CN116868106A - 具有注视跟踪的波导显示器 - Google Patents

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Abstract

一种显示器可包括波导。输入耦合器可将图像光耦合到该波导中，并且输出耦合器可将该图像光耦合出该波导。该波导上的表面起伏光栅可将红外光耦合到该波导中并且可将该红外光耦合出该波导。该表面起伏光栅可附加地或替代地将被反射的红外光耦合到该波导中并且耦合出该波导并朝向红外传感器耦合。该表面起伏光栅还可形成用于该图像光的交叉耦合器。该红外传感器可基于该被反射的红外光而收集红外传感器数据。控制电路可基于该红外传感器数据而执行注视跟踪操作。该输入和输出耦合器还可由表面起伏光栅形成或可包括其他光学部件。

Description

具有注视跟踪的波导显示器
本申请要求于2021年2月11日提交的美国临时专利申请63/148,496号的优先权，该美国临时专利申请据此全文以引用方式并入本文。
背景技术
本发明整体涉及光学系统，并且更具体地讲，涉及用于显示器的光学系统。
电子设备可包括向用户的眼睛呈现图像的显示器。例如，诸如虚拟现实和增强现实头戴式耳机之类的设备可包括具有允许用户观看显示器的光学元件的显示器。
设计设备诸如这些设备可能是有挑战性的。如果稍有不慎，用于显示内容的部件可能是难看且笨重的，可消耗过多电力，并且可能未表现出期望的光学性能水平。
发明内容
电子设备诸如头戴式设备可具有为用户产生图像的一个或多个近眼显示器。头戴式设备可以是一副虚拟现实眼镜，或者可以是增强现实头戴式耳机，其允许观察者观看计算机生成的图像和观察者周围环境中的真实世界对象两者。
显示器可包括显示模块、红外发射器、红外传感器和波导。显示模块可生成可见波长下的图像光。红外发射器可发射红外光。输入耦合器可将图像光耦合到波导中。输出耦合器可将图像光耦合出波导并且朝向眼箱耦合。波导上的表面起伏光栅可将红外光耦合到波导中。在由表面起伏光栅耦合到波导中的红外光已经从波导的表面反射至少一次之后，表面起伏光栅可将红外光耦合出波导并且朝向眼箱耦合。显示器可包括与表面起伏光栅分离的用于图像光的交叉耦合器，或者表面起伏光栅也可形成用于图像光的交叉耦合器。交叉耦合器可将图像光重定向到输出耦合器，并且可以可选地扩展图像光。输入耦合器和输出耦合器还可由表面起伏光栅形成(例如，在与用于将红外光耦合到波导中和耦合出波导的表面起伏光栅相同的光栅介质层中)。替代地，输入和输出耦合器可包括棱镜、部分反射器、百叶窗式反射镜、体积全息图、元光栅、薄膜全息图等。
表面起伏光栅可从眼箱接收反射的红外光。反射的红外光可为由表面起伏光栅耦合出波导的红外光的版本，其已经在眼箱处从用户眼睛的一部分反射。表面起伏光栅可将反射的红外光耦合到波导中。在反射的红外光已经从波导的表面反射至少一次之后，表面起伏光栅可将反射的红外光耦合出波导并且朝向红外传感器耦合。红外传感器可基于由表面起伏光栅耦合出波导的反射的红外光而生成红外传感器数据。控制电路可基于红外传感器数据而执行注视跟踪操作。
附图说明
图1是根据一些实施方案的具有显示和注视跟踪能力的例示性显示系统的图。
图2是根据一些实施方案的例示性光学系统的顶视图，该光学系统具有向波导提供图像光的显示模块并且具有用于执行注视跟踪的红外发射器和红外传感器。
图3是根据一些实施方案的具有可见光输入耦合器、可见光交叉耦合器、可见光输出耦合器以及执行用于注视跟踪的红外输入耦合和红外输出耦合的光栅结构的例示性波导的前视图。
图4是根据一些实施方案的具有形成可见光输入耦合器、可见光交叉耦合器、可见光输出耦合器、红外输入耦合器和红外输出耦合器的表面起伏光栅的例示性波导的横截面底视图。
图5是示出根据一些实施方案的例示性可见光交叉耦合器如何也可执行红外输入耦合和红外输出耦合以用于注视跟踪的二维k空间图。
图6是示出根据一些实施方案的多个波导可如何用以将图像光和红外光重定向到眼箱的横截面底视图。
具体实施方式
图1中示出了一个例示性系统，其具有带有一个或多个近眼显示系统的设备。系统10可以是头戴式设备，其具有一个或多个显示器，诸如安装在支撑结构(外壳)20内的近眼显示器14。支撑结构20可具有一副眼镜(例如，支撑框架)的形状，可形成具有头盔形状的外壳，或者可具有用于帮助将近眼显示器14的部件安装和固定在用户的头部上或眼睛附近的其他配置。近眼显示器14可包括一个或多个显示模块诸如显示模块14A，以及一个或多个光学系统诸如光学系统14B。显示模块14A可安装在支撑结构诸如支撑结构20中。每个显示模块14A可发射光22(在本文中有时被称为图像光22)，使用光学系统14B中的相关联光学系统将该光朝眼箱24处的用户眼睛重定向。图像光22可为例如包含和/或表示诸如场景或对象之类的可视事物的光(例如，使用由控制电路提供给显示模块的图像数据调制到图像光上)。
可使用控制电路16来控制系统10的操作。控制电路16可包括用于控制系统10的操作的存储和处理电路。电路16可包括存储装置，诸如硬盘驱动器存储装置、非易失性存储器(例如，被配置为形成固态驱动器的电可编程只读存储器)、易失性存储器(例如，静态或动态随机存取存储器)等。控制电路16中的处理电路可基于一个或多个微处理器、微控制器、数字信号处理器、基带处理器、电源管理单元、音频芯片、图形处理单元、专用集成电路以及其他集成电路。软件代码(指令)可存储在电路16中的存储器上，并且在电路16中的处理电路上运行，以实现用于系统10的操作(例如，数据采集操作、涉及使用控制信号调节部件的操作、产生图像内容以向用户显示的图像渲染操作等)。
系统10可包括输入输出电路诸如输入-输出设备12。输入-输出设备12可用于允许由系统10从外部装置(例如，拴系计算机、便携式设备(诸如手持设备或膝上型计算机)或其他电气装置)接收数据，并且允许用户向系统10提供用户输入。输入-输出设备12还可用于收集有关在其中操作的系统10(例如，头戴式设备10)的环境的信息。设备12中的输出部件可允许系统10向用户提供输出，并且可用于与外部电子装置通信。输入-输出设备12可包括传感器和其他部件18(例如，用于收集与系统10中的显示器上的虚拟对象数字地合并的真实世界对象的图像的面向世界的相机(诸如图像传感器)、加速度计、深度传感器、光传感器、触觉输出设备、扬声器、电池、用于在系统10与外部电子装备之间通信的无线通信电路等)。如果需要，部件18可包括注视跟踪传感器，该注视跟踪传感器在眼箱24处从用户的眼睛收集注视图像数据以实时跟踪用户的注视的方向。注视跟踪传感器可包括至少一个红外(IR)发射器，该至少一个IR发射器发射从用户的眼睛的部分反射离开的红外或近红外光。至少一个红外图像传感器可从反射红外或近红外光收集红外图像数据。例如，控制电路16可处理所收集的红外图像数据以识别或跟踪用户的注视的方向。
