利用投影仪阵列和波导进行一维光瞳扩展的近眼显示器
（映维网Nweon 2024年03月25日）近眼显示系统会使用各种成像光学元件将显示图像投射并重定向到用户的眼睛。所述领域的一个挑战是在足够大的光瞳呈现显示图像。在显示应用中，这意味着更大的视窗。
一个解决方案是使用多个投影仪直接提供一个更大的光瞳。然而，根据所需的分辨率、视场和视窗，投影仪的数量可能会高得令人望而却步。行业已经考虑过菲涅尔透镜和Pancake光学元件，但两种方法都相对体积庞大且不透明，所以更适合VR或视频MR应用，而不是光学AR应用。
一种解决方案是，利用一个单一的投影仪和光瞳扩张器来提供一个足够大的光瞳。这需要基于大型投影仪的一维出射光瞳扩展器。然而，系统的大小和重量可能是用户无法接受的。
更紧凑的解决方案使用衍射或反射结构以提供二维光瞳扩展。在实际显示应用中，需要高色彩均匀性和大视场，而实现二维光瞳扩展是一个难题，需要平衡尺寸、成本、性能和可制造性。
例如，设计和测试适当的衍射结构可能涉及到建模和模拟将在波导内发生的数百万光栅相互作用。对于具有三个独立光栅区域的波导，计算数量和制造难度导致广泛，耗时的设计和测试过程。
这种系统的另一个缺点是光效。更复杂的光栅结构导致光栅相互作用的增加，并降低总光效。另外，光在波导内的传播和衍射可以导致多个光路传播到耦出器光栅的同一点，从而产生干扰，具体表现为输出强度变化和颜色退化。
鉴于上述观察结果，微软在名为“Near-eye display systems utilizing an array of projectors”的专利申请中，微软提出了利用投影仪阵列和波导进行一维光瞳扩展的近眼显示器。
如图1所示，系统100包括与控制器103通信的投影仪102阵列。投影仪的不同配置可以根据应用而使用。例如，全彩应用程序可以实现多个单色投影仪。在一个实施例中，实现诸如单个二维扫描镜或两个一维扫描镜的扫描元件的投影仪可用于形成图像。在其他实施例中，单个一维反射镜与一排LED一起使用。
投影仪102阵列向耦入器106输出图像光104，耦入器106将图像光104耦合到波导108内的全内反射(TIR)路径中。投影仪102的阵列可以沿着第一维度布置，以提供类似于在一维上进行光瞳扩展的图像光104。
因此，波导108和耦入器106可以设计成接收具有在一维上进行的出口瞳孔扩展的图像光。例如，耦入器106可以延长或拉长以容纳扩展的图像光。在所描述的系统100中，投影仪102沿图1所示的y轴排成一排。所以在耦合到波导108之前，像光104沿着y轴有效地展开。
耦入器106可以使用各种不同的光学元件来实现。例如，耦入器106可包括光栅、棱镜和/或反射镜。耦入器106可以设计成具有相对较高的耦合成像光104效率，以尽量减少波导108中的光损失。
图像光104耦合到波导108中，并在TIR路径中传播，直到它与耦出器110相互作用。耦出器110可以使用各种不同的光学元件来实现。在各种实施例中，耦出器110可包括光栅和/或部分反射镜。
在所描述的系统100中，耦出器110包括一系列部分反射镜，其设计用于在允许剩余部分通过的同时对部分入射光进行耦出。为了帮助避免沿耦出器110的长度的输出光的明显变暗，耦出器110的效率分布可以在光传播的方向上变化。由于后继部分反射镜上的入射光总量由于前继部分反射镜的耦出部分而减少，因此后继部分反射镜可以依次实现和布置为具有增加的效率轮廓，以便与前继部分反射镜耦出相似的光量。
对于在波导108内行进的特定像素，传播射线集将包括彼此具有互补角的射线。因此，特定光线可能以错误的角度击中耦出器110。这种射线可以在波导中产生噪点，所以可以使用多种方法来处理，包括将波导108和光学元件106、110设计成使得噪点依然在波导108中被捕获或在末端被吸收。
在与耦出器110的每次相互作用中，一部分像光耦出，有效地复制图像并沿着像光104行进的方向扩展光瞳。所述投影仪102和耦出器110阵列可定向以在横向于所述第一维的第二维中扩展所述出瞳。
在一个实施例中，第二维与第一维正交。在所描述的系统100中，从投影仪102阵列投射的图像光104沿y轴被投影仪102阵列有效地展开，然后由耦出器110沿x轴方向展开。因此，当指向用户的眼睛120时，耦出光112在二维展开。允许用户看到图像的眼位置形成视窗122。出瞳扩张使得视窗增大。
