CN104025121B

CN104025121B - 用于近眼显示器的动态有孔波导

Info

Publication number: CN104025121B
Application number: CN201280051981.1A
Authority: CN
Inventors: P.J.特拉弗斯; R.J.舒尔茨
Original assignee: Yi Kuidi Co
Current assignee: Yi Kuidi Co
Priority date: 2011-08-23
Filing date: 2012-08-21
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2032-08-21
Also published as: EP2748659B1; EP2748659A4; WO2013028687A2; US20130051730A1; US8548290B2; CN104025121A; EP3093695A1; WO2013028687A3; EP3093695B1; EP2748659A2

Abstract

一种类型的近眼显示器，其具有用于生成一系列角度相关的射束的图像发生器和用于向在其内部虚像可见的眼眶传播角度相关的射束的波导，所述近眼显示器包括可控输出孔，其用于诸如在眼眶内重构被更好地限定的光瞳、同时还保留通过可控输出孔从眼眶观看周围环境的可能性的目的。

Description

用于近眼显示器的动态有孔波导

技术领域

本发明涉及用于发射特别地用于近眼显示器的被有角度地编码的图像信息的板状波导系统和用于诸如优化观看条件的目的的可控输出孔。

背景技术

紧凑式近眼显示器常常将板状（通常是平面的）波导用于向用户的眼睛发射有角度的图像信息作为来自位于用户的视线之外的图像源的虚拟图像。图像信息一般地是在波导的一端附近被输入，并在波导的另一端附近被输出。该图像信息作为沿着波导在内部被反射的多个角度相关的射束而沿着波导传播。衍射光学装置常常被用于通过第一入射角范围向波导中注入被波导在内部反射的图像信息，以及被用于通过相应范围的较低入射角来发射图像信息以便在可以与用户的眼睛对准的位置上在波导后面中继或以其它方式形成岀射光瞳。波导的输出端处的衍射光学装置和波导两者常常是至少部分透明的，使得用户还可以通过波导来观看周围环境，诸如当图像信息不在被波导传送时或者当图像信息并未填充整个视场时。

波导显示器常常局限于使用其中用单个色彩来形成虚拟图像的单色光。常规衍射光学装置趋向于通过不同的角度衍射不同的波长，从而产生色像差。可以使用多个波导（例如，堆叠波导）或更复杂的衍射光学装置来缓解这些像差，但是该解决方案趋向于限制可以通过其来有效地发射图像信息的不同角度或波长的数目。

在其内部可以在波导后面的规定位置上（即，在设计的眼眶内）看到虚拟图像的有效岀射光瞳尺寸常常被过度限制，因为衍射光束趋向于在离开平面波导时扩展开。输出衍射光学装置的衍射效率随位置的变化已被用来扩展岀射光瞳，但这些变化使衍射光学装置变得复杂，并且尤其难以在多色光的情况下来实现。

某些平面光学显示器还意图支持同一眼眶内对周围环境的观看。此要求对输出衍射光学装置施加额外的负担以保持某个透射率水平。

发明内容

本发明在其优选实施例中的一个或多个中以用于近眼显示器波导的可控孔为特征。电子控制机构提供了孔内的可变换光栅结构在有源和无源状态之间以及通过效率的中间状态的转换。例如，可以将可变换光栅结构与邻近配对光学装置配对，使得可变换光栅结构和配对光栅结构一起形成常见板状光学装置。可变换光栅结构优选地由电活性材料形成，其折射率可以电子地从与配对光栅结构的折射率匹配的值（例如，无源状态）变成与配对光栅结构的折射率不匹配的一个或多个其他值（例如，有源状态）。

在输出孔内，可以将可变换光栅结构和匹配光栅结构附加到波导的正面或背面，从而通过透射或反射进行操作。在可变换光栅结构的无源状态下，输出孔在很大程度上充当波导的不中断表面，支持沿着波导传播的载像光束的全内反射，同时还支持通过波导的对周围环境的很大程度上无障碍的观看。在可变换光栅结构的有源状态下，输出孔充当嵌入波导的表面中的衍射光学装置以便从波导向期望的眼眶中发射载像信息。在变化的程度上，可变换光栅结构的有源状态可以模糊通过波导的对周围环境的观看，诸如通过衍射在眼眶外面的透射光。因此，在无源状态下，输出孔打开以便从眼眶内观看周围环境、但闭合以观看沿着波导传送的图像，而在有源状态下，输出孔打开以便从眼眶内观看由波导传送的图像、但可以被至少部分地闭合以观看周围环境。

可以将可控输出孔的电子控制机构图案化以便不同地激活输出孔的不同区段，即可变换光栅结构的不同部分。也就是说，可以使得输出孔的不同区段单独可访问，使得可以将一个或多个孔区段切换到有源状态，同时其他孔区段保持在无源状态。电子控制结构还可以提供其中可以提高或降低可变换光栅结构与其邻近配对光学装置之间的折射率差以调节衍射效率的各种中间状态。此外，可以使电子控制机构与诸如来自扫描光学装置的各种载像射束的注入同步，使得可以通过输出孔的不同部分发射射束并且达不同的持续时间。例如，可以通过输出孔的一个区段来发射较高入射角射束，并且可以通过输出孔的不同区段来发射较低入射角射束以便使用更多的可用光来在眼眶内形成更大且更均匀的光瞳。通过与图像的不同部分的发射（即，图像的角度构造）同步地跨输出孔的多个区段来调节激活的持续时间或衍射效率，可以进一步增强利用眼眶光瞳的图像均匀度。

