CN117480431A - 用于减少衍射波导显示器中的视觉伪像的光学元件以及包含该光学元件的系统 - Google Patents

Abstract

一种衍射波导装置，该衍射波导装置包括光波导和光学地耦合到光波导的衍射元件。衍射元件被配置成改变第一偏振的光的偏振和传播方向，并且被配置成透射第二偏振的光而基本上不改变第二偏振的光的偏振或传播方向。偏振膜组件被配置成向光波导提供第二偏振的光，并且/或者被配置成阻挡来自光波导的第二偏振的光。偏振膜组件包括偏振器和光学延迟器，该光学延迟器定位在偏振器与光波导之间。还讨论了相关的装置和操作方法。

Description

用于减少衍射波导显示器中的视觉伪像的光学元件以及包含 该光学元件的系统

优先权要求

本申请要求均于2020年6月22日在美国专利商标局提交的、美国临时专利申请号63/042,031和美国临时专利申请号63/042,021的优先权，这两个美国临时专利申请的公开内容以其全部通过援引并入。

背景技术

波导显示器可以将来自显示器光源的光与来自用户的操作环境的光组合，并且波导显示器与用于近眼式显示器和/或头戴式显示器的普通投影光学器件相比可以代表具有许多优点的形状要素。例如，基于波导的增强现实(augmented reality，AR)系统(也称为混合现实(mixed-reality，MR)系统)的形状要素可以类似于眼镜。可以通过由波导内的两个或更多个扩展机构来扩展小型准直显示器引擎的出射光瞳，来生成到眼睛的大出射光瞳。例如，衍射出射光瞳扩展器(exit pupil expander，EPE)可以包括光栅，该光栅将入射光衍射成多个衍射级。光栅周期的长度可以决定方向。如果角度足够大，则光会经历全内反射(total internal reflection，TIR)并且被捕获在平面玻璃波导内。然后，光可以被一个或多个其它光栅逐渐提取，从而将初始光束扩展到期望的尺寸。

在一些合并了一个或多个衍射光栅的波导显示器中，来自极度离轴光源的光(例如，来自外界或操作环境的视场的环境光)可以被衍射光栅衍射，并且在没有将其通过波导引入玻璃的情况下进入用户的眼睛。由于光仅与光栅相交一次，因此光由于衍射色散(衍射角是与衍射方程关联的波长的函数)而被分解成彩虹。这种彩虹效应的模式可能是由于光从不同方向入射到波导上而出现的。这在图1A中示出，该图示出了由于光10从用户前方的方向入射(示出为从上方入射)到包括衍射光栅100的波导20上而产生的彩虹效应30，但是光从用户后方的方向入射时也可以发生彩虹效应。对于较小形状要素的装置，来自用户后方的光可能不会有问题，这是因为一些光可能被用户的头部阻挡。

而且，显示器视场内的前光10可以衍射到波导20中并且可以再次衍射出去，即是双衍射的。在这种情况下，色散可以被校正(衍射色散的作用相等且方向相反)，如图1B所示。对于在波导20(基本上是单个光栅可以支持的最大视场)内传播的光而言，来自外界的光10被衍射到波导20中，并且根据衍射方程，光的光谱可以被衍射到不同角度。光在随后遇到光栅100时朝向用户的眼睛衍射，并且不同波长的光可以被衍射到原始方向(进入波导20之前的方向)，使得不同波长的光将被重新组合。

然而，如图1A所示，大入射角的光10可以被衍射成小于波导20的临界角的角度，因此在下一次遇到衍射光栅100之前可能被折射出去，且因此将被分解成各个单独的波长。如果该光位于显示器的出射光瞳内，则用户将观察到该光为彩虹30。

在一些波导显示器中使用偏振过滤器可以消除或减少彩虹效应，使得进入系统的环境光具有特定的偏振态，如授予瓦里乌斯(Vallius)的美国专利号10,234,686中所描述的。偏振过滤器可以与包括衍射光栅结构的下游衍射光学元件结合使用，这些衍射光栅结构被配置成对相反的偏振态敏感。

而且，由于AR显示器系统将来自现实世界场景/操作环境的光和来自合成显示器的光进行组合，所以许多AR显示器可以在背离眼睛的向前方向上投射一些光。当显示器的组合器是偏振分束器60并且显示光50高度偏振时，对此种情况是一种例外，如图1C所示。然而，许多AR显示器具有向前“泄漏”一些显示光的元件，或者具有允许一些光在向前方向上传播的部分反射表面，如图1C中的虚线箭头所示。这种光可以统称为前向光泄漏或前向投射的光105。

图1D更详细地示出了前向投射的光或前向光泄漏105的问题。如图1D所示，提供透明衬底作为波导20，该波导合并了一个或多个外界可见的光栅(被示出为输出光栅100)。衬底可以是或可以包括一个以上的波导20，例如六个波导，其中视场可以随着波导数量的增加而增加。光101经由波导120内的全内反射而在内部反射。光101与输出光栅100相交，并且主要朝向用户的眼睛衍射102；然而，也可能存在一些向前投射的光105。输出光栅100可以是多种光栅类型中的任何一种，例如，表面起伏光栅(Surface-Relief-Grating，SRG)、体全息光栅(Volume Holographic Grating，VHG)、可切换布拉格光栅(Switchable BraggGrating)等。

许多衍射技术可以允许一些光在与用户相反的方向(在本文称为向前方向)上衍射，因此经衍射的光可以被其他(即，除了用户之外的)人看见。这种机制可以用于反射光栅或透射光栅，并且对于特定的光栅类型(例如SRG)可能是重要的。例如，一些使用SRG的AR系统可以在向前方向上以朝向用户投射的亮度的大约50％的亮度投射光。

反射波导和衍射波导这两者都可以在向前方向上投射光。从许多角度(例如，隐私性(因为其他人可能能够看到用户正在看什么)、光安全性(在军事系统的情况下，光可能提供供敌人射击的信标)和/或社交方面(因为光可能使用户的眼睛模糊))来看，这种前向光泄漏可能是成问题的。

发明内容

根据本公开的一些实施例，衍射波导显示装置或成像系统包括一个或多个光学元件，该一个或多个光学元件包括：光波导以及膜组件，该光波导包括至少一个衍射光学元件或衍射层，诸如偏振光栅(polarization grating，PG)或其他几何相位(geometric phase，GP)全息图，该至少一个衍射光学元件或衍射层被配置成改变第一偏振的光的偏振和传播方向，但是被配置成透射不同(例如，正交)的第二偏振的光而基本不改变该第二偏振的光的偏振或传播方向，该膜组件被设置成与来自光波导(或其至少一个衍射层)的光相互作用，和/或反之亦然。膜组件被配置成向光波导提供第二偏振的偏振光，并且/或者被配置成阻挡从光波导输出的偏振光。膜组件包括至少一个偏振器和至少一个第一延迟器元件，该延迟器元件定位在该偏振器与该光波导的(一个或多个)衍射层之间。

在一些实施例中，膜组件可以设置在环境或非偏振光源与光波导之间，在环境或非偏振光源与光波导之间具有气隙。

在一些实施例中，提供了空间变化延迟器层或元件，该空间变化延迟器层或元件被配置成控制至少一个衍射层的衍射效率的空间相关性。例如，空间变化延迟器可以包括局部光轴图案、扭曲角和/或厚度，该局部光轴图案、扭曲角和/或厚度被配置成通过提供入射在空间变化延迟器上的光的空间变化延迟来增加从(一个或多个)光波导输出的光的强度的均匀性。空间变化延迟器可以被包括在第一光波导中，例如，空间变化延迟器与衍射层相邻或分开或间隔开。

在一些实施例中，第二光波导被设置成与来自第一光波导的光相互作用。第二光波导包括第二衍射层或元件。第二膜组件设置在第二光波导的第二衍射层与第一光波导之间。第二膜组件包括第二空间变化延迟器，第二空间变化延迟器被配置成补偿第一光波导的第一空间变化延迟器的光学效应。

在一些实施例中，第二膜组件可以为与第二光波导分开的元件或独立于第二光波导。

在一些实施例中，第二膜组件可以被包括在第二光波导中。

在一些实施例中，第二光波导可以包括第三空间变化延迟器。在一些实施例中，第三空间变化延迟器被配置成控制第二衍射层的衍射效率的空间相关性。在一些实施例中，第三空间变化延迟器被配置成补偿第二空间变化延迟器的光学效应。

根据本公开的一些实施例，衍射波导装置包括光波导、衍射元件以及偏振膜组件，该衍射元件光学地耦合到光波导，其中衍射元件被配置成改变第一偏振的光的偏振和传播方向并且被配置成透射第二偏振的光而基本上不改变第二偏振的光的偏振或传播方向，该偏振膜组件被配置成向光波导提供第一偏振的光或第二偏振的光中的一个，并且/或者被配置成阻挡来自光波导的第一偏振的光或第二偏振的光中的一个。偏振膜组件包括偏振器和光学延迟器，该光学延迟器定位在偏振器与光波导之间。

在一些实施例中，偏振膜组件被设置成响应于入射到偏振膜组件的与光波导相对的表面上的非显示光而向光波导提供第二偏振的光。第二偏振的光可以基本上没有第一偏振。

在一些实施例中，光波导被配置成从光波导的表面透射非显示光，使得被透射的非显示光包括第二偏振的光并且基本上没有彩虹伪像。被透射的非显示光可以基本上没有第一偏振的光。

在一些实施例中，光波导被配置成通过全内反射来传播来自电子成像显示器的显示光，并且从光波导的表面耦出显示光。

在一些实施例中，衍射元件被配置成朝向光波导的表面改变显示光的偏振和传播方向。被耦出的显示光包括第一偏振的光，并且可以基本上没有第二偏振的光。

在一些实施例中，第一偏振和第二偏振彼此正交。

在一些实施例中，第一偏振和第二偏振中的一个是右旋圆偏振，而第一偏振和第二偏振中的另一个是左旋圆偏振。

在一些实施方案中，光学延迟器是多扭曲延迟器，该多扭曲延迟器包括堆叠的双折射子层，该堆叠的双折射子层具有各自的延迟和各自的局部光轴，各自的局部光轴在堆叠的双折射子层的各自的厚度上被旋转各自的扭曲角，其中各自的扭曲角和/或各自的厚度中的至少两个在堆叠的双折射子层之间是不同的。

在一些实施例中，堆叠的双折射子层是液晶聚合物层。

在一些实施例中，光学延迟器包括可切换延迟器元件，该可切换延迟器元件被配置成在第一延迟状态与第二延迟状态之间切换，第一延迟状态和第二延迟状态是不同的。偏振膜组件被配置成在第一延迟状态下，向光波导提供第二偏振的光，并且在第二延迟状态下，阻挡来自光波导的第二偏振的光。

