CN108292042A - 在使用偏振灵敏光栅的近眼显示器中的彩虹效应去除 - Google Patents

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Abstract

在包括被配置用于输入耦合、出射光瞳扩展、以及输出耦合的波导和衍射光学元件(DOE)的近眼光学显示系统中，在显示器中表现的彩虹现象可使用系统前部的偏振滤波器来被去除或减少，使得进入系统的真实世界/杂散光具有特定的偏振状态，例如TM偏振。偏振滤波器与包括衍射光栅结构的下游输出耦合DOE结合使用，所述衍射光栅结构被配置为实现对相反偏振状态(例如TE偏振)的灵敏度。成像器被配置为产生也具有TE偏振状态的虚拟世界图像。偏振灵敏的输出耦合DOE将TE偏振成像光束衍射出光栅用于显示，而来自真实世界的TM偏振光和/或杂散光穿过光栅而没有衍射并且因此不能对显示器中的彩虹效应作出贡献。

Description

在使用偏振灵敏光栅的近眼显示器中的彩虹效应去除
背景
衍射光学元件(DOE)是具有周期性结构的光学元件，其通常被用于范围从生物技术，材料处理、传感和测试到技术光学及光学计量的应用中。例如，通过将DOE结合到激光或发射显示器的光学领域，光的“形状”可根据应用需要而被灵活地控制和改变。
概述
在包括被配置用于输入耦合、出射光瞳扩展、以及输出耦合的波导和衍射光学元件(DOE)的近眼光学显示系统中，由外部真实世界光和/或杂散光被系统透射和衍射出去而引起的在显示器中表现的彩虹现象可使用系统前部的偏振滤波器来去除或减少，使得进入系统的真实世界/杂散光具有特定的偏振状态(例如TM偏振)。偏振滤波器与包括衍射光栅结构的下游输出耦合DOE结合使用，所述衍射光栅结构被配置为实现对相反偏振状态(例如TE偏振)的灵敏度。成像器被配置为产生也具有TE偏振状态的虚拟世界对象。偏振灵敏的输出耦合DOE将TE偏振成像光束衍射出光栅用于显示，而来自真实世界的TM偏振光和/或杂散光穿过光栅而没有衍射，并因此不能对显示器中的彩虹效应作出贡献。
提供本概述以便以简化的形式介绍以下在详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并非旨在标识出要求保护的主题的关键特征或必要特征，亦非旨在用作辅助确定要求保护的主题的范围。此外，所要求保护的主题不限于解决在本公开的任一部分中所提及的任何或所有缺点的实现。
附图简述
图1示出了可结合偏振灵敏光栅的说明性近眼显示系统的框图，该偏振灵敏光栅被配置为减少由来自外部真实世界和/或杂散光的光所引起的显示器中的彩虹效果；
图2示出了光在波导中通过全内反射的传播；
图3示出了说明性出射光瞳扩展器的视图；
图4示出了其中出射光瞳沿两个方向被扩展的说明性出射光瞳扩展器的视图；
图5示出了其中利用护目镜来减少真实世界/杂散光的透射的说明性近眼显示器；
图6示出了其中利用吸收层来减少真实世界/杂散光的透射的说明性近眼显示器；
图7示出了其中利用偏振滤波器来减少真实世界/杂散光的透射的说明性近眼显示器；
图8示出了被配置成用于输入耦合、出射光瞳扩展、和输出耦合的三种DOE的说明性布置，其中使用偏振灵敏光栅来实现输出耦合DOE；
图9示出了具有直光栅的说明性衍射光栅的一部分的轮廓；
图10示出了具有非对称或倾斜的光栅的说明性衍射光栅的一部分的非对称轮廓；
图11示出了说明性方法；
图12是虚拟现实或混合现实头戴式显示(HMD)设备的说明性示例的图形视图。
图13示出了虚拟现实或混合现实HMD设备的说明性示例的框图；以及
图14示出了结合出射光瞳扩展器的说明性电子设备的框图。
各附图中相同的附图标记指示相同的元素。除非另外指明否则各元素不是按比例绘制的。
详细描述
