TW202331350A - 具有可切換散射器的方向性照明器和顯示器設備 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種用於顯示器設備的方向性照明器，其包括可切換散射器，該散射器用於調節照明該顯示器設備之顯示器面板的光束之發散度。照明光束之可調發散度轉變成該顯示器設備之眼動區處的可調出射光瞳大小，該可調出射光瞳大小可與使用者之眼睛的瞳孔大小匹配，因此提供眼睛瞳孔的可配置照明。該照明光束之光學路徑中的可傾斜反射器可用於使該顯示器設備之該眼動區處的出射光瞳之位置移位。

Description

具有可切換散射器的方向性照明器和顯示器設備

本發明係關於可調光學裝置，且特定而言，係關於可用於視覺顯示器系統中的光導，以及用於光導及視覺顯示器系統的組件、模組及方法。 對相關申請案之參考

本申請案主張2021年12月6日申請之題為「可切換光柵之顯示器應用（Display Applications of Switchable Gratings）」之美國臨時專利申請案第63/286,381號、2021年12月6日申請之題為「主動流體光學元件（Active Fluidic Optical Element）」之美國臨時專利申請案第63/286,230號以及2022年2月14日申請之美國非臨時專利申請案第17/671,446號的優先權，且這些專利申請案以全文引用之方式併入本文中。

視覺顯示器將資訊提供至檢視者，該資訊包括靜止影像、視訊、資料等。視覺顯示器在包括娛樂、教育、工程、科學、專業培訓、廣告（僅舉幾個實例）之多個領域中皆有應用。諸如電視機之一些視覺顯示器向若干使用者顯示影像，且諸如近眼顯示器（near-eye display；NED）之一些視覺顯示器系統意欲用於個別使用者。

人工實境系統通常包括配置以向使用者呈現內容之NED（例如，頭戴式裝置或一副眼鏡）。近眼顯示器可顯示虛擬物件或組合真實物件與虛擬物件之影像，如在虛擬實境（virtual reality；VR）、擴增實境（augmented reality；AR）或混合實境（mixed reality；MR）中應用。舉例而言，在AR系統中，使用者可藉由經由「組合器」組件查看來檢視與周圍環境疊置的虛擬物件之影像（例如，電腦產生之影像（computer-generated image；CGI））。組合器組件（包括其光路由光學件）對外部光可為透明的。

NED通常穿戴於使用者之頭部上。因此，具有較重電池之大型、笨重、不平衡及較重顯示裝置對於使用者穿戴將為繁瑣且不舒適的。頭戴式顯示裝置可得益於緊密且高效的配置，包括提供顯示器面板之照明的高效光源及照明器、高通量組合器組件及目鏡，以及影像形成元件串中的其他光學元件，其可將具有最小影像失真及假影之影像提供至使用者之眼睛。

本發明之一態樣係指一種顯示器設備，該顯示器設備包含：顯示器面板，其用於顯示影像；光源，其用於提供照明光束；可切換散射器，其耦接至該光源以用於向該照明光束賦予空間變化振幅或空間變化相位延遲中之至少一者；光導，其耦接至該可切換散射器，以用於將經由該可切換散射器傳播之該照明光束傳送至該顯示器面板，由此該顯示器面板提供攜載該影像的影像光束；及物鏡，其用於接收該影像光束且將其傳送至該顯示器設備之眼動區，以用於在該眼動區處檢視該影像。

前述態樣的顯示器設備進一步包含：眼動追蹤器，其用於判定該眼動區處眼睛之瞳孔的大小；及控制器，其以可操作方式耦接至該眼動追蹤器及該可切換散射器，且配置以使得該可切換散射器增加該照明光束的發散度，以使該影像光束對應於由該眼動追蹤器判定的瞳孔大小。

前述態樣的顯示器設備中，空間變化振幅或空間變化相位延遲中之該至少一者為隨時間而改變的，該顯示器設備進一步包含控制器，該控制器以可操作方式耦接至該可切換散射器且配置以使該可切換散射器增加該照明光束的時間平均發散度。

前述態樣的顯示器設備中，存在以下情況中之至少一者：該可切換散射器包含以至少5 kHz之頻率切換的光柵；或該可切換散射器將該照明光束的時間平均發散度增加至少1度。

前述態樣的顯示器設備進一步包含用於判定該眼動區處眼睛之瞳孔的位置或大小中之至少一者的眼動追蹤器，其中該控制器以可操作方式耦接至該眼動追蹤器；其中該控制器配置以使得該可切換散射器進行以下操作中之至少一者：以振盪方式重導引該照明光束，以增加該照明光束的該時間平均發散度，以使該影像光束對應於瞳孔大小；或重導引該照明光束以使該影像光束朝向由該眼動追蹤器判定的瞳孔位置移位。

前述態樣的顯示器設備進一步包含：眼動追蹤器，其用於判定該眼動區處眼睛之瞳孔的位置；可傾斜反射器，其用於在該照明光束照射至該光導上之前重導引該照明光束；及控制器，其以可操作方式耦接至該眼動追蹤器及該可傾斜反射器，且配置以使該可傾斜反射器重導引該照明光束以使該影像光束跟隨由該眼動追蹤器判定之該瞳孔的該位置。

前述態樣的顯示器設備中，該顯示器面板包含反射式顯示器面板，且其中該光導安置於該顯示器面板與該物鏡之間，以使得在操作中，影像光經由該光導及該物鏡朝向該眼動區傳播。

前述態樣的顯示器設備中，該光導包含光瞳複製光導，其用於在該顯示器面板上擴展該照明光束。

前述態樣的顯示器設備中，該可切換散射器包含以下各者中之至少一者：可切換偏振體積全像片；或可切換盤查拉特納姆-貝瑞相位液晶光柵。

前述態樣的顯示器設備中，該可切換散射器包含可切換液晶光柵，該光柵包含基於聚合物的表面起伏光柵結構。

前述態樣的顯示器設備中，該基於聚合物之表面起伏光柵結構包含雙折射聚合物。

前述態樣的顯示器設備中，該可切換散射器包含流體光柵。

前述態樣的顯示器設備進一步包含以下各者中之至少一者：表面波聲學致動器，其耦接至該光導中，該可切換散射器包含由該光導中之該表面波聲學致動器形成的表面聲波；或體積波聲學致動器，其耦接至該光導，其中該可切換散射器包含由該光導中之該體積波聲學致動器形成的體積聲波。

前述態樣的顯示器設備中，該可切換散射器包含光柵，該光柵具有以至少150 nm之峰間振幅所調變的光學延滯。

本發明之另一態樣係指一種用於顯示影像之方法，該顯示影像之方法包含：提供照明光束；使用可切換散射器向該照明光束賦予空間變化振幅或空間變化相位延遲中之至少一者；將經由該可切換散射器傳播的該照明光束傳送至顯示器面板，由此該顯示器面板提供攜載該影像的影像光束；及將該影像光束傳送至眼動區。

前述態樣的方法中，空間變化振幅或空間變化相位延遲中之該至少一者在該照明光束上為隨時間而改變的，該方法進一步包含：使用眼動追蹤器以判定該眼動區處眼睛之瞳孔的位置或大小中的至少一者；及使該可切換散射器增加該照明光束之時間平均發散度，以使該影像光束對應於瞳孔大小。

前述態樣的方法進一步包含重導引該照明光束，以使該影像光束跟隨由該眼動追蹤器判定的該瞳孔之該位置。

前述態樣的方法中，該重導引係藉由該照明光束之光學路徑中的該可切換散射器或可傾斜反射器中之至少一者執行。

本發明之又一態樣係指一種具有輸出光束之可控發散度的方向性照明器，該方向性照明器包含：光源，其用於提供照明光束；可切換散射器，其耦接至該光源以用於向該照明光束賦予空間變化振幅或空間變化相位延遲中之至少一者，以控制該照明光束的發散度；及光瞳複製光導，其耦接至該可切換散射器以用於擴展經由該可切換散射器傳播之該照明光束，藉此產生具有該可控發散度的該輸出光束。

前述態樣的方向性照明器中，空間變化振幅或空間變化相位延遲中之該至少一者在該照明光束上為隨時間而改變的，以用於增加該照明光束之該發散度的時間平均值。

雖然結合各種具體實例及實例描述了本發明教示，但本發明教示並不意欲限於此等具體實例。相反，如所屬技術領域中具有通常知識者將瞭解，本發明教示涵蓋各種替代方案及等效物。本文中敍述本發明之原理、態樣及具體實例以及其特定實例的所有陳述意欲涵蓋其結構等效物及功能等效物兩者。另外，此類等效物意欲包括當前已知的等效物以及未來開發的等效物兩者，亦即，無論結構如何，所開發的執行相同功能的任何元件。

