CN110941089A - 具有交错式光重定向器的光学系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及具有交错式光重定向器的光学系统。一种电子设备，该电子设备可以包括产生图像的显示器。显示器可以为光学系统生成光，该光学系统将光朝眼箱重定向。光学系统可以包括波导，该波导使光沿第一方向朝所述输出耦合器传播。输出耦合器可以将光朝眼箱耦合出波导，同时关于第一方向将光的奇偶性反转。耦合器可以包括第一元件，诸如一组部分镜或衍射光栅，该耦合器将光的第一部分沿第二方向重定向。耦合器可以包括第二元件，该第二元件将光的第二部分沿与第二方向相反的第三方向重定向。第一元件可以重定向第二部分，并且第二元件可以将第一部分朝眼箱重定向。

Description

具有交错式光重定向器的光学系统

本专利申请要求2019年8月13日提交的美国非临时专利申请 16/539,818以及2018年9月24日提交的美国临时专利申请62/735,560的优 先权，这些专利申请据此全文以引用方式并入本文。

技术领域

本发明整体涉及光学系统，并且更具体地讲，涉及用于显示器的光学系 统。

背景技术

电子设备可包括靠近用户的眼睛呈现图像的显示器。例如，诸如虚拟现 实和增强现实头戴式耳机之类的设备可包括具有允许用户观看显示器的光 学元件的显示器。

设计设备诸如这些设备可能是有挑战性的。如果稍有不慎，用于显示内 容的部件可能是难看且笨重的，并且可能未表现出期望的光学性能水平。

发明内容

电子设备诸如头戴式设备可具有为用户产生图像的一个或多个近眼显 示器。头戴式设备可以是一副虚拟现实眼镜，或者可以是增强现实头戴式耳 机，其允许观察者观看计算机生成的图像和观察者周围环境中的真实世界对 象两者。

近眼显示器可包括产生光的显示单元和将来自显示单元的光朝眼箱 (eye box)重定向的光学系统。该光学系统可包括形成在波导上的输入耦合 器和输出耦合器。输入耦合器可将来自显示单元的光重定向，使得该光在波 导中沿着朝输出耦合器的第一方向传播。输出耦合器可以将光耦合出波导并 沿朝眼箱的第二方向耦合，同时关于第一方向将光的奇偶性(parity)反转。

输出耦合器可以包括第一光重定向元件，该第一光重定向元件将光的第 一部分沿第三方向重定向，并且可以包括第二光重定向元件，该第二光重定 向元件将光的第二部分沿与第三方向相反的第四方向重定向。第一光重定向 元件可以将由第二光重定向元件重定向的光的第二部分沿朝眼箱的第二方 向重定向。第二光重定向元件可以将由第一光重定向元件重定向的光的第一 部分沿朝眼箱的第二方向重定向。第一光重定向元件和第二光重定向元件可 以共同定位(co-locate)在输出耦合器中(例如，交错或重叠)。第一光重 定向元件和第二光重定向元件可包括相应衍射光栅组，诸如体积全息图。在 另一合适的布置中，光重定向元件可包括部分反射镜。输出耦合器可以在宽 视场上利用均匀强度光来填充大眼箱，同时减少或最小化通过输出耦合器的 光的光路。

附图说明

图1是根据一些实施方案的具有显示器的例示性系统的图示。

图2A是根据一些实施方案的具有光学系统的例示性显示系统的顶视 图，该光学系统包括至少部分地嵌入在波导基板中的输入耦合器和输出耦合 器。

图2B是根据一些实施方案的具有光学系统的例示性显示系统的顶视 图，该光学系统包括形成在波导基板上的输入耦合器和输出耦合器。

图3是根据一些实施方案的具有交错式(共同定位)光重定向元件的例 示性输出耦合器的前视图，其中光重定向元件反转传入图像的垂直轴线奇偶 性。

图4是根据一些实施方案的具有交错式光重定向元件的例示性输出耦 合器的透视图。

图5是示出根据一些实施方案的输出耦合器中的例示性交错的第一光 重定向元件和第二光重定向元件如何沿不同方向重定向光的光线图。

图6是示出根据一些实施方案的例示性交错的第一光重定向元件和第 二光重定向元件可以如何由不同的衍射光栅组形成的顶视图。

图7A和7B是示出根据一些实施方案的如何使用反射型或透射型衍射 光栅形成例示性光重定向元件的底视图。

图8是根据一些实施方案的由部分反射镜形成的例示性光重定向元件 的透视图。

具体实施方式

图1中示出了一个例示性系统，其具有带有一个或多个近眼显示系统的 设备。系统10可以是头戴式设备，其具有一个或多个显示器，诸如安装在 支撑结构(壳体)8内的近眼显示器20。支撑结构8可具有一副眼镜(例如， 支撑框架)的形状，可形成具有头盔形状的外壳，或者可具有用于帮助将近 眼显示器20的部件安装和固定在用户的头部上或眼睛附近的其他构型。近 眼显示器20可包括一个或多个显示模块诸如显示模块20A，以及一个或多 个光学系统诸如光学系统20B。显示模块20A可安装在支撑结构诸如支撑结 构8中。每个显示模块20A可以发射光38(图像光)，使用光学系统20B 中的相关联的一个将该光朝眼箱24处的用户眼睛重定向。

