CN113508321B - 具有光扩展耦合器的光学系统 - Google Patents

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Abstract

一种电子设备可包括为光学系统产生光的显示器，该光学系统将光朝向眼箱重定向。该光学系统可包括波导、非衍射输入耦合器、交叉耦合器和输出耦合器。该交叉耦合器可在第一方向上扩展光。该交叉耦合器可对光执行偶数次衍射，并且可以以适于全内反射的角度将光耦合回到波导中。该输出耦合器可在第二方向上扩展光，同时将光耦合出波导。该交叉耦合器可包括嵌入在波导内或形成在单独基板中的表面起伏光栅或全息光栅。该光学系统可在没有色散的情况下并且在支持扩展视场和光学带宽的同时将光朝向眼箱引导。

Description

具有光扩展耦合器的光学系统
本专利申请要求2020年3月26日提交的美国专利申请第16/831,147号以及2019年5月30日提交的美国临时专利申请第62/854,905号的优先权，这些专利申请据此全文以引用方式并入本文。
背景技术
本公开整体涉及光学系统，并且更具体地讲，涉及用于显示器的光学系统。
电子设备可包括靠近用户的眼睛呈现图像的显示器。例如，诸如虚拟现实和增强现实头戴式耳机之类的设备可包括具有允许用户观看显示器的光学元件的显示器。
设计设备诸如这些设备可能是有挑战性的。如果稍有不慎，用于显示内容的部件可能是难看且笨重的，并且可能未表现出期望的光学性能水平。
发明内容
电子设备诸如头戴式设备可具有为用户产生图像的一个或多个近眼显示器。头戴式设备可以是一副虚拟现实眼镜，或者可以是增强现实头戴式耳机，其允许观察者观看计算机生成的图像和观察者周围环境中的真实世界对象两者。
近眼显示器可包括产生光的显示单元和将来自显示单元的光朝眼箱重定向的光学系统。该光学系统可包括波导、位于波导上的输入耦合器、位于波导上的交叉耦合器和位于波导上的输出耦合器。该输入耦合器可以是非衍射输入耦合器，诸如将光耦合到波导中并朝向交叉耦合器耦合的输入棱镜。该交叉耦合器可将耦合到波导中的光在第一方向上扩展。该交叉耦合器可对光执行偶数次衍射，并且可以适于波导中的全内反射的角度将衍射的光耦合回到波导中。该输出耦合器可接收来自该交叉耦合器的光。该输出耦合器可在垂直于第一方向的第二方向上扩展光，同时将光耦合出波导。
该交叉耦合器可包括表面起伏光栅、元光栅或全息相位光栅，诸如嵌入波导内或形成于粘附到波导的外表面的单独基板中的体积全息图。该光学系统可在没有色散的情况下并且在支持扩展视场和光学带宽的同时将光朝向眼箱引导。
附图说明
图1是根据一些实施方案的具有显示器的例示性系统的图示。
图2是根据一些实施方案的用于显示器的例示性光学系统的顶视图，该光学系统包括输入耦合器、交叉耦合器、输出耦合器。
图3是根据一些实施方案的具有交叉耦合器并且具有输出耦合器的例示性光学系统的前视图，该交叉耦合器使耦合进来的光衍射偶数次并同时在第一方向上扩展光，并且该输出耦合器在第二方向上扩展光。
图4是根据一些实施方案的具有非矩形形状的例示性交叉耦合器的图示。
图5是根据一些实施方案的具有交叉耦合器的例示性波导的横截面顶视图，该交叉耦合器由波导上的表面起伏光栅结构形成。
图6是根据一些实施方案的具有交叉耦合器的例示性波导的横截面顶视图，该交叉耦合器由嵌入光栅介质中的表面起伏光栅结构形成，该光栅介质用于形成波导的输出耦合器。
图7是根据一些实施方案的具有交叉耦合器的示例性波导的横截面顶视图，该交叉耦合器由在波导的与输入耦合棱镜相同的侧面上的表面起伏光栅结构形成。
图8是根据一些实施方案的具有交叉耦合器的示例性波导的横截面顶视图，该交叉耦合器由嵌入在波导的与输入耦合棱镜相同的侧面处的光栅介质中的表面起伏光栅结构形成。
图9是根据一些实施方案的示出图5至图8所示类型的表面起伏光栅结构可如何形成于具有相对较高折射率的基板中以便确保耦合进来的不同波长的光传播穿过波导的k空间图。
图10是根据一些实施方案的具有由体全息光栅结构形成的交叉耦合器的例示性波导的横截面顶视图。
图11是根据一些实施方案的具有可变衍射效率的例示性输出耦合器的前视图。
图12和图13是根据一些实施方案的具有交叉耦合器并且具有输出耦合器的例示性光学系统的前视图，该交叉耦合器具有使耦合进来的光衍射偶数次并同时在第一方向上扩展光的单个光栅结构，并且该输出耦合器在第二方向上扩展光。
具体实施方式
图1中示出了一个例示性系统，其具有带有一个或多个近眼显示系统的设备。系统10可以是头戴式设备，其具有一个或多个显示器，诸如安装在支撑结构(壳体)8内的近眼显示器20。支撑结构8可具有一副眼镜(例如，支撑框架)的形状，可形成具有头盔形状的外壳，或者可具有用于帮助将近眼显示器20的部件安装和固定在用户的头部上或眼睛附近的其他构型。近眼显示器20可包括一个或多个显示模块诸如显示模块20A，以及一个或多个光学系统诸如光学系统20B。显示模块20A可安装在支撑结构诸如支撑结构8中。每个显示模块20A可以发射光38(图像光)，使用光学系统20B中的相关联的一个将该光朝眼箱24处的用户眼睛重定向。
可使用控制电路16来控制系统10的操作。控制电路16可包括用于控制系统10的操作的存储和处理电路。电路16可包括存储装置，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16中的处理电路可基于一个或多个微处理器、微控制器、数字信号处理器、基带处理器、电源管理单元、音频芯片、图形处理单元、专用集成电路以及其他集成电路。软件代码可存储在电路16中的存储器上，并且在电路16中的处理电路上运行，以实现用于系统10的操作(例如，数据采集操作、涉及使用控制信号调节部件的操作、产生图像内容以向用户显示的图像渲染操作等)。
系统10可包括输入输出电路诸如输入-输出设备12。输入-输出设备12可用于允许由系统10从外部装置(例如，拴系计算机、便携式设备(诸如手持设备或膝上型计算机)或其他电气装置)接收数据，并且允许用户向头戴式设备10提供用户输入。输入-输出设备12还可用于收集有关在其中操作的系统10(例如，头戴式设备10)的环境的信息。设备12中的输出部件可允许系统10向用户提供输出，并且可用于与外部电子装置通信。输入-输出设备12可包括传感器和其他部件18(例如，用于采集与系统10中的显示器上的虚拟对象数字地合并的真实世界对象的图像的图像传感器、加速度计、深度传感器、光传感器、触觉输出设备、扬声器、电池、用于在系统10和外部电子装置之间通信的无线通信电路等)。
显示模块20A可以是液晶显示器、有机发光二极管显示器、基于激光的显示器、反射显示器或其他类型的显示器。光学系统20B可形成允许观察者(例如窥眼箱24处的观察者的眼睛)观察显示器20上的图像的镜头。可以存在与用户的相应左眼和右眼相关联的两个光学系统20B(例如，用于形成左镜头和右镜头)。单个显示器20可为双眼产生图像，或者一对显示器20可用于显示图像。在具有多个显示器(例如，左眼显示器和右眼显示器)的配置中，可以选择由光学系统20B形成的透镜的焦距和位置，使得显示器之间存在的任何间隙对于用户将是不可见的(例如，使得左显示器和右显示器的图像无缝地重叠或合并)。
如果需要，光学系统20B可包含部件(例如，光学组合器等)以允许来自真实世界图像或对象28的真实世界图像光与虚拟(计算机生成的)图像诸如图像光38中的虚拟图像被在光学上组合。在这种类型的系统(有时称为增强现实系统)中，系统10的用户可查看真实世界内容和覆盖在真实世界内容之上的计算机生成的内容两者。基于相机的增强现实系统也可用于设备10中(例如，相机捕获对象28的真实世界图像并且将该内容与光学系统20B处的虚拟内容进行数字合并的布置)。