如本文中所使用，除非明確陳述，否則術語「第一」、「第二」等並不意欲暗示順序次序，而是意欲區分一個元件與另一元件。類似地，除非明確陳述，否則方法步驟之順序次序並不暗示其執行的順序次序。

近眼顯示器使用光導來將影像攜帶至使用者的眼睛，以及照明經由一副目鏡近距離檢視的微型顯示器面板。基於光導的方向性照明器可使用雷射光源來照明透射式或反射式顯示器面板。雷射光照明雖然方便且節能，但由於雷射光之相干性質，常常會導致在所產生之影像中出現斑點。此外，雷射光束之高度準直可能會引起顯示器設備之出射光瞳的非所需減小。

根據本發明，一種用於顯示器面板的基於光導之方向性照明器可包括用於以受控可調量來擴展及調變光束的可切換散射器。術語「可切換」、「可調」及「可變」在本文中可互換地使用，且意謂散射器的參數，諸如空間或時間振幅或相位調變之量值，可藉由施加外部控制信號調節至所需值或值集合。所控制之特定參數取決於所使用之可切換散射器的類型及整體配置。

可切換散射器參數之可調性使得能夠最佳化諸如出射光瞳之大小及位置（亦即，影像光束在眼動區處之大小及位置、影像光束之相干性程度等）的照明參數，從而改善總體光利用效率且促進減少光瞳相關假影及斑點圖案。

根據本發明，提供一種顯示器設備，其包含：顯示器面板，其用於顯示影像；光源，其用於提供照明光束；可切換散射器，其耦接至光源以用於向照明光束賦予空間變化振幅或空間變化相位延遲中之至少一者；光導，其耦接至可切換散射器以用於將經由可切換散射器傳播之照明光束傳送至顯示器面板，由此顯示器面板提供攜載影像的影像光束；及物鏡，其用於接收影像光束且將影像光束傳送至顯示器設備之眼動區以用於在眼動區處檢視影像。該顯示器設備可進一步包括：眼動追蹤器，其用於判定眼動區處眼睛之瞳孔的大小；及控制器，其以可操作方式耦接至眼動追蹤器及可切換散射器且配置以使可切換散射器增加照明光束的發散度，以使影像光束對應於由眼動追蹤器判定的瞳孔大小。光導可為用於在顯示器面板上擴展照明光束的光瞳複製光導。

在空間變化振幅或空間變化相位延遲中之至少一者為隨時間而改的具體實例中，該顯示器設備可進一步包括：控制器，其以可操作方式耦接至可切換散射器且配置以使可切換散射器增加照明光束的時間平均發散度。可切換散射器可包括以至少5 kHz之頻率切換的光柵。可切換散射器可使照明光束之時間平均發散度增加至少1度。控制器可配置以使可切換散射器進行以下操作中之至少一者：以振盪方式重導引照明光束，以增加照明光束的時間平均發散度，以使影像光束對應於瞳孔大小；及/或重導引照明光束，以使影像光束朝向由眼動追蹤器判定之瞳孔位置移位。

在一些具體實例中，可提供可傾斜反射器以用於在照明光束照射至光導上之前重導引照明光束。控制器可以可操作方式耦接至眼動追蹤器及可傾斜反射器，且配置以使可傾斜反射器重導引照明光束，以使影像光束跟隨由眼動追蹤器判定的瞳孔之位置。在顯示器面板包含反射式顯示器面板之具體實例中，光導可安置於顯示器面板與物鏡之間，以使得在操作中，影像光經由光導及物鏡朝向眼動區傳播。

可切換散射器可包括例如可切換偏振體積全像片；可切換盤查拉特納姆-貝瑞相位（PBP）液晶（LC）光柵；流體光柵；及/或可切換液晶（LC）光柵，其包含基於聚合物之表面起伏光柵結構，其中基於聚合物之表面起伏光柵結構可視情況包括雙折射聚合物。在顯示器設備包括耦接至光導之表面波聲學致動器的具體實例中，可切換散射器可包括由光導中之表面波聲學致動器所形成的表面聲波。在顯示器設備包括耦接至光導之體積波聲學致動器的具體實例中，可切換散射器可包括由光導中之體積波聲學致動器形成的體積聲波。可切換散射器可包括具有以至少150 nm之峰間振幅而調變的光學延滯的光柵。

根據本發明，提供一種用於顯示影像之方法，該方法包含：提供照明光束；使用可切換散射器以向照明光束賦予空間變化振幅或空間變化相位延遲中之至少一者；將經由可切換散射器傳播之照明光束傳送至顯示器面板，由此顯示器面板提供攜載影像之影像光束；及將影像光束傳送至眼動區。

在空間變化振幅或空間變化相位延遲中之至少一者在照明光束上為隨時間而改變的具體實例中，該方法可進一步包括使用眼動追蹤器以判定眼動區處眼睛之瞳孔的位置或大小中之至少一者；及使可切換散射器增加照明光束的時間平均發散度，以使影像光束對應於瞳孔大小。該方法可進一步包括重導引照明光束，以使影像光束跟隨由眼動追蹤器判定的瞳孔之位置。重導引可由照明光束之光學路徑中的可切換散射器或可傾斜反射器中之至少一者執行。

根據本發明，進一步提供一種具有輸出光束之可控發散度的方向性照明器。該方向性照明器包括：光源，其用於提供照明光束；可切換散射器，其耦接至光源以用於向照明光束賦予空間變化振幅或空間變化相位延遲中之至少一者，以控制照明光束的發散度；及光瞳複製光導，其耦接至可切換散射器以用於擴展經由可切換散射器傳播之照明光束，藉此產生具有可控發散度的輸出光束。空間變化振幅或空間變化相位延遲中之至少一者在照明光束上可為隨時間而改變的，以用於增加照明光束的發散度之時間平均值。

現參看圖1，顯示器設備100包括反射式顯示器面板102、方向性照明器104，及物鏡106，以上各者可執行目鏡元件、投影元件及/或準直儀之功能。方向性照明器104包括：光源108，其提供照明光束110；可切換散射器109，其耦接至光源108以提供照明光束110之發散度的可控增加；及光導112，其耦接至可切換散射器109以用於在反射式顯示器面板102之表面上（亦即，在XY平面中）擴展照明光束110。反射式顯示器面板102以空間變化反射率反射照明光束110，從而形成影像光束114，該影像光束經由光導112朝向物鏡106（亦即，在圖1中之Z軸的方向上）傳播。物鏡106聚焦影像光束114，從而產生會聚影像光束115，其將角域中之影像攜載至眼動區136以用於由眼動區136處使用者之眼睛134進行直接觀測。在本文中，術語「角域中之影像」意謂影像之不同元素（亦即，影像之像素）由會聚影像光束115之對應光線的角度表示的影像，這些光線攜載對應於影像像素之亮度及/或色彩值的光功率位準及/或色彩組成。物鏡106可為例如透鏡、餅狀透鏡、反射元件、折射元件、反射/折射元件組合等。

照明光束110可由耦入光柵116耦合至光導112中，該光柵可直接自光源108接收照明光束110。耦入光柵116亦可經由圖1中所示之可傾斜反射器111，例如微機電系統（microelectromechanical system；MEMS）可傾斜反射器來接收照明光束110。可傾斜反射器111安置於光源108與光導112之間的光學路徑中。顯示器設備100可進一步包括眼動追蹤器138，其判定眼動區136中的使用者之眼睛134的位置或位向中之至少一者。此資訊可用以例如判定使用者之眼睛134的瞳孔135的位置。瞳孔135之大小亦可由眼動追蹤器138判定。控制器140可以可操作方式耦接至眼動追蹤器138及可傾斜反射器111。控制器140可配置以在使用者之眼睛134四處移動或改變其位向時，將會聚影像光束115導引至使用者之眼睛瞳孔135的位置。

