CN116802544A - 位于波导显示器上的相位结构 - Google Patents

Abstract

一种波导显示器，该波导显示器包括：衬底，该衬底对可见光是透明的；第一光栅，该第一光栅位于衬底上，并且该第一光栅被配置成将显示光耦入衬底中或将该显示光从衬底耦出；以及相位结构，该相位结构位于衬底上，该相位结构被配置成在该显示光到达该第一光栅之后或之前，改变该显示光的偏振态。第一光栅的特性在于与偏振相关的衍射效率。第一光栅包括例如表面浮雕光栅或体布拉格光栅。

Description

位于波导显示器上的相位结构

技术领域

本公开总体上涉及一种近眼显示器用的基于光栅的波导显示器。更具体地，本文公开了一种用于改进基于光栅的近眼显示器系统的耦合效率的技术。

背景技术

诸如头戴式显示器(head-mounted display，HMD)系统或平视显示器(heads-updisplay，HUD)系统等人工现实系统通常包括近眼显示器(例如，呈头戴式显示设备(headset)形式或一副眼镜的形式)，该近眼显示器被配置成经由电子显示器或光学显示器在用户眼睛前方例如约10mm至20mm的范围内向用户呈现内容。近眼显示器可以在如虚拟现实(virtual reality，VR)应用、增强现实(augmented reality，AR)应用或混合现实(mixedreality，MR)应用中显示虚拟对象、或将真实对象的图像与虚拟对象进行组合。例如，在AR系统中，用户可以通过例如透视透明显示眼镜或透镜(通常被称为光学透视)来观看虚拟对象的图像(例如，计算机生成的图像(computer-generated image，CGI))和周围环境这两者。

光学透视AR系统的一个示例可以使用基于波导的光学显示器，其中投射图像的光可以耦入波导(例如，透明衬底)中、在波导内传播、并在不同位置处从波导耦出。在一些实施方式中，投射图像的光可以使用衍射性光学元件(例如体全息光栅(volume holographicgrating)和/或表面浮雕光栅(surface-relief grating))耦入波导中或从波导耦出。来自周围环境的光可以穿过波导的透视区域，并且还到达用户的眼睛。

发明内容

本公开总体上涉及一种近眼显示器用的基于光栅的波导显示器。更具体地，本文公开了一种用于改进基于光栅的近眼显示器系统的耦合效率的技术。本文描述了各种创造性实施例，包括设备、系统和方法等。

根据一些实施例，波导显示器可以包括：衬底，该衬底对可见光是透明的；第一表面浮雕光栅，该第一表面浮雕光栅位于该衬底上，并且该第一表面浮雕光栅被配置成将显示光耦入该衬底中或将该显示光从该衬底耦出；以及相位结构，该相位结构位于该衬底上，并且该相位结构被配置成在该显示光到达该第一表面浮雕光栅之后或之前，改变该显示光的偏振态。该第一表面浮雕光栅的特性在于与偏振相关的衍射效率。

在一些实施例中，该相位结构可以包括波片，其中，该波片的特性可以在于介于零波长与一个波长之间的波片厚度。在一些实施例中，该相位结构可以包括双折射材料层，或者该相位结构可以包括亚波长结构和外涂层。该亚波长结构可以被蚀刻在该衬底中，或者该亚波长结构可以被蚀刻在形成于该衬底上的材料层中。该衬底的折射率与包括亚波长结构和外涂层的相位结构的有效折射率之间的差小于约0.35。

在一些实施例中，该波导显示器还可以包括第二表面浮雕光栅，该第二表面浮雕光栅位于该相位结构上，其中，该相位结构位于该衬底与该第二表面浮雕光栅之间。相位结构的波片厚度可以为四分之一波长。该相位结构可以被布置成使得该相位结构的快轴与该第一表面浮雕光栅的光栅矢量之间的角度为45°。

在一些实施例中，该波导显示器还可以包括第二表面浮雕光栅，该第二表面浮雕光栅位于该衬底与该相位结构之间。在一些实施例中，该第一表面浮雕光栅可以位于该衬底的第一表面上，并且该第一表面浮雕光栅可以被配置成将该显示光耦入该衬底中；并且该相位结构可以位于该衬底的与该第一表面相反的第二表面上，并且该相位结构可以被配置成改变耦入该衬底中的该显示光的偏振态。

在一些实施例中，该相位结构可以位于该衬底的选定区域中。该相位结构的特性可以在于跨越(across)该相位结构的不同区域的在空间上变化的相位延迟。该相位结构可以被配置成将s偏振光转换为p偏振光、将p偏振光转换为s偏振光、将线性偏振光转换为圆偏振光、或将圆偏振光转换为线性偏振光。

根据一些实施例，该波导显示器可以包括：衬底，该衬底对可见光是透明的；第一表面浮雕光栅，该第一表面浮雕光栅位于该衬底的第一表面上，并且该第一表面浮雕光栅被配置成将显示光耦入该衬底中，使得该显示光通过全内反射在该衬底内传播，其中，该第一表面浮雕光栅的特性在于与偏振相关的衍射效率。该波导显示器还可以包括相位结构，该相位结构位于该衬底的与该第一表面相反的第二表面上，其中，该相位结构可以被配置成改变耦入该衬底中的该显示光的偏振态。

在一些实施例中，该相位结构可以包括：双折射材料层；或者亚波长结构，该亚波长结构形成于各向同性材料或双折射材料中。在一些实施例中，该相位结构可以包括亚波长结构和外涂层，并且该衬底的折射率与包括该亚波长结构和该外涂层的该相位结构的有效折射率之间的差小于0.35，例如小于约0.2、小于约0.1或小于约0.05。该波导显示器还可以包括第二表面浮雕光栅，该第二表面浮雕光栅位于该相位结构上，其中，该相位结构可以位于该衬底与该第二表面浮雕光栅之间，或者该第二表面浮雕光栅可以位于该衬底与该相位结构之间。

根据一些实施例，该波导显示器可以包括：第一衬底，该第一衬底对可见光是透明的；第二衬底，该第二衬底对该可见光是透明的；全息材料层，该全息材料层位于该第一衬底与该第二衬底之间，并且包括体布拉格光栅，该体布拉格光栅的特性在于与偏振相关的衍射效率；以及相位结构，该相位结构位于该第一衬底或该第二衬底上，并且该相位结构被配置成在显示光被该体布拉格光栅衍射之后或之前，改变入射到该相位结构上的该显示光的偏振态。

在波导显示器的一些实施例中，该相位结构可以包括波片。该波片的特性可以在于介于零波长与一个波长之间的波片厚度。在一些实施例中，该相位结构可以包括双折射材料层，或者可以包括亚波长结构和外涂层。该亚波长结构可以被蚀刻在衬底(可以是第一衬底和/或第二衬底)中，或者该亚波长结构可以被蚀刻在形成于衬底(可以是第一衬底和/或第二衬底)上的材料层中。该衬底(可以是第一衬底和/或第二衬底)的折射率与包括该亚波长结构和该外涂层的该相位结构的有效折射率之间的差可以小于约0.35。

在一些实施例中，该相位结构可以在第一衬底的选定区域中或第二衬底的选定区域中。在一些实施例中，该相位结构的特性可以在于跨越该相位结构的不同区域的在空间上变化的相位延迟。

在一些实施例中，该相位结构可以位于第二衬底上，并且该波导显示器还可以包括位于第一衬底上的第二相位结构。该相位结构可以在波导显示器的、输入光栅耦合器所在的区域中。在一些实施例中，该全息材料层包括两个或更多个体布拉格光栅，该体布拉格光栅包括输入光栅耦合器和输出光栅耦合器。该相位结构可以位于该波导显示器的、该输入光栅耦合器所在的区域中和该输出光栅耦合器所在的区域中。该输入光栅耦合器可以包括一个或多个体布拉格光栅，并且该输出光栅耦合器可以包括至少两个体布拉格光栅，该至少两个体布拉格光栅被配置成在两个方向上扩展该波导显示器的适眼区(eyebox)。

根据一些实施例，波导显示器可以包括：第一衬底；第二衬底；输入光栅耦合器，该输入光栅耦合器位于该第一衬底与该第二衬底之间，并且该输入光栅耦合器被配置成将显示光耦入该第一衬底或该第二衬底中；输出光栅耦合器，该输出光栅耦合器位于该第一衬底与该第二衬底之间，并且该输出光栅耦合器被配置成至少部分地将显示光从该波导显示器朝向该波导显示器的适眼区耦出；以及相位结构，该相位结构位于该第一衬底或该第二衬底上，并且该相位结构被配置成在耦入该第一衬底或该第二衬底中的显示光到达该输出光栅耦合器之前或再次到达该输入光栅耦合器之前，改变耦入该第一衬底或该第二衬底中的显示光的偏振态。

在波导显示器的一些实施例中，该相位结构可以包括双折射材料层，或者可以包括亚波长结构，该亚波长结构形成于各向同性材料或双折射材料中。该相位结构可以包括亚波长结构和外涂层，并且该第一衬底的折射率或该第二衬底的折射率与该相位结构的有效折射率之间的差可以小于约0.35。该相位结构可以包括亚波长结构，该亚波长结构被蚀刻在该第一衬底中、该第二衬底中、或形成于该第一衬底或该第二衬底上的材料层中。该相位结构可以位于该第二衬底上，并且该波导显示器还可以包括位于该第一衬底上的第二相位结构。

本发明内容既不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或本质特征，也不旨在孤立地用于确定所要求保护的主题的范围。应当通过参考本公开的整个说明书的适当部分、任意附图或所有附图、以及每个权利要求来理解本主题。在以下的说明书、权利要求书和附图中，将更详细地描述前述内容以及其它特征和示例。

附图说明

下文参考以下附图详细地描述说明性实施例。

图1是包括根据某些实施例的近眼显示器系统的人工现实系统环境的示例的简化框图。

图2是用于实现本文公开的多个示例中的一些示例的头戴式显示器(HMD)设备形式的近眼显示器系统的示例的立体图。

图3是用于实现本文公开的多个示例中的一些示例的一副眼镜形式的近眼显示器系统的示例的立体图。

图4是展示了近眼显示器系统中的光学系统的示例的简化图示。

图5展示了包括根据某些实施例的用于出射光瞳扩展的波导显示器的光学透视增强现实系统的示例。

图6展示了包括根据某些实施例的用于出射光瞳扩展的波导显示器的光学透视增强现实系统的示例。

图7A展示了反射性体布拉格光栅(volume Bragg grating，VBG)的示例的光谱带宽和透射性表面浮雕光栅(surface-relief grating，SRG)的示例的光谱带宽。

图7B展示了反射性VBG的示例的角度带宽和透射性SRG的示例的角度带宽。

图8A展示了包括根据某些实施例的用于出射光瞳扩展的波导显示器和光栅的光学透视增强现实系统的示例。

图8B展示了包括根据某些实施例的二维复制出射光瞳的适眼区的示例。

图9展示了具有根据某些实施例的用于出射光瞳扩展的光栅耦合器的波导显示器的示例。

图10展示了根据某些实施例的基于VBG的波导显示器的另一示例。

图11A展示了用于将显示光耦入波导显示器中的光栅耦合器的示例。

图11B展示了通过波导显示器中的光栅耦合器的示例的不期望光衍射的示例。

图12A展示了通过波导显示器中的光栅耦合器的示例对s偏振光的衍射。

图12B展示了通过波导显示器中的光栅耦合器的示例对p偏振光的衍射。

图13A展示了包括根据某些实施例的光栅耦合器和用于改变入射光的偏振态的相位结构的波导显示器的示例。

图13B展示了包括根据某些实施例的光栅耦合器和用于改变入射光的偏振态的相位结构的波导显示器的示例。

图13C展示了包括根据某些实施例的光栅耦合器和用于改变入射光的偏振态的相位结构的波导显示器的示例。

图14A展示了通过波导显示器中的光栅耦合器的示例对s偏振光进行衍射的效率。

图14B展示了通过波导显示器中的光栅耦合器的示例对p偏振光进行衍射的效率。

图14C展示了通过根据某些实施例的波导显示器中的光栅耦合器和相位结构的示例对s偏振光进行衍射的效率。

图14D展示了通过根据某些实施例的波导显示器中的光栅耦合器和相位结构的示例对p偏振光进行衍射的效率。

图15A展示了包括根据某些实施例的光栅耦合器和各种相位结构的波导显示器的示例的模拟输入耦合效率。

图15B展示了波导显示器的示例对来自视场中不同区域的光的模拟输入耦合效率。

图15C展示了包括根据某些实施例的光栅耦合器和相位结构的波导显示器的示例对来自视场中不同区域的光的模拟输入耦合效率。

图15D展示了通过包括根据某些实施例的光栅耦合器和相位结构的波导显示器的示例对来自视场中不同区域的光的模拟输入耦合效率的改善。

图16A展示了包括根据某些实施例的光栅耦合器和各种相位结构的波导显示器的示例的模拟输入耦合效率。

图16B展示了波导显示器的示例对来自视场中不同区域的光的模拟输入耦合效率。

图16C展示了包括根据某些实施例的光栅耦合器和相位结构的波导显示器的示例对来自视场中不同区域的光的模拟输入耦合效率。

图16D展示了通过包括根据某些实施例的光栅耦合器和相位结构的波导显示器的示例对来自视场中不同区域的光的模拟输入耦合效率的改善。

图17A展示了波导显示器的示例，该波导显示器包括根据某些实施例的光栅耦合器和位于光栅耦合器与衬底之间的相位结构。

图17B展示了波导显示器的另一个示例，该波导显示器包括根据某些实施例的光栅耦合器和位于光栅耦合器与衬底之间的相位结构。

图18A展示了包括根据某些实施例的VBG耦合器的波导显示器的示例。

图18B展示了波导显示器的组件的示例。

图19A展示了包括根据某些实施例的体布拉格光栅耦合器的波导显示器的示例。

图19B展示了包括根据某些实施例的位于衬底中的体布拉格光栅的输入耦合器的示例。

图20A展示了具有不同入射角度的s偏振光和p偏振光在低折射率材料与高折射率材料之间的界面处的反射系数的示例。

图20B展示了具有不同入射角度的s偏振光和p偏振光在高折射率材料与低折射率材料之间的界面处的反射系数的示例。

图21A展示了包括用于出射光瞳扩展的体布拉格光栅的光学透视波导显示器的示例。

图21B展示了在波导显示器的示例中的光束的偏振态。

图22A展示了包括根据某些实施例的VBG耦合器和相位结构的波导显示器的示例的截面图。

图22B展示了包括根据某些实施例的VBG耦合器和相位结构的波导显示器的示例的俯视图。

图23A展示了包括根据某些实施例的VBG和相位结构的波导显示器的示例的截面图。

图23B展示了包括根据某些实施例的VBG和至少一个相位结构的波导显示器的示例的示例的俯视图。

图24A展示了包括VBG的波导显示器的示例的模拟结果。

图24B展示了包括根据某些实施例的VBG和相位结构的波导显示器的示例的模拟结果。

图25展示了包括根据某些实施例的各种相位结构的波导显示器的示例的模拟输入耦合效率。

图26A至图26C展示了波导显示器的示例对来自视场中不同区域且具有不同颜色的光的模拟输入耦合效率。

图26D至图26F展示了包括根据某些实施例的相位结构的波导显示器的示例对来自视场中不同区域且具有不同颜色的光的模拟输入耦合效率。

图26G至图26I展示了包括根据某些实施例的相位结构的波导显示器的示例对来自视场中不同区域且具有不同颜色的光的模拟输入耦合效率。

图27是根据某些实施例的近眼显示器的示例中的电子系统的示例的简化框图。

附图仅出于说明的目的描绘了本公开的实施例。本领域技术人员将从下文的描述中容易地认识到，在不脱离本公开的原理或所宣扬的益处的情况下，可以采用所示的结构和方法的替代实施例。

在附图中，相似部件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，可以通过在附图标记后面加上破折号和用于区分相似部件的第二附图标记来区分相同类型的各种部件。如果在说明书中仅使用第一附图标记，则该描述适用于具有相同第一附图标记的任何一个类似部件，而与第二附图标记无关。

