背景

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

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

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

在一種類型的頭戴式顯示器中，框架支持兩個(gè)光引擎，這兩個(gè)光引擎各自用相應(yīng)的引導(dǎo)機(jī)制生成相應(yīng)類型的圖像，其中每一引導(dǎo)機(jī)制引導(dǎo)圖像以將其投影在相對于相關(guān)聯(lián)的眼睛適當(dāng)?shù)奈恢锰?，使得佩戴者的眼睛?lián)合運(yùn)作以接收單個(gè)非失真的圖像。

概述

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

背景技術(shù)：
部分中指出的任何或所有缺點(diǎn)的實(shí)現(xiàn)。

可穿戴圖像顯示系統(tǒng)包括頭部部件、光引擎和光學(xué)組件。該光引擎被安裝在所述頭部部件上并被配置成生成光束，所述光束中的每一者被基本準(zhǔn)直以使得所述光束形成虛擬圖像。所述光學(xué)組件被定位成將圖像投影到佩戴者的眼睛上，并包括入射耦合結(jié)構(gòu)和出射結(jié)構(gòu)。所述光束被從所述光引擎的出射光圈定向到所述光學(xué)組件的入射耦合結(jié)構(gòu)。所述出射結(jié)構(gòu)被布置成將所述光束引導(dǎo)到所述眼睛上。所述光學(xué)組件被定位在所述光引擎和所述眼睛之間。所述光學(xué)組件相對于所述光引擎成角度，以使得所述光束的任何向外反射的版本脫離所述出射光圈傳播。

附圖簡述

圖1示出可穿戴顯示系統(tǒng)；

圖2a示出顯示系統(tǒng)的一部分的俯視圖；

圖2b示出顯示系統(tǒng)的一部分的俯視圖；

圖3a和3b示出光學(xué)組件的透視圖和正視圖；

圖4a示出其表面上形成有表面起伏光柵的光學(xué)組件的示意俯視圖；

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

圖5a是直的二元表面起伏光柵的示意性說明，該直二元表面起伏光柵被示為與入射光交互并且是從側(cè)面觀看的；

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

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

圖6示出光學(xué)組件的入射耦合區(qū)域的一部分的關(guān)閉視圖；

圖7a示出了顯示系統(tǒng)的一部分的透視圖；

圖7b示出顯示器的各個(gè)體像素的俯視圖；

圖7c和7d示出與光學(xué)組件交互的光束的俯視圖和正視圖；

圖7e示出執(zhí)行光束展寬的光學(xué)組件的正視圖；

圖7f示出執(zhí)行光束展寬的光學(xué)組件的俯視圖；

圖7g是彎曲的光學(xué)組件的俯視圖；

圖8a和8b是光學(xué)組件的一部分的俯視圖和正視圖；

圖9a示出在波導(dǎo)的折疊區(qū)內(nèi)的光束反射的透視圖；

圖9b解說光束展寬機(jī)制；

圖10示出顯示系統(tǒng)的側(cè)視圖；

圖11示出重影圖像可如何被創(chuàng)建在某些顯示系統(tǒng)中；

圖12解說了可用于消除重影圖像的機(jī)制。

詳細(xì)描述

通常，基于波導(dǎo)的顯示系統(tǒng)包括圖像源(例如，投影儀)、(諸)波導(dǎo)和壓印在各波導(dǎo)表面上的各光學(xué)元件(例如，衍射光柵或全息圖)。這些光學(xué)元件被用于例如將圖像源所發(fā)射的光耦合入和耦合出波導(dǎo)，和/或用于調(diào)制其在波導(dǎo)內(nèi)的空間分布。

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

框架2支撐標(biāo)記為10l和10r的左和右光學(xué)組件，左和右光學(xué)組件為例如由玻璃或聚合物形成的波導(dǎo)。為了便于本文中的參考，光學(xué)組件10(其為波導(dǎo))將被認(rèn)為是左或右組件，因?yàn)檫@些組件除了是彼此的鏡像外本質(zhì)上相同。因此，涉及左手組件的所有描述也涉及右手組件。稍后將參考圖3更詳細(xì)地描述光學(xué)組件。中央部分(4)容納兩個(gè)光引擎，這兩個(gè)光引擎在圖1中未被示出，但在圖2a中示出了其中的一個(gè)光引擎。

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

光學(xué)組件10是基本上透明的，以使得用戶可不僅查看來自光引擎13的圖像，還可透過該光學(xué)組件10查看現(xiàn)實(shí)世界視圖。

光學(xué)組件10具有折射率n，該折射率n使得全內(nèi)反射發(fā)生，從而引導(dǎo)來自入射耦合區(qū)12的光束沿著中間展寬區(qū)14，并向下朝向出射區(qū)16。

