CN114721083A - 二维光均化 - Google Patents

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F·施洛托
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Abstract

公开了一种光学反射设备，该设备包括波导和安装到该波导的表面的纵向光均化结构。该光均化结构可接收输入光，并通过沿波导的纵向维度均化输入光来产生纵向均化光。该波导中的交叉耦合器可从光均化结构接收纵向均化光，并且可通过沿波导的横向维度重新引导纵向均化光来产生二维均化光。该光均化结构可包括部分反射层、具有折射率失配的堆叠基板层，和/或部分反射层和完全反射层的组合。交叉耦合器和/或部分反射层可使用全息图组形成。棱镜或倾斜的基板表面可将输入光耦合到基板中。

Description

二维光均化
本申请是申请号为201880066065.2、优先权日为2017年10月16日、申请日为2018年9月27日、发明名称为“二维光均化”的发明专利申请的分案申请。
本专利申请要求于2017年10月16日提交的美国临时专利申请62/572,779的优先权，该美国临时专利申请据此以引用的方式全文并入本文。
背景技术
本发明整体涉及光学反射设备，包括光学反射设备中的光均化。
光波导具有引导光谱(例如，光)中的电磁波的物理结构。在一些情况下，光波导可以是光纤或平面波导结构。光波导可使用全内反射(TIR)将光引导至输出端。根据光相对于TIR表面的表面法线的入射角，光的强度或功率分布可变化。因此，由于光的入射角，光波导的区域可从被引导的光接收更多或更少的能量。在一些情况下，这种空间上不均匀的功率分布与光波导的操作无关。然而，在其他情况下，穿过波导进行传播的光的不均匀性可导致某些TIR设备应用的性能欠缺。因此，针对光波导或TIR设备的特定区域来均化光的功率分布可能是有益的。
TIR成像设备可能由于穿过波导进行传播的光的模式不均匀性而导致性能欠缺。例如，光可进入波导，穿过波导进行传播，并朝向出射光瞳反射或衍射以形成投影图像。波导可包括光耦合器件(例如，输入耦合器、交叉耦合器和/或输出耦合器)。然而，穿过波导进行传播的光可在耦合模式内表现出空间上不均匀的功率分布。这种空间上不均匀的功率分布还可在光耦合器件处导致不均匀的强度分布。因此，这种不均匀的强度分布可扩大与朝向出射光瞳反射的输出光束相关联的点扩散函数，从而减小投影图像的分辨率并导致投影图像的不均匀亮度。
发明内容
所述特征总体涉及用于在一个或多个维度中均化光的一种或多种改进方法、系统或设备。该方法、系统或设备可采用一种或多种光均化器或均化技术来改变波导或TIR设备中的光的功率分布。
在一些示例中，光学设备可包括具有波导表面的波导。该波导表面可具有纵向维度和垂直横向维度。光均化结构可在波导上形成。光均化结构可接收输入光，并通过沿纵向维度均化输入光来产生纵向均化光。光学设备可包括交叉耦合器，该交叉耦合器从光均化结构接收纵向均化光，并且通过沿横向维度重新引导纵向均化光来产生二维均化光。该交叉耦合器可以包括在向上通路和向下通路两者上衍射光的全息图。
在一些示例中，光均化结构可包括基板和位于基板上或基板中的部分反射器。该部分反射器可包括电介质涂层、金属涂层、聚合物膜、一组全息图或其他结构。在一些示例中，光均化结构可包括具有相对的第一表面和第二表面的基板，位于第一表面上的第一全反射层，位于第二表面上的第二全反射层，以及位于基板上的部分反射层和插置在第一全反射层和第二全反射层之间的部分反射层。在一些示例中，光均化结构可包括：位于波导表面上并具有第一折射率的第一基板，位于第一基板上并具有不同于第一折射率的第二折射率的第二基板，以及位于第一基板上并具有不同于第二折射率的第三折射率的第三基板。
在一些示例中，光均化结构可包括安装到与波导表面相对的基板表面上的棱镜。该棱镜可以将输入光引导至基板中并朝向部分反射器。在一些示例中，光均化结构包括具有倾斜侧表面的基板，该倾斜侧表面将输入光耦合到基板中。该部分反射器可具有空间上变化的反射率，并且可在与棱镜相反的波导处的和该波导的大约一个光瞳周期内产生经均化光。
附图说明
通过参考以下附图，可实现对本公开的具体实施的实质和优点的进一步理解。在附图中，类似的部件或特征部可具有相同的参考标签。此外，可通过跟随连接号和区分类似部件的第二标签的参考标签来区分相同类型的各种部件。如果在说明书中仅使用第一参考标签，则该描述适用于具有与第二参考标签无关的相同第一参考标签的任何一个类似部件。
图1是根据一些实施方案的例示性头戴式显示器(HMD)的图示，其中可实现本文所包括的原理。
图2A是示出根据一些实施方案的真实空间中的例示性斜交镜的反射属性的图示。
图2B示出了根据一些实施方案的k空间中的例示性斜交镜。
图3A是示出根据一些实施方案的真实空间中的例示性斜交镜的反射属性的图示。
图3B示出了根据一些实施方案的k空间中的例示性斜交镜。
图4A-图4B示出了根据一些实施方案的支持光均化的例示性光学系统的示例。
图5A-图5E示出了根据一些实施方案的支持光均化的例示性光学系统的示例。
图6A示出了根据一些实施方案的支持光均化的例示性系统的示例。
图6B示出了根据一些实施方案的支持光均化的例示性曲线图的示例。
图7A-图7C示出了根据一些实施方案的支持光均化的例示性光学透镜的示例。
图8示出了根据一些实施方案的用于光均化的例示性方法。
图9是根据一些实施方案的例示性光学系统的侧视图，该例示性光学系统包括在波导上方形成的纵向光均化结构。
图10A和图10B是根据一些实施方案的例示性光学系统的俯视图，该例示性光学系统包括在波导上方形成的纵向光均化结构，以在整个波导上执行二维光均化。
图11是根据一些实施方案的例示性纵向光均化结构的侧视图，该结构包括安装到下层波导的基板的底表面上的部分反射层。
图12是根据一些实施方案的例示性纵向光均化结构的顶部透视图，该结构包括安装到下层波导的基板上的垂直反射表面。
图13A和图13B示出了根据一些实施方案的例示性光均化结构，该结构具有在波导内部形成的空间上变化的部分反射器。
图14是根据一些实施方案的例示性光均化结构的侧视图，该结构具有在波导外部形成的空间上变化的部分反射器。
图15是根据一些实施方案的空间上变化的例示性部分反射器的俯视图。
具体实施方式
光学头戴式显示器(HMD)是具有反射投影图像的能力并允许用户体验增强现实的可穿戴设备。头戴式显示器通常涉及近眼光学器件以产生“虚拟”图像。在过去，HMD已经解决了降低图像质量和增大重量及尺寸的各种技术限制。过去的具体实施包括用于反射、折射或衍射光的传统光学器件，然而，设计往往是笨重的。另外，传统反射镜和光栅结构具有固有的局限性。例如，传统反射镜可具有一定与表面法线重合的反射轴线。传统反射镜的反射轴线可导致反射镜的次优取向或性能。另外，传统的光栅结构可包括多个反射轴线，该多个反射轴线不接受与入射角和/或波长共变。
因此，用于反射光的设备可包括以下特征：关于不受表面法线约束的反射轴线反射光，并且给定入射角的反射角在多个波长处是恒定的。对于给定波长的入射光，在一定入射角范围内，该设备的实施方案可具有基本恒定的反射轴线(即，具有反射轴线角度变化小于1.0度的反射轴线)，并且可使用各种波长的入射光来观察到这种现象。
在一些示例中，波导可具有一个或多个光均化元件以最小化输出光束的点扩散函数并改善投影图像质量诸如分辨率和亮度。光均化元件可在与波导重叠(例如，在波导表面上)的基板中或在该基板上形成(例如，光均化元件可在波导外部)。例如，光均化元件可以是平行于波导表面定位的部分反射元件。在一些情况下，部分反射元件可被设置在波导的基板界面处或被设置为穿过安装到波导上的基板(例如，板或管道结构)。在一些示例中，部分反射元件可以是具有垂直于波导表面的反射轴线的光学元件(例如，斜交镜)。光均化元件可分裂传播光的能量。例如，入射在光均化元件的表面上且在第一模式方向(例如，向下光线方向)上传播的光的能量的第一部分可在不同于第一模式方向的第二模式方向(例如，向上光线方向)上反射。入射在光均化元件的表面上且在第一模式方向上传播的光的能量的第二部分可折射或继续在第一模式方向上传播。
本公开的各个方面最初在用于将光反射到窥眼箱的设备的背景中进行描述，该窥眼箱位于远离斜交镜的固定距离处。描述了用于包括光栅介质的装置的具体示例。光栅介质可包括一个或多个光栅结构。光栅结构可被配置为以特定的多个入射角围绕反射轴线反射特定波长的光，其中反射轴线偏离光栅结构的表面法线。参考与光均化相关的装置图、系统图和流程图进一步示出和描述了本公开的各个方面。
该描述提供了示例，并且不旨在限制本文所述原理的具体实施的范围、适用性或配置。而是，随后的描述将为本领域技术人员提供用于实现本文描述的原理的具体实施的有用描述。可对元件的功能和布置进行各种改变。
因此，各种具体实施可适当省略、替代或添加各种程序或组件。例如，应当理解，可以以不同于所述顺序的顺序执行该方法，并且可添加、省略或组合各种步骤。另外，关于某些具体实施所述的方面和元件可在各种其他具体实施中被组合。还应当理解，以下系统、方法、设备和软件可单独地或共同地为更大系统的部件，其中其他程序可优先于或以其他方式修改其应用程序。
图1为头戴式显示器(HMD)100的图示，其中可实施本文所包括的原理。HMD 100可包括眼镜或头饰，其中近眼显示器(NED)105可附接在用户的眼睛前方。NED 105可包括设置在HMD 100的透镜组件内或与其结合的衍射元件部分。在一些示例中，衍射元件部分是全息光学元件(HOE)，该全息光学元件可包含斜交镜110。参考斜交镜110提供坐标(x轴、y轴和z轴)。HMD 100可包括操作性地联接到透镜组件的光源或光投影仪115。在一些示例中，光源或光投影仪115可在波导配置中操作性地联接到透镜组件。在一些示例中，光源或光投影仪115可在自由空间配置中操作性地联接到透镜组件。
斜交镜110是反射设备，该反射设备可包括其中驻留有体积全息图或其他光栅结构的光栅介质。斜交镜110在本文中有时可称为体积全息光栅结构110。斜交镜110可以包括附加层，诸如玻璃盖或玻璃基板。附加层可用于保护光栅介质免受污染、湿气、氧气、反应性化学物质、损坏等。附加层也可具有与光栅介质匹配的折射率。光栅介质凭借其中驻留的光栅结构具有允许其在称为反射轴线的轴周围衍射光的物理特性，其中衍射角(下文称为反射角)对于以给定入射角入射到光栅介质上的多个波长的光而言变化小于1°。在一些情况下，反射轴线对于多个波长和/或入射角也是恒定的。在一些情况下，光栅结构可由一个或多个全息图形成。在一些具体实施中，一个或多个全息图可以是体积相位全息图。其他类型的全息图也可用在光栅结构的各种具体实施中。
类似地，对于给定波长的入射光，在一定入射角范围内，具体实施通常具有基本上恒定的反射轴线(即，具有反射轴线角度变化小于1°的反射轴线)，并且这种现象可使用各种波长的入射光来观察到。在一些具体实施中，对于一组多个入射角和一组多个波长的每个组合，反射轴线保持基本恒定。
全息图可以是干涉图案的记录，并且可包括来自用于记录的光的强度和相位信息。该信息可记录在将干涉图案转换为光学元件的光敏介质中，所述光学元件根据初始干涉图案的强度改修改随后入射光束的振幅或相位。光栅介质可包括光敏聚合物、光折射晶体、重铬酸盐明胶、光热折射玻璃、包含分散的卤化银粒子的膜，或具有反应并记录入射干涉图案的能力的其他材料。在一些情况下，相干激光可用于记录和/或读取所记录的全息图。
在一些情况下，可使用被称为记录光束的两个或更多个激光束来记录全息图。在一些情况下，记录光束可为除入射到光栅介质上的角度之外彼此相似的单色准直平面波束。在一些具体实施中，记录光束可具有彼此不同的振幅或相位分布。可引导记录光束使得它们在记录介质内相交。在记录光束相交的情况下，它们以根据干涉图案的每个点的强度而变化的方式与记录介质相互作用。这在记录介质中产生了不同光学性质的图案。例如，在一些实施方案中，折射率可在记录介质内变化。在一些情况下，所得的干涉图案可以以对记录在光栅介质上的所有此类光栅结构均匀的方式在空间上分布(例如，具有掩模等)。在一些情况下，通过改变波长或入射角可在单个记录介质中叠加多个光栅结构，以在记录介质中产生不同的干涉图案。在一些情况下，在介质中记录一个或多个全息图之后，可在记录后的光处理中用光处理该介质。可用高度不相干的光执行记录后的光处理，以基本上消耗剩余的反应介质组分，诸如光引发剂或光敏单体，使得记录介质的光敏性被大大降低或消除。在记录介质中全息图或其他光栅结构的记录完成之后，该介质通常被称为光栅介质。光栅介质通常呈现为非光敏的。
在一些具体实施中，光栅结构包括由被称为记录光束的多个光束之间的干涉产生的全息图。通常但不一定，光栅结构包括多个全息图。可使用在多个全息图之间以不同角度(即，多重角度)入射在光栅介质上的记录光束和/或在多个全息图之间不同波长(即，多重波长)的记录光束来记录多个全息图。在一些具体实施中，光栅结构包括使用两束记录光束记录的全息图，该两束记录光束在记录全息图时其入射到光栅介质上的角度改变，和/或在记录全息图时其波长改变。具体实施还包括一种设备，其中反射轴线与光栅介质的表面法线相差至少1.0度；或至少2.0度；或至少4.0度；或至少9.0度。