在一些实施例中，偏振膜组件是可切换圆偏振器。

在一些实施例中，偏振器是线性偏振器。第一延迟状态和第二延迟状态中的一个被配置成提供半波延迟，并且第一状态和第二状态中的另一个被配置成提供零延迟。光学延迟器还包括位于线性偏振器与光波导之间的四分之一波片。

在一些实施例中，光学延迟器包括可变延迟器元件，该可变延迟器元件被配置成基于入射光的入射角、入射光的波长、和/或沿可变延迟器元件的表面的一个或多个方向上的空间位置来改变对入射光呈现的延迟。

在一些实施例中，可变延迟器被配置成对在衍射波导装置的视场内的入射角提供第一延迟，并且对在该视场之外的入射角提供不同于第一延迟的第二延迟。偏振膜组件被配置成对于在该视场之外的入射角，向光波导提供第二偏振的光，并且对于在该视场内的入射角，阻挡来自光波导的第二偏振的光。

在一些实施例中，空间变化延迟器被设置成接收从衍射元件输出的光，并且被配置成在沿着该空间变化延迟器的表面的一个或多个方向上在空间上改变入射在该空间变化延迟器上的光的延迟。

在一些实施例中，空间变化延迟器被配置成改变衍射元件在一个或多个方向上的衍射效率，并且可以从光波导的与膜组件相对的表面提供具有基本均匀强度的光输出。

在一些实施例中，空间变化延迟器包括被配置成在空间上改变延迟的局部光轴图案、扭曲角和/或厚度。

在一些实施例中，衍射元件和/或空间变化延迟器被包括在光波导中。

在一些实施例中，光波导是第一光波导。衍射波导装置还包括第二光波导以及第二衍射元件。该第二光波导被设置成接收从第一光波导输出的光，该第二衍射元件光学地耦合到第一光波导。第二衍射元件被配置成改变第一偏振的光的偏振和传播方向，并且被配置成透射第二偏振的光而基本上不改变第二偏振的光的偏振或传播方向。

在一些实施例中，第二膜组件设置在第二衍射元件与第一光波导之间。第二膜组件包括第二空间变化延迟器，该第二空间变化延迟器被配置成在沿该第二空间变化延迟器的表面的一个或多个方向上在空间上改变入射到该第二空间变化延迟器上的光的延迟。

在一些实施例中，第二空间变化延迟器包括局部光轴图案、扭曲角和/或厚度，该局部光轴图案、扭曲角和/或厚度被配置成与第一光波导的空间变化延迟器在空间上改变延迟相反地在空间上改变延迟。

在一些实施例中，第二光波导还包括第三空间变化延迟器，该第三空间变化延迟器被设置成接收从第二衍射元件输出的光，并且被配置成在沿着该第三空间变化延迟器的表面的一个或多个方向上在空间上改变入射到该第三空间变化延迟器上的光的延迟。

在一些实施例中，第三空间变化延迟器被配置成改变第二衍射元件在一个或多个方向上的衍射效率，以提供具有基本均匀强度的光输出。

在一些实施例中，第二膜组件与第二光波导不同。

在一些实施例中，第二膜组件被包括在第二光波导中。第三空间变化延迟器包括局部光轴图案、扭曲角和/或厚度，该局部光轴图案、扭曲角和/或厚度被配置成与第二空间变化延迟器在空间上改变延迟相反地在空间上改变延迟。

在一些实施例中，第三光波导被设置成接收从第二光波导输出的光，并且第三衍射元件光学地耦合到第三光波导。第三衍射元件被配置成改变第一偏振的光的偏振和传播方向，并且被配置成透射第二偏振的光而基本不改变第二偏振的光的偏振或传播方向。

在一些实施例中，第三膜组件设置在第三衍射元件与第二光波导之间。第三膜组件包括第四空间变化延迟器，该第四空间变化延迟器被配置成在沿该第四空间变化延迟器的表面的一个或多个方向上在空间上改变入射到该第四空间变化延迟器上的光的延迟。

在一些实施例中，第一光波导、第二光波导和第三光波导被配置成对与可见光谱的相应颜色对应的相应波长范围的光进行操作。

在一些实施例中，衍射元件的衍射效率在沿衍射元件的表面的一个或多个方向上变化，以从光波导的与膜组件相对的表面提供具有基本均匀强度的光输出。

在一些实施例中，衍射元件是多倾斜光栅，该多倾斜光栅包括堆叠的双折射子层，这些堆叠的双折射子层具有相应的厚度、倾斜角和/或手性参数，这些堆叠的双折射子层被配置成将显示光朝向光波导的与偏振膜组件相对的表面引导，并且同时将余光背离光波导的表面引导。

在一些实施例中，相应的厚度、倾斜角和/或手性参数中的至少两个在堆叠的双折射子层之间可以不同。

在一些实施例中，从光波导的表面耦出的显示光的强度与背离光波导的表面引导的余光的强度之比大于约10:1。

根据本公开的一些实施例，一种衍射波导装置包括光波导以及衍射元件，该光波导包括相反的第一表面和第二表面，其中光波导被配置成通过全内反射来传播来自电子成像显示器的显示光，并且从第二表面耦出显示光，该衍射元件光学地耦合到波导。衍射元件被配置成改变第一偏振的光的偏振和传播方向，并且被配置成透射第二偏振的光而基本上不改变第二偏振的光的偏振或传播方向。衍射元件包括多个堆叠的双折射子层，该多个堆叠的双折射子层具有相应厚度、倾斜角和/或手性参数，该多个堆叠的双折射子层被配置成将显示光朝向光波导的第二表面引导，并且同时将强度比显示光的强度低的余光朝向光波导的第一表面引导。

在一些实施例中，从光波导的表面耦出的显示光的强度与背离光波导的表面引导的余光的强度之比大于约10:1。

在一些实施例中，被耦出的显示光包括第一偏振的光，并且可以基本上没有第二偏振的光。余光包括第二偏振的光，并且可以基本上没有第一偏振的光。

在一些实施例中，偏振膜组件被配置成阻挡从光波导的第一表面耦出的第二偏振的光。

在一些实施例中，偏振膜组件包括偏振器和光学延迟器，光学延迟器定位在偏振器与光波导的第一表面之间。

在一些实施例中，偏振膜组件还被配置成响应于入射在偏振膜组件的与光波导相对的表面上的非显示光而向光波导提供第二偏振的光。

在一些实施例中，光学延迟器包括可切换延迟器元件，该可切换延迟器元件被配置成在第一延迟状态与第二延迟状态之间切换，第一延迟状态和第二延迟状态是不同的。偏振膜组件被配置成在第一延迟状态下，向光波导提供第二偏振的光，并且在第二延迟状态下，阻挡从光波导的第一表面耦出的第二偏振的光。

在一些实施例中，偏振器是线性偏振器，其中第一延迟状态和第二延迟状态中的一个被配置成提供半波延迟，并且第一状态和第二状态中的另一个被配置成提供零延迟。光学延迟器还包括位于线性偏振器与光波导之间的四分之一波片。

根据本公开的一些实施例，衍射波导装置包括光波导组件，该光波导组件包括顺序设置的多个光波导，其中这些光波导中的每个光波导包括相应的衍射元件和相应的空间变化延迟器，相应的空间变化延迟器被配置成与来自相应的衍射层的光相互作用，以生成相应的衍射效率梯度。衍射波导装置还包括偏振膜组件，该偏振膜组件包括偏振器和延迟器元件。偏振膜组件被配置成向光波导组件提供第二偏振的偏振光，并且/或者被配置成阻挡从光波导组件输出的偏振光。

在一些实施例中，衍射元件包括几何相位元件，该几何相位元件包括在一个或多个维度上变化的局部光轴取向。

在一些实施例中，衍射元件包括偏振光栅，该偏振光栅包括局部光轴取向，这些局部光轴取向在一个或多个维度上线性地变化并且定义相应的光栅周期。

在一些实施例中，其中衍射元件包括透射布拉格偏振光栅或反射布拉格偏振光栅，该透射布拉格偏振光栅或反射布拉格偏振光栅被配置成将第二偏振的光输出为零级光束，并且将第一偏振的光输出为一级光束，其中零级光束的传播方向与一级光束的传播方向之间的差大于约45度。

在一些实施例中，第一偏振的光和/或第二偏振的光包括可见光波长范围的光。

在阅读以下附图和详细描述之后，根据一些实施例的其它装置、设备和/或方法对于本领域技术人员而言将变得显而易见。除了上述实施例的任何和所有组合之外，所有这些附加实施例都应包括在本说明书中、在本发明的范围内并且由所附权利要求保护。

附图说明

图1A是示出了由于波导显示器上的衍射色散入射光而产生的彩虹效应的示意图。

图1B是示出了经由双衍射校正波导显示器上的衍射色散入射光的示意图。

图1C是示出了包括偏振分束器的AR目镜中的前向光泄漏的示意图。

图1D是更详细地示出了波导显示器中的向前投射的光的示意图。

图2A和图2B是分别示出了根据本发明的一些实施例的衍射波导装置中的彩虹减少和前向光泄漏减少的示意图。

图3A和图3B是分别示出了根据本发明的进一步实施例的衍射波导装置中的彩虹减少和前向光泄漏减少的示意图。

图4A和图4B是分别示出了在多波导布置中的彩虹效应和前向光泄漏的示意图。

图5A和图5B是分别示出了根据本发明的一些实施例的多波导衍射波导装置中的彩虹减少和前向光泄漏减少的示意图。

图6A和图6B是分别示出了根据本发明的进一步实施例的多波导衍射波导装置中的彩虹减少和前向光泄漏减少的示意图，这些多波导衍射波导装置相比于图5A和图5B具有更少元件和界面。

图7A和图7B是分别示出了根据本发明的又一些实施例的多波导衍射波导装置中的彩虹减少和前向光泄漏减少的示意图。

图8A和图8B是分别示出了根据本发明的又一些实施例的多波导衍射波导装置中的彩虹减少和前向光泄漏减少的示意图，这些多波导衍射波导装置相比于图7A和图7B具有更少元件和界面。

图9A和图9B是分别示出了根据本发明的一些实施例的衍射波导装置中的彩虹减少和前向光泄漏减少的示意图，该衍射波导装置包括具有可切换延迟器元件的偏振膜组件。

图10A是示出了根据本发明的一些实施例的衍射波导装置中的前向光泄漏减少的示意图，该衍射波导装置包括多倾斜偏振光栅。

图10B是更详细地示出了图10A中的多倾斜偏振光栅的示意图。

图11是示出了根据本发明的一些实施例的衍射波导装置中的彩虹减少和前向光泄漏减少的示意图，该衍射波导装置包括具有可变延迟器元件的偏振膜组件。

具体实施方式

如本文所使用的，衍射光学元件或衍射层可以是波长和/或偏振选择性的，并且可以被配置成改变入射到衍射光学元件或衍射层上的光的偏振和传播方向这两者。例如，衍射层可以是一个或多个衍射光栅，诸如偏振光栅(polarization grating，PG)或其他几何相位全息图(geometric phase hologram，GPH)，衍射层被配置成改变第一波长范围和/或第一偏振内的光的偏振和传播方向，但是被配置成透射不同的第二波长范围和/或不同(例如，正交)的第二偏振内的光，而基本上不改变第二波长范围和/或第二偏振内的光的偏振或传播方向。在一些实施例中，衍射层可以将具有特定偏振和/或工作波长的入射光偏振和衍射成具有不同偏振态和/或不同传播方向、而基本上不吸收任何一种偏振态的各个光束(例如，基本上维持入射光的传播方向的零级输出光、以及相对于入射光改变了传播方向的一级输出光；也分别称为透射光和衍射(或反射)光)。在一些实施例中，衍射级可以是具有相反手性的近似圆偏振光。

