孔径时序选通复用的光波导显示模组

技术领域

本发明涉及三维显示技术领域，更具体涉及一种孔径时序选通复用的光波导显示模组。

背景技术

相对于传统二维显示，具有深度信息呈现能力的三维显示，因为显示场景维度一致于人们所生存的真实空间，而备受关注。但现有三维显示大都是基于传统体视技术进行三维场景的呈现，即通过向观察者双目分别投射各自对应的一幅图像，利用双目视差实现深度信息的呈现。在此过程中，观察者各目需要聚焦于显示面，以看清楚各自对应图像，而双目的视向交叉于出屏的显示场景以触发观察者的深度知觉，由此导致单目聚焦深度和双目会聚深度之间的不一致，也即聚焦-会聚冲突问题。而在自然情况下，观察者观察真实的三维场景时，单目聚焦深度和双目会聚深度一致于观察者关注点的空间深度。也即是说，传统体视技术的聚焦-会聚冲突有悖于人体自然进化的生理习惯，由此导致观察者视觉不适，是阻碍三维显示技术推广应用的瓶颈性问题。

目前，从多种技术路线出发，研究者正在努力研究可以缓解或最终克服该瓶颈问题的各种方法。其中，麦克斯韦投射法(maxwellian view)(US2019/0204600,AUGMENTEDREALITY OPTICS SYSTEM WITH PINPOINT MIRROR)和单目多图像(PCT/CN2017/080874,THREE-DIMENTIONAL DISPLAY SYSTEM BASED ON DIVISION MULTIPLEXING OF VIEWER'SENTRANCE-PUPIL AND DISPLAY METHOD)是两种极具可行性的技术路线。前者，各像素向观察者眼睛投射一束小发散度的细光束，沿传播方向上该细光束具有较小的光强变化，从而，于细光束传播路径上的一定深度范围内，细光束于各深度上的光强分布对观察者单目聚焦的牵引能力差别不大，则双目会聚可以牵引观察者单目在该深度范围内自由聚焦于双目会聚深度，实现单目聚焦深度和双目会聚深度的一致。后者，显示器件向观察者各目分别投射至少两个图像，以实现过各显示物点至少两束光束沿不同矢向入射观察者的任一瞳孔，该至少两束不同矢向的光束空间叠加形成光点，该叠加光点处的光强分布于一定深度范围内具有足够的牵引能力，可以牵引观察者眼睛自由聚焦于该叠加光点，克服上述聚焦-会聚冲突问题。

发明内容

本发明提出一种孔径时序选通复用的光波导显示模组，可以作为目镜搭建克服了聚焦-会聚冲突的三维显示系统。该孔径时序选通复用的光波导显示模组由显示器件、中继器件、时序孔径阵列、光波导器件及其它组件组成。其中时序孔径阵列包至少两个孔径，各孔径在相邻时间点形成的循环周期内依次开关，且在一个时间点仅一个孔径被打开。显示器件各像素所出射发散光被中继器件降低发散度、由时序孔径阵列各孔径约束其尺寸和矢向，然后经光波导器件引导，沿各自对应矢向观察者瞳孔所处区域投射，基于单目多图像或/和麦克斯韦投射法(Maxwellian view)的显示机制实现单目可自由聚焦的三维显示，克服传统三维显示固有的聚焦-会聚冲突问题。所述显示模组具有轻薄结构，使其适用于头戴式VR/AR等便携终端。

为了克服聚焦-会聚冲突，引入时序孔径阵列至轻薄结构的光波导光学显示引擎，基于麦克斯韦投射法或/和单目多图像的显示机制实现单目可自由聚焦的显示，本发明提供如下方案：

孔径时序选通复用的光波导显示模组，其特征在于，包括：

显示器件，包括多个像素，用于投射光信息；

中继器件，用于降低所述显示器件各像素出射光的发散度；

时序孔径阵列，包括M个孔径，各孔径在M个相邻时间点组成的各循环周期内依次开关，且在一个时间点仅一个孔径打开，引导所述显示器件各像素出射光经其各孔径，尺寸受限地沿各自对应矢向传播，其中M≧2；

光波导器件，包括光波导体、入瞳、耦入器件、反射面、耦出器件和出瞳，所述入瞳接收所述显示器件各像素经所述中继器件和所述时序孔径阵列所投射光束，并于光波导体内由耦入器件和反射面引导该投射光束至耦出器件，被耦出器件耦出出瞳的各像素投射光束，向观察者瞳孔所处区域传播；

