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CN113302431A - 用于近眼波导显示器的体布拉格光栅 - Google Patents

用于近眼波导显示器的体布拉格光栅 Download PDF

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CN113302431A
CN113302431A CN202080008855.2A CN202080008855A CN113302431A CN 113302431 A CN113302431 A CN 113302431A CN 202080008855 A CN202080008855 A CN 202080008855A CN 113302431 A CN113302431 A CN 113302431A
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CN
China
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vbg
display
multiplexed
grating
substrate
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Application number
CN202080008855.2A
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李熙允
迟万里
帕西·萨里科
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Facebook Technologies LLC
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Abstract

一种波导显示器，该波导显示器包括对可见光透明的衬底、被配置为将显示光耦合到衬底中使得显示光通过全内反射在衬底内传播的耦合器、衬底上的第一多路复用体布拉格光栅(VBG)和衬底上的第二多路复用VBG。第二多路复用VBG至少在波导显示器的透视区域中与第一多路复用VBG重叠。第一多路复用VBG被配置为将显示光衍射到第二多路复用VBG的两个或更多个区域，并且第二多路复用VBG被配置为将显示光衍射到波导显示器的视窗的两个或更多个区域。

Description

用于近眼波导显示器的体布拉格光栅
背景
本专利申请要求2019年1月11日提交的题为“Volume Bragg Gratings forIncreasing Field of View and Reducing Form-Factor of Waveguide Display”、序列号为62/791,563的美国临时专利申请和2019年12月24日提交的题为“Volume BraggGratings for Near-Eye Waveguide Display”、序列号为16/726,667的美国非临时专利申请的权益和优先权，其公开内容通过引用以其整体结合于此以用于所有目的。
诸如头戴式显示器(HMD)或平视显示器(HUD)系统的人工现实系统通常包括近眼显示器(例如，头戴式装置(headset)或一副眼镜)，该近眼显示器被配置成经由例如用户眼睛前方大约10mm-20mm内的电子显示器或光学显示器向用户呈现内容。例如在虚拟现实(VR)、增强现实(AR)或混合现实(MR)应用中，近眼显示器可以显示虚拟对象或者将现实对象的图像与虚拟对象组合。例如，在AR系统中，用户可以例如通过透过透明显示眼镜或透镜观看(通常称为光学透视(optical see-through)来观看虚拟对象的图像(例如，计算机生成的图像(CGI))和周围环境。
一个示例光学透视AR系统可以使用基于波导的光学显示器，其中投影图像的光可以耦合到波导(例如，透明衬底)中，在波导内传播，并且在不同位置处从波导耦合出去。在一些实现中，可以使用衍射光学元件(例如倾斜光栅)将投影图像的光耦合到波导中或从波导耦合出去。来自周围环境的光可以穿过波导的透视区域并到达用户的眼睛。
概述
本公开总体上涉及光学透视近眼显示系统。更具体地说，本文公开了用于扩展视窗(eyebox)、减小显示雾度(display haze)、减小物理尺寸以及增加包括光栅耦合器的光学透视近眼显示系统的视场的技术。本文描述了各种发明实施例，包括设备、系统、方法等。
根据一些实施例，波导显示器可以包括对可见光透明的衬底、被配置为将显示光(display light)耦合到衬底中使得显示光通过全内反射在衬底内传播的耦合器、衬底上的第一多路复用体布拉格光栅(VBG，volume Bragg grating)和衬底上的第二多路复用VBG。第二多路复用VBG可以至少在波导显示器的透视区域中与第一多路复用VBG重叠。第一多路复用VBG可以被配置为将显示光衍射到第二多路复用VBG的两个或更多个区域，并且第二多路复用VBG可以被配置为将显示光衍射到波导显示器的视窗的两个或更多个区域。
在波导显示器的一些实施例中，第一多路复用VBG可以包括通过少于100次曝光记录的少于100个VBG，例如通过少于50次曝光记录的少于50个VBG。在一些实施例中，第一多路复用VBG的特征在于厚度小于100μm，例如小于50μm。第二多路复用VBG可以包括通过少于100次曝光记录的少于100个VBG，例如通过少于50次曝光记录的少于50个VBG。
在一些实施例中，波导显示器还可以包括衬底上的第三多路复用VBG，其中第三多路复用VBG可以被配置为将通过耦合器耦合到衬底中的显示光衍射到第一多路复用VBG。在一些实施例中，第三多路复用VBG可以包括多个VBG，其中多个VBG中的每个VBG可以具有与第一多路复用VBG中的相应VBG的光栅矢量相同的相应光栅矢量。在一些实施例中，第一多路复用VBG和第三多路复用VBG通过相同数量的曝光来记录。
在一些实施例中，波导显示器还可以包括衬底上的第三多路复用VBG和第四多路复用VBG。第三多路复用VBG可以被配置为将通过耦合器耦合到衬底中的显示光的第一部分衍射到第一多路复用VBG。第四多路复用VBG可以被配置为将通过耦合器耦合到衬底中的显示光的第二部分衍射到第一多路复用VBG。在一些实施例中，显示光的第一部分和显示光的第二部分可以对应于不同的波长范围或不同的视场。在一些实施例中，第一多路复用VBG可以包括第一组VBG和第二组VBG。第三多路复用VBG可以包括第三组VBG，其中第三组VBG中的每个VBG可以具有与第一组VBG中的相应VBG的光栅矢量相同的相应光栅矢量。第四多路复用VBG可以包括第四组VBG，其中第四组VBG中的每个VBG可以具有与第二组VBG中的相应VBG的光栅矢量相同的相应光栅矢量。第一组VBG和第二组VBG可以位于第一多路复用VBG的不同区域中。在一些实施例中，第三多路复用VBG和第四多路复用VBG可以位于衬底表面上的不同区域中，或者位于衬底的不同层或表面上。
在波导显示器的一些实施例中，第一多路复用VBG可以包括第一区域和第二区域，其中第一区域可以被配置为将通过耦合器耦合到衬底中的显示光衍射到第一多路复用VBG的第二区域，并且第一多路复用VBG的第二区域可以至少部分地与第二多路复用VBG重叠，并且可以被配置为将显示光衍射到第二多路复用VBG。
在波导显示器的一些实施例中，耦合器可以包括衍射耦合器、折射耦合器或反射耦合器。在一些实施例中，第一多路复用VBG可以被配置为在第一方向上扩展显示光，并且第二多路复用VBG可以被配置为在第二方向上扩展显示光。
根据某些实施例，使用波导显示器显示图像的方法可以包括：由耦合器将显示光耦合到对可见光透明的衬底中；由衬底引导显示光在衬底内传播；由第一多路复用体布拉格光栅(VBG)的两个或更多个区域将显示光衍射到第二多路复用VBG的两个或更多个区域；以及由第二多路复用VBG的两个或更多个区域将来自第一多路复用VBG的显示光衍射到波导显示器的视窗的两个或更多个区域。第二多路复用VBG可以至少在波导显示器的透视区域中与第一多路复用VBG重叠。
在一些实施例中，该方法还可以包括由第三多路复用VBG将通过耦合器耦合到衬底中的显示光衍射到第一多路复用VBG。在一些实施例中，第三多路复用VBG中的每个VBG可以具有与第一多路复用VBG中的相应VBG的光栅矢量相同的相应光栅矢量。
在一些实施例中，该方法还可以包括由第三多路复用VBG将第一波长范围内的显示光衍射到第一多路复用VBG，以及由第四多路复用VBG将第二波长范围内的显示光衍射到第一多路复用VBG，其中第四多路复用VBG可以比第三多路复用VBG更靠近第二多路复用VBG。在一些实施例中，将第一波长范围内的显示光衍射到第一多路复用VBG可以包括将第一波长范围内的显示光衍射到第一多路复用VBG的第一区域。将第二波长范围内的显示光衍射到第一多路复用VBG可以包括将第二波长范围内的显示光衍射到第一多路复用VBG的偏离第一区域的第二区域。
在一些实施例中，第一多路复用VBG可以通过20次至100次曝光来记录。第二多路复用VBG可以通过少于100次曝光来记录。第一多路复用VBG的厚度在20μm和100μm之间。
本概述既不意图识别所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不意图单独用于确定所要求保护的主题的范围。应当参考本公开的整个说明书的适当部分、任何或所有附图以及每项权利要求来理解主题。前述内容连同其他特征和示例一起将在下面的说明书、权利要求和附图中被更详细地描述。
附图简述
下面参考以下附图详细描述说明性实施例。
图1是根据某些实施例的包括近眼显示器的示例人工现实系统环境的简化框图。
图2是用于实现本文公开的一些示例的头戴式显示器(HMD)设备形式的示例近眼显示器的透视图。
图3是用于实现本文公开的一些示例的一副眼镜形式的示例近眼显示器的透视图。
图4示出了根据某些实施例的使用波导显示器的示例光学透视增强现实系统。
图5A示出了体布拉格光栅的示例。图5B示出了图5A所示的体布拉格光栅的布拉格条件。
图6示出了根据某些实施例的基于体布拉格光栅的波导显示器的示例。
图7示出了根据某些实施例的作为入射光波长的函数的多路复用体布拉格光栅的示例的衍射效率。
图8示出了根据某些实施例的具有减小的形状因子的基于体布拉格光栅的波导显示器的示例。
图9示出了根据某些实施例的作为入射光波长的函数的多路复用体布拉格光栅的示例的衍射效率。
图10示出了根据某些实施例的具有减小的形状因子和提高的功率效率的基于体布拉格光栅的波导显示器的示例。
图11示出了根据某些实施例的作为入射光波长的函数的多路复用体布拉格光栅的示例的衍射效率。
图12示出了根据某些实施例的具有减小的形状因子和提高的功率效率的基于体布拉格光栅的波导显示器的示例。
图13示出了根据某些实施例的具有减小的形状因子和提高的功率效率的基于体布拉格光栅的波导显示器的示例。
图14示出了根据某些实施例的使用波导显示器显示图像的示例方法。
图15是根据某些实施例的示例近眼显示器的示例电子系统的简化框图。
附图仅为了说明的目的而描绘本公开的实施例。本领域中的技术人员从下面的描述中将容易认识到示出的结构和方法的可选的实施例可以被采用而不偏离本公开的原理和所推崇的益处。
在附图中，相似的部件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，可以通过在附图标记之后用短划线和在相似部件之间进行区分的第二标记来区分相同类型的各个部件。如果说明书中仅使用第一附图标记，则该描述适用于具有相同第一附图标记的任何一个相似部件，而与第二附图标记无关。
详细描述
本公开总体上涉及光学透视近眼显示系统。更具体地且不受限制地，本文公开了用于扩展视窗、减小显示雾度、减小物理尺寸以及增加包括光栅耦合器的基于波导的近眼显示系统的视场的技术。本文描述了各种发明实施例，包括设备、系统、方法等。
