CN116981973A - 具有多波长入耦合衍射光学器件的图像光导 - Google Patents

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CN116981973A CN202280018676.6A CN202280018676A CN116981973A CN 116981973 A CN116981973 A CN 116981973A CN 202280018676 A CN202280018676 A CN 202280018676A CN 116981973 A CN116981973 A CN 116981973A
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Abstract

一种用于传送虚拟图像的图像光导包括衬底，可操作以沿着其长度传播图像承载光束。入耦合衍射光学器件沿着衬底形成，并且可操作以将图像承载光束以角度编码形式从图像源衍射到衬底中。出耦合衍射光学器件沿着衬底形成，其中所述出耦合衍射光学器件可操作以将图像承载光束以角度解码形式从衬底衍射。入耦合衍射光学器件具有围绕三个等距轴对称的三个多个周期性衍射结构，并且出耦合衍射光学器件具有两个多个周期性衍射结构，所述两个多个周期性衍射结构具有与入耦合衍射光学器件的三个多个周期性衍射结构中的两个等同的周期性。出耦合衍射光学器件的两个多个周期性衍射结构也平行于入耦合衍射光学器件的三个多个周期性衍射结构中的两个。

Description

具有多波长入耦合衍射光学器件的图像光导
技术领域
本公开总体上涉及电子显示器，并且更特别地涉及利用具有衍射光学器件的图像光导向观看者传送图像承载光(image-bearing light)的显示器。
背景技术
头戴式显示器(HMD)和虚拟图像近眼显示器正被开发用于一系列不同的用途，包括军事、商业、工业、消防和娱乐应用。针对这些应用中的许多应用，形成可以在视觉上叠加在位于HMD用户的视场中的真实世界图像上的虚拟图像是有价值的。光学图像光导可以在狭窄的空间中将图像承载光传送给观看者，用于将虚拟图像引导到观看者的瞳孔并且使能实现该叠加功能。
尽管常规的图像光导布置已经提供了近眼显示光学器件的体积、重量和总体成本的显著降低，但是仍需要进一步改进。在一些实例中，眼盒的大小受到约束，迫使HMD设计限制移动和设备放置的公差。光通常可能会不均匀地分布在视场上，从而导致热点，诸如视场中心内的较高光级和视场外围内的较低光级。波导内的束管理功能(包括束扩展和光分布功能)可以增加波导的大小以及它们的制造成本和复杂性。
发明内容
在第一示例性实施例中，一种用于传送虚拟图像的图像光导包括衬底，可操作以沿着其长度传播图像承载光束。入耦合衍射光学器件沿着衬底形成，并且可操作以将图像承载光束以角度编码形式从图像源衍射到衬底中。出耦合衍射光学器件沿着衬底形成，其中出耦合衍射光学器件可操作以将图像承载光束以角度解码形式从衬底衍射。入耦合衍射光学器件具有三个多个周期性衍射结构，并且出耦合衍射光学器件具有两个多个周期性衍射结构，所述两个多个周期性衍射结构具有与入耦合衍射光学器件的三个多个周期性衍射结构中的两个多个周期性衍射结构等同的周期性。出耦合衍射光学器件的两个多个周期性衍射结构也平行于入耦合衍射光学器件的三个多个周期性衍射结构中的两个多个周期性衍射结构。
附图说明
随附附图作为说明书的一部分并入本文中。本文中描述的附图图示了目前公开的主题的实施例，并且是本公开的所选原理和教导的说明。然而，附图并没有图示目前公开的主题的所有可能的实施方式，并且不意图以任何方式限制本公开的范围。
图1示出了图像光导的简化截面视图，其示出了图像承载束沿着传播方向的扩展，用于扩展眼盒的一个维度。
图2示出了具有转向光栅的图像光导的透视图，其示出了图像承载束垂直于传播方向的扩展，用于扩展眼盒的第二维度。
图3A示出了根据目前公开的主题的示例性实施例的具有入耦合衍射光学器件的图像光导的示意性平面视图，该入耦合衍射光学器件具有周期性衍射结构的三个图案。
图3B示出了根据目前公开的主题的示例性实施例的具有入耦合衍射光学器件的图像光导的示意性平面视图，该入耦合衍射光学器件具有周期性衍射结构的三个图案。
图3C示出了根据目前公开的主题的示例性实施例的具有入耦合衍射光学器件的图像光导的示意性平面视图，该入耦合衍射光学器件具有周期性衍射结构的三个图案。
图3D示出了根据图3A的图像光导内的图像承载光的第一波长范围的路径的示意图的一部分。
图3E示出了根据图3A的图像光导内的图像承载光的第二波长范围的路径的示意图的一部分。
图4A示出了根据目前公开的主题的示例性实施例的具有中间衍射光学器件的图像光导的示意性平面视图，该中间衍射光学器件至少部分地位于入耦合衍射光学器件周围。
图4B示出了根据目前公开的主题的示例性实施例的具有中间衍射光学器件的图像光导的示意性平面视图，该中间衍射光学器件至少部分地位于入耦合衍射光学器件周围。
图4C示出了根据目前公开的主题的示例性实施例的具有中间衍射光学器件的图像光导的示意性平面视图，该中间衍射光学器件至少部分地位于入耦合衍射光学器件周围。
图5A示出了根据目前公开的主题的示例性实施例的具有入耦合和出耦合衍射光学器件的图像光导的示意性平面视图，该入耦合和出耦合衍射光学器件被配置为单个连续衍射图案。
图5B示出了根据目前公开的主题的示例性实施例的具有入耦合和出耦合衍射光学器件的图像光导的示意性平面视图，该入耦合和出耦合衍射光学器件被配置为单个连续衍射图案。
图5C示出了根据目前公开的主题的示例性实施例的具有入耦合和出耦合衍射光学器件的图像光导的示意性平面视图，该入耦合和出耦合衍射光学器件被配置为单个连续衍射图案。
图6示出了根据目前公开的主题的示例性实施例的可操作以扩展和出耦合图像承载束的复合衍射光栅图案的一部分的示意图。
图7示出了根据目前公开的主题的示例性实施例的堆叠成像光导系统。
图8示出了根据目前公开的主题的示例性实施例的用于使用成像光导的增强现实观看的显示系统。
图9示出了根据目前公开的主题的示例性实施例的入耦合衍射光学器件的周期性光栅结构。
图10示出了根据目前公开的主题的示例性实施例的具有入耦合衍射光学器件的图像光导的示意性平面视图，该入耦合衍射光学器件具有周期性衍射结构的三个图案。
具体实施方式
要理解的是，本发明可以假设各种替代取向和步骤序列，除了明确相反地指定。还要理解，在所附附图中图示并且在以下说明书中描述的具体装配件和系统仅是本文中定义的发明概念的示例性实施例。因此，除非另有明确规定，否则与所公开的实施例相关的具体尺寸、方向或其他物理特性不应被视为限制性的。而且，尽管它们可能不是，但是在本申请的该区段内，本文中描述的各种实施例中的类似元素通常可以用类似的附图标记来指代。
