CN115079414A - 均匀性提高并且颜色之间的交叉耦合减少的波导显示器 - Google Patents

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Abstract

本申请涉及均匀性提高并且颜色之间的交叉耦合减少的波导显示器。一种波导显示器包括多个衍射光学元件(DOE)，该多个DOE被配置为耦入图像光、提供在两个方向上扩展的出射光瞳、以及将图像光耦出至用户。耦入DOE被配置为将图像光的全视场(FOV)分为左部分和右部分。左FOV部分和右FOV部分在中间DOE中分别在左方向和右方向上侧向地传播，中间DOE包括上部部分和下部部分。中间DOE在水平方向上提供出射光瞳扩展，同时将光耦合到耦出DOE。耦出DOE在垂直方向上提供出射光瞳扩展，并且将用于全FOV的具有扩展出射光瞳的图像光耦出。中间DOE部分被配置为使图像光转向回到波导的中心，以避免耦出DOE的部分中的暗区或条纹。

Description

均匀性提高并且颜色之间的交叉耦合减少的波导显示器
相关申请引用
本申请是国际申请号为PCT/US2018/024699、国际申请日为2018年3月28日、进入中国国家阶段日期为2019年9月29日、中国国家申请号为201880022935.6、发明名称为“均匀性提高并且颜色之间的交叉耦合减少的波导显示器”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本申请波导显示器领域。
背景技术
衍射光学元件(DOE)是具有周期性结构的光学元件，其通常用于范围从生物技术、材料处理、感测以及测试到技术光学和光学计量的应用。例如，通过将DOE并入在激光器或发射显示器的光场中，可以根据应用需求灵活控制和改变光的“形状”。
发明内容
一种波导显示器包括多个衍射光学元件(DOE)，该多个DOE被配置为在近眼光学显示系统中耦入来自成像器的入射图像光、提供在两个方向上扩展的出射光瞳、并且将图像光耦出至用户。耦入DOE被配置为将图像光的全视场(FOV)分为左部分和右部分。左FOV部分和右FOV部分在中间DOE中分别在左方向和右方向上侧向地传播，中间DOE包括上部部分和下部部分。中间DOE在第一(例如，水平)方向上提供出射光瞳扩展，同时将光耦合到耦出DOE。耦出DOE在第二(例如，垂直)方向上提供出射光瞳扩展，并且将用于全FOV的具有扩展出射光瞳的图像光从波导耦出。中间DOE部分被配置为使图像光转向回到波导的中心，以避免位于耦入DOE下方的耦出DOE的部分中的暗区或条纹。
波导显示器可以进一步被配置为在波导中将图像光选择性地向下耦合，而波导中的光分量之间没有交叉耦合，该波导包括多个波导板，以支持RGB(红色、绿色、蓝色)颜色模型。例如，耦入DOE被配置作为在每个表面上具有不同光栅矢量的两面光栅，以耦入入射图像光并且在波导中使第一衍射级的耦入图像光向下转向，而不会向下耦合在波导中渐逝的零级衍射光。由于光必须经过对于绿色波导板中的红光是渐逝的第一衍射级，所以红光不会向下耦合。这种选择性耦合减少了红色图像光在FOV的中心部分内交叉耦合到绿色波导板中。
在一个例示性实施例中，右上和左下中间DOE中的光栅矢量的方向相同或相似，以使得图像光能够朝向波导的中心散布，以减少暗区或条纹。在另一例示性实施例中，左和右中间DOE的下部部分可以组合成单面光栅或两面光栅。第一表面的光栅矢量的方向与顶部右中间DOE的光栅矢量的方向相同或相似，而相对的第二表面的光栅矢量的方向与顶部中间DOE的光栅矢量的方向相同或相似。备选地，组合光栅可以被配置作为单面或两面交叉(即，二维)光栅。
提供本发明内容以便以简化形式介绍一系列概念，这些概念下面在具体实施方式中进一步描述。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，也不旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。此外，所要求保护的主题不限于解决在本公开的任何部分中指出的任何或所有缺点的实现方式。
附图说明
图1示出了例示性近眼显示系统的框图；
图2示出了光通过全内反射(TIR)在波导中的传播；
图3示出了例示性出射光瞳扩展器的视图；
图4示出了例示性出射光瞳扩展器的视图，其中出射光瞳沿着两个方向被扩展；
图5示出了出射光瞳扩展器的例示性输入光瞳，其中通过水平、垂直或对角定向上的角度描述视场(FOV)；
图6示出了支持不同波长的光的传播的例示性波导板，该不同波长的光作为RGB(红色、绿色、蓝色)颜色模型的分量；
图7示出了密封遮阳板的绘画性前视图，该密封遮阳板可以用作头戴式显示器(HMD)设备的组件；
图8示出了密封遮阳板的部分分解图；
图9和图10示出了被配置用于耦入、出射光瞳扩展、以及耦出的衍射光学元件(DOE)的例示性布置，其提供延展视场(FOV)。
图11示出了第一例示性耦入DOE的边缘视图；
