CN103562802A - 全息广角显示器 - Google Patents

Abstract

在一个实施方式中提供的是用于显示图像的装置，该装置包括：输入图像节点，该输入图像节点被配置成提供至少第一图像调制光线和第二图像调制光线；以及全息波导设备，该全息波导设备被配置成在至少第一方向上传播所述第一图像调制光线和所述第二图像调制光线中的至少一者。所述全息波导设备可以包括：布置在至少一层中的至少第一散置的多个光栅元件和第二散置的多个光栅元件，所述第一光栅元件和所述第二光栅元件分别具有第一规格和第二规格。第一多个光栅元件可以被配置成将所述第一图像调制光线偏转出所述至少一层成为形成第一FOV图块的第一多个输出射线，以及第二多个光栅元件可以被配置成将所述第二图像调制光线偏转出所述至少一层成为形成第二FOV图块的第二多个输出射线。

Description

全息广角显示器

相关申请

本申请要求2012年4月25日提交的美国临时专利申请No.61/687,436以及2012年6月15日提交的美国临时专利申请No.61/689,907的优先权，每个临时申请通过引用整体结合于此。

彩图

专利或申请文件包含至少一个用彩色制作的图。根据请求并缴纳必要的费用，专利局可以提供具有彩图的本专利或专利申请公布的副本。

背景技术

存在能够显示从符号和字母数字阵列到高分辨率像素化图像的图像内容简洁、能够看透（see through）的数据显示器的需求。显示器应当高度透明，并且在叠加在明亮背景场景时，显示的图像内容应当清晰可见。显示器应当提供用于最佳数据可见度和冲击力的具有增强色饱和度的全色彩。期望的特性是显示器易于穿戴、自然和不干扰，尽可能地具有与滑雪镜类似的形状因素，或更期望具有与太阳镜类似的形状因素。适眼距（eye relief）和眼瞳（eye pupil）应当足够大以避免在头移动（即使针对军事和体育活动需求）期间丢失图像。图像产生器应当是简洁、固态的，并具有低功率消耗。

当前的技术没有达到上述的目标。当前可穿戴显示器仅仅通过以笨重的形状因素为代价的同时设法达到能够看透、足够的光瞳、适眼距以及视场和高亮度。在多种情况中，重量分布在眼睛前面可穿戴显示器不需要的地方。一个常用的提供能够看透的方式依赖于轴偏离照亮的反射或衍射（diffractive）罩。微显示器，其在微小平板中提供高分辨率图像产生器，通常不需要小型化可穿戴显示器的帮助，因为对于甚高放大倍数的一般需求必然导致大直径光学器件。提供像眼镜的形状因素的多个超低形状因素设计当前可用，但是通常总需求在视场（FOV）、适眼距和出射光瞳之间取舍。

在HMD中研究和开发的长期目标是创造具有以下特征的贴近眼睛的彩色HMD：

a）在整个视场上超过标准NVG角分辨率的高分辨率数据影像并在在无穷远处聚焦；

b）在FOV中心具有40°立体重叠的120°×40°双眼FOV HMD，或80°×40°单眼视场（FOV）HMD；

c）具有外界无障碍全景视野的高能够看透（≥90%）的显示器，大气的眼眶（eye box），以及足够的适眼距；以及

d）与可穿的罩和标准砂护目镜、风护目镜和尘土护目镜完美整合的重量轻、简约（low-profile）设计。

尽管影像在某一视场上显示，全景的能够看透的性能可以比它更优，并且通常优于主罩或护目镜。这是针对现存NVG的改进，在NVG中，40°以外的周围环境被忽略（occlude）。

一个期望的头戴显示器是一个：（1）通过提供具有高透明度全景的能够看透维持态势感知；（2）提供高分辨率、宽视场影像的显示器。此系统还应当不被察觉，即简洁、重量轻并且舒适，其中舒适来自于具有大的出射光瞳和眼运动框（motion box）/出射光瞳（>15mm），足够的适眼距（≥25mm）、质量（mass）的人体工程学中心，聚焦在无穷远处，以及具有与保护性头饰（head gear）的兼容性。当前和未来的传统折射光学器件不能够满足这组需要。其他重要的区别包括：全色彩性能、视场、像素分辨率、能够看透、亮度、动态灰度级和低功率消耗。即使在高度竞争发展的若干年后，基于折射光学器件的HWD展示出有限的视场，并且不简洁、重量重或不舒服。

基于波导技术衬底引导显示器的头盔式显示器已经证明满足这些基本要求中的许多的性能。特别相关的是1999颁发给罗克韦尔科林的子公司凯撒光学系统公司（KOSI）的专利（美国专利号5,856,842），其教导了如何在输入处使用衍射元件将光耦合入波导，以及如何在输出处使用第二衍射元件将光耦合出同一波导。根据美国专利No.5,856,842，在波导上的入射光需要被准直以在其图像内容沿着波导传播时保持其图像内容。即，光在进入波导之前应当被准直。这可以通过适当的技术完成。使用这种设计方式，离开波导的光可以被自然地准直，这是使图像聚焦在无限远处出现需要的条件。光仅在内角的有限范围内沿着波导传播。平行于表面传播的光将（通过定义）沿着波导行进而不反弹（bounce）。不平行于表面传播的光将在表面之间前后反弹地沿着波导行进，只要相对于表面法线的入射角大于某临界角。对于BK-7玻璃，临界角大约是42°。通过使用反射涂层（但这可以降低衬底的能够看透性能）或通过使用更高指标的材料能够轻微地得以降低。无论如何，在其上能够沿波导传播的内角范围不显著变化。因此，对于玻璃，内角的最大范围≤50°。当考虑其他设计因素时，这转换成<40°的出射波导的角范围，通常更小。

目前，SGO技术没有得到广泛地接受。这可能由于波导光学器件能够用来扩展出射光瞳但他们不能用来扩展视场或提升数字分辨率的事实。也即就是说，底层物理，其能够约束经历波导内全内反射（TIR）的内角范围，可以将具有波导光学器件的可用视场限制到最多40°，并将可达到的数字分辨率限制为相关联图像的数字分辨率。

发明内容

根据前述，发明人已经认识并理解到显示器的优点，并且更具体地，对于结合衬底引导光学器件（SGO）以及可开关布拉格光栅（SBG）的透明显示器。

因此，在一些实施方式的一个方面提供的是用于显示图像的装置，包括：输入图像节点，该输入图像节点被配置成提供至少第一图像调制光线和第二图像调制光线；以及全息波导设备，该全息波导设备被配置成在至少第一方向上传播所述第一图像调制光线和所述第二图像调制光线中的至少一者。所述全息波导设备可以包括：布置在至少一层中的至少第一散置的多个光栅元件和第二散置的多个光栅元件，所述第一光栅元件和所述第二光栅元件分别具有第一规格（prescription）和第二规格。所述第一图像调制光线和所述第二图像调制光线可以分别使用第一视场（FOV）图像信息和第二FOV图像信息来被调制。第一多个光栅元件可以被配置成将所述第一图像调制光线偏转出所述至少一层成为形成第一FOV图块的第一多个输出射线，以及第二多个光栅元件可以被配置成将所述第二图像调制光线偏转出所述层成为形成第二FOV图块的第二多个输出射线。

在一些实施方式的另一方面提供的是一种显示图像的方法，该方法包括：（i）提供一种装置，该装置包括输入图像节点和全息波导设备，所述全息波导设备包括（M×N）散置的多个光栅元件，其中M、N为整数；（ii）生成对应于视场（FOV）图块（I，J）的图像调制光线（I，J）输入图像节点，其中整数1≤I≤N以及1≤J≤M；（iii）将匹配FOV图块（I，J）的规格的光栅元件切换至其衍射状态；（iv）使用图像调制光线（I，J）对匹配FOV图块（I，J）的规格的光栅元件照明；以及（v）将所述图像调制光线I，J衍射成FOV图块I，J。

可以通过考虑以下的详细说明并结合附图得以更完整地理解本发明，其中相似的索引指示相似的部分。为了简明的目的，没有详细地描述关于本发明的本领域已知的关于技术资料的细节。

应当理解的是，前述概念和下面详细讨论的其他概念的所有组合（只要该概念不相互冲突）被认为是本发明在此公开的主题的一部分。特别地，在本公开结尾出现的要求保护的主题的所有组合被认为是在此公开的创造性的客体的一部分。应当理解的是，在此明确使用的还通过引用在任何公开出现的术语应当与在此公开特定概念最符合的意思一致。

附图说明

本领域技术人员将理解，图主要用于示意的目的而不用于限制在此描述的创造性主题的范围。图不一定需要缩放，在一些实例中，在此公开的创造性主题的各个方面可以在图中放大或扩大地显示以促进对不同特征的理解。在图中，相似的参考字符通常指相似的特征（例如功能相似和/或结构相似元件）。

图1是使用堆叠的光栅的色彩波导显示器结构的示意图，其中每个光栅规格对应被衍射入唯一视场图块的波导光；

图2是使用堆叠的光栅指示由每个光栅提供的FOV的一个实施方式中波导显示器的示意截面图；

图3A是显示细分图案细节的一个实施方式中细分的波导显示器的示意截面图；

图3B是显示细分图案细节的一个实施方式中细分的波导显示器的示意截面图，其中光栅元件被均匀地散置（intersperse）；

图3C是显示细分图案细节的一个实施方式中细分的波导显示器的示意截面图，其中光栅元件被随机地散置；

图4是一个实施方式中细分波导显示器的功能元件的示意正视图；

图5是一个实施方式中在一个操作状态的细分波导显示器的示意正视图；

图6是一个实施方式中显示输入图像节点细节的细分波导显示器的示意正视图；

图7示出一个实施方式中输入图像节点的操作；

图8A是在一个实施方式中包含不同尺寸和长宽比（aspect ratio）的长方形元件的细分图案；

图8B是在一个实施方式中包含潘罗斯（Penrose）图块的细分图案；

图8C是在一个实施方式中包含六边形的细分图案；

图8D是在一个实施方式中包含正方形的细分图案；

图9A是在一个实施方式中包含菱形元件的细分图案；

图9B是在一个实施方式中包含等腰三角形的细分图案；

图10A是在一个实施方式中包含水平偏置长宽比的六边形的细分图案；

图10B是在一个实施方式中包含水平偏置长宽比的长方形的细分图案；

图10C是在一个实施方式中包含水平偏置长宽比的菱形元件的细分图案；

图10D是在一个实施方式中包含水平偏置长宽比的三角形的细分图案；

图11是在一个实施方式中包含两个光栅层细分波导的示意截面图；

图12A显示在一个实施方式中包含具有重叠的眼瞳的4个不同光栅元件类型的细分图案示例；

图12B显示在一个实施方式中包含具有重叠的眼瞳的1个光栅元件类型的细分图案示例；

图12C显示在一个实施方式中包含具有重叠的眼瞳的2个不同光栅元件类型的细分图案示例；

图12D显示在一个实施方式中包含具有重叠的眼瞳的3个不同光栅元件类型的细分图案示例；

图13显示在一个实施方式中用于具有重叠的眼瞳的1个特定光栅元件类型的细分图案示例；

图14是在一个实施方式中用于图13的细分图案的显示MTF相对于角度频率的图；

图15显示一个实施方式中使用水平偏置长宽比的长方形元件并且包含5种不同类型的元件的细分图案示例；

图16A示出一个实施方式中投射到对应于具有重叠的眼瞳的第一视场的第一类型的细分元件的出射光瞳；

图16B示出一个实施方式中投射到对应于具有重叠的眼瞳的第二视场的第二类型的细分元件的出射光瞳；

图16C示出一个实施方式中投射到对应于具有重叠的眼瞳的第三视场的第三类型的细分元件的出射光瞳；

图16D显示一个实施方式中对应于图16A的细分元件的视场图块；

图16E显示一个实施方式中对应于图16B的细分元件的视场图块；

图16F显示一个实施方式中对应于图16C的细分元件的视场图块；

图17显示一个实施方式中用于提供图18中示出的视场平铺图案的由数字1-7标记的区域内细分元件类型的分布；

图18显示包含4个水平图块和3个垂直图块的视场平铺图案；

图19A显示一个实施方式中包含图17-18示出的实施方式中两层波导的一层中来自区域1和区域7的一个类型的元件的细分图案；

图19B显示一个实施方式中来自图19A的两层波导的重叠的细分图案；

图20A显示一个实施方式中包含图17-18示出的实施方式中两层波导的一层中来自区域2和区域6的一个类型的元件的细分图案；

图20B显示一个实施方式中来自图20A的两层波导的重叠的细分图案；

图21A显示一个实施方式中包含图17-18示出的本发明实施方式中两层波导的一层中来自区域3和区域5的一个类型的元件的细分图案；

图21B显示一个实施方式中来自图21A的两层波导的重叠的细分图案；

图22A显示包含图17-18示出的本发明实施方式中两层波导的一层中来自区域4的一个类型的元件的细分图案；

图22B显示一个实施方式中来自图22A的两层波导的重叠的细分图案；

图23示出一个实施方式中源于图19A-图22B的平铺图案叠加的混合（composite）细分图案；

图24显示一个实施方式中仅用于一个类型光栅元件的两层波导中的细分图案示例；

图25显示一个实施方式中两层波导的第一层中的混合细分图案；

图26显示一个实施方式中两层波导的第二层中的混合细分图案；

图27A是一个实施方式中显示输入图像节点的图像输出部分的示意截面图；

图27B是一个实施方式中显示输入图像节点的图像输入部分的示意截面图；

图28A是一个实施方式中显示输入图像节点及其经由垂直扩束器到数字透镜波导的耦合的示意截面图；

图28B显示一个实施方式中图28A的实施方式的射线追踪（trace）；

图29是一个实施方式中数字透镜波导和垂直扩束器的平面图；

图30A显示一个实施方式中的波导252，其中耦合光栅将输入射线定向到TIR路径；

图30B显示一个实施方式中的波导，具有输入耦合光学器件，包括相互邻近放置的第一光栅和第二光栅，夹在波导和第一光栅之间的半波膜；夹在波导和第二光栅之间的偏振分束器（PBS）膜；

