每个波导可包括SRG结构74中的一个或多个表面起伏光栅。虽然在本文中描述为单独的波导，但如果需要，图3C的波导50和50'也可由同一波导的相应波导基底形成。如果需要，可将图3A、3B和/或3C中的布置相结合。
SRG结构74可用于形成图2的输入耦合器52、交叉耦合器54和/或输出耦合器56，以及/或者在波导50上形成交错耦合器。如果需要，则可以使用诸如SRG结构74的SRG结构以在波导50上形成输入耦合器52和输出耦合器56。图4是示出可如何使用SRG结构以在波导50上形成输入耦合器52和输出耦合器56两者的图。
如图4中所示出，波导50上的输入耦合器52可以包括第一表面起伏光栅结构74I，并且波导50上的输出耦合器56可以包括第二表面起伏光栅结构74O。表面起伏光栅结构74I可以包括一个或多个重叠的表面起伏光栅，但为了简单起见，该表面起伏光栅结构在本文中有时称为输入耦合表面起伏光栅74I或表面起伏光栅输入耦合器74I。类似地，表面起伏光栅结构74O可以包括一个或多个重叠的表面起伏光栅，但为了简单起见，该表面起伏光栅结构在本文中有时称为输出耦合表面起伏光栅74I或表面起伏光栅输出耦合器74O。输入耦合表面起伏光栅74I可以在与输出耦合表面起伏光栅74O相同的SRG介质层中形成，或者输入耦合表面起伏光栅74I和输出耦合表面起伏光栅74O可以在波导50上的SRG介质的单独的层中形成。
输入耦合表面起伏光栅74I可以将图像光38从显示模块20A耦合到波导50中。输出耦合表面起伏光栅74O可以将图像光38以相对于波导50的法向轴(表面)81的角度-θ耦合出波导50。法向轴81与波导50的侧表面72正交(垂直)。角度θ的量值可以大于零以适应适眼区24的放置(例如当用户将***10佩戴在其头部上时，适眼区24可以放置在用户眼睛处的位置处，并且此位置可以相对于波导50的出射光瞳处的法向轴81未对准)。作为示例，角度θ可以是0至10度、0至15度、1至15度、0至20度、2至3度、1至5度或其他角度。
为了使输出耦合表面起伏光栅74O以最大效率以角度-θ输出图像光38，输入耦合表面起伏光栅74I还需要以入射角+θ接收图像光38，该入射角(相对于法向轴81)与输出耦合表面起伏光栅74O输出耦合图像光38的角度-θ相等且相反。换句话说，输入耦合表面起伏光栅74I以定向到法向轴的第一侧的入射角接收图像光38，并且输出耦合表面起伏光栅74O以相同但定向到法向轴的相反(第二)侧的角度输出图像光38。在衍射图像光38时，输入耦合表面起伏光栅74I将平行于其输入向量入射的图像光38重定向(映射)到位于波导50的全内反射(TIR)范围内的对应输出向量上(例如其中输入耦合表面起伏光栅74I由从输入向量延伸到输出向量的光栅向量表征)。以波导50的TIR范围内的角度从波导50内入射在波导50的表面上的光将经由TIR沿波导50的长度向下传播。
为了以相对于法向轴81的入射角θ向输入耦合表面起伏光栅74I提供图像光38，显示模块20A可以安装在***10中的位置84处。然而，位置84可能太靠近适眼区24，使得***10的外壳将不能够将显示模块20A装配在位置84处(例如在外壳包括头戴式设备外壳的示例中装配在外壳的镜腿部分内)，或者使得当用户佩戴***10时，显示模块20A将不舒适地突出到用户头部上。如果需要，则显示模块20A可以安装在位置82处，该位置位于比位置84距适眼区24更远的距离83处。与当显示模块20A处于位置84时相比，这可以允许显示模块20A更容易且更符合人体工程学地装配在***10的外壳内(例如装配在外壳的镜腿部分内，而不会不舒适地突出到用户头部中)。同时，对于显示模块20A，当显示模块20A安装在位置82处时，以入射角θ向输入耦合表面起伏光栅74I提供图像光38可能是具有挑战性的。