图12示出了第二例示性耦入DOE的边缘视图；
图13示出了在波导显示器的FOV内以某些角度可见的亮带和暗带的例示性描绘；
图14示出了其中中间DOE包括上部部分和下部部分的例示性布置，上部部分和下部部分便于图像光朝向波导显示器的中心散布；
图15示出了使用单面或双面耦入DOE的例示性布置，该单面或双面耦入DOE向下耦合图像光，而不会针对FOV内的某些角度向左耦合图像光；
图16示出了使用双面耦入DOE的例示性布置，其使得图像光能够向下耦合，但是在颜色分量之间没有交叉耦合；
图17示出了具有直光栅的例示性衍射光栅的一部分的轮廓；
图18示出了具有非对称光栅或倾斜光栅的例示性衍射光栅的一部分的非对称轮廓；
图19至图22示出了各种例示性二维衍射光栅；
图23示出了例示性方法；
图24是虚拟现实或混合现实HMD设备的例示性示例的绘画性视图；
图25示出了虚拟现实或混合现实HMD设备的例示性示例的框图；以及
图26示出了并入出射光瞳扩展器的例示性电子设备的框图。
在附图中，相同的附图标记指示相同的元件。除非另有说明，否则元件未按比例绘制。
具体实施方式
图1示出了例示性近眼显示系统100的框图，该例示性近眼显示系统100可以并入衍射光学元件(DOE)的组合，这些衍射光学元件提供入射光到波导中的耦入、在两个方向上的出射光瞳扩展、以及光离开波导的耦出。近眼显示系统通常用于例如工业、商业和消费者应用中的头戴式显示器(HMD)设备中。如下所述，其他设备和系统还可以使用近眼系统。近眼显示系统100是一个示例，其用于提供上下文，并且说明均匀性增加并且颜色之间的交叉耦合减少的本波导显示器的各种特征和方面。
系统100可以包括一个或多个成像器(由附图标记105代表性地指示)，一个或多个成像器与光学系统110一起工作，以作为虚拟显示器将图像递送给用户的眼睛115。例如，成像器105可以包括RGB(红色、绿色、蓝色)发光二极管(LED)、LCOS(硅上液晶)设备、OLED(有机发光二极管)阵列、MEMS(微机电系统)设备、或以透射、反射或发射操作的任何其他合适的显示器或微显示器。成像器105还可以包括镜和其他组件，这些组件使得能够构成虚拟显示器并且向光学系统提供一个或多个输入光束。光学系统110通常可以包括放大光学器件120、光瞳形成光学器件125、以及一个或多个波导130。在一些实现方式中，成像器105可以包括或并入照明单元和/或光引擎(未示出)，照明单元和/或光引擎可以被配置为提供波长和强度范围内的照明。
在近眼显示系统中，成像器并不实际上将图像照射在诸如玻璃透镜之类的表面上，以针对用户产生视觉显示。因为人眼无法聚焦于如此近的东西，所以这没有可行性。近眼显示系统100不是在表面上产生可见图像，而是使用光瞳形成光学器件125来形成光瞳，并且眼睛115充当光学链中的最后一个元件，并且将来自光瞳的光转换为眼睛的视网膜上的图像，作为虚拟显示器。
波导130便于成像器和眼睛之间的光传输。一个或多个波导可以用于近眼显示系统中，因为它们是透明的，并且因为它们通常很小且重量轻(这在诸如HMD设备之类的应用中是期望的，其中出于性能和用户舒适度原因，通常力求使尺寸和重量最小)。例如，波导130可以使得成像器105能够不挡道地被定位，例如定位在用户头部的侧面或在前额附近，仅在眼睛前面留下相对较小、轻且透明的波导光学元件。在一个实现方式中，波导130使用全内反射原理操作，如图2所示，使得光可以耦合在系统100中的各种光学元件之间。
图3示出了例示性出射光瞳扩展器(EPE)305的视图。EPE 305通过光学器件120(例如，放大和/或准直光学器件)从成像器105接收输入光束，作为入射光瞳，以产生一个或多个输出光束，该一个或多个输出光束相对于成像器的出射光瞳具有在一个或两个方向上扩展的出射光瞳(一般而言，输入可以包括可以由单独源产生的不止一个光束)。扩展的出射光瞳通常便于对虚拟显示器充分地重设尺寸，以满足给定光学系统的各种设计要求，诸如图像分辨率、视场等，同时使得成像器和相关联的组件能够相对轻且紧凑。
在该例示性示例中，EPE 305被配置为支持针对左眼和右眼两者的双目操作，这可以支持立体观看。为了阐述清楚，图3中未示出可以用于立体操作的组件，诸如扫描镜、透镜、滤光器、分束器、MEMS设备等。EPE 305利用两个耦出光栅310L和310R，它们被支撑在波导130和中心耦入光栅340上。可以使用多个DOE来配置耦入光栅和耦出光栅，如下所述。虽然EPE 305被描绘为具有平面配置，但是还可以利用其他形状，包括例如弯曲或部分球形形状，在这种情况下，设置在其上的光栅是非共面的。
如图4所示，EPE 305可以被配置为提供在两个方向上(即，沿着第一坐标轴和第二坐标轴中的每个坐标轴)扩展的出射光瞳。如所示出的，出射光瞳在垂直方向和水平方向两者上扩展。可以理解，为了便于描述，术语“左”、“右”、“方向”、“水平”和“垂直”主要用于在本文中所示出和描述的例示性示例中建立相对定向。对于其中近眼显示设备的用户是直立且面向前方的使用场景而言，这些术语可以是直观的，而对于其他使用场景而言则较不直观。所列出的术语不应解释为限制在本波导显示器中利用的近眼显示特征的配置(及其中的使用场景)的范围。通常根据FOV(例如，使用水平FOV、垂直FOV或对角FOV)来描述耦入光栅340处EPE 305的入射光瞳，如图5所示。
