CN114730026A - 基于双折射聚合物的表面起伏光栅 - Google Patents

Abstract

一种波导显示器包括对于可见光或近红外光中的至少一个透明的基板；以及基板上的光栅。所述光栅包括使用双折射材料形成的脊，并且所述脊被配置为将处于第一偏振态的入射光选择性地耦合进或出所述基板。所述脊中的所述双折射材料的特征在于平行于包括所述光栅的光栅矢量的平面的光轴。

Description

基于双折射聚合物的表面起伏光栅

背景技术

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，形式为头戴耳机或眼镜)，该近眼显示器被配置为经由用户眼前例如约10-20mm内的电子或光学显示器向用户呈现内容。近眼显示器可以现实虚拟对象或组合真实对象与虚拟对象的图像，就像在虚拟现实(VR)、增强现实(AR)或混合现实(MR)应用中那样。例如，在AR系统中，用户可以例如通过透明显示器眼镜或透镜(常常称为光学透视)进行观看，来查看虚拟对象的图像(例如，计算机生成的图像(CGI))和周围的环境两者。

光学透视AR系统的一个示例可以使用基于波导的光学显示器，其中投影图像的光可以被耦合进波导(例如，透明基板)，在波导内传播，并在不同位置处被耦合出波导。在一些实施方式中，可以使用诸如表面起伏光栅或体布拉格光栅的衍射光学元件将投影图像的光耦合进或出波导。

发明内容

本公开总体上涉及表面起伏光栅。更具体而言，本文所公开的是表面起伏光栅，该表面起伏光栅是偏振敏感的，并且能够优先衍射特定偏振态的入射光。在一个示例中，一种表面起伏光栅可以包括由双折射材料制成的脊，其中表面起伏光栅中双折射材料的光轴可以平行于包括表面起伏光栅的光栅矢量的平面。该表面起伏光栅可以包括外涂层，该外涂层的特征在于与双折射材料的多个折射率中的一折射率大致匹配的折射率。本文描述的各种发明实施例包括装置、系统和方法等。

根据本发明的第一方面，提供了一种波导显示器，该波导显示器可以包括对于可见光或近红外光中的至少一个透明的基板；以及基板上的光栅；其中该光栅可以包括使用双折射材料形成的脊，并且该脊可以被配置为将处于第一偏振态的入射光选择性地耦合进或出该基板；脊中的双折射材料的特征在于平行于包括光栅的光栅矢量的平面的光轴。在一些实施例中，该平面可以包括光栅的光栅矢量和脊的横向延伸方向。该光栅可以包括透射式光栅或反射式光栅，并且可以包括一维光栅或二维光栅。

在一些实施例中，双折射材料的特征可以在于大于0.05，诸如大于0.1的双折射率。该双折射材料可以包括双折射聚合物、双折射陶瓷、配向型(aligned)液晶聚合物或配向型单晶有机物分子中的至少一种。例如，该双折射材料可以包括聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)或聚对苯二甲酸乙二醇酯。在一些实施例中，该双折射材料可以包括单轴双折射材料或双轴双折射材料。在一些实施例中，脊中的双折射材料的特征可以在于平行于包括光栅的光栅矢量的平面的较高折射率轴。

在一些实施例中，波导显示器还包括外涂层，该外涂层的特征在于与双折射材料的较低折射率匹配的折射率。在一些实施例中，光栅可以被配置为以第一角度将处于第一偏振态的入射光选择性地耦合进基板，使得耦合进基板的入射光通过全内反射在基板内传播。在一些实施例中，波导显示器可以包括第二光栅，该第二光栅被配置为将处于第一偏振态并且在基板内传播的入射光选择性地耦合出基板。在一些实施例中，波导显示器还可以包括被配置为生成处于第一偏振态的入射光的光源或偏振器。

在一些实施例中，波导显示器可以包括偏振选择性反射层，该偏振选择性反射层在基板上并且被配置为反射处于与第一偏振态不同的第二偏振态的光，其中偏振选择性反射层和光栅可以在基板的相对侧上。在一些实施例中，波导显示器可以包括第二光栅，该第二光栅在基板上并且被配置为反射式衍射处于第二偏振态的光，其中第二光栅和光栅可以在基板的相对侧上。

根据本发明的第二方面，提供了一种表面起伏光栅，该表面欺负光栅包括：基板；以及使用双折射材料形成的多个脊，其中多个脊中的双折射材料的特征在于平行于包括该表面起伏光栅的光栅矢量的平面的光轴，使得该表面起伏光栅可以将处于第一偏振态的入射光选择性地耦合进或出基板。在一些实施例中，基板可以包括反射表面。在一些实施例中，多个脊可以包括三维微结构的二维阵列。在一些实施例中，多个脊的特征可以在于大于所述表面起伏光栅中的入射光的波长的间距。在一些实施例中，三维微结构的二维阵列可以包括圆柱形柱、立方体柱、腔或棱锥中的至少一种。

在一些实施例中，双折射材料可以包括单轴双折射材料或双轴双折射材料，该单轴双折射材料或双轴双折射材料可以包括双折射聚合物、双折射陶瓷、配向型液晶聚合物、或配向型有机分子中的至少一种并且其特征可以在于大于0.1的双折射率。在一些实施例中，双折射材料可以包括单轴双折射材料，并且光轴可以平行于处于第一偏振态的入射光的偏振方向。在一些实施例中，表面起伏光栅可以包括在多个脊上的外涂层，其中外涂层的特征可以在于与双折射材料的折射率(例如，较低折射率或较高折射率)匹配的折射率。

本发明内容既不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在孤立地用于确定所要求保护的主题的范围。应当参考本公开的整个说明书的适当部分、任何或全部附图以及每条权利要求来理解本主题。在下文中，在以下说明书、权利要求和附图中，将更详细地描述前述内容连同其他特征和示例。

附图说明

下文参考以下附图来详细描述例示性实施例。

图1是根据特定实施例的包括近眼显示器系统的人工现实系统环境的示例的简化框图。

图2是用于实施本文所公开的一些示例的头戴式显示器(HDM)装置形式的近眼显示器系统的示例的透视图。

图3是用于实施本文所公开的一些示例的眼镜形式的近眼显示器系统的示例的透视图。

图4示出了根据特定实施例的包括用于出瞳扩展的波导显示器的光学透视增强现实系统的示例。

图5A示出了根据特定实施例的包括波导显示器的近眼显示器装置的示例。图5B示出了根据特定实施例的包括波导显示器的近眼显示器装置的示例。

图6A示出了反射式体布拉格光栅(VBG)的示例的频谱带宽和透射式表面起伏光栅(SRG)的示例的频谱带宽。图6B示出了反射式VBG的示例的角带宽和透射式SRG的示例的角带宽。

图7A-图7D示出了根据特定实施例的具有不同截面的一维表面起伏光栅的示例。

图8A-图8D示出了根据特定实施例的2维衍射光栅的示例。

图9A示出了单轴双折射材料的指示量(indicatrix)的示例。图9B示出了双轴双折射材料的指示量的示例。

图10A示出了根据特定实施例的包括具有第一光轴方向的单轴双折射材料的光栅的示例对p偏振波的衍射。图10B示出了根据特定实施例的包括具有第一光轴方向的单轴双折射材料的光栅的示例对s偏振波的衍射。图10C示出了根据特定实施例的包括具有第二光轴方向的单轴聚合物的光栅的示例对s偏振波的衍射。图10D示出了根据特定实施例的包括具有第二光轴方向的单轴聚合物的光栅的示例对p偏振波的衍射。

图11A示出了根据特定实施例的包括双折射材料并且被用作波导显示器的输入耦合器的表面起伏光栅的示例。图11B示出了根据特定实施例的包括双折射材料并且被用作波导显示器中的耦合器的表面起伏光栅的示例。

图12A是根据特定实施例的包括双折射聚合物的表面起伏光栅的示例的原子力显微镜图像。图12B示出了根据特定实施例的图12A中所示的表面起伏光栅的示例的测量的偏振对比度。图12C示出了根据特定实施例的图12A中所示的表面起伏光栅的示例的测量的偏振对比度。

图13A示出了根据特定实施例的包括具有第一光轴方向的双轴双折射材料的光栅的示例对p偏振波的衍射。图13B示出了根据特定实施例的包括具有第一光轴方向的双轴双折射材料的光栅的示例对s偏振波的衍射。图13C示出了根据特定实施例的包括具有第二光轴方向的双轴双折射材料的光栅的示例对s偏振波的衍射。图13D示出了根据特定实施例的包括具有第二光轴方向的双轴双折射材料的光栅的示例对p偏振波的衍射。

图14A示出了根据特定实施例的包括双轴双折射材料并且没有折射率匹配外涂层的表面起伏光栅的示例。图14B示出了根据特定实施例的图14A的表面起伏光栅的针对不同偏振状态的光的模拟性能。

图15A示出了根据特定实施例的包括双轴双折射材料和折射率匹配外涂层的表面起伏光栅的示例。图15B示出了根据特定实施例的图15A的表面起伏光栅的针对不同偏振状态的光的模拟性能。

图16是根据特定实施例的示例性近眼显示器的示例性电子系统的简化框图。

仅出于例示目的，附图描绘了本公开的实施例。本领域的技术人员从以下描述将容易认识到，可以采用例示的结构和方法的替代实施例而不脱离本公开的原理或所宣称的益处。

在附图中，类似的部件和/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跟随短划线以及区分类似部件的第二标记，来区分相同类型的各种部件。如果在说明书中仅使用了第一附图标记，那么该描述方式可适用于具有相同的第一附图标记的类似部件中的任何一个，而无关于第二附图标记。

具体实施方式

本公开总体上涉及表面起伏光栅。更具体而言，本文所公开的是包括双折射材料并且因而对偏振敏感的表面起伏光栅。在一个示例中，一种表面起伏光栅可以包括由双折射材料制成的脊，其中表面起伏光栅中双折射材料的光轴可以平行于包括表面起伏光栅的光栅矢量的平面，例如平行于光栅矢量。表面起伏光栅可以包括外涂层，该外涂层的特征在于接近或等于双折射材料的较低折射率的折射率。表面起伏光栅可以相对于处于不同偏振态的入射光优先衍射处于第一偏振态的入射光。本文描述的各种发明实施例包括装置、系统和方法等。

在基于波导的显示器系统中，总效率可以是显示器系统中各个部件的效率和各个部件之间的耦合效率的函数。在简化的示例中，基于波导的显示器系统的总效率η_tot可以通过η_tot＝η_EQE×η_in×η_out来确定，其中η_EQE是光发射器件(例如，发光二极管(LED)或LED阵列)的外量子效率，η_in是显示光从光发射器件进入波导的耦入效率，并且η_out是显示光从波导向用户眼睛的耦出效率。因此，可以通过改善η_EQE、η_in和η_out中的一个或多个来改善总效率η_tot。例如，显示光从光发射器件进入波导的耦入效率η_in可以通过如下方式来改善：由光发射器件生成偏振光，并使用对特定偏振态或方向的光具有高的光衍射效率的偏振敏感光栅耦合器，将偏振光耦合进波导。类似地，可能希望将特定偏振态的光向用户眼睛耦合出波导，例如，以使用偏振依赖性光学部件改变图像平面的位置，并且因而克服聚散适应冲突。

根据特定实施例，可以使用双折射聚合物或对于具有不同光偏振方向的光具有不同折射率的其他光学各向异性材料来制作偏振敏感的表面起伏光栅耦合器。在一个示例中，光学各向异性材料可以包括对于沿一个方向(例如，光轴)振动的光具有唯一折射率的单轴双折射聚合物，并且对于沿另外两个方向上振动的光可以是光学各向异性的。光栅槽可以有外涂层或以其它方式填充有折射率与双折射聚合物折射率之一(例如，较低者)匹配的材料(例如，光学各向同性聚合物或电介质材料)。因此，具有特定偏振方向(例如，平行于双折射聚合物的光轴)的光可以在光栅脊和光栅槽处经受不同的折射率，并且因而可以被衍射，而具有不同偏振方向(例如，垂直于双折射聚合物的光轴)的光可以在光栅脊和光栅槽处经受相同的折射率，并且因而不会被衍射。这样一来，光栅可以更优先并且高效率地衍射具有特定偏振的光，例如来自以更高外量子效率生成基本线性偏振光的光源的光或使用偏振器偏振的光。

在一些实施例中，光学各向异性材料可以包括单轴双折射材料或双轴双折射材料。光学各向异性材料可以具有大于约0.05-0.1，大于约0.15，大于约0.2或大于约0.5的双折射率。双折射材料可以包括，例如如下至少一种：聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)或聚对苯二甲酸乙二酯(PET)；双折射陶瓷(例如，方解石和其他单晶无机物)；配向型液晶聚合物(LCP)，包括聚合物/LCP混合物；或者配向型外延单晶有机分子(例如，蒽)。表面起伏光栅在截面中可以具有任何适当的光栅轮廓，诸如使用例如纳米压印光刻或光刻技术制造的方波光栅、斜光栅、正弦光栅、闪耀光栅、可变深度光栅等。表面起伏光栅可以在一个、两个或三个维度上具有折射率调制。