圖2b示出顯示系統(tǒng)1的俯視圖。分開的左和右顯示器(15l，15r)被容納在中央部分(4)中，每一顯示器具有其自己的成像光學(xué)器件(17l,17r)。這些構(gòu)成剛才描述的種類的分開的光引擎13l、13r。由左成像光學(xué)器件(17l，相應(yīng)的右成像光學(xué)組件17r)根據(jù)左顯示器(15l)上的左圖像(相應(yīng)的右顯示器15r上的右圖像)創(chuàng)建的光束被耦合到左光學(xué)組件(10l，相應(yīng)的右光學(xué)組件10r)中。左圖像(相應(yīng)的右圖像)的光束被引導(dǎo)通過左組件(10l，相應(yīng)的右組件10r)并到用戶的左眼(相應(yīng)的右眼)上。以下更詳細(xì)地描述了引導(dǎo)機(jī)制(注意，涉及顯示器/準(zhǔn)直光學(xué)器件15/17的描述同等地適用于左顯示器/光學(xué)器件15l/17l和右顯示器15r/17r).左和右圖像可按使得由佩戴者感知立體圖像(即創(chuàng)建深度效應(yīng))的方式彼此不同。左顯示器(15l)及相關(guān)聯(lián)的準(zhǔn)直光學(xué)器件(17l)(相應(yīng)的右顯示器15r及相關(guān)聯(lián)的準(zhǔn)直光學(xué)器件17r)構(gòu)成一組左成像組件(相應(yīng)的右成像組件)。

佩戴者的耳朵在圖2b中未被示出，然而，如將顯而易見的，左和右延伸(6l,6r)的部分(90l,90r)分別適配在佩戴者的左耳和右耳上，并分別由佩戴者的左耳和右耳支持，以使得光學(xué)組件(10l，10r)以傳統(tǒng)的眼鏡鏡片的方式分別被支持在用戶的左眼和右眼的前向，并且中央部分(4)適配在佩戴者的鼻梁上。

其他頭部部件也在本主題的范圍之內(nèi)。例如，顯示光學(xué)器件可同樣使用頭帶、頭盔或其他適配系統(tǒng)被附連到用戶的頭部。適配系統(tǒng)的目的在于支持顯示器，并向顯示器和其他頭部承受系統(tǒng)(諸如，跟蹤系統(tǒng)和相機(jī))提供穩(wěn)定性。適配系統(tǒng)還將被設(shè)計(jì)成在人體測量范圍和頭部形態(tài)學(xué)方面滿足用戶群體，并提供對顯示系統(tǒng)的舒適支撐。光引擎17l、17r可被安裝到任何這樣的頭部部件的中央部分，以使得當(dāng)該頭部部件被佩戴且不在用戶的太陽穴處時(shí)，光引擎17l、17r相對于用戶位于中心處。

已知類型的頭戴式顯示系統(tǒng)趨于將成像組件定位在框架的側(cè)面，以使得這些成像組件位于用戶的太陽穴附近。這被認(rèn)為提升設(shè)備的可穿戴性，因?yàn)橐话愕剡@看來是最少干擾位置。

然而，發(fā)明人已認(rèn)識到，對于立體成像系統(tǒng)而言，立體圖像對的未對準(zhǔn)可與左和右光學(xué)成像組件的相對位置方面的甚至輕微的改變一起發(fā)生。這樣的改變可由以下引起：在整個(gè)正常使用時(shí)作為機(jī)械或熱效應(yīng)的結(jié)果的框架的瞬時(shí)撓曲、經(jīng)歷耗損和磨損的長期撓曲、或引起未對準(zhǔn)的其他原因。甚至輕微的改變也可引起左和由圖像之間的某一水平的雙目視差，人類視覺系統(tǒng)(hvs)對雙目視差高度敏感到即使相對短期的遭受很小水平的雙眼差異也可使得佩戴者感覺十分不舒服的程度。hvs對左和右圖像之間的垂直視差特別敏感，并且即使各圖像的對應(yīng)于與一個(gè)像素一樣小的量的未對準(zhǔn)也可能是可感知的，這取決于顯示分辨率。

發(fā)明人已認(rèn)識到，在其中左和右成像組件被彼此遠(yuǎn)離地定位在框架的各側(cè)上的系統(tǒng)中，維持左和右組件之間該水平的角對準(zhǔn)將是不切實(shí)際的。在理論上可實(shí)現(xiàn)這個(gè)的一種方式是使得框架在左和右組件之間的部分足夠剛性。然而，在實(shí)踐中，維持雙眼對等的必要公差可被保持是不太可能的，而且在任何情況下，在該系統(tǒng)中包括任何這樣的結(jié)構(gòu)將顯著地增加制造成本。

發(fā)明人已認(rèn)識到，如果左和右成像組件將被定位到該顯示系統(tǒng)的左和右邊，維持該左和右組件之間該水平的角對準(zhǔn)將是不切實(shí)際的。在理論上可實(shí)現(xiàn)這個(gè)的一種方式是使得框架在左和右組件之間的部分足夠剛性。然而，在實(shí)踐中，維持雙眼對等的必要公差可被保持是不太可能的，并且在任何情況下，在該系統(tǒng)中包括任何這樣的結(jié)構(gòu)將顯著地增加制造成本。

在本文中公開的顯示系統(tǒng)中，左和右顯示器被彼此毗鄰地容納在框架(6)的中央部分(4)中。中央部分(4)形成殼體，該殼體容納顯示器(15l,15r)兩者以及其相應(yīng)的關(guān)聯(lián)準(zhǔn)直光學(xué)器件(17l,17r)。