在操作中，可傾斜反射器111經由耦入光柵116自光源108接收照明光束110。耦入光柵116可為偏振選擇性的，從而透射具有第一偏振狀態之光，例如第一手性（handedness）之圓偏振，同時繞射具有第二正交偏振狀態之光，例如第二相反手性之圓偏振。當由光源108發射之照明光束110處於第一偏振狀態時，照明光束110在實質上無繞射的情況下經由耦入光柵116傳播，且照射至可傾斜反射器111上。可傾斜反射器111以可變入射角朝向光導112重導引照明光束110。在自可傾斜反射器111反射之後，照明光束110的偏振狀態自第一偏振狀態改變至第二偏振狀態，從而使耦入光柵116以對應於可傾斜反射器111之傾斜角的角度將照明光束110耦入至光導112中。耦出光柵118（其亦可為偏振選擇性光柵）耦出照明光束110之平行部分以照明反射式顯示器面板102的整個區域。換言之，光導112充當提供照明光束110之多個偏移平行部分以用於照明整個反射式顯示器面板102的光瞳複製光導。由顯示器面板102反射之照明光束110部分形成正交於照明光110而偏振的影像光束114，從而使影像光束114經由耦出光柵118朝向物鏡106傳播。物鏡106在眼動區136處產生會聚影像光束115。

照明光束110之變化角度使得影像光束114入射至物鏡106上的角度變化。入射角變化轉變成在物鏡106之焦平面（亦即，眼動區136）處的聚焦影像光束之位置的變化。控制器140可使可傾斜反射器111傾斜，以使聚焦影像光束之位置跟隨眼動區136中使用者之眼睛134瞳孔135的位置。舉例而言，當可傾斜反射器111遠離其標稱角度傾斜時，影像光束114移位，如虛線114A所示，以跟隨使用者之眼睛134的新位置134A。應注意，可傾斜反射器111可繞兩個軸線（亦即，繞X軸及Y軸）而傾斜，使得會聚影像光束115能夠被導引至眼動區136內之XY平面上的任何位置。

現將解釋顯示器設備100中之可切換散射器109的功能。參看圖2，可切換散射器109向照明光束110賦予空間變化振幅或空間變化相位延遲中之至少一者，從而增加照明光束110的發散度。用虛線120示意性地示出發散照明光束110。空間變化振幅或空間變化相位延遲中之至少一者在照明光束110上可為隨時間而改變的，使得照明光束110發散及/或偏離。該偏離可為平滑且緩慢的，可在若干穩定值之間步進，及/或可在時間上快速振盪以增加發散度的時間平均值，亦即，在照明光束110之瞬時方向及瞬時發散度的若干振盪週期內的平均值。瞬時發散度及/或光束方向可取決於可切換散射器109之配置而在若干預設離散值之間連續地調節或切換。因此，照明光束110（其為方向性照明器104之輸出光束）的發散度可被精確地控制。輸出光束發散度可在若干值之間可調或可切換，例如在一些具體實例中可調或可切換至少1度、至少2度或至少6度。

照明光束110之所增加的發散度將使得影像光束114亦更發散，如用虛線117所指示。因此，會聚影像光束115將不再聚焦成緊密光點，而是散佈於較大區域上。該區域的量值，或顯示器設備100的出射光瞳大小取決於照明光束110之發散度的量值。發散度之量值由可切換散射器109定義，使得控制器140能夠使可切換散射器109將發散度調節至所需值，例如將發散度增加至較大值或將發散度減小回至較小值。控制器140可配置以操作可切換散射器109以使得影像光束115之輸出光點大小對應於由眼動追蹤器138判定的使用者之眼睛134的瞳孔135之大小，例如與眼睛瞳孔大小匹配或以可控量過度填充瞳孔135。操作可切換散射器亦可減少在由影像光115傳送之影像中形成斑點圖案，其至少部分地歸因於由可切換散射器109之連續操作提供的斑點圖案的空間平均化。此外，在一些具體實例中，控制器140可配置以重導引照明光束110，以使會聚影像光束115朝向由眼動追蹤器138判定之瞳孔135的位置移位。

用影像光填充整個瞳孔135可提供若干優點。遠小於眼睛瞳孔大小的過細影像光束115可能會加重眼睛檢視缺陷，諸如所謂的玻璃體浮物（eye floaters），且可在影像光束115之位置不再與眼睛瞳孔位置重合時造成突然的影像消失。當眼睛134在眼動區136中移位或旋轉時，過度填充瞳孔儘管引起一些光損失，但可能更有益於改善所顯示影像的整體亮度穩定性及可觀測性。在一些具體實例中，可切換散射器109可使照明光束之時間平均發散度增加至少1度或至少2度、4度或甚至8度。

可切換散射體109之應用不限於反射式顯示器面板配置。參看圖3之非限制性實例，顯示器設備300包括透射式顯示器面板302、方向性照明器304及物鏡306，以上各者亦被稱為目鏡元件、投影元件或準直儀。方向性照明器304包括：光源108，其提供照明光束110；可切換散射器109，其耦接至光源108以用於照明光束110之發散度的可控增加；及光導312，其耦接至可切換散射器109以用於在透射式顯示器面板302之表面上（亦即，在XY平面中）擴展照明光束110。透射式顯示器面板302以空間變化透射率透射照明光束110，從而形成朝向物鏡306（亦即，在圖3中之Z軸的方向上）傳播的影像光束314。物鏡306聚焦影像光束314，從而產生會聚影像光束315，該會聚影像光束將角域中之影像攜載至眼動區136，以用於由眼動區136處使用者之眼睛134進行直接觀測。物鏡306可為例如透鏡、餅狀透鏡、反射元件、折射元件、反射/折射元件組合等。

照明光束110可直接自光源108或經由安置於光源108與光導112之間的光學路徑中的可傾斜反射器111而耦合至光導112中。類似於圖1及圖2之顯示器設備100，圖3之顯示器設備300可包括眼動追蹤器138，其判定眼動區136中使用者之眼睛134的位置或位向中之至少一者。控制器340可以可操作方式耦接至眼動追蹤器138及可傾斜反射器111，以用於將會聚影像光束315導引至使用者之眼睛瞳孔135的位置。當使用者之眼睛134移動或將其位向改變至例如位置134A時，控制器340經由眼動追蹤器138偵測到此情況，使可傾斜反射器111傾斜，且使得會聚影像光束315偏離至位置315A以匹配位置134A。概言之，控制器340可以類似於圖1及圖2之顯示器設備100的方式，基於自眼動追蹤器138獲得的眼睛位置/位向/瞳孔大小資訊來操作可切換散射器109及可傾斜反射器111。

回到圖4，進一步參看圖1及圖2，用於顯示影像之方法400包括提供（402）照明光束，例如由圖1及圖2之顯示器設備100的光源108所提供的照明光束110。可切換散射器，例如顯示器設備100之可切換散射器109，用以（圖4；404）向照明光束賦予空間變化振幅或空間變化相位延遲中之至少一者。將經由可切換散射器傳播的照明光束傳送（406）至顯示器面板，例如反射式顯示器面板102。在用光束照明後，顯示器面板提供攜載影像的影像光束。接著將影像光束傳送（408）至眼動區。

在空間變化振幅或空間變化相位延遲中之至少一者在照明光束上為隨時間而改變的具體實例中，該方法可進一步包括使用眼動追蹤器以判定（410）眼動區處眼睛之瞳孔的位置或大小中的至少一者；及使得可切換散射器增加（412）照明光束的時間平均發散度，以使影像光束對應於瞳孔大小，如上文參看圖2所解釋。在一些具體實例中，可重導引（414）照明光束以使影像光束跟隨由眼動追蹤器判定的瞳孔之位置。重導引操作可藉由照明光束之光學路徑中的可切換散射器或可傾斜反射器（例如，可傾斜反射器111）中之至少一者執行。

現參看圖5，可切換散射體509可用於圖1及圖2之顯示器設備100或圖3之顯示器設備300中的可切換散射器109。圖5之可切換散射體509包括第一可切換散射體區段501及第二可切換散射體區段502。各可切換散射體區段501、502包括懸置於各別基板中的散射粒子或域。散射粒子具有第一有效折射率，且基板具有第二有效折射率。折射率對比度，亦即，第一有效折射率與第二有效折射率之間的差，可藉由將各別控制信號施加至第一可切換散射體區段501及第二可切換散射體區段502來調節。作為非限制性實例，當將第一電壓V1施加至第一可切換散射體區段501且將第二電壓V2施加至第二可切換散射體區段502時，對於第一可切換散射體區段501及第二可切換散射體區段502兩者，折射率對比度大致為零。當自第一可切換散射體區段501移除第一電壓V1時，第一可切換散射體區段501之折射率對比度變為非零，從而使得照射光束510以用虛線所示之第一錐體511散射。當自第二可切換散射體區段502移除第二電壓V2時，第二可切換散射體區段502之折射率對比度變為非零，從而使得照射光束510以用實線展示之第二錐體512散射。第二可切換散射體區段502之粒子可比第一可切換散射體區段501之粒子更小及/或更密集地隔開，使得第二錐體512比第一錐體511寬。最後，當自各別的第一可切換散射體區段501及第二可切換散射體區段502移除第一電壓V1及第二電壓V2兩者時，照射光束510將散射成以點線展示之第三錐體513。第三錐體513為第一錐體511與第二錐體512之總和，且因此寬於第一錐體511及第二錐體512兩者。

