CN116235087A - 用于增强现实显示系统的布拉格光栅 - Google Patents

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CN116235087A CN202180066951.7A CN202180066951A CN116235087A CN 116235087 A CN116235087 A CN 116235087A CN 202180066951 A CN202180066951 A CN 202180066951A CN 116235087 A CN116235087 A CN 116235087A
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Abstract

一种头戴式显示系统可包含：可戴在头上的框架；光投影系统，其被配置成输出光以将图像内容提供到用户的眼睛；以及波导，其由所述框架支撑。所述波导可以被配置成导引来自所述光投影系统的所述光的至少一部分耦合到所述波导中以将所述图像内容呈现到所述用户的眼睛。所述系统可包含光栅，所述光栅包含第一反射性衍射光学元件和第二反射性衍射光学元件。所述第一反射性衍射光学元件和第二反射性衍射光学元件的组合可作为透射性衍射光学元件操作。所述第一反射性衍射光学元件可为体积相位全息光栅。所述第二反射性衍射光学元件可为液晶偏振光栅。

Description

用于增强现实显示系统的布拉格光栅
技术领域
本公开涉及用于虚拟现实、增强现实和混合现实系统的目镜。
背景技术
现代的计算和显示技术已经促进了虚拟现实、增强现实和混合现实系统的发展。虚拟现实或“VR”系统创建供用户进行体验的模拟环境。这可以通过经由头戴式显示器向用户呈现计算机生成的图像数据来完成。此图像数据产生使用户沉浸在模拟环境中的感觉体验。虚拟现实情境通常涉及仅计算机生成的图像数据的呈现，而不是还包含实际现实世界图像数据。
增强现实系统通常用模拟元素补充现实世界环境。举例来说，增强现实或“AR”系统可经由头戴式显示器为用户提供周围现实世界环境的视图。然而，计算机生成的图像数据也可在显示器上呈现以增强现实世界环境。此计算机生成的图像数据可包含与现实世界环境在上下文相关的元素。此类元素可包含模拟文字、图像、对象等。混合现实或“MR”系统是一类AR系统，其同样将模拟对象引入到现实世界环境中，但这些对象通常具有较大程度的交互性。模拟元素通常可以实时交互。
图1描绘实例AR场景1，其中用户看见现实世界公园环境6，其具有人、树、背景中的建筑物和混凝土平台20。除这些项目之外，还向用户呈现计算机生成的图像数据。计算机生成的图像数据可包含例如站立在现实世界平台20上的机器人雕像10，和看似拟人化大黄蜂的飞行的卡通状化身角色2，但这些元素2、10实际上并不存在于现实世界环境中。
发明内容
一种被配置成由用户穿戴的头戴式显示系统可包含：可戴在头上的框架；光投影系统，其被配置成输出光以将图像内容提供到所述用户的眼睛；波导，其由所述框架支撑。所述波导可被配置成导引来自所述光投影系统的光的至少一部分耦合到所述波导中以将所述图像内容呈现到所述用户的眼睛。所述系统可包含光栅，所述光栅具有：第一反射性衍射光学元件，其包含体积相位全息光栅；以及第二反射性衍射光学元件，其包含液晶偏振光栅。所述第一反射性衍射光学元件和第二反射性衍射光学元件的组合可安置于所述波导的一侧上且被配置成作为透射性衍射光学元件操作。
在各种实施方案中，包含体积相位全息光栅的所述第一反射性衍射光学元件可被配置成将朝向所述第一反射性衍射光学元件引导的光朝向所述第二反射性衍射光学元件反射。包含液晶偏振光栅的所述第二反射性衍射光学元件可被配置成将由所述第一反射性衍射光学元件反射的光返回朝向所述第一反射性衍射光学元件反射。所述第一反射性衍射光学元件可被配置成透射由所述第二反射性衍射光学元件反射的光。
在一些实施方案中，包含体积相位全息光栅的所述第一反射性衍射光学元件可被配置成反射处于特定入射角的光且透射处于其它入射角的光。包含液晶偏振光栅的所述第二反射性衍射光学元件可被配置成透射具有第一偏振状态的入射光且反射具有第二不同偏振状态偏振的入射光。所述第一偏振状态可为线性偏振状态且所述第二偏振状态可为圆偏振状态。光的偏振状态可由于包含体积相位偏振光栅的所述第一反射性衍射光学元件对光的反射而改变。光的偏振状态可由于包含体积相位偏振光栅的所述第一反射性衍射光学元件对光的反射而改变到由包含液晶偏振光栅的所述第二反射性衍射光学元件透射的偏振状态。
在附图和以下描述中阐述本说明书中描述的主题的一个或多个实施方案的细节。其它特征、方面及优点将从所述描述、图式及权利要求书变得显而易见。此发明内容和以下详细描述并不有意界定或限制本发明主题的范围。
附图说明
图1示出用户通过增强现实(AR)装置的AR的视图。
图2示出可穿戴式显示系统的实例。
图3示出用于为用户模拟三维图像数据的常规显示系统。
图4示出用于使用多个深度平面模拟三维图像数据的方法的方面。
图5A-5C示出曲率半径与焦半径之间的关系。
图6示出用于在AR目镜中向用户输出图像信息的波导堆叠的实例。
图7A-7B示出由波导输出的出射光束的实例。
图8示出堆叠波导组合件的实例，其中每一深度平面包含使用多个不同分量色彩形成的图像。
图9A示出各自包含内耦合光学元件的堆叠波导的集合的实例的横截面侧视图。
图9B示出图9A的所述多个堆叠波导的实例的透视图。
图9C示出图9A和9B的所述多个堆叠波导的实例的从上到下平面图。
图10A和10C示出透射布拉格光栅。
图10B和10D示出反射布拉格光栅。
图11示出透射性衍射光学元件，例如通过组合第一反射性衍射光学元件和第二反射性衍射光学元件形成的布拉格光栅。
图12示出图11的透射性衍射光学元件的操作。
具体实施方式
概述
本公开描述改进的透射衍射光学元件或光栅，例如布拉格光栅，其可在AR显示系统中使用以向用户的眼睛投影图像。所公开的透射衍射光学元件的制造是高效且容易的。
实例头戴式显示装置
图2示出实例可穿戴式显示系统60。显示系统60包含显示器或目镜70，以及用以支持显示器70的功能的各种机械和电子模块和系统。显示器70可联接到框架80，所述框架可由显示系统用户90穿戴且被配置成将显示器70定位于用户90的眼睛的前方。在一些实施例中，显示器70可被视为眼镜。在一些实施例中，扬声器100联接到框架80且邻近于用户90的耳道而定位。显示系统还可包含一个或多个麦克风110以检测声音。麦克风110可允许用户对系统60提供输入或命令(例如，语音菜单命令的选择、自然语言问题等)，和/或可允许与其它人(例如，与相似显示系统的其它用户)的音频通信。麦克风110也可从用户的周围环境收集音频数据(例如，来自用户和/或环境的声音)。在一些实施例中，显示系统还可包含外围传感器120a，其可与框架80分开且附接到用户90的身体(例如，头、躯干、肢端等上)。在一些实施例中，外围传感器120a可以获取表征用户90的生理状态的数据。
显示器70通过通信链路130，例如通过有线或无线连接性以操作方式联接到本地数据处理模块140，所述本地数据处理模块可以多种配置安装，例如固定地附接到框架80，固定地附接到由用户穿戴的头盔或帽子，嵌入于头戴受话器中，或以可装卸方式附接到用户90(例如，以背包式配置或以皮带联接式配置)。类似地，传感器120a可以通过通信链路120b(例如，有线或无线连接性)以操作方式联接到本地处理器和数据模块140。本地处理和数据模块140可以包含硬件处理器，以及数字存储器，例如非易失性存储器(例如，快闪存储器或硬盘驱动器)，这两者都可以用于帮助数据的处理、高速缓冲存储和存储。数据可以包含：1)从传感器(可以例如以操作方式联接到框架80或以其它方式附接到用户90)捕获的数据，所述传感器例如图像捕捉装置(例如，相机)、麦克风、惯性测量单元、加速度计、罗盘、GPS单元、无线电装置、陀螺仪和/或本文公开的其它传感器；和/或2)使用远程处理模块150和/或远程数据存储库160(包含与虚拟内容相关的数据)获取和/或处理的数据，可能用于在此类处理或检索之后传递到显示器70。本地处理和数据模块140可以通过通信链路170、180，例如经由有线或无线通信链路以操作方式联接到远程处理模块150和远程数据存储库160，使得这些远程模块150、160以操作方式彼此耦合且作为资源对本地处理和数据模块140可用。在一些实施例中，本地处理和数据模块140可以包含图像捕捉装置、麦克风、惯性测量单元、加速度计、罗盘、GPS单元、无线电装置和/或陀螺仪中的一个或多个。在一些其它实施例中，这些传感器中的一个或多个可以附接到框架80，或可以是通过有线或无线通信路径与本地处理和数据模块140通信的独立装置。
远程处理模块150可以包含一个或多个处理器以分析和处理数据，例如图像和音频信息。在一些实施例中，远程数据存储库160可以是数字数据存储设施，其可以通过互联网或“云”资源配置中的其它联网配置而可用。在一些实施例中，远程数据存储库160可以包含一个或多个远程服务器，其将信息(例如，用于产生增强现实内容的信息)提供到本地处理和数据模块140和/或远程处理模块150。在其它实施例中，存储所有数据，且在本地处理和数据模块中执行所有计算，从而允许从远程模块的完全自主使用。
可以通过向用户的每只眼睛提供图像的稍微不同的呈现来实现将所述图像感知为“三维”或“3D”。图3示出用于为用户模拟三维图像数据的常规显示系统。向用户输出两个相异图像190、200，每只眼睛210、220一个图像。图像190、200沿着与用户的视线平行的光学轴或z轴与眼睛210、220间隔开一个距离230。图像190、200是平坦的，且眼睛210、220可以通过采用单一调节状态而聚焦于图像。此类3D显示系统依赖于人类视觉系统来组合图像190、200以提供对组合图像的深度和/或尺度的感知。
