用于近眼顯示器應用的可控波導的制作方法
【專利摘要】一種近眼顯示器包括生成在一定角度范圍上的角度相關射束以用于形成虛像的圖像發(fā)生器和在有限角度范圍上傳播所述角度相關射束的波導。波導的輸入孔包括多個可控部件，所述多個可控部件可選擇性地作為用于向波導中注入所述角度相關射束的子集的衍射光學裝置進行操作。波導的輸出孔包括多個可控部件，所述多個可控部件可選擇性地作為用于將所述角度相關射束的相應子集朝著眼眶發(fā)射到波導外的衍射光學裝置進行操作?？刂破魇馆敵隹椎目煽夭考牟僮髋c角度相關射束的不同子集沿著波導的傳播同步，以便將角度相關射束的子集發(fā)射到波導外以在眼眶內呈現(xiàn)虛像。
【專利說明】用于近眼顯示器應用的可控波導
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及用于發(fā)射被角度編碼的圖像信息、特別是用于近眼顯示器的波導系統(tǒng)，并涉及用于諸如優(yōu)化觀看條件和圖像質量并支持多個光譜范圍和多個場角度范圍以便在出射光瞳內呈現(xiàn)虛像的目的的可控孔的使用。
【背景技術】
[0002]板狀(通常是平面的)波導已在緊湊式近眼顯示器中被用于向觀看者的眼睛發(fā)射角度圖像信息作為來自位于用戶視線之外的圖像源的虛像。圖像信息一般地是在波導的一端附近被輸入，并在波導的相對端附近被輸出。該圖像信息作為沿著波導被內反射的多個角度相關射束而沿著波導傳播。衍射光學裝置已被用于通過被波導內反射的角度范圍向波導中注入圖像信息以及用于通過相應的角度范圍發(fā)射圖像信息以便在可以與觀看者的眼睛對準的位置上在波導后面中繼或形成出射光瞳。
[0003]許多波導顯示器局限于其中用單個色彩形成虛像的單色光的使用。常規(guī)衍射光學裝置趨向于通過不同的角度衍射不同的波長，從而產生色差。多個波導(例如，堆疊波導)或更復雜的衍射光學裝置已被用來緩解這些像差，但是當前解決方案趨向于過度地限制可以通過其來有效地發(fā)射圖像信息的不同角度或波長的數(shù)目。
[0004]在其內部能夠在波導后面的規(guī)定位置處(B卩，在設計的眼眶內)看到虛像的有效出射光瞳尺寸常常被過度限制，因為衍射光束趨向于在離開平面波導時擴展開。這限制了在其內能夠看到虛像的重疊區(qū)域(即，減小了眼眶的尺寸)。輸出衍射光學裝置的衍射效率隨位置的變化已被用來擴展出射光瞳(即，眼眶)，但這些變化對于管理被用來對彩色虛像進行編碼的多個角度和多個波長兩者而言并未趨向于有效。
[0005]某些平面光學顯示器還意圖支持在同一眼眶內對周圍環(huán)境的觀看。此要求對輸出光學裝置施加額外負擔以保持一定的透射率水平。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明在其優(yōu)選實施例中的一個或多個中以一種用于近眼顯示器的波導為特征，其包含具有可尋址可變換部件的至少一個可控孔。電子控制機構為使孔內的每個可變換部件在有源和無源狀態(tài)之間以及在期望的情況下通過中間效率狀態(tài)移位做準備。將多個可尋址可變換部件組合以產生可控孔使得允許地特定范圍的射束角和波長的選擇性處理?？舍槍μ囟ǖ慕嵌确秶筒ㄩL來優(yōu)化每個可變換部件的控制(包括激活的持續(xù)時間)，提供擴展的觀看區(qū)域和通過波導中繼的虛像的增強的質量。
[0007]本發(fā)明作為近眼顯示器的版本包括傳播在有限的第一角度范圍上的角度相關射束的波導和生成在第二較寬角度范圍上的角度相關射束以便形成虛像的圖像生成器。波導的輸入孔包括多個可控部件。每輸入孔的每個可控部件可選擇性地作為衍射光學裝置進行操作以注入在第二角度范圍的有限部分上的角度相關射束的子集，以便在第一角度范圍內沿著波導傳播角度相關射束的該子集。波導的輸出孔包括多個可控部件。輸出孔的每個可控部件可選擇性地作為衍射光學裝置進行操作以將角度相關射束的相應子集朝著眼眶噴射出波導外?？刂破魇沟幂敵隹椎目煽夭考牟僮髋c角度相關射束的不同子集沿著波導的傳播同步，以便將角度相關射束的子集發(fā)射出波導并在眼眶內呈現(xiàn)虛像。
[0008]輸入孔的每個可控部件優(yōu)選地與輸出孔的可控部件中的一個配對以便注入和發(fā)射角度相關射束的子集中的一個。輸入和輸出孔的可控部件優(yōu)選地包括多個可變換衍射光學裝置，其具有用于通過不同的角度衍射角度相關射束的不同子集的不同的有效時段?？勺儞Q衍射光學裝置優(yōu)選地可在對于角度相關射束而言基本上透明的第一狀態(tài)與根據角度相關射束的子集的時段來衍射角度相關射束的子集的第二狀態(tài)之間進行變換。
[0009]優(yōu)選地，圖像生成器為產生多個不同標稱波長的角度相關射束做準備。輸入孔的每個可控部件為注入多個不同標稱波長中的一個中的角度相關射束的子集做準備，并且輸出孔的每個可控部件可操作用于發(fā)射所述多個不同標稱波長中的一個中的角度相關射束的相應子集以便使不同標稱波長中的角度相關射束的子集在眼眶內重疊?？刂破鲀?yōu)選地為使輸入和輸出孔的可控部件的操作與圖像生成器的操作同步做準備，以便相繼地向波導中注入不同標稱波長的角度相關射束的子集以及將它們發(fā)射到波導外。為了支持通過波導的輸出孔從眼眶觀看周圍環(huán)境，控制器將輸出孔的可控輸出部件切換到第一狀態(tài)中。
[0010]波導還能夠合并中間衍射光學裝置，其具有在輸入和輸出孔之間沿著波導被定位以便選擇性地使角度相關射束的子集朝著輸出孔重新定向的多個部分。中間衍射光學裝置的各部分在空間上將角度相關射束的子集分離。
[0011]本發(fā)明作為近眼顯示器的波導的另一版本包括板狀主體，其具有面對周圍環(huán)境的前表面、面對眼眶的后表面以及用于通過在有限角度范圍內從前表面和后表面的連續(xù)反射來傳播角度相關射束的長度。板狀主體的輸入孔包括多個可控部件，所述多個可控部件用于在限定虛像生成器的光瞳的在多個波長上共同地接收角度相關射束，并用于在有限角度范圍內向板狀主體中分別地注入在多個波長上的角度相關射束的子集。板狀主體的輸出孔包括多個可控部件，其用于分別接收在多個波長上的角度相關射束的子集，并用于共同地從波導發(fā)射在所述多個波長上的角度相關射束的子集。輸入和輸出孔的每個可控部件包括可變換衍射光學裝置，其可在對于在多個波長上的角度相關射束的子集而言基本上透明的第一狀態(tài)與衍射在多個波長上的角度相關射束的子集中的一個或多個的第二狀態(tài)之間變換。控制器使輸入和輸出孔的可控部件的變換同步，以便在觀看者的眼睛的積分區(qū)間內相繼地注入和發(fā)射在多個波長上的角度相關射束的子集，以在眼眶內共同地重新形成虛像生成器的光瞳。