图31是一个实施方式中本发明使用的波导的一部分的示意截面图，其中光在相反的方向上从波导提取；

图32是一个实施方式中本发明使用的合并分束器层以改进照度均匀性的波导的一部分的示意截面图；

图33示出一个实施方式中使用双侧寻址（dual sided addressing）减少电极层中接线电痕数量的方法；

图34示出一个实施方式中用于在细分波导中交错电极接线电痕的一个方案；

图35示出一个实施方式中用于在细分波导中交错电极接线电痕的另一个方案；

图36示出一个实施方式中用于在细分波导中交错电极接线电痕的又一个方案；

图37A显示一个实施方式中本发明弯曲罩实施的示意平面图；

图37B显示一个实施方式中本发明弯曲罩实施的示意侧视图；

图38显示一个实施方式中本发明的弯曲罩实施的截面，其中数字透镜包括层压（laminate）光学隔离波导；

图39显示一个实施方式中本发明的弯曲罩实施的截面，其中数字透镜包括形成单个波导结构的层压光栅层；

图40A显示一个实施方式中本发明的弯曲罩实施的截面，其中数字透镜包括刻面（facetted）元件；

图40B显示一个实施方式中在图40A的两个刻面元件之间的光学接口；

图40C更详细地显示一个实施方式中在图40A的两个刻面元件之间的光学接口；

图41显示一个实施方式中本发明的弯曲罩实施的截面，其中数字透镜包括嵌入弯曲波导的刻面元件；

图42A是显示一个实施方式中具有用于本发明的一个实施方式中的微细分图案的随着角度的衍射效率变化图；

图42B是显示一个实施方式中对应于图42A的图的微细分分布；

图43A是显示一个实施方式中用于具有50%孔径填充常规微细分图案的MTF图的图示；

图43B是显示一个实施方式中由图43A的微细分图案产生的50%孔径填充效果的示意图；

图44A是显示一个实施方式中用于具有25%孔径填充常规微细分图案的MTF图的图示；

图44B是显示一个实施方式中由图43A的微细分图案产生的25%孔径填充效果的示意图；

图45A是显示一个实施方式中用于具有50%孔径填充常规微细分图案的MTF图的图示；

图45B是显示一个实施方式中用于图45的情况的足迹图；

图46A是显示一个实施方式中用于50微米微细分的75%孔径填充效果的足迹图；

图46B是显示一个实施方式中示出用于50微米微细分的75%孔径填充效果的MTF图的图；

图47A是显示一个实施方式中用于50微米微细分的50%孔径填充效果的足迹图；

图47B是显示一个实施方式中示出用于50微米微细分的50%孔径填充效果的MTF图的图；

图48A是显示一个实施方式中用于50微米微细分的25%孔径填充效果的足迹图；

图48B是显示一个实施方式中示出用于50微米微细分的25%孔径填充效果的MTF图的图；

图49A是显示一个实施方式中用于125微米微细分的75%孔径填充效果的足迹图；

图49B是显示一个实施方式中示出用于125微米微细分的75%孔径填充效果的MTF图的图；

图50A是显示一个实施方式中用于125微米微细分的50%孔径填充效果的足迹图；

图50B是显示一个实施方式中示出用于125微米微细分的50%孔径填充效果的MTF图的图；

图51A是显示一个实施方式中用于125微米微细分的25%孔径填充效果的足迹图；

图51B是显示一个实施方式中示出用于125微米微细分的25%孔径填充效果的MTF图的图；

图52A是显示一个实施方式中用于250微米微细分的75%孔径填充效果的足迹图；

图52B是显示一个实施方式中示出用于250微米微细分的75%孔径填充效果的MTF图的图；

图53A是显示一个实施方式中用于250微米微细分的50%孔径填充效果的足迹图；

图53B是显示一个实施方式中示出用于250微米微细分的50%孔径填充效果的MTF图的图；

图54A是显示一个实施方式中用于250微米微细分的25%孔径填充效果的足迹图；

图54B是显示一个实施方式中示出用于250微米微细分的25%孔径填充效果的MTF图的图；

图55A是显示一个实施方式中针对3mm眼瞳直径的用于125微米微细分的以50%孔径填充的1mm细分效果的足迹图；

图55B是显示一个实施方式中示出针对3mm眼瞳直径的用于125微米微细分的以50%孔径填充的1mm细分效果的MTF图的图示；

图56A是显示一个实施方式中针对3mm眼瞳直径的用于125微米微细分的以50%孔径填充的1.5mm细分效果的足迹图；

图56B是显示一个实施方式中示出针对3mm眼瞳直径的用于125微米微细分的以50%孔径填充的1.5mm细分效果的MTF图的图示；

图57A是显示一个实施方式中针对3mm眼瞳直径的用于125微米微细分的以50%孔径填充的3mm细分效果的足迹图；

图57B是显示一个实施方式中示出针对3mm眼瞳直径的用于125微米微细分的以50%孔径填充的3mm细分效果的MTF图的图示；

图58A是显示一个实施方式中用户定义孔径的MTF的图示；

图58B是显示一个实施方式中位图孔径功能的MTF的图示；

图59A是一个实施方式中本发明的一个实施方式中的位图孔径功能；

图59B是显示一个实施方式中用于图59A的实施方式的相对于角度的衍射效率的图；

图60是显示一个实施方式中使用通过可变传输随机放置的125um微细分和3mm眼瞳的1.0mm微细分效果的MTF图的图示；

图61是一个实施方式中的位图孔径功能；

图62是显示一个实施方式中使用通过可变传输随机放置的125um微细分和3mm眼瞳的1.5mm微细分效果的MTF图的图示；

图63是一个实施方式中第一实施细分图案的第一照度均匀性分析；

图64是一个实施方式中第一实施细分图案的第二照度均匀性分析；

图65是一个实施方式中第一实施细分图案的第三照度均匀性分析；

图66是一个实施方式中第一实施细分图案的第四照度均匀性分析；

图67是一个实施方式中第一实施细分图案的第五照度均匀性分析；

图68是一个实施方式中第一实施细分图案的第六照度均匀性分析；

图69是一个实施方式中第一实施细分图案的第七照度均匀性分析；

图70是一个实施方式中第一实施细分图案的第八照度均匀性分析；

图71是一个实施方式中第一实施细分图案的第九照度均匀性分析；

图72是一个实施方式中第一实施细分图案的第十照度均匀性分析；

图73是一个实施方式中第一实施细分图案的第十一照度均匀性分析；

图74是一个实施方式中第一实施细分图案的第十二照度均匀性分析；

图75是一个实施方式中第一实施细分图案的第十三照度均匀性分析。

具体实施方式

以下是对与发明的显示器及其实施方式有关的各种概念的更详细的描述。应当理解的是，上面介绍的和在下面更详细的描述中讨论的各种概念可以以多种方式中的任意一种方式来实施，因为所公开的概念不限于任意特定的实施方式。出于示例的目的，主要提供特定实施和应用的示例。

各种实施方式

在一个实施方式中提供的是用于显示图像的装置，该装置包括：输入图像节点，该输入图像节点被配置成提供至少第一图像调制光线和第二图像调制光线；以及全息波导设备，该全息波导设备被配置成在至少第一方向上传播所述第一图像调制光线和所述第二图像调制光线中的至少一者。所述全息波导设备可以包括：布置在至少一层中的至少第一散置的多个光栅元件和第二散置的多个光栅元件，所述第一光栅元件和所述第二光栅元件分别具有第一规格和第二规格。所述第一图像调制光线和所述第二图像调制光线可以分别使用第一视场（FOV）图像信息和第二FOV图像信息来被调制。第一多个光栅元件可以被配置成将所述第一图像调制光线偏转出所述至少一层成为形成第一FOV图块的第一多个输出射线，以及第二多个光栅元件可以被配置成将所述第二图像调制光线偏转出所述层成为形成第二FOV图块的第二多个输出射线。

在另一实施方式中提供的是一种用于显示图像的装置，该装置包括：输入图像节点，该输入图像节点被配置成提供至少第一图像调制光线和第二图像调制光线；以及全息波导设备，该全息波导设备被配置成在至少第一方向上传播所述第一图像调制光线和所述第二图像调制光线中的至少一者。所述全息波导设备可以包括：布置在至少一层中的至少第一散置的多个光栅元件和第二散置的多个光栅元件，所述第一光栅元件和所述第二光栅元件分别具有第一规格和第二规格。所述第一图像调制光线和所述第二图像调制光线可以分别使用第一视场（FOV）图像信息和第二FOV图像信息来被调制。第一多个光栅元件可以被配置成将所述第一图像调制光线偏转出所述至少一层成为形成第一FOV图块的第一多个输出射线，以及第二多个光栅元件可以被配置成将所述第二图像调制光线偏转出所述层成为形成第二FOV图块的第二多个输出射线。所述第一多个光栅元件和所述第二多个光栅元件可以包括处于无源模式或开关模式中的SBG。

在另一实施方式中提供的是一种用于显示图像的装置，该装置包括：输入图像节点，该输入图像节点被配置成提供至少第一图像调制光线和第二图像调制光线；扩束器；以及全息波导设备，该全息波导设备被配置成在至少第一方向上传播所述第一图像调制光线和所述第二图像调制光线中的至少一者。所述全息波导设备可以包括：布置在至少一层中的至少第一散置的多个光栅元件和第二散置的多个光栅元件，所述第一光栅元件和所述第二光栅元件分别具有第一规格和第二规格。所述第一图像调制光线和所述第二图像调制光线可以分别使用第一视场（FOV）图像信息和第二FOV图像信息来被调制。第一多个光栅元件可以被配置成将所述第一图像调制光线偏转出所述至少一层成为形成第一FOV图块的第一多个输出射线，以及第二多个光栅元件可以被配置成将所述第二图像调制光线偏转出所述层成为形成第二FOV图块的第二多个输出射线。

在另一实施方式中提供的是一种用于显示图像的装置，该装置包括：输入图像节点，该输入图像节点被配置成提供至少第一图像调制光线和第二图像调制光线；以及全息波导设备，该全息波导设备被配置成在至少第一方向上传播所述第一图像调制光线和所述第二图像调制光线中的至少一者。所述全息波导设备可以包括：布置在至少一层中的至少第一散置的多个光栅元件和第二散置的多个光栅元件，所述第一光栅元件和所述第二光栅元件分别具有第一规格和第二规格。所述第一图像调制光线和所述第二图像调制光线可以分别使用第一视场（FOV）图像信息和第二FOV图像信息来被调制。第一多个光栅元件可以被配置成将所述第一图像调制光线偏转出所述至少一层成为形成第一FOV图块的第一多个输出射线，以及第二多个光栅元件可以被配置成将所述第二图像调制光线偏转出所述层成为形成第二FOV图块的第二多个输出射线。所述第一多个光栅元件和所述第二多个光栅元件中的至少一者可以按照预定图案被细分。

在一个实施方式中，所述第一多个光栅元件和所述第二多个光栅元件中的至少一者包括处于开关模式或无源模式中的SBG。

在一个实施方式中，所述第一多个光栅元件和所述第二多个光栅元件中的至少一者是电可开关的。

在一个实施方式中，所述第一多个光栅元件和所述第二多个光栅元件中的至少一者具有非衍射状态和衍射状态，该衍射状态具有处于预定的最小水平与最大水平之间的衍射效率。

在一个实施方式中，所述第一多个光栅元件和所述第二多个光栅元件中的所有元件被配置成被开关。

在一个实施方式中，所述第一多个光栅元件和所述第二多个光栅元件中的至少一者具有衍射状态，并且当处于衍射状态中时。所述第一光栅元件被配置成将所述第一图像调制光线偏转出所述至少一层成为形成第一FOV图块的第一多个输出射线。所述第二光栅元件被配置成将所述第二图像调制光线偏转出所述层成为形成第二FOV图块的第二多个输出射线。

在一个实施方式中，所述至少一层被夹在透明衬底之间，图案化的电极被应用至所述透明衬底。

在一个实施方式中，所述至少一层被夹在透明衬底之间，图案化的电极被应用至所述透明衬底，并且所述图案化的电极中的至少一者包括与所述第一多个所述第一光栅元件重叠的第一多个电极元件，以及与所述第二多个所述第二光栅元件重叠的第二多个电极元件。

在一个实施方式中，所述第一多个光栅元件和所述第二多个光栅元件中的至少一者具有空间上依赖的衍射效率。

在一个实施方式中，所述第一多个光栅元件和所述第二多个光栅元件中的至少一者具有随沿波导的长度的距离增加的衍射效率。

在一个实施方式中，在所述至少一层内，所述光栅元件通过包含具有整数N2个不同规格、N3个不同规格以及整数N4个不同规格的元件的光带，具有在第一光带中散置的、靠左和靠右、按顺序的整数N1个不同的规格，其中N1>N2，N2>N3，N3>N4。在一个实施方式中，所述第一多个光栅元件和所述第二多个光栅元件中的至少一者通过包含具有9个不同规格、6个不同规格和1个规格的元件的光带，具有在第一光带中散置的、靠左和靠右、按顺序的12个不同的规格。

在一个实施方式中，每个FOV图块被配置成提供在无穷远处的图像。

在一个实施方式中，每个FOV图块被配置成提供在人眼的远点处的图像。

在一个实施方式中，所述全息波导设备包括以下中的至少一者：分束器薄片、四分之一波片、以及用于偏振复原的光栅设备。

在一个实施方式中，来自至少一个给定规格的光栅元件的图像调制光线在以人眼瞳的瞬时孔径为边界的出射光瞳区域内被呈现。在一个实施方式中，来自给定规格的至少三个光栅元件的图像调制光线被呈现。

在一个实施方式中，所述FOV图块紧靠（abut）在FOV空间中，以形成矩形FOV。

在一个实施方式中，所述FOV图块紧靠在FOV空间中，以提供连续的视场。

在一个实施方式中，至少两个所述FOV图块重叠。

在一个实施方式中，所述FOV图块紧靠以提供大约水平40度乘垂直30度的FOV。

在一个实施方式中，所述FOV图块紧靠以提供大约水平60度乘垂直30度的FOV。

在一个实施方式中，其中所述FOV图块紧靠以提供大约水平80度乘垂直80度的FOV。

在一个实施方式中，所述输入图像节点还包括去散斑器（despeckler）。

在一个实施方式中，所述第一多个光栅元件和所述第二多个光栅元件中的至少一者被记录在HPDLC中。

在一个实施方式中，所述第一多个光栅元件和所述第二多个光栅元件中的至少一者是反向模式SBG。

在一个实施方式中，所述全息波导设备被弯曲。

在一个实施方式中，所述第一多个光栅元件和所述第二多个光栅元件中的至少一者具有变化的厚度。

在一个实施方式中，所述全息波导设备包括邻近边对边的刻面部分。

在一个实施方式中，所述全息波导设备包括邻近边对边且被嵌入在塑料连续弯曲体中的刻面部分。

在一个实施方式中，所述全息波导设备包括塑料。

在一个实施方式中，所述全息波导设备被配置成在所述第一方向上提供出射光瞳扩展，以及所述扩束器被配置成在第二方向上提供出射光瞳扩展。

在一个实施方式中，所述全息波导设备被配置成在所述第一方向上提供出射光瞳扩展，以及所述扩束器被配置成在第二方向上提供出射光瞳扩展，该第二方向与所述第一方向正交。

在一个实施方式中，所述扩束器还包括：用于来自所述输入图像节点的图像调制光线的输入端口；输出端口；以及被配置成在第二方向上传播光线的至少一个波导层。所述至少一个波导层可以包括至少一个光栅薄片，所述至少一个光栅薄片被配置成将所述调制光线从衬底沿所述第二方向提取到通过所述输出端口的所述第一方向。

在一个实施方式中，所述扩束器还包括至少一个波导层，所述至少一个波导层包括至少两个相邻布置的光栅薄片。

在一个实施方式中，所述扩束器还包括至少一个波导层，所述至少一个波导层包括至少两个重叠的光栅薄片。

在一个实施方式中，所述扩束器包含以下中的至少一者：分束器薄片、四分之一波片、以及用于偏振复原的光栅设备。

在一个实施方式中，所述第一图像调制光线和所述第二图像调制光线被顺序呈现。

在一个实施方式中，所述第一图像调制光线和所述第二图像调制光线中的至少一者在所述波导设备内经历全内反射（TIR）。

在一个实施方式中，所述输入图像节点包括以下中的至少一者：微型显示器，被配置成对所述微型显示器照明的光源，用于将图像数据写至所述微型显示器的处理器，以及准直透镜，中继透镜，分束器，和放大透镜。

