CN110914724B - 具有扩大光分布重叠光栅的图像光导 - Google Patents

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Abstract

用于传送虚像的图像光导具有形成为具有入耦合衍射光学器件的平板的传送图像承载光的波导，该入耦合衍射光学器件的第一光栅矢量将图像承载光束衍射到波导中并引导衍射光。出耦合衍射光学器件形成为多个重叠的衍射光栅，其包括具有第一光栅矢量k1的第一光栅图案和具有第二光栅矢量k2的第二光栅图案，以用于将扩大的图像承载光束从波导中扩大并射出到可以在其中看到虚像的扩大的眼盒中。

Description

具有扩大光分布重叠光栅的图像光导
技术领域
本发明一般地涉及电子显示器，并且更特别地涉及使用图像光导与衍射光学器件以向观看者传送图像承载光的显示器。
背景技术
头戴显示器（HMD）正被开发用于一系列多种多样的用途，包括军事、商业、工业、消防和娱乐应用。 对于这些应用中的许多而言，在形成能够被虚拟地叠加在处于HMD用户的视场中的真实世界图像上的虚像方面存在价值。 光学图像光导将图像承载光传送到在狭窄空间中的观看者以用于将虚像引导到观看者的光瞳并使能该叠置功能。
在这样的常规的图像光导中，经准直的、相对角度编码的来自图像源的光束被通过诸如入耦合衍射光学器件的输入耦合件耦合到平面波导中，该输入耦合件可以被安装或形成在平面波导的表面上或者被掩埋在波导内。 这样的衍射光学器件可以被形成为衍射光栅、全息光学元件或者被以其它已知的方式形成。 例如，衍射光栅可以是通过表面浮雕形成的。 在沿着波导传播之后，被衍射的光可以在波导之外通过相似的输出光栅被引导回去，该输出光栅可以被布置成提供沿着虚像的一个维度的光瞳扩大。 此外，可以在输入光栅和输出光栅之间沿着波导定位转向光栅以提供虚像的正交的维度上的光瞳扩大。 从波导输出的图像承载光为观看者提供扩大的眼盒（eyebox）。
尽管常规的图像导光装置已大大减小了近眼显示光学器件的体积，重量和总成本，但仍需要进一步的改进。 在某些情况下，眼盒的尺寸受到限制，迫使HMD设计限制移动和设备放置的公差。 光通常会在视野上可不均匀地分布，从而导致热点，例如场中心内的较高光水平和场周围内的较低光水平。 波导内的光束管理功能（包括光束扩大和光分布功能）可能会增加波导的尺寸及其制造成本和复杂性。
发明内容
实施例的特征在于用于执行各种功能（包括光瞳扩大，光分布和光束管理）的图像光导的紧凑设计。例如，代替在需要光导的不同区域专用于正交扩大的单独阶段中扩大图像承载光束的两个正交维度，实施例向出耦合衍射光学器件增加用于扩大图像承载光束的两个维度的能力，同时在眼盒内的重叠位置射出扩大的图像承载光束。 可以利用附加的设计参数来影响图像承载光束内部和之间的光分布。 出耦合衍射光学器件的附加功能使设计更为紧凑，并能够在图像承载光束之间保持所需的角度关系，以便在扩大的眼盒内呈现良好校正的虚像。
根据一个或多个实施例的图像光导包括具有用于沿着波导的长度传播图像承载光束的带有前表面和后表面的透射性基板的波导。 沿着波导形成的入耦合衍射光学器件将来自图像源的图像承载光束衍射到波导中，以便以角度编码的形式沿着波导的长度传播图像承载光束。 沿着波导的长度与入耦合衍射光学器件间隔开的出耦合衍射光学器件以角度解码的形式将来自波导的图像承载光束朝着眼盒衍射，以便观看来自图像源的图像。
出耦合衍射光学器件包括沿着波导的长度重叠的，不同取向的多个光栅图案。重叠可以发生在波导的同一平面内或不同的大致平行的平面内。 以主要取向布置一个或多个光栅图案，以便既以角度解码的形式朝着眼盒又以编码的形式连续衍射每个图像承载光束的第一部分以便沿着波导在原始标称方向进一步传播。 与入耦合衍射光学器件的类似非零级衍射相匹配的非零级衍射通常负责将连续的第一部分以角度解码形式从波导中衍射出来，并且零级衍射通常负责进一步传播在原始标称方向上的第一部分中的其他部分以便支持与重叠的光栅图案的连续相遇。以一个或多个非主要取向布置一个或多个其他光栅图案，以使每个图像承载光束的第二部分沿着波导从原始标称传播方向衍射出去，并进一步在垂直于原始标称传播方向的方向上在相对偏移的位置中朝着原始标称传播方向沿着波导将每个图像承载光束的第二部分衍射回去。第二部分的非零级和零级衍射的组合提供第二部分在垂直于原始标称传播方向的方向上的连续移位。
每个图像承载光束的第一部分优选地沿着波导在原始的标称传播方向上相对移位，以扩大眼盒内图像承载光束之间的重叠区域的第一维度。每个图像承载光束的第二部分优选地沿着波导以垂直于原始标称传播方向的方向相对移位，以扩大眼盒内图像承载光束之间的重叠区域的第二维度。如此扩大的眼盒提供了可以在其中看到期望的虚像的一个扩大的光瞳。
以主要取向布置的一个或多个光栅图案可以包括具有第一光栅矢量的第一光栅图案，并且以一个或多个非主要取向布置的一个或多个其他光栅图案可以包括具有第二光栅矢量的第二光栅图案。优选地，第二光栅矢量（被认为是无方向的线段）相对于第一光栅矢量（被认为是无方向的线段）以至少30度的角度倾斜，但是大约45度或60度的相对取向可以提供附加的优点。以一个或多个非主要取向布置的一个或多个其他光栅图案可以包括具有第三光栅矢量的第三光栅图案。第二和第三光栅矢量可以在不同方向上相对于第一矢量倾斜大约相同的量。第二和第三光栅矢量分别限定可以彼此相等的第二间距和第三间距。第一光栅矢量可以限定可以与第二和第三间距相同或不同的第一间距。
出耦合衍射光学器件可以形成为在平面中包含在平面内以不同取向限定了多个衍射图案的多个单位单元（unit cell）的衍射栅格（lattice）。单位单元可以具有多边形（例如矩形或六边形）的形状，以提供衍射图案之间的有序关系，包括相对取向和间距。衍射图案用于在二个维度上扩大每个图像承载光束，以增加眼盒内的重叠区域。优选地，衍射栅格包括多个衍射特征，这些衍射特征以图案布置并且通过平面内的折射率差来区分。 该平面包括水平和垂直维度，并且衍射特征可以具有对应的水平和垂直维度，其不等于每个图像承载光束内的光的规定分布。 衍射特征的部分可以重叠，或者衍射特征可以与周围特征间隔开。 衍射特征还可以形成为多边形（例如矩形或六边形）的形状，或者可以形成为更圆的形状，例如圆形，椭圆形或其他长圆形。
例如，可以布置衍射栅格的多个衍射图案，以用于将每个图像承载光束的部分衍射到至少三个不同方向上。 第一衍射图案以角度解码的形式并且沿着原始标称传播方向以其原始编码形式从波导向眼盒衍射图像承载光束的第一部分。图像承载光束的第一部分在原始标称传播方向上的相对移位有助于扩大眼盒内图像承载光束之间的重叠区域的第一维度。 第二和第三衍射图案沿着波导在与传播的原始标称方向不同的方向衍射图像承载光束的第二部分。例如，第二部分可以从原始的标称传播方向重定向（redirect）接近45度或接近60度。 第二和第三衍射图案中的至少一个在沿着波导的横向偏移位置中将第二部分朝着原始标称传播方向衍射回去。 图像承载光束的第二部分的相对横向移位有助于扩大眼盒内的图像承载光束之间的重叠区域的第二维度。 优选地，进一步对图像承载光束进行角度编码（即改变图像承载光束之间的角度取向的分布）的第二部分的衍射与对此类进一步编码进行解码的第二部分的进一步衍射进行匹配，以恢复图像承载光束之间的角度取向的原始编码分布。