显示模块14A(在本文中有时称为显示引擎14A、光引擎14A或投影仪14A)可包括反射式显示器(例如，具有产生照明光(该照明光从反射式显示面板反射以产生图像光)的光源的显示器，诸如硅上液晶(LCOS)显示器、硅上铁电液晶(fLCOS)显示器、数字微镜设备(DMD)显示器或其他空间光调制器)、发射式显示器(例如，微发光二极管(uLED)显示器、有机发光二极管(OLED)显示器、基于激光的显示器等)或其他类型的显示器。显示模块14A中的光源可包括uLED、OLED、LED、激光器、这些器件的组合或任何其他所需的发光部件。
光学系统14B可形成允许观察者(参见例如眼箱24处的观察者的眼睛)观察显示器14上的图像的透镜。可存在与用户的相应左眼和右眼相关联的两个光学系统14B(例如，用于形成左透镜和右透镜)。单个显示器14可为双眼产生图像，或者一对显示器14可用于显示图像。在具有多个显示器(例如，左眼显示器和右眼显示器)的配置中，可选择由光学系统14B中的部件形成的透镜的焦距和位置，使得显示器之间存在的任何间隙对于用户将是不可见的(例如，使得左显示器和右显示器的图像无缝地重叠或合并)。
如果需要，光学系统14B可包括部件(例如，光学组合器等)以允许来自真实世界图像或对象25的真实世界图像光与虚拟(计算机生成的)图像诸如图像光22中的虚拟图像在光学上组合。在这种类型的系统(有时称为增强现实系统)中，系统10的用户可查看真实世界内容和覆盖在真实世界内容之上的计算机生成的内容两者。基于相机的增强现实系统也可用于系统10中(例如，面向世界的相机捕获对象25的真实世界图像并将该内容与光学系统14B处的虚拟内容数字地合并的布置)。
如果需要，系统10可包括无线电路和/或其他电路，以支持与计算机或其他外部装置(例如，向显示器14提供图像内容的计算机)通信。在操作期间，控制电路16可将图像内容提供给显示器14。可以远程接收该内容(例如，从耦合到系统10的计算机或其他内容源)和/或可以由控制电路16生成该内容(例如，文本、其他计算机生成的内容等)。由控制电路16提供给显示器14的内容可由眼箱24处的观察者观看。
图2是可在图1的系统10中使用的例示性显示器14的顶视图。如图2所示，近眼显示器14可包括一个或多个显示模块诸如显示模块14A，以及一个光学系统诸如光学系统14B。光学系统14B可包括光学元件诸如一个或多个波导26。波导26可包括由光学透明材料诸如塑料、聚合物、玻璃等所形成的一个或多个堆叠基底(例如，堆叠平面和/或弯曲层，在本文中有时称为“波导基底”)。
显示模块14A可包括准直光学器件34。准直光学器件34在本文中有时可称为目镜34、准直透镜34、光学器件34或透镜34。准直光学器件34可包括有助于将图像光22朝波导26定向的一个或多个透镜元件。如果需要，可省略准直光学器件34。如果需要，显示模块14A可安装在图1的支撑结构20内，而光学系统14B可安装在支撑结构20的部分之间(例如，以形成与眼箱24对准的透镜)。如果需要，可使用其他安装布置。
如图2所示，显示模块14A可包括用于生成与要显示给眼箱24(在该眼箱处显示)的图像内容相关联的图像光22的光源44。如果需要，显示模块14A可包括空间光调制器，该空间光调制器调制由光源44产生的照明光(例如，使用图像数据)以产生图像光22(例如，包括如由图像数据识别的图像的图像光)。空间光调制器可为反射式空间光调制器(例如，DMD调制器、LCOS调制器、fLCOS调制器等)或透射式空间光调制器(例如，LCD调制器)。在其他实现方式中，显示模块14A可包括发射式显示面板，例如LED、OLED、uLED、激光器或其他光源44的阵列，而非空间光调制器。
可使用准直光学器件34对图像光22进行准直。光学系统14B可用于将从显示模块14A输出的图像光22呈现到眼箱24。光学系统14B可包括一个或多个光学耦合器诸如输入耦合器28、交叉耦合器32和输出耦合器30。在图2的示例中，输入耦合器28、交叉耦合器32和输出耦合器30形成在波导26处或其上。输入耦合器28、交叉耦合器32和/或输出耦合器30可完全嵌入在波导26的基底层内、可部分嵌入在波导26的基底层内、可安装到波导26(例如，安装到波导26的外表面)等。图2的示例仅为例示性的。光学系统14B可包括相对于彼此横向和/或竖直堆叠的多个波导。每个波导可包括耦合器28、耦合器32和耦合器30中的一个耦合器、两个耦合器、全部耦合器或不包括这些耦合器。如果需要，波导26可为至少部分弯曲的或弯折的。
图像光22包括可见波长下(例如，在约400nm与700nm之间)的光。波导26可经由全内反射沿其长度向下引导图像光22。输入耦合器28可被配置为将图像光22从显示模块14A耦合进波导26，而输出耦合器30可被配置为将图像光22从波导26内耦合到波导26外部并朝向眼箱24。作为示例，显示模块14A可沿+Y方向朝向光学系统14B发射图像光22。当图像光22撞击输入耦合器28时，输入耦合器28可重定向图像光22，使得该光在波导26内经由全内反射朝向输出耦合器30(例如，沿+X方向)传播。当图像光22撞击输出耦合器30时，输出耦合器30可将图像光22朝向眼箱24(例如，沿Y方向向后)离开波导26重新定向。
在图2的示例中，交叉耦合器32光学地插置在输入耦合器28与输出耦合器30之间。在此示例中，输入耦合器28可将图像光22重定向到交叉耦合器32，并且交叉耦合器32可将图像光22重定向到输出耦合器30。如果需要，交叉耦合器32可在第一方向上扩展图像光22，并且还可将所扩展的光耦合(重定向)回到波导26中。波导26可将由交叉耦合器32扩展的光经由全内反射传播到输出耦合器30。如果需要，输出耦合器30可在不同于(例如，垂直于)第一方向的第二方向上扩展从交叉耦合器32接收到的图像光22。如果需要，输出耦合器30可向耦合出波导的光提供光焦度。考虑其中通过输入耦合器28耦合到波导26中的图像光22包括光瞳的示例。交叉耦合器32和输出耦合器30对图像光22的扩展可用于在多个(例如，正交)维度上扩展光瞳，从而允许相对较大的眼箱24填充有在眼箱的整个区域上具有足够且大体上均匀的强度的图像光22的光瞳。