控制器件，该控制器件分别与显示器件和时序孔径阵列连接，用于控制所述时序孔径阵列的M个孔径的时序开关和所述显示器件各像素对应光信息的同步加载；

该孔径时序选通复用的光波导显示模组被设置为使得所述显示器件各像素在一个时间点，最多仅投射一束矢向光束入射观察者瞳孔，其所加载光信息，为沿该像素所投射的、入射观察者瞳孔的矢向光束的矢向，待显示场景于该矢向与观察者瞳孔所在面的交点上的投影信息。

进一步地，还包括辅助中继器件，置于时序孔径阵列和光波导器件之间，用于降低时序孔径阵列各孔径所透射光的发散度。

进一步地，所述时序孔径阵列的M个孔径沿一维方向排列，沿该排列方向各孔径的尺寸小于观察者瞳孔的直径，沿该排列方向的垂向，各孔径的尺寸大于或等于观察者瞳孔的直径，且在一个循环周期内，所述显示器件各像素在均有光出射情况下，分别投射至少两束矢向光束入射观察者瞳孔。

进一步地，所述时序孔径阵列各孔径的尺寸小于观察者瞳孔的尺寸，在一个循环周期，所述显示器件各像素在均有光出射情况下，分别投射至少一束矢向光束入射观察者瞳孔。

进一步地，所述中继器件为透镜。

进一步地，所述辅助中继器件为透镜。

进一步地，所述各孔径分别由L个正交特性子孔径组成，该L个正交特性子孔径和L种正交特性一一对应，各正交特性子孔径仅允许具有对应正交特性的光通过，截止具有其它(L-1)种非对应正交特性的光，L≧2；

在显示器件的像素中，沿至少一个方向，间隔(L-1)个像素的像素分别形成正交特性像素组，使得显示器件的像素被划分为L个正交特性像素组，所述L个正交特性像素组和各孔径的L个正交特性子孔径分别一一对应，各正交特性像素组仅出射对应正交特性子孔径所允许通过的正交特性的光。

进一步地，所述时序孔径阵列的M×L个正交特性子孔径沿一维方向排列，沿该排列方向各正交特性子孔径的尺寸小于观察者瞳孔的直径，沿该排列方向的垂向，各正交特性子孔径的尺寸大于或等于观察者瞳孔的直径，且在一个循环周期内，所述显示器件各像素在均有光出射情况下，投射至观察者瞳孔的矢向光束的束数，至少等于两个正交特性像素组所包含像素的个数。

进一步地，所述时序孔径阵列各正交特性子孔径的尺寸小于观察者瞳孔的尺寸，在一个循环周期，所述显示器件各像素在均有光出射情况下，投射至观察者瞳孔的矢向光束的束数，至少等于一个正交特性像素组所包含像素的个数。

进一步地，所述孔径时序选通复用的光波导显示模组还包括矢向调制器件，沿光束传播方向置于耦出器件所耦出光的传播路径上，引导耦出光向观察者瞳孔所处区域传输。

进一步地，所述时序孔径阵列的M个孔径沿一维方向排列，且沿该排列方向各孔径的尺寸小于观察者瞳孔的直径，沿该排列方向的垂向，各孔径的尺寸大于或等于观察者瞳孔的直径，在一个循环周期内，所述显示器件各像素在均有光出射情况下，分别投射至少两束矢向光束入射观察者瞳孔。

进一步地，所述时序孔径阵列各孔径的尺寸小于观察者瞳孔的尺寸，在一个循环周期内，所述显示器件各像素在均有光出射情况下，分别投射至少一束矢向光束入射观察者瞳孔。

进一步地，所述孔径时序选通复用的光波导显示模组还包括补偿单元，置于外部环境和光波导器件之间，消除矢向调制器件对外部环境入射光的影响。

进一步地，所述各孔径由L个正交特性子孔径组成，该L个正交特性子孔径和L种正交特性一一对应，分别仅允许具有对应正交特性的光通过，截止具有其它(L-1)种非对应正交特性的光，L≧2；

在显示器件的像素中，沿至少一个方向，间隔个像素的像素分别形成正交特性像素组，使得显示器件的像素被划分为L个正交特性像素组，所述的L个正交特性像素组和各孔径的L个正交特性子孔径分别一一对应，各像素组仅出射对应正交特性子孔径所允许通过的正交特性的光。

