CN113302542B - 波导显示器的角度选择性光栅耦合器 - Google Patents

Abstract

一种用于基于波导的显示器的光学耦合器包括倾斜表面浮雕光栅，该倾斜表面浮雕光栅包括多个区域。倾斜表面浮雕光栅的多个区域中的不同区域对于入射显示光具有不同的角度选择性特性。不同视角的显示光被倾斜表面浮雕光栅的不同区域衍射。

Description

波导显示器的角度选择性光栅耦合器

背景

诸如头戴式显示器(HMD)或平视显示器(HUD)系统的人工现实系统通常包括近眼显示器(例如，头戴式装置(headset)或一副眼镜)，该近眼显示器被配置成经由例如用户眼睛前方大约10mm-20mm内的电子显示器或光学显示器向用户呈现内容。如在虚拟现实(VR)、增强现实(AR)或混合现实(MR)应用中，近眼显示器可以显示虚拟对象或者将现实对象的图像与虚拟对象组合。例如，在AR系统中，用户可以例如通过透过透明显示眼镜或透镜观看(通常称为光学透视(optical see-through)或者通过观看由照相机捕获的周围环境的显示图像(通常称为视频透视)，来观看虚拟对象的图像(例如，计算机生成的图像(CGI))和周围环境。

一个示例光学透视AR系统可以使用基于波导的光学显示器，其中投影图像的光可以耦合到波导(例如，衬底)中，在波导内传播，并且在不同位置处从波导耦合出去。在一些实施方式中，可以使用衍射光学元件(例如，光栅)将光从波导耦合出去。与任何其他移动电子设备一样，通常希望基于波导的光学显示器的效率尽可能高。

概述

本公开总体上涉及用于人工现实系统的技术，且更具体地，涉及基于波导的近眼显示系统。根据某些实施例，用于基于波导的近眼显示器的光学耦合器可以包括光栅耦合器(例如，倾斜表面浮雕光栅(slanted surface-relief grating))，该光栅耦合器包括多个区域(例如，每个区域的宽度在大约10微米到大约1毫米的范围内)，其中光栅耦合器的不同区域对于入射显示光(display light)可以具有不同的角度选择性特性(相长干涉条件(constructive interference conditions))，使得在基于波导的近眼显示器的任何区域，最终不会到达用户眼睛的衍射光可以被抑制(即，不会被光栅耦合器衍射来耦合到波导中或从波导耦合出去)，并且只有最终可以到达用户眼睛的光可以被光栅耦合器衍射并被耦合到波导中或从波导耦合出去。这样，近眼显示系统的整体功率效率可以显著提高。

在一些实施例中，用于基于波导的显示器的光学耦合器可以包括倾斜表面浮雕光栅，该倾斜表面浮雕光栅包括多个区域，其中倾斜表面浮雕光栅的多个区域中的不同区域对于入射显示光可以具有不同的角度选择性特性，并且不同视角的显示光可以被倾斜表面浮雕光栅的不同区域衍射。在一些实施例中，倾斜表面浮雕光栅的多个区域中的不同区域可以具有不同的光栅占空比、不同的倾斜角或不同的折射率中的至少一个。

在一些实施例中，倾斜表面浮雕光栅可以包括填充倾斜表面浮雕光栅中的间隙的外涂层(overcoat layer)，并且倾斜表面浮雕光栅的多个区域中的不同区域在该外涂层中可以具有不同的折射率。在一些实施例中，外涂层可以包括不同的材料或者在倾斜表面浮雕光栅的不同区域具有不同掺杂的相同材料。在一些实施例中，外涂层的折射率与倾斜表面浮雕光栅的折射率之间的差可以等于或大于0.2。

在一些实施例中，倾斜表面浮雕光栅可以被配置成将显示光从基于波导的显示器的波导耦合出去。被倾斜表面浮雕光栅的不同区域从波导衍射出去的显示光可以以不同的方向朝向基于波导的显示器的视窗(eyebox)传播。在一些实施例中，视窗的面积可以小于基于波导的显示器的输出面积的五分之一。

在一些实施例中，倾斜表面浮雕光栅的多个区域中的每个区域可以被配置成将相应视场的显示光耦合到基于波导的显示器的波导中，并防止其他视场的耦合显示光被倾斜表面浮雕光栅从波导耦合出去。被倾斜表面浮雕光栅的不同区域衍射到波导中的显示光可以在波导内以不同的方向传播。

在一些实施例中，倾斜表面浮雕光栅可以形成在基于波导的显示器的前表面或后表面上。在一些实施例中，多个区域中的每一个区域的宽度在10微米和1毫米之间。在一些实施例中，被倾斜表面浮雕光栅的每个区域衍射的显示光可以具有大于10°的角度范围。在一个实施例中，倾斜表面浮雕光栅的倾斜角可以大于30°。

根据某些实施例，基于波导的近眼显示器可以包括衬底和输出耦合器，该输出耦合器包括形成在衬底表面上的倾斜表面浮雕光栅。倾斜表面浮雕光栅可以包括多个区域。倾斜表面浮雕光栅的多个区域中的不同区域对于入射显示光可以具有不同的角度选择性特性。被倾斜表面浮雕光栅的不同区域衍射的显示光可以以不同的方向朝向基于波导的近眼显示器的视窗传播。

在基于波导的近眼显示器的一些实施例中，倾斜表面浮雕光栅的多个区域中的不同区域可以具有从5％到95％的不同光栅占空比，并且倾斜表面浮雕光栅的深度可以大于阈值。在一些实施例中，阈值可以大于倾斜表面浮雕光栅的光栅周期的一半。

在一些实施例中，倾斜表面浮雕光栅可以包括填充倾斜表面浮雕光栅中的间隙的外涂层。倾斜表面浮雕光栅的多个区域中的不同区域在外涂层中可以具有不同的折射率。在一些实施例中，外涂层的折射率与倾斜表面浮雕光栅的折射率之间的差可以等于或大于0.2。

在一些实施例中，被倾斜表面浮雕光栅的每个区域衍射的显示光可以具有大于10°的角度范围。

在一些实施例中，基于波导的近眼显示器还可以包括光源和输入耦合器，该输入耦合器形成在衬底上并被配置成将来自光源的显示光耦合到衬底中。输入耦合器可以包括具有不同角度选择性特性的多个区域。输入耦合器的每个区域可以被配置成将相应角度范围内的显示光耦合到衬底中。

根据某些实施例，一种使用基于波导的近眼显示器显示图像的方法可以包括由倾斜光栅耦合器的第一区域将显示光的仅第一部分从波导衍射出去，其中显示光的该第一部分可以以第一角度范围内的角度朝向基于波导的近眼显示器的视窗传播。该方法还可以包括由倾斜光栅耦合器的第二区域将显示光的仅第二部分从波导衍射出去，其中显示光的该第二部分可以以第二角度范围内的角度朝向基于波导的近眼显示器的视窗传播，并且第二角度范围不同于第一角度范围。在一些实施例中，倾斜光栅耦合器的第一区域和第二区域具有不同的占空比、倾斜角或折射率调制(refractive index modulation)。

在一些实施例中，用于基于波导的显示器的光学耦合器可以包括倾斜表面浮雕光栅，该倾斜表面浮雕光栅包括多个区域，其中倾斜表面浮雕光栅的多个区域中的不同区域对于入射显示光可以具有不同的角度选择性特性，并且不同视角的显示光可以被倾斜表面浮雕光栅的不同区域衍射。在一些实施例中，倾斜表面浮雕光栅的多个区域中的不同区域可以具有不同的光栅占空比、不同的倾斜角或不同的折射率中的至少一个。

在一些实施例中，倾斜表面浮雕光栅可以包括填充倾斜表面浮雕光栅中的间隙的外涂层，并且倾斜表面浮雕光栅的多个区域中的不同区域在该外涂层中可以具有不同的折射率。在一些实施例中，外涂层可以包括不同的材料或者在倾斜表面浮雕光栅的不同区域具有不同掺杂的相同材料。在一些实施例中，外涂层的折射率与倾斜表面浮雕光栅的折射率之间的差可以等于或大于0.2。

在一些实施例中，倾斜表面浮雕光栅可以被配置成将显示光从基于波导的显示器的波导耦合出去。被倾斜表面浮雕光栅的不同区域从波导衍射出去的显示光可以以不同的方向朝向基于波导的显示器的视窗传播。在一些实施例中，视窗的面积可以小于基于波导的显示器的输出面积的五分之一。

在一些实施例中，倾斜表面浮雕光栅的多个区域中的每个区域可以被配置成将相应视场的显示光耦合到基于波导的显示器的波导中，并防止其他视场的耦合显示光被倾斜表面浮雕光栅从波导耦合出去。被倾斜表面浮雕光栅的不同区域衍射到波导中的显示光可以在波导内以不同的方向传播。

在一些实施例中，倾斜表面浮雕光栅可以形成在基于波导的显示器的前表面或后表面上。在一些实施例中，多个区域中的每一个区域的宽度在10微米和1毫米之间。在一些实施例中，被倾斜表面浮雕光栅的每个区域衍射的显示光可以具有大于10°的角度范围。在一些实施例中，倾斜表面浮雕光栅的倾斜角可以大于30°。

根据某些实施例，基于波导的近眼显示器可以包括衬底和输出耦合器，该输出耦合器包括形成在衬底表面上的倾斜表面浮雕光栅。倾斜表面浮雕光栅可以包括多个区域。倾斜表面浮雕光栅的多个区域中的不同区域对于入射显示光可以具有不同的角度选择性特性。被倾斜表面浮雕光栅的不同区域衍射的显示光可以以不同的方向朝向基于波导的近眼显示器的视窗传播。

在基于波导的近眼显示器的一些实施例中，倾斜表面浮雕光栅的多个区域中的不同区域可以具有从5％到95％的不同光栅占空比，并且倾斜表面浮雕光栅的深度可以大于阈值。在一些实施例中，阈值可以大于倾斜表面浮雕光栅的光栅周期的一半。

在一些实施例中，倾斜表面浮雕光栅可以包括填充倾斜表面浮雕光栅中的间隙的外涂层。倾斜表面浮雕光栅的多个区域中的不同区域在外涂层中可以具有不同的折射率。在一些实施例中，外涂层的折射率与倾斜表面浮雕光栅的折射率之间的差可以等于或大于0.2。

在一些实施例中，被倾斜表面浮雕光栅的每个区域衍射的显示光可以具有大于10°的角度范围。

在一些实施例中，基于波导的近眼显示器还可以包括光源和输入耦合器，该输入耦合器形成在衬底上并被配置成将来自光源的显示光耦合到衬底中。输入耦合器可以包括具有不同角度选择性特性的多个区域。输入耦合器的每个区域可以被配置成将相应角度范围内的显示光耦合到衬底中。

根据某些实施例，一种使用基于波导的近眼显示器显示图像的方法可以包括由倾斜光栅耦合器的第一区域将显示光的仅第一部分从波导衍射出去，其中显示光的该第一部分可以以第一角度范围内的角度朝向基于波导的近眼显示器的视窗传播。该方法还可以包括由倾斜光栅耦合器的第二区域将显示光的仅第二部分从波导衍射出去，其中显示光的该第二部分可以以第二角度范围内的角度朝向基于波导的近眼显示器的视窗传播，并且第二角度范围不同于第一角度范围。在一些实施例中，倾斜光栅耦合器的第一区域和第二区域具有不同的占空比、倾斜角或折射率调制。

本概述既不旨在标识所要求保护的主题的关键或基本特征，也不旨在孤立地用于确定所要求保护的主题的范围。应当参考本公开的整个说明书的适当部分、任何或所有附图以及每项权利要求来理解主题。下面将在以下说明书、权利要求书和附图中更详细地描述前述内容以及其他特征和示例。