光投影仪115可向透镜组件提供载像光。在一些示例中，透镜组件和斜交镜110可相对于x-y平面基本上平坦；然而，在某些具体实施中，透镜组件可包括相对于x-y平面的一些曲率。来自斜交镜110的反射光120可被反射到窥眼箱，该窥眼箱位于沿z轴远离斜交镜110的固定距离处。在一些示例中，斜交镜110可至少部分地包含在波导内。波导可通过全内反射向斜交镜110传播入射光130。在一些示例中，入射光130可通过自由空间向斜交镜110传播。斜交镜110可包括由光敏聚合物制成的光栅介质。斜交镜110还可包括光栅介质内的一个或多个光栅结构。每个光栅结构可包括可彼此重叠的一个或多个全息图或正弦体光栅。在一些实施方案中，在光栅介质中使用全息图或非全息正弦体光栅。在其他实施方案中，全息图和非全息正弦体光栅均可用于同一光栅介质中。光栅结构可被配置为以特定的多个入射角关于反射轴线反射特定波长的光，该反射轴线偏离光栅介质的表面法线。光栅介质内的每个光栅结构可被配置为在距离波导的固定距离处将一部分光朝向窥眼箱中的出射光瞳反射。
每个光栅结构(例如，每个体积全息图)可以不同于另一种光栅结构的方式反射光。例如，第一光栅结构可以以第一入射角反射第一波长的入射光，而第二光栅结构可以以第一入射角反射第二波长的入射光(例如，不同的光栅结构可被配置成为相同入射角的入射光反射不同波长的光)。另外，第一光栅结构可以以第一入射角反射第一波长的入射光，而第二光栅结构可以以第二入射角反射第一波长的入射光(例如，不同的光栅结构可被配置成为不同入射角的入射光反射相同波长的光)。此外，光栅结构可反射第一波长和第一入射角的第一入射光，并且光栅结构可以以第二波长和第二入射角围绕相同反射轴线反射第二入射光。以这种方式，可使用不同的光栅结构来选择性地反射以给定入射角入射光的特定波长的光。这些不同的光栅结构可叠加在斜交镜110的光栅介质中。斜交镜110可具有基本恒定(均匀)的反射轴线(例如，斜交镜110的每个光栅结构具有相同的基本恒定的反射轴线)。
在一些示例中，头戴式显示设备可包括用于提供载像光的光源或光投影仪115和透镜组件。透镜组件可包括斜交镜110。透镜组件可包括光输入部分，该光输入部分用于接收来自光源或光投影仪115的载像光。波导可设置在透镜组件内并操作性地耦接到光输入部分。波导可包括至少两个基板(未示出)、设置在至少两个基板之间的光栅介质、光栅介质内的第一光栅结构，以及光栅介质内的第二光栅结构。在一些示例中，可省略波导并且光源或光投影仪115可在自由空间配置中操作性地联接到透镜组件。第一光栅结构可被配置为关于第一光栅结构的第一反射轴线反射波长的光，该第一反射轴线偏离光栅介质的表面法线。第一光栅结构可被配置为以第一入射角反射光。第二光栅结构可被配置为与第一光栅结构至少部分地不重叠。第二光栅结构可被配置为反射与由第一光栅结构反射的光相同波长的光。第二光栅结构可被配置为关于第二光栅结构的第二反射轴线反射波长的光，该第二反射轴线偏离光栅介质的表面法线。第二光栅结构可被配置为以不同于第一入射角的第二入射角反射光。
图1仅为例示性的而非限制性的。例如，成像部件诸如光源(例如，光源或光投影仪115)可提供载像光。波导部件诸如光学透镜等可包括光输入部分。光学透镜的光输入部分可接收载像光；波导可被设置在光学透镜内并操作性地联接到光输入部分。在一些情况下，波导可具有第一波导表面和平行于第一波导表面的第二波导表面。均化部件可包括在波导内或安装到波导上(和/或与波导重叠)。例如，部分反射元件可被定位在安装到波导上的基板(管道结构)与第一波导表面之间，或者可嵌入在基板内。部分反射元件可具有平行于波导表面法线的反射轴线。耦合部件诸如光耦合器件可操作性地联接到波导介质。
设想了使用本文描述的光均化技术的另外示例和各种具体实施。
图2A是根据一个示例的示出真实空间中的斜交镜210的反射属性的横截面视图200。横截面视图200可包括光栅结构，诸如光栅介质中的全息图230。图2A省略了除光栅介质之外的斜交镜部件，诸如可用作光栅介质的基板或保护层的附加层。基板或保护层可用于保护光栅介质免受污染、湿气、氧气、反应性化学物质、损坏等。用于光耦合和/或光瞳均衡的斜交镜的具体实施可以是部分反射的。例如，用于光瞳均衡的斜交镜可被配置为在需要光线以朝向窥眼箱形成出射光瞳的情况下选择性地反射光线。用于光瞳均衡的斜交镜可被配置为避免对某些入射角反射光线，这些入射角的此类反射将光线反射到不朝向期望的出射光瞳的区域。一些斜交镜实施方案的具体实施可能需要相对较高动态范围的记录介质，以在相对宽的波长带宽和角度范围内实现所得光栅介质的高反射率。相比之下，用于光瞳均衡的斜交镜可能需要较小的动态范围，从而允许每个全息图更强(例如，以更大的强度和/或更长的曝光时间被记录)。包含较强的全息图的斜交镜可提供更亮的图像，或者允许调光器光投影仪提供相同亮度的图像。在一些情况下，光瞳均衡技术不被用作光耦合器件的斜交镜使用。斜交镜205通过反射轴线225相对于z轴测量的角度来表征。z轴垂直于斜交镜轴210。斜交镜205被入射光215以相对于z轴测量的内入射角照射。主反射光220可以相对于z轴测量的180°内反射角被反射。主反射光220可对应于驻留在可见光谱的红色、绿色和蓝色区域中的光的波长。
斜交镜210通过反射轴线225相对于z轴测量的角度来表征。z轴垂直于斜交镜轴205。斜交镜210被入射光215以相对于z轴测量的内入射角照射。可用基本垂直于斜交镜210的表面的内反射角轴反射主反射光220。在一些示例中，主反射光220可对应于驻留在可见光谱的红色、绿色和蓝色区域中的光的波长。例如，可见光谱的红色、绿色和蓝色区域可包括红色波长(例如，610至780nm)带、绿色波长(例如，493至577nm)带和蓝色波长(例如，405至492nm)带。在其他示例中，主反射光220可对应于驻留在可见光谱之外(例如，红外波长和紫外波长)的光的波长。
斜交镜210可具有多个全息图区域，所有全息图区域共享基本相同的反射轴线225。然而，这些多个区域可各自反射不同入射角范围的光。例如，包含斜交镜210的HOE的底部三分之一可仅包含光栅结构的子集，该光栅结构向上朝对应的窥眼箱反射光。然后，中间三分之一可直接朝对应的窥眼箱反射光。然后，顶部三分之一需要仅包含光栅结构的子集，该光栅结构将光向下反射到对应的窥眼箱。
图2B示出了图2A的斜交镜210的k空间表示250。空间上变化的折射率组分的k空间分布通常表示为
Figure BDA0003614729430000101
空间分布260穿过原点，并具有相对于z轴测量的角度，其等于反射轴线225的角度。记录k球体255为对应于特定写入波长的k球体。k空间250可包括对应于驻留在可见光谱的红色、绿色和蓝色区域中的光的波长的各种k球体。
k空间形式体系是一种用于分析全息记录和衍射的方法。在k-空间中，传播的光波和全息图由它们在真实空间中分布的三维傅立叶变换表示。例如，无限准直单色参考光束在实际空间和k空间中可由等式(1)表示：
Figure BDA0003614729430000102
其中
Figure BDA0003614729430000103
是所有
Figure BDA0003614729430000104
3D空间矢量位置下的光学标量场分布，并且其变换
Figure BDA0003614729430000105
是所有
Figure BDA0003614729430000106
3D空间频率矢量下的光学标量场分布。Ar为场的标量复振幅；并且
Figure BDA0003614729430000107
是波矢量，其长度表示光波的空间频率，其方向表示传播方向。在一些具体实施中，所有光束由相同波长的光组成，因此所有光波矢量必然具有相同的长度，即
Figure BDA0003614729430000108
因此，所有光学传播矢量必然位于半径为kn＝2πn0/λ的球体上，其中n0是全息图的平均折射率(“体积指数”)，并且λ是光的真空波长。这种结构被称为k-球体。在其他具体实施中，多个波长的光可分解为位于不同k球体上的不同长度的波矢量的叠加。
另一个重要的k空间分布是全息图本身。体积全息图通常由光栅介质内的折射率的空间变型组成。折射率空间变型，通常表示为
Figure BDA0003614729430000109
可被称为折射率调制图案，其k空间分布通常表示为
Figure BDA00036147294300001010
由第一记录光束和第二记录光束之间的干涉产生的折射率调制图案通常与记录干涉图案的空间强度成比例，如等式(2)所示：
Figure BDA00036147294300001011
其中
Figure BDA0003614729430000111
是第一记录光束场的空间分布，并且
Figure BDA0003614729430000112
是第二记录光束场的空间分布。一元运算符“*”表示复共轭。等式(2)中的最后一项
Figure BDA0003614729430000113
将入射的第二记录光束映射到衍射的第一记录光束中。因此，可能得到以下等式：
Figure BDA0003614729430000114
其中
Figure BDA0003614729430000115
是3D互相关性运算符。这就是说，空间域中一个光场与另一光场的复共轭的积与频域中它们对应的傅里叶变换具有互相关性。
通常，全息图230构成真实空间中实值的折射率分布。全息图230的
Figure BDA0003614729430000116
空间分布的位置可分别由互相关性运算
Figure BDA0003614729430000117
和
Figure BDA0003614729430000118
从数学上确定，或者由矢量差值
Figure BDA0003614729430000119
和
Figure BDA00036147294300001110
从几何学上确定，其中
Figure BDA00036147294300001111
和
Figure BDA00036147294300001112
是从相应全息图
Figure BDA00036147294300001113
空间分布到原点的光栅矢量(未单独显示)。需注意，按照惯例，波矢由小写“k”表示，光栅矢量由大写“K”表示。
一旦被记录，全息图230可被探测光束照亮以产生衍射光束。出于本公开的目的，衍射光束可被认为是探测光束的反射，该探测光束可被称为入射光束(例如，载像光)。探测光束及其反射光束被反射轴线225按角度等分(即，探测光束相对于反射轴线的入射角度与反射光束相对于反射轴线的反射角度相同)。衍射过程可由类似于记录过程中的那些的k-空间中的一组数学和几何运算来表示。在弱衍射极限中，衍射光束的衍射光分布由等式(4)给出，
Figure BDA00036147294300001114
其中
Figure BDA00036147294300001115
和
Figure BDA00036147294300001116
分别是衍射光束和探测光束的k空间分布；并且“*”是3D卷积运算符。注释
Figure BDA00036147294300001117
指示前述表达式仅在
Figure BDA00036147294300001118
的情况下即结果位于k球体上时成立。卷积
Figure BDA00036147294300001119
表示偏振密度分布，并且与由探测光束引起的光栅介质的不均匀电偶极矩
Figure BDA00036147294300001120
的宏观总和成比例。
通常，当探测光束类似于用于记录的记录光束中的一者时，卷积的作用是在记录期间逆转互相关性，并且衍射光束将基本上类似于用于记录全息图的其他记录光束。当探测光束具有与用于记录的记录光束不同的k空间分布时，全息图可产生与用于记录全息图的光束完全不同的衍射光束。还需注意，尽管记录光束通常是相互相干的，但探测光束(和衍射光束)不受此限制。多波长探测光束可被分析为单波长光束的叠加，每个光束遵循具有不同k球体半径的等式(4)。
在描述k空间中的斜交镜属性时有时使用的术语“探测光束”可能类似于术语“入射光”，其有时在描述真实空间中的斜交镜反射属性时使用。类似地，本文在描述k空间中的斜交镜属性时有时使用的术语“衍射光束”可能类似于术语“主反射光”，其有时在本文描述真实空间中的斜交镜属性时使用。因此，当描述真实空间中的斜交镜的反射属性时，有时的说法是入射光被全息图(或其他光栅结构)反射为主反射光，但探测光束被全息图衍射产生衍射光束的这一说法基本上表达相同的意思。类似地，当描述k空间中的斜交镜的反射属性时，有时的说法是探测光束被全息图(或其他光栅结构)衍射产生衍射光束，但入射光被光栅结构反射产生主反射光的这一说法在本公开的具体实施的上下文中具有相同的含义。
图3A是根据一个示例的示出真实空间中的斜交镜310的反射属性的横截面视图300。横截面视图300可包括光栅结构，诸如光栅介质中的全息图330。图3A省略了除光栅介质之外的斜交镜部件，诸如可用作光栅介质的基板或保护层的附加层。基板或保护层可用于保护光栅介质免受污染、湿气、氧气、反应性化学物质、损坏等。用于光均化的斜交镜的具体实施可以是部分反射的。这样，用于光均化的斜交镜可被配置为在传播光可能需要均化的情况下选择性地反射光线。用于光均化的斜交镜可被配置为在某些入射角反射光线可能无益的情况下避免此类反射。一些斜交镜实施方案的具体实施可能需要相对较高动态范围的记录介质，以在相对宽的波长带宽和角度范围内实现所得光栅介质的高反射率。在一些情况下，用于光均化的斜交镜可能需要较小的动态范围，从而允许每个全息图更强(例如，以更大的强度和/或更长的曝光时间被记录)。包含较强的全息图的斜交镜可提供更亮的图像，或者允许调光器光投影仪提供相同亮度的图像。斜交镜305通过反射轴线325相对于z轴测量的角度来表征。z轴垂直于斜交镜轴310。反射轴线325可与表面法线重合。斜交镜305被入射光315以相对于z轴测量的内入射角照射。主反射光320可以等于相对于z轴测量的内入射角的内反射角被反射。主反射光320可对应于驻留在可见光谱的红色、绿色和蓝色区域中的光的波长。