根据某些实施例，在基于波导的近眼显示器中用于双轴光瞳扩展(dual-axispupil expansion)的两个输出光栅(或两个光栅层或多路复用光栅的两个部分)可以在基于波导的近眼显示器的光学透视区域的至少一部分中重叠。第一输出光栅可以包括两个或更多个子光栅或子区域，其中第一子光栅(或子区域)可以在第一方向上将显示光引导到第二子光栅(或子区域)，用于第一方向上的光瞳复制(pupil replication)，并且第二子光栅(或子区域)可以将显示光引导到第二输出光栅。第二输出光栅可以在第二方向上扩展光瞳。第二输出光栅和第一输出光栅的两个或更多个子光栅(或子区域)中的每一个可以在薄光栅材料(例如，光聚合物)层上以少量(例如，少于100次)曝光来记录。第一输出光栅的第二子光栅(或子区域)可以在基于波导的近眼显示器的透视区域的至少一部分中与第二输出光栅重叠。
因为第一输出光栅的第二子光栅(或子区域)和第二输出光栅在薄光栅材料层上以少量曝光来记录，所以第一输出光栅的第二子光栅和第二输出光栅在透视区域中的重叠不会导致显著的显示雾度。此外，由于重叠，可以减小两个输出光栅的总面积，从而减小基于波导的近眼显示器的物理尺寸。这两个输出光栅可以扩展基于波导的近眼显示器的视窗(或输出光瞳)。每个光栅或子光栅可以是多路复用光栅，以衍射多个视场和不同颜色(波长)的显示光，使得被引导到视窗或输出光瞳的显示光可以包括多个视场和不同颜色(波长)的显示光。这样，基于波导的近眼显示器的视窗和视场可以增加，并且基于波导的近眼显示器的显示雾度和物理尺寸可以减小。
在以下的描述中，为了解释的目的，阐述了具体细节以便提供对公开的示例的透彻理解。然而，很明显，没有这些具体细节也可以实施各种示例。例如，设备、系统、结构、组件、方法和其他部件可以以框图形式被示出为部件，以避免在不必要的细节上模糊示例。在其他情况下，公知的设备、过程、系统、结构和技术可以在没有必要细节的情况下被示出，以避免模糊示例。附图和描述并不旨在是限制性的。在本公开中使用的术语和表达被用作描述性术语而非限制性术语，并且在使用这些术语和表达时无意排除所示出和描述的特征或其部分的任何等同物。词语“示例”在本文中用于表示“用作示例、实例或说明”。本文中描述为“示例”的任何实施例或设计不一定被解释为比其他实施例或设计更优选或更有利。
图1是根据某些实施例的包括近眼显示器120的人工现实系统环境100的示例的简化框图。图1所示的人工现实系统环境100可以包括近眼显示器120、可选的外部成像设备150和可选的输入/输出接口140，它们可以各自耦合到可选的控制台110。尽管图1示出了包括一个近眼显示器120、一个外部成像设备150和一个输入/输出接口140的示例人工现实系统环境100，但人工现实系统环境100中可以包括任何数量的这些部件，或者可以省略任何部件。例如，可以有多个近眼显示器120，这些近眼显示器120由与控制台110通信的一个或更多个外部成像设备150监控。在一些配置中，人工现实系统环境100可以不包括外部成像设备150、可选的输入/输出接口140和可选的控制台110。在替代配置中，人工现实系统环境100中可以包括不同的或附加的部件。
近眼显示器120可以是向用户呈现内容的头戴式显示器。由近眼显示器120呈现的内容示例包括一个或更多个图像、视频、音频或其某种组合。在一些实施例中，音频可以经由外部设备(例如，扬声器和/或头戴式耳机)呈现，该外部设备从近眼显示器120、控制台110或两者接收音频信息，并基于音频信息来呈现音频数据。近眼显示器120可以包括一个或更多个刚性主体，该刚性主体可以刚性或非刚性地彼此联接。刚性主体之间的刚性联接可以使所联接的刚性主体充当单个刚性实体。刚性主体之间的非刚性联接可以允许刚性主体相对于彼此移动。在各种实施例中，近眼显示器120可以以任何合适的形状因子(包括一副眼镜)来被实现。将在下面参照图2-图4进一步描述近眼显示器120的一些实施例。另外，在各种实施例中，本文描述的功能可以用在组合了近眼显示器120外部环境的图像和人工现实内容(例如，计算机生成的图像)的头戴式装置中。因此，近眼显示器120可以用生成的内容(例如，图像、视频、声音等)来增强近眼显示器120外部的物理、现实环境的图像，以向用户呈现增强现实。
在各种实施例中，近眼显示器120可以包括显示电子器件122、显示光学器件124和眼睛跟踪单元130中的一个或更多个。在一些实施例中，近眼显示器120还可以包括一个或更多个定位器126、一个或更多个位置传感器128和惯性测量单元(IMU)132。在各种实施例中，近眼显示器120可以省略这些元件中的任何一个，或者可以包括附加元件。附加地，在一些实施例中，近眼显示器120可以包括组合了结合图1描述的各种元件的功能的元件。
显示电子器件122可以根据从例如控制台110接收的数据向用户显示图像或促进图像的显示。在各种实施例中，显示电子器件122可以包括一个或更多个显示面板，例如液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)显示器、无机发光二极管(ILED)显示器、微型发光二极管(mLED)显示器、有源矩阵OLED显示器(AMOLED)、透明OLED显示器(TOLED)或某种其他显示器。例如，在近眼显示器120的一个实施方式中，显示电子器件122可以包括前TOLED面板、后显示面板以及在前显示面板和后显示面板之间的光学部件(例如，衰减器、偏振器或者衍射膜或光谱膜)。显示电子器件122可以包括发射诸如红色、绿色、蓝色、白色或黄色的主要颜色(predominant color)的光的像素。在一些实施方式中，显示电子器件122可以通过由二维面板产生的立体效果来显示三维(3D)图像，以创建图像深度的主观感知。例如，显示电子器件122可以包括分别位于用户的左眼和右眼前方的左显示器和右显示器。左显示器和右显示器可以呈现相对于彼此水平偏移的图像的副本，以产生立体效果(即，观看图像的用户对图像深度的感知)。
在某些实施例中，显示光学器件124可以(例如，使用光学波导和耦合器)光学地显示图像内容，或者放大从显示电子器件122接收的图像光，校正与图像光相关联的光学误差，并将校正后的图像光呈现给近眼显示器120的用户。在各种实施例中，显示光学器件124可以包括一个或更多个光学元件，例如衬底、光学波导、光圈、菲涅尔透镜、凸透镜、凹透镜、滤光器、输入/输出耦合器或可以影响从显示电子器件122发射的图像光的任何其他合适的光学元件。显示光学器件124可以包括不同光学元件以及机械联接的组合，以保持组合中的光学元件的相对间距和定向。显示光学器件124中的一个或更多个光学元件可以具有光学涂层，例如抗反射涂层、反射涂层、滤光涂层或不同光学涂层的组合。
显示光学器件124对图像光的放大可以允许显示电子器件122比更大的显示器物理上更小、重量更轻并且消耗更少的功率。附加地，放大可以增加显示内容的视场。显示光学器件124对图像光的放大倍数可以通过调整光学元件、添加光学元件或从显示光学器件124移除光学元件来改变。在一些实施例中，显示光学器件124可以将显示的图像投影到一个或更多个图像平面，该图像平面可以比近眼显示器120更远离用户的眼睛。
显示光学器件124也可以被设计成校正一种或更多种类型的光学误差，例如二维光学误差、三维光学误差或其组合。二维误差可以包括二维中出现的光学像差(opticalaberration)。二维误差的示例类型可以包括桶形失真、枕形失真、纵向色差和横向色差。三维误差可以包括三维中出现的光学误差。三维误差的示例类型可以包括球面像差(spherical aberration)、彗形像差(comatic aberration)、像场弯曲(field curvature)和像散(astigmatism)。
定位器126可以是相对于彼此并相对于近眼显示器120上的参考点位于近眼显示器120上特定位置的对象。在一些实现中，控制台110可以识别由外部成像设备150捕获的图像中的定位器126，以确定人工现实头戴式装置的位置、定向或两者。定位器126可以是发光二极管(LED)、锥体棱镜(corner cube reflector)、反射标记、与近眼显示器120操作的环境形成对比的一种类型的光源或者它们的一些组合。在定位器126是有源部件(例如，LED或其他类型的发光器件)的实施例中，定位器126可以发射可见光波段(例如，约380nm至750nm)中的光、红外(IR)波段(例如，约750nm至1mm)中的光、紫外波段(例如，约10nm至约380nm)中的光、电磁波谱的另一部分中的光或电磁波谱中各部分的任意组合中的光。
外部成像设备150可以基于从控制台110接收的校准参数生成慢速校准数据。慢速校准数据可以包括显示定位器126的观察位置的一个或更多个图像，这些图像可被外部成像设备150检测到。外部成像设备150可以包括一个或更多个照相机、一个或更多个摄像机、能够捕获包括一个或更多个定位器126的图像的任何其他设备、或者它们的一些组合。附加地，外部成像设备150可以包括一个或更多个滤光器(例如，用于提高信噪比)。外部成像设备150可以被配置成检测从外部成像设备150的视场中的定位器126发射或反射的光。在定位器126包括无源元件(例如，回射器(retroreflector))的实施例中，外部成像设备150可以包括照亮一些或所有定位器126的光源，定位器126可以将光回射到外部成像设备150中的光源。可以将慢速校准数据从外部成像设备150传送到控制台110，并且外部成像设备150可以从控制台110接收一个或更多个校准参数，用于调整一个或更多个成像参数(例如，焦距、焦点、帧速率、传感器温度、快门速度、孔径等)。
位置传感器128可以响应于近眼显示器120的运动而生成一个或更多个测量信号。位置传感器128的示例可以包括加速度计、陀螺仪、磁力计、其他运动检测或误差校正传感器或者它们的一些组合。例如，在一些实施例中，位置传感器128可以包括测量平移运动(例如，向前/向后、向上/向下、或向左/向右)的多个加速度计和测量旋转运动(例如，俯仰、偏航、或滚动)的多个陀螺仪。在一些实施例中，各个位置传感器可以彼此正交定向。
IMU 132可以是基于从一个或更多个位置传感器128接收的测量信号生成快速校准数据的电子器件。位置传感器128可以位于IMU 132的外部、IMU 132的内部或这两种位置的某种组合。基于来自一个或更多个位置传感器128的一个或更多个测量信号，IMU 132可以生成快速校准数据，该快速校准数据指示相对于近眼显示器120的初始位置的近眼显示器120的估计位置。例如，IMU 132可以对从加速度计接收的测量信号在时间上进行积分，以估计速度矢量，并且对速度矢量在时间上进行积分，以确定近眼显示器120上参考点的估计位置。替代地，IMU 132可以向控制台110提供采样的测量信号，控制台110可以确定快速校准数据。虽然参考点通常可以被定义为空间中的点，但是在各种实施例中，参考点也可以被定义为近眼显示器120内的点(例如，IMU 132的中心)。
眼睛跟踪单元130可以包括一个或更多个眼睛跟踪系统。眼睛跟踪可以指确定眼睛相对于近眼显示器120的位置，包括眼睛的定向和定位。眼睛跟踪系统可以包括对一只或更多只眼睛进行成像的成像系统，并且可以可选地包括光发射器，该光发射器可以生成指向眼睛的光，使得由眼睛反射的光可以被成像系统捕获。例如，眼睛跟踪单元130可以包括发射可见光谱或红外光谱中的光的非相干或相干光源(例如，激光二极管)，以及捕获由用户眼睛反射的光的照相机。作为另一个示例，眼睛跟踪单元130可以捕获由微型雷达单元发射的反射无线电波。眼睛跟踪单元130可以使用低功率光发射器，其以不会伤害眼睛或引起身体不适的频率和强度发射光。眼睛跟踪单元130可以被布置成提高眼睛跟踪单元130捕获的眼睛图像中的对比度，同时降低眼睛跟踪单元130消耗的总功率(例如，降低由眼睛跟踪单元130中包括的光发射器和成像系统消耗的功率)。例如，在一些实施方式中，眼睛跟踪单元130可以消耗小于100毫瓦的功率。
