CN111051938B - 具有体相位光栅的显示器 - Google Patents

Abstract

一种电子设备可具有产生图像的显示系统。该显示系统可具有一个或多个像素阵列，诸如硅基液晶像素阵列。来自该显示系统的图像可被输入耦合器耦合到波导中，并且可利用输出耦合器而被耦合出该波导。输入耦合器和输出耦合器可由体相位全息光栅形成。附加光栅可用于将否则会在用户视场上方或下方穿过的光朝观察者偏移。波导中的全息光栅可包括具有恒定的节距和可变的周期的条纹。光栅的给定部分处的周期可被布拉格匹配，以使给定入射角的光的衍射效率最大化。

Description

具有体相位光栅的显示器

本专利申请要求于2017年9月26日提交的临时专利申请62/563,422的权益，该专利申请据此以引用的方式全文并入本文。

背景技术

本发明整体涉及具有显示器的设备，更具体地讲，涉及头戴式显示器。

头戴式显示器可用于显示虚拟现实和增强现实内容。显示增强现实内容的头戴式显示器可在真实世界物体上叠加由计算机生成的图像。显示器和光学系统可用于创建图像并将这些图像呈现给用户。

然而，如果稍有不慎，头戴式显示器中用于为用户显示内容的部件可能未表现出期望的光学性能水平。

发明内容

一种电子设备可具有产生图像的显示系统。具有一个或多个波导以及输入耦合器系统和输出耦合器系统的光学系统可用于将图像分配给用户。

该显示系统可具有一个或多个像素阵列，诸如硅基液晶像素阵列。来自该显示系统的图像可通过输入耦合器系统耦合到一个或多个波导中，并且可使用输出耦合器系统在多个图像平面中耦合出波导。输入耦合器系统和输出耦合器系统可包括单个耦合器、耦合器堆叠和平铺耦合器阵列。耦合器可以是体相位全息光栅或用于将光耦合进和耦合出细长条形波导的上表面和下表面的其他光学耦合器。

波导中的全息光栅可包括具有恒定的节距和可变的周期的条纹。光栅的给定部分处的周期可被布拉格匹配(Bragg-matched)，以对于给定波长和入射角的光使衍射效率最大化。例如，第一组条纹可具有使与左视场相关联的入射光的衍射效率最大化的第一周期，第二组条纹可具有使与中心视场相关联的入射光的衍射效率最大化的第二周期，而第三组条纹可具有使右视场的衍射效率最大化的第三周期。

附图说明

图1是根据一个实施方案的例示性头戴式显示器的示意图。

图2是根据一个实施方案的例示性头戴式显示器的顶视图。

图3是根据一个实施方案的用于头戴式显示器的例示性光学系统和相关联的显示系统的图示。

图4是根据一个实施方案的具有恒定的节距和恒定周期的例示性体相位全息光栅的顶视图。

图5是根据一个实施方案示出对于具有恒定周期的体相位全息光栅，不同入射角可如何导致不同衍射效率的图示。

图6是根据一个实施方案的具有恒定的节距和可变的周期的例示性体相位全息光栅的顶视图。

图7是根据一个实施方案的图6所示类型的具有一个或多个体相位全息光栅的例示性光学系统的顶视图。

图8是根据一个实施方案的例示性光学系统的侧视图，该例示性光学系统包括具有恒定的节距和可变的周期的体相位全息光栅，该体相位全息光栅重新导向上视场光和下视场光，使得其朝向眼睛框离开光学系统。

图9是根据一个实施方案的具有相同节距和不同周期的体相位全息光栅的例示性叠堆的顶视图。

图10是根据一个实施方案的具有光栅贴片的例示性体相位全息光栅的顶视图，其中对于不同贴片，周期不同。

图11是根据一个实施方案的具有重叠的光栅贴片的体相位光栅的例示性叠堆的顶视图，其中对于不同贴片，周期不同。

图12是根据一个实施方案的用于对节距恒定、周期可变的体相位全息光栅进行贴片写入的例示性记录设置的图示。

图13是根据一个实施方案的用于利用复波前参考记录束对节距恒定、周期可变的体相位全息光栅进行记录的例示性记录设置的图示。

具体实施方式

头戴式显示器和其他设备可用于虚拟现实和增强现实系统。这些设备可包括便携式消费电子设备(例如，便携式电子设备，诸如蜂窝电话、平板电脑、眼镜、其他可穿戴装置)、在驾驶舱、车辆等中的头顶显示器、基于显示器的装置(投影仪、电视机等)。诸如这些设备的设备可包括显示器和其他光学部件。将其中虚拟现实和/或增强现实内容提供给具有头戴式显示器的用户的设备配置在本文中作为示例描述。然而，这仅为例示性的。任何合适的装置都可用于向用户提供虚拟现实和/或增强现实内容。

佩戴在用户头部的头戴式显示器(诸如一副增强现实眼镜)可用于向用户提供覆盖在真实世界内容顶部的计算机生成的内容。真实世界内容可由用户通过光学系统的透明部分直接查看。光学系统可用于将图像从显示系统中的一个或多个像素阵列路由至用户的眼睛。一个或多个波导可包括在光学系统中。输入光学耦合器可用于将图像从一个或多个像素阵列耦合到波导中。输出光学耦合器可用于将图像耦合出波导以供用户查看。波导中的一个或多个附加光学耦合器可用于将视场之外的光的垂直分量朝向用户的眼睛偏移。

