CN113966482A - 具有用于执行凹的多个光路径的显示系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电子设备，该电子设备可包括显示模块，该显示模块产生具有高分辨率区域和低分辨率区域的凹图像。该模块可包括反射型显示面板，该反射型显示面板在第一时间段期间产生第一反射光并且在第二时间段期间产生第二反射光。该第一反射光可从分束器反射以形成该凹图像的该低分辨率区域。该第二反射光可由该分束器透射，由透镜缩小，并且由光学转向元件重定向，以在该凹图像中的可调节期望位置处产生该高分辨率区域。该反射型显示面板可被替代为同时显示该凹图像中的该高分辨率区域和该低分辨率区域的发射显示面板组。这些发射显示面板组可被替代为前照式反射型显示面板。

Description

具有用于执行凹的多个光路径的显示系统

本专利申请要求于2019年11月22日提交的美国临时专利申请第62/939,214号的优先权，该美国临时专利申请据此全文以引用方式并入本文。

背景技术

本公开整体涉及光学系统，并且更具体地讲，涉及用于显示器的光学系统。

电子设备可包括靠近用户的眼睛呈现图像的显示器。例如，诸如虚拟现实和增强现实头戴式耳机之类的设备可包括具有允许用户观看显示器的光学元件的显示器。

设计设备诸如这些设备可能是有挑战性的。如果稍有不慎，用于显示内容的部件可能是难看且笨重的，并且可能未表现出期望的光学性能水平。

发明内容

电子设备诸如头戴式设备可具有为用户产生图像的一个或多个近眼显示器。头戴式设备可以是一副虚拟现实眼镜，或者可以是增强现实头戴式耳机，其允许观察者观看计算机生成的图像和观察者周围环境中的真实世界对象两者。

近眼显示器可包括产生光的显示模块和将来自显示模块的光朝向窥眼箱重定向的光学系统。该光学系统可包括波导，该波导具有输入耦合器和输出耦合器。提供给窥眼箱的光可包括具有高分辨率区域和低分辨率区域的凹图像。显示模块可生成凹图像，并且可随时间推移调节高分辨率区域的位置(例如，使得随着观看者的注视改变，高分辨率区域与观看者的注视的中心重叠)。

显示模块可包括产生照明光的光源、反射型显示面板(例如硅基液晶(LCOS)或数字微镜器件(DMD)面板)、偏振分束器、透镜和光学转向元件诸如可调节反射镜或可切换液晶转向设备。反射型显示面板可在第一时间段期间将照明光反射为第一反射光并且可在第二时间段期间将照明光反射为第二反射光。分束器可将第一反射光朝向光学系统反射为凹图像的低分辨率区域，但可透射第二反射光。透镜可缩小由偏振分束器透射的第二反射光以产生缩小光。光学转向元件可将缩小光穿过分束器并朝向光学系统重定向为凹图像的高分辨率区域。控制电路可调节光学转向元件以随时间推移改变凹图像中的高分辨率区域的位置。

在另一种合适的布置中，光学系统可包括第一组发射显示面板和第二组发射显示面板，诸如微型发光二极管(uLED)显示面板、微型有机发光二极管(uOLED)显示面板和垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列显示面板。第一组发射显示面板可产生第一照明光。分束器可将第一照明光朝向光学系统反射为凹图像的低分辨率区域。第二组发射显示面板可产生第二照明光。透镜可缩小第二照明光以产生缩小光。光学转向元件可将缩小光朝向分束器重定向。分束器可将由光学转向元件朝向光学系统重定向的缩小光透射为凹图像的高分辨率区域。控制电路可调节光学转向元件以随时间推移改变凹图像中的高分辨率区域的位置。如果需要，第一组发射显示面板和第二组发射显示面板可被替代为前照式LCOS显示面板。

附图说明

图1是根据一些实施方案的具有显示器的例示性系统的图示。

图2是根据一些实施方案的具有显示模块的例示性光学系统的顶视图，该显示模块具有用于执行动态凹操作的多个光学路径。

图3是根据一些实施方案的可由图2所示类型的光学系统输出的具有可调节高分辨率区域的例示性凹图像的图示。

图4是根据一些实施方案的具有用于产生具有可调节高分辨率区域的凹图像的反射型显示面板的例示性显示模块的图示。

图5是根据一些实施方案的具有用于产生具有可调节高分辨率区域的凹图像的发射显示面板的例示性显示模块的图示。

图6是根据一些实施方案的可用于图5所示类型的显示模块中的例示性前照式反射型显示面板的图示。

具体实施方式

图1中示出了一个例示性系统，其具有带有一个或多个近眼显示系统的设备。系统10可以是头戴式设备，其具有一个或多个显示器，诸如安装在支撑结构(壳体)20内的近眼显示器14。支撑结构20可具有一副眼镜(例如，支撑框架)的形状，可形成具有头盔形状的外壳，或者可具有用于帮助将近眼显示器14的部件安装和固定在用户的头部上或眼睛附近的其他构型。近眼显示器14可包括一个或多个显示模块诸如显示模块14A，以及一个或多个光学系统诸如光学系统14B。显示模块14A可安装在支撑结构诸如支撑结构20中。每个显示模块14A可以发射光22(图像光)，使用光学系统14B中的相关联的一个将该光朝向窥眼箱24处的用户眼睛重定向。

可使用控制电路16来控制系统10的操作。控制电路16可包括用于控制系统10的操作的存储和处理电路。电路16可包括存储装置，诸如硬盘驱动器存储装置、非易失性存储器(例如，被配置为形成固态驱动器的电可编程只读存储器)、易失性存储器(例如，静态或动态随机存取存储器)等。控制电路16中的处理电路可基于一个或多个微处理器、微控制器、数字信号处理器、基带处理器、电源管理单元、音频芯片、图形处理单元、专用集成电路以及其他集成电路。软件代码(指令)可存储在电路16中的存储器上，并且在电路16中的处理电路上运行，以实现用于系统10的操作(例如，数据采集操作、涉及使用控制信号调节部件的操作、产生图像内容以向用户显示的图像渲染操作等)。

