CN114270246A - 视场拼接波导显示器 - Google Patents

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Abstract

一种波导显示器，包括对可见光透明的衬底和被配置为生成图像的显示光的投影仪，其中显示光包括图像的第一视场(FOV)的显示光和图像的第二FOV的显示光。波导显示器还包括被配置为将第一FOV的显示光耦合到衬底中的第一输入耦合器、被配置为在衬底的位置的第一二维阵列处将第一FOV的显示光从衬底耦合出去的第一组光栅、被配置为将第二FOV的显示光耦合到衬底中的第二输入耦合器、以及被配置为在衬底的位置的第二二维阵列处将第二FOV的显示光从衬底耦合出去的第二组光栅。

Description

视场拼接波导显示器
相关申请的交叉引用
本专利申请要求2019年8月23日提交的题为“Volume Bragg Grating-BasedWaveguide Display”的美国临时专利申请序列号62/891,167的优先权，并要求2020年4月3日提交的题为“FIELD-OF-VIEW STITCHED WAVEGUIDE DISPLAY”的美国非临时专利申请序列号16/840,116的优先权；出于所有的目的，这两个申请的公开内容在此通过引用以其整体并入。
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)或一副眼镜的形式)，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，用户可以通过例如透过透明的显示眼镜或透镜(通常被称为光学透视(optical see-through))来观看虚拟对象的图像(例如，计算机生成的图像(CGI))和周围环境两者。
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，透明衬底)中，在波导内传播，并且在不同位置处从波导耦合出去。在一些实现中，可以使用衍射光学元件(例如光栅)将投影图像的光耦合到波导中或从波导耦合出去。来自周围环境的光可以穿过波导的透视区域，并且也到达用户的眼睛。
概述
本公开总体上涉及用于近眼显示器的基于体布拉格光栅的波导显示器。更具体地说，本文公开了使用体布拉格光栅(VBG)耦合器来扩展视窗(eyebox)、减少显示雾度(haze)、减小物理尺寸、提高光学效率、减少光学伪像和增加光学透视近眼显示系统的视场的技术。本文描述了各种发明实施例，包括设备、系统、方法等。
根据一些实施例，一种波导显示器可以包括对可见光透明的衬底和被配置为生成图像的显示光的投影仪，显示光包括图像的第一视场(FOV)的显示光和图像的第二FOV的显示光。该波导显示器还可以包括被配置为将第一FOV的显示光耦合到衬底中的第一输入耦合器，以及被配置为在衬底的位置的第一二维阵列处将第一FOV的显示光从衬底耦合出去的第一组光栅。该波导显示器还可以包括被配置为将第二FOV的显示光耦合到衬底中的第二输入耦合器，以及被配置为在衬底的位置的第二二维阵列处将第二FOV的显示光从衬底耦合出去的第二组光栅。
在波导显示器的一些实施例中，第一FOV和第二FOV组合地可以包括图像的全视场(full field of view)。在一些实施例中，第一FOV和第二FOV可以包括重叠的FOV。重叠的FOV可以大于4°。第一组光栅对于重叠的FOV中的显示光的第一衍射效率可以低于对于第一FOV的其他部分中的显示光的第二衍射效率。在一些实施例中，第一FOV可以包括图像的左侧FOV，并且第二FOV可以包括图像的右侧FOV。在一些实施例中，第一FOV可以包括图像的顶部FOV，并且第二FOV可以包括图像的底部FOV。
在一些实施例中，第一组光栅可以包括第一光栅和第二光栅，第一光栅被配置为在第一光栅的沿着第一方向的两个或更多个区域处将第一FOV的显示光衍射到第二方向，第二光栅被配置为在第二光栅的沿着第二方向的两个或更多个区域处将来自第一光栅的两个或更多个区域中的每一个的显示光从衬底耦合出去。第一光栅还可以被配置为在第一光栅的第一区域处将第一FOV的显示光朝着第一光栅的两个或更多个区域衍射到第一方向。在一些实施例中，第一输入耦合器可以包括第一输入光栅耦合器，并且第一输入光栅耦合器和第二光栅可以在垂直于衬底的表面法线方向的平面中具有相同的光栅矢量。第一输入光栅耦合器、第一光栅或第二光栅中的至少一个可以包括多路复用体布拉格光栅(multiplexed volume Bragg grating)。多路复用体布拉格光栅可以包括多个光栅，其以不同的光栅周期为特征，并且被配置为衍射在图像的第一FOV内的不同视场的光。在一些实施例中，第一光栅可以包括反射衍射光栅或透射衍射光栅。第二光栅可以包括反射衍射光栅或透射衍射光栅。第一光栅和第二光栅可以至少部分重叠。
在一些实施例中，第二组光栅可以包括第三光栅和第四光栅，第三光栅被配置为在第三光栅的沿着第三方向的两个或更多个区域处将第二FOV的显示光衍射到第四方向，第四光栅被配置为在第四光栅的沿着第四方向的两个或更多个区域处将来自第三光栅的两个或更多个区域中的每一个的显示光从衬底耦合出去。第二光栅和第四光栅可以至少部分重叠。第二输入耦合器可以包括第二输入光栅耦合器，并且第二输入光栅耦合器和第四光栅在垂直于衬底的表面法线方向的平面中具有相同的光栅矢量。第一光栅、第二光栅、第三光栅或第四光栅中的至少一个可以包括记录在一个或更多个衬底的两个或更多个表面上的两个或更多个全息材料层中的VBG。第一光栅、第二光栅、第三光栅和第四光栅中的每一个的厚度在20μm和100μm之间。
本概述既不意图标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不意图孤立地用于确定所要求保护的主题的范围。应当参照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
下面参照以下附图详细地描述说明性的实施例。
图1是根据某些实施例的包括近眼显示系统的人工现实系统环境的示例的简化框图。
图2是用于实现本文公开的一些示例的头戴式显示器(HMD)设备形式的近眼显示系统的示例的透视图。
图3是用于实现本文公开的一些示例的一副眼镜形式的近眼显示系统的示例的透视图。
图4是示出近眼显示系统中的光学系统的示例的简化图。
图5示出了根据某些实施例的包括用于出射光瞳扩展(exit pupil expansion)的波导显示器的光学透视增强现实系统的示例。
图6示出了根据某些实施例的包括用于出射光瞳扩展的波导显示器的光学透视增强现实系统的示例。
图7A示出了反射式体布拉格光栅(VBG)的示例的光谱带宽和透射式表面浮雕光栅(SRG)的示例的光谱带宽。图7B示出了反射式VBG(reflection VBG)的示例的角度带宽和透射式SRG(transmissive SRG)的示例的角度带宽。
图8A示出了根据某些实施例的光学透视增强现实系统的示例，该系统包括波导显示器和用于出射光瞳扩展的表面浮雕光栅。图8B示出了根据某些实施例的包括二维复制出射光瞳的视窗(eye box)的示例。
图9A示出了由表面浮雕光栅的示例衍射的光的波矢量，该表面浮雕光栅用于波导显示器中的出射光瞳扩展和多种颜色的出射光瞳。图9B通过波导显示器中用于出射光瞳扩展的表面浮雕光栅的示例示出了视场截断(clipping)。
图10A示出了根据某些实施例的基于体布拉格光栅的波导显示器的示例。图10B示出了图10A所示的基于体布拉格光栅的波导显示器的示例的俯视图。图10C示出了图10A所示的基于体布拉格光栅的波导显示器的示例的侧视图。
图11示出了根据某些实施例的基于体布拉格光栅的波导显示器的示例中的光色散(light dispersion)。
图12A示出了体布拉格光栅(VBG)的示例。图12B示出了图12A所示的体布拉格光栅的布拉格条件。
图13A示出了根据某些实施例的具有出射光瞳扩展和色散减小的基于体布拉格光栅的波导显示器的示例的前视图。图13B示出了图13A所示的基于体布拉格光栅的波导显示器的示例的侧视图。
图14A示出了根据某些实施例的来自不同视场的光在基于反射式体布拉格光栅的波导显示器中的传播。图14B示出了根据某些实施例的来自不同视场的光在基于透射式体布拉格光栅的波导显示器中的传播。
图15示出了根据某些实施例的具有出射光瞳扩展和色散减小的基于反射式体布拉格光栅的波导显示器的示例。
图16示出了根据某些实施例的具有出射光瞳扩展和形状因子减小的基于透射式体布拉格光栅的波导显示器的示例。
图17A示出了根据某些实施例的波导显示器中的透射式体布拉格光栅的示例。图17B示出了波导显示器中的透射式VBG的示例，其中被反射式VBG衍射的光没有在波导中被全反射和引导。图17C示出了根据某些实施例的波导显示器中的反射式体布拉格光栅的示例。图17D示出了波导显示器中的反射式VBG的示例，其中被透射式VBG衍射的光没有在波导中被全反射和引导。
图18A示出了根据某些实施例的波导显示器中的反射式体布拉格光栅的示例的光色散。图18B示出了根据某些实施例的波导显示器中的透射式体布拉格光栅的示例的光色散。
图19A是根据某些实施例的具有出射光瞳扩展和色散减小的基于体布拉格光栅的波导显示器的示例的正视图。图19B是根据某些实施例的包括图像投影仪和多个聚合物层的基于体布拉格光栅的波导显示器的示例的侧视图。
图20示出了根据某些实施例的基于透射式体布拉格光栅的波导显示器的示例。
图21A示出了根据某些实施例的具有出射光瞳扩展、色散减小、形状因子减小和功率效率提高的基于体布拉格光栅的波导显示器的另一个示例。图21B示出了在图21A中所示的基于体布拉格光栅的波导显示器的视窗处的复制出射光瞳的示例。
图22A示出了根据某些实施例的具有出射光瞳扩展、色散减小和形状因子减小的基于体布拉格光栅的波导显示器的示例。图22B示出了根据某些实施例的具有出射光瞳扩展、色散减小、形状因子减小和效率提高的基于体布拉格光栅的波导显示器的示例。
图23A是根据某些实施例的包括两个图像投影仪的基于体布拉格光栅的波导显示器的示例的正视图。图23B是根据某些实施例的包括两个图像投影仪的基于体布拉格光栅的波导显示器的示例的侧视图。
图24示出了根据某些实施例的包括两个图像投影仪的基于反射式体布拉格光栅的波导显示器的示例。
图25A是根据某些实施例的基于体布拉格光栅的波导显示器的示例的正视图，该波导显示器包括单个图像投影仪和用于视场拼接的光栅。图25B是根据某些实施例的基于体布拉格光栅的波导显示器的示例的侧视图，该波导显示器具有单个图像投影仪和用于视场拼接的光栅。
图26A示出了根据某些实施例的基于反射式体布拉格光栅的波导显示器的示例，该波导显示器包括用于第一FOV的第一组光栅。图26B示出了根据某些实施例的基于反射式体布拉格光栅的波导显示器的示例，该波导显示器包括用于第二FOV的第二组光栅。
图27A示出了根据某些实施例的基于透射式体布拉格光栅的波导显示器的示例，该波导显示器包括用于第一FOV的第一组光栅。图27B示出了根据某些实施例的基于透射式体布拉格光栅的波导显示器的示例，该波导显示器包括用于第二FOV的第二组光栅。
图28A示出了波导显示器的未对准视场的示例。图28B示出了根据某些实施例的拼接波导显示器的视场的方法的示例。
图29示出了根据某些实施例的基于体布拉格光栅的波导显示器的示例，该波导显示器包括用于不同视场和/或光波长的多个光栅层。
图30示出了根据某些实施例的基于体布拉格光栅的波导显示器的示例中的多个光栅的视场。
图31A示出了体布拉格光栅的示例对来自不同对应视场的不同颜色的光的衍射。图31B示出了体布拉格光栅的光栅周期和不同颜色入射光的相应视场之间的关系。
图32A示出了具有相同厚度但不同折射率调制的透射式体布拉格光栅的示例的衍射效率。图32B示出了具有相同厚度但不同折射率调制的反射式体布拉格光栅的示例的衍射效率。
图33A示出了作为入射角从布拉格条件的偏离的函数的具有第一折射率调制的透射式体布拉格光栅的示例的衍射效率。图33B示出了作为入射角从布拉格条件的偏离的函数的具有第二折射率调制的透射式体布拉格光栅的示例的衍射效率。图33C示出了作为入射角从布拉格条件的偏离的函数的具有第三折射率调制的透射式体布拉格光栅的示例的衍射效率。图33D示出了作为入射角从布拉格条件的偏离的函数的具有第四折射率调制的透射式体布拉格光栅的示例的衍射效率。
图34A示出了作为入射角从布拉格条件的偏离的函数的具有第一折射率调制的反射式体布拉格光栅的示例的衍射效率。图34B示出了作为入射角从布拉格条件的偏离的函数的具有第二折射率调制的反射式体布拉格光栅的示例的衍射效率。图34C示出了作为入射角从布拉格条件的偏离的函数的具有第三折射率调制的反射式体布拉格光栅的示例的衍射效率。图34D示出了作为入射角从布拉格条件的偏离的函数的具有第四折射率调制的反射式体布拉格光栅的示例的衍射效率。
图35A示出了具有第一折射率调制的透射式VBG的示例对于来自不同视场的蓝光的衍射效率。图35B示出了具有第一折射率调制的透射式VBG的示例对于来自不同视场的绿光的衍射效率。图35C示出了具有第一折射率调制的透射式VBG的示例对于来自不同视场的红光的衍射效率。图35D示出了具有第二折射率调制的透射式VBG的示例对于来自不同视场的蓝光的衍射效率。图35E示出了具有第二折射率调制的透射式VBG的示例对于来自不同视场的绿光的衍射效率。图35F示出了具有第二折射率调制的透射式VBG的示例对于来自不同视场的红光的衍射效率。图35G示出了具有第三折射率调制的透射式VBG的示例对于来自不同视场的蓝光的衍射效率。图35H示出了具有第三折射率调制的透射式VBG的示例对于来自不同视场的绿光的衍射效率。图35I示出了具有第三折射率调制的透射式VBG的示例对于来自不同视场的红光的衍射效率。
图36A示出了为了实现不同颜色光的衍射饱和，具有不同光栅周期的透射式体布拉格光栅的最小折射率调制。图36B示出了为了避免蓝光、绿光和红光的折射率调制饱和，具有不同光栅周期的透射式光栅的最大折射率调制。图36C示出了根据某些实施例的光栅层的示例，该光栅层包括具有不同间距和折射率调制的多路复用VBG，用于优化衍射效率和均匀性。
图37A示出了由波导显示器的示例中的多路复用体布拉格光栅引起的FOV串扰。图37B示出了体布拉格光栅的光栅周期和不同颜色入射光的相应视场之间的关系。
图38A示出了用于不同视场的透射式体布拉格光栅和反射式体布拉格光栅的布拉格峰的线宽。图38B示出了用于不同视场的透射式体布拉格光栅的布拉格峰的示例。图38C示出了用于不同视场的反射式体布拉格光栅的布拉格峰的示例。
图39A示出了在多路复用体布拉格光栅的示例中串扰和效率之间的权衡。图39B示出了在多路复用体布拉格光栅的示例中串扰和效率之间的权衡。
图40A示出了在多路复用透射式体布拉格光栅中最小衍射效率与总折射率调制和相应串扰之间的关系。图40B示出了在多路复用反射式体布拉格光栅中最小衍射效率与总折射率调制和相应串扰之间的关系。
图41示出了根据某些实施例的波导显示器的示例，该波导显示器包括两个多路复用体布拉格光栅和在两个多路复用体布拉格光栅之间的偏振转换器。
图42示出了根据某些实施例的包括抗反射层和角度选择性透射层的波导显示器的示例。
图43是根据某些实施例的近眼显示器的示例中的电子系统的示例的简化框图。
附图仅为了说明的目的而描绘本公开的实施例。本领域的技术人员将从以下描述中容易地认识到，在不脱离本公开的原理或所推崇的益处的情况下，可以采用所示结构和方法的替代实施例。
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。如果在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
本公开总体上涉及用于近眼显示系统的基于体布拉格光栅(VBG)的波导显示器。在近眼显示系统中，通常希望扩展视窗、减少显示雾度、提高图像质量(例如，分辨率和对比度)、减小物理尺寸、增加功率效率、并增加视场。在基于波导的近眼显示系统中，投影图像的光可以耦合到波导(例如，透明衬底)中，在波导内传播，并在不同位置处从波导耦合出去，以复制出射光瞳并扩展视窗。可以使用两个或更多个光栅来在两个维度上扩展出射光瞳。在用于增强现实应用的基于波导的近眼显示系统中，来自周围环境的光可以穿过波导显示器的至少透视区域(例如，透明衬底)并到达用户的眼睛。在一些实施方式中，可以使用衍射光学元件(例如光栅)将投影图像的光耦合到波导中或从波导耦合出去。
由于光栅效率的角度依赖性，使用衍射光学元件实现的耦合器可能具有有限的视场。因此，从多个入射角(例如，从不同的视场)入射到耦合器上的光可能不会以相等或相似的效率衍射。此外，使用衍射光学元件实现的耦合器可能导致不同颜色的光之间的色散，并且对于不同颜色的光可能具有不同的衍射角。因此，彩色图像中的不同颜色分量可能无法相互重叠。因此，显示图像的质量(例如，颜色再现中性(color reproductionneutrality))可能会降低。此外，由于光色散和波导显示器能够引导的光的波矢量的有限范围，不同颜色的视场可能会减小或部分被截断。为了减少色散并提高视场(FOV)范围和衍射效率，可以使用厚的透射式和/或反射式VBG光栅，其包括许多多路复用光栅以覆盖不同颜色分量的不同视场，这在许多情况下可能是不切实际的，和/或由于光栅的厚度和记录多路复用VBG光栅的大量曝光，可能导致显著的显示雾度。例如，在一些情况下，可能需要厚度大于1毫米的透射式VBG光栅，以减少色散并获得期望的FOV范围和衍射效率。可以使用具有相对较低厚度的反射式VBG光栅来实现期望的性能。然而，对于反射光栅，用于二维光瞳扩展的光栅可能无法重叠，因此波导显示器的物理尺寸可能很大，并且显示雾度可能仍然很大。
根据某些实施例，由投影仪显示的显示图像的全FOV范围可以被分成由两组或更多组光栅覆盖的两个或更多个FOV范围。两个或更多个FOV范围可以拼接在一起以提供全视场。对于每个FOV范围，可以使用一组光栅在两个维度上扩展出射光瞳，以填充视窗。例如，顶部光栅可用于在一个方向(例如，水平或垂直)上扩展出射光瞳，并且底部光栅可用于在另一个方向(例如，垂直或水平)上扩展出射光瞳。在一些实施例中，为了减少某些光学伪像，两组或更多组光栅可以被配置成使得全视场的两个或更多个FOV范围可以部分重叠。这样，即使由于一些制造误差导致全FOV的两个或更多个FOV范围未对准，全FOV仍然可以被支持。
在一些情况下，重影效应(ghost effect)可能是由第一视场的显示光被第二视场的光栅不希望的衍射引起的。例如，如果FOV的左半部分的显示光被FOV的右半部分的顶部光栅衍射，或者如果FOV的右半部分的显示光被FOV的左半部分的顶部光栅衍射，则可能存在重影图像。在一些实施例中，为了减少重影效应，两个或更多个顶部光栅可以彼此偏移，并且可以不重叠。在一些实施例中，两个或更多个顶部光栅可以被设计成使得光栅对显示光的不期望的衍射不会到达视窗，因此不会被用户观察到。
在一些实施例中，具有匹配光栅矢量(例如，在垂直于透明衬底的表面法线方向的平面中具有相同的光栅矢量)的两个VBG光栅(或同一光栅的两个部分)可用于衍射显示光并在一个维度上扩展出射光瞳。由于在两个VBG光栅处的相反布拉格条件(例如+1级和-1级衍射)，两个VBG光栅可以补偿由彼此引起的显示光的色散，以降低总色散。因此，可以使用薄的VBG光栅，并且仍然可以获得期望的分辨率。由于色散补偿，薄透射式VBG光栅可以用于实现期望的分辨率，并且用于二维光瞳扩展的光栅可以至少部分重叠，以减小波导显示器的物理尺寸。