如果需要，系统10可以包括无线电路和/或其他电路，以支持与计算机或其他外部装置(例如，向显示器20提供图像内容的计算机)通信。在操作期间，控制电路16可以将图像内容提供给显示器20。可以远程接收该内容(例如，从耦接到系统10的计算机或其他内容源)和/或可以由控制电路16生成该内容(例如，文本、其他计算机生成的内容等)。由控制电路16提供给显示器20的内容可以由眼箱24处的观察者观看。
图2是可以在图1的系统10中使用的例示性光学系统20B的顶视图。如图2所示，光学系统20B可包括光学元件，诸如波导50、输入光学器件58、输出光学器件60、输入耦合器52、交叉耦合器54和输出耦合器56。输入光学器件58可包括将图像光38传递到输入耦合器52的准直透镜或其他光学部件。可通过显示模块20A(图1)中的显示单元向光学系统20B提供图像光38。该显示单元可以是基于液晶显示器、有机发光二极管显示器、阴极射线管、等离子显示器、投影仪显示器(例如，基于微镜阵列的投影仪)、硅显示器上的液晶，或其他合适类型的显示器的显示单元。光学系统20B可用于将从显示单元输出的光38呈现给眼箱24。
波导结构诸如光学系统20B中的波导50可由聚合物、玻璃或能够经由全内反射引导光的其他透明基板的一个或多个堆叠层形成。输入耦合器52、交叉耦合器54和输出耦合器56可各自部分地或完全地嵌入波导50内或安装到波导50的表面。光学耦合器52、54和56中的一些光学耦合器可安装到波导50的表面，而耦合器52、54和56中的其他耦合器嵌入波导50内。输出光学器件60可包括有助于将由输出耦合器56耦合出波导50的光38聚焦到眼箱24上的透镜。如果需要，可省略输入光学器件58和/或输出光学器件60。
输入耦合器52可被配置为将来自显示模块的光38耦合到波导50中，而输出耦合器32可被配置为将来自波导50内的光38耦合出波导50并朝向眼箱24。例如，当来自输入光学器件58的光38入射到输入耦合器52时，输入耦合器52可重定向光38，使得该光经由全内反射在波导50内朝向输出耦合器56(例如，沿X轴的方向)传播。当光38入射到输出耦合器56时，输出耦合器32可以将光38朝向眼箱24(例如，沿Z轴向后)离开波导28重定向。
在图2的示例中，交叉耦合器54光学插置在输入耦合器52和输出耦合器56之间。在该示例中，输入耦合器52可将光38朝向交叉耦合器54重定向。交叉耦合器54可在第一方向上扩展光38，并且还可将经扩展的光耦合(重定向)回到波导50中。波导50将由交叉耦合器54扩展的光经由全内反射传播到输出耦合器56。如果需要，输出耦合器56然后可在不同于(例如，垂直于)第一方向的第二方向上扩展从交叉耦合器54接收的光。如果需要，输出耦合器56可向耦合出波导的光提供光焦度。考虑其中通过输入耦合器52耦合到波导50中的光38包括光瞳的示例。交叉耦合器54和输出耦合器56对光38的扩展可用于在多个(例如，正交)维度上扩展光瞳，从而允许相对较大的眼箱24填充有在眼箱的整个区域上具有足够且基本上均匀的强度的光38的光瞳。
输入耦合器52、交叉耦合器54和输出耦合器56可以基于反射光学器件和折射光学器件，或者可以基于全息(例如，衍射)光学器件。在耦合器52、54、或56由反射光学器件和折射光学器件形成的布置中，耦合器可包括一个或多个反射器(例如，微镜、部分镜或其他反射器的阵列)。在耦合器52、54或56基于全息光学器件的布置中，耦合器52、54和56可包括全息介质诸如光聚合物、明胶诸如重铬酸盐明胶、卤化银、分散有全息聚合物的液晶，或其他合适的体积全息介质。全息记录(例如，在本文中有时称为全息图的全息相位光栅)可存储在全息介质中。全息介质在本文中有时可被称为光栅介质。
全息记录可存储为光敏光学材料诸如全息介质内的光学干涉图案(例如，不同折射率的交替区域)。该光学干涉图案可产生全息相位光栅，当用给定光源照射该全息相位光栅时，该全息相位光栅衍射光以产生全息记录的三维重建。全息相位光栅可以是用永久干涉图案编码的不可开关的衍射光栅，或者可以是可开关的衍射光栅，其中可以通过控制施加到全息记录介质的电场来调制射光。如果需要，可在相同体积的光栅介质内记录多个全息相位光栅(全息图)(例如，叠加在相同体积的光栅介质内)。全息相位光栅可以是例如光栅介质中的体积全息图。
如果需要，耦合器52、54和56中的一者或多者可使用其他类型的衍射光栅结构诸如表面起伏光栅结构来实现。表面起伏光栅结构包括经机械切割、蚀刻或以其他方式形成于表面起伏光栅介质中的衍射光栅(例如，表面起伏光栅)。面起伏光栅衍射入射到表面起伏光栅上的光。表面起伏光栅不是调制光栅介质中的折射率(如执行以产生全息相位光栅诸如体积全息图)，而是通过改变介质跨其横向区域的物理厚度来产生表面起伏光栅。如果需要，可在相同体积的表面起伏光栅介质内多路复用多个表面起伏光栅(例如，两个表面起伏光栅)。
在有时在本文中作为示例描述的一种合适的布置中，输入耦合器52是非衍射输入耦合器(例如，不包括衍射光栅诸如表面起伏光栅或全息相位光栅的输入耦合器)。例如，输入耦合器52可包括输入棱镜、波导50的成角度表面(边缘)等。使用非衍射输入耦合器诸如输入棱镜可允许光38耦合到波导50中，而不产生原本与使用衍射元件的输入耦合相关联的色散。在另一种合适的布置中，输入耦合器52可使用衍射光栅诸如体积全息图或其他光栅结构来形成。在这些情况下，由输入耦合器引入的任何色散可在光衍射出波导时被输出耦合器反转(例如，在输出耦合器包括全息相位光栅诸如体积全息图的情况下)。
交叉耦合器54可包括衍射光栅结构，该衍射光栅结构衍射由(非衍射)输入耦合器52耦合到波导50中的光38。交叉耦合器54中的光栅结构可包括表面起伏光栅结构(例如，一个或多个表面起伏光栅)或相位光栅结构诸如体全息光栅结构(例如，一组至少部分重叠的体积全息图)。交叉耦合器54中的光栅结构可被配置为使光38衍射偶数次。衍射中的至少一次衍射可用于在第一方向上(例如，沿Y轴进入和/或离开图2的平面)扩展光38。衍射中的至少一次衍射可用于将经扩展的光以一定角度重定向回到波导50中，使得光通过全内反射传播到输出耦合器54。通过使光衍射偶数次，与使光衍射一次相关联的任何色散效应可通过使光衍射对应的后续次数来反转。这可用于减轻传送到输出耦合器56的光的色散。
输出耦合器56可包括衍射光栅结构，诸如体全息光栅结构或其他全息相位光栅。在另一种合适的布置中，输出耦合器56可包括反射镜结构诸如百叶窗反射镜。输出耦合器56可反射或衍射光38。输出耦合器56对光38的反射/衍射可用于在第二方向上(例如，沿X轴)扩展光38，并且用于将经扩展的光朝向眼箱24耦合出波导50。
图3为示出了交叉耦合器54可如何包括光栅结构的波导50的前视图，该光栅结构扩展光38同时还使光38衍射偶数次以减轻色散。如图3所示，波导50可包括具有侧向(外部)表面114的波导基板。非衍射输入耦合器52诸如输入棱镜70可安装到表面114。输入棱镜70可将光38向下(例如，沿+Z方向)耦合到波导50中并朝向交叉耦合器54耦合。交叉耦合器54可形成在波导50中的波导基板的侧表面上，或者可嵌入在波导50内。
交叉耦合器54可包括第一衍射光栅结构72和第二衍射光栅结构74。第一光栅结构72可与第二光栅结构74至少部分地重叠(例如，在重叠区域76内)。光栅结构72和74可例如在重叠区域76内的相同体积(面积)的光栅介质内彼此叠加。重叠区域76可具有的宽度(例如，平行于Y轴)大约等于(例如，大于或等于)输入棱镜70的宽度。这仅是例示性的。重叠区域76可具有的宽度小于或等于输入棱镜70的宽度，或者可具有其他形状。重叠区域76无需具有均匀的宽度。
