CN113302546A - 用于增强现实显示系统的目镜 - Google Patents

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CN113302546A CN201980089492.7A CN201980089492A CN113302546A CN 113302546 A CN113302546 A CN 113302546A CN 201980089492 A CN201980089492 A CN 201980089492A CN 113302546 A CN113302546 A CN 113302546A
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V·K·刘
K·梅塞尔
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Abstract

用于增强现实显示系统的目镜波导。该目镜波导可以包括输入耦合光栅(ICG)区域。ICG区域可以将输入光束耦合到目镜波导的基板中作为引导光束。第一组合式光瞳扩展器‑提取器(CPE)光栅区域可以形成在基板的表面上或表面中。第一CPE光栅区域可以接收引导光束，在多个分散位置产生第一多个衍射光束，并且向外耦合第一多个输出光束。该目镜波导还可以包括在基板的相对表面上或相对表面中形成的第二CPE光栅区域。第二CPE光栅区域可以接收引导光束，在多个分散位置产生第二多个衍射光束，并且向外耦合第二多个输出光束。

Description

用于增强现实显示系统的目镜
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年11月20日提交的题为“EYEPIECES FOR AUGMENTED REALITYDISPLAY SYSTEM(用于增强现实显示系统的目镜)”的美国临时专利申请62/769,933的优先权。上述申请，以及在与本申请一起提交的申请数据表中确定了外国或国内优先权要求的任何其他申请，在此根据37CFR 1.57以引用方式并入。
技术领域
本公开涉及用于虚拟现实、增强现实和混合现实系统的目镜。
背景技术
现代计算和显示技术促进了虚拟现实、增强现实和混合现实系统的发展。虚拟现实或“VR”系统为用户创建了用于体验的模拟环境。这可通过使用头戴式显示器向用户呈现由计算机生成的图像数据来实现。该图像数据创建了使用户沉浸在模拟环境中的感官体验。虚拟现实场景一般涉及仅呈现由计算机生成的图像数据，而不包括实际真实世界图像数据。
增强现实系统一般使用模拟元素来补充真实世界环境。例如，增强现实或“AR”系统可通过头戴式显示器向用户提供周围真实世界环境的视图。然而，也可以在显示器上呈现由计算机生成的图像数据以增强真实世界环境。这种由计算机生成的图像数据可以包括与真实世界环境在情境上相关的元素。此类元素可以包括模拟的文本、图像、对象等。混合现实或“MR”系统是一种AR系统，其还将模拟对象引入真实世界环境中，但是这些对象通常具有更大的交互度。模拟元素通常可以实时地交互。
图1示出了示例AR场景1，在此场景中，用户看到真实世界公园设置6，其以人、树木、位于背景中的建筑物以及混凝土平台20为特征。除了这些项目之外，还向用户呈现由计算机生成的图像数据。由计算机生成的图像数据可以包括例如站在真实世界平台20上的机器人雕像10，以及飞过的卡通式化身角色2，其看上去是大黄蜂的化身，尽管这些元素2、10在真实世界环境中实际上并不存在。
发明内容
在一些实施例中，用于增强现实显示系统的目镜波导包括：具有第一表面和第二表面的透光基板；在基板的表面中的一个表面上或一个表面中形成的输入耦合光栅(ICG)区域，该ICG区域被配置为接收输入光束并将输入光束耦合到基板中作为引导光束；在基板的第一表面上或第一表面中形成的第一组合式光瞳扩展器-提取器(CPE)光栅区域，该第一CPE光栅区域被定位以接收来自ICG区域的引导光束并在多个分散位置产生第一多个衍射光束，并且向外耦合第一多个输出光束；以及在基板的第二表面上或第二表面中形成的第二CPE光栅区域，该第二CPE光栅区域被定位以接收来自ICG区域的引导光束并在多个分散位置处产生第二多个衍射光束，并且向外耦合第二多个输出光束。
在一些实施例中，用于增强现实显示系统的目镜波导包括：透光基板；输入耦合光栅(ICG)区域；第一组合式光瞳扩展器-提取器(CPE)光栅区域；以及第二CPE光栅区域，其中，ICG区域被配置为接收一组多个输入光束，该组输入光束与形成视场(FOV)形状的一组k矢量相关联，该视场(FOV)形状位于与目镜波导相关联的k空间环的中心；其中ICG区域被配置为使输入光束衍射以便将它们耦合到基板中作为引导光束并且以便将FOV形状平移到至少部分在k空间环内的第一位置；其中第一CPE光栅区域被配置为衍射引导光束，以便将FOV形状从第一位置平移到至少部分在k空间环内的第二位置；其中第二CPE光栅区域被配置为衍射引导光束，以便将FOV形状从第一位置平移到至少部分在k空间环内的第三位置，其中第一CPE光栅区域被配置为衍射引导光束，以便将FOV形状从第三位置平移到k空间环的中心，并且其中第二CPE光栅区域被配置为衍射引导光束，以便将FOV形状从第二位置平移到k空间环的中心。
在一些实施例中，用于增强现实显示系统的目镜波导包括：具有第一表面和第二表面的透光基板；在基板的表面中的一个表面上或一个表面中形成的输入耦合光栅(ICG)区域，该ICG区被配置为接收光束并且以引导传播模式将光束耦合到基板中；以及在基板的第一表面上或第一表面中形成的第一组合式光瞳扩展器-提取器(CPE)光栅区域，第一CPE光栅区域被定位以接收来自ICG区域的光束，并且第一CPE光栅区域包括多个衍射特征，该多个衍射特征被配置为利用第一相互作用改变光束的传播方向，并且利用第二相互作用从目镜波导向外耦合光束。
在一些实施例中，用于增强现实显示系统的目镜波导包括：透光基板；输入耦合光栅(ICG)区域；以及在基板的第一侧面上形成的第一组合式光瞳扩展器-提取器(CPE)光栅区域，其中ICG区域被配置为接收一组多个输入光束，该组输入光束与形成视场(FOV)形状的一组k矢量相关联，该视场(FOV)形状位于与目镜波导相关联的k空间环的中心；其中ICG区域被配置为衍射输入光束以便将它们耦合到基板中作为引导光束并且以便将FOV形状平移到至少部分在k空间环内的第一位置；其中，利用第一相互作用，第一CPE光栅区域被配置为衍射引导光束，以便将FOV形状从第一位置平移到至少部分在k空间环内的第二位置和第三位置；并且其中，利用第二相互作用，第一CPE光栅区域被配置为衍射引导光束，以便将FOV形状从第二位置和第三位置平移到k空间环的中心。
附图说明
图1示出了用户通过AR设备看到的增强现实(AR)的视图。
图2示出了可穿戴显示系统的示例。
图3示出了用于为用户模拟三维图像数据的传统显示系统。
图4示出了使用多个深度平面模拟三维图像数据的方法的方面。
图5A至5C示出了曲率半径与焦半径之间的关系。
图6示出了AR目镜中用于将图像信息输出给用户的波导堆叠的示例。
图7A至7B示出了由波导输出的出射光束的示例。
图8示出了堆叠波导组件的示例，其中每个深度平面包括使用多种不同分量颜色形成的图像。
图9A示出了一组堆叠波导的示例的横截面侧视图，每个堆叠波导包括内耦合(in-coupling)光学元件。
图9B示出了图9A的多个堆叠波导的示例的透视图。
图9C示出了图9A和9B的多个堆叠波导的示例的俯视平面图。
图10是示例AR目镜波导堆叠的透视图。
图11是示例目镜波导堆叠的一部分的截面图，该目镜波导堆叠具有以堆叠配置支撑目镜波导的边缘密封结构。
图12A和12B示出了在目镜波导朝着用户的眼睛投射图像时的操作中的目镜波导的俯视图。
图13A示出了可用于表示光线或光束的传播方向的k矢量。
图13B示出了平面波导内的光线。
图13C示出了在具有折射率n的无界同质介质中传播的具有给定角频率ω的光的允许的k矢量。
图13D示出了在具有折射率n的同质平面波导介质中传播的具有给定角频率ω的光的允许的k矢量。
图13E示出了k空间中与可在具有折射率n2的波导内引导的光波的k矢量对应的环。
图13F示出了k空间图和目镜波导，其示出了k矢量与对应于该k矢量的引导光束和在波导之上或之中形成的衍射光栅之间的相互作用密度之间的关系。
图13G示出了衍射光栅及其一些相关联的k空间衍射光栅矢量(G-2、G-1、G1、G2)的俯视图。
图13H示出了衍射光栅的横断面图及该衍射光栅对k空间中与法向入射的光线或光束对应的k矢量的影响。
图13I示出了图13G所示的衍射光栅的横断面图及该衍射光栅对k空间中与倾斜入射光线或光束对应的k矢量的影响。
图13J是k空间图，其示出了被投射到AR目镜波导中的图像的视场。
图13K是k空间图，其示出了由位于目镜波导的入射光瞳处的输入耦合光栅(ICG)引起的k空间中的FOV矩形的平移移位。
图14A示出了具有ICG区域、正交光瞳扩展器(OPE)区域和出射光瞳扩展器(EPE)区域的示例目镜波导。
图14B示出了图14A所示的目镜波导的k空间操作。
图14C示出了14A和14B所示的OPE区域的光学操作。
图14D示出了用于确定OPE区域和EPE区域的大小和形状的技术。
图15A示出了波导目镜的示例实施例，其中OPE区域是倾斜的并且被定位成使得其下边界平行于EPE区域的上边界。
图15B包括k空间图，其示出了图15A所示的目镜波导的操作。
图15C是另一k空间图，其示出了图15A所示的目镜波导的操作。
图15D是输入光束与图15A所示的目镜波导实施例的OPE区域之间的第一代相互作用的图。
图15E是输入光束与图15A所示的目镜波导实施例的OPE区域之间的第二代相互作用的图。
图15F是输入光束与图15A所示的目镜波导实施例的OPE区域之间的第三代相互作用的图。
图15G是示出如何通过OPE区域复制来自ICG区域的单个输入光束以及如何将该单个输入光束重定向到EPE区域作为多个光束的图。
图16A示出了具有多向光瞳扩展器(MPE)区域而非OPE区域的示例目镜波导。
图16B示出了可以在图16A所示的MPE区域中使用的示例2D光栅的一部分及其相关联的光栅矢量。
图16C是k空间图，其示出了图16A所示的目镜波导的MPE区域的k空间操作。
图16D是k空间图，其进一步示出了图16A所示的目镜波导的MPE区域的k空间操作。
图16E是k空间图，其示出图16A所示的目镜波导的k空间操作。
图16F是输入光束与图16A所示的目镜波导实施例的MPE区域之间的第一代相互作用的图。
图16G是输入光束与图16A所示的目镜波导实施例的MPE区域之间的第二代相互作用的图。
图16H是输入光束与图16A所示的目镜波导实施例的MPE区域之间的第三代相互作用的图。
图16I是输入光束与图16A所示的目镜波导实施例的MPE区域之间的第四代相互作用的图。
图16J是示出根据图16A所示的目镜波导实施例的光束可以沿着其穿过MPE区域并最终到达EPE区域的各种路径的图。
图16K是示出如何通过MPE区域复制来自ICG区域的单个输入光束以及如何将该单个输入光束重定向到EPE区域作为多个光束的图。
图16L是并排比较，其示出了具有OPE区域的目镜波导的性能与具有MPE区域的目镜波导的性能。
图16M进一步示出了具有MPE区域的目镜波导的性能与具有OPE区域的其它目镜波导的性能。
图17A示出了可以在目镜波导的MPE区域中使用的示例2D光栅的一部分及其相关联的光栅矢量。
图17B是k空间图，其示出目镜波导的MPE区域的k空间操作。
图17C是k空间图，其示出具有MPE区域的目镜波导的k空间操作。
图17D是输入光束与目镜波导的MPE区域之间的第一代相互作用的图。
图17E是输入光束与目镜波导的MPE区域之间的第二代相互作用的图。
图17F是输入光束与目镜波导的MPE区域之间的第三代相互作用的图。
图17G是输入光束与目镜波导的MPE区域之间的第四代相互作用的图。
图18A示出了具有ICG区域、两个正交光瞳扩展器区域和出射光瞳扩展器区域的示例目镜波导。
图18B和18C示出了图18A所示的目镜波导的EPE区域的俯视图。
图19示出了具有扩展视场的目镜波导的实施例。
图20A示出了具有与EPE区域重叠的MPE区域的扩展FOV目镜波导的实施例。
图20B示出了可以在图20A中的目镜波导的MPE区域中使用的示例2D光栅的一部分及其相关联的光栅矢量。
图20C是k空间图，其示出了图20A中的目镜波导的ICG区域的k空间操作。
图20D是k空间图，其示出了图20A中的目镜波导的MPE区域的k空间操作的一部分。
图20E是k空间图，其示出了图20A中的目镜波导的MPE区域的k空间操作的另一部分。
图20F类似于图20E，只是它示出了MPE区域对图20D中平移到9点钟位置(而非如图20E所示平移到3点钟位置)的FOV矩形的k空间操作。
图20G是k空间图，其示出了图20A中的目镜波导的EPE区域的k空间操作。
图20H是k空间图，其概括了图20A中的目镜波导的k空间操作。
图20I是示出光束如何通过图20A所示的目镜波导扩展的图。
图20J示出了图20A中的目镜波导的MPE区域的衍射效率可以如何在空间上变化以增强波导中的亮度均匀度。
图20K示出了图20A中的目镜波导的EPE区域的衍射效率如何在空间上变化以增强波导中的亮度均匀度。
图20L示出了图20A中的目镜波导的实施例，其包括围绕波导的外围边缘的一个或多个衍射镜。
图20M示出了包含图20A中的目镜波导的一个或多个实例的眼镜的示例实施例。
图20N示出了包含图20A中的目镜波导的一个或多个实例的眼镜的另一示例实施例。
图21A示出了具有与EPE区域重叠的MPE区域的目镜波导的另一实施例。
图21B是k空间图，其示出了图20A中的目镜波导针对与输入图像的FOV的第一子部分对应的第一组输入光束的k空间操作。
图21C是k空间图，其示出了图21A中的目镜波导针对与输入图像的FOV的第二子部分对应的第二组输入光束的k空间操作。
图21D是k空间图，其概括了图21A中的目镜波导的k空间操作。
图21E示出了包含图21A中的目镜波导的一个或多个实例的眼镜的示例实施例。
图21F示出了对应于图21E中的眼镜的示例FOV。
图21G示出了图21A所示的目镜波导的另一实施例的k空间操作。
图22A示出了可以投射在两个方向上扩展的FOV的目镜波导的实施例。
图22B示出了图22A所示的目镜波导的相对侧。
图22C示出了图22A中的目镜波导实施例中的ICG区域和OPE区域的k空间操作。
图22D示出了图22A中的目镜波导实施例中的MPE区域的k空间操作。
图22E示出了图22A中的目镜波导实施例中的EPE区域的k空间操作。
图23示出了被设计成与倾斜的投射器一起工作的目镜波导的示例实施例。
图24A是具有多个组合式光瞳扩展器-提取器(CPE)区域的示例目镜波导的边缘视图。
图24B示出了第一CPE区域和第二CPE区域根据光通过目镜波导的第一类型的主路径在物理空间和k空间二者中的操作。
图24C示出了第一CPE区域和第二CPE区域根据光通过目镜波导的第二类型的主路径在物理空间和k空间二者中的操作。
图24D示出了第一CPE区域和第二CPE区域根据光通过目镜波导的第一类型和第二类型的主路径在物理空间和k空间二者中的操作。
图24E是输入光束与图24A所示的目镜波导实施例的CPE区域之间的第一代相互作用的示意图。
图24F是输入光束与图24A所示的目镜波导实施例的CPE区域之间的第二代相互作用的示意图。
图24G是输入光束与图24A所示的目镜波导实施例的CPE区域之间的第三代相互作用的示意图。
图24H是输入光束与图24A所示的目镜波导实施例的CPE区域之间的第四代相互作用的示意图。
图24I是输入光束与图24A所示的目镜波导实施例的CPE区域之间的第五代相互作用的示意图。
图24J示出了光通过图24A所示的目镜波导在k空间中的高阶路径。
图24K是示出光束如何通过图24A所示的目镜波导传播的示意图。
图25A是具有单个二维组合式光瞳扩展器-提取器(CPE)光栅区域的示例目镜波导的边缘视图。
图25B示出了二维CPE区域在物理空间和k空间二者中的操作。
图26A是在其每一侧面上具有二维组合式光瞳扩展器-提取器(CPE)光栅区域的示例目镜波导的边缘视图。
图26B示出了所谓的“屏幕门效应”，其是与来自目镜波导的输出光束的密度相关的图像伪影。
图26C示出了输入耦合光栅回弹(re-bounce)，这是会导致光从目镜波导不利地损失的效应。
图26D示出了图26A中的双面(double-side)二维CPE光栅如何增加来自目镜波导的输出光束的密度。
图26E示出了图24A(双面一维CPE光栅)、图25A(单面(single-side)二维CPE光栅)和图26A(双面二维CPE光栅)所示的目镜波导的输出光束的密度。
图26F示出了由具有二维CPE光栅的目镜波导产生的示例模拟图像；示出了图25A的单面实施例和图26A的双面实施例的两种情况的图像。
具体实施方式
概述
本公开描述了可以在AR显示系统中使用以将图像投射到用户的眼睛的各种目镜波导。目镜波导既可以在物理方面描述，也可以使用k空间表示来描述。
HMD设备的示例
图2示出了可穿戴显示系统60的示例。显示系统60包括显示器或目镜70，以及支持该显示器70的功能的各种机械和电子模块和系统。显示器70可以被耦接到框架80，该框架80可由显示系统用户90穿戴，并且被配置为将显示器70定位在用户90的眼睛前方。在一些实施例中，显示器70可以被视为眼镜。在一些实施例中，扬声器100被耦接到框架80并被定位在用户90的耳道附近。显示系统还可以包括一个或多个麦克风110以检测声音。麦克风110可以允许用户向系统60提供输入或命令(例如，语音菜单命令的选择、自然语言问题等)和/或可以允许与其他人(例如，与类似显示系统的其他用户)进行音频通信。麦克风100还可以收集来自用户周围环境的音频数据(例如，来自用户和/或环境的声音)。在一些实施例中，显示系统还可以包括外围传感器120a，其可以与框架80分离并且被附接到用户90的身体(例如，头部、躯干、四肢等上)。在一些实施例中，外围传感器120a可以获取表征用户90的生理状态的数据。
显示器70通过通信链路130(例如，通过有线引线或无线连接)可操作地耦接到本地处理和数据模块140，本地处理和数据模块140可以以各种配置安装，例如固定地附接到框架80，固定地附接到用户戴的头盔或帽子，嵌入耳机中，或可移除地附接到用户90(例如，采取背包式配置或采取腰带耦接式配置)。类似地，传感器120a可通过通信链路120b(例如，通过有线引线或无线连接)可操作地耦接到本地处理和数据模块140。本地处理和数据模块140可以包括硬件处理器，以及数字存储器，例如非易失性存储器(例如，闪速存储器或硬盘驱动器)，这两者都可用于辅助处理、缓存和数据存储。这些数据可以包括1)通过传感器(其例如可以可操作地耦接到框架80或以其它方式附接到用户90)捕获的数据，这些传感器例如为图像捕获设备(如相机)、麦克风、惯性测量单元、加速度计、指南针、GPS单元、无线电设备、陀螺仪和/或本文公开的其它传感器；和/或2)使用远程处理模块150和/或远程数据存储库160获取和/或处理的数据(包括关于虚拟内容的数据)，这些数据可能在被这样的处理或检索之后被传送到显示器70。本地处理和数据模块140可通过通信链路170、180(诸如经由有线或无线通信链路)可操作地耦接到远程处理模块150和远程数据存储库160，使得这些远程模块150、160可操作地彼此耦接，并且作为资源可用于本地处理和数据模块140。在一些实施例中，本地处理和数据模块140可以包括图像捕获设备、麦克风、惯性测量单元、加速度计、指南针、GPS单元、无线电设备和/或陀螺仪中的一者或多者。在一些其它实施例中，这些传感器中的一者或多者可以被附接到框架80，或者可以是通过有线或无线通信路径与本地处理和数据模块140通信的独立装置。
远程处理模块150可以包括分析和处理数据(诸如图像或音频信息)的一个或多个处理器。在一些实施例中，远程数据存储库160可以是数字数据存储设施，该设施可通过因特网或“云”资源配置中的其它网络配置获得。在一些实施例中，远程数据存储库160可以包括一个或多个远程服务器，这些服务器向本地处理和数据模块140和/或远程处理模块150提供信息(例如用于生成增强现实内容的信息)。在其它实施例中，所有数据都被存储，所有计算都在本地处理和数据模块中执行，允许从远程模块完全自主地使用。
可通过向用户的每只眼睛提供略微不同的图像呈现来实现将图像感知为“三维”或“3D”。图3示出了用于向用户模拟三维图像数据的传统显示系统。向用户输出两个不同图像190、200，其中每个图像针对一只眼睛210、220。图像190、200沿着与用户视线平行的光轴或z轴而与眼睛210、220隔开一距离230。图像190、200是平坦的，眼睛210、220可通过假设单个调节状态而聚焦在图像上。这样的3D显示系统依赖于人类视觉系统来组合图像190、200以提供组合图像的深度和/或尺度感知。
然而，人类视觉系统很复杂，提供真实的深度感具有挑战性。例如，传统的“3D”显示系统的许多用户发现这样的系统不舒服或者根本无法感觉到深度感。由于辐辏(vergence)和调节(accommodation)的组合，对象可被感知为“三维的”。两只眼睛相对于彼此的辐辏运动(例如，使得瞳孔朝向彼此或远离彼此以使眼睛的相应视线会聚而注视一对象的眼睛旋转)与眼睛晶状体的聚焦(或“调节”)密切相关。在正常情况下，根据被称为“调节-辐辏反射”的关系以及瞳孔扩张或收缩，更改眼睛晶状体的焦点或调节眼睛以将焦点从一个对象转移到不同距离处的另一对象将自动导致到同一距离的辐辏匹配变化。同样，在正常情况下，辐辏的变化将引发晶状体形状和瞳孔大小的调节匹配变化。如本文所述，许多立体或“3D”显示系统使用略微不同的呈现(和因此略微不同的图像)向每只眼睛显示场景，使得人类视觉系统感知到三维透视。然而，这样的系统对于一些用户来说可能是不舒服的，因为它们仅在单个调节状态下提供图像信息，并且对“调节-辐辏反射”产生反作用。在调节与辐辏之间提供更好匹配的显示系统可以形成更逼真和舒适的三维图像数据模拟。
图4示出了使用多个深度平面模拟三维图像数据的方法的各方面。参考图4，眼睛210、220采取不同的调节状态以聚焦于z轴上的不同距离处的对象上。因此，可以认为特定的调节状态与所示的深度平面240中的特定一者(具有相关联的焦距)相关联，使得当眼睛针对特定深度平面处于调节状态时，该特定深度平面中的对象或对象的部分在焦点上(infocus)。在一些实施例中，可通过为每只眼睛210、220提供图像的不同呈现，并且还通过提供对应于多个深度平面的图像的不同呈现来模拟三维图像数据。尽管眼睛210、220的相应视场为了清楚地说明而被示出为分开的，但它们可以重叠，例如在沿z轴的距离增加时。此外，尽管为了便于说明而将深度平面示出为平坦的，但是应当理解，深度平面的轮廓可以在物理空间中弯曲，使得深度平面内的所有特征在眼睛处于特定调节状态时在焦点上。
对象与眼睛210或220之间的距离也可以改变来自该眼睛所看到的对象的光的发散量。图5A至5C示出了距离与光线发散之间的关系。对象与眼睛210之间的距离按照距离递减的次序由R1、R2和R3表示。如图5A至5C所示，随着到对象的距离的减小，光线变得更加发散。随着距离的增加，光线变得更加准直。换言之，可以认为由点(对象或对象的一部分)产生的光场具有球面波前曲率，其是该点相对于用户的眼睛的距离的函数。随着对象与眼睛210之间的距离减小，曲率增加。因此，在不同的深度平面处，光线的发散程度也不同，发散程度随着深度平面与用户眼睛210之间的距离的减小而增加。尽管为了在图5A至5C和本文中的其它图中清楚地说明而仅示出单只眼睛210，但是应当理解，关于眼睛210的讨论可以应用于用户的双眼210和220。
可通过向眼睛提供与有限数量的深度平面中的每一者对应的图像的不同呈现来实现高度可信的感知深度模拟。不同的呈现可以由用户的眼睛单独聚焦，从而有助于基于使位于不同深度平面上的场景的不同图像特征在焦点上所需的眼睛调节量和/或基于观察到不同的图像特征位于不在焦点上的不同深度平面上，为用户提供深度线索(depth cue)。
用于AR或MR目镜的波导堆叠的示例
图6示出了AR目镜中用于将图像信息输出给用户的波导堆叠的示例。显示系统250包括波导堆叠或堆叠的波导组件260，波导组件260可被用于使用多个波导270、280、290、300、310向眼睛/大脑提供三维感知。在一些实施例中，显示系统250是图2的系统60，图6更详细地示意性地示出了该系统60的一些部分。例如，波导组件260可以是图2的显示器70的部分。应当理解，在一些实施例中，显示系统250可以被视为光场显示器。
波导组件260还可包括波导之间的多个特征320、330、340、350。在一些实施例中，特征320、330、340、350可以是一个或多个透镜。波导270、280、290、300、310和/或多个透镜320、330、340、350可被配置为以各种级别的波前曲率或光线发散度向眼睛发送图像信息。每个波导层级可以与特定深度平面相关联，并且可被配置为输出与该深度平面相对应的图像信息。图像注入装置360、370、380、390、400可以用作波导的光源，并且可以被用于将图像信息注入到波导270、280、290、300、310中，如本文所述，每个波导可以被配置为使入射光分布跨过每个相应的波导，以朝向眼睛210输出。光从每个相应的图像注入装置360、370、380、390、400的输出表面410、420、430、440、450出射，并且被注入到相应的波导270、280、290、300、310的相应输入表面460、470、480、490、500中。在一些实施例中，输入表面460、470、480、490、500中的每一者可以是相应波导的边缘，或者可以是相应波导的主表面的一部分(即，直接面向世界510或用户的眼睛210的波导表面中的一者)。在一些实施例中，光束(例如准直光束)可以被注入到每个波导中并可以在波导中被复制(例如，通过衍射而采样成子光束)，然后以对应于与该特定波导相关联的深度平面的光焦度量被引导到眼睛210。在一些实施例中，图像注入装置360、370、380、390、400中的单个图像注入装置可以与波导270、280、290、300、310中的多个(例如，三个)相关联并将光注入到这些波导中。
在一些实施例中，图像注入装置360、370、380、390、400是分立的显示器，每个显示器产生用于分别注入到相应波导270、280、290、300、310中的图像信息。在一些其它实施例中，图像注入装置360、370、380、390、400是单个多路复用显示器的输出端，多路复用显示器可以经由通过一个或多个光学导管(例如光纤光缆)将图像信息传输到图像注入装置360、370、380、390、400中的每一者。将理解，由图像注入装置360、370、380、390、400提供的图像信息可以包括不同波长或颜色的光。
在一些实施例中，注入到波导270、280、290、300、310中的光由光投射器系统520提供，光投射器系统520包括光模块530，光模块530可以包括诸如发光二极管(LED)之类的光源或光发射器。来自光模块530的光可以经由分束器(BS)550被引导到光调制器540(例如，空间光调制器)并由光调制器进行调制。光调制器540可以在空间上和/或时间上改变注入到波导270、280、290、300、310中的光的感知强度。空间光调制器的示例包括液晶显示器(LCD)和数字光处理(DLP)显示器，其中液晶显示器包括硅上液晶(LCOS)显示器。
在一些实施例中，光投射器系统520或其一个或多个部件可以被附接到框架80(图2)。例如，光投射器系统520可以是框架80的太阳穴部分(例如，耳柄82)的一部分，或者可以被设置在显示器70的边缘处。在一些实施例中，光模块530可以与BS 550和/或光调制器540分离。
在一些实施例中，显示系统250可以是扫描光纤显示器，扫描光纤显示器包括一个或多个扫描光纤，用于以各种图案(例如，光栅扫描、螺旋扫描、利萨如(Lissajous)图案等)将光投射到一个或多个波导270、280、290、300、310中，并且最终投射到用户的眼睛210中。在一些实施例中，所示的图像注入装置360、370、380、390、400可示意性地表示单个扫描光纤或扫描光纤束，单个扫描光纤或扫描光纤束被配置为将光注入一个或多个波导270、280、290、300、310中。在一些其他实施例中，所示的图像注入装置360、370、380、390、400可以示意性地表示多个扫描光纤或多个扫描光纤束，多个扫描光纤或多个扫描光纤束中的每一者被配置为将光注入到波导270、280、290、300、310中的关联波导中。一个或多个光纤可以将光从光模块530传输到一个或多个波导270、280、290、300和310。此外，可以在一个或多个扫描光纤与一个或多个波导270、280、290、300、310之间提供一个或多个中间光学结构，以例如将从扫描光纤射出的光重定向到一个或多个波导270、280、290、300、310中。
控制器560控制堆叠波导组件260的操作，其中包括图像注入装置360、370、380、390、400、光源530和光调制器540的操作。在一些实施例中，控制器560是本地数据处理模块140的一部分。控制器560包括编程(例如，非暂时性介质中的指令)，该编程调节定时和向波导270、280、290、300、310提供图像信息。在一些实施例中，控制器可以是单个整体设备，或者是通过有线或无线通信信道连接的分布式系统。在一些实施例中，控制器560可以是处理模块140或150(图2)的一部分。
波导270、280、290、300、310可以被配置为通过全内反射(TIR)在每个相应的波导内传播光。波导270、280、290、300、310可以各自是平面的或具有另一种形状(例如，弯曲的)，具有顶部主表面和底部主表面以及在这些顶部主表面和底部主表面之间延伸的边缘。在所示的配置中，波导270、280、290、300、310可各自包括外耦合(out-coupling)光学元件570、580、590、600、610，外耦合光学元件570、580、590、600、610被配置为通过重定向光来从波导中提取光，在各自对应的波导内部传播，从波导出射以将图像信息输出到眼睛210。所提取的光也可以被称为外耦合光，而外耦合光学元件光也可以被称为光提取光学元件。所提取的光束可以在波导中传播的光照射(strike)到光提取光学元件的位置处由波导输出。如本文进一步讨论的，外耦合光学元件570、580、590、600、610可以例如是衍射光学特征，其中包括衍射光栅。尽管外耦合光学元件570、580、590、600、610被示出为设置在波导270、280、290、300、310的底部主表面处，但是在一些实施例中，如本文进一步所讨论的，外耦合光学元件570、580、590、600、610可以设置在顶部和/或底部主表面处，和/或可以直接设置在波导270、280、290、300、310的体积中。在一些实施例中，外耦合光学元件570、580、590、600、610可以被形成在附接到透明基板的材料层中，以形成波导270、280、290、300、310。在一些其他实施例中，波导270、280、290、300、310可以是单片材料，并且外耦合光学元件570、580、590、600、610可以被形成在该片材料的表面上和/或内部中。
每个波导270、280、290、300、310可以输出光以形成对应于特定深度平面的图像。例如，最靠近眼睛的波导270可以将准直光束传送到眼睛210。准直光束可以代表光学无限远焦平面。下一上行波导280可以输出在到达眼睛210之前传输通过第一透镜350(例如，负透镜)的准直光束。第一透镜350可以向准直光束添加微凸的波前曲率，使得眼睛/大脑将来自该波导280的光解释为源自从光学无限远向内更靠近眼睛210的第一焦平面。类似地，第三波导290使其输出光在到达眼睛210之前传输通过第一透镜350和第二透镜340。第一透镜350和第二透镜340的组合光焦度可以添加波前曲率的另一增量，使得眼睛/大脑将来自第三波导290的光解释为源自第二焦平面，第二焦平面比来自第二波导280的光从光学无限远向内进一步更靠近。
其他波导层300、310和透镜330、320被类似地配置，其中堆叠中的最高波导310将其输出发送通过其与眼睛之间的全部透镜，以获得代表距人最近焦平面的总光焦度。为了在观看/解释来自堆叠波导组件260的另一侧的世界510的光时补偿透镜320、330、340、350的堆叠，可以在堆叠的顶部设置补偿透镜层620，以补偿下面的透镜堆叠320、330、340、350的总光焦度。这种配置提供与可用的波导/透镜配对一样多的感知焦平面。波导的外耦合光学元件和透镜的聚焦方面都可以是静态的(即，不是动态的或电活性的)。在一些替代实施例中，使用电活性特征，波导的外耦合光学元件和透镜的聚焦方面中的一者或两者可以是动态的。
在一些实施例中，波导270、280、290、300、310中的两个或更多个可具有相同的关联深度平面。例如，多个波导270、280、290、300、310可以将图像集输出到相同深度平面，或者波导270、280、290、300、310中的多个子集可以将图像集输出到相同的多个深度平面，每个深度平面一个集。这可以为形成平铺图像(tiled image)提供优势，以在那些深度平面处提供扩展的视场。
外耦合光学元件570、580、590、600、610可以被配置为既将光重定向到它们相应的波导之外，也为与波导相关联的特定深度平面输出具有适当的发散量或准直量的该光。结果，具有不同的关联深度平面的波导可以具有不同配置的外耦合光学元件570、580、590、600、610，不同配置的外耦合光学元件570、580、590、600、610根据关联的深度平面输出具有不同发散量的光。在一些实施例中，光提取光学元件570、580、590、600、610可以是体积特征或表面特征，其可以被配置为以特定角度输出光。例如，光提取光学元件570、580、590、600、610可以是体积全息、表面全息和/或衍射光栅。在一些实施例中，特征320、330、340、350可以不是透镜；相反，它们可以简单地是间隔物(例如，包层和/或用于形成气隙的结构)。
