CN110622058B - 具有相干光源的光波导 - Google Patents

Abstract

波导增加了从相干光源接收的一部分的光的光路。波导包括第一元件，其允许来自相干光源的出射光瞳的光进入波导，以及第二元件，该第二元件引导一些进入的光通过第一组光瞳从波导出射。波导包括附加元件，该附加元件使剩余的光在通过第二组光瞳出射之前增加通过波导和第二元件的附加路径以增加出射光的路径。第一组和第二组的光瞳交错排列，以使从光瞳出射的光不会干涉经由相邻光瞳出射的光。

Description

具有相干光源的光波导

背景技术

光波导可以被用于在一个或两个维度上扩展或复制成像系统的出射光瞳。典型地，来自成像系统的出射光瞳的光通过入口或内耦合被接收在波导中，并通过波导在一个方向上行进，而一些光从波导的光栅结构出射，从而形成扩展的光瞳。没有从光栅结构出射的剩余光被浪费，并且通常从波导的边缘出射或在波导的边缘处被吸收。当前的波导通常使用低效率的单通光栅结构来实现光瞳均匀性和视场均匀性，这导致大量的浪费的光。

当前基于波导的出射光瞳扩展器的一个问题是它们被设计为使用非相干光源。非相干光源是一种光源，其光包含较宽频率范围，因此其相干长度较短，大约为10个周期。不相干光源的示例是LED。另一方面，相干光源是包含较窄频率范围并因此具有较长相干长度的光源。如果光的每个光路所经过的光路长度之差小于与相干光源相关联的相干长度，则相干光源在分离成多个路径时通常会在重组时相互干涉。相干光源的示例是激光器。

为了获得扩展的光瞳的均匀显示强度，波导的每个出射光瞳之间的距离通常较小，以使观察者从多个光瞳接收重叠光。然而，由于光瞳的紧密度以及从每个光瞳接收到的光的相似光路，当波导与相干光源一起被使用时，重叠光会干涉其自身，并可能导致用户的体验减弱。

发明内容

提供了一种光波导，其增加了一部分的光相对于从相干光源接收的另一部分的光的相对光路长度。在一个示例中，波导包括第一光学元件和第二光学元件，该第一光学元件允许来自相干光源的出射光瞳的光进入波导，第二光学元件引导一些进入的光通过第一组出射光瞳从波导出射。波导包括一个或多个附加的光学元件，其使得剩余光在通过第二组出射光瞳出射之前形成穿过波导和第二光学元件的附加路径，以增加该光的光路。第一组和第二组的出射光瞳交错排列，以使从光瞳出射的光与从来自同一组的出射光瞳出射的光不重叠。因为从第二组光瞳出射的光比从第一组光瞳出射的光具有更大的光路，所以来自第一组和第二组的出瞳的光不能互相干涉，因此可以靠近放置。

在一种实现中，提供了一种光波导。波导包括前表面和后表面。光波导还包括第一光学元件和第二光学元件。第一光学元件被配置为允许来自相干光源的光通过前表面或后表面进入光波导，其中光源与相干长度相关联。第二光学元件被配置为允许光的第一部分以第一光路长度通过前表面或后表面从光波导出射，并且允许光的第二部分以第二光路长度通过前表面或后表面从光波导出射，其中第一光路长度和第二光路长度之间的差大于相干长度。

在一种实现中，提供了一种头戴式显示设备。头戴式显示设备包括：相干光源，其中相干光源与相干长度相关联；控制器，被耦合至相干光源，并被配置为使相干光源投射包括显示图像的光；以及多个光波导。每个光波导包括：第一端；第二端；第一光学元件，其被配置为允许光进入光波导并使光在第一方向上朝向第一端行进；第二光学元件，其被配置为从第一光学元件接收在第一方向上行进的光，并允许在第一方向上行进的光的第一部分射出光波导，其中光的第一部分具有第一光路长度；以及第三光学元件，其被配置为：从第二光学元件接收在第一方向上行进的光的第二部分；并且使光的第三部分在第二方向上朝向第二端行进，其中第二光学元件还被配置为从第三光学元件接收在第二方向上行进的光的第三部分，并且允许在第二方向上行进的光的第四部分射出光波导，其中光的第四部分具有第二光路长度，并且进一步地，其中第一光路长度和第二光路长度之间的差大于相干长度。