可以在近眼显示器波导的内表面和外表面两者上形成相似地可控的可变换光栅结构和配对光栅结构，以单独地控制沿着波导传送的载像信息的不同部分的发射。例如，通过调节两个可变换光栅结构内和之间的激活的持续时间、衍射效率或时刻，可以单独地控制眼眶的两个正交维度或色彩的不同范围。

附图说明

图1是包括具有可控输出孔的板状波导的近眼显示器的概略顶视图。

图2是示出了可控输出孔的各种层的板状波导的分解图。

图3是近眼显示器的概略顶视图，类似于图1的显示器但包括可控分段输出孔。

图4示出了包括复合输入和输出结构以便单独地传播由波导传送的图像信息的两个不同部分的替换近眼显示器的分解透视图。

图5是包括在波导的输出孔内具有可控分段中间光栅和可控分段输出光栅的波导的替换近眼显示器的分解透视图。

图6是图像平面的视图以及源自于图像平面内的不同位置的准直射束的两个不同的正交视图。

图7是图5的波导的一部分的示意图，示出了在输入孔处且最初沿着波导传播的射束的布置。

图8是类似于图7的示意图，示出了射束通过可控分段中间光栅和可控分段输出光栅两者的射束的进一步传播。

图9是用于操作图5的近眼显示器的动态图像控制图。

具体实施方式

参考图1，包括也在图2的视图中示出的板状波导12的类型的近眼显示器10具有输入孔14和可控输出孔16。板状波导12优选地是具有内表面18（面向用户眼睛）和外表面20（面向周围环境）的透射板，其中内表面和外表面18和20两者都被暴露于空气或另一较低折射率介质。

板状波导12可以由诸如具有1.527的标称折射率的BK7玻璃的各种透射光学材料制成，并且具有用于从离轴位置向用户的视场内的位置透射光的维度，在所述离轴位置处可以注入光。例如，板状波导可以在限制板状波导12的尺寸和重量的同时具有用于到达眼睛位置的约60毫米的长度、允许有图像的第二维度的约30毫米的高度以及用以支持期望形式的光的传播的约2毫米的厚度。当然，可以针对特定应用使用其他尺寸以便致力于光沿着波导从一个位置到另一个的传播。另外，板状波导12具有平面形式（其简化传播问题），但是还可以被弯曲以适应附加要求，包括审美考虑。

图像生成器22包括可绕着两个正交轴26和28枢转的扫描反射镜24。扫描反射镜24被由光源32以及准直光学装置34一起形成的准直射束30照亮。可以通过具有不同标称波长的多个光源或者通过对一个或多个宽带光源进行滤色来产生多色图像。扫描反射镜24的不同角度取向在对应于所生成的图像内的不同空间位置的两个维度上通过一定的角度范围反射准直射束。使光源32的输出与扫描反射镜24的角度位置同步的控制器38单独地产生所生成的图像的每个像素。

替换地，可以用与准直光学装置一起形成实像的可访问像素的二维阵列来形成图像生成器22，所述准直光学装置使来自图像生成器的光准直，使得来自图像生成器内的每个像素的光通过在对应于其在二维阵列内的空间位置的两个维度上参考的唯一角度被准直。还可以使用可访问像素的线性阵列以及可在一个维度上枢转的扫描反射镜一起作为图像生成器。例如，可以用垂直于页面延伸的线性阵列（其中准直反射镜在此维度上被适当地缩放）来替换图1中32处所示的光源。沿着线性阵列源自于每个像素的光被准直以便通过一定角度范围形成瞬时的一组准直射束，所述角度范围对应于所生成的图像沿着线性阵列的第一空间维度，并且扫描反射镜使该组准直射束与线性阵列的图像驱动器同步地枢转，以便形成对应于与线性阵列正交的所生成的图像的第二空间维度的一系列不同的各组准直射束。一般地，图像生成器22提供意图用于通过输出孔作为虚像观看的视频图像的傅立叶变换。

输入孔14包括衍射光学装置40，其将角度相关的射束（仅所示的中心射束42）的范围重新定向成能够沿着板状波导12传播的角度相关的射束（未示出）的相应范围。该相应范围的角度相关的射束优选地通过从板状波导12的内表面和外表面18和20的全内反射而沿着板状波导12传播。在衍射光学装置40在透射模式下工作的情况下，衍射光学装置40可以在板状波导12的内表面18中形成或与之配对。替换地，在衍生光学装置在反射模式下工作的情况下，衍射光学装置可以在板状波导12的外表面20中形成或与之配对。

可以以针对衍射光学装置已知的各种方式来形成衍射光学装置40，包括通过蚀刻、模压、微平版印刷或全息照相技术。在图1和2的所示示例中，用具有1.5的标称折射率和约0.5微米的节距的模压环氧树脂来形成衍射光学装置40。模压光栅具有作为波导12的厚度的五倍的倍数的约10毫米的长度、用以适应图像的另一维度的约20毫米的宽度以及约1微米的深度。同样，可以针对其他应用的特定要求对各尺寸进行缩放。

可控输出孔16包括由被附加于板状波导12的内表面或外表面18或20的多个层形成的可控光栅50。如图1和2中所示，可控光栅50被附加于板状波导12的内表面18。可控光栅50包括可变换光栅结构52以及配对（反向）光栅结构54，使得在可变换光栅结构52的无源状态（即，去激活状态）下，两个光栅结构52和54优选地形成光学同质层。

