波導顯示器支持增強現(xiàn)實(AR)和虛擬現(xiàn)實(VR)體驗。波導顯示器可包括投影光引擎，該投影光引擎可在波導顯示器中提供計算機生成的圖像(CGI)或其它信息。在AR體驗中，波導顯示器可包括光學透視透鏡以允許將CGI疊放在用戶的現(xiàn)實世界視圖上。

波導顯示器可被包括在頭戴式顯示器(HMD)或抬頭顯示器(HUD)中。波導顯示器可通過頭戴式顯示器(HMD)的支承結構來放置。HMD可以在頭盔、遮光罩、眼鏡和護目鏡中包括波導顯示器或者包括由一個或多個帶來系附的波導顯示器。HMD可被至少用于航空、工程、科學、醫(yī)療、計算機游戲、視頻、體育、訓練、仿真和其它應用。HUD可被至少用于軍事和商業(yè)航空、汽車、軍事、陸運和海運、計算機游戲、和其它應用。

概述

本技術提供了具有緊湊型投影光引擎和具有輸入和輸出光學機構的衍射波導的波導顯示器。衍射波導可利用具有具備滾動式k向量的輸入衍射光柵的衍射元件。投影光引擎組件可包括但不限于光源或照明源(諸如LED或激光器)、圖像源(微顯示器)、柱鏡屏(微透鏡陣列)、雙合透鏡、偏振分光鏡、另一雙合透鏡、折疊鏡、弧形反射鏡以及四分之一波片本技術促成省去PBS元件，這可減小投影光引擎的組件的體積、質量和數(shù)量。在一實施例中，衍射波導至少執(zhí)行投影光引擎中的另一PBS的功能。在一實施例中，衍射波導對來自投影光引擎的圖像光進行分束和偏振，并向外置的投射出射光瞳輸出圖像光。

當使用提供透射出射光瞳的投影光引擎時，相比于支持波導顯示器的整個視野(FOV)的輸入衍射光柵，輸入衍射光柵必須支持的角帶寬可以更小。在提供投射出射光瞳的投影光引擎中，波導顯示器的FOV分布在該衍射波導的多個輸入衍射光柵上，以使得每一輸入衍射光柵支持波導顯示器的FOV的一片段或一部分。

本技術還提供了一種制造衍射波導的方法，該衍射波導具有具備不同的相關聯(lián)的k向量(或者一實施例中的滾動式k向量)的輸入衍射光柵。密相衍射光柵(諸如布拉格(Bragg)光柵)的k向量定義對于給定波長峰值衍射出現(xiàn)的角度。在制造期間，相干光線(諸如激光)由主全息圖衍射(一級衍射模式)并且筆直穿過主全息圖(零級衍射模式)以在曬印基底中形成駐波干涉圖案。該干涉圖案一旦被記錄就將是具有滾動式k向量的輸入衍射光柵。第二曬印基底同樣可以用與具有一組不同的滾動式k向量但具有相同的光柵間距的光相關聯(lián)的不同的主全息圖來形成。可組裝多個曬印基底以形成多層輸入衍射光柵堆疊(或多個衍射波導)，該多層輸入衍射光柵堆疊具有對于每一層是不同的滾動式k向量，但光柵周期或間距是相同的。該多層堆疊可支持比單個光柵能支持的角帶寬寬得多的角帶寬。

本技術提供了波導顯示器的一個或多個實施例。投影光引擎實施例包括一種裝置，該裝置包括用于提供圖像光的微顯示器以及用于接收圖像光并將圖像光輸出至投射出射光瞳的準直透鏡。PBS將圖像光輸出至微顯示器，該微顯示器將來自PBS的圖像光反射到PBS，該PBS重定向該圖像光作為重定向圖像光。衍射波導包括用于從PBS接收重定向圖像光的輸入衍射光柵。來自PBS的重定向圖像光不偏移地穿過輸入衍射光柵。四分之一波片也從PBS接收重定向圖像光并輸出該重定向圖像光?；⌒畏瓷溏R從四分之一波片接收重定向圖像光?；⌒畏瓷溏R將重定向圖像光反射并準直回到四分之一波片，四分之一波片將重定向圖像光輸出至輸入衍射光柵。來自四分之一波片的重定向圖像光由輸入衍射光柵來衍射。

在一個這樣的實施例中，PBS將具有一個偏振狀態(tài)的偏振光輸出至微顯示器，在該微顯示器處該偏振光被反射回PBS。在微顯示器的活動像素區(qū)域內(nèi)的光的偏振狀態(tài)旋轉90度并且這一次該光由PBS反射。

在一個實施例中，來自微顯示器的偏振光落入射在衍射波導的輸入衍射光柵上，并且不偏移地筆直穿過該輸入衍射光柵(被允許在不衍射的情況下經(jīng)過)?；⌒畏瓷溏R接收圖像光并且反射并準直該圖像光。四分之一波片輸出去往和來自弧形反射鏡的圖像光，并將偏振旋轉90度并且將圖像光輸出至投射出射光瞳。來自微顯示器的圖像光第二次落入射在輸入衍射光柵上并且然后被衍射到衍射波導中。在該實施例中，衍射輸入光柵可以對一個狀態(tài)中的偏振光相當敏感，而對以正交狀態(tài)偏振的光相當不敏感。

本技術提供了一種全息記錄方法的一個或多個實施例，該方法包括沿著第一光路將第一光線定向至主全息圖。主全息圖將第一光線的50％衍射到經(jīng)過全息記錄介質(或曬印基底)的第二光路。沿著第三光路將第二光線定向至主全息圖。第二光線50％不偏移地透射過(或被允許在不衍射的情況下穿過)主全息圖。第二光線在全息記錄介質中的第一點處與第一光線相交。該第一點處的第一光束與第二光束之間的所得干涉被記錄在全息記錄介質中以變成波導顯示器的輸入衍射光柵。

提供本概述以便以簡化的形式介紹以下在詳細描述中進一步描述的一些概念。本概述并不旨在標識所要求保護主題的關鍵特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保護主題的范圍。

附圖簡述

圖1是描繪近眼顯示器(NED)設備系統(tǒng)的一實施例的各示例組件的框圖。

圖2A是NED設備的控制電路系統(tǒng)實施例中的示例硬件組件的框圖。

圖2B是與具有外置出射光瞳的投影光引擎耦合的近眼顯示器實施例的俯視圖。

圖3A是緊湊型投影光引擎實施例的框圖。

圖3B是示出圖3A中示出的波導實施例的各層的俯視圖的框圖。

圖3C是另一緊湊型光引擎實施例和波導的框圖。

圖4A-B示出了另一緊湊型光引擎實施例。

圖5A-C示出了提供用于制造曬印基底的主全息圖的實施例，該曬印基底具有具備滾動式k向量的輸入衍射光柵。

圖6A-B示出了制造可以在具有具備滾動式k向量的輸入衍射光柵的衍射波導中使用的曬印基底的方法實施例。

圖7示出了容納具有外置的出射光瞳的投影光引擎以耦合在NED設備的近眼顯示器中的實施例。

圖8是從軟件角度來看的用于由NED設備顯示圖像數(shù)據(jù)的系統(tǒng)的框圖實施例。

圖9A-B是用于制造具有具備滾動式k向量的輸入衍射光柵的衍射波導的方法實施例的流程圖。

圖10是可用于實現(xiàn)網(wǎng)絡可訪問計算系統(tǒng)、NED設備的伴隨處理模塊或控制電路系統(tǒng)的計算系統(tǒng)的框圖實施例。

詳細描述

本技術提供了具有緊湊型投影光引擎和衍射波導的波導顯示器。衍射波導包括具有滾動式k向量的輸入衍射光柵。投影光引擎可包括但不限于圖像源(諸如微顯示器)、照明源(諸如LED或激光)、雙合透鏡、偏振分光鏡(PBS)、弧形反射鏡和四分之一波片。這些光學元件中的至少某一些可以是共平面的，并且被置于單個印刷電路板上。投影光引擎可具有未被沉浸在高折射率玻璃中的組件并且省略附加PBS元件，這可減小投影光引擎的組件的體積、質量和數(shù)量。波導顯示器可通過頭戴式顯示器(HMD)的支承結構來放置。在一實施例中，衍射波導至少執(zhí)行投影光引擎中的另一PBS的功能。在一實施例中，衍射波導對來自投影光引擎的圖像光進行分束和偏振，并向外置的投射出射光瞳輸出圖像光。

本技術還提供了一種制造具有滾動式k向量輸入衍射光柵的衍射波導的方法。光線由主全息圖衍射并穿過主全息圖以在全息記錄介質(或曬印基底)內(nèi)形成干涉條紋圖案，其中正干涉的平面的角度沿該介質變化。條紋被記錄在該介質中并形成布拉格光柵，其中每一輸入衍射光柵的k向量沿該介質變化。k向量變化的行為被描述為滾動式k向量。第二曬印基底同樣可以用與具有一組不同的波長的光相關聯(lián)的不同的主全息圖來形成?？山M裝多個曬印基底以形成具有具備增加的角帶寬的輸入衍射光柵的多層衍射波導(或多個波導)。

波導顯示器可具有勝過典型的投影顯示器的優(yōu)點，因為內(nèi)部機構擴大了出射光瞳以使得能夠從小入射光瞳中生成相對較大的出射光瞳。形成入射光瞳的光由準直來自諸如硅上液晶(LCoS)顯示器等微顯示器的光的投影光引擎生成。內(nèi)部機構曬印入射光瞳，與這些曬印的入射光瞳交疊以使得顯示器光具有可接受的亮度均勻性。例如，投影光引擎的出射光瞳可具有4mm出射光瞳，但波導顯示器可在眼睛平面處具有20mm的出射光瞳(或投射出射光瞳)。內(nèi)部機構可包括兩個輸入衍射光柵，這兩個輸入衍射光柵可以在一個方向上擴大出射光瞳并且然后在正交方向上擴大該出射光瞳。

諸如衍射波導等衍射技術可包括表面起伏光柵和密相布拉格光柵。這些光柵可具有有限的角帶寬，這可降低波導顯示系統(tǒng)在FOV邊緣處的效率。該降低的效率可降低近眼顯示器的透視亮度對比度。例如，通過波導顯示器，投射在外部的虛擬全息圖將可以看上去在FOV邊緣處淡化，并且可能看上去是較不真實的。

典型的輸入衍射光柵具有有限的角帶寬，尤其對高效輸入衍射光柵而言。例如，典型的密相光柵可具有大于80％的衍射效率；但光束應在繞特定輸入衍射光柵的目標角度大約5度的范圍內(nèi)接收到。例如，特定的光聚合物全息材料可具有這樣的衍射特性。換言之，為了使得與光束相關聯(lián)的信息的80％經(jīng)由衍射波導到達用戶的眼睛，光束應在繞特定輸入衍射光柵的目標入射角大約5度范圍內(nèi)。該FOV限制可通過本文描述的技術來克服。

