CN113454387A - 具有光合路器的近眼显示系统 - Google Patents

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Abstract

提供了一种光波导。光波导包括基底结构(420)和布置在基底结构(420)处的多个光栅结构(421‑1、521‑1、521‑2、521‑3、421‑n)。光栅结构包括被配置成将多个光耦合到光波导中的多个向内耦合光栅结构(421‑1…421‑n)。第一向内耦合光栅结构(421‑1)的光栅周期或倾斜角中的至少一者不同于第二向内耦合光栅结构(421‑2)的相对应的光栅周期或相对应的倾斜角中的至少一者。光栅结构还包括被配置为将光耦合出光波导的多个向外耦合光栅结构(521‑1、521‑2、521‑3)。

Description

具有光合路器的近眼显示系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年2月22日提交的第62/809,506号美国申请和于2019年2月12日提交的第16/788,980号美国申请的权益，这两个申请的内容通过引用以其整体并入本文以用于所用目的。
技术领域
本公开总体上涉及光学系统，且更具体地涉及具有光合路器(optical combiner)的近眼显示系统。
背景
近眼显示器(“NED”)例如在虚拟现实(“VR”)系统和/或增强现实(“AR”)系统中实现的头戴式显示器具有诸如紧凑、轻重量、高分辨率、大视场(“FOV”)和小形状因子的设计标准。近眼显示器包括生成图像光的显示元件，该图像光在到达用户的眼睛之前穿过一个或更多个透镜。一个或更多个透镜可能影响NED向用户提供舒适的视觉体验的能力。在AR系统中，AR合路器可以被包括以组合虚拟对象的图像光和由在真实世界环境中的对象反射的光，使得用户可以通过组合器观看真实世界环境，同时也观看叠加在真实世界环境视图上的虚拟对象。在AR合路器中，虚拟二维图像从单个点被提供并被投影到用户的眼睛中。合路器可以包括衍射光学器件(例如全息光栅、表面浮雕光栅等)以将图像光引导到用户的眼睛中，给用户提供图像来自远场的假象。
概述
本公开的一个方面提供了一种光波导，该光波导包括基底结构和布置在基底结构处的多个光栅结构。多个光栅结构包括被配置成将多个光耦合到光波导中的多个向内耦合光栅结构。第一向内耦合光栅结构的光栅周期或倾斜角中的至少一者不同于第二向内耦合光栅结构的相对应的光栅周期或相对应的倾斜角中的至少一者。多个光栅结构还包括被配置为将光耦合出光波导耦合的多个向外耦合光栅结构。
在一些实施例中，对于将光耦合到光波导中的向内耦合光栅结构中的至少一个向内耦合光栅结构，一组两个或更多个向外耦合光栅结构可以被配置为将光耦合出光波导，以及两个或更多个向外耦合光栅结构可以具有以下至少一者：相同光栅周期或相同倾斜角。
基底结构可以包括光敏聚合物材料。多个光栅结构可以包括被记录(recorded)在光敏聚合物材料中的多个体全息光栅结构(volume holographic grating structures)。
多个光栅结构可以包括以下至少一种：体全息光栅结构或表面浮雕光栅结构。多个向内耦合光栅结构中的至少两个向内耦合光栅结构的光栅周期可以是不同的。多个向内耦合光栅结构中的至少两个向内耦合光栅结构的倾斜角可以是不同的。光栅结构可以被布置在以下至少一者处：基底结构的顶表面或底表面。
光波导还可以包括被布置在基底结构的第一侧的第一基板和被布置在基底结构的与第一侧相对的第二侧的第二基板。多个光栅结构的至少一部分可以设置在以下至少一者处：第一基板的面向基底结构的表面、第一基板的背向基底结构的表面、第二基板的面向基底结构的表面或第二基板的背向基底结构的表面。多个光栅结构的至少一部分可以至少部分地设置在第一基板或第二基板中的至少一者内部。
基底结构可以包括第一基底结构和第二基底结构，多个向内耦合光栅结构可以设置在第一基底结构处，以及多个向外耦合光栅结构可以设置在第二基底结构处。光波导还可以包括第一基板、第二基板和中心基板，其中第一基底结构可以布置在第一基板和中心基板之间，以及第二基底结构可以布置在中心基板和第二基板之间。
本公开的另一方面提供了一种光学设备。该光学设备包括被配置为生成多个图像光的显示器以及与显示器耦合并被配置为将由显示器生成的图像光引导到光学设备的视窗(eye-box)的光波导。光波导包括基底结构和布置在基底结构处的多个光栅结构。多个光栅结构包括被配置成将图像光耦合到光波导中的多个向内耦合光栅结构。第一向内耦合光栅结构的光栅周期或倾斜角中的至少一者不同于第二向内耦合光栅结构的相对应的光栅周期或相对应的倾斜角中的至少一者。多个光栅结构还包括被配置为将图像光耦合出光波导的多个向外耦合光栅结构。
在一些实施例中，对于将图像光耦合到光波导中的向内耦合光栅结构中的至少一个向内耦合光栅结构，一组两个或更多个向外耦合光栅结构可以被配置为将图像光耦合出光波导，以及两个或更多个向外耦合光栅结构可以具有以下至少一项：相同的光栅周期或相同的倾斜角。基底结构可以包括光敏聚合物材料，以及多个光栅结构可以包括被记录在光敏聚合物材料中的多个体全息光栅结构。多个光栅结构可以包括以下至少一项：体全息光栅结构或表面浮雕光栅结构。多个向内耦合光栅结构中的至少两个向内耦合光栅结构的光栅周期可以是不同的，或者多个向内耦合光栅结构中的至少两个向内耦合光栅结构的倾斜角可以是不同的。
基底结构可以包括第一基底结构和第二基底结构，多个向内耦合光栅结构可以设置在第一基底结构处，以及多个向外耦合光栅结构可以设置在第二基底结构处。光学设备还可以包括第一基板、第二基板和中心基板。第一基底结构可以布置在第一基板和中心基板之间。第二基底结构可以布置在中心基板和第二基板之间。
鉴于本公开的描述、权利要求和附图，本公开的其他方面可以被本领域中的技术人员理解。前面的总体描述和下面的详细描述仅仅是示例性和解释性的，而不是对权利要求的限制。
附图简述
附图为了说明性目的根据各种所公开的实施例被提供，并且不意欲限制本公开的范围。在附图中:
图1根据本公开的实施例示出了近眼显示器的示意图；