在一个实施方式中，所述第一多个光栅元件和所述第二多个光栅元件按照预定的图案被细分。

在一个实施方式中，所述预定的图案是以下中的至少一者：周期性图案，非周期性图案，自相似图案，非自相似平铺图案，以及随机分布的图案。在一个实施方式中，非周期性图案可以是Penrose平铺图案。在另一实施方式中，自相似图案可以是Penrose平铺图案。

在一个实施方式中，所述第一多个光栅元件或第二多个光栅元件中的所有元件被配置成被同时切换成衍射状态。

在一个实施方式中，所述第一多个光栅元件和第二多个光栅元件中的至少一者具有至少一个对称轴。

在一个实施方式中，所述第一多个光栅元件和第二多个光栅元件中的至少一者具有包括正方形、三角形和菱形中的至少一者的形状。

在一个实施方式中，所述第一多个光栅元件的元件具有第一几何图形，以及所述第二多个光栅元件的元件具有第二几何图形。

在一个实施方式中，所述第一多个光栅元件和第二多个光栅元件中的至少一者具有至少两个不同的几何图形。

在一个实施方式中，在所述至少一层中的所有光栅元件针对一个波长而被优化。

在一个实施方式中，在所述至少一层中的所述第一光栅元件和所述第二光栅元件中的至少一者针对至少两个波长而被优化。

在一个实施方式中，所述第一光栅元件和所述第二光栅元件中的至少一者具有针对至少两个不同波长而被优化的复用的规格。

在一个实施方式中，所述第一光栅元件和所述第二光栅元件中的至少一者具有针对至少两个不同的衍射效率角度带宽而被优化的复用的规格。

在一个实施方式中，所述第一图像调制光线和所述第二图像调制光线中的至少一者被准直。

在一个实施方式中，所述第一图像调制光线和所述第二图像调制光线中的至少一者被偏振。

在一个实施方式中，所述装置还可以包括照明源，该照明源包括提供至少一个波长的光线的激光器。

在一个实施方式中，所述全息波导设备被配置成提供透明显示器。

在一些实施方式中提供的是包括这里所描述的装置的设备。该设备可以是反射显示器的一部分。该设备可以是立体显示器的一部分，其中所述第一图像调制光线和所述第二图像调制光线提供左眼透视图和右眼透视图。该设备可以是实像形成显示器的一部分。该设备可以是HMD、HUD和HDD中的至少一者的一部分。该设备可以是接触透镜的一部分。

在一个实施方式中，所述图像输入节点包括以下中的至少一者：微型显示器，被配置成对所述微型显示器照明的光源，用于将图像数据写至所述微型显示器的处理器，以及准直透镜，中继透镜，分束器，和放大透镜。

在另一个实施方式中提供的是一种显示图像的方法，该方法包括：（i）提供一种装置，该装置包括输入图像节点和全息波导设备，所述全息波导设备包括（M×N）散置的多个光栅元件，其中M、N为整数；（ii）生成对应于视场（FOV）图块（I，J）的图像调制光线（I，J）输入图像节点，其中整数1≤I≤N以及1≤J≤M；（iii）将匹配FOV图块（I，J）的规格的光栅元件切换至其衍射状态；（iv）使用图像调制光线（I，J）对匹配FOV图块（I，J）的规格的光栅元件照明；以及（v）将所述图像调制光线I，J衍射成FOV图块I，J。

在一个实施方式中，所述方法还可以包括重复（ii）-（v），直到实现全FOV平铺。

在一个实施方式中，所述方法还可以包括将所述输入图像采样成多个角度间隔，每个多个角度间隔具有为全光瞳的大小的一部分的有效出射光瞳。

在一个实施方式中，所述方法还可以包括通过修改第一光学衬底和第二光学衬底中的至少一者的至少一个光栅薄片的下列参数中的至少一者来改善图像的显示：光栅厚度、折射率调制、k矢量、表面光栅周期、以及全息图衬底指标差异。

应当理解的是，前述概念和在下面更详细讨论的其他概念（提供的这些概念不相互矛盾）的所有组合被考虑作为这里公开的发明主题的一部分。特别地，在本公开文件的最后出现的所要保护的主题的所有组合被考虑作为这里公开的发明主题的一部分。还应当理解的是，这里显式使用的术语（还可以在通过引用合并的任意公开文件中出现）应当符合与这里公开的特定概念最一致的含义。

这里提供的至少一些实施方式使用在美国专利No.8,233,204中公开的类型的波导HMD中的多个不同的光栅规格来克服平铺大FOV的挑战。在一个实施方式中，光栅角度带宽限制能够将FOV图块的大小限制到大约10°×10°，随着垂直和水平FOV图块的数量增加，这导致无法处理的大光栅堆叠。尝试全色彩将层数以因子3增加。

这里公开的实施方式的一个重要特征是替代堆叠不同规格的光栅，他们被切成小元件，所述小元件之后在一个或多个重叠层中被散置成细分图案。

细分的显示器的一个实施方式可以包括输入图像节点（IIN）；第一扩束器波导（通常垂直）；以及第二扩束器波导（通常水平），该第二扩束器波导也用作接目镜。在一个实施方式中，接目镜合并细分和扩束功能。每个波导可以包括输入和输出布拉格光栅。波导中的每一者可以包括多于一个光栅层。在色彩实施方式中，分开的单色波导可以被用于每个基色。用于提供色彩的另一选择是记录复用光栅，其中具有不同色彩规格的全息图被叠加成波导。复用还可以被用于合并不同角度带宽的光栅。

许多不同的细分方案可能包括周期性（即，横向位移不变）、非周期性、自相似和随机方案。图案可以被设计成提供在邻近中央FOV中的更多细节。这里提供的实施方式包括无源或可开关细分解决方案，并且包括合并无源和可开关元件的混合解决方案。

在一个实施方式中，从每个细分元件中衍射的射线形成出射光瞳中的足迹。典型地，在瞬时眼瞳区域内必须有至少两个这样的足迹。精确数量将取决于诸如细分大小和形状之类的因子。在一个实施方式中，细分可能存在显著的设计和制造挑战。微小（几毫米）光栅元件导致分辨率损失和照明波纹，这两者已经证明很难校准。在当前处理的情况下，全息记录和细分的全息阵列的电极图案化是很难的。这些挑战可以通过使用无源光栅元件来被克服。在一个实施方式中，通过使光栅变得更薄，带宽可以在切面中被增加，同时可以在正交、矢状的平面中实现宽带宽。如果上述设计和制造问题能够被解决，细分可以提供到较大的FOV的路径。在色彩上80°×80°的FOV是合理的目标。

一个实施方式使用分开的垂直和水平扩束波导来提供放大的出射光瞳（或眼眶）。在一个实施方式中，来自IIN的准直图像光线被送入具有由微型显示器和准直光学器件定义的FOV的第一扩束波导。一个实施方式允许输入或“耦合”光学器件以多种不同的方式被配置，范围从典型的光学透镜设计到完全基于衍射（全息）光学器件的更简洁的设计。一个实施方式可以使用全无源光栅（尽管对于大FOV而言使用可开关光栅是优选的）来被实施。常规的无源光栅将不起作用。使用无源SBG的一个益处是光栅的折射率调制能够使用相应的宽范围的衍射效率来被从非常低的值调谐到非常高的值。SBG的高指标调制起因于形成布拉格边缘的富含树脂（polymer-rich）和富含LC（LC-rich）区域的交替光带。可替换地，有源光栅也可以被使用，其中所述有源光栅可以使用相应的宽范围的衍射效率来被从非常低的值调谐到非常高的值。

垂直和水平扩束器可以基于有损波导；也就是说，一些被设计成将光线一律沿其长度从所述波导提取出。如在2013年3月15日提交的美国申请No.13/844456中阐述的，这可以通过改变整个光栅的厚度（和调制）来被实现。在一个实施方式中，在其最简单的情况中，这使创建楔形光栅（通过倾斜槽壁（cell wall））成为必要，使得所述全息图厚度在传播方向上增加。通常，光栅厚度可以从1.0-1.2微米变化到2.8-3.0微米，较低的厚度产生最低的效率（和最大的角度带宽）。一些实施方式可以通过在正交方向上改变厚度、使用两个楔角来允许对提取的更精细的控制，或通过向光栅的一个或两个面施加弯曲来以更通用的方式允许对提取的更精细的控制。

在一个实施方式中，扩束光栅是非常薄的（最好低于3微米），其导致非常宽的衍射效率角度带宽。通过对厚度和折射率调制进行优化，满足在显示器中需要的所有期望的光栅特性是可能的，例如，用于耦合到光栅的非常高的效率以及效率的大动态范围，对于扩束所需要的均匀提取。

图像采样能够被用于提高图像转换效率并形成因子。将宽FOV图像光线耦合到波导通常将由于能够被向波导下方有效传播的有限的角度范围而导致图像角度内容的一些损失。该光线中的一些可以被耦合出波导。这里描述的至少一些实施方式可以通过将输入图像采样成多个角度间隔来被克服，其中每个角度间隔具有有效的出射光瞳，该出射光瞳是全光瞳的大小的一部分，波导的厚度相应地被降低。

这里提供的实施方式的一个特征是将在每个波导的输入和输出处的固定频率表面光栅与旋转的k矢量合并的可能性。表明光栅可以是布拉格边缘与衬底边缘的交叉，并且考虑（大致）波导的基础射线光学器件。k矢量是垂直于（normal to）布拉格光栅的方向，并且考虑衍射效率和光栅的角度特性。通过沿波导传播方向改变k矢量方向（k矢量旋转），首先提供图像光线到波导的有效耦合，以及其次确保一旦耦合入，所有期望的角度内容以高效率被向波导下方传送是可能的。k矢量旋转将按照期望通过光栅厚度控制来被增加，如上面讨论的。

总体来说，角度内容向波导下方的传播能够通过微调以下中的一者或多者来被优化：光栅厚度、折射率调制、k矢量旋转、表面光栅周期、以及全息图衬底指标差异。细分图案可以包括用于实施波导眼动仪的红外敏感元件。

SBG设备

一种用于创建非常大视场的方法是将其解析成一组较小视场（每个与波导的光局限性相兼容）并且将它们足够快地（时间上）连续显示使得眼睛感觉他们为一致的广角显示。实现上述目的的一种方法是通过使用可以被非常快地连续接通和关断的全息元件。一种用于提供这种可开关的全息元件的合适的解决方案是已知为可开关布拉格光栅（SBG）的设备。

衍射光学元件（DOE）的光学设计益处包括独特而有效的形状因子和编码复杂的光学功能（如光学功率和扩散至薄层）。提供高衍射效率的布拉格光栅（通常也称为体相位光栅或全息图（holograms））已经被广泛的用于如抬头显示器（head up display）的设备。布拉格光栅的重要类别被已知为可开关布拉格光栅（SBG）。SBG是通过在聚合物分散液晶（PDLC）混合物中记录体相位光栅或全息图而形成的衍射设备。典型地，SBG设备通过将光聚合性单体和液晶材料的混合物的薄膜放置在平行玻璃板或衬底之间而被制作。一个或两个玻璃衬底支撑电极，包括例如透明的铟锡氧化物膜，用于施加横穿PDLC层的电场。然后体相位光栅通过利用两个相互连贯的（mutuallycoherent）激光束照明液体材料而被记录，该两个相互连贯的激光束干涉仪形成期望的光栅结构。在记录过程期间，单体聚合并且HPDLC混合物经受相分离，创建由液晶微液滴密集填充、用明亮聚合物的区域点缀的区域。交替富有液晶的区域和缺乏液晶的区域来形成光栅的条纹平面。作为结果的体相位光栅可以非常高的衍射效率，这可以由施加横穿PDLC层的电场的量级来控制。当电场经由透明电极被施加至全息图，LC液滴的自然方向被改变使得条纹的折射率调制减小并且使得全息图衍射效率降至非常低的级别。注意设备的衍射效率可以通过例如超过从利用无施加电压的接近100%效率至利用施加足够高电压的基本为零效率的连续范围的施加电压而被调整。

SBG可以被用于提供针对自由空间应用透射（transmission）或反射光栅。SBG可以被实施为波导设备，在波导设备中HPDLC形成或者波导芯或接近于波导的短暂耦合的层。在一种被称为衬底引导的光学器件（SGO）特定配置中，用于形成HPDLC单元的平行玻璃板提供全内反射（TIR）光引导结构。当可开关光栅以超出TIR条件的角度衍射光时，光被“耦合”出SBG。SGO当前具有显示范围和传感器应用的兴趣。尽管在衍射全息图处HPDLC上的许多较早工作已经被指导，透射设备证明作为光学系统构建块更加通用。

在SBG中使用的HPDLC可以包括液晶（LC）、单体、光引发剂燃料、和共引发剂。混合物可以包括表面活性剂。专利和科学文献包含可以用于制造SBG的材料系统和过程的许多示例。两个基本专利是：萨瑟兰（Sutherland）美国专利No.5,942,157、及田中（Tanaka）等人的美国专利5,751,452，两个文件描述了适于制造SBG设备的单体和液晶材料的组合。

透射SBG的已知属性中的一者为LC分子趋向于垂直于（normal to）光栅条纹平面排列。LC分子排列的效果是透射SBG有效地衍射P偏振光（即，具有在入射平面中的偏振矢量的光）但是对于S偏振光具有接近零的衍射效率（即，具有垂直于入射平面的偏振矢量的光）。如果内部入射角约大于42度，空气中的玻璃光导将通过所有内反射来传播光。因此，使用于此描述的透射SBG的典型实施方式将使用SBG设计来衍射输入的P偏振光，该P偏振光进入光导至约42到约70度的TIR角度、或者按照所述角度衍射TIR至输出光路。

通常当没有电压被施加时，SBG衍射，并且当其他时间应用电压时，SBG切换至它们光学的无源状态。然而，SBG可以被设计成以相反模式操作以使得当电压被施加时它们衍射并在所有其它时间保持光学无源。用于制造相反模式SBG的方法可以是任何合适的方法，如在波波维奇（Popovich）等的PCT/GB2012/000680中公开的那些方法。相同的参考还公开了使用软塑料衬底可以如何制造SBG以提供改善强度、降低重量和近眼应用安全的益处。

现在本发明将仅参考附图通过示例的方式被进一步描述。本领域技术人员将理解本发明可以利用在以下描述中公开的本发明的部分或全部而被时间。出于说明本发明的目的，光学设计和视觉显示的领域中的技术人员已知的光学技术的熟知特征已经被省略或简化，以避免模糊本发明的基本原理。除非另外规定关于射线或光束方向的术语“轴上”指的是平行于垂直关于本发明描述的光学组件的表面的轴来传播。在以下的描述中，术语光、射线、光束和方向可以被可交换并彼此相关联的使用以指示光能量沿着直线轨迹传播的方向。以下描述中的部分将使用光学实际领域的技术人员通常采用的用辞被呈现。还应该注意在以下描述中再三使用的短语“在一种实施方式中”不必指相同的实施方式。

于此提供的实施方式的一个重要特征是实现创建非常大视场的方法是将其解析成一组较小的视场（每个与波导的光学限制向兼容）并且将它们足够快的（时间上）连续显示使得眼睛感觉他们为统一图像的广角显示。

实现上述目的的一种方法是利用可以被非常快地连续接通和关断的全息元件。2012年4月25日提交的美国临时专利申请No.61/687,436示出多个SBG可以被一起堆叠在相同的波导中并快速连续地被激活以时间连续的平铺高分辨率、极为广发的视场。而且，每个子视场具有关联成像器的全数字分辨率，允许接近或甚至超出人类眼睛视觉敏度限制的图像的形成。