平行于X轴耦合到波导50中的光38(在本文中有时称为DC光86)可由交叉耦合器54导向回到波导50中并朝向输出耦合器56，而不在竖直方向上扩展。DC光86可经由全内反射沿波导50的长度传播到输出耦合器56。相对于X轴以非零角度耦合到波导50中的光38可通过第一光栅结构72和/或第二光栅结构74竖直地扩展(例如，通过使光在平行于Y轴的方向上竖直地衍射，该方向在本文中有时称为“第一方向”)。第一光栅结构72和/或第二光栅结构74可被配置为在光38重新进入波导50时累积地使光衍射偶数次，以通过全内反射传播到输出耦合器56(例如，以减轻由单个衍射实例产生的色散)。
例如，相对于DC光86成正角的光38可耦合到波导50中并被导向交叉耦合器54，如箭头88所示。第一光栅结构72可包括相对于第二光栅结构74中的条纹78以非平行角度取向的条纹78。第一光栅结构72和第二光栅结构74可包括表面起伏光栅或全息相位光栅诸如体积全息图。在光栅结构72和74由全息相位光栅形成的情况下，条纹78可表示光栅介质的恒定折射率的线。在使用表面起伏光栅形成光栅结构72和74的情况下，条纹78可表示光栅介质的恒定厚度的线。条纹78通过周期Λ(例如，折射率的调制周期或光栅介质的厚度的调制周期)和取向(例如，由光栅结构72和74的光栅矢量的方向限定，其中该光栅矢量垂直于条纹78取向)来表征。条纹78还可具有相对于侧表面114的法面限定的相关联条纹角度。
光栅结构72和74的周期、取向和条纹角度可将光栅结构配置为使来自特定入射角范围并且处于特定波长范围的光在特定输出角度范围内衍射。这些因素可被选择为配置交叉耦合器54以竖直地扩展光38，同时使光衍射偶数次，并且同时使光对于光38中包括的波长(颜色)以及在光通过输入棱镜70提供至交叉耦合器的入射角内以光能够经由全内反射沿波导50传播的角度衍射回到波导50中。
考虑使用表面起伏光栅形成光栅结构72和74的示例。在该示例中，光栅结构74可被配置为执行第一衍射，其中以与箭头88相关联的入射角的光(例如，沿+X、-Y和-Z方向入射的光)以对应的输出角度衍射，如箭头90所示(例如，沿+Y和+X方向的输出角度)。光栅结构74还可被配置为执行(后续的)第二衍射，其中以与箭头90相关联的入射角(例如，第一衍射的输出角度)的光以对应的输出角度衍射，如箭头92所示(例如，沿+X、-Y和+Z方向的输出角度)。第一衍射可引入色散，其中不同波长的入射光38以略微不同的输出角度衍射。第二衍射可使由第一衍射引入的色散反转(例如，通过将来自第一衍射的光以对于每个波长相同的输出角度衍射回到波导50中)。产生箭头92的第二衍射可将光以一定角度引导回到波导50中，使得光能够通过全内反射沿着波导50的长度传播到输出耦合器56。
类似地，光栅结构72可被配置为执行第一衍射，其中以与箭头88’相关联的入射角的光(例如，沿+X、+Y和-Z方向入射的光)以对应的输出角度衍射，如箭头90’所示(例如，沿-Y和+X方向的输出角度)。光栅结构72还可被配置为执行(后续的)第二衍射，其中以与箭头90’相关联的入射角(例如，第一衍射的输出角度)的光以对应的输出角度衍射，如箭头92’所示(例如，沿+X、+Y和+Z方向的输出角度)。第一衍射可引入色散，其中不同波长的入射光38以略微不同的输出角度衍射。第二衍射可使由第一衍射引入的色散反转。与箭头92’相关联的第二衍射可将光以一定角度引导回到波导50中，使得光能够通过全内反射沿着波导50的长度传播到输出耦合器56。
光栅结构72和74在竖直方向上(例如，在+Y/-Y方向上)的衍射可用于在竖直方向(例如，平行于Y轴)上扩展光38。输出耦合器56可将从交叉耦合器54接收的光朝向眼箱衍射或反射，如箭头84所示，同时还在不同于(例如，正交于)竖直方向的水平方向上扩展光(例如，输出耦合器56可在平行于X轴的方向上扩展光，如箭头82所示)。这可允许耦合到波导50中的光中的光瞳在两个维度上扩展直到在眼箱处接收到该光。
光栅结构72和74可各自在关于DC光86的角度范围内执行第一衍射(例如，光栅结构72可在箭头88和X轴之间的连续入射角范围内衍射光38，而光栅结构74在箭头88'和X轴之间的连续入射角范围内衍射光38)。由光栅结构72和74执行的第二衍射可类似地在对应的入射角范围内执行。如果需要，衍射光栅结构(例如，体积全息图、表面起伏光栅等)诸如任选的衍射光束捕集器77可形成在波导50上。衍射光束捕集器77可被配置为将低角度光诸如DC光86衍射到除输出耦合器56之外的位置(例如，朝向其他光学器件、光阱诸如吸收性材料等)，如箭头79所示。这可有助于确保例如向输出耦合器56提供均匀强度的光(例如，因为DC光86可比衍射光92'和92更亮)。
表面起伏光栅呈现出相对宽的波长带宽。如果需要，这可允许光栅结构72和74各自使用单个表面起伏光栅来实现，同时仍然对每个波长的光38(例如，在整个可见光谱上)呈现出令人满意的衍射效率。换句话讲，交叉耦合器54可仅使用两个表面起伏光栅(例如，光栅结构72中的一个表面起伏光栅和光栅结构74中的另一个表面起伏光栅)针对光38中的每个波长衍射和扩展光38。在另一种合适的布置中，交叉耦合器54中可包括两个以上的表面起伏光栅。在这些情况下，附加的表面起伏光栅介质层可以堆叠在彼此的顶部上，其中每一层包括一个或两个相关联的表面起伏光栅。
在使用全息相位光栅诸如体积全息图来实现光栅结构72和74的情况下，每个体积全息图呈现出比表面起伏光栅窄得多的波长带宽。例如，体积全息图在比由类似表面起伏光栅衍射的波长范围窄得多的特定波长范围内以特定输出角度范围衍射来自特定入射角范围的光。为了衍射光38中的每个波长，光栅结构72和74可各自包括对应的一组多路复用的体积全息图(或其他全息相位光栅)。该组中的每个体积全息图可被配置为衍射(例如，可被布拉格匹配于)来自不同相应波长范围和/或入射角范围的光，但可各自以相同输出角度范围衍射入射光。该组中的每个体积全息图可至少部分地重叠。例如，该组中的每个体积全息图可叠加在相同体积的光栅介质内，或者可在不同的光栅介质层之间划分(例如，其中每个层包括来自该组中的至少一个体积全息图)。以这种方式，交叉耦合器54中的全息相位光栅(例如，体积全息图)可以对在宽波长范围内并且在由输入棱镜70提供的每个入射角内的入射光共同执行偶数次衍射(例如，由箭头88、90、92、88'、90'和92'表示的衍射)。光栅结构72中的该组体积全息图在本文中有时可被称为体积全息图结构。类似地，光栅结构74中的该组体积全息图在本文中有时可被称为体积全息图结构。
图3的示例仅示出了由每个光栅结构执行的两次衍射操作。这仅是例示性的。如果需要，每个光栅结构可执行四次衍射操作、六次衍射操作、八次衍射操作或任何其他期望的偶数次衍射。以这种方式执行偶数次衍射可允许与第一衍射相关联的任何色散通过对应的附加衍射反转，并且可允许光朝向输出耦合器56重定向。如果仅执行单次衍射操作(或任何其他奇数次衍射操作)，则可能将光引导到系统中的其他地方(例如，远离输出耦合器56，如箭头94所示)。在这些情况下，如果需要，输出耦合器56可被重新定位或扩展尺寸，使得与箭头94相关联的杂散光也在输出耦合器处被接收。除了已衍射偶数次的光之外，耦合到波导中的图像光中的一部分可传递到输出耦合器而不被交叉耦合器衍射(例如，对于图像的某些部分，图3的架构可能不需要与交叉耦合器相互作用)。
