背景

顯示系統(tǒng)可用于使得期望圖像對(duì)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(shí)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(xué)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(jì)算機(jī)生成的圖像。該光學(xué)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(duì)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(xué)組件引導(dǎo)以提供對(duì)用戶可見的圖像的準(zhǔn)直光束。

不同種類的光學(xué)組件已被用來將圖像從顯示器傳達(dá)到人類眼睛。這些光學(xué)組件可包括例如透鏡、反光鏡、光學(xué)波導(dǎo)、全息圖和衍射光柵。在一些顯示系統(tǒng)中，光學(xué)組件是使用以下光學(xué)器件來構(gòu)造的：該光學(xué)器件允許用戶看見圖像但在“現(xiàn)實(shí)世界”不透視該光學(xué)器件。其他類型的顯示系統(tǒng)通過該光學(xué)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(shí)世界視圖上。這有時(shí)被稱為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。

基于波導(dǎo)的顯示系統(tǒng)通常經(jīng)由波導(dǎo)(光導(dǎo))中的tir(全內(nèi)反射)機(jī)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(dāng)看著波導(dǎo)的輸出而非直接看著光引擎時(shí)，圖像在更寬的區(qū)域上可見：假設(shè)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(gè)圖像將對(duì)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(dǎo)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(xué)波導(dǎo)，所述光學(xué)波導(dǎo)具有入射耦合光柵、由所述光學(xué)波導(dǎo)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(zhǔn)直光學(xué)器件，所述準(zhǔn)直光學(xué)器件被布置成將所述圖像基本準(zhǔn)直成多個(gè)輸入光束，每一光束通過準(zhǔn)直來自相應(yīng)像點(diǎn)的光形成，該光束以取決于該點(diǎn)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(dǎo)到所述中間光柵的多個(gè)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(gè)基本平行的版本，該多個(gè)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(gè)版本被引導(dǎo)到所述出射光柵的多個(gè)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(gè)版本，所述多個(gè)輸入光束由此使得多個(gè)出射光束離開所述波導(dǎo)，所述多個(gè)出射光束形成所述圖像的虛擬版本；并且與光學(xué)波導(dǎo)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(xué)波導(dǎo)的與所述第一表面相對(duì)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(xué)波導(dǎo)，所述光學(xué)波導(dǎo)具有入射耦合光柵、由所述光學(xué)波導(dǎo)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(gè)輸入光束，每一光束通過準(zhǔn)直來自圖像的相應(yīng)像點(diǎn)的光形成，該光束以取決于該點(diǎn)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(dǎo)到所述中間光柵的多個(gè)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(gè)基本平行的版本，該多個(gè)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(gè)版本被引導(dǎo)到所述出射光柵的多個(gè)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(gè)版本，所述多個(gè)輸入光束由此使得多個(gè)出射光束離開所述波導(dǎo)，所述多個(gè)出射光束形成所述圖像的虛擬版本；以及其中與所述光學(xué)波導(dǎo)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(xué)波導(dǎo)的與所述第一表面相對(duì)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(xué)波導(dǎo)，所述光學(xué)波導(dǎo)具有入射耦合光柵、由所述光學(xué)波導(dǎo)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(zhǔn)直光學(xué)器件，所述準(zhǔn)直光學(xué)器件被布置成將所述圖像基本準(zhǔn)直成多個(gè)輸入光束，每一光束通過準(zhǔn)直來自相應(yīng)像點(diǎn)的光形成，該光束以取決于該點(diǎn)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(dǎo)到所述中間光柵的多個(gè)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(gè)基本平行的版本，該多個(gè)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(gè)版本被引導(dǎo)到所述出射光柵的多個(gè)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(gè)版本，所述多個(gè)輸入光束由此使得多個(gè)出射光束離開所述波導(dǎo)，所述多個(gè)出射光束形成所述圖像的虛擬版本；以及其中與所述光學(xué)波導(dǎo)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(xué)波導(dǎo)的與所述第一表面相對(duì)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(dòng)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(xì)描述中進(jìn)一步描述的一些概念。本概述并不旨在標(biāo)識(shí)出所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵特征或必要特征，也不旨在用于限定所要求保護(hù)的主題的范圍。所要求保護(hù)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(diǎn)的實(shí)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(xué)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(xué)組件的示意俯視圖；