在以下描述中，描述的各种发明实施例包括装置、系统和方法等。出于解释的目的，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，将显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践各种示例。例如，装置、系统、结构、组件、方法和其他部件可以被以框图形式示为部件，以免使示例在不必要的细节方面模糊不清。在其他实例中，对公知装置、过程、系统、结构和技术的示出可能去掉了不必要的细节，以避免使示例模糊不清。附图和说明书并非意图进行限制。本公开中采用的术语和表达方式被用作描述而非限制性术语，而且此类术语和表达方式的使用也无意排除所示出和描述的特征或其部分的任何等价物。词语“示例”在本文中被用于意指“用作示例、实例或者例示”。本文作为“示例”所述的任何实施例或者设计不一定被理解为比其他实施例或者设计优选或者有利。

图1是根据特定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中所示的人工现实系统环境100可以包括近眼显示器120、任选的外部成像装置150和任选的输入/输出接口140，其中的每个都耦合到光学控制台110。尽管图1示出人工现实系统环境100的示例包括一个近眼显示器120、一个外部成像装置150和一个输入/输出接口140，但任何数量的这些部件可以被包括在人工现实系统环境100中，或者可以省略任何部件。例如，可以有多个近眼显示器120经受与控制台110通信的一个或多个外部成像装置150的监测。在一些配置中，人工现实系统环境100可以不包括外部成像装置150、任选的输入/输出接口140和任选的控制台110。在替代配置中，不同的或附加的部件可以被包括在人工现实系统环境100中。

近眼显示器120可以是向用户呈现内容的头戴式显示器。近眼显示器120呈现的内容的示例包括图像、视频、音频中的一种或多种或其任何组合。在一些实施例中，音频可以经由外部装置(例如，扬声器和/或双耳式耳机)呈现，该外部装置从近眼显示器120、控制台110或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可以包括一个或多个刚体，其可以刚性地或非刚性地彼此耦合。刚体之间的刚性耦合可以使耦合的刚体充当单个刚体。刚体之间的非刚性耦合可以允许刚体相对于彼此移动。在各种实施例中，近眼显示器120可以被实施为任何适当的形状因子，包括眼镜。下文相对于图2和图3进一步描述近眼显示器120的一些实施例。此外，在各种实施例中，本文描述的功能性可以用于头戴耳机中，该头戴耳机组合了近眼显示器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)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可以包括显示器电子系统122、显示器光学系统124和眼睛跟踪单元130中的一个或多个。在一些实施例中，近眼显示器120还可以包括一个或多个定位器126、一个或多个位置传感器128以及惯性测量单元(IMU)132。近眼显示器120可以省略眼睛跟踪单元130、定位器126、位置传感器128和IMU 132中的任何一个，或者在各种实施例中包括附加元件。此外，在一些实施例中，近眼显示器120可以包括组合了相对于图1所述的各种元件功能的元件。

显示器电子系统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方便向用户显示图像。在各种实施例中，显示器电子系统122可以包括一个或多个显示面板，例如液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)显示器、无机发光二极管(ILED)显示器、微型发光二极管(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的一种实施方式中，显示器电子系统122可以包括前TOLED面板、后显示面板和前后显示面板之间的光学部件(例如，衰减器、偏振器或衍射或光谱膜)。显示器电子系统122可以包括像素，以发射主导颜色的光，所述主导颜色例如是红色、绿色、蓝色、白色或黄色。在一些实施方式中，显示器电子系统122可以通过二维面板生成的立体效果显示三维(3D)图像，以创建图像深度的主观感知。例如，显示器电子系统122可以包括分别定位于用户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副本，以创建立体效果(即，观看图像的用户感知到图像深度)。

在某些实施例中，显示器光学系统124可以光学地(例如，使用光波导和耦合器)显示图像内容或者放大从显示器电子系统122接收的图像光，校正与图像光相关联的光学错误，并且向近眼显示器120的用户呈现校正的图像光。在各种实施例中，显示器光学系统124可以包括一个或多个光学元件，例如，基板、光波导、孔、菲涅耳透镜、凸透镜、凹透镜、滤波器、输入/输出耦合器或可以影响从显示器电子系统122发射的图像光的任何其他适当的光学元件。显示器光学系统124可以包括不同光学元件的组合以及机械耦合，以维持组合中光学元件的相对间距和取向。显示器光学系统124中的一个或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、过滤涂层或不同光学涂层的组合。

显示器光学系统124对图像光的放大可以允许显示器电子系统122比较大显示器在物理上更小、重量更轻并且消耗更少功率。此外，放大可以增大所显示内容的视场。可以通过调节、增加或从显示器光学系统124去除光学元件来改变显示器光学系统124对图像光的放大量。在一些实施例中，显示器光学系统124可以向一个或多个图像平面投射所显示的图像，图像平面可以比近眼显示器120更远离用户的眼睛。

显示器光学系统124还可以被设计为校正一个或多个类型的光学误差，例如二维光学误差、三维光学误差或其任何组合。二维误差可以包括发生于二维中的光学象差。二维误差的示例性类型可以包括桶形失真、枕形失真、纵向色差和横向色差。三维误差可以包括发生于三维中的光学误差。三维误差的示例性类型可以包括球面像差、彗星像差、像场弯曲和像散。

定位器126可以是相对于彼此以及相对于近眼显示器120上的参考点定位于近眼显示器120上特定位置处的对象。在一些实施方式中，控制台110可以在外部成像装置150捕获的图像中识别定位器126以确定人工现实头戴耳机的位置、取向或两者。定位器126可以是LED、角隅棱镜反射器、反射型标记、与近眼显示器120在其中操作的环境形成反差的一种光源或其任何组合。在定位器126是有源部件(例如，LED或其他类型光发射器件)的实施例中，定位器126可以发射处于可见频带(例如，约380nm到750nm)中、处于红外(IR)频带(例如，约750nm到1mm)中，处于紫外频带(例如，约10nm到约380nm)中、处于电磁频谱的另一个部分中、或处于电磁频谱的各部分的任何组合中的光。

外部成像装置150可以包括一个或多个相机、一个或多个摄像机、能够捕获包括定位器126中的一个或多个的图像的任何其他装置、或其任何组合。此外，外部成像装置150可以包括一个或多个滤波器(例如，以提高信噪比)。外部成像装置150可以被配置为在外部成像装置150的视场中检测从定位器126发射或反射的光。在定位器126包括无源元件(例如，逆向反射器)的实施例中，外部成像装置150可以包括照射一些或全部定位器126的光源，一些或全部定位器126可以向外部成像装置150中的光源逆向反射光。慢速校准数据可以从外部成像装置150传输到控制台110，并且外部成像装置150可以从控制台110接收一个或多个校准参数，以调节一个或多个成像参数(例如，焦距、焦点、帧频、传感器温度、快门速度、孔等)。

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、磁强计、其他运动检测或误差校正传感器或其任何组合。例如，在一些实施例中，位置传感器128可以包括多个加速度计以测量平移运动(例如，正向/反向、上/下或左/右)，以及多个陀螺仪以测量旋转运动(例如，俯仰、偏转或翻滚)。在一些实施例中，各种位置传感器可以彼此正交地定向。

MU 132可以是基于从位置传感器128中的一个或多个接收的测量信号生成快速校准数据的电子装置。位置传感器128可以定位于IMU 132外部、IMU 132内部或其任何组合。基于来自一个或多个位置传感器128的一个或多个测量信号，IMU 132可以生成快速校准数据，快速校准数据指示近眼显示器120相对于近眼显示器120的初始位置的估计位置。例如，IMU 132可以在时间上对从加速度计接收的测量信号进行积分，以估计速度矢量，并在时间上对速度矢量积分，以确定近眼显示器120上参考点的估计位置。或者，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。尽管参考点一般地可以被定义为空间中的点，但在各种实施例中，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可以包括一个或多个眼睛跟踪系统。眼睛跟踪可以指确定眼睛的位置，包括眼睛相对于近眼显示器120的取向和位置。眼睛跟踪系统可以包括成像系统以对一只或多只眼睛成像，并且可以任选地包括光发射器，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可以包括发射处于可见光谱或红外光谱中的光的不相干或相干光源(例如，激光二极管)，以及捕获用户眼睛反射的光的相机。作为另一个示例，眼睛跟踪单元130可以捕获反射的由微型雷达单元发射的无线电波。眼睛跟踪单元130可以使用低功率光发射器，其在不会损伤眼睛或导致身体不适的频率和强度下发射光。眼睛跟踪单元130可以被布置为增大眼睛跟踪单元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，降低眼睛跟踪单元130中所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可以消耗少于100毫瓦的功率。

近眼显示器120可以使用眼睛的取向，例如，以确定用户的瞳孔间距(IPD)，确定注视方向，引入深度提示(例如，使用户主视线外部的图像模糊)，收集VR媒体中的关于用户交互的启发(例如，根据所暴露的刺激，收集在任何特定主体、对象或帧上花费的时间)，部分基于用户眼睛中的至少一只的取向的一些其他功能，或其任何组合。因为可以针对用户的两只眼睛确定取向，所以眼睛跟踪单元130可以能够确定用户正在看哪里。例如，确定用户注视方向可以包括基于用户左眼和右眼的所确定的取向来确定聚合点。聚合点可以是用户眼睛的两个中央凹轴(fovea axis)相交的点。用户注视的方向可以是通过聚合点和用户眼睛的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发送动作请求的装置。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是启动或结束应用程序或者在应用程序内执行特定动作。输入/输出接口140可以包括一个或多个输入装置。示例性输入装置可以包括键盘、鼠标、游戏控制器、手套、按钮、触摸屏或用于接收动作请求并且向控制台110传送所接收的动作请求的任何其他适当的装置。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，输入/输出接口140可以在接收到动作请求时，或者在控制台110已经执行所请求动作并向输入/输出接口140传送指令时，提供触觉反馈。在一些实施例中，可以使用外部成像装置150跟踪输入/输出接口140，例如跟踪控制器(可以包括例如IR光源)或用户的手的位置，以确定用户的运动。在一些实施例中，近眼显示器120可以包括一个或多个成像装置，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，并且因而确定用户的运动。

控制台110可以向近眼显示器120提供内容以根据从外部成像装置150、近眼显示器120和输入/输出接口140中的一个或多个接收的信息向用户呈现。在图1所示的示例中，控制台110可以包括应用商店112、头戴耳机跟踪模块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相对于图1所述的那些不同的或附加的模块。下文进一步描述的功能可以通过与本文所述不同的方式分布于控制台110的部件之间。

在一些实施例中，控制台110可以包括处理器以及存储可以由处理器执行的指令的非暂态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。非暂态计算机可读存储介质可以是任何存储器，例如，硬盘驱动器、可移除存储器或固态驱动器(例如，闪存存储器或动态随机存取存储器(DRAM))。在各种实施例中，相对于图1描述的控制台110的模块可以被编码为非暂态计算机可读存储介质中的指令，当由处理器执行时，该指令使处理器执行下文进一步描述的功能。

应用商店112可以存储由控制台110执行的一个或多个应用程序。应用程序可以包括一组指令，当由处理器执行时，该一组指令生成用于向用户呈现的内容。应用程序生成的内容可以响应于经由用户眼睛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。应用程序的示例可以包括游戏应用程序、会议应用程序、视频回放应用程序或其他适当的应用程序。

头戴耳机跟踪模块114可以使用来自外部成像装置150的慢速校准信息来跟踪近眼显示器120的移动。例如，头戴耳机跟踪模块114可以使用所观测定位器从慢速校准信息和近眼显示器120的模型来确定近眼显示器120的参考点位置。头戴耳机跟踪模块114还可以使用位置信息从快速校准信息确定近眼显示器120的参考点的位置。此外，在一些实施例中，头戴耳机跟踪模块114可以使用快速校准信息、慢速校准信息的部分或其任何组合来预测近眼显示器120的将来位置。头戴耳机跟踪模块114可以向人工现实引擎116提供近眼显示器120的估计的或预测的将来位置。

人工现实引擎116可以执行人工现实系统环境100内的应用程序并且从头戴耳机跟踪模块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的预测的将来位置或其任何组合。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取向信息。基于所接收的信息，人工现实引擎116可以确定要提供给近眼显示器120以向用户呈现的内容。例如，如果所接收的信息指示用户曾向左看，人工现实引擎116可以为近眼显示器120生成在虚拟环境中反映出用户眼睛的移动的内容。此外，人工现实引擎116可以响应于从输入/输出接口140接收的动作请求在控制台110上执行的应用程序内执行动作，并向用户提供指出已经执行该动作的反馈。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眼睛相对于近眼显示器120或其任何元件的取向、位置或两者。因为眼睛的旋转轴根据眼睛在其眼窝中的位置而改变，所以确定眼睛在其眼窝中的位置可以允许眼睛跟踪模块118更准确地确定眼睛的取向。

图2是用于实施本文所公开的一些示例的HMD装置200形式的近眼显示器的示例的透视图。HMD装置200可以是例如VR系统、AR系统、MR系统的部分、或其任何组合。HMD装置200可以包括主体220和头带230。图2在透视图中示出了主体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装置200的主体220与头带230之间可以有足够的空间，以允许用户向用户的头上安装HMD装置200。在各种实施例中，HDM装置200可以包括另外的、更少的或不同的部件。例如，在一些实施例中，HDM装置200可以包括例如以下图3中所示的眼镜脚和脚套，而不是头带230。