为了减轻这些问题，光学***20B可以包括棱镜或者将由显示器20A在安装于位置82处时发射的图像光38以入射角θ重定向到输入耦合表面起伏光栅74I上的其他光重定向结构。图5是示出棱镜可如何将由显示器20A在安装于位置82处时发射的图像光38以入射角θ重定向到输入耦合表面起伏光栅74I上的图。
如图5中所示出，输入耦合表面起伏光栅74I由输入向量Vi和输出向量VO表征。输入向量Vi可以以相对于波导的法向表面的角度θ定向。输出向量VO可以在波导50的TIR范围内定向。输入耦合表面起伏光栅74I还可以由从输入向量Vi的尖端延伸到输出向量VO的尾部的光栅向量表征(例如其中向量Vi和VI起始于共同点处)。输入耦合表面起伏光栅74I可以将平行于输入向量Vi入射的图像光38衍射(重定向)到平行于输出向量VO的方向上，从而允许衍射图像光经由全内反射沿波导50向下传播。
显示模块20A可以设置在***10内的位置82处。显示模块20A可以倾斜，使得显示模块20A的光轴以相对于波导50的法向轴81的角度α定向。换句话说，显示模块20A可以在平行于投影仪向量VP的方向上发射图像光38。显示模块20A的光轴(投影仪向量VP)可以在角度空间中与输入向量Vi分开约10至20度、15度、5至25度、小于15度、小于20度、14至16度、12至18度、小于25度、小于30度、大于5度的角度(例如角度θ+α)或其他角度。
诸如棱镜86的光重定向元件可以光学地插置在显示模块20A与输入耦合表面起伏光栅74I之间。棱镜86可以是消色差棱镜，并且因此在本文中有时可以称为消色差棱镜86。显示模块20A可以将图像光38透射到棱镜86中。棱镜86可以朝向输入耦合表面起伏光栅74I透射图像光38。棱镜86的几何形状和材料可以被选择以将平行于投影仪向量VP入射的图像光38重定向(例如折射)到平行于输入耦合表面起伏光栅结构74I的输入向量Vi的输出角度上。以此方式，棱镜86可用于将图像光38重定向，使得图像光38以角度θ入射在输入耦合表面起伏光栅74I上，这允许输出耦合表面起伏光栅74O以角度-θ朝向适眼区24输出图像光38(图4)。
棱镜86可以包括一个或多个光楔。例如，棱镜86可以包括第一光楔90以及堆叠或者层叠到第一光楔90上的第二光楔88。如果需要，则可以使用光学透明粘合剂将第一光楔90粘附到第二光楔88。在一些示例中，光楔90可以由对从显示模块20A接收到的图像光38赋予色散的第一材料形成，其中光楔根据波长以不同角度将图像光折射/分散。在这些示例中，光楔88可以由第二材料形成，该第二材料用于将由光楔90向图像光38引入的色散反转。作为示例，光楔90可以由氟化钙(CaF2)形成，而光楔88由诸如镧致密玻璃/燧石(例如LaSf35)的光学玻璃形成，或者反之亦然；光楔90可以由磷酸盐冕玻璃(例如PK51)形成，而光楔88由致密燧石玻璃(例如Sf1)形成，或者反之亦然；光楔90可以由镧致密玻璃/燧石(例如LaSF31A)形成，而光楔88由光学玻璃(例如TiF6)形成，或者反之亦然，等等。
以此方式，显示模块20A可以放置在位置82处，该位置比位置84距适眼区更远的距离83而不是位于位置84处，其中显示模块20A的光轴平行于输入向量Vi定向，同时仍允许图像光38以角度θ入射在输入耦合表面起伏光栅74I上。这可以允许显示模块20A装配在用于***10的外壳内，而不会不舒适地突出到用户中，并且不会牺牲***10在于适眼区24处显示图像时的光学性能。图5的示例仅为例示性的。如果需要，则棱镜86可以包括多于两个光楔或仅单个光楔。附加地或另选地，非棱镜光重定向结构(例如衍射光栅、镜面等)可用于将图像光38重定向。光楔90和88可以具有其他期望的形状。
附加地或另选地，显示模块20A中的准直光学器件可以偏移以按角度θ向输入耦合表面起伏光栅74I提供图像光38，而不管显示模块20A是否设置在位置82处。图6是具有非偏移准直光学器件的显示模块20A的图。