圖4b示出圖4a的光學(xué)組件的示意圖，該光學(xué)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(xué)組件的入射耦合區(qū)域的一部分的關(guān)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(gè)體像素的俯視圖；

圖7c和7d示出與光學(xué)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(xué)組件的正視圖；

圖7f示出執(zhí)行光束展寬的光學(xué)組件的俯視圖；

圖7g是彎曲的光學(xué)組件的俯視圖；

圖8a和8b是光學(xué)組件的一部分的俯視圖和正視圖；

圖9a示出在波導(dǎo)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(jī)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(jī)制的一部分；以及

圖12解說附連到光束組件的阻滯膜；

詳細(xì)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(biāo)記為10l和10r的左和右光學(xué)組件，左和右光學(xué)組件為波導(dǎo)。為了便于本文中的參考，光學(xué)組件10(光學(xué)波導(dǎo)10)將被認(rèn)為是左或右組件，因?yàn)檫@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(xì)地描述光學(xué)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(zhǔn)直透鏡20的形式的成像光學(xué)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(jī)或無機(jī))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(dòng)，該電路系統(tǒng)激活顯示器的各個(gè)體像素以生成圖像。從每一像素充分準(zhǔn)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(zhǔn)直的光束被耦合到每一光學(xué)組件10l、10r中在每一組件上提供的相應(yīng)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(dǎo)通過涉及衍射和tir的機(jī)制(該機(jī)制在相應(yīng)的中間(折疊)區(qū)14l、14r中的光學(xué)組件的橫向)，并且還向下到相應(yīng)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(xì)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(biāo)記為ib的入射光束以及在圖2中被標(biāo)記為ob的兩個(gè)平行輸出光束。光學(xué)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(xué)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(jī))提供穩(wěn)定性。適配系統(tǒng)還將被設(shè)計(jì)成在人體測量范圍和頭部形態(tài)學(xué)方面滿足用戶群體，并提供對(duì)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(gè)眼睛從單個(gè)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(yīng)地翻轉(zhuǎn)。

光學(xué)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(xué)組件10查看現(xiàn)實(shí)世界視圖。

光學(xué)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(dǎo)光束。

圖3a和3b更詳細(xì)地示出光學(xué)組件。

圖3a示出光學(xué)組件10的透視圖。光學(xué)組件是平的，因?yàn)槠浔砻娴那安亢秃蟛渴腔酒降?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(xué)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?yàn)閺墓鈱W(xué)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(xué)組件的表面上的相應(yīng)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(dǎo)的后面。表面調(diào)制52、46、56中的每一者形成相應(yīng)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(xué)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(xué)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(xué)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(chǔ)的衍射機(jī)制的原理。

本文中描述的光學(xué)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(shí)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(dāng)時(shí)最顯著。

可見光的光學(xué)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(dāng)傳播的光遇到100或1000nm范圍級(jí)別的類似規(guī)模的結(jié)構(gòu)時(shí)可見光的衍射是最顯著的。

衍射結(jié)構(gòu)的一個(gè)示例是周期性(基本反復(fù)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(xué)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(shí)最顯著。周期性結(jié)構(gòu)的類型包括例如對(duì)光學(xué)組件的表面的表面調(diào)制、折射率調(diào)制、全息圖等。當(dāng)傳播的光遇到周期性結(jié)構(gòu)時(shí)，衍射使得光被拆分成處于不同方向的多個(gè)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(jìn)的不同顏色的光束。

當(dāng)周期性結(jié)構(gòu)在光學(xué)組件的表面上時(shí)，其被稱為表面光柵。當(dāng)周期性結(jié)構(gòu)歸因于表面本身的調(diào)制時(shí)，其被稱為表面起伏光柵(srg)。srg的一個(gè)示例是在光學(xué)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(xué)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(xué)組件本身或生產(chǎn)模板(productionmaster)，例如用于制造光學(xué)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(xué)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(xué)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(xué)組件10中的幾個(gè)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(xué)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(duì)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(dāng)存在時(shí)以相對(duì)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(xué)組件10的表面s上的調(diào)制形成。光束用箭頭標(biāo)注，其厚度指示大致相對(duì)的強(qiáng)度(越高強(qiáng)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(fù)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(biāo)記為“w”的寬度(其中w是周期的某一分?jǐn)?shù)f：w＝f*d)。