在较早文件归档中公开的平铺克服了以下的成对缺陷（twindeficiencies）：标准导波体系结构（即，受限的视场和受限的像素分辨率），当必须在较大视场之上垂直地和水平地平铺时其受到限制。对于具有适度FOV且仅在一个方向上扩展的单色显示，平铺可以通过简单堆叠光栅平面而被完成。然而，当视场在两个方向中扩展且颜色被增加时，使用该方法需要的层的数量很快地变得不切实际。例如，参考示出用于提供显示的光束偏转系统的方案阐述的图1。该显示是基于使用电可开关光栅SBG的堆叠1来将输入光100从图像生成器2偏转至FOV区域或图块中的原理。在一种实施方式中，每个SBG实质上是平面光栅光束偏转器，该平面光栅光束偏转器将入射TIR光偏转至输出光以形成独特的FOV图块。SBG元件10A-10D提供第一排的四个FOV图块，元件11A-11D提供第二排的四个FOV图块，以及元件12A-12D提供第三排的四个FOV图块。有利地是，图像光被校准并可以通过例如光导或衬底引导的光学器件而被传递至SBG堆叠。用于包含SBG的衬底可以提供光导衬底。图2示出如何可以使用四个独立层中配置的4个SBG10A-10D来生成水平视场。一个输入SBG将提供以指导将图像光从图像生成器输入至TIR路径。该输入图像生成器可以包括激光模块、微显示器及用于准直和扩束的光学器件。输出SBG可以被水平错开（stagger）以在FOV空间中提供图像连续性。图2示出在对应于一排FOV图块10A-10D的SBG组3的一个平面中的限制射线。限制射线101A-101D和相对于显示器法线102、103的最大角范围θ1被示出。射线限定了出射光瞳104。

在一种实施方式中，每个子视场被衍射效率和SBG的角度带宽限制。SBG光栅设备可以具有空气中的大约±5°的角度带宽（受制于材料性能、指标调制光束几何体（index modulation beam geometry）和厚度）。在一种实施方式中，较大角度可以使用较细的SBG在实践中被实现。在一种实施方式中，SBG可以具有小于或等于约4μm的厚度，例如，小于或等于约3.5μm、3μm、2.5μm、2μm、1.5μm、1μm、0.5μm或更小。从较细SBG引起的增加带宽可以引起较低峰值的衍射效率。在一种实施方式中，可以期望可以增加真正的折射调制。

在一种实施方式中，顶部SBG10A提供-20°至-10°的视场，下一个SBG10B提供-10°到0°的视场，下一个SBG10C提供0°至10°的视场，较低SBG10D提供10°至20°的视场，一个提供右20°。每个输出表达FOV提供水平范围10度和由输入准直光学器件设置的垂直范围的FOV图块和通常为10度的波导限制。当SBG元件被依次快速地显示（SBG具有与例如35微妙一样小的切换速度）时，眼睛集合单独的光学输出，并且40°水平视场乘10度垂直视场被感知。每次新的输出SBG被激活并且由2表示的输入图像生成器利用新的数字图像来更新。在一种实施方式中，输入图像生成器提供接近1000水平像素乘800垂直像素分辨率的图像。因此，完整感知到的图像具有4000x800像素的分辨率。图块可以在通过由来自SBG层的重叠光限定的出射光瞳的FOV空间中邻近。基于上述原理的HMD在本发明人的题目为COMPACT HOLOGRAPHIC EDGE ILLUMINATED EYEGLASS DISPLAY的国际申请日为2010年4月26日的PCT申请No.PCT/GB2010/000835中被公开（并且还由申请人的案卷号SBG073PCT引用），其所有内容分通过引用被合并于此。

图1中示出的堆叠方法可以适用于相对适度的FOV。在一种实施方式中，大约60度的水平视场乘的10度的垂直视场是可行的。由于视场的增加，需要的SBG层的数量变得不切实际：在显示器的性能由于散射、吸收、及其它光学损耗而让步之前，六个层是当前实际极限。如果用于蓝色和绿色的附加层被增加，如图示的由13、14所指示的，则图块的数量将被增加x3。

用于避免使用单独的RGB SBG的一种方法是使用多路SBG，其中照明被从光导的相反端提供作为R和B/G照明，让步色饱和度点（color gamutsomewhat）。然而，多路光栅引起制造复杂和串扰的问题。

于此描述的实施方式的一个益处是最小化对大量SBG层的需要。一种实施方式提供通过交错SBG来压缩堆叠，如图3所示，相对于简单的堆叠光栅，如图1-2所示。参考上文（插图）讨论的简单堆叠方案，可以看出通常将需要四个全息平面的堆叠来产生一个颜色通道的光学过程可以利用交错光栅的单个层来完成。注意在图1-3中，全息图的阴影图案（shading pattern）仅用于区分四个不同类型的目的并不表示光栅的几何图形。

首先转向图3A的原理图的侧视图，这里提供用于显示图像的包括多组可选择的可开关的光束偏转元件的装置。在优选实施方式中，光束偏转器是具有第一衍射状态和第二衍射状态的SBG。第一衍射状态可以展现高衍射效率而第二衍射状态可以展现低衍射效率。

在一种实施方式中，SBG可以以相反模式操作，以使得当施加电压时它们衍射并在所有其它时间保持光学无源。SBG可以作为由薄的（如100微米薄）衬底层分开的连续SBG薄片（lamina）来实施。在一种实施方式中，衬底可以包括塑料制品。在一种实施方式，衬底可以包括具有投射导电涂层（代替ITO）的塑料衬底。

出于简洁的目的，由数字15-18指示的4组SBG元件被示出，每组包括由字母A-D标志的四个元件。SBG元件的图案的重复由点线表示。光束偏转元件的组的数量或每组元件的数量不被限制。元件在夹在透明衬底14A、14B之间的薄的HPDLC光栅薄片15中形成。透明电极被应用至衬底的反面，电极中的至少一个电极被图案化以与SBG元件重叠。

稍后将被更加详细描述的输入图像生成器提供通常由100指示的准直图像光。每组光束偏转元件将图像光衍射成多个射线以提供一组FOV图块。对应于给定图块的元素将具有独特的光栅规格。射线可以根据几何光原理定义出瞳。投射图中来自组15和18的限制射线由107、108来表示。每个元件具有衍射效率角度带宽±θ。比较图3和图2，显然地是，图3的实施方式等同于在单个SBG薄片中散置图2所示的SBG层。在一种实施方式中，第一多个光束偏转元件和第二多个光束偏转元件如图3B所示被均匀地散置。在一种实施方式中，第一多个的光束偏转元件和第二多个的光束偏转元件如图3C所示被随机地散置。

图3示出HMD的原理。基于上述原理的显示器可以包括两个子系统：颜色波导（其于此也被成为数字透镜（DigiLen））和被配置成将输入图像注入至颜色波导中的设备（于此也被称为图像注入节点）。

使用图4-7的正视图来更详细地示出一个实施方式中显示器的基本原理。在彩色显示器中，数字透镜包括三个单独RGB波导的堆叠，每个RGB波导提供红色、绿色或蓝色成像信道。在一个实施方式中，每个波导被进一步划分成两个全息层（将被称为成对层）。在一个实施方式中，所述描述将假设两个层，除非以其他方式陈述。因此，在图4中，数字透镜2包括所述成对层，该成对层进一步包括层21、22。该装置进一步包括IIN3、数字透镜驱动电子器件4、以及用于允许光从IIN进入数字透镜的耦合器。IIN和数字透镜驱动电子器件由通信链路103连接。每个SBG层包含SBG阵列，该SBG阵列包括子阵列集，其中任意给定子阵列的组件具有预定义光学规格集之一，每个规格对应于唯一FOV图块。SBG规格的数量等于FOV图块的数量。在一些实施方式中，规格定义了将TIR输入光从IIN偏转到定义了FOV图块的输出光中所需的布拉格光栅几何尺寸。简单起见，示出了SBG元件的由标号200-202指示的三个子阵列。每个子阵列的三个元件通过被标记为符号A-C而被示出。驱动电子器件提供电压输出103A-103C。示出了至SBG元件300A-300C的连接104A-104C。阵列元件的分布依赖于FOV图块，其中例如需要相应SBG元件的FOV的中央区域附近的FOV图块被分布在数字透镜的中心附近。阵列元件的空间配置将在下面进行更详细地讨论。图5示出了来自被耦合到数字透镜中的IIN的输入准直图像光200，以在波导2的输入处提供准直图像光201。来自针对SBG子阵列200-202的波导的典型准直输出光束通常由202A-202C所指示。

在一个实施方式中，SBG操作在反向模式中，以便它们在电压被施加时进行衍射并在所有其他时间保持光学上的无源性。

如图所示，SBG可以被实施为由薄（薄至100微米）衬底层分离的连续SBG薄片。这是一种平面单片设计，其将窄带激光照明的全部优点与单片全息光学器件一起进行利用。将SBG配置为单色层的动机使得能够使用全息光学器件和SBG分光器来提供平坦、固态、精度对准的显示器，从而使得对大体积折射光学器件的需求最小化。在一个实施方式中，该显示器的分辨率仅受到微显示器分辨率的限制。通过将更多的图块交错到每个层中和/或通过添加新的层，该设计能够可缩放成更大的FOV。类似地，能够调整瞳孔、适眼距和FOV长宽比，以适合于应用。

在一个实施方式中，图6更详细地示出了IIN。IIN的角色是形成数字图像，对该数字图像进行准直并将该数字图像注射到数字透镜中。可以采用两个单独的光学子系统：一个子系统用于照明微显示器，另一个子系统用于对图像进行准直。IIN可以包括图形处理器3A、输入图像产生器3B和垂直扩束器（VBE）3C。图像处理器经由通信链路150将图像数据提供给输入图像产生器。图像处理器还通过至数字透镜驱动电子器件的电子链接来控制数字透镜中SBG元件的开关。将在下面的描述中进行更详细讨论的输入图像产生器可以包括激光模块和微显示器。来自输入产生器的准直图像光203被耦合到扩束器3C，该扩束器自身被光学地连接到耦合器5。图7通过聚焦到输入图像产生器并参照在附图中提供的XYZ正交坐标轴而更详细地示出了IIN的操作。正视图对应于YZ平面，以及Y轴称为由显示器的观察者能够观察的垂直方向。

VBE包括夹在衬底61A、61B之间的SBG60。来自图像产生器的图像光经历由衬底形成的波导中的如由204所指示的TIR。VBE被设计成是有损耗的。换言之，光栅的衍射效率在最接近图像产生器的末端处是低的并且在最远的末端处是最高的。一个效应是其沿着其整个长度将光（诸如204A、204B）向外耦合向耦合器5，从而（在Y方向上）提供垂直光束扩展以与数字透镜波导的高度进行匹配。图像光可以由光栅耦合器31A耦合到VBE中。参照插图62，还存在着全息物镜31和全息物镜32，它们都光学地耦合到光导设备33。来自微显示器207的图像光被允许经由全息物镜进入光驻留区并沿着TIR路径208行进直到其被全息物镜32引导出光导并进入VBE作为输出光203为止。在一个实施方式中，光导33在每一端包括斜面。插图63示出激光模块和微显示器的配置。微显示器37的照明可以通过使用二极管激光器34、波导和SBG分光器来执行。SBG分光器可以被形成为夹在透明衬底35A、35B之间的薄片36，从而形成波导。倾斜的SBG光栅被记录在与微显示器重叠的薄片35A的部分中。耦合器36允许来自激光模块的准直的P偏振光210进入波导。该耦合器可以是棱镜。在一些实施方式中，耦合器可以是光栅设备。耦合后的光沿着TIR路径211行进到达SBG分束器，其中根据SBG的属性，P偏振光被衍射向微显示器。一经反射，光就变成S偏振并在没有明显损耗或偏离的情况下通过SBG分束器，以从波导输出作为准直后图像光207。

对光学设计领域的技术人员显而易见的是，根据这里描述的原理，许多可替换的光学配置和部件可以被用来提供IIN。

例如，反射性微显示器可以由透射设备替代。可替换地，可以使用发射性显示器。还应当显而易见的，诸如畸变透镜和光成形扩散元件之类的部件可以被用在某些应用中以控制图像长宽比和照明一致性。该装置还可以包括去散斑设备。IIN可以包括或者是衍射光学器件。如先前技术中采用的由IIN执行的过程可以使用若干衍射透镜、极化分束器立方体和用于对准和组装各种部件的精度壳体（precision housing）。不仅这些零件是昂贵的，而且人力（touch labor）也是昂贵的。另外，整个组装很难坚固，并且最后是重且体积大的。小型化部件能够减小尺寸和重量，但是它们也急剧增加了部件成本和组装时间。

还应当显而易见的是，IIN的描述指代仅一个单色微显示器。在彩色显示器中，IIN光学部件将需要被复制以用于每个颜色。由于该光学设计使用衬底引导的光学器件和衍射光学元件，所以在一个实施方式中，红、绿和蓝信道的组合能够被实现在非常紧凑的形状因数中，该非常紧凑的形状因数仅受到微显示器和激光模块和整个系统设计需求的限制。

数字透镜中SBG元件的交错可以以许多不同的方式来实现。例如，图1实施方式中的交错后光栅可以以软百叶窗的形式进行配置（如本申请发明人在临时专利申请No.61/627,202中所公开的那样）。然而，与这种几何尺寸相关联的MTF中具有换级触点，它们的空间频率对于交错的周期性特性而言是可追踪的。在一个实施方式中，通过引入光栅的复杂细分，该缺陷是能够被矫正的。这里，至少一些实施方式中的“细分”被定义为使用几何形状的重复来创建二维表面图案，但没有重叠和间隙。然而，应当指出的是，细分图案不局限于图4-7中示出的菱形细分图案类型。应当意识到，可以使用基于正方形、矩形、三角形的图案。虽然在附图中暗示了矩形图案，但是在某些情况中具有随机分布的图案是有利的。在一个实施方式中，还有可能在给定图案中使用不同大小和几何尺寸的元件。许多可能的方案存在。这些元件可以具有垂直或水平偏移的长宽比。在一个实施方式中，更宽的水平长宽比导致更好的水平分辨率。如下面将示出的，1.38mm x0.8mm菱形给出了可接受的分辨率。由于不期望使水平分辨率比垂直分辨率更好会产生任意好处，所以（在侧边上）使用1mm的正方形而不是菱形甚至是已经足够了。仅出于说明的目的，该描述指代基于菱形或正方形元件的细分图块化。在细分图案的一个实施方式中，将存在小的间隙以允许电极寻址电路，如后面将讨论的。SBG元件图案化的示例在图8-10中示出。图8A示出了图块化图案304，其包括具有多样性垂直和水平尺寸的矩形形状304A-304F。图8B示出了图块化图案305，其已知是Penrose图块化并包括元件305A-305J。图8C示出了基于规则六边形的包括元件306A-306C的图块化图案306。图8D示出了基于正方形的包括元件307A-306D的图块化图案306。图9A示出了基于菱形形状的包括元件308A-308D的图块化图案308。图9B示出了基于等腰三角形的包括元件309A-309D的图块化图案309。图10A示出了基于水平延长六边形的包括元件310A-310C的图块化图案310。图10B示出了基于矩形的图块化图案311，其具有水平偏移的长宽比并包括元件311A-311D。图10C示出了基于矩形的包括水平延长菱形元件312A-312D的图块化图案312。