然而，人类视觉系统是复杂的，且提供深度的现实感知具有挑战性。举例来说，常规“3D”显示系统的许多用户发现此类系统不舒适，或完全无法感知深度的感觉。由于聚散度和调节的组合，对象可以被感知为“三维”。两个眼睛相对于彼此的聚散度移动(例如，眼睛的旋转，使得瞳孔朝向或远离彼此移动以将眼睛的相应视线会聚而注视于对象)与眼睛的晶状体的聚焦(或“调节”)相关联。在正常条件下，改变眼睛的晶状体的焦点或调节眼睛以将焦点从一个对象改变到处于不同距离的另一对象将在称为“调节-聚散度反射”的关系下自动造成到相同距离的匹配的聚散度改变，以及瞳孔扩张或收缩。类似地，在正常条件下，聚散度的改变将触发晶状体形状和瞳孔大小的调节的匹配改变。如本文中所指出，许多立体或“3D”显示系统使用对每只眼睛的稍微不同呈现(并且因此稍微不同的图像)来显示场景，使得人类视觉系统感知到三维视角。然而，此类系统对于一些用户可为不舒适的，因为它们仅在单一调节状态提供图像信息且不遵从“调节-聚散度反射”来工作。提供调节与聚散度之间的较好匹配的显示系统可以形成三维图像数据的更现实和舒适的模拟。
图4示出用于使用多个深度平面模拟三维图像数据的方法的方面。参考图4，眼睛210、220采取不同调节状态以聚焦于在z轴上的各种距离处的对象。因此，特定调节状态可以称为与所示出深度平面240中的具有相关联焦距的特定一个相关联，使得当眼睛处于针对特定深度平面的调节状态时，所述深度平面中的对象或对象的部分处于焦点对准。在一些实施例中，可以通过为眼睛210、220中的每一个提供图像的不同呈现，并且还通过提供图像的对应于多个深度平面的不同呈现来模拟三维图像数据。虽然为了说明的清楚起见将眼睛210、220的相应视场示出为单独的，但它们可以例如随着沿z轴的距离增加而重叠。另外，虽然为便于图示而将深度平面示出为平坦的，但将了解，深度平面的轮廓在物理空间中可以弯曲，使得深度平面中的所有特征与处于特定调节状态的眼睛处于焦点对准。
对象与眼睛210或220之间的距离也可以改变如由所述眼睛看到的光从所述对象的发散量。图5A-5C示出距离与光线的发散之间的关系。对象与眼睛210之间的距离按距离减小的次序由R1、R2和R3表示。如图5A-5C中所示，随着到对象的距离减小，光线变得更发散。随着距离增加，光线变得更准直。换句话说，可以说由点(对象或对象的一部分)产生的光场具有球面波前曲率，其随着所述点距用户的眼睛的距离而变。曲率随着对象与眼睛210之间的距离减小而增加。因此，在不同深度平面处，光线的发散程度也不同，其中发散程度随着深度平面与用户的眼睛210之间的距离减小而增加。虽然为了在图5A-5C和本文的其它图中的图示的清楚起见而示出仅单个眼睛210，但将了解，关于眼睛210的论述可以适用于用户的两个眼睛210和220。
可以通过对眼睛提供图像的对应于有限数目的深度平面中的每一个的不同呈现来实现感知深度的高度可信的模拟。所述不同呈现可以由用户的眼睛单独地聚焦，进而基于将场景的位于不同深度平面上的不同图像特征带到聚焦所需的眼睛的调节量，和/或基于观察到不同深度平面上的不同图像特征离焦，来帮助为用户提供深度提示。
用于AR或MR目镜的波导堆叠组合件的实例
图6示出用于在AR目镜中向用户输出图像信息的波导堆叠的实例。显示系统250包含波导堆叠或波导组合件堆叠260，其可用于使用多个波导270、280、290、300、310向眼睛/大脑提供三维感知。在一些实施例中，显示系统250是图2的系统60，其中图6示意性地更详细示出所述系统60的一些部分。举例来说，波导组合件260可以是图2的显示器70的部分。将了解，在一些实施例中，显示系统250可以被视为光场显示器。
波导组合件260还可包含波导之间的多个特征320、330、340、350。在一些实施例中，特征320、330、340、350可以是一个或多个透镜。波导270、280、290、300、310和/或所述多个透镜320、330、340、350可以被配置成用各种水平的波前曲率或光线发散向眼睛发送图像信息。每一个波导水平可以与特定深度平面相关联且可以被配置成输出对应于所述深度平面的图像信息。图像注入装置360、370、380、390、400可以充当用于波导的光源且可用以将图像信息注入到波导270、280、290、300、310中，所述波导中的每一个可以如本文所描述被配置成跨越每一相应波导分配入射光，用于朝向眼睛210输出。光退出每一相应图像注入装置360、370、380、390、400的输出表面410、420、430、440、450且注入到相应波导270、280、290、300、310的对应输入表面460、470、480、490、500。在一些实施例中，输入表面460、470、480、490、500中的每一个可以是对应波导的边缘，或可以是对应波导的主表面的部分(即，波导表面中的直接面向世界510或用户的眼睛210的一个波导表面)。在一些实施例中，光束(例如，准直光束)可以注入到每一波导中，且可以例如通过经由衍射采样成细束而在波导中复制，并且接着以对应于与所述特定波导相关联的深度平面的光学功率量指向眼睛210。在一些实施例中，图像注入装置360、370、380、390、400中的单个图像注入装置可以与波导270、280、290、300、310中的多个(例如，三个)相关联且向其中注入光。
在一些实施例中，图像注入装置360、370、380、390、400是各自产生用于分别注入到对应波导270、280、290、300、310中的图像信息的离散显示器。在一些其它实施例中，图像注入装置360、370、380、390、400是单一多路复用显示器的输出端，所述显示器可以经由一个或多个光导管(例如光纤线缆)将图像信息传输到图像注入装置360、370、380、390、400中的每一个。将了解，由图像注入装置360、370、380、390、400提供的图像信息可以包含不同波长或颜色的光。
在一些实施例中，注入到波导270、280、290、300、310中的光由光投影仪系统520提供，所述光投影仪系统包含光模块530，所述光模块可以包含光源或光发射器，例如发光二极管(LED)。来自光模块530的光可以经由分束器(BS)550被引导到光调制器540(例如，空间光调制器)且由其调制。光调制器540可以在空间和/或时间上改变注入到波导270、280、290、300、310中的光的感知强度。空间光调制器的实例包含液晶显示器(LCD)，包含硅上液晶(LCOS)显示器，和数字光处理(DLP)显示器。
在一些实施例中，光投影仪系统520或其一或多个组件可以附接到框架80(图2)。举例来说，光投影仪系统520可以是框架80的时间部分(例如，耳柄82)的部分或安置于显示器70的边缘处。在一些实施例中，光模块530可以与BS 550和/或光调制器540分开。
在一些实施例中，显示系统250可以是扫描光纤显示器，其包括一个或多个扫描光纤以在各种模式中(例如，光栅扫描、螺旋扫描、利萨如模式等)将光投影到一个或多个波导270、280、290、300、310中且最终进入用户的眼睛210。在一些实施例中，示出的图像注入装置360、370、380、390、400可以示意性地表示被配置成将光注入到波导270、280、290、300、310中的一个或多个中的单一扫描光纤或一束扫描光纤。在一些其它实施例中，示出的图像注入装置360、370、380、390、400可以示意性地表示多个扫描光纤或多束扫描光纤，其中的每一个被配置成将光注入到波导270、280、290、300、310中的相关联波导中。一个或多个光纤可以将光从光模块530传输到一个或多个波导270、280、290、300和310。另外，一个或多个介入光学结构可以提供于一个或多个扫描光纤与一个或多个波导270、280、290、300、310之间，以例如将退出扫描光纤的光重定向到一个或多个波导270、280、290、300、310中。
控制器560控制堆叠波导组合件260的操作，包含图像注入装置360、370、380、390、400、光源530和光调制器540的操作。在一些实施例中，控制器560是本地数据处理模块140的部分。控制器560包含调节图像信息到波导270、280、290、300、310的时序和供应的编程(例如，非暂时性介质中的指令)。在一些实施例中，控制器可以是单个一体式装置，或由有线或无线通信信道连接的分布式系统。在一些实施例中，控制器560可以是处理模块140或150(图2)的部分。
波导270、280、290、300、310可以被配置成通过全内反射(TIR)在每一相应波导内传播光。波导270、280、290、300、310可以各自是平面的或具有另一形状(例如，弯曲)，其具有主顶部及底部表面和在那些主顶部及底部表面之间延伸的边缘。在所说明配置中，波导270、280、290、300、310可以各自包含外耦合光学元件570、580、590、600、610，其被配置成通过将在每一相应波导内传播的光重定向到波导之外来将光提取到波导之外，以向眼睛210输出图像信息。提取的光也可称为外耦合光且外耦合光学元件光也可以称为光提取光学元件。提取的光束可以由波导在波导中传播的光照在光提取光学元件上的位置处输出。外耦合光学元件570、580、590、600、610可为例如包含衍射光栅的衍射光学特征，如本文进一步论述。虽然外耦合光学元件570、580、590、600、610被示为安置于波导270、280、290、300、310的底部主表面处，但在一些实施例中，它们可以安置于顶部和/或底部主表面处，和/或可以直接安置于波导270、280、290、300、310的体积中，如本文进一步论述。在一些实施例中，外耦合光学元件570、580、590、600、610可以形成于附接到透明基板以形成波导270、280、290、300、310的材料层中。在一些其它实施例中，波导270、280、290、300、310可以是单片材料，且外耦合光学元件570、580、590、600、610可以形成于该片材料的表面上和/或内部。