對(duì)于直二元srg，這些壁基本垂直于表面s。出于這個(gè)原因，srg44a引起垂直進(jìn)入到表面的入射光i的對(duì)稱衍射，其中由srg4a所創(chuàng)建的每個(gè)+n階模式光束(例如t1)具有與對(duì)應(yīng)的-n階模式光束(例如t-1)基本相同的強(qiáng)度，通常小于約入射光束i的強(qiáng)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(biāo)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(duì)于法線傾斜在圖25b中由角度α表示的量。槽7b當(dāng)沿法線測量時(shí)具有深度h。取決于非零傾斜所進(jìn)入的非對(duì)稱性，行進(jìn)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(duì)應(yīng)物更高的強(qiáng)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(qiáng)度，但是這取決于例如光柵周期d)；通過增加傾斜達(dá)足夠量，那些±n對(duì)應(yīng)物可以基本被消除(即具有基本為零的強(qiáng)度)。t0光束的強(qiáng)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(qiáng)度的五分之四(0.8)的強(qiáng)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(dá)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(dāng)沿法線測量時(shí)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(duì)于圖44c的srg，w≈d，但一般可以為w<d。srg是突出的，因?yàn)辇X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(qiáng)度相對(duì)于照明光束i的強(qiáng)度而被定義的衍射效率，并且可以由那些強(qiáng)度的比η來表達(dá)。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(dá)η≈0.8)可以實(shí)現(xiàn)比非斜srg(例如44a-在t1是期望的光束的情況下僅高達(dá)約η≈0.2)更高的效率。通過突出的三角srg，有可能實(shí)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(xué)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(xué)組件10的俯視圖。光引擎13提供經(jīng)準(zhǔn)直的光的光束，這些光束之一被示出(對(duì)應(yīng)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(dǎo)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(kuò)大的部分中被更詳細(xì)地示出，該經(jīng)擴(kuò)大的部分示出從左邊進(jìn)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(xué)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(shí)施例的基礎(chǔ)的光學(xué)原理。

圖7a示出顯示器15、成像光學(xué)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(diǎn)在本文中被稱為像點(diǎn)，這些像點(diǎn)可以是活躍的(當(dāng)前正在發(fā)射光)或不活躍的(當(dāng)前不在發(fā)射光)。在實(shí)踐中，各個(gè)體像素可被近似為像點(diǎn)。

成像光學(xué)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(zhǔn)確地被近似為一對(duì)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(dú)示出)的性質(zhì)和布置來確定。在這些近似中，由成像光學(xué)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(fù)雜化，各實(shí)施例的原理將結(jié)合成像光學(xué)器件17的薄透鏡近似來描述，并由此結(jié)合圖7a中被標(biāo)記為31的單個(gè)主平面來描述，但將顯而易見的是不適配該近似的更復(fù)雜的成像光學(xué)器件仍可被利用來實(shí)現(xiàn)所期望的效果。

成像光學(xué)器件17具有光軸30和正焦點(diǎn)，并且相對(duì)于光學(xué)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(diǎn)基本位于顯示器上的像點(diǎn)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(diǎn)x，并且現(xiàn)在將結(jié)合x描述作為各實(shí)施例的基礎(chǔ)的原理，而不失一般性。在以下，術(shù)語“對(duì)于每一x”或類似物被用作用于意指“對(duì)于每一像點(diǎn)(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(dāng)活躍時(shí)，像點(diǎn)—包括被標(biāo)記為x和x0的像點(diǎn)—充當(dāng)個(gè)體照明點(diǎn)源，光從這些個(gè)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(gè)空間。圖像中被感知為較亮的區(qū)域中的像點(diǎn)相對(duì)于該圖像中被感知為較暗的區(qū)域而言發(fā)射較強(qiáng)的光。被感知為黑色的區(qū)域中的像點(diǎn)不發(fā)射光或僅發(fā)射非常小強(qiáng)度的光(不活躍的像點(diǎn))。特定像點(diǎn)所發(fā)射的光的強(qiáng)度可隨圖像改變(例如當(dāng)視頻被顯示在顯示器15上時(shí))而改變。