在一些示例中，主反射光320可对应于驻留在可见光谱的红色、绿色和蓝色区域中的光的波长。例如，可见光谱的红色、绿色和蓝色区域可包括红色波长(例如，610至780nm)带、绿色波长(例如，493至577nm)带和蓝色波长(例如，405至492nm)带。在其他示例中，主反射光320可对应于驻留在可见光谱之外(例如，红外波长和紫外波长)的光的波长。
斜交镜310可具有多个全息图区域，这些全息图区域共享基本相同的反射轴线325。然而，这些多个区域可各自反射不同入射角范围的光。例如，包含斜交镜310的HOE的底部三分之一可仅包含光栅结构的子集，该光栅结构向上朝对应的窥眼箱反射光。然后，中间三分之一可直接朝对应的窥眼箱反射光。然后，顶部三分之一需要仅包含光栅结构的子集，该光栅结构将光向下反射到对应的窥眼箱。
图3B示出了图3A的斜交镜310的k空间表示350。空间上变化的折射率组分的k空间分布通常表示为
Figure BDA0003614729430000131
空间分布360穿过原点，并与z轴重合，其等于反射轴线325的角度。反射轴线325基本上平行于表面法线。记录k球体355为对应于特定写入波长的k球体。k空间350可包括对应于驻留在可见光谱的红色、绿色和蓝色区域中的光的波长的各种k球体。
用于分析与k空间表示350相关联的全息记录和衍射的k空间形式体系方法可如上文相对于图2A所述被执行。
图4A示出了根据本公开的各方面的支持光均化的光学系统400-a的示例。光学系统400-a可以用在诸如但不限于头戴式显示器的应用中。光学系统400-a可以采用选择性耦合以允许光耦合器件405-a将光410-a朝向特定位置反射，并投影复制光瞳415-a和复制光瞳415-b。所表示的角度是相对于波导420-a的表面法线的内角，并且出于图示目的，忽略了在基板界面处以及基板空气界面处的折射。复制光瞳415-a和复制光瞳415-b可以分别投影对应于反射轴线425-a和反射轴线425-b的图像。光耦合器件405-a可以包括光栅介质和该光栅介质内的光栅结构。光栅结构可以具有多个全息图或正弦体光栅。
光学系统400-a示出了光源430-a，其中光410-a进入波导420-a。为了使反射光410-a朝向光耦合器件405-a被反射并投影复制光瞳415-a和复制光瞳415-b，光410-a可通过全内反射穿过波导420-a进行传播。例如，光410-a可以穿过波导420-a进行传播并在向下模式方向和向上模式方向之间反射。光410-a可以是来自一个像素(例如，图像点)的光的示例并且具有对应的宽度(例如，光瞳宽度)。在一些示例中，光410-a可以是来自多个像素的光的示例。
在一些情况下，TIR设备中的反射光410-a可经历模式不均匀性。例如，由光的TIR模式(例如，沿着传播方向的空间模式)引起的间隙435可以存在于光和波导表面的连续相互作用之间。在一些情况下，传播相对于波导420-a的表面法线具有大入射角的光410-a可增大光410-a与波导420-a的相互作用之间的间隙435的尺寸。根据由光410-a的耦合模式引起的间隙435的尺寸，在波导420-a内反射的光410-a可仅与光耦合器件405-a部分地交互。图4A的非重叠模式不均匀性示例中的这种部分交互可在光耦合器件405-a处导致不均匀的强度分布。不均匀的强度分布可导致空间上不均匀的功率分布440-a。空间上不均匀的功率分布440-a可导致与光耦合器件405-a的复制光瞳相关联的输出光束的点扩散函数(PSF)扩展，从而减小投影图像的分辨率。
图4B示出了结合光均化的光学系统400-b的图示。光学系统400-b可以用在诸如头戴式显示器的应用中。光学系统400-b可以采用选择性耦合以允许光耦合器件405-b将光410-b朝向特定位置反射，并投影复制光瞳415-c和复制光瞳415-d。所表示的角度是相对于波导420-b的表面法线的内角，并且出于图示目的，忽略了在基板界面处以及基板空气界面处的折射。复制光瞳415-c和复制光瞳415-d可以分别投影对应于反射轴线425-c和反射轴线425-d的图像。光耦合器件405-b可以包括光栅介质和该光栅介质内的光栅结构。光栅结构可以具有多个全息图或正弦体光栅。
光学系统400-b示出了光源430-b，其中光410-b进入波导420-b。为了使反射光410-b朝向光耦合器件405-b被反射并投影复制光瞳415-c和复制光瞳415-d，光410-b可通过全内反射穿过波导420-b进行传播。例如，光410-b可以穿过波导420-b进行传播并在向下模式方向和向上模式方向之间反射。光410-b可以是来自一个像素(例如，图像点)的光的示例并且具有对应的宽度(例如，光瞳宽度)。在一些示例中，光410-b可以是来自多个像素的光的示例。在一些情况下，光410-b可以以一种模式向下穿过波导420-b进行传播。在其他示例中，光410-b可以以多种模式向下穿过波导420-b进行传播。即，光410-b的多次反射可沿着波导420-b的表面发生。
在一些具体实施中，光均化元件445可被设置成邻近光410-b进入波导420-b的位置。光410-b可穿过光均化元件445进行传播，向下穿过波导介质420-b，反射离开光耦合器件405-b，并投影基本上均匀的复制光瞳415-c和复制光瞳415-d。光均化元件445可分裂传播光410-b的能量。在一些情况下，光410-b的每个部分还可以在第一模式方向上(例如，向下光线方向)以及在不同于第一模式方向的第二模式方向上(例如，向上光线方向)穿过波导420-b进行传播。例如，光410-b的每个部分可反射离开光耦合器件405-b并且以均匀的强度分布投影复制光瞳415-c和复制光瞳415-d。在一些示例中，均匀的强度分布可表示部分均化。光耦合器件405-b处的均匀强度分布可导致部分地在空间上均匀的功率分布440-b。在一些基本上同质和完全同质的复制光瞳实例中，光耦合器件405-b处的强度分布可导致步进函数功率分布，其中光的每个部分可重叠并反射离开光耦合器件405-b。当与空间上不均匀的功率分布440-a相比时，部分空间上均匀的功率分布440-b可缩小与复制光瞳415-c和复制光瞳415-d相关联的输出光束的PSF。
图4B仅为示例性的而非限制性的。例如，波导可以具有第一波导表面和平行于第一波导表面的第二波导表面。部分反射元件(例如，光均化元件445)可被定位在第一波导表面和第二波导表面之间。部分反射元件可具有平行于波导表面法线的反射轴线。
在一些情况下，部分反射元件被配置为以第一反射率来反射以第一组入射角入射在部分反射元件上的光，并且以第二反射率来反射以第二组入射角入射在部分反射元件上的光。第一反射率可不同于第二反射率。在一些情况下，部分反射元件被配置为反射入射在部分反射元件上的光的40％至60％。
设想了使用本文描述的光均化技术的另外示例和各种具体实施。
图5A示出了根据本公开的各方面的支持光均化的光学系统500-a的示例。光学系统500-a可以用在诸如但不限于头戴式显示器的应用中。光学系统500-a可以采用选择性耦合以允许光均化元件505-a的部分反射元件将光510-a朝向特定位置反射。所表示的角为相对于光栅介质515-a的表面法线的内角，并且出于图示目的，忽略了在光栅介质515-a和/或基板界面处以及在基板空气界面处的折射。复制光瞳520-a可投影对应于反射轴线525-a的图像。光栅介质515-a可包括光栅结构。光栅结构可以具有多个全息图或正弦体光栅。
光学系统500-a示出了光源530-a，其中光510-a进入波导介质535-a。为了使光510-a被反射并投影复制光瞳520-a，光510-a可通过全内反射穿过波导介质535-a进行传播。例如，光510-a可以穿过波导介质535-a进行传播并在向下模式方向和向上模式方向之间反射。光510-a可以是来自一个像素(例如，图像点)的光的示例并且具有对应的宽度(例如，光瞳宽度)。在一些示例中，光510-a可以是来自多个像素的光的示例。
光学系统500-a可包括至少部分地位于波导介质535-a内的光栅介质515-a。光栅介质515-a可在位于波导介质535-a内的光耦合器件(例如，输入耦合器、交叉耦合器或输出耦合器)中实现。在一些情况下，光均化元件505-a可包括部分反射元件(例如，在一些情况下具有50％的反射率，但一般具有在10％和90％之间的反射率)并且可定位成平行于波导介质535-a的第一基板540-a(例如，第一层)和第二基板545-a(例如，第二层)。在其他情况下，光均化元件505-a可包括部分反射元件(例如，在一些情况下具有在33％和67％之间的反射率，并且在其他情况下具有在10％和90％之间的反射率)。在一些示例中，部分反射元件的反射率可基于波导和波导部件(例如，基板、光栅介质等)的厚度。例如，总厚度为200微米的波导可利用具有大约33％的反射率的部分反射元件进行优化，而总厚度为2mm的波导可利用具有大约50％的反射率的部分反射元件进行优化。在一些实施方案中，部分反射元件可具有在10％和90％之间的反射率。
光均化元件505-a的部分反射元件可以是金属材料或绝缘材料。入射光510-a的一部分(例如，一半)可折射或穿过部分反射元件进行传播，并且光510-a的另一部分可反射离开部分反射元件。在一些情况下，光均化元件505-a的第一部分反射板和第二部分反射板可形成挡板。即，第一部分反射板可以是平行的并且至少部分地与第二部分反射板重叠。在一些示例中，第一部分反射板可(例如，以第一组入射角)反射光510-a，并且第二部分反射板可(例如，以第二组入射角)反射光510-a。
光均化元件505-a的反射率可在空间上变化。例如，光均化元件505-a的反射率可在穿过光均化元件505-a的整个长度期间变化。在一些示例中，在2mm的纵向距离上，空间上变化的光均化元件505-a的反射率可在50％至0％的范围内变化。在其他示例中，在2mm的纵向距离上，空间上变化的光均化元件505-a的反射率可在0％至50％再至0％的范围内变化。在一些情况下，光均化元件505-a可具有一个中心部分，在该中心部分具有50％的恒定反射率。空间上变化的光均化元件505-a还可选择性地反射相对于波导的表面法线形成特定范围内的入射角的传播光510-a。
图5A仅为示例性的而非限制性的。例如，波导可以具有第一波导表面和平行于第一波导表面的第二波导表面。部分反射元件(例如，光均化元件505-a)可被定位在第一波导表面和第二波导表面之间。部分反射元件可具有平行于波导表面法线的反射轴线。
在一些情况下，部分反射元件包括设置在波导内的部分反射板。部分反射板可包括平行于第一波导表面的板表面。在一些情况下，部分反射元件包括设置在波导内的第一部分反射板和第二部分反射板。第一部分反射板和第二部分反射板中的每一者可包括平行于第一波导表面的板表面。第一部分反射板和第二部分反射板中的每一者可被配置为反射入射在第一部分反射板和第二部分反射板中的相应一者上的光的10％至90％。
设想了使用本文描述的光均化技术的另外示例和各种具体实施。
图5B示出了结合光均化的光学系统500-b的图示。光学系统500-b可以用在诸如但不限于头戴式显示器的应用中。光学系统500-b可以采用选择性耦合以允许光均化元件505-b的部分反射元件将光510-b朝向特定位置反射。在图5B中，出于图示目的，忽略了在光栅介质515-b处、基板界面处以及基板空气界面处的折射。复制光瞳520-b可投影对应于反射轴线525-b的图像。光栅介质515-b可包括光栅结构。光栅结构可以具有多个全息图或正弦体光栅。
光学系统500-b示出了光源530-b，其中光510-b和光510-c进入波导介质535-b。为了使光510-b和光510-c被反射并投影复制光瞳520-b，光510-b和光510-c可通过全内反射穿过波导介质535-b进行传播。例如，光510-b和光510-c可以穿过波导介质535-b进行传播并在向下模式方向和向上模式方向之间反射。基于入射角，光510-b可被光均化元件505-b反射，而光510-c不被光均化元件505-b反射。光510-b和光510-c可以是来自一个像素(例如，图像点)的光的示例并且具有对应的宽度(例如，光瞳宽度)。在一些示例中，光510-b和光510-c可以是来自多个像素的光的示例。
图5B仅为示例性的而非限制性的。例如，波导可以具有第一波导表面和平行于第一波导表面的第二波导表面。部分反射元件(例如，光均化元件505-b)可被定位在第一波导表面和第二波导表面之间。部分反射元件可具有平行于波导表面法线的反射轴线。
另选地或除此之外，波导可包括具有平行平面表面的第一层(例如，第一基板540-b)和具有平行平面表面的第二层(例如，波导介质535-b)。第一层的平行平面表面的内平面表面可邻接第二层波导的平行平面表面的内平面表面。在一些示例中，第一波导表面可以是与第一层的平行平面表面的内平面表面相对的第一层的平面表面，并且第二波导表面可以是与第二层的平行平面表面的内平面表面相对的第二层的平面表面。在一些情况下，第一层与第二层具有不同的折射率。在这些情况下，部分反射元件可以是与第一层和第二层相关联的边界条件。
设想了使用本文描述的光均化技术的另外示例和各种具体实施。