进一步地，所述时序孔径阵列的M×L个正交特性子孔径沿一维方向排列，沿该排列方向各正交特性子孔径的尺寸小于观察者瞳孔的直径，沿该排列方向的垂向，各正交特性子孔径的尺寸大于或等于观察者瞳孔的直径，且在一个循环周期内，所述显示器件各像素在均有光出射情况下，投射至观察者瞳孔的矢向光束的束数，至少等于两个正交特性像素组所包含像素的个数。

进一步地，所述时序孔径阵列各正交特性子孔径的尺寸小于观察者瞳孔的尺寸，在一个循环周期，所述显示器件各像素在均有光出射情况下，投射至观察者瞳孔的矢向光束的束数，至少等于一个正交特性像素组所包含像素的个量。

进一步地，所述孔径时序选通复用的光波导显示模组还包括与该控制器件连接的追踪器件，用于实时跟踪确定观察者瞳孔的空间位置。

进一步地，根据瞳孔的空间位置，所述控制器件能够实时选择时序孔径阵列的M个孔径中的K个孔径作为有效孔径，由控制器件控制该K个有效孔径在由相邻K个时间点组成的各有效循环周期内时序开关工作，并同步以对应光信息刷新显示器件各像素，其中M≧K≧2。

进一步地，时序孔径阵列各孔径位置实时可调，根据瞳孔的空间位置，由控制器件实时设定时序孔径阵列的M个孔径的位置。

本发明利用孔径实现光波导光学显示引擎投射光束的矢向和尺寸控制，并基于空间位置不同的孔径的时序打开，提高向观察者瞳孔所投射矢向光束的数量，搭建可以基于单目多图像或/和麦克斯韦投射法显示机制进行工作的显示模组。

本发明具有以下技术效果：本发明孔径时序选通复用的光波导显示模组，具有轻薄结构，作为目镜搭建的双目显示系统，可以克服传统三维显示模组面临的聚焦-会聚冲突，有效提升三维视觉舒适度。

本发明实施例的细节在附图或以下描述中进行体现。本发明的其它特性、目的和优点通过下述描述、附图而变得更为明显。

附图说明

附图用于帮助更好地理解本发明，也是本说明书的一部分。这些对实施例进行图解的附图和描述一起用以阐述本发明的原理。

图1是孔径时序选通复用的光波导显示模组的基本结构。

图2是时序孔径阵列的二维分布孔径示意图。

图3以孔径时序选通复用的光波导显示模组为目镜的双目显示结构示意图。

图4是采用多组件型耦出器件的显示模组结构图。

图5是采用其它类型耦入器件和耦出器件的光波导器件示意图。

图6是引入矢向调制器件的显示模组结构示意图。

图7是复合了矢向调制器件的耦出器件及显示模组结构图。

图8是采用多组件型矢向调制器件的显示模组结构示意图。

图9是复合了多组件型矢向调制器件的多组件型耦出器件及显示模组结构图。

图10是堆叠型孔径时序选通复用的光波导显示模组结构示意图。

图11是中继器件和时序孔径阵列的另外一种位置关系及显示模组示意图。

图12是矢向调制器件的另一种示例示意图。

图13是辅助中继器件范例示意图。

图14是正交特性子孔径及对应正交特性像素组示意图。

图15是正交特性像素组的另一种像素成组方式示意图。

具体实施方式

本发明孔径时序选通复用的光波导显示模组，通过引入时序孔径阵列至光波导光学显示引擎，基于时分复用投射矢向窄光束或细光束至观察者瞳孔，利用单目多图像或/和麦克斯韦投射法的显示机制实现观察者眼睛可自由聚焦的场景呈现。利用所述孔径时序选通复用的光波导显示模组作为两个目镜所搭建的双目显示结构，作为三维显示系统，可实现单目聚焦深度和双目会聚深度的一致。

图1所示为孔径时序选通复用的光波导显示模组的基本结构，包括显示器件10、中继器件20、时序孔径阵列30、光波导器件40、控制器件60。其中，显示器件10由像素排列组成，该控制器件60分别与显示器件10和时序孔径阵列30连接。如图1中举例示出的像素p