系统10可包括输入输出电路诸如输入-输出设备12。输入-输出设备12可用于允许由系统10从外部装置(例如，拴系计算机、便携式设备(诸如手持设备或膝上型计算机)或其他电气装置)接收数据，并且允许用户向头戴式设备10提供用户输入。输入-输出设备12还可用于收集有关在其中操作的系统10(例如，头戴式设备10)的环境的信息。设备12中的输出部件可允许系统10向用户提供输出，并且可用于与外部电子装置通信。输入-输出设备12可包括传感器和其他部件18(例如，用于采集与系统10中的显示器上的虚拟对象数字地合并的真实世界对象的图像的图像传感器、加速度计、深度传感器、光传感器、触觉输出设备、扬声器、电池、用于在系统10和外部电子装置之间通信的无线通信电路等)。在本文有时作为示例描述的一种合适的布置中，部件18可包括注视跟踪传感器，该注视跟踪传感器在窥眼箱24处从用户的眼睛收集注视图像数据以实时跟踪用户的注视的方向。例如，注视跟踪传感器可包括朝向窥眼箱发射红外光或其他光的红外或其他光发射器，以及感测从用户的眼睛反射的红外光或其他光的图像传感器(例如，其中所感测的光识别用户的眼睛的注视方向)。

显示模块14A可包括反射型显示器(例如，硅基液晶(LCOS)显示器、数字微镜器件(DMD)显示器或其他空间光调制器)、发射显示器(例如，微型发光二极管(uLED)显示器、有机发光二极管(OLED)显示器、基于激光的显示器等)或其他类型的显示器。显示模块14A中的光源可包括uLED、OLED、LED、激光器、它们的组合或任何其他期望的发光部件。

光学系统14B可以形成允许观察者(参见例如窥眼箱24处的观察者的眼睛)观察显示器14上的图像的镜头。可以存在与用户的相应左眼和右眼相关联的两个光学系统14B(例如，用于形成左镜头和右镜头)。单个显示器14可为双眼产生图像，或者一对显示器14可用于显示图像。在具有多个显示器(例如，左眼显示器和右眼显示器)的配置中，可以选择由光学系统14B中的部件形成的透镜的焦距和位置，使得显示器之间存在的任何间隙对于用户将是不可见的(例如，使得左显示器和右显示器的图像无缝地重叠或合并)。

如果需要，光学系统14B可包含部件(例如，光学组合器等)以允许来自真实世界图像或对象25的真实世界图像光与虚拟(计算机生成的)图像诸如图像光22中的虚拟图像被在光学上组合。在这种类型的系统(有时称为增强现实系统)中，系统10的用户可查看真实世界内容和覆盖在真实世界内容之上的计算机生成的内容两者。基于相机的增强现实系统也可用于设备10中(例如，相机捕获对象25的真实世界图像并且将该内容与光学系统14B处的虚拟内容进行数字合并的布置)。

如果需要，系统10可以包括无线电路和/或其他电路，以支持与计算机或其他外部装置(例如，向显示器14提供图像内容的计算机)通信。在操作期间，控制电路16可以将图像内容提供给显示器14。可以远程接收该内容(例如，从耦接到系统10的计算机或其他内容源)和/或可以由控制电路16生成该内容(例如，文本、其他计算机生成的内容等)。由控制电路16提供给显示器14的内容可以由窥眼箱24处的观察者观看。

图2是可以在图1的系统10中使用的例示性显示器14的顶视图。如图2所示，近眼显示器14可包括一个或多个显示模块诸如显示模块14A，以及一个光学系统诸如光学系统14B。光学系统14B可包括光学元件，诸如一个或多个波导26。波导26可包括光学透明材料诸如塑料、聚合物、玻璃等形成的一个或多个堆叠基板(例如，堆叠平面和/或弯曲层，在本文中有时称为波导基板)。

如果需要，波导26还可包括一层或多层全息记录介质(在本文中有时称为全息介质、光栅介质或衍射光栅介质)，在这些全息记录介质上记录一个或多个衍射光栅(例如，全息相位光栅，在本文中有时称为全息图)。全息记录可存储为光敏光学材料诸如全息介质内的光学干涉图案(例如，不同折射率的交替区域)。该光学干涉图案可产生全息相位光栅，当用给定光源照射该全息相位光栅时，该全息相位光栅衍射光以产生全息记录的三维重建。全息相位光栅可以是用永久干涉图案编码的不可开关的衍射光栅，或者可以是可开关的衍射光栅，其中可以通过控制施加到全息记录介质的电场来调制射光。如果需要，可在相同体积的全息介质内记录多个全息相位光栅(全息图)(例如，叠加在相同体积的全息介质内)。全息相位光栅可以是例如光栅介质中的体积全息图或薄膜全息图。光栅介质可包括光聚合物、明胶诸如重铬酸盐明胶、卤化银、全息聚合物分散液晶或其他合适的全息介质。

波导26上的衍射光栅可包括全息相位光栅诸如体积全息图或薄膜全息图、元光栅或任何其他期望的衍射光栅结构。波导26上的衍射光栅还可包括形成在波导26中的基板的一个或多个表面上的表面起伏光栅、由金属结构的图案形成的光栅等。衍射光栅可例如包括在相同体积的光栅介质内至少部分地重叠的多个多路复用光栅(例如，全息图)(例如，用于衍射不同颜色的光和/或以一个或多个对应的输出角度衍射来自不同输入角度范围的光)。

光学系统14B可包括准直光学器件，诸如成像光学器件34。成像光学器件34(在本文中有时称为成像透镜34)可包括帮助将图像光22朝向波导26定向的一个或多个透镜元件。如果需要，显示模块14A可以安装在图1的支撑结构20内，而光学系统14B可以安装在支撑结构20的部分之间(例如，以形成与窥眼箱24对准的透镜)。如果需要，可使用其他安装布置。

如图2所示，显示模块14A可以生成与要显示到窥眼箱24的图像内容相关联的光22。可以使用透镜诸如成像光学器件34中的透镜将光22进行准直。光学系统14B可用于将从显示模块14A输出的光22呈现给窥眼箱24。

光学系统14B可以包括一个或多个光学耦合器，诸如输入耦合器28、交叉耦合器32和输出耦合器30。在图2的示例中，输入耦合器28、交叉耦合器32和输出耦合器30形成在波导26处或其上。输入耦合器28、交叉耦合器32和/或输出耦合器30可完全嵌入波导26的基板层内，可部分嵌入波导26的基板层内，可安装到波导26(例如，安装到波导26的外表面)等。