每一活躍像點(diǎn)提供對(duì)成像光學(xué)器件17的準(zhǔn)直區(qū)域a的基本一致的照明，該準(zhǔn)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(jí)1-10mm，但這只是一個(gè)示例)。這在圖7a中針對(duì)像點(diǎn)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(zhǔn)直區(qū)域a上。成像光學(xué)器件準(zhǔn)直入射在準(zhǔn)直區(qū)域a上的任何光32(x)以形成為直徑d的經(jīng)準(zhǔn)直的光束34(x)(輸入光束)，該光束被定向?yàn)槌蚬鈱W(xué)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(zhǔn)直的光到達(dá)光學(xué)組件10。

對(duì)應(yīng)于像點(diǎn)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(duì)x是唯一的。那個(gè)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(biāo)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(hào)φin(x)、θin(x)被采用來表示對(duì)x的前述依賴性；如所指示的，φin(x)、θin(x)對(duì)那個(gè)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(biāo)/方位角對(duì)在本文中有時(shí)被稱為“方向”(因?yàn)楹笳弑硎酒渫暾膮?shù)化)，并且出于相同的理由，有時(shí)方位角被獨(dú)立稱為xy方向。還應(yīng)注意，“向內(nèi)”在本文中被用于指示朝向波導(dǎo)的傳播(當(dāng)傳播朝向觀看者所感知到的波導(dǎo)的背面時(shí)，為正z分量，而當(dāng)傳播朝向波導(dǎo)的正面時(shí)，為負(fù)z分量)。

成像光學(xué)器件具有主點(diǎn)p，該主點(diǎn)p是光軸30與主平面31相交處的點(diǎn)，并且通常位于準(zhǔn)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(diǎn)，并且成像光學(xué)器件由此被布置成基本將當(dāng)前在顯示器15上的圖像準(zhǔn)直成多個(gè)輸入光束，每一輸入光束對(duì)應(yīng)于依據(jù)相應(yīng)活躍像點(diǎn)(在實(shí)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(xué)器件17高效地將每一活躍點(diǎn)源x轉(zhuǎn)換成處于唯一向內(nèi)方向的經(jīng)準(zhǔn)直的光束。如將領(lǐng)會(huì)的，這可被等效地表述為在無窮遠(yuǎn)處形成對(duì)應(yīng)于當(dāng)前在顯示器17上的現(xiàn)實(shí)圖像的虛擬圖像的所有活躍像點(diǎn)的各輸入光束。該性質(zhì)的虛擬圖像在本文中有時(shí)被稱為圖像(或類似物)的虛擬版本。

對(duì)應(yīng)于像點(diǎn)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(shí)踐中，顯示器15的各個(gè)體像素可被近似為單個(gè)像點(diǎn)。這在圖7b中解說，圖7b是示出顯示器15的主平面31和兩個(gè)毗鄰像素xa、xb的示意俯視圖，這兩個(gè)毗鄰像素xa、xb的中心從主點(diǎn)p起包住角度δβ。在活躍時(shí)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(zhǔn)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?cái)U(kuò)大。

光束被高度準(zhǔn)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(gè)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(xué)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(xué)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(biāo)角θ(x)(其中|θ(x)|>|θin(x)|)來參數(shù)化，方位角φ(x)和極坐標(biāo)角θ(x)也依據(jù)像點(diǎn)x的位置來確定并且對(duì)像點(diǎn)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(qiáng)度由此基本匹配輸入光束的強(qiáng)度。如上所述，傾斜光柵可被用于實(shí)現(xiàn)該期望效果(被定向?yàn)殡x開入射srg52的光束將例如對(duì)應(yīng)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(xué)組件10的入射耦合區(qū)12。