可变换光栅结构52优选地由诸如液晶材料的电活性材料形成，该材料填充配对光栅结构54与盖板56之间的空间。密封装置55将电活性材料限制在配对光栅结构54与盖板56之间。出于给定示例的目的，电活性材料可以是可在1.526的折射率（与波导的折射率匹配）至1.808的折射率之间切换的向列液晶混合物BL037。提供用于电活性材料的模腔的配对光栅结构54优选地由类似于常规光栅的固体光学材料诸如通过蚀刻或模压形成。例如，所示配对光栅结构54由具有1.5的标称折射率和约0.5微米的节距的模压环氧树脂形成。模压光栅具有约30毫米的长度、约20毫米的宽度以及约一微米的深度。类似于波导12，盖板56优选地由诸如具有约0.5毫米的厚度的BK7玻璃的透射光学材料形成。同样，针对其他应用的特定要求，可以使材料匹配并且可以对各尺寸进行缩放。

诸如可由氧化铟锡（ITO）形成的第一和第二导电层58和60横跨可变换光栅结构52以便跨可变换光栅结构52形成电场以用于相对于配对光栅结构54来修改可变换光栅结构52的电活性材料的折射率。如所示，在板状波导12的内表面18与配对衍射结构54之间形成第一导电层58，并且在可变换光栅结构52与盖板56之间形成第二导电层60。第一和第二导电层58和60可以位于其他层之间，只要可以跨可变换光栅结构52形成适当的电场即可。例如，可以在可变换光栅结构52与配对光栅结构54之间的界面处形成第一导电层58。可以使可变换光栅结构52和配对光栅结构54的顺序相反。如所示，控制图像生成的相同控制器38还在有源与无源状态之间（包括每个状态的定时和持续时间）控制可变换光栅结构52的状态，并且还可以控制场强以便改变有源状态内的可变换光栅结构52的折射率。替换地，可以使第二控制器与被用于图像生成的常规控制器同步，以控制可变换光栅结构的状态，其要求诸如采取电压形式的简单的信号，以便控制它们的操作的定时和持续时间且（如果期望的话）还它们的场强。

优选地，第一和第二导电层58和60、无源状态下的可变换光栅结构52、配对光栅结构54以及盖板56的折射率全部充分地与板状波导12的折射率匹配，使得在可变换光栅结构52的无源状态下，可控输出孔16与板状波导12功能类似，以支持来自图像生成器22的对角度相关的射束的内部反射，同时还支持到周围环境的透视能力。换言之，可变换光栅结构52优选地本质上在无源状态下是不可见的，使得盖板56的面朝内表面62与板状波导12的内表面18功能类似，如同未发生板状波导12的显著中断一样。相反，在有源状态下，可变换光栅结构52与具有给定效率的常规衍射光学装置功能类似，以用于将来自板状波导的角度相关的载像射束重新定向并发射到眼眶66中，以便允许用户观看由图像生成器22形成的图像的虚像。在使用控制器38来控制可变换光栅结构52的有源和无源状态之间的定时的情况下，可控输出孔16可以支持对眼眶66内的所生成的图像、周围环境或它们两者的观看。虽然示出了尺寸被确定为用于覆盖可控光栅50的盖板56，但还可以沿着波导12的长度扩展盖板56并用折射率匹配的粘合剂将其固定于波导12以沿着波导12的另一长度保持波导12的恒定有效厚度，使得盖板56的面朝内表面62充当波导12的内表面18以便通过全内反射来传播角度相关的射束。

如果可变换光栅结构52以小于百分之百的效率运行，则光可以从每个角度相关的射束通过与可变换光栅结构的两次或多次碰撞而被发射，以便加宽每个射束64（仅示出了一个此类射束）。优选地，每个角度相关的射束填充波导，即具有足够的宽度以使得射束至少几乎其本身与每个反射重叠，使得可以在没有显著间隙的情况下发射较宽射束。较宽射束确保眼眶66被每个不同角度射束64填充，使得可以在整个眼眶66内看到整个虚像。为了在眼眶内构造更均匀的图像，可以在不同角度射束之间改变可变换光栅结构52的效率或其激活的持续时间，使得在每个射束内的能够到达眼眶66的光的量被更紧密地平衡。例如，在第一和第二导电层58和60之间产生的电场的强度可以作为扫描反射镜24（或其他角度特定的图像生成器）的即时角度位置的函数而改变，使得在与可变换光栅结构52的一次或多次碰撞时发射的每个射束的百分比改变。通过控制在每个射束沿着板状波导12被传播的时段内可变换光栅结构52被激活的持续时间，来相似地平衡或以其它方式调节不同角度射束64的相对输出。

在图3中示出了类似于近眼显示器10的近眼显示器70，其被修改成包括可控分段输出孔72。近眼显示器70与近眼显示器10共有的元件共享相同的附图标记。与前述显示器10相反，第一导电层74被划分成单独可访问区段74A、74B和74C，每个与邻接的可访问区段电隔离以便单独地激活可变换光栅结构52的相应区段。如所示，可访问区段74A、74B和74C在角度相关的射束的传播方向上沿着板状波导12被定位。可变换光栅结构52的任何一个或多个区段的选择性激活控制沿着波导的可以从板状波导12发射各个传播射束的位置。可以使可变换光栅结构52的不同区段的激活与不同角度射束的输入（例如扫描反射镜24的枢转位置）同步，使得例如可以发射对应于所生成的图像的一侧的最大入射角射束，例如作为通过位于眼眶66前面的可控孔72的第一区段72A的会聚射束76A，可以发射最低入射角射束，例如作为通过位于眼眶66紧后面的可控孔72的第三区段72C的会聚射束76C，并且可以发射中间入射角射束，例如作为通过与眼眶66对准地被定位的可控孔72的第二区段72B的会聚射束76B。通过其从波导发射角度相关的射束的不同发射点允许不同角度射束76A-C朝着眼眶66内的同一重叠点会聚，以便高效地重构并扩大在其内部可以看到整个虚像的眼眶66内的光瞳。

