CN116209941A - 用于离轴内耦合和观察的补偿衍射波导 - Google Patents

Abstract

示例性实施方案包括显示设备，该显示设备具有图像生成器、具有内耦合器和外耦合器的波导以及沿该图像生成器与该内耦合器之间的光学路径的棱镜或其他光偏转部件。该图像生成器可以具有不垂直于该波导的光轴，并且该波导可以不垂直于视线。该棱镜可以被配置为偏转光，使得沿该光轴发射的光被偏转到使得来自该光轴的光在基本上平行于该视线的方向上外耦合的方向。该图像生成器和该视线相对于该波导的非垂直布置可以允许类似眼镜的显示器更好地适应用户头部的外形。

Description

用于离轴内耦合和观察的补偿衍射波导

相关申请的交叉引用

本申请要求2020年8月13日提交的名称为“用于离轴内耦合和观察的补偿衍射波导(COMPENSATED DIFFRACTIVE WAVEGUIDE FOR OFF-AXIS IN-COUPLING AND VIEWING)”的欧洲专利申请号EP20305927的优先权。

背景技术

本公开涉及光学器件和光子领域，并且更具体地涉及包括至少一个衍射光栅的光学装置。它可以在可适形且可佩戴的光学器件的领域中(例如，AR/VR眼镜(增强现实/虚拟现实))以及包括显示器和/或轻质成像系统(包括平视显示器(HUD))的各种其他电子消费产品中获得应用，如例如在汽车工业中。

本部分意图向读者介绍本领域的各个方面，这些方面可与下文描述和/或要求保护的本公开的各种方面有关。此讨论被认为有助于向读者提供背景信息，以促进更好地理解本文所述的系统和方法的各个方面。因此，应当理解，这些陈述应当从这个角度来解读，而不是承认现有技术。

AR/VR眼镜被视为是新一代人机界面。AR/VR眼镜(以及更一般的眼镜防护电子装置)的开发与许多挑战相关联，包括减少此类装置的尺寸和重量以及改进图像质量(就对比度、视场、颜色深度等而言)，该图像质量应足够真实，以实现真正的沉浸式用户体验。

光学的图像质量和物理尺寸之间的权衡促动研究超紧凑光学部件，该超紧凑光学部件可以用作更复杂的光学系统(诸如AR/VR眼镜)的构建块。期望此类光学部件易于制造和复制。

在此类AR/VR眼镜中，各种类型的折射和衍射透镜以及波束成形部件用于将光从微型显示器或投影仪朝向人眼引导，从而允许形成与用肉眼看到的物理世界的图像叠加的(在有AR眼镜的情况下)或由相机捕获(在有VR眼镜的情况下)的虚拟图像。一些类型的AR/VR眼镜利用光学波导，其中光仅在有限的内角度范围内通过TIR(指代全内反射(TotalInternal Reflection))传播到光学波导中。波导的FoV(指代视场(Field of View))取决于波导的材料以及其他因素。

发明内容

说明书中的“一个实施方案”、“实施方案”、“示例性实施方案”等指示所描述的实施方案可以包含特定特征、结构或特性；但不是每个实施方案必然包括特定特征、结构或特性。而且，此类短语不一定是指相同的实施方案。此外，当结合实施方案描述特定特征、结构或特性时，此类特征、结构或特性可以与其他实施方案结合使用，无论是否明确地描述。

根据一些实施方案的一种设备包括图像生成器、具有至少内耦合器和外耦合器的波导以及沿图像生成器与内耦合器之间的光学路径的光偏转光学元件，该光偏转光学元件包括单个棱镜、闪耀棱镜、两个反射镜或全息光学元件中的至少一者。

在一些实施方案中，该设备包括具有边撑臂的框架，并且图像生成器安装在该边撑臂的内侧。

在一些实施方案中，光偏转光学元件是非聚焦光学元件。

在一些实施方案中，图像生成器的光轴以相对于波导的法线至少5°的角度安装。在一些实施方案中，图像生成器的光轴以相对于波导的法线至少10°的角度安装。在一些实施方案中，图像生成器的光轴以相对于波导的法线约19.1°的角度安装。