本波导显示器可以被布置有使用RGB(红色、绿色、蓝色)颜色模型的颜色能力。因而，可以使用三个层605，610和615来配置波导显示器，该三个层605，610和615使用分立波导板来传播红色图像光、绿色图像光和蓝色图像光中的每个图像光。在备选布置中，可以利用两个层，其中红光在一个波导板中传播，而混合的蓝光和绿光在另一波导板中传播。
现在，转到本波导显示器的各种实现细节，图7示出了遮阳板700的例示性示例，遮阳板700并入了内部近眼显示系统，该内部近眼显示系统用于用户715所穿戴的头戴式显示器(HMD)设备705中。在该示例中，遮阳板700被密封以保护内部近眼显示系统。遮阳板700通常与HMD设备的其他组件(未示出)接口连接，该其他组件诸如为头部安装/保持系统以及包括传感器、功率管理、控制器等的其他子系统，如结合图24和图25所例示性地描述的。包括卡扣、凸台、螺钉和其他紧固件等的合适接口元件(未示出)还可以并入遮阳板700中。
遮阳板700包括前透视屏和后透视屏(分别为704和706)，它们可以使用透明材料模制，以便于光学显示和周围现实世界环境的无障碍视觉。可以对前屏和后屏应用处理，诸如着色、镜像、防反射、防雾和其他涂层，并且还可以利用各种颜色和饰面。前屏和后屏附着到机架805，机架805在图8中的分解图中示出。
当在操作中以及在用于清洁等的正常处理期间使用HMD设备时，密封遮阳板700可以物理保护敏感内部组件，敏感内部组件包括近眼显示系统802(图8所示)。近眼显示系统802包括左光学显示器810和右光学显示器815，它们分别向用户的左眼和右眼提供虚拟世界图像。遮阳板700还可以保护近眼显示系统802免受环境元素的影响以及HMD设备掉落或碰撞、撞击等所造成的损坏。
如图8所示，后屏706以人体工程学合适的形式被配置，以与用户的鼻子接口连接，并且可以包括鼻垫和/或其他舒适特征(例如，作为分立组件被添加在其上和/或被模制在其中)。在一些情况下，密封遮阳板700还可以在模制屏内并入某一水平的光学屈光度曲率(即，眼睛处方)。
图9示出了具有多个DOE的例示性光学显示器900，该多个DOE可以与波导930一起使用或被并入作为波导930的一部分，以提供耦入、出射光瞳在两个方向上的扩展、以及耦出。光学显示器900可以用于被包括在近眼显示系统802(图8)中的出射光瞳扩展器中，以向用户的眼睛中的一只眼睛提供虚拟世界图像。每个DOE是包括周期性结构的光学元件，该周期性结构可以以周期性图案来调制光的各种特性，诸如光轴的方向、光路长度等。
在耦入DOE 905处，将FOV分为两部分——左部分和右部分。左部分和右部分中的每个部分都使用可以在DOE内传播而不会泄漏的FOV。然后，左部分和右部分在耦出DOE 920处光学缝合在一起，以提供延展FOV，以用于从显示器900向用户的眼睛耦出的虚拟图像。因此，在一个非限制性例示性示例中，左部分和右部分中的每个部分的对角FOV可以是30度，而光学缝合图像的延展FOV是60度。
左中间DOE 915从波导930的中心延伸到波导930的左边缘。右中间DOE 910从波导930的中心延伸到波导930的右边缘。左中间DOE和右中间DOE中的每个中间DOE在沿着第一坐标轴的第一方向上扩展出射光瞳。左中间DOE和右中间DOE两者都可以设置在波导的同一侧。在备选实现方式中，左中间DOE和右中间DOE可以设置在波导的相对侧。在某些实现方式中，左中间DOE和右中间DOE还可以重叠。如所示出的，左中间DOE 915和右中间DOE 910耦合在耦入DOE 905和单个耦出DOE 920之间的光，该单个耦出DOE 920朝向波导930的底部部分被定位在中心。耦出DOE 920在沿着第二坐标轴的第二方向上扩展出射光瞳，并且将光耦出波导、耦合到用户的眼睛。
如图10所示，部分FOV向左和向右传播(如分别由附图标记1005和1010所指示的)，并且全FOV向下传播(如由附图标记1015所指示的)。例如，耦入DOE 905在一侧可以包括将入射图像光向左和向右耦合的线性光栅特征，并且在相对侧包括向下耦合光的线性光栅特征。备选地，可以在耦入DOE 905的一个或两个表面上使用交叉(即，二维)光栅特征，以不仅向侧面而且向下耦合光。
尽管图10中所示的途径对于单个波导板而言令人满意地工作，但是当利用两个或三个波导板来支持RGB颜色模型时，颜色之间可能发生相当显著的交叉耦合，这可能降低图像质量。具体地，描述显示均匀性和MTF(调制传递函数)的参数通常是次佳的。交叉耦合的根本原因是通过耦入DOE的直接向下耦合，其中红光交叉耦合到用于绿光的波导板中，以造成MTF劣化。大部分红光(尤其是在FOV中心周围的红光)在向侧面耦合时具有渐逝衍射级，但是在向下耦合时正在传播。因而，本波导显示器被配置为避免直接向下耦合图像光。
