CN110520825B - 斜交镜辅助成像 - Google Patents

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Abstract

公开了用于执行注视跟踪以及对外部场景进行成像的光学系统。示例性光学系统可包括用于发射可见光和不可见光的光源。该光学系统可包括操作地耦合到该光源的波导。体全息光耦合元件可设置在该波导的表面之间。该体全息光耦合元件可包括光栅介质和位于该光栅介质内的第一体全息光栅结构。在一些示例中，该第一体全息光栅结构可被配置为以第一入射角关于第一反射轴反射第一波长的不可见光，该第一反射轴偏离所述光栅介质的表面法线。该光学系统还可包括光学滤波器。另一示例性光学系统可包括被配置为接收该光学系统外部的光的成像设备。

Description

斜交镜辅助成像
本专利申请要求2017年4月17日提交的临时专利申请62/486,344的优先权，该临时专利申请据此全文以引用方式并入本文。
技术领域
本公开整体涉及光学反射设备，并且更具体地涉及在光学反射设备内执行眼睛跟踪和图像检测。
背景技术
传统电介质反射镜是通过用其介电常数互不相同的多层材料来涂覆表面(通常是玻璃)而制造出来的。这些材料层通常被布置成使得来自层边界的Fresnel反射大大增强，从而得到大的净反射率。可以通过确保在相对宽的指定波长范围和入射角上实现该条件来设计宽带电介质反射镜。但是因为这些层沉积于一个表面上，因此电介质反射镜的反射轴必然会与表面法线重合(即，反射轴垂直于反射镜表面)。由于对反射轴的这种约束，电介质反射镜以次优的配置被设置在一些设备中。类似地，限于表面法线的反射轴使电介质镜不适合用于某些目的。此外，玻璃电介质反射镜往往相对较重，使之不太适合或不适合用于要求反射部件相对轻质的应用。
相反，传统光栅结构则可关于与光栅结构驻留的介质表面法线相差的反射轴反射光。然而，对于某个给定的入射角而言，传统光栅结构的反射角通常会随着入射光的波长一起变化。因此，采用传统的光栅结构来反射光可避免传统反射镜所固有的反射轴需要与表面法线重合的限制。然而，在需要基本上恒定的反射轴的情况下，对于某个给定的入射角而言，传统的光栅结构基本上限制在单一波长(或非常窄的波长范围)。类似地，为了关于恒定反射轴反射特定波长的光，传统光栅结构限于单个入射角(或非常窄的入射角范围)。
因此，包括反射光栅结构或常规反射镜的常规反射设备可能不适合用于某些应用。
发明内容
所描述的特征总体涉及用于引导和反射辅助输入光的一种或多种方法、系统或设备，以及包括光栅结构的光学系统或设备中的反射。该方法、系统或设备可采用选择性耦合技术来允许全息光学元件(例如，使用斜交镜技术的斜交镜或类似光学元件)将光衍射或反射到光学系统的一个或多个光学路径。示例性光学系统可包括TIR波导，该TIR波导包括光栅介质中的光栅结构。光栅介质可包括体全息光栅结构，该体全息光栅结构具有反射属性，以提供向内耦合光的外部出射光瞳投影(例如，朝向用户眼睛在TIR波导的外部)。出射光瞳可包括跨越可见光谱和不可见光波光谱两者的一个或多个光模式。该光学系统可被配置为检测不可见光的反射图像并确定用户眼睛相对于TIR波导的区域的位置。
附加地或另选地，光学系统可包括TIR波导，该TIR波导包括光栅介质中的光栅结构。光栅介质可包括体全息光栅结构，该体全息光栅结构具有反射属性，用于向内耦合用于光学系统的倒置视角成像的外部场景(例如，用户通过TIR波导可观看的外部场景)的光(例如，一个或多个输入或入射光瞳)。换句话讲，可向内耦合并记录与用户的外部视角对应的系统周围的光，用于捕获该外部视角的倒置图像。
附图说明
通过参考以下附图，可实现对本公开的具体实施的实质和优点的进一步理解。在附图中，类似的部件或特征部可具有相同的参考标签。此外，可通过跟随连接号和区分类似部件的第二标签的参考标签来区分相同类型的各种部件。如果在说明书中仅使用第一参考标签，则该描述适用于具有与第二参考标签无关的相同第一参考标签的任何一个类似部件。
图1是根据实施方案的例示性HMD设备的图示。
图2A是示出根据实施方案的例示性体全息光栅结构诸如斜交镜在真实空间中的反射属性的图示。
图2B是根据实施方案的k空间中的例示性斜交镜的图示。
图3是根据实施方案的结合了体全息光栅结构出射光瞳扩展技术的例示性光学系统的图示。
图4是根据实施方案的具有多体全息光栅结构的例示性光学部件的图示。
图5A是根据实施方案的例示性制造系统的图示，该例示性制造系统可用于制造体全息光栅结构诸如斜交镜。
图5B是根据实施方案的例示性制造系统的图示，该例示性制造系统可用于制造体全息光栅结构诸如斜交镜。
图6是根据实施方案的结合了辅助成像功能的例示性光学系统的图示。
图7是根据实施方案的支持辅助成像的例示性曲线图。
图8是根据实施方案的结合了辅助成像功能的例示性光学系统的图示。
具体实施方式
常规反射设备，诸如衍射光栅结构或常规反射镜，可能不适用于某些应用，例如，其中将关于不限于表面法线的反射轴反射光并且其中反射角在入射角和/或光的特定波长的整个范围内保持恒定的应用。此外，常规反射设备的常规结构和耦合部件可与设备的光相互作用(例如，通过全内反射(TIR)模式反射光和非TIR直通外部光)并阻碍图像投影和/或外部场景的光学清晰度。在包括眼睛或注视跟踪和外部场景图像检测功能的头戴式显示器(HMD)设备中，这种效果可能尤其严重。
为了减轻这些问题，可在光学系统中使用体全息光栅(VHG)。例如，体全息光栅可用作光学系统的波导内的光耦合设备或元件(例如，输入耦合器、输出耦合器和/或交叉耦合器(cross coupler))。不具有体全息光栅的波导实施技术可能在执行波导的辅助功能方面受到限制。例如，包括使用斜交镜技术施加的VHG的TIR波导可允许外部观察分类(例如，观察方向/角度、观察对象识别)和外部视角的倒置成像。这些VHG可在各种光耦合设备的光栅介质中实现，用于引导发射并且随后反射的波长与可见光谱(例如，红光、绿光、蓝光)的波长不同的不可见光(例如，红外(IR)光或近红外(NIR)光)。反射的不可见光可由检测器检测，以确定外部注视特性(例如，确定与TIR波导上的观察位置对应的用户瞳孔的图像)。附加地或另选地，VHG可在各种光耦合设备的光栅介质中实现，以将外部场景光引导到用于确定外部视角的检测器。
在光学系统的一个或多个光耦合设备(诸如，近眼式显示器(NED))中使用体全息光栅技术(例如，斜交镜技术)可改善相关联的图像投影和/或图像记录的观看能力和光学清晰度。TIR波导内的斜交镜型光学耦合设备可呈现出消色特性，并且可与在TIR波导的基板之间反射的输入光的一个或多个TIR模式布拉格失配。斜交镜型光耦合设备也可与直接穿过TIR波导的输入光(例如，入射在基板表面上的外部光)布拉格失配。因此，利用斜交镜技术的光学系统可提供合适的反射光栅结构，用于执行眼睛跟踪和图像检测。另外，与使用常规耦合元件的图像投影设备相比，尤其是在图像投影的不可见光谱光和显示光之间，使用斜交镜技术可避免损害光学清晰度。相比之下，波导中使用的一些常规耦合设备在执行此类辅助成像功能方面可能受到限制。例如，图像投影的向内耦合光可散布有波导的通过可见光，从而促进对确定外部观察分类和获得外部视角的倒置成像的阻碍。
在主题技术的一些示例中，一个或多个斜交镜型部件或设备(例如，滤波器和输出耦合器)可引导从光学系统的一个或多个光源发射的输入光。输入光可包括用于眼睛注视跟踪的不可见光(例如，IR或NIR光)，以及图像投影(例如，显示光)和外部场景的可见光。用于引导来自微型显示器的可见图像投影光的光学路径也可用于引导用于照亮用户眼睛的不可见光。光学路径还可用于将用户眼睛的反射图像引导到注视跟踪成像设备(例如，IR或NIR照相机)的检测器。被包括在光学路径中的滤波器可被配置为使可见光穿过滤波器并朝向与TIR波导相关联的入射孔。滤波器可朝向入射孔反射来自不同于微型显示器的不可见光源的不可见光。入射孔可被配置为向TIR波导提供入射光瞳。另外，滤波器还可朝向注视跟踪成像设备的检测器反射穿过入射孔传播回的不可见光(例如，朝向入射孔反射回的用户眼睛的不可见光图像)。这样，滤波器可允许不可见返回反射光与可见图像投影显示器光分开。
TIR波导可将可见光和不可见光从入射孔引导到设置在TIR波导的一个或多个表面之间的光栅介质。在一些示例中，一个或多个斜交镜型部件或设备(例如，交叉耦合器实施方案)可引导来自入射孔的输入光，并反射输入光，以使其在与进入入射孔的输入光的传播TIR模式不同的方向上穿过TIR波导传播。交叉耦合器实施方案可有利地允许投影图像的维度(例如，垂直或水平维度)在整个入射光瞳到出射光瞳光学路径中保持不受引导(即，投影维度可与横向于TIR维度的角度对应)。TIR波导可包括斜交镜型输出耦合器，该斜交镜型输出耦合器允许将传播的可见光和不可见光向外耦合到光学系统的窥眼箱，以在外部显示可见光并在用户的眼睛上反射不可见光。
另外，斜交镜型输出耦合器还可允许向内耦合不可见光的反射图像(例如，从用户眼睛的反射)。光学系统可确定在光学系统的参考取向下反射图像(例如，光学注视)相对于外部视场(FOV)的方向偏移和/或角度偏移。光学路径的从注视跟踪成像设备的不可见光源和/或检测器到滤波器的部分可包括一个或多个双折射材料部件。例如，光学路径的从注视跟踪成像设备的不可见光源和/或检测器到滤波器的部分可包括四分之一波片(QWP)和偏振分束器(PBS)。可包括QWP和PBS，用于分开照明的不可见光和反射的不可见光。
在主题技术的一些示例中，斜交镜型耦合器(例如，输出耦合器)可通过向内耦合外部场景光(例如，围绕光学系统(尤其是光学系统的透镜部分)的环境光)的一部分来在光学系统内提供附加功能。向内耦合的外部光可基本上表示光学系统的用户的外部视角。TIR波导内的光栅介质的一个或多个光栅结构可选择性地朝向光学系统的场景成像设备(例如，相机设备)反射入射的外部光。场景成像设备可记录与外部视角对应的倒置图像。场景成像设备和/或光学系统整体上可采用光学系统的机构(例如，滤波器、二向色元件、处理器的功能块等)来重新平衡较暗的向内耦合的外部光，用于准确地检测倒置图像。例如，可将与图像投影光对应的图像信息提供给场景成像设备，以去除随向内耦合的外部光一起传播到场景成像设备的任何剩余图像投影光。
本发明描述了用于包括一个或多个光栅结构的光栅介质的具体示例。光栅结构可以被构造为关于反射轴反射处于特定的多个入射角的特定波长的光，该反射轴偏离光栅结构的表面法线。该描述提供了示例，并且不旨在限制本文所述原理的具体实施的范围、适用性或配置。而是，随后的描述将为本领域技术人员提供用于实现本文描述的原理的具体实施的有用描述。
