基于光导的全息显示设备的制作方法

本公开涉及光学设备，并且特别地涉及显示系统和显示模块。

背景技术：

1、头戴式显示设备(head mounted display，hmd)、头盔式显示设备、近眼显示设备(near-eye display，ned)等用于显示虚拟现实(virtual reality，vr)内容、增强现实(augmented reality，ar)内容、混合现实(mixed reality，mr)内容等。这种显示设备在各种各样的领域(仅举几个示例，包括娱乐、教育、培训和科学)都有应用。所显示的vr/ar/mr内容可以是三维(three-dimensional，3d)的以增强体验并将虚拟对象与用户观察到的真实对象匹配。

2、为了提供更好的光学性能，显示系统和显示模块可以包括大量部件，诸如透镜、波导、显示面板、光栅等。因为hmd或ned这样的显示设备通常佩戴在用户的头部上，所以大型的、体积庞大且笨重的、不平衡的和/或重型的显示设备对于用户穿戴而言可能是麻烦的且不舒服的。期望紧凑、轻质且高效的头戴式显示设备和显示模块。

技术实现思路

1、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：照明器，该照明器用于提供照明光束；空间光调制器(slm)，该空间光调制器可操作地耦合到该照明器，以用于接收照明光束并且至少对照明光束的相位进行空间调制，从而提供具有空间上变化的波前的图像光束；以及第一复制光导，该第一复制光导可操作地耦合到该slm，以用于接收图像光束并且在该显示设备的适眼区处提供该图像光束的多个横向偏移的部分；其中，该图像光束的空间上变化的波前具有这种形状，该形状使得图像光束的多个部分在该显示设备的出射光瞳处相干地相加或相减，以形成由用户直接观察的图像。

2、在一些实施例中，该照明器可以包括光源和第二复制光导，该光源用于提供准直光束，该第二复制光导可以被配置成接收该准直光束并且可以提供准直光束的多个部分，以便形成用于耦合到该slm的照明光束。

3、在一些实施例中，该slm可以为反射性slm，该反射性slm被配置成以空间变化的相位延迟反射该照明光束来形成图像光束，其中，经反射后，该图像光束可以穿过该第二复制光导传播回来并朝向该第一复制光导传播。

4、在一些实施例中，该第一复制光导可以包括光栅耦出器，该光栅耦出器用于将该图像光束的多个部分从该第一复制光导耦出，其中，该光栅耦出器可以被配置成漫散射该图像光束的多个部分中的至少一些部分的不多于1％的光功率。

5、在一些实施例中，该第一复制光导可以包括光栅耦出器，该光栅耦出器用于将该图像光束的多个部分从该第一复制光导耦出；以及漫散射体，该漫散射体位于该光栅耦出器的下游，用于至少散射该图像光束的多个部分的一部分光功率。

6、在一些实施例中，该显示设备还可以包括控制器，该控制器可操作地耦合到该slm，并且该控制器可以被配置成：计算空间上变化的波前的形状，使得该图像光束的多个部分在该显示设备的出射光瞳处相干地相加或相减，以形成由用户直接观察的图像；以及向该slm提供控制信号以对照明光束进行空间调制，从而提供该图像光束。

7、在一些实施例中，该显示设备还可以包括眼睛跟踪系统，该眼睛跟踪系统用于确定用户的眼睛瞳孔的位置；其中，该控制器可以可操作地耦合到该眼睛跟踪系统，并且其中，该控制器可以被配置成基于由该眼睛跟踪系统确定的眼睛瞳孔的位置来设置该显示设备的出射光瞳的位置。

8、在一些实施例中，该显示设备还可以包括：聚焦元件，该聚焦元件位于该第一复制光导的下游，以用于将该图像光束聚焦在该显示设备的出射光瞳处；以及眼睛跟踪系统，该眼睛跟踪系统用于确定用户的眼睛瞳孔的位置；其中，该照明器可以包括：光源，该光源用于提供准直光束；可倾斜反射器，该可倾斜反射器可操作地耦合到该光源，以用于接收该准直光束并且可变地重定向该准直光束；第二复制光导，该第二复制光导可操作地耦合到该可倾斜反射器，以用于接收该准直光束并且提供该准直光束的多个部分，以便形成该照明光束；并且其中，该控制器可以可操作地耦合到该可倾斜反射器和该眼睛跟踪系统，并且该控制器可以被配置成重定向该准直光束以将该显示设备的出射光瞳移向用户的眼睛瞳孔。