近眼显示器120可以使用眼睛的定向来例如，确定用户的瞳孔间距离(IPD)、确定凝视方向、引入深度线索(例如模糊用户主视线之外的图像)、收集关于VR媒体中的用户交互的启发信息(heuristics)(例如，根据经受的刺激在任何特定主体、对象或帧上花费的时间)、实现部分地基于至少一只用户眼睛的定向的一些其他功能、或者实现上述的一些组合。因为可以确定用户双眼的定向，所以眼睛跟踪单元130可以确定用户正在看哪里。例如，确定用户凝视的方向可以包括基于所确定的用户左眼和右眼的定向来确定集合点(pointof convergence)。集合点可以是用户眼睛的两个视网膜中央凹轴(foveal axis)相交的点。用户凝视的方向可以是穿过集合点和用户眼睛瞳孔之间中点的线的方向。
输入/输出接口140可以是允许用户向控制台110发送动作请求的设备。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束应用，或者是在应用内执行特定动作。输入/输出接口140可以包括一个或更多个输入设备。示例输入设备可以包括键盘、鼠标、游戏控制器、手套、按钮、触摸屏或用于接收动作请求并将接收到的动作请求传送到控制台110的任何其他合适的设备。由输入/输出接口140接收的动作请求可以被传送到控制台110，控制台110可以执行对应于所请求动作的动作。在一些实施例中，输入/输出接口140可以根据从控制台110接收的指令向用户提供触觉反馈。例如，当接收到动作请求时，或者当控制台110已经执行了所请求的动作并将指令传送给输入/输出接口140时，输入/输出接口140可以提供触觉反馈。
控制台110可以根据从外部成像设备150、近眼显示器120和输入/输出接口140中的一个或更多个接收的信息，向近眼显示器120提供内容以呈现给用户。在图1所示的示例中，控制台110可以包括应用储存器112、头戴式装置跟踪模块114、人工现实引擎116和眼睛跟踪模块118。控制台110的一些实施例可以包括与结合图1描述的模块不同的或附加的模块。下面进一步描述的功能可以以不同于这里描述的方式分布在控制台110的部件中。
在一些实施例中，控制台110可以包括处理器和存储可由处理器执行的指令的非暂时性计算机可读存储介质。处理器可以包括并行执行指令的多个处理单元。非暂态计算机可读存储介质可以是任何存储器，例如硬盘驱动器、可移动存储器、或固态驱动器(例如，闪存或动态随机存取存储器(DRAM))。在各种实施例中，结合图1描述的控制台110的模块可以被编码为非暂时性计算机可读存储介质中的指令，当由处理器执行时，这些指令使得处理器执行下面进一步描述的功能。
应用储存器112可以存储用于由控制台110执行的一个或更多个应用。应用可以包括一组指令，该组指令当由处理器执行时生成用于呈现给用户的内容。由应用生成的内容可以对经由用户眼睛的移动从用户接收的输入或者从输入/输出接口140接收的输入进行响应。应用的示例可以包括：游戏应用、会议应用、视频回放应用或其他合适的应用。
头戴式装置跟踪模块114可以使用来自外部成像设备150的慢速校准信息来跟踪近眼显示器120的移动。例如，头戴式装置跟踪模块114可以使用来自慢速校准信息的观察到的定位器和近眼显示器120的模型来确定近眼显示器120的参考点的位置。头戴式装置跟踪模块114还可以使用来自快速校准信息的位置信息来确定近眼显示器120的参考点的位置。此外，在一些实施例中，头戴式装置跟踪模块114可以使用快速校准信息、慢速校准信息中的一部分或其某种组合来预测近眼显示器120的未来位置。头戴式装置跟踪模块114可以向人工现实引擎116提供近眼显示器120的估计或预测的未来位置。
头戴式装置跟踪模块114可以使用一个或更多个校准参数来校准人工现实系统环境100，并且可以调整一个或更多个校准参数以降低确定近眼显示器120的位置时的误差。例如，头戴式装置跟踪模块114可以调整外部成像设备150的焦点，以获得在近眼显示器120上观察到的定位器的更准确的位置。此外，头戴式装置跟踪模块114执行的校准也可以考虑从IMU132接收的信息。附加地，如果对近眼显示器120的跟踪丢失(例如，外部成像设备150失去至少阈值数量定位器126的视线)，头戴式装置跟踪模块114可以重新校准一些或所有校准参数。
人工现实引擎116可以在人工现实系统环境100内执行应用，并且从头戴式装置跟踪模块114接收近眼显示器120的位置信息、近眼显示器120的加速度信息、近眼显示器120的速度信息、近眼显示器120的预测未来位置或者它们的某种组合。人工现实引擎116还可以从眼睛跟踪模块118接收估计的眼睛位置和定向信息。基于接收到的信息，人工现实引擎116可以确定要提供给近眼显示器120用于显现给用户的内容。例如，如果接收到的信息指示用户已经向左看，则人工现实引擎116可以为近眼显示器120生成反映(mirror)用户眼睛在虚拟环境中的移动的内容。附加地，人工现实引擎116可以响应于从输入/输出接口140接收的动作请求来执行在控制台110上执行的应用内的动作，并且向用户提供指示动作已经被执行的反馈。反馈可以是经由近眼显示器120的视觉或听觉反馈，或者经由输入/输出接口140的触觉反馈。
眼睛跟踪模块118可以从眼睛跟踪单元130接收眼睛跟踪数据，并基于眼睛跟踪数据确定用户眼睛的位置。眼睛的位置可以包括相对于近眼显示器120或其任何元件的眼睛的定向、定位或两者。因为眼睛的旋转轴根据眼睛在眼窝中的定位而改变，所以确定眼睛在眼窝中的定位可以允许眼睛跟踪模块118更精确地确定眼睛的定向。
在一些实现中，眼睛跟踪模块118可以存储由眼睛跟踪单元130捕获的图像与眼睛位置之间的映射，以从由眼睛跟踪单元130捕获的图像确定参考眼睛位置。替代地或附加地，眼睛跟踪模块118可以通过比较从中确定参考眼睛位置的图像和从中确定更新的眼睛位置的图像来确定相对于参考眼睛位置的更新的眼睛位置。眼睛跟踪模块118可以使用来自不同成像设备或其他传感器的测量结果来确定眼睛位置。例如，眼睛跟踪模块118可以使用来自慢速眼睛跟踪系统的测量结果来确定参考眼睛位置，然后从快速眼睛跟踪系统确定相对于参考眼睛位置的更新的位置，直到基于来自慢速眼睛跟踪系统的测量结果来确定下一个参考眼睛位置为止。
眼睛跟踪模块118还可以确定眼睛校准参数，以提高眼睛跟踪的精度和准确度。眼睛校准参数可以包括每当用户佩戴或调整近眼显示器120时都会改变的参数。示例眼睛校准参数可以包括眼睛跟踪单元130的部件和眼睛的一个或更多个部位(例如眼睛的中心、瞳孔、角膜边界或眼睛表面上的点)之间的估计距离。其他示例眼睛校准参数可以特定于特定用户，并且可以包括估计的平均眼睛半径、平均角膜半径、平均巩膜半径、眼睛表面上的特征图以及估计的眼睛表面轮廓。在来自近眼显示器120外部的光可以到达眼睛的实施例中(如在一些增强现实应用中)，校准参数可以包括由于来自近眼显示器120外部的光的变化而导致的强度和色彩平衡的校正因子。眼睛跟踪模块118可以使用眼睛校准参数来确定由眼睛跟踪单元130捕获的测量值是否允许眼睛跟踪模块118确定准确的眼睛位置(本文也称为“有效测量值”)。眼睛跟踪模块118可能无法从中确定准确眼睛位置的无效测量值可能是由用户眨眼、调整头戴式装置或移除头戴式装置引起的，和/或可能是由近眼显示器120由于外部光而经历大于阈值的照明变化引起的。在一些实施例中，眼睛跟踪模块118的至少一些功能可以由眼睛跟踪单元130来执行。
图2是用于实现本文公开的一些示例的头戴式显示器(HMD)设备200形式的示例近眼显示器的透视图。HMD设备200可以是例如虚拟现实(VR)系统、增强现实(AR)系统、混合现实(MR)系统或其一些组合的一部分。HMD设备200可以包括主体220和头带230。图2以透视图示出了主体220的顶侧223、前侧225和右侧227。头带230可以具有可调节或可延伸的长度。在HMD设备200的主体220和头带230之间可以有足够的空间，以允许用户将HMD设备200安装到用户的头上。在各种实施例中，HMD设备200可以包括附加的、更少的或不同的部件。例如，在一些实施例中，HMD设备200可以包括例如图2所示的眼镜腿(eyeglass temple)和镜腿末端(temples tips)，而不是头带230。
HMD设备200可以向用户呈现包括具有计算机生成元素的物理、现实世界环境的虚拟和/或增强视图的媒体。由HMD设备200呈现的媒体的示例可以包括图像(例如，二维(2D)或三维(3D)图像)、视频(例如，2D或3D视频)、音频或其一些组合。图像和视频可以通过封装在HMD设备200的主体220中的一个或更多个显示组件(图2中未示出)呈现给用户的每只眼睛。在各种实施例中，一个或更多个显示组件可以包括单个电子显示面板或多个电子显示面板(例如，用户的每只眼睛一个显示面板)。电子显示面板的示例可以包括，例如，液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)显示器、无机发光二极管(ILED)显示器、微型发光二极管(mLED)显示器、有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示器、透明有机发光二极管(TOLED)显示器、某种其他显示器或它们的一些组合。HMD设备200可以包括两个视窗区域。
在一些实施方式中，HMD设备200可以包括各种传感器(未示出)，例如深度传感器、运动传感器、位置传感器和眼睛跟踪传感器。这些传感器中的一些可以使用结构光图案进行感测。在一些实施方式中，HMD设备200可以包括用于与控制台通信的输入/输出接口。在一些实施方式中，HMD设备200可以包括虚拟现实引擎(未示出)，该虚拟现实引擎可以在HMD设备200内执行应用，并且从各种传感器接收HMD设备200的深度信息、位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置或其一些组合。在一些实施方式中，由虚拟现实引擎接收的信息可以用于向一个或更多个显示组件产生信号(例如，显示指令)。在一些实施方式中，HMD设备200可以包括定位器(未示出，例如定位器126)，定位器相对于彼此和相对于参考点位于主体220上的固定位置。每个定位器可以发射可由外部成像设备检测的光。
图3是用于实现本文公开的一些示例的一副眼镜形式的近眼显示器300的示例的透视图。近眼显示器300可以是图1的近眼显示器120的特定实现，并且可以被配置为作为虚拟现实显示器、增强现实显示器和/或混合现实显示器来操作。近眼显示器300可以包括框架305和显示器310。显示器310可以被配置为向用户呈现内容。在一些实施例中，显示器310可以包括显示电子器件和/或显示光学器件。例如，如上关于图1的近眼显示器120所述，显示器310可以包括LCD显示面板、LED显示面板或光学显示面板(例如，波导显示组件)。
近眼显示器300还可以包括框架305上或框架305内的各种传感器350a、350b、350c、350d和350e。在一些实施例中，传感器350a-350e可以包括一个或更多个深度传感器、运动传感器、位置传感器、惯性传感器或环境光传感器。在一些实施例中，传感器350a-350e可以包括一个或更多个图像传感器，其被配置为生成表示不同方向上的不同视场的图像数据。在一些实施例中，传感器350a-350e可以用作输入设备来控制或影响近眼显示器300的显示内容，和/或向近眼显示器300的用户提供交互式VR/AR/MR体验。在一些实施例中，传感器350a-350e也可以用于立体成像。
在一些实施例中，近眼显示器300还可以包括一个或更多个照明器330，以将光投射到物理环境中。投射的光可以与不同的频带(例如，可见光、红外光、紫外光等)相关联，并且可以服务于各种目的。例如，照明器330可以在黑暗环境中(或者在具有低强度红外光、紫外光等的环境中)投射光，以帮助传感器350a-350e在黑暗环境内捕获不同对象的图像。在一些实施例中，照明器330可以用于将特定的光图案投射到环境中的对象上。在一些实施例中，照明器330可以用作定位器，例如上面参照图1描述的定位器126。