因此，各种具体实施可适当省略、替代或添加各种程序或部件。例如，应当理解，可以以不同于所述顺序的顺序执行该方法，并且可添加、省略或组合各种步骤。另外，关于某些具体实施所述的方面和元件可在各种其他具体实施中被组合。还应当理解，以下系统、方法、设备和软件可单独地或共同地是更大系统的部件，其中，其他程序可优先于或以其他方式修改其应用程序。
图1是可在其中实现本文中包括的原理的电子设备诸如HMD设备100的图示。HMD设备100可包括眼镜或头饰，其中，NED 105可固定在用户眼睛的前面。NED 105可以包括设置在HMD设备100的透镜组件内或与透镜组件结合的衍射元件部分。在一些示例中，衍射元件部分可以是全息光学元件(HOE)，该全息光学元件可包括斜交镜110。斜交镜110可用于形成光耦合元件(例如，包括一个或多个体全息光栅结构的体全息光耦合元件)。参考斜交镜110提供坐标(X轴、Y轴和Z轴)。HMD设备100可包括多个光耦合元件，这包括附加的斜交镜(未示出)、未使用斜交镜技术和原理构造的HOE(未示出)、DOE(未示出)和/或组装有斜交镜110的百叶窗镜(未示出)。HMD 100还可包括操作地耦合到透镜组件的光源或光投影仪115。在一些示例中，可见光源或光投影仪115以及不可见光源或光投影仪117可以波导配置操作地耦合到透镜组件。在一些示例中，光源或光投影仪115、117可以自由空间配置操作地耦合到透镜组件。在一些示例中(例如，用于注视跟踪实施方案)，不可见光源或光投影仪117可发射IR或NIR光。在其他示例中，可省略不可见光源或光投影仪117。
斜交镜110可以是反射设备，并且可包括光栅介质，在该光栅介质内驻留一个或多个体全息图(在本文中有时称为体全息光栅结构)或其他光栅结构。斜交镜110可包括附加层，诸如玻璃盖或玻璃基板。附加层可用于保护光栅介质免受污染、湿气、氧气、反应性化学物质、损坏等。附加层也可具有与光栅介质匹配的折射率。凭借其中驻留的光栅结构，光栅介质可具有允许该介质在称为反射轴的轴周围衍射光的物理属性，其中衍射角(下文称为反射角)对于以给定入射角入射到光栅介质上的多个波长的光而言变化小于1°。在一些情况下，反射轴对于多个波长和/或入射角也是恒定的。在一些情况下，光栅结构可由一个或多个全息图形成。在一些具体实施中，一个或多个全息图可以是体积相位全息图。其他类型的全息图也可用在光栅结构的各种具体实施中。
类似地，对于给定波长的入射光，在一定入射角范围内，具体实施可具有基本上恒定的反射轴(即，反射轴的反射轴角度变化小于1°)，并且这种现象可利用各种波长的入射光观察到。在一些具体实施中，对于一组多个入射角和一组多个波长的每个组合，反射轴保持基本恒定。
全息图是干涉图案的记录，其包括来自用于记录的光的强度和相位信息。该信息可以记录在光敏介质中，该光敏介质将干涉图案转换成光学元件，该光学元件根据初始干涉图案的强度来修改后续入射光束的幅度或相位。光栅介质可包括光聚合物、光折射晶体、二色性明胶、光热折射玻璃、含有分散的卤化银颗粒的膜、或具有反应并记录入射干涉图案的能力的其他材料。在一些情况下，相干激光可用于记录和/或读取所记录的全息图。
在一些情况下，可使用被称为记录光束的两个激光束来记录全息图。在一些情况下，记录光束可为除入射到光栅介质上的角度之外彼此相似的单色准直平面波束。在一些具体实施中，记录光束可具有彼此不同的振幅或相位分布。可引导记录光束使得它们在记录介质内相交。在记录光束的交汇处，记录光束可以采用根据干涉图案的每个点的强度而变化的方式与记录介质相互作用，并在记录介质内产生变化的光学性质的图案。例如，在一些实施方案中，折射率可在记录介质内变化。在一些情况下，所得的干涉图案可以以对记录在光栅介质上的所有此类光栅结构均匀的方式在空间上分布(例如，具有掩模等)。在一些情况下，通过改变波长或入射角可在单个记录介质中叠加多个光栅结构，以在记录介质中产生不同的干涉图案。在一些情况下，在介质中记录一个或多个全息图之后，可在记录后的光处理中用光处理该介质。记录后光处理可以用高度非相干光进行，以基本上消耗剩余的反应性介质组分，诸如光引发剂或光活性单体，从而大大降低或消除记录介质的光敏性。在记录介质中全息图或其他光栅结构的记录完成之后，该介质通常被称为光栅介质。在某些情况下，光栅介质已经变成非光敏的。
在一些具体实施中，体全息光栅结构可包括经由多个光束(称为记录光束)之间的干涉生成的全息图。斜交镜110(例如，由斜交镜110形成的体全息光耦合元件)可包括多个全息图(例如，多个体全息光栅结构)。可使用以在多个全息图之间变化的角度(即，角度复用)入射到光栅介质上的记录光束，并且/或者使用波长在多个全息图之间变化(即，波长复用)的记录光束，并且/或者使用位置在多个全息图之间变化(即，空间复用)的记录光束来记录多个全息图。在一些具体实施中，体全息光栅结构可包括使用两个记录光束记录的全息图，在记录全息图时，这两个记录光束的入射到光栅介质上的角度变化，并且/或者在记录全息图时，这两个记录光束的波长变化。具体实施还包括一种设备，其中反射轴与光栅介质的表面法线相差至少1.0度；或至少2.0度；或至少4.0度；或至少9.0度。
可见光投影仪115可向透镜组件提供载像光，并且不可见光投影仪115可向透镜组件提供IR或NIR光。在一些情况下，透镜组件和斜交镜相对于系统的取向面可以是基本上是平坦的。在其他情况下，透镜组件相对于取向面可表现出弯曲。例如，在一些情况下，透镜组件和斜交镜110相对于X-Y平面可以是基本上是平坦的。在其他情况下，在某些具体实施中，透镜组件可包括相对于X-Y平面的某种弯曲。可朝向窥眼箱反射来自斜交镜110的反射光120，该窥眼箱位于沿Z轴远离斜交镜110的固定距离处。在一些示例中，斜交镜110可至少部分地包含在波导内。波导可通过朝向斜交镜110的全内反射来传播入射可见光130和入射不可见光132。在一些示例中，入射光130、132可通过朝向斜交镜110的自由空间传播。可在与光投影仪115、117相关联的一个或多个光学路径中包括其他部件(图1中未示出)，包括但不限于投影光学设备、滤波器、QWP、PBS、注视跟踪成像设备。在一些示例中，其他部件(图1中未示出)可操作地耦合到透镜组件，诸如但不限于滤波器和场景成像设备(例如，用于外部场景图像检测实施方案)。
斜交镜110可包括由光敏聚合物制成的光栅介质。斜交镜110还可包括光栅介质内的一个或多个体全息光栅结构。每个体全息光栅结构可包括可彼此重叠的一个或多个正弦体光栅。体全息光栅结构可被配置为以特定的多个入射角关于反射轴反射特定波长的光，该反射轴偏离光栅介质的表面法线。光栅介质内的每个体全息光栅结构可被配置为在距离波导的固定距离处朝向窥眼箱中的出射光瞳反射光的一部分。
每个体全息光栅结构(为简洁起见，在本文中有时简称为“光栅结构”)可以不同于另一体全息光栅结构的方式反射光。例如，第一光栅结构可以以第一入射角反射第一波长的入射光，而第二光栅结构可以以第一入射角反射第二波长的入射光(例如，不同的光栅结构可被配置成为相同入射角的入射光反射不同波长的光)。另外，第一光栅结构可以以第一入射角反射第一波长的入射光，而第二光栅结构可以以第二入射角反射第一波长的入射光(例如，不同的光栅结构可被配置成为不同入射角的入射光反射相同波长的光)。此外，光栅结构可反射第一波长和第一入射角的第一入射光，并且光栅结构可以以第二波长和第二入射角关于相同反射轴反射第二入射光。这样，可以使用不同的光栅结构来选择性地反射处于一系列入射角的入射光中的特定波长的光。不同的光栅结构可以在斜交镜110的光栅介质内叠加。斜交镜110可具有基本恒定的反射轴(即，斜交镜110的每个光栅结构具有相同的基本恒定的反射轴)。
在一些示例中，HMD可包括被配置为发射IR或NIR光的光源以及被配置为发射可见光的光源。可见光可与载像光对应。TIR波导可操作地耦合到两个光源，并且TIR波导可包括第一波导表面和第二波导表面。体全息光耦合元件可设置在第一波导表面和第二波导表面之间。体全息光耦合元件可包括光栅介质和光栅介质内的第一体全息光栅结构。第一体全息光栅结构可被配置为以第一入射角关于第一反射轴反射第一波长的IR或NIR光，该第一反射轴偏离光栅介质的表面法线。体全息光耦合元件还可包括光栅介质内的第二体全息光栅结构。第二体全息光栅结构可被配置为以不同于第一入射角的第二入射角关于第二反射轴反射第二波长的光，该第二反射轴偏离光栅介质的表面法线。第二波长可以是可见红光波长、可见绿光波长或可见蓝光波长中的一者。第二波长的光可与被配置为发射可见光的光源的载像光对应。
图2A是示出根据一个示例的斜交镜205在实际空间中的反射属性的横截面视图200-a(例如，与其中将斜交镜结合到波导中的波导配置相反的自由空间配置)。横截面视图200-a可包括体全息光栅结构，诸如光栅介质中的全息图230。图2A省略了除光栅介质之外的斜交镜部件，诸如可用作光栅介质的基板或保护层的附加层。基板或保护层可用于保护光栅介质免受污染、湿气、氧气、反应性化学物质、损坏等。斜交镜的具体实施可以是部分反射的。这样，一个或多个斜交镜可被配置或结构化为选择性地将光线反射到光学设备的各个部分(例如，在滤波器配置中朝向波导的入射孔重定向光，在输入耦合器配置中朝向波导重定向光，在交叉耦合器配置中重定向在波导内以TIR模式传播的光，和/或朝向光学设备的窥眼箱形成出射光瞳)。当采用光瞳均衡技术时，斜交镜可被配置为避免针对某些入射角反射光线，其中，此类反射将光线反射到不朝向期望位置(例如，出射光瞳)的区域。某些斜交镜实施方案的具体实施可能需要相对高动态范围的记录介质，以针对所得的光栅介质在相对宽的波长带宽和角度范围内实现高反射率。相比之下，使用光瞳均衡技术的斜交镜可能需要较小的动态范围，从而允许每个全息图更强(例如，以更大的强度和/或更长的曝光时间记录)。由更强的全息图组成的斜交镜可以提供更亮的图像，或者允许更暗的光投影仪提供类似亮度的图像。斜交镜205可通过反射轴225来表征，该反射轴处于相对于Z轴测量的某个角度。Z轴可垂直于斜交镜表面。斜交镜205被入射光215以相对于Z轴测量的内入射角照亮。主反射光220可以相对于Z轴测量的180°内反射角被反射。主反射光220可与驻留在可见光谱的红色、绿色和蓝色区域中的波长的光对应。
斜交镜210可通过反射轴225来表征，该反射轴处于相对于Z轴测量的某个角度。Z轴垂直于斜交镜轴205。斜交镜210被入射光215以相对于Z轴测量的内入射角照亮。可以基本上垂直于斜交镜210的表面的内反射角反射主反射光220。在一些示例中，主反射光220可与驻留在可见光谱的红色、绿色和蓝色区域中的波长的光对应。例如，可见光谱的红色、绿色和蓝色区域可包括红色波长(例如，610至780nm)带、绿色波长(例如，493至577nm)带和蓝色波长(例如，405至492nm)带。在其他示例中，主反射光220可与驻留在可见光谱之外的波长(例如，红外波长和紫外波长)的光对应。在一些情况下，斜交镜210可具有多个全息图区域，所有全息图区域共享基本上相同的反射轴225。