图2的示例仅为例示性的。可省略这些耦合器中的一个或多个耦合器(例如，交叉耦合器32)。光学系统14B可包括相对于彼此横向和/或竖直堆叠的多个波导。每个波导可包括耦合器28、32和30中的一个、两个、所有耦合器或不包括任何耦合器。如果需要，波导26可以是至少部分弯曲的或折弯的。

波导26可经由全内反射沿其长度向下引导光22。输入耦合器28可以被配置为将光22从显示模块14A(成像光学器件34)耦合到波导26中，而输出耦合器30可以被配置为将光22从波导26内耦合到波导26外部并朝向窥眼箱24。例如，显示模块14A可沿方向+Y朝向光学系统14B发射光22。当光22撞击输入耦合器28时，输入耦合器28可以重定向光22，使得光在波导26内经由全内反射朝向输出耦合器30(例如，沿方向X)传播。当光22撞击输出耦合器30时，输出耦合器30可以将光22往波导26外朝向窥眼箱24(例如，沿Y轴向后)重定向。例如，在交叉耦合器32形成于波导26处的情况下，交叉耦合器32可在光22沿波导26的长度向下传播时在一个或多个方向上重定向光。

输入耦合器28、交叉耦合器32和输出耦合器30可以基于反射光学器件和折射光学器件，或者可以基于全息(例如，衍射)光学器件。在耦合器28、30和32由反射光学器件和折射光学器件形成的布置中，耦合器28、30和32可包括一个或多个反射器(例如，微镜、部分反射镜或其他反射器的阵列)。在耦合器28、30和32基于全息光学器件的布置中，耦合器28、30和32可包括衍射光栅(例如，体积全息图、表面起伏光栅等)。

可能期望使用显示器14显示高分辨率图像。然而，在实践中，人眼的敏感度可能仅足以理解其视野中心附近的较高分辨率图像数据和较低分辨率图像数据之间的差异(例如，用户可能对用户视野周边的图像部分中的低分辨率图像数据不太敏感)。在实践中，在整个视野内提供高分辨率图像数据可能消耗过量的处理资源、光学资源和显示器14内的空间，特别是考虑到用户仅对视野中心附近的高分辨率图像数据敏感。因此，显示器14可以是凹显示器，该凹显示器以高分辨率显示图像的仅关键部分以帮助减少系统10上的负担。

一般来讲，增大显示模块14A(例如，图3的显示面板38)的物理尺寸将增大可使用光22显示的图像的最大分辨率。然而，在紧凑系统诸如图1的系统10中，空间常常非常宝贵。因此，期望能够提供高分辨率图像，同时还节省系统10中的处理和光学资源，而不会进一步增大显示模块14A(例如，显示面板38)的尺寸。

为了提供高分辨率图像而不会对系统10的资源造成不期望的负担并且不会进一步增大显示模块14A的尺寸，显示模块14A可被配置为对光22执行动态凹操作。显示模块14A可例如以较高分辨率显示图像在用户视野中心附近的部分，而以较低分辨率显示图像的远离用户视野中心的部分。当用户的注视随时间推移而改变时，显示模块14A可调节图像的以较高分辨率产生的部分，使得该部分保持在用户的注视的中心处。注视跟踪部件(例如，图1的部件18中的图像传感器)可随时间推移主动跟踪用户的注视的位置。关于用户的注视方向的信息可用于使图像的较高分辨率部分的位置移位以跟随用户的注视的中心。因此，光22中的图像可以是凹图像(例如，动态凹图像，其中图像的较高分辨率部分随时间推移而重新定位以跟随/跟踪用户的注视)。

图3是示出可由显示模块14A产生的凹图像的图示。图2的光22可包括凹图像，诸如图3的凹图像40(例如，如由显示模块14A产生的)。凹图像40可包括像素43。如图3所示，凹图像40可包括区域42中的较低分辨率像素43(在本文中有时称为较低分辨率区域42、低分辨率区域42或低分辨率部分42)和区域44中的较高分辨率像素43(在本文中有时称为较高分辨率区域44、高分辨率区域44或高分辨率部分44)。显示模块14A可例如光学地提供区域42中的像素，这些像素具有较高放大率并因此具有较低分辨率和较低像素间距，同时光学地提供区域44中的像素，这些像素具有较低放大率并因此具有较高分辨率和较高像素间距。区域42可例如为围绕区域44的周边(例如，在任何给定时间沿着用户的注视的视野周边)延伸的周边区域。区域44可例如在任何给定时间位于用户的注视的中心处。图1的部件18可收集识别用户的注视的位置的注视跟踪数据。当用户的注视方向随时间推移而改变时，控制电路16(图1)可调节显示模块14A以移位区域44的位置(例如，基于注视跟踪数据)以使区域44与用户的注视的中心对准，如箭头46所示。

因为凹图像40在区域44内具有比在区域42内更高的分辨率，所以用户(例如，在图2的窥眼箱24处)可以将凹图像40感知为高分辨率图像(例如，因为用户的眼睛对区域44内的较高分辨率敏感，并且对区域42内的较低分辨率不敏感)。这可以允许在窥眼箱24处显示的图像有效地看起来是高分辨率图像，而不需要增大显示模块14A的尺寸或者系统10的处理和光学资源，即使用户随时间推移改变其注视方向(例如，凹可由显示模块14A动态地执行，而不会对系统10中的其他部件施加任何增加的负担)。图3的示例仅为例示性的。区域44和42可具有任何期望的形状和/或尺寸。凹图像40可具有任何期望的形状和/或尺寸，并且可包括任何期望数量的像素43(在本文中有时称为图像像素43)。

图4是在显示模块14A是产生凹图像诸如图3的动态凹图像40的反射型显示器的示例中的显示模块14A的图示。如图4所示，显示模块14A可包括照明源，诸如光源50。光源50可具有用于产生输出光的一个或多个发光部件(元件)。发光元件可为例如发光二极管(例如，红色、绿色和蓝色发光二极管、白色发光二极管、红外发光二极管和/或其他颜色的发光二极管)、OLED、uLED等。也可使用光源诸如激光器(例如，VCSEL)或灯来提供照明。