在一些实施例中，第一对VBG光栅(或光栅的两个部分)可用于在一个维度上扩展出射光瞳并补偿由彼此引起的色散，并且第二对VBG光栅(或光栅的两个部分)可用于在另一个维度上扩展出射光瞳并可补偿由彼此引起的色散。因此，可以在两个维度上复制出射光瞳，并且显示图像的分辨率在两个维度上都可以很高。
在一些实施例中，为了在全FOV(full FOV)和颜色光谱上实现期望的FOV、耦合效率和耦合效率均匀性，可以在一个或更多个波导板上形成包括多路复用VBG的多个VBG层。每个VBG层可以用于以相对较高的效率耦合特定FOV和/或颜色范围内的光，并且多个VBG层的组合可以以相对较高且均匀的耦合效率提供所需FOV和颜色范围的完全覆盖。在一些实施例中，每个VBG层可以包括松散复用的VBG，并且多路复用VBG可以被设计成避免布拉格峰重叠，从而避免多路复用VBG中的VBG之间的FOV串扰，该串扰可能导致重影图像或其他不期望的光学伪像。
在以下描述中，描述了各种发明实施例，包括设备、系统、方法等。为了解释的目的，阐述了具体细节以便提供对本公开的示例的透彻理解。然而，将明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实施各种示例。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示出为部件，以避免在不必要的细节上模糊示例。在其他情况下，熟知的设备、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，以便避免模糊示例。附图和描述不意图是限制性的。在本公开内容中使用的术语和表述被用作描述性术语而非限制性的术语，并且在使用这样的术语和表述时不意图排除所示出和描述的特征或其部分的任何等同物。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的人工现实系统环境100的示例的简化框图。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，它们中的每一个都可以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的人工现实系统环境100的示例，但是在人工现实系统环境100中可以包括任意数量的这些部件，或者可以省略这些部件中的任何部件。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呈现的内容的示例包括以下中的一个或更多个：图像、视频、音频或它们的任何组合。在一些实施例中，音频可以经由外部设备(例如，扬声器和/或耳机)进行呈现，该外部设备从近眼显示器120、控制台110或近眼显示器120和控制台110两者接收音频信息并基于音频信息呈现音频数据。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。下面参照图2和图3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可以省略以下中的任何一个：眼睛跟踪单元130、定位器126、位置传感器128和IMU 132，或者包括附加元件。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描述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，诸如液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)显示器、无机发光二极管(ILED)显示器、微发光二极管(μLED)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(例如，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、光波导、光圈(aperture)、费涅尔透镜、凸透镜、凹透镜、滤光器、输入/输出耦合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。在一些实施例中，显示光学器件124可以将显示的图像投影到一个或更多个图像平面，所述图像平面可以比近眼显示器120更远离用户的眼睛。
显示光学器件124还可以被设计为校正一种或更多种类型的光学误差，诸如二维光学误差、三维光学误差或它们的任意组合。二维误差可以包括二维中出现的光学像差(optical aberration)。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(fieldcurvature)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LED、锥体棱镜(corner cube reflector)、反射标记、与近眼显示器120在其中操作的环境形成对比的一种光源、或者它们的任何组合。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可以包括一个或更多个相机、一个或更多个视频相机、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任何组合。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、或者它们的任何组合。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可位于IMU 132的外部、IMU 132的内部或它们的任何组合。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非相干光源或相干光源(例如，激光二极管)，以及捕获由用户的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。
例如，近眼显示器120可以使用眼睛的取向以进行以下操作：确定用户的瞳孔间距(IPD)、确定注视方向、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)、至少部分地基于至少一只用户眼睛的取向的一些其他功能、或它们的任意组合。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 of convergence)。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。用户注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。在一些实施例中，外部成像设备150可以用于跟踪输入/输出接口140，诸如跟踪控制器(其可以包括例如IR光源)或用户的手的位置或定位以确定用户的动作。在一些实施例中，近眼显示器120可以包括一个或更多个成像设备以跟踪输入/输出接口140，诸如跟踪控制器或用户的手的位置或定位以确定用户的运动。
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。非暂时性计算机可读存储介质可以是任何存储器，诸如硬盘驱动器、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。另外，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、慢速校准信息中的部分或它们的任何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。
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的预测未来位置或它们的任何组合。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用于呈现给用户的内容。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窝(socket)中的位置而改变，所以确定眼睛在眼窝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。
图2是用于实现本文公开的示例中的一些示例的HMD设备200形式的近眼显示器的示例的透视图。HMD设备200可以是例如VR系统、AR系统、MR系统或它们的任何组合的一部分。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的底侧223、前侧225和左侧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可以包括例如如以下图3所示的眼镜腿(eyeglass temple)和镜腿末端(temples tips)，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。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)、音频或它们的任何组合。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)。例如，电子显示面板的示例可以包括LCD、OLED显示器、ILED显示器、μLED显示器、AMOLED、TOLED、某种其他显示器或它们的任何组合。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、预测的未来位置或它们的任何组合。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近眼显示器300的示例的透视图。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是示出近眼显示系统中的光学系统400的示例的简化图。光学系统400可以包括图像源410和投影仪光学器件420。在图4所示的示例中，图像源410在投影仪光学器件420的前面。在各种实施例中，图像源410可以位于用户眼睛490的视场之外。例如，可以使用一个或更多个反射器或定向耦合器来偏转来自用户眼睛490的视场之外的图像源的光，以使图像源看起来位于图4所示的图像源410的位置。来自图像源410上的区域(例如，像素或发光器件)的光可以被投影仪光学器件420准直并导向出射光瞳430。因此，在图像源410上不同空间位置处的对象可能看起来是在不同视角(FOV)中的远离用户眼睛490的对象。来自不同视角的准直光然后可以被用户眼睛490的晶状体聚焦到用户眼睛490的视网膜492上的不同位置。例如，光的至少一些部分可以聚焦在视网膜492上的中央凹494上。来自图像源410上的区域并从相同方向入射到用户眼睛490上的准直光线可以聚焦到视网膜492上的相同位置。这样，图像源410的单个图像可以形成在视网膜492上。
使用人工现实系统的用户体验可能取决于光学系统的几个特征，包括视场(FOV)、图像质量(例如，角度分辨率)、视窗的大小(以适应眼睛和头部的运动)以及视窗内光线的亮度(或对比度)。视场描述了用户看到的图像的角度范围，通常以一只眼睛(对于单目HMD)或两只眼睛(对于双眼或双目HMD)观察到的度数来度量。人类视觉系统可以具有大约200°(水平)乘130°(垂直)的总双目FOV。为了创建完全沉浸式的视觉环境，需要大的FOV，因为大的FOV(例如，大于约60°)可以提供“在”图像中的感觉，而不仅仅是观看图像。较小的视场也可能排除了一些重要的视觉信息。例如，具有小FOV的HMD系统可以使用手势界面，但是用户可能看不到他们的手在小FOV中来确保他们正在使用正确的运动。另一方面，更宽的视场可能需要更大的显示器或光学系统，这可能会影响使用HMD的尺寸、重量、成本和舒适性。
分辨率可以指用户看到的显示像素或图像元素的角度大小，或者用户查看和正确解释由像素和/或其他像素成像的对象的能力。对于给定的FOV值，HMD的分辨率可以被指定为图像源上的像素数，由此可以通过将一个方向上的FOV除以图像源上相同方向上的像素数来确定角度分辨率。例如，对于40°的水平FOV和图像源上水平方向上的1080个像素，与和Snellen 20/20人类视觉敏锐度相关联的1弧分分辨率相比，相应的角度分辨率可以是大约2.2弧分。
在某些情况下，视窗可以是用户眼睛前面的二维框，从该框可以查看来自图像源的显示图像。如果用户的瞳孔移出视窗，用户可能看不到显示的图像。例如，在非光瞳形成配置中，存在观察视窗，在该观察视窗内将有对HMD图像源的无渐晕的观察(unvignettedviewing)，并且当用户眼睛的瞳孔在观察视窗之外时，所显示的图像可以渐晕(vignette)或者可以被裁剪(clip)，但是仍然是可见的。在光瞳形成配置中，图像在出射光瞳之外可能不可见。
在视网膜上可以获得最高分辨率的人眼中央凹可以对应于大约2°到大约3°的FOV。这可能需要眼睛旋转，以便以最高分辨率查看离轴对象(off-axis object)。由于眼睛围绕瞳孔后面大约10mm的点旋转，所以眼睛旋转以观看离轴对象会引入瞳孔的平移。此外，用户可能不总是能够将用户眼睛的瞳孔(例如，半径约为2.5mm)精确定位在视窗中的理想位置。此外，使用HMD的环境可能要求视窗更大，以允许用户的眼睛和/或头部相对于HMD移动，例如，当HMD用于移动的车辆中或设计成在用户步行时使用时。这些情况下的移动量可能取决于HMD与用户头部的耦合程度。
因此，为了适应用户瞳孔相对于HMD的移动，HMD的光学系统可能需要提供足够大的出射光瞳或观察视窗，用于以全分辨率观看全FOV。例如，在光瞳形成配置中，对于出射光瞳来说，12mm至15mm的最小尺寸可能是期望的。如果视窗太小，眼睛和HMD之间的微小错位可能导致图像至少部分丢失，用户体验可能会受到严重损害。一般来说，视窗的横向范围比视窗的垂直范围更重要。这可能部分是由于用户之间的眼睛分离距离的显著差异，以及以下事实：眼部佩戴物(eyewear)的未对准倾向于更频繁地发生在横向维度上，并且用户倾向于更频繁地左右调整他们的注视，并且幅度比上下调整注视更大。因此，可以增加视窗横向尺寸的技术可以显著改善用户使用HMD的体验。另一方面，视窗越大，光学器件越大，近眼显示设备可能越重、越笨重。
为了在明亮的背景下观看显示的图像，AR HMD的图像源可能需要足够亮，并且光学系统可能需要有效地向用户的眼睛提供明亮的图像，使得显示的图像可以在包括强环境光(例如阳光)的背景下可见。HMD的光学系统可以被设计成将光线聚集在视窗中。当视窗较大时，可以使用高功率的图像源来提供在大视窗内可见的明亮图像。因此，在视窗的尺寸、成本、亮度、光学复杂性、图像质量以及光学系统的尺寸和重量之间可能存在权衡。
图5示出了根据某些实施例的包括用于出射光瞳扩展的波导显示器的光学透视增强现实系统500的示例。增强现实系统500可以包括投影仪510和合路器515。投影仪510可以包括光源或图像源512和投影仪光学器件514。在一些实施例中，光源或图像源512可以包括一个或更多个微LED器件。在一些实施方案中，图像源512可以包括显示虚拟对象的多个像素，诸如LCD显示面板或LED显示面板。在一些实施方案中，图像源512可以包括生成相干光或部分相干光的光源。例如，图像源512可以包括激光二极管、垂直腔面发射激光器、LED、超辐射LED(sLED)和/或上述的微LED。在一些实施例中，图像源512可以包括多个光源(例如，上述微LED阵列)，每个光源发射对应于原色(primary color)(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512可以包括三个微LED二维阵列，其中每个微LED二维阵列可以包括被配置为发射原色(例如，红色、绿色或蓝色)光的微LED。在一些实施例中，图像源512可以包括光学图案生成器，诸如空间光调制器。投影仪光学器件514可以包括一个或更多个光学部件，所述一个或更多个光学部件可以调节来自图像源512的光，诸如扩展、准直、扫描来自图像源512的光或将来自图像源512的光投影到合路器515。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、自由形式光学器件、光圈和/或光栅。例如，在一些实施例中，图像源512可以包括微LED的一个或更多个一维阵列或细长的二维阵列，并且投影仪光学器件514可以包括一个或更多个一维扫描器(例如，微反射镜(micro-mirror)或棱镜)，该一维扫描器被配置为扫描微LED的一维阵列或细长的二维阵列以生成图像帧。在一些实施方案中，投影仪光学器件514可以包括具有多个电极的液体透镜(例如，液晶透镜)，所述电极允许对来自图像源512的光进行扫描。
合路器515可以包括用于将来自投影仪510的光耦合到合路器515的衬底520中的输入耦合器530。输入耦合器530可以包括体全息光栅或另一衍射光学元件(DOE)(例如表面浮雕光栅(SRG))、衬底520的倾斜反射表面或折射耦合器(例如光楔或棱镜)。例如，输入耦合器530可以包括反射式体布拉格光栅或透射式体布拉格光栅。输入耦合器530对于可见光可以具有大于30％、50％、75％、90％或更高的耦合效率。耦合到衬底520中的光可以通过例如全内反射(TIR)在衬底520内传播。衬底520可以是一副眼镜的镜片的形式。衬底520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、陶瓷等。衬底的厚度可以在例如从小于约1mm至约10mm或更大的范围内。衬底520对可见光可以是透明的。
衬底520可以包括或可以耦合到多个输出耦合器540，每个输出耦合器540被配置为从衬底520提取由衬底520引导并在衬底520内传播的光的至少一部分，并且将提取的光560引导到视窗595，当增强现实系统500被使用时，增强现实系统500的用户的眼睛590可以位于视窗595处。多个输出耦合器540可以复制出射光瞳以增加视窗595的尺寸，使得显示的图像可以在更大的区域中可见。与输入耦合器530一样，输出耦合器540可以包括光栅耦合器(例如，体全息光栅或表面浮雕光栅)、其他衍射光学元件(DOE)、棱镜等。例如，输出耦合器540可以包括反射式体布拉格光栅或透射式体布拉格光栅。输出耦合器540在不同位置可以具有不同的耦合(例如衍射)效率。衬底520还可以允许来自合路器515前面的环境的光550以很少的损失或没有损失地穿过。输出耦合器540也可以允许光550以很少的损失穿过。例如，在一些实施方式中，输出耦合器540对于光550可以具有非常低的衍射效率，使得光550可以被折射或者以其他方式以很少的损失穿过输出耦合器540，并且因此可以具有比所提取的光560更高的强度。在一些实施方式中，输出耦合器540对光550可以具有高衍射效率，并且可以在某些期望的方向上(即，衍射角)以很少的损失衍射光550。结果，用户可以观看合路器515前面的环境和由投影仪510投影的虚拟对象的图像的组合图像。在一些实施方式中，输出耦合器540对光550可以具有高衍射效率，并且可以以很少的损失将光550衍射到某些期望的方向(例如，衍射角)。
在一些实施例中，投影仪510、输入耦合器530和输出耦合器540可以在衬底520的任何一侧。输入耦合器530和输出耦合器540可以是反射光栅(reflective grating)(也称为反射光栅(reflection grating))或透射光栅(transmissive grating)(也称为透射光栅(transmission grating))，以将显示光耦合到衬底520中或从衬底520耦合出去。