具体实施方式

本公开总体上涉及一种近眼显示器用的基于光栅的波导显示器。更具体地，本文公开了用于改善基于光栅的光学透视近眼显示器系统的耦合效率的技术。本文描述了各种创造性实施例，包括设备、系统和方法等。

在近眼显示器系统中，通常期望扩展适眼区、改善图像质量(例如，分辨率和对比度)、减小物理尺寸、提高功率效率并增加视野。在基于波导的近眼显示器系统中，投射图像的光可以耦入波导(例如，透明衬底)中、在波导内传播、并在不同位置处从波导耦出，以复制出射光瞳并扩展适眼区。可以使用两个或更多个光栅在两个维度中扩展适眼区。在用于增强现实应用的基于波导的近眼显示器系统中，来自周围环境的光可以穿过波导显示器的至少透视区域(例如，透明衬底)并到达用户的眼睛。在一些实施方式中，可以使用衍射性光学元件(诸如光栅)将投射图像的光耦入波导中或从波导耦出，衍射性光学元件也可以允许来自周围环境的光穿过。

由于例如对期望衍射级低于100％的衍射效率、泄漏、串扰、偏振相关性、角度相关性和波长相关性等，因此使用衍射性光学元件实现的耦合器可能具有有限的耦合效率。例如，在使用表面浮雕光栅(SRG)耦合器或体布拉格光栅(VBG)耦合器的波导显示器中，通过输入耦合器耦入波导中的显示光可能会被反射回到输入耦合器，并且可能被输入耦合器再次衍射到不期望的方向。此外，SRG的衍射效率和VBG的衍射效率可能是偏振相关的。例如，对于入射角度接近或处于布鲁斯特角(Brewster's angle)的p偏振光，反射性VBG的衍射效率可能接近于零。在另一示例中，SRG对于s偏振光的衍射效率可能高于SRG对于p偏振光的衍射效率，并且由于SRG对于s偏振光的衍射效率更高，因此对于s偏振光而言可能存在更高的泄漏。

光栅耦合器可以被优化以使期望路径中的显示光的功率最大化。例如，可以调整光栅形状、倾斜角度、光栅周期、占空比、光栅高度或深度、折射率、折射率调制、外涂层材料、以及这些光栅参数在光栅上的空间变化来提高将显示光朝向适眼区的期望方向引导的效率。由于SRG的固有特性和VBG的固有特性，改变这些参数可以对波导显示器的效率提供一些但有限的改善。

根据某些实施例，可以通过改变显示光沿其传播路径的偏振态来提高波导显示器的效率。例如，相位结构可以耦接到波导的表面并且用于改变在波导的表面反射的光的偏振态，使得反射光在其传播路径中到达光栅耦合器时，可以更优先地衍射或反射到期望的方向，以提高波导显示器的整体效率。相位结构可以包括任何双折射材料(例如，双折射晶体、液晶或聚合物)或双折射结构(例如，光栅或其它亚波长结构)，该双折射材料或双折射结构可以在两个正交线性偏振分量(例如，s偏振光和p偏振光)之间引起期望的相位延迟，使得入射光束可以变化为s偏振光束、p偏振光束、圆偏振光束或椭圆偏振光束。相位结构可以设置在波导显示器中的各种位置处，例如设置在输入耦合器区域处、在输入耦合器与输出耦合器之间、在输出耦合器区域处、或它们的任意组合。

将相位结构添加到波导显示器可以增加更多的设计自由度，以优化波导显示器的效率。例如，可以选择相位结构的位置、相位延迟、取向和其它参数来改变显示光的偏振态，使得显示光可以更优先地被偏振相关光栅衍射到期望的衍射级和方向，以最终到达用户的眼睛。

在下文的描述中，描述了各种创造性实施例，包括设备、系统和方法等。出于解释的目的，阐述了具体细节，以便提供对本公开的示例的透彻理解。然而，很明显的是可以在没有这些具体细节的情况下实践各种示例。例如，设备、系统、结构、组件、方法和其它部件可以以框图形式示出为部件，以免不必要的细节使这些示例模糊。在其它情况下，公知的设备、过程、系统、结构和技术可以在没有必要细节的情况下示出，以避免模糊这些示例。附图和说明书不是限制性的。在本公开中已经采用的术语和表达被用作描述性术语而不是限制性术语，并且在使用这些术语和表达时不旨在排除所示和描述的特征或其部分的任何等同物。“示例”一词在本文用于表示“用作示例、实例或说明”。本文中描述为“示例”的任何实施例或设计不一定被解释为优先于或优于其它实施例或设计。

图1是包括根据某些实施例的近眼显示器120的人工现实系统环境100的示例的简化框图。图1所示的人工现实系统环境100可以包括近眼显示器120、可选的外部成像设备150和可选的输入/输出接口140，该近眼显示器、该可选的外部成像设备和该可选的输入/输出接口中的每一者可以耦接到可选的控制台110。虽然图1示出了包括一个近眼显示器120、一个外部成像设备150和一个输入/输出接口140的人工现实系统环境100的示例，但是在人工现实系统环境100中可以包括任何数量的这些部件，或者可以省略这些部件的任一者。例如，可以具有由与控制台110通信的一个或多个外部成像设备150监视的多个近眼显示器120。在一些构造中，人工现实系统环境100可以不包括外部成像设备150、可选的输入/输出接口140和可选的控制台110。在替代构造中，人工现实系统环境100可以包括不同的部件或附加的部件。

近眼显示器120可以是向用户呈现内容的头戴式显示器。由近眼显示器120呈现的内容的示例包括以下中的一者或多者：图像、视频、音频或它们的任意组合。在一些实施例中，音频可以经由外部设备(例如，扬声器和/或耳机)呈现，该外部设备接收来自近眼显示器120、控制台110或这两者的音频信息，并基于该音频信息呈现音频数据。近眼显示器120可以包括一个或多个刚性本体，这些刚性本体可以彼此刚性地或非刚性地耦接。多个刚性本体之间的刚性耦接可以使耦接后的刚性本体充当单个刚性实体。多个刚性本体之间的非刚性耦接可以允许这些刚性本体相对于彼此移动。在各种实施例中，近眼显示器120可以以任何合适的形状要素(包括一副眼镜)来实现。下文关于图2和图3进一步描述近眼显示器120的一些实施例。此外，在各种实施例中，本文所描述的功能可以用于将近眼显示器120外部环境的图像和人工现实内容(例如，计算机生成的图像)进行组合的头戴式设备中。因此，近眼显示器120可以利用生成的内容(例如，图像、视频、声音等)增强近眼显示器120外部的物理真实世界环境的图像，以向用户呈现增强现实。

在各种实施例中，近眼显示器120可以包括显示电子器件122、显示光学器件124和眼睛追踪单元130中的一者或多者。在一些实施例中，近眼显示器120还可以包括一个或多个定位器126、一个或多个位置传感器128、以及惯性测量单元(inertial measurementunit，IMU)132。近眼显示器120可以省略眼睛追踪单元130、定位器126、位置传感器128和IMU 132中的任何一者，或者近眼显示器在各种实施例中包括附加元件。此外，在一些实施例中，近眼显示器120可以包括组合了结合图1描述的各种元件的功能的多个元件。

显示电子器件122可以根据从例如控制台110接收的数据，向用户显示图像或有助于向用户显示图像。在各种实施例中，显示电子器件122可以包括一个或多个显示面板，例如液晶显示器(liquid crystal display，LCD)、有机发光二极管(organic lightemitting diode，OLED)显示器、无机发光二极管(inorganic light emitting diode，ILED)显示器、微型发光二极管(micro light emitting diode，μLED)显示器、有源矩阵OLED显示器(active-matrix OLED display，AMOLED)、透明OLED显示器(transparent OLEDdisplay，TOLED)、或某种其它显示器。例如，在近眼显示器120的一个实施方式中，显示电子器件122可以包括前TOLED面板、后显示面板、以及在前显示面板与后显示面板之间的光学部件(例如，衰减器、偏振器、或衍射膜或光谱膜)。显示电子器件122可以包括发射诸如红色、绿色、蓝色、白色或黄色等主要颜色的光的多个像素。在一些实施方式中，显示电子器件122可以通过二维面板产生的立体效果来显示三维(three-dimensional，3D)图像，以创建对图像深度的主观感知。例如，显示电子器件122可以包括位于用户左眼前方的左显示器和位于右眼前方的右显示器。左显示器和右显示器可以呈现图像的相对于彼此水平移位的副本以产生立体效果(例如，由观看图像的用户对图像深度的感知)。

在某些实施例中，显示光学器件124可以光学地(例如，使用光波导和耦合器)显示图像内容或放大从显示电子器件122接收的图像光、校正与图像光相关联的光学误差、并且向近眼显示器120的用户呈现校正后的图像光。在各种实施例中，显示光学器件124可以包括一个或多个光学元件，例如衬底、光波导、光圈、菲涅耳透镜、凸透镜、凹透镜、过滤器、输入耦合器/输出耦合器、或任何其它合适的可以对从显示电子器件122发射的图像光产生影响的光学元件。显示光学器件124可以包括不同光学元件的组合以及机械耦接件，机械耦接件用于维持该组合中光学元件的相对间距和取向。显示光学器件124中的一个或多个光学元件可以具有光学涂层，例如抗反射涂层、反射性涂层、过滤性涂层、或不同光学涂层的组合。

显示光学器件124对图像光的放大可以允许显示电子器件122相比于更大的显示器在物理上更小、重量更轻并且消耗更少的功率。另外，放大可以增加所显示的内容的视场。可以通过调整光学元件、添加光学元件或从显示光学器件124移除光学元件来改变显示光学器件124对图像光的放大量。在一些实施例中，显示光学器件124可以将显示的图像投射到一个或多个图像平面，该一个或多个图像平面可以比近眼显示器120更远离用户的眼睛。

显示光学器件124还可以被设计成校正一种或多种类型的光学误差，例如二维光学误差、三维光学误差或它们的任意组合。二维误差可以包括在两个维度中发生的光学像差。二维误差的示例性类型可以包括桶形失真、枕形失真、纵向色差和横向色差。三维误差可以包括在三个维度中发生的光学误差。三维误差的示例性类型可以包括球面像差、彗形像差、像场弯曲和像散现象。

多个定位器126可以是位于近眼显示器120上相对于彼此并且相对于近眼显示器120上的参考点的多个特定位置处的多个对象。在一些实施方式中，控制台110可以识别由外部成像设备150采集的图像中的定位器126，以确定人工现实头戴式设备的位置、取向或这两者。定位器126可以是LED、角立方反射器、反射性标记、一种与近眼显示器120运行的环境形成对比的光源、或它们的任意组合。在定位器126是有源部件(例如，LED或其它类型的发光设备)的实施例中，定位器126可以发射可见光波段(例如，约380nm至750nm)中的光、在红外(infrared，IR)波段(例如，约750nm至1mm)中的光、在紫外波段(例如，约10nm至约380nm)中的光、或者在电磁频谱的另一部分中的光、或者在电磁频谱的多个部分的任意组合中的光。

外部成像设备150可以包括一个或多个相机、一个或多个视频相机、能够采集包括多个定位器126中的一个或多个定位器的图像的任何其它设备、或者它们的任意组合。此外，外部成像设备150可以包括一个或多个过滤器(例如，以提高信噪比)。外部成像设备150可以被配置成检测从外部成像设备150的视场中的定位器126发射或反射的光。在定位器126包括无源元件(例如，回射器)的实施例中，外部成像设备150可以包括照射多个定位器126中的一些定位器或全部定位器的光源，这些定位器126可以将光回射到外部成像设备150中的光源。可以将慢速校准数据从外部成像设备150传送到控制台110，并且外部成像设备150可以接收来自控制台110的一个或多个校准参数，以调整一个或多个成像参数(例如，焦距、焦点、帧率、传感器温度、快门速度、光圈等)。

位置传感器128可以响应于近眼显示器120的运动而产生一个或多个测量信号。位置传感器128的示例可以包括加速度计、陀螺仪、磁力计、其它运动检测传感器或误差校正传感器、或它们的任意组合。例如，在一些实施例中，位置传感器128可以包括多个加速度计和多个陀螺仪，该多个加速度计测量平移运动(例如，向前/向后、向上/向下、或向左/向右)，多个陀螺仪测量旋转运动(例如，俯仰、偏转或滚动)。在一些实施例中，各种位置传感器可以彼此正交地定向。

IMU 132可以是基于接收到的来自多个位置传感器128中的一个或多个位置传感器的测量信号来生成快速校准数据的电子设备。位置传感器128可以位于IMU 132的外部、IMU 132的内部、或它们的任意组合。基于来自一个或多个位置传感器128的一个或多个测量信号，IMU 132可以生成快速校准数据，该快速校准数据指示近眼显示器120的相对于近眼显示器120的初始位置的估计位置。例如，IMU 132可以随时间对从加速度计接收的测量信号进行积分来估计速度向量，并随时间对速度向量进行积分以确定近眼显示器120上的参考点的估计位置。可替换地，IMU 132可以向控制台110提供采样的测量信号，该采样的测量信号可以确定快速校准数据。虽然参考点通常可被定义为空间中的点，但在各种实施例中，参考点也可被定义为近眼显示器120内的点(例如，IMU 132的中心)。

眼睛追踪单元130可以包括一个或多个眼睛追踪系统。眼睛追踪可以是指确定眼睛相对于近眼显示器120的定位，包括眼睛相对于近眼显示器120的取向和位置。眼睛追踪系统可以包括用于对一只或多只眼睛进行成像的成像系统，并且眼睛追踪系统可以可选地包括光发射器，该光发射器可以生成引导至眼睛的光，使得由眼睛反射的光可以被成像系统采集。例如，眼睛追踪单元130可以包括发射可见光谱或红外光谱内的光的非相干光源或相干光源(例如，激光二极管)、以及采集被用户的眼睛反射的光的相机。作为另一个示例，眼睛追踪单元130可以采集由微型雷达单元发射的反射性无线电波。眼睛追踪单元130可以使用低功率光发射器，这些低功率光发射器以不会伤害眼睛或引起身体不适的频率和强度来发射光。眼睛追踪单元130可以被布置成增加由眼睛追踪单元130采集的眼睛的图像中的对比度，并且减少由眼睛追踪单元130消耗的总功率(例如，减少由眼睛追踪单元130中所包括的光发射器和成像系统消耗的功率)。例如，在一些实施方式中，眼睛追踪单元130可以消耗小于100毫瓦的功率。

近眼显示器120可以使用眼睛的取向来例如确定用户的瞳孔间距离(inter-pupillary distance，IPD)、确定注视方向、引入深度暗示(depth cue)(例如，模糊用户的主视线之外的图像)、收集VR媒体中的用户交互(例如，根据体验到的刺激而花费在任何特定对象、物体或帧上的时间)的启发式信息、执行部分地基于用户双眼的至少一只眼睛的取向的一些其它功能、或它们的任意组合。因为可以针对用户的双眼确定取向，所以眼睛追踪单元130可以能够确定用户正在看哪里。例如，确定用户注视的方向可以包括基于确定的用户左眼和右眼的取向来确定会聚点。会聚点可以是用户眼睛的两个视网膜中央凹视轴(foveal axis)相交的点。用户注视的方向可以是穿过会聚点和用户眼睛的瞳孔之间的中点的线的方向。