图2B示出了图2A的斜交镜210的k空间表示200-b。空间变化的折射率组分的k空间分布通常表示为 k空间分布260可穿过原点，其处于相对于Z轴测量的等于反射轴225的角度。记录k球体255可以是与特定写入波长对应的k球体。k空间表示200-b可包括与驻留在可见光谱的红色、绿色和蓝色区域中的光的波长对应的各种k球体。
k空间形式体系可表示一种用于分析全息记录和衍射的方法。在k空间中，传播的光波和全息图可由它们在真实空间中分布的三维傅立叶变换表示。例如，在实际空间和k空间中，无限准直单色参考光束可由公式(1)表示：
其中是所有/>3D空间矢量位置下的光学标量场分布，并且该分布的变换/>是所有/>3D空间频率矢量下的光学标量场分布。Ar可表示场的标量复振幅；并且/>可表示波矢量，其长度表示光波的空间频率，其方向表示传播方向。在一些具体实施中，所有光束可由相同波长的光组成，因此所有光波矢量可具有相同的长度，即，/>因此，所有光学传播矢量可位于半径kn＝2πn0/λ的球体上，其中n0是全息图的平均折射率(“体折射率”)，并且λ是光的真空波长。这种结构被称为k-球体。在其他具体实施中，多个波长的光可分解为位于不同k球体上的不同长度的波矢量的叠加。
另一个重要的k空间分布是全息图本身。体全息图可由光栅介质内的折射率的空间变化组成。折射率空间变化，通常表示为可被称为折射率调制图案，其k空间分布可表示为/>由第一记录光束和第二记录光束之间的干涉产生的折射率调制图案通常与记录干涉图案的空间强度成比例，如公式(2)所示：
其中是信号第一记录光束场的空间分布，并且/>是第二记录光束场的空间分布。一元运算符*表示复共轭。公式(2)中的最后一项/>可将入射的第二记录光束映射到衍射的第一记录光束中。因此，可能得到以下等式：
其中是3D互相关性运算符。这就是说，空间域中一个光场与另一光场的复共轭的积可与频域中它们对应的傅里叶变换具有互相关性。
通常，全息图230构成真实空间中实值的折射率分布。全息图230的k空间分布的位置可分别由互相关性运算/>和/>从数学上确定，或者由矢量差值和/>从几何学上确定，其中/>和/>可表示从相应全息图k空间分布到原点的光栅矢量(未单独示出)。需注意，按照惯例，波矢由小写“k”表示，光栅矢量由大写“K”表示。
一旦被记录，全息图230可被探测光束照亮以产生衍射光束。出于本公开的目的，衍射光束可被认为是探测光束的反射，该探测光束可被称为入射光束(例如，载像光)。探测光束及其反射光束可被反射轴225按角度平分(即，探测光束相对于反射轴的入射角度与反射光束相对于反射轴的反射角度相同)。衍射过程可由类似于记录过程中的那些的k-空间中的一组数学和几何运算来表示。在弱衍射极限中，衍射光束的衍射光分布由等式(4)给出，
其中和/>分别是衍射光束和探测光束的k空间分布；并且“*”是3D卷积运算符。注释/>指示前述表达式仅在/>的情况下即结果位于k球体上时成立。卷积/>表示偏振密度分布，并且与由探测光束引起的光栅介质的不均匀电偶极矩/>的宏观总和成比例。
在一些情况下，当探测光束类似于用于记录的记录光束中的一者时，卷积的作用可以是在记录期间逆转互相关性，并且衍射光束可基本上类似于用于记录全息图的其他记录光束。当探测光束具有与用于记录的记录光束不同的k空间分布时，全息图可产生与用于记录全息图的光束完全不同的衍射光束。还需注意，尽管记录光束通常是相互相干的，但探测光束(和衍射光束)不受此限制。多波长探测光束可被分析为单波长光束的叠加，每个光束遵循具有不同k球体半径的等式(4)。
在描述k空间中的斜交镜属性时使用的术语“探测光束”类似于术语“入射光”，其在描述现实空间中斜交镜的反射属性时使用。类似地，在描述k空间中的斜交镜属性时使用的术语“衍射光束”类似于术语“主反射光”，其在描述现实空间中斜交镜的属性时使用。因此，当描述现实空间中反射镜的反射属性时，通常的说法可以是入射光被全息图(或其他光栅结构)反射为主反射光，但探测光束被全息图衍射产生衍射光束的这一说法是相同的意思。类似地，当描述k空间中斜交镜的反射属性时，通常的说法是探测光束被全息图(或其他光栅结构)衍射产生衍射光束，但入射光被光栅结构反射产生主反射光的这一说法在本公开的具体实施的上下文中具有相同的含义。
图3是根据本公开的各方面的结合了二维和一维斜交镜出射光瞳扩展技术的光学系统的图示。光学系统300可用在HMD、增强现实(AR)或虚拟现实(VR)应用中，诸如但不限于图1的HMD 100。光学系统300还可以用在各种光学耦合应用中，诸如但不限于大屏幕显示器和光学传感器应用。光学系统300可利用选择性耦合来允许斜交镜结构305(例如，在零个、一个或多于一个的波导中实现的一个或多个斜交镜)朝向特定位置诸如窥眼箱315-a衍射光，从而提高光度效率(例如，图像亮度)。选择性耦合可具有在窥眼箱315-a处产生外部出射光瞳的有利效果。相对于内部出射光瞳，外部出射光瞳可提高光学效率。所表示的角为相对于光栅介质的表面法线的内角，并且为了说明的目的，忽略在光栅介质和/或基底界面处以及在基板空气界面处的折射。
光学系统300可包括显示器355(例如，发射可见光的显示器)、光发射部件356(例如，发射不可见光诸如NIR或IR光的部件)、准直器360、水平波导365、垂直波导370和窥眼箱315-a。窥眼箱315-a可与垂直波导370保持一定距离，将该距离称为良视距375。斜交镜结构305可包括在波导365和370中的一者或两者中实现的一个或多个斜交镜。光学系统300示出了可使用斜交镜的二维和一维光瞳扩展器的示例。设置在水平波导365中的斜交镜可被称为交叉耦合器。在一些情况下，设置在垂直波导370中的斜交镜可被称为输出耦合器。
在一些情况下，可通过使用两个或更多个斜交镜来与一维和/或二维光瞳扩展结合使用如本文所述的出射辅助成像技术。例如，水平波导365可包括操作地耦合到第二斜交镜的第一斜交镜。第一斜交镜可用于在水平方向(平行于图3的X轴)上扩展光瞳。在一些示例中，第一斜交镜(例如，交叉耦合器)可设置在单独的2D(管道型)波导内。第二斜交镜可用于在垂直方向(平行于图3的Y轴)上扩展光瞳。在一些示例中，第二斜交镜(例如，输出耦合器)可设置在单独的1D(平板型)波导内。在一些示例中，第一斜交镜(例如，交叉耦合器)和第二斜交镜(例如，输出耦合器)可设置在单个1D(平板型)波导内。在一些示例中，第一斜交镜和第二斜交镜可邻接或以其他方式操作性地竖直耦合(例如，沿Y轴)。在一些示例中，第一斜交镜和第二斜交镜可邻接或以其他方式操作性地水平耦合(例如，沿X轴)。在一些示例中，第一斜交镜和第二斜交镜可邻接或以重叠的方式操作性地耦合(例如，沿Z轴)。
如图3所示，水平波导365可在水平方向上传播由显示器355发射(并且使用准直器360准直)的光。当光横穿水平波导365时，水平波导365中的斜交镜可将该光向下耦合到垂直波导370中。这样，显示器355发射的光可在两个维度上扩展。垂直波导370中的斜交镜可将二维扩展的光耦合到窥眼箱315-a中。例如，这可允许显示器355将二维可见光图像投影到窥眼箱315-a中以供用户观察。同时，光发射部件356可将不可见光(例如，IR和/或NIR光)发射到垂直波导370中。如果需要，可将附加准直器插置在垂直波导370和光发射部件356之间。该光可在一个维度上(例如，沿垂直或水平维度)横穿波导370，但在第二维度上没有明显的扩展。该一维扩展的光可通过波导370中的斜交镜耦合到窥眼箱315-a中。这可允许部件356将光投影到用户眼睛上。例如，该光可用于收集注视跟踪图像，该注视跟踪图像在窄视场(例如，比耦合到窥眼箱315-a中的可见光更窄的视场)内跟踪用户眼睛(例如，用户视网膜、视神经等)的特征。例如，不可见光可从用户眼睛反射回波导370。波导370中的斜交镜可朝向成像设备反射该不可见光。成像设备可捕获不可见光，并且可处理所捕获光以执行注视跟踪。在图3中以部件356示意性地示出这种成像设备(例如，如果需要，部件356可包括光发射器和成像设备)。由成像设备捕获的(反射)不可见光以指向部件356的箭头示出。由部件356发射的不可见光以远离部件356指向的箭头示出。该示例仅仅是例示性的，并且如果需要，可以在波导370周围的任何期望位置处形成单独的成像设备。如果需要，可附加地或另选地使用(处理)该不可见光来基于视网膜或用户眼睛的其他生理特性(例如，对于特定个体而言唯一的生理特性)收集用户识别信息。
这样，光学系统100可针对可见光执行二维扩展，并且针对不可见光执行一维扩展。例如，耦合到窥眼箱315-a中的不可见光的视场在垂直维度上(例如，平行于Y轴)可比由斜交镜耦合到窥眼箱315中的可见光的视场窄(例如，因为斜交镜在两个维度上扩展了可见光，但斜交镜未在两个维度上扩展不可见光)。平行于X轴的可见光的视场可具有与平行于X轴的不可见光的视场的尺寸相同的尺寸，可比平行于X轴的不可见光的视场窄，或可比平行于X轴的不可见光的视场长。可见光的视场的总面积可例如大于不可见光的视场的总面积。针对不可见光仅使用一维扩展可例如消除对用于不可见光的附加交叉耦合器的需求，并且可优化处理效率和设备内的空间(例如，同时仍允许跟踪期望的眼睛特征，以确定注视方向)。该示例仅为例示性的。如果需要，可交换图3中的显示器355和部件356的位置(例如，可针对不可见光执行二维扩展，但针对可见光执行一维扩展)。在另一合适的布置中，可针对可见光和不可见光两者执行二维扩展。2D波导、1D波导、基于斜交镜的输出耦合器以及基于斜交镜的交叉耦合器的任意期望数量和组合均可用于在一个和/或两个维度上扩展显示器355发射的可见光和部件356发射的不可见光。在另一合适的布置中，可使用交叉耦合器针对可见光执行二维扩展，并且可使用输出耦合器针对不可见光执行一维扩展，交叉耦合器和输出耦合器两者形成在同一波导中。例如，斜交镜(体全息光耦合元件)可包括多个体全息光栅结构(例如，体全息图)，诸如用作交叉耦合器的体全息光栅结构和用作输出耦合器的体全息光栅结构两者。在另一合适的布置中，可使用多个斜交镜(体全息光耦合元件)，其中，一个斜交镜包括用于不可见光的输出耦合器和用于可见光的交叉耦合器。