在一些实施例中，外耦合光学元件570、580、590、600、610是衍射特征，其具有足够低的衍射效率，使得在每次相互作用时，只有一部分功率的光束被重定向到眼睛210，而其余部分继续经由TIR移动通过波导。因此，在跨整个波导复制光模块530的出射光瞳，以产生多个携带来自光源530的图像信息的输出光束，从而有效地扩展其中眼睛210可以解释复制光源出射光瞳的位置的数量。这些衍射特征也可以具有跨其几何形状可变的衍射效率，以提高由波导输出的光的均匀性。
在一些实施例中，一个或多个衍射特征可以在它们活跃地衍射的“开启”状态和它们不显著衍射的“关闭”状态之间可切换。例如，可切换的衍射元件可以包括聚合物分散液晶层，其中，微滴形成处于主体介质中的衍射图案，并且微滴的折射率可以被切换为基本匹配主体材料的折射率(在这种情况下，图案不会显著地衍射入射光)或者微滴可以被切换为与主体介质的折射率失配的折射率(在这种情况下，图案活跃地衍射入射光)。
在一些实施例中，可提供相机组件630(例如，数码相机，包括可见光和红外光相机)以捕获眼睛210、眼睛210的部分、或眼睛210周围组织的至少一部分的图像，以例如检测用户输入，从眼睛提取生物识别信息，估计和跟踪眼睛的注视方向，以监视用户的生理状态等。在一些实施例中，相机组件630可以包括图像捕获设备和光源，以将光(例如，红外或近红外光)投射到眼睛，然后光可以由眼睛反射并由图像捕获设备检测到。在一些实施例中，光源包括发射红外或近红外光的发光二极管(“LED”)。在一些实施例中，相机组件630可以被附接到框架80(图2)并且可以与处理模块140或150电气通信，处理模块140和/或150可以处理来自相机组件630的图像信息以做出关于例如用户的生理状态、穿戴者的注视方向、虹膜识别等的各种确定。在一些实施例中，可以针对每只眼睛使用一个相机组件630以分别监视每只眼睛。
图7A示出了由波导输出的出射光束的示例。(以透视图)示出了一个波导，但是波导组件260(图6)中的其它波导也可以类似地起作用。光640在波导270的输入表面460处被注入到波导270中，并且通过TIR在波导270内传播。通过与衍射特征的相互作用，光作为出射光束650从波导出射。出射光束650复制来自将图像投射到波导中的投射器设备的出射光瞳。出射光束650中的任一者包括输入光640的总能量的子部分。在相当高效的系统中，所有出射光束650的能量总和等于输入光640的能量。在图7A中，出射光束650被示为基本平行，但是，如本文所讨论的，取决于与波导270相关联的深度平面，可以赋予某个光焦度量。平行的出射光束可以指示具有外耦合光学元件的波导，该外耦合光学元件将光向外耦合以形成看起来设置在距离眼睛210的远距离(例如，光学无限远)处的深度平面上的图像。其它波导或其它外耦合光学元件组可以输出更加发散的出射光束图案，如图7B所示，这将要求眼睛210适应更近的距离以使更加发散的出射光束图案聚焦在视网膜上并且将被大脑解释为来自比光学无限远更靠近眼睛210的距离处的光。
在一些实施例中，可通过在分量颜色(例如，三种或更多种分量颜色，诸如红色、绿色和蓝色)中的每一者中叠加图像来在每个深度平面处形成全彩图像。图8示出了堆叠波导组件的示例，其中每个深度平面包括使用多种不同分量颜色形成的图像。所示的实施例示出了深度平面240a至240f，但也可以设想更多或更少的深度。每个深度平面可以具有与其相关联的三个或更多个分量颜色图像，包括：第一颜色G的第一图像；第二颜色R的第二图像；以及第三颜色B的第三图像。不同的深度平面在图中通过字母G、R和B之后的不同屈光度指示。这些字母中的每一者后面的数字指示屈光度(1/m)，或该深度平面距用户的距离倒数，并且图中的每个框表示单独的分量颜色图像。在一些实施例中，为了考虑眼睛对不同波长的光的聚焦的差异，不同分量颜色的深度平面的精确放置可以变化。例如，给定深度平面的不同分量颜色图像可以被置于与距用户的不同距离对应的深度平面上。这样的布置可以增加视敏度和用户舒适度，或者可以减少色差。
在一些实施例中，每种分量颜色的光可以由单个专用波导输出，因此，每个深度平面可以具有与其相关联的多个波导。在这样的实施例中，图中的每个框可以被理解为表示单独的波导，并且可以针对每个深度平面提供三个波导，以便针对每个深度平面显示三个分量颜色图像。虽然为了便于说明，在该图中与每个深度平面相关联的波导被示出为彼此相邻，但是应当理解，在物理设备中，波导可以全部布置成每层一个波导的堆叠形式。在一些其它实施例中，多种分量颜色可以由相同的波导输出，使得例如可以针对每个深度平面仅提供单个波导。
继续参考图8，在一些实施例中，G是绿色，R是红色，B是蓝色。在一些其它实施例中，除了红色、绿色或蓝色之外，可以使用与其它波长的光相关联的其它颜色(包括黄色、品红色和青色)，或者这些其它颜色可以替代红色、绿色或蓝色中的一种或多种。在一些实施例中，特征320、330、340和350可以是被配置为阻挡来自周围环境的光或选择性地使得来自周围环境的光通过以到达用户的眼睛的有源或无源光学滤波器。
本公开通篇对给定颜色的光的提及将被理解为包括在被用户感知为具有该给定颜色的光的波长范围内的一个或多个波长的光。例如，红光可以包括在约620-780nm范围内的一个或多个波长的光，绿光可以包括在约492-577nm范围内的一个或多个波长的光，并且蓝光可以包括在约435-493nm范围内的一个或多个波长的光。
在一些实施例中，光源530(图6)可被配置为发射用户的视觉感知范围之外的一个或多个波长(例如，红外或紫外波长)的光。红外光可以包括700nm至10μm范围内的波长的光。在一些实施例中，红外光可以包括700nm至1.5μm范围内的波长的近红外光。此外，显示器250的波导的内耦合、外耦合和其它光重定向结构可被配置为将该光从显示器引导出并朝着用户的眼睛210发射，例如用于成像或用户刺激应用。
现在参考图9A，在一些实施例中，可能需要将照射在波导上的光重定向以将该光内耦合到波导中。可以使用内耦合光学元件将光重定向并且将光内耦合到其相应的波导中。图9A示出了堆叠波导组660的示例的横截面侧视图，其中每个波导包括内耦合光学元件。每个波导可被配置为输出一个或多个不同波长的光，或一个或多个不同波长范围的光。应当理解，堆叠660可以对应于堆叠260(图6)，除了来自一个或多个图像注入装置360、370、380、390、400的光从需要光被重定向以向内耦合的位置或取向被注入到波导中之外，堆叠660的所示波导可以与多个波导270、280、290、300、310中的部分对应。
图示的堆叠波导组660包括波导670、680和690。每个波导包括关联的内耦合光学元件(其也可以被称为波导上的光输入区域)，其中例如内耦合光学元件700被设置在波导670的主表面(例如，上部主表面)上，内耦合光学元件710被设置在波导680的主表面(例如，上部主表面)上，内耦合光学元件720被设置在波导690的主表面(例如，上部主表面)上。在一些实施例中，内耦合光学元件700、710、720中的一个或多个可以被设置在相应波导670、680、690的底部主表面上(特别是在一个或多个内耦合光学元件是反射性的光学元件的情况下)。如图所示，内耦合光学元件700、710、720可以被设置在它们相应的波导670、680、690(或下一下行波导的顶部)的上部主表面上，特别是在那些内耦合光学元件的是透射性的光学元件的情况下。在一些实施例中，内耦合光学元件700、710、720可以被设置在相应的波导670、680、690的体中。在一些实施例中，如本文所讨论的，内耦合光学元件700、710、720是波长选择性的，使得它们选择性地重定向一个或多个波长的光，同时透射其他波长的光。尽管在它们相应的波导670、680、690的一侧或角上示出，但是应当理解，在一些实施例中，内耦合光学元件700、710、720可以被设置在它们相应的波导670、680、690的其他区域中。
如图所示，内耦合光学元件700、710、720可以被彼此横向偏移。在一些实施例中，每个内耦合光学元件可以被偏移，使得内耦合光学元件接收光，而该光无需传输通过另一内耦合光学元件。例如，如图6所示，每个内耦合光学元件700、710、720可以被配置为从不同的图像注入装置360、370、380、390和400接收光，并且可以与其他内耦合光学元件700、710、720分开(例如，横向间隔开)，使得该内耦合光学元件基本上不接收来自内耦合光学元件700、710、720中的其他内耦合光学元件的光。
每个波导还包括关联的光分布元件，其中，例如，光分布元件730被设置在波导670的主表面(例如，顶部主表面)上，光分布元件740被设置在波导680的主表面(例如，顶部主表面)上，光分布元件750被设置在波导690的主表面(例如，顶部主表面)上。在一些其他实施例中，光分布元件730、740、750可以被分别设置在关联的波导670、680、690的底部主表面上。在一些其他实施例中，光分布元件730、740、750可以被分别设置在关联的波导670、680、690的顶部主表面上和底部主表面上；或者光分布元件730、740、750可以被分别设置在不同的关联的波导670、680、690中的顶部主表面和底部主表面中的不同主表面上。
波导670、680、690可以被例如气体、液体或固体材料层间隔开并分隔开。例如，如图所示，层760a可以使波导670和波导680分隔开；并且层760b可以使波导680和波导690分隔开。在一些实施例中，层760a和760b由低折射率材料(即，具有比形成波导670、680、690中的一个紧邻的波导的材料的折射率低的材料)形成。优选地，形成层760a、760b的材料的折射率比形成波导670、680、690的材料的折射率小至少0.05，或者至少0.10。有利地，较低折射率层760a、760b可以作为包层，包层促进通过波导670、680、690的光的TIR(例如，在每个波导的顶部主表面与底部主表面之间的TIR)。在一些实施例中，层760a、760b由空气形成。尽管未示出，但应当理解，所示波导组660的顶部和底部可包括紧邻的包层。
优选地，为了便于制造和其他考虑，形成波导670、680、690的材料相似或相同，并且形成层760a、760b的材料相似或相同。在其他实施例中，形成波导670、680、690的材料在一个或多个波导之间可以是不同的，或者，形成层760a、760b的材料可以是不同的，同时仍然保持上述各种折射率关系。
继续参考图9A，光线770、780、790入射在波导组660上。光线770、780、790可以通过一个或多个图像注入装置360、370、380、390、400(图6)注入到波导670、680、690中。
在一些实施例中，光线770、780、790具有不同的特性(例如，不同的波长或不同的波长范围)，这些不同的特性可以对应于不同的颜色。内耦合光学元件700、710、720各自重定向入射光，使得光通过TIR传播通过波导670、680、690中的相应的一个。
例如，内耦合光学元件700可被配置为重定向具有第一波长或第一波长范围的光线770。类似地，透射光线780照射在内耦合光学元件710上并被内耦合光学元件710重定向，该内耦合光学元件710被配置为重定向第二波长或第二波长范围的光。同样，光线790被内耦合光学元件720重定向，该内耦合光学元件720被配置为选择性地重定向第三波长或第三波长范围的光。
继续参考图9A，光线770、780、790被重定向，使得光线770、780、790传播通过相应的波导670、680、690；也就是说，每个波导的内耦合光学元件700、710、720将光重定向到相应的波导670、680、690中，以将光内耦合到相应的波导中。光线770、780、790以一定角度被重定向，所述角度使光通过TIR传播通过相应的波导670、680、690。光线770、780、790通过TIR传播通过相应的波导670、680、690，直到与波导的相应光分布元件730、740、750相互作用。
现在参考图9B，示出了图9A的多个堆叠波导的示例的透视图。如上所述，光线770、780、790分别被内耦合光学元件700、710、720向内耦合，然后分别通过TIR在波导670、680、690内传播。然后，光线770、780、790分别与光分布元件730、740、750相互作用。光分布元件730、740、750使光线770、780、790重定向，使得它们分别朝着外耦合光学元件800、810和820传播。
在一些实施例中，光分布元件730、740、750是正交光瞳扩展器(OPE)。在一些实施例中，当光线770、780、790传播到外耦合光学元件时，OPE通过在跨光分布元件730、740、750的多个位置处对光线770、780、790进行采样，将光重定向到外耦合光学元件800、810、820，并且还扩展了与该光相关联的光瞳。在一些实施例中(例如，出射光瞳已经具有所需大小)，可以省略光分布元件730、740、750，并且可以将内耦合光学元件700、710、720配置为将光直接重定向到外耦合光学元件800、810、820。例如，参考图9A，光分布元件730、740、750可分别被外耦合光学元件800、810、820代替。在一些实施例中，外耦合光学元件800、810、820是出射光瞳(EP)或出射光瞳扩展器(EPE)，其将光重定向出波导并朝着用户的眼睛210(图7)引导。OPE可被配置为在至少一个轴上增大适眼区(eye box)的尺寸，且EPE可被配置为在与OPE的轴相交(例如，正交)的轴上增大适眼区。
因此，参考图9A和9B，在一些实施例中，波导组660包括：波导670、680、690；内耦合光学元件700、710、720；光分布元件(例如，OPE)730、740、750；以及外耦合光学元件(例如，EPE)800、810、820，用于每种分量颜色。波导670、680、690可以被堆叠有每个波导之间的气隙/包层。内耦合光学元件700、710、720将入射光(通过接收不同波长的光的不同内耦合光学元件)引导到相应波导中。然后光以在相应波导670、680、690内支持TIR的角度传播。由于TIR仅在特定角度范围内发生，因此，光线770、780、790的传播角度范围受到限制。在这样的示例中，可以将支持TIR的角度范围视为可由波导670、680、690显示的视场的角度极限。在所示的示例中，光线770(例如，蓝光)以先前描述的方式被第一内耦合光学元件700向内耦合，然后在沿着波导行进的同时继续从波导的表面来回反射，其中光分布元件(例如，OPE)730逐渐地对其进行采样以产生额外的复制光线，这些复制光线被引导到外耦合光学元件(例如，EP)800。光线780和790(例如，分别为绿光和红光)将传播通过波导670，其中光线780照射在内耦合光学元件710上并被内耦合光学元件710向内耦合。光线780然后通过TIR沿波导680传播，前进到其光分布元件(例如，OPE)740，然后前进到外耦合光学元件(例如，EPE)810。最后，光线790(例如，红光)传播通过波导670、680而照射在波导690的光内耦合光学元件720上。内耦合光学元件720向内耦合光线790，使得光线通过TIR传播到光分布元件(例如，OPE)750，然后通过TIR传播到外耦合光学元件(例如，EPE)820。然后，外耦合光学元件820最终将光线790向外耦合到用户，用户还接收来自其它波导670、680的外耦合光。
图9C示出了图9A和图9B的多个堆叠波导的示例的俯视平面图。如图所示，波导670、680、690以及每个波导的关联的光分配元件730、740、750和关联的外耦合光学元件800、810、820可以垂直对准。然而，如本文所讨论的，内耦合光学元件700、710、720不是垂直对准的；相反，内耦合光学元件可以是不重叠的(例如，当在俯视图中观看时横向间隔开)。该不重叠的空间布置可以有助于将来自不同源的光一对一地注入到不同波导中，从而允许特定光源被唯一地光学耦合到特定波导。在一些实施例中，包括不重叠的在空间上分离的内耦合光学元件的布置可以被称为移位的光瞳系统，并且这些布置内的内耦合光学元件可以与子光瞳对应。
图10是示例AR目镜波导堆叠1000的透视图。目镜波导堆叠1000可以包括世界侧覆盖窗(cover window)1002和眼睛侧覆盖窗1006以保护位于覆盖窗之间的一个或多个目镜波导1004。在其它实施例中，可以省略覆盖窗1002、1006中的一者或全部两者。如已经讨论的，目镜波导1004可以按照层叠配置布置。目镜波导1004可以耦合在一起，例如，每个单独的目镜波导被耦合到一个或多个相邻的目镜波导。在一些实施例中，波导1004可以与边缘密封件(诸如图11所示的边缘密封件1108)耦合在一起，使得相邻的目镜波导1004彼此不直接接触。
每个目镜波导1004可以由至少部分透明的基板材料制成，例如玻璃、塑料、聚碳酸酯、蓝宝石等。所选的材料可以具有大于1.4的折射率，例如，大于1.6或大于1.8，以便于导光。每个目镜波导基板的厚度例如可以是325微米或更小，但是也可以使用其它厚度。每个目镜波导可以包括一个或多个内耦合区域、光分布区域、图像扩展区域和外耦合区域，它们可以由形成在每个波导基板902之上或之中的衍射特征组成。
尽管图10中未示出，但是目镜波导堆叠1000可以包括用于将其支撑在用户的眼睛前方的物理支撑结构。在一些实施例中，目镜波导堆叠1000是头戴式显示系统60的一部分，如图2所示。通常，目镜波导堆叠1000被支撑为使得外耦合区域直接位于用户的眼睛前方。应当理解，图10仅示出了目镜波导堆叠1000中对应于用户一只眼睛的部分。完整的目镜可以包括同一结构的镜像，具有可能被鼻部件分开的两部分。
在一些实施例中，目镜波导堆叠1000可以将来自多个深度平面的彩色图像数据投射到用户的眼睛中。由目镜1000中的每个单独的目镜波导1004显示的图像数据可以对应于选定深度平面的图像数据的选定颜色分量。例如，由于目镜波导堆叠1000包括六个目镜波导1004，因此它可以投射与两个不同深度平面相对应的彩色图像数据(例如，由红色、绿色和蓝色分量组成)：每个深度平面每个颜色分量一个目镜波导1004。其它实施例可以包括用于更多或更少的颜色分量和/或更多或更少的深度平面的目镜波导1004。
图11是示例目镜波导堆叠1100的一部分的截面图，该部分具有用于支撑采取堆叠配置的目镜波导1104的边缘密封结构1108。边缘密封结构1108使目镜波导1104对准并通过设置在其间的气隙或另一材料使目镜波导彼此分离。尽管未示出，但是边缘密封结构1108可以围绕堆叠波导配置的整个周边延伸。在图11中，每个目镜波导之间的间隔是0.027mm，但是其它距离也是可能的。
在所示的实施例中，存在两个被设计成显示红色图像数据的目镜波导1104，一个目镜波导用于3m深度平面，另一目镜波导用于1m深度平面。(另外，由目镜波导1104输出的光束的发散可以使图像数据看起来源自位于特定距离处的深度平面。)类似地，存在两个被设计成显示蓝色图像数据的目镜波导1104，一个目镜波导用于3m深度平面，另一目镜波导用于1m深度平面，以及存在两个被设计成显示绿色图像数据的目镜波导1104，一个目镜波导用于3m深度平面，另一目镜波导用于1m深度平面。这六个目镜波导1104中的每一者被示出为0.325mm厚，但是其它厚度也是可能的。
图11还示出了世界侧覆盖窗1102和眼睛侧覆盖窗1106。这些覆盖窗可以是例如0.330mm厚。当考虑六个目镜波导1104、七个气隙、两个覆盖窗1102、1106和边缘密封件1108的厚度时，所示的目镜波导堆叠1100的总厚度为2.8mm。
AR目镜波导的k空间表示
图12A和12B示出了在目镜波导1200朝着用户的眼睛210投射图像时在操作中的目镜波导1200的俯视图。可以首先使用投影透镜1210或某种其它投射器设备将图像从图像平面1207朝着目镜波导1200的入射光瞳1208投射。每个图像点(例如，图像像素或图像像素的一部分)具有对应的输入光束(例如，1202a、1204a、1206a)，该输入光束在入射光瞳1208处沿特定方向(例如，以相对于投影透镜1210的光轴的特定角度)传播。尽管被示为射线，但是当进入目镜波导1200时，入射光束1202a、1204a、1206a可以是例如直径为数毫米或更小的准直光束。
在图12A和12B中，中间图像点对应于以实线示出的输入光束1204a。右侧图像点对应于以虚线示出的输入光束1202a。左侧图像点对应于以点划线示出的输入光束1206a。为了图示清楚，在入射光瞳1208处仅示出了三个输入光束1202a、1204a、1206a，但典型的输入图像将包括沿x方向和y方向在一定角度范围内传播的许多输入光束，这些输入光束对应于二维图像平面内的不同图像点。
入射光瞳1208处的输入光束(例如，1202a、1204a、1206a)的各种传播角度与图像平面1207处的相应图像点之间存在唯一对应关系。目镜波导1200可以被设计成向内耦合输入光束(例如，1202a、1204a、1206a)，通过空间以分布的方式复制它们，并引导它们形成出射光瞳1210，该出射光瞳1210大于入射光瞳1208并且由复制光束组成，全部基本上保持图像点和光束角度之间的对应关系。目镜波导1200可以将以特定角度传播的给定输入光束(例如1202a)变换为许多复制光束(例如1202b)，这些复制光束以基本上与特定输入光束及其对应的图像点唯一相关的角度跨出射光瞳1210输出。例如，对应于每个输入光束的复制的输出光束可以以与其对应的输入光束基本相同的角度离开目镜波导1200。
如图12A和12B所示，与图像平面1207处的中间图像点对应的输入光束1204a被变换为一组复制的输出光束1204b，这些输出光束1204b以实线示出，与垂直于目镜波导1200的出射光瞳1210的光轴对准。与图像平面1207处的右侧图像点对应的输入光束1202a被变换为一组复制的输出光束1202b，这些输出光束1202b以虚线示出，以使其看起来源自用户视场右侧部分中的一位置的传播角度离开目镜波导1200。类似地，与图像平面1207处的左侧图像点对应的输入光束1206a被变换为一组复制的输出光束1206b，这些输出光束1206b以点划线示出，以使其看起来源自用户视场左侧部分中的一位置的传播角度离开目镜波导1200。输入光束角度和/或输出光束角度的范围越大，目镜波导1200的视场(FOV)越大。
对于每个图像，存在多组复制的输出光束(例如，1202b、1204b、1206b)——每个图像点一组复制光束——这些复制的输出光束以不同的角度跨出射光瞳1210输出。各个输出光束(例如，1202b、1204b、1206b)可以分别被准直。对应于给定图像点的一组输出光束可以由沿着平行路径(如图12A所示)或发散路径(如图12B所示)传播的光束组成。在任一情况下，该组复制的输出光束的特定传播角度取决于对应的图像点在图像平面1207处的位置。图12A示出了每组输出光束(例如，1202b、1204b、1206b)由沿着平行路径传播的光束组成的情况。这导致图像被投射为看起来源自光学无限远。这种情况在图12A中通过从外围输出光束1202b、1204b、1206b朝着目镜波导1200的世界侧(与用户的眼睛210所在的一侧相反)的光学无限远延伸的晕线表示。图12B示出了每组输出光束(例如，1202b、1204b、1206b)由沿着发散路径传播的光束组成的情况。这导致图像被投射为看起来源自比光学无限远距离更近的虚拟深度平面。这种情况在图12B中通过从外围输出光束1202b、1204b、1206b朝着目镜波导1200的世界侧的点延伸的晕线表示。
再次地，每组复制的输出光束(例如，1202b、1204b、1206b)具有与图像平面1207处的特定图像点对应的传播角度。在沿着平行路径(请参见图12A)传播的复制的输出光束组的情况下，所有光束的传播角度均相同。然而，在沿着发散路径传播的复制的输出光束组的情况下，各个输出光束可以以不同的角度传播，但是这些角度彼此相关，因为它们产生了一个总发散波前，并且看起来源自沿着这组光束的轴的公共点(请参见图12B)。正是该轴限定了该发散的输出光束组的传播角度，并且对应于图像平面1207处的特定图像点。
进入目镜波导1200，在目镜波导内传播，然后离开目镜波导的各种光束全部可以使用一个或多个波矢量或k矢量来描述，所述波矢量或k矢量描述光束的传播方向。k空间是将k矢量与几何点相关联的分析框架。在k空间中，空间中的每个点对应于唯一的k矢量，该k矢量又可以表示具有特定传播方向的光束或光线。这允许具有其相应传播角度的输入光束和输出光束被理解为k空间中的点组(例如，矩形)。在光束传播通过目镜的同时改变光束传播方向的衍射特征可以被理解为在k空间中简单地平移组成图像的一组k空间点的位置。该新的平移k空间位置对应于新的一组k矢量，该组k矢量进而表示与衍射特征相互作用之后的光束或光线的新的传播角度。
目镜波导的操作可通过这样的方式理解：其中，该操作导致一组点(例如，k空间矩形中对应于所投射图像的点)在k空间中移动。这与更复杂的光线跟踪图形成对比，光线跟踪图以其它方式用于示出光束及其传播角度。因此，k空间是描述目镜波导的设计和操作的有效工具。以下讨论描述了各种AR目镜波导的特征和功能的k空间表示。
图13A示出了可用于表示光线或光束传播方向的k矢量1302。具体示出的k矢量1302表示具有平面波前1304的平面波。k矢量1302指向其表示的光线或光束的传播方向。k矢量1302的大小或长度由波数k限定。色散方程ω＝ck涉及光的角频率ω、光速c和波数k。(在真空中，光速等于光速常数c。然而，在介质中，光速与介质的折射率成反比。因此，在介质中，方程变为k＝nω/c。)请注意，根据定义，k＝2π/λ和ω＝2πf，其中f是光的频率(例如，以赫兹为单位)。从该方程可以明显看出，具有较高角频率ω的光束具有较大的波数，因此具有大小较大的k矢量(假定传播介质相同)。例如，假设传播介质相同，则蓝光束具有大小比红光束大的k矢量。
图13B示出了平面波导1300内对应于k矢量1302的光线1301。波导1300可以代表本文所述的任何波导，并且可以是用于AR显示系统的目镜的一部分。波导1300可以经由全内反射(TIR)引导具有某些k矢量的光线。例如，如图13B所示，由k矢量1302示出的光线1301以一角度被引导到波导1300的上表面。如果该角度不太陡(如斯涅尔定律所支配的)，则光线1301将以等于入射角的角度在波导1300的上表面处反射，然后向下传播到波导1300的下表面，在此，光线1301将再次反射回到上表面。光线1301继续以引导的方式在波导1300内传播，在其上表面和下表面之间来回反射。
图13C示出了在具有折射率n的无界同质介质中传播的具有给定角频率ω的光的允许的k矢量。所示的k矢量1302的长度或大小k等于介质的折射率n乘以光的角频率ω除以光速常数c。对于在折射率为n的同质介质中传播的具有给定角频率ω的光线或光束，所有允许的k矢量的大小均相同。对于非引导传播，允许所有传播方向。因此，限定所有允许的k矢量的k空间中的歧管是空心球1306，其中球的大小取决于光的角频率和介质的折射率。
图13D示出了在具有折射率n的同质平面波导介质中传播的具有给定角频率ω的光的允许的k矢量。鉴于在无界介质中，所有允许的k矢量位于空心球1306上，因此为了确定平面波导中的允许的k矢量，我们可以将允许的k矢量的球1306投射到平面(例如，x-y平面)。这可以在投射的k空间中产生实心盘1308，其表示可以在平面波导内传播的k矢量。如图13D所示，可以在x-y平面内的平面波导(例如，波导1300)内传播的k矢量是指在x-y平面内的k矢量分量小于或等于介质的折射率n乘以光的角频率ω除以光速常数c的所有k矢量。
实心盘1308内的每个点对应于可以在波导中传播的波的k矢量(但并非所有这些k矢量都导致波导内的引导传播，如下面关于图13E所讨论的)。在实心盘1308内的每个点处，存在两个允许的波：一个波具有传播到页面中的z分量，另一波具有传播出页面的z分量。因此，可以使用等式
Figure BDA0003168510820000311
恢复k矢量的出平面分量kz，其中选择的符号确定波是传播到页面中还是传播出页面。由于在折射率为n的同质介质中传播的具有给定角频率ω的所有光波都具有相同大小的k矢量，因此，如果光波所具有的k矢量的x-y分量在大小上更接近实心盘1308的半径，则该光波具有较小的传播z分量(导致TIR所需的不太陡的传播角度，如关于图13B所讨论的)，而如果光波所具有的k矢量的x-y分量更接近实心盘1308中心，则该光波具有较大的传播z分量(导致无法进行TIR的较陡的传播角度)。在下文中，所有提到的k空间都是指投射的k空间(除非上下文另有证据)，其中二维k平面对应于波导平面；除非明确提及波导表面之间的传播方向，否则讨论和附图通常仅考虑平行于波导表面的方向。此外，在绘制k空间时，通常最方便的做法是将自由空间盘半径归一化为一致，以便将图有效地归一化为ω/c。
图13E示出了k空间中与可在具有折射率n2(例如，n2＝1.5)的波导内引导的光波的k矢量对应的环1310。波导在物理上被具有较小的折射率n1(例如，n1≈1)的介质(例如，空气)包围。如刚才关于图13D所讨论的，与x-y平面内的平面波导介质内的允许的波对应的k矢量是指其各自的x-y分量位于k空间中的实心盘1308内的所有k矢量。实心盘1308的半径与波导介质的折射率成比例。因此，返回参考图13E，与可以在折射率为n2＝1.5的平面波导介质中传播的光波对应的k矢量是指其各自的x-y分量位于大盘1308a内的k矢量。同时，与可以在折射率n1＝1的周围介质中传播的光波对应的k矢量是指其各自的x-y分量位于小盘1308b内的k矢量。其各自的x-y分量位于环1310内的所有k矢量对应于可以在波导介质中传播而不在周围介质(例如，空气)中传播的光波。这些光波是经由全内反射在波导介质中引导的光波，如关于图13B所描述的。因此，如果光线或光束具有位于k空间环1310内的k矢量，则它们只能在AR目镜的波导内进行引导传播。请注意，具有位于大盘1308a之外的k矢量的传播光波被禁止；不存在其k矢量位于该区域内的传播光波(该区域内的波具有沿着其传播方向逐渐衰减(而非恒定的)振幅)。
本文所述的各种AR目镜波导可通过使用衍射特征(例如，衍射结构)向内耦合光，以将在自由空间(例如，n1≈1)中传播的光束的k矢量(例如，从投射器)引导到目镜波导的k空间环1310中。其k矢量位于环1310中的任何光波都可以在目镜波导中以引导的方式传播。环1310的宽度确定可以在目镜波导内引导的k矢量的范围，从而确定传播角度的范围。因此，通常认为k空间环1310的宽度确定目镜波导可投射的最大视场(FOV)。由于环1310的宽度取决于大盘1308a的半径(其本身部分地取决于目镜波导介质的折射率n2)，因此，一种用于增大目镜FOV的技术是使用具有较大折射率(与目镜波导周围的介质的折射率相比)的目镜波导介质。然而，对于可用于AR目镜的波导介质的折射率存在实际限制，例如材料成本。这进而被认为对AR目镜的FOV具有实际限制。但是，如本文所述，存在可用于克服这些限制以便允许较大的FOV的技术。
尽管图13E中大盘1308a的半径也取决于光的角频率ω，并且因此环1310的宽度取决于光的颜色，但这并不意味着目镜波导所支持的FOV对于具有较高角频率的光较大，因为对应于FOV的任何给定角度范围也与角频率成正比地缩放。
图13F示出了类似于图13E所示的k空间图。该k空间图示出了与具有折射率n1的第一介质中的允许的k矢量对应的小盘1308b、与具有折射率n2(n2>n1)的第二介质中的允许的k矢量对应的大盘1308a，以及位于小盘1308a和大盘1308b的外边界之间的环1310。尽管环1310的宽度1342中的所有k矢量对应于引导传播角，但是少于位于环1310的宽度1342内的所有k矢量的k矢量也有可能令人满意地用于显示图像。
图13F还示出了波导1350，其具有彼此比较地示出的两个引导光束。第一光束具有在环1310的外边缘附近的第一k矢量1344a。第一k矢量1344a对应于在被折射率为n1的空气包围的折射率为n2的波导1350的截面图中示出的第一TIR传播路径1344b。另外还示出了第二光束，其具有更靠近k空间环1310的中心的第二k矢量1346a。第二k矢量1346a对应于波导1350中的第二TIR传播路径1346b。波导1350可以包括位于波导1350之上或之内的衍射光栅1352。当光束遇到具有衍射光栅1352的波导1350的表面时，发生相互作用，该相互作用可以在光束继续在波导内进行TIR的同时将光束能量的样本发送出波导。光束经由TIR在波导内传播的角度确定反射事件的密度，或者每单位长度从具有衍射光栅1352的波导1350的表面反弹的次数。返回到光束比较的示例，第一TIR传播路径1344b中的第一光束从具有衍射光栅1352的波导表面反射四次，从而在衍射光栅1352的长度上产生四个出射光瞳1354(以实线示出)，而第二TIR传播路径1346b上的第二光束在相同或相似的距离上从具有衍射光栅1352的波导表面反射十次，从而在衍射光栅1352的长度上产生十个出射光瞳1356(以虚线示出)。
在实践中，可能希望将输出光束或出射光瞳间距约束为等于预选范围或在预选范围内，以确保用户将从预定适眼区内的任何位置看到投射的内容。利用该信息，可以将环1310的宽度1342限制为k矢量的子组1344，上述约束同样适用于该k矢量的子组1344，并且可以淘汰(disqualify)过于掠射(grazing)的角，使其不被包括在设计计算中。取决于期望的性能、衍射光栅设计和其它优化因素，可以接受比子组1344更多或更少的角度。类似地，在一些实施例中，也可以淘汰与相对于波导表面太陡并且提供太多与衍射光栅1352的相互作用的传播角度相对应的k矢量。在这样的实施例中，可通过有效地将可用角度的边界从大盘1308a和小盘1308b之间的边界径向向外移动，来减小环1310的宽度1342。可通过以此方式约束k空间环1310的宽度，来调整本文公开的任何目镜波导的设计。