附图简述

下面参考以下附图详细描述说明性实施例。

图1是根据某些实施例的包括近眼显示器的示例人工现实系统环境的简化框图。

图2是用于实现本文公开的一些示例的头戴式显示器(HMD)设备形式的示例近眼显示器的透视图。

图3是用于实现本文公开的一些示例的一副眼镜形式的简化示例近眼显示器的透视图。

图4示出了根据某些实施例的使用波导显示器的示例光学透视增强现实系统。

图5是根据某些实施例的示例近眼显示器的横截面视图。

图6A示出了基于波导的近眼显示器的示例，其中所有视场的显示光从波导的不同区域均匀输出。

图6B示出了根据某些实施例的基于波导的近眼显示器的示例，其中显示光在波导的不同区域中以不同角度从波导耦合出去。

图7A示出了根据某些实施例的基于波导的近眼显示器的示例，其中显示光从波导的第一区域以第一角度范围从波导耦合出去。

图7B示出了根据某些实施例的基于波导的近眼显示器的示例，其中显示光从波导的第二区域以第二角度范围从波导耦合出去。

图7C示出了根据某些实施例的基于波导的近眼显示器的示例，其中显示光从波导的第三区域以第三角度范围从波导耦合出去。

图8示出了根据某些实施例的基于波导的近眼显示器的前表面上的倾斜光栅耦合器的示例的光衍射。

图9示出了根据某些实施例的基于波导的近眼显示器中的倾斜光栅耦合器的示例的角度选择性。

图10示出了根据某些实施例的基于波导的近眼显示器中的倾斜光栅耦合器的示例的不同区域的角度选择性特性，其中倾斜光栅耦合器在不同区域具有不同的占空比。

图11示出了根据某些实施例的基于波导的近眼显示器中的倾斜光栅耦合器的示例的不同区域的角度选择性特性，其中倾斜光栅耦合器在不同区域具有不同的折射率调制。

图12示出了根据某些实施例的基于波导的近眼显示器的后表面上的倾斜光栅耦合器的示例的光衍射。

图13示出了根据某些实施例的基于波导的近眼显示器的示例，其中来自不同视场的显示光可以在输入耦合器的不同区域中以不同角度耦合到波导中。

图14示出了根据某些实施例的使用基于波导的近眼显示器显示图像的方法的示例。

图15是根据某些实施例的示例近眼显示器的示例电子系统的简化框图。

附图仅为了说明的目的而描绘本公开的实施例。本领域中的技术人员从下面的描述中将容易认识到示出的结构和方法的可选的实施例可以被采用而不偏离本公开的原理和所推崇的益处。

在附图中，相似的部件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，可以通过在附图标记之后用短划线和在相似部件之间进行区分的第二标记来区分相同类型的各种部件。如果说明书中仅使用第一附图标记，则该描述适用于具有相同第一附图标记的任何一个相似部件，而与第二附图标记无关。

详细描述

本文公开的技术总体上涉及人工现实系统，且更具体地，涉及基于波导的近眼显示系统。在基于波导的近眼显示系统中，波导的输出面积通常比近眼显示系统的视窗尺寸大得多。因此，如果所有视场的显示光都是从波导的任何区域均匀输出的，那么可以到达用户眼睛的那部分光可能取决于视窗的尺寸与波导的输出面积之间的比率，对于特定的出瞳距离(eye relief)和视场，该比率可能小于例如10％。

根据某些实施例，用于基于波导的显示器的光学耦合器可以包括光栅耦合器(例如，倾斜表面浮雕光栅或其他衍射光栅)，该光栅耦合器可以包括多个区域(例如，每个区域的宽度在大约10微米到大约1毫米的范围内)，其中光栅耦合器的不同区域对于入射显示光可以具有不同的角度选择性特性(相长干涉条件)，使得最终不会向近眼显示系统的视窗传播的衍射光可以被抑制(即，可能不会被光栅衍射到波导中或从波导衍射出去)。以这种方式，来自不同视场(或视角)的光可以在波导的不同区域被耦合到波导中或从波导耦合出去，并且在任何给定区域，只有最终可以到达视窗的光可以被耦合到波导中或从波导耦合出去，而波导中的其他显示光可以继续在波导内传播，直到它在光栅耦合器的一个区域处从波导耦合出去，其中在光栅耦合器的该区域处，显示光满足对应的角度选择性条件。因此，来自不同视场的大部分显示光可以到达用户的眼睛，并且基于波导的显示器的效率因此可以显著提高。

光栅耦合器的不同角度选择性特性可以通过光栅耦合器在不同区域处的不同光栅配置(以及因此在光栅周期上的不同有效光程长度)来实现。不同的配置可以包括例如，倾斜表面浮雕光栅的不同区域处的不同占空比(光栅脊(grating ridge)的宽度与光栅周期之间的比率)、不同的折射率、不同的倾斜角、不同的周期或其任意组合。可以有许多不同的方法来制造在光栅耦合器的整个区域上具有不同配置(例如，占空比或折射率调制)的光栅耦合器。例如，具有变化占空比(例如，从大约5％到大约95％)的倾斜表面浮雕光栅耦合器可以使用各种光刻和蚀刻技术来制造，例如离子束蚀刻(IBE)、反应性离子束蚀刻(RIBE)、或化学辅助离子束蚀刻(CAIBE)工艺、或其他图案转移技术。不同的折射率调制可以通过例如改变倾斜表面浮雕光栅的外涂层材料或者改变光栅耦合器不同区域处的外涂层中的掺杂来实现。

在包括倾斜表面浮雕光栅的光栅耦合器中，可以实现在光栅周期中光栅脊区域和光栅槽(grating groove)区域之间的大的折射率变化(例如，>0.2)。因此，可以实现大的角度带宽(例如，>10°)，以便为基于波导的显示系统提供足够大的视窗。此外，由于大的折射率变化，角度选择性可以通过少量(例如，两个或更多个)光栅周期之间的相长干涉来实现，因此倾斜表面浮雕光栅的深度可以很小(例如，更薄的光栅)。

具有可变角度选择性的倾斜表面浮雕光栅可以位于波导靠近用户眼睛的一侧或者波导远离用户眼睛的一侧。同样的技术也可以用于基于波导的显示器中的光学输入耦合器。

在以下描述中，为了解释的目的阐述了具体细节，以便提供对本公开示例的透彻理解。然而，很明显，没有这些具体细节也可以实施各种示例。例如，设备、系统、结构、组件、方法和其他部件可以以框图形式被显示为部件，以免以不必要的细节模糊示例。在其他情况下，公知的设备、过程、系统、结构和技术可以在没有必要细节的情况下被示出，以避免模糊示例。附图和描述并不旨在是限制性的。在本公开中使用的术语和表达被用作描述性术语而非限制性术语，并且这些术语和表达的使用无意排除所示出并描述的特征的任何等同物或其部分。词语“示例”在本文中用于表示“用作示例、实例或说明”。本文描述为“示例”的任何实施例或设计不一定被解释为比其他实施例或设计更优选或更有利。

图1是根据某些实施例的包括近眼显示器120的示例人工现实系统环境100的简化框图。图1所示的人工现实系统环境100可以包括近眼显示器120、可选的外部成像设备150和可选的输入/输出接口140，它们可以各自耦合到可选的控制台110。尽管图1示出了包括一个近眼显示器120、一个外部成像设备150和一个输入/输出接口140的示例人工现实系统环境100，但人工现实系统环境100中可以包括任意数量的这些部件，或者可以省略任何部件。例如，可以有多个近眼显示器120，这些近眼显示器120由与控制台110通信的一个或更多个外部成像设备150监控。在一些配置中，人工现实系统环境100可以不包括外部成像设备150、可选的输入/输出接口140和可选的控制台110。在替代配置中，人工现实系统环境100中可以包括不同或附加的部件。

近眼显示器120可以是向用户呈现内容的头戴式显示器。由近眼显示器120呈现的内容示例包括一个或更多个图像、视频、音频或其某种组合。在一些实施例中，音频可以经由外部设备(例如，扬声器和/或头戴式耳机)呈现，该外部设备从近眼显示器120、控制台110或两者接收音频信息，并基于音频信息来呈现音频数据。近眼显示器120可以包括一个或更多个刚性主体，该刚性主体可以刚性或非刚性地彼此联接。刚性主体之间的刚性联接可以使所联接的刚性主体充当单个刚性实体。刚性主体之间的非刚性联接可以允许刚性主体相对于彼此移动。在各种实施例中，近眼显示器120可以以任何合适的形状因子(包括一副眼镜)来被实现。将在下面参考图2、图3和图15进一步描述近眼显示器120的一些实施例。附加地，在各种实施例中，本文描述的功能可以用在头戴式装置中，该头戴式装置组合近眼显示器120外部环境的图像和人工现实内容(例如，计算机生成的图像)。因此，近眼显示器120可以用生成的内容(例如，图像、视频、声音等)来增强近眼显示器120外部的物理、现实世界环境的图像，以向用户呈现增强现实。

在各种实施例中，近眼显示器120可以包括显示电子器件122、显示光学器件124和眼睛跟踪单元130中的一个或更多个。在一些实施例中，近眼显示器120还可以包括一个或更多个定位器126、一个或更多个位置传感器128和惯性测量单元(IMU)132。在各种实施例中，近眼显示器120可以省略这些元件中的任何一个，或者可以包括附加元件。附加地，在一些实施例中，近眼显示器120可以包括组合了结合图1描的各种元件的功能的元件。

显示电子器件122可以根据从例如控制台110接收的数据向用户显示图像或促进图像的显示。在各种实施例中，显示电子器件122可以包括一个或更多个显示面板，例如液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)显示器、微型发光二极管(mLED)显示器、有源矩阵OLED显示器(AMOLED)、透明OLED显示器(TOLED)或某种其他显示器。例如，在近眼显示器120的一个实施方式中，显示电子器件122可以包括前TOLED面板、后显示面板以及在前显示面板和后显示面板之间的光学部件(例如，衰减器、偏振器或者衍射膜或光谱膜)。显示电子器件122可以包括发射例如红色、绿色、蓝色、白色或黄色的主要颜色(predominant color)的光的像素。在一些实施方式中，显示电子器件122可以通过由二维面板产生的立体效果来显示三维(3D)图像，以创建图像深度的主观感知。例如，显示电子器件122可以包括分别位于用户的左眼和右眼前方的左显示器和右显示器。左显示器和右显示器可以呈现相对于彼此水平偏移的图像的副本，以产生立体效果(即，观看图像的用户对图像深度的感知)。

在某些实施例中，显示光学器件124可以(例如，使用光波导和耦合器)光学地显示图像内容，或者放大从显示电子器件122接收的图像光，校正与图像光相关联的光学误差，并将校正后的图像光呈现给近眼显示器120的用户。在各种实施例中，显示光学器件124可以包括一个或更多个光学元件，例如衬底、光学波导、光圈、菲涅尔透镜、凸透镜、凹透镜、滤光器或者可以影响从显示电子器件122发射的图像光的任何其他合适的光学元件。显示光学器件124可以包括不同光学元件以及机械耦合件的组合，以保持组合中的光学元件的相对间距和定向。显示光学器件124中的一个或更多个光学元件可以具有光学涂层，例如抗反射涂层、反射涂层、滤光涂层或不同光学涂层的组合。

显示光学器件124对图像光的放大可以允许显示电子器件122比更大的显示器物理上更小、重量更轻并且消耗更少的功率。附加地，放大可以增加显示内容的视场。显示光学器件124对图像光的放大倍数可以通过调整光学元件、增加光学元件或从显示光学器件124移除光学元件来改变。