在本文描述的方法實施例中，提供了一種制造衍射波導的輸入衍射光柵的方法，該方法可增加至少某一些輸入衍射光柵的角帶寬。輸入光柵幾何形狀被設計成使得角帶寬在空間中從一個輸入衍射光柵移位至另一輸入衍射光柵。輸入衍射光柵幾何形狀可以在具有表面起伏光柵或密相光柵的衍射波導中使用。在一實施例中，與每一輸入衍射光柵相關聯(lián)的k向量對于每一輸入衍射光柵從輸入衍射光柵的一端變化和/或滾動到該輸入衍射光柵的另一端。換言之，角帶寬通過滾動k向量來進行空間調節(jié)，因為入射光束的入射角跨光柵變化。

在一實施例中，k向量在布拉格光柵中被定義為垂直于布拉格平面的向量。在一實施例中，布拉格平面是布拉格光柵中的相長干涉的平面。在一實施例中，k向量在由Kogelnik,H.在1969年5月23日發(fā)表在貝爾系統(tǒng)技術期刊的題為“Coupled Wave Theory of Thick Hologram Grating(密全息圖光柵的耦合波理論)”的論文(Kogelnik論文)中在數(shù)學上定義。在一實施例中，k向量在Kogelnik論文中被定義為“K光柵向量(垂直于條紋平面)”。

如本文描述的衍射波導的滾動式k向量輸入衍射光柵以及投影光引擎可提供跨波導顯示器的FOV的高效且均勻的亮度。在一替代實施例中，可使用復用的輸入衍射光柵。

圖1是描繪在近眼顯示器(NED)系統(tǒng)8中實現(xiàn)的波導顯示器的示例組件的框圖，該系統(tǒng)8包括緊湊型投影光引擎以及具有滾動式k向量輸入衍射光柵的衍射波導。在所示實施例中，NED設備系統(tǒng)8包括在頭戴式顯示器(HMD)設備2中的近眼顯示器(NED)設備和伴隨處理模塊4。HMD 2通信地耦合至伴隨處理模塊4。在該示例中示出了無線通信，但也可實現(xiàn)經(jīng)由伴隨處理模塊4和HMD 2之間的線的通信。在一實施例中，HMD 2包括具有投影光引擎120(在圖3A、3C和4中示出)的NED設備和具有衍射波導的近眼顯示器14，如本文詳細描述的。

在該實施例中，HMD 2采用具有鏡架115的眼鏡的形狀，其中每個顯示器光學系統(tǒng)14l和14r被定位在HMD 2的前部以在被用戶佩戴時由每一只眼睛通過其查看。每個顯示器光學系統(tǒng)14l和14r也被稱為顯示器或近眼顯示器14，且這兩個顯示器光學系統(tǒng)14l和14r還可共同被稱為顯示器或近眼顯示器14。在這一實施例中，每一顯示器光學系統(tǒng)14l和14r使用投影顯示器，其中圖像數(shù)據(jù)(或圖像光)被投影到用戶的眼睛中以生成圖像數(shù)據(jù)的顯示，從而使得該圖像數(shù)據(jù)對于用戶而言看上去位于用戶前方的三維FOV中的位置處。例如，用戶可能正在他的起居室中以光學透視模式玩擊落敵人直升機的游戲。如圖2B中所示，直升機的圖像對于用戶而言看上去正飛過他起居室中的椅子的上方，但不在光學透鏡116和118之間，因為用戶無法聚焦于離人類眼睛很近的圖像數(shù)據(jù)上。

在該實施例中，鏡架115提供用于將HMD 2的各元件保持就位的方便的鏡框以及用于電連接的管道。在一實施例中，鏡架115為如本文所述的投影光引擎120和近眼顯示器14提供支撐結構。NED設備支撐結構的一些其它示例是頭盔、遮光罩框、護目鏡支架或一個或多個帶。鏡架115包括鼻梁架104、頂端前部的覆蓋部分117、針對HMD設備2的左側外殼(130l)和右側外殼(130r)中的每一者的相應投影光引擎外殼130以及被設計成停留在用戶的每一耳朵上的左和右鏡腿或側臂102l和102r。在該實施例中，鼻梁架104包括具有用于記錄聲音并向控制電路系統(tǒng)136傳送音頻數(shù)據(jù)的話筒110。在側外殼130l和130r的外部是相應的外向捕捉設備113l和113r(諸如相機)，這些捕捉設備捕捉在用戶前面的現(xiàn)實環(huán)境的圖像數(shù)據(jù)以用于對在近眼顯示器(NED)設備的FOV內(nèi)的事物進行映射。

在該實施例中，虛線128是連接到控制電路系統(tǒng)136(其也用虛線示出)的一些電連接路徑的說明性示例。一個虛線電連接被標記128以避免使附圖過于擁擠。在該示例中，電連接和控制電路系統(tǒng)136在虛線中以指示它們在頂端前部的覆蓋部分117下面。在用于其他組件的側臂中還可存在包括電源總線的延伸的其他電連接(未示出)，其他組件的一些示例是包括附加相機的傳感器單元、耳機或單元等音頻輸出設備以及可能為附加處理器和存儲器。示出了可用于將框架的各個部分連接在一起的諸如螺釘?shù)冗B接器129的一些示例。

伴隨處理模塊4可采取各種實施例。在一些實施例中，伴隨處理模塊4采用可被佩戴在用戶的身體(例如手腕)上的便攜式形式，或者是如移動設備(例如，智能電話、平板、膝上型計算機)之類的單獨便攜式計算系統(tǒng)。伴隨處理模塊4可以通過一個或多個通信網(wǎng)絡50使用線或無線地(例如WiFi、藍牙、紅外、紅外個域網(wǎng)、RFID傳輸、無線通用串行總線(WUSB)、蜂窩、3G、4G或其他無線通信手段)與一個或多個網(wǎng)絡可訪問計算系統(tǒng)12(無論是位于附近還是遠程位置)進行通信。在其他實施例中，伴隨處理模塊4的功能可被集成在HMD 2的軟件和硬件組件中。圖7中示出伴隨處理模塊4和網(wǎng)絡可訪問計算系統(tǒng)12的硬件組件的一些示例。

可以充分利用一個或多個網(wǎng)絡可訪問計算系統(tǒng)12來處理電力和遠程數(shù)據(jù)訪問。組件的復雜性和數(shù)目可以因網(wǎng)絡可訪問計算系統(tǒng)12和伴隨處理模塊4的不同實施例而顯著變化。在圖1中示出的一實施例中，NED設備系統(tǒng)1000可包括近眼顯示器(NED)設備系統(tǒng)8(帶或不帶伴隨處理模塊4)、通信網(wǎng)絡50和網(wǎng)絡可訪問計算系統(tǒng)12。在一實施例中，網(wǎng)絡可訪問計算系統(tǒng)12可位于遠程或云操作環(huán)境中。

圖像數(shù)據(jù)被標識以基于在控制電路系統(tǒng)136、伴隨處理模塊4和/或網(wǎng)絡可訪問計算系統(tǒng)12(或其組合)中的一個或多個處理器上執(zhí)行的應用(例如，游戲或消息收發(fā)應用)顯示以向近眼顯示器14提供圖像數(shù)據(jù)。

圖2A是包括NED設備的控制電路系統(tǒng)內(nèi)的計算系統(tǒng)的各示例硬件組件的框圖。控制電路系統(tǒng)136提供支持HMD 2的其他組件的各種電子設備。在此示例中，HMD 2的控制電路系統(tǒng)136包括處理單元210和處理單元210能夠訪問的用于存儲處理器可讀指令和數(shù)據(jù)的存儲器244。網(wǎng)絡通信模塊137通信地耦合至處理單元210，其可擔當用于將HMD 2連接至另一計算系統(tǒng)(諸如伴隨處理模塊4、另一NED設備的計算系統(tǒng)或通過因特網(wǎng)可遠程訪問的計算系統(tǒng))的網(wǎng)絡接口。電源239為控制電路系統(tǒng)136的各組件及HMD 2的其他組件(如捕捉設備113、話筒110、其他傳感器單元)并為近眼顯示器14上用于顯示圖像數(shù)據(jù)的電源汲取組件(諸如光源以及像投影光引擎中的微顯示器等與圖像源相關聯(lián)的電子電路系統(tǒng))提供電力。

處理單元210可包括一個或多個處理器(或核)，諸如包括中央處理單元(CPU)或核和圖形處理單元(GPU)或核。在不帶獨立伴隨處理模塊4的實施例中，處理單元210可包含至少一個GPU。存儲器244表示系統(tǒng)可使用的各種類型的存儲器，諸如用于執(zhí)行期間的應用使用的隨機存取存儲器(RAM)、用于傳感器數(shù)據(jù)(包括捕捉到的圖像數(shù)據(jù)和顯示數(shù)據(jù))的緩沖器、用于指令和系統(tǒng)數(shù)據(jù)的只讀存儲器(ROM)或閃存、用于存儲例如應用和用戶簡檔數(shù)據(jù)的其他類型的非易失性存儲器。圖2A示出數(shù)據(jù)總線270的電連接，其連接傳感器單元257、顯示器驅動程序246、處理單元210、存儲器244和網(wǎng)絡通信模塊137。數(shù)據(jù)總線270還通過控制電路系統(tǒng)的所有被示出的元件都連接到以汲取電力的功率總線272從電源239得到電力。

控制電路系統(tǒng)136進一步包括顯示器驅動程序246，該顯示器驅動程序246用于選擇數(shù)字控制數(shù)據(jù)(例如控制比特)來表示圖像數(shù)據(jù)，該圖像數(shù)據(jù)可由投影光引擎(例如圖2B中的120)的微顯示器電路系統(tǒng)259和不同的有源組件驅動器解碼。微顯示器(諸如圖3C中示出的微顯示器230)可以是有源透射、發(fā)射或反射設備。例如，微顯示器可以是需要電力的硅上液晶(LCoS)設備或需要電力來移動各個體反射鏡的基于微機電機器(MEMs)的設備。有源組件驅動器的一個示例是顯示器照明驅動器247，其將數(shù)字控制數(shù)據(jù)轉換成用于驅動照明單元222的模擬信號，照明單元222包括一個或多個光源，諸如一個或多個激光器或發(fā)光二極管(LED)等。在一些實施例中，顯示單元可包括諸如波導之類的用于耦合投影光引擎中的出射光瞳處的圖像光的一個或多個有源光柵253。任選的有源光柵控制器249將數(shù)字控制數(shù)據(jù)轉換成用于改變一個或多個任選的有源光柵253的屬性的信號。類似地，投影光引擎的一個或多個偏光鏡可以是有源偏光鏡255，其可由任選的(諸)有源偏光鏡控制器251驅動?？刂破麟娐废到y(tǒng)136可包括本文中沒有示出但涉及HMD 2的其他功能(諸如提供音頻輸出、標識頭部取向和位置信息)的其他控制單元。

圖2B是與具有外置出射光瞳121的投影光引擎120耦合的近眼顯示器141的一實施例的俯視圖。為了示出顯示器光學系統(tǒng)14(在該情況下是針對左眼的14l)的各個組件，頂部框架部分117覆蓋近眼顯示器14l的一部分以及投影光引擎120未被描繪。箭頭142表示近眼顯示器14l的光軸。

