CN113424095A - 用于提供单光栅层彩色全息波导显示器的方法和装置 - Google Patents

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阿拉斯泰尔·约翰·格兰特
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Abstract

一种波导显示器包括：支撑单个光栅层的波导；数据调制光源；第一输入耦合器，用于将来自源的第一光谱带的光引导到第一波导光瞳中；第二输入耦合器，用于将来自源的第二光谱带的光引导到第二波导光瞳中；输出耦合器，包括多路复用的第一光栅和第二光栅；至少一个折叠光栅，用于沿着从第一光瞳到输出耦合器的第一路径引导第一光谱带并提供第一光束扩展；至少一个折叠光栅，用于沿着从第二光瞳到输出耦合器的第二路径引导第二光谱带并提供第一光束扩展。第一多路复用光栅在光束扩展与第一光束扩展正交的第一方向上将第一光谱带引导出波导。第二多路复用光栅在光束扩展与第一光束扩展正交的第一方向上将第二光谱带引导出波导。

Description

用于提供单光栅层彩色全息波导显示器的方法和装置
技术领域
本发明一般而言涉及波导设备，并且更具体而言，涉及彩色全息波导显示器。
背景技术
波导可以称为具有限制和引导波的能力的结构(即，限制波可以在其中传播的空间区域)。一类波导包括光波导，它是能够引导电磁波的结构，通常是那些在可见光谱中的电磁波。波导结构可以被设计成使用许多不同的机制来控制波的传播路径。例如，可以将平面波导设计成利用衍射光栅衍射入射光并将入射光耦合到波导结构中，使得入射耦合光可以经由全内反射(“TIR”)在平面结构内继续传播。
制造波导可以包括允许在波导内记录全息光学元件的材料系统的使用。一类这样的材料包括聚合物分散的液晶(“PDLC”)混合物，它是包含可光聚合单体和液晶的混合物。这样的混合物的另一个子类包括全息聚合物分散的液晶(“HPDLC”)混合物。可以将诸如体积相位光栅之类的全息光学元件，通过用两个相互相干的激光束照明材料记录在这种液体混合物中。在记录处理期间，单体聚合和混合物进行光聚合诱导的相分离，从而创建液晶微滴密集填充的区域，其间散布着透明聚合物区域。交替的富含液晶区域和缺乏液晶区域形成光栅的条纹平面。
可以考虑将诸如上述的波导光学器件用于一系列显示器和传感器应用。在许多应用中，包含一个或多个编码多种光学功能的光栅层的波导可以使用各种波导体系架构和材料系统来实现，从而在增强现实(“AR”)和虚拟现实(“VR”)的近眼显示器、用于航空和公路运输的紧凑型平视显示器(“HUD”)以及用于生物识别和激光雷达(“LIDAR”)应用的传感器领域实现新的创新。
发明内容
许多实施例涉及被配置为实现能够提供二维光束扩展和光提取的全色显示器的波导显示器。例如，许多实施例涉及具有各种组件的波导显示器，各种组件包括：支撑单个光栅层的波导；光耦合到所述波导的数据调制光源；第一输入耦合器，用于将来自所述源的第一光谱带的光引导到第一波导光瞳中；第二输入耦合器，用于将来自所述源的第二光谱带的光引导到第二波导光瞳中；以及输出耦合器，包括多路复用的第一和第二光栅。此外，许多实施例包括至少一个折叠光栅，用于沿着从第一光瞳到提供第一光束扩展的输出耦合器的第一路径引导第一光谱带。至少一个折叠光栅可以用于沿着从第二光瞳到输出耦合器的第二路径引导第二光谱带并提供第一光束扩展。第一多路复用光栅可以在光束扩展与第一光束扩展正交的第一方向上将第一光谱带引导出波导。第二多路复用光栅可以在光束扩展与第一光束扩展正交的第一方向上将第二光谱带引导出波导。
在其它实施例中，第一和第二输入耦合器各自包括棱镜和光栅中的至少一个。
在还有的其它实施例中，第一输入耦合器包括第一棱镜并且所述第二输入耦合器包括第二棱镜，其中所述第一和第二棱镜沿着所述波导的一般光传播方向设置。
在另外的其它实施例中，第一输入耦合器包括第一棱镜并且所述第二光输入耦合器包括第二棱镜，其中所述第一棱镜和第二棱镜沿着正交于所述波导的一般光传播方向的方向设置。
在还有的另外的其它实施例中，第一输入耦合器包括第一光栅并且所述第二输入耦合器包括第二光栅，其中所述第一和第二光栅沿着所述波导的一般光传播方向设置。
在其它实施例中，第一输入耦合器包括第一光栅并且所述第二输入耦合器包括第二光栅，其中所述第一和第二光栅沿着正交于所述波导的一般光传播方向的方向设置。
在还有的其它实施例中，第一输入耦合器包括棱镜和第一光栅，并且所述第二输入耦合器包括所述棱镜和第二光栅，其中所述第一和第二光栅沿着所述波导的一般光传播方向设置。
在另外的其它实施例中，第一输入耦合器包括棱镜和第一光栅，并且所述第二输入耦合器包括所述棱镜和第二光栅，其中所述第一和第二光栅沿着正交于所述波导的一般光传播方向的方向设置。
在还有的另外的其它实施例中，第一输入耦合器包括棱镜和第一光栅，并且所述第二输入耦合器包括所述棱镜和第二光栅，其中所述第一和第二光栅被多路复用。
在其它实施例中，折叠光栅被多路复用并且具有用于执行二维光束扩展和从所述波导提取光的规格(prescription)。
在还有的其它实施例中，折叠光栅被配置为在第一方向上提供光瞳扩展，其中所述输出光栅被配置为在与所述第一方向不同的第二方向上提供光瞳扩展。
在另外的其它实施例中，源包括至少一个LED。
在还有的另外的其它实施例中，源包括具有偏向于所述第一光谱带的峰值波长的光谱输出的至少一个LED和具有偏向于所述第二光谱带的峰值波长的光谱输出的至少一个LED。
在其它实施例中，所述光栅中的至少一个是滚动的k-向量光栅。
在还有的其它实施例中，光在所述折叠光栅中的至少一个内经历双重相互作用。
在另外的其它实施例中，数据调制光源具有用于显示图像像素的微显示器和用于投射显示在所述微显示面板上的图像的准直光学器件，使得所述微显示器上的每个图像像素被转换成所述第一波导内的唯一角方向。
在还有的另外的其它实施例中，至少一个光栅具有空间变化的节距。
在其它实施例中，输入耦合器、折叠光栅和所述输出光栅中的至少一个是在全息光聚合物、HPDLC材料或均匀调制全息液晶聚合物材料中记录的可切换布拉格光栅或者表面浮雕光栅之一。
在还有的其它实施例中，第一和第二输入耦合器每个都包括至少一个光栅，其中所述第一和所述输入耦合器、所述折叠光栅和所述第一和第二多路复用器中的每个的所述至少一个光栅设置在单光栅层中。
其它实施例包括一种显示彩色图像的方法，包括以下步骤：
a)提供支持单个光栅层的波导；光源；第一输入耦合器；第二输入耦合器；包括多路复用的第一和第二光栅的输出耦合器；第一折叠光栅；以及第二折叠光栅；
b)经由所述第一输入耦合器将来自所述源的第一光谱带引导到第一波导光瞳中；
c)经由所述第二输入耦合器将来自所述源的第二光谱带引导到第二波导光瞳中；
d)借助于所述第一折叠光栅对所述第一光谱带光进行光束扩展并将其重定向到所述输出耦合器上；
e)借助于所述第二折叠光栅对所述第二光谱带光进行光束扩展并将其重定向到所述输出耦合器上；
f)借助于所述第一多路复用光栅对所述第一光谱带光进行光束扩展并从波导中提取所述第一光谱带光；
g)借助于所述第二多路复用光栅对所述第二光谱带光进行光束扩展并从波导中提取所述第二光谱带光。
其它实施例包括波导显示器，其中波导支持单个光栅层。此外，波导显示器可以包括图像调制光源，该图像调制光源通过第一输入耦合器光学耦合到波导，用于将来自源的第一光谱带的光引导到第一波导光瞳中。波导显示器还可以具有第二输入耦合器，用于将来自源的第二光谱带的光引导到第二波导光瞳中。此外，用于分别衍射所述第一和第二光谱带的第一和第二折叠光栅可以与输出耦合器一起使用，该输出耦合器包括多路复用的第一和第二光栅，用于分别将第一和第二带衍射出波导。
其它实施例包括具有如在许多实施例中的第一波导显示器和第二波导显示器的光场显示器。第一和第二波导的输入耦合器和输出耦合器重叠，其中第一波导显示器中的至少一个光栅具有将从第一波导提取的光聚焦到第一焦平面的光功率，其中所述第二波导中的至少一个光栅显示器具有用于将从所述第一波导提取的光聚焦到第二焦平面的光功率，其中第一波导显示器和第二波导显示器的输入耦合器各自具有可在衍射和非衍射状态之间切换的光栅。