在一种实现中，提供了一种光波导。该光波导包括第一表面和第二表面；第一光学元件，其允许从相干光源接收的光通过第一表面或第二表面进入光波导，并且在光波导内在第一方向上行进，其中相干光源具有相干长度；第二光学元件，其接收在第一方向上行进的光，使光的第一部分通过第一表面或第二表面从光波导出射，并且允许光的第二部分继续在第一方向上行进，其中光的第一部分具有第一光路长度；以及第三光学元件，其接收在第一方向上行进的光的第二部分，并且使光的第三部分在光波导内在第二方向上行进，其中第二光学元件还接收光的第三部分，并且允许光的第四部分通过第一表面或第二表面从光波导出射，其中光的第四部分具有第二光路长度，并且进一步地，其中第一光路长度和第二光路长度之间的差大于相干长度。

提供本发明内容以简化形式介绍概念的选择，这些概念将在下面的详细描述中进一步描述。本概述并不旨在标识所要求保护的主题内容的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题内容的范围。

附图说明

当结合附图阅读时，将更好地理解前述发明内容以及以下对说明性实施例的详细描述。出于说明实施例的目的，在附图中示出了实施例的示例结构；然而，实施例不限于所公开的特定方法和手段。在附图中：

图1是示例性头戴式显示设备的图示。

图2-图6是示例性近眼显示系统的图示；以及

图7是用于操作头戴式显示设备中的近眼显示系统的方法的实现的操作流程。

具体实施方式

图1是示例头戴式显示器(“HMD”)设备100的图示。在一种实现中，HMD设备100是一副眼镜。HMD设备100包括布置在框架109内的透镜105a和105b。框架109被连接到一对镜腿107a和107b。在每个透镜105和佩戴者的眼睛之间布置有近眼显示系统110。系统110A被布置在右眼的前面并且在透镜105A的后面。系统110B被布置在左眼的前面并且在透镜105B的后面。HMD设备100还包括控制器120和一个或多个传感器130。控制器120可以是可操作地耦合到近眼显示系统110A和110B以及传感器130的微型计算机。其他类型的控制器120可以被使用。

传感器130可以被布置在HMD设备100上的任何合适的位置。它们可以包括陀螺仪或其他惯性传感器、全球定位系统(GPS)接收器和/或配置用于测高的气压传感器。这些传感器130可以提供关于佩戴者的位置或定向的数据。根据传感器130的综合响应，控制器120可以跟踪HMD设备100在佩戴者环境中的运动。

在一些实现中，传感器130可以包括被配置为检测HMD设备100的佩戴者的眼球状态的眼动仪。眼动仪可以定位佩戴者的视线，测量虹膜闭合的程度等。如果包括两个眼动仪，每只眼一个，则可以基于佩戴者左眼和右眼视线的会聚点，将两者一起用于确定佩戴者的焦平面。例如，该信息可以被控制器120用于放置计算机生成的显示图像。

在一些实现中，每个近眼显示系统110A和110B可以是至少部分透明的，以提供佩戴者可以在其中直接观察其周围物理环境的基本无障碍的视场。每个近眼显示系统110A和110B可以被配置为在相同的视场中呈现计算机生成的显示图像。

控制器120可以控制近眼显示系统110A和110B的内部组件以形成期望的显示图像。在一种实现中，控制器120可以使近眼显示系统110A和110B同时显示大致相同的图像，使得佩戴者的右眼和左眼在大致相同的时间接收相同的图像。在其他实现中，近眼显示系统110A和110B可以同时投影稍微不同的图像，使得佩戴者感知到立体图像(即，三维图像)。

在一些实现中，计算机生成的显示图像和通过近眼显示系统110看到的对象的各种真实图像可以占据不同的焦平面。因此，观察真实世界对象的佩戴者可以移动他们的角膜焦点以分辨显示图像。在其他实现中，显示图像和至少一个真实图像可以共享公共焦平面。

在HMD设备100中，每个近眼显示系统110A和110B还可以被配置为获取佩戴者看到的周围环境的视频。该视频可以包括深度视频，并且可以被用于建立佩戴者的位置、佩戴者看到的东西等。由每个近眼显示系统110获取的视频可以被控制器120接收，并且控制器120可以被配置为处理收到的视频。为此，HMD设备100可以包括相机。相机的光轴可以平行于HMD设备100的佩戴者的视线被对准，使得相机获取由佩戴者看到的外部影像的视频。因为HMD设备100可以包括两个近眼显示系统(每只眼睛一个)，所以它还可以包括两个相机。更通常地，在本公开的各种实施例中，相机的性质和数目可以不同。一个或多个相机可以被配置为提供视频，经由下游处理从中获得时间分辨的三维深度地图序列。