可使用控制电路16来控制系统10的操作。控制电路16可包括用于控 制系统10的操作的存储和处理电路。电路16可以包括存储设备，诸如硬盘 驱动器存储设备、非易失性存储器(例如，被配置为形成固态驱动器的电可 编程只读存储器)、易失性存储器(例如，静态或动态随机存取存储器)等。 控制电路16中的处理电路可以基于一个或多个微处理器、微控制器、数字 信号处理器、基带处理器、电源管理单元、音频芯片、图形处理单元、专用集成电路以及其他集成电路。软件代码可存储在电路16中的存储器上，并 且在电路16中的处理电路上运行，以实现用于系统10的操作(例如，数据 采集操作、涉及使用控制信号调节部件的操作、产生图像内容以向用户显示 的图像渲染操作等)。

系统10可包括输入输出电路诸如输入-输出设备12。输入-输出设备12 可用于允许由系统10从外部装置(例如，拴系计算机、便携式设备(诸如 手持设备或膝上型计算机)或其他电气装置)接收数据，并且允许用户向头 戴式设备10提供用户输入。输入-输出设备12还可用于收集有关在其中操 作的系统10(例如，头戴式设备10)的环境的信息。设备12中的输出部件 可允许系统10向用户提供输出，并且可用于与外部电子装置通信。输入-输 出设备12可包括传感器和其他部件18(例如，用于采集与系统10中的显示 器上的虚拟对象数字地合并的真实世界对象的图像的图像传感器、加速度 计、深度传感器、光传感器、触觉输出设备、扬声器、电池、用于在系统10 和外部电子装置之间通信的无线通信电路等)。

显示模块20A可以是液晶显示器、有机发光二极管显示器、基于激光 的显示器，或其他类型的显示器。光学系统20B可以形成允许观察者(参见 例如眼箱24处的观察者的眼睛)观察显示器20上的图像的镜头。可以存在 与用户的相应左眼和右眼相关联的两个光学系统20B(例如，用于形成左镜 头和右镜头)。单个显示器20可为双眼产生图像，或者一对显示器20可用 于显示图像。在具有多个显示器(例如，左眼显示器和右眼显示器)的配置 中，可以选择由部件20B形成的镜头的焦距和位置，使得显示器之间存在的 任何间隙对于用户将是不可见的(例如，使得左显示器和右显示器的图像无 缝地重叠或合并)。

如果需要，光学系统20B可包含部件(例如，光学组合器等)以允许来 自真实世界图像或对象28的真实世界图像光与虚拟(计算机生成的)图像 诸如图像光38中的虚拟图像被在光学上组合。在这种类型的系统(有时称 为增强现实系统)中，系统10的用户可查看真实世界内容和覆盖在真实世 界内容之上的计算机生成的内容两者。基于相机的增强现实系统也可用于设 备10中(例如，相机捕获对象28的真实世界图像并且将该内容与光学系统20B处的虚拟内容进行数字合并的布置)。

如果需要，系统10可以包括无线电路和/或其他电路，以支持与计算机 或其他外部装置(例如，向显示器20提供图像内容的计算机)通信。在操 作期间，控制电路16可以将图像内容提供给显示器20。可以远程接收该内 容(例如，从耦接到系统10的计算机或其他内容源)和/或可以由控制电路 16生成该内容(例如，文本、其他计算机生成的内容等)。由控制电路16 提供给显示器20的内容可以由眼箱24处的观察者观看。

图2A是可以在图1的系统10中使用的例示性显示器20的顶视图。如 图2A所示，近眼显示器20可包括一个或多个显示模块诸如显示模块20A， 以及一个光学系统诸如光学系统20B。光学系统20B可以包括光学元件，诸 如波导28、输入耦合器30和输出耦合器32。显示模块20A可包括显示单元 36和准直透镜34。如果需要，显示模块20A可以安装在图1的支撑结构8 内，而光学系统20B可以安装在支撑结构8的部分之间(例如，以形成与眼 箱24对准的镜头)。如果需要，可使用其他安装布置。

显示单元36可以是基于液晶显示器、有机发光二极管显示器、阴极射 线管、等离子显示器、投影仪显示器(例如，基于微镜阵列的投影仪)、硅 显示器上的液晶，或其他合适类型的显示器的显示单元。显示器36可以生 成与要显示到眼箱24的图像内容相关联的光38。可以使用诸如准直透镜34 的透镜将光38进行准直。光学系统20B可用于将从显示单元36输出的光38 呈现给眼箱24。

光学系统20B可以包括一个或多个耦合器，诸如输入耦合器30和输出 耦合器32。在图2A的示例中，输入耦合器30和输出耦合器32至少部分地 嵌入在波导结构中，诸如波导28(例如，聚合物、玻璃或能够通过全内反射 引导光的其他透明基板)。在图2B的示例中，输入耦合器30和输出耦合器 32形成在波导28的外表面上。

输入耦合器30可以被配置为将来自显示单元36的光38耦合到波导28 中，而输出耦合器32可以被配置为将来自波导28内的光38朝眼箱24耦合 到波导28的外部。例如，显示器36可发射沿朝光学系统20B的-Z方向的光 38。当光38撞击输入耦合器30时，输入耦合器30可以重定向光38，使得 它在波导28内通过全内反射朝输出耦合器32(例如，沿方向X)传播。当 光38撞击输出耦合器32时，输出耦合器32可以将光38朝眼箱24(例如， 沿Z轴向后)离开波导28重定向。