图6示出了根据某些实施例的包括用于出射光瞳扩展的波导显示器的光学透视增强现实系统600的示例。增强现实系统600可以类似于增强现实系统500，并且可以包括波导显示器和投影仪，其可以包括光源或图像源612和投影仪光学器件614。波导显示器可以包括衬底630、输入耦合器640和多个输出耦合器650，如以上关于增强现实系统500所述。虽然图5仅示出了来自单个视场的光的传播，但是图6示出了来自多个视场的光的传播。
图6示出了出射光瞳被输出耦合器650复制以形成聚集的出射光瞳或视窗，其中不同的视场(例如，图像源612上的不同像素)可以与朝向视窗的不同的相应传播方向相关联，并且来自相同视场(例如，图像源612上的相同像素)的光对于不同的单独出射光瞳可以具有相同的传播方向。因此，图像源612的单个图像可以由位于视窗中任何位置的用户眼睛形成，其中来自不同单独出射光瞳并且在相同方向传播的光可以来自图像源612上的相同像素，并且可以聚焦到用户眼睛视网膜上的相同位置。图6示出了即使用户的眼睛移动到视窗中的不同位置，图像源的图像也可以被用户的眼睛看到。
在许多基于波导的近眼显示系统中，为了在两个维度上扩展基于波导的近眼显示器的视窗，可以使用两个或更多个输出光栅来在两个维度上或沿着两个轴扩展显示光(这可以被称为双轴光瞳扩展)。两个光栅可以具有不同的光栅参数，使得一个光栅可以用于在一个方向上复制出射光瞳，而另一个光栅可以用于在另一个方向上复制出射光瞳。
如上所述，上述输入和输出光栅耦合器可以是体全息光栅或表面浮雕光栅，它们可以具有非常不同的Klein-Cook参数Q：
Figure BDA0003517345010000261
其中d是光栅的厚度，λ是自由空间中入射光的波长，Λ是光栅周期，n是记录介质的折射率。Klein-Cook参数Q可以将光栅的光衍射分为三种情况(regime)。当光栅以Q<<1为特征时，光栅的光衍射可以被称为拉曼-纳斯(Raman-Nath)衍射，其中对于法向和/或倾斜入射光可以出现多个衍射级。当光栅以Q>>1(例如，Q≥10)为特征时，光栅的光衍射可被称为布拉格衍射，其中对于以满足布拉格条件的角度入射到光栅上的光，通常仅出现零级和±1级衍射。当光栅以Q≈1为特征时，光栅的衍射可以在拉曼-纳斯衍射和布拉格衍射之间。为了满足布拉格条件，光栅的厚度d可以高于某些值以占据介质的体积(而不是表面)，因此可以被称为体布拉格光栅。VBG通常可以具有相对小的折射率调制(例如，Δn≤0.05)以及高的光谱和角度选择性，而表面浮雕光栅通常可以具有大的折射率调制(例如，Δn≥0.5)以及宽的光谱和角度带宽。
图7A示出了体布拉格光栅(例如反射式VBG)的示例的光谱带宽和表面浮雕光栅(例如透射式SRG)的示例的光谱带宽。横轴表示入射可见光的波长，并且纵轴对应于衍射效率。如曲线710所示，反射式VBG的衍射效率在诸如绿光的窄波长范围内较高。相反，如曲线720所示，透射式SRG的衍射效率在诸如从蓝光到红光的非常宽的波长范围内可以较高。
图7B示出了体布拉格光栅(例如反射式VBG)的示例的角度带宽和表面浮雕光栅(例如透射式SRG)的示例的角度带宽。横轴表示入射到光栅上的可见光的入射角，并且纵轴对应于衍射效率。如曲线715所示，反射式VBG的衍射效率对于从窄角度范围(例如从完美布拉格条件大约±2.5°)入射到光栅上的光是高的。相反，透射式SRG的衍射效率在非常宽的角度范围(例如大于约±10°或更宽)内很高，如曲线725所示。
由于在布拉格条件下的高光谱选择性，VBG(例如反射式VBG)可以允许单波导设计而没有原色之间的串扰，并且可以表现出优异的透视质量。然而，光谱和角度选择性可能导致较低的效率，因为在全FOV中只有一部分显示光可能被衍射并到达用户的眼睛。
图8A示出了根据某些实施例的光学透视增强现实系统的示例，该系统包括波导显示器800和用于出射光瞳扩展的表面浮雕光栅。波导显示器800可以包括衬底810(例如波导)，其可以类似于衬底520。衬底810可以对可见光透明，并且可以包括例如玻璃、石英、塑料、聚合物、PMMA、陶瓷或晶体衬底。衬底810可以是平坦的衬底或弯曲的衬底。衬底810可以包括第一表面812和第二表面814。显示光可以通过输入耦合器820耦合到衬底810中，并且可以通过全内反射被第一表面812和第二表面814反射，使得显示光可以在衬底810内传播。如上所述，输入耦合器820可以包括光栅、折射耦合器(例如，光楔或棱镜)或反射耦合器(例如，相对于衬底810具有倾斜角的反射表面)。例如，在一个实施例中，输入耦合器820可以包括棱镜，该棱镜可以以相同的折射角将不同颜色的显示光耦合到衬底810中。在另一个示例中，输入耦合器820可以包括光栅耦合器，该光栅耦合器可以在不同方向上将不同颜色的光衍射到衬底810中。对于可见光，输入耦合器820可以具有大于10％、20％、30％、50％、75％、90％或更高的耦合效率。
波导显示器800还可以包括位于衬底810的一个或两个表面(例如，第一表面812和第二表面814)上的第一光栅830和第二光栅840，用于在两个维度上扩展入射显示光束，以便用显示光填充视窗(或输出或出射光瞳)。第一光栅830可以被配置为沿着一个方向，例如大约在x方向，扩展至少一部分显示光束。耦合到衬底810中的显示光可以沿线832所示的方向传播。当显示光在衬底810内沿着线832所示的方向传播时，每次在衬底810内传播的显示光到达第一光栅830时，显示光的一部分可以被第一光栅830的一部分衍射向第二光栅840，如线834所示。然后，第二光栅840可以通过每次在衬底810内传播的显示光到达第二光栅840时将显示光的一部分衍射到视窗，在不同的方向(例如，大约在y方向)上扩展来自第一光栅830的显示光。在第二光栅840上，出射区域(exit region)850代表这样的区域，在该区域中，在视窗中的一个光瞳位置(例如，在视窗的中心)处的全FOV的显示光可以从波导显示器800耦合出去。
图8B示出了包括二维复制出射光瞳的视窗的示例。图8B示出了单个输入光瞳805可以被第一光栅830和第二光栅840复制，以形成包括单个出射光瞳852的二维阵列的聚集出射光瞳860。例如，出射光瞳可以通过第一光栅830在大约x方向上复制，并且通过第二光栅840在大约y方向上复制。如上所述，来自单个出射光瞳852并沿相同方向传播的输出光可以聚焦到用户眼睛视网膜中的相同位置。因此，用户的眼睛可以从单个出射光瞳852的二维阵列中的输出光形成单个图像。
图9A示出了由用于波导显示器中的出射光瞳扩展和多种颜色的出射光瞳的表面浮雕光栅的示例衍射的光的波矢量。圆910可以表示可以由波导引导的光的波矢量。对于波矢量在圆910之外的光，光可能变得倏逝(evanescent)。圆920可以表示由于不满足全内反射条件而可能从波导泄漏出的光的波矢量。因此，圆910和圆920之间的环可以表示可以由波导引导并且可以通过TIR在波导内传播的光的波矢量。波矢量932示出了由输入光栅引起的光色散，其中不同颜色的光可以具有不同的波矢量和不同的衍射角。波矢量942示出了由前光栅(例如，第一光栅830)引起的光色散，其中不同颜色的光可以具有不同的衍射角。波矢量952示出了由后光栅(例如，第二光栅840)引起的光色散，其中不同颜色的光可以具有不同的衍射角。每种颜色的波矢量可以形成各自的闭合三角形，并且不同颜色的三角形可以共享公共的原点顶点922。因此，三个光栅的总色散可以接近于零。
即使三个光栅的总色散可以为零，每个光栅的色散可能会导致波导显示器的视场减小或截断，这是由于如圆910和圆920之间的环所示的波导可以引导光的条件。例如，对于FOV 924，由于输入光栅的色散，由输入光栅衍射后的FOV的覆盖区(footprint)对于不同的颜色可能不同。在图9A所示的示例中，用于第一颜色的光的FOV的覆盖区936可能位于环中，而用于第二颜色的光的FOV的覆盖区934的一部分和用于第三颜色的光的FOV的覆盖区938的一部分可能落在环的外部，因此不会被波导引导。此外，在被前光栅衍射之后，FOV的覆盖区可能被进一步截断或减少。在图9A所示的示例中，用于第一颜色的光的FOV的覆盖区946的一小部分、用于第二颜色的光的FOV的覆盖区944的大部分、以及用于第三颜色的光的FOV的覆盖区948的大部分可能落在环的外部，因此不会被波导引导并且不会被后光栅衍射以到达出射光瞳。
图9B通过波导显示器中用于出射光瞳扩展的表面浮雕光栅的示例示出了视场截断。例如，被后光栅衍射后的第一颜色光的FOV可以由覆盖区956示出，覆盖区956可以接近全FOV。对于第二颜色的光，FOV的顶部可能在被第一光栅衍射之后被截断，并且FOV的右侧部分可能在被前光栅衍射之后被截断。因此，被后光栅衍射后的第二颜色光的FOV可以由覆盖区954示出，该覆盖区954可以比全FOV小得多。类似地，对于第三颜色的光，FOV的底部可能在被第一光栅衍射之后被截断，并且FOV的左侧部分可能在被前光栅衍射之后被截断。因此，被后光栅衍射后的第三颜色光的FOV可以由覆盖区958示出，该覆盖区958可以比全FOV小得多。因此，对于某些视场，图像的某些颜色分量可能会丢失。这样，为了实现不同颜色的全FOV，可以使用两个或更多个波导和相应的光栅。此外，如上所述，SRG的宽带宽可能导致不同原色和/或来自不同FOV的光之间的串扰，因此也可以使用多个波导来避免串扰。
由于布拉格条件下的高光谱选择性，VBG(例如反射式VBG)可以允许单波导设计，而没有体布拉格光栅中原色之间的串扰，并且可以实现优异的透视质量。因此，输入耦合器530或640以及输出耦合器540或650可以包括体布拉格光栅，其可以是通过将全息记录材料暴露于由两个或更多个相干光束之间的干涉产生的光图案而记录在全息记录材料中的体全息图。在体布拉格光栅中，入射光的入射角和波长可能需要满足布拉格相位匹配条件，以便入射光被布拉格光栅衍射。当在基于波导的近眼显示器中使用单个布拉格光栅时，体布拉格光栅的光谱和角度选择性可能导致较低的效率，因为只有一部分显示光可以被衍射并到达用户的眼睛，并且基于波导的近眼显示器的视场和工作波长范围可能受到限制。在一些实施例中，多路复用VBG可用于提高效率并增加FOV。
图10A示出了根据某些实施例的基于体布拉格光栅的波导显示器1000的示例的前视图。波导显示器1000可以包括衬底1010，其可以类似于衬底520。衬底1010可以对可见光透明，并且可以包括例如玻璃、石英、塑料、聚合物、PMMA、陶瓷或晶体衬底。衬底1010可以是平坦的衬底或弯曲的衬底。衬底1010可以包括第一表面1012和第二表面1014。显示光可以通过输入耦合器1020耦合到衬底1010中，并且可以通过全内反射被第一表面1012和第二表面1014反射，使得显示光可以在衬底1010内传播。如上所述，输入耦合器1020可以包括衍射耦合器(例如，体全息光栅或表面浮雕光栅)、折射耦合器(例如，光楔或棱镜)或反射耦合器(例如，相对于衬底1010具有倾斜角的反射表面)。例如，在一个实施例中，输入耦合器1020可以包括棱镜，该棱镜可以以相同的折射角将不同颜色的显示光耦合到衬底1010中。在另一个示例中，输入耦合器可以包括光栅耦合器，该光栅耦合器可以在不同方向上将不同颜色的光衍射到衬底1010中。
波导显示器1000还可以包括位于衬底1010的一个或两个表面(例如，第一表面1012和第二表面1014)上的第一光栅1030和第二光栅1040，用于在两个维度上扩展入射显示光束，以便用显示光填充视窗。第一光栅1030可以包括一个或更多个多路复用体布拉格光栅，每个光栅被配置为沿着一个方向扩展显示光束的至少一部分(例如，对应于特定视场和/或波长范围的光)，如线1032、1034和1036所示。例如，当显示光在衬底1010内沿着线1032、1034或1036所示的方向传播时，每次在衬底1010内传播的显示光到达第一光栅1030时，显示光的一部分可以被第一光栅1030衍射到第二光栅1040。然后，第二光栅1040可以通过每次在衬底1010内传播的显示光到达第二光栅1040时将一部分显示光衍射到视窗，在不同的方向上扩展来自第一光栅1030的显示光。在第二光栅1040上，出射区域1050代表这样的区域，在该区域中，在视窗中的一个光瞳位置(例如，在视窗的中心)处的全FOV的显示光可以从波导显示器1000耦合出去。
如上所述，第一光栅1030和第二光栅1040可以各自包括多路复用VBG，该多路复用VBG包括多个VBG，每个VBG被设计用于特定的FOV范围和/或波长范围。例如，第一光栅1030可以包括通过几百次或更多次曝光记录的几百个或更多个VBG(例如，大约300个至大约1000个VBG)，其中每个VBG可以在不同的条件下记录。第二光栅1040也可以包括通过数十次或数百次曝光记录的数十个或数百个VBG(例如，50个或更多个VBG)。第一光栅1030和第二光栅1040可以各自是透射光栅或反射光栅。
图10B和图10C分别示出了基于体布拉格光栅的波导显示器1000的俯视图和侧视图。输入耦合器1020可以包括投影仪光学器件(未示出，例如透镜)和棱镜。显示光可以被投影仪光学器件准直并投射到棱镜上，并且可以被棱镜耦合到衬底1010中。棱镜可以具有与衬底1010的折射率匹配的折射率，并且可以包括具有一定角度的光楔，使得耦合到衬底1010中的光可以以大于衬底1010的临界角的入射角入射到衬底1010的表面1012或1014上。这样，耦合到衬底1010中的显示光可以由衬底1010通过全内反射来引导，并且可以被第一光栅1030的多个区域衍射到第二光栅1040，如上所述。第二光栅1040然后可以在多个区域将显示光衍射出衬底1010，以复制出射光瞳。
图11示出了根据某些实施例的基于体布拉格光栅的波导显示器(例如波导显示器1000)的示例中的光色散。如示例中所示，球体1110可以表示可以由波导引导的光的波矢量。对于波矢量在球体1110之外的光，光可能变得倏逝。锥体1120可以表示由于不满足全内反射条件而可能从波导中泄漏出来的光的波矢量。因此，球体1110在锥体1120之外的区域可以表示可以由波导引导并且可以通过TIR在波导内传播的光的波矢量。点1130可以表示通过例如棱镜耦合到波导中的显示光的波矢量。波矢量1140示出了由第一光栅1030引起的光色散，其中不同颜色的光可以具有不同的衍射角。波矢量1150示出了由第二光栅1040引起的光色散，其中不同颜色的光可以具有不同的衍射角。因此，从衬底耦合出去的光可能具有一些色散，使得不同颜色的图像可能不会完美地彼此重叠以形成一个图像。因此，显示的图像可能模糊，并且显示的图像的分辨率可能降低。
图12A示出了体布拉格光栅1200的示例。图12A所示的体布拉格光栅1200可以包括具有厚度D的透射全息光栅。体布拉格光栅1200的折射率n可以以振幅Δn调制，并且体布拉格光栅1200的光栅周期可以是Λ。具有波长λ的入射光1210可以以入射角θ入射到体布拉格光栅1200上，并且可以作为入射光1220折射到体布拉格光栅1200中，入射光1220在体布拉格光栅1200中以角度θn传播。入射光1220可以被体布拉格光栅1200衍射成衍射光1230，衍射光1230可以在体布拉格光栅1200中以衍射角θd传播，并且可以作为衍射光1240从体布拉格光栅1200折射出去。
图12B示出了图12A所示的体布拉格光栅1200的布拉格条件。体布拉格光栅1200可以是透射光栅。矢量1205可以表示光栅矢量
Figure BDA0003517345010000321
其中
Figure BDA0003517345010000322
矢量1225可以表示入射波矢量
Figure BDA0003517345010000323
矢量1235可以表示衍射波矢量
Figure BDA0003517345010000324
其中
Figure BDA0003517345010000325
在布拉格相位匹配条件下，
Figure BDA0003517345010000326
因此，对于给定的波长λ，可能仅存在一对完全满足布拉格条件的入射角θ(或θn)和衍射角θd。类似的，对于给定的入射角θ，可能有一个波长λ完全满足布拉格条件。这样，衍射可以在完美布拉格条件周围的小波长范围和小入射角范围内发生。体布拉格光栅1200的衍射效率、波长选择性和角度选择性可以是体布拉格光栅1200的厚度D的函数。例如，布拉格条件周围的体布拉格光栅1200的半幅全宽(FWHM，full-width-half-magnitude)波长范围和FWHM角度范围可以与体布拉格光栅1200的厚度D成反比，而布拉格条件下的最大衍射效率可以是函数sin2(a×Δn×D)，其中a是系数。对于反射式体布拉格光栅，在布拉格条件下的最大衍射效率可以是函数tanh2(a×Δn×D)。
如上所述，在一些设计中，为了获得大的FOV(例如，大于±30°)并衍射不同颜色的光，多个聚合物层可以堆叠布置，每个聚合物层包括用于不同颜色(例如，R、G或B)和/或不同FOV的布拉格光栅，用于将显示光耦合到用户的眼睛。在一些设计中，可以使用多路复用布拉格光栅，其中多路复用布拉格光栅的每个部分可以用于衍射不同FOV范围和/或不同波长范围内的光。因此，在一些设计中，为了对整个可见光谱(例如，从大约400nm到大约700nm，或者从大约450nm到大约650nm)获得期望的衍射效率和大的FOV，可以使用一个或更多个厚的体布拉格光栅，每个厚的体布拉格光栅包括通过大量曝光(例如，全息记录)(诸如几百次或多于1000次)记录的大量光栅(或全息图)。
上述VBG或其他全息光学元件可以记录在全息材料(例如，光聚合物)层中。在一些实施例中，VBG可以首先被记录，并且然后在近眼显示系统中被层压在衬底上。在一些实施方案中，全息材料层可以被涂覆或层压在衬底上，并且然后VBG可以被记录在全息材料层中。
通常，为了在光敏材料层中记录全息光学元件，两个相干光束可以以一定角度相互干涉，以在光敏材料层中产生独特的干涉图案，这又可以在光敏材料层中产生独特的折射率调制图案，其中折射率调制图案可以对应于干涉图案的光强图案。光敏材料层可以包括例如卤化银乳剂、重铬酸盐明胶、包含悬浮在聚合物基质中的可光聚合的单体的光聚合物、光折变晶体及类似物。用于全息记录的光敏材料层的一个示例是两阶段光聚合物，其可以包括基质前体(matrix precursors)，该基质前体可以在全息记录和用于全息记录的写入单体之前被预固化以形成聚合物粘合剂。
在一个示例中，光敏材料层可以包括聚合物粘合剂、单体(例如，丙烯酸单体)和引发剂(initiating agent)，例如引发剂(initiator)、链转移剂或光敏染料。聚合物粘合剂可以作为支撑基质(support matrix)。单体可以分散在支撑基质中，并且可以用作折射率调节剂。光敏染料可以吸收光并与引发剂相互作用以聚合单体。因此，在每次曝光(记录)中，干涉图案可能导致单体聚合以及到明亮条纹的扩散，从而产生可能导致折射率调制的浓度和密度梯度。例如，单体和聚合浓度较高的区域可能具有较高的折射率。随着曝光和聚合的进行，可用于聚合的单体更少，并且扩散可以被抑制。在所有或基本上所有单体已经聚合之后，在光敏材料层中不再记录新的光栅。在包括以大量曝光记录的大量光栅的厚的VBG中，显示雾度可能很大。