在本文中使用的情况下，术语“第一”、“第二”等等不一定标示任何序数、顺序或优先级关系，而仅是被用于更清晰地将一个元素或元素集合与另一元素或元素集合区分开来，除非另有指定。
在本文中使用的情况下，术语“观看者”、“操作员”、“观察者”和“用户”被视为等同物，并且指的是使用具有成像光导的设备佩戴和/或观看图像的人或机器。
在本文中使用的情况下，术语“集合”是指非空集，因为元素集合或集合成员的概念在初等数学中被广泛理解。除非另有明确规定，否则术语“子集”在本文中被用于指非空真子集，即，较大集合的具有一个或多个成员的子集。针对集合S，子集可以包括完整集合S。然而，集合S的“真子集”被严格包含在集合S中，并且排除集合S的至少一个成员。
在本文中使用的情况下，术语“耦合(coupled)”、“耦合器”或“耦合(coupling)”在光学器件的上下文中是指通过其光从一个光学介质或设备行进到另一光学介质或设备的连接。
在本文中使用的情况下，术语“束扩展”意图意指经由与光学元件多次相遇来复制束，以在一个或多个方向上提供出射光瞳扩展。类似地，在本文中使用的情况下，术语“扩展的图像承载光束”和“角度相关束的扩展集合”是指经由与光学元件的多次相遇而复制的光束，以在一个或多个方向上提供出射光瞳扩展。
光学系统(诸如HMD)可以产生虚拟图像显示。与用于形成真实图像的方法形成对照，虚拟图像未被形成在显示表面上。即，如果显示表面被定位在虚拟图像的感知位置处，则将不会在该表面上形成图像。虚拟图像显示对于增强现实呈现具有多个固有优点。例如，虚拟图像的表观大小不受显示表面的大小或位置的限制。附加地，虚拟图像的源对象可能很小；例如放大镜提供对象的虚拟图像。与投影真实图像的系统相比，更真实的观看体验可以通过形成看起来相距一定距离的虚拟图像来提供。提供虚拟图像还消除了对屏幕伪影的补偿的需要，这在投影真实图像时可能是必要的。
图像光导可以利用来自光源(诸如投影仪)的图像承载光来显示虚拟图像。例如，来自投影仪的准直的、相对角度编码的光束通过输入耦合(诸如入耦合衍射光学器件)被耦合到平面波导中，该输入耦合可以被安装或形成在平面波导的表面上或埋在波导内。这样的衍射光学器件可以被形成为衍射光栅、全息光学元件(HOE)或以其他已知方式形成。例如，衍射光栅可以通过表面起伏来形成。在沿着波导传播之后，衍射光可以通过类似的输出耦合(诸如出耦合衍射光学器件)被引导回到波导之外，该输出耦合可以被布置为沿着虚拟图像的一个维度提供光瞳扩展。此外，转向光栅可以被定位在波导上/波导中，以在虚拟图像的正交维度上提供光瞳扩展。从波导输出的图像承载光为观看者提供了扩展的眼盒。
如图1中所图示的，图像光导10可以包括具有平面平行表面12、14的平面波导22。波导22包括透明衬底S，该透明衬底S例如可以由光学玻璃或塑料制成，具有平面平行的第一表面12和第二表面14。在该示例中，入耦合衍射光学器件IDO和出耦合衍射光学器件ODO被布置在第二表面14上，并且入耦合衍射光学器件IDO是反射类型衍射光栅，通过该反射型衍射光栅，图像承载光WI被耦合到平面波导22中。然而，入耦合衍射光学器件IDO可以交替地是体积全息图或其他全息衍射元件或者为传入的图像承载光WI提供衍射的其他类型的光学组件。入耦合衍射光学器件IDO可以位于平面波导22的第一表面12或第二表面14上，并且可以是透射类型或反射类型，这取决于图像承载光WI从其接近平面波导22的方向。
当用作虚拟显示系统的一部分时，入耦合衍射光学器件IDO将来自真实图像源18的图像承载光WI耦合到平面波导22的衬底S中。任何真实图像或图像维度首先被转换成对图像内的不同位置进行编码的重叠角度相关束的阵列，以用于呈现给入耦合衍射光学器件IDO。图像承载光WI被衍射(一般通过第一衍射阶)，并且由此通过入耦合衍射光学器件IDO重定向到平面波导22中作为图像承载光WG，以通过全内反射(“TIR”)沿着平面波导22进一步传播。尽管衍射到与TIR设置的边界保持一致的角度相关束的一般更密集的范围中，但是图像承载光WG以编码形式保留图像信息。出耦合衍射光学器件ODO接收编码的图像承载光WG，并且将图像承载光WG从平面波导22衍射(一般也通过第一衍射阶)，作为朝向观看者眼睛的意图位置的图像承载光WO。一般而言，出耦合衍射光学器件ODO相对于入耦合衍射光学器件IDO对称地设计，以恢复图像承载光WO的输出的角度相关束之间的图像承载光WI的原始角度关系。然而，为了增加在其内可以看到虚拟图像的所谓眼盒E中的角度相关束之间的一个维度的重叠，出耦合衍射光学器件ODO被布置为多次遇到图像承载光WG，并且在每次遇到时仅衍射图像承载光WG的一部分。沿着出耦合衍射光学器件ODO的长度的多次相遇具有放大图像承载光WO的角度相关束中的每一个的一个维度的效果，由此扩展在其内束重叠的眼盒E的一个维度。扩展的眼盒E降低了对用于观看虚拟图像的观看者眼睛的位置的灵敏度。
折射率沿着单个维度变化的出耦合衍射光学器件可以通过在与出耦合衍射光学器件相遇之间沿着波导的其传播方向复制各个角度相关束来扩展眼盒的一个维度。此外，折射率沿着第二维度变化的出耦合衍射光学器件可以扩展眼盒的第二维度并且提供眼盒的二维扩展。沿着出耦合衍射光学器件的第一维度的折射率变化可以被布置为在每次与出耦合衍射光学器件相遇时通过期望的一阶衍射将每个束的能量的一部分衍射出波导，同时保留束能量的另一部分以供在其原始方向上通过零阶衍射进一步传播。沿着出耦合衍射光学器件的第二维度的折射率变化可以被布置为在每次与出耦合衍射光学器件相遇时通过期望的一阶衍射在相对于束的原始传播方向成角度的方向上衍射每个束的能量的一部分，同时保留束能量的另一部分以供在其原始方向上通过零阶衍射进一步传播。
出耦合衍射光学器件ODO被示出为布置在平面波导22的第二表面14上的透射类型衍射光栅。然而，如入耦合衍射光学器件IDO一样，出耦合衍射光学器件ODO可以位于平面波导22的第一表面12或第二表面14上，并且是组合的透射类型或反射类型的，这取决于图像承载光WG意图离开平面波导22所通过的方向。
如图2中所图示的，图像光导20可以被布置用于在两个维度上扩展眼盒E，即，沿着意图图像的x轴和y轴两者。为了实现束扩展的第二维度，具有光栅矢量k0的入耦合衍射光学器件IDO被定向为朝向具有光栅矢量k1的中间光学器件TO衍射图像承载光WI的一部分，该中间光学器件TO被定向为以反射模式朝向出耦合衍射光学器件ODO衍射图像承载光WG的一部分。中间光学器件TO在本文中可以被称为转向光栅或转向光学器件。在实施例中，中间光学器件TO是表面起伏光栅。在另一实施例中，中间光学器件TO是全息光学元件。仅图像承载光WG的一部分通过与中间光学器件TO的多次相遇中的每一次而衍射，由此横向复制接近出耦合衍射光学器件ODO的图像承载光WG的角度相关束中的每一个。中间光学器件TO将图像承载光WG朝向出耦合衍射光学器件ODO重定向，用于在离开平面波导22之前在第二维度中纵向复制图像承载光WG的角度相关束作为图像承载光WO。光栅矢量(诸如所描绘的光栅矢量k0、k1、k2)在法向于衍射光学器件的衍射特征(例如凹槽、线或划线)的方向上延伸，并且具有与衍射光学器件IDO、TG、ODO的周期或节距d(即，凹槽之间的在中心距离)相反的幅度。入耦合衍射光学器件IDO、中间光学器件TO和出耦合衍射光学器件ODO可以每个具有不同的周期或节距d。