在图4的示例中，显示模块14A是反射型显示模块，诸如硅基液晶(LCOS)显示模块、微机电系统(MEM)显示模块(有时称为数字微镜器件(DMD))或其他显示模块(例如，空间光调制器)。光学部件诸如棱镜62可光学地插置在光源50和反射型显示面板66之间。反射型显示面板66是反射型空间光调制器，并且可为例如LCOS显示面板、DMD面板(例如，具有各自对应于给定显示器像素的微镜阵列的面板)等。

显示模块14A可包括主光学器件88和辅光学器件86。主光学器件88(在本文中有时称为较低分辨率光学器件88或低分辨率光学器件88)可包括反射型显示面板66、棱镜62、透镜60、反射镜58和透镜56。透镜60可包括以任何期望方式布置的一个或多个透镜元件。透镜56可包括以任何期望方式布置的一个或多个透镜元件。棱镜62可包括偏振分束器，诸如偏振分束器64。偏振分束器64可透射第一偏振光，同时反射第二偏振光。辅光学器件86(在本文中有时称为较高分辨率光学器件86或高分辨率光学器件88)可包括透镜74、光学转向元件76(在本文中有时称为可转向元件76或可转向光学元件76)、反射镜80和透镜81。显示模块14A还可包括透镜52和分束器54(例如，半反射镜分束器)。透镜52可包括以任何期望方式布置的一个或多个透镜元件。透镜74可包括以任何期望方式布置的一个或多个透镜元件。透镜81可包括以任何期望方式布置的一个或多个透镜元件。如果需要，可省略透镜60、56、81和/或52。如果需要，显示模块14A可包括其他光学部件(例如，偏振器、分束器、反射镜、波片、光学涂层、透镜、透镜元件等)。

图4的显示模块14A可使用多个不同的光学路径(例如，用于产生低分辨率区域42的第一光学路径和用于产生高分辨率区域44的不同于第一光学路径的第二光学路径)产生图3的凹图像40。例如，从光源50延伸穿过主光学器件88到成像光学器件34的第一光学路径可用于产生凹图像40的低分辨率区域42，而从光源50延伸穿过主光学器件88和辅光学器件86到成像光学器件34的第二光学路径可用于产生凹图像40的高分辨率区域44。显示模块14A可使用沿循第一光学路径和第二光学路径的光产生交替图像帧(例如，使得在任何给定时间仅显示高分辨率区域44或低分辨率区域42中的一者)。显示模块14A可以足够高的速率在第一光学路径和第二光学路径之间交替，使得在用户看起来好像凹图像40的高分辨率区域44和低分辨率区域42两者正被同时显示一样。

例如，如图4所示，光源50可产生照明光68(例如，包括诸如红光、绿光和蓝光的颜色组合的照明光)。照明光68可穿过透镜52(例如，准直透镜)，穿过分束器54，并且穿过透镜56到达反射镜58。照明光68可从反射镜48反射并且穿过透镜60和棱镜62到达反射型显示面板66。如果需要，偏振器可沿该光学路径插置，以提供具有给定偏振的照明光68，使得光透射穿过偏振分束器64到反射型显示面板66。在另一个合适的布置方式中，照明光68的一部分可穿过偏振分束器64，而无需光学地插置在棱镜62和光源50之间的附加偏振器。

照明光68可从反射型显示面板66上的不同显示器像素P反射以产生反射光68'。反射型显示面板66的反射可改变光的偏振(相对于照明光68)，使得反射光68'随后由偏振分束器68朝向成像光学器件34反射(而不是由偏振分束器68透射)。反射光68'穿过成像光学器件34到达图2的波导26。沿循该光学路径的光(例如，如光68和68'所示的第一光学路径)可在相对较大的视野70(例如，跨凹图像40的整个视野延伸的视野)内产生图3的凹图像40的低分辨率区域42。

照明光可沿循不同的光学路径(例如，第二光学路径)以产生图3的高分辨率区域44。例如，当要显示高分辨率区域44时，可调节从反射型显示面板66反射的照明光68的偏振(例如，使用插置在棱镜62和反射型显示面板66之间或光学路径中的其他地方的可切换偏振器)以产生具有由偏振分束器64透射的偏振的反射光72。反射光72随后由偏振分束器64透射并从反射镜58反射穿过透镜56。然后反射光72从分束器54反射并穿过透镜74。透镜74可包括减小反射光72的放大率的缩小透镜元件(例如，反射光72可具有入射在透镜74上时一半的放大率或小于入射在透镜74上时的放大率)。放大率的这种减小可用于减小反射光72中的图像像素的尺寸/间距，从而增大光相对于反射光68'的有效分辨率。已穿过透镜74的反射光72在本文中有时称为缩小光。

可转向元件76可在期望方向上重定向反射光72(例如，缩小光)。可调节可转向元件76以将反射光72移动到凹图像40中的期望位置。例如，可转向元件76可置于第一状态，在该第一状态下反射光72以第一方向朝向反射镜80导向(定向)，如箭头82所示。在该第一状态下，光从反射镜80反射，并且光中的所有图像像素聚焦在图像83(在本文中有时称为凹图像83或高分辨率图像83)内。然后该光透射穿过棱镜62和偏振分束器64到达图2的成像光学器件34和波导26，其中该光在凹图像40内的第一位置处形成高分辨率区域44。类似地，可转向元件76可置于第二状态，在该第二状态下反射光72以第二方向朝向反射镜80导向(定向)，如虚线箭头84所示。在该第二状态下，光从反射镜80反射，并且光中的所有图像像素聚焦在与图像83在空间上偏移的图像87(在本文中有时称为凹图像87或高分辨率图像87)内。然后该光透射穿过棱镜62和偏振分束器64到达图2的成像光学器件34和波导26，其中该光在凹图像40内的第二位置处形成高分辨率区域44。通过使可转向元件76在第一状态和第二状态之间切换，可随时间推移调节凹图像40的高分辨率区域44的位置(例如，如图3中的箭头46所示)。例如，可执行该调节以在用户的注视方向随时间推移而变化时(例如，基于由图1的部件18收集的注视跟踪数据)使高分辨率区域44与用户的注视的中心重新对准。如果需要，可以在反射光72的光学路径上的任何期望位置处插值任选的偏振元件，以在穿过透镜81之后提供具有由偏振分束器64透射的偏振的光。