9、根据本公开的第二方面，提供了一种显示设备，该显示设备包括：光源，该光源用于提供准直光束；可倾斜反射器，该可倾斜反射器可操作地耦合到该光源，以用于接收准直光束并且可变地重定向该准直光束；复制光导，该复制光导可操作地耦合到该可倾斜反射器，以用于接收该准直光束并且提供该准直光束的多个横向偏移的平行部分；空间光调制器(slm)，该空间光调制器可操作地耦合到该复制光导，以用于接收该准直光束的多个部分并且对准直光束的多个部分在幅度或相位中的至少一者上进行空间调制，从而形成图像光束；以及聚焦元件，该聚焦元件可操作地耦合到该slm，以用于将该图像光束聚焦在该显示设备的出射光瞳处，以便形成由用户直接观察的图像。

10、在一些实施例中，该slm可以为反射性slm，该反射性slm被配置成通过以空间变化的反射率或空间变化的相位中的至少一者来反射准直光束以形成图像光束，其中，经反射后，该图像光束可以穿过该复制光导传播回来并朝向该聚焦元件传播。

11、在一些实施例中，该显示设备还可以包括：眼睛跟踪系统，该眼睛跟踪系统用于确定用户的眼睛瞳孔的位置；以及控制器，该控制器可操作地耦合到该眼睛跟踪系统和该可倾斜反射器，并且该控制器被配置成操作该可倾斜反射器以重定向该准直光束，从而将该显示设备的出射光瞳移到用户的眼睛瞳孔。

12、在一些实施例中，该聚焦元件可以包括可切换透镜，其中，该控制器可以可操作地耦合到该可切换透镜，并且该控制器被配置成切换该可切换透镜以将该显示设备的出射光瞳移到用户的眼睛瞳孔。

13、根据本公开的第三方面，提供了一种显示设备，该显示设备包括：照明器，该照明器用于提供准直光束；复制光导，该复制光导可操作地耦合到该照明器，以用于接收该准直光束并且提供该准直光束的多个横向偏移的平行部分；空间光调制器(slm)，该空间光调制器可操作地耦合到该复制光导，以用于接收该准直光束的多个部分并且对该准直光束的多个部分在幅度或相位中的至少一者上进行空间调制；重定向元件，该重定向元件位于该slm下游的光路中，以用于可变地重定向该图像光束；以及聚焦元件，该聚焦元件位于该slm下游的光路中，以用于将该图像光束聚焦在该显示设备的出射光瞳处，从而形成由用户直接观察的图像。

14、在一些实施例中，slm可以为反射性slm，该反射性slm被配置成通过以空间变化的反射率或空间变化的相位中的至少一者来反射准直光束的多个部分以形成图像光束，其中，经反射后，该图像光束可以穿过该复制光导传播回来并朝向该重定向元件传播。

15、在一些实施例中，该重定向元件可以包括pancharatnam-berry相位(pbp)光栅的堆叠体，pbp光栅的堆叠体被配置成可切换地重定向图像光束。

16、在一些实施例中，聚焦元件可以包括以下中的至少一者：衍射透镜、折射透镜、菲涅耳透镜、或pancharatnam-berry相位(pbp)透镜。

17、在一些实施例中，该显示设备还可以包括角过滤器(angular filter)，该角过滤器设置在该slm下游的光路中并且被配置成阻挡由于准直光束的多个部分的空间调制而引起的更高阶的衍射。

18、在一些实施例中，该显示设备还可以包括眼睛跟踪系统，该眼睛跟踪系统用于确定用户的眼睛瞳孔的位置。

19、在一些实施例中，该显示设备还可以包括控制器，该控制器可操作地耦合到该slm、该重定向元件和该眼睛跟踪系统，并且该控制器被配置成：从该眼睛跟踪系统获取眼睛瞳孔的位置；使该重定向元件将该图像光束朝向眼睛瞳孔的位置重定向；并且使该slm对准直光束的多个部分进行空间调制。

20、在一些实施例中，该聚焦元件可以包括变焦元件，该变焦元件可操作地耦合到该控制器，其中，该控制器可以被配置成调整该变焦元件的焦距，以将该显示设备的出射光瞳移到眼睛瞳孔的位置。

21、应当理解，本文描述的适合于结合到本公开的一个或多个方面或实施例中的任何特征旨在可在本公开的任何和所有的方面和实施例上推广。本领域技术人员根据本公开的说明书、权利要求书和附图，可以理解本公开的其它方面。前文的概括描述和以下的详细描述仅是示例性和说明性的，而不是对权利要求的限制。