如上所述，环1310内对应于次优TIR传播路径的k矢量可以在目镜设计计算中不被使用。替代地，可以使用本文描述的各种技术来补偿与这样的TIR传播路径对应的k矢量：该TIR传播路径具有过于掠射的角度，因此在具有衍射光栅的波导表面上的反射事件的密度过低。一种技术是使用内耦合光栅将到来的图像的视场(FOV)的部分引导到k空间环1310的两个不同区域。特别地，可以有利地将到来的图像引导到由第一组k矢量表示的k空间环1310的第一侧，以及由第二组k矢量表示的k空间环1310的第二侧，其中k空间环1310的第一侧和第二侧基本上彼此相反。例如，第一组k矢量可以对应于环1310的左侧上的k矢量的FOV矩形，第二组k矢量可以对应于环1310的右侧上的k矢量的FOV矩形。左FOV矩形的左边缘位于大盘1308a的外边缘附近，对应于近掠射k矢量角。该边缘处的光将产生稀疏的出射光瞳。然而，位于环1310的右侧的右FOV矩形的相同左边缘更靠近大盘1308a的中心。右FOV矩形的相同左边缘处的光将具有高密度的出射光瞳。因此，当左和右FOV矩形重新结合在一起并朝着用户的眼睛离开波导以产生图像时，在视场的所有区域中产生足够数量的出射光瞳。
诸如衍射光栅之类的衍射特征可用于将光向内耦合到目镜波导，将光从目镜波导向外耦合，和/或改变光在目镜波导内的传播方向。在k空间中，衍射光栅对由特定k矢量表示的光线或光束的影响由衍射光栅平面内的k矢量分量与光栅矢量的矢量相加来确定。光栅矢量的大小和方向取决于衍射光栅的具体特性。图13G、13H和13I示出了衍射光栅对k空间中的k矢量的操作。
图13G示出了衍射光栅的俯视图及衍射光栅的一些关联的k空间衍射光栅矢量(G-2、G-1、G1、G2)。衍射光栅1320在x-y平面内取向，图13G示出了从z方向入射在光栅上的光线或光束的角度观察的光栅的视图。衍射光栅1320具有与衍射光栅在同一平面内取向的一组关联的k空间衍射光栅矢量(例如，G-2、G-1、G1、G2)。G1和G-1光栅矢量分别对应于±1衍射级，而G2和G-2光栅矢量分别对应于±2衍射级。针对±1衍射级的光栅矢量指向相反的方向(沿着光栅的周期性轴)，并且具有与衍射光栅1320的周期Λ成反比的相等大小。因此，间距较小的衍射光栅具有较大的光栅矢量。针对±2个衍射级的光栅矢量也指向相反的方向，并且具有等于针对±1衍射级的光栅矢量的大小的两倍的大小。尽管未示出，但是也可以存在针对其它更高衍射级的光栅矢量。例如，针对±3衍射级的光栅矢量的大小是针对±1衍射级的光栅矢量的大小的三倍，依此类推。请注意，基本光栅矢量G1仅由光栅的周期性(方向和间距)确定，而光栅的组成(例如，表面轮廓、材料、层结构)可以影响光栅的其它特性，例如衍射效率和衍射相。由于基本光栅矢量的所有谐频(例如，G-1、G2、G-2)仅是基本G1的整数倍，因此光栅的所有衍射方向仅由光栅的周期性确定。衍射光栅1320的作用是将光栅矢量加到与入射光线或光束对应的k矢量的平面内分量上。这在图13H中示出。
图13H示出了衍射光栅1320的横断面图及衍射光栅1320对k空间中与法向入射光线或光束对应的k矢量1302的影响。衍射光栅1320将入射光线或光束衍射成一个或多个衍射级。这些衍射级的每一者中的新的光线或光束由新的k矢量(例如1302a-e)表示。这些新的k矢量(例如1302a-e)是由k矢量1302的平面内分量与每个光栅矢量(例如，G-2、G-1、G1、G2)的矢量相加确定。在所示的法向入射光线或光束的情况下，k矢量1302在衍射光栅的x-y平面内没有分量。因此，衍射光栅1320的作用是产生一个或多个新的衍射光线或光束，其k矢量(例如1302a-e)具有等于对应的光栅矢量的x-y分量。例如，入射光线或光束的±1衍射级的x-y分量分别变为G1和G-1。同时，新的k矢量的大小被约束为2π/ω，因此新的k矢量(例如1302a-e)全部位于半圆上，如图13H所示。由于到来的k矢量1302的平面内分量被加到其长度等于基本增量或2倍的基本增量等的光栅矢量上，而每个所产生的k矢量的大小受到约束，因此各个衍射级的k矢量(例如1302a-e)之间的角度不相等；而是随着衍射级的增加，k矢量(例如1302a-e)在角度上变得更稀疏。
在形成于平面目镜波导之上或之中的衍射光栅的情况下，新的k矢量(例如1302a-e)的平面内分量可能是最受关注的，因为如果它们位于目镜波导的k空间环1310中，则衍射的光线或光束将通过目镜波导进行引导传播。但是，如果新的k矢量(例如1302a-e)的平面内分量位于中心盘1308b中，则衍射光线或光束将离开目镜波导。
图13I示出了衍射光栅1320的横断面图及衍射光栅1320对k空间中与倾斜入射光线或光束对应的k矢量1302的影响。该影响类似于关于图13H描述的影响。具体地，衍射光线或光束的k矢量由入射k矢量的平面内分量与光栅矢量(G-2、G-1、G1、G2)的矢量相加来确定。对于倾斜入射的k矢量1302，衍射光栅1320的x-y平面内的k矢量的分量是非零的。将此分量加到光栅矢量上以确定衍射光线或光束的新的k矢量的平面内分量。新的k矢量的大小被约束为2π/ω。并且再次地，如果衍射光线或光束的k矢量的平面内分量位于目镜波导的k空间环1310内，则衍射光线或光束将通过目镜波导进行引导传播。
图13J是k空间图，其示出了投射到AR目镜波导(例如，1200、1300)中的图像的视场(FOV)。k空间图包括大盘1308a，其限定可以在目镜波导内传播的光束或光线的k矢量。k空间图还包括小盘1308b，其限定可以在围绕目镜波导的介质(例如，空气)内传播的光束或光线的k矢量。另外，如已经讨论的，k空间环1310限定可以在目镜波导内进行引导传播的光束或光线的k矢量。
被投射到目镜波导的入射光瞳中的输入光束(例如，1202a、1204a、1206a)在图12A和12B中示出。每个输入光束的传播角度由图像平面内的相应图像点的空间位置唯一地限定。这组输入光束在x方向和y方向上都具有一定的角度扩展。x方向上的角度扩展可以限定水平视场，而y方向上的角度扩展可以限定竖直视场。另外，输入光束沿着例如x方向和y方向之间的对角线的角度扩展可以限定对角线视场。
在k空间中，输入图像的视场可以由FOV矩形1330近似。FOV矩形1330包含对应于一组输入光束的一组k矢量。FOV矩形1330具有沿着kx轴的尺寸，该尺寸对应于输入光束在x方向上的角度扩展。具体地，FOV矩形1330的水平宽度是
Figure BDA0003168510820000371
其中θx是总水平FOV并且n是入射介质的折射率。FOV矩形1330还具有沿ky轴的尺寸，该尺寸限定输入光束在y方向上的角度扩展。类似地，FOV矩形1330的竖直高度是
Figure BDA0003168510820000372
其中θy是总竖直FOV。尽管矩形被示出为表示一组输入光束，但是在一些实施例中，一组输入光束也可以使得其对应于k空间中的不同形状。但是，本文的k空间分析(一般使用FOV矩形或FOV正方形示出)也同样适用于k空间中的其它形状。
如图13J所示，FOV矩形1330在小盘1308b上居中并且完全位于小盘1308b内。FOV矩形1330的该位置对应于一组输入光束(例如，采取具有从图像源同轴或远心投射的配置)或大致沿着±z方向传播的一组输出光束(但该光束组在z轴上居中，所有光束——除了垂直于入射光瞳或出射光瞳的光束之外——都具有相对于±z方向的一定量的角度偏差)的k矢量。换言之，当FOV矩形1330在k空间图中的小盘1308b内时，它可以表示通过自由空间，从图像源传播到目镜波导的输入光束。它还可以表示从目镜波导传播到用户的眼睛的输出光束。FOV矩形1330内的每个k空间点对应于表示输入光束方向之一或输出光束方向之一的k矢量。为了使FOV矩形1330表示的输入光束在目镜波导内进行引导传播，必须将FOV矩形1330平移到k空间环1310。相反，为了使FOV矩形1330表示的输出光束离开目镜波导，必须将FOV矩形1330从k空间环1310平移回到小盘1308b。为了不从通过波导的传播引入几何分散和色散，输入光束的FOV矩形1330可以与输出光束的FOV矩形重合；在这种配置中，目镜波导从输入到输出均保持光束角度。
以下等式描述在某些目镜波导中可以实现的FOV：
Figure BDA0003168510820000381
FOVx＝max(θx,air)-min(θx,air)
Figure BDA0003168510820000382
如果FOV在θx＝0处水平置中，则常规目镜波导可能具有以下极值：
Figure BDA0003168510820000383
Figure BDA0003168510820000384
Figure BDA0003168510820000385
max(FOVx)对角频率的唯一依赖性源自波导折射率对角频率的依赖性，这在某些应用中可能是重要的细节，但通常具有相对较小的影响。
图13K是k空间图，其示出了由位于目镜波导的入射光瞳处的输入耦合光栅(ICG)引起的FOV矩形1330在k空间中的平移移位。ICG具有关联的衍射光栅矢量(G-1、G1)，如刚才关于图13G至13I所讨论的。ICG将由FOV矩形1330表示的每个输入光束衍射成+1衍射级和-1衍射级。在k空间中，输入光束向+1衍射级的衍射由通过G1光栅矢量在kx方向上移位的FOV矩形1330表示。类似地，在k空间中，输入光束向–1衍射级的衍射由通过G-1光栅矢量在-kx方向上移位的FOV矩形1330表示。
对于图13K所示的特定示例，平移后的FOV矩形太大，无法完全适配(fit)在k空间环1310内。这意味着目镜波导无法以引导传播模式支持FOV中的所有输入光束，无论是处于正衍射级还是负衍射级中，这是因为它们之间的角度扩展太大。与位于大盘1308之外的平移后的FOV矩形中的点对应的k矢量完全不会被ICG衍射，这是因为这些k矢量是不被允许的。(在这种情况下，这还将防止衍射成±2和更高的衍射级，因为与这些级相关的光栅矢量进一步更长，因此会在大盘1308a之外将k矢量平移得更远。)同时，如果在通过ICG平移之后平移后的FOV矩形的任一部分仍位于小盘1308b内，则对应于这些特定k矢量的光束将因为无法进行TIR而通过透射通过目镜波导的平面，从而离开该目镜波导，将不通过波导进行引导传播。
为了以引导模式支持由平移后的FOV矩形1330表示的更多输入光束而可以做出的一个可能的修改是增加目镜波导的折射率与周围介质的折射率之间的差异。这将增加大盘1308a的尺寸和/或减小小盘1308b的尺寸(如果波导不被空气包围，则可以减小小盘1308b的尺寸)，从而增加k空间环1310的尺寸。
具有正交光瞳扩展器的示例AR目镜波导
图14A示出了具有ICG区域1440、正交光瞳扩展器(OPE)区域1450和出射光瞳扩展器(EPE)区域1460的示例目镜波导1400。图14B包括k空间图，其示出了目镜波导1400的这些部件中的每一者在k空间中的作用。目镜波导1400的ICG区域1440、OPE区域1450和EPE区域1460包括各种衍射特征，这些衍射特征将输入光束向内耦合到目镜波导中以经由引导模式传播，在空间中的多个分布位置处复制光束，并使得复制光束从目镜波导出射并朝着用户的眼睛投射。
对应于输入图像的输入光束可以从一个或多个输入设备投射到目镜波导1400中。输入光束可以入射在ICG区域1440上，该区域可以与目镜波导1400的入射光瞳重合。用于投射输入光束的输入设备可以包括例如空间光调制投射器(相对于用户的脸部位于目镜波导1400的前面或后面)。在一些实施例中，输入设备可以使用液晶显示器(LCD)、硅上液晶(LCoS)、光纤扫描显示器(FSD)技术或扫描微机电系统(MEMS)镜显示器，但是也可以使用其它设备。来自输入设备的输入光束大致沿着所示例的-z方向以各种传播角度投射到目镜波导1400中，并从目镜波导的基板之外入射在ICG区域1440上。
ICG区域1440包括衍射特征，这些衍射特征重定向输入光束，使得输入光束经由全内反射在目镜波导1400内传播。在一些实施例中，ICG区域1440的衍射特征可以形成由许多线组成的一维周期性(1D)衍射光栅，这些线在所示例的y方向上竖直延伸并且沿着所示例的x方向水平地周期性重复。在一些实施例中，这些线可以被蚀刻到目镜波导1400的正面或背面中和/或由沉积在正面或背面表面上的材料形成。可以基于目镜波导1400被设计用于的光的角频率ω、所需的光栅衍射效率以及其它因素选择这些线的周期、占空比、深度、轮廓、闪耀角等。在一些实施例中，ICG区域1440被设计成主要将输入光耦合成+1和-1衍射级。(可以设计衍射光栅以减少或消除0衍射级和超过第一衍射级的更高衍射级。这可通过适当地调整每条线的轮廓形状来实现。然而，在AR显示器中的许多实际ICG中，所有较高衍射级对应于k空间环之外的k矢量。这些较高的衍射级将被禁止，无论诸如光栅占空比、深度和轮廓之类的非k空间属性为何。)然后，来自ICG区域1440的±1衍射级之一中的衍射光束大致沿着-x方向朝着OPE区1450传播，而±1衍射级中另一者中的衍射光束大致沿着+x方向传播，并从目镜波导1400出射。
OPE区域1450包括可以执行以下至少两个功能的衍射特征：第一，它们可通过在大致沿-x方向的许多新位置处对每个输入光束进行空间上的复制来执行光瞳扩展；第二，它们可以在大致朝着EPE区域1460的路径上引导每个复制光束。在一些实施例中，这些衍射特征是形成在目镜波导1400的基板之上或之中的线。这些线的周期、占空比、深度、轮廓和闪耀角等可以基于目镜波导1400被设计用于的光的角频率ω、所需的光栅衍射效率以及其它因素选择。OPE区域1450的具体形状可以改变，但是一般可以基于光束从ICG区域1440的扇出(fan out)以及EPE区域1460的大小和位置来确定。将关于图14D对此做出进一步讨论。
可以以相对较低和/或可变的衍射效率来设计OPE区域1450的衍射光栅。这些特性可以允许OPE区域1450复制从ICG区域1440到达的每个光束和/或在至少一个维度上更均匀地分布光能。由于衍射效率相对较低，光束与光栅的每次相互作用仅衍射光束的功率的一部分，而其余部分继续沿着相同的方向传播。(可用于影响光栅衍射效率的一些参数是线特征的高度和宽度，或者线特征与背景介质之间的折射率差值大小。)也就是说，当光束与OPE区域1450中的衍射光栅相互作用时，其功率的一部分将朝着EPE区域1460衍射，而其余部分将继续在OPE区域内传输，从而在不同空间位置处再次遇到光栅，在该位置处，光束的功率的另一部分可以朝着EPE区域1460衍射，以此类推。由于每个光束的功率的某些部分在朝着EPE区域1460衍射之前比其它部分在OPE区域1450中行进地更远，因此有很多复制的入射光束从-x方向上的不同位置朝着EPE区域行进。因此，在原始入射光束通过OPE区域1450传播的方向上，复制光束的空间范围有效地增加，而入射光束的强度相应地减小，这是因为组成输入光束的光现在被分为许多复制光束。
OPE区域1450中的衍射光栅相对于从ICG区域1440到达的光束倾斜地定向，以便大致朝着EPE区域1460衍射光束。OPE区域1450中的衍射光栅的具体倾斜角可以取决于目镜波导1400的各个区域的布局，并且可能在稍后在图14B中找到并讨论的k空间图中更清楚地看到。在目镜波导1400中，ICG区域1440位于OPE区域1450的右侧，而EPE区域1460位于OPE区域的下方。因此，为了将光从ICG区域1440重定向到EPE区域1460，可以使OPE区域1450的衍射光栅相对于所示例的x轴成大约45°取向。
图14C是图14A和14B所示的OPE区域1450的光学操作的三维示意图。图14C示出了ICG区域1440和OPE区域1450，这两个区域都位于波导的更靠近观看者的一侧。由于光栅线是微观的，因此无法看到它们。在这种情况下，示出了单个输入光束1401，但是图像由许多这样的沿着略微不同的方向传播通过目镜波导1400的输入光束组成。输入光束1401从ICG区域1440进入OPE区域1450。然后，输入光束1401经由全内反射继续传播通过目镜波导1400，在其表面之间来回重复反射。这在图14C中通过所示例的每个光束的传播中的之字形表示。
当输入光束1401与形成在OPE区域1450中的衍射光栅相互作用时，其功率的一部分朝着EPE区域衍射，而其功率的另一部分沿着通过OPE区域1450的同一路径继续。如上所述，这是部分地由于光栅的衍射效率较低。此外，朝着EPE区域衍射的光束可以再次遇到OPE区域1450的光栅，并且被衍射回到输入光束1401的原始传播方向。这些光束中的一些的路径在图14C中以箭头指示。效果是光的空间范围得到扩展，因为输入光束在传播通过OPE区域1450时被复制。从图14C中很明显地能看出这一点，该图示出了输入光束1401被复制为许多光束，这些光束最终大致沿-y方向朝着EPE区域行进。
同样，EPE区域1460包括可以执行以下至少两个功能的衍射特征：第一，它们可以沿另一方向(例如，与OPE区域1450复制光束的方向大致正交的方向)复制光束；第二，它们可以将每个光束朝着用户的眼睛衍射出目镜波导1400。EPE区域1460可以以与OPE区域1450相同的方式复制光束。即，当光束传播通过EPE区域1460时，它反复地与衍射光栅相互作用，并且其部分功率衍射成第一衍射级，从而朝着用户的眼睛向外耦合。光束功率的其它部分零级衍射并继续沿着相同的方向在EPE区域1460内传播，直到稍后再次与光栅相互作用。EPE区域1460的衍射光学特征还可以向复制的输出光束赋予一定程度的光焦度，以使复制的输出光束看起来源自期望的深度平面，如本文其它地方所讨论的。这可通过使用透镜功能将曲率赋予EPE区域1460中的衍射光栅的线来实现。
图14B示出了k空间中的目镜波导1400的操作。具体地，图14B包括用于目镜波导1400的每个部件的k空间图(KSD)，其示出该部件的k空间效应。k空间图中的FOV矩形和示出光通过目镜波导传播的相应方向的箭头具有匹配的阴影。第一k空间图KSD1示出了从输入设备入射在ICG区域1440上的输入光束的k空间表示。如已经讨论的，一组输入光束可以由FOV矩形1430在k空间中表示，该FOV矩形1430的kx和ky尺寸对应于输入光束在x和y方向上的角度扩展。KSD1中的FOV矩形中的每个特定点对应于与输入光束之一相关联的k矢量，其中kx分量表示输入光束在x方向上的传播角度，而ky分量表示输入光束在y方向上的传播角度。更准确地说，kx＝sin(θx)，其中θx是输入光束和y-z平面形成的角度，而ky＝sin(θy)，其中θy是输入光束和x-z平面形成的角度。KSD1中的FOV矩形以该图的kz轴为中心这一事实意味着，所表示的输入光束具有以在-z方向上传播的输入光束为中心的传播角度，因此所有输入光束大致沿着-z方向传播。(尽管此处未示出，但是本文描述的任何波导显示器也可以针对相对于±z方向离轴的FOV设计。)
第二k空间图KSD2示出了ICG区域1440的k空间操作。如已经讨论的，衍射光栅具有关联的光栅矢量(例如，G1、G-1)。KSD2示出了G1光栅矢量和G-1光栅矢量，这些矢量的大小相等，并且沿ICG的周期性轴方向相反。ICG区域1440将输入光束衍射成±1衍射级。而且，在k空间中，这意味着ICG通过使用G1光栅矢量和G-1光栅矢量两者平移FOV矩形而将该FOV矩形复制到两个新位置。在所示的实例中，基于输入光束的角频率ω将ICG设计成具有周期Λ，使得光栅矢量G1、G-1的大小将复制的FOV矩形完全置于波导的k空间环内。因此，所有衍射的输入光束进入引导传播模式。
以在-kx轴上的点(k空间环内的9点钟位置)为中心的FOV矩形副本指示相应的衍射光束具有以这样的光束为中心的传播角度：该光束在目镜波导1400的平面内的传播分量沿-x方向。因此，所有这些光束在经由TIR在目镜波导1400的正面和背面之间来回反射的同时，大致朝着OPE区域1450传播。同时，以+kx轴上的点(k空间环内的3点钟位置)为中心的FOV矩形副本指示相应的衍射光束具有以这样的光束为中心的传播角度：该光束在目镜波导1400的平面内的传播分量沿+x方向。因此，所有这些光束在经由TIR在目镜波导1400的正面和背面之间来回反射的同时，大致朝着目镜波导1400的右边缘传播。在该特定的目镜波导1400中，这些光束通常会丢失并且不会有意义地帮助朝着用户的眼睛投射图像。
KSD2未示出作为所示的一阶(first-order)光栅矢量G1、G-1的倍数的高阶光栅矢量。ICG不会将光束衍射成这些衍射级，因为在这种情况下，这样做会使组成FOV矩形的k矢量平移到限定允许的k矢量的k空间盘的外周之外。因此，该实施例中不会出现更高的衍射级。
第三k空间图KSD3示出了OPE区域1450的k空间操作。再次，由于OPE区域1450包括衍射光栅，因此它具有关联的光栅矢量(例如，G1、G-1)，这些矢量的大小相等，并且沿OPE光栅的周期性轴方向相反。在这种情况下，衍射光栅的周期性轴相对于x轴成45°角。因此，OPE衍射光栅的光栅矢量(例如，G1、G-1)指向相对于kx轴的45°角。如KSD3所示，光栅矢量之一将FOV矩形平移到以–ky轴上的点(k空间环内的6点钟位置)为中心的新位置。该FOV矩形副本指示相应的衍射光束具有以这样的光束为中心的传播角度：该光束在目镜波导1400的平面内的传播分量沿着-y方向朝着EPE区域1460。同时，其它所示的OPE光栅矢量将FOV矩形置于k空间盘外周之外的位置。但是，该盘之外的k矢量是不被允许的，因此OPE衍射光栅不会将光束衍射成该衍射级。OPE区域1450中的衍射光栅的周期性轴不必一定精确地是45°。例如，通过观察KSD3可以看出，周期性轴可以处于稍大于或小于45°的角度，同时仍将FOV矩形平移到6点钟位置，在该位置，FOV矩形可以完全适配在k空间环内。这会将FOV矩形置于6点钟的位置，但是FOV矩形不必沿–ky轴在k空间环中居中。
在所示的实例中，基于输入光束的角频率ω将OPE衍射光栅设计成具有周期Λ，使得光栅矢量G1、G-1之一将复制的FOV矩形完全置于波导的k空间环内的6点钟位置处。因此，所有衍射的输入光束都保持在引导传播模式下。由于从k空间环中的9点钟位置到6点钟位置的k空间距离(即，由OPE光栅执行的平移)大于从k空间图原点到环的距离(由ICG执行的平移)，因此OPE光栅矢量必须在大小上不同于ICG光栅矢量。特别地，OPE光栅矢量比ICG光栅矢量长，这意味着OPE光栅因此具有比ICG光栅短的周期Λ。
第四k空间图KSD4示出了EPE区域1460的k空间操作。同样，由于EPE区域1460包括衍射光栅，因此它具有关联的光栅矢量(例如，G1、G-1)，这些矢量的大小相等，并且沿EPE光栅的周期性轴方向相反。在这种情况下，衍射光栅的周期性轴沿目镜波导1400的y轴。因此，EPE衍射光栅的光栅矢量(例如，G1、G-1)指向±ky方向。如KSD4所示，光栅矢量之一将FOV矩形平移到以k空间图的原点为中心的新位置。该FOV矩形副本指示相应的衍射光束具有以这样的光束为中心的传播角度：该光束在目镜波导1400的平面内的传播分量沿﹢z方向朝着用户的眼睛。同时，其它一阶EPE光栅矢量将FOV矩形置于k空间盘的外周之外的位置，使得EPE衍射光栅不会将光束衍射成该衍射级。然而，二阶EPE光栅矢量之一将FOV矩形平移到k空间环中的12点钟位置。因此，EPE光栅可以将一些光衍射成第二衍射级之一。第二级衍射方向可以对应于沿+y方向的引导传播方向，并且通常是不希望的效应。例如，如下所述，当扰动EPE光栅以引入光焦度时，第二级衍射可导致视觉伪影，从而在呈现给用户的图像中产生眩光(flare)或拖尾效应(flare)。
在所示的实例中，基于输入光束的角频率ω将EPE衍射光栅设计成具有周期Λ，使得光栅矢量G1、G-1之一将复制的FOV矩形完全置于波导的k空间内盘内。因此，由EPE衍射光栅衍射的所有光束不再处于引导传播模式，因此离开目镜波导1400。此外，由于EPE衍射光栅将FOV矩形平移回到k空间图的原点(与输入光束对应的FOV矩形所在的位置)，输出光束具有与其对应的输入光束相同的传播角度。在所示的实施例中，EPE衍射光栅具有与ICG相同的周期Λ，因为这两个衍射光栅都将FOV矩形平移相同的k空间距离。然而，这不是必需的。如果FOV矩形的ky尺寸小于6点钟位置的k空间环的ky尺寸，则FOV矩形可以具有一系列可能的6点钟位置，它们位于环内的不同ky位置处。因此，对于EPE光栅矢量(进而对于OPE矢量)，可能有多种设计选择，以将FOV矩形置于k空间环内的多个位置和/或k空间图的原点附近。
在一些实施例中，EPE衍射光栅的线可以稍微弯曲，以便将光焦度赋予从EPE区域1460离开的输出光束。例如，EPE区域1460中的衍射光栅的线可以在波导的平面中朝着OPE区域弯曲以赋予负光焦度。这可用于例如使输出光束遵循发散路径，如图12B所示。这导致投影的图像看起来位于比光学无限远更近的深度平面处。该特定曲率可由透镜功能确定。在k空间中，这意味着EPE区域1460内的不同空间区域具有指向稍微不同的方向的光栅矢量，所指方向具体取决于该特定区域中光栅线的曲率。在这些实施例中，这使得FOV矩形平移到以k空间图的原点为中心的各种不同位置。这进而导致与每个平移后的FOV矩形对应的多个输出光束组以不同的传播角度为中心，这进而导致深度错觉。
图14D示出了用于确定OPE区域1450和EPE区域1460的大小和形状的技术。图14D示出了图14A和14B所示的相同目镜波导1400，包括ICG区域1440、OPE区域1450和EPE区域1460。图14D还包括k空间图KSD1、KSD2和KSD3的简化版本。参考第一k空间图KSD1，FOV矩形的四个拐角k矢量是与以相对于输入平面内图像的拐角的最倾斜角度入射在ICG上的输入光束对应的矢量(请参见图12A和12B)。由于这些输入光束的传播角度是视场中所有输入光束的传播角度的最极端，因此其k矢量位于k空间中FOV矩形的四个拐角处。
图14D示出了限定来自ICG区域1440的四个衍射光束的射线，这四个衍射光束对应于输入图像的四个拐角。特别地，OPE区域1450的顶部附近的射线限定与沿着向上和远离OPE区域的方向，以最严格的传播角度入射在ICG区域1440上的输入光束对应的衍射光束(即，位于FOV矩形右上角的k矢量)。而且，OPE区域1450的底部附近的射线限定与沿着向下和远离OPE区域的方向，以最严格的传播角度入射在ICG区域1450上的输入光束对应的衍射光束(即，位于FOV矩形右下角的k矢量)。这两个光束限定衍射光束从ICG区域1440的扇出。为了创建这两个光束及其之间的所有其它光束的复制实例，并将它们投射到用户的眼睛，OPE区域的顶部和底部边界应该包括这两个光束的传播路径。这两个光束的具体传播路径可以参考第二k空间图KSD2确定。
KSD2示出了所产生的从ICG区域1440朝着OPE区域1450衍射的光束的k矢量。KSD2中的箭头示出了与位于FOV矩形右上角的k矢量对应的光束的传播角度。
EPE区域1460的大小、形状和位置可通过使用从第三k空间图KSD3中的k矢量可以明显看出的传播角度执行向后光线追踪来确定。从KSD3可以明显看出，FOV矩形的左上角和右上角k矢量限定当光束沿着从OPE区域1450朝着EPE区域1460的方向传播时遵循的传播路径的扇出。通过使用这些传播角度从EPE区域1460的距OPE区域1450最远的部分(即，EPE区域的下角)向后追踪，可以确定以由左上角和右上角k矢量限定的传播角度到达EPE区域的下角的光线在OPE区域中的起点。这些光线的起点可用于确定OPE区域1450的其余边界。例如，为了将光束从OPE区域1450引导到EPE区域1460的左下角，最坏情况传播角度是由FOV矩形的右上角k矢量指示的传播角度。因此，具有该角度的传播路径可用于限定OPE区域1450的左边界。类似地，为了将光束从OPE区域1450引导到EPE区域的右下角，最坏情况传播角度是由FOV矩形的左上角k矢量指示的传播角度。因此，具有该角度的传播路径可用于限定OPE区域1450的右边界。
如图14D所示，在所示的目镜波导1400的情况下，EPE区域1460位于从ICG区域1440开始的-x和-y方向上。而且，一些衍射光束沿着这些相同方向上的路径从ICG区域1440扇出。为了避免这些衍射光束在首先传播通过OPE区域1450之前进入EPE区域，可以将ICG区域1440定位在+y方向上距离EPE区域足够远的位置，以使衍射光束的扇出不与EPE区域1460相交。这导致在EPE区域1460的上边界与OPE区域1450的下边界的很大部分之间存在间隙。在一些实施例中，可能希望通过去除或减小该间隙来减小目镜波导的尺寸。图15A示出了实现这些目标的示例实施例。
图15A示出了波导目镜1500的示例实施例，其中，OPE区域1550倾斜并被定位成使得其下边界平行于EPE区域1560的上边界。事实上，OPE区域1550和EPE区域1560可以实际共享边界。根据该实施例，通过减小或消除图14A所示的目镜波导实施例中的OPE和EPE区域之间的间隙，可以使波导目镜1500的尺寸更加紧凑。
为了适应OPE区域1550的倾斜取向，可以修改ICG区域1540，使得衍射光束从ICG区域的扇出发生倾斜以匹配OPE区域1550的倾斜取向。例如，ICG区域1540的光栅线可以被定向成使得没有衍射光束沿着具有-y方向分量的传播方向离开ICG区域。另外，ICG区域1540可以被定位在OPE区域1550和EPE区域1560的共享边界附近，但是使得ICG区域的任何部分都不在-y方向上延伸超出该共享边界。ICG区域1540的操作可以在图15B所示的k空间图中看到。
图15B包括k空间图，其示出了图15A所示的目镜波导1500的操作。第一k空间图KSD1示出了与从位于目镜波导1500之外的投射器朝着ICG区域1540投射的输入光束对应的FOV矩形。在所示的实施例中，这些输入光束具有以-z方向为中心的传播角度。因此，在k空间中，可以用以KSD1的原点处的kz轴为中心的FOV矩形表示这些输入光束。
第二k空间图KSD2示出了ICG区域1540对输入光束的操作。ICG区域1540衍射输入光束并将其重定向到OPE区域1550。在k空间中，这对应于使用与ICG区域1540相关联的光栅矢量来平移FOV矩形。在该实施例中，ICG区域1540中的光栅线通过在+y方向上具有分量的周期性轴取向。这意味着与ICG 1540相关联的光栅矢量在+ky方向上也有分量。该分量在+ky方向上的大小可以大于或等于ky方向上的FOV矩形宽度的一半。这意味着在被ICG区域1540平移之后，FOV矩形的任何部分都没有在k空间图KSD2的水平轴下方延伸。进而，这意味着来自ICG区域1540的所有衍射光束都不具有在-ky方向上有分量的传播角度。因此，没有任何衍射光束从ICG区域1540朝着EPE区域1560向下传播。因此，没有任何衍射光束在传播通过OPE区域1550之前进入EPE区域1560。
第三k空间图KSD3示出了OPE区域1550对来自ICG区域1540的衍射光束的操作。如图所示，OPE区域1550的衍射光栅可以被定向，以便以与平移到稍微偏离k空间环中的6点钟位置的位置的FOV矩形对应的角度重定向光束。例如，KSD3中平移后的FOV矩形从k空间环中的6点钟位置偏离的角度可以与KSD2中平移后的FOV矩形从9点钟位置偏离的角度相同。换句话说，KSD3中平移后的FOV矩形可以与KSD2中平移后的FOV矩形相隔90°。然而，这种特定角距(angular separation)并非必需的；每个FOV矩形的具体位置可以取决于目镜波导的各个区域相对于彼此的布局。
由于KSD3中平移后的FOV矩形以在-kx方向上具有分量的k矢量为中心，因此来自OPE区域1550的光束通常以在-x方向上具有分量的角度朝着EPE区域1560传播。从图15A可以看出，由于该角度，来自OPE区域1550的尖端部1555的一些光束将不与EPE区域1560相交。由于OPE区域1550的尖端部1555可以向EPE区域1560贡献相对较小部分的光，因此，消除上尖端1555的尺寸优点可大于任何光学缺点。因此，在一些实施例中，通过消除OPE区域1550的上尖端1555，可以使波导目镜1500进一步更加紧凑。
最后，第四k空间图KSD4示出了EPE区域1560具有被设计成将FOV矩形平移回到k空间图的原点的衍射光栅。由于图15A所示的目镜波导实施例的KSD4中的FOV矩形的起始位置与图14A所示的目镜波导实施例的KSD4中的FOV矩形的起始位置略有不同，因此EPE区域1560中的衍射光栅的设计也略有不同。例如，可以使EPE区域1560中的衍射光栅的光栅线的取向倾斜，使得关联的光栅矢量在+kx方向上具有分量，从而，OPE区域1550不需要延伸超出EPE区域1560的左边缘(请参见图14D的讨论，并将图14D的KSD3中的右上角k矢量的位置与图15B的KSD3中的对应k矢量的位置进行比较)。这导致图15B的KSD4中的FOV矩形被平移回到k空间图的原点，这意味着由平移后的FOV矩形表示的光束以与其相应的输入光束相同的传播角度从目镜波导1500朝着用户的眼睛向外耦合，本文已经对此进行了描述(即，表示输出光束的FOV矩形与表示输入光束的FOV矩形位于k空间图的同一位置)。
图15C是另一k空间图，其示出了图15A所示的目镜波导1500的操作。图15C的k空间图是图15B所示的所有k空间图的叠加。而且，它还示出了传播通过OPE区域1550的光束可以在大致沿着-kx方向的传播角度(由位于k空间环的9点钟位置附近的FOV矩形表示)与大致沿着-ky方向的传播角度(由位于k空间环的6点钟位置附近的FOV矩3形表示)之间来回切换。这是通过光栅矢量示出的，该光栅矢量在位于k空间环的9点钟位置附近的FOV矩形与位于6点钟位置附近的FOV矩形之间具有双向箭头。图15D至15F更详细地示出了这种行为。
图15D是输入光束与图15A所示的目镜波导实施例的OPE区域1550之间的第一代相互作用的图。目镜波导1500的OPE区域1550包括由在周期性方向上重复的平行光栅线组成的衍射光栅。周期性方向确定与衍射光栅相关联的光栅矢量的方向。在这种情况下，具有图15C中的双向箭头的光栅矢量是示出了OPE区域1550的操作，并且沿着图15D至15F所示的光栅线的周期性方向指向的光栅矢量。