光学系统的输入耦合器、输出耦合器和其他光学耦合器可形成诸如布拉格光栅的结构，其将光从显示器耦合到波导中，以及将光耦合出波导以供用户查看。光学耦合器可由体相位全息光栅或其他全息耦合元件形成。光学耦合器可以例如由薄的聚合物层、重铬酸盐明胶和/或使用激光来记录全息图案的其他光学耦合器结构构成。例如，两个准直激光束的干涉可产生重铬酸盐明胶中折射率的调制，从而形成全息光栅。在一些构型中，光学耦合器可以由可动态调节的设备构成，诸如由微电子机械系统(MEMS)部件、液晶部件(例如，可调谐液晶光栅、聚合物分散液晶设备)或其他可调节光学耦合器构成的可调节光栅。其中光学耦合器由体相位全息光栅形成的布置在本文中有时作为示例来进行描述。

光学系统中的体相位全息光栅中的一者或多者可具有节距恒定、周期可变、和/或条纹角可变的条纹。恒定的节距、可变的周期的光栅可帮助对于给定波长在一定范围的入射角上保持高的衍射效率。这种类型的体相位全息光栅继而可帮助避免光学系统中不期望的色移、效率损失和亮度变化。

图1中示出了例示性头戴式显示器的示意图。如图1所示，头戴式显示器10可以具有控制电路50。控制电路50可以包括用于控制头戴式显示器10的操作的存储和处理电路。电路50可以包括存储装置，诸如硬盘驱动器存储装置、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50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。软件代码可以存储在电路50中的存储装置上，并且在电路50中的处理电路上运行，以实现头戴式显示器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、产生向用户显示的图像内容的图像呈现操作等)。

头戴式显示器10可包括输入-输出电路52。输入-输出电路52可用于允许由头戴式显示器10从外部装置(例如，拴系电脑、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显示器10提供用户输入。输入-输出电路52还可用于采集有关头戴式显示器10的工作环境的信息。电路52中的输出部件可允许头戴式显示器10向用户提供输出，并且可用于与外部电气装置通信。

如图1所示，输入-输出电路52可包括一个或多个显示器，诸如一个或多个显示器26。显示器26可用于为头戴式显示器的用户显示图像。一个或多个显示器26具有一个或多个像素阵列以生成通过光学系统呈现给用户的图像。如果需要，光学系统可以具有透明部分，用户(观察者)可以通过该透明部分观察真实世界对象，同时计算机生成的内容通过在一个或多个显示器26上产生计算机生成的图像而覆盖在真实世界对象顶部上。

光学部件54可以用于形成向用户呈现图像的光学系统。部件54可以包括静态部件，诸如波导、静态光学耦合器和固定透镜。如果需要，部件54也可以包括可调节的光学部件，诸如可调节偏振器、可调谐透镜(例如，液晶可调谐透镜、基于电光材料的可调谐透镜、可调谐液体透镜、微电子机械系统(MEMS)可调谐透镜或其他可调谐透镜)、可动态调节耦合器(例如，可调节MEMS光栅或其他耦合器)、可调节液晶全息耦合器(诸如可调节液晶布拉格光栅耦合器)、可调节全息耦合器(例如，电光设备诸如可调谐布拉格光栅耦合器、聚合物分散的液晶设备)、耦合器、透镜和由电光材料(例如，铌酸锂或其他表现出电光效应的材料)构成的其他光学设备，或其他静态和/或可调谐光学部件。部件54可用于从显示器26接收和修改光(图像)，以及用于向用户提供图像以供查看。在一些构型中，可以堆叠部件54中的一者或多者，使得光串联地穿过多个部件(例如，光学耦合器可堆叠或者可彼此部分地重叠)。在其他构型中，部件可横向展开(例如，光学耦合器可并排地平铺)。也可以使用其中存在平铺和堆叠的构型。

输入-输出电路52可包括部件，诸如用于采集数据和用户输入以及用于向用户提供输出的输入-输出设备60。设备60可以包括传感器70、音频部件72和用于采集来自用户或设备10周围的环境的输入并用于向用户提供输出的其他部件。例如，设备60可以包括键盘、按钮、操纵杆、用于触控板和其他触敏输入设备的触摸传感器、相机、发光二极管、和/或其他输入-输出部件。

输入-输出电路52中的相机或其他设备可面向用户的眼睛并且可追踪用户的注视。传感器70可以包括位置和运动传感器(例如，罗盘、陀螺仪、加速度计，和/或用于监测头戴式显示器10的位置、取向和移动的其他设备，卫星导航系统电路诸如用于监测用户位置的全球定位系统电路等)。例如，控制电路50可使用传感器70监测用户头部相对于周围环境取向的当前方向。也可使用传感器70监测用户头部的移动(例如，向左和/或向右移动，以追踪屏幕上的对象和/或查看另外的真实世界对象)。

如果需要，传感器70可以包括测量环境光强度和/或环境光颜色的环境光传感器、力传感器、温度传感器、触摸传感器、电容式接近传感器、基于光的接近传感器、其他接近传感器、应变计、气体传感器、压力传感器、湿度传感器、磁传感器等。音频部件72可以包括用于采集语音命令和其他音频输入的麦克风，以及用于提供音频输出的扬声器(例如，耳塞、骨传导扬声器，或用于向用户的左耳和右耳提供声音的其他扬声器)。如果需要，输入-输出设备60可包括触觉输出设备(例如，振动部件)、发光二极管和其他光源，以及其他输出部件。电路52可包括有线和无线通信电路74，该有线和无线通信电路允许头戴式显示器10(例如，控制电路50)与外部装置(例如，遥控器、操纵杆和其他输入控制器、便携式电子设备、计算机、显示器等)通信，并且允许在头戴式显示器10的不同位置处的部件(电路)之间传送信号。