图1示出了可结合一个或多个偏振灵敏光栅的说明性近眼显示系统100的框图，该一个或多个偏振灵敏光栅用于阻挡可能导致产生彩虹效应的系统中的外来真实世界杂散光的透射。在说明性实施例中，近眼显示系统使用衍射光学元件(DOE)的组合，该组合提供进入波导的入射光的输入耦合、在两个方向上的出射光瞳扩展、以及离开波导的光的输出耦合。近眼显示系统在工业、商业和消费应用中被频繁使用在例如头戴式显示器(HMD)设备中。其他设备和系统也可使用偏振灵敏光栅，如文所描述的。近眼显示系统100是用于例示各种特征和方面的示例，并且偏振灵敏光栅不必限于使用DOE的近眼显示系统。
系统100可包括与光学系统110一起工作以将图像作为虚拟显示递送到用户的眼睛115的成像器105。成像器105可包括例如RGB(红、绿、蓝)发光二极管(LED)、LCOS(硅上液晶)设备、OLED(有机发光二极管)阵列、MEMS(微电子机械系统)设备或任何其他合适的显示器或者以透射、反射或发射方式工作的微显示器。成像器105还可包括反射镜及其他组件，该反射镜及其他组件使得能够组成虚拟显示器并且向光学系统提供一个或多个输入光束。光学系统110可通常包括放大光学器件120、光瞳形成光学器件125以及一个或多个波导130。
在近眼显示系统中，成像器实际上不会在诸如玻璃透镜之类的表面上照射图像来为用户创建视觉显示。这是不可行的，因为人眼无法专注于那么接近的事物。近眼光学系统100不是在表面上创建可见图像，而是使用光瞳形成光学器件125来形成光瞳，并且眼睛115充当光链中的最后一个元件，并将来自光瞳的光转换成眼睛的视网膜上的图像作为虚拟显示。
波导130促进成像器和眼睛之间的光透射。一个或多个波导可被用于近眼显示系统，因为它们是透明的且因为它们通常小而重量轻(这在诸如HMD设备之类的应用中是期望的，在这类应用中，出于性能和用户舒适的原因，通常试图使大小和重量最小化)。例如，波导130可使成像器105能够靠边定位(例如，位于头部的一侧)，从而在眼睛的前方仅留下相对小的、轻的且透明的波导光学元件。在一个实现中，如图2所示，波导130使用全内反射原理来工作，使得光可被耦合在系统100中的各种光学元件中间。
图3示出了说明性出射光瞳扩展器(EPE)305的视图。EPE 305通过放大光学器件120接收来自成像器105的输入光束，以相对于成像器的出射光瞳在一个或两个方向上产生具有扩展的出射光瞳的一个或多个输出光束(通常，输入可包括可以由分开的光源产生的多于一个的光束)。经扩展的出射光瞳通常有助于虚拟显示被充分地调整大小以满足给定光学系统的各种设计要求(诸如图像分辨率、视野等)，同时使成像器及相关联的组件相对轻且紧凑。
在该说明性示例中，EPE 305被配置成支持左眼和右眼两者的双目操作。为了清楚呈现起见，未在图3中示出可被用于诸如扫描镜、透镜、滤波器、分束器、MEMS设备等立体视镜操作的组件。EPE 305利用两个输出耦合光栅310L和310R，这两个输出耦合光栅被支撑在波导330和中央输入耦合光栅340上。输入耦合光栅和输出耦合光栅可使用多个DOE来配置，如以下说明性示例中所描述。尽管EPE 305被描绘为具有平面配置，但是其他形状也可被使用，包括例如曲面或部分球形的形状，在这些情形中，其上所设置的光栅是非共面的。
如图4所示，EPE 305可被配置成在两个方向上(即，沿着第一和第二坐标轴中的每一个)提供经扩展的出射光瞳。如图所示，出射光瞳在垂直和水平两个方向上被扩展。应当理解，出于简单描述起见，术语“方向”、“水平的”和“垂直的”主要被用来在本文所示出和描述的说明性示例中建立相对朝向。这些术语对其中近眼显示设备的用户是直立和面向前方的使用场景而言可能是直观的，而对于其他使用场景则可能不太直观。所列出的术语不应被解释为限制具有偏振灵敏光栅的DOE的配置(以及其中的使用场景)的范围。