回到圖6，可切換重導引器609可用於圖1及圖2之顯示器設備100或圖3之顯示器設備300中的可切換散射器109中。圖6之可切換重導引器609包括第一可切換重導引器區段601及第二可切換重導引器區段602。各可切換重導引器區段601、602包括懸置於各別基板中的透明光柵條紋之陣列。這些條紋具有第一有效折射率，且這些基板具有第二有效折射率。折射率對比度，亦即，第一有效折射率與第二有效折射率之間的差，可藉由將各別控制信號施加至第一可切換重導引器區段601及第二可切換重導引器區段602而調節。舉例而言，名義上，當將第一電壓V1施加至第一可切換重導引器區段601且將第二電壓V2施加至第二可切換重導引器區段602時，對於第一可切換重導引器區段601及第二可切換重導引器區段602兩者，折射率對比度大致為零。當自第一可切換重導引器區段601移除第一電壓V1時，第一可切換重導引器區段601之折射率對比度變為非零，從而使得照射光束610繞射成以虛線展示之第一光束611。當自第二可切換重導引器區段602移除第二電壓V2時，第二可切換重導引器區段602之折射率對比度為非零，從而使得照射光束610繞射以實線展示之第二光束612。第二可切換重導引器區段602之條紋可比第一可切換重導引器區段601之條紋更密集地隔開，從而使得第二光束612比第一光束611更寬地隔開。最後，當自各別的第一可切換重導引器區段601及第二可切換重導引器區段602移除第一電壓V1及第二電壓V2兩者時，照射光束610將繞射成以點線展示的複數個第三光束613。第三光束613將在複數個方向上傳播。一般而言，傳播方向之錐體將寬於第一光束611及第二612之錐體。

在操作中，可快速地接通及斷開電壓V1及V2，從而以振盪方式重導引圖1及圖2之顯示器設備100或圖3之顯示器設備300的照明光束110，以增加光束610的時間平均發散度。回應於照明光束110之所增加的時間平均發散度，影像光束115（圖2）在眼動區136處聚焦成更寬的時間平均光點以匹配眼睛瞳孔135的大小。替代地或另外，控制器可切換電壓V1及/或V2以使照明光束110偏離，從而促進匹配由眼動追蹤器138判定的眼睛瞳孔135之位置，亦即，輔助可傾斜反射器111，或完全獨立地或替代可傾斜反射器111操作。應注意，取決於所使用的可切換繞射光柵之配置，僅可形成可在複數個角度之間切換的一個繞射光束，或至少可向將一個繞射級中發送比另一繞射級更多的光能。第一重導引器區段601及第二重導引器區段602之可切換光柵可以足夠高的頻率，例如5 kHz或更高的頻率切換。舉例而言，第一重導引器區段601及第二重導引器區段602之可切換光柵可具有以至少150 nm之峰間振幅調變的光學延滯。

可切換散射體與可切換重導引器可在單個可切換散射器組件中組合。參看圖7之非限制性說明實例，可切換散射器709可用作圖1至圖3之顯示器設備100及300中的可切換散射器109。可切換散射器709包括第一區段701及第二區段702。第一區段701包括懸置於具有第二折射率之基板722中的具有第一折射率之散射體721。第一區段701之折射率對比度，亦即，第一折射率與第二折射率之間的差，為電壓相依的；施加至基板722的外部電壓V1改變折射率對比度，且因此改變第一區段701的光散射程度。相似地，第二區段702包括懸置於具有第四折射率之基板732中的具有第三折射率之繞射光柵條紋731的陣列。第二區段702之折射率對比度，亦即，第三折射率與第四折射率之間的差，為電壓相依的；施加至基板732的外部電壓V2改變折射率對比度，且因此改變第二區段702藉由繞射對光重導引的程度。

現將呈現可用於本發明之光導及顯示器中的可切換散射器及重導引器之非限制性實例。

首先參看圖8，可調液晶（LC）表面起伏光柵800可用於例如圖1及圖2之顯示器設備100以及圖3之顯示器設備300的可切換散射器中。可調LC表面起伏光柵800包括支撐第一導電層811之第一基板801及具有自第一基板801及/或第一導電層811延伸之複數個隆脊（ridge）806的表面起伏光柵結構804。

第二基板802與第一基板801間隔開。第二基板802支撐第二導電層812。單元係由第一導電層811及第二導電層812形成。單元填充有LC流體，從而形成LC層808。LC層808包括向列型LC分子810，其可藉由LC層808上的電場而定向。可藉由將電壓 V施加至第一導電層811及第二導電層812來提供電場。

表面起伏光柵結構804可為基於聚合物的，例如其可由具有例如約1.5之等向性折射率 n _p 的聚合物形成。LC流體具有異向性折射率。對於平行於LC流體之導引器（亦即，平行於向列型LC分子810之位向的方向）的光偏振，LC流體具有非尋常的折射率 n _e ，對於垂直於導引器之光偏振，其可能高於LC流體之普通折射率 n _o 。舉例而言，非尋常的折射率 n _e 可為約1.7，且普通折射率 n _o 可為約1.5，亦即，與表面起伏光柵結構804之折射率 n _p 匹配。

當不施加電壓 V時（圖8之左側），LC分子810大致平行於表面起伏光柵結構804之凹槽而配向。在此配置下，具有沿表面起伏光柵結構804之凹槽定向之e向量的線性偏振光束821將經歷繞射，此係因為表面起伏光柵結構804將具有非零折射率對比度。當施加電壓 V時（圖8之右側），LC分子810大致垂直於表面起伏光柵結構804之凹槽而配向。在此配置下，具有沿表面起伏光柵結構804之凹槽定向之e向量的線性偏振光束821將不經歷繞射，此係因為表面起伏光柵結構804將呈現為折射率匹配的，且因此將具有實質上為零的折射率對比度。對於具有垂直於表面起伏光柵結構804之凹槽定向之e向量的線性偏振光束821，在任一情況下（亦即，在施加電壓時及在不施加電壓時）將不會發生繞射，此係因為在線性偏振光束821之此偏振下，表面起伏光柵結構804為折射率匹配的。因此，可藉由控制LC層808上之電壓來接通及斷開（對於偏振光）可調LC表面起伏光柵800。具有不同間距/傾斜角/折射率對比度之若干此類光柵可用以在若干光柵配置之間切換。

在LC表面起伏光柵800之一些具體實例中，表面起伏光柵結構804可由具有與LC流體實質上相同或類似之普通折射率（ordinary refractive index） n _o 及非尋常折射率（extraordinary refractive index） n _e 的異向性聚合物形成。當LC導引器與雙折射聚合物之光軸對準時，折射率對比度在照射光之任何偏振下接近於零，且不存在繞射。當LC導引器與雙折射聚合物之光軸未對準時，例如由於施加了外部電場，對於照射光之任何或大部分偏振，折射率對比度為非零，且因此存在繞射及光束偏轉。

現參看圖9A，盤查拉特納姆-貝瑞相位（PBP）LC可切換光柵900可用於例如圖1及圖2之顯示器設備100以及圖3之顯示器設備300的可切換散射器中。圖9A之PBP LC可切換光柵900在LC層904中包括LC分子902。LC分子902取決於X座標而以不同的平面內位向安置於XY平面中。PBP LC可切換光柵900中之LC分子902的位向角 ϕ( x)係由下式給出：

ϕ( x) = π x/T = π x sinθ/λ _o（1）

其中 λ ₀ 為照射光之波長，T為PBP LC可切換光柵900之間距，且 θ為由下式給出之繞射角：

θ = sin ^-1(λ _o/T)                                     （2）

如圖9B中所示出，方位角 ϕ在平行於XY平面的LC層904之表面上連續地變化。該變化具有等於T的恆定週期。圖9A之PBP LC光柵900中的光學相位延遲P係歸因於PBP效應，其在LC層904之光學延滯R等於 λ _o /2時表現為P(x) = 2 ϕ(x)。