头戴式显示器10的部件可由头戴式支撑结构诸如图2的例示性支撑结构16支撑。支撑结构16可被配置为形成一副眼镜的框架(例如，左镜腿和右镜腿和其他框架构件)、可被配置为形成头盔、可被配置为形成一副护目镜，或者可具有其他可佩戴在头部的配置。

光学系统84可以支撑在支撑结构16内，并且可以用于从显示器26向用户(例如，参见图2的用户90的眼睛)提供图像。利用一个例示性构型，显示器26可以位于光学系统84的外(边缘)部分88中，并且可以具有产生图像的一个或多个像素阵列。可以使用输入耦合器系统将与图像相关联的光耦合到外部部分88中的波导中。波导可横穿中间区域82。在系统84的一个或多个中心部分86中(在来自输入耦合器系统和显示器26的波导的相对端处)，由一个或多个输出耦合器构成的输出耦合器系统可以将光耦合出波导。该光可以在方向92上穿过任选透镜80以供用户90观察。光学系统84的部分86可以是透明的，使得用户90可以通过系统84的该区域查看诸如对象30的外部对象，而系统84将计算机生成的内容(由控制电路50生成的图像内容)与对象(诸如对象30)重叠。

图3中示出了例示性头戴式设备的一部分。设备10可包括一个或多个像素阵列，诸如像素阵列26。像素阵列26由像素26P形成。显示器26中可以有任何合适数量的像素26P(例如，0至1000、10至10,000、1000至1,000,000、1,000,000至10,000,000、多于1,000,000、少于1,000,000、少于10,000、少于100等)。像素阵列26可具有任何合适类型的显示器像素(例如，像素阵列26可形成显示器，诸如有机发光二极管显示器、具有由发光二极管阵列形成的像素阵列的显示器(其中每个该发光二极管由相应的晶体半导体芯片形成)、液晶显示器、硅基液晶显示器、微机电系统显示器或任何其他合适的显示器)。在图3所示的例示性配置中，像素阵列26形成显示系统100的一部分，其中像素阵列26由来自照明系统的光照明。照明系统包括光源104和光学耦合器102。光源104可包括一个或多个发光部件106。部件106可以是例如发光二极管，诸如红色发光二极管、绿色发光二极管和蓝色发光二极管、白色发光二极管和/或发光二极管、灯、激光器、或一种或多种其他颜色的其他光源。光学耦合器102可以是分束器或有助于将来自光源104的光108朝向像素阵列26引导的其他光学部件。

如图3所示，来自光源104的光108可由耦合器102朝向像素阵列26(例如，硅基液晶像素阵列)的表面引导。光108由像素26P反射，这些像素生成供用户90查看的图像。反射光108R(例如，对应于由像素26P的阵列形成的图像的图像光)穿过耦合器102和可选透镜110。该反射图像光(图像112)由光学系统84的输入部分88中的输入耦合器系统接收。

如图3所示，光学系统84可包括一个或多个波导，诸如波导116。波导116可由透明材料诸如透光玻璃或塑料形成。波导116可以是携带全息介质的膜或刚性板(例如，感光材料，诸如重铬酸盐明胶、光致聚合物、或使用激光记录全息图案的其他光学结构)。图3示出了用于向用户的左眼90提供图像的左手波导，但系统84通常可包括用于向用户的双眼提供图像光的波导结构。在一个例示性配置中，每个波导116具有沿轴线X在相对的第一端部和第二端部之间延伸的细长条形形状。例如，波导116的高度(例如，沿维度Y的长度)可以为约1mm至100mm、至少2mm、至少5mm、小于50mm或其他合适的大小。波导116的厚度(例如，沿维度Z的长度)可以为约3mm、1mm至5mm、至少0.1mm、至少0.5mm、至少1.5mm、至少3mm、小于4mm、小于5mm或其他合适的厚度。沿维度X，左手波导116可在用户面部的约一半上延伸，并且右手波导116可在用户面部的另一半上延伸。因此，波导116沿维度X的长度可以为约10mm至300mm、至少5mm、至少20mm、至少40mm、至少80mm、至少100mm、至少130mm、小于200mm、小于150mm、小于100mm、小于90mm等。波导116可以是直的(如图3所示)或者可具有包在用户头部上的弯曲形状。

系统84可在部分88中具有输入耦合器系统。该输入耦合器系统可包括一个或多个输入耦合器，诸如输入耦合器114。来自显示器26的图像光112可使用输入耦合器114耦合到波导116中。图3的输入耦合器114为反射耦合器(光从耦合器114反射到波导116中)。然而，这仅是例示性的。如果需要，诸如输入耦合器114的输入耦合器可为透射耦合器(光在穿过耦合器114时耦合到波导116中)。

在波导116内，已耦合到波导116中的光可根据全内反射的原理沿维度X传播。然后可由输出部分86中的输出耦合器系统将光118耦合出波导116。输出耦合器系统可包括一个或多个输出耦合器诸如输出耦合器120，其将光118耦合出波导116，如光122所示。之后，光122可沿方向92穿过透镜诸如透镜80，以供用户90查看。

