具有多路复用微投影仪的平视显示器的制作方法

平视显示(head-updisplay)技术近年来发展迅速。紧凑、固定参考的平视显示系统现在已安装在汽车中。针对消费者市场的虚拟现实(vr)和混合现实(mr)目镜也是可用的。然而，用户友好的平视显示技术的各种障碍仍然存在。在固定参考的平视显示系统或可穿戴显示设备中，一个挑战涉及冗余光学组件的大小、重量、成本和功耗的增加。

技术实现要素：

一个实施例提供了一种平视显示系统。显示系统包括微投影仪、第一观看者光学器件和第二观看者光学器件、重定向光学器件和电子控制器。在第一光学状态和第二光学状态之间电子地可切换的重定向光学器件，该重定向光学器件被配置为从微投影仪接收显示图像，以在第一光学状态中将显示图像传送到第一观看者光学器件，并在第二光学状态中将显示图像传送到第二观看者光学器件。电子控制器被配置为在第一间隔期间将重定向光学器件切换并保持在第一光学状态中，并使得微投影仪基于第一图像数据形成显示图像。电子控制器还被配置为在第二间隔期间将重定向光学器件切换并保持在第二光学状态中，并使得微投影仪基于第二图像数据形成显示图像。

提供本发明内容是为了以简化的形式介绍一些概念，将在下面的具体实施方式中进一步描述这些概念。本发明内容不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。此外，所要求保护的主题不限于解决本公开中所识别的缺点的实现。

附图说明

图1示出了提供扩展视场的示例平视显示系统的各方面。

图2示出了使用单个微投影仪提供立体图像显示的示例平视显示系统的各方面。

图3示出了使用单个微投影仪提供立体图像显示和扩展视场的示例平视显示系统的各方面。

具体实施方式

平视显示系统使用各种投影方案将虚拟影像(imagery)引导到用户的视场中。例如，显示图像可以由微投影仪生成，被聚焦并扩展到视场中。对于将影像投影到多个或扩展视场中的应用，一种方案是提供多个离散的微投影仪，每个微投影仪服务于一个视场或其一部分。示例包括立体近眼显示设备和固定参考平视显示系统，以及将影像引导到前向和周边视场的系统。这种方案的一个显著缺点是冗余微投影仪和相关联的光学组件的大小、重量、成本和功耗增加。对于可穿戴立体显示设备而言，另一个缺点是，为了提供令人信服的3d显示并防止眼睛疲劳，需要两个独立光学系统的精确相对对准。

本公开中阐述的方法通过以多路复用的方式操作微投影仪来解决上述问题。微投影仪被配置为依次投影针对不同视场单独组成的显示图像。同步地，可切换的重定向光学器件将每个显示图像引导到适当的视场。该方法减少了给定显示器应用所需的微投影仪的数量，简化了立体近眼显示器中的对准，并确保了其他优点。

现在通过示例并参考附图来描述本公开的各方面。在一个或多个附图中，可以作为基本相同的组件、处理步骤和其他元件被协调一致地进行标识并且以最小重复地进行描述。然而，应注意，协调一致地进行标识的元件在某种程度上也可不同。还应注意，附图是示意性的，不一定按比例绘制。相反，图中所示的各种绘图比例、纵横比和组件数量可能被故意扭曲，以使某些特征或关系更容易看到。

图1示出了示例性可穿戴的近眼平视显示系统10的各方面。显示系统10包括要佩戴在用户头部上的带12，以及两个互补显示子系统——右眼子系统14和左眼子系统14'。

显示系统10包括微投影仪16。微投影仪被配置为基于提供给微投影仪的显示图像数据来形成显示图像。显示图像数据可以采取数值序列的形式，每个数值都与显示图像的个体像素的亮度相对应。在彩色显示实现中，可以为每个像素提供三个不同的数值——例如对应于红色、绿色和蓝色通道中的亮度。在视频显示实现中，显示图像数据可以是时间分辨的。在这些和其他实施例中，可以经由显示系统的电子控制器18提供显示图像数据，如下面进一步描述的。