具有多个光栅图案的出耦合衍射光学器件可以采用各种形式。例如，可以将出耦合衍射光学器件形成为具有多个子元件的体全息光学元件（HOE）。 这样的体HOE可以由其中记录有在介质的体积内重叠的多个全息子元件的体积记录介质形成。 单独考虑，体HOE的每个子元件可以用作衍射光栅，其在与包括总体HOE的其他子元件不同的方向上具有光栅矢量。 替代地，可以将多个单独的全息图彼此堆叠，每个全息图记录不同的衍射光栅矢量，并且在需要时记录不同的光栅周期。
类似地，可以将多个衍射光栅彼此堆叠，每一层相对于彼此具有不同的光栅矢量取向。 必要时，堆叠的衍射光栅中的一个可以具有与堆叠中的其他衍射光栅的周期不同的光栅周期。
根据一个或多个其他实施例的用于传送虚像的图像光导包括具有用于沿着波导的长度传播图像承载光束的带有前表面和后表面的透射性基板的波导。 沿着波导形成的入耦合衍射光学器件将来自图像源的图像承载光束衍射到波导中，以沿着波导的长度以角度编码的形式传播图像承载光束。沿着波导的长度与入耦合衍射光学器件间隔开的出耦合衍射光学器件以角度解码的形式将来自波导的图像承载光束朝着眼盒衍射，以观看来自图像源的图像。出耦合衍射光学器件形成为在平面中具有多个光栅特征的衍射栅格，其限定了在平面内具有不同取向的多个衍射图案。 每个光栅特征包括在平面中的长度和宽度，该长度和宽度限定了长度与宽度的纵横比。至少一些光栅特征的纵横比偏离单位一（unity）以改变衍射图案之间的衍射效率。
图像承载光束沿着标称传播方向接近出耦合衍射光学器件。 光栅特征的长度可以沿着标称传播方向延伸，并且光栅特征的宽度可以垂直于传播方向延伸。 在一个或多个实施例中，具有偏离单位一的纵横比的光栅特征可具有超过其宽度的长度，以便增强衍射效率，从而使图像承载光束的部分沿偏离标称传播方向的方向而重定向。 具有偏离单位一的纵横比的光栅特征的纵横比可以沿着标称传播方向变化。 另外，具有偏离单位一的纵横比的光栅特征可以包括沿着标称传播方向连续延伸的光栅特征。
附图说明
虽然本说明书以特别指出且清楚地要求保护本发明的主题的权利要求来作为结论，但是要相信，在结合附图来考虑时将会从以下描述更好地理解本发明。
图1是图像光导的简化横截面图，其示出了图像承载光束沿传播方向的扩大，以扩大眼盒的一个维度。
图2是具有转向光栅的图像光导的透视图，其示出了垂直于传播方向的图像承载光束的扩大，以扩大眼盒的第二维度。
图3是图像光导的平面图，其示出了波导，该波导具有在波导的同一表面上形成的入耦合衍射光学器件和出耦合衍射光学器件。
图4是示出了具有交替光栅矢量的图案的出耦合衍射光学器件的放大部分的平面图。
图5A，5B，5C，5D和5E示出了图4的出耦合衍射光学器件的各个光栅图案内的光行为。
图6是总结用于图4的图案化的出耦合衍射光学器件的光处理的表格。
图7A，7B和7C示出了根据本公开的实施例的被组合以形成衍射阵列的衍射元件的子集的不同几何布置。
图8A是根据替代实施例的具有波导的图像光导的平面图，该波导具有入耦合衍射光学器件和出耦合衍射光学器件，其中出耦合衍射光学器件的一部分以放大形式示出。
图8B是示出图8A的波导的衍射元件的衍射矢量的示意图。
图8C是总结了图8A的图案化的出耦合衍射光学器件的光处理的表格。
图9A是根据本公开的实施例的具有沿着波导的分布光栅的布置的图像光导的平面图。
图9B是示出图9A的分布光栅的光栅矢量的相似平面图，包括在出耦合衍射光学器件的放大部分内的光栅矢量。
图10是示出图9A和9B的图像光导内的光路的透视图。
图11是根据本公开的实施例的图像光导内的光处理和分布的流程图。
图12是示出用于使用本公开的图像光导的增强现实观看的显示系统的透视图。
图13A，图13B和图13C单独地并且以重叠的形式描绘了两个衍射光栅。
图14是根据本公开的实施例的复合衍射光栅的示意性平面图。
图15是相对于彼此具有不同取向的三个光栅图案的示意图。
图16是覆盖以形成复合光栅图案的图15的三个光栅图案的示意图。
图17是为复合光栅图案选择的来自图16的重叠区域的示意图。
图18是具有光栅特征布置的另一种复合光栅图案的示意图，其中该复合光栅图案进一步由单位单元限定。
图19是通过单位单元的复制可定义的又一复合光栅图案的示意图。
图20A，20B和20C描绘了图19的单位单元的替代形式，其中图20D描绘了与各种形成的单位单元的组件相关联的各种衍射级。
图21A，21B，21C和21D包含从入耦合衍射光学器件到出耦合衍射光学器件沿着波导的图像承载射束的连续TIR相遇的示意性描绘，其通过用于在二个维度上扩大图像承载光束的衍射级的累进示出了衍射效应。
图22A和图22B分别描绘了用于以图21A至21D所示的形式扩大图像承载光束的图像光导的相应的平面透视图。
图23描绘了与光栅特征的矩形配置相关的光栅矢量和衍射级。
图24A描绘了支持衍射级布置的单位单元，并且图24B是根据图24A的单位单元到二维栅格中的组装，其示出了遍及所表示的复合光栅图案中各种衍射级的传播，从而图像承载光束既在二个维度上扩大，又以解码形式从波导衍射。
图25是复合光栅图案的示意性描绘，其中光栅特征的纵横比偏离单位一。
图26是复合光栅图案的示意性描绘，其中，光栅特征的纵横比沿光栅的一个维度逐渐变化。
图27A和27B是示出了所制造的复合光栅图案的示例的SEM图像。
具体实施方式
本描述特别针对形成根据本发明的装置的一部分或更直接地与根据本发明的装置协作的元件。要理解的是，没有具体示出或描述的元件可以采取对于本领域技术人员来说熟知的各种形式。
在此在它们被使用之处，术语“第一”、“第二”等不一定表示任何序数、顺序或优先级关系，而是简单地用于更清楚地将一个元件或一组元件与另一个元件或另一组元件区分开，除非另外具体指明。
在本公开的上下文中，术语“观看者”，“操作者”，“观察者”和“用户”被认为是等同的，并且指代穿戴和使用HMD观看设备观看图像的人。
如本文中所使用的，术语“可激励的”涉及设备或部件的集合在接收电力时并且可选地在接收到使能信号以执行所指示的功能时的能力。
如在此所使用的术语“集合”是指非空集合，因为一批元件或成员的集合的概念是在初等数学中被广泛地理解的。 除非另有明确说明，否则术语“子集”在本文中用于指代非空的适当子集，即具有一个或多个成员的较大集合的子集。对于集合S，子集可以包括完整集合S。但是，集合S的“适当子集”严格包含在集合S中，并且排除了集合S的至少一个成员。
在本公开的上下文中，术语“倾斜”意味着处在并非为90度的整数倍的角度。例如，如果两条线、两个线性结构或两个平面以偏离于平行至少大约5度或更大、或者以偏离于正交至少大约5度或更大的角度从彼此发散或朝着彼此会聚，则它们被认为是相对于彼此倾斜的。
在光学器件的上下文中，术语“耦合”或“耦合器”是指一种连接，光通过该连接通过促进连接的中间结构从一个光学介质或设备行进到另一光学介质或设备。
作为对真实图像投影的替代，光学系统可以产生虚像显示。与用于形成真实图像的方法相反，虚像并未形成在显示表面上。也就是说，在显示表面被定位在虚像的感知位置处的情况下，并没有图像会被形成在该表面上。虚像显示对于增强现实显示而言具有许多固有的优点。 例如，虚像的外观大小不受显示表面的大小或位置限制。与投影真实图像的系统相比，可以通过形成看起来处于一定距离以外的虚像来提供更真实的观看体验。提供虚像还避免了如在投影真实图像时可能必要的针对屏幕伪影（artifact）进行补偿的任何需要。