图2根据本公开的实施例示出了近眼显示器的横截面的示意图；
图3根据本公开的实施例示出了波导显示组件和光合路器的示意图；
图4根据本公开的实施例示出了光合路器的示意图；
图5A根据本公开的实施例示出了可以被包括在图4所示的光合路器中的向内耦合光栅结构的示意图；
图5B根据本公开的实施例示出了可以被包括在图4所示的光合路器中的向外耦合光栅结构的示意图；
图6根据本公开的另一实施例示出了光合路器的示意图；以及
图7根据本公开的另一实施例示出了光合路器的示意图。
详细描述
将参照附图描述与本公开一致的实施例，附图仅仅是用于说明性目的的示例，并不意欲限制本公开的范围。只要可能，相同的参考数字就在所有附图中用于指相同或相似的部分，而其详细描述可以被省略。
此外，在本公开中，所公开的实施例和所公开的实施例的特征可以组合。所描述的实施例是本公开的一些但不是全部实施例。基于所公开的实施例，本领域中的普通技术人员可以得到与本公开一致的其他实施例。例如，可以基于所公开的实施例来做出修改、改编、替换、添加或其他变化。所公开的实施例的这样的变化仍然在本公开的范围内。因此，本公开不限于所公开的实施例。替代地，本公开的范围由所附权利要求限定。
如在本文所使用的，术语“耦合”、“被耦合”、“耦合的”或诸如此类可以包含光耦合、机械耦合、电耦合、电磁耦合或它们的组合。在两个光学元件之间的“光耦合”指以下配置：两个光学元件排列在一个光学系列中，以及来自一个光学元件的光输出可以被另一个光学元件直接或间接地接收。光学系列指多个光学元件在光路中的光学定位，使得从一个光学元件输出的光可以被其他光学元件中的一个或更多个透射、反射、衍射、转换、修改或以其他方式处理或操纵。在一些实施例中，多个光学元件被排列的顺序可以影响或可以不影响多个光学元件的总输出。耦合可以是直接耦合或间接耦合(例如，通过中间元件耦合)。
短语“A或B中的至少一个”可以包含A和B的所有组合，例如仅A、仅B、或A和B。同样，短语“A、B或C中的至少一个”可以包含A、B和C的所有组合，例如仅A、仅B、仅C、A和B、A和C、B和C、或A和B和C。短语“A和/或B”具有与短语“A或B中的至少一个”的含义相似的含义。例如，短语“A和/或B”可以包含A和B的所有组合，例如仅A、仅B、或A和B。同样，短语“A、B和/或C”具有与短语“A、B或C中的至少一个”的含义相似的含义。例如，短语“A、B和/或C”可以包含A、B和C的所有组合，例如仅A、仅B、仅C、A和B、A和C、B和C、或A和B和C。
当第一元件被描述为被“附接”、“设置”、“形成”、“粘附(affixed)”、“安装(mounted)”、“固定(secured)”、“连接”、“键合(bonded)”、“记录(record)”或“布置”到第二元件、在第二元件上、在第二元件处、至少部分地在第二元件中时，第一元件可以使用任何合适的机械或非机械方式(例如沉积、涂覆、蚀刻、键合、胶合、旋拧(screwing)、压配合、搭扣配合、夹紧等)被“附接”、“设置”、“形成”、“粘附”、“安装”、“固定”、“连接”、“键合”、“记录”或“布置”到第二元件、在第二元件上、在第二元件处、或至少部分地在第二元件中。此外，第一元件可以与第二元件直接接触，或者在第一元件和第二元件之间可以有中间元件。第一元件可以布置在第二元件的任何合适的侧(例如左边、右边、正面、背面、顶部或底部)处。
当第一元件被示出或描述为布置或排列在第二元件“上”时，术语“在……上”仅用于指示在第一元件和第二元件之间的示例相对定向。该描述可以基于在图中所示的参考坐标系，或者可以基于在附图中所示的当前视图或示例配置。例如，当在图中所示的视图被描述时，第一元件可以被描述为布置在第二元件“上”。应当理解，术语“在……上”可能不一定暗示第一元件在垂直重力方向上在第二元件之上方。例如，当第一元件和第二元件的组件旋转180度时，第一元件可以在第二元件“之下”(或者第二元件可以在第一元件“上”)。因此，应当理解，当附图显示第一元件在第二元件“上”时，该配置仅仅是说明性示例。第一元件可以相对于第二元件以任何合适的定向进行布置或排列(例如，在第二元件之上或上方、在第二元件之下或下方、在第二元件左侧、在第二元件右侧、在第二元件后面、在第二元件前面等)。
本公开中提到的波长范围或带是为了说明性目的。所公开的光学设备、系统、元件、组件和方法可以应用于可见波长范围以及其他波长范围，例如紫外(“UV”)波长范围、红外波长范围或它们的组合。
在本公开中，当光栅结构被描述为被布置(例如形成、沉积、涂覆、蚀刻、记录或以其他方式设置)“在”结构、设备或材料(例如基底结构)上或“至少部分地在”结构、设备或材料中时，术语“在……上”或短语“至少部分地在……中”应广泛地被解释为包含各种配置，例如光栅结构形成在结构、设备或材料的表面上的配置、光栅结构至少部分地形成在结构、设备或材料中或内部的配置、光栅结构被记录、涂覆、沉积、蚀刻或印刷(或以任何其他合适的方式设置)在结构、设备或材料上或内部的配置。换句话说，术语“在……上”或短语“至少部分地在……中”可以不严格地限制在光栅结构和结构、设备或材料之间的位置关系。当光栅结构被称为被形成或设置“在”结构、设备或材料处时，术语“在……处”应广泛地被解释为包含其中光栅结构“至少部分地”被形成或设置在结构、设备或材料上的各种配置以及在光栅结构和基底结构、设备或材料之间的其他合适的配置。
在传统光合路器中，用于将光向内耦合到波导中的光栅结构可以具有恒定光栅周期和恒定倾斜角。因而，传统光合路器可以将特定视场(“FOV”)方向的光或者在FOV方向的有限范围内的光引导到用户的眼睛。因此，与具有传统光合路器的传统近眼显示器相关联的视窗通常很小，这提供了用于使用户的眼睛四处移动的小空间。当眼睛四处移动时，在近眼显示器上显示的虚拟图像可以从视窗移出并从用户的视野消失。本公开提供了可以起光合路器的作用的光波导。该光波导可以包括被配置为在空间中复制FOV以创建更大(或放大)的视窗的一个或更多个光栅结构，从而改善用户体验。