为了执行注视跟踪操作，光学系统14B还可包括注视跟踪部件40。注视跟踪部件40可包括诸如红外发射器36之类的红外光源和诸如红外传感器38之类的红外图像传感器。红外发射器36可发射红外光42。虽然在本文中被称为红外光42，但红外光42可包括红外和/或近红外波长(例如，从700nm直到1000微米的波长)下的光。其中红外光42包括大约950nm的光的示例在本文中有时被描述为示例。红外发射器36可包括一个或多个红外激光器、红外LED、红外OLED、红外uLED或任何其他期望的红外光源。
波导26可包括光栅结构，该光栅结构将红外光42耦合到波导26中并且将红外光42耦合出波导26并且朝向眼箱24耦合。在一些实现方式中，这些光栅结构可形成交叉耦合器32的一部分。换句话说，交叉耦合器32可为可见光交叉耦合器，其对已经由输入耦合器28耦合到波导26中的可见光(诸如图像光22)执行交叉耦合操作(例如，重定向和可选的光瞳扩展)。同时，交叉耦合器32还可用作将红外光42耦合到波导26中的红外输入耦合器。在从波导26的表面反射一次或多次之后(例如，在波导的全内反射(TIR)范围内)，交叉耦合器32可将红外光42耦合出波导26并且朝向眼箱24耦合(例如，交叉耦合器32还可用作将红外光42耦合出波导26并且朝向眼箱24耦合的红外输出耦合器)。在这些实现方式中，交叉耦合器32因此在本文中有时可被称为可见光交叉耦合器、红外输入耦合器、红外输出耦合器、可见光交叉耦合器和红外输入耦合器、可见光交叉耦合器和红外输出耦合器，或者组合的可见光交叉耦合器和红外输入/输出耦合器(例如，可见光交叉耦合器和红外输入/输出耦合器32)。
在其他实现方式中，波导26可包括用于重定向红外光42的专用光栅结构33。因此，光栅结构33在本文中有时可被称为红外光栅结构33。红外光栅结构33与交叉耦合器32分离，因此不对图像光22进行操作。红外光栅结构33可将红外光42耦合到波导26中。在从波导26的表面反射一次或多次之后(例如，在波导的全内反射(TIR)范围内)，红外光栅结构33可将红外光42耦合出波导26并且朝向眼箱24耦合。因此，红外光栅结构33在本文中有时可被称为红外输入耦合器33、红外输出耦合器33、组合的红外输入耦合器和红外输出耦合器33，或者简单地称为红外输入/输出耦合器33。
已耦合出波导26(例如，通过交叉耦合器32或红外输入/输出耦合器33)的红外光42可在眼箱24处从用户眼睛的部分反射作为反射的红外光44。虽然在本文中被称为反射的红外光44，但反射的红外光44可包括红外和/或近红外波长(例如，与红外光42相同的波长)下的光。用于将红外光42从红外发射器36传送到眼箱24的相同光栅结构也可用于将反射的红外光44从眼箱24传送到红外传感器38。例如，交叉耦合器32或红外输入/输出耦合器33可将反射的红外光44耦合到波导26中并且可将反射的红外光44(例如，在从波导26的表面反射一次或多次之后)耦合出波导26并且朝向红外传感器38耦合。
红外传感器38可收集红外图像传感器数据(例如，注视跟踪数据)。例如，控制电路16(图1)可处理所收集的红外图像传感器数据以在眼箱24处随时间推移而识别和/或跟踪用户的注视的方向。如果需要，控制电路16可更新由图像光22传送的图像数据，或者可基于所识别的用户注视方向而执行其他操作。此示例仅为例示性的，并且如果需要，波导26可包括与交叉耦合器32和红外输入/输出耦合器33分离的附加红外光栅结构，该附加红外光栅结构用于将来自眼箱24的反射的红外光44重定向到红外传感器38。
输入耦合器28、交叉耦合器32、红外输入/输出耦合器33和输出耦合器30可基于反射光学器件和折射光学器件，或者可基于全息(例如，衍射)光学器件。在光学耦合器28、30、32或33由反射光学器件和折射光学器件形成的布置中，耦合器可包括一个或多个反射器(例如，微镜、部分镜、百叶窗式反射镜或其他反射器的阵列)。在耦合器28、30、32或33是基于全息光学器件的布置中，耦合器可包括衍射光栅(例如，体积全息图、表面起伏光栅等)。衍射光栅可包括在全息介质中形成(存储)的全息记录(例如，全息相位光栅，在本文中有时被称为全息图)，该全息介质例如为光聚合物、明胶(例如重铬酸盐明胶)、卤化银、全息聚合物分散液晶或其他合适的全息介质。全息介质在本文中有时可被称为光栅介质。
全息记录可存储为光敏光学材料诸如全息介质内的光学干涉图案(例如，不同折射率的交替区域)。该光学干涉图案可产生全息相位光栅，当用给定光源照射该全息相位光栅时，该全息相位光栅衍射光以产生全息记录的三维重建。全息相位光栅可以是用永久干涉图案编码的不可开关的衍射光栅，或者可以是可开关的衍射光栅，其中可以通过控制施加到全息记录介质的电场来调制衍射光。如果需要，可在相同体积的光栅介质内记录多个全息相位光栅(全息图)(例如，叠加在相同体积的光栅介质内)。全息相位光栅可以是例如光栅介质中的体积全息图。也可使用薄膜全息图或其他类型的全息图。
如果需要，耦合器28、30、32和33中的一个或多个耦合器可使用其他类型的衍射光栅结构诸如表面起伏光栅(SRG)结构来实现。表面起伏光栅结构包括经机械切割、蚀刻或以其他方式形成于表面起伏光栅介质中的衍射光栅(例如，表面起伏光栅)。表面起伏光栅衍射入射到表面起伏光栅上的光。表面起伏光栅不是调制光栅介质中的折射率(如执行以产生全息相位光栅诸如体积全息图)，而是通过改变介质跨其横向区域的物理厚度来产生表面起伏光栅。如果需要，可在相同体积的表面起伏光栅介质内多路复用多个表面起伏光栅(例如，两个表面起伏光栅)。
可使用衍射、反射和折射光学器件的任何期望组合来形成耦合器28、30、32和33(例如，可使用诸如表面起伏光栅之类的衍射光栅、体积全息图、薄膜全息图、元光栅或其他衍射光栅、诸如部分反射器、百叶窗式反射镜或其他反射结构之类的反射光学器件以及诸如棱镜或透镜之类的折射光学器件来形成耦合器28、30、32和33的任何期望组合)。在本文作为示例描述的一些实现方式中，输入耦合器28、交叉耦合器32、红外输入/输出耦合器33(例如，在波导26包括红外输入/输出耦合器33的实施方案中)以及输出耦合器30全部由波导26中的一个或多个波导基底上的表面起伏光栅形成。如果需要，用于形成这些光耦合器中的每个光学耦合器的表面起伏光栅可形成于相同表面起伏光栅介质层中。
在本文中作为示例描述的其他实现方式中，交叉耦合器32包括表面起伏光栅结构，省略了红外输入/输出耦合器33，输入耦合器28由透射或反射式输入耦合棱镜、部分反射器、百叶窗式反射镜或体积全息光栅结构形成，并且输出耦合器30由部分反射器、百叶窗式反射镜或体积全息光栅结构形成。这些示例仅为例示性的，并且一般而言，表面起伏光栅结构、反射光学器件、折射光学器件、体积全息光栅结构或其他全息光栅结构的任何期望组合可用于在波导26上形成光学耦合器的任何期望组合。
