CN116685893A - 用于头戴式显示系统的致动瞳孔转向 - Google Patents

Abstract

本文中的一些实施例涉及具有致动反射瞳孔转向的头戴式虚拟视网膜显示(VRD)系统。所述显示系统包含投影系统，其用于生成图像内容；以及致动反射光学架构，其可以是光组合器的一部分，所述致动反射光学架构将光从所述投影系统反射到用户的眼睛中。所述显示系统被配置成跟踪用户的眼睛的位置，并且致动所述反射光学架构以改变反射光的方向，使得将所述反射光引导到所述用户的眼睛中。本文所述的VRD可以是高效的，并且可以具有改进的尺寸、重量和亮度，使得它们能够全天日常使用。

Description

用于头戴式显示系统的致动瞳孔转向

技术领域

本公开涉及显示系统，且更具体地说，涉及增强现实显示系统。

背景技术

现代计算和显示技术促进所谓的“虚拟现实”或“增强现实”体验系统的开发，其中以数字方式再现的图像或其部分以它们看起来真实或可能被感知为真实的方式呈现给用户。虚拟现实或“VR”场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现，而对其它实际的现实世界视觉输入不透明；增强现实或“AR”场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现，作为对用户周围实际世界的可视化的增强。混合现实或“MR”场景是一种AR场景并且通常涉及集成到自然世界中并对其做出响应的虚拟对象。例如，在MR场景中，AR图像内容可能由现实世界中的对象阻挡或以其它方式被感知为与对象交互。

参考图1，描绘扩增现实场景10，其中AR技术的用户看到背景中有人、树、建筑物的现实世界公园式环境20和混凝土平台30。除了这些项目之外，AR技术的用户还感知到他“看到”“虚拟内容”，例如站在现实世界平台30上的机器人雕像40，以及飞过的卡通形象角色50，其似乎是大黄蜂的化身，尽管这些元素40、50在现实世界中并不存在。由于人类视觉感知系统复杂，因此生产一种AR技术具有挑战性，所述技术有助于在其它虚拟或现实世界图像元素中实现虚拟图像元素的舒适、自然的感觉和丰富的呈现。

本文所公开的系统、装置和方法解决关于AR和VR技术的各种挑战。

发明内容

一些方面包含一种头戴式显示系统，包括：框架；图像光投影仪，其由所述框架支撑；衍射反射器，其由所述框架支撑并且安置在所述图像光投影仪前方，所述衍射反射器被配置成接收由所述图像光投影仪投影的图像光并且在所述显示系统保持在用户身上时将所述图像光反射到所述用户的眼睛中，所述衍射反射器包括：多个衍射层；以及致动器，所述致动器由所述框架支撑并且被配置成改变所述衍射层的相对定向，其中所述衍射层的不同相对定向被配置成将光反射到不同的相关联眼睛位置。

在一些实施例中，所述致动器是配置成改变衍射层的相对物理位置的机械致动器。在一些实施例中，所述致动器被配置成使衍射层中的一个或多个旋转。在一些实施例中，所述衍射反射器包括基于里斯利棱镜的衍射层堆叠。在一些实施例中，所述致动器被配置成横向地移位衍射层中的一个或多个。在一些实施例中，所述衍射层包括体相位全息图。在一些实施例中，所述衍射层包括反射几何相位透镜。在一些实施例中，所述图像光投影仪具有相对于衍射反射器的固定定向。

在一些实施例中，所述头戴式显示系统进一步包括用于确定用户的眼睛瞳孔的位置的眼睛跟踪系统，其中致动器被配置成基于所确定的瞳孔位置实现对应于不同瞳孔位置的不同定向。

一些方面包含增强现实显示装置，包括：图像光投影仪；反射衍射组合器，其被配置成从所述图像光投影仪接收投影光，所述衍射组合器被配置成将世界光与来自所述图像光投影仪的投影光组合并且引导投影光以在可变的可选择转向出瞳位置处形成图像，所述衍射组合器包括：可切换光束转向单元，其被配置成衍射投影光以在转向出瞳位置处形成图像，所述光束转向单元包括：两个或更多个衍射光栅，其被配置成接收投影光；以及致动机构，其中所述两个或更多个衍射光栅中的至少一个耦合到所述致动机构，其中所述致动机构被配置成引起所述两个或更多个衍射光栅中的至少一个的定向的变化，其中不同定向对于入射投影光具有不同的相关联衍射角，其中不同的相关联衍射角对应于不同的转向出瞳位置。

在一些实施例中，所述图像光投影仪包括：一个或多个微机电系统扫描镜；以及激光源。在一些实施例中，所述图像光投影仪包括变焦透镜。在一些实施例中，增强现实显示系统进一步包括用于跟踪显示系统的用户的眼睛瞳孔的位置的眼睛跟踪组合件。在一些实施例中，所述眼睛跟踪组合件包括离轴相机。在一些实施例中，所述两个或更多个衍射光栅形成基于里斯利棱镜的转向机构，其中衍射组合器包括进一步包括：在所述两个或更多个衍射光栅后方的准直全息光学元件；以及在所述两个或更多个衍射光栅前方的全息光学元件聚焦透镜。

在一些实施例中，所述两个或更多个衍射光栅中的第一衍射光栅和所述两个或更多个衍射光栅中的第二衍射光栅耦合到致动机构，其中所述第一衍射光栅的致动使所述第一衍射光栅从第一光栅定向旋转到第二光栅定向，并且其中所述第二衍射光栅的致动使所述第二衍射光栅从第三光栅定向旋转到第四光栅定向，其中所述第一衍射光栅的旋转改变来自所述第一衍射光栅的投影光的衍射角，并且其中所述第二衍射光栅的旋转改变来自所述第二衍射光栅的投影光的衍射角。在一些实施例中，所述两个或更多个衍射光栅包括透射光栅，其中投影光仅在穿过光束转向单元的所述两个或更多个衍射光栅的单程上衍射。

在一些实施例中，所述两个或更多个衍射光栅包括透射体相位全息光栅和反射体相位全息光栅，其中所述透射体相位全息光栅是光准直器，其中所述反射体相位全息光栅被配置成将投影光聚焦到转向出瞳。在一些实施例中，其中所述反射体相位全息光栅机械地耦合到致动机构。在一些实施例中，所述致动机构被配置成相对于透射体相位全息光栅横向地平移反射体相位全息光栅，其中至少一个反射体相位全息光栅的横向平移改变投影光在从至少一个反射体相位全息光栅反射时的衍射角。在一些实施例中，转向出瞳的移动距离与至少一个反射体相位全息光栅的横向平移的距离的比率是1:1。

在一些实施例中，所述两个或更多个衍射光栅包括至少两个二次相位衍射光栅。在一些实施例中，所述至少两个二次相位衍射光栅包括：透射体相位全息光栅；以及反射体相位全息光栅。在一些实施例中，反射体相位全息光栅耦合到致动机构。在一些实施例中，所述致动机构被配置成相对于透射体相位全息光栅横向地平移反射体相位全息光栅，其中所述横向平移使二次相位衍射光栅产生线性光栅功能，其中所述线性光栅功能改变投影光在从至少一个反射体相位全息光栅反射时的衍射角。在一些实施例中，转向出瞳的移动距离与至少一个反射体相位全息光栅的横向平移的距离的比率大于1:1。在一些实施例中，透射体相位全息光栅以预定义焦距发散投影光。在一些实施例中，致动机构被配置成使反射体相位全息光栅朝向或远离至少一个透射体相位全息光栅倾斜，其中不同倾斜对应于投影光在从反射体相位全息光栅反射时的不同衍射角。

在一些实施例中，光束转向单元进一步包括：偏振开关；在偏振开关前方的四分之一波片；以及在四分之一波片前方的反射器。在一些实施例中，光束转向单元进一步包括：在偏振开关后方的第一偏振透镜；以及在第一偏振透镜后方的体相位全息光栅。在一些实施例中，两个或更多个衍射光栅包括：在偏振开关前方的第二偏振透镜；以及在第二偏振透镜前方的第三偏振透镜。

在一些实施例中，增强现实显示系统进一步包括世界补偿器，所述世界补偿器被配置成抵消光束转向单元对世界光的重定向。在一些实施例中，所述世界补偿器包括与光束转向单元基本上相同的光学组件，其中所述世界补偿器相对于光束转向单元相反地驱动，使得光束转向单元的光学效果由世界补偿器消除。在一些实施例中，衍射光栅包括液晶偏振光栅，其中衍射组合器进一步包括：第一全息光学元件，其被配置成聚焦右圆偏振光；以及第二全息光学元件，其被配置成准直左圆偏振光，其中第二全息光学元件在光束转向单元后方，并且其中第一全息光学元件在第二全息光学元件后方。在一些实施例中，光束转向单元进一步包括在衍射光栅前方的四分之一波片。在一些实施例中，致动机构包括用于将电压选择性地施加到一个或多个液晶偏振光栅中的至少一个的电开关。在一些实施例中，所施加的电压改变至少一个液晶偏振光栅的光栅结构，其中光栅结构的变化改变投影光在透射穿过至少一个液晶偏振光栅时的衍射角。在一些实施例中，液晶偏振光栅包括布拉格选择性液晶偏振光栅。在一些实施例中，转向出瞳的可寻址转向位置的数目等于2n，其中n是光束转向单元内的衍射光栅的数目。

一些方面包含一种头戴式显示系统，包括：框架；图像光投影仪，其由所述框架支撑；以及衍射反射器，其由所述框架支撑并且安置在所述图像光投影仪前方，所述衍射反射器被配置成接收由所述图像光投影仪投影的图像光并且在所述显示系统保持在用户身上时将所述图像光反射到所述用户的眼睛中，所述衍射反射器包括：多个衍射层，其包括液晶偏振光栅；以及偏振开关，其被配置成改变传播通过所述衍射层的光的偏振，其中开关的不同状态被配置成将光反射到不同的相关联眼睛位置。

在一些实施例中，所述头戴式显示系统进一步包括双色镜，其中衍射层包括由双色镜分开的液晶偏振光栅的第一和第二堆叠。

在一些实施例中，所述头戴式显示系统进一步包括：双色镜；以及偏振器，其中所述双色镜、偏振器和液晶偏振光栅形成堆叠，其中所述偏振器在所述双色镜前方，并且所述双色镜在所述液晶偏振光栅前方。在一些实施例中，所述头戴式显示系统进一步包括用于确定用户的眼睛瞳孔的位置的眼睛跟踪系统，其中致动器被配置成基于所确定的瞳孔位置实现对应于不同瞳孔位置的不同定向。

一些方面包含一种用于将来自头戴式显示器的虚拟内容显示给用户的方法，所述方法包括：跟踪用户的眼睛瞳孔的位置；将图像光从图像光投影仪投影到包括多个衍射层的衍射反射器；改变图像光从衍射反射器的反射角以跟踪瞳孔的位置。在一些实施例中，改变角度包括改变衍射层的相对定向，其中不同相对定向对应于不同瞳孔位置，其中改变所述相对定向将光引导到瞳孔的跟踪位置。在一些实施例中，改变相对定向包括使衍射层中的一个或多个相对于衍射层中的一个或多个其它衍射层旋转。在一些实施例中，改变相对定向包括使衍射层中的一个或多个相对于衍射层中的一个或多个其它衍射层横向地移位。在一些实施例中，衍射层包括液晶偏振光栅和偏振开关，其中改变反射角包括改变传播通过偏振开关的光的偏振。

附图说明

提供图式以说明实例实施例，并且无意限制本公开的范围。

图1示出用户通过增强现实(AR)装置的AR的视图。

图2示出可穿戴显示系统的实例。

图3示出用于为用户模拟三维成像的常规显示系统。

图4示出用于使用多个深度平面模拟三维成像的方法的方面。

图5A到5C示出曲率半径与焦半径之间的关系。

图6示出用于通过将图像光转向到用户的眼睛中来显示虚拟内容的光学构架的实例。

图7示出用于将图像光转向到用户的眼睛中的电子致动组合件的光学架构的实例。

图8A和8B示出用于图7的光学架构的全息光学元件的光学功能的实例。

图9示出用于图7的光学架构的电子致动光束转向单元(BSU)的实例。

图10示出液晶偏振光栅(LCPG)在断开状态和接通状态下的实例。

图11示出可以使用具有n＝3个LCPG的LCPG BSU实现的衍射角θ的实例。

图12示出用于将图像光转向到用户的眼睛中的电子致动组合件的光学架构的另一实例。

图13示出电子致动BSU的另一实例。

图14A和14B示出图12的光学架构的全息光学元件的光学功能的实例。

图15示出可以使用具有n＝3个LCPG的布拉格选择性LCPG BSU实现的衍射角θ的实例。

图16示出具有基于里斯利棱镜的BSU的光学架构的实例。

图17示出用于图16的基于里斯利棱镜的BSU的结构的实例。

图18示出用于图16的基于里斯利棱镜的BSU的结构的另一实例。

图19示出基于单程里斯利棱镜的BSU的光学功能性的实例。

图20示出基于双程里斯利棱镜的BSU的光学功能性的实例。

图21示出包括移位板BSU的光学架构的实例。

图22示出可以使用图21的移位板BSU实现的各种实例瞳孔转向位置。

图23示出用于图21的移位板BSU的体相位全息光栅结构的实例。

图24示出包括移位板BSU的光学架构的另一实例。

图25示出可以使用图24的移位板组合器实现的瞳孔转向位置的实例。

图26示出用于图24的移位板BSU的实例体相位全息光栅结构。

图27A和27B示出可以使用倾斜和移位的移位板BSU实现的瞳孔转向位置的实例。

图28示出用于双程动力移位板BSU的光学架构的实例，其示出光传播通过光学结构的实例。

图29示出用于图29的双程移位板组合器的转向瞳孔位置的实例。

图30示出用于生成用于显示装置的转向出瞳的图像的过程的流程图的实例。

图31示出用于生成用于显示装置中的转向出瞳的图像的过程的其它方面的流程图的实例。

图32输出用于生成用于显示装置中的转向出瞳的图像的并行工作流程的图式的实例。

图33示出用于显示转向出瞳的图像的过程的流程图的实例。

图34示出用于显示转向出瞳的图像的另一过程的流程图的实例。

图35示出机械致动BSU的实例。

图36示出具有用于在两个维度上移动BSU的层的线性致动器的机械致动BSU的实例。

图37示出具有用于在两个维度上移动BSU的层的线性致动器的机械致动BSU的另一实例。

图38示出用于在不同深度平面上提供图像内容的上游变焦透镜结构的集成的实例的图式。

具体实施方式

本文的一些实施例涉及用于通过主动地将图像光转向到用户或观看者的眼睛中来显示虚拟内容的头戴式显示系统。显示系统包含光投影仪，所述光投影仪将用图像信息编码的光(可以称为图像光)输出到反射器，所述反射器具有改变反射器中的结构的相对定向或光学开关的状态的致动器。所述变化改变入射图像光的反射角，由此将图像光转向到观看者的眼睛中。