继续参照图2，入耦合衍射光学器件IDO接收传入图像承载光WI，它包含与图像源18生成的图像内的各个像素或等同位置相对应的角度相关束集合。可操作以生成用于产生虚拟图像的全范围角度编码束的图像源18可以是但不限于与聚焦光学器件一起的真实显示器、用于更直接地设置束角度的束扫描仪或者诸如与扫描仪一起使用的一维真实显示器之类的组合。在一些示例中，图像源18包括一个或多个发光二极管(LED)、有机LED(OLED)或超LED(uLED)。在其他示例中，图像源18是彩色场顺序投影仪系统，可操作以将多个波段的图像承载光(例如来自红色、绿色和蓝色波长范围内的光)脉冲到数字光调制器/微镜阵列(“DLP”)或硅上液晶(“LCOS”)显示器上。在另外的示例中，图像源18包括一个或多个微微投影仪，其中每个微微投影仪被配置为产生单个原色带(例如红色、绿色或蓝色)。在另一示例中，图像源18包括被布置为产生所有三个原色带(例如红色、绿色和蓝色)的单个微微投影仪。在一个示例中，三个原色带是波长在495nm和570nm之间的范围内的绿色带、波长在620nm和750nm之间的范围内的红色带以及波长在450nm和495nm之间的范围内的蓝色带。
图像光导20通过提供图像承载光WG与中间光学器件TO和出耦合衍射光学器件ODO两者在不同取向上的多次相遇而在图像的二维中输出角度相关束的扩展集合。在平面波导22的原始取向中，中间光栅TG在y轴方向上提供束扩展，并且出耦合衍射光学器件ODO在x轴方向上提供类似的束扩展。衍射光学器件IDO、ODO、TG的反射率特性和相应周期d以及它们相应的光栅矢量的取向提供了二维上的束扩展，同时保留了从图像光导20输出的作为图像承载光WO的图像承载光WI的角度相关束之间的意图关系。
当输入到图像光导20中的图像承载光WI由入耦合衍射光学器件IDO编码为不同的角度相关束集合时，重构图像所需的信息通过计及入耦合衍射光学器件IDO的系统效应来保留。位于入耦合衍射光学器件IDO和出耦合衍射光学器件ODO之间的中间位置的中间光学器件TO通常被布置为使得它不会在图像承载光WG的编码上引发任何显著改变。出耦合衍射光学器件ODO通常以相对于入耦合衍射光学器件IDO对称的方式布置，例如包括共享相同周期的衍射特征。类似地，中间光学器件TO的周期通常也与入耦合衍射光学器件IDO和出耦合衍射光学器件ODO的公共周期相匹配。如图2中所图示的，中间光学器件TO的光栅矢量k1可以相对于其他光栅矢量k0、k2(全部作为无向线段)以45度定向。然而，在实施例中，中间光学器件TO的光栅矢量k1相对于入耦合衍射光学器件IDO和出耦合衍射光学器件ODO的光栅矢量k0、k2以60度定向，以这样的方式使得图像承载光WG被转向120度。通过将中间光学器件TO的光栅矢量k1相对于入耦合衍射光学器件IDO和出耦合衍射光学器件ODO的光栅矢量k0、k2以60度定向，光栅矢量k0、k2也相对于彼此以60度定向(再次被认为是无向线段)。三个光栅矢量k0、k1、k2(作为有向线段)形成等边三角形，并且求和为零矢量幅度，这避免了可能引入包括色散的不希望的像差的不对称效应。
被衍射到平面波导22中的图像承载光WI由入耦合衍射光学器件IDO有效编码，无论入耦合衍射光学器件IDO使用光栅、全息图、棱镜、反射镜还是某种其他机制。在入耦合衍射光学器件IDO处发生的光的任何反射、折射和/或衍射必须由出耦合衍射光学器件ODO对应地解码，以重新形成被呈现给观看者的虚拟图像。放置在入耦合衍射光学器件IDO和出耦合衍射光学器件ODO之间的中间位置处的中间光学器件TO通常被设计和定向为使得它不会在编码光上引发任何改变。出耦合衍射光学器件ODO将图像承载光WG解码成其原始或期望形式的角度相关束，该角度相关束已经被扩展以填充眼盒E。
无论在中间光学器件TO以及入耦合衍射光学器件IDO和出耦合衍射光学器件ODO之间是否维持任何对称性或者图像承载光WI的角度相关束的编码的任何改变是否沿着平面波导22发生，中间光学器件TO以及入耦合衍射光学器件IDO和出耦合衍射光学器件ODO都是相关的，使得从平面波导22输出的图像承载光WO保留或以其他方式维持图像承载光WI的原始形式或期望形式，用于产生意图的虚拟图像。
字母“R”表示其眼睛在眼盒E中的观看者可见的虚拟图像的取向。如所示，表示的虚拟图像中的字母“R”的取向与如图像承载光WI编码的字母“R”的取向相匹配。传入的图像承载光WI相对于x-y平面围绕z轴的旋转或角度取向的改变引起来自出耦合衍射光学器件ODO的传出光的旋转或角度取向的对应对称改变。从图像取向的方面来看，中间光学器件TO简单地充当一种类型的光学中继，提供图像承载光WG的角度编码束沿着图像的一个轴(例如沿着y轴)的扩展。出耦合衍射光学器件ODO进一步沿着图像的另一轴(例如沿着x轴)扩展图像承载光WG的角度编码束，同时维持由图像承载光WI编码的虚拟图像的原始取向。如图2中所图示的，中间光学器件TO可以是布置在平面波导22的前表面或后表面上的倾斜或方形光栅。交替地，中间光学器件TO可以是闪耀光栅。
本公开提供了一种图像光导，它具有提高的衍射效率和跨输出孔径的图像承载光输出强度。更具体地，本公开尤其提供了一种波导，该波导具有复合入耦合衍射光学器件和复合出耦合衍射光学器件，可操作以在二维中扩展图像承载光束，并且朝向眼盒输出扩展的图像承载光束。
如图3A中所图示的，在实施例中，图像光导100可以具有形成在图像光导100的第一表面102上/中的入耦合衍射光学器件IDO和出耦合衍射光学器件ODO。交替地，入耦合衍射光学器件IDO和出耦合衍射光学器件ODO中的一个或两者可以被形成在图像光导100的与第一表面102相对定位的第二表面上/中。在实施例中，入耦合衍射光学器件IDO包括三个多个周期性光栅结构104、106、108。例如，如图9中所示，入耦合衍射光学器件IDO可以包括平行于y轴的第一周期性线性光栅结构集合104、相对于第一周期性线性光栅结构集合104旋转/偏移大于60度(例如70°)的第二周期性线性光栅结构集合106以及相对于第一周期性线性光栅结构集合104旋转/偏移大于-60度(例如-70°)的第三周期性线性光栅结构集合108。入耦合衍射光学器件IDO的第一周期性光栅结构集合104具有法向于周期性光栅结构104延伸的光栅矢量k1。入耦合衍射光学器件IDO的第二光栅结构集合106和第三光栅结构集合108分别具有法向于周期性光栅结构106、108延伸的第二光栅矢量k2和第三光栅矢量k3。在实施例中，第一周期性光栅结构集合104具有与第二周期性光栅结构集合106和第三周期性光栅结构集合108不同的周期性。