在該實施例中，近眼顯示器14l和14r是光學透視顯示器。在其他實施例中，它們可以是視頻觀看顯示器。每一顯示器都包括顯示單元112，該顯示單元112被示為在兩個可選的透視透鏡116和118之間并包括波導123?？蛇x的透鏡116和118是顯示單元的保護罩。這些透鏡中的一者或兩者也可用于實現(xiàn)用戶的眼鏡處方(prescription)。在該示例中，當HMD 2被佩戴時，眼睛空間140近似用戶眼睛的位置。波導將來自投影光引擎120的圖像光形式的圖像數(shù)據(jù)定向至用戶的眼睛空間140，同時還允許來自現(xiàn)實世界的光通過朝著用戶的眼睛空間，由此允許用戶除了觀看來自投影光引擎120的虛擬特征的圖像外，還具有在HMD 2的前方的空間的實際的直接視圖。

在該俯視圖中，投影光引擎120包括被示為彎曲表面的鳥盆型光學元件234。該彎曲表面將光功率提供給它反射的圖像光束235(也被描述為圖像光235)，由此也使這些光束準直化。僅一個光束被標記以防止使附圖過度擁擠。在一些實施例中，鳥盆型光學元件的曲率半徑為至少-38毫米(mm)。這些光束被準直化，但來自不同的角度，因為這些光束是從彎曲表面的不同點反射出的。因此，這些光束將在其自身的最小截面處交叉并并形成出射光瞳121。

在一些實施例中，波導123可以是衍射波導。附加地，在一些示例中，波導123是表面起伏光柵(SRG)波導。在如本文描述的實施例中，波導123包括滾動式k向量輸入衍射光柵。輸入衍射光柵119耦合來自投影光引擎120的圖像光。此外，波導具有使得圖像光以用戶的眼睛空間140的方向退出波導的多個出射光柵125。一個出射光柵125被標記以避免使附圖過度擁擠。在該示例中，最外的輸入衍射光柵119足夠寬，并被定位成在退出投影光引擎的光已抵達其出射光瞳121之前捕捉退出投影光引擎120的光。在該示例中，光學地耦合的圖像光在波導的中央部分形成其出射光瞳。參見圖3B以得到更詳細的示例。本文描述的圖3A-B提供使出射光瞳處的圖像光與定位在該出射光瞳處的輸入衍射光柵耦合的波導的示例。

出射光瞳121包括正被顯示的完整圖像的光，由此耦合出射光瞳121處表示圖像的光一次捕捉整個圖像，并由此非常高效，并在近眼顯示器14中向用戶提供完整圖像的視圖。輸入衍射光柵119能夠耦合出射光瞳121的圖像光，因為出射光瞳121在投影光引擎120的外部。在一實施例中，出射光瞳121在投影光引擎120或投影光引擎的外殼外0.5mm。在其它實施例中，出射光瞳121被投影在投影光引擎120或投影光引擎的外殼外5mm。

在圖2B的所示的實施例中，投影光引擎120在左側外殼130l中包括圖像源(例如微顯示器)以及投影光學系統(tǒng)，該圖像源產(chǎn)生圖像光，并且該投影光學系統(tǒng)折疊圖像光的光學路徑以在投影光引擎120的外部形成出射光瞳121。該投影光引擎120的形狀是適應左側外殼130l的示例的形狀的說明性示例，在圖1中該形狀符合框架115的角落的邊界從而減少了體積。該形狀可被改變?yōu)檫m應例如歸因于被實現(xiàn)的不同圖像源技術的投影光引擎120的不同布置。例如，如本文描述的圖4示出了不同的定向。在一實施例中，投影光引擎120可包括共平面的組件的至少各部分，并且可被置于諸如單個印刷電路板(PCB)等基底上，如在圖4中示出且在本文描述的。

存在可用于實現(xiàn)圖像源(諸如本文描述的微顯示器230)的不同圖像生成技術。例如，可使用透射投影技術來實現(xiàn)微顯示器。在這一技術的一個示例中，光源由光學活性材料來調制；該材料通常使用具有強大的背光以及高光能密度的透射LCD型微顯示器來實現(xiàn)。其他微顯示器使用用于使自照明單元的光被光學活性材料反射和調制的反射技術。取決于該技術，照明可以是白光源或RGB源。數(shù)字光處理(DLP)、數(shù)字微鏡設備(DMD)和LCOS是可由顯示器使用的反射技術的所有示例。此外，微顯示器可以是自發(fā)光的，諸如彩色有機發(fā)光二極管(OLED)微顯示器或LED陣列。LED陣列可通常在具有用于頻譜轉換或其它色彩轉換方法的熒光體層的GaN基底上創(chuàng)建。可以為觀看者中繼和放大自發(fā)光顯示。

圖2B示出HMD 2的一半。針對所示實施例，完整的HMD 2可以包括具有另一組任選的透視透鏡116和118、另一波導123的另一顯示器光學系統(tǒng)14，并包括另一投影光引擎120以及另一面朝外的捕捉設備113。在一些實施例中，可能存在由兩只眼睛來查看的連續(xù)顯示、而不是針對每只眼睛的顯示光學系統(tǒng)。在一些實施例中，單個投影光引擎120可以在光學上耦合至由兩個眼睛查看到的連續(xù)顯示或者在光學上耦合至針對各眼睛的分開的顯示。在2010年10月15日提交的題為“Fusing Virtual Content Into Real Content(將虛擬內(nèi)容融合到現(xiàn)實內(nèi)容中)”的美國專利申請序列號12/905952中示出頭戴式個人A/V裝置的附加細節(jié)。

圖3A是使用鳥盆型光學元件234以及四分之一波片236的投影光引擎120的一實施例的框圖。在一實施例中，鳥盆型光學元件234和四分之一波片236被沉浸在高折射率玻璃區(qū)域225中，這有助于折疊光路以提供在投影光引擎外部的出射光瞳121。在該示例中，使用具有在1.7和1.8之間的折射率的高折射率玻璃。高折射率玻璃的一些示例是燧石玻璃和具有至少1.65的折射率的玻璃。側視圖示出了與鳥盆型投影光學系統(tǒng)相關聯(lián)的一些示例性基礎元件。在各實施例中可存在附加光學元件，諸如非球面光學元件和/或偏光鏡。

在該實施例中，投影光引擎120包括圖像源和投影光學系統(tǒng)220。在一實施例中，圖像源是具有伴隨的補償鏡光學元件288以及凈化偏光鏡光學元件289的微顯示器230，諸如反射式LCoS微顯示器。在該實施例中，微顯示器230具有反射來自照明單元222的用于表示要顯示的圖像數(shù)據(jù)的光的表面231。表面231使它反射的光偏振；然而，可存在偏振誤差。凈化偏光鏡光學元件289矯正LCoS表面的偏光鏡誤差。補償鏡光學元件288是其補償參數(shù)可在LcoS微顯示器的制造期間被確定用以補償在制造期間為LCoS表面測量的誤差的光學元件。

在該實施例中，投影光學系統(tǒng)220包括在高折射率玻璃區(qū)域225之外的雙合透鏡226以及在高折射率玻璃區(qū)域225之內(nèi)的多個光學組件。雙合透鏡226矯正彩色像差并且還向反射離開表面231的圖像光提供某種準直程度。在一實施例中，雙合透鏡226可以是球面雙合透鏡。這些光學元件包括照明光導元件224、另一光導元件232(諸如偏光鏡和分光鏡(PBS))、四分之一波片236以及具有彎曲反射表面238的鳥盆型光學元件234。在其他實施例中，如在使用包括其自己的照明單元222的透射式或發(fā)射式圖像源的各實施例中，除了省略雙合透鏡以外，還可將光導元件224從投影光學系統(tǒng)220中省略。

接著討論通過這些元件的光的光路。照明光和圖像光的不同部分用不同的標號來標記以便于討論對光的處理。為了避免使附圖過于擁擠，在路徑的每一階段僅標記光束的一表示光線。由照明單元222生成的光229被定向至偏振照明光導元件224，偏振照明光導元件224在表面231的方向上定向光233。在行進到表面231時，照明光通過雙合透鏡226和補償鏡光學元件288。

照明單元222可包括的照明源的一些示例是發(fā)光二極管(LED)和激光器。在一些實施例中，可存在分開的紅色、綠色和藍色(RGB)照明源，而在其他實施例中，可存在白光源和用于表示不同色彩的濾光片。在該實施例中，在照明單元222中使用色序LED設備。色序設備包括紅色、藍色和綠色LED，這些LED在關于LCoS微顯示器的定時中按順序方式打開以產(chǎn)生全色彩圖像。在其他示例中，可使用激光器而非LED。表面231上的各個體顯示元件被微顯示器電路系統(tǒng)259控制以反射或吸收紅色、綠色和藍色光，以表示由顯示器驅動程序246針對圖像數(shù)據(jù)的所指示的色彩或灰度圖的灰度陰影。

從表面231偏振和反射的圖像光237經(jīng)過光學補償鏡288。圖像光237由雙合透鏡226來部分聚焦。圖像光237進入高折射率玻璃區(qū)域225、通過照明光導元件224、凈化偏光鏡光學元件289，并被光導元件232截取，光導元件232將再次偏振的反射光241定向通過四分之一波片236(四分之一波片236再次無源地更改該反射光的偏振狀態(tài))至鳥盆型光學元件234的彎曲反射表面238，彎曲反射表面238對圖像光進行準直化并將圖像光反射回去通過四分之一波片236以進行另一偏振狀態(tài)更改。四分之一波片提供圓偏振，而光導元件224、232一般充當線性偏光鏡。經(jīng)鳥盆反射且由四分之一波片調諧兩次的圖像光243通過光導元件232。圖像光235隨后退出投影光引擎120以實現(xiàn)到波導123中的光學耦合。

在實施例中，光導元件232是從由立方體、板、線柵偏光鏡組成的組中選擇的一種類型的分光鏡。例如，光導元件232可以是立方體分光鏡、板分光鏡或線柵偏振分光鏡。

在一實施例中，鳥盆型光學元件234是球面或非球面鳥盆型反射鏡。

圖像光235可能已經(jīng)被偏振以實現(xiàn)到一個或多個輸入衍射光柵(諸如衍射波導的一個或多個輸入衍射光柵)的更高效的耦合。在一些示例中，波導可具有多層，并且入射圖像光的偏振可用于將入射光濾光到波導的不同層。每一層具有其自己的輸入衍射光柵和出射光柵。某一層的輸入衍射光柵將特定偏振的光耦合到其層。其他偏振的光通過輸入衍射光柵以及層本身，以使得下一層的輸入衍射光柵基于其偏振而耦合接收到的光或使接收到的光通過。在一些實現(xiàn)中，不同的波長帶或光波長集合(諸如針對不同的色彩)可被定向至不同的波導層以用于增強圖像的亮度。不同波長帶中的光可被偏振以用于耦合到每一波長帶的相應層中。例如見Nguyen等人的提交日為2012年8月31日題為“NED Polarization System for Wavelength Pass-Through(供波長通過的NED偏振系統(tǒng))”的美國專利申請no.13/601,727。