显示光学器件124还可以被设计成校正一种或更多种类型的光学误差，例如二维光学误差、三维光学误差或其组合。二维误差可以包括二维中出现的光学像差(opticalaberration)。二维误差的示例类型可以包括桶形失真、枕形失真、纵向色差和横向色差。三维误差可以包括三维中出现的光学误差。三维误差的示例类型可以包括球面像差(spherical aberration)、彗形像差(comatic aberration)、像场弯曲(field curvature)和像散(astigmatism)。

定位器126可以是相对于彼此并相对于近眼显示器120上的参考点位于近眼显示器120上特定位置的对象。在一些实施方式中，控制台110可以识别由外部成像设备150捕获的图像中的定位器126，以确定人工现实头戴式装置的位置、定向或两者。定位器126可以是发光二极管(LED)、锥体棱镜(corner cube reflector)、反射标记、与近眼显示器120操作的环境形成对比的一种类型的光源或者它们的一些组合。在定位器126是有源部件(例如，LED或其他类型的发光器件)的实施例中，定位器126可以发射可见光波段(例如，约380nm至750nm)中的光、红外(IR)波段(例如，约750nm至1mm)中的光、紫外波段(例如，约10nm至约380nm)中的光、电磁波谱的另一部分中的光或电磁波谱中各部分的任意组合中的光。

外部成像设备150可以基于从控制台110接收的校准参数生成慢速校准数据。慢速校准数据可以包括显示定位器126的观察位置的一个或更多个图像，这些图像可被外部成像设备150检测到。外部成像设备150可以包括一个或更多个照相机、一个或更多个摄像机、能够捕获包括一个或更多个定位器126的图像的任何其他设备或者它们的一些组合。附加地，外部成像设备150可以包括一个或更多个滤光器(例如，用于提高信噪比)。外部成像设备150可以被配置成检测从外部成像设备150的视场中的定位器126发射或反射的光。在定位器126包括无源元件(例如，回射器(retroreflector))的实施例中，外部成像设备150可以包括照亮一些或所有定位器126的光源，定位器126可以将光回射到外部成像设备150中的光源。可以将慢速校准数据从外部成像设备150传送到控制台110，并且外部成像设备150可以从控制台110接收一个或更多个校准参数，用于调整一个或更多个成像参数(例如，焦距、焦点、帧速率、传感器温度、快门速度、光圈等)。

位置传感器128可以响应于近眼显示器120的运动而生成一个或更多个测量信号。位置传感器128的示例可以包括加速度计、陀螺仪、磁力计、其他运动检测或误差校正传感器或者它们的一些组合。例如，在一些实施例中，位置传感器128可以包括测量平移运动(例如，向前/向后、向上/向下、或向左/向右)的多个加速度计和测量旋转运动(例如，俯仰、偏航、或滚动)的多个陀螺仪。在一些实施例中，各个位置传感器可以彼此正交定向。

IMU 132可以是基于从一个或更多个位置传感器128接收的测量信号生成快速校准数据的电子器件。位置传感器128可以位于IMU 132的外部、IMU 132的内部或者其某种组合。基于来自一个或更多个位置传感器128的一个或更多个测量信号，IMU 132可以生成快速校准数据，该快速校准数据指示相对于近眼显示器120的初始位置的近眼显示器120的估计位置。例如，IMU 132可以对从加速度计接收的测量信号在时间上进行积分，以估计速度向量，并且对速度向量在时间上进行积分，以确定近眼显示器120上参考点的估计位置。替代地，IMU 132可以向控制台110提供采样的测量信号，控制台110可以确定快速校准数据。虽然参考点通常可以被定义为空间中的点，但是在各种实施例中，参考点也可以被定义为近眼显示器120内的点(例如，IMU 132的中心)。

眼睛跟踪单元130可以包括一个或更多个眼睛跟踪系统。眼睛跟踪可以指确定眼睛相对于近眼显示器120的位置，包括眼睛的定向和位置。眼睛跟踪系统可以包括对一只或更多只眼睛进行成像的成像系统，并且可以可选地包括光发射器，该光发射器可以生成指向眼睛的光，使得由眼睛反射的光可以被成像系统捕获。例如，眼睛跟踪单元130可以包括发射可见光谱或红外光谱中的光的相干光源(例如，激光二极管)，以及捕获由用户眼睛反射的光的照相机。作为另一个示例，眼睛跟踪单元130可以捕获由微型雷达单元发射的反射无线电波。眼睛跟踪单元130可以使用低功率光发射器，其以不会伤害眼睛或引起身体不适的频率和强度发射光。眼睛跟踪单元130可以被布置成提高眼睛跟踪单元130捕获的眼睛图像中的对比度，同时降低眼睛跟踪单元130消耗的总功率(例如，降低由眼睛跟踪单元130中包括的光发射器和成像系统消耗的功率)。例如，在一些实施方式中，眼睛跟踪单元130可以消耗小于100毫瓦的功率。

近眼显示器120可以使用眼睛的定向来例如，确定用户的瞳孔间距离(IPD)、确定凝视方向、引入深度线索(例如模糊用户主视线之外的图像)、收集关于VR媒体中的用户交互的启发信息(heuristics)(例如，根据经受的刺激在任何特定主体、对象或帧上花费的时间)、部分基于至少一只用户眼睛的定向的一些其他功能、或者上述的某种组合。因为可以确定用户双眼的定向，所以眼睛跟踪单元130可以确定用户正在看哪里。例如，确定用户凝视的方向可以包括基于所确定的用户左眼和右眼的定向来确定集合点(point ofconvergence)。集合点可以是用户眼睛的两个视网膜中央凹轴(foveal axis)相交的点。用户凝视的方向可以是穿过集合点和用户眼睛瞳孔之间的中点的线的方向。

输入/输出接口140可以是允许用户向控制台110发送动作请求的设备。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束应用，或者是在应用内执行特定动作。输入/输出接口140可以包括一个或更多个输入设备。示例输入设备可以包括键盘、鼠标、游戏控制器、手套、按钮、触摸屏或用于接收动作请求并将接收到的动作请求传送到控制台110的任何其他合适的设备。由输入/输出接口140接收的动作请求可以被传送到控制台110，控制台110可以执行对应于所请求动作的动作。在一些实施例中，输入/输出接口140可以根据从控制台110接收的指令向用户提供触觉反馈。例如，当接收到动作请求时，或者当控制台110已经执行了所请求的动作并将指令传送给输入/输出接口140时，输入/输出接口140可以提供触觉反馈。

控制台110可以根据从外部成像设备150、近眼显示器120和输入/输出接口140中的一个或更多个接收的信息，向近眼显示器120提供内容以呈现给用户。在图1所示的示例中，控制台110可以包括应用储存器112、头戴式装置跟踪模块114、人工现实引擎116和眼睛跟踪模块118。控制台110的一些实施例可以包括与结合图1描述的模块不同的或附加的模块。下面进一步描述的功能可以以不同于这里描述的方式在控制台110的部件之间分配。

在一些实施例中，控制台110可以包括处理器和存储可由处理器执行的指令的非暂时性计算机可读存储介质。处理器可以包括并行执行指令的多个处理单元。计算机可读存储介质可以是任何存储器，例如硬盘驱动器、可移动存储器、或固态驱动器(例如，闪存或动态随机存取存储器(DRAM))。在各种实施例中，结合图1描述的控制台110的模块可以被编码为非暂时性计算机可读存储介质中的指令，当由处理器执行时，这些指令使得处理器执行下面进一步描述的功能。

应用储存器112可以存储用于由控制台110执行的一个或更多个应用。应用可以包括一组指令，该组指令当由处理器执行时生成用于呈现给用户的内容。由应用生成的内容可以对经由用户眼睛的移动从用户接收的输入或者从输入/输出接口140接收的输入进行响应。应用的示例可以包括：游戏应用、会议应用、视频回放应用或其他合适的应用。

头戴式装置跟踪模块114可以使用来自外部成像设备150的慢速校准信息来跟踪近眼显示器120的移动。例如，头戴式装置跟踪模块114可以使用来自慢速校准信息的观察到的定位器和近眼显示器120的模型来确定近眼显示器120的参考点的位置。头戴式装置跟踪模块114还可以使用来自快速校准信息的位置信息来确定近眼显示器120的参考点的位置。附加地，在一些实施例中，头戴式装置跟踪模块114可以使用快速校准信息、慢速校准信息中的一部分或其某种组合来预测近眼显示器120的未来位置。头戴式装置跟踪模块114可以向人工现实引擎116提供近眼显示器120的估计或预测的未来位置。

头戴式装置跟踪模块114可以使用一个或更多个校准参数来校准人工现实系统环境100，并且可以调整一个或更多个校准参数以降低确定近眼显示器120的位置时的误差。例如，头戴式装置跟踪模块114可以调整外部成像设备150的焦点，以获得在近眼显示器120上观察到的定位器的更准确的位置。此外，头戴式装置跟踪模块114执行的校准也可以考虑从IMU132接收的信息。附加地，如果对近眼显示器120的跟踪丢失(例如，外部成像设备150失去至少阈值数量定位器126的视线)，则头戴式装置跟踪模块114可以重新校准一些或所有校准参数。

人工现实引擎116可以在人工现实系统环境100内执行应用，并且从头戴式装置跟踪模块114接收近眼显示器120的位置信息、近眼显示器120的加速度信息、近眼显示器120的速度信息、近眼显示器120的预测未来位置或者它们的某种组合。人工现实引擎116还可以从眼睛跟踪模块118接收估计的眼睛位置和定向信息。基于接收到的信息，人工现实引擎116可以确定要提供给近眼显示器120用于显现给用户的内容。例如，如果接收到的信息指示用户已经向左看，则人工现实引擎116可以为近眼显示器120生成反映(mirror)用户眼睛在虚拟环境中的移动的内容。附加地，人工现实引擎116可以响应于从输入/输出接口140接收的动作请求来执行在控制台110上执行的应用内的动作，并且向用户提供指示动作已经被执行的反馈。反馈可以是经由近眼显示器120的视觉或听觉反馈，或者经由输入/输出接口140的触觉反馈。

眼睛跟踪模块118可以从眼睛跟踪单元130接收眼睛跟踪数据，并基于眼睛跟踪数据确定用户眼睛的位置。眼睛的位置可以包括相对于近眼显示器120或其任何元件的眼睛的定向、位置或两者。因为眼睛的旋转轴根据眼睛在眼眶中的位置而改变，所以确定眼睛在眼眶中的位置可以允许眼睛跟踪模块118更精确地确定眼睛的定向。

在一些实施例中，眼睛跟踪模块118可以存储由眼睛跟踪单元130捕获的图像与眼睛位置之间的映射，以从由眼睛跟踪单元130捕获的图像确定参考眼睛位置。替代地或附加地，眼睛跟踪模块118可以通过比较从中确定参考眼睛位置的图像和从中确定更新的眼睛位置的图像来确定相对于参考眼睛位置的更新的眼睛位置。眼睛跟踪模块118可以使用来自不同成像设备或其他传感器的测量结果来确定眼睛位置。例如，眼睛跟踪模块118可以使用来自慢速眼睛跟踪系统的测量结果来确定参考眼睛位置，然后从快速眼睛跟踪系统确定相对于参考眼睛位置的更新的位置，直到基于来自慢速眼睛跟踪系统的测量结果来确定下一个参考眼睛位置为止。

