基于波導的顯示系統(tǒng)的制作方法

背景

顯示系統(tǒng)可用于使得期望圖像對用戶(觀看者)可見?？纱┐黠@示系統(tǒng)可被具體化在可穿戴頭部裝置中，該可穿戴顯示系統(tǒng)被布置成在距人類眼睛的短距離內(nèi)顯示圖像。這樣的可穿戴頭部裝置有時被稱為頭戴式顯示器，并且提供有框架，該框架具有適配在用戶的(穿戴者的)鼻梁上的中央部分以及適配在用戶的耳朵上的左右支撐延伸部。光學組件被布置在該框架中，以便在用戶眼睛的幾厘米之內(nèi)顯示圖像。該圖像可以是顯示器(諸如微顯示器)上的計算機生成的圖像。該光學組件被布置成將在顯示器上生成的期望圖像的光傳輸?shù)接脩舻难劬σ允沟迷搱D像對用戶可見。在其上生成圖像的顯示器可形成光引擎的一部分，以使得該圖像本身生成可由該光學組件引導以提供對用戶可見的圖像的準直光束。

不同種類的光學組件已被用來將圖像從顯示器傳達到人類眼睛。這些光學組件可包括例如透鏡、反光鏡、光學波導、全息圖和衍射光柵。在一些顯示系統(tǒng)中，光學組件是使用以下光學器件來構(gòu)造的：該光學器件允許用戶看見圖像但在“現(xiàn)實世界”不透視該光學器件。其他類型的顯示系統(tǒng)通過該光學器件提供視圖，以使得向用戶顯示的生成的圖像重疊在現(xiàn)實世界視圖上。這有時被稱為增強現(xiàn)實。

基于波導的顯示系統(tǒng)通常經(jīng)由波導(光導)中的tir(全內(nèi)反射)機制將光從光引擎?zhèn)鬏數(shù)窖劬?。這樣的系統(tǒng)可并入衍射光柵，該衍射光柵引起高效的光束展寬，以使得輸出由光引擎提供的光束的經(jīng)展寬的版本。這意味著當看著波導的輸出而非直接看著光引擎時，圖像在更寬的區(qū)域上可見：假設眼睛在某區(qū)域內(nèi)，使得該眼睛可接收來自基本全部經(jīng)展寬的光束的光，則整個圖像將對用戶可見。這樣的區(qū)域被稱為眼框(eyebox)。

為了維持圖像質(zhì)量，波導的結(jié)構(gòu)可按各種方式被配置成減輕所傳輸?shù)墓獾氖д妗?/p>

概述

根據(jù)本公開的一方面，提供了一種顯示系統(tǒng)，包括：圖像被生成在其上的顯示器；光學波導，所述光學波導具有入射耦合光柵、由所述光學波導的第一表面上的調(diào)制形成的中間光柵以及出射光柵；以及，準直光學器件，所述準直光學器件被布置成將所述圖像基本準直成多個輸入光束，每一光束通過準直來自相應像點的光形成，該光束以取決于該點在圖像中的位置的唯一向內(nèi)方向被定向到所述入射耦合光柵；其中所述中間和入射光柵具有顯著大于所述光束的直徑的寬度；其中，所述入射耦合光柵被布置成將每一光束耦合到所述中間光柵中，在所述中間光柵中，該光束以沿著所述中間光柵的寬度的方向被引導到所述中間光柵的多個拆分區(qū)域中；其中所述中間光柵被布置成在所述拆分區(qū)域拆分該光束，以提供該光束的多個基本平行的版本，該多個基本平行的版本被耦合到所述出射光柵中，在所述出射光柵中，所述多個版本被引導到所述出射光柵的多個出射區(qū)域中，所述出射區(qū)域處于沿著所述出射光柵的寬度的方向中；其中所述出射光柵被配置成向外衍射該光束的所述多個版本，所述多個輸入光束由此使得多個出射光束離開所述波導，所述多個出射光束形成所述圖像的虛擬版本；并且與光學波導的第一表面上的形成所述中間光柵的調(diào)制交互的每一光束的偏振狀態(tài)由在所述光學波導的與所述第一表面相對的第二表面上的阻滯膜(retarderfilm)控制。

根據(jù)本公開的另一方面，提供了一種用于顯示系統(tǒng)的光學波導，所述光學波導具有入射耦合光柵、由所述光學波導的第一表面上的調(diào)制形成的中間光柵以及出射光柵，所述入射耦合光柵被布置成接收多個輸入光束，每一光束通過準直來自圖像的相應像點的光形成，該光束以取決于該點在所述圖像中的位置的唯一向內(nèi)方向被定向到所述入射耦合光柵；其中所述中間和入射光柵具有顯著大于所述光束的直徑的寬度；其中，所述入射耦合光柵被布置成將每一光束耦合到所述中間光柵中，在所述中間光柵中，該光束以沿著所述中間光柵的寬度的方向被引導到所述中間光柵的多個拆分區(qū)域中；其中所述中間光柵被布置成在所述拆分區(qū)域拆分該光束，以提供該光束的多個基本平行的版本，該多個基本平行的版本被耦合到所述出射光柵中，在所述出射光柵中，所述多個版本被引導到所述出射光柵的多個出射區(qū)域中，所述出射區(qū)域處于沿著所述出射光柵的寬度的方向中；其中所述出射光柵被配置成向外衍射該光束的所述多個版本，所述多個輸入光束由此使得多個出射光束離開所述波導，所述多個出射光束形成所述圖像的虛擬版本；以及其中與所述光學波導的第一表面上的形成所述中間光柵的調(diào)制交互的每一光束的偏振狀態(tài)由所述光學波導的與所述第一表面相對的第二表面上的阻滯膜控制。

根據(jù)本公開的另一方面，提供了一種可穿戴頭部裝置，包括：框架；顯示器，所述顯示器被安裝在所述框架上并且圖像在所述顯示器上被生成；光學波導，所述光學波導具有入射耦合光柵、由所述光學波導的第一表面上的調(diào)制形成的中間光柵以及出射光柵；以及，準直光學器件，所述準直光學器件被布置成將所述圖像基本準直成多個輸入光束，每一光束通過準直來自相應像點的光形成，該光束以取決于該點在圖像中的位置的唯一向內(nèi)方向被定向到入射耦合光柵；其中所述中間和入射光柵具有顯著大于所述光束的直徑的寬度；其中所述入射耦合光柵被布置成將每一光束耦合到所述中間光柵中，在所述中間光柵中，該光束以沿著所述中間光柵的寬度的方向被引導到所述中間光柵的多個拆分區(qū)域中；其中所述中間光柵被布置成在所述拆分區(qū)域拆分該光束，以提供該光束的多個基本平行的版本，該多個基本平行的版本被耦合到所述出射光柵中，在所述出射光柵中，所述多個版本被引導到所述出射光柵的多個出射區(qū)域中，所述出射區(qū)域處于沿著所述出射光柵的寬度的方向中；其中所述出射光柵被配置成向外衍射該光束的所述多個版本，所述多個輸入光束由此使得多個出射光束離開所述波導，所述多個出射光束形成所述圖像的虛擬版本；以及其中與所述光學波導的第一表面上的形成所述中間光柵的調(diào)制交互的每一光束的偏振狀態(tài)由所述光學波導的與所述第一表面相對的第二表面上的阻滯膜控制。

在本公開的以上描述的各方面中，阻滯膜的阻滯模式可以是動態(tài)可變的。

提供本概述以便以簡化的形式介紹將在以下詳細描述中進一步描述的一些概念。本概述并不旨在標識出所要求保護的主題的關鍵特征或必要特征，也不旨在用于限定所要求保護的主題的范圍。所要求保護的主題也不限于解決