在一些实施例中，近眼显示器300还可以包括高分辨率照相机340。照相机340可以捕获视场中的物理环境的图像。所捕获的图像可以例如由虚拟现实引擎(例如，图1的虚拟现实引擎116)处理，以将虚拟对象添加到所捕获的图像或者修改所捕获的图像中的物理对象，并且所处理的图像可以由用于AR或MR应用的显示器310显示给用户。
图4示出了根据某些实施例的使用波导显示器的光学透视增强现实系统400的示例。增强现实系统400可以包括投影仪410和组合器415。投影仪410可以包括光源或图像源412和投影仪光学器件414。在一些实施例中，图像源412可以包括显示虚拟对象的多个像素，例如LCD显示面板或LED显示面板。在一些实施例中，图像源412可以包括生成相干光或部分相干光的光源。例如，图像源412可以包括激光二极管、垂直腔面发射激光器和/或发光二极管。在一些实施例中，图像源412可以包括多个光源，每个光源发射对应于原色(例如，红色、绿色或蓝色)的单色图像光。在一些实施例中，图像源412可以包括光学图案生成器，例如空间光调制器。投影仪光学器件414可以包括一个或更多个光学部件，光学部件可以调节来自图像源412的光，例如对光进行扩展、准直、扫描或者将光从图像源412投影到组合器415。一个或更多个光学部件可以包括，例如，一个或更多个透镜、液体透镜、反射镜、光圈和/或光栅。在一些实施例中，投影仪光学器件414可以包括具有多个电极的液体透镜(例如，液晶透镜)，允许扫描来自图像源412的光。
组合器415可以包括输入耦合器430，用于将来自投影仪410的光耦合到组合器415的衬底420中。输入耦合器430可以包括体全息光栅、衍射光学元件(DOE)(例如，表面浮雕光栅)、或折射耦合器(例如，光楔(wedge)或棱镜)。对于可见光，输入耦合器430可以具有大于30％、50％、75％、90％或更高的耦合效率。如本文所使用的，可见光可以指波长在大约380nm至大约750nm之间的光。耦合到衬底420中的光可以通过例如全内反射(TIR)在衬底420内传播。衬底420可以是一副眼镜的镜片的形式。衬底420可以具有平坦或弯曲的表面，并且可以包括一种或更多种类型的介电材料，例如玻璃、石英、塑料、聚合物、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、晶体或陶瓷。衬底420的厚度可以在例如，小于大约1mm至大约10mm或更大的范围内。衬底420对可见光可以是透明的。如果光束能够以高透射率(transmission rate)(例如大于50％、40％、75％、80％、90％、95％或更高)穿过材料，其中一小部分光束(例如少于50％、40％、25％、20％、10％、5％或更少)可以被材料散射、反射或吸收，则该材料对光束可以是“透明的”。透射率(即，透射度(transmissivity))可以由波长范围内的适光加权或未加权的平均透射率来表示，或者由波长范围(例如可见波长范围)内的最低透射率来表示。
衬底420可以包括或可以耦合到多个输出耦合器440，输出耦合器440被配置为从衬底420提取由衬底420引导并在衬底420内传播的光的至少一部分，并且将提取的光460引导到视窗495，当增强现实系统400被使用时，增强现实系统400的用户的眼睛490可以位于视窗495处。像输入耦合器430一样，输出耦合器440可以包括光栅耦合器(例如，体全息光栅或表面浮雕光栅)、其他DOE、棱镜等。输出耦合器440在不同位置处可以具有不同的耦合(例如，衍射)效率。衬底420还可以允许来自组合器415前面的环境的光450以很少损失或没有损失的方式通过。输出耦合器440也可以允许光450以很少的损失通过。例如，在一些实施方式中，输出耦合器440对于光450可以具有低衍射效率，使得光450可以被折射或者以其他方式通过输出耦合器440而几乎没有损失，并且因此可以具有比提取的光460更高的强度。在一些实现中，输出耦合器440对于光450可以具有高衍射效率，并且可以将光450衍射到某些期望的方向(即，衍射角)而几乎没有损失。结果，用户可以观看组合器415前面的环境和由投影仪410投影的虚拟对象的组合图像。
如上所述，输入耦合器430或输出耦合器440可以包括布拉格光栅，其中入射光的入射角和波长可能需要满足布拉格相位匹配条件，以便入射光被布拉格光栅衍射。这样，当在基于波导的近眼显示器中使用单个布拉格光栅时，基于波导的近眼显示器的视场(FOV)和工作波长范围可能受到限制。
图5A示出了体布拉格光栅(VBG)500的示例。图5A所示的体布拉格光栅500可以包括厚度为D的透射全息光栅。体布拉格光栅500的折射率n可以以幅度n1调制，并且体布拉格光栅500的光栅周期可以是Λ。具有波长λ的入射光510可以以入射角θ入射到体布拉格光栅500上，并且可以作为入射光520折射到体布拉格光栅500中，入射光520在体布拉格光栅500中以角度θn传播。入射光520可以被体布拉格光栅500衍射成衍射光530，衍射光530可以在体布拉格光栅500中以衍射角θd传播，并且可以作为衍射光540从体布拉格光栅500折射出去。
图5B示出了图5A所示的体布拉格光栅500的布拉格条件。矢量505表示光栅矢量
Figure BDA0003157883830000191
其中
Figure BDA0003157883830000192
矢量525表示入射波矢量
Figure BDA0003157883830000193
以及矢量535表示衍射波矢量
Figure BDA0003157883830000194
其中
Figure BDA0003157883830000195
在布拉格相位匹配条件下，
Figure BDA0003157883830000196
因此，对于给定的波长λ，可能只有一对入射角θ(或θn)和衍射角θd完全满足布拉格条件。同样，对于给定的入射角θ，可能只有一个波长λ完全满足布拉格条件。因此，衍射可能仅发生在小波长范围和小入射角范围内。体布拉格光栅500的衍射效率、波长选择性和角度选择性可以是体布拉格光栅500的厚度D的函数。例如，布拉格条件下体布拉格光栅500的半幅全宽(FWHM，full-width-half-magnitude)波长范围和FWHM角度范围可以与体布拉格光栅500的厚度D成反比，而布拉格条件下的最大衍射效率可以是函数sin2(a×n1×D)，其中a是系数。对于反射体布拉格光栅，布拉格条件下的最大衍射效率可以是函数tanh2(a×n1×D)。
在一些设计中，为了获得大的FOV(例如，大于±30°)并衍射不同颜色的光，多个波导(各自包括用于不同颜色(例如，R、G或B)和/或不同的FOV的布拉格光栅)可以以堆叠的方式进行布置，用于将显示光耦合到用户的眼睛。在一些设计中，可以使用多路复用布拉格光栅，其中多路复用布拉格光栅的每个部分可以用于衍射不同FOV范围和/或不同波长范围内的光。因此，在一些设计中，为了对整个可见光谱(例如，从大约400nm到大约700nm，或者从大约440nm到大约650nm)获得期望的衍射效率和大的FOV，可以使用一个或更多个厚的体布拉格光栅，每个厚的体布拉格光栅包括通过大量曝光(例如，全息记录)(诸如几百次或多于1000次曝光(或记录))记录的大量光栅(或全息图)。
在每次曝光(或记录)中，两个相干光束可以以一定角度相互干涉，以在光敏材料层中产生独特的干涉图案，这又可以在光敏材料层中产生独特的折射率调制图案，其中折射率调制图案可以对应于干涉图案的光强图案。在一个示例中，光敏材料层可以包括聚合物粘合剂、单体(例如，丙烯酸单体)和引发剂(initiating agent)，例如引发剂(initiator)、链转移剂或光敏染料。聚合物粘合剂可以作为支撑基质(support matrix)。单体可以用作折射率调节剂(refractive index modulator)。光敏染料可以吸收光并与引发剂相互作用以聚合单体。因此，干涉图案可能导致单体聚合以及到明亮条纹的扩散，从而产生可能导致折射率调制的浓度和密度梯度。例如，聚合浓度较高的区域可能具有较高的折射率。随着曝光和聚合的进行，可用于聚合的单体更少，并且扩散可以被抑制。在所有或基本上所有单体已经聚合之后，在光敏材料层中不再记录新的光栅。在包括以大量曝光记录的大量光栅的厚的VBG中，显示雾度可能很大。
在一些基于波导的近眼显示系统中，为了扩展基于波导的近眼显示器的视窗，通常可以使用两个输出光栅(或光栅层或多路复用光栅的部分)来在两个维度上或沿着两个轴扩展显示光(这可以被称为双轴光瞳扩展)。通过在空间上分离两个输出光栅并减少每个输出光栅的总曝光次数，可以减少显示雾度，因为基于波导的近眼显示器的透视区域(例如，中间)可以仅包括一个输出光栅。例如，在一些实施例中，第一输出光栅可以用更多次曝光(例如，>500次或>1000次)来记录，并且可以位于基于波导的近眼显示器的透视区域之外。第二输出光栅可以用较少次曝光(例如，<100次或<50次)来记录，并且可以位于基于波导的近眼显示器的透视区域中。因此，可以显著降低透视区域中的显示雾度。然而，由于两个输出光栅的空间分离，基于波导的近眼显示器的整体尺寸可能非常大。
图6示出了根据某些实施例的基于体布拉格光栅的波导显示器600的示例。波导显示器600可以包括衬底610(即波导)，其可以类似于衬底420。衬底610可以对可见光透明，并且可以包括例如玻璃、石英、塑料、聚合物、PMMA、陶瓷或晶体衬底。衬底610可以是平坦的衬底或弯曲的衬底。衬底610可以包括第一表面612和第二表面614。显示光可以通过输入耦合器620耦合到衬底610中，并且可以通过全内反射被第一表面612和第二表面614反射，使得显示光可以在衬底610内传播。如上所述，输入耦合器620可以包括衍射耦合器(例如，体全息光栅或表面浮雕光栅)、折射耦合器(例如，光楔或棱镜)或反射耦合器(例如，相对于衬底610具有倾斜角的反射表面)。例如，在一个实施例中，输入耦合器620可以包括棱镜，该棱镜可以以相同的折射角将不同颜色的显示光耦合到衬底610中。在另一个示例中，输入耦合器620可以包括光栅耦合器，该光栅耦合器可以在不同方向上将不同颜色的光衍射到衬底610中。对于可见光，输入耦合器620可以具有大于30％、50％、75％、90％或更高的耦合效率。
波导显示器600还可以包括位于衬底610的一个或两个表面(例如，第一表面612和第二表面614)上的第一输出光栅630和第二输出光栅640，用于在两个维度上扩展入射显示光束，以便用显示光填充视窗650(或输出光瞳)。在一些实施例中，第一输出光栅630可以包括一个或更多个表面浮雕光栅或体布拉格光栅，每个光栅被配置为沿着一个方向(如线632、634和636所示)扩展显示光束的至少一部分。例如，当显示光在衬底610内沿着线632、634或636所示的方向传播时，每次在衬底610内传播的显示光到达第一输出光栅630时，显示光的一部分可以被第一输出光栅630衍射到第二输出光栅640。然后，每次在衬底610内传播的显示光到达第二输出光栅640时，第二输出光栅640可以通过将一部分显示光衍射到视窗650，在不同的方向上扩展来自第一输出光栅630的显示光。
如上所述，第一输出光栅630和第二输出光栅640可以各自包括多路复用VBG，该多路复用VBG包括多个VBG，每个VBG被设计用于特定的FOV范围和/或波长范围。例如，第一输出光栅630可以包括通过几百次或更多次曝光记录的几百个或更多个VBG(例如，大约300个至大约1000个VBG)，其中每个VBG可以在不同的条件下记录。第二输出光栅640也可以包括通过数十次或数百次曝光记录的数十个或数百个VBG(例如，50个或更多个VBG)。