在一些实施例中，反射器可以是具有衍射层堆叠的衍射反射器。在一些实施例中，这些衍射层可以形成光束转向单元(BSU)，并且衍射层的不同相对定向和/或衍射层中的衍射特征可以提供入射光的不同反射角。在一些实施例中，反射器的致动可以使用机械致动器实现，所述机械致动器改变衍射层的相对物理位置。例如，机械致动器可以物理地耦合到衍射层中的一个或多个。衍射层可以是基于里斯利棱镜的衍射层堆叠，并且这些层中的一个或多个可以旋转以在期望方向上提供图像光反射。在一些其它实施例中，衍射层可以横向地移位以在期望方向上提供图像光反射。

还可以使用电致动器(例如，一个或多个电开关)实现衍射层的致动，所述电致动器提供用于改变反射器的液晶光栅之间的光学开关的状态的电流和/或电压差。例如，光学开关的变化可以改变光的偏振，这可以改变光经由液晶光栅的传播方向。

显示系统可以包含眼睛跟踪系统，所述眼睛跟踪系统跟踪观看者眼睛的瞳孔的位置以确定应将图像光转向到的方向。然后可以致动衍射结构以提供期望的反射角度，从而将图像光转向到观看者的眼睛中。具有瞳孔转向的本文所公开的显示系统可以称为虚拟视网膜显示(VRD)系统。应了解，本文所公开的显示系统可以是增强现实显示系统，所述增强现实显示系统可以提供周围环境的视图并将虚拟内容覆盖在所述视图上，或者可以是虚拟现实显示系统，所述虚拟现实显示系统可以简单地提供虚拟内容而不提供周围环境的视图。在增强现实显示系统中，衍射反射器可以是用于将来自周围环境的光与图像光组合的光组合器的一部分，使得观看者看到周围环境和由图像光提供的虚拟内容两者。

有利地，本文所公开的VRD系统可以提供各种益处。例如，可以增加能效。应了解，为了在观看者的眼睛移动时向观看者提供图像光，许多常规的显示器在包括观看者眼睛的各种可能位置的宽区域上输出图像光。这不合需要地低效，因为在观看者的眼睛处于给定位置的情况下，仅图像光的一部分到达所述眼睛；指向其它可能位置的光被“浪费”，因为眼睛没有接收到这些光。通过具体地将图像光转向到观看者的眼睛中，不需要在大面积上提供图像光，并且本文所述的VRD可以比常规技术高校10倍或更多。可以利用这种改进的效率来提供减小的装置尺寸和重量，并且可以增加亮度，这可以提高感知的图像质量并且有利于全天日常使用头戴式显示系统。

在一些实施例中，VRD可以直接在眼睛的视网膜上绘制图像。例如，在光栅扫描方法中，视网膜可以分成布置成阵列的大量离散图片元素或像素。显示器的光束扫过视网膜(例如，从阵列的边到边和从上到下一次一行)。当光束扫过可以类似于用于接收图像的投影仪屏幕的视网膜时，改变光束强度以根据例如保持每个像素的对应强度值的帧或刷新缓冲区来创建图案。在光束沿着行或扫描线扫描的情况下，在每一行像素的末端，光束以水平回扫的方式返回到阵列的相对侧，以开始显示下一扫描线。类似地，在光束已显示整个帧，完成阵列的单次扫描之后，波束可以以垂直回扫的方式返回到阵列的顶部以开始扫描下一帧。优选地，扫描足够快，使得用户将所有像素感知为同时存在，从而将整个图像感知为整体。在一些实施例中，显示系统可以利用激光器，并且所扫描的光束可以是激光束，激光束可以有利地在眼睛处产生小的出瞳。在一些实施例中，本文中的显示系统的转向出瞳可以理解为由致动反射器引导的图像光入射到眼睛的位置，并且由致动反射器以不同角度对图像光的反射通过将图像光引导到不同位置来提供不同的转向出瞳。在一些实施例中，出瞳可以有利地较小(例如，直径为2mm或更小)。

应了解，形成衍射反射器的衍射层可以采用各种形式。在一些实施例中，衍射层可以包含体相位全息图，其改变相对定向以将出瞳转向到用户的眼睛。

在一些实施例中，本文中的VRD可以包括一个或多个微机电系统(MEMS)装置以用于其结构的机械致动。例如，图像光投影仪可以包含MEMS镜以将光引导到衍射反射器上。这种MEMS可以用于增加光从衍射反射器反射的角度范围，以增加显示系统可用的可能出瞳位置的数目。

现将参考附图，其中相同附图标记始终指代相同特征。

实例显示系统

图2示出可穿戴显示系统80的实例。显示系统80包含显示器62，以及用于支持所述显示器62的功能的各种机械和电子模块和系统。显示器62可以耦合到框架64，所述框架可以由显示系统用户或观看者60穿戴并且被配置成将显示器62定位在用户60的眼睛前方。在一些实施例中，显示器62可以被视为眼镜。在一些实施例中，扬声器66耦合到框架64并且定位成邻近于用户60的耳道(另一扬声器(未示出)，其可以任选地定位成邻近于用户的另一耳道以提供立体/可成形声音控制)。显示系统还可以包含一个或多个麦克风67或检测声音的其它装置。在一些实施例中，麦克风被配置成允许用户将输入或命令提供到系统80(例如，语音菜单命令、自然语言问题等的选择)和/或可以允许与其他人(例如，与类似显示系统的其他用户)进行音频通信。

继续参考图2，显示器62通过通信链路68，例如通过有线或无线连接性可操作地耦合到本地数据处理模块70，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64，固定地附接到由用户穿戴的头盔或帽子，嵌入于头戴式耳机中，或另外可拆卸地附接到用户60(例如，以背包式配置或以皮带耦合式配置)。本地处理和数据模块70可以包括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)，两者可以用于帮助处理、高速缓存和存储数据。数据包含以下数据：a)从传感器(可以例如可操作地耦合到框架64或以其它方式附接到用户60)捕获，所述传感器例如图像捕获装置(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/或本文所公开的其它传感器；和/或b)使用远程处理模块72和/或远程数据存储库74(包含与虚拟内容相关的数据)获取和/或处理，从而可能用于在此种处理或检索之后传递到显示器62。本地处理和数据模块70可以通过通信链路76、78，例如经由有线或无线通信链路可操作地耦合到远程处理模块72和远程数据存储库74，使得这些远程模块72、74可操作地彼此耦合且作为资源对本地处理和数据模块70可用。在一些实施例中，本地处理和数据模块70可以包含图像捕获装置、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64，或者可以是通过有线或无线通信路径与本地处理和数据模块70通信的独立结构。

继续参考图2，在一些实施例中，远程处理模块72可以包括一个或多个处理器，所述处理器被配置成分析和处理数据和/或图像信息。在一些实施例中，远程数据存储库74可以包括数字数据存储设施，所述数字数据存储设施可以通过因特网或“云”资源配置中的其它网络配置获得。在一些实施例中，远程数据存储库74可以包含一个或多个远程服务器，所述远程服务器将信息，例如用于生成增强现实内容的信息提供到本地处理和数据模块70和/或远程处理模块72。在一些实施例中，存储所有数据并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完全自主地使用。

现在参考图3，通过向观看者的每只眼睛提供略微不同的图像呈现，可以实现将图像感知为“三维”或“3D”。图3示出用于为用户模拟三维成像的常规显示系统。向用户输出两个不同的图像5、7，每只眼睛4、6一个图像。图像5、7沿着平行于观看者的视线的光轴或z轴与眼睛4、6间隔开距离10。图像5、7是平坦的，并且眼睛4、6可以通过采用单一调节状态而聚焦于图像。此类系统依赖于人类视觉系统来组合图像5、7以提供对组合图像的深度和/或尺度的感知。

然而，应了解，人类视觉系统更复杂并且提供逼真的深度感知更具挑战性。例如，常规“3D”显示系统的许多观看者发现此类系统不舒适，或完全无法感知深度的感觉。在不受理论限制的情况下，据相信，由于聚散度和调节的组合，对象的观看者可以将对象感知为“三维”。两个眼睛相对于彼此的异向运动(即，眼睛的旋转，使得瞳孔朝向或远离彼此移动以将眼睛的视线会聚而注视于对象)与眼睛的晶状体和瞳孔的聚焦(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。同样，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，这些系统对许多观看者来说是不舒服的，因为它们此外仅提供场景的不同呈现，但眼睛在单个调节状态下观看所有图像信息并违背“调节-聚散度反射”。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成像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成像的方法的方面。参考图4，在z轴与眼睛4、6相距各种距离的对象由眼睛4、6调节，使得这些对象处于焦点对准。眼睛(4和6)采用特定调节状态以聚焦沿着z轴的不同距离处的对象。因此，特定调节状态可以与深度平面14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4、6中的每一个提供不同图像呈现，并且还通过提供对应于深度平面中的每一个的不同图像呈现来模拟三维成像。虽然为了图示的清楚起见示为单独的，但是应了解，眼睛4、6的视场可以例如随着沿着z轴的距离增加而重叠。另外，虽然为便于图示而示为平坦的，但应了解，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4或6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到5C示出距离与光线的发散之间的关系。对象与眼睛4之间的距离按距离减小的次序由R1、R2和R3表示。如图5A到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，由点(对象或对象的一部分)产生的光场可能具有球面波前曲率，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4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4之间的距离减小而增加。虽然为了在图5A到5C和本文的其它图中的图示的清楚起见而仅示出单个眼睛4，但应了解，关于眼睛4的论述可以适用于观看者的两个眼睛4和6。

在不受理论限制的情况下，据相信，人眼通常可以解释有限数目的深度平面以提供深度感知。因此，可以通过对眼睛提供对应于这些有限数目的深度平面中的每一个的不同图像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观看者的眼睛单独地聚焦，由此基于将场景的位于不同深度平面上的不同图像特征聚焦所需的眼睛的调节，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。如下文所论述，本文所描述的显示系统和光学架构可以与上游变焦透镜兼容，这可以促进调节-聚散度匹配。

除了调节-聚散度失配之外，光学效率是当前可穿戴显示器技术的显著问题。由于其眼盒大小、总体积、视场和图像质量的组合而使用的衍射波导可能是低效的，因为通常只有注入波导中的百分之几的光透射到用户的眼睛。这种低效率可能由衍射损耗和以下事实造成：在大多数波导系统中，波导将投影光分布在大的眼盒区域上，如本文所讨论。这种低效率可能不利地影响功耗和显示器亮度，这反过来可能需要显示装置具有大电池，同时也会导致不必要的散热复杂性和低的整体显示器亮度。

紧凑且轻质的“全天日常”可穿戴显示器可能需要比当前现有技术容易获得的效率更高的效率。各种挑战与实现用于可穿戴显示器技术的高效光学系统和装置有关。用于增加可穿戴显示器的效率的一个策略是以小出瞳输出光，而不是在大的眼盒上分配光。然而，由于通过此装置形成的图像仅投影在小区域上，因此如果用户的眼睛移动，则图像可能丢失或质量降低。因此，利用小出瞳的一些光学系统和装置使用可移动的镜子，所述可移动的镜子将来自投影系统的光引导到另一镜子上，然后所述另一镜子引导光进入用户的眼睛。

然而，当前现有的瞳孔转向方法和系统可能不足以用于连续使用的装置，因为它们在容积/体积要求、效率、出瞳转向范围、转向范围内的图像质量、颜色保真度、透视视觉质量、功耗和所需眼镜形状因子中的一个或多个方面存在缺陷。此外，现有瞳孔转向装置的功耗、速度、准确度、效率、亮度和形状因子对于常规的日常使用可能不令人满意。因此，基于波导和引导瞳孔两者的现有头戴式显示系统可能不足以用于各种应用，特别是不足以用于全天日常可穿戴显示装置。

本文中的一些实施例涉及具有致动瞳孔转向的头戴式或近眼虚拟视网膜显示器(VRD)系统，其可以改善现有系统的各种缺陷。本文所描述的VRD系统可以包括光学架构，所述光学架构可以是高效的，提供改进的尺寸、重量和亮度。因此，本文所描述的VRD可以用于能够全天日常使用的光学系统和装置中。

本文所描述的一些实施例涉及用于透视可穿戴显示器的极其有效的光学架构。在一些实施例中，如本文所论述，代替使用波导或常规的瞳孔扩展光学器件创建大的眼盒，光学架构可以包括在眼睛处创建相对小的出瞳(例如，小于眼睛的瞳孔的大小，包含2mm或更小)的系统，所述系统被主动地转向以匹配眼睛的位置。可以理解为描述显示装置的出瞳和观看者眼睛处的入瞳的大小之间的失配的低光展量失配，以及例如来自体相位全息图(VPH)的高衍射效率可以导致从激光源到出瞳的非常低的光学损耗。此外，由于本文中的系统和装置的出瞳在一些实施例中可以小于眼睛的瞳孔，并且被转向以跟随用户的眼睛，因此可以显著地减少或消除与大的眼盒相关联的损耗。有利地，由显示光源产生的大部分光可以被传递到用户的视网膜，而不是分布在更大的区域上。

图6示出用于通过将图像光转向到用户的眼睛中来显示虚拟内容的光学构架的实例。光学架构600可以是VRD架构，并且可以包括用于输出图像光(即，用图像内容编码以例如提供具有期望的颜色和/或亮度的像素的光)的图像光投影仪602。图像光投影仪602可以包含用于产生图像光的光源604。在一些实施例中，图像光投影仪602可以包含调制器，以用于改变由图像光投影仪602输出的光线的强度和/或颜色，以用图像信息对输出光进行编码。在一些其它实施例中，可以通过直接控制光源604来控制输出光的强度和/或颜色。

在一些实施例中，图像光投影仪602可以是扫描显示器，其中基于扫描显示器的光输出端的位置和/或方向来改变光的输出。以此方式，当输出端扫描整个区域时，可以形成不同的显示元件(例如，像素)，其中光在与应用的期望像素相对应的特定位置输出。在一些实施例中，扫描可以使用扫描镜606实现，所述扫描镜移动(例如，沿着一个或多个轴线旋转)以在用于光扫描的期望方向上引导从光源604输出的光。