图1是示出了单眼型图像光导10的一种常规配置的简化截面图的示意图，该单眼型图像光导10包括具有平面平行表面的平面波导22，布置在平面波导22的透明基板S上的入耦合衍射光学器件IDO和出耦合衍射光学器件ODO。 在该示例中，入耦合衍射光学器件IDO被示为布置在与平面波导22的外表面12相对的平面波导22的内表面14上的反射型衍射光栅，图像承载光WI通过该反射型衍射光栅到达平面波导22。 然而，入耦合衍射光学器件IDO可以可替代地是透射衍射光栅，体全息图或其他全息衍射元件，或为进来的图像承载光WI提供衍射的其他类型的光学部件。入耦合衍射光学器件IDO可以位于平面波导22的外表面12或内表面14上，并且可以是组合的透射型或反射型，这取决于图像承载光WI接近平面波导22的方向。
当用作虚拟显示系统的一部分时，入耦合衍射光学器件IDO将来自真实，虚拟或混合图像源（未示出）的图像承载光WI耦合到平面波导22的基板S中。 首先将任何真实图像或图像维度转换（例如，朝焦点会聚）为编码虚像内不同位置的重叠角度相关光束的阵列，以便呈现给入耦合衍射光学器件IDO。 图像承载光WI被衍射（通常通过第一衍射级），并由此通过入耦合衍射光学器件IDO作为图像承载光WG被重定向到平面波导22中，便以通过全内反射（TIR）沿着平面波导22进一步传播。尽管在与TIR设置的边界一致的情况下衍射到角度相关光束的通常更会聚的范围内，但是图像承载光WG以编码形式保留了图像信息。 出耦合衍射光学器件ODO接收编码的图像承载光WG并将图像承载光WG从平面波导22中衍射出来（通常也通过第一衍射级）作为图像承载光WO向着观众的眼睛的预定位置传播。通常，出耦合衍射光学器件ODO相对于入耦合衍射光学器件IDO对称地设计，以恢复在图像承载光WO的输出的成角度相关的光束之间的图像承载光WI的原始角度关系。然而，为了增加在其中可以看到虚像的所谓的眼盒E中的角度相关光束之间的重叠的一个维度，将出耦合衍射光学器件ODO布置成多次遇到图像承载光WG，并且在每次相遇时仅衍射一部分图像承载光WG。沿着出耦合衍射光学器件ODO的长度的多次相遇具有放大图像承载光WO的每个与角度相关的光束的一个维度的效应，从而扩大了光束在其中重叠的眼盒E的一个维度。 扩大的眼盒E降低了对于观看者的眼睛位置的敏感性以便观看虚像。
出耦合衍射光学器件ODO被示为布置在平面波导22的内表面14上的透射型衍射光栅。但是，像入耦合衍射光学器件IDO一样，出耦合衍射光学器件ODO可以位于平面波导22的外表面12或内表面14上，并且可以是组合的透射型或反射型，其取决于图像承载光WG打算通过其离开平面波导22的方向。
图2的透视图示出了图像光导20，其布置成用于在二个维度上（即沿着预期图像的x轴和y轴两者）扩大眼盒74。为了实现光束扩大的第二维度，将入耦合衍射光学器件IDO定向为将围绕光栅矢量k0的图像承载光WG朝着中间转向光栅TG衍射，中间转向光栅TG的光栅矢量k1定向为以反射模式射向出耦合衍射光学器件ODO衍射图像承载光WG。与中间转向光栅TG的多次相遇中的每一次都仅衍射图像承载光WG的一部分，从而使接近出耦合衍射光学器件ODO的图像承载光WG的每个与角度相关的光束横向扩大。转向光栅TG将图像承载光WG重定向到与出耦合衍射光学器件ODO的光栅矢量k2至少近似对准，以在作为图像承载光WO离开平面波导22之前在第二维度上纵向扩大图像承载光WG的角度相关光束。光栅矢量（例如所描绘的光栅矢量k0，k1和k2）在垂直于衍射光学器件的衍射特征（例如，凹槽，线或划线）的方向上延伸，并且具有与衍射光学器件IDO，TG和ODO的周期或间距d（即，凹槽之间的中心距）相反的量值。
在图2的图像光导20中，入耦合衍射光学器件IDO接收进来的图像承载光WI，其包含一组与图像源16所生成的图像中的各个像素或等效位置相对应的成角度相关的光束。可以通过如下来生成用于产生虚像的全范围的角度编码的光束：连同聚焦光学器件一起的真实显示器、用于更直接地设定光束的角度的光束扫描仪、或者诸如与扫描仪一起使用的一维真实显示器的组合。 图像光导20通过利用中间转向光栅TG和出耦合衍射光学器件ODO两者在不同取向上提供图像承载光WG的多次相遇来在图像的二个维度上输出扩大的一组角度相关光束。在平面波导22的原始取向中，中间光栅TG在y轴方向上提供光束扩大，而出耦合衍射光学器件ODO在x轴方向上提供相似的光束扩大。 两个衍射光学器件IDO和ODO以及中间光栅TG的反射率特性和各自的周期d以及它们各自的光栅矢量的取向一起提供了二个维度上的光束扩大，同时保留了从图像光导20输出的图像承载光WI与图像承载光WO的角度相关光束之间的预期关系。
也就是说，虽然通过入耦合衍射光学器件IDO将输入到图像光导20中的图像光WI编码为一组不同的角度相关光束，但是通过考虑入耦合衍射光学器件IDO的体系效应来保留重构图像所需的信息。通常将位于入耦合衍射光学器件IDO和出耦合衍射光学器件ODO之间的中间位置的转向光栅TG布置为使得它不会在图像承载光WG的编码上引起任何显著变化。出耦合衍射光学器件ODO通常相对于入耦合衍射光学器件IDO以对称的样式布置，例如，包括共享相同周期的衍射特征。 类似地，转向光栅TG的周期通常也匹配入耦合衍射光学器件IDO和出耦合衍射光学器件ODO的共同周期。 尽管示出的转向光栅的光栅矢量k1相对于其他光栅矢量（均为无方向线段）定向在45度角（这仍然是可能的取向），但转向光栅TG的光栅矢量k1优选地相对于入耦合衍射光学器件IDO和出耦合衍射光学器件ODO的光栅矢量k0和k2定向在60度，以这样的方式使得图像承载光WG转向120度。通过使中间转向光栅的光栅矢量k1相对于入耦合衍射光学器件IDO和出耦合衍射光学器件ODO两者的光栅矢量k0和k2定向在60度，入耦合衍射光学器件IDO和出耦合衍射光学器件ODO的光栅矢量k0和k2相对于彼此（再次视为无方向的线段）也以60度取向。使光栅矢量量值基于转向光栅TG以及入耦合衍射光学器件IDO和出耦合衍射光学器件ODO的共同间距，三个光栅矢量k0，k1和k2（作为有向线段）形成等边三角形，且总和为零矢量量值，从而避免了可能引入不必要的像差（包括色散）的非对称效应。
无论入耦合光学器件是使用光栅，全息图，棱镜，反射镜还是其他机制，被衍射到平面波导22中的图像承载光WI都由入耦合光学器件有效地编码。 在输入处发生的光的任何反射、折射和/或衍射必须被输出对应地解码以便重新形成呈现给观看者的虚像。优选地，放置在入耦合衍射光学器件IDO和出耦合衍射光学器件ODO之间的中间位置的转向光栅TG通常被设计和定向成使得它不会对编码光引起任何变化。出耦合衍射光学器件ODO将图像承载光WG解码为其已被扩大以填充眼盒74的角度相关光束的原始形式或所需形式。 从广义上讲，无论转向光栅TG与入耦合衍射光学器件IDO和出耦合衍射光学器件ODO之间是否保持任何对称性，或者无论沿着平面波导22的图像承载光WI的角度相关光束的编码是否发生任何变化，转向光栅TG与入耦合衍射光学器件IDO和出耦合衍射光学器件ODO是相关的，使得从平面波导22输出的图像承载光WO保留或另外保持图像承载光WI的原始或期望形式，以用于产生期望的虚像。
字母“R”表示对于眼睛在眼盒74中的观看者可见的虚像的取向。 如所示，在所表示的虚像中字母“R”的取向与由图像承载光WI编码的字母“R”的取向匹配。 在围绕z轴的旋转或进来的图像承载光WI关于x-y平面的角度取向中的改变引起来自出耦合衍射光学器件（ODO）的离开光的在旋转或角度取向上的对应的对称性改变。 从图像取向的方面来看，转向光栅TG简单地充当一种光中继器，沿图像的一个轴（例如，沿y轴）提供图像承载光WG的角度编码光束的扩大。出耦合衍射光学器件ODO进一步沿图像的另一轴（例如，沿x轴）扩大图像承载光WG的角度编码光束，同时保持了由图像承载光WI编码的虚像的原始取向。转向光栅TG通常是倾斜的或正方形的光栅，或者可替代地可以是闪耀光栅，并且通常布置在平面波导22的前表面或后表面上。