如图6中所示出，显示模块20A可以包括照明光学器件108和空间光调制器103。照明光学器件108可以包括一个或多个光源，诸如发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、微LED(uLED)、激光器等。照明光学器件108中的光源可以发射处于一个或多个波长带(例如红色、绿色和蓝色波长带)的照明光110。
空间光调制器103可以包括棱镜104和诸如显示面板106的反射式显示面板。显示面板106可以是DMD面板、LCOS面板、硅上铁电液晶(fLCOS)面板或其他反射式显示面板。棱镜104可以将照明光110定向到显示面板106(例如显示面板106上的不同像素)上。控制电路16(图1)可以控制显示面板106在每个像素位置处选择性地反射照明光110以产生图像光38(例如具有如由显示面板106调制到照明光上/使用该照明光调制的图像的图像光)。棱镜104可以将图像光38朝向准直光学器件100定向。准直光学器件100可以将图像光38朝向波导50的输入耦合器定向(例如准直光学器件100可以将图像光38聚焦到波导50的输入/入射光瞳上)。
显示面板106是反射式显示面板的图6的示例仅为例示性的。如果需要，则显示面板106可以是透射照明光并且使用图像数据调制照明光以产生图像光38的透射式显示面板(例如透射式液晶显示面板)。
准直光学器件100在本文中有时可以称为准直透镜100、目镜光学器件100或目镜100。准直光学器件100可以包括一个或多个透镜元件102。每个透镜元件102可以具有一个或多个凹形表面、凸形表面、球形表面、非球形表面、自由弯曲表面(例如具有遵循非球形、非椭圆形等的任何期望的三维自由弯曲路径的曲率的表面)等。如果需要，则一个或多个透镜元件102可以向图像光38赋予光焦度。
透镜元件102可以具有与显示面板106的视场的中心对准的光轴。例如，如图6中所示出，显示面板106可以具有视场112。图像光38可以使其自身的视场114以显示面板106的视场112的中心为中心。因此，图像光将在显示面板和输入耦合器的视场的中心的上方、下方、左侧和右侧以相等数量的角度入射在波导50上的输入耦合器上。
如果需要，则准直光学器件100中的透镜元件可以偏移以(例如在不需要图5的棱镜86的情况下)输出以角度θ入射在输入耦合表面起伏光栅74I(图5)上的图像光38。图7是示出准直光学器件100中的透镜元件可以如何偏移以产生以角度θ入射在输入耦合表面起伏光栅74I上的图像光38的一个示例的图。
如图7中所示出，准直光学器件100可以包括一个或多个偏移透镜元件121。每个透镜元件121可以具有透射图像光38的第一表面120和相对的第二表面122。每个透镜元件121可以具有光轴125(例如透镜元件中的每个透镜元件的光轴可以对准)。光轴125可以从图像光38的中心偏移达偏移量X。透镜元件121可以例如相对于图6的透镜元件102被放大。然而，图像光38仅穿过透镜元件121的(例如以平均偏移量X)从光轴125偏移的一部分。换句话说，存在透镜元件的位于光轴125的相对侧上的部分，图像光将不以其他方式穿过该部分(例如因为透镜元件相对于视场和由棱镜104输出的图像光38偏移)。
由于图像光38不穿过透镜元件的区域中的所有区域，因而可以修整或者切割透镜元件121以移除透镜元件121的部分118(例如图像光38不以其他方式穿过部分118)。这可以用于在不影响光学性能的情况下将显示模块20A中由透镜元件121占据的面积量和显示模块20A的重量最小化，而不管透镜元件121是否大于视场。以此方式，每个透镜元件121可以具有在表面122与120之间延伸的(切割)竖直(平面)侧壁124。当包括部分118时，透镜元件121可以呈现出关于光轴125的旋转对称性。然而，移除部分118会破坏透镜元件121的此旋转对称性(例如在没有移除部分118的情况下，透镜元件121将呈现出关于光轴125的旋转对称性)。