光栅是包含被配置为衍射光的周期性结构(即光栅结构)的光学部件。在所公开的实施例中，光栅结构的周期(或光栅周期)指在两个相邻微结构(也被称为光栅线)之间的距离。光栅结构的倾斜角指在光栅矢量和入射(或进入)表面(光在该入射表面处进入光栅结构)的法线之间的角。根据本公开，光波导可以包括一个或更多个(例如一组或多个)向内耦合光栅结构，该一个或更多个(例如一组或多个)向内耦合光栅结构被配置为将对应于不同FOV角(或方向)的入射光耦合到光合路器中，并通过全内反射在光波导中传播向内耦合光。多个向内耦合光栅结构可以被配置为具有恒定(例如，相同)或可变的光栅周期和/或恒定或可变的倾斜角，使得对应于不同FOV角(或方向)的入射光可以被耦合到光波导中，并通过全内反射在光波导中进一步传播。
例如，用于将对应于第一FOV方向的入射光耦合到光波导中的第一向内耦合光栅结构可以具有第一光栅周期和第一倾斜角。用于将对应于第二FOV方向的入射光耦合到光波导中的第二向内耦合光栅结构可以具有第二光栅周期和第二倾斜角。在一些实施例中，第一光栅周期可以不同于第二光栅周期。在一些实施例中，第一光栅周期可以与第二光栅周期相同。在一些实施例中，第一倾斜角可以不同于第二倾斜角。在一些实施例中，第一倾斜角可以与第二倾斜角相同。其他向内耦合光栅结构可以被配置为将对应于其他不同FOV方向的入射光分别耦合到光波导中，并且通过光合路器内部在不同角度下的全内反射传播向内耦合的光。
光波导可以包括多个向外耦合光栅结构，该多个向外耦合光栅结构被配置为将通过在不同角度下的全内反射在光合路器内部传播的向内耦合的光朝着用户的眼睛耦合出光合路器。向外耦合光栅结构可以包括与多个向内耦合光栅结构一一对应的一组或多组(例如多组)向外耦合光栅结构。在同一组向外耦合光栅结构中包括的向外耦合光栅结构可以具有相同的光栅周期和/或相同的倾斜角。在不同组向外耦合光栅结构中包括的向外耦合光栅结构可以具有不同的光栅周期和/或不同的倾斜角。在一些实施例中，在同一组向外耦合光栅结构中包括的向外耦合光栅结构可以具有至少两个不同的光栅周期和/或至少两个不同的倾斜角。
例如，在一些实施例中，多组向外耦合光栅结构可以包括对应于第一向内耦合光栅结构的第一组向外耦合光栅结构以及对应于第二向内耦合光栅结构的第二组向外耦合光栅结构。第一组向外耦合光栅结构和第二组向外耦合光栅结构中的每一组可以包括一个、两个或多于两个向外耦合光栅结构。在一些实施例中，在第一组向外耦合光栅结构中包括的所有向外耦合光栅结构可以具有相同的光栅周期和相同的倾斜角。在一些实施例中，在第二组向外耦合光栅结构中包括的所有向外耦合光栅结构可以具有相同的光栅周期和相同的倾斜角，该相同的光栅周期和相同的倾斜角可以不同于与第一组向外耦合光栅结构相关联的光栅周期和倾斜角。在一些实施例中，在第一组向外耦合光栅结构或第二组向外耦合光栅结构中包括的至少两个向外耦合光栅结构可以具有不同的光栅周期和/或不同的倾斜角。
图1示出近眼显示器(“NED”)100的实施例的示意图。在一些实施例中，可以省略图1所示的某些设备或部件。在一些实施例中，在图1中未示出的另外的设备或部件可以被包括在NED 100中。NED 100可以被配置为向用户呈现媒体内容，例如一个或更多个图像、视频和/或音频。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)被呈现，该外部设备可以从NED 100和/或控制台接收音频信息，并基于音频信息来呈现音频数据。NED 100可以作为增强现实(“AR”)设备、虚拟现实(“VR”)设备、混合现实(“MR”)设备或它们的一些组合来操作。
如图1所示，NED 100可以包括框架110、右显示系统120R和左显示系统120L。框架110可以包括任何合适类型的安装结构以邻近于用户的眼睛安装右显示系统120R和左显示系统120L。右显示系统120R和左显示系统120L可以被配置为使用户能够观看由NED 100呈现的内容和/或观看真实世界对象的图像(例如，右显示系统120R和左显示系统120L中的每一个可以包括透明光学元件，例如本文公开的光合路器)。在一些实施例中，右显示系统120R和左显示系统120L可以包括被配置为生成虚拟图像或虚拟图像的图像光并将图像光引导到用户的眼睛的任何合适的显示组件(未示出)。
图2示出了图1所示的NED 100的横截面200的实施例。为了说明的目的，图2示出了与左显示系统120L相关联的横截面200。如图2所示，左显示系统120L可以包括用于用户的眼睛220的波导显示组件210以及与显示组件210耦合的光合路器360。在一些实施例中，波导显示组件210可以被配置成生成图像光，并朝着光合路器360引导图像光。光合路器360可以朝着在出射光瞳230处的视窗引导图像光。出射光瞳230可以在一位置处，在该位置，用户的眼睛220位于视窗区域中。为了说明的目的，图2示出了与单个眼睛220和单个波导显示组件210相关联的横截面200。在一些实施例中，与图2所示的波导显示组件210分离的另一显示组件可以向位于用户的另一只眼睛的出射光瞳处的视窗提供图像光。
波导显示组件210可以包括具有一个或更多个折射率的一种或更多种材料(例如塑料、玻璃等)。波导显示组件210可以有效地最小化NED 100的重量和加宽NED 100的视场(“FOV”)。在一些实施例中，波导显示组件210可以是NED 100的部件。在一些实施例中，波导显示组件210可以是将图像光引导到特定位置的某个其他NED或其他系统的部件。如图2所示，波导显示组件210可以用于用户的一只眼睛220。用于一只眼睛的波导显示组件210可以与用于另一只眼睛的波导显示组件210分离或部分地分离。在某些实施例中，单个波导显示器组件210可以用于用户的双眼220。
在一些实施例中，NED 100可以包括布置在波导显示组件210和眼睛220之间的一个或更多个光学元件。光学元件可以被配置成例如校正从波导显示组件210发射的图像光中的像差，放大从波导显示组件210发射的图像光，执行对从波导显示组件210发射的图像光的另一种类型的光学调整。一个或更多个光学元件的示例可以包括光圈(aperture)、菲涅尔透镜、凸透镜、凹透镜、滤波器或影响图像光的任何其他合适的光学元件。在一些实施例中，波导显示器组件210可以包括波导显示器的堆叠。在一些实施例中，堆叠式波导显示器可以包括通过堆叠其相应单色光源具有不同的颜色的波导显示器而形成的多色显示器(例如红绿蓝(RGB)显示器)。例如，堆叠式波导显示器可以包括被配置为投射在多个平面上的多色显示器(例如多焦点彩色显示器)。在一些配置中，堆叠式波导显示器可以包括被配置为投射在多个平面上的单色显示器(例如多焦点单色显示器)。