图1和2所描绘的图像光导10和20可以是在用于观看者提供图像内容的许多现有的头戴式设备（HMD）设计中使用的类型。 该类型的图像光导特别良好地适用于其中虚像内容可以如通过透明平面波导22看到那样被叠加在真实世界视图上的增强现实应用。
在图1和图2中示出的常规的图像光导20被使用在许多现有的头戴式设备（HMD）设计中以用于向观看者提供图像内容。该类型的光导特别良好地适用于其中图像内容可以如通过透明图像光导看到那样被叠加在真实世界视图上的增强现实应用。
本公开的实施例提供了改进的波导性能，并且通过使用衍射阵列来消除光路上对单独的转向光栅TG的需要，该衍射阵列在x和y方向上扩大每个图像承载光束并向眼盒输出扩大的图像承载光束。
参照图3，示出了作为图像光导150的波导，其具有入耦合衍射光学器件IDO和出耦合衍射光学器件ODO，IDO和ODO两者都可以形成在波导150的同一表面上。 或者，IDO和ODO可以形成在波导150的不同表面上。 如所示，入耦合衍射光学器件IDO具有在x方向上延伸的光栅矢量k。 出耦合衍射光学器件ODO具有多个不平行于光栅矢量k的光栅矢量，如下所示。
图4的平面图示出了作为衍射阵列100的出耦合衍射光学器件ODO的布置。 阵列100具有多个分量衍射光学元件或光学器件102。在阵列100的行中，顺序衍射光学元件102具有交替的光栅矢量k2和k3。 对于阵列100的一部分，以放大视图OE示意性地示出了交替光栅矢量布置。 光栅矢量k2与输入光栅矢量k和x轴偏移+60度（或者，与y轴偏移-30度）。光栅矢量k3与输入光栅矢量k和x轴偏移-60度。
在光路中用作图4和后续实施例中的出耦合衍射光学器件的衍射阵列100可以认为在结构上形成为在单个表面上形成的衍射元件或光学器件的不相交，互不重叠的子集的并集。从集合论的角度考虑，子集的这种结合形成了一个“分区”。 对应于分区的每个子集都有一个唯一的光栅矢量，并且根据光栅矢量方向将子集彼此区分开。即，每个子集中的所有衍射元件具有共同的光栅矢量。 在衍射元件102的空间布置中，至少两个子集的元件彼此交替，使得来自具有光栅矢量k2的子集的每个元件与来自具有光栅矢量k3的另一子集的一个或多个相邻元件紧邻。可以使用直接相邻元件的两个以上子集来构成衍射阵列100的分区；每个子集具有一个光栅矢量，该光栅矢量在与其他任何子集的相应光栅矢量不同的方向上延伸。
图5A至5E的示意图示出了使用交替光栅矢量的这种布置如何在单独的衍射元件102处操作以分配和输出用于形成虚像的光。 图5A示出了在所示出图中从IDO入射的向左行进的光如何在形成为具有光栅矢量k2的衍射元件102的一部分上相互作用。入射光的某些部分在光学器件102处发生衍射，以及由此与来自IDO的原始光路偏离120度。 该光的一部分在沿着衍射光栅的几个点中的每个点处被衍射并重定向到阵列100的其他部分。该光的另一部分不被衍射，而是依次行进通过衍射光学元件102至下一光学元件102。
图5B示出了与图5A所描述的路径类似的路径，但是方向相反。来自IDO的被传送到具有光栅矢量k3的衍射元件102的入射光可以采用所示的任一角路径。 入射光的某些部分在光学元件102处发生衍射，并与来自IDO的原始光路偏离120度。 该光的一部分在沿着衍射光栅的几个点中的每个点处被衍射并重定向到阵列100的其他部分。该光的另一部分不被衍射，而是依次行进通过衍射元件102并到达下一个元件102。
图5C示出了当光以基本正交于衍射元件102的光栅的角度入射时发生的情况。 光从衍射元件102以该角度离开，其中光的某些部分在与衍射结构的每次相互作用时向外指向。
图5D示出了导致光从阵列100输出的一种类型的相互作用。 从具有光栅矢量k2的元件102衍射的一些光可以进一步入射到另一光学元件102上并进入阵列100并且具有光栅矢量k3。 满足图5C所示的条件，光入射平行于光栅矢量。 然后输出该光（即，在图5D的视图中从页面输出）。
图5E示出了可以沿着阵列100内的光路发生的不同的相互作用。 在此，从具有光栅矢量k2的光学元件102衍射的一些光可以入射到另一个元件102上，进一步到达也具有光栅矢量k2的阵列100。 在所示的布置中平行于输入光向外引导所得的输出光。
图6示出了表格，该表格总结了衍射阵列100的每个衍射元件102的主要光响应。根据与图5A-6有关的描述，为衍射阵列100内的入射光提供了许多潜在路径，从而允许光沿x和y轴两个方向扩展以提供扩大的输出。 但是，并非所有以特定角度入射的光都会重定向，如图6所示。第一次与光栅接触时未重定向的光可以继续穿过光栅，以在沿着光栅的任意数量的附加点处重定向。 图6示出了会形成观看者图像的光的主要路径。
取决于诸如所需性能和可制造性的因素，衍射元件102有许多形状布置。 图7A的实施例示出了使用矩形元件102的棋盘配置的放大部分，该矩形元件102沿阵列100的每一行和每一列交替布置有光栅矢量k2，k3。 图7B示出了使用六边形的布置的放大部分。 图7C示出了使用三角形的布置的放大部分。对于这些布置中的每一个，衍射元件102是光栅矢量与IDO的光栅矢量偏移大约+60度（即，偏移了+60 +/- 3度以内的角度）的第一子集或光栅矢量相对于IDO的光栅矢量偏移了大约-60度（即，偏移了-60 +/- 3度以内的角度）的第二子集。 第一（+60度）子集的每个衍射元件紧邻第二（-60度）子集的至少一个衍射元件。 第一和第二子集的衍射元件相互不重叠。
可以在整个光栅上改变诸如光栅深度和其他特征的设计参数，诸如例如以选择性地向出耦合衍射光学器件的末端部分输出更高百分比的光。
除了形状修改之外，对图4的基本模型的其他改变可以包括在衍射阵列100内使用具有除+/- 60度以外的角度的光栅矢量的子集的一些附加光栅元件。根据本发明的实施例，可以提供一定数量的随机化，包括使用选择性地散布在沿着阵列100延伸的光路上的0度或以其他合适角度的光栅。
图8A和图8B的放大示意图示出了根据本公开的替代实施例的在波导基板的同一侧上具有入耦合衍射光学器件和出耦合衍射光学器件的图像光导170。 在所示的配置中，如图8B所示，出耦合衍射光学器件ODO由彼此直接相邻并且具有三个对应的光栅矢量k，k2和k3的三个衍射元件的组形成。 图8C中的表格示出了在图像光导170中以不同角度行进的光的光处理行为。光栅矢量k距光栅矢量k2和k3约60度（60度+/- 3度）。
有利地，图4和图8A所示的实施例提供了一种波导，该波导提供光束扩大而无需转向光栅。 然而，如图9A，9B和10的示例性实施例所示，可以使用附加的分布光栅来改善光分布。
图9A的平面图示出了波导，该波导使用衍射光学器件的布置来提供图像光导160，以形成来自波导的扩大输出光束。 来自入耦合衍射光学器件IDO的光被引导到第一和第二分布光栅70，以相对于所示的y维度扩大。 然后，所产生的光通过成对的分布光栅72重定向到出耦合衍射光学器件ODO。 如前所述，出耦合衍射光学器件ODO使用衍射阵列100。 图9B示出了图像光导160的不同衍射分量的代表性光栅矢量。