如上所述，在一些基于波导的近眼显示系统中，为了扩展基于波导的近眼显示器的视窗，两个输出光栅(或两个光栅层或多路复用光栅的两个部分)通常可以用于在两个维度上或沿着双轴光瞳扩展的两个轴扩展显示光。在空间上分离两个输出光栅并减少每个输出光栅的总曝光次数可以有助于减少显示雾度，因为基于波导的近眼显示器的透视区域(例如，中间)可以仅包括一个输出光栅。例如，在一些实施例中，第一输出光栅可以用更多次曝光(例如，>500次或>1000次)来记录，并且可以位于基于波导的近眼显示器的透视区域之外。第二输出光栅可以用较少次曝光(例如，<100次或<50次)来记录，并且可以位于基于波导的近眼显示器的透视区域中。因此，可以显著降低透视区域中的显示雾度。然而，由于两个输出光栅的空间分离，基于波导的近眼显示器的整体尺寸可能非常大。
上述光栅耦合器可以包括透射式VBG或反射式VBG，它们可以具有一些相似和一些不同的特性。例如，如上所述，布拉格条件附近的透射式或反射式体布拉格光栅的FWHM波长范围和FWHM角度范围可以与透射式或反射式体布拉格光栅的厚度D成反比。透射式VBG在布拉格条件下的最大衍射效率可以是函数sin2(a×Δn×D)，其中a是系数，Δn是折射率调制，而反射式VBG在布拉格条件下的最大衍射效率可以是函数tanh2(a×Δn×D)。此外，透射式和反射式体布拉格光栅的参数(例如，光栅倾斜角)可以不同，以便以特定角度将显示光耦合到波导中，使得耦合的显示光可以被波导通过TIR引导。由于光栅参数不同，透射光栅和反射光栅的色散特性可能不同。
图13A示出了根据某些实施例的具有出射光瞳扩展和色散减小的基于体布拉格光栅的波导显示器1300的示例的前视图。图13B示出了根据某些实施例的具有出射光瞳扩展和色散减小的基于体布拉格光栅的波导显示器1300的示例的侧视图。波导显示器1300可以类似于波导显示器1000，并且可以在与输入耦合器1020相比不同的位置处包括输入耦合器1320。波导显示器1300可以包括衬底1310，以及形成在衬底1310上或衬底1310中的第一光栅1330和第二光栅1340。与输入耦合器1020一样，输入耦合器1320可以包括投影仪光学器件1322(例如，透镜)和棱镜1324。显示光可以通过输入耦合器1320耦合到衬底1310中，并且可以由衬底1310引导。显示光可以到达第一光栅1330的第一部分1332，并且可以被第一光栅1330的第一部分1332衍射以改变传播方向，并且到达第一光栅1330的其他部分，每个其它部分可以将显示光衍射向第二光栅1340。第二光栅1340可以在不同位置处将显示光衍射出衬底1310，以形成如上所述的多个出射光瞳。
第一光栅1330的第一部分1332和每个其他部分可以具有匹配的光栅矢量(例如，在x-y平面中具有相同的光栅矢量，并且在z方向上具有相同的光栅矢量、相反的光栅矢量，或者在z方向上具有相同和相反的光栅矢量，但是以不同的曝光持续时间记录，以实现不同的衍射效率)。因此，由于在第一光栅1330的第一部分1332和每个其他部分处的衍射的相反布拉格条件(例如+1级和-1级衍射)，它们可以相互补偿显示光的色散，以减少总色散。因此，可以在至少一个方向上减小波导显示器1300对显示光的总色散。
图14A示出了根据某些实施例的来自不同视场的光在基于反射式体布拉格光栅的波导显示器1400中的传播。波导显示器1400可以包括反射式VBG 1410。由于光栅倾斜角度以及反射式VBG 1410的光栅矢量，来自正视场的光(由线1422示出)在反射式VBG 1410的条纹上可以具有较小的入射角，并且在波导显示器1400的顶表面1402上也具有较小的入射角。另一方面，来自负视场的光(由线1424示出)可以在反射式VBG 1410的条纹上具有更大的入射角，并且在波导显示器1400的顶表面1402上也具有更大的入射角。
图14B示出了根据某些实施例的来自不同视场的光在基于透射式体布拉格光栅的波导显示器1450中的传播。波导显示器1450可以包括透射式VBG 1460。由于光栅倾斜角的差异，与反射式VBG 1410相比，透射式VBG 1460可以以不同的方式衍射来自不同视场的光。例如，如图所示，来自正视场的光(由线1472示出)在透射式VBG 1460的条纹上可以具有较小的入射角，但是在波导显示器1450的底表面1452上具有较大的入射角。另一方面，来自负视场的光(由线1474示出)可以在透射式VBG 1460的条纹上具有较大的入射角，但是在波导显示器1450的底表面1452上具有较小的入射角。反射或透射光栅对来自不同视场的光的衍射方式会影响波导显示器的形状因子和性能。
图15示出了根据某些实施例的具有出射光瞳扩展和色散减小的基于反射式体布拉格光栅的波导显示器1500的示例。波导显示器1500可以包括顶部光栅1505和底部光栅1515。在图示的示例中，顶部光栅1505可以是反射式VBG，并且底部光栅1515也可以是反射光栅。在底部光栅1515上，出射区域1550代表这样的区域，在该区域中，在视窗中的一个光瞳位置处(例如，在视窗的中心处)的全FOV的显示光可以耦合出底部光栅。如图15所示，由右上角1522和左上角1524之间的线表示的出射区域1550处的顶部FOV可以映射到顶部光栅1505上的曲线1530，其中出射区域1550的右上角1522和左上角1524可以分别映射到顶部光栅1505上的位置1532和位置1534。由右下角1542和左下角1544之间的线表示的出射区域1550处的底部FOV可以映射到顶部光栅1505上的曲线1510，其中出射区域1550的右下角1542和左下角1544可以分别映射到顶部光栅1505上的位置1512和位置1514。因此，如果曲线1530在出射区域1550的右上角1522和左上角1524之间的线下方，则可能存在一些FOV截断。这样，为了保持全FOV，曲线1530可以在出射区域1550的右上角1522和左上角1524之间的线的上方。因此，波导显示器1500的尺寸可能很大。
图16示出了根据某些实施例的具有出射光瞳扩展和形状因子减小的基于透射式体布拉格光栅的波导显示器1600的示例。波导显示器1600可以包括顶部光栅1605和底部光栅1615。在图示的示例中，顶部光栅1605可以是反射式VBG，并且底部光栅1615可以是透射式VBG。在底部光栅1615上，出射区域1650代表这样的区域，在该区域中，在视窗中的一个光瞳位置处(例如，在视窗的中心处)的全FOV的显示光可以耦合出底部光栅。如图16所示，由右上角1622和左上角1624之间的线表示的出射区域1650处的顶部FOV可以映射到顶部光栅1605上的曲线1610，其中出射区域1650的右上角1622和左上角1624可以分别映射到顶部光栅1605上的位置1612和位置1614。由右下角1642和左下角1644之间的线表示的出射区域1650处的底部FOV可以映射到顶部光栅1605上的曲线1630，其中出射区域1650的右下角1642和左下角1644可以分别映射到顶部光栅1605上的位置1632和位置1634。因此，顶部光栅1605和底部光栅1615之间可以有一些重叠，以减小波导显示器1600的整体尺寸。例如，位置1632可以低于右上角1622，并且仍然可以被映射到右下角1642。
图17A示出了根据某些实施例的波导显示器中的透射式体布拉格光栅1700的示例。透射式VBG 1700的光栅倾斜角α可能需要在一定范围内，以透射地衍射显示光。例如，如果透射式VBG 1700的光栅倾斜角α低于特定值，则透射式VBG 1700可能变成反射式VBG，显示光可能到达光栅的两个连续位置之间的距离可能太大(因此出射光瞳可能在视窗中被稀疏地复制)，或者显示光可能变得倏逝。因此，透射式VBG 1700的光栅倾斜角α需要大于特定值，以透射地衍射显示光。
图17B示出了波导显示器中的透射式VBG 1710的示例，其中被透射式VBG衍射的光可能不会在波导中被全反射和引导。透射式VBG 1710的光栅倾斜角α可以大于特定值，例如大于约60°。这样，耦合到波导中的光可以以小于临界角的入射角入射到波导的表面上，因此可能不会在波导中被全反射和引导。因此，透射式VBG的光栅倾斜角α可能也需要低于特定值(例如，大约60°)，以将显示光透射地衍射到波导中，使得衍射光可以由波导通过全内反射来引导。这样，透射式VBG的光栅倾斜角α可能需要在一定范围内。
图17C示出了根据某些实施例的波导显示器中的反射式体布拉格光栅1750的示例。反射式VBG 1750的光栅倾斜角α也可能需要在一定范围内，以反射地衍射显示光。如果反射式VBG 1750的光栅倾斜角α大于特定值，则反射式VBG 1750可能变成透射式VBG，显示光可能到达光栅的两个连续位置之间的距离可能太大(因此出射光瞳可能在视窗中被稀疏地复制)，或者显示光可能变得倏逝。因此，反射式VBG的光栅倾斜角α也可能需要低于特定值，以反射地衍射显示光。在一个示例中，反射式VBG 1750的光栅倾斜角α可以是大约30°。
图17D示出了波导显示器中的反射式VBG 1760的示例，其中被反射式VBG衍射的光没有在波导中被全反射和引导。图17D中所示的反射式VBG 1760的光栅倾斜角α可以小于特定值。这样，耦合到波导中的光可以以小于临界角的入射角入射到波导的表面上，因此可能不会在波导中被全反射和引导。反射式VBG 1760的光栅倾斜角α可以小于大约30°。因此，反射式VBG的光栅倾斜角α也可能需要大于特定值。这样，反射式VBG的光栅倾斜角α也可能需要在一定范围内，以将显示光反射地衍射到波导中，使得衍射光可以被波导通过全内反射引导。图17A-图17D示出了反射光栅的光栅倾斜角α相比透射光栅的光栅倾斜角α可能更小。
图18A示出了根据某些实施例的波导显示器中的反射式体布拉格光栅1800的示例的光色散。反射式VBG 1800可以以光栅矢量kg、厚度d和平均折射率n为特征。反射式VBG1800的表面法线方向为N。反射式VBG1800的光色散量可由下式确定：
Figure BDA0003517345010000381
其中λ0是完全满足布拉格条件的光的波长，kout是由反射式VBG 1800衍射的光的波矢量。当反射式VBG 1800的光栅倾斜角α约为30°时，反射式VBG 1800的光色散量可以约为：
Figure BDA0003517345010000382
因此，为了获得大约2弧分的角度分辨率，反射式VBG 1800的厚度d可以至少大约为0.5mm。
图18B示出了根据某些实施例的波导显示器中的透射式体布拉格光栅1850的示例的光色散。透射式VBG 1850可以类似地以光栅矢量kg、厚度d和平均折射率n为特征。透射式VBG 1850的表面法线方向为N。透射式VBG 1850的光色散量可以由下式确定：
Figure BDA0003517345010000383
其中，λ0是完全满足布拉格条件的光的波长，kout是由透射式VBG 1850衍射的光的波矢量。当透射式VBG 1850的光栅倾斜角α约为60°时，透射式VBG 1850的光色散量可以约为：
Figure BDA0003517345010000384
因此，为了获得大约2弧分的角度分辨率，透射式VBG 1850的厚度d可以至少大约为1.5mm，这是具有相同角度分辨率的反射式VBG的厚度的大约三倍，并且可能难以实现或者可能导致显著的显示雾度。
为了减小基于VBG的波导显示器的物理尺寸，减小VBG的厚度和显示雾度，并获得期望的分辨率，可能需要在基于VBG的波导显示器中进行色散补偿。根据某些实施例，具有匹配的光栅矢量并且在相反的衍射条件(例如+1级衍射对-1级衍射)下工作的一对或更多对光栅(例如，透射光栅)可以用于补偿由彼此引起的色散。
图19A是根据某些实施例的具有出射光瞳扩展和色散减小的基于体布拉格光栅的波导显示器1900的示例的正视图。图19B是根据某些实施例的具有出射光瞳扩展和色散减小的基于体布拉格光栅的波导显示器1900的示例的侧视图。波导显示器1900可以类似于波导显示器1300，但是可以包括不同于输入耦合器1320的输入耦合器。波导显示器1900可以包括衬底1910，以及形成在衬底1910上或衬底1910中的第一光栅1930和第二光栅1940。输入耦合器可以包括投影仪光学器件1920(例如透镜)和输入光栅1922，而不是棱镜。显示光可以被投影仪光学器件1920准直，并被投射到输入光栅1922上，输入光栅1922可以通过衍射将显示光耦合到衬底1910中，如上面参考例如图5和图6所述。显示光可以到达第一光栅1930的第一部分1932，并且可以被第一光栅1930的第一部分1932衍射以改变传播方向，并且到达第一光栅1930的其他部分，每个其它部分可以将显示光衍射向第二光栅1940。第二光栅1940可以在不同位置处将显示光衍射出衬底1910，以形成如上所述的多个出射光瞳。
第一光栅1930的第一部分1932和每个其他部分可以具有匹配的光栅矢量(例如，在x-y平面中具有相同的光栅矢量，并且在z方向上具有相同的光栅矢量和/或相反的光栅矢量，但是以不同的曝光持续时间记录以实现不同的衍射效率)。因此，由于在第一光栅1930的第一部分1932和每个其他部分处衍射的相反布拉格条件(例如+1级和-1级衍射)，它们可以补偿由彼此引起的显示光的色散，以减小在一个方向上的总色散。此外，输入光栅1922和第二光栅1940可以具有匹配的光栅矢量(例如，在x-y平面中具有相同的光栅矢量，并且在z方向上具有相同的光栅矢量和/或相反的光栅矢量，但是以不同的曝光持续时间记录，以实现不同的衍射效率)，其中输入光栅1922可以将显示光耦合到衬底1910中，而第二光栅1940可以将显示光耦合出波导。因此，由于输入光栅1922和第二光栅1940处衍射的相反衍射方向和相反布拉格条件(例如+1级和-1级衍射)，输入光栅1922和第二光栅1940可以补偿由彼此引起的显示光的色散，以减少至少一个方向上的总色散。以这种方式，第一光栅1930的第一部分1932和每个其他部分的总色散可以减小或抵消，并且输入光栅1922和第二光栅1940的总色散也可以减小或抵消。因此，波导显示器1900对显示光的总色散可以在任何方向上最小化。这样，可以实现显示图像的更高分辨率。因此，薄反射式或透射式VBG可以用作输入和输出耦合器，并且仍然可以获得期望的分辨率。透射式VBG还可以允许第一光栅和第二光栅至少部分重叠，以减小波导显示器的物理尺寸，如上所述。
波导显示器1900可以在一个或更多个波导板上包括多个聚合物层，其中输入光栅1922、第一光栅1930和第二光栅1940可以各自被分成记录在多个聚合物层中的多个光栅。每个聚合物层上的光栅可以覆盖不同的相应FOV和光谱，并且多个聚合物层的组合可以提供全FOV和光谱覆盖。以这种方式，每个聚合物层可以很薄(例如，约20μm至约100μm)，并且可以曝光更少的次数(例如，小于约100次)，以记录更少的光栅来降低雾度，并且对于全FOV和光谱，多个聚合物层的整体效率仍然可以很高。在图19A和图19B所示的示例中，波导显示器1900可以包括在一个或更多个板或衬底上的第一聚合物层1912和第二聚合物层1914。每个聚合物层1912或1914可以包括输入光栅1922、第一光栅1930和/或第二光栅1940的一部分。
图20示出了根据某些实施例的基于透射式体布拉格光栅的波导显示器2000的示例。波导显示器2000可以是基于VBG的波导显示器1900的示例。波导显示器2000可以包括输入光栅耦合器2030、顶部光栅2005和底部光栅2015。顶部光栅2005可以包括反射或透射VBG，并且底部光栅2015可以包括透射VBG。输入光栅耦合器2030和底部光栅2015可以具有匹配的光栅矢量(例如，在x-y平面中具有相同的光栅矢量)，因此可以补偿由彼此引起的显示光的色散。
底部光栅2015上的出射区域由八边形2020表示，该出射区域在视窗中的一个光瞳位置处(例如，在视窗的中心处)支持波导显示器2000的期望视场。形状2010表示由八边形2020所示的FOV到顶部光栅2005上的区域的映射。如上参考图19所述，因为底部光栅2015是透射光栅，所以顶部光栅2005和底部光栅2015可以至少部分重叠，以减小波导显示器2000的物理尺寸。
在一些实施例中，由于曝光更少(例如，多路复用光栅中的光栅数量更少)，多路复用光栅可能无法覆盖整个可见光谱和/或全FOV，因此(在一些光谱或FOV范围内的)一些光信息可能会丢失。根据某些实施例，为了提高功率效率并覆盖更宽的光谱，可以在不同的空间位置(例如不同的x、y或z位置)处添加额外的光栅，以在空间上复用光栅。以这种方式，更宽的FOV和光带中的光可以以更高的衍射效率由光栅的组合衍射到视窗上。这也可以有助于增加光瞳复制密度，使视窗中的光更加均匀。
图21A示出了根据某些实施例的具有出射光瞳扩展、色散减小、形状因子减小和效率提高的基于体布拉格光栅的波导显示器2100的另一个示例。与波导显示器2100一样，波导显示器2100可以包括衬底2110，其可以类似于衬底1910。衬底2110可以包括第一表面2112和第二表面2114。来自光源(例如LED)的显示光可以通过输入耦合器2120耦合到衬底2110中，并且可以通过全内反射被第一表面2112和第二表面2114反射，使得显示光可以在衬底2110内(例如，在-y方向上)传播。如上所述，输入耦合器2120可以包括衍射耦合器，例如多路复用VBG，其可以以不同的衍射角度将不同颜色的显示光耦合到衬底2110中。
波导显示器2100可以包括形成在第一表面2112和/或第二表面2114上的第一光栅2130和第二光栅2140。波导显示器2100还可以包括形成在第一表面2112和/或第二表面2114上的第三光栅2160和第四光栅2170。第三光栅2160和第四光栅2170可以各自是包括多个VBG的多路复用VBG。在一些实施例中，第三光栅2160、第四光栅2170和第一光栅2130可以在衬底2110的同一表面或不同表面上。在一些实施例中，第三光栅2160、第四光栅2170和第一光栅2130可以在同一光栅或同一光栅材料层的不同区域中。
在一些实施例中，第一光栅2130、第三光栅2160和第四光栅2170可以各自包括多个VBG。第三光栅2160和第一光栅2130可以在多次曝光中并且在类似的记录条件下被记录(但是可以针对不同的曝光持续时间被记录以实现不同的衍射效率)，使得第三光栅2160中的每个VBG可以匹配第一光栅2130中的相应VBG(例如，在x-y平面中具有相同的光栅矢量并且在z方向上具有相同和/或相反的光栅矢量)。例如，在一些实施例中，第三光栅2160中的VBG和第一光栅2130中的对应VBG可以具有相同的光栅周期和相同的光栅倾斜角(因此具有相同的光栅矢量)以及相同的厚度。第四光栅2170和第一光栅2130也可以在多次曝光中并且在类似的记录条件下被记录(但是针对不同的曝光持续时间)，使得第四光栅2170中的每个VBG可以匹配第一光栅2130中的相应VBG(例如，在x-y平面中具有相同的光栅矢量并且在z方向上具有相同和/或相反的光栅矢量)。在一些实施例中，用于记录第三光栅2160的记录条件可以不同于用于记录第四光栅2170的记录条件，使得第三光栅2160和第四光栅2170可以具有不同的布拉格条件(和不同的光栅矢量)，从而可以衍射来自不同FOV范围和/或波长范围的光，以提高大FOV范围内可见光的整体衍射效率。在一些实施例中，第三光栅2160和第四光栅2170可以具有相似的光栅矢量，因此可以以相似或不同的衍射效率衍射来自相同FOV范围和/或波长范围的光，以提高某些FOV范围和/或波长范围内的光的整体衍射效率。