在一些实施方案中，棱镜被配置为将沿波导的光轴发射的光折射到在平行于视线的方向上耦合出波导的方向，其中视线可以是设备的对称轴。

在一些实施方案中，波导是具有两个波导的双目显示器中的第一波导。在一些此类实施方案中，双目显示器具有中心线，并且波导中的每个波导具有以与中心线成至少2°的角度取向的法线。在一些实施方案中，波导中的每个波导具有以与中心线成约5°的角度取向的法线。

在一些实施方案中，该设备还包括预处理模块，该预处理模块操作以预处理所接收的图像，以考虑由光偏转光学元件引入的失真。

根据一些实施方案的一种方法包括：沿朝向波导的内耦合器的光学路径从图像生成器发射表示图像的光，其中波导不垂直于图像生成器的光轴；以及使用光偏转光学元件偏转所发射的光，使得沿光轴发射的光被偏转到使得光在基本上平行于视线的方向上外耦合的方向，光偏转光学元件包括单个棱镜、闪耀棱镜、两个反射镜或全息光学元件中的至少一者。

在一些实施方案中，该方法由双目显示器执行，并且视线平行于双目显示器的中心线。

在一些实施方案中，光偏转光学元件是非聚焦光学元件。

在一些实施方案中，该方法还包括接收图像信息并且预处理所接收的图像信息以考虑由光偏转光学元件引入的失真以生成经处理的图像，其中从图像生成器发射的光基于经预处理的图像。

附图说明

图1A是波导显示器的横截面示意图。

图1B是具有衍射光学部件的第一布局的双目波导显示器的示意图。

图1C是具有衍射光学部件的第二布局的双目波导显示器的示意图。

图1D是根据一些实施方案的双波导显示器的示意性分解图。

图1E是根据一些实施方案的双波导显示器的横截面示意图。

图2是由用户佩戴的示例性波导显示器配置的示意性仰视图。

图3A是其中图像生成器垂直于波导但是波导与用户的视线成角度的波导显示器配置的示意图。

图3B是其中图像生成器不垂直于波导的波导显示器配置的示意图。

图4是在一些实施方案中使用的波导显示器中的衍射光栅的布局的示意图。

图5是示出耦合到波导中的全色图像的颜色分量的色散的波导的示意图。

图6是根据一些实施方案的包括棱镜的波导显示器布局的示意性俯视图。

图7是根据一些实施方案的针对三种不同颜色在波空间域(顶行)和x-y域(底行)中波导显示器对传输通过显示器的光的效应的数据可视化。

图8是根据一些实施方案的波导显示器对传输通过显示器的光的效应的数据可视化。

图9是根据一些实施方案的双目波导显示器的示意性俯视图。

图10是根据一些实施方案的包括一对反射镜的波导显示器布局的示意性俯视图。

图11是根据一些实施方案的包括闪耀棱镜的波导显示器布局的示意性俯视图。

图12是根据一些实施方案的包括全息光学元件的波导显示器布局的示意性俯视图。

图13是对全息光学元件执行的记录过程的示意性横截面图。

具体实施方式

示例性波导架构的概述

本文描述了波导显示系统和方法。图1A中示出了示例性波导显示装置。图1A是操作中的波导显示装置的示意性横截面侧视图。图像由图像生成器102投影。图像生成器102可以使用各种技术中的一种或多种技术来投影图像。例如，图像生成器102可以是激光束扫描(LBS)投影仪、液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)显示器(包括有机LED(OLED)或微型LED(μLED)显示器)、数字光处理器(DLP)、硅上液晶(LCoS)显示器或其他类型的图像生成器或光引擎。

表示由图像生成器102生成的图像112的光通过衍射内耦合器106耦合到波导104中。内耦合器106将表示图像112的光衍射成一个或多个衍射阶。例如，作为表示图像的底部的一部分的光线中的一条光线108由入耦合器106衍射，并且衍射阶110中的一个衍射阶(例如，二阶)处于能够通过全内反射传播通过波导104的角度。

通过衍射内耦合器106耦合到波导104中的光110的至少一部分通过衍射外耦合器114耦合出波导。耦合出波导104的至少一些光复制耦合到波导中的光的入射角。例如，在图示中，外耦合的光线116a、116b和116c复制内耦合的光线108的角度。由于离开外耦合器的光复制进入内耦合器的光的方向，所以波导基本上复制原始图像112。用户的眼睛118可以聚焦在复制的图像上。