以此方式使透镜元件121偏移可以使图像光38的视场从图6的视场114移位到图7的视场116。换句话说，以此方式使透镜元件121偏移可以使图像光38的视场远离显示面板106的视场112的中心并且因此远离波导50上的输入耦合器的视场移位达角度偏移量A(例如对应于图7的偏移量X的角度偏移量A)。这可以使得准直光学器件100在视场112的中心的一侧上比在另一侧上提供更多的图像光38。如果需要，则整个视场116可以位于视场112的中心的一侧。角度偏移量A可以是例如5至45度、5至30度、10至20度、5至20度、12至17度、15度、8至22度、3至28度等。
以此方式使透镜元件121偏移以及使图像光38的视场偏移可以使得图像光38仅由透镜元件121的位于光轴125的一侧上的部分透射。这可以使得准直光学器件100以角度θ或任何其他期望的角度透射图像光38，使得图像光38以角度θ入射在输入耦合表面起伏光栅74I上，从而允许在需要时省略图5的棱镜86。当以此方式配置时，显示模块20A可以位于图5的位置82处，同时仍以允许输出耦合表面起伏光栅74O以角度-θ朝向适眼区24输出图像光38所需要的角度θ向输入耦合表面起伏光栅74I提供图像光38。同时，不需要使用照明光110来对显示面板106的整个区域进行照明以产生图像光38(例如由于图像光将占据视场的仅一部分)。例如，照明光110可以仅被提供给显示面板106的区域126，该区域小于当透镜元件121不偏移时(图6)另外需要的显示面板106的长度109。这可以允许显示面板106的大小相对于图6中的具体实施减小。
图7的示例仅仅是例示性的。空间光调制器103可以是透射空间光调制器或调制器103，并且照明光学器件103可以由发射式显示面板代替。准直光学器件100可以具有带有任何期望几何形状的任何期望数量的透镜元件121。不需要切割透镜元件121(例如部分118可以保留在透镜元件121上)。附加地或另选地，使透镜元件121偏移可以将显示模块20A配置成减轻在波导50中产生的重影伪影。
图8是示出使透镜元件121偏移可以如何将显示模块20A配置成减轻重影伪影的图。如图8中所示出，显示面板106可以经由准直光学器件100向波导50上的输入耦合器52提供图像光38。虽然输入耦合器52的基本衍射模式可以将图像光38耦合到波导50中以用于经由全内反射传播，但输入耦合器52的一个或多个较高阶衍射模式可以将入射图像光38中的一些入射图像光朝向显示面板106向回反射，如箭头130所示出。
在准直光学器件121不偏移的具体实施中(例如在图6的具体实施中)，由输入耦合器52朝向显示面板106反射的图像光可以击中显示面板106的区域128中处于“off”状态的一个或多个像素。这些像素可以将入射图像光朝向非偏移准直透镜向回反射，该非偏移准直透镜可以将图像光朝向输入耦合器52向回重定向。这可能导致不期望的杂散光在波导50中传播并且朝向适眼区传播，从而可能产生难看的重影伪影或者限制在适眼区处显示的图像的总对比度。
然而，通过使准直光学器件100中的透镜元件121偏移(例如，如图7中所示出)，可以移除显示面板106的部分128(例如显示面板106的在区域126之外的一部分)，并且可以移除透镜元件121的部分118。这可以防止(例如，如箭头130所示出的)任何反射图像光38击中显示面板106中的像素并且产生以其他方式与箭头132相关联的杂散光。以此方式，使透镜元件121偏移可以减轻重影伪影的产生并且可以将适眼区处的对比度最大化。
在图8的示例中，显示模块20A设置在位置82处。这仅仅是例示性的，并且如果需要，则显示模块20A可以设置在位置84处并且倾斜，使得显示模块20A的光轴以角度θ定向。当显示模块20A设置在位置84处时，透镜元件121不需要偏移，因为与箭头130相关联的反射光将不入射在显示模块20A上。输入耦合器52可以包括输入耦合表面起伏光栅74I或其他输入耦合器(例如体积全息图输入耦合器、输入耦合棱镜、百叶窗式镜面等)。