在另一种合适的布置中，交叉耦合器54可使用元光栅结构来实现(例如，光栅结构72和74可各自使用相应的元光栅来形成)。其他类型的衍射光栅(例如，非元光栅)通常呈现出周期性结构和色散。例如，光栅造成第一衍射时的传播角随波长而变化，因此，不同波长处的光瞳复制将在波导内空间上分离。传播角通过光栅在第二衍射时恢复(例如，补偿色散)。然而，光瞳间距可对图像产生颜色不均匀性。
相比之下，元光栅是高折射率介电谐振器的非周期性组件(例如，形成在波导50的表面114或波导上或波导中的其他表面上)。光栅结构72和74中的元光栅可例如形成在波导50的表面114上。元光栅中的每个介电谐振器可被设计成向入射光赋予相位延迟。可以针对不同的波长独立地控制每个介电谐振器的相位延迟。通过介电谐振器的分布的合适配置，可获得波长相关的相位分布，使得所有波长以相同的输出角度衍射。这样，光瞳可在不引入颜色分离的情况下传播和扩展。
图3的示例(其中交叉耦合器54具有矩形形状)仅为例示性的。一般来讲，交叉耦合器54(例如，第一光栅结构72、第二光栅结构74和/或重叠区域76)可具有任何期望的形状(例如，三角形形状、梯形形状、其他多边形形状、圆形形状、椭圆形形状、这些形状的组合等)，该形状具有任何期望数量的直边缘和/或曲边缘。图4是交叉耦合器54的一种可能形状的示意图。如图4所示，交叉耦合器54可具有五个侧边，并且重叠区域76可具有五个侧边。第一光栅结构72和第二光栅结构74可具有不均匀的长度(例如，平行于X轴)。例如，可选择交叉耦合器54的形状以使在输出耦合器56(图3)处接收的光量最大化。可以使用其他形状。输出耦合器56也可以设置有任何期望的形状，并且不需要是矩形。如果需要，交叉耦合器54可使用第一光栅结构72或第二光栅结构74中的仅一者形成。如果需要，光栅结构72和74可以是非重叠的(例如，可以省略重叠区域76)。
图5是使用表面起伏光栅结构形成交叉耦合器54的示例中的波导50的横截面顶视图(例如，如沿图3的箭头95的方向观察)。如图5所示，波导50可包括一个或多个波导基板，诸如基板108和基板110。全息记录介质诸如光栅介质106可插置(层叠)在基板108和110之间。光栅介质106的侧向(例如，平面)表面120可接触基板108。光栅介质106的侧向表面122可接触基板110。输出耦合器56可形成在光栅介质106内(例如，使用记录在光栅介质106中的体积全息图或其他全息相位光栅、嵌入在光栅介质106中的百叶窗反射镜等)。如果需要，任选的抗反射涂层118可在输出耦合器56处层叠到表面120和/或表面122上。例如，抗反射涂层118可防止在写入(记录)输出耦合器56内的全息相位光栅期间光栅介质106内的非期望的光反射。
输入棱镜70可安装到基板108的外表面114。输入棱镜70可将图像光38耦合到波导50中并朝向交叉耦合器54耦合。交叉耦合器54可包括表面起伏光栅结构，诸如表面起伏光栅结构100。表面起伏光栅结构100可用于形成第一光栅结构72(例如，表面起伏光栅结构100可包括至少执行与图3的箭头88'、90'和92'相关联的第一衍射和第二衍射的表面起伏光栅)，可用于形成第二光栅结构74(例如，表面起伏光栅结构100可包括至少执行与图3的箭头88、90和92相关联的第一衍射和第二衍射的表面起伏光栅)，或者可用于形成重叠区域76(例如，表面起伏光栅结构100可包括用于形成第一光栅结构72的表面起伏光栅和用于形成第二光栅结构74的表面起伏光栅，这些表面起伏光栅叠加在相同区域内)。
如图5所示，表面起伏光栅结构100可形成在基板诸如表面起伏光栅基板(介质)112内。例如，表面起伏光栅结构100中的表面起伏光栅可由表面起伏光栅基板112的厚度中的脊(峰值)102和谷(最小值104)限定。在图5的示例中，表面起伏光栅结构100是二元结构，其中光栅由与峰值102相关联的第一厚度或与谷104相关联的第二厚度限定。这仅是例示性的。如果需要，表面起伏光栅结构100可以是非二元的(例如，可以包括遵循任何期望轮廓的任何期望数量的厚度，可以包括相对于Y轴成非平行条纹角度的峰102等)。表面起伏光栅基板112可呈现出相对较高的折射率(例如，该折射率大于光栅介质106的本体折射率)。可使用粘合剂层115将表面起伏光栅基板112粘附到波导基板110的表面116。粘合剂层115可具有相对较低的折射率(例如，小于表面起伏光栅基板112的折射率)。例如，表面起伏光栅结构100可以与波导50中的输出耦合器56分开制造，并且可以在制造之后粘附到波导50。
输入棱镜70可将图像光38耦合到波导50中并朝向表面起伏光栅结构100耦合。表面起伏光栅结构100可使光38衍射偶数次，并同时用于在平行于Y轴的方向上扩展光38。由表面起伏光栅结构100执行的最终衍射可以一定角度将光38(例如，作为扩展光)耦合回到波导50中，使得光继续通过全内反射沿波导50的长度传播。然后光38通过输出耦合器56耦合出波导50，如箭头38'所示。输出耦合器56还可在平行于X轴的方向上扩展光38。以这种方式，输出耦合器56和交叉耦合器54可在将经扩展的光提供至眼箱之前在两个维度上共同扩展光38。
使用表面起伏光栅结构形成交叉耦合器54可允许相对于使用体积全息图的情况更高的光通过量。使用交叉耦合器54执行偶数次衍射可减轻由表面起伏光栅结构产生的任何色散。使用非衍射输入耦合器诸如输入棱镜70可允许光38耦合到波导50中而不引入色散。这些示例仅仅是例示性的，并且如果需要，交叉耦合器54可使用体积全息图来实现，并且输入棱镜70可使用其他输入耦合结构(例如，全息图或其他衍射光栅、波导50的成角度表面等)来实现。在另一种布置中，可省略基板110，并且可将表面起伏光栅基板112放置成与光栅介质106的表面122接触。
如果需要，可将任选的光均化结构诸如一个或多个分束器层124嵌入在光栅介质106内。分束器124可使用金属涂层、电介质涂层、具有不同折射率的电介质层或其他部分反射结构来形成。如果需要，可以将一个或多个分束器124安装到表面120、表面122、表面114和/或表面116。分束器124可透射光38的第一部分，同时反射光38的第二部分。这可用于横向地复制提供给表面起伏光栅结构100、输出耦合器56并最终提供给眼箱的光38的光瞳(例如，以确保均匀的光强度填充眼箱)。在波导50中设置有多于一个分束器124的情况下，分束器可部分重叠、完全重叠或不重叠。如果需要，分束器可呈现出可变的反射率(例如，分束器可在该分束器的一端处呈现出比在该分束器的相对端处更大的反射率)。反射率可连续变化或以分立步骤变化。
在另一种合适的布置中，表面起伏光栅结构100可嵌入在光栅介质106内。图6是示出表面起伏光栅结构100可如何嵌入在光栅介质106内的示意图。如图6所示，可以省略基板110，并且可以将表面起伏光栅基板112放置成与光栅介质106的表面122接触(例如，光栅介质106可以模制在表面起伏光栅基板112上方)。表面起伏光栅结构100可嵌入在光栅介质106内。如果需要，可将任选的透明电介质涂层130层叠在表面起伏光栅结构100上方(例如，涂层130可插置在表面起伏光栅结构100和光栅介质106之间)。涂层130可用于提高衍射效率并加宽表面起伏光栅结构100的角度响应。涂层130可由氧化钛、氮化硅、五氧化二钽或任何其他期望材料形成。
图5和图6的示例(其中表面起伏光栅结构100形成在波导50的与输入棱镜70相对的侧面上)仅仅是例示性的。如果需要，表面起伏光栅结构100可形成在波导50的与输入棱镜70相同的侧面上，如图7和图8所示。