在一些实施例中，第一光栅2130中与第三光栅2160中的VBG匹配的VBG可以被记录在第一光栅2130的一个区域(例如，上部区域)中，而第一光栅2130中与第四光栅2170中的VBG匹配的其它VBG可以被记录在第一光栅2130的不同区域(例如，下部区域)中。在一个示例中，第三光栅2160和第四光栅2170可以各自具有大约20μm的厚度，并且可以各自包括通过大约20次曝光记录的大约20个VBG。在该示例中，第一光栅2130可以具有大约20μm或更高的厚度，并且可以包括通过大约40次曝光在不同区域记录的大约40个VBG。第二光栅2140可以具有大约20μm或更高的厚度，并且可以包括通过大约50次曝光记录的大约50个VBG。
输入耦合器2120可以将来自光源的显示光耦合到衬底2110中。显示光可以直接到达第三光栅2160，或者可以被第一表面2112和/或第二表面2114反射到第三光栅2160，其中显示光束的尺寸可以稍大于输入耦合器2120处的尺寸。第三光栅2160中的每个VBG可以将FOV范围和近似满足VBG的布拉格条件的波长范围内的显示光的一部分衍射到第一光栅2130的上部区域。如上所述，第一光栅2130的上部区域可以包括与第三光栅2160中的VBG匹配的VBG。因此，当由第三光栅2160中的VBG衍射的显示光通过全内反射在衬底2110内(例如，沿着线2132所示的方向)传播时，每次在衬底2110内传播的显示光到达第一光栅2130时，一部分显示光可以由第一光栅2130中的相应VBG衍射到第二光栅2140。
没有被第三光栅2160衍射的显示光(例如，由于小于100％的衍射效率或者由于小的FOV范围和/或布拉格条件附近的波长范围)可以继续在衬底2110内传播，并且可以到达第四光栅2170。第四光栅2170中的每个VBG可以将FOV范围和近似满足VBG的布拉格条件的波长范围内的显示光的一部分衍射到第一光栅2130的下部区域。如上所述，第一光栅2130的下部区域可以包括与第四光栅2170中的VBG匹配的VBG。因此，当由第四光栅2170中的VBG衍射的显示光通过全内反射在衬底2110内(例如，沿着线2134所示的方向)传播时，每次在衬底2110内传播的显示光到达第一光栅2130时，一部分显示光可以由第一光栅2130中的相应VBG衍射到第二光栅2140。第二光栅2140可以通过每次在衬底2110内传播的显示光到达第二光栅2140时将显示光的一部分衍射到视窗2150(例如，在+z或-z方向上距第二光栅2140约18mm的距离)，来在不同方向(例如，近似y方向)扩展来自第一光栅2130的显示光。以这种方式，可以在两个维度上扩展显示光以填充视窗2150。
图21B示出了在基于体布拉格光栅的波导显示器2100的视窗2180(例如，视窗2150)处的复制出射光瞳的示例。出射光瞳可以包括由光栅2160、2130和2140复制的第一组出射光瞳2182，以及由光栅2170、2130和2140复制的第二组出射光瞳2184。在光栅2160和2170具有不同光栅矢量的实施例中，第一组出射光瞳2182和第二组出射光瞳2184可以对应于不同的FOV范围和/或不同的波长范围。在光栅2160和2170具有相似光栅矢量的实施例中，第一组出射光瞳2182和第二组出射光瞳2184可以对应于相同的FOV范围和/或波长范围。第一组出射光瞳2182和第二组出射光瞳2184可以重叠或部分重叠。这样，由于两组空间复用VBG对显示光的衍射，光瞳复制密度可以增加，并且视窗中的光可以更均匀。
此外，由于如上所述在相反布拉格条件下工作的一对匹配光栅在每个维度上的双重衍射，可以在两个维度上减小色散。此外，由于曝光次数较少(因此每个VBG的折射率调制Δn较高)，较宽带宽的显示光可以通过光栅以较高的衍射效率衍射到视窗。因此，可以提高波导显示器的功率效率。在一些实施例中，第一光栅2130和第二光栅2140可以至少部分重叠，以降低波导显示器2100的形状因子，如上所述。
图22A示出了根据某些实施例的具有出射光瞳扩展、色散减小和形状因子减小的基于体布拉格光栅的波导显示器2200的另一个示例。与波导显示器2100一样，波导显示器2200可以包括衬底2210，其可以类似于衬底2110。衬底2210可以包括第一表面2212和第二表面2214。来自光源(例如LED)的显示光可以通过输入耦合器2220耦合到衬底2210中，并且可以通过全内反射被第一表面2212和第二表面2214反射，使得显示光可以在衬底2210内传播。如上所述，输入耦合器2220可以包括衍射耦合器，例如VBG。波导显示器2200也可以包括形成在第一表面2212和/或第二表面2214上的第一光栅2230和第二光栅2240。在图22A所示的示例中，第一光栅2230和第二光栅2240可以在x方向上的不同位置，并且可以在波导显示器2200的透视区域的至少一部分中重叠。第一光栅2230和第二光栅2240可以用于双轴光瞳扩展，以在两个维度上扩展入射显示光束，从而用显示光填充视窗2250(例如，在+z或-z方向上距第二光栅2240大约18mm的距离处)。例如，第一光栅2230可以在大约y方向上扩展显示光束，而第二光栅2240可以在大约x方向上扩展显示光束。
此外，波导显示器2200可以包括形成在第一表面2212和/或第二表面2214上的第三光栅2260。在一些实施例中，第三光栅2260和第一光栅2230可以布置在衬底2210的同一表面上的y方向上的不同位置。在一些实施例中，第三光栅2260和第一光栅2230可以在同一光栅或同一光栅材料层的不同区域中。在一些实施例中，第三光栅2260可以在空间上与第一光栅2230分离。在一些实施例中，第三光栅2260和第一光栅2230可以在相同的曝光次数和相似的记录条件下被记录(但是可以针对不同的曝光持续时间被记录以实现不同的衍射效率)，使得第三光栅2260中的每个VBG可以匹配第一光栅2230中的相应VBG(例如，在x-y平面中具有相同的光栅矢量并且在z方向上具有相同和/或相反的光栅矢量)。
输入耦合器2220可以将来自光源的显示光耦合到衬底2210中。显示光可以在衬底2210内近似沿着x方向传播，并且可以直接到达第三光栅2260，或者可以被第一表面2212和/或第二表面2214反射到第三光栅2260。第三光栅2260中的每个VBG可以将FOV范围和近似满足VBG的布拉格条件的波长范围内的显示光的一部分向下衍射到第一光栅2230。当由第三光栅2260中的VBG衍射的显示光通过全内反射在衬底2210内沿着一个方向(例如，大致在线2232所示的y方向)传播时，每次在衬底2210内传播的显示光到达第一光栅2230时，一部分显示光可以由第一光栅2230中的相应VBG衍射到第二光栅2240。第二光栅2240然后可以通过每次在衬底2210内传播的显示光到达第二光栅2240时将一部分显示光衍射到视窗2250，而在不同的方向上(例如，大约在x方向上)扩展来自第一光栅2230的显示光。输入耦合器2220和第二光栅2240可以包括匹配的VBG(例如，VBG在x-y平面中具有相同的光栅矢量，并且在z方向上具有相同或相反的光栅矢量)，以减少由输入耦合器2220和第二光栅2240引起的总色散。类似地，光栅2230和2260可以包括匹配的VBG(例如，VBG在x-y平面中具有相同的光栅矢量，并且在z方向上具有相同和/或相反的光栅矢量)，以减少由光栅2230和2260引起的总色散。因此，波导显示器2200中光栅的总色散可以被减小或最小化。
第一光栅2230和第二光栅2240中的每一个的厚度可以小于例如100μm(例如20μm)，并且可以包括例如小于50个VBG。因此，波导显示器2200的光学透视区域中的任何区域可以包括少于100个VBG。因此，显示雾度可能不显著。此外，第一光栅2230和第二光栅2240可以至少部分重叠，以减小波导显示器2200的形状因子，因此波导显示器2200的物理尺寸可以类似于普通一副眼镜中的镜片的物理尺寸。
图22B示出了根据某些实施例的具有出射光瞳扩展、色散减小、形状因子减小和效率提高的基于体布拉格光栅的波导显示器2205的示例。与波导显示器2200一样，波导显示器2205可以包括形成在衬底2215的第一表面2216和/或第二表面2218上的第一光栅2235、第二光栅2245、第三光栅2265和第四光栅2275。第一光栅2235、第二光栅2245、第三光栅2265和第四光栅2275可以各自包括包含多个VBG的多路复用VBG。在一些实施例中，第三光栅2265、第四光栅2275和第一光栅2235可以在衬底2215的同一表面上。在一些实施例中，第三光栅2265、第四光栅2275和第一光栅2235可以在同一光栅或同一光栅材料层的不同区域中。
第三光栅2265中的每个VBG可以具有与第一光栅2235中的相应VBG的光栅矢量匹配的光栅矢量(例如，在x-y平面中具有相同的光栅矢量，并且在z方向上具有相同和/或相反的光栅矢量)。第四光栅2275中的每个VBG可以具有与第一光栅2235中的相应VBG的光栅矢量匹配的光栅矢量(例如，在x-y平面中具有相同的光栅矢量，并且在z方向上具有相同和/或相反的光栅矢量)。在一些实施例中，第三光栅2265和第四光栅2275可以具有不同的光栅矢量，因此可以衍射来自不同FOV范围和/或波长范围的光，以提高大FOV范围内可见光的整体衍射效率。在一些实施例中，第三光栅2265和第四光栅2275可以具有相似的光栅矢量，因此可以以相似或不同的衍射效率衍射来自相同FOV范围和/或波长范围的光，以提高某些FOV范围和/或波长范围内的光的整体衍射效率。
输入耦合器2225可以将来自光源的显示光耦合到衬底2215中。显示光可以直接到达第三光栅2265，或者可以被第一表面2216和/或第二表面2218反射到第三光栅2265。第三光栅2265中的每个VBG可以将FOV范围和近似满足VBG的布拉格条件的波长范围内的显示光的一部分衍射到第一光栅2235的左部区域。当由第三光栅2265中的VBG衍射的显示光通过全内反射在衬底2215内(例如，沿着线2236所示的方向)传播时，每次在衬底2215内传播的显示光到达第一光栅2235时，一部分显示光可以由第一光栅2235中的相应VBG衍射到第二光栅2245。
未被第三光栅2265衍射的显示光(例如，由于小于100％的衍射效率或由于小FOV范围和/或布拉格条件附近的波长范围)可以继续在衬底2215内传播，并且可以到达第四光栅2275。第四光栅2275中的每个VBG可以将FOV范围和近似满足VBG的布拉格条件的波长范围内的显示光的一部分衍射到第一光栅2235的右部区域。当由第四光栅2275中的VBG衍射的显示光通过全内反射在衬底2215内(例如，沿着线2238所示的方向)传播时，每次在衬底2215内传播的显示光到达第一光栅2235时，一部分显示光可以由第一光栅2235中的相应VBG衍射到第二光栅2245。
第二光栅2245可以通过每次在衬底2215内传播的显示光到达第二光栅2245时将显示光的一部分衍射到视窗2255(例如，在+z或-z方向上距离第二光栅2245约18mm处)，来在不同方向(例如，大约在x方向上)扩展来自第一光栅2235的显示光。以这种方式，可以在两个维度上扩展显示光以填充视窗2255。最终的出射光瞳可以包括由光栅2265、2235和2245复制的第一组出射光瞳，以及由光栅2275、2235和2245复制的第二组出射光瞳。在光栅2265和2275具有不同光栅矢量的实施例中，第一组出射光瞳和第二组出射光瞳可以对应于不同的FOV范围和/或不同的波长范围。在光栅2265和2275具有相似光栅矢量的实施例中，第一组出射光瞳和第二组出射光瞳可以对应于相同的FOV范围和/或波长范围。第一组出射光瞳和第二组出射光瞳可以重叠或部分重叠。这样，由于两组空间复用VBG对显示光的衍射，光瞳复制密度可以增加，并且视窗中的光可以更均匀。
在一些实施例中，显示图像的全FOV范围可以被分成由两组或更多组光栅覆盖的两个或更多个FOV范围。两个或更多个FOV范围可以拼接在一起以提供全视场。对于每个FOV范围，可以使用一组光栅在两个维度上扩展出射光瞳，以填充视窗。
图23A是根据某些实施例的包括两个图像投影仪2320和2350的基于体布拉格光栅的波导显示器2300的示例的正视图。图23B是根据某些实施例的包括两个图像投影仪2320和2350的基于体布拉格光栅的波导显示器2300的示例的侧视图。图像投影仪2320、第一输入光栅2322、第一顶部光栅2330和底部光栅2340可用于提供波导显示器2300的全FOV的第一部分(例如，左半部分)。全FOV的第一部分的显示光可以被准直并投射到第一输入光栅2322上，第一输入光栅2322可以通过衍射将显示光耦合到波导2310中，如上面参考例如图5-图6所述。显示光可以到达第一顶部光栅2330的第一部分2332，并且可以被第一顶部光栅2330的第一部分2332衍射，以改变传播方向，并且到达第一顶部光栅2330的其他部分，每个其它部分都可以朝着底部光栅2340衍射显示光。底部光栅2340可以在不同位置处将显示光衍射出波导2310，以形成如上所述的多个出射光瞳。第一顶部光栅2330的第一部分2332和第一顶部光栅2330的每个其他部分可以具有相似的光栅参数(但是可以以不同的曝光持续时间内被记录以实现不同的衍射效率)。因此，由于第一顶部光栅2330的第一部分2332和第一顶部光栅2330的每个其他部分处的衍射的相反布拉格条件(例如+1级和-1级衍射)，它们可以补偿由彼此引起的显示光的色散，以减小总色散。
此外，第一输入光栅2322和底部光栅2340可以至少在x-y平面中具有相似的光栅参数或相似的光栅矢量(但是可以以不同的曝光持续时间被记录以实现不同的衍射效率)，其中第一输入光栅2322可以将显示光耦合到波导2310中，而底部光栅2340可以将显示光耦合出波导2310。因此，第一输入光栅2322和底部光栅2340可以补偿由彼此引起的显示光的色散，以减小总色散，这是由于各个衍射的相反衍射方向和相反布拉格条件(例如+1级和-1级衍射)。这样，第一顶部光栅2330的第一部分2332和第一顶部光栅2330的每个其他部分的色散可以被抵消，并且第一输入光栅2322和底部光栅2340的色散也可以被抵消。
类似地，图像投影仪2350、第二输入光栅2352、第二顶部光栅2360和底部光栅2340(或不同的底部光栅)可用于提供波导显示器2300的全FOV的另一部分(例如，右半部分)。如上所述，底部光栅2340可以用于视场的两个部分，或者可以包括两个光栅，每个光栅用于视场的一部分。第二顶部光栅2360的第一部分2362和每个其他部分的色散可以被抵消，并且第二输入光栅2352和底部光栅2340的色散也可以被抵消。因此，波导显示器2300对显示光的总色散可以在任何方向上最小化。这样，即使聚合物层很薄并且透射式VBG被记录在薄聚合物层中，也可以实现显示图像的更高分辨率。
波导显示器2300可以在例如第一波导板2312和第二波导板2314的一个或更多个波导板上包括多个聚合物层。输入光栅2322和2352、顶部光栅2330和2360以及底部光栅2340可以各自分成记录在多个聚合物层中的多个光栅。每个聚合物层上的光栅可以覆盖不同的各自的FOV和光谱。多个聚合物层的组合可以提供全FOV和光谱覆盖。以这种方式，每个聚合物层可以很薄(例如，大约20μm到大约100μm)，并且可以曝光更少的次数(例如，小于大约100次)以记录更少的光栅，从而降低透视图像的雾度。对于全FOV和可见光光谱，多个聚合物层的整体效率仍然可以很高。
图24示出了根据某些实施例的包括两个图像投影仪2440和2450的基于反射式体布拉格光栅的波导显示器2400的示例。波导显示器2400可以包括第一顶部光栅2410、第二顶部光栅2420和一个或更多个底部光栅2430。第一顶部光栅2410和第二顶部光栅2420可以是反射或透射光栅，并且底部光栅2430可以是反射VBG。在底部光栅2430上，出射区域2465代表这样的区域，在该区域中，在视窗中的一个光瞳位置处(例如，在视窗的中心处)的全FOV的显示光可以从波导显示器2400耦合出去。图像投影仪2440、第一顶部光栅2410和底部光栅2430(或底部光栅2430的一部分2432)可用于提供波导显示器2400的总视场的大约一半(例如，左半部分2460)，而投影仪2450、第二顶部光栅2420和底部光栅2430(或底部光栅2430的一部分2434)可用于提供波导显示器2400的总视场的大约另一半(例如，右半部分2462)。在一些实施例中，可以使用两个以上的投影仪来提供波导显示器的全视场。波导显示器2400可以具有更高的衍射效率和更好的分辨率，因为使用了反射式VBG。
如图24所示，由出射区域2465(例如，包括左半部分2460和右半部分2462)覆盖的总视场的顶部FOV由顶点2480和2482之间的线表示，并且可以映射到第一顶部光栅2410上的第一顶部曲线2490和第二顶部光栅2420上的第二顶部曲线2492，其中顶点2480和2482可以分别映射到第一顶部光栅2410上的位置2470和第二顶部光栅2420上的位置2472。由出射区域2465覆盖的总视场的底部FOV由顶点2484和2486之间的线表示，并且可以映射到第一顶部光栅2410上的第一底部曲线2494和第二顶部光栅2420上的第二底部曲线2496，其中顶点2484和2486可以分别映射到第一顶部光栅2410上的位置2474和第二顶部光栅2420上的位置2476。在第一顶部光栅2410、第二顶部光栅2420和底部光栅2430是反射式VBG的实施例中，如果第一顶部曲线2490和第二顶部曲线2492低于连接顶点2480和2482的线，则可能存在一些FOV截断。为了避免FOV截断，波导显示器2400可以被设计成使得第一顶部光栅2410和第二顶部光栅2420可以不与底部光栅重叠，或者可以仅与底部光栅2430重叠到使得总FOV不受截断影响的程度。如上所述，光栅选择可以基于形状因子考虑，同时提供没有截断的全FOV输出，和/或其他考虑，例如效率、图像质量等。
图25A是根据某些实施例的包括单个图像投影仪2520和用于视场拼接的光栅的基于体布拉格光栅的波导显示器2500的示例的正视图。图25B是根据某些实施例的具有图像投影仪2520和用于视场拼接的光栅的基于体布拉格光栅的波导显示器2500的示例的侧视图。波导显示器2500可以在一个或更多个波导板2510上包括多个聚合物层。图像投影仪2520、输入光栅2530、顶部光栅2540和底部光栅2550可用于提供波导显示器2500的全FOV的第一部分(例如，左半部分)。如上所述，用于FOV的第一部分的显示光可以被准直并投射到输入光栅2530上，输入光栅2530可以通过如上所述的衍射将显示光耦合到波导板2510中。显示光可以到达顶部光栅2540的第一部分，并且可以被顶部光栅2540的第一部分衍射到顶部光栅2540的其他部分，每个其它部分可以朝着底部光栅2550衍射显示光。底部光栅2550可以在不同位置处将显示光衍射出波导板2510，以如上所述复制出射光瞳。顶部光栅2540的第一部分和每个其他部分可以补偿由彼此引起的色散，并且如上所述，输入光栅2530和底部光栅2550也可以补偿由彼此引起的色散。
图像投影仪2520、输入光栅2532、顶部光栅2542和底部光栅2552可以用于提供波导显示器2500的全FOV的一部分(例如，右半部分)。显示光可以被准直并被输入光栅2532耦合到波导板2510中。显示光可以到达顶部光栅2542的第一部分，并且可以被顶部光栅2542的第一部分衍射到顶部光栅2542的其他部分，每个其它部分可以朝着底部光栅2552衍射显示光。底部光栅2552可以在不同位置处将显示光衍射出波导板2510，以如上所述复制出射光瞳。顶部光栅2542的第一部分和每个其他部分可以补偿由彼此引起的色散，并且如上所述，输入光栅2532和底部光栅2552也可以补偿由彼此引起的色散。