使用衍射光栅的近眼显示系统可能易受显示器中可见的彩虹效应的影响，这些彩虹效应是由系统对来自外部真实世界和/或杂散光的光线的透射和折射引起的。彩虹效应可具有与显示器上显示的虚拟图像以及用户通过光学显示器看到的外部真实世界的内容相同的亮度，并且因此可能阻挡图像和/或以其他方式损害显示效果已经实现了各种解决方案来阻挡会导致彩虹效应的显示系统中的这种真实世界/杂散光的透射和折射。
如图5所示，使用护目镜515可以阻挡真实世界/杂散光505碰撞在波导510与眼睛115相对的的一侧上(注意到，为了清楚起见，在图中省略了显示系统的其他组件)。虽然护目镜515可在一些实现中提供令人满意的光阻挡，但并非来自所有入射角的所有光都可以被阻挡。此外，护目镜可能增加显示系统的重量，并因此(特别例如在HMD应用中)可能是次佳的解决方案。
图6示出了使用设置在波导610的光入射侧上的光吸收层615来阻挡真实世界/杂散光605的另一说明性解决方案。光吸收层615可例如使用涂层或其他合适的光吸收材料形成。尽管光吸收层通常不会显著增加系统的重量，但在一些情况下，它可能会损害显示系统的光学性能，因为光吸收对波长和/或入射角灵敏。此外，光吸收层可能会向显示器增加不透明度，这可能降低用户在混合现实应用中穿过显示器观察的能力。
与图5和6中分别示出的物理光阻挡护目镜515和光吸收层615相比，图7示出了其中偏振滤波器715被设置在最前面(即，在近眼显示系统中与EPE一起使用的波导710的光入射侧)的布置。偏振滤波器715可以与下游偏振灵敏输出耦合DOE一起操作，以去除或减少由真实世界/杂散光透射和衍射出EPE引起的彩虹效应，如下文在相关图8的描述中所描述的。
如此具体说明性示例中所示，偏振滤波器715可使用分开的层来实现，但该滤波器也可全部或部分地直接并入波导710的结构中。在一些实现中，偏振滤波器715可部分或全部地实现为与波导分开的离散光学元件，和/或该滤波器可包含其自己的波导结构。偏振滤波器715可被配置和塑形以适合给定的应用。例如，滤波器可以是平面的、曲面的、或使用平面和曲面元件的组合。在一些应用中，偏振滤波器可被并入显示系统的保护罩、透镜、或其他合适的组件中。在一些实现中，可使用模制聚合物基板来实现偏振滤波器，这在寻求使重量和体积最小化的应用中(诸如在HMD系统和设备中)可能是有益的。
在此说明性示例中，偏振滤波器715是线性偏振的，使得来自外部真实世界或作为杂散光碰撞在光学显示系统上的非偏振光705以TM偏振光进入系统，如箭头725所指示的。在其他实现中，偏振滤波器715可被配置为将撞击的非偏振光滤波成TE偏振光。滤波器715也可被配置为在一些情况下施加圆偏振(例如，左旋或右旋圆偏振)。
图8示出了可被用作波导或波导的一部分以提供出射光瞳在两个方向上的输入耦合、扩展以及在EPE中的输出耦合，其中输出耦合DOE被实现为偏振灵敏光栅。偏振灵敏输出耦合DOE与图7中所示并在随附文本中描述的上游偏振滤波器715组合操作，以去除或减少EPE中由真实世界/杂散光的衍射产生的彩虹效应。
每个DOE是包括周期性结构的光学元件，该周期性结构可以以周期性模式(诸如光轴方向、光程长度，等等)来调制光的各种属性。第一DOE，即DOE 1(由附图标记805指示)被配置成将来自成像器804的成像光束802耦合到波导中。在此说明性示例中，成像光束802是TE偏振的。因此，如上文所描述的，成像光束802在被线性偏振滤波器滤波之后相对于TM偏振的真实世界/杂散光具有正交的偏振状态。第二DOE，即DOE 2(810)沿第一坐标轴在第一方向上扩展出射光瞳，第三DOE，即DOE 3(815)沿第二坐标轴在第二方向上扩展出射光瞳，并且将光耦合出波导(注意到，图8中的各种传播方向以任意方式描绘，并且各方向不必正交)。
因此，DOE 1用作输入耦合光栅，而DOE 3用作输出耦合光栅，同时在一个方向上扩展光瞳。DOE 2可被认为是中间光栅，该中间光栅用于输入耦合光栅和输出耦合光栅之间耦合光，同时在另一方向上执行出射光瞳扩展。使用此类中间光栅可消除对用于诸如准直透镜之类的EPE中的出射光瞳扩展的传统功能的需要。