如图7的示例所示，表面起伏光栅基板112可使用粘合剂层115安装到基板108的表面114。输入棱镜70可安装到表面起伏光栅基板112。输入棱镜70可将光耦合到波导50中。耦合进来的光可从波导50的一个或多个表面反射到表面起伏光栅结构100。
如图8的示例所示，可以省略基板108，并且可将表面起伏光栅基板112放置成与光栅介质106的表面120接触。表面起伏光栅结构100可嵌入在光栅介质106内。输入棱镜70可安装到表面起伏光栅基板112。输入棱镜70可将光耦合到波导50中。耦合进来的光可在表面起伏光栅结构100处直接接收，或者可从波导50的一个或多个表面朝向表面起伏光栅结构100反射。
这些示例仅为例示性的。如果需要，可在波导50上设置多于一个表面起伏光栅结构。在这些情况下，具有相关联的表面起伏光栅结构的多个表面起伏光栅基板112可彼此层叠。可使用任何期望的输入耦合结构。如果需要，可将图5的分束器124和/或抗反射涂层118设置在图6至图8的波导中。如果需要，可将图6的涂层130层叠在图8的表面起伏光栅结构100下方。
表面起伏光栅基板112可设置有相对较高的折射率(例如，该折射率大于基板108和110的折射率并且大于光栅介质106的本体折射率)。图9是k空间示意图，其示出了形成具有相对较高折射率的表面起伏光栅基板112如何可允许输入棱镜70的整个视场耦合回到波导50中以对每个波长的光38通过全内反射传播到输出耦合器56。
如图9所示，水平轴线绘制kx/kmedia，并且垂直轴线绘制ky/kmedia，其中kx/kmedia表示通过光学系统20B传播的光的k矢量的X分量，并ky/kmedia表示Y分量。为了清楚起见，图9中省略了Z分量(例如，图9示出了三维k空间的二维投影)。区域150表示来自输出耦合器56的视场(例如，如在眼箱处提供的)。区域158表示通过输入棱镜70耦合到波导50中的光38。由于输入棱镜70不引入色散，因此耦合到波导50中的光由k空间中的相同区域158表示，而与波长无关。类似地，由于引入系统的任何色散在光耦合出波导时被减轻，因此来自输出耦合器56的视场由k空间中的相同区域150表示，而与波长无关。
由表面起伏光栅结构100执行的第一衍射由箭头168示意性地表示。由于第一衍射引入了色散，因此不同波长的光被衍射到k空间中的不同区域，诸如区域162、164和166。仅作为一个示例，区域162可对应于蓝色波长，区域164可对应于绿色波长，并且区域166可对应于红色波长。为了清楚起见，图9的示例仅示出了位于水平轴线下方的区域158的部分的衍射。在实施过程中，位于水平轴上方的区域158的部分也在第一衍射中衍射到水平轴线下方的附加区域(例如，对应于区域162、164和166的附加区域)。
曲线152表示仍可由波导50支持全内反射的下限。如果来自区域158的衍射产生落在曲线152内的光，则光将以波导50无法支持全内反射的角度被衍射，并且光将不适当地传播到输出耦合器。曲线154表示由表面起伏光栅基板112支持的衍射的上限。如果来自区域158的衍射产生落在曲线154之外的光，则表面起伏光栅结构100将无法对光执行附加衍射(例如，将光耦合回到波导中)。换句话讲，来自区域158的第一衍射需要产生落在曲线152和154之间的光，以便将光提供至输出耦合器56。然而，如图9所示，由第一衍射产生的色散可产生对于一些波长(例如，对于与区域166相关联的波长)落在该区域之外的光。这可能导致交叉耦合器无法将一些波长的光38导向到输出耦合器56。
为了减轻这些影响，表面起伏光栅基板112可设置有具有相对较高折射率的材料(例如，相对较高折射率的玻璃或其他材料)。表面起伏光栅基板112的折射率可例如大于光栅介质106的本体折射率。以这种方式提供具有相对较高折射率的表面起伏光栅介质可以将曲线154扩展到曲线154'，如箭头160所示。当区域162、164和166中的每个区域落在曲线154'和152之间时，来自第一衍射的每个波长的光均可以令人满意地以适于全内反射的角度衍射回到波导中(例如，使得光被适当地导向输出耦合器)。由于表面起伏光栅结构100执行偶数次衍射，因此与箭头168相关联的色散通过表面起伏光栅结构100中的对应后续衍射(例如，通过与图3的箭头92和92'相关联的第二衍射)被反转。
图10是示出交叉耦合器54可如何由全息相位光栅诸如体积全息图形成的示意图。如图10所示，附加光栅介质180可层叠在基板110的表面116上。附加波导基板182可设置在光栅介质180下方。交叉耦合器54可包括光栅介质180中的体积全息图结构184。体积全息图结构184可包括一个或多个至少部分重叠的体积全息图(例如，各自以相同输出角度范围衍射相应的波长范围和/或入射角的一组体积全息图)。体积全息图可设置在光栅介质的单独层中，或者可与相同体积的相同光栅介质层叠加。
输入棱镜70可将光38耦合到波导50中并朝向体积全息图结构184耦合。体积全息图结构184可对耦合进来的光执行偶数次衍射，可在平行于Y轴的方向上扩展光，并且可以适于全内反射的角度将光衍射回到波导50中。如果需要，体积全息图结构184中的体积全息图可包括具有恒定节距、可变周期和/或可变条纹角的条纹。周期(例如，Λ)是指沿光栅向量(即，与条纹正交的向量)测量的条纹之间的间距；节距(例如，ρ)是指沿光栅表面(例如，表面116或基板182的表面)测量的条纹之间的距离；并且条纹角是指光栅表面法线(例如，Z轴)与光栅矢量之间的角度。换句话讲，周期可在结构184上变化(例如，可根据沿图10的X轴的位置而变化)，节距可在整个结构184上是恒定的，并且条纹角可在结构184上变化(例如，可根据沿图10的X轴的位置而变化)。恒定节距、可变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。该示例仅仅是例示性的，并且如果需要，可以使用其他类型的体积全息图或其他全息相位光栅。如果需要，可将光栅介质180设置在基板108的表面114处。如果需要，可在光栅介质180上方层叠附加光栅介质。如果需要，可将一个或多个分束器124(图5)设置在图10的光栅介质106内或波导50之内或之上的其他地方。如果需要，可在图10的输出耦合器56处设置图5的抗反射涂层130。
在实施过程中，DC光86(图3)可具有比提供给输出耦合器56的竖直扩展光更大的亮度(例如，如图3的箭头92和92'所示)。为了减轻这种亮度差异，输出耦合器56可设置有根据沿Y轴的位置而变化的衍射效率。图11为示出输出耦合器56可如何设置有可变衍射效率的示意图。
如图11所示，输出耦合器200可具有接收DC光86的中心区域200。DC光可具有比入射在外围区域202内的输出耦合器200上的衍射光更大的亮度。为了减轻这种亮度差异，输出耦合器56可在外围区域202内比在中心区域200内具有更大的衍射效率。这可允许提供至眼箱的光在整个眼箱上呈现出均匀的亮度。
如果需要，输出耦合器56可包括具有不同衍射效率的任何期望数量的区域(例如，其中更靠近输出耦合器56的中心水平轴线的区域呈现出比更远离中心水平轴线的区域更大的衍射效率)。在另一种合适的布置中，输出耦合器56的衍射效率可根据沿Y轴的位置而连续变化。曲线206示出了输出耦合器56的一个示例性连续衍射效率。如曲线204所示，衍射效率可以是平滑变化的曲线，其呈现出在输出耦合器56的中心处的最小值和在输出耦合器56的边缘处的最大值。这仅仅是例示性的，并且一般来讲，曲线204可呈现出任何其他期望的形状。如果需要，输出耦合器56的衍射效率可沿X轴线或任何其他轴线离散地或连续地变化。