在一些实施例中，光合路器360可以是至少部分透明的，以使NED 100的用户能够观看真实世界场景。由波导显示组件210显示的虚拟场景可以与真实世界场景的视图光学地组合以实现光学透明AR近眼显示器。尽管在图2所示的实施例中示出了两个光合路器360(在用户的眼睛的每一侧上有一个光合路器)，但是在一些实施例中可能使用单个光合路器360。图2示出了光合路器360与波导显示组件210平行地布置。这个配置用于说明性目的。本公开并不限制在波导显示组件210和光合路器360之间的位置关系。
图3示出了波导显示组件210和光合路器360的实施例的示意图。图3示出了波导显示组件210和光合路器360的y-z截面。如图3所示，波导显示组件210可以包括光源组件310、输出波导320和光源控制器330。光源组件310可以包括光源325和光学系统315。光学系统315可以包括被配置为调节由光源325生成的光的一个或更多个光学部件。例如，光学系统315可以由光源控制器330控制以对由光源325生成的光执行各种调节(例如偏振、扩展和/或准直)。一个或更多个光学部件可以包括一个或更多个透镜、一个或更多个偏振器、一个或更多个反射镜、一个或更多个光圈、一个或更多个光栅或以上项的组合。从光源组件310的光学系统315发射的光可以被称为图像光340。
光源控制器330可以控制光源组件310以生成图像光340，并将图像光340输出到位于输出波导320的第一侧或表面320-1处的向内耦合元件350。向内耦合元件350可以将来自光源组件310的图像光340耦合到输出波导320中。向内耦合元件350可以包括例如衍射光栅(例如表面浮雕光栅、体全息图(volume hologram)、偏振光栅、偏振体全息图、超颖表面光栅、其他合适类型的衍射元件或它们的组合)、一个或更多个级联反射器、一个或更多个棱镜表面元件、全息反射器的阵列或以上项的组合。在一些实施例中，向内耦合元件350可以包括衍射光栅。衍射光栅的周期可以被配置成使得图像光340在输出波导320内部通过全内反射朝着光合路器360传播。
输出波导320可以将接收到的图像光340引导到位于输出波导320的第一侧320-1处的光合路器360。在一些实施例中，光合路器360可以朝着位于出射光瞳230处的视窗引导图像光。在一些实施例中，光合路器360可以朝着位于输出波导320的第二侧320-2处的向外耦合元件370引导图像光，使得接收到的输入图像光340可以经由向外耦合元件370耦合出输出波导320。向外耦合的图像光可以被引导到位于出射光瞳230处的视窗，并进一步进入用户的眼睛。
在一些实施例中，光合路器360可以被布置(例如形成、沉积、设置等)在输出波导320的第一侧320-1处。例如，在一些实施例中，光合路器360可以被形成为输出波导320的整体部分。在一些实施例中，光合路器360可以至少部分地形成在输出波导320内部。在一些实施例中，光合路器360可以不是输出波导320的整体部分，并且可以被布置(例如附着、粘附、形成等)为在波导320上的单独元件。
在一些实施例中，光合路器360可以被配置有一个或更多个(例如多个)光栅结构，该一个或更多个(例如多个)光栅结构被配置为在空间中复制FOV以创建与传统光合路器相比更大或放大的视窗，从而改善近眼显示器的用户体验。向外耦合元件370可以布置在输出波导320的第二侧320-2处，使得光合路器360可以与向外耦合元件370相对地布置。在一些实施例中，向外耦合元件370可以被形成为输出波导370的整体部分。在一些实施例中，向外耦合元件370可以至少部分地形成在输出波导320内部。在一些实施例中，向外耦合元件370可以不是输出波导320的整体部分，并且可以被布置(例如附接、粘附、形成等)为在波导320上的单独元件。在一些实施例中，向外耦合元件370可以包括例如衍射光栅(例如表面浮雕光栅、体全息图、偏振光栅、偏振体全息图、超颖表面光栅、其他合适类型的衍射元件或它们的组合)、一个或更多个级联反射器、一个或更多个棱镜表面元件、全息反射器的阵列或以上项的组合。
在一些实施例中，波导显示器210可以包括多个光源组件310和多个输出波导320。至少一个(例如每个)光源组件310可以发射对应于原色(例如红色、绿色或蓝色)的特定波段的单色图像光。光合路器360可以包括多个光栅结构，该多个光栅结构被配置为在空间中复制在RGB中的FOV以创建与传统光合路器相比更大或放大的视窗。
在图3中，光合路器360被示为布置在输出波导320的第一侧320-1。这个配置仅用于说明性目的。本公开不限制在输出波导320和光合路器360之间的位置关系。在一些实施例中，光合路器360可以与输出波导320并排地布置。
图4示意性地示出了光合路器360的实施例。图4示出了光合路器360的y-z截面。图5A示意性地示出了被包括在图4所示的光合路器360中的向内耦合光栅结构的实施例。图5A示出了被包括在图4所示的光合路器360中的向内耦合光栅结构的y-z截面。图5B示意性地示出了被包括在图4所示的光合路器360中的向外耦合光栅结构的实施例。图5A示出了被包括在图4所示的光合路器360中的向外耦合光栅结构的y-z截面。
如图4所示，光合路器360可以被配置成朝着用户的眼睛450引导光，例如由显示组件405生成的图像光。尽管为了说明性目的，显示组件405被示为与光合路器360分离，但是在一些实施例中显示组件405可以与光合路器360平行地布置或在堆叠式配置中布置。在一些实施例中，显示组件405可以类似于波导显示组件210，或者可以是波导显示组件210的实施例。在一些实施例中，显示组件405可以包括可以被配置为显示媒体内容(例如图像和/或视频)的任何合适的显示设备。在一些实施例中，显示器405可以由不是显示器的另一光学元件(例如光源或被配置为朝着光合路器360引导图像光的光学元件)代替。