每一波导270、280、290、300、310可以输出光以形成对应于特定深度平面的图像。举例来说，最靠近眼睛的波导270可以将准直光束递送到眼睛210。准直光束可以表示光学无限远焦平面。下一波导280可以输出准直光束，其在到达眼睛210之前穿过第一透镜350(例如，负透镜)。第一透镜350可以将轻微凸的波前曲率添加到准直光束，使得眼睛/大脑将来自所述波导280的光解译为源自从光学无限远朝向眼睛210向内更接近的第一焦平面。类似地，第三波导290使其输出光穿过第一透镜350和第二透镜340，然后到达眼睛210。第一透镜350和第二透镜340的组合光学功率可以添加波前曲率的另一增量，使得眼睛/大脑将来自第三波导290的光解译为源自从光学无限远比来自第二波导280的光向内更接近的第二焦平面。
其它波导层300、310和透镜330、320类似地配置，其中堆叠中的最高波导310将其输出发送通过其与眼睛之间的所有透镜，以用于表示与人最接近的焦平面的聚合光焦度。为了当观看/解译来自堆叠波导组合件260的另一侧上的世界510的光时补偿透镜320、330、340、350的堆叠，补偿透镜层620可以安置于堆叠的顶部处以补偿下方的透镜堆叠320、330、340、350的聚合光学功率。此配置提供与存在的可用波导/透镜对一样多的感知焦平面。波导的外耦合光学元件和透镜的聚焦方面都可以是静态的(即，不是动态或电活性的)。在一些替代实施例中，任一者或这两者可以使用电活性特征而为动态的。
在一些实施例中，波导270、280、290、300、310中的两个或更多个可具有相同的相关联深度平面。举例来说，多个波导270、280、290、300、310可以将图像集合输出到同一深度平面，或波导270、280、290、300、310的多个子组可以将图像集合输出到相同的多个深度平面，每一深度平面一个集合。这可提供用于形成平铺图像以提供在那些深度平面处的扩展视场的优点。
外耦合光学元件570、580、590、600、610可以被配置成将光重定向到其相应波导之外，且以用于与波导相关联的特定深度平面的发散或准直的适当量输出此光。因此，具有不同相关联深度平面的波导可以具有外耦合光学元件570、580、590、600、610的不同配置，所述外耦合光学元件取决于相关联深度平面而输出具有不同发散量的光。在一些实施例中，光提取光学元件570、580、590、600、610可以是体积或表面特征，其可以被配置成在特定角度输出光。举例来说，光提取光学元件570、580、590、600、610可以是体积全息图、表面全息图和/或衍射光栅。在一些实施例中，特征320、330、340、350可以不是透镜；而是它们可以简单地为间隔物(例如，包覆层和/或用于形成气隙的结构)。
在一些实施例中，外耦合光学元件570、580、590、600、610是衍射特征，其衍射效率足够低以使得光束中的光的功率的仅一部分以每一相互作用被朝向眼睛210重新引导，同时其余部分继续经由TIR移动通过波导。因此，光模块530的出射光瞳跨越波导被复制以产生运载来自光源530的图像信息的多个输出光束，从而有效地扩展眼睛210可以拦截所复制光源出射光瞳的位置的数目。这些衍射特征也可以具有跨越其几何形状的可变衍射效率以改善波导的光输出的均匀性。
在一些实施例中，一个或多个衍射特征可以在其中它们主动地衍射的“接通”状态与其中它们并不显著衍射的“断开”状态之间切换。举例来说，可切换衍射元件可以包含聚合物分散型液晶层，其中微液滴在主介质中形成衍射图案，且微液滴的折射率可以切换以基本上匹配于主体材料的折射率(在此情况下图案并不明显地衍射入射光)，或微液滴可以切换到不匹配于主介质的折射率的折射率(在此情况下图案主动地衍射入射光)。
在一些实施例中，可以提供相机组合件630(例如，数码相机，包含可见光和IR光相机)以捕获眼睛210、眼睛210的部分或眼睛210周围的组织的至少一部分的图像，以例如检测用户输入，从眼睛提取生物测定信息，估计和跟踪眼睛的凝视方向，监视用户的生理状态等。在一些实施例中，相机组合件630可以包含图像捕获装置和用以向眼睛投影光(例如，IR或近IR光)的光源，所述光随后可以由眼睛反射且由图像捕获装置检测。在一些实施例中，所述光源包含以IR或近IR发射的发光二极管(“LED”)。在一些实施例中，相机组合件630可以附接到框架80(图2)且可以与处理模块140或150电连通，所述处理模块可以处理来自相机组合件630的图像信息以作出关于例如用户的生理状态、佩戴者的凝视方向、虹膜识别等的各种确定。在一些实施例中，可以对每只眼睛使用一个相机组合件630以单独地监视每只眼睛。
图7A示出由波导输出的出射光束的实例。示出一个波导(以透视图)，但波导组合件260(图6)中的其它波导可以类似地起作用。光640在波导270的输入表面460处注入到波导270中，且通过TIR在波导270内传播。通过与衍射特征的相互作用，光作为出射光束650退出波导。出射光束650从将图像投影到波导中的投影仪装置复制出射光瞳。出射光束650中的任一个包含输入光640的总能量的子部分。且在完全高效的系统中，在所有出射光束650中的能量的总和将等于输入光640的能量。出射光束650在图7A中被示为基本上平行的，但如本文所论述，可以取决于与波导270相关联的深度平面而赋予某个量的光学功率。在一些实施例中，平行出射光束可以指示具有外耦合光学元件的波导，所述外耦合光学元件外耦合光以形成图像，所述图像表现为在深度平面上设置于距眼睛210的大距离(例如，光学无限远)处。其它波导或其它组外耦合光学元件可以输出更发散的出射光束图案，如图7B所示。此外，光束中由眼睛收集的个别一个光束内的发散光将造成眼睛210调节到较近距离以将此光带到聚焦于视网膜上，且将由大脑解译为来自比光学无限远更接近眼睛210的距离的光。
在一些实施例中，通过在分量色彩(例如，三个或更多个分量色彩，例如红色、绿色和蓝色)中的每一个中重叠图像可以在每一深度平面处形成全色图像。图8示出堆叠波导组合件的实例，其中每一深度平面包含使用多个不同分量色彩形成的图像。所示出的实施例示出深度平面240a-240f，但也预期更多或更少的深度。每一深度平面可以具有与其相关联的三个或更多个分量色彩图像，包含：第一色彩G的第一图像；第二色彩R的第二图像；以及第三色彩B的第三图像。在图中通过跟随字母G、R和B的不同屈光力来指示不同深度平面。跟随这些字母中的每一个的数字指示屈光度(1/m)，或深度平面距用户的距离倒数，且图中的每一个框表示个别分量色彩图像。在一些实施例中，为了考虑眼睛对不同波长光的聚焦的差异，用于不同分量色彩的深度平面的精确放置可以变化。举例来说，用于给定深度平面的不同分量色彩图像可以放置于对应于距用户的不同距离的深度平面上。此布置可以增加视觉敏锐度和用户舒适度或可以减小色像差。
在一些实施例中，每一分量色彩的光可以由单一专用波导输出，且因此，每一深度平面可以具有与其相关联的多个波导。在此类实施例中，图中的每一框可以理解为表示个别波导，且每深度平面可以提供三个波导以便显示每深度平面的三个分量色彩图像。虽然为便于图示而在此图中将与每一深度平面相关联的波导彼此邻近示出，但将了解，在物理装置中，波导可以全部布置于堆叠中，每层级一个波导。在一些其它实施例中，多个分量色彩可以由同一波导输出，使得例如每深度平面可以提供仅单个波导。
继续参看图8，在一些实施例中，G是绿色，R是红色，且B是蓝色。在一些其它实施例中，与其它光波长相关联的其它色彩，包含黄色、洋红色和青色，可以另外使用或可以代替红色、绿色或蓝色中的一个或多个。在一些实施例中，特征320、330、340和350可以是有源或无源光学滤光器，其被配置成将来自周围环境的光阻挡或选择性地传递到用户的眼睛。
贯穿本公开对光的给定色彩的参考应理解为涵盖在由用户感知为所述给定色彩的光波长的范围内的一个或多个波长的光。举例来说，红光可以包含处于约620-780nm范围内的一个或多个波长的光，绿光可以包含处于约492-577nm范围内的一个或多个波长的光，且蓝光可以包含处于约435-493nm范围内的一个或多个波长的光。
在一些实施例中，光源530(图6)可以被配置成发射在用户的视觉感知范围之外的一个或多个波长的光，例如IR或紫外线波长。IR光可包含具有处于从700nm到10μm范围内的波长的光。在一些实施例中，IR光可包含具有处于从700nm到1.5μm范围内的波长的近IR光。另外，显示器250的波导的内耦合、外耦合和其它光重定向结构可以被配置成朝向用户的眼睛210将此光引导和发射到显示器之外，例如，用于成像或用户刺激应用。
现在参看图9A，在一些实施例中，照射在波导上的光可能需要重定向以便将光内耦合到波导中。内耦合光学元件可用以将光重定向且内耦合到其对应的波导中。图9A示出各自包含内耦合光学元件的堆叠波导的集合660的实例的横截面侧视图。波导可以各自被配置成输出一个或多个不同波长或者一个或多个不同波长范围的光。将了解，堆叠660可以对应于堆叠260(图6)，且示出的堆叠660的波导可以对应于所述多个波导270、280、290、300、310的部分，不同之处在于来自图像注入装置360、370、380、390、400中的一个或多个的光是从需经重定向光以用于内耦合的位置或定向注入到波导中。
示出的堆叠波导的集合660包含波导670、680和690。每一波导包含相关联内耦合光学元件(其也可称为波导上的光输入区域)，其中例如内耦合光学元件700安置于波导670的主表面(例如，上部主表面)上，内耦合光学元件710安置于波导680的主表面(例如，上部主表面)上，且内耦合光学元件720安置于波导690的主表面(例如，上部主表面)上。在一些实施例中，内耦合光学元件700、710、720中的一个或多个可以安置于相应波导670、680、690的底部主表面上(特定地其中所述一个或多个内耦合光学元件是反射性光学元件)。如所说明，内耦合光学元件700、710、720可以安置于其相应波导670、680、690的上部主表面(或下一较低波导的顶部)上，特定地其中那些内耦合光学元件是透射性光学元件。在一些实施例中，内耦合光学元件700、710、720可以安置于相应波导670、680、690的主体中。在一些实施例中，如本文所论述，内耦合光学元件700、710、720是波长选择性的，使得它们选择性地重定向一个或多个波长的光，同时透射其它波长的光。虽然在其相应波导670、680、690的一侧或拐角上示出，但将了解在一些实施例中，内耦合光学元件700、710、720可以安置于其相应波导670、680、690的其它区域中。