背景技術(shù)：
部分中指出的任何或所有缺點的實現(xiàn)。

附圖簡述

圖1示出可穿戴顯示系統(tǒng)；

圖2示出顯示系統(tǒng)的一部分的俯視圖；

圖3a和3b示出光學組件的透視圖和正視圖；

圖4a示出其表面上形成有表面起伏光柵的光學組件的示意俯視圖；

圖4b示出圖4a的光學組件的示意圖，該光學組件被示為與入射光交互并且是從側(cè)面觀看的；

圖5a是直二元表面起伏光柵的示意性說明，該直二元表面起伏光柵被示為與入射光交互并且是從側(cè)面觀看的；

圖5b是斜二元表面起伏光柵的示意圖，該斜二元表面起伏光柵被示為與入射光交互并且是從側(cè)面觀看的；

圖5c是突出的三角表面起伏光柵的示意性說明，該突出的三角表面起伏光柵被示為與入射光交互并且是從側(cè)面觀看的；

圖6示出光學組件的入射耦合區(qū)域的一部分的關閉視圖；

圖7a示出了顯示系統(tǒng)的一部分的透視圖；

圖7b示出顯示器的各個體像素的俯視圖；

圖7c和7d示出與光學組件交互的光束的俯視圖和正視圖；

圖7e示出執(zhí)行光束展寬的光學組件的正視圖；

圖7f示出執(zhí)行光束展寬的光學組件的俯視圖；

圖7g是彎曲的光學組件的俯視圖；

圖8a和8b是光學組件的一部分的俯視圖和正視圖；

圖9a示出在波導的折疊區(qū)內(nèi)的光束反射的透視圖；

圖9b解說光束展寬機制；

圖10解說由穿戴者在虛擬圖像中觀察到的帶狀效果；

圖11示出圖9b中示出的光束展寬機制的一部分；以及

圖12解說附連到光束組件的阻滯膜；

詳細描述

圖1是頭戴式顯示器的透視圖。頭戴式顯示器包括頭部部件，該頭部部件包括框架2，該框架2具有旨在適配在穿戴者的鼻梁上的中央部分4以及旨在適配在用戶的耳朵上的左右支撐延伸部6、8。雖然支撐延伸部被示為基本筆直，它們可以以彎曲的部分終止，以按傳統(tǒng)眼鏡的方式更舒適地適配在耳朵上。

框架2支撐標記為10l和10r的左和右光學組件，左和右光學組件為波導。為了便于本文中的參考，光學組件10(光學波導10)將被認為是左或右組件，因為這些組件除了是彼此的鏡像外本質(zhì)上相同。因此，涉及左手組件的所有描述也涉及右手組件。稍后將參考圖3更詳細地描述光學組件。中央部分4容納光引擎，該光引擎在圖1中未被示出，但在圖2中被示出。

圖2示出圖1的框架的頂部部分的一部分的俯視圖。由此，圖2示出包括微顯示器15和準直透鏡20的形式的成像光學器件17的光引擎13。光引擎還包括能夠生成微顯示器的圖像的處理器。微顯示器可以是任何類型的圖像源的光，諸如硅上液晶(lcos)顯示器、透射液晶顯示器(lcd)、led的矩陣陣列(有機或無機)和任何其他合適的顯示器。該顯示器由圖2中不可見的電路系統(tǒng)驅(qū)動，該電路系統(tǒng)激活顯示器的各個體像素以生成圖像。從每一像素充分準直的光落在光引擎13的出射光瞳22上。在出射光瞳22處，經(jīng)準直的光束被耦合到每一光學組件10l、10r中在每一組件上提供的相應入射耦合區(qū)12l、12r中。這些入射耦合區(qū)在圖1中被清楚地示出，但在圖2中不是容易可見的。入射耦合光隨后被引導通過涉及衍射和tir的機制(該機制在相應的中間(折疊)區(qū)14l、14r中的光學組件的橫向)，并且還向下到相應的出射區(qū)16l、16r中，光在該出射區(qū)16l、16r朝向用戶的眼睛離開組件10。圖1中示出了區(qū)14l、14r、16l和16r。以下詳細描述這些技術(shù)。圖2示出接收來自出射區(qū)(16l或16r)的經(jīng)衍射的光的用戶的眼睛(右或左)。到用戶的眼睛的輸出光束ob與入射光束ir平行。例如參考在圖2中被標記為ib的入射光束以及在圖2中被標記為ob的兩個平行輸出光束。光學組件10位于光引擎13和眼睛之間，即顯示系統(tǒng)配置具有所謂的透射類型。

其他頭部部件也在本主題的范圍之內(nèi)。例如，顯示光學器件可同樣使用頭帶、頭盔或其他適配系統(tǒng)被附連到用戶的頭部。適配系統(tǒng)的目的在于支撐顯示器，并向顯示器和其他頭部承受系統(tǒng)(諸如，跟蹤系統(tǒng)和相機)提供穩(wěn)定性。適配系統(tǒng)還將被設計成在人體測量范圍和頭部形態(tài)學方面滿足用戶群體，并提供對顯示系統(tǒng)的舒適支撐。

來自同一顯示器15的光束可被耦合到組件10l、10r兩者中，以使得圖像由兩個眼睛從單個顯示器感知，或者分開的顯示器可被用于為每一眼睛生成不同的圖像，例如以提供立體圖像。在替換頭部裝置中，(諸)光引擎可被安裝在框架的左部和右部之一或兩者處—其中入射耦合區(qū)12、折疊區(qū)14和出射區(qū)16的布置被相應地翻轉(zhuǎn)。

光學組件10是基本透明的，以使得用戶可不僅查看來自光引擎13的圖像，還可透過光學組件10查看現(xiàn)實世界視圖。

光學組件10具有折射率n，該折射率n為使得發(fā)生全內(nèi)反射，從而從入射區(qū)開始沿著中間展寬區(qū)14并朝著出射區(qū)16向下引導光束。

圖3a和3b更詳細地示出光學組件。

圖3a示出光學組件10的透視圖。光學組件是平的，因為其表面的前部和后部是基本平的(前和后根據(jù)如由圖3a中眼睛的位置指示的穿戴者的視角定義)。該表面的前部和后部彼此平行。光學組件10基本位于一平面(xy平面)中，其中z軸(被稱為“法線”)被定向為從光學組件10朝向觀看者。入射耦合區(qū)12、折疊區(qū)14和出射區(qū)16被示出，每一區(qū)由光學組件的表面上的相應表面調(diào)制52、46和56定義，表面調(diào)制52、46和56從佩戴者的視角來看位于在波導的后面。表面調(diào)制52、46、56中的每一者形成相應的表面起伏光柵(srg)，其性質(zhì)將被簡短地描述。取代srg，可使用全息圖來提供與srg相同的光學功能。

如在圖3b的俯視圖中示出的，折疊區(qū)在橫向(x)方向具有水平延伸w2(在本文中被稱為展寬區(qū)的“寬度”)，并且在y方向具有垂直延伸h2(在本文中被稱為展寬區(qū)的“高度”)，該折疊區(qū)以沿著其寬度w2的橫向方向從光學組件的內(nèi)邊緣增加到其外邊緣。出射區(qū)具有定義眼框的尺寸的水平延伸w3(出射區(qū)的寬度)和垂直延伸h3(出射區(qū)的高度)，該尺寸取決于光引擎中的成像光學器件。

現(xiàn)在將參考圖4a和4b描述構(gòu)成本文中描述的頭戴式顯示器的操作的基礎的衍射機制的原理。

本文中描述的光學組件通過反射、折射、衍射的方式與光交互。衍射在傳播的波與例如障礙或狹縫之類的結(jié)構(gòu)交互時發(fā)生。衍射可以被描述為波的干涉，并且在該結(jié)構(gòu)在大小上與波的波長相當時最顯著。

可見光的光學衍射歸因于光的波性質(zhì)并且可被描述為光波的干涉?？梢姽饩哂性诖蠹s390到700納米(nm)之間的波長，并且當傳播的光遇到100或1000nm范圍級別的類似規(guī)模的結(jié)構(gòu)時可見光的衍射是最顯著的。

衍射結(jié)構(gòu)的一個示例是周期性(基本反復的)衍射結(jié)構(gòu)。在本文中，“衍射光柵”意指具有周期性衍射結(jié)構(gòu)的光學組件的任何(部分)。周期性結(jié)構(gòu)可引起光的衍射，該光的衍射通常在周期性結(jié)構(gòu)具有與光的波長類似大小的空間周期時最顯著。周期性結(jié)構(gòu)的類型包括例如對光學組件的表面的表面調(diào)制、折射率調(diào)制、全息圖等。當傳播的光遇到周期性結(jié)構(gòu)時，衍射使得光被拆分成處于不同方向的多個光束。這些方向取決于所述光的波長，這樣衍射光柵引起多色(例如白色)光的色散，由此，多色光被分成在不同的方向上行進的不同顏色的光束。

當周期性結(jié)構(gòu)在光學組件的表面上時，其被稱為表面光柵。當周期性結(jié)構(gòu)歸因于表面本身的調(diào)制時，其被稱為表面起伏光柵(srg)。srg的一個示例是在光學組件的表面中的被均勻直槽間隔區(qū)域分隔開的均勻直槽。槽間隔區(qū)域在此被稱為“線”、“光柵線”和“填充區(qū)域”。srg的衍射的性質(zhì)取決于入射在光柵上的光的波長和srg的各種光學特性(例如線間隔、槽深度和槽傾斜角)這兩者。srg可以借助于合適的微制造處理被制造，該微制造處理涉及蝕刻基板和/或在基板上沉積以在基板上制造期望的周期微結(jié)構(gòu)。所述基板可以是光學組件本身或生產(chǎn)模板(productionmaster)，例如用于制造光學組件的模具。