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

(1):對(duì)于每個(gè)x，sinθ(x)＞1/n。

如將顯而易見的是，來自成像光學(xué)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(xué)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(xué)組件10的正面(xy)視圖。如以下更詳細(xì)解釋的，光學(xué)組件10內(nèi)的衍射光束拆分和全內(nèi)反射的組合導(dǎo)致每一輸入光束34(x)的多個(gè)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(duì)應(yīng)輸入光束34(x)的相應(yīng)向內(nèi)方向的相應(yīng)向外方向(即，遠(yuǎn)離光學(xué)組件10)的輸出光束38(x)。

在圖7e中，在光學(xué)組件10外部的光束被使用陰影來表示，并且點(diǎn)線被用來表示光學(xué)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(fù))z方向中的傳播；即朝向(或者遠(yuǎn)離)佩戴者。由此，發(fā)散的點(diǎn)線表示光學(xué)組件10內(nèi)的光束朝向光學(xué)組件10的前壁傳播；最寬的部分表示那些光束撞到了光學(xué)組件10的前壁，那些光束被從光學(xué)組件10的前壁全內(nèi)反射回去朝向后壁(各個(gè)srg被形成在該后壁上)，該全內(nèi)反射由從最寬的點(diǎn)到最窄的點(diǎn)(在這些最窄的點(diǎn)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(biāo)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(dǎo)中，并且通過tir以方向φ(x),±θ(x)(每當(dāng)該光束被反射時(shí)，極坐標(biāo)角的符號(hào)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(dǎo)致光束34(x)最終在最左邊的拆分區(qū)域s撞擊折疊srg。

當(dāng)光束34(x)入射在拆分區(qū)域s處時(shí)，那個(gè)入射光束34(x)通過衍射的方式被高效地拆分成兩個(gè)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(gè)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(dāng)?shù)臅r(shí)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?yàn)槌虺錾鋮^(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(qiáng)度傳播)一樣。由此，光束34(x)基本沿著折疊區(qū)14的整個(gè)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(dǎo)致光束34(x)的多個(gè)版本被耦合到出射區(qū)16，這多個(gè)版本在水平上分隔開以共同跨越出射區(qū)16的基本整個(gè)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(dǎo)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(dǎo)致非零階模式光束40(x)(進(jìn)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(xué)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(duì)應(yīng)于像點(diǎn)x)的各版本在光學(xué)組件10內(nèi)的傳播被高效地限制于兩個(gè)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(duì)應(yīng)于特定像點(diǎn)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(dǎo)到輸出srg的各出射區(qū)域e上。出射srg56被配置成使得當(dāng)光束的某版本撞擊輸出srg時(shí)，那個(gè)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(duì)應(yīng)于像點(diǎn)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(gè)版本向下傳播，此多個(gè)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(gè)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(jìn)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(dǎo)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(gè)高度的多個(gè)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(gè)點(diǎn)由此重構(gòu)像點(diǎn)x(參見以下)的方式與輸入方向相關(guān)。

對(duì)于平光學(xué)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(gè)毗鄰顯示像素包住的角度δβ內(nèi))，并且按與相應(yīng)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(duì)應(yīng)于像點(diǎn)x的光束34(x)定向到入射耦合srg52導(dǎo)致相應(yīng)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(shí)能夠重構(gòu)圖像。圖7f示出光學(xué)組件10的俯視圖(xz)。輸入光束34(x)被入射耦合到光學(xué)組件10，從而導(dǎo)致多個(gè)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(duì)應(yīng)于所有像點(diǎn)的各輸出光束(在無窮遠(yuǎn)處)形成與對(duì)應(yīng)的輸入光束相同的虛擬圖像時(shí)，這可被等效地表達(dá)。

由于對(duì)應(yīng)于像點(diǎn)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(yuǎn)處的圖像(即，遙遠(yuǎn)的圖像)。眼睛37由此將這樣的接收光聚焦在單個(gè)視網(wǎng)膜點(diǎn)上，就好像該光是直接從成像光學(xué)器件17處接收到的一樣，由此在視網(wǎng)膜上重構(gòu)像點(diǎn)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(diǎn)(例如，像素)，使得眼睛37重構(gòu)當(dāng)前在顯示器15上的整個(gè)圖像。