HDM装置200可以向用户呈现媒体，包括物理现实环境与计算机生成的元素的虚拟和/或增强视图。HDM装置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、或其任何组合。图像和视频可以由HDM装置200的主体220中包封的一个或多个显示器组件(图2中未示出)向用户的每只眼睛呈现。在各种实施例中，一个或多个显示器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，针对用户的每只眼睛一个显示面板)。(一个或多个)电子显示面板的示例可以包括例如LCD、OLED显示器、ILED显示器、μLED显示器、AMOLED、TOLED、某种其他显示器或其任何组合。HDM装置200可以包括两个动眼眶(eyebox)区域。

在一些实施方式中，HDM装置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化光图案进行感测。在一些实施方式中，HDM装置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，HDM装置200可以包括虚拟现实引擎(未示出)，该虚拟现实引擎可以执行HDM装置200内的应用程序并从各个传感器接收HDM装置200的深度信息、位置信息、加速度信息、速度信息、预测的将来位置或其任何组合。在一些实施方式中，虚拟现实引擎接收的信息可以用于产生到一个或多个显示器组件的信号(例如，显示指令)。在一些实施方式中，HDM装置200可以包括在主体220上相对于彼此并且相对于参考点定位于固定位置的定位器(未示出，例如定位器126)。定位器中的每个可以发射可以由外部成像装置检测的光。

图3是用于实施本文所公开的一些示例的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，并且可以被配置为作为虚拟现实显示器、增强现实显示器和/或混合现实显示器而操作。近眼显示器300可以包括框架305和显示器310。显示器310可以被配置为向用户呈现内容。在一些实施例中，显示器310可以包括显示器电子系统和/或显示器光学系统。例如，如上文参考图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，波导显示器组件)。

近眼显示器300还可以包括框架305上或内的各种传感器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可以包括被配置为生成表示不同方向上的不同视场的图像数据的一个或多个图像传感器。在一些实施例中，传感器350a-350e可以被用作输入装置，以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还可以包括一个或多个照射器330以向物理环境中投射光。所投射的光可以与不同频带(例如，可见光、红外光、紫外光等)相关联，并且可以用于各种目的。例如，(一个或多个)照射器330可以在黑暗环境中(或在具有低强度红外光、紫外光等的环境中)投射光，以辅助传感器350a-350e在黑暗环境内捕获不同对象的图像。在一些实施例中，(一个或多个)照射器330可以用于向环境内的对象上投射特定光图案。在一些实施例中，(一个或多个)照射器330可以用作定位器，诸如上文相对于图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相机340。相机340可以捕获视场中的物理环境的图像。所捕获的图像可以由例如虚拟现实引擎(例如，图1的虚拟现实引擎116)处理，以向所捕获的图像添加虚拟对象或者修改所捕获得图像中的物理对象，并且可以由的显示器310将所处理的图像显示给用户以用于AR或MR应用。

使用人工现实系统的用户体验可以取决于光学系统的几个特性，包括视场(FOV)、图像质量(例如，角分辨率)、动眼框尺寸(以适应眼睛和头部移动)、以及动眼框内光的亮度(或对比度)。视场可以指用户看到的图像的角范围，例如一只眼睛(对于单眼HMD)或两只眼睛(对于双眼或双目HMD)观察到的以度数为单位测量。人类视觉系统可以具有约300°(水平)乘130°(垂直)的总双眼FOV。为了创建完全沉浸式视觉环境，希望有大的FOV，因为大的FOV(例如，大于约60°)可以提供“处在”图像“中”的感觉，而不是仅仅观看图像。较小的视场也可能排除掉一些重要视觉信息。例如，具有小的FOV的HMD系统可以使用手势接口，但用户可能在小FOV中看不到他们的手确保他们正在使用正确的运动。另一方面，可以使用更大的显示器或光学系统来实现更宽的视场，这可以影响到使用HMD的尺寸、重量、成本和舒适度。

分辨率可以指呈现给用户的所显示像素或图像元素的角尺寸，或者用户查看并正确解读由像素和/或其他像素成像的对象的能力。HMD的分辨率可以被指定为针对给定FOV值的图象源上像素的数量，由此可以通过将一个方向上的FOV除以图象源上相同方向上像素的数量来确定角分辨率。例如，对于40°的水平FOV和图象源上水平方向上1080个像素，对应的角分辨率可以是约2.2弧分，与之相比，与斯内伦(Snellen)20/20人类视觉锐度相关联的是1弧分的分辨率。

在一些情况下，动眼框可以是用户眼睛前方的二维框，可以从动眼框查看来自图象源的所显示的图像。如果用户的瞳孔移动到动眼框外部，所显示的图像可能不会被用户看到。例如，在非瞳孔形成的配置中，存在这样的查看动眼框，在其内将有HMD图象源的无晕查看，并且当用户眼睛的瞳孔在查看动眼框外部时，所显示的图像可能会有晕光或者可能被裁剪但可能仍然是可查看的。在瞳孔形成的配置中，在出瞳外部图像可能是不可查看的。

人眼的中央凹(在此可以在视网膜上实现最高分辨率)可以对应于约2°到约3°的FOV。因此，眼睛可以旋转，以便以最高分辨率查看偏轴对象。眼睛的旋转以查看偏轴对象可能会引起瞳孔平移，因为眼睛围绕瞳孔后方约10mm的点旋转。此外，用户可能并非始终能够将用户眼睛的瞳孔(例如，半径约为2.5mm)准确定位在动眼框中的理想位置处。此外，在使用HMD的一些环境中，例如，当HMD用于移动的车辆中或者被设计为用户步行时使用时，可能希望动眼框更大，以允许用户的眼睛和/或头部相对于HDM移动。

因此，HMD的光学系统可能需要提供充分大的出瞳或查看动眼框，用于以全分辨率查看完整FOV，以便适应用户瞳孔相对于HMD的移动。例如，在瞳孔形成的配置中，对于动眼框或出瞳可能希望12mm到15mm的最小尺寸。如果动眼框过小，眼睛与HMD之间微小的失准可能会导致图像的至少部分损失，并且用户体验可能大幅度受损。通常，动眼框的横向范围比动眼框的垂直范围更关键。这可能部分是由于用户之间眼睛间隔距离的显著变化，以及如下事实：与眼镜的失准往往更多发生在横向维度，并且与上下调节注视相比，用户往往更多在左右方向以更大幅度调节其注视。因此，能够增大动眼框横向尺度的技术可以显著改善用户对HMD的体验。另一方面，动眼框越大，光学系统就越大，近眼显示器装置就可能越笨重。

为了在亮的背景下查看所显示的图像，AR HMD的图象源可能需要充分亮，并且光学系统可能需要效率高，以向用户眼睛提供明亮的图像，使得所显示的图像在包括强环境光(例如，日光)的背景中可见。HMD的光学系统可以被设计成聚集动眼框中的光。当出瞳或动眼框很大时，可以使用具有高功率的图象源来提供在大的动眼框内可查看的明亮图像。因此，在动眼框尺寸、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4示出了根据特定实施例的包括用于出瞳扩展的波导显示器的光学透视增强现实系统400的示例。增强现实系统400可以包括投影仪410和组合器415。投影仪410可以包括光源或图象源412和投影仪光学系统414。在一些实施例中，光源或图象源412可以包括一个或多个微型LED器件。在一些实施例中，图象源412可以包括显示虚拟对象的多个像素，例如，LCD显示面板或LED显示面板。在一些实施例中，图象源412可以包括生成相干光或部分相干光的光源。例如，图象源412可以包括激光二极管、垂直腔面发射激光器、LED、超发光LED(SLED)和/或上述微型LED。在一些实施例中，图象源412可以包括多个光源(例如，上述微型LED的阵列)，该多个光源均发射对应于基色(例如，红、绿或蓝)的单色图像光。在一些实施例中，图象源412可以包括微型LED的三个二维阵列，其中微型LED的每个二维阵列可以包括被配置为发射基色(例如，红、绿或蓝)光的微型LED。在一些实施例中，图象源412可以包括光学图案发生器，例如空间光调制器。投影仪光学系统414可以包括一个或多个光学部件，该一个或多个光学部件能够调整来自图象源412的光，例如，扩展、准直、中继、扫描来自图象源412的光或者将其投射到组合器415。一个或多个光学部件可以包括例如一个或多个透镜、液体透镜、反射镜、自由形式光学系统、孔和/或光栅。例如，在一些实施例中，图象源412可以包括微型LED的一个或多个一维阵列或细长二维阵列，投影仪光学系统414可以包括一个或多个一维扫描仪(例如，微镜或棱镜)，其被配置为扫描微型LED的一维阵列或细长的二维阵列以生成图像帧。在一些实施例中，投影仪光学系统414可以包括具有多个电极的液体透镜(例如，液晶透镜)，其能够扫描来自图象源412的光。

组合器415可以包括输入耦合器430，耦合器430用于将来自投影仪410的光耦合进组合器415的基板420。组合器415可以透射至少50％的第一波长范围中的光，并且反射至少25％的第二波长范围中的光。例如，第一波长范围可以是从约400nm到约650nm的可见光，并且第二波长范围可以处于红外波段，例如，从约800nm到约1000nm。输入耦合器430可以包括体全息光栅或另一种衍射光学元件(DOE)(例如，表面起伏光栅(SRG))、基板420的斜反射表面或衍射耦合器(例如，光楔或棱镜)。输入耦合器430可以具有针对可见光大于30％、40％、75％、90％或更高的耦合效率。被耦合进基板420的可见光可以通过例如全内反射(TIR)在基板420内传播。基板420的形式可以是透镜或眼镜。基板420可以具有平坦或弯曲的表面，并且可以包括一种或多种类型的电介质材料，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。基板的厚度可以在从例如小于约1mm到约10mm或更大的范围中。基板420可以对于可见光透明。

基板420可以包括或者可以被耦合到多个输出耦合器440，输出耦合器440均被配置为从基板420提取由基板420引导并且在基板420内传播的光的至少一部分，并且将所提取的光460引导到动眼框495，在动眼眶495中可以在使用增强现实系统400时定位增强现实系统400的用户的眼睛490。多个输出耦合器440可以复制出瞳以增大动眼框495的尺寸，使得所显示的图像可以在更大区域中可见。如输入耦合器430那样，输出耦合器440可以包括光栅耦合器(例如，体全息光栅或表面起伏光栅)、其他衍射光学元件(DOE)、棱镜等。输出耦合器440可以在不同位置处具有不同的耦合(例如，衍射)效率。基板420还可以允许来自组合器415前方环境中的光450通过而没有损失或损失很小。输出耦合器440还可以允许光450通过而损失很小。例如，在一些实施方式中，输出耦合器440对于光450可以具有极低的衍射效率，使得光450可以被衍射或以其它方式通过输出耦合器440而损失很小，并且从而可以具有比所提取的光460更高的强度。因此，用户可以能够查看组合器415前方环境与由投影仪410投射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440对于光450可以具有高衍射效率，并且可以将光450衍射到特定期望方向(即，衍射角)而损失很小。

在一些实施例中，投影仪410、输入耦合器430和输出耦合器440可以在基板420的任一侧上。输入耦合器430和输出耦合器440可以是反射式光栅(也称为反射式光栅)或透射式光栅(也称为透射式光栅)，以将显示光耦合进或出基板420。

出瞳由输出耦合器440复制以形成聚集的出瞳或动眼框，其中不同的视场(例如，图象源412上的不同像素)可以与朝向动眼框的不同相应的传播方向相关联，并且来自同一视场(例如，图象源412上的同一像素)的光对于不同的个体出瞳可以具有相同的传播方向。因此，图象源412的单个图像可以由定位于动眼框中任何地方的用户眼睛形成，其中来自不同个体出瞳并且在相同方向上传播的光可以来自图象源412上的相同像素并且可以被聚焦到用户眼睛视网膜上的相同位置上。因此，即使用户的眼睛移动到动眼框中的不同位置，图象源的图像也可以被用户的眼睛看到。

在很多基于波导的近眼显示器系统中，为了在两个维度上扩展基于波导的近眼显示器的动眼框，可以使用两个或更多输出光栅来在两个维度或沿两个轴扩展显示光(可以称为双轴瞳孔扩展)。两个光栅可以具有不同的光栅参数，使得可以将一个光栅用于在一个方向上复制出瞳，并且可以将另一个光栅用于在另一个方向上复制出瞳。

图5A示出了根据特定实施例的包括波导显示器530的近眼显示(NED)装置500的示例。NED装置500可以是近眼显示器120、增强现实系统400或另一种类型的显示器装置的示例。NED装置500可以包括光源510、投影光学系统520和波导显示器530。光源510可以包括用于不同颜色的光发射器的多个面板，例如，红光发射器512的面板、绿光发射器514的面板和蓝光发射器516的面板。红光发射器512被组织成阵列；绿光发射器514被组织成阵列；并且蓝光发射器516被组织成阵列。光源510中光发射器的尺度和间距可以很小。例如，每个光发射器可以具有小于2μm的直径(例如，2约1.2μm)，并且间距可以小于2μm(例如，约1.5μm)。这样一来，每个红光发射器512、绿光发射器514和蓝光发射器516中的光发射器数量可以等于或大于显示图像中像素的数量，例如960×720、1280×720、1440×1080、1920×1080、2160×1080或2560×1080个像素。因此，可以由光源510同时生成显示图像。NED装置500中可以不使用扫描元件。