如本文所使用的，“延迟器”或“波片”可以互换地使用，并且除非另有说明，否则以下附加术语也被认为是等同物：任何单轴、双轴或非均质的“延迟片”、“补偿膜”和“双折射片”。如本文所述的延迟器可以是宽带的(即，消色差的)或窄带的(即，色差的)。因此，如本文所述的延迟器可以经由旋光或双折射延迟或它们的任意组合实现偏振变化。在一些实施例中，本文所述的延迟器可能不会显著影响或改变穿过其的光的传播方向。在一些实施例中，本文所述的延迟器可以响应于所施加的电压。

本公开的实施例可以源自于以下认识，即：对许多光栅技术而言，光波导中的衍射光的偏振态被混合(即，偏振态不是一个纯偏振态)。如上所述，光波导可以将来自显示器的光源的光(在本文中也称为“显示光”)与来自用户的操作环境的光(在本文中也称为“非显示光”)组合。显示光和非显示光可以具有混合偏振，其中显示光主要包括可见波长范围内的光，而非显示光可以包括可见波长范围和不可见波长范围内的光。

本公开的实施例提供了成像系统，诸如衍射波导显示器，这些成像系统包括一个或多个光学元件的组件，该一个或多个光学元件的组件被配置成将显示光和非显示光引导至各自的(例如，正交的)偏振态，以输出给显示器的用户，例如，显示光具有基本上相同的(第一)偏振，以及非显示光具有基本上相同的(第二)偏振，该第二偏振不同于(例如，正交于)第一偏振。特别地，本文描述的一些实施例包括至少一个光波导，该至少一个光波导包括衍射层以及膜组件；该衍射层被配置成改变光的偏振和传播方向，从而以第一偏振朝向用户的眼睛引导光，但是被配置成透射不同(例如，正交)的第二偏振的光，而基本上不改变第二偏振的光的偏振或传播方向；该膜组件被配置成向(一个或多个)光波导提供第二偏振的偏振光，并且/或者被配置成阻挡从(一个或多个)光波导输出的偏振光，从而减少或防止彩虹伪像和/或前向光泄漏。

应当理解，尽管本文在一些示例中参照单个波导(例如，图2A至图2B中的衬底120)进行了说明，但是本文描述的实施例可以包括多于一个波导，包括多达但不限于六个或更多个波导(包括平面波导和/或弯曲波导)，其中视场可以随着波导数量的增加而增加。而且，在包括多个波导的实施例中，每个波导可以被配置成对特定或相应波长范围的光进行操作，其中各个波长范围可以对应于或可以不对应于光的各个颜色，并且可以彼此重叠或可以彼此不重叠。此外，应当理解，本文描述的实施例不限于通过本文描述的示例示出的特定偏振和/或传播方向。为了便于说明，图中没有示出元件或层之间的界面处的折射。

在一些实施例中，如图2A和图2B所示，光波导120光学地耦合到作为衍射元件200的偏振光栅(polarization grating，PG)，在本文中通过示例的方式示出为布拉格偏振光栅(Bragg polarization grating，BPG)。布拉格PG(BPG)可以被设计成或以其他方式配置成，使得来自波导显示器的耦出光栅的光可以在宽角度和宽光谱上几乎完全是单偏振态(例如，第一偏振态)的。此外，第二(例如，正交)偏振态的光基本上不受BPG的影响或者BPG对其至少具有低衍射。也就是说，波导120可以包括衍射层200(例如，BPG)或者可以以其他方式光学地耦合到衍射层200(例如，BPG)，该衍射层(例如，BPG)被设计成或者以其他方式配置成针对一种偏振态的光在一级方向上提供高衍射效率(例如，约80％或更高)，并且针对不同(例如，正交)偏振态的光在一级方向上提供低衍射效率(例如，约10％或更低)，从而大部分光在零级方向上透射。如本文所述的BPG可以被配置成响应于以近似等于布拉格角的入射角接收光，使得零级(即，非衍射的)光束的传播方向或角度与一级光束的传播方向或角度之间的差大于约45度、大于约60度、或者高达约90度或更大。本文所述的BPG可以是透射的或反射的，并且/或者可以在周期、取向和/或透镜效应方面变化。

在本文所描述的示例中，两种偏振态是圆偏振光，即左旋圆LHC(left handcircular)偏振(BPG对其具有高衍射效率)和右旋圆RHC(right hand circular，RHC)偏振(BPG对其具有低衍射效率)。然而，应当理解，其他实施例可以采用被配置成衍射反向偏振(例如，具有高衍射效率的RHC和具有低衍射效率的LHC)、非圆偏振、非正交偏振的衍射元件，和/或BPG或其他效率较低的衍射层。

如图2A和图2B所示，偏振膜组件121包括设置在波导120前面(例如，面向视场或操作环境)的偏振器122和光学延迟器MTR(示出为MTR-R1)。在一些实施例中，延迟器可以是单轴四分之一波片。在一些实施例中，延迟器可以是多扭曲延迟器，该多扭曲延迟器例如在埃斯库蒂(Escuti)等人的美国专利申请公开号2013/0027656中被描述，该美国专利申请公开的公开内容通过援引并入本文。多扭曲延迟器MTR可以包括堆叠的双折射子层，这些堆叠的双折射子层具有各自的相位延迟角和各自的局部光轴，各自的局部光轴在各自的厚度上被旋转各自的扭曲角，并且沿着层之间的各自的界面对齐，其中各自的扭曲角和/或各自的厚度在层之间是不同的，并且在一些实施例中可以通过液晶层(诸如液晶聚合物层)来实现。

图2A的实施例可以被配置成减少或消除透视彩虹效应或伪像。特别地，如图2A的示例操作所示，非偏振光107(例如，来自外界或操作环境的视场的非显示光)入射到膜组件121上。该非偏振光107被偏振器122平面地偏振或线性地偏振，并作为横向电(transverseelectric，TE)偏振光108输出。TE偏振光108与延迟器MTR-R1相交，在该延迟器处，该偏振光被转换成RHC偏振光109。RHC偏振光109离开膜组件121并进入另一个衬底120，该衬底为显示器波导。在该实施例中，膜组件121仅举例为用作圆偏振器。

在一些实施例中，偏振膜组件121和衬底或波导120可以由间隙隔开，该间隙诸如是在元件121和120之间提供至少一个空气界面的气隙。在一些实施例中，本文中被示出为由虚线包围的元件(诸如膜组件121)可以指示这些元件可以是或可以不是整体的。而且，虽然主要参考集成到或包括在各自的光波导中的衍射元件进行说明，但是应该理解，在一些实施例中，本文描述的衍射元件或衍射层可以以其他方式光学地耦合到波导，例如，衍射元件或衍射层可以与波导不同或位于波导外部(例如，堆叠在波导的表面上)。

仍然参考图2A，膜组件121提供了入射到波导120上的RHC偏振光109，并且RHC偏振光109被传输到BPG 200。BPG 200是耦出光栅(这里是透射的)，该耦出光栅被配置成朝向用户的眼睛耦出一个或多个光束。由于该示例中的BPG 200被配置成针对RHC偏振光109提供低衍射效率，因此RHC偏振光109作为零级(透射，或T(0))光通过BPG 200，并且透射光110保持RHC偏振。由于BPG 200被配置成对于入射光109的特定偏振具有低衍射效率，因此入射光109透射通过BPG 200而基本上不改变该入射光的偏振和/或传播方向(例如，BPG基本上不对入射光109进行衍射)，可能很少或几乎没有色散，因此，在波导120的输出表面处减少了或不产生透视彩虹伪像。也就是说，透射光110可以包括来自外界或操作环境的视场的非显示光，但是可以基本上没有彩虹效应或伪像。

图2B所示的实施例可以类似地被配置成减少或消除前向光投射，这是因为在波导120内经由全内反射在内部反射的光101(这里主要针对显示光来描述，但也包括来自诸如用于一般照明等其它光源的光)与输出光栅200相交。该光101被转换成RHC偏振光105，并且在背离用户的眼睛的向前方向上被衍射。光105与延迟器MTR-R1相交，在该延迟器处，该光被转换成TM(transverse magnetic，横向磁)偏振光106，该TM偏振光被偏振器122阻挡，从而减少或防止了穿过膜组件121的前向光投射。

在一些实施例中，如图3A和图3B所示，光波导120包括衍射元件200或以其他方式光学地耦合到衍射元件200，该衍射元件在该示例中示出为BPG，BPG被设计成或以其他方式配置成针对一种偏振态的光(在该示例中为LHC)提供高衍射效率，并且针对不同(例如，正交)偏振态的光(在该示例中为RHC)提供低衍射效率。虽然本文参考透射BPG(其中波导120内的光101透过BPG传输到用户)进行描述，但是应当理解，在本文描述的实施例中的任何实施例中，可以替代地使用反射BPG，或者反之亦然。图3A和图3B的实施例可以与图2A和图2B类似，也就是说，膜组件121包括设置在波导120前面(例如，面向视场或环境)的偏振器122和延迟器MTR(示出为MTR-R1)。

在图3A和图3B的示例中，包括了空间变化延迟器MTR-G(例如，该空间变化延迟器位于波导120中并且被配置成与来自衍射层200(也被示出为BPG)的光相互作用)，以便共同地产生衍射效率梯度，这可以增加从波导120输出的光的强度的均匀性(例如，使得从波导120输出的光具有基本均匀强度)。例如，延迟器MTR-G可以包括一个或多个层，该一个或多个层被配置成通过提供一个或多个特征或特性(例如，光轴取向、厚度和/或扭曲角)来控制(一个或多个)衍射层的衍射效率的空间相关性，该一个或多个特征或特性被配置成在宽波长范围(例如，消色差)和宽角度范围内提供入射到该一个或多个层上的光的空间变化延迟。在一些实施例中，空间变化延迟器MTR-G可以具有在由其表面限定的或由其与衍射层的界面限定的平面中的一个或多个维度上(例如，x维度和/或y维度上，线性地或非线性地)变化的局部光轴取向，其中局部光轴取向中的变化被配置成提供空间变化延迟。在一些实施例中，(一个或多个)延迟器MTR可以包括多扭曲延迟器，该多扭曲延迟器包括两个或更多个堆叠的层，这些堆叠的层在各自的层厚度和/或不同的层厚度上(例如，在z维度上)具有不同的扭曲角，这些堆叠的层被配置成提供空间变化延迟。