图1以孔径A

同理，在t+Δt/3和t+2Δt/3时刻，显示器件10各像素也分别经对应孔径A

其它各循环周期内，上述过程同理进行。

时序孔径阵列30的孔径尺寸，分为两种情况。第一种情况，各孔径沿各个方向的尺寸均小于观察者瞳孔50直径D

第二种情况，时序孔径阵列30的M个孔径沿一维方向排列，且沿该排列方向各孔径的尺寸小于观察者瞳孔50的直径D

上述基于麦克斯韦投射法进行显示时，一个循环周期内，各像素仅需投射一束细光束形态的矢向光束入射观察者瞳孔。但若仅有一个孔径，显示器件10的所有像素于一个时间点，经对应孔径向观察者瞳孔50所处区域投射的细光束形态的矢向光束，可能出现存在无法全部入射观察者瞳孔50的情况，例如观察者瞳孔50距离出瞳406较远时。这时，多于一个的孔径可以在一个循环周期内的M个时间点，分别向观察者瞳孔50所处区域引导不同像素的投射光束，以实现一个循环周期内显示器件10的各像素均有投射细光束形态的矢向光束入射观察者瞳孔50。另外，经多个孔径投射更多矢向光束，可以于观察者瞳孔50附近覆盖更大的空间，为观察者瞳孔50构建空间更大的视区(eye-box)，以保证观察者瞳孔50发生一定的位移时，依然能收获基于麦克斯韦投射法所呈现的场景。本专利所述“观察者瞳孔所处区域”，指的是包含了该所述视区的区域。同样，基于单目多图像机制进行显示时，于至少的两个时间点经对应的两个孔径向观察者瞳孔50所处区域投射的窄光束或细光束形态的矢向光束，也可能非全部地入射观察者瞳孔50。这时，多于两个的孔径可以在一个循环周期内的更多时间点，向观察者瞳孔50所处区域引导各像素投射等多矢向的光束，更易于实现一个循环周期内显示器件10的各像素分别投射至少两束窄光束或细光束形态的矢向光束入射观察者瞳孔50。另外，经多于两个的孔径投射更多矢向光束，可以于观察者瞳孔50附件覆盖更大的空间，从而为观察者瞳孔50提供更大的视区，以保证观察者瞳孔50发生一定的位移时，依然能收获基于单目多图像所显示的场景。

本专利所述孔径时序选通复用的光波导显示模组作为目镜，对应观察者的一只瞳孔。由两个孔径时序选通复用的光波导显示模组作为分别对应观察者左瞳孔50和右瞳孔50′的两个目镜，可以搭建如图3所示的双目显示结构，作为三维显示系统，以基于麦克斯韦投射法或/和单目多图像显示机制实现无聚焦-会聚冲突的双目三维显示。图3中所示各孔径时序选通复用的光波导显示模组，部分组件仅以方框代替，或直接省略，相关专业人员可以根据前述示例轻易理解。此类简化，在以下部分示图中也会出现，不再特意说明。

图1所示光波导器件40，也可以采用由多个组件组成的耦出器件40，以实现扩瞳。此类耦出器件，本专利称之为多组件型耦出器件40。如图4中的耦出组件404a和404b，该耦出组件404a和404b在此被分别为设置为反射面，是多组件型耦出器件40的两个组件。同一像素投射光经多组件型耦出器件40的不同组件，所投射光束具有不同矢向。根据“各像素在一个时间点，最多仅投射一束矢向光束入射观察者瞳孔”的要求，在进行扩瞳时，需要来自同一像素、被多组件型耦出器件404的不同组件耦出的不同矢向光束，其于观察者瞳孔50所处面上具有具够大的空间间距，以保证它们不能同时入射观察者瞳孔50。如图4所示，来自像素p1的、分别经反射面404a和404b、沿矢向“1”和“1′”出射的光束，其于观察者瞳孔50所在面上的间距d

上述各图中，耦入器件402和耦出器件404均以反射面为例进行说明。实际上，所述孔径时序选通复用的光波导显示模组中的光波导器件40，可以采用其它各种类型的光波导器件，如图5中以光栅或全息器件作为耦入器件402和耦出器件404的光波导器件。此时，若进行扩瞳，耦出器件404也同样需要被设计为多组件型耦出器件，其相邻组件可以毗邻连接，也可以重叠，甚至部分共用地发生重叠。一个像素投射光入射多组件型耦出器件404的一个组件时，部分被耦出器件404耦出，沿相应矢向入射观察者出瞳50所处区域，另一部分遵循反射面403a,403b的反射规律被反射，然后再次入射多组件型耦出器件404的其它组件，如此重复。该相邻两次被耦出的矢向光束，于观察者瞳孔50所处面上的间距要设计为大于观察者瞳孔50直径D