图1的任何方面都不旨在以任何意义进行限制，因为许多变体也可以被设想到。在一些实施例中，例如，与HMD设备100分离的视觉系统可以被用于获取佩戴者所见的视频。在一些实施例中，在两只眼睛上延伸的单个近眼显示系统可以被用来替代图1所示的双单目(monocular)近眼显示系统110A和110B。

HMD设备100可以被用于为一个或多个参与者支持虚拟真实(“VR”)或增强真实(“AR”)环境。可以实现真实的AR体验，其中每个AR参与者通过HMD设备100的无源光学器件自然地观看他们的环境。计算机生成的影像可以被投影到接收真实影像的同一视场中。来自这两个源的影像可能看似共享相同的物理空间。

HMD设备100中的控制器120可以被配置为运行支持VR或AR环境的一个或多个计算机程序。在一些实现中，一个或多个计算机程序可以在HMD设备100的控制器120上运行，而其他的计算机程序可以在HMD设备100经由一个或多个有线或无线通信链路可访问的外部计算机上运行。因此，HMD设备100可以包括合适的无线组件，例如Wi-Fi。

图2是示例性近眼显示系统200的图示。近眼显示系统200可以是图1所示的近眼显示系统110A和110B中的一者或两者的实现。在所示的示例中，系统200包括投影仪290和光波导250。

投影仪290可以适用于形成显示图像，并通过投影仪290的出射光瞳投影显示图像。在环境200中，与显示图像相对应的光被示为光209。投影仪290可以被可操作地耦合到控制器120(未示出)。控制器120可以提供适当的控制信号，当被投影仪290接收时，该控制信号使得期望的显示图像被形成。

光波导250可以包括多个表面，该多个表面包括前表面205、后表面206、顶表面203、底表面204、左侧表面201和右侧表面202。光波导250对于在z方向上垂直于前表面205接收的光而言可以基本上透明。垂直于前表面205接收的光可以穿过前表面205和后表面206到达包括光波导250的HMD装置100的佩戴者的眼睛280。因此，当光波导250位于HMD设备100的佩戴者的眼睛280的前面时，光波导250不妨碍佩戴者观看外部影像的能力。

光波导250还包括光学元件210。光学元件(“OE”)210可以接收来自投影仪290的出射光瞳的光209，并且可以使光209的一部分进入光波导250(即，内耦合)。进入光波导250的光209的部分在光波导250中使用实线箭头表示为光215。取决于实现，OE 210可以是衍射OE，诸如衍射光栅。合适的衍射光栅的示例包括表面浮雕衍射光栅(“SRG”)或体积光栅。然而，例如其他类型的OE可以被使用，诸如反射镜和棱镜。

OE 210可以使光215在x方向上朝向右侧表面202传播。特别地，OE 210可以使光215通过从光波导250的内表面反射出而在x方向上传播。

光波导250可以进一步包括OE211。随着光215传播通过光波导250并穿过OE 211，OE 211可以允许光215的至少一部分从光波导250(即，外耦合)出射通过后表面206作为光225。每条光线225可以通过光波导250的出射光瞳离开后表面。光225可以形成眼盒，并且可以被HMD设备100的佩戴者的眼睛280接收。像OE 201一样，OE 211可以是在前表面205上的衍射涂层，诸如SRG。其他类型的衍射光栅可以被使用。尽管在前表面205上示出，但是OE211也可以应用到后表面206。光波导250的出射光瞳的数目和位置可以取决于OE 211的特性。

没有通过出射光瞳从光波导250出射的光215的部分可以在x方向上朝向右侧表面202继续。光215可以通过右侧表面202从光波导250出射，或者通过光波导250的另一表面从光波导250出射。

可以理解，通过OE 211的出射光瞳从光波导250出射的光225是投影仪290的出射光瞳的光瞳扩展。表示光225的每个箭头可以通过光波导250的出射光瞳出射。图2所示的箭头之间的距离d称为步长(step)。通常，出射光瞳之间的较大步长或距离d可能会导致眼盒中显示图像出现黑点或不均匀性。

通常，投影仪290使用非相干光源而不是相干光源来生成被用于形成显示图像的光209。相干光源可以是其输出光209包括在相同方向上振荡的光子的光源。这与非相干光源相反，在非相干光源中，光子可能会在不同方向上振荡。相干光源的示例包括激光器，并且非相干光源的示例包括LED光源。

尽管相干光源相对于非相干光源具有许多优点，包括更高的功率输出和效率，但它们的一个主要缺点在于，它们与当前HMD设备100所使用的小步长的大小或d不兼容。光线的光路长度是光线从投影仪290行进到被眼睛280接收之前的总距离，并且包括：该光线作为光215通过光波导250行进的距离，以及光作为光线225从后表面206行进到眼睛280的距离。由于光的相干性，如果光线的光路长度之间的差不超过所谓的相干光源的相干长度，则由相干光源生成的光225的射线可能彼此干涉。