[0012]優(yōu)選地，輸出孔的可控部件為在觀看者的眼睛的積分區(qū)間內相繼地發(fā)射不同波長中的角度相關射束的相應子集做準備，以便在眼眶內共同地重新形成彩色虛像生成器的光
ρμ?ι瞪。
[0013]可變換衍射光學裝置優(yōu)選地包括可變換光柵結構，其與輸入和輸出孔的各部件內的配對光柵結構配對。可變換光柵結構的電活性材料優(yōu)選地具有能夠從與所配對的配對光柵結構的折射率的指數(shù)基本上匹配的值變化到與配成對的配對光柵結構的折射率基本上不匹配的另一值，以便在第一和第二狀態(tài)之間對可控部件進行變換?？刂破鲀?yōu)選地為在第一和第二狀態(tài)之間對輸出孔的可控輸出部件進行變換做準備，以便同時地支持從眼眶內進行的對周圍環(huán)境的觀看和對由虛像生成器產生的虛像的觀看兩者。[0014]本發(fā)明作為將圖像生成器的出射光瞳通過波導中繼到眼眶的方法的另一版本包括在形成圖像生成器的出射光瞳的角度范圍上產生角度相關射束。波導的輸入孔被定位為接近于圖像生成器的出射光瞳以便接收角度相關射束。輸入孔的可控部件在對于角度相關射束而言基本上透明的第一狀態(tài)與衍射角度相關射束以分別向波導中注入角度相關射束的子集以便在較窄的角度范圍內沿著波導傳播的第二狀態(tài)之間進行變換。波導的輸出孔被定位為接近于眼眶。輸出孔的可控部件在對于角度相關射束而言基本上透明的第一狀態(tài)與衍射角度相關射束以在在眼眶內重新形成圖像生成器的出射光瞳的角度范圍上從波導向眼眶中分別地發(fā)射角度相關射束的子集的第二狀態(tài)之間進行變換。
[0015]可以對輸入和輸出孔的可控部件在第一和第二狀態(tài)之間的變換的持續(xù)時間進行定時以便平衡跨越在重新形成的出射光瞳處可觀看的圖像場的強度。另外或替換地，可以控制輸入和輸出孔的可控部件的第二狀態(tài)的衍射效率以便平衡跨圖像場的強度。
[0016]除在一定角度范圍上產生角度相關射束之外，還優(yōu)選地在形成作為彩色圖像生成器的圖像生成器的出射光瞳的波長范圍上產生角度相關射束。這樣，并且變換的步驟包括衍射不同波長中的角度相關射束以向波導中分別地注入不同波長中的角度相關射束的子集以及衍射角度相關射束以從在在眼眶內重新形成彩色圖像生成器的出射光瞳的角度和波長的范圍上從波導向眼眶中分別地發(fā)射不同波長中的角度相關射束的子集。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是包括板狀波導和堆疊的多個可控光柵以便對包含在準直輸入射線中的角度信息進行復用的近眼顯示器的簡圖。
[0018]圖2是包含在圖1中的板狀波導的截面圖。
[0019]圖3是圖1的近眼顯示器中的所有可控光柵的分解圖。
[0020]圖4是包括板狀波導和堆疊的多個可控光柵以便對包含在準直輸入射線中的光譜信息進行復用的近眼顯示器的簡圖。
[0021]圖5是包括板狀波導和多個偏移光柵以便對包含在準直輸入射線中的角度信息進行復用的近眼顯示器的簡圖。
[0022]圖6是包括板狀波導和多個圖案化偏移光柵以便對包含在準直輸入射線中的光譜信息進行復用的近眼顯示器的簡圖。
[0023]圖7是用于在圖6的近眼顯示器中使用的可控光柵的圖案化光柵結構的表示。
[0024]圖8是包括板狀波導、多個偏移光柵和多個堆疊光柵以便對包含在準直輸入射線中的角度和光譜信息進行復用的近眼顯示器的簡圖。
【具體實施方式】
[0025]參考圖1，近眼顯示器10包括板狀波導12，其具有可控輸入孔14、可控輸出孔16和可控中間衍射光學裝置90。板狀波導12優(yōu)選地是具有后表面18 (面對觀看者的眼睛)和前表面20 (面對周圍環(huán)境)的透射板，其中后表面和前表面18和20兩者都被暴露于空氣或具有優(yōu)選地接近于空氣的折射率的折射率的另一介質。
[0026]板狀波導12可以由各種透射光學材料(諸如具有1.527的標稱折射率的BK7玻璃)制成，并且具有用于從可以注入光的離軸位置向觀看者的視場內的位置透射光的尺寸。例如，在限制板狀波導12的尺寸和重量的同時，板狀波導12可以具有用于到達眼睛位置的約60毫米的長度、用于管理圖像的第二維度的約60毫米的高度以及用于支持期望的形式的光的傳播的約2毫米的厚度。當然，可以針對特定應用使用其他波導尺寸以便致力于光沿著波導從一個位置到另一個的傳播。雖然板狀波導12具有簡化了傳播問題的平面形式，但還可以使板狀波導12彎曲以適應附加要求，包括審美考慮。
[0027]圖1以很大程度上一般化的方式示出了包括光源32、準直光學裝置34和反射鏡24的圖像生成器22。光源32可以采取許多形式，包括可尋址像素的二維陣列、可尋址像素的一維陣列或單個可尋址光源，它們全部可被控制器38以常規(guī)方式尋址以便同時地或相繼地表達預定圖像的像素化內容?？梢岳缤ㄟ^液晶二極管、微反射鏡或發(fā)光二極管的適當供電的布置來形成所述陣列。
[0028]作為可尋址像素的二維陣列，光源32從控制器38接收信號以形成實像，該控制器38可以是常規(guī)視頻控制器。準直光學裝置34將來自二維陣列中的每個像素的光轉換成與來自該陣列的其他像素的類似準直射束角度相關的準直射束30。也就是說，準直光學裝置34使來自像素陣列內的每個像素的光準直，其通過在對應于該像素在二維像素陣列內的空間位置的兩個維度上參考的唯一角度來進行該準直。反射鏡24使得來自被參考像素的準直射束30以及來自其他像素的其他角度相關的準直射束朝著可控輸入孔14重新定向。如果來自準直光學裝置34的準直射束直接地撞擊在可控輸入孔14上，則不需要反射鏡24。
[0029]替換地，可以將圖像生成器22的光源32布置為可尋址像素的一維(例如，線性)陣列，并且可以將反射鏡24布置為在一個維度上可樞轉的掃描反射鏡。準直光學裝置34將來自一維陣列中的每個像素的光轉換成準直的角度相關射束，該準直的角度相關射束具有對應于每個像素在陣列內的位置的第一角度分量，并且掃描反射鏡使與像素的連續(xù)表示相關聯(lián)的準直射束樞轉以貢獻對應于預定圖像的第二維度的第二角度分量。控制一維陣列內的可尋址像素的控制器38使反射鏡與一維像素陣列的連續(xù)表示同步地樞轉，以產生一組角度相關射束，其包含對應于預定圖像內的像素位置的角度變化的兩個維度。
[0030]還可以將光源32布置為單個可尋址光源，并且可以將反射鏡24布置為可繞著兩個、優(yōu)選地正交的軸26和28樞轉的掃描反射鏡24。掃描反射鏡被由光源以及準直光學裝置34 —起形成的單個準直射束30照射。使光源的輸出與掃描反射鏡24的角坐標同步的控制器38分別地將所生成的圖像的每個像素作為對應于預定圖像內的像素位置的一連串角度相關射束中的一個而產生。