应该领会，在操作中，图像承载光束的入射到入耦合衍射光学器件IDO的第一周期性光栅结构集合104、第二周期性光栅结构集合106和第三周期性光栅结构集合108上的至少一部分经历衍射，并且被引导到图像光导100中作为图像承载光WG，用于通过TIR和/或通过衍射反射在图像光导100内进一步传播。为了图示目前公开的实施例的一个或多个性质，除非另有规定，否则本文中依据图像承载光束WI的一个或多个部分的光路来描述和示出图像光导100，该图像承载光束WI在入射到其上时法向于入耦合衍射光学器件IDO的平面布置。然而，本领域技术人员将认识到，这些描述不是限制性的，并且入射到入耦合衍射光学器件IDO上的图像承载光WI可以以系统被优化的任何角度和任何波长来布置。应该领会，通过光路，意味着在优化系统内包括图像承载光可以在衬底中采用的任何光路，并且可以进一步包括波长范围和入射角范围。例如，在实施例中，入射到入耦合衍射光学器件IDO上的图像承载光WI以针对其系统被优化的入射角范围和波长范围内的任何角度和任何波长来布置。在实施例中，入射角范围在零(法向入射)和距表面法线近似十度之间。在另一实施例中，入射角范围在距表面法线零和近似三十度之间。在又另一实施例中，入射角范围在距表面法线零和近似四十五度之间。在另外的实施例中，入射角范围在距表面法线零和近似六十度之间。在另一示例中，图像承载光束WI的中心射线沿着入耦合衍射光学器件IDO的法线被入射到入耦合衍射光学器件IDO上，图像承载光WI的一部分被入射到第一周期性光栅结构集合104、第二周期性光栅结构集合106和第三周期性光栅结构集合108中的每一个上。在该示例中，图像承载光WI的部分平行于第一光栅矢量k1、第二光栅矢量k2和第三光栅矢量k3的方向被引导朝向出耦合衍射光学器件ODO。第二周期性光栅结构集合106和第三周期性光栅结构集合108将图像承载光的部分引导朝向出耦合衍射光学器件ODO的外部区域(在y轴方向上)。将入射到入耦合衍射光学器件IDO上的图像承载光的部分引导朝向出耦合衍射光学器件ODO的外部区域(在y轴方向上)降低了从出耦合衍射光学器件ODO的中心(在y轴方向上)出耦合的图像承载光的强度。这种配置减少或消除了眼盒中的热点。
第一周期性光栅结构集合104、第二周期性光栅结构集合104和第三周期性光栅结构集合108缺乏正六边形对称性。如图9中所图示的，在实施例中，入耦合衍射光学器件IDO由多个六边形晶胞109形成。六边形晶胞109描述了不规则的六边形。例如，在周期性光栅结构104、106、108描述线性光栅的情况下，周期性光栅结构104、106、108被布置为使得它们形成等腰三角形(参见图9)。换言之，在一个实施例中，第一周期性光栅结构104与图像光导的x轴或y轴平行，并且第二周期性光栅结构106和第三周期性光栅结构108与第一周期性光栅结构104不平行。此外，第二周期性光栅结构106和第三周期性光栅结构108可以彼此对称，但是相对于第一周期性光栅结构104是非对称的。即，周期光栅结构104、105、108未被布置为形成等边三角形。相反，第二周期性衍射结构集合106相对于第一周期性衍射结构集合104偏移大于六十度，并且第三周期性衍射结构集合108相对于第一周期性衍射结构集合偏移大于负六十度。第一周期性光栅结构集合104包括第一周期，并且第二周期性光栅结构集合106和第三周期性光栅结构集合108包括第二周期。第二周期不同于第一周期。在实施例中，第一周期包括比第二周期小的周期性，使得第一周期性光栅结构集合104可操作以更高效地衍射红色波长范围R内的图像承载光(例如参见图3D)。在实施例中，第一周期包括比第二周期大的周期性，使得第一周期性光栅结构集合104可操作以更高效地衍射红色波长范围R内的图像承载光。在实施例中，第二周期性光栅结构集合106和第三周期性光栅结构集合108可操作以衍射蓝色波长范围B内的图像承载光(参见例如图3D)。例如，与第二周期性光栅结构集合106和第三周期性光栅结构集合108相比，第一周期性光栅结构集合104的特征可以由大于50nm的节距分离。在实施例中，入耦合衍射光学器件IDO跨图像光导100的纵轴115具有双侧对称性。通过“更高效地”衍射某一波长中的图像承载光，意味着更大量的图像承载光进入期望的衍射阶。期望的衍射阶可以包括但不限于第一衍射阶、第二衍射阶、反射衍射阶或透射衍射阶。
在实施例中，出耦合衍射光学器件ODO包括第四周期性光栅结构集合110、第五周期性光栅结构集合112和第六周期性光栅结构集合114。第四周期性光栅结构集合110、第五周期性光栅结构集合112和第六周期性光栅结构集合114也缺乏全六边形对称性。第四周期性光栅结构集合110、第五周期性光栅结构集合112和第六周期性光栅结构集合114分别与第一周期性光栅结构集合104、第二周期性光栅结构集合106和第三周期性光栅结构集合108平行。第四周期性光栅结构集合110、第五周期性光栅结构集合112和第六周期性光栅结构集合114形成复合衍射光学器件，其可操作以扩展和出耦合来自出耦合衍射光学器件ODO的图像承载光。在实施例中，第五周期性光栅结构集合112与第六周期性光栅结构集合114交叉。如图3A中所图示的，在实施例中，第四周期性光栅结构集合110与入耦合衍射光学器件IDO的第一周期性光栅结构集合104平行，第五周期性光栅结构集合112与入耦合衍射光学器件IDO的第二周期性光栅结构集合106平行，并且第六周期性光栅结构集合114与入耦合衍射光学器件IDO的第三周期性光栅结构集合108平行。第四周期性光栅结构集合110、第五周期性光栅结构集合112和第六周期性光栅结构集合114也可以分别具有与第一周期性光栅结构集合104、第二周期性光栅结构集合106和第三周期性光栅结构集合108相同的周期性。在实施例中，出耦合衍射光学器件ODO跨图像光导100的纵轴115具有双侧对称性。
出耦合衍射光学器件ODO的第四周期性光栅结构集合110、第五周期性光栅结构集合112和第六周期性光栅结构集合114分别形成第四光栅矢量k4、第五光栅矢量k5和第六光栅矢量k6。在实施例中，光栅矢量k4与光栅矢量k1平行。光栅矢量k5从入耦合光栅矢量k1和x轴偏移六十度(+60°)，并且光栅矢量k6从入耦合光栅矢量k1和x轴偏移负六十度(-60°)。