圖10A及圖10B示出圖9A之PBP LC可切換光柵900的操作。PBP LC可切換光柵900包括安置於平行基板之間的LC層904（圖9A），這些基板配置以用於在LC層904上施加電場。LC分子902在不存在電場的情況下實質上平行於基板而定向，且在存在電場的情況下實質上垂直於基板而定向。

在圖10A中，PBP LC可切換光柵900處於斷開狀態，使得其LC分子902（圖9A、圖9B）主要平行於基板平面（亦即，平行於圖10A中之XY平面）而安置。當入射光束1015為左旋圓偏振（left-circular polarized；LCP）時，PBP LC可切換光柵900以預定非零角度將光束1015向上重導引，且光束1015變為右旋圓偏振（right-circular polarized；RCP）。以實線展示RCP偏轉光束1015。當入射光束1015為右旋圓偏振（RCP）時，PBP LC可切換光柵900以預定非零角度將光束1015向下重導引，且光束1015變為左旋圓偏振（LCP）。以虛線展示LCP偏轉光束1015。向PBP LC可切換光柵900施加電壓V會使LC分子沿著Z軸（亦即，垂直於如圖10B中所示之基板平面）重新定向。在LC分子902之此位向下，PBP結構經抹除，且無論光束1015為LCP抑或RCP，其皆保持其原始方向。因此，主動PBP LC光柵900為可調光柵，亦即，其具有可變光束轉向屬性。此外，可藉由控制照射光束1015之偏振狀態來控制主動PBP LC光柵900的操作。

回到圖11A，偏振體積全像（polarization volume hologram；PVH）光柵1100可用於例如圖1及圖2之顯示器設備100以及圖3之顯示器設備300的可切換散射器中。圖11A之PVH光柵1100包括由相對、平行的頂部表面1105及底部表面1106定界的LC層1104。LC層1104可包括含有具有正介電異向性之棒狀LC分子1107（亦即，向列型LC分子）的LC流體。可將掌性（chiral）摻雜劑添加至LC流體，使得LC流體中之LC分子自組織成週期性螺旋配置，其包括在LC層1104之平行的頂部表面1105與底部表面1106表面之間延伸的螺旋結構1108。LC分子1107之此配置（在本文中被稱為膽固醇型配置）包括複數個螺旋週期 p ，例如LC層1104之平行的頂部表面1105與底部表面1106表面之間的至少兩個、至少五個、至少十個、至少二十個或至少五十個螺旋週期 p 。

在LC層1104之頂部表面1105處的邊界LC分子1107b可與頂部表面1105成角度地定向。邊界LC分子1107b可具有空間變化方位角，例如沿平行於頂部表面1105之X軸線性地變化，如圖11A中所示。為此，可在LC層1104之頂部表面1105處設置配向層1112。配向層1112可配置以提供邊界LC分子1107b之所需位向圖案，諸如方位角對X座標的線性相依性。可選擇UV光之空間變化偏振方向的圖案，以匹配LC層1104之頂部表面1105及/或底部表面1106處的邊界LC分子1107b之所需位向圖案。當配向層1112塗佈有膽固醇型LC流體時，邊界LC分子1107b沿配向層1112之光聚合鏈而定向，因此採用所需的表面位向圖案。鄰近LC分子採用自LC層1104之頂部表面1105延伸至底部表面1106的螺旋圖案，如所展示。

邊界LC分子1107b定義具有螺旋週期 p 之螺旋結構1108的相對相。如圖11A中所展示，螺旋結構1108形成包含以角度 ϕ 傾斜之螺旋條紋1114的體積光柵。傾斜角 ϕ 之陡度取決於頂部表面1105處之邊界LC分子1107b的方位角之變化速率以及 p 。因此，傾斜角 ϕ 由配向層1112處之邊界LC分子1107b之表面配向圖案而判定。體積光柵沿X軸具有週期 Λ _x 且沿Y軸具有週期 Λ _y 。在一些具體實例中，藉由將穩定聚合物混合至LC流體中且固化（聚合）該穩定聚合物，LC分子1107之週期性螺旋結構1108為聚合物穩定的。

體積光柵之條紋1114的螺旋性質使PVH光柵1100較佳回應於具有一個特定手性（例如，左旋或右旋圓偏振）的偏振光，而實質上對相反手性的偏振光無回應。因此，螺旋條紋1114使PVH光柵1100為偏振選擇性，使得PVH光柵1100僅繞射單手性的圓偏振光。於圖11B中示出了照射至PVH光柵1100上的光束1120。光束1120包括左旋圓偏振（LCP）光束分量1121及右圓偏振（RCP）光束分量1122。LCP光束分量1121在實質上無繞射之情況下經由PVH光柵1100傳播。在本文中，術語「實質上無繞射」意謂，即使光束的一小部分（在此情況下，LCP光束分量1121）可能會繞射，但繞射光能之該部分極小以致其不會影響PVH光柵1100的預期效能。光束1120之RCP光束分量1122經歷繞射，從而產生繞射光束1122'。PVH光柵1100的偏振選擇性係由於光柵之有效折射率取決於照射光束之手性或掌性與光柵條紋1114之手性或掌性之間的關係。改變照射光之手性可用於切換PVH光柵1100的效能。可藉由向LC層1104施加電壓，使上述螺旋結構失真或抹除，從而使PVH光柵1100亦為可調的。應進一步注意，PVH 1100對右旋圓偏振光之敏感度尤其僅意謂作為說明性實例。當螺旋條紋1114之手性反轉時，可使PVH 1100對左旋圓偏振光敏感。因此，PVH 1100之操作可藉由控制照射光束1120的偏振狀態來控制。可藉由在LC層1104上施加電場而抹除週期性螺旋結構1108，從而使PVH 1100可調。

現參看圖12A及圖12B，流體光柵1200可用於例如圖1及圖2之顯示器設備100以及圖3之顯示器設備300的可切換散射器中。流體光柵1200包括由流體間邊界1203分離的第一不混溶流體1201及第二不混溶流體1202。流體中之一者可為疏水性流體，諸如油，例如矽油，而另一流體可為水基的。在一些具體實例中，第一流體1201及第二流體1202中的一者可為氣體。第一流體1201及第二流體1202可含於藉由支撐第一電極結構1221及第二電極結構1222之第一基板1211及第二基板1212所形成的單元中。第一電極結構1221及/或第二電極結構1222可為至少部分透明、吸收性的及/或反射性的。

第一電極結構1221及第二電極結構1222中的至少一者可圖案化以用於將空間變化電場強加至第一流體1201及第二流體1202上。舉例而言，在圖12A及圖12B中，第一電極1221經圖案化，且第二電極1222未經圖案化，亦即，第二電極1222為背板電極。在所展示之具體實例中，第一電極1221及第二電極1222兩者為實質上透明的。舉例而言，第一電極1221及第二電極1222可為氧化銦錫（ITO）電極。

圖12A展示當無電場施加於流體間邊界1203上時處於非驅動狀態之流體光柵1200。當不存在電場時，流體間邊界1203為筆直且光滑的；因此，照射至流體光柵1200上之光束1205不繞射，如所示出直接傳播。圖12B展示在電壓 V施加於第一電極1221與第二電極1222之間時處於驅動狀態之流體光柵1200，從而在由流體間邊界1203分離之第一流體1201及第二流體1202上產生空間變化電場。

施加空間變化電場會使流體間邊界1203失真，如圖12B中所示出，從而形成有效折射率之週期性變化，亦即，表面起伏繞射光柵。照射至流體光柵1200上之光束1205將繞射，從而形成第一繞射子光束1231及第二繞射子光束1232。藉由改變所施加電壓 V之振幅，可改變流體光柵1200之強度。藉由施加不同電場型樣，例如具有第一電極1221之可個別定址的子電極或像素，可改變光柵週期且因此可改變繞射角。更一般而言，改變第一電極1221之分別的子電極或像素之間的有效電壓可導致流體界面（亦即，流體體積內部之流體間邊界1203）之三維保形改變，以賦予流體光柵1200所需的光學回應。所施加之電壓型樣可經預先偏壓以補償或抵消重力效應，亦即，重力引起的流體間邊界1203之失真。

經圖案化電極之部分可為可個別定址的。在一些具體實例中，經圖案化電極1221可用耦接至經圖案化介電層的連續、非圖案化電極替換，以用於在第一流體1201及第二流體1202上產生空間上不均勻的電場。亦在一些具體實例中，省略背板電極，且將電壓施加於分段電極本身之間。