图4是包括多个体全息光栅结构405的光学部件400的图示。光学部件400可以是体全息光耦合元件，诸如由斜交镜形成的耦合器(例如，输出耦合器或交叉耦合器)。光栅结构405可以类似于具有本文所述的光栅介质的光栅结构。为了讨论的目的，以分解视图的方式示出了光栅结构405，但是这些光栅结构405可以在如本文所述的光栅介质的体积或空间内重叠和混合。另外，每个光栅结构可具有不同的衍射角响应，并且可反射不同于另一光栅结构的波长的光。
图4的示例示出了用于光学部件400中的两个光栅结构的k空间图。光栅结构405-a可具有对应的k空间图410-a，光栅结构405-b可具有对应的k空间图410-b。k空间图410-a和410-b可通过照亮全息图来示出布拉格匹配重建的情况。
k空间图410-a示出了光栅结构405-a对入射光的反射。k空间图410-a是全息图对探测光束的镜像衍射(其可被称为反射)的表示，其中，探测光束相对于反射轴的入射角等于衍射光束相对于反射轴的反射角。k空间图410-a可包括正边带k空间分布450-a，其具有相对于Z轴测量的角度，该角度等于相对于光栅结构405-a的反射轴430-a测量的角度。k空间图410-a还可包括负边带/>k空间分布453-a，其具有相对于z轴测量的角度，该角度等于相对于反射轴430-a测量的角度。k球体440-a可表示可见蓝光、可见绿光、可见红光、不可见IR光或不可见NIR光。
K空间图410-a描绘了探测光束435-a产生衍射光束k空间分布425-a的情况，该衍射光束k空间分布是点状的并位于探测光束k球体440-a上。衍射光束k空间分布425-a根据公式(4)的卷积产生。
探测光束可具有同样为点状的k空间分布435-a，在这种情况下，虽然探测光束波长不同于用于记录全息图的记录光束的波长，也可认为探测光束与全息图“布拉格匹配”，并且全息图可产生有意义的衍射。卷积运算也可由矢量和/>从几何上表示，其中/>表示衍射光束波矢量420-a，/>表示探测光束波矢量415-a，并且/>表示正边带光栅矢量451-a。矢量445-a表示根据公式(4)的卷积的探测光束波矢量415-a和正边带光栅矢量451-a的和。k空间图410-a也具有负边带光栅矢量452-a。
探测光束波矢量415-a和衍射光束波矢量420-a可形成基本上等腰的三角形的边。该三角形的相等角度可与入射角和反射角一致，入射角和反射角均相对于反射轴430-a测量。因此，光栅结构405-a可关于反射轴430-a以基本上镜像的方式反射光。
k空间图410-b可示出光栅结构405-b对入射光的反射。光栅结构405-b可反射处于与由光栅结构405-a反射的入射角不同的多个入射角下的入射光。光栅结构405-b还可反射波长与光栅结构405-a不同的光。k空间图410-b可以是全息图对探测光束的镜像衍射(其可被称为反射)的表示，其中，探测光束相对于反射轴的入射角等于衍射光束相对于反射轴的反射角。k空间图410-b具有正边带k空间分布450-a，其具有相对于Z轴测量的角度，该角度等于相对于光栅结构405-b的反射轴430-b测量的角度。k空间图410-b还具有负边带k空间分布453-b，其具有相对于Z轴测量的角度，该角度等于相对于反射轴430-b测量的角度。k球体440-b可表示可见蓝光、可见绿光、可见红光、不可见IR或不可见NIR。在一些实施方案中，k球体可表示电磁辐射的其他波长，该波长包括但不限于紫外波长。
K空间图410-b描绘了探测光束435-b产生衍射光束k空间分布425-b的情况，该衍射光束k空间分布是点状的并位于探测光束k球体440-b上。衍射光束k空间分布425-b根据公式(4)的卷积产生。
探测光束435-b具有也为点状的k空间分布在这种情况下，虽然探测光束波长不同于用于记录全息图的记录光束的波长，也可认为探测光束与全息图“布拉格匹配”，并且全息图可产生有意义的衍射。卷积运算也可由矢量和/>从几何上表示，其中/>表示衍射光束波矢量420-b，/>表示探测光束波矢量415-b，并且/>表示正边带光栅矢量451-b。矢量445-b表示根据公式(4)的卷积的探测光束波矢量415-b和正边带光栅矢量451-b的和。k空间图410-b也具有负边带光栅矢量452-b。
探测光束波矢量415-b和衍射光束波矢量420-b可形成基本上等腰的三角形的边。该三角形的相等角度可与入射角和反射角一致，入射角和反射角均相对于反射轴430-b测量。因此，光栅结构405-b可关于反射轴430-b以基本上镜像的方式反射光。
图5A示出了根据本公开的各个方面的用于制造斜交镜的制造系统500-a。系统500-a可包括样品台载体505、样品载体轨道510、第一记录光束515-a、信号镜520、第二记录光束525-a、参考镜530、参考镜载体轨道535、参考镜载体540、光栅介质545-a、全息图550、第一棱镜555-a和第二棱镜560-a。
系统500-a可包括总体坐标(xG,yG,zG)和斜交镜坐标(x,y,z)。原点可被定义为处于光栅介质545-a的中心。在一些情况下，光栅介质545-a可包括大致矩形的形状，其中“z”与光栅介质545-a的厚度对应，“x”与光栅介质545-a的面内侧的长度对应，“y”与光栅介质545-a的面内侧的长度对应。用于记录的总体角度θG可被定义为第一记录光束515-a相对于光栅介质545-a内部的xG轴的角度。斜交镜坐标(x,y,z)可通过以下公式转换成总体坐标：
系统500-a可用于将记录光束配置为具有大致等于期望窥眼箱尺寸的尺寸。在一个具体实施中，系统500-a可设置旋转镜，诸如信号镜520和参考镜530，以为第一记录光束515-a和第二记录光束525-a创建正确的角度。可以改变信号镜520的角度以产生宽度为约dEB的第一记录光束515-a的期望角度(θG1)。可定位样品阶段载体505和参考镜载体540，以便用每次曝光的记录光束照亮正确的位置。系统500-a的样品阶段载体505可定位在样品载体轨道510上，以有利于第一记录光束515-a在期望的位置处照亮光栅介质545-a。参考镜载体540可定位在参考镜载体轨道535上，以有利于第二记录光束525-a在期望位置处照亮光栅介质545-a。光栅介质545-a可在全息图记录之前或期间被称为记录介质，并且可包括光敏聚合物。在一些实施方案中，光栅介质可包括光折射晶体、重铬酸盐明胶、光热折射玻璃和/或包含分散的卤化银粒子的膜。
随着信号镜520和参考镜530的旋转设定，镜可被布置成引导第一记录光束515-a和第二记录光束525-a，使得记录光束彼此相交并相互干涉，以形成在光栅介质545-a中被记录为全息图550的干涉图案。全息图550可以是光栅结构的示例。系统500-a可形成多个光栅结构，每个光栅结构被配置为以多个入射角关于倾斜轴565-a反射特定波长的光。可使用光栅介质545-a到具有特定波长的相干光的多次曝光来形成每个光栅结构。对应于每个光栅结构的多个入射角可彼此偏移最小的角度范围。
在一些具体实施中，记录光束可具有彼此不同的宽度，或者这些宽度可以是相同的。记录光束可以各自具有彼此相同的强度，或者光束之间的强度可以不同。光束的强度可为不均匀的。通常使用与棱镜和光栅介质二者匹配的流体折射率，将光栅介质545-a在第一棱镜555-a和第二棱镜560-a之间固定就位。倾斜轴565-a以相对于表面法线570-a的倾斜角驻留。如图5A所示，相对于表面法线570-a的倾斜角可以是-30.25度。第一记录光束和第二记录光束之间的角度可在0度至180度的范围内。然后，记录的相对于表面法线570-a的倾斜角在面内系统500-a中变为φ'＝(θR1+θR2–180°)/2+φG。在θG2＝180°-θG1的标称情况下，φ'＝φG。在图5中，φG示出了相对于表面法线的标称倾斜角。另外，在图5中，未示出θG1和θG2的角度的准确描绘。角θ'G1和角θ'G2被示出并对应于角θG1和角θG2。角θG1和角θG2分别与第一棱镜555-a和第二棱镜560-a内的第一记录光束515-a和第二记录光束525-a光束相关。由于当记录光束进入棱镜时空气和棱镜之间的交界处的折射率不匹配，角θ'G1和θ'G2将不同于角θG1和θG2(例如，斯涅耳定律或折射定律的作用)。
第一记录光束515-a和第二记录光束525-a可关于倾斜轴565-a标称对称，使得相对于倾斜轴的第一记录光束内角和相对于倾斜轴的第二记录光束内角的总和等于180度。第一记录光束和第二记录光束中的每一者均可以是源自激光光源的准直平面波束。
象征性地而不是严格定量地示出了空气/棱镜交界处的折射，例如其中第一记录光束515-a与第一棱镜555-a的空气/棱镜交界相交，并且其中第二记录光束525-a与第二棱镜560-a的空气/棱镜交界相交。也可能发生在棱镜/光栅介质交界处的折射。在具体实施中，光栅介质和棱镜在405nm的记录光束波长下各自具有大约1.5471的折射率。
全息图的倾斜角(包括全息图集合的平均倾斜角)可与反射轴角度基本相同，这意味着倾斜角或平均倾斜角在反射轴角度的1.0度内。在给出本公开的益处的情况下，本领域的技术人员将认识到，倾斜角和反射轴角在理论上可以是相同的。然而，由于系统精度和准确度的限制，在记录全息图期间发生的记录介质的收缩以及其他误差源，测量的或基于记录光束角度估计的倾斜角或平均倾斜角可能不完全匹配根据斜交镜反射的光的入射角和反射角测量的反射轴角度。尽管如此，基于记录光束角度确定的倾斜角可以在基于入射光及其反射的角度确定的反射轴角度的1.0度内，即使其中中等收缩和系统缺陷会带来估计倾斜角和反射轴角度的误差。应当理解，这些介质收缩和系统缺陷可在制造斜交镜时被制作成任意小。就这一点而言，这些介质收缩和系统缺陷可被认为类似于普通反射镜或传统反射镜的平坦度。在一些示例中，与使用体积全息图制造斜交镜相关联的基本限制可基于记录介质的厚度。
当参考制造斜交镜时(例如当描述在斜交镜光栅介质中记录全息图时)，倾斜轴/反射轴通常被称为倾斜轴，并且当参考斜交镜的光反射属性时称为反射轴。全息图的倾斜角(包括全息图集合的平均倾斜角)可与反射轴角度基本相同，这意味着倾斜角或平均倾斜角在反射轴角度的1.0度内。在给出本公开的益处的情况下，本领域的技术人员将认识到，倾斜角和反射轴角度在理论上可以是相同的。然而，由于系统精度和准确度的限制，在记录全息图期间发生的记录介质的收缩以及其他误差源，测量的或基于记录光束角度估计的倾斜角或平均倾斜角可能不完全匹配根据斜交镜反射的光的入射角和反射角测量的反射轴角度。尽管如此，基于记录光束角度确定的倾斜角可以在基于入射光及其反射的角度确定的反射轴角度的1.0度内，即使其中中等收缩和系统缺陷会带来估计倾斜角和反射轴角度的误差。在给出本公开的益处的情况下，本领域的技术人员将认识到，给定全息图的倾斜角与该全息图的光栅矢量角相同。