图4示出了一个示例，其中为了清楚起见，可转向元件76具有仅两种状态。一般来讲，可转向元件76可具有任何期望数量的状态，以用于将反射光72并因此将高分辨率区域44导向到凹图像40内的任何期望数量的位置。可转向元件76可以是液晶转向元件(例如，可调节液晶棱镜或其他可切换液晶转向设备)、可调节孔或光学地导向反射光72的方向的任何其他期望的可转向元件。可转向元件76的状态可例如由通过控制路径78(例如，从图1的控制电路16)接收的控制信号来控制。该示例仅仅是例示性的。在另一种合适的布置中，可省略可转向元件76，并且反射镜80可为可转向反射镜(例如，MEM反射镜或其他致动反射镜)，该可转向反射镜被导向以将反射光72重定向到凹图像40中的不同位置。如果需要，主光学器件88和/或辅光学器件86的部件可以其他方式布置。与箭头(光线)82和84相关联的光以及反射光68'可共同形成图2的光22(例如，包括图3的凹图像40的光)。

这样，显示模块14A可通过在第一光学路径和第二光学路径之间对照明光68进行分束来执行动态凹操作，该第一光学路径延伸穿过主光学器件88(例如，如反射光68'所示)以用于产生凹图像40的低分辨率区域42，该第二光学路径除了延伸穿过主光学器件88之外还延伸穿过辅光学器件86(例如，如反射光72以及箭头82和84所示)。辅光学器件86包括可转向元件，诸如可转向元件76，以用于调节凹图像40的高分辨率区域44的位置(例如，使得用户继续在其注视的中心处看到高分辨率图像，而不管随时间推移其注视方向如何)。由于图像的其余部分具有较低分辨率(例如，低分辨率区域42)，这可允许用户感知到较高分辨率图像，而不会不期望地增大反射型显示面板66和棱镜62的尺寸以容纳产生此类高分辨率图像原本将需要的所有像素。

其中显示模块14A包括反射型显示面板的图4的示例仅为例示性的。在另一种合适的布置中，显示模块14A可包括发射显示面板以用于产生凹图像40。图5是示出显示模块14A可如何包括发射显示面板的图示。如图5所示，主光学器件88可包括照明光学器件100、棱镜62和偏振分束器64。辅光学器件86可包括照明光学器件102、透镜112、反射镜114、可转向元件76、反射镜80和透镜81。

照明光学器件100可包括发射显示面板106和棱镜110。发射显示面板106可包括发射光源阵列，诸如LED、OLED、uLED、激光器等。照明光学器件100中的发射显示面板106可包括第一发射显示面板106A、第二发射显示面板106B和第三发射显示面板106C。发射显示面板106A、106B和106C可各自发射对应波长范围(例如，颜色)的照明光120。例如，发射显示面板106A可发射红光，发射显示面板106B可发射绿光，并且发射显示面板106C可发射蓝光。棱镜110可将由发射显示面板106A、106B和106C发射的光组合成照明光120(例如，照明光120可包括红光、绿光和蓝光等)。照明光120从偏振分束器朝向照明光学器件34反射。偏振器可插置在照明光120的光学路径上(例如，插置在光源阵列和棱镜110之间、插置在棱镜62和棱镜110之间等)，以提供由偏振分束器64反射(而不是透射)的具有给定偏振的照明光120。发射显示面板106A、106B和106C可各自包括显示器像素P的阵列(例如，其中面板中的每个发射光源形成相应的显示器像素)。显示器像素P产生图3的凹图像40中的低分辨率区域42的图像像素43(例如，照明光120可在提供给图2的波导26的光22中形成凹图像40的低分辨率区域42)。

照明光学器件102可包括发射显示面板104和棱镜108。发射显示面板104可包括发射光源阵列，诸如LED、OLED、uLED、uOLED、激光器(例如，VCSEL)等。照明光学器件102中的发射显示面板104可包括第一发射显示面板104A、第二发射显示面板104B和第三发射显示面板104C。发射显示面板104A、104B和104C可各自发射对应波长范围(例如，颜色)的照明光122。例如，发射显示面板104A可发射红光，发射显示面板104B可发射绿光，并且发射显示面板104C可发射蓝光。发射显示面板104A、104B和104C可各自包括显示器像素P的阵列(例如，其中面板中的每个发射光源形成相应的像素)。显示器像素P产生凹图像40中的高分辨率区域44的图像像素43(例如，照明光120可在提供给图2的波导26的光22中形成凹图像40的高分辨率区域44)。

棱镜108可将由发射显示面板104A、104B和104C发射的光组合成照明光122(例如，照明光122可包括红光、绿光和蓝光等)。照明光122透射穿过透镜112。透镜112可包括减小照明光122的放大率的缩小透镜元件(例如，照明光122在穿过透镜112之后可具有入射在透镜112上时一半的放大率或小于入射在透镜112上时的放大率)。放大率的这种减小可用于减小照明光122中的图像像素的尺寸/间距，从而增大光的有效分辨率(相对于照明光120)。在由透镜112缩小之后，照明光122从反射镜114朝向可转向元件76反射。

可转向元件76可在期望方向上重定向照明光122。可调节可转向元件76以将照明光122移动到凹图像40中的期望位置。例如，可转向元件76可置于第一状态，在该第一状态下照明光122以第一方向朝向反射镜80导向(定向)，如箭头124所示。在该第一状态下，光从反射镜80反射，并且光中的所有图像像素聚焦在图像83内。然后该光透射穿过棱镜62和偏振分束器64到达图2的成像光学器件34和波导26(例如，沿循箭头124的光可具有由偏振分束器64透射的偏振)，其中该光在凹图像40内的第一位置处形成高分辨率区域44。类似地，可转向元件76可置于第二状态，在该第二状态下照明光122以第二方向朝向反射镜80导向(定向)，如虚线箭头126所示。在该第二状态下，光从反射镜80反射，并且光中的所有图像像素聚焦在与图像83在空间上偏移的图像87内。然后该光透射穿过棱镜62和偏振分束器64到达图2的成像光学器件34和波导26(例如，沿循箭头124的光可具有由偏振分束器64透射的偏振)，其中该光在凹图像40内的第二位置处形成高分辨率区域44。通过使可转向元件76在第一状态和第二状态之间切换，可随时间推移调节凹图像40的高分辨率区域44的位置(例如，如图3中的箭头46所示)。例如，可执行该调节以在用户的注视随时间推移而变化时(例如，基于由图1的部件18收集的注视跟踪数据)使高分辨率区域44与用户的注视的中心重新对准。如果需要，可以在照明光122的光学路径上的任何期望位置处插值任选的偏振元件，以提供具有由偏振分束器64透射的偏振的照明光122。