本波导显示器可以将如图11和图12所示的光栅轮廓用于耦入DOE。图11示出了单面耦入DOE 1105的边缘视图，该单面耦入DOE1105被分成两个部分1110和1120，这两个部分具有在相反方向上倾斜的倾斜光栅特征。当将光朝着耦入DOE的侧向边缘耦合时(如由箭头1130和1135代表性地指示的，其中箭头宽度指示相对强度)，这种“分开倾斜”配置通常提供增强的耦合效率。图12示出了两面耦入DOE 1205的两侧上的分开倾斜光栅特征1210和1220。其他光栅特征可以用于备选实现方式中，以用于耦入，包括例如折射率调制的光栅、折射率切换的光栅、或偏振光栅。
因为耦入DOE被配置为避免直接向下耦合图像光，所以中间DOE被配置为使得光能够朝着波导的中心区域散布回去。否则，如图13所示，在耦入DOE 905下方的耦出DOE 920中，在没有光的地方，可能出现带状条纹和/或暗条纹(由附图标记1305指示的)。
图14示出了在波导1430上使用多个DOE的布置的波导显示器1400。可以包括一面或两面分开倾斜光栅的耦入DOE 1405被配置为将来自成像器的图像光向侧面地向左和向右耦合到相应的中间DOE。中间DOE包括两个部件或部分——与耦入DOE邻近的上部部分，和与单个耦出DOE 1420邻近的下部部分。因此，如所示出的，利用四个中间DOE——右上中间DOE 1410、右下中间DOE 1416、左上中间DOE 1415以及左下中间DOE 1414。中间DOE被配置为向图像光的FOV的左部分和右部分提供在第一方向上扩展的出射光瞳。耦出DOE 1420提供在第二方向上的出射光瞳扩展，并且将图像光跨全FOV耦出至用户的眼睛。
在该例示性示例中，左下中间DOE 1414的光栅矢量的方向与右上中间DOE 1410的光栅矢量相同或几乎相同。如箭头(由附图标记1450代表性地指示的)所示，光栅矢量的这种对准使得光能够被引导回到波导1430的中心。在备选实现方式中，左下中间DOE和右下中间DOE可以被组合并且被配置为两侧上都具有光栅特征的两面光栅。一个表面的光栅矢量的方向与右上中间DOE 1410的光栅矢量的方向相同或相似。相对表面的光栅矢量的方向与左上中间DOE 1415的光栅矢量的方向相同或相似。在另一备选实现方式中，组合的左下中间DOE和右下中间DOE可以被配置为一面或两面交叉光栅。
具有左和右、上和下中间DOE的波导显示器1400可以通过减少交叉耦合(例如，进入绿色波导板的红光)来提供提高的显示均匀性。然而，FOV内的一些角度可能在波导内会渐逝，这可能引起一些眼睛位置的暗区。虽然可以通过增加耦入DOE和耦出DOE之间的距离来实现一些改进，但由于波导板尺寸的增加，所以在一些实现方式中这可能是次佳的。例如，如图15所示，当使用单面或双面耦入DOE 1505时，因为一些FOV角度在波导1530内渐逝，入射图像光未耦合到左侧。
如图16所示，可以通过使用耦入DOE 1605来解决向左耦合的缺乏，耦入DOE 1605包括两面耦入DOE 1605的第一表面上呈平行配置的线性光栅特征、以及相对侧上的第二表面上呈人字形配置的线性光栅特征。对于耦入DOE的第一表面和第二表面，光栅矢量的方向不同。第一(例如，前)表面耦合入射图像光，而第二(例如，后)表面使第一衍射级处的耦入光向下转向，但是由于零级衍射波渐逝，它们不会向下耦合。由于光必须经过第一衍射级，所以该配置使得能够向下耦合光，而不会将红光交叉耦合到绿色波导板中，因为红光是渐逝的。
在均匀性增加并且颜色之间的交叉耦合减少的本波导显示器的DOE中使用的光栅特征可以采取各种合适的形式。例如，图17示出了在基底1705中形成的直的(即，非倾斜的)光栅特征1700(称为光栅条、光栅线、或简称为“光栅”)的轮廓。相比之下，图18示出了具有非对称轮廓的形成在基底1805中的光栅特征1800。也就是说，光栅可以相对于波导的平面倾斜(即，非正交)。在波导是非平面的实现方式中，则光栅可以相对于波导中的光传播方向倾斜。非对称光栅轮廓还可以使用闪耀光栅或小阶梯光栅来实现，其中形成凹槽以产生具有非对称三角形或锯齿形轮廓的光栅特征。在图17和图18中，光栅周期用d表示，光栅高度用h表示，条宽度用c表示，并且填充因子用f表示，其中f＝c/d。图18中的倾斜光栅可以由倾斜角α1和α2描述。
图19至图22示出了可以用于耦入DOE的一些实现方式中的各种例示性二维(2D)衍射光栅。2D光栅还可以用于向DOE(例如，耦入DOE和/或中间DOE)赋予偏振灵敏度。图19至图22中的2D光栅旨在是例示性的而非限制性的，并且设想的是，还可以利用从所示的2D光栅的变型。在一些情况下，光栅可以包括对称特征和/或非对称特征，非对称特征包括倾斜光栅(即，具有根据一个或多个预定角度与波导的平面非正交的壁的光栅)和闪耀光栅(即，具有非对称三角形或锯齿形轮廓的光栅)。根据特定实现方式的需求，还可以利用各种合适的表面起伏轮廓、填充因子、光栅周期和光栅维度。