眼睛跟踪模块118还可以确定眼睛校准参数，以提高眼睛跟踪的精度和准确度。眼睛校准参数可以包括每当用户佩戴或调整近眼显示器120时都会改变的参数。示例眼睛校准参数可以包括眼睛跟踪单元130的部件和眼睛的一个或更多个部分(例如眼睛的中心、瞳孔、角膜边界或眼睛表面上的点)之间的估计距离。其他示例眼睛校准参数可以特定于特定用户，并且可以包括估计的平均眼睛半径、平均角膜半径、平均巩膜半径、眼睛表面上的特征图以及估计的眼睛表面轮廓。在来自近眼显示器120外部的光可以到达眼睛的实施例中(如在一些增强现实应用中)，校准参数可以包括由于来自近眼显示器120外部的光的变化而导致的强度和色彩平衡的校正因子。眼睛跟踪模块118可以使用眼睛校准参数来确定由眼睛跟踪单元130捕获的测量结果是否允许眼睛跟踪模块118确定准确的眼睛位置(在本文也称为“有效测量结果”)。眼睛跟踪模块118可能无法从中确定准确的眼睛位置的无效测量结果可能是由用户眨眼、调整头戴式装置或移除头戴式装置引起的，和/或可能是由近眼显示器120由于外部光而经历大于阈值的照明变化引起的。在一些实施例中，眼睛跟踪模块118的至少一些功能可以由眼睛跟踪单元130来执行。

图2是用于实现本文公开的一些示例的头戴式显示器(HMD)设备200形式的示例近眼显示器的透视图。HMD设备200可以是例如虚拟现实(VR)系统、增强现实(AR)系统、混合现实(MR)系统或其一些组合的一部分。HMD设备200可以包括主体220和头带230。图2以透视图示出了主体220的顶侧223、前侧225和右侧227。头带230可以具有可调节或可延伸的长度。在HMD设备200的主体220和头带230之间可以有足够的空间，以允许用户将HMD设备200安装到用户的头上。在各种实施例中，HMD设备200可以包括附加的、更少的或不同的部件。例如，在一些实施例中，HMD设备200可以包括眼镜腿(eyeglass temple)和镜腿末端(templestips)(例如，如图2所示)而不是头带230。

HMD设备200可以向用户呈现包括具有计算机生成元素的物理、真实世界环境的虚拟和/或增强视图的媒体。由HMD设备200呈现的媒体的示例可以包括图像(例如，二维(2D)或三维(3D)图像)、视频(例如，2D或3D视频)、音频或其一些组合。图像和视频可以通过封装在HMD设备200的主体220中的一个或更多个显示组件(图2中未示出)呈现给用户的每只眼睛。在各种实施例中，一个或更多个显示组件可以包括单个电子显示面板或多个电子显示面板(例如，用户的每只眼睛一个显示面板)。电子显示面板的示例可以包括，例如，液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)显示器、无机发光二极管(ILED)显示器、微型发光二极管(mLED)显示器、有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示器、透明有机发光二极管(TOLED)显示器、某种其他显示器或它们的一些组合。HMD设备200可以包括两个视窗区域。

在一些实施方式中，HMD设备200可以包括各种传感器(未示出)，例如深度传感器、运动传感器、位置传感器和眼睛跟踪传感器。这些传感器中的一些可以使用结构光图案进行感测。在一些实施方式中，HMD设备200可以包括用于与控制台通信的输入/输出接口。在一些实施方式中，HMD设备200可以包括虚拟现实引擎(未示出)，该虚拟现实引擎可以在HMD设备200内执行应用，并且从各种传感器接收HMD设备200的深度信息、位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置或其某种组合。在一些实施方式中，由虚拟现实引擎接收的信息可以用于向一个或更多个显示组件产生信号(例如，显示指令)。在一些实施方式中，HMD设备200可以包括定位器(未示出，例如定位器126)，定位器相对于彼此和相对于参考点位于主体220上的固定位置。每个定位器可以发射可由外部成像设备检测的光。

图3是用于实现本文公开的一些示例的一副眼镜形式的简化示例近眼显示器300的透视图。近眼显示器300可以是图1的近眼显示器120的具体实施方式，并且可以被配置用作虚拟现实显示器、增强现实显示器和/或混合现实显示器。近眼显示器300可以包括框架305和显示器310。显示器310可以被配置成向用户呈现内容。在一些实施例中，显示器310可以包括显示电子器件和/或显示光学器件。例如，如上参考图1的近眼显示器120所述，显示器310可以包括LCD显示面板、LED显示面板或光学显示面板(例如，波导显示组件)。

近眼显示器300还可以包括框架305上或框架305内的各种传感器350a、350b、350c、350d和350e。在一些实施例中，传感器350a-350e可以包括一个或更多个深度传感器、运动传感器、位置传感器、惯性传感器或环境光传感器。在一些实施例中，传感器350a-350e可以包括一个或更多个图像传感器，其被配置为生成表示不同方向上的不同视场的图像数据。在一些实施例中，传感器350a-350e可以用作输入设备来控制或影响近眼显示器300的显示内容，和/或向近眼显示器300的用户提供交互式VR/AR/MR体验。在一些实施例中，传感器350a-350e也可以用于立体成像。

在一些实施例中，近眼显示器300可以进一步包括一个或更多个照明器330，以将光投射到物理环境中。投射的光可以与不同的频带(例如可见光、红外光、紫外光等)相关联，并且可以服务于各种目的。例如，照明器330可以在黑暗环境中(或者在具有低强度红外光、紫外光等的环境中)投射光，来帮助传感器350a-350e捕获黑暗环境中不同对象的图像。在一些实施例中，照明器330可以用于将特定的光图案投射到环境中的对象上。在一些实施例中，照明器330可以用作定位器，例如上面参考图1描述的定位器126。

在一些实施例中，近眼显示器300还可以包括高分辨率照相机340。照相机340可以捕获视场中的物理环境的图像。所捕获的图像可以例如由虚拟现实引擎(例如，图1的人工现实引擎116)处理，以将虚拟对象添加到所捕获的图像或者修改所捕获的图像中的物理对象，并且所处理的图像可以由用于AR或MR应用的显示器310显示给用户。

图4示出了根据某些实施例的使用波导显示器的示例光学透视增强现实系统400。增强现实系统400可以包括投影仪410和组合器415。投影仪410可以包括光源或图像源412和投影仪光学器件414。在一些实施例中，图像源412可以包括显示虚拟对象的多个像素，例如LCD显示面板或LED显示面板。在一些实施例中，图像源412可以包括生成相干光或部分相干光的光源。例如，图像源412可以包括激光二极管、垂直腔面发射激光器和/或发光二极管。在一些实施例中，图像源412可以包括多个光源，每个光源发射对应于原色(例如，红色、绿色或蓝色)的单色图像光。在一些实施例中，图像源412可以包括光学图案生成器，例如空间光调制器。投影仪光学器件414可以包括一个或更多个光学部件，光学部件可以调节来自图像源412的光，例如对光进行扩展、准直、扫描或者将光从图像源412投影到组合器415。一个或更多个光学部件可以包括，例如，一个或更多个透镜、液体透镜、反射镜、光圈和/或光栅。在一些实施例中，投影仪光学器件414可以包括具有多个电极的液体透镜(例如，液晶透镜)，允许扫描来自图像源412的光。

组合器415可以包括输入耦合器430，用于将来自投影仪410的光耦合到组合器415的衬底420中。输入耦合器430可以包括体全息光栅、衍射光学元件(DOE)(例如，表面浮雕光栅)、或折射耦合器(例如，光楔(wedge)或棱镜)。对于可见光，输入耦合器430可以具有大于30％、50％、75％、90％或更高的耦合效率。如本文所使用的，可见光可以指波长在大约380nm至大约750nm之间的光。耦合到衬底420中的光可以通过例如全内反射(TIR)在衬底420内传播。衬底420可以是一副眼镜的镜片的形式。衬底420可以具有平坦或弯曲的表面，并且可以包括一种或更多种类型的介电材料，例如玻璃、石英、塑料、聚合物、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、晶体或陶瓷。衬底的厚度可以在例如，小于大约1mm至大约10mm或更大的范围内。衬底420对可见光可以是透明的。如果光束能够以高透射率(transmission rate)(例如大于50％、40％、75％、80％、90％、95％或更高)穿过材料，其中一小部分光束(例如少于50％、40％、25％、20％、10％、5％或更少)可以被材料散射、反射或吸收，则该材料对光束可以是“透明的”。透射率(即，透射度(transmissivity))可以由波长范围内的适光加权或未加权的平均透射率来表示，或者由波长范围(例如可见波长范围)内的最低透射率来表示。

衬底420可以包括或者可以耦合到多个输出耦合器440，输出耦合器440被配置成从衬底420提取由衬底420引导并在衬底420内传播的光的至少一部分，并将提取的光460导向增强现实系统400的用户的眼睛490。像输入耦合器430一样，输出耦合器440可以包括光栅耦合器(例如，体全息光栅或表面浮雕光栅)、其他DOE、棱镜等。输出耦合器440在不同位置处可以具有不同的耦合(例如，衍射)效率。衬底420还可以允许来自组合器415前面的环境的光450以很少损失或没有损失的方式通过。输出耦合器440也可以允许光450以很少的损失通过。例如，在一些实施方式中，输出耦合器440对于光450可以具有低衍射效率，使得光450可以被折射或者以其他方式以很少的损失通过输出耦合器440，并且因此可以比提取的光460具有更高的强度。在一些实施方式中，输出耦合器440对于光450可以具有高衍射效率，并且可以以很少的损失将光450衍射到某些期望的方向(即，衍射角)。结果，用户可以观看组合器415前面的环境和由投影仪410投影的虚拟对象的组合图像。

图5是根据某些实施例的示例近眼显示器500的横截面视图。近眼显示器500包括至少一个显示组件510。显示组件510可以被配置成将图像光(即，显示光)导向位于出射光瞳530处的视窗，并导向用户的眼睛520。应当注意，尽管图5和本公开中的其他附图为了说明的目的示出了近眼显示器的用户的眼睛，但是用户的眼睛不是对应近眼显示器的一部分。

像HMD设备200和近眼显示器300一样，近眼显示器500也可以包括框架505和显示组件510，显示组件510包括显示器512和/或耦合到或嵌入框架505的显示光学器件514。如上所述，显示器512可以根据从控制台(例如，控制台110)接收的数据，以电方式(例如，使用LCD)或光方式(例如，使用波导显示器和光学耦合器)向用户显示图像。显示器512可以包括发射例如红色、绿色、蓝色、白色或黄色的主要颜色的光的子像素。在一些实施例中，显示组件510可以包括一个或更多个波导显示器的堆叠，包括但不限于堆叠式波导显示器、变焦波导显示器等。堆叠式波导显示器是通过堆叠相应单色源具有不同颜色的波导显示器而创建的多色显示器(例如，红绿蓝(RGB)显示器)。堆叠式波导显示器也可以是可以被投影在多个平面上的多色显示器(例如，多平面彩色显示器)。在一些配置中，堆叠式波导显示器可以是可以被投影在多个平面上的单色显示器(例如，多平面单色显示器)。变焦波导显示器是可以调节从波导显示器发射的图像光的焦点位置的显示器。在替代实施例中，显示组件510可以包括堆叠式波导显示器和变焦波导显示器。

显示光学器件514可以类似于显示光学器件124，并且可以以光方式(例如，使用光波导和光学耦合器)显示图像内容，校正与图像光相关联的光学误差，组合虚拟对象和真实对象的图像，并且将校正后的图像光呈现给用户眼睛520可能所处的近眼显示器500的出射光瞳530。显示光学器件514还可以中继图像以创建虚拟图像，该虚拟图像看起来远离图像源并且离用户的眼睛不止仅几厘米远。例如，显示光学器件514可以准直图像源以创建看起来很远的虚拟图像，并将显示的虚拟对象的空间信息转换成角度信息。显示光学器件514还可以放大图像源，以使图像看起来比图像源的实际尺寸大。下面描述了显示光学器件的更多细节。