以這種方式來并置左和右成像組件(15l/17l,15r/17r)兩者確保任何熱擾動(dòng)同等地并以相同的方式影響第一和第二圖像兩者(這是可接受的，因?yàn)殡p目視差僅在它們被彼此不同地?cái)_動(dòng)的情況下才發(fā)生)。由此，并置左和右組件(15l/17l,15r/17r)實(shí)質(zhì)上消除了任何雙目視差(否則，雙目視差將由于熱波動(dòng)而發(fā)生)，并且該位置的中心性確保各自能夠按照對相應(yīng)光學(xué)組件(10l,10r)所預(yù)期的那樣協(xié)作。

并置這些成像組件還意味著機(jī)械擾動(dòng)更不可能引入視差，例如與將成像組件(15l/17l,15r/17r)定位在框架的側(cè)面相比，當(dāng)這些組件被定位在中央時(shí)，框架(6)的扭曲或彎曲更不可能引入視差。

雖然圖2b中沒有顯式地示出，但成像組件(15l/17l,15r/17r)通過明顯比框架(6)更剛性的剛性支撐結(jié)構(gòu)(例如，碳纖維支撐結(jié)構(gòu))以剛性形成被支撐在中央部分(4)中。碳纖維只是一個(gè)示例，而可使用其他低質(zhì)量的剛性材料，例如鈦。以相同的高度剛性的結(jié)構(gòu)來支撐維持左和右成像組件兩者即使在存在顯著的機(jī)械擾動(dòng)的情況下，也維持左成像組件(15l/17l)和右成像組件(15r/17r)之間的精確的相對對準(zhǔn)。即使在成像組件相對于框架(6)移動(dòng)，并且尤其相對于光學(xué)組件(10l,10r)移動(dòng)的情況下，雙目對等仍被維持，因?yàn)橹谓Y(jié)構(gòu)的剛性將成像組件(15l/17l)和(15r/17r)相對于彼此保持在基本上固定的布置中。

由于左和右成像組件(15l/17l)和(15r/17r)全部被定位成彼此靠近，剛性支撐結(jié)構(gòu)在尺寸方面可能很小，即在左和右成像組件將改為被定位在框架的側(cè)面的情況下，則需要明顯更少量的剛性材料。該顯著地減少了制造顯示系統(tǒng)的成本。

圖3a和3b更詳細(xì)地示出光學(xué)組件。

圖3a示出波導(dǎo)光學(xué)組件(10)的透視圖。該光學(xué)組件是平的，因?yàn)槠浔砻娴那安亢秃蟛渴腔旧掀降?前和后根據(jù)如由圖3a中眼睛的位置指示的佩戴者的視角來定義)。該表面的前部和后部彼此平行。光學(xué)組件(10)基本位于一平面(xy平面)中，其中z軸(被稱為“法線”)被定向?yàn)閺墓鈱W(xué)組件(10)朝向觀看者。入射耦合區(qū)、折疊區(qū)和出射區(qū)(12、14和16)被示出，每一區(qū)通過光學(xué)組件的表面的相應(yīng)表面調(diào)制(52、46和56)來定義，表面調(diào)制(52、46和56)從佩戴者的視角來看位于波導(dǎo)的后面。表面調(diào)制(52、46、56)中的每一者形成相應(yīng)的表面起伏光柵(srg)，其特性將被簡短地描述。取代srg，全息圖可被用于提供與srg相同的光學(xué)功能。

如在圖3b的俯視圖中示出的，折疊區(qū)在橫向(x)方向具有水平延伸(w2)(在本文中被稱為展寬區(qū)的“寬度”)，并且在垂直(y)方向具有延伸(h2)(在本文中被稱為展寬區(qū)的“高度”)，該折疊區(qū)以沿著其寬度(w2)的橫向方向從光學(xué)組件的內(nèi)邊緣增加到其外邊緣。出射區(qū)具有定義眼框的尺寸的水平延伸(w3)(出射區(qū)的寬度)以及y方向延伸(h3)(出射區(qū)的高度)。眼框的尺寸獨(dú)立于光引擎中的成像光學(xué)器件。入射耦合srg和折疊srg(52,54)具有相對定向角a，折疊srg和出射srg(54,56)也具有相對定向角a(注意，以下描述的重疊在圖9b中的srg52,54,56上的各點(diǎn)線表示垂直于那些srg的光柵線的方向)。

入射耦合區(qū)和折疊區(qū)(12,14)基本連續(xù)，因?yàn)樗鼈冏疃嘞喔粽吔鐓^(qū)(18)，該窄邊界區(qū)具有如沿著(即，垂直于)分割該邊界區(qū)(18)的公共邊界(19)測得的寬度(w)。公共邊界(19)是拱形的(在本示例中基本上為半圓)，入射耦合區(qū)域和折疊區(qū)域(12,14)沿著公共邊界(19)具有拱形(基本上為半圓)的邊緣。入射耦合區(qū)域(12)的邊緣在整體上為基本上圓形的。