通常，相干光源的相干长度为毫米量级。由于光波导250的尺寸小，通过OE 211的出射光瞳从后表面206出射的光225的所有光线可以具有彼此接近的光路长度。结果，如果多于一束光线225到达眼睛280(即，出射光瞳重叠)，则光线将彼此干涉，这可能导致用户较差的视觉体验。

因此，在投影仪290使用相干光源的实现中，必须选择OE 211，使得距离d足够大以确保出射光瞳不重叠。然而，如上所述，出射光瞳之间的较大的距离d可能导致均匀性问题，并且可能导致HMD设备100的佩戴者较差的显示体验。

因此，如本文进一步描述的，为了允许在光波导250中使用相干光源，同时避免与不重叠出射光瞳相关联的均匀性问题，可以修改光波导250以使得进入光波导的光被分为第一部分和第二部分。光的第一部分在通过OE 211的第一组出射光瞳从光波导出射之前，先行进通过光波导250的第一光路。光的第二部分在从OE 211的第二组出射光瞳出射之前，行进通过光波导250的第二光路。第一光路和第二光路之间的差大于相干光源的相干长度，使得来自第一组出射光瞳中的出射光瞳的光不会干涉来自第二组出射光瞳中的出射光瞳的光。来自第一组和第二组的出射光瞳交错排列，以使来自第一组出射光瞳的出射光瞳与来自第二组出射光瞳的出射光瞳重叠，但是来自同一组出射光瞳的出射光瞳不重叠。

图3是示例性近眼显示系统300的图示。类似于近眼显示系统200，系统300包括投影仪290和光波导250。投影仪290可以使用相干光源。

与系统200相似，当光209进入光波导250时，它在x方向上随光215行进并穿过OE211，其中一些光215通过一个或多个出射光瞳从光波导250出射作为光225。实线箭头示出了与光215相对应的光225。每个实心箭头之间的距离是d，该距离可以被选择以确保不超过一个的对应于光215的光线能够到达眼睛280。

为了增加出射光瞳密度，并且为了避免由于相干光源而引起的光225的干涉，系统300的光波导250已更新为在右侧表面202附近包括附加的OE 310，该OE 310使得一部分的光215将在与x方向相反的方向上通过OE 211反射回去。光215的反射部分是光335，并且在光波导250中使用一系列虚线箭头示出。因此，不是在右侧表面202处从光波导250出射，而是至少一部分的光215再次通过OE 211作为光335，这可以提高在眼睛280处接收到的光225的强度和均匀性。

在所示的示例中，光335可以被OE 310反射。类似于OE 210和211，OE 310可以是衍射OE，诸如在光波导250前表面205(或后表面206)上的涂层。然而，其他类型的OE、涂层、衍射光栅或结构也可以被用来反射光335。

取决于实现，OE 310可以具有光栅矢量，该光栅矢量的值大约是OE 210和OE 211的光栅矢量的值的两倍。因此，如果OE 210的光栅矢量的值为k，则OE 310可以具有值为2(k)的光栅矢量。其他光栅矢量值可以被支持。

与光215类似，当光335在y方向上移动通过光波导250时，光335从光波导250的内表面反射出。当光335穿过OE 211时，光335的一部分通过一个或多个出射光瞳从光波导250的前表面205或后表面206出射，作为光225的一部分。光335的各部分从前表面205或后表面206出射在光225中由虚线箭头指示。

如在图3中可以看到的，对应于光215和光335的出射光瞳交错排列，使得被光335使用的出射光瞳位于被光215使用的出射光瞳之间。相邻出射光瞳之间的距离被示为距离f。距离f小于距离d。

因为光335在从光波导250出射之前在光波导250中行进的距离比光215长，所以光335和光215的光路之间的差可能超过相干光源的相干长度。因此，由眼睛280接收的来自相邻出射光瞳的光225可以重叠而不引起干涉，而来自不相邻出射光瞳的光保持不重叠。注意，距离d在与具有相同光路长度的光相关联的出射光瞳之间保持相同。

图4是示例性近眼显示系统400的图示。与近眼显示系统200和300相同，系统400包括投影仪290和光波导250。投影仪290可以使用相干光源。

为了进一步增加眼睛280接收到的光225的强度和均匀性，图3的光波导250已经进行更新，以包括在左侧表面201附近的附加的OE410，该OE 410会使一部分的光335通过OE211在x方向上被反射回去。光335的反射部分是光435，并且在光波导250中使用一系列点状箭头图示。