用户对人工现实系统的体验可能取决于人工现实系统的几个光学特性，例如视场(FOV)、图像质量(例如，分辨率)、系统视窗的尺寸(以适应眼睛和/或头部运动)、出瞳距离(distance of eye relief)以及所显示图像的亮度。一般来说，FOV和视窗应该尽可能大，并且所显示图像的亮度应该足够高(特别是对于光学透视AR系统)。

在基于波导的近眼显示器中，显示器的输出面积通常比近眼显示系统的视窗的尺寸大得多。因此，可以到达用户眼睛的那部分光可能取决于视窗的尺寸与显示器的输出面积之间的比率，对于特定的出瞳距离和视场，该比率可能小于10％。为了实现所显示图像的期望亮度，来自投影仪或光源的显示光可能需要显著增加，这可能增加功耗并引起一些安全问题。

图6A示出了基于波导的近眼显示器的示例，其中所有视场的显示光从波导显示器610的不同区域均匀输出。近眼显示器可以包括投影仪620和波导显示器610。投影仪620可以类似于投影仪410，并且可以包括类似于光源或图像源412的光源或图像源以及类似于投影仪光学器件414的投影仪光学器件。波导显示器610可以包括波导(例如，衬底)、一个或更多个输入耦合器612以及一个或更多个输出耦合器614。输入耦合器612可以被配置成将来自不同视场(或视角)的显示光耦合到波导中，并且输出耦合器614可以被配置成将显示光从波导耦合出去。输入耦合器和输出耦合器可以包括例如倾斜表面浮雕光栅或体布拉格光栅。在图6所示的示例中，输出耦合器614可以在输出耦合器的整个区域上具有类似的光栅参数，这些类似的光栅参数不同于可以被改变以调整耦合效率来获得更均匀的输出光的参数。因此，显示光可以在波导显示器610的不同区域处以类似于图6A所示的方式从波导耦合出去，其中来自近眼显示器的所有视场的显示光可以在波导显示器610的任何给定区域处部分地从波导耦合出去。

如图6A所示，近眼显示器可能具有尺寸有限并且因此视场630有限的视窗690。这样，并非所有从波导显示器610中的波导耦合出去的光都可以到达视窗690。例如，来自波导显示器610的显示光632、634和636可能不会到达视窗690，因此可能不会被用户的眼睛接收，这可能导致投影仪620的光功率的显著损失。

根据某些实施例，用于基于波导的显示器的光学耦合器(例如，倾斜表面浮雕光栅)可以包括光栅耦合器，该光栅耦合器包括多个区域，其中光栅耦合器的不同区域对于入射显示光可以具有不同的角度选择性特性(例如，相长干涉条件)，使得在基于波导的显示器的任何区域处，最终不会到达用户眼睛的衍射光可以被抑制(即，不会被光栅耦合器衍射从而耦合到波导中或从波导耦合出去，并因此可以继续在波导内传播)，而最终可以到达用户眼睛的光可以被光栅耦合器衍射并耦合到波导中或从波导耦合出去。多个区域中每个区域的宽度可以在例如约10微米至约1毫米的范围内。

图6B示出了根据某些实施例的基于波导的近眼显示器的示例，其中显示光可以在波导的不同区域中以不同角度从波导显示器640耦合出去。波导显示器640可以包括波导(例如，衬底)、一个或更多个输入耦合器642以及一个或更多个输出耦合器644。输入耦合器642可以被配置为将来自不同视场(例如，视角)的显示光耦合到波导中，并且输出耦合器644可以被配置为将显示光从波导耦合出去。输入耦合器和输出耦合器可以包括例如倾斜表面浮雕光栅或其他光栅。输出耦合器可以具有不同的光栅参数，因此在输出耦合器的不同区域处具有不同的角度选择性特性。因此，在输出耦合器的每个区域处，只有将以特定角度范围朝向近眼显示器的视窗690传播的显示光可以从波导耦合出去，而其他显示光可能不满足该区域处的角度选择性条件，因此可能不会从衬底耦合出去。在一些实施例中，输入耦合器也可以具有不同的光栅参数，从而在输入耦合器的不同区域处具有不同的角度选择性特性，因此，在输入耦合器的每个区域处，只有来自相应视场的显示光可以耦合到波导中。结果，耦合到波导中并在波导中传播的大部分显示光可以被有效地发送到视窗690，从而提高了基于波导的近眼显示系统的功率效率。

图7A示出了根据某些实施例的基于波导的近眼显示器的示例，其中显示光从波导显示器的第一区域以第一角度范围从波导显示器710耦合出去。图7A所示的基于波导的近眼显示器可以类似于图6B所示的基于波导的近眼显示器。近眼显示器可以包括投影仪720和波导显示器710。投影仪720可以类似于投影仪410或620，并且可以包括类似于光源或图像源412的光源或图像源以及类似于上述投影仪光学器件414的投影仪光学器件。波导显示器710可以包括输入耦合器712，该输入耦合器712被配置成将来自投影仪720的显示光耦合到波导显示器710中。耦合到波导显示器710中的显示光可以由于全内反射而在波导(例如，如上面参考图4描述的衬底)内传播。当显示光到达第一输出耦合器(或输出耦合器的第一区域)714时，满足第一输出耦合器714的相长干涉条件的一部分显示光可以从波导耦合出去。例如，第一输出耦合器714可以包括在每个光栅周期内具有大折射率调制的倾斜表面浮雕光栅，并且倾斜角、占空比、折射率调制和/或光栅周期可以被配置成在特定衍射方向上(例如，在角度范围730所示的角度范围内)选择性地衍射特定入射角度范围内的入射光。由于大的折射率调制(例如，>0.2)，在第一输出耦合器714处可以实现大的角度带宽(例如，>10°)，从而为基于波导的近眼显示系统提供足够大的视窗790。

图7B示出了根据某些实施例的如图7A所示的基于波导的近眼显示器的示例，其中显示光从波导显示器的第二区域以第二角度范围从波导显示器710耦合出去。如示例中所示，当在波导显示器710的衬底内传播的显示光到达第二输出耦合器(或输出耦合器的第二区域)716时，满足第二输出耦合器716的相长干涉条件的一部分显示光可以从波导耦合出去。例如，第二输出耦合器716可以包括在每个光栅周期内具有大折射率调制的倾斜表面浮雕光栅，并且倾斜角、占空比、折射率调制和/或光栅周期可以不同于第一输出耦合器714的倾斜角、占空比、折射率调制和/或光栅周期，并且可以被配置成在特定衍射方向上(例如，在角度范围740所示的角度范围内)选择性地衍射特定入射角度范围内的入射光。由于大的折射率调制(例如，>0.2)，在第二输出耦合器716处可以实现大的角度带宽(例如，>10°)，以充分覆盖基于波导的近眼显示系统的视窗790。

图7C示出了根据某些实施例的如图7A所示的基于波导的近眼显示器的示例，其中显示光从波导显示器的第三区域以第三角度范围从波导显示器710耦合出去。当在波导显示器710的衬底内传播的显示光到达第三输出耦合器(或输出耦合器的第三区域)718时，满足第三输出耦合器718的相长干涉条件的一部分显示光可以从波导耦合出去。例如，输出耦合器718可以包括在每个光栅周期内具有大折射率调制的倾斜表面浮雕光栅，并且倾斜角、占空比、折射率调制和/或光栅周期可以不同于第一输出耦合器714和第二输出耦合器716的倾斜角、占空比、折射率调制和/或光栅周期，并且可以被配置成在特定衍射方向上(例如，在角度范围750所示的角度范围内)选择性地衍射特定入射角度范围内的入射光。由于大的折射率调制(例如，>0.2)，在输出耦合器718处可以实现大的角度带宽(例如，>10°)，以充分覆盖基于波导的近眼显示系统的视窗790。

可以有许多不同的方法来制造在光栅耦合器的整个区域上具有不同配置(例如，占空比或折射率调制)的光栅耦合器。例如，具有变化占空比的倾斜表面浮雕光栅耦合器可以使用各种光刻和蚀刻技术来制造，例如离子束蚀刻(IBE)、反应性离子束蚀刻(RIBE)或化学辅助离子束蚀刻(CAIBE)工艺，或者可以使用图案转移技术来制造，例如使用通过各种蚀刻、沉积或3D印刷工艺制成的纳米压印模具的纳米压印光刻。不同的折射率调制可以通过例如改变光栅耦合器在其上被制造的衬底的折射率、改变用于纳米压印的压印材料的折射率、改变用于倾斜表面浮雕光栅的外涂层材料、或者改变光栅耦合器不同区域处外涂层中的掺杂来实现。

图8示出了根据某些实施例的基于波导的近眼显示器800的前(或顶)表面上的倾斜光栅耦合器820的示例的光衍射。基于波导的近眼显示器800可以包括波导810(例如，衬底)和倾斜光栅耦合器820。波导810可以是平坦或弯曲的透明衬底，其中折射率大于自由空间折射率(即，1.0)，如例如上面参考图4所述。倾斜光栅耦合器820可以是例如倾斜表面浮雕光栅，其中光栅脊822之间的间隙824(或槽)可以用折射率高于或低于光栅脊822的折射率的外涂层材料填充。例如，在一些实施例中，诸如氧化铪(Hafnia)、氧化钽(Tantalumoxide)、氧化钨(Tungsten oxide)、氧化锆(Zirconium oxide)、硫化镓(Galliumsulfide)、氮化镓(Gallium nitride)、磷化镓(Gallium phosphide)、硅(silicon)和高折射率聚合物的高折射率材料可以用于填充间隙824。在一些实施例中，诸如氧化硅(siliconoxide)、氧化铝(alumina)、多孔二氧化硅(porous silica)或氟化低折射率单体(fluorinated low index monomer)(或聚合物)的低折射率材料可以用于填充间隙824。结果，脊的折射率和槽的折射率之间的差可以大于0.1、0.2、0.3、0.5、1.0或更高。

显示光830可以通过例如输入耦合器642或712或上面描述的其他耦合器(例如，棱镜或倾斜表面)耦合到波导810中。显示光830可以通过例如全内反射在波导810内传播。当显示光830到达倾斜光栅耦合器820时，显示光可以被倾斜光栅耦合器820衍射成例如，0阶衍射(即，反射)光840和-1阶衍射光850。0阶衍射可以继续在波导810内传播，并且可以在不同的位置处被波导810的底表面朝向倾斜光栅耦合器820反射。-1阶衍射光850可以朝向用户的眼睛从波导810耦合(例如，折射)出去，因为由于衍射角，在波导810的底表面处可能不满足全内反射条件。

由于相对大的折射率调制，以具有角度范围的角度入射到倾斜光栅耦合器820上的显示光可以满足或基本上满足-1阶或更高阶衍射的相长干涉条件，因此可以以高衍射效率从波导810衍射出去。因此，-1阶或更高阶衍射可以包括在具有角度范围的方向上传播的光，该角度范围可以对应于近眼显示系统的总视场的一部分。

图9示出了根据某些实施例的基于波导的近眼显示器900中的倾斜光栅耦合器920的示例的角度选择性。如以上在图8中描述的基于波导的近眼显示器800，基于波导的近眼显示器900可以包括波导910(例如，衬底)和形成在衬底上的倾斜光栅耦合器920。波导910可以是平坦或弯曲的透明衬底，其中折射率大于自由空间折射率。倾斜光栅耦合器920可以是例如倾斜表面浮雕光栅，其中光栅脊922之间的间隙924(或槽)可以填充有外涂层材料，如以上参考图8所述。倾斜表面浮雕光栅可以具有相对于波导910的衬底的表面法线的倾斜角α。