进一步的，所述孔径时序选通复用的光波导显示模组可以进一步的引入矢向调制器件80于耦出器件404所偶出光的传播路径上，对耦出器件404所耦出光进行进一步的矢向引导。以图1所示结构为例，显示器件10各像素出射光经中继器件20，以平行态经时序孔径阵列30，然后被光波导器件40向观察者瞳孔50所处区域引导。在以反射面为耦出器件404的情况下，忽略衍射效应，来自各像素投射光束以平行态入射观察者瞳孔50。此时，于图1所示结构中，引入的矢向调制器件80于出瞳406和观察者瞳孔50之间，通过对耦出光束传播矢向的进一步调控，更灵活地实现上述各要求：“各时间点，显示器件10各像素最多仅投射一束矢向光束入射观察者瞳孔”、“各循环周期内，显示器件10各像素投射一束矢向光束入射观察者瞳孔”或“各循环周期内，显示器件10各像素时序投射至少两束矢向光束入射观察者瞳孔”。矢向调制器件80的另一个作用在于调整各像素的像的空间位置。例如，在上述显示模组中，引入的矢向调制器件80取用凸透镜时，沿-z向，显示器件10各像素向观察者瞳孔50所在区域所投射光束会聚于矢向调制器件80前，形成实像点；引入的矢向调制器件80取用凹透镜时，沿-z向，显示器件10各像素向观察者瞳孔50所在区域所投射光束会聚于矢向调制器件80后，形成虚像点。图6以取用凸透镜作为矢向调制器件80为例。上述各像素对应像点的深度，受显示模组相关各组件特性的影响，比如矢向调制器件80的焦距。各像素向观察者瞳孔50所在区域所投射光束，于该像素的像点具有最小的束腰尺寸。该处附近基于光束叠加形成的显示物点，具有较高的分辨率。在引入矢向调制器件80时，通过显示模组相关各组件特性的设计，设置各像素的像点于显示场景附近，有利于基于单目多图像机制显示场景分辨率的提高。图6，矢向调制器件80作为一个器件被示出。矢向调制器件80的功能也可以被赋予其它组件，相当于矢向调制器件80被复合于其它组件，比如复合于耦出器件404。复合了矢向调制器件80的耦出器件404，可以具有角度选择特性。例如用具有反射凹透镜功能的全息器件作为复合了矢向调制器件80的耦出器件404。耦出器件404，包括复合了矢向调制器件80的功能的耦出器件404(该耦出器件404同时具有矢向调制器件80的功能)，可以设计为仅对沿光波导体401由反射面403a,403b反射而来的光起调制作用，对外部环境沿其它角度入射而的光不起调制作用，也即具有了角度选择特性，如图7所示。图7中耦入器件402取为反射面。

引入矢向调制器件80时，孔径时序选通复用的光波导显示模组中还可以进一步引入补偿单元90，置于外部环境和光波导器件40之间，如图6，用于在矢向调制器件80对外部环境入射光产生影响时，消除该影响。

图1所示实例中，显示器件10各像素投射光经中继器件20，以平行光的形态继续被导向观察者瞳孔50所处区域。实际上，显示器件10各像素投射光经中继器件20调制后，也可以以发散光或会聚光的形态被光波导器件40引导。该情况下，来自于一个像素的发射光或会聚光经孔径时序选通复用的光波导显示模组其它组件作用，可能形成多于一个的矢向光束入射观察者瞳孔50所处区域。例如，来自一个像素的发散光束，其不同部分经反射面403a和403b的反射次数不一样时，该不同部分会形成互不相同的矢向光束入射观察者瞳孔50所处区域。这种情况下，要避免相悖于“各像素在一个时间点，最多仅投射一束矢向光束入射观察者瞳孔”的情况的出现。实际上，各像素投射矢向光束入射观察者瞳孔50所处区域时的尺寸、位置和传播方向，和像素投射光经中继器件20调制后的形态(平行光、发散光、会聚光)、时序孔径阵列30各孔径的尺寸和间距、光波导器件40特性(包括耦入器件402和耦出器件404对入射光的调制特性、光波导体401的厚度等)等因素均有关系，可以基于光线追踪等方法进行设计，以满足本专利实现麦克斯韦投射法或/和单目多图像显示的要求。