图1描述了用于提供二维出口瞳孔扩展的具体示例近眼显示系统，并且可以根据给定的应用实现各种其他配置。例如，近眼显示器可以设计成在与投影仪阵列相对的波导一侧具有视窗。
在图2显示的近眼显示系统200中，视窗222位于波导108的一侧，与投影仪102的阵列相对。如图所示，波导108包括耦出器210，耦出器210设计并定向为在与投影仪102阵列相对的一侧将从波导108输出的图像光104进行耦出。
如上所述，耦入和耦出器可以使用不同的光学元件来实现。在图1和2，耦入器为反射镜，耦出器为部分反射镜的周期性结构。在其它实施例中，耦入器和/或耦出器实现为衍射元件，例如表面浮雕光栅和全息光栅。
图3A-3C显示了作为耦入和耦出器的不同类型光学元件的波导。图3A示出示例波导300，其反射镜实现为耦入器302，一系列部分反射镜实现为耦出器304。图3B示出具有表面起伏光栅的波导310示例，其实现为输入312和输出314耦合器。图3C显示了一个示例波导320，其中全息光栅实现为输入322和输出324耦合器。
在一个实施例中，耦入和耦出器是不同的光学元件。例如，波导可以实现镜面作为耦入器和表面浮雕光栅作为耦出器。根据应用的不同，不同的配置将具有各自的优点和缺点。例如，根据投影仪的类型，耦入和耦出器引入的色散可能是一个问题。
在一个实施例中，耦入器和耦出被匹配以校正色散，使得由一个耦合器引入的角度误差被另一个耦合器抵消。耦合器可以使用相似的结构和/或光栅矢量进行匹配。在其它实施例中，实现一个或多个附加光学元件以校正色散。
上述系统可以通过设计用于仅一维出射光瞳扩展的波导来提供二维出射光瞳扩展。这种设计可以降低波导的复杂性，从而降低制造难度和产量。
用于二维出瞳扩展的系统一般利用具有三个光学元件的波导（用于将光耦合到波导中的第一衍射元件，用于在第一维中进行出瞳扩展的第二衍射元件，以及用于在第二维中进行出瞳扩展的第三衍射元件），同时将光耦出波导。
相反，发明描述的波导设计为具有用于耦入在第一维度扩展的光的耦入器和用于在第二维度扩展光并用于将光耦出波导的耦出器。由于波导设计为接收在第一维中有效扩展的光，所以对于二维出口瞳扩展，不需要用于出瞳扩展的中间光学元件。
图4显示了在一维展开的光的波导400。如平面视图所示，波导400包括耦入器402和耦出器404。所述耦入器402拉长以接收在第一维中扩展的像光。在图4所描述的波导400中，输入和耦出器402、404使用衍射光栅实现。其他光学元件，如棱镜、反射镜、部分反射镜和反射光栅可根据应用情况适当使用。
微软指出，发明描述的近眼显示系统提供有利地允许不同于其他系统的制造工艺的架构。例如，与其他近眼显示器中通常使用的单个高规格投影仪相比，发明使用的投影仪可能更简单，更容易制造。
例如，投影仪阵列可以包括透镜阵列的单个堆栈和单个显示设备。另外，一维出瞳扩展波导只包括用于二维出瞳扩展的两个衍射光学元件。这缩短了光的传播路径，减少了波导内的反射次数。这允许更简单的制造和更低的公差。波导可以用塑料而不是玻璃制成，这样可以降低材料成本，并且可以采用不同的制造工艺。例如，波导可以注塑成型，从而实现低成本、大批量的制造工艺。塑料波导同时可以实现不同的波导设计和功能。
使用波导的另一个优点是光学更简单，包括实现全彩色显示。在使用衍射光栅的近眼显示器中，实现全彩色可以为每个单独的RGB颜色利用不同的光栅层。为了减少光栅层数，业界已经提出了基于多路复用两个或多个光栅的解决方案。然而，可制造性和设计的复杂性成为一个更大的问题。
通过实现一维光瞳扩展波导，这简化了光学器件的设计。例如，可利用多个单色投影仪在近眼显示中实现全彩色。使用三台单色投影仪而不是一台全彩色投影仪，会增加设备的成本和复杂性。然而，每个投影仪的光学都比较简单。与其他方法相比，这可以避免对色差的校正。
对于衍射波导的颜色均匀性问题，二维出瞳扩展的结果是光采取多个路径，然后产生干扰。在一维出瞳扩展波导中，光沿着一条路径传播，这避免了干扰，所以可以产生更好的颜色均匀性。
另外，二维光瞳扩展波导近眼显示器会使用两个甚至三个独立的波导来容纳红、绿、蓝通道。简单的一维光瞳扩展波导则可以避免尺寸、成本、复杂性和重量的增加。
图6显示了使用单色投影仪602R、602G和602B实现全彩色的示例近眼显示系统600。如图所示，近眼显示系统600包括单色投影仪602R、602G和602B，分别用于向耦入器投射红光604R、绿光604G和蓝光604B。