通过全内反射在波导910内传播的显示光930可以以入射角β入射到倾斜光栅耦合器920上。入射显示光930的一部分可以被光栅耦合器920衍射，如光线940和942所示。光线940和942之间的光程长度差可以是显示光波长的整数倍，使得光线940和942可以相长地相互干涉以满足衍射条件。光线940和942可以被相邻的光栅脊偏转。在图9所示的示例中，光线940和942之间的光程长度差可以由下式近似确定：

AB×n₂+(BC+CD)×n₃-AE×n₁＝m×λ，

其中m是整数，λ是显示光的波长，AB、BC、CD和AE是图9中对应点之间的物理长度，n1是衬底的折射率，n2是光栅脊922的折射率，以及n3是外涂层材料的折射率。AB、BC、CD和AE的长度可以取决于入射角β、衍射角θ、光栅的倾斜角α、光栅的占空比、光栅周期以及光栅和外涂层材料的折射率。因此，为了选择性地将以角度β入射的光以衍射角θ从衬底衍射出去，可以相应地选择光栅耦合器的参数以满足上述条件。

图10示出了根据某些实施例的基于波导的近眼显示器1000中的倾斜光栅耦合器1020的示例的不同区域的角度选择性特性，其中倾斜光栅耦合器1020在不同区域具有不同的占空比(因此具有不同的角度选择性特性)。基于波导的近眼显示器1000可以包括波导1010(例如，衬底)和形成在衬底上的倾斜光栅耦合器1020。倾斜光栅耦合器1020可以包括倾斜表面浮雕光栅，其中光栅脊1022之间的间隙1024(或槽)可以填充有外涂层材料，该外涂层材料的折射率高于或低于上面参考图8所述的光栅脊的折射率。倾斜光栅耦合器1020可以在倾斜光栅耦合器1020的整个区域上具有基本上均匀的光栅周期和基本上均匀的倾斜角。然而，占空比可以逐渐变化，如图10所示。例如，倾斜表面浮雕光栅的占空比在一端可以相对较大(例如，大约0.95)，而在另一端可以相对较小(例如，大约0.05)。在一些实施例中，倾斜表面浮雕光栅的深度或厚度可以大于例如约10nm、约20nm、约50nm、约100nm或更高。在一些实施例中，倾斜表面浮雕光栅的深度或厚度可以大于倾斜光栅耦合器1020的光栅周期的一半。

在图10所示的示例中，间隙1024中的外涂层材料的折射率可以低于光栅脊1022的折射率，并且倾斜表面浮雕光栅的占空比可以在x方向上从左向右逐渐减小。在倾斜表面浮雕光栅的左端附近，显示光1030在倾斜光栅耦合器1020上的入射角可以相对较大，因此倾斜表面浮雕光栅可以具有折射率较高的较大部分(即，较大的占空比)，以便满足可以朝向近眼显示系统的视窗1090传播的衍射光1040和1042之间的相长干涉条件，如以上参考图9所述。在倾斜表面浮雕光栅的中间，与显示光1030相比，显示光1050在倾斜光栅耦合器1020上的入射角可以相对较小，因此倾斜表面浮雕光栅可以具有折射率较高的较小部分(即，较小的占空比)，以便满足可以朝向近眼显示系统的视窗1090传播的衍射光1060和1062之间的相长干涉条件。在倾斜表面浮雕光栅的右端附近，显示光1070在倾斜光栅耦合器1020上的入射角甚至可以更小，因此倾斜表面浮雕光栅可以具有折射率较高的小得多的部分(即，最小占空比)，以便满足可以朝向近眼显示系统的视窗1090传播的衍射光1080和1082之间的相长干涉条件。

在一些实施例中，间隙1024中的外涂层材料的折射率可以大于光栅脊1022的折射率，因此倾斜表面浮雕光栅的占空比可以从左向右逐渐增加。

图11示出了根据某些实施例的基于波导的近眼显示器1100中的倾斜光栅耦合器1120的示例的不同区域处的角度选择性特性，其中倾斜光栅耦合器在不同区域具有不同的折射率调制。基于波导的近眼显示器1100可以包括波导1110(例如，衬底)和形成在衬底上的倾斜光栅耦合器1120。倾斜光栅耦合器1120可以包括倾斜表面浮雕光栅，其中光栅脊1122之间的间隙1124(或槽)可以填充有外涂层材料，该外涂层材料的折射率可以高于或低于上面参考图8所述的光栅脊的折射率。倾斜光栅耦合器1120可以在倾斜光栅耦合器1120的整个区域上具有基本上均匀的光栅周期、基本上均匀的占空比和基本上均匀的倾斜角。然而，外涂层材料的折射率可以逐渐变化，如图11所示。例如，填充光栅脊1122之间的间隙1124的外涂层材料可以逐渐改变，或者可以在倾斜光栅耦合器1120的不同区域处被不同地掺杂。

在图11所示的示例中，间隙1124中外涂层材料的折射率可以在x方向上从左向右逐渐减小。在倾斜表面浮雕光栅的左端附近，显示光1130在倾斜光栅耦合器1120上的入射角可以相对较大，因此外涂层材料的折射率可以相对较大，以便满足可以朝向近眼显示系统的视窗1190传播的衍射光1140和1142之间的相长干涉条件，如以上参考图9所述。在倾斜表面浮雕光栅的中间，与显示光1130相比，显示光1150在倾斜光栅耦合器1120上的入射角可以相对较小，因此外涂层材料的折射率可以较小，以便满足可以朝向近眼显示系统的视窗1190传播的衍射光1160和1162之间的相长干涉条件。在倾斜表面浮雕光栅的右端附近，显示光1170在倾斜光栅耦合器1120上的入射角甚至可以更小，因此外涂层材料的折射率甚至可以更小，以便满足可以朝向近眼显示系统的视窗1190传播衍射光1180和1182之间的相长干涉条件。

因此，通过改变倾斜表面浮雕光栅的占空比(例如，从大约0.05到大约0.95)和/或外涂层材料(或光栅脊)的折射率，可以调整倾斜光栅耦合器的角度选择性，以仅选择性地衍射可以在朝向近眼显示系统的视窗的方向上传播的显示光。结果，来自波导显示器的视窗外部的杂散光(stray light)可能更少，因此基于波导的近眼显示器的功率效率可以提高。

在一些实施例中，倾斜光栅耦合器可以形成在基于波导的近眼显示器的后(或底)表面上，而不是前(或顶)表面上。倾斜表面浮雕光栅的占空比和/或外涂层材料(或光栅脊)的折射率可以在倾斜光栅耦合器的整个区域上类似地变化，以实现衍射光的所需角度选择性。

图12示出了根据某些实施例的基于波导的近眼显示器1200的后(或底)表面上的倾斜光栅耦合器1220的示例的光衍射。倾斜光栅耦合器1220可以类似于上述倾斜光栅耦合器1020或1120，并且可以形成在波导1210(例如，平坦或弯曲的衬底)的底表面上。在波导1210内传播的显示光1230可以在倾斜光栅耦合器1220的底表面1222被反射。在倾斜光栅耦合器1220的底表面1222反射的显示光1240可以再次到达倾斜光栅耦合器1220，并且可以被倾斜光栅耦合器1220反射性地衍射。为了被有效地衍射，显示光1250和1252可以满足类似于上面参考图9所述的相长干涉条件的相长干涉条件。如上所述，通过选择适当的光栅参数，例如倾斜表面浮雕光栅的占空比和/或光栅脊或外涂层材料的折射率，可以满足相长干涉条件。在倾斜光栅耦合器的不同位置处，显示光的入射角和衍射角可以不同，因此光栅参数可以不同，以便满足针对入射角和期望衍射角的相长干涉条件。

如上所述，在一些实施例中，基于波导的显示器的输入耦合器也可以具有不同的角度选择性特性，以便更有效地将来自视场的不同部分的显示光耦合到波导中，同时减少显示光在输入区域中从波导不期望地耦合出去。

图13示出了根据某些实施例的基于波导的近眼显示器1300的示例，其中来自不同视场(或视角)的显示光可以在输入耦合器1320的不同区域中以不同角度耦合到波导1310中。基于波导的近眼显示器1300可以包括类似于投影仪410、620或720的投影仪1330，并且可以校准或聚焦来自图像源的显示光，如参考图4所述。来自投影仪1330的显示光可以包括来自不同视场(例如，不同角度)的光。如果输入耦合器1320在x方向上具有均匀的配置，则由输入耦合器1320耦合到波导1310中的一些显示光可以由输入耦合器的不同区域从波导1310耦合出去。例如，如图13所示，来自投影仪1330的光束1340可以由输入耦合器1320的第一区域耦合到波导1310中，并且变成被引导的显示光1350。被引导的显示光1350可以通过全内反射在波导1310内传播，并且可以到达输入耦合器的第二区域，如光束1360所示。如果输入耦合器1320的第一区域和第二区域具有相同的光栅参数，光束1360的很大一部分可以作为衍射光1380从波导1310耦合出去，这会导致例如功率损耗和光瞳削波(pupilclipping)。

根据某些实施例，输入耦合器1320的第二区域和第一区域可以具有不同的光栅参数(例如，占空比和/或折射率调制)，从而具有不同的角度选择性特性。这样，光束1340可以在第一区域处有效地耦合到波导1310中作为被引导的显示光1350，而入射到第二区域上的光束1360可能在第二区域处不满足输入耦合器1320的相长干涉条件，因此不会被衍射作为衍射光1380。因此，光束1360可以大部分被反射为光束1370，以继续在波导1310内传播。这样，来自不同视场(例如，不同角度)的光可以更有效地耦合到波导中，并在波导内传播，直到它在输出耦合器或输出耦合器的一部分处满足光栅条件。

图14是示出根据某些实施例的使用基于波导的近眼显示器显示图像的示例方法的简化流程图1400。流程图1400中描述的操作仅仅是为了说明的目的，而不意图是限制性的。在各种实施方式中，可以对流程图1400进行修改以增加附加操作或省略一些操作。流程图1400中描述的操作可以使用例如波导显示器640、波导显示器710、基于波导的近眼显示器1000、基于波导的近眼显示器1100或基于波导的近眼显示器1300来执行。

可选地，在框1410，基于波导的近眼显示器的输入耦合器的第一区域可以仅将来自基于波导的近眼显示器的视场的第一角度范围的显示光耦合到基于波导的近眼显示器的衬底中。输入耦合器可以形成在基于波导的近眼显示器的衬底的任何一侧上。输入耦合器可以包括第一倾斜表面浮雕光栅，如上面参考图13所述。第一倾斜表面浮雕光栅可以具有大于30°、45°、50°或更大角度的倾斜角。第一倾斜表面浮雕光栅可以包括覆盖倾斜表面浮雕光栅并填充光栅脊之间的间隙的外涂层。如上面参考例如图8所述，外涂层可以包括折射率不同于(例如，大于或小于超过0.2)光栅脊的折射率的一种或更多种材料。第一角度范围可以是10°或更高，例如从60°视角到70°或更大的视角。

可选地，在框1420，输入耦合器的第二区域可以仅将来自基于波导的近眼显示器的视场的第二角度范围的显示光耦合到衬底中。基于波导的近眼显示器的第二角度范围可以是10°或更高，例如从40°视角到50°或更大的视角。输入耦合器的第一区域和第二区域可以具有不同的光栅参数，例如占空比、折射率调制(光栅脊和外涂层之间的折射率不同)等。