在一些实施例中，图像光投影仪602可以是采用输出激光的激光扫描投影仪形式的扫描显示器。例如，图像光投影仪602可以包括将光引导到MEMS镜606的激光源604。应了解，激光扫描投影仪602可以包括一个或多个额外激光器、MEMS、镜子、电流计扫描仪、准直器、上游变焦距或其它光学组件609、611。应了解，光学器件609、611可以是投影光学器件，和/或可以是可变焦透镜元件，所述可变焦透镜元件被配置成修改输出光的波前发散，以提供用于放置不同深度平面的对象的不同调节提示。激光扫描投影仪602可以包括用于单色投影的一个激光源，或输出用于不同成分颜色的不同波长的光以形成全色图像的多个光源(例如用于RGB(红、绿和蓝)全色投影的三个光源)。另外，激光扫描投影仪602可以包括控制器和数/模转换器(DAC)，以将数字控制信号转换成控制激光扫描投影仪602中的扫描组件的模拟信号。在一些实施例中，例如显示系统62的处理模块70和/或72的一个或多个处理器可以包括用于激光扫描投影仪602的控制器。

如本文所论述，在一些实施例中，MEMS 606可以包括振荡扫描镜以沿着一个或多个轴线扫描光并且将光重定向到衍射反射器608。如本文所论述，扫描可以用于在用户的视网膜上绘制图像。

应了解，MEMS可以指代组合机械和电气组件的集成装置或系统。MEMS可以使用集成电路(IC)批处理技术制造，并且尺寸范围可以在微米或毫米级。MEMS可以包括机械微结构、微传感器、微致动器和微电子器件，每一者集成到同一衬底上。微机械组件可以通过使用本领域中已知的微机械加工工艺操纵硅和其它衬底来制造。例如块体和表面微机械加工以及高长宽比微机械加工(HARM)的工艺选择性地去除硅的部分或添加额外的结构层以形成机械和机电组件。MEMS具有在微观尺度上感测、控制和致动的能力，这可以在宏观尺度上产生效果。它们的小尺寸、低成本、低功耗、机械耐久性、高精度和低成本批处理提供用于显示装置的各种优点。

在一些实施例中，本文所描述的MEMS可以包括扫描镜投影仪，一种用于动态光调制的微镜致动器。在一些实施例中，扫描镜投影仪可以包括微型电机以在一个或多个维度上移动一个或多个镜子。指向一个或多个镜子的激光束可以由扫描镜精确地偏转和转向，所述扫描镜可以由电机平移和/或旋转以到达目标点。扫描镜投影仪可能是有利的，因为它们可以在超低功率环境中操作，可以提供优越的可重复性和可靠性，并且在一个或多个轴线上提供快速光束扫描。

如本文所使用的MEMS扫描镜可以包括例如适合于随着时间推移移动且偏转光的圆柱形、矩形或正方形微镜。微镜可以通过扭臂连接到固定部件，并且可以沿着一个或多个轴线倾斜和振荡。可以使用不同的致动原理，包含例如静电、热、电磁或压电。MEMS扫描镜可以包括单个微镜，所述微镜被配置成沿着一个或多个振荡轴振荡以沿着水平轴和垂直轴中的任一个或两个扫描光。或者，MEMS装置可以包括第一MEMS扫描镜，其被配置成振荡长的第一振荡轴；以及第二MEMS扫描镜，其被配置成振荡长的第二振荡轴。在一些实施例中，在双镜布置中，第一和第二MEMS扫描镜可以精确地定位，使得振荡轴正交。

继续参考图6，重定向的光可以包括一个或多个光线607。在架构600是增强现实显示系统的一部分的情况下，衍射反射器608可以是光组合器，并且可以提供为将光线607重定向到转向的出瞳610，同时还透射世界光612。优选地，转向出瞳610的位置与眼睛614的瞳孔的位置匹配。应了解，在本文中的各种附图中，虽然可以示出一只眼睛和架构，但是观看者可以具有另一只眼睛，并且显示系统可以具有另一架构，例如架构600以向所述另一只眼睛提供图像光。

衍射反射器608可以包括一个或多个瞳孔转向机构，以及额外光学元件，如本文中更详细地描述。例如，衍射反射器608可以包括一个或多个VPH光栅或液晶光栅和功能光束转向光学器件，以在用户60的眼睛614的视觉平面中转向出瞳610以匹配眼睛的入瞳的位置。在一些实施例中，架构600可以是不将光透射到眼睛614的虚拟现实显示系统的一部分。在这些实施例中，衍射反射器608可以仅理解为用于光束转向的反射光学器件。

应了解，VPH可以包含光栅，所述光栅包括用于将不同波长的光从公共输入路径衍射到不同角度输出路径的周期性相位结构。VPH光栅形成于例如重铬酸盐明胶的透射材料层中，所述透射材料层密封在两层透明玻璃或熔融硅石。在入射光穿过具有周期性差分硬度或折射率的光学厚膜时，调制入射光的相位。VPH光栅不同于常规光栅，其中表面浮雕图案的深度调制入射光的相位。然而，类似于常规的反射光栅，周期性结构的空间频率确定衍射光中的光谱色散或波长分量的角间距。平均折射率、折射率差或调制以及膜的厚度确定VPH的效率、偏振和带宽性能特性。VPH光栅的优点可能在于VPH的光学结构耐用、可清洁、可定制、稳定并且具有极佳的光学特性。VPH光栅可以包括反射或透射VPH光栅。

与常规的光栅不同，VPH光栅提供增强的强度、稳定性和环境耐久性，因为光栅结构受到外部玻璃和/或表面涂层的保护。VPH光栅可以与其它光学元件组合以实现额外或增强的光学特性。例如VR和AR头戴式显示器(HMD)中的透镜的传统几何光学元件无法满足寻求矫正眼镜/太阳镜的形状因子的显示器的重量或尺寸要求。然而，VPH光栅的几何形状实现使用常规的反射光栅无法实现的紧凑、高性能的系统几何形状。常规光栅通常以利特罗几何形状工作，其中衍射/散射光朝向入射光源反射回。相反，由于VPH光栅的透射几何形状，入射光和衍射光可以位于光栅平面的相对侧上。因此，VPH光栅允许入射光和衍射光由独立的光学器件和组件(例如检测器、光纤或MEMS)进行操作。此外，成像光学器件可以紧邻光栅放置，这可以最小化系统尺寸并且在一些应用中提高性能。在一些实施例中，使用偏振不敏感的VPH光栅结构可以消除对偏振分光系统配置的需要，从而进一步减少组件计数和装置尺寸。VPH光栅的线频率可以从低于300线/毫米到超过6000线/毫米。VPH光栅在本文中也可以称为全息光学元件(HOE)。

继续参考图6，实例VRD架构600可以具有优于现有架构的各种优点，因为架构可能非常紧凑且功率高效，并且可以投影基本上没有相干伪影的图像。VRD架构600还可以基于波导的显示器产生极小的出瞳，使得大部分投影光进入用户的瞳孔。在一些实施例中，来自实例光学架构600的基本上所有投影光都进入用户的瞳孔。相反，例如基于波导的显示系统的其它显示系统可以产生大的眼盒，其中功率广泛地分布并且仅小部分的投影光进入用户的瞳孔。

另外，实例光学架构600可以用于在具有大视场(FOV)、高亮度、高效率和经由上游变焦距的受控连续聚散度-调节匹配的装置中产生紧凑的显示系统。FOV指示衍射反射器608显示与外部视图相关的图像时对向用户眼睛的垂直和水平的角度。较窄FOV将导致在用户的视野中心附近的有限观看，而较宽FOV允许更宽的视图。

有利地，如本文所论述，实例VRD架构600可以小于可比较装置，因为它不需要瞳孔扩展光学器件并且可以折叠到可穿戴护目镜装置中。另外，实例VRD架构600的效率可能相对较高，因为由于所述架构所产生的光转向和出瞳614的小尺寸，仅少量的光可能被浪费(即，仅由光源604产生的少数光没有到达眼睛614的瞳孔)。最后，实现高亮度，因为图像光投影仪602产生的大部分光经由小出瞳610被主动地引导到活动眼盒中，而不是分布在较大的眼盒上。

在一些实施例中，实例VRD架构600能够产生转向出瞳610，所述转向出瞳考虑用户的眼睛在FOV的一部分或整个FOV上的旋转和横向移动。在一些实施例中，VRD架构600能够考虑水平和竖直眼睛旋转。在一些实施例中，VRD架构600能够考虑在眼睛的整个物理上可能的旋转范围内的水平和垂直眼睛旋转。例如，在一些实施例中，VRD架构600可能够考虑约50度的竖直眼睛旋转(例如，从水平视线向下25度和向上25度)。在一些实施例中，VRD架构600可能够考虑约1度、约1.5度、约2度、约2.5度、约3度、约3.5度、约4度、约4.5度、约5度、约5.5度、约6度、约6.5度、约7度、约7.5度、约8度、约8.5度、约9度、约9.5度、约10度、约10.5度、约11度、约11.5度、约12度、约12.5度、约13度、约13.5度、约14度、约14.5度、约15度、约15.5度、约16度、约16.5度、约17度、约17.5度、约18度、约18.5度、约19度、约19.5度、约20度、约20.5度、约21度、约21.5度、约22度、约22.5度、约23度、约23.5度、约24度、约24.5度、约25度、约25.5度、约26度、约26.5度、约27度、约27.5度、约28度、约28.5度、约29度、约29.5度、约30度，或前述值中的任一个之间的值的向上竖直眼睛旋转。

在一些实施例中，VRD架构600可能够考虑约1度、约1.5度、约2度、约2.5度、约3度、约3.5度、约4度、约4.5度、约5度、约5.5度、约6度、约6.5度、约7度、约7.5度、约8度、约8.5度、约9度、约9.5度、约10度、约10.5度、约11度、约11.5度、约12度、约12.5度、约13度、约13.5度、约14度、约14.5度、约15度、约15.5度、约16度、约16.5度、约17度、约17.5度、约18度、约18.5度、约19度、约19.5度、约20度、约20.5度、约21度、约21.5度、约22度、约22.5度、约23度、约23.5度、约24度、约24.5度、约25度、约25.5度、约26度、约26.5度、约27度、约27.5度、约28度、约28.5度、约29度、约29.5度、约30度，或前述值中的任一个之间的值的向下竖直眼睛旋转。

在一些实施例中，VRD架构600可能够考虑约70度的水平眼睛旋转(例如，从垂直中心视线向左方向35度和向右方向35度)。在一些实施例中，VRD架构600可能够考虑约1度、约1.5度、约2度、约2.5度、约3度、约3.5度、约4度、约4.5度、约5度、约5.5度、约6度、约6.5度、约7度、约7.5度、约8度、约8.5度、约9度、约9.5度、约10度、约10.5度、约11度、约11.5度、约12度、约12.5度、约13度、约13.5度、约14度、约14.5度、约15度、约15.5度、约16度、约16.5度、约17度、约17.5度、约18度、约18.5度、约19度、约19.5度、约20度、约20.5度、约21度、约21.5度、约22度、约22.5度、约23度、约23.5度、约24度、约24.5度、约25度、约25.5度、约26度、约26.5度、约27度、约27.5度、约28度、约28.5度、约29度、约29.5度、约30度、约30.5度、约31度、约31.5度、约32度、约32.5度、约33度、约33.5度、约34度、约34.5度、约35度，或前述值中的任一个之间的值的左水平眼睛旋转。

在一些实施例中，VRD架构600可能够考虑约1度、约1.5度、约2度、约2.5度、约3度、约3.5度、约4度、约4.5度、约5度、约5.5度、约6度、约6.5度、约7度、约7.5度、约8度、约8.5度、约9度、约9.5度、约10度、约10.5度、约11度、约11.5度、约12度、约12.5度、约13度、约13.5度、约14度、约14.5度、约15度、约15.5度、约16度、约16.5度、约17度、约17.5度、约18度、约18.5度、约19度、约19.5度、约20度、约20.5度、约21度、约21.5度、约22度、约22.5度、约23度、约23.5度、约24度、约24.5度、约25度、约25.5度、约26度、约26.5度、约27度、约27.5度、约28度、约28.5度、约29度、约29.5度、约30度、约30.5度、约31度、约31.5度、约32度、约32.5度、约33度、约33.5度、约34度、约34.5度、约35度，或前述值中的任一个之间的值的右水平眼睛旋转。

继续参考图6，在一些实施例中，可以提供相机组合件82(例如，数码相机，包含可见光和红外光相机)以捕获眼睛的图像以例如跟踪眼睛的瞳孔的位置。如本文所使用，相机可以是任何图像捕获装置。在一些实施例中，相机组合件82可以包含图像捕获装置和光源，以将光(例如，红外光)投影到眼睛，然后光可以由眼睛反射并由图像捕获装置检测。在一些实施例中，相机组合件82可以附接到框架64(图2)，并且可以与处理模块70和/或72(图2)电连通，所述处理模块可以处理来自相机组合件82的图像信息。在一些实施例中，一个相机组合件82可以用于每只眼睛以单独地监视每只眼睛。

相机组合件82可以集成到面向内的成像系统中，所述面向内的成像系统可以跟踪用户的眼睛移动。面向内的成像系统可以跟踪一只眼睛的移动或两只眼睛的移动。面向内的成像系统可以附接到框架64并且可以与处理模块70或72电连通，所述处理模块可以处理由面向内的成像系统获取的图像信息以确定例如眼睛的瞳孔直径或定向、用户60的眼睛移动或眼睛姿势。面向内的成像系统可以包含一个或多个相机，作为相机组合件82的一部分。例如，至少一个相机可以用于对每只眼睛成像。由相机获取的图像可以用于单独地确定每只眼睛的瞳孔大小或眼睛姿势，从而允许将图像信息呈现给每只眼睛以动态地适应所述眼睛。

相机组合件82可以包括例如基于视频的眼睛跟踪系统，包含例如具有单相机或多相机输入的近眼跟踪(轴上或离轴)、远程跟踪、基于模型的跟踪或基于回归的跟踪。根据观察眼睛的相机位置，近眼跟踪可以分成轴上和离轴配置。离轴放置可能占用较少的空间，有时以凝视估计的不均匀精度为代价。

在一些实施例中，并入有实例VRD架构600的显示系统可能还需要考虑用户的变化的瞳间距离(IPD)。IPD是包含头戴式显示器在内的双目观看系统的重要设计考虑因素，其中两个眼瞳理想地定位在观看系统的出瞳内。IPD测量可以用于此类系统的设计中，以指定出射光学器件或目镜的横向调节范围。IPD还可以用于描述双目光学系统的出瞳之间的距离。在一些实施例中，在将显示装置装配到每个用户的过程中，可以考虑用户之间变化的IPD。

使用VRD架构600时的一个潜在挑战是创建时间视觉效果，并且相关地，通过在眼睛移动的情况下将高质量图像连续地投影到眼睛的视网膜来保持逼真和舒适的用户体验。为了在具有小出瞳的用户的眼睛中保持高图像质量，优选地实施精确且快速的用户瞳孔感测、出瞳转向和图像渲染环路。因此，可以采用充分的瞳孔转向硬件和软件来产生令人满意的环路。

用于出瞳转向的一些传统方法涉及使用各种瞳孔复制方法被动地扩展VRD的出瞳。然而，在本文中的一些实施例中，实例VRD架构600不复制瞳孔。替代地，可以动态地转向本文中的VRD的出瞳614以跟随眼睛。