在另外的其它实施例中，当第二波导显示器的光栅处于其非衍射状态时，第一波导显示器的光栅处于其衍射状态，用于入射耦合图像调制光以在第一焦平面处观看，其中当第一波导显示器的光栅处于其非衍射状态时，第二波导显示器的光栅处于其衍射状态，用于入射耦合第二图像调制光以在第二焦平面处观看。
附图说明
参考以下各图和数据图将更全面地理解本描述，这些图和数据图被呈现为本发明的示例性实施例并且不应被解释为对本发明范围的完整叙述。
图1概念性地图示了根据本发明的实施例的具有单层波导的波导显示器的示意性平面图，该单层波导支撑输入耦合器，该输入耦合器包括棱镜和空间分离的输入光栅。
图2概念性地图示了根据本发明的实施例的具有单层波导的波导显示器的示意性平面图，该单层波导支撑输入耦合器，该输入耦合器包括棱镜和多路复用的输入光栅。
图3概念性地图示了根据本发明的实施例的具有单层波导的波导显示器的示意性平面图，该单层波导支撑输入耦合器，该输入耦合器包括空间分离的输入光栅。
图4概念性地图示了根据本发明的实施例的具有单层波导的波导显示器的示意性平面图，该单层波导支撑输入耦合器，该输入耦合器包括多路复用的输入光栅。
图5和图6概念性地图示了根据本发明的各种实施例的具有单层波导的波导显示器的示意性平面图，该单层波导支撑第一和第二空间分离的输入棱镜。
图7概念性地图示了根据本发明的实施例的波导显示器的示意性平面图，该波导显示器具有空间分离的输入光栅和多路复用的光栅对，其组合了波导中二维光束扩展和光束提取的双重功能。
图8概念性地图示了根据本发明的实施例的流程图，该流程图图示了使用单个光栅层提供具有二维光束扩展的彩色波导显示器的方法。
图9概念性地图示了根据本发明的实施例的具有单层彩色波导堆叠的光场显示器的示意性横截面图。
图10A概念性地图示了根据本发明的实施例的示意性横截面图，其示出了与在第一范围形成可视图像对应的光场显示器的第一操作状态。
图10B概念性地图示了根据本发明的实施例的示意性横截面图，其示出了与在第二范围形成可视图像对应的光场显示器的第二操作状态。
图11A和图11B概念性地图示了根据本发明的实施例的一组示例性光栅的光栅几何形状。
图12和图13概念性地图示了根据本发明的实施例的用于使用具有输入光栅、折叠光栅和输出光栅的单个光栅层来提供彩色图像的波导的平面图。
图14概念性地图示了根据本发明的实施例的用于将来自红色、绿色和蓝色源的照明耦合到波导中，使得照明的红-绿和绿-蓝带在进入到波导中时在空间上被剪切的二向色棱镜系统的横截面图。
图15是图示根据本发明的实施例的组合使用以提供主要照明颜色的两个具有相似峰值波长的LED的光谱的曲线图。
图16概念性地图示了根据本发明的实施例的被配置为接收空间上被剪切以提供红-绿和蓝带的照明的滚动K-向量输入光栅的示意性横截面图。
具体实施方式
为了描述实施例，已经省略或简化了光学设计和视觉显示领域的技术人员已知的光学技术的一些众所周知的特征，以避免模糊本发明的基本原理。除非另有说明，否则关于射线或光束方向的术语“同轴”是指与垂直于本发明描述的光学组件的表面的轴平行的传播。在下面的描述中，术语光、射线、光束和方向可以互换使用并且彼此相关联，以指示光能沿着直线轨迹的传播方向。下面描述的部分将使用光学设计领域的技术人员通常所采用的术语来表示。为了说明的目的，应该理解的是，除非另有说明，否则附图未按比例绘制。例如，某些附图中的维度已被夸大。
现在转向附图，图示了彩色全息波导显示器和相关的制造方法。波导显示器可以用于许多不同的应用，包括但不限于用于AR和VR的HMD、头盔显示器、投影显示器、平视显示器(heads up displays，HUD)、低头显示器(Heads Down Displays，HDD)、自动立体显示器和其它3D显示器。此外，类似的技术可以应用于波导传感器，诸如，例如眼动仪、指纹扫描仪和LIDAR系统。由于几种因素，波导制造，尤其是彩色波导制造可能昂贵并且倾向于低产量。一种这样的促成影响是难以对准全色显示器中所需的单独的红色、绿色、蓝色波导层。通过减少用于实现全色的波导层的数量，可以在很大程度上减轻这种情况。例如，全色波导显示器可以使用两个波导层来实现，一个透射蓝-绿光，另一个透射绿-红光。理想情况下，显示器应该具有尽可能少的波导层。但是，布拉格光栅的单一配置通常不能在整个视觉光谱带宽上高效地操作。因此，使用单个光栅层实现全色显示器可能具有挑战性。由此，本发明的许多实施例针对在单个光栅层内利用不同配置的光栅来实现能够提供二维光束扩展和光提取的全色波导。
在许多实施例中，波导显示器被实现为包括具有单个光栅层的波导。波导显示器还可以包括光学耦合到波导的数据调制光源、用于将来自源的第一光谱带的光引导到第一波导光瞳中的第一输入耦合器、以及用于将来自源的第二光谱带的光引导到第二波导光瞳的第二输入耦合器。光源可以包括LED或激光器中的至少一种。在一些实施例中，源包括单独的红色、绿色和蓝色发射器。在几个实施例中，波导显示器包括具有多路复用的第一和第二光栅的输出耦合器、用于沿着从第一光瞳到输出耦合器的第一路径引导第一光谱带的至少一个折叠光栅、以及用于沿着从第二光瞳到输出耦合器的第二路径引导第二光谱带的至少一个折叠光栅。这些折叠光栅可以被配置为为其各自的光谱带提供第一光束扩展。关于输出耦合器，第一多路复用光栅可以被配置为在第一方向上将第一光谱带引导出波导，其中光束扩展与第一波束扩展正交，并且第二多路复用光栅可以被配置为在第一方向上将第二光谱带引导出波导，其中光束扩展与第一光束扩展正交。
根据本发明的各种实施例的波导显示器可以以许多不同的方式实现和配置。在一些实施例中，波导显示器被实现为弯曲的双轴光束扩展波导。
下面更详细地讨论单层波导显示器、彩色波导显示器、材料和相关制造方法。
波导显示器
根据本发明的各种实施例的波导显示器可以以许多不同的方式实现和配置。为了说明和简化的目的，贯穿本公开讨论的一般传播方向是从左到右。如可以容易理解的，波导配置和光传播方向可以取决于具体应用进行相应配置。本公开中描述的单层彩色波导体系架构与多层体系架构相比具有几个主要优点。第一个是不需要多层的组装和对准，从而提高产量并降低制造成本。第二个优点是降低制造复杂性，因为在使用单一曝光工艺的制造过程中只需要单层。这使得曝光吞吐量时间的减少并因此降低了成本。本发明的原理可以应用于各种波导显示器和传感器应用，包括但不限于HUD和HMD。虽然本发明致力于单层彩色波导，但本文公开的许多实施例和教导也可以应用于单色波导。
在许多实施例中，波导显示器可以包括光源、输入耦合器和输出耦合器。输入耦合器可以包括棱镜和输入光栅中的至少一种。在几个实施例中，输出耦合器是使用输出光栅实现的。在还有的实施例中，波导显示器可以包括折叠光栅。在几个实施例中，根据引用的参考文献中公开的实施例和教导，每个折叠光栅被配置为在第一方向上提供光瞳扩展并且经由全内反射将光引导到输出光栅，其中输出光栅被配置为在与第一方向不同的第二方向上提供光瞳扩展。通过使用折叠光栅，根据一些实施例，波导设备有利地需要比先前显示信息的系统和方法更少的层。此外，通过使用折叠光栅，光可以在波导外表面限定的单个直角棱镜中通过波导内的全内反射行进，同时实现双光瞳扩展。
在许多实施例中，输入光栅、折叠光栅或输出光栅中的至少一个可以组合两个或更多个角衍射规格以扩展角带宽。类似地，在一些实施例中，输入光栅、折叠光栅或输出光栅中的至少一个可以组合两个或更多个光谱衍射规格以扩展光谱带宽。例如，颜色多路复用光栅可以用于衍射两种或多种原色。
在几个实施例中，光栅层包括多个部件，包括输入耦合器、折叠光栅和输出光栅(或其部分)，它们被层压在一起以形成单个基板波导。这些部件可以通过光学胶或其它折射率与这些部件匹配的透明材料分开。在一些实施例中，光栅层可以通过针对输入耦合器、折叠光栅和输出光栅中的每一个创建具有期望光栅厚度的单元并且用SBG材料真空填充每个单元经由单元制造工艺形成。在许多实施例中，单元通过定位多个玻璃板而形成，玻璃板之间具有限定输入耦合器、折叠光栅和输出光栅的期望光栅厚度的间隙。在几个实施例中，一个单元可以被制成具有多个孔，使得单独的孔填充有不同的SBG材料袋。然后可以通过分隔材料(例如，胶水、油等)分隔任何中间空间来分隔单独的区域。在一些实施例中，SBG材料可以被旋涂到基板上，然后在材料固化之后被第二基板覆盖。