本文所描述的空间变化延迟器的特征或特性可以基于被配置成从各自的衍射层或光栅输出的光的偏振来配置。罗宾斯(Robbins)等人在美国临时专利申请号63/042,021中更详细地描述了空间变化延迟器及其与波导的衍射层的互相操作，该美国临时专利申请的公开内容通过援引以其整体并入本文。在一些实施例中，衍射层200或BPG本身可以被配置成提供空间变化的衍射效率(使得本文描述的BPG/空间变化延迟器组合可以被单个元件代替)。例如，衍射层200可以包括沿着其表面在一个或多个维度上在空间上变化的局部光轴取向，以限定各自的局部光栅周期，其中局部光轴取向在一个或多个维度上在各自的局部光栅周期内非线性地变化。光轴取向的非线性变化在一个或多个维度上在各自的局部光栅周期中的两个或更多个各自的局部光栅周期之间可以基本上类似或者可以不同。在埃斯库蒂(Escuti)等人的美国临时专利申请63/042,046中更详细地描述了具有空间变化的非线性光轴取向的衍射光栅的概况，该美国临时专利申请的公开内容通过援引以其整体并入本文。

如图3A所示，来自波导120的显示光101被引导到用户的眼睛。特别地，光波导120包括透明衬底，该透明衬底被配置成经由全内反射在内部反射来自电子成像显示器的显示光101，使得显示光101在波导120内传播。BPG 200被配置成衍射显示光101，以使该显示光从波导120的与偏振膜组件121相对的表面耦出。特别地，BPG 200改变显示光101的偏振和传播方向并输出光102。被BPG 200衍射成一级的光102将具有经设计的偏振(这里为LHC)，这可以主要由BPG 200自身的配置确定，并且通常可能不依赖于入射的显示光101。然后，空间变化延迟器MTR-G将从BPG 200输出的衍射光102(例如，LHC偏振光)转换成椭圆/混合偏振光103，以输出给用户。

图3A的实施例也可以被配置成减少或消除透视彩虹。特别地，如图3A的示例操作中所示，非偏振光107(例如，来自外界或操作环境的视场的环境光或其它非显示光)入射到膜组件121上。该非偏振光107被偏振器122平面地偏振或线性地偏振，并作为TE偏振108输出。TE偏振光108与延迟器MTR-R1相交，在该延迟器处，该偏振光被转换成基本上没有正交偏振(这里为LHC)的右旋圆(right hand circular，RHC)偏振光109。RHC偏振光109离开膜组件121，并且进入包括BPG 200的波导衬底120。由于该示例中的BPG200被配置成针对RHC偏振光109提供低衍射效率，因此RHC偏振光109作为零级(透射，或T(0))光经过BPG 200，并且偏振保持RHC 110。光110与MTR-G相交，MTR-G将光110转换成椭圆偏振光111。

图3B所示的实施例可以类似地配置成减少或消除前向光投射105，并且可以以上文参考图2B的实施例描述的方式操作，从而减少或防止穿过膜组件121的前向光投射。

在包括单个波导120的图3A和图3B的示例中，添加空间变化延迟器MTR-G以产生衍射效率梯度可能与减少彩虹无关。然而，包括一个或多个附加的光波导(与波导120的空间变化延迟器MTR-G组合)可能引入复杂性，特别是关于彩虹效应的减少(如图4A所示)和前向光泄漏的减少(如图4B所述)的复杂性。

特别地，如图4A参考彩虹效应所示，第一波导120(片A)的光输出包括显示光103和混合偏振的“真实世界”透射光(例如，来自用户环境的非偏振或非显示光107的透射部分111)这两者。如果不校正，则彩虹效应可以由该布置中的下一个或随后的波导123(片B)的衍射光栅202(示出为第二BPG)产生。

而且，如图4B参考前向光投射所示，在第二波导123(片B)中传播的光101可以至少部分地被第二波导123的第二BPG 202前向衍射，并且(在该示例中)被转换成RHC偏振光130。该光130透射通过第一波导120(片A)的空间变化延迟器MTR-G，并且变为椭圆/混合偏振光131。混合偏振光131的RHC部分可以无变化地经过第一BPG 200以成为光132。该光132可以透射通过膜组件121的延迟器MTR-R1，并被转换成TM(横向磁)平面偏振光或线性偏振光133，并且可以被偏振器121有效地阻挡。

然而，仍然参考图4B，混合偏振光131的剩余部分(即，LHC偏振部分)可以被第一波导120(片A)中的第一BPG 200衍射135，并且可以在随后与第一BPG 200相遇时再次部分地作为光136衍射出去，并且在随后相遇138时也可能再次作为光138衍射出去。但是光136(以及可能的光138)可以在向前方向136上以RHC偏振被衍射。该光136将被膜组件121的延迟器MTR-R1转换成TM偏振光137，该光可以被偏振器122有效地阻挡。但是光138(以及可能的光136)可以在向前方向上以LHC偏振被衍射。该光138可以被延迟器MTR-R1转换为TE偏振光139，该TE偏振光可以经过膜组件的偏振器并作为前向光泄漏134离开用户。

本文描述的进一步实施例可以提供一个或多个光学元件的组件，该一个或多个光学元件的组件被配置成与多个波导组合来有效地解决彩虹效应和/或前向光投射，多个波导组合如上所述可以用于增加衍射波导显示器或其他成像系统的视场。在以下描述的实施例中，每个波导可以被配置成对特定或各自的波长范围的光进行操作，其中各自的波长范围可以对应于或可以不对应于各自颜色的光，并且可以彼此重叠或可以彼此不重叠。

在一些实施例中，如图5A和图5B所示，第一光波导120(片A)包括第一衍射层200或以其他方式光学地耦合到第一衍射层200，第一衍射层在该示例中被示出为第一BPG，第一BPG被设计成或以其他方式配置成针对一种偏振态(在该示例中为LHC)的光提供高衍射效率，并且针对不同(例如，正交)偏振态(在该示例中为RHC)的光提供低衍射效率。第二光波导123(片B)包括第二衍射层202或以其他方式光学地耦合到第二衍射层202，第二衍射层在该示例中被示出为第二BPG，并且被设置为与从第一光波导120输出的光相互作用(且反之亦然)。图5A和图5B的实施例可以类似于图3A和图3B，即，膜组件121包括设置在第一波导120的前面(例如，面向视场或环境)的偏振器122和延迟器MTR(示出为MTR-R1)。空间变化延迟器MTR-G被包括在第一波导120中并且被配置成与来自第一BPG 200的光相互作用，以便生成衍射效率梯度。在一些实施例中，另一个空间变化延迟器MTR-R被包括在第二波导123中并且被配置成与来自第二BPG 202的光相互作用，以便产生衍射效率梯度。

如图5A所示，为了解决可能由第二波导123的添加与空间变化延迟器MTR-G的组合导致的彩虹效应，在第一波导120与第二波导123之间设置第二(另一个)膜组件125。第二膜组件125包括第二空间变化延迟器MTR-R3。如虚线所示，第二空间变化延迟器MTR-R3被示出为独立地安装，要么作为悬置膜要么安装在其自身的衬底上，并且可以在第一波导120与第二波导123之间限定一个或多个空气界面。第二空间变化延迟器MTR-R3被配置成“消除”(或抵消或补偿)第一空间变化延迟器MTR-G的光学效应，即，将光111转换为光输出109(在该示例中为RHC偏振的光输出)，该光输出被配置成对于第二波导123的第二BPG而具有低衍射。也就是说，第二空间变化延迟器MTR-R3被配置成校正第一空间变化延迟器MTR-G的影响(并且在一些实施例中，可以被配置成提供延迟器MTR-G的反向空间变化)。

如图5B所示，为了解决可能由第二波导123的添加与空间变化延迟器MTR-G的组合导致的前向光投射，以与上面参考图5A所描述的方式类似的方式提供了包括第二空间变化延迟器MTR-R3的第二膜组件125。第二空间变化延迟器MTR-R3被配置成“消除”(或补偿)第一空间变化延迟器MTR-G的影响，即，将来自第二波导123的第二BPG 202的前向投射光130(在该示例中为RHC偏振光)转换为光，该光被配置成对于第一波导120的第一BPG 200而具有低衍射。离开第一BPG 200的光132将(在该示例中)保持RHC偏振，并且可以被膜组件121中的延迟器MTR-R1和偏振器有效地阻挡。

在一些实施例中，如图6A和图6B所示，类似于图5A和图5B的布置的布置可以分别用更少的衬底或界面来实现。特别地，为了减少衬底的数量，第二空间变化延迟器MTR-R3被包括在第二波导123中。作为第二波导123的一部分，第二空间变化延迟器MTR-R3因此也可以与显示光101相互作用。在图6A的示例中，第二波导123的空间变化延迟器MTR-R(这里是第三空间变化延迟器)(其被配置成控制光的偏振态，以便针对图5A的实施例中的第二BPG产生衍射效率梯度)被替代配置成或进一步配置成补偿针对显示光102(在该示例中是LHC偏振的)的第二空间变化MTR-R3的功能，并且与之一起协同工作。也就是说，第三空间变化延迟器MTR-R可以被配置成补偿第二空间变化延迟器MTR-R3的光学效应，第二空间变化延迟器和第三空间变化延迟器(在图6A和图6B的示例中)都被包括在第二波导123中。另外，图6A和图6B的实施例可以以类似于图5A和图5B的实施例的方式操作，以分别减少或防止彩虹效应和前向光投射。

在一些实施例中，如图7A和图7B所示，第一光波导120(绿片)包括第一衍射层200或以其他方式光学地耦合到第一衍射层200，第一衍射层在该示例中被示出为第一BPG，第一BPG被设计成或以其他方式配置成针对一种偏振态(在该示例中为LHC)的光提供高衍射效率，并且针对不同(例如，正交)偏振态(在该示例中为RHC)的光提供低衍射效率。第二光波导123(红片)包括第二衍射层202或以其他方式光学地耦合到第二衍射层202，第二衍射层在该示例中被示出为第二BPG，并且被设置为与从第一光波导120输出的光相互作用(且反之亦然)。第三光波导124(蓝片)包括第三衍射层203或以其他方式光学地耦合到第三衍射层203，第三衍射层在该示例中被示出为第三BPG，并且被设置为与从第二光波导123输出的光相互作用(且反之亦然)。波导120、123和124中的每一个可以包括各自的空间变化延迟器(分别为MTR-G、MTR-R和MTR-B)，各自的空间变化延迟器被配置成与来自各自的BPG(分别为200、202和203)的光相互作用，以便产生衍射效率梯度。