在一个实施方式中，用于制造SBG阵列的技术有规律地产生小至50微米（500dpi）的特征，以便上面描述的方式中的交错特征不是问题。一个重要条件是，与光亮条件下的眼瞳大小（假设在光亮的太阳光下是3mm）相比，类似规格的光栅之间的距离应当是小的。在一个实施方式中，当该条件满足时，观察不到条带。重要的是，在一个实施方式中，当眼睛在眼眶中四处移动时，因移动到眼瞳之外的带导致的光损失由从移进眼瞳中的另一带获得的光进行补偿。假设在波导中进行均匀照明，则期望从该效应中得到的发光度变化是平均亮度水平的近似±1%。在SBG元件包括列的实施方式中，条带的概念是非常容易理解的。然而，基本原理可以应用于任意类型的可以与这里描述的任意实施方式一起使用的图案化。

在一些实施方式中，图像光被允许进入数字透镜的仅一端。数字透镜中的每个波导可以一般地包括两个SBG层。通过考虑这些实施方式中的附图和描述而显而易见的是，这些层可以包括相同规格的SBG阵列，而且其中一个被反向并且图像注入节点被配置在两个对称部分中以在相反路径中向两个全息层提供单独的图像光。这些实施方式或许需要部件的复制并且因此有可能需要花费更多成本来实施。

在一些实施方式中，每个数字透镜成对层波导是2.8mm厚。SBG层可以在理论上由低指标衬底或气隙进行分离。在一个实施方式中，在需要TIR的许多实际应用中，光束几何尺寸在没有空气接口的情况下不能被支持。注意，全息图的厚度也已经被扩大的。在一个实施方式中，光栅可以是3微米厚，并夹在100-200微米厚的衬底之间。施加到衬底对立面上的透明电极的厚度可以是纳米量级的。

图11是在一个实施方式中包括两个层20、21的数字透镜波导的示意剖面图。层20包括透明衬底20A、透明图案化的电极层20B、包含诸如20F之类的元件的SBG阵列20C、透明电极层20D和第二衬底20E。层21包括透明衬底21A、透明图案化的电极层21B、包含诸如21F之类的元件的SBG阵列21C、透明电极层21D和第二衬底21E。在一个实施方式中，衬底20E和21A可以被组合到单个层中。

图12A-12D示出了位于包含被标记为1-4的SBG元件类型的区域中的细分图案的示例。眼瞳311被覆盖。图13-14示出了如图13所配置的、在显示器出瞳中的一个眼瞳位置处的一个特定SBG元件类型的MTF数据。SBG元件被标记为313A-313I。图14示出了MTF曲线。在该实施方式中，上曲线314A是衍射限制的MTF，下曲线是允许偏差（aberration）的所估计SBG阵列MTF。菱形形状基于边=0.8mm的三角形的三角形，因此长度=1.38mm。该架构可应用于2层（1个成对层）单色设计，或者R、G、B色彩设计中的单个色彩层。三个堆叠的成对层层给出了复合性能。在该实施方式中，出瞳311的直径是3mm。

对应于图13-14的数字透镜架构在2个单色SBG层上平铺了12个SBG元件。参照图18，在图13中示出的第一层平铺了所有的水平（下）图块：L1-4和水平（中间）图块（MID,1），（MID,2）。第二层平铺了水平（中间）图块：（MID,3）、（MID,4）和所有水平（上）图块：U1-4。

图15示出了将矩形SBG和水平偏移的长宽比一起使用的图块化示例。图块化图案315包括也由标号315A-315E标记的元件类型1-5。

图16示出了在一个实施方式中在形成单色图像的三个连续阶段中数字透镜如何在出瞳中平铺FOV。具有每个基色的图像的写入将遵循类似的过程。图16A-16C示出了也由标号315A-315C指示的、正在被激活的三种类型的SBG1-3。眼瞳311和出瞳316在每种情况中被重叠。FOV空间中也由矩形319指示的相应FOV图块319A-319C在图16D-16F中示出。仅示出了少量SBG元件以简化开关过程的理解。注意，具有给定类型的所有SBG元件都能够因光束与光栅之间的“损失性”耦合而同时将输出的光进行耦合。换言之，单独元件的衍射效率被调制，以从被引导的光束中提取可用光的一部分。在一个实施方式中，引导光束与其进行交互的第一元件具有最弱的耦合效率，而位于光束路径的其他末端处的元件具有最强的耦合效率。

由来自给定类型的SBG的光所填充的瞳孔区域被粗略地固定。当眼睛从左向右移动时，光从最左边的SBG元件消失但在右手边上被获得。假设在所有元件之间进行均匀照明，则源自该效应的发光度变化近似为2%（平均亮度水平的+/-1%）。

在一些实施方式中，SBG元件的周期性能够产生源自元件孔径的衍射或甚至干扰效应的不期望伪像。后一者被相信是不可能的，因为平面波导结构中的光传播将不必与来自下一孔径的光同相，这是因为平面波导结构中光学路径长度不相等。当考虑所有SBG元件时，离开每个周期性孔径的光因此被期望无条理地进行组合（即使对于平面波导结构而言，激光的相干长度是合理地长）。在不期望伪像确实由SBG元件产生的情况下，所提出策略的周期性将涉及使得元件随机化。

由于25mm的适眼距，数字透镜孔径上的点向日益不同的10mm眼眶贡献了角坐标信息。向着显示器的左边的点并不贡献来自FOV的右边的角内容，反之亦然。为了使得光效率最大化，在一个实施方式中，数字透镜可以被优化以在规定的适眼距处填充期望的眼眶。图10A-10D指示了在一个实施方式中对眼眶做出贡献的SBG孔径的部分。

不是数字透镜表面上的所有位置都对在眼眶处填充内容的瞳孔做出贡献。为了在25mm（适眼距）处填充10mm瞳孔，外耦合（outcoupling）SBG的最小大小刚好小于30mm宽。然而，数字透镜的中心中仅非常小的区域在所有视角（例如-15°±5°、-5°±5°、+5°±5°和+15°±5°）处提供内容。这些角带对应于外耦合SBG列1、2、3和4（针对上（+10°）、中（+0°）和下（-10°）视场而被找到）。

图17示出了对于图18的3垂直x4水平FOV图块化图案而言的SBG图块类型的分布。如图所示，在该情况中，在FOV中心处需要所有12个SBG规格，而在FOV的水平限制处所需数量下降到仅一。

图18示出了可以被用来平铺52°X30°FOV的示例性FOV图块化图案（假设每个SBG规格提供13°x10°）。需要提供总共12个不同类型的SBG规格，包括针对每个垂直图块化SBG图块（标记为1-4）的垂直图块化和四个水平图块化规格的“上（UP）”、“中（MIDDLE）”和“下（DOWN）”元件。每个类型的SBG将由不止一个SBG元件表示。因此为了观看[UP,1]处的FOV图块，在该实施方式中需要顺序地激活每个列群“UP”中的每个元件“1”。

图19-23示出了SBG图案，其对应于在图17-18中定义的每个图块化区域。在每种情况中，示出了针对SBG类型的单层图案和两个重叠图案。在该实施方式中假设了正方形元件。图19示出了对应于区域1和7的图案（3个图块类型）。这两个层由326、327指示，每个层包括类型1元件326A、327A和空间326B、327B（将由其他类型的元件所占据）。在该情况中，一个层实现了33%的孔径填充，另一个成对层实现了66%的孔径填充。图20示出了对应于区域2和6的图案（6个图块类型）。这两个层由328、329指示，每个层包括类型1元件328A、329A和空间328B、329B。在该情况中，一个层实现了16.7%的孔径填充，另一个成对层实现了33%的孔径填充。图21示出了对应于区域3和5的图案（9个图块类型）。这两个层由330、331指示，每个层包括类型1元件330A、331A和空间330B、331B。在该情况中，一个层实现了11.1%的孔径填充，另一个成对层实现了22.2%的孔径填充。最后，图22示出了对应于区域4的图案（12个图块类型）。这两个层由332、333指示，每个层包括类型1元件332A、333A和空间332B、333B。在该情况中，一个层实现了8.33%的孔径填充，另一个成对层实现了16.7%的孔径填充。

所得到的复合图案340如图23所示。三层波导341中单个SBG类型的覆盖的示例如图24所示。

图25-26示出了一个实施方式中的两层波导的每一层的SBG图案。

人的视觉敏度限制的典型估计大约是1角分（arc minute）/线耦（line pair）=60周期/度（cyc/deg）；这为通常可接受的性能限制且等于3.4cyc/mr。这可以在眼瞳被限制在3mm直径的明亮环境下实现有20/20视觉。眼睛受感光器限制。中央凹处的锥间距可以与2.5μm一样小，等于60cyc/deg。在较大的瞳孔孔径，眼睛的性能由于眼睛中的像差而显著降低。在大约3mm处，眼睛的性能近乎受衍射限制。要注意的是针对f/5.6眼睛（具有f=17mm的3mm瞳孔）在532nm处中断的衍射限制大约是320lp/m，其显著高于视网膜限制。因此在该实施方式中眼睛是感光器密度受限的。考虑到这一点，意识到如果眼睛的瞳孔或者限制眼睛的瞳孔的显示器大于0.75mm（等于1.4cyc/mr中断），则视网膜处的模糊光斑将不受影响。这建立了对显示器的最小孔径要求。具有4Hx3V图块的12μm螺距（pitch）LCoS微显示器可以在52degHx30degV（水平52度x垂直30度）上产生2560H x1440V像素，其中每个图块具有640Hx480V像素。从微显示器到视网膜的显示投射放大倍率大约是2。因此在眼睛处的微显示器像素的角距大小为6.0μm，在视网膜处给出了显示器83cyc/mm奈奎斯特频率（1.4cyc/mr）。图像清晰度在对比度在一半的奈奎斯特限制（即，在示出了视网膜处图像质量的以下平面图中大约为40cyc/mm）处被最大化（且为高的）时被评估为清晰。

关注的是颜色波导SBG层的周期性的结构将用作衍射光栅已经被寻址（address）。颜色波导中的许多潜在源衍射产物（artifact）（诸如较高级衍射、波导中的零级光束和SBG元素的孔径）仔细观察下可以被最小化（或甚至消除），SBG为体布拉格光栅，且在一个实施方式中可以不支持较高级，就好像发现闪耀或薄光栅。不存在较高级可以最小化（或甚至消除）重像。在一个实施方式中，继续被波导的波导光（在有损耗的波导中）内将不能‘看到’图块的输出孔径。波导光束内的衍射级的建立因此将不会发生。来自不同的SBG元素孔径的光输出将不是同相位（可能以一种独特的情况远离）。光路将根据场角（field angle）改变。因此期望孔径的输出将为异相位且因而非相干地结合是合理的。因此不期望衍射的伪像。

关于周期性结构的早期关注是基于50um列宽的。新SBG特征尺寸现在处于800um到1380um的范围内。有光栅方程预测的衍射角显著较小。例如，对于具有52°输入角的50um特征，衍射角将为1度（等于74像素）。对于在52°输入角处的1000um特征，衍射角减小至0.05°（3.7像素）。在最糟糕的情况下，在该实施方式中，如果衍射重影看起来处于所述的条件下，非常明亮的物体与黑暗的背景对照，其将看起来像近似于镜头光晕，且不是与原物（original）很好地分离的双像。

尽管去散斑器可以合并到IIN中以克服激光散斑，但存在对设计被固有地去散斑的合理高的期望。相位差异应当跨越输出SBG孔径存在。偏振差异应当进一步帮助去散斑，且因此最小化来自结构的任意衍射产物的效果。作为进一步的保护措施，注意到SBG孔径不必具有直边，该边将被图案化以使任意产物随机化。

若干因素可以影响设计布局。可能需要考虑细分限制（tessellationlimitations）来最大化光瞳填充（fill）。重要地，可能需要使单个双合透镜的2层上的每个图案具有3、6、9和12个图块，以针对3mm直径投射的眼瞳在显示器出射光瞳中的任意位置创建最大化的光瞳填充条件。在两层中的SBG图案之间的偏移不需要细分图案在x或y方向具有非整数偏移。在一个实施方式中，x偏移实际上将引起区域的一侧或另一侧的半像素，且之后将需要对该区域中的半像素单独寻址的ITO。在一个实施方式中，最好是避免这一点来保持一致的寻址距（addressing pitch）。在一个实施方式中，在y方向的偏移将同样地需要半像素垂直寻址。类似地，将期望避免这一点。对于在y方向具有半像素偏移来最小化覆盖范围是可接受的，但之后全部图案需要在相同方向上具有半像素偏移。在一个实施方式中，全部12个图块类型在每个双合透镜上使用。然而，最大图块类型填充针对两层上的9个图块类型获得。我们还存在6个图块类型和3个图块类型需要被配置在例如两层上的情况。例如在一个实施方式中考虑其中三个水平图块类型针对单个垂直图块类型来填充眼瞳的区域。注意到双合透镜的其他层对其他两个垂直图块光带寻址。层1和层2均包括相同的图块，但在偏移排列中来实现期望的光瞳填充。单个图块具有如下尺寸规格：(H,V)=(0.8*sqrt(3),0.8)=(1.386,0.8)。1个图块类型的单个层上的偏移由(dx,dy)=(0,3V)给定。相对于层2的层1的偏移由(dx,dy)=(0.5H,1.5V)=(0.693,0.4)给定。在如下的分析中，1mm x1mm正方形已经用于简化光学模型；然而，无论形状如何，原理是完全相同的。然而，应当注意某些形状将优先封装（pack）。

图27-29示出了包括输入图像产生器的IIN的一些实施方式，输入图像产生器包括二极管激光器模块34、耦合棱镜34A、夹于衬底35A、35B之间的SBG分束器层35、微显示器模块38、包括表面42A、42B的光导41、输入耦合、全息物镜、垫片半波片、全息场透镜。

有利地，在一个实施方式中，IIN提供远心镜头（轻微地投射的）光瞳以允许更好的彗形象差控制以及更好的用光瞳垂直光束扩展器封装。

图28A是示出了在一个实施方式中经由VBE从输入图像节点耦合到数字镜头的横截面图。图28B示出了图28A的实施方式的详细射线追踪。VBE可以包括或者可以是在相当于数字镜头的高度的距离上从光束提取光的有损耗的光栅。在物镜输入处，光被很好的整理，其中穿过光瞳的光被排列在紧场束中。在VBE的远端，具有不同视场角的不同数量的光束可以使得束更分散。在物镜末端，具有最高波导角的粉红射线可以距离其余的VBE波导最远。波导中的陡峭射线（黄色）从最左边开始。这可以有助于使无源输入耦合器（和VBE厚度）降低。在远端（完全在左边），将VBE的输出耦合到波导中因命令的丢失而被阻碍，如在输入处发现的。为了防止波导的厚度加倍，50/50有源耦合器在一个实施方式中在VBE处用于数字透镜耦合阶段。

图29是数字透镜和VBE的平面图，该平面图示出了后者如何分为两个可切换元件。这降低了波导厚度。每个数字透镜双合透镜波导为2.8mm厚度。在没有切换的情况下厚度加倍，由此总波导厚度从大约10mm增大到大约18mm。图10示出了从VBE到数字透镜追踪的射线。