在系统500-a的变型中，可使用可变波长激光器来改变第一记录光束和第二记录光束的波长。当第一记录光束和第二记录光束的波长改变时，第一记录光束和第二记录光束的入射角可以但并非必须保持恒定。波长可由可见红光波长、可见蓝光波长、可见绿光波长、紫外波长、IR波长和/或NIR波长构成。系统500-a的每个光栅结构均可以不同于另一光栅结构的波长反射某个入射角。系统500-a可具有反射属性，该反射属性允许其反射波长与记录光束波长基本上不同并且特别是波长比记录光束波长长得多的光。
图5B示出了根据本公开的各个方面的用于制造斜交镜的制造系统500-b。系统500-b可包括第一记录光束515-b、第二记录光束525-b、光栅介质545-b、第一棱镜555-b、第二棱镜560-b，和倾斜轴565-b。系统500-b可以是参考结合图5A讨论的实施方案的扩展视图。
在一些情况下，可以为用作交叉耦合器的光耦合设备制造一个或多个斜交镜。例如，每个反射轴可以与光瞳扩展器内的一个或多个波导的表面平行或成角度地偏移。例如，可通过在第一棱镜555-b和第二棱镜560-b内对光栅介质545-b进行重新取向来制造具有交叉斜交镜交叉耦合器配置的交叉耦合器。在一些记录具体实施中，第二棱镜560-b可省略，并且可由用于固定或稳定光栅介质545-b的部件代替。用于固定或稳定光栅介质545-b的部件还可包括光吸收特性。例如，当配置交叉耦合器时，第一记录光束515-b和第二记录光束525-b都可以进入第一棱镜555-b。
在一些情况下，第二斜交镜取向可记录在重新取向的光栅介质545-b上。第二斜交镜可与第一斜交镜至少部分重叠或不重叠的方式取向。因此，在光栅介质545-b(即，重新定向和固化过程之后的记录介质)的给定体积中形成交叉斜交镜配置。可重复重新取向过程以记录光耦合设备的所有期望倾斜轴。在一些情况下，第二斜交镜可以与第一斜交镜不重叠的方式取向。
图6示出了结合了斜交镜辅助成像的光学系统600的图示。光学系统600可以用在NED、AR或VR应用中，诸如但不限于图1的HMD 100。光学系统600还可以用在各种光学或电磁波耦合应用中，诸如但不限于大屏幕显示器应用、光学传感器应用和毫米波波导应用。光学系统600可在光栅介质615处采用选择性耦合，用于朝向特定位置诸如窥眼箱665衍射光，从而提高光度效率(例如，图像亮度)。光学系统600还可在光栅介质615处采用到外部FOV的光的选择性耦合，该外部FOV的光包括指示眼睛注视跟踪的反射不可见光频率。从俯视视角观察光学系统600，该光学系统可表示用户的左眼或右眼。
在一些情况下，斜交镜605和光栅介质615两者均可至少部分地位于光学系统600的波导内。图6中所示的波导包括具有斜交镜605和光栅介质615的一个或多个基板610，该斜交镜和该光栅介质沿波导的一部分(例如，在如图6所示的波导的一端处或沿波导的任何其他期望位置处)定位。波导经由全内反射在其长度上传播光625(例如，从与准直器(透镜)630相邻的波导的端部到波导的斜交镜605所处的部分，反之亦然)。图6的斜交镜605可例如用于在波导(诸如，图6的波导、图3的波导370和/或365等)中形成输出耦合器和/或交叉耦合器。光栅介质615可设置在斜交镜605内，并且包含用于形成斜交镜605(在本文中有时称为体全息光耦合元件605)的一个或多个体全息光栅结构(体全息图)。光栅介质615可至少部分地或完全地由一个或多个基板(例如，玻璃盖或类似保护层)610封闭。光栅结构可以是一种光学设备，其可将入射光反射、衍射和/或分离成光束或波，然后，该光束或波可在不同的方向上继续传播。光栅可通过光栅的衍射角响应来表征。衍射角响应可表示响应于入射角的小变化的光反射角的变化。
光栅介质615可包括光敏聚合物，光折射晶体，重铬酸盐明胶，光热折射玻璃，包含分散的卤化银粒子的膜，或具有反应并记录入射干涉图案的能力的其他材料。体全息光栅结构可包括全息图，诸如体相位全息图。可将多个全息图记录到光栅介质内部体积中，并且因此可在光栅介质表面下方延伸。因此，这些全息图有时被称为体积全息图。在一些具体实施中，该多个全息图中的每一者与该多个全息图中的其他全息图中的至少一者但不是全部至少部分地在空间上重叠。在一些示例中，该多个全息图中的每一者与所有其他全息图至少部分地在空间上重叠。在一些示例中，该多个全息图中的一些可与其他全息图中的一些不在空间上重叠。
例如，空间重叠的全息图相对于在连续光栅介质中由两个全息图占据的空间或共享的体积重叠(例如，两个空间重叠的全息图共享或共存于光栅介质615内的相同空间或体积的至少一部分中)。这样，第一全息图的至少一些变化的折射率属性和相关联的条纹图案将占据光栅介质615内第二全息图的至少一些变化的折射率属性和相关联的条纹图案的相同空间或体积(并且与其叠加或混合)。在全息图不在空间上重叠的示例中，两个全息图在连续的光栅介质内不以任何方式相交或重叠。例如，可将第一全息图设置在光栅介质615的与第二全息图间隔开的体积部分上。在一些实施方案中，斜交镜可包括光栅介质615内在空间上重叠和空间上不重叠的全息图。
光栅介质615内的每个体全息光栅结构可被配置为关于斜交镜605的反射轴反射光。反射轴可以是所示的轴620的示例。反射轴可偏离光栅介质的表面法线。入射光及其反射光被反射轴等分，使得入射光相对于反射轴的内入射角的量值与反射光相对于反射轴的内反射角的量值相同。也就是说，入射光及其反射可表现出关于反射轴的左右对称。在一些具体实施中，光栅结构可被配置为以某个反射角反射光，该反射角在该多个入射角和光栅介质的表面法线之间。
不可见光源660(例如，NIR或IR二极管)可被包括在光学系统600中，并且可发射不可见输入光，以用于随后穿过波导传播。发射的不可见光可与不同于可见光谱的一个或多个波频率谱对应(例如，NIR光)。不可见光的空间波频率可与人类视网膜至少部分地不可检测到的频率对应。光源或光投影仪640(例如，包括像素阵列、微显示器、投影仪等的图像显示器)也可被包括在光学系统600中，并且可发射可见光，该可见光包括可见的红光、绿光和蓝光的波长。发射的可见光可与光学系统600的图像投影对应，用于随后在窥眼箱665处显示。如果需要，在一些配置中可省略显示器640。
光源660的不可见光可被引导到滤波器635(例如，光学滤波器，诸如二向色滤波器)，并且经由滤波器635反射，以输入到包括斜交镜605的波导。光源或光投影仪640的可见光可穿过滤波器635，以输入到包括斜交镜605的波导。在一种合适的布置中，滤波器635可以是斜交镜(例如，可包括光栅介质中的一个或多个体全息光栅结构，用于将来自光源660的不可见光和来自显示器640的可见光引导到包括斜交镜605的波导中)。可见光的透射率与NIR光的定向反射率一起可允许滤波器635组合光源640和660提供的光模式，以便于形成用于波导的入射光瞳以及朝向光栅介质615的输出耦合器部分的传播，并且分开从斜交镜605传播的返回光。在一些情况下，滤波器635可将输入光引导到光学系统600的波导。斜交镜605本身通常可以是波导实施方案(例如，TIR波导)。一个或多个斜交镜型部件或设备(例如，交叉耦合器实施方案)可在波导处引导输入光，并且反射输入光，以使其在不同方向上穿过波导传播。另选地，滤波器635可将输入光引导到斜交镜605，而无需波导IR或NIR的传播路径和输入光的可见光模式。
入射光可通过TIR朝向光栅介质615的一个或多个光栅结构传播。在一些情况下，光栅615可包括针对彼此不同的角度和波长的组合进行布拉格匹配的体全息结构。也就是说，在光栅介质内，基于可彼此不同的体全息光栅结构，沿相同的反射轴反射波长彼此不同的光。不可见光和可见光可由光栅介质615的一个或多个结构选择性地反射，并且被引导到窥眼箱665以用于外部显示或照亮。
光学系统600被示出为在大致位于在光栅介质615的端部处的平面处反射光。然而，在实践中，通常在整个光栅结构上而不是在特定平面处反射光。另外，对于旨在被引导到窥眼箱665的每个反射光线，可针对各种波长的可见光和不可见光写入光栅介质615的一个或多个体全息光栅结构中的一个或多个体全息图。
来自显示器640的可见光可被引导到用户，并且可照亮用户眼睛。可见光可例如在两个维度上扩展(例如，如图3所示)。这样，显示器640可投影由用户查看和感知的可见图像。来自光源660的不可见光可朝向用户眼睛被引导，并且可照亮用户眼睛。由于包括不可见光的光模式的空间频率，在未检测或识别到光模式的情况下，不可见光可照亮用户眼睛。照明不可见光的一个或多个光模式可由用户眼睛反射，并且在斜交镜605的光栅介质615处向内耦合。反射的不可见光可与用户眼睛(例如，用户视网膜、视神经或其他生理特征)的捕获图像对应(例如，如图3所示在一个维度上扩展)，并且可用于确定用户的观察视角(例如，使用注视跟踪操作来跟踪用户注视的方向)。然后，如果需要，用户的视角可与载像光中的对应FOV内的对象相关联。
光栅介质615中的一个或多个体全息光栅结构可选择性地反射向内耦合的不可见反射光(例如，将不可见光耦合到用户眼睛中的同一体全息光栅结构或不同的体全息光栅结构)。反射的不可见光可通过全内反射穿过包封斜交镜605的波导并朝向滤波器635传播。在一些情况下，光栅介质615和斜交镜605可被包封在光学系统600的波导内，并且可经由波导将反射的不可见光引导到滤波器635。光栅介质615可引导输入光穿过波导到达滤波器650，而无需波导反射不可见光的耦合光模式的传播路径。
滤波器635可选择性地反射反射不可见光的光模式，并且将反射不可见光引导到成像设备655(例如，被配置为接收不可见光的眼睛注视成像设备或相机)。成像设备655可耦合到光学系统600的光学路径，并且可确定与光学系统600的FOV相关联的用户注视特性(例如，用于执行随时间推移跟踪用户注视的方向的注视跟踪操作)。如果需要，成像设备655还可以或可以另选地基于从反射的不可见光获得的生理信息(例如，关于用户视网膜的信息)来确定用户身份。如果需要，双折射材料(诸如QWP645或PBS 650)可被包括在光学系统600内包括的一个或多个光学路径中，并且可接收优先于成像设备655的检测器的反射不可见光。QWP 645可将反射不可见光分段并调整光传播的平面，这包括调整与折射率相关联的一个或多个光模式的相位偏移。在一些情况下，QWP 645可转换反射不可见光的偏振态(例如，从线性偏振转换到圆偏振，或者反之亦然)。PBS650可将反射的不可见光引导到成像设备655，并且可有助于分开由光源660发射的反射不可见光和另选不可见光。成像设备655可接收并收集反射不可见光的外部图像，并且可执行注视跟踪。成像设备655可确定用户的光学注视相对于投影图像的FOV的方向偏移。如果需要，方向偏移可包括投影图像的FOV的参考取向平面内的横向和纵向偏移，以及与参考取向平面的角度和远侧偏移。