在本公开的不同实现中，微投影仪16的性质可以不同。在一些实现中，微投影仪可以是液晶显示器(lcd)投影仪，其具有可注册到滤色器阵列元件的可单独控制的光阀的矩阵和背光。在一些实现中，微投影仪可以是硅基液晶(lcos)投影仪，其中将光阀矩阵布置在反射基板上。在一些实现中，微投影仪可以使用相干光源和空间光调制器(slm)代替光阀。在一些实现中，微投影仪可以是合并了由一个或多个窄带(例如，红、绿、蓝)光源照射的微镜阵列的数字光处理(dlp)投影仪。在一些实现中，微投影仪可以是扫描光束系统或有机发光二极管(oled)投影仪。在此设想了这些和其他微投影技术。

适用于平视显示系统10，微投影仪16被配置为形成被引导到用户的视场的虚拟显示图像。虚拟显示图像可以参考在用户前方位于“无限远”或任何有限距离处的焦平面。为此，微投影仪包括聚焦透镜20，其设置到焦平面的距离。

继续图1，显示系统10包括第一观看者光学器件(optic)22和第二观看者光学器件24。在近眼实现中，第一观看者光学器件和第二观看者光学器件中的每一个观看者光学器件可以是定位成靠近用户的眼睛的目镜光学器件。每个观看者光学器件被配置为接收由微投影仪16形成的显示图像。在一些实现中，每个观看者光学器件是瞳孔扩展光学器件，其将每个入射光线划分为分布在更大区域上的一系列平行光线。适当配置的瞳孔扩展光学器件防止在用户视场中的显示图像的渐晕(vignette)，并且使显示图像在瞳孔位置的范围内是可见的。在一个实现中，瞳孔扩展观看者光学器件可以包括耦合到具有周期性的部分反射刻面(facet)的转向膜(turningfilm)的波导。在一些实现中，刻面可以在与传播通过波导的光的角度范围相对应的有限角度范围内反射。在该角度范围之外，刻面可以是基本透明的。该特征允许在显示系统10外部的真实影像到达用户的眼睛，从而实现了在其中将真实的和虚拟的影像混合到用户视场中的“混合现实”体验。使用自由空间组合器解决方案也可以实现混合现实显示器，该解决方案具有用于右眼和左眼中的每一个的单独眼箱(eyebox)。每个眼箱可以包括例如部分镀银的镜子。尽管混合现实显示器具有一些优点，但是在每个实施例中第一观看者光学器件和第二观看者光学器件不需要是透明的。对于沉浸式“虚拟现实”体验，用户被有意剥夺了真实影像。

为了将显示图像从微投影仪16传送到第一观看者光学器件22和第二观看者光学器件24，显示系统10包括重定向光学器件26。重定向光学器件可在第一光学状态和第二光学状态之间电子地切换，其管控传送显示图像的方向。具体地，重定向光学器件被配置为从微投影仪接收显示图像，以在第一光学状态中将显示图像传送到第一观看者光学器件22，并且在第二光学状态中将显示图像传送到第二观看者光学器件24。当将显示图像传送到第一观看者光学器件或第二观看者光学器件中的任何一个时，另一观看者光学器件不接收显示图像——或者，相对于显示图形所被传送到的观看者光学器件而言，接收显示光的可忽略部分。

在一些实现中，重定向光学器件26在将显示图像传送到第一观看者光学器件22时反射显示图像；在将显示图像传送到第二观看者光学器件24时，重定向光学器件透射(transmit)显示图像。换句话说，重定向光学器件的第一光学状态可以是反射状态，并且第二光学状态可以是透射状态。在其他实现中，重定向光学器件26在将显示图像传送到第一观看者光学器件22时在第一方向中反射显示图像；在将显示图像传送到第二观看者光学器件24时，重定向光学器件在不同于第一方向的第二方向中反射显示图像。换句话说，重定向光学器件的第一光学状态和第二光学状态都可以是反射状态，其在不同的方向中反射。