在所示的示例中，光435可以被OE 410反射。类似于OE 210、211和310，OE 410可以是衍射OE，并且可以是在光波导250的前表面205或后表面206上的涂层，诸如SRG或其他类型的衍射光栅。然而，其他类型的OE、涂层或结构也可以用于反射光435。同样类似于OE310，OE 410可以具有光栅矢量，该光栅矢量的值大约是OE 210和OE 211的光栅矢量的值的两倍。其他光栅矢量值可以被支持。

与光215和335相似，当光435在x方向上移动通过光波导250时，光435从光波导250的内表面被反射出。当光435穿过OE 211时，一部分的光435通过一个或多个出射光瞳从光波导250的后表面206(或前表面205)出射作为光225的一部分。从后表面206出射的光435的各部分在光225中由点状箭头指示。

从图4中可以看出，与光215、光335和光435相对应的出射光瞳是交错排列的。相邻的出射光瞳之间的距离被示为距离f。由于光435在从光波导250出射之前在光波导250中行进的距离比光215或光335行进的距离大，因此光335和光435(以及光215和光435)的光路之间的差超过光源的相干长度。因此，眼睛280接收的来自相邻出射光瞳的光225可以进一步重叠而不引起干涉。

图5是示例性近眼显示系统500的图示。与近眼显示系统200、300和400相同，系统500包括投影仪290和光波导250。投影仪290可以使用相干光源。

作为另一示例，光波导250已经被更新以用OE 510代替OE 210。OE 510可以是使光209的一部分进入光波导250的衍射OE(或其他类型的OE)。然而，不是使光209在x方向上传播，而是OE 510可以使光209在x方向和y方向两者上都通过光波导250传播。在x方向上传播的光209的一部分是光215，并用实线箭头图示。在相反的方向上行进的光209的一部分是光515，并且用虚线箭头图示。

另外，光波导250在左侧表面201附近包括OE 520，该OE 520使光515的一部分在x方向上通过光波导250被反射。OE 520可以是衍射OE或另一种类型的OE。

当光215和光515都传播通过光波导250并穿过OE 211时，OE 211可以允许光215和光515的至少一部分通过前表面205或后表面206从光波导250出射作为光225。光215的从前表面205或后表面206出射的各部分在光225中由实线箭头指示。光515的从前表面205或后表面206出射的各部分在光225中由虚线箭头指示。

与前面的示例相似，与光215和光515相对应的出射光瞳交错排列。相邻出射光瞳之间的距离被示为距离f。因为光515在从光波导250出射之前在光波导250中行进的距离比光215大，所以光215和光515的光路之间的差超过了光源的相干长度。因此，由眼睛280接收的来自相邻出射光瞳的光225都可以在不引起干涉的情况下有助于显示。而且，与相同光(即光215或515)相对应的出射光瞳之间的距离d被保留。

图6是示例性近眼显示系统600的图示。系统600包括光波导250和两个投影仪290(即，投影仪290a和290b)。每个投影仪290可以使用相干光源。

系统600的光波导250可以从多个光源290而不是从单个光源接收光209(即，光209a和209b)。在所示的示例中，光波导250的OE 210接收来自投影仪290a的光209a和接收来自投影仪290b的光209b。投影仪290a和290b可以是相干光源，并且可以各自具有相同的相干长度。光209a和209b可以表示相同的显示图像。

投影仪290a和290b可以间隔开，使得光209a和209b在不同位置被OE 210接收。OE210可以使光209a和209b的一部分进入光波导250并在x方向上通过光波导250传播。在x方向上行进的光209a的一部分是光215，并用实线箭头图示。在x方向上行进的光209b的一部分是光615，并用虚线箭头图示。

当光215和光615两者传播通过光波导250并穿过OE 211时，OE211可以允许光215和光615的至少一部分通过后表面206的一个或多个出射光瞳从光波导250出射作为光225。通过后表面206的出射光瞳出射的光215的各部分在光225中由实线箭头指示。通过后表面206的出射光瞳出射的光615的各部分在光225中由虚线箭头指示。

类似于图3-图5，对应于光215和光615的出射光瞳交错排列。相邻出射光瞳之间的距离被示为距离f。尽管各个投影仪是相干的，但是多个投影仪290是互相不相干的。因此，由眼睛280接收的来自相邻出射光瞳的光225可以重叠而不引起干涉。

注意，附加的投影仪290可以在系统600中被使用，以进一步增加眼睛280所接收的显示图像的强度和均匀性。另外，为了进一步增加光209a的光路长度与209b的光路长度之间的差，投影器290a和290b可以相对于彼此和/或相对于光波导250被移动。