本文中描述用于VRD的出瞳转向的几个变体，包含机械和非机械光瞳转向。如本文所论述，底层VRD架构可以包括图像光投影仪，所述图像光投影仪安装在例如用户的太阳穴附近，并且将光投影到衍射反射器上，所述衍射反射器将投影光反射到眼睛。在一些实施例中，出瞳转向机构集成到衍射反射器中，并且可以涉及衍射层堆叠，例如一个或多个VPH和/或液晶光栅的组合。本文所描述的瞳孔转向机构还可以与上游变焦透镜结构兼容以用于提供可辩调节提示，这可能有利于缓解聚散度-调节冲突(VAC)。如本文所论述，VAC在近眼显示器中可能存在问题，并且在基于波导的显示器中解决起来具有挑战性。相反，变焦VRD系统可以利用小型、低功率变焦透镜来为不同的调节提示提供不同水平的波前发散。结合衍射组合器上游的变焦结构使用本文中的瞳孔转向机构可以有利地提供可调谐的可变焦显示器。

非机械出瞳转向机构

本文所描述的一些出瞳转向机构在其致动方面可以是非机械的。在一些实施例中，非机械光束转向可以有利地提供高效率、低磨损、高速和/或低故障率。为了实现非机械光束控制，已经探索各种不同的方法，包含微透镜阵列、电光棱镜和衍射声光技术。不合需要地，这些方法可能受到一个或多个以下限制的困扰：低吞吐量、散射、小转向角度/孔径和大物理尺寸。

本文中的一些非机械出瞳转向机构可以包括电子致动的瞳孔转向机构。这些瞳孔转向机构中的一些可以基于液晶偏振光栅(LCPG)偏振敏感特性。例如，一些电子致动瞳孔转向机构可以包括组合器，所述组合器包括与电子可寻址的偏振开关组合的一个或多个LCPG，以主动地转向一个或多个出瞳。并入有电子瞳孔转向的装置可以被定制为在几乎任何波长下操作，包含至少从可见波长到红外波长的波长。

电子致动瞳孔转向机构可以用于构建用于透视可穿戴显示器的有效光学架构。如本文所论述，代替使用波导或常规的瞳孔扩展光学器件来创建大眼盒，具有电子致动的瞳孔转向机构的光学系统可以在眼睛处产生小的出瞳，所述出瞳被主动地转向以匹配眼睛的位置。堆叠LCPG、其它衍射层(例如VPH)和/或电子可寻址的偏振开关可以实现具有精密数量的可切换出瞳位置的透明组合器的构造。

在一些实施例中，电子致动的出瞳转向可以用于例如离轴衍射VRD中。本文中的电子致动的瞳孔转向机构还可以与上游变焦结构兼容以用于减轻聚散度-调节冲突(VAC)。

在一些实施例中，电子致动的出瞳转向机构集成到衍射组合器中，并且包括偏振选择性和非选择性衍射元件(例如，包含LCPG、HOE和其它体相位光栅)的层的组合。瞳孔转向可以通过在偏振选择性光栅之间放置偏振开关来实现，以根据偏振开关是切换到接通还是断开来考虑光栅的不同阶数。在一些实施例中，可寻址转向位置的数目是2ⁿ，其中n是堆叠开关的数目。

具有偏振开关的LCPG

本文所描述的一些光组合器可以包括电子致动的瞳孔转向机构，所述电子致动的瞳孔转向机构包括非布拉格选择性LCPG。在一些实施例中，非布拉格选择性LCPG可以与世界光补偿单元配对，以允许世界光穿过组合器。非布拉格选择性LCPG通常不透射世界光。因此，包括非布拉格选择性LCPG的组合器可能需要额外的LCPG堆叠来补偿世界光。如果需要轻便、紧凑的显示装置，则LCPG的额外堆叠可能会对可以用于光瞳转向的层的数目施加限制。因此，层的数目(即，堆叠开关)可能是利用非布拉格选择性LCPG进行电子致动光瞳转向的组合器的限制因素，因为增加层的数目会降低组合器的透明度。

图7示出用于将图像光转向到用户的眼睛中的电子致动组合件的光学架构700的实例。在一些实施例中，光学架构700可以用于形成用于VRD显示器中的衍射反射器，例如用于图6的显示系统的衍射反射器608。光学架构700包括第一HOE 720、第二HOE 722、光束转向单元(BSU)724、双色镜726和世界补偿器728。在所示实施例中，从图像光投影仪602投影的偏振光束607不受影响地穿过第一偏振选择性HOE 720，并且由第二偏振选择性HOE 722朝向BSU 724准直。BSU 724在单程或双程模式中基于光的偏振的利手性和BSU 724中LCPG的开/关状态选择性地转向光。在图7的所示双程实施例中，来自第二HOE 722的入射光束607第一次由BSU 724转向到双色镜726，所述双色镜将光束607朝向用户的眼睛716反射回到BSU 724。在从双色镜726反射之后，BSU 724第二次动态地将光束607转向回到第二HOE722和第一HOE 720，光束607不受影响地穿过所述第二HOE，所述第一HOE将光聚焦到转向出瞳610。

图8A和8B分别示出第一HOE 720和第二HOE 722的光学功能。第一HOE 720可以具有光学功能，所述光学功能包括聚焦右圆偏振光802并且使左圆偏振光804不受影响。第二HOE 704可以具有光学功能，所述光学功能包括准直左圆偏振光804并且使右圆偏振光802不受影响。因此，在图7的所示实施例中，当从图像光投影仪602投影时，光束607进行左圆偏振。左圆偏振光束607不受第一HOE影响并且由第二HOE 722准直。然而，在远离眼睛716的第一程上和朝向眼睛716的第二程上穿过BSU 724(图7)之后，光束607可以切换其偏振，使得它们在朝向眼睛716穿过第一HOE 720和第二HOE 722的第二程时进行右圆偏振。因此，在第二程之后，光束607可以不受第二HOE 722影响并且由第一HOE 720聚焦到出瞳610，

在一些实施例中，第一HOE 720和第二HOE 722的光学功能可以互换，使得第一HOE720执行第二HOE 722的上述光学功能，且反之亦然。在图7的所示实施例中，光束607最初进行左圆偏振，使得它们不受第一HOE 720影响并且由第二HOE 722准直。然而，在从双色镜726反射并且朝向眼睛716离开BSU 724之后，光束607可进行右圆偏振，使得它们不受影响地穿过第二HOE 722并且由第一HOE 720聚焦在出瞳610处。

图9示出用于图7的光学架构的电子致动光束转向单元(BSU)的实例。BSU 724可以包括一个或多个LCPG 902，每一个形成衍射层。在一些实施例中，LCPG中的每一个可以包括具有连续平面内弯曲展开图案的可切换向列型LCPG。在不受理论限制的情况下，LCPG中的每一个的理论衍射效率可以表达为：η₀＝cos²(Γ/2)、η_±1＝(1/2)(1±S′₃)sin²(Γ/2)，其中η_m是m阶的衍射效率，Γ＝2πΔnd/λ是LCPG层的延迟，λ是入射光的波长，并且S′₃＝S₃/S₀是对应于入射光的椭圆度的归一化斯托克斯参数。在一些实施例中，当输入进行圆偏振(S′₃＝±1)并且LC层的延迟是半波(Δnd＝λ/2)时，入射光可以衍射到一阶中的仅一个中。

当输入光束607进行圆偏振时，第一HOE 720和/或第二HOE 722确保到BSU 724的LCPG的输入光是两个正交(左/右)圆偏振状态中的任一个。取决于偏振的利手性，每个LCPG将光束衍射到一阶(+θ或-θ)中的一个中并且翻转其利手性。当将电压施加在LCPG(V＞＞V_threshold)上时，有效地擦除光栅轮廓(即，Δn≈0)并且入射光束穿过LCPG，从而保持其偏振状态。衍射角可以通过经典光栅方程θ_out＝sin^-1(mλ/∧+sinθ_in)建立，其中阶数m取决于入射偏振并且∧是光栅周期。

图10示出液晶偏振光栅(LCPG)在断开状态和接通状态下的实例。在不受理论限制的情况下，LCPG可以理解为类似于利用周期性结构来转向光的传统衍射光栅。然而，LCPG使用偏振调制，而不是纯相位或振幅调制，这在一些情况下可以提供超过99.8％的较高一阶效率。液晶非常适合偏振光栅介质，因为它们由高度各向异性分子组成，所述高度各向异性分子的定向可以由电场控制。高效率和紧凑尺寸可以使LCPG适合于相干光束转向和主动图像扫描系统。当将有源LCPG切换到接通状态(即，在高于特定电压阈值的电极上施加电压)时，其光栅结构消失，产生第三未偏转和未偏振的光路径。因为LCPG堆叠中的每个元件可以从净偏转中断开、添加或减去，所以相对较小的堆叠可以提供一组较大的偏转角，使得能够用少量的堆叠元件实现二维中的宽范围的角度。

再次参考图9，BSU 724可以包括一个或多个LCPG 902。图9的实例BSU 724包括三个LCPG 902(n＝3)。然而，在一些实施例中，BSU 724可以包括1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、16、17、18、19、20、21、22、23、24或25个LCPG 902。然而，在一些实施例中，因为每个LCPG层可能引起一些光损失，所以BSU 724内的LCPG 902的数目可能较低，以增加透明度并减小利用光学架构700的显示装置的尺寸。

在不受理论限制的情况下，据相信，如果LCPG 902的光栅i+1的空间频率不同于LCPG 902的光栅i的空间频率，则可能衍射角θ的数目可以等于2ⁿ，其中n是BSU 724中的LCPG 902的数目。图11示出可以使用n＝3并且其中空间频率σ_i+1＝2σi的BSU 724实现的实例衍射角θ。如图所示，具有n＝3个LCPG的光束转向单元可以实现2³＝8个相等地间隔开的衍射角。在双程配置中，衍射角加倍至2θ。

再次参考图9，在一些实施例中，BSU 724还可以包括一个或多个波片904。波片904可以由例如石英、云母或塑料的双折射材料构成，所述双折射材料的折射率取决于入射光的偏振而不同。波片的行为可以取决于晶体的厚度、光的波长和折射率的变化。通过适当地选择这些参数之间的关系，可以在光波的两个偏振分量之间引入受控相移，从而改变其偏振。在一些实施例中，一个或多个波片904包括至少一个四分之一波片，所述至少一个四分之一波片将线性偏振光转换成圆偏振光，且反之亦然。此外，在一些实施例中，BSU 724可以包括一个或多个VPH光栅906。

结合第一HOE 720、第二HOE 722和双色镜726，BSU 724的光学功能可以是将光束607从图像光投影仪602引导到特定的转向出瞳610，以在眼睛716的视网膜处产生图像。可以将BSU 724中的LCPG 902中的一个或多个连续地切换到接通或断开状态，以基于眼睛716的检测到的移动将光束607转向到2ⁿ个不同衍射角。

再次参考图7，光学架构700还可以包括世界补偿器728，所述世界补偿器可以包括与BSU 724相同，但相反地驱动的光学结构。世界补偿器可以通过对世界光612执行BSU 724的反向光学功能来起作用，使得在世界光612上存在最小净光学效应或没有净光学效应。如上文所述，因为非布拉格选择性LCPG通常包括不透射世界光的光栅，所以世界补偿器728可以用于允许世界光612到达眼睛716。

布拉格选择性LCPG

一些电子致动的瞳孔转向机构可以包括布拉格选择性LCPG。在一些实施例中，布拉格选择性LCPG可以比可比较的非布拉格选择性LCPG更透明。因此，在一些实施例中，包括布拉格选择性LCPG的组合器和光学架构可以比包括非布拉格选择性LCPG的组合器和光学架构包括更多的层，同时保持类似或甚至更高水平的透明度。增加光学架构内的层的数目可以实现通过组合器实现的出瞳转向位置的数量增加，这可以增加瞳孔转向的准确度、精度和/或速度。此外，由于布拉格选择性LCPG可以是透明的，因此世界光可以穿过利用这些LCPG的组合器，而不需要额外的世界补偿光学器件。因此，在一些实施例中，与采用其它瞳孔转向机构的显示系统相比，具有布拉格选择性LCPG的组合器可以提供增强的用户体验和图像投影。

图12示出用于将图像光转向到用户的眼睛中的电子致动组合件的光学架构1200的另一实例。在一些实施例中，光学架构1200可以用于形成用于VRD显示器中的衍射反射器，例如图6的衍射反射器608。光学架构1200包括第一HOE 720、第二HOE 722、光束转向单元(BSU)724、双色镜726和偏振器728。在所示实施例中，从图像光投影仪602投影的偏振光束607不受影响地穿过第一偏振选择性HOE 720，并且由第二偏振选择性HOE 722朝向BSU724准直。BSU 724在单程或双程模式中基于光的偏振的利手性和BSU 724中布拉格选择性LCPG的开/关状态选择性地转向光。在图12的所示双程实施例中，来自第二HOE 722的入射光束607第一次由BSU 724转向到双色镜726，所述双色镜将光束607朝向用户的眼睛716反射回到BSU 724。在从双色镜726反射之后，BSU 724第二次动态地将光束607转向回到第二HOE 722和第一HOE 720，光束607不受影响地穿过所述第二HOE，所述第一HOE将光聚焦到转向出瞳610。

图14A和14B示出图12的光学架构的全息光学元件的光学功能的实例。第一HOE720可以具有光学功能，所述光学功能包含聚焦右圆偏振入射光802并且使左圆偏振入射光804不受影响。第二HOE 704可以具有光学功能，所述光学功能包含准直左圆偏振光804并且使右圆偏振光802不受影响。因此，在图12的所示实施例中，当从图像光投影仪602投影时，光束607进行左圆偏振。左圆偏振光束607不受第一HOE影响并且由第二HOE 722准直。然而，在远离眼睛716的第一程上和朝向眼睛716的第二程上穿过BSU 724之后，光束607可以切换其偏振，使得它们在朝向眼睛716穿过第一HOE 720和第二HOE 722的第二程时进行右圆偏振。因此，在第二程之后，光束607可以不受第二HOE 722影响并且由第一HOE 720聚焦到出瞳610。

在一些实施例中，第一HOE 720和第二HOE 722的光学功能可以互换，使得第一HOE720执行第二HOE 722的上述光学功能，且反之亦然。在图12的所示实施例中，光束607最初进行左圆偏振，使得它们不受第一HOE 720影响并且由第二HOE 722准直。然而，在从双色镜726反射并且朝向眼睛716离开BSU 724之后，光束607可进行右圆偏振，使得它们不受影响地穿过第二HOE 722并且由第一HOE 720聚焦在出瞳610处。