图5C示出了结合光均化的光学系统500-c的图示。光学系统500-c可以用在诸如但不限于头戴式显示器的应用中。光学系统500-c可以采用选择性耦合以允许光均化元件505-c的部分反射元件将光510-f朝向特定位置反射。所表示的角为相对于光栅介质515-c的表面法线的内角，并且出于图示目的，忽略了在光栅介质515-c和/或基板界面处以及在基板空气界面处的折射。复制光瞳520-c可投影对应于反射轴线525-c的图像。光栅介质515-c可包括光栅结构。光栅结构可以具有多个全息图或正弦体光栅。
光学系统500-c示出了光源530-c，其中光510-f进入波导介质535-c。为了使反射光510-f被反射并投影复制光瞳520-c，光510-f可通过全内反射穿过波导介质535-c进行传播。例如，光510-f可以穿过波导介质535-c进行传播并在向下模式方向和向上模式方向之间反射。光510-f可以是来自一个像素(例如，图像点)的光的示例并且具有对应的宽度(例如，光瞳宽度)。在一些示例中，光510-c可以是来自多个像素的光的示例。
光学系统500-c可包括至少部分地位于波导介质535-c内的光栅介质515-c。光栅介质515-c可在位于波导介质535-c内的光耦合器件(例如，输入耦合器、交叉耦合器或输出耦合器)中实现。在一些具体实施中，光均化元件505-c可被定位在第一基板540-c的底部界面处，并且光均化元件505-d可被定位在第二基板545-c的顶部界面处。在一些情况下，光均化元件505-c和光均化元件505-d可包括部分反射元件(例如，具有50％的反射率)。例如，光均化元件505-c和光均化元件505-d的多个部分反射元件可平行地分别定位在第一基板540-c的底部界面和第二基板545-c的顶部界面处。
图5C仅为示例性的而非限制性的。例如，波导可以具有第一波导表面和平行于第一波导表面的第二波导表面。部分反射元件(例如，光均化元件505-c和光均化元件505-d中的一者或两者)可被定位在第一波导表面和第二波导表面之间。部分反射元件可具有平行于波导表面法线的反射轴线。
另选地或除此之外，波导可包括具有平行平面表面的第一层(例如，第一基板540-c)和具有平行平面表面的第二层(例如，波导介质535-c)。第一层的平行平面表面的内平面表面可邻接第二层波导的平行平面表面的内平面表面。在一些示例中，第一波导表面可以是与第一层的平行平面表面的内平面表面相对的第一层的平面表面，并且第二波导表面可以是与第二层的平行平面表面的内平面表面相对的第二层的平面表面。在一些情况下，第一层和第二层具有匹配的折射率。在这些情况下，部分反射元件可以是设置在第一层的平行平面表面的内平面表面或第二层的平行平面表面的内平面表面中的一者或两者上的部分反射涂层(例如，光均化元件505-c)。
另选地或除此之外，波导可包括具有平行平面表面的第一层(例如，第二基板545-c)和具有平行平面表面的第二层(例如，波导介质535-c)。第一层的平行平面表面的内平面表面可邻接第二层波导的平行平面表面的内平面表面。在一些示例中，第一波导表面可以是与第一层的平行平面表面的内平面表面相对的第一层的平面表面，并且第二波导表面可以是与第二层的平行平面表面的内平面表面相对的第二层的平面表面。在一些情况下，第一层和第二层具有匹配的折射率。在这些情况下，部分反射元件可以是设置在第一层的平行平面表面的内平面表面或第二层的平行平面表面的内平面表面中的一者或两者上的部分反射涂层(例如，光均化元件505-d)。部分反射涂层可包含金属材料或绝缘材料。
设想了使用本文描述的光均化技术的另外示例和各种具体实施。
图5D示出了结合光均化的光学系统500-d的图示。光学系统500-d可以用在诸如但不限于头戴式显示器的应用中。光学系统500-d可以采用选择性耦合以允许光均化元件505-e的部分反射元件将光朝向特定位置反射。在图5D中，出于图示目的，忽略了在光栅介质处、基板界面处以及基板空气界面处的折射。复制光瞳520-d可投影对应于反射轴线525-d的图像。光栅介质515-d可包括光栅结构。光栅结构可以具有多个全息图或正弦体光栅。
光学系统500-d示出了光源530-d，其中光510-g进入波导介质535-d。为了使光510-g被反射并投影复制光瞳520-d，光510-g可通过全内反射穿过波导介质535-d进行传播。例如，光510-g可以穿过波导介质535-c进行传播并在向下模式方向和向上模式方向之间反射。光510-g可以是来自一个像素(例如，图像点)的光的示例并且具有对应的宽度(例如，光瞳宽度)。在一些示例中，光510-g可以是来自多个像素的光的示例。
光学系统500-d可包括至少部分地位于波导介质535-d内的光栅介质515-d。光栅介质515-d可在位于波导介质535-d内的光耦合器件(例如，输入耦合器、交叉耦合器或输出耦合器)中实现。在一些情况下，光均化元件505-e可包括具有平行于波导介质535-d的表面的光均化反射轴线550的斜交镜。在一些情况下，斜交镜可至少部分地基于与入射到斜交镜或穿过斜交镜进行传播的光510-g相关联的入射角而选择性地反射。包括第一组入射角的光510-g(例如，相对于表面法线具有65°-77°绝对角)可具有较高的反射率(例如，50％的反射率)，而包括第二组入射角的光510-g(例如，相对于表面法线具有49°-57°绝对角)可具有较低的反射率(例如，25％的反射率)。例如，被配置为反射具有在第一范围内的入射角(例如，相对于表面法线具有的65°-77°绝对角)的光的全息图可被记录得更强。在一些情况下，斜交镜可被配置为选择性地反射在两个维度上入射到斜交镜或穿过斜交镜进行传播的光510-g。
光均化元件505-e还可以包括光栅介质和该光栅介质内的多个光栅结构。光栅结构可包括多个全息图或正弦体光栅。光栅结构可以第一组入射角围绕反射轴线反射具有第一波长的光510-g，其中该反射轴线偏离光栅结构的表面法线，并且可以第二组入射角围绕反射轴线反射具有第二波长的光510-g，其中该反射轴线偏离光栅结构的表面法线。每个光栅结构可包括偏离对应光栅结构的法线的不同反射轴线。
图5D仅为示例性的而非限制性的。例如，波导可以具有第一波导表面和平行于第一波导表面的第二波导表面。部分反射元件(例如，光均化元件505-e)可被定位在第一波导表面和第二波导表面之间。部分反射元件可具有平行于波导表面法线的反射轴线。
另选地或除此之外，波导可包括具有平行平面表面的第一层(例如，第一基板540-d)和具有平行平面表面的第二层(例如，波导介质535-d)。第一层的平行平面表面的内平面表面可邻接第二层波导的平行平面表面的内平面表面。在一些示例中，第一波导表面可以是与第一层的平行平面表面的内平面表面相对的第一层的平面表面，并且第二波导表面可以是与第二层的平行平面表面的内平面表面相对的第二层的平面表面。
在一些示例中，光耦合器件可被设置在波导的第一层或第二层中的至少一者内。光耦合器件可包括光栅介质(例如，光栅介质515-d)、光栅介质内的第一光栅结构，以及光栅介质内的第二光栅结构。第一光栅结构可被配置为以第一入射角围绕第一反射轴线(例如，反射轴线525-d)反射某波长的光，其中该第一反射轴线偏离波导表面法线。第二光栅结构可被配置为以不同于第一入射角的第二入射角围绕第二反射轴线反射某波长的光，其中该第二反射轴线偏离波导表面法线。在一些情况下，第一反射轴线和第二反射轴线大体上平行。
在一些情况下，第一光栅结构或第二光栅结构中的至少一者包括全息图(例如，体积相位全息图)。在一些情况下，第一光栅结构或第二光栅结构中的至少一者包括非全息衍射光学元件。非全息衍射光学元件可包括例如百叶窗式反射镜或液晶光栅。
另选地或除此之外，部分反射元件可包括光栅介质(例如，光均化元件505-e)、光栅介质内的第一光栅结构，以及光栅介质内的第二光栅结构。第一光栅结构可被配置为以第一入射角围绕第一反射轴线(例如，光均化反射轴线550)反射某波长的光，其中该第一反射轴线平行于波导表面法线。第二光栅结构可被配置为以不同于第一入射角的第二入射角围绕第二反射轴线反射某波长的光，其中该第二反射轴线平行于波导表面法线。
在一些情况下，部分反射元件的第一光栅结构或第二光栅结构中的至少一者包括全息图(例如，体积相位全息图)。在一些情况下，部分反射元件的第一光栅结构或第二光栅结构中的至少一者包括非全息衍射光学元件。非全息衍射光学元件可包括例如百叶窗式反射镜或液晶光栅。
在一些情况下，部分反射元件的光栅介质被配置为反射入射在光栅介质上的具有该波长的光的10％至90％。在一些情况下，第一入射角和第二入射角中的每一者都相对于波导表面法线具有65°至77°之间的值。在一些情况下，部分反射元件的光栅介质被配置为允许具有该波长的大部分光以不同于第一入射角和第二入射角的第三入射角穿过光栅介质。即，以第三入射角入射在光栅介质上的光可比以第一入射角或第二入射角入射在光栅介质上的光穿过光栅介质的百分比大。在一些情况下，第三入射角可比第一入射角或第二入射角中的任一者更接近波导的临界角(例如，在一些具体实施中大约为41°)。例如，相对于波导表面法线，第三入射角可具有49°至57°之间的值。
设想了使用本文描述的光均化技术的另外示例和各种具体实施。
图5E示出了结合光均化的光学系统500-e的图示。光学系统500-e可以用在诸如但不限于头戴式显示器的应用中。光学系统500-e可以采用选择性耦合以允许光均化元件505-f的部分反射元件将光朝向特定位置反射。光学系统500-e示出了光源530-e，其中光510-h进入波导535-e。例如，光510-h可穿过波导535-e进行传播并在向下模式方向和向上模式方向之间反射。光510-h可以是来自一个像素(例如，图像点)的光的示例并且具有对应的宽度(例如，光瞳宽度)。在一些示例中，光510-h可以是来自多个像素的光的示例。
在一些示例中，光均化元件505-f可在没有记录介质层的波导535-e中包括部分反射元件(例如，具有50％的反射率)。波导535-e可通过粘结厚度为波导535-e的总厚度的一半的两个玻璃板来形成，使得部分反射元件被设置在两个邻接表面顶板555-a和底板555-b之间。在一些情况下，部分反射元件可以是施加到两块板中至少一者的表面的部分反射涂层。在一些示例中，光均化元件505-f可与包括由体积全息图构成的一个或多个耦合器的波导系统一起使用或被设置在此波导系统内。在其他示例中，光均化元件505-f可与包括由衍射光学元件(DOE)、百叶窗式反射镜和/或液晶光栅构成的一个或多个耦合器的波导系统一起使用或被设置在此波导系统内。
图5E仅为示例性的而非限制性的。例如，波导可以具有第一波导表面和平行于第一波导表面的第二波导表面。部分反射元件(例如，光均化元件505-f)可被定位在第一波导表面和第二波导表面之间。部分反射元件可具有平行于波导表面法线的反射轴线。
另选地或除此之外，波导可包括具有平行平面表面的第一层(例如，第一板555-a)和具有平行平面表面的第二层(例如，第二板555-b)。第一层的平行平面表面的内平面表面可邻接第二层波导的平行平面表面的内平面表面。在一些示例中，第一波导表面可以是与第一层的平行平面表面的内平面表面相对的第一层的平面表面，并且第二波导表面可以是与第二层的平行平面表面的内平面表面相对的第二层的平面表面。在一些情况下，第一层和第二层具有匹配的折射率。在这些情况下，部分反射元件可以是设置在第一层的平行平面表面的内平面表面或第二层的平行平面表面的内平面表面中的一者或两者上的部分反射涂层(例如，光均化元件505-f)。
设想了使用本文描述的光均化技术的另外示例和各种具体实施。
图6A示出了根据本公开的各方面的支持光均化的示例性系统600-a。系统600-a可包括第一基板605、第二基板610和波导介质615。光620-a可以相对于表面法线的入射角622进入第一基板605。光620-b可反射离开第一基板605的底表面。折射光625可以相对于表面法线的折射角627进入波导介质615。
在一些示例中，为了使光均匀化，可以有目的地将折射率失配施加到波导615。在一些情况下，可在第一基板605与波导介质615之间和/或第二基板610与波导介质615之间配置折射率失配。例如，第一基板605与第二基板610可具有折射率1.83，波导介质615可具有折射率1.53。入射在第一基板605和波导介质615的边界上且相对于表面法线的入射角为54.5°的光会产生具有第二入射角77°且与反射波相关联的反射率为0.26的折射光。当波导介质615、顶部基板605、底部基板610各自为0.5mm厚时，所得的复制光瞳周期为6.6mm。相比之下，当顶部基板605和底部基板610具有1.53的折射率时，光保持77°的入射角但光瞳复制周期变为13.0mm。
在一些情况下，增加第一基板605和第二基板610的折射率可导致光瞳复制周期缩短。例如，波导中的光学元件的TIR几何形状和特性可被配置为使光均化。在其他情况下，增加第一基板605和第二基板610的折射率可不影响波导的光瞳尺寸。例如，减小光瞳复制周期并保持相同光瞳尺寸改善了传播光的均化，尤其是具有接近临界角的入射角的光。
在一些情况下，系统600-a可包括至少部分地位于波导介质615内的光栅介质(未示出)。光栅介质可在位于波导介质615内的光耦合器件(例如，输入耦合器、交叉耦合器或输出耦合器)中实现。在一些示例中，折射率失配可施加在波导介质615的第一基板605或第二基板610的一部分上。即，第一基板605和波导介质615可具有匹配的折射率，并且第二基板610和波导介质615可具有不同的折射率。例如，第二基板610和波导介质615之间的折射率失配可导致菲涅耳反射离开第二基板610的顶表面。在一些情况下，TIR光瞳几何形状可通过减小光瞳复制周期并使光瞳尺寸保持不变来改善均化。在其他示例中，反射率失配可在全息图记录期间产生影响全息图记录的反射。