在到达波导显示器530之前，光源510发射的光可以由投影光学系统520调整，投影光学系统520可以包括透镜阵列。投影光学系统520可以将光源510发射的光准直或聚焦到波导显示器530，波导显示器530可以包括耦合器532，耦合器532用于将光源510发射的光耦合进波导显示器530。被耦合进波导显示器530的光可以通过例如全内反射在波导显示器530内传播，如上文参考图4所述。耦合器532还可以将在波导显示器530内传播的光的部分耦合出波导显示器530并耦合朝向用户的眼睛590。

图5B示出了根据特定实施例的包括波导显示器580的近眼显示(NED)装置550的示例。在一些实施例中，NED装置550可以使用扫描镜570将来自光源540的光投射到用户眼睛590可以被定位于的像场。NED装置550可以是近眼显示器120、增强现实系统400或另一种类型的显示器装置的示例。光源540可以包括一个或多个行或一个或多个列的不同颜色的光发射器，诸如多行红光发射器542、多行绿光发射器544和多行蓝光发射器546。例如，红光发射器542、绿光发射器544和蓝光发射器546可以均包括N行，每行包括例如2560个光发射器(像素)。红光发射器542被组织成阵列；绿光发射器544被组织成阵列；并且蓝光发射器546被组织成阵列。在一些实施例中，光源540可以包括针对每个颜色的单线的光发射器。在一些实施例中，光源540可以包括针对红色、绿色和蓝色中的每个的多列光发射器，其中每列可以包括例如1080个光发射器。在一些实施例中，光源540中光发射器的尺度和/或间距可以相对较大(例如，约3-5μm)，并且因而光源540可能不包括用于同时生成完整显示图像的足够的光发射器。例如，单个颜色的光发射器数量可能少于显示图像中像素的数量(例如，2560×1080个像素)。光源540发射的光可以是准直光束或发散光束的集合。

在到达扫描镜570之前，光源540发射的光可以被各种光学装置调整，例如准直透镜或自由形式光学元件560。自由形式光学元件560可以包括，例如多面棱镜或能够将光源540发射的光朝向扫描镜570引导(例如，将光源540发射的光的传播方向改变例如约90°或更大)的另一种光折叠元件。在一些实施例中，自由形式光学元件560可以是可旋转的以扫描光。扫描镜570和/或自由形式光学元件560可以将光源540发射的光反射并投射到波导显示器580，波导显示器580可以包括耦合器582，耦合器582用于将光源540发射的光耦合进波导显示器580。被耦合进波导显示器580的光可以通过例如全内反射在波导显示器580内传播，如上文参考图4所述。耦合器582还可以将波导显示器580内传播的光的部分耦合出波导显示器580并耦合朝向用户的眼睛590。

扫描镜570可以包括微机电系统(MEMS)镜或任何其他适当的镜。扫描镜570可以旋转以在一个或两个维度上扫描。在扫描镜570旋转时，可以将光源540发射的光引导到波导显示器580的不同区域，使得可以向波导显示器580上投射完整显示图像并在每个扫描循环中通过波导显示器580将完整显示图像引导到用户的眼睛590。例如，在光源540包括用于一个或多个行或列中的所有像素的光发射器的实施例中，可以在列或行方向(例如，x或y方向)上旋转扫描镜570以扫描图像。在光源540包括用于一个或多个行或列中的一些但并非全部像素的光发射器的实施例中，可以在行和列两个方向上(例如，x和y方向)旋转扫描镜570以提供显示图像(例如，使用栅格型扫描图案)。

NED装置550可以在预定义显示周期中操作。显示周期(例如，显示循环)可以指扫描或投射完整图像的持续时间。例如，显示周期可以是期望帧频的倒数。在包括扫描镜570的NED装置550中，显示周期也可以指扫描周期或扫描循环。光源540的光生成可以与扫描镜570的旋转同步。例如，每个扫描周期可以包括多个扫描步骤，其中光源540可以在每个相应的扫描步骤中生成不同的光图案。

在每个扫描周期中，在扫描镜570旋转时，可以将显示图像投射到波导显示器580和用户的眼睛590上。显示图像的给定像素位置的实际颜色值和光强(例如，亮度)可以是在扫描周期期间照射该像素位置的三种颜色(例如，红、绿和蓝)光束的平均值。在完成扫描周期之后，扫描镜570可以回转到初始位置以投射用于下一显示图像的前几行的光，或者可以在反方向或扫描图案中旋转，以投射用于下一显示图像的光，其中可以向光源540馈送驱动信号的新集合。可以在扫描镜570在每个扫描周期中旋转时，重复相同的过程。这样一来，可以在不同的扫描周期中向用户的眼睛590投射不同图像。

如上所述，基于波导的显示器系统的总效率可以是显示器系统中各个部件的效率和各个部件之间的耦合效率的乘积。例如，近眼显示器装置500的总效率η_tot可以是η_tot＝η_EQE×η_in×η_out，其中η_EQE是光源510的外量子效率，η_in是显示光从光源510进入波导显示器530的耦入效率，并且η_out是显示光从波导显示器530向用户眼睛的耦出效率。可以通过改善光源510的外量子效率和耦合器532的耦合效率，来改善近眼显示器装置500的总效率η_tot。

在半导体LED中，可以通过有源区(例如，一个或多个半导体层)内电子和空穴的复合在特定内量子效率下生成光子，其中内量子效率可以是有源区中发射光子的辐射电子-空穴复合的比例。然后可以在特定方向上或在特定立体角内从LED提取所生成的光。从LED提取的所发射的光子的数量与通过LED的电子数量之间的比率可以称为外量子效率，其描述LED将所注入的电子转换成从器件提取的光子的效率如何。

例如，由于光栅耦合器和/或波导的特性，使用光栅耦合器从光源到波导的耦合效率通常依赖于偏振。例如，可以将特定偏振态(例如，特定线性偏振方向)的光以较高耦合效率耦合进波导，而可以将不同偏振态(例如，正交线性偏振方向)的光以较低耦合效率耦合进波导。因此，可以通过生成能够以高耦合效率耦合到波导中的光来改善耦合效率。例如，对于在具有特定半极化取向(在极化c平面和非极化a或m平面之间)的III族-氮化物材料(例如，GaN)上制造的微型LED而言，微型LED的(峰值)量子效率可以不随着微型LED尺寸减小(例如，以实现更高的显示分辨率)而下降，峰值量子效率下的电流密度可以不随着微型LED尺寸减小而增大，并且因而总效率可以更高。此外，在具有半极化(或非极化)取向的GaN层上制造的LED中，GaN层可能会自然地经历各向异性应变，并且因而可能发射具有更高程度线性偏振的光。与完全非偏振光(例如，线性偏振程度约为0％的光)相比，使用生成具有更高程度线性偏振的光的微型LED可以使耦入效率改善超过50％。因此，对于在具有特定半极化取向的III族-氮化物材料上制造的微型LED而言，可以实现所发射的光中的高外量子效率η_EQE和高程度线性偏振两者(并且因而实现到波导的更高耦合效率η_in)。这样一来，可以显著改善包括微型LED或波导的近眼显示器系统的总效率。也可以使用其他光源，例如SLED、谐振腔LED(RCLED)、垂直腔面发射激光器(VCSEL)、垂直外腔面发射激光器(VECSEL)等，作为波导显示器中的光源，其中由这些光源发射的光可以使用各种偏振器在耦合进波导之前被偏振到期望偏振态。

此外，为了改善耦合效率，可以使光栅耦合器对偏振敏感，其中用于实现最大衍射效率的入射光的偏振态可以与光源生成的光的偏振态和/或能够被波导更有效率地引导并耦合到用户眼睛的光的偏振态匹配。在一些实施例中，可以使用偏振依赖性光栅将来自不同视场的光耦合进波导。例如，来自第一视场(例如，完整FOV的左半部)的光可以被偏振为TE模式，并且使用对TE模式光具有高衍射效率且对于TM模式光具有低衍射效率的光栅耦合进波导，而来自第二视场(例如，完整FOV的右半部)的光可以被偏振为TM模式，并且使用对TM模式光具有高衍射效率且对于TE模式光具有低衍射效率的光栅耦合进波导。在一些实施例中，也可以使用光栅耦合器例如衍射近红外光，以用于眼睛的跟踪。

在一些应用中，可能希望波导显示器的输出耦合器是偏振依赖性的，使得它们可以从波导向用户的眼睛耦合出特定偏振态的光。例如，在一些近眼显示器系统中，可以使用偏振依赖性透镜(例如，包括聚合物液晶或Pancharatnam-Berry相透镜)改变焦距，并且因而改变不同偏振态的光的图像平面的位置，以便克服视轴调焦冲突。

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起伏光栅，它们可以具有非常不同的克莱因-库克(Klein-Cook)参数Q：

其中d是光栅的厚度，λ是入射光在自由空间中的波长，Λ是光栅周期，并且n是记录介质的折射率。Klein-Cook参数Q可以将光栅对光的衍射划分成三个状态(regime)。当光栅由Q<<1表征时，可以将光栅的光衍射称为拉曼奈斯(Raman-Nath)衍射，其中对于法向和/或倾斜入射光可能发生多个衍射级。当光栅由Q>>1(例如，Q≥10)表征时，可以将光栅的光衍射称为布拉格(Bragg)衍射，其中对于以满足Bragg条件的角度入射在光栅上的光，一般仅可能发生零衍射级和±1衍射级。当光栅由Q1≈1表征时，光栅的衍射可以介于Raman-Nath衍射和Bragg衍射之间。为了符合Bragg衍射，光栅的厚度d可以高于特定值，以占据介质的一定体积(而不是在表面处)，并且因而可以称为体布拉格光栅。VBG通常可以具有较小的折射率调制(例如，Δn≤0.05)和高的频谱和角选择性，而表面起伏光栅通常可以具有大的折射率调制(例如，Δn≥0.5)和宽的频谱和角带宽。

图6A示出了体布拉格光栅(例如，反射式VBG)的示例的频谱带宽和表面起伏光栅(例如，透射式SRG)的示例的频谱带宽。水平轴表示入射可见光的波长，并且垂直轴对应于衍射效率。如曲线610所示，反射式VBG的衍射效率在窄波长范围(例如，绿光)中很高。相反，如曲线620所示，透射式SRG的衍射效率可以在非常宽的波长范围(例如，从蓝光到红光)中很高。

图6B示出了体布拉格光栅(例如，反射式VBG)的示例的角带宽和表面起伏光栅(例如，透射式SRG)的示例的角带宽。水平轴表示入射在光栅上的可见光的入射角，并且垂直轴对应于衍射效率。如曲线615所示，反射式VBG的衍射效率对于从窄的角范围在(例如，距完美Bragg条件约±2.5°)入射在光栅上的光很高。相反，如曲线625所示，透射式SRG的衍射效率在非常宽的角范围(例如大于约±10°或更宽角范围)中很高。

诸如耦合器430、440、532和582的表面起伏光栅可以在某种电介质、聚合物或半导体材料，诸如硅、二氧化硅、一些聚合物等中制造。这些材料中的一些可以是光学各向同性材料，其中折射率可以不取决于光传播方向和/或光振动方向(例如，偏振方向)。使用各向同性材料制造的光栅可以表现出一些程度的偏振依赖性，但一般可能难以使用此类材料制造具有高偏振对比度的光栅。

根据特定实施例，可以使用各向异性材料制造光栅耦合器，例如耦合器430、440、532和582，以便对偏振敏感。在一个示例中，可以使用双折射材料制造表面起伏光栅，并且表面起伏光栅的槽可以填充或不填充有折射率大致等于各向异性材料折射率之一的折射率匹配材料(例如，聚合物)。在一些实施例中，表面起伏光栅可以在各向同性材料中制造，并且可以被外涂覆有填充光栅槽的双折射材料。光可以在不平行于光栅中各向异性材料光轴的方向上入射在光栅上，并且因而对于在光栅中的各向异性材料中传播的光而言的折射率可以取决于光传播方向和光振动方向，以为不同偏振方向的光引起不同的衍射性能。

图7A-图7D示出了根据特定实施例的具有不同截面的表面起伏光栅的示例。图7A-图7D中所示的表面起伏光栅的示例可以使用双折射材料制作。图7A示出了表面起伏光栅700，其包括一维矩形波光栅，由于两个分立的高度或光学相位，也可以称为二元光栅。表面起伏光栅700可以包括均包括脊702和槽704的多个光栅周期。脊702和槽704在截面中可以具有矩形形状。脊702和槽704可以具有相同宽度或不同宽度，并且因而表面起伏光栅700可以具有小于、等于或大于50％的占空比。表面起伏光栅700可以由光栅矢量K、脊702的横向延伸方向L、深度等表征。在一些实施例中，表面起伏光栅700可以包括外涂层(未示出)，外涂层可以填充槽704。外涂层可以包括具有适当折射率的材料。