在此特定示例中，DOE 3配置为偏振灵敏的，使得它仅将TE偏振光衍射出光栅，而TM偏振光直接穿过光栅而不被折射出去。这种用于TE偏振光的偏振灵敏输出耦合功能在图8中由附图标记825代表性地示出，而用于TM偏振光的穿透功能由附图标记830代表性地指示。由于TM偏振光穿过光栅而不被衍射出去，杂散光或来自外部世界的光不会在光学显示器中导致彩虹效应。在替换实现中，偏振灵敏度可被实现于布置800中的一个或多个DOE的各个部分中。例如，各DOE部分可包括被配置为执行从一个偏振状态到另一偏振状态的转换的光栅特征，使得处于一个偏振状态(例如，TM偏振)的输入耦合光栅DOE1的输入在从输出耦合光栅DOE 3输出耦合之前被光栅特征转换到另一偏振状态(例如，TE偏振)。在另一说明性实现中，DOE中的一个或多个可被配置成具有偏振灵敏度，以例如在穿过TM偏振光时仅衍射TE偏振光，使得仅来自成像器的光被输出耦合到显示器，而无需与引起彩虹效应的真实世界/杂散光交互。
继续此示例，形成输出耦合光栅的三维微结构DOE 3可通过操纵涉及光栅线非对称性和填充率的光栅参数的组合被配置成偏振灵敏的。在一些情况下，光栅深度是可结合光栅线非对称性和填充率来操作的另一示例性参数。可选择、调整和/或调谐这些参数以实现DOE 3中的偏振灵敏度，使得只有来自成像器的TE偏振光从DOE 3输出耦合，而TM偏振的真实世界/杂散光以最小/无衍射交互穿过DOE 3。在一些实现中，可在给定的光栅设计中迭代地操纵光栅参数，直到实现偏振灵敏度使得在DOE 3中观察到的彩虹效应的程度满足一些预定标准。
参考图9和10更详细地描述光栅线非对称性。图9示出了在基板905中形成的直的(即，非倾斜的)光栅特征900(称为光栅条、光栅线或简称为“光栅”)的轮廓。通过比较，图10示出了被形成在具有非对称轮廓的基板1005中的光栅特征1000。也就是说，光栅可相对于波导的平面倾斜(即，非正交)。在波导是非平面的实现中，光栅可相对于波导中的光传播的方向倾斜。非对称光栅轮廓也可以使用闪耀光栅或小阶梯光栅来实现，其中凹槽被形成以创建具有非对称三角形或锯齿形轮廓的光栅特征。在图9和10中，光栅周期由d表示，光栅高度(也称为光栅“深度”)由h表示，条宽度由c表示，且填充因子由f表示，其中f＝c/d。图10中的倾斜光栅可以用倾斜角α1和α2来描述。
输出耦合DOE 3也可通过使用诸如液晶、各向异性晶体或应变材料之类的双折射材料被配置成偏振灵敏的。在一些实现中，光栅可以用有效地去除一个偏振状态的折射率反差的液晶材料填充。
图11是说明性方法1100的流程图。除非明确说明，否则流程图中所示并且在伴随的文本中描述的方法或步骤不限于特定的次序或顺序。此外，一些方法或其步骤可同时发生或被执行，并且取决于给定实现的要求，在此类实现中不是所有方法或步骤均需要被执行，并且一些方法或步骤可任选地被使用。
在步骤1105中，近眼显示系统的前部(即，杂散光和/或来自外部真实世界的光在其上碰撞的系统的面向前的部分)被配置有与一个或多个下游偏振灵敏光栅结合使用的一个或多个偏振滤波器。在步骤1110中，来自成像器的成像光在设置于EPE中的输入耦合DOE处被接收。使用偏振滤波器允许来自诸如杂散光之类的非成像器光源的光和/或来自外部真实世界的光处于与成像光相反(例如，线性正交)的偏振状态。输入耦合DOE与设置于EPE中的下游中间DOE对接。中间DOE被配置成与下游输出耦合DOE对接。
在步骤1115中，在中间DOE中沿着第一坐标轴扩展所接收到的光的出射光瞳。在步骤1120中，在输出耦合DOE中沿着第二坐标轴扩展出射光瞳。在步骤1125中，输出耦合DOE沿着第一和第二坐标轴将光输出衍射成来自具有相对于输入耦合DOE处接收到的光的经扩展的出射光瞳的EPE的输出。在一些实现中，可以用被配置为直的或倾斜的浅光栅对输出耦合DOE进行切趾。在步骤1130中，具有与成像光不同的偏振状态的外部真实世界光和/或杂散光的至少一部分穿过输出耦合DOE而不被衍射出去，以减少或消除显示器中的彩虹效应。
