通过可倾斜反射器进行光瞳转向的定向照明器和显示设备的制作方法

本公开涉及光学设备，并且特别地涉及视觉显示系统及其部件和模块。

背景技术：

1、视觉显示器向一位或多位观看者提供信息，这些信息包括静止图像、视频、数据等。视觉显示器在不同领域都有应用，仅举几个例子，这些领域包括娱乐、教育、工程、科学、专业培训、广告。一些视觉显示器(例如，电视机)向多位用户显示图像，而一些视觉显示系统(例如，近眼显示器(near-eye display，ned))旨在供个体用户使用。

2、人工现实系统通常包括被配置成向用户呈现内容的ned(例如，头戴式设备(headset)或一副眼镜)。近眼显示器可以显示虚拟对象、或将真实对象的图像与虚拟对象的图像进行组合，如在虚拟现实(virtual reality，vr)应用、增强现实(augmentedreality，ar)应用或混合现实(mixed reality，mr)应用中那样。例如，在ar系统中，用户可以通过透视“组合器”部件来观看虚拟对象的图像(例如，计算机生成的图像(computer-generated image，cgi))和周围环境的图像。可穿戴显示器的组合器部件通常对外部光是透明的，但包括一些光路由光学器件以将显示光引导到用户的视场中。

3、头戴式显示系统需要紧凑且节能的显示设备。因为头戴式显示器(hmd)/ned的显示器通常佩戴在用户的头部上，所以具有沉重电池的大型、体积庞大且笨重、不平衡和/或沉重的显示设备对于用户穿戴来说将是麻烦的且是不舒适的。紧凑型显示设备需要紧凑且节能的光源、图像投影仪、光导、聚焦光学器件等。

技术实现思路

1、根据本公开的第一方面，提供了一种用于显示面板的定向照明器，该定向照明器包括：光源，该光源用于提供光束；光瞳复制光导；以及可倾斜反射器，该可倾斜反射器用于接收来自该光源的光束并且将该光束以可变入射角朝向该光瞳复制光导重定向；其中，该光瞳复制光导被配置成通过从该光瞳复制光导的相对表面的反射使光束在该光瞳复制光导中传播，并且将该光束的偏移平行部分沿这些相对表面中的至少一个表面以与该光束的可变入射角相对应的可变耦出角耦出。

2、在一些实施例中，该光瞳复制光导可以包括耦入光栅，该耦入光栅用于将光束以与该光束的可变入射角相对应的可变耦入角耦入到该光瞳复制光导中。

3、在一些实施例中，该定向照明器还可以包括四分之一波片(quarter-wave plate，qwp)，该qwp位于该光瞳复制光导与该可倾斜反射器之间的光路中，其中，该耦入光栅是偏振选择性的，使得处于第一偏振的光传播穿过该耦入光栅而基本上不改变传播方向，而处于正交的第二偏振的光被该耦入光栅重定向；其中，该光源被配置成提供处于该第一偏振的光束，以依次传播穿过该光瞳复制光导的耦入光栅，穿过qwp，照射到该可倾斜反射器上，然后被该可倾斜反射器反射以向回传播穿过该qwp，由此该光束在向回传播穿过该qwp之后获得该第二偏振，照射到该耦入光栅上，并且由此以该可变耦入角被重定向以在该光瞳复制光导中传播。

4、在一些实施例中，该耦入光栅可以包括偏振体全息图(polarization volumehologram，pvh)，其中，处于第一旋向性的圆偏振的光传播穿过该pvh而基本上不改变传播方向，而处于相反的第二旋向性的圆偏振的光被该pvh重定向；并且其中，该光源被配置成提供处于该第一旋向性的圆偏振的光束，以传播穿过该光瞳复制光导的耦入光栅，照射到该可倾斜反射器上，并且被该可倾斜反射器反射，由此该光束获得该第二旋向性的圆偏振，照射到该pvh上，并且由此以该可变耦入角被重定向以在该光瞳复制光导中传播。