在框1430，基于波导的近眼显示器的波导(例如，衬底)可以引导来自基于波导的近眼显示器的视场的第一角度范围和第二角度范围的显示光通过全内反射在衬底内传播。来自基于波导的近眼显示器的视场的第一角度范围的显示光和来自该基于波导的近眼显示器的视场的第二角度范围的显示光可以以不同的角度在衬底内传播。

在框1440，波导(例如，衬底)表面处的输出耦合器的第一区域可以将显示光的仅第一部分从衬底衍射出去，其中显示光的该第一部分可以以第一角度范围(例如，10°或更大的范围)内的角度朝向基于波导的近眼显示器的视窗传播。输出耦合器可以形成在基于波导的近眼显示器的衬底的任何一侧上。输出耦合器可以包括第二倾斜表面浮雕光栅，如上面参考例如图6B、图7A-图7C、图10和图11所述。第二倾斜表面浮雕光栅可以具有大于30°、45°、50°或更大角度的倾斜角。第二倾斜表面浮雕光栅可以包括覆盖倾斜表面浮雕光栅并填充光栅脊之间的间隙的外涂层。如上面参考例如图8所述，外涂层可以包括折射率不同于(例如，大于或小于超过0.2)光栅脊的折射率的一种或更多种材料。由于相对大的折射率调制，大角度范围(例如，10°或更大的范围)内的入射光可以满足或基本上满足输出耦合器的第一区域处的相长干涉条件，因此可以通过衍射从衬底耦合出去。

在框1450，输出耦合器的第二区域可以仅将显示光的第二部分从衬底衍射出去，其中显示光的该第二部分可以以第二角度范围内的角度朝向基于波导的近眼显示器的视窗传播，并且第二角度范围可以不同于第一角度范围。如上所述，输出耦合器的第一区域和第二区域可以具有不同的光栅参数，例如占空比、折射率调制(光栅脊和外涂层之间的折射率不同)等，因此具有不同的角度选择性特性。

这样，来自不同视场的显示光可以由输入耦合器的不同区域有效地耦合到波导中，并且在波导内传播的显示光可以由输出耦合器的不同区域从波导耦合出去，使得由输出耦合器耦合出去的显示光可以仅朝向基于波导的近眼显示器的视窗传播。因此，可以显著提高近眼显示系统的功率效率。

本发明的实施例可用于实现人工现实系统的部件或者可以结合人工现实系统来实现。人工现实是在呈现给用户之前以某种方式被调整的现实的形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)、混杂现实或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或者与所捕获的(例如，现实世界)内容组合的所生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈、或其某种组合，且其中任何一个都可以在单个通道中或在多个通道中被呈现(例如向观众产生三维效果的立体视频)。此外，在一些实施例中，人工现实还可以与用于例如在人工现实中创建内容和/或以其他方式在人工现实中使用(例如，在人工现实中执行活动)的应用、产品、附件、服务或其某种组合相关联。可以在各种平台(包括连接到主计算机系统的头戴式显示器(HMD)、独立的HMD、移动设备或计算系统、或者能够向一个或更多个观众提供人工现实内容的任何其他硬件平台)上实现提供人工现实内容的人工现实系统。

图15是用于实现本文公开的一些示例的示例近眼显示器(例如，HMD设备)的示例电子系统1500的简化框图。电子系统1500可以用作上述HMD设备或其他近眼显示器的电子系统。在该示例中，电子系统1500可以包括一个或更多个处理器1510和存储器1520。处理器1510可以被配置为执行用于在多个部件处执行操作的指令，并且可以是例如通用处理器或适于在便携式电子设备内实现的微处理器。处理器1510可以与在电子系统1500内的多个部件通信地耦合。为了实现这种通信耦合，处理器1510可以通过总线1540与其他示出的部件进行通信。总线1540可以是适于在电子系统1500内传输数据的任何子系统。总线1540可以包括多条计算机总线和传输数据的附加电路。

存储器1520可以耦合到处理器1510。在一些实施例中，存储器1520可以提供短期和长期存储，并且可以被分成几个单元。存储器1520可以是易失性的(例如静态随机存取存储器(SRAM)和/或动态随机存取存储器(DRAM))和/或非易失性的(例如只读存储器(ROM)、闪存等)。此外，存储器1520可以包括可移动存储设备，例如安全数字(SD)卡。存储器1520可以为电子系统1500提供计算机可读指令、数据结构、程序模块和其他数据的存储。在一些实施例中，存储器1520可以分布在不同的硬件模块中。一组指令和/或代码可以被存储在存储器1520中。指令可以采取可以由电子系统1500可执行的可执行代码的形式，和/或可以采取源代码和/或可安装代码的形式，在电子系统1500上(例如，使用各种通常可用的编译器、安装程序、压缩/解压缩实用程序等中的任何一种)编译和/或安装时，指令可以采用可执行代码的形式。

在一些实施例中，存储器1520可以存储多个应用模块1522至1524，应用模块1522至1524可以包括任意数量的应用。应用的示例可以包括：游戏应用、会议应用、视频回放应用或其他合适的应用。这些应用可以包括深度感测功能或眼睛跟踪功能。应用模块1522-1524可以包括要由处理器1510执行的特定指令。在一些实施例中，应用模块1522-1524中的某些应用或部分可以由其他硬件模块1580执行。在某些实施例中，存储器1520可以另外包括安全存储器，安全存储器可以包括附加的安全控制，以防止对安全信息的复制或其他未授权的访问。

在一些实施例中，存储器1520可以包括加载在其中的操作系统1525。操作系统1525可以可操作来启动由应用模块1522-1524提供的指令的执行和/或管理其他硬件模块1580以及与无线通信子系统1530的接口，无线通信子系统1530可以包括一个或更多个无线收发器。操作系统1525可以适于在电子系统1500的部件上执行其他操作，包括线程管理(threading)、资源管理、数据存储控制和其他类似功能。

无线通信子系统1530可以包括例如红外通信设备、无线通信设备和/或芯片组(例如

设备、IEEE 802.11设备、Wi-Fi设备、WiMax设备、蜂窝通信设施等)和/或类似的通信接口。电子系统1500可以包括用于无线通信的一根或更多根天线1534，作为无线通信子系统1530的一部分或者作为耦合到系统的任何部分的单独部件。根据期望的功能，无线通信子系统1530可以包括单独的收发器，以与基站收发台和其他无线设备以及接入点进行通信，这可以包括与不同的数据网络和/或网络类型(例如无线广域网(WWAN)、无线局域网(WLAN)或无线个人局域网(WPAN))进行通信。WWAN可以是例如WiMax(IEEE 802.16)网络。WLAN可以是例如IEEE 802.11x网络。WPAN可以是例如蓝牙网络、IEEE 802.15x或一些其他类型的网络。本文描述的技术也可以用于WWAN、WLAN和/或WPAN的任何组合。无线通信子系统1530可以允许与网络、其他计算机系统和/或本文描述的任何其他设备交换数据。无线通信子系统1530可以包括用于使用天线1534和无线链路1532发送或接收数据(例如HMD设备的标识符、位置数据、地理地图、热图、照片或视频)的装置。无线通信子系统1530、处理器1510和存储器1520可以一起包括用于执行本文公开的一些功能的装置中的一个或更多个的至少一部分。

电子系统1500的实施例还可以包括一个或更多个传感器1590。传感器1590可以包括，例如，图像传感器、加速度计、压力传感器、温度传感器、接近度传感器、磁力计、陀螺仪、惯性传感器(例如，组合加速度计和陀螺仪的模块)、环境光传感器或可操作来提供感测输出和/或接收感测输入的任何其他类似模块，例如深度传感器或位置传感器。例如，在一些实施方式中，传感器1590可以包括一个或更多个惯性测量单元(IMU)和/或一个或更多个位置传感器。基于从一个或更多个位置传感器接收的测量信号，IMU可以生成指示相对于HMD设备的初始位置的HMD设备的估计位置的校准数据。位置传感器可以响应于HMD设备的运动生成一个或更多个测量信号。位置传感器的示例可以包括但不限于一个或更多个加速度计、一个或更多个陀螺仪、一个或更多个磁力计、检测运动的另一种合适类型的传感器、用于IMU误差校正的一种类型的传感器或它们的某种组合。位置传感器可以位于IMU的外部、IMU的内部或者它们的某种组合。至少一些传感器可以使用结构光图案进行感测。

电子系统1500可以包括显示模块1560。显示模块1560可以是近眼显示器，并且可以以图形方式向用户呈现来自电子系统1500的信息，例如图像、视频和各种指令。这种信息可以从一个或更多个应用模块1522-1524、虚拟现实引擎1526、一个或更多个其他硬件模块1580、它们的组合或用于(例如，通过操作系统1525)为用户解析图形内容的任何其他合适的装置中导出。显示模块1560可以使用液晶显示(LCD)技术、发光二极管(LED)技术(包括例如，OLED、ILED、mLED、AMOLED、TOLED等)、发光聚合物显示(LPD)技术或某种其他显示技术。

电子系统1500可以包括用户输入/输出模块1570。用户输入/输出模块1570可以允许用户向电子系统1500发送动作请求。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束应用，或者是在应用内执行特定动作。用户输入/输出模块1570可以包括一个或更多个输入设备。示例输入设备可以包括触摸屏、触摸板、麦克风、按钮、拨号盘、开关、键盘、鼠标、游戏控制器或用于接收动作请求并将接收到的动作请求传送给电子系统1500的任何其他合适的设备。在一些实施例中，用户输入/输出模块1570可以根据从电子系统1500接收的指令向用户提供触觉反馈。例如，当接收到或已经执行动作请求时，可以提供触觉反馈。

电子系统1500可以包括照相机1550，照相机1550可以用于拍摄用户的照片或视频，例如，用于跟踪用户的眼睛位置。照相机1550还可以用于拍摄环境的照片或视频，例如，用于VR、AR或MR应用。照相机1550可以包括例如具有几百万或几千万像素的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。在一些实施方式中，照相机1550可以包括两个或更多个照相机，它们可以用于捕获3D图像。

在一些实施例中，电子系统1500可以包括多个其他硬件模块1580。每个其他硬件模块1580可以是电子系统1500内的物理模块。虽然其他硬件模块1580中的每一个可以被永久地配置为结构，但是其他硬件模块1580中的一些可以被临时配置为执行特定功能或者被临时激活。其他硬件模块1580的示例可以包括，例如，音频输出和/或输入模块(例如，麦克风或扬声器)、近场通信(NFC)模块、可充电电池、电池管理系统、有线/无线电池充电系统等。在一些实施例中，其他硬件模块1580的一个或更多个功能可以在软件中实现。

在一些实施例中，电子系统1500的存储器1520还可以存储虚拟现实引擎1526。虚拟现实引擎1526可以执行电子系统1500内的应用，并从各种传感器接收HMD设备的位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置或它们的某种组合。在一些实施例中，由虚拟现实引擎1526接收的信息可以用于向显示模块1560产生信号(例如，显示指令)。例如，如果接收到的信息指示用户已经向左看，则虚拟现实引擎1526可以为HMD设备生成反映用户在虚拟环境中的移动的内容。此外，虚拟现实引擎1526可以响应于从用户输入/输出模块1570接收的动作请求，在应用内执行动作，并向用户提供反馈。所提供的反馈可以是视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈。在一些实施方式中，处理器1510可以包括可以执行虚拟现实引擎1526的一个或更多个GPU。

