CN113655615A - 大出瞳光学显示装置、近眼显示装置及图像投射方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种大出瞳光学显示装置，包括：光束生成器，配置成可形成具有不同顶点的多个光锥分布的光束组；波导，具有耦入面，耦入的光束在波导与自由空间的界面处发生全反射；光束合成器，位于波导的一表面上，使入射到其上的光束以不同角度离开并继续传播，其中来源于同一/不同光锥分布的光束组的光束汇聚于同一/不同点；眼球追踪单元，配置成可获取瞳孔的位置；控制单元，与光束生成器和眼球追踪单元耦合，配置成可根据瞳孔的位置调节光束生成器出射光束组的光锥顶点的位置。所述大出瞳光学显示装置将扩瞳技术与眼球追踪技术相结合，通过监测瞳孔位置相应调节入瞳和出瞳位置，由此实现了大出瞳显示，且具有改善的稳定性、灵活性和精确性。

Description

大出瞳光学显示装置、近眼显示装置及图像投射方法

技术领域

本公开大致涉及光学显示领域，尤其涉及一种大出瞳光学显示装置、近眼显示装置及图像投射方法。

背景技术

随着计算机技术和显示技术的发展，通过计算机仿真系统来体验虚拟世界的虚拟现实(Virtual Reality，VR)技术以及将显示内容融合到真实环境背景中的增强现实(Augmented Reality，AR)技术和混合现实(Mixed Reality，MR)技术已经迅猛发展。

将上述VR、AR和MR技术与近眼显示结合的近眼VR、AR和MR显示技术是重要的新型显示技术，能够给人带来前所未有的视觉体验和人机交互感。近眼VR显示主要追求浸没式大视场的虚拟显示，对应的是虚拟现实显示头盔。而近眼AR和MR技术的目的是实现透视式的虚实融合，对应的是增强现实智能眼镜或头盔。原则上，用于AR以及MR的近眼显示装置，在阻挡了外界环境光进入使用者眼睛的情况下，也叫做虚拟现实技术。

近眼显示装置通常构造为头盔显示装置或眼镜形态的显示装置，用于将微显示芯片显示的图像通过光学系统显示于远处，人眼直接通过近眼显示装置看到显示的放大的位于远处的图像，同时结合SLAM技术实现空间感知定位，通过手势识别、语音识别、眼球跟踪等技术实现交互，是具有重要潜在商业应用价值的新型显示技术，被认为是有望“取代智能手机”的新型显示技术。

近年来，虚拟现实显示装置呈现出爆炸性的发展，设备种类诸多。诸如Oculus、HTC、Sony、Samsung等国际巨头公司都分别推出了虚拟现实头盔显示装置，国内的平行现实、大鹏光电等也在积极进行虚拟现实显示产品的研发。用于这些虚拟现实头盔显示器的近眼显示装置大多是基于单一正透镜显示原理的，也即通过在单一正透镜的物方焦平面附近放置显示器，使得该显示器通过该单一正透镜后在透镜的物方无穷远处成正立、放大的虚像。

用于AR和MR的近眼显示装置同样在近年来得到很大发展。如Microsoft公司和Magic Leap公司等都推出了基于增强现实光学引擎的增强现实产品，其增强现实光学引擎利用衍射光波导实现了图像的耦入、耦出和扩瞳等功能。所述的技术实现了基于双目视差的三维显示或双层深度的体显示或普通的二维显示。国内的珑璟光电、耐德佳、谷东科技等采用阵列波导或自由曲面AR目镜的方式实现增强现实。采用该技术可实现二维显示或三维显示，但所实现的三维显示中存在辐辏调节冲突问题，即观看者的人眼聚焦和双目视轴汇聚不一致，导致视觉疲劳、眩晕等问题，尤其是观看距离较近的虚拟场景时，不适感更加强烈。长期佩戴此种类型的近眼显示装置，对视力发育尚未成熟的青少年的视力情况有着潜在的危害。

目前对于增强现实的头盔或者眼镜来说，最大的挑战之一在于开发出尺寸更小、更紧促的光学显示核心组件，实现无辐辏调节冲突的三维显示技术或舒适的二维显示，使得用户更乐于长时间佩戴，并满足特定场合使用的一些具体要求。

另外，视网膜显示技术是通过光学手段将图像直接投影至视网膜的显示技术。传统的视网膜显示技术通过LCoS等显示芯片作为图像载体，通过透镜系统进行显示，使用半透半反镜将图像导入人眼，环境光透过人眼实现穿透式显示。该方案的透镜组体积较大，半透半反镜会将环境光亮度衰减一半，实现紧凑型的、不衰减环境光的大视场显示模组是视网膜显示技术亟待解决的重要问题。

同时，在使用增强现实的智能眼镜或头盔时，如果出瞳的区域过于狭小，则使用者眼球的轻微移动即可能超出该增强现实装备的出瞳实际有效区域，从而导致无法看到图像，会影响用户的使用体验。因此，开发一种结构轻薄紧凑、同时允许使用者眼球在较大范围内移动的光学显示装置具有重要的价值。

另外，通过改进光学显示装置的运动结构，例如快速地先后形成多个出瞳，从而在效果上接近于形成一个出瞳区域的技术，虽然可能在一定程度上扩大使用者眼球的可移动范围，但对于光学显示装置的结构稳定性及电路控制等要求较高，增加了制造成本和难度，不利于技术的实际应用和推广。

此外，上述问题的解决，需要对现有的光学显示装置及其制造方法进行改进。

背景技术部分的内容仅仅是公开人所知晓的技术，并不当然代表本领域的现有技术。

发明内容

有鉴于现有技术缺陷中的至少一个，本公开提供一种大出瞳光学显示装置，包括：

光束生成器，配置成可形成多个光锥分布的光束组；所述多个光束组的光锥具有不同的顶点；

波导，所述波导具有耦入面，用于将所述光束组中的光束耦合进入所述波导，耦合进入波导的光束在所述波导与自由空间的界面处发生全反射；

光束合成器，位于所述波导的一表面上，改变入射到其上的光束的传播方向，使其以不同角度离开所述光束合成器继续传播，其中来源于同一光锥分布的光束组的光束离开所述光束合成器后汇聚于一点，来源于不同光锥分布的光束组的光束离开所述光束合成器后汇聚于不同点；

眼球追踪单元，所述眼球追踪单元配置成可获取用户瞳孔的位置；

控制单元，所述控制单元与所述光束生成器和所述眼球追踪单元耦合，并配置成可根据所述用户瞳孔的位置，调节所述光束生成器出射的光束组的光锥顶点的位置。

根据本发明的一个方面，所述大出瞳光学显示装置具有多个入瞳和多个出瞳，所述多个入瞳包括所述多个光束组的光锥的顶点，所述多个出瞳包括来源于不同光锥分布的光束组的光束离开所述光束合成器后所汇聚的不同点。

根据本发明的一个方面，所述光束生成器包括图像源和微机电系统，

其中所述图像源配置成可生成携带图像像素的颜色信息和/或亮度信息的光束；微机电系统配置成可对所述光束进行扫描，形成所述光锥分布的光束组，

所述微机电系统包括MEMS振镜和MEMS振镜移动装置，所述MEMS振镜移动装置与所述MEMS振镜连接，并可使所述MEMS振镜在多个位置之间移动，每一个位置对应一个入瞳；在每一个位置时，经所述MEMS振镜扫描出的光锥分布的光束组中不同方向的光束由所述波导耦入面耦入传播并经所述光束合成器在自由空间形成一个汇聚点，对应一个出瞳。

根据本发明的一个方面，所述光束生成器包括图像源和微机电系统，

其中所述图像源配置成可生成携带图像像素的颜色信息和/或亮度信息的光束；微机电系统配置成可对所述光束进行扫描，形成所述光锥分布的光束组，

所述微机电系统包括MAHOE光学元件和MEMS振镜，所述MAHOE光学元件至少具有第一区域和第二区域，所述入瞳至少包括第一入瞳和第二入瞳，所述出瞳至少包括第一出瞳和第二出瞳，其中所述光束经所述MEMS振镜扫描后照射到所述MAHOE光学元件的第一区域或第二区域上，其中，照射到所述第一区域上的光束被所述MAHOE光学元件的第一区域衍射，衍射光以不同角度汇聚到所述第一入瞳后形成发散的光锥分布的光束组，进入所述波导，被所述光束合成器衍射，离开所述光束合成器后不同方向的衍射光继续传播，汇聚于所述第一出瞳；照射到所述第二区域上的光束被所述MAHOE光学元件的第二区域衍射，衍射光以不同角度汇聚到所述第二入瞳后形成发散的光锥分布的光束组，进入所述波导，被所述光束合成器衍射，离开所述光束合成器后不同方向的衍射光继续传播，汇聚于所述第二出瞳。

根据本发明的一个方面，所述眼球追踪单元包括探测光源、光电传感器和计算模块，其中所述探测光源配置成可向用户的眼球发出探测光；所述探测光被所述用户的眼球反射后由所述光电传感器接收，并将接收的图像信息发送到所述计算模块；所述计算模块根据所述光电传感器的输出确定瞳孔的位置，经转换向所述控制单元发送信号；所述控制单元与所述计算模块和所述MEMS振镜移动装置耦合，根据所述信号控制所述MEMS振镜移动装置移动所述MEMS振镜。

根据本发明的一个方面，所述眼球追踪单元包括探测光源、光电传感器和计算模块，其中所述探测光源配置成可向用户的眼球发出探测光；所述探测光被所述用户的眼球反射后由所述光电传感器接收，并将接收的图像信息发送到所述计算模块；所述计算模块根据所述光电传感器的输出确定瞳孔的位置，经转换向所述控制单元发送信号；所述控制单元与所述计算模块和所述MEMS振镜耦合，根据所述信号控制所述MEMS振镜调整其角度，将来自所述图像源的光束反射到所述MAHOE光学元件的至少包括第一区域和第二区域的多个区域中的一个区域上。

根据本发明的一个方面，所述探测光源包括红外LED光源。

根据本发明的一个方面，所述图像源所产生的图像是通过所述MEMS振镜对来自于不同波长的激光器发出的携带图像像素的颜色信息和/或亮度信息的细光束扫描形成的，所述图像源包括多个激光器、控制器和合束器，所述控制器与所述多个激光器耦合，并控制所述多个激光器发射出激光束，所述多个激光器的激光束入射到所述合束器，合成为在空间上传播路径重合的近平行性细光束。

根据本发明的一个方面，所述合束器包括透镜组以及分别与所述多个激光器的波长对应的光学薄膜分光片，其中所述透镜组配置成可调整所述激光器发出的激光束的发散角和/或直径，并投射到对应的光学薄膜分光片上，经过反射或透射形成所述在空间上传播路径重合的近平行性细光束，其中所述透镜组可包含液体透镜或液晶透镜，可通过外部电压控制调节透镜组的等效焦距，用于控制激光器发出的激光束的发散角和/或直径。

根据本发明的一个方面，所述合束器还包括设置在所述透镜组与所述光学薄膜分光片之间的光阑、波片、偏振片、衰减片，所述合束器还包括与所述透镜组耦合的微电机，所述微电机可调节所述透镜组中透镜间的相对位置以调节从所述透镜组出射的光束的发散角和/或直径。

根据本发明的一个方面，所述光束组中不同方向的光束携带不同图像像素的颜色信息和/或亮度信息。

根据本发明的一个方面，所述光束合成器包括衍射光学元件，被耦合进入所述波导中的光束在波导与自由空间的界面处发生全反射后，入射到所述衍射光学元件不同位置时均发生衍射，衍射光的传播方向改变并离开所述光束合成器继续传播，其中来源于同一光锥分布的光束组的光束离开所述光束合成器后汇聚于一点。

根据本发明的一个方面，所述衍射光学元件是体全息光学元件，为透射式体全息光学元件或反射式体全息光学元件。

根据本发明的一个方面，所述体全息光学元件包括单个彩色体全息光学元件，所述单个彩色体全息光学元件对所述多个激光器的不同波长的激光均发生衍射作用。

根据本发明的一个方面，所述体全息光学元件包括准确对位并堆叠在一起的多个单色体全息光学元件，与所述多个激光器的数目对应，每个单色体全息光学元件仅对所对应波长的激光发生衍射作用，而对其它波长的激光不发生衍射作用。

根据本发明的一个方面，所述体全息光学元件包括准确对位并堆叠在一起的多个体全息光学元件，所述多个体全息光学元件的数目少于所述多个激光器的数目，所述多个体全息光学元件中的至少一个对所述多个激光器中至少两个波长的激光发生衍射作用，而对其它波长的激光不发生衍射作用；其余的体全息光学元件对余下的其它波长中的一个波长的激光发生衍射作用，而对其它波长的激光不发生衍射作用。