在所述引入矢向调制器件80的孔径时序选通复用的光波导显示模组中，同样需要注意避免相悖于“各像素在一个时间点，最多仅投射一束矢向光束入射观察者瞳孔”的情况的出现。值得注意的是，考虑扩瞳时，各像素所投射光经多组件型耦出器件404所耦出的至少两束光束，经矢向调制器件80可能存在无法避免地同时入射观察者瞳孔50的情况。例如，引入取为凸透镜的矢向调制器件80和反射面403a,403b至图1所示结构中，一个像素出射光经反射面403a和403b耦出的光束相互平行，会经矢向调制器件80发生会聚。若观察者瞳孔50被置于该会聚点处，则无法避免该像素因扩瞳所投射的非单一光束同时入射观察者瞳孔50。采用多组件型矢向调制器件80，可以帮助解决该问题。所述多组件型矢向调制器件80由多个组件组成，例如由多个透镜作为组件组成，如图8所示的透镜80a和透镜80b。该多组件型矢向调制器件80的各组件和多组件型耦出器件404的各组件一一对应，多组件型矢向调制器件80的各组件分别对应引导多组件型耦出器件404的各组件所耦出光。通过设计各像素因扩瞳所投射非单一光束的空间分布，确保各像素所投射的两束或多束光束不同时入射观察者瞳孔50。图8所示示例中，透镜80a和80b为多组件型矢向调制器件80的两个组件，透镜80a负责引导多组件型耦出器件404的组件反射面404a所耦出光，透镜80b负责引导多组件型耦出器件404的组件反射面404b所耦出光。合理设计下，像素p1出射光因扩瞳所投射的两束光束1和1′分别经透镜80a和80b，不同时入射观察者瞳孔50，如图8中所示矢向光束1和1′。同样，多组件型矢向调制器件80也可以复合于多组件型耦出器件404。此时，多组件型矢向调制器件80的各组件对应复合于多组件型耦出器件404的各耦出组件，如图9中的多组件型耦出器件404的耦出组件404a和404b，该耦出器件404a同时复合了透镜80a的功能，该耦出器件404b同时复合了透镜80b的功能。该情况下，若复合了多组件型矢向调制器件80的多组件型耦出器件404具有角度选择特性，例如以全息器件作为该复合了多组件型矢向调制器件80的功能的多组件型耦出器件404，其仅对沿光波导体401由反射面403a,403b反射而来的光起调制作用，对外部环境沿其它角度入射而的光不起调制作用，则所述孔径时序选通复用的光波导显示模组，可以在无需补偿单元90地用做AR系统的目镜。

如上所述，显示器件10的所有像素，于一个时间点经对应孔径向观察者瞳孔50所处区域投射矢向光束，可能不能同时入射观察者瞳孔50。这时，需要多个孔径在一个循环周期内的各对应时间点，分别引导各像素投射矢向光束入射观察者瞳孔50所处区域，以实现一个循环周期内显示器件10的各像素分别投射至少一束(麦克斯韦投射)或至少两束(单目多图像)的矢向光束入射观察者瞳孔50的目的。同时，为观察者瞳孔50构建空间更大的视区也需要更多的孔径。而更多的孔径，要求显示器件10具有更高的刷新频率，以保证具够的显示频率(显示器件10刷新频率/M)来避免闪烁效应。为了解决更多孔径对显示器件10刷新频率过高要求的问题，可以采用N≧2个孔径时序选通复用的光波导显示模组作为基元模组，堆叠搭建堆叠型孔径时序选通复用的光波导显示模组，通过N个显示器件，提高显示频率至(N×显示器件10刷新频率/M)。其中，不同基元模组的显示器件向观察者瞳孔50所处区域投射的矢向光束被设计为互不相同，此处所述‘互不相同’，是指包括传播方向和孔径位置的不完全相同。以N＝2个孔径时序选通复用的光波导显示模组作为基元模组为例，堆叠型孔径时序选通复用的光波导显示模组如图10所示。时序孔径阵列30和30′的各M＝3个孔径，在三个相邻时间点组成的循环周期内，分别时序打开，也即在一个时间点，N＝2个分别来自不同基元模组的孔径，同步打开，显示器件10和10′的各像素按上述方法同步进行信息加载。则在一个时间点，向观察者瞳孔50所处区域投射矢向光束的数量增加了N-1＝1倍。这样，在一个循环周期内，入射观察者瞳孔50的细光束形态的矢向光束束数等于一个显示器件所具有像素个数时，可基于麦克斯韦投射法机制进行显示；在一个循环周期内，入射观察者瞳孔50的矢向光束束数至少等于两个显示器件所具有像素个数时，可基于单目多图像机制进行显示。堆叠型孔径时序选通复用的光波导显示模组中，根据需要，各基元模组可以共用控制器件60、矢向调制器件80、补偿器件90。图10中的基元模组，其耦出器件404也可以为多组件型耦出器件，进一步地，其矢向调制器件80也可以是多组件型矢向调制器件。对最后一种情况，多组件型矢向调制器件80复合于多组件型耦出器件404时，所述孔径时序选通复用的光波导显示模组的结构最为简单。