图11的示例(其中输出耦合器56的衍射效率根据位置而变化)仅仅是例示性的。如果需要，交叉耦合器54的衍射效率可根据位置而变化。图11的输出耦合器56可例如用交叉耦合器54来替代(例如，交叉耦合器54可具有如上文结合图11的输出耦合器56所述的可变衍射效率)。如果需要，交叉耦合器54和输出耦合器56均可具有根据沿一个或多个轴线的位置连续或离散地变化的衍射效率。如果需要，用于形成交叉耦合器54和/或输出耦合器56的全息图可被梳状移位。梳状移位的全息图可包括光栅介质的第一区域中的一组全息图和光栅介质的相邻第二区域中的第二组全息图。该第二组的光栅频率可各自位于第一组的光栅频率之间的相邻频率间隙内(例如，其中第一组和第二组的光栅矢量在相同方向上取向)。例如，这可允许在整个眼箱上更均匀的衍射。
其中交叉耦合器54具有两个光栅结构72和74的上述示例仅仅是例示性的，该两个光栅结构用于扩展光38同时还使光38衍射偶数次以减轻色散。在另一种合适的布置中，交叉耦合器54可包括单个光栅结构，该光栅结构具有在相同方向上取向的条纹以用于扩展光38，同时还使光38衍射偶数次以减轻色散。图12是示出交叉耦合器54可如何包括单个光栅结构的示意图，该光栅结构具有在相同方向上取向的条纹以用于扩展光38，同时还使光38衍射偶数次以减轻色散。
如图12所示，交叉耦合器54可包括具有在单个方向上取向的条纹78(例如，具有在单个方向上取向并且由周期Λ表征的光栅矢量的条纹)的单个光栅结构236。交叉耦合器54中的至少一些可以横向插置(例如，沿X轴线)在输入棱镜70和输出耦合器56之间(例如，其中输入棱镜70横向插置在交叉耦合器54中的至少一些和波导50的左边缘220之间)。输入棱镜70可将光38耦合到波导50中，如箭头222所示。光栅结构236可在第一方向上扩展耦合进来的光38(而输出耦合器56可在第二方向上扩展光)，并且可将光提供至输出耦合器56，如箭头226所示。光栅结构236可被配置为在光到达输出耦合器56时或在光耦合回到波导中以通过全内反射传播时，使光38衍射偶数次(例如，以减轻由单个衍射实例产生的色散)。
图12的示例仅为例示性的。具有光栅结构224的交叉耦合器54可插置在波导50的其他边缘和输出耦合器56之间。例如，如图13所示，交叉耦合器54的光栅结构224中的至少一些可以横向地插置在波导50的顶部边缘230和输出耦合器56之间。输入棱镜70可以横向地插置在光栅结构224中的至少一些和边缘230之间。在该示例中，输入棱镜38可将光38沿Y轴的方向耦合到波导50中，如箭头232所示。光栅结构224在将光提供至输出耦合器56之前可扩展光38并且可使光38衍射偶数次，如箭头234所示。输出耦合器56可在与光栅结构224提供的扩展方向不同的方向上扩展光。在图12和图13的示例中，光栅结构224可包括表面起伏光栅、元光栅、全息相位光栅诸如体积全息图等。光栅结构224可设置在波导50的层中，如图5至图8和图10所示，或设置在波导50上的任何其他期望的位置处。
物理环境是指人们在没有电子系统帮助的情况下能够感测和/或交互的物理世界。物理环境诸如物理公园包括物理物品，诸如物理树木、物理建筑物和物理人。人们能够诸如通过视觉、触觉、听觉、味觉和嗅觉来直接感测物理环境和/或与物理环境交互。
相反，计算机生成现实(CGR)环境是指人们经由电子系统(例如，包括本文所述的显示系统的电子系统)感测和/或交互的完全或部分模拟的环境。在CGR中，跟踪人的物理运动的一个子集或其表示，并且作为响应，以符合至少一个物理定律的方式调节在CGR环境中模拟的一个或多个虚拟对象的一个或多个特征。例如，CGR系统可以检测人的头部转动，并且作为响应，以与此类视图和声音在物理环境中变化的方式类似的方式调节呈现给人的图形内容和声场。在一些情况下(例如，出于可达性原因)，对CGR环境中虚拟对象的特征的调节可以响应于物理运动的表示(例如，声音命令)来进行。
人可以利用其感觉中的任一者来感测CGR对象和/或与CGR对象交互，包括视觉、听觉、触觉、味觉和嗅觉。例如，人可以感测音频对象和/或与音频对象交互，该音频对象创建3D或空间音频环境，该3D或空间音频环境提供3D空间中点音频源的感知。又如，音频对象可以使能音频透明度，该音频透明度在有或者没有计算机生成的音频的情况下选择性地引入来自物理环境的环境声音。在某些CGR环境中，人可以感测和/或只与音频对象交互。CGR的示例包括虚拟现实和混合现实。
虚拟现实(VR)环境是指被设计成对于一个或多个感觉完全基于计算机生成的感官输入的模拟环境。VR环境包括人可以感测和/或交互的多个虚拟对象。例如，树木、建筑物和代表人的化身的计算机生成的图像是虚拟对象的示例。人可以通过在计算机生成的环境内人的存在的模拟和/或通过在计算机生成的环境内人的物理移动的一个子组的模拟来感测和/或与VR环境中的虚拟对象交互。
与被设计成完全基于计算机生成的感官输入的VR环境相比，混合现实(MR)环境是指被设计成除了包括计算机生成的感官输入(例如，虚拟对象)之外还引入来自物理环境的感官输入或其表示的模拟环境。在虚拟连续体上，混合现实环境是完全物理环境作为一端和虚拟现实环境作为另一端之间的任何状况，但不包括这两端。
在一些MR环境中，计算机生成的感官输入可以对来自物理环境的感官输入的变化进行响应。另外，用于呈现MR环境的一些电子系统可以跟踪相对于物理环境的位置和/或取向，以使虚拟对象能够与真实对象(即，来自物理环境的物理物品或其表示)交互。例如，系统可以导致移动使得虚拟树木相对于物理地面看起来是静止的。混合现实的示例包括增强现实和增强虚拟。
增强现实(AR)环境是指其中一个或多个虚拟对象叠加在物理环境或其表示之上的模拟环境。例如，用于呈现AR环境的电子系统可具有透明或半透明显示器，人可以透过该显示器直接查看物理环境。该系统可以被配置为在透明或半透明显示器上呈现虚拟对象，使得人利用该系统感知叠加在物理环境之上的虚拟对象。另选地，系统可以具有不透明显示器和一个或多个成像传感器，该成像传感器捕获物理环境的图像或视频，这些图像或视频是物理环境的表示。系统将图像或视频与虚拟对象组合，并在不透明显示器上呈现组合物。人利用系统经由物理环境的图像或视频而间接地查看物理环境，并且感知叠加在物理环境之上的虚拟对象。如本文所用，在不透明显示器上显示的物理环境的视频被称为“透传视频”，意味着系统使用一个或多个图像传感器捕获物理环境的图像，并且在不透明显示器上呈现AR环境时使用那些图像。进一步另选地，系统可以具有投影系统，该投影系统将虚拟对象投射到物理环境中，例如作为全息图或者在物理表面上，使得人利用该系统感知叠加在物理环境之上的虚拟对象。
增强现实环境也是指其中物理环境的表示被计算机生成的感官信息进行转换的模拟环境。例如，在提供透传视频中，系统可以对一个或多个传感器图像进行转换以施加与成像传感器所捕获的视角不同的选择视角(例如，视点)。又如，物理环境的表示可以通过图形地修改(例如，放大)其部分而进行转换，使得经修改部分可以是原始捕获图像的代表性的但不是真实的版本。再如，物理环境的表示可以通过以图形方式消除其部分或将其部分进行模糊处理而进行转换。
增强虚拟(AV)环境是指其中虚拟或计算机生成的环境结合来自物理环境的一个或多个感官输入的模拟环境。感官输入可以是物理环境的一个或多个特性的表示。例如，AV公园可以具有虚拟树木和虚拟建筑物，但人的脸部是从对物理人拍摄的图像逼真再现的。又如，虚拟对象可以采用一个或多个成像传感器所成像的物理物品的形状或颜色。再如，虚拟对象可以采用符合太阳在物理环境中的定位的阴影。