图6A仅为示例性的而非限制性的。例如，波导可以具有第一波导表面和平行于第一波导表面的第二波导表面。波导可包括具有平行平面表面的第一层(例如，第一基板605)和具有平行平面表面的第二层(例如，波导介质615)。第一层的平行平面表面的内平面表面可邻接第二层波导的平行平面表面的内平面表面。在一些示例中，第一波导表面可以是与第一层的平行平面表面的内平面表面相对的第一层的平面表面，并且第二波导表面可以是与第二层的平行平面表面的内平面表面相对的第二层的平面表面。在一些情况下，第一层与第二层具有不同的折射率。例如，第一层可具有高于第二层的折射率。在这些情况下，部分反射元件可以是与第一层和第二层相关联的边界条件。部分反射元件可具有平行于波导表面法线的反射轴线。
另选地或除此之外，波导可具有第一波导表面和平行于第一波导表面的第二波导表面。波导可包括具有平行平面表面的第一层(例如，底部基板610)和具有平行平面表面的第二层(例如，波导介质615)。第一层的平行平面表面的内平面表面可邻接第二层波导的平行平面表面的内平面表面。在一些示例中，第一波导表面可以是与第一层的平行平面表面的内平面表面相对的第一层的平面表面，并且第二波导表面可以是与第二层的平行平面表面的内平面表面相对的第二层的平面表面。在一些情况下，第一层与第二层具有不同的折射率。例如，第一层可具有高于第二层的折射率。在这些情况下，部分反射元件可以是与第一层和第二层相关联的边界条件。部分反射元件可具有平行于波导表面法线的反射轴线。
设想了使用本文描述的光均化技术的另外示例和各种具体实施。
图6B示出了根据本公开的各方面的支持光均化的示例性曲线图600-b。曲线图600-b包括可表示反射率的轴625-a和可表示入射角的轴625-b。曲线图600-b还可包括第一曲线图线630、第二曲线图线635和差值区段645。
第一曲线图线630可表示横电(TE)偏振入射光波针对匹配的边界条件(即，相等折射率)在一定入射角范围内的反射率。在一些示例中，第一曲线图线630可表示横电(TE)偏振入射光波针对光从顶部基板行进至波导介质(即，从具有较高折射率的介质到具有较低折射率的介质)在一定入射角范围内的反射率。
在一些示例中，第二曲线图线635可表示TE偏振入射光波针对不匹配的边界条件(即，折射率在边界的相对两侧上不同)在一定入射角范围内的反射率。在其他示例中，第二曲线图线635可表示横电(TE)偏振入射光波针对光从波导介质行进至第二基板610(即，从具有较低折射率的介质到具有较高折射率的介质)在一定入射角范围内的反射率。
差值区段645可示出与ns中入射角为54.5°的光和nm中入射角为77°的光相关联的差值(例如，nm＝1.53且ns＝1.83)。边界在两个方向上的反射率为0.26。第二曲线图线635可示出与折射率差值0.3相关联的边界条件的反射率。入射角为77°的光可导致0.26的反射率。因此，对于相对于波导的表面法线具有大入射角的光(例如，具有接近90°的入射角的传播光)，菲涅耳反射可能是最高的。由具有接近临界角的入射角的光引起的菲涅耳反射将对改善波导中的光均化几乎没有影响。
图7A示出了根据本公开的各方面的支持光均化的光学透镜700-a的示例。光学透镜700-a可包括波导705-a、光输入部分710-a、第一光耦合器件715-a(例如，交叉耦合器)、第二光耦合器件720-a(例如，输出耦合器)和光均化元件725-a和光均化元件725-b。波导705-a还可包括另一个光耦合器件(例如，输入耦合器)；但是，出于图示目的，忽略了输入耦合器。波导705-a可包括彼此平行的第一表面和第二表面，以及邻近光输入部分710-a的光接收端和位于光输入部分710-a远侧的光输出端。
在一些示例中，光均化元件725-a可位于光输入部分710-a和第一光耦合器件715-a之间。在其他示例中，光均化元件720-b可位于第一光耦合器件715-a和第二光耦合器件720-a之间。在一些情况下，光均化元件725-a可位于输入耦合器(未示出)与第一光耦合器件715-a之间。光均化元件725-a或光均化元件725-b可位于整个波导705-a中。然而，如果光均化元件725-a和光均化元件725-b可位于整个波导705-a中，则记录第一光耦合器件715-a和第二光耦合器件720-a可能存在问题。在一些情况下，光均化元件725-a和光均化元件725-b可在空间上与第一光耦合器件715-a和第二光耦合器件720-a重叠，也可以不重叠。在一些示例中，光均化元件725-a可在空间上与光输入部分710-a重叠，也可以不重叠。
在一些情况下，光均化元件725-a可被配置为在第一方向上反射和折射光(例如，在y轴方向上传播光)，并且光均化元件725-b可被配置为在第二方向上反射和折射光(例如，在x轴方向上传播光)。在其他示例中，光均化元件725-a和光均化元件725-b可以是二维的，使得均化元件被配置为在第一方向(例如，在x轴方向上传播光)和第二方向(例如，在y轴方向或z轴方向上传播光)上同时引导光。
图7A仅为示例性的而非限制性的。例如，波导可以具有第一波导表面和平行于第一波导表面的第二波导表面。部分反射元件(例如，光均化元件725-a和光均化元件725-b中的一者)可被定位在第一波导表面和第二波导表面之间。部分反射元件可具有平行于波导表面法线的反射轴线。
另选地或除此之外，波导可包括具有平行平面表面的第一层和具有平行平面表面的第二层。第一层的平行平面表面的内平面表面可邻接第二层波导的平行平面表面的内平面表面。在一些示例中，第一波导表面可以是与第一层的平行平面表面的内平面表面相对的第一层的平面表面，并且第二波导表面可以是与第二层的平行平面表面的内平面表面相对的第二层的平面表面。
在一些示例中，部分反射元件可以是设置在第一层的平行平面表面的内平面表面或第二层的平行平面表面的内平面表面中的一者或两者上的部分反射涂层。
在一些示例中，光耦合器件(例如，光耦合器件715-a和光耦合器件720-a中的一者或两者)可被设置在波导的第一层或第二层中的至少一者内。光耦合器件可包括光栅介质、光栅介质内的第一光栅结构，以及光栅介质内的第二光栅结构。第一光栅结构可被配置为以第一入射角围绕第一反射轴线反射某波长的光，其中该第一反射轴线偏离波导表面法线。第二光栅结构可被配置为以不同于第一入射角的第二入射角围绕第二反射轴线反射某波长的光，其中该第二反射轴线偏离波导表面法线。在一些情况下，第一反射轴线和第二反射轴线大体上平行。
在一些情况下，第一光栅结构或第二光栅结构中的至少一者包括全息图(例如，体积相位全息图)。在一些情况下，第一光栅结构或第二光栅结构中的至少一者包括非全息衍射光学元件。非全息衍射光学元件可包括例如百叶窗式反射镜或液晶光栅。
设想了使用本文描述的光均化技术的另外示例和各种具体实施。
图7B示出了根据本公开的各方面的支持光均化的光学透镜700-b的示例。光学透镜700-b可包括波导705-b、光输入部分710-b、第一光耦合器件715-b(例如，交叉耦合器)、第二光耦合器件720-b(例如，输出耦合器)和光均化元件725-c。光瞳扩展器还可包括另一个光耦合器件(例如，输入耦合器)；但是，出于图示目的，忽略了输入耦合器。波导705-b可包括彼此平行的第一表面和第二表面，以及邻近光输入部分710-b的光接收端和位于光输入部分710-b远侧的光输出端。在一些情况下，光均化元件725-c可在空间上与第一光耦合器件715-b重叠。在一些示例中，光均化元件725-c可在空间上与光输入部分710-b重叠，也可以不重叠。
图7B仅为示例性的而非限制性的。例如，波导可以具有第一波导表面和平行于第一波导表面的第二波导表面。部分反射元件(例如，光均化元件725-c)可被定位在第一波导表面和第二波导表面之间。部分反射元件可具有平行于波导表面法线的反射轴线。
另选地或除此之外，波导可包括具有平行平面表面的第一层和具有平行平面表面的第二层。第一层的平行平面表面的内平面表面可邻接第二层波导的平行平面表面的内平面表面。在一些示例中，第一波导表面可以是与第一层的平行平面表面的内平面表面相对的第一层的平面表面，并且第二波导表面可以是与第二层的平行平面表面的内平面表面相对的第二层的平面表面。
另选地或除此之外，部分反射元件可包括光栅介质(例如，光均化元件725-c)、光栅介质内的第一光栅结构，以及光栅介质内的第二光栅结构。第一光栅结构可被配置为以第一入射角围绕第一反射轴线反射某波长的光，其中该第一反射轴线平行于波导表面法线。第二光栅结构可被配置为以不同于第一入射角的第二入射角围绕第二反射轴线反射某波长的光，其中该第二反射轴线平行于波导表面法线。
在一些情况下，部分反射元件的第一光栅结构或第二光栅结构中的至少一者包括全息图(例如，体积相位全息图)。在一些情况下，部分反射元件的第一光栅结构或第二光栅结构中的至少一者包括非全息衍射光学元件。
在一些示例中，光耦合器件(例如，光耦合器件715-b和光耦合器件720-b中的一者或两者)可被设置在波导的第一层或第二层中的至少一者内。光耦合器件可包括光栅介质、光栅介质内的第一光栅结构，以及光栅介质内的第二光栅结构。第一光栅结构可被配置为以第一入射角围绕第一反射轴线反射某波长的光，其中该第一反射轴线偏离波导表面法线。第二光栅结构可被配置为以不同于第一入射角的第二入射角围绕第二反射轴线反射某波长的光，其中该第二反射轴线偏离波导表面法线。在一些情况下，第一反射轴线和第二反射轴线大体上平行。
在一些情况下，第一光栅结构或第二光栅结构中的至少一者包括全息图(例如，体积相位全息图)。在一些情况下，第一光栅结构或第二光栅结构中的至少一者包括非全息衍射光学元件。非全息衍射光学元件可包括例如百叶窗式反射镜或液晶光栅。
在一些情况下，部分反射元件在空间上与光栅介质重叠。例如，部分反射元件(例如，光均化元件725-c)的光栅结构中的多个全息图中的至少一个全息图可至少部分地在空间上与光耦合器件(例如，光耦合器件715-b)的光栅结构中的多个全息图中的至少一个全息图重叠。例如，在空间上重叠的全息图相对于在连续光栅介质中由两个全息图占据的空间或共享的体积重叠(例如，两个在空间上重叠的全息图共享或共存于一个或多个光栅介质内的相同空间或体积的至少一部分中)。这样，第一全息图的至少一些变化的折射率属性和相关联的条纹图案将占据一个或多个光栅介质内第二全息图的至少一些变化的折射率属性和相关联的条纹图案的相同空间或体积(并且与其叠加或混合)。
设想了使用本文描述的光均化技术的另外示例和各种具体实施。
图7C示出了根据本公开的各方面的支持光均化的光学透镜700-c的示例。光学透镜700-c可包括波导705-c、光输入部分710-c、第一光耦合器件715-c(例如，交叉耦合器)、第二光耦合器件720-c(例如，输出耦合器)和光均化元件725-d。光瞳扩展器还可包括另一个光耦合器件(例如，输入耦合器)；但是，出于图示目的，忽略了输入耦合器。波导705-c可包括彼此平行的第一表面和第二表面，以及邻近光输入部分710-c的光接收端和位于光输入部分710-c远侧的光输出端。在一些情况下，光均化元件725-d可包括径向成分并在空间上与第一光耦合器件715-c的一部分重叠。在一些示例中，光均化元件725-d可在空间上与光输入部分710-c重叠，也可以不重叠。
图7C仅为示例性的而非限制性的。例如，波导可以具有第一波导表面和平行于第一波导表面的第二波导表面。部分反射元件(例如，光均化元件725-d)可被定位在第一波导表面和第二波导表面之间。部分反射元件可具有平行于波导表面法线的反射轴线。
另选地或除此之外，波导可包括具有平行平面表面的第一层和具有平行平面表面的第二层。第一层的平行平面表面的内平面表面可邻接第二层波导的平行平面表面的内平面表面。在一些示例中，第一波导表面可以是与第一层的平行平面表面的内平面表面相对的第一层的平面表面，并且第二波导表面可以是与第二层的平行平面表面的内平面表面相对的第二层的平面表面。
在一些示例中，部分反射元件可以是设置在第一层的平行平面表面的内平面表面或第二层的平行平面表面的内平面表面中的一者或两者上的部分反射涂层。
在一些示例中，光耦合器件(例如，光耦合器件715-c和光耦合器件720-c中的一者或两者)可被设置在波导的第一层或第二层中的至少一者内。光耦合器件可包括光栅介质、光栅介质内的第一光栅结构，以及光栅介质内的第二光栅结构。第一光栅结构可被配置为以第一入射角围绕第一反射轴线反射某波长的光，其中该第一反射轴线偏离波导表面法线。第二光栅结构可被配置为以不同于第一入射角的第二入射角围绕第二反射轴线反射某波长的光，其中该第二反射轴线偏离波导表面法线。在一些情况下，第一反射轴线和第二反射轴线大体上平行。
在一些情况下，第一光栅结构或第二光栅结构中的至少一者包括全息图(例如，体积相位全息图)。在一些情况下，第一光栅结构或第二光栅结构中的至少一者包括非全息衍射光学元件。非全息衍射光学元件可包括例如百叶窗式反射镜或液晶光栅。
在一些情况下，部分反射元件可在正交于第一波导表面的平面的方向上至少部分地与光耦合器件(例如，光耦合器件715-c)的光栅介质重叠。
设想了使用本文描述的光均化技术的另外示例和各种具体实施。
图8示出了根据本公开的多个方面的流程图，该流程图示出了用于光均化的方法800。方法800的操作可以由如本文所述的波导或其部件来实现。例如，方法800的操作可由参考图4-图7所述的波导来执行。
在框805处，波导可以在具有第一波导表面和平行于第一波导表面的第二波导表面的TIR波导中传播光。可以根据本文描述的方法来执行框805的操作。在某些示例中，框805的操作的方面可由参考图4-图7所述的波导来执行。