M个孔径透射光所构建视区内，观察者瞳孔50仅接收矢向光束来自于K

图1中，时序孔径阵列30被置于取为透镜的中继器件20的焦平面上。实际上，在保证显示器件10各像素出射光均可入射时序孔径阵列30各孔径的前提下，时序孔径阵列30也可以被置于该中继器件20和光波导器件40之间的其它位置。此外，中继器件20和时序孔径阵列30的前后位置关系可以互换，即沿所述显示器件10各像素出射光传输方向，时序孔径阵列30也可以置于中继器件20后，如图11所示。该情况要求所述显示器件10各像素出射光可以覆盖所述时序孔径阵列30各孔径。图11中，时序孔径阵列30具体地被置于取为透镜的中继器件20的焦平面上，其中f为中继器件20的焦距。复合了矢向调制器件80的耦出器件404，取为具有反射凹面镜功能的全息器件；耦入器件402取为反射面。此时，任一孔径的任一点所透射光，经中继器件20准直后，经光波导器件40引导，从耦出器件404经出瞳406向观察者瞳孔50方向会聚为一点。显示器件10各像素在一个时间点经对应孔径透射光，将会聚形成该孔径的像。具体到图11，孔径A

如前所述，各像素向观察者瞳孔50所在区域所投射光束，于该像素的像点具有最小的束腰尺寸。基于麦克斯韦投射进行显示时，为了保证光束传输方向上可以进行自由单目聚焦的深度范围包含显示场景，各像素的像点应尽量设计为靠近显示场景；基于单目多图像进行显示时，为了使多光束叠加而成的显示光点具有尽量小的尺寸，各像素的像点应尽量设计为靠近显示场景。该要求在上述孔径或正交特性子孔径沿一个方向大于瞳孔50直径时更为明显。以图1为例，其孔径选用右下虚线框②所示情况，则沿y向，各像素投射光束具有较大的发散角，随着距离各像素的像点的距离增大，该像素所投射光束沿y向的光分布束迅发散，更需该像素的像置于显示场景附近。在引入矢向调制器件80时，也可以通过光学设计来实现该目的。例如各像素经其它各组件所成像落于透镜型会聚器件80(在此选用透镜型会聚器件作为矢向调制器件80)的焦距内，被会聚器件80成虚像至显示场景附近。再例如，采用如图12所示由y向凹面柱透镜801+凸透镜802构建的会聚器件80，其y向凹面柱透镜仅沿y向进行位相调制。来自各像素的光束经y向凹面柱透镜镜801发散，其沿y向的像点被调制至凸透镜802的焦距范围内而成虚像。需要注意的是，y向凹面柱透镜801+凸透镜802所组成的会聚器件80，将导致各像素不再有严格意义上的对应像，此处所说的“沿y向的像点”，实际上是各像素所投射并入射观察者瞳孔50所处区域的光束沿y向的束腰。此类会聚器件80在工艺允许的条件下，一样可以复合于其它组件，例如复合于耦出器件404。

显示器件10和光波导器件之间还可以置入辅助中继器件201，起降低时序孔径阵列30各孔径所透射光的发散度的功能。例如，显示器件10和光波导器件40之间置入辅助中继器件201，如图13所示。这里取透镜作为中继器件201。显示器件10、中继器件20、时序孔径阵列30和辅助中继器件201依次放置，其中中继器件20降低显示器件10各像素出射光的发散度，辅助器件201降低时序孔径阵列30各孔径所透射光的发散度。图13具体地以时序孔径阵列30置于辅助器件201焦平面上的情况为例，其中f″为辅助中继器件201焦距。该结构类似于图11的“显示器件10-时序孔径阵列30-中继器件20”结构，可以将过任一孔径上任一点透射的光，转化为平行光束。图13中，中继器件20和时序孔径阵列30的前后顺序也可以调换，其中包含时序孔径阵列30关于中继器件20的虚像正好置于辅助中继器件201的焦平面上的情况。