有许多不同类型的电子系统使人能够感测和/或与各种CGR环境交互。示例包括头戴式系统、基于投影的系统、平视显示器(HUD)、集成有显示能力的车辆挡风玻璃、集成有显示能力的窗户、被形成为被设计用于放置在人眼睛上的透镜的显示器(例如，类似于隐形眼镜)、耳机/听筒、扬声器阵列、输入系统(例如，具有或没有触觉反馈的可穿戴或手持控制器)、智能电话、平板电脑、和台式/膝上型计算机。头戴式系统可以具有一个或多个扬声器和集成的不透明显示器。另选地，头戴式系统可以被配置成接受外部不透明显示器(例如，智能电话)。头戴式系统可以结合用于捕获物理环境的图像或视频的一个或多个成像传感器、和/或用于捕获物理环境的音频的一个或多个麦克风。头戴式系统可以具有透明或半透明显示器，而不是不透明显示器。透明或半透明显示器可以具有媒介，代表图像的光通过该媒介被引导到人的眼睛。显示器可以利用数字光投影、OLED、LED、uLED、硅基液晶、激光扫描光源或这些技术的任意组合。媒介可以是光学波导、全息图媒介、光学组合器、光学反射器、或它们的任意组合。在一个实施方案中，透明或半透明显示器可被配置为选择性地变得不透明。基于投影的系统可以采用将图形图像投影到人的视网膜上的视网膜投影技术。投影系统也可以被配置为将虚拟对象投影到物理环境中，例如作为全息图或在物理表面上。本文所述的显示系统可以用于这些类型的系统和用于任何其他期望的显示布置。
根据一个实施方案，提供了一种将由显示模块产生的光朝向眼箱重定向的光学系统，该光学系统包括：波导；非衍射输入耦合器，该非衍射输入耦合器被配置为将由显示模块产生的光耦合到波导中；交叉耦合器，该交叉耦合器位于波导上，交叉耦合器被配置为对由非衍射输入耦合器耦合到波导中的光执行偶数次衍射，偶数次衍射被配置为在第一方向上扩展光，并且波导被配置为经由全内反射传播在第一方向上扩展的光；以及输出耦合器，输出耦合器位于波导上，输出耦合器被配置为将由交叉耦合器在第一方向上扩展的光耦合出波导，同时在不同于第一方向的第二方向上扩展光。
根据另一个实施方案，交叉耦合器包括表面起伏光栅。
根据另一个实施方案，表面起伏光栅具有在第一方向上取向的条纹。
根据另一个实施方案，交叉耦合器还包括附加表面起伏光栅，附加表面起伏光栅具有在不同于第一方向的第二方向上取向的条纹。
根据另一个实施方案，表面起伏光栅在交叉耦合器的重叠区域内与附加表面起伏光栅重叠。
根据另一个实施方案，重叠区域具有不均匀宽度。
根据另一个实施方案，表面起伏光栅和附加表面起伏光栅形成在第一表面起伏光栅基板中，并且交叉耦合器还包括第二表面起伏光栅基板，第二表面起伏光栅基板包括至少一个附加表面起伏光栅并且层叠在第一表面起伏光栅基板上方。
根据另一个实施方案，波导包括第一波导基板和第二波导基板以及插置在述第一波导基板和第二波导基板之间的介质，并且表面起伏光栅和附加表面起伏光栅形成于层叠在第一波导基板上的表面起伏光栅基板中。
根据另一个实施方案，输出耦合器包括嵌入在介质内的百叶窗反射镜。
根据另一个实施方案，介质包括光栅介质，并且输出耦合器包括记录在光栅介质中的一组体积全息图。
根据另一个实施方案，表面起伏光栅具有非二元分布。
根据另一个实施方案，波导包括具有第一表面和第二表面的介质以及层叠在第一表面介质上的波导基板，表面起伏光栅形成于层叠在介质的第二表面上的表面起伏光栅介质中，并且表面起伏光栅嵌入在介质中。
根据另一个实施方案，介质包括光栅介质，并且输出耦合器包括记录在光栅介质中的一组体积全息图。
根据另一个实施方案，光学系统包括光学透明涂层，光学透明涂层位于表面起伏光栅上并且插置在表面起伏光栅和光栅介质之间。
根据另一个实施方案，光学系统包括位于输出耦合器处的波导基板的表面上的抗反射层。
根据另一个实施方案，光栅介质具有本体折射率，并且表面起伏光栅介质的折射率大于光栅介质的本体折射率。
根据另一个实施方案，输出耦合器具有根据沿第一方向的位置而变化的衍射效率。
根据另一个实施方案，输出耦合器沿输出耦合器的中心轴线具有第一衍射效率，并且在输出耦合器的周边边缘处具有大于第一衍射效率的第二衍射效率。
根据另一个实施方案，交叉耦合器具有根据位置而变化的衍射效率。
根据另一个实施方案，波导包括第一波导基板和第二波导基板以及插置在第一波导基板和第二波导基板之间的第一光栅介质，交叉耦合器包括基板、第二光栅介质以及位于第二光栅介质中的一组全息相位光栅，并且第二光栅介质插置在基板和第一波导基板之间。
根据另一个实施方案，一组全息相位光栅包括多个至少部分重叠的体积全息图。
根据另一个实施方案，输出耦合器包括位于第一光栅介质中的附加的一组全息相位光栅。
根据另一个实施方案，一组全息相位光栅具有条纹，条纹具有可变周期并且在基板处具有恒定节距。
根据另一个实施方案，非衍射输入耦合器包括从由以下项构成的组中选择的非衍射输入耦合器：安装到波导的棱镜和波导的成角度边缘。
根据另一个实施方案，光学系统包括嵌入在波导中的部分反射分束器，由非衍射输入耦合器耦合到波导中的光被配置为在交叉耦合器处被接收之前击中部分反射分束器。
根据另一个实施方案，交叉耦合器包括位于波导上的元光栅。
根据一个实施方案，提供了一种头戴式设备，该头戴式设备包括：显示模块，该显示模块产生图像光；波导，该波导具有第一波导基板和第二波导基板以及插置在第一波导基板和第二波导基板之间的光栅介质；表面起伏光栅结构，该表面起伏光栅结构由第二波导基板形成并且嵌入在光栅介质内；输入棱镜，该输入棱镜安装到第一波导基板，输入棱镜被配置为将图像光耦合到波导中并朝向表面起伏光栅结构耦合；以及输出耦合器，该输出耦合器在光栅介质中具有一组体积全息图，表面起伏光栅结构被配置为：沿第一轴线扩展图像光，对图像光执行偶数次衍射，并且将图像光引导到波导中并朝向输出耦合器引导，输出耦合器被配置为沿垂直于第一轴线的第二轴线扩展图像光并且被配置为将图像光耦合出波导。
根据另一个实施方案，表面起伏光栅结构包括形成于第二波导基板中的第一表面起伏光栅和第二表面起伏光栅，第一表面起伏光栅包括具有第一取向的第一条纹，第二表面起伏光栅包括具有相对于第一取向不平行的第二取向的第二条纹，并且第一表面起伏光栅和第二表面起伏光栅在表面起伏光栅结构的重叠区域内重叠。
根据另一个实施方案，头戴式设备包括光学透明涂层，光学透明涂层位于第一表面起伏光栅和第二表面起伏光栅上并且插置在第二波导基板与光栅介质之间。
根据另一个实施方案，头戴式设备包括位于光栅介质上的部分反射分束器，表面起伏光栅结构被配置为从部分反射分束器接收图像光。
根据另一个实施方案，一组体积全息图具有根据沿第一轴线的位置而变化的衍射效率。
根据一个实施方案，提供了一种显示系统，显示系统包括：波导；输入耦合器，输入耦合器被配置为将光耦合到波导中；交叉耦合器，交叉耦合器位于波导上，交叉耦合器包括具有在第一方向上取向的第一条纹的第一衍射光栅结构和具有在第二方向上取向的第二条纹的第二衍射光栅结构，第一衍射光栅结构在交叉耦合器的重叠区域内与第二衍射光栅结构重叠，重叠区域与输入耦合器对准，并且第一衍射光栅结构和第二衍射光栅结构各自被配置为使由输入耦合器耦合到波导中的光衍射偶数次；以及输出耦合器，输出耦合器位于波导上，输出耦合器被配置为接收由交叉耦合器衍射的光，在给定方向上扩展光，并且将光耦合出波导。
根据另一个实施方案，第一衍射光栅结构包括第一表面起伏光栅，第二衍射光栅结构包括第二表面起伏光栅，第一表面起伏光栅和第二表面起伏光栅均形成于粘附到波导的外表面的表面起伏光栅基板层中，第一表面起伏光栅和第二表面起伏光栅被配置为在垂直于给定方向的附加方向上扩展由输入耦合器耦合到波导中的光，并且输出耦合器包括嵌入在波导中的一组体积全息图。
根据另一个实施方案，第一衍射光栅结构包括位于波导上的第一元光栅，并且第二衍射光栅结构包括位于波导上的第二元光栅。