输入耦合器30和输出耦合器32可以基于反射光学器件和折射光学器 件，或者可以基于全息(例如，衍射)光学器件。在耦合器30和32由反射 光学器件和折射光学器件形成的布置中，耦合器30和32可包括一个或多个 反射器(例如，微镜、部分镜或其他反射器的阵列)。在耦合器30和32基 于全息光学器件的布置中，耦合器30和32可包括体积全息介质，诸如光聚 合物、明胶诸如重铬酸盐明胶、卤化银、分散有全息聚合物的液晶，或其他 合适的体积全息介质。

全息记录可以存储为光敏光学材料内的光学干涉图案(例如，不同折射 率的交替区域)。该光学干涉图案可以产生全息光栅，当用给定光源照射该 全息光栅时，该全息光栅衍射光以产生全息记录的三维重建。衍射光栅可以 是用永久干涉图案编码的不可开关的衍射光栅，或者可以是可开关的衍射光 栅，其中可以通过控制施加到全息记录介质的电场来调制衍射光。

如果需要，耦合器30和32可以具有厚度T1。波导28可以具有厚度T2。 厚度T1和T2可为任何期望的值。如果需要，耦合器32和30可以夹置在波 导中的不同基板层之间。在另一种合适的布置中，耦合器30和32可以形成 在波导28的表面上，如图2B所示(例如，与如图2A所示的嵌入在波导28 中相反)。

为耦合器30和32使用厚膜可以有助于增加输出图像的均匀性，并且可 以提供记录不同光学功能的更多材料。例如，记录在耦合器30中的一个光 学功能可以将具有给定输入角的光重定向到第一输出角(例如，45°)，而 记录在耦合器30中的另一个光学功能可以将具有给定输入角的光重定向到 第二输出角(例如，60°)。如果需要，耦合器30和32可以是多重全息图(例 如，三色全息图，诸如红-绿-蓝全息图)以用于形成彩色图像。可以调制每个耦合器30和32中的衍射效率(例如，可以在耦合器30和32的宽度上变 化)，使得光以平滑、均匀的方式离开每个耦合器。

在实施过程中，期望输出耦合器32利用均匀强度的光38尽可能大地填 充眼箱24。如果需要，输出耦合器32中的光重定向元件可以被配置为在一 个或多个维度上扩展光38，同时还将光38耦合出波导28。作为两个示例， 光重定向元件可以由镜(例如，部分反射镜)或衍射光栅(例如体积全息图) 形成。

在一些场景中，不同的光重定向元件以顺序方式布置在输出耦合器中， 用于沿不同方向重定向光。然而，以顺序方式布置光重定向元件可能消耗系 统10内的过多空间，这里的空间通常是非常宝贵的。通过共同定位多个光 重定向元件以沿不同方向重定向(扩展)光38(例如，在波导28中或波导 28上的重叠或交错布置)，可以更有效地利用系统10内的空间。在使用以 不同角度定向的部分镜形成光重定向元件的场景中，可以通过将不同镜在整 个耦合器32中以不同取向交错，来共同定位镜。在使用诸如体积全息图之 类的衍射光栅形成光重定向元件的场景中，可以将衍射光栅写入相同体积的 全息介质(例如，每个体积全息图可以由叠加在相同体积的介质上的折射率 调制的不同干涉图案形成)。尽管位于相同的体积中，但是每个光重定向元 件中的光栅可以将入射光沿不同的相应方向衍射。

图3是具有第一光重定向元件和第二光重定向元件的输出耦合器32的 前视图，所述光重定向元件用于将图像光38沿不同方向重定向，从而将从 波导输出的图像光以二维方式扩展到眼箱24。如图3所示，波导28中或上 的输出耦合器32可包括与第二光重定向元件48共同定位(交错)的第一光 重定向元件50。在一种合适的布置中，第一光重定向元件50可包括以第一 取向布置的一组镜(例如，部分反射镜)，而第二光重定向元件50包括以 第二取向布置的一组镜。在另一种合适的布置中，第一光重定向元件50可 包括以第一取向布置(例如，与元件50相关联的交替折射率平行于第一方 向布置)的第一组一个或多个衍射光栅(体积全息图)，而第二光重定向元 件48可包括以第二取向布置(例如，与元件48相关联的交替折射率平行于 不同于第一方向的第二方向布置)的第二组一个或多个衍射光栅(体积全息 图)。例如，每一组衍射光栅可以在耦合器32的整个体积上延伸。

光38可以通过波导28传送到耦合器32。第一光重定向元件50可以被 配置为围绕第一反射轴线反射光38，而第二光重定向元件48被配置为围绕 与第一反射轴线不同的第二反射轴线反射光38。每个光重定向元件可以被配 置为对光38执行双重功能。例如，每个光重定向元件可以被配置为将光38 沿垂直方向(平行于Y轴)重定向，并且可以被配置为将光38离开耦合器 32重定向(例如，平行于Z轴)。

