集成的近眼显示器制造技术

提出了一种用于3D光场生成的显示系统。该显示系统包括光子电路，该光子电路包括多个光发射单元，其中每个光发射单元包括光强度调制器，并且该显示系统还包括相控液晶阵列，该相控液晶阵列被适配成控制光的出射光学角度以用于发射角转向。当重建由用户的眼睛查看的虚拟3D对象的光场时，光强度调制器和相控液晶阵列的操作被同步。

Integrated near eye display

A display system for 3D light field generation is proposed. The display system includes a photon circuit, the photon circuit includes a plurality of light emission units, each of which includes a light intensity modulator, and the display system also includes a phased liquid crystal array adapted to control the optical angle of the light to be used for the transmission angle steering. When reconstructing the light field of the virtual 3D object viewed by the user's eyes, the operation of the light intensity modulator and the phased liquid crystal array are synchronized.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】集成的近眼显示器专利
本专利技术涉及光学系统领域。更具体而言，其涉及3D光场显示器，诸如个人显示器。专利技术背景用于虚拟现实(VR)、增强现实(AR)和混合现实(MR)的显示器是为用户提供现实错觉的沉浸式系统。这些显示器可以被划分为两个主要子系统：3D显示和运动反馈。显示器提供3D对象的视觉错觉。这些系统旨在提供看起来自然的3D图像，其通常被直接馈送到用户的眼睛。高分辨率显示器是提供逼真成像的基本要求。传统的三维显示通过简单的双目视差给出了体积和距离的错觉；然而，调节-收敛(accommodation-convergence)冲突给出了视觉混淆和疲劳。产生潜意识的调节反射(如对瞳孔和眼睛晶状体的肌肉的适应)减少调节-收敛冲突。例如，虽然3D图像显示器可以模仿深度感知(例如，通过双目视差)，但是使眼睛聚焦在离眼睛几厘米处的屏幕上可能在几分钟的暴露之后造成不适和疲劳。对于在对象处的聚焦的自然感受而言，根据由显示器产生的距离的错觉而需要至少一些眼睛适应性。光场3D显示器减少了不适和眼睛疲劳。光以围绕对象的宽立体角来被发射。可以以较少的视觉混淆再现生动的3D场景。传统液晶(LC)具有有限的操作速度，通常约为1kHz。这对于需要合理的图像质量、分辨率和反馈速度的应用来说还不够快。另一方面，包括多层LC或高速投影仪的空间调制的系统是昂贵和/或非常庞大的。例如，高速投影仪需要非常高的计算能力，这降低了便携性和/或增加了成本。美国专利申请US2015/243094A1(SCHOWENGERDTBRIANT[US]等人)2015年8月27日(2015-08-27)展示了用于光场的机械扫描的若干选项。例如，机械元件(诸如光纤悬臂)沿着显示器分布图像，并且一组衍射元件(反射镜、光电子材料等)在不同方向上散射光。在其他示例中，衍射光学元件(例如，布拉格光栅)是机械适应性的。例如，它们可以被包括在可被拉伸的弹性材料中，它们可以改变与眼睛的距离，或者它们可以改变在两个非共面光栅之间的莫尔(Moiré)条纹图案。一些光栅是电活性的并且可以通过对分散在聚合物上的液晶(LC)液滴的偏振和控制来进行控制。LC的弛豫时间低，并且需要多层液晶。这些系统体积大、价格昂贵且耗电量大。便携性非常有限，并且机械元件的使用增加了制造复杂度和设备的脆弱性。需要一种集成的、廉价解决方案。US2017/003507A1公开了一种用于增强现实的显示器，其包括用于发射被编码为四维光场的光的光学相位阵的阵列，以便在视网膜上创建虚拟对象的图像。与光学相阵通信的液晶层可以被用作对波束角进行转向的相位调制层。后者仅在TFT背板技术中实现。波束角转向通过在子像素级操作的纳米天线实现，这由于附加的布线和控制元件而增加了像素级处的设计复杂度并且导致每面积能量开销。大多数VR显示器还包括运动反馈。运动反馈提供3D对象和用户之间的交互(例如，在移动头部或致动控制器之际的对象位置的改变)。用户头部的移动与图像的响应之间的轻微错配或者图像的缓慢刷新率可能在最好的情况下导致不良且笨拙的沉浸式体验，而在最坏的情况下导致眩晕和虚拟现实眩晕。这个问题可以通过提高系统的刷新率来解决，这意味着，一方面，数据量甚至比对3D显示器而言更高，不得不处理大量的数据，且另一方面，显示器必须足够快以处理这种大数据量。
技术实现思路