因此，在本公开的不同实现中，重定向光学器件26的性质可以不同。在一些实现中，重定向光学器件包括一个或多个可极化液晶域和另一种折射材料的平面界面。当液晶被电极化时，其折射率相对于其他材料发而生变化。因此，利用改变经由电子控制器18施加的极化，平面界面可以从基本上反射切换到基本上透射。在其他实现中，重定向光学器件包括一个或多个平面镜，每个平面镜耦合到(一个或多个)小的压电元件。这里，电子控制器可以被配置为对(一个或多个)压电元件进行偏置。在一些实现中，重定向光学器件可以是微镜阵列。

上文所描述的光学组件是显示系统10的右眼子系统14的组件。互补的左眼子系统14'的光学组件——微投影仪16'、聚焦透镜20'、第一观看者光学器件22'、第二观看者光学器件24'和重定向光学器件26'——可以与右眼子系统的对应组件类似或相同。

如上所指出，电子控制器18不仅控制重定向光学器件26的光学状态，而且还向右眼子系统14的微投影仪16提供显示图像数据。为此，电子控制器包括逻辑机器28(例如，一个或多个处理器核)，其可操作地耦合到电子存储器机器30(例如，随机存取存储器)。例如，逻辑机器可以采取微处理器或图形处理单元(gpu)的形式。在一些实现中，逻辑机器和电子存储器机器可以整体或部分地集成。例如，集成形式可以包括片上系统(soc)。在图1的实施例中，电子控制器还向左眼子系统14'的微投影仪16'提供显示图像数据，并控制左眼子系统的重定向光学器件26'的光学状态。在其他实施例中，每个子系统可以具有其自己的电子控制器。在任一种情况下，提供给右微投影仪和左微投影仪的显示图像数据不需要完全相同，而是可以在对应的显示特征中表现出受控的水平差异。以这种方式，显示系统10可以被配置用于虚拟3d影像的立体显示。

现在继续，在图1中，电子控制器18可以被配置为在第一间隔期间将重定向光学器件26切换并保持在第一光学状态中，并使得微投影仪16基于第一图像数据形成显示图像。电子控制器可以被配置为在第二间隔期间将重定向光学器件切换并保持在第二光学状态中，并使得微投影仪基于第二图像数据形成显示图像。图1的时序图32图示出了这个特征。

上述第一间隔和第二间隔的持续时间将取决于显示系统10的所期望的显示帧速率。在一些实现中，第一间隔和第二间隔中的每一个的持续时间是1/(n*r)，其中r是所期望的帧速率，n是由微投影仪所服务的不同视场的数量。因此，对于两个视场和每秒60的期望帧速率，每个间隔是8.3毫秒。还设想了不相等的第一间隔和第二间隔(见下文)。

在图1的特定实施例中，第一观看者光学器件22与用户的前视场对准，第二观看者光学器件24与用户的周边视场对准。第一图像数据对将在第一间隔期间在用户眼睛的前向视场中呈现的显示影像进行编码，并且第二图像数据对将在第二间隔期间在同一眼睛的周边视场中呈现的显示影像进行编码。总之，第一图像数据和第二图像数据对扩展视场的显示影像进行编码。应注意，在每个实现中，上述第一间隔和第二间隔不必相等。在一些实现中，管控前向观看者光学器件中的显示的占空比可以比管控周边观看者光学器件中的显示的占空比更长。这与如下情况相一致：相对于周边设备而言用户易于给予前向显示图像更密切关注和/或相对于周边设备而言易于期望更亮的前向图像。还应注意，术语“前向”和“周边”是相对术语，并且出于本公开的目的，与本文使用的“第一”和“第二”同义。本文的方法与如下情况相兼容：将显示影像分配到具有任何相关朝向的第一视场和第二视场、甚至沿着佩戴者眼睛的光轴直接布置的两个视场。