仅出于图示的目的，图2-图6的光波导250是一维的。然而，图2-图6的任何光波导250可以被实现为二维波导。

图7是用于操作HMD设备100中的近眼显示系统的方法700的实现的操作流程。例如，可以使用光波导250来实现方法700。

在701，光被允许进入光波导。光209可以从投影仪290的出射光瞳被OE 210接收。投影仪290可以是相干光源，诸如激光器。相干光源可以与相干长度相关联。OE 210可以是第一OE，并且可以是光波导250的前表面205上的涂层，该涂层允许以特定角度或角度范围接收的光209进入光波导250。涂层可以是具有大小为k的表面矢量。其他OE可以被支持，诸如棱镜和反射镜。

在703，使光在第一方向上朝向第一端行进。OE 210可以使光215在第一方向上行进。通过反射出光波导250的内表面，光215可以在第一方向上行进。第一方向可以是x方向，并且第一端可以包括右侧表面202。

在705，接收在第一方向上行进的光。在第一方向上行进的光215可以被OE 211接收。OE211可以是第二OE，并且也可以是诸如SRG的表面涂层。OE 211还可以具有大小为k的表面矢量。取决于实现，OE 211可以位于光波导250的前表面205或后表面206之一或两者上。

在707，允许在第一方向上行进的光的第一部分射出光波导250。第一部分可以是光215的一部分，并且可以被允许通过OE 211从光波导250出射。光215的第一部分可以在z方向上通过后表面206上的第一组出射光瞳中的一个或多个出射光瞳作为光225出射。光225可以形成眼盒并且可以被HMD设备100的佩戴者的眼睛280接收。因为OE 211可能是低效率OE，所以仅一小部分的光215被允许离开光波导250。光的第一部分可能具有第一光路长度。

第一组出射光瞳中的出射光瞳可以被分离距离d。距离d可以确保仅来自第一组出射光瞳中的仅一个出射光瞳可以由HMD设备100的佩戴者的眼睛280接收(即，这些光瞳不重叠)。因为光209是从相干光源被接收的，所以如果光由眼睛280从第一组出射光瞳中的一个以上的出射光瞳接收，则光可能会干涉。

在709，接收在第一方向上行进的光的第二部分。光的第二部分可以是不被OE 211允许从光波导250出射的光215的一部分。光215的第二部分可以被光波导250的OE 310接收。OE 310可以是第三OE，并且可以是光波导250的前表面205上的涂层。涂层可以具有大小约为2(k)的表面矢量。

在711，使光的第三部分在第二方向上朝向第二端行进。光215的第三部分可以是光335，并且可以使得通过OE 310在第二方向上行进。第二方向可以是与x方向相反的方向。第二端可以包括左侧表面201。

在713，光的第三部分被接收。光335可以被OE 211接收。

在715，在第二方向上行进的光的第四部分被允许射出光波导250。第四部分可以是光335的一部分，并且可以被允许通过OE 211从光波导250出射。光335的第四部分可以在z方向上通过后表面206上的第二组出射光瞳中的一个或多个出射光瞳作为光225的一部分出射。光的第四部分可以有第二光路长度。第一光路长度和第二光路长度之间的差可以大于相干光源的相干长度。

第二组出射光瞳中的出射光瞳也可以被分离距离d。然而，因为第一光路长度和第二光路长度之间的差大于相干光源的相干长度，所以光的第一部分可以不与光的第四部分干涉。因此，来自第一组出射光瞳和第二组出射光瞳的出射光瞳可以交错排列，使得来自第一组出射光瞳的出射光瞳的光和来自第二组出射光瞳的出射光瞳的光可以由HMD设备100的佩戴者的眼睛280接收(即，光瞳重叠)。来自第一组出射光瞳的出射光瞳与来自第二组出射光瞳的出射光瞳之间的距离可以是f。

在717，接收在第二方向上行进的光的第五部分。光的第五部分可以是不被允许通过OE 211从光波导250出射的光335的一部分。光211的第五部分可以由光波导250的OE 410接收。OE 410可以是第四OE，并且可以是光波导250的前表面205上的涂层。与OE 335一样，涂层可以具有大小约为2(k)的表面矢量。

在719，使光的第六部分在第一方向上朝向第一端行进。光335的第六部分可以是光435，并且可以使得通过OE 410在x方向上行进。可以理解，光的第六部分可以再次穿过OE211，其中第六部分的一些或全部可以通过第三组出射光瞳从光波导250出射。光的第六部分可以具有第三光路长度。第三光路长度与第二光路长度(以及第一光路长度)之间的差可以大于相干光源的相干长度。