输入/输出接口140可以是允许用户向控制台110发送动作请求的设备。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是启动应用程序或结束应用程序，或者是在应用程序内执行特定动作。输入/输出接口140可以包括一个或多个输入设备。示例性输入设备可以包括键盘、鼠标、游戏控制器、手套、按钮、触摸屏、或用于接收动作请求并将接收到的动作请求传送到控制台110的任何其它合适的设备。由输入/输出接口140接收的动作请求可以被传送到控制台110，控制台110可以执行与所请求的动作相对应的动作。在一些实施例中，输入/输出接口140可以根据从控制台110接收的指令向用户提供触觉反馈。例如，当接收到动作请求时，或者当控制台110已经执行了所请求的动作并向输入/输出接口140传送指令时，输入/输出接口140可以提供触觉反馈。在一些实施例中，外部成像设备150可以用于追踪输入/输出接口140，例如追踪控制器(该追踪控制器可以包括例如IR光源)的位置或定位、或用户的手部的位置或定位，以确定用户的运动。在一些实施例中，近眼显示器120可以包括一个或多个成像设备来追踪输入/输出接口140，例如追踪控制器的位置或定位、或用户的手部的位置或定位，以确定用户的运动。

控制台110可以根据接收到的来自外部成像设备150、近眼显示器120和输入/输出接口140中的一者或多者的信息，向近眼显示器120提供内容来呈现给用户。在图1所示的实施例中，控制台110可以包括应用程序商店112、头戴式设备追踪模块114、人工现实引擎116和眼睛追踪模块118。控制台110的一些实施例可以包括与结合图1所描述的模块不同的模块或附加的模块。下文进一步描述的功能可以以与本文描述的方式不同的方式分布在控制台110的多个部件之间。

在一些实施例中，控制台110可以包括处理器和非暂时性计算机可读存储介质，该非暂时性计算机可读存储介质存储可由处理器执行的指令。处理器可以包括并行执行指令的多个处理单元。非暂时性计算机可读存储介质可以是任何存储器，例如，硬盘驱动器、可移动存储器、或固态驱动器(例如，闪存、或动态随机存取存储器(dynamic random accessmemory，DRAM))。在各种实施例中，结合图1所描述的控制台110的模块可以被编码为在非暂时性计算机可读存储介质中的指令，这些指令在由处理器执行时，使得处理器执行下文进一步描述的功能。

应用程序商店112可以存储用于供控制台110执行的一个或多个应用程序。应用程序可以包括一组指令，这组指令在由处理器执行时，生成用于呈现给用户的内容。应用程序生成的内容可以响应于经由用户眼睛的移动而从用户接收输入、或响应于从输入/输出接口140接收输入。应用程序的示例可以包括游戏应用程序、会议应用程序、视频播放应用程序或其它合适的应用程序。

头戴式设备追踪模块114可以使用来自外部成像设备150的慢速校准信息来追踪近眼显示器120的移动。例如，头戴式设备追踪模块114可以使用从慢速校准信息观察到的定位器、以及近眼显示器120的模型来确定近眼显示器120的参考点的位置。头戴式设备追踪模块114还可以使用来自快速校准信息的位置信息来确定近眼显示器120的参考点的位置。另外，在一些实施例中，头戴式设备追踪模块114可以使用以下中的多个部分：快速校准信息、慢速校准信息或它们的任意组合，来预测近眼显示器120的未来位置。头戴式设备追踪模块114可以向人工现实引擎116提供近眼显示器120的估计或预测的未来位置。

人工现实引擎116可以执行人工现实系统环境100内的应用程序，并且接收来自头戴式设备追踪模块114的近眼显示器120的位置信息、近眼显示器120的加速度信息、近眼显示器120的速度信息、近眼显示器120的预测的未来位置、或它们的任意组合。人工现实引擎116还可以接收来自眼睛追踪模块118的估计的眼睛位置和取向的信息。人工现实引擎116基于接收到的信息，可以确定要提供给近眼显示器120以呈现给用户的内容。例如，如果接收到的信息指示用户已经向左侧看，则人工现实引擎116可以生成用于近眼显示器120的、反映了用户眼睛在虚拟环境中的移动的内容。此外，人工现实引擎116可以响应于接收到来自输入/输出接口140的动作请求，在控制台110上执行的应用程序内执行动作，并且向用户提供指示该动作已经被执行的反馈。反馈可以是经由近眼显示器120的视觉反馈或听觉反馈，或者是经由输入/输出接口140的触觉反馈。

眼睛追踪模块118可以接收来自眼睛追踪单元130的眼睛追踪数据，并基于眼睛追踪数据确定用户眼睛的位置。眼睛的位置可以包括眼睛相对于近眼显示器120或近眼显示器的任意元件的取向、位置或这两者。因为眼睛的转动轴线随着眼睛在其眼窝中的位置而改变，所以确定眼睛在其眼窝中的位置可以允许眼睛追踪模块118更准确地确定眼睛的取向。

图2是用于实现本文公开的示例中的一些示例的呈HMD设备200形式的近眼显示器的示例的立体图。HMD设备200可以是例如VR系统、AR系统、MR系统、或它们的任意组合的一部分。HMD设备200可以包括本体220和头带230。图2在立体图中示出了本体220的底侧223、前侧225和左侧227。头带230可以具有可调节或可延伸的长度。在HMD设备200的本体220与头带230之间可以存在足够的空间，以允许用户将HMD设备200安装到用户的头部上。在各种实施例中，HMD设备200可以包括附加的、更少的或不同的部件。例如，在一些实施例中，HMD设备200可以包括例如以下图3所示的眼镜镜腿和镜腿末端，而不是头带230。

HMD设备200可以向用户呈现媒体，该媒体包括具有计算机生成元素的物理真实世界环境的虚拟视图和/或增强视图。由HMD设备200呈现的媒体的示例可以包括图像(例如，二维(2D)图像或三维(3D)图像)、视频(例如，2D视频或3D视频)、音频或它们的任意组合。图像和视频可以通过封装在HMD设备200的本体220中的一个或多个显示组件(图2中未示出)呈现给用户的每只眼睛。在各种实施例中，一个或多个显示组件可以包括单个电子显示面板或多个电子显示面板(例如，用于用户的每只眼睛的一个显示面板)。电子显示面板的示例可以包括例如LCD、OLED显示器、ILED显示器、μLED显示器、AMOLED、TOLED、一些其它显示器或它们的任意组合。HMD设备200可以包括两个适眼区区域。

在一些实施方式中，HMD设备200可以包括各种传感器(未示出)，例如深度传感器、运动传感器、位置传感器和眼睛追踪传感器。这些传感器中的一些传感器可以使用结构光图案来感测。在一些实施方式中，HMD设备200可以包括输入/输出接口，输入/输出接口用于与控制台通信。在一些实施方式中，HMD设备200可以包括虚拟现实引擎(未示出)，该虚拟现实引擎可以在HMD设备200内执行应用，并且从各种传感器接收HMD设备200的深度信息、位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置或它们的任意组合。在一些实施方式中，由虚拟现实引擎接收的信息可以用于向一个或多个显示组件生成信号(例如，显示指令)。在一些实施方式中，HMD设备200可以包括定位器(未示出，例如定位器126)，这些定位器位于本体220上相对于彼此并且相对于参考点的多个固定位置处。这些定位器中的每个定位器可以发射可由外部成像设备检测的光。

图3是用于实现本文公开的示例中的一些示例的呈一副眼镜形式的近眼显示器300的示例的立体图。近眼显示器300可以是图1的近眼显示器120的特定实施方式，并且近眼显示器300可以被配置成作为虚拟现实显示器、增强现实显示器和/或混合现实显示器运行。近眼显示器300可以包括框架305和显示器310。显示器310可以被配置成向用户呈现内容。在一些实施例中，显示器310可以包括显示电子器件和/或显示光学器件。例如，如上文关于图1的近眼显示器120所述，显示器310可以包括LCD显示面板、LED显示面板或光学显示面板(例如，波导显示器组件)。

近眼显示器300还可以包括在框架305上或框架305内的各种传感器350a、350b、350c、350d和350e。在一些实施例中，传感器350a至350e可以包括一个或多个深度传感器、运动传感器、位置传感器、惯性传感器或环境光传感器。在一些实施例中，传感器350a至350e可以包括一个或多个图像传感器，该一个或多个图像传感器被配置成生成表示在不同方向的视场中的不同区域的图像数据。在一些实施例中，传感器350a至350e可以用作输入设备来控制或影响近眼显示器300的显示内容、和/或向近眼显示器300的用户提供交互式VR/AR/MR体验。在一些实施例中，传感器350a至350e也可以用于立体成像。

在一些实施例中，近眼显示器300还可以包括一个或多个照明器330，以将光投射到物理环境中。投射光可以与不同的频带(例如，可见光、红外光、紫外光等)相关联，并且投射光可以用于各种目的。例如，照明器330可以在黑暗环境中(或在具有低强度的红外光、紫外线等的环境中)投射光来帮助传感器350a至350e采集黑暗环境中不同对象的图像。在一些实施例中，照明器330可以用于将某些光图案投射到环境内的对象上。在一些实施例中，照明器330可以用作定位器，例如上文参考图1描述的定位器126。

在一些实施例中，近眼显示器300还可以包括高分辨率相机340。相机340可以采集视场中的物理环境的图像。所采集的图像可以例如由虚拟现实引擎(例如，图1的人工现实引擎116)处理，以将虚拟对象添加到采集的图像或者修改所采集的图像中的物理对象，并且处理后的图像可以由显示器310显示给用户，以用于AR应用或MR应用。

图4是展示了近眼显示器系统中的光学系统400的示例的简化图示。光学系统400可以包括图像源410和投射器光学器件420。在图4所示的实施例中，图像源410位于投射器光学器件420前方。在各种实施例中，图像源410可以位于用户眼睛490的视场之外。例如，一个或多个反射器或定向耦合器可以用于使来自用户眼睛490的视场之外的图像源的光偏转，以使图像源看起来是位于图4所示的图像源410所处位置。来自图像源410上的一区域(例如，像素或发光设备)的光可以被投射器光学器件420准直并向出射光瞳430引导。因此，在图像源410上的不同空间位置处的对象可能看起来是在不同视角(FOV)下远离用户眼睛490的对象。然后来自不同视角的准直光可以被用户眼睛490的晶状体聚焦到用户眼睛490的视网膜492上的不同位置上。例如，光的至少一些部分可以聚焦在视网膜492上的视网膜中央凹494上。来自图像源410上的一区域并从同一方向入射到用户眼睛490上的准直光线可以聚焦到视网膜492上的同一位置上。因此，可以在视网膜492上形成图像源410的单个图像。

使用人工现实系统的用户体验可以取决于光学系统的若干特性，这些特性包括视场(FOV)、图像质量(例如，角度分辨率)、适眼区的大小(以适应眼睛和头部的运动)、以及适眼区内的光的亮度(或对比度)。视场描述了用户看到的图像的角度范围，通常以单眼(对于单眼HMD)或双眼(对于双目HMD或双眼HMD)观察到的度数来测量。人类视觉系统可以具有大约200°(水平)乘以130°(竖直)的总双目FOV。为了创建完全沉浸式的视觉环境，大的FOV是理想的，因为大的FOV(例如，大于约60°)可以提供“处于”图像中的感觉，而不仅仅是观看图像。较小的视场也可能会排除一些重要的视觉信息。例如，具有小FOV的HMD系统可以使用手势界面，但是用户可能在小FOV中看不到他们的手部而不能确定他们正在使用正确的动作。另一方面，更宽的视场可能需要更大的显示器或光学系统，这可能会影响HMD的大小、重量、成本和使用HMD的舒适度。

分辨率可以是指呈现给用户的显示像素或图像元素的角度大小，或者是用户查看和正确解释由一个像素和/或其它多个像素成像的对象的能力。针对给定FOV值，HMD的分辨率可以被指定为图像源上的像素数，由此可以通过将一个方向上的FOV除以图像源上同一方向上的像素数来确定角度分辨率。例如，对于图像源上水平方向上的40°的水平FOV和1080个像素而言，相应的角度分辨率可以大约为2.2弧分，相比而言，与斯内伦(Snelle)20/20人类视力相关联的分辨率为1弧分。

在一些情况下，适眼区可以是用户眼睛前方的二维框(two-dimensional box)，从该二维框可以查看来自图像源的显示图像。如果用户的瞳孔移动到适眼区之外，则用户可能看不到显示图像。例如，在非光瞳形成构造中，存在观察适眼区，在该观察适眼区内将对HMD图像源进行无晕影的观察，并且当用户眼睛的瞳孔在观察适眼区之外时，显示图像可以晕影或可以被剪裁，但是仍然可以是可观察的。在光瞳形成构造中，图像在出射光瞳之外可能是不可观察的。

在视网膜上可实现最高分辨率的人眼的中央凹可以与约2°至约3°的FOV相对应。这可能需要眼睛转动，以便以最高分辨率观察离轴对象。由于眼睛围绕距离瞳孔后方约10mm的点转动，所以观察离轴对象的眼睛的转动可以引入瞳孔的平移。此外，用户不可能总是能够将用户眼睛的瞳孔(例如，瞳孔具有大约2.5mm的半径)精确地定位在适眼区中的理想位置处。此外，例如，当HMD用于移动式车辆中、或HMD被设计成在用户步行移动时使用时，使用HMD的环境可能要求适眼区更大，以允许用户的眼睛和/或头部相对于HMD移动。这些情况下的移动量可以取决于HMD与用户头部的耦接程度。

因此，为了适应用户的瞳孔相对于HMD的移动，HMD的光学系统可能需要提供足够大的出射光瞳或观察适眼区，以用于以全分辨率观察全FOV。例如，在光瞳形成构造中，出射光瞳可能需要12mm至15mm的最小尺寸。如果适眼区太小，则眼睛与HMD之间的微小错位可能会导致图像的至少部分丢失，并且可能严重损害用户体验。一般来说，适眼区的横向范围比适眼区的竖直范围更关键。这可能部分是因为用户之间的眼间距的显著差异，并且事实上，与眼镜的错位倾向于更频繁地发生在横向维度上，并且用户倾向于更频繁地左右调整他们的注视、且与上下调整注视相比以更大幅度左右调整注视。因此，可以增加适眼区的横向维度的技术可以显著地改善用户利用HMD的体验。另一方面，适眼区越大，光学器件越大，近眼显示设备可能会更重和庞大。

为了在明亮的背景下观看所显示的图像，AR HMD的图像源可能需要足够明亮，并且光学系统可能需要有效地向用户的眼睛提供明亮的图像，使得所显示的图像可以在包括强环境光(例如阳光)的背景中是可见的。HMD的光学系统可以被设计成将光集中在适眼区中。当适眼区较大时，可以使用具有高功率的图像源来提供可在大适眼区内观看的明亮图像。因此，在适眼区大小、成本、亮度、光学复杂性、图像质量、以及光学系统的大小和重量之间可能存在折衷。

图5展示了包括根据某些实施例的用于出射光瞳扩展的波导显示器的光学透视增强现实系统500的示例。增强现实系统500可以包括投射器510和组合器515。投射器510可以包括光源或图像源512，以及投射器光学器件514。在一些实施例中，光源或图像源512可以包括一个或多个微型LED设备。在一些实施例中，图像源512可以包括显示虚拟对象的多个像素，诸如LCD显示面板或LED显示面板。在一些实施例中，图像源512可以包括产生相干或部分相干光的光源。例如，图像源512可以包括激光二极管、垂直腔面发射激光器、LED、超发光LED(superluminescent LED，sLED)和/或上述的微型LED。在一些实施例中，图像源512可以包括多个光源(例如，上述的微型LED阵列)，每个光源发射与原色(例如，红色、绿色或蓝色)相对应的单色图像光。在一些实施例中，图像源512可以包括三个二维微型LED阵列，其中，每个二维微型LED阵列可以包括多个微型LED，该多个微型LED被配置成发射原色(例如，红色、绿色或蓝色)的光。在一些实施例中，图像源512可以包括光学图案发生器，诸如空间光调制器。投射器光学器件514可以包括一个或多个光学部件，该一个或多个光学部件可以调节来自图像源512的光，诸如将来自图像源512的光进行扩展、准直、扫描、或投射到组合器515。一个或多个光学部件可以包括例如一个或多个透镜、液体透镜、反射镜、自由形状光学器件、光圈和/或光栅。例如，在一些实施例中，图像源512可以包括一个或多个一维微型LED阵列或长形二维微型LED阵列，并且投射器光学器件514可以包括一个或多个一维扫描器(例如，微镜或棱镜)，该一个或多个一维扫描器被配置成扫描一维微型LED阵列或长形二维微型LED阵列以产生图像帧。在一些实施例中，投射器光学器件514可以包括液体透镜(例如，液晶透镜)，该液体透镜具有允许扫描来自图像源512的光的多个电极。