一個或多個偏振光學元件在高折射率玻璃區(qū)域225內(nèi)的布置可基于多個因素，包括波導123中的層的數(shù)目、光柵的類型(例如表面起伏光柵)和用于在各層之中分發(fā)圖像光的預定標準。圖像光235在從鳥盆型彎曲反射表面238反射出時被準直化，但每一部分由于該彎曲表面而從不同的角度反射。(見圖3B關于出射光瞳處具有其最小截面的多個光束的俯視圖的示例。)在該實施例中，波導123的輸入衍射光柵119將反射光束耦合在出射光瞳121附近。在該實施例中，波導123可以是單層波導。在圖3A-C中示出的其他實施例中，可在近眼顯示器14中實現(xiàn)多層波導。

將光學元件沉浸在高折射率玻璃中將光路長度延長得足以允許采用折疊機構來啟用光引擎的緊湊封裝并且提供照明源222的光路。在本文描述的其它實施例中，不使用高折射率玻璃。

鳥盆型構造在幾何上允許光引擎的出射光瞳延伸到光引擎之外且在波導組件內(nèi)。將光耦合在波導內(nèi)的出射光瞳處減小了輸入衍射光柵的尺寸。

圖3A(和圖3B)中示出了波導123的截面?zhèn)纫晥D。波導123與眼睛區(qū)域140大致平行地延伸進入版面并進入近眼顯示器14，并使小得多的量延伸到頁面之外。在該實施例中，波導123是多層的，在該實施例中具有四個示例性層256、258、262和264以及中央波片260。線122指示投影光引擎120(或投影光引擎外殼)和波導123之間的距離。圖3A不是按比例繪制的，但投影光引擎120和波導123之間的這樣的距離的示例為約0.5mm。在中央波片260中的是要投影的出射光瞳的目標位置。在該實施例中，再次不是按比例繪制的，出射光瞳被投影在從投影光引擎120之外到波導的中央波片260為約5mm之處。此外，在該示例中，波導123具有約1.7的折射率，該折射率在高折射率玻璃的范圍內(nèi)。

在該實施例中，透視玻璃的外保護罩252包圍圖像光235通過的波導123。波導123被定位在外殼130內(nèi)，以便將出射光瞳121的圖像光光學耦合在中央波片260中。四層中的每一層都具有其自己的輸入衍射光柵。輸入衍射光柵的示例是被制造成波導123中的每一層的表面的一部分的表面起伏光柵。層256首先接收已退出投影光引擎120的圖像光235，并通過其光學輸入衍射光柵119a耦合該光。類似地，層258通過其光學輸入衍射光柵119b耦合圖像光235。中央波片層260耦合并改變其已接收到的圖像光235(包括出射光瞳)的偏振狀態(tài)。在圖像光235的截面擴張時，層262經(jīng)由光學輸入衍射光柵119c耦合圖像光235，并且當圖像光235的截面繼續(xù)擴張時，層264使圖像光235與其光學光柵119d耦合。

圖3B是示出例如在圖3A中參考鳥盆型光學元件234示出的波導123實施例的四層和中央波片的俯視圖的框圖(未按比例繪制)。中間元素沒有被示出以更容易示出光束273、275和277。三種光線(例如，273a、273b和273c)的每一集合表示光束(例如，273)。每一光束可包括表示多個色彩的光。如本文所述，每一光束被準直化。隨著這些光束從彎曲表面上的不同位置反射出，這些光束的不同部分(在本文中被示為光線)交叉，并且光束的最窄截面發(fā)生在出射光瞳121處。在一些示例中，出射光瞳的直徑為約3.0mm(再次沒有按比例繪制)。

本文所述的光學元件可由玻璃或塑料材料制成。光學元件可通過模塑、研磨和/或拋光制造。在實施例中，光學元件可以或可以不彼此接合。本文所述的光學元件可以是非球面的。在實施例中，單透鏡光學元件可被分拆為多透鏡元件。通過用多透鏡光學元件來取代單透鏡光學元件以便更多透鏡被使用實現(xiàn)了更好的圖像質量，并且因此更多屬性可用于被改變以實現(xiàn)特定的圖像質量。

圖3C是可被置于近眼顯示器中的另一緊湊型投影光引擎120a實施例和波導123的框圖。在一實施例中，波導123包括在圖4A-B中示出且如本文描述的波導475a-c。在一實施例中，圖3C所示的投影光引擎120a與圖3A所示的投影光引擎120類似地操作。在一實施例中，投影光引擎120a包括照明單元222、柱鏡屏401、雙合透鏡226、PBS 402、雙合透鏡250、微顯示器230、折疊鏡400、弧形反射鏡450以及四分之一波片236。在一實施例中，相同的附圖標記指代本文描述的類似組件。在替代實施例中，可以在投影光引擎120a中使用更多或更少的組件。

在一實施例中，圖像光從投影光引擎120a投射到波導123中的出射光瞳121。波導123然后可以向眼睛空間140提供圖像光。在一實施例中，波導123包括滾動式k向量輸入衍射光柵，如本文描述的。箭頭142表示近眼顯示器14l的光軸。在一實施例中，投影光引擎120a的孔徑是4mm。在一實施例中，投射出射光瞳距弧形反射鏡450 13mm。

在各實施例中，投影光引擎120a中的組件以共平面的定向被安裝在諸如印刷電路板等共同基底上。其它實施例包括投影光引擎120a的組件的其它幾何定向。在一實施例中，投影光引擎120a具有至少部分地共平面地耦合到PCB表面的組件。

在各實施例中，弧形反射鏡450提供聚焦控制并且可以是具有弧形反射鏡的鳥盆型光學元件。在一實施例中，四分之一波片236提供圓偏振。在一實施例中，使用兩個雙合透鏡和/或不使用非球面組件。在一實施例中，照明單元222可包括使用棱鏡注入或替換地可被波導化的激光光學元件。在一實施例中，PBS 402被置于可最大化序列對比度的微顯示器230的近旁。在一實施例中，微顯示器230具有反射來自照明單元222的用于表示要顯示的圖像數(shù)據(jù)的光的表面231。

在一實施例中，投影光引擎120不包括高折射率玻璃。

在一實施例中，可以從投影光引擎中省略一個或多個附加PBS(諸如可被具體化為圖3A所示的PBS的光導元件224)，相比于圖3A所示的投影光引擎120這可減小投影光引擎120a中的所使用的組件數(shù)、質量和光學總量(單個地或組合地)。在一實施例中，具有滾動式k向量輸入衍射光柵的波導123可以在分光和偏振光方面與所省略的PBS相類似地操作。在一實施例中，波導123被嵌入在投影光引擎120a中并且可以容適在PBS 402與弧形反射鏡450之間的間隙中。在一實施例中，投影光引擎120a的光學總量可以近似1.2cc。

接下來討論通過投影光引擎120a中的各組件的光的光路。照明光和圖像光的不同部分用不同的標號來標記以便于討論對光的處理。為了避免使附圖過于擁擠，在路徑的每一階段僅標記光束的一表示光線。由照明單元222生成的光460被定向通過柱鏡屏401、雙合透鏡226、PBS 402和雙合透鏡250至微顯示器230的表面231。在一實施例中，柱鏡屏401是可將更多光460聚焦成水平光束的透鏡。光(或圖像光)461然后從表面231通過雙合透鏡250反射到PBS 402，該PBS 402將圖像光462拆分和偏振至折疊鏡400。圖像光463從折疊鏡400通過四分之一波片236反射至弧形反射鏡450。圖像光464從弧形反射鏡450反射并且通過四分之一波片236以便在波導123中的出射光瞳121處形成圖像(或其部分)。在一實施例中，圖像光464由波導123中的第一輸入衍射光柵衍射，而圖像光463被允許在近乎相同的時間從折疊鏡400不偏移地穿過相同的第一輸入衍射光柵。在一實施例中，波導123執(zhí)行另一PBS的至少某些功能。在一實施例中，在眼睛空間140處形成外置的投射出射光瞳，如在圖4A中類似地示出的。

圖4A-B示出了包括緊湊型投影光引擎和多個衍射波導(或波導堆疊)的波導顯示器的另一實施例。具體而言，圖4A示出了投影光引擎470以及多個衍射波導475a-c(波導堆疊或衍射波導)。在一實施例中，衍射波導475a-c中的一個或多個包括具有滾動式k向量的一個或多個輸入衍射光柵，如本文描述的。在各實施例中，衍射波導475a-c替代波導123。在一實施例中，制造一個或多個衍射波導475a-c，如在圖6A-B中示出且在本文描述的。圖4B示出了圖4A所示的投影光引擎470和衍射波導475a-c的一部分，該部分向眼睛空間140處的虛擬或投射出射光瞳480提供圖像光。

在一實施例中，投影光引擎470與圖3A所示的投影光引擎120以及圖3C所示的投影光引擎120a相類似地操作。而且，投影光引擎470具有與圖3A和3C所示的實施例相似的組件。然而，在圖4A-B所示的實施例中，輸入衍射光柵(衍射波導475a-c中)支持的角帶寬可小于其中輸入衍射光柵支持整個顯示器波導FOV的實施例中的角帶寬。在圖4A-B所示的實施例中，波導顯示器FOV分布在衍射波導475a-c中的多個輸入衍射光柵上，以使得每一輸入衍射光柵都可支持顯示器波導FOV的一片段或一部分。換言之，衍射波導被包括在提供FOV的顯示器中，并且衍射波導包括提供該FOV的一部分的第一輸入衍射光柵以及提供該FOV的第二部分的第二輸入衍射光柵。

在一實施例中，投影光引擎470包括圖像源或微顯示器471，諸如反射式LCOS微顯示器。在一實施例中，微顯示器471具有反射來自諸如圖3A所示的照明單元222等照明單元的光以用于表示要顯示的圖像數(shù)據(jù)的表面471a。另外，投影光引擎470包括光導元件472(諸如PBS)、凈化偏光鏡光學元件473以及雙合透鏡474。在一實施例中，表面471a偏振它反射的圖像光；然而，可能存在偏振誤差。凈化偏光鏡光學元件473在光導元件472重定向所反射的圖像光之后矯正LCoS表面的偏光鏡誤差。雙合透鏡474矯正色像差，并且還提供對反射離開表面471a的圖像光的某一準直。在一實施例中，雙合透鏡474可以是球面雙合透鏡。圖像光然后傳遞至和傳遞自四分之一波片476。圖像光從雙合透鏡/反射鏡477反射到四分之一波片476以及衍射波導475a-c以抵達投射出射光瞳480。在一實施例中，雙合透鏡/反射鏡477包括具有用于對來自雙合透鏡474的圖像光進行反射和準直的弧形反射鏡的鳥盆型光學元件。在一實施例中，雙合透鏡/反射鏡477還用作雙合透鏡。