图7B示出了包括一维斜表面起伏光栅的表面起伏光栅710。倾斜表面起伏光栅包括均包括脊712和槽714的多个光栅周期。脊712和槽714在截面中可以具有平行四边形形状，其中脊712的前沿和后沿可以大致平行于彼此。表面起伏光栅710可以由光栅矢量K、脊712的横向延伸方向L、深度等表征。脊712和槽714可以在x方向上具有相同宽度或不同宽度，并且因而表面起伏光栅710可以具有小于、等于或大于50％的占空比。在一些实施例中，表面起伏光栅710可以包括外涂层(未示出)，外涂层可以填充槽714。外涂层可以包括具有适当折射率的材料。

图7C示出了包括一维正弦光栅的表面起伏光栅720。表面起伏光栅720的高度或光学相位可以根据正弦函数在x方向上变化。表面起伏光栅720的每个周期可以包括峰和谷。在一些实施例中，表面起伏光栅720可以包括外涂层(未示出)，外涂层可以填充谷724。外涂层可以包括具有适当折射率的材料。

图7D示出了包括一维闪耀光栅的表面起伏光栅730。表面起伏光栅730中的每个周期可以包括具有三角形或锯齿形截面的脊。三角形或锯齿形截面可以相对于光栅的基板(例如，x轴)具有闪耀角，使得由光栅衍射的光束的衍射角和由闪耀表面反射的光束的反射角可以在相同方向上。在一些实施例中，表面起伏光栅730可以包括三角形或锯齿形脊上的外涂层(未示出)。外涂层可以包括具有适当折射率的材料。

尽管图7A-图7D示出了在一个维度上呈周期性的表面起伏光栅的一些示例，但一些表面起伏光栅也可以是二维光栅，其中光栅的高度可以在两个维度上变化。此外，一些表面起伏光栅可以不是周期性的，其中每个周期的尺寸、形状、占空比、深度等可以在一个或两个维度上变化。例如，一些表面起伏光栅可以是啁啾光栅，其中周期或间距跨整个光栅变化。在一些表面起伏光栅中，每个周期的占空比可以在光栅的不同区域中不同。在一些表面起伏光栅中，表面起伏光栅的深度或高度可以在光栅的不同周期中变化，其中光栅周期的最大深度或高度可以在光栅的不同周期中是不同的。在一些表面起伏光栅中，周期尺寸、占空比、倾角、最大深度等的任一个可以在周期之间变化。在一些实施例中，表面起伏光栅可以包括与可以形成脊和槽的表面相对的反射表面。

图8A-图8D示出了根据特定实施例的二维表面起伏光栅的示例。图8A-图8D中所示的二维表面起伏光栅的示例可以在双折射材料中制造，或者可以在各向同性材料中制造并且然后用双折射材料进行外涂覆。该表面起伏光栅可以包括各种微结构，例如圆柱形柱、立方体柱、孔、腔、棱锥等。微结构可以具有在空间上不变或变化的高度和/或倾角。例如，微结构可以形成特定光子晶体或超构光栅。

图8A示出了二维表面起伏光栅800的示例，其包括下方层802上的立方体柱804的2维阵列，下方层802例如是基板或沉积在基板上的聚合物层。图8B示出了二维表面起伏光栅810的示例，其包括层812中形成的六方形孔814或其他形状的孔或腔的2维阵列，该层例如是基板或沉积在基板上的聚合物层。图8C示出了二维表面起伏光栅820的示例，其包括下方层822上的圆柱形柱824的2维阵列，下方层822例如是基板或沉积在基板上的聚合物层。圆柱形柱824可以具有相似的尺度，例如直径、高度和间距(或相邻柱之间的距离)。图8D示出了二维表面起伏光栅830的示例，其包括下方层832上的圆柱形柱834的2维阵列，下方层834例如是基板或沉积在基板上的聚合物层。圆柱形柱834可以具有在空间上变化的尺度，例如直径、高度或间距。

可以使用各种技术来蚀刻、模制或通过其他方式制造上述的表面起伏光栅。例如，可以使用光刻技术对光致抗蚀剂进行图案化，接下来进行蚀刻(例如，干法蚀刻)以将图案转移到双折射材料或各向同性材料上，并且因而制造表面起伏光栅。也可以使用纳米压印光刻，通过预制模具，接着进行固化、冷却和脱模，并且因而制造表面起伏光栅。

表面起伏光栅中使用的各向异性材料可以包括一些晶体、聚合物、聚合液晶等。例如，一些晶体或薄膜可以沿不同方向具有不同的晶格结构(或晶体相，例如，立方、四角形、六方、菱面体等)和不同的原子布置，并且因而可以针对具有不同传播方向和/或光振动方向的光束具有不同折射率。这样一来，使用光学各向异性材料制造的光栅可以针对不同入射方向和/或不同偏振方向的光具有不同的衍射性能。用于制造本文公开的偏振敏感光栅的双折射材料的示例可以包括双折射聚合物(例如，某些PEN或PET材料)、双折射陶瓷(例如，方解石和其他单晶无机物)、包括聚合物/LCP混合物的配向型液晶聚合物(LCP)、配向型外延单晶有机分子(例如，蒽)等。

各向异性材料可以包括，例如单轴双折射材料或双轴双折射材料。单轴双折射材料可以包括一个光轴，而双轴双折射材料可以具有两个光轴。当光束沿光轴方向进入各向异性材料中时，其在各向异性材料中的速度可以不取决于光束的偏振方向。因此，具有不同偏振方向的光可以在光轴方向上以单一速度穿过各向异性材料。当光束在与光轴方向不同的方向上进入各向异性材料中时，它可能经受双折射，并且可以被衍射成两个光线。两个光线可以具有正交的振动或偏振方向，并且可以在不同速度下行进。两个光线之一(称为寻常光线或o光线)可以遵守正常衍射定律(例如，斯涅尔定律)，并且可以在穿过各向异性材料的每个方向上以相同速度(例如，c/n_o)行进。另一个光线(称为异常光线或e光线)可以以可以取决于光束在晶体内的传播方向的速度行进。当光束在垂直于光轴的方向上进入各向异性材料中时，它可能被分开成寻常光线和异常光线，它们可以采取相同的路径但可以具有不同的传播速度，并且在穿过各向异性材料之后它们之间出现光学相移。

图9A示出了单轴双折射材料的指示量900的示例。指示量900示出了在单轴双折射材料中传播并且具有不同振动方向的光的折射率。单轴双折射材料可以具有一个光轴910。因此，单轴双折射材料可以针对沿光轴偏振的光(例如，e光线)具有一个折射率(n_e)，对于沿垂直于光轴910的方向偏振的光(例如，o光线)具有另一个折射率(n_o)。在指示量900中，椭圆体上的每个点与从椭圆体的中心到该点的矢量相关联，其中矢量的长度与在矢量方向上振动的光的折射率成正比。

如单轴双折射材料的指示量900中所示，单轴双折射材料的c轴也是光轴。在光轴910的方向上振动的e光线可以经受单轴双折射材料中的折射率n_e。在垂直于c轴的方向(例如，平行于x-y平面)振动的光可以是o光线，并且可以收到单轴双折射材料中的折射率n_o。因此，针对在垂直于c轴的方向上振动的光的矢量可以形成半径为n_o的圆920，这可以称为单轴指示量的圆截面。

沿c轴行进的光可以具有垂直于c轴或平行于x-y平面的振动方向，并且因而可以经受折射率n_o。在垂直于光轴910或平行于x-y平面的方向上行进的光可以具有沿光轴910的振动方向、垂直于光轴910的振动方向或可以包括沿光轴910的分量和垂直于光轴910的分量的振动方向。因此，在垂直于光轴910的方向(诸如方向902)上传播的光可以在垂直于方向902的方向(诸如方向904)上振动，并且可以被分成在彼此垂直的方向上振动的两个光线。两个光线之一(例如，e光线)在平行于光轴910的方向上振动，并且因此可以经受折射率n_e，另一个光线(例如，o光线)可以在垂直于光轴910的方向906上振动，并且因此可以经受折射率n_o。因此，在方向902上传播的光可以具有由垂直切割指示量900的椭圆形930(称为主截面)上的点932所示的折射率。在倾斜于光轴910的方向上传播的光可以在平行于指示量900的随机截面(例如，椭圆形940)的方向上振动，并且也可以被分成两个光线，一个在平行于该随机截面并且垂直于光轴910的方向(例如，在y方向上并且因而经受折射率n_o)上振动，一个在平行于该随机截面的另一个方向(例如，方向942)上振动。

图9B示出了双轴双折射材料的指示量905的示例。指示量905示出了在双轴双折射材料中传播并且具有不同振动方向的光的折射率。指示量905表面上的每个点与从指示量905的中心到该点的矢量相关联，其中矢量的长度与在矢量方向上振动的光的折射率成正比。指示量905可以包括三个主截面：x-z、y-z和x-y平面。x-y截面可以是具有轴n₁和n₂的椭圆形，x-z截面可以是具有轴n₁和n₃的椭圆形，并且y-z截面可以是具有轴n₂和n₃的椭圆形。指示量905可以具有具有半径n₂的两个圆形截面916和918。通过指示量905的其他截面可以是椭圆形。

双轴双折射材料可以包括两个光轴912和914。光轴912可以垂直于圆形截面916，并且因而沿光轴912传播的光可以在平行于圆形截面916的方向上振动，并且可以经受相同的折射率n₂。类似地，光轴914可以垂直于圆形截面918，并且因而沿光轴914传播的光可以在平行于圆形截面918的方向上振动，并且可以经受相同的折射率n₂。

图10A示出了根据特定实施例的包括单轴双折射材料的光栅1000的示例对p偏振波的衍射。如上所述，单轴双折射材料可以包括例如双折射聚合物(例如，特定PEN或PET材料)、双折射陶瓷、包括聚合物/LCP混合物的配向型液晶聚合物(LCP)、配向型外延单晶有机分子等。单轴双折射材料可以具有大于约0.05-0.1、大于约0.15、大于约0.2或大于约0.5的双折射率。在图10A中所示的一个示例中，单轴双折射材料可以包括单轴双折射聚合物，例如特定的PEN或PET聚合物。光栅1000可以是包括沿y方向布置的多个脊1010的一维表面起伏光栅，其中每个脊1010可以沿x方向延伸。光栅1000的间距可以大于光栅1000中入射光的波长。光栅1000可以被涂覆有外涂层1020，外涂层1020可以包括光学各向同性材料，使得光栅1000的槽可以填充有光学各向同性材料。光学各向同性材料可以包括，例如各向同性聚合物。

在图10A所示的示例中，光栅1000中的单轴双折射聚合物可以具有x-y平面中，诸如在y方向上的光轴1030。因此，在单轴双折射聚合物中在垂直于光轴1030的方向上传播的p偏振光可以在y方向上(例如，沿光轴1030)振动，并且因而可以经受第一折射率，例如n_e(当光轴1030在y方向上时)或在单轴双折射聚合物的n_o和n_e之间(当光轴1030不在y方向上时)。这样一来，在z方向上传播的p偏振光可以在光栅区域中体验到不同的折射率，例如在光栅脊中为第一折射率，并且在光栅槽中为约1.0。当外涂层1020被涂覆于光栅1000上并且具有与第一折射率不同的折射率时，入射在光栅1000上的p偏振光可以在x方向上经受相同的折射率，但在y方向上经受不同的折射率，并且因而也可以在光栅区域中体验到不同的折射率。例如，p偏振光可以在光栅脊中体验到第一折射率，并且在光栅槽中体验到不同的折射率。因此，无论有或没有外涂层1020，p偏振光都可以根据该光栅区域(其中没有外涂层1020，折射率差异可能更高)中的矩形波折射率轮廓体验折射率，并且因而可以在相对于光栅1000的表面法线方向不同的方向上被光栅1000衍射为例如-1级、0级(未衍射或折射)或+1级中，如图10A所示。

图10B示出了根据特定实施例的包括单轴双折射材料的光栅1000对s偏振波的衍射。如上文相对于图10A所述的，光栅1000中的单轴双折射聚合物可以具有x-y平面中，诸如在y方向上的光轴1030。因此，在单轴双折射聚合物中在垂直于光轴1030的方向上传播的s偏振光可以在x方向上(例如，垂直于光轴1030)振动，并且因而可以经受第二折射率，例如n_o(当光轴1030在y方向上时)或在单轴双折射聚合物的n_o和n_e之间(当光轴1030不在y方向上时)。这样一来，在光栅1000上没有外涂层1020的情况下，s偏振光可以在该光栅区域中体验到不同的折射率，例如在光栅脊中为第一折射率，并且在光栅槽中为约1.0。当外涂层1020被涂覆于光栅1000上并且具有接近第二折射率的折射率时，入射在光栅1000上的s偏振光可以在光栅脊和槽中在x方向上经受相同或相似的折射率，并且在y方向上经受相同或相似的折射率，并且因而可以通过光栅1000透射并且可以不被光栅1000衍射，如图10B所示。通过这种方式，光栅1000可以选择性地衍射p偏振光并透射s偏振光。

图10C示出了根据特定实施例的包括单轴双折射材料的光栅1005的示例对s偏振波的衍射。如上所述，单轴双折射材料可以包括例如双折射聚合物、双折射陶瓷、包括聚合物/LCP混合物的配向型液晶聚合物(LCP)、配向型外延单晶有机分子等。单轴双折射材料可以具有大于约0.05-0.1、大于约0.15、大于约0.2或大于约0.5的双折射率。在图10C中所示的实施例中，单轴双折射材料可以包括单轴双折射聚合物，例如特定的PEN或PET聚合物。光栅1005可以是包括沿y方向布置的多个脊1040的一维表面起伏光栅，其中每个脊1040可以沿x方向延伸，如在光栅1000中那样。光栅1005的间距可以大于光栅1005中入射光的波长。光栅1005也可以被涂覆有外涂层1050，外涂层1050可以包括光学各向同性材料，使得光栅1005的槽可以填充有光学各向同性材料。光学各向同性材料可以包括，例如各向同性聚合物。