波导显示器2500可以在一个或更多个波导板2510上包括多个聚合物层，其中输入光栅2530和2532、顶部光栅2540和2542以及底部光栅2550和2552可以各自被分成记录在多个聚合物层中的多个光栅，其中每个聚合物层上的光栅可以覆盖不同的各自的FOV和光谱。多个聚合物层的组合可以提供全FOV和光谱覆盖。以这种方式，每个聚合物层可以很薄(例如，约20μm至约100μm)，并且可以曝光更少的次数(例如，小于约100次)，以记录更少的光栅来降低雾度，并且对于全FOV和可见光光谱，多个聚合物层的整体效率仍然可以很高。
在图25B所示的示例中，输入光栅2530、顶部光栅2540和底部光栅2550中的每一个可以被分成两个多路复用光栅，每个多路复用光栅被记录在相应的聚合物层中并且每个覆盖各自的FOV，其中多个VBG可以被记录在每个相应的聚合物层中以形成多路复用光栅。类似地，输入光栅2532、顶部光栅2542和底部光栅2552中的每一个可以被分成两个多路复用光栅，每个多路复用光栅被记录在相应的聚合物层中并且每个覆盖各自的FOV，其中多个VBG可以被记录在每个相应的聚合物层中以形成多路复用光栅。如图25B所示，输入光栅2532和2530可以在不同的聚合物层中。类似地，顶部光栅2540和2542可以在不同的聚合物层中，并且底部光栅2550和2552可以在不同的聚合物层中。因此，可以减少它们之间的串扰。
图26A示出了根据某些实施例的基于体布拉格光栅的波导显示器2600的示例，其包括一个或更多个衬底2605和用于第一FOV的第一组光栅。基于VBG的波导显示器2600可以是波导显示器2500的示例，其包括单个图像投影仪和用于视场拼接的两组或更多组光栅。为了清楚和说明的目的，在图26A中仅示出了第一组光栅。第一组光栅可以包括顶部光栅2610(例如，顶部光栅2540)和底部光栅2630(例如，底部光栅2550)。顶部光栅2610可以包括反射或透射VBG。底部光栅2630也可以包括反射或透射VBG。第一组光栅也可以包括第一输入光栅2602，例如输入光栅2530。第一输入光栅2602和底部光栅2630可以具有匹配的光栅矢量(例如，在x-y平面中具有相同的光栅矢量)，因此可以补偿由彼此引起的显示光的色散。
基于VBG的波导显示器2600也可以包括单个投影仪2606(例如，图像投影仪2520)。投影仪2606可以投射包括第一FOV(例如，全视场的左半部分)和其他视场(例如，全视场的右半部分)的全FOV的显示光。如上参考图25A所述，显示光可以通过第一输入光栅2602耦合到衬底2605中，并且可以在衬底2605内传播并到达顶部光栅2610。顶部光栅2610可以在基本上沿着x方向的多个位置处向底部光栅2630衍射显示光，以基本上在x方向复制出射光瞳。底部光栅2630可以将来自顶部光栅2610的多个位置中的每一个的显示光在基本上沿y方向的多个位置处衍射出衬底2605，使得出射光瞳可以基本上沿y方向被复制。
在图26A所示的示例中，基于体布拉格光栅的波导显示器2600可以是基于反射式体布拉格光栅的波导显示器，其中顶部光栅2610可以包括反射或透射VBG，而底部光栅2630可以包括反射VBG。底部光栅2630上的出射区域由六边形2650表示，该出射区域在视窗中的一个光瞳位置处(例如，在视窗的中心)支持波导显示器2600的期望左视场。形状2612表示顶部光栅2610上映射到由六边形2650所示出射区域的区域。
图26B示出了根据某些实施例的包括用于第二FOV的第二组光栅的基于体布拉格光栅的波导显示器2600的示例。如上所述，基于VBG的波导显示器2600可以包括单个图像投影仪2606和用于视场拼接的两组或更多组光栅。为了清楚和说明的目的，在图26B中仅示出了第二组光栅。第二组光栅可以在一个或更多个衬底2605上，并且可以包括顶部光栅2620(例如，顶部光栅2542)和底部光栅2640(例如，底部光栅2552)。顶部光栅2620可以包括反射或透射VBG。底部光栅2640也可以包括反射或透射VBG。第二组光栅也可以包括第二输入光栅2604，例如输入光栅2532。第二输入光栅2604和底部光栅2640可以具有匹配的光栅矢量(例如，在x-y平面中具有相同的光栅矢量)，因此可以补偿由彼此引起的显示光的色散。
投影仪2606可以投射第二FOV(例如，全视场的右半部分)的显示光。如上参考图25A所述，第二FOV的显示光可以通过第二输入光栅2604耦合到衬底2605中，并且可以在衬底2605内传播并到达顶部光栅2620。顶部光栅2620可以在基本上沿着x方向的多个位置处向底部光栅2640衍射显示光，以基本上在x方向复制出射光瞳。底部光栅2640可以将来自顶部光栅2620的多个位置中的每一个的显示光在基本上沿y方向的多个位置处衍射出衬底2605，使得出射光瞳可以基本上沿y方向被复制。
在图26B所示的示例中，基于VBG的波导显示器2600可以是基于反射式体布拉格光栅的波导显示器，其中顶部光栅2620可以包括反射或透射VBG，而底部光栅2640可以包括反射VBG。底部光栅2640上的出射区域由六边形2660表示，该出射区域在视窗中的一个光瞳位置处(例如，在视窗的中心)支持波导显示器2600的期望右视场。形状2622表示顶部光栅2620上映射到六边形2660的区域。
在基于VBG的波导显示器2600中，图26A所示的第一组光栅可以与图26B所示的第二组光栅至少部分地重叠。例如，第一组光栅可以在一个或更多个衬底或光栅层上，并且第二组光栅可以在一个或更多个衬底或光栅层上，其中一个或更多个衬底或光栅层可以在不同的z位置，如图25B所示。
图27A示出了根据某些实施例的基于透射式体布拉格光栅的波导显示器2700的示例，其包括用于第一FOV的第一组光栅。基于VBG的波导显示器2700可以是波导显示器2500的示例，其包括单个图像投影仪和用于视场拼接的两组或更多组光栅。为了清楚和说明的目的，在图27A中仅示出了第一组光栅。第一组光栅可以包括顶部光栅2720(例如，顶部光栅2540)和底部光栅2730(例如，底部光栅2550)。顶部光栅2720可以包括反射或透射VBG。底部光栅2730可以包括透射VBG，并且可以与顶部光栅2720至少部分地重叠，以减小基于VBG的波导显示器2700的物理尺寸，如上面参考图16所述。第一组光栅也可以包括第一输入光栅2710，例如输入光栅2530。第一输入光栅2710和底部光栅2730可以具有匹配的光栅矢量(例如，在x-y平面中具有相同的光栅矢量)，因此可以补偿由彼此引起的显示光的色散。
基于VBG的波导显示器2700也可以包括单个投影仪2702。投影仪2702可以投射包括第一FOV(例如，全视场的左半部分)和其他视场(例如，全视场的右半部分)的全FOV的显示光。如上参考图25A所述，显示光可以通过第一输入光栅2710耦合到衬底2705中，并且可以在衬底2705内传播并到达顶部光栅2720。顶部光栅2720可以在基本上沿着x方向的多个位置处向底部光栅2730衍射显示光，以基本上在x方向复制出射光瞳。底部光栅2730可以将来自顶部光栅2720的多个位置中的每一个的显示光在基本上沿y方向的多个位置处衍射出衬底2705，使得出射光瞳可以基本上沿y方向被复制。底部光栅2730上的出射区域由六边形2732表示，该出射区域在视窗中的一个光瞳位置处(例如，在视窗的中心)支持波导显示器2700的期望左视场。形状2722表示顶部光栅2720上映射到由六边形2732所示出射区域的区域。
图27B示出了根据某些实施例的基于透射式体布拉格光栅的波导显示器2700的示例，其包括用于第二FOV的第二组光栅。如上所述，基于VBG的波导显示器2700可以包括单个图像投影仪2702和用于视场拼接的两组或更多组光栅。为了清楚和说明的目的，在图27B中仅示出了第二组光栅。第二组光栅可以在一个或更多个衬底2705上，并且可以包括顶部光栅2750(例如，顶部光栅2542)和底部光栅2760(例如，底部光栅2552)。顶部光栅2750可以包括反射或透射VBG。底部光栅2760可以包括透射VBG，并且可以与顶部光栅2750至少部分地重叠，以减小基于VBG的波导显示器2700的物理尺寸，如上面参考图16所述。第二组光栅也可以包括第二输入光栅2740，例如输入光栅2532。第二输入光栅2740和底部光栅2760可以具有匹配的光栅矢量(例如，在x-y平面中具有相同的光栅矢量)，因此可以补偿由彼此引起的显示光的色散。
如上关于图25A所述，由投影仪2702投射的第二FOV(例如，全视场的右半部分)的显示光可以通过第二输入光栅2740耦合到衬底2705中，并且可以在衬底2705内传播并到达顶部光栅2750。顶部光栅2750可以在基本上沿着x方向的多个位置处向底部光栅2760衍射显示光，以基本上在x方向复制出射光瞳。底部光栅2760可以将来自顶部光栅2750的多个位置中的每一个的显示光在基本上沿y方向的多个位置处衍射出衬底2705，使得出射光瞳可以基本上沿y方向被复制。底部光栅2760上的出射区域由六边形2762表示，该出射区域在视窗中的一个光瞳位置处(例如，在视窗的中心)支持波导显示器2700的期望左视场。形状2752表示顶部光栅2720上映射到由六边形2762所示出射区域的区域。
第一组光栅可以与第二组光栅至少部分地重叠。例如，第一组光栅可以在一个或更多个衬底或光栅层上，并且第二组光栅可以在一个或更多个衬底或光栅层上，其中一个或更多个衬底或光栅层可以在不同的z位置，如图25B所示。在一些实施例中，第一组光栅和第二组光栅可以记录在同一光栅层中。
图28A示出了包括两个或更多投影仪的波导显示器的未对准视场的示例。视场未对准可能是由VBG设计或制造误差引起的。在图28A所示的示例中，由左顶部光栅(例如，图24的第一顶部光栅2410或图26A的顶部光栅2610)和底部光栅(例如，图24的底部光栅2430或图26A的底部光栅2630)提供的FOV的左部分2810(例如，对应于图24的左半部分2460或图26A的第一FOV)可以包括例如大约-30°到大约+2°，而由右顶部光栅(例如，图24的第二顶部光栅2420或图26B的顶部光栅2620)和底部光栅(例如，图24的底部光栅2430或图26B的底部光栅2640)提供的FOV的右部分2812(例如，对应于图24的右半部分2462或图26B的第二FOV)可以包括例如大约-2°至大约30°。因此，从-2°到2°的FOV可以包括在FOV的左部分2820和右部分2812中，并且因此可以以更高的强度传输到用户的眼睛，在波导显示器中产生明亮的中心FOV 2814。在一些实施例中，视场未对准可能导致中心FOV具有非常低的强度。例如，由第一组光栅支持的FOV的左侧部分可以包括例如大约-30°到大约-2°，而由第二组光栅支持的FOV的右侧部分可以包括例如大约2°到大约30°，因此从-2°到2°的FOV可能无法被波导显示器支持。
图28B示出了拼接波导显示器的视场的方法的示例。在图28B所示的示例中，由左顶部光栅(例如，图24的第一顶部光栅2410或图26A的顶部光栅2610)和底部光栅(例如，图24的底部光栅2430或图26A的底部光栅2630)提供的FOV的左部分2820(例如，对应于图24的左半部分2460或图26A的第一FOV)可以包括例如大约-30°到大约2°，其中光强可以在例如从大约-2°到大约2°的FOV中逐渐变小。由右顶部光栅(例如，图24的第二顶部光栅2420或图26B的顶部光栅2620)和底部光栅(例如，图24的底部光栅2430或图26B的底部光栅2640)提供的FOV的右部分2822(例如，对应于图24的右半部分2462或图26B的第二FOV)可以包括例如大约-2°至大约30°，其中光强可以在例如从大约2°到大约-2°的FOV中逐渐变小。因此，即使由于一些制造误差导致FOV未对准，全FOV也可以由波导光栅支持。此外，0°FOV附近的整体光强可能不会太高。
图29示出了根据某些实施例的基于体布拉格光栅的波导显示器2900的示例，其包括用于不同视场和/或光波长的多个光栅层。基于VBG的波导显示器2900可以是上述基于VBG的波导显示器2500的示例。在波导显示器2900中，光栅可以沿着z方向被空间复用。例如，波导显示器2900可以包括多个衬底，例如衬底2910、2912、2914等。衬底可以包括相同的材料或具有相似折射率的材料。一个或更多个VBG(例如VBG 2920、2922、2924等)可以制作在每个衬底上，例如记录在形成在衬底上的全息材料层中。VBG可以是反射光栅或透射光栅。具有VBG的衬底可以沿z方向排列成衬底叠层，以用于空间复用。每个VBG可以是多路复用VBG，其包括为不同布拉格条件设计的多个光栅，以将不同波长范围和/或不同FOV的显示光耦合到波导中或从波导耦合出去。
在图29所示的示例中，VBG 2920可以将来自正视场的光2934耦合到波导中，如波导内的光线2944所示。VBG 2922可以将来自大约0°视场的光2930耦合到波导中，如波导内的光线2940所示。VBG 2924可以将来自负视场的光2932耦合到波导中，如波导内的光线2942所示。如上所述，VBG 2920、2922和2924中的每一个都可以是多次曝光的多路复用VBG，因此可以将来自不同FOV范围的光耦合到波导中或从波导中耦合出来。
图30示出了根据某些实施例的基于体布拉格光栅的波导显示器的示例中的多个光栅的视场。在一些实施例中，每个光栅可以在各自的光栅层中或者在各自的波导板上。每个光栅可以是包括许多次曝光的多路复用光栅，并且可以用于以高效率将来自多个FOV范围的显示光耦合到波导中或从波导耦合出去。例如，曲线3010可以示出第一VBG(例如，图29的VBG 2922)对于来自不同视场的光的衍射效率。曲线3020可以示出第二VBG(例如，图29的VBG 2920)对于来自不同视场的光的衍射效率。曲线3030可以示出第三VBG(例如，图29的VBG 2924)对于来自不同视场的光的衍射效率。当第一VBG、第二VBG和第三VBG排列成叠层时，可以在全视场(例如，从大约-20°到大约20°)中以较高效率更均匀地衍射光。在一些实施例中，第一VBG、第二VBG和第三VBG可以用于耦合相同颜色的显示光。不同组的VBG可用于覆盖不同颜色显示光的全视场。
设计用于衍射一个波长和来自一个角度范围的光的VBG也可以衍射另一个波长和来自另一个角度范围的光。例如，以特定周期和倾斜角为特征的VBG可以衍射不同波长和来自不同入射角的光。
图31A示出了体布拉格光栅3110的示例对来自相应视场的不同颜色的光的衍射。如示例中所示，VBG 3110可以将来自第一入射角的蓝光3102以第一衍射角衍射到波导中。VBG 3110还可以将来自第二入射角的绿光3104以第二衍射角衍射到波导中。VBG 3110可以进一步将来自第三入射角的红光3106以第三衍射角衍射到波导中。
图31B示出了体布拉格光栅的光栅周期和不同颜色入射光的相应视场之间的关系。曲线3120示出了来自不同视场的红光可以被具有不同光栅周期的VBG衍射。类似地，曲线3130示出来自不同视场的绿光可以被具有不同光栅周期的VBG衍射，并且曲线3130示出来自不同视场的蓝光可以被具有不同光栅周期的VBG衍射。图31B还示出了具有特定光栅周期和倾斜角的VBG可以衍射不同波长和来自不同入射角(例如，来自不同视场)的光。图31B中的区域3105示出了可以衍射来自两个或更多个相应FOV的两种或更多种颜色的光的光栅。例如，图31B中的虚线3150可以对应于光栅周期约为450nm的VBG，其中VBG可以衍射来自约-7°视场的红光，衍射来自约2°视场的绿光，以及衍射来自约6°视场的蓝光。
如上所述，VBG可以是反射式VBG或透射式VBG。反射式VBG和透射式VBG可以具有不同的衍射特性。例如，如上关于图18A和图18B所述，反射光栅可以具有比类似厚度的透射光栅相对更低的色散。用作输出光栅的透射光栅可以允许用于二维出射光瞳复制的光栅重叠，以减小波导显示器的物理尺寸，如上面参考图16所述，而反射光栅无法做到，如上面参考图15所述。
图32A示出了具有相同厚度但不同折射率调制的透射式体布拉格光栅的示例的衍射效率。衍射效率可能依赖于偏振。曲线3210示出了透射式VBG的示例对于s偏振光的衍射效率，而曲线3220示出了透射式VBG的示例对于p偏振光的衍射效率。曲线3230示出了透射式VBG的示例对于s偏振光和p偏振光(例如，非偏振光)的平均衍射效率。如图32A所示，曲线3210和曲线3220可以对应于与正弦函数的平方成比例的函数(例如，∝sin2(a×n1×D))。透射光栅的衍射效率随着折射率调制的增加而增加或减少。因此，增加透射式VBG的折射率调制不一定会增加透射式VBG的衍射效率。
图32B示出了具有相同厚度但不同折射率调制的反射式体布拉格光栅的示例的衍射效率。反射式VBG的衍射效率也是偏振相关的。曲线3260示出了反射式VBG的示例对于s偏振光的衍射效率，而曲线3220示出了反射式VBG的示例对于p偏振光的衍射效率。曲线3230示出了反射式VBG的示例对于s偏振光和p偏振光(例如，非偏振光)的平均衍射效率。如图32B所示，反射式VBG的衍射效率可以随着折射率调制的增加而增加(例如，∝sin2(a×n1×D))，并且当折射率调制达到特定值时可以饱和。
图33A-图33D示出了作为入射角从布拉格条件的偏离的函数的具有不同折射率调制的透射式体布拉格光栅的示例的衍射效率。图33A中的曲线3310示出了折射率调制约为0.002的透射式VBG的示例的衍射效率，其中主瓣的峰值衍射效率接近100％。图33B中的曲线3320示出了折射率调制约为0.004的透射式VBG的示例的衍射效率，其中与图33A的透射式VBG相比，峰值衍射效率在约0°下降到约0，衍射效率曲线3320具有两个峰值，并且旁瓣增加。图33C中的曲线3330示出了折射率调制约为0.0054的透射式VBG的示例的衍射效率，其中与图33B的透射式VBG相比，峰值衍射效率、主瓣的FWHM角度范围和旁瓣可以增加。图33D中的曲线3340示出了折射率调制约为0.0078的透射式VBG的示例的衍射效率，其中与图33C的透射式VBG相比，峰值衍射效率降低，衍射效率曲线3340具有两个峰值，并且旁瓣增加。
图34A-图34D示出了作为入射角从布拉格条件的偏离的函数的具有不同折射率调制的反射式体布拉格光栅的示例的衍射效率。图34A中的曲线3410示出了折射率调制约为0.002的反射式VBG的示例的衍射效率，其中主瓣的峰值衍射效率大于80％。图34B中的曲线3420示出了折射率调制约为0.004的反射式VBG的示例的衍射效率，其中与图34A的反射式VBG相比，峰值衍射效率增加到100％，主瓣的FWHM角度范围增加，并且旁瓣增加。图34C中的曲线3430示出了折射率调制约为0.0054的反射式VBG的示例的衍射效率，其中峰值衍射效率约为100％，与图34B的反射式VBG相比，主瓣的FWHM角度范围进一步增加，并且旁瓣也进一步增加。图34D中的曲线3440示出了折射率调制约为0.0078的反射式VBG的示例的衍射效率，其中峰值衍射效率约为100％，与图34C的反射式VBG相比，主瓣的FWHM角度范围进一步增加，并且旁瓣也进一步增加。
对于透射式VBG，偏振光的衍射效率可以是折射率调制的函数(例如，∝sin2(a×n1×D))，如图32A所示。此外，衍射效率可能与颜色有关。例如，对于一种颜色(例如，蓝色)而言，透射式VBG可能需要比另一种颜色(例如，绿色或红色)更低的折射率调制来达到图32A所示的第一衍射峰。具有小于对应于图32A所示的第一衍射峰的折射率调制的特定折射率调制的光栅对于蓝光可以具有比对于绿光或红光更高的衍射效率。