本专利技术的各实施例的目的是提供一种可以被制造得紧凑的3D显示系统。本专利技术的至少一些实施例的优点在于，可以获得具有良好分辨率的3D显示系统。本专利技术的至少一些实施例的优点在于，可以获得具有良好运动反馈的3D显示系统。本专利技术的至少一些实施例的优点在于，可以获得具有良好帧率的3D显示系统。本专利技术的至少一些实施例的优点在于，可以获得具有良好的光发射角转向的快速3D显示系统。一些实施例的优点在于，可以获得高角度分辨率。本专利技术的至少一些实施例的优点在于，可以结合一些且有利地所有这些上面提到的优点来获得3D显示系统。本专利技术的各实施例的优点在于，3D显示器可以以相对便宜的方式制造。本专利技术涉及用于3D光场生成的显示系统，其包括光子电路，该光子电路包括多个光发射单元，每个光发射单元包括用于调制光强度的装置(诸如光强度调制器)，以及被适配成用于控制由光发射单元发出的光的出射角的相控液晶阵列。相控液晶阵列因而可被适配置成用于发射角转向。在本专利技术中，至少一个处理单元能连接到光强度调制装置和相控液晶阵列，并且适合于(例如，被编程为)在重建由用户眼睛查看的虚拟3D对象的光场时同步光强度调制装置和相控液晶阵列的操作。本专利技术的一些实施例的优点在于，紧凑/完全集成的3D光场生成显示系统可以被获得。本专利技术的各实施例的优点在于，显示系统的像素元件的高速调制可以被获得，从而导致具有高帧率的高质量显示系统。本专利技术的各实施例的优点在于，不需要庞大的组件。本专利技术的各实施例的优点在于，3D光场显示系统可以通过电子地调谐系统的每个组件来获得，而没有机械光出射角转向。在一优选实施例中，包括多个光发射单元的光子电路是光子集成电路。本专利技术的各实施例的优点在于，可以通过同步发射角转向和光强度调制来处置大量数据以用于3D对象的3D光场重建。本专利技术的一些实施例的优点在于，所有构成组件，即光子集成电路、相控液晶阵列、微透镜阵列，可以以大规模生产的方式且以潜在地非常低的成本来制造。在本专利技术的一些实施例中，光子电路是基于SiN的光子集成电路。光子电路可以进一步包括调制器，例如SiN调制器。在进一步的实施例中，SiN调制器包括至少PZT和/或工程化超材料的沉积层，以用于可见光的增强型光电相位调制。本专利技术的一些实施例的优点在于，通过采用沉积的PZT或超材料获得高的普克尔(Pockels)系数，并且可以以低功率消耗获得由光发射单元发出的光束的快速相位和强度调制。光强度调制可被以高速执行。高速强度调制可以导致高角度分辨率(当光强度正被调制时，输出角度正被扫描，且因此更高的角度分辨率意味着光强度在更小的角度上变化，即光强度是在一小段时间内或者随高调制速度而改变)，而波束转向可以以连续方式完成，从而降低了相对慢的扫描速度的影响。在本专利技术的各实施例中，显示系统此外还包括在光子电路的光发射单元和相控的液晶阵列之间的微透镜阵列，用于将从光发射单元发出的光引导朝向相控液晶阵列。在进一步的实施例中，微透镜阵列的每个微透镜与对应的光发射单元相关联，并且适合于准直从该光发射单元发出的光。本专利技术的一些实施例的优点在于，每个微透镜的大小可以很好地适应其对应的光发射单元的大小，这不包括图像分辨率。在本专利技术的一些实施例中，光子电路和相控液晶阵列被定位在平行平面中。在包括微透镜阵列的那些实施例中，光子电路、微透镜阵列和相控液晶阵列被定位在平行平面中。本专利技术的那些实施例的优点在于，该系统易于对准。在本专利技术的一些实施例中，显示系统还包括光学透镜，以用于出于近眼成像的目的来重定向离开相控液晶阵列的光。在一些实施例中，显示系统可以包括半透明反射镜，以用于将所发射的经转向的光引导到眼睛，从而避免阻挡用户的正常视野本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于3D光场生成的显示系统(100)，所述显示系统包括：/n-光子电路(101)，所述光子电路(101)包括多个光发射单元(104)，每个光发射单元包括用于光强度调制的光强度调制装置，以及/n-相控液晶阵列(105)，所述相控液晶阵列(105)被适配成控制由所述多个光发射单元(104)发出的光的出射角，/n-至少一个处理单元(107、207)，所述至少一个处理单元(107、207)能连接到所述光强度调制装置和所述相控液晶阵列(105)，并且适用于在重建对由用户眼睛查看的虚拟3D对象进行编码的光场时同步它们的操作。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170331 EP 17164446.11.一种用于3D光场生成的显示系统(100)，所述显示系统包括：
-光子电路(101)，所述光子电路(101)包括多个光发射单元(104)，每个光发射单元包括用于光强度调制的光强度调制装置，以及
-相控液晶阵列(105)，所述相控液晶阵列(105)被适配成控制由所述多个光发射单元(104)发出的光的出射角，
-至少一个处理单元(107、207)，所述至少一个处理单元(107、207)能连接到所述光强度调制装置和所述相控液晶阵列(105)，并且适用于在重建对由用户眼睛查看的虚拟3D对象进行编码的光场时同步它们的操作。


2.根据权利要求1所述的显示系统，其特征在于，所述光子电路(101)是光子集成电路。


3.根据权利要求2所述的显示系统，其特征在于，所述光子集成电路是基于氮化硅的光子集成电路。


4.根据前述权利要求中任一项所述的显示系统，其特征在于，所述光子电路(101)的调制装置包括调制器(200、300)。


5.根据权利要求4所述的显示系统，其特征在于，所述调制器(200、300)包括氮化硅调制器，所述氮化硅调制器包括至少PZT和/或工程化超材料(204)的沉积层，以用于可见光的增强型光电相位调制。


6.根据前述权利要求中任一项所述的显示系统，其特征在于，所述系统此外还包括被布置在所述光发射单元(104)和所述相控液晶阵列(105)之...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·贝茨，Z·王，Q·杨，X·刘，H·李，
申请(专利权)人：根特大学，IMEC非营利协会，浙江大学，
类型：发明
国别省市：比利时;BE