图15D示出从ICG区域1540进入OPE区域1550的输入光束。该输入光束被示出为沿着与位于图15C的k空间环的9点钟位置附近的FOV矩形的中心点或k矢量对应的方向传播。如图所示，输入光束与OPE区域1550之间的第一代相互作用产生两个衍射的输出光束：输入光束的功率的某个部分作为输出1仅从目镜波导1500的顶面或底面反射，并继续沿着与输入光束相同的x-y方向传播(即，零级衍射)；输入光束的功率的某个部分作为输出2向下衍射成第一级(例如，通过OPE区域的一阶光栅矢量G1)。输出2光束被示出为沿着与位于图15C的k空间环的6点钟位置附近的FOV矩形的中心点或k矢量对应的方向传播。在该第一代相互作用之后，输出1光束和输出2光束具有不同的传播角度，但是它们二者仍在OPE区域1550内传播，并且因此可以与OPE区域进行其它相互作用，如图15E和15F所示。尽管未示出，但是以不同的传播角度进入OPE区域1550的其它输入光束将具有类似的行为，但是输入和输出角度稍微不同。
图15E是输入光束与图15A所示的目镜波导实施例的OPE区域1550之间的第二代相互作用的图。与第一代相互作用有关的光束以虚线示出，而与第二代相互作用有关的光束以实线示出。如图15E所示，来自第一代相互作用的每个输出光束输出1和输出2现在可以经历与在第一代发生的类似的与OPE区域1550的相互作用。即，来自图15D的输出1光束的功率的某个部分仅继续沿着相同的x-y方向传播(即，零级衍射)，而该光束的功率的另一部分与光栅相互作用并被向下重定向(例如，通过OPE区域的一阶光栅矢量G1)。类似地，来自图15D的输出2光束的功率的某个部分仅继续向下朝着EPE区域1560传播(即，零级衍射)，而该光束的功率的另一部分与光栅相互作用并大致沿着-x方向衍射(例如，通过OPE区域的负一阶光栅矢量G-1)，并沿着与初始输入光束相同的方向进一步继续传播到OPE区域1550中。
在OPE区域1550内发生第二代相互作用之后，存在干涉节点1556，在该干涉节点处，两个所产生的光束相交。这些光束中的每一者到达干涉节点1556所遵循的光路的长度基本相同。因此，以相同方向传播的离开干涉节点1556的光束可以具有相同或相似的相位，因此可以经历彼此相长或相消的波干涉。这可导致下文讨论的图像伪影。
图15F是输入光束与图15A所示的目镜波导实施例的OPE区域1550之间的第三代相互作用的图。与第一代和第二代相互作用有关的光束以虚线示出，而与第三代相互作用有关的光束以实线示出。如图15F所示，由第二代相互作用产生的每个输出光束可以再一次经历与在前面各代发生的类似的与OPE区域1550的相互作用。这些光束的功率的某些部分沿着相同的方向继续传播(即，零级衍射)，而这些光束的功率的其它部分被重定向：一些大致沿着-x方向，一些大致沿着-y方向被重定向(即，通过OPE区域的一阶光栅矢量G1和G-1)。大致沿着-x方向传播的所有光束处于由位于图15C的k空间图中的k空间环的9点钟位置附近的FOV矩形表示的状态；而大致沿着-y方向传播的所有光束处于由位于6点钟位置附近的FOV矩形表示的状态。从图15C中可以看出，对于OPE区域1550由1D周期性衍射光栅组成的情况，对于任何给定的输入光束，对应于该输入光束的复制光束仅在OPE区域内沿着两个方向行进(尽管这两个方向对于以不同传播角进入OPE区域的不同输入光束而言是不同的)。
与OPE区域的第三代相互作用导致产生另外的干涉节点1556，在这些干涉节点处，具有相同或相似光路长度的光束彼此相交，可能导致相长或相消的波干涉。每个节点1556用作朝着EPE区域1560发射的光源。在OPE区域由具有1D周期性的衍射光栅组成的情况下，这些节点1556的布局形成均匀的网格(lattice)图案，因此会得到图15G所示的图像伪影。
图15G是示出来自ICG区域1540的单个输入光束1545如何通过OPE区域1550被复制以及如何作为多个光束1565被重定向到EPE区域1560的图。被示出为朝着EPE区域1560或在EPE区域1560中传播的每个复制光束1565源自干涉节点1556之一。这些干涉节点具有有序分布并且用作稀疏的周期性源阵列。由于干涉节点1556的有序分布，照射EPE区域的复制光束1565全部被相同的间隔隔开，尽管光束可以具有非单调变化的强度。因此，来自OPE区域1550的复制光束1565可以以相对稀疏、不均匀的分布照射EPE区域1560。在一些实施例中，如果照射目镜波导的EPE区域的复制光束可以更均匀地分散，则是有益的。图16示出了这样的实施例。
具有多向光瞳扩展器的示例AR目镜波导
图16A示出了示例目镜波导1600，其具有多方向光瞳扩展器(MPE)区域1650，而非OPE区域。在宏观层面上，所示的目镜波导1600的实施例类似于图15A所示的目镜波导1500。输入光束通过ICG区域1640而被耦合到目镜波导1600中。来自ICG区域1640的衍射光束朝着MPE区域1650传播并传播通过MPE区域1650，MPE区域1650取代OPE区域。最终，MPE区域1650朝着EPE区域1660衍射光束，在EPE区域1660处，这些光束朝着用户的眼睛向外耦合。ICG区域1640和EPE区域1660可以被设计成以与关于图15A至15G描述的目镜波导1500中的对应区域相同的方式起作用。然而，MPE区域1650与OPE区域1550的不同之处在于，MPE区域1650在更多方向上衍射光。该特征可以有利地降低EPE区域1660中的光束分布的周期性均匀度，进而可以导致EPE区域被更均匀地照射。
MPE区域1650由在多个方向上表现出周期性的衍射特征组成。MPE区域1650可以由以2D网格布置的散射特征的阵列组成。各个散射特征可以是例如任何形状的凹陷或突起。散射特征的2D阵列具有关联的光栅矢量，这些光栅矢量从该2D网格的倒易网格得到。作为一个示例，MPE区域1650可以是2D周期性衍射光栅，其由具有沿着两个或更多个不同的周期性方向重复的光栅线的交叉光栅组成。这可通过叠加两个具有不同周期性方向的1D光栅来实现。
图16B示出了可以在图16A所示的MPE区域1650中使用的示例2D周期性光栅的一部分及其关联的光栅矢量。2D周期性光栅1650可以是衍射特征的空间网格，这些衍射特征的周期性方向由矢量u和v示出。这种2D周期性光栅与光栅矢量相关联。对应于周期性方向u和v的两个基本光栅矢量G和H在数学上由下式定义：
u＝[ux,uy]
Figure BDA0003168510820000533
Figure BDA0003168510820000531
Figure BDA0003168510820000532
在数学上，矢量u和v定义空间网格，而G和H对应于基本对偶格矢或倒格矢。请注意，G与u正交，H与v正交；然而，u不一定平行于H，v不一定平行于G。
作为一个示例，可通过叠加两组1D周期性光栅线来设计或形成2D周期性光栅，如图16B所示(尽管2D周期性光栅可以替代地由位于例如图16B所示的光栅线的交点处的各个散射特征组成)。第一组光栅线1656可以沿着基本光栅矢量G的方向重复。基本光栅矢量G可以具有等于2π/a的大小，其中a是第一组光栅线1656的周期。图16B所示的2D光栅也与第一基本光栅矢量G的谐波相关联。这些谐波包括-G和更高阶的谐波，例如2G、-2G等。第二组光栅线1657可以沿着基本光栅矢量H的方向重复。基本光栅矢量H可以具有等于2π/b的大小，其中b是第二组光栅线1657的周期。图16B所示的2D光栅也与第二基本光栅矢量H的谐波相关联。这些谐波包括-H和更高阶的谐波，例如2H、-2H等。
衍射特征的任何2D周期性阵列都具有关联的光栅矢量，这些光栅矢量对应于整个倒易网格，并且指向由基本光栅矢量G和H的整数线性组合(叠加)确定的方向。在所示的实施例中，这些叠加导致也在图16B中示出的另外的光栅矢量。这些光栅矢量包括例如-G、-H、H+G、H-G、G-H和-(H+G)。通常，用两个指数描述这些矢量：(±1,0)、(0,±1)、(±1,±1)、(±2,0)等。尽管图16B仅示出了与2D衍射光栅相关联的一阶光栅矢量及其叠加，但是也可以存在更高阶的光栅矢量。
如本文其它地方已经讨论的，光栅对组成图像的一组光束的k空间操作是使用与光栅相关联的光栅矢量来平移对应于图像的FOV矩形。这在图16C和16D中示出，用于图16B所示的示例2D MPE衍射光栅。
图16C是k空间图，其示出了图16A所示的目镜波导1600的MPE区域1650的k空间操作。该k空间图包括位于k空间环的9点钟位置附近的带阴影的FOV矩形。这是在ICG区域1640已将输入光束耦合到目镜波导1600中并将其重定向到MPE区域1650之后的FOV矩形的位置。图16C示出了MPE区域1650中的2D光栅如何使用图16B所示的光栅矢量平移FOV矩形。由于存在八个光栅矢量(G、H、-G、-H、H+G、H-G、G-H和-(H+G))，因此MPE区域1650尝试将FOV矩形平移到八个可能的新k空间位置。这八个可能的k空间位置中的六个落在k空间图的外周之外。这些位置以不带阴影的FOV矩形示出。由于不允许k空间图的边界之外的k矢量，因此这六个光栅矢量均不会导致衍射。然而，存在两个导致FOV矩形平移到k空间图的边界内的新位置的光栅矢量(即，-G和-(H+G))。其中一个位置位于k空间环中的6点钟位置附近，另一位置位于2点钟位置附近。由于这些位置处的k矢量被允许并确实导致了引导传播模式，因此这些位置处的FOV矩形被阴影化以指示光束被衍射成这两种状态。因此，以由位于k空间环的9点钟位置附近的FOV矩形指示的传播角度进入MPE区域1650的光束的功率被部分地衍射成由其它两个带阴影的FOV矩形(即，位于2点钟位置附近的FOV矩形和位于6点钟位置附近的FOV矩形)指示的两种状态。
图16D是k空间图，其进一步示出了图16A所示的目镜波导1600的MPE区域1650的k空间操作。该特定的k空间图示出了MPE区域1650对处于由位于k空间环的2点钟位置附近的FOV矩形示出的传播状态的光束进行的操作。再次地，MPE区域1650中的2D衍射光栅尝试将这些光束衍射成由其八个关联的光栅矢量指定的衍射级。如图所示，光栅矢量中的六个会将FOV矩形平移到k空间图边界之外的位置。因此，这些衍射级不会发生。这些位置由不带阴影的FOV矩形示出。然而，光栅矢量中的两个(即，H和H-G)将FOV矩形平移到k空间图边界内的位置。这些位置由位于k空间环的9点钟位置附近和位于6点钟位置附近的带阴影的FOV矩形示出。因此，MPE区域1650中的2D衍射光栅将沿着由位于k空间环的2点钟位置附近的FOV矩形指示的方向传播的光束的功率部分地衍射成由其它两个带阴影的FOV矩形(即，位于9点钟位置附近的FOV矩形和位于6点钟位置附近的FOV矩形)指示的两种状态。
尽管未示出，但是可以绘制类似的k空间图以示出MPE区域1650对以由位于k空间环的6点钟位置附近的FOV矩形所指示的传播角度行进的光束的k空间操作。该k空间图将示出MPE区域1650中的2D周期性衍射光栅将这些光束的功率部分地衍射成由位于k空间环的9点钟位置附近和2点钟位置的两个带阴影的FOV矩形指示的两种状态。
图16E是示出图16A所示的目镜波导1600的k空间操作的k空间图。如已经提到的，目镜波导1600可以接收大致沿着-z方向传播并从外部源入射在波导1600的ICG区域1640上的输入光束。这些输入光束由以k空间图的原点处的kz轴为中心的FOV矩形表示。然后，ICG区域1640衍射输入光束，以使它们被引导并具有以这样的传播方向为中心的传播角度：该传播方向对应于位于k空间环的9点钟位置附近的FOV矩形的中心点。
被引导的光束进入MPE区域1650，在该区域它们可以具有多次相互作用。在每一代相互作用期间，每个光束的功率的一部分可以零级衍射并且沿着相同的方向继续传播通过MPE区域1650。例如，在第一代相互作用中，该零级衍射对应于光束的功率的一部分停留在由位于k空间环的9点钟位置附近的FOV矩形指示的状态。光束的功率的其它部分可以沿着新方向衍射。另外，在第一代相互作用中，这产生相应的衍射光束，这些衍射光束的衍射角度以与位于k空间环的2点钟位置附近的FOV矩形的中心点对应的传播方向，以及与位于6点钟位置附近的FOV矩形的中心点对应的传播方向为中心。
只要光束仍保留在MPE区域1650中，光束便可以经历更多的相互作用，每一次相互作用导致光束的部分功率零级衍射并且沿着相同的方向继续传播，或者沿着新方向衍射。这导致在空间上分布的多个衍射光束组，这些衍射光栅组具有以图16E所示的k空间环中的FOV矩形的中心点指示的每个传播方向为中心的传播角度。这种行为由k空间环中的每对FOV矩形之间的双向箭头表示。
当任何给定的输入光束在MPE区域1650内传播时，它被分为许多衍射光束，这些衍射光栅只能沿着三个允许的方向行进——每个方向由图16E中k空间图的环中的FOV矩形内的相应k矢量或点限定。(对于在MPE区域1650内传播的任何输入光束，情况都是如此。然而，根据每个初始输入光束进入MPE区域1650的传播角度，三个允许的方向将稍有不同。)并且，由于在与MPE区域1650进行任何次数的相互作用之后，任何给定的输入光束的部分功率被衍射到相同的三个传播方向中的任一方向中，因此在这些相互作用中保留图像信息。
存在与对于每个输入光束具有三个允许的传播方向的MPE区域1650(这与OPE区域1550的两个允许的传播方向相反)相关联的优点。这些优点将在下面进一步讨论，但是现在只要这样说就够了：MPE区域1650中数量增加的传播方向可导致MPE区域1650内的干涉节点分布更加复杂，进而可以提高EPE区域1660中照射的均匀性。
应当理解，图16E示出了MPE区域1650的一个示例实施例的k空间操作。在其它实施例中，MPE区域1650可以被设计成使得每个输入光束可以在MPE区域内沿着多于三个方向衍射。例如，在一些实施例中，MPE区域1650可以被设计成允许每个输入光束沿着4个方向、5个方向、6个方向、7个方向、8个方向等衍射。如已经讨论的，MPE区域1650中的衍射特征可以被设计成提供光栅矢量，这些光栅矢量将FOV矩形复制到k空间环中对应于选定衍射方向的位置。另外，MPE区域1650中的衍射特征可以被设计成具有对应于光栅矢量大小的周期，所述周期导致这些FOV矩形的副本完全位于k空间环内(并且使得其它尝试的FOV矩形的副本完全位于k空间图的外周之外)。
在一些实施例中，MPE区域1650内的给定光束的每个允许的传播方向之间的角距为至少45度。如果任何一对选定方向之间的角距小于该量，则需要将MPE区域1650中的衍射特征设计成提供光栅矢量，以在k空间环中进行那些角度变换；由于角距较小，这样的光栅矢量与k空间环的尺寸相比相对较短。这使得基本MPE光栅矢量的叠加更有可能创建仅部分地位于k空间环内的FOV矩形的副本，这可能导致图像信息丢失(如果不仔细执行，如本文将进一步讨论的)。另外，如果MPE区域1650中的任何一对允许的传播方向之间的角距变得太小，则所产生的相对较短的光栅矢量还会使得光栅矢量叠加更有可能创建部分地位于k空间图的中心盘内的FOV矩形的副本。这将是不希望的，因为可能导致光从指定的EPE区域1660之外的位置，从目镜波导1600朝着用户的眼睛向外耦合光。
当确定MPE区域1650内的允许的传播方向时，可以遵循各种设计准则。例如，可以选择允许的传播方向，使得一个传播方向对应于从ICG区域1640到MPE区域1650的方向。另外，可以选择允许的传播方向，使得只有一个传播方向导致沿着该方向从MPE区域1650内的位置传播的光束与EPE区域1660相交。这确保对应于每个输入光束的复制光束以相同的传播角度进入EPE区域1660。另外，可以选择MPE区域1650内的允许的传播方向，使得FOV矩形不重叠。FOV矩形的重叠可引起来自不同图像点的图像信息混合，并会导致伪影。
图16F是输入光束与图16A所示的目镜波导实施例的MPE区域1650之间的第一代相互作用的图。图16F示出了从ICG区域1640进入MPE区域1650的输入光束。该输入光束被示出为沿着与位于图16E的k空间环的9点钟位置附近的FOV矩形的中心点或k矢量对应的方向传播。
MPE区域1650可以包括许多小于1μm的特征。在与MPE区域的每次相互作用中，直径约1mm的输入光束将分为在TIR中沿着3个不同方向传播的3个光束(直径相同，但是具有输入光束的原始功率的一部分)。一个方向对应于零级衍射，并且是波导平面内的原始传播角度。其它两个方向取决于MPE区域1650的光栅矢量G和H。如图所示，输入光束与MPE区域1650之间的第一代相互作用产生三个光束：输入光束的功率的某个部分作为输出1仅从目镜波导1600的顶面或底面反射，并继续沿着与输入光束相同的x-y方向传播(即，零级衍射)；输入光束的功率的某个部分与MPE区域1650中的2D光栅相互作用，并作为输出2向下衍射；并且输入光束的功率的某个部分与光栅相互作用并作为输出3向上向右衍射。输出2光束被示出为沿着与位于图16E中的k空间环的6点钟位置附近的FOV矩形的中心点或k矢量对应的方向传播，而输出3光束被示出为沿着与位于2点钟位置附近的FOV矩形的中心点或k矢量对应的方向传播。在该第一代相互作用之后，输出1光束、输出2光束和输出3光束具有不同的传播角度，但是它们仍在MPE区域1650内传播，并且因此可以具有与MPE区域的另外的相互作用，如图16G至16I所示。尽管未示出，但是以不同的传播角度进入MPE区域1650的其它输入光束将具有类似的行为，但是输入和输出角度稍微不同。
图16G是输入光束与图16A所示的目镜波导实施例的MPE区域1650之间的第二代相互作用的图。与第一代相互作用有关的光束以虚线示出，而与第二代相互作用有关的光束以实线示出。如图16G所示，来自第一代相互作用的每个输出光束输出1、输出2和输出3现在可以经历与在上一代发生的类似的与MPE区域1650的相互作用。即，来自图16F的输出1光束的功率的某个部分仅继续沿着相同的x-y方向传播，而该光束的功率的另一部分与光栅相互作用并沿着与位于6点钟位置附近的FOV矩形对应的方向衍射，该光束的功率的又一部分与光栅相互作用并沿着与位于2点钟位置附近的FOV矩形对应的方向衍射。类似地，来自图16F的输出2光束的功率的某个部分仅继续朝着EPE区域1660传播，而该光束的功率的另一部分与光栅相互作用并沿着由位于9点钟位置附近的FOV矩形指示的方向衍射，并且该光束的功率的又一部分与光栅相互作用并沿着与位于2点钟位置附近的FOV矩形对应的方向衍射。此外，来自图16F的输出3光束的功率的某个部分仅沿着由位于2点钟位置附近的FOV矩形指示的方向继续，而该光束的功率的另一部分与光栅相互作用并沿着由位于9点钟位置附近的FOV矩形指示的方向衍射，并且该光束的功率的又一部分与光栅相互作用并沿着与位于6点钟位置附近的FOV矩形对应的方向衍射。
图16H是输入光束与图16A所示的目镜波导实施例的MPE区域1650之间的第三代相互作用的图。与第一代和第二代相互作用有关的光束以虚线示出，而与第三代相互作用有关的光束以实线示出。如图16H所示，由第二代相互作用产生的每个输出光束可以再一次经历与在前面各代发生的类似的与MPE区域1650的相互作用。
图16I是输入光束与图16A所示的目镜波导实施例的MPE区域1650之间的第四代相互作用的图。与第一、第二和第三代相互作用有关的光束以虚线示出，而与第四代相互作用有关的光束以实线示出。在所有这些相互作用之后，所有产生的光束沿着以下三个方向之一传播，对于任何给定的输入光束，这些方向在MPE区域1650内是允许的：与位于9点钟位置附近的FOV矩形对应的方向；与位于2点钟位置附近的FOV矩形对应的方向；或与位于k空间环的6点钟位置附近的FOV矩形对应的方向。尽管存在一些节点，在这些节点处，这些光束中的一些可以在传播通过MPE区域1650的同时彼此相交，但是这些节点的位置具有比图15D至15G所示的OPE区域1550的情况更复杂的分布。此外，光束可通过不同的路径到达这些节点中的每一者，因此不一定彼此同相。因此，在使用MPE区域1650而非OPE区域(例如1550)的目镜波导实施例1600中，可以减少可能由干涉节点的有序分布引起的图像伪影。这可以在图16J和16K中看到。
图16J是示出光束可以沿着其通过MPE区域1650并最终到达EPE区域1660的各种路径的图。存在一些仅包括单个方向变化的路径，而其它路径包括多个方向变化(尽管其中一些较长、较复杂的路径将自然地承载较少的能量)。由于MPE区域1650中另一衍射角度的存在引入的复杂性，最终照射EPE区域1660的光束1665之间存在许多不同的间距。而且，实际上，光束1665之间任何可能的间距可通过MPE区域1650中足够数量的相互作用来实现。如图16K所示，这可以导致EPE区域1660的更均匀的照射。
图16K是示出来自ICG区域1640的单个输入光束1645如何通过MPE区域1650被复制以及如何作为多个光束1665被重定向到EPE区域1660的图。这些光束1665中的每一者源自密集的节点网格。这些复制光束1665中的一些之间仍可能存在间隙，但是这些间隙通常比从OPE区域(例如，如图15G所示的1550)输出的复制光束之间的间隙更小，且规则性更差。由于存在如此多的朝向EPE区域1660的路径，并且所有路径位于不同的位置，因此MPE区域1650提供了复杂的出射光瞳图案，该复杂的出射光瞳图案可以更均匀地照射EPE区域1560。
图16L是并排比较，其示出了具有OPE区域的目镜波导的性能与具有MPE区域的目镜波导的性能。在左侧示出了目镜波导1500，其包括具有1D周期性衍射光栅的OPE区域1550。如已经讨论的，OPE区域1550通过稀疏的一组规则间隔的复制光束照射EPE区域1560。在目镜波导1500下方是模拟输出图像。这是响应于由全部具有相同颜色和亮度的像素组成的输入图像而将从目镜波导1500的EPE区域1560投射的模拟输出图像。
在右侧，图16L示出了目镜波导1600，其包括具有2D周期性衍射光栅的MPE区域1650。在该图中可以看出，MPE区域1650更均匀地照射EPE区域1660。在目镜波导1600下方是模拟输出图像，该模拟输出图像是在左侧的目镜波导1500的模拟中使用的相同输入图像的结果。从右侧的模拟图像可以清楚地看到，使用MPE区域1650的目镜波导1600实现了输出光的更平滑、更均匀的分布。相比之下，作为具有OPE区域1550的目镜波导1500的模拟输出的位于左侧的图像具有可见的高空间频率条纹，这些条纹是由照射其EPE区域1560的一组稀疏、有序的复制光束导致的。
图16M进一步示出了具有MPE区域的目镜波导的性能与具有OPE区域的其它目镜波导的性能。图16M的图中的最上一行示出了图15A所示的目镜波导1500的性能。来自该目镜波导的投射的图像的水平横截面的图示出了相对较高的空间频率变化，该变化在图16L所示的模拟输出图像中以条纹的形式被看到。图16M示出了目镜波导1500具有1.2％的适眼区效率(eyebox efficiency)。它还示出了与该目镜波导相关联的点扩散函数(point spreadfunction)。点扩散函数示出了响应于单个亮点的输入图像而从目镜波导获得的输出图像。这表明目镜波导1500非常清晰，因为它只有2.5至5弧分的模糊。
一种克服来自目镜波导1500的输出图像中的高空间频率变化的方法是在OPE区域1550中引入某种抖动(dithering)。例如，可以在OPE区域1550的取向角和/或光栅周期中引入小的变化。这样做是试图破坏可存在于OPE区域1550中的干涉节点的有序性质。图16M中的第二和第三行示出了具有两种不同类型的抖动的目镜波导1500的性能。从这些波导的投射的图像的水平横截面可以看出，仍然存在高空间频率变化。此外，这些抖动实施例的点扩散函数显示出量大得多的模糊——在一种情况下多达45弧分。
图16M的最下一行示出了具有MPE区域1650的目镜波导1600的性能。该波导的投射的图像的横截面显示出少得多的高空间频率变化。尽管仍然存在低频率空间变化，这可通过比高空间频率变化容易地多的软件而被校正。该目镜波导的适眼区效率比其它目镜波导的适眼区效率略低(处于0.9％)。这可以归因于以下事实：MPE区域1650沿着与图16E所示的k空间图的环中的位于2点钟位置附近的FOV矩形对应的大致方向重定向一些输入光。由于目镜波导1600的宏观布局，以该传播方向离开MPE区域1650的光从不会进入EPE区域，因此不会被投射到用户的眼睛；相反，这部分光在波导1600的边缘外部损失。然而，这种光损失仅导致适眼区效率的相对小幅的降低。同时，目镜波导1600的点扩散函数表明它非常清晰，只有2.5至5弧分的模糊。
图16A至16M示出了具有MPE区域1650的目镜波导1600，该MPE区域1650对于每个输入光束具有三个允许的传播方向。然而，MPE区域的其它实施例可以被设计成允许每个输入束具有进一步更多的传播方向。图17A至17G中示出了一个这样的示例。这些附图示出了其宏观设计与目镜波导1600相同的目镜波导1700。即，目镜波导1700包括ICG区域1740、MPE区域1750和EPE区域1760，这些区域全部以与图16A所示的目镜波导1600中的对应区域相同的方式布置。然而，目镜波导1700的不同之处在于其MPE区域1750的微观设计。
图17A示出了可以在目镜波导1700的MPE区域1750中使用的示例2D光栅的一部分及其相关联的光栅矢量。2D周期性光栅1750可以是其周期性方向为u和v的衍射特征的空间网格。如已经讨论的，这种2D周期性光栅与基本光栅矢量G和H相关联。作为一个示例，可通过叠加两组1D周期性光栅线来设计或形成2D周期性光栅1750(尽管2D周期性光栅可以替代地由位于例如图17A所示的光栅线的交点处的各个散射特征组成)。第一组光栅线1756可以沿着基本光栅矢量G的方向重复。基本光栅矢量G可以具有等于2π/a的大小，其中a是第一组光栅线1756的周期。图17B所示的2D光栅也与第一基本光栅矢量G的谐波相关联。这些谐波包括-G和更高阶的谐波，例如2G、-2G等。第二组光栅线1757可以沿着基本光栅矢量H的方向重复。基本光栅矢量H可以具有等于2π/b的大小，其中b是第二组光栅线1657的周期。图17B所示的2D光栅也与第二基本光栅矢量H的谐波相关联。这些谐波包括-H和更高阶的谐波，例如2H、-2H等。而且，如已经讨论的，衍射特征的任何2D周期性阵列都将具有关联的光栅矢量，这些光栅矢量指向由基本光栅矢量的整数线性组合(叠加)确定的方向。在这种情况下，这些叠加导致另外的光栅矢量。这些光栅矢量包括例如-G、-H、H+G、H-G、G-H和-(H+G)。尽管图17A仅示出了与2D衍射光栅相关联的一阶光栅矢量及其叠加，但是也可以存在更高阶的光栅矢量。
图17B是k空间图，其示出了目镜波导1700的MPE区域1750的k空间操作。k空间图包括位于k空间环的9点钟位置附近的带阴影的FOV矩形。这是在ICG区域1740已将输入光束耦合到目镜波导1700中并将其重定向到MPE区域1750之后的FOV矩形的位置。图17B示出了MPE区域1750中的2D光栅如何使用图17A所示的光栅矢量平移FOV矩形。由于存在八个光栅矢量，因此MPE区域1750尝试将FOV矩形平移到k空间图中的八个可能的新位置。这八个可能的位置中的五个落在k空间图的外周之外。这些位置以不带阴影的FOV矩形示出。由于不允许k空间图的外周之外的k矢量，因此这五个光栅矢量均不会导致衍射。然而，存在三个导致FOV矩形平移到k空间图的边界内的新位置的光栅矢量(即，-H、-G和-(H+G))。这些位置中的一个位置位于k空间环中的6点钟位置附近，另一位置位于12点钟位置附近，最后一个位置位于3点钟位置附近。由于位于这些位置处的k矢量被允许并确实导致了引导传播模式，因此位于这些位置处的FOV矩形被阴影化以指示光束被衍射成这三种状态。因此，以由位于k空间环的9点钟位置附近的FOV矩形指示的传播角度进入MPE区域1750的光束被衍射成由其它三个带阴影的FOV矩形(即，位于12点钟位置附近的FOV矩形、位于3点钟位置附近的FOV矩形和位于6点钟位置附近的FOV矩形)指示的所有状态。
尽管未示出，但是可以绘制类似的k空间图以示出MPE区域1750对以由位于k空间环的12点钟位置附近、位于3点钟位置附近，以及位于6点钟位置附近的FOV矩形指示的传播角度行进的光束的k空间操作。这些k空间图将示出MPE区域1750中的2D衍射光栅将这些光束衍射成由图17B中的k空间图的环中的带阴影的FOV矩形指示的全部剩余状态。
图17C是k空间图，其示出了目镜波导1700的k空间操作。目镜波导1700可以接收大致沿着-z方向传播并从外部源入射在波导1700的ICG区域1740上的输入光束。这些输入光束由以k空间图的原点处的kz轴为中心的FOV矩形表示。然后，ICG区域1740衍射输入光束，以使它们被引导并具有以这样的传播方向为中心的传播角度：该传播方向对应于位于k空间环的9点钟位置附近的FOV矩形的中心点。
衍射光束进入MPE区域1750，在该区域它们可以具有多次相互作用。在每一代相互作用期间，每个光束的功率的一部分沿着相同的方向继续传播通过MPE区域1750。例如，在第一代相互作用中，这对应于光束的功率的该部分停留在由位于9点钟位置附近的FOV矩形指示的状态。光束的功率的其它部分可以沿着新方向衍射。另外，在第一代相互作用中，这产生相应的衍射光束，这些衍射光束的衍射角度以与位于k空间环的12点钟位置附近的FOV矩形的中心点、位于3点钟位置附近的FOV矩形的中心点、以及位于6点钟位置附近的FOV矩形的中心点对应的传播方向为中心。
在每次相互作用之后仍留在MPE区域1750中的衍射光束可以经历更多的相互作用。这些更多的相互作用中的每一者导致光束的功率的一部分零级衍射并且沿着相同的方向继续传播，而光束的功率的一部分沿着新方向衍射。这导致在空间上分布的多组衍射光束，这些衍射光栅具有以图17C所示的k空间环中的FOV矩形的中心点指示的每个传播方向为中心的传播角度。这由k空间环中的每对FOV矩形之间的双向箭头表示。换句话说，在MPE区域1750中传播的光束可以从由k空间环中的FOV矩形之一表示的任何传播状态变换为这些传播状态中的任一其它状态。
当任何给定的输入光束在MPE区域1750内传播时，它被分为许多衍射光束，这些衍射光栅只能沿着四个允许的方向行进——每个方向由图17C中k空间图的环中的FOV矩形内的相应k矢量或点限定。(对于在MPE区域1750内传播的任何输入光束，情况都是如此。然而，根据每个初始输入光束进入MPE区域1750的传播角度，四个允许的方向将稍有不同。)并且，由于在与MPE区域1750进行任何次数的相互作用之后，任何给定的输入光束的部分功率被衍射到相同的四个传播方向中，因此在这些相互作用中，图像信息被保持。与关于图16A至16M描述的MPE区域1650相比，在MPE区域1750中允许的增加的传播方向可以导致更进一步提高EPE区域1760中的照射均匀度。这可以从图17D至17G所示的图中看出。
图17D是输入光束与目镜波导1700的MPE区域1750之间的第一代相互作用的图。图17D示出了从ICG区域1740进入MPE区域1750的输入光束。输入光束被示出为沿着与位于图17C的k空间环的9点钟位置附近的FOV矩形的中心点或k矢量对应的方向传播。
MPE区域1750可以包括许多小于1μm的特征。在与MPE区域的每次相互作用中，直径约1mm的光束将分为在TIR中沿着4个不同方向传播的4个光束(直径相同，但是具有输入光束的原始功率的一部分)。一个方向对应于零级衍射，并且是波导平面内的原始角度。其它三个方向取决于MPE区域1750的光栅矢量G和H。如图所示，输入光束与MPE区域1750之间的第一代相互作用产生四个光束：输入光束的功率的一部分作为输出1仅从目镜波导1700的顶面或底面反射，并继续沿着与输入光束相同的x-y方向传播(即，零级衍射)；输入光束的功率的一部分与光栅相互作用，并向下衍射作为输出2；输入光束的功率的一部分与光栅相互作用并向上衍射作为输出3；输入光束的功率的一部分与光栅相互作用并向右衍射作为输出4。输出2光束被示出为沿着与位于图17C中的k空间环的6点钟位置附近的FOV矩形的中心点或k矢量对应的方向传播，而输出3光束被示出为沿着与位于12点钟位置附近的FOV矩形的中心点或k矢量对应的方向传播，并且输出4光束被示出为沿着与位于3点钟位置附近的FOV矩形的中心点或k矢量对应的方向传播。在该第一代相互作用之后，输出1光束、输出2光束、输出3光束和输出4光束具有不同的传播角度，但是它们仍在MPE区域1750内传播，并且因此可以与MPE区域进行另外的相互作用，如图17E至17G所示。尽管未示出，但是以不同的传播角度进入MPE区域1750的其它输入光束将具有类似的行为，但是输入和输出角度稍微不同。
图17E是输入光束与目镜波导1700的MPE区域1750之间的第二代相互作用的图。与第一代相互作用有关的光束以虚线示出，而与第二代相互作用有关的光束以实线示出。如图17D所示，第一代相互作用的每个输出光束输出1、输出2、输出3和输出4现在可以经历与上一代中发生的类似的与MPE区域1750的相互作用。即，来自图17D的输出1光束的功率的一部分仅继续沿着相同的x-y方向传播，而该光束的功率的其它部分与光栅相互作用并沿着与位于12点钟位置附近，位于3点钟位置附近和位于6点钟位置附近的FOV矩形对应的方向衍射。类似地，来自图17D的输出2光束的功率的一部分仅继续朝着EPE区域1760传播，而该光束的功率的其它部分与光栅相互作用并沿着由位于9点钟位置附近、位于12点钟位置附近和位于3点钟位置附近的FOV矩形指示的方向衍射。此外，来自图17D的输出3光束的功率的一部分仅沿着由位于12点钟位置附近的FOV矩形指示的方向继续，而该光束的功率的其它部分与光栅相互作用并沿着由位于3点钟位置附近、位于6点钟位置附近和位于9点钟位置附近的FOV矩形指示的方向衍射。最后，来自图17D的输出4光束的功率的一部分仅沿着由位于3点钟位置附近的FOV矩形指示的方向继续，而该光束的功率的其它部分与光栅相互作用并沿着由位于6点钟位置附近、位于9点钟位置附近和位于12点钟位置附近的FOV矩形指示的方向衍射。
图17F是输入光束与目镜波导实施例1700的MPE区域1750之间的第三代相互作用的图。与第一代和第二代相互作用有关的光束以虚线示出，而与第三代相互作用有关的光束以实线示出。如图17F所示，由第二代相互作用产生的每个输出光束可以再一次经历与前面各代中发生的类似的与MPE区域1750的相互作用。