如图4所示，在一些实施例中，光合路器360可以包括第一基板411、第二基板412和夹在第一基板411和第二基板412之间的基底结构420。在一些实施例中，第一基板411和第二基板412可以与基底结构420的相对表面直接接触。在一些实施例中，中间元件可以布置在第一基板411和基底结构420之间和/或在第二基板412和基底结构420之间。第一基板411或第二基板412中的至少一个(例如每个)可以在感兴趣的光学带中(例如在可见波段中、在红外波段中等)是实质上透明的。在一些实施例中，第一基板411或第二基板412中的至少一个(例如每个)可以在可见波段(例如从大约380nm到750nm的波段)中是实质上透明的。在一些实施例中，第一基板411或第二基板412中的至少一个(例如每个)可以在至少一些红外(“IR”)波段中(例如在从大约750nm到大约1mm的波段中)是实质上透明的。第一基板411和第二基板412可以包括合适的材料，例如硅、二氧化硅、蓝宝石、塑料、玻璃或它们的组合。
基底结构420可以包括合适的材料。一个或更多个光栅结构(例如体全息光栅结构、表面浮雕光栅结构)可以被布置(例如形成)在基底结构420处(例如，在基底结构420的表面上或该处，或者至少部分地在基底结构420内部)。该材料可以包括以下中的至少一个：光敏(或光致抗蚀剂)材料(例如光敏聚合物)、硅、塑料、玻璃或它们的组合。在下面的描述中，光敏聚合物可以用作基底结构420的材料的示例。在一些实施例中，多个光栅结构(例如体全息光栅结构、表面浮雕光栅结构等)可以通过合适的工艺(例如全息术、光刻术、电子束处理、电子辐射或它们的组合)形成(例如沉积、记录)在光敏聚合物基底结构420的表面上或者至少部分地形成(例如沉积、记录)在光敏聚合物基底结构420中形成。在一些实施例中，在基底结构420中包括的光敏聚合物可以具有预定的厚度和大的双折射以记录具有高衍射效率和小角度带宽的多路复用全息图。
为了说明性目的，示例光栅结构421-1、521-1、521-2、521-3、421-n、529-1和529-2被示意性地示为至少部分地形成在基底结构420中。在一些实施例中，光栅结构可以被形成在基底结构420的其他部分处，例如在基底结构420的顶表面和/或底表面处(例如在第一基板411和第二基板412被布置的两个相对表面处)。
光栅结构可以是包括多个微结构(也被称为光栅线)的周期性结构。为了说明性目的，在光栅结构421-1、521-1、521-2、521-3、421-n、529-1和529-2中的每个中示意性地示出了三条光栅线。光栅线的数量不限于三，并且可以是任何合适的数量，例如小于三和大于三。在一些实施例中，光栅结构可以包括至少100条光栅线。在一些实施例中，光栅结构可以包括至少1000条光栅线。光栅结构中的光栅线的数量可以变化，并且可以基于各种应用场景来被配置。
光栅结构可以与光栅周期和倾斜角相关联。参考图5A，在所公开的实施例中，光栅结构的周期(或光栅周期)Λ指在两个相邻光栅线之间的距离，以及光栅的倾斜角α指在光栅矢量K和入射表面的法线N之间的角度。在一些实施例中，光栅周期Λ可以是入射光的波长的数量级。在一些实施例中，倾斜角α可以被限定在0至90度之间。在一些实施例中，倾斜角α可以被限定在0至180度之间。
回到图4，参考数字431和432分别代表对应于最左边和最右边的FOV方向的图像光。在一些实施例中，通过配置光栅结构，光合路器360可以被配置为复制与由显示组件405生成的图像光相关的整个FOV，从而与传统光合路器相比，为用户的眼睛450实现更大或放大的视窗440。在一些实施例中，通过配置光栅结构的光栅周期和倾斜角，对应于在最左边的图像光431和最右边的图像光432之间的多个FOV方向中的每一个方向的图像光可以耦合到光合路器360中，通过在光合路器360内部的全内反射传播，并耦合出光合路器360。因此，光栅结构可以将对应于不同FOV方向的图像光引导到眼睛450，从而在不同的空间位置处复制虚拟图像以增加视窗400的尺寸。
与可以仅将对应于特定FOV方向或一些FOV方向的图像光引导到眼睛450的传统光合路器相比，所公开的光合路器360可以将对应于实质上整个FOV的图像光引导到眼睛450，从而复制整个FOV以提供与传统光合路器相比更大或放大的视窗440。较大的440为眼睛提供较大的观看空间，使得当眼睛四处移动时，眼睛将不会忽视在显示器上显示的图像。
在一些实施例中，光合路器360可以包括一个或更多个(例如多个)第一光栅结构421-1、421-2、421-3、…、421-n(为了简单，只有421-1和421-n被示出，“n”是正整数)。多个第一光栅结构也可以被称为向内耦合光栅结构。向内耦合光栅结构421-1到421-n可以被配置成将对应于与显示组件405相关联的不同FOV方向的图像光耦合到光合路器360中。例如，向内耦合光栅结构421-1可以被配置为将对应于最左边的FOV方向的图像光431耦合到光合路器360中，并且向内耦合光栅结构421-n可以被配置为将对应于最右边的FOV方向的图像光432耦合到光合路器360中。向内耦合光栅结构421-1、…、421-i、…、421-n中的每个可以与光栅周期Λi和倾斜角αi相关联，其中i是正整数1≤i≤n，如图5A所示(为了简单，只有Λ1、Λn和α1、αn被示出)。
图5A示出了可以被包括在光合路器360中的向内耦合光栅结构的实施例的示意图。如图5A所示，向内耦合光栅结构421-1至421-n的光栅周期Λ可以是可变的，和/或向内耦合光栅结构421-1至421-n的倾斜角α可以是可变的。例如，第一向内耦合光栅结构421-1可以与用于衍射最左边的光431的光栅周期Λ1和第一倾斜角α1相关联，第二向内耦合光栅结构421-2可以与光栅周期Λ2和第二倾斜角α2相关联，以此类推，最后一个向内耦合光栅结构421-n可以与用于衍射最右边的光432的光栅周期Λn和第二倾斜角αn相关联。