在针对显示器应用的许多实施例中，折叠光栅可以被定向(计时(clocked))成其光栅向量在波导平面内的对角线方向上。这确保折叠光有足够的角带宽。但是，本发明的一些实施例可以利用其它时钟角度来满足在显示器的人体工程学设计中可能出现的对光栅定位的空间限制。光栅向量方位角可以被称为“时钟角”。在一些实施例中，每个折叠光栅的纵向边缘相对于输入耦合器的对准轴倾斜，使得每个折叠光栅被设置在相对于显示光的传播方向的对角线上。折叠光栅的角度使得来自输入耦合器的光被重定向到输出光栅。在一个示例中，折叠光栅被设置为相对于显示图像从输入耦合器释放的方向成四十五度角。该特征可以使沿着折叠光栅向下传播的显示图像被调整到输出光栅中。例如，在几个实施例中，折叠光栅使图像转90度到输出光栅中。以这种方式，单个波导可以在水平和垂直方向上提供双轴光瞳扩展。在多个实施例中，每个折叠光栅可以具有部分衍射结构。输出光栅经由全内反射接收来自折叠光栅的图像光并在第二方向上提供光瞳扩展。输出光栅可以被配置为在与第一方向不同的第二方向上提供光瞳扩展并且使光从第一表面或第二表面离开波导。
在许多实施例中，折叠光栅角带宽可以通过设计光栅规格来增强以促进被引导的光与光栅的双重相互作用。双重相互作用折叠光栅的示例性实施例在题为“WAVEGUIDEGRATING DEVICE”的美国专利申请No.：14/620,969中公开，其公开内容通过引用并入本文。在一些实施例中，基于上述原理的波导在红外波段中操作。在一些实施例中，输入光栅、折叠光栅或输出光栅中的至少一个可以基于表面起伏结构。
如以上所讨论的，根据本发明的各种实施例的波导显示器可以包括光源。在一些实施例中，与上述波导实施例一起使用的数据调制光源包括结合微显示器的输入图像节点(IIN)。输入光栅可以被配置为接收来自IIN的准直光并且经由第一表面和第二表面之间的全内反射使光在波导内行进到折叠光栅。通常，除了微显示面板之外，IIN还集成了照亮显示面板、分离反射光并将其准直成所需FOV所需的光源和光学组件。微显示器上的每个图像像素都可以在第一波导内被转换成唯一的角方向。可以使用多种微显示技术中的任何一种。在一些实施例中，微显示面板可以是液晶设备或微机电系统(MEMS)设备。在几个实施例中，微显示器可以基于有机发光二极管(OLED)技术。此类发光设备通常不需要单独的光源，并且因此具有更小形状因子的益处。在多个实施例中，IIN可以基于扫描调制激光器。根据一些实施例，IIN投影显示在微显示面板上的图像，使得每个显示像素在基板波导内被转换成唯一的角方向。IIN中包含的准直光学器件可以包括透镜和反射镜，它们可以是衍射透镜和反射镜。在一些实施例中，IIN可以基于在题为“HOLOGRAPHIC WIDE ANGLE DISPLAY”的美国专利申请No.：13/869,866和题为“TRANSPARENT WAVEGUIDE DISPLAY”的美国专利申请No.：13/844,456中公开的实施例和教导”，这些专利申请的公开内容通过引用并入本文。在几个实施例中，IIN包含分束器，用于将光引导到微显示器上并将反射光传输到波导。在多个实施例中，分束器是记录在HPDLC中的光栅并且使用这种光栅的固有偏振选择性来分离照亮显示器的光和从显示器反射的图像调制光。在一些实施例中，分束器是偏振分束器立方体。
在许多实施例中，IIN包含去斑器。有利的是，去斑器是基于题为“LASERILLUMINATION DEVICE”的美国专利No.US8,565,560的实施例和教导的全息波导设备，该专利申请的公开内容通过引用并入本文。光源可以是激光器或LED并且可以包括一个或多个用于修改照明光束角度特性的透镜。当源是激光器并且图像源是激光点亮的微显示器或基于激光器的发射显示器时，去斑器的使用尤为重要。LED将提供比激光器更好的均匀性。如果使用激光照明，那么存在在波导输出处出现照明条带(banding)的风险。在一些实施例中，可以使用题为“METHOD AND APPARATUS FOR GENERATING INPUT IMAGES FORHOLOGRAPHIC WAVEGUIDE DISPLAYS”的美国临时专利申请No.：62/071,277中公开的技术和教导来克服波导中的激光照明条带，该专利申请的公开内容是通过引用并入本文。在几个实施例中，来自光源的光是偏振的。在多个实施例中，图像源是液晶显示器(LCD)微显示器或硅基液晶(LCoS)微显示器。
在许多实施例中，波导显示器包括第一和第二输入耦合器。第一和第二输入耦合器可以各自包括棱镜和光栅中的至少一个。在一些实施例中，耦合器利用单个棱镜并且分别与一对第一和第二输入光栅相关联，第一和第二输入光栅沿着波导的一般光传播方向设置。在几个实施例中，第一和第二光栅沿着正交于波导的一般光传播方向的方向设置。第一和第二输入光栅可以在波导中实现并以许多不同的方式配置。在多个实施例中，输入光栅是空间分离的。在其它实施例中，输入光栅被实现为多路复用光栅。多路复用光栅的交叉配置对于记录在HPDLC材料中的光栅可能是有利的，因为它可以在光栅记录期间实现液晶和单体成分的高效相分离。图1和图2概念性地图示了这些差异。
图1概念性地图示了根据本发明的实施例的具有单层波导的波导显示器的示意性平面图，该单层波导支撑输入耦合器，该输入耦合器包括棱镜和空间分离的输入光栅。在说明性实施例中，波导显示器100包括支撑输入棱镜102的波导101。波导101还包括输入光栅103、104、折叠光栅105、106和多路复用输出光栅107、108。如图所示，光栅设置在单个光栅层中。由输入光栅103衍射的射线的射线路径109-112和由输入光栅104衍射的射线的射线路径113-116图示了波导中从输入到提取的光束路径。
图2概念性地图示了根据本发明的实施例的具有单层波导的波导显示器的示意性平面图，该单层波导支撑输入耦合器，该输入耦合器包括棱镜和多路复用的输入光栅。如图所示，波导显示器120包括支撑输入棱镜122的波导121。波导121还包括设置在单个光栅层中的多路复用输入光栅123、124、折叠光栅125、126和多路复用输出光栅127、128。由光栅123衍射的射线的射线路径129-132和由光栅124衍射的射线的射线路径133-136图示了波导中从输入到提取的光束路径。
虽然图1和图2图示了具体波导配置，但是可以取决于给定应用的具体要求以许多不同的方式实施根据本发明的各种实施例的波导显示器。例如，在许多实施例中，第一和第二输入耦合器分别包括第一和第二输入光栅，并且可以在没有棱镜的情况下实现波导显示器。在还有的实施例中，第一和第二输入光栅沿着正交于波导的一般光传播方向的方向设置。在其它实施例中，第一和第二输入光栅沿着波导的一般光传播方向设置。图3和图4概念性地图示了根据本发明的各种实施例的用空间分离的输入光栅和少棱镜(prims-less)输入耦合器实现的波导显示器的示意性平面图。如图所示，图3示出了波导显示器140，其包括支撑输入光栅142、143和层、折叠光栅144、145和多路复用输出光栅146、147的波导141，所有光栅都设置在单层中。在输入光栅142的情况下由射线路径148-151并且在输入光栅143的情况下由射线路径152-155图示了波导中从输入到提取的光束路径。类似地，图4示出了波导显示器160，其具有支撑输入光栅162、163和折叠光栅164、165和多路复用输出光栅166、167的波导161，所有光栅都设置在单层中。在输入光栅163情况下由射线路径168-171并且在输入光栅162情况下由射线路径172-175图示了波导中从输入到提取的光束路径。波导显示器160和图3中所示实施例之间的主要区别在于输入光栅的布置—即，图4图示了其中第一和第二光栅沿着波导的一般光传播方向设置的实施例。在诸如图3和图4中的实施例以及下面要描述的其它实施例中，两个空间分离的输入耦合器可以提供两个分离的输入光瞳。