5、在一些实施例中，该可倾斜反射器可以包括微机电系统(microelectromechanical system，mems)可倾斜反射镜。

6、在一些实施例中，该光瞳复制光导可以包括耦出光栅，该耦出光栅用于将该光束的偏移平行部分以与该光束的可变入射角相对应的可变耦出角耦出。

7、在一些实施例中，该耦出光栅可以是偏振选择性的，使得处于第一偏振的光传播穿过该耦出光栅而基本上不改变传播方向，而处于正交的第二偏振的光由该耦出光栅从该光瞳复制光导耦出；该定向照明器还包括可调偏振旋转器阵列，该可调偏振旋转器阵列沿着该光瞳复制光导的相对表面中的至少一个表面光学耦合到该光瞳复制光导，并且被配置成以空间选择性方式调谐在该光瞳复制光导中传播的光束的偏振态。

8、在一些实施例中，该可调偏振旋转器阵列和该耦出光栅可以设置在该光瞳复制光导的相对侧。

9、在一些实施例中，该定向照明器还可以包括控制器，该控制器可操作地耦接到该可倾斜反射器和该可调偏振旋转器阵列，并且被配置成与使该可倾斜反射器倾斜相协调地调谐在该光瞳复制光导中传播的光束的偏振态，以便在该可倾斜反射器的不同倾斜角下增加输出光束的光功率密度的空间均匀性，其中，该输出光束包括由该耦出光栅耦出的光束的偏移平行部分。

10、根据本公开的另一个方面，提供了一种显示设备，该显示设备包括定向照明器和显示面板。该定向照明器包括：光源，该光源用于提供光束；光瞳复制光导；可倾斜反射器，该可倾斜反射器用于接收来自该光源的光束并且将该光束以可变入射角朝向该光瞳复制光导重定向，其中，该光瞳复制光导被配置成通过从该光瞳复制光导的相对表面的反射使光束在该光瞳复制光导中传播，并且将该光束的偏移平行部分沿这些相对表面中的至少一个表面以与该光束的可变入射角相对应的可变耦出角耦出。该显示面板耦接到该定向照明器，该显示面板用于接收光束的偏移平行部分并对光束的偏移平行部分进行空间调制，以提供携带线性域中的图像的空间调制光束。

11、在一些实施例中，该显示设备还可以包括目镜，该目镜耦接到该显示面板，以用于将该线性域中的图像转换为角度域中的图像以供用户观看。

12、在一些实施例中，该显示设备还可以包括：眼睛追踪系统，该眼睛追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接到该可倾斜反射器和该眼睛追踪系统，并且被配置成使该可倾斜反射器倾斜以使空间调制光束转向来匹配眼睛瞳孔的位置。

13、在一些实施例中，该显示面板可以包括反射式显示面板。

14、在一些实施例中，该显示设备还可以包括位于该显示面板下游的射束重定向模块，该射束重定向模块用于进一步重定向空间调制光束。

15、在一些实施例中，该可倾斜反射器可以被配置成重定向光束，使得该光束的耦出的偏移平行部分在第一平面中被重定向，并且其中，该射束重定向模块被配置成在与该第一平面不平行的第二平面中重定向该空间调制光束。

16、在一些实施例中，该射束重定向模块可以包括多个可切换光栅的叠置体。

17、在一些实施例中，该多个可切换光栅的叠置体可以包括多个pancharatnam-berry位相(pancharatnam-berry phase，pbp)液晶(liquid crystal，lc)可切换光栅。

18、根据本公开的另一个方面，提供了一种用于显示面板的定向照明的方法，该方法包括：通过可倾斜反射器将光源发射的光束以可变入射角引导到光瞳复制光导；通过从该光瞳复制光导的相对表面的反射，使该光束在该光瞳复制光导中传播；以及使该光束的偏移平行部分沿着该光瞳复制光导的相对表面中的至少一个表面以与该可变入射角相对应的可变耦出角从该光瞳复制光导耦出，从而用该光束的耦出的平行部分照亮该显示面板。

19、在一些实施例中，该方法还可以包括：将光束偏振选择地耦入到该光瞳复制光导中。

20、在一些实施例中，该方法还可以包括：与使该可倾斜反射器倾斜相协调地以空间选择性方式调谐在该光瞳复制光导中传播的光束的偏振态，以便在该可倾斜反射器的不同倾斜角下增加输出光束的光功率密度的空间均匀性，其中，该输出光束包括光束的偏移平行部分。

21、应当理解的是，本文中描述为适合于结合到本公开的一个或多个方面、或一个或多个实施例中的任何特征旨在可推广到本公开的任何和所有方面以及任何和所有实施例中。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他方面。上述总体描述和以下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。