图5示出了一个示例，其中为了清楚起见，可转向元件76具有仅两种状态。一般来讲，可转向元件76可具有任何期望数量的状态，以用于将反射光72并因此将高分辨率区域44导向到凹图像40内的任何期望数量的位置。可转向元件76可以是液晶转向元件(例如，可调节液晶棱镜)、可调节孔或导向反射光72的方向的任何其他期望的可转向元件。可转向元件76的状态可例如由通过控制路径78(例如，从图1的控制电路16)接收的控制信号来控制。该示例仅仅是例示性的。在另一种合适的布置中，可省略可转向元件76，并且反射镜80可为可转向反射镜(例如，MEM反射镜或其他致动反射镜)，该可转向反射镜被导向以将照明光122重定向到凹图像40中的不同位置。如果需要，主光学器件88和/或辅光学器件86的部件可以其他方式布置。

使用发射显示面板而不是反射型显示面板形成主光学器件88和辅光学器件86可允许显示模块14A同时显示凹图像40的高分辨率区域44(例如，使用辅光学器件86、主光学器件88和照明光122显示)和凹图像40的低分辨率区域42(例如，使用主光学器件88和照明光120显示)，而图4的反射型显示模块在任何给定时间显示仅高分辨率区域或仅低分辨率区域，但是该反射型显示模块在高分辨率区域或低分辨率区域之间交替的速度快于人眼的响应速度。即使在图5中使用发射显示面板而不是反射型显示面板，显示模块14A仍通过在第一光学路径和第二光学路径之间对照明光68进行分束来执行动态凹操作，该第一光学路径延伸穿过主光学器件88(例如，如照明光120所示)以用于产生凹图像40的低分辨率区域42，该第二光学路径除了延伸穿过主光学器件88之外还延伸穿过辅光学器件86(例如，如照明光122以及光线124和126所示)。辅光学器件86包括可转向元件，诸如可转向元件74，以用于调节凹图像40的高分辨率区域44的位置(例如，使得用户继续在其注视的中心处看到高分辨率图像，而不管随时间推移其注视方向如何)。由于图像的其余部分具有较低分辨率(例如，低分辨率区域42)，这可允许用户感知到较高分辨率图像，而不会不期望地增大反射型显示面板66和棱镜62的尺寸以容纳产生此类高分辨率图像原本将需要的所有像素。

例如，即使图4和图5的显示模块14A除了包括用于生成具有高分辨率区域44的图像光的主光学器件88之外还包括辅光学器件86，辅光学器件86的体积加上主光学器件88的体积仍然小于如果要将反射型显示面板66(图4)或发射显示面板106A-106C(图5)修改为包括足够的空间以用具有与高分辨率区域44相同分辨率的像素填充图像40的整个视野原本所需的体积。通过执行动态凹，其中高分辨率区域44随时间推移跟踪用户的注视，在窥眼箱处呈现给用户的图像对于用户而言有效地看起来与用高分辨率像素生成整个图像时一样。这可用于优化显示器对用户的表观图像质量，同时还允许显示模块14A占据相对少量的体积，从而使系统10的体积最小化。

如果需要，图5的发射显示面板104和发射显示面板106可被替代为前照式反射型显示面板。图6是可用于替代图5的发射显示面板106A、106B、106C、104A、104B和104C中的一个或多个发射显示面板的前照式反射型显示面板的图示。如图6所示，前照式反射型显示面板145可包括反射型显示面板140、与反射型显示面板140重叠的光导142和光源144。反射型显示面板140可为LCOS面板或其他反射型显示面板。光源144可例如包括LED(例如，红色、绿色和蓝色LED)。光源144可将光146发射到光导142中(例如，经由光导142的侧边缘或输入面)。光146可经由全内反射沿光导142的长度向下传播。光146可在沿光导142的长度(面积)的不同点处(例如，当光的入射角不再支持全内反射时或者当光遇到光导142上或其中的输出耦合特征部时)耦合出光导142并朝向反射型显示面板140。光146可从反射型显示面板140中的不同显示器像素P并朝向图5的棱镜110或棱镜108反射(例如，作为图5的照明光120或122的一部分)。

根据一个实施方案，提供了一种显示系统，所述显示系统被配置为显示凹图像，所述凹图像具有第一区域和第二区域，所述第一区域具有第一分辨率，所述第二区域具有大于所述第一分辨率的第二分辨率，所述显示系统包括：光学系统，所述光学系统被配置为将所述凹图像朝向窥眼箱定向；光源，所述光源产生照明光；反射型显示面板，在第一时间段期间，所述反射型显示面板被配置为将所述照明光反射为第一反射光，并且在不同于所述第一时间段的第二时间段期间，所述反射型显示面板被配置为将所述照明光反射为第二反射光；偏振分束器，所述偏振分束器被配置为将所述第一反射光朝向所述光学系统反射为所述凹图像的所述第一区域，并且所述偏振分束器被配置为透射所述第二反射光；透镜，所述透镜被配置为缩小由所述偏振分束器透射的所述第二反射光以产生缩小光；和光学转向元件，所述光学转向元件被配置为将所述缩小光穿过所述偏振分束器并朝向所述光学系统重定向为所述凹图像的所述第二区域。

根据另一个实施方案，所述显示系统包括控制电路，所述控制电路被配置为调节所述光学转向元件以改变所述凹图像中的所述第二区域的位置。

根据另一个实施方案，所述光学转向元件包括可调节反射镜。

根据另一个实施方案，所述显示系统包括反射镜，所述光学转向元件被配置为将所述缩小光朝向所述反射镜重定向，并且所述反射镜被配置为将所述缩小光穿过所述偏振分束器并朝向所述光学系统反射为所述凹图像的所述第二区域。

根据另一个实施方案，所述光学转向元件包括可切换液晶转向设备。

根据另一个实施方案，所述显示系统包括注视跟踪传感器，所述注视跟踪传感器被配置为在所述窥眼箱处采集识别注视方向的注视跟踪数据，并且所述控制电路被配置为调节所述光学转向元件以使所述第二区域的所述位置与由所述注视跟踪数据识别的所述注视方向对准。