在图1A的示例中，外耦合器114仅通过每次反射外耦合光的一部分，允许单个输入束(诸如光束108)生成多个并行输出光束(诸如光束116a、116b和116c)。以此方式，即使眼睛不与外耦合器的中心完全对准，来源于图像的每个部分的至少一些光可能到达用户的眼睛。例如，如果眼睛118向下移动，即使光束116a和116b没有进入眼睛，光束116c也可以进入眼睛，因此尽管位置偏移，用户仍然可以感知到图像112的底部。因此，外耦合器114部分地操作为竖直方向上的出射瞳孔扩展器。波导还可以包括一个或多个额外出射瞳孔扩展器(图1A中未示出)，以在水平方向上扩展出射瞳孔。

在一些实施方案中，波导104相对于源自波导显示器外部的光至少部分透明。例如，来自真实世界物体(诸如物体122)的至少一些光120穿过该波导104，允许该用户在使用该波导显示器时看到真实世界物体。由于来自真实世界物体的光120也穿过衍射光栅114，因此将存在多个衍射阶并因此存在多个图像。为了最小化多个图像的可见性，期望零阶衍射(不被114偏差)对于光120具有很大的衍射效率以及零阶，而较高的衍射阶能量较低。因此，除了扩展和外耦合虚拟图像之外，外耦合器114优选地被配置为通过实际图像的零阶。在此类实施方案中，由波导显示器显示的图像可能似乎叠加在真实世界上。

在一些实施方案中，如下文进一步详细描述的，波导显示器包括多于一个波导层。每个波导层可以被配置为优先将具有特定波长范围和/或入射角的光从图像生成器输送到观看者。

如图1B和图1C所示，具有内耦合器、外耦合器和瞳孔扩展器的波导显示器可以具有各种不同配置。图1B中示出了一个双目波导显示器的示例性布局。在图1B的示例中，显示器分别包括左眼和右眼的波导152a、152b。波导包括作为外耦合器和水平瞳孔扩展器操作的内耦合器154a、154b、瞳孔扩展器156a、156b和部件158a、158b。瞳孔扩展器156a、156b沿内耦合器和外耦合器之间的光学路径布置。图像生成器(未示出)可以提供给每只眼睛，并且被布置成投射表示相应内耦合器上的图像的光。

图1C中示出了另一双目波导显示器的示例性布局。在图1C的示例中，显示器分别包括左眼和右眼的波导160a、160b。波导包括内耦合器162a、162b。来自图像的不同部分的光可以由内耦合器162a、162b耦合到波导内的不同方向。朝向左侧行进的内耦合光穿过瞳孔扩展器164a、164b和165a、165b，而朝向右侧行进的内耦合光穿过瞳孔扩展器166a、166b和167a、167b。已经穿过瞳孔扩展器，使用外耦合器168a、168b将光耦合出波导，以基本上复制在内耦合器162a、162b处提供的图像。

在不同实施方案中，波导显示器的不同特征可以设置在波导的不同表面上。例如(如图1A的配置中)，内耦合器和外耦合器都可以布置在波导的前表面上(远离用户的眼睛)。在其他实施方案中，内耦合器和/或外耦合器可以在波导的后表面上(朝向用户的眼睛)。内耦合器和外耦合器可以在波导的相对表面上。在一些实施方案中，内耦合器、外耦合器和瞳孔扩展器中的一者或多者可以存在于波导的两个表面上。图像生成器可以朝向波导的前表面或朝向波导的后表面布置。内耦合器不一定在波导与图像生成器的同一侧上。波导中的任何瞳孔扩展器可以布置在波导的前表面上、后表面上或两个表面上。在具有多于一个波导层的显示器中，不同的层可以具有内耦合器、外耦合器和瞳孔扩展器的不同配置。

图1D是根据一些实施方案的双波导显示器的示意性分解视图，包括图像生成器170、第一波导(WG₁)172和第二波导(WG₂)174。图1E是根据一些实施方案的双波导显示器的示意性侧视图，包括图像生成器176、第一波导(WG₁)178和第二波导(WG₂)180。第一波导包括第一透射衍射内耦合器(DG1)180和第一衍射外耦合器(DG6)182。第二波导具有第二透射衍射内耦合器(DG2)184、反射衍射内耦合器(DG3)186、第二衍射外耦合器(DG4)188和第三衍射外耦合器(DG5)190。不同的实施方案可以使用第一波导和第二波导上的光学部件(诸如瞳孔扩展器的不同布置)的不同布置。