图10示出了光分布路径的示意图，该光分布路径被定义用于通过图8和图9的光导160将图像承载光导向入耦合衍射输出IDO。来自入耦合衍射输出IDO的光沿y轴方向扩大，通过一个或两个分布光栅70引导光路。 然后，来自每个分布光栅70的光被传送到第二对分布光栅72。 分布光栅72在内部使光重定向，但是这样做是为了使光束扩展，使光在输出光路的方向上重定向为朝着出耦合衍射光栅ODO。 然后，出耦合衍射光栅ODO将光正交地引导出图像光导160，以形成观看者眼盒。 因此，可以将图像承载光的路径引导通过至少两个分布光栅，其中分布光栅彼此间隔开并且在图像光导内扩大图像承载光。
沿着从光栅70到随后的分布光栅72的光路前进的通过光是已经被偶数次衍射的光。 光相对于y轴的膨胀是奇数衍射{1、3、5等...]}的结果。
图11所示的流程图描述了图像光导150如何利用图8-10所示的光栅布置来处理光。 在输入步骤400中，将光输入到入耦合衍射光学器件IDO。 在步骤410中，光前进到分布光栅70。 在步骤420中，来自光栅70的衍射光然后前进到转向步骤424，在转向步骤424中，该光转向+60度或-60度。 转向-60度的光在衍射光栅72中前进到衍射步骤430。 在步骤450中使未衍射的光循环。 衍射光前进到转向步骤470，并以+/- 60度之一重定向。 类似地，在衍射光栅72中转向+60度的光前进到衍射步骤440。 在步骤460中使未衍射的光循环。 衍射光前进到转向步骤480，并以+/- 60度之一重定向。 在输出步骤490中，光从出耦合衍射光学器件ODO输出。 应该注意的是，图11标识了主要的光路，近似于图像光导中许多光的光处理行为。例如，并非所有的光都在各种界面处经历衍射。
图12的透视图示出使用本公开的一对图像光导的用于三维（3-D）增强现实观看的显示系统60。显示系统60被示出为HMD，其带有具有用于左眼的图像光导140l的左眼光学系统54l以及具有用于右眼的图像光导140r的对应的右眼光学系统54r。可以提供诸如微型投影仪或相似设备的图像源52，其可激励以生成针对每个眼睛的单独的图像，所述单独的图像被形成为具有用于直立图像显示的所需要的图像取向的虚像。生成的图像可以是用于3-D观看的立体图像对。 由该光学系统形成的虚像可以看起来是被叠加或覆盖到由观看者看到的真实世界场景内容之上。还可以提供对于增强现实可视化领域的技术人员来说熟知的附加部件，诸如用于观看场景内容或进行观看者视线追踪的安装在HMD的框架上的一个或多个相机。 替代布置是可能的，包括用于向一只眼睛提供图像的显示装置。
图13A是具有限定第一光栅图案的光栅矢量k1和光栅周期d1的衍射光栅500的示意图。 在一个实施例中，光栅矢量k1相对于x方向具有45度的角度。 在另一种布置中，光栅矢量k1相对于x方向具有大约60度的角度。 在又一布置中，光栅矢量k1相对于x方向具有大约30度的角度。
图13B是具有限定第二光栅图案的光栅矢量k2和周期d2的衍射光栅510的示意图。在一种布置中，光栅矢量k2相对于x方向具有-45度的角度。在另一种布置中，光栅矢量k2相对于x方向具有大约-60度的角度。在另一种布置中，光栅矢量k2相对于x方向具有大约-30度的角度。
图13C是由重叠衍射光栅500和衍射光栅510组成的重叠衍射光栅520的示意图。在一种布置中，光栅矢量k1和k2之间的角度关系是45度。 在另一种布置中，光栅矢量k1和k2之间的角度关系约为60度。 在另一种布置中，光栅矢量k1和k2之间的角度关系约为30度。 在另一种布置中，光栅矢量k1和光栅矢量k2之间的角度关系在0至180度之间。
在一种布置中，第一衍射光栅的周期d1与第二衍射光栅的周期d2相同。 在另一种布置中，第一衍射光栅的周期d1不同于第二衍射光栅的周期d2。 在一种布置（未示出）中，衍射图案中的至少一个具有在光栅矢量的方向上改变的啁啾周期。
圆锥形衍射规则包括任意入射角，包括具有垂直于光栅并包含光栅矢量的平面之外的方位角分量的入射角。James E. Harvey和Cynthia L. Vernold在Applied Optics，37卷, 34期, (1998)，8158-8160页上发表的题为“Description of Diffraction GratingBehavior in Direction Cosine Space”的论文中提供了为方向余弦空间制定的这些规则的数学描述，该论文由此通过引用并入本文。
为了定义圆锥形衍射，可以将右手坐标系定心在输入光线矢量与光栅平面的交点上，使得光栅的法线矢量沿着z轴，x轴沿着投影到xy平面上的输入光线的矢量。然后，由下面的等式给出投影到xy平面上的第m级衍射光线的x和y坐标：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
，
这里
Figure DEST_PATH_IMAGE003
指示衍射级，
Figure DEST_PATH_IMAGE004
是光线行进通过的材料中的波长，该材料具有折射率
Figure DEST_PATH_IMAGE005
并且
Figure DEST_PATH_IMAGE006
是真空中光线的波长，d是光栅的间距，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
（希腊字母kappa）是光栅矢量k相对于x轴正方向的角度，
Figure DEST_PATH_IMAGE008
是入射光线相对于z轴（光栅的法线）形成的极角，并且
Figure DEST_PATH_IMAGE009
是入射光线的投影相对于xy平面中x轴形成的方位角。 对于入射光线在xz平面上的情况，从-x轴朝着+ x轴方向，方位角将为
Figure DEST_PATH_IMAGE010
。
条件
Figure DEST_PATH_IMAGE011
确保衍射光线是真实的（与倏逝光线相反）。
然后，通过下式确定第m级衍射光线在xy平面中相对于x轴的方位角：
Figure DEST_PATH_IMAGE012
。
以这样的方式，可以确定衍射光线的转向。第m级衍射光线与z轴形成的极角由下式确定：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
。
通过将多个交叉光栅矢量分别视为非交叉光栅，可以将这些等式用于确定线性交叉光栅的一级设计。 因为在设计交叉光栅时可能会出现其他次要光栅矢量，部分基于实验和/或对完成的交叉光栅的更严格的傅里叶分析，对于考虑中的交叉光栅的特定应用可能需要对设计进行额外的调整。
图14是由三个重叠的光栅组成的复合衍射光栅600的示意图。 作为复合光栅，三个光栅在同一平面内重叠。 分离的衍射光栅由定义了三个不同的光栅图案的三个光栅矢量k1，k2和k3划界。 三个光栅的每一个的周期d是相同的值。 在其他布置中，三个光栅周期不是全部相同。另外，三个光栅周期中的至少一个可以具有啁啾周期。如所示，所有三个光栅矢量k1，k2和k2均以60度的角度相关（当被视为无方向线段时）。使光栅矢量量值基于共同间距，三个光栅矢量k1，k2和k3（作为有向线段）形成一个等边三角形，并且总和为零量值。 在其他布置中，光栅矢量可以相对以不同的角度量定向。例如，在图像承载光束在与光栅矢量k1对准的标称传播方向上接近复合衍射光栅的布置中，光栅矢量k2和k3可以相对于光栅矢量k1以 45度的角度定向。
图15是三个衍射光栅图案610、612、614的示意图，每个衍射光栅图案如图14的光栅图案那样以彼此不同的角度定向。 在二元布置中，黑色的条620表示材料的去除，并且黑色的条620之间的白色空间622表示可以从其制成复合衍射光栅的原始材料。