接著討論圖4A-B中的通過這些元件的光的光路。圖像光的不同部分用不同的標號來標記以便于討論光的進程。為了避免附圖過于擁擠，在光路的每一階段處只標記了光束的兩個代表性光線，并且未示出可使用的照明單元。在一實施例中，該光束的兩個表示(光束的第一部分由圖像光481a-c表示，而該光束的第二部分由圖像光482a-c表示)是同一光束。在一實施例中可以從光導元件472接收到的圖像光481a從表面471a反射。在一替代實施例中，圖像光481a從表面471a始發(fā)。光導元件472重定向圖像光481b通過凈化偏光鏡光學元件473、雙合透鏡474且直接不偏移地通過衍射波導475a-c的第一輸入衍射光柵至外置的投射出射光瞳480，如由圖像光471b和481c示出的。在一實施例中，衍射波導475a-c輸出從雙合透鏡/反射鏡477反射通過四分之一波片476至衍射波導475a-c的相同的第一輸入衍射光柵中的圖像光482c。圖像光482c被衍射且被提供至外置的投射出射光瞳480。圖像光482c是圖像光482b的來自雙合透鏡/反射鏡477的反射版本，該反射版本在一實施例中穿過四分之一波片476、雙合透鏡474和凈化偏光鏡473。圖像光482a從微顯示器471反射或始發(fā)，并且從光導元件472被重定向為圖像光482b。在一實施例中，圖像光482a從光導元件472接收和反射。

圖5A示出了提供用于制造曬印基底的主全息圖的實施例，該曬印基底具有具備滾動式(或不同的)k向量的輸入衍射光柵。由主全息圖形成的曬印基底(諸如圖6A-B所示的曬印基底604或654)可被用作衍射波導中的層。在一實施例中，具有全息記錄材料512的主基底504被用來提供主全息圖，諸如主全息圖603和653。在各實施例中，主基底504和其它主基底可包括基底堆疊或多個基底。在一實施例中，主全息圖可被制造成使得主全息圖具有相對較高的角帶寬，但不一定具有高衍射效率。通過使用主全息圖形成的曬印基底將會是具有由從主全息圖上的入射線匯聚的光線形成的輸入衍射光柵的接觸式曬印片。來自主全息圖的匯聚光線將使得k向量能夠對曬印基底上的每一輸入衍射光柵改變，這可根據(jù)來自諸如投影光引擎120a的投影光引擎的輸入角來調節(jié)角帶寬。

在一實施例中，曬印基底上的由主全息圖形成的至少兩個輸入衍射光柵具有不同的相關聯(lián)的k向量。在一實施例中，曬印基底上的至少兩個相鄰輸入衍射光柵具有各自的相關聯(lián)的k向量，這些k向量從每一相應k向量滾動或偏移達預定角度。在一實施例中，主全息圖被用來制造接收具有一組預定波長的光的曬印基底。

至少兩種類型的所制造的主全息圖可支持或用于如本文描述的滾動式k向量緊湊型曬印基底制造工藝。第一類型是具有足夠的角帶寬以支持針對所有曬印光束角的曬印工藝的主全息圖。可支持滾動式k向量緊湊型曬印工藝的第二種類型的主全息圖是自身具有滾動式k向量的主全息圖。第一種類型的主全息圖由圖5A所示的標準的兩個光束記錄過程來記錄。

圖5A示出了通過使用聚焦在無窮遠處的各自被投影以形成光柵間距的兩個光束來從具有全息記錄介質512的主基底504中形成主全息圖。在一實施例中，兩個相干平面激光束501和502提供從具有全息記錄介質512的主基底504中形成主全息圖的相長干涉503。在一實施例中，光束501是參考光束。在一實施例中，參考光束501由投影光引擎的主光線方向定義。在一實施例中，來自投影光引擎的主光線方向可以是垂直于波導的輸入表面的方向。在一實施例中，光束502以預定的主光線衍射角(在一實施例中是等于曬印基底的臨界角加上近眼顯示器的玻璃中的FOV的近似一半的內(nèi)角)的角度入射的相長光束。

為了確立在玻璃角內(nèi)部，主基底504的至少頂側和底側(或其各部分)被沉浸在具有與主基底504的折射率接近地匹配的折射率的光學材料505和506(由虛線示出)中。在記錄期間不添加光學材料505的情況下，光束502將超出材料的臨界角，并且傳入光束的波陣面將與反射波束交疊，從而生成不合乎需要的全息圖。為了避免第二斜光束由于主基底504的下表面處的全內(nèi)反射而導致的內(nèi)反射，主基底504由具有與主基底504的折射率接近地匹配的折射率的光學材料506背襯。該實施例假定記錄波長與重放波長(顯示器或圖像光的波長)是相同的。如果記錄波長不同于顯示器的波長，則記錄角將需要被調整以優(yōu)化顯示器的效率。

主基底504中形成具有足夠的角帶寬以支持曬印光束的入射角的主全息圖可具有以下限制：一般對于給定全息記錄介質，角帶寬越大，效率就越低。在一實施例中，主全息圖的效率是50％，以使得平衡兩個曬印光束。如果主全息圖效率更低，則一般而言接觸式曬印片將不會實現(xiàn)最大調制。

在一實施例中，在主全息圖和曬印基底之間包含反射邊緣涂層。在一實施例中，可以在圖6A所示的主全息圖603與曬印基底604之間包含反射邊緣涂層。反射邊緣涂層將部分地反射零級非衍射記錄光束并傳送來自主全息圖的衍射光束。反射邊緣涂層可被優(yōu)化成使得零級光束強度與衍射曬印光束相同。在一實施例中，用于記錄曬印基底的大量光被丟棄，從而導致延長記錄過程或可能需要更高功率的激光。這在生產(chǎn)過程中具有經(jīng)濟意義。

可支持接觸式曬印工藝的第二種類型的主全息圖是具有固定的光柵周期但具有滾動式k向量的主全息圖。存在可用于形成這種類型的主全息圖的至少兩種方法。第一種方法是圖5B所示的掃描方法。圖5C所示的第二種方法包括使用兩個光束結構光學器件的集合，其能形成具有固定光柵周期但具有滾動式k向量的主全息圖。

圖5B示出了用于從具有全息記錄介質512b的主基底504b中記錄具有固定光柵周期但具有滾動式k向量的主全息圖504b的掃描光束記錄方法。激光501b聚焦在無窮遠處并且在橫截面中是矩形的；在進入版面的方向上寬且在橫跨版面的方向上窄。激光在分光鏡502b處被拆分成兩個相干光束，并且被定向到鏡子507b以獲得一個光束，且由第二鏡子503b定向到第三鏡子508b。鏡子507b和508b分別由單獨的線性平臺和/或旋轉平臺510b和511b支承。這些平臺510b和511b在主基底504b上水平地定向。這兩個平臺510b和511b的旋轉將反射這兩個相干光束的光以形成在點509b需要的主全息圖的記錄幾何形狀。平臺510b和511b將被移動以確保這兩個光束完美地在點509b交疊。

基底504b處的相對光束角實現(xiàn)了兩個狀況。第一個狀況是形成對應于布拉格等式的光柵周期，其中該光柵周期對于該光柵的所有點是相同的。第二個狀況是形成k向量(在對應于這兩個光束的平分線的方向上)。所需k向量是被優(yōu)化以支持來自投影光引擎的顯示器或圖像光的角度范圍的k向量。為了確立需要在玻璃角內(nèi)部，主基底504b的頂部被沉浸在具有與主基底504b的折射率接近地匹配的折射率的光學材料505b中。為了避免第二斜光束由于主基底504b的下表面處的全內(nèi)反射而導致的內(nèi)反射，主基底504b由具有與主基底504b的折射率接近地匹配的折射率的光學材料506b背襯。主基底504b包含全息記錄介質512b。堆疊的精確布局取決于全息記錄介質。在一實施例中，諸如重鉻酸鹽明膠或光聚合物的液體版本等液體被用作全息記錄介質512b，并且將被夾在兩個基底之間，如圖5B所示。

在一實施例中，圖5B所示的用于記錄主全息圖504b的掃描方法使得能夠非?？斓貙π碌闹魈幏竭M行編程并且控制工藝的成本相對較低。在一實施例中，該掃描方法可由于記錄主全息圖的分段工藝以及第一和第二光束并非完美交疊的可能性而可能具有記錄在主全息圖中的邊緣效應。這些效應一般將會是主全息圖中的局部效率變化，這些變化可能在曬印工藝中被記錄。

圖5C示出了具有恒定的光柵周期但具有變化的k向量的主全息圖的雙光束記錄。第一和第二光束501c和502c所需的波陣面分別通過本領域普通技術人員已知的光線追蹤方法預定。這兩個光束在全息記錄介質507c中的點503c處的干涉確立主全息圖的光柵周期和k向量。如在先前實施例中那樣，為了確立在玻璃角內(nèi)部，主基底504c的上表面和下表面被沉浸在具有與主基底504c的折射率接近地匹配的折射率的光學材料505c和505c(由虛線示出)中。在一實施例中，光學材料505c可以是光能材料，其中光學材料505c的光功率在記錄光束501c和502c之間共享。在該實施例中，結構光學器件可以更緊湊，且光學材料505c可以比在其它實施例中更緊湊。為了避免第二斜光束由于主基底504的下表面處的全內(nèi)反射而導致的內(nèi)反射，主基底504由具有與主基底504的折射率接近地匹配的折射率的光學材料506c背襯。

用于光束501c和502c的結構光學器件可通過本領域普通技術人員已知的光線追蹤方法來設計。在一實施例中，結構光束501c和502c可包括能生成這些波陣面的一系列光學組件。在一實施例中，這些光學組件可包括但不限于透鏡、柱面鏡、非球面透鏡和/或包括計算機生成的全息圖的衍射光學組件。在一實施例中，使用雙光束工藝來記錄具有恒定光柵周期但具有滾動式k向量的主全息圖可以比圖5B所示的方法更高效。在一實施例中，圖5C所示的方法可具有可以在改變顯示器設計時被重新生成的復雜光學器件。在一實施例中，圖5B所示的方法被用來構建原型主全息圖，而圖5C所示的方法被用來構建用于制造產(chǎn)品且具體而言是如本文描述的衍射波導的主全息圖。

圖6A-B示出了制造可以在具有具備滾動式k向量的輸入衍射光柵的衍射波導中使用的一個或多個曬印基底的方法實施例。圖6A-B所示的尺寸不是按比例的。在一實施例中，從圖5A所示的主基底504中形成的主全息圖可被用來形成圖6A所示的曬印基底604。在一實施例中，從圖5A所示的主基底504中形成的主全息圖被用來形成圖6A所示的主全息圖603。在替代實施例中，從圖5B-C所示的主基底中形成的主全息圖可用于形成圖6A-B所示的曬印基底。

在一實施例中，曬印基底604被用作圖3A-C所示的衍射波導中的層，諸如一實施例中的層256。在一實施例中，曬印基底604接收具有第一組波長的光，而圖6B中示出的曬印基底654(可對應于一實施例中的層258)接收具有不同的第二組波長的光。在一實施例中，輸入衍射光柵使用諸如液晶等雙折射材料來在曬印基底604和654中形成。雙折射材料對于圖像光的一個偏振定向可以是高效的，這可使得形成多層衍射波導的所組裝的曬印基底比另一PBS更高效地運作。