在一些实施例中，光栅周期Λ1、Λ2、…、Λn可以都是相同的。在一些实施例中，光栅周期Λ1、Λ2、…、Λn中的至少两个可以是不同的。在一些实施例中，所有光栅周期Λ1、Λ2、…、Λn可以是彼此不同的。在一些实施例中，倾斜角α1、α2、…、αn可以都是相同的。在一些实施例中，倾斜角α1、α2、…、αn中的至少两个可以是不同的。在一些实施例中，所有倾斜角α1、α2、…、αn可以是彼此不同的。在一些实施例中，对于至少两个向内耦合光栅结构，光栅周期Λi和倾斜角αi二者可以是不同的。例如，在一些实施例中，对于所有向内耦合光栅结构，所有光栅周期Λi和倾斜角αi可以是不同的，其中i是正整数以及1≤i≤n。
在一些实施例中，向内耦合光栅结构421-i的光栅周期Λi和倾斜角αi可以被配置为使第i个向内耦合光栅结构421-i能够通过布拉格衍射将不同入射角的图像光耦合到光合路器360中，其中不同入射角的图像光可以对应于不同的FOV方向。对于在角度θi下入射的图像光，当布拉格条件λ＝2n有效Λicos(θi+αi),被满足时，布拉格衍射发生。在该等式中，λ是衍射波长(例如图像光的波长)，n有效是包括空气和光敏聚合物的光栅层的有效折射率，θi是在入射到第i个向内耦合光栅结构421-i上的图像光和入射光敏聚合物表面的法线N之间的角度，Λi是光栅周期，以及αi是第i个向内耦合光栅结构421-i的倾斜角。在一些实施例中，光栅周期Λ1、Λ2、…、Λn可以逐渐增加或减小。在一些实施例中，倾斜角α1、α2、…、αn可以逐渐增加或减小。随着逐渐变化的光栅周期和倾斜角，由显示组件405产生的对应于各种FOV方向(或对应于FOV的不同部分)的图像光可以耦合到光合路器360中，然后在光合路器360内部通过全内反射传播。
返回参考图4，光合路器360可以包括多个第二光栅结构或向外耦合光栅结构，该向外耦合光栅结构被配置为使图像光朝着视窗440耦合出光合路器360。对于通过向内耦合光栅结构(例如421-1)耦合到光合路器360中的图像光，可以有用于在光合路器的不同部分处和/或在不同的倾斜角下将图像光耦合出光合路器360的一个或更多个(例如一组)向外耦合光栅结构(例如521-1、521-2、521-3)，从而扩大了视窗440的尺寸。
在用于向外耦合特定图像光的一组中包括的向外耦合光栅结构的数量可以取决于向外耦合光栅结构的向外耦合效率。该数量可以是一、二或大于二。术语“一组”可以包括任何合适的数量，例如一、二或大于二。同样，对于每个向内耦合光栅结构421-2、421-3、…、421-n，可以有被配置为将图像光耦合出光合路器360的一个或更多个(例如一组)对应的向外耦合光栅结构。也就是说，在一些实施例中，第i组向外耦合光栅结构可以对应于第i组向内耦合光栅结构。为了说明性目的，图4示出了用于向外耦合由向内耦合光栅结构421-1向内耦合的图像光431的一组三个向外耦合光栅结构521-1、521-2和521-3以及用于向外耦合由向内耦合光栅结构421-n向内耦合的图像光432的一组两个向外耦合光栅结构529-1和529-2。
对于对应于向内耦合光栅结构的一组向外耦合光栅结构，在该以组内的向外耦合光栅结构的光栅周期和倾斜角可以是恒定的。也就是说，在该一组内的向外耦合光栅结构可以具有相同的光栅周期和相同的倾斜角。换句话说，第i组向外耦合光栅结构可以对应于第i组向内耦合光栅结构，以及在第i组向外耦合光栅结构中的光栅结构可以具有相同的光栅周期Pi和相同的倾斜角βi，如图5B所示。图5B示出了可以被包括在光合路器360中的向外耦合光栅结构的实施例的示意图。为了简单，只有向外耦合光栅结构521-1至521-3以及向外耦合光栅结构521-1的P1和β1被示出。
参考图4和图5B，在一些实施例中，对于对应于第一向内耦合光栅结构421-1的第一组向外耦合光栅结构521-1、521-2和521-3，向外耦合光栅结构521-1、521-2和521-3的光栅周期可以是恒定的(或相同的)，以及向外耦合光栅结构521-1、521-2和521-3的倾斜角可以是恒定的(或相同的)。
在一些实施例中，对应于不同向内耦合光栅结构的不同组的向外耦合光栅结构的光栅周期可以是不同的。例如，至少两组向外耦合光栅结构的光栅周期可以是不同的。在一些实施例中，对应于不同向内耦合光栅结构的不同组的向外耦合光栅结构的倾斜角可以是不同的。例如，对应于不同向内耦合光栅结构的至少两组向外耦合光栅结构的倾斜角可以是不同的。
在一些实施例中，对于对应于向内耦合光栅结构的一组向外耦合光栅结构，在该一组内的向外耦合光栅结构的光栅周期和倾斜角可以被配置成使得该一组向外耦合光栅结构可以通过布拉格衍射将由对应的向内耦合光栅结构向内耦合的图像光耦合出光合路器。也就是说，对应于第i个向内耦合光栅结构的第i组向外耦合光栅结构的光栅周期Pi和倾斜角βi可以被配置为使第i组向外耦合光栅结构能够通过布拉格衍射将由第i个向内耦合光栅结构421-i向内耦合的图像光耦合出光合路器360。
对于以角度βi入射在向外耦合光栅结构上的图像光，当布拉格条件λ＝2n有效Picos(γi+βi)被满足时，布拉格衍射发生。在该等式中，λ是衍射波长(例如图像光的波长)，n有效是包括空气和光敏聚合物的光栅层的有效折射率，γi是在入射到第i组向外耦合光栅结构上的图像光和入射光敏聚合物表面的法线N之间的角度，Pi是光栅周期，以及βi是在第i组向外耦合光栅结构中的光栅结构的倾斜角。因此，对应于FOV方向并且通过向内耦合光栅结构耦合到光合路器360中的图像光可以通过相对应的一组向外耦合光栅结构耦合出光合路器360。因而，虚拟图像可以在不同的空间位置处被复制。也就是说，大量光瞳可以在空间中被重新创建。因此，与传统光合路器相比，更大的视窗440可以被创建(或者视窗440可以被放大)，并且用户体验可以被增强。
在所公开的实施例中，通过在基底结构中配置多个向内耦合体布拉格光栅结构和向外耦合体布拉格光栅结构(例如，在光敏聚合物基底结构中的体全息布拉格光栅结构)，对应于各种FOV方向或FOV的各个部分的生成的显示图像光可以通过向内耦合体布拉格光栅结构经由布拉格衍射耦合到光合路器中，并在光合路器内部通过全内反射传播，然后通过相对应的一组向外耦合体布拉格光栅结构经由布拉格衍射耦合出光合路器。因此，虚拟图像可以在不同的空间位置处被复制。也就是说，大量光瞳可以在空间中被重新创建。因此，当与传统的光合路器相比时，更大(或放大)的视窗可以通过所公开的光合路器创建。用户可以有更多的自由或空间来四处移动眼睛，并且所显示的虚拟图像不移动出视窗和从用户的视野消失。所公开的光学系统可以显著增强用户体验。