图17G是输入光束与目镜波导实施例1700的MPE区域1750之间的第四代相互作用的图。与第一、第二和第三代相互作用有关的光束以虚线示出，而与第四代相互作用有关的光束以实线示出。在所有这些相互作用之后，所有产生的光束沿着以下对于任何给定的输入光束，在MPE区域1750内四个允许的传播方向之一传播：与位于9点钟位置附近的FOV矩形的方向；与位于12点钟位置附近的FOV矩形对应的方向；与位于3点钟位置附近的FOV矩形对应的方向；或与k空间环的6点钟位置附近的FOV矩形对应的方向。尽管存在节点，在节点处某些光束可以在传播通过MPE区域1750的同时彼此相交，但是这些节点的位置具有比图16A至16M所示的MPE区域1650的情况进一步更复杂的分布。此外，这些节点进一步更不太可能导致两个同相光束之间的干涉。因此，该MPE区域1750可以导致EPE区域1760的进一步更均匀的照射。
概括地说，本文所述的MPE区域具有以下部分或全部优点：MPE区域可以一次在多个方向上扩展图像光瞳；MPE区域可以产生密集的、非周期性阵列的输出光瞳；MPE区域可以减少穿过波导的光路之间的干涉效应；基于MPE的目镜波导可以在减少高频率条纹的情况下，以高图像清晰度实现提高的亮度均匀度。
具有用于复制输入光束的多个不同区域的示例AR目镜波导
图18A示出了具有ICG区域1840、两个正交光瞳扩展器(OPE)区域1850a、1850b，以及出射光瞳扩展器(EPE)区域1860的示例目镜波导1800。图18A还包括k空间图，其示出了目镜波导1800的这些部件中的每一者在k空间中的作用。目镜波导1800的ICG区域1840、OPE区域1850a、1850b和EPE区域1860包括各种衍射特征，这些衍射特征将输入光束耦合到目镜波导1800中以通过引导模式传播，以空间分布的方式复制光束并使复制的光束离开目镜波导并朝着用户的眼睛投射。特别地，目镜波导1800包括用于复制输入光束的多个不同(distinct)和/或不连续的区域。来自这些不同区域的复制光束可以在公共出射光瞳区域中重新组合。
图18A所示的目镜波导1800类似于图14A所示的目镜波导1400，只是目镜波导1800包括两个(而非一个)OPE区域1850a、1850b。回想一下，目镜波导1400中的ICG区域1440将输入光束衍射成+1和-1衍射级，但是这些衍射级之一中的光束从OPE区域1450传播出去，最终从目镜波导中丢失。因此，来自输入光束的光的一部分丢失。图18A所示的目镜波导1800通过包括两个OPE区域1850a、1850b(一个位于ICG区域1840的一侧)来解决此问题。以这种方式，目镜波导1800可以利用ICG 1840的+1和-1衍射级。
ICG区域1840的操作类似于关于图14A和14B中的ICG区域1440描述的操作。图14B中所示的相同的k空间图KSD1也是与入射在图18A中的ICG区域1840上的一组输入光束对应的FOV矩形的图示。即，在输入光束入射在ICG区域1840上之前，FOV矩形以k空间图的原点为中心。
图18A中的k空间图KSD2示出了ICG区域1840在k空间中的操作。即，如关于图14B中的对应k空间图所讨论的，ICG区域1840与两个光栅矢量相关联，这两个光栅矢量分别将FOV矩形平移到k空间环内的3点钟位置和9点钟位置。位于3点钟位置的平移后的FOV矩形表示朝着右侧OPE区域1850b传播的衍射光束，而位于9点钟位置的平移后的FOV矩形表示朝着左侧OPE区域1850a传播的衍射光束。
左侧OPE区域1850a的操作也类似于关于图14A和14B中的OPE区域1450描述的操作。k空间图KSD3a图示了左侧OPE区域1850a的k空间操作，并示出了其衍射光栅将FOV矩形从k空间环中的9点钟位置平移到6点钟位置。位于6点钟位置的FOV矩形表示沿着-y方向朝着EPE区域1860传播的衍射光束。
右侧OPE区域1850b的操作类似于左侧OPE区域1850a的操作，只是右侧OPE区域1850b的关联光栅矢量相对于左侧OPE区域1850a的关联光栅矢量关于竖直线成镜像。这是由于以下事实：右侧OPE区域1850b中的衍射光栅的线相对于左侧OPE区域1850a中的衍射光栅的线关于竖直线成镜像。由于右侧OPE区域1850b中的衍射光栅的线的这种取向，该光栅在k空间中的作用是将FOV矩形从k空间环中的3点钟位置平移到6点钟位置，如k空间图KSD3b所示。KSD3a和KSD3b中平移后的FOV矩形位于k空间环的6点钟位置的同一位置中。因此，尽管每个输入光束的功率被ICG区域1840分为+1和-1衍射级，并且这些不同的衍射级沿着不同的路径行进通过目镜波导1800，但是它们仍然以相同的传播角度到达EPE区域1860。这意味着，沿着不同的传播路径通过目镜波导1800的每个输入光束的分开的衍射级最终以相同的角度离开EPE区域1860，并因此在投射的图像中表示相同的点。
最后，EPE区域1860的操作也类似于关于图14A和14B中的EPE区域1460描述的操作。k空间图KSD4示出了EPE区域1860的k空间操作，并显示了其衍射光栅将位于k空间环的6点钟位置的FOV矩形(由来自OPE区域1850a、1850b两者的光束组成)平移回到k空间图的中心。如在其它地方已经讨论的，这表示EPE区域1860大致沿着z方向朝着用户的眼睛外耦合光束。
图18B和18C示出了图18A所示的目镜波导1800的EPE区域1860的俯视图。EPE区域1860被直接支撑在用户的眼睛210的前方。如本文其它地方所讨论的(请参见图12A和12B)，EPE区域1860投射多组复制的输出光束，每组复制的输出光束具有对应于投射到目镜波导中的输入光束之一的传播角度。
图18B示出了这些复制的输出光束组中的一组。在这种特定情况下，复制的输出光束1861以从左向右行进的方式离开EPE区域1860。换句话说，复制的输出光束1861具有在+x方向上有分量的传播方向。复制的输出光束1861的该传播角度导致其中一些输出光束比其它输出光束有更大的倾向与用户的眼睛210相交。特别地，由于眼睛210的中心位置和光束从左到右的传播，从EPE区域1860的左侧部分离开的复制的输出光束1861有更大的倾向与用户的眼睛210相交。这些光束以实线示出。同时，从EPE区域1860的右侧部分离开的复制输出光束1861有更大的倾向错过眼睛210。这些光束以虚线示出。
图18B还包括k空间图KSD5，其示出了在EPE区域已将FOV矩形平移回到该图的原点之后，k空间中的输出光束的状态。FOV矩形被显示为两半。每一半表示目镜波导1800的水平视场的一半。FOV矩形的带阴影的右半部分1832包括在+kx方向上具有分量的k矢量。这些k矢量是与以图18B所示的从左到右传播的类型离开EPE区域1860的输出光束1861对应的k矢量。尽管仅一组复制的输出光束1861被示出为离开EPE区域1860，但是其k矢量位于FOV矩形的带阴影的右半部分1832中的所有输出光束将类似地以从左到右的传播方向离开EPE区域。因此，对于所有的其k矢量位于FOV矩形的带阴影的右半部分1832中的输出光束而言，从EPE区域1860左侧离开的那些光束比从EPE区域的右侧离开的输出光束有更大的倾向与眼睛210相交。
图18C示出了离开目镜波导1800的EPE区域1860的另一组复制的光束1862。但是在这种情况下，复制的输出光束1862以从右到左行进的方式EPE区域1860。换句话说，复制的输出光束1862具有在-x方向上有分量的传播方向。复制的输出光束1862的该传播角度导致观察结果与图18B所示的相反。即，对于从右到左传播的输出光束1862，从EPE区域1860的右侧部分离开的光束(以实线示出)有更大的倾向与眼睛210相交，而那些从EPE区域的左侧部分离开的光束(以虚线示出)有更大的倾向错过眼睛。
参考图18C中包括的k空间图KSD5，其k矢量位于FOV矩形的带阴影的左半部分1831中的输出光束是那些以图18C所示的从右到左传播的类型离开EPE区域1860的输出光束。尽管所有的其k矢量位于FOV矩形的带阴影的左半部分1831中的输出光束具有不同的传播角度，但它们均具有以下特性：即，从EPE区域1860的右侧离开的光束比从EPE区域的左侧离开的输出光束有更大的倾向与眼睛210相交。
从图18B和18C可以得出这样的结论：即，基于实际进入用户的眼睛210的光束，EPE区域1860的一半对水平视场的一半做出主要贡献，而EPE区域的另一半对水平视场的另一半做出主要贡献。基于该观察，可通过目镜波导投射的视场在至少一个维度上可被扩展超出目镜在引导模式下所支持的传播角度的范围，这是因为不必从EPE区域1960的每个部分投射完整FOV矩形。这在图19中示出。
具有扩展视场的示例AR目镜波导
图19示出了具有扩展视场的目镜波导1900的实施例。目镜波导1900包括ICG区域1940、左侧OPE区域1950a、右侧OPE区域1950b和EPE区域1960。在宏观层面，图19所示的目镜波导1900可以与图18A所示的目镜波导1800相同。然而，目镜波导1900中的一些衍射特征可以被设计成具有允许在至少一个维度上增加视场的特征。基于图19所示的k空间图中示出的目镜波导1900的k空间操作，可以清楚地理解这些特征。
图19所示的k空间图具有比图18A所示的k空间图更大的FOV矩形。这是因为图18A的k空间图中的FOV矩形被约束为任何尺寸均不大于k空间环的宽度。该约束确保了这些FOV矩形可以在环周围的任何位置处完全适配在k空间环中，因此，所有由FOV矩形中的k矢量表示的光束都可以在目镜波导1800内经历引导传播，同时在目镜平面内沿着任何方向传播。然而，在图19的示例实施例中，FOV矩形的至少一个尺寸(例如，kx尺寸)大于k空间环的宽度。在一些实施例中，FOV矩形的一个或多个尺寸可以比k空间环的宽度大出高达20％，高达40％，高达60％，高达80％或高达100％。
对于图19的k空间图所示的特定实施例，FOV矩形的水平尺寸比k空间环宽。FOV矩形的水平尺寸对应于被投射到目镜波导中的输入光束的传播角度的水平扩展。因此，由于目镜波导1900被示为能够与具有较大水平尺寸的FOV矩形一起使用，因此这意味着目镜波导的水平视场被增大。对于折射率为1.8的目镜波导(被空气包围)的情况，图18A所示的目镜波导1800一般能够实现45°×45°的FOV，而图19所示的目镜波导1900能够实现高达90°×45°的FOV，但是目镜波导的某些实施例可以被设计成实现约60°×45°的较小FOV，以满足典型的适眼区体积设计约束——可以有利地将FOV的某一部分发送到目镜波导的两侧以提供足够大小的适眼区——以及避免由稀疏地间隔开的输出光束导致的屏幕门伪影(screendoor artifact)。尽管在扩展的水平视场的上下文中描述了用于扩展目镜波导1900的视场的技术，但是相同的技术也可用于扩展目镜波导1900的竖直视场。而且，在后面的实施例中，示出了用于扩展目镜波导的水平视场和竖直视场二者的类似技术。
通过查看图19的k空间图可以看出，尽管所示的FOV矩形可能在位于环周围的某些位置时不完全适配在k空间环内，但是当位于其它位置时它们仍可以完全适配在环内。例如，如果FOV矩形的一个尺寸大于k空间环的宽度，则当FOV矩形位于尺寸扩大的轴上或附近时，FOV矩形可能不完全适配在环内：当kx尺寸大于k空间环宽度的FOV矩形位于kx轴处或附近(即，位于3点钟和9点钟位置处或附近)时，FOV矩形可能不完全适配在环内；类似地，当ky尺寸大于k空间环宽度的FOV矩形位于ky轴处或附近(即，位于12点钟和6点钟位置处或附近)时，FOV矩形可能不完全适配在环内。然而，当这样的FOV矩形位于相反轴处或附近时，它仍可以完全适配在k空间环内：当kx尺寸大于k空间环宽度的FOV矩形位于ky轴处或附近(即，位于12点钟和6点钟位置处或附近)时，FOV矩形仍可以完全适配在环内；类似地，当ky尺寸大于k空间环宽度的FOV矩形位于kx轴处或附近(即，位于3点钟和9点钟位置处或附近)时，FOV矩形仍可以完全适配在环内。这是因为，在k空间环内，在方位方向(azimuthaldirection)上比在径向方向上有更大的区域来容纳更大的FOV矩形。
k空间环的径向尺寸对应于在垂直于波导平面的方向(即，厚度方向)上的支持引导传播模式的传播角度的范围。斯涅尔定律和发生TIR所必须满足的要求限制了该传播角度的范围。相比之下，k矢量在k空间环的方位维度上的扩展对应于传播角度在平面波导的平面内方向上的扩展。由于平面波导的平面内的传播角度的扩展不受与厚度方向相同的约束的限制，因此可以支持更宽范围的光束传播角度。
此外，可以将目镜波导的厚度方向上的传播角度的扩展变换为平面内方向上的传播角度的扩展，反之亦然。当衍射光栅(或其它衍射特征组)将FOV矩形从k空间环中的一个位置平移到另一位置以使得以FOV矩形表示的光束组然后沿着新方向传播时，这也会导致先前在平面波导的厚度方向上扩展的一些光束替代地在平面内方向上扩展，反之亦然。这可以在例如衍射光栅将FOV矩形从k空间环中的9点钟位置平移到6点钟位置时被看到。在9点钟位置处，光束在kx方向上的扩展对应于在波导的厚度方向上的物理扩展，因为在该位置处，kx方向对应于k空间环的径向方向。然而，在6点钟位置，光束在kx方向上的扩展对应于在波导的平面内方向上的物理扩展，因为在该位置处，kx方向对应于k空间环的方位方向。
使用这些观察结果，可通过以下方式增大目镜波导的FOV：将FOV矩形分为多个子部分；使用衍射特征以空间分布的方式复制属于FOV的多个子部分的光束；以及在目镜波导的出射光瞳处使用衍射特征重新组合(re-assemble)FOV的多个子部分，使得与FOV的每个子部分对应的光束具有正确的传播角度以重新产生原始图像。例如，衍射特征可用于将FOV矩形的每个子部分平移到k空间中的一个或多个位置，使得它们如在原始图像中那样最终相对于FOV矩形的其它子部分具有相同的相对位置。
在一些实施例中，FOV的多个子部分可以彼此部分地重叠(例如，不同的FOV子部分对可以包括一些相同的输入光束)，因为这可以帮助减轻在波导的出射光瞳处对重新组合完整FOV的约束，并且可以帮助确保所有光束都在。例如，在一些实施例中，输入图像FOV的一对子部分可以重叠不超过10％，不超过20％，不超过30％，不超过40％，不超过50％或者更多。
图19中的k空间图KSD2示出了ICG区域1940对投射到目镜波导1900中的输入光束的k空间操作。如本文其它地方所讨论的，投射到目镜波导1900中的输入光束可以由以k空间图KSD2的原点为中心的FOV矩形表示。ICG区域1940基于其关联的光栅矢量平移该FOV矩形在k空间图中的位置。在图18A所示的ICG区域1840的情况下，ICG区域被设计成使其关联的光栅矢量G1、G-1具有与从k空间图的原点到k空间环的中点的距离相等的大小。这导致FOV矩形在k空间环内居中。但是，图19所示的ICG区域1940可以被设计成具有更大的光栅矢量。而且，如已经讨论的，投射到目镜波导1900中的一组输入光束在k空间中可以具有至少一个大于k空间环的宽度的尺寸。
在一些实施例中，ICG区域1940可以被设计成使得其光栅矢量G1、G-1将扩大的FOV矩形从k空间图的原点平移足够远，以使得扩大的FOV矩形的任何部分都不位于k空间图的内盘内。为了在其水平尺寸是k空间环宽度的两倍的FOV矩形的情况下实现此目标，ICG1940的光栅矢量G1、G-1的大小需要近似地等于k空间图的外盘的半径。同时，为了在其水平尺寸仅略大于k空间环宽度的FOV矩形的情况下实现此目标，ICG区域1940的光栅矢量G1、G-1的大小需要大于从k空间图的原点到k空间环的中点的距离。从数学上讲，这意味着
Figure BDA0003168510820000741
这给出
Figure BDA0003168510820000742
(请注意：该式也适用于本文所述的其它目镜波导实施例，例如在图20至22中示出并且在下文中描述的那些。)
换句话说，这种用于扩展目镜波导1900的视场的技术意味着，ICG区域1940的光栅矢量G1、G-1被设计成比在以下实施例中更长：其中，视场在所有维度上受到可适配在给定目镜波导的k空间环的径向尺寸内的传播角度范围的约束。由于通过减小光栅周期Λ来增加光栅矢量G1、G-1的长度，因此这意味着ICG区域1940的间距小于传统上用于具有给定角频率ω的光的间距，以确保所有输入光束均可被衍射成引导模式。
当然，根据图19所示的实施例，较大的FOV矩形尺寸和较长的光栅矢量G1、G-1导致平移后的FOV矩形的一些部分在被ICG区域1940衍射之后延伸超出k空间中大盘的外周之外。由于该盘之外的k矢量是不被允许的，因此对应于这些k矢量的输入光束不会被ICG区域1940衍射。相反，仅仅与KSD2中平移后的FOV矩形的阴影部分中的k矢量对应的输入光束才在目镜波导1900内进入引导传播模式。通过位于k空间图的外盘之外的k矢量而被衍射成+1级的输入光束不被允许衍射，因此丢失。类似地，通过位于k空间图的外盘之外的k矢量而被衍射成-1级的输入光束不被允许衍射，因此丢失。幸运的是，从这些衍射级中的每一者丢失的光束不是相同的光束。这允许在EPE区域1960处恢复完整的视场。即使位于k空间图KSD2的3点钟位置的截断的FOV矩形和位于9点钟位置的截断的FOV矩形都不包括完整的一组输入光束，但是当这些截断的FOV矩形在EPE区域1960处被适当地重组时，可以恢复完整的一组输入光束。
k空间图KSD3a和KSD3b分别示出了左侧OPE区域1950a和右侧OPE区域1950b中的衍射光栅的k空间操作。如关于图18A所讨论的，这些OPE区域可以包括被定向成将位于3点钟和9点钟位置的FOV矩形平移到6点钟位置的衍射光栅。然而，在图19所示的实施例中，为了实现该目的，需要调整OPE区域1950a、1950b中的衍射光栅的取向。具体地，由于与ICG区域1940相关联的光栅矢量G1、G-1可能不再终止于3点钟位置和9点钟位置中的k空间环的中点，因此，可能需要调整与OPE区域相关联的光栅矢量的大小和方向，以便将FOV矩形平移到6点钟位置处的一位置(例如，沿着ky方向在k空间环中居中的位置)。与没有扩展的FOV的实施例中的OPE区域相比，可通过改变OPE区域1950a、1950b中的光栅线的取向和/或通过改变其光栅周期Λ来实现这些调整。
KSD3a中的FOV矩形的右侧阴影部分表示FOV的第一子部分，而KSD3b中的FOV矩形的左侧阴影部分表示FOV的第二子部分。在所示的实施例中，这些FOV子部分在FOV矩形的中心区域中重叠。
k空间图KSD3a示出了当位于9点钟位置的FOV矩形被平移到6点钟位置时，仅存在对应于FOV矩形的右侧阴影区域的光束。k空间图KSD3b示出了相同的现象，只是缺少的光束是其k矢量位于FOV矩形的的相反侧的光束。最后，k空间图KSD4示出了当两个截断的FOV矩形在k空间环的6点钟位置被叠加时，FOV矩形的不带阴影的部分被填充，这意味着现在存在组成输入图像的完整FOV的所有光束，并且可通过EPE区域1960中的衍射光栅将这些所有光束从目镜波导1900朝着用户的眼睛投射出。类似于图18A中的实施例，EPE区域1960将FOV矩形平移回到k空间图KSD4中的原点。重要的是，应当以保持阴影区域在原始FOV矩形中的相对位置的方式，将两个截断的FOV矩形从9点钟和3点钟位置平移到6点钟位置。这确保FOV的每个子部分中的光束具有正确的传播角度，以便重新产生原始图像。
从物理上讲，这意味着目镜波导1900将图像视场分为多个部分。与图像视场的这些部分中的每一者对应的光束沿着不同的路径传播通过目镜波导1900，在不同的路径中它们可以被不同的OPE区域1950a、1950b以空间分布的方式复制。最终，图像视场的分开的部分在EPE区域1960中被重组以投射向用户的眼睛。
在一些实施例中，目镜1900的各种衍射光栅可以被设计成使得由各个OPE区域1950a、1950b提供给EPE区域1960的光束子组之间存在重叠。然而，在其它实施例中，可以将衍射光栅设计成使得每个OPE区域1950a、1950b提供完整地重新产生(re-creat)输入图像所需的光束的唯一子组。
具有扩展视场以及重叠的MPE和EPE区域的示例AR目镜波导
尽管图19示出了使用OPE区域来复制输入光束的具有扩展FOV的目镜波导的实施例，但是其它实施例可以有利地使用MPE区域。图20A至20L示出了一个这样的示例实施例。
图20A示出了具有与EPE区域2060重叠的MPE区域2050的扩展FOV目镜波导2000的实施例。目镜波导2000可以实现大于在波导的厚度方向上以引导传播模式支持的传播角度的范围的扩展视场。目镜波导2000具有第一表面2000a和第二表面2000b。如下面进一步讨论的，可以在目镜波导2000的相对表面2000a、2000b之上或之中形成不同的衍射特征。目镜波导2000的两个表面2000a、2000b在图20A中被示出为在x-y平面内相对于彼此移位。然而，这只是为了使图示能够示出形成在每个表面之上或之中的不同衍射特征；应当理解，第一表面2000a和第二表面2000b在x-y平面内彼此对准。另外，虽然MPE区域2050和EPE区域2060被示出为具有相同的尺寸并且在x-y平面内精确对准，但是在其它实施例中，它们可能具有稍微不同的尺寸并且可能部分地未对准。在一些实施例中，MPE区域2050和EPE区域2060彼此重叠至少70％，至少80％，至少90％或至少95％。
目镜波导2000包括ICG区域2040、MPE区域2050和EPE区域2060。ICG区域2040从投射器设备接收一组输入光束。如本文其它地方所描述的，输入光束可以从投射器设备大致沿着z方向传播通过自由空间，直到入射到ICG区域2040上。ICG区域2040衍射这些输入光束，使得它们的全部或至少一些在目镜波导2000内进入引导传播模式。ICG区域2040的光栅线可以被定向成沿着-y方向朝着MPE区域2050引导衍射的光束。
MPE区域2050可以包括沿着多个轴表现出周期性的多个衍射特征。MPE区域2050可以由以2D网格布置的散射特征的阵列组成。各个散射特征可以是例如任何形状的凹陷或突起。散射特征的2D阵列具有关联的光栅矢量，这些光栅矢量从该2D网格的倒易网格得到。作为一个示例，MPE区域2050可以是2D衍射光栅，其由具有沿着两个或更多个周期性方向重复的光栅线的交叉光栅组成。组成MPE区域2050的衍射特征可以具有相对较低的衍射效率(例如，10％或更小)。如本文所讨论的，这允许光束在其传播通过MPE区域2050时以空间分布的方式在多个方向上被复制。
图20B示出了可以在目镜波导2000的MPE区域2050中使用的示例2D光栅的一部分及其关联的光栅矢量。示出了交叉光栅，但是2D周期性光栅可以替代地由例如位于所示光栅线的交点处的各个散射特征组成。该2D光栅具有沿着第一周期性方向重复的第一组光栅线2056。这些光栅线2050具有关联的基本光栅矢量G，基本光栅矢量G沿着第一组光栅线2056的周期性方向指向，并具有等于2π/a的大小，其中a是第一组光栅线2056的周期。图20B所示的2D光栅也与第一基本光栅矢量G的谐波相关联。这些谐波包括-G和更高阶的谐波，例如2G、-2G等。MPE区域2050中的2D光栅还具有沿着第二周期性方向重复的第二组光栅线2057。在一些实施例中，第一和第二周期性方向不垂直。第二组光栅线2057具有关联的基本光栅矢量H，基本光栅矢量H沿着第二组光栅线的周期性方向指向，并具有等于2π/b的大小，其中b是第二组光栅线2057的周期。图20B所示的2D光栅也与第二基本光栅矢量H的谐波相关联。这些谐波包括-H和更高阶的谐波，例如2H、-2H等。最后，衍射特征的任何2D阵列还具有关联的光栅矢量，这些光栅矢量指向由基本光栅矢量G和H的整数线性组合(叠加)确定的方向。在所示的实施例中，这些叠加导致也在图20B中示出的另外的光栅矢量。这些光栅矢量包括例如-G、-H、H+G、H-G、G-H和-(H+G)。尽管图20B仅示出了与2D衍射光栅相关联的一阶光栅矢量及其叠加，但是也可以存在更高阶的光栅矢量。
图20C是k空间图KSD1，其示出了目镜波导2000的ICG区域2040的k空间操作。以KSD1的原点为中心的FOV矩形表示由投射器设备朝着ICG区域2040投射的一组输入光束。FOV矩形在kx方向上的尺寸表示沿着x方向的输入光束的FOV，而FOV矩形在ky方向上的尺寸表示沿着y方向的输入光束的FOV。如图所示，在该特定实施例中，FOV矩形的kx尺寸大于k空间环的宽度。
由于根据图20A所示的目镜波导2000的物理布局，MPE区域2050位于从ICG区域2040开始的-y方向上，因此，ICG区域2040中的衍射光栅可以被设计成沿着该方向衍射输入光束。因此，图20C中的KSD1示出ICG区域2040将FOV矩形从k空间图的原点平移到k空间环中6点钟位置处位于-ky轴上的一位置。在该特定位置，FOV矩形的较宽尺寸沿着k空间环的方位方向取向，因此FOV矩形完全适配在环内。这意味着由FOV矩形表示的所有光束在目镜波导2000内进入引导传播模式，并大致沿着-y方向朝着MPE区域2050传播。
就像在本文所讨论的其它MPE区域(例如，1650、1750)中一样，MPE区域2050通过在输入光束传播通过它时以空间分布的方式复制输入光束，在多个方向上扩展图像光瞳。图20D至20F和20H示出MPE区域2050在k空间中的该行为。
图20D是k空间图KSD2，其示出了目镜波导2000的MPE区域2050的k空间操作的一部分。k空间图包括位于k空间环的6点钟位置的带阴影的FOV矩形。这是在ICG区域2040已将输入光束耦合到目镜波导2000中并朝着MPE区域2050衍射它们之后FOV矩形的位置。图20D示出了MPE区域2050中的2D光栅如何使用图20B所示的光栅矢量平移FOV矩形。由于存在八个光栅矢量，因此MPE区域2050尝试将FOV矩形从k空间环中的6点钟位置平移到k空间图中的八个可能的新位置。这八个可能的位置中的五个完全落在k空间图的外周之外。这些位置以不带阴影的FOV矩形示出。由于k空间图的外周之外的k矢量不被允许，因此这五个光栅矢量均不会导致衍射。然而，存在三个导致FOV矩形平移到至少部分地位于k空间图的边界内的新位置的光栅矢量(即，G、-H和G-H)。其中一个位置位于k空间环中的9点钟位置，另一位置位于12点钟位置，最后一个位置位于3点钟位置。由于位于这些位置的k矢量被允许并确实导致了引导传播模式，因此位于这些位置的FOV矩形被阴影化以指示光束被衍射成这三种状态。
在k空间环中的9点钟和3点钟位置的情况下，平移后的FOV矩形不完全适配在环内，因为它们的kx尺寸大于环的宽度。因此，位于这些位置的平移后的FOV矩形将被截断，这意味着其k矢量落在k空间图的外周之外的光束不会被引导。这在KSD2中由位于9点钟位置和3点钟位置的平移后的FOV矩形的不带阴影部分表示。这意味着分别沿着+x和-x方向扩展通过MPE区域2050的光束组不会都包括原始一组输入光束的全部。沿着+x方向传播通过MPE区域2050的光束组缺失对应于FOV矩形的右侧的光束，而沿着-x方向传播的光束组缺失对应于FOV矩形的左侧的光束。然而，总的来说，组成FOV的所有光束仍然存在。
位于9点钟位置的平移后的FOV矩形的右侧阴影部分表示FOV的第一子部分，而位于3点钟位置的FOV矩形的左侧阴影部分表示FOV的第二子部分。在所示的实施例中，这些FOV子部分在FOV矩形的中心区域中重叠(尽管重叠并非必需的)。
如已经提到的，在一些实施例中，MPE区域2050的2D光栅中的第一和第二周期性轴不正交。这又意味着基本光栅矢量G和H同样不正交。这可以允许MPE区域2050中的2D光栅平移位于3点钟和9点钟位置的FOV矩形，使得这些矩形的中心位于k空间环的中点之外，而位于6点钟和12点钟位置的FOV矩形的中心可以位于环的中点处或靠近环的中点。因此，位于3点钟和9点钟位置的平移后的FOV矩形被截断，这导致FOV被分为第一和第二子部分。这在所示的实施例中是值得注意的，因为将FOV分为第一和第二子部分是增大目镜波导2000的FOV的过程的一部分。
图20E是k空间图KSD3，其示出了目镜波导2000的MPE区域2050的k空间操作的另一部分。KSD3包括位于k空间环的3点钟位置的部分带阴影的FOV矩形。这是在MPE区域2050内的第一次相互作用之后的平移后的FOV矩形之一的位置。图20E示出了在随后的相互作用期间，MPE区域2050中的2D光栅如何使用图20B所示的光栅矢量平移该FOV矩形。再一次地，由于存在八个光栅矢量，MPE区域2050尝试将FOV矩形从k空间环中的3点钟位置平移到k空间图中的八个可能的新位置。这八个可能的位置中的五个再次落入k空间图的外周之外。这些位置用不带阴影的FOV矩形表示。由于k空间图的外周之外的k矢量不被允许，因此这五个光栅矢量均不会导致衍射。然而，存在三个导致FOV矩形平移到至少部分地位于k空间图的边界内的新位置的光栅矢量(即，G、H和H+G)。其中一个位置位于k空间环中的9点钟位置，另一位置位于12点钟位置，最后一个位置位于6点钟位置。由于位于这些位置的k矢量被允许并确实导致了引导传播模式，因此位于这些位置的FOV矩形被阴影化以指示光束被衍射成这三种状态(或者零级衍射光束可以保持在由位于3点钟位置的FOV矩形表示的传播状态)。
如图20E所示，作为图20D所示的MPE区域2050中的第一衍射相互作用的结果，位于k空间环的3点钟位置的平移后的FOV矩形已经被截断。因此，仅将截断的FOV矩形平移到k空间环的9点钟、12点钟和6点钟位置。在9点钟位置的情况下，FOV矩形被进一步截断，这意味着仅仅与该特定平移后的FOV矩形的中央阴影部分对应的光束被实际衍射到该状态。
图20F类似于图20E，只是它示出了MPE区域2050对图20D中平移到9点钟位置(而非如图20E所示平移到3点钟位置)的FOV矩形的k空间操作。MPE区域2050对处于此状态的光束的操作是图20E所示的操作的镜像(关于ky轴)。
尽管未示出，但是可以绘制类似的k空间图以示出MPE区域2050对以由位于k空间环的12点钟位置的FOV矩形指示的传播角度行进的光束的k空间操作。该k空间图会示出MPE区域2050中的2D衍射光栅将这些光束衍射成由位于图20D、20E和20F中的k空间图的环内的3点钟、6点钟和9点钟位置的FOV矩形表示的状态。
如图20D至20F中的k空间图所示，当来自ICG区域2040的衍射光束到达MPE区域2050时，许多复制光束以空间分布的方式形成。而且，所有这些复制光束沿着由位于k空间环中的3点钟、6点钟、9点钟和12点钟位置的FOV矩形指示的方向之一传播。传播通过MPE区域2050的光束可以经历任何次数的与MPE区域的衍射特征的相互作用，从而导致发生任何数量的传播方向变化。以这种方式，光束沿着x方向和y方向在整个MPE区域2050中被复制。这由图20A中的目镜波导2000的MPE区域2050中的箭头表示。
由于EPE区域2060在目镜波导2000的x-y平面内与MPE区域2050重叠，因此当复制光束传播通过波导时，它们还与EPE区域2060相互作用，从而经由全内反射在第一表面2000a与第二表面2000b之间来回反射。当光束之一与EPE区域2060相互作用时，其功率的一部分被衍射并朝着用户的眼睛离开目镜波导，如图20A中的目镜波导2000的EPE区域2060中的箭头所示。
在一些实施例中，EPE区域2060包括衍射光栅，这些衍射光栅的线相对于组成ICG区域2040的衍射光栅的线垂直地取向。其示例在图20A中示出，其中ICG区域2040具有沿着x方向延伸并且沿着y方向周期性地重复的光栅线，而EPE区域2060具有沿着y方向延伸并且沿着x方向周期性地重复的光栅线。有利地，EPE区域2060中的光栅线相对于ICG区域2040中的光栅线垂直地取向，这是因为这有助于确保光束在被EPE区域2060从目镜波导2000向外耦合之前与MPE区域2050相互作用。该行为在图20G中的k空间中示出。
图20G是k空间图KSD5，其示出了图20A所示的目镜波导2000中的EPE区域2060的k空间操作。如已经讨论的，光束沿着由位于k空间环的12点钟、3点钟、6点钟和9点钟位置的FOV矩形指示的所有方向传播通过MPE区域2050。而且，由于EPE区域2060在物理上与MPE区域2050重叠，因此，处于所有这些传播状态的光束在通过MPE区域扩展的同时与EPE区域中的衍射光栅接触。
由于EPE区域2060中的衍射光栅的周期性轴指向±kx方向，因此与EPE区域相关联的光栅矢量同样指向相同的方向。图20G示出了EPE区域2060如何尝试使用这些光栅矢量平移位于12点钟、3点钟、6点钟和9点钟位置的FOV矩形。由于其在±kx方向上的取向，与EPE区域2060相关联的光栅矢量仅能将位于k空间环的3点钟和6点钟位置的FOV矩形平移回到k空间图的原点。因此，EPE区域2060只能向外耦合处于这两种传播状态中的任一状态的光束；EPE区域不会向外耦合以与位于k空间环的12点钟和6点钟位置的FOV矩形对应的状态传播的光束。
重要的是需要注意，如果EPE区域2060中的光栅线的周期性轴平行于而非垂直于ICG区域2040中的光栅线的周期性轴，则与EPE区域相关联的光栅矢量将指向±ky方向。这继而允许处于与位于k空间环的12点钟和6点钟位置的FOV矩形对应的传播状态下的光束被EPE区域向外耦合。由于输入光束在对应于6点钟位置的传播状态下到达MPE/EPE区域，因此，这意味着光束可以在与MPE区域2050相互作用以及通过该MPE区域2050扩展之前会被EPE区域2060向外耦合，通常不希望出现此情况。EPE区域2060中的光栅线的周期性轴垂直于ICG区域2040中的光栅线的周期性轴这一事实意味着，光束通常需要在被向外耦合之前在MPE区域内经历至少一次方向改变，并且可能经历更多次方向改变。这允许光束在MPE区域2050内的扩展增强。
图20H是k空间图KSD6，其概括了图20A所示的目镜波导2000的k空间操作。它本质上是图20C至20G所示的k空间图的叠加。再次地，图20H中的k空间图示出了其至少一个尺寸大于k空间环的宽度的FOV矩形。在一些实施例中，FOV矩形的至少一个尺寸可以是k空间环的宽度的最多约2倍。在所示的实施例中，FOV矩形的水平尺寸大于k空间环的宽度，但是相同的技术也可用于扩展竖直视场。