在图5的示例中，棱镜86包括两个光楔88和90。在其他具体实施中，棱镜86可以包括单个光楔。类似于图5中所示出，光楔可以具有将图像光38朝向波导重定向的反射表面和透射表面。图9是示出棱镜86可以如何包括单个光楔的图。
如图9中所示出，棱镜86可以包括单个光楔。光楔可以具有至少四个表面(面)，诸如第一表面142、第二表面140、第三表面146和第四表面144。棱镜86可以通过表面142从准直光学器件100(图6)接收图像光38。图像光38随后可以(例如经由全内反射)离开表面140朝向表面144反射。图像光38随后可以(例如经由全内反射)离开表面144朝向表面146反射。棱镜86可以通过表面146朝向波导透射图像光38。换句话说，表面142和146可以是透射表面，而表面140和144是反射表面。如果需要，则反射层可以层叠在表面140和/或表面144上方。
表面142、140、146和144可以各自是平面的，或者如果需要，则表面142、140、146和144中的一个或多个表面可以是弯曲的(例如自由弯曲、双锥形弯曲、球形弯曲等)。例如，使表面弯曲可以在由表面反射或透射时向图像光38赋予光焦度。作为一个示例，表面142和146可以是弯曲的(例如具有相同曲率以赋予相同光焦度)。如果需要，则在表面中的一个或多个表面是弯曲的示例中，棱镜86可以由注塑塑料形成。图9的棱镜86可以具有与具有多个光楔的棱镜86(图5)相同的光重定向效果。由于棱镜86由单种材料形成，因而如果稍有不慎，则棱镜86可能向图像光引入色散。如果需要，则用于形成输入耦合器的SRG可以具有被调整以校正来自棱镜86的色差的间距。如果需要，则可以沿光学路径插置附加元件以校正(例如针对每种颜色的)色散。图9的示例仅仅是例示性的，并且一般来说，棱镜86可以具有其他形状。图9的棱镜86在本文中有时可以称为复合折叠棱镜。
根据实施方案，提供了一种显示器，该显示器包括：波导，该波导被配置成经由全内反射来传播光；第一表面起伏光栅，该第一表面起伏光栅被配置成将光耦合到波导中，第一表面起伏光栅具有输入向量；投影仪，该投影仪被配置成以相对于输入向量不平行的角度输出光；棱镜，该棱镜光学地耦合在投影仪与波导之间，棱镜被配置成将来自投影仪的光在平行于输入向量的方向上重定向到第一表面起伏光栅；以及第二表面起伏光栅，该第二表面起伏光栅被配置成将光耦合出波导。
根据另一实施方案，该棱镜包括消色差棱镜。
根据另一实施方案，该棱镜包括第一光楔和位于第一光楔上的第二光楔，第一光楔和第二光楔被配置成透射光，第一光楔包括第一材料，并且第二光楔包括与第一材料不同的第二材料。
根据另一实施方案，该角度与输入向量分开5至25度。
根据另一实施方案，该波导包括侧表面，该角度和输入向量各自相对于侧表面的法向轴不平行，光以相对于法向轴的第一侧的附加角度入射在第一表面起伏光栅上，并且第二表面起伏光栅被配置成以相对于法向轴的第二侧的附加角度输出光。
根据另一实施方案，该棱镜包括光楔，该光楔具有将光透射到棱镜中的第一表面、第二表面、第三表面和将光透射出棱镜的第四表面，第二表面将光朝向第三表面反射，并且第三表面将光朝向第四表面反射。
根据另一实施方案，第一表面、第二表面、第三表面和第四表面中的一个或多个是弯曲的。
根据另一实施方案，该显示器包括，波导包括：第一介质层，第一表面起伏光栅位于第一介质层中；和第二介质层，该第二介质层与第一介质层不同，第二表面起伏光栅位于第二介质层中。
根据另一实施方案，该显示器包括波导，该波导包括介质层，第一表面起伏光栅和第二表面起伏光栅位于介质层中。