在这里提供的若干实施方式可能必须很好的适用于衬底引导光学器件。首先，元件成本可以被降低。光学复杂性被包含在不同全息光学元件中。一旦与创建一组饲主（master）相关联的一次性工程（NRE）完成，相比于与离散折射元件相关联的循环材料，复制成本相对来说是不重要的。第二，可以减少装配时间。不仅减少了部件数量，而且装配过程更快。平面结构可以使用校准基准点与甚高光学精度一起被经济有效地层压。相比于将零部件装配形成为严格的标准，极大地降低了可触摸人工。第三，光学精度更大。在设计新的光学设计的过程中最大的挑战之一是控制零部件、机械壳体和装配过程逐渐增加的容差。使用全息光学元件（HOE），“黄金标准”可以由高级工程师来装配，且在NRE阶段期间在HOE饲主中捕获该级别的质量。除了HOE的光学校准能够以高精度完成的事实以外，单独的HOE更能容忍校准的变化。因此，高质量设备的整体产量更高。最后，通过该单块集成电路设计极大地减小了尺寸和重量，同时是整个子系统的强度。

一个重要的性能参数是显示器的看穿传输。对传输有影响的变量是ITO涂层（0.995）、AR涂层（0.99）和衬底及全息层的吸收。在波导和低指标粘合层之间的接口处还存在菲涅尔损耗。在一个实施方式中，色彩显示器的期望传输是>70%，具有>90%目标。假定每个显示器有三个波导和每个波导有两个衬底，计算的传输是93%，满足规定的目标。在一个实施方式中，这里描述的设计可以使用100微米玻璃衬底。使用三个波导，且每个波导有三个衬底（注意：两个全息层可能需要三个衬底），色彩显示器的显示器厚度可以仍然小于1mm。全息层（包括涂层）的厚度是可以忽略的；对于整体厚度每个仅贡献4-5微米。由于重量一直是个问题，这可能是这里描述的实施方式的重要特征。在一个实施方式中，衬底包括塑料制品，重量可以被进一步降低。

在一个实施方式中，SBG操作在反向模式中，由此他们在施加电压时衍射且在所有其他时间保持光学无源。SBG可以实施为由所示薄衬底层（如100微米薄）隔开的连续SBG薄层。最终设计目标是使用具有穿透式传导涂层的塑料衬底（替代ITO）。适用于本申请的塑料SBG技术正在类似的SBIR项目中开发。在该实施方式中，这是平面单块集成电路设计，利用了使用单块集成电路全息光学器件的窄光带激光照明的全部有利条件。

将SBG配置为单色层可以实现使用全息光学器件和SBG分束器技术来提供平固态精度校准的显示器，完全消除了对庞大的折射光学器件的需要。显示器的分辨率仅受LCoS面板的分辨率的限制。

可通过在每层交织更多图块和/或增加新层来将该设计放大为更大的FOV。类似地，瞳孔、适眼距和FOV长宽比可以被调整以适合该应用。该设计可以被按比例缩小为更小的FOV。

图30A-30B示出了对使用这里所述的至少一些实施方式的偏振再循环的方案。这可以与没有维持有SBG输出耦合波导的偏振的事件有关，凭借SBG材料的特性（当前的或将来开发的）或偏振转动元件被特意引入到波导中的地点。具体地，如果线性偏振光输入至数字透镜波导（即，光从VBE耦合到波导）更薄的数字透镜波导可被使用，且光转换为混合S和P偏振光。这可以允许多达两倍减小厚度的波导的一个因素。图30A示出了具有定向到TIR路径的输入射线354A、354B的波导，TIR路径由355A、355B通过耦合光栅353标记。光可以具有任意偏振。然而，对于SBG输入光栅，在一个实施方式中可以期望P偏振。耦合光栅孔径为A。仅出于说明的目的，TIR角已经被选为45°，由此限制输入射线所需的波导的厚度在第一TIR反弹为A/2之后恰好绕开耦合光栅的边缘。

参考图30B，波导356具有输入耦合光学器件，包括相互邻近放置的第一光栅357A和第二光栅357B，夹在波导和第一光栅之间的半波膜357C；以及夹在波导和第二光栅之间的偏振分束器（PBS）膜357D。PBS被设计为发射P偏振光和反射S偏振光。仅出于说明的目的，TIR角再次被选为45°。输入P偏振准直光358A、358B经由第一光栅和半波膜（HWF）被耦合至波导以提供S偏振光359A，且经由第二光栅和PBS以提供P偏振光359C、359D。比较图30A和图30B的实施方式，应当显而易见的是在第二个中，输入耦合孔径可以等于归因于HWF和PBS的偏振恢复的两个TIR反弹的长度。在图30A的实施方式中，输入对不长于一个TIR反弹，因为光栅相互作用将导致光从波导外向下反射。图30B的实施方式的一个益处在于波导厚度可以减少50%；也就是，对于耦合器长度等于A，波导厚度（针对45°TIR）为A/4。在一些实施方式中，波导中的S和P光不分离。典型地，输入光将是发散的，导致S和P光很快变得空间混合。然而，如果波导转动偏振，因为更多P是输出耦合的，将存在比P到S更多的S到P转换，因此产生净收益。偏振转动可以由波导墙的反射特征引起和由使用了SBG的全息材料的双折射引起。在一个实施方式中，通过应用四分之一波膜（QWF）至波导的下面来提供偏振转动。HWF和QWF可以是大约0.125mm厚。典型的粘合层可以是大约75微米。因此，在一些实施方式中，偏振控制膜不显著贡献到整体波导厚度。在某些情况下，膜可以是能够浸入到用于层压的粘合层中。

图31示出了一些实施方式中使用的反传输（counter-propagation）波导。波导包括完全相同但夹在衬底52A、52B之间的相反规格的邻近的光栅薄层51A、51B。从左到右传输的波导光362与光栅51A相互作用以连续提供提取的光360A-360C来提供扩展的输出光束360。从右到左传输的波导光368与光栅51B相互作用以连续提供提取的光361A-361C来提供扩展的输出光束361。注意到不是从左/右传输方向的每个方向提取小量光将于对立的光栅相互作用，并在对立的方向上从光栅衍射到扩展的波束360、361，如射线363-366所指示的。

图32示出了在一个实施方式中在波导中使用分束器以实现均匀性。该原理可以应用于两个扩展的坐标轴。如进一步细化的，分束器偏移可以在波导中使用（即，未在波导表面的中间，但从波导中点的偏移来在多个反弹相互作用之后最大化均匀性）。又一个细分是在分束器中使用不同的反射率来最优化和裁定光束混合。不仅是通过任意特定理论被反弹，而且通过将分束器的反射率%改变为50/50以外的内容，或者通过将沿B/S长度分离的传输/反射改变，瞳孔填充可以被均质和最佳化。例如，在图32中，波导353包括分束器层352。在一些实施方式中，分束器可以使用薄膜涂层来提供。诸如370的TIR射线之后可以经历光束分离，其导致在波导的上壁和下壁之间；波导的上壁和分束器之间和分束器和波导的下壁之间出现波导，如射线371-373所指示的。

通过控制输入照度的曲线形成IIN停止。在至少一些实施方式中，在投射光学器件中不存在硬物理停止。投射停止的益处包括降低的波导厚度。停止被中途投射到VBE以最小化VBE中的孔径直径，且因此最小化VBE到数字透镜波导耦合器的孔径宽度（例如，减小第一坐标轴扩展器的宽度）限制了第二坐标轴扩展光学器件的厚度。

图33-36示出了一些实施方式中用于数字透镜的寻址架构的ITO的细节。

图33示出了在给定ITO层中减少电痕（track）的数量，其中该方法使用ITO的双侧寻址，以及超级像素寻址来减少将近三分之一的电痕数量。在第一组35,0中提供的像素包括：3单位x1单位的尺寸元件，例如被标记为350A、350B；以及1单位x1单位的尺寸元件，例如被标记为350C-350H，以及等同像素几何学的第二重叠反向组351，指示为351A-351G。

图34-36示出了如何使用电极接线交错电痕来允许2D电极结构来处理（开关）多个不同细分类型。图34示出了在实施方式中使用的接线图，其中电极元件例如401被电痕402-404连接。图35示出了在另一种实施方式中的接线图，其中指示电极407-409和电痕部分410、411。图36更详细地示出了图33的实施方式的电极和电痕，由标号421-434指示。

电极架构可以由于部分复杂性的减少从使用等同图案技术中获益，以及提供对称性以创建全寻址网络。不需要做设计工作，但可以限制需要被设计和处理的部分的数量。

在一种实施方式中，SBG层下的渐变反射曲线（graduated reflection profile）被用于与长度一起控制（或协助）光栅DE变化（通常在SBG光栅中使用指标调制实现）。这在低百分比的光被耦合在第一反弹（bounce）被输出，而高百分比的光被耦合输出自扩展器的其他端的VBE的情况中是很有用的。

在一种实施方式中，1D扩展引擎被用于双倍输入功率和/或最小化1D孔径宽度。

在一种实施方式中，显示器被配置为“罩（visor）”。彩色波导在至少一个面中被弯曲。通常，这种实施方式可以具有大（30mm）适眼距（eye relief）和大出射光瞳（exit pupil）。大出射光瞳可以减少（或者甚至消除）对IPD调整的需要。图37A-38B是弯曲的罩的平面图和侧视图，所述罩包括数字透镜71和每侧有光学电子模块70A、70B。一个模块将包括IIN。第二模块可以包含辅助的光学器件和电子器件。

图38进一步详细示出了在一种实施方式中的弯曲的罩的数字透镜。所述数字透镜可以包括层压的波导，每个包含SBG阵列73A-73C。在这种情况中，三个SBG层通过覆层72A-72D彼此隔开。光程由381A-381C指示。在图39的实施方式中，SBG层被堆叠而没有覆层以形成单个波导结构。光程由382A-382C指示。

如图40所示的一种实施方式中，罩数字透镜被成形为刻面（facetted）平面元件76A、76B以允许波导为平面。在插图B和C中所示，光栅77A、77B被提供在刻面之间的光学接口77处以控制波束角度来确保到SBG阵列元件的被导向的图像光的有效耦合。光栅77A、77B可以是布拉格光栅。在图41所示的实施方式中，刻面数字透镜包括平面刻面，例如76A、76B，被嵌入有弯曲的光导79。

实施方式可以依赖单色波导。但是明显的可以考虑在可替换实施方式中波导能够在多个颜色上操作的描述。这种实施方式可以涉及更多复杂的IIN设计。

至少在一些实施方式中，这里描述的多层架构可能不与常规全息图一起使用，因为他们将彼此干扰。因此，SBG（其可以被开关以清楚地允许视场的时域集成）可以被使用来克服这个挑战。

这里描述的一种实施方式涉及HMD，例如具有下列规范的HMD：

a）180°透明可见度；

b）全色彩；

c）52°x30°FOV；

d）30mm x30mm眼眶；

e）2560x1440分辨率；

f）斯内伦（Snellen）20/20锐度；

g）30mm适眼距

h）通用IPD；

i）双眼的；以及

j）树脂（polycarbonate）光学器件。

这里描述的至少一些实施方式的一个重要特性是他们提供了透明的益处。后者对车辆、航空以及其他运输工具应用的抬头（head up）显示器具有重要意义；例如对安全敏感应用的私有透明显示器；建筑学内部引导标志和许多其他应用。采用附加的贴在显示器一侧的全息亮度增强膜、或者其他窄光带反射器，其目的在于仅反射显示器照度波长光，透明显示器可以在观看方向的相反方向做成隐形的（以及从而安全）。反射的显示器照度可以被有效地镜像以及因此在一个方向被阻挡，以使其适用于银行或金融服务设置中常用的顾客或个人会谈中的透明台式显示器应用。

虽然上述一些实施方式中描述的可穿戴显示器，但清楚的是上述任何实施方式中的目镜和视网膜屏可以由任何类型的图像透镜和屏幕代替。上述描述的任何实施方式可以被用于直接视觉或虚拟图像显示器。可能的应用范围从例如在取景器中使用的那些微型显示器到大区域公共信息显示器。上述实施方式可以被用于期望透明显示的应用中。例如，一些实施方式可以使用在例如抬头显示器和提字器等背景屏上叠加的显示的影像的应用中。一些实施方式可以被用于提供位于或邻近于光学系统的内部图像平面的显示器设备。例如，上述的任何实施方式可以被用于提供数码相机取景器的符号数据显示器，在所述数码相机取景器中所述符号数据被投射在中间图像平面以及之后由取景器接目镜放大。一种实施方式可以被应用于双眼或单眼的显示器。另一种实施方式也可以用于立体可穿戴的显示器。一些实施方式可以被用于背投式电视机。一种实施方式可以被用于航空、工业、医药显示器。存在于娱乐、仿真、虚拟现实、培训系统和运动中的应用。

使用激光照度的上述的任意实施方式可以结合在从激光路径到镜片的照度路径中任意点处配置的用于消除激光散斑的去散斑设备。优势在于，去散斑设备是电光的设备。期望的去散斑设备基于HPDLC设备。

引用文件

下列专利申请的内容全部以引用的方式结合于此：

申请日为2011年10月7日的发明名称为“WIDE ANGLE COLOR HEADMOUNTED DISPLAY”的美国临时专利申请No.61/627,202（申请人的案件编号为SBG106）；

国际申请日为2008年7月22日的发明名称为“LASER ILLUMINATIONDEVICE”的PCT申请No.US2008/001909以及发明名称为“METHOD ANDAPPARATUS FOR PROVIDING A TRANSPARENT DISPLAY”的PCT申请No.US2006/043938；

发明名称为“COMPACT EDGE ILLUMINATED EYEGLASS DISPLAY”的PCT申请No.PCT/GB2010/001982；国际申请日为2010年4月26日的发明名称为“Compact holographic edge illuminated eyeglass display”的PCT申请No.PCT/GB2010/000835；

2010年11月2日提交的发明名称为“APPARATUS FOR REDUCINGLASER SPECKLE”的PCT申请No.PCT/GB2010/002023；2005年11月4日提交的发明名称为“SWITCHABLE VIEWFINDER DISPLAY”的美国专利申请Ser.No.10/555,661；

申请日为2010年9月28日的发明名称为“Eye Tracked Holographic EdgeIlluminated Eyeglass Display”的美国临时专利申请No.61/344,748；

本申请发明人的美国临时申请、发明名称为“IMPROVEMENTS TOHOLOGRAPHIC POLYMER DISPERSED LIQUID CRYSTAL MATERIALSAND DEVICES”，其当前还尚没有申请号但是以申请人的案件编号SBG104被引用；

申请日为2011年6月16日的发明名称为“HOLOGRAPHIC BEAMSTEERING DEVICE FOR AUTOSTEREOSCOPIC DISPLAYS”的美国临时专利申请No.61/457,835；国际申请日为2008年7月22日的发明名称为“LASERILLUMINATION DEVICE”的PCT申请No.US2008/001909；

本申请发明人于2010年11月2日提交的发明名称为“APPARATUS FORREDUCING LASER SPECKLE”的PCT申请No.PCT/GB2010/002023；

本申请的发明人于2011年9月7日提交的发明名称为“METHOD ANDAPPARATUS FOR SWITCHING HPDLC ARRAY DEVICES”的美国临时专利申请No.61/573,121（申请人的案件编号为SBG105B）；

国际申请日为2010年4月26日的发明名称为“COMPACTHOLOGRAPHIC EDGE ILLUMINATED EYEGLASS DISPLAY”的PCT申请No.PCT/GB2010/000835（申请人的案件编号为SBG073PCT）；以及