图7示出了根据某些实施例的作为入射光波长的函数的多路复用体布拉格光栅(例如，第一输出光栅630或第二输出光栅640)的示例的衍射效率。每条曲线710可以表示相应VBG的衍射效率，并且可以是显示光波长的sinc函数。如上所述，布拉格条件附近的体布拉格光栅的FWHM波长范围和FWHM角度范围可以与体布拉格光栅的厚度成反比。对于VBG，FWHM波长范围和FWHM角度范围可能很小。因此，如图7所示，为了覆盖大的FOV(例如，大于±30°)和整个可见光谱(例如，从大约400nm到大约700nm或从大约440nm到大约650nm)，可能需要大量的VBG(例如，在大约300个和大约1000个之间的VBG)。此外，为了实现大量VBG中的每一个的高衍射效率，光栅材料(例如，光聚合物)的总折射率调制或光栅材料层的厚度中的至少一个需要较高。例如，在一些实施例中，可能需要具有大的总折射率调制(例如，大约0.01或更大)和大于例如500μm的厚度的材料层。一般来说，光栅材料可实现的总折射率调制是有限的。因此，为了提高包括许多VBG的多路复用VBG的衍射效率，光栅材料层的厚度可能需要较高，这又可能导致FWHM波长范围或FWHM角度范围小。
如上所述，在用于增强现实(AR)应用的近眼显示器中，可能希望减少VBG的数量和透视区域中的光栅层的厚度，通过该透视区域，用户可以观察周围环境，因为眼睛视场中的许多VBG和/或厚光栅层可能使周围环境的视图变得模糊或有色彩边缘(color-fringed)，并且还可能降低显示的虚拟图像的对比度。至少出于这些原因，可能希望将透视区域中的VBG(或曝光)的总数限制到例如小于约200个VBG或小于约100个VBG，和/或将VBG的厚度减小到例如小于约200μm或小于约100μm。这样，如图6所示，第一输出光栅630和第二输出光栅640可能需要在空间上分离，其中包括较少VBG的第二输出光栅640可以位于波导显示器600的透视区域中，并且可以与视窗650重叠，而第一输出光栅630可以位于波导显示器600的透视区域之外，以便减少显示雾度。结果，波导显示器的整体尺寸可能比透视区域大得多。例如，一些波导显示器可能具有大于70×70mm2的二维面积，这可能比普通眼镜中的镜片大得多。
根据某些实施例，为了降低显示雾度、增加FOV、扩展视窗，并且还减小波导显示器的物理尺寸，基于光栅的波导显示器中用于双轴光瞳扩展的两个输出光栅(例如，第一输出光栅630和第二输出光栅640)可以在波导显示器的光学透视区域的至少一部分中重叠。第一输出光栅可以包括两个或更多个子光栅或子区域，其中第一子光栅(或子区域)可以在第一方向上将显示光引导到第二子光栅(或子区域)，用于第一方向上的光瞳复制，并且第二子光栅(或子区域)可以将显示光引导到第二输出光栅。第二输出光栅可以在第二方向上扩展光瞳，并将显示光导向波导显示器的视窗。第二输出光栅和第一输出光栅的两个或更多个子光栅(或子区域)中的每一个可以在薄(例如，小于约20μm)光栅材料(例如，光聚合物)层上通过少量曝光(例如，小于约40次或50次)来记录。第一输出光栅的第二子光栅(或子区域)可以在波导显示器的透视区域的至少一部分中与第二输出光栅重叠，以减小波导显示器的物理尺寸。因为第一输出光栅的第二子光栅(或子区域)和第二输出光栅可以各自在薄光栅层上具有相对较少数量的VBG，所以透视区域中VBG的总数量可以较小(例如，小于约200个或小于约100个)，并且透视区域中光栅层的总厚度可以例如小于约200μm或约100μm，例如约20μm或约40μm。
因为光栅薄得多(与例如大约500μm相比)，所以可能存在一些色散，但是与光栅具有例如1μm的厚度的情况相比，色散可能小得多。此外，第一输出光栅的两个子光栅或子区域可以在相同的曝光次数和相同的记录条件下被记录(但是可以使用不同的曝光持续时间来实现不同的衍射效率)，使得它们可以彼此匹配以降低总色散(由于相反的布拉格条件，例如+1级和-1级衍射)。
图8示出了根据某些实施例的具有减小的形状因子的基于体布拉格光栅的波导显示器800的示例。与波导显示器600一样，波导显示器800可以包括衬底810，其可以类似于衬底610，但是可以比衬底610小得多。衬底810可以包括第一表面812和第二表面814。来自光源(例如LED)的显示光可以通过输入耦合器820耦合到衬底810中，并且可以通过全内反射被第一表面812和第二表面814反射，使得显示光可以在衬底810内传播。如上所述，输入耦合器820可以包括衍射耦合器(例如，体全息光栅或表面浮雕光栅)、折射耦合器(例如，光楔或棱镜)或反射耦合器(例如，相对于衬底810具有倾斜角的反射表面)。例如，在一个实施例中，输入耦合器820可以包括棱镜，该棱镜可以以相同的折射角将不同颜色的显示光耦合到衬底810中。
与波导显示器600一样，波导显示器800还可以包括形成在第一表面812和/或第二表面814上的第一输出光栅830和第二输出光栅840。例如，第一输出光栅830和第二输出光栅840可以形成在衬底810的相同表面或两个不同表面上。第二输出光栅840可以形成在波导显示器的透视区域中，并且当在z方向上观察时，可以与视窗850(或输出光瞳)重叠。第一输出光栅830和第二输出光栅840可用于双轴光瞳扩展，以在两个维度上扩展入射显示光束，从而用显示光填充视窗850。第一输出光栅830和第二输出光栅840可以各自是透射光栅或反射光栅。
此外，波导显示器800还可以包括形成在第一表面812或第二表面814上的第三光栅860。在一些实施例中，第三光栅860和第一输出光栅830可以在衬底810的同一表面上。在一些实施例中，第三光栅860和第一输出光栅830可以在同一光栅或同一光栅材料层的不同区域中。在一些实施例中，第三光栅860可以在空间上与第一输出光栅830分离。在一些实施例中，第三光栅860和第一输出光栅830可以在相同的曝光次数和相同的记录条件下被记录(但是可以被记录不同的曝光持续时间以实现不同的衍射效率)，使得第三光栅860中的每个VBG可以匹配第一输出光栅830中的相应VBG。例如，第三光栅860中的VBG和第一输出光栅830中的相应VBG可以具有相同的光栅周期和相同的光栅倾斜角(因此具有相同的光栅矢量)以及相同的厚度。在一个实施例中，第三光栅860和第一输出光栅830可以具有大约20μm的厚度，并且可以各自包括通过大约40次曝光记录的大约40个VBG。在一些实施例中，第二输出光栅840可以具有大约20μm或更高的厚度，并且可以包括通过大约50次曝光记录的大约50个VBG。
输入耦合器820可以将来自光源的显示光耦合到衬底810中。显示光可以直接到达第三光栅860，或者可以被第一表面812和/或第二表面814反射到第三光栅860，其中显示光束的尺寸可以大于输入耦合器820处的尺寸。第三光栅860中的每个VBG可以将FOV范围和近似满足VBG的布拉格条件的波长范围内的显示光的一部分衍射到第一输出光栅830。当由第三光栅860中的VBG衍射的显示光通过全内反射在衬底810内传播(例如，沿着线832所示的方向)时，每次在衬底810内传播的显示光到达第一输出光栅830时，一部分显示光可以由第一输出光栅830中的相应VBG衍射到第二输出光栅840。然后，每次在衬底810内传播的显示光到达第二输出光栅840时，第二输出光栅840可以通过将一部分显示光衍射到视窗850，在不同的方向上扩展来自第一输出光栅830的显示光。
因为第三光栅860和第一输出光栅830可能很薄(例如，大约20μm)，所以它们可能引起一些色散，但是色散可能不如具有例如1μm或更薄厚度的光栅的色散高。因此，视场可能不会受到色散的太大影响。此外，如上所述，第三光栅860中的每个VBG匹配第一输出光栅830中的相应VBG(即，具有相同的光栅矢量)，并且由于显示光在两个匹配VBG处的相反传播方向，两个匹配VBG在相反的布拉格条件下工作(例如，+1级衍射对-1级衍射)。例如，如图8所示，第三光栅860中的VBG可以将入射光的传播方向从向下方向改变为向右方向，而第一输出光栅830中的VBG可以将入射光的传播方向从向右方向改变为向下方向。因此，由第一输出光栅830引起的色散可以至少部分抵消由第三光栅860引起的色散，以降低总色散。
因为第一输出光栅830和第二输出光栅840可以仅具有少量(例如，不大于50)的VBG和曝光，所以第一输出光栅830也可以放置在透视区域中以与第二输出光栅840重叠，从而减小波导显示器的尺寸。给定透视区域中的VBG和曝光的总数可以小于例如100或更少(例如，第一输出光栅830中不超过约40，并且第二输出光栅840中不超过50)。因此，与500个或更多个VBG在透视区域中的情况相比，可以显著降低显示雾度。
在一些实施例中，由于曝光更少(即，多路复用光栅中的光栅数量更少)，多路复用光栅可能无法覆盖整个可见光谱和/或整个FOV，因此(在一些光谱或FOV范围内的)一些光信息可能会丢失。
图9示出了根据某些实施例的作为入射光波长的函数的多路复用体布拉格光栅(例如，第一输出光栅830或第三光栅860)的示例的衍射效率。每个曲线910可以表示相应VBG的衍射效率，并且可以是显示光波长的sinc函数。如上所述，布拉格条件附近的体布拉格光栅的FWHM波长范围和FWHM角度范围可以与体布拉格光栅的厚度成反比。因此，因为第一输出光栅830或第三光栅860的厚度可以比第一输出光栅630的厚度小得多，所以每个曲线910所示的每个VBG的FWHM波长范围可以大于每个曲线710所示的每个VBG的FWHM波长范围。然而，第三光栅860或第一输出光栅830中较少的VBG可能没有覆盖整个可见光谱。例如，在一些实施例中，大约一半的显示光可能没有被衍射。
在一些实施例中，为了提高功率效率并覆盖更宽的光谱，可以在不同的空间位置(例如不同的x、y或z位置)添加额外的光栅，以在空间上多路复用光栅。这样，更宽带宽的光可以通过光栅以更高的衍射效率衍射到视窗中。这也可以有助于增加光瞳复制密度，使视窗中的光更加均匀。
图10示出了根据某些实施例的具有减小的形状因子和提高的功率效率的基于体布拉格光栅的波导显示器1000的示例。与波导显示器800一样，波导显示器1000可以包括衬底1010，其可以类似于衬底810。衬底1010可以包括第一表面1012和第二表面1014。来自光源(例如LED)的显示光可以通过输入耦合器1020耦合到衬底1010中，并且可以通过全内反射被第一表面1012和第二表面1014反射，使得显示光可以在衬底1010内传播。如上所述，输入耦合器1020可以包括衍射耦合器、折射耦合器或反射耦合器。例如，在一个实施例中，输入耦合器1020可以包括棱镜，该棱镜可以以相同的折射角将不同颜色的显示光耦合到衬底1010中。
与波导显示器800一样，波导显示器1000还可以包括形成在第一表面1012和/或第二表面1014上的第一输出光栅1030和第二输出光栅1040。波导显示器1000还可以包括形成在第一表面1012和/或第二表面1014上的第三光栅1060和第四光栅1070。第三光栅1060和第四光栅1070可以各自是包括多个VBG的多路复用VBG。在一些实施例中，第三光栅1060、第四光栅1070和第一输出光栅1030可以在衬底1010的同一表面上。在一些实施例中，第三光栅1060、第四光栅1070和第一输出光栅1030可以在同一光栅或同一光栅材料层的不同区域中。