根据本发明的一个方面，所述体全息光学元件包括单个单色体全息光学元件，所述单个单色体全息光学元件仅对一个波长的激光发生衍射作用。

本发明还提供一种近眼显示装置，包括如上所述的大出瞳光学显示装置。

根据本发明的一个方面，所述近眼显示装置是虚拟现实显示装置或增强现实显示装置。

根据本发明的一个方面，所述的近眼显示装置还包括图像生成单元，配置成可生成待显示的图像，所述图像生成单元与所述光束生成器耦合，所述光束生成器发射的光束组中不同方向的光束携带所述图像中不同像素的颜色信息和/或亮度信息。

根据本发明的一个方面，所述的近眼显示装置包括左眼显示单元和右眼显示单元，其中所述左眼显示单元和右眼显示单元均包括如上所述的大出瞳光学显示装置。

本发明还提供一种光学系统的图像投射方法，包括：

监测用户瞳孔的位置；

根据所述用户瞳孔的位置，生成一光锥分布的光束组；

将所述光锥分布的光束组耦合进入波导，进入所述波导的光束在所述波导与自由空间的界面处发生全反射；

通过位于所述波导的一表面上的光束合成器，改变入射到所述光束合成器上的光束的传播方向，使其以不同角度离开所述光束合成器继续传播，其中来源于同一光锥分布的光束组的光束离开所述光束合成器后汇聚于用户眼球上的一点。

根据本发明的一个方面，所述的图像投射方法还包括：

当监测到所述用户瞳孔的位置发生变化时，调节所述光锥分布的光束组的光锥顶点的位置，使得所述光锥分布的光束组的光束离开所述光束合成器后仍然汇聚于所述用户眼球上的一点。

根据本发明的一个方面，所述监测用户瞳孔的位置的步骤包括：

通过探测光源向用户的眼球发出探测光；

通过光电传感器接收所述探测光被所述用户的眼球反射后的反射光，形成图像信息；

根据所述图像信息确定所述瞳孔的位置。

根据本发明的一个方面，所述生成一光锥分布的光束组的步骤包括：

利用一图像源，出射携带有图像像素的颜色信息和/或亮度信息的光束；

利用一MEMS振镜，对从所述图像源出射的光束进行扫描，形成所述光锥分布的光束组，

其中所述调节光锥分布的光束组的光锥顶点的位置的步骤包括：

通过一MEMS振镜移动装置，改变所述MEMS振镜的位置。

根据本发明的一个方面，所述生成一光锥分布的光束组的步骤包括：

利用一图像源，出射携带有图像像素的颜色信息和/或亮度信息的光束；

通过一MEMS振镜，接收并扫描所述光束；

通过一MAHOE光学元件，在其第一区域上接收来自所述MEMS振镜的光束，并衍射生成所述光锥分布的光束组，

其中所述调节光锥分布的光束组的光锥顶点的位置的步骤包括：

调节所述MEMS振镜的角度，将从所述图像源出射的光束扫描到所述MAHOE光学元件的第二区域上。

本公开针对传统视网膜显示技术中光学组件复杂且体积大的问题，通过波导与光束合成器的组合实现了紧凑型光学显示模组和近眼显示装置。并且，本公开利用体全息光学元件的角度及波长选择性，通过优化设计实现了具有多个入瞳和出瞳的扩瞳型光学显示模组，使得人眼能够在较大范围内观看到显示的图像，提高了在VR和AR眼镜中应用的舒适性和实用性。

并且，本公开将上述扩瞳型光学显示模组与眼球追踪技术结合起来，在扩瞳的基础上通过实时监测用户瞳孔的位置相应调节入瞳和出瞳位置，由此得到的大出瞳光学显示装置的结构和性能稳定，并且具有优异的适用性、灵活性和精确性，在近眼AR和VR显示领域具有重要的商业应用价值。

在说明书中所描述的特点和优点并非全部，尤其是，结合附图和说明书，许多附加的特征和优点对于本领域普通技术人员而言将是明显的。此外应当指出的是，本说明书中所使用的用语主要是出于可读性和指导性的目的而被选择的，并且可能不是被选择以描述或限制创造性的技术方案。

附图说明

构成本公开的一部分的附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。在附图中：

图1示出了根据本公开第一方面的扩瞳型光学显示模组；

图2示出了根据本公开第一实施方式的扩瞳型光学显示模组；

图3示出了根据本公开第二实施方式的扩瞳型光学显示模组；

图4示出了根据本公开一个优选实施例的眼球追踪单元和控制单元的结构及连接方式；

图5示出了根据本公开第三实施方式的大出瞳光学显示装置；

图6示出了根据本公开第四实施方式的大出瞳光学显示装置；

图7示出了根据本公开第五实施方式的扩瞳型光学显示模组；

图8示出了根据本公开一个优选实施例的图像源的结构；

图9示出了根据本公开一个优选实施例的体全息光学元件的结构；

图10示出了根据本公开第三方面的光学系统的图像投射方法；

图11示出了根据本公开一个具体实施例的光学系统的图像投射方法；

图12示出了根据本公开第四方面的光学元件的制造方法；

图13示出了通过图12所示方法制造光束合成器的光路示意图；

图14示出了根据本公开一个优选实施例的制作MAHOE光学元件的光路示意图。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

附图中的流程图和框图，图示了按照本公开各种实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，所述模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现预定的逻辑功能的可执行指令。应当注意，在有些作为备选的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也应当注意，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

在本公开的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本公开和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本公开的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。在本公开的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本公开的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。例如，本公开使用术语“耦接”，表示两个端子之间的连接方式可以是直接连接、也可以是通过一个中间媒介间接连接，可以是电气方面的有线连接、也可以是无线连接。

在本公开中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本公开的不同结构。为了简化本公开的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本公开。此外，本公开可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本公开提供了各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其它工艺的应用和/或其它材料的使用。

需要注意的是，除非另有说明，本公开使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。

以下结合附图对本公开的具体实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本公开，并不用于限定本公开。

第一方面

本公开的第一方面涉及一种扩瞳型光学显示模组10，如图1所示。下面参考图1进行详细描述。

如图1所示，扩瞳型光学显示模组10包括光束生成器11、波导12和光束合成器13，并且具有多个入瞳IP和多个出瞳OP。其中，所述多个入瞳分布在入瞳区域IPA内，所述多个出瞳分布在出瞳区域OPA内；光束生成器11配置成在一个时刻里在入瞳区域IPA内的一个入瞳IP处形成光锥分布的光束组，所述光束组中不同方向的光束例如可携带有不同图像像素的颜色信息和/或亮度信息。

如图1所示，光束生成器11可在入瞳区域IPA内的第一入瞳IP1处生成发散角度为θ的光锥，其中每条光束可单独地携带一个图像像素的颜色和/或亮度信息。根据本公开的一个优选实施例，在入瞳区域IPA内的第一入瞳IP1处，光束生成器11可以扫描以形成所述光锥分布的光束组，例如在第一时刻，光束生成器11发射出光束L11，在第二时刻，光束生成器11发射出光束L12，在第一时刻与第二时刻之间，光束生成器11发射出L11和L12之间的光束。可替换地，光束生成器11也可以同时发射出该光锥中的全部或部分光束，这些都在本公开的保护范围内。

本领域技术人员容易理解，光束生成器11可在所述光锥中形成连续分布的光束，也可形成离散的光线以组成光束组，例如各个光束并非遍布在该光锥的任一角度处，而是离散的。根据本公开的一个优选实施例，所述光锥的顶点位于所述入瞳的位置处。图1中，光锥的发散角度为θ。光束生成器11可以本身具有发散角度θ，从而从其上发射出的光束的发散角本身就对应于光锥的发散角度θ。或者可替换地，光束生成器11包括激光器，其发射出的激光束为高方向性的细光束，在此情况下，光束生成器11例如可包括扫描装置，用于将激光器发射出的高方向性细光束进行扫描，从而形成发散角度为θ的光锥，下文将详细描述。或者可替换地，光束生成器11所发射出的为汇聚光束，汇聚点为所述入瞳的位置，即光锥的顶点处，经过汇聚点后的光则可以看作来自于该汇聚点的发散光束。这些都在本公开的保护范围内。另外，光束生成器11所发出的光束可以为单色光束，或者由多个单色光混合而成的多色光束。除了携带颜色信息，光束生成器11所发出的光束还可以携带亮度信息。本公开中的细光束或者高方向性细光束例如是指光束直径小于2mm或小于1mm(优选小于0.01mm)、发散角度为0.02～0.03度或更小的光束。

另外，本领域技术人员容易理解，光束生成器11所形成的光锥分布的光束组中，各条光束可以是同时发射的，也可以是在不同时刻发射的(例如通过扫描的方式形成的)，这些都在本公开的保护范围内。

如图1所示，光束生成器11也可在入瞳区域IPA内的第二入瞳IP2处生成发散角度为θ的光锥，其中每一条光束可单独地携带有图像像素的颜色和/或亮度信息。与第一入瞳IP1处类似，在入瞳区域IPA内的第二入瞳IP2处，光束生成器11可以扫描形成所述光锥分布的光束组，例如在第一时刻，光束生成器11发射出光束L21，在第二时刻，光束生成器11发射出光束L22，在第一时刻与第二时刻之间，光束生成器11发射出L21和L22之间的光束。

本领域技术人员容易理解，在确定入瞳区域IPA的边界(例如IP1和IP2)的情况下，光束生成器11也可在第一入瞳IP1和第二入瞳IP2之间的其它入瞳处生成发散角度为θ的光锥。

此处需要说明的是，取决于光束生成器11的结构，所述多个入瞳可以连续或离散的方式分布在入瞳区域IPA内。根据本公开的一个优选实施例，所述多个入瞳在入瞳区域IPA内是连续分布的，即入瞳区域IPA内的任一位置点均可作为入瞳IP。根据本公开的另一个优选实施例，所述多个入瞳在入瞳区域IPA内是离散分布的，即入瞳区域IPA内存在若干位置点可作为入瞳IP。后文将详细描述。

波导12具有耦入面121，用于接收光束生成器11形成的光锥分布的光束组，并将所述光锥分布的光束组中的光束耦入所述波导中。波导12的部分表面的外部为空气(或称自由空间)，且波导12的折射率大于空气的折射率，因此在耦合进入波导的光束满足一定入射角度的条件下，在波导12与空气的界面处会发生全反射。

光束合成器13贴附在波导12的一个表面上，用于改变入射到其上的光束的传播方向，使光束以不同角度离开光束合成器13，进入自由空间(例如空气)中继续传播，其中来源于同一光锥分布的光束组的光束离开光束合成器13后汇聚于一点，该汇聚点例如为扩瞳型光学显示模组10的一个出瞳OP。如图1所示，当光束生成器11在入瞳区域IPA内的例如第一入瞳IP1处生成发散角度为θ的光锥时，由光束L11和L12限定的光锥分布的光束组中的任一光束进入波导12，在波导12与空气的界面处发生全反射后入射到光束合成器13上，经光束合成器13调制后离开波导12，进入空气中继续传播并均汇聚于一点，即第一出瞳OP1。

本领域技术人员容易理解，光束合成器13的折射率例如与波导12的折射率相同或者接近，因而当入射到光束合成器13所在的部位时，光线会进入光束合成器中而不会继续发生全反射。例如，光束合成器可以由感光膜或者通过在玻璃上涂覆感光材料制成，感光材料的折射率与波导接近，因此光线会进入光束合成器，而不会发生全反射。

根据本公开的一个优选实施例，光束合成器13例如包括衍射光学元件。所述衍射光学元件贴附于波导12的一个表面，在所述波导与空气的界面处发生全反射后的不同方向的光束以不同方向传播到所述衍射光学元件的不同位置时均发生衍射，传播方向改变并进入自由空间，并且进入自由空间的来自于所述衍射光学元件的不同位置的不同方向衍射的细光束(对应于同一光锥)均汇聚到自由空间中的所述一点。

所述衍射光学元件例如为体全息光学元件，其既可为透射式体全息光学元件，也可为反射式体全息光学元件。后文将详细描述。

下面详细描述图1所示的扩瞳型光学显示模组10的工作原理。在图1中，光束生成器11在入瞳区域IPA内的例如第一入瞳IP1处生成光锥分布的光束组，该光束组中位于边界处的两条光束L11和L12分别入射到波导12的耦入面121上，并通过耦入面121被耦入到波导12内部。光束L11和L12在波导12内部传播，在所述波导与自由空间(例如空气)的界面处发生全反射(例如图1中的点A和B处)，反射光最终入射到光束合成器13上(入射点例如为图1中的点C和D处)。光束合成器13例如为反射式体全息光学元件，其可使得入射到其上的光束无论入射方向或入射角度如何均能够发生衍射，衍射光束汇聚穿过空间中的一点，例如图1中所示的扩瞳型光学显示模组10的第一出瞳OP1。