组合器515可以包括输入耦合器530，输入耦合器530用于将来自投射器510的光耦入组合器515的衬底520中。输入耦合器530可以包括体全息光栅或另一衍射性光学元件(diffractive optical element，DOE)(例如，表面浮雕光栅(SRG))、衬底520的倾斜反射性表面、或折射性耦合器(例如，楔形物或棱镜)。例如，输入耦合器530可以包括反射性体布拉格光栅或透射性体布拉格光栅。对于可见光，输入耦合器530可以具有大于30％、50％、75％、90％或更高的耦合效率。耦入衬底520中的光可以通过例如全内反射(totalinternal reflection，TIR)在衬底520内传播。衬底520可以呈一副眼镜的镜片形式。衬底520可以具有平坦或弯曲的表面，并且可以包括一种或多种类型的介电材料，诸如玻璃、石英、塑料、聚合物、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、晶体、陶瓷等。衬底的厚度可以在例如约小于1mm至约10mm或更大的范围内。衬底520对于可见光可以是透明的。

衬底520可以包括多个输出耦合器540或可以耦接到多个输出耦合器540，每个输出耦合器540被配置成从衬底520提取由衬底520引导并在衬底520内传播的光的至少一部分，并且将提取的光560向适眼区595引导，当使用增强现实系统500时，增强现实系统500的用户的眼睛590可以位于该适眼区处。多个输出耦合器540可以复制出射光瞳以增加适眼区595的大小，使得所显示的图像可以在更大的区域中是可见的。如输入耦合器530一样，输出耦合器540可以包括光栅耦合器(例如，体全息光栅或表面浮雕光栅)、其它衍射性光学元件(DOE)、棱镜等。例如，输出耦合器540可以包括反射性体布拉格光栅或透射性体布拉格光栅。输出耦合器540可以在不同位置具有不同耦合(例如衍射)效率。衬底520还可以允许来自组合器515前方的环境的光550以很少损耗或没有损耗地穿过。输出耦合器540还可以允许光550以很少的损耗穿过。例如，在一些实施方式中，输出耦合器540对于光550可以具有非常低的衍射效率，使得光550可以进行折射或以其它方式以很少的损耗穿过输出耦合器540，并且因此可以具有比提取的光560更高的强度。在一些实施方式中，输出耦合器540对于光550可以具有高衍射效率，并且可以以某些期望方向(即衍射角)以很少的损耗衍射光550。结果，用户可以观看组合器515前方的环境的组合图像和由投射器510投射的虚拟对象的图像。在一些实施方式中，输出耦合器540对于光550可以具有高衍射效率，并且可以以某些期望方向(即衍射角)以很少的损耗衍射光550。

在一些实施例中，投射器510、输入耦合器530和输出耦合器540可以位于衬底520的任一侧上。输入耦合器530和输出耦合器540可以是反射性光栅(也称为反射光栅)或透射性光栅(也称为透射光栅)，以将显示光耦入衬底520中或从衬底520耦出。

图6展示了包括根据某些实施例的用于出射光瞳扩展的波导显示器的光学透视增强现实系统600的示例。增强现实系统600可以类似于增强现实系统500，并且可以包括波导显示器和投射器，该投射器可以包括光源或图像源612和投射器光学器件614。该波导显示器可以包括衬底630、输入耦合器640和多个输出耦合器650，如上文关于增强现实系统500所描述的。图5仅示出了来自单个视场的光的传播，而图6示出了来自多个视场的光的传播。

图6示出了由输出耦合器650复制出射光瞳以形成聚集式出射光瞳或适眼区，其中视场中的不同区域(例如，图像源612上的不同像素)可以与朝向适眼区的各自不同传播方向相关联，并且来自同一视场(例如，图像源612上的同一像素)的光对于不同的单独出射光瞳可以具有相同的传播方向。因此，图像源612的单个图像可以由位于适眼区中任何地方的用户眼睛形成，其中，来自不同的单独出射光瞳并沿同一方向传播的光可以来自于图像源612上的同一像素，并且可以聚焦到用户眼睛的视网膜上的同一位置上。图6示出了即使用户眼睛移动到适眼区中的不同位置，用户眼睛也可看到图像源的图像。

在许多基于波导的近眼显示器系统中，为了在两个维度上扩展基于波导的近眼显示器的适眼区，可以使用两个或更多个输出光栅以在两个维度上或沿着两个轴线扩展显示光(这可以被称为双轴线光瞳扩展)。两个光栅可以具有不同的光栅参数，使得一个光栅可以用于在一个方向上复制出射光瞳，而另一个光栅可以用于在另一个方向上复制出射光瞳。

如上所述，上述输入光栅耦合器和输出光栅耦合器可以是体全息光栅或表面浮雕光栅，体全息光栅和表面浮雕光栅可以具有非常不同的克莱因-库克(Klein-Cook)参数Q：

其中，d是光栅的厚度，λ是自由空间中的入射光的波长，Λ是光栅周期，并且n是记录介质的折射率。克莱因-库克参数Q可以将光栅的光衍射分为三种情况。当光栅的特性在于Q<<1时，光栅的光衍射可以称为拉曼-纳特(Raman-Nath)衍射，其中对于正常和/或倾斜的入射光可出现多个衍射级。当光栅的特性在于Q>>1(例如，Q≥10)时，光栅的光衍射可以称为布拉格衍射，其中对于以满足布拉格条件的角度入射到光栅上的光，通常仅出现第0和第±1衍射级。当光栅的特性在于Q≈1，光栅的衍射可以介于拉曼-纳特衍射与布拉格衍射之间。为了满足布拉格条件，光栅的厚度d可以高于某些值，以占据介质的体积(而不是表面)，并因此可以称为体布拉格光栅。VBG通常可以具有相对小的折射率调制(例如，Δn≤0.05)以及高的光谱和角度选择性，而表面浮雕光栅通常具有大的折射率调制(例如，Δn≥0.5)以及宽的光谱和角度带宽。

图7A展示了体布拉格光栅(例如，反射性VBG)的示例的光谱带宽和表面浮雕光栅(例如，透射性SRG)的示例的光谱带宽。横轴表示入射可见光的波长，纵轴对应于衍射效率。如曲线710所示，反射性VBG的衍射效率在诸如绿光的窄波长范围内是高的。相反，透射性SRG的衍射效率可以在非常宽的波长范围内(例如，从蓝光到红光)是高的，如曲线720所示。

图7B展示了体布拉格光栅(例如，反射性VBG)的示例的光谱带宽和表面浮雕光栅(例如，透射性SRG)的示例的光谱带宽。横轴代表可见光入射到光栅上的入射角度，纵轴对应于衍射效率。如曲线715所示，反射性VBG的衍射效率对于从窄角度范围(例如，根据理想布拉格条件的约±2.5°)入射到光栅上的光来说是高的。相反，如曲线725所示，透射性SRG的衍射效率在非常宽的角度范围内(例如，大于约±10°或者更宽)是高的。

由于布拉格条件下的高光谱选择性，诸如反射性VBG等VBG可以允许单波导设计而在原色之间没有串扰，并且可以表现出优异的透视质量。然而，由于在全FOV中只有显示光中的一部分可能被衍射并到达用户的眼睛，因此光谱和角度选择性可能会导致较低的效率。

图8A展示了包括根据某些实施例的用于出射光瞳扩展的波导显示器800和表面浮雕光栅的光学透视增强现实系统的示例。波导显示器800可以包括衬底810(例如，波导)，衬底810可以类似于衬底520。衬底810对于可见光可以是透明的，并且可以包括例如玻璃、石英、塑料、聚合物、PMMA、陶瓷、Si₃N₄或晶体衬底。衬底810可以是平坦衬底或弯曲衬底。衬底810可以包括第一表面812和第二表面814。显示光可以通过输入耦合器820耦入衬底810中，并且可以通过全内反射被第一表面812和第二表面814反射，使得显示光可以在衬底810内传播。输入耦合器820可以包括光栅、折射性耦合器(例如，楔形物或棱镜)或反射性耦合器(例如，相对于衬底810具有倾斜角度的反射性表面)。例如，在一个实施例中，输入耦合器820可以包括棱镜，该棱镜可以将不同颜色的显示光以相同的折射角耦入衬底810中。在另一示例中，输入耦合器820可以包括光栅耦合器，该光栅耦合器可以将不同颜色的光以不同方向衍射到衬底810中。对于可见光，输入耦合器820可以具有大于10％、20％、30％、50％、75％、90％或更高的耦合效率。

波导显示器800还可以包括位于衬底810的一个或两个表面(例如，第一表面812和第二表面814)上的第一输出光栅830和第二输出光栅840，以用于在两个维度上扩展入射的显示光束，以便用显示光填充适眼区850。第一输出光栅830可以被配置成沿着一个方向(诸如近似在x方向上)扩展显示光束的至少一部分。耦入衬底810中的显示光可以沿线832所示的方向传播。当显示光沿着线832所示的方向在衬底810内传播时，每次在衬底810内传播的显示光到达第一输出光栅830时，显示光的一部分可以被第一输出光栅830的区域朝向第二输出光栅840衍射，如线834所示。第二输出光栅840然后可以通过每次在衬底810内传播的显示光到达第二输出光栅840时将显示光的一部分衍射到适眼区850，从而在不同的方向(例如，近似在y方向)上扩展来自第一输出光栅830的显示光。

图8B展示了包括二维复制出射光瞳的适眼区的示例。图8B示出了单个输入光瞳805可以由第一输出光栅830和第二输出光栅840复制以形成聚集式出射光瞳860，该聚集式出射光瞳包括单独出射光瞳862的二维阵列。例如，出射光瞳可以由第一输出光栅830在近似x方向上复制，并且由第二输出光栅840在近似y方向上复制。如上所述，来自各个出射光瞳862并沿相同方向传播的输出光可以聚焦到用户眼睛的视网膜中的同一位置上。因此，可以由用户的眼睛从单独出射瞳孔862的二维阵列中的输出光形成单个图像。

图9是具有根据某些实施例的用于出射光瞳扩展的光栅耦合器的波导显示器900的示例的立体图。波导显示器900可以是波导显示器800的示例。波导显示器900可以包括光源910，光源910可以包括例如红色微型LED阵列、绿色微型LED阵列和蓝色微型LED阵列。每个微型LED阵列可以生成相应颜色的图像，因此三个微型LED阵列可以生成彩色图像。波导显示器900可以包括衬底920，该衬底920形成有光栅耦合器或光栅耦合器耦合到该衬底。例如，波导显示器900可以包括三个输入光栅930，其中每个输入光栅930可以用于将由相应的微型LED阵列生成的单色图像的显示光耦入衬底920中。耦入衬底920中的显示光可以通过衬底920的表面处的全内反射在衬底920内传播、并且可以沿着第一方向在多个位置处被第一输出光栅940衍射，该第一输出光栅可以沿着第一方向复制输入光瞳。在第一输出光栅940的不同位置处衍射的显示光可以到达第二输出光栅950，该第二输出光栅可以沿着第二方向在不同位置处衍射显示光，以如上所述沿着第二方向复制输入光瞳。然后衍射光可以朝向适眼区960传播。

在波导显示器900中，输入光栅930、第一输出光栅940和第二输出光栅950可以包括例如在衬底920的表面上的不同位置处(例如，在衬底920的两个相反的宽表面上)形成的SRG光栅。输入光栅930、第一输出光栅940和第二输出光栅950的光栅矢量可以形成闭合三角形。

图10展示了根据某些实施例的具有出射光瞳扩展、色散减小和形状要素减小的基于体布拉格光栅的波导显示器1000的示例。波导显示器1000可以包括衬底1010，衬底1010包括第一宽表面1012和第二宽表面1014。来自光源(例如，LED)的显示光可以通过输入耦合器1020耦入衬底1010中，并且可以通过全内反射被第一宽表面1012和第二宽表面1014反射，使得显示光可以在衬底1010内传播。输入耦合器1020可以包括衍射性耦合器(例如，体全息光栅)，并且可以将不同颜色的显示光以不同的衍射角度耦入衬底1010中。

波导显示器1000还可以包括形成在第一宽表面1012和/或第二宽表面1014上的第一输出光栅1030和第二输出光栅1040。例如，第一输出光栅1030和第二输出光栅1040可以形成在衬底1010的同一宽表面或两个不同的宽表面上。第二输出光栅1040可以形成在波导显示器的透视区域中，并且当在z方向上(例如，在+z方向或-z方向上与第二输出光栅1040相距约18mm处)观察时，第二输出光栅1040可以与适眼区1050重叠。第一输出光栅1030和第二输出光栅1040可以是包括许多VBG的多路复用VBG光栅，并且可以用于双轴线孔瞳扩展，以在两个维度上扩展入射的显示光束，从而用显示光填充适眼区1050。第一输出光栅1030可以是透射性光栅或反射性光栅。第二输出光栅1040可以包括透射性光栅，以与第一输出光栅1030至少部分地重叠并减小波导显示器1000的形状要素。

此外，波导显示器1000可以包括形成在第一宽表面1012或第二宽表面1014上的第三光栅1060。在一些实施例中，第三光栅1060和第一输出光栅1030可以位于衬底1010的同一宽表面上。在一些实施例中，第三光栅1060和第一输出光栅1030可以位于同一光栅或同一光栅材料层的不同区域中。在一些实施例中，第三光栅1060可以在空间上与第一输出光栅1030分离。在一些实施例中，第三光栅1060和第一输出光栅1030可以以相同的曝光次数并相似的记录条件下进行记录(但是可以记录不同的曝光持续时间以实现不同的衍射效率)，使得第三光栅1060中的每个VBG可以与第一输出光栅1030中的相应VBG(例如，具有在x-y平面上相同的光栅矢量并且在z方向上具有相同和/或相反的光栅矢量)匹配。例如，在一些实施例中，第三光栅1060中的VBG和第一输出光栅1030中的相应VBG可以具有相同的光栅周期和相同的光栅倾斜角度(并且因此具有相同的光栅矢量)、并且具有相同的厚度。在一个实施例中，第三光栅1060和第一输出光栅1030可以具有大约20μm的厚度，并且各自可以包括通过约40次或更多次曝光记录的约40个或更多个VBG。在一些实施例中，第二输出光栅1040可以具有约20μm或更高的厚度，并且可以包括通过约50次或更多次曝光记录的约50个或更多个VBG。

输入耦合器1020可以将来自光源的显示光耦入衬底1010中。显示光可以直接到达第三光栅1060，或者显示光可以被第一宽表面1012和/或第二宽表面1014反射到第三光栅1060，其中显示光束在该第三光栅处的尺寸可以略大于显示光束在输入耦合器1020处的尺寸。第三光栅1060中的每个VBG可以将FOV范围和近似满足VBG的布拉格条件的波长范围内的显示光的一部分衍射到第一输出光栅1030。虽然由第三光栅1060中的VBG衍射的显示光通过全内反射在衬底1010内(例如，沿着线1032所示的方向)传播，但是每当在衬底1010内传播的显示光到达第一输出光栅1030时，显示光的一部分可以被第一输出光栅1030中的相应VBG朝向第二输出光栅1040衍射。然后，第二输出光栅1040可以通过每当在衬底1010内传播的显示光到达第二输出光栅1040时将显示光的一部分衍射到适眼区1050，在不同方向上扩展来自第一输出光栅1030的显示光。

因为第三光栅1060中的每个VBG与第一输出光栅1030中的相应VBG(例如，在x-y平面上具有相同的光栅矢量并且在z方向上具有相同和/或相反的光栅矢量)匹配，并且两个匹配的VBG因显示光在这两个匹配的VBG处的传播方向相反，而在相反的布拉格条件(例如，+1级衍射对-1级衍射)下工作。例如，如图10所示，第三光栅1060中的VBG可以将显示光的传播方向从向下方向改变为向右方向，而第一输出光栅1030中的匹配的VBG可以将显示光的传播方向从向右方向改变为向下方向。因此，由第一输出光栅1030引起的色散可以与由第三光栅1060引起的色散是相反的，从而减小或最小化总色散。在一些实施例中，由输入耦合器1020引起的色散可以与由第二输出光栅1040引起的色散是相反的，从而减小或最小化总色散。