[0031]可以通過陣列內的附加像素、具有不同標稱波長的多個光源或通過對一個或多個寬帶光源進行濾色來產生多色(即，彩色)圖像。雖然可以將預定圖像的像素產生為一連串像素子集或者甚至每次產生一個像素，但優(yōu)選地在觀看者的眼睛的積分區(qū)間內產生每個此類圖像，使得可以整體地或另外按照預定來觀看每個圖像。一般地，圖像生成器22提供意圖用于作為虛像觀看的所生成的圖像(例如，視頻圖像)的傅立葉變換，其中，預定圖像內的像素位置被角度地編碼。這樣，通過不同角度的準直射束定義圖像生成器22的出射光瞳。
[0032]波導12的可控輸入孔14在對應于所生成的圖像的視場的角度范圍上接收準直的角度相關射束(例如，準直射束30)。然而，通過諸如全內反射之類的機制來傳播光的波導12可僅支持較窄射束角度范圍的傳播?？煽剌斎肟?4被布置成提供復用功能，由此，定義圖像的角度相關射束的子范圍被分別地注入到波導12中以便在波導12所支持的較窄角度范圍內進一步傳播。
[0033]可控輸入孔14包括一堆單獨可控衍射部件以便分別地注入角度相關射束的子范圍以便在波導12所支持的較窄角度范圍的至少部分重疊的部分上沿著波導12傳播。參考圖1，可控輸入孔14包括被嵌入波導12中的第一可控衍射部件68和第二可控衍射部件70。兩個可控衍射部件68的衍射特性不同，以便通過不同的角度來衍射角度相關射束的子范圍，使得角度相關射束的兩個子范圍被注入到波導12中以便在波導12所支持的角度范圍內進一步傳播。可能需要超過兩個的單獨可控衍射部件以支持對虛像進行編碼的較寬范圍的角度相關射束或適應在其范圍內單獨可控衍射部件對于衍射光而言有效的有限角度范圍。
[0034]圖2中的剖面圖示出了第一可控衍射部件68的優(yōu)選布置。第一可控衍射部件68包括可變換光柵結構52以及配對(反向)光柵結構54，使得在可變換光柵結構52的無源狀態(tài)(即，去激活狀態(tài))下，兩個光柵結構52和54優(yōu)選地形成光學同質層。諸如可由氧化銦錫(ITO)形成的第一和第二導電層58和60橫跨可變換光柵結構52且可在圖1中的控制器38的控制下跨可變換光柵結構52形成電場，以便相對于配對光柵結構54來修改可變換光柵結構52的電活性材料的有效折射率。
[0035]可變換光柵結構52的電活性材料優(yōu)選地以類似方式在每個具有不同折射率、施加了不同電壓的電場的情況下的兩個不同狀態(tài)之間變化。在液晶材料的情況下，晶體在施加給定電壓的情況下在初始狀態(tài)與正交或極端狀態(tài)之間旋轉。如果在液晶的正交狀態(tài)中的任一個下使用液晶，則偏振輸入源將是優(yōu)選的，因為不正確地偏振的光將不會類似地對被激活光柵進行響應。使用處于由于某個電場的存在而被激活或去激活的液晶的正交(極端)狀態(tài)中的任一個下的液晶允許光柵有效地存在或不存在于波導12中?？梢杂檬构鈻?2處于有源狀態(tài)中的時間量來控制被光柵結構52衍射的光的量。
[0036]替換地，如果將跨光柵結構52施加的電壓設置成不足以完全將液晶轉換成正交或極端狀態(tài)的某個水平，則將降低光柵的衍射效率。許多液晶材料的響應偏離線性或類似響應，特別是由于通過處于中間狀態(tài)的液晶的偏振光很可能改變偏振狀態(tài)。然而，可以使用修正層來將大多數(shù)光恢復成其正確偏振。此類修正層本身可以布置為動態(tài)可調液晶(非常像沒有圖案化的光柵層之類的另一活動層)或通過將雙折射合并到波導主體12中而以靜態(tài)方式布置。因此，還可以用液晶材料通過中間非正交或非極端狀態(tài)被旋轉的量來控制被光柵衍射的光的量，雖然可能需要一定的偏振修正以實現(xiàn)期望范圍的中間響應。
[0037]參考圖2，可以通過將期望基板的三個單獨層84、86和88堆疊以形成完整波導12來形成板狀波導12。圖2中的詳細窗口不出第一可控衍射部件68被夾在基板層86和88之間。第一和第二導電層58和60被沉積到基板層86和88的內表面上。配對光柵結構54然后被固定到圖案化導電層58的頂部上的基板層86，提供用于對形成可變換光柵結構52的電活性材料進行塑形的模腔。然后可以將基板層86和88以適當?shù)娜∠蚨询B并固定，從而形成可控衍射部件68。配對光柵結構54優(yōu)選地由類似于常規(guī)光柵的固體光學材料形成。例如，所示配對光柵結構54由具有1.5的標稱折射率和約0.5微米的節(jié)距的壓印環(huán)氧樹脂形成。壓印光柵具有約20毫米的長度、約20毫米的寬度以及約一微米的深度。可變換光柵結構52優(yōu)選地由諸如液晶材料的電活性材料形成，所述電活性材料填充配對光柵結構54與基板層88之間的空間。[0038]電活性材料可以是可在1.526的折射率(與波導的折射率匹配)至1.808的折射率之間變換的向列液晶混合物BL037。基板層84、86和88可以由透射光學材料形成，諸如具有約0.5毫米的厚度的BK7玻璃。針對其他應用的特定要求，可以使材料匹配，并且可以對各尺寸進行縮放。
[0039]優(yōu)選地以圖案形式來沉積或布置導電層58和60中的至少一個，以便激活可控衍射部件68的全部或有限部分。例如，如果被布置成形成柵格的單獨區(qū)域，則可以激活可控衍射部件68的各部分以便限制平行于波導12的后表面和前表面18和20的平面中的被激活衍射部件的空間效應。
[0040]第一和第二導電層58和60可以位于其他層之間，只要可以跨可變換光柵結構52形成適當?shù)碾妶黾纯伞＠?，可以在可變換光柵結構52與配對光柵結構54之間的界面處形成第一導電層58?？梢允箍勺儞Q和配對光柵結構52和54的順序相反?？刂破?8在有源與無源狀態(tài)之間控制可變換光柵結構52的狀態(tài)(包括每個狀態(tài)的定時和持續(xù)時間)，并且還可以控制場強以便改變有源狀態(tài)內的可變換光柵結構52的折射率。
[0041 ] 優(yōu)選地，第一和第二導電層58和60、處于無源狀態(tài)的可變換光柵結構52以及配對光柵結構54的折射率與板狀波導12的折射率充分地匹配，使得在可變換光柵結構52的無源狀態(tài)下，可控衍射部件68與板狀波導12類似地運行以允許輸入射束穿過光柵68并撞擊可控光柵70。換言之，可變換光柵結構52優(yōu)選地在無源狀態(tài)下跨可見光譜是基本不可見的，使得可控衍射部件68如同不存在衍射光柵一樣運行。相反，在有源狀態(tài)下，可變換光柵結構52與給定效率的常規(guī)衍射光學裝置類似地運行以便將特定子范圍的角度相關圖像承載射束指引到波導中。