如图3D中所图示的，在实施例中，第一周期性光栅结构集合104和第四周期性光栅结构集合110具有大致相同的光栅节距，并且被配置为更高效地衍射第一波长范围R的图像承载光束(例如红光)。在操作中，第一波长范围R的图像承载光束的入射到入耦合衍射光学器件IDO的第一周期性光栅结构集合104、第二周期性光栅结构集合106和第三周期性光栅结构集合108上的至少一部分经历衍射，并且被引导到图像光导100中作为图像承载光WGR，用于通过TIR和/或通过衍射反射在图像光导100内进一步传播。为了图示目前公开的实施例的一个或多个性质，除非另有规定，否则下面尤其依据图像承载光束WI的一个或多个部分的光路来描述图像光导100，该图像承载光束WI在入射到其上时法向于入耦合衍射光学器件IDO的平面布置。然而，本领域技术人员将认识到，这些描述不是限制性的，并且入射到入耦合衍射光学器件IDO上的图像承载光WI可以以针对其系统被优化的任何角度来布置。
在图3D和3E中，示出图像承载光WIR、WIB的光路部分的箭头意图图示使得目前公开的实施例的配置能够对图像承载光的多于一个波长范围进行入耦合、传播、扩展和出耦合的原理，并且箭头不表示其任何幅度。
例如，在图像承载光束WI的中心射线沿着入耦合衍射光学器件IDO的法线被入射到入耦合衍射光学器件IDO的情况下，图像承载光WI的一部分被入射到第一周期性光栅结构集合104、第二周期性光栅结构集合106和第三周期性光栅结构集合108中的每一个上。在该示例中，图像承载光WIR的第一波长范围R的部分平行于第一光栅矢量k1的方向被引导朝向出耦合衍射光学器件ODO。图像承载光束WGR的入射到第四周期性光栅结构集合110的第一波长范围R的一部分被出耦合为图像承载光WOR。图像承载光束WGR的第一波长范围R的另一部分沿着原始标称传播方向继续，并且被入射到第六周期性光栅结构集合114上并且被衍射，并且图像承载光束WGR的一部分在大致y轴方向上被引导朝向出耦合衍射光学器件ODO的外边缘。在y轴方向上传播的图像承载光束WGR的一部分被入射到第五周期性光栅结构集合112上并且被衍射，并且图像承载光束WGR的一部分大致在x轴方向上被引导。当图像承载光束WGR的一部分再次被入射到第四周期性光栅结构集合110上时，图像承载光束WGR的另一部分被出耦合为图像承载光WOR。本领域技术人员将认识到，图3D没有示出图像承载光束WGR的衍射的每个实例和/或次序，以促进容易理解目前公开的主题。
图3E是示出了图像光导100中的蓝光B衍射的示例的示意图。第二周期性光栅结构集合106、第三周期性光栅结构集合108、第五周期性光栅结构集合112和第六周期性光栅结构集合114具有大致相同的光栅节距，并且被配置为更高效地衍射第二波长范围B的图像承载光束(例如蓝光)。在图像承载光束WI的中心射线沿着入耦合衍射光学器件IDO的法线被入射到入耦合衍射光学器件IDO上的情况下，图像承载光W1的一部分被入射到第一周期性光栅结构集合104、第二周期性光栅结构集合106和第三周期性光栅结构集合108中的每一个上。在该示例中，被入射到入耦合衍射光学器件IDO的第一周期性光栅结构集合104、第二周期性光栅结构集合106和第三周期性光栅结构集合108上的第二波长范围B的图像承载光束WIB的至少一部分经历衍射，并且被引导到图像光导100中作为图像承载光WGB，用于通过TIR和/或通过衍射反射在图像光导100内进一步传播。图像承载光束WGB的部分平行于第二光栅矢量k2和第三光栅矢量k3的方向被引导朝向出耦合衍射光学器件ODO。
例如，平行于第二光栅矢量k2定向并且入射到第五周期性光栅结构集合112上的图像承载光束WGB的一部分被出耦合为图像承载光WOB。入射到第六周期性光栅结构集合114上的图像承载光束WGB的另一部分被衍射并且大致在x轴方向上被引导。当图像承载光束WGB的这一部分然后被入射到第五周期性光栅结构集合112上时，图像承载光束WGB再次被衍射，并且图像承载光WGB的一部分大致平行于第六光栅矢量k6被引导。当图像承载光束WGR的这一部分然后被入射到第六周期性光栅结构集合114上时，图像承载光WGR的另一部分被出耦合为图像承载光WOB。
类似地，平行于第三光栅矢量k3定向并且入射到第六周期性光栅结构集合114上的图像承载光束WGB的一部分被出耦合为图像承载光WOB。入射到第五周期性光栅结构集合112上的图像承载光束WGB的一部分被衍射并且大致在x轴方向上被引导。当图像承载光束WGB的这一部分然后被入射到第六周期性光栅结构集合114上时，图像承载光束WGB再次被衍射，并且图像承载光WGB的一部分大致平行于第五光栅矢量k5被引导。当图像承载光束WGB的这一部分然后被入射到第五周期性光栅结构集合112上时，图像承载光WGB的另一部分被出耦合为图像承载光WOB。本领域技术人员将认识到，图3E没有示出图像承载光束WGB的衍射的每个实例和/或次序，以促进容易理解目前公开的主题。
在常规的束扩展器中，光在奇数次入射到中间(例如转向)衍射特征上之后被出耦合。在图像光导100中，图像承载光WG在偶数次入射到中间衍射特征上之后被出耦合。在本配置中，图像承载光WG经历附加的转向(与奇数输出系统相比)，使得图像承载光WG与周期性光栅结构集合对准(例如大致法向)。例如，如图3D中所示，图像承载光束WGR的一部分被入射到入耦合衍射光学器件IDO中的第一周期性光栅结构集合104的衍射特征上，在平行于光栅矢量k1的标称原始传播方向上传播的图像承载光束WGR的一部分在入射到第四周期性光栅结构集合110的衍射特征上时被衍射，并且图像承载光束WGR的一部分被出耦合。图像承载光束WGR的一部分在入射到第六周期性光栅结构集合114的衍射特征上时经历中间(例如转向)衍射的第一(奇数)实例，并且图像承载光束WGR的一部分在y轴方向上转向，图像承载光束WGR的这一部分在入射到第五周期性光栅结构集合112的衍射特征上时经历中间(例如转向)衍射的第二(偶数)实例并且在x轴方向上转向，图像承载光束WGR的这一部分在入射到第四周期性光栅结构集合110的衍射特征上时经历另一衍射实例，并且图像承载光束WGR的一部分被出耦合为图像承载光WOR。该配置提高了图像光导100的衍射效率。在该配置中，在奇数次中间(例如转向)衍射实例之后输出的图像承载光束WGR的任何部分将通过具有为图像承载光束WGB设计的节距的衍射特征输出，使得该出耦合衍射阶的效率被显著降低。如图3E中所图示的，图像承载光束WGB的光路被类似地配置为在偶数次入射到中间(例如转向)衍射特征上之后出耦合。
现在参照图3A和3B，在实施例中，出耦合衍射光学器件ODO的一部分116包裹在入耦合衍射光学器件IDO周围。换言之，出耦合衍射光学器件ODO的部分116至少部分地围绕入耦合衍射光学器件IDO延伸，使得垂直于其平面入射到入耦合衍射光学器件IDO上的图像承载光束WG沿着第二光栅矢量k2和第三光栅矢量k3衍射，并且被入射到出耦合衍射光学器件ODO的部分116上。如图3A和图3B中所图示的，在实施例中，出耦合衍射光学器件ODO和入耦合衍射光学器件IDO在x轴和y轴方向上由空间118横向分离。空间118可以是弓形的并且不包括任何周期性衍射结构。