因为第一输出光栅1030和第二输出光栅1040可以具有小数目(例如，不大于50)的VBG和曝光，所以第一输出光栅1030也可以设置在透视区域中以与第二输出光栅1040重叠，从而减小波导显示器的尺寸。给定透视区域中的VBG和曝光的总数可以小于例如100或更少(例如，在第一输出光栅1030中不大于约40，并且在第二输出光栅1040中不大于50)。因此，显示雾度可以是低的。

在上述波导显示器的示例中，由于例如对期望衍射级低于100％的衍射效率、泄漏、串扰、偏振相关性、角度相关性和波长相关性等，因此使用衍射性光学元件实现的耦合器可能具有有限的耦合效率。例如，在使用SRG耦合器或VBG耦合器的波导显示器中，通过输入耦合器耦入波导中的显示光可以被反射回输入耦合器，并且可以被输入耦合器至少部分地衍射为向不期望方向的泄漏光。此外，SRG的衍射效率和VBG的衍射效率可以是偏振相关的。例如，对于入射角度接近或处于布鲁斯特角的p偏振光，VBG的衍射效率可以接近于零。在另一示例中，SRG对于第一线性偏振光(例如，s偏振光)的衍射效率可以高于SRG对于第二线性偏振光(例如，p偏振光)的衍射效率，并且由于SRG对于第一线性偏振光(例如，s偏振光)的较高衍射效率，因此对于该第一线性偏振光可能存在较高的泄漏。

图11A展示了光栅耦合器1120的示例，该光栅耦合器用于将显示光耦入波导显示器1100的波导1110中。光栅耦合器1120可以具有有限区域，以接收具有有限光束宽度的入射光束1105。图11A示出了入射光束1130的期望光路。位于波导1110的顶表面1112上的光栅耦合器1120可以将入射光束1130衍射成具有特定衍射角度的第一衍射级1132。第一衍射级1132可以在波导1110中传播，并到达波导1110的底表面1114。由于全内反射，波导1110的底表面1114可以将所有第一衍射级1132反射回光栅耦合器1120，如光束1134所示。可以期望的是光束1134在波导1110的顶表面1112处被完全反射，如光束1136所示，使得通过光栅耦合器1120耦入波导1110中的所有第一衍射级1132可以在波导1110内传播，直到所有第一衍射级1132到达输出耦合器。

图11B展示了可以降低波导显示器1100的效率的光栅耦合器1120的不期望的光衍射的示例。如图所示，当入射光束1130到达光栅耦合器1120时，入射光束1130可以被光栅耦合器1120衍射成多个衍射级，该多个衍射级包括第一衍射级1132和其它衍射级1140(例如，零级、-1级、以及更高级)。当反射光束1134到达波导1110的顶表面1112时，反射光束1134可以被光栅耦合器1120至少部分地衍射成更高的衍射级(例如，±1级、±2级等)，如光束1142和1144所示。因此，反射部分(由光束1136示出)的功率可以远小于入射光束1130或第一衍射级1132的功率。

图12A展示了通过波导显示器1200中的光栅耦合器1220的示例对s偏振光的衍射。光栅耦合器1220对于s偏振光相比于对于p偏振光可以具有更高的衍射效率。如上所述，当s偏振入射光束1230到达位于波导1210的顶表面1212处的光栅耦合器1220时，s偏振入射光束1230可以被光栅耦合器1220衍射成多个衍射级，该多个衍射级包括s偏振的第一衍射级1232和其它衍射级，其中s偏振入射光束1230的第一级衍射效率可以是高的。s偏振的第一衍射级1232可以在底表面1214处反射成s偏振的反射光束1234。当s偏振反射光束1234到达波导1210的顶表面1212时，s偏振反射光束1234的大部分可以被光栅耦合器1220从波导1210衍射出，并且只有s偏振反射光束1234的一小部分可以不被衍射、并且可以在顶表面1212处被反射。因此，反射部分(由光束1236示出)的功率可以远小于s偏振的第一衍射级1232的功率。

图12B展示了通过波导显示器1200中的光栅耦合器1220对p偏振光的衍射。如上所述，光栅耦合器1220对于s偏振光相比于对于p偏振光可以具有更高的衍射效率。当p偏振入射光束1240到达位于波导1210的顶表面1212处的光栅耦合器1220时，p偏振入射光束1240可以被光栅耦合器1220衍射成多个衍射级，该多个衍射级包括p偏振的第一衍射级1242和其它衍射级，其中p偏振入射光束1240的第一级衍射效率可以相对较低。p偏振的第一衍射级1242可以在底表面1214被反射成p偏振反射光束1244。当p偏振反射光束1244到达波导1210的顶表面1212时，p偏振反射光束1244的一小部分可以被光栅耦合器1220从波导1210衍射出，并且p偏振反射光束1244的大部分可以不被衍射、并且可以在顶表面1212处被反射。因此，反射部分(由光束1246示出)的功率可以小于但接近p偏振的第一衍射级1242的功率。

光栅耦合器(诸如光栅耦合器1120和1220)可以被优化以使期望路径中的显示光的功率最大化。例如，可以调整光栅形状、倾斜角度、光栅周期、占空比、光栅高度或深度、折射率、折射率调制、外涂层材料、以及这些光栅参数在整个光栅上的空间变化，以提高将显示光向期望方向引导的效率。由于SRG和VBG的固有特性，改变这些参数可以对光栅耦合器的效率提供一些但有限的提高。

根据一些实施例，可以通过改变显示光束沿其传播路径的偏振态来提高波导显示器的效率。例如，相位结构可以耦接到波导并用于改变在波导的表面处反射的光的偏振态，使得反射光在到达偏振相关的光栅耦合器时，可以优先地衍射或反射到朝向适眼区的期望方向，以提高波导显示器的整体效率。

图13A展示了包括根据某些实施例的光栅耦合器1320和用于改变入射光的偏振态的相位结构1322的波导显示器1300的示例。光栅耦合器1320对于s偏振光相比于对于p偏振光可以具有更高的衍射效率。当s偏振入射光束1330到达位于波导1310的顶表面1312处的光栅耦合器1320时，s偏振入射光束1330可以被光栅耦合器1320衍射成多个衍射级，该多个衍射级包括s偏振的第一衍射级1332和其它衍射级，其中s偏振入射光束1330的第一级衍射效率可以是高的。s偏振的第一衍射级1332可以到达波导1310的底表面1314，相位结构1322可以附接在底表面1314处。底表面1314和相位结构1322可以反射s偏振的第一衍射级1332，并将s偏振的第一衍射级1332转换成p偏振反射光束1334。当p偏振反射光束1334到达波导1310的顶表面1312时，p偏振反射光束1338的一小部分可以被光栅耦合器1320从波导1310衍射出，并且p偏振反射光束1334的大部分可以不被衍射、并且可以在顶表面1312处被反射。因此，反射部分(由光束1336示出)的功率可以小于但接近s偏振的第一衍射级1232的功率。

相位结构1322可以包括任意双折射材料(例如，双折射晶体、液晶或聚合物)或双折射结构(例如，光栅、元光栅、微型结构、纳米结构或其它亚波长结构)，这些双折射材料或双折射结构可以在光束的两个正交线性偏振分量(例如，s偏振分量和p偏振分量)之间引起期望的相位延迟，使得入射光束可以改变为s偏振光束、p偏振光束、圆偏振光束或椭圆偏振光束。相位结构可以设置在波导显示器中的各种位置处，例如设置在输入耦合器区域处、在输入耦合器与输出耦合器之间、在输出耦合器区域处、或它们的任意组合。

图13B展示了包括根据某些实施例的光栅耦合器1350和1370以及用于改变入射光的偏振态的相位结构1360的波导显示器1302的示例。在图13B所示的示例中，波导显示器1302包括衬底1340，衬底1340可以用作波导。光栅耦合器1350位于衬底1340的顶表面上。相位结构1360位于衬底1340的底表面上，并且位于衬底1340与光栅耦合器1370之间。光栅耦合器1350和1370可以用于将不同颜色和/或来自视场中不同区域的显示光衍射到衬底1340中以作为导波。

相位结构1360可以包括例如四分之一波片(quarter-wave plate，QWP)。QWP的快轴可以相对于光栅脊或光栅矢量成大约45°角。因此，如图13B所示，当s偏振光1380从衬底1340穿过相位结构1360到达相位结构1360与光栅耦合器1370之间的界面时，由光栅耦合器1350衍射的s偏振光1380可以被QWP转换为左旋圆偏振(left-handed circularpolarization，LCP)光。当LCP光在相位结构1360与光栅耦合器1370之间的界面、或在光栅耦合器1370与空气之间的界面反射时，由于传播方向的变化，LCP光可能会变成右旋圆偏振(right-handed circular polarization，RCP)光。当反射的RCP光穿过相位结构1360回到衬底1340时，反射的RCP光然后可以被QWP转换成p偏振光。因此，耦入衬底1340中的s偏振光1380在其到达光栅耦合器1350时可以变成p偏振的，该光栅耦合器1350对于p偏振光可以具有低的衍射效率，因此对于耦入衬底1340中的光将具有较低的损耗。

图13C展示了包括根据某些实施例的光栅耦合器1352和1372以及用于改变入射光的偏振态的相位结构362的波导显示器1304的示例。在图13C所示的示例中，波导显示器1304包括可以用作波导的衬底1342。光栅耦合器1352位于衬底1342的顶表面上。光栅耦合器1372位于衬底1342的底表面上，并且位于衬底1342与相位结构1362之间。光栅耦合器1352和1372可以用于将不同颜色和/或来自视场中不同区域的显示光衍射到衬底1342中以作为导波。

相位结构1362可以包括例如波片或双折射亚波长结构。如图13C所示，当s偏振光1382从衬底1342穿过光栅耦合器1372和相位结构1362到达相位结构1362的底表面时，被光栅耦合器1352衍射的s偏振光1382可以通过光栅耦合器1372和相位结构1362转换成LCP光。当LCP光在相位结构1362的底表面处被反射时，由于传播方向的改变，该LCP光可能变成RCP光。然后，当RCP光穿过相位结构1362和光栅耦合器1372回到衬底1342时，RCP光可以通过相位结构1362和光栅耦合器1372转换成p偏振光。因此，耦入衬底1342中的s偏振光1382在其到达光栅耦合器1352时可以变成p偏振的，该光栅耦合器1352对于p偏振光可以具有低的衍射效率，因此对于耦入衬底1342中的光将具有较低的损耗。

图14A展示了通过波导显示器1400中的光栅耦合器1420的示例对s偏振光进行衍射的效率。图14A示出了波导1410上的光栅耦合器1420以约66％的衍射效率将s偏振入射光束衍射到波导1410中。波导1410中的s偏振光束可以在波导1410的底表面处被全反射并到达光栅耦合器1420。大约20％的被反射的s偏振光可以通过光栅耦合器1420从波导1410衍射出，只有大约1％的被反射的s偏振光可以在波导1410的顶表面处被反射，并且其它部分的被反射的s偏振光可以被衍射成其它衍射级。因此，只有大约66％×1％＝0.66％的入射s偏振光束可以成为波导1410内的导光。

图14B展示了通过波导显示器1400中的光栅耦合器1420对p偏振光进行衍射的效率。图14B示出了波导1410上的光栅耦合器1420以约40％的衍射效率将p偏振入射光束衍射到波导1410中。波导1410中的p偏振光束可以在波导1410的底表面处被全反射并到达光栅耦合器1420。大约5％的被反射的p偏振光可以通过光栅耦合器1420从波导1410衍射出，大约15％的被反射的p偏振光可以在波导1410的顶表面处被反射，并且其它部分的被反射的p偏振光可以被衍射成其它衍射级。因此，大约40％×15％＝6％的入射p偏振光束可以成为波导1410内的导光。结果，平均而言，入射光的大约3.33％可以成为波导1410内的导光，从而到达输出耦合器。

图14C展示了根据某些实施例的通过波导显示器1402中的光栅耦合器1422和相位结构1430的示例对s偏振光进行衍射的效率。图14C示出了波导1412上的光栅耦合器1422以约66％的衍射效率将s偏振入射光束衍射到波导1412中。波导1412中的s偏振光束可以通过相位结构1430转换成p偏振光，并在波导1412的底部被全反射并到达光栅耦合器1422。大约15％的被反射的p偏振光可以在波导1412的顶表面处被反射。因此，大约66％×15％＝9.9％的入射s偏振光束可以成为波导1412内的p偏振导光。

图14D展示了根据某些实施例的通过波导显示器1402中的光栅耦合器1422和相位结构1430对p偏振光进行衍射的效率。图14D示出了波导1412上的光栅耦合器1422以约40％的衍射效率将p偏振入射光束衍射到波导1412中。波导1412中的p偏振光束可以通过相位结构1430转换成s偏振光，并在波导1412的底部处被全反射并到达光栅耦合器1422。大约1％的被反射的s偏振光可以在波导1412的顶表面处被反射。因此，大约40％×1％＝0.4％的入射p偏振光束可以成为波导1412内的s偏振导光。结果，平均而言，大约5.15％的入射光可以成为波导1412内的导光，从而到达输出耦合器。

图15A包括图示1500，该图示展示了包括根据某些实施例的光栅耦合器和各种相位结构的波导显示器的示例的模拟输入耦合效率。在多个模拟中，相对于输入光栅耦合器具有不同厚度和取向的相位结构(例如，波片)设置在波导与底部光栅耦合器(例如，光栅耦合器1370)之间，如图13B所示。对于每个相位结构构造(例如，波片的厚度和取向的独特组合)，在光路中的位于输入光栅耦合器(例如，输入耦合器820、输入光栅930、第三光栅1060、光栅耦合器1320或光栅耦合器1422)之后且位于第一输出光栅耦合器(例如，第一输出光栅830、第一输出光栅940或第一输出光栅1030)之前的位置处，对来自视场中不同区域的光的平均输入耦合效率进行测量。

在图15A中，横轴对应于波片的厚度(对于物理厚度是以μm为单位，而对于波片厚度是以波长为单位)，其中波片具有由Δn表征的约为0.601的双折射率。可以基于波片的物理厚度(t)、双折射率(Δn)以及波长(λ)根据t×Δn/λ来确定波片的波片厚度。在多个模拟中，波片厚度可以在0波长至约一个波长之间变化。纵轴对应于针对每个相位结构构造的平均输入耦合效率、以及平均输入耦合效率相对于在不使用相位结构的情况下测量的基线效率的相应变化。图15A中的每条曲线与波片的快轴相对于光栅脊的某个取向相对应，其中波片的快轴与光栅脊之间的角度可以从约0°变化至约165°。

图15A示出了，当相位结构是QWP(例如，具有约0.5μm的物理厚度)并且相位结构被定向为使得QWP的快轴相对于光栅脊成约45°时，可以实现最大输入耦合效率。最大输入耦合效率可以比基线效率高约11.5％。

图15B展示了波导显示器的示例对于来自视场中不同区域的光的模拟输入耦合效率。波导显示器可以不包括上述相位结构。图15B示出了输入耦合效率可以针对视场中不同区域而变化。针对该视场的平均输入耦合效率约为26.5％。

图15C展示了根据某些实施例的包括光栅耦合器和相位结构的波导显示器的示例对于来自视场中不同区域的光的模拟输入耦合效率。相位结构可以位于衬底与光栅耦合器之间，如图13B所示。相位结构可以具有约0.484个波长的波片厚度或约0.4993μm的物理厚度。图15C示出了输入耦合效率可以针对视场中不同区域而变化。针对该视场的平均输入耦合效率约为29.5％。