本申请发明人的美国临时专利申请、发明名称为“IMPROVEMENTS TOCONTACT IMAGE SENSORS”，其当前还尚没有申请号但是以申请人的案件编号SBG100被引用。

微细分

一组实施方式使用微细分。在可开关布拉格光栅数字透镜^TM波导设备上下文中的微细分光栅的性能将于此披露。细分是安装在一起没有间隔的重复形状的图案。术语“细分”的使用可以称为细分图案的单个元件。细分的实际应用属于数字透镜^TM设备，细分还意味着图案的创建没有细分元件间的大量间隔-即其中存在高整体孔径填充因素。

细分元件是衍射光栅或多个衍射光栅的区域（孔径），其可以是可开关的衍射光栅（SBG）。细分将同时衍射细分的所有区域的光。衍射光栅可以是可开关的或不可开关的。

微细分：这是个存在在较大主细分元件内的小细分。在主细分内的微细分可以具有不同的光栅规格。在主细分元件内的微细分元件都同时衍射。细分的性能和他们对MTF的影响已经在先前的文档中描述，其中单个光栅被写入细分。

在主细分结构中的微细分

感兴趣的性能考虑是：MTF（分辨率）和视场角的均匀性。

在平铺衬底引导光学器件（SGO）中，单个视场将在波导中存在。在任何给定的时间时刻中，这将携带针对整个视场的部分的视场信息。在眼睛显示器的情况中，存在投射场的部分从SGO外耦合。外耦合光栅需要外耦合该视场以使眼睛可以在眼眶之间看见视场信息，期望的对于每个视场角和对于在眼眶内的眼瞳的任何位置的所有视场角进入眼睛相同的流量。从先前的工作认识到较大的细分从属于上级MTF（分辨率）性能，以及在眼睛的瞳孔上的视场辐射照度与较小的细分更为一致。外耦合光栅角度带宽导致在输出光方面减少了视场角。最小化细分大小以从属于足够的分辨率，该分辨率取决于系统分辨率寻找。但是，0.5mm到1mm宽度（或者直径）的最小细分孔径尺寸将近似地被需要以支持0.7至1.4lp/mr分辨率，以及较大孔径在实施方式中被偏好。这主要影响高空间频率性能。

当在衍射状态时，细分是外耦合光栅的区域，其将同时衍射地外耦合在该细分孔径区域中的所有点的光。在细分内的区域可以包含具有一个光栅规格或多个光栅规格。这些多个光栅规格可以通过将光栅多路复用（光栅规格共享细分的相同区域）到，或通过使细分的空间上离散区域进入到，仅被写入单个光栅的规格来实现。微细分是与其他小细分区域同时开关的小细分。空间上离散的微细分（μT）的情况在如下被检查。

μT光栅可以被设计成角度带宽重叠邻近μT（在角度场中）。在一种实施方式中对于给定视场角的建模微细分如下描述。考虑的一种情况是微细分的FoV重叠导致不同视场角将被以不同点输出。考虑的其他情况是对于给定视场角等于来自多个微细分的眼瞳辐射照度。一些视场角将输出等于来自多个微细分的光，从而提供与眼瞳辐射照度相等的辐射照度。假设一些微细分将之后提供少于或没有眼瞳辐射照度。顶帽（top hat）模型将很适合模拟这种情况。

研究了对于给定视场角来自多个微细分的眼瞳辐射照度不等。为了模拟这种情况，不等孔径加权需要被模拟。对于给定单个视场角，从微细分到微细分的输出可以不是平滑函数，而是阶跃函数，如在下述空间分布图中所示。

非限制性工作实例

建模遵循首先评估的针对20%、50%和75%的孔径填充的均等福照度情况。大多数场角情况不是顶帽，当必须使用用于不同宏细分的代表性场角加权函数来进行评估。

图42A示出了典型的角分布。图42B示出了相应的空间分布。在情况A中，用于该场角的顶帽函数给出了50%孔径填充。在情况B中，图块具有不同的加权。因此孔径不是顶帽函数。注意到微细分不需要是正方形的或如图所示的顺序，且可以具有任何形状或顺序，例如2D分布。

构建的和随机的排列被研究。下图示出了非随机、规则重复微细分图案。

图43示出了MTF曲线（图43A）和3D布局图43B示出了50%孔径填充的效果：100um孔距的50um孔径，3mm眼瞳。假定40um孔距上的10um孔径（25%填充因子）且仅绿光（532nm）。注意到在最后得到的频率空间中高调制。图44示出了25%孔径填充的效果：40um孔距上的10um孔径，3mm眼瞳。提供了MTF和3D布局图。40um孔距上的10um孔径（25%填充因子）。假定绿色（532nm）。图45示出了50%孔径填充的效果：250um孔距上的125um孔径，3mm眼瞳，使用MTF图（图45A）和足迹图（图45B）。假定250um孔距上的125um条纹孔径（50%填充因子）和绿色（532nm）。非随机化的规则周期性结构显示整个感兴趣角频率范围内MTF中的倾斜，典型为1.4cyc/mr。

接下来考虑随机微细分图案。周期性孔径函数的结果显示MTF中的“洞”。下面研究使用微细分的眼瞳填充的随机化。25%、50%和75%的细分%填充被考虑。对于该初始分析，细分被认为是100%的眼瞳。后面的情况考虑包含具有3mm沿瞳孔的微细分的1mm正方形细分。

下面图示示出了50微米（micron）微细分的特性。图46A是示出3mm眼瞳的50um微细分的75%孔径填充的效果的足迹图。图46B是3mm眼瞳的50um微细分的75%孔径填充的效果的MTF图。图47A是示出3mm眼瞳的50um微细分的50%孔径填充的效果的足迹图。图47B是示出3mm眼瞳的50um微细分的50%孔径填充的效果的MTF图。图48A是示出3mm眼瞳的50um微细分的25%孔径填充的效果的足迹图。图48B是示出3mm眼瞳的50um微细分的25%孔径填充的效果的MTF图。

下面研究125微米微细分。图49A是示出3mm眼瞳的125um微细分的75%孔径填充的效果的足迹图。图49B是示出3mm眼瞳的125um微细分的75%孔径填充的效果的足迹图。图50A是示出3mm眼瞳的125um微细分的50%孔径填充的效果的足迹图。图50B是示出3mm眼瞳的125um微细分的50%孔径填充的效果的MTF图。图51A是示出3mm眼瞳的125um微细分的25%孔径填充的效果的足迹图。图51B是示出3mm眼瞳的125um微细分的25%孔径填充的效果的MTF图。

下面研究250微米微细分。图52A是示出3mm眼瞳的250um微细分的75%孔径填充的效果的足迹图。图52B是示出3mm眼瞳的250um微细分的75%孔径填充的效果的足迹图。图53A是示出3mm眼瞳的250um微细分的50%孔径填充的效果的足迹图。图53B是示出3mm眼瞳的250um微细分的50%孔径填充的效果的MTF图。图54A是示出3mm眼瞳的250um微细分的25%孔径填充的效果的足迹图。图54B是示出3mm眼瞳的250um微细分的25%孔径填充的效果的MTF图。

还研究了比眼瞳直径和微细分小的细分。图55A是示出具有使用3mm眼瞳直径的125um微细分的50%填充的1mm细分的效果的足迹图。图55B是示出具有使用3mm眼瞳直径的125um微细分的50%填充的1mm细分的效果的MTF图。图56A是示出具有使用3mm眼瞳直径的125um微细分的50%填充的1.5mm细分的效果的足迹图。图56B是示出具有使用3mm眼瞳直径的125um微细分的50%填充的1mm细分的效果的足迹图。图57A是示出具有使用3mm眼瞳直径的125um微细分的50%填充的1mm细分的效果的足迹图。图57B是示出具有使用3mm眼瞳直径的125um微细分的50%填充的1mm细分的效果的MTF图。

研究了空间随机化可变透射孔径。第一步是检查模型有效性。从UDA改变到位图灰度透射孔径。在3mm直径眼瞳中水平带超过1.5mm孔径（125μmμTs）。

对下面的建模技术进行比较：将模型实现为UDA（用户定义孔径）；将使用位图模型的模型实现为透射孔径。这里位图等级是二进制。预测的MTF结果是相同的，因此建模工具等效。图58A示出了UDA的MTF图。图58B示出了位图孔径函数。

图59示出了使用随机放置可变透射的125um微细分的1.0mm细分和3mm眼瞳。使用可变孔径透射。使用可变孔径透射改善模型以更好描述非顶帽模型情况（其是细分的主要情况）。0%、50%和100%的DE值等同于图59A中示出的场角情况。

注意这描述3个重叠光栅的空间上最宽的可能情况-即场角被输出75%的主细分区域（虽然微细分中的两个贡献了50%）。这里描绘了4种图块类型。每种类型的透射值是：50%、100%、50%、0%。微细分孔径是125um的正方形。栅格是8x8像素，因此细分孔径是1mm x1mm的正方形。

图60是示出使用125umμTs随机放置可变透射的1.0mm细分和3mm眼瞳的效果的MTF图。注意到上框区域中的空间频率落入以50%和75%孔径填充的125um像素的顶帽预测有关的图中示出的预测之间。下框区域中示出的较高空间频率主要受到主细分形状的影响。读者请看显示50%孔径填充的图。还注意到针对75%孔径填充MTF得到改进。

下面参考图61，考虑了使用随机放置可变透射的125um微细分和3mm眼瞳的1.5mm细分。图61中描绘了四种不同的图块类型。每种的透射值是：50%、100%、50%、0%。微细分孔径是125um的正方形。栅格是12x12像素，因此该细分孔径是1.5mm x1.5mm的正方形。

图62是示出使用随机放置可变透射的125um微细分和3mm眼瞳的1.5mm细分的效果的MTF。应当注意高空间频率主要受主细分形状的影响，因此基础细分从1.0mm增加到1.5mm改善了高频率响应。

概述

a）微细分的衍射效果需要说明。

b）微细分的衍射效果不同于基础主细分图案的衍射效果。

c）使用μTs与使用不包含微细分的单细分相比使MTF降级。但是，微细分能够使细分具有更大角度带宽，因此减少期望细分的总数量。而这允许更大的细分。

d）μTs的规则图案产生MTF调制，其导致MTF频率响应中不可接受的倾斜。

e）MTF倾斜可以通过空间随机化微细分来平均出来。注意到μTs需要足够小以允许合理的随机化。细分与μT宽度大约8：1的比率看来是足够的，虽然这还没有探索完全。

f）细分之间重叠的角视场量对于成功实施μTs是关键的。在建模的情况中，微细分的ABW是整个细分ABW的至少一半。更大的重叠将导致改善的MTF性能，因为这有效增大了给定场角的可用孔径。

g）现在建立工具来建模不同光栅配置的折衷情况。

对细分进行空间随机化的微细分结构的实施提供附加的设计灵活性。实际上细分角度带宽（ABW）在MTF扩展得到增强。结果显示微细分特征的随机化允许在非随机化图案中找到的MTF振荡的均质化（粗平均）。此外，不是很感兴趣的空间频率的MTF可以为了改善的细分ABW而被牺牲掉。相关重叠光栅的不同情况需要被考虑。微细分支持的MTF与微细分尺寸和重叠百分数（%）有关。重叠细分的代表性情况的ABW需要被考虑更仔细，并结合期望支持期望架构的折叠的光栅。在3mm眼瞳和0.5mm、1.0mm和<3mm的尺寸的主要细分元素的环境中已经考虑了特征尺寸为50μm、125μm和250μm的微细分。这些是在近眼显示器的环境有效的实际数字。然而细分可以是任意尺寸和形状，并且微细分可以是小于主细分的任意尺寸和形状。

接下来进行细分图案的照明度均匀性分析。参考图63，考虑情况1，其包括1mm细分。图63中每个重叠的参考设计的填充描绘了6层、12图块、单色参考设计。假定单个图块有50%孔径填充。还假定：17mm的适眼距；3mm的眼瞳；6层单色参考设计；1mm细分，以及偏移参考设计。单元格是2x3。图63中示出了重叠以生成成块的重叠图案。使用1mm细分，最小到最大最佳均匀性针对50%孔径填充是+/-12%，即+/-12%均匀性变化=24%p-p。

图64示出了情况1b，在30mm适眼距处在3mm眼瞳的轴上重复。适眼距影响该变化的空间频率。较大的适眼距导致较高的空间频率波纹。均匀性幅度不受影响。最大波纹是瞳孔填充的56.6%。最小波纹是瞳孔填充的43.4%。均匀性是+/-13.2%、26.4%峰值比峰值。

图65示出了情况2：1mm细分；优化填充。图描绘了6层、12图块、单色参考设计，其光栅位置被重新优化。单个图块具有50%的孔径填充。假定了3mm眼瞳和1mm细分。细分是空间上均匀的。

图66示出了情况2：最大和最小情形的考虑。示出了对应于最小45.1%和最大54.9%的足迹图。使用1mm细分，最小到最大的最佳均匀化是针对50%孔径填充的+/-5%，即+/-10%均匀性变化（20%p-p）。

图67示出了情况3：0.5mm细分，具有轴外的50%孔径填充。图67描绘了6层、12图块、单色参考设计，但是具有0.5mm细分。单个图块：假定50%孔径填充和3mm眼瞳。这种计算模拟0.5mm宽细分的50%孔径填充。波纹被计算为：最大=50.4；最小=49.6。波纹幅度大约是+/-0.8%（1.6%P-P）。测得的视场范围是～11deg（度）到24deg。波纹频率是1.25deg～1个周期。

图68示出了情况3b：轴上的50%孔径填充的0.5mm细分。图68描绘了6层、12图块、单色参考设计，但是具有0.5mm细分。单个图块：假定50%孔径填充和3mm眼瞳。这模仿具有0.5mm宽细分的50%孔径填充。波纹被计算为：最大=50.9，最小=49.6。波纹幅度大约是+/-1.5%(3%P-P)。测得的视场范围是～+/-6.5deg。轴外，缩短了细分，因此均匀性增强。波纹频率是1.25deg～1个周期。

图69示出了4mm眼瞳、0.5mm细分、50%孔径填充。如图中所示，特性是最大：51.97%，最小：48.03%，以及波纹：+/-2%(=4%p-p)。

图70示出了3mm眼瞳、33%孔径填充（3层、9种图块类型）。图70描绘了3层、9图块、单色参考设计，但是具有0.5mm细分。单个图块：假定33%孔径填充和3mm眼瞳。波纹被计算为：最大=36.9，最小=30.4。波纹幅度是～6.5%/33%=+/-9.75%(=19.5%P-P)。波纹频率是5deg～1个周期。

图71示出了4mm眼瞳、33%孔径填充（3层、9种图块类型）。单个图块：假定33%孔径填充和4mm眼瞳。波纹被计算为：最大=35，最小=30.8。波纹幅度是～4.2%/33%=+/-6.3%=12.6%P-P。波纹频率是5deg～1个周期。

图72示出了3mm眼瞳、33%孔径填充（3层、9种图块类型）。单个图块：假定33%孔径填充和3mm眼瞳。计算的特性是：波纹最大：35.2%，波纹最小：29.7%，均匀性：5.5%/33.3%=+/-8.25%=16.5%。