图16是示出图15的彼此重叠的三个衍射光栅图案610、612、614的示意图。从重叠图案中，选择区域650作为复合衍射光栅的最终衍射图案。 为了说明的目的，大大地放大了光栅的周期，并大大减少了周期数。
图17是区域650的放大示意图，其示出了去除材料的区域652和保留原始基板材料的区域654。 其余区域654可以被称为光栅特征，并且相对于光栅图案的这种布置，该光栅特征具有六边形形状。 在去除材料对剩余材料的其他分布中，光栅特征可以采用其他形状。
图18示出了具有三个重叠的衍射图案的复合光栅图案660的示意图。深色区域664表示已经去除原始材料以形成光栅660的区域。其余区域包含六边形光栅特征654。 在此，光栅图案是基于将单位单元复制到二维栅格中而由光栅特征本身的布置形成的。 例如，所描绘的图案可以通过复制矩形单位单元666或六边形单位单元668来形成。 单位单元666或668中的任何一个都可以通过各个单位单元与在二维栅格内共享顶点的相邻单位单元的连续复制来定义整个复合光栅图案660。 尽管光栅矢量k1，k2和k3相对于彼此相对定向为60度，如图17的复合光栅图案650所示，但复合光栅图案660的单位单元定义为进一步成形和定向相同总体光栅图案内的光栅特征662提供了额外的自由度。 例如，即使光栅特征662被成形为正方形，矩形，圆形或椭圆形，光栅矢量k1，k2和k3的相同相对取向和周期也将保持不变。 另外，光栅特征662可以由在加工操作之后剩余的材料或通过加工操作去除的材料来限定。 更宽泛地，光栅特征可以由使光栅特征与其周围环境不同的光学性质（例如折射率差）来定义。
图19描绘了包括由基于矩形单位单元702的大致正交的光栅矢量k1和k2划界的两个重叠的光栅图案的另一个复合光栅图案700。在所示的布置中，光栅矢量k1大体上平行于x坐标轴延伸，并且光栅矢量k2大体上平行于y坐标轴延伸。在每个矩形单位单元内定义了光栅特征704。
尽管复合光栅图案700仍可以定义为二维栅格，但光栅特征704沿x坐标轴跨单位单元702的一个维度，使得矩形单位单元702中的光栅特征704与沿x坐标轴的邻接的单位单元702的光栅特征704相邻。 这样，通过在y坐标方向上的光栅特征704的规则变化来产生在k1矢量方向上的复合光栅图案的周期性。 定义k1光栅矢量周期性的规则变化是锯齿图案。复合光栅图案在k2矢量方向上的周期性是通过在y坐标方向上的连续光栅特征行之间的规则间距或平均间距创建的。
值得注意的是，由与k2光栅矢量相关联的y坐标方向上的周期性变化所定义的光栅图案比与由k1光栅矢量相关联的x坐标方向上的周期性变化所定义的光栅图案更明显。作为光栅线，与k1光栅矢量关联的个体光栅线沿y坐标轴不连续地延伸，而与k2光栅矢量关联的单个光栅线沿x坐标轴更连续地延伸。 这种结构上的差异有利于与k2矢量相关的衍射超过与k1光栅矢量相关的衍射，从而增强了图像承载光束沿y坐标轴的扩展（即扩大）。
图20A，20B和20C描绘了具有沿x坐标轴连续延伸的不同形状的光栅特征712、716、720的三个替代矩形单位单元710、714和718。尽管矩形单位单元714的光栅特征716类似于图19的矩形单位单元702的光栅特征704，但是矩形单位单元710的光栅特征712更接近方波单元，并且该矩形单位单元718的光栅特征720更接近正弦波。
然而，如图20D中概略地示出的，所有三个矩形单位单元710、714和718定义具有正交光栅矢量k1和k2的复合光栅图案。 箭头722代表接近定义了单位矢量k1和k2从而导致光通过各种角度衍射的示意性矩形单位单元724的图像承载光束之间的标称传播方向。通过沿箭头726零级衍射的光继续通过TIR沿波导传播，直到在复合光栅图案内的其他地方沿传播方向遇到相同或相似的单位单元图案结构才发生变化。在波导的xy平面中，通过箭头726表示的通过零级衍射的图像承载光束的部分保持其原始传播方向。
基于复合衍射光栅图案，各种一级衍射是可能的。 例如，像圆728所描绘的那样，图像承载光束的部分从波导中衍射出来，这主要是基于像传统的出耦合衍射光学器件那样与由k1矢量定义的光栅图案相遇。 光栅矢量k1优选地与入耦合衍射光学器件的光栅矢量匹配，使得从波导射出的图像承载光束被解码成它们的原始角度相关形式。 然而，复合光栅图案还沿着单位单元724的对角线产生箭头730和732所描绘的其他一级衍射，其将图像承载光束的部分扩展到标称传播方向之外。 如此衍射的部分保留在波导内，但是可以相对于彼此以不同的形式（即，以与由入耦合衍射光学器件施加的角度编码形式不同的形式）进行角度编码。 然而，可以通过随后在复合光栅图案中其他地方遇到相同或相似的单位单元结构来恢复原始角度编码。
与六边形网格图案不同，这些光栅的y矢量独立于x矢量。 可以将沿着不平行于标称光线行进方向的矢量通过衍射级重定向到波导中的图像承载光束部分编码为一组新的角度。但是，与（在x和y维度上）相等倾斜的图案的第二交互有效地对未耦合的光束部分进行编码，或者将光束部分返回其先前的编码，以便沿波导中的其原始方向行进。
图21A至21D描绘了与由基于图20的单位单元的光栅结构限定的出耦合衍射光学器件750的连续相遇的图案。 具有重叠的光栅图案的出耦合衍射光学器件750执行两个主要功能。除了从波导射出图像承载光束之外，出耦合衍射光学器件750在二个维度上扩大图像承载光束，以增加其在眼盒内重叠的共同区域。图像承载光束通过与出耦合衍射光学器件的连续衍射相遇而扩大，每次相遇都会使图像承载光束通过不同的衍射级进行衍射。
图21A描绘了由TIR沿着波导从入耦合衍射光学器件740到出耦合衍射光学器件750传播的图像承载光束的连续相遇。在图21A中，仅示出了来自出耦合衍射光学器件的零级衍射。 每次这样的相遇（相当于TIR反射）都被示为以带有居中十字的圆圈表示。 在进一步的传播过程中，零级衍射光从波导的相对侧面反射，以便随后在沿原始传播方向移位的位置与出耦合衍射光学器件相遇。 因此，零级衍射还沿着投影到波导xy平面上的原始传播方向进一步传播了所考虑的图像承载光束。
图21B示出了由图20D中的圆圈716表示的一级衍射的效果，其中，解码光每次一遇到从波导朝着眼盒时就被衍射。 射出的光被描绘为覆盖有“X” 黑色的圆圈。因此，随着一系列相对移位的子束，图像承载光束在标称传播方向上扩大，每个子束由原始图像承载光束之一内的一部分光组成。 负责这种衍射的k1光栅矢量图案最好与入耦合衍射光学器件的光栅矢量取向和量值匹配，以解码由入耦合衍射光学器件施加在图像承载光束上的角度关系，其方式等同于反转图像承载光束最初从入耦合衍射光学器件衍射的方向。
图21C示出了由图20D的箭头718和720表示的一级衍射的相加。 附加的一级衍射718和720沿投影到波导的xy平面上的，相对于标称传播方向倾斜的不同方向衍射图像承载光束的部分。受到附加的一级衍射的影响的每次相遇在整个波导中在横向上扩展图像承载光束的部分。零级衍射还通过在连续相遇中保持附加的一级衍射718和720的即时方向来有助于连续相遇的扩展。
通过附加衍射级之一的每个初始衍射将图像承载光束的部分从标称传播方向引出。 这样，可以进一步将图像承载光束的受影响部分编码为不同的角度相关形式。然而，通过基本上相反地操作的相同衍射级进行的随后的衍射可以恢复原始角度编码和在图像承载光束的衍射部分之间的原始传播方向两者。 尽管光束部分的编码和方向两者都得到恢复，但是光束部分在垂直于标称传播方向的方向上偏移，从而具有在第二维度中扩大图像承载光束的效果。