在框810处，波导可经由位于第一波导表面和第二波导表面之间的部分反射元件来反射光的一部分，该部分反射元件具有平行于波导表面法线的反射轴线。可以根据本文描述的方法来执行框810的操作。在某些示例中，框810的操作的方面可由参考图4-图7所述的部分反射元件来执行。
在上文结合图4-图8所述的示例中，光均化在波导内执行。有时，可能期望能够在波导外部和光栅介质外部的位置处执行光均化。如果需要，上文结合图4-图8所述的结构和方法可使用位于波导上或在波导的表面(例如，外表面)处的光均化结构来执行(例如，在波导外部，并且与用于执行重新引导操作诸如输入耦合、输出耦合或交叉耦合的光栅介质分开)。
图9是示出光均化结构可如何使波导(例如，图4的波导420，图5-图7所示的基板和光栅介质等)实现光均化的侧视图。如图9所示，系统900可包括安装到波导902的表面910(例如，波导902的外部)上的光均化结构904。表面910可以是例如波导902的顶部波导基板的表面(例如，光栅介质可夹置在波导902的顶部波导基板和底部波导基板之间)。使用波导形成结构902的示例仅在本文中作为示例进行描述，并且如果需要，结构902可以是具有光栅介质的任何期望基板，其中光栅介质具有全息元件(例如，用于执行输入耦合、输出耦合和/或交叉耦合)。
光均化结构904可使用上文结合图4-图7所述的任何系统来实现(例如，图4的系统400、图5的系统500、图6的系统600和/或图7的系统700可在图9的光均化结构904中实现)。波导902可具有在二维X-Y平面内延伸的横向表面。波导902可具有纵向维度(平行于X轴)和垂直横向维度(平行于Y轴)。如图9所示，光均化结构904可沿纵向维度如箭头906所示均化光。光均化结构904也可将光向下耦合到波导902内的交叉耦合器909中，和/或耦合到波导902外部的交叉耦合器(例如，使用斜交镜或其他光学元件形成的交叉耦合器)。交叉耦合器909可以使用夹置在波导902的顶部波导基板和底部波导基板之间的光栅介质中的光栅形成，可以在波导的表面处形成，或者可以在波导外部形成并插置在结构904和波导902之间。交叉耦合器909可用于沿横向维度均化由结构904沿纵向维度如箭头908所示(穿出页面)均化的光。总体来讲，光均化结构904和交叉耦合器可用于跨波导的整个二维横向区域均化输入光908(例如，沿纵向轴和横向轴在两个维度上均化)。
图10A是图9所示的结构的俯视图(例如，沿图9的箭头912的方向截取)。如图10A所示，系统1000(例如，图9的系统900)可包括具有表面1010(例如，图9的表面910)的波导1002(例如，图9的波导902)。光均化结构1004(例如，图9的光均化结构904)可沿波导1002的纵向维度(例如，沿着X轴)和波导1002的横向维度(例如，沿着Y轴)延伸。输入耦合器1012(例如，棱镜、光均化结构1004中的基板的倾斜表面、其他准直光学器件等)可将光耦合到光均化结构1004中。光可穿过均化结构1004在纵向维度上进行传播，如箭头1006所示。在光传播过程中，在光反射离开波导1002的表面的位置可产生复制光瞳1014。光均化结构1004可用于在纵向1006上均化光，以在纵向维度上产生纵向均化光1016(例如，光可通过光均化结构在整个纵向维度上分散，而不是产生单个光瞳1014，从而在纵向维度上提供更连续、更均匀的光)。图10A所示的光瞳1014示出了预均化条件，其中预均化的光瞳之间的间隙尚未被均化结构填充。如图10A所示，均化器可需要运行距离(例如，图10A所示的三个光瞳周期)以实现任一维度上的完全均化。因此，图10A中所示的顶行在第三光瞳(例如，框1016的开头)之前是不均化的。然后，当来自顶行的光向下耦合时，来自顶行的整个图案在向下方向上在第三行(例如，框1020的开头)之前是不均化的。因此，均化结构1004可在波导1002中的光瞳1014的至少前三列和前三行上延伸。这仅是例示性的，并且如果需要，均化结构1004可在更大的区域(例如，整个波导上方)上延伸。在一些实施方案中，纵向均化可在单个最糟糕的光瞳复制周期中实现。
光均化结构1004也可将在纵向上均化的光耦合到位于表面1010上(例如，邻近光均化结构1004或在光均化结构1004下方)的交叉耦合器中或位于波导1010内的交叉耦合器中(例如，交叉耦合器可由嵌入在波导1002诸如图9所示的交叉耦合器909内的光栅形成)。光均化结构1004可与例如交叉耦合器重叠。交叉耦合器自身可在横向维度上均化光，如箭头1008和经均化光1018所示。由于交叉耦合器从光均化结构1004接收已在纵向维度上均化的光，交叉耦合器可在横向方向上均化该纵向均化光以产生二维均化光1020区域(例如，纵向光均化结构1004和交叉耦合器可有效地产生二维均化光1020)。二维均化光可以是耦合到窥眼箱或在任何期望的方向上重新引导(例如，使用波导1002中的衍射光栅)的输出。
在图10A的示例中，交叉耦合器通过在光穿过波导1012进行传播时仅衍射向上(或向下)传递的光(例如，其中“向上”和“向下”是参照Z轴描述的)来横向均化光。这仅是例示性的。在另一种合适的布置中，位于波导的中心厚度附近的交叉耦合器可针对向上穿过波导1002中的介质层和向下穿过波导1002中的介质层两者来衍射光。图10B是示出在该示例中交叉耦合器可如何使光均化的图示。如图10B所示，在该场景中，交叉耦合器的附加交互可产生相对于行1016偏移(例如，一半光瞳周期)的经均化光1016'的附加行。这产生更致密的光瞳六边形图案(参见例如图10B的框1020')，从而相对于图10A所示的矩形图案进一步改善均化。
图11是可用于在纵向维度上均化输入光的例示性纵向光均化结构的侧视图。如图11所示，系统1100可包括安装到波导1101(例如，图10的波导1002和图9的波导902)的表面1110(例如，图10的表面1010和图9的表面910)上的纵向光均化结构1104(例如，图10的光均化结构1004和图4的光均化结构904)。波导1102可包括例如夹置在两个波导基板之间的光栅介质1114。光栅介质1114可包括光栅结构(例如，全息图)。
光均化结构1104可包括基板1116(本文中有时称为管道1116或管道结构1116)。基板1116可沿波导1102的纵向维度(例如，平行于X轴)延伸。另外，光学系统1100可包括光输入部分诸如棱镜1112。棱镜1112可安装到基板1116的表面1118上或安装到与基板1116的左边缘联接的单独棱镜底座上。光1108可入射在棱镜1112处并经由棱镜1112(或经由棱镜底座)耦合到基板1116。
基板1116的底表面可涂覆有部分反射层诸如部分反射层1120。部分反射层1120可以是电介质涂层、金属涂层、聚合物膜、偏振层、折射率失配层、光栅结构(例如，一个或多个全息图)或任何其他期望的结构。部分反射层1120可在基板1116的底表面上、在波导1102的表面1110上形成，由插置在基板1116和表面1110之间的单独层形成，或者可嵌入在基板1116内。
输入耦合光瞳区域1122的一个或多个光束(例如，模式)1108可经由棱镜1112输入耦合并被引导穿过基板1116。模式1108可被准直并穿过光均化元件1104(例如，在如箭头1106所示的纵向维度上)进行传播，并均匀透射到波导1120中穿过部分反射层1102。作为一个示例，每个准直模式1108可对应于图像投影的显示像素。光均化结构1104的属性(包括对波导1102的粘附力和部分反射层1120的反射率)可允许跨越波导1102处的区域1124有较大的复制光瞳拷贝。复制光瞳拷贝的区域1124可对应于与穿过基板1104的一个或多个输入耦合光模式1108的光线路径相关联的长度W。例如，区域1124可对应于图10的光1016。因此，耦合结构可用作光瞳扩展器，从而增加光学系统1100的复制光瞳拷贝。复制光瞳拷贝可以在整个光学系统1100中在纵向维度上完全均化(参见例如图10的光1016)，直至达到最大模式角θmax，该模式角由三角函数公式
Figure BDA0003614729430000341
定义。
当光瞳长度基本上等于光瞳复制周期时，每个模式1108可被表征为完全均化。因此，均化可对应于一个或多个复制光瞳区域1126中的每一者之间不存在重叠或存在间隙。在棱镜1112处输入耦合的最大输入光瞳可对应于横向棱镜长度p。在一些情况下，棱镜长度p可等同于输入耦合光瞳区域1122。大模式角可有助于光学系统1100在纵向维度上根据棱镜长度p和基板1116的厚度D1实现大FOV的能力。在完全均化的情况下，θmax可经由三角函数公式
Figure BDA0003614729430000342
根据棱镜长度p和基板1116的厚度D1来定义。例如，对于与包括基板1116和棱镜1112的通用波导系统互相联接的厚度为1.5mm的不均匀波导1102，可在模式角范围内，在每个复制光瞳拷贝1126内实现反射模式1108的完全均化。具体地，针对厚度D1＝1.5mm，以及12mm棱镜1112，可在波导维度上实现53.4度的外部FOV(例如，在棱镜直接附接到1.5mm厚的波导的情形中)。例如，包含在发射输出光瞳中的每个模式1108跨越实现的外部FOV可被完全均化，直至达到大约76度的最大模式角θmax。
在一些情况下，部分反射层1120可有助于隔离基板1116内的明亮的未衰减光和波导1102的另选光。另选地，可能有益的是，减小基板1116的厚度D1以容纳较小的棱镜1112和紧凑的外部投影光学器件，同时实现完全均化所需的基本相等的最大模式角θmax。在一些情况下，前述实施方案可减小光学系统1100的输入耦合光瞳，并且减少用于传播模式1108所需的工作距离，从而允许更紧凑的外部投影光学器件。例如，厚度D1＝0.5mm的基板1116可附着到厚度D2＝1.5mm的波导1102，并且经由在4mm棱镜1112处输入耦合，可允许相同的76度最大模式角θmax，仅作为一个示例(例如，使用0.5mm的管道可允许相对于棱镜被直接附接到波导的场景使用更小的棱镜1112)。一般来讲，基板1116的尺寸D1可小于波导1102的尺寸D2。
如果需要，吸收器诸如吸收器1128可在棱镜1112的一个或多个表面上形成，和/或吸收器诸如吸收器1130可在基板1116的端部形成以使杂散光最小化。层1120的反射率可在系统1100的纵向维度上变化。例如，层1120可具有最靠近棱镜1112的具有第一反射率(例如，80％、70％、90％，在70％和90％之间等)的第一区域1132，具有小于第一反射率的第二反射率(例如，60％、70％、50％，在50％和70％之间等)的第二区域1134和具有小于第二反射率的第三反射率(40％、50％、30％，在30％和50％之间等)的第三区域1136。这仅是例示性的，并且一般来讲，层1120可具有任何期望数量的具有不同反射率的区域。如果需要，层1120的反射率可连续变化。这可用于例如优化光横跨系统1100的纵向维度的均匀度。如果需要，层1120可具有取决于角度、波长或偏振的反射率(例如，对于入射光，层1120在低入射角下比在高入射角下更具反射性)。
图11的示例仅是例示性的。纵向光均化结构1104可包括其他结构，诸如多个部分反射层或完全反射层，和/或取向为垂直于下层波导、相位延迟器、偏光器或其他光学元件的表面的反射层。在另一种合适的布置中，基板1116可具有相对高的折射率(例如，1.83或更高)以实现光瞳周期缩短。这也可用于减小棱镜1112的所需尺寸(例如，尺寸p)。图12为俯视透视图，其示出了纵向光均化结构可如何包括取向为垂直于下层波导的多个反射层的一个示例。
如图12所示，系统1200可包括安装到波导1202(例如，图10的波导1002和图9的波导902)的表面1210(例如，图10的表面1010和图9的表面910)上的横向光均化结构1204。光可如输入光瞳1208所示耦合到均化结构1204(例如，使用如图11所示的棱镜结构，或使用图10的其他输入耦合器1012)。该光可沿波导1202的纵向维度(例如，平行于X轴)传播。均化结构1204可在横向方向上均化光1208。
例如，均化结构1204可包括在基板1206上或在基板1206内形成的多个反射层(本文中有时称为管道1206或管道结构1206)。基板1206可安装到表面1210上。反射层可取向为垂直于表面1210。均化结构1204可发射横向扩展(均化)的输出光瞳1212(例如，图10的光1016)。基板1206可由单个基板(例如，一块玻璃)构成，并且可至少包括底表面1214(例如，波导1202的表面1210上的表面)和一个或多个平行的平面层1216、平面层1218和平面层1220。层1216、层1218和层1220可位于垂直于表面1214和表面1210的平面中。平面层1216、平面层1218和平面层1220可横跨基板1206的一些或全部高度延伸(例如，平行于Z轴)并且可沿系统1200的纵向轴延伸。
例如，平面层1216和平面层1218可以是完全反射层(例如，具有大约100％反射系数的涂层)，诸如完全反射或接近完全反射的电介质涂层、金属涂层、光栅结构等。平面层1220可以是部分反射涂层。平面层1220可以是电介质涂层、金属涂层、光栅结构等。如果需要，平面层1220可沿纵向维度具有可变反射率(例如，如结合图1的层1120所述)。层1218和层1216可在基板1206的外表面上形成，而层1220嵌入在基板1206内。在另一种合适的布置中，基板1206可由两个不同的基板层形成，其中层1220夹置在两个基板层之间。