虽然用被示出为仅具有三个不同的可控输出孔区段72A-C，但可以将可控输出孔72划分成更多单独可访问区段，以便更精细地控制通过其从波导12发射各个角度射束、例如76A-C的位置和区域。然而，将多个输出孔区段72A-C（和任何其他的）相对于彼此确定尺寸和间距，使得孔区段72A-C提供以超过用于指引光通过孔区段72A-C的可变换光栅结构52的预定影响的最小总体衍射影响独立地调节光的通过。每个角度相关的射束优选地填充波导，即具有足够的宽度以使得射束本身至少几乎与每个反射重叠，使得可以从沿着波导12的最佳位置发射每个射束以便填充眼眶66。可以在扫描反射镜24（或其他角度特定图像生成器）的每个不同角度位置处改变可控孔72的每个不同区段72A-C内的场强以及区段72A-C被激活的时刻和持续时间以在眼眶66内重构具有期望性质的光瞳。

例如，除控制沿着波导12的从眼眶发射每个角度相关的射束的位置，还可以控制通过一个或多个输出孔区段72A-G发射每个射束的效率。在通过可控输出孔72的一个或多个区段72A-C发射每个射束的情况下，还可以控制光在每个射束76A-C的不同部分内的分布。作为控制从波导12发射每个射束或射束部分的衍射效率的替换或除此之外，还可以控制孔72的每个区段72A-C在每个射束的传播期间保持在有源状态的持续时间，以相似地调节输出分布和效率。可以控制对不同角度射束76A-C之间的光分布以及每个射束76A、76B或76C内的光分布的附加控制，以便改善眼眶66内的不同眼睛位置处的图像均匀度并扩大在其内部整个虚像可见的眼眶66的区域。

在图4中示出了包括具有可控输出孔的板状波导82的近眼显示器80的另一示例。类似于前述实施例，由被准直光88照亮且可绕着两个正交轴枢转的扫描反射镜86来形成图像生成器。可以通过具有不同标称波长的多个光源或者通过对一个或多个宽带光源的滤色来产生多色图像。扫描反射镜86的不同角度取向在对应于生成的图像内的不同空间位置的两个维度上通过一定的角度范围反射准直射束88。如上所述，还可以使用其他类型的图像生成器，但是优选地所生成的图像的至少一个维度由在时间上可辨别的（例如，相继生成的）不同角度射束组成。

接收准直的角度相关的射束的板状波导82的输入孔90包括第一输入衍射光学装置92，其在第一（例如垂直）方向上衍射由准直射束传送的光的第一部分94（例如，第一频谱部分）以用于通过全内反射沿着波导82进一步传播，并将由准直射束传送的光的第二部分96（例如，第二频谱部分）发射到第二输入衍射光学装置98。由准直射束传送的光的第二部分96被第二输入衍射光学装置98在第二（例如水平）方向上衍射以用于通过全内反射沿着波导82进一步传播。第一和第二中间衍射光学装置100和102将由准直射束传送的光的第一和第二部分94和96在第三（例如水平）和第四（例如垂直）方向上重新定向以用于沿着波导82朝向可控输出孔84进一步传播。可以由具有与传播射束94和96成锐角地被定向的光栅刻线的光栅结构来形成中间衍射光学装置100和102两者。

可控输出孔84包括被附加于板状波导82的内表面106的第一可控输出光栅104和被附加于板状波导82的外表面100的第二可控输出光栅108。第一可控输出光栅104提供将光直接地从波导82朝着眼眶（未示出）衍射。第二可控输出光栅108提供将光通过波导82和第一可控输出光栅104两者朝着同一眼眶衍射。

两个可控输出光栅104和108提供单独地发射表示不同图像点的每个不同角度射束中的不同部分94和96。例如，可以优化两个可控输出光栅104和108中的每一个以便发射每个不同角度射束的不同频谱部分。在这方面，可以优化第一可控输出光栅104以便衍射接近于可见光谱的红色端的一个或多个较短波长，并且可以优化第二可控输出光栅108以便衍射接近可见光谱的紫色端的一个或多个较长波长。可以优化两个可控输出光栅104和108，使得每个角度射束的不同波长部分被以类似量衍射。

可控输出光栅104和108中的每一个包括可变换光栅结构112或114以及配对光栅结构116或181，使得在可变换光栅结构112或114的无源状态（即去激活状态）下，两个光栅结构112和116或114和116优选地形成光学同质层。可变换光栅结构112和114中的每一个优选地由诸如液晶材料之类的电活性材料形成，该材料填充配对光栅结构116或118与盖板120或122之间的空间。可控输出光栅104和108中的每一个还包括第一分段导电层124或126和第二导电层130或132，诸如可由氧化铟锡（ITO）形成，其横跨可变换光栅结构112和114中的每一个以便跨可变换光栅结构112和114形成电场，并且从而相对于配对光栅结构116和118修改可变换光栅结构112和114的电活性材料的折射率。