然而，與直接從光學(xué)器件17接收?qǐng)D像(從該光學(xué)器件17，僅為直徑d的相應(yīng)單個(gè)光束34(x)被為每一x發(fā)射)形成對(duì)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(diǎn)上(例如，在圖7f中，眼睛37是否將水平地(±x)移動(dòng))并不重要，因?yàn)轱@然該圖像仍將被感知。由此，不需要針對(duì)例如在遠(yuǎn)處的具有不同瞳距的觀看者對(duì)顯示系統(tǒng)進(jìn)行適配，這使得出射區(qū)16寬到足以預(yù)測合理范圍的瞳距：盡管與其眼睛較遠(yuǎn)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(dòng)時(shí)，(隨著光束相對(duì)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(duì)應(yīng)于任何兩個(gè)毗鄰像素xa、xb的輸入光束所展示出的相同相對(duì)角距δβ也由輸出光束38(xa)、38(xb)的相應(yīng)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(diǎn)。光束的所有各個(gè)版本在其傳播通過光學(xué)組件10時(shí)保持被高度準(zhǔn)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(yīng)當(dāng)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(duì)于諸如顯示器15之類的實(shí)踐中通常將預(yù)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(gè)像點(diǎn)xl、xr，來自這兩個(gè)像點(diǎn)的光被光學(xué)器件17準(zhǔn)直以便以向內(nèi)的方向(θin(xl),φin(xl))、(θin(xr),φin(xr))生成相應(yīng)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(xué)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(dǎo)中的光束34(xl)、34(xr)以由極坐標(biāo)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(gè)像點(diǎn)xr1和xr2。注意，在該圖中，點(diǎn)劃線表示在光學(xué)組件10后面(-z)的各方面。相應(yīng)的光束34(xl)、34(xr)在光學(xué)組件10內(nèi)處于具有極坐標(biāo)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(xué)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(biāo)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(diǎn)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(diǎn)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(xué)組件10的折疊區(qū)14中、已從光學(xué)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(jìn)的光束34(x)的透視圖。點(diǎn)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(duì)定向角a(該相對(duì)定向角a是其相應(yīng)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(qiáng)度傳播)。該鏡面反射光束實(shí)際上可被看作光束34(x)的延續(xù)，并且出于該原因也被標(biāo)記為34(x)。還創(chuàng)建一階(-1)反射模式光束42(x)，其實(shí)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(xué)組件10的折射率。

如示出光學(xué)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(shí)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(shí)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(gè)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(dǎo)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(gè)版本由此入射在出射srg56的各出射區(qū)域(被標(biāo)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(fù)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(biāo)記為42ab(x)的光束是在42b(x)遇到折疊srg54時(shí)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(shí)創(chuàng)建的-1模式光束的疊加；被標(biāo)記為42ab(x)的光束是在40a(x)遇到折疊srg54時(shí)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(shí)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(duì)定向角α'(該相對(duì)定向角α'是其相應(yīng)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(yuǎn)離光學(xué)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(dǎo)之外的輸出光束(在空氣中傳播)的方向。對(duì)于平波導(dǎo)，當(dāng)出射光柵在該波導(dǎo)的正面時(shí)，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(duì)應(yīng)于已知的傳輸光柵等式—但同樣當(dāng)出射光柵在波導(dǎo)的背面時(shí)(如在圖7f中)—在該情況下，輸出光柵對(duì)應(yīng)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(xué)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(xué)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(xué)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(huì)發(fā)生。

根據(jù)等式(2-7)可示出，當(dāng)

d＝d1＝d3(10)

(即，當(dāng)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(shí)

則(θout(x),φout(x))＝(θin(x),φin(x))。

此外，當(dāng)條件

被滿足時(shí)，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(dāng)該準(zhǔn)則被滿足時(shí)，在折疊區(qū)中并沒有創(chuàng)建附加的不期望的光束。對(duì)于大的范圍a(從約0到70度)，條件(13)被滿足。

換言之，當(dāng)這些準(zhǔn)則被滿足時(shí)，出射srg56實(shí)際上充當(dāng)入射耦合srg52的反轉(zhuǎn)，從而反轉(zhuǎn)入射耦合srg衍射對(duì)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(shí)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(dú)立于成像光學(xué)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?yàn)榉謩e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(shí)際上，當(dāng)α≥50°時(shí)，顯示系統(tǒng)的總效率通常被增加。