根据实施方案，提供了一种显示器，该显示器包括：波导，该波导被配置成经由全内反射来传播光；第一表面起伏光栅，该第一表面起伏光栅被配置成将光耦合到波导中，第一表面起伏光栅由输入向量表征；显示面板，该显示面板被配置成基于图像数据来产生光，该光具有视场；以及光学器件，该光学器件耦合在显示面板与波导之间，光学器件包括：透镜，该透镜被配置成朝向第一表面起伏光栅透射光，并且具有以相对于光的视场的中心的非零角度偏移的光轴，该光轴以相对于输入向量的非零角度定向，并且光学器件被配置成在平行于输入向量的方向上输出光。
根据另一实施方案，该显示器包括光学器件，该光学器件包括附加透镜，该附加透镜被配置成透射光并且具有与透镜的光轴对准的光轴。
根据另一实施方案，该透镜具有透射光的第一表面、与第一表面相对的透射光的的第二表面，以及将第一表面耦合到第二表面的平面表面，该平面表面位于光轴的与光的视场的中心相对的一侧上。
根据另一实施方案，该波导包括侧表面，并且光轴平行于侧表面的法向轴定向。
根据另一实施方案，该波导具有侧表面，光以相对于侧表面的法向轴的第一侧的角度入射在第一表面起伏光栅上，并且第二表面起伏光栅被配置成以相对于法向轴的第二侧的该角度输出光。
根据另一实施方案，该显示面板包括选自由以下各项组成的组的显示面板：数字微镜设备(DMD)显示面板、硅上液晶(LCOS)显示面板、硅上铁电液晶(fLCOS)显示面板和透射式液晶显示面板。
根据另一实施方案，该显示器包括波导，该波导包括：第一介质层，第一表面起伏光栅位于第一介质层中；和第二介质层，该第二介质层与第一介质层不同，第二表面起伏光栅位于第二介质层中。
根据另一实施方案，该显示器包括波导，该波导包括介质层，第一表面起伏光栅和第二表面起伏光栅位于介质层中。
根据另一实施方案，该非零角度在5度与30度之间。
根据实施方案，提供了一种显示器，该显示器包括：波导，该波导被配置成经由全内反射来传播光；输入耦合器，该输入耦合器具有被配置成将光耦合到波导中的衍射光栅；照明光学器件，该照明光学器件被配置成发出照明；反射式显示面板，该反射式显示面板被配置成通过调制照明来产生光；以及透镜，该透镜被配置成将光透射到输入耦合器，并且具有以相对于光的视场的中心的非零角度偏移的光轴，透镜被配置成在平行于衍射光栅的输入向量的方向上输出光。
根据另一实施方案，该波导具有侧表面，并且光轴平行于侧表面的法向轴定向。
根据另一实施方案，该波导具有侧表面，并且光轴以相对于侧表面的法向轴的非平行角度定向。
前述内容仅为例示性的并且可对所述实施方案作出各种修改。前述实施方案可独立实施或可以任意组合实施。

Claims (21)

1.一种显示器，包括：
波导，所述波导被配置成经由全内反射来传播光；
第一表面起伏光栅，所述第一表面起伏光栅被配置成将所述光耦合到所述波导中，所述第一表面起伏光栅具有输入向量；
投影仪，所述投影仪被配置成以相对于所述输入向量不平行的角度输出所述光；
棱镜，所述棱镜光学地耦合在所述投影仪与所述波导之间，其中所述棱镜被配置成将来自所述投影仪的所述光在平行于所述输入向量的方向上重定向到所述第一表面起伏光栅；以及
第二表面起伏光栅，所述第二表面起伏光栅被配置成将所述光耦合出所述波导。
2.根据权利要求1所述的显示器，其中所述棱镜包括消色差棱镜。
3.根据权利要求1所述的显示器，其中所述棱镜包括第一光楔和位于所述第一光楔上的第二光楔，所述第一光楔和所述第二光楔被配置成透射所述光，所述第一光楔包括第一材料，并且所述第二光楔包括与所述第一材料不同的第二材料。
4.根据权利要求1所述的显示器，其中所述角度和所述输入向量分开5至25度。
5.根据权利要求1所述的显示器，其中所述波导包括侧表面，所述角度和所述输入向量各自相对于所述侧表面的法向轴不平行，所述光以相对于所述法向轴的第一侧的附加角度入射在所述第一表面起伏光栅上，并且所述第二表面起伏光栅被配置成以相对于所述法向轴的第二侧的所述附加角度输出所述光。