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

本文中描述的光學(xué)組件通過反射、折射、衍射的方式與光交互。衍射在傳播的波與例如障礙或狹縫之類的結(jié)構(gòu)交互時(shí)發(fā)生。衍射可以被描述為波的干涉，并且在該結(jié)構(gòu)在大小上與波的波長相當(dāng)時(shí)最顯著?？梢姽獾墓鈱W(xué)衍射歸因于光的波性質(zhì)并且可被描述為光波的干涉?？梢姽饩哂性诖蠹s390到700納米(nm)之間的波長，并且當(dāng)傳播的光遇到100或1000nm范圍級別的類似規(guī)模的結(jié)構(gòu)時(shí)可見光的衍射是最顯著的。

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

當(dāng)周期性結(jié)構(gòu)在光學(xué)組件的表面上時(shí)，其被稱為表面光柵。當(dāng)周期性結(jié)構(gòu)歸因于表面本身的調(diào)制時(shí)，其被稱為表面起伏光柵(srg)。srg的一個(gè)示例是在光學(xué)組件的表面中的被均勻直槽間隔區(qū)域分隔開的均勻直槽。槽間隔區(qū)域在此被稱為“線”、“光柵線”和“填充區(qū)域”。srg的衍射的性質(zhì)取決于入射在光柵上的光的波長和srg的各種光學(xué)特性(例如線間隔、槽深度和槽傾斜角)這兩者。srg可通過合適的精密加工過程來制造，該過程可涉及對基底的蝕刻和/或基底上的沉積以將期望的周期性微結(jié)構(gòu)制造在該基底上以形成光學(xué)組件，該光學(xué)組件可隨后被用作生產(chǎn)底片，諸如用于制造進(jìn)一步光學(xué)組件的模具。

srg是衍射光學(xué)元件(doe)的示例。當(dāng)有doe存在于一表面上時(shí)(例如，當(dāng)doe是srg時(shí))，該表面被那個(gè)doe跨越的部分被稱為doe區(qū)域。

圖4a和4b分別從頂部和側(cè)面示出具有外表面(s)的基本上透明的光學(xué)組件(10)的一部分。表面s的至少一部分展示構(gòu)成為微結(jié)構(gòu)的srg(44)(例如，52、54、56)的表面調(diào)制。這樣的部分被稱為“光柵區(qū)域”。調(diào)制包括光柵線，這些光柵線是基本上平行和細(xì)長的(基本上比它們的寬更長)，并且在該示例中還基本上是直的(但是一般來說它們不需要是直的)。

圖4b示出光學(xué)組件(10)，并且具體而言是與傳入照明光束i交互的srg(44)，該傳入照明光束向內(nèi)入射到srg(44)上。入射光(i)在該示例中是白色光，并且因而具有多種顏色分量。光(i)與srg(44)交互，srg(44)將該光拆分成向內(nèi)定向到光學(xué)組件(10)中的幾個(gè)光束。光(i)的一些也可作為反射光束(r0)被從表面(s)反射回來。零階模式向內(nèi)光束(t0)和任何反射(r0)是根據(jù)衍射的一般原理以及其它非零階(±n-階)模式(其可被解釋為波干涉)被創(chuàng)建的。圖4b示出第一階向內(nèi)光束(t1,t-1)；將理解可以依據(jù)光學(xué)組件(10)的配置創(chuàng)建或不創(chuàng)建更高階的光束。由于衍射的性質(zhì)取決于波長，因此，對于更高階的模式而言，入射光(i)的不同顏色分量(即波長分量)當(dāng)存在時(shí)以相對于彼此而言不同的傳播角度被分成不同顏色的光束，如圖4b所示。

圖5a-5c是不同的示例性srg44a-44c(在此統(tǒng)稱為44)的特寫示意性截面圖，srg44a-44c由(在這些圖中是從側(cè)面觀看的)光學(xué)組件10的表面s的調(diào)制形成的。光束用箭頭標(biāo)注，其厚度指示大致相對的強(qiáng)度(越高強(qiáng)度的光束以越厚的箭頭示出)。

圖5a示出直二元srg(44a)的示例。直二元srg(44a)由在表面(s)中通過突出槽間隔區(qū)域(9a)分隔開的一系列槽(7a)形成，該突出槽間隔區(qū)域(9a)在此也被稱為“填充區(qū)域”、“光柵線”或簡稱為“線”。srg(44a)具有d的空間周期(稱為“光柵周期”)，其是調(diào)制形狀在其上重復(fù)的距離，并且由此為毗鄰線/槽之間的距離。槽(7a)具有深度(h)，且具有基本直的壁和基本平的基底。在圖5a中填充區(qū)域具有高度(h)和在填充區(qū)域的高度(h)上基本均勻的標(biāo)記為“w”的寬度(其中w是周期的某一分?jǐn)?shù)f：w＝f*d)。

