TW202131053A - 採用散光光學器件和像差補償的顯示器 - Google Patents

Abstract

公開了用於向觀看者的眼睛提供圖像的顯示器。圖像生成器將與圖像對應的圖像照明提供給具有相互平行的主外表面的基板以在基板內傳播。包括至少一個散光光學元件的中間光學佈置引導來自圖像生成器的圖像照明，以通過內反射在基板內沿第一平面內方向傳播。具有柱面光功率的反射光學佈置反射圖像照明，以通過內反射沿第二平面內方向傳播。耦出佈置將準直的圖像照明向觀看者的眼睛耦出。中間光學佈置包括被佈置成生成校正光學像差的元件，該校正光學像差至少部分抵消由反射光學佈置引起的特徵像差。

Description

採用散光光學器件和像差補償的顯示器

本發明涉及近眼顯示系統，特別地涉及包括用於二維圖像擴展的波導系統的近眼顯示系統。

為了在商業上可行，基於波導的緊湊型光學系統如近眼顯示器通常需要二維光瞳擴展，以在不增大圖像投影光學器件的尺寸的情況下實現大視場(Field of View，FOV)。一些顯示系統使用波導系統進行圖像擴展。在這些系統中，與圖像對應的光被耦入波導。光通過全內反射(total internal reflection，TIR)沿波導傳播，並且經由一個或更多個光提取元件(如一系列部分反射的成角度的小平面或衍射元件)逐漸耦出，從而在一個維度上進行圖像擴展。

對於使用波導系統在二個維度上進行擴展，存在多種解決方案。例如，美國專利公開第2014/0036361A1號描述了一種波導，該波導在波導端部結合有集成在波導平面中的光學元件。如圖1所示(對應於上述提及的公開中的圖46)，通過光學元件501使來自二維(two-dimensional，2D)圖像源515的光在波導503的平面內準直，並且注入到波導中。在波導中，光朝向在橫向方向上具有正光功率的反射波導端500(通常是柱面鏡)擴展，並且在反射後變得準直。然後，反射光通過一系列小平面512從波導中提取出來，從而在另一個維度上進行擴展。

在美國專利公佈第US2019/0033598 A1號中描述了另一個解決方案。該系統採用光瞳2D成像，在波導端部設置柱面鏡，以實現波導平面內的光瞳擴展。如圖2所示(對應於US2019/0033598 A1的圖4(a)至圖4(c))，光源24由成像系統23投射到第一導光元件26中。對於每個FOV點，成像系 統23提供在波導表面的法線平面內準直並且會聚到波導平面中的焦點的光束。在從波導端部處的柱面鏡30反射後，光束在所有方向上變得平行。具有提取區31的第二波導27用於光提取(例如使用鏡或衍射元件)和另一維度上的圖像擴展。

然而，上述習知的解決方案存在各種缺點，包括由柱面鏡引起像差的問題以及其他缺點，下文將對此詳細說明。

本發明是用於向觀看者的眼睛提供圖像的顯示器。該顯示器包括具有相互平行的第一主外表面和第二主外表面的基板(“波導”)。該波導包括在波導端部具有柱面光功率的反射光學佈置(“柱面鏡”)以及一個或更多個附加部件，所述附加部件被配置成補償由柱面鏡引起的像差。本文所公開的系統旨在以緊湊的投影光學器件尺寸實現高圖像解析度，該光學器件潛在地可以裝配在傳統護目鏡的框架中。本文所公開的一些波導包括在波導內部的用於增大系統的數值孔徑的光學擴展量擴展器。一些波導包括投影光學器件模組，該投影光學器件模組被配置成補償由柱面鏡引起的像差。

因此，根據本發明的實施方式的教導，提供了用於向觀看者的眼睛提供圖像的顯示器，該顯示器包括：(a)圖像生成器，其提供與圖像對應的圖像照明；(b)基板，其具有相互平行的第一主外表面和第二主外表面；(c)中間光學佈置，其被配置成引導來自圖像生成器的圖像照明，使得通過來自第一主外表面和第二主外表面的內反射在基板內沿第一平面內方向傳播，中間光學佈置包括至少一個散光光學元件，使得在基板內傳播的圖像照明在垂直於第一主外表面的平面內準直，並且在平行於第一主外表面的平面內非準直；(d)反射光學佈置，其具有柱面光功率，反射光學佈置與基板集成在一起以用於反射圖像照明的至少一部分，使得通過來自第一主外表面和第二主外表面的內反射沿第二平面內方向傳播，在從反射光學佈置反射後的圖像照明是在垂直於第一主外表面的平面內以及平行於第一主外表面的平面內都準直的準直圖像照明；以及(e)耦出佈置，其用於將準直圖像照明的至少一部分向觀看者的眼睛耦出，其中，反射光學佈置具有特徵像差，並且其中，中間光學佈置包括至少一個元件，該至少一個元件被佈置成生成校正光學像差，該校正光學像差至少部分抵消與反射光 學佈置的特徵像差。

根據一些方面，反射光學佈置包括與基板的邊緣集成在一起的柱面鏡，該柱面鏡具有垂直於第一主外表面的柱面軸。

根據一些方面，中間光學佈置被配置成使得在基板內傳播的圖像照明在平行於第一主外表面的平面內會聚，使得向基板內的焦點軌跡會聚，然後在到達反射光學佈置之前發散。

根據一些方面，該顯示器還包括在焦點處與基板集成在一起的光學擴展量光學擴展器。可選地，光學擴展量光學擴展器可以是偏振選擇性的。

根據一些方面，光學擴展量光學擴展器是一維光學擴展量光學擴展器，其被配置成在平行於第一主外表面的平面內擴展圖像照明，而不在垂直於第一主外表面的平面內使圖像照明變寬。

根據一些方面，光學擴展量擴展器包括柱面微透鏡陣列。

根據一些方面，中間光學佈置包括具有柱面光功率的有效軸的至少一個散光光學元件，柱面光功率的有效軸在光學上平行於反射光學佈置的柱面軸。

根據一些方面，散光光學元件與基板集成在一起。

根據一些方面，散光光學元件包括與基板集成在一起的柱面折射透鏡。

根據一些方面，散光光學元件包括與基板集成在一起的柱面反射透鏡。

根據一些方面，散光光學元件包括與基板集成在一起的具有柱面光功率的衍射光學元件。

根據一些方面，反射光學佈置包括與基板集成在一起的具有柱面光功率的衍射光學元件。

根據一些方面，散光光學元件在基板的外部。

根據一些方面，散光光學元件包括具有柱面光功率的折射透鏡。

根據一些方面，散光光學元件包括具有柱面光功率的反射透鏡。

根據一些方面，散光光學元件包括具有柱面光功率的衍射光學元件。

根據一些方面，中間光學佈置被配置成使得在基板內向反射光學佈置傳播的圖像照明在平行於第一主外表面的平面內發散。

根據一些方面，圖像生成器包括具有寬度和長度的長形的空間光調變器，長度是寬度的至少5倍，空間光調變器被佈置成長度平行於第一主外表面對準。

根據一些方面，中間光學佈置包括光學耦合到基板光學的偏振分束器(Polarization Beam Splitter，PBS)棱鏡，空間光調變器光學耦合到PBS棱鏡的面。

根據一些方面，空間光調變器具有有效像素區域，有效像素區域為長形，具有平行於長度的第一像素間距以及平行於寬度的、小於第一像素間距的第二像素間距。

根據一些方面，空間光調變器的每個物理像素元件小於第一像素間距並且大於第二像素間距，物理像素元件中的多個物理像素元件在每個第一像素間距內交錯佈置。

根據一些方面，反射光學佈置被配置成具有與入射角的第一子集相關聯的第一反射率以及與入射角的第二子集相關聯的、低於第一反射率的第二反射率，其中，第一子集包括與圖像照明對應的範圍內的角度，並且第二子集包括不在第一子集內的角度。

根據一些方面，耦出佈置是偏振選擇性的，使得至少部分地耦出第一偏振的圖像照明，同時基本上透射第二偏振的圖像照明，其中，中間光學佈置被配置成用於引導來自圖像生成器的圖像照明在基板內以第二偏振的方式沿第一平面內方向傳播，並且其中，四分之一波片與反射光學佈置相關聯，使得沿第二平面內方向傳播的準直圖像照明具有第一偏振，以由耦出佈置耦出。