在实施例中，入耦合衍射光学器件IDO和出耦合衍射光学器件ODO中的周期性光栅结构106、108、110、112的深度相同。在另一实施例中，使周期性光栅结构104、106、108、110、112的深度变化以提高所选衍射阶的效率。例如，周期性光栅结构106、108可以具有比周期性光栅结构104、110、112更大的深度。
现在参照图3B，在实施例中，第四周期性光栅结构集合110的深度比包括出耦合衍射光学器件ODO的第五周期性光栅结构集合112和第六周期性光栅结构集合114的深度浅。在包括衍射光栅的衍射光学器件中，增加光栅深度会导致提高的衍射效率。这种配置降低了第四周期性光栅结构集合110的突出度，并且减少了从其出耦合的图像承载光WG，以增加在y轴方向上到出耦合衍射光学器件ODO的外边缘的光分布。
现在参照图3C，在实施例中，第四周期性光栅结构集合110不存在于出耦合衍射光学器件ODO中。在包括复合光栅图案(例如两个交叉衍射光栅)的衍射光学器件中，第三光栅矢量由光栅图案隐式定义。这种配置减少但没有消除从隐式光栅结构出耦合的图像承载光WG。由此，在y轴方向上增加到出耦合衍射光学器件ODO的外边缘的光分布。
如图4A和4B中所图示的，在实施例中，图像光导100包括形成在图像光导100的第一表面102上/中的中间衍射光学器件TDO。交替地，中间衍射光学器件TDO可以被形成在图像光导100的与第一表面102相对定位的第二表面上/中。中间衍射光学器件TDO位于入耦合衍射光学器件IDO和出耦合衍射光学器件ODO之间的图像承载光的路径中。中间衍射光学器件TDO和入耦合衍射光学器件IDO在x轴和y轴方向上由空间118横向分离。中间衍射光学器件TDO的一部分116’包裹在入耦合衍射光学器件IDO周围。换言之，中间衍射光学器件TDO的部分116’至少部分地围绕入耦合衍射光学器件IDO延伸，使得平行于第二光栅矢量k2和第三光栅矢量k3定向的图像承载光WG的部分被入射到中间衍射光学器件TDO的部分116’上。
继续参照图4A和4B，中间衍射光学器件TDO和出耦合衍射光学器件ODO在x轴方向上由第二空间120横向分离。中间衍射光学器件TDO包括第七周期性光栅结构集合122、第八周期性光栅结构集合124和第九周期性光栅结构集合126。在实施例中，第七周期性光栅结构集合122、第八周期性光栅结构集合124和第九周期性光栅结构集合126分别与出耦合衍射光学器件ODO的第四周期性光栅结构集合110、第五周期性光栅结构集合112和第六周期性光栅结构集合114具有相同的取向、周期性和对称性。在实施例中，第七周期性光栅结构集合122、第八周期性光栅结构集合124和第九周期性光栅结构集合126的第七光栅矢量k7、第八光栅矢量k8和第九光栅矢量k9在幅度和方向上分别等于光栅矢量k4、k5、k6。中间衍射光学器件TDO使能在出耦合衍射光学器件ODO的定位中实现更大的自由度。
现在参照图4B，在实施例中，第四周期性光栅结构集合110的深度比包括出耦合衍射光学器件ODO的第五周期性光栅结构集合112和第六周期性光栅结构集合114的深度浅。如关于图3B描述的，这种配置降低了第四周期性光栅结构集合110的突出度，并且减少了从其出耦合的图像承载光WG，以增加在y轴方向上到出耦合衍射光学器件ODO的外边缘的光分布。类似地，第七周期性光栅结构集合122具有比包括中间衍射光学器件TDO的第八周期性光栅结构集合124和第九周期性光栅结构集合126更小的深度。
现在参照图4C，在实施例中，第四周期性光栅结构集合110不存在于出耦合衍射光学器件ODO中。如关于图3B描述的，这种配置减少但没有消除从隐式光栅结构出耦合的图像承载光WG。由此，在y轴方向上增加到出耦合衍射光学器件ODO的外边缘的光分布。类似地，第七周期性光栅结构集合122不存在于中间衍射光学器件TDO中。
如图5A和5B中所图示的，在实施例中，图像光导200可以具有形成在图像光导200的第一表面202上/中的入耦合衍射光学器件IDO和出耦合衍射光学器件ODO。入耦合衍射光学器件IDO和出耦合衍射光学器件ODO可以被配置为单个连续衍射图案。入耦合衍射光学器件IDO和出耦合衍射光学器件ODO被形成为具有如关于图3A和3B中所示的实施例描述的周期性和取向。在实施例中，包括入耦合衍射光学器件IDO的周期性光栅结构206、208的深度比包括出耦合衍射光学器件ODO的周期性光栅结构的深度大。在包括衍射光栅的衍射光学器件中，增加的光栅深度会导致提高的衍射效率。
现在参照图5B，在实施例中，第四周期性光栅结构集合210的深度比包括出耦合衍射光学器件ODO的第五周期性光栅结构集合212和第六周期性光栅结构集合214的深度浅。如关于图3B描述的，这种配置降低了第四周期性光栅结构集合210的突出度，并且减少了从其出耦合的图像承载光WG，以增加在y轴方向上到出耦合衍射光学器件ODO的外边缘的光分布。
现在参照图5C，在实施例中，第四周期性光栅结构集合210不存在于出耦合衍射光学器件ODO中。如关于图3B描述的，这种配置减少但没有消除从隐式光栅结构出耦合的图像承载光WG。由此，在y轴方向上增加到出耦合衍射光学器件ODO的外边缘的光分布。
在本公开的实施例中，周期性结构可以是但不限于直线衍射特征、圆形柱或椭圆形柱。例如，图6示出了具有包括圆形柱302的衍射特征的复合衍射图案300。复合衍射图案300由定位在二维晶格中的多个六边形晶胞310限定。图像光导100、200(参见图4和图5)的入耦合衍射光学器件IDO和出耦合衍射光学器件ODO可以被类似地配置为六边形晶胞的二维晶格。
如图7中所图示的，在实施例中，堆叠图像光导装配件400包括第一图像光导402，该第一图像光导402与第二图像光导404耦合，形成多色图像光导装配件。第一图像光导402可以是上面描述的图像光导100、200中的一个。图像光导402、404被形成在机械耦合的分离衬底S1、S2上。在实施例中，图像光导402、404经由粘合剂耦合。在一些实施例中，图像光导402通过部分接触以不显著更改任一图像光导402、404的TIR性质的这样的方式被机械地耦合至图像光导404。另外，在一些实施例中，堆叠图像光导402、404包括衬底S1、S2之间的部分或全部气隙或间隔。在实施例中，堆叠图像光导装配件400提供三个单独的彩色光路，在下文中有时称为通道。如图7中所图示的，第一图像光导402具有用于红光(例如在630-660nm范围内)的红色路径CR和用于蓝光B(例如在440-470nm范围内)的蓝色路径CB。第二图像光导404具有用于绿光G(例如在560-520nm范围内)的绿色路径CG。