在一實施例中，主全息圖603被置于曬印基底604上。主全息圖603和曬印基底604由結構605支承。光源601向主全息圖603的輸入衍射光柵611a-d提供包括光線610a-d(或射線610a-d)的光束610。在一實施例中，形成主全息圖603的輸入衍射光柵611a-d，如本文描述的。在一實施例中，光束610穿過聚焦透鏡602，該聚焦透鏡可包括非球面矯正以生成經(jīng)優(yōu)化的波陣面以便最大化與顯示器輸入衍射光柵中所需的角度相匹配的曬印全息圖的效率。

現(xiàn)在將描述圖6A所示的光束610的光路。在一實施例中，光線610a沿著第一非衍射光路(零級衍射模式)行進通過輸入衍射光柵611a處的主全息圖603以及曬印基底604。光線610a還通過主全息圖603在輸入衍射光柵611a(一級衍射模式)處沿著第二光路衍射以在點612a處形成光束。該光束表示將形成曬印基底中的干涉圖案的光束之一。第三光束(或光線)610b沿著第一非衍射路徑或第三光路行進通過輸入衍射光柵611b處的主全息圖至點612a處的曬印基底。這形成第二光束，該第二光束形成曬印基底中的干涉圖案。第一和第二光束的干涉圖案將被記錄在曬印基底中并且形成顯示器的輸入衍射光柵的一部分。來自主全息圖的非衍射光束和衍射光束的干涉將跨曬印基底繼續(xù)以形成用于顯示器的輸入衍射光柵的最終全息圖。由于輸入光束610匯聚于點613，因此干涉由通常以角度為單位滾動的兩個波陣面導致。因此，曬印全息圖的k向量將會是滾動的。

其它輸入衍射光柵被類似地形成，如在圖6A中示出的。具體而言，光線610b也在輸入衍射光柵611b處沿著第四光路衍射以形成輸入衍射光柵612b，并且光線610c沿著第五光路在輸入衍射光柵611c處進入并穿過曬印基底604至點613。輸入衍射光柵612c類似地用沿著第六光路到匯聚光束614的衍射光線610c形成，且光線610d沿著第七光路在輸入衍射光柵611d處穿過主全息圖603以形成輸入衍射光柵612c并行進至點613。

圖6B示出了制造可以在具有具備滾動式(或不同的)k向量的輸入衍射光柵的衍射波導中使用的不同的第二曬印基底654的方法實施例。在一實施例中，主全息圖653被置于曬印基底654上。主全息圖653和曬印基底654由結構605支承。光源651向主全息圖653的輸入衍射光柵661a-d提供包括光線660a-d(或射線660a-d)的光束660。在一實施例中，光源651是與光源601不同的光源。在一實施例中，形成主全息圖653的輸入衍射光柵661a-d，如本文描述的。在一實施例中，光束660穿過聚焦透鏡652。

曬印基底654的輸入光柵662a-c由類似于本文描述的輸入衍射光柵612a-c的光束660的光路形成。光束660可被定向到點663并且還被定向到匯聚光束664，如參照圖6A所示的點613和匯聚光束614類似地描述的。在各實施例中，每一輸入衍射光柵662a-c可具有不同的k向量或滾動式k向量。

如可通過圖6A-B的幾何形狀看到的，在制造期間在主全息圖與曬印基底之間存在距離(例如，輸入光柵611b與612a之間的距離)，以使得所制造的曬印基底可具有某一光能。在一實施例中，曬印基底604中的光能在一側(或輸入衍射光柵)與另一側(或下一相鄰的輸入衍射光柵)是不同的。光能可以是離軸的，并且可造成進入具有曬印基底604的波導的光的像差(例如，波導中的光可能未被恰當?shù)販手?。

為了對此進行補償，矯正透鏡或非球面元件可被置于投影光引擎中(或外置于具有曬印基底的波導)以補償光像差。

在一實施例中，曬印基底604和654可以耦合以形成多層衍射波導，諸如波導123。在一實施例中，曬印基底604和654可以在各端用粘合劑、水泥或其它粘接材料(或設備)耦合或堆疊，這允許具有輸入光柵的曬印基底表面之間存在空隙。

圖7示出用于將具有外置出射光瞳的投影光引擎120的一實施例定位成供使用眼鏡架與NED設備中的近眼顯示器光學耦合的左側外殼1301的一實施例。左側外殼130l也被稱為投影光引擎的外殼。該視圖示出了如何使投影光引擎組件可適合放在左側外殼130l中的示例。移除保護罩以查看示例性布置。在替換實施例中，投影光引擎組件可被置于不同布置和/或取向中以便適合不同大小的外殼。例如，投影光引擎的組件可以按共平面定向被置于如圖4所示的PCB上。

左側外殼130l連接至并相鄰于鏡架頂部部分117和左側臂102l以及圍繞左側顯示單元112的鏡架115的部分。在該示例中，電源饋源291被定位在左側外殼130l內(nèi)部的左上側，以從電源239為各組件提供電力。遍及左側外殼130l的都是用于向各組件提供電力以及表示指令和值的數(shù)據(jù)的各示例性電連接228(228a、228b、228c、228d和228e)。電連接的一示例是與控制電路系統(tǒng)136對接的柔性電纜228b，其可在框架頂部部分117的內(nèi)部(如圖1所示)或在其他地方，諸如在側臂102之上或之內(nèi)。

左下方開始是外殼結構222h，其包圍由表示外殼結構222h的虛線圍繞的三維空間內(nèi)的組件。外殼結構222h為照明單元222的組件(諸如該照明單元222的一個或多個光源)和至少顯示器照明驅動器247提供支撐和保護性覆蓋。顯示器照明驅動器247將數(shù)字指令轉換為模擬信號以驅動構成照明單元222的一個或多個光源，如激光器或LED。柔性電纜228c也提供電連接。在該實施例中，照明被定向至諸如反射鏡的光導元件227(被表示為虛線)，該光導元件227在光學系統(tǒng)外殼220h之內(nèi)。后面是在光學系統(tǒng)外殼220h之內(nèi)的光導元件227和光導元件224(也被表示為虛線)之間的附加元件(如另一偏光鏡)。

光學系統(tǒng)外殼220h包括投影光學系統(tǒng)220的各組件，諸如本文討論的各實施例。在該實施例中，光學系統(tǒng)外殼220h在虛線290下方延伸到箭頭294，并包括如箭頭298所指示的略微在虛線290上方延伸以及如箭頭296所指示的在左邊延伸的其部分，該光學系統(tǒng)外殼220h使各組件沉浸在高折射率玻璃中。在光學系統(tǒng)外殼220h的該視圖中，從光導元件227反射出的照明被定向至光導元件224，光導元件224將光定向通過雙合透鏡外殼226h中的雙合透鏡226至由被置于雙合透鏡226上方的芯片外殼230h來定位的微顯示器230。從微顯示器230(如在由圖3A示出的實施例中)反射的光被偏振并反射到鳥盆型光學元件234(在圖7中被示出為虛線圓)。鳥盆型光學元件234的彎曲反射表面238的背面從該視圖的頁面向外朝向。反射的圖像光被反射到頁面中，其中波導123的具有一個或多個輸入衍射光柵的一部分(未示出)在該視圖中延伸到顯示單元112的左邊和光學系統(tǒng)外殼220h的下邊，以便耦合外置出射光瞳121(未示出)的圖像光。

在一些實施例中，從芯片外殼230h的頂部到光學系統(tǒng)外殼220h的由箭頭294所指示的垂直底部的距離在20毫米之內(nèi)。在一實施例中，該距離為約17mm。這一實施例中所布置的組件包括微顯示器230、光學補償鏡228、雙合透鏡226、光導元件224、光導元件232、鳥盆型光學元件234和四分之一波片236(如布置在圖3A的實施例中)。此外，在一實施例中，光學系統(tǒng)外殼220h從其最左側296到箭頭292處的右側延伸在約30毫米之內(nèi)。

在替換實施例中，圖7中示出(或本文描述)的電子元件和光學元件可被置于具有一個或多個不同或組合的支承外殼和/或結構的替換取向或布置中。在替代實施例中，非球面元件和/或非球面凹凸透鏡可被置于左側外殼1301中和/或外置于左側外殼1301。

圖8是從用于由近眼顯示器設備顯示圖像數(shù)據(jù)或光(諸如計算機生成的圖像(CGI))的軟件角度來看的一系統(tǒng)的一實施例的框圖。圖8示出了從軟件角度來看的計算環(huán)境54的一實施例，該計算環(huán)境可由如NED系統(tǒng)8之類的系統(tǒng)、與一個或多個NED系統(tǒng)通信的網(wǎng)絡可訪問計算系統(tǒng)12或其組合來實現(xiàn)。此外，NED系統(tǒng)可與其他NED系統(tǒng)通信以共享數(shù)據(jù)和處理資源。

如本文所述，正在執(zhí)行的應用確定要顯示哪些圖像數(shù)據(jù)，其一些示例為本文、電子郵件、虛擬書或游戲相關圖像。在此實施例中，應用162可正在NED系統(tǒng)8的一個或多個處理器上執(zhí)行，并且與操作系統(tǒng)190和圖像和音頻處理引擎191通信。在所例示的實施例中，網(wǎng)絡可訪問計算系統(tǒng)12也可正在執(zhí)行該應用的版本162N以及其他NED系統(tǒng)8，網(wǎng)絡可訪問計算系統(tǒng)12與所述其他NED系統(tǒng)8通信以增強體驗。

在一實施例中，應用162包括游戲。在實施例中，游戲可被存儲在遠程服務器上并從控制臺、計算機或智能電話購買。游戲可整體或部分在服務器、控制臺、計算機、智能電話上或在其任何組合上執(zhí)行。在實施例中，多個用戶可使用標準控制器、計算機、智能電話、或伴隨設備來與游戲交互并使用空中姿勢、觸摸、語音或按鈕來與游戲通信。

一個或多個應用的應用數(shù)據(jù)329也可被存儲在一個或多個網(wǎng)絡可訪問的位置中。應用數(shù)據(jù)329的一些示例可以是針對以下各項的一個或多個規(guī)則的數(shù)據(jù)存儲：將動作響應鏈接到用戶輸入數(shù)據(jù)的規(guī)則、用于確定響應于用戶輸入數(shù)據(jù)要顯示哪些圖像數(shù)據(jù)的規(guī)則、可向姿勢識別引擎193注冊的自然用戶輸入(如與應用相關聯(lián)的一個或多個姿勢)的參考數(shù)據(jù)、一個或多個姿勢的執(zhí)行準則、可向聲音識別引擎194注冊的語音用戶輸入命令、可向圖像和音頻處理引擎191的可選物理引擎(未示出)注冊的與應用相關的虛擬對象的物理模型、以及場景中的虛擬對象和虛擬圖像的對象屬性(如色彩、形狀、面部特征、著裝等)。