KSD6包括以图的原点为中心的FOV矩形。再一次地，FOV矩形的此位置可以描述被投射到目镜波导2000中的输入光束或朝着用户的眼睛投射出波导的复制的输出光束。在所示的实施例中，ICG区域2040在k空间中的操作是将FOV矩形从k空间图的中心向下平移到6点钟位置。如图所示，可以将ICG区域2040设计成使其光栅矢量之一沿着-ky方向取向。这导致衍射光束沿着-y方向朝着MPE区域2050传播。此外，ICG区域2040可以被设计成使其光栅矢量的大小导致FOV矩形被复制到其中FOV矩形完全适配在k空间环内的6点钟位置的一位置。可通过例如将ICG区域2040设计为具有一间距，以使其一阶光栅矢量的大小等于从k空间图的原点到k空间环的中点的距离来实现上述目的。由于位于6点钟位置的FOV矩形完全位于k空间环内，因此所有衍射光束都进入引导传播模式。
如已经讨论的，MPE区域包括多个衍射特征，这些衍射特征沿着多个不同的轴表现出周期性。这意味着MPE区域具有多个关联光栅矢量，这些光栅矢量可以将FOV矩形从6点钟位置平移到9点钟、12点钟和3点钟位置中的任一者。在与MPE区域2050的另外的相互作用期间，可以在12点钟、3点钟、6点钟和9点钟位置中的任何位置之间来回平移FOV矩形。这由那些传播状态之间的双向箭头表示。如图20H所示，位于k空间环的3点钟位置和6点钟位置的FOV矩形被截断，这意味着在每个传播状态下并非与完整FOV相关联的所有光束都存在。然而，当共同考虑FOV的那些子部分时，存在组成完整FOV的所有光束。因此，当最终将FOV矩形从3点钟或6点钟的位置平移回到k空间图的原点，从而朝着用户的眼睛向外耦合光束时，组成输入图像的完整FOV所需的所有光束均存在并从目镜波导2000中被投射。
图20I是示出光束如何通过图20A所示的目镜波导2000扩展的图。从ICG区域2040沿着-y方向传播的进入MPE区域2050的引导光束以空间分布的方式被复制为许多光束，其中一些光束沿着±y方向行进(对应于位于k空间环中的6点钟和12点钟位置的FOV矩形)，一些光束沿着±x方向行进(对应于位于k空间环中的3点钟和9点钟位置的FOV矩形)。以这种方式，光束在整个目镜波导2000中横向扩展。
图20J示出了目镜波导2000中的MPE区域2050的衍射效率如何在空间上变化以提高波导中的亮度均匀度。在图中，MPE区域2050内的较深阴影表示较高的衍射效率，而较浅阴影表示较低的衍射效率。MPE区域2050的衍射效率的空间变化可通过引入诸如光栅深度、占空比、闪耀角、倾斜角等之类的光栅特性的空间变化来实现。
如图20J所示，可通过将MPE区域2050的较靠近ICG区域2040的部分设计成具有较高的衍射效率来提高波导中的亮度均匀度。由于这是光束从ICG区域2040进入MPE区域2050的位置，因此该区域中存在较多光，故而，此处的衍射效率可以较高，从而更有效地将光扩散到MPE区域2050中具有较少光的其它部分。附加地或替代地，可以在在MPE区域2050的外围周围的各个角度位置处设置多个ICG区域，以便在更多位置处输入光，从而提高波导中的亮度均匀度。
也可以通过沿着光束从ICG区域2040传播到MPE区域2050中的方向，将MPE区域2050的中央部分设计成具有较高的衍射效率，来提高亮度均匀度。再一次地，较多光存在于MPE区域2050的该区域中，因为它沿着ICG区域2040输入光的轴定位。由于在该区域中存在较多光，因此衍射效率可以更高，以便更有效地将光扩散到MPE区域2050的其它部分。
图20K示出了目镜波导2000中的EPE区域2060的衍射效率如何在空间上变化以增强波导中的亮度均匀度。EPE区域2060内的较深阴影再次表示较高的衍射效率，而较浅阴影表示较低的衍射效率。可以将EPE区域2060设计成在外围区域具有高的衍射效率。EPE区域2060的外围区域中较高的衍射效率有助于在光从波导边缘丢失之前将光向外耦合到用户的眼睛。
图20L示出了目镜波导2000的实施例，其包括围绕波导的外围边缘的一个或多个衍射镜2070。衍射镜2070可以接收传播通过MPE/EPE区域并从波导2000的边缘离开的光。然后，衍射镜可以将该光衍射回到MPE/EPE区域中，以使其可用于对图像从目镜波导2000的投射做出贡献。如已经讨论的，MPE区域2050允许光束沿着四个大致的方向传播：大致沿着x方向(即，如位于k空间环的3点钟位置的FOV矩形所表示的)；大致沿着-x方向(即，如位于9点钟位置的FOV矩形所表示的)；大致沿着y方向(即，如位于12点钟位置的FOV矩形所表示的)；以及大致沿着-y方向(即，如位于6点钟位置的FOV矩形所表示的)。衍射镜2070可以被设计成将光束衍射成这些相同的传播状态之一。
例如，位于目镜波导2000左侧的衍射镜2070可以将大致从-x方向入射的光束衍射成由位于3点钟位置的FOV矩形表示的传播状态，使得这些光束大致沿着x方向返回行进通过OPE区域2050。类似地，位于目镜波导2010底部的衍射镜2070可以将大致从-y方向入射的光束衍射成由位于12点钟位置的FOV矩形表示的传播状态，使得这些光束大致沿着y方向返回行进通过OPE区域2050。
图20L示出了底部衍射镜2070的k空间操作。如k空间图所示，可以将底部衍射镜2070设计成具有ICG区域2040中的光栅周期的一半的周期。这种更小的周期使得底部衍射镜的关联光栅矢量的长度为ICG区域2040的光栅矢量长度的两倍。因此，底部衍射镜可以将FOV矩形从k空间环中的6点钟位置平移到12点钟位置。尽管关于目镜波导2000进行了说明，但是相同的技术(即，OPE、MPE、EPE区域等的衍射效率的空间变化，以及沿着外围边缘的衍射镜的使用)也可用于本文描述的其它任一实施例。
图20M示出了包含目镜波导2000的一个或多个实例的眼镜70的示例实施例。目镜波导2000的第一实例被集成到眼镜70的左观看部中，而目镜波导2000的第二实例被集成到右观看部中。在所示的实施例中，每个波导2000为约50×30mm2，但是也可以使用许多不同的尺寸。每个波导2000可以伴随有将图像投射到相应的波导中的单独的投射器2020。假设目镜波导由折射率为1.8的材料制成，则目镜波导2000的一些实施例能够实现高达90°×45°的FOV，但是目镜波导的一些实施例可以被设计成实现约60°×45°的较小的FOV，以满足适眼区体积的典型设计约束——可以有利地将FOV的某部分发送到目镜波导的两侧以提供足够大小的适眼区——以及避免由稀疏地间隔开的输出光束导致的屏幕门伪影。
图20N示出了包含目镜波导2000的一个或多个实例的眼镜70的另一示例实施例。眼镜70的该实施例类似于图20M所示的实施例，只是波导2000和伴随的投射器2020的取向朝着眼镜70的太阳穴(temple)旋转了90°。在该配置中，目镜波导2000的一些实施例能够实现高达45°×90°的FOV，其中假设目镜波导由折射率为1.8的材料制成，但是某些实施例可以被设计成实现约45°×60°的较小的FOV，以满足其它设计约束。
图21A示出了具有与EPE区域2160重叠的MPE区域2150的目镜波导2100的另一实施例。类似于图20A所示的目镜波导2000，图21A所示的目镜波导2100可以实现扩展视场，该扩展视场可以大于在波导的厚度方向上以引导传播模式支持的传播角度的范围。目镜波导2100具有第一表面2100a和第二表面2100b。如下面进一步讨论的，可以在目镜波导2100的相对表面2100a、2100b之上或之中形成不同的衍射特征。目镜波导2100的两个表面2100a、2100b在图21A中被示出为在x-y平面内相对于彼此移位。然而，这只是为了使图示能够示出形成在每个表面之上或之中的不同衍射特征；应当理解，第一表面2100a和第二表面2100b在x-y平面内彼此对准。另外，虽然MPE区域2150和EPE区域2160被示出为具有相同的尺寸并且在x-y平面内精确对准，但是在其它实施例中，它们可以具有稍微不同的尺寸并且可以部分地未对准。在一些实施例中，MPE区域2150和EPE区域2160彼此重叠至少70％，至少80％，至少90％或至少95％。
与图20A所示的目镜波导2000相同，图21A所示的目镜波导2100包括MPE区域2150和EPE区域2160。与图20A所示的目镜波导2000不同，图21A所示的目镜波导2100包括位于MPE/EPE区域的相对侧上的两个ICG区域2140a、2140b，而非单个ICG区域。ICG区域2140a、2140b中的每一者可以具有其自己的关联投射器。两个投射器中的每一者可以将完整输入图像FOV的子部分输入到目镜波导2100中。因此，ICG区域2140a、2140b中的每一者可以同样地用于内耦合与FOV的子部分对应的输入光束。然后可以在目镜波导2100的出射光瞳处组合这些子部分。
左侧ICG区域2140a从第一投射器设备接收对应于FOV的第一子部分的第一组输入光束，而右侧ICG区域2140b从第二投射器设备接收对应于FOV的第二子部分的第二组输入光束。FOV的第一和第二子部分可以是独有的，或者可以部分地重叠。第一组输入光束可以大致沿着-z方向朝着左侧ICG区域2140a投射，但以在-x方向上具有传播分量的输入光束为中心，而第二组输入光束可以大致沿着-z方向朝着右侧ICG区域2140b投射，但以在+x方向上具有传播分量的输入光束为中心。左侧ICG区域2140a衍射第一组输入光束，以便至少一些输入光束进入沿着+x方向传播的引导模式，右侧ICG区域2140b衍射第二组输入光束，以便至少一些输入光束进入沿着-x方向传播的引导模式。以此方式，对应于FOV的第一和第二子部分的第一和第二组输入光束都被耦合到目镜波导2100中，使得它们朝着位于左侧和右侧ICG区域2140a、2140b之间的MPE区域2150传播。
类似于图20A所示的目镜波导2000，图21A所示的目镜波导2100还可以包括在波导的第一侧2100a之上或之中形成的MPE区域2150和在波导的第二侧2100b之上或之中形成的重叠的EPE区域2160。图21A所示的目镜波导2100中的MPE区域2150可以类似于图20A所示的目镜波导2000中的MPE区域2050。即，MPE区域2150可以包括沿着多个轴表现出周期性的多个衍射特征。类似地，图21A所示的目镜波导2100中的EPE区域2160可以类似于图20A所示的目镜波导2000中的EPE区域2060。即，EPE区域2160可以包括其周期性轴与两个ICG区域2140a、2140b的周期性轴正交的衍射光栅。图21A中的MPE区域2150和EPE区域2160的操作也可以类似于图20A中的MPE区域2050和EPE区域2060的操作，如图21B至21D所示。
图21B是k空间图KSD1，其示出了目镜波导2100对与输入图像的FOV的第一子部分对应的第一组输入光束的k空间操作。以KSD1的原点为中心的FOV矩形表示与将由目镜波导2100朝着用户的眼睛投射的完整输入图像FOV对应的光束。作为整体的FOV矩形的尺寸的大小最多是约k空间环的宽度的两倍。因此，图21A所示的目镜波导2100被设计成具有类似于图19和图20A所示的实施例的增强的FOV。然而，朝着左侧ICG区域2140a投射的第一组输入光束仅对应于FOV矩形的带阴影的子部分。如图21B所示，对应于第一组输入光束的FOV矩形的阴影部分是FOV矩形的左侧部分。由于FOV矩形的阴影部分的中心在-kx方向上从k空间图的原点偏移，因此来自第一投射器的第一组输入光束不以精确地沿着-z方向传播的光束为中心(如果FOV矩形的阴影部分以k空间图的原点为中心，则为这种情况)，而是以在-x方向上具有传播分量的倾斜光束为中心。
左侧ICG区域2140a可以被设计成使得其光栅矢量沿着±kx方向取向。左侧ICG区域2140a在k空间中的操作是将FOV矩形的左侧阴影部分从k空间图的中心平移到k空间环中的3点钟位置。这将使衍射光束大致沿着x方向朝着MPE区域2150传播。在一些实施例中，FOV矩形的左侧阴影部分可以组成FOV矩形的一半或更多。而且，在一些实施例中，左侧ICG区域2140a可以被设计成将FOV矩形的中心平移到从k空间环的中点到环的外边界的任何径向位置。此外，左侧ICG区域2140a可以被设计成使得其光栅矢量的大小导致FOV矩形被复制到其中阴影部分完全适配在k空间环内的3点钟位置的一位置。可通过例如将ICG光栅矢量的大小设定为大于从k空间图的原点到k空间环的中点的距离来实现此目的。由于位于3点钟位置的FOV矩形的阴影部分完全位于k空间环内，因此对应于FOV的第一子部分的第一组输入光束全部进入引导传播模式。尽管位于k空间环的3点钟位置的FOV矩形具有延伸到环以外的右侧部分，但是FOV矩形的该部分对应的输入光束不一定是由其关联的投射器提供给左侧ICG区域2140a的FOV的第一子部分的一部分。
尽管左侧ICG区域2140a还可以沿着相反的方向衍射第一组输入光束的一部分(即，将FOV矩形平移到k空间环的9点钟位置)，但是在所示的目镜波导2100的实施例中，这些特定的衍射光束将仅从波导的边缘离开。
MPE区域2150包括具有多个周期性轴的多个衍射特征。在一些实施例中，MPE区域2150可以类似于关于图20A至20M示出和讨论的MPE区域2050。例如，MPE区域2150可以具有多个关联的光栅矢量，这些光栅矢量可以将FOV矩形从k空间环的3点钟位置平移到6点钟、9点钟和12点钟位置中的任一者。如图21B所示，位于k空间环的9点钟位置的FOV矩形的阴影部分被截断，这意味着在该特定的传播状态下并非与FOV的第一子部分相关联的所有光束都必须存在。
在与MPE区域2150的另外的相互作用期间，可以在12点钟、3点钟、6点钟和9点钟位置中的任何位置之间来回平移FOV矩形。这由KSD1中的那些传播状态之间的双向箭头表示。以此方式，如本文所述，第一组输入光束可通过经历与MPE区域2150的衍射特征的多次相互作用而在整个MPE区域2150中被复制。这由图21A中的目镜波导2100的OPE区域2150中的箭头示出。
由于EPE区域2160在目镜波导2100的x-y平面内与MPE区域2150重叠，因此当复制光束通过波导扩散时，它们也与EPE区域2160相互作用，从而经由全内反射在第一表面2100a和第二表面2100b之间来回反射。每当复制光束之一与EPE区域2160相互作用时，其功率的一部分被衍射并朝着用户的眼睛向外耦合，如图21A中目镜波导2100的EPE区域2160中的箭头所示。
在一些实施例中，EPE区域2160包括衍射光栅，这些衍射光栅的线相对于组成ICG区域2140a、2140b的衍射光栅的线垂直地取向。在该特定示例中，由于ICG区域2140a、2140b具有沿着y方向延伸并且沿着x方向周期性地重复的光栅线，因此EPE区域2160具有沿着x方向延伸并且沿着y方向周期性地重复的光栅线。再一次地，有利地，EPE区域2160中的光栅线相对于ICG区域2140a、2140b中的光栅线垂直地取向，因为这有助于确保光束在被EPE区域2160向外耦合目镜波导2100之前与MPE区域2150相互作用。
图21B还示出了EPE区域2160对与FOV的第一子部分对应的第一组光束的k空间操作。如已经讨论的，光束可以沿着由位于k空间环的12点钟、3点钟、6点钟和9点钟位置的FOV矩形指示的任一方向传播通过MPE区域2150。而且，由于EPE区域2160与MPE区域2150重叠，因此处于这些传播状态中的任一者的光束都可以与EPE区域相互作用，并从目镜波导2100向外耦合。由于EPE区域2160中的衍射光栅的周期性轴指向±ky方向，因此，与EPE区域相关联的光栅矢量同样指向相同方向。因此，图21B示出了EPE区域2160如何将位于k空间环的12点钟和6点钟位置的FOV矩形平移回到k空间图的原点。因此，EPE区域2160只能向外耦合处于这两种传播状态中的任一状态的光束。如图21B所示，当FOV矩形最终平移回到k空间图KSD1的中心时，组成FOV的第一子部分的所有第一组光束均存在并朝着用户的眼睛投射。
图21C是k空间图KSD2，其示出了目镜波导2100对与输入图像的FOV的第二子部分对应的第二组输入光束的k空间操作。再一次地，以KSD2的原点为中心的FOV矩形表示对应于由目镜波导2100朝着用户的眼睛投射的完整输入图像的光束。然而，朝着右侧ICG区域2140b投射的第二组输入光束仅对应于FOV矩形的带阴影的子部分。如图21C所示，与第二组输入光束对应的FOV矩形的阴影部分是FOV矩形的右侧部分。由于FOV矩形的阴影部分的中心在+kx方向上从k空间图的原点偏移，因此来自第二投射器的第二组输入光束不以精确地沿着-z方向传播的光束为中心(如果FOV矩形的阴影部分以k空间图的原点为中心，则为这种情况)，而是以在+x方向上具有传播分量的倾斜光束为中心。
在所示实施例中，k空间中的右侧ICG区域2140b的操作是将FOV矩形的右侧阴影部分从k空间图的中心平移到9点钟位置。如图所示，右侧ICG区域2140b可以被设计成使得其光栅矢量沿着±kx方向取向。这将导致一些衍射光束沿着-x方向朝着MPE区域2150传播。在一些实施例中，FOV矩形的右侧阴影部分可以组成FOV矩形的一半或更多。而且，在一些实施例中，右侧ICG区域2140b可以被设计成将FOV矩形的中心平移到从k空间环的中点到环的外边界的任何径向位置。此外，右侧ICG区域2140b可以被设计成使得其光栅矢量的大小导致FOV矩形被复制到其中阴影部分完全适配在k空间环的9点钟位置处的一位置。可通过例如将ICG设计为使其光栅矢量的大小大于从k空间图的原点到k空间环的中点的距离来实现此目的。由于位于9点钟位置的FOV矩形的阴影部分完全位于k空间环内，因此与FOV的第二子部分对应的第二组输入光束全部进入引导传播模式。尽管位于k空间环的9点钟位置的FOV矩形具有延伸到环以外的左侧部分，但是FOV矩形的该部分对应的输入光束不一定是由其关联投射器投射到右侧ICG区域2140b中的FOV的第二子部分的一部分。
尽管右侧ICG区域2140b还可以沿着相反的方向衍射第二组输入光束的一部分(即，将FOV矩形平移到k空间环的3点钟位置)，但是在所示的目镜波导2100的实施例中，这些特定的衍射光束将仅从波导的边缘离开。
如已经讨论的，MPE区域2150可以具有多个关联的光栅矢量，这些光栅矢量可以将FOV矩形从k空间环的9点钟位置平移到6点钟、3点钟和12点钟位置中的任一者。如图21C所示，位于k空间环的3点钟位置的FOV矩形的阴影部分被截断，这意味着在该特定的传播状态下并非与FOV的第二子部分相关联的所有光束都必须存在。
在与MPE区域2150的另外的相互作用期间，可以在12点钟、3点钟、6点钟和9点钟位置中的任何位置之间来回平移FOV矩形。这由KSD2中的那些传播状态之间的双向箭头表示。以此方式，如本文所述，第二组输入光束可通过经历与MPE区域2150的衍射特征的多次相互作用而在整个MPE区域2150中被复制。再一次地，这由图21A中的目镜波导2100的OPE区域2150中的箭头示出。
图21C还示出了EPE区域2160对与FOV的第二子部分对应的第二组光束的k空间操作。如已经讨论的，EPE区域2160将位于k空间环的12点钟和6点钟位置的FOV矩形平移回到k空间图的原点。因此，EPE区域2160只能向外耦合处于这两种传播状态中的任一状态的光束。如图21C所示，当FOV矩形最终平移回到k空间图KSD2的中心时，组成FOV的第二子部分的所有第二组光束均存在并朝着用户的眼睛被投射。
图21D是k空间图KSD3，其概括了图21A所示的目镜波导2100的k空间操作。它本质上是图21B和21C所示的k空间图的叠加。再次地，图21D中的k空间图示出了其至少一个尺寸大于k空间环的宽度的FOV矩形。在一些实施例中，FOV矩形的至少一个尺寸可以最多是k空间环的宽度的近似2倍。在所示的实施例中，FOV矩形的水平尺寸大于k空间环的宽度。尽管目镜波导2100被示出为提供扩展的水平视场，但是相同的技术也可用于扩展竖直视场。
如图21D所示，尽管使用分开的投射器和ICG区域2140a、2140b将第一和第二组输入光束分别投射到目镜波导2100中，但是当各种FOV矩形被从k空间环的12点钟、3点钟、6点钟和9点钟位置平移回到k空间图的原点，并因此朝着用户的眼睛向外耦合时，组成完整图像FOV所需的所有光束均存在。并且，FOV的第一和第二子部分在k空间中对准，其相对于彼此的相对位置与在完整输入FOV中相同。
图21E示出了包含目镜波导2100的一个或多个实例的眼镜70的示例实施例。图21F示出了对应于图21E中的眼镜70的示例FOV。目镜波导2100的第一实例被集成到眼镜70的左观看部中，而目镜波导2100的第二实例被集成到右观看部中。在所示的实施例中，每个目镜波导2100为约50×30mm2，但是也可以使用许多不同的尺寸。如刚才讨论的，每个目镜波导2100可以伴随有分别将FOV的子部分投射到相应的波导中的两个单独的投射器2120a、2120b。在一些实施例中，用于每个波导2100的第一投射器2120a可以在目镜波导2100的太阳穴侧输入光，而第二投射器2120b可以在目镜波导的鼻侧输入光。对于目镜波导由折射率为n＝1.8的材料制成的情况，每个投射器2120a、2120b可以输入FOV的子部分，该子部分的大小为50°×60°或更大，具体取决于诸如适眼区尺寸和屏幕门伪影之类的其它设计约束。完整FOV的大小为100°×60°或更大。这被示出为图21F中被示的单目目镜FOV配置。如匹配的阴影所示，在该配置中，第一投射器2120a(太阳穴侧)可用于投射完整FOV的鼻侧，第二投射器2120b(鼻侧)可用于投射完整FOV的太阳穴侧。请注意，十字线显示了一种可能的光瞳对准方式，但也可以使用其它方式。
替代地，目镜波导2100和眼镜70的两个实例可以一起使用以提供双目FOV。例如，每个目镜波导2100均可投射FOV，如单目目镜配置所示。然而，由两个目镜波导2100投射的FOV可以至少部分地重叠。图21F示出了由两个目镜波导2100投射的FOV在水平方向上重叠50°并提供150°×60°的总双目FOV的情况。如果在两个目镜波导2100的FOV之间提供较少的重叠，则双目FOV可以更大。如匹配的阴影所示，在双目FOV配置中，第一投射器2120a(太阳穴侧)可用于投射双目FOV的中间部分，第二投射器2120b(鼻侧)可用于投射双目FOV的侧部。
图21G示出了图21A所示的目镜波导2100的另一实施例的k空间操作。在该实施例中，FOV矩形的大小可以在kx和ky尺寸上都超过k空间环的宽度。在图21G中，FOV矩形的较深阴影部分对应于FOV的右侧部分，而FOV矩形的较浅阴影部分对应于FOV的左侧部分。如已经讨论的，左侧和右侧ICG区域2140a、2140b可以被设计成具有将FOV矩形移到3点钟和9点钟位置的光栅矢量。ICG区域的光栅矢量的大小可以使得完整FOV矩形的中心移位到例如k空间环的中点与环的外周之间的任何径向位置。而且，如已经讨论的，MPE区域可以被设计成具有将完整FOV矩形移到3点钟、6点钟、9点钟和12点钟位置的光栅矢量。但是，MPE区域2150的光栅矢量的大小也可以被设计成使得在这些位置处，完整FOV矩形的中心移位到例如k空间环的中点于环的外周边之间的任何径向位置。因此，即使在沿着FOV矩形的较短尺寸的轴定位的12点钟和6点钟的位置处，FOV矩形的一部分也可以延伸超出k空间环的外周，使得矩形的某个部分被截断。
尽管与FOV矩形的被截断部分对应的引导光束可能丢失，但考虑到由3点钟、6点钟、9点钟和12点钟位置表示的所有传播状态，组成完整FOV所需的所有光束仍然存在于波导中。左侧FOV(浅阴影矩形)在9点钟位置被完全保留，而底部部分在12点钟位置被保留，顶部部分在6点钟位置被保留。类似地，右侧FOV(深色阴影矩形)在3点钟位置被完全保留，而底部部分在12点钟位置被保留，顶部部分在6点钟位置被保留。因此，当将FOV矩形被平移回到k空间图的原点并朝着用户的眼睛向外耦合时，组成完整FOV所需的所有光束均存在，并且可以重新产生完整FOV。FOV矩形在多个方向上的扩展在图22A至22E中进一步讨论。
图22A示出了可投射FOV的目镜波导2200的实施例，该FOV在两个方向上扩展超过可在目镜波导的厚度方向上以引导传播模式支持的传播角度的范围。目镜波导2200包括设置在第一对顶部和底部OPE区域2250a1、2250a2之间的左侧ICG区域2240a。它还包括设置在第二对顶部和底部OPE区域2250b1、2250b2之间的右侧ICG区域2240b。最后，MPE区域2250c和重叠的EPE区域2260被设置在第一和第二ICG区域2240a、2240b及其各自的OPE区域之间。MPE区域2250c可以被设置在目镜波导2200的第一表面2200a之上或之中(如图22A所示)，而EPE区域2260可以被设置在波导的第二表面之上或之中(如图22B所示)。尽管MPE区域2250c和EPE区域2260被示出为具有相同的尺寸并且在x-y平面内精确对准，但是在其它实施例中，它们可以具有稍微不同的尺寸并且可能部分地未对准。在一些实施例中，MPE区域2250c和EPE区域2260彼此重叠至少70％，至少80％，至少90％或至少95％。
左侧ICG区域2240a以及第一对顶部和底部OPE区域2250a1、2250a2的功能类似于关于图19示出和描述的功能。即，投射器或其它输入设备大致沿着-z方向朝着左侧ICG区域2240a投射与输入图像FOV对应的一组光束。左侧ICG区域2240a具有沿着x方向延伸并且沿着y方向周期性地重复的光栅线。因此，左侧ICG区域2240a将输入光束耦合成+1衍射级和-1衍射级，这两个衍射级大致沿着+y方向朝着上部OPE区域2250a1以及大致沿着-y方向朝着下部OPE区域2250a2传播。如本文所讨论的，第一组上部和下部OPE区域2250a1、2250a2复制这些输入光束，然后大致沿着x方向朝着MPE/EPE区域引导多组复制的输出光束。
右侧ICG区域2240b以及第二对顶部和底部OPE区域2250a1、2250a2以相同的方式起作用，但是关于y轴成镜像。即，投射器或其它输入设备大致沿着-z方向朝着右侧ICG区域2240b投射同一组输入光束。右侧ICG区域2240b还具有沿着x方向延伸并且沿着y方向周期性地重复的光栅线。因此，右侧ICG区域2240b还将输入光束耦合成+1衍射级和-1衍射级，这两个衍射级大致沿着+y方向朝着上部OPE区域2250b1以及大致沿着-y方向朝着下部OPE区域2250b2传播。第二组上部和下部OPE区域2250b1、2250b2复制这些输入光束，然后大致沿着-x方向朝着MPE/EPE区域引导多组复制的输出光束。
图22C示出了图22A所示的目镜波导实施例2200中的ICG区域2240a、2240b和OPE区域2250a1、2250a2、2250b1、2250b2的k空间操作。具体地，图22C的左侧面板(KSD1a)示出了左侧ICG区域2240a及其关联的第一组顶部和底部OPE区域2250a1、2250a2的k空间操作，而图22C的右侧面板(KSD1b)示出了右侧ICG区域2240b及其关联的第二组顶部和底部OPE区域2250b1、2250b2的k空间操作。
与输入图像的FOV对应的一组输入光束被投射到左侧ICG区域2240a和右侧ICG区域2240b两者。这组输入光束在KSD1a和KSD1b中被示出为以这些k空间图的相应原点为中心的FOV正方形。与先前示出的增强型FOV实施例(这些实施例仅示出了FOV的单个尺寸大于k空间环的宽度)不同，KSD1a和KSD1b中的FOV正方形的两个尺寸均大于k空间环的宽度。在一些实施例中，FOV正方形的两个尺寸可以最多是k空间环的宽度的近似2倍。尽管该实施例使用具有相等的水平和竖直FOV的FOV正方形进行了说明，但这不是必需的，因为水平和竖直FOV不需要一定相等。假设目镜波导(被空气包围)的折射率为1.8，图22A所示的目镜波导2200的实施例能够实现100°×60°或更大(例如，100°×90°)的FOV，具体取决于诸如适眼区尺寸和屏幕门伪影之类的其它设计约束。
在KSD1a中，通过与左侧ICG区域2240a相关联的光栅矢量，在k空间中沿着±ky方向平移FOV正方形。类似地，在KSD1b中，通过与右侧ICG区域2240b相关联的光栅矢量，在k空间中沿着±ky方向平移FOV正方形。在这两种情况下，在被ICG区域2240a、2240b内耦合到目镜波导2200中之后，输入光束处于由位于k空间环的12点钟和6点钟位置处的平移后的FOV正方形表示的传播状态。如KSD1a和KSD1b两者所示，这些位置中的FOV正方形被截断，因为它们不能完全适配在k空间环内。只有与位于12点钟位置的FOV正方形的带阴影的下部对应的那些光束进入引导传播模式。同时，只有对应与位于6点钟位置的FOV正方形的带阴影的上部的那些光束进入引导传播模式。
KSD1a还示出了第一组顶部和底部OPE区域2250a1、2250a2的k空间操作。这些OPE区域包括衍射光栅，这些衍射光栅被设计成具有关联的光栅矢量，这些光栅矢量将FOV正方形从12点钟和6点钟位置平移到3点钟位置。位于3点钟位置的光束大致沿着x方向朝着MPE/EPE区域传播。
与位于k空间中3点钟位置的FOV正方形的上部对应的光束由先前位于6点钟位置的FOV正方形提供，而与位于3点钟位置的FOV正方形的下部对应的光束由先前位于12点钟位置的FOV正方形提供。然而，FOV正方形再次太大而无法在3点钟位置完全适配在k空间环内。因此，FOV正方形被截断，但是这次与FOV正方形的左侧阴影部分对应的光束仍处于引导传播模式，而与FOV正方形的不带阴影的右侧部分对应的光束落在k-空间环之外并丢失。
第二组顶部和底部OPE区域2250b1、2250b2的k空间操作是第一组顶部和底部OPE区域2250a1、2250a2的k空间操作的镜像版本(关于ky轴)。因此，如KSD1b所示，第二组顶部和底部OPE区域2250b1、2250b2最终在k空间环的9点钟位置产生截断的FOV正方形，在该位置处，与正方形的右侧阴影部分对应的光束以引导模式朝着MPE/EPE区域传播，而与FOV正方形的不带阴影的左侧部分对应的光束落在k空间环之外并丢失。
图22D示出了图22A所示的目镜波导实施例2200中的MPE区域2250c的k空间操作。具体地，图22D的左侧面板(KSD2a)示出了MPE区域2250c对从左侧ICG区域2240a及其关联的第一组顶部和底部OPE区域2250a1、2250a2接收的光束的k空间操作，而右侧面板(KSD2b)示出了MPE区域2250c对从右侧ICG区域2240b及其关联的第二组顶部和底部OPE区域2250b1、2250b2接收的光束的k空间操作。
MPE区域2250c的操作可以类似于关于图20A和21A中的MPE区域2050、2150描述的操作。即，如已经讨论的，MPE区域2250c可以由在多个方向上表现出周期性的衍射特征的2D阵列组成。因此，MPE区域2250c具有多个关联的光栅矢量，这些光栅矢量可以在k空间环的3点钟、6点钟、9点钟和12点钟位置之间来回平移FOV正方形。这由KSD2a和KSD2b中的那些传播状态之间的双向箭头表示。在该实施例中，MPE区域2250c的光栅矢量G和H可以彼此垂直，这是因为FOV在两个尺寸上扩展超过k空间环的宽度，因此FOV正方形的中心可以沿着kx和ky方向被平移到k空间环的相同径向位置。
如已经讨论的，从左侧ICG区域2240a以及第一组顶部和底部OPE区域2250a1、2250a2到达MPE区域2250c的光束处于由位于k空间环的3点钟位置的FOV正方形表示的传播状态。在该传播状态下仅存在对应于FOV正方形的左侧阴影部分的光束。如KSD2a所示，当MPE区域2250c将这些光束衍射为由位于12点钟位置的FOV正方形表示的传播状态时，FOV正方形再次被截断，并且只有与FOV正方形的左下阴影部分对应的光束保持在引导传播状态。同时，当MPE区域2250c将光束从由位于3点钟位置的FOV正方形表示的传播状态衍射为由位于6点钟位置的FOV正方形表示的传播状态时，FOV正方形也再次被截断。只有与FOV正方形的左上阴影部分对应的光束保持在引导传播状态。最后，当FOV正方形从k空间环的12点钟位置或6点钟位置平移到9点钟位置时，FOV正方形又一次被截断，此时可能没有任何光束留在引导传播状态。这由KSD2a中位于9点钟位置的不带阴影的FOV正方形示出。
KSD2b是KSD2a关于ky轴的镜像。KSD2b示出了MPE区域2250c对从右侧ICG区域2240b以及第二组顶部和底部OPE区域2250b1、2250b2到达的光束的k空间操作。这些光束处于由位于k空间环的9点钟位置的FOV正方形表示的传播状态。在该传播状态下只有与FOV正方形的右侧阴影部分对应的光束存在。如KSD2b所示，当MPE区域2250c将这些光束衍射为由位于12点钟位置的FOV正方形表示的传播状态时，FOV正方形再次被截断，只有与FOV正方形的右下阴影部分对应的光束保持在引导传播状态。同时，当MPE区域2250c将光束从由位于9点钟位置的FOV正方形表示的传播状态衍射为位于6点钟位置的FOV正方形表示的传播状态时，FOV正方形也再次被截断。只有与FOV正方形的右上阴影部分对应的光束保持在引导传播状态。最后，当FOV正方形从k空间环的12点钟位置或6点钟位置平移到3点钟位置时，FOV正方形又一次被截断，此时可能没有任何光束留在引导传播状态。这由KSD2b中位于3点钟位置的不带阴影的FOV正方形示出。
以此方式，通过在MPE区域2250c中传播而被复制的光束被分为FOV的四个子部分：对应于FOV正方形的左上部分的第一子部分；对应于FOV正方形的右上部分的第二子部分；对应于FOV正方形的左下部分的第三子部分；以及对应于FOV正方形的右下部分的第四子部分。完整FOV的这些子部分的任何对可以部分地重叠。换句话说，FOV的这些子部分的任何对可以包括对应于相同输入光束中的一者或多者的光束。替代地，FOV的子部分也可以是独有的，没有重叠。在任一种情况下，FOV的子部分在目镜波导2200的出射光瞳处被组合以重新产生完整的FOV。这在图22E中示出。