被入射到堆叠图像光导装配件400上的来自投影仪18的绿光G透射通过第一图像光导402的入耦合衍射光学器件IDO1，并且在第二图像光导404的入耦合衍射光学器件IDO2处被衍射。衍射的绿光G然后经由TIR传送通过第二图像光导衬底S2，并且被引导到第二图像光导404的出耦合衍射光学器件ODO2。被入射到堆叠图像光导装配件400上的来自投影仪16的红光R在第一图像光导402的入耦合衍射光学器件IDO1处被衍射。衍射的红光R然后经由TIR传送通过第一图像光导衬底S1，并且被引导到第一图像光导402的出耦合衍射光学器件ODO1。被入射到堆叠图像光导装配件400上的来自投影仪18的蓝光B在第一图像光导402的入耦合衍射光学器件IDO1处被衍射。衍射的蓝光B然后经由TIR传送通过第一图像光导衬底S1，并且被引导到第一图像光导402的出耦合衍射光学器件ODO1。
图8的透视图示出了使用本公开的一个或多个图像光导进行增强现实观看的显示系统60。显示系统60被示出为具有右眼光学系统64R的HMD，该右眼光学系统64R具有用于右眼的图像光导66R。显示系统60包括图像源68，诸如微微投影仪或类似设备，它是可激励的以生成图像。在实施例中，显示系统60包括左眼光学系统，该左眼光学系统包括一个或多个图像光导和第二图像源。所生成的图像可以是用于3D观看的立体图像对。由显示系统60形成的虚拟图像可以看起来叠加或覆盖在观看者通过图像光导66R看到的真实世界场景内容上。还可以提供增强现实可视化领域的技术人员熟悉的附加组件，诸如安装在HMD的框架上用于观看场景内容或观看者注视追踪的一个或多个相机。
如图10中所图示的，在实施例中，图像光导500包括沿着图像光导500的第一表面502形成的入耦合衍射光学器件IDO、中间衍射光学器件TDO和出耦合衍射光学器件ODO。交替地，入耦合衍射光学器件IDO、中间衍射光学器件TDO和出耦合衍射光学器件ODO中的一个或多个可以沿着图像光导500的与第一表面502相对定位的第二表面形成。在实施例中，入耦合衍射光学器件IDO包括具有第一光栅矢量k0和第二光栅矢量k1的周期性光栅结构504的复合图案，该第二光栅向量k1相对于第一光栅矢量k0成角度定向。例如，入耦合衍射光学器件IDO可以包括最大化两个光栅矢量k0、k1的多个柱状或成行的波浪形(例如正弦形)衍射元件。
在实施例中，入耦合衍射光学器件IDO被配置为将图像承载光WGR的第一波长范围R的一部分引导朝向具有第三光栅矢量k2的中间衍射光学器件TDO，该中间衍射光学器件TDO被定向为以反射模式朝向出耦合衍射光学器件ODO衍射图像承载光WGR的一部分(参见图3D)。仅图像承载光WGR的一部分通过与中间衍射光学器件TDO的多次相遇中的每一次而衍射，由此横向扩展接近出耦合衍射光学器件ODO的图像承载光WGR的角度相关束中的每一个。在实施例中，中间衍射光学器件TDO包括线性光栅元件506的图案。
在实施例中，出耦合衍射光学器件ODO包括具有第四光栅矢量k3和第五光栅矢量k4的周期性光栅结构508的复合图案。例如，出耦合衍射光学器件ODO可以包括多行波浪形(例如正弦形)衍射元件。入耦合衍射光学器件IDO被配置为将图像承载光WGR的第二波长范围B的一部分引导朝向具有第四光栅矢量k3和第五光栅矢量k4的出耦合衍射光学器件ODO，该出耦合衍射光学器件ODO被定向为以反射模式衍射图像承载光WGR的一部分以提供光瞳扩展，并且朝向眼盒出耦合图像承载光WGR的一部分。
在第一光路中，图像承载光WGB被具有第二光栅矢量k1的入耦合衍射光学器件IDO周期性光栅结构504、具有第三光栅矢量k2的中间衍射光学器件TDO线性光栅元件506以及具有第五光栅矢量k4的出耦合衍射光学器件ODO复合光栅图案元件508的部分最高效地衍射。第二光栅矢量k1、第三光栅矢量k2和第五光栅矢量k4产生大体上为零幅度的矢量总和。在第二光路中，图像承载光WGB被具有第一光栅矢量k0的入耦合衍射光学器件IDO周期性光栅结构504、具有第四光栅矢量k3的出耦合衍射光学器件ODO复合光栅图案元件508以及具有第五光栅矢量k4的出耦合衍射光学器件ODO复合光栅图案元件508的部分最高效地衍射。第一光栅矢量k0、第四光栅矢量k3和第五光栅矢量k4产生大体上为零幅度的矢量总和。
本文中描述的实施例的一个或多个特征可以被组合以创建未描绘的附加实施例。虽然上面已经对各种实施例进行了详细描述，但是应该理解，它们通过示例的方式而非限制呈现。对相关领域的技术人员来说将显而易见的是，在不脱离其范围、精神或基本特性的情况下，所公开的主题可以以其他具体形式、变化和修改来体现。因此，上面描述的实施例在所有方面都被认为是说明性的，而不是限制性的。本发明的范围由所附权利要求指示，并且在其等同物的含义和范围内的所有改变都意图被包含在其中。

Claims (25)

1.一种用于传送虚拟图像的图像光导，包括：
衬底，可操作以传播第一波长范围和第二波长范围的图像承载光束；
入耦合衍射光学器件，沿着衬底形成，其中所述入耦合衍射光学器件可操作以将第一波长范围和第二波长范围的图像承载光束以角度编码形式衍射到衬底中；
出耦合衍射光学器件，沿着衬底形成并且具有中心区域，其中所述出耦合衍射光学器件可操作以扩展第一波长范围和第二波长范围的图像承载光束，并且以角度解码形式从衬底引导第一波长范围和第二波长范围的扩展的图像承载光束；
其中所述入耦合衍射光学器件包括第一多个周期性衍射结构、第二多个周期性衍射结构和第三多个周期性衍射结构，其中所述第一多个周期性衍射结构与轴平行，并且其中所述第二多个周期性衍射结构和第三多个周期性衍射结构每个不平行于所述轴；
其中所述出耦合衍射光学器件包括第四多个周期性衍射结构、第五多个周期性衍射结构和第六多个周期性衍射结构，所述第五多个周期性衍射结构和第六多个周期性衍射结构具有与入耦合衍射光学器件的第二多个周期性衍射结构和第三多个周期性衍射结构的周期性大体上相等的周期性，并且
其中出耦合衍射光学器件的第五多个周期性衍射结构和第六多个周期性衍射结构大体上平行于入耦合衍射光学器件的第二多个周期性衍射结构和第三多个周期性衍射结构。
2.根据权利要求1所述的用于传送虚拟图像的图像光导，其中所述第四多个周期性衍射结构由第五多个周期性衍射结构和第六多个周期性衍射结构隐式限定。
3.根据权利要求1所述的用于传送虚拟图像的图像光导，其中所述第一多个周期性衍射结构和第四多个周期性衍射结构被配置为与第二波长范围相比更高效地衍射第一波长范围内的图像承载光。
4.根据权利要求3所述的用于传送虚拟图像的图像光导，其中入耦合衍射光学器件的第二多个周期性衍射结构和第三多个周期性衍射结构中的至少一个以及出耦合衍射光学器件的第五多个周期性衍射结构和第六多个周期性衍射结构中的对应一个被配置为与第一波长范围相比更高效地衍射第二波长范围内的图像承载光。