第一電極1221及第二電極1222之厚度可例如在10 nm與50 nm之間。除ITO以外，第一電極1221及第二電極1222之材料可為例如氧化銦鋅（indium zinc oxide；IZO）、氧化鋅（zinc oxide；ZO）、氧化銦（indium oxide；IO）、氧化錫（tin oxide；TO）、氧化銦鎵鋅（indium gallium zinc oxide；IGZO）等。第一流體1201與第二流體1202可具有至少0.1之折射率差，且可高達0.2及更高。第一流體1201或第二流體1202中之一者可包括聚苯醚、1,3-雙(苯硫基)苯等。第一基板1211及/或第二基板1212可包括例如熔融矽石、石英、藍寶石等。第一基板1211及/或第二基板1212可為筆直的或彎曲的，且可包括通孔及其他電互連件。所施加電壓在以100 Hz與100 kHz之間的頻率施加時可在振幅及/或作用時間循環上改變。所施加電壓可改變極性及/或為雙極性的。個別的第一流體層1201及/或第二流體層1202之厚度可在0.5微米至5微米之間，更佳在0.5微米至2微米之間。

為分離第一流體1201與第二流體1202，可使用含有一個親水性末端官能基及一個疏水性末端官能基之界面活性劑。親水性末端官能基之實例為羥基、羧基、羰基、胺基、磷酸根、硫氫基。親水性官能基亦可為陰離子基團，諸如硫酸根、磺酸根、羧酸根、磷酸根。疏水性末端官能基之非限制性實例為脂族基、芳族基、氟化基。舉例而言，當聚苯硫醚及氟化流體可選定為流體對時，可使用含有芳族端基及氟尿化端基的界面活性劑。當苯基矽油及水經選定為流體對時，可使用含有芳族端基及羥基（或胺基或離子）端基的界面活性劑。此等僅為非限制性實例。

參看圖13A，聲學重導引器1300A可用於例如圖1及圖2之顯示器設備100以及圖3之顯示器設備300的可切換散射器中。聲學重導引器1300A包括主體1306A，該主體具有兩個部分：基板1328，其用於傳播照明光束1310；及體積波聲學致動器1330A，其在基板1328之一側處以機械方式耦接從而接合其頂部表面1315及底部表面1316。在所展示之具體實例中，體積波聲學致動器1330A包括安置在電極1307A、1308A之間的電回應層1332A，例如壓電層。

在操作中，將典型地在1 MHz至100 MHz或更高範圍內之高頻下的電信號施加至電極1307A、1308A，從而使得電回應層1332A典型地以電回應層1332A之機械諧振頻率振盪。電回應層1332A之振盪厚度產生在基板1328中在方向1335上（亦即，沿著X軸）傳播的體積聲波1334A。由於光彈性效應，體積聲波1334A調變基板1328的折射率。經調變折射率產生重導引及/或分裂照明光束1310的繞射光柵。藉由改變施加至體積波聲學致動器1330A之電信號的強度，可改變耦出光柵的強度。可藉由將振盪電信號接通及斷開來接通及斷開耦出光柵。可藉由改變振盪電信號之頻率來改變光柵週期。在一些具體實例中，聲波終止器1336A可耦接至基板1328的相對側，以吸收體積聲波1334A且因此防止在基板1328中形成駐聲波。

回到圖13B，聲學重導引器1300B可用於例如圖1及圖2之顯示器設備100以及圖3之顯示器設備300的可切換散射器中。聲學重導引器1300B包括波導主體1306B，該主體具有兩個部分：用於傳播照明光束1310之基板1328；及以機械方式耦接於頂部表面1315處的表面波聲學致動器1330B。替代地，表面波聲學致動器1330B亦可耦接於底部表面1316處。在所展示之具體實例中，表面波聲學致動器1330B包括安置在電極1307B、1308B之間的電回應層1332B，例如壓電層。

在操作中，將典型地在1 MHz至100 MHz或更高範圍內之高頻下的電信號施加至電極1307B、1308B，從而使得電回應層1332B振盪。電回應層1332B之振盪產生在基板1328中在方向1335上（亦即，沿著X軸）傳播的表面聲波1334B。表面聲波1334B形成重導引及/或分裂照明光束1310的繞射光柵。藉由改變施加至表面波聲學致動器1330B的電信號的強度，可改變表面光柵的強度。可藉由接通及斷開振盪電信號來接通及斷開表面光柵。可藉由改變振盪電信號之頻率來改變光柵週期。在一些具體實例中，聲波終止器1336B可在同一表面處（亦即，在圖13B中之頂部表面1315處）耦接至基板1328的相對側，以吸收表面聲波1334B且因此防止形成駐聲波。

一些可切換光柵包括具有可調折射率之材料。作為非限制性實例，全像聚合物分散液晶（holographic polymer-dispersed liquid crystal；H-PDLC）光柵可藉由在塗佈有導電層的兩個基板之間所含有的感光性單體/液晶（LC）混合物中的兩個相干雷射光束之間產生干涉來製造。在輻照後，混合物內所含之光引發劑引發自由基反應，導致單體聚合。隨著聚合物網路的增長，混合物相分離成富含聚合物的區及富含液晶的區。兩個相之間的折射率調變使得通過單元的光在傳統PDLC之情況下經散射或在H-PDLC之情況下經繞射。當在單元上施加電場時，折射率調變被移除且通過單元的光不受影響。此描述於Pogue等人的題為「來自液晶/聚合物複合材料的電可切換布拉格光柵（Electrically Switchable Bragg Gratings from Liquid Crystal/Polymer Composites）」的文章（Applied Spectroscopy，第54卷，第1期，2000年）中，該文章以全文引用之方式併入本文中。

可例如藉由使用撓曲電LC產生具有可變光柵週期的可調或可切換光柵。對於具有非零撓曲電係數差（ e1- e3）及低介電異向性的LC，超過某些臨限值之電場造成自均勻平面狀態至空間週期性狀態的轉變。場感應光柵之特徵在於LC導引器圍繞配向軸旋轉，其中光柵的波向量垂直於初始配向方向而定向。旋轉符號係由電場向量及（ e1- e3）差之符號兩者來定義。界定場感應週期性之特徵的波數隨著自約π/ d之臨限值開始的所施加電壓而線性地增加，其中 d為層之厚度。撓曲電LC光柵之描述可見於例如Palto之題為「撓曲電LC層中之場感應光柵的動態及光子特性（Dynamic and Photonic Properties of Field-Induced Gratings in Flexoelectric LC Layers）」的文章（Crystals，2020年，11，894）中，該文章以全文引用之方式併入本文中。

可例如藉由使用螺旋LC來提供具有可變光柵週期或傾斜角的可調光柵。具有螺旋LC之可調光柵已描述於例如Xiang等人之題為「具有傾斜螺旋導引器的掌性向列型液晶的電光回應（Electrooptic Response of Chiral Nematic Liquid Crystals with Oblique Helicoidal Director）」的文章（Phys. Rev. Lett.，112，217801，2014年）中，該文章以全文引用之方式併入本文中。

對於展現光柵效率之強波長相依性的光柵，可在光導中設置若干光柵，例如，若干體積布拉格光柵（volumetric Bragg grating；VBG）。可藉由接通及斷開VBG光柵及/或藉由切換在波導中傳播之光的波長來切換在任何給定時刻繞射光的光柵。

現參看圖14，虛擬實境（VR）近眼顯示器（near-eye display；NED） 1400為本發明之顯示器設備的一個可能的實施方案。VR NED 1400包括為各眼睛支撐以下各者的框架1401：光源1402，其包括用於改變本文中所揭示之照明光束的發散度及/或傳播角度的可切換散射器及/或可傾斜反射器；光瞳複製光導1406，其用於在內部導引照明光束且耦出照明光束之部分，如本文中所揭示；反射式顯示器面板1418，其由自光瞳複製光導1406耦出的光束部分來照明，以用於在空間上調變光束部分；物鏡或準直儀1432，其用於將由顯示器面板1418顯示之線性域中的影像轉換成本文中所揭示之眼動區1436處的角域中的影像；眼睛追蹤攝影機1438；及展示為黑點之複數個眼動區照明器1462。眼動區照明器1462可由物鏡1432支撐，以用於照明眼動區1436。

眼睛追蹤攝影機1438之目的為判定使用者之兩個眼睛的位置及/或位向，以使得能夠將輸出影像光轉向至本文中所揭示之使用者眼睛的位置。照明器1462照明對應眼動區1436處的眼睛，以使得眼睛追蹤攝影機1438能夠獲得眼睛之影像以及提供參考反射（亦即，閃光）。閃光可充當所俘獲之眼睛影像中的參考點，從而藉由判定眼睛瞳孔影像相對於閃光影像之位置來促進眼睛凝視方向判定。為了避免用眼動區照明器1462之光分散使用者的注意力，照明眼動區1436的光可對使用者不可見。舉例而言，紅外光可用於照明眼動區1436。