图3是示出波导26可如何用以重定向图像光22和红外光42两者的前视图。如图3所示，输入耦合器28可将图像光22耦合到波导26中并且朝向交叉耦合器32耦合，如箭头50所示。如箭头52所示，交叉耦合器32可将从输入耦合器28入射的诸如图像光22之类的可见光重定向到输出耦合器30(例如，交叉耦合器32可被配置为将可见波长下和与箭头50相对应的入射角下的光衍射到位于波导26的TIR范围内并与箭头52相对应的输出角上)。交叉耦合器32可以可选地在一个或多个方向上扩展图像光22。输出耦合器30可将图像光22耦合出波导26并且朝向眼箱耦合，如箭头54所示(例如，输出耦合器30可被配置为将可见波长下和与箭头52相对应的入射角下的光衍射到位于波导26的TIR范围之外并与箭头54相对应的输出角上)。以此方式，用户可在眼箱处观察图像光22中的图像。
同时，红外光42可从图2的红外发射器36入射到交叉耦合器32上(例如，输入耦合器28可将图像光22而非红外光42耦合到波导26中)。交叉耦合器32可将红外光42耦合到波导26中并且朝向眼箱耦合，如箭头56所示(例如，交叉耦合器32可被配置为将红外波长下和入射角下的光从红外发射器36衍射到在波导26内并与箭头56相对应的输出角上)。在从波导26的表面反射一次或多次之后，交叉耦合器32可将红外光42耦合出波导26并且朝向眼箱耦合，如箭头58所示(例如，交叉耦合器32可被配置为将在波导26内的红外波长下和入射角下的光衍射到位于波导26的TIR范围之外并与箭头58相对应的输出角上)。虽然为了清楚起见在图3的页面平面中示出了箭头58，但是箭头58在-Y方向上也具有非零分量。
由交叉耦合器32耦合出波导26的红外光42可在眼箱处从用户眼睛的部分(例如，用户的虹膜、瞳孔等)反射作为反射的红外光44。交叉耦合器32可将反射的红外光44耦合到波导26中并且朝向红外传感器耦合，如箭头64所示(例如，交叉耦合器32可被配置为将红外波长下和入射角下的光从眼箱衍射到位于波导26内并与箭头64相对应的输出角上)。在从波导26的表面反射一次或多次之后，交叉耦合器32可将反射的红外光44耦合出波导26并且朝向红外传感器38(图2)耦合，如箭头66所示(例如，交叉耦合器32可被配置为将在波导26内的红外波长下和入射角下的光衍射到位于波导26的TIR范围之外并与箭头66相对应的输出角上)。虽然为了清楚起见在图3的页面平面中示出了箭头66，但是箭头66在-Y方向上也可具有非零分量。以此方式，用于针对图像光22执行交叉耦合和可选的光瞳扩展的相同衍射光栅结构(例如，相同表面起伏光栅)也可执行用于注视跟踪操作中的红外输入和输出耦合。
该示例仅为例示性的。在波导26包括红外输入/输出耦合器33的示例中，红外光42可从图2的红外发射器36入射到红外输入/输出耦合器33上。红外输入/输出耦合器33可将红外光42耦合到波导26中并且朝向眼箱耦合，如箭头60所示(例如，交叉耦合器32可被配置为将红外波长下和入射角下的光从红外发射器36衍射到位于波导26的TIR范围内并与箭头60相对应的输出角上)。在从波导26的表面反射一次或多次之后，红外输入/输出耦合器33可将红外光42耦合出波导26并且朝向眼箱耦合，如箭头62所示(例如，红外输入/输出耦合器33可被配置为将处于波导26内的红外波长下和入射角下的光衍射到位于波导26的TIR范围之外并与箭头62相对应的输出角上)。虽然为了清楚起见在图3的页面平面中示出了箭头62，但是箭头62在-Y方向上也具有非零分量。
由红外输入/输出耦合器33耦合出波导26的红外光42可在眼箱处从用户眼睛反射作为反射的红外光44。红外输入/输出耦合器33可将反射的红外光44耦合到波导26中并且朝向红外传感器耦合，如箭头63所示(例如，红外输入/输出耦合器33可被配置为将红外波长下和入射角下的光从眼箱衍射到波导26内并与箭头63相对应的输出角上)。在从波导26的表面反射一次或多次之后，红外输入/输出耦合器33可将反射的红外光44耦合出波导26并且朝向红外传感器38(图2)耦合，如箭头65所示(例如，红外输入/输出耦合器33可被配置为将处于波导26内的红外波长下和入射角下的光衍射到位于波导26的TIR范围之外并与箭头65相对应的输出角上)。虽然为了清楚起见在图3的页面平面中示出了箭头65，但是箭头65在-Y方向上也可具有非零分量。
图3的示例仅为例示性的。输入耦合器28、交叉耦合器32、输出耦合器30和红外输入/输出耦合器33可具有其他相对位置、形状和尺寸。红外光42可以其他角度入射到交叉耦合器32或红外输入/输出耦合器33上。
在一些实现方式中，省略了红外输入/输出耦合器33，并且输入耦合器28、交叉耦合器32和输出耦合器30全部由表面起伏光栅结构形成。图4是示出输入耦合器28、交叉耦合器32和输出耦合器30可如何全部由表面起伏光栅结构形成的一个示例的横截面底视图。如图4所示，例如表面起伏光栅介质80等光栅介质的层可层叠到波导26的侧表面上。输入耦合器28可包括在表面起伏光栅介质80的第一部分(区)中形成的第一表面起伏光栅结构(例如，第一表面起伏光栅)，交叉耦合器32可包括在表面起伏光栅介质80的第二部分(区)中形成的第二表面起伏光栅结构(例如，第二表面起伏光栅)，并且输出耦合器30可包括在表面起伏光栅介质80的第三部分(区)中形成的第三表面起伏光栅结构(例如，第三表面起伏光栅)(例如，第二表面起伏光栅结构和交叉耦合器32可以光学地插置在输入耦合器28与输出耦合器30之间)。第一表面起伏光栅结构(用于输入耦合器28)可由在表面起伏光栅介质80中具有第一取向的第一组厚度调制形成。第二表面起伏光栅结构(用于交叉耦合器32)可由在表面起伏光栅介质80中具有第二取向的第二组厚度调制形成。第三表面起伏光栅结构(用于输出耦合器30)可由在表面起伏光栅介质80中具有第三取向的第三组厚度调制形成。
如图4所示，输入耦合器28中的第一表面起伏光栅结构可将图像光22耦合到波导26中(例如，以位于波导26的TIR范围内的输出角)。图像光22可由此经由全内反射沿波导26的长度向下传播。一旦图像光22击中交叉耦合器32中的第二表面起伏光栅结构，交叉耦合器32就可将图像光22重定向到输出耦合器30(例如，如图3的箭头52所示)，并且可以可选地针对图像光22执行光瞳扩展。交叉耦合器32可通过将图像光衍射到也位于波导26的TIR范围内的输出角上来重定向图像光22。图像光22可由此经由全内反射沿波导26的长度进一步向下传播。一旦图像光22击中输出耦合器30中的第三表面起伏光栅结构，输出耦合器30就可将在波导26的TIR范围内入射的图像光22重引导出波导并且朝向眼箱24重定向(例如，如图3的箭头54所示)。