与光栅1000中不同，图10C中所示的光栅1005中的单轴双折射聚合物可以具有例如在x-y平面中大致在x方向上的光轴1060。因此，在单轴双折射聚合物中在垂直于光轴1060的方向上传播的s偏振光可以在x方向上(例如，沿光轴1060)振动，并且因而可以经受第一折射率，例如n_e(当光轴1060在x方向上时)或在单轴双折射聚合物的n_o和n_e之间(当光轴1060不在x方向上时)。这样一来，当外涂层1050具有与第一折射率不同的折射率时，入射在光栅1005上的s偏振光可以在x方向上经受相同的折射率，但在y方向上经受不同的折射率，例如根据矩形波折射率轮廓的折射率，并且因而可以在相对于光栅1005表面法线方向的不同方向上被光栅1005衍射为例如-1级、0级或+1级中，如图10C中所示。

图10D示出了根据特定实施例的包括单轴双折射材料的光栅1005对p偏振波的衍射。如上文相对于图10C所述，光栅1005中的单轴双折射聚合物可以具有x-y平面中，诸如大致在x方向上的光轴1060。因此，在单轴双折射聚合物中在垂直于光轴1060的方向上传播的p偏振光可以在y方向上(例如，垂直于光轴1060)振动，并且因而可以经受第二折射率，例如n_o(当光轴1060在x方向上时)或在单轴双折射聚合物的n_o和n_e之间(当光轴1060不在x方向上时)。这样一来，当外涂层1060具有接近第二折射率的折射率时，p偏振光可以在x方向上经受相同或相似的折射率并且在y方向上经受相同或相似的折射率，并且因而可以通过光栅1005透射并且可以不被光栅1005衍射，如图10D所示。通过这种方式，光栅1005可以选择性地衍射s偏振光并透射p偏振光。

图11A示出了根据特定实施例的包括双折射材料并且被用作波导显示器1100的输入耦合器的表面起伏光栅1120的示例。表面起伏光栅1120可以包括沿x方向布置的多个脊，其中每个脊可以沿y方向延伸并且可以包括斜的脊或闪耀表面。表面起伏光栅1120的间距可以大于表面起伏光栅1120中入射光的波长。表面起伏光栅1120可以形成于波导层1110上，波导层1110可以包括基板或其上沉积有双折射材料层的基板。

在图11A中所示的示例中，表面起伏光栅1120可以类似于光栅1000，并且可以用单轴双折射材料制作，单轴双折射材料诸如是双折射聚合物(例如，特定PEN或PET聚合物)，其可以具有x方向上的光轴1112。因此，像光栅1000那样，表面起伏光栅1120可以选择性地以特定衍射角衍射p偏振光，使得衍射光可以通过全内反射在波导层1110内传播，如上文相对于例如图4所述的。如果输入光束包括任何s偏振光，则s偏振光可以通过表面起伏光栅1120和波导层1110透射，而衍射很小或没有衍射。因此，如果来自光源的输入光束大部分包括p偏振光，则来自该光源的光束可以被更有效率地耦合进波导层1110。

图11B示出了根据特定实施例的包括双折射材料并且被用作波导显示器1105的耦合器的表面起伏光栅的示例。表面起伏光栅可以包括形成于波导层1130上的输入光栅1140和一个或多个输出光栅1150，波导层1130可以包括基板或其上沉积有双折射材料层的基板。输出光栅1150和输入光栅1140可以在波导层1130的相同侧上，或者可以在波导层1130的相对侧上。输入光栅1140和输出光栅1150中的表面起伏光栅中的每个可以包括沿x方向布置的多个脊，其中每个脊可以沿y方向延伸并且可以包括斜的脊或闪耀表面。输入光栅1140或输出光栅1150的间距可以大于输入光栅1140中入射光的波长。

在图11B中所示的示例中，输入光栅1140可以类似于表面起伏光栅1120，并且可以用单轴双折射材料制造，单轴双折射材料诸如是双折射聚合物(例如，特定PEN或PET聚合物)，其可以具有x方向上的光轴1132。因此，像表面起伏光栅1120那样，输入光栅1140可以选择性地以特定衍射角衍射p偏振光，使得衍射光可以通过全内反射在波导层1130内传播，如上文相对于例如图4所述的。如果输入光束包括任何s偏振光，则s偏振光可以通过表面起伏光栅1120和波导层1110透射，而衍射很小或没有衍射。因此，如果来自光源的输入光束大部分包括p偏振光，则来自该光源的光束可以被更有效率地耦合进波导层1110。

类似于输入光栅1140，输出光栅1150可以用单轴双折射材料制作，单轴双折射材料诸如是双折射聚合物(例如，特定PEN或PET材料)，其可以具有x方向上的光轴1132。因此，像输入光栅1140那样，输出光栅1150可以选择性地以特定角度将波导层1130内传播的p偏振光衍射出波导层1130，如上文相对于例如图4所述的。如果波导层1130内传播的光包括任何s偏振光，则s偏振光可以由于全内反射而继续在波导层1130内传播，并且可以不被输出光栅1150衍射。因此，如果来自光源的输入光束大部分包括p偏振光，则来自该光源的光束可以被输入光栅1140更有效率地耦合到波导层1130中，并且被一个或多个输出光栅1150在一个或多个位置处更有效率地耦合耦合出波导层1130。

尽管在图11A和图11B中将表面起伏光栅1120、输入光栅1140和输出光栅1150示出为透射式光栅，但表面起伏光栅1120、输入光栅1140和输出光栅1150中的任一个或全部可以是反射式光栅。例如，输入光栅1140可以在波导层1130的底表面上，并且可以从波导层1130的顶表面反射式衍射入射在波导层1130上的光。类似地，输出光栅1150可以在波导层1130的顶表面上，并且可以将在波导层1130的顶表面处入射在输出光栅1150上的光反射式衍射朝向波导层1130的底表面并且反射式衍射出波导层1130。在一些实施例中，表面起伏光栅1120、输入光栅1140和输出光栅1150可以包括与形成光栅脊和槽的表面相对的反射表面。

如上所述，输入光栅(例如，输入光栅1120或1140)可以主要衍射一种偏振态的光(例如，p偏振光)，其中衍射光可以由波导层(例如，波导层1110或1130)引导，而正交偏振光可以大部分被输入光栅透射而不被衍射，并且因而可以通过波导层透射。在一些实施例中，可以在波导层的与输入光栅相对的表面上，例如在输入光栅1120或1140下方，涂覆偏振选择性反射层(图11A和图11B中未示出)。偏振选择性反射层可以将正交偏振光反射回输入耦合器或进入波导层中。在一些实施例中，偏振选择性反射层还可以包括能够旋转光偏振态的偏振旋转器(例如，四分之一波片)。

在一些实施例中，偏振选择性反射层可以包括第二输入耦合器(图11A和图11B中未示出)。第二输入耦合器可以形成于波导层的相对于输入耦合器(例如，输入耦合器1120或1140)相对的表面(例如，底表面)上。第二输入耦合器可以是反射式光栅，并且因而可以将通过波导层的正交偏振光作为引导波反射式衍射回到波导层中。因此，波导层相对侧上的输入耦合器可以用于将偏振或非偏振光更有效率地耦合进波导层，或者可以如上所述用于例如将用于不同视场的或在不同波长范围中的光耦合进波导层。

图12A是根据特定实施例的包括双折射聚合物的表面起伏光栅1210的示例的原子力显微镜(AFM)图像。表面起伏光栅1210可以包括多个光栅脊1212和光栅槽1214。光栅脊1212可以在诸如特定PEN或PET材料层的双折射聚合物材料层中进行蚀刻。例如，一些PEN材料可以具有约1.5和约1.7之间的寻常光线折射率n_o，以及约1.7和约2.0之间的异常光线折射率n_e。双折射聚合物材料层的光轴可以平行于光栅脊1212，并且因而表面起伏光栅1210可以像图10C中所示的光栅1005那样优先衍射s偏振光。光栅槽1214可以填充或不填充有折射率匹配材料，诸如具有与双折射聚合物材料层的n_o匹配的折射率的各向同性聚合物。

图12B示出了根据特定实施例的图12A中所示的表面起伏光栅1210的测量的偏振对比度。图12B中所示的偏振对比度可以是在-1级中衍射的s偏振光的量与在-1级中衍射的p偏振光的量的比率。在图12B中，横坐标示出了入射光束的波长，纵坐标示出了入射在表面起伏光栅1210上的光束的入射角，并且针对光束的对应的波长和入射角通过颜色示出了偏振对比度的对数。对于图12A中所示的表面起伏光栅1210而言，在入射光束具有约63°的入射角和约668nm的波长时，测量到最高偏振对比度。

图12C示出了根据特定实施例的图12A中所示的表面起伏光栅1210的测量的偏振对比度。图12C中所示的偏振对比度可以是在-1级中衍射的s偏振光的量与在-1级中衍射的p偏振光的量的比率。图12C中的横坐标示出了入射光束的波长，纵坐标示出了入射在表面起伏光栅1210上的光束的入射角，并且针对光束的对应的波长和入射角通过颜色示出了偏振对比度的对数。

图13A示出了根据特定实施例的包括双轴双折射材料的光栅1300的示例对p偏振波的衍射。双轴双折射材料可以包括例如双折射聚合物(例如，一些PEN或PET材料)、双折射陶瓷、包括聚合物/LCP混合物的配向型LCP、配向型外延单晶有机分子等。双轴双折射材料可以具有大于约0.05-0.1、大于约0.15、大于约0.2或大于约0.5的双折射率。在图13A中所示的示例中，双轴双折射材料可以包括双轴双折射聚合物，例如特定的PEN或PET材料。光栅1300可以是包括沿y方向布置的多个脊1310的一维表面起伏光栅，其中每个脊1310可以沿x方向延伸。光栅1300的间距可以大于光栅1300中入射光的波长。光栅1300可以被涂覆或不被涂覆有折射率匹配的各向同性材料(例如，各向同性聚合物)，以用折射率匹配的各向同性材料填充光栅1300的槽。

在图13A中所示的示例中，光栅1300中双轴双折射聚合物的光轴可以在x-y平面中，例如，在x方向、y方向上或在x与y方向之间。双轴双折射聚合物中在垂直于光轴1320的方向(例如，z方向)上传播的p偏振光可以在y方向上(例如，沿光轴1320)振动。因此，入射光的电场可以在平行于光轴1320的方向(或者，双折射聚合物的异常折射率n_e的方向)上。如以下的模拟结果所示的，p偏振光可以被光栅1300透射(例如，折射)，而很少或不被光栅1300衍射，如图13A所示。

图13B示出了根据特定实施例的包括双轴双折射材料的光栅1300对s偏振波的衍射。如上文相对于图13A所述的，光栅1300中的双轴双折射聚合物可以具有x-y平面中，例如y方向上的光轴1320。因此，双轴双折射聚合物中在垂直于光轴1320的方向上传播的s偏振光可以在x方向上(例如，垂直于光轴1320)振动。因此，入射光的电场可以在垂直于光轴1320的方向(或者，双折射聚合物的异常折射率n_e的方向)上。如以下模拟结果所示的，s偏振光可以在相对于光栅1300的表面法线方向的不同方向上被光栅1300衍射为例如-1级、0级或+1级，如图11B所示。通过这种方式，光栅1300可以选择性地衍射s偏振光并透射p偏振光。

图13C示出了根据特定实施例的包括双轴双折射材料的光栅1305的示例对s偏振波的衍射。双轴双折射材料可以包括例如双折射聚合物(例如，特定PEN或PET材料)、双折射陶瓷、包括聚合物/LCP混合物的配向型LCP、配向型外延单晶有机分子等。双轴双折射材料可以具有大于约0.05-0.1、大于约0.15、大于约0.2或大于约0.5的双折射率。在图13C中所示的示例中，双轴双折射材料可以包括诸如特定的PEN或PET材料的双轴双折射聚合物。光栅1305可以是包括沿y方向布置的多个脊1310的一维表面起伏光栅，其中每个脊1310可以沿x方向延伸。光栅1305的间距可以大于光栅1305中入射光的波长。光栅1305可以被涂覆或不被涂覆有折射率匹配的各向同性材料(例如，各向同性聚合物)以用折射率匹配的各向同性材料填充光栅1305的槽。

在图13C中所示的示例中，光栅1305中的双轴双折射聚合物的光轴可以在x-y平面中。例如，双轴双折射聚合物的光轴1340可以在y方向上。双轴双折射聚合物中在垂直于光轴1340的方向(例如，z方向)上传播的s偏振光可以在x方向上(例如，沿光轴1340)振动。因此，入射光的电场可以在平行于光轴1340的方向(或者，双折射聚合物的异常折射率n_e的方向)上。如以下模拟结果所示的，s偏振光可以在相对于光栅1305的表面法线方向的不同方向上被光栅1305衍射为例如-1级、0级或+1级，如图13C所示。