如所说明，内耦合光学元件700、710、720可以彼此横向偏移。在一些实施例中，每一内耦合光学元件可以偏移以使得其接收光而所述光不会穿过另一内耦合光学元件。举例来说，每一内耦合光学元件700、710、720可以被配置成如图6所示从不同图像注入装置360、370、380、390和400接收光，且可以与其它内耦合光学元件700、710、720分离(例如，横向隔开)以使得其基本上不接收来自内耦合光学元件700、710、720中的其它者的光。
每一波导还包含相关联光分布元件，其中例如光分布元件730安置于波导670的主表面(例如，顶部主表面)上，光分布元件740安置于波导680的主表面(例如，顶部主表面)上，且光分布元件750安置于波导690的主表面(例如，顶部主表面)上。在一些其它实施例中，光分布元件730、740、750可以分别安置于相关联波导670、680、690的底部主表面上。在一些其它实施例中，光分布元件730、740、750可以分别安置于相关联波导670、680、690的顶部和底部主表面上；或光分布元件730、740、750可以分别安置于不同相关联波导670、680、690中的顶部和底部主表面中的不同者上。
波导670、680、690可以通过例如气体、液体或固体材料层而间隔开且分离。举例来说，如所说明，层760a可以分离波导670和680；且层760b可以分离波导680和690。在一些实施例中，层760a和760b由低折射率材料(即，具有比形成波导670、680、690中的紧邻一个的材料低的折射率的材料)形成。优选地，形成层760a、760b的材料的折射率比形成波导670、680、690的材料的折射率小至少0.05，或至少0.10。有利的是，较低折射率层760a、760b可以充当促进通过波导670、680、690的光的TIR(例如，每一波导的顶部和底部主表面之间的TIR)的包覆层。在一些实施例中，层760a、760b由空气形成。虽然未示出，但将了解，示出的波导的集合660的顶部和底部可以包含紧邻的包覆层。
优选地，为便于制造和其它考虑，形成波导670、680、690的材料是相似或相同的，且形成层760a、760b的材料是相似或相同的。在其它实施例中，形成波导670、680、690的材料可以在一个或多个波导之间不同，或形成层760a、760b的材料可以不同，同时仍保持上文提到的各种折射率关系。
继续参看图9A，光线770、780、790入射于波导的集合660上。光线770、780、790可以由一个或多个图像注入装置360、370、380、390、400(图6)注入到波导670、680、690中。
在一些实施例中，光线770、780、790具有可以对应于不同色彩的不同性质(例如，不同波长或不同波长范围)。内耦合光学元件700、710、720各自重定向入射光，使得光通过TIR传播穿过波导670、680、690中的相应一个。
举例来说，内耦合光学元件700可以被配置成重定向具有第一波长或波长范围的光线770。类似地，透射光线780照射在内耦合光学元件710上且由其重定向，所述内耦合光学元件被配置成重定向第二波长或波长范围的光。类似地，光线790由内耦合光学元件720重定向，所述内耦合光学元件被配置成选择性地重定向第三波长或波长范围的光。
继续参看图9A，光线770、780、790被重定向，使得它们传播通过对应波导670、680、690；即，每一波导的内耦合光学元件700、710、720将光重定向到所述对应波导670、680、690中以将光内耦合到所述对应波导中。光线770、780、790被成角度地重定向，所述角度造成光通过TIR传播通过相应波导670、680、690。光线770、780、790通过TIR传播通过相应波导670、680、690，直到与波导的对应光分布元件730、740、750相互作用为止。
现在参看图9B，示出图9A的所述多个堆叠波导的实例的透视图。如上所述，光线770、780、790分别通过内耦合光学元件700、710、720内耦合，并且接着分别在波导670、680、690内通过TIR传播。光线770、780、790随后分别与光分布元件730、740、750相互作用。光分布元件730、740、750重定向光线770、780、790，使得它们分别朝向外耦合光学元件800、810和820传播。
在一些实施例中，光分布元件730、740、750是正交光瞳扩展器(OPE)在一些实施例中，OPE将光重定向到外耦合光学元件800、810、820，并且还通过在它们传播到外耦合光学元件时跨越光分布元件730、740、750在许多位置对光线770、780、790进行采样来扩展与此光相关联的光瞳。在一些实施例中(例如，其中出射光瞳已经具有所需大小)，可省略光分布元件730、740、750，且内耦合光学元件700、710、720可以被配置成将光直接重定向到外耦合光学元件800、810、820。举例来说，参考图9A，光分布元件730、740、750可以分别被外耦合光学元件800、810、820代替。在一些实施例中，外耦合光学元件800、810、820是出射光瞳(EP)或出射光瞳扩展器(EPE)，其将光重定向到波导之外且朝向用户的眼睛210重定向(图7)。OPE可以被配置成增加至少一个轴线中的眼睛框的尺寸，且EPE可以被配置成增加在与OPE的轴线交叉(例如，正交)的轴线中的眼睛框的尺寸。
因此，参考图9A和9B，在一些实施例中，波导的集合660包含波导670、680、690；内耦合光学元件700、710、720；光分布元件(例如，OPE)730、740、750；以及用于每一分量色彩的外耦合光学元件(例如，EPE)800、810、820。波导670、680、690可以堆叠，在每一者之间具有气隙/包覆层。内耦合光学元件700、710、720将入射光(其中不同内耦合光学元件接收不同波长的光)引导到对应波导中。光随后成角度地传播，所述角度支持相应波导670、680、690内的TIR。由于TIR仅针对某一角度范围发生，因此光线770、780、790的传播角度的范围受到限制。支持TIR的角度范围在此实例中可以视为波导670、680、690可显示的视场的角度限制。在所示实例中，光线770(例如，蓝光)通过第一内耦合光学元件700内耦合，并且接着继续从波导的表面来回反射，同时沿波导向下行进，其中光分布元件(例如，OPE)730逐渐地对其进行采样以按较早描述的方式产生被朝向外耦合光学元件(例如，EPE)800引导的额外复制光线。光线780和790(例如，分别为绿光和红光)将穿过波导670，其中光线780照射在内耦合光学元件710上且由其内耦合。光线780随后经由TIR沿着波导680向下传播，前进到其光分布元件(例如，OPE)740上，并且接着前进到外耦合光学元件(例如，EPE)810。最终，光线790(例如，红光)穿过波导670、680而照射在波导690的光内耦合光学元件720上。光内耦合光学元件720内耦合光线790，使得光线通过TIR传播到光分布元件(例如，OPE)750，然后通过TIR传播到外耦合光学元件(例如，EPE)820。外耦合光学元件820随后最终将光线790外耦合到用户，所述用户也接收来自其它波导670、680的外耦合光。
图9C示出图9A和9B的所述多个堆叠波导的实例的从上到下平面图。如所说明，波导670、680、690连同每一波导的相关联光分布元件730、740、750和相关联外耦合光学元件800、810、820可以竖直对准。在一些实施方案中，内耦合光学元件700、710、720不竖直对准；而是，内耦合光学元件可以不重叠(例如，如俯视图中所见横向隔开)。此不重叠空间布置可以促进来自不同源的光在一对一基础上注入到不同波导中，进而允许特定光源唯一地光学耦合到特定波导。在一些实施例中，包含不重叠的空间分离内耦合光学元件的布置可称为移位光瞳系统，且这些布置内的内耦合光学元件可以对应于子光瞳。
例如布拉格光栅的衍射光学元件(DOE)
例如布拉格光栅的衍射光栅或衍射光学元件是具有空间变化光学性质和/或特征(例如，折射率的周期性变化)的光学元件，其可以特定波长和/或波长范围选择性地衍射光。例如布拉格光栅的体积光栅或衍射光学元件可以包含光学透射材料的体积内的折射率变化，且可例如形成于可以是透明的基板中，例如玻璃、聚合物或类似者。所述材料(和/或基板)可以是各向同性的。举例来说，例如体积布拉格光栅的体积光栅或衍射光学元件可通过用光(例如，紫外光)照射光敏材料(例如，光敏玻璃、双色明胶等)来制作，所述光被使用干涉图案进行空间调制以改变材料的局部化光学性质(例如，折射率)。在各种实施方案中，例如体积布拉格光栅的体积衍射光学元件和其它衍射光栅或衍射光学元件可包含基板且在基板内包含多个不同区，所述多个不同区具有对应于适合于光衍射的光栅周期的周期性重复横向尺寸。例如布拉格光栅的衍射光栅可以在广泛多种应用中使用，包含光束组合、光学过滤、光耦合、光学调谐或类似者。
不受任何理论限制，作为透射性(或透射或透射的)衍射光学元件的体积布拉格光栅可衍射处于满足布拉格条件的波长或附近的透射光：
λt＝2A sin(θi+θ倾斜) (1)
其中λt是经衍射光的波长，A是光栅周期，θi是光的入射角(相对于光栅法向的方向测量)，且θ倾斜是介质内的光栅的倾斜角度(例如，图10A中的交叉影线图案的倾斜角度，该图示出布拉格光栅1010，其为衍射处于波长λt的透射光的透射性或透射衍射光学元件。如图10A所示，角度θ出是折射角。作为反射性(或反射或反射的)衍射光学元件的布拉格光栅可衍射处于满足布拉格条件的波长或附近的反射光：
λr＝2A cos(θi+θ倾斜) (2)
其中λr是经衍射光的波长。虽然为简单起见，等式1和2中的入射角、倾斜角和光栅周期是相同的，但在一些情况下这些参数中的一个或多个可不同。作为反射性或反射衍射光学元件的布拉格光栅1012对光的衍射在图10B中示出，其中角度θ出是反射角。