除了少棱镜(prism-less)输入耦合器之外，波导显示器可以实现仅包括棱镜的输入耦合器。图5和图6概念性地图示了根据本发明的各种实施例的实现没有输入光栅的输入耦合器的波导显示器的示意性平面图。如图所示，第一输入耦合器包括第一棱镜并且第二光输入耦合器包括第二棱镜。在图5中，第一和第二棱镜沿着正交于波导的一般光传播方向的方向设置。在图6中，第一和第二棱镜沿着波导的一般光传播方向设置。
参考图5，波导显示器210包括支撑输入棱镜212、213的波导211。波导211还包括设置在单个光栅层中的折叠光栅214、215和多路复用输出光栅216、217。由用于由棱镜213耦合到波导中的射线的射线路径219A-219D和用于由棱镜212耦合到波导中的射线的射线路径218A-218D图示了波导中从输入到提取的光束路径。类似地，图6图示了包括支撑输入棱镜232、233的波导231的波导显示器220。波导231还包括设置在单个光栅层中的折叠光栅234、235和多路复用输出光栅236、237。由用于由棱镜233耦合到波导中的射线的射线路径238-241和用于由棱镜222耦合到波导中的射线的射线路径242-245图示了波导中从输入到提取的光束路径。在使用仅基于棱镜的输入耦合器的实施例中，诸如图5和图6中所示的波导显示器，可以使用折叠和输出光栅的节距角和时钟角来解决光栅互易性的条件。
如以上部分中所述，输入耦合器可以以多种不同的方式配置。此外，波导显示器的折叠光栅和输出耦合器也可以以许多不同的方式配置。图7概念性地图示了根据本发明的实施例的具有波导的波导显示器的示意性平面图，该波导显示器具有空间分离的输入光栅和多路复用的光栅对，其组合了波导中二维光束扩展和光束提取的双重功能。如图所示，波导显示器190包括支撑输入耦合棱镜192、193的波导191。波导191还包括组合的折叠和多路复用的输出光栅194-197。在说明性实施例中，光栅194、195经由棱镜192在二维上衍射和扩展进入波导191的光。类似地，光栅196、197经由棱镜192、193在二维上衍射和扩展进入波导191的光。在棱镜192的情况下由射线路径198-200并且在棱镜193情况下由射线路径201-203图示了波导中从输入到提取的光束路径。虽然四个光栅是多路复用的，但与两条路径中的每一条对应的成对光栅具有交叉的布拉格条纹。在一些实施例中，输入耦合棱镜192、193可以由光栅代替。
在针对使用非偏振光源的显示器的一些实施例中，所使用的输入光栅可以组合被定向成使得每个光栅将入射非偏振光的特定偏振衍射到波导路径中的光栅。这样的实施例可以结合Waldern等人在PCT申请PCT/GB2017/000040“METHOD AND APPARATUSFORPROVIDING A POLARIZATION SELECTIVE HOLOGRAPHICWAVGUIDE DEVICE”中公开的一些实施例和教导，其公开内容通过引用整体并入本文。可以以类似的方式配置输出光栅，使得来自波导路径的光被组合并作为非偏振光耦合出波导。例如，在一些实施例中，输入光栅和输出光栅各自组合具有正交偏振状态的峰值衍射效率的交叉光栅。在几个实施例中，偏振状态是S偏振和P偏振。在多个实施例中，偏振状态是相反的圆偏振感。在液晶聚合物系统中记录了光栅的优点，诸如但不限于SBG，在这方面，由于它们固有的双折射，它们可以表现出强的偏振选择性。但是，也可以使用可以被配置为提供独特偏振状态的其它光栅技术。
在利用记录在液晶聚合物材料系统中的光栅的实施例中，可以提供至少一个与折叠光栅、输入光栅或输出光栅中的至少一个重叠的偏振控制层，用于补偿任何光栅，尤其是折叠光栅中的偏振旋转的目的。在许多实施例中，所有光栅都被偏振控制层覆盖。在一些实施例中，偏振控制层仅应用于光栅的子集，诸如仅应用于折叠光栅。偏振控制层可以包括光学延迟膜。在基于HPDLC材料的几个实施例中，光栅的双折射可以用于控制波导设备的偏振性质。使用HPDLC光栅的双折射张量、K-向量和光栅足迹(footprints)作为设计变量为优化波导设备的角能力和光学效率开辟了设计空间。在一些实施例中，设置在波导的玻璃-空气界面上的四分之一波片旋转光线的偏振以维持与光栅的高效耦合。例如，在一个实施例中，四分之一波片是施加到波导基板的涂层。在一些波导显示器实施例中，将四分之一波涂层施加到波导的基板可以通过补偿波导中的歪斜波来帮助光线保持与预期的视轴对准。在多个实施例中，四分之一波片可以被提供为多层涂层。
图8概念性地图示了根据本发明的实施例的流程图，该流程图图示了使用单个光栅层提供具有二维光束扩展的彩色波导显示器的方法。如图所示，提供了将一个以上偏振分量的光耦合到波导中的方法240。参考流程图，方法240包括提供(241)支撑单个光栅层的波导；光源；第一输入耦合器；第二输入耦合器；具有多路复用的第一和第二光栅的输出耦合器；第一折叠光栅；以及第二折叠光栅。第一光谱带可以经由第一输入耦合器从源被引导(242)到第一波导光瞳中，并且第二光谱带可以经由第二输入耦合器从源被引导(243)到第二波导光瞳中。第一光谱带光可以借助于第一折叠光栅被光束扩展和重定向(244)到输出耦合器上。第二光谱带光可以借助于第二折叠光栅被光束扩展和重定向(245)到输出耦合器上。第一光谱带光可以借助于第一多路复用光栅从波导进行光束扩展和提取(246)。第二光谱带光可以借助于第二多路复用光栅从波导进行光束扩展和提取(247)。
以上讨论和图1-8中图示的实施例基于使用分裂光瞳输入耦合或多路复用输入耦合的输入光瞳分叉的原理，以使用两个空间分离的折叠光栅向输出光栅提供向上和向下波导路径。实现这种方法的一个挑战是，具有两个折叠光栅会导致波导尺寸增长，尤其是在眼中心点上方的垂直方向。另一个挑战是制造高效的多路复用的输出光栅。由此，根据本发明的多个实施例针对基于支持单个光栅层的单个波导层的彩色波导体系架构，该体系架构不使用光束分叉原理。
在许多实施例中，实现波导显示器以提供无限远的图像。在一些实施例中，图像可以处于某个中间距离。在几个实施例中，图像可以在与人眼的放松观看范围相容的距离处。例如，根据本发明的各种实施例的许多波导可以覆盖从大约2米到大约10米的观看范围。
在一些实施例中，波导提供包含单层光栅波导的多层波导体系架构的一层，如上文关于图3、图4和图7中所示的实施例所述，其中每个波导在从眼框测量的指定观看范围内提供全色图像。观看范围可以由编码到波导中的一个或多个光栅中的光功率确定。在几个实施例中，光功率将仅被编码到多路复用输出光栅中，以产生引导光的最小去准直。将光功率编码到光栅中的技术是本领域技术人员已知的。提供多个观看范围(或焦平面)的显示器通常可以被称为光场显示器。在许多实施例中，输入光栅将被切换到它们的衍射状态，使得在任何时刻只有一个输入光栅处于其衍射状态(使得图像内容仅投影到一个范围)。投影范围可以使用眼动仪来确定，该眼动仪跟踪双眼，以通过对测量的左眼和右眼注视向量进行三角测量来确定所需的观看范围。通常由微显示器提供的图像数据可以针对每个观看范围进行更新。
图9概念性地图示了根据本发明的实施例的包含单层彩色波导301A-301C的堆叠的光场显示器310的示意性横截面图。在说明性实施例中，每个波导包含根据波导层分别由数字312、313、314和字符A、B、C标记的输入光栅、折叠光栅和多路复用的输出光栅。每个波导的输入光栅可以是可切换光栅。在许多实施例中，可切换光栅是SBG。图9中所示的输入光栅对应于图3-4和图7中任一个所示的两个输入光栅之一，在每种情况下，两个输入光栅被同时开启。光栅层中的至少一个光栅具有用于在预定义范围内形成可视图像的光功率，使得每个波导提供独特的可视范围。
光场显示器的操作在图10A和图10B中概念性地图示。图10A是示意性横截面图，其示出了与在标记为R1的第一范围处的可视图像322的形成对应的波导的第一操作状态320。黑色阴影的输入光栅312A处于其衍射状态321，并且输入光栅312B、312C处于其非衍射状态。因此，在第一操作状态中，光仅在波导301A中传播。图10B是示意性横截面图，其示出了与在标记为R2的第二范围处的可视图像332的形成对应的波导的第二操作状态330。黑色阴影的输入光栅312C处于其衍射状态331，并且输入光栅312A、312B处于其非衍射状态。因此，在第二操作状态下，光仅在波导301C中传播。