第一分段导电层124和126形成在配对衍射结构116或118的内表面或外表面106或110之间，并且第二导电层130和132形成在可变换光栅结构112或114与盖板120或122之间。然而，可以使两个导电层124和130或126和132反向或位于其他层之间，只要可以跨可变换光栅结构112或114形成适当电场即可。还可以使第一可控输出光栅104的可变换和配对光栅结构112和116以及第二可控输出光栅108的可变换和配对光栅结构114和118反向。控制器（未示出）控制在第一导电层124或126和第二导电层130或132的每个不同区段（被示出为通过垂直条被划分）之间产生的场，以便选择性地将可变换光栅结构112或114的相应部分在有源和无源状态之间控制，并且还可以控制场强以便改变可变换光栅结构112或114的各个部分的折射率以及各个部分被保持在有源状态内的时刻和持续时间。

可以使用第一可控输出光栅104的任何一个或多个部分的选择性激活来控制沿着波导82的可以从波导82发射各个传播射束的第一部分94（例如，第一频谱部分）的位置（例如，可变换光栅结构112的区段）。第二可控输出光栅108的任何一个或多个部分的选择性激活控制沿着波导的可以从波导82发射各个传播射束的第二部分96（例如，第二频谱部分）的位置（例如可变换光栅结构114的区段）。可以使两个可控输出光栅104和108的不同部分的激活与不同角度射束的输入（例如，扫描反射镜的枢转位置）同步，以控制从波导82发射每个不同角度射束的每个部分94或96的位置、强度以及空间分布。可以如上所述地在时刻、持续时间以及衍射效率方面（例如通过调节场强）控制第一和第二可控输出光栅104和108中的每一个的各部分，以用于诸如在眼眶内重构光瞳的目的以及用于扩大光瞳并使其均匀化且使用更多的可用光。

另外，可以使第一和第二可控输出光栅104和108的不同部分相互同步，使得当第二可控输出光栅108的一部分被激活时，第一可控输出光栅104的相应部分被去激活，以通过第一可控输出光栅104朝着眼眶发射衍射光部分96。也就是说，可以使得来自第二可控输出光栅108的衍射光意图通过的第一可控输出光栅104的部分透明，以便在没有进一步衍射的情况下通过第一可控输出光栅104透射衍射光。

图5中所描述的近眼显示器140包括图像生成器142、波导144以及控制器146。类似于前述实施例的图像生成器，图像生成器142产生一组角度相关的射束作为图像的角度变换，其意图在眼眶154内作为虚像被观察到。例如，图像生成器142可以包括可访问二维阵列148以及准直光学装置150（如所示）、可访问一维阵列以及准直光学装置和一维导向反射镜，或者光源、准直光学装置以及二维射束导向器。一维或二维阵列充当光源或至少调制来自其他源的光。可以一次一个地或以如由控制器146确定或至少监视的规定群组来生成对应于图像像素的每个角度相关的射束。折叠反射镜152使该组角度相关的射束重新定向在朝向波导144的方向上。替换地，可以与可访问线性阵列或准直光源相组合地控制折叠反射镜152本身，以便产生图像的一个或两个维度。

可以与前述实施例的波导类似地形成波导144并确定尺寸。相似地，输入孔156包括用于向波导144中注入角度相关的射束以便优选地通过全内反射进一步传播的输入衍射光学装置158。

图6提供了在X-Y平面中的图像160以及由准直光学装置150形成的角度相关的射束的两个正交投影的前视图。水平的正交投影示出了通过角度α被相对地定向的三个准直射束2、5和8，其中射束5沿着垂直于图像160延伸的光轴162传播，射束2相对于轴162以角度-α定向，并且射束8相对于轴162以角度+α定向。角度α被示出水平投影中的实际长度。垂直的正交投影示出了通过角度θ被相对地定向的三个准直射束4、5和6，其中射束5（再一次地）沿着轴162传播，射束4相对于轴162以角度-θ定向，并且射束6相对于轴162以角度+θ定向。角度θ被示出垂直投影中的实际长度。在X-Y平面内限定的图像160内的每个像素具有由用于角度α和θ的不同值限定的唯一角度变换。

图7是入射在输入孔156的输入衍射光学装置158上且随后入射在波导144的内表面164上的包括图6的射束2、4、5、6和8的九个重叠射束1-9的示意性图示。射束1-9中的每一个被示出为具有圆形轮廓和有限尺寸以示出射束1-9之间的相对位移。输入衍射光学装置158将射束1-9衍射到波导144中，将每个射束的角度α转换成波导144内的相应入射角φ（根据衍射定律）。虽然在垂直传播方向上每个射束1-9趋向于本身在波导144的内表面164上的入射点处重叠（称为填充波导），但射束1-9入射在内表面164上的点趋向于根据它们的不同入射角而在垂直传播方向上相互分离。用波导144内的射束行1-2-3、4-5-6以及7-8-9之间的分离来图示此现象。射束列1-4-7、2-5-9以及3-6-9入射在输入衍射光学装置158上的不同角度θ直接转换成波导144的平面内的不同传播方向，其是用射束列1-4-7、2-5-9以及3-6-9之间的角度分离来图示的且被称为“行走”。