图19示出了2D光栅1905，其包括从基底突出的四边形元件。四边形元件还可以被配置为非对称的，诸如倾斜或闪耀。非四边形的三维几何形状(对称和非对称两者)还可以用于2D光栅，包括例如柱形元件、多边形元件、椭圆形元件等。例如，图20示出了包括金字塔元件的2D光栅2005，并且图21示出了2D光栅2105，其包括在x和z方向中的每个方向上具有闪耀轮廓的元件。光栅还可以具有轮廓弯曲的元件，如图22中的例示性2D光栅2205所示。
图23是例示性方法2300的流程图。除非特别说明，否则流程图中所示和随附文本中描述的方法或步骤不限于特定顺序或序列。另外，依赖于这样的实现方式的要求，某些方法或其步骤可以同时发生或同时执行，并且并非所有的方法或步骤都必须在给定的实现方式中执行，并且可以可选地利用一些方法或步骤。
在步骤2305处，在耦入DOE处接收来自成像器的图像光，作为入射光瞳。在步骤2310处，在耦入DOE处将所接收的图像光的FOV分成左FOV部分和右FOV部分。所接收的图像光的左FOV部分和右FOV部分通过耦入DOE转向到相应的左中间DOE和右中间DOE。
在步骤2315处，耦入图像光的左FOV部分在左中间DOE中传播，使得左FOV部分的出射光瞳沿着水平轴扩展，并且光沿着垂直轴向下衍射至耦出DOE。在该步骤处，图像光的红色分量是渐逝的，因此不会在左中间DOE中沿着垂直轴传播。在步骤2320处，耦入图像光的右FOV部分在右中间DOE中传播，使得右FOV部分的出射光瞳沿着水平轴扩展，并且光沿着垂直轴向下衍射至耦出DOE。
在步骤2325处，传播图像光的左FOV部分和右FOV部分的出射光瞳在耦出DOE中沿着垂直轴扩展。在步骤2330处，从耦出DOE输出用于左FOV部分和右FOV部分的图像光。输出图像光具有沿着水平轴和垂直轴相对于入射光瞳扩展的光瞳。与传统的光学显示器相比，耦出DOE操作为将左FOV部分和右FOV部分光学缝合在一起，以提供延展的全FOV(即，具有更大的角度FOV)。
图24示出了透视的混合现实或虚拟现实HMD设备2400的一个特定例示性示例，并且图25示出了设备2400的功能框图。HMD设备2400包括一个或多个透镜2402，一个或多个透镜2402形成透视的显示子系统2404的一部分，因此可以使用透镜2402来显示图像(例如，使用到透镜2402上的投影、并入到透镜2402中的一个或多个波导系统(诸如近眼显示系统)和/或以其他任何合适的方式)。HMD设备2400进一步包括一个或多个面向外的图像传感器2406，其被配置为获取用户正在观看的背景场景和/或物理环境的图像；并且HMD设备2400可以包括一个或多个麦克风2408，其被配置为检测来自用户的诸如语音命令之类的声音。面向外的图像传感器2406可以包括一个或多个深度传感器和/或一个或多个二维图像传感器。如上所述，在备选布置中，代替并入透视的显示子系统，混合现实或虚拟现实显示系统可以通过用于面向外的图像传感器的取景器模式，来显示混合现实图像或虚拟现实图像。
HMD设备2400可以进一步包括注视检测子系统2410，如上所述，注视检测子系统2410被配置用于检测用户的每只眼睛的注视方向或焦点的方向或位置。注视检测子系统2410可以被配置为以任何合适的方式确定用户的每只眼睛的注视方向。例如，在所示的例示性示例中，注视检测子系统2410包括：一个或多个闪烁源2412，诸如红外光源，其被配置为使光闪烁从用户的每个眼球反射；以及一个或多个图像传感器2414，诸如面向内的传感器，其被配置为捕获用户的每个眼球的图像。如根据使用(多个)图像传感器2414收集的图像数据所确定的，来自用户眼球的闪烁的改变和/或用户瞳孔位置的改变可以用于确定注视方向。
另外，从用户的眼睛投射的注视线与外部显示器相交的位置可以用于确定用户正在注视的对象(例如，显示的虚拟对象和/或现实背景对象)。注视检测子系统2410可以具有任何合适数目和布置的光源和图像传感器。在一些实现方式中，可以省略注视检测子系统2410。
HMD设备2400还可以包括附加传感器。例如，HMD设备2400可以包括全球定位系统(GPS)子系统2416，以允许确定HMD设备2400的位置。这可能有助于标识可能位于用户的邻接物理环境中的现实世界对象，诸如建筑物等。
HMD设备2400可以进一步包括一个或多个运动传感器2418(例如，惯性、多轴陀螺仪或加速度传感器)，以在用户正在穿戴作为混合现实或虚拟现实HMD设备的一部分的系统时，检测用户头部的移动和位置/定向/姿势。可以将运动数据(可能与眼睛跟踪的闪烁数据和面向外的图像数据一起)用于注视检测，并且用于图像稳定，以帮助校正来自(多个)面向外的图像传感器2406的图像中的模糊。即使不能解析来自(多个)面向外的图像传感器2406的图像数据，运动数据的使用也可以允许跟踪注视位置的改变。