图22E示出了图22A所示的目镜波导实施例2200中的EPE区域2260的k空间操作。EPE区域2260的功能可以类似于关于图20A和21A中的EPE区域2060、2160描述的功能。如本文所讨论的，由于EPE区域2260与MPE区域2250c重叠，因此在MPE区域中传播的光束也可以与EPE区域相互作用并从目镜波导2200向外耦合。EPE区域2260包括其周期性轴与左侧ICG区域2240a和右侧ICG区域2240b的周期性轴对准的衍射光栅。在所示的实施例中，EPE区域2260的周期性轴指向±ky方向。因此，EPE区域2260具有关联的光栅矢量，这些光栅矢量同样指向相同的方向，并将位于k空间环的12点钟和6点钟位置的FOV正方形平移回到k空间图的原点。图22E示出了当这种情况发生时，FOV的四个子部分被组合以重新产生完整的FOV。组成完整图像FOV所需的所有光束均存在。而且，FOV的四个子部分在k空间中对准，具有与完整输入FOV中相同的相对于彼此的相对位置。
设计成与成角度的投射器一起工作的目镜波导
本文描述的许多目镜波导实施例已经被设计成与投射器(或其它图像输入设备)一起工作，该投射器的光轴以垂直角度与ICG区域相交。在这样的实施例中，中心输入光束(对应于输入图像的中心点)垂直入射在ICG区域上，并且与输入图像的顶部/底部和左侧/右侧部分对应的输入光束以对称的角度入射在ICG区域上。然而，在一些实施例中，目镜波导可以被设计成与成角度的投射器(或其它图像输入设备)一起工作。图23示出了这样的实施例的示例。
图23示出了被设计成与成角度的投射器一起起作用的目镜波导2300的示例实施例。目镜波导2300包括ICG区域2340、左侧和右侧OPE区域2350a、2350b以及EPE区域2360。来自投射器的输入光束入射在ICG区域2340上，并以引导传播模式耦合到目镜波导2300中。在该实施例中，投射器相对于ICG区域2340以非垂直的角度定向。因此，来自投射器的中心输入光束2341以倾斜角度入射在ICG区域2340上(例如，如图13I所示)。这导致输入光束的k矢量在k空间中的移位，从而使它们不再以k空间图的原点为中心。因此，如下文所讨论的，可能需要改变ICG、OPE和/或EPE区域的光学设计及其物理形状(例如，根据参考图14D描述的原理)，并且还可改变FOV矩形在k空间环内的放置。
然后，来自ICG区域2340的正负衍射级分别传播到左侧和右侧OPE区域2350a、2350b。OPE区域2350沿着水平方向以空间分布的方式复制输入光束，并将这些光束引导到EPE区域2360。然后，EPE区域2360沿着竖直方向以空间分布的方式进一步复制光束，并朝着用户的眼睛向外耦合这些光束，如本文其它地方所讨论的。
图23包括k空间图KSD，其示出了目镜波导2300的k空间操作。如本文其它地方所述，k空间图的中心部分中的FOV矩形对应于来自投射器的输入光束以及来自目镜波导2300的输出光束。位于k空间环中的4点钟和8点钟位置附近的FOV矩形对应于从ICG区域2340传播到OPE区域2350的光束。最后，位于k空间环中的6点钟位置处的FOV矩形对应于从OPE区域2350向下朝着EPE区域2360传播的光束。
由于投射器相对于ICG区域2340成角度，因此对应于输入光束的FOV矩形不以k空间图的原点为中心。相反地，在所示的实施例中，对应于输入光束的FOV矩形以ky轴为中心，但位于kx轴下方。这意味着没有任何输入光束具有在+y方向上有分量的传播方向。换句话说，输入光束从投射器朝着ICG区域向下传播。然后，ICG区域2340沿着±kx方向将FOV矩形水平平移到k空间环内。
由于来自ICG区域2340的所有引导光束都不具有包括正ky分量的k矢量(即，FOV矩形位于kx轴下方)，因此OPE区域2350的顶部边缘可以是水平的，如图所示，这是因为不需要容纳沿着+y方向向上扇出的光束。OPE区域2350的该特征在一些实施例中是有利的，因为它允许紧凑设计。然而，OPE区域2350的水平顶部边缘通过成角度的图像投射器而变得具有实用性。然而，成角度的图像投射器可能伴有一些缺点。例如，由于目镜波导2300(包括例如光栅的光学设计和/或物理布局)被设计成接收来自向上角度的输入光，因此来自头顶上光源(诸如太阳或顶灯固定装置)的光同样可以被耦合到目镜波导中。这可能导致不期望的图像特征，例如这些光源叠加在所显示的虚拟内容上的鬼影图像、伪影、降低的对比度等。尽管可以通过包括遮阳板，遮挡来自头顶上光源的光，从而为目镜波导2300遮蔽头顶上光，但是这种遮阳板可能很笨重或不美观。因此，被设计成与垂直投射器一起起作用的目镜波导是优选的，因为可以减少或消除对遮阳板的需求。另外，对于向上或向下成角度的投射器设计，输出光束也以类似于输入光束的角度离开波导这一事实意味着，目镜波导可能需要相对于用户的中心注视矢量倾斜和/或可能需要被置于眼睛上方或下方(而非眼睛的直接前方)。
具有组合式光瞳扩展器-提取器区域的示例AR目镜波导
图24A是具有多个组合式光瞳扩展器-提取器(CPE)区域2455的示例目镜波导2400的边缘视图。CPE区域2455代替了本文关于其他实施例描述的OPE、MPE和/或EPE区域。所示实施例在目镜波导2400的相对侧面具有第一CPE区域2455a和第二CPE区域2455b。类似于OPE区域，第一CPE区域2455a和第二CPE区域2455b都在目镜波导2400内侧横向传播光。类似于EPE区域，它们也都从目镜波导2400中提取光。
图24A所示的目镜波导2400可以使用由透光材料制成的基板来形成。目镜波导2400具有面向眼睛侧面2400a和面向外侧面2400b。在目镜波导2400的所示实施例中，ICG区域2440设置在目镜波导2400的顶部中心，并且第一CPE区域2455a和第二CPE区域2455b分别设置在ICG区域2440下方的面向眼睛侧面2400a和面向外侧面2400b。
在一些实施例中，ICG区域2440是在目镜波导2400的表面上或表面中(例如，在面向眼睛侧面2400a上)形成的衍射光栅。ICG区域2440从诸如投射器的输入设备接收一组输入光束。如本文别处所述，输入光束可从输入设备通常在±z方向上传播，直到它们入射在ICG区域2440上。ICG区域2440衍射那些输入光束，使得至少一些进入目镜波导2400内的引导传播模式。
ICG区域2440内侧的衍射光栅的所示实施例具有一维周期性(即，它是一维光栅)。ICG区域2040的光栅线可以被取向为将一些衍射光束在-y方向上导向第一CPE区域2455a和第二CPE区域2455b。因此，在所示实施例中，ICG区域2440包括在±x方向延伸并在±y方向周期性重复的衍射线。如本文别处所述，构成ICG区域2440的衍射线之间的间隔可以设置为将输入光束耦合到目镜波导2400内侧的引导传播模式。来自ICG区域2440的衍射光束然后经由TIR朝向第一CPE区域2455a和第二CPE区域2455b传播。
第一CPE区域2455a形成在目镜波导的侧面(例如，面向眼睛侧面2400a)上或中，并且第二CPE区域2455b形成在目镜波导的相对侧面(例如，面向外侧面2400b)上或中。在所示的实施例中，第一CPE区域2455a和第二CPE区域2455b都是一维衍射光栅。第一CPE区域2455a被示为由(当从面向眼睛侧面2400a观察时)相对于y轴成–30°角度取向的衍射线组成的一维衍射光栅，并且第二CPE区域2455b被示为由(当也是从面向眼睛侧面2400b观察时)相对于y轴成+30°角度取向的衍射线组成的一维衍射光栅。
在目镜波导2400的一些实施例中，第一CPE区域2455a的一维光栅和第二CPE区域2455b的一维光栅之间的相对角度基本上为60°(即，60°±5°，或60°±3°，或60°±1°，或60°±0.5°，或60°±0.1°)。此外，在一些实施例中，ICG区域2440的一维光栅与CPE区域2455a、2455b两者的一维光栅之间的相对角度也基本上为60°(即60°±5°，或60°±3°，或60°±1°，或60°±0.5°，或60°±0.1°)。除了图24A所示的具体示例之外的目镜波导2400的其他布局也是可能的。例如，ICG区域2440可以替代地位于目镜波导2400的颞侧或内侧(medial)，并且可以相应地调整CPE区域2455a、2455b的取向以保持光栅之间的相对角度。
如下文进一步讨论的，ICG区域2440、第一CPE区域2455a和第二CPE区域2455b的相应的一维光栅中的每一个之间的基本上60°的相对角度贡献了CPE区域可以在目镜波导2400中横向传播光并且将光向外耦合朝向用户的眼睛的特征。
在一些实施例中，第一CPE区域2455a和第二CPE区域2455b的一维光栅除了它们的取向之外是相同的。例如，第一CPE区域2455a和第二CPE区域2455b可以具有相同的线间隔、相同的蚀刻深度等。这可能是有利的，因为它允许两个CPE区域2455由相同的主模板制造。此外，在一些实施例中，ICG区域2440的一维光栅也具有与第一CPE区域2455a和第二CPE区域2455b相同的线间隔。
虽然第一CPE区域2455a和第二CPE区域2455b被示为具有相同的尺寸并且在x-y平面中精确对准，但是在其他实施例中，它们可以具有稍微不同的尺寸和/或它们可以部分未对准。在一些实施例中，第一CPE区域2455a和第二CPE区域2455b彼此重叠至少70％，或至少80％，或至少90％，或至少95％。
如已经提到的，来自ICG区域2440的引导光束经由TIR传播通过目镜波导2400，这意味着它们在面向眼睛侧面2400a与面向外侧面2400b的相应表面之间来回反射。当引导光束以这种方式传播通过目镜波导2400时，它们与第一CPE区域2455a和第二CPE区域2455b的衍射光栅交替地相互作用。第一CPE区域2455a和第二CPE区域2455b对引导光束的操作将关于图24B至图24K进一步讨论。
图24B示出了第一CPE区域2455a和第二CPE区域2455b根据光通过目镜波导2400的第一类型的主路径在物理空间和k空间两者中的操作。目镜波导2400的物理示意图在图24B的左手侧示出。目镜波导2400被示为从面向眼睛侧面2400a观察。ICG区域2440以及第一CPE区域2455a和第二CPE区域2455b的操作的k空间图KSD1a在图24B的右手侧示出。
如已经讨论的，一组输入光束从诸如投射器的输入设备入射到目镜波导2400的ICG区域2440上。这组输入光束由k空间图KSD1a的中心所示的FOV矩形表示。ICG区域2440中的衍射光栅具有指向±ky方向的相关联的正负光栅矢量。因此，ICG区域2440的k空间操作是将中心FOV矩形移位到k空间图KSD1a上的6点钟和12点钟位置。(12点钟位置的FOV矩形对应于在+y方向上传播的光束。由于这些光束从目镜波导2400的顶部边缘射出，因此未示出该特定FOV矩形并且不进一步讨论这些光束。)可以基于衍射线的间隔和光的波长来设置与ICG区域2440相关联的光栅矢量的长度，使得六点钟位置处的经平移的FOV矩形完全位于k空间环内。
为了便于说明，图24B的左手侧的物理图仅示出了来自ICG区域2440的引导光束中的一个(即，与位于k空间图KSD1a的六点钟位置处的FOV矩形中的中心k矢量对应的引导光束2441)。来自ICG区域2440的引导光束2441在-y方向上向下传播通过目镜波导2400，在面向眼睛侧面2400a的表面与面向外侧面2400b的表面之间以TIR来回反射。每次引导光束2441从面向眼睛侧面2400a反射时，它可以与第一CPE区域2455a相互作用。并且每次引导光束2441从面向外侧面2400b反射时，它可以与第二CPE区域2455b相互作用。可以设置第一CPE区域2455a和第二CPE区域2455b的衍射效率，使得通过这些相互作用中的每一个仅衍射每束光的一部分功率。例如，在一些实施例中，第一CPE区域2455a和第二CPE区域2455b的衍射效率为10％或更小。第一CPE区域2455a和第二CPE区域2455b的衍射效率可以通过例如衍射线的蚀刻深度来确定。
图24B的左手侧的物理图示出了引导光束2441与第一CPE区域2455a的相互作用，这导致光在-x方向上横向传播通过目镜波导2400。当引导光束2441在-y方向上向下传播通过目镜波导2400时，在与第一CPE区域2455a的每次相互作用期间，引导光束2441的功率的一部分相对于y轴成+120°角度衍射。引导光束2441的功率的其余部分继续在-y方向上向下传播，直到与第一CPE区域2455a的下一次相互作用，其中引导光束2441的功率的另一部分以相同的+120°角度衍射。该过程产生多个间隔开的衍射光束2456a，衍射光束2456a相对于y轴成+120°角度传播通过目镜波导2400。这些衍射光束2456a由图24B右手侧的k空间图KSD1a中位于8点钟位置的FOV矩形表示。
与任何一维衍射光栅一样，存在与第一CPE区域2455a相关联的正负光栅矢量。这些光栅矢量沿着第一CPE区域2455a中的光栅线的周期性方向指向。因此，与第一CPE区域2455a相关联的一阶光栅矢量中的一个指向相对于y轴的+60°(如KSD1a中所示)，而其他指向相对于y轴的–120°的相反方向。正负高阶光栅矢量也是如此。指向相对于y轴的+60°的一阶光栅矢量将FOV矩形从六点钟位置(对应于来自ICG区域2440的向下传播的引导光束)移位到八点钟位置(对应于相对于y轴成+120°角度传播的衍射光束2456a)。(指向相对于y轴的–120°的一阶光栅矢量会将FOV矩形从六点钟位置移位到k空间环外的位置，因此不会导致衍射。)
一旦来自ICG区域2440的引导光束与第一CPE区域2455a相互作用并被衍射成由在k空间图KSD1a的八点钟位置处的FOV矩形所表示的传播状态，当引导光束被引导通过目镜波导2400时，它们在下一个TIR回弹的情况下与第二CPE区域2455b相互作用。这些光束2456a与第二CPE区域2455b的相互作用可以导致它们从目镜波导2400向外耦合朝向用户的眼睛。外耦合光束2457a在图24B的左手侧的目镜波导2400的物理图中以圆点示出，表示这些光束在z方向上传播到页面之外。可以通过参考k空间图KSD1a来理解第二CPE区域2455b对光束2456a的向外耦合。
正如存在与第一CPE区域2455a相关联的正负光栅矢量一样，也存在与第二CPE区域2455b相关联的正负光栅矢量。这些光栅矢量沿着第二CPE区域2455b中的光栅线的周期性方向指向。因此，与第二CPE区域2455b相关联的一阶光栅矢量中的一个指向相对于y轴的–60°(如KSD1a中所示)，而其他指向相对于y轴的+120°的相反方向。正负高阶光栅矢量也是如此。指向相对于y轴的–60°的一阶光栅矢量将FOV矩形从8点钟位置(与相对于y轴成+120°角度传播的衍射光束2456a对应)移位到k空间图KSD1a的中心(与在目镜波导2400内不再处于引导传播模式的外耦合光束对应)。(指向相对于y轴的+120°的一阶光栅矢量会将FOV矩形从8点钟位置移位到k空间环以外的位置，因此不会导致衍射。)
图24B左手侧的物理图示出了光束2456a与第二CPE区域2455b的相互作用如何产生多个间隔开的外耦合光束2457a。当光束2456a相对于y轴成+120°角度传播时，它们的功率的一部分通过与第二CPE区域2455b的每次相互作用而向外耦合。光束2456a的功率的其余部分继续以相对于y轴成+120°角度传播，直到与第二CPE区域2455b的下一次相互作用，其中这些光束的功率的另一部分被向外耦合。该过程产生多个间隔开的外耦合光束2457a，外耦合光束2457a在不同的空间位置处离开目镜波导2400并朝向用户的眼睛传播。如已经指出的，这些外耦合光束2457a由位于k空间图KSD1a的中心的FOV矩形表示。
光束以图24B中的k空间图KSD1a中所示的方式穿过目镜波导2400是光通过目镜波导的第一类型的主路径。还存在光通过目镜波导2400的第二类型的主路径，其由图24C中的k空间图KSD1b示出。
图24C示出了第一CPE区域2455a和第二CPE区域2455b根据光通过目镜波导2400的第二类型的主路径在物理空间和k空间中的操作。再次，目镜波导2400的物理图示出在图24C的左手侧。目镜波导2400再次示出为从面向眼睛侧面2400a观看。ICG区域2440以及第一CPE区域2455a和第二CPE区域2455b的操作的k空间图KSD1b在图24C的右手侧示出。
图24C左手侧的物理图示出了来自与图24B所示的ICG区域2440相同的引导光束2441。但是这一次，物理图示出了引导光束2441与第二CPE区域2455b的相互作用，这导致光在+x方向上横向传播通过目镜波导2400。即，当引导光束2441在-y方向向下传播通过目镜波导2400时，在与第二CPE区域2455b的每次相互作用期间，引导光束2441的功率的一部分相对于y轴基本上成–120°的角度衍射。引导光束2441的功率的其余部分继续在-y方向向下传播，直到与第二CPE区域2455b的下一次相互作用，其中引导光束2441的功率的另一部分以相同的-120°角度衍射。该过程产生多个间隔开的衍射光束2456b，其相对于y轴成–120°角度传播通过目镜波导2400。这些衍射光束2456b由位于图24C右手侧的k空间图KSD1b中4点钟位置的FOV矩形表示。
如已经讨论的，与第二CPE区域2455b相关联的一阶光栅矢量中的一个指向相对于y轴的–60°(如KSD1b中所示)，而其他指向相对于y轴的+120°的相反方向。指向相对于y轴的–60°的一阶光栅矢量将FOV矩形从六点钟位置(与来自ICG区域2440的向下传播的引导光束对应)移位到四点钟位置(与相对于y轴成–120°角度传播的衍射光束2456b对应)。(指向相对于y轴的+120°的一阶光栅矢量会将FOV矩形从六点钟位置移位到k空间环外的位置，因此不会导致衍射。)
一旦来自ICG区域2440的引导光束与第二CPE区域2455b相互作用并被衍射成由在k空间图KSD1b的四点钟位置处的FOV矩形所表示的传播状态，当它们被引导通过目镜波导2400时，在下一次TIR回弹的情况下，引导光束然后与第一CPE区域2455a相互作用。这些光束2456b与第一CPE区域2455a的相互作用可以导致它们从目镜波导2400向外耦合朝向用户的眼睛。外耦合光束2457b在图24C的左手侧的目镜波导2400的物理图中示出为圆点，表示这些光束在z方向上传播到页面之外。通过参考k空间图KSD1b可以理解第一CPE区域2455a对光束2456b的向外耦合。
如已经讨论的，与第一CPE区域2455a相关联的一阶光栅矢量中的一个指向相对于y轴的+60°(如KSD1b中所示)，而其他指向相对于y轴的–120°的相反方向。指向相对于y轴的+60°的一阶光栅矢量将FOV矩形从四点钟位置(与相对于y轴成–120°角度传播的衍射光束2456b对应)到k空间图KSD1a的中心(与在目镜波导2400内不再处于引导传播模式的外耦合光束对应)。(指向相对于y轴的–120°的一阶光栅矢量将FOV矩形从四点钟位置移位到k空间环外的位置，因此不会导致衍射。)
图24C左手侧的物理图示出了光束2456b与第一CPE区域2455a的相互作用如何产生多个间隔开的外耦合光束2457b。当光束2456b相对于y轴成–120°角度传播时，它们的功率的一部分通过与第一CPE区域2455a的每次相互作用而向外耦合。光束2456b的功率的其余部分继续相对于y轴成–120°角度传播，直到与第一CPE区域2455a的下一次相互作用，其中这些光束的功率的另一部分被向外耦合。该过程产生多个间隔开的外耦合光束2457b，其在不同的空间位置离开目镜波导2400并朝向用户的眼睛传播。如已经指出的，这些外耦合光束2457b由位于k空间图KSD1b的中心的FOV矩形表示。
图24D示出了第一CPE区域2455a和第二CPE区域2455b根据光通过目镜波导2400的第一类型和第二类型的主路径在物理空间和k空间中的操作。又再次，目镜波导2400的物理图示出在图24D的左手侧。目镜波导2400再次示出为从面向眼睛侧面2400a观看。ICG区域2440以及第一CPE区域2455a和第二CPE区域2455b的操作的k空间图KSD2在图24D的右手侧示出。
如已经讨论的，通过目镜波导2400的光的两种类型的主路径都以入射在ICG区域2440上的一组输入光束开始，该组输入光束对应于输入图像。该组输入光束由位于k空间图KSD2的中心的FOV矩形表示。ICG区域2440将输入光束耦合为目镜波导2400内的引导传播模式。这由通过与ICG区域相关联的一阶光栅矢量中的一个一阶光栅矢量从k空间图KSD2的中心到k空间环的6点钟位置的FOV矩形的平移来表示。图24D左手侧的物理图示出了单个所得到的引导光束(即，引导光束2441)。然而，应该理解的是，将存在许多引导输入光束，每个光束将与KSD2的k空间环中位于6点钟位置的FOV矩形内的不同k矢量对应。
来自ICG区域2440的引导光束然后在目镜波导2400的面向眼睛侧面2400a的表面与面向外侧面2400b的表面之间发生TIR时，与第一CPE区域2455a和第二CPE区域2455b具有多个交替相互作用。在每一代相互作用期间，每个光束的功率的一部分可以发生零级衍射并在目镜波导2400的xy平面中沿相同方向继续传播，而每个光束的功率的另一部分可以一级衍射到一个新的传播方向。
处于由KSD2中6点钟位置处的FOV矩形所表示的传播状态的一些光束将首先与第一CPE区域2455a相互作用，而其他光束将首先与第二CPE区域2455b相互作用。在初始相互作用是与第一CPE区域2455a的那些光束的情况下，这些光束中的每一个的一部分功率将发生一级衍射，从而产生处于以下传播状态的衍射光束(例如，衍射光束2456a)，该传播状态由KSD2中位于k空间环的8点钟位置的FOV矩形所表示，并且这些光束中的每一个的另一部分功率将发生零级衍射，产生传播状态继续由6点钟位置的FOV矩形所表示的衍射光束。所有这些光束然后在它们传播通过目镜波导2400时，在发生随后的TIR回弹的情况下，将与第二CPE区域2455b相互作用。
在与第二CPE区域2455b相互作用期间，传播状态由8点钟位置处的FOV矩形所表示的光束的一部分功率将发生一级衍射，从而产生传播状态由KSD2中的k空间环的中心处的FOV矩形所表示的外耦合光束(例如，光束2457a)，并且这些光束中的每一个的另一部分功率将发生零级衍射，产生传播状态继续由8点钟位置的FOV矩形所表示的光束(例如，光束2456a)。同时，传播状态由6点钟位置的FOV矩形所表示的光束的一部分功率将遵循通过目镜波导2400的第二类型的主路径。即，传播状态由6点钟位置的FOV矩形所表示的光束的一部分功率将在与第二CPE区域2455b的相互作用中发生一级衍射，从而产生传播状态由KSD2中位于k空间环的4点钟位置的FOV矩形所表示的光束(例如，光束2456b)，并且这些光束中的每一个的另一部分功率将发生零级衍射，产生传播状态继续由6点钟位置的FOV矩形所表示的光束。当所有这些光束传播通过目镜波导2400时，在发生随后的TIR回弹的情况下，它们将与第一CPE区域2455a相互作用。
在与第一CPE区域2455a的下一次相互作用期间，传播状态由4点钟位置处的FOV矩形所表示的光束的一部分功率将发生一级衍射，从而产生传播状态由KSD2中的位于k空间环的中心的FOV矩形所表示的外耦合光束(例如，光束2457b)，并且这些光束中的每一个的另一部分功率将发生零级衍射，产生传播状态继续由4点钟位置处的FOV矩形所表示的光束(例如，光束2456b)。同时，传播状态由6点钟位置的FOV矩形所表示的光束的一部分功率将遵循通过目镜波导2400的第一类型的主路径。即，传播状态由位于6点钟位置的FOV矩形所表示的光束的一部分功率将在与第一CPE区域2455a的相互作用中发生一级衍射，从而产生传播状态由KSD2中的位于k空间环的8点钟位置的FOV矩形所表示的光束(例如，光束2456a)，并且这些光束中的每一个的另一部分功率将发生零级衍射，产生传播状态继续由6点钟位置的FOV矩形所表示的光束。所有这些光束然后在传播通过目镜波导2400时，在发生随后的TIR回弹的情况下，将与第二CPE区域2455b相互作用，并且将重复该循环。
从图24B至图24D中的k空间图可以明显看出，ICG区域2440、第一CPE区域2455a和第二CPE区域2455b中的一维衍射光栅可以被定向为使得它们相关联的光栅矢量都相对于彼此基本上成60°角度。此外，ICG区域2440、第一CPE区域2455a和第二CPE区域2455b中的一维衍射光栅都可以具有相同的线间隔，使得它们相关联的光栅矢量都具有相同的大小。这些特性与第一CPE区域2455a和第二CPE区域2455b位于目镜波导2400的相对侧的事实相结合，因此光束与那些光栅交替相互作用，导致光束沿着由等边三角形限定的k空间中的路径传播。这些等边三角形路径允许第一CPE区域2455a和第二CPE区域2455b都在目镜波导2400中横向传播光并且都将光从目镜波导向外耦合到用户的眼睛。
图24E是输入光束与图24A所示的目镜波导实施例的CPE区域2455之间的第一代相互作用的示意图。在所示的情况下，第一代相互作用是与第一CPE区域2455a进行的，尽管它可以替代地与第二CPE区域2455b进行。图24E示出了从ICG区域2440进入第一CPE区域2455a的引导输入光束。输入光束被示出为在与位于图24B至图24D的k空间环的6点钟位置处的FOV矩形中的k矢量中的一个k矢量对应的方向上传播。在一些实施例中，输入光束的直径为大约5mm或更小，或大约1mm或更小。
在与第一CPE区域2455a的每次相互作用中，输入光束将分束成以TIR在两个不同方向上传播的2个光束(每个光束具有相同的直径但具有输入光束的一小部分原始功率)。一个方向对应于零级衍射并且是目镜波导2400的x-y平面中的原始传播角。另一个方向取决于与第一CPE区域2455a相关联的光栅矢量。如图所示，输入光束与第一CPE区域2455a之间的第一代相互作用产生两个光束：输入光束的一部分功率作为输出1(输出1)简单地从目镜波导2400的表面反射，并继续在与输入光束相同的x-y方向前进(即，0级衍射)；并且输入光束的一部分功率与第一CPE区域2455a中的一维光栅相互作用并作为输出2(output2)发生衍射。输出2光束示出为在与图24B至图24D中的k空间环的8点钟位置处的FOV矩形中的一个k矢量对应的方向上传播。在该第一代相互作用之后，输出1光束和输出2光束可以随后与第二CPE区域2455b相互作用。尽管未示出，但从ICG区域2440以不同传播角度进入第一CPE区域2455a的其他引导输入光束将表现相似但具有略微不同的输入和输出角度。
图24F是输入光束与图24A中所示的目镜波导实施例的CPE区域2455之间的第二代相互作用的示意图。在所示的情况下，第二代相互作用是与第二CPE区域2455b进行的。与第一代相互作用相关的光束用虚线示出，而与第二代相互作用相关的光束用实线示出。如图24F所示，来自第一代相互作用的输出光束输出1和输出2中的每一个现在可以与第二CPE区域2455b相互作用。来自图24E的输出1光束的一部分功率发生零级衍射并继续在相同的xy方向上(与图24B至图24D中的k空间图的6点钟位置处的FOV矩形中的一个k矢量对应)，而该光束的另一部分功率与第二CPE区域2455b中的光栅相互作用，并在与位于图24B至图24D的k空间图的4点钟位置的FOV矩形中的一个k矢量对应的方向上发生一级衍射。类似地，来自图24E的输出2光束的一部分功率发生零级衍射并继续在相同的方向上前进(与位于图24B至图24D的k空间图的8点钟位置处的FOV矩形中的一个k矢量对应)，而该光束的另一部分功率与第二CPE区域2455b中的光栅相互作用，并被一级衍射，以及从目镜波导2400向外耦合。在第二代相互作用之后，输出1光束和输出2光束随后可以与第一CPE区域2455a相互作用。
图24G是输入光束与图24A中所示的目镜波导实施例的CPE区域之间的第三代相互作用的示意图。在所示的情况下，第三代相互作用是与第一CPE区域2455a进行的。与第一代和第二代相互作用相关的光束用虚线表示，而与第三代相互作用相关的光束用实线表示。如图24G所示，来自第二代相互作用的输出光束输出1和输出2的每一个现在可以与第一CPE区域2455a相互作用。属于位于k空间环的8点钟位置处的FOV矩形的来自图24F的输出1光束的一部分功率发生零级衍射，并继续在相同的x-y方向上前进，而该光束的另一部分功率在与位于6点钟位置的FOV矩形中的一个k矢量对应的方向上被一级衍射。属于位于k空间环的6点钟位置的FOV矩形的来自图24F的输出1光束的一部分功率发生零级衍射，并继续在相同的x-y方向上前进，而该光束的另一部分功率在与位于8点钟位置的FOV矩形中的一个k矢量对应的方向上被一级衍射。最后，来自图24F的输出2光束的一部分功率发生零级衍射，并在相同的x-y方向继续前进，而该光束的另一部分功率被一级衍射并从目镜波导2400向外耦合。在该第三代相互作用之后，输出1光束和输出2光束随后可以与第二CPE区域2455b相互作用。
图24H是输入光束与图24A中所示的目镜波导实施例的CPE区域2455之间的第四代相互作用的示意图。在所示的情况下，第四代相互作用是与第二CPE区域2455b进行的。与第一代、第二代和第三代相互作用相关的光束用虚线表示，而与第四代相互作用相关的光束用实线表示。在这一代相互作用中，一些光束从目镜波导2400向外耦合，而其他光束中的每一个都衍射到与k矢量对应的方向，该k矢量属于图24B至图24D的k空间图的k空间环中的位于4点钟、6点钟或8点钟位置的FOV矩形中的一个。在该第四代相互作用之后，输出1光束和输出2光束可以随后与第一CPE区域2455a相互作用。
图24I是输入光束与图24A中所示的目镜波导实施例的CPE区域2455之间的第五代相互作用的示意图。在所示的情况下，第五代相互作用是与第一CPE区域2455a进行的。与第一代、第二代、第三代和第四代相互作用相关的光束用虚线表示，而与第五代相互作用相关的光束用实线表示。如在前几代相互作用中，一些光束从目镜波导2400向外耦合，而其他光束中的每一个都衍射到与k矢量对应的方向，该k矢量属于图24B至图24D的k空间图的k空间环中的4点钟、6点钟或8点钟位置的FOV矩形中的一个。在该第五代相互作用之后，输出1光束和输出2光束可以随后与第二CPE区域2455b相互作用并且循环继续重复。
图24J示出了在k空间中光通过图24A所示的目镜波导2400的高阶路径。图24B至图24D图中的k空间图示出了与ICG区域2440和CPE区域2455相关联的一阶光栅矢量。一阶光栅矢量导致由k空间环中的4点钟、6点钟、和8点钟位置处的FOV矩形所表示的引导传播模式。然而，每个CPE 2455区域也与正负二阶光栅矢量相关联，其中一些二阶光栅矢量还导致引导传播模式。
如本文已经讨论的，二阶光栅矢量指向与对应的一阶光栅矢量相同的方向，但具有两倍的大小。因此，如图24J所示，由k空间环中的4点钟位置的FOV矩形所表示的传播模式的光束可以通过第一CPE区域2455a被二级衍射成由k空间环的10点钟位置的FOV矩形所表示的传播模式。类似地，由k空间环中的8点钟位置的FOV矩形所表示的传播模式的光束可以通过第二CPE区域2455b被二级衍射成由k空间环的2点钟位置处的FOV矩形所表示的传播模式。根据2点钟位置和10点钟位置，通过CPE区域2455发生的一级衍射可以导致由12点钟位置的FOV矩形所表示的传播模式的光束。
k空间环中的10点钟、12点钟和2点钟位置处的传播模式与二级衍射路径相关联，仍然可以向外耦合到用户的眼睛。例如，由k空间环的10点钟位置处的FOV矩形所表示的传播模式的光束可以通过第一CPE区域2455a被一级衍射为由在k空间环的中心处的FOV矩形所表示的外耦合光束。类似地，由k空间环的2点钟位置处的FOV矩形所表示的传播模式的光束可以通过第二CPE区域2455b被一级衍射为由k空间环的中心处的FOV矩形所表示的外耦合光束。
图24K是示出光束如何传播通过图24A所示的目镜波导2400的示意图。从ICG区域2440在–y方向传播进入CPE区域2455的引导光束被复制成许多光束，其中一些在±y方向传播(对应于k空间环中的6点钟位置和12点钟位置的FOV矩形)，一些相对于y轴以±60°行进(对应于k空间环中的2点钟位置和10点钟位置的FOV矩形)，并且一些相对于y轴成±120°行进(对应于k空间环中的4点钟位置和8点钟位置的FOV矩形)。这样，光束在整个目镜波导2400中横向传播。
图25A是具有单个二维组合式光瞳扩展器-提取器(CPE)光栅区域2555的示例目镜波导2500的边缘视图。单个二维CPE区域2555以类似于图24A所示的两个一维CPE区域2455a、2455b的组合操作的方式进行操作。例如，类似于OPE区域，CPE区域2555在目镜波导2500内横向传播光，并且类似于EPE区域，CPE区域2555也从目镜波导2500提取光。
尽管图25A中的单个二维CPE区域2555以与图24A中的两个一维CPE区域2455a、2455b共同操作类似的方式进行操作，但是单个二维CPE区域2555的不同结构在于，它由在两个或更多个方向上表现出周期性的衍射特征组成，而图24A中的一维CPE区域2455a、2455b中的每一个是由在单个方向上具有周期性的衍射特征组成的。由于图25A中的二维CPE区域2555可以执行由图24A中的两个一维CPE区域2455a、2455b共同执行的操作，它可以形成在目镜波导2500的单面上或单面中，而图24A中的CPE区域2455a、2455b分别形成在目镜波导2400的两侧上或两侧中。
图25A中的CPE区域2555是单面二维设计的事实——与图24A的双面一维设计相反——在制造方面可能是有利的，因为仅在一侧面具有光栅的目镜波导(例如，2500)的制造可能不如在两侧面具有光栅的目镜波导(例如，2400)制造复杂。例如，图24A的双面设计的制造可能涉及获得光栅2455a相对于相对侧上的光栅2455b的精确角度对准的程序，而图25A的单面设计的制造商可以省略那些角度对准程序。图25A中的单面设计的一些实施例还可以提供光学性能方面的特定优势，因为不存在目镜波导的相对侧面上的光栅之间的角度失配的风险，以及由此导致的光学性能下降的风险。