图13D示出了根据特定实施例的包括双轴双折射材料的光栅1305对p偏振波的衍射。如上文相对于图13C所述，光栅1305中的双轴双折射聚合物可以具有x-y平面中，例如x方向上的光轴1340。因此，双轴双折射聚合物中在垂直于光轴1340的方向上传播的p偏振光可以在y方向上(例如，垂直于光轴1340)振动。因此，入射光的电场可以在垂直于光轴1340的方向(或者，双折射聚合物的异常折射率n_e的方向)上。如以下的模拟结果所示的，p偏振光可以被光栅1305透射(例如，折射)，而很少或不被衍射，如图13D所示。通过这种方式，光栅1305也可以选择性地衍射s偏振光并透射p偏振光。

图14A示出了根据特定实施例的包括双轴双折射材料并且没有折射率匹配外涂层的表面起伏光栅1400的示例。表面起伏光栅1400可以包括多个脊1402和多个槽1404。多个脊1402可以包括双轴双折射材料，诸如，例如特定PEN或PET材料。槽1404可以是未填充有折射率匹配材料的空气隙。

在图14A中所示的示例中，表面起伏光栅1400可以针对约620nm的目标波长在利特罗(Littrow)配置中操作，并且可以被设计为使得仅有-1级衍射可以存在。当表面起伏光栅1400在反射模式中操作时，入射角和具有最高衍射效率的衍射级的衍射角可以相同。因此，对于入射光束1406(可以是s或p偏振)而言，可以由光线1408示出0级衍射(反射)，并且可以由光线1410示出-1级衍射。当表面起伏光栅1400在透射模式中操作时，对于入射光束1406而言，可以由光线1412示出0级衍射(折射)，并且可以由光线1414示出-1级衍射。

图14B示出了根据特定实施例的在Littrow配置和透射模式中操作的图14A的表面起伏光栅1400的针对不同偏振态的入射光的模拟性能的示例。图14B示出了对于两种不同偏振态(例如，s和p偏振)的入射光的0级衍射(例如，光线1412)和-1级衍射(例如，光线1414)的强度。示意图1420示出了具有不同波长和入射角的s偏振光的-1级衍射的衍射效率，其中通过不同颜色示出了不同衍射效率。示意图1430示出了具有不同波长和入射角的s偏振光的0级衍射的衍射效率，其中通过不同颜色示出了不同衍射效率。在示意图1420和1430中，横坐标对应于入射光束1406的波长，并且纵坐标对应于入射光束1406的入射角。示意图1402和1430表明，对于s偏振光，-1级衍射可以具有比0级衍射高得多的衍射效率。

图14B中的示意图1440示出了具有不同波长和入射角的p偏振光的-1级衍射的衍射效率，其中通过不同颜色示出了不同衍射效率。示意图1450示出了具有不同波长和入射角的p偏振光的0级衍射的衍射效率，其中通过不同颜色示出了不同衍射效率。在示意图1440和1450中，横坐标对应于入射光束1406的波长，并且纵坐标对应于入射光束1406的入射角。示意图1440和1450表明，对于p偏振光，-1级衍射可以具有比0级衍射低得多的衍射效率。因此，表面起伏光栅1400对于s偏振光可以具有比p偏振光高得多的-1级衍射效率。

从示意图1420和1440可以确定s偏振光与p偏振光之间的-1级衍射的偏振对比度。例如，对于约650nm并且以约50°的入射角入射在表面起伏光栅1400上的光，偏振对比度可以大于1×10⁸。因此，表面起伏光栅1400可以是高度偏振敏感的。

图15A示出了根据特定实施例的包括双轴双折射材料和折射率匹配外涂层的表面起伏光栅1500的示例。在图15A中，示出了表面起伏光栅1500的单个光栅脊1510，其中光栅脊1510可以沿z方向延伸，具有在x-y平面中的截面。光栅脊1510可以包括具有x-z平面中的光轴1520的双轴双折射材料。光轴1520和光栅脊1510(例如，z方向)之间的角度为θ。

图15B示出了根据特定实施例的图15A的表面起伏光栅1500的针对不同偏振状态的光的模拟性能。示意图1530示出了具有不同光轴取向的表面起伏光栅1500对s偏振光的衍射效率。在示意图1530中，横坐标对应于光轴1520与光栅脊1510(例如，z方向)之间的角度θ，并且纵坐标对应于衍射效率。曲线1532表示当输入光为s偏振时，具有不同光轴取向的表面起伏光栅1500对处于0级衍射(不衍射或折射)的s偏振光的效率(或比例)。曲线1534表示当输入光为s偏振时，具有不同光轴取向的表面起伏光栅1500对处于-1级衍射的s偏振光的效率(或比例)。曲线1536表示当输入光为s偏振时，具有不同光轴取向的表面起伏光栅1500对包括-1级衍射和0级衍射的s偏振光的总效率。示意图1530表明，当光轴1520平行于光栅脊1510(例如，z方向)时，-1级衍射的衍射效率接近100％，并且当光轴1520垂直于光栅脊1510时(例如，x方向)，接近90％。

曲线图1540示出，当输入光为s偏振时，具有不同光轴取向的表面起伏光栅1500衍射处于0级、-1级的p偏振光以及总共光的效率。因此，表面起伏光栅1500的衍射造成的从s偏振光到p偏振光的偏振转换非常低。因此，当输入光是s偏振时，表面起伏光栅1500衍射的0级、-1级和总共光主要是s偏振光。对于s偏振输入光而言，处于-1级衍射的偏振对比度可能非常高。

示意图1550示出了具有不同光轴取向的表面起伏光栅1500对p偏振光的衍射效率。在示意图1550中，横坐标对应于光轴1520和光栅脊1510(例如，z方向)之间的角度θ，并且纵坐标对应于衍射效率。示意图1550示出，当输入光为p偏振时，具有不同光轴取向的表面起伏光栅1500衍射处于0级、-1级的s偏振光以及总共光的效率。因此，表面起伏光栅1500的衍射造成的从p偏振光到s偏振光的偏振转换非常低。因此，当输入光是p偏振时，表面起伏光栅1500衍射的0级、-1级和总共光主要是p偏振光。

意图1560示出了具有不同光轴取向的表面起伏光栅1500对p偏振光的衍射效率。曲线1562表示当输入光为p偏振时，具有不同光轴取向的表面起伏光栅1500对处于-1级衍射的p偏振光的效率(或比例)。曲线1562示出，表面起伏光栅1500对处于-1级衍射的p偏振光的效率接近零。曲线1564表示当输入光为p偏振时，具有不同光轴取向的表面起伏光栅1500对处于0级衍射的p偏振光的效率(或比例)。曲线1564示出，表面起伏光栅1500对处于0级衍射中的p偏振光(未衍射的p偏振光)的效率接近100％。曲线1566表示当输入光为p偏振时，具有不同光轴取向的表面起伏光栅1500对包括-1级衍射和0级衍射的p偏振光的总效率。示意图1560表明，-1级衍射的衍射效率对于-偏振入射光接近0％。

图14B和图15B示出，当在表面起伏光栅中使用双轴双折射材料并且双轴双折射材料的光轴在包括光栅矢量(例如，在x方向上)和脊1510的横向延伸方向(例如，在z方向上)的平面(例如，x-z平面)中时，针对光轴与光栅脊(例如，z方向)之间的从约-90°到约90°的角度θ，可以以高衍射效率将s偏振光(在平行于光栅脊或槽的方向上振动的光)衍射为s偏振-1衍射级。针对光轴和光栅脊(例如，z方向)之间的从约-90°到约90°的角度θ，同一表面起伏光栅对于p偏振入射光，可以具有极低(例如，接近零)的-1级衍射效率，以及极高的0级衍射(未衍射光)效率。因此，使用有或没有折射率匹配外涂层的双轴双折射材料制作的表面起伏光栅可以是偏振敏感的，并且即使光轴在包括光栅矢量并垂直于表面起伏光栅的表面法向的平面中旋转，也可以实现类似的偏振敏感衍射性能。

本发明的实施例可以用于实施人工现实系统的部件或者可以结合人工现实系统来实施。人工现实是在呈现给用户之前已经通过某种方式调节的现实形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)、混杂现实或其某种组合和/或其衍生物。人工现实内容可以包括完全被生成的内容或者被生成内容与所捕获(例如，现实世界)内容的组合。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈或其某种组合，并且其中任何内容都可以在单个通道(channel)或多个通道中(例如，向观察者生成三维效果的立体视频)呈现。此外，在一些实施例中，人工现实也可以与例如用于在人工现实中创建内容和/或以其他方式用于人工现实中(例如，在其中执行活动)的应用程序、产品、附件、服务或其某种组合相关联。提供人工现实内容的人工现实系统可以被实施在各种平台上，包括连接到主机计算机系统的头戴式显示器(HMD)、独立HMD、移动装置或计算系统、或能够向一个或多个查看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台。

图16是用于实施本文公开的一些示例的示例性近眼显示器(例如，HDM装置)的示例性电子系统1600的简化框图。电子系统1600可以用作上述的HDM装置或其他近眼显示器的电子系统。在本示例中，电子系统1600可以包括一个或多个处理器1610和存储器1620。(一个或多个)处理器1610可以被配置为执行用于在若干部件处执行操作的指令，并且例如可以是通用处理器或适于实施于便携式电子装置内的微处理器。(一个或多个)处理器1610可以与电子系统1600内的多个部件通信耦合。为了实现这种通信耦合，(一个或多个)处理器1610可以跨总线1640与其他例示的部件通信。总线1640可以是适于在电子系统1600内传输数据的任何子系统。总线1640可以包括多计算机总线和附加电路以传输数据。

存储器1620可以耦合到(一个或多个)处理器1610。在一些实施例中，存储器1620可以提供短期和长期存储，并且可以被划分成几个单元。存储器1620可以是易失性的，例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，例如只读存储器(ROM)、闪存存储器等。此外，存储器1620可以包括可移除存储装置，例如安全数字(SD)卡。存储器1620可以为电子系统1600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。在一些实施例中，存储器1620可以分布到不同硬件模块中。指令和/或代码的集合可以存储于存储器1620上。指令可以采取可以由电子系统1600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，其在电子系统1600上(例如，使用各种通用编译器、安装程序、压缩/解压实用程序等)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1620可以存储多个应用模块1622到1624，多个应用模块1622到1624可以包括任何数量的应用程序。应用程序的示例可以包括游戏应用程序、会议应用程序、视频回放应用程序或其他适当的应用程序。应用程序可以包括深度感测功能或眼睛跟踪功能。应用模块1622-4924可以包括要由(一个或多个)处理器1610执行的特定指令。在一些实施例中，特定应用程序或应用模块1622-4924的部分可以由其他硬件模块1680执行。在某些实施例中，存储器1620可以另外包括安全存储器，其可以包括另外的安全控件以防止复制安全信息或对安全信息的其他未经授权的访问。

在一些实施例中，存储器1620可以包括被装载于其中的操作系统1625。操作系统1625可以操作以发起应用模块1622-4924提供的指令的执行和/或管理其他硬件模块1680以及与无线通信子系统1630的接口，所述接口可以包括一个或多个无线收发器。操作系统1625可以适于在电子系统1600的部件之间执行其他操作，包括线程、资源管理、数据存储控制和其他类似功能。

无线通信子系统1630可以包括例如红外通信装置、无线通信装置和/或芯片组(例如，

装置、IEEE 802.11装置、Wi-Fi装置、WiMax装置、蜂窝通信设施等)和/或类似通信接口。电子系统1600可以包括用于无线通信的一个或多个天线1634作为无线通信子系统1630的一部分，或者作为耦合到该系统任何部分的独立部件。根据期望的功能，无线通信子系统1630可以包括独立收发器，以与收发器基站和其他无线装置和接入点通信，这可以包括与不同数据网络和/或网络类型通信，例如无线广域网(WWAN)、无线局域网(WLAN)或无线个人区域网(WPAN)。WWAN例如可以是WiMax(IEEE 802.16)网络。WLAN例如可以是WiMax(IEEE 802.11x)网络。WPAN例如可以是蓝牙网络、IEEE 802.15x或某种其他类型的网络。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1630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装置交换数据。无线通信子系统1630可以包括用于使用(一个或多个)天线1634和(一个或多个)无线链路1632发射或接收数据的工具，所述数据例如是HDM装置的标识符、位置数据、地理地图、热地图、照片或视频。无线通信子系统1630、(一个或多个)处理器1610和存储器1620可以一起包括用于执行本文公开的一些功能的工具中一个或多个的至少一部分。

电子系统1600的实施例还可以包括一个或多个传感器1690。(一个或多个)传感器1690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、接近传感器、磁强计、陀螺仪、惯性传感器(例如，组合了加速度计和陀螺仪的模块)、环境光传感器或可操作以提供传感输出和/或接收传感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，(一个或多个)传感器1690可以包括一个或多个惯性测量单元(IMU)和/或一个或多个位置传感器。IMU可以基于从一个或多个位置传感器接收的测量信号生成校准数据，校准数据指示HDM装置相对于HDM装置的初始位置的估计位置。位置传感器可以响应于HDM装置的运动而生成一个或多个测量信号。位置传感器的示例可以包括，但不限于一个或多个加速度计、一个或多个陀螺仪、一个或多个磁强计、检测运动的另一种适当类型的传感器、用于IMU的错误校正的一种传感器或其某种组合。位置传感器可以定位于IMU外部、IMU内部或其任何组合。至少一些传感器可以使用结构化光图案进行感测。