类似地，如图1所示，当光束生成器11在入瞳区域IPA内的例如第二入瞳IP2处生成光锥分布的光束组时，该光束组中的位于边界处的两条光束L21和L22分别入射到波导12的耦入面121上，并通过耦入面121被耦入到波导12内部。光束L21和L22在波导12内部传播，在所述波导与自由空间(例如空气)的界面处发生全反射(例如图1中的点A'和B'处)，反射光最终入射到光束合成器13上(入射点例如为图1中的点C'和D'处)，并经光束合成器13衍射调制后汇聚穿过空间中的一点，例如图1中所示的扩瞳型光学显示模组10的第二出瞳OP2。

本领域技术人员容易理解，图1中，当光束生成器11在入瞳区域IPA内的第一入瞳IP1与第二入瞳IP2之间的一个入瞳处生成光锥分布的光束组时，该光束组中的光束最终汇聚到第一出瞳OP1与第二出瞳OP2之间的一个出瞳处。由此，在第一出瞳OP1与第二出瞳OP2之间形成出瞳区域OPA。

图1中示例性地示出了光束L11和L12在波导12内部经过一次全反射后入射到光束合成器13上。本领域技术人员能够理解，本公开的保护范围并不限于波导12内部全反射的次数，其亦可为多次全反射，例如可根据波导的尺寸和波导材料的折射率来决定。另外，不同角度的光束的全反射次数也可以不同，这些都在本公开的保护范围内。此外，光束合成器13可以贴附在波导12的一侧的整个表面上，也可以贴附在波导12的一侧的部分表面上。

图1中所示的光束合成器13为反射式光束合成器，即入射光束与经过光束合成器13之后出射的光束位于光束合成器13的同一侧(图1中为上侧)，其中光束合成器13实施类似反射式的光束调制。本领域技术人员能够理解，也可使用透射式的光束合成器来类似地实施。在此情况下，入射光束与经过光束合成器后出射的光束位于该光束合成器的两侧(相对于图1为上下侧)，其中所述光束合成器实施类似透射式的光束调制，这些都在本公开的保护范围内。

下文中，将对本公开的扩瞳型光学显示模组实现多个入瞳和出瞳的不同方式进行描述。

根据本公开的一个优选实施例，所述光束生成器包括图像源和微机电系统，其中所述图像源配置成可生成携带图像像素的颜色信息和/或亮度信息的光束；所述微机电系统配置成可对所述光束进行扫描，形成所述光锥分布的光束组。下面详细描述根据本发明的几种扩瞳的实施方式。

第一实施方式

根据本公开的第一实施方式，所述微机电系统包括MEMS振镜和MEMS振镜移动装置，所述MEMS振镜移动装置与所述MEMS振镜连接，并可使所述MEMS振镜在多个位置之间移动，每一个位置对应一个入瞳；在每一个位置时，经所述MEMS振镜扫描出的光锥分布的光束组中不同方向的光束由波导耦入面耦入传播并经光束合成器在自由空间形成一个汇聚点，对应一个出瞳。

如图2所示，扩瞳型光学显示模组20包括光束生成器21、波导22和光束合成器23。其中光束生成器21包括图像源(图中未示出)和微机电系统，所述微机电系统包括MEMS振镜211和MEMS振镜移动装置212，且MEMS振镜移动装置212与MEMS振镜211连接，并使得MEMS振镜211移动(图2中为沿上下方向移动)。

扩瞳型光学显示模组20至少包括两个入瞳，即第一入瞳IP1和第二入瞳IP2，并且至少包括两个出瞳，即第一出瞳OP1和第二出瞳OP2。波导22具有耦入面221。顶点位于第一入瞳IP1处的第一光锥分布的光束组经由耦入面221被耦合进入波导22的内部，并且在波导22与空气的界面处发生全反射，经过一次或多次全反射后入射到波导22与光束合成器23的界面处。光束合成器23对入射到其上的光束进行衍射调制，使得所述光束以不同角度进入自由空间继续传播，其中来源于所述第一光锥分布的光束组的、在自由空间传播的不同方向的光束均汇聚于第一出瞳OP1。类似地，顶点位于第二入瞳IP2处的第二光锥分布的光束组经由耦入面221被耦合进入到波导22的内部，并且在波导22与空气的界面处发生全反射，经过一次或多次全反射后入射到波导22与光束合成器23的界面处，并经后者衍射调制而以不同角度进入自由空间继续传播，其中来源于所述第二光锥分布的光束组的、在自由空间传播的不同方向的光束均汇聚于第二出瞳OP2。由此，光束合成器23可以对来源于不同光锥分布的光束组的光束进行分别调制，例如对于以第一入瞳IP1为光锥顶点的光束组的光束，经衍射调制后汇聚于第一出瞳OP1；对于以第二入瞳IP2为光锥顶点的光束组的光束，经衍射调制后汇聚于第二出瞳OP2。

图2中的入射光束L0来自于所述图像源，其中携带有图像像素的颜色信息和/或亮度信息。MEMS振镜211扫描入射光束L0，从而形成所述光锥分布的光束组。MEMS振镜移动装置212与MEMS振镜211连接，可变换MEMS振镜211的位置，每个位置对应一个入瞳IP。图2中示出了MEMS振镜211具有至少两个位置211-1和211-2，其中在位置211-1时，MEMS振镜211扫描获得的光锥分布的光束组的顶点位于第一入瞳IP1处；而在位置211-2时，MEMS振镜211扫描获得的光锥分布的光束组的顶点则位于第二入瞳IP2处。MEMS振镜移动装置212与MEMS振镜211连接，根据需要使得MEMS振镜211在位置211-1和211-2之间移动和切换。如上所述，当MEMS振镜211在位置211-1时，获得的光束组的光束最终汇聚到第一出瞳OP1处；当MEMS振镜211在位置211-2时，获得的光束组的光束最终汇聚到第二出瞳OP2处。在此情况下，第一入瞳IP1和第二入瞳IP2形成入瞳区域IPA，第一出瞳OP1和第二出瞳OP2相应形成出瞳区域OPA。由此，根据本公开第一实施方式的扩瞳型光学显示模组20能够实现多个入瞳和出瞳，使人眼可在更大范围内观看到扫描形成的图像。

根据本公开的一个优选实施例，所述MEMS振镜移动装置例如为微电机。

例如，在时刻1时，由微电机212带动MEMS振镜211处于位置211-1，合束后的高方向性细光束L0被MEMS振镜211扫描，扫描光线经过波导耦入面221折射进入波导22，在波导与空气的界面处发生全反射，全反射的高方向性细光束被反射式体全息光学元件23反向衍射，汇聚于点OP1，即时刻1的出瞳位置。在时刻2时，由微电机212带动MEMS振镜211处于位置211-2，合束后的高方向性细光束L0被MEMS振镜211扫描，扫描光线经过波导耦入面221折射进入波导22，在波导与空气的界面处发生全反射，全反射的高方向性细光束被反射式体全息光学元件23反向衍射，汇聚于点OP2，即时刻2的出瞳位置。

第二实施方式

根据本公开的第二实施方式，所述微机电系统包括MAHOE光学元件和MEMS振镜，所述MAHOE光学元件至少具有第一区域和第二区域，所述入瞳至少包括第一入瞳和第二入瞳，所述出瞳至少包括第一出瞳和第二出瞳，其中来自于所述图像源的光束经所述MEMS振镜扫描后照射到所述MAHOE光学元件的第一区域或第二区域上，其中，照射到所述第一区域上的光束被所述MAHOE光学元件的第一区域衍射，衍射光以不同角度汇聚到所述第一入瞳后形成发散的光锥分布的光束组，进入波导，被光束合成器衍射，离开所述光束合成器后不同方向的衍射光继续传播，汇聚于所述第一出瞳；照射到所述第二区域上的光束被所述MAHOE光学元件的第二区域衍射，衍射光以不同角度汇聚到所述第二入瞳后形成发散的光锥分布的光束组，进入波导，被光束合成器衍射，离开所述光束合成器后不同方向的衍射光继续传播，汇聚于所述第二出瞳。

本公开中，缩略语“MAHOE”是指微透镜阵列体全息光学元件(microlens arrayholographic optical element)。

如图3所示，扩瞳型光学显示模组30包括光束生成器31、波导32和光束合成器33。其中光束生成器31包括图像源(图中未示出)和微机电系统，所述微机电系统包括MEMS振镜311和MAHOE光学元件312，MAHOE光学元件312包括多个区域(图3中为沿上下方向分布)，MEMS振镜311可以对入射的光束进行扫描，并使其照射到这些区域上。

扩瞳型光学显示模组30至少包括两个入瞳，即第一入瞳IP1和第二入瞳IP2，并且至少包括两个出瞳，即第一出瞳OP1和第二出瞳OP2。波导32具有耦入面321。MEMS振镜311与图2所示的MEMS振镜211类似，均用于接收入射光束L0并进行扫描以形成光锥分布的光束组。但与图2实施例不同，图3中MEMS振镜311扫描形成的光锥分布的光束组，其顶点位置并非扩瞳型光学显示模组30的入瞳位置。

图3中所示的MAHOE光学元件312例如为反射式体全息光学元件，其至少包括两个区域，即第一区域312-1和第二区域312-2，其中第一区域312-1可以将入射到其上的光束通过衍射调制汇聚到一点，即扩瞳型光学显示模组30的第一入瞳IP1；第二区域312-2可以将入射到其上的光束通过衍射调制汇聚到一点，即扩瞳型光学显示模组30的第二入瞳IP2。汇聚到第一入瞳IP1或第二入瞳IP2的光束形成光锥分布的光束组，其通过波导32的耦入面321被耦合进入波导32内部，并且在波导32与空气的界面处发生一次或多次全反射，最终入射到光束合成器33上，进而被光束合成器33衍射调制而汇聚到第一出瞳OP1或第二出瞳OP2的位置处。

由所述图像源发出的光束L0被MEMS振镜311扫描，当扫描光束传播到MAHOE光学元件312的第一区域312-1时被反向衍射，经反向衍射的高方向性细光束汇聚于第一入瞳IP1后继续传播，通过波导32的耦入面321折射进入波导，在波导32与自由空间的界面处发生全反射，全反射的高方向性细光束被光束合成器(例如图3中的反射式体全息光学元件)33反向衍射并汇聚于一点，即第一出瞳OP1。

由所述图像源发出的光束L0被MEMS振镜311扫描，当扫描光束传播到MAHOE光学元件312的第二区域312-2时被反向衍射，经反向衍射的高方向性细光束汇聚于第二入瞳IP2后继续传播，通过波导32的耦入面321折射进入波导，在波导32与自由空间的界面处发生全反射，全反射的高方向性细光束被光束合成器(例如图3中的反射式体全息光学元件)33反向衍射并汇聚于一点，即第二出瞳OP2。

本领域技术人员容易理解，除上述反射式的体全息光学元件外，根据本公开的MAHOE光学元件也可制作为透射式的体全息光学元件，用于实现多个入瞳和出瞳，从而达到扩瞳的目的，这些都在本公开的保护范围内。

在上述实施例中，本公开的扩瞳型光学显示模组通过设置MEMS振镜移动装置带动MEMS振镜移动(例如第一实施方式)或通过设置具有多个衍射调制区域的MAHOE光学元件(例如第二实施方式)，能够实现多个入瞳和出瞳的效果，从而达到扩瞳的目的。

本领域技术人员应当理解，此处虽然每一时刻实质上仅对应一个入瞳IP和一个出瞳OP，但通过例如提高MEMS振镜的移动速度(例如第一实施方式)或转动速度(例如第二实施方式)，使得入射光束的光锥顶点在各个入瞳位置(IP1……IPi……IP2)之间快速切换，从而出射光束汇聚于各个出瞳位置(OP1……OPi……OP2)的时间间隔足够短，以至短于人眼通常所能识别的范畴时，在效果上即接近于同时形成多个出瞳，即形成一个出瞳区域。在此情况下，如前所述，可能允许使用者眼球在较大范围内移动，但对于相关装置的结构稳定性及电路控制等的要求也相应较高。

第二方面

本公开的第二方面涉及一种大出瞳光学显示装置。所述大出瞳光学显示装置包括根据本公开第一方面的扩瞳型光学显示模组，以及眼球追踪单元和控制单元，其中所述眼球追踪单元配置成可获取用户瞳孔的位置；所述控制单元与所述扩瞳型光学显示模组中的光束生成器和所述眼球追踪单元耦合，并配置成可根据所述用户瞳孔的位置，调节所述光束生成器出射的光束组的光锥顶点的位置。

根据本公开的大出瞳光学显示装置将上述扩瞳型光学显示模组的扩瞳功能与眼球追踪单元的眼球追踪功能相结合，其中当用户的瞳孔处于任一出瞳OP位置时，通过所述眼球追踪单元监测瞳孔位置并进行换算，然后通过所述控制单元使光锥分布的光束组的顶点移至该出瞳OP所对应的入瞳IP位置处，由此实现了大出瞳的显示功能。所述大出瞳光学显示装置可以根据用户瞳孔的位置实时调节光束生成器出射光束的光锥顶点的位置，而不必受限于例如MEMS振镜的移动速度或转动速度，因此具有优异的灵活性和精确性，而且结构和性能稳定，能耗低。