处于其它波长和/或入射角的光可穿过衍射光学元件或光栅(例如，布拉格光栅)而基本上不受影响，或具体来说不被衍射。参考图10C和10D，来自源1020的光入射于衍射光学元件(例如，体积DOE或光栅或布拉格光栅)1010和1012上，所述衍射光学元件分别为透射性和反射性DOE、光栅或布拉格光栅。在图10C中，具有满足等式1中的布拉格条件的波长且定向于满足所述布拉格条件的入射角的光线1040由布拉格光栅1010衍射。因为布拉格光栅包括透射性布拉格光栅或透射性衍射光学元件，所以衍射的光透射通过布拉格光栅。在图10D中，具有满足等式2中的布拉格条件的波长且定向于满足所述布拉格条件的入射角的光线1050由布拉格光栅1012衍射。因为布拉格光栅包括反射性布拉格光栅或反射性衍射光学元件，所以衍射的光从布拉格光栅反射。所有其它光线1030(具有其它波长和/或定向于其它入射角)穿过布拉格光栅1010和1012而基本上不受影响(例如，衍射)，如图10C和10D中所示。因此，布拉格光栅可提供波长和角度选择性。
液晶光栅
衍射光学元件可以包括液晶。一些此类光学元件在本文中可以被称为液晶偏振光栅(“LCPG”)。液晶偏振光栅可为高效的、波长选择性的和入射角选择性的。大体上，液晶具有可以在常规流体与固体之间中间的物理性质。虽然液晶在一些方面中是流体状的，但不同于大多数流体，其内的分子的排列展现一些结构次序。因此，液晶材料可用以在空间上改变跨越光栅的区域的一个或多个光学和/或结构特性和/或特征。此改变在一些实例中可以通过在空间上改变液晶分子的对准特性和/或其它材料性质而实现。
可通过光栅的物理结构(例如，周期性、深度和工作循环)以及光栅的材料性质(例如，折射率、吸收率和双折射)来确定光栅的光学性质。当使用液晶时，可通过控制例如液晶材料的分子定向和/或分布来控制光栅的光学性质。
具有各种状态或相位的液晶可以被配置成提供用于光栅或衍射光学元件的各种合意的材料性质，包含(但不限于)双折射、光学各向异性和可制造性(例如，使用薄膜工艺)。举例来说，通过改变液晶层的表面条件和/或混合不同液晶材料，可制造具有不同和/或变化性质的光栅结构。
除具有波长和角度选择性之外，液晶偏振光栅也可具有偏振选择性。此类偏振选择性可由于液晶材料是各向异性的且展现双折射。在一些实施方案中，液晶偏振光栅可作为用于光的透射布拉格光栅或衍射光学元件(或作为反射布拉格光栅或衍射光学元件)操作，所述光具有满足用于透射布拉格光栅的等式1(或用于反射布拉格光栅的等式2)中的布拉格条件的波长且定向于满足所述布拉格条件的入射角并且还具有特定偏振，例如圆偏振状态。举例来说，液晶分子可具有螺旋结构，使得具有与所述螺旋结构相同的圆手向的偏振光被反射，同时具有相反偏振的光被透射(反之亦然)。此类型的液晶偏振光栅可展现圆偏振选择性。
液晶偏振光栅可用作内耦合光学元件，其如本文所描述可用以将光重定向且内耦合到波导中。液晶偏振光栅也可用作外耦合光学元件，其如本文所描述可被配置成将光提取到波导之外。对于此类使用，液晶偏振光栅可充当透射布拉格光栅(或反射布拉格光栅)。举例来说，在波导的表面上入射于透射性布拉格光栅上的光可以透射通过布拉格光栅，且以使得所述光通过全内反射在波导内被导引的角度被衍射。作为另一实例，在波导的表面上入射于透射性布拉格光栅上的在波导内被导引的光可以透射通过布拉格光栅，且以使得所述光不再通过全内反射在波导内被导引而是从波导外耦合的角度被衍射。
在一些情况下，制造透射液晶偏振光栅可能是困难的或不可行的。如上方提及，可通过在基板上对准液晶材料分子来形成液晶偏振光栅。为了实现所需的波长选择性、角度选择性和/或偏振选择性，可以通过逐层积累(或堆叠)液晶分子来制造光栅体积。为了满足用于透射的布拉格条件，液晶偏振光栅可以是几微米厚(可能更少或更多)，其可涉及许多液晶分子层的堆叠。使用用于制作质量/高性能透射液晶偏振光栅的现有制造工艺实现高制造产量可能是有挑战性的和/或昂贵的。
相比之下，制造反射液晶偏振光栅可能更容易。举例来说，反射液晶偏振光栅的厚度可以较小(以满足用于反射的布拉格条件)。因此，用于液晶偏振光栅的现有制造工艺可用以制作质量/高性能反射液晶偏振光栅。
组合DOE或光栅
例如体积相位全息(“VPH”)光栅或体积相位全息图等体积相位光栅或衍射光学元件可通过例如材料层(例如，明胶)内的折射率的改变(或调制)来衍射光，所述材料层可能夹在两个基板(例如，玻璃、聚合物或类似者)之间。VPH光栅可被设计成在不同波长和入射角下工作。VPH光栅可当满足布拉格条件时展现高效率。VPH光栅可被设计成具有非零光学功率，并且例如汇聚或发散光。VPH光栅的制造可相对地容易和便宜。
透射布拉格光栅或衍射光学元件可通过组合两个反射性或反射衍射光学元件或光栅而形成。如下所述，组合的光学元件中的一个可以是偏振选择性的。因此，此光学元件可反射具有某一(某些)偏振状态的光且透射具有某一(某些)其它偏振状态的光。因此，可形成透射布拉格光栅(即，满足等式1的布拉格条件的光栅)。如图11中所示，透射性衍射光学元件或光栅(例如，透射体积DOE或光栅或透射布拉格光栅)1100可通过组合第一反射性衍射光学元件或光栅(例如，第一反射性体积DOE或光栅或第一反射布拉格光栅)1110和第二反射性衍射光学元件或光栅(例如，第二反射性体积DOE或光栅或第二反射布拉格光栅)1120而形成。第一和第二反射性衍射光学元件或光栅(例如，体积DOE或光栅或布拉格光栅)1110和1120可以是不同的衍射光学元件或光栅。如本文所描述，第一反射性衍射光学元件(例如，体积DOE或光栅或布拉格光栅)1110可以是液晶偏振光栅，且第二衍射光学元件(例如，体积DOE或光栅或布拉格光栅)1120可以是体积相位光栅(例如，体积相位全息光栅)，反之亦然。如示出，两个反射性衍射光学元件(体积DOE或光栅或布拉格光栅)1110和1120可以堆叠；例如形成两个反射性衍射光学元件(体积DOE或光栅或布拉格光栅)1110和1120的基板或层可彼此接触定位，但在一些实施方案中一个或多个介入层可包含于两个反射性衍射光学元件1110和1120之间。
图12示出由反射性光栅1110和1120的组合形成的透射性衍射光学元件1100的操作。光线1210和1220被示为入射于第一反射光栅1110上，所述第一反射光栅可为被配置为(或充当)反射布拉格光栅的反射液晶偏振光栅。如本文所描述，举例来说，当满足布拉格条件时，液晶偏振光栅可充当布拉格光栅。液晶偏振光栅1110可以是波长选择性的、角度选择性的和偏振选择性的。光线1210和1220的波长、入射角或偏振状态中的一个或多个可以被选择成准许光线穿过液晶偏振光栅1100而基本上不受影响(例如，衍射)，如步骤1中所示。举例来说，线性偏振光可以穿过液晶偏振光栅1110。此类线性偏振光的波长和/或入射角也可以被选择以用于光穿过液晶偏振光栅1110。在一些实施方案中，举例来说，光线1210和1220的偏振状态可以被调整(例如，经由用以提供例如线性偏振的正确偏振的一个或多个延迟器或波片或偏振器等)以使得入射于第一反射光栅1110上的光线1210和1220穿过而基本上不受影响。在步骤1中，反射液晶偏振光栅1110可透射光，进而充当透射光栅(假定在各种实施方案中光具有正确偏振，例如线性偏振)。
随后，光线1210和1220可由第二反射光栅1120反射。第二反射光栅1120可为被配置为(或充当)反射布拉格光栅的体积相位全息光栅。如本文所描述，体积相位全息光栅可充当布拉格光栅，举例来说，满足布拉格条件。在各种实施方案中，第二反射光栅1120可以是角度选择性和波长选择性的。在一些情况下，由于光线1210和1220的入射角和波长满足用于衍射的布拉格条件，因此光线可由第二反射光栅1120反射(如步骤2中所示)。
在一些实施方案中，光的偏振状态可以例如在从第二反射光栅1120的反射时改变。在不限于任何特定科学理论的情况下，此偏振改变在至少一些情况下可以潜在地由菲涅耳反射边界条件确定。或者或另外，可以包含一个或多个层以实现从第二反射光栅1120反射的光的偏振状态的变换。可以例如包含延迟层，其提供从第二反射光栅1120反射的光的偏振状态的旋转或转换，使得此偏振在到达第一反射光栅1110后不同。偏振可以从在当入射于第一反射光栅1110上(例如，步骤1)时的第一时间的第一状态变换到在从第二反射光栅1120反射(例如，步骤2)之后的第二时间入射于第一反射光栅1110上的第二状态。此偏振可以经由从第二反射光栅1120的反射、经由通过第一反射光栅1110的传播、经由通过第一和第二反射光栅之间的界面的传播或这些的任何组合以及可能经由光栅1100的其它作用或特征而从第一状态变换为第二状态。第一和第二偏振状态可以包括例如线性偏振状态和圆偏振状态(其可以是右手或左手圆偏振状态)。第二反射光栅1120对光的反射可以将光的偏振状态从线性偏振改变到圆偏振。
如图12中所示，由第二反射光栅1120反射的光线1210和1220被朝向液晶偏振光栅1110重定向。在某些实施方案中，因为液晶偏振光栅1110是偏振选择性的且因为光的偏振状态已例如通过光栅1120的反射而更改，所以光线1210和1220可以由第一反射光栅1110衍射和反射，如步骤3中所示。如本文所描述，液晶偏振光栅1110可展现圆偏振选择性(例如，液晶分子可具有螺旋结构，使得具有与所述螺旋结构相同的圆手向的偏振光被反射)。入射于液晶偏振光栅1110上的具有第二偏振状态的光(例如，圆偏振光)可如步骤3中所示反射。在一些配置中，从光栅1110的衍射可(例如，假定例如光具有正确偏振状态，例如圆偏振)造成光线往回传播通过第二反射光栅1120。由于第二反射光栅1120的角度选择性，此类角度改变可造成第二反射光栅1120准许光线穿过而基本上不受影响(例如，衍射)。以此方式，入射于光栅1100上的光可从中穿过。因此，光栅1100可充当透射性光栅。
可以各种方式使用光栅1100。光栅1100可例如用作内耦合光学元件，其可以将光重定向且内耦合到波导中。光栅1100也可用作外耦合光学元件，其如本文所描述可被配置成将光提取到波导之外。光栅1100可以具有零光学功率以便不更改一些图像质量，但不应如此限制。虽然为简单起见，在图12中，光被说明为由反射光栅1120的底部表面和光栅1110的顶部表面反射，然而，在一些变化形式中，光可由第一反射光栅1110或第二反射光栅1120内的体积反射。