根据另一个实施方案，所述反射型显示面板包括硅基液晶(LCOS)显示面板。

根据另一个实施方案，所述反射型显示面板包括数字微镜器件显示面板。

根据另一个实施方案，所述显示系统包括反射镜，所述反射镜被配置为朝向所述偏振分束器反射所述照明光，并且所述反射镜被配置为朝向所述透镜反射由所述偏振分束器透射的所述第二反射光；和部分反射镜，所述部分反射镜被配置为透射所述照明光，所述部分反射镜被配置为接收来自所述反射镜的所述第二反射光，并且所述部分反射镜被配置为朝向所述透镜反射所述第二反射光。

根据另一个实施方案，所述透镜光学地插置在所述部分反射镜和所述光学转向元件之间，所述反射镜光学地插置在所述部分反射镜和所述偏振分束器之间，并且所述偏振分束器光学地插置在所述反射镜和所述反射型显示面板之间。

根据另一个实施方案，所述光学系统包括波导，所述波导具有输入耦合器和输出耦合器，所述输入耦合器被配置为将所述凹图像耦合到所述波导中，所述输出耦合器被配置为将所述凹图像耦合出所述波导并朝向所述窥眼箱。

根据另一个实施方案，所述第一反射光不穿过所述透镜并且不被所述光学转向元件重定向。

根据一个实施方案，提供了一种显示系统，所述显示系统被配置为显示凹图像，所述凹图像具有第一区域和第二区域，所述第一区域具有第一分辨率，所述第二区域具有大于所述第一分辨率的第二分辨率，所述显示系统包括：光学系统，所述光学系统被配置为将所述凹图像朝向窥眼箱定向；偏振分束器；第一组发射显示面板，所述第一组发射显示面板被配置为产生第一照明光，所述偏振分束器被配置为将所述第一照明光朝向所述光学系统反射为所述凹图像的所述第一区域；第二组发射显示面板，所述第二组发射显示面板被配置为产生第二照明光；透镜，所述透镜被配置为缩小所述第二照明光以产生缩小光；和光学转向元件，所述光学转向元件被配置为将所述缩小光朝向所述偏振分束器重定向，所述偏振分束器被配置为透射由所述光学转向元件重定向的所述缩小光，并且由所述光学转向元件重定向的所述缩小光形成所述凹图像的所述第二区域。

根据另一个实施方案，所述光学转向元件具有第一状态，在所述第一状态下，所述缩小光以第一方向重定向并且所述第二区域位于所述凹图像中的第一位置处，并且所述光学转向元件具有第二状态，在所述第二状态下，所述缩小光以不同于所述第一方向的第二方向重定向并且所述第二区域位于所述凹图像中不同于所述第一位置的第二位置处。

根据另一个实施方案，所述显示系统包括控制电路，所述控制电路被配置为控制所述光学转向元件以在所述第一状态和所述第二状态之间切换。

根据另一个实施方案，所述第一组发射显示面板包括第一微型发光二极管(uLED)阵列、第二uLED阵列和第三uLED阵列，并且所述第二组发射显示面板包括第四uLED阵列、第五uLED阵列和第六uLED阵列。

根据另一个实施方案，所述第一组发射显示面板包括第一激光器阵列、第二激光器阵列和第三激光器阵列，并且所述第二组发射显示面板包括第四激光器阵列、第五激光器阵列和第六激光器阵列。

根据另一个实施方案，所述显示系统包括第一反射镜，所述第一反射镜被配置为接收来自所述透镜的所述缩小光并且被配置为将所述缩小照明光朝向所述光学转向元件反射；和第二反射镜，所述第二反射镜被配置为接收由所述光学转向元件重定向的所述缩小光并且被配置为将所述缩小光朝向所述偏振分束器反射。

根据一个实施方案，提供了一种显示系统，所述显示系统被配置为显示凹图像，所述凹图像具有第一区域和第二区域，所述第一区域具有第一分辨率，所述第二区域具有大于所述第一分辨率的第二分辨率，所述显示系统包括：光学系统，所述光学系统被配置为将所述凹图像朝向窥眼箱定向；偏振分束器；第一组前照式反射型显示面板，所述第一组前照式反射型显示面板被配置为产生第一照明光，所述偏振分束器被配置为将所述第一照明光朝向所述光学系统反射为所述凹图像的所述第一区域；第二组前照式反射型显示面板，所述第二组前照式反射型显示面板被配置为产生第二照明光；透镜，所述透镜被配置为缩小所述第二照明光以产生缩小光；和光学转向元件，所述光学转向元件被配置为将所述缩小光穿过所述偏振分束器朝向所述光学系统重定向，由所述光学转向元件重定向的所述缩小光形成所述凹图像的所述第二区域。

根据另一个实施方案，所述第一组前照式反射型显示面板中的每个前照式反射型显示面板包括：硅基液晶(LCOS)显示面板；光源，所述光源产生光；和光导，所述光导经由全内反射传播由所述光源产生的所述光，所述光导被配置为将由所述光源产生的所述光耦合出所述光导并朝向所述LCOS显示面板，并且所述LCOS显示面板被配置为通过反射被耦合出所述光导的所述光来产生所述第一照明光。

前述内容仅为示例性的并且可对所述实施方案作出各种修改。前述实施方案可独立实施或可以任意组合实施。

Claims (20)

1.一种显示系统，所述显示系统被配置为显示凹图像，所述凹图像具有第一区域和第二区域，所述第一区域具有第一分辨率，所述第二区域具有大于所述第一分辨率的第二分辨率，所述显示系统包括：

光学系统，所述光学系统被配置为将所述凹图像朝向窥眼箱定向；

光源，所述光源产生照明光；

反射型显示面板，其中：

在第一时间段期间，所述反射型显示面板被配置为将所述照明光反射为第一反射光，并且

在不同于所述第一时间段的第二时间段期间，所述反射型显示面板被配置为将所述照明光反射为第二反射光；

偏振分束器，其中：

所述偏振分束器被配置为将所述第一反射光朝向所述光学系统反射为所述凹图像的所述第一区域，并且

所述偏振分束器被配置为透射所述第二反射光；

透镜，所述透镜被配置为缩小由所述偏振分束器透射的所述第二反射光以产生缩小光；和

光学转向元件，所述光学转向元件被配置为将所述缩小光穿过所述偏振分束器并朝向所述光学系统重定向为所述凹图像的所述第二区域。

2.根据权利要求1所述的显示系统，还包括：

控制电路，其中所述控制电路被配置为调节所述光学转向元件以改变所述凹图像中的所述第二区域的位置。

3.根据权利要求2所述的显示系统，其中所述光学转向元件包括可调节反射镜。

4.根据权利要求2所述的显示系统，还包括：

反射镜，其中所述光学转向元件被配置为将所述缩小光朝向所述反射镜重定向，并且其中所述反射镜被配置为将所述缩小光穿过所述偏振分束器并朝向所述光学系统反射为所述凹图像的所述第二区域。