偏振灵敏光栅可被结合到在虚拟或混合现实显示设备中使用的显示系统中。此类设备可采取任何合适的形式，包括但不限于诸如HMD设备之类的近眼设备。尽管在一些实现中可使用透视显示器，但在其他实现中，使用例如基于相机的传递或面向外的传感器的不透明(即非透视)显示器可以被使用。
图12示出了透视、混合现实或虚拟现实显示系统1200的一个特定说明性示例，而图13显示了系统1200的功能框图。显示系统1200包括形成透视显示子系统1204的一部分的一个或多个透镜1202，使得图像可以使用透镜1202(例如，使用到透镜1202上的投影、并入透镜1202中的一个或多个波导系统和/或以任何其他合适的方式)来显示。显示系统1200进一步包括被配置成获取正在被用户查看的背景场景和/或物理环境的图像的一个或多个面向外的图像传感器1206，并可包括被配置成检测声音(诸如来自用户的语音命令)的一个或多个话筒1208。面向外的图像传感器1206可包括一个或多个深度传感器和/或一个或多个二维图像传感器。在替换布置中，如上所述，代替于结合透视显示子系统，混合现实或虚拟现实显示系统可以通过面向外的图像传感器的取景器模式来显示混合现实或虚拟现实图像。
显示系统1200可进一步包括被配置成检测用户的每个眼睛的注视方向或焦点的方向或位置的注视检测子系统1210，如上文所描述的。注视检测子系统1210可被配置以任何合适方式确定用户每个眼睛的注视方向。例如，在所例示的说明性示例中，注视检测子系统1210包括被配置成导致光的闪烁从用户的每个眼球反射的一个或多个闪光源1212(诸如红外光源)，以及被配置成捕捉用户的每个眼球的图像的一个或多个图像传感器1214(诸如面向内的传感器)。根据使用(诸)图像传感器1214收集的图像数据所确定的用户眼球的闪烁和/或用户光瞳的位置中的变化可被用于确定注视的方向。
此外，从用户眼睛投射的注视线与外部显示器交叉的位置可被用于确定用户正注视的对象(例如，所显示的虚拟对象和/或真实的背景对象)。注视检测子系统1210可具有任何合适数量和布置的光源以及图像传感器。在一些实现中，可省略注视检测子系统1210。
显示系统1200还可包括附加传感器。例如，显示系统1200可包括全球定位系统(GPS)子系统1216，以允许确定显示系统1200的位置。这可有助于标识可以位于用户的毗邻物理环境中的真实世界对象(诸如建筑物等)。
显示系统1200可进一步包括一个或多个运动传感器1218(例如惯性、多轴陀螺仪或加速度传感器)，以在用户戴着作为混合现实或虚拟现实HMD设备的部分的所述系统时检测用户的头部的移动和位置/朝向/姿态。运动数据可潜在地与眼睛跟踪闪烁数据和面向外的图像数据一起被使用来用于注视检测以及用于图像稳定化，以帮助校正来自(诸)面向外的图像传感器1206的图像中的模糊。运动数据的使用可允许注视位置的变化被跟踪，即使不能解析来自(诸)面向外的图像传感器1206的图像数据。
此外，运动传感器1218，以及话筒1208和注视检测子系统1210还可被用作用户输入设备，使得用户可经由眼睛、颈部和/或头部的姿势，以及在一些情况中经由语音命令来与显示系统1200进行交互。可以理解，在图12和13中例示并在附随的文本中描述的传感器出于示例的目的被包括，而不旨在以任何方式进行限制，因为任何其他合适的传感器和/或传感器的组合可被利用来满足特定实现的需求。例如，生物特征传感器(例如用于检测心脏和呼吸速率、血压、大脑活动、体温等)或环境传感器(例如用于检测温度、湿度、海拔、UV(紫外线)光等级等)可以在一些实现中被使用。