在一些实施例中，第三光栅1060和第四光栅1070可以各自包括M个VBG，并且第一输出光栅1030可以包括2×M个VBG。第三光栅1060和第一输出光栅1030可以在相同的记录条件下以M次曝光记录(但是可以被记录不同的曝光持续时间以获得不同的衍射效率)，使得第三光栅1060中的每个VBG可以匹配第一输出光栅1030中的相应VBG。例如，第三光栅1060中的VBG和第一输出光栅1030中的相应VBG可以具有相同的光栅周期和相同的光栅倾斜角(因此具有相同的光栅矢量)以及相同的厚度。第四光栅1070和第一输出光栅1030也可以在相同的记录条件下以M次曝光记录(但是被记录不同的曝光持续时间)，使得第四光栅1070中的每个VBG可以匹配第一输出光栅1030中的相应VBG(即，具有相同的光栅矢量)。用于记录第三光栅1060的记录条件可以不同于用于记录第四光栅1070的记录条件，使得第三光栅1060和第四光栅1070可以具有不同的布拉格条件。在一些实施例中，第一输出光栅1030中与第三光栅1060中的M个VBG匹配的M个VBG可以被记录在第一输出光栅1030的一个区域(例如，上部区域)中，而第一输出光栅1030中与第四光栅1070中的M个VBG匹配的其它M个VBG可以被记录在第一输出光栅1030的不同区域(例如，下部区域)中。在一个示例中，第三光栅1060和第四光栅1070可以各自具有大约20μm的厚度，并且可以各自包括通过大约20次曝光记录的大约20个VBG。第一输出光栅1030可以具有大约20μm的厚度，并且可以包括通过大约40次曝光在不同区域记录的大约40个VBG。第二输出光栅1040可以具有大约20μm或更高的厚度，并且可以包括通过大约50次曝光记录的大约50个VBG。
输入耦合器1020可以将来自光源的显示光耦合到衬底1010中。显示光可以直接到达第三光栅1060，或者可以被第一表面1012和/或第二表面1014反射到第三光栅1060，其中显示光束的尺寸可以大于输入耦合器1020处的尺寸。第三光栅1060中的每个VBG可以将FOV范围和近似满足VBG的布拉格条件的波长范围内的显示光的一部分衍射到第一输出光栅1030的上部区域。如上所述，第一输出光栅1030的上部区域可以至少包括与第三光栅1060中的VBG匹配的VBG。因此，当由第三光栅1060中的VBG衍射的显示光通过全内反射在衬底1010内传播(例如，沿着线1032所示的方向)时，每次在衬底1010内传播的显示光到达第一输出光栅1030时，一部分显示光可以由第一输出光栅1030中的相应VBG衍射到第二输出光栅1040。
没有被第三光栅1060衍射的显示光可以继续在衬底1010内传播，并且可以到达第四光栅1070。第四光栅1070中的每个VBG可以将FOV范围和近似满足VBG的布拉格条件的波长范围内的显示光的一部分衍射到第一输出光栅1030的下部区域。如上所述，第一输出光栅1030的下部区域可以至少包括与第四光栅1070中的VBG匹配的VBG。因此，当由第四光栅1070中的VBG衍射的显示光通过全内反射在衬底1010内传播(例如，沿着线1034所示的方向)时，每次在衬底1010内传播的显示光到达第一输出光栅1030时，一部分显示光可以由第一输出光栅1030中的相应VBG衍射到第二输出光栅1040。
每次在衬底1010内传播的显示光到达第二输出光栅1040时，第二输出光栅1040可以通过将一部分显示光衍射到视窗1050而在不同方向上扩展来自第一输出光栅1030的显示光。以这种方式，可以在两个维度上扩展显示光以填充视窗1050。由于两组空间多路复用的VBG对显示光的衍射，光瞳复制密度可以增加，并且视窗中的光可以更均匀。此外，由于曝光次数较少(因此每个VBG的折射率调制n1较高)，较宽带宽的显示光可以通过光栅以较高的衍射效率衍射到视窗。因此，可以提高波导显示器的功率效率。
图11示出了根据某些实施例的作为入射光波长的函数的多路复用体布拉格光栅(例如，空间多路复用的第三光栅1060和第四光栅1070或第一输出光栅1030)的示例的衍射效率。每个曲线1110(实线)可以表示例如第三光栅1060中的一个VBG或第一输出光栅1030中的相应VBG的衍射效率。每个曲线1120(虚线)可以表示例如第四光栅1070中的一个VBG或第一输出光栅1030中的相应VBG的衍射效率。图11示出了更宽带宽的显示光可以以更高的衍射效率被衍射。
图12示出了根据某些实施例的具有减小的形状因子和提高的功率效率的基于体布拉格光栅的波导显示器1200的示例。在波导显示器1200中，光栅可以沿z方向(而不是如图10所示在x-y平面上)被空间多路复用。例如，波导显示器1200可以包括多个衬底，例如衬底1210、1212、1214等。衬底可以包括相同的材料或具有相似折射率的材料。一个或更多个多路复用VBG(例如，多路复用VBG 1230、1232、1234、1236等)可以在每个衬底上制造。一些多路复用VBG可以包括反射光栅，而一些多路复用VBG可以包括透射光栅。具有多路复用VBG的衬底可以沿z方向排列成衬底堆叠，以用于空间多路复用。每个多路复用VBG可以包括为不同布拉格条件设计的多个VBG，以衍射不同波长范围和/或不同FOV的显示光。在一个示例中，每个多路复用VBG可以包括10个VBG，因此VBG 1230、1232、1234和1236可以包括总共40个VBG。
显示光可以通过输入耦合器1220(例如，棱镜)耦合到衬底堆叠中，并且可以通过全内反射在衬底堆叠内传播。显示光可以到达每个多路复用VBG 1230、1232、1234或1236，并且可以被多路复用VBG 1230、1232、1234或1236中的VBG衍射到第一输出光栅(图12中未示出)。第一输出光栅还可以包括衬底1210、1212和1214上的多个多路复用VBG，并且可以在z方向上空间多路复用。如上所述，第一输出光栅中的每个VBG可以匹配多路复用VBG 1230、1232、1234或1236中的VBG，并且可以在一个方向上扩展显示光束并将显示光衍射到第二输出光栅(图12中未示出)。
在一些实施例中，光栅(例如图8中的第一输出光栅830、第二输出光栅840和第三光栅860，或者图10中的第一输出光栅1030、第二输出光栅1040、第三光栅1060和第四光栅1070)可以以不同的方式(例如，在不同的位置或以不同的取向)排列。
图13示出了根据某些实施例的具有减小的形状因子和提高的功率效率的基于体布拉格光栅的波导显示器1300的示例。与波导显示器800一样，波导显示器1300可以包括衬底1310，其可以类似于衬底810。衬底1310可以包括第一表面1312和第二表面1314。来自光源(例如LED)的显示光可以通过输入耦合器1320耦合到衬底1310中，并且可以通过全内反射被第一表面1312和第二表面1314反射，使得显示光可以在衬底1310内传播。如上所述，输入耦合器1320可以包括衍射耦合器、折射耦合器或反射耦合器。波导显示器1300也可以包括形成在第一表面1312和/或第二表面1314上的第一输出光栅1330和第二输出光栅1340。在图13所示的示例中，第一输出光栅1330和第二输出光栅1340可以在x方向上的不同位置，并且可以在波导显示器1300的透视区域的至少一部分中重叠。第一输出光栅1330和第二输出光栅1340可用于双轴光瞳扩展，以在两个维度上扩展入射显示光束，从而用显示光填充视窗1350。例如，第一输出光栅1330可以在大约y方向上扩展显示光束，而第二输出光栅1340可以在大约x方向上扩展显示光束。
此外，波导显示器1300可以包括形成在第一表面1312和/或第二表面1314上的第三光栅1360。在一些实施例中，第三光栅1360和第一输出光栅1330可以布置在衬底1310的同一表面上的y方向上的不同位置。在一些实施例中，第三光栅1360和第一输出光栅1330可以在同一光栅或同一光栅材料层的不同区域中。在一些实施例中，第三光栅1360可以在空间上与第一输出光栅1330分离。在一些实施例中，第三光栅1360和第一输出光栅1330可以在相同的曝光次数和相同的记录条件下被记录(但是可以被记录不同的曝光持续时间以实现不同的衍射效率)，使得第三光栅1360中的每个VBG可以匹配第一输出光栅1330中的相应VBG。
输入耦合器1320可以将来自光源的显示光耦合到衬底1310中。显示光可以在衬底1310内近似沿着x方向传播，并且可以直接到达第三光栅1360，或者可以被第一表面1312和/或第二表面1314反射到第三光栅1360。第三光栅1360中的每个VBG可以将FOV范围和近似满足VBG的布拉格条件的波长范围内的显示光的一部分向下衍射到第一输出光栅1330。当由第三光栅1360中的VBG衍射的显示光通过全内反射在衬底1310内沿着一个方向(例如，大致在线1332所示的y方向)传播时，每次在衬底1310内传播的显示光到达第一输出光栅1330时，一部分显示光可以由第一输出光栅1330中的相应VBG衍射到第二输出光栅1340。第二输出光栅1340然后可以通过每次在衬底1310内传播的显示光到达第二输出光栅1340时将一部分显示光衍射到视窗1350，而在不同的方向上(例如，大约在x方向上)扩展来自第一输出光栅1330的显示光。
第一输出光栅1330和第二输出光栅1340中的每一个的厚度可以小于例如100μm(例如20μm)，并且可以包括例如小于50个VBG。因此，波导显示器1300的光学透视区域中的任何区域可以包括少于100个VBG。因此，显示雾度可能不显著。此外，波导显示器1300的物理尺寸可以类似于普通眼镜中的镜片的物理尺寸。
上述实施例仅用于说明的目的，并不旨在将本公开的范围限制于这些具体示例。例如，上述各种光栅可以在x、y、z方向上以其他方式排列。在一些实施例中，光栅可以是任何期望的形状。例如，第一输出光栅830、1030或1330可以是椭圆形、三角形、矩形、梯形或其他多边形的形状。第二输出光栅840、1040或1340可以是椭圆形、矩形、梯形或其他多边形的形状。第三光栅860、1060或1360以及第四光栅1070可以是椭圆形、正方形、梯形或其他多边形的形状。本领域技术人员从以上描述中将容易认识到，在不脱离本公开的原理或所推崇的益处的情况下，可以采用所示结构的替代实施例。
图14示出了根据某些实施例的使用波导显示器显示图像的方法的示例。流程图1400中描述的操作仅仅是为了说明的目的，而不意图是限制性的。在各种实现中，可以对流程图1400进行修改以增加附加操作或省略一些操作。流程图1400中描述的操作可以由例如上述波导显示器800、1000、1200或1300来执行。
在框1410，耦合器(例如，输入耦合器820、1020、1220或1320)可以将来自光源(例如，LED)的显示光耦合到对可见光透明的衬底(例如，衬底810、1010、1210、1212、1214或1310)中。如上所述，耦合器可以包括衍射耦合器(例如，体全息光栅或表面浮雕光栅)、折射耦合器(例如，光楔或棱镜)或反射耦合器(例如，相对于衬底具有倾斜角的反射表面)。例如，在一个实施例中，耦合器可以包括棱镜，该棱镜可以以相同的折射角将不同颜色的显示光耦合到衬底中。
在框1420，衬底可以引导显示光在衬底内传播。如上所述，衬底可以包括第一表面和第二表面，并且显示光可以以能够导致显示光在衬底表面处的全内反射的角度耦合到衬底中。因此，显示光可以以之字形方式在衬底内传播。
在框1430，第三多路复用VBG(例如，第三光栅860、1060或1360)可以将例如第一波长范围内的显示光衍射到第一多路复用VBG。第三多路复用VBG可以包括多个VBG，每个VBG具有与第一多路复用VBG中的相应VBG的光栅矢量相同的相应光栅矢量。在一些实施例中，第三多路复用VBG可以将显示光衍射到第一多路复用VBG的第一区域。在一些实施例中，第三多路复用VBG可以包括少于100个或少于50个VBG，例如40个、20个或10个VBG。在一些实施例中，第三多路复用VBG的厚度可以小于100μm、小于50μm或小于40μm，例如20μm。
可选地，在框1440，第四多路复用VBG可以将第二波长范围内的显示光衍射到第一多路复用VBG。第四多路复用VBG可以包括多个VBG，每个VBG具有与第一多路复用VBG中的相应VBG的光栅矢量相同的相应光栅矢量。在一些实施例中，第四多路复用VBG可以将显示光衍射到第一多路复用VBG的第二区域。在一些实施例中，第四多路复用VBG可以包括少于100个或少于50个VBG，例如40个、20个或10个VBG。在一些实施例中，第四多路复用VBG的厚度可以小于100μm、小于50μm或小于40μm，例如20μm。在一些实施例中，第三多路复用VBG和第四多路复用VBG可以在衬底的同一表面上，并且可以彼此偏离。在一些实施例中，第三多路复用VBG和第四多路复用VBG可以在衬底的不同层或不同表面上。