圖5b示出斜二元srg(44b)的示例。斜二元srg(44b)也由表面s中通過寬度(w)的線(9b)分隔開的的槽(被標(biāo)記為7b)形成，這些槽具有基本直的壁和基本平的基底。然而，與直srg(44a)相對比，所述壁相對于法線傾斜了一定量，在圖5b中由角度β標(biāo)注。槽(7b)當(dāng)沿法線測量時(shí)具有深度(h)。取決于非零傾斜所進(jìn)入的非對稱性，行進(jìn)離開傾斜方向的±n階模式向內(nèi)光束具有比它們的±n階模式對應(yīng)物更高的強(qiáng)度(例如在圖5b的示例中，t1光束被定向離開傾斜的方向并且通常具有比t-1光束更大的強(qiáng)度，但是這取決于例如光柵周期d)；通過增加傾斜達(dá)足夠量，那些±n對應(yīng)物可以基本被消除(即具有基本為零的強(qiáng)度)。t0光束的強(qiáng)度通常還通過斜二元srg被大大減少，這樣，在圖5b的示例中，第一階光束t1通常具有至多約入射光束(i)的強(qiáng)度的五分之四(0.8)的強(qiáng)度。

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

圖5c示出了突出的三角srg(44c)的示例，其是突出的梯形srg的特殊情況。三角srg(44c)是由表面(s)中的槽(7c)形成，所述槽是三角形狀的(且因此具有可分辨的尖端)并且當(dāng)沿法線測量時(shí)具有深度(h)。填充區(qū)域(9c)采用了三角形、齒狀突起(齒形)的形式，具有與法線成角度β(β是srg(44c)的傾斜角)的中部。這些齒具有分隔(d)(其是srg44c的光柵周期)的各尖端，即在齒形底部處為(w)并且在齒形的尖端處變窄到基本為零的寬度。對于圖5c的srg(44c)，w≈d，但一般可以為w<d。srg是突出的，因?yàn)辇X的尖端延伸超過槽的尖端。構(gòu)建突起的三角形srg是可能的，該圖案基本消除了零階傳輸模式(t0)光束和模式光束，僅留下±n階模式光束(例如僅有t1)。槽具有與中線成角度γ(壁角)的壁。

srg(44c)可以被看作是嵌入在(s)中的空間波形，所述空間波形具有基本三角的波形，其傾斜了β。

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

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

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

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

圖6示出具有更大的清晰度的入射srg(52)，該入射srg(52)包括示出光束如何與其交互的經(jīng)展寬的版本。圖6示出了光學(xué)組件(10)的俯視圖。光引擎(13)提供經(jīng)準(zhǔn)直的光的光束，這些光束之一被示出(對應(yīng)于顯示像素)。該光束落在入射srg(52)上并由此在組件(10)中引起該光束的全內(nèi)反射。中間光柵(14)將光束的各版本向下引導(dǎo)到出射光柵(16)，出射光柵(16)引起將該圖像衍射到用戶的眼睛上。光柵(12)的操作在經(jīng)擴(kuò)大的部分中被更詳細(xì)地示出，該經(jīng)擴(kuò)大的部分示出從左邊進(jìn)入并被表示為(i)的入射光束的光線，并且這些光線被衍射以便在光學(xué)組件(10)中經(jīng)歷tir。圖6中的光柵具有圖5b中示出的類型，但也可具有圖5c中示出的類型或者某種其他傾斜的光柵形狀。

現(xiàn)將參考圖7a-9b描述作為某些實(shí)施例的基礎(chǔ)的光學(xué)原理。

顯示系統(tǒng)的準(zhǔn)直光學(xué)器件被布置成將顯示系統(tǒng)的顯示器上的圖像基本上準(zhǔn)直成多個(gè)輸入光束。每一光束通過準(zhǔn)直來自相應(yīng)圖像點(diǎn)的光來形成，那個(gè)光束以唯一向內(nèi)方向被定向到入射耦合區(qū)，該唯一向內(nèi)方向取決于改點(diǎn)在圖像中的位置。多個(gè)輸入光束由此形成該圖像的虛擬版本。中間區(qū)和入射區(qū)具有顯著大于該光束的直徑的寬度。入射區(qū)被布置成將每一光束耦合到中間區(qū)中，在該中間區(qū)中，該光束以沿著該中間區(qū)的寬度的方向被引導(dǎo)到該中間區(qū)的多個(gè)拆分區(qū)域中。中間區(qū)被布置成在拆分區(qū)域拆分該光束以提供那個(gè)光束的多個(gè)基本上平行的版本。那些多個(gè)版本被耦合到出射區(qū)中，在出射區(qū)中，多個(gè)版本被引導(dǎo)到出射區(qū)的多個(gè)出射區(qū)域上。這些出射區(qū)域位于沿著出射區(qū)的寬度的方向中。出射區(qū)被布置成基本上平行地并以匹配基本上入射耦合那個(gè)光束的唯一向內(nèi)方向的向外方向來向外衍射那個(gè)光束的多個(gè)版本。多個(gè)輸入光束由此使得多個(gè)出射光束離開波導(dǎo)，此多個(gè)出射光束形成圖像的基本上相同的虛擬版本。