图6的示例仅仅是例示性的，其中，显示器640、成像设备655和部件660全部操作地耦合到斜交镜605的底侧。如果需要，这些部件中的一者或多者可沿斜交镜605的任何其他边缘定位。显示器640和部件660不必位于斜交镜605的同一侧处。例如，显示器640可将可见光发射到斜交镜605的第一侧中，而部件660将不可见光发射到斜交镜605的第二侧(例如，与第一侧或任何其他期望侧相对的一侧)中。成像设备655可从斜交镜605的任一侧(例如，部件660通过其发射不可见光的同一侧或不同的一侧)接收反射不可见光。在这些部件位于斜交镜605的不同侧上的情况下，如果需要，可省略部件635、645和/或650。任何其他期望光学部件(例如，透镜、滤波器、偏振器等)可用于将显示器640发射的可见光和部件660发射的不可见光耦合到斜交镜605中，并且用于将反射的不可见光从斜交镜605引导到成像设备655。
图7示出了根据本公开的各方面的支持辅助成像的各方面的曲线图。曲线图700包括如在轴705-a上表示的光栅量值以及如在轴705-b上表示的相对于所体现的光学系统的倾斜轴的内角的角度测量结果。光学系统可参考参考图6的光学系统600。所表示的轴705-a的光栅量值可以107弧度/米(rad/m)表示。所表示的轴705-b的内角可以度表示。
曲线图700的曲线710-e表示波长为405.0nm的记录光束。所示的曲线710-e示出了内角对应于与记录光束相关联的变化光栅量值的映射。类似地，曲线710-d和710-c表示波长为468.0nm和518.0nm的光束。曲线图700包括在光栅介质内采用的一个或多个NIR波长光谱束的表示，其作为用于执行发射和反射的NIR光模式的耦合的手段。曲线710-b和710-a表示在NIR光谱的638.0nm和860.0nm波长处的光束。
如在曲线图700内所表示的，并且如所描绘的FOV的虚线水平线所示，投影的一个或多个较低空间频率(例如，曲线710-a)可与针对NIR注视跟踪实现的一个或多个较高空间频率对应。因此，内插显示器FOV的FOV子集可用于注视跟踪，而不需要附加全息媒体或因执行眼睛注视功能所必须而写入附加全息图；或者，如果需要，可将IR专用全息图记录在同一介质层中或记录在单独层中。
图8示出了结合了斜交镜辅助成像的光学系统800的图示。光学系统800可以用在NED、AR或VR应用中，诸如但不限于图1的HMD 100。光学系统800还可以用在各种光学或电磁波耦合应用中，诸如但不限于大屏幕显示器应用、光学传感器应用和毫米波波导应用。光学系统800可在光栅介质815处采用选择性耦合，用于朝向特定位置诸如窥眼箱845衍射波导的光，从而提高光度效率(例如，图像亮度)。光学系统800还可在光栅介质815处采用选择性耦合，用于向内耦合与外部场景对应的可见光。
光栅介质815可设置在斜交镜805内，并且包含一个或多个体全息光栅结构。斜交镜805和光栅介质815可至少部分地位于光学系统800的波导内。光栅介质815可至少部分地或完全地由一个或多个基板810(例如，玻璃盖或类似保护层)封闭。光栅结构815可将入射光反射、衍射和/或分离成光束或波，然后，该光束或波可在不同的方向上继续传播。介质815的一个或多个光栅可通过光栅的衍射角响应来表征。衍射角响应可表示响应于入射角的小变化的光反射角的变化。
光栅介质815可包括光敏聚合物，光折射晶体，重铬酸盐明胶，光热折射玻璃，包含分散的卤化银粒子的膜，或具有反应并记录入射干涉图案的能力的其他材料。体全息光栅结构可包括体全息图，诸如体积相位全息图。可将多个体全息图记录到光栅介质内部体积中，并且因此，该多个体全息图可在光栅介质表面下方延伸。在一些具体实施中，该多个体全息图中的每一者与该多个体全息图中的其他全息图中的至少一者但不是全部至少部分地在空间上重叠。在一些示例中，该多个体全息图中的每一者与所有其他体全息图至少部分地在空间上重叠。在一些示例中，该多个体全息图中的一些可与其他体全息图中的一些不在空间上重叠。
光栅介质815内的光栅结构中的每一者均可被配置为以特定的多个入射角关于反射轴反射特定波长的光，该反射轴偏离光栅介质815的表面法线。该反射轴可与图6的示例中所示的反射轴620类似。反射轴可偏离光栅介质815的表面法线。入射光及其反射光可被反射轴等分，使得入射光相对于反射轴的内入射角的量值与反射光相对于反射轴的内反射角的量值相同。也就是说，入射光及其反射可表现出关于反射轴的左右对称。在一些具体实施中，体全息光栅结构可被配置为以反射角反射光，该反射角在该多个入射角和光栅介质的表面法线之间。
光源或光投影仪830(例如，显示器，诸如图6的显示器640)可以被包括在光学系统800中，并且可以发射图像投影的图像显示光835(例如，可见光)。图像显示光835可与来自形成为入射光瞳的光源或光投影仪830的输入光对应，并且可经由波导应用的入射孔向内耦合该图像显示光。波导可引导入射光瞳内包含的一个或多个光模式，并且这些模式可通过TIR朝向斜交镜805和封闭光栅介质815传播。在一些情况下，一个或多个斜交镜型部件或设备(例如，交叉耦合器实施方案)可在波导处引导图像显示光835，并且反射光，以使其在不同方向上穿过波导传播。光栅介质815可经由光栅介质815的另一种结构选择性地反映图像显示光835的出射光瞳。光栅介质815可将包括图像显示光835的向外耦合光模式引导到窥眼箱845以用于外部显示。在一些情况下，可在包括斜交镜805的整个光学设备800中采用出射光瞳扩展和均衡技术(例如，用于在如图3所示的两个维度上扩展可见光)。斜交镜805可与光学系统800的一个或多个实施方案操作地耦合，以扩展图像显示光835的投影FOV。
光栅介质815可围绕光学系统800向内耦合外部场景光840。外部场景光840通常可为可见光，但例如在使用待由用户接收的IR光谱的AR应用中也可包括不可见光。外部场景光840可形成光学系统800的附加入射光瞳，该入射光瞳可与用户的外部场景或视角对应。在一些情况下，光栅介质815可包括针对与外部场景光840的光模式对应的角度和波长的组合进行布拉格匹配的体全息结构。外部场景光840可由光栅介质815的一个或多个光栅结构沿相同的反射轴选择性地反射，并且被引导到成像设备825(例如，被配置为接收可见光的外部场景成像设备或相机)以用于图像记录。
在一些情况下，图像显示光835的杂散图像显示光(即，未输出耦合或朝向窥眼箱845反射的光的一部分)可穿过波导传播到成像设备825。外部场景光840可与入射在成像设备825的检测器上的杂散图像显示光叠加。至少部分地基于波导的透射率，外部场景光840相比于杂散图像显示光可以是较暗的。因此，可在成像设备825处，将滤波器820用作相比于外部场景光840去除杂散图像显示光或重新平衡杂散图像显示光的设备。例如，滤波器820可采用被配置为反射波长与斜交镜805相同的光的斜交镜实施方案。滤波器820可包括偏振器或二向色元件，用于阻挡来自外部场景光840的杂散图像显示光。
附加地或另选地，成像设备825可在特定时间处从光源或光投影仪830接收与图像显示光835对应的图像信息。成像设备825可使用该图像信息来去除随外部场景光840一起传播到成像设备825的检测器的任何剩余杂散图像显示光。这样，外部场景光840可由成像设备825通过数字地减去与光源或光投影仪830的投影图像相关联的杂散图像显示光来精确地确定。在一些示例中，光学系统800可在时间上分段或复用操作，使得当成像设备825尝试检测和记录外部场景光840时，光源或光投影仪830不会发射图像显示光835。光学系统800可采用这些机制中的一者或多者，以从待由成像设备825中检测和/或记录的用户视角增强外部场景的光学清晰度。不可见光发射部件，诸如图6的部件660，还可与图8的布置组合，用于执行注视跟踪操作。在这些场景中，图6的成像设备655可用于接收从用户眼睛反射的不可见光。成像设备655和部件660可位于斜交镜805的与成像设备825相同的一侧处，位于与显示器830相同的一侧处，或者位于斜交镜805的另一侧上。成像设备655和部件660不必形成在斜交镜805的同一侧上。如果需要，成像设备825可用于接收反射的不可见光，用于执行注视跟踪。在另一合适的布置中，成像设备825可用于捕获外部场景光840，图6的不可见光部件660和655可用于执行注视跟踪，并且可省略显示器840(例如，可执行可见光显示、外部场景成像、外部场景光传输到用户眼睛上、及利用不可见光进行注视跟踪的任何期望组合)。偏斜反射镜805中的体全息光栅结构可将外部场景光、投影的可见图像以及用于注视跟踪的不可见光引导到系统800中的对应部件。
上文结合图1至图8所述的注视跟踪操作可通过捕获和分析用户眼睛的图像来执行。可使用图3的元件356中的成像设备、图6的成像设备655等来捕获图像。可使用HMD设备100、光学系统300、光学系统600等中的控制电路来分析所捕获的图像。控制电路可被配置为控制HMD设备100、光学系统300、光学系统600等的部件。控制电路可被配置为利用硬件和/或软件(例如，在硬件上运行的代码)来执行这些操作。用于执行这些操作的代码可存储在非暂态计算机可读存储介质(例如，非易失性存储器、一个或多个硬盘驱动器、一个或多个闪存驱动器或其他可移动介质等)上。可使用控制电路的处理电路(例如，一个或多个微处理器等)来执行存储在存储介质上的代码。
控制电路可基于生理特征(诸如虹膜、角膜、Purkinje反射和用户眼睛的其他特征)来分析图像，用于执行注视跟踪操作。如果需要，控制电路可使用这些生理特征的图像来执行用户身份验证。视网膜注视跟踪可包括处理由成像设备捕获的用户视网膜的图像。控制电路可处理元素，诸如视网膜的尺寸，视网膜随眼睛旋转的平移，当眼睛适应无限远时的焦点，来自波导、静脉或其他特征的伪影，或执行视网膜注视跟踪时的任何其他期望元素。控制电路可使用后续帧相关技术来跟踪相对运动，可估计模糊核以用于适应，可执行绝对跟踪(例如，将图像与视网膜标测图进行比较，执行计算滤波，校准例程等)，并且/或者可在执行视网膜注视跟踪时执行其他处理步骤。当从眼睛外部观察时，视网膜在眼睛适应无限远时处于无焦图像空间，这一事实有利于视网膜注视跟踪。这意味着，在眼睛外部准直与视网膜上的图像点对应的光束，并且可利用平坦斜交镜耦合器穿过波导耦合该光束，以形成高质量图像。在眼睛适应另一焦距的情况下，某些模糊或其他光学效果可被引入到图像中。在一些实施方案中，视网膜跟踪算法对于这种模糊是稳健的。在一些实施方案中，可以通过算法估计模糊量或模糊核，用于确定用户眼睛适应。在一些实施方案中，可使用结合图1至图8描述的类型的基于斜交镜的NED将其他技术应用于视网膜注视跟踪。在一些实施方案中，可使用视网膜图像来执行用户身份验证。