交叉耦合器32中的第二表面起伏光栅结构还可将红外光42耦合到波导26中(例如，以位于波导26内并且大体上在眼箱的方向上的输出角)。红外光42可由此沿波导26的长度向下传播(例如，如图3的箭头56所示)。一旦红外光42从与表面起伏光栅介质80相对的波导26的表面反射，红外光42就将从波导26内入射到交叉耦合器32上。一旦红外光42从波导26内击中交叉耦合器32中的第二表面起伏光栅结构，交叉耦合器32就可将红外光42耦合出波导26并且朝向眼箱24耦合(例如，以位于波导26的TIR范围之外并且在眼箱24的方向上的输出角)。交叉耦合器32可将以相对于波导26的侧表面的角度A入射的红外光42耦合到波导26中。交叉耦合器32还可以相对于波导26的侧表面的角度A或以不同于角度A的角度将红外光42耦合出波导26并且朝向眼箱24耦合。
相反地，交叉耦合器32中的第二表面起伏光栅结构也可将反射的红外光44耦合到波导26中(例如，交叉耦合器32可将以角度A入射的反射的红外光44衍射到位于波导26内并且大体上在红外传感器的方向上的输出角上)。反射的红外光44可由此沿波导26的长度向下传播(例如，如图3的箭头64所示)。一旦反射的红外光44从与表面起伏光栅介质80相对的波导26的表面反射，反射的红外光44就将从波导26内入射到交叉耦合器32上。一旦反射的红外光44从波导26内击中交叉耦合器32中的第二表面起伏光栅结构，交叉耦合器32就可将反射的红外光44耦合出波导26并且朝向红外传感器耦合(例如，交叉耦合器32可将反射的红外光44衍射到角度A上，该角度位于波导26的TIR范围之外并且在图2的红外传感器38的方向上)。以此方式，第二表面起伏光栅结构可用作图像光22的可见光交叉耦合器、红外光42的输入耦合器、红外光42的输出耦合器、反射的红外光44的输入耦合器以及反射的红外光44的输出耦合器。
图4的示例仅仅是例示性的。如果需要，交叉耦合器32可将红外光42引导到眼箱24而不将红外光42耦合到波导中，如箭头81所示(例如，交叉耦合器32可将以角度A入射的红外光42在眼箱24的方向上衍射到输出角B上)。因为在此实施方案中，红外光42不传播通过波导26，所以红外光42的总光学效率可大于交叉耦合器32将红外光42耦合到波导26中的情况。类似地，如果需要，交叉耦合器32可将反射的红外光44从眼箱24重定向到红外图像传感器，而不将反射的红外光耦合到波导26中(例如，交叉耦合器32可将以给定角度C入射的反射的红外光44在红外图像传感器的方向上衍射到给定输出角D上)。
如果需要，输入耦合器28可由反射或透射式输入耦合棱镜、百叶窗式反射镜、体积全息图、由不同于表面起伏光栅介质80的表面起伏光栅介质的层形成的表面起伏光栅、其他衍射光栅结构、其他折射光学器件和/或其他反射光学器件形成。类似地，如果需要，输出耦合器30可由百叶窗式反射镜、体积全息图、由不同于表面起伏光栅介质80的表面起伏光栅介质的层形成的表面起伏光栅、其他衍射光栅结构、其他折射光学器件和/或其他反射光学器件形成。在波导26包括图2和图3的红外输入/输出耦合器33的情况下，红外输入/输出耦合器33可由表面起伏光栅介质80的第四部分(区)中的第四表面起伏光栅结构形成。如果需要，在波导26包括红外输入/输出耦合器33的情况下，交叉耦合器32可由用于重定向图像光22的其他衍射、反射和/或折射光学器件(例如，体积全息图、薄膜全息图、元光栅、部分反射器、百叶窗式反射镜等)形成。
为了清楚起见，波导26在图4的示例中被示为包括单个波导基底。一般而言，波导26可包括两个或更多个波导基底堆叠层。在输入耦合器28和/或输出耦合器30包括体积全息图的示例中，体积全息图可被记录在光栅介质中，该光栅介质层叠到波导26的表面上或者被夹在两个或更多个波导基底层之间。如果需要，表面起伏光栅介质80可插置在两个波导基底层之间(例如，波导26可包括层叠在图4的表面起伏光栅介质80上方的附加波导基底)。输入耦合器28、交叉耦合器32和输出耦合器30可分布在散步于一个或多个波导基底层上或之间的多个表面起伏光栅介质层上。如果需要，波导26的一个或多个表面可为弯曲的。
图5是k空间(动量空间)图，示出了相同的表面起伏光栅结构(例如，用于形成交叉耦合器32的表面起伏光栅)可如何用以针对图像光22执行交叉耦合以及针对红外光42和反射的红外光44执行输入/输出耦合。
图5的k空间图是三维k空间的二维投影(例如，在X-Y平面中)。图5的水平轴线以μm-1为单位绘制kx并且图5的竖直轴线以μm-1为单位绘制ky，其中kx表示传播通过光学系统14B的光的k矢量(动量矢量)的X分量，并且ky表示该k矢量的Y分量。
区104表示来自输出耦合器30的视场(例如，如在眼箱24处所提供)。区110表示由输入耦合器28(例如，由图4的第一表面起伏光栅结构)耦合到波导50中的图像光22。区114表示由交叉耦合器32(例如，由图4的第二表面起伏光栅结构)重定向的图像光22。图5的区110和114各自包括三个子区，每个子区对应于由图2的光源44发射的相应波长范围(例如，红色、绿色和蓝色波长范围)。圆100与102之间的区表示k空间中波导26支持全内反射的区。
输入耦合器28所执行的衍射操作由箭头108示意性地表示。箭头108表征输入耦合器28的光栅矢量(例如，箭头108可为输入耦合器28的光栅矢量，其中光栅矢量的取向描述光栅方向，并且光栅矢量的长度描述输入耦合器的光栅频率)。交叉耦合器32对图像光22执行的衍射操作由箭头112示意性地表示。箭头112表征交叉耦合器32的光栅矢量(例如，对图像光22的衍射操作涉及区110内的点处的入射光到区114内的对应点上的衍射，如根据箭头112与区110中的每个点的矢量相加所确定)。输出耦合器30对图像光22执行的衍射操作由箭头116示意性地表示。箭头116表征输出耦合器30的光栅矢量。此衍射产生在眼箱24的视场(区104)内输出以供用户观察的图像光22。
图5的区106表示眼箱24的视场中的将受红外光42照射的部分。区106小于区104。区106可例如对应于令人满意地照射用户的瞳孔、虹膜或用户眼睛的其他生理特征所需的眼箱24的视场的一部分。交叉耦合器32对红外光42执行的衍射操作由箭头118示意性地表示。箭头118表征交叉耦合器32的光栅矢量。因此，箭头118具有与箭头112相同的长度和取向(例如，因为具有由箭头118和112表征的给定光栅矢量的相同表面起伏光栅用于衍射图像光22和红外光42两者)。为了将红外光提供到眼箱24内的区106，红外光42需要入射到区120内的交叉耦合器32上(例如，使得箭头118与区120内的每个点的矢量相加会恢复区106内的对应点)。因为区106比区104小得多，所以交叉耦合器32可由此衍射图像光22(例如，用于波导26内的交叉耦合和光瞳扩展)并且还可衍射红外光42(例如，用于将红外光耦合到波导中和耦合出波导)。交叉耦合器32可类似地操作以用于将反射的红外光44从区106内引导到区120上，以将反射的红外光提供给红外传感器。