根據本發明的實施方式的其他教導，提供了用於向觀看者的眼睛提供圖像的顯示器，該顯示器包括：(a)圖像生成器，其提供與圖像對應的圖像照明；(b)基板，其具有相互平行的第一主外表面和第二主外表面；(c)中間光學佈置，其被配置成引導來自圖像生成器的圖像照明，使得通過來自第一主外表面和第二主外表面的內反射在基板內沿第一平面內方向傳播，中間光學佈置包括至少一個散光光學元件，使得在基板內傳播的圖像照明在垂直於第一主外表 面的平面內準直，並且在平行於第一主外表面的平面內非準直；(d)反射光學佈置，其具有柱面光功率，反射光學佈置與基板集成在一起以用於反射圖像照明的至少一部分，使得通過來自第一主外表面和第二主外表面的內反射沿第二平面內方向傳播，在從反射光學佈置反射後的圖像照明是在垂直於第一主外表面的平面內以及在平行於第一主外表面的平面內都準直的準直圖像照明；以及(e)耦出佈置，其用於將準直圖像照明的至少一部分向觀看者的眼睛耦出，其中，耦出佈置是偏振選擇性的，使得至少部分地耦出第一偏振的圖像照明，同時基本上透射第二偏振的圖像照明，其中，中間光學佈置被配置成引導來自圖像生成器的圖像照明在基板內以第二偏振的方式沿第一平面內方向傳播，並且其中，四分之一波片與反射光學佈置相關聯，使得沿第二平面內方向傳播的準直圖像照明具有第一偏振，以由耦出佈置耦出。

1:投影光學單元(模組)，POD，圖像照明

2,503,700,900:波導

3:耦出佈置，光提取區域，光提取元件，小平面

4:透鏡(散光聚焦元件，散光光學元件)

5,706:柱面鏡，透鏡(集成反射光學佈置)

6,106:四分之一波片(QWP)，波板

7,8,108:偏振器

9:p偏振光線，四分之一波

10:重影光線

12:s偏振光線

14:光學混合器

15,800,802,R1,R2:光線

16,104:圖像源

17:分束鏡(PBS)

18:EMB

20:透鏡(折射柱面元件)

21,22:衍射光學元件

23:成像系統

24:光源

25:虛擬曲線

26:第一導光元件

27:第二波導

28,29:部分

30,1001:柱面鏡

31,708:提取區

32:顯示器

33:波導(PBS)

34,35,37:光束

36:光學擴展量擴展器

40:光闌(光闌孔徑)

41:光學器件模組

44:入口孔徑

46:蓋板

102,105:棱鏡

103:偏振分束器(PBS)

104:SLM

107:柱面鏡，鏡面，反射面

109:柱面透鏡，柱面透鏡的組合，柱面光學折射元件

110:柱面透鏡，透鏡，柱面光學折射元件

111:矩形像素

112:較短像素

113:楔形物

113A,113B:表面

114,116:柱面光學折射元件

115:折射部件

200:照明系統

500:反射波導端

501:光學元件

512:小平面

515:2D圖像源

702:透鏡

704:投影光學器件

902:楔形棱鏡

904:光程差

1112:發射區域

α,θ,Φ:角度

a1,a2:入射角

D,D1,D2,D3:寬度

f1,f2:焦距

n1,n2,n3:折射率

在本文中，僅以舉例的方式參照圖式對本發明進行描述，在圖式中：

圖1至圖2示出了已知顯示器的實施方式；

圖3A至圖3C示出了說明已知系統的操作的原理的示意性表示；

圖4A至圖4B示出了已知系統中存在的一種類型的圖像像差的示意性表示；

圖5A至圖5B示出了已知系統中存在的另一種類型的圖像像差的示意性表示；

圖6A至圖6C示出了已知系統中存在的另一種類型的圖像像差的示意性表示；

圖7A至圖7C示出了光從柱面鏡反射的示意性表示；

圖8示出了圖像像差問題的解決方案示意性表示；

圖9A至圖9C示出了光從柱面鏡反射的示意性表示；

圖10A至圖10C示出了具有兩個鏡的系統的示意性表示；

圖11A至圖11C示出了波導系統的實施方式的示意性表示；

圖12A至圖12B示出了包括偏振控制元件的波導系統的實施方式的示意性表示；

圖13A至圖13B示出了根據波導系統的實施方式的對重影(ghost)光線的阻擋；

圖14A至圖14B示出了包括混合器的波導系統的實施方式的示意性表示；

圖15A至圖15C示出了包括分束鏡的波導系統的實施方式的示意性表示；

圖16示出了圖15A至圖15C所示系統的變型，該變型包括偏振控制元件；

圖17示出了圖15A至圖15C所示的系統的另一個變型，其包括折射柱面元件；

圖18示出了包括衍射元件的波導系統的實施方式的示意性表示；

圖19示出了包括第二波導的波導系統的實施方式的示意性表示；

圖20A至圖20C示出了包括光學擴展量擴展器的波導系統的實施方式的示意性表示；

圖21A示出了落在微透鏡陣列上的具有小數值孔徑的會聚光束；

圖22A至圖22B示出了偏振選擇性光學擴展量擴展器的各種實施方式；

圖23A至圖23C示出了在POD中具有聚焦元件的波導系統的實施方式的示意性表示；

圖24A至圖24B示出了根據各種實施方式的光闌的位置；

圖25A至圖25B示出了在POD中包括雙椎鏡的波導系統的實施方式的示意性表示；

圖26A至圖26B示出了圖25A至圖25B所示的包括光學擴展量擴展器的系統的實施方式的示意性表示；

圖27示出了具有大POD孔徑的波導系統的實施方式的示意性表示；

圖28示出了在POD中包括柱面光學表面的波導系統的實施方式的示意性表示；

圖29A至圖29B示出了根據圖28所示系統的實施方式的混合器和蓋板；

圖30A至圖30B示出了POD中各部件的替選佈置；

圖31示出了圖28的包括附加的柱面透鏡的系統的實施方式的示意性表示；

圖32示出了圖像源的習知像素佈置；

圖33示出了圖像源的新像素佈置；

圖34示出了說明隨著入射角的增大，圖像像差的定性行為的一系列曲線圖；

圖35A至圖35B示出了說明穿過平面折射介面的分散光束的一系列的光線曲線圖；

圖36A至圖36B示出了說明穿過楔形棱鏡的發散光束的一系列光線曲線圖；

圖37A示出了說明由楔形棱鏡引起的相對於柱面鏡的最大y像差的曲線圖；

圖37B示出了說明不同FOVs的最大像差的一系列曲線圖；

圖38A至圖38B示出了包括楔形棱鏡的波導系統的實施方式的示意性表示；

圖39A示出了在POD中包括附加光學元件的波導系統的實施方式的示意性表示；以及

圖39B示出了在POD中包括折射部件的波導系統的實施方式的示意性表示。

術語“顯示器”在本文中用於描述任何類型的顯示器，包括但不限於平視顯示器和近眼顯示器，無論是用於虛擬實境還是增強現實應用。“顯示器”在本文中與“波導系統”互換使用。

術語“圖像生成器”在本文中用於指代用於生成圖像的任何元件或裝置，包括但不限於空間光調變器(spatial light modulator，SLM)，例如矽基液晶(liquid-crystal on silicon，LCOS)晶片、微型LED顯示器以及其中掃描光束與其掃描運動同步調變以生成圖像的各種掃描佈置。

術語“基板”在本文中與“波導”互換使用，以指代具有相互平行的第一主外表面和第二主外表面的任何光傳導結構，光通過主表面處的內反射沿該光傳導結構傳播。光被稱為沿“平面內方向”傳播，該平面內方向是在垂直於波導觀看時光傳播的方向，即忽略主表面處的上下內反射。短語“平面內”用於指代平行於基板的主外表面的方向。

本文在說明書和申請專利範圍中使用短語“具有柱面光功率”以指代在兩個軸上具有不相等的光功率的任何光學元件或佈置，這樣的元件也被稱為“散光”。在這種情況下，具有較高光功率的軸被稱為“有效柱面軸”。如果元件或佈置沿一個軸具有光功率而沿垂直軸不具有光功率(或可忽略不計)，則該元件或佈置被稱為“僅具有柱面光功率”。這樣的元件也被稱為“柱面透鏡”，儘管該透鏡的形狀不一定是幾何圓柱體的一部分，而可能採用沿波導表面的法線方向掃過圓、圓錐曲線或更複雜的曲線所形成的表面。

短語“光學上平行”用於指代在物理上是平行的或者在光學上等同於平行軸的光學系統的軸。在某些實施方式中，出於緊湊性或其他設計考慮，可以通過使用一個或更多個反射元件來折疊光路。在這種情況下，“光學上平行”指的是，如果光路被展開將是平行的軸。