圖4a和4b分別從頂部和側(cè)面示出具有外表面s的基本透明的光學組件10的一部分。表面s的至少一部分展示構(gòu)成為微結(jié)構(gòu)的srg44(例如，52、54、56)的表面調(diào)制。這樣的部分被稱為“光柵區(qū)域”。

圖4b示出光學組件10，并且具體而言是與傳入照明光束i交互的srg44，該傳入照明光束向內(nèi)入射到srg4上。光i在該示例中是白色光，并且因而具有多種顏色分量。光i與srg44交互，srg44將該光拆分成向內(nèi)定向到光學組件10中的幾個光束。光i的一些也可作為反射光束r0被從表面s反射回來。零階模式向內(nèi)光束t0和任何反射r0是根據(jù)衍射的一般原理以及其它非零階(±n-階)模式(其可被解釋為波干涉)被創(chuàng)建的。圖4b示出第一階向內(nèi)光束t1,t-1；將理解可以依據(jù)光學組件10的配置創(chuàng)建或不創(chuàng)建更高階的光束。由于衍射的性質(zhì)取決于波長，因此，對于更高階的模式而言，入射光i的不同顏色分量(即波長分量)當存在時以相對于彼此而言不同的傳播角度被分成不同顏色的光束，如圖4b所示。

圖5a-5c是不同的示例性srg44a-44c(在此統(tǒng)稱為44)的特寫示意性截面圖，所述圖案由(在這些圖中是從側(cè)面查看到的)光學組件10的表面s上的調(diào)制形成。光束用箭頭標注，其厚度指示大致相對的強度(越高強度的光束以越厚的箭頭示出)。

圖5a示出直二元srg44a的示例。直二元srg44a由在表面s中通過突出槽間隔區(qū)域9a分隔開的一系列槽7a形成，該突出槽間隔區(qū)域9a在此也被稱為“填充區(qū)域”、“光柵線”或簡稱為“線”。srg44a具有d的空間周期(稱為“光柵周期”)，其是調(diào)制形狀在其上重復的距離，并且由此為毗鄰線/槽之間的距離。槽7a具有深度h，且具有基本直的壁和基本平的基底。在圖2a中填充區(qū)域具有高度h和在填充區(qū)域的高度h上基本均勻的標記為“w”的寬度(其中w是周期的某一分數(shù)f：w＝f*d)。

對于直二元srg，這些壁基本垂直于表面s。出于這個原因，srg44a引起垂直進入到表面的入射光i的對稱衍射，其中由srg4a所創(chuàng)建的每個+n階模式光束(例如t1)具有與對應的-n階模式光束(例如t-1)基本相同的強度，通常小于約入射光束i的強度的五分之一(0.2)。

圖5b示出斜二元srg44b的示例。斜二元srg44b也由表面s中通過寬度w的線9b分隔開的的槽(被標記為7b)形成，這些槽具有基本直的壁和基本平的基底。然而，與直srg44a相比，這些壁相對于法線傾斜在圖25b中由角度α表示的量。槽7b當沿法線測量時具有深度h。取決于非零傾斜所進入的非對稱性，行進離開傾斜方向的±n階模式向內(nèi)光束具有比它們的±n階模式對應物更高的強度(例如在圖5b的示例中，t1光束被定向離開傾斜的方向并且通常具有比t-1光束更大的強度，但是這取決于例如光柵周期d)；通過增加傾斜達足夠量，那些±n對應物可以基本被消除(即具有基本為零的強度)。t0光束的強度通常還通過斜二元srg被大大減少，這樣，在圖5b的示例中，第一階光束t1通常具有至多約入射光束i的強度的五分之四(0.8)的強度。

二元srg44a和44b可以被看作是嵌入到表面s中的空間波形，該空間波形具有基本為方波的形狀(具有周期d)。在srg44b的情況下，該形狀是傾斜達α的傾斜方波形狀。

圖5c示出了突出的三角srg44c的示例，其是突出的梯形srg的特殊情況。三角srg44c是由表面s中的槽7c形成，所述槽是三角形狀的(且因此具有可分辨的尖端)并且當沿法線測量時具有深度h。填充區(qū)域9c采用了三角形、齒狀突起(齒)的形式，具有與法線成角度α(α是srg44c的傾斜角)的中部。這些齒具有分隔d(其是srg44c的光柵周期)的各尖端，即在齒形底部處為w并且在齒形的尖端處變窄到基本為零的寬度。對于圖44c的srg，w≈d，但一般可以為w<d。srg是突出的，因為齒的尖端延伸超過槽的尖端。有可能構(gòu)建突起的三角形srg，該srg基本消除了傳輸模式t0光束和±n模式光束，僅留下±n階模式光束(例如僅有t1)。槽具有與中線成角度γ(壁角)的壁。

srg44c可以被看作是嵌入在s中的空間波形，所述空間波形具有基本三角的波形，其傾斜了α。

其他srg也是可能的，例如其他類型的梯形srg(其在寬度上可能不是一直變窄到零)、正弦srg等。這樣的其他srg也展示高度h、線寬w、傾斜角α和壁角γ，其可按與圖5a-c相似的方式定義。

在本顯示系統(tǒng)中，d通常在約250和500nm之間，并且h在約30和400nm之間。傾斜角α通常在約0和45度之間(以使得傾斜方向通常被提高為超過表面s約45和90度之間的量)。

srg具有依據(jù)期望的被衍射的光束(例如t1)的強度相對于照明光束i的強度而被定義的衍射效率，并且可以由那些強度的比η來表達。如從上將顯而易見的，斜二元srg(例如4b-在t1是期望的光束的情況高達η≈0.8)可以實現(xiàn)比非斜srg(例如44a-在t1是期望的光束的情況下僅高達約η≈0.2)更高的效率。通過突出的三角srg，有可能實現(xiàn)近于最佳的效率η≈1。

返回到圖3a和3b，可看見入射耦合區(qū)12、折疊區(qū)14和出射區(qū)16是衍射光柵，這些衍射光柵的周期性結(jié)構(gòu)由該光學組件的表面上的調(diào)制52、54、56引起，調(diào)制52、54、56分別形成入射srg、折疊srg和出射srg并分別覆蓋入射耦合區(qū)12、折疊區(qū)14和出射區(qū)16。

圖6示出具有更大的清晰度的入射srg52，該入射srg52包括示出光束如何與其交互的經(jīng)展寬的版本。圖6示出了光學組件10的俯視圖。光引擎13提供經(jīng)準直的光的光束，這些光束之一被示出(對應于顯示像素)。該光束落在入射srg52上并由此在組件10中引起該光束的全內(nèi)反射。中間光柵14將光束的各版本向下引導到出射光柵16，出射光柵16引起將該圖像衍射到用戶的眼睛上。光柵12的操作在經(jīng)擴大的部分中被更詳細地示出，該經(jīng)擴大的部分示出從左邊進入并被表示為i的入射光束的光線，并且這些光線被衍射以便在光學組件10中經(jīng)歷tir。圖6中的光柵具有圖5b中示出的類型，但也可具有圖5c中示出的類型或者某種其他傾斜的光柵形狀。

現(xiàn)將參考圖7a-9b描述作為某些實施例的基礎的光學原理。

圖7a示出顯示器15、成像光學器件17和入射耦合srg52的透視圖。顯示器15的用于顯示圖像的區(qū)域上的不同幾何點在本文中被稱為像點，這些像點可以是活躍的(當前正在發(fā)射光)或不活躍的(當前不在發(fā)射光)。在實踐中，各個體像素可被近似為像點。

成像光學器件17可通常被近似為一主平面(薄透鏡近似)，或者在一些情況下，更準確地被近似為一對主平面(厚透鏡近似)，其位置依據(jù)其構(gòu)成透鏡24、20(在圖7a中未被單獨示出)的性質(zhì)和布置來確定。在這些近似中，由成像光學器件17引起的任何折射被近似為在主平面處發(fā)生。為了避免不必要的復雜化，各實施例的原理將結(jié)合成像光學器件17的薄透鏡近似來描述，并由此結(jié)合圖7a中被標記為31的單個主平面來描述，但將顯而易見的是不適配該近似的更復雜的成像光學器件仍可被利用來實現(xiàn)所期望的效果。