如图3的示例所示，第一光重定向元件50可以将沿+Y和+X方向行进 的光38向下(例如，沿-Y方向)和向外(例如，沿+Z方向)重定向，如箭 头42和40所示。同时，第二光重定向元件48可以将沿-Y和+X方向行进的 光38向上(例如，沿+Y方向)和向外(例如，沿+Z方向)重定向，如箭 头44和40所示。换句话讲，由重定向元件48在+Y扩展的光可以由另一个 光重定向元件50输出耦合，并且由重定向元件50在-Y扩展的光可以由另一 个光重定向元件48输出耦合。这样，每个光重定向元件可以执行两个不同 的重定向操作(例如，总共四个重定向操作，诸如+Y扩展，+Y扩展光的输 出耦合，-Y扩展，以及-Y扩展光的输出耦合)，使得只需要在耦合器32中 形成两个重定向元件(而不是需要四个单独的光重定向部件来分别执行+Y 扩展，+Y扩展光的输出耦合，-Y扩展，以及-Y扩展光的输出耦合)。这可 用于减少系统10的制造成本和复杂性，减少光学行进距离，增加吞吐量， 以及优化空间使用而不牺牲视场。此外，这可以用于减少与每条光线到达眼 睛所需的光重定向元件的相互作用的数量，从而提高输出耦合器的效率。

光重定向元件48和50可以将光38中的图像关于X轴垂直地反转(例 如，可以由耦合器32反转光38中的图像的Y轴奇偶性)。为了抵消耦合器 32的奇偶性反转，入射光38中的图像可以在被提供给耦合器32之前被垂直 反转(例如，关于X轴)。如图3的示例所示，入射光22可以在被传送到 耦合器32之前被提供有垂直地反转的图像46'(例如，反转的图像46'可以 由图2A的显示器36作为反转的图像发射，或者显示器36可以发射未反转 的图像，该图像被显示器36和输出耦合器32之间的光学部件诸如透镜和/ 或反射镜反转)。如图3所示，光重定向部件50和48用于将反转的图像46' 垂直地反转以恢复成未反转的图像46，该图像被耦合出波导并提供给眼箱 24(图1)。

图4是输出耦合器32的透视图。如图4所示，提供给输出耦合器32的 光38可包括反转的图像46'。输出耦合器32可以使用光重定向元件48将光 38沿+Y方向(如箭头44所示)和+Z方向(如箭头40所示)重定向。同时， 输出耦合器32可以使用光重定向元件50将光38沿-Y方向(如箭头42所示) 和+Z方向(如箭头40所示)重定向。这可以用于将反转的图像46'垂直地反 转以恢复成提供给眼箱24的未反转的图像46。通过使用耦合器32以这种方 式执行光扩展操作，可以用均匀强度的图像光填充相对大的眼箱24以实现 宽视场。

为清楚起见，图3和4仅示出了由耦合器32执行的一个或两个光重定 向操作。在实施过程中，当光38沿耦合器32的长度向下传播时，这些光重 定向在整个耦合器32中执行。光38可以当沿+X方向传播时沿+Y和-Y方向 被连续扩展，并且沿+Z方向被输出耦合。图5是示出光38在传播期间如何 被耦合器32中的重定向元件50和48重定向的光线图。

如图5所示，入射光38可以由重定向元件48沿+Y方向和+Z方向重定 向(如箭头44和40所示)，并且可以由重定向元件50沿-Y方向和+Z方向 重定向(如箭头42和40所示)。光重定向元件48和50可以仅部分反射(或 透射)，并且在任何给定点可以不将所有入射光都重定向。换句话讲，光38 中的一些继续沿耦合器32的长度向下传播，如箭头60所示。当该光沿耦合 器32向下传播时，被进一步反射(如箭头40、44和42所示)。图5的箭头 (光线)44和40可以例如由图3的光重定向元件48产生，而箭头42和40 由光重定向元件50产生。

可以使用部分反射镜、衍射光栅(例如，体积全息图、表面全息图等) 或其他部件来形成光重定向元件48和50。图6是耦合器32的顶视图，示出 了可以如何由衍射光栅形成光重定向元件48和50的示例。如图6所示，耦 合器32可包括用于形成第一光重定向元件50的第一组衍射光栅72，和用于 形成第二光重定向元件48的第二组衍射光栅74。第一组光栅72和第二组光 栅74都可以被写入相同体积的全息介质73(有时称为光栅介质73或写介质73)。第一组光栅72可以例如在将第二组光栅74写入介质73之前或之后 被写入介质73。在另一种合适的布置中，第一组光栅和第二组光栅可以被写 入不同的介质和/或可以形成在不同的基板上(例如，这两组光栅可以要么在 相同的介质体积内重叠，要么在不同的重叠介质内或上重叠)。

第一组光栅72可以由在介质73中具有相同取向的折射率变化形成。可 以调制折射率变化以在组72内形成一个或多个不同的衍射光栅(全息图)。 可以使用不同的调制/光栅间距来在组72内形成不同的相应光栅(全息图)。 不同的相应光栅可以允许光重定向元件50通过将来自一定范围的输入角和/ 或颜色的光沿相同输出方向重定向，而在该范围的输入角和/或颜色上操作。