本文中提到的所有“透鏡”，除非另有規定，否則可以是具有光功率的折射透鏡、反射透鏡、衍射光學元件(例如基於布拉格光柵)或者上述的任 何組合。單個術語“透鏡”應理解為包括作為透鏡組佈置的多個透鏡。

本發明的各種實施方式指代在垂直於基板(的第一主外表面)的平面內準直並且在平行於基板的平面內非準直的圖像照明。在平面內圖像照明會聚的情況下，可以參考平面內的光線聚焦的“焦點軌跡(focal locus)”。這也可稱為“焦表面”或“焦平面”。然而，它不一定是平坦的，並且不是普通意義上的“焦平面”，因為照明不是在垂直平面內聚焦，這樣就不會生成真實的圖像。然而，焦點軌跡確實表示給定像素的平面內光線會聚到的位置(表面或平面)。

在本文中使用短語“光學擴展量光學擴展器”和“光學擴展量擴展器”來指代增大光束的光學擴展量(空間擴展)的任何結構。本發明的特別優選的示例採用了對垂直於基板的平面內的圖像照明圖案的影響最小的特定取向的擴展器。

如本文所使用的，術語“中間光學佈置”指代配置成產生校正光學像差的散光光學元件或者包括至少一個散光光學元件並且共同配置成產生校正光學像差的光學元件的任何組合，可選擇地與特定實施方式所需的附加光學特性相結合。被描述為“中間”，其含義在於，該“中間光學佈置”位於圖像生成器與反射光學佈置之間的光路中，但是“中間光學佈置”可以在該光路中的任何地方，無論是作為圖像投影儀的一部分還是與基板集成在一起，如下面將舉例說明的那樣。

如上文中的背景部分所述，使用波導系統進行二維圖像擴展的習知解決方案存在各種類型的圖像像差，導致圖像品質差。現在將參照圖3A至圖7C來更詳細地描述這些像差，圖3A至圖7C示出了與習知技術系統相關聯的各種問題。

圖3A至圖3C示意性地示出了諸如US 2019/0033598 A1的波導的一般操作。如圖3A所示，由透鏡702將光聚焦在波導700的平面內，透鏡702被集成在投影光學器件704中。柱面鏡706對光線進行準直，並且在眼動盒(Eye Motion Box，EMB)(未示出)處完成光瞳成像。使用佈置在波導的光提取區域708內的光學光提取元件如小平面(或其他光學元件)提取圖像。如圖3B所示，光瞳成像放大率和FOV分別由透鏡702和透鏡706的焦距f1和焦距f2限定。應當注意的是，在該系統中，透鏡702相對於波導的平面呈一定角度 的定向，如示出系統的側視圖的圖3C所示。

問題#1：從柱面鏡反射時由FOV的光程差導致的像差。

現在參照示出波導系統內的光路的YZ平面和ZX平面的示意性表示的圖4A至圖4B，考慮分別與FOV中不同的相應點相關聯的兩條光線800、802。由於光線相應的入射角a1與a2的不同，光線在波導平面內的路徑是不同的。如圖4B所示，光線800與光線802在注入波導之前具有相同的會聚，但在波導內部，光線會聚到不同的焦點。因此，雖然FOV1的光束從柱面鏡反射後可以準直，但是FOV2的光束從柱面鏡反射後會發散，在所感知的圖像中導致像差。

問題2：由於光到波導中的注入引起的光程差導致的像差。

現在參照示出波導系統內的光路的示意性表示的圖5A至圖5B，考慮使用楔形棱鏡902將光束注入波導900。該光束在YZ平面內準直，並且在與YZ平面正交的方向上會聚。如圖5A所示，光線被注入波導後將具有光程差904。如圖5B所示，光程差904將導致圖像像差，因為沿楔形棱鏡通過不同點注入的光線將會聚到波導平面內的不同焦點。

問題3：由從柱面鏡反射後的非平行光線引起的像差。

其他圖像像差是由波導端部處的柱面鏡引起的，由此原本在與波導平面正交的方向上平行的光線在從柱面鏡反射後變得不平行。

作為背景，圖6A至圖6C示出了光從柱面鏡1001反射的示意性表示。在YZ平面內準直並且在正交方向上會聚的光束被引至平行於y軸定向的柱面鏡1001。注意，XZ平面與鏡面正交。從鏡反射後，光束在YZ平面內不再平行。這從圖6B和圖6C中可以明顯看出，圖6B和圖6C示出了放置在鏡之後的理想透鏡的焦平面內的光線扇。該光線扇表現出典型的彗形像差形狀。應注意的是，這種類型的像差不能通過優化柱面鏡的形狀來校正，例如不能通過使其具有圓錐形或更複雜的形狀來校正。

柱面鏡的像差可以參照圖7A至圖7C來進一步理解，圖7A至圖7C示出了從柱面鏡反射的光光線的示意性表示。如圖7A至圖7B所示，平行的光線R1和光線R2相對於與鏡面正交的平面(即XZ平面)以角度α入射在柱面鏡上。在光線R1與鏡面相交的點O處，鏡面法向於z軸。因此，光線R1 的反射角與其入射角相同。光線R2在反射後繞y軸旋轉了角度θ。因此，反射後，光線R1與光線R2在YZ平面內不平行，如圖7C所示。

除了上述問題之外，包括US 2014/0036361和/或US 2019/0033598在內的一些習知技術的系統還存在各種其他缺點。例如，這些系統中的一些需要在z方向上相對小的EMB。增大EMB將需要降低投影光學器件的F#("f數")，這使得投影光學器件的設計變得複雜。

在US 2019/0033598 A1中描述的佈置的另一個缺點是，兩個波導之間的光耦合導致波導孔徑的不完全填充，從而導致觀看圖像中的暗條紋。下面參照圖7至圖11對這一現象進行更詳細的說明。

本文中描述的基於波導的近眼顯示系統(在本文中也稱為“波導系統”)相對於習知系統的改進在於：提供增強的圖像品質(例如更高的可實現的解析度、不存在黑線等)，同時保持緊湊的設計。在一些實施方式中，正如下面將詳細說明的那樣，使用光學擴展量擴展器來實現更緊湊的尺寸和更簡單的投影光學設計，同時實現大的EMB尺寸。在一些實施方式中，使用附加部件來管理波導內的光的偏振狀態，從而在單個波導中實現2D成像。

提出的波導系統的一般實施方式

作為對本文詳述的概念的介紹，圖8示出了解決上述問題的方案的示意性表示。一般地，發明人發現，在與柱面鏡(“透鏡5”)相對的波導端處將散光聚焦元件4(“透鏡4”)引入波導2是有益的。透鏡4可以被實現為反射式或折射式的柱面光學元件。如圖8所示，透鏡4使從投影光學單元1(“POD 1”)射出的光線(如箭頭所示)在波導的平面內彎曲。光線彎曲對於所有場都是相同的，因此從透鏡5反射後，在波導平面內沒有引起光程差。波導2還包括具有一個或更多個光學元件(例如這裡示出為小平面)的光提取區域3，用於從波導向EMB(未示出)提取光。

集成的透鏡4還通過使光線會聚在同一焦點處來解決上述參照圖5A至圖5B所確定的第二個問題，因為在光線被耦入波導內後實現了波導平面中光線的聚焦。

此外，透鏡4解決了上述參照圖7A至圖7C確定的第三個問題，因為透鏡4充當波導中的第二鏡元件從而引入了與透鏡5引起的像差相似但符 號相反的圖像像差，從而補償了透鏡5導致的像差。

為了進一步說明該原理，考慮平行光束傳播到柱面鏡上，如圖9A至圖9B所示。從鏡反射後的光束的像差如圖9C所示。該像差與上面圖6C所示的像差相似，但符號相反。如圖10A至圖10B所示，在具有兩個鏡的系統中，在從第二鏡面反射後可以實現平行光束。因此，這樣的波導中的兩個柱面鏡的系統可以將在波導內傳播的輸入平行光束轉換為不同的平行光束。如圖10C所示，在從兩個鏡面反射後仍存在的任何所得像差將非常小，在大多數情況下可以忽略不計。應注意的是，兩個柱面鏡中的至少一個可以用柱面透鏡代替，這也將導致像差的相互補償。

一般來說，如果波導中的2D成像系統將在波導中傳播的準直光束轉換成在波導平面內準直的不同光束，則這個新的光束在與波導平面正交的平面內也是準直的。因此，這樣的2D成像系統補償由柱面光學器件引起的與波導平面正交的方向上的像差。