如果需要，在波导116中可存在附加光学耦合器，诸如光学耦合器124。光学耦合器124可例如用于将否则会在用户视场(例如，图3的视场140)之外的光的垂直分量朝向用户的眼睛90偏移。因为这种类型的光学耦合器沿图3的维度Y放大用户的视场140，所以光学耦合器124有时可被称为Y瞳孔扩展耦合器或垂直视场扩展光栅。垂直视场扩展光栅诸如光栅124可位于输入耦合器114和输出耦合器120之间(如图3的示例中所示)，可位于输入耦合器114的前面，可与输入耦合器114和/或输出耦合器120集成，或者可位于其他合适的位置。

系统84中的光学耦合器可以是全息耦合器(例如，体相位全息光栅)。耦合器可以是平面到平面耦合器(无限焦距)，或者可以具有相关联的有限焦距f(例如，这些耦合器可具有相关联的正透镜光焦度或负透镜光焦度)。

图3的示例仅是例示性的，其中耦合器114、120和124位于波导116的后表面上。如果需要，耦合器114、120和124可位于波导116的前表面上(例如，与图3所示的表面相对)，可嵌入在波导116内，或可部分地嵌入在波导116中。

波导116中的光学耦合器诸如输入耦合器114、输出耦合器120和垂直视场扩展光栅124可由体相位全息光栅或其他全息耦合元件形成。光学耦合器可以例如由薄的聚合物层、重铬酸盐明胶和/或使用激光来记录全息图案的其他光学耦合器结构构成。例如，两个准直激光束的干涉可产生重铬酸盐明胶中折射率的周期性调制，从而形成全息光栅。

图4是可用于形成头戴式显示器中的光学耦合器的例示性体相位全息光栅的顶视图。如图4所示，光栅126可包括介质诸如全息介质128。全息介质128可以是重铬酸盐明胶、聚合物或其他合适的材料。全息介质128可具有周期性的折射率调制。光栅126中折射率的调制发生在周期性条纹诸如条纹130中。全息介质128的形成条纹130的部分可具有一个折射率，而条纹130之间的全息介质128的部分可具有另一折射率。光栅126可形成将全息记录存储在全息介质128内的光学干涉图案。

在图4的示例中，条纹130彼此平行且等距。这种类型的光栅有时可被称为线性光栅。换句话讲，周期Λ在整个光栅126上是恒定的，节距δρ在整个光栅126上是恒定的，并且条纹角

在整个光栅126上是恒定的。周期Λ是指沿光栅向量K(即，与条纹130正交的向量134)测量的条纹130之间的间距。节距ρ是指沿光栅表面128S测量的条纹130之间的距离。条纹角

是指光栅表面法线(即，向量132)与光栅向量K(即，与条纹130正交的向量134)之间的角度。

当光入射在光栅128的表面上时，节距ρ根据以下光栅公式确定衍射角：

其中λ₀是入射光136在空气中的波长，ρ是光栅126的节距，n是介质128的折射率，θ1是入射光136的角度(从光栅表面法线132测量)，而θ2是衍射光138的角度(从光栅表面法线132测量)。因此，为了在整个光栅126上实现相同的衍射角θ2，光栅126在整个光栅126上具有相同的节距ρ。

在体相位全息光栅中，在满足布拉格条件时发生最大衍射效率，这在以下为真时发生：

如上面的公式2所示，不同的入射角可导致发生最大衍射效率的波长的变化。图5示出了衍射效率可以如何取决于入射角和波长。图5为示出包括具有恒定的节距和恒定周期的平行条纹的光栅(例如，图4所示类型的光栅)的衍射效率的曲线图。曲线142表示第一波长λ1的光的衍射效率，曲线144表示第二波长λ2的光的衍射效率，而曲线146表示第三波长λ3的光的衍射效率。当用给定颜色的光(例如，具有峰值波长λ3)照明时，发生最大衍射效率的波长将随着入射角变化而变化(根据公式2)。在入射角A3处，最大衍射效率发生在期望波长λ3，如曲线146所示。然而，在入射角A2处，最大衍射效率发生在波长λ2，如曲线144所示。并且，在入射角A1处，最大衍射效率发生在波长λ1，如曲线142所示。波长λ1和λ2可略微不同于期望波长λ3。

如果稍有不慎，衍射效率对入射角的依赖性可成为障碍。例如，激光器可能不适于照明源，因为窄谱会导致小视场。用户可能感知到可见的色移和/或亮度变化，因为具有最高衍射效率的波长在视场上可以变化。另外，在任何给定的入射角，入射光的谱的子集可被衍射到波导中，从而导致效率损失。

为了在不同入射角为相同波长实现高衍射效率，光栅的周期和/或条纹角在光栅上可以变化。换句话讲，可调节周期Λ以满足公式2，即使在入射角改变时也如此。为了确保衍射角在整个光栅上保持恒定，节距ρ应在整个光栅上保持恒定。为了改变周期而不改变节距，可相应地调节条纹角