[0042]如圖3中所示，可控輸入孔12的第二可控衍射部件70包括包含可變換光柵結構92以及被導電層96和98橫跨的配對(逆向)光柵結構94的類似布置?？煽剌敵隹?4還包括第一和第二可控衍射部件80和78，每個被以類似的方式布置，其包括可變換光柵結構108和116、配對光柵結構110和118、配成對的導電層112、114以及129、122?？煽刂虚g衍射光學裝置90也以類似方式布置，具有兩者都被導電層104和98橫跨的可變換光柵結構100和配對光柵結構102。
[0043]在構造波導12時，可以如上所述地將可控衍射部件68和80以及可控中間衍射光學裝置90組裝在基板層86和88之間?？梢詫⒖煽匮苌洳考?0和78組裝在基板層84和86之間。為了簡化設計或使其緊湊，可以用在厚度方面小于100微米的可用涂有ITO的玻璃片來形成基板層84、86和88?？梢詫TO涂層圖案化以便提供配成對的導電層(60、58 )、(96、98)、(100、98)以及(112、122)。減小基板層的厚度允許在將波導12保持在期望厚度的同時在可控輸入和輸出孔12和14內將更多的可控衍射部件堆疊在一起。
[0044]可以優(yōu)化第一可控衍射部件68的效率以便諸如以接近可控輸入孔14的較高入射角將角度相關射束的子范圍衍射到波導12中，以便通過全內反射在波導12內在垂直方向上進一步傳播。可以優(yōu)化第二可控衍射部件70的效率以便諸如以接近可控輸入孔14的較低入射角將角度相關射束的另一子范圍衍射到波導12中，以便通過全內反射在波導12內在垂直方向上進一步傳播?？梢栽谟性春蜔o源狀態(tài)之間變換每個可控衍射部件68和70。在有源狀態(tài)下，可控衍射部件68和70充當衍射元件并使光重新定向到波導中。在無源狀態(tài)下，可控衍射部件68和70是不可見的且充當允許光不被改變地穿過的透明元件。[0045]在使用控制器38來控制可控光柵68和70的有源和無源狀態(tài)之間的定時的情況下，可以使用可控輸入孔14來選擇性地輸入入射在可控輸入孔14上的角度相關射束的不同子范圍，即輸入虛像的全視場的子部分。當可控衍射部件68處于有源狀態(tài)時，可控衍射部件70選擇性地處于無源狀態(tài)。這意味著只有較高入射角射束將被衍射到被支持以便沿著波導12傳播的角度范圍中，并且衍射射束將在沒有任何進一步阻抗或衍射的情況下穿過可控衍射部件70。相反地，當可控衍射部件70處于有源狀態(tài)時，可控衍射部件68將處于無源狀態(tài)。這意味著，可控衍射部件68將是不可見的且輸入光將穿過可控衍射部件68并遭遇可控衍射部件70，其將把較低角入射射束衍射到被支持以便沿著波導12傳播的角度范圍中。由可控衍射部件68和70實現(xiàn)的輸入圖像的角度信息(即角度相關射束)的此復用以這樣的方式增加可以被注入到波導12中的最大視場，以使得可以保持角度信息沿著波導12諸如通過全內反射被進一步傳播。
[0046]被垂直地衍射到波導72中的輸入圖像的復用角度信息被中間衍射光學裝置90水平地重新定向以用于沿著波導12朝向可控輸出孔16的進一步傳播。在圖3中可以看到中間光學裝置90的詳細結構。可以以與光柵結構68和70大致相同的方式來動態(tài)地控制中間衍射光學裝置90。通過可控衍射光學裝置90的導電層104和98中的其中之一或它們兩者的圖案化且通過到控制器38的適當連接，中間衍射光學裝置90的某些垂直移位的可控部分40 (圖1)可以在其他可控部分保持不活動的同時是活動的。這樣，可以選擇性地將某些角度相關射束從不同的垂直位置轉向朝著輸出孔16，允許射束朝著可控輸出孔16的特定垂直區(qū)域傳播。通過控制中間衍射層90的每個可控部分活動的時間或者通過經由所施加的電壓的變化來改變電活性材料100的有效折射率，可以平衡被朝著可控輸出孔16引導的角度相關射束的大小和相對強度。通過限制經受衍射的波長范圍，可以將中間衍射光學裝置90布置在單個平面中以支持兩個輸入衍射部件68和70。然而，控制器38優(yōu)選地保持輸入可控衍射部件68和70及中間光柵結構90的單獨可控部件的有源和無源狀態(tài)之間的關系，以在到可控輸出孔16的途中將角度相關射束在空間上進行分布。
[0047]可控輸出孔16包括被嵌入波導12中的第一可控衍射部件78和第二可控衍射部件80。可控衍射部件78和80的大體結構和組裝可以類似于可控部件68和70的結構和組裝，例外是可控輸出孔16的衍射部件78和80大體上與可控輸入孔14的衍射部件68和70正交。
[0048]一般地，在波導12內部被中間可控衍射光學裝置90水平地衍射的輸入圖像的復用角度信息72被可控輸出孔在與波導12的表面18和20正交的方向上進一步衍射，以便從波導12朝著眼眶42發(fā)射?？煽剌敵鲅苌洳考?8和80或其部分被控制器38與可控輸入衍射部件70和68同步地激活，分別地用于注入和發(fā)射角度相關射束的不同子范圍。優(yōu)選地，輸出衍射部件80內的配對光柵結構108和110的節(jié)距與輸入衍射部件68內的配對光柵結構52和54的節(jié)距緊密地匹配，并且輸出衍射部件78內的配對光柵結構116和118的節(jié)距與輸入衍射部件70內的配對光柵結構92和94的節(jié)距緊密地匹配。也就是說，可控輸入和輸出衍射部件優(yōu)選地是成對的，以用于注入和發(fā)射角度相關射束的公共子范圍，使得從波導12發(fā)射的角度相關射束的子范圍對應于被注入到波導12中的角度相關射束的子范圍。
[0049]中間可控衍射光學元件90的部分40可以用來將角度相關射束在空間上分布在可控輸出孔16的不同區(qū)域上，并且可以與可控輸入衍射部件68和70及中間可控衍射光學元件90 —致地選擇性地激活可控輸出孔的各部分，以便為使不同的角度相關射束在眼眶42內重疊做準備。
[0050]控制器68使對每個衍射部件的控制同步，使得被注入到波導12中和從其發(fā)射的角度相關射束的子范圍覆蓋比被支持用于通過波導12進行傳播的射束范圍更寬的角度相關射束的總范圍?？梢杂煽刂破?8與諸如可樞轉反射鏡24的圖像生成器22的輸出同步地來操作可尋址衍射部件，使得在任何特定時刻只有支持通過波導12到觀看者的眼睛的角度相關射束的特定子范圍所需的衍射部件被激活?；诮嵌认嚓P射束的不同子范圍的單獨處理，可以使用可尋址衍射部件來平衡跨整個場的圖像強度。在任何特定時刻不需要的衍射部件保持不活動，并且因此在波導12內并不是可見或可操作的。