在框1450，第一多路复用VBG的两个或更多个区域可以将显示光衍射到第二多路复用VBG的不同区域。例如，当由第三多路复用VBG中的VBG衍射的显示光通过全内反射沿第一方向在衬底内传播时，每次在衬底内传播的显示光到达第一多路复用VBG时，一部分显示光可以由第一多路复用VBG中的相应VBG衍射到第二多路复用VBG。在一些实施例中，第一多路复用VBG可以包括少于100个或少于50个VBG，例如40个VBG。在一些实施例中，第一多路复用VBG的厚度可以小于100μm、小于50μm或小于40μm，例如20μm。
在框1460，第二多路复用VBG的两个或更多个区域可以将来自第一多路复用VBG的显示光衍射到波导显示器的视窗，其中第二多路复用VBG可以至少在波导显示器的透视区域中与第一多路复用VBG重叠。例如，每次在衬底内传播的显示光到达第二多路复用VBG时，第二多路复用VBG可以通过将显示光的一部分衍射到视窗来在不同的方向上扩展来自第一多路复用VBG的显示光。在一些实施例中，第二多路复用VBG的厚度可以小于100μm、小于50μm或小于40μm，例如20μm。这样，由于第一多路复用VBG和第二多路复用VBG的重叠，以及薄光栅层和波导显示器的透视区域中的少量VBG，可以使用具有小形状因子和低显示雾度的波导显示器来实现二维光瞳扩展。
本发明的实施例可以用于实现人工现实系统的部件，或者可以结合人工现实系统来实现。人工现实是在呈现给用户之前以某种方式被调整的现实的形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)、混杂现实或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或者与所捕获的(例如，真实世界)内容组合地生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈、或其某种组合，且其中任何一个都可以在单个通道中或在多个通道中被呈现(例如向观看者产生三维效果的立体视频)。此外，在一些实施例中，人工现实还可以与用于例如在人工现实中创建内容和/或以其他方式在人工现实中使用(例如，在人工现实中执行活动)的应用、产品、附件、服务或其某种组合相关联。提供人工现实内容的人工现实系统可以在各种平台上实现，这些平台包括连接到主计算机系统的头戴式显示器(HMD)、独立的HMD、移动设备或计算系统、或者能够向一个或更多个观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台。
图15是用于实现本文公开的一些示例的示例近眼显示器(例如，HMD设备)的示例电子系统1500的简化框图。电子系统1500可以用作上述HMD设备或其他近眼显示器的电子系统。在该示例中，电子系统1500可以包括一个或更多个处理器1510和存储器1520。处理器1510可以被配置成执行用于在多个部件处执行操作的指令，并且可以是例如通用处理器或适于在便携式电子设备内实现的微处理器。处理器1510可以与在电子系统1500内的多个部件通信地耦合。为了实现这种通信耦合，处理器1510可以通过总线1540与其他示出的部件进行通信。总线1540可以是适于在电子系统1500内传输数据的任何子系统。总线1540可以包括多条计算机总线和附加电路以传输数据。
存储器1520可以耦合到处理器1510。在一些实施例中，存储器1520可以提供短期和长期存储，并且可以被分成若干个单元。存储器1520可以是易失性的(例如静态随机存取存储器(SRAM)和/或动态随机存取存储器(DRAM))和/或非易失性的(例如只读存储器(ROM)、闪存等)。此外，存储器1520可以包括可移动存储设备，例如安全数字(SD)卡。存储器1520可以为电子系统1500提供计算机可读指令、数据结构、程序模块和其他数据的存储。在一些实施例中，存储器1520可以分布在不同的硬件模块中。一组指令和/或代码可以被存储在存储器1520中。指令可以采取可以由电子系统1500可执行的可执行代码的形式，和/或可以采取源代码和/或可安装代码的形式，当在电子系统1500上(例如，使用各种通常可用的编译器、安装程序、压缩/解压缩实用程序等中的任何一种)编译和/或安装时，源代码和/或可安装代码可以采用可执行代码的形式。
在一些实施例中，存储器1520可以存储多个应用模块1522至1524，应用模块1522至1524可以包括任意数量的应用。应用的示例可以包括：游戏应用、会议应用、视频回放应用或其他合适的应用。这些应用可以包括深度感测功能或眼睛跟踪功能。应用模块1522-1524可以包括要由处理器1510执行的特定指令。在一些实施例中，应用模块1522-1524中的某些应用或部分可以由其他硬件模块1580执行。在某些实施例中，存储器1520可以另外包括安全存储器，该安全存储器可以包括附加的安全控件，以防止对安全信息的复制或其他未授权的访问。
在一些实施例中，存储器1520可以包括加载在其中的操作系统1525。操作系统1525可以可操作来启动由应用模块1522-1524提供的指令的执行和/或管理其他硬件模块1580以及与无线通信子系统1530的接口，无线通信子系统1530可以包括一个或更多个无线收发器。操作系统1525可以适于在电子系统1500的组件上执行其他操作，包括线程管理(threading management)、资源管理、数据存储控制和其他类似功能。
无线通信子系统1530可以包括例如红外通信设备、无线通信设备和/或芯片组(例如
Figure BDA0003157883830000351
设备、IEEE 802.11设备、Wi-Fi设备、WiMax设备、蜂窝通信设施等)和/或类似的通信接口。电子系统1500可以包括用于无线通信的、作为无线通信子系统1530的一部分或者作为耦合到系统的任何部分的单独部件的一根或更多根天线1534。根据期望的功能，无线通信子系统1530可以包括单独的收发器，以与基站收发信台和其他无线设备以及接入点进行通信，这可以包括与不同的数据网络和/或网络类型(例如无线广域网(WWAN)、无线局域网(WLAN)或无线个域网(WPAN))进行通信。WWAN可以是例如WiMax(IEEE 802.16)网络。WLAN可以是例如IEEE 802.11x网络。WPAN可以是例如蓝牙网络、IEEE 802.15x或一些其他类型的网络。本文描述的技术也可以用于WWAN、WLAN和/或WPAN的任何组合。无线通信子系统1530可以允许与网络、其他计算机系统和/或本文描述的任何其他设备交换数据。无线通信子系统1530可以包括用于使用天线1534和无线链路1532发送或接收数据(例如HMD设备的标识符、位置数据、地理地图、热图、照片或视频)的装置。无线通信子系统1530、处理器1510和存储器1520可以一起包括用于执行本文公开的一些功能的装置中的一个或更多个的至少一部分。
电子系统1500的实施例还可以包括一个或更多个传感器1590。传感器1590可以包括，例如，图像传感器、加速度计、压力传感器、温度传感器、接近度传感器(proximitysensor)、磁力计、陀螺仪、惯性传感器(例如，组合了加速度计和陀螺仪的模块)、环境光传感器、或者可操作来提供感测输出(sensory output)和/或接收感测输入的任何其他类似模块(例如深度传感器或位置传感器)。例如，在一些实现中，传感器1590可以包括一个或更多个惯性测量单元(IMU)和/或一个或更多个位置传感器。IMU可以基于从一个或更多个位置传感器接收的测量信号来生成校准数据，该校准数据指示相对于HMD设备的初始位置的HMD设备的估计位置。位置传感器可以响应于HMD设备的运动而生成一个或更多个测量信号。位置传感器的示例可以包括但不限于，一个或更多个加速度计、一个或更多个陀螺仪、一个或更多个磁力计、检测运动的另一种合适类型的传感器、用于IMU的误差校正的一种类型的传感器或者其某种组合。位置传感器可以位于IMU的外部、IMU的内部或者这两种位置的某种组合。至少一些传感器可以使用结构光图案进行感测。
电子系统1500可以包括显示模块1560。显示模块1560可以是近眼显示器，并且可以向用户图形地呈现来自电子系统1500的信息(例如图像、视频和各种指令)。这种信息可以从一个或更多个应用模块1522-1524、虚拟现实引擎1526、一个或更多个其他硬件模块1580、它们的组合或者(例如，通过操作系统1525)用于为用户解析图形内容的任何其他合适的装置中得到。显示模块1560可以使用液晶显示(LCD)技术、发光二极管(LED)技术(包括例如，OLED、ILED、mLED、AMOLED、TOLED等)、发光聚合物显示(LPD)技术或某种其他显示技术。
电子系统1500可以包括用户输入/输出模块1570。用户输入/输出模块1570可以允许用户向电子系统1500发送动作请求。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束应用，或者是在应用内执行特定动作。用户输入/输出模块1570可以包括一个或更多个输入设备。示例输入设备可以包括触摸屏、触摸板、麦克风、按钮、拨号盘、开关、键盘、鼠标、游戏控制器、或者用于接收动作请求并将接收到的动作请求传送给电子系统1500的任何其他合适的设备。在一些实施例中，用户输入/输出模块1570可以根据从电子系统1500接收的指令来向用户提供触觉反馈。例如，可以在接收到动作请求或者已经执行动作请求时提供触觉反馈。
电子系统1500可以包括照相机1550，照相机1550可以用于拍摄用户的照片或视频，例如，用于跟踪用户的眼睛位置。照相机1550也可以用于拍摄环境的照片或视频，例如，用于VR、AR或MR应用。照相机1550可以包括例如具有几百万或几千万像素的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。在一些实现中，照相机1550可以包括两个或更多个照相机，它们可以用于捕获3D图像。
在一些实施例中，电子系统1500可以包括多个其他硬件模块1580。其他硬件模块1580中的每一个可以是电子系统1500内的物理模块。虽然其他硬件模块1580中的每一个可以被永久地配置为结构，但是其他硬件模块1580中的一些可以被临时配置为执行特定功能或者被临时激活。其他硬件模块1580的示例可以包括，例如，音频输出和/或输入模块(例如，麦克风或扬声器)、近场通信(NFC)模块、可充电电池、电池管理系统、有线/无线电池充电系统等。在一些实施例中，其他硬件模块1580的一个或更多个功能可以用软件实现。
在一些实施例中，电子系统1500的存储器1520还可以存储虚拟现实引擎1526。虚拟现实引擎1526可以执行电子系统1500内的应用，并从各种传感器接收HMD设备的位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置或其某种组合。在一些实施例中，由虚拟现实引擎1526接收的信息可以用于为显示模块1560产生信号(例如，显示指令)。例如，如果接收到的信息指示用户已经向左看，则虚拟现实引擎1526可以为HMD设备生成反映用户在虚拟环境中的移动的内容。另外，虚拟现实引擎1526可以响应于从用户输入/输出模块1570接收的动作请求执行应用内的动作，并且向用户提供反馈。所提供的反馈可以是视觉、听觉或触觉反馈。在一些实现中，处理器1510可以包括可以执行虚拟现实引擎1526的一个或更多个GPU。
在各种实现中，上述硬件和模块可以在单个设备上被实现，或者在能够使用有线或无线连接彼此通信的多个设备上被实现。例如，在一些实现中，一些部件或模块(例如GPU、虚拟现实引擎1526和应用(例如，跟踪应用))，可以在与头戴式显示器设备分离的控制台上被实现。在一些实现中，一个控制台可以连接到或支持一个以上HMD。