周期、节距和条纹角由以下公式相关：

图6为具有恒定的节距和可变的周期的例示性体相位光栅的顶视图，其可用于形成头戴式显示器(例如，图3所示类型的头戴式显示器)中的一个或多个光学耦合器。如图6所示，光栅148可包括介质诸如全息介质150。全息介质150可以是重铬酸盐明胶、聚合物或其他合适的材料。全息介质150可具有周期性的折射率调制。光栅148中折射率的调制发生在周期性条纹诸如条纹152中。全息介质150的形成条纹152的部分可具有一个折射率，而条纹152之间的全息介质150的部分可具有另一折射率。光栅148可形成将全息记录存储在全息介质150内的光学干涉图案。

在图6的示例中，条纹152具有恒定的节距和可变的周期。换句话讲，周期Λ(x)在光栅148上变化(例如，根据沿图6的X轴的位置而变化)，节距δρ在整个光栅148上是恒定的，并且条纹角

(x)在光栅148上变化(例如，根据沿图6的X轴的位置而变化)。如图4的示例中那样，周期Λ是指沿光栅向量K(即，与条纹152正交的向量156)测量的条纹152之间的间距；节距ρ是指沿光栅表面150S测量的条纹152之间的距离；条纹角

是指光栅表面法线(即，向量154)与光栅向量K(即，与条纹152正交的向量156)之间的角度。

因为光栅148的节距在周期变化时保持恒定，所以衍射角θ2可在整个光栅148上保持相同，而给定波长的最大衍射效率即使在不同的场角度(即，不同的入射角)也可保持为高。这是通过确保在光栅148上的每个位置处满足布拉格条件(公式2)来实现。换句话讲，光栅148的每个部分处的衍射效率可被调整(例如，布拉格匹配)到入射在光栅148的该部分上的场角度。例如，对于给定波长，光栅148的部分164中的条纹152可具有在与左视场相关联的入射角使衍射效率最大化的周期；光栅148的部分166中的条纹152可具有在与中心视场相关联的入射角使衍射效率最大化的周期；而光栅148的部分168中的条纹152可具有在与右视场相关联的入射角使衍射效率最大化的周期。

图7示出了可如何将具有恒定的节距和可变的周期的光栅(例如，图6所示类型的光栅)结合到头戴式显示器10(例如，图3所示类型的头戴式设备)的光学系统84中。在该示例中，光学系统84可用于将光112从显示系统100递送到用户的右眼90，如光122所示。

如结合图3所讨论的，输入耦合器114可用于将光112从显示系统100耦合到波导116中。在波导116内，已耦合到波导116中的光可根据全内反射的原理沿维度X传播。光118然后可由输出耦合器120朝向观察者90耦合出波导116，如光122所示。

入射光112可具有不同的场角度，诸如左视场光158、中心视场光160和右视场光158。左视场光158作为光158'到达观察者90以形成图像的左部分，中心视场光160作为光160'到达观察者90以形成图像的中心部分，并且右视场光162作为光162'到达观察者90以形成图像的右部分。

输入耦合器114和输出耦合器120可由具有恒定的节距和可变的周期的光栅形成，如结合图6所述。例如，输入耦合器114可由具有条纹152A的光栅148A形成，而输出耦合器120可由具有条纹152B的光栅148B形成。在每个光栅中，条纹可被调整为使给定范围的场角度的衍射效率最大化。每个光栅的部分164中的条纹可具有使左视场光158的衍射效率最大化的周期；每个光栅的部分166中的条纹可具有使中心视场光160的衍射效率最大化的周期；并且每个光栅的部分168中的条纹可具有使右视场光162的衍射效率最大化的周期。为了在光栅的给定位置处对于给定波长在给定场角度使衍射效率最大化，可根据公式2确定光栅在该位置处的周期。这有时被称为将光栅布拉格匹配到入射光的入射角和波长。这确保对于给定颜色的入射光，该颜色的左视场光158'、该颜色的中心视场光160'和该颜色的右视场光162'均以一致的衍射效率到达观察者90。这有助于避免色移、亮度变化和效率损失，同时还允许宽带照明源和窄谱照明源(例如，激光器)两者。

如果需要，也可使用具有恒定的节距和可变的周期的体相位全息光栅来形成垂直视场扩展光栅。这种类型的布置在图8中示出。如图8所示，光学系统84可包括垂直视场扩展光栅124。在该示例中，光栅124位于输入耦合器114(在图8中未示出，因为其在光栅124后面)和输出耦合器120之间。光栅124可用于使高于或低于用户视场140的光的量最小化。例如，否则会在视场140下方穿过的下视场光170被光栅124重定向以到达观察者90。

光栅124可由具有恒定的节距和可变的周期的体相位全息光栅形成，如结合图6所述。例如，垂直视场扩展光栅124可由具有条纹152C的光栅148C形成。在光栅148C中，条纹可被调整为使给定范围的场角度的衍射效率最大化。光栅148C的部分176中的条纹152C可具有使下视场光170的衍射效率最大化的周期；光栅148C的部分178中的条纹152C可具有使中心视场光172的衍射效率最大化的周期；而光栅148C的下部(未示出，因为其在图8的输出耦合器120后面)可具有条纹152C，该条纹具有使上视场光(在图8中未示出)的衍射效率最大化的周期。为了在光栅的给定位置处对于给定波长在给定场角度使衍射效率最大化，可根据公式2确定光栅在该位置处的周期(例如，光栅可被布拉格匹配到入射光的入射角和波长)。这确保对于给定颜色的入射光，上视场光、中心视场光172和下视场光170均以一致的衍射效率到达观察者90。