当组合时可充当透射布拉格光栅(例如光栅1100)的所描述的组合反射性衍射光学元件或光栅(例如，体积DOE或光栅)可以保持液晶偏振光栅的优点，同时可能简化制造工艺，增加产量，提供其它益处或这些的任何组合。如上文所描述，可避免与制作满足布拉格条件的透射性液晶偏振光栅相关联的制造挑战。
在一些实施方案中，“透射”、“透射性”、“透射的”或“透明”可以允许至少一些(例如，至少20％、30％、50％、60％、70％、80％、90％、95％、97％、99％、99.5％、99.7％、99.9％或更多)的入射光从中穿过，或其特征可在于由这些值中的任一个形成的任何范围中的光学透射。因此，透明基板可以是玻璃、聚合物或蓝宝石。浑浊程度可指示由光的散射造成的材料的浑浊度。透明材料可以具有约1％或更小、2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％或更多的浑浊度。“反射”、“反射的”或“反射性”可以反射至少一些(例如，至少20％、30％、50％、70％、90％、95％、97％、99％、99.5％、99.7％、99.9％或更多)的入射光，或其特征可在于由这些值中的任一个形成的任何范围中的光学透射。
在一些实施方案中，光是以5:1或更少或更多、10:1或更少或更多、50:1或更少或更多、100:1或更少或更多、500:1或更少或更多、1000:1或更少或更多、10,000:1或更少或更多、100,000:1或更少或更多、1,000,000:1或更少或更多、10,000,000:1或更少或更多、或由这些值中的任一个形成的任何范围中的消光比进行偏振(例如，线性偏振或圆偏振)。此消光比可以应用于偏振光，所述偏振光初始入射于第一反射性衍射光学元件上，或在已透射通过第一反射性衍射光学元件之后入射于第二反射性衍射光学元件上，或在从第二反射性衍射光学元件的反射且被朝向第一反射性衍射光学元件引导后，或当在从第二反射性衍射光学元件反射之后入射于第一反射性衍射光学元件上时，或在从第一反射性衍射光学元件反射且被朝向第二反射性衍射光学元件引导之后，或当在由第一反射性衍射光学元件反射之后入射于第二反射性衍射光学元件上时，或这些的任何组合。
广泛范围的变化是可能的。举例来说，衍射光栅可以包含额外层，例如第一反射光栅1110和第二反射光栅1120之间的层或这些反射光栅外部的层。其它变化是可能的。
额外实例
实例1。一种被配置成由用户穿戴的头戴式显示系统，其包括：
可戴在头上的框架；
光投影系统，其被配置成输出光以将图像内容提供到所述用户的眼睛；
波导，其由所述框架支撑，所述波导被配置成导引来自所述光投影系统的所述光的至少一部分耦合到所述波导中以将所述图像内容呈现到所述用户的眼睛；以及
光栅，其包括：
第一反射性衍射光学元件，其包括体积相位全息光栅；以及
第二反射性衍射光学元件，其包括液晶偏振光栅，
其中所述第一反射性衍射光学元件和第二反射性衍射光学元件的组合安置于所述波导的一侧上且被配置成作为透射性衍射光学元件操作。
实例2。根据实例1所述的头戴式显示系统，其中所述光栅被配置成透射从所述光投影系统或所述波导朝向所述光栅引导的光。
实例3。根据实例1到2中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述第一反射性衍射光学元件和第二反射性衍射光学元件的组合被配置成作为透射布拉格光栅操作。
实例4。根据实例1至3中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述光栅包括外耦合光栅，所述外耦合光栅被配置成将在所述波导内导引的光朝向所述用户的眼睛耦合到所述波导之外。
实例5。根据实例1至4中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述光栅包括内耦合光栅，所述内耦合光栅被配置成将光耦合到所述波导中，使得耦合到所述波导中的所述光通过全内反射在所述波导中传播。
实例6。根据实例1至5中任一项所述的头戴式显示系统，其中：
包括所述体积相位全息光栅的所述第一反射性衍射光学元件被配置成将被朝向所述第一反射性衍射光学元件引导的光朝向所述第二反射性衍射光学元件反射；
包括所述液晶偏振光栅的所述第二反射性衍射光学元件被配置成将由所述第一反射性衍射光学元件反射的光返回朝向所述第一反射性衍射光学元件反射；以及
所述第一反射性衍射光学元件被配置成透射由所述第二反射性衍射光学元件反射的光。
实例7。根据实例1至6中任一项所述的头戴式显示系统，其中包括所述体积相位全息光栅的所述第一反射性衍射光学元件被配置成反射处于特定入射角的光且透射处于其它入射角的光。
实例8。根据实例1至7中任一项所述的头戴式显示系统，其中包括所述液晶偏振光栅的所述第二反射性衍射光学元件被配置成透射具有第一偏振状态的入射光且反射具有第二不同偏振状态偏振的入射光。
实例9。根据实例8所述的头戴式显示系统，其中所述第一偏振状态包括线性偏振状态且所述第二偏振状态包括圆偏振状态。
实例10。根据实例1至9中任一项所述的头戴式显示系统，其中光的所述偏振状态由于包括所述体积相位偏振光栅的所述第一反射性衍射光学元件对所述光的反射而改变。
实例11。根据实例10所述的头戴式显示系统，其中光的所述偏振状态由于包括所述体积相位偏振光栅的所述第一反射性衍射光学元件对所述光的反射而改变到由包括所述液晶偏振光栅的所述第二反射性衍射光学元件透射的偏振状态。
实例12。根据实例1至11中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述波导包括前侧和后侧，所述后侧被配置成更接近佩戴者的眼睛定位，且其中所述透射性衍射光学元件安置于所述波导的所述后侧上。
实例13。根据实例12所述的头戴式显示系统，其中所述透射性衍射光学元件被配置成将来自所述光投影系统的至少一些光内耦合到所述波导中。
实例14。根据实例12所述的头戴式显示系统，其中所述透射性衍射光学元件被配置成将由所述波导导引的至少一些光提取到所述波导之外。
实例15。根据实例1至14中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述第一反射性衍射光学元件和第二反射性衍射光学元件一个堆叠在另一个上。
实例16。根据实例15所述的头戴式显示系统，其中所述第一反射性衍射光学元件包括第一层且所述第二反射性衍射光学元件包括第二层，且其中所述第一层和所述第二层一个堆叠在另一个上且堆叠在所述波导上。
实例17。根据实例1至16中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述波导包含被配置成从所述光投影系统接收光的多个波导。
实例18。一种被配置成由用户穿戴的头戴式显示系统，其包括：
可戴在头上的框架；
光投影系统，其被配置成输出光以将图像内容提供到所述用户的眼睛；
波导，其由所述框架支撑，所述波导被配置成导引来自所述光投影系统的所述光的至少一部分耦合到所述波导中以将所述图像内容呈现到所述用户的眼睛；以及
光栅，其包括：
第一反射性衍射光学元件；以及
第二反射性衍射光学元件，其包括液晶偏振光栅，
其中所述第一反射性衍射光学元件和第二反射性衍射光学元件的组合安置于所述波导的一侧上且被配置成作为透射性衍射光学元件操作。
实例19。根据实例18所述的头戴式显示系统，其中所述光栅被配置成透射从所述光投影系统或所述波导朝向所述光栅引导的光。
实例20。根据实例18至19中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述第一反射性衍射光学元件和第二反射性衍射光学元件的组合被配置成作为透射布拉格光栅操作。
实例21。根据实例18至20中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述光栅包括外耦合光栅，所述外耦合光栅被配置成将在所述波导内导引的光朝向所述用户的眼睛耦合到所述波导之外。
实例22。根据实例18至21中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述光栅包括内耦合光栅，所述内耦合光栅被配置成将光耦合到所述波导中，使得耦合到所述波导中的所述光通过全内反射在所述波导中传播。
实例23。根据实例18至22中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述第一反射性衍射光学元件包括体积相位衍射光学元件。
实例24。根据实例18至23中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述第一反射性衍射光学元件包括体积相位光栅。
实例25。根据实例18至24中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述第一反射性衍射光学元件包括体积相位全息光栅。
实例26。根据实例18至25中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述第一反射性衍射光学元件不包括液晶偏振光栅。
实例27。根据实例18至26中任一项所述的头戴式显示系统，其中：
所述第一反射性衍射光学元件被配置成将朝向所述第一反射性衍射光学元件引导的光朝向所述第二反射性衍射光学元件反射；
所述第二反射性衍射光学元件被配置成将由所述第一反射性衍射光学元件反射的光返回朝向所述第一反射性衍射光学元件反射；且
所述第一反射性衍射光学元件被配置成透射由所述第二反射性衍射光学元件反射的光。
实例28。根据实例18至27中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述第一反射性衍射光学元件被配置成反射处于特定入射角的光且透射处于其它入射角的光。