虽然图1A至图1E示出了在近眼显示器中使用波导，但是相同原理可以用于其他显示技术，诸如用于汽车或其他用途的平视显示器。

示例性离轴耦合光学器件

在一些实施方案中，为了提供用于AR应用的一组实用的波导显示眼镜，波导被配置成非垂直几何形状以更好地对应于人脸的曲率。

在图2所示的示例中，眼镜是弯曲的，但是其也以一定角度设置。玻璃靠近鼻部的边缘与玻璃靠近边撑的边缘的深度不同。如果在该附图上绘制的光引擎(或其他图像生成器)在内耦合时垂直于玻璃，则由于包括玻璃上的所有衍射部件的光学系统的失真约束，光束的外耦合也将在出射处垂直于玻璃板。然而，此类光束不会与视线重叠。换句话说，虚拟图像将是离轴的。

除此之外，光引擎还可相对于玻璃板离轴取向。这将使虚拟图像更加偏离视线。当视场相对较窄时，离轴视线的负面影响更加严重。

一些实施方案提供了一种显示器，其中即使波导不垂直于视线或光引擎，也在视线中提供虚拟图像。

图3A示出了系统的几何形状，其中波导不垂直于视线，但是光引擎垂直于波导。鼻部位于波导的右手侧，并且该视图是从顶部观察的。波导(例如玻璃板)相对于视线倾斜。该倾斜可以由波导的法线与视线之间的角度表示。在图3A的示例中，倾斜角是5度。(垂直于波导的方向在图3A、图3B、图6、图10、图11和图12中示出为虚线箭头)。在该配置中，可以看出，以垂直入射耦合到波导中的图像也将以垂直入射外耦合出波导，并且因此将相对于视线偏心5度。此类布置可以减小显示器的视场。

图3B示出了第二几何形状，其中光引擎的轴相对于波导法线以19.1度的角度成角度地偏移以适应面部的几何形状。然而，期望以与法线成19.1度的角度进入波导的光以与法线成5度的角度离开波导以与视线对准。然而，配置内耦合器和外耦合器光栅以提供此类几何形状将致使图像失真。期望提供一种显示器几何形状，其具有如图3B中所示定位的光引擎或其他图像生成器但是具有很少或没有图像失真。

在图3A至图3B中仅示出了一个玻璃波导板以用于一只眼睛，但是可以提供(例如以对称布置)另一个波导以用于另一只眼睛。鼻部位于波导的右手侧，并且该视图是从顶部观察的。

在一些实施方案中，波导上的衍射光栅具有如图4所示的大致S形几何形状。在图4的示例中，内耦合器402衍射+1模式，但是在一些实施方案中，其衍射+2模式。两个瞳孔扩展器404和406以平行配置设置，并且外耦合器408将+1阶衍射出系统。

在示例性实施方案中，针对蓝光、绿光和红光分别使用450nm、520nm和638nm处的三个颜色分量来提供全色图像。在一些实施方案中，系统仅包括一个波导(或每只眼睛一个波导)。内耦合器以不同的平均角度将三个波长衍射到波导中，如图5所示，其中输入是RGB。

如果波矢量在输入处被索引为0，波矢量在内耦合器之后被索引为1，在第一EPE404之后被索引为2，在第二EPE 406之后被索引为3，并且在外耦合器408之后被索引为4，则内耦合的波矢量

与外耦合的波矢量/>

之间的关系可以如下表示：

其中M_i为相应光栅的衍射阶，

为光栅矢量，并且/>

为波导的法线。该等式产生两个条件，以作为无量纲光栅参数的α因子表示：

第一条件：

/>

当两个EPE具有相同取向

并且α₃＝-α₂时实现。

第二条件为

其中，θ角为内耦合器和外耦合器处的波矢量相对于法线的角度。第二条件可以发展成

等式的第一部分为显示器配置的常数。但是第二部分取决于波长。这指示不能针对所有波长实现针对诸如图3B的配置的无失真成像，因为仅在θ₄＝-θ₁情况下针对所有波长满足等式，但是这个解决方案违背了提供不同输入角(例如19.1°)和输出角(例如5°)的目标。为了避免失真，期望光以与期望的输出相同的角度(至少绝对值相同)耦合到波导中。