5.根据权利要求4所述的显示系统，其中所述光学转向元件包括可切换液晶转向设备。

6.根据权利要求2所述的显示系统，还包括：

注视跟踪传感器，其中所述注视跟踪传感器被配置为在所述窥眼箱处采集识别注视方向的注视跟踪数据，并且其中所述控制电路被配置为调节所述光学转向元件以使所述第二区域的所述位置与由所述注视跟踪数据识别的所述注视方向对准。

7.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述反射型显示面板包括硅基液晶(LCOS)显示面板。

8.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述反射型显示面板包括数字微镜器件显示面板。

9.根据权利要求1所述的显示系统，还包括：

反射镜，其中所述反射镜被配置为朝向所述偏振分束器反射所述照明光，并且其中所述反射镜被配置为朝向所述透镜反射由所述偏振分束器透射的所述第二反射光；和

部分反射镜，其中所述部分反射镜被配置为透射所述照明光，其中所述部分反射镜被配置为接收来自所述反射镜的所述第二反射光，并且其中所述部分反射镜被配置为朝向所述透镜反射所述第二反射光。

10.根据权利要求9所述的显示系统，其中所述透镜光学地插置在所述部分反射镜和所述光学转向元件之间，其中所述反射镜光学地插置在所述部分反射镜和所述偏振分束器之间，并且其中所述偏振分束器光学地插置在所述反射镜和所述反射型显示面板之间。

11.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述光学系统包括波导，所述波导具有输入耦合器和输出耦合器，所述输入耦合器被配置为将所述凹图像耦合到所述波导中，所述输出耦合器被配置为将所述凹图像耦合出所述波导并朝向所述窥眼箱。

12.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述第一反射光不穿过所述透镜并且不被所述光学转向元件重定向。

13.一种显示系统，所述显示系统被配置为显示凹图像，所述凹图像具有第一区域和第二区域，所述第一区域具有第一分辨率，所述第二区域具有大于所述第一分辨率的第二分辨率，所述显示系统包括：

光学系统，所述光学系统被配置为将所述凹图像朝向窥眼箱定向；

偏振分束器；

第一组发射显示面板，所述第一组发射显示面板被配置为产生第一照明光，其中所述偏振分束器被配置为将所述第一照明光朝向所述光学系统反射为所述凹图像的所述第一区域；

第二组发射显示面板，所述第二组发射显示面板被配置为产生第二照明光；

透镜，所述透镜被配置为缩小所述第二照明光以产生缩小光；和

光学转向元件，所述光学转向元件被配置为将所述缩小光朝向所述偏振分束器重定向，其中所述偏振分束器被配置为透射由所述光学转向元件重定向的所述缩小光，并且其中由所述光学转向元件重定向的所述缩小光形成所述凹图像的所述第二区域。

14.根据权利要求13所述的显示系统，其中所述光学转向元件具有第一状态，在所述第一状态下，所述缩小光以第一方向重定向并且所述第二区域位于所述凹图像中的第一位置处，并且其中所述光学转向元件具有第二状态，在所述第二状态下，所述缩小光以不同于所述第一方向的第二方向重定向并且所述第二区域位于所述凹图像中不同于所述第一位置的第二位置处。

15.根据权利要求14所述的显示系统，还包括控制电路，所述控制电路被配置为控制所述光学转向元件以在所述第一状态和所述第二状态之间切换。

16.根据权利要求13所述的显示系统，其中所述第一组发射显示面板包括第一微型发光二极管(uLED)阵列、第二uLED阵列和第三uLED阵列，并且其中所述第二组发射显示面板包括第四uLED阵列、第五uLED阵列和第六uLED阵列。

17.根据权利要求13所述的显示系统，其中所述第一组发射显示面板包括第一激光器阵列、第二激光器阵列和第三激光器阵列，并且其中所述第二组发射显示面板包括第四激光器阵列、第五激光器阵列和第六激光器阵列。

18.根据权利要求13所述的显示系统，还包括：

第一反射镜，所述第一反射镜被配置为接收来自所述透镜的所述缩小光并且被配置为将所述缩小照明光朝向所述光学转向元件反射；和

第二反射镜，所述第二反射镜被配置为接收由所述光学转向元件重定向的所述缩小光并且被配置为将所述缩小光朝向所述偏振分束器反射。

19.一种显示系统，所述显示系统被配置为显示凹图像，所述凹图像具有第一区域和第二区域，所述第一区域具有第一分辨率，所述第二区域具有大于所述第一分辨率的第二分辨率，所述显示系统包括：

光学系统，所述光学系统被配置为将所述凹图像朝向窥眼箱定向；

偏振分束器；

第一组前照式反射型显示面板，所述第一组前照式反射型显示面板被配置为产生第一照明光，其中所述偏振分束器被配置为将所述第一照明光朝向所述光学系统反射为所述凹图像的所述第一区域；

第二组前照式反射型显示面板，所述第二组前照式反射型显示面板被配置为产生第二照明光；

透镜，所述透镜被配置为缩小所述第二照明光以产生缩小光；和

光学转向元件，所述光学转向元件被配置为将所述缩小光穿过所述偏振分束器朝向所述光学系统重定向，其中由所述光学转向元件重定向的所述缩小光形成所述凹图像的所述第二区域。

20.根据权利要求19所述的显示系统，其中所述第一组前照式反射型显示面板中的每个前照式反射型显示面板包括：

硅基液晶(LCOS)显示面板；

光源，所述光源产生光；和

光导，所述光导经由全内反射传播由所述光源产生的所述光，其中所述光导被配置为将由所述光源产生的所述光耦合出所述光导并朝向所述LCOS显示面板，并且其中所述LCOS显示面板被配置为通过反射被耦合出所述光导的所述光来产生所述第一照明光。

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