图35A-图35C示出了具有第一折射率调制(例如，大约0.01)的透射式VBG的示例的衍射效率。透射式VBG可以以不同相应的衍射效率衍射来自不同相应的视场的不同颜色的光，如上面参考图31A和图31B所述。例如，图35A中的曲线3510可以示出透射式VBG对来自大约14°视场的蓝光的衍射效率，其中峰值衍射效率可以接近100％。图35B中的曲线3520可以示出同一透射式VBG对来自大约10°视场的绿光的衍射效率，其中峰值衍射效率还没有达到100％(例如，大约90％)。图35C中的曲线3530可以示出同一透射式VBG对来自大约3°视场的红光的衍射效率，其中峰值衍射效率可以是大约80％。
图35D-图35F示出了具有第二折射率调制(例如，0.012)的透射式VBG的示例的衍射效率。透射式VBG可以仅在折射率调制方面不同于与图35A-图35C相关联的透射式VBG。透射式VBG可以以不同相应的衍射效率衍射来自不同相应的视场的不同颜色的光。例如，图35D中的曲线3512可以示出透射式VBG对来自大约14°视场的蓝光的衍射效率，其中峰值衍射效率可能已经从图35A中所示的大约100％的峰值下降，因为折射率调制大于与图35A中所示的第一衍射效率峰值相关联的折射率调制。图35E中的曲线3522可以示出同一透射式VBG对来自大约10°视场的绿光的衍射效率，其中峰值衍射效率可能已经增加(例如，大于90％)。图35F中的曲线3532可以示出同一透射式VBG对来自大约3°视场的红光的衍射效率，其中峰值衍射效率可能已经增加到大于80％。
图35G-图35I示出了具有第三折射率调制(例如，0.015)的透射式VBG的示例的衍射效率。透射式VBG可以仅在折射率调制方面不同于与图35A-图35F相关联的透射式VBG。透射式VBG可以以不同相应的衍射效率衍射来自不同相应的视场的不同颜色的光。例如，图35G中的曲线3514可以示出透射式VBG对来自大约14°视场的蓝光的衍射效率，其中峰值衍射效率可能已经从图35D所示的值进一步降低，因为折射率调制大于与如图35A所示的第一衍射效率峰值相关联的折射率调制。图35H中的曲线3524可以示出同一透射式VBG对来自大约10°视场的绿光的衍射效率，其中峰值衍射效率也可能已经从其最大值下降。图35I中的曲线3534可以示出同一透射式VBG对来自大约3°视场的红光的衍射效率，其中峰值衍射效率可能已经进一步增加。
相反，对于反射式VBG，如图32B和图34A-图34D所示，衍射效率可能不会随着折射率调制的增加而降低。衍射效率曲线的主瓣和旁瓣的FWHM角度范围可能随着折射率调制的增加而增加。
图36A示出了为了实现不同颜色的衍射饱和，具有不同光栅周期的透射式体布拉格光栅的最小折射率调制。曲线3610示出了透射式VBG的最小折射率调制以实现红光的最大衍射效率，曲线3620示出了透射式VBG的最小折射率调制以实现绿光的最大衍射效率，而曲线3630示出了透射式VBG的最小折射率调制以实现蓝光的最大衍射效率。如图所示，对于具有给定光栅周期和厚度的光栅，实现最大衍射效率的最小折射率调制可以针对不同的颜色而变化。例如，蓝光的最大衍射效率的最小折射率调制可能低于绿光或红光的。因此，同样如图35A-图35I所示，对于能够衍射多种颜色的光的光栅，当折射率调制处于能够实现蓝光的最高衍射效率的值时，同一光栅对于绿光和红光的衍射效率可能较低；当折射率调制处于能够实现红光最高衍射效率的值时，同一光栅对于蓝光和绿光的衍射效率可能从它们的峰值降低。因此，可能需要在不同颜色的衍射效率之间进行一些权衡。
图36B示出了曲线3640，其示出了具有不同光栅周期的透射光栅的折射率调制，以便避免任何颜色的折射率调制饱和。例如，对于可以衍射蓝光的光栅，可以基于蓝光的折射率调制饱和来确定折射率调制。对于只能衍射绿光和红光的光栅，可以基于绿光的折射率调制饱和来确定折射率调制。对于只能衍射红光的光栅，可以基于红光的折射率调制饱和来确定折射率调制。
如上所述，为了覆盖红光、绿光和蓝光的全视场，VBG可以是多次暴露于不同记录光图案的多路复用光栅，其中每次曝光可以记录可以衍射来自不同相应视场的红光、绿光和蓝光的光栅。多路复用VBG中的光栅可以具有不同的光栅周期。多路复用VBG可用于衍射来自全视场的所有颜色的光。此外，多路复用VBG中的光栅可以具有不同的折射率调制，以便优化不同颜色的衍射效率。
图36C是示出根据某些实施例的光栅层的示例的示意图3650，该光栅层包括具有不同间距和不同折射率调制的多路复用VBG，用于优化衍射效率和衍射效率均匀性。示意图3650中的每个数据点3652示出了光栅的周期和相应的折射率调制。在图示的示例中，光栅层可以包括多于40个光栅。光栅层可以具有大约0.08的最大折射率调制。每个光栅可以具有大约0.002或更低的折射率调制。组合起来，多路复用光栅可以为可见光提供全FOV。
通常可能希望在多路复用VBG中复用更多的光栅，以增加大视场的光的衍射效率。然而，当在多路复用VBG中复用许多光栅时，光栅之间可能发生串扰。
图37A示出了由波导显示器3700的示例中的多路复用体布拉格光栅引起的串扰。波导显示器3700可以包括包含输入光栅3712的多路复用输入光栅。波导显示器3700还可以包括多路复用输出光栅3710，多路复用输出光栅3710包括两个或更多个输出光栅，例如第一输出光栅3714和第二输出光栅3716，它们可以记录在同一光栅层或多个光栅层中。第一颜色和第一视场的显示光可以通过输入光栅3712耦合到波导中，并且可以通过第一输出光栅3714以期望的角度，例如以等于输入角度的输出角度(例如，在所示示例中大约90°)，从波导耦合出去。输入光栅3712和第一输出光栅3714可以具有匹配的光栅矢量(例如，至少在x-y平面上)，因此可以补偿由彼此引起的色散，并保持输出角度等于输入角度。
由于每个光栅的衍射效率曲线的非零宽度(例如如图33A-图35I所示)，和第二输出光栅3716相关联的FOV可以与和第一输出光栅3714相关联的第一FOV至少部分地重叠。因此，来自第一视场并通过输入光栅3712耦合到波导中的显示光可以通过第二输出光栅3716以不期望的角度至少部分耦合出波导。由于输入光栅3712和第二输出光栅3716之间的光栅矢量不匹配，第一FOV中并通过第二输出光栅3716耦合出波导的显示光的输入角(例如，在该示例中约为90°)和输出角可能不同，如图37A所示。因此，可能产生不期望的重影图像。
图37B示出了体布拉格光栅的光栅周期和不同颜色入射光的相应视场之间的关系。如图所示，相同的VBG(例如，由线3730表示的VBG)可以衍射来自负视场的第一波长的红光(如线3730和曲线3740的交点所示)。相同的VBG也可以衍射来自不同的负视场的不同(例如，第二)波长的红光(如线3730和曲线3742的交点所示)。第一波长和第二波长的红光可以由发射窄光谱范围内的光的同一光源(例如，红色LED)发射。类似地，相同的VBG可以衍射来自正视场的第三波长的绿光(如线3730和曲线3750的交点所示)和来自不同的正视场的不同(例如，第四)波长的绿光(如线3730和曲线3752的交点所示)。第三波长和第四波长的绿光可以由发射窄光谱范围内的光的同一光源(例如，绿色LED)发射。相同的VBG可以进一步衍射来自正视场的第五波长的蓝光(如线3730和曲线3760的交点所示)和来自不同的正视场的不同(例如，第六)波长的蓝光(如线3730和曲线3762的交点所示)。第五波长和第六波长的蓝光可以由发射窄光谱范围内的光的同一光源(例如，蓝色LED)发射。
在某些情况下，重影效应可能是由用于不同视场的光栅对第一视场的显示光的不希望的衍射引起的。例如，如果FOV的左半部分的显示光被FOV的右半部分的顶部光栅衍射，或者如果FOV的右半部分的显示光被FOV的左半部分的顶部光栅衍射，则可能存在重影图像。在一些实施例中，为了减少重影效应，两个或更多个顶部光栅可以彼此偏移，并且可以不重叠。在一些实施例中，两个或更多个顶部光栅可以被设计成使得光栅对显示光的不期望的衍射不会到达视窗，因此不会被用户观察到。
如上所述，透射光栅和反射光栅可以具有不同的性能特征，例如衍射效率、衍射效率饱和度、色散、FWHM角度范围等。例如，透射光栅可以比反射光栅具有更宽的布拉格峰值线宽。此外，透射式VBG或反射式VBG的布拉格峰值线宽可以随着相应的视场而变化。
图38A示出了用于不同视场的透射式体布拉格光栅和反射式体布拉格光栅的布拉格峰的线宽。曲线3810示出了用于不同视场的透射式VBG的布拉格峰的线宽。曲线3810示出了透射式VBG的布拉格峰的线宽可以随着相应视场的增加而显著增加。曲线3820示出了用于不同视场的反射式VBG的布拉格峰的线宽。曲线3820示出了反射式VBG的布拉格峰的线宽可以仅随着相应视场的增加而略微增加。
图38B示出了用于不同视场的透射式体布拉格光栅的布拉格峰3830的示例。如图所示，用于较大视场的透射式VBG的线宽可以比用于较小视场的透射式VBG的线宽宽得多，因此可以覆盖较大的FOV范围。
图38C示出了用于不同视场的反射式体布拉格光栅的布拉格峰3840的示例。如图所示，用于较大视场的反射式VBG的线宽可以与用于较小视场的反射式VBG的线宽大致相同。
图39A示出了包括多个VBG的多路复用体布拉格光栅的示例中串扰和效率之间的权衡。在图39A所示的示例中，VBG可以被松散地复用，以避免布拉格峰重叠，从而避免用于来自大正视场的蓝光的VBG之间的串扰，如曲线3910所示。如上所述，VBG也可以衍射来自其他视场的其他颜色的光。因此，用于衍射来自正视场的蓝光的光栅也可以衍射来自负视场的红光。然而，因为光栅是松散复用的，并且透射光栅的布拉格峰的线宽在负视场处较窄，如上面参考图38A-图38B所述，来自一些负视场的红光可能不会被光栅衍射，如曲线3920中峰之间的间隙所示，因此降低了红光在某些负视场处的效率。
图39B示出了包括多个VBG的多路复用体布拉格光栅的示例中串扰和效率之间的权衡。在图示的示例中，VBG可以被密集地复用，以增加用于红光的负视场的覆盖，如曲线3940所示。密集复用的VBG也可以衍射来自正视场的蓝光。因为VBG被密集地复用，并且透射光栅的布拉格峰的线宽在正视场处更宽，所以正视场处的蓝光的布拉格峰可能重叠，并且引起用于来自大正视场的蓝光的VBG之间的串扰，如曲线3930所示。
因此，在透射光栅中，很难同时最小化串扰和最大化效率。在许多情况下，基于透射式VBG的波导显示器的最大可实现效率可能会受到最大允许串扰的限制。
图40A示出了多路复用透射式体布拉格光栅中最小衍射效率与总折射率调制和相应串扰之间的关系。图40A的横轴对应于期望的最小效率。数据点4020示出了最小折射率调制，以便实现相应的期望最小衍射效率。数据点4010示出了与相应的最小折射率调制相关联的最大串扰值，以便实现相应的期望最小效率。
在图40A所示的示例中，如虚线4030所示，期望串扰可以小于例如0.06(使得棋盘对比度(checker board contrast)可以约为30)。每个波导板可以有两个聚合物层附着其上。每个聚合物层中的最大折射率调制可以是例如大约0.05，使得总折射率调制可以是大约0.1，如虚线4040所示。如数据点4042所示，当两个聚合物层的总折射率调制为0.1以实现期望的效率时，串扰可能远高于线4030所示的最大允许串扰。如数据点4032所示，为了实现小于0.06的串扰，聚合物层的最大折射率调制可能没有被充分利用，并且最小效率可能相对较低。在图40A中的数据点4032所示的示例中，为了实现串扰性能，可以仅利用两个聚合物层的总折射率调制的大约20％。因此，基于透射式VBG的波导显示器的效率可能受到最大允许串扰的限制。
图40B示出了多路复用反射式体布拉格光栅中最小衍射效率与总折射率调制和相应串扰之间的关系。横轴对应于期望的最小效率。数据点4070示出了折射率调制，以便实现相应的期望最小效率。数据点4060示出了与相应的折射率调制相关联的最大串扰值，以便实现相应的期望最小效率。
在图40B所示的示例中，每个波导板可以具有附着到其上的两个聚合物层。每个聚合物层中的最大折射率调制可以是例如大约0.05，使得总折射率调制可以是例如大约0.1，如虚线4080所示。如图40B中的点4082所示，当充分利用聚合物层的最大折射率调制(例如，0.1)时，光栅的串扰仍然远低于线4090指示的最大允许串扰(例如，大约0.06)，并且效率可能相对较高。因此，在基于反射式VBG的波导显示器中，衍射效率可能受到聚合物层的最大折射率调制的限制。在各种实施例中，透射光栅和反射光栅可以基于诸如形状因子、效率、图像质量等的设计考虑来选择。
在一些实施例中，因为透射光栅的衍射效率可能是偏振敏感的，并且入射的显示光可能是非偏振的，所以显示光的一些分量可能不会被光栅衍射，因此波导显示器的效率可能会降低。为了提高非偏振光或特定偏振态的光的效率，可以使用偏振转换器和两个空间复用光栅将显示光耦合到波导中或从波导耦合出去。
图41示出了根据某些实施例的波导显示器4100的示例，该波导显示器4100包括两个多路复用体布拉格光栅4110和4140以及在两个多路复用体布拉格光栅4110和4140之间的偏振转换器4130。在一些实施例中，因为透射光栅的衍射效率可能是偏振敏感的，并且入射的显示光可能是非偏振的，所以显示光的一些分量可能不会被光栅衍射，因此波导显示器的效率可能会降低。为了提高非偏振光或特定偏振态的光的效率，可以使用偏振转换器和两个空间复用光栅将显示光耦合到波导中或从波导耦合出去。第一VBG 4110可以形成在衬底4120上或偏振转换器4130的表面上。第二VBG 4140可以形成在衬底4150上或偏振转换器4130的另一表面上。
非偏振光4102可以包括s偏振光和p偏振光。第一VBG 4110可以衍射大部分s偏振光和一部分p偏振光，如衍射光4104所示。衍射光4104可以被偏振转换器4130部分转换，并穿过第二VBG 4140，而不会被第二VBG 4140衍射，如透射光4106所示，因为不满足布拉格条件。没有被第一VBG 4110衍射的p偏振光的部分4108可以穿过偏振转换器4130，并且可以被转换成s偏振光，并且可以被第二VBG 4140衍射，其中衍射光4112可以具有与透射光4106相同的传播方向。这样，非偏振光4102可以被波导显示器4100更有效地衍射。
外部光(例如，来自外部光源，例如灯或太阳)可以在光栅耦合器的表面反射并返回到光栅耦合器，在光栅耦合器处反射的光可以被光栅耦合器衍射以生成彩虹图像。在一些波导显示器中，在波导显示器的透视视场之外具有大入射角的环境光也可以被光栅耦合器衍射以产生彩虹图像。根据一些实施例，可以在波导显示器中使用附加结构，例如反射涂层(例如，用于来自大透视FOV的光)和/或抗反射涂层(例如，用于来自小透视FOV的光)，以减少光学伪影，例如彩虹效应。例如，角度选择性透射层可以放置在波导显示器的波导和光栅耦合器的前面(或后面)，以减少由外部光源引起的伪像。角度选择性透射层可以被配置为反射、衍射或吸收入射角大于波导显示器的透视视场的一半的环境光，同时允许近眼显示器的透视视场内的环境光以很少或没有损失的方式穿过并到达用户的眼睛。角度选择性透射层可以包括例如涂层，该涂层可以包括一个或更多个介电层、衍射元件，例如光栅(例如超构光栅(meta-grating))、纳米结构(例如纳米线、纳米柱、纳米棱镜、纳米棱锥(nano-pyramid))等。
图42示出了根据某些实施例的包括抗反射层4250和角度选择性透射层4240的波导显示器4200的示例。波导显示器4200可以包括波导4210和位于波导4210底表面的光栅耦合器4220。光栅耦合器4220可以类似于上述光栅耦合器。入射到波导4210上的外部光4230可以作为外部光4232折射到波导4210中，然后可以被光栅耦合器4220衍射。衍射光可以包括0级衍射4234(例如折射衍射)和-1级衍射(未示出)。光栅耦合器4220的高度、周期和/或倾斜角可以被配置成使得对于外部光，-1级衍射可以被减小或最小化。
波导显示器4200可以在光栅耦合器4220的底表面4222上包括抗反射层4250。抗反射层4250可以包括例如涂覆在底表面4222上的一个或更多个介电薄膜层或其他抗反射层，并且可以用于减少外部光在底表面4222处的反射。因此，很少或没有外部光可以在光栅耦合器4220的底表面4222处反射回光栅耦合器4220，并且因此可以减少或最小化原本由于光栅耦合器4220在底表面4222处反射的外部光的衍射而可能形成的彩虹伪像。显示光的一些部分可以被光栅耦合器4220衍射，并且可以耦合出波导4210朝向用户的眼睛(例如，由于-1级衍射)。抗反射层4250还可以有助于减少通过光栅耦合器4220耦合出波导4210的显示光部分的反射。
角度选择性透射层4240可以涂覆在波导4210的顶面或光栅耦合器4220上。角度选择性透射层4240对于入射角大于某一阈值的入射光可以具有高反射率、高衍射效率或高吸收，并且对于入射角低于阈值的入射光可以具有低损耗。可以基于波导显示器4200的透视视场来确定阈值。例如，入射角大于透视视场的入射光4260可能大部分被角度选择性透射层4240反射、衍射或吸收，因此可能不会到达波导4210。入射角在透视视场内的外部光4230可以大部分穿过角度选择性透射层和波导4210，并且可以被光栅耦合器4220折射或衍射。
可以以各种方式实现上述角度选择性透射层4240。在一些实施例中，角度选择性透射层可以包括一个或更多个介电层(或气隙)。每个介电层可以具有各自的折射率，并且相邻的介电层可以具有不同的折射率。在一些实施例中，角度选择性透射层可以包括例如微反射镜或棱镜、光栅、超构光栅、纳米线、纳米柱或其他微结构或纳米结构。在一些示例中，角度选择性透射层可以包括在衬底上形成的具有小光栅周期的光栅(例如，表面浮雕光栅或全息光栅)。光栅可以只衍射具有大入射角(例如，大约75°到大约90°)的光，并且衍射光可以在使得衍射光不能到达视窗的方向上传播。光栅周期可以例如小于280nm(例如，大约200nm)，使得角度选择性透射层不会影响透视视场内的光。在一些示例中，角度选择性透射层可以包括可以反射、衍射或吸收具有大入射角的入射光的微米级或纳米级各向异性结构。各向异性结构可以包括例如排列并浸入透明介质中的大纵横比纳米粒子、纳米线阵列、某些液晶材料等。
本发明的实施方案可以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已经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(VR)、混合现实(MR)、混杂现实或它们的某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或者与捕获的(例如，真实世界的)内容相结合的生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈或它们的某种组合，并且它们中的任何一个都可以在单个通道或多个通道中呈现(例如向观看者产生三维效果的立体视频)。另外地，在一些实施方案中，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、服务或它们的某种组合相关联。提供人工现实内容的人工现实系统可以在各种平台上实现，这些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看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台。