示例性实施方案用于通过在内耦合器之前引入棱镜来补偿波导以用于从显示器到眼睛的低失真成像。

选择棱镜的角度以使图像中心的方向从其原始离轴方向(例如-19.1°)偏离到期望的离轴输出方向(例如+5°)。然后，波导在外耦合器处再现内耦合光的角度以提供具有低失真或无失真的成像。

在图6中提供了示例性实施方案的示意图。在图6的图示中，沿光引擎或其他图像生成器604与波导的内耦合器606之间的光学路径提供棱镜602。棱镜602可以是非聚焦光偏转光学元件，其提供期望的光学路径而不需要改变与图像生成器604相关联的聚焦光学器件。

可以使用k图描述示例性实施方案的操作，以表示在角域中从棱镜之前到输出的光通道。也可以在显示器和视网膜侧上使用x-y域中的点列图描述该操作。

在示例性实施方案中，波导和棱镜两者都具有2.0的折射率，但在其他实施方案中，部件可以具有不同的折射率，并且部件的折射率不一定相同。

在示例性实施方案中，内耦合器具有682nm的节距尺寸并且被配置为使用+2阶衍射光。两个瞳孔扩展器都具有45°的角度、553.5nm的节距，并且被配置为使用+2阶衍射光。外耦合器具有341nm的节距尺寸并且被配置为使用+1衍射阶。在该示例中，耦合到波导中的图像是具有450nm、520nm和638nm的波长的RGB图像。此类系统可以提供26°的水平视场和18°的垂直视场。在该示例中，使用角度为21.48°的三角棱镜。虽然这里描述了具有这些参数的系统的性能特征，但是应当注意，在其他实施方案中可以另选地使用其他参数。

图7在顶行示出了三个波长的kx-ky图。底行是图像中心在19.1°(图中为-0.33弧度)的显示器点列图(左侧为矩形)和图像中心在5°(图中为-0.087弧度)的视网膜点列图(右侧为圆形梯形)。所有三种颜色在视网膜处的点列图对于所有三种颜色基本上彼此重叠。

由于失真对于所有颜色基本上是均匀的并且所有颜色的点列图重叠，一些实施方案通过在显示器侧应用电子校正以在视网膜上产生更加矩形的虚拟图像来操作以使投影在视网膜上的图像不失真。

通常，剩余的失真不归因于引起很少甚至不引起失真的波导。大部分失真归因于棱镜。在一些实施方案中，可以电子方式校正该失真，因为棱镜用于折射，并且折射比衍射的色散小得多。

图8是示出一些实施方案中的显示器的操作的循环图。在棱镜之前的输入波矢量的kx-ky分量的范围在区域802中示出。一旦被棱镜折射并且被内耦合器衍射(路径1)，则kx-ky分量的所得范围在804处示出。45°处的第一EPE使波矢量偏离到垂直ky方向(路径2)。45度处的第二EPE将它们反射回来(路径3)，并且外耦合器使波矢量回到空气中(路径4)。

在这里使用的数值示例中，由于棱镜，在电子校正之后的水平视场可以是大约26.3°，并且垂直视场可以大于15°。

示例性实施方案提供了一种系统，该系统允许光引擎离轴取向并且允许波导的玻璃板不垂直于视线，同时提供具有很少或没有失真的输出图像。一些实施方案在光引擎的成像路径中采用棱镜以便补偿波导。在棱镜之后，波导将具有基本上相同的进出极角。

一些实施方案在内耦合器的顶部采用棱镜，该棱镜将使光引擎中心轴偏离以便与外耦合器的期望中心轴对准。另选地，其他部件可以用于在光到达内耦合器之前使光偏离。在一些实施方案中，棱镜功能可以实现为例如全息光学部件(HOE)。

在示例性显示器的操作中，来自图像生成器中的位置(x,y)处的像素的光可以穿过棱镜和任何其他显示光学器件，从而产生具有波矢量方向

的光束，该光束被内耦合到波导并且随后以波矢量方向/>

(其可以等于/>

至少对于波导平面中的部件)被外耦合。波导和相关联的光学器件的操作因此可以由函数/>

描述，该函数将每个像素映射到输出波矢量方向。相反，对于期望的波矢量方向/>

该函数可以反转为/>

并且该反函数可用于确定照射哪些像素以生成具有期望输出方向的光束。此类函数可以用于处理要显示的图像，使得所得图像不表现出可能以其他方式由使用棱镜而引入的失真的效应。例如，当照射位置(x′,y′)处的像素时，传统的无棱镜显示器可以生成具有波矢量方向/>