应当理解，本文描述的各种技术可以结合硬件组件或软件组件或者在适当时结合两者的组合来实现。可以使用的说明性类型的硬件组件包括现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)、专用标准产品(ASSP)、片上系统(SOC)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)等。当前公开的主题内容的方法和设备或其某些方面或部分可以采取体现在有形介质(诸如软盘、CD-ROM、硬盘驱动器或任何其他机器可读存储介质)中的程序代码(即指令)的形式，其中，当程序代码被加载到诸如计算机之类的机器中并由其执行时，该机器成为用于实践本公开主题内容的装置。

在一种实现中，提供了一种光波导。光波导包括前表面和后表面。光波导还包括第一光学元件和第二光学元件。第一光学元件被配置为允许来自相干光源的光通过前表面进入光波导，其中光源与相干长度相关联。第二光学元件被配置为允许光的第一部分以第一光路长度通过后表面从光波导出射，并且允许光的第二部分以第二光路长度通过后表面从光波导出射，其中第一光路长度和第二光路长度之间的差大于相干长度。

实现可能包括以下的一些或全部特征。相干光源可以包括激光器。第一光学元件可以包括衍射光学元件。第一光学元件可以包括在前表面或后表面之一上的涂层。该涂层可以是表面浮雕衍射光栅。光波导还可以包括第三光学元件，该第三光学元件被配置成接收在第一方向上行进通过光波导的光的第三部分，并且使光的第四部分在第二方向上行进通过光波导。第二方向可以是与第一方向相反的方向。相干光源可以包括第一激光器和第二激光器，并且光的第一部分可以包括来自第一激光器的光，而光的第二部分可以包括来自第二激光器的光。光的第一部分可以通过第一组出射光瞳出射，并且光的第二部分可以通过第二组出射光瞳出射。

在一种实现中，提供了一种头戴式显示设备。头戴式显示设备包括：相干光源，其中相干光源与相干长度相关联；控制器，被耦合至相干光源，并被配置为使相干光源投射包括显示图像的光；以及多个光波导。每个光波导包括：第一端；第二端；第一光学元件，其被配置为：允许光进入光波导；并且使光在第一方向上朝向第一端行进；第二光学元件，其被配置为：从第一光学元件接收在第一方向上行进的光；以及使在第一方向上行进的光的第一部分射出光波导，其中光的第一部分具有第一光路长度；以及第三光学元件，其被配置为：从第二光学元件接收在第一方向上行进的光的第二部分；并使得光的第三部分在第二方向上朝向第二端行进，其中第二光学元件还被配置为：从第三光学元件接收在第二方向上行进的光的第三部分；并允许在第二方向上行进的光的第四部分射出光波导，其中光的第四部分具有第二光路长度，并且进一步地其中第一光路长度与第二光路长度之间的差大于相干长度。

实现可能包括以下的一些或全部特征。每个光波导还可以包括第四光学元件，该第四光学元件被配置为从第二光学元件接收在第二方向上行进的光的第五部分，并使光的第六部分在第一方向上朝向第一端行进。每个光波导还可以包括前表面和后表面。每个光波导的第二光学元件被配置为允许在第一方向上行进的光的第一部分射出光波导，可以包括每个光波导的第二光学元件，其被配置为允许在第一方向上行进的光的第一部分通过后表面射出光波导。每个光波导的第一光学元件可以包括在前表面或后表面之一上的涂层。该涂层可以是表面浮雕衍射光栅。

在一种实现中，提供了一种光波导。光波导包括第一表面和第二表面；第一光学元件，其允许从相干光源接收的光通过第一表面或第二表面进入光波导并在光波导内在第一方向上行进，其中相干光源具有相干长度；第二光学元件，其接收在第一方向上行进的光，使光的第一部分通过第一表面或第二表面从光波导出射，并允许光的第二部分在第一方向上继续行进，其中光的第一部分具有第一光路长度；以及第三光学元件，其接收在第一方向上行进的光的第二部分，并且使光的第三部分在光波导内在第二方向上行进，其中，第二光学元件还接收光的第三部分，并允许光的第四部分通过第一表面或第二表面从光波导出射，其中光的第四部分具有第二光路长度，并且进一步地其中第一光路长度与第二光路长度之间的差大于相干长度。

实现可能包括以下的一些或全部特征。第一方向和第二方向可以是相反的方向。相干光源可以是激光器。第一光学元件、第二光学元件和第三光学元件可以是表面浮雕衍射光栅或体积光栅。光的第一部分可以通过第一组出射光瞳出射，并且光的第四部分可以通过第二组出射光瞳出射。