图7A和图7B的实施例可以类似于图5A和图5B，即，具有膜组件121和第二膜组件125；膜组件121包括设置在第一波导120的前面(例如，面向视场或环境)的偏振器122和延迟器MTR(示出为MTR-R1)，第二膜组件125包括设置在第一波导120与第二波导123之间的第二空间变化延迟器MTR-R3。此外，第三膜组件126包括设置在第二波导123与第三波导124之间的(第四)空间变化延迟器MTR-R4。如虚线所示，第二空间变化延迟器MTR-R3和/或第三空间变化延迟器MTR-R4可以独立地安装，要么作为悬置膜要么安装在其自身的衬底上，并且可以分别在第一波导120与第二波导123之间、以及第二波导123与第三波导124之间限定一个或多个空气界面。

在图7A和图7B的示例中，这些片被标识为绿片120、红片123和蓝片124。然而，在其他实施例中，波导120、123和124可以具有不同的顺序，数量上可以更少或更多，和/或可以对应于不同的颜色或其他各个(重叠或非重叠)波长范围。图7A和图7B的实施例可以与图5A和图5B的实施例类似地操作，以分别减少或防止彩虹效应和前向光投射，其中应当理解，包括每个附加的波导(例如，123和124)和空间变化MTR(例如，MTR-R和MTR-B)以产生衍射效率梯度可能分别需要附加的抵消的中间空间变化延迟器(例如，介于中间的膜组件125的MTR-R3和介于中间的膜组件126的MTR-R4)。

在一些实施例中，如图8A和图8B所示，类似于图7A和图7B的布置的布置可以分别用更少的衬底或界面来实现。特别地，为了减少衬底的数量，中间空间变化校正延迟器(MTR-R3和MTR-R4)分别被包含在相邻的衬底或波导(123和124)中。空间变化延迟器MTR-R和MTR-B可以被配置成分别(例如，通过提供空间变化延迟器MTR-R3和MTR-R4的光效应的反向空间变化)抵消空间变化延迟器MTR-R3和MTR-R4的光学效应、或以其他方式补偿空间变化延迟器MTR-R3和MTR-R4的光学效应，从而以如上所述类似地管理衍射效率。本文所描述的延迟器可以被配置成在宽光谱的波长范围内操作(即，可以为消色差的)，并且可以被配置成在宽范围的入射光角度内操作。经过一个空间变化延迟器的光的延迟可以被配置成通过位于正向方向或反向方向上的随后的空间变化延迟器来抵消。更一般地，在包括多个空间变化延迟器的实施例中，每个随后的空间变化延迟器的配置可以基于(在从视场/操作环境/非偏振光107朝向用户的眼睛的方向上)前一个或在先的空间变化延迟器的功能。另外，图8A和图8B的实施例可以类似于图7A和图7B的实施例操作，以分别减少或防止彩虹效应和前向光投射。

图9A和图9B示出了根据本发明的一些实施例的衍射波导装置，该衍射波导装置包括偏振膜组件921，该偏振膜组件被配置成在第一操作模式或延迟状态与第二操作模式或延迟状态之间切换，以分别提供彩虹减少和前向光泄漏减少。偏振膜组件921可以实现可以在两种状态之间进行切换的可切换圆偏振器，以便将第一偏振(例如，LHC)的光或第二偏振(例如，RHC)的光传输到光波导120。例如，偏振器922可以是线性偏振器，并且光学延迟器R可以包括可切换延迟器元件(switchable retarder element)S-HWP，其后是四分之一波片(quarter waveplate)QWP，或反之亦然。可切换延迟器元件S-HWP可以被实现为具有两种模式或延迟状态的可切换半波片，其中一种延迟状态提供零延迟，而另一种延迟状态提供半波延迟。

如图9A所示，在第一操作模式或延迟状态下，可切换延迟器元件S-HWP将透射通过线性偏振器的非偏振输入光107的偏振转换成第二(例如，RHC)偏振，以将第二偏振的光提供给光波导120。光学地耦合到波导120的BPG被配置成以低衍射效率衍射RHC偏振光，因此RHC偏振光被透射通过BPG而基本上不改变偏振或传播方向，因此可以减少或防止(可能由波导120中的BPG的衍射引起的)彩虹效应或伪像。

如图9B所示，在第二操作模式或延迟状态下，可切换延迟器元件S-HWP将透射通过线性偏振器的非偏振输入光107的偏振转换成第一偏振(例如，LHC)，以将第一偏振的光提供给光波导120。衍射元件200(示出为BPG)光学地耦合到波导120、并被配置成以高衍射效率衍射LHC偏振光，从而改变偏振和传播方向，使得可以形成彩虹效应或伪像30。然而，从波导120耦出的余光105可以被转换(例如，转换成第二偏振)并在向前方向上衍射，并且余光105可以被S-HWP转换成将被偏振器922阻挡的偏振。因此，可以减少或防止在背离用户的方向上衍射出波导120的显示光的前向泄漏。

这样，偏振膜组件921被配置成在第一延迟状态下将第二偏振的光传输到波导120，并且在第二延迟状态下将第一偏振的光传输到波导120并且阻挡来自波导120的第二偏振的光。在一些实施例中，衍射波导装置还可以包括设置在装置的前面并且被配置成提供调光的第二S-HWP和第二偏振器。位于两个偏振器之间的可切换半波片有时被称为LC(liquid crystal，液晶)快门。例如，LC快门可以被配置成通过将线性偏振器的轴线定向为彼此正交或平行来减少通过该快门透射的光。可切换半波片可以在两种模式或状态之间切换，这两种模式或状态被配置成提供零波延迟或半波延迟，并且因此向第二偏振器呈现光轴平行于或正交于第二偏振器的光轴的偏振光。在本文所描述的一些实施例中，第二偏振器和可切换半波片的存在相对于AR应用中的非显示光的透射可能不会呈现显著的附加损耗，但是可以提供显著的调光。在AR应用中，来自外界的透射光的变暗可以增强由显示光提供的虚拟内容的透视亮度对比度。这可能是有利的，特别是当显示装置在户外使用时是有利的，在户外，直射的太阳光和从诸如混凝土建筑物等物体反射的太阳光的亮度可能相对较高、且为了以合理的对比度观看虚拟内容可能需要显示的亮度高得令人不适。

图10A是示出了根据本发明的一些实施例的包括多倾斜偏振光栅的衍射波导装置中的前向光泄漏减少的示意图。图10B是更详细地示出了图10A的多倾斜偏振光栅的示意图。如图10A所示，光波导120包括透明衬底，该透明衬底被配置成经由全内反射使来自电子成像显示器的显示光101在内部反射，使得显示光101在波导120内传播。偏振光栅1000(这里示出为BPG)被配置成将从波导120的表面耦出的显示光101朝向用户衍射。特别地，BPG100改变显示光101的偏振和传播方向，并输出光102以使光从波导120耦出。被BPG100衍射成一级的光102将具有经设计的偏振(这里为LHC)，这主要由BPG 100本身的配置确定。BPG1000还被配置成同时将不同偏振(这里为RHC)的余光105导向光波导120的相对表面，其中被耦出的余光105具有比输出光102的强度低的强度。例如，从光波导120的表面耦出的显示光102的强度与从光波导120的相对表面耦出的余光105的强度的比值可以大于约10:1，从而减少前向光泄漏效应。

例如，BPG 1000可以被形成为多个堆叠的双折射子层(例如，多个LC子层)，这些多个堆叠的双折射子层限定布拉格状态的光栅。堆叠的双折射子层分别包括沿着堆叠的双折射子层中的相邻双折射子层之间的相应界面变化的局部光轴，以定义各自的光栅周期。局部光轴还在子层的各自厚度上变化，以定义各自的扭曲角或手性参数。

如图10B的示例所示，BPG 1000包括薄液晶聚合物(liquid crystal polymer，LCP)子层605a、605B……605n，这些子层可以形成在衬底610上的图案化的光定向层(Photo-alignment layer)615(例如，线性光聚合(linearly photo polymerization，LPP)层)上。每个LCP子层605a、605b……605n具有各自的厚度(d₁，d₂……d_N)、以及相应的手性参数或扭曲(φ₁，φ₂……φ_N)，其合计为整个元件1000的总厚度d、以及总扭曲φ。换句话说，这些子层605a、605b……605n中的一个或多个子层的液晶分子取向定义了局部光轴，这些局部光轴不仅沿着子层605a、605b……605n之间的各自的界面变化，而且在子层605a、605b……605n的各自的厚度d₁，d₂……d_N上变化，以限定各自的扭曲角φ₁，φ₂……φ_N。这实现了“倾斜的”布拉格LC PG，类似于一些传统的倾斜布拉格光栅中的周期性结构的角度倾斜。这些子层605a、605b……605n中的每一个子层具有各自的子层或表面光栅周期Λ_s，该子层或表面光栅周期定义了元件1000的总光栅周期Λ₀(也称为光学元件光栅周期Λ)。光学元件光栅周期Λ在图10B的实施例中所示的倾斜布拉格LC PG中小于子层光栅周期Λ_s，不过在其它实施例中可以等于子层光栅周期Λ_s。

光栅倾斜角θ_G可以取决于光栅周期Λ、子层厚度d和/或子层手性参数或扭曲角φ，例如，根据方程式tanθ_Gi＝φ_iΛ/d_iπ而取决于光栅周期Λ、子层厚度d和/或子层手性参数或扭曲角φ，其中φ_i和d_i分别为第i层的扭曲角和厚度。这种倾斜可以经由每个子层605a、605b……605n的手性向列型LCP材料本身的自发螺旋扭曲动作来实现，并且提供对入射布拉格角和/或一级衍射角的附加控制，从而允许这种倾斜被修改为比其他等效的未倾斜(即，非手性)版本更大或更小。手性分子可以被添加到非手性向列型LC以精确地控制扭曲角。每个子层605a、605b……605n可以具有相同的厚度和扭曲，但是本发明的实施例不限于此，并且可以包括具有不同厚度和/或扭曲的子层605a、605b……605n，从而提供多倾斜光栅，其中两个或更多个子层605a、605b……605n具有不同的倾斜角。这种光栅在埃斯库蒂(Escuti)等人的美国专利申请公开号2016/0033698中更详细地描述，该美国专利申请公开的公开内容通过援引并入本文。在一些实施例中，子层605a、605b……605n可以限定透射光栅，该透射光栅具有约15度到45度的相应倾斜角、以及约0.5微米到1.2微米的相应厚度。在一些实施例中，子层605a、605b……605n可以限定反射光栅，该反射光栅具有约50度到70度的相应倾斜角、以及约0.7微米到1微米的相应厚度。在堆叠的双折射子层605a、605b……605n中，相应的厚度、倾斜角和/或手性参数中的至少两个是不同的。