其中仅使用单个波导26来引导红外光42、图像光22和反射的红外光44的图4的示例仅为例示性的。如果需要，光学系统14B可包括用于引导红外光42、图像光22和反射的红外光44的一对波导。图6是一个实现方式中的光学系统14B的横截面底视图，其中光学系统14B包括用于引导红外光42、图像光22和反射的红外光44的一对堆叠波导。
如图6所示，光学系统14B可包括堆叠在波导26下方的附加波导26’。波导26和26’可安装在一起(例如，使用光学透明粘合剂)或者可间隔开。附加波导26’可包括对应的输入耦合器28、交叉耦合器32和输出耦合器30。附加波导26’可包括用于形成输入耦合器28、交叉耦合器32和输出耦合器30的表面起伏光栅的表面起伏光栅介质80’的层。如果需要，可在附加波导26’上使用两个或更多个表面起伏光栅介质层。
图像光22可入射在波导26的输入耦合器28上。波导26上的输入耦合器28、交叉耦合器32和输出耦合器30可被配置为衍射图像光22中的第一组一个或多个波长带(例如，颜色通道)。图像光22的未被波导26上的输入耦合器28衍射的波长可被传输到附加波导26’上的输入耦合器28。附加波导26’上的输入耦合器28、交叉耦合器32和输出耦合器30可被配置为衍射图像光22中的第二组一个或多个波长带(例如，颜色通道)(例如，图像光22的未被波导26上的输入耦合器28衍射的波长)。在波导之间划分波长可例如用于最大化每个波导上的表面起伏光栅的衍射效率(例如，因为每个表面起伏光栅被优化为仅衍射可见/红外光谱的子集)。
波导26上的交叉耦合器32和附加波导26’上的交叉耦合器26均可被配置为将红外光42耦合到对应波导中并且朝向眼箱24耦合出该对应波导。例如，未被波导26上的交叉耦合器32衍射的红外光42可传递到附加波导26’上的交叉耦合器32，然后该附加波导将剩余的红外光42重定向到眼箱24。替代地，单独的红外光源36可分别用以照射波导26和26’。在其他实现方式中，交叉耦合器32可将入射的红外光42朝向眼箱24衍射而不将红外光耦合到对应波导中(例如，如图4的箭头81所示)。为了清楚起见，图6仅示出了交叉耦合器32对红外光42的衍射。波导26上的交叉耦合器32和附加波导26’上的交叉耦合器32也可将反射的红外光44(图4)导向红外传感器38。
光学系统14B中的交叉耦合器32(例如，波导26上的交叉耦合器32以及可选地附加波导26’上的交叉耦合器32)可为线性表面起伏光栅或二维表面起伏光栅(例如，在图6的X-Z平面内)。在交叉耦合器32为二维表面起伏光栅的示例中，表面起伏光栅(例如，对应表面起伏光栅介质中的凹槽或凹口)可包括一组重复单位晶胞(例如，当在X-Z平面中观察时)。每个单位晶胞可具有六边形形状、矩形形状、正方形形状或任何其他期望的形状(例如，其中单位晶胞以二维网格布置)。
根据另一实施方案，提供了一种显示系统，所述显示系统包括：波导，所述波导被配置为引导图像光；光源，所述光源被配置为生成红外光；表面起伏光栅，所述表面起伏光栅在所述波导上，所述表面起伏光栅被配置为衍射所述红外光；以及控制电路，所述控制电路被配置为至少部分地基于由所述表面起伏光栅衍射的所述红外光而执行注视跟踪操作。
根据另一实施方案，所述显示系统包括输入耦合器，所述输入耦合器在所述波导上并且被配置为将所述图像光耦合到所述波导中，所述表面起伏光栅被配置为衍射由所述输入耦合器耦合到所述波导中的所述图像光。
根据另一实施方案，所述显示系统包括输出耦合器，所述输出耦合器在所述波导上并且被配置为将所述图像光耦合出所述波导，所述表面起伏光栅被配置为将所述图像光重定向到所述输出耦合器。
根据另一实施方案，所述输入耦合器包括输入耦合棱镜。
根据另一实施方案，所述输出耦合器包括一组体积全息图。
根据另一实施方案，所述输出耦合器包括百叶窗式反射镜。
根据另一实施方案，所述输入耦合器包括一组体积全息图。
根据另一实施方案，所述输入耦合器包括第一附加表面起伏光栅，并且所述输出耦合器包括第二附加表面起伏光栅。
根据一个实施方案，提供了一种显示系统，所述显示系统包括表面起伏光栅介质，所述表面起伏光栅介质层叠在所述波导上，所述表面起伏光栅、所述第一附加表面起伏光栅和所述第二附加表面起伏光栅形成于所述表面起伏光栅介质中。
根据另一实施方案，所述表面起伏光栅被配置为将所述红外光耦合到所述波导中，耦合到所述波导中的所述红外光被配置为从所述波导的表面反射，并且所述表面起伏光栅被配置为将已经从所述波导的所述表面反射的所述红外光耦合出所述波导。
根据另一实施方案，所述表面起伏光栅被配置为将所述红外光耦合到所述波导中，耦合到所述波导中的所述红外光被配置为从所述波导的表面反射，并且所述表面起伏光栅被配置为将已经从所述波导的所述表面反射的所述红外光耦合出所述波导。
根据另一实施方案，所述显示系统包括传感器，所述表面起伏光栅被配置为接收反射的红外光，所述表面起伏光栅被配置为将所述反射的红外光耦合到所述波导中，所述反射的红外光被配置为从所述波导的所述表面反射，所述表面起伏光栅被配置为将已经从所述波导的所述表面反射的所述反射的红外光耦合出所述波导并且朝向所述传感器耦合，所述传感器被配置为基于由所述表面起伏光栅耦合出所述波导的所述反射的红外光而生成传感器数据，并且所述控制电路被配置为至少部分地基于所述传感器数据而执行所述注视跟踪操作。
根据另一实施方案，所述显示系统包括：输入耦合器，所述输入耦合器在所述波导上并且被配置为将所述图像光耦合到所述波导中；输出耦合器，所述输出耦合器在所述波导上并且被配置为将所述图像光耦合出所述波导；以及交叉耦合器，所述交叉耦合器在所述波导上与所述表面起伏光栅分离，所述交叉耦合器被配置为朝向所述输出耦合器重定向由所述输入耦合器耦合到所述波导中的所述图像光。
根据一个实施方案，提供了一种显示系统，所述显示系统包括：波导，所述波导被配置为引导图像光；表面起伏光栅结构，所述表面起伏光栅结构在所述波导上，所述表面起伏光栅结构被配置为：接收反射的红外光，将所述反射的红外光耦合到所述波导中，并且在所述反射的红外光已经从所述波导的表面反射至少一次之后，将所述反射的红外光耦合出所述波导；图像传感器，所述图像传感器被配置为基于由所述表面起伏光栅结构耦合出所述波导的所述反射的红外光而生成图像传感器数据；以及控制电路，所述控制电路被配置为至少部分地基于所述图像传感器数据而执行注视跟踪操作。