圖7a示出顯示器(15)、成像光學(xué)器件(17)和入射耦合srg(52)的透視圖。顯示器(15)的用于顯示圖像的區(qū)域上的不同幾何點(diǎn)在本文中被稱為像點(diǎn)，這些像點(diǎn)可以是活躍的(當(dāng)前正在發(fā)射光)或不活躍的(當(dāng)前不在發(fā)射光)。在實(shí)踐中，各個(gè)體像素可被近似為像點(diǎn)。

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

成像光學(xué)器件(17)具有光軸(30)和正焦點(diǎn)，并且相對于光學(xué)組件(10)被定位成使得光軸(30)在入射srg(52)的幾何中心處或附近與入射srg(52)相交，且正焦點(diǎn)基本位于顯示器上的像點(diǎn)x0處(即，位于與顯示器的正面相同的平面中)。示出了顯示器上的另一任意像點(diǎn)x，并且現(xiàn)在將結(jié)合x描述作為各實(shí)施例的基礎(chǔ)的原理，而不失一般性。在以下，術(shù)語“對于每一x”或類似物被用作用于意指“對于每一像點(diǎn)(包括x)”或類似物的方便速記，如在上下文中將顯而易見的。

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

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

對應(yīng)于像點(diǎn)x的光束34(x)以向內(nèi)傳播方向被朝向入射srg(52)定向，其可通過傳播向量來描述(在本文中，粗體字體被用來表示三維向量，這樣的向量上的帽子指示表示單位向量)。向內(nèi)傳播方向取決于x在圖像中的位置，并且此外對x是唯一的。那個(gè)唯一的傳播方向可根據(jù)方位角φin(x)(其是在x軸以及在xy平面中的投影之間的角度)和極坐標(biāo)角θin(x)(其是在z軸以及z軸和兩者都位于其中的平面(注意，一般來說該平面不是xz平面)內(nèi)測得的之間的角度)來參數(shù)化的。符號φin(x)、θin(x)被采用來表示對x的前述依賴性；如所指示的，φin(x)、θin(x)對那個(gè)x是唯一的。注意，在本文中，這樣的單位向量和參數(shù)化這樣的向量的這樣的極坐標(biāo)/方位角對在本文中有時(shí)被稱為“方向”(因?yàn)楹笳弑硎酒渫暾膮?shù)化)，并且出于相同的理由，有時(shí)方位角被獨(dú)立稱為xy方向。還應(yīng)注意，“向內(nèi)”在本文中被用于指示朝向波導(dǎo)的傳播(當(dāng)傳播朝向觀看者所感知到的波導(dǎo)的背面時(shí)，為正z分量，而當(dāng)傳播朝向波導(dǎo)的正面時(shí)，為負(fù)z分量)。

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

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

對應(yīng)于像點(diǎn)x0(未示出)的輸入光束將與光軸(30)平行地朝向入射耦合srg(52)的幾何中心或在該幾何中心附近傳播。

如所提到的，在實(shí)踐中，顯示器15的各個(gè)體像素可被近似為單個(gè)像點(diǎn)。這在圖7b中解說，圖7b是示出顯示器(15)的主平面(31)和兩個(gè)毗鄰像素(xa,xb)的示意俯視圖，這兩個(gè)毗鄰像素(xa,xb)的中心從主點(diǎn)p起包住角度δβ。如將顯而易見的，出于解說的目的，像素(xa,xb)的范圍已被極大地?cái)U(kuò)大。

光束被高度準(zhǔn)直，從而具有不大于由個(gè)體像素從p起包住的角度(～δβ)的角范圍，例如通常具有不多于約1/2毫弧度的角范圍。如在以下的示圖中將變得顯而易見的，這增加了佩戴者感知到的最終圖像的圖像質(zhì)量。

圖7c和7d分別示出了光學(xué)組件的一部分的示意俯視圖(xz)和正視圖(yz)。如這些附圖中所指示的，入射耦合光柵(52)引起光束34(x)的衍射，由此引起一階(±1)模式光束在光學(xué)組件(10)內(nèi)以大致朝向折疊srg(54)的新方向(即，其具有正x分量)傳播。新方向可由方位角φ(x)(其中|φ(x)|≤|φin(x)|)和極坐標(biāo)角θ(x)(其中|θ(x)|>|θin(x)|)來參數(shù)化，方位角φ(x)和極坐標(biāo)角θ(x)也依據(jù)像點(diǎn)x的位置來確定并且對像點(diǎn)x是唯一的。光柵(52)被配置成使得一階模式是唯一的重要衍射模式，且該新光束的強(qiáng)度由此基本匹配輸入光束的強(qiáng)度。如上所述，傾斜光柵可被用于實(shí)現(xiàn)該期望效果(被定向?yàn)殡x開入射srg(52)的光束將例如對應(yīng)于光束t1，如圖4b或4c所示)。通過這種方式，光束34(x)以該新方向被耦合到光學(xué)組件(10)的入射耦合區(qū)(12)。

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

(1):對于每個(gè)x，sinθ(x)＞1/n。

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

圖7e從與佩戴者的視角相似的視角示出完整的光學(xué)組件(10)的正面(xy)視圖。如以下更詳細(xì)解釋的，光學(xué)組件(10)內(nèi)的衍射光束拆分和全內(nèi)反射的組合導(dǎo)致每一輸入光束34(x)的多個(gè)版本沿著出射區(qū)(16)的長度和寬度兩者從出射srg向外衍射，成為處于基本匹配對應(yīng)輸入光束34(x)的相應(yīng)向內(nèi)方向的相應(yīng)向外方向(即，遠(yuǎn)離光學(xué)組件10)的輸出光束38(x)。