图4示出了根据本公开的一个优选实施例的眼球追踪单元和控制单元的结构及连接方式。参见图4，眼球追踪单元40包括探测光源41、光电传感器42和计算模块43，其中探测光源41向用户的眼球发出探测光；光电传感器42记录经用户的眼球反射后的反射光数据，并发送至计算模块43；计算模块43将接收到的反射光数据通过计算转换成例如包含空间坐标信息的信号。控制单元44一端与计算模块43连接，接收计算模块43发出的信号；另一端与扩瞳型光学显示模组45中的光束生成器451连接，通过接收到的信号控制光束生成器451调节其出射的光束组的光锥顶点的位置(即扩瞳型光学显示模组45的入瞳IP)，使得该入瞳IP所对应的出瞳OP与用户瞳孔的位置相匹配，从而确保用户能够正常地观看到图像。光电传感器42例如为图像采集单元，其可选自诸如CCD或CMOS等图像采集的传感器，可用于采集用户眼球的图像。

进一步描述根据本公开通过扩瞳功能和眼球追踪功能的结合实现大出瞳的方式。在本公开的大出瞳光学显示装置中，眼球追踪单元中的探测光源首先向用户的眼球发出探测光；所述探测光经用户的眼球反射后由光电传感器接收，形成例如数组形式的图像信息，这些图像信息可表达不同区域的诸如颜色或光强等参数的差异，并由光电传感器发送到计算模块；计算模块根据光电传感器输出的图像信息的特征判断瞳孔的位置(例如数值发生明显变化的数组可能对应于瞳孔的边界)，然后通过预设的算法将其转换为相应的电信号(例如包含空间运动指令)，发送到控制单元。控制单元一端与眼球追踪单元、例如其中的计算模块耦合，接收来自所述计算模块的电信号；另一端则与光束生成器、例如其中的微机电系统耦合，根据所接收的电信号控制所述微机电系统进行相应的运动。

根据本公开的一个实施例，所述探测光源向用户的眼球发出的探测光为非可见光，其优选为红外LED光源，发出不可见的红外光，从而避免对用户造成影响，降低用户体验。

另外，根据本公开的一个实施例，所述眼球追踪单元的部分部件(例如探测光源和光电传感器)及其功能可通过诸如摄像头等常见的显示设备实现，并且除上述外也可通过其它方式确定用户瞳孔的位置，例如通过摄像头直接采集用户眼球的图像并进行图像检测。本发明不限于所述眼球追踪单元的具体结构以及具体解析方式，只要其能够合适地获取用户瞳孔的位置即可。所述眼球追踪单元可以利用现有技术实施，其可经由市售购得，例如使用TOBII制造的相关产品。

根据本公开的一个优选实施例，所述控制单元与所述光束生成器包括的微机电系统中的MEMS振镜移动装置(例如图2所示的MEMS振镜移动装置212)连接，通过控制所述MEMS振镜移动装置来调节MEMS振镜的移动。

根据本公开的一个优选实施例，所述控制单元与所述光束生成器包括的微机电系统中的MEMS振镜(例如图3所示的MEMS振镜311)连接，通过控制所述MEMS振镜调整其角度，将来自图像源的光束反射到MAHOE光学元件的不同区域上。

第三实施方式

根据本公开的第三实施方式，所述大出瞳光学显示装置包括本公开的第一实施方式的扩瞳型光学显示模组以及眼球追踪单元和控制单元，其中所述扩瞳型光学显示模组的微机电系统包括MEMS振镜和MEMS振镜移动装置；所述控制单元与所述眼球追踪单元中的计算模块和所述扩瞳型光学显示模组中的MEMS振镜移动装置连接。

所述扩瞳型光学显示模组、眼球追踪单元和控制单元的结构与前文相同，此处不再赘述。

如图5中所示地，大出瞳光学显示装置50包括扩瞳型光学显示模组51、眼球追踪单元54和控制单元58，并且至少包括两个入瞳IP1、IP2和两个出瞳OP1、OP2。其中，扩瞳型光学显示模组51的微机电系统包括MEMS振镜511和MEMS振镜移动装置512；眼球追踪单元54包括探测光源55、光电传感器56和计算模块57；控制单元58与MEMS振镜移动装置512和计算模块57连接；探测光源55可向用户的眼球发出探测光。

在t1时刻，用户的瞳孔处于第一出瞳OP1所在位置处，探测光源55向用户的眼球发出探测光；光电传感器56记录经用户的眼球反射后的反射光数据，并将形成的图像信息发送至计算模块57；计算模块57根据接收到的图像信息的特征判断瞳孔的位置，然后通过预设的算法将其转换成包含空间坐标信息的电信号，发送至控制单元58。控制单元58根据来自计算模块57的电信号控制MEMS振镜移动装置512带动MEMS振镜511移动至位置511-1，对来自图像源的光束L0进行扫描，在第一入瞳IP1位置处形成光锥分布的光束组。

在t2时刻，用户的瞳孔处于第二出瞳OP2所在位置处，探测光源55向用户的眼球发出探测光；光电传感器56记录经用户的眼球反射后的反射光数据，并将形成的图像信息发送至计算模块57；计算模块57根据接收到的图像信息的特征判断瞳孔的位置，然后通过预设的算法将其转换成包含空间坐标信息的电信号，发送至控制单元58。控制单元58根据来自计算模块57的电信号控制MEMS振镜移动装置512带动MEMS振镜511移动至位置511-2，对来自图像源的光束L0进行扫描，在第二入瞳IP2位置处形成光锥分布的光束组。

第四实施方式

根据本公开的第四实施方式，所述大出瞳光学显示装置包括本公开第二实施方式的扩瞳型光学显示模组以及眼球追踪单元和控制单元，其中所述扩瞳型光学显示模组的微机电系统包括MEMS振镜和具有多个区域的MAHOE光学元件；所述控制单元与所述眼球追踪单元中的计算模块和所述扩瞳型光学显示模组中的MEMS振镜连接。

所述扩瞳型光学显示模组、眼球追踪单元和控制单元的结构与前文相同，此处不再赘述。

如图6中所示地，大出瞳光学显示装置60包括扩瞳型光学显示模组61、眼球追踪单元64和控制单元68，并且至少包括两个入瞳IP1、IP2和两个出瞳OP1、OP2。其中，扩瞳型光学显示模组61的微机电系统包括MEMS振镜611和至少具有两个区域的MAHOE光学元件612；眼球追踪单元64包括探测光源65、光电传感器66和计算模块67；控制单元68与MEMS振镜611和计算模块67连接；探测光源65可向用户的眼球发出探测光。

在t1时刻，用户的瞳孔处于第一出瞳OP1所在位置处，探测光源65向用户的眼球发出探测光；光电传感器66记录经用户的眼球反射后的反射光数据，并将形成的图像信息发送至计算模块67；计算模块67根据接收到的图像信息的特征判断瞳孔的位置，然后通过预设的算法将其转换成包含空间坐标信息的电信号，发送至控制单元68。控制单元68根据来自计算模块67的电信号控制MEMS振镜611调整角度，将来自图像源的光束L0扫描后照射到MAHOE光学元件612的第一区域612-1上，经第一区域612-1衍射调制，在第一入瞳IP1位置处形成光锥分布的光束组。

在t2时刻，用户的瞳孔处于第二出瞳OP2所在位置处，探测光源65向用户的眼球发出探测光；光电传感器66记录经用户的眼球反射后的反射光数据，并将形成的图像信息发送至计算模块67；计算模块67根据接收到的图像信息的特征判断瞳孔的位置，然后通过预设的算法将其转换成包含空间坐标信息的电信号，发送至控制单元68。控制单元68根据来自计算模块67的电信号控制MEMS振镜611调整角度，将来自图像源的光束L0扫描后照射到MAHOE光学元件612的第二区域612-2上，经第二区域612-2衍射调制，在第二入瞳IP2位置处形成光锥分布的光束组。

本领域技术人员可以理解，在上述第一实施方式和第三实施方式中，所述多个入瞳在入瞳区域IPA内可以是连续分布的，并且所述多个出瞳在出瞳区域OPA内可以是连续分布的。在上述第二实施方式和第四实施方式中，所述多个入瞳在入瞳区域IPA内可以是离散分布的，并且所述多个出瞳在出瞳区域OPA内可以是离散分布的。

如前所述，根据本公开的大出瞳光学显示装置可以具有多个入瞳IP和多个出瞳OP，其中来自每个入瞳IP的光锥分布的光束组中的光束最终被汇聚于对应的出瞳OP，由此形成入瞳区域IPA和对应的出瞳区域OPA。即，本公开的大出瞳光学显示装置所涉及的“入瞳”和“出瞳”，既可以是空间中的一个点，也可以是空间中的一个区域，由此能够使得人眼在较大范围内观看到扫描形成的图像。得以实现该功能的原因在于，所述体全息光学元件具有一定的角度选择性和波长选择性，即在所设计的波长和传播角度附近的波长和传播角度亦能够按照衍射关系发生衍射，而当波长和传播角度远离所设计的波长和传播角度时，则衍射效率快速降低，当衍射效率降低到一定程度时可认为不发生衍射。因此，在满足一定衍射效率的情况下，所对应的入瞳不再是一个点，而是一定的区域，从而所对应的出瞳不再是一个点，而是一个区域。举例而言，当使用银盐材料时，其角度选择性可例如在±5°范围内；当使用光致聚合物时，其角度选择性可例如在±1.5°范围内。

第五实施方式

在前述第一和第二实施方式中，本公开的扩瞳型光学显示模组均具有多个入瞳和多个出瞳，其利用体全息光学元件的角度选择性和波长选择性，使得光束生成器形成多个光锥分布的光束组，其中每个光锥顶点对应一个入瞳；并且不同光束组的光束在自由空间各自汇聚，其中每个汇聚点对应一个出瞳。即，根据本公开的第一和第二实施方式的扩瞳型光学显示模组均是通过改变光锥分布的光束组的光锥顶点的位置，使光束组中的光束在自由空间的不同位置汇聚而实现扩瞳的。

根据本公开的第五实施方式，提供一种扩瞳型光学显示模组，其与第一和第二实施方式的区别在于：光束生成器配置成形成一个光锥分布的光束组；以及还包括光束合成器移动装置，所述光束合成器移动装置与光束合成器连接，并可使所述光束合成器在多个位置之间移动，其中在每个位置时，所述光束组中的光束经所述光束合成器衍射调制后在自由空间形成一个汇聚点，对应一个出瞳。

根据本公开的一个实施例，所述光束合成器移动装置例如为微电机。

根据本公开的一个实施例，所述光束合成器移动装置与波导连接，通过使所述波导移动而带动所述光束合成器移动。

以下参考图7描述本公开第五实施方式的扩瞳型光学显示模组实现扩瞳的原理及过程。出于方便描述和理解考虑，图7中省略了波导，并将耦入波导的光束简化为直接入射到光束合成器上而非首先发生全反射。本领域技术人员应当理解，作出上述省略和简化的目的仅是为了使本领域技术人员能够更加清楚和直观地理解，其并不影响此处关于显示原理及过程的讨论。

参见图7，扩瞳型光学显示模组70包括光束生成器71、波导(未示出)和光束合成器73。扩瞳型光学显示模组70还包括光束合成器移动装置731，其与光束合成器73连接，并可使光束合成器73移动(图7中为沿左右方向移动)。

扩瞳型光学显示模组70具有一个入瞳IP，以及至少两个出瞳OP和OP'。光束生成器71出射由光束L_a和L_b限定的光锥分布的光束组，其光锥顶点位于入瞳IP位置处。在t1时刻，光束合成器73位于初始位置。与前文类似地，由光束L_a和L_b限定的光束组中的任一光束经由耦入面进入波导后，在波导与自由空间的界面处发生全反射，然后入射到光束合成器73上，经光束合成器73衍射调制后进入自由空间继续传播并汇聚于一点，即出瞳OP。在t2时刻，光束合成器移动装置731使光束合成器73沿图7中的箭头方向移动距离D₁。此时，由光束L_a和L_b限定的光束组中的任一光束经耦入波导后，同样在发生全反射后入射到光束合成器73上，并经光束合成器73衍射后进入自由空间继续传播，但其汇聚点发生变化，位于沿图7中箭头方向与出瞳OP相距D₂的位置处，即出瞳OP'。由此，本公开第五实施方式的扩瞳型光学显示模组在固定的光锥分布的光束组下，通过移动光束合成器实现了扩瞳。