成像光學器件17具有光軸30和正焦點，并且相對于光學組件10被定位成使得光軸30在入射srg52的幾何中心處或附近與入射srg52相交，且正焦點基本位于顯示器上的像點x0處(即，位于與顯示器的正面相同的平面中)。示出了顯示器上的另一任意像點x，并且現(xiàn)在將結(jié)合x描述作為各實施例的基礎的原理，而不失一般性。在以下，術(shù)語“對于每一x”或類似物被用作用于意指“對于每一像點(包括x)”或類似物的方便速記，如在上下文中將顯而易見的。

當活躍時，像點—包括被標記為x和x0的像點—充當個體照明點源，光從這些個體照明電源按基本各向同性的方式傳播通過在顯示器15前向的半個空間。圖像中被感知為較亮的區(qū)域中的像點相對于該圖像中被感知為較暗的區(qū)域而言發(fā)射較強的光。被感知為黑色的區(qū)域中的像點不發(fā)射光或僅發(fā)射非常小強度的光(不活躍的像點)。特定像點所發(fā)射的光的強度可隨圖像改變(例如當視頻被顯示在顯示器15上時)而改變。

每一活躍像點提供對成像光學器件17的準直區(qū)域a的基本一致的照明，該準直區(qū)域a基本是圓形的并具有直徑d，該直徑d取決于諸如構(gòu)成透鏡的直徑之類的因素(d可具有量級1-10mm，但這只是一個示例)。這在圖7a中針對像點x來解說，圖7a示出來自x的圓錐體32(x)內(nèi)的任何傳播光如何入射在準直區(qū)域a上。成像光學器件準直入射在準直區(qū)域a上的任何光32(x)以形成為直徑d的經(jīng)準直的光束34(x)(輸入光束)，該光束被定向為朝向光學組件10的入射耦合光柵52。光束34(x)由此入射在入射耦合光柵52上。屏蔽組件(未示出)可被布置成防止從x發(fā)射的在圓錐體32(x)外部的任何未經(jīng)準直的光到達光學組件10。

對應于像點x的光束34(x)以向內(nèi)傳播方向被朝向入射srg52定向，其可通過傳播向量來描述(在本文中，粗體字體被用來表示三維向量，這樣的向量上的帽子指示表示單位向量)。向內(nèi)傳播方向取決于x在圖像中的位置，并且此外對x是唯一的。那個唯一的傳播方向可根據(jù)方位角φin(x)(其是在x軸以及在xy平面中的投影之間的角度)和極坐標角θin(x)(其是在z軸以及z軸和兩者都位于其中的平面(注意，一般來說該平面不是xz平面)內(nèi)測得的之間的角度)來參數(shù)化的。符號φin(x)、θin(x)被采用來表示對x的前述依賴性；如所指示的，φin(x)、θin(x)對那個x是唯一的。注意，在本文中，這樣的單位向量和參數(shù)化這樣的向量的這樣的極坐標/方位角對在本文中有時被稱為“方向”(因為后者表示其完整的參數(shù)化)，并且出于相同的理由，有時方位角被獨立稱為xy方向。還應注意，“向內(nèi)”在本文中被用于指示朝向波導的傳播(當傳播朝向觀看者所感知到的波導的背面時，為正z分量，而當傳播朝向波導的正面時，為負z分量)。

成像光學器件具有主點p，該主點p是光軸30與主平面31相交處的點，并且通常位于準直區(qū)域a的中心處或附近。向內(nèi)方向和光軸30具有角距β(x)，該角距等于被x和x0從p起包住的角度。如果光軸與z軸平行(其不一定是這種情況)，則β(x)＝θin(x)。

如將顯而易見的，以上適用于每一活躍的像點，并且成像光學器件由此被布置成基本將當前在顯示器15上的圖像準直成多個輸入光束，每一輸入光束對應于依據(jù)相應活躍像點(在實踐中為活躍像素)的位置確定的唯一方向，并且以該唯一方向傳播。即，成像光學器件17高效地將每一活躍點源x轉(zhuǎn)換成處于唯一向內(nèi)方向的經(jīng)準直的光束。如將領會的，這可被等效地表述為在無窮遠處形成對應于當前在顯示器17上的現(xiàn)實圖像的虛擬圖像的所有活躍像點的各輸入光束。該性質(zhì)的虛擬圖像在本文中有時被稱為圖像(或類似物)的虛擬版本。

對應于像點x0(未示出)的輸入光束將與光軸30平行地朝向入射耦合srg52的幾何中心或在該幾何中心附近傳播。

如所提到的，在實踐中，顯示器15的各個體像素可被近似為單個像點。這在圖7b中解說，圖7b是示出顯示器15的主平面31和兩個毗鄰像素xa、xb的示意俯視圖，這兩個毗鄰像素xa、xb的中心從主點p起包住角度δβ。在活躍時發(fā)射像素xa,xb的光被高效地轉(zhuǎn)換成具有等于δβ的角距的經(jīng)準直的光束34(xa),34(xb)。如將顯而易見的，出于解說的目的，像素xa、xb的范圍已被極大地擴大。

光束被高度準直，并且彼此高度平行，從而展示出不大于(并且可能顯著小于)被個體像素從p起包住的角度(～δβ)的總角變化，例如通常具有不多于約1/2毫弧度的角度范圍。如在以下的示圖中將變得顯而易見的，這增加了穿戴者感知到的最終圖像的圖像質(zhì)量。

圖7c和7d分別示出了光學組件的一部分的示意俯視圖(xz)和正視圖(yz)。如這些附圖中所指示的，入射耦合光柵52引起光束34(x)的衍射，由此引起一階(±1)模式光束在光學組件10內(nèi)以大致朝向折疊srg54的新方向(即，其具有正x分量)傳播。新方向可由方位角φ(x)(其中|φ(x)|≤|φin(x)|)和極坐標角θ(x)(其中|θ(x)|>|θin(x)|)來參數(shù)化，方位角φ(x)和極坐標角θ(x)也依據(jù)像點x的位置來確定并且對像點x是唯一的。光柵52被配置成使得一階模式是唯一的重要衍射模式，且該新光束的強度由此基本匹配輸入光束的強度。如上所述，傾斜光柵可被用于實現(xiàn)該期望效果(被定向為離開入射srg52的光束將例如對應于光束t1，如圖4b或4c所示)。通過這種方式，光束34(x)以該新方向被耦合到光學組件10的入射耦合區(qū)12。

光學組件具有折射率n，并且被配置成使得極坐標角θ(x)滿足由下式給出的全內(nèi)發(fā)射準則：

(1):對于每個x，sinθ(x)＞1/n。

如將顯而易見的是，來自成像光學器件17的每一光束輸入由此通過全內(nèi)反射(tir)以大致水平的(+x)方向(與x軸偏離φ(x)<φin(x))傳播通過光學組件10。通過這種方式，光束34(x)被從入射區(qū)12耦合到折疊區(qū)14，在折疊區(qū)14中，光束34(x)沿著折疊區(qū)14的寬度傳播。

圖7e從與穿戴者的視角相似的視角示出10完整的光學組件10的正面(xy)視圖。如以下更詳細解釋的，光學組件10內(nèi)的衍射光束拆分和全內(nèi)反射的組合導致每一輸入光束34(x)的多個版本沿著出射區(qū)16的寬度和高度兩者從出射srg向外衍射，成為處于基本匹配對應輸入光束34(x)的相應向內(nèi)方向的相應向外方向(即，遠離光學組件10)的輸出光束38(x)。

在圖7e中，在光學組件10外部的光束被使用陰影來表示，并且點線被用來表示光學組件10內(nèi)的光束。透視被用來指示z方向中的傳播，其中圖7e中的光束的變寬(或者變窄)表示正(或者負)z方向中的傳播；即朝向(或者遠離)佩戴者。由此，發(fā)散的點線表示光學組件10內(nèi)的光束朝向光學組件10的前壁傳播；最寬的部分表示那些光束撞到了光學組件10的前壁，那些光束被從光學組件10的前壁全內(nèi)反射回去朝向后壁(各個srg被形成在該后壁上)，該全內(nèi)反射由從最寬的點到最窄的點(在這些最窄的點處，光束入射在后壁上)收縮的虛線表示。各光束入射在折疊srg和出射srg上的區(qū)域被標記為s和e，并且出于將變得顯而易見的理由，被分別稱為拆分區(qū)域和出射區(qū)域。

如所解說的，輸入光束34(x)被入射srg52通過前述衍射耦合到波導中，并且通過tir以方向φ(x),±θ(x)(每當該光束被反射時，極坐標角的符號而非幅值改變)沿著入射區(qū)12的寬度傳播。如將顯而易見的，這導致光束34(x)最終在最左邊的拆分區(qū)域s撞擊折疊srg。