可切换布拉格光栅
记录在波导中的光学结构可以包括许多不同类型的光学元件，诸如，但不限于衍射光栅。在许多实施例中，实现的光栅是布拉格光栅(也称为体积光栅)。布拉格光栅可以具有高效率，而几乎没有光被衍射成更高的阶数。可以通过控制光栅的折射率调制来改变衍射和零阶中光的相对量，该特性可以用于制作有损耗的波导光栅，以便在较大的光瞳上提取光。全息波导装置中使用的一类光栅是可切换布拉格光栅(“SBG”)。SBG可以通过首先在玻璃板或基板之间放置可光聚合单体和液晶材料混合物的薄膜来制造。在许多情况下，玻璃板处于平行配置。一块或两块玻璃板可以支撑电极，通常是透明的氧化锡膜，用于在整个膜上施加电场。可以通过用具有空间周期性强度调制的干涉曝光进行光聚合诱导相分离，将SBG中的光栅结构记录在液体材料(通常称为浆体)中。诸如但不限于控制辐射强度、混合物中材料的组分体积分数和曝光温度等因素，可以确定结果所得的光栅形态和性能。可以容易地理解，取决于给定应用的具体要求，可以使用多种材料和混合物。在许多实施例中，使用了HPDLC材料。在记录处理期间，单体聚合并且混合物进行相分离。LC分子聚集形成离散的或聚结的液滴，这些液滴周期性地分布在光学波长尺度内的聚合物网络中。交替的富含液晶区域和缺乏液晶区域形成光栅的条纹平面，这可产生具有强光学偏振的布拉格衍射，该强光学偏振由液滴中LC分子的朝向顺序引起。在一些实施例中，通过跨越光栅区域扫描或步进记录激光束以步进方式记录给定层中的光栅。在几个实施例中，光栅是使用全息印刷工业中当前使用的母版制作和接触复制过程记录的。
结果所得的体积相位光栅可以表现出非常高的衍射效率，这可以通过施加在薄膜上的电场的强度来控制。在经由透明电极将电场施加到光栅的情况下，LC液滴的自然朝向可能改变，从而导致条纹的折射率调制降低，并且全息图衍射效率降低到非常低的水平。通常，电极被配置为使得所施加的电场垂直于基板。在许多实施例中，电极由铟锡氧化物(“ITO”)制成。在没有施加电场的OFF状态下，液晶的非凡轴通常对齐垂直于条纹。因此，光栅对P-偏振光表现出较高的折射率调制以及较高的衍射效率。在对HPDLC施加电场的情况下，光栅切换到ON状态，其中液晶分子的非凡轴对齐平行于所施加的电场并因此对齐垂直于基板。在ON状态下，光栅对S-偏振光和P-偏振光两者都表现出较低的折射率调制和较低的衍射效率。因此，光栅区域不再衍射光。根据HPDLC装置的功能，每个光栅区域可以分成多个光栅元件，诸如，例如像素矩阵。通常，在一个基板表面上的电极是均匀且连续的，而相对的基板表面上的电极是根据多个可选择性切换的光栅元件而图案化的。
通常，SBG元件在30μs内清零，并用更长的驰豫时间接通。要注意的是，装置的衍射效率可以借助于所施加的电压在连续范围内来调整。在许多情况下，装置在不施加电压的情况下表现出接近100％的效率，而在施加足够高的电压时则表现出基本上零效率。在某些类型的HPDLC装置中，可以使用磁场来控制LC朝向。在一些HPDLC应用中，LC材料与聚合物的相分离可以达到不产生可辨别的液滴结构的程度。SBG也可以用作无源光栅。在该模式下，其主要优点是独特的高折射率调制。SBG可以用于为自由空间应用提供透射或反射光栅。SBG可以被实现为波导装置，其中HPDLC在波导附近形成波导芯或消逝耦合层。用于形成HPDLC单元格的玻璃板提供全内反射(“TIR”)光导结构。当可切换光栅以超过TIR条件的角度衍射光时，可以将光耦合出SBG。
在许多实施例中，SBG被记录在均匀调制材料中，诸如具有分散在液体聚合物中的固体液晶矩阵的POLICRYPS或POLIPHEM。Caputo等人的美国专利申请公开No.：US2007/0019152和Stumpe等人的PCT申请No.：PCT/EP2005/006950中公开了示例性均匀调制液晶-聚合物材料系统，两者均通过引用整体并入本文。均匀调制光栅的特点是高折射率调制(并且因此具有高衍射效率)和低散射。在一些实施例中，光栅中的至少一个被记录反向模式HPDLC材料。反向模式HPDLC与常规HPDLC的不同之处在于，当没有施加电场时光栅是无源的，而在存在电场时变为衍射。反向模式HPDLC可以基于在题为IMPROVEMENTS TOHOLOGRAPHIC POLYMER DISPERSED LIQUID CRYSTAL MATERIALS AND DEVICES的PCT申请No.：PCT/GB2012/000680中公开的任何配方和工艺，其公开内容通过引用并入本文。下面更详细地讨论光记录材料系统。
光栅结构和配置
波导内的每个光栅可以在3D空间中由光栅向量(或K-向量)表征，在布拉格光栅的情况下，其被定义为垂直于布拉格条纹的向量。光栅向量可以确定给定范围的输入角和衍射角的光学效率。本公开通篇描述的光栅可以以多种不同光栅配置中的任何一种来实现。例如，一些实施例的输入和输出光栅可以被设计为具有共同的表面光栅间距。
图11A和图11B概念性地图示了根据本发明的实施例的一组示例性光栅的光栅几何形状。向量N为光栅表面法线单位向量；r1-r3是入射和衍射的单位光线向量；K1、K2是光栅K-向量(不一定在绘图平面内)；q1、q2是平行于全息条纹的单位向量(限定光栅时钟角)；d1、d2是光栅节距；并且λa、λb是波长。由射线r1-r3定义的射线路径的互易性条件可以通过首先将光栅方程应用于折叠光栅：r1 x N-r2 x N＝λa(q1/d1)然后应用于输出光栅：r2 x N-r3 xN＝λb(q2/d2)来获得，其产生通过取向量q1和z的向量点积获得的关系q1.z/d1＝q2.z/d2，其中z为沿着主波导维度的单位向量，通常平行于波导中的平均光束传播方向。q向量垂直于绘图平面。
在许多实施例中，折叠光栅和输出光栅功能被组合在具有相反时钟角的两个重叠的多路复用折叠光栅中。在一些实施例中，相反时钟角具有不同的量值。交叉折叠光栅可以被配置为执行二维光束扩展和从波导中提取光。可以为第一和第二路径中的每一个提供单独的光栅对。因此，许多实施例包括被多路复用到单个波导层中的总共四个折叠光栅。通过组合折叠光栅和输出光栅，可以实现光栅基板面(real estate)的显著减少。
在许多实施例中，波导包括至少一个具有空间变化节距的光栅。在一些实施例中，每个光栅具有固定的K向量。在几个实施例中，光栅中的至少一个是滚动的k-向量光栅。滚动K-向量可以扩展光栅的角带宽，而无需增加波导厚度。在多个实施例中，滚动K-向量光栅包括波导部分，该波导部分包含具有不同排列的K-向量的离散光栅元件。在一些实施例中，滚动K-向量光栅包括包含单个光栅元件的波导部分，在该单个光栅元件内K-向量在方向上经历平滑的单调变化。可以使用滚动K-向量光栅的各种配置，诸如但不限于上述配置，将光输入到波导中。使用棱镜将光耦合到波导中的优点是避免了由于使用滚动K-向量光栅而导致的显著光损失和有限的角带宽。实用的滚动K-向量输入光栅通常无法与折叠光栅的大得多的角带宽相匹配，折叠光栅的角带宽可能为40度或更大。
虽然附图指示了不同波长通道中光栅几何形状和光栅布局的高度对称性，但实际上，由于不同的光谱带宽，光栅规格和覆盖区可能是不对称的。虽然波导上部和下部的光栅用相似的面积图示，但两个光谱带可能需要调整光栅规格(包括节距、倾斜角和时钟角)以平衡两条光路。对称棱镜布置(即棱镜沿着与一般光束传播方向正交的方向布置)可能比直列式布置(即棱镜沿着一般光束传播方向布置)更容易设计。最佳解决方案可能需要考虑光学效率、形状因子和成本。输入光栅、折叠光栅或输出光栅的形状可以取决于波导应用，并且可以是受诸如但不限于所需的光束扩展、输出光束几何形状、光束均匀性和人体工程学因素等因素影响的任何多边形几何形状。