图43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4300的简化框图。电子系统4300可以用作上文描述的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4300可以包括一个或更多个处理器4310和存储器4320。处理器4310可以被配置成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4310可以与在电子系统4300内的多个部件通信地耦合。为了实现这种通信耦合，处理器4310可以跨过总线4340与其他图示的部件通信。总线4340可以是适于在电子系统4300内传输数据的任何子系统。总线4340可以包括多条计算机总线和另外的电路以传输数据。
存储器4320可以被耦合至处理器4310。在一些实施方案中，存储器4320可以提供短期存储和长期存储两者，并且可以被分成若干个单元。存储器4320可以是易失性的(诸如，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(诸如，只读存储器(ROM)、闪存等)。此外，存储器4320可以包括可移动存储设备，诸如安全数字(SD)卡。存储器4320可以为电子系统4300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。在一些实施方案中，存储器4320可以被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4320中。指令可以采取可以由电子系统4300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，所述源代码和/或可安装代码当在电子系统4300上(例如，使用多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，可以采取可执行代码的形式。
在一些实施例中，存储器4320可以存储多个应用模块4322至4324，应用模块4322至4324可以包括任何数量的应用。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4322-4324可以包括待由处理器4310执行的特定指令。在一些实施方案中，应用模块4322-4324中的某些应用或部分可以由其他硬件模块4380执行。在某些实施例中，存储器4320可以另外包括安全存储器，该安全存储器可以包括另外的安全控件，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4320可以包括被加载在其中的操作系统4325。操作系统4325可以是可操作的，以启动由应用模块4322-4324提供的指令的执行和/或管理其他硬件模块4380以及与无线通信子系统4330的接口，无线通信子系统4330可以包括一个或更多个无线收发器。操作系统4325可以适于跨过电子系统4300的部件执行其他操作，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4330可以包括例如红外通信设备、无线通信设备和/或芯片组(诸如，
Figure BDA0003517345010000701
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4300可以包括用于无线通信的、作为无线通信子系统4330的一部分或者作为耦合至系统的任何部分的单独部件的一根或更多根天线4334。根据期望的功能，无线通信子系统4330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(诸如，无线广域网(WWAN)、无线局域网(WLAN)或无线个域网(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4330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4330可以包括用于使用天线4334和无线链路4332来发送或接收数据(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4330、处理器4310和存储器4320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4300的实施例还可以包括一个或更多个传感器4390。传感器4390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(proximitysensor)、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以提供感测输出和/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4390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。IMU可以基于从一个或更多个位置传感器接收的测量信号来生成校准数据，该校准数据指示相对于HMD设备的初始位置的HMD设备的估计位置。位置传感器可以响应于HMD设备的运动来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的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用于感测。
电子系统4300可以包括显示模块4360。显示模块4360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4300的信息，诸如图像、视频和多种指令。这种信息可以从一个或更多个应用模块4322-4324、虚拟现实引擎4326、一个或更多个其他硬件模块4380、它们的组合或用于(例如，通过操作系统4325)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4360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、μLED、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4300可以包括用户输入/输出模块4370。用户输入/输出模块4370可以允许用户向电子系统4300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4370可以包括一个或更多个输入设备。示例的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4300的任何其他合适的设备。在一些实施方案中，用户输入/输出模块4370可以根据从电子系统4300接收的指令向用户提供触觉反馈。例如，可以在接收到动作请求或者已经执行动作请求时提供触觉反馈。
电子系统4300可以包括照相机4350，照相机4350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4350还可以用于拍摄环境的照片或视频，例如，用于VR应用、AR应用或MR应用。照相机4350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4350可以包括两个或更多个照相机，它们可以用于捕获3D图像。
在一些实施方案中，电子系统4300可以包括多个其他硬件模块4380。其他硬件模块4380中的每一个可以是电子系统4300内的物理模块。虽然其他硬件模块4380中的每一个可以被永久地配置为结构，但是其他硬件模块4380中的一些可以被临时配置成执行特定功能或者被临时激活。其他硬件模块4380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4380的一个或更多个功能可以用软件实现。
在一些实施例中，电子系统4300的存储器4320还可以存储虚拟现实引擎4326。虚拟现实引擎4326可以执行电子系统4300内的应用，并且从多种传感器接收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。在一些实施方案中，由虚拟现实引擎4326接收的信息可以用于为显示模块4360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4326可以为HMD设备生成反映用户在虚拟环境中的移动的内容。另外地，虚拟现实引擎4326可以响应于从用户输入/输出模块4370接收的动作请求在应用内执行动作，并且向用户提供反馈。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4310可以包括可以执行虚拟现实引擎4326的一个或更多个GPU。
在各种实施方式中，上文描述的硬件和模块可以在单个设备上被实现，或者在可以使用有线连接或无线连接彼此通信的多个设备上被实现。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4326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被实现。在一些实施方式中，一个控制台可以被连接至多于一个HMD或者可以支持多于一个HMD。
在可选择的配置中，不同的和/或另外的部件可以被包括在电子系统4300中。类似地，一个或更多个部件的功能可以以不同于上文描述的方式的方式被分布在部件中。例如，在一些实施例中，电子系统4300可以被修改为包括其他系统环境，诸如AR系统环境和/或MR环境。
上文讨论的方法、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，在可选择的配置中，所描述的方法可以以不同于所描述的顺序来执行，和/或可以添加、省略和/或组合各个阶段。此外，关于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要素可以以相似的方式被组合。此外，技术不断发展，并且因此许多要素是示例，其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，熟知的电路、过程、系统、结构和技术已经被示出而没有不必要的细节。此描述仅提供示例的实施例，并且不意图限制本发明的范围、适用性或配置。而是，实施例的前述描述将为本领域技术人员提供用于实现多种实施例的使能描述(enabling description)。在不脱离本公开内容的精神和范围的情况下，可以在要素的功能和布置方面进行各种改变。
此外，一些实施例被描述为过程，过程被描绘为流程图或框图。尽管每一个都可以将操作描述为顺序过程，但是许多操作可以并行或并发地被执行。此外，操作的顺序可以被重新排列。过程可以具有图中未包括的另外的步骤。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何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被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，将明显的是，可以根据特定的要求进行实质性的变化。例如，还可以使用定制的硬件或专用的硬件，和/或可以以硬件、软件(包括便携式软件，诸如小程序(applet)等)或者两者来实现特定的要素。此外，可以采用到其他计算设备诸如网络输入/输出设备的连接。
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，各种机器可读介质可以涉及向处理单元和/或其他设备提供指令/代码以用于执行。另外地或可选择地，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存储介质和/或有形存储介质。这样的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介质和/或光学介质(诸如光盘(CD)或数字多功能盘(DVD))、穿孔卡、纸带、具有孔图案的任何其他物理介质、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、任何其他存储器芯片或盒、如下文描述的载波、或计算机可以从中读取指令和/或代码的任何其他介质。计算机程序产品可以包括代码和/或机器可执行指令，其可以表示过程、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何组合。
本领域技术人员将理解，用于传送本文描述的消息的信息和信号可以使用多种不同的技术和技艺中的任何一种来表示。例如，在整个上文的描述中可以引用的数据、指令、命令、信息、信号、比特、符号和码片(chip)可以由电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子、或其任何组合来表示。
如本文使用的术语“和”以及“或”可以包括多种含义，这些含义还被预期至少部分地取决于使用这样的术语的上下文。通常，“或”如果用于关联列表，诸如A、B或C，则意图表示A、B和C(此处以包含的意义使用)以及A、B或C(此处以排他的意义使用)。此外，如本文使用的术语“一个或更多个”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，并且所要求保护的主题不限于该示例。此外，术语“......中的至少一个(at least one of)”如果用于关联列表，诸如A、B或C，则可以被解释为表示A、B和/或C的任何组合，诸如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，但是应当认识到，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实现，或者仅以软件实现，或者使用它们的组合来实现。在一个示例中，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软件，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，用于执行在本公开内容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被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或者以任何组合在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成执行某些操作或功能的情况下，可以例如通过设计执行操作的电子电路、通过对可编程电子电路(诸如微处理器)进行编程以(诸如通过执行计算机指令或代码)执行操作、或者被编程为执行存储在非暂时性存储器介质上的代码或指令的处理器或核、或者它们的任何组合来完成这样的配置。过程可以使用各种技术(包括但不限于用于过程间通信的传统技术)进行通信，并且不同的过程对可以使用不同的技术，或者同一对过程可以在不同的时间使用不同的技术。
因此，说明书和附图应被视为说明性的而不是限制性的。然而，将明显的是，在不脱离如在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，尽管已经描述了具体实施方案，但是这些实施方案并不意图是限制性的。各种修改和等同物都在所附权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种波导显示器，包括：
衬底，其对可见光透明；
投影仪，其被配置为生成图像的显示光，所述显示光包括所述图像的第一视场(FOV)的显示光和所述图像的第二FOV的显示光；
第一输入耦合器，其被配置为将所述第一FOV的显示光耦合到所述衬底中；
第一组光栅，其被配置为在所述衬底的位置的第一二维阵列处将所述第一FOV的显示光从所述衬底耦合出去；
第二输入耦合器，其被配置为将所述第二FOV的显示光耦合到所述衬底中；和
第二组光栅，其被配置为在所述衬底的位置的第二二维阵列处将所述第二FOV的显示光从所述衬底耦合出去。
2.根据权利要求1所述的波导显示器，其中，所述第一FOV和所述第二FOV组合地包括所述图像的全视场。
3.根据权利要求1所述的波导显示器，其中，所述第一FOV和所述第二FOV包括重叠的FOV。
4.根据权利要求3所述的波导显示器，其中，所述重叠的FOV大于4°。
5.根据权利要求3所述的波导显示器，其中，所述第一组光栅对于所述重叠的FOV中的显示光的第一衍射效率低于对于所述第一FOV的其他部分中的显示光的第二衍射效率。
6.根据权利要求1所述的波导显示器，其中：
所述第一FOV包括所述图像的左侧FOV；和
所述第二FOV包括所述图像的右侧FOV。
7.根据权利要求1所述的波导显示器，其中：
所述第一FOV包括所述图像的顶部FOV；和
所述第二FOV包括所述图像的底部FOV。
8.根据权利要求1所述的波导显示器，其中，所述第一组光栅包括：
第一光栅，其被配置为在所述第一光栅的沿着第一方向的两个或更多个区域处将所述第一FOV的显示光衍射到第二方向；和
第二光栅，其被配置为在所述第二光栅的沿着所述第二方向的两个或更多个区域处将来自所述第一光栅的两个或更多个区域中的每一个的显示光从所述衬底耦合出去；并且
其中，所述第一光栅还被配置为在所述第一光栅的第一区域处，将所述第一FOV的显示光朝着所述第一光栅的两个或更多个区域衍射到所述第一方向。
9.根据权利要求8所述的波导显示器，其中：
所述第一输入耦合器包括第一输入光栅耦合器；和
所述第一输入光栅耦合器和所述第二光栅在垂直于所述衬底的表面法线方向的平面中具有相同的光栅矢量；
其中，所述第一输入光栅耦合器、所述第一光栅或所述第二光栅中的至少一个包括多路复用体布拉格光栅；
其中，所述多路复用体布拉格光栅包括以不同光栅周期为特征的多个光栅，所述多个光栅被配置为衍射在所述图像的第一FOV内的不同视场的光。
10.根据权利要求8所述的波导显示器，其中，所述第一光栅和/或所述第二光栅包括反射衍射光栅或透射衍射光栅。
11.根据权利要求8所述的波导显示器，其中，所述第一光栅和所述第二光栅至少部分重叠。
12.根据权利要求8所述的波导显示器，其中，所述第二组光栅包括：
第三光栅，其被配置为在所述第三光栅的沿着第三方向的两个或更多个区域处将所述第二FOV的显示光衍射到第四方向；和
第四光栅，其被配置为在所述第四光栅的沿着所述第四方向的两个或更多个区域处将来自所述第三光栅的两个或更多个区域中的每一个的显示光从所述衬底耦合出去；其中，所述第二光栅和所述第四光栅至少部分重叠。
13.根据权利要求12所述的波导显示器，其中：
所述第二输入耦合器包括第二输入光栅耦合器；和
所述第二输入光栅耦合器和所述第四光栅在垂直于所述衬底的表面法线方向的平面中具有相同的光栅矢量。
14.根据权利要求12所述的波导显示器，其中，所述第一光栅、所述第二光栅、所述第三光栅或所述第四光栅中的至少一个包括记录在一个或更多个衬底的两个或更多个表面上的两个或更多个全息材料层中的VBG。
15.根据权利要求12所述的波导显示器，其中，所述第一光栅、所述第二光栅、所述第三光栅和所述第四光栅中的每一个的厚度在20μm和100μm之间。
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