以上考慮了平光學(xué)組件，但適當(dāng)彎曲(即，具有基本沿著z軸延伸的曲率半徑)的光學(xué)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(zhǔn)直并且不是平行的，而具有特定的相對(duì)方向和角距，使得各自追溯到公共收斂點(diǎn)——這在圖7g中被示出，其中該公共收斂點(diǎn)被標(biāo)記為q。

此外，當(dāng)每一像點(diǎn)被考慮時(shí)，所有不同的活躍像點(diǎn)的各收斂點(diǎn)位于基本相同的平面中(被標(biāo)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(gè)圖像感知為好像該圖像在距離l遠(yuǎn)處。

這可被等效地表述為各輸出光束形成與相應(yīng)的輸入光束基本相同的當(dāng)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(yuǎn)處。

彎曲的光學(xué)組件可特別適合于無法適當(dāng)?shù)鼐劢惯b遠(yuǎn)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(gè)示例。例如，基于所謂的掃描的替換光引擎可提供單個(gè)光束，該單個(gè)光束的定向被快速調(diào)制，且同時(shí)調(diào)制其強(qiáng)度和/或顏色。如將顯而易見的，虛擬圖像可按與將通過用準(zhǔn)直光學(xué)器件來準(zhǔn)直顯示器上的(現(xiàn)實(shí))圖像的光來創(chuàng)建的虛擬圖像等效的方式來仿真。

如本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知的，模塊化傳輸函數(shù)(mtf)是對(duì)光學(xué)系統(tǒng)將來自對(duì)象的各細(xì)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(duì)比度保留，而小于此的值意味著越來越多的對(duì)比度被丟失—直到為0(或0％)的mtf，其中線對(duì)(線對(duì)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(xué)組件由于高度規(guī)則的衍射表面而達(dá)成高mtf性能(該高度規(guī)則的衍射表面產(chǎn)生高度準(zhǔn)直的輸出光束，這些高度準(zhǔn)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(gè)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(xué)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(qiáng)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(xì)地描述)。因此，取決于觀察者的位置，強(qiáng)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(yán)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(rèn)識(shí)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(dǎo)到原本在本文中被稱為折疊srg54的第一拆分區(qū)域的點(diǎn)a上的光束被拆分成該光束的兩個(gè)版本。這兩個(gè)版本在入射在出射光柵16上之前走在點(diǎn)a之間的相應(yīng)光路。這兩個(gè)版本在出射光柵16的涵蓋區(qū)基本重疊。即，這兩個(gè)版本以相應(yīng)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(gè)版本中的)第一版本通過tir的方式以光束42a(x)從點(diǎn)a(在點(diǎn)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(diǎn)b(在點(diǎn)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(gè)版本中的)第二版本通過tir的方式以光束34(x)從點(diǎn)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(diǎn)c(在點(diǎn)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(diǎn)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(dāng)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(shí)，這導(dǎo)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(dǎo)致暗區(qū)域和亮區(qū)域。