因此，目前公開的主題相對於習知技術在以下幾個方面中有所改進：

i)圖像在垂直於波導平面的方向上完全充滿了波導孔徑，從而總體上改進了整個圖像，特別是使得在觀看到的圖像中看不到黑線；

ii)由波導端部處的柱面鏡引起的像差得到補償，從而能夠獲得具有足夠圖像品質的更高解析度的圖像；

iii)如下文所詳述，實施方式包括在圖像源中具有增強的像素佈局的系統，與習知技術相比，該系統能夠實現更高的圖像解析度和更小的圖像源和投影光學器件尺寸；以及

iv)由柱面鏡對外界物體的反射所引起的重影圖像的強度降低，這將在下面說明。

在描述了一般概念之後，圖11A至圖11C更詳細地示出了波導系統的實施方式的示意性表示。現在參照圖11A，示出的波導系統包括圖像生成器，該圖像生成器被包括在投影光學模組1(在下文中簡稱“POD 1”)內。圖像生成器提供與圖像對應的圖像照明。POD 1與波導2光學耦合，並且提供與圖像對應的用於注入到波導中的圖像照明。

波導2還包括中間光學佈置，該中間光學佈置被配置成用於引導來自所述圖像生成器的圖像照明，以通過來自波導的主外表面的內反射在波導內沿第一平面內方向傳播。該中間光學佈置在垂直於波導的主外表面的平面內提供準直圖像照明，並且在平行於主外表面的平面內提供非準直圖像照明。在圖11A至圖11C中，波導的主平行外表面與紙的平面平行。在圖11A至圖11B中，中間光學佈置被實現為散光光學元件4(在本文中稱為“透鏡4”)。

波導2還包括具有柱面光功率的集成反射光學佈置5(在下文中稱為“透鏡5”)，該透鏡5用於反射至少一部分圖像照明，以通過來自主外表面的內反射沿平面內方向傳播。從透鏡5反射後的圖像照明是準直圖像照明，該圖像照明既在垂直於波導主外表面的平面內準直，又在平行於波導主外表面的平面內準直。

透鏡5引起特徵像差，而透鏡4引起校正像差以至少部分抵消與透鏡5產生的特徵像差。

在一些實施方式中，如圖11A至圖11C所示，透鏡5可以與波導的邊緣集成在一起，並且具有垂直於波導的主外表面的柱面軸。在一些實施方式中，透鏡5可以是與波導集成在一起的具有柱面功率的衍射光學元件或者包括該衍射光學元件。

在一些實施方式中，透鏡5可以在與圖像照明1對應的角度範圍內具有高反射率，並且在該範圍外的角度下具有低反射率(被透射或吸收)。這樣，透鏡5將只反射由POD發射的光，這些光在波導中通過全內反射傳播。來自外界物體(例如，太陽)的光將以低反射率範圍的角度落在透鏡5上。因此，由外界物體引起的任何可能的重影圖像的強度將被降低。這種取決於入射角的反射率可以使用例如多層塗覆技術來實現。另一種潛在的合適技術是體積布拉格(Bragg)光柵，其僅在相對狹窄的角度範圍內具有高衍射效率。

在一些實施方式中，如圖11A至圖11C所示，透鏡4被配置成使得在波導內傳播的圖像照明在平行於波導的主外表面的平面內會聚，以向波導內的焦點軌跡會聚，然後在到達透鏡5之前發散。在一些實施方式中，透鏡4具有與透鏡5的柱面軸光學平行的柱面光功率的有效軸。

波導2還包括耦出佈置3，用於將準直圖像照明的至少一部分向 觀看者的眼睛耦出。在本文中，以舉例方式將耦出佈置示出為一組相互平行的部分反射小平面，這些小平面相對於波導的主平行外表面是非平行的(即成角度的)。為了簡潔起見，在本文中將耦出佈置替選地稱為光提取區域3或小平面3，但是其他類型的耦出佈置(例如衍射元件)也是可以的並且被包括在本發明的範圍內。

圖11B示出了其中透鏡4被集成到POD 1中的替選實施方式。在這種情況下，為了實現良好的圖像品質，與透鏡4的光學表面正交的平面應當同與透鏡5的光學表面正交的平面平行(考慮到在POD內可能使用折疊鏡)。

圖11C示出了另一個替選的實施方式，在該實施方式中，特別配置的POD 1包括長形的SLM，該SLM提供來自顯示器的每個像素的、在波導平面內發散的光束，這將參照下面的圖28至圖33更詳細地說明。該光束在從透鏡5反射後變得準直。然而，該實施方式的POD 1提供的光束在與波導正交的平面內不是準直的(如習知技術中的情況)。光束的形狀使得具有與透鏡5的像差大小相等但符號相反的像差。這樣，從透鏡5反射的光束在波導平面和正交平面內都是準直的。

需要注意的是，波導2可以是單個波導，或者可以是具有兩個或更多個光學耦合波導的系統。

在描述了所公開的波導系統的一般實施方式和工作原理之後，現在將詳細描述眾多變型配置。

變型#1：具有偏振控制元件的波導系統。

投影光學器件的偏振輸出可以提供若干優點，例如去除某些類型的重影以及更高的系統效率。在這種情況下，偏振控制元件如偏振器和四分之一波片可以被集成在系統中以提供偏振管理。

圖12A至圖12B分別示出了波導系統的另一實施方式的俯視圖和側視圖的示意性表示。在該實施方式中，波導2包括集成的四分之一波片6和偏振器7。四分之一波片6可以例如使用附著到透鏡5表面的透明聚合物膜來實現。

假設在POD 1的輸出處的光相對於小平面的平面是p偏振的。在這種情況下，偏振器7應被配置成透射p偏振光，而光提取元件(例如小平 面3)應被配置成僅反射s偏振光。光線穿過波板6，從透鏡5反射，第二次穿過波板6，現在變成了s偏振光。針對s偏振反射率進行了優化的小平面3將光從波導中向EMB(未示出)反射。可以使用本領域公知的技術例如偏振分光塗層等，針對光的特定偏振狀態對小平面3或其他光提取元件的反射特性進行優化。

在一些實施方式中，可以對四分之一波片進行優化，以對給定入射角α1至α2的範圍內的光線(對應於波導中光線的入射角α1至α2的範圍)提供相等的相移，其中，0<α1<α2。

在一些實施方式中，如圖12B所示，偏振器8可以結合到波導的主外表面。在這種情況下，偏振器應該優選地完全覆蓋至少波導的光提取區域(在圖12B中表示為小平面3)。偏振器阻擋與從POD 1輸出的光具有相同偏振狀態的光。因此，如果POD輸出為p偏振的，則偏振器8應被配置成阻擋p偏振光並且透射s偏振光。

注意，偏振器7(其透射與由POD發射的光具有相同偏振性的光)優選地位於波導的光提取區域(在這種情況下是小平面3)與透鏡4之間。這樣的偏振器可以有效地阻擋由透鏡5與透鏡4之間的多次反射產生的圖像“重影”。

現在參照圖13A至圖13B，包括偏振器8的實施方式可以有效地阻擋由前向傳播的p偏振光線9產生的重影光線10，同時仍然使後向傳播的s偏振光線12能夠朝向EMB(未示出)被提取。

本文參照圖12A至圖13B描述的偏振器也可以用於本文描述的其他波導系統。

變型#2：包括混合器的波導系統

在一些實施方式中，可能期望在與波導平面正交的方向上減小POD的孔徑，例如以減少光像差和/或使POD模組更緊湊。然而，這樣的孔徑減小可能會導致因為波導孔徑沒有完全充滿而使觀看到的圖像中出現黑線。

圖14A至圖14B分別示出了波導系統的另一實施方式的俯視圖和側視圖的示意性表示。波導2包括光學混合器14，在這種情況下被實現為平行於波導的主外表面的半反射面。混合器分割在波導中傳播的光束，並且將分割 的光束引導到未被POD填充的波導孔徑區域。

光學混合器14優選地被實現為非吸收表面，對於在波導內部傳播的光具有大約50%的反射率，對於從系統外部進入波導的光具有相對低的反射率，使得顯示透明度不會降低。混合器優選地位於透鏡4與光提取區域3之間。

應當注意的是，混合器的使用不限於這裡描述的任何具體系統，而是事實上也可以結合到本文描述的其他實施方式中。

變型3：雙鏡系統

圖15A至圖15C分別示出了波導系統的另一實施方式的俯視圖、側視圖和俯視透視圖的示意性表示。在該實施方式中，波導2包括分束鏡17。分束鏡17可以是偏振分束鏡(PBS)，該PBS在POD 1的輸出是偏振的情況下可以優化光耦合效率。光線15由圖像源16發射，並且傳播通過POD 1，POD 1針對FOV中的給定點輸出準直光束。光線15通過分束鏡17耦入波導。光線15通過波導向透鏡4(現在充當聚焦元件)傳播。從透鏡4反射後，光線通過小平面3向透鏡5傳播(充當準直鏡)。從透鏡5反射後，光線沿相反方向通過波導傳播回來。小平面3將光線15攜帶的能量的一部分向EMB 18發射。