如图8中所示，并且进一步参考图5，垂直传播和行走的射束1-9遇到可控中间光栅170。类似于先前所述的可控光栅，可控中间光栅170包括可变换光栅结构172以及配对光栅结构174，使得在可变换光栅结构172的无源状态（即去激活状态）下，光栅结构172和174优选地形成光学同质层。可变换光栅结构172优选地由诸如液晶材料的电活性材料形成，该材料填充配对光栅结构174与盖板176之间的空间。可控中间光栅170还包括第一分段导电层178和第二导电层180，诸如可由氧化铟锡（ITO）形成，其横跨可变换光栅结构172以跨可变换光栅结构172形成电场，并且从而相对于配对光栅结构174修改可变换光栅结构172的电活性材料的折射率。作为可控中间光栅170的替换，可以使用其他可控中间结构，诸如基于折射或反射机制的光学路由设备，特别是当不要求该结构支持通过波导144的受影响部分对周围环境的观看时。还可以与通过保持或破坏沿着波导144的相应部分的内反射来控制对光栅的访问的可控折射结构相组合地使用永久光栅。

在波导144的内表面164与配对衍射结构174之间形成第一分段导电层178，并且在可变换光栅结构172与盖板176之间形成第二导电层180。然而，可以使两个导电层178和180反向或位于其他层之间，只要可以跨可变换光栅结构172形成适当电场即可。还可以使可控中间光栅170的可变换和配对光栅结构172和174反向。控制器146控制在第一导电层178和第二导电层180的每个不同区段（被示出为通过水平条被划分）之间产生的场，以便选择性地将可变换光栅结构172的相应部分184在有源和无源状态之间控制，并且还可以控制场强以便改变可变换光栅结构172的各个部分的折射率以及各个部分被保持在有源状态内的时刻和持续时间。

虽然第一分段导电层被划分成垂直区分的多个部分184的堆叠，但可变换和配对光栅结构172和174具有与垂直方向成锐角地被定向的光栅刻线，以便使大体上垂直传播的射束1-9重新定向在大体上水平的方向上。例如，可以使光栅刻线以45度被定向以便在水平方向上衍射垂直传播的射束2、5和8（即，θ＝0）。考虑到其余射束1、3、4、6、7和9通过非零角度θ的初始倾斜，可以在大体上水平的方向上衍射它们。

可以使用可控中间光栅170的任何一个或多个部分184经由控制器146的选择性激活来控制沿着波导144的各传播射束沿着波导144在水平方向上被进一步衍射的垂直位置。可以使可控中间光栅170的不同纵向部分184的激活与不同角度射束1-9的输入同步。如图8中所示，垂直部分的数目减少并被分别标记为部分Y₁、Y₂和Y₃，以便简化对其控制的说明。

例如，为了将射束8重新定向在水平方向上，仅激活可控中间光栅170的部分Y₃以确保射束8不在水平方向上被衍射直至到达部分Y₃的垂直位置。用射束8到波导144中的入射来定时部分Y₃的选择性激活。部分Y₁和Y₂保持被去激活，使得射束8继续在垂直方向上传播直至到达部分Y₃。

为了使射束2重新定向在水平方向上，与射束2到波导144中的注入同步地激活可控中间光栅170的部分Y₁。由于射束2意图被部分Y₁衍射，所以可以出于其他目的控制部分Y₂和Y₃的状态，诸如用于处理保持为未被衍射的任何残余光。可以通过与射束1、3、4、5、6、7和9到波导144中的各自注入同步地激活可控中间光栅170的部分Y₂来使其余射束1、3、4、5、6、7和9重新定向在水平方向上。部分Y₁保持去激活以支持射束1、3、4、5、6、7和9到部分Y₂中的进一步传播。在实践中，可以将可控中间光栅170划分成远远超过仅三个部分，并采取不同的尺寸和形状，以提供与它们到波导144中的各自注入同步地在水平方向上更精确地且高效地衍射各射束1、3、4、5、6、7和9以及与其他图像像素相关联的任何中间射束。

在波导144的内表面164上形成的可控输出光栅190在可控输出孔188内接收水平传播的射束1-9。同样地，类似于前述可控光栅，可控输出光栅190包括可变换光栅结构192、配对光栅结构194和盖板196以及横跨可变换光栅结构192以便跨可变换光栅结构192形成电场的第二导电层200和第一分段导电层198。可以形成并控制可控输出光栅190的各种层，类似于针对先前所述的可控输出光栅所述的层。

然而，可变换和配对光栅结构192和194具有优选地在横穿传播方向的垂直方向上被定向以便从波导144发射射束1-9的光栅刻线。另外，第一分段导电层198优选地以二维可控阵列（示为棋盘形图案）的形式被形成，以便更精确地控制从波导144发射各射束1-9的位置。

在图8中，出于简化的目的示出了被划分成标记为x₁y₁至x₃y₃的九个部分的输出孔188的可控输出光栅190。九个部分x₁y₁至x₃y₃被与射束1、3、4、5、6、7和9到波导144中的各自注入同步地被分别控制，以便在对应于它们到波导144中的注入点但被间隔开的相对位置（参见叠加在输入孔156的输入衍射光学装置158上的射束的位置）上从波导144发射射束1、3、4、5、6、7和9，以便从波导144在给定眼睛释放（relief）位置处构造岀射光瞳。

例如，与通过输入孔156注入射束5同步地激活部分x₂y₂以便在中心位置上通过两者都等于零的相应角度α和θ从可控输出孔188发射射束5。部分x₁y₂被同时地去激活，使得射束5在没有中断的情况传播到部分x₂y₂。另外，其余部分也优选地保持被去激活以保留通过波导144对周围环境的观看，除了必须在眼眶154的视场内形成期望虚像的情况。