再次参考图10A，BPG 1000可以被配置成使得从波导120耦出的显示光102包括第一(例如，LHC)偏振的光，并且基本上没有第二(例如，RHC)偏振的光。相反，从波导120耦出的余光105包括第二(例如，RHC)偏振的光，并且基本上没有第一(例如，LHC)偏振的光。虽然在图10A中示出为透射光栅，但是应当理解，BPG 1000可以是反射光栅，使得显示光101可以入射到BPG 1000的靠近用户的一侧，其中一级衍射光102也被引导回用户。

在一些实施例中，偏振膜组件121可以可选地设置在光波导120和衍射元件1000上(如图10A所示)，例如与被配置成面向用户的表面相对，以向波导120提供第二偏振(例如，RHC)的非显示光，这类似于上述的图2A至图9B的实施例中的任何实施例中所示的配置。这样，图10A的衍射波导装置可以减少或消除余光105(其可以被延迟器MTR-R1转换并被偏振器阻挡)的前向泄漏，并且还可以被配置成(通过向波导120提供主要为第二偏振的光，第二偏振的光基本上不会被BPG 1000衍射)减少或消除透视彩虹效应或伪像。

图11是示出了根据本发明的一些实施例的衍射波导装置中的彩虹减少和前向光泄漏减少的示意图，该衍射波导装置包括具有可变延迟器元件VR的偏振膜组件1121。如上所述，当入射角相对高(例如，位于装置的视场之外)的光没有被衍射成大于玻璃的临界角的角度时，透视彩虹伪像可能由衍射波导形成。更一般地，例如，当衍射波导显示器包括交叉光栅以将光传播出波导并进入用户的眼睛时，导致彩虹伪像的入射角可能位于该显示器的视场之外。而且，前向光泄漏可能由通过TIR在波导内传播、以及在显示器的视场内传播的光引起。

在本发明的进一步实施例中，基于上述边界条件配置可变延迟器元件VR，以便同时减少或防止透视彩虹和前向光泄漏。例如，为了减少被配置成高效衍射LHC光的衍射光栅的彩虹，偏振膜组件1121可以实现为圆偏振器，该圆偏振器被配置成针对超出显示器的视场或位于显示器的视场之外的入射角将RHC光透射到光栅，这可以引起彩虹。为了减少被配置成高效衍射LHC光的光栅的前向光泄漏，偏振膜组合件1121可以实现为圆偏振器，该圆偏振器被配置成针对在显示器的视场内的入射角透射LHC光，这可以提供前向光泄漏。可变延迟器VR可以被配置成提供特定角度的延迟，使得透射的彩虹被减少或被阻止，同时阻挡前向光泄漏。

更特别地，现在参考图11，衍射元件被示出为光学地耦合到光波导120的衍射光栅1100(在一些实施例中，衍射光栅可以是BPG，但不是必须为BPG)。光波导可以是被配置成通过全内反射传播光101(例如，来自电子成像显示器的光)的透明衬底，并且衍射光栅可以被配置成将光101衍射出波导120并射向用户的眼睛。衍射光栅1100被配置成针对第一(例如，LHC)偏振提供高衍射效率(例如，以将传播改变到一级方向)，并且针对第二(例如，RHC)偏振提供低衍射效率(例如，以在基本上不改变传播方向的情况下透射到零级方向)。

偏振膜组件1121包括偏振器122(例如，线性偏振器)和可变延迟器元件VR，并且被设置成将非显示光引导到波导120。为了减少或消除用户眼睛处的彩虹30，可变延迟器元件VR被配置成将光转换成环境光或非偏振光107的第二偏振态，该环境光或非偏振光具有大于衍射波导显示器的视场的入射角。在一些实施例中(例如，在衍射光栅是BPG的情况下)，前向光泄漏105可以以第二偏振被耦出。为了阻挡前向光泄漏105，可变延迟器VR被配置成，对于显示器的视场内的入射角，将第二偏振的光转换成被偏振器阻挡的偏振光(例如，线性偏振光)，该偏振光可以例如以与线性偏振器透射的光正交偏振。更一般地，衍射光栅1100可以被配置成，对于位于视场内的角度，沿向前方向(即，背离用户)衍射具有基本上单一或相同偏振(即，基本上没有其他或正交偏振)的光105，并且可变延迟器元件VR可以被配置成将该光转换成可以被线性偏振器122阻挡的偏振。

甚至更一般地，前向光泄漏105可以具有可以在入射角、波长/光谱上和/或随着跨衍射光栅的表面的空间位置而变化的偏振。也就是说，在向前方向上(背离用户的眼睛)衍射的耦出的光或余光105可以具有偏振，该偏振可以是角度相关的、光谱相关的和/或位置相关的。可变延迟器元件VR可以被配置成(对于视场内的光105的入射角)将该前向光105的偏振转换成可以被偏振膜组件1121的偏振器阻挡的偏振(例如，转换成与由线性偏振器122透射的光的线性偏振正交的线性偏振)。在一些实施例中，可变延迟器VR可以包括多个堆叠的双折射子层，这些堆叠的双折射子层的局部光轴在这些子层的表面上在一个或多个维度或方向上变化。也就是说，可变延迟器元件VR可以被配置成基于入射角、波长、和/或沿可变延迟器元件VR的表面的一个或多个方向上的空间位置来改变入射到可变延迟器元件上的光的延迟。

因此，可变延迟器元件VR被配置成对于装置的视场内的入射角提供第一延迟量或值，以及对于超出视场或位于视场之外的入射角提供第二延迟量或值。偏振膜组件1121被配置成对于视场外的入射角将第二偏振的光提供给光波导，并且对于视场内的入射角阻挡从光波导120耦出的第二偏振的光。

在本文描述的实施例中，(一个或多个)延迟器可以直接设置在衍射元件上或与衍射元件相邻，或者与衍射元件分离，例如设置在波导的相对侧上。在一些实施例中，(一个或多个)延迟器和/或(一个或多个)衍射层可以包括双折射材料或层，例如(但不限于)液晶(LC)层。在一些实施例中，(一个或多个)延迟器和(一个或多个)衍射层可以限定具有单片结构的光学元件。单片光学元件的层可以直接位于另一层之上，或者可以在它们之间包括一个或多个透明层。

因此，本公开的实施例可以提供衍射光波导显示器，该衍射光波导显示器包括一个或多个光波导和偏振膜组件，该一个或多个光波导被配置成将显示光和非显示光以相应的偏振态(而不是混合偏振)引导至用户，该偏振膜组件被配置成减少或防止彩虹效应和/或前向光泄漏。虽然本文已经参考基于波导或其他近眼式成像系统描述了一些实施例，但是应当理解，本公开的实施例不限于此，并且也可以用于其他应用。

尽管在本文所描述的示例中是参考光学元件堆叠体的特定配置进行说明的，但是应当理解，也可以存在介于中间的元件，例如附加的偏振器、延迟器和/或其它光学层。例如，根据PG元件的特性，可能需要光发射的特定偏振来提供期望的衍射角。这样，如果光源发射偏振光(例如，激光)，则可以包括波片(例如，提供圆偏振的四分之一波片)，以提供具有期望输入偏振的光发射。同样，如果光源(例如，发光二极管(LED))不发射偏振光，则可以包括偏振器以提供具有期望输入偏振的光发射。

已经参考诸如偏振光栅等衍射光学元件描述了本公开的实施例，衍射光学元件被配置成在光的操作波长范围内改变光的偏振和传播方向这两者。PG是通过对具有光学各向异性的薄膜进行图案化形成的衍射光学元件。更具体地，PG具有沿着与光轴本身共面(例如，X-Y平面)的至少一个方向线性变化(例如，)的局部光轴，且在其它特征中具有均匀的各向异性量值。PG可以提供高衍射效率、有限衍射级和/或偏振选择性。

在一些示例性实施方式中，PG可以在可切换LC和可聚合LC这两者中使用光定向材料和液晶(LC)材料来制造。在可聚合LC的情况下，PG可以形成为具有单个定向层的LC的多个子层。通过向反应性液晶元(也称为低分子量可聚合LC(LCP))中加入手性掺杂剂，可以在各层中实现手性扭曲。这种手性扭曲可以用于定制高衍射效率的带宽。

光与衍射光栅的相互作用可能受到材料和几何参数的复杂组合的影响。在衍射光栅领域，通常可以使用无量纲参数Q来识别特定光栅配置的光学行为的状态：

Q＝2πλd/Λ²n

其中，λ是光的真空波长，d是光栅厚度，Λ是光学元件的光栅周期(即，间距)，以及n是平均折射率。在这种架构中，布拉格状态可以被定义为Q＞1，拉曼-奈斯(Raman-Nath)状态可以被定义为Q＜1，以及Q～1可以指具有这两种特性的混合状态。

本文所描述的实施例提供了具有高达约90°(即，λ接近Λ)的大衍射角θ和高效率的PG。由具有光栅周期Λ、厚度d和/或平均折射率n的LC材料形成的布拉格PG可以使这成为可能，该光栅周期、厚度和/或平均折射率被选择成使得对于操作波长获得布拉格条件(Q＞1)。布拉格PG是指在布拉格状态下操作的偏振光栅，该偏振光栅(与一些非布拉格PG相比)具有更高的衍射效率，并且被设计成在单个衍射级(而不是一些非布拉格PG的多个衍射级)下操作。更具体地，本发明的实施例可以采用多个堆叠的双折射子层(这些堆叠的双折射子层各自的厚度可以小于要穿过其的光的工作波长)，这些堆叠的双折射子层被单独地涂覆和聚合，以获得布拉格状态所需的大厚度。

在一些实施例中，布拉格PG可以使用体向列型LC层形成，这些体向列型LC层可以被描述为聚合反应性LC单体层或LC聚合物(LCP)层。LCP层不同于传统的液晶聚合物。在本发明的一些实施例中采用的LCP薄膜包括低分子量反应性LC分子，这些低分子量反应性LC分子通过它们的被涂覆或以其它方式形成的表面的特性而排布，并且随后聚合成刚性聚合物网络。特别地，布拉格PG的周期性图案可以记录到光定向层的表面中，而不是直接记录到LCP层中。相反，一些传统的液晶聚合物可以是具有液晶成分的高分子量聚合物，并且布拉格PG的周期性图案典型地直接记录到材料中，例如经由光致分子重新排布直接记录到材料中。

几何相位(geometric phase，GP)元件是各向异性光学元件，该各向异性光学元件的光轴取向在一个或多个维度上和/或以任何方式变化，包括但不限于线性、非线性和连续或不连续的光轴变化，从而以控制几何相位(或Pancharatnam-Berry相位，其由偏振态的变化产生)而不是动态相位(其由光程长度差效应产生)的方式影响入射光的偏振。

GP元件可以被认为是偏振光栅的更复杂的版本，GP元件的光栅周期Λ沿着其表面具有一维或者二维变化。从另一个角度来看，PG可以被认为仅仅是GPH的特定示例，从而实施线性相位分布，例如或/>其中，Λ是恒定光栅周期。在一些实施例中，局部光轴取向(例如/>)在一个或多个维度上根据沿着几何相位元件的表面的位置的非线性变化可以定义具有连续变化的周期性图案，使得GP元件的总体效应可以提供透镜效应。