圖16示出了波導2的變型配置，該變型配置包括與如上文參照圖12A至圖14B所討論的四分之一波片6、四分之一波9和偏振器7相結合的PBS 17。

圖17示出了圖15的一般系統的另一個變型，該變型包括一個或更多個折射柱面元件20。折射柱面元件(“透鏡”)20可以用於校正雙鏡系統在波導平面內的像差。透鏡20優選地由具有與波導基板的折射率相比不同折射率的材料製成，並且可以具有凸形或凹形形狀。透鏡20也可以是由不同材料製成的兩個或更多個透鏡的組合。以類似的方式，透鏡4也可以與一個或更多個折射元件組合使用。

透鏡4和透鏡5以及任何折射元件可以具有圓柱體、掃錐體(沿波導平面的法線方向掃描2D圓錐曲線而獲得的形狀)或自由形式的2D形狀，以在系統中實現更好的圖像品質。菲涅爾(Fresnel)透鏡也可以與上述任何一種元件(即透鏡4、透鏡5或透鏡20)組合使用。

變型#4：衍射光學元件

圖18示出了波導系統的另一實施方式的示意性表示。在該實施方式中，使用衍射光學元件21和衍射光學元件22來實現波導平面內的2D成像。在這種情況下，衍射元件的功能與諸如透鏡的光學元件(包括鏡)的功能相似。在某些情況下，根據成像系統的特定設計，可以使用多於兩個的衍射元件。

可以理解的是，諸如示出的衍射光學元件21或衍射光學元件22的衍射元件不能在z方向上做得無限小，因此將在波導的平面內引起像差。為了補償這種像差，衍射元件的光功率優選地沿z軸是非均勻的。這種衍射元件可以實現為例如在波導的表面上有彎曲的溝槽的表面起伏衍射光柵。由於原則上波導在端部處不必是透明的，因此可以用反射塗層覆蓋光柵，並且可以使光柵的間距可以使得只存在0階和1階的衍射，因此可以使1階的衍射效率最大化。

另外，布拉格光柵可以用作高衍射效率的衍射光學元件21和衍射光學元件22。由於布拉格光柵顯示出高角度選擇性，因此可以使用多於一個的布拉格光柵來實現衍射光學元件21和衍射光學元件22中的每一個。替選地，偏振布拉格光柵可以被實現為衍射光學元件21和衍射光學元件22，並且只使用選定的偏振來進行成像。

變型#5：使用附加波導的投影光學器件孔徑擴展

圖19示出了波導系統的另一實施方式的示意性表示。在該實施方式中，POD 1可以與US 7,643,214中公開的類型的波導33相結合。如圖19所示，這種佈置可以用於在與波導2的平面平行的維度上擴展光學器件孔徑。這種佈置可以有利於增大x維度上的EMB(未示出)尺寸。

變型#6：光學擴展量擴展器

圖20A至圖20C示出了波導系統的另一實施方式的示意性表示。在該實施方式中，波導系統包括光學擴展量擴展器。該光學擴展量擴展器優選地在波導的焦點軌跡處與波導集成在一起。光學擴展量擴展器優選地被配置成在平行於波導的主外表面的平面內擴展圖像，而不在垂直於主外表面的平面內使圖像變寬。

參照圖11A至圖11B，注意光束在透鏡5處的寬度D2必須等於或大於EMB的寬度。D2與POD孔徑寬度D1之間的關係由等式1給出：

同時，系統的FOV(FOV of system，FOVs)與投影光學器件的FOV(FOV of projection optic，FOVo)之間的關係由等式2給出：

EMB和FOVs的寬度是固定參數。因此，假設D2等於EMB的寬度(“W_EMB”)，則投影光學器件FOV和孔徑寬度D1必須滿足的條件用等式3表達：

D1×FOVo=W _EMB ×FOVs (3)

因此，僅以增大投影光學器件的FOV為代價，可以使光學器件孔徑寬度比EMB的寬度更小。這限制了投影光學器件小型化的潛力，同時也使光學器件的設計具有挑戰性，因為大孔徑意味著投影光學器件的低F#。

在描述了這個問題之後，發明人提出了以下解決方案。從圖11A至圖11B中可以看出，透鏡4在波導內沿虛擬曲線25形成中間圖像。在圖20A中進一步說明了這一點，圖20A示出了在波導平面內聚焦到波導內一點的光束34。與不同FOVs對應的光束被聚焦到沿虛擬曲線25的點上。假設如圖20B所示，在平行於波導平面的一個維度中變換光的光學元件36(本文稱為“光學擴展量擴展器”)被放置在虛擬曲線25的位置處。光學擴展量擴展器36可以是一維擴散器、衍射光柵或柱面微透鏡陣列。光學擴展量擴展器36增大了在波導平面內落在光學擴展量擴展器上的光線錐的角度。換言之，光學擴展量擴展器增大了光束的數值孔徑(numerical aperture，NA)或者減少了系統在波導平面內的F#(“f數”)。這種光學功能在擴散器的情況下通過散射實現，在光柵的情況下通過衍射實現，在微透鏡陣列(micro-lens array，MLA)的情況下通過光功率實現，下面參照圖21A至圖21B詳細描述。

圖21A示出了從左邊落在MLA上的具有小數值孔徑(numerical aperture，NA)的會聚光束。與MLA左側的光束的NA相比，已穿過MLA並 且進一步向右傳播的光束的NA明顯更大。圖21B示出了穿過MLA的一個微透鏡的光線的放大圖。正如人們所看到的那樣，為了實現光束的NA的增大，應將MLA放置在略微偏離會聚光束焦點的位置。如果將這樣的MLA用作光學擴展量擴展器36，則每個微透鏡成為投射在使用者眼中的圖像的像素。因此，微透鏡優選地應足夠小，使得微透鏡在所產生的圖像中不被分辨出來。

為簡單起見，假設使用衍射光柵作為光學擴展量擴展器。在這種情況下，圖20A中的光束34中的每條光線都會產生幾條衍射光線。原始光束34中的所有光線和各自的衍射光線形成具有較大的角度發散的光束37。因此，可以使從透鏡5反射後的光束的寬度D3與沒有擴散器、衍射光柵或MLA的系統中的寬度D2相比，明顯增大。重要的是，如圖20C所示，衍射光束37中的能量的角度分佈是均勻的。非均勻的能量分佈可能導致系統使用者觀看到的非均勻圖像和EMB上圖像亮度的變化。此外，光束的發散度不應過大，以避免產生雜散光。

應注意，所述的光學擴展量擴展的方法不犧牲系統的FOV，並且有可能使POD的孔徑如衍射限制所允許的那麼小。

還應注意，當使用擴射器或光柵來實現光學擴展量擴展器36時，光學擴展量擴展器36在某些情況下可能對顯示系統的觀看者可見。在這種情況下，可能希望使用偏振敏感的光柵或擴散器，於是可以使觀看者看不見光學擴展量擴展器36。

例如，假設圖20A至圖20C所示的系統包括類似於圖12A至圖13B所示的偏振控制元件。還假設POD輸出相對於小平面的平面是p偏振的，並且偏振器8(圖12A至圖13B)透射s偏振。因此，如果擴散器或光柵光學擴展量擴展器36只擴散或衍射p偏振光，則觀看者將看不到擴散器或光柵。這樣的偏振敏感光柵(或擴射器)例如可以用偏振布拉格光柵(或其組合)或者圖22A所示的結構製成，圖22A所示的結構由兩個匹配的部分28和部分29組成。部分29是光學透明的均質材料，並且部分28由單軸雙折射材料例如液晶製成。部分28和部分29的折射率應當匹配s偏振，而對於p偏振應不同(相對於小平面)。當以這種方式實現時，光柵衍射p偏振光，而不影響s偏振光。同樣的偏振敏感機制也適用於偏振敏感擴散器。替選地，如圖22B所示，柱面微透鏡 陣列可以用於折射p偏振光，同時對s偏振光沒有影響。

變型#7：具有集成聚焦元件與可選的雙錐鏡的POD。

圖23A至圖31示出了波導系統的另一實施方式的示意性表示。在該實施方式中，透鏡4被集成到POD中，使得注入波導的光束已經在波導平面內聚焦，這可以降低波導的製造成本。