根据另一实施方案，所述显示系统包括：输入耦合器，所述输入耦合器被配置为将所述图像光耦合到所述波导中；以及输出耦合器，所述输出耦合器被配置为将所述图像光耦合出所述波导，所述表面起伏光栅结构被配置为朝向所述输出耦合器重定向由所述输入耦合器耦合到所述波导中的所述图像光。
根据另一实施方案，所述表面起伏光栅结构被配置为在至少一个方向上扩展所述图像光。
根据另一实施方案，所述显示系统包括表面起伏光栅介质层，所述表面起伏光栅介质层在所述波导上，所述表面起伏光栅结构形成于所述表面起伏光栅介质层中，并且所述输出耦合器包括形成于所述表面起伏光栅介质层中的附加表面起伏光栅结构。
根据另一实施方案，所述显示系统包括表面起伏光栅介质层，所述表面起伏光栅介质层在所述波导上，所述表面起伏光栅结构形成于所述表面起伏光栅介质层中，并且所述输入耦合器包括形成于所述表面起伏光栅介质层中的附加表面起伏光栅结构。
根据另一实施方案，所述显示系统包括：输入耦合器，所述输入耦合器被配置为将所述图像光耦合到所述波导中；输出耦合器，所述输出耦合器被配置为将所述图像光耦合出所述波导；以及交叉耦合器，所述交叉耦合器与所述表面起伏光栅结构分离，所述交叉耦合器被配置为朝向所述输出耦合器重定向由所述输入耦合器耦合到所述波导中的所述图像光。
根据一个实施方案，提供了一种用于显示图像光的显示系统，所述显示系统包括波导；光源，所述光源被配置为生成红外光；输入耦合器，所述输入耦合器被配置为将所述图像光耦合到所述波导中；输出耦合器，所述输出耦合器在所述波导上并且被配置为将所述图像光耦合出所述波导；以及衍射光栅结构，所述衍射光栅结构在所述波导上，所述衍射光栅结构被配置为形成用于所述图像光的交叉耦合器，被配置为将所述红外光耦合到所述波导中，并且被配置为将所述红外光耦合出所述波导。
根据另一实施方案，所述显示系统包括图像传感器，所述衍射光栅结构被配置为将从眼箱接收到的反射的红外光耦合到所述波导中，并且所述衍射光栅结构被配置为将所述反射的红外光耦合出所述波导并且朝向所述图像传感器耦合。
根据另一实施方案，所述图像传感器被配置为基于所述反射的红外光而生成图像传感器数据，所述显示系统包括被配置为基于所述图像传感器数据而执行注视跟踪操作的控制电路。
根据另一实施方案，所述衍射光栅结构包括线性表面起伏光栅。
根据另一实施方案，所述表面起伏光栅包括具有以二维网格布置的重复单位晶胞的二维表面起伏光栅。
根据另一实施方案，所述显示系统包括：附加波导，所述输入耦合器被配置为将所述图像光的第一组波长带耦合到所述波导中，并且被配置为将所述图像光的第二组波长带传输到所述附加波导；附加输入耦合器，所述附加输入耦合器被配置为将所述图像光的所述第二组波长带耦合到所述附加波导中；附加输出耦合器，所述附加输出耦合器在所述附加波导上并且被配置为将所述图像光的所述第二组波长带耦合出所述附加波导；以及附加衍射光栅结构，所述附加衍射光栅结构在所述波导上，所述附加衍射光栅结构被配置为形成用于所述图像光的所述第二组波长带的交叉耦合器，被配置为将所述红外光耦合到所述附加波导中，并且被配置为将所述红外光耦合出所述附加波导，所述衍射光栅结构包括第一表面起伏光栅并且所述附加衍射光栅结构包括第二表面起伏光栅。
前述内容仅为示例性的并且可对所述实施方案作出各种修改。前述实施方案可独立实施或可以任意组合实施。

Claims (25)

1.一种显示系统，包括：
波导，所述波导被配置为引导图像光；
光源，所述光源被配置为生成红外光；
表面起伏光栅，所述表面起伏光栅位于所述波导上，其中所述表面起伏光栅被配置为衍射所述红外光；以及
控制电路，所述控制电路被配置为至少部分地基于由所述表面起伏光栅衍射的所述红外光而执行注视跟踪操作。
2.根据权利要求1所述的显示系统，还包括：
输入耦合器，所述输入耦合器位于所述波导上并被配置为将所述图像光耦合到所述波导中，其中所述表面起伏光栅被配置为衍射由所述输入耦合器耦合到所述波导中的所述图像光。
3.根据权利要求2所述的显示系统，还包括：
输出耦合器，所述输出耦合器位于所述波导上并被配置为将所述图像光耦合出所述波导，所述表面起伏光栅被配置为将所述图像光朝向所述输出耦合器重定向。
4.根据权利要求3所述的显示系统，其中所述输入耦合器包括输入耦合棱镜。
5.根据权利要求4所述的显示系统，其中所述输出耦合器包括一组体积全息图。
6.根据权利要求4所述的显示系统，其中所述输出耦合器包括百叶窗式反射镜。
7.根据权利要求3所述的显示系统，其中所述输入耦合器包括一组体积全息图。
8.根据权利要求3所述的显示系统，其中所述输入耦合器包括第一附加表面起伏光栅，并且所述输出耦合器包括第二附加表面起伏光栅。
9.根据权利要求8所述的显示系统，还包括：
表面起伏光栅介质，所述表面起伏光栅介质层叠在所述波导上，其中所述表面起伏光栅、所述第一附加表面起伏光栅和所述第二附加表面起伏光栅形成在所述表面起伏光栅介质中。
10.根据权利要求2所述的显示系统，其中所述表面起伏光栅被配置为将所述红外光耦合到所述波导中，耦合到所述波导中的所述红外光被配置为从所述波导的表面反射，并且所述表面起伏光栅被配置为将已经从所述波导的所述表面反射的所述红外光耦合出所述波导。
11.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述表面起伏光栅被配置为将所述红外光耦合到所述波导中，耦合到所述波导中的所述红外光被配置为从所述波导的表面反射，并且所述表面起伏光栅被配置为将已经从所述波导的所述表面反射的所述红外光耦合出所述波导。
12.根据权利要求11所述的显示系统，还包括：
传感器，其中所述表面起伏光栅被配置为接收被反射的红外光，所述表面起伏光栅被配置为将所述被反射的红外光耦合到所述波导中，所述被反射的红外光被配置为从所述波导的所述表面反射，所述表面起伏光栅被配置为将已经从所述波导的所述表面反射的所述被反射的红外光耦合出所述波导并朝向所述传感器耦合，所述传感器被配置为基于由所述表面起伏光栅耦合出所述波导的所述被反射的红外光而生成传感器数据，并且所述控制电路被配置为至少部分地基于所述传感器数据而执行所述注视跟踪操作。
13.根据权利要求11所述的显示系统，还包括：
输入耦合器，所述输入耦合器位于所述波导上并被配置为将所述图像光耦合到所述波导中；
输出耦合器，所述输出耦合器位于所述波导上并被配置为将所述图像光耦合出所述波导；以及