[0051]可以在不需要輸送角度的特定子范圍時將可控衍射部件切換至無源狀態(tài)。例如，如果僅僅在圖像場的一部分上產生圖像，則為了輸送場的其余部分而布置的衍射部件可以保持在無源狀態(tài)。這使得并不有源地將光朝著眼眶衍射的波導的該部分處于可以更好地將來自周圍環(huán)境的光透射到眼眶42中的透射狀態(tài)下。
[0052]因此，可以將對應于生成的圖像的場角的角度相關射束的范圍劃分成子范圍并通過可控輸入孔14相繼地輸入到波導12中。在使用兩個輸入衍射部件68和70的情況下，全場被大致分成兩半，其中角度相關射束的第一子范圍被可控衍射部件68衍射到波導12中且角度相關射束的第二子范圍被可控衍射部件70衍射到波導12中。可控衍射光學元件90使角度相關射束的兩個子范圍朝著可控輸出孔16重新定向。可控衍射部件80將角度相關射束的第一子范圍朝著眼眶衍射到波導12外，并且可控衍射部件78將角度相關射束的第二子范圍朝著眼眶衍射到波導12外。角度相關射束的兩個子范圍利用被支持用于波導12內的傳播的相同角度范圍，諸如可以沿著波導12通過全內反射被傳播的角度范圍。通過使波導12所支持的這些角度多用化，可以顯著地增大來自波導12的物理限制可以支持的的虛像的潛在視場?？梢酝ㄟ^添加被以類似方式組裝的更多可控衍射部件、諸如通過形成波導12的附加重疊層來將對應于虛像的場角的角度相關射束劃分成三個或更多的子范圍，以用于進入到波導12中和到其之外的相繼傳播。
[0053]類似于圖1的近眼顯示器10，如圖4中所示的近眼顯示器120包括可控輸入孔122和可控輸出孔124,其被修改成對包含在準直輸入射束30中的光譜信息進行復用?？晒┹斎肟?22包括重疊的可控衍射部件168和170，并且可控輸出孔124包括重疊的可控衍射部件180和178。近眼顯示器120與近眼顯示器10共有的元件共享相同的附圖標記。
[0054]與先前描述的顯示器10相對照，近眼顯示器120被特別地設計成對至少兩個波長范圍進行復用。添加更多的可尋址衍射部件168、170和180、178將允許對更多光譜范圍的復用，但為了簡單起見，在這里僅示出了兩層衍射部件。進一步與先前描述的顯示器10相對照，中間衍射光學裝置126包含兩個可控衍射部件190和192以補償被可控輸入孔122重新定向的準直輸入射線的光譜分離。由于將光的特定角度轉變到不同預定角度所需的光柵節(jié)距是非常波長相關的，所以還必須對波長的每個光譜范圍使用不同的可控中間光柵。
[0055]在近眼顯示器10的實施例中，可以由控制器38使由掃描源產生的特定角度范圍的定時與通過波導的特定路徑同步。在近眼顯示器120的當前實施例中，控制器38使顯示器照射的各種光譜范圍的定時與可控輸入孔122、可控中間衍射光學裝置126以及可控輸出孔124的正確可尋址部件同步，以使得除特定路徑之外，正確的光柵也是活動的以支持視頻圖像的當前光譜內容。
[0056]微顯示器在色序模式下的運行是常見的，因此僅需要由控制器38來讀取來自顯示元件的定時電路以使正確的光柵結構相互同步。在DLP、LOCS以及IXD顯示器技術中可以找到色序顯示器的示例，并且甚至LED或激光源可以直接地是脈動的，作為掃描系統(tǒng)中的成像像素。
[0057]以如下方式將各種光譜范圍復用到波導12中，即使得在任何給定時刻角度相關射束僅看到針對特定光譜帶寬上的最大性能而被優(yōu)化的一組光柵結構，這有助于使在對此問題的許多傳統(tǒng)方法中可能存在的波長混合最小化。
[0058]像在近眼顯示器10的情況下一樣利用圖案化且可尋址的導電層可以不僅控制在任何給定時刻活動的每個孔內的衍射部件層，而且可以改變每個此類衍射部件的效率以平衡輸出虛像中的任何場角上的所支持的光譜范圍的照明強度。在被掃描輸入系統(tǒng)中，可以控制每個角度相關射束的精確路徑和寬度以平衡跨用于特定場角的光瞳并且跨輸出虛像的整個場的感知的照明強度。類似于近眼顯示器10，當未有源地折射光時，可以使可控衍射部件、包括可控輸出孔124的部件178和180置于不活動狀態(tài)。這使得波導12更加透明得多以便更好地從眼眶42內觀看周圍環(huán)境。
[0059]圖5示出了作為圖1中所示的近眼顯示系統(tǒng)10的另一變體的近眼顯示系統(tǒng)220。近眼顯示系統(tǒng)10利用波導12的主體內的直接地位于彼此之上的可控衍射部件的堆疊。在使用幾乎任何注入光學裝置34的情況下，無論其是使二維顯示器還是具有一維陣列或點源的掃描系統(tǒng)準直，來自虛像中的特定場點的角度相關射束都隨著其遠離準直光學裝置34或反射鏡24移動而趨向于分離。在特定角度射束漂移的量和方向與虛像中的場角之間發(fā)現(xiàn)相關。
[0060]通過根據不同角度相關射束在場內的行走或漂移使可控衍射部件在平行于波導12的后表面和前表面18和20的方向上相對移位而有利地使用此相關。圖5示出了具有僅支持單個波長范圍的單個衍射部件堆疊的近眼顯示系統(tǒng)220，其中，可控衍射輸入和輸出部件268、270和280、278已經相對于彼此橫向地移位足夠遠以使它們可被定位在波導12的
同一層內。
[0061]可以將可控衍射輸入部件268和270布置成分別地與近眼顯示器10的可控輸入部件68和70幾乎相同地運行。另外，可控衍射輸出部件278和280分別地與可控輸出光柵78和80幾乎相同地運行。部件激活的定時將與近眼顯示器10的部件類似地運行。相似性包括平衡跨圖像的強度、通過波導12內的特定路徑引導掃描射束、平衡跨特定角度射束的大小和均勻性、關掉未被有源地使用的衍射部件以及將多個角度范圍復用到波導12中的能力。
[0062]像近眼顯示器10 —樣，一次激活支持相同射束角度范圍的可控衍射部件將是優(yōu)選的。射束角度范圍仍在具有時間上的分離的情況下被復用到波導12中和到其之外，使得在給定時刻，僅存在一個射束角度范圍。這是因為，如前所述，其中支持全內反射的波導12內的射束角度范圍正在被多用化，并且在輸入或輸出可控孔224和222內的并列可控部件之間可以存在串擾，如果允許它們同時是活動的話。
[0063]近眼顯示器220相比于先前的近眼顯示器10的益處包括復雜性的降低。具有一個堆疊構建起來比兩個堆疊更容易且一般地較廉價。對于多個光柵而言僅需要一個模具，而對于近眼顯示器10而言需要至少兩個。在較少堆疊的情況下更容易保持堆疊內的平行性?？梢允沟谜麄€波導更細，允許波導更均勻地充滿圖像承載光，減少跨虛像的場的陰影或暗點。一般地，具有較薄波導12也減小系統(tǒng)的總尺寸和重量。
[0064]圖6和7涉及以與近眼顯示系統(tǒng)220類似的方式具有僅一層可尋址衍射部件的另一近眼顯示系統(tǒng)320。在在近眼顯示系統(tǒng)220中將來自虛像的角度信息的多個范圍復用通過波導主體120的情況下，近眼顯示系統(tǒng)320將波長的不同光譜范圍復用通過波導并到達眼眶42。