图13示出根据本文中的一些实施例的实例BSU 724。BSU 724可以包括一个或多个布拉格选择性LCPG 1302。LCPG中的每一个可以包括可切换向列型布拉格选择性LCPG1302。在使用布拉格选择性LCPG 1302的实例BSU 724中，所有一个或多个布拉格选择性LCPG 1302被配置成作用于具有相同偏振的光。例如，在一些实施例中，一个或多个布拉格选择性LCPG 1302中的每一个可以作用于具有右圆偏振的光。在一些其它实施例中，一个或多个布拉格选择性LCPG 1302中的每一个可以作用于具有左圆偏振的光。由于布拉格选择性LCPG 1302的这种配置，具有与布拉格选择性LCPG作用的偏振相反的偏振的世界光可以不受影响地穿过BSU 724。因此，在此配置中可能不需要世界补偿器。

在不受理论限制的情况下，据相信，如果布拉格选择性LCPG 1302的光栅i+1的空间频率不同于布拉格选择性LCPG 1302的光栅i的空间频率，则可能衍射角θ的数目等于2ⁿ，其中n是BSU 724中的LCPG 1302的数目。图15示出可以使用具有布拉格选择性LCPG 1302的BSU 724实现的实例衍射角θ，其中n＝3并且其中空间频率σ_i+1＝2σ_i。如图所示，具有n＝3个布拉格选择性LCPG 1302的光束转向单元可以实现2³＝8个间隔开的衍射角。在双程配置中，衍射角可以加倍到2θ。

机械致动的瞳孔转向机构

在一些实施例中，头戴式显示系统可以包含衍射反射器，所述衍射反射器包括出瞳转向机构，所述出瞳转向机构机械地致动以提供光学元件的横向平移、旋转和/或倾斜。在一些实施例中，衍射反射器和相关图像光投影仪可以提供单个出瞳。衍射反射器可以包含多个衍射层，其中所述层中的至少一个机械地致动以将显示系统的出瞳转向到眼睛的瞳孔的位置。在一些其它实施例中，衍射反射器可以包括多于一个出瞳。如本文所论述，衍射反射器可以是例如用于增强现实显示系统的光组合器的一部分。

基于里斯利棱镜的衍射反射器

参考图16，在一些实施例中，机械致动的出瞳转向机构可以包括基于里斯利棱镜的架构1600。在一些实施例中，基于里斯利棱镜的架构1600可以包括多个衍射层，例如四个衍射层，其中衍射层中的两个机械地旋转以移位显示装置的出瞳612。在一些实施例中，基于里斯利棱镜的架构1600基于也称为里斯利棱镜对的里斯利棱镜的原理构造，所述里斯利棱镜包括可以用于光束转向的一对楔形棱镜。例如，使一个楔形物关于另一个旋转将改变光束的方向。当楔状物在相同的方向上成角时，折射光束的角度变得更大。当楔形物在相反的方向上旋转到一定角度时，它们会相互抵消，并且允许光束直接通过。应了解，衍射层以类似方式起作用。在一些实施例中，光学架构1600可以用于形成用于VRD显示器中的衍射反射器，例如用于图6的显示系统的衍射反射器608。

在一些实施例中，基于里斯利棱镜的架构1600可以包括四个衍射层，其中中间两个层中的每一个相对于另一个旋转，并且其中两个外层保留静止。基于里斯利棱镜的架构1600可以包括反射或透射衍射层。在一些实施例中，最接近来自图像光投影仪602的入射光束607的外层1620可以包括第一HOE。在一些实施例中，基于里斯利棱镜的架构1600的活动层(例如，两个中间层)可以基于致动器(未示出)的控制而提供期望的光学功能。在一些实施例中，活动层可以作用于来自第一HOE 1620的准直光。在一些实施例中，最远离入射光的外层1622可以包括第二HOE。在一些实施例中，层1622的第二HOE可以包括聚焦透镜或聚焦板。在一些实施例中，基于里斯利棱镜的架构可以是组合器的一部分。在一些实施例中，基于里斯利棱镜的架构1600的层可以相对于每一者倾斜，以减少来自图像光投影仪602的投影图像中的伪影或其它图像缺陷。

在一些实施例中，基于里斯利棱镜的架构1600包括衍射结构的四个或更多个层。在一些实施例中，层可以包括VPH、基于液晶的相位光栅，或两者的组合。取决于光学架构和装置要求，例如，眼盒尺寸、分辨率和FOV等，可以利用不同类型的光栅。取决于所选择的光学架构(单程、双程、反射、透射)，可能需要额外层来补偿透视透明度。例如，可以使用透射或反射光栅，或两者的组合形成单程和双程架构。

再次参考图16，架构1600可以包括光组合器，所述光组合器包括有源里斯利棱镜BSU 1624、第一衍射层1620和第二衍射1622。基于里斯利棱镜的架构1600还可以包括图像光投影仪602，所述图像光投影仪包括将光引导到MEMS 606的激光源604。图像光投影仪602可以包括一个或多个额外激光器、MEMS、镜子、电流计扫描仪、准直器、上游变焦距或其它光学组件609、611。

在一些实施例中，第一HOE 1620可以充当光束607的准直器，使得将来自图像光投影仪602的光束607引导到BSU 1624。响应于用户的瞳孔614的移动，BSU 1624可以机械地致动以衍射光束607，使得将光束607转向到出瞳610。BSU 1624可以在单程配置中形成，其中光束607仅在从图像光投影仪602、第一衍射层1620和眼睛的侧面进入BSU 1624时衍射，或者在双程配置中形成，其中光束607在穿过BSU 1624的第一程上以及在与第二衍射层1622相互作用后穿过BSU 1624的第二程上衍射。在一些实施例中，第二衍射层1622可以充当聚焦透镜以将光束607反射回BSU 1624并且朝向用户的眼睛。在一些实施例中，光束607在从BSU 1624和第二衍射层1622返回之后，在第二程上不受第一衍射层1620影响。在一些实施例中，光学架构1600可以包括额外层，例如额外衍射层(例如，额外HOE)和/或分色镜等等。

图17示出用于图16的基于里斯利棱镜的BSU 1624的结构的实例。图17的实例BSU1624包括基于透射里斯利棱镜的瞳孔转向机构。在所示实施例中，BSU 1624包括呈单程或双程配置的至少两个透射衍射光栅，如本文所论述。入射到第一透射光栅1702和第二透射光栅1704的光束607可以在透射穿过光栅中的每一个之后衍射。在一些实施例中，可以通过第一透射光栅1702和/或第二透射光栅1704的旋转来改变衍射角。例如，如图所示，第一光栅1702从第一定向1702A到第二定向1702B的机械旋转可以改变光束607在透射穿过第一光栅702时的衍射角。类似地，第二光栅1704从第一定向1704A到第二定向1704B的机械旋转可以改变光束607在透射穿过第二光栅704时的衍射角。由于由第一透射光栅1702和/或第二透射光栅1704的旋转引起的衍射角的改变，因此可以在至少两个维度上转向出瞳610的位置。在一些实施例中，第一透射光栅1702和/或第二透射光栅1704的旋转平面垂直于通过第一光栅1702和第二光栅1704的光传播方向定向。在单程配置中，光束607将仅由BSU 1624衍射一次，而在双程配置中，光束607可以在穿过BSU 1624的第一和第二程上衍射。

图18示出用于图16的基于里斯利棱镜的BSU的结构的另一实例。图18的BSU 1624包括基于反射里斯利棱镜的瞳孔转向机构。在所示实施例中，BSU 1624包括呈单程或双程配置的至少两个反射光栅，如本文所论述。入射到第一反射光栅1802和/或第二反射光栅1804的光束607可以在从每个光栅的内侧或表面1806反射之后衍射。在一些实施例中，光栅的内侧1806指代第一反射光栅1802和第二反射光栅的面向彼此的侧面。在一些实施例中，可以通过第一反射光栅1802和/或第二透射光栅1804的旋转来改变光束607的衍射角。例如，如图所示，第一光栅1802从第一定向1802A到第二定向1802B的机械旋转可以改变光束607在从第一光栅1802的内侧1806反射时的衍射角。类似地，第二光栅1804从第一定向1804A到第二定向1804B的机械旋转可以改变光束607在从第二光栅1804的内侧1806反射时的衍射角。由于由第一反射光栅1802和/或第二反射光栅1804的旋转引起的衍射角的改变，因此可以在至少两个维度上转向出瞳610的位置。在一些实施例中，旋转平面垂直于通过第一光栅1802和第二光栅1804的光传播方向定向。

由透射光栅形成的里斯利棱镜BSU和由反射光栅形成的里斯利棱镜BSU的净光学功能可以是类似的，这取决于光栅的定向。然而，在反射光栅BSU中，在光透射穿过每个光栅之后，光可能不会在衍射，而是在从相邻光栅的相对表面反射之后衍射，如图18中所示。

图19示出基于单程里斯利棱镜的BSU 1624的光学功能性的实例。组合器1900可以包括第一HOE 1604和第二HOE 1606，如关于图16的光学架构1600论述。此外，组合器1900可以包括单程配置里斯利棱镜BSU 1624。如图所示，光束607可以在从第一HOE 1620初始透射穿过BSU 1624之后衍射一次。然而，在从相对侧第二次透射穿过BSU 1624之后，光607可能不受BSU 1624影响，从第二HOE 1622返回。应了解，光束607的衍射在图19中示为净衍射。如关于图17和18论述，光束607可以在BSU 1624内多次衍射，并且可以在透射穿过BSU 1624内的衍射光栅的一个或多个层或从BSU 1624内的衍射光栅的一个或多个层反射之后衍射。

图20示出基于双程里斯利棱镜的BSU 1624的光学功能性的实例。衍射反射器2000可以包括第一衍射层1620和第二衍射层1622，如关于图16的光学架构1600论述。如本文所论述，衍射层1620、1622中的每一个可以包括HOE。在一些实施例中，衍射反射器2000可以包括双程配置里斯利棱镜BSU 1624。如图所示，光束607可以在从第一衍射层1620初始透射穿过BSU 1624之后衍射一次，并且在从相对侧第二次透射穿过BSU 1624之后再次衍射，从第二衍射层1624返回。

透射和反射类型的里斯利棱镜BSU可以在单程或双程配置中定向，这取决于特定显示装置的光学要求。如关于图17和18论述，光束607可以在BSU 1624内多次衍射，并且可以在透射穿过BSU 1624内的一个或多个衍射光栅或从BSU 1624内的一个或多个衍射光栅反射之后衍射。

基于移位板的致动

在一些实施例中，衍射反射器可以包括出瞳转向机构，所述出瞳转向机构包括基于移位板的BSU。在一些实施例中，基于移位板的BSU可以包括两个或更多个衍射层，其中衍射层中的一个或多个的横向移位导致显示系统的出瞳610(图6)移位。

在一些实施例中，基于移位板的BSU可以通过在横向于用户视线的平面上在X和/或Y方向上横向地移位衍射反射器的一个或多个光学元件(例如，衍射层)来起作用。应了解，X和Y方向还可以理解为指代与用户的FOV中的水平轴和垂直轴平行的方向(例如，沿着用户视野的水平轴和垂直轴的方向)。在一些实施例中，基于移位板的BSU可能需要两个或更多个层，其中所述层中的一个或多个相对于另一层移动。层可以包括VPH或反射几何相位透镜，或两者的组合。在一些实施例中，世界光补偿不需要额外层。

图21示出包括准直的移位板组合器的实例光学架构2100。架构2100可以包括光组合器，所述光组合器包括BSU 2124，所述BSU包括第一光栅层2120和第二光栅层2122。光学架构2100还可以包括图像光投影仪602，所述图像光投影仪包括光源604(例如，激光源)，所述激光源将光引导到MEMS 606以用于在整个数字窗口化的瞳孔转向范围内扫描光。应了解，图像光投影仪602可以包括一个或多个额外光源(例如，激光器)、MEMS、镜子、电流计扫描仪、准直器、上游变焦距或其它光学组件609、611。在一些实施例中，光学架构2100可以用于形成用于VRD显示器中的衍射反射器，例如用于图6的显示系统的衍射反射器608。

在一些实施例中，第一光栅层2120包括第一HOE，所述第一HOE通过以陡峭的角度准直光束607的所有主光线来起作用，以避免第一光栅层2120与第二光栅层2122之间的串扰。如本文所用，串扰指代光栅之间的光学信号的干扰或交叉。在聚焦所有主光线之前对所有主光线进行准直确保第二光栅层2122对位置变化不敏感，使得第二光栅层2122上的所有入射光束607将是布拉格匹配的，并且因此以高效率形成聚焦的小出瞳610。在一些实施例中，第二光栅层2122包括第二HOE，所述第二HOE用于将准直的主光线聚焦到出瞳610。在一些实施例中，第二光栅层2122在X和Y方向上的机械平移用于基于用户的眼睛的所检测位置而将光束607转向到出瞳610。在一些实施例中，第二光栅层2122在X和Y方向上的机械平移以1:1关系移动出瞳610。换句话说，出瞳610在X和Y方向上移动与第二光栅层2122在X和Y方向上的对应移动相等的距离。在一些实施例中，第一光栅层2120可以包括透射HOE，使得在光束607透射穿过第一光栅层2120之后发生光束607的衍射。在一些实施例中，第二光栅层2122可以包括反射HOE，使得在光束607从第二光栅层2120反射之后发生光束607的衍射。

在一些实施例中，在准直移位板布置中，出瞳610移位与第二光栅2122的移位以1:1的比率成比例。由于其简单的结构，准直移位板布置可以用于形成高效和简单的显示系统。在一些实施例中，当使用三色投影(RGB)时，准直移位板瞳孔转向可以导致超过90％的总功率效率。此外，如本文所论述，准直移位板布置可以避免光学串扰，这样会减少伪影并增加光学系统的整体视觉质量。最后，在一些实施例中，准直移位板布置可以最小化或消除瞳孔像差，这样可以另外降低用户体验。

图22示出可以使用例如图21中所示的准直移位板衍射反射器实现的各种瞳孔转向位置。在一些实施例中，包括准直移位板光束转向机构的组合器可能够在X和Y方向上在约8mm x 8mm区域内转向出瞳。然而，可以基于移位板的致动范围延长或限制转向范围。图22示出来自图像光投影仪602的光束607的主光线由包括第一光栅2120和第二可移动光栅2122的BSU 2124转向到三个不同的示例性Y轴出瞳位置610A、610B和610C。

图23示出用于图21的移位板BSU的体相位全息光栅结构的实例。体相位全息光栅结构可以形成准直移位板衍射反射器。在一些实施例中，第一光栅层2120可以包括透射VPH。在一些实施例中，如图23中所示，光束607可以通过例如分束器分成两个光束，一个称为对象光束2302并且另一个称为参考光束2304。透射VPH是其中对象光束2302和参考光束2304从第一光栅层2120上的如图23中所示的相同侧入射到VPH的VPH。在一些实施例中，第二光栅层2122可以包括反射VPH。在反射VPH中，对象光束2302和参考光束2304可以从第二光栅2122上的如图23中所示的相对侧入射到VPH。在一些实施例中，第一光栅2120和/或第二光栅2122具有额外光学元件，例如聚焦透镜2306，以提供期望的光学功能。