前述内容仅为示例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 (19)

1.一种将由显示模块产生的光朝向眼箱重定向的光学系统，所述光学系统包括：
波导；
非衍射输入耦合器，所述非衍射输入耦合器被配置为将由所述显示模块产生的所述光耦合到所述波导中；
交叉耦合器，所述交叉耦合器位于所述波导上，其中所述交叉耦合器被配置为对由所述非衍射输入耦合器耦合到所述波导中的所述光执行偶数次衍射，其中所述偶数次衍射被配置为在第一方向上扩展所述光，并且其中所述波导被配置为经由全内反射传播在所述第一方向上扩展的所述光；以及
输出耦合器，所述输出耦合器位于所述波导上，其中所述输出耦合器被配置为将由所述交叉耦合器在所述第一方向上扩展的所述光耦合出所述波导，同时在不同于所述第一方向的第二方向上扩展所述光，其中所述交叉耦合器包括表面起伏光栅和附加的表面起伏光栅，其中所述表面起伏光栅与所述附加的表面起伏光栅在所述交叉耦合器的重叠区域内重叠，其中所述表面起伏光栅和所述附加的表面起伏光栅各自被配置为使由所述非衍射输入耦合器耦合到所述波导中的所述光衍射偶数次，其中所述表面起伏光栅具有在第一方向上取向的条纹，并且其中所述附加的表面起伏光栅具有在不同于所述第一方向的第二方向上取向的条纹。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述重叠区域具有不均匀的宽度。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述表面起伏光栅和所述附加的表面起伏光栅形成在第一表面起伏光栅基板中，并且其中所述交叉耦合器还包括第二表面起伏光栅基板，所述第二表面起伏光栅基板包括至少一个附加表面起伏光栅并且层叠在所述第一表面起伏光栅基板上方。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述波导包括第一波导基板和第二波导基板以及插置在所述第一波导基板和第二波导基板之间的介质，并且其中所述表面起伏光栅和所述附加的表面起伏光栅形成于层叠在所述第一波导基板上的表面起伏光栅基板中。
5.根据权利要求4所述的光学系统，其中所述输出耦合器包括嵌入在所述介质中的百叶窗反射镜。
6.根据权利要求4所述的光学系统，其中所述介质包括光栅介质，并且其中所述输出耦合器包括记录在所述光栅介质中的一组体积全息图。
7.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述表面起伏光栅具有非二元分布。
8.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述波导包括具有第一表面和第二表面的介质以及层叠在所述介质的第一表面上的波导基板，其中所述表面起伏光栅形成于层叠在所述介质的所述第二表面上的表面起伏光栅介质中，并且其中所述表面起伏光栅嵌入在所述介质中。
9.根据权利要求8所述的光学系统，其中所述介质包括光栅介质，并且其中所述输出耦合器包括记录在所述光栅介质中的一组体积全息图。
10.根据权利要求9所述的光学系统，还包括光学透明涂层，所述光学透明涂层位于所述表面起伏光栅上并且插置在所述表面起伏光栅和所述光栅介质之间。
11.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述输出耦合器具有根据沿所述第一方向的位置而变化的衍射效率，其中所述输出耦合器沿所述输出耦合器的中心轴线具有第一衍射效率，并且在所述输出耦合器的周边边缘处具有大于所述第一衍射效率的第二衍射效率。
12.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述交叉耦合器具有根据位置而变化的衍射效率。
13.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述波导包括第一波导基板和第二波导基板以及插置在所述第一波导基板和所述第二波导基板之间的第一光栅介质，其中所述交叉耦合器包括基板、第二光栅介质以及位于所述第二光栅介质中的一组全息相位光栅，并且其中所述第二光栅介质插置在所述基板和所述第一波导基板之间。
14.根据权利要求13所述的光学系统，其中所述一组全息相位光栅包括多个至少部分重叠的体积全息图，其中所述输出耦合器包括位于所述第一光栅介质中的附加的一组全息相位光栅。
15.根据权利要求13所述的光学系统，其中所述一组全息相位光栅具有条纹，所述条纹具有可变周期并且在所述基板处具有恒定节距。
16.一种头戴式设备，所述头戴式设备包括：
显示模块，所述显示模块产生图像光；
波导，所述波导具有第一波导基板和第二波导基板以及插置在所述第一波导基板和所述第二波导基板之间的光栅介质；
表面起伏光栅结构，所述表面起伏光栅结构由所述第二波导基板形成并且嵌入在所述光栅介质内；
输入棱镜，所述输入棱镜安装到所述第一波导基板，其中所述输入棱镜被配置为将所述图像光耦合到所述波导中并朝向所述表面起伏光栅结构耦合；以及
输出耦合器，所述输出耦合器在所述光栅介质中具有一组体积全息图，其中所述表面起伏光栅结构被配置为：
沿第一轴线扩展所述图像光，
对所述图像光执行偶数次衍射，以及
将所述图像光引导到所述波导中并朝向所述输出耦合器引导，所述输出耦合器被配置为沿垂直于所述第一轴线的第二轴线扩展所述图像光并且被配置为将所述图像光耦合出所述波导，其中所述表面起伏光栅结构包括第一表面起伏光栅和第二表面起伏光栅，其中所述第一表面起伏光栅与所述第二表面起伏光栅在所述表面起伏光栅结构的重叠区域内重叠，其中所述第一表面起伏光栅和所述第二表面起伏光栅各自被配置为使由所述输入棱镜耦合到所述波导中的所述光衍射偶数次，其中所述第一表面起伏光栅包括具有第一取向的第一条纹，并且其中所述第二表面起伏光栅包括具有相对于所述第一取向不平行的第二取向的第二条纹。
17.根据权利要求16所述的头戴式设备，其中所述第一表面起伏光栅和所述第二表面起伏光栅被形成在所述第二波导基板中。
18.一种显示系统，所述显示系统包括：
波导；
输入耦合器，所述输入耦合器被配置为将光耦合到所述波导中；
交叉耦合器，所述交叉耦合器位于所述波导上，其中所述交叉耦合器被配置为对由所述输入耦合器耦合到所述波导中的所述光执行偶数次衍射，并且其中所述交叉耦合器包括：
第一衍射光栅结构，所述第一衍射光栅结构具有在第一方向上取向的第一条纹，和
第二衍射光栅结构，所述第二衍射光栅结构具有在第二方向上取向的第二条纹，其中所述第一衍射光栅结构在所述交叉耦合器的重叠区域内与所述第二衍射光栅结构重叠，其中所述重叠区域与所述输入耦合器对准，并且其中所述第一衍射光栅结构和所述第二衍射光栅结构各自被配置为使由所述输入耦合器耦合到所述波导中的所述光衍射偶数次；以及
输出耦合器，所述输出耦合器位于所述波导上，其中所述输出耦合器被配置为接收由所述交叉耦合器衍射的所述光，在给定方向上扩展所述光，并且将所述光耦合出所述波导。
19.根据权利要求18所述的显示系统，其中所述第一衍射光栅结构包括第一表面起伏光栅，所述第二衍射光栅结构包括第二表面起伏光栅，所述第一表面起伏光栅和所述第二表面起伏光栅均形成于粘附到所述波导的外表面的表面起伏光栅基板层中，所述第一表面起伏光栅和所述第二表面起伏光栅被配置为在垂直于所述给定方向的附加方向上扩展由所述输入耦合器耦合到所述波导中的所述光，并且所述输出耦合器包括嵌入在所述波导中的一组体积全息图。
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