电子系统1600可以包括显示器模块1660。显示器模块1660可以是近眼显示器，并且可以以图形方式从电子系统1600向用户呈现信息，例如图像、视频和各种指令。此类信息可以从一个或多个应用模块1622-4924、虚拟现实引擎1626、一个或多个其他硬件模块1680、其组合、或用于(例如，通过操作系统1625)为用户解析图形内容的任何其他适当的模块导出。显示器模块1660可以使用液晶显示器(LCD)技术、发光二极管(LED)技术(包括，例如OLED、ILED、LED、AMOLED、TOLED等)、发光聚合物显示器(LPD)技术或某种其他显示技术。

电子系统1600可以包括用户输入/输出模块1670。用户输入/输出模块1670可以允许用户向电子系统1600发送动作请求。动作请求可以是执行具体动作的请求。例如，动作请求可以是启动或结束应用程序或者在应用程序内执行具体动作。用户输入/输出模块1670可以包括一个或多个输入装置。示例性输入装置可以包括触摸屏、触摸板、(一个或多个)麦克风、(一个或多个)按钮、(一个或多个)拨号盘、(一个或多个)开关、键盘、鼠标、游戏控制器或用于接收动作请求并将所接收的动作请求传送到电子系统1600的任何其他适当的装置。在一些实施例中，用户输入/输出模块1670可以根据从电子系统1600接收的指令向用户提供触觉反馈。例如，可以在接收到或已经执行动作请求时提供触觉反馈。

电子系统1600可以包括相机1650，相机1650可以用于拍摄用户的照片或视频，例如，以用于跟踪用户眼睛的位置。相机1650还可以用于拍摄环境的照片或视频，例如，以用于VR、AR或MR应用。相机1650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)图象传感器。在一些实施方式中，相机1650可以包括可以用于捕获3D图像的两个或更多个相机。

在一些实施例中，电子系统1600可以包括多个其它硬件模块1680。其他硬件模块1680中的每个可以是电子系统1600内的物理模块。尽管其他硬件模块1680中的每个可以被永久配置为结构，但其他硬件模块1680中的一些可以被暂时配置以执行特定功能或者被暂时激活。其他硬件模块1680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1680的一个或多个功能可以在软件中实施。

在一些实施例中，电子系统1600的存储器1620还可以存储虚拟现实引擎1626。虚拟现实引擎1626可以执行电子系统1600内的应用程序并且从各种传感器接收HDM装置的位置信息、加速度信息、速度信息、预测的将来位置或其某种组合。在一些实施例中，虚拟现实引擎1626接收的信息可以用于生成给显示器模块1660的信号(例如，显示指令)。例如，如果所接收的信息指示用户曾向左看，虚拟现实引擎1626可以为HDM装置生成在虚拟环境中反映出用户的移动的内容。此外，虚拟现实引擎1626可以响应于从用户输入/输出模块1670接收的动作请求在应用程序内执行动作，并向用户提供反馈。所提供的反馈可以是视觉、听觉或触觉反馈。在一些实施方式中，(一个或多个)处理器1610可以包括可以执行虚拟现实引擎1626的一个或多个GPU。

在各种实施方式中，上述硬件和模块可以实施于单个装置上或能够使用有线或无线连接彼此通信的多个装置上。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1626和应用程序(例如，跟踪应用程序)可以实施于独立于头戴式显示器装置的控制台上。在一些实施方式中，一个控制台可以连接到或支持超过一个HMD。

在替代配置中，不同的和/或附加的部件可以被包括在电子系统1600中。类似地，所述部件中的一个或多个的功能可以通过与上述方式不同的方式分布于部件之间。例如，在一些实施例中，可以修改电子系统1600以包括其他系统环境，例如AR系统环境和/或MR环境。

上文论述的方法、系统和装置为示例。各种实施例可以适当省略、替换或者增加各种过程或部件。例如，在替代配置中，可以以不同于描述的次序执行描述的方法，并且/或者可以增加、省略和/或组合各个阶段。而且，可以在各种其他实施例中组合相对于特定实施例所述的特征。可以以类似方式组合实施例的不同方面和要素。而且，技术在演进中，并且因此，很多要素都是示例，并不将公开的范围限制到那些具体示例。

在说明书中给出了具体细节，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践这些实施例。例如，对公知的电路、过程、系统、结构和技术的图示可能去掉了不必要的细节，以避免使实施例模糊不清。本说明书仅提供示例性实施例，并非意图限制本发明的范围、适用性或配置。相反，前面对实施例的描述将为本领域的技术人员提供使其能够实施各种实施例的描述。可以做出元件的布置和功能上的各种改变，而不脱离本公开的精神和范围。

而且，一些实施例被描述为被绘示为流程图或框图的过程。尽管每者可以将操作描述为顺序的过程，但是该操作中的多个操作可并行执行或同时执行。此外，操作的顺序可以被重新布置。过程可以具有图中未包括的另外的步骤。此外，方法的实施例可以通过硬件、软件、固件、中间件、微码、硬件描述语言或其组合实施。当在软件、固件、中间件或微码中被实施时，可以在诸如存储介质的计算机可读介质中存储用以执行关联任务的程序代码或代码段。处理器可以执行关联任务。

对于本领域技术人员将显而易见的是，可以根据具体要求作出显著的变化。例如，也可以使用定制或专用硬件，和/或可以在硬件、软件(包括可移植软件，例如小程序等)或两者中实施具体要素。此外，可以采用通往其他计算装置，例如网络输入/输出装置的连接。

参考附图，能够包括存储器的部件可以包括非暂态机器可读介质。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工作的数据的任何存储介质。在上文提供的实施例中，在向处理单元和/或(一个或多个)其他装置提供指令/代码加以执行时可能涉及到各种机器可读介质。另外或替代地，可以使用机器可读介质存储和/或承载这样的指令/代码。在很多实施方式中，计算机可读介质是物理和/或有形存储介质。这样的介质可以采取很多形式，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例如包括磁性和/或光学介质，诸如紧凑盘(CD)或数字多用盘(DVD)、穿孔卡、纸带、具有小孔图案的任何其他物理介质、RAM、可编程只读存储器(PROM)、可擦可编程只读存储器(EPROM)、FLASH-EPROM、任何其他存储器芯片或卡座、本文后面所述的载波，或计算机能够从其读取指令和/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，其可以表示流程、功能、子程序、程序、例程、应用程序(App)、子例程、模块、软件封装、类，或指令、数据结构或程序语句的任何组合。

本领域的技术人员将认识到，可以使用各种不同技术中的任一种来表示用于传送本文描述的消息的信息和信号。例如，在整个上文描述中提到的数据、指令、命令、信息、信号、位、符号和芯片可以由电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子或其任何组合来表示。

如本文所使用的术语“和”和“或”可以包括也被期望至少部分取决于使用此类术语的语境的各种各样的含义。典型地，如果使用“或”来关联列表，例如A、B或C，则旨在意味着A、B和C(这里用于包含性意义)，以及A、B或C(这里用于排他性意义)。此外，本文中使用的术语“一个或多个”可以用于描述任何单数的特征、结构或特性，和/或可以用于描述复数的特征、结构或特性的组合。不过，应当指出，这仅仅是例示性示例，并且要求保护的主题不限于本示例。此外，如果使用术语“至少一个”来关联列表，例如，A、B或C，可以被理解为表示A、B和/或C的任何组合，例如A、AB、AC、BC、AA、ABC、AAB、AABBCCC等。

此外，尽管已经使用硬件和软件的具体组合描述了特定实施例，但应当认识到，硬件和软件的其他组合也是可能的。特定实施例可以仅在硬件中、或仅在软件中、或使用其组合实施。在一个示例中，软件可以用计算机程序产品来实施，该计算机程序产品包含可以由一个或多个处理器执行以执行本公开描述的任何或全部步骤、操作或过程的计算机程序代码或指令，其中计算机程序可以存储于非暂态计算机可读介质上。本文描述的各种过程可以以任何组合方式在相同处理器或不同处理器上实施。

在装置、系统、部件或模块被描述为配置为执行特定操作或功能时，可以通过以下来实现此类配置，例如，可以通过设计电子电路来执行操作、通过对可编程电子电路(例如，微处理器)编程以诸如通过执行计算机指令或代码来执行操作、或被编程以执行存储于非暂态存储介质上的代码或指令的处理器或核心、或其任何组合。过程可使用多种技术进行通信，这些技术包括但不限于用于过程间通信的常规技术，并且不同的过程对可以使用不同的技术，或相同的过程对可以在不同时间使用不同的技术。

因此，说明书和附图应被视为是例示性的而非限制性的。然而，应明白，可以对其做出增添、减除、删除和其他修改和改变而不脱离权利要求中阐述的更宽实质和范围。因此，尽管已经介绍了具体实施例，但这些实施例并非旨在进行限制。各种修改方式和等价方式在以下权利要求书的范围内。

Claims (15)

1.一种波导显示器，包括：

基板，所述基板对于可见光或近红外光中的至少一个透明；以及

所述基板上的光栅，其中：

所述光栅包括脊，所述脊使用双折射材料形成，并且所述脊被配置为将处于第一偏振态的入射光选择性地耦合进或出所述基板；并且

所述脊中的所述双折射材料的特征在于平行于包括所述光栅的光栅矢量的平面的光轴。

2.根据权利要求1所述的波导显示器，其中所述双折射材料的特征在于大于0.05的双折射率；

优选地，其中所述双折射材料的特征在于大于0.1的所述双折射率。

3.根据权利要求1或2所述的波导显示器，其中所述双折射材料包括双折射聚合物、双折射陶瓷、配向型液晶聚合物或配向型单晶有机物分子中的至少一种；

优选地，其中所述双折射材料包括聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)或聚对苯二甲酸乙二醇酯。

4.根据任一前述权利要求所述的波导显示器，其中所述双折射材料包括单轴双折射材料或双轴双折射材料；

优选地，其中所述平面包括所述光栅的所述光栅矢量和所述脊的横向延伸方向。

5.根据任一前述权利要求所述的波导显示器，还包括外涂层，所述外涂层的特征在于与所述双折射材料的较低折射率匹配的折射率；

优选地，其中所述光栅包括透射式光栅或反射式光栅。

6.根据任一前述权利要求所述的波导显示器，其中所述光栅被配置为以第一角度将处于所述第一偏振态的所述入射光选择性地耦合进所述基板，使得耦合进所述基板的所述入射光通过全内反射在所述基板内传播；

优选地，其中所述波导显示器还包括第二光栅，所述第二光栅被配置为将处于所述第一偏振态并且在所述基板内传播的所述入射光选择性地耦合出所述基板。

7.根据任一前述权利要求所述的波导显示器，还包括光源或偏振器，所述光源或偏振器被配置为生成处于所述第一偏振态的所述入射光；

优选地，其中所述脊中的所述双折射材料的特征在于平行于包括所述光栅的所述光栅矢量的所述平面的较高折射率轴。

8.根据任一前述权利要求所述的波导显示器，其中所述光栅包括一维光栅或二维光栅。

9.根据任一前述权利要求所述的波导显示器，还包括：

偏振选择性反射层，所述偏振选择性反射层在所述基板上并且被配置为反射处于与所述第一偏振态不同的第二偏振态的光，其中所述偏振选择性反射层和所述光栅在所述基板的相对侧上；或者

第二光栅，所述第二光栅在所述基板上并且被配置为反射式衍射处于所述第二偏振态的光，其中所述第二光栅和所述光栅在所述基板的相对侧上。

10.一种表面起伏光栅，包括：

基板；以及

使用双折射材料形成的多个脊，

其中所述多个脊中的所述双折射材料的特征在于平行于包括所述表面起伏光栅的光栅矢量的平面的光轴，使得所述表面起伏光栅被配置为将处于第一偏振态的入射光选择性地耦合进或出所述基板。

11.根据权利要求10所述的表面起伏光栅，其中所述基板包括反射表面。

12.根据权利要求10或11所述的表面起伏光栅，其中所述双折射材料包括单轴双折射材料或双轴双折射材料，所述单轴双折射材料或所述双轴双折射材料包括双折射聚合物、双折射陶瓷、配向型液晶聚合物、或配向型有机分子中的至少一种并且其特征在于大于0.1的双折射率。

13.根据权利要求10-12中任一项所述的表面起伏光栅，其中所述多个脊包括三维微结构的二维阵列；

优选地，其中所述三维微结构的二维阵列包括圆柱形柱、立方体柱、腔或棱锥中的至少一种。

14.根据权利要求10-13中任一项所述的表面起伏光栅，其中：

所述双折射材料包括单轴双折射材料；并且

所述光轴平行于处于所述第一偏振态的所述入射光的偏振方向；

优选地，其中所述多个脊的特征在于大于所述表面起伏光栅中所述入射光的波长的间距。

15.根据权利要求10-14中任一项所述的表面起伏光栅，还包括在所述多个脊上的外涂层，所述外涂层的特征在于与所述双折射材料的较低折射率匹配的折射率。

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