另外，运动传感器2418以及(多个)麦克风2408和注视检测子系统2410还可以被采用作为用户输入设备，使得用户可以经由眼睛、颈部和/或头部的姿态以及在某些情况下经由口头命令与HMD设备2400进行交互。可以理解，图24和图25中所图示的并且在随附文本中描述的传感器是出于示例的目的而被包括在内，并不旨在以任何方式进行限制，因为可以利用任何其他合适的传感器和/或传感器的组合，以满足特定实现方式的需求。例如，可以在一些实现方式中利用生物识别传感器(例如，用于检测心率和呼吸率、血压、大脑活动、体温等)或环境传感器(例如，用于检测温度、湿度、海拔、UV(紫外)光水平等)。
HMD设备2400可以进一步包括诸如一个或多个处理器之类的控制器2420，其具有通过通信子系统2426与传感器、注视检测子系统2410、显示子系统2404和/或其他组件通信的数据存储子系统2424和逻辑子系统2422。通信子系统2426还可以便于显示系统与诸如处理、存储、功率、数据和服务之类的远程定位的资源结合进行操作。也就是说，在一些实现方式中，HMD设备可以作为如下系统的一部分来进行操作：该系统可以在不同组件和子系统之间分布资源和能力。
存储子系统2424可以包括存储在其上的指令，该指令可由逻辑子系统2422执行，例如，以接收和解译来自传感器的输入，标识用户的位置和移动，使用表面重构和其他技术标识现实对象，以及基于到对象的距离使显示器调光/褪色以便使得对象能够被用户看到，以及其他任务。
HMD设备2400配置有一个或多个音频换能器2428(例如，扬声器、耳机等)，使得音频可以用作混合现实或虚拟现实体验的一部分。功率管理子系统2430可以包括一个或多个电池2432和/或保护电路模块(PCM)以及相关联的充电器接口2434和/或远程功率接口，以用于向HMD设备2400中的组件供应功率。
可以领会，出于示例的目的对HMD设备2400进行了描述，因此并不意味着限制。可以进一步理解，显示设备可以包括与所示出的那些不同的附加和/或备选的传感器、相机、麦克风、输入设备、输出设备等，而不会脱离本布置的范围。附加地，HMD设备及其各种传感器和子组件的物理配置可以采取多种不同的形式，而不会脱离本布置的范围。
如图26所示，具有均匀性增加并且颜色之间的交叉耦合减少的波导显示器的近眼显示系统可以用于移动或便携式电子设备2600中，电子设备2600诸如为移动电话、智能手机、个人数字助理(PDA)、通信器、便携式因特网装置、手持计算机、数字视频或静止相机、可穿戴计算机、计算机游戏设备、用于观看的专用带向眼睛(bring-to-the-eye)产品、或其他便携式电子设备。如所示出的，便携式设备2600包括外壳2605，以容纳通信模块2610，该通信模块2610用于从外部设备或远程系统或服务(未示出)接收信息并且向其发送信息。
便携式设备2600还可以包括图像处理器2615和虚拟显示系统2620，图像处理器2615使用一个或多个处理器来处理所接收和发送的信息，虚拟显示系统2620用于支持图像的观看。虚拟显示系统2620可以包括微显示器或成像器2625和光学引擎2630。图像处理器2615可以可操作地连接到光学引擎2630，以将诸如视频数据之类的图像数据提供给成像器2625，以在成像器2625上显示图像。EPE 2635可以光学链接到光学引擎2630。EPE可以利用波导显示器，如本文中所描述的，该波导显示器的均匀性增加并且颜色之间的交叉耦合减少。
均匀性增加并且颜色之间的交叉耦合减少的波导显示器还可以用于非便携式设备，诸如游戏设备、多媒体控制台、个人计算机、售货机、智能装置、与因特网连接的设备、以及家用电器(诸如烤箱、微波炉和其他电器)、以及其他非便携式设备。
现在，通过例示的方式而不是作为所有实施例的详尽列表，来呈现均匀性增加并且颜色之间的交叉耦合减少的本波导显示器的各种示例性实施例。一个示例包括近眼显示系统，其被配置为向近眼显示系统的用户的眼睛提供来自成像器的、具有第一轴和第二轴的视场(FOV)内的图像光，该近眼显示系统包括：光学材料的基底，其被配置作为用于在近眼显示系统中引导图像光的波导；耦入衍射光学元件(DOE)，其被设置在基底上，并且被配置为将FOV整体之上的图像光耦合到波导中；左中间DOE，其被设置在基底上，并且被光学耦合至耦入DOE，以接收FOV的左部分的图像光，其中左中间DOE被配置为沿着第一轴扩展接收的图像光；右中间DOE，其被设置在基底上，并且被光学耦合至耦入DOE，以接收FOV的右部分的图像光，其中右中间DOE被配置为沿着第一轴扩展接收的图像光；以及耦出DOE，其被设置在基底上，并且被配置为分别从左中间DOE和右中间DOE接收FOV的左部分和右部分的图像光，耦出DOE被配置用于沿着第二轴的FOV的左部分和右部分中的每个部分的图像光的光瞳扩展，并且进一步被配置为从波导耦出在FOV整体之上的组合的左部分和右部分的图像光；其中左中间DOE包括顶部部分和底部部分，顶部部分被设置在波导中与耦入DOE邻近，并且底部部分被设置在波导中与耦出DOE邻近，以及其中右中间DOE包括顶部部分和底部部分，顶部部分被设置在波导中与耦入DOE邻近，并且底部部分被设置在波导中与耦出DOE邻近。