在显示系统10中，经由折叠反射器34和34'将周边显示图像反射到第二观看者光学器件中。附加的聚焦光学器件36和36'光学地布置在每个重定向光学器件的下游。附加的聚焦光学器件校正来自微投影仪16的光线聚散(vergence)，以虑及与第一观看者光学器件对于第二观看者光学器件的光学路径长度的差异。

图2示出了另一个可穿戴的近眼平视显示系统38的各方面。图2的显示系统也适用于立体显示器，但是代替具有两个互补的微投影仪——针对用户的每只眼睛一个微投影仪——显示系统38仅使用一个微投影仪。

在显示系统38中，第一观看者光学器件22是右观看者光学器件，第二观看者光学器件24是左观看者光学器件。更具体地，第一观看者光学器件与用户的右眼40对准，并且第二观看者光学器件与用户的左眼40'对准。在该实施例中，由电子控制器18将提供给微投影仪16的第一图像数据和第二图像数据编码立体显示影像。更具体地，在第一间隔期间被提供以用于显示的第一图像数据是用于用户右眼的显示图像数据；在第二间隔期间被提供以用于显示的第二图像数据是用于用户左眼的显示图像数据。图2的时序图42图示出了这个特征。

在图2的实施例中，从重定向光学器件26到第一观看者光学器件22测量的光学路径长度基本上等于从重定向光学器件26到第二观看者光学器件24测量的光学路径长度。相等的路径长度确保右显示图像和左显示图像参考同一焦平面。

除了折叠反射器34和34'之外，显示系统38还包括可调整折叠反射器34”。可调整折叠反射器被配置为在途中(enroute)将显示图像反射到左观看者光学器件。在一些实现中，重定向光学器件26和可调整折叠反射器34”中的一个或多个的位置是可调整的。沿着微投影仪16的光轴调整位置使得显示图像在右观看者光学器件和/或左观看者光学器件中横向偏移，使得能够调整显示系统38中的瞳距。这一特征使得显示系统易于适应具有不同结构的瞳距的用户。

由于其他原因，可调整的图像对准也是有利的。在一些实施例中，显示系统包括面向外的相机44，以便对用户的视场进行成像。相机可以可操作地耦合到电子控制器18并且用于物体识别、面部识别、即时定位和地图构建(slam)等。对于这些应用和其他应用，有利的是相机的视场被准确地注册到显示图像地图构建——例如通过将相机和显示器光学器件与器件框架的刚性机械耦合。在惯性测量单元(imu，例如陀螺仪/加速度计/磁力计)被用于slam的实现中，imu组件也被刚性地耦合到设备框架。在所图示的实现中，结合用户的视场中的显示图像的简单横向调整，通过使用单个微投影仪16来进一步辅助右显示器和左显示器的共同配准以及相对于其他设备组件的配准。

图3示出了另一个可穿戴的近眼平视显示系统46的各方面。显示系统46使用单个微投影仪用于立体显示(类似于图2的实施例)，但是还提供扩展的视场(类似于图1的实施例)。显示系统46和相关实施例包括多个重定向光学器件，其在第一光学状态和第二光学状态之间电子地可切换，并被配置为从微投影仪16接收显示图像。在这些实施例中，重定向光学器件中的至少一个重定向光学器件被配置为将显示图像传送到另一个重定向光学器件。

特别地，显示系统46包括右重定向光学器件26和互补的左重定向光学器件26'。显示系统还包括立体重定向光学器件26”。如上所述，每个重定向光学器件在第一光学状态和第二光学状态之间电子地可切换。立体重定向光学器件26”被配置为从微投影仪16接收显示图像，以在第一光学状态中将显示图像传送到右重定向光学器件26，并且在第二光学状态中将显示图像传送到左重定向光学器件26'。