以下参考图7，进一步说明扩瞳型光学显示模组70的出瞳由OP变为OP'的原理及过程。

首先，根据本公开，所述体全息光学元件满足以下衍射方程：

sin(α)+sin(β)＝K

其中对于体全息光学元件上任一位置点，α表示入射光线与法线的夹角，β表示衍射光线与法线的夹角，K表示常数。

如图7所示，当光束合成器73位于初始位置时，由光束L_a和L_b限定的光束组中的任一光束L_c入射到光束合成器73上的S点处，经光束合成器73调制后，作为衍射光束L_d与该光束组中其它衍射光束汇聚于出瞳OP位置处。假设入射光束L_c与法线N的夹角α为60°并且衍射光束L_d与法线N的夹角β为0°(此处仅为出于方便计算设定，对于其它入射角度/衍射角度同样适用)，则根据上述衍射方程代入数值可得：

sin(60)+sin(0)＝0.8660

当光束合成器73沿图7中的箭头方向移动距离D₁时，在由光束L_a和L_b限定的光束组中，入射到光束合成器73上S点处的光束L_c'同样按照衍射关系发生衍射。假设入射光束L_c'与法线N的夹角α'为65°(此处仅为举例设定，对于大于夹角α的其它入射角度同样适用)，则根据上述衍射方程代入数值可得：

sin(65)+sin(β')＝0.8660

由此求得衍射光束L_d'与法线N的夹角β'为-2.3086°。在满足体全息光学元件的角度选择性和波长选择性的情况下，衍射光束L_d'沿该角度与光束组中的其它衍射光束汇聚于与出瞳OP相距D₂处，据此可以确定出瞳OP'的位置。

由此，根据本公开第五实施方式的扩瞳型光学显示模组在移动光束合成器的情况下，其出瞳位置随之移动，从而能够实现扩瞳功能。

本公开的第五实施方式还提供一种大出瞳光学显示装置。所述大出瞳光学显示装置包括根据本公开第五实施方式的扩瞳型光学显示模组以及眼球追踪单元和控制单元，其中所述扩瞳型光学显示模组包括可使光束合成器在多个位置之间移动的光束合成器移动装置；所述眼球追踪单元与前述第三和第四实施方式类似地包括探测光源、光电传感器和计算模块；所述控制单元与所述眼球追踪单元中的计算模块和所述扩瞳型光学显示模组中的光束合成器移动装置连接。

以下以图7为例，简述本公开第五实施方式的大出瞳光学显示装置实现大出瞳功能的过程，其中所述眼球追踪单元的工作方式与前文相同，此处不再赘述。

在t时刻，用户的瞳孔由出瞳OP位置处沿图7中的箭头方向移至与出瞳OP相距D₂的出瞳OP'位置处。所述大出瞳光学显示装置中的眼球追踪单元判断瞳孔位置的变化，并通过预设的算法将其转换成电信号，发送至控制单元。所述控制单元根据接收到的电信号控制光束合成器移动装置731带动光束合成器73沿图7中的箭头方向移动距离D₁，使得光束生成器71出射的光锥分布的光束组中的光束经光束合成器73衍射调制后，汇聚于用户的瞳孔当前所在的位置处。

由以上第一至第五实施方式可知，为了实现扩瞳乃至大出瞳的功能，本公开的扩瞳型光学显示模组以及大出瞳光学显示装置不仅可配置成调节光束生成器出射的光束组的光锥顶点的位置，还可配置成调节光束合成器的位置。由此，根据本公开的扩瞳型光学显示模组/大出瞳光学显示装置可如下配置，其中使得光束生成器出射的光束组的光锥顶点与光束合成器的相对位置是可调节的。

另外，本领域技术人员可以理解，以上第一至第四实施方式与第五实施方式中的技术特征可以相互组合而无需付出创造性劳动。例如，对于所述扩瞳型光学显示模组/大出瞳光学显示装置，可将其中光束生成器出射的光束组的光锥顶点以及光束合成器的位置均配置为可调节的。这些都在本公开的保护范围内。

根据本公开的扩瞳型光学显示模组包括光束生成器、波导和光束合成器，能够有效减小相关光学组件的厚度。尤其是在用于VR或AR眼镜的情况下，能够将整个模组的厚度做到厘米量级甚至毫米量级以下。在现有的VR或AR光学模组中，光束生成器需要布置在用户的头部的侧部，并且需要具有一定的角度，以避免光束被用户的额头遮挡，因此整个模组的厚度需要做得较大。而本公开的扩瞳型光学显示模组则可无需考虑用户额头遮挡的问题，因此整体厚度可以做得较小。

此外，根据本公开的扩瞳型光学显示模组利用体全息光学元件的角度选择性和波长选择性，可通过结构设计改变光束生成器出射的光束组的光锥顶点的位置以及光束组中的光束在自由空间的汇聚点的相应位置，从而具有多个入瞳和多个出瞳，能够达到扩瞳的目的。由此，根据本公开的扩瞳型光学显示模组能够使得人眼在较大范围内观看到扫描形成的图像，提高了在应用中的舒适性和实用性。

并且，本公开通过将所述扩瞳型光学显示模组与眼球追踪技术结合起来，在扩瞳功能的基础上进一步引入眼球追踪功能，由此能够提供一种大出瞳光学显示装置。根据本公开的大出瞳光学显示装置可实时监测用户瞳孔的位置并相应调节其入瞳和出瞳的位置，因此具有优异的结构和性能稳定性，并且提高了在应用中的适用性、灵活性和精确性。

图8示出了根据本公开一个优选实施例的图像源80的结构。下面参考图8详细描述。

如前所述，根据本公开的扩瞳型光学显示模组包括光束生成器，所述光束生成器可包括图像源和微机电系统。根据本公开的一个优选实施例，所述图像源配置成可生成携带图像像素的颜色信息和/或亮度信息的光束；所述微机电系统配置成可对所述光束进行扫描，形成光锥分布的光束组。在图8中，图像源80配置成可生成携带图像像素的颜色信息和/或亮度信息的光束L0，光束L0始终位于同一条空间路径上。

根据本公开的一个优选实施例，所述光束生成器为细光束生成器，其图像源包括多个激光器、控制器和合束器。所述控制器与所述多个激光器耦合，并控制所述多个激光器发射出激光束，例如控制激光器的发光时间、强度以及其它光学参数。所述多个激光器的激光束入射到所述合束器，合成为在空间上传播路径重合的近平行性细光束。下面参考图8进行详细描述。

如图8所示，图像源80包括激光器，例如该图中所示地包括第一激光器81、第二激光器82以及第三激光器83，其中第一激光器81例如为红色激光器，第二激光器82例如为绿色激光器，第三激光器83例如为蓝色激光器，分别发出相应波长的激光光束。可选地，图像源80还包括第一透镜(或透镜组)84、第二透镜(或透镜组)85以及第三透镜(或透镜组)86，分别用于对光路上游的第一激光器81、第二激光器82以及第三激光器83发出的激光光束进行准直，或者缩小发散角，或者进行压缩，从而形成高方向性的细光束。所述合束器例如包括分别与所述多个激光器发出的激光的波长对应的光学薄膜分光片，分别设置在各个激光器对应的透镜(或透镜组)的下游，其中所述激光器的激光经过所述透镜(或透镜组)后入射到相对应的光学薄膜分光片上，经过反射或透射形成所述在空间上传播路径重合的近平行性细光束。可选地，对应于红色激光器81、绿色激光器82以及蓝色激光器83，图像源80的合束器包括第一分光片87、第二分光片88以及第三分光片89，分别用于合束红色、绿色和蓝色激光光束。以下以第一分光片87为例进行详细说明。第一分光片87设置在第一透镜84的光路下游，其例如是与第一激光器81发出的激光的波长对应的光学薄膜分光片，可使得第一激光器81发射的红光被反射，红光以外颜色的光被透射。类似地，第二分光片88使得第二激光器82发射的绿光被反射，绿光以外颜色的光被透射；第三分光片89使得第三激光器83发射的蓝光被反射，蓝光以外颜色的光被透射。红色激光被第一分光片87反射，入射到第二分光片88上并透射穿过第二分光片88，接着透射穿过第三分光片89。绿色激光被第二分光片88反射，入射到第三分光片89上并透射穿过第三分光片89。蓝色激光被第三分光片89反射。第一分光片87、第二分光片88和第三分光片89的反射路径设置成是相同的，如图8所示，因此从三个分光片反射的光束最终合成光束L0。所述透镜组可包含液体透镜或液晶透镜，可通过外部电压控制调节透镜组的等效焦距，用于控制激光器发出的激光束的发散角和/或直径。所述控制器例如可控制相对应的激光器。举例说明，假如目前投射的像素中只有红色和绿色的颜色分量，那么第一激光器81和第二激光器82被控制器控制发出相应波长的激光束，而第三激光器83被控制器控制不发出激光束。

另外，所述分光片也可以是宽带分光片，即允许一定波段范围的光线被反射，而对其它波段的光线则进行透射。

另外，根据本公开的一个优选实施例，图像源80还可包括设置在透镜(或透镜组)84、85、86与光学薄膜分光片87、88、89之间的光阑、波片、偏振片、衰减片中的一个或多个(未示出)。图像源80还可以包括与所述透镜(或透镜组)耦合的微电机(未示出)，所述微电机可以调节所述透镜(或透镜组)的位置，或调节透镜组中透镜间的相对位置，以调节从所述透镜(或透镜组)出射的光束的光斑尺寸和/或发散角等光学参数。

本领域技术人员容易理解，第一激光器81、第二激光器82、第三激光器83所发射的激光光束的波长和强度，例如对应于图片或者图案的一个像素的RGB三种颜色的分量，分别透射出相应波长的激光束，然后再进行合束。

本领域技术人员容易理解，图8示意性地示出了图像源80包括红色、绿色、蓝色的三个激光器，但本公开的保护范围不限于此。例如，图像源80可以包括更多数目或者更少数目的激光器，并且激光器的波长可以根据需要而随意选择。例如，图像源80可以仅包括一个激光器，发出单色激光，这些都在本公开的保护范围内。

另外，本公开的保护范围不限于激光器发射的光场的类型。激光器发出的既可以是平面波，也可以是球面波，通过透镜或透镜组来进行准直和压缩，这些对于本领域技术人员而言都是容易理解的。

如前所述，所述光束合成器例如包括衍射光学元件，其例如为体全息光学元件，既可以为透射式体全息光学元件，也可以为反射式体全息光学元件。下面将详细描述。

根据本公开的一个优选实施例，所述体全息光学元件为单个彩色体全息光学元件，例如为单张的彩色体全息光学薄膜。所述单张的彩色体全息光学薄膜例如通过与多个激光器对应波长的激光曝光得到，因而对所述多个激光器所发出的相应波长的激光光束均能够发生衍射，并进行相应的调制。例如，当对红色、绿色和蓝色激光均敏感的单张彩色体全息光学薄膜用于所述扩瞳型光学显示模组时，无论入射光束为红色、绿色、蓝色或者其中多种的组合，该彩色体全息光学薄膜均可以对入射光束进行衍射调制，汇聚于波导外的一点。另外，所述单张的彩色体全息光学薄膜可通过所述多个激光器的激光同时曝光得到，也可以每次通过一种波长的激光曝光并进行多次连续曝光得到。这种方式的优点在于无需将多张体全息光学薄膜对位并堆叠在一起，设置方式简单。

或者可替换地，所述体全息光学元件包括准确对位并堆叠在一起的多个单色体全息光学元件，与所述多个激光器的数目对应，所述多个单色体全息光学元件分别通过与所述多个激光器其中一个对应波长的激光曝光得到。例如，当将对红色、绿色和蓝色激光敏感的三张单色体全息光学薄膜用于所述扩瞳型光学显示模组时，所述对红色激光敏感的单色体全息光学薄膜仅对红色激光发生衍射而对其它波长激光不发生衍射，使得以不同角度入射到其上的红色激光光束经过该薄膜的衍射调制之后，以不同角度进入自由空间继续传播。所述对绿色激光敏感的单色体全息光学薄膜和所述对蓝色激光敏感的单色体全息光学薄膜与上述对红色激光敏感的单色体全息光学薄膜的情况类似。本领域技术人员容易理解，如果光源中包括更多波长的激光器，那么所述光束合成器也可以包括对应的体全息光学薄膜，这些都在本公开的保护范围内。这种方式的优点在于，每个体全息光学元件仅单次曝光，衍射效率高。曝光使用的激光器例如为单纵模激光器，具有很强的相干性。用作显示光源的激光器可以为低相干性的多模激光器。使用时，将包括对红色、绿色和蓝色激光敏感的三张单色体全息光学薄膜的光束合成器直接贴附在波导的相应表面上，即可实现对入射到其上的各种波长光束的衍射调制效果。