當光束34(x)入射在拆分區(qū)域s處時，那個入射光束34(x)通過衍射的方式被高效地拆分成兩個光束，以除了零階反射模式光束(鏡面反射光束)外，還創(chuàng)建那個光束的新版本42(x)(具體為-1反射模式光束)，歸因于具有特定配置(其將在適當?shù)臅r候被描述)的折疊srg54，該新版本以特定并且大致向下(-y)的方向φ'(x),±θ'(x)被定向為朝向出射區(qū)16，而零階反射模式光束繼續(xù)以相同的方向φ(x),±θ(x)沿著該光束34(x)的寬度傳播，就好像光束34(x)將處在沒有折疊srg的地方(但是以降低的強度傳播)一樣。由此，光束34(x)基本沿著折疊區(qū)14的整個寬度高效地繼續(xù)傳播，在各拆分區(qū)域s撞擊折疊srg，并在每一拆分區(qū)域s創(chuàng)建該光束的另一新版本(處于相同的基本向下的方向φ'(x),±θ'(x))。如圖7e所示，這導致光束34(x)的多個版本被耦合到出射區(qū)16，這多個版本在水平上分隔開以共同跨越出射區(qū)16的基本整個寬度。

還如圖7e所示，該光束的在拆分區(qū)域s處創(chuàng)建的新版本42(x)本身在其向下傳播期間撞擊折疊srg。這將導致零階模式被創(chuàng)建，該零階模式一般以方向φ'(x),±θ'(x)向下繼續(xù)傳播，并且其可被看作該光束的繼續(xù)傳播，但可導致非零階模式光束40(x)(進一步的新版本)通過衍射的方式被創(chuàng)建。然而，通過這樣的雙重衍射在同一srg處創(chuàng)建的任何這樣的光束40(x)將以與耦合在光學組件10中的原始光束34(x)基本相同的方向φ(x),±θ(x)沿著折疊區(qū)14的寬度傳播(參見以下)。由此，盡管有被折疊srg多次衍射的可能性，但光束34(x)(對應于像點x)的各版本在光學組件10內(nèi)的傳播被高效地限制于兩個xy方向：大致水平的方向(φ(x),±θ(x))和特定且大致向下的方向(φ'(x),±θ'(x))，這將在以下被簡短地討論。

折疊區(qū)14內(nèi)的傳播由此高度規(guī)則，其中對應于特定像點x的所有光束版本基本按所解說的方式被約束于格狀結(jié)構(gòu)。

出射區(qū)16位于折疊區(qū)14下方，并且由此該光束的各向下傳播版本42(x)被耦合到出射區(qū)16中，在出射區(qū)16中，這些向下傳播版本被引導到輸出srg的各出射區(qū)域e上。出射srg56被配置成使得當光束的某版本撞擊輸出srg時，那個光束被衍射以創(chuàng)建以向外的方向從該出射srg56向外定向的一階模式光束，該向外的方向基本匹配其中對應于像點x的原始光束34(x)被輸入的唯一向內(nèi)方向。由于存在該光束的多個版本向下傳播，此多個版本基本跨越出射區(qū)16的寬度，因此生成了跨出射區(qū)16的寬度的多個輸出光束(如圖7e所示)以提供高效的水平光束展寬。

此外，出射srg56被配置成使得除了向外衍射的光束38(x)在各出射區(qū)域e處從入射光束中被創(chuàng)建外，零階衍射模式光束繼續(xù)按與該入射光束相同的特定方向向下傳播。該零階衍射模式光束進而在較低的出射區(qū)16s以圖7e所示的方式撞擊出射srg，從而導致繼續(xù)的零階光束和向外的一階光束兩者。由此，還生成了基本跨出射區(qū)16的整個高度的多個輸出光束38(x)以提供高效的垂直光束展寬。

輸出光束38(x)以基本匹配原始光束34(x)被輸入的唯一輸入方向的向外方向被向外地定向。在該上下文中，基本匹配意味著該向外方向按使得穿戴者的眼睛能夠?qū)⑤敵龉馐?8(x)的任何組合聚焦到視網(wǎng)膜上的單個點由此重構(gòu)像點x(參見以下)的方式與輸入方向相關。

對于平光學組件(即，其前和后表面在其整體上基本平行于xy平面)，輸出光束基本彼此平行(至少在被兩個毗鄰顯示像素包住的角度δβ內(nèi))，并且按與相應的輸入光束34(x)被定向到入射耦合srg52的唯一向內(nèi)方向平行的輸出傳播方向向外傳播。即，以向內(nèi)方向將對應于像點x的光束34(x)定向到入射耦合srg52導致相應的輸出光束38(x)被向外且并行地從出射區(qū)16衍射，由于各srg的配置，每一輸出光束處于向外傳播方向

如將參考圖7f描述的，這使得觀看者的眼睛在看著出射區(qū)16時能夠重構(gòu)圖像。圖7f示出光學組件10的俯視圖(xz)。輸入光束34(x)被入射耦合到光學組件10，從而導致多個平行的輸出光束38(x)按以上討論的方式在各輸出區(qū)域e處被創(chuàng)建。在對應于所有像點的各輸出光束(在無窮遠處)形成與對應的輸入光束相同的虛擬圖像時，這可被等效地表達。

由于對應于像點x的光束38(x)全部基本平行，被眼睛37接收的光束38(x)中的一者或多者的任何光被聚焦為好像眼睛37正在感知處于無窮遠處的圖像(即，遙遠的圖像)。眼睛37由此將這樣的接收光聚焦在單個視網(wǎng)膜點上，就好像該光是直接從成像光學器件17處接收到的一樣，由此在視網(wǎng)膜上重構(gòu)像點x(例如，像素)。如將顯而易見的，上述情況適用于每一活躍像點(例如，像素)，使得眼睛37重構(gòu)當前在顯示器15上的整個圖像。

然而，與直接從光學器件17接收圖像(從該光學器件17，僅為直徑d的相應單個光束34(x)被為每一x發(fā)射)形成對照，輸出光束39(x)在顯著更寬的區(qū)域(即，基本為出射區(qū)16的區(qū)域)上被發(fā)射，該顯著更寬的區(qū)域比輸入光束的區(qū)域(～d²)顯著更大。眼睛全部接收的光束38(x)的哪些(部分)被聚焦在相同的視網(wǎng)膜點上(例如，在圖7f中，眼睛37是否將水平地(±x)移動)并不重要，因為顯然該圖像仍將被感知。由此，不需要針對例如在遠處的具有不同瞳距的觀看者對顯示系統(tǒng)進行適配，這使得出射區(qū)16寬到足以預測合理范圍的瞳距：盡管與其眼睛較遠離的觀看者相比，其眼睛較靠近在一起的觀看者將一般接收來自出射區(qū)16的較靠近入射耦合區(qū)12的一側(cè)的光，但是兩者將感知到相同的圖像。此外，在眼睛27轉(zhuǎn)動時，(隨著光束相對于眼睛的光軸的角度改變)該圖像的不同部分被引向觀看者的視野的中心，且該圖像仍保持可見，由此允許觀看者按需將其注意力聚焦于圖像的不同部分。

對應于任何兩個毗鄰像素xa、xb的輸入光束所展示出的相同相對角距δβ也由輸出光束38(xa)、38(xb)的相應集合展示出—由此毗鄰像素被眼睛37聚焦到毗鄰的視網(wǎng)膜點。光束的所有各個版本在其傳播通過光學組件10時保持被高度準直，從而防止聚焦在視網(wǎng)膜上的各像素圖像的顯著重疊，由此保持圖像銳度。

應當注意，圖7a-7g不是按比例的，并且尤其地，為了清楚起見，光束直徑一般相對于諸如顯示器15之類的實踐中通常將預期的組件被減小。

現(xiàn)將參考圖8a和8b描述入射耦合srg52的配置，圖8a和8b示出了折疊光柵52的一部分的示意俯視圖和正視圖。注意，在圖8a和8b中，為了清楚起見，光束通過箭頭來表示(即，其區(qū)域沒有被表示出)。

圖8a示出分別位于顯示器15的最左邊和最右邊的兩個像點xl、xr，來自這兩個像點的光被光學器件17準直以便以向內(nèi)的方向(θin(xl),φin(xl))、(θin(xr),φin(xr))生成相應的輸入光束34(xl)、34(xr)。如所示出的，這些光束被入射耦合srg52耦合到光學組件10中—所示的在入射耦合srg52處創(chuàng)建的入射耦合光柵是通過衍射入射在srg52上的光束的方式來創(chuàng)建的一階(+1)模式光束。耦合在波導中的光束34(xl)、34(xr)以由極坐標角θ(xl)、θ(xr)定義的方向傳播。