实例29。根据实例18至28中任一项所述的头戴式显示系统，其中包括所述液晶偏振光栅的所述第二反射性衍射光学元件被配置成透射具有第一偏振状态的入射光且反射具有第二不同偏振状态偏振的入射光。
实例30。根据实例29所述的头戴式显示系统，其中所述第一偏振状态包括线性偏振状态且所述第二偏振状态包括圆偏振状态。
实例31。根据实例18至30中任一项所述的头戴式显示系统，其中光的所述偏振状态由于所述第一反射性衍射光学元件对所述光的反射而改变。
实例32。根据实例18至31中任一项所述的头戴式显示系统，其中光的所述偏振状态由于所述第一反射性衍射光学元件对所述光的反射而改变到由所述第二反射性衍射光学元件透射的偏振状态。
实例33。根据实例18至32中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述波导包括前侧和后侧，所述后侧被配置成更接近佩戴者的眼睛定位，且其中所述透射性衍射光学元件安置于所述波导的所述后侧上。
实例34。根据实例33所述的头戴式显示系统，其中所述透射性衍射光学元件被配置成将来自所述光投影系统的至少一些光内耦合到所述波导中。
实例35。根据实例33所述的头戴式显示系统，其中所述透射性衍射光学元件被配置成将由所述波导导引的至少一些光提取到所述波导之外。
实例36。根据实例18至35中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述第一反射性衍射光学元件和第二反射性衍射光学元件一个堆叠在另一个上。
实例37。根据实例36所述的头戴式显示系统，其中所述第一反射性衍射光学元件包括第一层且所述第二反射性衍射光学元件包括第二层，且其中所述第一层和所述第二层一个堆叠在另一个上且堆叠在所述波导上。
实例38。根据实例18至37中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述波导包含被配置成从所述光投影系统接收光的多个波导。
实例39。一种被配置成由用户穿戴的头戴式显示系统，其包括：
可戴在头上的框架；
光投影系统，其被配置成输出光以将图像内容提供到所述用户的眼睛；
波导，其由所述框架支撑，所述波导被配置成导引来自所述光投影系统的所述光的至少一部分耦合到所述波导中以将所述图像内容呈现到所述用户的眼睛；以及
光栅，其包括：
第一反射性衍射光学元件；以及
第二反射性衍射光学元件，其不同于所述第一反射性衍射光学元件，
其中所述第一反射性衍射光学元件和第二反射性衍射光学元件的组合被配置成作为透射性衍射光学元件操作，所述透射性衍射光学元件包括(i)内耦合光学元件，其被配置成将来自所述光投影系统的光耦合到所述波导中以通过全内反射在所述波导中被导引，或(ii)外耦合光学元件，其被配置成将在所述波导内导引的光耦合到所述波导之外且将所述光引导到所述用户的眼睛。
实例40。根据实例39所述的头戴式显示系统，其中所述第一反射性光学元件包括体积相位全息光栅且所述第二反射性衍射光学元件包括液晶偏振光栅。
实例41。根据实例39或40所述的头戴式显示系统，其中所述透射性衍射光学元件包括内耦合光学元件，所述内耦合光学元件被配置成将来自所述光投影系统的光耦合到所述波导中以通过全内反射在所述波导中被导引。
实例42。根据实例39至41中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述透射性衍射光学元件包括外耦合光学元件，所述外耦合光学元件被配置成将在所述波导内导引的光耦合到所述波导之外且将所述光引导到所述用户的眼睛。
实例43。根据实例39至42中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述透射性衍射光学元件被配置成透射从所述光投影系统或所述波导朝向所述透射性衍射光学元件引导的光。
实例44。根据实例39至43中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述透射性衍射光学元件被配置成作为透射布拉格光栅操作。
实例45。根据实例39至44中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述第一反射性衍射光学元件包括体积相位衍射光学元件。
实例46。根据实例39至45中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述第一反射性衍射光学元件包括体积相位光栅。
实例47。根据实例39至46中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述第一反射性衍射光学元件包括体积相位全息光栅。
实例48。根据实例39至47中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述第一反射性衍射光学元件不包括液晶偏振光栅且所述第二反射性衍射光学元件包括液晶偏振光栅。
实例49。根据实例39至48中任一项所述的头戴式显示系统，其中：
所述第一反射性衍射光学元件被配置成将朝向所述第一反射性衍射光学元件引导的光朝向所述第二反射性衍射光学元件反射；
所述第二反射性衍射光学元件被配置成将由所述第一反射性衍射光学元件反射的光返回朝向所述第一反射性衍射光学元件反射；且
所述第一反射性衍射光学元件被配置成透射由所述第二反射性衍射光学元件反射的光。
实例50。根据实例39至49中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述第一反射性衍射光学元件被配置成反射处于特定入射角的光且透射处于其它入射角的光。
实例51。根据实例39至50中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述第二反射性衍射光学元件包括液晶偏振光栅且被配置成透射具有第一偏振状态的入射光且反射具有第二不同偏振状态偏振的入射光。
实例52。根据实例51所述的头戴式显示系统，其中所述第一偏振状态包括线性偏振状态且所述第二偏振状态包括圆偏振状态。
实例53。根据实例39至52中任一项所述的头戴式显示系统，其中光的所述偏振状态由于所述第一反射性衍射光学元件对所述光的反射而改变。
实例54。根据实例39至53中任一项所述的头戴式显示系统，其中光的所述偏振状态由于所述第一反射性衍射光学元件对所述光的反射而改变到由所述第二反射性衍射光学元件透射的偏振状态。
实例55。根据实例39至54中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述波导包括前侧和后侧，所述后侧被配置成更接近佩戴者的眼睛定位，且其中所述透射性衍射光学元件安置于所述波导的所述后侧上。
实例56。根据实例55所述的头戴式显示系统，其中所述透射性衍射光学元件被配置成将来自所述光投影系统的至少一些光内耦合到所述波导中。
实例57。根据实例55所述的头戴式显示系统，其中所述透射性衍射光学元件被配置成将由所述波导导引的至少一些光提取到所述波导之外。
实例58。根据实例39至57中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述第一反射性衍射光学元件和第二反射性衍射光学元件一个堆叠在另一个上。
实例59。根据实例58所述的头戴式显示系统，其中所述第一反射性衍射光学元件包括第一层且所述第二反射性衍射光学元件包括第二层，且其中所述第一层和所述第二层一个堆叠在另一个上且堆叠在所述波导上。
实例60。根据实例39至59中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述波导包含被配置成从所述光投影系统接收光的多个波导。
实例61。一种被配置成由用户穿戴的头戴式显示系统，其包括：
可戴在头上的框架；
光投影系统，其被配置成输出光以将图像内容提供到所述用户的眼睛；
波导，其由所述框架支撑，所述波导被配置成导引来自所述光投影系统的所述光的至少一部分耦合到所述波导中以将所述图像内容呈现到所述用户的眼睛；以及
光栅，其包括：
第一反射性衍射光学元件；以及
第二反射性衍射光学元件，其被配置成反射第一偏振状态且透射不同于所述第一偏振状态的第二偏振状态，
其中所述第一反射性衍射光学元件和第二反射性衍射光学元件的组合安置于所述波导的一侧上且被配置成作为透射性衍射光学元件操作。
实例62。根据实例61所述的头戴式显示系统，其中所述第一偏振状态包括圆偏振状态且所述第二偏振状态包括线性偏振状态。
实例63。根据实例61至62中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述光栅被配置成透射从所述光投影系统或所述波导朝向所述光栅引导的光。
实例64。根据实例61至63中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述第一反射性衍射光学元件和第二反射性衍射光学元件的组合被配置成作为透射布拉格光栅操作。
实例65。根据实例61至64中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述光栅包括外耦合光栅，所述外耦合光栅被配置成将在所述波导内导引的光朝向所述用户的眼睛耦合到所述波导之外。
实例66。根据实例61至65中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述光栅包括内耦合光栅，所述内耦合光栅被配置成将光耦合到所述波导中，使得耦合到所述波导中的所述光通过全内反射在所述波导中传播。
实例67。根据实例61至66中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述第一反射性衍射光学元件包括体积相位衍射光学元件。
实例68。根据实例61至67中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述第一反射性光学元件包括体积相位全息光栅且所述第二反射性衍射光学元件包括液晶偏振光栅。