图21D示出了在沿第二维度的相遇的扩大范围内，由图20D中的圆圈716表示的第一级衍射的效果。 在取向和编码方面恢复的光束部分的相遇包括一级衍射716，该一级衍射716将来自波导的解码光发射到眼盒中，从而使图像承载光束在在二个维度上扩大的眼盒的共同区域内重叠。
图22A和22B示出了波导760的不同视图，其中示意性地描绘了入耦合衍射光学器件762和出耦合衍射光学器件764的光栅图案。 入耦合衍射光学器件762的光栅矢量k0与出耦合衍射光学器件764的光栅矢量之一对准，并且入耦合衍射光学器件762的周期d0与出耦合衍射光学器件764的周期d1匹配。因此，由出耦合衍射光学器件764对由入耦合衍射光学器件762衍射的图像承载光束的编码进行解码，使得在从出耦合衍射光学器件764射出的图像承载光束（例如768）之间恢复呈现给入耦合衍射光学器件762的图像承载光束（例如766）之间的角度关系。然而，出耦合衍射光学器件764的重叠光栅图案还为在二个维度上扩大射出的光束（例如768）之间的重叠区域创造了条件。
图23示出了复合光栅图案780的布局，其中，正方形光栅特征782被布置在具有正交光栅矢量k1和k2的矩形网格中。 描绘了衍射的各个级，以沿标称传播方向以及包括与标称方向垂直的分量的相反方向分布光。
图24A描绘了被组装到图24B的阵列中的限定了复合光栅图案810的单位单元800的衍射级，该复合光栅图案810可以用作出耦合衍射光学器件，以便以扩大图像承载光束之间的重叠的区域的形式在二个维度上从波导发射解码的图像承载光束。作为基于共同单位单元800的阵列，保留在波导内的各种衍射级在与邻接的单位单元800的互补衍射级对准的方向上传播。 因此，在每个连续的相遇处，图像承载光束的其余部分通过方向的相同集合或子集衍射。 可以通过等效衍射来消除由衍射在标称传播方向之外产生的任何其他编码，该等效衍射可以恢复所需的编码和进一步的标称传播方向两者，在该标称传播方向上可以布置衍射级之一以将光束部分射出波导以便填充眼盒。 以相同的方式，将光从波导引导出去到达眼盒中的衍射图案优选地等同于入耦合衍射光学器件的衍射图案，从而通过使相同光束从波导中衍射出来而对在衍射到波导中的图像承载光束施加的编码进行解码。
图25以二维栅格的形式描绘了复合光栅图案820，在其中已识别出四个光栅图案（如由光栅矢量k1，k2，k3和k4所表示的）用于对在由箭头822表示的标称方向上从入耦合衍射光学器件传播的一组图像承载光束进行各种衍射。如所示，每个光栅特征824具有大于单位一的长度l与宽度w的纵横比。 沿着输入光束的标称方向822增加光栅特征824的纵横比（例如变成椭圆形或矩形）将能量减少到出耦合衍射级，同时将能量增加到转向衍射级，以有利于输入光束沿y坐标轴的扩大。当输入光束沿标称传播方向822遇到复合光栅820时，太多的能量可能被引导通过出耦合衍射级，从而在眼盒内产生不均匀的照明。 相对于光栅特征824的长度l相对地减小光栅特征824的宽度w有助于使眼盒充满更均匀的照明。
图26描绘了以由类似于图25的复合光栅图案820的光栅矢量k1，k2，k3和k4定向的光栅矢量限定的二维栅格形式的另一复合光栅830。 输入光束也以相似的标称传播方向832呈现给复合光栅830。 然而，光栅特征834的纵横比在标称传播方向832上逐渐变化。 如所示，光栅特征834的宽度w保持相同。 然而，开始比光栅特征834的宽度明显更长的光栅特征834的长度沿着标称传播方向832长度逐渐减小。 光栅特征834的这种逐渐变化的纵横比也可以用于进一步平衡整个眼盒的出耦合光束亮度水平。 一旦图像承载光束已经沿y坐标轴跨波导的输出孔径区域扩大，就可以使用更平衡（接近1：1）的纵横比来有效地出耦合输出孔径内的图像承载光束的其余部分。
因此，除了使沿x和y坐标轴两者从出耦合衍射光学器件输出的图像承载光束扩大以增加其在眼盒内重叠区域的目的外，还可以改变光栅特征的纵横比以便在扩大的输出光束内更均匀地分配光线，并在整个眼盒中提供更均衡的照明。 可以改变光栅特征的长度l和宽度w两者，以控制眼盒内的期望的光分布。 除了在x和y坐标方向上改变纵横比外，光栅特征的纵横比还可以在其他取向上（尤其是在垂直于光栅矢量的取向上）变化。 在出耦合过多光的复合光栅区域中，可以将局部光栅特征的纵横比布置为有利于倾向于使光在波导内分配到复合光栅的原本很少的光可以出耦合的其他区域的衍射级。另外，在原本将出耦合太少光的区域中，可以促进出耦合。
除了通过光栅矢量和单位单元排列将支持的伴随衍射级来定义单位单元外，单位单元内的光栅特征的形状以及相对折射率和光栅特征的高度或深度也可以被控制来影响每个单位单元的衍射级之间的光分布。
虽然通常是通过与具有沿着传播标称方向的光栅矢量的光栅图案相遇而将解码光从波导中射出的，但是这三个光栅图案可以以基本相等的间距彼此以60度定向以保持角度编码，同时提供从波导射出光的更多机会，例如如图16至18所示。 在第一光栅图案垂直于标称传播方向定向的情况下，第二和第三光栅图案可以分别以其正60度和负60度定向。可以在基本上垂直于第三光栅图案的路径上通过第一级衍射遇到第二光栅图案的图像承载光束部分。 在这种取向下，光束部分可以由通过类似的第一级从第三光栅图案的衍射而从波导中射出。 类似地，遇到第三光栅图案的图像承载光束部分可以在基本上垂直于第二光栅图案的路径上通过第一级衍射。 在这种取向下，光束部分可以通过类似的第一级从第二光栅图案通过衍射从波导中射出。
通过与第一光栅图案的相遇的中间性（intermediacy）而成功地与第二光栅图案相遇允许随后的与第二光栅图案的相遇将解码的光从波导射向眼盒。 在没有与第一衍射光栅相遇的中间性的情况下，与第二衍射光栅的连续相遇或通过第一衍射级与第二衍射光栅的连续相遇可以恢复沿标称传播方向的如此衍射的光束部分。 通过第一级的第二，第一和第三衍射图案的连续相遇可以使如此衍射的部分在与标称传播方向相反的方向上重新确定取向（reorient）。结合来自三个光栅图案（其保留了xy平面中的即时传播方向）的零级衍射，与三个光栅图案的各种相遇和再相遇会以保持通过与三个光栅图案中的每一个的各种相遇而从波导中射出的图像承载光束的原始编码的方式在整个出耦合光学器件中循环每个图像承载光束的光部分。
图像光导中光栅图案的制作
可以将复合光栅图案形成为体全息光学元件（HOE）。 如本领域技术人员所公知的，体HOE是全息图，其中记录材料的厚度远大于用于记录的光波长。 可替代地，可以将重叠的光栅图案实现为二维（2-D）光子晶体。 或者，可以将复合光栅图案形成为三维（3-D）光子晶体。 如本领域技术人员已知的，可以通过光刻法或通过在合适的基板上钻孔来制造2-D光子晶体。 如本领域技术人员所公知的，用于3-D光子晶体的制造方法包括在彼此之上堆叠多个2-D层，直接激光写入或促使球体在矩阵中自组装并使球体溶解。
入耦合衍射光学器件IDO和出耦合衍射光学器件ODO可以是但不限于例如衍射光栅或形成为体全息图，或由全息聚合物分散液晶形成。 图像光导的波导基板S通常是玻璃或具有足够折射率以便支持入耦合衍射光学器件，分布光栅和出耦合衍射光学器件之间的TIR传输的其他光学材料。
入耦合衍射光学器件IDO和出耦合衍射光学器件ODO可以具有适合其功能的不同取向和光栅周期。 在玻璃基板坯料（blank）的适当的表面制备之后，例如可以使用例如纳米压印方法在图像光导的一个或两个外表面上形成衍射部件。 入耦合件和出耦合件中的至少一个可以是表面浮雕衍射光栅。