的输出光束。此类传统显示器的操作可以由函数/>

描述。使用F^-1与上述表达式组合，这给出

F^(-1)(G(x′,y′))＝(x,y)

使用这种或其他技术，针对常规无棱镜显示器设计的输入图像(其中像素值在位置(x′,y′)处)可以预处理以生成针对使用棱镜的显示器的输入图像，其中像素值在位置(x,y)处。

在一些实施方案中，预处理还可以考虑棱镜的色散特性，这可以导致红色、绿色和蓝色分量被折射到略微不同的角度。例如，代替使用单个函数F(x,y)以表征显示器的操作，可以存在三个不同的函数F_R(x,y)、F_G(x,y)以及F_B(x,y)，每个函数针对显示器的不同颜色。此类处理还可以考虑可能由系统的其他光学部件引入的色差效应。

示例性实施方案允许具有波导眼镜的波导显示器，该波导眼镜倾斜以更自然地适应人脸。光引擎或其他图像生成器也可向外倾斜以更好地适应眼镜的几何形状。

在一些实施方案中，棱镜可以结合到波导。此类布置可有助于保护内耦合器光栅(其可以是易碎的表面起伏光栅)免受磨损。不同类型的衍射内耦合器光栅(诸如全息图)也可以从此类布置获益。

图9是在一些实施方案中使用的具有眼镜型框架的显示设备的示意性俯视图。如图9中所示，图像(其可以是视频的一个或多个帧)由图像源902提供，该图像源可以是例如存储介质、处理器、到联网内容源的连接或这些的某种组合。将该图像提供给预处理模块940以进行处理，以考虑由于在显示光学器件中使用棱镜而引入的失真和/或色差。

预处理模块可包括相关领域的技术人员认为适用于给定具体实施的硬件(例如，一个或多个处理器、一个或多个微处理器、一个或多个微控制器、一个或多个微芯片、一个或多个专用集成电路(ASIC)、一个或多个现场可编程门阵列(FPGA)、一个或多个存储器装置)。预处理模块还可包括用于执行被描述为由相应模块执行的一个或多个功能的可执行指令，并且需要注意，那些指令可采取以下的形式或包括以下项：硬件(即，硬连线)指令、固件指令、软件指令等，并且可存储在任何合适的非暂态计算机可读介质(诸如通常称为RAM、ROM等)中。

图像生成器906a、906b生成对应于一个或多个输入图像的光图案。来自图像生成器的光被棱镜908a、908b折射并且耦合到波导910a、910b中以用于显示。

图9的显示设备可具有平行于该设备的视线的中心线912(其可以是对称轴)。在一些实施方案中，波导安装在框架中，使得垂直于波导910a、910b中的每个波导的表面相对于中心线(或视线)成大约5°的角度。波导可以通过桥接件907或其他框架部件联接。图像生成器906a、906b中的每个图像生成器的光轴可与相应波导的表面法线成角度。例如，图像生成器906a、906b可以相对于表面法线成大约19.1°的角度(相对于中心线成14.1°)。框架可以包括边撑臂914a、914b，并且图像生成器906a、906b可以安装在边撑臂的内侧。在一些实施方案中，图像生成器906a、906b可以安装在边撑臂上和/或与边撑臂集成。

在一些实施方案中，除了相对于中心线的侧向角度(在图19的平面中)之外，图像生成器还可向上或向下成角度，例如以提供相对于边撑914a、914b和预期由用户头部占据的体积的更好配合。可以选择棱镜108a、108b的角度以使得沿相应图像生成器的光轴发射的光被折射到最终在平行于中心线的方向上从波导外耦合的角度。