相似地，第二组光栅74可以由在介质73中具有相同取向(例如，与第 一组光栅72的取向不同的取向)的折射率变化形成。可以调制折射率变化 以在组74内形成一个或多个不同的衍射光栅(全息图)。可以使用不同的 调制/光栅间距来在组74内形成不同的相应光栅(全息图)。不同的相应光 栅可以允许光重定向元件48通过将来自一定范围的输入角和/或颜色的光沿 相同输出方向重定向，而在该范围的输入角和/或颜色上操作。

在动量空间(例如，三维k空间)中，第一光重定向元件50的第一组 光栅72可表现出从第一k空间区域到第二k空间区域的第一光栅矢量，并 且可表现出从第三k空间区域到第四k空间区域的第二光栅矢量。第二光重 定向元件48的第二组光栅74可表现出从第一区域到第三区域的第三光栅矢 量，并且可表现出从第二区域到第四区域的第四光栅矢量。例如，第三和第 四光栅矢量可以在k空间中彼此平行地延伸。相似地，第一和第二光栅矢量可以在k空间中彼此平行地延伸。

第一光栅矢量可以与第一组光栅72(光重定向元件50)对图3的入射 光沿-Y方向的衍射相关联。第三光栅矢量可以与第二组光栅74(光重定向 元件48)对图3的入射光沿+Y方向的衍射相关联。第二光栅矢量可以与第 一组光栅72(光重定向元件50)对由第二组光栅74产生的沿+Y方向衍射 的光沿+Z方向(朝眼箱24)的衍射相关联。相似地，第四光栅矢量可以与

第二组光栅74对由第一组光栅72产生的沿-Y方向衍射的光沿+Z方向(朝 眼箱24)的衍射相关联。

换句话讲，第二组衍射光栅74可以将由第一组光栅72产生的沿-Y方向 衍射的光耦合出去，并且第一组衍射光栅72可以将由第二组光栅74产生的 沿+Y方向衍射的光耦合出去。这样，所有入射光可以朝眼箱24被耦合出去， 而不管光是沿+Y还是-Y方向衍射(例如，不管跟随的k空间路径如何，使 得在眼箱24处产生单个相干图像46而不是双图像)。

第一组光栅72和第二组光栅74各自包括多个不同的衍射光栅(全息 图)，这些光栅具有在第一、第二、第三和第四k空间区域内的不同点之间 延伸的光栅矢量。这样，每一组光栅实际上可以包括不同的单独光栅以用于 对在一定角度范围内的输入光进行操作。例如，第二组光栅74可以包括单 独的光栅，其具有在第一和第三k空间区域中的任何一对点之间延伸的光栅 矢量，以及在第二和第四k空间区域中的任何一对点之间延伸的光栅矢量。 相似地，第一组光栅72可以包括单独的光栅，其具有从第一k空间区域中 的任何期望点延伸到第二k空间区域中的对应点以及从第三k空间区域中的 任何期望点延伸到第四个k空间区域中的对应点的光栅矢量。例如，如果需 要，k空间区域可以是三维体积，使得除了一定范围的输入角之外，每组光 栅还对一定范围的颜色操作。

第一组72和第二组74中的衍射光栅可以是反射型(镜型)衍射光栅或 透射型衍射光栅。图7A是可用于形成组72和74中的光栅的反射型光栅100 的底视图。如图7A所示，反射光栅100通过以与入射光38的z方向相反的 方向的衍射光38来操作。图7B是可用于形成组72和74中的光栅的透射光 栅型衍射光栅102的底视图。如图7B所示，透射光栅102通过以与入射光 38的z方向相同的方向的衍射光38来操作。图7A的反射型光栅100或图 7B的透射型光栅102中的任何一个都可用于实现光重定向元件48和50中的 衍射光栅。

在另一种合适的布置中，可以使用部分镜形成光重定向元件48和50。 图8是可用于形成光重定向元件48和50的例示性部分镜110的透视图。如 图8所示，部分镜110可以反射入射光38的第一部分并且可以透射该入射 光的第二部分38'。镜110可具有法向轴线112，该轴线相对于X、Y和Z轴 中的每一个以非零角度定向。这可以允许镜110将光38沿+Y和+Z方向反射 (例如，当用于实现图3的光重定向元件48时)或者将光38沿-Y和+Z方 向反射(例如，当用于实现图3的光重定向元件50时)。在不同方向上定 向(例如，对于元件48和50)的镜诸如镜110可以在整个输出耦合器32中 以交错图案分布。这些示例仅仅是例示性的，并且通常，可以使用任何期望 的衍射和/或反射结构来形成光重定向元件48和50。

当使用图1至8的结构来配置时，显示器20可以表现出相对宽的视场， 并且可以用均匀强度的光填充相对宽的眼箱24。共同定位光重定向元件48 和50可以减少光38的光学行进距离，以减少系统中的雾度和散射，同时占 据系统10内减少的或最小量的空间。

物理环境是指人们在没有电子系统帮助的情况下能够感测和/或交互的 物理世界。物理环境诸如物理公园包括物理物品，诸如物理树木、物理建筑 物和物理人。人们能够诸如通过视觉、触觉、听觉、味觉和嗅觉来直接感测 物理环境和/或与物理环境交互。