如本领域技术人员已知的，一种用于去除基板材料的方法是通过电子束加工。 电子束加工是将聚集在窄束中的高速电子引向工件，从而产生热量并使材料汽化的过程。
图27A和图27B示出了电子束制造的光栅图案的经处理的SEM图像。 图27A描绘了作为图18的光栅图案660的制造实现的复合光栅图案850，并且图27B描绘了作为图19所示的光栅图案的制造实现的复合光栅图案860。 在两种情况下，并且如本领域技术人员所知，制造的结果将近似于光栅图案的理想化。 特别地，图18所示的光栅特征662被制造为具有圆角的光栅852特征，如图27A所示。 类似地，图19所示的光栅特征704的尖角在制造中被实现为具有如图27B所示的圆角的光栅特征862。 不同的制造工艺将导致光栅图案的精细特征的近似程度不同。
已经详细地参照当前优选的实施例详细描述了本发明，但是将理解的是，可以在本发明的精神和范围内实现变化和修改。 因此，当前公开的实施例在所有方面被认为是说明性的而不是约束性的。

Claims (26)

1.一种用于传送虚像的图像光导，包括：
波导，具有带有前表面和后表面的透射性基板，其中所述基板可操作用于沿着波导的长度传播图像承载光束；
沿波导形成的入耦合衍射光学器件，其中所述入耦合衍射光学器件可操作用于将图像承载光束衍射到波导中，由此所述图像承载光束的至少一部分沿波导以角度编码的形式传播；
沿着波导的长度与入耦合衍射光学器件间隔开的出耦合衍射光学器件，其中所述出耦合衍射光学器件可操作用于以角度解码的形式将来自波导的图像承载光束朝着眼盒衍射；
该出耦合衍射光学器件包括在不同取向中的两个或更多光栅图案；
该光栅图案中的一个或多个以主要取向布置，其中以主要取向布置的一个或多个光栅图案可操作用于使每个图像承载光束的沿着波导以原始标称传播方向传播的第一部分衍射，以及
该光栅图案中的另外的一个或多个以一个或多个非主要取向布置，其中以一个或多个非主要取向布置的一个或多个光栅图案可操作用于使每个图像承载光束的第二部分衍射以沿着波导偏离原始标称传播方向，并且可操作用于使每个图像承载光束的第二部分衍射以在垂直于原始标称传播方向的方向上相对偏移的位置中沿着波导朝着原始标称传播方向重定向；
其中以主要取向布置的第一光栅图案包括在第一方向上具有变化的光栅特征的连续行，并且在第一方向上的变化限定第一光栅图案的周期性；
其中以非主要取向布置的第二光栅图案由在第一方向上的光栅特征的行间距描述。
2.根据权利要求1所述的图像光导，其中，每个所述图像承载光束的所述第一部分沿着所述波导在原始标称传播方向上相对地移位，以在眼盒内扩大图像承载光束之间的重叠区域的第一维度。
3.根据权利要求2所述的图像光导，其中，每个所述图像承载光束的第二部分沿着波导在垂直于原始标称传播方向的方向上相对移位，以在眼盒内扩大图像承载光束之间的重叠区域的第二维度。
4.根据权利要求1所述的图像光导，其中，以主要取向布置的所述一个或多个光栅图案包括具有第一光栅矢量的第一光栅图案，并且以一个或多个非主要取向布置的一个或多个其他光栅图案包括具有相对于第一光栅矢量倾斜的第二光栅矢量的第二光栅图案。
5.根据权利要求4所述的图像光导，其中，所述第二光栅矢量相对于所述第一光栅矢量以至少30度的角度倾斜。
6.根据权利要求4所述的图像光导，其中以一个或多个非主要取向布置的所述一个或多个其他光栅图案包括具有相对于第一和第二光栅矢量两者倾斜的第三光栅矢量的第三光栅图案。
7.根据权利要求6所述的图像光导，其中，第二和第三光栅矢量在不同方向上相对于所述第一光栅矢量倾斜相同的量。
8.根据权利要求6所述的图像光导，其中，第二和第三光栅矢量部分地由彼此相等的第二间距和第三间距限定。
9.根据权利要求8所述的图像光导，其中，所述第一光栅矢量部分地由与第二和第三间距不同的第一间距限定。
10.根据权利要求1所述的图像光导，其中，所述两个或更多光栅图案由光栅特征在同一平面中的布置形成。
11.根据权利要求1所述的图像光导，其中，所述两个或更多光栅图案由光栅特征在不同平面中的布置形成。
12.根据权利要求1所述的图像光导，其中，在共同的平面中形成在不同取向中的所述两个或更多光栅图案。
13.根据权利要求1所述的图像光导，其中，在体全息图中形成在不同取向中的所述两个或更多光栅图案。
14.根据权利要求1所述的图像光导，其中所述两个或更多光栅图案包括多个光栅特征，并且光栅特征中的每个限定长度与宽度的纵横比；
其中光栅特征中的至少一些的纵横比偏离单位一，由此纵横比可操作用于改变所述两个或更多光栅图案之间的衍射效率；以及
其中光栅特征的纵横比沿着第一方向变化。
15.根据权利要求14所述的图像光导，其中，所述图像承载光束沿着原始标称传播方向接近所述出耦合衍射光学器件，并且所述光栅特征的纵横比沿着所述原始标称传播方向变化。
16.一种用于传送虚像的图像光导，包括：
波导，具有带有前表面和后表面的透射性基板，其中所述基板可操作用于沿着波导的长度传播图像承载光束；
沿波导形成的入耦合衍射光学器件，其中所述入耦合衍射光学器件可操作用于将图像承载光束衍射到波导中以便沿波导的长度以角度编码的形式传播图像承载光束；
沿着波导的长度与入耦合衍射光学器件间隔开的出耦合衍射光学器件，其中所述出耦合衍射光学器件可操作用于以角度解码的形式将来自波导的图像承载光束朝着眼盒衍射；以及
该出耦合衍射光学器件形成为在平面内具有多个单位单元的衍射栅格，所述多个单位单元在所述平面内限定了在不同取向中的两个或更多衍射图案；
其中第一衍射图案包括在第一方向上具有变化的连续衍射特征的行，并且在第一方向上的变化限定第一衍射图案的周期性；
其中第二衍射图案包括在第一方向上的衍射特征的行间距。
17.根据权利要求16所述的图像光导，其中，所述衍射图案在二个维度上提供每个图像承载光束的相对移位的部分，以便在眼盒内扩大所述图像承载光束之间的重叠区域。
18.根据权利要求17所述的图像光导，其中，所述衍射栅格包括以图案布置并且通过所述平面内的折射率差来区分的衍射特征。
19.根据权利要求18所述的图像光导，其中所述平面包括水平和垂直维度，并且所述衍射特征具有对应的水平和垂直维度，其中所述衍射特征的水平和垂直维度中的一个沿着第一方向变化，以调整每个图像承载光束内的光的分布。
20.根据权利要求16所述的图像光导，其中，连续衍射特征的每行描述方波。
21.根据权利要求16所述的图像光导，其中，连续衍射特征的每行描述正弦波。
22.根据权利要求17所述的图像光导，其中，所述单位单元为多边形形状。
23.根据权利要求22所述的图像光导，其中，所述单位单元为矩形形状。
24.根据权利要求22所述的图像光导，其中，所述单位单元为六边形形状。
25.根据权利要求17所述的图像光导，其中，所述衍射图案中的一个以主要取向布置，以便使每个图像承载光束的沿着波导以原始标称传播方向传播的第一部分衍射，并且两个或更多其他衍射图案以非主要取向布置，以便使每个图像承载光束的第二部分衍射以沿着波导偏离原始标称传播方向，并进一步使每个图像承载光束的第二部分衍射以在垂直于原始标称传播方向的方向上相对偏移的位置中沿着波导朝着原始标称传播方向重定向。
26.根据权利要求25所述的图像光导，其中，以所述非主要取向布置的所述衍射图案中的另外的两个或更多相对于以主要取向布置的衍射图案以相等但相反的角度定向。
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