發(fā)明人已認(rèn)識(shí)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(duì)于路徑a->c->d的相位改變將改變?cè)摥h(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(shí)施例中，相位改變由光學(xué)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(xué)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(lǐng)域已知的，阻滯膜被構(gòu)造為使得當(dāng)入射非偏振光入射在該膜上時(shí)，一個(gè)線性偏振狀態(tài)相對(duì)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(shí)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(xué)組件10的整個(gè)前表面(如圖12中示出的)或者光學(xué)組件10的前表面的一個(gè)或多個(gè)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(dòng)態(tài)地調(diào)制。這可例如通過液晶膜或壓電薄膜來實(shí)現(xiàn)，在壓電薄膜中，動(dòng)態(tài)函數(shù)是通過向阻滯膜1200施加電場來實(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)相位的最佳調(diào)制。用于控制阻滯膜的阻滯的電極應(yīng)當(dāng)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(dǎo)電氧化物的透明導(dǎo)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(yīng)的材料(其在本領(lǐng)域是公知的，并且因此在本文中不被詳細(xì)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(xué)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(dāng)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(shí)施例，但折疊srg54和出射srg56全部都在光學(xué)組件10的后表面上。如以上所描述的，出射srg56可在光學(xué)組件10的正表面上。在這些實(shí)施例中，除了光學(xué)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(jìn)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(xué)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(gè)方面中，提供了一種顯示系統(tǒng)，包括：光學(xué)波導(dǎo)，所述光學(xué)波導(dǎo)具有入射耦合光柵、由所述光學(xué)波導(dǎo)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(gè)輸入光束的光引擎，每一光束被充分地準(zhǔn)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(gè)輸入光束形成虛擬圖像，所述唯一向內(nèi)方向取決于該點(diǎn)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(dǎo)到所述中間光柵的多個(gè)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(gè)基本平行的版本，該多個(gè)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(gè)版本被引導(dǎo)到所述出射光柵的多個(gè)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(gè)版本，所述多個(gè)輸入光束由此使得多個(gè)出射光束離開所述波導(dǎo)，所述多個(gè)出射光束形成所述圖像的虛擬版本；以及其中與所述光學(xué)波導(dǎo)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(xué)波導(dǎo)的與所述第一表面相對(duì)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(xué)波導(dǎo)的所述第一表面上的調(diào)制形成，并且與所述光學(xué)波導(dǎo)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(xué)波導(dǎo)的所述第一表面上的調(diào)制形成，并且與所述光學(xué)波導(dǎo)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(xué)波導(dǎo)的所述第二表面上的調(diào)制形成，并且與所述光學(xué)波導(dǎo)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(xué)波導(dǎo)的所述第一表面上的進(jìn)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(dòng)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(xué)波導(dǎo)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(gè)版本。替換地，所述光學(xué)波導(dǎo)是彎曲的，以便在距所述波導(dǎo)無窮遠(yuǎn)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(dāng)被穿戴時(shí)，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(duì)所述用戶可見的圖像。

所述顯示系統(tǒng)可包括兩個(gè)這樣的光學(xué)波導(dǎo)，所述兩個(gè)光學(xué)波導(dǎo)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(xué)波導(dǎo)，所述光學(xué)波導(dǎo)具有入射耦合光柵、由所述光學(xué)波導(dǎo)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(gè)輸入光束，每一光束被充分準(zhǔn)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(gè)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(dǎo)到所述中間光柵的多個(gè)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(gè)基本平行的版本，該多個(gè)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(gè)版本被引導(dǎo)到所述出射光柵的多個(gè)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(gè)版本，所述多個(gè)輸入光束由此使得多個(gè)出射光束離開所述波導(dǎo)，所述多個(gè)出射光束形成所述圖像的虛擬版本；以及其中與所述光學(xué)波導(dǎo)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(xué)波導(dǎo)的與所述第一表面相對(duì)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(xué)波導(dǎo)，所述光學(xué)波導(dǎo)具有入射耦合光柵、由所述光學(xué)波導(dǎo)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(gè)輸入光束，每一光束被充分準(zhǔn)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(gè)輸入光束形成虛擬圖像，所述唯一向內(nèi)方向取決于該點(diǎn)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(dǎo)到所述中間光柵的多個(gè)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(gè)基本平行的版本，所述多個(gè)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(gè)版本被引導(dǎo)到所述出射光柵的多個(gè)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(gè)版本，所述多個(gè)輸入光束由此使得多個(gè)出射光束離開所述波導(dǎo)，所述多個(gè)出射光束形成所述虛擬圖像的一個(gè)版本；以及其中與所述光學(xué)波導(dǎo)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(xué)波導(dǎo)的與所述第一表面相對(duì)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(xué)波導(dǎo)的所述第一表面上的調(diào)制形成，并且與所述光學(xué)波導(dǎo)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(xué)波導(dǎo)的所述第一表面上的調(diào)制形成，并且與所述光學(xué)波導(dǎo)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(xué)波導(dǎo)的所述第二表面上的調(diào)制形成，并且與所述光學(xué)波導(dǎo)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(xué)波導(dǎo)的所述第一表面上的進(jìn)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(dòng)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(dòng)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(dòng)作。更確切而言，上述具體特征和動(dòng)作是作為實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求的示例形式公開的。