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

如所解說的，輸入光束34(x)被入射srg(52)通過前述衍射耦合到波導(dǎo)中，并且通過tir以方向φ(x),±θ(x)(每當(dāng)該光束被反射時(shí)，極坐標(biāo)角的符號而非幅值改變)沿著入射區(qū)(12)的寬度傳播。如將顯而易見的，這導(dǎo)致光束34(x)最終在最左邊的拆分區(qū)域(s)撞擊折疊srg。

當(dāng)光束34(x)入射在拆分區(qū)域(s)處時(shí)，那個(gè)入射光束34(x)通過衍射的方式被高效地拆分成兩個(gè)光束，以除了零階反射模式光束(鏡面反射光束)外，還創(chuàng)建那個(gè)光束的新版本42(x)(具體為-1反射模式光束)，歸因于具有特定配置(其將在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候被描述)的折疊srg(54)，該新版本以特定并且大致向下(-y)的方向φ'(x),±θ'(x)被定向?yàn)槌虺錾鋮^(qū)(16)，而零階反射模式光束繼續(xù)以相同的方向φ(x),±θ(x)沿著該光束34(x)的寬度傳播，就好像光束34(x)將處在沒有折疊srg的地方(但是以降低的強(qiáng)度傳播)一樣。由此，光束34(x)基本沿著折疊區(qū)(14)的整個(gè)寬度高效地繼續(xù)傳播，在各拆分區(qū)域(s)撞擊折疊srg，并在每一拆分區(qū)域(s)創(chuàng)建該光束的另一新版本(處于相同的基本向下的方向φ'(x),±θ'(x))。如圖7e所示，這導(dǎo)致光束34(x)的多個(gè)版本被耦合到出射區(qū)(16)，這多個(gè)版本在水平上分隔開以共同跨越出射區(qū)(16)的基本整個(gè)寬度。

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

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

出射區(qū)(16)位于折疊區(qū)(14)下方，并且由此該光束的各向下傳播版本42(x)被耦合到出射區(qū)(16)中，在出射區(qū)16中，這些向下傳播版本被引導(dǎo)到輸出srg的各出射區(qū)域(e)上。出射srg(56)被配置成使得當(dāng)光束的某版本撞擊輸出srg時(shí)，那個(gè)光束被衍射以創(chuàng)建以向外的方向從該出射srg(56)向外定向的一階模式光束，該向外的方向基本匹配其中對應(yīng)于像點(diǎn)x的原始光束34(x)被輸入的唯一向內(nèi)方向。由于存在該光束的多個(gè)版本向下傳播，此多個(gè)版本基本跨越出射區(qū)(16)的寬度，因此生成了跨出射區(qū)(16)的寬度的多個(gè)輸出光束(如圖7e所示)以提供高效的水平光束展寬。

此外，出射srg(56)被配置成使得除了向外衍射的光束38(x)在各出射區(qū)域(e)處從入射光束中被創(chuàng)建外，零階衍射模式光束繼續(xù)按與該入射光束相同的特定方向向下傳播。該零階衍射模式光束進(jìn)而在較低的出射區(qū)(16)以圖7e所示的方式撞擊出射srg，從而導(dǎo)致繼續(xù)的零階光束和向外的一階光束兩者。由此，還生成了基本跨出射區(qū)(16)的整個(gè)寬度的多個(gè)輸出光束38(x)以提供高效的垂直光束展寬。

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

對于平光學(xué)組件(即，其前和后表面在其整體上基本平行于xy平面)，輸出光束基本彼此平行(至少在被兩個(gè)毗鄰顯示像素包住的角度δβ內(nèi))，并且按與相應(yīng)的輸入光束34(x)被定向到入射耦合srg(52)的唯一向內(nèi)方向平行的輸出傳播方向向外傳播。即，以向內(nèi)方向將對應(yīng)于像點(diǎn)x的光束34(x)定向到入射耦合srg(52)導(dǎo)致相應(yīng)的輸出光束38(x)被向外且并行地從出射區(qū)(16)衍射，由于各srg的配置，每一輸出光束處于向外傳播方向

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

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

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

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

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

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

圖8a示出分別位于顯示器(15)的最左邊和最右邊的兩個(gè)像點(diǎn)(xl,xr)，來自這兩個(gè)像點(diǎn)的光被光學(xué)器件(17)準(zhǔn)直以便以向內(nèi)方向(θin(xl),φin(xl))、(θin(xr),φin(xr))生成相應(yīng)的輸入光束34(xl)、34(xr)。如所示出的，這些光束被入射耦合srg(52)耦合到光學(xué)組件(10)中—所示的在入射耦合srg(52)處創(chuàng)建的入射耦合光柵是通過衍射入射在srg(52)上的光束的方式來創(chuàng)建的一階(+1)模式光束。耦合在波導(dǎo)中的光束34(xl)、34(xr)以由極坐標(biāo)角θ(xl)、θ(xr)定義的方向傳播。