图6示意性地示出了光合路器360的另一个实施例。图6所示的实施例可以包括与在图4所示的实施例中包括的元件相似或相同的元件。相同或相似元件的描述可以参考上面关于图4给出的描述。图6示出了光合路器360的y-z截面。如图6所示，光合路器360可以包括在光合路器360的其他位置处布置(例如形成)的多个光栅结构。在一些实施例中，光栅结构可以包括表面浮雕光栅。
如图6所示，基底结构420可以具有面向第一基板411的顶表面和相对的底表面。第一基板411可以具有面向基底结构420的底表面和相对的顶表面。第二基板412可以具有面向基底结构420的顶表面和相对的底表面。在一些实施例中，多个光栅结构605(例如表面浮雕光栅结构)可以被布置(例如形成)在基底结构420的顶表面处或在第一基板411的底表面处。在一些实施例中，多个光栅结构610(例如表面浮雕光栅结构)可以被布置(例如形成)在基底结构420的底表面处或第二基板412的顶表面处。在一些实施例中，光栅结构605和/或610可以被形成为基底结构420的整体部分。在一些实施例中，光栅结构605和/或610可以单独地形成在基底结构420的顶表面和/或底表面处。
在一些实施例中，光栅结构605可以至少部分地被布置(例如形成)在第一基板411中(或内部)。在一些实施例中，图6所示的光栅结构605可以被形成为第一基板411的整体部分。在一些实施例中，光栅结构605可以至少部分地形成在第一基板411的任何合适的部分中。在一些实施例中，光栅结构610可以至少部分地形成在第二基板412中(或内部)。在一些实施例中，图6所示的光栅结构610可以被形成为第二基板412的整体部分。在一些实施例中，光栅结构610可以至少部分地形成在第二基板412的任何合适的部分中。
光栅结构可以被布置(例如形成)在其他合适的位置处，例如在第一基板411的顶表面处和/或在第二基板412的底表面处。例如，光栅结构605可以被布置(例如形成)在第一基板411的顶表面处。在一些实施例中，光栅结构610可以被布置(例如形成)在第二基板412的底表面处。
在一些实施例中，在图6所示的实施例中包括的用于向内耦合图像光的光栅结构和用于向外耦合图像光的光栅结构可以具有与在其他实施例中包括的相对应的光栅结构(例如图4所示的那些光栅结构)的特性相似的特性。例如，向内耦合光栅结构可以具有可变的光栅周期和/或可变的倾斜角。在一些实施例中，向内耦合光栅结构可以具有恒定的光栅周期和/或恒定的倾斜角。在对应于向内耦合光栅结构的一组向外耦合光栅结构(例如具有两个或更多个向外耦合光栅结构)中，对于向外耦合光栅结构，光栅周期可以是恒定的(或相同的)，以及对于向外耦合光栅结构，倾斜角可以是恒定的(或相同的)。在一些实施例中，向内耦合光栅结构和向外耦合光栅结构可以都设置在光栅结构605中。在一些实施例中，光栅结构610可以既包括向内耦合光栅结构又包括向外耦合光栅结构。在一些实施例中，光栅结构605可以仅包括向内耦合光栅结构，以及光栅结构610可以仅包括向外耦合光栅结构。在一些实施例中，光栅结构605可以仅包括向外耦合光栅结构，以及光栅结构610可以仅包括向内耦合光栅结构。
图7示意性地示出了光合路器360的另一个实施例。图6所示的实施例可以包括与在图4所示的实施例中包括的元件相似或相同的元件。相同或相似元件的描述可以参考上面关于图4给出的描述。图7示出了光合路器360的y-z截面。如图7所示，光合路器360可以包括多个光栅层，例如多个光敏聚合物层，每个光敏聚合物层包括多个光栅结构。尽管为了说明性目的在图7中示出了两个光栅层，但是在一些实施例中，多于两个光栅层可以被包括光合路器360中。
如图7所示，光合路器360可以包括顶部基板721、中心基板705、底部基板722、夹在顶部基板721和中心基板705之间的第一基底结构(例如第一光敏聚合物层)711以及夹在中心基板705和底部基板722之间的第二基底结构(例如第二光敏聚合物层)712。中心基板705、顶部基板721和底部基板722可以类似于图4所示的基板411和412。
在一些实施例中，每个光栅层可以包括向内耦合光栅结构或者向外耦合光栅结构。在一个实施例中，如图7所示，多个向内耦合光栅结构731-1、731-2、731-3、…、731-n可以被布置(例如形成)在第一基底结构711处。多个向外耦合光栅结构831-1、831-2、831-3、…、839-1、839-2可以被布置(例如形成)在第二基底结构712处。在其他实施例中，第一基底结构711可以包括向外耦合光栅结构831-1、831-2、831-3、…、839-1、839-2，以及第二基底结构712可以包括向内耦合光栅结构731-1、731-2、731-3、…、731-n。
向内耦合光栅结构和向外耦合光栅结构可以具有与上面关于其他实施例描述的那些特性(例如上面关于图4所示的实施例描述的那些特性)相似的特性。例如，向内耦合光栅结构可以具有可变的光栅周期和/或可变的倾斜角。在一些实施例中，向内耦合光栅结构可以具有恒定的光栅周期和/或恒定的倾斜角。在一些实施例中，在对应于向内耦合光栅结构(例如向内耦合光栅结构731-1)的一组向外耦合光栅结构(例如向外耦合光栅结构831-1、831-2、831-3)中，对于向外耦合光栅结构，光栅周期可以是恒定的(或相同的)，以及对于向外耦合光栅结构，倾斜角可以是恒定的(或相同的)。在一些实施例中，在对应于向内耦合光栅结构(例如向内耦合光栅结构731-1)的一组向外耦合光栅结构(例如向外耦合光栅结构831-1、831-2、831-3)中，对于至少两个向外耦合光栅结构，至少两个光栅周期可以是不同的(例如可变的)，以及对于至少两个向外耦合光栅结构，至少两个倾斜角可以是不同的(例如可变的)。在一些实施例中，光栅层(例如第一基底结构711和/或第二基底结构712)可以包括向内耦合光栅结构和向外耦合光栅结构两者的混合。