[0065]而在近眼顯示系統(tǒng)220中，由于角度射束相對場漂移或行走的趨勢而可以將可控光柵子孔在空間上分離，不存在相對于光譜信息的空間相關。因此，圖7示出了將存在于導電層(以可尋址方式)的至少一個中和圖案化部件本身內的交錯圖案。
[0066]返回圖4的近眼顯示器120，可控衍射部件的每個堆疊在不同的波長范圍上運行。用顯示源的色序屬性對各個部件的控制進行定時。根據相同種類的色序顯示方案，近眼顯示器320采取相同的衍射部件并使它們交錯，如圖7中所示。此圖案化允許支持相同波長范圍的各個部件的不同區(qū) 段同時是活動的。
[0067]例如，用λ ?標記的衍射部件322、326和324的所有分段區(qū)域可以在特定時刻是活動的，而用λ 2標記的相同衍射部件322、326和324的所有分段區(qū)域可以處于無源狀態(tài)。然而，可能優(yōu)選的是，控制器38僅激活用X1S記的衍射部件的總子集的一部分。還可能優(yōu)選的是，在虛像信息來自掃描源的情況下為了平衡跨整個虛像的或跨光瞳的圖像強度的目的，通過總活動時間或通過跨部件中的電活性材料的電場的變化，由38來分別地控制衍射部件的分段區(qū)域的效率。
[0068]雖然圖7僅示出了兩個光譜子集，但可以在相同的分段可控衍射部件內使更多的光譜子集交錯。LCD顯示器在其顯示系統(tǒng)中經常使用紅色、綠色以及藍色濾光器的交錯圖案。但是，應注意的是，雖然在孔的部件與場之間存在相關，但交錯的活動光柵的各部件不一定對應于單個像素?？赡軆?yōu)選的是，在一定時間使部件的多個部分打開，并且一般地，很可能存在比在顯示陣列中存在活動像素更少的分段區(qū)域。實際上，雖然存在與位置的相關，但定義單獨像素的仍是角度信息。
[0069]同樣，在認識到移動至單層光柵減小成本、尺寸、重量以及復雜性的情況下，近眼顯示器320顯示可以將多個波長復用通過波導，從而為全色圖像的潛在可能做準備。在具有限制在任何給定時刻支持活動的給定波長范圍的部件的活動面積的能力的情況下，減少了輸出虛像中的色彩之間的串擾的路徑。
[0070]圖8表示本發(fā)明的另一實施例。近眼顯示器420實際上是近眼顯示器120和220的組合。近眼顯示器420表示單個波導，其中不同射束角度范圍和不同光譜范圍被復用到波導12中。近眼顯示器420將復用來自近眼顯示器220的復用不同射束角度范圍的并列部件圖案與用于復用不同光譜范圍的近眼顯示器120中的衍射部件的堆疊相組合。如所示，提供了兩個部件的堆疊，但是這是為了簡單起見。更優(yōu)選地，提供三部件堆疊，每個堆疊中的一個部件用于可見光譜的紅色、綠色以及藍色部分中的每一個。
[0071]返回圖8中所示的雙堆疊、并列光柵堆疊，顯示設備的大體上一半接通時間或者一半的幀速率專用于波長的一個光譜范圍，而另一半將專用于光譜波長的第二范圍。在這種情況下，針對顯示設備產生光譜波長的第一范圍時的時間衍射部件440、490和462將是活動的，而衍射部件442、492和460是不活動的。在顯示設備產生第二半的光譜波長范圍時的時間期間，光柵層442、492和460的部件是活動的，而衍射部件440、490和462是不活動的。
[0072]然后可以再次地將顯示設備產生光譜波長的第一半的持續(xù)時間劃分成兩半，從而允許此劃分的一半(幀速率的四分之一)專用于在眼眶42處顯示的虛像的場角的一半。在此時間段期間，可能正在通過波導12向眼睛發(fā)送場的左半邊，因此可控光柵470和478的一個或多個部件連同可控中間衍射光學元件層490 —起是活動的。所有其他活動光柵將處于無源狀態(tài)，在用戶看起來是不可見的，而活動區(qū)域的各部分被控制器38以類似方式控制，無論是通過減少某些部件的接通時間還是通過改變跨各種活動光柵的所述部件的電壓，其導致一個光譜范圍和一個場角范圍的均勻虛像被呈現(xiàn)給眼眶42以被用戶的眼睛接收到。這樣，波導12所支持的每個輸入角度范圍和每個波長范圍對于視頻源的總幀速率的給定部分而言是活動的。
[0073]應注意的是，還可以通過波導使掃描源與各種衍射部件同步，并且以色序方式使用掃描源，使得在任何給定時刻只有通過波導傳播特定射線束所需的那些波導部件是活動的。通過控制衍射部件，可以調整跨角度相關射束的范圍的射線束的尺寸和照明的相對強度。另外，應注意的是，根據內含物，可以將波導內的衍射部件的各部分置于關閉狀態(tài)以更好地支持用戶對周圍環(huán)境的觀看。
[0074]并且，雖然這些實施例中的每一個被圖示為單個單眼用近眼顯示器，但可以將這些中的任何一個與其本身的大體上鏡像的圖像配對并以向用戶呈現(xiàn)雙眼視圖的方式安裝到框架。在這種情況下，可以向觀看者呈現(xiàn)三維立體圖像。另外，可以向組件添加照相機、頭部跟蹤和/或眼睛跟蹤，允許作為補充現(xiàn)實觀看設備的全部集成。
[0075]在輸入或輸出孔內，可以以許多不同的方式來布置多個可控衍射部件。例如，可以將每個可控部件附加于透射支撐板的表面?？梢砸云谕娜∠驅⑦@些透射支撐板連同其附加衍射部件一起堆疊，其中在每個支撐板之間具有邊界層。在無源狀態(tài)下，衍射部件可以形成它們的透射支撐板的新的不中斷表面，其將允許光直接地穿過支撐板而到達下一支撐板并進入波導、在其內部或到其外面。在有源狀態(tài)下，可控衍射部件中的一個或多個充當用于在不同的方向上將光衍射進入波導、在波到內或到波導之外的衍射光學裝置。
[0076]可以將可控衍射部件的導電層圖案化以便不同地激活孔的不同部分，即衍射部件的不同部分。也就是說，可以使得孔的不同部分可單獨尋址，使得可以使用電子控制機構將一個或多個孔部分切換至有源狀態(tài)而其他孔部分保持在無源狀態(tài)。電子控制結構還可以提供其中可以提高或降低可變換光柵結構與其鄰近配對衍射結構之間的折射率差以調節(jié)衍射效率的各種中間狀態(tài)。此外，可以使電子控制機構與諸如來自掃描光學裝置的各種圖像承載射束的注入同步，使得可以通過輸入和輸出孔的不同部分且在不同持續(xù)時間內衍射射束。例如，可以通過輸出孔的一個部件來發(fā)射較高入射角射束，并且可以通過輸出孔的不同部件來發(fā)射較低入射角射束，以便使用更多的可用光來在眼眶內形成較大且更均勻的光瞳。還可以通過與圖像的不同部分的發(fā)射(即，圖像的角度構造)同步地跨輸入和輸出孔的多個部件調節(jié)衍射效率或激活的持續(xù)時間來進一步增強眼眶光瞳內的圖像均勻度。