上述各种结构中，时序孔径阵列30的各孔径，也可以分别由L个正交特性子孔径组成，该L个正交特性子孔径和L种正交特性一一对应，分别仅允许具有对应正交特性的光通过，截止具有其它(L-1)种非对应正交特性的光。此时，要求所述显示器件10也具有正交特性：沿至少一个方向，其间隔(L-1)个像素的像素分别成组，形成L个像素组，该L个像素组和各孔径的L个正交特性子孔径分别一一对应，被命名为L个正交特性像素组。各正交特性像素组出射光分别只能通过对应的正交特性子孔径透射。同一孔径的L个正交特性子孔径，在一个时间点同步地打开或关闭。这样，在各个时间点，显示器件10的L个正交特性像素组等效为L个显示屏，通过对应同步打开的L个正交特性子孔径，互不相干地分别投射待显示场景的L个投影图像。对比地，在未采用正交特性子孔径的设计时，显示器件10作为1个显示屏，在各时间点，通过同步打开的对应孔径，仅投射待显示场景的1个投影图像。所以，正交特性子孔径的引入，通过牺牲所投射投影图像的分辨率，将一个循环周期内所投射投影图像的数目提高至M×L个。

正交特性子孔径的孔径类型也对应两种情况。第一种情况，所述时序孔径阵列30的M×L个正交特性子孔径沿一维方向排列，沿该排列方向各正交特性子孔径的尺寸小于观察者瞳孔50的直径，沿该排列方向的垂向，各正交特性子孔径的尺寸大于或等于观察者瞳孔50的直径。此时，在一个循环周期内，所述显示器件10各像素在均有光出射情况下，设计投射至观察者瞳孔50的矢向光束束数至少等于两个正交特性像素组所包含像素的个数，可基于单目多图像进行显示。第二种情况，所述时序孔径阵列30各正交特性子孔径的尺寸小于观察者瞳孔50的尺寸。此时，在一个循环周期内，所述显示器件10各像素在均有光出射情况下，设计投射至观察者瞳孔50的矢向光束束数至少等于两个正交特性像素组所包含像素的个数，可基于单目多图像的显示机制进行显示，设计投射至观察者瞳孔50的矢向光束束数等于一个正交特性像素组所包含像素的个数，可基于麦克斯韦投射的显示机制进行显示。当然，也可以基于单目多图像和麦克斯韦投射两种显示机制的复合进行显示。

图14以L＝2示例说明正交特性像素组的像素成组规则和正交特性子孔径的排列方式。这里以上述第一种情况对应的、沿一维x向排列的M×L＝3×2＝6个正交特性子孔径为例进行示例，第二种情况对应的正交特性子孔径同理设计。L＝2个正交特性取为相互垂直的线向偏光态“·”和“-”。沿x向，间隔L-1＝1个像素的像素成组，也即图中分别以“·”和“-”标注的像素各自成组，组成L＝2个正交特性像素组，分别命名为“·”态正交特性像素组和“-”态正交特性像素组，它们出射光分别为“·”态偏光和“-”态偏光。同时，孔径A

上述相关各图中，显示器件10均图示为主动发光式显示器件，其同样也可以采用需要背光的被动透射式或被动反射式显示器件。

本发明的核心思想是引入时序开光的孔径至光波到显示引擎中，通过孔径尺寸和位置设计，调整显示器件10各像素投射光束于观察者瞳孔50所处区域的尺寸、矢向、位置，在一个循环周期内，通过引导显示器件10各像素分别投射一束细光束形态的矢向光束入射观察者瞳孔，实现麦克斯韦投射法显示，或通过引导显示器件10各像素分别投射至少两束窄光束或细光束形态的矢向光束入射观察者瞳孔，实现单目多图像显示，实现自由聚焦的三维显示。

以上仅为本发明的优选实施例，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明做出的非实质性修改，也均落入本发明的保护范围之内。现有的各种光波导显示引擎，均为作为本专利的光波导器件使用，例如用由三个单色光波导器件堆叠而成的、可进行彩色光信息投射的光波导显示引擎。相应地，所有相关实施例都落入本发明的保护范围内。