在另一示例中，左中间DOE和右中间DOE各自在耦入DOE的周边的相应部分周围与耦入DOE接口连接。在另一示例中，耦入DOE位于左中间DOE和右中间DOE之间的中心。在另一示例中，左上中间DOE从耦入DOE侧向地延伸，并且右上中间DOE从耦入DOE侧向地延伸。在另一示例中，基底是平面的。在另一示例中，左中间DOE和右中间DOE被设置在基底的相对侧。在另一示例中，耦入DOE包括前侧和后侧，前侧和后侧被设置在基底的相对侧，前侧和后侧具有方向不同的相应光栅矢量。
进一步的示例包括一种电子设备，该电子设备被配置用于显示全视场(FOV)中的虚拟图像的图像光，全视场包括第一部分FOV和第二部分FOV，全FOV具有水平方向和垂直方向，该电子设备包括：波导，多个衍射光学元件(DOE)被设置在波导上，波导包括多个板，多个板被配置为分别引导图像光的红色颜色分量、绿色颜色分量和蓝色颜色分量；耦入DOE，其被设置在波导上，并且被配置具有在耦入DOE的第一部分上的光栅特征、以及在耦入DOE的第二部分上的光栅特征，第一部分上的光栅特征的光栅矢量与第二部分上的光栅特征不同，第一部分上的光栅特征被配置为将图像光耦入到波导中，并且第二部分上的光栅特征被配置为使垂直方向上的耦入的图像光转向，同时使颜色分量之间的交叉耦合最小；第一中间DOE，其被配置为在水平方向上扩展第一部分FOV；以及第二中间DOE，其被配置为在水平方向上扩展第二部分FOV。
在另一示例中，第一部分包括第一表面，并且第二部分包括第二表面，并且耦入DOE被配置作为两面DOE，并且第一表面和第二表面位于相对侧。在另一示例中，耦入DOE的第一表面或第二表面上的光栅特征以分开倾斜配置被布置。在另一示例中，耦入DOE的第一表面或第二表面上的光栅特征被布置作为以下之一：折射率调制的光栅、折射率可切换的光栅、或偏振敏感光栅。在另一示例中，电子设备进一步包括耦出DOE，其被设置在波导上，并且被配置为在垂直方向上扩展第一部分FOV和第二部分FOV中的每个部分FOV的图像光，并且进一步被配置为跨全FOV以水平方向和垂直方向上扩展的出射光瞳从波导耦出图像光。在另一示例中，第一中间DOE包括被设置在波导中与耦入DOE邻近的第一部分、以及被设置在波导中与耦出DOE邻近的第二部分，并且第二中间DOE包括被设置在波导中与耦入DOE邻近的第一部分、以及被设置在波导中与耦出DOE邻近的第二部分。在另一示例中，第一中间DOE的第一部分和第二中间DOE的第二部分共享共同的光栅矢量方向。
进一步的示例包括一种操作波导显示器的方法，该波导显示器具有左边界、右边界、顶部边界和底部边界，并且具有垂直轴和水平轴，该方法包括：在设置在波导中的耦入衍射光学元件(DOE)处，接收全视场(FOV)内的具有入射光瞳的图像光，该图像光具有红色分量、绿色分量和蓝色分量；使用耦入DOE，将所接收的图像光的FOV分为左FOV部分和右FOV部分；使用耦入DOE，使耦入图像光的左FOV部分水平向左转向，并且使耦入图像光的右FOV部分水平向右转向；在设置在波导中的左中间DOE中传播耦入图像光的左FOV部分，其中左FOV部分的出射光瞳沿着水平轴被扩展，并且沿着垂直轴被向下衍射至耦出DOE，其中图像光的红色分量是渐逝的，并且不会沿着垂直轴传播；在设置在波导中的右中间DOE中传播耦入图像光的右FOV部分，其中右FOV部分的出射光瞳沿着水平轴被扩展，并且沿着垂直轴被向下衍射至耦出DOE；在设置在波导中的耦出DOE中，沿着垂直轴扩展传播图像光的左FOV部分和右FOV部分的出射光瞳；以及使用耦出DOE，输出具有沿着水平轴和垂直轴相对于耦入DOE处的入射光瞳而言扩展的出射光瞳的左FOV部分和右FOV部分的图像光。
在另一示例中，图像光在左中间DOE和右中间DOE中在相反方向上传播，或者图像光在左中间DOE和右中间DOE中以正交偏振态传播。在另一示例中，耦入DOE居中设置在出射光瞳扩展器上，并且左中间DOE和右中间DOE从出射光瞳上的耦入DOE侧向地延伸。在另一示例中，该方法进一步包括：将左FOV部分和右FOV部分缝合在一起，以在耦出DOE处提供全FOV。在另一示例中，缝合的FOV部分在全FOV中处于对称配置或非对称配置中的一个配置中。在另一示例中，分开包括基于渐逝衍射级来选择FOV传播。
尽管已经用特定于结构特征和/或方法动作的语言对主题进行了描述，但是要理解，所附权利要求书中限定的主题不必限于上文所描述的特定特征或动作。相反，上文所描述的特定特征和动作被公开作为实现权利要求的示例形式。

Claims (20)

1.一种电子设备，被配置用于显示全角视场FOV中的虚拟图像的图像光，所述全角FOV包括第一部分FOV和第二部分FOV，所述全角FOV具有水平方向和垂直方向，所述电子设备包括：