或者可替换地，所述体全息光学元件包括准确对位并堆叠在一起的多个体全息光学元件，所述多个体全息光学元件的数目少于所述多个激光器的数目，所述多个体全息光学元件中的至少一个通过所述多个激光器中的至少两个的激光曝光得到，其余的体全息光学元件通过所述多个激光器中余下的其中一个的激光曝光得到。例如在上述采用对红色、绿色和蓝色激光敏感的三张单色体全息光学薄膜的实施例的基础上，采用一张同时对红色和绿色敏感的体全息光学薄膜，来代替所述对红色激光敏感的单色体全息光学薄膜和所述对绿色激光敏感的单色体全息光学薄膜。所述同时对红色和绿色敏感的体全息光学薄膜例如通过用红色和绿色的激光同时或者先后进行曝光而获得。或者，可以采用一张同时对绿色和蓝色敏感的体全息光学薄膜，来代替所述对绿色激光敏感的单色体全息光学薄膜和所述对蓝色激光敏感的单色体全息光学薄膜；或者可以采用一张同时对红色和蓝色敏感的体全息光学薄膜，来代替所述对红色激光敏感的单色体全息光学薄膜和所述对蓝色激光敏感的单色体全息光学薄膜。这些都在本公开的保护范围内。相对于上述全部采用单色体全息光学元件的实施例的设置方式，这种设置提高了衍射效率，同时减少了堆叠的次数。

或者，所述体全息光学元件包括一片单色体全息光学元件，对应于一个波长的激光光束和激光器。

在本公开的一个优选实施例中，如图9所示，光束合成器90包括三张单色体全息光学薄膜，分别为第一体全息光学薄膜901(对红色敏感)、第二体全息光学薄膜902(对绿色敏感)和第三体全息光学薄膜903(对蓝色敏感)，分别对不同波长的光束进行衍射调制。以红色分量的第一体全息光学薄膜901为例进行说明，其仅对红色激光发生衍射而对其它波长激光不发生衍射，使得以不同角度入射到其上的红色激光光束，经第一体全息光学薄膜901衍射调制后，以不同角度进入自由空间继续传播，其中在自由空间传播的不同方向的光束均汇聚于出瞳位置处。类似地，绿色分量的第二体全息光学薄膜902仅对绿色激光发生衍射而对其它波长激光不发生衍射，使得以不同角度入射到其上的绿色激光光束，经第二体全息光学薄膜902衍射调制后，以不同角度进入自由空间继续传播，其中在自由空间传播的不同方向的光束均汇聚于所述出瞳位置处。同样类似地，蓝色分量的第三体全息光学薄膜903仅对蓝色激光发生衍射而对其它波长激光不发生衍射，使得以不同角度入射到其上的蓝色激光光束，经第三体全息光学薄膜903衍射调制后，以不同角度进入自由空间继续传播，其中在自由空间传播的不同方向的光束均汇聚于所述出瞳位置处。

根据本公开的一个实施例，所述体全息光学元件通过将感光材料的膜或感光材料附着于玻璃基底或树脂基底的感光板按照一定方式曝光得到，所述感光材料包括银盐材料、光致聚合物材料、明胶材料中的一种或多种，所述感光材料可感红光、绿光或蓝光中的一种或多种。以下将详细描述。

上述图1至7所示的技术方案中均使用了反射式体全息光学元件。本领域技术人员容易理解，也可以使用透射式体全息光学元件来进行实施。这些技术方案中任一个技术方案的技术特征均可以结合到另一种技术方案中，而无需付出创造性的劳动。

本公开的第二方面还涉及一种近眼显示装置，包括如上所述的大出瞳光学显示装置。所述近眼显示装置例如为虚拟现实显示装置或增强现实显示装置。

根据本公开的一个实施例，所述近眼显示装置还包括图像生成单元，其配置成可生成待显示的图像，所述图像生成单元与所述光束生成器耦合，所述光束生成器发射的光束组中不同方向的光束携带所述图像中不同像素的颜色信息和/或亮度信息。

所述图像生成单元例如用于生成需要给用户呈现的图像。所述光束生成器例如逐像素扫描所述图像，根据每个像素的红绿蓝分量生成相应的激光束，其中携带所述图像中不同像素的颜色信息和/或亮度信息。所述近眼显示装置通过如上所述的大出瞳光学显示装置向用户的眼中(例如视网膜上)投射该像素的光束，从而在用户的眼中显示。优选地，所述近眼显示装置包括左眼显示单元和右眼显示单元，并且相应包括两套所述大出瞳光学显示装置，其中所述左眼显示单元和右眼显示单元均包括所述大出瞳光学显示装置，分别为用户的左眼和右眼显示相同的二维图像用于二维显示，或具有视差的二维图像用于实现基于双目视差的三维显示。

第三方面

本公开的第三方面涉及一种光学系统的图像投射方法100。如图10所示，所述图像投射方法100包括：

S101：监测用户瞳孔的位置；

例如可通过上述眼球追踪单元40、54或64来监测所述用户瞳孔的位置。

S102：根据所述用户瞳孔的位置，生成一光锥分布的光束组；

例如参考图1至6所描述地，所述光锥的顶点位于与所述用户瞳孔对应的入瞳的位置。

S103：将所述光锥分布的光束组耦合进入波导，进入所述波导的光束在所述波导与自由空间的界面处发生全反射；

S104：通过位于所述波导的一表面上的光束合成器，改变入射到所述光束合成器上的光束的传播方向，使其以不同角度离开所述光束合成器继续传播，其中来源于同一光锥分布的光束组的光束离开所述光束合成器后汇聚于用户眼球上的一点。

根据本公开的一个优选实施例，所述图像投射方法100还包括：

S105：当监测到所述用户瞳孔的位置发生变化时，调节所述光锥分布的光束组的光锥顶点的位置，使得所述光锥分布的光束组的光束离开所述光束合成器后仍然汇聚于所述用户眼球上的一点。

根据本公开的一个优选实施例，所述步骤S101包括：

通过探测光源向用户的眼球发出探测光；

通过光电传感器接收所述探测光被所述用户的眼球反射后的反射光，形成图像信息；

根据所述图像信息确定所述瞳孔的位置。

根据本公开的一个优选实施例，所述步骤S102包括：

利用一图像源，出射携带有图像像素的颜色信息和/或亮度信息的光束；

利用一MEMS振镜，对从所述图像源出射的光束进行扫描，形成所述光锥分布的光束组，

所述步骤S105包括：

通过一MEMS振镜移动装置，改变所述MEMS振镜的位置。

根据本公开的一个优选实施例，所述步骤S102包括：

利用一图像源，出射携带有图像像素的颜色信息和/或亮度信息的光束；

通过一MEMS振镜，接收并扫描所述光束；

通过一MAHOE光学元件，在其第一区域上接收来自所述MEMS振镜的光束，并衍射生成所述光锥分布的光束组，

所述步骤S105包括：

调节所述MEMS振镜的角度，将从所述图像源出射的光束扫描到所述MAHOE光学元件的第二区域上。

根据本公开的一个具体实施例，如图11所示，所述图像投射方法110包括以下步骤：

S111：在T时刻，用户的瞳孔处于第一位置，通过探测光源向用户的眼球发出探测光，并反射至光电传感器；

S112：通过所述光电传感器记录经用户的眼球反射后的反射光数据，并将形成的图像信息发送至计算模块；

S113：通过所述计算模块根据接收到的图像信息确定瞳孔的位置，并将其转换成电信号，发送至控制单元；

S114：通过所述控制单元根据接收到的电信号控制微机电系统，使得在所述第一位置的对应位置处形成光锥分布的光束组；

S115：在T'时刻，用户的瞳孔处于第二位置，重复步骤S111～114，使得在所述第二位置的对应位置处形成光锥分布的光束组。

根据本公开的一个优选实施例，所述微机电系统包括MEMS振镜移动装置和MEMS振镜，所述MEMS振镜移动装置与所述MEMS振镜连接，并可使所述MEMS振镜在多个位置之间移动，每一个位置对应一个入瞳；在每一个位置时，经所述MEMS振镜扫描出的光锥分布的光束组中不同方向的光束由波导耦入面耦入传播并经光束合成器在自由空间形成一个汇聚点，对应一个出瞳。在此情况下，所述步骤S114包括：通过所述控制单元根据接收到的电信号控制MEMS振镜移动装置移动MEMS振镜，使得所述光锥分布的光束组的顶点位于所述第一位置的对应位置处；而所述步骤S115包括：通过所述控制单元根据接收到的电信号控制MEMS振镜移动装置移动MEMS振镜，使得所述光锥分布的光束组的顶点位于所述第二位置的对应位置处。

根据本公开的一个优选实施例，所述微机电系统包括MAHOE光学元件和MEMS振镜，所述MAHOE光学元件至少具有第一区域和第二区域，所述入瞳至少包括第一入瞳和第二入瞳，所述出瞳至少包括第一出瞳和第二出瞳，其中来自于图像源的光束经所述MEMS振镜扫描后照射到所述MAHOE光学元件的第一区域或第二区域上，其中照射到所述第一区域上的光束被该第一区域衍射，衍射光以不同角度汇聚到所述第一入瞳后形成光锥分布的光束组，进入波导，被光束合成器衍射，离开所述光束合成器后不同方向的衍射光继续传播，汇聚于所述第一出瞳；照射到所述第二区域上的光束被该第二区域衍射，衍射光以不同角度汇聚到所述第二入瞳后形成光锥分布的光束组，进入波导，被光束合成器衍射，离开所述光束合成器后不同方向的衍射光继续传播，汇聚于所述第二出瞳。在此情况下，所述步骤S114包括：通过所述控制单元根据接收到的电信号控制MEMS振镜调整其角度，将来自图像源的光束反射到MAHOE光学元件的多个区域中的一个区域上，使得经该区域衍射调制而形成的光锥分布的光束组的顶点位于所述第一位置的对应位置处；所述步骤S115包括：通过所述控制单元根据接收到的电信号控制MEMS振镜调整其角度，将来自图像源的光束反射到MAHOE光学元件的多个区域中的一个区域上，使得经该区域衍射调制而形成的光锥分布的光束组的顶点位于所述第二位置的对应位置处。

所述图像投射方法100可通过如上所述的大出瞳光学显示装置来实施，或通过包括如上所述的大出瞳光学显示装置的近眼显示装置来实施。

应当理解，前述的各种示例性的显示系统可以做成两套，分别为人的左眼和右眼提供图像。若左右眼显示的图像包含双目视差的图像信息，则可实现双目视差的三维显示；若左右眼显示的图像为普通的二维图像，则可实现普通的二维显示。应当理解，所述显示系统实现的显示技术为视网膜显示的显示技术，实现的三维显示减小或消除了辐辏调节冲突问题。

应当理解，前述的各种示例性的方法可以利用各种方式来实现，例如，在某些实施方式中，前述各种方法可以利用软件和/或固件模块来实现，也可以利用硬件模块来实现。现在已知或者将来开发的其它方式也是可行的，本公开的范围在此方面不受限制。特别地，除硬件实施方式之外，本公开的实施方式可以通过计算机程序产品的形式实现。

第四方面

本公开的第四方面涉及一种光学元件的制造方法120，如图12和13所示。该方法尤其适于制造用于本公开第一方面的扩瞳型光学显示模组和本公开第二方面的大出瞳光学显示装置的光束合成器或体全息光学元件。

图12示出了根据本公开第四方面的光学元件的制造方法120。图13示出了通过所述制造方法120制造光束合成器的光路示意图。下面结合图12和图13详细描述。

如图12所示，所述制造方法120包括以下步骤：

S121：提供波导，所述波导具有耦入面，在所述波导的表面上贴附感光膜/感光板。

如图13所示，波导1214具有耦入面1213，用于将入射到其上的光束耦入波导1214中。波导1214的一部分表面的外部为空气，且波导1214的折射率大于空气的折射率，因而耦合进入波导1214的光束在满足一定入射角度的条件下，在波导1214与空气的界面处发生全反射。感光膜/感光板1216贴附在波导1214的一个表面上。波导1214例如可与图1至9中所示的波导相同，或者具有至少部分相同的光学和/或几何参数。

S122：利用激光器发射出激光。

图13示出三个激光器1201、1202和1203，例如分别为红光激光器1203、绿光激光器1202和蓝光激光器1201。本领域技术人员容易理解，图13中示出的三个激光器仅是示意性的，其数目、波长不构成对本公开的限制，可以采用数目更少的激光器，也可以采用数目更多的激光器，这些都在本公开的保护范围内。下面以三个激光器为例进行说明。

三个激光器1201、1202和1203发射出不同波长的激光光束之后，通过合束器进行合束，将三种波长的激光合成为高方向性细光束。根据一个优选的实施例，合束器包括第一分光片1204、第二分光片1205和第三分光片1206。以下以第一分光片1204为例来详细说明。第一分光片1204设置在激光器1201的光路下游，其例如是与激光器1201发出的蓝色激光的波长对应的光学薄膜分光片，可使得激光器1201发射的蓝光被反射，而蓝光以外波长的光被透射。类似地，第二分光片1205位于激光器1202的光路下游，使得激光器1202发射的绿光被反射，而绿光以外波长的光被透射；第三分光片1206位于激光器1203的光路下游，使得激光器1203发射的红光被反射，而红光以外波长的光被透射。第一分光片1204、第二分光片1205和第三分光片1206的反射路径设置成是相同的，如图13所示，由此从三个分光片反射的光束最终合成了高方向性细光束L00。