相似地，与射束7通过输入孔156的注入同步地激活部分x₃y₃以便在横向偏移位置上通过等于给定正值的相应角度α和等于给定负值的相应角度θ从可控输出孔188发射射束7。优选地将任何中间部分、诸如部分x₁y₂、x₁y₃、x₂y₂和x₂y₃去激活以确保射束7到部分x₃y₃的不中断传播，在该部分x₃y₃中，最终从波导144发射射束7。可以相似地将其余部分中的任何一个或多个去激活以保留通过波导144对周围环境的期望观看。

可以相似地在对应于其注入点的相对位置上通过相应角度α和θ通过可控输出孔188的期望部分x₃y₁、x₂y₁、 x₁y₁、 x₃y₂、 x₁y₂、 x₂y₃和 x₁y₃发射其余射束1、2、3、4、7、8和9中的每一个，以便构造在其内部生成的虚像可见的眼眶154内的光瞳。可以通过在眼眶154内使每个射束1-9重叠来优化光瞳尺寸。通过相对地调整每个射束1-9被可控中间光栅170或可控输出光栅190衍射的效率、持续时间或区域来进一步增强均匀度。可以改变可控输出光栅190的各可激活部分x₁y₁至x₃y₃的数目、形状以及相对布置来相似地控制具有角度α和θ的中间或其他值的其他像素传送射束的传播。可以使用附加的（即更精细分布的）可控部分来进行射束内调整。可以同时地激活可控部分的不同集群（虽然针对不同时段或以不同效率）以控制每个射束内的光的空间分布以及从波导144发射的每个射束之间的光分布。还可以与中间输出光栅170协作地控制可控输出光栅190以调整眼眶154的横向、垂直或眼睛释放位置，全部通过控制从可控输出孔188发射每个射束的位置来实现。可以通过控制从可控输出孔188发射的射束的尺寸和位置两者来控制被光瞳占用的眼眶154内的视场的面积和岀射光瞳的尺寸两者。可控输出孔188的其他部分的去激活至少保留在未被生成的虚像占用的区域上对周围环境的部分观看。

在图9中提供了与近眼显示器140相关联的动态孔控制图。通过图形用户界面或其他接口为用户提供对与控制器145相关联的系统存储器的访问，以调整近眼显示器140的参数。例如，用户可以输入用于对岀射光瞳的尺寸、横向位置、垂直位置以及眼睛释放进行定位的偏好，其形成在其内部可以对准用户的眼瞳以便观看由近眼显示器140产生的虚像的虚拟孔。对于在公共框架内具有多个近眼显示器140的双筒镜系统而言，用户还可以指定岀射光瞳之间的光瞳间距离。另外，用户可以输入用于相对于来自周围环境的穿过波导的光的对比度或亮度的偏好，以及用于通过波导144的视场内的虚像的图像均匀度和相对位置的偏好。

控制器146协调图像生成器142、可控中间光栅170和可控输出光栅190的操作，优选地基于逐个像素或以一起经受处理的像素群组的形式，诸如按照图像的各个区域。另外，可以同时地传播并仍分别地控制在可控中间光栅170的不同部分列和可控输出光栅190的不同部分行中传播的角度相关的射束。例如，可以使射束1、5和9一起传播，同时仍独立地从可控输出光栅190的部分x₃y₁、x₂y₂和x₁y₃被发射。

优选地基于逐个像素可控制的图像生成器142以及可基于逐个部分可控制的可控中间和输出光栅170和190一起工作以提供通过其每个角度射束的尺寸、形状、位置、光分布以及总体强度可以被控制、并且在眼眶154内相对于彼此被空间重叠并在强度方面被平衡的集成输出孔控制。为了在强度方面进行射束内或射束间调整，可以控制单独部分的衍射效率或激活时段。可以将对虚像有贡献的来自可控输出孔188的即时光衍射不需要的任何部分去激活，以便保持波导144通过输出孔144的透视能力。

虽然用单个波导示出了每个实施例，但具有类似输入和可控输出孔的波导堆叠也可以用于分别地传播包括不同波长带的图像信息的不同部分。可以将滤色器或其他射束修改光学装置放置在堆叠波导之间以提供附加功能。替换地，可以将超过一个的可控光栅堆叠在一起以便进一步控制光经由可控输出孔的通过。例如，可以使用一个可控输出光栅的防护玻璃作为用于第二可控输出光栅的基板。对多个可控输出光栅的控制将类似于对图4和5的可控光栅104、108、170和190的控制。

还已经一般地将可控光栅描述为被激活以便执行衍射功能以及被去激活以便执行透射功能。替换地，可以将可控光栅激活以便执行透射功能以及将其去激活以便执行衍射功能，诸如通过将电活性材料用于可变换光栅结构，其需要激活以使其折射率与配对光栅结构的折射率匹配。

本领域的技术人员将认识到，在本发明的总体教导内可以进行这些及其他修改和添加。上文针对一个实施例所述的特征和规范可以容易地应用于在本文中描述或结合本描述容易理解的其他实施例。