在一些布置中，光栅148(例如，光栅148A、148B和/或光栅148C)的条纹周期可在光栅148上连续变化，使得每对条纹之间的间距不同于下一对条纹之间的间距(例如，如图6的示例中所示)。在其他布置中，可利用完全线性的光栅(例如，利用图4所示类型的光栅)或具有线性条纹贴片的光栅来实现节距恒定、周期可变的光栅。图9、图10和图11示出了可用于实现与单个具有恒定的节距和连续变化的周期的光栅类似结果的光栅布置的各种示例。

在图9的示例中，光栅148由多个堆叠的光栅形成，其中每个光栅被调整到特定子集的场角度。具体地讲，对于给定颜色的光，光栅148-1可具有条纹152-1，其具有使左视场角的衍射效率最大化的条纹周期；光栅148-2可具有条纹152-2，其具有使中心视场角的衍射效率最大化的条纹周期，并且光栅148-3可具有条纹152-3，其具有使右视场角的衍射效率最大化的条纹周期。所有三个光栅可具有相同的节距，并且每个光栅也可在整个该光栅上具有恒定的周期。然而，每个光栅的周期可不同于叠堆中其他光栅的周期(例如，条纹152-1的周期、条纹152-2的周期、和条纹152-3的周期可彼此不同)，从而产生与单个具有恒定的节距和可变的周期的光栅类似的效应。

应当理解，图9的示例仅是例示性的，其中光栅148由三个光栅的叠堆形成。如果需要，光栅148可由四个、五个、六个、多于六个或少于六个光栅构成。

在图10的示例中，光栅148由节距恒定、周期恒定的条纹的贴片组成。每个贴片可被调整到特定子集的场角度。具体地讲，对于给定颜色的光，光栅148的部分164可具有条纹152，其具有使左视场角的衍射效率最大化的周期；光栅148的部分166可具有条纹152，其具有使中心视场角的衍射效率最大化的周期，并且光栅148的部分168可具有条纹152，其具有使右视场角的衍射效率最大化的周期。光栅148中的所有三个贴片可具有相同的节距，并且每个贴片也可在整个该贴片上具有恒定的周期。然而，每个贴片的周期可不同于光栅中其他贴片的周期，从而产生与具有恒定的节距和连续变化的周期的光栅类似的效应。

在图11的示例中，光栅148由多个堆叠的光栅形成，其中每个光栅被调整到特定子集的场角度。具体地讲，对于给定颜色的光，光栅148-1可具有条纹152-1的贴片，其具有使左视场角的衍射效率最大化的周期；光栅148-2可具有条纹152-2的贴片，其具有使中心视场角的衍射效率最大化的周期，并且光栅148-3可具有条纹152-3的贴片，其具有使右视场角的衍射效率最大化的周期。所有三个条纹贴片可具有相同的节距，并且每个贴片也可在整个该贴片上具有恒定的周期。然而，每个贴片的周期可不同于叠堆中其他贴片的周期，从而产生与单个具有恒定的节距和变化周期的光栅类似的效应。

图6-11的示例仅是例示性的，其中不同光栅区域在空间上分开。如果需要，可使用其中将多个光栅叠加在公共全息介质中的复用(multiplex)布置来实现节距恒定、周期可变的光栅。例如，第一节距和第一周期的条纹、第一节距和第二周期的条纹、以及第一节距和第三周期的条纹可在公共全息介质内复用。复用恒定的节距光栅可用于例如应对单层全息介质中的多种颜色(例如，多个波长)。

可用于记录结合图6-11所述类型的节距恒定、周期可变的体相位全息光栅的全息记录系统的例示性示例在图12和13中示出。

在图12的示例中，利用顺序记录设置将节距恒定、周期可变的体相位全息光栅记录在贴片中。如图12所示，系统180可包括记录束，诸如信号激光束182和参考激光束184。信号束182和参考束184可相对于折射率匹配材料186以各种角度定位。折射率匹配材料186可具有接收全息结构148的腔体。全息结构148最初包括未曝光记录介质，诸如图6的层150。在曝光于来自系统180的记录束的激光之后，光栅被记录在记录介质中，诸如图7的光栅148。

激光系统可产生用于在结构150中记录光栅148的激光。在操作期间，信号和参考激光束穿过折射率匹配材料186以到达全息结构150。为了以恒定的节距和可变的周期在光栅148中形成条纹150，可利用平面波信号和参考束记录每个贴片来顺序地记录贴片诸如光栅148中的条纹贴片188。对于每个后续的条纹贴片，可重新取向记录束以保持相同的节距，同时改变周期以对于给定输入角实现所期望的衍射效率。例如，可利用平面波信号束182和184来记录具有第一节距和第一周期的第一条纹贴片188。然后可通过改变平面波信号束182和184的取向(例如，通过改变记录束之间的间隔以及改变记录束相对于介质150的角度)来记录节距与第一贴片相同但周期不同的第二条纹贴片188。可记录后续贴片188，为每个贴片重新取向记录束以在光栅148的该位置处实现所期望的衍射效率。

图13示出了一个示例，其中利用具有非平面波前的记录束来记录节距恒定、周期可变的光栅。如图13所示，记录束可包括信号束184和参考束182。记录信号束184可通过在回放期间定位在眼睛的标称位置处的发散点源190来生成。参考记录束182可包含复波前。波前可例如与由从介质150衍射的发散点源(例如，点源190)产生的波前相同。不是如图12的记录示例中那样使用多次曝光，图13的记录束相对于介质150取向，以在单次曝光中在介质150中产生节距恒定、周期可变的条纹152(但如果需要，可使用多次曝光)。