根据本公开的一个优选实施例，对合束后的激光光束进行滤波和准直扩束。如图13所示，使合束后的激光光束入射到显微物镜与针孔滤波器1207，将高方向性细光束高倍汇聚于针孔进行滤波，发出高质量球面波，并入射到准直透镜1208。其中，针孔滤波器1207位于准直透镜1208的焦平面，由此从针孔滤波器1207发出的光波经过准直透镜1208后转换为高质量平面波的激光束L00'。

S123：将所述激光分束成第一激光光束和第二激光光束。

如图13所示，例如可通过分光镜1209来进行分束，分光镜1209例如为半反半透膜，从而入射到其上的光束部分被反射，部分被透射，分成第一激光光束L11和第二激光光束L22，并且第一激光光束L11和第二激光光束L22来源于同一激光束，因而具有较强的相干性。

S124：使所述第一激光光束汇聚到所述波导外的第一点，并出射到所述波导的耦入面上，进入所述波导内部，在所述波导与自由空间的界面处发生全反射，并入射到所述感光膜/感光板上。

如图13所示，第一激光光束L11经过反射镜1210和第一透镜1211后汇聚到第一点1212(其例如为第一透镜1211的焦点或焦平面上的一点)，形成锥形光束，并入射到波导1214的耦入面1213上，且在满足角度入射条件的情况下，在波导1214内部发生全反射，经过一次或多次全反射，入射到感光膜/感光板1216上。反射镜1210和第一透镜1211仅是使得第一激光光束L11汇聚到第一点1212的一种实现方式，本公开的保护范围不限于此，可以构思出其它的方式将第一激光光束L11汇聚到第一点1212。

S125：使所述第二激光光束穿过所述感光膜/感光板后汇聚到所述波导外的第二点。

如图13所示，第二激光光束L22例如可以通过第二透镜1217进行汇聚。本领域技术人员容易理解，第二点1215未必为第二透镜1217的焦点或位于焦平面上，原因在于第二激光光束L22在穿过感光膜/感光板1216和/或波导1214时会发生折射，因此汇聚的第二点1215可能位于第二透镜1217的焦点的附近。

S126：被汇聚到所述第一点并在所述波导内部全反射的第一激光光束与被汇聚到所述第二点的第二激光光束在所述感光膜/感光板的感光材料内部产生干涉曝光，获得体全息光学元件，即所述光束合成器。

如图13所示，被汇聚到第一点1212并且在波导1214内部全反射的第一激光光束L11为信号光，被汇聚到第二点1215的第二激光光束L22为参考光，所述信号光与参考光在感光膜/感光板1216内部发生干涉曝光，经后续处理，即可获得体全息光学元件。

本领域技术人员容易理解，在上述制作光路中，多个激光器先合束再扩束之后进行分光用于曝光。然而，亦可对多个激光器发出的光先扩束，然后通过反射镜和合束分光片合束形成混色的平面波用于后续曝光，两种实现方式对于本领域技术人员而言是显而易见的，也应视为本公开的保护范围之内。

感光膜/感光板1216经曝光后可用在本公开第一方面的扩瞳型光学显示模组中，用于对一个或多个特定波长的入射光束进行调制。本领域技术人员容易理解，步骤S122中激光器发出的激光波长与显示时的对应波长相同或相近即可。本领域技术人员可以理解，波长相差20nm以内可称为相近。例如，图13中的红光激光器1203与图8中的第一激光器81的波长相同或相近，图13中的绿光激光器1202与图8中的第二激光器82的波长相同或相近，图13中的蓝光激光器1201与图8中的第三激光器83的波长相同或相近。本领域技术人员可以理解，当使用LCoS或DMD作为显示器件实现本发明的显示方案时，实现的彩色显示为时序彩色显示，所使用的红、绿、蓝LED或OLED的波长范围应包含在感光膜/感光板1216曝光时所使用的激光的波长范围内，由于体全息光学元件本身的波长选择性，会将具有较宽波长范围的红、绿、蓝LED或OLED的光显示时通过感光膜/感光板1216进行筛选，仅让满足布拉格条件的波长的光发生衍射，从而显示的图像的色彩的饱和度高。本领域技术人员可以理解，当使用LCD作为显示器件来实现本发明的显示方案时，LCD上是镀有滤色片的，所显示的彩色为同时显示，而非时序彩色显示方案，此时可以使用红、绿、蓝LED或OLED的光合束后照明，亦可使用白光LED或OLED进行照明，经滤色片后的光携带图像的颜色和强度信息，其每一种颜色光波的带宽较大，在最终显示时仍可以被所实现的光束合成器进行波长的选择，实现饱和度高的彩色显示效果。

另外，本领域技术人员容易理解，对于步骤S126中干涉曝光后的感光膜/感光板可能需要经过一些后续处理。例如对于光致聚合物材料，需要经过紫外光固化、热固化等后续处理步骤；对于银盐材料，需要经过显影、定影和漂白等后续处理步骤，以得到所述光束合成器。本公开的保护范围不局限于后续的处理步骤。

经曝光的感光膜/感光板1216，可用作根据本公开第一方面的扩瞳型光学显示模组或本公开第二方面的大出瞳光学显示装置中的光束合成器，但本公开的保护范围不限于此。上述曝光使用的激光器例如为单纵模激光器，具有很强的相干性。当用在所述扩瞳型光学显示模组或大出瞳光学显示装置中时，用作显示光源的激光器可以为低相干性的多模激光器。

本领域技术人员容易理解，当将感光膜/感光板1216用于本公开第一方面的扩瞳型光学显示模组时，所述扩瞳型光学显示模组中的波导可以与制作感光膜/感光板1216时所用的波导1214完全相同，点1212例如对应于扩瞳型光学显示模组的入瞳，从而确保光锥状的光束进入波导后，经过全反射照射到光束合成器上，能够被衍射调制后汇聚到该扩瞳型光学显示模组的出瞳。可替换地，所述扩瞳型光学显示模组中的波导可以与制作感光膜/感光板1216时所用的波导1214不完全相同，但具有至少部分相同的光学和/或几何参数，从而确保光锥状的光束进入波导后，经过全反射照射到光束合成器上不同位置的照射方向与制作感光膜/感光板1216时在波导1214内部全反射的光到其上的方向相同或相近，能够被衍射调制后汇聚到扩瞳型光学显示模组的出瞳。为此用于记录的波导的物理参数与用于显示的波导的物理参数可以不同。例如，扩瞳型光学显示模组中的波导可以配置成使得：入射到其上贴附的光束合成器上每一点的光束的角度，与制作感光膜/感光板1216时在波导1214内部全反射后入射到感光膜/感光板1216上该点的光束的角度，二者是相同的，由此确保所述扩瞳型光学显示模组中的波导与光束合成器能够对耦入的光束进行合理的调制。

根据本公开的一个优选实施例，感光膜/感光板1216上的感光材料为全彩感光材料。所述步骤S122包括：利用多个激光器发出不同波长的激光光束，合束后出射；所述步骤S126包括：对应于所述多个激光器的不同波长，在所述感光材料内部同时进行干涉曝光。通过这种方式，一次曝光就能够形成全彩色的体全息光学元件。

根据本公开的一个替换实施例，感光膜/感光板1216上的感光材料为全彩感光材料。所述步骤S122包括：相继地利用多个激光器发出不同波长的激光光束并出射；所述步骤S126包括：对应于所述多个激光器的不同波长，在所述感光材料内部相继地进行多次干涉曝光。例如，在图13的光路图中，首先通过蓝光激光器1201发射蓝光激光光束，在感光膜/感光板1216的感光材料中进行一次曝光；然后使得绿光激光器1202发射绿光激光光束，在感光膜/感光板1216的感光材料中进行一次曝光；再使得红光激光器1203发射红光激光光束，在感光膜/感光板1216的感光材料中进行一次曝光。经三次曝光，也可以形成全彩色的体全息光学元件。

根据本公开的一个可选实施例，感光膜/感光板1216上的感光材料为单色感光材料，例如仅对红光敏感。在此情况下，所述步骤S122包括：利用激光器发出与单色感光材料对应波长的激光光束并出射；所述步骤S126包括：对应于所述激光器的波长，在所述感光材料内部进行干涉曝光，获得与所述波长对应的体全息光学元件。如此形成的体全息光学元件为单色的体全息光学元件。

根据本公开的一个优选实施例，在形成一个单色体全息光学元件之后，还可以更换可对不同波长的光线进行曝光的感光膜/感光板，通过前述的步骤S122至S126，获得与所述不同波长对应的多个体全息光学元件。对于不同波长的激光记录时的感光材料可以相同或者不同，但都会对所述波长的激光感光。例如在形成红色体全息光学元件之后，更换对蓝光敏感的感光膜/感光板，通过蓝光激光器发射激光并进行曝光，形成蓝色体全息光学元件,之后再形成绿色体全息光学元件。通过这种方式形成的单色体全息光学元件可单独使用，也可将其准确对位并堆叠起来，用作本公开第一方面的扩瞳型光学显示模组中的光束合成器。

在图13所示的光路图中，最终形成的体全息光学元件为反射式的体全息光学元件。本公开的制造方法120还可以用于形成透射式的体全息光学元件，其在原理上是相通的。例如，通过将第二透镜1217设置在波导1214的与感光膜/感光板1216相反的一侧，并设置多个反射镜使第二激光光束L22入射到第二透镜1217上，可以形成透射式的体全息光学元件。此外，还可以使用位于波导1214的与感光膜/感光板1216相反一侧上的凹面反射镜替代第二透镜1217，通过使第二激光光束L22反向汇聚，也可以形成透射式的体全息光学元件。当然，本公开并不局限于以上所述及的各个实施方式。

另外，本领域技术人员能够理解，在上述制造过程中，可以在所述光束生成器与所述波导的耦入面之间设置凹透镜，并在显示时使用同样的凹透镜，由此能够在MEMS振镜扫描角度较小的情况下扩大视场角，这些改变也在本公开的保护范围内。

此外，图1至9以及图13中所示的波导的耦入面均为凹入式的耦入面结构。根据本公开的一个优选实施例，也可以采用凸出式的耦入面结构。采用凸出式的耦入面结构的有利之处在于，可以使得波导的凸出结构与光束合成器所在处的边缘靠近或接触，凸出的耦入结构与光束合成器所在的平面相交，其相交位置可用于定位，作为光束合成器在波导上贴附的起始位置，这些改变也在本公开的保护范围内。

根据本公开一个优选实施例，所述MAHOE光学元件可通过以下方法制作：

如图14所示，感光材料薄膜1303上布置有微透镜阵列1302，其中包括多个微透镜。图14中示意性地示出了微透镜阵列1302包括第一微透镜1302-1和第二微透镜1302-2，本领域技术人员容易理解，微透镜阵列1302还可包括更多数目的微透镜。以下以第一微透镜1302-1和第二微透镜1302-2为例进行描述。

激光器(图中未示出)作为相干光源发射出激光光束。所述激光光束例如经过分束后，其中一部分经过准直扩束形成平行的第一光束1301(平面波)，另一部分经过准直扩束后经透镜聚焦，在焦点1304后形成第二光束1307(发散球面波)。由于第一光束1301和第二光束1307来自同一相干光源，因此二者具有相干性。第一光束1301经过第一微透镜1302-1后汇聚到第一微透镜1302-1焦平面上的一点1305，其中点1305与图3中的第二入瞳IP2相对应。第一光束1301经过第二微透镜1302-2后汇聚到第二微透镜1302-2焦平面上的一点1306，其中点1306与图3中的第一入瞳IP1相对应。平面波的第一光束1301经过微透镜阵列1302后，与从点1304发出的球面波的第二光束1307在感光材料薄膜1303内部产生干涉，由此形成体全息光学元件，即本公开中的MAHOE光学元件。

所述MAHOE光学元件在使用时，接收到从点1304发出的球面波后进行反向衍射，衍射光汇聚于点1305和1306。例如，当从点1304发出的不同方向的高方向性细光束传播到记录第一微透镜1302-1相位信息的区域时，反向衍射的高方向性细光束将传播经过点1305；当从点1304发出的不同方向的高方向性细光束传播到记录第二微透镜1302-2相位信息的区域时，反向衍射的高方向性细光束将传播经过点1306。

以上描述了根据本公开一个实施例的MAHOE光学元件的制作方法，该实施例中制作的MAHOE光学元件为反射式的体全息光学元件。在此基础上，本领域技术人员可以构思出其它制作方式用于制作例如透射式的体全息光学元件。显然，制作成透射式的体全息光学元件仍能实现本发明的目标，这些都在本公开的保护范围内。