在某些情况下，可以通过使用全息技术对记录介质或其他定向表面进行图案化来生成变化的光轴取向，在这种情况下，GP元件可以被称为几何相位全息图(GPH)元件，或简称为GPH。然而，本文所描述的几何相位元件也可以通过各种方法产生，这些方法包括全息干涉和各种其它形式的光刻，因此，本文所描述的“全息图”不限于通过全息干涉或“全息术”产生。

本文参考液晶(LC)材料来描述本发明的实施例。如本文所用，液晶可以具有向列相、手性向列相、层列相、铁电相和/或另一种相。此外，许多可光聚合的聚合物可以用作定向层，以产生本文所描述的GP元件。

应当理解，如本文所用，“透射”或“透明”衬底或元件可以允许至少一些入射光穿其而过。换句话说，本文所描述的透射或透明元件不需要是完全透明的，并且可以具有各向同性特性或二向色吸收特性和/或可以其它方式吸收一些入射光。在一些实施例中，透明衬底或间隔物可以是玻璃衬底。相反，如本文所描述的“反射”衬底可以反射至少一些入射光。“阻挡”光(例如，特定偏振的光)的元件基本上防止这样的光透过。

还应当理解，在与周围介质(例如，空气)相接触的所有表面上施加抗反射涂层。还应该理解，本文所描述的光学元件/层在一些情况下可以层叠在一起，以限定在元件/层之间没有气隙的整体结构，而在其他情况下可以设置成在元件/层之间具有气隙。

如本文所用，“零级”光在与入射光的方向基本平行的方向上传播，即，以基本相似的入射角传播，并且在本文中可以被称为“轴上”光。相反，“非零级光”(例如，“一级”光)在不平行于入射光的方向上传播，并且在本文中被称为“离轴”光。如本文所述，“部分准直的”光可以描述基本彼此平行传播的光线或光束，但是可以具有一定发散性(例如，光束直径随着与光源的距离而不同)。

如本文所用，“平行”偏振光栅布置包括具有相同双折射n(x)的第一偏振光栅和第二偏振光栅，即，第一偏振光栅和第二偏振光栅的相应双折射图案具有基本相似的取向。相反，“反平行”偏振光栅布置包括具有相反双折射(即，n(x)和n(-x))的第一偏振光栅和第二偏振光栅。换句话说，第二偏振光栅的双折射图案相对于第一偏振光栅的双折射图案反转或旋转约180度。

本文参考液晶(LC)材料来描述本发明的实施例。液晶可以包括分子有序排布的液体。典型地，液晶(LC)分子可以是各向异性的，具有长形(杆状)或平坦(盘状)形状。由于各向异性分子的排序，体LC通常在其物理特性上呈现各向异性，例如在其机械特性、电特性、磁特性和/或光学特性上呈现各向异性。由于杆状或盘状的性质，LC分子的取向分布在光学应用中，例如在液晶显示器(liquid crystal display，LCD)中起重要作用。在这些应用中，LC定向可以由定向表面来指示。可以处理定向表面，使得LC以可控的方式相对于该表面定向。

而且，“可聚合液晶”可以指可以聚合的相对低分子量的液晶材料，并且在本文中还可以描述为“反应性液晶元”。相反，“非反应性液晶”可以指可以不会聚合的相对低分子量的液晶材料。然而，应当理解，本发明的实施例不限于本文所描述的特定材料，而是可以使用如本文所描述的起作用的任何和所有材料层来实施。

如本文所述，(一个或多个)可切换层可以在状态间(响应于施加的电信号)独立地切换，这些状态不同地影响入射到可切换层上的光的偏振。例如，在一些实施例中，(一个或多个)可切换层可以在基本上不改变光的偏振的第一状态(例如，“关”状态)与改变光的偏振(例如，到正交偏振态)的第二状态(例如，“开”状态)之间切换。在一些实施例中，(一个或多个)可切换层可以不完全从一个偏振态切换到正交态，并且因此可以用于调制穿其而过的在特定操作波长内的光。也就是说，就对特定操作波长内的入射光的偏振的影响而言，(一个或多个)可切换层可以包括(在“关”状态与“开”状态之间的)中间状态。

(一个或多个)可切换层可以包括双折射液晶层，双折射液晶层可以响应于向其施加的电压而在零延迟与半波延迟(或其它延迟)之间电切换。可切换光学层的状态(例如，“开”或“关”)可以由一个或多个外部控制器控制。在一些实施例中，(一个或多个)可切换光学层可以使用LC材料形成，如在埃斯库蒂(Escuti)等人的美国专利申请公开号2011/0242461中所描述的，该美国专利申请公开的公开内容通过援引并入本文。根据本公开的实施例可以使用的LC材料包括但不限于扭曲向列、竖直定向、蓝相等，而不限于本文所描述的特定“开”(半波延迟)状态或“关”(零延迟)状态。

应该理解，尽管术语“第一”、“第二”、“第三”等可以在本文被用于描述不同元件、部件、区域、层和/或区段，但是除非另有说明，否则这些元件、部件、区域、层和/或区段应不应被这些术语限制。这些术语仅用将一个元件、部件、区域、层和/或区段与另一区域、层和/或区段区分开来。因此，在不背离本发明的教导的情况下，下面讨论的第一元件、第一部件、第一区域、第一层或第一区段可以被称为第二元件、第二部件、第二区域、第二层或第二区段。

为了便于描述，本文可以使用空间相关术语，诸如“下面”、“下方”、“下”、“上方”和“上”等来描述一个元件或特征与另一个(或多个)元件或特征的关系，如图中所示。应当理解的是，除了图中所示的取向之外，空间相对术语旨在涵盖使用或操作中的装置的不同取向。例如，如果图中的装置被翻转，那么被描述为其它元件或特征的“下面”或“下方”的元件于是将被定向在其它元件或特征的“上方”。因此，术语“下面”和“下方”可以涵盖上面和下面这两个方向。装置可以以其他方式定向(旋转90度或以其他取向定向)，并且在本文中使用的空间相对描述词相应地进行解释。此外，还将理解，当层被称为在两个层“之间”时，它可以是两个层之间的唯一层，或者也可以存在一个或多个介于中间的层。

本文中使用的术语仅是为了描述特定实施例的目的，且不旨在限制本发明。如本文中使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确指示。还应当理解，术语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。如本文所使用的，术语“和/或”包括相关的所列项目中的一个或多个相关的所列项目的任意组合和所有组合。

应当理解，当元件或层被称为“在另一个元件或层上”，“连接到”、“耦合到”或“邻近”另一个元件或层时，它可以直接在另一个元件或层上，直接连接到、耦合到或邻近另一个元件或层，或者可以存在介于中间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在另一个元件或层上”，“直接连接到”、“直接耦合到”、或“直接相邻”另一元件或层时，可能不存在介于中间的元件或层。

除非另有定义，否则本文使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。还应当理解，诸如在常用词典中定义的那些术语等术语应当被解释为具有与它们在相关技术和/或本说明书的上下文中的含义一致的含义，并且不应当以理想化或过于正式的意义来解释，除非在此明确地如此定义。

本文结合以上描述和附图，公开了许多不同的实施例。应当理解，在字面上描述和说明这些实施例的每种组合和子组合将是过度重复和混乱的。因此，包括附图在内的本说明书应被解释为构成本文所描述的本发明的实施例的所有组合和子组合、以及制造和使用它们的方式和过程的完整书面描述，并且应支持对任何这样的组合或子组合的保护。

在附图和说明书中，公开了本公开的实施例，且尽管采用了特定术语，但是这些术语仅用于一般性和描述性的意义，而非用于限制的目的，本发明的范围在所附权利要求书中阐述。

Claims (43)

1.一种衍射波导装置，所述衍射波导装置包括：

光波导；

衍射元件，所述衍射元件光学地耦合到所述光波导，其中，所述衍射元件被配置成改变第一偏振的光的偏振和传播方向，并且被配置成透射第二偏振的光而基本上不改变所述第二偏振的光的偏振或传播方向；以及

偏振膜组件，所述偏振膜组件被配置成向所述光波导提供所述第二偏振的光，并且/或者被配置成阻挡来自所述光波导的所述第二偏振的光，其中，所述偏振膜组件包括偏振器和光学延迟器，所述光学延迟器定位在所述偏振器与所述光波导之间。

2.根据权利要求1所述的衍射波导装置，其中，所述偏振膜组件被设置成响应于入射到所述偏振膜组件的与所述光波导相对的表面上的非显示光，而向所述光波导提供所述第二偏振的光，可选地，其中，所述第二偏振的光基本上没有所述第一偏振。

3.根据权利要求2所述的衍射波导装置，其中，所述光波导被配置成从所述光波导的表面透射所述非显示光，其中，被透射的所述非显示光包括所述第二偏振的光并且基本上没有彩虹伪像，

可选地，其中，被透射的所述非显示光基本上没有所述第一偏振的光。

4.根据权利要求3所述的衍射波导装置，其中，所述光波导被配置成通过全内反射来传播来自电子成像显示器的显示光，并且从所述光波导的所述表面耦出所述显示光。

5.根据权利要求4所述的衍射波导装置，其中，所述衍射元件被配置成改变朝向所述光波导的所述表面的所述显示光的偏振和传播方向，其中，被耦出的所述显示光包括所述第一偏振的光，

可选地，其中，被耦出的所述显示光基本上没有所述第二偏振的光。

6.根据任一前述权利要求所述的衍射波导装置，其中，所述第一偏振和所述第二偏振彼此正交。

7.根据权利要求6所述的衍射波导装置，其中，所述第一偏振和所述第二偏振中的一个是右旋圆偏振，并且所述第一偏振和所述第二偏振中的另一个是左旋圆偏振。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的衍射波导装置，其中，所述光学延迟器是多扭曲延迟器，所述多扭曲延迟器包括堆叠的双折射子层，所述堆叠的双折射子层具有各自的延迟和各自的局部光轴，所述各自的局部光轴在所述堆叠的双折射子层的各自的厚度上被旋转各自的扭曲角，其中，所述各自的扭曲角和/或所述各自的厚度中的至少两个在所述堆叠的双折射子层之间是不同的。