[0077]將多個可尋址可變換光柵組合以產生可控孔使得允許對角度相關射束的波長和入射角的特定范圍的選擇性衍射。其余圖像承載光然后可以自由地傳播至第二可尋址衍射部件，其衍射特定信息并允許其余信息傳播。存在于孔中的可尋址衍射部件的數(shù)目取決于入射光將被分離的程度。這允許信息在波導內的復用并允許優(yōu)化將針對特定波長范圍和入射角范圍被優(yōu)化至最大效率的每個衍射部件的效率(包括激活的持續(xù)時間)。因此,可以通過電子控制調整使對輸出圖像質量的整個視場或重組光譜的控制最大化。
[0078]對于輸入孔而言，給定衍射部件的活動狀態(tài)允許孔充當被嵌入該特定波導的表面中的衍射光學裝置并將具有給定標稱波長的光引導到波導中。在無源狀態(tài)下，該特定波導的輸入孔打開并允許將輸入圖像傳輸至下一輸入衍射部件或到周圍環(huán)境中。由于可變換光柵的各電極是可尋址的，所以可以獨立地激活孔的特定區(qū)域以衍射特定波長或入射角，從而允許對視場和被衍射到波導中的信息類型的控制。這允許按光的波長或射束的入射角來復用輸入圖像。
[0079]對于可以被用于將輸入和輸出孔互連的中間可尋址可變換光柵結構而言，可變換光柵結構的給定部件的有源狀態(tài)允許該活動部件充當被嵌入波導中的衍射光學裝置并圖像承載光在波導內橫向地朝著輸出孔重新定向。在無源狀態(tài)下，可變換光柵結構在很大程度上充當波導內的不中斷層，其允許光在很大程度上不受可變換光柵結構的影響地行進，無論該光是來自周圍環(huán)境源還是在波導內部的圖像承載光。
[0080]針對輸出孔，給定衍射部件的有源狀態(tài)允許孔充當被嵌入該特定波導的表面中的衍射光學裝置并從波導向期望眼眶中發(fā)射圖像承載信息。在衍射部件的無源狀態(tài)下，輸出孔在很大程度上充當波導內的不中斷層，允許周圍環(huán)境光直接地穿過該波導。在輸出孔的特定部分處于無源狀態(tài)的情況下，圖像承載光繼續(xù)在波導內行進，在波導處其隨后可接觸輸出孔的活動部分。此類活動輸出孔部分可以在同一孔內的不同層上，并且此類活動部分可以在與輸出孔的不活動部分相同的層上或在覆蓋不活動部件的不同層上沿著波導更遠。由于衍射部件的各電極是可尋址的，所以可以獨立地激活覆蓋的或相對于輸出孔的特定區(qū)域被橫向地間隔開的一個或多個衍射部件，以便支持通過輸出孔的復用并提供對眼眶位置的控制。
[0081]雖然已將可控衍射部件描述為包括成對的相對可變換光柵結構，但可以使用用于實現(xiàn)類似衍射性能的其他機構，包括電動全息衍射光學裝置。
【權利要求】
1.一種近眼顯示器，包括: 波導，其在有限的第一角范圍上傳播角度相關射束， 圖像生成器，其產生在第二較寬角范圍上的角度相關射束以便形成虛像， 波導的輸入孔，其包括多個可控部件， 輸入孔的每個可控部件可選擇性地作為衍射光學裝置進行操作以便注入在第二角度范圍的有限部分上的角度相關射束的子集，以在第一角度范圍內沿著波導傳播角度相關射束的子集， 波導的輸出孔，其包括多個可控部件， 輸出孔徑的每個可控部件可選擇性地作為衍射光學裝置進行操作以便將角度相關射束的相應子集朝著眼眶發(fā)射到波導外，以及 控制器，其使輸出孔的可控部件的操作與角度相關射束的不同子集沿著波導的傳播同步，以便將角度相關射束的所述子集發(fā)射到波導外，以用于在眼眶內呈現(xiàn)虛像。
2.權利要求1的近眼顯示器，其中，輸入孔的每個可控部件與輸出孔的所述可控部件中的一個配對，以便注入和發(fā)射角度相關射束的所述子集中的一個。
3.權利要求2的近眼顯示器，其中，輸入孔的所述可控部件包括多個可變換衍射光學裝置，所述多個可變換衍射光學裝置具有用于通過不同角度衍射角度相關射束的不同子集的不同有效時段。
4.權利要求3的近眼顯示器，其中，輸出孔的所述可控部件包括多個可變換衍射光學裝置，所述多個可變換衍射光學裝置具有用于通過不同的角度衍射角度相關射束的不同子集的不同的有效時段，輸出孔的所述可控部件可在對于角度相關射束的子集而言基本上透明的第一狀態(tài)與根據其時段來衍射角度相關射束的子集的第二狀態(tài)之間進行變換。
5.權利要求4的近眼顯示器，其中，所述控制器將輸出孔的可控輸出部件變換成用于支持通過波導的輸出孔從眼眶對周圍環(huán)境的觀看的第一狀態(tài)。
6.權利要求1的近眼顯示器，其中，所述圖像生成器可操作用于產生在第二較寬角范圍上的一連串的角度相關射束，并且所述控制器為使輸出孔的所述可控部件的操作與圖像生成器的操作同步，以便將角度相關射束的子集相繼發(fā)射到波導外做準備。
7.權利要求1的近眼顯示器，其中，所述波導包括鄰近眼眶的前表面、鄰近周圍環(huán)境的后表面以及角度相關射束沿著其傳播的長度，并且所述輸入和輸出孔的所述部件包括單獨可控區(qū)段，所述單獨可控區(qū)段在基本上平行于波導的前表面和后表面的方向上相對移位。
8.權利要求7的近眼顯示器，其中，輸出孔的所述部件包括布置成柵格的多個部分。
9.權利要求2的近眼顯示器，其中，控制器使輸入和輸出孔的成對部件的操作同步，以便注入和發(fā)射角度相關射束的子集。
10.權利要求9的近眼顯示器，其中，所述波導包括鄰近眼眶的前表面、鄰近周圍環(huán)境的后表面以及角度相關射束沿著其傳播的長度，并且輸入和輸出孔的所述部件包括在基本上垂直于波導的前表面和后表面的方向上疊加的部件。
11.權利要求1的近眼顯示器，其中，所述圖像生成器為產生多個不同標稱波長中的角度相關射束做準備，輸入孔的每個可控部件為注入所述多個不同標稱波長中的一個中的角度相關射束的子集做準備，并且輸出孔的每個可控部件可操作用于發(fā)射所述多個不同標稱波長中的一個中的角度相關射束的相應子集，以便使所述不同標稱波長中的角度相關射束的所述子集在眼眶內重疊。
12.權利要求11的近眼顯示器，其中，輸入和輸出孔的所述可控部件包括多個可變換衍射光學裝置，所述多個可變換衍射光學裝置可在對于角度相關射束的子集而言基本上透明的第一狀態(tài)與衍射角度相關射束的子集的第二狀態(tài)之間進行變換。
13.權利要求12的近眼顯示器，其中，所述控制器為使輸入和輸出孔的所述可控部件的操作與圖像生成器的操作同步做準備，以便將不同標稱波長的角度相關射束的子集發(fā)射到波導外。
14.權利要求1的近眼顯示器，還包括中間衍射光學裝置，該中間衍射光學裝置具有沿著波導被定位在輸入和輸出孔之間以便選擇性地使角度相關射束的子集朝著輸出孔重新定向的可控部分。
15.權利要求14的近眼顯示器，其中，所述中間衍射光學裝置的所述部分在空間上將角度相關射束的子集分離。