显示系统1200可进一步包括通过通信子系统1226与各传感器、注视检测子系统1210、显示子系统1204和/或其他组件通信的具有逻辑子系统1222和数据存储子系统1224的控制器1220。通信子系统1226还可促进显示系统与位于远程的资源(例如处理、存储、功率、数据和服务)结合操作。即，在一些实现中，HMD设备可被作为一种系统的部分来操作，该系统可以在不同的组件和子系统间分布资源和功能。
存储子系统1224可以包括存储在其上的指令，这些指令能被逻辑子系统1222执行例如用以：接收并解释来自传感器的输入、标识用户的位置和移动、使用表面重构和其他技术来标识现实对象，以及基于到对象的距离来调暗/淡出显示以便允许对象被用户看到，以及其他任务。
显示系统1200被配置有一个或多个音频换能器1228(例如扬声器、耳机等)，这样，音频可以被用作混合现实或虚拟现实体验的部分。功率管理子系统1230可包括一个或多个电池1232和/或保护电路模块(PCM)以及相关联的充电器接口1234和/或用于对显示系统1200中的组件供电的远程电源接口。
应当理解，出于示例的目的描述显示系统1200，并且因此不意味着进行限制。进一步应当理解，显示设备可包括除所示出的那些之外的附加的和/或替换的传感器、相机、话筒、输入设备、输出设备等，而不会背离本布置的范围。附加地，显示设备及其各传感器和子组件的物理配置可采取各种不同的形式，而不会背离本安排的范围。
如图14中所示的，用于去除或减少彩虹效应的偏振灵敏光栅可被用于移动或便携电子设备1400中，诸如移动电话、智能电话、个人数字助理(PDA)、通信器、便携互联网用具、手持计算机、数字视频或静态相机、可穿戴计算机、计算机游戏设备、用于观看的专业化“用眼可见”产品，或其它便携电子设备。如图所示，便携式设备1400包括外壳1405，以容纳用于从外部设备或远程系统或服务(未示出)接收信息并向外部设备或远程系统或服务传送信息的通信模块1410。
便携式设备1400还可包括用于处理所接收到的所传送的信息的图像处理模块1415以及用于支持观看图像的虚拟显示系统1420。虚拟显示系统1420可包括微显示器或成像器1425以及光学引擎1430。图像处理模块1415可被可操作地连接到光学引擎1430以将诸如视频数据之类的图像数据提供给成像器1425以在其上显示图像。EPE 1435可被光学地链接到光学引擎1430。EPE可结合包括用于去除或减少设备显示器中的彩虹效应的偏振灵敏光栅的系统或者是该系统的一部分。
用于去除或减少彩虹效应的偏振灵敏光栅也可被用于非便携式设备，诸如游戏设备、多媒体控制台、个人计算机、自动售货机、智能电器、互联网连接的设备和家用电器(诸如烤箱、微波炉和其他电器)，以及其他非便携式设备。
本发明的在使用偏振灵敏光栅的近眼显示器中的彩虹效应去除的各种示例性实施例现在是出于说明的目的被呈现的，并不是作为所有实施例的穷尽性列表。一示例包括光学系统，包括：配置成将杂散光或来自真实世界对象的光滤波成第一偏振状态的偏振滤波器；光学材料的基板；设置在所述基板上的第一衍射光学元件(DOE)，所述第一DOE具有输入表面并被配置成输入耦合光栅以接收具有第二偏振状态的一个或多个光束作为输入；以及设置在所述基板上并被配置用于沿着第一方向对所述一个或多个光束进行光瞳扩展的第二DOE，设置在基板上的第三DOE，所述第三DOE具有输出表面并被配置用于沿着第二方向对所述一个或多个光束进行光瞳扩展，并且进一步被配置为输出耦合光栅以作为来自所述输出表面的输出显示器，将一个或多个光束与相对于所述输入扩展的光瞳进行输出耦合，其中所述输出耦合光栅被配置成对所述第二偏振状态灵敏，使得仅处于所述第二偏振状态的光束被输出耦合为来自所述第三DOE的输出。