图12概念性地图示了支撑单个光栅层251的波导250的示意性平面图，该光栅层251具有一个带有滚动K-向量的输入光栅252、一个折叠光栅253和一个输出光栅254。在一些实施例中，折叠光栅和输出光栅中的一者或两者可以具有滚动K-向量。参考图13，其示出了波导的横截面260，光栅层251被示出为被具有不同折射率n1、n2的基板261、262夹在中间。可以通过选择合适的折射率n1、n2并优化输入光栅的滚动K-向量规格来实现可见波段上的操作，以在可见波段提供高衍射效率。在几个实施例中，输出光栅的滚动K-向量规格也可以作为可见波段上优化的一部分进行调整。在以下段落和附图中提供基于图12和图13的实施例的进一步细节。应该注意的是，这种方法的许多特征也可能与基于光束分叉原理的单层彩色波导相关。
在许多实施例中，基板折射率大约为n1＝1.5和n2＝1.7。基板可以是玻璃或塑料。对于TIR中更高的角度，具有不同的折射率可以促进波导中更多的反弹(与更接近TIR的更低角度相比，相互作用更少)。使用不同折射率的基板也可以促进从波导输出的照明的均匀性。在一些实施例中，将高折射率材料(通常折射率为1.7或更高)用于基板之一支持更高的波导角承载能力。在其中较高玻璃折射率具有比HPDLC形成的光栅的平均折射率更大的折射率的几个实施例中，光栅材料可以设定波导的角承载能力极限的极限。在多个实施例中，上折射率被设定为略高于光栅材料的平均水平。应当注意的是，在这样的实施例中，实现高波导角承载能力的目的不是扩展视场，而是扩展单个波导可以承载的光谱范围。这是因为从红色到蓝色的更宽光谱带的色散在波导中产生了更宽的角度范围。
在许多实施例中，实现彩色单层光栅所需的滚动K向量规格可以通过优化滚动K-向量输入光栅的空间位置以通过经由二向色棱镜步骤剪切输入光瞳匹配输入照明的红-绿和绿-蓝带来实现。图14示出了一种这样的布置270，用于使用棱镜元件将来自RGB源的照明剪切成相对位移的红-绿和绿-蓝带，该棱镜元件包括用于反射长波长的反射表面和用于部分反射短波长并透射长波长的二向色涂层。如图14中所示，装置270包括照明模块271，该照明模块包含红色、绿色和蓝色光源272-274，其沿着由框箭头275指示的大致方向发光。在说明性实施例中，照明模块271光学耦合到棱镜系统，该棱镜系统包括棱镜276，该棱镜276具有向其施加二向色涂层以反射短波长光并透射长波长光的内表面277。靠近并平行于内表面的棱镜面278可以将长波长光反射到棱镜中。相对的棱镜表面287可以经由面288将短波长和长波长光反射出棱镜以提供由框箭头285、286指示的输出光束。从二向色涂层反射的光的射线路径由射线280、281、282表示。由表面278反射的射线的射线路径由射线279、283、284表示。在一些实施例中，源包括具有偏向第一较短波长带的峰值波长的光谱输出的至少一个LED和具有偏向较长波长带的峰值波长的光谱输出的至少一个LED。在许多实施例中，长波长带对应于在可见光谱的绿色到红色区域上延伸的光，而短波长对应于蓝色到绿色区域。在其它实施例中，长波长带对应于红光，而短波长带对应于在蓝色到绿色区域上延伸的光。从图14的考虑中可以明显看出，可以使用其它棱镜配置来实现将光分成两个剪切光谱带或任意定义的光谱带宽。在一些实施例中，图14的装置还可以采用反射镜涂层、偏振器和/或光谱过滤涂层来提供对输出光谱带的更大区分，例如，以减少光谱带之间的串扰。在一些实施例中，可以通过使用光谱相对位移少量的两个或更多个LED以提供所需的原色来改善波导的色彩再现。图15概念性地图示了曲线图290，其示出了两个这样的LED的LED输出光谱，其中标记为291的垂直轴对应于输出强度并且水平轴292表示波长。在这种情况下，LED在绿色(G)波段具有峰值输出，其中一个LED的光谱293偏向蓝色(B)，而另一个LED的光谱294偏向红色(R)。
图16概念性地图示了示意性横截面图300，其示出了由跨可见带的光谱剪切照明来照明的滚动K-向量输入光栅的一部分。该光栅包括具有从左到右连续减小的倾斜角的布拉格条纹302A-302F。入射光由标记为R、G和B的有效红色、绿色和蓝色光源表示，它们发射的射线标记为数字301-307。将在波导中经历TIR的典型衍射射线由308指示。由于光谱剪切，光栅左侧的布拉格条纹，诸如302A，衍射红色射线301和绿色射线303。另一方面，光栅右侧的布拉格条纹，诸如302F，衍射绿色射线305和蓝色射线307。使用二向色棱镜布置，诸如但不限于图14中描述的那些，可以产生两个光谱带的阶跃函数偏移。可以使用其它技术来提供光谱剪切。在一些实施例中，光谱剪切作为波长的函数使用棱镜的色散属性，例如，使用一对颜色校正棱镜连续执行。光谱剪切技术的益处不限于本文公开的彩色波导。该技术还可以用于增强彩色波导或使用滚动K-向量光栅的单色波导的性能，这些光栅使用绿色LED发射器照明，其光谱带宽可以为80nm或更高。在几个实施例中，可以借助于光栅提供连续光谱剪切。
在基于图14中所示的系统原理的许多实施例中，可以使用更多的二向色层进行微调。但是，这可能使棱镜制造复杂，并且在大多数情况下一层二向色层可能就足够。在一些实施例中，二向色棱镜可以被设计为将入射光反射成适合波导传播的角度。在几个实施例中，二向色棱镜可以在可见带中对于高入射角(在空气中)具有高透射率以支持透视以观察周边视场。在多个实施例中，二向色棱镜也可以被配置为实现输入图像投影仪与输入光栅的角度对准。该特征对于倾斜波导尤其重要，倾斜波导是具有与视场主轴成一定角度的表面法线的波导。
在许多实施例中，根据图12和图13的原理的波导可以在大约460nm到640nm的光谱范围内操作。在一些实施例中，源是LED。在其它实施例中，使用激光器。在几个实施例中，来自源的光使用具有大约4mm的光瞳尺寸的DLP微型投影仪进行调制。在多个实施例中，可以使用LCoS或其它微型投影仪。在一些实施例中，波导被设计为具有30度的倾斜角。在几个实施例中，使用棱镜将输入光耦合到波导中。在多个实施例中，波导在来自30流明DLP投影仪的瞄准眼处提供大于1,500尼特的亮度。在一些实施例中，空间变化的光栅折射率调制用于控制波导的衍射效率，从而实现波导输出的更大均匀性。用于空间变化的光栅折射率调制的方法和系统在题为“Systems and Methods for Manufacturing Waveguide Cells”的美国专利申请No.：16/203,071中进一步详细讨论，其公开内容通过引用整体并入本文。替代地，可以通过在空间上改变包含输入光栅、折叠光栅和输出光栅的光栅层的厚度来实现相同或相似的效果。在空间上改变折射率调制具有启用单一厚度光栅层的益处。在一些实施例中，设置在输入光栅之后的LCP层可以用于旋转偏振以最小化输入光栅再相互作用输出耦合损耗。与多层波导体系架构相比，这种类型的波导通常具有相对小的视场。在几个实施例中，波导支持具有15度水平x 15度垂直FOV的至少nHD(640x360)标准的分辨率。在多个实施例中，可以通过倾斜折叠光栅来改善视场。在一些实施例中，上述视场设有水平18mmx垂直14mm的眼框。有利的是，光栅可以通过低折射率(或更透明的玻璃)曝光以最小化全息记录薄雾。波导折射率布置眼侧/非眼侧可以取决于RKV曝光设计。
与本文公开的单层彩色波导实施例相关联，提供了一种滚动K-向量曝光方法，用于记录具有高角带宽的滚动K-向量输入光栅。该曝光方法可以结合Waldern等人于2018年1月8日提交的题为“METHODS FOR FABRICATING OPTICAL WAVEGUIDES”的美国临时申请No.62/614,932公开的许多实施例和教导，其公开内容通过引用并入本文。
在许多实施例中，制造中使用的主光栅是振幅光栅。滚动K-向量记录通常采用沿着曝光光束路径设置的柱面透镜。通过相对于母版上的输入光栅对柱面曝光透镜进行计时，可以实现更宽的角带宽增加。在一些实施例中，母版上的输入光栅可以是如美国临时申请No.62/614,932中公开的啁啾(chirped)光栅，该申请的公开内容通过引用并入本文。可能需要啁啾光栅来克服非平行记录光束的影响以及主光栅和复制光栅之间的有限厚度。换句话说，为了确保满足最终波导中的光栅互易性可能需要的副本中的表面周期恒定，母版周期应该在空间上发生变化。在许多实施例中，使用这种母版制作技术，单平面波前输入光束与柱面透镜相互作用以提供一维聚焦，然后一部分光或者从啁啾母版生成衍射光束或者作为零阶通过(具有衰减)并保留柱面透镜的原始一维聚焦函数。在一些实施例中，局部滚动K-向量光栅角带宽作为位置的函数被最大化(例如，如果输入光栅相对于正交场被计时，那么输入光栅结构上的高度。这将导致输入光栅啁啾规格相对于来自柱面透镜的输入波前在2D中变化。