本公开的第四方面还涉及一种通过所述制造方法120制造的体全息光学元件，其中所述体全息光学元件为透射式体全息光学元件或反射式体全息光学元件。

本公开的第四方面还涉及一种大出瞳光学显示装置，包括通过所述制造方法120制造的光束合成器，其余内容与本公开第二方面的大出瞳光学显示装置相同。

本公开第四方面的大出瞳光学显示装置的结构例如如图1至9所示，因此本公开第二方面的大出瞳光学显示装置的任一特征或特征的组合，可用于本公开第四方面的大出瞳光学显示装置，此处不再赘述。

本公开的第四方面还涉及一种近眼显示装置，包括如上所述的大出瞳光学显示装置。所述近眼显示装置例如为虚拟现实显示装置或增强现实显示装置。

根据本公开的一个优选实施例，所述近眼显示装置还包括图像生成单元，其配置成可生成待显示的图像，所述图像生成单元与所述光束生成器耦合，所述光束生成器发射的光束组中不同方向的光束携带所述图像中不同像素的颜色信息和/或亮度信息。

应当注意，本公开的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的装置和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本公开的装置及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

应当注意，尽管在上文详细描述中提及了装置的若干模块或子模块，但是这种划分仅仅并非是强制性的。实际上，根据本公开的实施方式，上文描述的两个或更多模块的特征和功能可以在一个模块中实现。反之，上文描述的一个模块的特征和功能可以进一步划分为多个模块来具体化。

虽然已经参考目前考虑到的实施方式描述了本公开，但是应该理解本公开不限于所公开的实施方式。相反，本公开旨在涵盖所附权利要求的精神和范围内所包括的各种修改和等同布置。以下权利要求的范围符合最广泛解释，以便包含所有这样的修改及等同结构和功能。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开。尽管参照前述实施例对本公开进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本公开的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (26)

1.一种大出瞳光学显示装置，包括：

光束生成器，配置成可形成多个光锥分布的光束组；所述多个光束组的光锥具有不同的顶点；

波导，所述波导具有耦入面，用于将所述光束组中的光束耦合进入所述波导，耦合进入波导的光束在所述波导与自由空间的界面处发生全反射；

光束合成器，位于所述波导的一表面上，改变入射到其上的光束的传播方向，使其以不同角度离开所述光束合成器继续传播，其中来源于同一光锥分布的光束组的光束离开所述光束合成器后汇聚于一点，来源于不同光锥分布的光束组的光束离开所述光束合成器后汇聚于不同点；

眼球追踪单元，所述眼球追踪单元配置成可获取用户瞳孔的位置；

控制单元，所述控制单元与所述光束生成器和所述眼球追踪单元耦合，并配置成可根据所述用户瞳孔的位置，调节所述光束生成器出射的光束组的光锥顶点的位置。

2.根据权利要求1所述的大出瞳光学显示装置,其中所述大出瞳光学显示装置具有多个入瞳和多个出瞳，所述多个入瞳包括所述多个光束组的光锥的顶点，所述多个出瞳包括来源于不同光锥分布的光束组的光束离开所述光束合成器后所汇聚的不同点。

3.根据权利要求1或2所述的大出瞳光学显示装置,其中所述光束生成器包括图像源和微机电系统，

其中所述图像源配置成可生成携带图像像素的颜色信息和/或亮度信息的光束；微机电系统配置成可对所述光束进行扫描，形成所述光锥分布的光束组，

所述微机电系统包括MEMS振镜和MEMS振镜移动装置，所述MEMS振镜移动装置与所述MEMS振镜连接，并可使所述MEMS振镜在多个位置之间移动，每一个位置对应一个入瞳；在每一个位置时，经所述MEMS振镜扫描出的光锥分布的光束组中不同方向的光束由所述波导耦入面耦入传播并经所述光束合成器在自由空间形成一个汇聚点，对应一个出瞳。

4.根据权利要求1或2所述的大出瞳光学显示装置，其中所述光束生成器包括图像源和微机电系统，

其中所述图像源配置成可生成携带图像像素的颜色信息和/或亮度信息的光束；微机电系统配置成可对所述光束进行扫描，形成所述光锥分布的光束组，

所述微机电系统包括MAHOE光学元件和MEMS振镜，所述MAHOE光学元件至少具有第一区域和第二区域，所述入瞳至少包括第一入瞳和第二入瞳，所述出瞳至少包括第一出瞳和第二出瞳，其中所述光束经所述MEMS振镜扫描后照射到所述MAHOE光学元件的第一区域或第二区域上，其中，照射到所述第一区域上的光束被所述MAHOE光学元件的第一区域衍射，衍射光以不同角度汇聚到所述第一入瞳后形成发散的光锥分布的光束组，进入所述波导，被所述光束合成器衍射，离开所述光束合成器后不同方向的衍射光继续传播，汇聚于所述第一出瞳；照射到所述第二区域上的光束被所述MAHOE光学元件的第二区域衍射，衍射光以不同角度汇聚到所述第二入瞳后形成发散的光锥分布的光束组，进入所述波导，被所述光束合成器衍射，离开所述光束合成器后不同方向的衍射光继续传播，汇聚于所述第二出瞳。

5.根据权利要求3所述的大出瞳光学显示装置，其中所述眼球追踪单元包括探测光源、光电传感器和计算模块，其中所述探测光源配置成可向用户的眼球发出探测光；所述探测光被所述用户的眼球反射后由所述光电传感器接收，并将接收的图像信息发送到所述计算模块；所述计算模块根据所述光电传感器的输出确定瞳孔的位置，经转换向所述控制单元发送信号；所述控制单元与所述计算模块和所述MEMS振镜移动装置耦合，根据所述信号控制所述MEMS振镜移动装置移动所述MEMS振镜。

6.根据权利要求4所述的大出瞳光学显示装置，其中所述眼球追踪单元包括探测光源、光电传感器和计算模块，其中所述探测光源配置成可向用户的眼球发出探测光；所述探测光被所述用户的眼球反射后由所述光电传感器接收，并将接收的图像信息发送到所述计算模块；所述计算模块根据所述光电传感器的输出确定瞳孔的位置，经转换向所述控制单元发送信号；所述控制单元与所述计算模块和所述MEMS振镜耦合，根据所述信号控制所述MEMS振镜调整其角度，将来自所述图像源的光束反射到所述MAHOE光学元件的至少包括第一区域和第二区域的多个区域中的一个区域上。

7.根据权利要求5或6所述的大出瞳光学显示装置，其中所述探测光源包括红外LED光源。

8.根据权利要求7所述的大出瞳光学显示装置，其中所述图像源所产生的图像是通过所述MEMS振镜对来自于不同波长的激光器发出的携带图像像素的颜色信息和/或亮度信息的细光束扫描形成的，所述图像源包括多个激光器、控制器和合束器，所述控制器与所述多个激光器耦合，并控制所述多个激光器发射出激光束，所述多个激光器的激光束入射到所述合束器，合成为在空间上传播路径重合的近平行性细光束。

9.根据权利要求8所述的大出瞳光学显示装置，其中所述合束器包括透镜组以及分别与所述多个激光器的波长对应的光学薄膜分光片，其中所述透镜组配置成可调整所述激光器发出的激光束的发散角和/或直径，并投射到对应的光学薄膜分光片上，经过反射或透射形成所述在空间上传播路径重合的近平行性细光束，其中所述透镜组可包含液体透镜或液晶透镜，可通过外部电压控制调节透镜组的等效焦距，用于控制激光器发出的激光束的发散角和/或直径。

10.根据权利要求9所述的大出瞳光学显示装置，其中所述合束器还包括设置在所述透镜组与所述光学薄膜分光片之间的光阑、波片、偏振片、衰减片，所述合束器还包括与所述透镜组耦合的微电机，所述微电机可调节所述透镜组中透镜间的相对位置以调节从所述透镜组出射的光束的发散角和/或直径。

11.根据权利要求1或2所述的大出瞳光学显示装置，其中所述光束组中不同方向的光束携带不同图像像素的颜色信息和/或亮度信息。

12.根据权利要求1或2所述的大出瞳光学显示装置，其中所述光束合成器包括衍射光学元件，被耦合进入所述波导中的光束在波导与自由空间的界面处发生全反射后，入射到所述衍射光学元件不同位置时均发生衍射，衍射光的传播方向改变并离开所述光束合成器继续传播，其中来源于同一光锥分布的光束组的光束离开所述光束合成器后汇聚于一点。

13.根据权利要求12所述的大出瞳光学显示装置，其中所述衍射光学元件是体全息光学元件，为透射式体全息光学元件或反射式体全息光学元件。

14.根据权利要求13所述的大出瞳光学显示装置，其中所述体全息光学元件包括单个彩色体全息光学元件，所述单个彩色体全息光学元件对所述多个激光器的不同波长的激光均发生衍射作用。

15.根据权利要求13所述的大出瞳光学显示装置，其中所述体全息光学元件包括准确对位并堆叠在一起的多个单色体全息光学元件，与所述多个激光器的数目对应，每个单色体全息光学元件仅对所对应波长的激光发生衍射作用，而对其它波长的激光不发生衍射作用。

16.根据权利要求13所述的大出瞳光学显示装置，其中所述体全息光学元件包括准确对位并堆叠在一起的多个体全息光学元件，所述多个体全息光学元件的数目少于所述多个激光器的数目，所述多个体全息光学元件中的至少一个对所述多个激光器中至少两个波长的激光发生衍射作用，而对其它波长的激光不发生衍射作用；其余的体全息光学元件对余下的其它波长中的一个波长的激光发生衍射作用，而对其它波长的激光不发生衍射作用。

17.根据权利要求13所述的大出瞳光学显示装置，其中所述体全息光学元件包括单个单色体全息光学元件，所述单个单色体全息光学元件仅对一个波长的激光发生衍射作用。

18.一种近眼显示装置，包括根据权利要求1-17中任一项所述的大出瞳光学显示装置。

19.根据权利要求18所述的近眼显示装置，其中所述近眼显示装置是虚拟现实显示装置或增强现实显示装置。

20.根据权利要求18或19所述的近眼显示装置，还包括图像生成单元，配置成可生成待显示的图像，所述图像生成单元与所述光束生成器耦合，所述光束生成器发射的光束组中不同方向的光束携带所述图像中不同像素的颜色信息和/或亮度信息。

21.根据权利要求18或19所述的近眼显示装置，包括左眼显示单元和右眼显示单元，其中所述左眼显示单元和右眼显示单元均包括根据权利要求1-17中任一项所述的大出瞳光学显示装置。

22.一种光学系统的图像投射方法，包括：

监测用户瞳孔的位置；

根据所述用户瞳孔的位置，生成一光锥分布的光束组；

将所述光锥分布的光束组耦合进入波导，进入所述波导的光束在所述波导与自由空间的界面处发生全反射；

通过位于所述波导的一表面上的光束合成器，改变入射到所述光束合成器上的光束的传播方向，使其以不同角度离开所述光束合成器继续传播，其中来源于同一光锥分布的光束组的光束离开所述光束合成器后汇聚于用户眼球上的一点。

23.根据权利要求22所述的图像投射方法，还包括：

当监测到所述用户瞳孔的位置发生变化时，调节所述光锥分布的光束组的光锥顶点的位置，使得所述光锥分布的光束组的光束离开所述光束合成器后仍然汇聚于所述用户眼球上的一点。

24.根据权利要求22或23所述的图像投射方法，其中所述监测用户瞳孔的位置的步骤包括：

通过探测光源向用户的眼球发出探测光；

通过光电传感器接收所述探测光被所述用户的眼球反射后的反射光，形成图像信息；

根据所述图像信息确定所述瞳孔的位置。

25.根据权利要求23所述的图像投射方法,其中所述生成一光锥分布的光束组的步骤包括：

利用一图像源，出射携带有图像像素的颜色信息和/或亮度信息的光束；

利用一MEMS振镜，对从所述图像源出射的光束进行扫描，形成所述光锥分布的光束组，

其中所述调节光锥分布的光束组的光锥顶点的位置的步骤包括：

通过一MEMS振镜移动装置，改变所述MEMS振镜的位置。

26.根据权利要求23所述的图像投射方法，其中所述生成一光锥分布的光束组的步骤包括：

利用一图像源，出射携带有图像像素的颜色信息和/或亮度信息的光束；

通过一MEMS振镜，接收并扫描所述光束；

通过一MAHOE光学元件，在其第一区域上接收来自所述MEMS振镜的光束，并衍射生成所述光锥分布的光束组，

其中所述调节光锥分布的光束组的光锥顶点的位置的步骤包括：

调节所述MEMS振镜的角度，将从所述图像源出射的光束扫描到所述MAHOE光学元件的第二区域上。

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