在另一示例中，所述输出耦合光栅被进一步配置为使处于所述第一偏振状态的经滤波的光穿过而没有衍射，以防止所述输出显示器中产生彩虹效应。在另一示例中，至少一个DOE中的光栅特征根据光栅非对称性、光栅深度、或光栅填充因子中的一个或多个被配置。在另一示例中，光栅非对称性是使用倾斜光栅或闪耀光栅中的一者来实现的。在另一示例中，所述偏振滤波器被设置在所述光学系统的面向前的部分上，杂散光或来自所述真实世界对象的光在其上发生碰撞。
又一示例包括一种支持包括来自虚拟世界的元素和来自真实世界的元素的混合现实体验的电子设备，包括：数据处理单元；光学引擎，所述光学引擎可操作地连接到所述数据处理单元以便从所述数据处理单元接收图像数据；成像器，所述成像器可操作地连接到所述光学引擎以便基于所述图像数据形成虚拟图像并生成结合具有第一偏振状态的所述虚拟图像的一个或多个输入光束；以及响应于所述一个或多个输入光束的出射光瞳扩展器，所述出射光瞳扩展器包括其上设置有多个衍射光学元件(DOE)的结构，其中所述出射光瞳扩展器被配置为使用DOE中的一个或多个提供一个或多个输出耦合光束作为具有扩展出射光瞳的近眼显示器，以及其中所述DOE中的至少一个DOE具有被配置成偏振灵敏的部分，使得所述出射光瞳扩展器在将具有所述第一偏振状态的所述虚拟图像输出为所述输出耦合光束，同时使得具有第二偏振状态的杂散光或与所述真实世界相关联的光穿过，以抑制近眼显示器中产生彩虹效应。
在另一示例中，所述DOE的所述部分支持通向所述DOE的所述部分内的给定点的多个光路径，其中所述多个光路径长度的差异超过了输入光束的相干长度。在另一示例中，出射光瞳扩展器在两个方向上提供光瞳扩展。在另一示例中，成像器包括发光二极管、硅上液晶设备、有机发光二极管阵列或微电子机械系统设备中的一者。在另一示例中，成像器包括以透射、反射或发射方式中的一者工作的微显示器。在另一示例中，电子设备被实现在头戴式显示设备或便携式电子设备中。在另一示例中，一个或多个输入光束中的每一个由对应的一个或多个源产生。在另一示例中，所述电子设备进一步包括与所述出射光瞳扩展器相互作用的偏振滤波器，使得碰撞在出射光瞳扩展器上的所述杂散光或真实世界光被偏振。在其他示例中，所述出射光瞳扩展器包括将偏振状态从所述第一偏振状态转换为所述第二偏振状态的光栅特征。
又一示例包括一种方法，包括：在被设置在出射光瞳扩展器中的输入耦合衍射光学元件(DOE)处从成像器接收处于第一偏振状态的成像光；利用偏振滤波器使得从非成像器源接收的非成像光具有与所述第一偏振状态相反的第二偏振状态；在被设置在所述出射光瞳扩展器中的中间DOE中沿着第一坐标轴扩展接收到的成像光的出射光瞳；在被设置在所述出射光瞳扩展器中的输出耦合DOE中沿着第二坐标轴扩展所述出射光瞳；以及使用所述输出耦合DOE沿着所述第一和第二坐标轴在具有相对于在所述输入耦合DOE处接收到的光的经扩展的出射光瞳的显示器中输出成像光，其中，所述输出耦合DOE包括被配置用于偏振灵敏度的光栅特征，使得所述输出耦合DOE衍射处于第一偏振状态的成像光作为来自出射光瞳扩展器的输出，并使处于所述第二偏振状态的非成像光穿过而没有衍射，以减少所述显示器中产生彩虹效应。
在另一示例中，所述第一和第二偏振状态包括线性偏振或圆偏振中的一者。在另一示例中，所述输入耦合DOE、中间DOE或输出耦合DOE中的一个或多个包括具有光栅特征的部分，所述光栅特征被配置为以对所述输入耦合DOE的输入执行从所述第一偏振状态转换到所述第二偏振状态的转换。在另一示例中，所述偏振转换在来自所述输出耦合DOE的输出的上游被执行。在另一示例中，该方法在近眼显示系统中被执行。在另一示例中，所述非成像光包括杂散光或与真实世界环境相关联的光中的一者。
尽管用结构特征和/或方法动作专用的语言描述了本发明主题，但可以理解，所附权利要求书中定义的主题不必限于以上所描述的具体特征或动作。更确切而言，以上所描述的具体特征和动作是作为实现权利要求的示例形式公开的。

Claims (14)

1.一种光学系统，包括：
配置成将杂散光或来自真实世界对象的光滤波成第一偏振状态的偏振滤波器；