如圖8中所示，計算環(huán)境54的軟件組件包括與操作系統(tǒng)190通信的圖像和音頻處理引擎191。圖像和音頻處理引擎191的所示實施例包括對象識別引擎192、姿勢識別引擎193、顯示數(shù)據(jù)引擎195、聲音識別引擎194、以及場景映射引擎306。各個體引擎和數(shù)據(jù)存儲通過發(fā)送標識要處理的數(shù)據(jù)的請求以及接收數(shù)據(jù)更新的通知來提供對應用162可利用來實現(xiàn)其一個或多個功能的數(shù)據(jù)和任務的支持平臺。操作系統(tǒng)190促進各個引擎和應用之間的通信。操作系統(tǒng)190使得以下對各個應用可用：對象識別引擎192已標識的對象、姿勢識別引擎193已標識的姿勢、聲音識別引擎194已標識的語言或聲音、以及來自場景映射引擎306的對象(現(xiàn)實對象或虛擬對象)的位置。

計算環(huán)境54還將數(shù)據(jù)存儲在(諸)圖像和音頻數(shù)據(jù)緩沖器199中，圖像和音頻數(shù)據(jù)緩沖器199提供用于可從各種源捕捉或接收的圖像數(shù)據(jù)和音頻數(shù)據(jù)的存儲器以及用于要被顯示的圖像數(shù)據(jù)的存儲器空間。緩沖區(qū)可存在于NED(例如，作為總存儲器244的一部分)上并且還可以存在于伴隨處理模塊4上。

在許多應用中，將顯示與現(xiàn)實環(huán)境中的現(xiàn)實對象相關的虛擬數(shù)據(jù)(或虛擬圖像)。圖像和音頻處理引擎191的對象識別引擎192基于來自面向外的圖像捕捉設備113的捕捉到的圖像數(shù)據(jù)以及捕捉到的深度數(shù)據(jù)(如果可用)、或根據(jù)由捕捉設備113捕捉到的現(xiàn)實環(huán)境的圖像數(shù)據(jù)通過立體觀測確定的深度位置，來檢測和標識出顯示器視野中的現(xiàn)實對象、它們的朝向以及它們的位置。對象識別引擎192通過標記對象邊界(例如使用邊緣檢測)并且將對象邊界與結構數(shù)據(jù)200進行比較來將現(xiàn)實對象彼此區(qū)分開。除了標識出對象的類型以外，可以基于與所存儲的結構數(shù)據(jù)200的比較來檢測所標識出的對象的朝向?？赏ㄟ^一個或多個通信網(wǎng)絡50訪問的結構數(shù)據(jù)200可以存儲要比較的結構化信息(諸如結構化模式)以及作為模式識別的基準的圖像數(shù)據(jù)?；鶞蕡D像數(shù)據(jù)和結構化模式也可在存儲在基于云的存儲本地或可在基于云的存儲中訪問的用戶簡檔數(shù)據(jù)197中得到。

場景映射引擎306追蹤現(xiàn)實和虛擬對象在顯示器視野的3D映射中的三維(3D)位置、取向、和移動?；谂c對象識別引擎192的通信或導致圖像數(shù)據(jù)被顯示的一個或多個執(zhí)行中的應用162，圖像數(shù)據(jù)將被顯示在用戶的視野中或圍繞用戶的體空間的3D映射中。

應用162針對由圖像數(shù)據(jù)所表示的且由應用控制的對象來標識顯示器視野的3D映射中的目標3D空間位置。例如，直升機擊落應用基于擊落虛擬直升機的用戶的動作來標識直升機的位置和對象屬性的改變。顯示數(shù)據(jù)引擎195執(zhí)行轉換、旋轉和縮放操作以用于以正確的大小和視角顯示圖像數(shù)據(jù)。顯示數(shù)據(jù)引擎195將顯示器視野中的目標3D空間位置與顯示器單元112的顯示坐標進行相關。例如，顯示數(shù)據(jù)引擎可存儲每一可分開尋址的顯示位置或區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)(例如，像素，在Z緩沖區(qū)和分開的色彩緩沖區(qū)中)。顯示器驅動程序246將每一顯示區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)轉換成對微顯示器電路系統(tǒng)259或顯示器照明驅動器247或兩者的數(shù)字控制數(shù)據(jù)指令以供圖像源控制圖像數(shù)據(jù)的顯示。

本文描述技術可以用其他具體形式或環(huán)境來實施而不背離其精神或實質特性。同樣，對于模塊、引擎例程、應用、特征、屬性、方法和其他方面的特定命名和劃分并非是強制性的，且實現(xiàn)本技術或其特征的機制可具有不同的名稱、劃分和/或格式。

本文描述的技術可用各種操作環(huán)境來具體化。例如，NED系統(tǒng)8和/或網(wǎng)絡可訪問計算系統(tǒng)12可被包括在物聯(lián)網(wǎng)(IoT)實施例中。IoT實施例可包括可具有經(jīng)由傳感器捕捉信息的能力的設備的網(wǎng)絡。而且，這些設備可以能夠追蹤、解釋和傳遞所收集的信息。這些設備可根據(jù)用戶偏好和隱私設置行動以傳送信息并與其它設備合作地工作。信息可在各個設備中直接傳遞或經(jīng)由網(wǎng)絡(諸如局域網(wǎng)(LAN)、廣域網(wǎng)(WAN)、互聯(lián)的LAN或WAN的“云”或跨整個互聯(lián)網(wǎng))傳遞。這些設備可被集成到計算機、電器、智能電話、可穿戴設備、可植入設備、車輛(例如，汽車、飛機、和火車)、玩具、建筑物和其它對象中。

本文描述的技術還可具體化在大數(shù)據(jù)或云操作環(huán)境中。在云操作環(huán)境中，包括本文描述的數(shù)據(jù)、圖像、引擎、操作系統(tǒng)和/或應用的信息可經(jīng)由互聯(lián)網(wǎng)從遠程存儲設備訪問。在一實施例中，模塊化的租賃私有云可被用來遠程訪問信息。在大數(shù)據(jù)操作實施例中，數(shù)據(jù)集具有超出通常使用的用于在可容忍的流逝時間內(nèi)捕捉、創(chuàng)建、管理、和處理數(shù)據(jù)的軟件工具的能力的大小。在一實施例中，圖像數(shù)據(jù)可遠程存儲在大數(shù)據(jù)操作實施例中。

圖9A-B是用于制造具有諸如滾動式k向量輸入衍射光柵等輸入衍射光柵的衍射波導的方法實施例的流程圖。圖9A-B中示出的步驟可由光學元件、硬件組件和軟件組件單個地或組合地執(zhí)行。圖9A-B所示的步驟可通過諸如半導體處理步驟等各種不同類型的制造步驟來執(zhí)行。出于說明性目的，本文描述的方法實施例可提供可以在本文描述的系統(tǒng)和裝置實施例的上下文中使用的衍射波導。然而，這些方法實施例和具有特定輸入衍射光柵的所得衍射波導不限于在本文描述的系統(tǒng)實施例中操作，而是可以在其他系統(tǒng)實施例中實現(xiàn)。

在一實施例中，以下描述且在圖9A-B中示出的步驟951-957示出了制造第一曬印基底或衍射波導層中的至少兩個滾動式(或不同的)k向量輸入衍射光柵，如圖6A所示。在另一實施例中，以下描述且在圖9B中示出的步驟958-962示出了制造第二曬印基底或衍射波導的第二層中的至少兩個滾動式(或不同的)k向量輸入衍射光柵，如圖6B所示。

方法950的步驟951通過將第一光線沿著第一光路定向至第一全息圖來開始。在一實施例中，第一光線對應于來自圖6A所示的光源601和透鏡602的光線610a。在一實施例中，第一全息圖對應于主全息圖603。

步驟952示出了由第一全息圖將第一光線衍射到通過第一曬印基底的第二光路。在一實施例中，第一光線從主全息圖603中的輸入衍射光柵611a衍射到曬印基底604中的點612a。

步驟953示出了將第二光線沿著第三光路定向至第一全息圖。在一實施例中，第二光線對應于來自圖6A所示的光源601和透鏡602的光線610b。

步驟954示出了允許第二光線沿著第三光路穿過第一全息圖，第二光線在形成第一曬印基底的第一輸入衍射光柵的該曬印基底中的第一點處與第一光線相交。在一實施例中，第一曬印基底中的第一點對應于如圖6A所示的輸入衍射光柵612a。

步驟955示出了由第一全息圖將第二光線沿著第四光路衍射到第一曬印基底。在一實施例中，第二光線從主全息圖603中的輸入衍射光柵611b衍射到曬印基底604中的輸入衍射光柵612b。在一實施例，步驟

圖9B所示的步驟956示出了將第三光線沿著第五光路定向至第一全息圖。在一實施例中，第三光線對應于圖6A所示的光線610c。

步驟957示出了允許第三光線沿著第五光路穿過第一全息圖，以使得第三光線在形成第一曬印基底的第二輸入衍射光柵的第一曬印基底中的第二點處與第二光線相交。步驟957還示出了第一輸入衍射光柵具有相關聯(lián)的第一k向量以及不同的第二k向量。在一實施例中，第二曬印基底中的第二點對應于輸入衍射光柵612b。在替代實施例中，以上描述的步驟中的至少兩個步驟可被重復以在第一曬印基底上(諸如在圖6A所示的輸入衍射光柵612c處)形成更多輸入衍射光柵。

步驟958示出了將第五光線沿著第六光路定向至第二全息圖。在一實施例中，第五光線對應于來自圖6B所示的光源651和透鏡652的光線660a。在一實施例中，第二全息圖對應于主全息圖653。

步驟959示出了由第二全息圖將第五光線衍射到通過第二曬印基底的第七光路。在一實施例中，第五光線從主全息圖653中的輸入衍射光柵611a衍射到曬印基底654中的輸入衍射光柵662a。

步驟960示出了將第六光線沿著第八光路定向至第二全息圖。在一實施例中，第六光線對應于來自圖6B所示的光源651和透鏡652的光線660b。

步驟961示出了允許第六光線沿著第八光路穿過第二全息圖，以使得第六光線在形成第二曬印基底的第一輸入衍射光柵的第二曬印基底中的第一點處與第五光線相交。在一實施例中，第二曬印基底中的第一點對應于如圖6B所示的輸入衍射光柵662a。在替代實施例中，以上描述的步驟中的至少兩個步驟可被重復以在第二曬印基底上(諸如在圖6B所示的輸入衍射光柵662b-c處)形成更多輸入衍射光柵。

步驟962示出了將第一曬印基底耦合到第二曬印基底以使得在第一曬印基底與第二曬印基底之間存在空隙。在一實施例中，可使用粘接材料來耦合曬印基底。在一實施例中，第一曬印基底對應于層256，而第二曬印基底對應于圖3A-B所示的層258。