圖8b示出在顯示器15的最右上方和最右下方處的兩個像點xr1和xr2。注意，在該圖中，點劃線表示在光學組件10后面(-z)的各方面。相應的光束34(xl)、34(xr)在光學組件10內(nèi)處于具有極坐標角φ(xl)、φ(xr)的方向中。

這樣的角度θ(x)、φ(x)由以下(傳輸)光柵等式給出：

nsinθ(x)sinφ(x)＝sinθin(x)sinφin(x)(2)

其中srg52具有光柵周期d1，光束光具有波長λ，并且n為光學組件的折射率。

通過(2)、(3)中明確示出θ(xl)＝θmax且θ(xr)＝θmin，即耦合到組件10中的任何光束以在范圍[θ(xr),θ(xl)]中的初始極坐標角傳播；并且φ(xr2)＝φmax且φ(xr1)＝φmin(在該示例中≈–φmax)，即耦合到該組件中的任何光束最初以在范圍[φ(xr1),φ(xr2)](≈[–φ(xr2),φ(xr2)])中的方位角傳播。

現(xiàn)將參考圖9a-9b描述折疊srg54的配置。注意，在圖9a和9b中，為了清楚起見，光束再次通過箭頭來表示，而沒有其區(qū)域的任何表示。在這些附圖中，點線表示垂直于折疊srg光柵線的各方向，虛線表示垂直于入射耦合srg光柵線的各方向，且點劃線表示垂直于出射srg光柵線的各方向。

圖9a示出耦合到光學組件10的折疊區(qū)14中、已從光學組件10的前壁反射出并由此以朝向折疊srg54的方向(φ(x),-θ(x))行進的光束34(x)的透視圖。點線(其垂直于折疊srg光柵線)被示為表示折疊srg的方向。

折疊srg54和入射耦合srg52具有相對定向角a(該相對定向角a是其相應光柵線之間的角度)。該光束由此與在xy平面中測得的折疊srg光柵線成角度α+φ(x)(參見圖9b)。光束34入射在折疊srg54上，折疊srg54將光束34衍射到不同的組件中。零階反射模式(鏡面反射)光束被創(chuàng)建，該零階反射模式光束繼續(xù)以方向(φ(x),+θ(x))傳播，就好像光束34(x)將由在沒有折疊srg54的情況下的反射造成(但是以降低的強度傳播)。該鏡面反射光束實際上可被看作光束34(x)的延續(xù)，并且出于該原因也被標記為34(x)。還創(chuàng)建一階(-1)反射模式光束42(x)，其實際上可被看作光束的新版本。

如所指示的，光束的新版本42(x)以特定方向(φ'(x),θ'(x))傳播，該方向由以下已知的(反射)光柵等式給出：

nsinθ′(x)sin(α+φ′(x))＝nsinθ(x)sin(α+φ(x))(4)

其中折疊srg具有光柵周期d2，光束光具有波長λ，并且n為光學組件10的折射率。

如示出光學組件10的示意正視圖的圖9b所示，光束34(x)以方位角φ(x)被耦合到入射耦合區(qū)12中，并且由此與折射srg54成xy角φ(x)+α。

光束34(x)的第一新版本42a(x)(-1模式)在該光束首次被折疊srg54衍射時被創(chuàng)建，并且第二新版本42b(x)(-1模式)在該光束接著被折疊srg54衍射時被創(chuàng)建(并且以此類推)，第一新版本42a(x)和第二新版本42b(x)兩者都以xy方向φ'(x)傳播。通過這種方式，光束34(x)被高效地拆分成多個版本，這些版本(跨折疊區(qū)14的寬度)被水平地分隔開。這些版本被引導向下朝向出射區(qū)16，并由此(由于該水平分隔，基本跨出射區(qū)16的寬度)被耦合到出射區(qū)16中。如可看出的，多個版本由此入射在出射srg56的各出射區(qū)域(被標記為e)上，出射區(qū)域沿著出射區(qū)16的寬度定位。

這些新的(以φ'(x)方向)向下傳播的版本本身可再次遇到折疊srg，如所解說的。然而，從(4),(5)中可示出通過入射光束(例如，42a(x),-1模式)在srg處的衍射創(chuàng)建的任何一階反射模式光束(例如40a(x),+1模式)將回復成原始光束的方向(例如，φ(x),±θ(x),其是40a(x)的傳播方向)，入射光束本身由原始光束(例如，34(x))在同一srg處的早期衍射創(chuàng)建。由此，折疊區(qū)14內(nèi)的傳播限于菱狀格，如可從圖9b的幾何結(jié)構(gòu)中看出的。被標記為42ab(x)的光束是在42b(x)遇到折疊srg54時創(chuàng)建的鏡面反射光束和在40a(x)在基本相同的位置處遇到該折疊srg時創(chuàng)建的-1模式光束的疊加；被標記為42ab(x)的光束是在40a(x)遇到折疊srg54時創(chuàng)建的鏡面反射光束和在42b(x)在基本相同的位置遇到該折疊srg時創(chuàng)建的+1模式光束的疊加(并以此類推)。

出射srg和入射耦合srg52、56以相對定向角α'(該相對定向角α'是其相應光柵線之間的角度)定向。在出射區(qū)域中的每一者處，遇到該區(qū)域的版本被衍射，以使得除了以方向φ'(x),±θ'(x)向下傳播的零階反射模式光束外，還有以由以下給出的向外的方向φout(x),θout(x)遠離光學組件10傳播的一階(+1)傳輸模式光束38(x)：

sinθout(x)sin(α′+φout(x))＝nsinθ′(x)sin(α′+φ′(x))(6)

輸出方向θout(x),φout(x)是波導之外的輸出光束(在空氣中傳播)的方向。對于平波導，當出射光柵在該波導的正面時，等式(6)、(7)兩者都成立—在該情況下，輸出光束是一階傳輸模式光束(如可看見的，等式(6)、(7)對應于已知的傳輸光柵等式—但同樣當出射光柵在波導的背面時(如在圖7f中)—在該情況下，輸出光柵對應于一階反射模式光束，其在來自后出射光柵的初始反射之際，在光學組件10內(nèi)以由以下給出的方向θ′out(x),φ′out(x)傳播：

nsinθ′out(x)sin(α′+φ′out(x))＝nsinθ′(x)sin(α′+φ′(x))(6′)

這些光束隨后在光學組件的前表面處被折射，并由此以由以下snell定律給出的方向θin(x),φin(x)離開光學組件：

sinθout(x)＝nsinθ′out(x)(8)

φ′out(x)＝φout(x)(9)

如將顯而易見的，等式(6)、(7)的條件直接由(6’)、(7’)、(8)和(9)產(chǎn)生。注意，前表面處的這樣的折射盡管在圖7f中不是容易可見的，但在圖7f的布置中將會發(fā)生。

根據(jù)等式(2-7)可示出，當

d＝d1＝d3(10)

(即，當入射耦合srg52和出射srg56的周期基本匹配)；

d2＝d/(2cosα)；(11)

并且

α′＝2α；(12)時

則(θout(x),φout(x))＝(θin(x),φin(x))。

此外，當條件

被滿足時，折疊srg54處的衍射并沒有創(chuàng)建除上述一階和零階反射模式以外的模式。即，當該準則被滿足時，在折疊區(qū)中并沒有創(chuàng)建附加的不期望的光束。對于大的范圍a(從約0到70度)，條件(13)被滿足。

換言之，當這些準則被滿足時，出射srg56實際上充當入射耦合srg52的反轉(zhuǎn)，從而反轉(zhuǎn)入射耦合srg衍射對與其相互的光束的每一版本的效果，由此以與原始光束被輸出到組件10相同的方向輸出實際上為光束34(x)的二維展寬版本的事物(該二維展寬版本具有基本為出射srg56的區(qū)域(＞＞d²，并且其所提到的獨立于成像光學器件17的區(qū)域)的區(qū)域)，以向外衍射的光束形成與向內(nèi)輸入的光束基本相同的虛擬圖像，但其可通過更大的區(qū)域來感知。

在圖9b的示例中，α≈45°，即使得折疊srg54和出射srg56被定向為分別與入射耦合srg52成基本45和90度，并且折疊區(qū)域的光柵周期為然而，這僅是示例，并且實際上，當α≥50°時，顯示系統(tǒng)的總效率通常被增加。