图3的电子控制器18被配置为在第一间隔和第二间隔期间将立体重定向光学器件26”切换和保持在第一光学状态中，并使得微投影仪16基于右图像数据形成显示图像。同样地，电子控制器被配置为在第三间隔和第四间隔期间将立体重定向光学器件切换并保持在第二光学状态中，并使得微投影仪基于左图像数据形成显示图像。图3的时序图48图示出了这个特征。在时序图中，符号“x”被用来指示相关联的重定向光学器件的光学状态是无关紧要的。

前述描述的任何方面都不应被解释为限制意义，因为也可以预期许多变化和扩展。例如，尽管附图图示出了可穿戴的近眼显示器实施例，但是也设想了类似的固定参考平视显示系统(例如，用于汽车)。在这样的实施例中，第一观看者光学器件和第二观看者光学器件可以比图中所示的大得多。在一些示例中，“扩展视场”概念可以被扩展到三个或更多个视场，每个视场具有专用的观看者光学器件，但是从单个的多路复用的微投影仪接收显示影像。在一些示例中，全部由同一微投影仪服务的多个邻接视场可以环绕用户以获得360°效果。此外，出于说明的目的，可以简化本文所描述的一些光学布置。在一些实现中，给定的重定向光学元件、折叠反射器或其他光学元件可以由两个或更多个这样的元件代替，并且也可以包括附加的光学元件(滤光器，进一步折叠等)。相反，在一些实现中，如本文所述的第一光学器件和第二光学器件可以是同一光学器件的第一部分和第二部分(例如，具有分开的第一入射光栅和第二入射光栅的波导)。

本公开的一个方面涉及一种平视显示系统，包括：微投影仪；第一观看者光学器件和第二观看者光学器件；在第一光学状态和第二光学状态之间电子地可切换的重定向光学器件，重定向光学器件被配置为从微投影仪接收显示图像，以在第一光学状态中将显示图像传送到第一观看者光学器件，并在第二光学状态中将显示图像传送到第二观看者光学器件；电子控制器，其被配置为在第一间隔期间将重定向光学器件切换并保持在第一光学状态中，并使得微投影仪基于第一图像数据形成显示图像，电子控制器被配置为在第二间隔期间将重定向光学元件切换并保持在第二光学状态中，并使得微投影仪基于第二图像数据形成显示图像。

在一些实现中，第一观看者光学器件与用户的右眼对准，第二观看者光学器件与用户的左眼对准，并且第一图像数据和第二图像数据编码立体显示影像。在一些实现中，第一观看者光学器件与用户的前向视场对准，第二观看者光学器件与用户的周边视场对准，并且第一图像数据和第二图像数据编码扩展视场的显示影像。在一些实现中，从重定向光学器件到第一观看者光学器件的第一光学路径长度基本上等于从重定向光学器件到第二观看者光学器件的第二光学路径长度。在一些实现中，重定向光学器件包括可极化液晶，并且电子控制器被配置为控制液晶的极化。在一些实现中，重定向光学器件包括压电元件，并且电子控制器被配置为偏置压电元件。在一些实现中，重定向光学器件是微镜阵列。在一些实现中，为了在第一光学状态中将显示图像传送到第一观看者光学器件，重定向光学器件反射显示图像，并且为了在第二光学状态中将显示图像传送到第二观看者光学器件，重定向光学器件透射显示图像。在一些实现中，为了在第一光学状态中将显示图像传送到第一观看者光学器件，重定向光学器件在第一方向中反射显示图像，并且为了在第二光学状态中将显示图像传送到第二观看者光学器件，重定向光学器件在不同于第一方向的第二方向中反射显示图像。在一些实现中，微投影仪包括聚焦透镜。在一些实现中，第一观看者光学器件和第二观看者光学器件中的每一个是瞳孔扩展光学器件。在一些实现中，第一观看者光学器件和第二观看者光学器件中的每一个包括波导。在一些实现中，微投影仪是液晶、硅上液晶、数字光处理和有机发光二极管投影仪中的一种或多种。