6.根据权利要求1所述的显示器，其中所述棱镜包括光楔，所述光楔具有将所述光透射到所述棱镜中的第一表面、第二表面、第三表面和将所述光透射出所述棱镜的第四表面，所述第二表面将所述光朝向所述第三表面反射，并且所述第三表面将所述光朝向所述第四表面反射。
7.根据权利要求6所述的显示器，其中所述第一表面、所述第二表面、所述第三表面和所述第四表面中的一个或多个是弯曲的。
8.根据权利要求1所述的显示器，所述波导包括：
第一介质层，其中所述第一表面起伏光栅位于所述第一介质层中；和
第二介质层，所述第二介质层与所述第一介质层不同，其中所述第二表面起伏光栅位于所述第二介质层中。
9.根据权利要求1所述的显示器，所述波导包括：
介质层，其中所述第一表面起伏光栅和所述第二表面起伏光栅位于所述介质层中。
10.一种显示器，包括：
波导，所述波导被配置成经由全内反射来传播光；
第一表面起伏光栅，所述第一表面起伏光栅被配置成将所述光耦合到所述波导中，所述第一表面起伏光栅由输入向量表征；
显示面板，所述显示面板被配置成基于图像数据来产生所述光，其中所述光具有视场；以及
光学器件，所述光学器件耦合在所述显示面板与所述波导之间，所述光学器件包括：
透镜，所述透镜被配置成朝向所述第一表面起伏光栅透射所述光，并且具有以相对于所述光的所述视场的中心的非零角度偏移的光轴，其中所述光轴以相对于所述输入向量的非零角度定向，并且其中所述光学器件被配置成在平行于所述输入向量的方向上输出所述光。
11.根据权利要求10所述的显示器，所述光学器件还包括：
附加透镜，所述附加透镜被配置成透射所述光并且具有与所述透镜的所述光轴对准的光轴。
12.根据权利要求10所述的显示器，其中所述透镜具有透射所述光的第一表面、与所述第一表面相对的透射所述光的第二表面，以及将所述第一表面耦合到所述第二表面的平面表面，所述平面表面位于所述光轴的与所述光的所述视场的所述中心相对的一侧上。
13.根据权利要求10所述的显示器，其中所述波导包括侧表面，并且其中所述光轴平行于所述侧表面的法向轴定向。
14.根据权利要求10所述的显示器，其中所述波导具有侧表面，所述光以相对于所述侧表面的法向轴的第一侧的角度入射在所述第一表面起伏光栅上，并且所述第二表面起伏光栅被配置成以相对于所述法向轴的第二侧的所述角度输出所述光。
15.根据权利要求10所述的显示器，其中所述显示面板包括选自由以下各项组成的组的显示面板：数字微镜设备(DMD)显示面板、硅上液晶(LCOS)显示面板、硅上铁电液晶(fLCOS)显示面板和透射式液晶显示面板。
16.根据权利要求10所述的显示器，所述波导包括：
第一介质层，其中所述第一表面起伏光栅位于所述第一介质层中；和
第二介质层，所述第二介质层与所述第一介质层不同，其中所述第二表面起伏光栅位于所述第二介质层中。
17.根据权利要求10所述的显示器，所述波导包括：
介质层，其中所述第一表面起伏光栅和所述第二表面起伏光栅位于所述介质层中。
18.根据权利要求10所述的显示器，其中所述非零角度在5度与30度之间。
19.一种显示器，包括：
波导，所述波导被配置成经由全内反射来传播光；
输入耦合器，所述输入耦合器具有被配置成将所述光耦合到所述波导中的衍射光栅；
照明光学器件，所述照明光学器件被配置成发出照明；
反射式显示面板，所述反射式显示面板被配置成通过调制所述照明来产生所述光；以及
透镜，所述透镜被配置成将所述光透射到所述输入耦合器，并且具有以相对于所述光的视场的中心的非零角度偏移的光轴，其中所述透镜被配置成在平行于所述衍射光栅的输入向量的方向上输出所述光。
20.根据权利要求19所述的显示器，其中所述波导具有侧表面，并且其中所述光轴平行于所述侧表面的法向轴定向。
21.根据权利要求19所述的显示器，其中所述波导具有侧表面，并且其中所述光轴以相对于所述侧表面的法向轴的非平行角度定向。
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