光学材料的基板；
设置在所述基板上的第一衍射光学元件(DOE)，所述第一DOE具有输入表面并被配置成输入耦合光栅以接收具有第二偏振状态的一个或多个光束作为输入；以及
设置在所述基板上并被配置用于沿着第一方向对所述一个或多个光束进行光瞳扩展的第二DOE，
设置在所述基板上的第三DOE，所述第三DOE具有输出表面并被配置用于沿着第二方向对所述一个或多个光束进行光瞳扩展，并且进一步被配置为输出耦合光栅以作为来自所述输出表面的输出显示器，将一个或多个光束与相对于所述输入扩展的光瞳进行输出耦合，
其中所述输出耦合光栅被配置成对所述第二偏振状态灵敏，使得仅处于所述第二偏振状态的光束被输出耦合为来自所述第三DOE的输出。
2.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述输出耦合光栅被进一步配置为使处于所述第一偏振状态的经滤波的光穿过而没有衍射，以防止所述输出显示器中产生彩虹效应。
3.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，至少一个DOE中的光栅特征根据光栅非对称性、光栅深度、或光栅填充因子中的一个或多个来被配置。
4.如权利要求3所述的光学系统，其特征在于，所述光栅非对称性是使用倾斜光栅或闪耀光栅中的一者来实现的。
5.如权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述偏振滤波器被设置在所述光学系统的面向前的部分上，杂散光或来自所述真实世界对象的光在其上发生碰撞。
6.一种支持包括来自虚拟世界的元素和来自真实世界的元素的混合现实体验的电子设备，包括：
数据处理单元；
光学引擎，所述光学引擎可操作地连接到所述数据处理单元以便从所述数据处理单元接收图像数据；
成像器，所述成像器可操作地连接到所述光学引擎以便基于所述图像数据形成虚拟图像并生成结合具有第一偏振状态的所述虚拟图像的一个或多个输入光束；以及
响应于所述一个或多个输入光束的出射光瞳扩展器，所述出射光瞳扩展器包括其上设置有多个衍射光学元件(DOE)的结构，
其中所述出射光瞳扩展器被配置为使用DOE中的一个或多个提供一个或多个输出耦合光束，作为具有扩展出射光瞳的近眼显示器，以及
其中所述DOE中的至少一个DOE具有被配置成偏振灵敏的部分，使得所述出射光瞳扩展器在将具有所述第一偏振状态的所述虚拟图像输出为所述输出耦合光束，同时使得具有第二偏振状态的杂散光或与所述真实世界相关联的光穿过，以抑制近眼显示器中产生彩虹效应。
7.如权利要求6所述的电子设备，其特征在于，所述DOE的所述部分支持通向所述DOE的所述部分内的给定点的多个光路径，其中所述多个光路径长度的差异超过了输入光束的相干长度。
8.如权利要求6所述的电子设备，其特征在于，所述出射光瞳扩展器在两个方向上提供光瞳扩展。
9.如权利要求6所述的电子设备，其特征在于，所述成像器包括发光二极管、硅上液晶设备、有机发光二极管阵列、或微电子机械系统设备中的一者。
10.如权利要求6所述的电子设备，其特征在于，所述成像器包括以透射、反射、或发射之一操作的微显示器。
11.如权利要求6所述的电子设备，其特征在于，如在头戴式显示设备或便携式电子设备中实现的。
12.如权利要求6所述的电子设备，其特征在于，所述一个或多个输入光束中的每一者由相应的一个或多个源产生。
13.如权利要求6所述的电子设备，在特征在于，进一步包括与所述出射光瞳扩展器相互作用的偏振滤波器，使得碰撞在出射光瞳扩展器上的所述杂散光或真实世界光被偏振。
14.如权利要求6所述的电子设备，其特征在于，所述出射光瞳扩展器包括将偏振状态从所述第一偏振状态转换为所述第二偏振的光栅特征。
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