以上考慮了平光學組件，但適當彎曲(即，具有基本沿著z軸延伸的曲率半徑)的光學組件可被配置成用作有效透鏡，使得各輸出光束30(x)不再同樣被高度準直并且不是平行的，而具有特定的相對方向和角距，使得各自追溯到公共收斂點——這在圖7g中被示出，其中該公共收斂點被標記為q。

此外，當每一像點被考慮時，所有不同的活躍像點的各收斂點位于基本相同的平面中(被標記為50)，該平面被定位成距眼睛37距離l，以使得眼睛37可據(jù)此來聚集以將整個圖像感知為好像該圖像在距離l遠處。

這可被等效地表述為各輸出光束形成與相應的輸入光束基本相同的當前顯示圖像的虛擬版本，但在距眼睛37距離l處，而不是在無窮遠處。

彎曲的光學組件可特別適合于無法適當?shù)鼐劢惯b遠的圖像的近視眼。

注意，一般來說，折疊區(qū)和出射區(qū)的“寬度”不一定是其水平延伸—一般來說，折疊區(qū)14或出射區(qū)16的寬度是該區(qū)在光從入射耦合區(qū)12耦合到折疊區(qū)14中的大致方向上的延伸(在以上示例中，其是水平的，但更一般地其是基本垂直于入射耦合區(qū)12的光柵線的方向)。

注意，光引擎13的以上布置只是一個示例。例如，基于所謂的掃描的替換光引擎可提供單個光束，該單個光束的定向被快速調(diào)制，且同時調(diào)制其強度和/或顏色。如將顯而易見的，虛擬圖像可按與將通過用準直光學器件來準直顯示器上的(現(xiàn)實)圖像的光來創(chuàng)建的虛擬圖像等效的方式來仿真。

如本領域的技術(shù)人員公知的，模塊化傳輸函數(shù)(mtf)是對光學系統(tǒng)將來自對象的各細節(jié)水平傳遞到圖像的能力的測量。1.0(或100％)的mtf表示完美的對比度保留，而小于此的值意味著越來越多的對比度被丟失—直到為0(或0％)的mtf，其中線對(線對是一根黑色線和一根白色線的序列)可能根本不再被區(qū)分。

本文中描述的光學組件由于高度規(guī)則的衍射表面而達成高mtf性能(該高度規(guī)則的衍射表面產(chǎn)生高度準直的輸出光束，這些高度準直的輸出光束彼此高度平行)，從而展示出不大于(可能顯著小于)被個體像素從p起包住的角(～δβ)的總角度變化，例如展示出小于或等于0.5毫弧度的總角度變化，由此增加了穿戴者所感知到的最終圖像的圖像質(zhì)量。

發(fā)明人已注意到了已由本文中描述的光學組件的增加的性能引起的驚人效果。即，帶狀效果被佩戴者在最終圖像中觀察到。圖10解說由穿戴者在最終圖像中觀察到的帶狀效果。眼框中在觀察者的位置上方的強度不是保持基本恒定，而是由于環(huán)路干擾而幾乎從零到最大值變化(以下被更詳細地描述)。因此，取決于觀察者的位置，強度巨大地變化。帶在眼框中表現(xiàn)為垂直的黑色和/或白色條紋。觀察到的帶狀效果中的暗帶或亮帶嚴重依賴于表面和光柵線特征方面的非常小的變化。表面水平方面甚至某數(shù)十納米的改變可形成局部亮度方面幾乎100％的改變。

發(fā)明人已認識到，該觀察到的帶狀效果由傳播通過折疊區(qū)14的入射光所走的、具有相等的(或非常接近相等的)路徑長度的不同光路引起。

圖11解說圖9b的菱狀格的一部分以解釋帶狀效果的起因。被引導到原本在本文中被稱為折疊srg54的第一拆分區(qū)域的點a上的光束被拆分成該光束的兩個版本。這兩個版本在入射在出射光柵16上之前走在點a之間的相應光路。這兩個版本在出射光柵16的涵蓋區(qū)基本重疊。即，這兩個版本以相應的角度(具有小于或等于0.5毫弧度的角度變化)入射在出射光柵16上。

沿著第一光路，(這兩個版本中的)第一版本通過tir的方式以光束42a(x)從點a(在點a處，光束34(x)首先被折疊srg54衍射)傳播到在本文中原本被稱為折疊srg54的第二拆分區(qū)域的點b(在點b處，光束42a(x)被折疊srg54衍射)，并通過tir的方式以一階反射光束40a(x)傳播到折疊srg54的第三拆分區(qū)域。

沿著第二光路，(這兩個版本中的)第二版本通過tir的方式以光束34(x)從點a傳播到在本文中原本被稱為折疊srg54的第四拆分區(qū)域的點c(在點c處，光束34(x)被折疊srg54衍射)，并通過tir的方式以光束42b(x)傳播到折疊srg54的第五拆分區(qū)域。折疊srg54的第三和第五拆分區(qū)域部分重疊，其在圖11中被一起示為點d。

發(fā)明人已觀察到，帶狀效果在非常高的mtf處發(fā)生，這表明當路徑a->b->d和路徑a->c->d之間在路徑長度方面的差異由于折疊區(qū)14的高度規(guī)則的衍射表面而出人意料地非常小(例如，小于50納米)時，這導致破環(huán)性的和構(gòu)造上的干擾(在本文中被稱為環(huán)路干擾)并且由此在穿戴者所感知的最終圖像中導致暗區(qū)域和亮區(qū)域。

發(fā)明人已認識到，如果各帶以足夠高的速率在空間上移位，則帶狀效果將是穿戴者無法感知到的，而不是嘗試消除由穿戴者在最終圖像中觀察到的帶狀效果。

發(fā)明人已觀察到，路徑a->b->d相對于路徑a->c->d的相位改變將改變該環(huán)路的干擾，并由此也使帶狀效果的位置移位。

在本公開的各實施例中，相位改變由光學組件10的前表面上的阻滯膜1200在存在tir的位置中作出。由此，在光學組件10的前表面上存在雙折射(例如，阻滯)圖案以形成光中的相位改變。術(shù)語“阻滯圖案”被用于指代阻滯膜1200中展現(xiàn)不同光阻滯的區(qū)域。

如本領域已知的，阻滯膜被構(gòu)造為使得當入射非偏振光入射在該膜上時，一個線性偏振狀態(tài)相對于正交的線性偏振狀態(tài)被延遲或“阻滯”。經(jīng)延遲的偏振狀態(tài)的光據(jù)說沿著該膜的面內(nèi)軸被偏振。這被稱為“慢軸”。其他偏振狀態(tài)的光據(jù)說沿著該膜的正交的面內(nèi)軸被偏振。這被稱為“快軸”。

在本公開的各實施例中，與折疊srg54交互的每一光束的偏振狀態(tài)由阻滯膜1200控制。

附加地，與(i)入射srg52和(ii)出射srg56中的一者或多者交互的每一光束的偏振狀態(tài)可由阻滯膜1200控制。

阻滯膜1200可覆蓋光學組件10的整個前表面(如圖12中示出的)或者光學組件10的前表面的一個或多個部分。

阻滯膜1200的阻滯圖案可以是靜態(tài)的(不變化)，即阻滯在空間上變化，以使得路徑a->b->d具有與路徑a->c->d不同的相位改變。

替換地，阻滯膜1200的阻滯圖案可被動態(tài)地調(diào)制。這可例如通過液晶膜或壓電薄膜來實現(xiàn)，在壓電薄膜中，動態(tài)函數(shù)是通過向阻滯膜1200施加電場來實現(xiàn)(遲滯膜1200的遲滯圖案是可通過電來控制的)。

阻滯膜1200的雙折射材料的快軸的方向可以是可通過電來控制的，以使得塊軸的方向可被改變，以便實現(xiàn)對相位的最佳調(diào)制。用于控制阻滯膜的阻滯的電極應當是透明的，例如由包括諸如氧化銦錫(ito)、氟摻雜氧化錫和摻雜氧化鋅之類的透明導電氧化物的透明導電膜制成。

阻滯膜1200的材料可以是法拉第旋轉(zhuǎn)材料(即展示法拉第效應的材料(其在本領域是公知的，并且因此在本文中不被詳細描述))、克爾介質(zhì)材料(該材料的折射率與施加的電場的平方成比例地改變)、或包括零階光柵結(jié)構(gòu)的光學上各向同性的材料(由此，槽距小于光的波長的一半，以使得該僅有的當前階為m＝0階)。