作為上下文，圖23A示出了其中透鏡4和透鏡5被集成在波導中的波導的等距視圖(類似於圖15C)。圖23B和圖23C示出了四個不同FOVs的系統中的展開光路徑。圖23B示出了光闌孔徑40(“光闌”)，該光闌可以與POD的輸出孔相一致，或者可以與波導中的虛面或實面或者光輸入楔形物的平面相吻合。另外，x方向和y方向上的光闌不一定吻合。

圖24A示出了其中光闌40位於透鏡4與透鏡5之間的系統。系統中包括光闌和透鏡5的部分可以被折疊並且集成在波導中，使得光闌40的平面位於波導的端部處。系統中包括透鏡4的部分可以被集成在POD 1中，使得POD的出口孔徑與光闌40相吻合。光路徑可以被進一步折疊在POD內。然而，光線在透鏡4上的入射角不應因為這種折疊而改變。否則將出現由透鏡5的柱面光功率引起的像差，如圖6、圖7和圖11所示。

圖24B示出了圖24A所示系統的替選實施方式，在該實施方式中，POD 1包括光學器件模組41，其向透鏡4輸出準直光束。

應注意的是，光闌40作為沿y軸的光闌工作，因為它與波導入口相吻合。限制x軸方向上的光線的孔徑可以位於光闌40處或者也可以位於其他地方。

在一些實施方式中，POD可以包括用於使光學像差最小化的附加光學元件，例如由相同或不同光學材料製成的柱面、雙錐面、球面、非球面或自由形式透鏡或鏡。

圖25A至圖25B分別示出了系統的俯視圖和側視圖，在該系統中，透鏡4被實現為POD 1內的雙錐鏡。圖25A至圖25B的系統包括具有偏振器的顯示器32，該顯示器32的每個像素通過PBS 33向透鏡4發射偏振光。透鏡4與四分之一波片結合，使得反射光的偏振旋轉90度。透鏡4反射的光隨後被PBS 33反射，並且通過波導邊緣處的光闌40注入波導。

應當注意的是，圖25A至圖25B中所示的POD並沒有填充波導孔徑(在垂直於波導的平面內)。因此，使用光學混合器14來填充波導孔徑。

圖26A至圖26B分別示出了類似於圖25A至圖25B的系統的俯視圖和側視圖，該系統現在包括光學擴展量擴展器36，該光學擴展量擴展器36使得波導的平面內的投影光學器件孔徑(沿x軸)減小。

在一些實施方式中，圖25A至圖26B的系統還可以包括偏振控制元件，例如偏振器和四分之一波片，如上文參照圖12A至圖13B所述。

還應注意的是，如圖27所示，POD孔徑可以大於沿y軸的波導厚度。在這種情況下，波導在耦入端更厚，以提供更大的入口孔徑44。在某些情況下，代替混合器或除混合器之外，可以使用大孔徑。

變型#8：在投影模組中具有柱面光學表面的光學系統。

圖28至圖33示出了波導系統的另一實施方式的示意性表示，在該實施方式中，中間光學佈置被集成在POD中。在該實施方式中，波導系統包括POD中的柱面光學表面。現在參照圖28，圖28示出了根據本實施方式的系統的俯視圖的示意性表示，POD 1與波導2光學耦合。波導2包括一個或更多個光提取元件3(示出為多個部分反射小平面)。波導還包括具有焦距f2的透鏡5。現在參照圖29A，圖29A示出了根據本實施方式的系統的側視圖的示意性表示，POD 1包括定位在透鏡5的焦平面內的圖像源104。由圖像源的像素發射的光束35通過準直光學器件(圖28中未示出)在與波導正交的平面內被準直。光束通過波導2向透鏡5傳播。從透鏡5反射後，光在波導的平面內變得準直，通過波導傳播回來，並且由小平面導向EMB(未示出)。

請注意，在離開POD 1時，光束35在波導平面內的發散是由透鏡5的焦距和EMB的所需寬度D限定的：

角度Φ越大，在光束孔徑的邊緣處由柱面鏡5引起的光線的光學像差越大。因此，EMB越大，使用者在使用者的光瞳處於EMB的邊緣時看到的圖像品質越差。圖像源角度孔徑不應明顯超過由等式(4)給出的值，否則， 一部分光將被引導到EMB之外，這將導致系統的能量效率降低。

圖像源104可以是例如微型LED顯示器、SLM等。針對圖28，假設圖像源104是SLM。POD 1包括照明系統200以及棱鏡102、棱鏡105，棱鏡102和棱鏡105中夾有PBS 103。POD 1還包括SLM(例如LCOS等)104、四分之一波片106和柱面鏡107。來自照明系統200的偏振光進入棱鏡102並且由PBS 103向SLM 104反射。由SLM 104反射的調變光具有90度旋轉的偏振狀態，因此光通過PBS 103被朝向柱面鏡107引導至棱鏡105。棱鏡105與鏡面107之間的四分之一波片106將由柱面鏡107反射的光的偏振旋轉90度。反射光重新進入棱鏡105，並且被PBS 103朝向波導2反射。

圖像源104優選地是長形的SLM，該SLM的長度是其寬度的至少五(5)倍，並且被佈置成其長度平行於波導的主外表面對準。優選地，SLM具有矩形的有效像素區域，該有效像素區域具有平行於SLM的長度的第一像素間距，以及平行於SLM的寬度的、小於第一像素間距的第二像素間距，這將在下文中詳細說明。優選地，SLM的每個物理像素元素小於第一像素間距並且大於第二像素間距，多個物理像素元素在每個第一像素間距內交錯佈置，下文將進一步詳述。

在一些實施方式中，柱面鏡107和透鏡5可以具有柱面形狀、非球面形狀或自由形式的形狀或者上述的任意組合。

在一些實施方式中，可以使POD 1在y方向上的孔徑比填充波導2的入口孔徑所需的孔徑尺寸小。在這種情況下，為了完全填充波導孔徑，可以如前所述使用光學混合器14。

在一些實施方式中，如圖29A至圖29B所示，混合器可以位於POD與光提取元件3(這裡示出為小平面)之間，而小平面位於混合器與透鏡5之間。在另一實施方式中，混合器可以位於透鏡5與小平面之間，而小平面位於POD與混合器之間。

在另一些實施方式中，系統可以包括兩個混合器(未示出)，其中的一個混合器位於POD與小平面之間，而另一個混合器位於透鏡5與小平面之間，使得小平面位於兩個混合器之間。

在一些實施方式中，為了防止波導中的向後反射的光引起的圖像 重影，可以在棱鏡105與波導之間的波導孔徑處使用偏振器108，並且在透鏡5的前面放置四分之一波片106。這樣，向後反射的光的偏振會旋轉90度，並且被偏振器108阻擋。這樣的偏振旋轉也有利於針對前文所述的所選擇的偏振光優化小平面的反射率。

在一些實施方式中，如圖29A所示，波導可以包括結合到平行外表面的蓋板46。在這種情況下，偏振器可以(以類似於圖12A和13B中所示的方式)被實現在蓋板46的前面。在離顯示系統的使用者最遠(圖29A中波導2的左側)的蓋板46前面的偏振器可以阻擋由小平面3射出的遠離使用者導引的光。最靠近使用者(圖29A中波導2的右側)的蓋板46前面的偏振器可以阻擋由相對的蓋板46(即圖29A中波導左側的蓋板)的表面向使用者反射的重影光。

圖30A至圖30B示出了上述部件在POD 1內的各種替選佈置。光的路徑由實心箭頭所示。

圖31示出了POD 1的另一實施方式，在該實施方式中，附加的柱面透鏡109(或柱面透鏡的組合，如消色差柱面雙透鏡)和柱面透鏡(或透鏡)110用於改進圖像品質。

應當注意的是，在圖28至圖31中，透鏡5的焦距f2與POD 1中的準直光學器件(即圖29A、圖30A和圖30B中的柱面鏡107，或者圖31中與柱面元件109和柱面元件110組合的柱面鏡107)的焦距f1相比要大得多。

眼睛在x維度和y維度上的角度解析度(dx，dy)分別被轉換為圖像源平面內的可分辨像素的尺寸：

dx=f2×δθ/n2 dy=f1×δθ/n1 (5)

在式(5)中，n1指代POD1的材料的折射率，而n2指代波導2的材料的折射率。由式(5)可知，圖像源平面內的可分辨光斑為矩形，其中dx>>dy(即dx顯著大於dy)。圖32示出了由於dx和dy的空間解析度不同，使用矩形像素111的諸如SLM或微LED顯示器的圖像源的像素佈置。在習知技術中已 經描述了矩形像素，但是像素尺寸和眼睛的解析度之間的聯繫尚未建立。