基于动力移位板的致动

在一些实施例中，衍射反射器可以包括出瞳转向机构，所述出瞳转向机构包括基于动力移位板的BSU。在一些实施例中，基于动力移位板的BSU可以包括两个或更多个衍射层，其中衍射层中的一个或多个的横向移位导致显示装置的出瞳610(图6)移位。

在一些实施例中，动力移位板BSU可以包括采用修改的Alvarez透镜布置的至少两个透射折射板或光栅。在传统的Alvarez透镜中，每个光栅具有平坦表面和以二维立方体轮廓成形的相对表面。相邻光栅的立方体表面彼此相反地成形，使得当两个光栅的顶点都设置在光轴上时，每个光栅的感应相位变化由相邻光栅抵消。然而，如果两个板经历相对横向平移，则引入相位变化，即立方体表面轮廓的微分，从而产生二次相位轮廓(例如，光学功率)。因此，X或Y方向上的相对平移会在正交方向上独立地产生柱面功率，而组合移动可能会产生圆形、椭圆形或圆柱形相位分布。

在一些实施例中，基于动力移位板的BSU可以包括标准Alvarez透镜的变化。例如，BSU可以包括两个或更多个衍射透镜，每一个具有二次相位。当相邻光栅在X或Y方向上相对于彼此平移或移位时，光栅产生线性光栅功能。此功能可以用于在两个维度中实现光束转向。在一些实施例中，相比于准直移位板架构，动力移位板BSU不会对相邻光栅之间的光束进行准直。然而，动力移位板BSU可以改变光束607(图6)的波前发散。

图24示出包括动力移位板组合器的实例光学架构。架构2400可以包括衍射反射器，所述衍射反射器可以是光组合器的一部分，所述光组合器包括BSU 2424，所述BSU包括第一光栅层2420和第二光栅层2422。光学架构2400还可以包括图像光投影仪602，所述图像光投影仪包括光源604(例如，激光源)，所述光源被配置成将图像光引导到MEMS 606，所述MEMS被布置成将图像光反射到不同BSU 2424。在一些实施例中，MEMS 606是可移动的并且可以被配置成例如旋转以在整个数字窗口化的瞳孔转向范围内扫描光。图像光投影仪602可以包括一个或多个额外激光器、MEMS、镜子、电流计扫描仪、准直器、上游变焦距、分束器或其它光学组件609、611。在一些实施例中，来自图像光投影仪602的光束607与从图像光投影仪607的瞳孔中心发出的光线进行布拉格匹配。在一些实施例中，光学架构2400可以用于形成用于VRD显示器中的衍射反射器，例如用于图6的显示系统的衍射反射器608。

在一些实施例中，第一二次相位光栅2420可以是静止的并且发散具有特定焦距F的光束607的所有主光线，所选择的焦距F取决于衍射反射器的期望光学特性。在聚焦焦距为F的所有主光线之前使其发散可以减轻串扰，并且第二二次相位光栅2422可以对位置变化不敏感，使得第二二次相位光栅2422上的所有入射光束607将是布拉格匹配的，并且因此以高效率形成聚焦的小出瞳610。在一些实施例中，第二二次相位光栅2422将发散的主光线聚焦到出瞳610。在一些实施例中，第二二次相位光栅2422在X和Y方向上的机械平移用于基于用户的眼睛的所检测位置而将光束607转向到出瞳610。在一些实施例中，第二二次相位光栅2422在X和Y方向上的机械平移以1:1或1:>1关系移动出瞳610。例如，出瞳610可以在X和Y方向上移动与第二二次相位光栅2422在X和Y方向上的对应移动相等或更大的距离。在一些实施例中，第一二次相位光栅2420可以包括透射VPH，使得在光束607透射穿过第一二次相位光栅2420之后发生光束607的衍射。在一些实施例中，第二光栅2422可以包括反射VPH，使得在光束607从第二二次相位光栅2422反射之后发生光束607的衍射。

在一些实施例中，在动力移位板布置中，出瞳610移位与第二二次相位光栅2422的移位以1:1或>1:1的比率成比例。在一些实施例中，出瞳610的移动与第二二次相位光栅2422的移动的比率可以是约1.00:1、约1.05:1、约1.10:1、约1.15:1、约1.20:1、约1.25:1、约1.30:1、约1.35:1、约1.40:1、约1.45:1、约1.50:1、约1.55:1、约1.60:1、约1.65:1、约1.70:1、约1.75:1、约1.80:1、约1.85:1、约1.90:1、约1.95:1、约2.00:1、约2.05:1、约2.10:1、约2.15:1、约2.20:1、约2.25:1、约2.30:1、约2.35:1、约2.40:1、约2.45:1、约2.50:1、约2.55:1、约2.60:1、约2.65:1、约2.70:1、约2.75:1、约2.80:1、约2.85:1、约2.90:1、约2.95:1、约3.00:1、或前述值中的任一个之间的值。

与准直移位板BSU相比，由于出瞳610的移动与第二二次相位光栅2422的移动的比率>1:1，因此动力移位板BSU可能是有利的。因此，第二二次相位光栅2422的相对较小移动可以引起出瞳610移动一定距离，其中出瞳610在准直移位板BSU中的相同距离移动将需要第二光栅2144的较大移动。此外，如本文所论述，动力移位板布置可以有利地减轻光学串扰，这样会减少伪影并增加光学系统的整体视觉质量。还可以通过动力移位板BSU减少或消除瞳孔像差的发生率。然而，动力移位板BSU具有比准直移位板BSU更复杂的结构，并且当使用三色投影(RGB)时通常具有约60％的较低效率。

图25示出可以使用例如图24中所示的动力移位板组合器实现的瞳孔转向位置的各种实例。在一些实施例中，包括动力移位板光束转向机构的组合器可能够在X和Y方向上在约8mm x 8mm的区域内转向出瞳。然而，可以基于移位板的致动范围延长或限制转向范围。图25示出来自图像光投影仪602的光束607的主光线由包括第一光栅2420和第二可移动光栅2422的BSU 2424转向到三个不同的示例性Y轴出瞳位置610A、610B和610C。

图26示出用于图24的移位板BSU的实例体相位全息光栅结构。在一些实施例中，如图23中所示，光束607可以通过例如分束器分成对象光束2302和参考光束2304。在一些实施例中，第一光栅层2420可以包括透射VPH。在一些实施例中，第二光栅层2422可以包括反射VPH。在一些实施例中，第一光栅层2420和/或第二光栅层2422具有额外光学元件，例如聚焦透镜2306，以提供期望的光学功能。如图26中所说明，为了避免在从第二光栅层2422反射衍射之后与第一光栅层2420的第二程相互作用上的串扰，两个对象光束的焦点中的小离轴偏移是必要的。

作为其中第二光栅层2422仅可以横向地移动以转向出瞳610的动力移位板的替代方案，图27A和27B示出根据本文中的一些实施例的可以使用倾斜和移位的动力移位板组合器实现的各种示例性瞳孔转向位置。倾斜和移位的动力移位板架构可以具有与图24的光学架构2400相同的架构。然而，在倾斜和移位的动力偏移板BSU中，可以致动第二二次相位光栅层2422以横向地移位并且朝向或远离用户或观看者的眼睛倾斜。在一些实施例中，虽然横向移位是指光栅层在FOV的X和Y维度上的移动，但是倾斜是指光栅在光学Z轴上的移动，其中光栅的部分朝向用户或观看者倾斜并且光栅的另一部分远离观看者的用户倾斜。

图27A示出倾斜和移位的动力偏移板BSU 2424的瞳孔转向位置。在一些实施例中，第二二次相位光栅层2422具有在X方向上约1.0mm，或在左方向上约0.5mm和在右方向上约0.5mm的横向移位范围，以及4度、远离观看者约2度和朝向观看者约2度的倾斜移位范围。图27B示出倾斜和移位的动力移位板BSU 2424的瞳孔转向位置，其中第二二次相位光栅层2422具有6度，或远离观看者约3度和朝向观看者约3度的倾斜移位范围。

在一些实施例中，包括倾斜和移位的动力偏移板光束转向机构的衍射反射器可能够在X和Y方向上在约8mm x 8mm的区域内转向出瞳。然而，可以基于移位板的偏移和倾斜致动范围延长或减小转向范围。图27A和27B示出来自图像光投影仪602的光束607的主光线由包括第一光栅层2420和第二可移动光栅层2422的BSU 2424转向到不同的示例性Y轴出瞳位置610A、610B、610C、610D、610E和610F。

虽然图24的实例动力移位板架构2400和图27A和27B的倾斜和移位的动力移位板架构利用两个衍射光栅层转向出瞳610，但是可以利用衍射元件的更复杂配置来减小机械平移的频率和/或距离，以实现期望的出瞳平移。图28中示出实例配置，其展示双程动力偏移板组合器的光学结构。双程动力移位板组合器可以提供具有低RGB串扰、低瞳孔像差和有利的出瞳转向与机械平移比的光学架构。

参考图28，示出用于双程动力移位板BSU的光学架构2800的实例，其示出光传播通过光学结构的实例。架构2800可以作用于来自例如图像光投影仪602(图6)的投影光束607，所述图像光投影仪可以包括将光引导到MEMS 606的激光源604。图像光投影仪602可以包括一个或多个额外光源(例如，激光器)、MEMS、镜子、电流计扫描仪、准直器、上游变焦距或其它光学组件609、611。在一些实施例中，光束607可以包括左圆偏振光802。

架构2800可以包括第一VPH层2802和第一偏振透镜层2804，它们组合用于使光束607朝向偏振开关2806准直。偏振开关2806通过选择性地将光束607转换成具有字母偏振的光，或者在不改变偏振的情况下简单地透射光来起作用。例如，偏振开关2806可以简单地透射具有左圆偏振802的光或将光转换为具有右圆偏振804的光。然后将左圆偏振光802或右圆偏振光804从偏振开关2806引导到第二偏振透镜2808和第三偏振透镜2810。在一些实施例中，第二偏振透镜2808具有聚焦准直左圆偏振光802或发散准直右圆偏振光804的光学功能。

将来自第二偏振透镜2808的光引导到第三偏振透镜2810，所述第三偏振透镜被配置成相对于第二偏振透镜2808机械地移位和/或倾斜以将光动态地转向到出瞳610。第三偏振透镜2810可以使用本文所描述的机械转向机构中的任一个移位和/或倾斜，但优选地使用动力移位板方法移位和/或倾斜。将来自第三偏振透镜2810的光引导到波片2814和反射器2812，所述波片可以包括四分之一波片，所述反射器可以通过光学结构2800将光反射回。

在穿过偏振开关2806的第二程上，将光切换到左圆偏振光802并且将光引导到第一偏振透镜2804。第一偏振透镜2804将光束607聚焦到眼睛的转向出瞳610。在一些实施例中，第一偏振透镜2804、第二偏振透镜2808和第三偏振透镜2810中的每一个可以包括HOE。

图29示出根据本文中的一些实施例的双程动力移位板组合器的各种瞳孔转向位置。图29示出来自图像光投影仪602的光束607的主光线由光学架构2800引导到三个不同的示例性Y轴出瞳位置610A、610B、610C。

图29的所示实施例可能够使用仅约0.50mm的机械平移范围引起在X方向上约8mm，或在左方向上约4mm和在右方向上约4mm的出瞳移位范围。因此，双程动力移位板组合器可以具有约16:1的出瞳移动与机械光栅移动的比率。在一些实施例中，双程动力移位板组合器可以具有约1:1、约2:1、约3:1、约4:1、约5:1、约6:1、约7:1、约8:1、约9:1、约10:1、约11:1、约12:1、约13:1、约14:1、约15:1、约16:1、约17:1、约18:1、约19:1、约20:1、约21:1、约22:1、约23:1、约24:1、约25:1、约26:1、约27:1、约28:1、约29:1、约30:1、约31:1、约32:1、约33:1、约34:1、约35:1、约36:1、约37:1、约38:1、约39:1、约40:1、约41:1、约42:1、约43:1、约44:1、约45:1、约46:1、约47:1、约48:1、约49:1、约50:1，或在前述值中的任一个之间的出瞳移动与机械光栅移动的比率。

软件集成

如本文参考图2所论述，本文所论述的光学架构可以作为显示系统62的一部分集成在光组合器内。显示系统62可以包括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)，两者可以用于辅助数据的处理、高速缓存和存储。数据包含以下数据：a)从传感器(可以例如可操作地耦合到框架64或以其它方式附接到用户60)捕获，所述传感器例如图像捕获装置(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/或本文所公开的其它传感器；和/或b)使用远程处理模块72和/或远程数据存储库74(包含与虚拟内容相关的数据)获取和/或处理，从而可能用于在此种处理或检索之后传递到显示器62。本地处理和数据模块70可以通过通信链路76、78，例如经由有线或无线通信链路可操作地耦合到远程处理模块72和远程数据存储库74，使得这些远程模块72、74可操作地彼此耦合且作为资源对本地处理和数据模块70可用。

图30示出根据本文中的一些实施例的用于在显示装置中的转向出瞳上生成图像的示例性高级过程的流程图。在3002处，用户的一只或两只眼睛可以由例如相机组合件82(图60)的基于视频的眼睛跟踪系统跟踪以生成眼睛跟踪数据。可以将眼睛跟踪数据发送到处理模块70或72，所述处理模块可以处理由面向内的成像系统获取的图像信息以确定例如眼睛的瞳孔直径或定向、用户60的眼睛移动或眼睛姿势。在一些实施例中，处理模块70或72可以包括如本文所论述的例如瞳孔转向致动机构和图像光投影仪的控制器以在3004处执行出瞳转向，以便根据眼睛跟踪数据转向出瞳。最后，控制器可以根据转向出瞳的位置在3006处执行渲染和/或图像校正，以向用户的眼睛提供图像。例如，出瞳移位可以引起投影图像的角度内容的变化。因此，在一些实施例中，可能需要执行图像的几何扭曲和移位，使得图像与瞳孔转向一起进行调整。