在一些实施方案中，替代或除了棱镜(诸如棱镜602、908a、908b)，可采用一个或多个其他光偏转光学元件。此类光偏转光学元件可以是非聚焦光偏转光学元件。此类部件或其组合操作以偏转图像光束，从而以与由波导、边撑和光引擎倾斜的组合产生的角度不同的角度击中内耦合器。然而，在进入非聚焦光学元件时平行的光线在离开非聚焦光学元件之后保持平行，因此使用非聚焦光学元件不需要重新设计图像生成器或其相关联的光学器件以用于特定帧。在示例性实施方案中，图像生成器的所照射的每个像素导致输出由基本上平行的光线组成的基本上准直的输出光束，其中不同的光束方向对应于不同的像素。非聚焦光偏转光学元件通过保持平行光线来执行来自图像生成器的光的偏转，而不会在来自不同像素的光之间引入串扰。为此，非聚焦光偏转光学元件可以放置在显示装置的光学器件中的其中来自每个像素的光已经准直成基本上平行的光线的光束的位置处。在示例性实施方案中，由非聚焦光偏转光学元件引入的失真可以在软件中例如用图像预处理模块补偿，而由致使来自不同像素的光之间的串扰的光学元件引入的失真可能难以或不可能在软件中补偿。

在使用非聚焦光偏转光学元件的实施方案中，该元件可以被定位成在此之后偏转光。

在一些此类实施方案中，一对反射镜用作光偏转光学元件(例如，用作非聚焦光偏转光学元件)。例如，在图10的图示中，沿光引擎或其他图像生成器1004与波导1008的内耦合器1006之间的光学路径提供一对反射镜1001、1002。

在该示例中，两个反射镜设置在照射光学路径中。它们的倾斜被选择为在+5°以下击中内耦合器，并且这两个倾斜的组合使图像光束从-19.1°偏离到+5°。反射镜被配置为具有足够大的尺寸以传输整个图像。同时，第二反射镜与第一反射镜间隔开，以便不遮蔽由第二反射镜反射的图像。

在一些实施方案中，闪耀棱镜用作光偏转光学元件(例如，用作非聚焦光偏转光学元件)。例如，在图11的图示中，沿光引擎或其他图像生成器1104与波导1208的内耦合器1106之间的光学路径提供闪耀棱镜1102。此类实施方案可以比传统的三角棱镜更轻。

在一些实施方案中，全息光学元件(HOE)用作光偏转光学元件(例如，用作非聚焦光偏转光学元件)。在图12的图示中，沿光引擎或其他图像生成器1204与波导1208的内耦合器1206之间的光学路径提供全息光学元件1202。

用于记录全息元件诸如HOE 1202的示例性布置在图13中示出。全息光学元件1202可包括玻璃板1304，其上设置有全息记录材料层1306。两个光束可用于记录全息元件。第一光束1308以与光引擎图像的预期方向对应的方向(例如以-19.1°的角度)引导至全息记录材料上。第二光束1310从预期传输的方向(例如+5°的角度)引导至全息记录材料上。在全息记录材料暴露于由两个光束生成的干涉图案以及随后的化学处理之后，最终的全息光学元件1202可用于诸如图12所示的实施方案中。在一些实施方案中，为了允许RGB图像的三个波长，可以对全色记录材料进行三次曝光，每次曝光具有对应的波长。

在一些实施方案中，还为了能够偏离由立体角而非仅一个唯一方向对向的图像，用图像光束和与图像光束的对向立体角相同的参考光束来完成记录。与棱镜相比，此类部件具有抑制色散的优点。

如上所述，图4中所示的光栅布置具有大致S形的构造。然而，本文描述的原理不必限于光栅的任何特定布置。

根据一些实施方案的一种设备包括图像生成器、具有内耦合器和外耦合器的波导以及沿图像生成器与内耦合器之间的光学路径的棱镜。

在一些实施方案中，图像生成器的光轴以相对于波导的法线至少5°的角度安装。

在一些实施方案中，图像生成器的光轴以相对于波导的法线至少10°的角度安装。

在一些实施方案中，图像生成器的光轴以相对于波导的法线约19.1°的角度安装。

在一些实施方案中，棱镜被配置为将沿波导的光轴发射的光折射到在平行于视线的方向上耦合出波导的方向。

在一些实施方案中，棱镜是三角棱镜。

在一些实施方案中，波导是具有两个波导的双目显示器中的第一波导。在一些此类实施方案中，双目显示器具有中心线，并且第一波导的法线以与中心线成至少2°的角度取向。在一些此类实施方案中，第一波导的法线以与中心线成约5°的角度取向。在一些实施方案中，第二波导的法线以与中心线成至少2°的角度取向。在一些实施方案中，第二波导的法线以与中心线成约5°的角度取向。