Claims

1.一种用于近眼显示器的波导系统，包括

波导，用于以多个不同角度射束的形式传送图像信息以便形成虚像，

输入孔，用于接收所述多个不同角度射束并用于沿着所述波导引导所述多个不同角度射束，

可控输出孔，用于从波导朝着从其能够观看所述虚像的眼眶发射所述多个不同角度射束，并用于提供通过可控输出孔和波导从眼眶进行的对周围环境的观看，以及

所述可控输出孔包括可变换衍射光栅，其可在用于将来自波导的所述多个不同角度射束朝着从其能够观看所述虚像的眼眶衍射的第一状态与用于恢复通过所述可控输出孔和所述波导从眼眶对所述周围环境的观看的第二状态之间进行切换。

2.根据权利要求1所述的波导系统，其中，所述可变换衍射光栅在第一状态下充当衍射光栅且在第二状态下不充当衍射光栅。

3.根据权利要求2所述的波导系统，其中，所述可变换衍射光栅在第二状态下充当透射板。

4.根据权利要求1所述的波导系统，其中，所述可变换衍射光栅包括由电活性材料形成的可变换光栅结构、配对光栅结构以及横跨可变换光栅结构以便在第一和第二状态之间改变所述电活性材料的折射率的电极。

5.根据权利要求1所述的波导系统，其中，所述可控输出孔包括多个孔区段，在所述孔区段内部，所述可变换衍射光栅的不同部分可独立地在第一和第二状态之间进行切换。

6.根据权利要求5所述的波导系统，还包括控制器，所述控制器用于与一系列不同角度射束的接收同步地在第一和第二状态之间切换所述可变换衍射光栅的不同部分，以便从所述可控输出孔的不同区段朝着所述眼眶发射所述不同角度射束以便使所述不同角度射束在眼眶内重叠。

7.根据权利要求6所述的波导系统，还包括可控中间衍射光栅，其具有可在不同状态之间独立地切换以便沿着第一维度调整所述不同角度射束之间的相对位置的不同部分。

8.根据权利要求7所述的波导系统，其中，所述控制器与所述可控中间衍射光栅的不同部分同步地切换所述可变换衍射光栅的不同部分，以便在第二维度上调整所述不同角度射束之间的相对位置，使得所述不同角度射束在两个维度上朝着眼眶内的重叠位置会聚。

9.一种近眼显示器，包括：

图像生成器，用于生成一系列角度相关的射束，

波导，用于传播所述一系列角度相关的射束，所述波导具有用于从图像生成器接收所述一系列角度相关的射束的输入孔和用于从波导朝着眼眶发射所述角度相关的射束的可控输出孔，以及

所述可控输出孔具有多个独立可控部分，以及

控制器，其使图像生成器与可控输出孔同步，以便从可控输出孔的不同部分发射不同的角度相关的射束以便使所述角度相关的射束在眼眶内重叠。

10.根据权利要求9所述的近眼显示器，其中，可控输出孔的每个独立可控部分可在用于从波导朝着眼眶发射所述角度相关的射束中的一个或多个的第一状态与用于在波导内进一步传播所述一个或多个角度相关的射束的第二状态之间进行切换。

11.根据权利要求10所述的近眼显示器，其中，所述可控输出孔的独立可控部分被布置成二维阵列，并且所述控制器通过不同的独立可控部分引导所述不同的角度相关的射束，使得所述不同角度射束在两个维度上朝着眼眶内的重叠位置会聚。

12.根据权利要求9所述的近眼显示器，其中，所述波导包括具有多个部分的可控中间结构，所述多个部分是独立可控的，以便沿着第一维度调整所述不同的角度相关的射束之间的相对位置。

13.根据权利要求12所述的近眼显示器，其中，所述可控输出孔的不同部分是独立可控的，以便沿着第二维度调整所述不同的角度相关的射束之间的相对位置。

14.根据权利要求13所述的近眼显示器，其中，所述控制器与图像生成器同步地控制可控中间结构和可控输出孔两者的不同部分，使得所述不同角度射束在两个维度上朝着眼眶内的重叠位置会聚。

15.根据权利要求14所述的近眼显示器，其中，所述可控中间结构的所述多个部分对应于中间可变换衍射光栅的可控部分，所述中间可变换衍射光栅的所述可控部分每个可在不同状态之间切换以便沿着第一维度调整所述不同的角度相关的射束之间的相对位置。

16.根据权利要求15所述的近眼显示器，其中，所述可控输出孔的所述多个部分对应于输出可变换衍射光栅的可控部分，所述输出可变换衍射光栅的所述可控部分每个可在不同状态之间切换以便沿着第二维度调整所述不同的角度相关的射束之间的相对位置。

17.一种在保留从眼眶通过波导对周围环境的观看的同时沿着波导向眼眶传送图像信息的方法，包括步骤：

通过波导的输入孔接收多个不同角度射束以便传送用于形成虚像的信息，

沿着波导将所述多个不同角度射束引导到可控输出孔，

将所述可控输出孔在用于将来自波导的所述多个不同角度射束朝着能够从其观看所述虚像的眼眶衍射的第一状态与用于提供通过所述可控输出孔和所述波导从眼眶进行的对周围环境观看的第二状态之间进行切换。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，切换的步骤包括：与一系列不同角度射束的接收同步地将可控输出孔的多个孔区段在第一和第二状态之间进行切换，以便从所述不同的孔区段朝着眼眶发射所述不同角度射束以使所述不同角度射束在眼眶内重叠。

19.根据权利要求18所述的方法，包括通过可控输出孔的不同孔区段引导所述不同的角度相关的射束以使得所述不同角度射束在两个维度上朝着眼眶内的重叠位置会聚的步骤。