在替代配置中，不同的和/或附加的部件可以被包括在电子系统1500中。类似地，一个或更多个部件的功能可以以不同于上述方式的方式分布在部件当中。例如在一些实施例中，电子系统1500可以被修改为包括其他系统环境，例如AR系统环境和/或MR环境。
上面讨论的方法、系统和器件是示例。各种实施例可以酌情省略、替换或添加各种过程或部件。例如，在替代配置中，所描述的方法可以以不同于所描述的顺序来被执行，和/或可以添加、省略和/或组合各个阶段。此外，关于某些实施例描述的特征可以在各种其他实施例中被组合。实施例的不同方面和元素可以以相似的方式被组合。此外，技术不断发展，且因此许多元素是示例，并不将本公开的范围限制于那些具体示例。
在描述中给出了具体细节，以提供对实施例的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施实施例。例如，为了避免模糊实施例，众所周知的电路、过程、系统、结构和技术被示出而没有不必要的细节。此描述仅提供示例实施例，并不意图限制本发明的范围、适用性或配置。相反，实施例的前述描述将为本领域技术人员提供用于实现各种实施例的使能描述(enabling description)。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以在元素的功能和布置方面进行各种改变。
此外，一些实施例被描述为过程，过程被描绘为流程图或框图。尽管每一个都可以将操作描述为顺序过程，但是许多操作可以并行或并发地被执行。此外，操作的顺序可以被重新排列。过程可以具有图中未包括的附加步骤。此外，可以通过硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或其任意组合来实现方法的实施例。当以软件、固件、中间件或微代码实现时，执行相关联的任务的程序代码或代码段可以存储在诸如存储介质的计算机可读介质中。处理器可以执行相关联的任务。
对于本领域技术人员来说，将明显的是，可以根据特定的要求进行实质性的变化。例如，还可以使用定制的或专用的硬件，和/或可以以硬件、软件(包括便携式软件，例如小程序(applet)等)或者两者来实现特定的元素。此外，可以采用到诸如网络输入/输出设备的其他计算设备的连接。
参考附图，可以包括存储器的部件可以包括非暂时性机器可读介质。术语“机器可读介质”和“计算机可读介质”可以指参与提供使机器以特定方式操作的数据的任何存储介质。在上文提供的实施例中，各种机器可读介质可以涉及向处理单元和/或其他设备提供指令/代码以供执行。附加地或替代地，机器可读介质可以用于存储和/或携带这样的指令/代码。在许多实现中，计算机可读介质是物理和/或有形存储介质。这样的介质可以采取多种形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。计算机可读介质的常见形式包括例如磁和/或光学介质(例如光盘(CD)或数字多功能盘(DVD))、穿孔卡、纸带、具有孔图案的任何其他物理介质、RAM、可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、闪存-EPROM、任何其他存储器芯片或盒、下文所述的载波、或计算机可以从中读取指令和/或代码的任何其他介质。计算机程序产品可以包括代码和/或机器可执行指令，其可以表示过程、函数、子程序、程序、例程、应用(App)、子例程、模块、软件包、类、或指令、数据结构或程序语句的任意组合。
本领域的技术人员将理解，用于传送本文描述的消息的信息和信号可以使用各种不同的技术和技艺中的任何一种来表示。例如，在上面的描述中可以引用的数据、指令、命令、信息、信号、比特、符号和码片(chip)可以由电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子、或其任意组合来表示。
本文使用的术语“和”以及“或”可以包括多种含义，这些含义还被预期至少部分地取决于使用这些术语的上下文。典型地，“或”如果用于关联列表，例如A、B或C，则意在表示A、B和C(此处以包含的意义使用)以及A、B或C(此处以排他的意义使用)。此外，本文使用的术语“一个或更多个”可以用来以单数形式描述任何特征、结构或特性，或者可以用来描述特征、结构或特性的某种组合。然而，应当注意，这仅仅是说明性的示例，并且要求保护的主题不限于该示例。此外，术语“...中的至少一个(at least one of)”如果用于关联列表，例如A、B或C，则可以被解释为表示A、B和/或C的任意组合，例如A、AB、AC、BC、AA、ABC、AAB、AABBCCC等。
此外，虽然已经使用硬件和软件的特定组合描述了某些实施例，但是应当认识到，硬件和软件的其他组合也是可能的。某些实施例可以仅以硬件实现，或者仅以软件实现，或者使用它们的组合来实现。在一个示例中，可以用包含计算机程序代码或指令的计算机程序产品来实现软件，所述计算机程序代码或指令可由一个或更多个处理器执行，用于执行在本公开中描述的任何或所有步骤、操作或过程，其中计算机程序可以存储在非暂时性计算机可读介质上。本文描述的各种过程可以在相同的处理器上或者以任何组合在不同的处理器上被实现。
在设备、系统、部件或模块被描述为被配置为执行某些操作或功能的情况下，可以例如通过设计执行操作的电子电路、通过对可编程电子电路(例如微处理器)进行编程以(例如通过执行计算机指令或代码)执行操作、或者被编程为执行存储在非暂时性存储器介质上的代码或指令的处理器或核、或者它们的任意组合来完成这种配置。过程可以使用各种技术(包括但不限于用于过程间通信的传统技术)进行通信，并且不同的过程对可以使用不同的技术，或者同一对过程可以在不同的时间使用不同的技术。
因此，说明书和附图应被视为说明性的而不是限制性的。然而，将明显的是，在不脱离在权利要求中阐述的更广泛的精神和范围的情况下，可以对其进行添加、删减、删除以及其他修改和改变。因此，尽管已经描述了具体实施例，但是这些实施例并不意图进行限制。各种修改和等同物都在所附权利要求的范围内。

Claims (23)

1.一种波导显示器，包括：
衬底，其对可见光透明；
耦合器，其被配置为将显示光耦合到所述衬底中，使得所述显示光通过全内反射在所述衬底内传播；
所述衬底上的第一多路复用体布拉格光栅(VBG)；和
所述衬底上的第二多路复用VBG，所述第二多路复用VBG至少在所述波导显示器的透视区域中与所述第一多路复用VBG重叠，
其中，所述第一多路复用VBG被配置为将所述显示光衍射到所述第二多路复用VBG的两个或更多个区域，并且所述第二多路复用VBG被配置为将所述显示光衍射到所述波导显示器的视窗的两个或更多个区域。
2.根据权利要求1所述的波导显示器，其中，所述第一多路复用VBG包括通过少于100次曝光记录的少于100个VBG。
3.根据权利要求2所述的波导显示器，其中，所述第一多路复用VBG包括通过少于50次曝光记录的少于50个VBG。
4.根据权利要求1所述的波导显示器，其中，所述第一多路复用VBG的特征在于厚度小于100μm。
5.根据权利要求4所述的波导显示器，其中，所述第一多路复用VBG的厚度小于50μm。
6.根据权利要求1所述的波导显示器，其中，所述第二多路复用VBG包括通过少于100次曝光记录的少于100个VBG。
7.根据权利要求6所述的波导显示器，其中，所述第二多路复用VBG包括通过少于50次曝光记录的少于50个VBG。
8.根据权利要求1所述的波导显示器，还包括在所述衬底上的第三多路复用VBG，所述第三多路复用VBG被配置为将通过所述耦合器耦合到所述衬底中的所述显示光衍射到所述第一多路复用VBG。
9.根据权利要求8所述的波导显示器，其中，所述第三多路复用VBG包括多个VBG，所述多个VBG中的每个VBG具有与所述第一多路复用VBG中的相应VBG的光栅矢量相同的相应光栅矢量。
10.根据权利要求9所述的波导显示器，其中，所述第一多路复用VBG和所述第三多路复用VBG通过相同次数的曝光来记录。
11.根据权利要求1所述的波导显示器，还包括：
所述衬底上的第三多路复用VBG；和
所述衬底上的第四多路复用VBG，
其中，所述第三多路复用VBG被配置为将所述显示光的通过所述耦合器耦合到所述衬底中的第一部分衍射到所述第一多路复用VBG；并且
其中，所述第四多路复用VBG被配置为将所述显示光的通过所述耦合器耦合到所述衬底中的第二部分衍射到所述第一多路复用VBG。
12.根据权利要求11所述的波导显示器，其中，所述显示光的第一部分和所述显示光的第二部分对应于不同的波长范围或不同的视场。
13.根据权利要求11所述的波导显示器，其中：
所述第一多路复用VBG包括第一组VBG和第二组VBG；
所述第三多路复用VBG包括第三组VBG，所述第三组VBG中的每个VBG具有与所述第一组VBG中的相应VBG的光栅矢量相同的相应光栅矢量；和
所述第四多路复用VBG包括第四组VBG，所述第四组VBG中的每个VBG具有与所述第二组VBG中的相应VBG的光栅矢量相同的相应光栅矢量。
14.根据权利要求13所述的波导显示器，其中，所述第一组VBG和所述第二组VBG位于所述第一多路复用VBG的不同区域中。
15.根据权利要求11所述的波导显示器，其中，所述第三多路复用VBG和所述第四多路复用VBG位于所述衬底的表面上的不同区域中，或者位于所述衬底的不同层或表面上。
16.根据权利要求1所述的波导显示器，其中：
所述第一多路复用VBG包括第一区域和第二区域；
所述第一区域被配置为将通过所述耦合器耦合到所述衬底中的所述显示光衍射到所述第一多路复用VBG的所述第二区域；和
所述第一多路复用VBG的所述第二区域至少部分地与所述第二多路复用VBG重叠，并且被配置为将所述显示光衍射到所述第二多路复用VBG。
17.根据权利要求1所述的波导显示器，其中，所述耦合器包括衍射耦合器、折射耦合器或反射耦合器。
18.根据权利要求1所述的波导显示器，其中：
所述第一多路复用VBG被配置为在第一方向上扩展所述显示光；和
所述第二多路复用VBG被配置为在第二方向上扩展所述显示光。
19.一种使用波导显示器显示图像的方法，所述方法包括：
由耦合器将显示光耦合到对可见光透明的衬底中；
由所述衬底引导所述显示光在所述衬底内传播；
由第一多路复用体布拉格光栅(VBG)的两个或更多个区域将所述显示光衍射到第二多路复用VBG的两个或更多个区域；和
由所述第二多路复用VBG的两个或更多个区域将来自所述第一多路复用VBG的所述显示光衍射到所述波导显示器的视窗的两个或更多个区域，
其中，所述第二多路复用VBG至少在所述波导显示器的透视区域中与所述第一多路复用VBG重叠。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括：
由第三多路复用VBG将由所述耦合器耦合到所述衬底中的所述显示光衍射到所述第一多路复用VBG。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第三多路复用VBG中的每个VBG具有与所述第一多路复用VBG中的相应VBG的光栅矢量相同的相应光栅矢量。
22.根据权利要求19所述的方法，还包括：
由第三多路复用VBG将第一波长范围内的显示光衍射到所述第一多路复用VBG；和
由第四多路复用VBG将第二波长范围内的显示光衍射到所述第一多路复用VBG，
其中，所述第四多路复用VBG比所述第三多路复用VBG更靠近所述第二多路复用VBG。
23.根据权利要求22所述的方法，其中：
将所述第一波长范围内的显示光衍射到所述第一多路复用VBG包括将所述第一波长范围内的显示光衍射到所述第一多路复用VBG的第一区域；和
将所述第二波长范围的显示光衍射到所述第一多路复用VBG包括将所述第二波长范围的显示光衍射到所述第一多路复用VBG的偏离所述第一区域的第二区域。
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