在一些实施例中，显示系统62可以包括一个或多个控制器(例如，在处理模块70或72中)，以用于并行地监测、发起和完成多个过程以快速地且精确地将图像传递到转向出瞳。图31示出根据本文中的一些实施例的用于在显示装置中的转向出瞳上生成图像的实例工作流过程的流程图。在一些实施例中，一个或多个控制器可以被配置成控制主过程3100，所述主过程管理各种其它过程和显示装置62的总体功能。在一些实施例中，主过程3100可以包括在3102处从例如数据模块70或远程数据存储库74加载一个图像或多个图像。主过程3100还可以在3104处产生各种其它过程，包含例如为瞳孔转向提供机械或电子致动的电机过程3112、用于投影图像并提供图像校正的投影过程3120，和/或用于跟踪用户或观看者60的眼睛的眼睛跟踪过程3130。主过程3100还可以包括在3106处显示图像和/或在3108处结束或终止其它过程。主过程可以在3110处结束或终止。

电机过程3112可以控制显示装置62内的各种机构，包含例如MEMS、机械致动器和/或用于提供校正的图像投影和瞳孔转向功能的电路。在一些实施例中，电机过程可以包括激活机械致动器以在显示装置62内移动一个或多个级，以提供衍射反射器的衍射层的移动。例如，电机过程3112可以包括基于从主过程3100接收到的眼睛跟踪数据和/或指令在3114处启动级控制机构。在3116处，机电过程可以将一个或多个级移动到期望位置以实现校正的出瞳转向。最后，在3118处，电机过程3112可以完成级控制，例如如果已经移位级以将图像引导到与用户60的眼睛的位置匹配的出瞳。

独立地或与电机过程3112并行地，投影过程3120可以包括基于从主过程3100接收到的眼睛跟踪数据和/或指令校正和投影图像。例如，投影过程3120可以包括在3122处将颜色校正应用于图像。在光学透视显示器中，来自背景对象的光与源自显示器的光混合，从而产生所谓的颜色混合问题。颜色混合不利地影响此类显示器的可用性，因为它会影响数字内容的可读性和颜色编码。因此，对于头戴式显示系统来说，颜色校正可能是可取的，因为颜色混合影响此类装置的可用性，尤其是在户外使用时。颜色校正旨在通过找到一种替代显示颜色来减少颜色混合的影响，所述替代显示颜色一旦与背景混合就会产生最初预期的颜色。增强现实显示系统中的另一个潜在问题是图像失真，这可能取决于并入到显示器中的特定显示器架构而发生。因此，在一些实施例中，在3124处，投影过程3120可以包括应用图像失真，这可以抵消或取消由显示装置62的光学架构引起的图像失真。在一些实施例中，在提供颜色校正和图像失真之后，可以在3126处提供或投影一个或多个校正的图像。最后，在3128处，可以在3128处向用户显示一个或多个校正的图像。

如本文所论述，小出瞳头戴式显示器可能需要精确且快速的瞳孔跟踪，使得可以将出瞳引导到用户的瞳孔的精确位置。因此，独立地或与电机过程3112和投影过程3120并行地，眼睛跟踪过程3130可以包括在3132处定位用户或观看者60的瞳孔位置。瞳孔位置可以由例如包括相机组合件82(图6)的面向内成像系统定位。

图32示出根据本文中的一些实施例的用于在显示系统中的转向出瞳上生成图像的实例平行工作流过程以及其连接的图式。在一些实施例中，数据和/或指令可以在各种过程之间传递，以实现校正图像生成和投影、眼睛跟踪和瞳孔转向。例如，主过程3100可以产生电机过程3112、投影过程3120和/或眼睛跟踪过程3130。如上文所述，眼睛跟踪过程3130可以包括定位用户或观看者60的眼睛的瞳孔。如图32中所示，可以在3134处将包括瞳孔的所确定位置的数据传输到主过程。响应于接收到瞳孔位置，在3136处，主过程可以产生电机过程3112和/或向电机过程3112发出指令，所述指令包括用于起始和完成显示装置62的光束转向机构的致动的速度定位和/或电气致动规范。在一些实施例中，与在3136处向电机过程3112发出指令同时地或顺序地，主过程3100还可以在3138处产生投影过程3120和/或传输数据和指令以促进投影过程3120，所述指令包括转向出瞳的预测位置。在一些实施例中，响应于接收到指令，投影过程3120可以基于预测的出瞳位置应用颜色校正和图像失真，以在显示装置62内向用户或观看者60显示。

在一些实施例中，一旦电机过程3112已经完成显示装置62的光束转向机构的致动，就可以在3140处将包括出瞳的实际转向位置的数据传输到主过程3100。可以将此数据传输到投影过程3120，使得可以基于出瞳的实际位置应用进一步颜色校正和图像失真。本领域的技术人员将理解，以上过程和连接是实例，并且本文所描述的方法可以经由一个或多个处理模块70或72控制。

图33示出用于显示转向出瞳的图像的过程的流程图的实例。具体来说，图33示出转向出瞳图像显示过程3300，其中在显示图像之前对图像进行预校准。在一些实施例中，在3302处，可以例如从本地处理和数据模块70或远程数据存储库74加载静态图像。在一些实施例中，在3304处，可以激活硬件，例如相机组合件82(图6)、MEMS、机械致动器、图像光投影仪和/或电路。在一些实施例中，在3306处，可以应用图像失真。在一些实施例中，可以根据瞳孔位置应用图像失真。另外，在一些实施例中，可以在应用图像失真之后针对各种瞳孔位置创建并存储感兴趣区(ROI)图像副本。在一些实施例中，在3308处，可以应用颜色校正。在一些实施例中，可以根据瞳孔位置应用颜色校正。另外，在一些实施例中，可以在应用颜色校正之后针对各种瞳孔位置创建并存储ROI图像副本。

在一些实施例中，在3310处，可以确定用户或观看者60的瞳孔位置。例如，相机组合件82(图6)可以被配置成获得用户或观看者的眼睛的图像，并且将图像传输到一个或多个处理模块70或72，所述处理模块可以基于图像确定瞳孔位置。在一些实施例中，可以确定到瞳孔半径的仓位置。在一些实施例中，在3312处，一旦已经确定瞳孔位置，就可以致动瞳孔转向机构以将出瞳移动到用户或观看者60的所确定的瞳孔位置。在一些实施例中，光束转向单元的一个或多个光栅可以在二维上机械地平移以移动瞳孔位置，如上文详细地描述。在一些实施例中，在3314处，可以基于用户或观看者60的瞳孔位置从所存储的ROI图像副本选择校正图像。最后，在3316处，可以在转向出瞳处将图像投影并显示给用户或观看者60。过程可以在3318处结束。

上文所描述的过程可能需要根据瞳孔位置确定图像失真、颜色校正以及光束转向组件的机械平移。在一些实施例中，上述过程可以实现更简单的、更快的显示循环，其中显示循环是指瞳孔跟踪、出瞳转向和图像显示循环。然而，在一些实施例中，以上过程可能需要大量存储校准的ROI图像副本，可以基于瞳孔位置从所述校准的ROI图像副本中选择校正图像。尽管所示实施例描述单个静态图像的加载，但是应了解，还可以校准和显示一系列静态图像或移动图像，但是所存储图像的量将随着用于显示的图像的数目线性地增加。

图34示出根据本文中的一些实施例的用于在转向出瞳上显示图像的另一实例过程的流程图。具体来说，与预校准过程3300相比，图34中所示的过程3400涉及自动响应图像校准。

在一些实施例中，在3402处，可以例如从本地处理和数据模块70或远程数据存储库74加载图像、图像序列或视频。在一些实施例中，在3404处，可以启动硬件，例如相机组合件82、MEMS、线性致动器、激光投影仪和/或电路。在一些实施例中，在3206处，可以确定用户或观看者60的瞳孔位置。例如，相机组合件82可以被配置成获得用户或观看者的眼睛的图像，并且将图像传输到一个或多个处理模块70或72，所述处理模块可以基于图像确定瞳孔位置。在一些实施例中，可以确定到瞳孔半径的仓位置。在一些实施例中，在3408处，一旦已经确定瞳孔位置，就可以致动瞳孔转向机构以将出瞳移动到用户或观看者60的所确定的瞳孔位置。在一些实施例中，光束转向单元的一个或多个光栅可以在二维上机械地平移以移动瞳孔位置，如上文详细地描述。在一些实施例中，在3410处，可以根据瞳孔位置选择图像ROI。一旦选择图像ROI，就可以分别根据3412和3414处的瞳孔位置对图像ROI应用图像失真和颜色校正。最后，在3416处，可以在出瞳处向用户或观看者60显示图像。过程在3418处结束。

上文所描述的过程可能需要根据瞳孔位置确定图像失真、颜色校正以及光束转向组件的机械平移。相比于过程3300，过程3400可以容易地适于接受各种图像或视频的输入。然而，由于响应于跟踪的瞳孔移动，而不是在预处理步骤期间完成图像校准，因此显示过程3400可能需要相对快速的移动跟踪、瞳孔转向和图像校正以向用户或视图60提供校正图像。另一方面，不需要大量的存储，因为通常不需要使用过程3400存储多个预校准的ROI图像。

机械和光学系统集成

如上文所述，本文所描述的显示系统可以包括衍射反射器，所述衍射反射器包括光束转向单元，所述光束转向单元包括瞳孔转向机构中的一个或多个。在一些实施例中，瞳孔转向机构可以包括一个或多个机械致动的衍射光栅。在一些实施例中，机械致动的衍射光栅包括VPH。

图35示出根据本文中的一些实施例的实例机械致动的衍射反射器组合件。衍射反射器组合件3500可以包括耦合到衍射反射器3504(例如，光组合器)的致动器组合件3502。衍射反射器3504可以包括本文所描述的光学架构和/或衍射反射器中的任一个。在一些实施例中，致动器组合件可以包括用于致动衍射反射器3504内的瞳孔转向机构的一个或多个线性致动器。在一些实施例中，一个或多个线性致动器可以包括电气线性致动器。应了解，电气线性致动器可以将AC或DC电机的旋转运动转换成线性运动。线性运动可以提升、下降、滑动、调整、倾斜、推动或拉动衍射反射器3504内的光栅，以实现期望的光束转向位置。例如，线性运动可以引起衍射反射器3504内的衍射光栅的平移、旋转和/或倾斜，使得将来自投影仪的光在期望位置处引导到出瞳。可以经由一个或多个控制器控制线性致动器组合件3502。例如，可以用显示装置62的处理模块70和/或72控制线性致动器组合件。

在一些实施例中，衍射反射器3604可以包括耦合到致动器组合件3502的附接部分3506以及显示部分3508，其中容纳大部分光学架构，并且其中通常执行衍射反射器3504的光学功能。

在一些实施例中，显示部分3508可以包括约50mm长度和33mm高度，其中长度包括显示部分3508的水平尺寸或X方向，并且其中高度包括图35中的显示部分3508的竖直尺寸或Y方向。

在一些实施例中，显示部分3508的长度可以为约10mm、约11mm、约12mm、约13mm、约14mm、约15mm、约16mm、约17mm、约18mm、约19mm、约20mm、约21mm、约22mm、约23mm、约24mm、约25mm、约26mm、约27mm、约28mm、约29mm、约30mm、约31mm、约32mm、约33mm、约34mm、约35mm、约36毫米、约37mm、约38mm、约39mm、约40mm、约41mm、约42mm、约43mm、约44mm、约45mm、约46mm、约47mm、约48mm、约49mm、约50mm、约51mm、约52mm、约53mm、约54mm、约55mm、约56mm、约57mm、约58mm、约59mm、约60mm、约61mm、约62mm、约63mm、约64mm、约65mm、约66mm、约67mm、约68mm、约69mm、约70mm、约71mm、约72mm、约73mm、约74mm、约75mm、约76mm、约77mm、约78mm、约79mm、约80mm、约81mm、约82mm、约83mm、约84mm、约85mm、约86mm、约87mm、约88mm、约89mm、约90mm、约91mm、约92mm、约93mm、约94mm、约95mm、约96mm、约97mm、约98mm、约99mm、约100mm，或在前述值中的任一个之间的值。

在一些实施例中，显示部分3508的高度可以为约10mm、约11mm、约12mm、约13mm、约14mm、约15mm、约16mm、约17mm、约18mm、约19mm、约20mm、约21mm、约22mm、约23mm、约24mm、约25mm、约26mm、约27mm、约28mm、约29mm、约30mm、约31mm、约32mm、约33mm、约34mm、约35mm、约36毫米、约37mm、约38mm、约39mm、约40mm、约41mm、约42mm、约43mm、约44mm、约45mm、约46mm、约47mm、约48mm、约49mm、约50mm、约51mm、约52mm、约53mm、约54mm、约55mm、约56mm、约57mm、约58mm、约59mm、约60mm、约61mm、约62mm、约63mm、约64mm、约65mm、约66mm、约67mm、约68mm、约69mm、约70mm、约71mm、约72mm、约73mm、约74mm、约75mm、约76mm、约77mm、约78mm、约79mm、约80mm、约81mm、约82mm、约83mm、约84mm、约85mm、约86mm、约87mm、约88mm、约89mm、约90mm、约91mm、约92mm、约93mm、约94mm、约95mm、约96mm、约97mm、约98mm、约99mm、约100mm，或在前述值中的任一个之间的值。

图36示出根据本文中的一些实施例的另一实例致动的衍射反射器组合件。衍射反射器组合件3600包括衍射反射器3504，所述衍射反射器包括显示部分3508和连接器部分3506。衍射反射器3504可以包括本文所描述的光学架构和/或衍射反射器中的任一个。衍射反射器组合件3600还可以包括致动器组合件3502，所述致动器组合件包括用于在衍射反射器3504内致动光束转向机构的线性致动器3602A和3602B。在一些实施例中，致动器组合件3502可以使光束转向机构在图36的水平轴和垂直轴中实现360度的运动范围。在一些实施例中，致动器组合件3502还可以实现衍射反射器3504的光束转向机构的旋转和/或倾斜。

图37示出根据本文中的一些实施例的另一实例致动的衍射反射器。衍射反射器组合件3700包括衍射反射器3504，所述衍射反射器包括显示部分3508和连接器部分3506。衍射反射器组合件3700还可以包括致动器组合件3502，所述致动器组合件包括用于在衍射反射器3504内致动光束转向机构的线性致动器3702A和3702B。在一些实施例中，致动器组合件3502可以使光束转向机构在图37的水平轴和垂直轴中实现360度的运动范围。在一些实施例中，致动器组合件3502还可以实现衍射反射器3504的光束转向机构的旋转和/或倾斜。

图35到37的所示实施例在本质上是示例性的。本领域技术人员将理解，任何致动机构可以用于在包括衍射反射器的显示器内执行光束转向机构的机械致动，所述衍射反射器可以形成光组合器的一部分。