盡管以上結(jié)合入射耦合srg52描述了使用阻滯膜1200的各實施例，但折疊srg54和出射srg56全部都在光學組件10的后表面上。如以上所描述的，出射srg56可在光學組件10的正表面上。在這些實施例中，除了光學組件10的前表面上的用于控制與折疊srg54交互的每一光束的偏振狀態(tài)(其可附加地控制與入射耦合srg52交互的每一光束的偏振狀態(tài))的阻滯膜1200外，進一步的阻滯膜(具有以上描述的阻滯膜1200的屬性中的一者或多者)可在光學組件10的后表面上以控制與出射srg56交互的每一光束的偏振狀態(tài)。

在本公開的一個方面中，提供了一種顯示系統(tǒng)，包括：光學波導，所述光學波導具有入射耦合光柵、由所述光學波導的第一表面上的調(diào)制形成的中間光柵以及出射光柵；以及，被配置成生成多個輸入光束的光引擎，每一光束被充分地準直并且以唯一向內(nèi)方向被定向到所述入射耦合光柵，由此所述多個輸入光束形成虛擬圖像，所述唯一向內(nèi)方向取決于該點在所述圖像中的位置；其中所述中間光束和出射光柵具有顯著大于所述光束的直徑的寬度；其中所述入射耦合光柵被布置成將每一光束耦合到所述中間光柵中，在所述中間光柵中，該光束以沿著所述中間光柵的寬度的方向被引導到所述中間光柵的多個拆分區(qū)域中；其中所述中間光柵被布置成在所述拆分區(qū)域拆分該光束，以提供該光束的多個基本平行的版本，該多個基本平行的版本被耦合到所述出射光柵中，在所述出射光柵中，所述多個版本被引導到所述出射光柵的多個出射區(qū)域上，所述出射區(qū)域處于沿著所述出射光柵的寬度的方向中；其中所述出射光柵被配置成向外衍射該光束的所述多個版本，所述多個輸入光束由此使得多個出射光束離開所述波導，所述多個出射光束形成所述圖像的虛擬版本；以及其中與所述光學波導的第一表面上的形成所述中間光柵的調(diào)制交互的每一光束的偏振狀態(tài)由在所述光學波導的與所述第一表面相對的第二表面上的阻滯膜控制。

所述入射耦合光柵可由所述光學波導的所述第一表面上的調(diào)制形成，并且與所述光學波導的所述第一表面上的形成所述入射耦合光柵的調(diào)制交互的每一光束的偏振狀態(tài)可由所述阻滯膜控制。

所述出射光柵可由所述光學波導的所述第一表面上的調(diào)制形成，并且與所述光學波導的所述第一表面上的形成所述出射光柵的調(diào)制交互的每一光束的偏振狀態(tài)可由所述阻滯膜控制。

所述出射光柵可由所述光學波導的所述第二表面上的調(diào)制形成，并且與所述光學波導的所述第二表面上的形成所述出射光柵的調(diào)制交互的每一光束的偏振狀態(tài)可由所述光學波導的所述第一表面上的進一步阻滯膜控制。

所述阻滯膜的阻滯圖案可以是靜態(tài)的或動態(tài)可變的。

所述阻滯膜的雙折射材料的快軸的方向可以是可通過電來控制的。

所述阻滯膜可由液晶、壓電材料、法拉第旋轉(zhuǎn)材料、克爾介質(zhì)材料或包括零階光柵結(jié)構(gòu)的各向同性材料制成。

所述光學波導可基本是平的，以便基本彼此平行地并以基本匹配該光束被入射耦合的唯一向內(nèi)方向的向外方向來向外衍射每一光束的多個版本。替換地，所述光學波導是彎曲的，以便在距所述波導無窮遠的距離處形成所述虛擬圖像的所述版本。

所述中間光柵可具有一高度，該高度在沿著其寬度并離開所述入射光柵的方向上增加。

所述顯示系統(tǒng)可由用戶穿戴。

所述顯示系統(tǒng)可被具體化在可穿戴頭部部件中，當被穿戴時，所述出射光柵被定位成在所述用戶的眼睛的前向以形成對所述用戶可見的圖像。

所述顯示系統(tǒng)可包括兩個這樣的光學波導，所述兩個光學波導中的每一者向所述用戶的不同眼睛提供圖像光。

在本公開的另一方面，提供了一種用于顯示系統(tǒng)的光學波導，所述光學波導具有入射耦合光柵、由所述光學波導的第一表面上的調(diào)制形成的中間光柵以及出射光柵，所述入射耦合光柵被布置成接收多個輸入光束，每一光束被充分準直并且以唯一的向內(nèi)方向被定向到所述入射耦合光柵，由此所述多個輸入光束形成虛擬圖像；其中所述中間光柵和入射光柵具有顯著大于所述光束的直徑的寬度；其中所述入射耦合光柵被布置成將每一光束耦合到所述中間光柵中，在所述中間光柵中，該光束以沿著所述中間光柵的寬度的方向被引導到所述中間光柵的多個拆分區(qū)域中；其中所述中間光柵被布置成在所述拆分區(qū)域拆分該光束，以提供該光束的多個基本平行的版本，該多個基本平行的版本被耦合到所述出射光柵中，在所述出射光柵中，所述多個版本被引導到所述出射光柵的多個出射區(qū)域上，所述出射區(qū)域處于沿著所述出射光柵的寬度的方向中；其中所述出射光柵被配置成向外衍射該光束的所述多個版本，所述多個輸入光束由此使得多個出射光束離開所述波導，所述多個出射光束形成所述圖像的虛擬版本；以及其中與所述光學波導的第一表面上的形成所述中間光柵的調(diào)制交互的每一光束的偏振狀態(tài)由所述光學波導的與所述第一表面相對的第二表面上的阻滯膜控制。

在本公開的另一方面，提供了一種可穿戴頭部裝置，包括：頭部部件；光學波導，所述光學波導具有入射耦合光柵、由所述光學波導的第一表面上的調(diào)制形成的中間光柵以及出射光柵；以及安裝到所述頭部部件的光引擎，所述光引擎被配置成生成多個輸入光束，每一光束被充分準直并以唯一向內(nèi)方向被定向到所述入射耦合光柵，由此所述多個輸入光束形成虛擬圖像，所述唯一向內(nèi)方向取決于該點在所述圖像中的位置；其中所述中間光柵和入射光柵具有顯著大于該光束的直徑的寬度；其中所述入射耦合光柵被布置成將每一光束耦合到所述中間光柵中，在所述中間光柵中，該光束以沿著所述中間光柵的寬度的方向被引導到所述中間光柵的多個拆分區(qū)域上；其中所述中間光柵被布置成在所述拆分區(qū)域拆分該光束，以提供該光束的多個基本平行的版本，所述多個基本平行的版本被耦合到所述出射光柵中，在所述出射光柵中，所述多個版本被引導到所述出射光柵的多個出射區(qū)域上，所述出射區(qū)域處于沿著所述出射光柵的寬度的方向中；其中所述出射光柵被配置成向外衍射該光束的所述多個版本，所述多個輸入光束由此使得多個出射光束離開所述波導，所述多個出射光束形成所述虛擬圖像的一個版本；以及其中與所述光學波導的所述第一表面上的形成所述中間光柵的調(diào)制交互的每一光束的偏振狀態(tài)由所述光學波導的與所述第一表面相對的第二表面上的阻滯膜控制。

所述入射耦合光柵可由所述光學波導的所述第一表面上的調(diào)制形成，并且與所述光學波導的所述第一表面上的形成所述入射耦合光柵的調(diào)制交互的每一光束的偏振狀態(tài)可由所述阻滯膜控制。

所述出射光柵可由所述光學波導的所述第一表面上的調(diào)制形成，并且與所述光學波導的所述第一表面上的形成所述出射光柵的調(diào)制交互的每一光束的偏振狀態(tài)可由所述阻滯膜控制。

所述出射光柵可由所述光學波導的所述第二表面上的調(diào)制形成，并且與所述光學波導的所述第二表面上的形成所述出射光柵的調(diào)制交互的每一光束的偏振狀態(tài)可由所述光學波導的所述第一表面上的進一步阻滯膜控制。

所述阻滯膜的阻滯圖案可以是靜態(tài)的或動態(tài)可變的。

所述阻滯膜的雙折射材料的快軸的方向可以是可通過電來控制的。

所述阻滯膜可由液晶、壓電材料、法拉第旋轉(zhuǎn)材料、克爾介質(zhì)材料或包括零階光柵結(jié)構(gòu)的各向同性材料制成。

盡管用結(jié)構(gòu)特征和/或方法動作專用的語言描述了本發(fā)明主題，但可以理解，所附權(quán)利要求書中定義的主題不必限于上述具體特征或動作。更確切而言，上述具體特征和動作是作為實現(xiàn)權(quán)利要求的示例形式公開的。