除注视跟踪算法之外，控制电路还可执行其他处理算法。在一些实施方案中，可执行视网膜图像之间的互相关操作。在不同时间处拍摄的视网膜图像之间的互相关性可用于估计时间间隔内眼睛运动的方向和/或量值。在一些实施方案中，与图像检测器相比，视网膜图像可具有低分辨率或者具有降低的分辨率，以便减少计算。在一些示例中，可最小化互相关性的数量，例如，在向上、向下、向右和向左方向上仅包括单个像素移位。少量的互相关性可减少计算，同时充分地估计方向和距离。在一些示例中，互相关过程可类似于用于光学鼠标跟踪的那些。互相关过程可提供相对注视跟踪信号。相对注视跟踪可用于通过航位推测法来更新绝对注视方向估计。
可生成并保留表示视网膜的标测图，用于注视跟踪目的。视网膜标测图可通过校准算法生成，例如通过指示用户注视一系列校准目标来生成。还可在用户参与其他活动时被动地生成或更新视网膜标测图。视网膜标测图可另外用于用户身份验证。注视跟踪器可采用图像匹配技术来在视网膜标测图内定位当前视网膜图像，从而确定绝对注视方向。
可选择视网膜图像的区域，使得当用户正直视前方时观察视神经。由于视神经靠近血管和有利于图像匹配的其他粗略特征，视神经可能是用于视网膜跟踪的良好目标。视神经对应于盲点，并且可为NIR光照明提供生物学上更安全的目标。
在一些实施方案中，控制电路可借助于数字滤波器组合相对和绝对注视方向提示，以产生更准确的注视方向估计。数字滤波器可类似于卡尔曼滤波器。卡尔曼滤波器能够组合噪声和/或间歇的绝对和相对位置信号，以产生准确度得到改善的估计。卡尔曼滤波器可类似的方式将间歇视网膜标测图匹配与相对注视跟踪信号组合。卡尔曼滤波器可利用其他已知信息，例如，通过将增大的概率附加到用户正在注视大致在当前注视方向估计附近的显示图标的前景上。
如所提及的，当眼睛适应无限远时，平坦斜交镜耦合器可通过波导提供视网膜的聚焦图像。在一些实施方案中，可采用非平坦斜交镜耦合器。例如，当眼睛适应一米的焦距时，具有一屈光度的斜交镜耦合器可产生视网膜的聚焦图像。可根据假定的环境或者根据与所显示的AR场景的焦深匹配来选择最佳焦深。在一些实施方案中，一个或多个波导中采用多个斜交镜耦合器，以提供多个聚焦平面。
在采用眼睛表面注视跟踪的情况下，可使用焦距大致与从斜交镜到眼睛的距离匹配的高功率斜交镜耦合器。例如，焦距为25mm的斜交镜耦合器可准直从虹膜上的某个点发射的光，从而允许其作为平面波的形式穿过波导传播，并在光电探测器处形成清晰的图像。在其他情况下，可使用外部透镜来准直从虹膜上的点发射的光。
在实践中，透明的NED可能无法以投影场景遮挡真实场景。通常仅可将光添加到背景视图，而无法从背景视图中减去光。因此，投影场景趋于看起来似乎是透明的，尤其是在明亮的背景场景上叠加的较暗的投影场景。在一些实施方案中，可通过从期望AR场景中减去背景场景并投影该差异场景而不是期望场景本身来减轻该效果。因此，用户看到背景场景和差异场景的叠加，与直接投影期望场景相比，这些场景可能更加类似于期望场景。例如，假设期望场景是黄色的，但背景包含红色的带。直接投影黄色场景将导致用户感知到橙色(红色+黄色＝橙色)的带。然而，从期望黄色场景中减去红色的带会产生具有绿色带的差异场景。当该差异场景添加到具有红色带的背景中时，将根据需要生成均匀的黄色场景(红色+绿色＝黄色)，从而掩盖了对红色带的感知。
对于覆盖在较亮背景场景上的较暗投影场景，用于差异场景的一些值可能是负的。这指示因无法投影负光度值而无法实现完全反转遮挡的区域。在这种情况下，控制电路可将负值截断为零。在一些实施方案中，控制电路可应用进一步处理步骤(诸如，使期望场景变亮或改变其颜色的步骤)，以便减轻这种限制。
反转遮挡需要减去背景场景的估计。在一些实施方案中，位于观察者眼睛附近的相机可提供背景图像。但是，视差效果可能会导致视角差异，从而降低遮挡效果。在一些实施方案中，可采用倒置视角成像来根据非常接近用户眼睛的观看位置的位置产生背景场景，从而减少视差降低。
可对来自相机的背景图像进行数字预处理，以便改善遮挡效果。例如，可缩放图像的颜色和亮度，使得经减去的图像与用户眼睛所感知的背景场景的颜色和亮度最佳地匹配。可掩盖背景场景以仅在特定的AR场景区域中产生遮挡。在一些示例中，可对背景图像进行空间滤波。例如，可对背景图像进行空间低通滤波，以便抑制不太可能与真实背景场景良好对齐的精细细节。在使用倒置视角背景图像的情况下，可对图像进行滤波以减少由通过波导成像引起的伪影。
在一些应用中，仅因为系统(包括或不包括NED)具有从大孔收集光的能力，就可在该系统中采用反向波导成像。例如，采用12英寸斜交镜波导耦合器的相机可收集与具有12英寸透镜的相机一样多的光，但该相机的包装小得多且可能更便宜。作为示例，在其他应用中，反向波导可用于非成像应用中，例如，用作照明、仪器或太阳能发电的光收集器。
应当指出的是，这些方法描述了可能的具体实施，并且可重新布置或以其他方式修改操作和步骤，使得其他具体实施是可能的。在一些示例中，可组合来自两种或更多种方法的方面。例如，每种方法的各个方面可包括其他方法的步骤或方面，或本文所述的其他步骤或技术。
尽管本文已经描述和图示了各种实施方案，但可使用其他手段和/或结构，用于执行相应功能，并且/或者获得本文所述的相应结果以及/或益处中的一者或多者，并且这些变型和/或修改中的每一者均被认为是在本文描述的实施方案的范围内。更一般地，本文所述的所有参数、维度、材料和配置仅仅是例示性的，并且实际参数、维度、材料和/或配置可取决于特定应用或实施方案所用于的应用。可以任何期望组合实践这些实施方案。另外，各种构思可体现为已提供示例的一个或多个方法、设备或系统。可以任何合适的方式对作为方法或操作的一部分执行的动作进行排序。因此，可以构造在其中以不同于所示顺序的顺序执行动作的实施方案，这可包括同时执行一些动作，即使这些动作在实施方案中被示出为顺序动作。如本文所用，参考一个或多个元素列表，短语“至少一个”应该理解为意指选自元素列表中的任意一个或多个元素的至少一个元素，但不一定包括元素列表内特别列出的每个元素中的至少一者，并且不排除元素列表中元素的任意组合。过渡型短语诸如“包含”、“包括”、“承载”、“具有”、“含有”、“涉及”、“保留”、“由......组成”等应被理解为是开放式的，即意指包括但不限于。术语“大约”是指给定值加或减10％。
术语“反射轴”是指将入射光相对于其反射的角度平分的轴。入射光相对于反射轴的入射角的绝对值等于入射光的反射相对于反射轴的反射角的绝对值。对于传统反射镜，反射轴与表面法线重合(即，反射轴垂直于反射镜表面)。相反，体全息光栅结构和斜交镜的具体实施可具有不同于表面法线的反射轴，或者在一些情况下可具有与表面法线重合的反射轴。反射轴角度可通过以下方式来确定：将入射角与其相应的反射角相加，并将所得总和除以二。入射角和反射角可以是凭经验确定的，采用多次测量(通常为三次或更多次)用于产生平均值。
术语“反射”和类似术语在通常“衍射”被认为是适当术语的一些情况下用于本公开中。“反射”的使用与斜交镜所展现的镜像属性一致，并且有助于避免可能混淆的术语。例如，在表述为光栅结构被配置为“反射”入射光的情况下，换句话讲，也就是光栅结构被配置为“衍射”入射光，因为通常认为光栅结构通过衍射作用于光。然而，术语“衍射”的此类使用将导致出现诸如“入射光关于大致稳定的反射轴衍射”的表述，这可能造成困惑。因此，在表述为光栅结构“反射”入射光的情况下，光栅结构实际上通过衍射机制来“反射”光。
术语“全息图”和“全息光栅”是指由多个交叉光束之间的干涉产生的干涉图案的记录。在一些示例中，全息图或全息光栅可由多个交叉光束之间的干涉产生，其中每个多个交叉光束在曝光时间内保持不变。在其他示例中，全息图或全息光栅可由多个交叉光束之间的干涉产生，其中在记录全息图时改变多个交叉光束中的至少一个在光栅介质上的入射角，和/或在记录全息图时改变波长(例如，复杂全息图或复杂全息光栅)。
术语“正弦体光栅”是指具有光学属性的光学部件，诸如折射率，在整个体积区域中以大体上正弦曲线的轮廓进行调制。每个(简单/正弦)光栅对应于k空间中的单个互补矢量对(或k空间中的基本上点状互补对分布)。术语“入射光瞳”是指进入成像光学设备的光束以其最小尺寸通过的真实或虚拟光圈。术语“窥眼箱”是指一个二维区域，该二维区域概述了一个可放置人瞳孔的区域，以用于在距离光栅结构的固定距离处观察全视场。术语“良视距”是指光栅结构与对应的窥眼箱之间的固定距离。术语“出射光瞳”是指从成像光学设备射出的光束以其最小尺寸通过的真实或虚拟光圈。在使用中，成像光学系统通常被配置为将光束引导向图像捕获装置。图像捕获装置的示例包括但不限于用户的眼睛、相机或其他光电检测器。
根据一个实施方案，提供了用于执行注视跟踪的光学系统，该光学系统包括：光源，该光源被配置为发射不可见光；波导，该波导操作地耦合到光源并具有第一波导表面和第二波导表面；以及体全息光耦合元件，该体全息光耦合元件设置在第一波导表面和第二波导表面之间，其中，体全息光耦合元件包括光栅介质和在光栅介质内的体全息光栅结构，该体全息光栅结构被配置为关于偏离光栅介质的表面法线的反射轴反射不可见光。
根据另一个实施方案，体全息光耦合元件被配置为输出来自波导的不可见光并且接收从波导输出的不可见光的反射版本，该电子设备还包括成像设备，其中，体全息光耦合元件被配置为朝向成像设备引导不可见光的反射版本。
根据上述实施方案的任意组合，光学系统还包括偏振分束器，该偏振分束器操作地耦合在波导、光源和成像设备之间，其中偏振分束器被配置为将不可见光的反射版本与由光源发射的不可见光分开。
根据上述实施方案的任意组合，光学系统还包括四分之一波片，该四分之一波片操作地耦合在波导和偏振分束器之间，其中，四分之一波片被配置为将不可见光的反射版本从波导传送到偏振分束器。
根据上述实施方案的任意组合，光源包括红外光源，并且不可见光包括红外光。
根据上述实施方案的任意组合，光学系统还包括显示器，该显示器操作地耦合到波导并且被配置为发射可见光，其中，体全息光耦合元件还包括光栅介质内的附加体全息光栅结构，该附加体全息光栅结构被配置为关于反射轴反射可见光。
根据上述实施方案的任意组合，光学系统还包括光学滤波器，该光学滤波器操作地耦合到波导并且被配置为将可见光与不可见光分开。
根据上述实施方案的任意组合，光学滤波器包括选自二向色滤波器、偏振器和附加体全息光耦合元件的部件。
根据上述实施方案的任意组合，光学系统还包括附加成像设备，其中，体全息光耦合元件被配置为朝向附加成像设备引导从光学系统外部接收到的光。