相反，计算机生成现实(CGR)环境是指人们经由电子系统(例如，包括 本文所述的显示系统的电子系统)感测和/或交互的完全或部分模拟的环境。 在CGR中，跟踪人的物理运动的一个子组或其表示，并且作为响应，以符 合至少一个物理定律的方式调节在CGR环境中模拟的一个或多个虚拟对象 的一个或多个特征。例如，CGR系统可以检测人的头部转动，并且作为响应， 以与此类视图和声音在物理环境中变化的方式类似的方式调节呈现给人的 图形内容和声场。在一些情况下(例如，出于可达性原因)，对CGR环境 中虚拟对象的特征的调节可以响应于物理运动的表示(例如，声音命令)来 进行。

人可以利用其感官中的任一者来感测CGR对象和/或与CGR对象交互， 包括视觉、听觉、触觉、味觉和嗅觉。例如，人可以感测音频对象和/或与音 频对象交互，该音频对象创建3D或空间音频环境，该3D或空间音频环境 提供3D空间中点音频源的感知。又如，音频对象可以使能音频透明度，该 音频透明度在有或者没有计算机生成的音频的情况下选择性地引入来自物 理环境的环境声音。在某些CGR环境中，人可以感测和/或只与音频对象交互。CGR的示例包括虚拟现实和混合现实。

虚拟现实(VR)环境是指被设计成对于一个或多个感官完全基于计算机 生成的感官输入的模拟环境。VR环境包括人可以感测和/或交互的多个虚拟 对象。例如，树木、建筑物和代表人的化身的计算机生成的图像是虚拟对象 的示例。人可以通过在计算机生成的环境内人的存在的模拟、和/或通过在计 算机生成的环境内人的物理运动的一个子组的模拟来感测和/或与VR环境 中的虚拟对象交互。

与被设计成完全基于计算机生成的感官输入的VR环境相比，混合现实 (MR)环境是指被设计成除了包括计算机生成的感官输入(例如，虚拟对象) 之外还引入来自物理环境的感官输入或其表示的模拟环境。在虚拟连续体 上，混合现实环境是完全物理环境作为一端和虚拟现实环境作为另一端之间 的任何状况，但不包括这两端。

在一些MR环境中，计算机生成的感官输入可以对来自物理环境的感官 输入的变化进行响应。另外，用于呈现MR环境的一些电子系统可以跟踪相 对于物理环境的位置和/或取向，以使虚拟对象能够与真实对象(即，来自物 理环境的物理物品或其表示)交互。例如，系统可以导致运动使得虚拟树木 相对于物理地面看起来是静止的。混合现实的示例包括增强现实和增强虚 拟。

增强现实(AR)环境是指其中一个或多个虚拟对象叠加在物理环境或其 表示之上的模拟环境。例如，用于呈现AR环境的电子系统可具有透明或半 透明显示器，人可以透过该显示器直接查看物理环境。该系统可以被配置为 在透明或半透明显示器上呈现虚拟对象，使得人利用该系统感知叠加在物理 环境之上的虚拟对象。另选地，系统可以具有不透明显示器和一个或多个成 像传感器，成像传感器捕获物理环境的图像或视频，这些图像或视频是物理 环境的表示。系统将图像或视频与虚拟对象组合，并在不透明显示器上呈现组合物。人利用系统经由物理环境的图像或视频而间接地查看物理环境，并 且感知叠加在物理环境之上的虚拟对象。如本文所用，在不透明显示器上显 示的物理环境的视频被称为“透传视频”，意味着系统使用一个或多个图像 传感器捕获物理环境的图像，并且在不透明显示器上呈现AR环境时使用那 些图像。进一步另选地，系统可以具有投影系统，该投影系统将虚拟对象投 射到物理环境中，例如作为全息图或者在物理表面上，使得人利用该系统感 知叠加在物理环境之上的虚拟对象。

增强现实环境也是指其中物理环境的表示被计算机生成的感官信息进 行转换的模拟环境。例如，在提供透传视频中，系统可以对一个或多个传感 器图像进行转换以施加与成像传感器所捕获的视角不同的选择视角(例如， 视点)。又如，物理环境的表示可以通过图形地修改(例如，放大)其部分 而进行转换，使得修改后的部分可以是原始捕获图像的代表性的但不是真实 的版本。再如，物理环境的表示可以通过以图形方式消除或模糊其部分而进 行转换。

增强虚拟(AV)环境是指其中虚拟或计算机生成的环境结合来自物理环 境的一个或多个感官输入的模拟环境。感官输入可以是物理环境的一个或多 个特征的表示。例如，AV公园可以具有虚拟树木和虚拟建筑物，但人的脸 部是从对物理人拍摄的图像逼真再现的。又如，虚拟对象可以采用一个或多 个成像传感器所成像的物理物品的形状或颜色。再如，虚拟对象可以采用符 合太阳在物理环境中的位置的阴影。