实例69。根据实例61至68中任一项所述的头戴式显示系统，其中：
所述第一反射性衍射光学元件被配置成将朝向所述第一反射性衍射光学元件引导的光朝向所述第二反射性衍射光学元件反射；
所述第二反射性衍射光学元件被配置成将由所述第一反射性衍射光学元件反射的光返回朝向所述第一反射性衍射光学元件反射；且
所述第一反射性衍射光学元件被配置成透射由所述第二反射性衍射光学元件反射的光。
实例70。根据实例61至69中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述第一反射性衍射光学元件被配置成反射处于特定入射角的光且透射处于其它入射角的光。
实例71。根据实例61至70中任一项所述的头戴式显示系统，其中光的所述偏振状态由于所述第一反射性衍射光学元件对所述光的反射而改变。
实例72。根据实例71所述的头戴式显示系统，其中光的所述偏振状态由于所述第一反射性衍射光学元件对所述光的反射而改变到所述第二偏振状态。
实例73。根据实例61至72中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述波导包括前侧和后侧，所述后侧被配置成更接近佩戴者的眼睛定位，且其中所述透射性衍射光学元件安置于所述波导的所述后侧上。
实例74。根据实例73所述的头戴式显示系统，其中所述透射性衍射光学元件被配置成将来自所述光投影系统的至少一些光内耦合到所述波导中。
实例75。根据实例73所述的头戴式显示系统，其中所述透射性衍射光学元件被配置成将由所述波导导引的至少一些光提取到所述波导之外。
实例76。根据实例61至75中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述第一反射性衍射光学元件和第二反射性衍射光学元件一个堆叠在另一个上。
实例77。根据实例76所述的头戴式显示系统，其中所述第一反射性衍射光学元件包括第一层且所述第二反射性衍射光学元件包括第二层，且其中所述第一层和所述第二层一个堆叠在另一个上且堆叠在所述波导上。
实例78。根据实例61至77中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述波导包含被配置成从所述光投影系统接收光的多个波导。
另外的考虑因素
本文相对于任何目镜波导所描述的特征中的任一个可以替代地用本文所描述的任何其它目镜波导来实施。
除非上下文另有明确要求，否则贯穿整个描述和权利要求书，“包括(comprise)”、“包括(comprising)”、“包含(include)”、“包含(including)”、“具有(have)”和“具有(having)”等词应以包含性的意义来进行解释，而不是独占或穷尽性的意义；即作为“包含但不限于”的意义。如大体上本文中所用，词语“耦合”指代可以直接连接或借助于一个或多个中间元件连接的两个或更多个元件。类似地，如大体上本文中所用，词语“连接”指代可以直接连接或借助于一个或多个中间元件连接的两个或更多个元件。取决于上下文，“耦合”或“连接”可指代光学耦合或光学连接，使得光从一个光学元件耦合或连接到另一光学元件。另外，“本文中”、“以上”、“以下”、“见下文”、“见上文”这些词和类似意义的词，当在本申请中使用时，应指该申请整体，而不是指此申请的任何特定部分。在上下文准许的情况下，上述具体实施方式中使用单数或复数的词语还可分别包含复数或单数。参考两个或更多个项目的列表的词语“或”是包含性(而不是排他性)“或”，且“或”涵盖词语的所有以下解释：列表中的项目中的任一个、列表中的所有项目，和列表中的项目中的一个或多个的任何组合，且不排除添加到列表的其它项目。另外，除非另有说明，否则本申请和所附权利要求中使用的冠词“一”、“一个”和“该”应理解为表示“一个或多个”或“至少一个”。
如本文所使用，指一列表项目“中的至少一个”的短语是指那些项目的任何组合，包含单一成员。作为实例，“A、B或C中的至少一个”既定涵盖：A、B、C、A和B、A和C、B和C，以及A、B和C。除非另有特定说明，否则例如短语“X、Y和Z中的至少一个”的连结性语言结合所使用的上下文另外理解为通常表示某个项目、项等可以是X、Y或Z中的至少一个。因此，此类连接语言通常并不希望暗示某些实施例要求至少一个X、至少一个Y和至少一个Z均要存在。
此外，本文所使用的条件语言，尤其例如“可”、“可以”、“可能”、“可”、“例如”、“举例来说”、“诸如”及类似者，除非确切地陈述是其他情况或在所使用的上下文内另外理解，否则通常意图表示某些实施例包含某些特征、元件和/或状态，而其它实施例不包含某些特征、元件和/或状态。因此，此类条件语言通常不希望暗示针对一个或多个实施例以任何方式要求所述特征、元件和/或状态，或者在任何特定实施例中是否应包含或执行这些特征、元件和/或状态。
虽然已描述某些实施例，但这些实施例仅作为实例而呈现，且其并不希望限制本公开的范围。实施例中的任一个实施例的特征可以组合和/或被实施例中的任何其它一个实施例的特征取代。本文已经描述各种实施例的某些优点。但并非所有实施例都一定实现这些优点中的每一个。
已经结合附图描述了实施例。然而，附图不是按比例绘制。距离、角度等仅是说明性的，且未必具有与所示出的装置的实际尺寸和布局的精确关系。
已经以细节水平描述前述实施例以允许所属领域的技术人员制作和使用本文所描述的装置、系统、方法等。广泛多种变化是可能的。可以更改、添加、移除或重新布置组件、元件和/或步骤。虽然已经明确描述某些实施例，但所属领域的技术人员基于本公开将显而易见其它实施例。

Claims (17)

1.一种被配置成由用户穿戴的头戴式显示系统，其包括：
可戴在头上的框架；
光投影系统，其被配置成输出光以将图像内容提供到所述用户的眼睛；
波导，其由所述框架支撑，所述波导被配置成导引来自所述光投影系统的所述光的至少一部分耦合到所述波导中以将所述图像内容呈现到所述用户的眼睛；以及
光栅，其包括：
第一反射性衍射光学元件，其包括体积相位全息光栅；以及
第二反射性衍射光学元件，其包括液晶偏振光栅，
其中所述第一反射性衍射光学元件和第二反射性衍射光学元件的组合安置于所述波导的一侧上且被配置成作为透射性衍射光学元件操作。
2.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中所述光栅被配置成透射从所述光投影系统或所述波导朝向所述光栅引导的光。
3.根据前述权利要求中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述第一反射性衍射光学元件和第二反射性衍射光学元件的组合被配置成作为透射布拉格光栅操作。
4.根据前述权利要求中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述光栅包括外耦合光栅，所述外耦合光栅被配置成将在所述波导内导引的光朝向所述用户的眼睛耦合到所述波导之外。
5.根据前述权利要求中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述光栅包括内耦合光栅，所述内耦合光栅被配置成将光耦合到所述波导中，使得耦合到所述波导中的所述光通过全内反射在所述波导中传播。
6.根据前述权利要求中任一项所述的头戴式显示系统，其中：
包括所述体积相位全息光栅的所述第一反射性衍射光学元件被配置成将被朝向所述第一反射性衍射光学元件引导的光朝向所述第二反射性衍射光学元件反射；
包括所述液晶偏振光栅的所述第二反射性衍射光学元件被配置成将由所述第一反射性衍射光学元件反射的光返回朝向所述第一反射性衍射光学元件反射；以及
所述第一反射性衍射光学元件被配置成透射由所述第二反射性衍射光学元件反射的光。
7.根据前述权利要求中任一项所述的头戴式显示系统，其中包括所述体积相位全息光栅的所述第一反射性衍射光学元件被配置成反射处于特定入射角的光且透射处于其它入射角的光。
8.根据前述权利要求中任一项所述的头戴式显示系统，其中包括所述液晶偏振光栅的所述第二反射性衍射光学元件被配置成透射具有第一偏振状态的入射光且反射具有第二不同偏振状态偏振的入射光。
9.根据权利要求8所述的头戴式显示系统，其中所述第一偏振状态包括线性偏振状态且所述第二偏振状态包括圆偏振状态。
10.根据前述权利要求中任一项所述的头戴式显示系统，其中光的所述偏振状态由于包括所述体积相位偏振光栅的所述第一反射性衍射光学元件对所述光的反射而改变。
11.根据权利要求10所述的头戴式显示系统，其中光的所述偏振状态由于包括所述体积相位偏振光栅的所述第一反射性衍射光学元件对所述光的反射而改变到由包括所述液晶偏振光栅的所述第二反射性衍射光学元件透射的偏振状态。
12.根据前述权利要求中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述波导包括前侧和后侧，所述后侧被配置成更接近佩戴者的眼睛定位，且其中所述透射性衍射光学元件安置于所述波导的所述后侧上。
13.根据权利要求12所述的头戴式显示系统，其中所述透射性衍射光学元件被配置成将来自所述光投影系统的至少一些光内耦合到所述波导中。
14.根据权利要求12所述的头戴式显示系统，其中所述透射性衍射光学元件被配置成将由所述波导导引的至少一些光提取到所述波导之外。
15.根据前述权利要求中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述第一反射性衍射光学元件和第二反射性衍射光学元件一个堆叠在另一个上。
16.根据权利要求15所述的头戴式显示系统，其中所述第一反射性衍射光学元件包括第一层且所述第二反射性衍射光学元件包括第二层，且其中所述第一层和所述第二层一个堆叠在另一个上且堆叠在所述波导上。
17.根据前述权利要求中任一项所述的头戴式显示系统，其中所述波导包含被配置成从所述光投影系统接收光的多个波导。
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