5.根据权利要求3所述的用于传送虚拟图像的图像光导，其中所述第一波长范围是红色。
6.根据权利要求3所述的用于传送虚拟图像的图像光导，其中所述第二波长范围是蓝色。
7.根据权利要求1所述的用于传送虚拟图像的图像光导，其中所述第一多个周期性衍射结构、第二多个周期性衍射结构和第三多个周期性衍射结构沿着图像光导的纵轴双侧对称。
8.根据权利要求1所述的用于传送虚拟图像的图像光导，其中所述第一多个周期性衍射结构被定向为朝向出耦合衍射光学器件的中心区域衍射图像承载光的一部分，其中所述第二周期性衍射结构集合相对于第一周期性衍射结构集合偏移大于六十度，并且其中所述第三周期性衍射结构集合相对于第一周期性衍射结构集合偏移大于负六十度。
9.根据权利要求1所述的用于传送虚拟图像的图像光导，其中所述第二周期性衍射结构集合和第三周期性衍射结构集合相对于第一周期性衍射结构由大于50nm的周期分离。
10.根据权利要求1所述的用于传送虚拟图像的图像光导，其中所述第一多个周期性衍射结构、第二多个周期性衍射结构和第三多个周期性衍射结构中的一个包括第一周期，并且其中所述第一多个周期性衍射结构、第二多个周期性衍射结构和第三多个周期性衍射结构中的其他每个包括不同于第一周期的第二周期，其中所述第一周期可操作以与第二波长范围相比更高效地衍射第一波长范围内的图像承载光。
11.根据权利要求10所述的用于传送虚拟图像的图像光导，其中所述第一周期小于第二周期，并且可操作以与第二波长范围相比更高效地衍射第一波长范围的图像承载光。
12.根据权利要求10所述的用于传送虚拟图像的图像光导，其中所述第一周期大于第二周期，并且可操作以与第二波长范围相比更高效地衍射第一波长范围的图像承载光。
13.根据权利要求1所述的用于传送虚拟图像的图像光导，其中出耦合衍射光学器件的一部分至少部分地位于入耦合衍射光学器件周围，并且弓形空间位于入耦合衍射光学器件和出耦合衍射光学器件之间，其中所述弓形空间不包括任何周期性衍射结构。
14.根据权利要求1所述的用于传送虚拟图像的图像光导，进一步包括：中间衍射光学器件，位于入耦合衍射光学器件和出耦合衍射光学器件之间的光路中，其中所述中间衍射光学器件包括与入耦合衍射光学器件的第二多个周期性衍射结构和第三多个周期性衍射结构平行的两个多个周期性衍射结构，并且其中中间衍射光学器件的一部分至少部分地位于入耦合衍射光学器件周围，并且其中弓形空间位于入耦合衍射光学器件和中间衍射光学器件之间，其中所述弓形空间不包括任何周期性衍射结构。
15.根据权利要求14所述的用于传送虚拟图像的图像光导，其中第二空间位于中间衍射光学器件和出耦合衍射光学器件之间，其中所述第二空间不包括任何周期性衍射结构。
16.根据权利要求1所述的用于传送虚拟图像的图像光导，其中所述入耦合衍射光学器件可操作以在入射角范围内将图像承载光束的一部分衍射到衬底中。
17.根据权利要求1所述的用于传送虚拟图像的图像光导，其中所述图像光导包括光路，由此第一波长范围的图像承载光以入射角范围被入射到入耦合衍射光学器件上，其中第一波长范围的图像承载光的第一部分在衬底内传播，被入射到第四多个周期性衍射结构上并且被出耦合，并且其中第一波长范围的图像承载光的剩余部分进一步传播并且被入射到第五多个周期性衍射结构和第六多个周期性衍射结构中的任一个或两者上。
18.根据权利要求17所述的用于传送虚拟图像的图像光导，其中所述入射角范围在与图像光导的表面法线成零度和近似60度之间。
19.根据权利要求17所述的用于传送虚拟图像的图像光导，其中在第一波长范围的图像承载光在第四多个周期性衍射结构、第五多个周期性衍射结构或第六多个周期性衍射结构上入射偶数次数之后，第一波长范围的图像承载光的第二部分被出耦合。
20.根据权利要求1所述的用于传送虚拟图像的图像光导，其中所述图像光导包括光路，由此第二波长范围的图像承载光可操作以在衬底内传播，所述光路包括入耦合衍射光学器件的第二多个周期性衍射结构和第三多个周期性衍射结构、出耦合衍射光学器件的第五多个周期性衍射结构以及出耦合衍射光学器件的第六多个周期性衍射结构。
21.根据权利要求20所述的用于传送虚拟图像的图像光导，其中在第二波长范围的图像承载光在第五多个周期性衍射结构和第六多个周期性衍射结构上入射偶数次数之后，第二波长范围的图像承载光的一部分被出耦合。
22.一种用于传送虚拟图像的图像光导，包括：
衬底，可操作以传播第一波长范围和第二波长范围的图像承载光束；
入耦合衍射光学器件，沿着衬底形成，其中所述入耦合衍射光学器件可操作以将第一波长范围和第二波长范围的图像承载光束以角度编码形式从图像源衍射到衬底中；
出耦合衍射光学器件，沿着衬底形成，其中所述出耦合衍射光学器件可操作以扩展第一波长范围和第二波长范围的图像承载光束，并且以角度解码形式从衬底引导第一波长范围和第二波长范围的扩展的图像承载光束；以及
其中所述入耦合衍射光学器件和出耦合衍射光学器件被配置为单个连续衍射图案，所述单个连续衍射图案具有第一多个周期性衍射结构以及相对于第一多个周期性衍射结构以小于60°的角度定位的第二多个周期性衍射结构。
23.根据权利要求22所述的用于传送虚拟图像的图像光导，其中所述第一多个周期性衍射结构和第二多个周期性衍射结构具有比出耦合衍射光学器件的周期性衍射结构大的深度。
24.根据权利要求1所述的用于传送虚拟图像的图像光导，其中所述衬底是堆叠图像光导装配件中的第一衬底，并且可操作以沿着其长度传播图像承载光束的第二衬底与第一衬底耦合，其中所述第一衬底和第二衬底包括用于至少三个波长范围的三个或更多个光路。
25.一种用于传送虚拟图像的图像光导，包括：
衬底，可操作以传播第一波长范围和第二波长范围的图像承载光束；
入耦合衍射光学器件，沿着衬底形成，其中所述入耦合衍射光学器件可操作以将第一波长范围和第二波长范围的图像承载光束以角度编码形式从图像源衍射到衬底中；
出耦合衍射光学器件，沿着衬底形成，其中所述出耦合衍射光学器件可操作以扩展第一波长范围和第二波长范围的图像承载光束，并且以角度解码形式从衬底输出第一波长范围和第二波长范围的扩展的图像承载光束；
中间衍射光学器件，沿着衬底形成，其中所述中间衍射光学器件可操作以扩展第二波长范围的图像承载光束，并且朝向出耦合衍射光学器件引导第二波长范围的扩展的图像承载光束；
其中所述入耦合衍射光学器件包括具有第一光栅矢量和第二光栅矢量的周期性衍射结构；
其中所述中间衍射光学器件包括具有第三光栅矢量的周期性衍射结构；
其中所述出耦合衍射光学器件包括具有第四光栅矢量、第五光栅矢量和第六光栅矢量的周期性衍射结构。
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