根据一个实施方案，提供了一种电子设备，其包括被配置为产生图像的显示系统和具有输入部分和输出部分的光学系统，所述光学系统包括：在所述输入部分和所述输出部分之间延伸的波导；所述输入部分中的输入耦合器，所述输入耦合器被配置为将所述图像从所述显示系统耦合到所述波导中；和所述输出部分中的输出耦合器，所述输出耦合器被配置为将所述图像耦合出所述波导，所述输入耦合器和所述输出耦合器中的至少一者包括：具有恒定的节距和可变的周期的体相位全息光栅。

根据另一实施方案，所述体相位全息光栅包括全息介质中的条纹，每个条纹相对于所述全息介质的表面法线以条纹角取向，并且所述条纹角跨所述全息介质变化。

根据另一实施方案，所述条纹包括以第一条纹角取向的第一组条纹、以第二条纹角取向的第二组条纹、和以第三条纹角取向的第三组条纹。

根据另一实施方案，所述第一组条纹具有被布拉格匹配到与左视场相关联的入射光的第一周期，所述第二组条纹具有被布拉格匹配到与中心视场相关联的入射光的第二周期，而第三组条纹具有被布拉格匹配到与右视场相关联的入射光的第三周期。

根据另一实施方案，所述体相位全息光栅的周期跨所述体相位全息光栅连续变化。

根据另一实施方案，所述体相位全息光栅包括布置成叠堆的第一光栅、第二光栅和第三光栅，所述第一光栅包括具有第一节距和第一周期的条纹，所述第二光栅包括具有所述第一节距和第二周期的条纹，而所述第三光栅包括具有所述第一节距和第三周期的条纹。

根据另一实施方案，在所述输入耦合器和所述输出耦合器之间在所述波导中包括附加体相位全息光栅。

根据另一实施方案，所述附加体相位全息光栅具有恒定的节距和可变的周期。

根据另一实施方案，所述附加体相位全息光栅包括全息介质中的条纹，每个条纹相对于所述全息介质的表面法线以条纹角取向，并且所述条纹角跨所述全息介质变化。

根据另一实施方案，所述条纹包括以第一条纹角取向的第一组条纹和以第二条纹角取向的第二组条纹。

根据另一实施方案，所述第一组条纹具有被布拉格匹配到与上视场相关联的入射光的第一周期，而所述第二组条纹具有被布拉格匹配到与下视场相关联的入射光的第二周期。

根据一个实施方案，提供了一种体相位全息光栅，其包括具有第一部分、第二部分和第三部分的介质以及所述介质中的条纹，所述条纹跨所述介质的所述第一部分、所述第二部分和所述第三部分具有一致的节距，所述第一部分中的所述条纹具有第一周期，所述第二部分中的所述条纹具有第二周期，而所述第三部分中的所述条纹具有第三周期，所述第一周期、所述第二周期和所述第三周期不同，并且所述第一周期使给定波长和第一入射角的入射光的衍射效率最大化，所述第二周期使所述给定波长和第二入射角的入射光的衍射效率最大化，而所述第三周期使所述给定波长和第三入射角的入射光的衍射效率最大化。

根据另一实施方案，所述全息介质中所述条纹的周期跨所述介质连续变化。

根据另一实施方案，所述介质包括第一全息介质、第二全息介质和第三全息介质，具有所述第一周期的所述条纹形成于所述第一全息介质中，具有所述第二周期的所述条纹形成于所述第二全息介质中，而具有所述第三周期的所述条纹形成于所述第三全息介质中。

根据另一实施方案，所述介质具有表面法线，所述条纹相对于所述表面法线以条纹角取向，并且所述条纹角跨所述介质变化。

根据一个实施方案，提供了一种显示系统，其包括波导、将光耦合到所述波导中的第一全息光栅、以及将光耦合出所述波导的第二全息光栅，所述第一全息光栅和所述第二全息光栅中的至少一者包括具有恒定的节距和可变的周期的条纹。

根据另一实施方案，所述第一全息光栅和所述第二全息光栅包括体相位全息光栅。

根据另一实施方案，所述条纹包括被取向为使与左视场相关联的入射角的衍射效率最大化的第一组条纹、被取向为使与中心视场相关联的入射角的衍射效率最大化的第二组条纹、以及被取向为使与右视场相关联的入射角的衍射效率最大化的第三组条纹。

根据另一实施方案，所述第一组条纹、所述第二组条纹和所述第三组条纹在全息介质内复用。

根据另一实施方案，第三全息光栅在所述波导内对光重新导向，所述第三全息光栅包括具有恒定的节距和可变的周期的条纹。

根据另一实施方案，所述第三全息光栅的所述条纹包括被取向为使与上视场相关联的入射角的衍射效率最大化的第一组条纹、和被取向为使与下视场相关联的入射角的衍射效率最大化的第二组条纹。

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 (15)