图15D展示了根据某些实施例的通过图15C的波导显示器(例如，波导显示器1302)的示例对于来自视场中不同区域的光的模拟输入耦合效率的改善。可以通过将图15C所示的针对视场中每个区域的输入耦合效率与图15B所示的针对对应区域的输入耦合效率进行比较来生成图15D。图15D示出了，对于视场中的几乎每个区域，利用相位结构(例如，相对于光栅脊成约45°定向的QWP)可以改善输入耦合效率。最大改善约为25.7％，针对全视场的平均改善约为11.1％。

图16A包括图示1600，该图示展示了根据某些实施例的包括光栅耦合器和各种相位结构的波导显示器的示例的模拟输入耦合效率。在多个模拟中，相对于输入光栅耦合器的光栅脊(或光栅矢量)具有不同厚度和方向的相位结构(例如，波片)被耦接到波导底表面上的底部光栅耦合器(例如，光栅耦合器1372)，如图13C所示。对于每个相位结构构造(例如，波片的厚度和取向的独特组合)，在光路上的位于输入光栅耦合器(例如，输入耦合器820、输入光栅930、第三光栅1060、光栅耦合器1320或光栅耦合器1422)之后且位于第一输出光栅耦合器(例如，第一输出光栅830、第一输出光栅940或第一输出光栅1030)之前的位置处，对来自视场中不同区域的光的平均输入耦合效率进行测量。

在图16A中，横轴对应于波片的厚度(对于物理厚度是以μm为单位，而对于波片厚度是以波长为单位)，其中波片具有由Δn表征的约为0.952的双折射率。波片的波片厚度可以在0波长与约一个波长之间变化。纵轴对应于针对每个相位结构构造的平均输入耦合效率、以及平均输入耦合效率相对于在不使用相位结构的情况下测量的基线效率的相应变化。图16A中的每条曲线与波片的快轴相对于光栅脊的某个取向，其中波片的快轴与光栅脊之间的角度可以从约0°变化至约165°。

图16A示出了，当相位结构的波片厚度约为0.1个波长(例如，物理厚度约为0.06μm)并且被定向为使得相位结构的快轴相对于光栅脊成约165°时，可以实现最大输入耦合效率。最大输入耦合效率可以比基线效率高约11.8％。对于最大输入耦合效率的相位结构的波片厚度可以小于约四分之一波长，这可以由底部光栅耦合器(例如，光栅耦合器1372)的偏振相关特性引起。

图16B展示了波导显示器的示例对于来自视场中不同区域的光的模拟输入耦合效率。波导显示器可以不包括上述相位结构。图16B示出了输入耦合效率可以针对视场中不同区域而变化。针对该视场的平均输入耦合效率约为26.5％。

图16C展示了根据某些实施例的包括光栅耦合器和相位结构的波导显示器的示例对来自视场中不同区域的光的模拟输入耦合效率。相位结构可以耦接到衬底上的光栅耦合器，如图13C所示。相位结构可以具有约0.1个波长的波片厚度或约0.06μm的物理厚度。图16C示出了输入耦合效率可以针对视场中不同区域而变化。针对该视场的平均输入耦合效率约为29.6％。

图16D展示了根据某些实施例的图16C的波导显示器的示例对于来自视场中不同区域的光的模拟输入耦合效率的改善。可以通过将图16C所示的针对每个区域的输入耦合效率与图16B所示的针对对应区域的输入耦合效率进行比较来生成图16D。图16D示出了，对于视场中的几乎每个区域，利用相位结构(例如，相对于光栅脊成约165°定向的0.1个波长的波片)可以改善输入耦合效率。最大改善约为30.5％，针对全视场的平均改善约为11.6％。

上述相位结构(例如，相位结构1322、1360、1362或1430)可以包括任何双折射材料(例如，双折射晶体、液晶或聚合物)或双折射结构(例如，光栅、元光栅、纳米结构或其它亚波长结构)，双折射材料或双折射结构可以在两个正交线性偏振分量(例如，s偏振光和p偏振光)之间引起期望的相位延迟，使得入射光束可以改变为s偏振光束、p偏振光束、圆偏振光束或椭圆偏振光束。

在一些实施例中，为了减少波导显示器的相位结构与相邻部件(例如，衬底和/或光栅耦合器)之间的界面处的(例如，由于不期望的菲涅耳反射导致的)损耗，可以期望使用折射率接近相邻部件的有效折射率的相位结构。在衬底具有高折射率(例如>2.0，例如2.5)的一些实施例中，可能难以找到具有匹配的折射率的双折射材料。在这种情况下，可以使用光栅或其它亚波长结构来实现相位延迟和折射率匹配。

图17A展示了根据某些实施例的包括光栅耦合器1730以及位于光栅耦合器1730与衬底1710之间的相位结构1720的波导显示器1700的示例。相位结构1720可以包括在衬底1710中蚀刻的光栅1722(或微米结构或纳米结构)和位于光栅1722上的外涂层1724。光栅1722可以包括亚波长特征，并且可以在特定波长范围和入射角度范围内改变入射光的偏振态。外涂层1724可以具有与衬底1710的折射率不同的折射率，以形成具有特定折射率调制的光栅。

图17B展示了根据某些实施例的包括光栅耦合器1745以及位于光栅耦合器1745与衬底1715之间的相位结构174的波导显示器1705的另一个示例。在所示的示例中，相位结构1740可以包括：包括高折射率材料的层1725和包括低折射率材料的外涂层1735。层1725的折射率可以比衬底1715的折射率高，并且层1725可以沉积在衬底1715上。可以在层1725中蚀刻光栅或另一亚波长结构，然后就可以在光栅或亚波长结构上形成外涂层1735。在层1725中蚀刻的光栅或另一亚波长结构可以在特定波长范围和入射角度范围内改变入射光的偏振态。外涂层1724的折射率可以比衬底1710的折射率低。因此，包括层1725和外涂层1735的相位结构1740的有效折射率可以接近衬底1715的折射率，使得衬底1715的折射率与相位结构1740的有效折射率之间的差可以小于约0.35、小于约0.2、小于约0.1或小于约0.05。因此，可以减少由于折射率不连续性引起的损耗。光栅耦合器1745可以形成在外涂层1735上或耦接到外涂层1735。

上述相位结构可以设置在基于SRG的波导显示器的各种位置处，在这些位置处，改变光束的偏振态来提高系统效率可以是期望的或有益的。例如，一个或多个相位结构可以位于输入耦合器区域处、输入耦合器与输出耦合器之间、输出耦合器区域处或任意组合。位于不同位置处的一个或多个相位结构可以具有相同或不同的构造和偏振特性，例如相同或不同的波片厚度。一个或多个相位结构可以将s偏振光转换为p偏振光或圆偏振光、将p偏振光转换为s偏振光或圆偏振光、或将圆偏振光转换为s偏振光或p偏振光等。

上述相位结构也可以提高基于体布拉格光栅的波导显示器的效率，例如通过上述输入光栅减少不期望的耦出。此外，基于VBG的波导显示器中的VBG可以用作多层反射器，该多层反射器可以以满足布拉格条件的特定入射角度强烈地反射特定波长的光。当入射角度处于或接近布鲁斯特角时，VBG对于p偏振光的反射率可能非常低。因此，还可以期望改变入射光的偏振态，以增加VBG的期望衍射或减少VBG的不期望衍射。

图18A展示了包括体布拉格光栅耦合器的波导显示器1800的示例。在所示示例中，波导显示器1800可以包括被间隔件1830分隔的第一组件1810和第二组件1820。第一组件1810可以包括第一衬底1812、第二衬底1816、以及第一衬底1812与第二衬底1816之间的一个或多个全息光栅层1814。全息光栅层1814可以包括多路复用的反射性VBG、透射性VBG或这两者。类似地，第二组件1820可以包括第一衬底1822、第二衬底1826、以及第一衬底1822与第二衬底1826之间的一个或多个全息光栅层1824。全息光栅层1824可以包括多路复用的反射性VBG、透射性VBG或这两者。

图18B展示了波导显示器的组件1840的示例。组件1840可以是第一组件1810或第二组件1820的示例，并且组件1840可以包括位于衬底1850内或位于两个衬底之间的VBG1860。如图所示，VBG 1860可以用作多个反射器，该多个反射器以满足布拉格条件的特定角度强烈地反射特定波长的光。根据VBG 1860中的多个反射器的倾斜角度，反射光可以穿过VBG 1860，使得VBG 1860可以透射性地衍射入射光1870，如图18B所示。透射性地衍射的光可以在衬底1850的底表面1852处被反射，并可再次到达VBG 1860。VBG 1860可以至少部分地将光从衬底1850衍射出，并因此可以降低组件1840的输入耦合效率。

图19A展示了包括体布拉格光栅耦合器的波导显示器1900的示例。波导显示器1900可以包括位于衬底1910内或位于两个衬底之间的VBG层1920。VBG层1920可以包括输入VBG 1922和输出VBG 1924。在所示示例中，输入VBG 1922可以反射性地衍射入射光，因此可以用作反射性VBG。输出VBG 1924可以部分地将来自输入VBG 1922的光从衬底1910反射地衍射出以朝向波导显示器1900的适眼区。

图19B展示了在衬底1940中包括体布拉格光栅1950的输入耦合器1930的示例。VBG1950可以是输入VBG 1922的示例。如图所示，VBG 1950可以用作多个反射器，该多个反射器以满足布拉格条件的特定角度强烈地反射特定波长的光。根据VBG 1950中的多个反射器的倾斜角度，反射光可能不会穿过VBG 1950，使得VBG 1950可以反射性地衍射入射光1960，如图19B所示。反射性地衍射的光可以在衬底1940的顶表面1942处被反射，并可以再次到达VBG 1950。VBG 1950可以至少部分地将反射光从衬底1940衍射出，并因此可降低输入耦合器1930的输入耦合效率。

因此，透射性VBG和反射性VBG都可以用作多层反射器。多个反射器中的每一个的反射率可以取决于入射光的偏振态和入射角度，以及VBG的基础折射率和折射率调制(Δn)。

图20A展示了具有不同入射角度的s偏振光和p偏振光在低折射率材料与高折射率材料之间的界面处的反射系数的示例。在所示示例中，第一介质的折射率为1.0，第二介质的折射率为1.5，并且s偏振光或p偏振光从第一介质到达这两个介质之间的界面。图20A中的曲线2010示出了具有不同入射角度的s偏振光的反射系数。曲线2020示出了具有不同入射角度的p偏振光的反射系数。曲线2020示出了，当入射角度等于或接近布鲁斯特角时，p偏振光的反射系数约为零或接近零。因此，针对来自特定入射角度的p偏振光，在两个介质之间的界面处的反射率可能非常低。

图20B展示了具有不同入射角度的s偏振光和p偏振光在高折射率材料与低折射率材料之间的界面处的反射系数的示例。在所示示例中，第一介质的折射率为1.5，第二介质的折射率为1.0，并且s偏振光或p偏振光从第一介质到达这两个介质之间的界面。图20B中的曲线2012示出了具有不同入射角度的s偏振光的反射系数。曲线2022示出了具有不同入射角度的p偏振光的反射系数。如曲线2012和2022所示，当入射角度大于临界角度时，入射光可以进行全反射。当入射角度小于临界角度时，入射角度等于或接近布鲁斯特角的p偏振光的反射系数可能接近于零。因此，针对来自特定入射角度的p偏振光，在两个介质之间的界面处的反射率可能非常低。因此，在基于VBG的波导显示器中，可以期望改变入射光的偏振态以优先地衍射或透射入射光，以便实现基于VBG的波导显示器的高效率。

图21A展示了根据某些实施例的包括用于出射光瞳扩展的体布拉格光栅的光学透视波导显示器2100的示例。波导显示器2100可以是上述波导显示器1000的示例。波导显示器2100可以包括耦接到一个或多个衬底的第一光栅2110、第二光栅2120、第三光栅2130和第四光栅2140。如以上关于图10所描述的，显示光可以通过第一光栅2110耦入衬底中。第二光栅2120可以将耦合的显示光朝向第三光栅2130引导。第三光栅2130可以在一个方向上复制输入光瞳，并将显示光朝向第四光栅2140引导。第四光栅2140可以在第二方向上复制输入光瞳，并将显示光朝向适眼区2150引导。第一光栅2110和第四光栅2140可以补偿彼此引起的色散。类似地，第二光栅2120和第三光栅2130可以补偿彼此引起的色散。为了获得宽视场和宽光谱范围，四个光栅的光栅矢量可以不对齐。因此，光束对于一个光栅可以是s偏振光，但是对于具有不同光栅矢量的另一个光栅可以是p偏振光。

图21B展示了波导显示器2105的示例中的光束的偏振态的示例。在所示的示例中，第一光栅2160和第二光栅2170对于s偏振光可以具有高的衍射效率，但是对于p偏振光可以具有低的衍射效率。然而，由于第一光栅2160和第二光栅2170的取向和光栅矢量不同，由第一光栅2160衍射的s偏振光对于第二光栅2170可以变成p偏振的。因此，只有一小部分p偏振光可以被第二光栅2170衍射。因此，波导显示器2105的整体效率可能较低。

图22A展示了根据某些实施例的包括VBG耦合器和相位结构2230的波导显示器2200的示例的截面图。波导显示器2200可以类似于波导显示器1900，并且波导显示器2200可以另外包括相位结构2230。如图所示，波导显示器2200可以在衬底2210中或在两个衬底之间包括VBG 2220和2222。VBG 2220可以反射性地将入射显示光(例如s偏振光)朝向衬底2210的顶表面2212衍射。顶表面2212可以朝向衬底2210的底表面2214反射显示光。位于衬底2210的底表面2214处的相位结构2230可以接收反射的显示光，并且将显示光的偏振态改变为例如p偏振光。显示光可以在衬底2210的底表面2214处或相位结构2230的底表面处被反射。反射的显示光由于VBG 2222与VBG 2220相比具有不同取向和不同光栅矢量而可以作为s偏振光入射到VBG 2222上，并且反射的显示光可以通过VBG 2222以更高的衍射效率从衬底2210衍射出以朝向适眼区。

图22B展示了根据某些实施例的包括VBG和相位结构2290的波导显示器2202的示例的俯视图。如在波导显示器2100中一样，波导显示器2202可以包括耦接到一个或多个衬底2205的第一光栅2240、第二光栅2250、第三光栅2260和第四光栅2270。光栅2240至2270中的每一个可以是反射性VBG或透射性VBG。如以上关于图10所描述的，显示光可以通过第一光栅2240耦入衬底2205中。第二光栅2250可以将耦合的显示光朝向第三光栅2260引导。第三光栅2260可以在一个方向上复制输入光瞳，并将显示光朝向第四光栅2270引导。第四光栅2270可以在第二方向上复制输入光瞳，并将显示光朝向适眼区2280引导。相位结构2290可以位于第一光栅2240和/或第二光栅2250所在的区域，并且相位结构2290可以用于改变耦入衬底2205中的显示光的偏振态，例如从p偏振改变到s偏振、或从s偏振改变到p偏振。

图23A展示了根据某些实施例的包括体布拉格光栅2320和2322以及相位结构2330和2332的波导显示器2300的示例的截面视图。如图所示，波导显示器2300可以在衬底2310中或在两个衬底之间包括VBG 2320和2322。VBG 2320可以反射性地将入射显示光(例如s偏振光)朝向衬底2310的顶表面衍射。相位结构2332可以耦接到衬底2310的顶表面，并且可以改变入射显示光的偏振态。衬底2310的顶表面、或相位结构2332可以将显示光朝向衬底2310的底表面反射。位于衬底2310的底表面处的相位结构2330可以改变入射显示光的偏振态。显示光可以在衬底2310的底表面处、或相位结构2330处被反射。反射的显示光可以入射到VBG 2322上，并且可以被VBG 2322以高衍射效率从衬底2310衍射出以朝向适眼区。