有许多不同类型的电子系统使人能够感测和/或与各种CGR环境交互。 示例包括头戴式系统、基于投影的系统、平视显示器(HUD)、集成有显示能 力的车辆挡风玻璃、集成有显示能力的窗户、被形成为被设计用于放置在人 眼睛上的透镜的显示器(例如，类似于隐形眼镜)、耳机/听筒、扬声器阵列、 输入系统(例如，具有或没有触觉反馈的可穿戴或手持控制器)、智能电话、 平板电脑、和台式/膝上型计算机。头戴式系统可以具有一个或多个扬声器和 集成的不透明显示器。另选地，头戴式系统可以被配置为接受外部不透明显 示器(例如，智能电话)。头戴式系统可以结合用于捕获物理环境的图像或 视频的一个或多个成像传感器、和/或用于捕获物理环境的音频的一个或多个 麦克风。头戴式系统可以具有透明或半透明显示器，而不是不透明显示器。 透明或半透明显示器可以具有媒介，代表图像的光通过该媒介被引导到人的 眼睛。显示器可以利用数字光投影、OLED、LED、uLED、硅基液晶、激光 扫描光源或这些技术的任意组合。媒介可以是光学波导、全息图媒介、光学 组合器、光学反射器、或它们的任意组合。在一个实施方案中，透明或半透 明显示器可被配置为选择性地变得不透明。基于投影的系统可以采用将图形 图像投影到人的视网膜上的视网膜投影技术。投影系统也可以被配置为将虚 拟对象投影到物理环境中，例如作为全息图或在物理表面上。本文所述的显 示系统可以用于这些类型的系统和用于任何其他期望的显示布置。

根据一个实施方案，提供了一种显示系统，其包括显示模块，以及接收 来自显示模块的光并将光沿第一方向重定向的光学系统，该光学系统包括输 入耦合器、输出耦合器和使光沿第二方向传播的波导，输出耦合器包括第一 光重定向元件和第二光重定向元件，第一光重定向元件被配置为将光沿第三 方向和第一方向重定向，第二光重定向元件与第一光重定向元件重叠并且被 配置为将光沿第一方向和与第三方向相反的第四方向重定向。

根据另一个实施方案，第一光重定向元件被配置为将由第二光重定向元 件沿第四方向重定向的光沿第一方向重定向。

根据另一个实施方案，第二光重定向元件被配置为将由第一光重定向元 件沿第三方向重定向的光沿第一方向重定向。

根据另一个实施方案，第一光重定向元件包括处于第一取向的第一组部 分反射镜，并且第二光重定向元件包括处于第二取向的第二组部分反射镜， 第二组部分反射镜在第一组部分反射镜当中交错。

根据另一个实施方案，第一光重定向元件包括第一组体积全息图。

根据另一个实施方案，第二光重定向元件包括第二组体积全息图。

根据另一个实施方案，第一组中的每个体积全息图包括沿第一方向取向 的折射率变化，并且第二组中的每个体积全息图包括沿与第一方向不同的第 二方向取向的折射率变化。

根据另一个实施方案，第一体积全息图和第二组体积全息图包括反射全 息图。

根据另一个实施方案，第一体积全息图和第二组体积全息图包括透射全 息图。

根据另一个实施方案，第一光重定向元件和第二光重定向元件被配置为 关于第二方向反转光中的图像的奇偶性。

根据另一个实施方案，显示模块被配置为发射在由该光学系统接收的光 中的图像的反转版本。

根据另一个实施方案，第一光重定向元件和第二光重定向元件嵌入在波 导中。

根据一个实施方案，提供了一种显示系统，其包括显示单元，以及接收 来自显示单元的光并将光朝眼箱重定向的光学系统，该光学系统包括使光沿 第一轴线传播的波导、以及将光朝眼箱重定向的输出耦合器，该输出耦合器 接收关于第一轴线具有第一奇偶性的光，并且该输出耦合器被配置为将光以 关于第一轴线的与第一奇偶性相反的第二奇偶性朝眼箱重定向。

根据另一个实施方案，显示单元被配置为发射具有关于第一轴线反转的 图像的光。

根据另一个实施方案，输出耦合器包括第一组衍射光栅，该第一组衍射 光栅被配置为将光在沿第二轴线的第一方向上衍射。

根据另一个实施方案，输出耦合器包括与第一组衍射光栅重叠的第二组 衍射光栅，第二组衍射光栅被配置为将由第一组衍射光栅沿第一方向衍射的 光在沿第三轴线的第二方向上衍射。

根据另一个实施方案，第二组衍射光栅被配置为将光在沿第二轴线的与 第一方向相反的第三方向上衍射，并且第一组衍射光栅被配置为将由第二组 衍射光栅沿第三方向衍射的光在沿第三轴线的第二方向上衍射。

根据另一个实施方案，输出耦合器包括部分反射镜。

根据一个实施方案，提供了一种显示系统，其包括发射光的显示模块， 使光沿第一方向传播的波导，以及将光沿第二方向耦合出波导的输出耦合 器，该输出耦合器包括第一组衍射光栅和第二组衍射光栅，第一组衍射光栅 被配置为将光的第一部分沿第三方向衍射，第二组衍射光栅与第一组衍射光 栅重叠并且被配置为将光的第二部分沿与第三方向相反的第四方向衍射，第 一组衍射光栅被配置为将由第二组衍射光栅衍射的光的第二部分沿第二方 向衍射，并且第二组衍射光栅被配置为将由第一组衍射光栅衍射的光的第一 部分沿第二方向衍射。

根据另一个实施方案，第一组衍射光栅具有从第一k空间区域延伸到第 二k空间区域的第一组光栅矢量，和平行于第一组光栅矢量延伸并且从第三 k空间区域延伸到第四k空间区域的第二组光栅矢量，并且第二组衍射光栅 具有从第一k空间区域延伸到第三k空间区域的第三组光栅矢量，以及平行 于第三组光栅矢量延伸并且从第二k空间区域延伸到第四k空间区域的第四 组光栅矢量。