從圖28和圖31可以看出，焦距f1限定了POD的最小可能尺寸。因此，根據式(5)，更緊湊的POD需要更小的焦距f1，因此需要更小的像素間距。然而，最小的像素間距受限於目前的顯示器製造技術，目前僅限於3微米左右。由式(5)可以估計出最小可能的焦距f1約為15mm(假設眼睛的解析度為1弧分)。

圖33示出了可以用於SLM 104(或者在一些實施方式中用於微型LED顯示器)的新像素佈置，該佈置通過使用以階梯狀圖案交錯佈置的較短像素112來利用dx和dy的不同空間解析度的優勢。可以使相鄰像素中心之間的y距離(y間距)比像素尺寸py小得多。也可以使像素在y方向的發射區域1112比py小。因此，y方向上的解析度將比py高。另一方面，只要幾個相鄰像素在x方向上佔據不大於dx的距離，它們就不會被眼睛分辨出來。

假設圖33中所示的像素佈置可以支援小至一(1)微米的y間距，則現在最小的焦距f1可以小至5mm左右，從而可以實現非常緊湊的POD。

應注意的是，上述基於柱面光學器件的系統可能會有強烈的失真。然而，這可以通過顯示器(SLM或LCOS)控制鏈中的影像處理演算法來彌補。影像處理演算法還可以用來補償色差。

變型#9：補償柱面鏡的像差的光學系統

圖34至圖39B示出了波導系統的另一實施方式的示意性表示。在該實施方式中，波導系統包括一個或更多個附加部件，以補償由柱面鏡引起的像差。

通過介紹，上面描述和圖28至圖31所示的系統在大FOV和EMB的情況下可能具有不良圖像品質的問題。考慮如圖7A至圖7C所示的光入射角α，隨著角度α的增大或者光束在XZ平面內變寬，由透鏡5引起的像差變得更大。圖34示出了一系列曲線圖，這些曲線圖示出了隨著角度α的增大，根據沿x軸的位置(“px”，或光瞳中的x座標)的、表示為“ey”的該像差的定性行為。

現在參照圖35A至圖35B，示出上述問題，考慮在YZ平面內平行並且在XZ平面內發散的光束以β角入射在一個平坦折射介面上，如圖39B 所示。該光束由兩條光線R1和R2表示。圖35A至圖35B假設在折射率為n1與n2的介質之間的介面，其中n2>n1。在折射後，光束在YZ平面內不再平行。角度β越大，折射後光束在y方向引起的像差越大。此外，n1與n2之間的差越大，像差也越大。

圖36A至圖36B展示了當在圖35A與圖35B的介質之間引入楔形棱鏡時的上述行為。在這種情況下，在YZ平面中平行並且在XZ平面內發散的光束傳播通過包括中心楔形棱鏡的三個介質，所述三個介質分別具有折射率n1、n2、n3，其中n2小於n1和n3二者。圖36B所示的折射率為n2的楔形介質引起類似折射介面的像差。楔形角γ越大，或者n1與n2之間以及n3與n2之間的差越大，楔形物在y方向上引起的像差就越大。

然而，應注意的是，適用於可見光譜範圍的可用光學玻璃的最大折射率差約為0.5，這對於圖35A至圖35B所示的折射介面來說太小了，不足以產生大到足以平衡由本文所公開的波導系統中的柱面鏡如透鏡5所引起的像差。一個可能的解決方案是增大入射角β，從而增大y方向上的像差。然而，高入射角可能導致光束中附加的非理想的像差。

另一方面，如果使用空氣而不是楔形棱鏡作為介質，則空氣可以實現高折射率差和大的y像差。這種像差的大小弱依賴於入射角β。楔形物引起的最大y像差在圖37A中用虛線定性地示出。相反，柱面鏡的像差對入射角有很強的依賴性，如圖37A中用實線所示。因此，如果使用楔形物來補償中心FOV的如圖37B中所示的α=A2的像差，則邊緣FOVs A1和邊緣FOVs A3的像差將大致相等且符號相反。

因此，如圖36A至圖36B所示的楔形元件可以將柱面鏡的像差減少約2倍。圖38A至圖38B示意性地示出了波導系統的實施方式的側視圖和俯視圖，該波導系統包括位於POD 1與波導2之間的楔形物113。楔形物113將來自POD的光耦入波導。在這種情況下，波導孔徑光闌應當位於楔形物113的後面。類似於上面參照圖12A至圖13B以及圖29A至圖29B描述的系統，該系統還可以包括偏振器和四分之一波片。楔形物113的表面113A和113B可以可選地在一個維度或二個維度上具有光學功率，以補償POD 1的光學器件像差並且獲得更好的圖像品質。

在屬於不同FOVs的光束被分離並且每個這樣的光束以不同的角度γ穿過楔形物的系統中，有可能在每個光束中引起不同的y像差，從而完美地補償柱面鏡在完整FOV上的像差。屬於不同FOVs的光束的分離發生在POD內部。因此，可以使用POD內的折射光學元件來實現像差補償。

因此，圖39A示出了以下系統，其中POD 1包括由偏振分束器103分離的棱鏡102和棱鏡105、四分之一波片(quarter waveplate，QWP)106以及柱面光學折射元件109、柱面光學折射元件110、柱面光學折射元件114和柱面光學折射元件116。QWP 106可以位於棱鏡105與柱面光學折射元件109之間，或者可以位於柱面光學折射元件114內部。柱面光學折射元件114具有反射面107。柱面光學折射元件109與柱面光學折射元件114之間的間隙用空氣或折射率與柱面光學折射元件109和柱面光學折射元件114的折射率不同的材料填充。在後一種情況下，柱面光學折射元件109和柱面光學折射元件114將形成一組膠合透鏡。柱面光學折射元件109、柱面光學折射元件110、柱面光學折射元件114和柱面光學折射元件116可以包括膠合玻璃元件，或者可以包括由空氣隔開的元件。

在一個實施方式中，柱面光學元件09、柱面光學元件110、柱面光學元件114和柱面光學元件116中的部分或全部可以使用體積布拉格衍射透鏡來實現。體積布拉格光柵能夠使所有的衍射能量被引導到單個衍射階中，並且這種光柵的衍射效率對波長非常敏感。這就是為什麼傳統的反射或折射介面可以被三個體積布拉格光柵的組合所取代，每個體積布拉格光柵針對光譜中的藍色、紅色和白色分量進行優化。

在圖39A所示的系統中，折射介面有效地作用為楔形物，該楔形物針對不同FOVs例如從圖像源104發射的屬於FOV A和FOV B的光線，具有不同角度γ。柱面光學元件109、柱面光學元件110、柱面光學元件114和柱面光學元件116的折射介面在一些實施方式中可以具有柱面、非球面或自由形式形狀，或者形狀類型的任意組合。圖43A中所示的折射部件的數目和形狀只是本文所述系統的非限制性示例。

在一些實施方式中，POD 1提供在x方向上發散的光束，並且在y方向上包括與透鏡5(圖28)相反的引入像差。替選地，如圖39B所示，POD 可以僅包括折射部件115並且產生相同的所需像差。

應注意的是，POD中具有光功率的部件(即部件107、部件114、部件109、部件110和折射部件115)基本上是柱狀的，這意味著它們在X方向上不具有光功率。然而，原則上，這些部件事實上可以在x方向上具有一些光學功率，特別是如果該部件改進了整體圖像品質。

應注意的是，由柱面鏡引起的像差與傳統光學系統中的彗差相似。事實上，如果考慮穿過出射光瞳中的與具有彗差的系統的切平面是正交的線的光線，則這變得明顯。理論上，如果POD模組具有與柱面鏡的像差相比不同符號的彗差，則POD模組可以平衡柱面鏡的像差。然而，這樣的具有彗差的POD系統很可能也會引起附加的像差，比如球面像差。POD設計應試圖平衡除彗差之外的所有像差。

例如，參照圖39A，注意存在位於POD與波導之間的、具有光功率的一組光學元件116。該組元件可以包括例如通過補償POD的球面像差來改進圖像品質的一個或更多個元件。該組元件116可以包括柱面透鏡，或者可以具有更複雜形狀的透鏡，使得更有效地補償像差。該組中的元件之間的間隙可以用空氣或者具有不同折射率的光學材料填充。在後一種情況下，組116將包括若干膠合透鏡。

在一個特別優選的實施方式中，元件109和元件107以離軸模式工作，引起依賴於FOV的像差。元件116以同軸模式工作，補償與透鏡5引起的像差相比不依賴於FOV或者弱依賴於FOV的像差。