本公开的另一方面涉及一种立体平视显示系统，包括：微投影仪；右近眼观看者光学器件；左眼近视观看者光学器件；重定向光学器件，该重定向光学器件在第一光学状态和第二光学状态之间电子地可切换，该重定向光学器件配置成从微投影仪接收显示图像，以在第一光学状态中将显示图像传送到右侧近眼观看者光学器件，并在第二光学状态中将显示图像传送到左观看者光学器件；电子控制器，用于在第一间隔期间，将重定向光学元件切换并保持在第一光学状态中，并使得微投影仪基于右眼图像数据形成显示图像，电子控制器配置为在第二间隔期间，将重定向光学元件切换并保持在第二光学状态中，并使得微投影仪基于左眼图像数据形成显示图像。

在一些实现中，显示系统还包括折叠反射器，该折叠反射器被配置为在途中将显示图像反射到右眼近视观看者光学器件或左近眼观看者光学器件。在一些实现中，重定向光学器件和折叠反射器中的一个或多个的位置是可调整的，并且位置的调节使得显示图像在右近眼观看者光学器件或左近眼观看者光学器件中横向移位，使得能够调整显示系统中的瞳孔间距。

本公开的另一方面涉及一种平视显示系统，包括：微投影仪；前视镜；周边观看者光学器件；重定向光学元件在第一光学状态和第二光学状态之间电子地可切换，重定向光学器件被配置为从微投影仪接收显示图像，以在第一光学状态中将显示图像传送到前向观看者光学器件，并在第二光学状态中将显示图像传送到周边观看者光学器件；电子控制器，被配置为在第一间隔期间，将重定向光学器件切换并保持在第一光学状态中，并使得微投影仪基于前向图像数据形成显示图像，电子控制器被配置为在第二间隔期间切换并且将重定向光学器件保持在第二光学状态中，并使得微投影仪基于周边图像数据形成显示图像。

在一些实现中，重定向光学器件是多个重定向光学器件中的一个，重定向光学器件在第一光学状态和第二光学状态之间电子地可切换并且被配置为从微投影仪接收显示图像，且重定向光学器件中的至少一个被配置为将图像显示传送到另一个重定向光学系统。在一些实现中，重定向光学器件是右重定向光学器件，并且显示系统还包括：左重定向光学元件，该左重定向光学元件与右重定向光学元件互补；以及在第一光学状态和第二光学状态之间电子地可切换的立体重定向光学器件，立体重定向光学器件被配置为从微投影仪接收显示图像，以在第一光学状态中将显示图像传送到右重定向光学器件，并在第二光学状态中将显示图像传送到左重定向光学器件，电子控制器还被配置为在第一间隔和第二间隔期间，将立体重定向光学器件切换并保持在第一光学状态中，并使得微投影仪基于右图像数据形成显示图像，电子控制器还被配置为在第三间隔和第四间隔期间，将立体重定向光学器件切换并保持在第二光学状态中，并使得微投影器基于左图像数据形成显示图像。在一些实现中，显示系统还包括聚焦光学器件，该聚焦光学器件光学地布置在重定向光学器件的下游。

应当理解，本文所描述的配置和/或方法本质上是示例性的，并且这些具体实施例或示例不应被视为具有限制意义，这是因为许多变型是可能的。本文所描述的特定例程或方法可以表示任何数量的处理策略中的一个或多个。这样，所图示和/或描述的各种动作可以以所图示和/或描述的顺序、以其他顺序、并行地执行或被省略。同样，可以改变上述过程的顺序。

本公开的主题包括本文公开的各种过程、系统和配置以及其他特征、功能、动作和/或性质的所有新颖和非显而易见的组合和子组合，以及其任何和所有等同物。