图25A所示的目镜波导2500可以使用由透光材料制成的基板来形成。目镜波导2500具有面向眼睛侧面2500a和面向外侧面2500b。在目镜波导2500的所示实施例中，ICG区域2540设置在目镜波导2500的顶部中心处，并且CPE区域2555设置在ICG区域2540下方、面向眼睛侧面2400a上。然而，其他配置也是可能的。例如，CPE区域2555和/或ICG区域2540可替代地设置在目镜波导2500的面向外侧面2500b上，使得ICG和CPE区域以反射或透射模式起作用。此外，如在其他实施例中，ICG区域可以位于其他位置，例如目镜波导2500的颞侧或内侧。
在一些实施例中，ICG区域2540是在目镜波导2500的表面上或表面中(例如，在面向眼睛侧面2500a上)形成的衍射光栅。ICG区域2540从诸如投射器的输入设备接收一组输入光束。如本文别处所述，输入光束可从输入设备通常在±z方向上传播，直到它们入射在ICG区域2540上。ICG区域2540衍射那些输入光束，使得至少一些进入目镜波导2500内的引导传播模式。
ICG区域2540内的衍射光栅的所示实施例具有一维周期性(即，它是一维光栅)。ICG区域2540的光栅线可以取向为将一些衍射光束在-y方向上朝向CPE区域2555引导。因此，在所示实施例中，ICG区域2540包括在±x方向延伸并在±y方向周期性重复的衍射线。如本文别处所述，可以设置构成ICG区域2540的衍射线之间的间隔，以便将输入光束耦合成目镜波导2500内的引导传播模式。来自ICG区域2540的衍射光束然后经由TIR朝向CPE区域2555传播。
图25A中的CPE区域2555具有二维周期性(即，它是二维光栅)。二维光栅2555具有对应的一组k空间光栅矢量，其包括图24A至图24K的设计中的CPE区域2455a、2455b两者的光栅矢量。在一些实施例中，图25A中的CPE区域2555由交叉光栅组成，该交叉光栅通过来自图24A至图24K的CPE区域2455a和CPE区域2455b的叠加而产生。在一些实施例中，图25A中的CPE区域2555由位于交点2556处(例如，以交点2556为中心)的衍射特征的阵列组成，CPE区域2455a和CPE区域2455b的线光栅如果重叠时将会交叉于上述交点2556。
如上面已经讨论的，图24A至图24K中的CPE区域2455a可以是由相对于y轴成成–30°角度取向的衍射线组成的一维衍射光栅。该一维光栅对应于在图25B中标记为光栅矢量G的k空间光栅矢量。同时，CPE区域2455b可以是由相对于y轴成+30°角度取向的衍射线组成的一维衍射光栅。该一维光栅对应于在图25B中被标记为光栅矢量H的k空间光栅矢量。CPE区域2455a的一维光栅与CPE区域2455b的一维光栅之间以及这些光栅中的每一个与ICG区域2440的一维光栅之间的相对角度基本上为60°(即，60°±5°，或60°±3°，或60°±1°，或60°±0.5°，或60°±0.1°)。因此，图24A至图24K中的CPE区域2455a、2455b的k空间光栅矢量G、H同样相对于彼此成基本上60°取向。图25A中的CPE区域2555的二维光栅同样具有这些相同的一阶光栅矢量G和H(除了对应于±G与±H之和的高阶光栅矢量以外)。
除了相对于彼此基本上成60°取向之外，CPE区域2555的二维光栅的一阶光栅矢量G、H也相对于ICG区域2540的光栅矢量以基本上60°取向。此外，CPE区域2555的二维光栅可以设计成具有空间周期性，使得其一阶光栅矢量G、H在大小上基本上等于ICG区域2540的一阶光栅矢量。CPE区域2555对来自ICG区域2540的引导光束的操作关于图25B进行描述。
图25B示出了二维CPE区域2555在物理空间和k空间中的操作。目镜波导2500的物理图示出在图25B的顶部。ICG区域2540和CPE区域2555的操作的k空间图KSD1示出在图25B的底部。
如已经讨论的，一组输入光束从诸如投射器的输入设备入射到目镜波导2500的ICG区域2540上。这组输入光束由k空间图KSD1的中心所示的FOV矩形表示。ICG区域2540中的衍射光栅具有指向±ky方向的相关联的正负光栅矢量。因此，ICG区域2540的k空间操作是将中心FOV矩形移位到k空间图KSD1上的6点钟位置和12点钟位置。(12点钟位置处的FOV矩形对应于在+y方向上传播的光束。由于这些光束从目镜波导2500的顶部边缘射出，因此未示出该特定FOV矩形并且不进一步讨论这些光束。)可以基于衍射线的间隔和光的波长来设置ICG光栅矢量的长度，使得六点钟位置的经平移的FOV矩形完全位于k空间环内。
为便于说明，图25B顶部的物理图仅示出了来自ICG区域2540的一个引导光束(即，与位于k空间图KSD1的六点钟位置处的FOV矩形中的中心k矢量对应的引导光束2541)。然而，应该理解的是，将存在许多引导输入光束，每个引导输入光束将对应于位于KSD1的k空间环中的6点钟位置处的FOV矩形内的不同k矢量。
来自ICG区域2540的引导光束2541在-y方向上向下传播通过目镜波导2500，在面向眼睛侧面2500a的表面与面向外侧面2500b的表面之间以TIR来回反射。每次引导光束2541从面向眼睛侧面2500a反射时，它可以与CPE区域2555相互作用。CPE区域2555的衍射效率可以被设置为使得利用这些相互作用中的每一个仅衍射每个光束的一部分功率。例如，在一些实施例中，CPE区域2555的衍射效率为10％或更小。CPE区域2555的衍射效率可以由例如衍射特征的蚀刻深度来确定。例如，在一些实施例中，衍射特征的高度可以在约5nm至约200nm的范围内。在一些实施例中，衍射特征的高度可以在刚好大于零至引导光束2541的半波长的范围内。
图25B顶部的物理图示出了引导光束2541与CPE区域2555的相互作用，该相互作用导致光在±x方向上横向传播通过目镜波导2500。由于引导光束2541在-y方向上向下传播通过目镜波导2500，在与CPE区域2555的每次相互作用期间，引导光束2541的功率的一部分相对于y轴成±120°角度衍射。引导光束2541的功率的其余部分继续在–y方向上向下传播，直到与CPE区域2555的下一次相互作用，在下一次相互作用中引导光束2541的部分功率再次以相同的±120°角度衍射。该过程产生多个间隔开的衍射光束2556a、2556b，它们分别相对于y轴成+120°角度和–120°角度传播通过目镜波导2500。以+120°角度传播的衍射光束2556a由位于k空间图KSD1中的8点钟位置的FOV矩形表示，而以–120°角度传播的衍射光束2556b由位于4点钟位置的FOV矩形表示。
参考图25B底部的k空间图KSD1，指向相对于ky轴的+60°的一阶光栅矢量G将FOV矩形从六点钟位置(对应于来自ICG区域2540的向下传播的引导光束)移位到八点钟位置(对应于相对于y轴成+120°角度传播的衍射光束2556a)。类似地，指向相对于ky轴的–60°的一阶光栅矢量H将FOV矩形从6点钟位置(对应于来自ICG区域2540的向下传播的引导光束)移位到4点钟位置(对应于相对于y轴成–120°角度传播的衍射光束2556b)。
一旦来自ICG区域2540的引导光束与CPE区域2555相互作用并被衍射为由k空间图KSD1的4点钟位置和8点钟位置处的FOV矩形所表示的传播状态，当它们被引导通过目镜波导2500时，在随后的TIR回弹的情况下，它们再次与CPE区域2555相互作用。光束2556a和光束2556b与CPE区域2555的这种随后的相互作用可以导致它们从目镜波导2500向外耦合朝向用户的眼睛。外耦合光束2557在图25B顶部的目镜波导2500的物理图中示出为圆点，表示这些光束在z方向上传播到页面之外。CPE区域2555对光束2556a、2556b的向外耦合可以通过参考k空间图KSD1来理解。
指向相对于y轴的–60°的一阶光栅矢量H将FOV矩形从八点钟位置(对应于相对于y轴成+120°角度传播的衍射光束2556a)移位到k空间图KSD1的中心(对应于在目镜波导2500内不再处于引导传播模式的外耦合光束2557)。类似地，指向相对于y轴的+60°的一阶光栅矢量G将FOV矩形从四点钟位置(对应于相对于y轴成–120°角度传播的衍射光束2556b)移位到k空间图KSD1的中心(对应于在目镜波2500内不再处于引导传播模式的外耦合光束2557)。
图25B顶部的物理图示出了光束2556a、2556b与CPE区域2555的后续相互作用如何产生多个间隔开的外耦合光束2557。当光束2556a、2556b相对于y轴成±120°角度传播时，它们的功率的一部分通过与CPE区域2555的每次后续相互作用而向外耦合。光束2556a、2556b的功率的其余部分继续相对于y轴成±120°角度传播，直到与CPE区域2555的下次相互作用，在下次相互作用中这些光束的另一部分功率被向外耦合。该过程产生多个间隔开的外耦合光束2557，它们在不同的空间位置离开目镜波导2500并朝向向用户的眼睛传播。如已经指出的，这些外耦合光束2557由位于k空间图KSD1的中心处的FOV矩形来表示。
另外，虽然未在图25B中示出，光也可以图24J所示的方式传播通过目镜波导2500。也就是说，由于高级衍射，光也可以在由k空间环的2点钟位置、10点钟位置和12点钟位置处的FOV矩形所表示的方向上传播。
如图25B中的k空间图KSDl所示，光束沿着基本上类似于等边三角形的k空间中的路径传播通过目镜波导2500。这些基本等边的三角形路径允许CPE区域2555在目镜波导2500横向传播光并将光从目镜波导向外耦合到用户的眼睛。
图26A是在每一侧面上具有二维组合式光瞳扩展器-提取器(CPE)光栅区域2655的示例目镜波导2600的边缘视图。二维CPE区域2655a、2655b中的每一个可以类似于图25A至图25B的二维CPE区域2555。例如，CPE区域2655a可以是位于目镜波导2600的面向眼睛侧面2600a上的CPE区域2555的实例，而CPE区域2655b可以是位于面向外侧面2600b上的CPE区域2555的实例。两个二维CPE区域2655a、2655b可以在x方向和y方向上部分或全部重叠，并且可以彼此在角度上对准。在目镜波导的两侧面上具有二维CPE区域2655的双面实施例与图25A至图25B的单面实施例相似地起作用。在k空间中，图26A的双面实施例的操作与图25A中的单面实施例相同。然而，与单面实施例相比，双面实施例确实增加了输出光束的密度。增加的输出光束密度可用于解决图26B和图26C中所示的设计复杂性。
图26B示出了所谓的“屏幕门效应”，其是与来自目镜波导的输出光束的密度相关的图像伪影。图26B中的顶部面板示出了在顶表面上具有衍射光栅的目镜波导2600。引导光束2656被示为经由TIR传播通过目镜波导。在引导光束2656与衍射光栅的每次相互作用的位置处，输出光束2657从目镜波导2600向外耦合。如果用户眼睛的入射光瞳碰巧与输出光束2657中的一个对准，如图26B的顶部面板所示，则用户将看到亮斑。(注意：目镜波导2600、光束2656、2657和眼睛的入射光瞳的相应尺寸不一定按比例绘制。)
图26B的底部面板示出了相同的目镜波导2600，但是这次引导光束2656和输出光束2657对应于正在示出显示的输出图像的视场的不同区域。因此，输出光束2657以不同的角度离开目镜波导，使得用户眼睛的入射光瞳不与任何输出光束2657对准。在这种情况下，用户将看到暗斑。
随着输出光束2657的密度增加，对于输出图像的FOV的所有区域，总会有一个或多个与眼睛的入射光瞳相交的可能性也增加。因此，具有更高密度的输出光束2657的目镜波导设计可能是有利的。
屏蔽门效应的严重程度取决于多个因素，包括光束的直径和目镜波导2600的厚度。用于增加输出光束2657的密度的一种技术是减小目镜波导的厚度。从图26B可以明显看出，如果目镜波导2600的厚度更小，则引导光束2656将在与衍射光栅的相互作用之间沿x方向行进更短的距离，并且输出光束2657的密度将增加。如果假设光束直径约为1mm，则目镜波导2600的厚度为325μm或更小可能是有利的，以避免不可接受程度的屏蔽门效应。然而，减小目镜波导2600的厚度会导致其他困难，如图26C所示。
图26C示出了输入耦合光栅回弹，这是会导致光从目镜波导不利地损失的效应。图26C示出了具有输入耦合光栅(ICG)的目镜波导2600。输入光束2602入射在ICG上并且被ICG耦合成引导传播模式。得到的引导光束2656然后经由TIR传播通过目镜波导2600。根据多种因素，包括ICG的尺寸、目镜波导2600的厚度和光束直径，引导光束2656在从目镜波导2600的相对表面反射之后可能与ICG相互作用。这种情况在图26C中示出。引导光束2656与ICG之间发生这种相互作用的区域被标记为回弹(re-bounce)区域。
在回弹区域，引导光束2656的一些功率可以从目镜波导2600向外耦合。例如，如果输入光束2602通过ICG的+1衍射级被耦合到目镜波导2600中，那么如果光束随后在回弹区域与ICG相互作用，则–1衍射级将使该光束向外耦合。ICG通常设计为具有高衍射效率，以便将尽可能多的光耦合进来，但这种高衍射效率也会导致在回弹区域出现强烈的向外耦合。因此，ICG回弹会导致光损失和效率降低。
可以通过增加目镜波导的厚度来减轻ICG回弹效应。从图26C可以明显看出，如果目镜波导2600的厚度较大，则引导光束2656在从ICG衍射之后并且在返回到ICG所在的目镜波导2600的表面之前，将在x方向上行进更大的距离。这将减小回弹区域的大小，甚至完全消除它。如果假设光束直径约为1mm，则目镜波导2600的厚度为650μm或更大可能是有利的，以避免ICG回弹。
如图26B和图26C所示，目镜波导2600的厚度影响屏蔽门效应和ICG回弹效应两者的严重性，但以相反的方式。减小目镜波导2600的厚度会减轻屏蔽门效应但会恶化ICG的回弹。增大目镜波导2600的厚度会减少ICG回弹但会恶化屏蔽门效应。因此，在一些实施例中，将目镜波导2600的厚度的尺寸设计得足够大以避免ICG回弹同时仍将屏蔽门效应限制在可接受的程度将是有利的。这可以通过增加由给定厚度的目镜波导所支持的输出光束2657的密度来实现。并且这正是图26A所示的目镜波导2600的双面实施例所实现的。
图26D示出了图26A中的双面二维CPE光栅如何增加来自目镜波导2600的输出光束的密度。图26D的顶部面板示出了对于输出图像的FOV的中心部分如何减少屏蔽门效应，而底部面板示出了对于输出图像的FOV的外围部分如何减少屏蔽门效应。
图26D的顶部面板示出了引导光束2656传播通过目镜波导2600。在图26D的顶部面板，引导光束2656与位于目镜波导2600正在显示的图像的FOV矩形的中心处的k矢量对应。第一二维CPE光栅2655a设置在目镜波导的顶表面上，并且第二二维CPE光栅2655b设置在底表面上。输出光束2657a由引导光束2656与目镜波导2600的顶表面上的CPE光栅2655a之间的相互作用产生，而输出光束2657b由引导光束2656与底表面上的CPE光栅2655b之间的相互作用产生。由于输出光束2655a、2655b对应于输出图像的FOV的中心，它们垂直于其表面离开目镜波导。如图26D所示，输出光束2657a和2657b在x方向上的交替位置处离开目镜波导2600。因此增加了输出光束的密度。
图26D中的底部面板还示出了引导光束2656传播通过目镜波导2600。在图26D的底部面板中，引导光束2656与位于目镜波导2600正在显示的图像的FOV矩形的外围处的k矢量对应。第一二维CPE光栅2655a设置在目镜波导的顶表面上，第二二维CPE光栅2655b设置在底表面上。输出光束2657a由引导光束2656与目镜波导2600的顶表面上的CPE光栅2655a之间的相互作用产生，而输出光束2657b由引导光束2656与底表面上的CPE光栅2655b之间的相互作用产生。由于输出光束2655a、2655b对应于输出图像的FOV的外围，它们以一角度离开目镜波导。如图26D所示，输出光束2657a和2657b在x方向上的交替位置处离开目镜波导2600。因此增加了输出光束的密度。
图26E示出了图24A(双面一维CPE光栅)、图25A(单面二维CPE光栅)和图26A(双面二维CPE光栅)所示的目镜波导的输出光束2657的密度。实线表示通过TIR从目镜波导的表面A(例如，面向眼睛的表面)传播到表面B(例如，面向外的表面)的光束，而虚线表示从表面B传播到表面A的光束。在实线变为虚线(或者反之亦然)的情况下，每个点表示光束与目镜波导的一个表面的相互作用。
左面板示出了图24A的双面实施例的输出光束2457的密度，该实施例使用一维CPE光栅2455a、2455b。在该实施例中，一维CPE光栅2455a、2455b将引导光束2441分成间隔开的衍射光束2456的多个分支，但这仅在与隔一个(every other)表面相互作用时发生。这些衍射光束2456中的每一个的一部分然后与隔一个表面相互作用而向外耦合为输出光束2457。
中部面板示出了图25A的单面实施例的输出光束2557的密度，该实施例在目镜波导2500的一侧使用二维CPE光栅2555。在该实施例中，二维CPE光栅2555将引导光束2541分成间隔开的衍射光束2556的多个分支，并且与隔一个表面相互作用而产生两个分支。这些衍射光束2556中的每一个的一部分然后与隔一个表面相互作用而向外耦合为输出光束2557。
右面板示出了图26A的双面实施例的输出光束2657的密度，该实施例在目镜波导2600的两侧面使用二维CPE光栅2655a、2655b。在该实施例中，CPE光栅2655a、2655b将引导输入光束2641分成间隔开的衍射光束2656的多个分支，并且与每个表面相互作用而产生两个分支，而不是与隔一个表面相互作用。此外，这些衍射光束2656中的每一个的一部分然后在每个表面相互作用而不是隔一个表面相互作用而向外耦合为输出光束2557。因此，图26A的双面实施例使x方向和y方向上的输出光束2557的密度加倍。与图25A中的单面设计相比，这导致每单位面积的输出光束2557的密度增加了4倍。
由于来自具有二维CPE光栅2655a、2655b的双面目镜波导2600的输出光束2557的密度增加，该设计可用于限制屏蔽门效应的严重性，同时仍允许目镜波导2600足够厚以减少或消除ICG回弹。例如，在一些实施例中，目镜波导2600可以与输入光束的直径的大约三分之一(例如，±10％，或±20％，或±30％)一样厚。
图26F示出了由具有二维CPE光栅的目镜波导产生的示例模拟图像；示出了图25A的单面实施例和图26A的双面实施例的两种情况的图像。图像i)和图ii)由图25A的单面实施例产生。图像i)是使用LED光源(光谱为约20nm)创建的，而图像ii)是使用激光光源(光谱为约2nm)创建的。LED图像比激光图像具有更好的均匀性——这是由于来自LED的更宽带宽的拖尾效应——但两个图像中都存在高频屏蔽门伪影。
图像iii)和图iv)由图26A的双面实施例产生。图像iii)是使用LED光源创建的，而图像iv)是使用激光光源创建的。由图26A的双面实施例产生的图像中的高频屏蔽门伪影明显减少。这种屏蔽门伪影的减少归因于双面实施例的输出光束密度的增加。
其它考虑事项
在此描述的关于任何目镜波导的任何特征可以替代地用在此描述的任何其他目镜波导来实现。
除非上下文另外明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包括”、“包含”、“含有”、“内含”、“具有”和“有”等应以包含性的含义，而不是排他或穷举的含义来解释，也就是说，以“包括但不限于”的含义解释。如本文通常使用的，词语“耦合的”是指可以直接连接或通过一个或多个中间元件连接的两个或更多个元件。同样地，如本文通常使用的，词语“连接的”是指可以直接连接或通过一个或多个中间元件连接的两个或更多个元件。根据上下文，“耦合”或“连接”可以指光学耦合或光学连接，使得光从一个光学元件耦合或连接到另一光学元件。另外，当在本申请中使用时，词语“本文”、“上面”、“下面”、“下文”、“上文”和类似含义的词语应当指该申请整体而不是本申请的任何特定部分。在上下文允许的情况下，上述具体实施方式中使用单数或复数的词语也可以分别包括复数或单数。关于两个或更多个项的列表的词语“或”是包含性的(而非排他性的)“或”，并且“或”涵盖了该词语的以下所有解释：列表中的任何项、列表中的所有项，以及列表中的一个或多个项的任何组合，并且不排除被添加到该列表中的其它项。此外，在本申请和所附权利要求中使用的冠词“一”、“一个”和“所述”应被解释为表示“一个或多个”或“至少一个”，除非另外明确指出。
如这里所使用的，指代项目列表中的“至少一者”的短语是指这些项目的任何组合，包括单个成员。例如，“A、B或C中的至少一者”旨在涵盖：A；B；C；A和B；A和C；B和C；以及A、B和C。除非另外特别说明，否则诸如短语“X、Y和Z中的至少一者”之类的连接语言另外通过常用的上下文理解，以表达项目、条款等可以是X、Y或Z中的至少一个。因此，这种连接语言通常不旨在暗示某些实施例需要至少一个X，至少一个Y和至少一个Z各自存在。
此外，除非另有特别说明或者在此处使用的上下文内另有理解，否则本文使用的条件语言，例如，“可”、“可以”、“可能”、“也许”、“例如”、“比如”、“诸如”等通常旨在表达某些实施例包括，而其它实施例不包括某些特征、元件和/或状态。因此，这种条件语言通常不旨在暗示一个或多个实施例以任何方式需要这些特征、元件和/或状态，或者暗示这些特征、元件和/或状态是被包括在任何特定实施例中，还是在任何特定实施例中执行。
虽然已经描述了某些实施例，但是这些实施例仅作为示例呈现，并且不旨在限制本公开的范围。任一实施例的特征可以与任一其它实施例的特征组合和/或用任一其它实施例的特征替换。本文已经描述了各种实施例的某些优点。然而并非所有实施例都必须实现这些优点中的每一个。
已经结合附图描述了实施例。然而，这些附图并非按比例绘制。距离、角度等仅是示例性的，不一定与所示设备的实际尺寸和布局具有确切的关系。
已经在一定的详细程度上描述了上述实施例，以允许本领域普通技术人员制造和使用本文描述的设备、系统、方法等。各种各样的变化都是可能的。部件、元件和/或步骤可以被更改、添加、移除或重新排列。尽管已经明确地描述了某些实施例，但是基于本公开，其它实施例对于本领域普通技术人员而言将变得显而易见。

Claims (52)

1.一种用于增强现实显示系统的目镜波导，所述目镜波导包括：
具有第一表面和第二表面的透光基板；
在所述基板的一个表面上或一个表面中形成的输入耦合光栅ICG区域，所述ICG区域被配置为接收输入光束并将所述输入光束耦合到所述基板中作为引导光束；
在所述基板的所述第一表面上或所述第一表面中形成的第一组合式光瞳扩展器-提取器CPE光栅区域，第一CPE光栅区域被定位以接收来自所述ICG区域的所述引导光束并在多个分散位置产生第一多个衍射光束，并向外耦合第一多个输出光束；以及
在所述基板的所述第二表面上或所述第二表面中形成的第二CPE光栅区域，所述第二CPE光栅区域被定位以接收来自所述ICG区域的所述引导光束并在多个分散位置产生第二多个衍射光束，并向外耦合第二多个输出光束。
2.根据权利要求1所述的目镜波导，其中，所述第一CPE光栅区域被配置为向外耦合所述第二多个衍射光束，并且所述第二CPE光栅区域被配置为向外耦合所述第一多个衍射光束。
3.根据权利要求2所述的目镜波导，其中，所述第一多个衍射光束和所述第二多个衍射光束交替地与所述第一CPE光栅区域和所述第二CPE光栅区域相互作用。
4.根据权利要求1所述的目镜波导，其中，所述第一CPE光栅区域和所述第二CPE光栅区域二者包括多个周期性重复的衍射线，并且其中，所述第一CPE光栅区域的衍射线相对于所述第二CPE光栅区域的衍射线成基本上60°的角度取向。
5.根据权利要求4所述的目镜波导，其中，所述第一CPE光栅区域和所述第二CPE光栅区域的所述衍射线具有相同的周期。
6.根据权利要求4所述的目镜波导，其中，所述第一CPE光栅区域和所述第二CPE光栅区域的所述衍射线使用共同的主模板形成。
7.根据权利要求4所述的目镜波导，其中，所述ICG区域包括多个周期性重复的衍射线，并且其中，所述ICG区域的衍射线相对于所述第一CPE光栅区域的衍射线和所述第二CPE光栅区域的衍射线成基本上60°的角度取向。
8.根据权利要求7所述的目镜波导，其中，所述ICG区域、所述第一CPE光栅区域和所述第二CPE光栅区域的所述衍射线具有相同的周期。
9.根据权利要求1所述的目镜波导，其中，所述第一CPE光栅区域和所述第二CPE光栅区域重叠至少90％。
10.根据权利要求1所述的目镜波导，其中，所述第一CPE光栅区域和所述第二CPE光栅区域具有相同的尺寸。
11.根据权利要求10所述的目镜波导，其中，所述第一CPE光栅区域和所述第二CPE光栅区域彼此对准。
12.根据权利要求1所述的目镜波导，其中，所述第一CPE光栅区域被配置为通过在至少两个方向上衍射来自所述ICG区域的所述引导光束的功率的部分来产生所述第一多个衍射光束。
13.根据权利要求12所述的目镜波导，其中，所述两个方向中的一个方向对应于零级衍射光束。
14.根据权利要求1所述的目镜波导，其中，所述第二CPE光栅区域被配置为通过在至少两个方向上衍射来自所述ICG区域的所述引导光束的功率的部分来产生所述第二多个衍射光束。
15.根据权利要求14所述的目镜波导，其中，所述两个方向中的一个方向对应于零级衍射光束。
16.根据权利要求1所述的目镜波导，其中，所述第一多个衍射光束在第一方向上传播，并且其中，所述第二多个衍射光束在相对于所述第一方向基本上60°的角度的第二方向上传播。
17.根据权利要求1所述的目镜波导，其中，所述输入光束被准直并且具有5mm或更小的直径。
18.根据权利要求1所述的目镜波导，其中，所述透光基板是平面的。
19.根据权利要求1所述的目镜波导，其中，所述目镜波导被并入用于增强现实显示系统的目镜中。
20.根据权利要求19所述的目镜波导，其中，所述目镜被配置为在多个深度平面显示彩色图像。
21.根据权利要求1所述的目镜波导，
其中，所述ICG区域被配置为接收一组多个输入光束，该组输入光束与形成视场FOV形状的一组k矢量相关联，所述FOV形状位于与所述目镜波导相关联的k空间环的中心；
其中，所述ICG区域被配置为衍射所述输入光束，以便将它们耦合到所述基板中作为引导光束并将所述FOV形状平移到至少部分在所述k空间环内的第一位置；
其中，所述第一CPE光栅区域被配置为衍射所述引导光束，以便将所述FOV形状平移到至少部分在所述k空间环内的第二位置；以及
其中，所述第二CPE光栅区域被配置为衍射所述引导光束，以便将所述FOV形状平移到至少部分在所述k空间环内的第三位置。
22.根据权利要求21所述的目镜波导，其中，所述k空间环的中心、所述第一位置、和所述第二位置限定k空间中的第一等边三角形。
23.根据权利要求22所述的目镜波导，其中，所述k空间环的中心、所述第一位置和所述第三位置限定k空间中的第二等边三角形。
24.根据权利要求23所述的目镜波导，其中，k空间中的所述第一等边三角形和所述第二等边三角形共用一条边。
25.一种用于增强现实显示系统的目镜波导，所述目镜波导包括：
透光基板；
输入耦合光栅ICG区域；
第一组合式光瞳扩展器-提取器CPE光栅区域；以及
第二CPE光栅区域，
其中，所述ICG区域被配置为接收一组多个输入光束，该组输入光束与形成视场FOV形状的一组k矢量相关联，所述FOV形状位于与所述目镜波导相关联的k空间环的中心，
其中，所述ICG区域被配置为衍射所述输入光束，以便将它们耦合到所述基板中作为引导光束并将所述FOV形状平移到至少部分在所述k空间环内的第一位置，
其中，所述第一CPE光栅区域被配置为衍射所述引导光束，以便将所述FOV形状从所述第一位置平移到至少部分在所述k空间环内的第二位置，
其中，所述第二CPE光栅区域被配置为衍射所述引导光束，以便将所述FOV形状从所述第一位置平移到至少部分在所述k空间环内的第三位置，
其中，所述第一CPE光栅区域被配置为衍射所述引导光束，以便将所述FOV形状从所述第三位置平移到所述k空间环的中心，以及
其中，所述第二CPE光栅区域被配置为衍射所述引导光束，以便将所述FOV形状从所述第二位置平移到所述k空间环的中心。
26.根据权利要求25所述的目镜波导，其中，所述k空间环的中心、所述第一位置、和所述第二位置限定k空间中的第一等边三角形。
27.根据权利要求26所述的目镜波导，其中，所述k空间环的中心、所述第一位置和所述第三位置限定k空间中的第二等边三角形。
28.根据权利要求27所述的目镜波导，其中，k空间中的所述第一等边三角形和所述第二等边三角形共用一条边。
29.根据权利要求25所述的目镜波导，其中，所述第一CPE光栅区域和所述第二CPE光栅区域被形成在所述透光基板的相对两侧上或相对两侧中。
30.根据权利要求25所述的目镜波导，其中，所述引导光束交替地与所述第一CPE光栅区域和所述第二CPE光栅区域相互作用。
31.根据权利要求25所述的目镜波导，其中，与所述第一CPE光栅区域相关联的一阶光栅矢量和与所述第二CPE光栅区域相关联的一阶光栅矢量具有相同的大小。
32.根据权利要求31所述的目镜波导，其中，与所述ICG区域相关联的一阶光栅矢量和与所述第一CPE光栅区域相关联的一阶光栅矢量以及与所述第二CPE光栅区域相关联的一阶光栅矢量具有相同的大小。
33.根据权利要求25所述的目镜波导，其中，所述目镜波导被并入用于增强现实显示系统的目镜中。
34.根据权利要求33所述的目镜波导，其中，所述目镜被配置为在多个深度平面显示彩色图像。
35.一种用于增强现实显示系统的目镜波导，所述目镜波导包括：
具有第一表面和第二表面的透光基板；
在所述基板的一个表面上或一个表面中形成的输入耦合光栅ICG区域，所述ICG区被配置为接收光束并在引导传播模式下将所述光束耦合到所述基板中；以及
在所述基板的所述第一表面上或所述第一表面中形成的第一组合式光瞳扩展器-提取器CPE光栅区域，所述第一CPE光栅区域被定位以接收来自所述ICG区域的光束，并且所述第一CPE光栅区域包括多个衍射特征，所述多个衍射特征被配置为利用第一相互作用来改变所述光束的传播方向，并利用第二相互作用来将所述光束从所述目镜波导向外耦合。
36.根据权利要求35所述的目镜波导，其中，所述第一CPE光栅区域的所述多个衍射特征在至少两个方向上表现出周期性。
37.根据权利要求36所述的目镜波导，其中，所述第一CPE光栅区域的所述多个衍射特征在相对于彼此成基本上60°的角度取向的第一方向和第二方向上表现出周期性。
38.根据权利要求37所述的目镜波导，其中，所述ICG区域包括在相对于所述第一方向和所述第二方向两者成基本上60°的角度取向的第三方向上表现出周期性的多个衍射特征。
39.根据权利要求35所述的目镜波导，还包括在所述基板的所述第二表面上或所述第二表面中形成的第二CPE光栅区域，所述第二CPE光栅区域包括多个衍射特征，所述多个衍射特征被配置为利用第一相互作用来改变所述光束的传播方向，并利用第二相互作用来将所述光束从所述目镜波导中向外耦合。
40.根据权利要求39所述的目镜波导，其中，所述第一CPE光栅区域和所述第二CPE光栅区域是相同的。
41.根据权利要求39所述的目镜波导，其中，所述基板具有足够大的厚度以防止所述光束在被耦合到所述引导传播模式之后与所述ICG区域相互作用。
42.根据权利要求35所述的目镜波导，其中，所述光束被准直并且具有5mm或更小的直径。
43.根据权利要求35所述的目镜波导，其中，所述透光基板是平面的。
44.根据权利要求35所述的目镜波导，其中，所述目镜波导被并入用于增强现实显示系统的目镜中。
45.根据权利要求44所述的目镜波导，其中，所述目镜被配置为在多个深度平面显示彩色图像。
46.一种用于增强现实显示系统的目镜波导，所述目镜波导包括：
透光基板；
输入耦合光栅ICG区域；以及
在所述基板的第一侧面上形成的第一组合式光瞳扩展器-提取器CPE光栅区域，
其中，所述ICG区域被配置为接收一组多个输入光束，该组输入光束与形成视场FOV形状的一组k矢量相关联，所述FOV形状位于与所述目镜波导相关联的空间环的中心，
其中，所述ICG区域被配置为衍射所述输入光束，以便将它们耦合到所述基板中作为引导光束并将所述FOV形状平移到至少部分在所述k空间环内的第一位置，
其中，利用第一相互作用，第一CPE光栅区域被配置为衍射所述引导光束，以便将所述FOV形状从所述第一位置平移到至少部分在所述k空间环内的第二位置和第三位置，以及
其中，利用第二相互作用，第一CPE光栅区域被配置为衍射所述引导光束，以便将所述FOV形状从所述第二位置和所述第三位置平移到所述k空间环的中心。
47.根据权利要求46所述的目镜波导，其中，所述k空间环的中心、所述第一位置和所述第二位置限定k空间中的第一等边三角形。
48.根据权利要求47所述的目镜波导，其中，所述k空间环的中心、所述第一位置和所述第三位置限定k空间中的第二等边三角形。
49.根据权利要求48所述的目镜波导，其中，k空间中的所述第一等边三角形和所述第二等边三角形共用一条边。
50.根据权利要求46所述的目镜波导，还包括：在所述基板的第二侧面上形成的第二CPE光栅区域，
其中，利用第一相互作用，所述第二CPE光栅区域被配置为衍射所述引导光束，以便将所述FOV形状从所述第一位置平移到至少部分在所述k空间环内的所述第二位置和所述第三位置；以及
其中，利用第二相互作用，所述第二CPE光栅区域被配置为衍射所述引导光束，以便将所述FOV形状从所述第二位置和所述第三位置平移到所述k空间环的中心。
51.根据权利要求50所述的目镜波导，其中，所述第二CPE光栅区域增加来自所述目镜波导的输出光束的密度。
52.根据权利要求51所述的目镜波导，其中，所述第二CPE光栅区域将所述输出光束的密度至少增加到四倍。
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