如上文所述，本文中的光学架构可以与上游变焦距组合以提供调节-聚散度匹配。在不使用变焦透镜的情况下，所显示图像的虚拟位置可以在光学无限远处，并且光学架构可以仅被配置成在单个深度平面上显示图像。然而，集成的上游变焦距可以实现虚拟图像源的移动以在多个焦平面处显示图像。图38示出根据本文中的一些实施例的上游变焦距的实例功能的图式。在一些实施例中，变焦透镜3802可以位于投影系统，例如图像光投影仪602内。本文所描述的所有VRD系统和架构与放置于投影系统中的变焦元件兼容。例如，如图38中所示，邻近于激光准直器3804放置变焦元件3802使显示器聚焦在各种距离，从而为用户的眼睛716提供适当的调节提示并避免聚散度-调节冲突。此配置进一步与如本文所描述的MEMS 606和额外光学元件609、611兼容。本领域的技术人员应了解，变焦距在光学架构内的放置可以变化，并且不限于所示的实施例。例如，可以在MEMS 606的上游或下游提供变焦距。

其它实施例

在前述说明书中，已参考本发明的具体实施例描述了本发明。然而，显而易见的是，在不脱离本发明的较宽广的精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改和改变。因此，说明书和图式应被视为具有说明性意义而非限制性意义。

实际上，应了解，本公开的系统和方法各自具有若干创新方面，其中没有单个方面单独负责或要求本文中所公开的合乎需要的属性。上文描述的各种特征和过程可以独立于彼此使用，也可以各种方式组合。所有可能组合和子组合预期落入本公开的范围内。

在本说明书中在单独的实施例的背景下描述的某些特征还可以在单个实施例中组合地实施。相反地，在单个实施例的上下文中描述的各种特征还可以单独地或以任何合适的子组合在多个实施例中实施。此外，尽管上文可以将特征描述为以某些组合形式起作用且甚至最初如此要求，但在一些情况下，可以将来自所要求的组合的一个或多个特征从组合删除，并且所要求的组合可以涉及子组合或子组合的变化。对于每个实施例，没有一个特征或特征组是必需的或必不可少的。

应了解，除非另外特别说明，或在所使用的上下文中以其它方式理解，否则本文中使用的条件语言，例如“能够”、“可以”、“可能”、“或许”、“例如”等通常旨在表达某些实施例包含，而其它实施例不包含某些特征、要素和/或步骤。因此，此条件性语言通常并非意图暗示特征、元件和/或步骤无论如何都是一个或多个实施例所需的，或者所述一个或多个实施例必须包含用于在具有或不具有作者输入或提示的情况下决定这些特征、元件和/或步骤是否包含于任一特定实施例中或有待于在任一特定实施例中执行的逻辑。术语“包括”、“包含”、“具有”等是同义并且以开放方式包含地使用，并且不排除额外元件、特征、动作、操作等。另外，术语“或”用于其包含含义(并且不在其排它性含义中)，使得当用于例如连接元件的列表时，术语“或”意味着在列表中的元件中的一个、一些或全部。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“所述”应理解为表示“一个或多个”或“至少一个”。类似地，尽管可以在附图中以特定次序描绘操作，但是应认识到，不一定按照所示出的特定次序或顺序次序执行此类操作，或者执行所有所示操作以实现期望的结果。此外，图式可能以流程图形式示意性地描绘一个以上实例过程。然而，可以将未描绘的其它操作并入到示意性地说明的实例方法和过程中。例如，可以在任何所示操作之前、之后、同时或之间执行一个或多个额外操作。另外，所述操作可以在其它实施例中重新布置或重新排序。在某些情况下，多任务处理和并行处理可能是有利的。此外，上述实施例中的各种系统组件的分离不应理解为在所有实施例中都需要这种分离，并且应理解，所描述的程序组件和系统通常可以一起集成在单个软件产品中或打包成多个软件产品。另外，其它实例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，可以以不同次序执行权利要求书中陈述的动作，并且所述动作仍实现期望的结果。

因此，权利要求书并不希望限于本文中示出的实施例，而是应被赋予与本公开、本文所公开的原理和新颖特征相一致的最广范围。

Claims (48)

1.一种头戴式显示系统，其包括：

框架；

图像光投影仪，其由所述框架支撑；

衍射反射器，其由所述框架支撑并且安置在所述图像光投影仪前方，所述衍射反射器被配置成接收由所述图像光投影仪投影的图像光并且在所述显示系统保持在用户身上时将所述图像光反射到所述用户的眼睛中，所述衍射反射器包括：

多个衍射层；以及

致动器，其由所述框架支撑并且被配置成改变所述衍射层的相对定向，其中所述衍射层的不同相对定向被配置成将光反射到不同的相关联眼睛位置。

2.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中所述致动器是配置成改变所述衍射层的相对物理位置的机械致动器。

3.根据权利要求2所述的头戴式显示系统，其中所述致动器被配置成使所述衍射层中的一个或多个旋转。

4.根据权利要求3所述的头戴式显示系统，其中所述衍射反射器包括基于里斯利棱镜的衍射层堆叠。

5.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中所述致动器被配置成横向地移位所述衍射层中的一个或多个。

6.根据权利要求5所述的头戴式显示系统，其中所述衍射层包括体相位全息图。

7.根据权利要求5所述的头戴式显示系统，其中所述衍射层包括反射几何相位透镜。

8.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其进一步包括用于确定所述用户的所述眼睛的所述瞳孔的位置的眼睛跟踪系统，其中所述致动器被配置成基于所述瞳孔的所确定位置实现对应于不同瞳孔位置的不同定向。

9.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中所述图像光投影仪具有相对于所述衍射反射器的固定定向。

10.一种增强现实显示装置，其包括：

图像光投影仪；

反射衍射组合器，其被配置成从所述图像光投影仪接收投影光，所述衍射组合器被配置成将世界光与来自所述图像光投影仪的所述投影光组合并且引导所述投影光以在可变的可选择转向出瞳位置处形成图像，所述衍射组合器包括：

可切换光束转向单元，其被配置成衍射所述投影光以在所述转向出瞳位置处形成所述图像，所述光束转向单元包括：

两个或更多个衍射光栅，其被配置成接收所述投影光；以及

致动机构，

其中所述两个或更多个衍射光栅中的至少一个耦合到所述致动机构，

其中所述致动机构被配置成引起所述两个或更多个衍射光栅中的所述至少一个的定向的变化，其中不同定向对于入射投影光具有不同的相关联衍射角，其中所述不同的相关联衍射角对应于不同的转向出瞳位置。

11.根据权利要求10所述的增强现实显示系统，其中所述图像光投影仪包括：

一个或多个微机电系统扫描镜；以及

激光源。

12.根据权利要求10所述的增强现实显示系统，其中所述图像光投影仪包括变焦透镜。

13.根据权利要求10所述的增强现实显示系统，其进一步包括用于跟踪所述显示系统的用户的眼睛的瞳孔的位置的眼睛跟踪组合件。

14.根据权利要求13所述的增强现实显示系统，其中所述眼睛跟踪组合件包括离轴相机。

15.根据权利要求10所述的增强现实显示系统，其中所述两个或更多个衍射光栅形成基于里斯利棱镜的转向机构，其中所述衍射组合器包括进一步包括：

准直全息光学元件，其在所述两个或更多个衍射光栅后方；以及

全息光学元件聚焦透镜，其在所述两个或更多个衍射光栅前方。

16.根据权利要求15所述的增强现实显示系统，其中所述两个或更多个衍射光栅中的第一衍射光栅和所述两个或更多个衍射光栅中的第二衍射光栅耦合到所述致动机构，

其中所述第一衍射光栅的致动使所述第一衍射光栅从第一光栅定向旋转到第二光栅定向，并且

其中所述第二衍射光栅的致动使所述第二衍射光栅从第三光栅定向旋转到第四光栅定向，

其中所述第一衍射光栅的旋转改变来自所述第一衍射光栅的所述投影光的所述衍射角，并且其中所述第二衍射光栅的所述旋转改变来自所述第二衍射光栅的所述投影光的所述衍射角。

17.根据权利要求15所述的增强现实显示系统，其中所述两个或更多个衍射光栅包括透射光栅，其中所述投影光仅在穿过所述光束转向单元的所述两个或更多个衍射光栅的单程上衍射。

18.根据权利要求10所述的增强现实显示系统，其中所述两个或更多个衍射光栅包括透射体相位全息光栅和反射体相位全息光栅，

其中所述透射体相位全息光栅是光准直器，

其中所述反射体相位全息光栅被配置成将所述投影光聚焦到所述转向出瞳。

19.根据权利要求18所述的增强现实显示系统，其中所述反射体相位全息光栅机械地耦合到所述致动机构。

20.根据权利要求19所述的增强现实显示系统，其中所述致动机构被配置成相对于所述透射体相位全息光栅横向地平移所述反射体相位全息光栅，其中至少一个反射体相位全息光栅的横向平移改变所述投影光在从所述至少一个反射体相位全息光栅反射时的所述衍射角。

21.根据权利要求20所述的增强现实显示系统，其中所述转向出瞳的移动距离与所述至少一个反射体相位全息光栅的所述横向平移的距离的比率是1:1。

22.根据权利要求10所述的增强现实显示系统，其中所述两个或更多个衍射光栅包括至少两个二次相位衍射光栅。

23.根据权利要求22所述的增强现实显示系统，其中所述至少两个二次相位衍射光栅包括：

透射体相位全息光栅；以及

反射体相位全息光栅。

24.根据权利要求23所述的增强现实显示系统，其中所述反射体相位全息光栅耦合到所述致动机构。

25.根据权利要求24所述的增强现实显示系统，其中所述致动机构被配置成相对于所述透射体相位全息光栅横向地平移所述反射体相位全息光栅，其中所述横向平移使所述二次相位衍射光栅产生线性光栅功能，其中所述线性光栅功能改变所述投影光在从所述至少一个反射体相位全息光栅反射时的所述衍射角。

26.根据权利要求25所述的增强现实显示系统，其中所述转向出瞳的移动距离与所述至少一个反射体相位全息光栅的横向平移的距离的比率大于1:1。

27.根据权利要求23所述的增强现实显示系统，其中所述透射体相位全息光栅以预定义焦距发散投影光。

28.根据权利要求24所述的增强现实显示系统，其中所述致动机构被配置成使所述反射体相位全息光栅朝向或远离所述至少一个透射体相位全息光栅倾斜，其中不同倾斜对应于所述投影光在从所述反射体相位全息光栅反射时的不同衍射角。

29.根据权利要求10所述的增强现实显示系统，其中所述光束转向单元进一步包括：

偏振开关；

四分之一波片，其在所述偏振开关前方；以及

反射器，其在所述四分之一波片前方。

30.根据权利要求29所述的增强现实显示系统，其中所述光束转向单元进一步包括：

第一偏振透镜，其在所述偏振开关后方；以及

体相位全息光栅，其在所述第一偏振透镜后方。

31.根据权利要求30所述的增强现实显示系统，其中所述两个或更多个衍射光栅包括：

第二偏振透镜，其在所述偏振开关前方；以及

第三偏振透镜，其在所述第二偏振透镜前方。

32.根据权利要求10所述的增强现实显示系统，其进一步包括世界补偿器，所述世界补偿器被配置成抵消所述光束转向单元对所述世界光的重定向。

33.根据权利要求32所述的增强现实显示系统，其中所述世界补偿器包括与所述光束转向单元基本上相同的光学组件，其中所述世界补偿器相对于所述光束转向单元相反地驱动，使得所述光束转向单元的光学效果由所述世界补偿器消除。

34.根据权利要求10所述的增强现实显示系统，其中所述衍射光栅包括液晶偏振光栅，其中所述衍射组合器进一步包括：

第一全息光学元件，其被配置成聚焦右圆偏振光；以及

第二全息光学元件，其被配置成准直左圆偏振光，

其中所述第二全息光学元件在所述光束转向单元后方，并且其中所述第一全息光学元件在所述第二全息光学元件后方。

35.根据权利要求34所述的增强现实显示系统，其中所述光束转向单元进一步包括在所述衍射光栅前方的四分之一波片。

36.根据权利要求34所述的增强现实显示系统，其中所述致动机构包括用于将电压选择性地施加到所述一个或多个液晶偏振光栅中的至少一个的电开关。

37.根据权利要求36所述的增强现实显示系统，其中所施加的电压改变所述至少一个液晶偏振光栅的光栅结构，其中所述光栅结构的变化改变所述投影光在透射穿过所述至少一个液晶偏振光栅时的所述衍射角。

38.根据权利要求34所述的增强现实显示系统，其中所述液晶偏振光栅包括布拉格选择性液晶偏振光栅。

39.根据权利要求10所述的增强现实显示系统，其中所述转向出瞳的可寻址转向位置的数目等于2ⁿ，其中n是所述光束转向单元内的衍射光栅的数目。

40.一种头戴式显示系统，其包括：

框架；

图像光投影仪，其由所述框架支撑；以及

衍射反射器，其由所述框架支撑并且安置在所述图像光投影仪前方，所述衍射反射器被配置成接收由所述图像光投影仪投影的图像光并且在所述显示系统保持在用户身上时将所述图像光反射到所述用户的眼睛中，所述衍射反射器包括：

多个衍射层，其包括液晶偏振光栅；以及

偏振开关，其被配置成改变传播通过所述衍射层的光的偏振，其中所述开关的不同状态被配置成将光反射到不同的相关联眼睛位置。

41.根据权利要求40所述的头戴式显示系统，其进一步包括双色镜，其中所述衍射层包括由所述双色镜分开的液晶偏振光栅的第一和第二堆叠。

42.根据权利要求40所述的头戴式显示系统，其中其进一步包括：

双色镜；以及

偏振器，

其中所述双色镜、偏振器和液晶偏振光栅形成堆叠，其中所述偏振器在所述双色镜前方并且所述双色镜在所述液晶偏振光栅前方。

43.根据权利要求40所述的头戴式显示系统，其进一步包括用于确定所述用户的所述眼睛的所述瞳孔的位置的眼睛跟踪系统，其中所述致动器被配置成基于所述瞳孔的所确定位置实现对应于不同瞳孔位置的不同定向。

44.一种用于将来自头戴式显示器的虚拟内容显示给用户的方法，所述方法包括：

跟踪所述用户的眼睛的瞳孔的位置；

将图像光从图像光投影仪投影到包括多个衍射层的衍射反射器；

改变所述图像光从所述衍射反射器反射的角度以跟踪所述瞳孔的位置。

45.根据权利要求44所述的方法，其中改变所述角度包括改变所述衍射层的相对定向，其中不同相对定向对应于不同瞳孔位置，其中改变所述相对定向将所述光引导到所述瞳孔的跟踪位置。

46.根据权利要求45所述的方法，其中改变所述相对定向包括使所述衍射层中的一个或多个相对于所述衍射层中的一个或多个其它衍射层旋转。

47.根据权利要求45所述的方法，其中改变所述相对定向包括使所述衍射层中的一个或多个相对于所述衍射层中的一个或多个其它衍射层横向地移位。

48.根据权利要求44所述的方法，其中所述衍射层包括液晶偏振光栅和偏振开关，其中改变所述反射角包括改变传播通过所述偏振开关的光的偏振。