1.一种电子设备，包括：

显示系统，所述显示系统被配置为产生图像；以及

光学系统，所述光学系统具有输入部分和输出部分，其中所述光学系统包括：

波导，所述波导在所述输入部分和所述输出部分之间延伸；

所述输入部分中的输入耦合器，其中所述输入耦合器被配置为将所述图像从所述显示系统耦合到所述波导中；和

所述输出部分中的输出耦合器，其中所述输出耦合器被配置为将所述图像耦合出所述波导，其中所述输入耦合器和所述输出耦合器中的至少一者包括：

具有恒定的节距和可变的周期的体相位全息光栅，其中所述体相位全息光栅包括全息介质中的条纹，其中所述条纹包括以第一条纹角取向的第一组条纹和以第二条纹角取向的第二组条纹，其中所述第一组条纹具有被布拉格匹配到与上视场相关联的入射光的第一周期，其中所述第二组条纹具有被布拉格匹配到与下视场相关联的入射光的第二周期，并且其中所述第一周期在整个所述第一组条纹上是恒定的，所述第二周期在整个所述第二组条纹上是恒定的。

2.根据权利要求1所述的电子设备，还包括附加体相位全息光栅，所述附加体相位全息光栅具有恒定的节距和可变的周期，其中所述附加体相位全息光栅包括全息介质中的条纹，其中每个条纹相对于所述全息介质的表面法线以条纹角取向，并且其中所述条纹角跨所述全息介质变化。

3.根据权利要求2所述的电子设备，其中所述条纹包括以第一条纹角取向的第一组条纹、以第二条纹角取向的第二组条纹、和以第三条纹角取向的第三组条纹。

4.根据权利要求3所述的电子设备，其中所述第一组条纹具有被布拉格匹配到与左视场相关联的入射光的第一周期，所述第二组条纹具有被布拉格匹配到与中心视场相关联的入射光的第二周期，并且所述第三组条纹具有被布拉格匹配到与右视场相关联的入射光的第三周期。

5.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述体相位全息光栅的周期跨所述体相位全息光栅连续变化。

6.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述体相位全息光栅包括布置成叠堆的第一光栅、第二光栅和第三光栅，其中所述第一光栅包括具有第一节距和第一周期的条纹，所述第二光栅包括具有所述第一节距和第二周期的条纹，并且所述第三光栅包括具有所述第一节距和第三周期的条纹。

7.根据权利要求1所述的电子设备，其中每个条纹相对于所述全息介质的表面法线以条纹角取向，并且其中所述条纹角跨所述全息介质变化。

8.一种体相位全息光栅，包括：

具有第一部分、第二部分和第三部分的介质；和

所述介质中的条纹，其中所述条纹跨所述介质的所述第一部分、所述第二部分和所述第三部分具有一致的节距，其中所述第一部分中的条纹具有在整个所述第一部分上恒定的第一周期，所述第二部分中的条纹具有在整个所述第二部分上恒定的第二周期，并且所述第三部分中的条纹具有在整个所述第三部分上恒定的第三周期，其中所述第一周期、所述第二周期和所述第三周期是彼此不同的，其中所述第一周期使具有给定波长和第一入射角的入射光的衍射效率最大化，所述第二周期使具有所述给定波长和第二入射角的入射光的衍射效率最大化，并且所述第三周期使具有所述给定波长和第三入射角的入射光的衍射效率最大化，并且其中所述第三全息光栅的所述条纹包括被取向为使与上视场相关联的入射角的衍射效率最大化的第一组条纹、和被取向为使与下视场相关联的入射角的衍射效率最大化的第二组条纹。

9.根据权利要求8所述的体相位全息光栅，其中所述介质中的条纹的周期跨所述介质连续变化。

10.根据权利要求8所述的体相位全息光栅，其中所述介质包括第一全息介质、第二全息介质和第三全息介质，其中具有所述第一周期的条纹形成于所述第一全息介质中，具有所述第二周期的条纹形成于所述第二全息介质中，并且具有所述第三周期的条纹形成于所述第三全息介质中。

11.根据权利要求8所述的体相位全息光栅，其中所述介质具有表面法线，其中所述条纹相对于所述表面法线以条纹角取向，并且其中所述条纹角跨所述介质变化。

12.一种显示系统，包括：

波导；

第一全息光栅，所述第一全息光栅将光耦合到所述波导中；

第二全息光栅，所述第二全息光栅将光耦合出所述波导，其中所述第一全息光栅和所述第二全息光栅中的至少一者包括具有恒定的节距和可变的周期的条纹；和

在所述波导内对光重新导向的第三全息光栅，其中所述第三全息光栅包括具有恒定的节距和可变的周期的条纹，并且其中所述第三全息光栅的所述条纹包括被取向为使与上视场相关联的入射角的衍射效率最大化的第一组条纹、和被取向为使与下视场相关联的入射角的衍射效率最大化的第二组条纹，其中所述第一组条纹的周期在整个所述第一组条纹上是恒定的，并且所述第二组条纹的周期在整个所述第二组条纹上是恒定的。

13.根据权利要求12所述的显示系统，其中所述第一全息光栅和所述第二全息光栅包括体相位全息光栅。

14.根据权利要求12所述的显示系统，其中所述条纹包括被取向为使与左视场相关联的入射角的衍射效率最大化的第一组条纹、被取向为使与中心视场相关联的入射角的衍射效率最大化的第二组条纹、以及被取向为使与右视场相关联的入射角的衍射效率最大化的第三组条纹。

15.根据权利要求14所述的显示系统，其中所述第一组条纹、所述第二组条纹和所述第三组条纹在全息介质内复用。

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