在一些实施例中，相位结构2330和2332可以仅在衬底2310的顶表面上的选定位置和底表面上的选定位置处。在一些实施例中，相位结构2330或相位结构2332可以用于波导显示器中。在一些实施例中，相位结构2330和相位结构2332都可以用于波导显示器中，其中可以通过两个相位结构的组合来实现期望的相位变化或延迟。例如，为了将s偏振光转换为p偏振光，第一相位结构可以将s偏振光转换为圆偏振光，并且第二相位结构可以将圆偏振光转换为p偏振光。在一些实施例中，相位结构2330或相位结构2332的偏振改变特性可以在不同位置处进行变化。

图23B展示了根据某些实施例的包括体布拉格光栅和相位结构2390的波导显示器2302的示例的俯视图。波导显示器2302可以包括耦接到一个或多个衬底2305的第一光栅2340、第二光栅2350、第三光栅2360和第四光栅2370。如上所述，显示光可以通过第一光栅2340耦入衬底2305中。第二光栅2350可以将耦合的显示光朝向第三光栅2360引导。第三光栅2360可以在一个方向上复制输入光瞳，并将显示光朝向第四光栅2370引导。第四光栅2370可以在第二方向上复制输入光瞳，并将显示光朝向适眼区2380引导。相位结构2390可以位于衬底2305的一个表面或两个表面上，并且可以用于改变显示光的偏振态，例如从p偏振改变到s偏振、或者从s偏振改变到p偏振。相位结构2390可以覆盖光栅2340至2370所在的波导显示器2302的区域。

图24A展示了根据某些实施例的基于体布拉格光栅的波导显示器2400的示例的模拟结果。波导显示器2400可以是波导显示器2100的示例。图24A示出了由第一光栅(例如，第一光栅2110)耦入波导中且然后由第二光栅(例如，第二光栅2120)向输出光栅引导的显示光束。可以在显示光被第二光栅衍射之后、并且在显示光到达输出光栅之前测量波导显示器2405的输入耦合效率。

图24B展示了根据某些实施例的包括体布拉格光栅和相位结构的波导显示器2405的示例的模拟结果。波导显示器2405可以是波导显示器2202的示例，其中相位结构(例如，相位结构2290)可以位于第一光栅(例如，第一光栅2240)和第二光栅(例如，第二光栅2250)所在的区域。图24B示出了由第一光栅耦入波导中且然后由第二光栅向输出光栅引导的显示光束。可以在显示光被第二光栅衍射之后、并且在显示光到达输出光栅之前测量波导显示器2405的输入耦合效率。图24B示出了在第二光栅之后的显示光束的强度可以比图24A所示的强度高得多。

图25展示了根据某些实施例的包括各种相位结构的波导显示器的示例的模拟输入耦合效率。用于模拟的波导显示器可以具有如图22B所示的构造。可以在显示光被第二光栅(例如，第二光栅2250)衍射之后、并且在显示光到达输出光栅(例如，第三光栅2260)之前测量波导显示器的输入耦合效率。在多个模拟中，相对于第一光栅(例如，第一光栅2240)具有不同厚度和取向的相位结构(例如，波片)设置在第一光栅和第二光栅所在的区域，如图22B中所示。对于每个相位结构构造(例如，波片的厚度和取向的独特组合)，对来自视场中不同区域的光的平均输入耦合效率进行测量。

在图25中，横轴对应于波片的厚度(对于物理厚度是以μm为单位，而对于波片厚度是以波长为单位)，其中波片具有由Δn表征的约为0.145的双折射率。波片的波片厚度可以在0波长与约一个波长之间变化。纵轴对应于每个相位结构构造的平均输入耦合效率、以及平均输入耦合效率相对于在不使用相位结构的情况下测量的基线效率的相应变化。图25中的每条曲线与相位结构的快轴相对于第一光栅的光栅脊的不同取向相对应，其中波片的快轴与光栅脊之间的角度可以从约0°变化至约170°。

图25示出了，当相位结构具有约0.4个波长的波片厚度(例如，物理厚度约1.54μm)并且相位结构被定向为使得相位结构的快轴相对于光栅脊成约130°时，可以实现最大输入耦合效率。最大输入耦合效率可以比基线效率高约42％。

图26A至图26C展示了基于VBG的波导显示器(例如，波导显示器2100)的示例对于来自视场的不同区域的并且分别为红色、绿色和蓝色的光的模拟输入耦合效率。图26A示出了，无相位结构的基于VBG的波导显示器对红光的平均输入耦合效率约为0.725％。图26B示出了，无相位结构的基于VBG的波导显示器对绿光的平均输入耦合效率约为0.62％。图26C示出了，无相位结构的基于VBG的波导显示器对蓝光的平均输入耦合效率约为1.246％。

图26D至图26F展示了包括相位结构(例如，零级相位板)的基于VBG的波导显示器(例如，波导显示器2202)的示例对于来自视场中的不同区域的并且分别为红色、绿色和蓝色的光的模拟输入耦合效率。图26D示出了，具有相位结构的基于VBG的波导显示器对于红光的平均输入耦合效率约为0.996％，这比图26A所示的基线结果高约37％。图26E示出了，具有相位结构的基于VBG的波导显示器对于绿光的平均输入耦合效率约为0.871％，这比图26B所示的基线结果高约40％。图26F示出了，具有相位结构的基于VBG的波导显示器对于蓝光的平均输入耦合效率约为1.486％，这比图26C所示的基线结果高约40％。

图26G至图26I展示了包括相位结构(例如，消色差相位板)的基于VBG的波导显示器(例如，波导显示器2202)的示例对于来自视场中的不同区域的并且分别为红色、绿色和蓝色的光的模拟输入耦合效率。图26G示出了，具有相位结构的基于VBG的波导显示器对于红光的平均输入耦合效率约为1.022％，这比图26A所示的基线结果高约41％。图26H示出了，具有相位结构的基于VBG的波导显示器对于绿光的平均输入耦合效率约为0.871％，这比图26B所示的基线结果高约40％。图26I示出了，具有相位结构的基于VBG的波导显示器对于蓝光的平均输入耦合效率约为1.623％，这比图26C所示的基线结果高约30％。

上述相位结构(例如，相位结构2230、2290、2330、2332或2390)可以包括任何双折射材料(例如，双折射晶体、液晶或聚合物)或双折射结构(例如，光栅、元光栅、纳米结构或其它亚波长结构)，双折射材料或双折射结构可以导致两个正交线性偏振分量(例如，s偏振光和p偏振光)之间的期望的相位延迟，使得入射光束可以改变为s偏振光束、p偏振光束、圆偏振光束或椭圆偏振光束。

在一些实施例中，为了减少波导显示器的相位结构与相邻部件(例如衬底)之间的界面处的损耗(例如，由于不期望的菲涅耳反射)，可以期望使用折射率接近相邻部件的有效折射率的相位结构。在衬底具有高折射率(例如，>2.0，例如2.5)的一些实施例中，可能难以找到具有匹配的折射率的双折射材料。在这种情况下，光栅或其它亚波长结构可以用于实现如上文关于例如图17A和图17B所述的相位延迟、偏振转换和折射率匹配，使得衬底的折射率与相位结构的有效折射率之间的差可以小于约0.35、小于约0.2、小于约0.1或小于约0.05。

本发明的实施例可以用于实现人工现实系统的部件，或者可以结合人工现实系统来实现。人工现实是在呈现给用户之前已经以某种方式调整的现实形式，该人工现实可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(mixed reality，MR)、混合现实(hybridreality)、或它们的某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容、或与采集的(例如，真实世界)内容组合的生成内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈或它们的一些组合，并且视频、音频、触觉反馈或它们的一些组合中的任一者可以在单个通道或多个通道(例如向观看者产生三维效果的立体声视频)中呈现。另外，在一些实施例中，人工现实还可以与应用程序、产品、配件、服务或它们的某种组合相关联，这些应用程序、产品、配件、服务或它们的某种组合用于例如在人工现实中创建内容和/或以其它方式用于人工现实中(例如执行人工现实中的活动)。提供人工现实内容的人工现实系统可以在各种平台上实现，这些平台包括被连接到主控计算机系统的头戴式显示器(HMD)、独立的HMD、移动装置或计算系统、或能够向一位或多位观看者提供人工现实内容的任何其它硬件平台。

图27是用于实现本文公开的一些示例的示例性近眼显示器(例如，HMD设备)的电子系统2700的示例的简化框图。电子系统2700可以用作上述HMD设备或其它近眼显示器的电子系统。在该示例中，电子系统2700可以包括存储器2720和(一个或多个)处理器2710。(一个或多个)处理器2710可以被配置成执行用于在多个部件处执行操作的指令，并且(一个或多个)处理器2710可以是例如适合在便携式电子设备内实现的通用处理器或微处理器。(一个或多个)处理器2710可以与电子系统2700内的多个部件通信耦合。为了实现这种通信耦合，(一个或多个)处理器2710可以通过总线2740与其它示出的部件通信。总线2740可以是适于在电子系统2700内传输数据的任何子系统。总线2740可以包括用于传输数据的多条计算机总线和附加电路。

存储器2720可以耦接到(一个或多个)处理器2710。在一些实施例中，存储器2720可以提供短期存储和长期存储这二者，并且可以被划分为若干单元。存储器2720可以是易失性的，例如静态随机存取存储器(static random-access memory，SRAM)和/或动态随机存取存储器(DRAM)，和/或存储器1620可以是非易失性的，例如只读存储器(read-onlymemory，ROM)、闪存等。此外，存储器2720可以包括可移动存储设备，例如安全数字(securedigital，SD)卡。存储器2720可以为电子系统2700提供计算机可读指令、数据结构、程序模块和其它数据的存储。在一些实施例中，存储器2720可以分布到不同的硬件模块中。一组指令和/或代码可以存储在存储器2720上。指令可以采取可由电子系统2700执行的可执行代码的形式，和/或可以采取源代码和/或可安装代码的形式，这些源代码和/或可安装代码在电子系统2700上(例如，使用各种常用的编译器、安装程序、压缩/解压缩实用程序等中的任何一种)进行编译和/或安装时，可以采用可执行代码的形式。

在一些实施例中，存储器2720可以存储多个应用程序模块2722至2724，这些应用程序模块可以包括任何数量的应用程序。应用程序的示例可以包括游戏应用程序、会议应用程序、视频播放应用程序或其它合适的应用程序。这些应用程序可以包括深度感测功能或眼睛追踪功能。应用程序模块2722至2724可以包括要由(一个或多个)处理器2710执行的特定指令。在一些实施例中，应用程序模块2722至2724的某些应用程序或部分应用程序可以由其它硬件模块2780执行。在某些实施例中，存储器2720可以附加地包括安全存储器，该安全存储器可以包括附加的安全控制，以防止对安全信息的复制或对安全信息的未经授权的其它访问。

在一些实施例中，存储器2720可以包括加载在存储器中的操作系统2725。操作系统2725可操作以启动由应用程序模块2722至2724提供的指令的执行和/或管理其它硬件模块2780以及与无线通信子系统2730交互，无线通信子系统2730可以包括一个或多个无线收发器。操作系统2725可以适于在电子系统2700的多个部件上执行其它操作，这些操作包括线程化、资源管理、数据存储控制和其它类似功能。

无线通信子系统2730可以包括例如红外通信设备、无线通信设备和/或芯片组(诸如设备、IEEE 802.11设备、Wi-Fi设备、WiMax设备、蜂窝通信设施等)和/或类似的通信接口。电子系统2700可以包括用于无线通信的一个或多个天线2734，该一个或多个天线作为无线通信子系统2730的一部分或者作为耦接到系统的任何部分的单独部件。取决于期望的功能，无线通信子系统2730可以包括单独的收发器，以与基站收发站和其它无线设备和接入点进行通信，这可以包括与不同的数据网络和/或网络类型进行通信，这些数据网络和/或网络类型为例如无线广域网(wireless wide-area network，WWAN)、无线局域网(wireless local area network，WLAN)或无线个人域网(wireless personal areanetwork，WPAN)。WWAN可以是例如WiMax(IEEE 802.16)网络。WLAN可以是例如IEEE 802.11x网络。WPAN可以是例如蓝牙网络、IEEE 802.15x或一些其它类型的网络。本文所描述的技术也可用于WWAN、WLAN和/或WPAN的任意组合。无线通信子系统2730可以允许数据与本文所述的网络、其它计算机系统和/或任何其它设备进行交换。无线通信子系统2730可以包括用于使用(一个或多个)天线2734和(一个或多个)无线链路2732发送或接收数据(例如HMD设备的标识符、位置数据、地理地图、热图、照片或视频)的装置。无线通信子系统2730、(一个或多个)处理器2710和存储器2720可以一起包括用于执行本文公开的一些功能的多个装置中的一个或多个的至少一部分。/>

电子系统2700的实施例还可以包括一个或多个传感器2790。(一个或多个)传感器2790可以包括例如图像传感器、加速度计、压力传感器、温度传感器、接近传感器、磁力计、陀螺仪、惯性传感器(例如，组合加速度计和陀螺仪的模块)、环境光传感器、或可操作以提供感官输出和/或接收感官输入的任何其它类似模块，该模块为例如深度传感器或位置传感器。例如，在一些实施方式中，(一个或多个)传感器2790可以包括一个或多个惯性测量单元(IMU)和/或一个或多个位置传感器。IMU可以基于从多个位置传感器中的一个或多个位置传感器接收的测量信号，生成指示HMD设备相对于HMD设备的初始位置的估计位置的校准数据。位置传感器可以响应于HMD设备的运动产生一个或多个测量信号。位置传感器的示例可以包括但不限于一个或多个加速度计、一个或多个陀螺仪、一个或多个磁力计、检测运动的另一种合适类型的传感器、用于IMU误差校正的一种类型的传感器、或它们的某种组合。位置传感器可以位于IMU外部、IMU内部或它们的某种组合。至少一些传感器可以使用结构光图案进行感测。

电子系统2700可以包括显示模块2760。显示模块2760可以是近眼显示器，并且可以从电子系统2700向用户图形地呈现信息，该信息例如为图像、视频和各种指令。这种信息可以从一个或多个应用程序模块2722至2724、虚拟现实引擎2726、一个或多个其它硬件模块2780、它们的组合、或用于(例如，通过操作系统2725)向用户解析图形内容的任何其它合适的装置中得到。显示模块2760可以使用液晶显示器(LCD)技术、发光二极管(LED)技术(例如，包括OLED、ILED、μLED、AMOLED、TOLED等)、发光聚合物显示器(light emitting polymerdisplay，LPD)技术或一些其它显示技术。

电子系统2700可以包括用户输入/输出模块2770。用户输入/输出模块2770可以允许用户向电子系统2700发送动作请求。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是启动应用程序或结束应用程序、或者在应用程序内执行特定动作。用户输入/输出模块2770可以包括一个或多个输入设备。示例性输入设备可以包括：触摸屏、触摸板、(一个或多个)麦克风、(一个或多个)按钮、(一个或多个)拨盘、(一个或多个)开关、键盘、鼠标、游戏控制器或用于接收动作请求并将接收到的动作请求传送到电子系统2700的任何其它合适的设备。在一些实施例中，用户输入/输出模块2770可以根据从电子系统2700接收的指令向用户提供触觉反馈。例如，可以在接收到一动作请求或已经执行了一动作请求时提供触觉反馈。

电子系统2700可以包括相机2750，相机2750可以用于拍摄用户的照片或视频，例如，用于追踪用户的眼睛位置。相机2750还可以用于拍摄环境的照片或视频，例如，以用于VR应用、AR应用或MR应用。相机2750可以包括例如具有几百万或数千万像素的互补金属氧化物半导体(complementary metal-oxide-semiconductor，CMOS)图像传感器。在一些实施方式中，相机2750可以包括可以用于采集3D图像的两个或更多个相机。

在一些实施例中，电子系统2700可以包括多个其它硬件模块2780。其它硬件模块2780中的每一个可以是电子系统2700内的物理模块。虽然其它硬件模块2780中的每一个可以被永久地配置为结构体，但是其它硬件模块2780中的一些可以被临时配置为执行特定功能或被临时激活。其它硬件模块2780的示例可以包括例如音频输出和/或输入模块(例如，麦克风或扬声器)、近场通信(near field communication，NFC)模块、可充电电池、电池管理系统、有线/无线电池充电系统等等。在一些实施例中，其它硬件模块2780的一种或多种功能可以以软件来实现。