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 (20)

1.一种显示系统，包括：

显示模块；和

光学系统，所述光学系统接收来自所述显示模块的光并将所述光沿第一方向重定向，其中所述光学系统包括输入耦合器、输出耦合器和使所述光沿第二方向传播的波导，所述输出耦合器包括：

第一光重定向元件，所述第一光重定向元件被配置为将所述光沿第三方向和所述第一方向重定向，和

第二光重定向元件，所述第二光重定向元件与所述第一光重定向元件重叠，并且被配置为将所述光沿所述第一方向和与所述第三方向相反的第四方向重定向。

2.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述第一光重定向元件被配置为将由所述第二光重定向元件沿所述第四方向重定向的光沿所述第一方向重定向。

3.根据权利要求2所述的显示系统，其中所述第二光重定向元件被配置为将由所述第一光重定向元件沿所述第三方向重定向的光沿所述第一方向重定向。

4.根据权利要求3所述的显示系统，其中所述第一光重定向元件包括处于第一取向的第一组部分反射镜，并且其中所述第二光重定向元件包括处于第二取向的第二组部分反射镜，所述第二组部分反射镜在所述第一组部分反射镜当中交错。

5.根据权利要求3所述的显示系统，其中所述第一光重定向元件包括第一组体积全息图。

6.根据权利要求5所述的显示系统，其中所述第二光重定向元件包括第二组体积全息图。

7.根据权利要求6所述的显示系统，其中所述第一组中的每个体积全息图包括沿第一方向取向的折射率变化，并且其中所述第二组中的每个体积全息图包括沿与所述第一方向不同的第二方向取向的折射率变化。

8.根据权利要求6所述的显示系统，其中所述第一组体积全息图和所述第二组体积全息图包括反射全息图。

9.根据权利要求6所述的显示系统，其中所述第一组体积全息图和所述第二组体积全息图包括透射全息图。

10.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述第一光重定向元件和所述第二光重定向元件被配置为关于所述第二方向反转所述光中的图像的奇偶性。

11.根据权利要求10所述的显示系统，其中所述显示模块被配置为发射在由所述光学系统接收的所述光中的图像的反转版本。

12.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述第一光重定向元件和所述第二光重定向元件嵌入在所述波导中。

13.一种显示系统，包括：

显示单元；和

光学系统，所述光学系统接收来自所述显示单元的光并将所述光朝眼箱重定向，其中所述光学系统包括使所述光沿第一轴线传播的波导以及将所述光朝所述眼箱重定向的输出耦合器，其中所述输出耦合器接收关于所述第一轴线具有第一奇偶性的所述光，并且其中所述输出耦合器被配置为将所述光以关于所述第一轴线的与所述第一奇偶性相反的第二奇偶性朝所述眼箱重定向。

14.根据权利要求13所述的显示系统，其中所述显示单元被配置为发射具有关于所述第一轴线反转的图像的所述光。

15.根据权利要求13所述的显示系统，其中所述输出耦合器包括第一组衍射光栅，所述第一组衍射光栅被配置为将所述光在沿第二轴线的第一方向上衍射。

16.根据权利要求15所述的显示系统，其中所述输出耦合器包括与所述第一组衍射光栅重叠的第二组衍射光栅，其中所述第二组衍射光栅被配置为将由所述第一组衍射光栅沿所述第一方向衍射的所述光在沿第三轴线的第二方向上衍射。

17.根据权利要求16所述的显示系统，其中所述第二组衍射光栅被配置为将所述光在沿所述第二轴线的与所述第一方向相反的第三方向上衍射，并且其中所述第一组衍射光栅被配置为将由所述第二组衍射光栅沿所述第三方向衍射的所述光在沿所述第三轴线的所述第二方向上衍射。

18.根据权利要求13所述的显示系统，其中所述输出耦合器包括部分反射镜。

19.一种显示系统，包括：

显示模块，所述显示模块发射光；

波导，所述波导使所述光沿第一方向传播；和

输出耦合器，所述输出耦合器将所述光沿第二方向耦合出所述波导，所述输出耦合器包括：

第一组衍射光栅，所述第一组衍射光栅被配置为将所述光的第一部分沿第三方向衍射，和

第二组衍射光栅，所述第二组衍射光栅与所述第一组衍射光栅重叠，并被配置为将所述光的第二部分沿与所述第三方向相反的第四方向衍射，其中所述第一组衍射光栅被配置为将由所述第二组衍射光栅衍射的所述光的所述第二部分沿所述第二方向衍射，并且其中所述第二组衍射光栅被配置为将由所述第一组衍射光栅衍射的所述光的所述第一部分沿所述第二方向衍射。

20.根据权利要求19所述的显示系统，其中所述第一组衍射光栅具有从第一k空间区域延伸到第二k空间区域的第一组光栅矢量，和平行于所述第一组光栅矢量延伸并且从第三k空间区域延伸到第四k空间区域的第二组光栅矢量，并且其中所述第二组衍射光栅具有从所述第一k空间区域延伸到所述第三k空间区域的第三组光栅矢量，和平行于所述第三组光栅矢量延伸并且从所述第二k空间区域延伸到所述第四k空间区域的第四组光栅矢量。

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