交叉耦合器，所述交叉耦合器位于所述波导上与所述表面起伏光栅分离，其中所述交叉耦合器被配置为朝向所述输出耦合器重定向由所述输入耦合器耦合到所述波导中的所述图像光。
14.一种显示系统，包括：
波导，所述波导被配置为引导图像光；
表面起伏光栅结构，所述表面起伏光栅结构位于所述波导上，其中所述表面起伏光栅结构被配置为：
接收被反射的红外光，
将所述被反射的红外光耦合到所述波导中，以及
在所述被反射的红外光已经从所述波导的表面反射至少一次之后，将所述被反射的红外光耦合出所述波导；
图像传感器，所述图像传感器被配置为基于由所述表面起伏光栅结构耦合出所述波导的所述被反射的红外光而生成图像传感器数据；以及
控制电路，所述控制电路被配置为至少部分地基于所述图像传感器数据而执行注视跟踪操作。
15.根据权利要求14所述的显示系统，还包括：
输入耦合器，所述输入耦合器被配置为将所述图像光耦合到所述波导中；以及
输出耦合器，所述输出耦合器被配置为将所述图像光耦合出所述波导，其中所述表面起伏光栅结构被配置为朝向所述输出耦合器重定向由所述输入耦合器耦合到所述波导中的所述图像光。
16.根据权利要求15所述的显示系统，其中所述表面起伏光栅结构被配置为在至少一个方向上扩展所述图像光。
17.根据权利要求15所述的显示系统，还包括：
表面起伏光栅介质层，所述表面起伏光栅介质层位于所述波导上，其中所述表面起伏光栅结构形成在所述表面起伏光栅介质层中，并且其中所述输出耦合器包括形成在所述表面起伏光栅介质层中的附加表面起伏光栅结构。
18.根据权利要求15所述的显示系统，还包括：
表面起伏光栅介质层，所述表面起伏光栅介质层位于所述波导上，其中所述表面起伏光栅结构形成在所述表面起伏光栅介质层中，并且其中所述输入耦合器包括形成在所述表面起伏光栅介质层中的附加表面起伏光栅结构。
19.根据权利要求14所述的显示系统，还包括：
输入耦合器，所述输入耦合器被配置为将所述图像光耦合到所述波导中；
输出耦合器，所述输出耦合器被配置为将所述图像光耦合出所述波导；以及
交叉耦合器，所述交叉耦合器与所述表面起伏光栅结构分离，其中所述交叉耦合器被配置为朝向所述输出耦合器重定向由所述输入耦合器耦合到所述波导中的所述图像光。
20.一种用于显示图像光的显示系统，所述显示系统包括：
波导；
光源，所述光源被配置为生成红外光；
输入耦合器，所述输入耦合器被配置为将所述图像光耦合到所述波导中；
输出耦合器，所述输出耦合器位于所述波导上并被配置为将所述图像光耦合出所述波导；以及
衍射光栅结构，所述衍射光栅结构位于所述波导上，其中所述衍射光栅结构被配置为形成用于所述图像光的交叉耦合器，被配置为将所述红外光耦合到所述波导中，并且被配置为将所述红外光耦合出所述波导。
21.根据权利要求20所述的显示系统，还包括：
图像传感器，其中所述衍射光栅结构被配置为将从眼箱接收到的被反射的红外光耦合到所述波导中，并且其中所述衍射光栅结构被配置为将所述被反射的红外光耦合出所述波导并朝向所述图像传感器耦合。
22.根据权利要求21所述的显示系统，其中所述图像传感器被配置为基于所述被反射的红外光而生成图像传感器数据，所述显示系统还包括：
控制电路，所述控制电路被配置为基于所述图像传感器数据而执行注视跟踪操作。
23.根据权利要求21所述的显示系统，其中所述衍射光栅结构包括线性表面起伏光栅。
24.根据权利要求21所述的显示系统，其中所述表面起伏光栅包括具有以二维网格布置的重复单位晶胞的二维表面起伏光栅。
25.根据权利要求20所述的显示系统，还包括：
附加波导，其中所述输入耦合器被配置为将所述图像光的第一组波长带耦合到所述波导中，并且被配置为将所述图像光的第二组波长带传输到所述附加波导；
附加输入耦合器，所述附加输入耦合器被配置为将所述图像光的所述第二组波长带耦合到所述附加波导中；
附加输出耦合器，所述附加输出耦合器位于所述附加波导上并被配置为将所述图像光的所述第二组波长带耦合出所述附加波导；以及
附加衍射光栅结构，所述附加衍射光栅结构位于所述波导上，其中所述附加衍射光栅结构被配置为形成用于所述图像光的所述第二组波长带的交叉耦合器，被配置为将所述红外光耦合到所述附加波导中，并且被配置为将所述红外光耦合出所述附加波导，所述衍射光栅结构包括第一表面起伏光栅并且所述附加衍射光栅结构包括第二表面起伏光栅。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US20240094811A1 (en) * 2022-09-16 2024-03-21 Zinn Labs, Inc. Tracking system using a differential camera with a co-aligned light source assembly

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8998414B2 (en) * 2011-09-26 2015-04-07 Microsoft Technology Licensing, Llc Integrated eye tracking and display system
US8929589B2 (en) * 2011-11-07 2015-01-06 Eyefluence, Inc. Systems and methods for high-resolution gaze tracking
WO2014188149A1 (en) * 2013-05-20 2014-11-27 Milan Momcilo Popovich Holographic waveguide eye tracker
US9494799B2 (en) * 2014-09-24 2016-11-15 Microsoft Technology Licensing, Llc Waveguide eye tracking employing switchable diffraction gratings
EP3062142B1 (en) * 2015-02-26 2018-10-03 Nokia Technologies OY Apparatus for a near-eye display
US10838132B1 (en) * 2018-08-21 2020-11-17 Facebook Technologies, Llc Diffractive gratings for eye-tracking illumination through a light-guide

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