一些实施方案还包括预处理模块，其中预处理模块操作以预处理所接收的图像，以考虑由棱镜引入的失真。

根据一些实施方案的设备包括：具有光轴的图像生成器；具有内耦合器和外耦合器的波导，其中波导不垂直于图像生成器的光轴；以及沿图像生成器与内耦合器之间的光学路径的光偏转部件；其中光偏转部件操作以将沿图像生成器的光轴发射的光偏转到使得光在基本上平行于视线的方向上外耦合的方向。

在一些实施方案中，光偏转部件是棱镜。

在一些实施方案中，光偏转部件是全息光学部件。

根据一些实施方案的一种方法包括：沿朝向波导的内耦合器的光学路径从图像生成器发射表示图像的光，其中波导不垂直于图像生成器的光轴；以及使用光偏转部件偏转所发射的光，使得沿光轴发射的光被偏转到使得光在基本上平行于视线的方向上外耦合的方向。

在一些实施方案中，该方法还包括接收图像信息；以及预处理所接收的图像信息以考虑由光偏转部件引入的失真以生成经处理的图像，其中从图像生成器发射的光基于经预处理的图像。

在本公开中，有时使用诸如“第一”、“第二”、“第三”等修饰词来区分不同特征。这些修饰词并不意味着暗示任何特定的操作顺序或部件的布置。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等可以在不同实施方案中具有不同的含义。例如，在一个实施方案中，作为“第一”部件的部件可以是不同实施方案中的“第二”部件。

尽管上文以特定组合描述了特征和元件，但是本领域的普通技术人员将理解，每个特征或元件可单独使用或以与其他特征和元件的任何组合来使用。

Claims (20)

1.一种设备，所述设备包括：

图像生成器；

波导，所述波导具有内耦合器和外耦合器；和

光偏转光学元件，所述光偏转光学元件沿所述图像生成器与所述内耦合器之间的光学路径，所述光偏转光学元件包括单个棱镜、闪耀棱镜、两个反射镜或全息光学元件中的至少一者。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备包括具有边撑臂的框架，并且所述图像生成器安装在所述边撑臂的内侧。

3.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述光偏转光学元件是非聚焦光学元件。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中所述图像生成器的光轴以相对于所述波导的法线至少5°的角度安装。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的设备，其中所述图像生成器的光轴以相对于所述波导的法线至少10°的角度安装。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其中所述图像生成器的光轴以相对于所述波导的法线约19.1°的角度安装。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的设备，其中所述棱镜被配置为将沿所述波导的所述光轴发射的光折射到在平行于视线的方向上耦合出所述波导的方向。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备，其中所述光学元件包括单个棱镜。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的设备，其中所述光学元件包括闪耀棱镜。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的设备，其中所述光学元件包括两个反射镜。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的设备，其中光学元件是全息光学元件。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的设备，其中所述波导是具有两个波导的双目显示器中的第一波导。

13.根据权利要求12所述的设备，其中所述双目显示器具有中心线，并且其中所述波导中的每个波导具有以与所述中心线成至少2°的角度取向的法线。

14.根据权利要求12所述的设备，其中所述双目显示器具有中心线，并且其中所述波导中的每个波导具有以与所述中心线成约5°的角度取向的法线。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的设备，所述设备还包括预处理模块，所述预处理模块操作以预处理所接收的图像，以考虑由所述光偏转光学元件引入的失真。

16.一种方法，所述方法包括：

沿朝向波导的内耦合器的光学路径从图像生成器发射表示图像的光，其中所述波导不垂直于所述图像生成器的光轴；以及

使用光偏转光学元件偏转所发射的光，使得沿所述光轴发射的光被偏转到使得所述光在基本上平行于视线的方向上外耦合的方向，所述光偏转光学元件包括单个棱镜、闪耀棱镜、两个反射镜或全息光学元件中的至少一者。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述方法在双目显示器上执行，并且所述视线平行于所述双目显示器的中心线。

18.根据权利要求16或17所述的方法，其中所述光偏转光学元件是非聚焦光学元件。

19.根据权利要求16至18中任一项所述的方法，所述方法还包括：

接收图像信息；以及

预处理所接收的图像信息以考虑由所述光偏转光学元件引入的失真，以生成经处理的图像；

其中从所述图像生成器发射的所述光基于经预处理的图像。

20.根据权利要求16至19中任一项所述的方法，其中所述光学元件包括单个棱镜。

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