平面层1218、平面层1216和平面层1220中的每一者可在整个相应基板1206中保持平行，作为保持图像分辨率的方法。此外，平面层1218、平面层1216和平面层1220可保持与表面1214和表面1210垂直，从而在基板1206内呈现直角并保持图像分辨率。反射层1218和反射层1216以及部分反射层1220可用于根据均匀或变化的入射角、波长、偏振等在输出光瞳1212处提供均匀输出强度(例如，在包括输出光瞳1212的输出光中具有恒定光瞳亮度)。在一些实施方案中，反射层1218、反射层1216和反射层1220可以低于基板临界角的角度(例如，对于玻璃至空气界面大约为42度)反射输入光。反射率可导致光瞳复制间隙减少从而实现光瞳扩展。即，输出光瞳1212的相邻光束可彼此直接相邻(例如，来自输出光瞳1212的一些光束可通过从层1216反射并透射穿过层1220而产生，而来自输出光瞳1212的其他光束可通过从层1220反射来产生)。在一些情况下，每一端可涂覆有吸收或反射涂层元件，作为至少减轻基板1206的杂散光发射的方法。输出光瞳1212可被向下提供到波导1202和/或交叉耦合器中(例如，光可穿过基板1206底部处的表面1214，因为层1218是完全反射层)。
平面层1216、平面层1218和平面层1220和/或基板1206的一个端部中的一者或多者(例如，图12的示例中的层1216)可包括用于输入光瞳1208的区域或光圈(aperture)。该区域或光圈可以无涂层或有特殊涂层以有利于输入。输入光瞳1208的光可进入基板1206的光圈。在一些情况下，输入光瞳1208的所包含光模式可至少被基板1206内的平面层1216、平面层1218和平面层1220反射。输入光瞳1208的反射光可具有相对于管道结构1206的传播方向的公共轴在全内反射(TIR)范围内的第一反射角。至少平面层1216和平面层1218可将输入光瞳1208的反射光以相对于第二横向轴的第二反射角引导至传播方向(例如，沿纵向维度的方向)。然后，基板1206可发射反射光模式，作为用于引导图像投影的输出光瞳1212。在一个或多个部分反射涂层元件的情况下，根据均匀或变化的入射角、波长和偏振，涂层元件的配置可提供反射光模式的均匀输出光瞳强度(例如，恒定光瞳亮度)。
部分反射层1220可保持与平面层1216和平面层1218平行并保持与表面1214垂直。层1220可包括部分反射涂层元件，以使输入光瞳1208的TIR模式均化，从而改善横向均化。例如，层1220可保持大约50％的反射率，并且可取向在平面层1216的偏移处(例如，在基板1206宽度的1/3处偏移)并且延伸与平面层1218平行的基板1206的长度。层1220可根据层1220的部分反射属性引导光在基板1206的横向维度内传播，从而改善反射回平面层1216的光的横向均化以及允许穿过到达平面层1218的光的均化。在一些实施方案中，层1220可实现一个或多个斜交镜或另选的部分反射表面。
包括输入光瞳1208的输入光模式可经由层1208的光圈进入基板1206。在另选的实施方案中，光圈可位于基板1206的另选平面区域、表面或端部。输入光可传播到基板1206中，并且以在第一轴公共的TIR范围内的第一入射角反射。在一些情况下，第一轴对于基板1206的传播方向可为公共的。平面层1216和平面层1218可以在第二另选轴的横向(例如，非TIR)维度上引导输入光瞳1208的光模式。传播的光可被引导至部分反射层1220。透射穿过部分反射层1220的光可构成用于投影的扩展输出光瞳1212。输出光瞳1212可由输入光瞳1208的一个或多个复制构成，其中复制之间不存在间隙。输出光瞳1212的强度可以基本上是均匀的，具有持续的图像保真度。
如果需要，在一些实施方案中，可使用空间上变化的反射率(例如，在上文结合图10-图12所述的布置中使用空间上变化的反射层)在大约一个光瞳周期内均化光。图13A、图13B和图14是示出可如何使用空间上变化的反射率在大约一个光瞳周期内均化光的图示。在图13A和图13B的示例中，光均化结构在波导内部形成(例如，类似于上文结合图4-图8所述的布置)。在图14的示例中，光均化结构在波导外部形成(例如，类似于上文结合图11所述的布置)。
如图13A所示，光学系统1300可包括波导1302，该波导具有堆叠在波导基板1304和波导基板1308之间的光栅介质1306(例如，类似于图5所示的布置，但具有空间上变化的反射率)。在波导上沿x轴的位置已在图13A中指出，该位置从波导左侧x＝0处开始且以米为单位。棱镜1310可安装到波导1302上并且可在输入面1312处接收输入光1314。棱镜1310可将光1314耦合到波导1302中。部分反射结构(本文中有时称为部分反射器或部分反射层)可在区域1316中形成(例如，嵌入在光栅介质1306中，在光栅介质1306的表面上，在波导基板1304的表面上，和/或在波导基板1308的表面上等)。部分反射器可包括一个或多个部分反射涂层、电介质层、金属层、光栅结构等。在图3的示例中，波导1302可具有大约等于1.3mm的厚度(例如，波导基板1304和波导基板1308各自可为0.3mm厚而光栅介质1306可为0.7mm厚)。这仅是例示性的，并且一般来讲，可使用其他厚度。在这种布置中，棱镜1310可具有相对较低的长度P(例如，大约3mm)。
区域1316可具有任何期望的宽度。在一种合适的布置中，区域1316的宽度可大约等于一个光瞳周期(例如，大约13mm)。部分反射器可在区域1316内沿x轴表现出空间上变化的反射率。例如，部分反射器可具有曲线图(反射率分布)1318给出的反射率，该曲线图将反射率R绘制为横跨区域1316中的部分反射器的整个长度的距离x的函数。如曲线图1318所示，图13A的示例中的部分反射器在部分反射器的不同区域内具有四个离散反射率(例如，从x＝0处开始R＝4/5，然后R＝2/3，然后R＝1/2，然后R＝0直至区域1316的右侧)。在该示例中，部分反射器的反射率可通过公式Ri～2–1/(Ri-1)得出，其中Ri是部分反射器沿着x轴的第i区域的反射率。这仅是例示性的，并且一般来讲，可使用任何期望的反射率。部分反射器可具有任何期望数量的离散反射率，或连续可变的反射率曲线(例如，在使用金属涂层来形成部分反射器的情形中)。仅作为一个示例，部分反射器可通过如下方式来获得这种反射率分布：在区域1316的最左侧部分提供四个堆叠的部分反射层(例如，其中R＝4/5)，在区域1316的第二左侧部分提供三个堆叠的部分反射层(例如，其中R＝3/4)、在区域1316的第二右侧部分提供两个堆叠的部分反射层(例如，其中R＝2/3)，在区域1316的最右侧部分提供一个部分反射层(例如，其中R＝1/2)。
已耦合到波导中的光1314可沿着波导的长度向下传播(例如，其中在图13A的示例中的波导内，光强度由较浅阴影示出)。光可在波导的相对端处的区域1318内大体上均化。例如，区域1318可具有大约等于一个光瞳周期(例如，12mm)的宽度。这样，均化可在大约一个光瞳周期内进行。在图13A的示例中，假设最糟糕的光瞳周期(例如，其中光以相对较高的角度诸如78度入射)。如果以较低的角度入射，光将在波导内更快地均化。
图13B示出了在区域1318内光学系统1300的示例性均化曲线1330。图13B的曲线1334绘制了光在区域1318内的原始强度(例如，作为跨整个区域的x位置的函数)。曲线1332绘制了光在区域1318内的过滤强度(例如，当具有4mm虹膜滤波器时)。与图13B相关联的度量为1–std/mean。如曲线1332和曲线1334所示，光以相对均匀的强度在整个区域1318上被提供。因此，波导1302中的空间上变化的部分反射器可在区域1318处的大约一个光瞳周期内均化光。
图14示出了可如何在波导外部形成具有空间上变化的反射率的光均化结构(例如，类似于上文结合图11所述的布置，但具有空间上变化的反射率)。如图14所示，光学系统1400可包括波导1402，该波导具有堆叠在波导基板1404和波导基板1408之间的光栅介质1406。在波导上沿x轴的位置已在图14中指出，该位置从波导左侧x＝0处开始且以米为单位。基板1420可安装到波导基板1404上。棱镜1410可安装到基板1420端部处的波导基板1404上，并且可在输入面1412处接收输入光1414。在另一种合适的布置中，可将棱镜1410(例如，类似于图11的棱镜1112)安装到基板1420上。棱镜1410可将光1414耦合到波导1302中。部分反射结构诸如部分反射器1418可在区域1416中形成(例如，在波导基板1404的上表面上，在基板1420和棱镜1410的下表面上，嵌入在基板1420和棱镜1410内等)。部分反射器1418可包括部分反射涂层、电介质层、金属层、光栅结构等。在图14的示例中，波导1402可具有大约等于1.3mm的厚度(例如，波导基板1404和波导基板1408各自可为0.3mm厚，而光栅介质1406可为0.7mm厚)，而基板1420具有大约等于0.65mm的厚度。这仅是例示性的，并且一般来讲，可使用其他厚度。在这种布置中，棱镜1410可具有相对较低的宽度P，该宽度大约等于管道光瞳周期的一半(例如，大约3mm)。如果需要，可提供任选的光吸收层，诸如棱镜1410上的吸收层1424和基板1420端部的吸收层1426，以减轻杂散光。
部分反射器1418可具有空间上变化的反射率(例如，部分反射器1418可具有不同的区域且这些区域具有离散反射率，诸如与图13A的曲线图1318相关联的反射率或其他反射率)。如图14所示，类似于上文结合图13A所述的安排，部分反射器可在波导的相对端(例如，如图14所示的端部1422)处的大约一个光瞳周期内均化光。例如，图14的布置可允许较厚的管道与投影仪光瞳尺寸匹配而不需要较厚的波导，可允许投影仪孔径光阑(例如，在棱镜被直接形成在波导基板上的情形中)，并且可减轻通过涂层进行写入的需要。
在图13A、图13B和图14的示例中，光均化结构被示出为具有部分反射器，且为了清楚起见，其反射率仅沿单个维度变化。图15示出了具有空间上变化的反射率的光均化结构的俯视图，该俯视图可用于形成图13A和图14的均化结构或形成其他均化结构。在图15的示例中，为了清楚起见，省略了波导。
如图15所示，光学系统1500可包括在部分反射器1508上方形成的棱镜1506(例如，图14中的部分反射器1418或图13A的区域1316中的部分反射器)。部分反射器1508可用于均化由棱镜1506(例如，沿x轴)输入耦合的光。经均化光可由交叉耦合器1518重新引导至输出耦合器1520，仅作为一个示例。部分反射器1508可具有不同的区域且这些区域具有不同的离散反射率。部分反射器1508的反射率可以是与棱镜1506的输入耦合面(边缘)的中心之间的径向距离(半径)r的函数。上述示例仅是例示性的，其中棱镜(例如，图14的棱镜1410、图15的棱镜1506、图13的棱镜1310和图11的棱镜1112)被用作波导的输入耦合装置。一般来讲，可使用任何期望的输入耦合装置。
曲线图1502绘制了部分反射器1508的反射率R作为半径r的函数。如曲线图1502的曲线1504所示，部分反射器1508可具有从r＝0至r＝r1(例如，在部分反射器1508的区域1510中)的第一反射率R1(例如，0.73，在0.7和0.8之间等)、从r＝r1至r＝r2(例如，在部分反射器1508的区域1512中)的第二反射率R2(例如，0.61，在0.6和0.7之间等)、从r＝r2至r＝r3(例如，在部分反射器1508的区域1514中)的第三反射率R3(例如，0.48，在0.4和0.6之间等)以及从r＝r3至r＝r4(例如，在部分反射器1508的区域1516中)的第四反射率R4(例如，0.361，在0.3和0.4之间等)。在一种合适的布置中，使用四层涂层来形成部分反射器1508。例如，第一部分反射层可与区域1510、区域1512、区域1514和区域1516重叠，第二部分反射层可与区域1510、区域1512和区域1514重叠，第三部分反射层可与区域1510和区域1512重叠，并且第四部分反射层可与区域1510重叠，以产生与曲线1504相关联的反射率分布。这些涂层可使用涂层掩模来沉积。半径r1可以是大约5.9mm，半径r2可以是大约8.8mm，半径r3可以是大约11.6mm，并且半径r4可以是大约14.3mm，仅作为一个示例。如果需要，可以使用其他半径。部分反射器1508可具有任何期望数量的具有不同反射率的区域，并且这些区域可具有任何期望的形状。如果需要，可使用许多离散区域来近似获得连续反射率曲线(例如，用以优化光均化)。
尽管本文已经描述和图示了各种实施方案，但可使用其他手段和/或结构，用于执行相应功能，并且/或者获得本文所述的相应结果以及/或益处中的一者或多者，并且这些变型和/或修改中的每一者均被认为是在本文描述的实施方案的范围内。更一般地，本文所述的所有参数、维度、材料和配置仅仅是例示性的，并且实际参数、维度、材料和/或配置可取决于特定应用或实施方案所用于的应用。可以任何期望组合实践这些实施方案。另外，各种构思可体现为已提供示例的一个或多个方法、设备或系统。可以任何合适的方式对作为方法或操作的一部分执行的动作进行排序。因此，可以构造在其中以不同于所示顺序的顺序执行动作的实施方案，这可包括同时执行一些动作，即使这些动作在实施方案中被示出为顺序动作。如本文所用，参考一个或多个元素列表，短语“至少一个”应该理解为意指选自元素列表中的任意一个或多个元素的至少一个元素，但不一定包括元素列表内特别列出的每个元素中的至少一者，并且不排除元素列表中元素的任意组合。过渡型短语诸如“包含”、“包括”、“承载”、“具有”、“含有”、“涉及”、“保留”、“由……组成”等应被理解为是开放式的，即意指包括但不限于。术语“大约”是指给定值加或减10％。