有利的是，为了提高颜色均匀性，可以使用从眼眶经由输出光栅和折叠光栅到输入光栅的反向射线追踪来设计光栅。该过程可以允许识别光栅，特别是折叠光栅所需的物理范围。可以减少或消除导致薄雾的不必要的光栅空间。射线路径针对红色、绿色和蓝色进行优化，由于经由折叠光栅在输入和输出光栅之间产生色散效应，因此每条路径都遵循略微不同的路径。该设计应允许输入和折叠之间以及折叠和输出之间有足够的间隙，以允许在滚动K-向量光栅曝光装置中使用曝光透镜。这主要是为了防止理想的折叠光栅孔径尺寸剪裁，从而避免对优化均匀性所需的直接路径射线耦合的支持。
如关于本文描述的任何实施例所使用的，术语光栅可以涵盖包括一组光栅的光栅。例如，在许多实施例中，输入光栅和输出光栅每个都包括被多路复用到单层中的两个或更多个光栅。在全息文献中已经充分确立了可以将不止一个全息规格记录到单个全息层中。用于记录这种多路复用全息图的方法是本领域技术人员众所周知的。在一些实施例中，输入光栅和输出光栅均可以各自包括被一个或多个薄光学基板接触或垂直分隔的两个重叠光栅层。在几个实施例中，光栅层夹在玻璃或塑料基板之间。在多个实施例中，两个或更多个这样的光栅层可以形成堆叠，其中在外部基板和空气界面处发生全内反射。在一些实施例中，波导可以仅包括一个光栅层。在几个实施例中，可以将电极施加到基板的面以在衍射和透明状态之间切换光栅。堆叠还可以包括附加层，诸如分束涂层和环境保护层。
在针对显示器的本发明的许多实施例中，波导显示器可以与眼动仪结合。在一个优选实施例中，眼动仪是覆盖显示波导的波导设备，并且基于题为“HOLOGRAPHICWAVEGUIDE EYE TRACKER”的PCT申请No.：GB2014/000197、题为“HOLOGRAPHIC WAVEGUIDEOPTICALTRACKER”的PCT申请No.：GB2015/000274”和题为“APPARATUS FOR EYE TRACKING”的PCT申请No.：GB2013/000210的实施例和教导，这些申请的公开内容通过引用并入本文。本发明的许多实施例针对还可以包括动态聚焦元件的波导显示器。动态聚焦元件可以基于题为“ELECTRICALLY FOCUS TUNABLE LENS”的美国临时专利申请No.：62/176,572的实施例和教导，其公开内容通过引用并入本文。在一些实施例中，根据本发明的原理的波导显示器还包括动态聚焦元件和眼动仪以提供基于题为“HOLOGRAPHIC WAVEGUIDE LIGHT FIELDDISPLAYS”的美国临时专利申请No.：62/125,089中公开的实施例和教导的光场显示器，其公开内容通过引用并入本文。本发明的一些实施例可以针对基于题为HOLOGRAPHIC WIDEANGLE DISPLAY的美国专利申请No.：13/869,866和题为TRANSPARENT WAVEGUIDE DISPLAY的美国专利申请No.：13/844,456的一些实施例的波导显示器，这些申请的公开内容通过引用并入本文。在一些实施例中，根据本发明的原理的波导装置可以被集成在窗户内，例如用于道路车辆应用的集成挡风玻璃的HUD。在一些实施例中，窗集成显示器可以基于题为ENVIRONMENTALLY ISOLATED WAVEGUIDE DISPLAY的美国临时专利申请No.：PCT申请No.：PCT/GB2016/000005中公开的实施例和教导，其公开内容通过引用并入本文。在一些实施例中，波导装置可以包括用于在IIN和波导之间中继图像内容的梯度折射率(GRIN)波导组件。在题为ENVIRONMENTALLY ISOLATED WAVEGUIDE DISPLAY的PCT申请No.：PCT/GB2016/000005中公开了示例性实施例，该申请的公开内容通过引用并入本文。在一些实施例中，基于题为WAVEGUIDE DEVICE INCORPORATING A LIGHT PIPE的美国临时专利申请No.：62/177,494中公开的实施例，波导装置可以包含用于在一个方向上提供光束扩展的光管，该申请的公开内容通过引用并入本文。基于上述实施例中的任一个的光学设备可以使用塑料基板来实现，该塑料基板使用在题为IMPROVEMENTS TO HOLOGRAPHIC POLYMER DISPERSEDLIQUID CRYSTAL MATERIALS AND DEVICES的PCT申请No.：PCT/GB2012/000680中公开的材料和工艺，该申请通过引用并入本文。
HPDLC材料系统
根据本发明的各种实施例的HPDLC混合物通常包括LC、单体、光引发剂(photoinitiator)染料和共引发剂(coinitiator)。混合物(通常称为浆体)通常还包含表面活性剂。为了描述本发明，将表面活性剂定义为降低总液体混合物的表面张力的任何化学试剂。在HPDLC混合物中使用表面活性剂是已知的，并且可追溯到HPDLC的最早研究。例如，R.L.Sutherland等人在SPIE，第2689卷，第158-169页，1996年的论文中，描述了PDLC混合物，该PDLC混合物包括单体、光引发剂、共引发剂、扩链剂和可向其添加表面活性剂的LC，该论文的公开内容通过引用并入本文。Natarajan等人在Journal of NonlinearOpticalPhysics and Materials，第5卷，第1期，第89-98页，1996年的论文中也提到了表面活性剂，该论文的公开内容通过引用并入本文。此外，Sutherland等人的美国专利No.7,018,563讨论了用于形成聚合物分散的液晶光学元件的聚合物分散的液晶材料，该材料包括：至少一种丙烯酸单体；至少一种类型的液晶材料；光引发剂染料；共引发剂；以及表面活性剂。美国专利No.7,018,563的公开内容通过引用整体并入本文。
专利和科学文献包含许多可以用于制造SBG的材料系统和工艺的示例，这些示例包括研究配制这种材料系统以实现高衍射效率、快速响应时间、低驱动电压等。Sutherland的美国专利No.5,942,157和Tanaka等人的美国专利No.5,751,452两者都描述了适于制造SBG装置的单体和液晶材料的组合。配方(recipe)的示例也可以在20世纪90年代早期的论文中找到。许多这些材料都使用丙烯酸酯单体，包括：
·R.L.Sutherland等人的Chem.Mater.，第5卷，第1533页(1993年)，描述了使用丙烯酸酯聚合物和表面活性剂，其公开内容通过引用并入本文。具体而言，配方包括交联多功能丙烯酸酯单体；扩链剂N-乙烯基吡咯烷酮、LC E7、光引发剂孟加拉红和共引发剂N-苯基甘氨酸。在某些变体中添加了表面活性剂辛酸。
·Fontecchio等人的SID 00Digest，第774-776页，2000年，描述了用于反射显示应用的UV可固化的HPDLC，其包括多功能丙烯酸酯单体、LC、光引发剂、共引发剂和链终止剂，其公开内容通过引用并入本文。
·Y.H.Cho等人的Polymer International，第48期，第1085-1090页，1999年，公开了包括丙烯酸酯的HPDLC配方，其公开内容通过引用并入本文。
·Karasawa等人的Japanese Journal of Applied Physics，第36卷，第6388-6392页，1997年，描述了各种功能顺序的丙烯酸酯，其公开内容通过引用并入本文。
·T.J.Bunning等人的Polymer Science:Part B:Polymer Physics，第35卷，第2825-2833页，1997年，也描述了多功能丙烯酸酯单体，其公开内容通过引用并入本文。
·G.S.lannacchione等人的Europhysics Letters，第36(6)卷，第425-430页，1996年，描述了包括五丙烯酸酯单体、LC、扩链剂、共引发剂和光引发剂的PDLC混合物，其公开内容通过引用并入本文。