在其他實施方式中，還可以是組116中的至少一些元件以離軸模式工作。

在另一實施方式中，元件107、元件109、元件110和元件114中的至少一些元件可以以同軸模式工作，而組116中的一些元件可以以離軸模式工作。

因此，上述實施方式可以用於實現注入到波導中的圖像的2D FOV擴展，同時相對於習知技術光學系統的圖像品質，改進了向觀看者顯示的圖像的品質。

此外，相對於習知技術系統，上述實施方式可以容納更緊湊的投 影光學器件模組。

可以理解的是，上述描述僅旨在用作示例，並且許多其他實施方式可能在本發明的如所附申請專利範圍所限定的範圍內。

1:投影光學單元(模組)，POD，圖像照明

2:波導

3:耦出佈置，光提取區域，光提取元件，小平面

4:透鏡(散光聚焦元件，散光光學元件)

5:柱面鏡，透鏡(集成反射光學佈置)

Claims (25)

1. 一種用於向觀看者的眼睛提供圖像的顯示器，所述顯示器包括：

   (a)圖像生成器，提供與所述圖像對應的圖像照明；

   (b)基板，具有相互平行的第一主外表面和第二主外表面；

   (c)中間光學佈置，被配置用於引導來自所述圖像生成器的圖像照明，以便通過來自所述第一主外表面和所述第二主外表面的內反射在所述基板內沿第一平面內方向傳播，所述中間光學佈置包括至少一個散光光學元件，使得在所述基板內傳播的圖像照明在垂直於所述第一主外表面的平面內準直，並且在平行於所述第一主外表面的平面內非準直；

   (d)反射光學佈置，具有柱面光功率，所述反射光學佈置與所述基板集成在一起以用於反射所述圖像照明的至少一部分，以便通過來自所述第一主外表面和所述第二主外表面的內反射沿第二平面內方向傳播，從所述反射光學佈置反射後的所述圖像照明是在垂直於所述第一主外表面的平面內以及在平行於所述第一主外表面的平面內都準直的準直圖像照明；以及

   (e)耦出佈置，用於將所述準直圖像照明的至少一部分向觀看者的眼睛耦出，

   其中，所述反射光學佈置具有特徵像差，並且其中，所述中間光學佈置包括至少一個元件，所述至少一個元件被佈置成生成校正光學像差，所述校正光學像差至少部分抵消所述反射光學佈置的所述特徵像差。
2. 如請求項1所述的顯示器，其中，所述反射光學佈置包括與所述基板的邊緣集成在一起的柱面鏡，所述柱面鏡具有垂直於所述第一主外表面的柱面軸。
3. 如請求項1所述的顯示器，其中，所述中間光學佈置被配置成使得在所述基板內傳播的圖像照明在平行於所述第一主外表面的平面內會聚，以便向所述基板內的焦點軌跡會聚，然後在到達所述反射光學佈置之前發散。
4. 如請求項3所述的顯示器，還包括在所述焦點軌跡處與所述基板集成在一起的光學擴展量光學擴展器。
5. 如請求項4所述的顯示器，其中，所述光學擴展量光學擴展器是偏振選擇性的。
6. 如請求項4所述的顯示器，其中，所述光學擴展量光學擴展器是一維光學擴展量光學擴展器，被配置成在平行於所述第一主外表面的平面內擴展所述圖像照明，而不在垂直於所述第一主外表面的平面內使所述圖像照明變寬。
7. 如請求項4所述的顯示器，其中，所述光學擴展量光學擴展器包括柱面微透鏡陣列。
8. 如請求項3所述的顯示器，其中，所述中間光學佈置包括具有柱面光功率的有效軸的至少一個散光光學元件，所述柱面光功率的有效軸在光學上平行於所述反射光學佈置的柱面軸。
9. 如請求項8所述的顯示器，其中，所述散光光學元件與所述基板集成在一起。
10. 如請求項9所述的顯示器，其中，所述散光光學元件包括與所述基板集成在一起的柱面折射透鏡。
11. 如請求項9所述的顯示器，其中，所述散光光學元件包括與所述基板集成在一起的柱面反射透鏡。
12. 如請求項9所述的顯示器，其中，所述散光光學元件包括與所述基板集成在一起的具有柱面光功率的衍射光學元件。
13. 如請求項12所述的顯示器，其中，所述反射光學佈置包括與所述基板集成在一起的具有柱面光功率的衍射光學元件。
14. 如請求項8所述的顯示器，其中，所述散光光學元件在所述基板的外部。
15. 如請求項14所述的顯示器，其中，所述散光光學元件包括具有柱面光功率的折射透鏡。
16. 如請求項14所述的顯示器，其中，所述散光光學元件包括具有柱面光功率的反射透鏡。
17. 如請求項14所述的顯示器，其中，所述散光光學元件包括具有柱面光 功率的衍射光學元件。
18. 如請求項1所述的顯示器，其中，所述中間光學佈置被配置成使得在所述基板內向所述反射光學佈置傳播的圖像照明在平行於所述第一主外表面的平面內發散。
19. 如請求項18所述的顯示器，其中，所述圖像生成器包括具有寬度和長度的長形的空間光調變器，所述長度是所述寬度的至少5倍，所述空間光調變器被佈置成所述長度平行於所述第一主外表面對準。
20. 如請求項19所述的顯示器，其中，所述中間光學佈置包括光學耦合到所述基板的偏振分束器(Polarization Beam Splitter，PBS)棱鏡，所述空間光調變器光學耦合到所述PBS棱鏡的面。
21. 如請求項19所述的顯示器，其中，所述空間光調變器具有長方形的有效像素區域，具有平行於所述長度的第一像素間距以及平行於所述寬度的、小於所述第一像素間距的第二像素間距。
22. 如請求項21所述的顯示器，其中，所述空間光調變器的每個物理像素元件小於所述第一像素間距並且大於所述第二像素間距，多個所述物理像素元件在每個第一像素間距內交錯佈置。
23. 如請求項1所述的顯示器，其中，所述反射光學佈置被配置成具有第一反射率和低於所述第一反射率的第二反射率，所述第一反射率與入射角的第一子集相關聯，所述第二反射率與入射角的第二子集相關聯，其中，所述第一子集包括與所述圖像照明對應的範圍內的角度，並且所述第二子集包括不在所述第一子集內的角度。
24. 如請求項1所述的顯示器，其中，所述耦出佈置是偏振選擇性的，以便至少部分地耦出第一偏振的圖像照明，同時基本上透射第二偏振的圖像照明，其中，所述中間光學佈置被配置用於引導來自所述圖像生成器的圖像照明在所述基板內以所述第二偏振沿所述第一平面內方向傳播，並且其中，四分之一波片與所述反射光學佈置相關聯，使得沿所述第二平面內方向傳播的所述準直圖像照明具有所述第一偏振，以由所述耦出佈置耦出。
25. 一種用於向觀看者的眼睛提供圖像的顯示器，所述顯示器包括：

    (a)圖像生成器，提供與所述圖像對應的圖像照明；

    (b)基板，具有相互平行的第一主外表面和第二主外表面；

    (c)中間光學佈置，被配置用於引導來自所述圖像生成器的圖像照明，以便通過來自所述第一主外表面和所述第二主外表面的內反射在所述基板內沿第一平面內方向傳播，所述中間光學佈置包括至少一個散光光學元件，使得在所述基板內傳播的圖像照明在垂直於所述第一主外表面的平面內準直，並且在平行於所述第一主外表面的平面內非準直；

    (d)反射光學佈置，具有柱面光功率，所述反射光學佈置與所述基板集成在一起以用於反射所述圖像照明的至少一部分，以便通過來自所述第一主外表面和所述第二主外表面的內反射沿第二平面內方向傳播，從所述反射光學佈置反射後的所述圖像照明是在垂直於所述第一主外表面的平面內以及在平行於所述第一主外表面的平面內都準直的準直圖像照明；以及

    (e)耦出佈置，用於將所述準直圖像照明的至少一部分向觀看者的眼睛耦出，

    其中，所述耦出佈置是偏振選擇性的，以便至少部分地耦出第一偏振的圖像照明，同時基本上透射第二偏振的圖像照明，其中，所述中間光學佈置被配置用於引導來自所述圖像生成器的圖像照明在所述基板內以所述第二偏振沿所述第一平面內方向傳播，並且其中，四分之一波片與所述反射光學佈置相關聯，使得沿所述第二平面內方向傳播的所述準直圖像照明具有所述第一偏振，以由所述耦出佈置耦出。

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