波导，多个衍射光学元件DOE被设置在所述波导上，所述波导包括多个板，所述多个板被配置为分别引导所述图像光的红色颜色分量、绿色颜色分量和蓝色颜色分量；
耦入DOE，所述耦入DOE被设置在所述波导上，并且被配置具有在所述耦入DOE的第一部分上的光栅特征以及在所述耦入DOE的第二部分上的光栅特征，所述第一部分上的所述光栅特征具有与所述第二部分上的光栅特征不同的光栅矢量，所述第一部分上的所述光栅特征被配置为将图像光耦入到所述波导中，并且所述第二部分上的所述光栅特征被配置为使所述垂直方向上的耦入的所述图像光转向，同时使所述颜色分量之间的交叉耦合最小；
第一中间DOE，其被配置为在所述水平方向上扩展所述第一部分FOV；以及
第二中间DOE，其被配置为在所述水平方向上扩展所述第二部分FOV，
其中所述第一部分FOV和所述第二部分FOV是所述全角FOV的独特角部分。
2.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述耦入DOE的所述第一部分包括第一表面，并且所述耦入DOE的所述第二部分包括第二表面，并且所述耦入DOE被配置作为两面DOE，并且所述第一表面和所述第二表面位于相对侧。
3.根据权利要求2所述的电子设备，其中在所述耦入DOE的所述第一表面或所述第二表面的光栅特征以分开倾斜配置被布置，所述分开倾斜配置包括在所述第一表面或所述第二表面上被分成两个部分的光栅特征，其具有在相反方向上倾斜的光栅特征。
4.根据权利要求2所述的电子设备，其中所述两面耦入DOE的所述第一表面上的光栅特征是线性的并且呈平行配置。
5.根据权利要求2所述的电子设备，其中所述两面耦入DOE的所述第二表面上的光栅特征是线性的并且呈人字形配置。
6.根据权利要求2所述的电子设备，其中所述耦入DOE的所述第一表面或所述第二表面上的光栅特征被布置作为以下之一：折射率调制的光栅、折射率可切换的光栅、或偏振敏感光栅。
7.根据权利要求5所述的电子设备，其中第一表面被配置为将入射在所述耦入DOE上的光耦入到所述波导中。
8.根据权利要求3所述的电子设备，还包括：耦出DOE，其被设置在所述波导上，并且被配置为在所述垂直方向上扩展所述第一部分FOV和所述第二部分FOV中的每个部分FOV的所述图像光，并且进一步被配置为相对于耦入的所述图像光、跨所述全角FOV以所述水平方向和所述垂直方向上扩展的出射光瞳从所述波导耦出图像光。
9.根据权利要求8所述的电子设备，其中所述第二表面被配置为使第一衍射级的耦入光光转向至所述耦出DOE。
10.根据权利要求8所述的电子设备，其中所述第一中间DOE包括被设置在所述波导中与所述耦入DOE邻近的第一部分、以及被设置在所述波导中与所述耦出DOE邻近的第二部分，并且所述第二中间DOE包括被设置在所述波导中与所述耦入DOE邻近的第一部分、以及被设置在所述波导中与所述耦出DOE邻近的第二部分。
11.根据权利要求10所述的电子设备，其中所述第一中间DOE的所述第一部分和所述第二中间DOE的所述第二部分共享共同的光栅矢量方向。
12.根据权利要求10所述的电子设备，其中所述第二中间DOE的所述第一部分和所述第一中间DOE的所述第二部分共享共同的光栅矢量方向。
13.根据权利要求10所述的电子设备，其中所述第一中间DOE的所述第一部分和所述第二中间DOE的所述第二部分共享共同的光栅矢量方向。
14.根据权利要求10所述的电子设备，其中所述第一中间DOE和所述第二中间DOE中的每个中间DOE的第二部分与所述耦入DOE和所述耦出DOE两者邻近。
15.根据权利要求1所述的电子设备，还包括第二耦入DOE和第三耦入DOE，其中所述耦入DOE、所述第二耦入DOE和所述第三耦入DOE被设置在所述波导中的所述多个板中的相应板上，并且每个所述耦入DOE、所述第二耦入DOE和所述第三耦入DOE被配置用于将所述红色颜色分量、所述绿色颜色分量和所述蓝色颜色分量耦入到所述波导中的所述相应板中。
16.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述第一中间DOE和所述第二中间DOE被分别设置在所述波导的相对侧上。
17.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述耦入DOE位于所述第一中间DOE和所述第二中间DOE之间的波导中心。
18.根据权利要求1所述的电子设备，还包括被配置为生成所述图像光的所述红色颜色分量、所述绿色颜色分量和所述蓝色颜色分量的成像器，其中所述图像光与一个或多个虚拟现实或混合现实图像相关联。
19.根据权利要求18所述的电子设备，其中所述成像器包括微显示器，所述微显示器使用发光二极管LED、硅上液晶LCOS装置、有机发光二极管OLED阵列或微机电系统MEMS装置中的一者。
20.根据权利要求1所述的电子设备，其并入头戴式显示器HMD设备中。
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