16.一種用于通過波導在眼眶內向觀看者的眼睛傳送虛像的近眼顯示器的波導，包括: 板狀主體，其具有用于面對周圍環(huán)境的前表面、用于面對眼眶的后表面以及用于通過從前表面和后表面的相繼反射來傳播角度相關射束的長度， 板狀主體的輸入孔，其具有多個可控部件，所述多個可控部件用于共同地接收在限定虛像生成器的光瞳的多個波長上的角度相關射束，并用于在所述有限角度范圍內向板狀主體中分別地注入在所述多個波長范圍上的角度相關射束的子集， 板狀主體的輸出孔，其具有多個可控部件，所述多個可控部件用于分別地接收在所述多個波長上的角度相關射束的子集，并用于從波導共同地發(fā)射在所述多個波長上的角度相關射束的所述子集， 輸入和輸出孔的每個可控部件包括可變換衍射光學裝置，所述可變換衍射光學裝置可在對于在所述多個波長上的角度相關射束的子集而言基本上透明的第一狀態(tài)與衍射在所述多個波長上的角度相關射束的子集中的一個或多個的第二狀態(tài)之間進行變換，以及 控制器，其使所述輸入和輸出孔的所述可控部件的變換同步，以便在觀看者的眼睛的積分區(qū)間內相繼地注入和發(fā)射在所述多個波長上的角度相關射束的子集，以在眼眶內共同地重新形成虛像生成器的光瞳。
17.權利要求16的波導，其中，所述輸入孔的所述可控部件為相繼地注入不同的波長中的角度相關射束的子集做準備，并且所述輸出孔的所述可控部件為在觀看者的眼睛的積分區(qū)間內相繼地發(fā)射所述不同波長中的角度相關射束的相應子集做準備，以在眼眶內共同地重新形成彩色虛像生成器的光瞳。
18.權利要求17的波導，其中，所述輸入和輸出孔的所述可控部件包括在基本上垂直于波導的前表面和后表面的方向上堆疊的部件。
19.權利要求16的波導，其中，所述控制器為將輸出孔的所述可控輸出部件在第一和第二狀態(tài)之間進行變換以便同時地支持從眼眶內對周圍環(huán)境的觀看和對由虛像生成器產生的虛像的觀看做準備。
20.權利要求19的波導，其中，所述輸出孔的所述可控部件包括在基本上平行于波導的前表面和后表面的方向上相對移位的部件。
21.權利要求20的波導，其中，所述控制器將輸出孔的所述相對移位的部件中的至少一個保持在第一狀態(tài)以便支持在眼眶內對周圍環(huán)境的觀看，同時將輸出孔的所述相對移位的部件中的至少另一個變換成第二狀態(tài)以便支持在眼眶內對虛像的觀看。
22.權利要求19的波導，其中，所述輸出孔的所述可控部件在人眼的積分區(qū)間內在第一和第二狀態(tài)之間循環(huán)，以便呈現(xiàn)從眼眶對周圍環(huán)境和虛像的重疊觀看。
23.權利要求16的波導，其中，還包括中間衍射光學裝置，所述中間衍射光學裝置包括用于分別地衍射不同的波長中的角度相關射束的可控衍射部件。
24.權利要求17的波導，其中，所述中間衍射光學裝置的所述可控衍射部件包括沿著板狀主體被定位在所述輸入和輸出孔之間以便選擇性地使角度相關射束的子集朝著輸出孔重新定向的可控部分。
25.權利要求16的波導，其中，所述輸入和輸出孔的所述可控部件包括多個可變換衍射光學裝置，所述多個可變換衍射光學裝置具有用于通過不同角度衍射角度相關射束的不同子集的不同有效時段。
26.權利要求25的波導，其中，所述可變換衍射光學裝置包括與所述輸入和輸出孔的各部件內的配對光柵結構配成對的可變換光柵結構，并且所述可變換光柵結構包括電活性材料，該電活性材料具有如 下這樣的折射率，即該折射率能夠從與配成對的配對光柵結構的折射率的指數(shù)基本上匹配的值變化到與配成對的配對光柵結構的折射率基本上不匹配的另一值，以便在第一狀態(tài)和第二狀態(tài)之間對所述可控部件進行變換。
27.一種用于將圖像生成器的出射光瞳通過波導中繼到眼眶以便向觀看者呈現(xiàn)虛像的方法，包括步驟: 產生在形成圖像生成器的出射光瞳的角度范圍上的角度相關射束， 將波導的輸入孔定位為接近圖像生成器的出射光瞳以便接收所述角度相關射束， 將輸入孔的可控部件在對于所述角度相關射束而言基本上透明的第一狀態(tài)與衍射所述角度相關射束的第二狀態(tài)之間變換，以便向波導中分別地注入所述角度相關射束的子集以在有限角范圍內沿著波導傳播， 將波導的輸出孔定位為接近眼眶，以及 將所述輸出孔的可控部件在對于所述角度相關射束而言基本上透明的第一狀態(tài)與衍射所述角度相關射束的第二狀態(tài)之間變換，以便在在眼眶內重新形成圖像生成器的出射光瞳的角度范圍上從波導向眼眶中分別地發(fā)射所述角度相關射束的子集。
28.權利要求27的方法，其中，變換的步驟包括對所述輸入和輸出孔中的至少一個的所述可控部件在第一和第二狀態(tài)之間的變換的持續(xù)時間進行定時，以便平衡跨在重新形成的出射光瞳處可觀看的圖像場的強度。
29.權利要求27的方法，其中，變換的步驟包括控制所述輸入和輸出孔中的至少一個的所述可控部件的第二狀態(tài)的衍射效率，以便平衡跨在重新形成的出射光瞳處可觀看的圖像場的強度。
30.權利要求27的方法，其中，產生的步驟包括產生在形成作為彩色圖像生成器的圖像生成器的出射光瞳的波長范圍上的角度相關射束，并且變換的步驟包括:衍射不同波長中的所述角度相關射束以便向波導中分別地注入所述不同波長中的所述角度相關射束的子集以在有限角度范圍內沿著波導傳播，以及衍射所述角度相關射束以便在在眼眶內重新形成彩色圖像生成器的出射光瞳的角度和波長范圍上從波導向眼眶中分別地發(fā)射所述不同波長中的所述角度相關射束的子集。
31.權利要求30的方法，其中，變換的步驟包括對所述輸入和輸出孔的相繼的各對所述單獨可控部件進行變換，以便相繼地注入和發(fā)射所述不同波長中的所述角度相關射束的各子集。
32.權利要求27的方法，還包括用中間衍射光學裝置將沿著波導傳播的所述角度相關射束的子集朝著輸出孔重新定向的步驟。
33.權利要求32的方法，所述輸入孔在一個維度上將所述角度相關射束的子集在空間上分離，并且所述中間衍射光學裝置的部件在第二維度上將所述角度相關射束的子集在空間上分離。
34.權利要求32的方法，其中，重新定向的步驟包括在對于所述角度相關射束而言基本上透明的第一狀態(tài)與衍射所述角度相關射束的第二狀態(tài)之間對所述中間衍射光學裝置的可控部件進行變換，以便使沿著波導從輸入孔向輸出孔傳播的角度相關射束的子集分別地重新定向。
35.權利要求27的方法，其中，在其范圍內波導支持所述角度相關射束的傳播的所述有限角度范圍小于形成圖像生成器的出射光瞳的角度范圍。
【文檔編號】G03B21/14GK104040410SQ201280052952
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2012年8月29日 優(yōu)先權日:2011年8月29日
【發(fā)明者】P.J.特拉弗斯, R.J.舒爾茨 申請人:伊奎蒂公司