根据上述实施方案的任意组合，光学系统还包括显示器，该显示器被配置为发射可见光，其中体全息光耦合元件被配置为将可见光和不可见光耦合到光学系统的出射光瞳中，并且其中体全息光耦合元件被配置为针对可见光在两个维度上扩展出射光瞳。
根据上述实施方案的任意组合，体全息光耦合元件被配置为针对不可见光在一个维度上扩展出射光瞳。
根据上述实施方案的任意组合，体全息光耦合元件包括交叉耦合器，该交叉耦合器针对可见光在两个维度上扩展出射光瞳；并且体全息光耦合元件包括输出耦合器，该输出耦合器针对不可见光在一个维度上扩展出射光瞳。
根据上述实施方案的任意组合，光学系统还包括显示器，该显示器被配置为发射可见光，其中，体全息光耦合元件包括输出耦合器和交叉耦合器。
根据上述实施方案的任意组合，波导被配置为在给定方向上传播不可见光和可见光，交叉耦合器被配置为在可见光穿过波导传播时将可见光反射到光学系统的二维窥眼箱中，并且输出耦合器被配置为在不可见光穿过波导传播时将不可见光反射到二维窥眼箱中。
根据一个实施方案，提供了用于对外部场景进行成像的光学系统，该光学系统包括：显示器，该显示器被配置为发射可见光；体全息光耦合元件，该体全息光耦合元件包括光栅介质和光栅介质内的体全息光栅结构，该体全息光栅结构被配置为透射来自外部场景的可见光的第一部分并且以给定入射角关于反射轴反射来自外部场景的可见光的第二部分，该反射轴偏离光栅介质的表面法线；以及成像设备，该成像设备操作地耦合到体全息光耦合元件，其中，成像设备被配置为响应于由体全息光栅结构反射的可见光的第二部分来生成图像数据。
根据另一个实施方案，光学系统还包括波导，该波导具有第一波导表面和第二波导表面，该体全息光耦合元件设置在第一波导表面和第二波导表面之间。
根据上述实施方案的任意组合，体全息光栅结构被进一步配置为关于反射轴反射不可见光。
根据一个实施方案，提供了一种电子设备，该电子设备包括：窥眼箱；光源，该光源被配置为发射不可见光；显示器，该显示器被配置为发射可见光；波导，该波导操作地耦合到光源和显示器，并且具有第一波导表面和第二波导表面；以及光耦合元件，该光耦合元件设置在第一波导表面和第二波导表面之间，其中，光耦合元件被配置为朝向窥眼箱引导可见光和不可见光，并且光耦合元件包括：介质；介质内的第一体全息光栅结构，该第一体全息光栅结构被配置为以第一入射角关于第一反射轴反射不可见光，第一反射轴偏离介质的表面法线；以及光栅介质内的第二体全息光栅结构，该第二体全息光栅结构至少部分与第一体全息图重叠，该第二体全息光栅结构被配置为以第二入射角关于第二反射轴反射可见光，该第二反射轴偏离介质的表面法线，该第二入射角不同于第一入射角。
根据另一个实施方案，电子设备还包括成像设备，其中，光耦合元件被配置为接收已从窥眼箱耦合到波导中的不可见光的反射版本，光耦合元件被配置为朝向成像设备引导不可见光的反射版本，并且成像设备被配置为响应于不可见光的反射版本而采集图像数据。
根据上述实施方案的任意组合，电子设备还包括光学滤波器，该光学滤波器操作地耦合到波导，其中，光学滤波器被配置为：朝向波导引导光源发射的不可见光，朝向成像设备引导不可见光的反射版本，并且将可见光从显示器引导到波导。
前述内容仅为例示性的并且可对所述实施方案作出各种修改。前述实施方案可独立实施或可以任意组合实施。

Claims (18)

1.一种用于执行注视跟踪的光学系统，所述光学系统包括：
光源，所述光源被配置为发射不可见光；
波导，所述波导操作地耦合到所述光源并具有第一波导基板和第二波导基板，所述第一波导基板具有相对的第一表面和第二表面，所述第二波导基板具有相对的第三表面和第四表面，所述第三表面和所述第四表面平行于所述第一波导基板的所述第一表面和所述第二表面延伸；以及
体全息光耦合元件，所述体全息光耦合元件设置在所述第一波导基板和所述第二波导基板之间，所述体全息光耦合元件包括：
设置在所述第一波导基板和所述第二波导基板之间并且接触所述第二表面和所述第三表面的光栅介质，和
位于所述光栅介质内的体全息光栅结构，所述体全息光栅结构被配置为关于反射轴反射所述不可见光，所述反射轴偏离所述光栅介质的表面法线。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述体全息光耦合元件被配置为从所述波导输出所述不可见光并接收从所述波导输出的所述不可见光的反射版本，所述光学系统还包括：
成像设备，其中所述体全息光耦合元件被配置为朝向所述成像设备引导所述不可见光的所述反射版本。
3.根据权利要求2所述的光学系统，还包括：
偏振分束器，所述偏振分束器操作地耦合在所述波导、所述光源和所述成像设备之间，其中所述偏振分束器被配置为将所述不可见光的所述反射版本与由所述光源发射的所述不可见光分开。
4.根据权利要求3所述的光学系统，还包括：
四分之一波片，所述四分之一波片操作地耦合在所述波导和所述偏振分束器之间，其中所述四分之一波片被配置为将所述不可见光的所述反射版本从所述波导传送到所述偏振分束器。
5.根据权利要求2所述的光学系统，其中所述光源包括红外光源，并且所述不可见光包括红外光。
6.根据权利要求2所述的光学系统，还包括：
显示器，所述显示器操作地耦合到所述波导并被配置为发射可见光，其中所述体全息光耦合元件还包括：
位于所述光栅介质内的附加体全息光栅结构，所述附加体全息光栅结构被配置为关于所述反射轴反射所述可见光，所述反射轴偏离所述光栅介质的所述表面法线。
7.根据权利要求6所述的光学系统，还包括：
光学滤波器，所述光学滤波器操作地耦合到所述波导并被配置为将所述可见光与所述不可见光分开。
8.根据权利要求7所述的光学系统，其中所述光学滤波器包括从由以下项组成的组中选择的部件：二向色滤波器、偏振器和附加体全息光耦合元件。
9.根据权利要求6所述的光学系统，还包括：
附加成像设备，其中所述体全息光耦合元件被配置为朝向所述附加成像设备引导从所述光学系统外部接收到的光。
10.根据权利要求2所述的光学系统，还包括：
显示器，所述显示器被配置为发射可见光，其中所述体全息光耦合元件被配置为将所述可见光和所述不可见光耦合到所述光学系统的出射光瞳中，并且其中所述体全息光耦合元件被配置为针对所述可见光在两个维度上扩展所述出射光瞳。
11.根据权利要求10所述的光学系统，其中所述体全息光耦合元件被配置为针对所述不可见光在一个维度上扩展所述出射光瞳。
12.根据权利要求11所述的光学系统，其中所述体全息光耦合元件包括交叉耦合器，所述交叉耦合器针对所述可见光在两个维度上扩展所述出射光瞳，并且其中，所述体全息光耦合元件包括输出耦合器，所述输出耦合器针对所述不可见光在一个维度上扩展所述出射光瞳。
13.根据权利要求1所述的光学系统，还包括：
显示器，所述显示器被配置为发射可见光，其中所述体全息光耦合元件包括输出耦合器和交叉耦合器。
14.根据权利要求13所述的光学系统，其中所述波导被配置为在给定方向上传播所述不可见光和所述可见光，所述交叉耦合器被配置为在所述可见光穿过所述波导传播时将所述可见光反射到所述光学系统的二维窥眼箱中，并且所述输出耦合器被配置为在所述不可见光穿过所述波导传播时将所述不可见光反射到所述二维窥眼箱中。
15.一种用于对外部场景进行成像的光学系统，所述光学系统包括：
显示器，所述显示器被配置为发射可见光；
波导，所述波导具有第一波导基板和第二波导基板，所述第一波导基板具有相对的第一表面和第二表面，所述第二波导基板具有相对的第三表面和第四表面，所述第三表面和所述第四表面平行于所述第一波导基板的所述第一表面和所述第二表面延伸；
体全息光耦合元件，所述体全息光耦合元件设置在所述第一波导基板和所述第二波导基板之间，所述体全息光耦合元件包括：
设置在所述第一波导基板和所述第二波导基板之间并且接触所述第二表面和所述第三表面的光栅介质，和
位于所述光栅介质内的体全息光栅结构，所述体全息光栅结构被配置为透射来自所述外部场景的可见光的第一部分以及以给定入射角关于反射轴反射来自所述外部场景的可见光的第二部分，所述反射轴偏离所述光栅介质的表面法线，其中所述体全息光栅结构被进一步配置为关于所述反射轴反射不可见光；以及
成像设备，所述成像设备操作地耦合到所述体全息光耦合元件，其中所述成像设备被配置为响应于由所述体全息光栅结构反射的所述可见光的所述第二部分生成图像数据。
16.一种电子设备，包括：
窥眼箱；
光源，所述光源被配置为发射不可见光；
显示器，所述显示器被配置为发射可见光；
波导，所述波导操作地耦合到所述光源和所述显示器，并且具有第一波导基板和第二波导基板，所述第一波导基板具有相对的第一表面和第二表面，所述第二波导基板具有相对的第三表面和第四表面，所述第三表面和所述第四表面平行于所述第一波导基板的所述第一表面和所述第二表面延伸；以及
光耦合元件，所述光耦合元件设置在所述第一波导基板和所述第二波导基板之间，其中所述光耦合元件被配置为朝向所述窥眼箱引导所述可见光和所述不可见光，所述光耦合元件包括：
设置在所述第一波导基板和所述第二波导基板之间并且接触所述第二表面和所述第三表面的光栅介质，
位于所述光栅介质内的第一体全息光栅结构，所述第一体全息光栅结构被配置为以给定入射角关于反射轴反射所述不可见光，所述反射轴偏离所述光栅介质的表面法线，和
位于所述光栅介质内的第二体全息光栅结构，所述第二体全息光栅结构至少部分地与所述第一体全息光栅结构重叠，所述第二体全息光栅结构被配置为关于所述反射轴反射所述可见光。
17.根据权利要求16所述的电子设备，还包括：
成像设备，其中所述光耦合元件被配置为接收已从所述窥眼箱耦合到所述波导中的所述不可见光的反射版本，其中所述光耦合元件被配置为朝向所述成像设备引导所述不可见光的所述反射版本，并且其中所述成像设备被配置为响应于所述不可见光的所述反射版本采集图像数据；
光学滤波器，所述光学滤波器操作地耦合到所述波导，其中所述光学滤波器被配置为：朝向所述波导引导由所述光源发射的所述不可见光，朝向所述成像设备引导所述不可见光的所述反射版本，以及将所述可见光从所述显示器引导到所述波导。
18.根据权利要求17所述的电子设备，还包括：
控制电路，其中所述图像数据包括视网膜图像，并且其中所述控制电路被配置为执行从由以下项组成的组中选择的操作：
由所述成像设备在不同时间处捕获的视网膜图像之间的互相关操作、所述图像数据与视网膜标测图的比较操作，将间歇性视网膜标测图匹配与相对注视跟踪信号组合的数字滤波器操作、以及通过从待由所述显示器投影的场景中减去背景场景进行的差异场景的生成。
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