本公开的实施例可以包括人工现实系统或结合人工现实系统来被实现。人工现实可以包括虚拟现实(“VR”)、增强现实(“AR”)、混合现实(“MR”)或它们的组合。人工现实内容可以包括完全所生成的内容或者与所捕获的(例如真实世界)内容组合的所生成的内容。人工现实内容可以包括视频数据、音频数据、触觉反馈或它们的组合。可以在单个通道中或在多个通道中呈现人工现实内容(例如向观看者产生三维效果的立体视频)。
在一些实施例中，人工现实还可以与可以用于例如在人工现实中创建内容和/或在人工现实中以其他方式被使用(例如在人工现实中执行活动)的应用、产品、附件、服务或它们的组合相关联。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HMD、移动设备或计算系统、或者能够向一个或更多个观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台)中实现提供人工现实内容的人工现实系统。
为了说明的目的，提供了本公开的实施例的前述描述。其并被视为穷尽的或将本公开限制到所公开的精确形式。相关领域中的技术人员可以认识到，按照上面的公开内容，许多修改和变化是可能的。
已经描述了各种实施例以说明示例性实现发生。基于所公开的实施例，本领域中的普通技术人员可以做出各种其他改变、修改、重新布置和替换而不偏离本公开的范围。因此，尽管参考上述实施例详细描述了本公开，但是本公开不限于上述实施例。本公开可以被体现在其他等效形式中而不偏离本公开的范围。本公开的范围在所附权利要求中被限定。

Claims (15)

1.一种光波导，包括：
基底结构；和
多个光栅结构，其被布置在所述基底结构处并包括：
多个向内耦合光栅结构，其被配置成将多个光耦合到所述光波导中，其中，第一向内耦合光栅结构的光栅周期或倾斜角中的至少一者不同于第二向内耦合光栅结构的相对应的光栅周期或相对应的倾斜角中的至少一者；以及
多个向外耦合光栅结构，其被配置为将所述光耦合出所述光波导。
2.根据权利要求1所述的光波导，其中：
对于将光耦合到所述光波导中的所述向内耦合光栅结构中的至少一个向内耦合光栅结构，一组两个或更多个向外耦合光栅结构被配置为将所述光耦合出所述光波导，以及
所述两个或更多个向外耦合光栅结构具有以下中的至少一者：相同光栅周期或相同倾斜角。
3.根据权利要求1所述的光波导，其中，所述基底结构包括光敏聚合物材料；以及可选地，
其中，所述多个光栅结构包括被记录在所述光敏聚合物材料中的多个体全息光栅结构。
4.根据权利要求1所述的光波导，其中，所述多个光栅结构包括以下中的至少一者：体全息光栅结构或表面浮雕光栅结构。
5.根据权利要求1所述的光波导，其中，所述多个向内耦合光栅结构中的至少两个向内耦合光栅结构的光栅周期是不同的。
6.根据权利要求1所述的光波导，其中，所述多个向内耦合光栅结构中的至少两个向内耦合光栅结构的倾斜角是不同的。
7.根据权利要求1所述的光波导，其中，所述光栅结构被布置在以下至少一处：所述基底结构的顶表面或底表面。
8.根据权利要求1所述的光波导，还包括：
第一基板，所述第一基板被布置在所述基底结构的第一侧；以及
第二基板，所述第二基板被布置在所述基底结构的与所述第一侧相对的第二侧；以及可选地，
其中，所述多个光栅结构的至少一部分被设置在以下至少一处：所述第一基板的面向所述基底结构的表面、所述第一基板的背向所述基底结构的表面、所述第二基板的面向所述基底结构的表面或所述第二基板的背向所述基底结构的表面；和/或
其中，所述多个光栅结构的至少一部分可以至少部分地设置在以下至少一者的内部：所述第一基板或所述第二基板。
9.根据权利要求1所述的光波导，其中，
所述基底结构包括第一基底结构和第二基底结构，
所述多个向内耦合光栅结构被设置在所述第一基底结构处，以及
所述多个向外耦合光栅结构被设置在所述第二基底结构处；以及可选地
所述光波导还包括：
第一基板；
第二基板；以及
中心基板，
其中，所述第一基底结构被布置在所述第一基板和所述中心基板之间，以及
其中，所述第二基底结构被布置在所述中心基板和所述第二基板之间。
10.一种光学设备，包括：
显示器，其被配置为生成多个图像光；以及
光波导，其与所述显示器耦合并被配置为将由所述显示器生成的所述图像光引导到所述光学设备的视窗，所述光波导包括：
基底结构；以及
多个光栅结构，其被布置在所述基底结构处并包括：
多个向内耦合光栅结构，其被配置成将所述图像光耦合到所述光波导中，其中，第一向内耦合光栅结构的光栅周期或倾斜角中的至少一者不同于第二向内耦合光栅结构的相对应的光栅周期或相对应的倾斜角中的至少一者；以及
多个向外耦合光栅结构，其被配置为将所述图像光耦合出所述光波导。
11.根据权利要求14所述的光学设备，其中：
对于将图像光耦合到所述光波导中的所述向内耦合光栅结构中的至少一个向内耦合光栅结构，一组两个或更多个向外耦合光栅结构被配置为将所述图像光耦合出所述光波导，以及
所述两个或更多个向外耦合光栅结构具有以下中的至少一项：相同的光栅周期或相同的倾斜角。
12.根据权利要求14所述的光学设备，其中，所述基底结构包括光敏聚合物材料，以及所述多个光栅结构包括被记录在所述光敏聚合物材料中的多个体全息光栅结构。
13.根据权利要求14所述的光学设备，其中，所述多个光栅结构包括以下中的至少一项：体全息光栅结构或表面浮雕光栅结构。
14.根据权利要求14所述的光学设备，其中，所述多个向内耦合光栅结构中的至少两个向内耦合光栅结构的光栅周期是不同的，或者所述多个向内耦合光栅结构中的至少两个向内耦合光栅结构的倾斜角是不同的。
15.根据权利要求14所述的光学设备，其中，
所述基底结构包括第一基底结构和第二基底结构，
所述多个向内耦合光栅结构被设置在所述第一基底结构处，以及
所述多个向外耦合光栅结构被设置在所述第二基底结构处，以及可选地
所述光学设备还包括：
第一基板；
第二基板；以及
中心基板，
其中，所述第一基底结构被布置在所述第一基板和所述中心基板之间，以及
其中，所述第二基底结构被布置在所述中心基板和所述第二基板之间。
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