在各种实施方式中，上述硬件和模块可以在单个设备上实现，或者在可以使用有线或无线连接相互通信的多个设备上实现。例如，在一些实施方式中，一些部件或模块(例如GPU、虚拟现实引擎1526和应用(例如，跟踪应用))可以在与头戴式显示器设备分离的控制台上实现。在一些实施方式中，一个控制台可以连接到或支持多于一个的HMD。

在替代配置中，电子系统1500中可以包括不同的和/或附加的部件。类似地，一个或更多个部件的功能可以以不同于上述方式的方式分布在部件中。例如，在一些实施例中，电子系统1500可以被修改为包括其他系统环境，例如AR系统环境和/或MR环境。

上面讨论的方法、系统和设备是示例。各种实施例可以酌情省略、替换或添加各种过程或部件。例如，在替代配置中，所描述的方法可以以不同于所描述的顺序来被执行，和/或可以添加、省略和/或组合各个阶段。此外，参照某些实施例描述的特征可以在各种其他实施例中被组合。实施例的不同方面和元素可以以相似的方式被组合。此外，技术不断发展，且因此许多元素是示例，并不将本公开的范围限制于那些具体示例。

在描述中给出了具体细节，以提供对实施例的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施实施例。例如，为了避免模糊实施例，众所周知的电路、过程、系统、结构和技术在没有不必要的细节的情况下被示出。本描述仅提供示例实施例，并不意图限制本发明的范围、适用性或配置。相反，实施例的前述描述将为本领域技术人员提供用于实现各种实施例的可行的描述(enabling description)。可以对元件的功能和布置进行各种改变而不脱离本公开的精神和范围。

此外，一些实施例被描述为被描绘为流程图或框图的过程。虽然每一个可以将操作描述为顺序过程，但是许多操作可以并行或同时被执行。此外，操作的顺序可以被重新排列。过程可能有图中未包括的附加步骤。此外，可以通过硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或其任意组合来实现方法的实施例。当以软件、固件、中间件或微代码实现时，执行相关联的任务的程序代码或代码段可以存储在诸如存储介质的计算机可读介质中。处理器可以执行相关联的任务。

对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以根据特定的要求进行实质性的变化。例如，也可以使用定制或专用的硬件，和/或特定的元件可以在硬件、软件(包括便携式软件(例如小程序(applet)等))或两者中被实现。此外，可以采用到诸如网络输入/输出设备的其他计算设备的连接。

参考附图，可以包括存储器的部件可以包括非暂时性机器可读介质。术语“机器可读介质”和“计算机可读介质”可以指参与提供使机器以特定方式操作的数据的任何存储介质。在上文提供的实施例中，在向处理单元和/或其他设备提供指令/代码以供执行时可能涉及各种机器可读介质。附加地或替代地，机器可读介质可以用于存储和/或携带这样的指令/代码。在许多实施方式中，计算机可读介质是物理和/或有形存储介质。这种介质可以采取多种形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。计算机可读介质的常见形式包括例如磁和/或光学介质(例如光盘(CD)或数字多功能盘(DVD))、穿孔卡、纸带、具有孔(hole)图案的任何其它物理介质、RAM、可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、闪存-EPROM、任何其它存储器芯片或盒、下文所述的载波、或计算机可以从中读取指令和/或代码的任何其它介质。计算机程序产品可以包括代码和/或机器可执行指令，其可以代表过程、函数、子程序、程序、例程、应用(App)、子例程、模块、软件包、类或指令、数据结构或程序语句的任意组合。

本领域的技术人员将理解，可以使用各种不同的技术和技艺中的任何一种来表示用于传送本文描述的消息的信息和信号。例如，在以上通篇描述中可以被引用的数据、指令、命令、信息、信号、位、符号和芯片可以由电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子或其任意组合来表示。

本文使用的术语“和(and)”和“或(or)”可以包括多种含义，这些含义也预期至少部分取决于使用这些术语的上下文。典型地，如果“或”被用来关联列表(例如A、B或C)，其意在表示A、B和C(这里以包含的意义使用)，以及A、B或C(这里以排他的意义使用)。此外，本文使用的术语“一个或更多个(one or more)”可以用来以单数形式描述任何特征、结构或特性，或者可以用来描述特征、结构或特性的某种组合。然而，应当注意，这仅仅是说明性的示例，并且要求保护的主题不限于该示例。此外，如果术语“……中的至少一个(at least oneof)”被用来关联列表(例如A、B或C)，该术语可以被解释为意指A、B和/或C的任意组合，例如A、AB、AC、BC、AA、ABC、AAB、AABBCCC等。

此外，虽然已经使用硬件和软件的特定组合描述了某些实施例，但是应该认识到，硬件和软件的其他组合也是可能的。某些实施例可以仅以硬件的方式实现，或者仅以软件的方式实现，或者使用它们的组合来实现。在一个示例中，软件可以用包含计算机程序代码或指令的计算机程序产品来实现，所述计算机程序代码或指令可由一个或更多个处理器执行，用于执行本公开中描述的任何或所有步骤、操作或过程，其中计算机程序可以存储在非暂时性计算机可读介质上。本文描述的各种过程可以在相同的处理器上实现，或者在任何组合中的不同的处理器上实现。

在设备、系统、部件或模块被描述为被配置为执行某些操作或功能的情况下，可以通过下列项来完成这种配置：例如，通过设计电子电路来执行操作、通过对可编程电子电路(诸如微处理器)进行编程来执行操作(诸如通过执行计算机指令或代码)、或者通过被编程为执行存储在非暂时性存储介质上的代码或指令的处理器或核、或者通过它们的任意组合。进程可以使用各种技术(包括但不限于用于进程间通信的传统技术)进行通信，并且不同的进程对可以使用不同的技术，或者相同的进程对可以在不同的时间使用不同的技术。

因此，应当从说明性意义上而非从限制性意义上来考虑说明书和附图。然而，显而易见的是，在不脱离权利要求中阐述的更广泛的精神和范围的情况下，可以对其进行添加、删减、删除以及其他修改和改变。因此，虽然已经描述了特定的实施例，但是这些实施例并不旨在进行限制。各种修改和等同物都在所附权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种用于基于波导的显示器的光学耦合器，所述光学耦合器包括：

包括多个区域的倾斜表面浮雕光栅，

其中，所述倾斜表面浮雕光栅的所述多个区域中的不同区域具有以下项中的至少一个：不同的相应光栅占空比或不同的相应折射率调制，使得所述不同区域对于入射显示光具有不同的角度选择性特性；并且

其中，不同视角的显示光被所述倾斜表面浮雕光栅的不同区域衍射。

2.根据权利要求1所述的光学耦合器，其中，所述倾斜表面浮雕光栅的所述多个区域中的不同区域具有不同的倾斜角。

3.根据权利要求1所述的光学耦合器，其中：

所述倾斜表面浮雕光栅包括填充所述倾斜表面浮雕光栅中的间隙的外涂层；并且

所述倾斜表面浮雕光栅的所述多个区域中的不同区域在所述外涂层中具有不同的折射率。

4.根据权利要求3所述的光学耦合器，其中，所述外涂层包括不同材料或者在所述倾斜表面浮雕光栅的不同区域具有不同掺杂的相同材料。

5.根据权利要求1所述的光学耦合器，其中：

所述倾斜表面浮雕光栅包括填充所述倾斜表面浮雕光栅中的间隙的外涂层；并且

所述外涂层的折射率与所述倾斜表面浮雕光栅的折射率之间的差等于或大于0.2。

6.根据权利要求1所述的光学耦合器，其中：

所述倾斜表面浮雕光栅被配置成将显示光从所述基于波导的显示器的波导耦合出去；并且

被所述倾斜表面浮雕光栅的不同区域从所述波导衍射出去的显示光以不同的方向朝向所述基于波导的显示器的视窗传播。

7.根据权利要求6所述的光学耦合器，其中，所述视窗的面积小于所述基于波导的显示器的输出面积的五分之一。

8.根据权利要求1所述的光学耦合器，其中：

所述倾斜表面浮雕光栅的所述多个区域中的每个区域被配置成将相应视场的显示光耦合到所述基于波导的显示器的波导中，并防止其他视场的耦合显示光被所述倾斜表面浮雕光栅从所述波导耦合出去；并且

被所述倾斜表面浮雕光栅的不同区域衍射到所述波导中的显示光在所述波导内以不同的方向传播。

9.根据权利要求1所述的光学耦合器，其中，所述倾斜表面浮雕光栅形成在所述基于波导的显示器的前表面或后表面上。

10.根据权利要求1所述的光学耦合器，其中，所述多个区域中的每一个区域的宽度在10微米和1毫米之间。

11.根据权利要求1所述的光学耦合器，其中，被所述倾斜表面浮雕光栅的每个区域衍射的显示光具有大于10°的角度范围。

12.根据权利要求1所述的光学耦合器，其中，所述倾斜表面浮雕光栅的倾斜角大于30°。

13.一种基于波导的近眼显示器，包括：

衬底；以及

输出耦合器，所述输出耦合器包括形成在所述衬底的表面上的倾斜表面浮雕光栅，所述倾斜表面浮雕光栅包括多个区域，

其中，所述倾斜表面浮雕光栅的所述多个区域中的不同区域具有以下项中的至少一个：不同的相应光栅占空比或不同的相应折射率调制，使得所述不同区域对于入射显示光具有不同的角度选择性特性；并且

其中，被所述倾斜表面浮雕光栅的不同区域衍射的显示光以不同的方向朝向所述基于波导的近眼显示器的视窗传播。

14.根据权利要求13所述的基于波导的近眼显示器，其中：

所述倾斜表面浮雕光栅的所述多个区域中的不同区域具有从5％到95％的不同光栅占空比；并且

所述倾斜表面浮雕光栅的深度大于阈值。

15.根据权利要求14所述的基于波导的近眼显示器，其中，所述阈值大于所述倾斜表面浮雕光栅的光栅周期的一半。

16.根据权利要求13所述的基于波导的近眼显示器，其中：

所述倾斜表面浮雕光栅包括填充所述倾斜表面浮雕光栅中的间隙的外涂层；并且

所述倾斜表面浮雕光栅的所述多个区域中的不同区域在所述外涂层中具有不同的折射率。

17.根据权利要求13所述的基于波导的近眼显示器，其中：

所述倾斜表面浮雕光栅包括填充所述倾斜表面浮雕光栅中的间隙的外涂层；并且

所述外涂层的折射率与所述倾斜表面浮雕光栅的折射率之间的差等于或大于0.2。

18.根据权利要求13所述的基于波导的近眼显示器，其中，被所述倾斜表面浮雕光栅的每个区域衍射的显示光具有大于10°的角度范围。

19.根据权利要求13所述的基于波导的近眼显示器，还包括：

光源；以及

输入耦合器，所述输入耦合器形成在所述衬底上，并且被配置成将来自所述光源的显示光耦合到所述衬底中，其中：

所述输入耦合器包括具有不同角度选择性特性的多个区域；并且

所述输入耦合器的每个区域被配置成将相应角度范围内的显示光耦合到所述衬底中。

20.一种使用基于波导的近眼显示器显示图像的方法，所述方法包括：

由倾斜光栅耦合器的第一区域将显示光的仅第一部分从波导衍射出去，显示光的所述第一部分以第一角度范围内的角度朝向所述基于波导的近眼显示器的视窗传播；以及

由所述倾斜光栅耦合器的第二区域将显示光的仅第二部分从所述波导衍射出去，显示光的所述第二部分以第二角度范围内的角度朝向所述基于波导的近眼显示器的所述视窗传播，所述第二角度范围不同于所述第一角度范围，

其中，所述第一区域和所述第二区域具有不同的相应光栅占空比或不同的相应折射率调制中的至少一个。

Images