在一些实施例中，电子系统2700的存储器2720还可以存储虚拟现实引擎2726。虚拟现实引擎2726可以执行电子系统2700内的应用程序，并接收来自各种传感器的HMD设备的位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置、或它们的某种组合。在一些实施例中，虚拟现实引擎2726接收的信息可用于向显示模块2760产生信号(例如，显示指令)。例如，如果接收到的信息指示用户已经向左看，则虚拟现实引擎2726可以为HMD设备生成反映用户在虚拟环境中的运动的内容。此外，虚拟现实引擎2726可以响应于从用户输入/输出模块2770接收的动作请求而执行应用程序内的动作，并向用户提供反馈。所提供的反馈可以是视觉、听觉或触觉反馈。在一些实施方式中，(一个或多个)处理器2710可以包括可以执行虚拟现实引擎2726的一个或多个图形处理单元(graphic processing unit，GPU)。

在各种实施方式中，上述硬件和模块可以在单个设备上实现，或者在可以使用有线或无线连接彼此通信的多个设备上实现。例如，在一些实施方式中，可以在与头戴式显示设备分开的控制台上实现一些部件或模块(例如，GPU、虚拟现实引擎2726和应用程序(例如追踪应用程序))。在一些实施方式中，一个控制台可以连接到多于一个的HMD或支持多于一个的HMD。

在替代配置中，电子系统2700中可以包括不同的部件和/或附加的部件。类似地，这些部件中的一个或多个部件的功能可以以不同于上述方式的方式分布在这些部件之间。例如，在一些实施例中，电子系统2700可以被修改为包括其它系统环境，例如AR系统环境和/或MR环境。

上文讨论的方法、系统和设备均为示例。各种实施例可以适当地省略、替换或添加各种程序或部件。例如，在替代的配置中，可以以与所描述的顺序不同的顺序来执行所描述的方法，和/或可以添加、省略和/或组合各种阶段。此外，关于某些实施例描述的特征可以在各种其它实施例中组合。这些实施例中的不同方面和元件可以以类似的方式组合。此外，技术在发展，因此许多元件都是示例，这些示例并不会将本公开的范围限制在那些具体的示例中。

在说明书中给出了许多具体细节，以提供对这些实施例的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下来实践这些实施例。例如，为了避免模糊这些实施例，已经在不具有非必要细节的情况下示出众所周知的电路、过程、系统、结构和技术。本说明书仅提供了多个示例实施例，并不旨在限制本发明的范围、适用性或配置。而是，以上对这些实施例的描述将为本领域技术人员提供用于实现各种实施例的使能描述。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

此外，将一些实施例作为被描绘为流程图或框图的过程进行了描述。尽管每个过程都可以将多个操作描述为顺序过程，但这些操作中的许多操作可以并行或同时执行。此外，这些操作的顺序可以被重新排列。过程可以具有图中未包括的附加步骤。此外，方法的实施例可以通过硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或它们的任意组合来实现。当以软件、固件、中间件或微代码实现时，用于执行多个相关任务的程序代码或多个代码段可以存储在诸如存储介质等计算机可读介质中。处理器可以执行相关联的任务。

对本领域的技术人员来说将显而易见的是，可以根据具体要求做出实质性变化。例如，也可以使用定制的或专用的硬件，和/或可以在硬件、软件(包括便携式软件，例如小程序等)、或硬件和软件这两者中实现多个特定元素。此外，可以采用与诸如网络输入/输出装置等其它计算装置的连接。

参考附图，可以包括存储器的部件可以包括非暂时性机器可读介质。术语“机器可读介质”和“计算机可读介质”可以指参与提供数据的任何存储介质，该数据使机器以特定方式运行。在上文提供的实施例中，各种机器可读介质可以涉及向处理单元和/或其它一个或多个装置提供指令/代码，以供执行。附加地或替代地，机器可读介质可以用于存储和/或携载这些指令/代码。在许多实施方式中，计算机可读介质是物理的和/或有形的存储介质。这种介质可以采用多种形式，这些形式包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。常见形式的计算机可读介质包括例如诸如压缩盘(compact disk，CD)或数字多功能盘(digital versatile disk，DVD)等磁介质和/或光学介质、穿孔卡、纸带、具有多个孔图案的任何其它物理介质、RAM、可编程只读存储器(programmable read-only memory，PROM)、可擦除可编程只读存储器(erasable programmable read-only memory，EPROM)、可擦除可编程只读存储器闪存(FLASH-EPROM)、任何其它存储芯片、或盒式存储器(cartridge)、如下文所描述的载波、或任何其它介质(计算机可以从该任何其它介质中读取指令和/或代码)。计算机程序产品可以包括代码和/或机器可执行指令，该代码和/或机器可执行指令可以表示过程、功能、子程序、程序、例程、应用程序(App)、子例程、模块、软件包、类，或指令、数据结构或程序语句的任意组合。

本领域技术人员将理解的是，用于传送本文所描述的消息的信息和信号可以使用多种不同技术和方法中的任一种来表示。例如，整个上述描述中可能提及的数据、指令、命令、信息、信号、比特位、符号和芯片可以使用电压、电流、电磁波、磁场或磁粒子、光场或光粒子、或它们的任意组合来表示。

如本文所使用的术语“和”和“或”可以包括多种含义，其中，也至少部分地基于使用这些术语时的上下文来预料这些含义。通常，“或”如果用于关联一列表，例如A、B或C，则旨在表示A、B和C(此处以包括性意义使用)，以及A、B或C(此处以排它性意义使用)。此外，如本文所使用的术语“一个或多个”可以用于描述单数形式的任何特征、结构或特性，或者可以用于描述多个特征、多个结构或多个特性的某种组合。然而，应当注意的是，这仅仅是说明性示例，并且所要求保护的主题不限于该示例。此外，术语“至少一个”如果用于关联一列表，例如A、B或C，则可以解释为A、B和/或C的任意组合(例如，A、AB、AC、BC、AA、ABC、AAB、AABBCCC等)。

此外，尽管已经使用硬件和软件的特定组合对某些实施例进行了描述，但是应当认识到的是，硬件和软件的其它组合也是可行的。某些实施例可以仅以硬件、或仅以软件、或使用硬件和软件的组合来实现。在一个示例中，软件可以使用包含计算机程序代码或指令的计算机程序产品来实现，该计算机程序代码或指令可以由一个或多个处理器执行，从而执行本公开中描述的多个步骤、多个操作或多个过程中的任何或所有，其中，计算机程序可以存储在非暂时性计算机可读介质上。本文描述的各种过程可以在同一处理器实现或在以任意组合的不同处理器上实现。

在设备、系统、部件或模块被描述为被配置为执行某些操作或功能的情况下，这种配置可以例如通过如下来实现：设计多个电子电路来执行该操作，对可编程电子电路(例如微处理器)进行编程来执行该操作(例如通过执行计算机指令或代码来执行该操作)，或被编程为执行存储在非暂时性存储介质上的代码或指令的处理器或内核，或它们的任意组合。进程可以使用多种技术进行通信，这些技术包括但不限于用于进程间通信的传统技术，并且不同的进程对可以使用不同的技术，或者同一进程对在不同的时间可以使用不同的技术。

因此，说明书和附图将被认为是说明性的，而非限制性的。然而，将显而易见的是，在不脱离如权利要求中所阐述的更广泛的精神和范围的情况下，还可以进行添加、减去、删除以及其它修改和改变。因此，尽管已经描述了具体实施例，但是这些具体实施例并不旨在进行限制。各种修改和等同物均落入所附权利要求的范围内。

Claims (26)

1.一种波导显示器，所述波导显示器包括：

衬底，所述衬底对可见光是透明的；

第一表面浮雕光栅，所述第一表面浮雕光栅位于所述衬底上，并且所述第一表面浮雕光栅被配置成将显示光耦入所述衬底中或将所述显示光从所述衬底耦出，其中，所述第一表面浮雕光栅的特性在于与偏振相关的衍射效率；以及

相位结构，所述相位结构位于所述衬底上，所述相位结构被配置成在所述显示光到达所述第一表面浮雕光栅之后或之前，改变所述显示光的偏振态。

2.根据权利要求1所述的波导显示器，其中，所述相位结构包括波片；并且优选地，其中，所述波片的特性在于介于零波长与一个波长之间的波片厚度。

3.根据权利要求1或2所述的波导显示器，其中，所述相位结构包括双折射材料层。

4.根据权利要求1、2或3所述的波导显示器，其中，所述相位结构包括亚波长结构和外涂层；并且优选地，其中，所述亚波长结构被蚀刻在：i.所述衬底中；和/或ii.形成于所述衬底上的材料层中；

并且/或者优选地，其中，所述衬底的折射率与包括所述亚波长结构和所述外涂层的所述相位结构的有效折射率之间的差小于0.35。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的波导显示器，所述波导显示器还包括第二表面浮雕光栅，所述第二表面浮雕光栅位于所述相位结构上，其中，所述相位结构位于所述衬底与所述第二表面浮雕光栅之间；

并且/或者优选地，其中，所述相位结构的波片厚度为四分之一波长；

并且/或者优选地，其中，所述相位结构被布置成使得所述相位结构的快轴与所述第一表面浮雕光栅的光栅矢量之间的角度为45°。

6.根据前述权利要求中任一项所述的波导显示器，所述波导显示器还包括第二表面浮雕光栅，所述第二表面浮雕光栅位于所述衬底与所述相位结构之间。

7.根据前述权利要求中任一项所述的波导显示器，其中，

所述第一表面浮雕光栅位于所述衬底的第一表面上，并且所述第一表面浮雕光栅被配置成将所述显示光耦入所述衬底中；并且

所述相位结构位于所述衬底的与所述第一表面相反的第二表面上，并且所述相位结构被配置成改变耦入所述衬底中的所述显示光的偏振态。

8.根据前述权利要求中任一项所述的波导显示器，其中，所述相位结构位于所述衬底的选定区域中；并且/或者优选地，其中，所述相位结构的特性在于跨越所述相位结构的不同区域的在空间上变化的相位延迟。

9.根据前述权利要求中任一项所述的波导显示器，其中，所述相位结构被配置成将s偏振光转换为p偏振光、将p偏振光转换为s偏振光、将线性偏振光转换为圆偏振光、或将圆偏振光转换为线性偏振光。

10.一种波导显示器，所述波导显示器包括：

衬底，所述衬底对可见光是透明的；

第一表面浮雕光栅，所述第一表面浮雕光栅位于所述衬底的第一表面上，并且所述第一表面浮雕光栅被配置成将显示光耦入所述衬底中，使得所述显示光通过全内反射在所述衬底内传播，其中，所述第一表面浮雕光栅的特性在于与偏振相关的衍射效率；以及

相位结构，所述相位结构位于所述衬底的与所述第一表面相反的第二表面上，所述相位结构被配置成改变耦入所述衬底中的所述显示光的偏振态。

11.根据权利要求10所述的波导显示器，其中，所述相位结构包括：

双折射材料层；或者

亚波长结构，所述亚波长结构形成于各向同性材料或双折射材料中。

12.根据权利要求10或11所述的波导显示器，其中，

所述相位结构包括亚波长结构和外涂层；并且

所述衬底的折射率与包括所述亚波长结构和所述外涂层的所述相位结构的有效折射率之间的差小于0.35。

13.根据权利要求10、11或12所述的波导显示器，所述波导显示器还包括第二表面浮雕光栅，所述第二表面浮雕光栅位于所述相位结构上，其中，所述相位结构位于所述衬底与所述第二表面浮雕光栅之间，或者所述第二表面浮雕光栅位于所述衬底与所述相位结构之间。

14.一种波导显示器，所述波导显示器包括：

第一衬底，所述第一衬底对可见光是透明的；

第二衬底，所述第二衬底对所述可见光是透明的；

全息材料层，所述全息材料层位于所述第一衬底与所述第二衬底之间，并且包括体布拉格光栅，所述体布拉格光栅的特性在于与偏振相关的衍射效率；以及

相位结构，所述相位结构位于所述第一衬底或所述第二衬底上，并且所述相位结构被配置成在显示光被所述体布拉格光栅衍射之后或之前，改变入射到所述相位结构上的所述显示光的偏振态。

15.根据权利要求14所述的波导显示器，其中，所述相位结构包括波片；并且优选地，其中，所述波片的特性在于介于零波长与一个波长之间的波片厚度。

16.根据权利要求14或15所述的波导显示器，其中，所述相位结构包括双折射材料层。

17.根据权利要求14、15或16所述的波导显示器，其中，所述相位结构包括亚波长结构和外涂层；并且优选地，其中，所述亚波长结构被蚀刻在：i.所述第一衬底或所述第二衬底中；和/或ii.形成于所述第一衬底或所述第二衬底上的材料层中；

并且/或者优选地，其中，所述第一衬底的折射率或所述第二衬底的折射率与包括所述亚波长结构和所述外涂层的所述相位结构的有效折射率之间的差小于0.35。

18.根据权利要求14至17中任一项所述的波导显示器，其中，所述相位结构位于所述第一衬底的选定区域中或所述第二衬底的选定区域中；并且/或者优选地，其中，所述相位结构的特性在于跨越所述相位结构的不同区域的在空间上变化的相位延迟。

19.根据权利要求14至18中任一项所述的波导显示器，其中，

所述相位结构位于所述第二衬底上；并且

所述波导显示器还包括位于所述第一衬底上的第二相位结构。

20.根据权利要求14至19中任一项所述的波导显示器，其中，所述全息材料层包括两个或更多个体布拉格光栅，所述体布拉格光栅包括输入光栅耦合器和输出光栅耦合器。

21.根据权利要求20所述的波导显示器，其中，所述相位结构位于所述波导显示器的、所述输入光栅耦合器所在的区域中，并且可选地，所述相位结构位于所述波导显示器的、所述输出光栅耦合器所在的区域中；并且/或者优选地，其中，

所述输入光栅耦合器包括一个或多个体布拉格光栅；并且

所述输出光栅耦合器包括至少两个体布拉格光栅，所述至少两个体布拉格光栅被配置成在两个方向上扩展所述波导显示器的适眼区。

22.一种波导显示器，所述波导显示器包括：

第一衬底；

第二衬底；

输入光栅耦合器，所述输入光栅耦合器位于所述第一衬底与所述第二衬底之间，并且所述输入光栅耦合器被配置成将显示光耦入所述第一衬底或所述第二衬底中；

输出光栅耦合器，所述输出光栅耦合器位于所述第一衬底与所述第二衬底之间，并且所述输出光栅耦合器被配置成至少部分地将所述显示光从所述波导显示器朝向所述波导显示器的适眼区耦出；以及

相位结构，所述相位结构位于所述第一衬底或所述第二衬底上，并且所述相位结构被配置成在耦入所述第一衬底或所述第二衬底中的所述显示光到达所述输出光栅耦合器之前或再次到达所述输入光栅耦合器之前，改变耦入所述第一衬底或所述第二衬底中的所述显示光的偏振态。

23.根据权利要求22所述的波导显示器，其中，所述相位结构包括：

双折射材料层；或者

亚波长结构，所述亚波长结构形成于各向同性材料或双折射材料中。

24.根据权利要求22或23所述的波导显示器，其中，

所述相位结构包括亚波长结构和外涂层；并且

所述第一衬底的折射率或所述第二衬底的折射率与所述相位结构的有效折射率之间的差小于0.35。

25.根据权利要求22、23或24所述的波导显示器，其中，所述相位结构包括亚波长结构，所述亚波长结构被蚀刻在所述第一衬底中、所述第二衬底中、或者形成于所述第一衬底或所述第二衬底上的材料层中。

26.根据权利要求22至25中任一项所述的波导显示器，其中，

所述相位结构位于所述第二衬底上；并且

所述波导显示器还包括位于所述第一衬底上的第二相位结构。