本文使用的术语“大约”是指给定值加或减10％。术语“约”是指给定值加或减20％。关于反射光的术语“大体上”是指由光栅结构反射的光。大体上以所述角度反射的光包括比以任何其他角度反射的光更多的光(不包括表面反射)。大体上关于所述反射轴线反射的光包括比关于任何其他反射轴线反射的反射光更多的反射光(不包括表面反射)。当考虑主要反射光时，不包括由设备表面反射的光。术语“反射轴线”是指将入射光相对于其反射的角度平分的轴线。入射光相对于反射轴线的入射角的绝对值等于入射光的反射相对于反射轴线的反射角的绝对值。对于传统反射镜，反射轴线与表面法线重合(即，反射轴线垂直于反射镜表面)。相反，根据本公开的斜交镜的具体实施可具有不同于表面法线的反射轴线，或者在一些情况下可具有与表面法线重合的反射轴线。反射轴线角度可通过以下方式来确定：将入射角与其相应的反射角相加，并将所得总和除以二。入射角和反射角可以是凭经验确定的，采用多次测量(通常为三次或更多次)用于产生平均值。
术语“反射”和类似术语在通常“衍射”被认为是适当术语的一些情况下用于本公开中。“反射”的使用与斜交镜所展现的镜像属性一致，并且有助于避免可能混淆的术语。例如，在称光栅结构被配置为“反射”入射光的情况下，传统技术人员可能更倾向于说光栅结构被配置为“衍射”入射光，因为通常认为光栅结构通过衍射作用于光。然而，术语“衍射”的此类使用将导致出现诸如“入射光关于大致稳定的反射轴线衍射”的表述，这可能造成困惑。因此，在表述为入射光被光栅结构“反射”的情况下，依据本公开，本领域的普通技术人员将意识到光栅结构实际上是通过衍射机制对光进行“反射”的。“反射”的此类使用在光学中并非没有先例，传统反射镜就通常被称为“反射”光，尽管衍射在此类反射中起主要作用。本领域技术人员因此认识到，大多数“反射”包括衍射的特性，并且由斜交镜或其部件进行的“反射”也包括衍射。
术语“光”是指电磁辐射。除非参考特定波长或波长范围，诸如指人眼可见的电磁波谱的一部分的“可见光”，否则电磁辐射可具有任何波长。术语“全息图”和“全息光栅”是指由多个交叉光束之间的干涉产生的干涉图案的记录。在一些示例中，全息图或全息光栅可由多个交叉光束之间的干涉产生，其中每个多个交叉光束在曝光时间内保持不变。在其他示例中，全息图或全息光栅可由多个交叉光束之间的干涉产生，其中在记录全息图时改变多个交叉光束中的至少一个在光栅介质上的入射角，和/或在记录全息图时改变波长(例如，复杂全息图或复杂全息光栅)。
术语“正弦体光栅”是指具有光学属性的光学部件，诸如折射率，在整个体积区域中以大体上正弦曲线的轮廓进行调制。每个(简单/正弦)光栅对应于k空间中的单个共轭矢量对(或在k空间中大体上点状的共轭对分布)。术语“衍射效率”是指在光栅介质上反射光与入射光的功率的比率。术语“入射光瞳”是指进入成像光学设备的光束以其最小尺寸通过的真实或虚拟光圈。术语“窥眼箱”是指一个二维区域，该二维区域概述了一个可放置人瞳孔的区域，以用于在距离光栅结构的固定距离处观察全视场。术语“良视距”是指光栅结构与对应的窥眼箱之间的固定距离。术语“出射光瞳”是指从成像光学设备射出的光束以其最小尺寸通过的真实或虚拟光圈。在使用中，成像光学系统通常被配置为将光束引导向图像捕获装置。图像捕获装置的示例包括但不限于用户的眼睛、相机或其他光电检测器。在一些情况下，出射光瞳可包括从成像光学器件射出的光束的子集。
术语“光栅介质”是指被配置为具有用于反射光的光栅结构的物理介质。光栅介质可包括多个光栅结构。术语“光栅结构”是指被配置为反射光的一个或多个光栅。在一些示例中，光栅结构可包括共享至少一个共同属性或特性的一组光栅(例如，每一组光栅响应相同波长的光)。在一些具体实施中，光栅结构可包括一个或多个全息图。在其他具体实施中，光栅结构可包括一个或多个正弦体光栅。在一些示例中，对于一个或多个光栅中的每一者(例如，全息图或正弦光栅)，光栅结构相对于反射轴线可以是均匀的。另选地或除此之外，对于光栅介质中的一个或多个光栅中的每一者(例如，全息图或正弦体光栅)，光栅结构相对于长度或体积可以是均匀的。本文所述的斜交镜有时在本文中也称为光栅结构、全息光栅结构或体积全息光栅结构。
上述实施方案可以以多种方式中的任意一种来实现。例如，可以使用硬件、软件或其组合来实施设计和制造本文公开的技术的实施方案。当在软件中实施时，不论是在单个计算机中提供还是分布在多个计算机中，软件代码可以在任何合适的处理器或处理器集合上执行。
根据一个实施方案，提供了一种光学设备，该光学设备包括：具有波导表面的波导，其中该波导表面具有纵向维度和垂直横向维度；以及位于该波导上的光均化结构，其中该光均化结构被配置为接收输入光并通过沿纵向维度均化输入光来产生纵向均化光。
根据上述实施方案的任意组合，该光学设备还包括交叉耦合器，该交叉耦合器被配置为从光均化结构接收纵向均化光并通过沿横向维度重新引导纵向均化光来产生二维均化光。
根据上述实施方案的任意组合，交叉耦合器被配置为针对向上穿过交叉耦合器和向下穿过交叉耦合器两者来衍射纵向均化光。
根据上述实施方案的任意组合，光均化结构包括基板和位于基板上的部分反射层，其中该部分反射层被配置为透射和反射输入光至少两次。
根据上述实施方案的任意组合，该部分反射层具有空间上变化的反射率。
根据上述实施方案的任意组合，该基板安装到波导表面上。
根据上述实施方案的任意组合，该部分反射层插置在基板和波导表面之间。
根据上述实施方案的任意组合，该部分反射层嵌入在基板中。
根据上述实施方案的任意组合，该基板是波导基板并且包括波导表面。
根据上述实施方案的任意组合，该部分反射层包括选自由以下各项构成的组的结构：电介质涂层、金属涂层、聚合物膜和一组全息图。
根据上述实施方案的任意组合，光均化结构包括：具有相对的第一表面和第二表面的基板，在第一表面上的第一反射层，在第二表面上的第二反射层，以及在基板上并插置在第一反射层和第二反射层之间的部分反射层。
根据上述实施方案的任意组合，第一反射层和第二反射层以及部分反射层垂直于波导表面延伸。
根据上述实施方案的任意组合，第一反射层包括针对输入光的光圈，并且部分反射层比第二反射层更靠近第一反射层。
根据上述实施方案的任意组合，光均化结构包括安装到波导表面上并且具有大于或等于1.83的折射率的基板和安装到基板上的棱镜。
根据另一个实施方案，提供了一种光学系统，该光学系统包括：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；输入耦合装置，该输入耦合装置在波导的第一端处安装到波导上并且被配置为将输入光耦合到波导中；在波导上的部分反射器，其中该部分反射器具有空间上变化的反射率，并且被配置为在波导的第二端处的一个光瞳周期内均化输入光。
根据上述实施方案的任意组合，该部分反射器包括在波导的第一端处的具有第一反射率的第一区域以及具有小于第一反射率的第二反射率的第二区域，其中第二区域插置在第一区域和波导的第二端之间。
根据上述实施方案的任意组合，该部分反射器在其整个长度上具有连续可变的反射率分布。
根据上述实施方案的任意组合，该部分反射器嵌入在波导中。
根据上述实施方案的任意组合，该光学系统还包括安装到波导上并且在输入耦合装置处具有末端的基板，其中部分反射器在输入耦合装置和基板的底表面上形成。
根据另一个实施方案，提供了一种头戴式显示设备，该设备包括：光源；具有平面外表面的波导；纵向光均化结构，其包括安装到平面外表面上并且被配置为沿着波导的纵向维度均化来自光源的光的基板；以及嵌入在波导中的交叉耦合器，其中交叉耦合器被配置为沿着波导的横向维度重新引导经均化光。
前述内容仅为例示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 (20)

1.一种光学系统，包括：
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；
输入耦合装置，所述输入耦合装置在所述波导的第一端处安装到所述波导并被配置为将输入光耦合到所述波导中；以及
部分反射器，所述部分反射器位于所述波导上，其中，所述部分反射器具有空间上变化的反射率并被配置为在所述波导的第二端处的一个光瞳周期内均化所述输入光，其中，所述部分反射器包括位于所述波导的所述第一端处的具有第一反射率的第一区域以及具有小于所述第一反射率的第二反射率的第二区域，其中，所述第二区域插置在所述波导的所述第二端和所述第一区域之间。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述部分反射器在其整个长度上具有连续可变的反射率分布。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述部分反射器嵌入在所述波导内。
4.根据权利要求1所述的光学系统，还包括基板，所述基板安装到所述波导并具有在所述输入耦合装置处的端部，其中所述部分反射器形成在所述基板和所述输入耦合装置的底表面上。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述输入耦合装置包括安装到所述第一波导表面的输入耦合棱镜。
6.根据权利要求5所述的光学系统，其中，所述输入耦合棱镜具有接收所述输入光的第一面并且具有第二面，所述光学系统还包括：
位于所述第二面上的光学吸收层。
7.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述部分反射器包括位于所述第一区域和所述第二区域之间的第三区域，所述第三区域具有大于所述第二反射率且小于所述第一反射率的第三反射率。
8.一种头戴式显示设备，包括：
光源；
波导，所述波导具有平面外表面；
纵向光均化结构，所述纵向光均化结构包括安装到所述平面外表面的基板并被配置为沿着所述波导的纵向维度均化来自所述光源的光；
交叉耦合器，所述交叉耦合器嵌入在所述波导中，其中，所述交叉耦合器被配置为沿着所述波导的横向维度重新引导经均化的光，所述基板具有第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述波导包括具有所述平面外表面的第一波导基板、第二波导基板、以及夹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，所述交叉耦合器嵌入在所述光栅介质中，所述纵向光均化结构包括插置在所述基板和所述平面外表面之间的部分反射层，并且所述部分反射层接触所述基板的所述第二表面和所述第一波导基板的所述平面外表面两者；以及
输入耦合棱镜，所述输入耦合棱镜安装到所述基板的所述第一表面。
9.根据权利要求8所述的头戴式显示设备，其中，所述部分反射层具有沿着所述光在所述基板内的传播方向降低的反射率。
10.根据权利要求8所述的头戴式显示设备，其中，所述反射率以一组离散步长降低。
11.根据权利要求8所述的头戴式显示设备，其中，所述输入耦合棱镜具有第一面和第二面，所述头戴式显示设备还包括层叠在所述第二面上的吸收器。
12.根据权利要求8所述的头戴式显示器，还包括：
输出耦合器，所述输出耦合器被配置为将由所述交叉耦合器重新引导的所述经均化的光耦合出所述波导。
13.根据权利要求12所述的头戴式显示设备，其中，所述输出耦合器包括体积全息图。
14.根据权利要求13所述的头戴式显示设备，其中，所述交叉耦合器包括百叶窗式反射镜。
15.根据权利要求13所述的头戴式显示设备，其中，所述交叉耦合器包括附加的体积全息图。
16.根据权利要求8所述的头戴式显示设备，其中，所述交叉耦合器包括体积全息图。
17.根据权利要求8所述的头戴式显示设备，其中，所述交叉耦合器包括百叶窗式反射镜。
18.一种头戴式显示设备，包括：
光源；
波导，所述波导具有平面外表面；
纵向光均化结构，所述纵向光均化结构包括安装到所述平面外表面的基板并被配置为沿着所述波导的纵向维度均化来自所述光源的光；
交叉耦合器，所述交叉耦合器嵌入在所述波导中，其中，所述交叉耦合器被配置为沿着所述波导的横向维度重新引导经均化的光，所述基板具有第一表面以及与所述第一表面相对的第二表面，所述波导包括具有所述平面外表面的第一波导基板、第二波导基板、以及夹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，所述交叉耦合器嵌入在所述光栅介质中，所述纵向光均化结构包括插置在所述基板和所述平面外表面之间的部分反射层，并且所述部分反射层接触所述基板的所述第二表面和所述第一波导基板的所述平面外表面两者；以及
输入耦合棱镜，所述输入耦合棱镜在所述基板的第一端处安装到所述基板的所述第一表面，其中，所述部分反射器具有空间上变化的反射率并被配置为在与所述基板的所述第一端相对的所述基板的第二端近旁的一个光瞳周期内均化所述输入光，其中，所述部分反射器包括位于所述基板的所述第一端处的具有第一反射率的第一区域以及具有小于所述第一反射率的第二反射率的第二区域，并且其中，所述第二区域插置在所述基板的所述第二端和所述第一区域之间。
19.根据权利要求18所述的头戴式显示器，还包括：
输出耦合器，所述输出耦合器被配置为将由所述交叉耦合器重新引导的所述经均化的光耦合出所述波导。
20.根据权利要求19所述的头戴式显示设备，其中，所述输出耦合器和所述交叉耦合器包括体积全息图。
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