回到圖15，HMD 1500為AR/VR可穿戴式顯示系統的實例，其包圍使用者的面部以便更大程度地沉浸至AR/VR環境中。HMD 1500可產生完全虛擬的3D影像。HMD 1500可包括可圍繞使用者之頭部緊固的前主體1502及條帶1504。前主體1502配置用於以可靠且舒適的方式置放在使用者的眼睛前方。顯示系統1580可安置於前主體1502中以用於向使用者呈現AR/VR影像。顯示系統1580可包括本文中所揭示之顯示設備及方向性照明器中之任一者。前主體1502之側面1506可為不透明或透明的。

在一些具體實例中，前主體1502包括定位器1508及用於追蹤HMD 1500之加速度的慣性量測單元（inertial measurement unit；IMU） 1510，以及用於追蹤HMD 1500之位置的位置感測器1512。IMU 1510為電子裝置，其基於自位置感測器1512中之一或多者接收的量測信號而產生指示HMD 1500之位置的資料，這些位置感測器回應於HMD 1500之運動而產生一或多個量測信號。位置感測器1512之實例包括：一或多個加速度計、一或多個陀螺儀、一或多個磁力計、偵測運動之另一合適類型的感測器、用於IMU 1510之誤差校正的一種類型之感測器或其某一組合。位置感測器1512可位於IMU 1510外部、IMU 1510內部或其某一組合。

定位器1508係藉由虛擬實境系統之外部成像裝置追蹤，使得虛擬實境系統可追蹤整個HMD 1500的位置及位向。可比較由IMU 1510及位置感測器1512產生之資訊與藉由追蹤定位器1508獲得之位置及位向，以改善HMD 1500之位置及位向的追蹤準確度。當使用者在3D空間中移動及轉向時，準確的位置及位向對於向使用者呈現適當的虛擬景物為至關重要的。

HMD 1500可進一步包括深度攝影機組裝件（depth camera assembly；DCA） 1511，其俘獲描述圍繞HMD 1500中之一些或全部的局部區域之深度資訊的資料。為了判定HMD 1500在3D空間中之位置及位向的較佳準確度，可將深度資訊與來自IMU 1510之資訊進行比較。

HMD 1500可進一步包括用於即時判定使用者眼睛之位向及位置的眼睛追蹤系統1514。眼睛之所獲得之位置及位向亦允許HMD 1500判定使用者之凝視方向（gaze direciton）且相應地調整由顯示系統1580產生之影像。所判定的凝視方向及輻輳角（vergence angle）可用於調整顯示系統1580以減少輻輳調節衝突。如本文中所揭示，方向及輻輳亦可用於顯示器的出射光瞳轉向。此外，所判定的輻輳角及凝視角可用於與使用者互動、突出顯示物件、將物件帶至前景、產生額外物件或指標等。亦可提供音訊系統，其包括例如建置至前主體1502中的小型揚聲器之集合。

本發明之具體實例可包括人工實境系統，或結合人工實境系統實施。人工實境系統以某一方式調整經由感官所獲得之關於外部世界的感官資訊，諸如視覺資訊、音訊、觸感（體感）資訊、加速度、平衡等，之後呈現給使用者。作為非限制性實例，人工實境可包括虛擬實境（VR）、擴增實境（AR）、混合實境（MR）、混雜實境或其某一組合及/或衍生物。人工實境內容可包括完全產生之內容或與所擷取之（例如，真實世界）內容組合的所產生內容。人工實境內容可包括視訊、音訊、軀體或觸覺反饋或其某一組合。此內容中之任一者可在單個通道中或在多個通道中呈現，諸如在對檢視者產生三維效應之立體聲視訊中。此外，在一些具體實例中，人工實境亦可與用以例如在人工實境中產生內容及/或以其他方式用於人工實境中（例如，在人工實境中執行活動）之應用程式、產品、配件、服務或其某一組合相關聯。提供人工實境內容之人工實境系統可實施於各種平台上，包括可穿戴式顯示器，諸如連接至主機電腦系統之HMD、獨立式HMD、具有眼鏡之外觀尺寸的近眼顯示器、行動裝置或計算系統，或能夠向一或多個檢視者提供人工實境內容的任何其他硬體平台。

本發明之範圍不受本文中所描述之特定具體實例限制。實際上，除本文中所描述之彼等具體實例及修改以外，所屬技術領域中具有通常知識者亦將自前述描述及附圖顯而易見其他各種具體實例及修改。因此，此類其他具體實例及修改意欲屬於本發明之範圍內。另外，儘管本文中已出於特定目的在特定環境中之特定實施方案的上下文中描述本發明，但所屬技術領域中具有通常知識者將認識到，其有用性不限於此，且本發明可出於任何數目個目的而有益地實施於任何數目個環境中。因此，下文所闡述之申請專利範圍應鑒於本文中所描述之本發明之全部範圍及精神來解釋。

100:顯示器設備 102:反射式顯示器面板 104:方向性照明器 106:物鏡 108:光源 109:可切換散射器 110:照明光束 111:可傾斜反射器 112:光導 114:影像光束 114A:虛線 115:會聚影像光束 116:耦入光柵 117:虛線 118:耦出光柵 120:虛線 134:使用者之眼睛 134A:眼睛的新位置 135:瞳孔 136:眼動區 138:眼動追蹤器 140:控制器 300:顯示器設備 302:透射式顯示器面板 304:方向性照明器 306:物鏡 312:光導 314:影像光束 315:會聚影像光束 315A:位置 340:控制器 400:方法 402:步驟 404:步驟 406:步驟 408:步驟 410:步驟 412:步驟 414:步驟 501:第一可切換散射體區段 502:第二可切換散射體區段 509:可切換散射體 510:照射光束 511:第一錐體 512:第二錐體 513:第三錐體 601:第一可切換重導引器區段 602:第二可切換重導引器區段 609:可切換重導引器 610:照射光束 611:第一光束 612:第二光束 613:第三光束 701:第一區段 702:第二區段 709:可切換散射器 721:散射器 722:基板 731:繞射光柵條紋 732:基板 800:可調LC表面起伏光柵 801:第一基板 802:第二基板 804:表面起伏光柵結構 806:隆脊 808:LC層 810:向列型LC分子 811:第一導電層 812:第二導電層 821:線性偏振光束 900:PBP LC可切換光柵 902:LC分子 904:LC層 1015:入射光束 1100:PVH光柵 1104:LC層 1105:頂部表面 1106:底部表面 1107:棒狀LC分子 1107b:邊界LC分子 1108:週期性螺旋結構 1112:配向層 1114:螺旋條紋 1120:照射光束 1121:左圓偏振（LCP）光束分量 1122:右圓偏振（RCP）光束分量 1122':繞射光束 1200:流體光柵 1201:第一不混溶流體 1202:第二不混溶流體 1203:流體間邊界 1205:光束 1211:第一基板 1212:第二基板 1221:第一電極結構 1222:第二電極結構 1231:第一繞射子光束 1232:第二繞射子光束 1300A:聲學重導引器 1300B:聲學重導引器 1306A:主體 1306B:波導主體 1307A:電極 1307B:電極 1308A:電極 1308B:電極 1310:照明光束 1315:頂部表面 1316:底部表面 1328:基板 1330A:體積波聲學致動器 1330B:表面波聲學致動器 1332A:電回應層 1332B:電回應層 1334A:體積聲波 1334B:表面聲波 1335:方向 1336A:聲波終止器 1336B:聲波終止器 1400:虛擬實境（VR）近眼顯示器（NED） 1401:框架 1402:光源 1406:光瞳複製光導 1418:反射式顯示器面板 1432:物鏡/準直儀 1436:眼動區 1438:眼睛追蹤攝影機 1462:眼動區照明器 1500:HMD 1502:前主體 1504:條帶 1506:側面 1508:定位器 1510:IMU 1511:深度攝影機組裝件（DCA） 1512:位置感測器 1514:眼睛追蹤系統 1580:顯示器系統 T:間距 V:電壓 V1:第一電壓 V2:第二電壓 Λ _x :週期 Λ _y :週期

現將結合圖式描述例示性具體實例，其中：

[圖1]為本發明之顯示器設備的示意性側視圖，該設備包括經由耦接至可切換散射器及可傾斜反射器之光導照明的反射式顯示器面板，該圖示出使用可傾斜反射器來改變出射光瞳位置；