圖10是可用于實現(xiàn)網(wǎng)絡可訪問計算系統(tǒng)12、伴隨處理模塊4或HMD 2的控制電路系統(tǒng)136的另一實施例的示例性計算系統(tǒng)900(也被稱為計算機系統(tǒng))的框圖。計算系統(tǒng)900可主存計算環(huán)境54的軟件組件中的至少一些。在一實施例中，計算系統(tǒng)900可包括云服務器、服務器、客戶端、對等體、臺式計算機、膝上型計算機、手持處理設備、平板、智能電話、和/或可穿戴計算/處理設備。

在其最基本配置中，計算系統(tǒng)900通常包括一個或多個處理單元(或核)902或一個或多個中央處理單元(CPU)和一個或多個圖形處理單元(GPU)。計算系統(tǒng)900還包括存儲器904。取決于計算系統(tǒng)的確切配置和類型，存儲器904可以包括易失性存儲器905(如RAM)、非易失性存儲器907(如ROM、閃存等)或是其某種組合。該最基本配置在圖10中由虛線906來例示出。

另外，計算系統(tǒng)900還可具有附加特征/功能。例如，計算機系統(tǒng)900還可包括附加存儲(可移動和/或不可移動)，包括但不限于磁盤、光盤或磁帶。這樣的附加存儲在圖10中由可移動存儲908和不可移動存儲910來例示出。

作為處理單元902的替換或附加，本文描述的功能可以至少部分由一個或多個其它硬件邏輯組件來執(zhí)行或實現(xiàn)。例如，并且但不僅限于，可以使用的硬件邏輯組件的說明性類型包括現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)、程序專用集成電路(ASIC)、程序專用標準產(chǎn)品(ASSP)、片上系統(tǒng)(SOC)、復雜可編程邏輯器件(CPLD)，及其他類似類型的硬件邏輯組件。

計算系統(tǒng)900還可包含允許該設備與其他計算系統(tǒng)通信的(諸)通信模塊912，包括一個或多個網(wǎng)絡接口和收發(fā)機。計算系統(tǒng)900還可具有輸入設備914，諸如鍵盤、鼠標、筆、話筒、觸摸輸入設備、姿勢識別設備、面部識別設備、追蹤設備或類似的輸入設備。也可包括輸出設備916，諸如顯示器、揚聲器、打印機或類似的輸出設備。

用于與用戶對接的用戶界面(UI)軟件組件可被存儲在計算機系統(tǒng)900中并由計算系統(tǒng)900執(zhí)行。在一實施例中，計算系統(tǒng)900存儲并執(zhí)行自然語言用戶界面(NUI)和/或3D UI。NUI的示例包括使用語音識別、觸摸和觸筆識別、屏上及鄰近屏的姿勢識別、空中姿勢、頭部和眼部跟蹤、說話和語音、視覺、觸摸、懸浮、姿勢以及機器智能。NUI技術的具體類別可包括例如觸敏顯示、話音和語音識別、意圖和目的理解、使用深度相機(如立體或飛行時間相機系統(tǒng)、紅外相機系統(tǒng)、RGB相機系統(tǒng)及其組合)的運動姿勢檢測、使用加速度計/陀螺儀的運動姿勢檢測、面部識別、3D顯示、頭部、眼睛和注視跟蹤、沉浸式增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，所有這些都可提供更自然的接口，以及用于使用電場傳感電極(EEG和相關方法)的傳感大腦活動的技術。

UI(包括NUI)軟件組件可至少部分在本地計算機、平板、智能電話、NED設備系統(tǒng)上執(zhí)行和/或存儲。在一替換實施例中，UI可至少部分在服務器上執(zhí)行和/或存儲并被發(fā)送至客戶端。UI可被生成為服務的一部分并且它可以與諸如社交網(wǎng)絡服務等其它服務集成。

附圖中例示出的示例計算系統(tǒng)包括計算機可讀存儲設備的示例。計算機可讀存儲設備也是處理器可讀存儲設備。這樣的設備包括以用于存儲諸如計算機可讀指令、數(shù)據(jù)結構、程序模塊或其他數(shù)據(jù)等信息的任意方法或技術來實現(xiàn)的易失性和非易失性、可移動和不可移動存儲器設備。處理器或計算機可讀存儲設備的一些示例是RAM、ROM、EEPROM、高速緩存、閃存或其他存儲器技術、CD-ROM、數(shù)字多功能盤(DVD)或其他光盤存儲、記憶棒或卡、磁帶盒、磁帶、媒體驅動器、硬盤、磁盤存儲或其他磁性存儲設備、或能用于存儲信息且可由計算系統(tǒng)訪問的任何其他設備。

某些實施例的各方面

一個或多個實施例包括一種裝置，該裝置包括用于輸出圖像光的偏振分光鏡以及用于將來自該偏振分光鏡的圖像光反射回偏振分光鏡的微顯示器，該偏振分光鏡重定向該圖像光作為重定向圖像光。一種衍射波導，具有用于從偏振分光鏡接收重定向圖像光的輸入衍射光柵。來自偏振分光鏡的重定向圖像光不偏移地穿過輸入衍射光柵。四分之一波片從偏振分光鏡接收重定向圖像光并輸出該重定向圖像光。弧形反射鏡從四分之一波片接收重定向圖像光。弧形反射鏡將重定向圖像光反射并準直回到四分之一波片，四分之一波片將重定向圖像光輸出至輸入衍射光柵。來自四分之一波片的重定向圖像光由輸入衍射光柵來衍射。

在一裝置實施例中，其中衍射波導被包括在提供視野的顯示器中，其中衍射波導包括提供該視野的一部分的輸入衍射光柵以及提供該視野的第二部分的另一輸入衍射光柵。

在一實施例中，其中衍射波導執(zhí)行另一偏振分光鏡的至少一個功能。

在一實施例中，該裝置還包括凈化偏光鏡以及雙合透鏡，該凈化偏光鏡從偏振分光鏡接收重定向圖像光并輸出該重定向圖像光，該雙合透鏡從凈化偏光鏡接收重定向圖像光并將該重定向圖像光輸出到衍射波導。

在一實施例中，其中偏振分光鏡、微顯示器、弧形反射鏡以及四分之一波片中的至少一部分是共平面的和/或被放置在印刷電路板上。

在一實施例中，該裝置還包括包含多層的衍射波導。四分之一波片輸出重定向圖像光通過衍射波導至投射出射光瞳。

在一實施例中，多層中的第一層包括具有第一k向量的輸入衍射光柵，而多層中的第二層具有具備第二k向量的另一輸入衍射光柵。第一k向量不同于第二k向量。

在一實施例中，該裝置被包括在具有投影光引擎和近眼顯示器的近眼顯示設備中。投影光引擎包括微顯示器、偏振分光鏡、弧形反射鏡以及四分之一波片。近眼顯示器包括衍射波導。

一個或多個實施例包括一種方法，該方法包括將第一光線沿著第一光路定向至第一全息圖。第一全息圖將第一光線衍射到通過第一曬印基底的第二光路。沿著第三光路將第二光線定向至第一全息圖。第二光線被允許沿著第三光路穿過第一全息圖。第二光線在形成第一曬印基底的第一輸入衍射光柵的第一曬印基底中的第一點處與第一光線相交。

在一實施例中，該方法還包括由第一全息圖將第二光線沿著第四光路衍射到第一曬印基底。沿著第五光路將第三光線定向至第一全息圖。第三光線被允許沿著第五光路穿過第一全息圖。第三光線在形成第一曬印基底的第二輸入衍射光柵的第一曬印基底中的第二點處與第二光線相交。第一輸入衍射光柵具有相關聯(lián)的第一k向量以及第二k向量，其中第一k總量不同于第二k向量。

在一實施例中，該方法還包括將第五光線沿著第六光路定向至第二全息圖。第二全息圖將第五光線衍射到通過第二曬印基底的第七光路。沿著第八光路將第六光線定向至第二全息圖。第六光線被允許沿著第八光路穿過第二全息圖。第六光線在形成第二曬印基底的第一輸入衍射光柵的第二曬印基底中的第一點處與第五光線相交。

在一實施例中，第一全息圖與具有第一組波長的第一光相關聯(lián)，而第二全息圖與具有第二組波長的第二光相關聯(lián)。

在一實施例中，該方法包括將第一曬印基底耦合到第二曬印基底以使得在第一曬印基底與第二曬印基底之間存在空隙。

在一實施例中，第一曬印基底和第二曬印基底形成在近眼顯示器中使用的多層衍射波導的第一層和第二層，該近眼顯示器在多層衍射波導中的出射光瞳處接收圖像光。

一個或多個裝置實施例包括計算機系統(tǒng)和具有波導顯示器的頭戴式顯示器。一種裝置包括一種提供表示圖像數(shù)據(jù)的電子信號的計算機系統(tǒng)。頭戴式顯示器響應于該電子信號提供圖像光。頭戴式顯示器包括波導顯示器。波導顯示器包括用于輸出圖像光的偏振分光鏡。微顯示器將來自偏振分光鏡的圖像光反射回到偏振分光鏡，偏振分光鏡重定向該圖像光作為重定向圖像光。衍射波導具有用于從偏振分光鏡接收重定向圖像光的輸入衍射光柵。來自偏振分光鏡的重定向圖像光不偏移地穿過輸入衍射光柵。四分之一波片從偏振分光鏡接收重定向圖像光并輸出該重定向圖像光?；⌒畏瓷溏R從四分之一波片接收重定向圖像光?；⌒畏瓷溏R將重定向圖像光反射并準直回到四分之一波片，四分之一波片將重定向圖像光輸出至輸入衍射光柵。來自四分之一波片的重定向圖像光由輸入衍射光柵來衍射。衍射波導執(zhí)行另一偏振分光鏡的至少一個功能。衍射波導將圖像光輸出至外置于衍射波導的投射出射光瞳。

在一裝置實施例中，其中波導顯示器包括視野，且衍射波導包括用于輸出該視野的第一部分的輸入衍射光柵以及用于輸出該視野的第二部分的另一輸入衍射光柵。

在另一裝置實施例中，該裝置包括用于從偏振分光鏡接收重定向圖像光并輸出該重定向圖像光的凈化偏光鏡。雙合透鏡從凈化偏光鏡接收重定向圖像光并將該重定向圖像光輸出至衍射波導。

在一裝置實施例中，衍射波導包括多層，其中該多層中的第一層包括由第一全息圖衍射的第一光線以及穿過第一全息圖的第二光線形成的第一輸入衍射光柵。

在一裝置實施例中，衍射波導包括多層中的第二層。第二層包括由第二全息圖衍射的第三光線以及穿過第二全息圖的第四光線形成的第一輸入衍射光柵。第一全息圖與具有第一組波長的第一光相關聯(lián)，而第二全息圖與具有第二組波長的第二光相關聯(lián)。

在前面的段落中描述的實施例可以與專門描述的替換實施例中的一者或多者相組合。

盡管用結構特征和/或動作專用的語言描述了本主題，但可以理解，所附權利要求書中定義的主題不必限于上述具體特征或動作。相反，上述特定特征和動作是作為實現(xiàn)權利要求書的示例而公開的，并且本領域的技術人員將認識到其他等價特征和動作旨在處于權利要求書的范圍內(nèi)。