丙烯酸酯具有快速动力学、与其它材料的良好混合以及与成膜工艺的相容性好的优点。由于丙烯酸酯是交联的，因此它们倾向于机械地稳健且挠性。例如，功能为2(di)和3(tri)的氨基甲酸酯丙烯酸酯已广泛用于HPDLC技术。也已经使用了诸如五角和六角功能杆的更高功能的材料。
透射SBG的已知属性之一是LC分子倾向于与垂直于光栅条纹平面的平均方向对准(即，平行于光栅或K-向量)。LC分子排列的效果是透射SBG高效地衍射P偏振光(即，在入射平面具有偏振向量的光)，但对于S偏振光(即，偏振向量垂直于入射平面的光)具有几乎为零的衍射效率。
等同原则
虽然以上描述包含了本发明的许多具体实施例，但是这些不应被解释为对本发明的范围的限制，而是作为其一个实施例的示例。虽然在本公开中仅详细描述了若干实施例，但是许多修改是可能的(例如，各种元件的尺寸、维度、结构、形状和比例、参数值、安装布置、材料的使用、颜色、朝向等)。例如，元件的位置可以颠倒或以其它方式改变，并且离散元件或位置的性质或数量可以被更改或改变。因此，所有此类修改旨在被包括在本公开的范围内。根据替代实施例，任何过程或方法步骤的次序或顺序可以被改变或重新排序。在不脱离本公开的范围的情况下，可以在示例性实施例的设计、操作条件和布置中进行其它替换、修改、改变和省略。因此应该理解的是，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，可以以不同于具体描述的方式来实践本发明。因此，本发明的实施例在所有方面都应被视为说明性的而非限制性的。因此，本发明的范围不应由所示的实施例来确定，而应由所附权利要求书及其等同形式来确定。

Claims (23)

1.一种波导显示器，包括：
波导，支撑具有一般光传播方向的单个光栅层；
经数据调制的光的源，光学耦合到所述波导；
第一输入耦合器，用于将来自所述源的第一光谱带的光引导到第一波导光瞳中；
第二输入耦合器，用于将来自所述源的第二光谱带的光引导到第二波导光瞳中；
输出耦合器，包括第一多路复用光栅和第二多路复用光栅；
第一折叠光栅，用于沿着从所述第一光瞳到所述输出耦合器的第一路径引导所述第一光谱带并提供第一光束扩展；
至少第二折叠光栅，用于沿着从所述第二光瞳到所述输出耦合器的第二路径引导所述第二光谱带并提供第一光束扩展；
所述第一多路复用光栅在第一方向上将所述第一光谱带引导出所述波导，其中光束扩展与所述第一光束扩展正交，
所述第二多路复用光栅在所述第一方向上将所述第二光谱带引导出所述波导，其中光束扩展与所述第一光束扩展正交。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述第一输入耦合器和第二输入耦合器各自包括棱镜和光栅中的至少一个。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述第一输入耦合器包括第一棱镜，并且所述第二输入耦合器包括第二棱镜，其中所述第一棱镜和第二棱镜沿着所述波导的一般光传播方向设置。
4.如权利要求1所述的装置，其中所述第一输入耦合器包括第一棱镜，并且所述第二光输入耦合器包括第二棱镜，其中所述第一棱镜和第二棱镜沿着正交于所述波导的一般光传播方向的方向设置。
5.如权利要求1所述的装置，其中所述第一输入耦合器包括第一光栅，并且所述第二输入耦合器包括第二光栅，其中所述第一光栅和第二光栅沿着所述波导的一般光传播方向设置。
6.如权利要求1所述的装置，其中所述第一输入耦合器包括第一光栅，并且所述第二输入耦合器包括第二光栅，其中所述第一光栅和第二光栅沿着正交于所述波导的一般光传播方向的方向设置。
7.如权利要求1所述的装置，其中第一输入耦合器包括棱镜和第一光栅，并且第二输入耦合器包括棱镜和第二光栅，其中第一光栅和第二光栅沿着波导的一般光传播方向设置。
8.如权利要求1所述的装置，其中所述第一输入耦合器包括棱镜和第一光栅，并且所述第二输入耦合器包括棱镜和第二光栅，其中第一光栅和第二光栅沿着正交于波导的一般光传播方向的方向设置。
9.如权利要求1所述的装置，其中第一输入耦合器包括第一棱镜和第一光栅，并且第二输入耦合器包括第二棱镜和第二光栅，其中第一光栅和第二光栅被多路复用。
10.如权利要求1所述的装置，其中折叠光栅被多路复用并且具有用于执行二维光束扩展和从所述波导提取光的规格。
11.如权利要求1所述的装置，其中第一折叠光栅和第二折叠光栅中的每一个被配置为在第一方向上提供光瞳扩展，其中输出光栅被配置为在与第一方向不同的第二方向上提供光瞳扩展。
12.如权利要求1所述的装置，其中源包括至少一个LED。
13.如权利要求1所述的装置，其中源包括具有偏向第一光谱带的峰值波长的光谱输出的至少一个LED和具有偏向第二光谱带的峰值波长的光谱输出的至少一个LED。
14.如权利要求1所述的装置，其中光栅中的至少一个光栅是滚动k-向量光栅。
15.如权利要求1所述的装置，其中光在折叠光栅中的至少一个折叠光栅内经历双重相互作用。
16.如权利要求1所述的装置，其中经数据调制的光的源包括：
微显示面板，其中微显示器被配置用于显示图像像素；以及
具有准直光学器件的输入图像节点，其中输入图像节点投影显示在微显示面板上的图像，使得微显示面板上的每个图像像素在第一波导内被转换成唯一的角方向。
17.如权利要求1所述的装置，包括至少一个具有空间变化的节距的光栅。
18.如权利要求1所述的装置，其中输入耦合器、折叠光栅和输出光栅中的至少一个是在全息光聚合物、HPDLC材料或均匀调制全息液晶聚合物材料中记录的可切换布拉格光栅或者表面浮雕光栅之一。
19.一种显示彩色图像的方法，包括以下步骤：
提供支撑单个光栅层的波导、光的源、第一输入耦合器、第二输入耦合器、包括第一多路复用光栅和第二多路复用光栅的输出耦合器、第一折叠光栅和第二折叠光栅；
经由第一输入耦合器将来自源的第一光谱带引导到第一波导光瞳中；
经由第二输入耦合器将来自源的第二光谱带引导到第二波导光瞳中；
借助于第一折叠光栅对第一光谱带光进行光束扩展并将其重定向到输出耦合器上；
借助于第二折叠光栅对第二光谱带光进行光束扩展并将其重定向到输出耦合器上；
借助于第一多路复用光栅对第一光谱带光进行光束扩展并从波导中提取第一光谱带光；以及
借助于第二多路复用光栅对第二光谱带光进行光束扩展并从波导中提取第二光谱带光。
20.一种波导显示器，包括：
波导，支撑单个光栅层；
经图像调制的光的源，光学耦合到波导；
第一输入耦合器，用于将来自源的第一光谱带的光引导到第一波导光瞳中；
第二输入耦合器，用于将来自源的第二光谱带的光引导到第二波导光瞳中；
第一折叠光栅和第二折叠光栅，分别用于衍射第一光谱带和第二光谱带；以及
输出耦合器，包括多路复用的第一光栅和第二光栅，用于分别将第一带和第二带衍射出波导。
21.一种光场显示器，包括如权利要求1所述的第一波导显示器和如权利要求1所述的第二波导显示器，其中第一波导和第二波导的输入耦合器和输出耦合器重叠，其中第一波导显示器中的至少一个光栅具有用于将从第一波导提取的光聚焦到第一焦平面的光功率，其中第二波导显示器中的至少一个光栅具有用于将从第一波导提取的光聚焦到第二焦平面的光功率，其中第一波导显示器和第二波导显示器的输入耦合器各自包括能够在衍射和非衍射状态之间切换的光栅。
22.如权利要求21所述的装置，其中当第二波导显示器的光栅处于其非衍射状态时，第一波导显示器的光栅处于其衍射状态，用于入射耦合经图像调制的光以在第一焦平面处观看，其中当第一波导显示器的光栅处于其非衍射状态时，第二波导显示器的光栅处于其衍射状态，用于入射耦合第二经图像调制的光以在第二焦平面处观看。
23.如权利要求1所述的装置，其中第一输入耦合器和第二输入耦合器各自包括至少一个光栅，其中第一输入耦合器和第二输入耦合器的每一个的至少一个光栅、折叠光栅以及第一多路复用光栅和第二多路复用光栅都设置在单个光栅层中。
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