[圖2]為圖1之顯示器設備的示意性側視圖，其示出使用可切換散射器來改變出射光瞳大小；

[圖3]為顯示器設備具體實例之示意性側視圖，該顯示器設備具體實例包括經由耦接至可切換散射器及可傾斜反射器之光導來照明的透射式顯示器面板；

[圖4]為用於使用圖1至圖3之顯示器設備中之任者顯示影像的方法之流程圖；

[圖5]為圖1至3之可切換散射器的可切換散射體具體實例之示意圖；

[圖6]為圖1至圖3之可切換散射器的可切換重導引器具體實例之示意圖；

[圖7]為可切換散射器具體實例之示意圖，其示出在具有受控折射率對比度之結構中可切換光束散射及重導引的操作；

[圖8]展示可用於本發明之可切換散射器中的可調液晶（liquid crystal；LC）表面起伏光柵的側視橫截面圖；

[圖9A]為可用於本發明之可切換散射器中的主動盤查拉特納姆-貝瑞相位（Pancharatnam-Berry phase；PBP）液晶（LC）光柵之正視圖；

[圖9B]為圖9A之主動PBP LC光柵之LC層中的LC分子之放大示意圖；

[圖10A]及[圖10B]為圖9A及圖9B之主動PBP LC光柵的側視示意圖，其展示主動PBP LC光柵在斷開（OFF）（圖10A）及接通（ON）（圖10B）狀態下的光傳播；

[圖11A]為可用於本發明之可切換散射器中的偏振體積光柵（polarization volumetric grating；PVH）之側視橫截面圖；

[圖11B]為示出圖11A之PVH的光學效能的圖；

[圖12A]為可用於本發明之可切換散射器中的在斷開狀態下的流體光柵之側視橫截面圖；

[圖12B]為在接通狀態下的圖12A之流體光柵的側視橫截面圖；

[圖13A]為包括用於產生體積聲波之聲學致動器的本發明之可切換散射器的側視橫截面圖；

[圖13B]為包括用於產生表面聲波之聲學致動器的本發明之可切換散射器的側視橫截面圖；

[圖14]為本發明之虛擬實境（VR）顯示器的視圖，該顯示器具有一副眼鏡的外觀尺寸；及

[圖15]為本發明之頭戴式顯示器（head-mounted display；HMD）之三維視圖。

100:顯示器設備

102:反射式顯示器面板

104:方向性照明器

106:物鏡

108:光源

109:可切換散射器

110:照明光束

111:可傾斜反射器

112:光導

114:影像光束

114A:虛線

115:會聚影像光束

116:耦入光柵

118:耦出光柵

134:使用者之眼睛

134A:眼睛的新位置

135:瞳孔

136:眼動區

138:眼動追蹤器

140:控制器

Claims (20)

1. 一種顯示器設備，其包含： 顯示器面板，其用於顯示影像； 光源，其用於提供照明光束； 可切換散射器，其耦接至該光源以用於向該照明光束賦予空間變化振幅或空間變化相位延遲中之至少一者； 光導，其耦接至該可切換散射器，以用於將經由該可切換散射器傳播之該照明光束傳送至該顯示器面板，由此該顯示器面板提供攜載該影像的影像光束；及 物鏡，其用於接收該影像光束且將該影像光束傳送至該顯示器設備之眼動區，以用於在該眼動區處檢視該影像。
2. 如請求項1之顯示器設備，其進一步包含： 眼動追蹤器，其用於判定該眼動區處眼睛之瞳孔的大小；及 控制器，其以可操作方式耦接至該眼動追蹤器及該可切換散射器，且配置以使得該可切換散射器增加該照明光束的發散度，以使該影像光束對應於由該眼動追蹤器判定的該瞳孔的該大小。
3. 如請求項1之顯示器設備，其中空間變化振幅或空間變化相位延遲中之該至少一者為隨時間而改變的，該顯示器設備進一步包含控制器，該控制器以可操作方式耦接至該可切換散射器且配置以使該可切換散射器增加該照明光束的時間平均發散度。
4. 如請求項3之顯示器設備，其中存在以下情況中之至少一者：該可切換散射器包含以至少5 kHz之頻率切換的光柵；或該可切換散射器將該照明光束的時間平均發散度增加至少1度。
5. 如請求項3之顯示器設備，其進一步包含用於判定該眼動區處眼睛之瞳孔的位置或大小中之至少一者的眼動追蹤器，其中該控制器以可操作方式耦接至該眼動追蹤器； 其中該控制器配置以使得該可切換散射器進行以下操作中之至少一者：以振盪方式重導引該照明光束，以增加該照明光束的該時間平均發散度，以使該影像光束對應於該瞳孔的該大小；或重導引該照明光束以使該影像光束朝向由該眼動追蹤器判定的該瞳孔的該位置移位。
6. 如請求項1之顯示器設備，其進一步包含： 眼動追蹤器，其用於判定該眼動區處眼睛之瞳孔的位置； 可傾斜反射器，其用於在該照明光束照射至該光導上之前重導引該照明光束；及 控制器，其以可操作方式耦接至該眼動追蹤器及該可傾斜反射器，且配置以使該可傾斜反射器重導引該照明光束以使該影像光束跟隨由該眼動追蹤器判定之該瞳孔的該位置。
7. 如請求項1之顯示器設備，其中該顯示器面板包含反射式顯示器面板，且其中該光導安置於該顯示器面板與該物鏡之間，以使得在操作中，影像光經由該光導及該物鏡朝向該眼動區傳播。
8. 如請求項1之顯示器設備，其中該光導包含光瞳複製光導，其用於在該顯示器面板上擴展該照明光束。
9. 如請求項1之顯示器設備，其中該可切換散射器包含以下各者中之至少一者：可切換偏振體積全像片；或可切換盤查拉特納姆-貝瑞相位液晶光柵。
10. 如請求項1之顯示器設備，其中該可切換散射器包含可切換液晶光柵，該光柵包含基於聚合物的表面起伏光柵結構。
11. 如請求項10之顯示器設備，其中該基於聚合物之表面起伏光柵結構包含雙折射聚合物。
12. 如請求項1之顯示器設備，其中該可切換散射器包含流體光柵。
13. 如請求項1之顯示器設備，其進一步包含以下各者中之至少一者： 表面波聲學致動器，其耦接至該光導，其中該可切換散射器包含由該光導中之該表面波聲學致動器形成的表面聲波；或 體積波聲學致動器，其耦接至該光導，其中該可切換散射器包含由該光導中之該體積波聲學致動器形成的體積聲波。
14. 如請求項1之顯示器設備，其中該可切換散射器包含光柵，該光柵具有以至少150 nm之峰間振幅所調變的光學延滯。
15. 一種用於顯示影像之方法，該方法包含： 提供照明光束； 使用可切換散射器向該照明光束賦予空間變化振幅或空間變化相位延遲中之至少一者； 將經由該可切換散射器傳播的該照明光束傳送至顯示器面板，由此該顯示器面板提供攜載該影像的影像光束；及 將該影像光束傳送至眼動區。
16. 如請求項15之方法，其中空間變化振幅或空間變化相位延遲中之該至少一者在該照明光束上為隨時間而改變的，該方法進一步包含： 使用眼動追蹤器以判定該眼動區處眼睛之瞳孔的位置或大小中的至少一者；及 使該可切換散射器增加該照明光束之時間平均發散度，以使該影像光束對應於該瞳孔的該大小。
17. 如請求項16之方法，其進一步包含重導引該照明光束，以使該影像光束跟隨由該眼動追蹤器判定的該瞳孔之該位置。
18. 如請求項17之方法，其中該重導引係藉由該照明光束之光學路徑中的該可切換散射器或可傾斜反射器中之至少一者執行。
19. 一種具有輸出光束之可控發散度的方向性照明器，該方向性照明器包含： 光源，其用於提供照明光束； 可切換散射器，其耦接至該光源以用於向該照明光束賦予空間變化振幅或空間變化相位延遲中之至少一者，以控制該照明光束的發散度；及 光瞳複製光導，其耦接至該可切換散射器以用於擴展經由該可切換散射器傳播之該照明光束，藉此產生具有該可控發散度的該輸出光束。
20. 如請求項19之方向性照明器，其中空間變化振幅或空間變化相位延遲中之該至少一者在該照明光束上為隨時間而改變的，以用於增加該照明光束之該發散度的時間平均值。