在所描述的系统600中，一组二向色镜606R、606G和606B实现为耦入器。606R、606G和606B的每个二色镜都设计成耦合来自各自单色投影仪的光。例如，二色镜606G设计用于耦合来自单色投影仪602G的绿光604G。然后绿光604G在波导608内以TIR路径传播，直到它通过耦出器610耦合出波导608。根据具体的应用，可以适当地实现其他颜色配置。
在一个实施例中，第一投影仪用于输出600 nm-770 nm波长范围内的光，第二投影仪用于输出495 nm-600 nm波长范围内的光，第三投影仪用于输出430 nm- 495nm波长范围内的光。在这样的实施例中，耦入器相应地设计为有效地耦合来自投影仪的光。
除了为耦入器使用不同的光学元件外，同时可以实现在光学元件的放置位置的不同配置。例如，在近眼显示系统中实现全彩色可以包括使用多套单色投影仪。在特定配置中，每一套单色投影仪可以放置在相对于波导的不同位置。
图8示出了使用位于波导806的相对两端的两组802、804单色投影仪实现全彩色的近眼显示系统800。波导806包括两个相应的耦入器808、810。在所描述的系统800中，两个耦入器808、810中的每一个包括一组三个表面浮雕光栅。耦入器808、810耦合光从各自的单色投影仪集合到相同的耦出器812，后者耦合光从波导806出来。
在一个实施例中，可以根据应用程序适当地实现多套单色投影仪。第一组投影仪用于输出600 nm-770 nm波长范围内的光，第二组投影仪用于输出495 nm-600 nm波长范围内的光，第三组投影仪用于输出430 nm-495 nm波长范围内的光。
在这样的实施例中，耦入器相应地设计为有效地耦合来自投影仪的光。图9说明了多组单色投影仪900的使用。如图所示，投影仪900阵列包括五组单色投影仪。每组投影仪位于不同的列中，形成一个5×3投影仪阵列。如图9所示，投影的像光在水平方向上有效地展开。
图10A-10D显示了投影仪阵列的不同安排。在使用投影仪阵列的系统中，投影仪之间的间隙可以在视窗内形成间隙，从而引入强度变化。在这种情况下，可以采用不同的安排，以尽量减少投影仪之间的间隙。图10A示出较松散的布置。图10B显示了更紧密的布置。
图10C显示了一种填料安排，其中投影仪的列与相邻的列相比是偏移的。这样的结构不太可能在视窗中产生间隙。图10D显示了另一种填料安排，其中使用两行单色投影仪来消除它们之间的间隙。两个单色投影仪彼此叠加将创建几乎相同的视场。
图11A示出由较松散的填料布置1102产生的视场1100中的间隙。图11B说明了投影仪的偏移行1104如何使视窗1100中的间隙最小化。图11C说明了如何使用衍射光学元件1106来最小化由投影仪1108的布置产生的视窗1间隙。
图11C显示了来自投影仪1110和1112的光路。当来自投影仪1110或投影仪1112的光与衍射光学元件1106相互作用时，其部分重定向。出瞳扩张，投影仪之间的空隙填满。由于光瞳扩展只需要填充投影仪之间的间隙，因此衍射光学元件1106的光学元件可以比其他波导中的衍射光学元件更简单地进行二维光瞳扩展。
图17示出用于提供二维出瞳扩展的示例方法1700。
在步骤1702中，使用布置在第一维的投影仪阵列投射图像光。
在步骤1704中，使用耦入器将投影图像光重定向到TIR路径中的波导内的耦出器。
在步骤1706中，使用所述耦出器将所述在第二维上的重定向图像光横向扩展至所述第一维。
在步骤1708中，使用耦出器将扩展的像光从波导中耦合出来。如上所述，二维的展开和外耦合发生在同一过程中。
相关专利：Microsoft Patent | Near-eye display systems utilizing an array of projectors
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名为“Near-eye display systems utilizing an array of projectors”的微软专利申请最初在2022年9月提交，并在日前由美国专利商标局公布。
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