9.根据权利要求8所述的衍射波导装置，其中，所述堆叠的双折射子层是液晶聚合物层。

10.根据权利要求1至5中任一项所述的衍射波导装置，其中，

所述光学延迟器包括可切换延迟器元件，所述可切换延迟器元件被配置成在第一延迟状态与第二延迟状态之间切换，所述第一延迟状态和所述第二延迟状态是不同的；并且

所述偏振膜组件被配置成在所述第一延迟状态下，向所述光波导提供所述第二偏振的光，并且在所述第二延迟状态下，阻挡来自所述光波导的所述第二偏振的光。

11.根据权利要求10所述的衍射波导装置，其中，所述偏振膜组件是可切换圆偏振器。

12.根据权利要求10所述的衍射波导装置，其中，所述偏振器是线性偏振器，其中，所述第一延迟状态和所述第二延迟状态中的一个被配置成提供半波延迟，其中，所述第一状态和所述第二状态中的另一个被配置成提供零延迟，并且其中，所述光学延迟器还包括位于所述线性偏振器与所述光波导之间的四分之一波片。

13.根据权利要求1至9中任一项所述的衍射波导装置，其中，所述光学延迟器包括可变延迟器元件，所述可变延迟器元件被配置成基于入射光的入射角、所述入射光的波长、和/或沿着所述可变延迟器元件的表面的一个或多个方向上的空间位置来改变对所述入射光呈现的延迟。

14.根据权利要求13所述的衍射波导装置，其中，

所述可变延迟器被配置成对位于所述衍射波导装置的视场内的入射角提供第一延迟，并且对位于所述视场之外的入射角提供不同于所述第一延迟的第二延迟；以及

所述偏振膜组件被配置成对于位于所述视场之外的所述入射角，向所述光波导提供所述第二偏振的光，并且对于位于所述视场内的所述入射角，阻挡来自所述光波导的所述第二偏振的光。

15.根据任一前述权利要求所述的衍射波导装置，所述衍射波导装置还包括：

空间变化延迟器，所述空间变化延迟器被设置成接收从所述衍射元件输出的光，并且被配置成在沿着所述空间变化延迟器的表面的一个或多个方向上在空间上改变入射到所述空间变化延迟器上的光的延迟。

16.根据权利要求15所述的衍射波导装置，其中，所述空间变化延迟器被配置成改变所述衍射元件在所述一个或多个方向上的衍射效率，可选地，被配置成从所述光波导的与所述膜组件相对的表面提供具有基本均匀强度的光输出。

17.根据权利要求15所述的衍射波导装置，其中，所述空间变化延迟器包括被配置成在空间上改变所述延迟的局部光轴图案、扭曲角和/或厚度。

18.根据权利要求15所述的衍射波导装置，其中，所述衍射元件和/或所述空间变化延迟器被包括在所述光波导中。

19.根据任一前述权利要求所述的衍射波导装置，其中，所述光波导是第一光波导，并且所述衍射波导装置还包括：

第二光波导，所述第二光波导被设置成接收从所述第一光波导输出的光；以及

第二衍射元件，所述第二衍射元件光学地耦合到所述第一光波导，其中，所述第二衍射元件被配置成改变所述第一偏振的光的偏振和传播方向，并且被配置成透射所述第二偏振的光而基本不改变所述第二偏振的光的偏振或传播方向。

20.根据权利要求19所述的衍射波导装置，所述衍射波导装置还包括：

第二膜组件，所述第二膜组件位于所述第二衍射元件与所述第一光波导之间，

其中，所述第二膜组件包括第二空间变化延迟器，所述第二空间变化延迟器被配置成在沿所述第二空间变化延迟器的表面的一个或多个方向上在空间上改变入射到所述第二空间变化延迟器上的光的延迟。

21.根据权利要求20所述的衍射波导装置，其中，所述第二空间变化延迟器包括局部光轴图案、扭曲角和/或厚度，所述局部光轴图案、扭曲角和/或厚度被配置成与所述第一光波导的所述空间变化延迟器在空间上改变所述延迟相反地在空间上改变所述延迟。

22.根据权利要求20所述的衍射波导装置，其中，所述第二光波导还包括：

第三空间变化延迟器，所述第三空间变化延迟器被设置成接收从所述第二衍射元件输出的光，并且被配置成在沿着所述第三空间变化延迟器的表面的一个或多个方向上在空间上改变入射到所述第三空间变化延迟器上的光的延迟。

23.根据权利要求22所述的衍射波导装置，其中，所述第三空间变化延迟器被配置成改变所述第二衍射元件在所述一个或多个方向上的衍射效率，以提供具有基本均匀强度的光输出。

24.根据权利要求22所述的衍射波导装置，其中，所述第二膜组件被包括在所述第二光波导中，并且其中，所述第三空间变化延迟器包括局部光轴图案、扭曲角和/或厚度，所述局部光轴图案、扭曲角和/或厚度被配置成与所述第二空间变化延迟器在空间上改变所述延迟相反地在空间上改变所述延迟。

25.根据权利要求20所述的衍射波导装置，所述衍射波导装置还包括：

第三光波导，所述第三光波导被设置成接收从所述第二光波导输出的光；以及

第三衍射元件，所述第三衍射元件光学地耦合到所述第三光波导，其中，所述第三衍射元件被配置成改变所述第一偏振的光的偏振和传播方向，并且被配置成透射所述第二偏振的光而基本上不改变所述第二偏振的光的偏振或传播方向。

26.根据权利要求25所述的衍射波导装置，所述衍射波导装置还包括：

第三膜组件，所述第三膜组件位于所述第三衍射元件与所述第二光波导之间，

其中，所述第三膜组件包括第四空间变化延迟器，所述第四空间变化延迟器被配置成在沿所述第四空间变化延迟器的表面的一个或多个方向上在空间上改变入射到所述第四空间变化延迟器上的光的延迟。

27.根据权利要求25所述的衍射波导装置，其中，所述第一光波导、所述第二光波导和所述第三光波导被配置成对与可见光谱的各个颜色相对应的各自波长范围的光进行操作。

28.根据权利要求1至5中任一项所述的衍射波导装置，其中，所述衍射元件的衍射效率在沿着所述衍射元件的表面的一个或多个方向上变化，以从所述光波导的与所述膜组件相对的表面提供具有基本均匀强度的光输出。

29.根据权利要求1至5中任一项所述的衍射波导装置，其中，所述衍射元件包括：

多倾斜光栅，所述多倾斜光栅包括堆叠的双折射子层，所述堆叠的双折射子层具有各自的厚度、倾斜角和/或手性参数，所述堆叠的双折射子层被配置成将所述显示光朝向所述光波导的与所述偏振膜组件相对的表面引导，并且同时将余光背离所述光波导的所述表面引导，

可选地，其中，所述各自的厚度、倾斜角和/或手性参数中的至少两个在所述堆叠的双折射子层之间是不同的。

30.根据权利要求29所述的衍射波导装置，其中，从所述光波导的所述表面耦出的所述显示光的强度与背离所述光波导的所述表面引导的所述余光的强度之比大于约10:1。

31.一种衍射波导装置，所述衍射波导装置包括：

光波导，所述光波导包括相反的第一表面和第二表面，其中，所述光波导被配置成通过全内反射来传播来自电子成像显示器的显示光，并且从所述第二表面耦出所述显示光；以及

衍射元件，所述衍射元件光学地耦合到所述波导，其中，所述衍射元件被配置成改变第一偏振的光的偏振和传播方向，并且被配置成透射第二偏振的光而基本上不改变所述第二偏振的光的偏振或传播方向，

其中，所述衍射元件包括多个堆叠的双折射子层，所述多个堆叠的双折射子层具有各自的厚度、倾斜角和/或手性参数，所述多个堆叠的双折射子层被配置成朝向所述光波导的所述第二表面引导所述显示光，且同时朝向所述光波导的所述第一表面引导强度低于所述显示光的强度的余光。

32.根据权利要求31所述的衍射波导装置，其中，从所述光波导的表面耦出的所述显示光的强度与背离所述光波导的表面引导的所述余光的强度之比大于约10:1。

33.根据权利要求31所述的衍射波导装置，其中，

被耦出的所述显示光包括所述第一偏振的光，并且可选地，基本上没有所述第二偏振的光；并且

所述余光包括所述第二偏振的光，并且可选地，基本上没有所述第一偏振的光。

34.根据权利要求33所述的衍射波导装置，所述衍射波导装置还包括：

偏振膜组件，所述偏振膜组件被配置成阻挡从所述光波导的所述第一表面耦出的所述第二偏振的光。

35.根据权利要求34所述的衍射波导装置，其中，所述偏振膜组件包括偏振器和光学延迟器，所述光学延迟器被定位在所述偏振器与所述光波导的所述第一表面之间。

36.根据权利要求35所述的衍射波导装置，其中，所述偏振膜组件还被配置成响应于入射在所述偏振膜组件的与所述光波导相对的表面上的非显示光，向所述光波导提供所述第二偏振的光。

37.根据权利要求36所述的衍射波导装置，其中，

所述光学延迟器包括可切换延迟器元件，所述可切换延迟器元件被配置成在第一延迟状态与第二延迟状态之间切换，所述第一延迟状态和所述第二延迟状态是不同的；并且

所述偏振膜组件被配置成在所述第一延迟状态下，向所述光波导提供所述第二偏振的光，并且在所述第二延迟状态下，阻挡从所述光波导的所述第一表面耦出的所述第二偏振的光。

38.根据权利要求37所述的衍射波导装置，其中，所述偏振器是线性偏振器，其中，所述第一延迟状态和所述第二延迟状态中的一个被配置成提供半波延迟，其中，所述第一状态和所述第二状态中的另一个被配置成提供零延迟，并且其中，所述光学延迟器还包括位于所述线性偏振器与所述光波导之间的四分之一波片。

39.一种衍射波导装置，所述衍射波导装置包括：

光波导组件，所述光波导组件包括顺序设置的多个光波导，所述光波导中的每一个光波导包括各自的衍射元件和各自的空间变化延迟器，所述各自的空间变化延迟器被配置成与来自所述各自的衍射层的光相互作用，以生成各自的衍射效率梯度；以及

偏振膜组件，所述偏振膜组件包括偏振器和延迟器元件，其中，所述偏振膜组件被配置成向所述光波导组件提供第二偏振的偏振光，并且/或者被配置成阻挡从所述光波导组件输出的偏振光。

40.根据任一前述权利要求所述的衍射波导装置，其中，所述衍射元件包括几何相位元件，所述几何相位元件包括在一个或多个维度上变化的局部光轴取向。

41.根据任一前述权利要求所述的衍射波导装置，其中，所述衍射元件包括偏振光栅，所述偏振光栅包括局部光轴取向，所述局部光轴取向在一个或多个维度上线性地变化并且定义相应的光栅周期。

42.根据任一前述权利要求所述的衍射波导装置，其中，所述衍射元件包括透射布拉格偏振光栅或反射布拉格偏振光栅，所述透射布拉格偏振光栅或所述反射布拉格偏振光栅被配置成将所述第二偏振的光输出为零级光束，并且将第一偏振的光输出为一级光束，其中，所述零级光束的传播方向与所述一级光束的传播方向之间的差大于约45度。

43.根据任一前述权利要求所述的衍射波导装置，其中，所述第一偏振的光和/或所述第二偏振的光包括可见波长范围的光。