图73示出了单元格如何形成均匀分布的图案。

图74是使用4mm眼瞳、33%孔径填充（3层、9种图块类型）的实施方式的重新计算。这需要该图案具有1x3单元格，具有0.5像素偏移的偶数列。

使用偶数列半个像素偏移的栅格分布给出更均匀的分布。计算出的特性是：波纹最大：35.0%，波纹最小：31.0%，均匀性：4.0%/33.3%=+/-6%=12%。

图75示出了4mm眼瞳、33%孔径填充（3层、9种图块类型）。该实施方式需要该图案有1x3的单元格，具有0.5像素偏移的偶数列。

使用偶数列半个像素偏移的栅格分布给出了更均匀的分布。计算出的特性是：波纹最大：34.6%，波纹最小：32.7%，均匀性：1.9%/33.3%=+/-2.85%=5.7%。

基于微细分原理的一系列参考设计已经被开发并总结如下：

1.参考设计:

·单色、6层、12图块（50%孔径填充）、1mm细分:

·3mm眼瞳：24%均匀性

2.在不同层上重新优化的光栅位置的参考设计:

·单色、6层、12图块（50%孔径填充）、1mm细分:

·3mm眼瞳：20%均匀性

3.使用0.5mm细分的参考设计:

·单色、6层、12图块（50%孔径填充）、0.5mm细分:

·3mm眼瞳：视场～3%到2%均匀性。

4.3mm眼瞳（目标：C AR户外）

·3层、9图块（33%孔径填充）、0.5mm细分:

·多至16.5%均匀性

5.4mm眼瞳[目标：C室内电影]

·3层、9图块（33%孔径填充）、0.5mm细分:

·多至12%均匀性

实现单图块的50%孔径填充在甚至33%孔径填充提供明显改善的均匀性（在3mm眼瞳情况下～5x均匀性改善）。对于50%孔径填充，0.5mm性能明显比1mm细分要好：针对3mm眼瞳3%相对于20%。

对于9图块50%孔径填充需要‘4.5’（即，5层）。

具有场角的眼瞳辐照度均匀性改进减小的主细分元素尺寸并增大主细分元素孔径填充。注意在给定层上降低图块类型密度然后将改善具有场角的辐照度均匀性，因为更少的图块类型增大任意单个主细分元素类型的孔径填充。减小的主细分元素尺寸使MTF（分辨率）降级。注意到减小的主细分元素尺寸和增大的主细分元素类型目的允许不规则的图案。而这允许主细分的MTF的均质化，以及改变辐照度均匀性场角波纹频率的时机。使用主细分的孔径内的小（微细分）可以改善主细分元素的整体角度带宽，由此提供减少期望的主细分元素类型的数量的机会。

参考

以下专利申请全部以引用的方式结合于此：

美国临时专利申请No.61/627,202，申请日2011年10月7日，名称WIDE ANGLE COLOR HEAD MOUNTED DISPLAY，其也由申请人的文档号SBG106引用；

PCT申请No.US2008/001909，国际申请日:2008年7月22日，名称LASER ILLUMINATION DEVICE；

PCT申请No.US2006/043938，名称METHOD AND APPARATUSFOR PROVIDING A TRANSPARENT DISPLAY；

PCT申请No.PCT/GB2010/001982，名称COMPACT EDGEILLUMINATED EYEGLASS DISPLAY；

PCT申请No.PCT/GB2010/000835，国际申请日：2010年4月26日，名称Compact holographic edge illuminated eyeglass display；

PCT申请No.PCT/GB2010/002023申请日：2010年11月2日，名称APPARATUS FOR REDUCING LASER SPECKLE；

美国专利申请Ser.No.10/555,661，申请日：2005年11月4日，名称SWITCHABLE VIEWFINDER DISPLAY；

美国临时专利申请No.61/344,748，申请日：2010年9月28日，名称Eye Tracked Holographic Edge Illuminated Eyeglass Display；

本申请发明人的美国临时专利申请，名称IMPROVEMENTS TOHOLOGRAPHIC POLYMER DISPERSED LIQUID CRYSTAL MATERIALSAND DEVICES，该申请目前不能获得申请号，但是被申请人的文档号SBG104引用；

美国临时专利申请No.61/457,835，申请日：2011年6月16日，名称HOLOGRAPHIC BEAM STEERING DEVICE FOR AUTOSTEREOSCOPICDISPLAYS；

PCT申请No.US2008/001909，国际申请日：2008年7月22日，名称LASER ILLUMINATION DEVICE；

PCT申请No.PCT/GB2010/002023，申请日：2010年11月2日，名称APPARATUS FOR REDUCING LASER SPECKLE；

美国临时专利申请No.61/573,121，申请日2011年9月7日，名称METHOD AND APPARATUS FOR SWITCHING HPDLC ARRAYDEVICES，其也被申请人的文档号SBG105B引用；

PCT申请No.PCT/GB2010/000835，国际申请日：2010年4月26日，名称COMPACT HOLOGRAPHIC EDGE ILLUMINATED EYEGLASSDISPLAY（也被申请人文档号SBG073PCT引用）；

本申请发明人的美国临时专利申请，名称IMPROVEMENTS TOCONTACT IMAGE SENSORS，该申请的申请号目前不可获得，但由申请人的文档号SBG100引用；

美国临时专利申请No.61/573,156，申请日2011年9月16日，名称“Holographic wide angle near eye display”（SBG Labs引用No.SBG106A）；

美国临时专利申请No.61/573,175，申请日2011年9月19日，名称“Holographic wide angle near eye display”（SBG Labs引用No.SBG106B）；

美国临时专利申请No.61/573,176，申请日2011年9月19日，名称“Holographic wide angle near eye display”（SBG Labs引用No.SBG106C）；

美国临时专利申请No.61/573,196，申请日：2011年9月25日，名称“Further improvements to holographic wide angle near eye display”（SBG Labs引用No.SBG106D）；

美国临时专利申请No.61/627,202，申请日：2011年10月7日，名称“Wide angle color head mounted display”（SBG Labs引用No.SBG106）；

美国临时专利申请No.61/687,436，申请日：2012年4月25日，名称“Improvements to holographic wide angle head mounted display”（SBG Labs引用No.SBG109）；

结论

本申请中所有的文献和类似材料包括但不限于专利、专利申请、文章、书籍、论文以及网页，不管这些文献和类似材料的格式如何，其全部内容清楚地以应用的方式结合于此。如果结合的文献和类似材料的一个或多个不同于或与本申请相悖，包括但不限于定义的术语、术语使用，描述的技术等，以本申请为准。

虽然本申请结合各种实施方式和实施例描述，但本申请的范围不限于这些实施方式或实施例。相反，本领域技术人员可以理解，本申请包括各种可替换方式、修改以及等同方式。

虽然本文描述并图示了各种发明性实施方式，但是本领域技术人员容易想到各种其他方式和/或结构来执行功能和/或得到效果和/或这里描述的一个或多个优点，且这些变形和/或修改的每一个被视为在本文描述的发明性实施方式的范围内。更一般地，本领域技术人员容易理解这里描述的所有参数、尺寸、材料以及配置是示意性的且实际的参数、尺寸、材料和/或配置取决于使用本发明性教示的特定一个或多个应用。本领域技术人员将认识到本文描述的特定发明性实施方式的许多等效实施方式。因此，应当理解之前的实施方式是仅以示例方式给出且在所附权利要求书的范围以及等效范围内，发明性实施方式可以以与具体描述和要求的实施方式不同实施。本文的发明性实施方式针对这里描述的每个单独特征、系统、物品、材料、套件和/或方法。此外，两个或更多这样的特征、系统、物品、材料、套件和/或方法的任意组合，如果这些特征、系统、物品、材料、套件和/或方法相互是一致的，包含在本文的发明范围内。

此外，这里描述的技术可以体现为已经提供至少一个示例的方法。作为该方法的部分执行的动作可以以任意合适的方式来排序。因此，实施方式可以被构建，其中可以以不同于所图示的顺序来执行动作，这可以包括同时执行一些动作，即使在示出的实施方式中示出的是顺序动作。

这里定义和使用的所有定义应当理解为支配词典定义、引用结合的文献中的定义和/或定义的术语的普通意思。

说明书和权利要求书中使用的非限定冠词“一（a）”和“一（an）”，除非有明确相反指示，否则应当理解为“至少一个“。这里引用的任何范围都适用。

说明书中使用的术语“基本上”和“大约”用于描述和说明小波动。例如，它们可以涉及小于或等于±5%，例如小于或等于±2%，例如小于或等于±1%，例如小于或等于±0.5%，例如小于或等于±0.2%，例如小于或等于±0.1%，例如小于或等于±0.05%。

说明书和权利要求书中使用的短语“和/或”应当理解为集合的元素中的“任意一者或两者”，即在一些情况中一起出现而在其他情况中分开出现的元素。以“和/或”列出的多个元素应当理解为以相同的方式，即在一起的元素的“一个或多个”。其他元素可选地可以不同于具体由“和/或”分句标识的元素而存在，不管与这些具体标识的元素是否相关。因此，作为非限制性距离，参考“A和/或B”，当与开放性结尾语言例如“包括”一起使用时，可以在一个实施方式中指仅A（可选地包括B以外的元素），在另一个实施方式中指仅B（可选地包括A以外的元素），在另一实施方式中指A和B（可选地的包括其他元素）等。

说明书和权利要求书中使用的“或”应当理解为与上述定义的“和/或”有相同的意思。例如，当在例示中分开项时，“或”或“和/或”理解为包含的，即包括多个元素或元素列表中的至少一个，但也包括多于一个，且可选地，包含其他未列出的项。相反明确指出的仅术语，例如“…的仅一个”或“…的只一个”或在权利要求书中使用的“由…组成”是指包括多个元素或元素列表中的准确的一个元素。一般来说，当后接排他性术语例如“任一者”、“一者”、“仅一者”或“准确的一个”时，这里使用的术语“或”仅理解为指示排他性的可替换选项（即，“一者或另一者，但不是这两者”）。权利要求书中使用的“本质上包括”具有其专利法领域使用的普通意思。

说明书和权利要求书中使用的短语“至少一个”涉及一个或多个元素的列出，应当理解为在元素列表中的任意一个或多个元素中选出的至少一个元素，但不一定包括元素列表中每个具体列出的元素的至少一个，且不排除元素列表中元素的任意组合。这种定义还允许可选地存在元素列表中短语“至少一个”涉及的具体标识的元素以外的元素，不管与具体标识的这些元素是否有关。因此，作为非限制的举例，“A和B的至少一个”（或等同地，“A或B的至少一个”，或等同地“A和/或B的至少一个”）在一个实施方式中可以指至少一个，可选地包括多于一个A，不存在B（以及可选地包括B以外的元素），在另一个实施方式中，指至少一个，可选地包括多于一个B，不存在A（以及可选地包括A以外的元素），在另一个实施方式中，指至少一个，可选地包括多于一个A，且至少一个，可选地包括多于一个B（以及，可选地包括其他元素），等等。

在权利要求书以及说明书中，所有的过渡短语例如“包括”、“包含”、“携带”、“具有”、“包含”、“涉及”、“持有”、“包括”被理解为开放式的，即意思是包括但不限于。仅过渡短语“由…组成”和“本质上由…组成”是封闭式或半封闭式过渡短语，其分别在美国专利局专利审查指南2111.03节提到。

权利要求不应当理解为限定所描述的方法或元素，除非另有说明。应当理解本领域技术人员在不偏离所附权利要求书的实质和范围的情况下可以进行各种形式和细节的改变。在权利要求书的实质和范围内的所有实施方式以及等效方式都被要求。

Claims (20)

1.一种用于显示图像的装置，该装置包括：

输入图像节点，该输入图像节点被配置成提供至少第一图像调制光线和第二图像调制光线；以及

全息波导设备，该全息波导设备被配置成在至少第一方向上传播所述第一图像调制光线和所述第二图像调制光线中的至少一者，所述全息波导设备包括：

布置在至少一层中的至少第一散置的多个光栅元件和第二散置的多个光栅元件，所述第一光栅元件和所述第二光栅元件分别具有第一规格和第二规格；

其中所述第一图像调制光线和所述第二图像调制光线可以分别使用第一视场（FOV）图像信息和第二FOV图像信息来被调制；

其中第一多个光栅元件可以被配置成将所述第一图像调制光线偏转出所述至少一层成为形成第一FOV图块的第一多个输出射线，以及第二多个光栅元件可以被配置成将所述第二图像调制光线偏转出所述层成为形成第二FOV图块的第二多个输出射线。

2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一多个光栅元件和所述第二多个光栅元件按照预定图案被细分。

3.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一多个光栅元件和所述第二多个光栅元件按照预定图案被细分，以及所述预定图案是以下的至少一者：周期性图案、非周期性图案、自相似图案以及随机分布图案。

4.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一多个光栅元件或所述第二多个光栅元件中的所有元件被配置成被同时切换成衍射状态。

5.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一多个光栅元件和所述第二多个光栅元件中的至少一者具有包括正方形、三角形和菱形中的至少一者的形状。

6.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一多个光栅元件的元件具有第一几何图形，以及所述第二多个光栅元件的元件具有第二几何图形。

7.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一多个光栅元件和所述第二多个光栅元件中的至少一者具有至少两个不同的几何图形。

8.根据权利要求1所述的装置，其中在所述至少一层中的所有光栅元件针对一个波长而被优化。

9.根据权利要求1所述的装置，其中在所述至少一层中的所述第一光栅元件和所述第二光栅元件中的至少一者针对至少两个波长而被优化。

10.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一光栅元件和所述第二光栅元件中的至少一者具有针对至少两个不同波长而被优化的复用的规格。

11.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一光栅元件和所述第二光栅元件中的至少一者具有针对至少两个不同的衍射效率角度带宽而被优化的复用的规格。

12.一种设备，包括权利要求1的装置，其中该设备是立体显示器的一部分，其中所述第一图像调制光线和所述第二图像调制光线提供左眼透视图和右眼透视图。

13.一种设备，包括权利要求1的装置，其中该设备是HMD、HUD和HDD中的至少一者的一部分。

14.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一多个光栅元件和所述第二多个光栅元件中的至少一者具有空间相关的衍射效率。

15.根据权利要求1所述的装置，其中来自至少一个给定规格的光栅元件的图像调制光线存在于以人眼瞳的瞬时孔径为边界的出射光瞳区域内。

16.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一多个光栅元件和所述第二多个光栅元件中的至少一者是电可开关的。

17.一种显示图像的方法，该方法包括：

（i）提供一种装置，该装置包括输入图像节点和全息波导设备，所述全息波导设备包括（M×N）散置的多个光栅元件，其中M、N为整数；

（ii）生成对应于视场（FOV）图块（I，J）的图像调制光线（I，J）输入图像节点，其中整数1≤I≤N以及1≤J≤M；

（iii）将匹配FOV图块（I，J）的规格的光栅元件切换至其衍射状态；

（iv）使用图像调制光线（I，J）对匹配FOV图块（I，J）的规格的光栅元件照明；以及

（v）将所述图像调制光线I，J衍射成FOV图块I，J。

18.根据权利要求17所述的方法，该方法还包括重复（ii）-（v），直到实现全FOV平铺。

19.根据权利要求17所述的方法，该方法还包括将所述输入图像采样成多个角度间隔，多个角度间隔的每个具有为全光瞳的大小的一部分的有效出射光瞳。

20.根据权利要求17所述的方法，该方法还包括通过修改第一光学衬底和第二光学衬底中的至少一者的至少一个光栅薄片的下列参数中的至少一者来改善图像的显示：光栅厚度、折射率调制、k矢量、表面光栅周期、以及全息图衬底指标差异。

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