尽管已经用特定于结构特征和/或方法动作的语言描述了主题，但是应该理解，所附权利要求书中限定的主题不必限于上述特定特征或动作。而是，上述特定特征和动作被公开为实现权利要求的示例形式。

Claims (15)

1.一种光波导，包括：

前表面；

后表面；

第一端；

第二端；以及

第一光学元件，其被配置为：

允许来自相干光源的光通过所述前表面进入所述光波导，其中所述光具有相干长度，其中所述相干光源包括激光器；以及

使所述光在第一方向上朝向所述第一端行进；以及

第二光学元件，其被配置为：

从所述第一光学元件接收在所述第一方向上行进的所述光；以及

允许在所述第一方向上行进的所述光的第一部分以第一光路长度通过所述后表面从所述光波导出射；以及

第三光学元件，其被配置为：

从所述第二光学元件接收在所述第一方向上行进的所述光的第二部分；以及

使所述光的第三部分在第二方向上朝向所述第二端行进，

其中所述第二光学元件还被配置为：

从所述第三光学元件接收在所述第二方向上行进的所述光的所述第三部分；以及

允许在所述第二方向上行进的所述光的第四部分射出所述光波导，其中所述光的所述第四部分具有第二光路长度，并且进一步地，其中所述第一光路长度和所述第二光路长度之间的差大于所述相干长度。

2.根据权利要求1所述的光波导，其中所述第一光学元件包括衍射光学元件。

3.根据权利要求2所述的光波导，其中所述第一光学元件包括在所述前表面或所述后表面之一上的涂层。

4.根据权利要求3所述的光波导，其中所述涂层是表面浮雕衍射光栅。

5.根据权利要求1所述的光波导，其中所述第二方向是与所述第一方向相反的方向。

6.根据权利要求1所述的光波导，其中所述相干光源包括第一激光器和第二激光器，并且所述光的所述第一部分包括来自所述第一激光器的光，并且所述光的所述第二部分包括来自所述第二激光器的光。

7.一种头戴式显示设备，包括：

相干光源；

控制器，其被耦合至所述相干光源并被配置为使所述相干光源投射包括显示图像的光，其中所述光具有相干长度；以及

多个光波导，所述多个光波导中的每个光波导是根据权利要求1所述的光波导。

8.根据权利要求7所述的头戴式显示设备，其中每个光波导还包括第四光学元件，所述第四光学元件被配置为：

从所述第二光学元件接收在所述第二方向上行进的所述光的第五部分；以及

使所述光的第六部分在所述第一方向上朝向所述第一端行进。

9.根据权利要求7所述的头戴式显示设备，其中每个光波导的所述第二光学元件被配置为允许在所述第一方向上行进的所述光的所述第一部分射出所述光波导，包括：每个光波导的所述第二光学元件被配置为允许在所述第一方向上行进的所述光的所述第一部分通过所述后表面射出所述光波导。

10.根据权利要求7所述的头戴式显示设备，其中每个光波导的所述第一光学元件包括在所述前表面或所述后表面之一上的涂层。

11.根据权利要求10所述的头戴式显示设备，其中所述涂层是表面浮雕衍射光栅。

12.一种光波导，包括：

第一表面和第二表面；

第一光学元件，其允许接收自相干光源的光通过所述第一表面或所述第二表面进入所述光波导并且在所述光波导内在第一方向上行进，其中所述光具有相干长度；

第二光学元件，其接收在所述第一方向上行进的所述光，使所述光的第一部分通过所述第一表面或所述第二表面从所述光波导出射，并且允许所述光的第二部分继续在所述第一方向上行进，其中光的所述第一部分具有第一光路长度；以及

第三光学元件，其接收在所述第一方向上行进的所述光的所述第二部分，并且使所述光的第三部分在所述光波导内在第二方向上行进，其中所述第二光学元件还接收所述光的所述第三部分，并且允许所述光的第四部分通过所述第一表面或所述第二表面从所述光波导出射，其中光的所述第四部分具有第二光路长度，并且进一步地，其中所述第一光路长度和所述第二光路长度之间的差大于所述相干长度。

13.根据权利要求12所述的光波导，其中所述第一方向与所述第二方向是相反的方向。

14.根据权利要求12所述的光波导，其中所述相干光源是激光器。

15.根据权利要求12所述的光波导，其中所述第一光学元件、所述第二光学元件和所述第三光学元件包括表面浮雕衍射光栅或体积光栅。

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