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

這樣的角度θ(x)、φ(x)由以下(傳輸)光柵等式給出：

nsinθ(x)sinφ(x)＝sinθin(x)sinφin(x)(2)

其中srg(52)具有光柵周期，光束光具有波長，并且n為光學(xué)組件的折射率。

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

現(xiàn)將參考圖9a-9b描述折疊srg(54)的配置。注意，在圖9a和9b中，為了清楚起見，光束再次通過箭頭來表示，而沒有其區(qū)域的任何表示。在這些附圖中，點(diǎn)線表示垂直于折疊srg光柵線的各方向，虛線表示垂直于入射耦合srg光柵線的各方向，且點(diǎn)劃線表示垂直于出射srg光柵線的各方向。

圖9a示出耦合到光學(xué)組件(10)的折疊區(qū)(14)中、已從光學(xué)組件(10)的前壁反射出并由此以朝向折疊srg(54)的方向(φ(x),-θ(x))行進(jìn)的光束34(x)的透視圖。點(diǎn)線(其垂直于折疊srg光柵線)被示為表示折疊srg的方向。

折疊srg(54)和入射耦合srg(52)具有相對定向角a(該相對定向角a是其相應(yīng)光柵線之間的角度)。該光束由此與在xy平面中測得的折疊srg光柵線成角度α+φ(x)(參見圖9b)。光束(34)入射在折疊srg(54)上，折疊srg(54)將光束(34)衍射到不同的組件中。零階反射模式(鏡面反射)光束被創(chuàng)建，該零階反射模式光束繼續(xù)以方向(φ(x),+θ(x))傳播，就好像光束34(x)將由在沒有折疊srg(54)的情況下的反射造成(但是以降低的強(qiáng)度傳播)。該鏡面反射光束實(shí)際上可被看作光束34(x)的延續(xù)，并且出于該原因也被標(biāo)記為34(x)。還創(chuàng)建一階(-1)反射模式光束42(x)，其實(shí)際上可被看作光束的新版本。

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

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

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

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

光束34(x)的第一新版本42a(x)(-1模式)在該光束首次被折疊srg54衍射時(shí)被創(chuàng)建，并且第二新版本42b(x)(-1模式)在該光束接著被折疊srg54衍射時(shí)被創(chuàng)建(并且以此類推)，第一新版本42a(x)和第二新版本42b(x)兩者都以xy方向φ'(x)傳播。通過這種方式，光束34(x)被高效地拆分成多個(gè)版本，這些版本(跨折疊區(qū)14的寬度)被水平地分隔開。這些版本被引導(dǎo)向下朝向出射區(qū)(16)，并由此(由于該水平分隔，基本跨出射區(qū)(16)的寬度)被耦合到出射區(qū)(16)中。如可看出的，多個(gè)版本由此入射在出射srg(56)的各出射區(qū)域(被標(biāo)記為e)上，出射區(qū)域沿著出射區(qū)(16)的寬度定位。

這些新的向下(-y)傳播的版本本身可再次遇到折疊srg(54)，如所解說的。然而，從等式(4),(5)中可示出通過入射光束(例如，42a(x),-1模式)在srg處的衍射創(chuàng)建的任何一階反射模式光束(例如40a(x),+1模式)將回復(fù)成原始光束的方向(例如，φ(x),±θ(x),其是40a(x)的傳播方向)，入射光束本身由原始光束(例如，34(x))在同一srg處的早期衍射創(chuàng)建。由此，折疊區(qū)(14)內(nèi)的傳播限于菱狀格，如可從圖9b的幾何結(jié)構(gòu)中看出的。被標(biāo)記為42ab(x)的光束是在42b(x)遇到折疊srg(54)時(shí)創(chuàng)建的鏡面反射光束和在40a(x)在基本相同的位置處遇到該折疊srg(54)時(shí)創(chuàng)建的-1模式光束的疊加；被標(biāo)記為42ab(x)的光束是在40a(x)遇到折疊srg(54)時(shí)創(chuàng)建的鏡面反射光束和在42b(x)在基本相同的位置遇到該折疊srg時(shí)創(chuàng)建的+1模式光束的疊加(并以此類推)。

出射srg和入射耦合srg(52,56)以相對定向角α'(該相對定向角α'是其相應(yīng)光柵線之間的角度)定向。在出射區(qū)域中的每一者處，遇到該區(qū)域的版本被衍射，以使得除了以方向φ'(x),±θ'(x)向下傳播的零階反射模式光束外，還有以由以下給出的向外的方向φout(x),θout(x)遠(yuǎn)離光學(xué)組件(10)傳播的一階(+1)傳輸模式光束38(x)：

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

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

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

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

sinθout(x)＝nsinθ′out(x)(8)

φ′out(x)＝φout(x)(9)

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

根據(jù)等式(2-7)可示出，當(dāng)

d＝d1＝d3(10)

(即，當(dāng)入射耦合srg52和出射srg56的周期基本匹配)；

d2＝d/(2cosa)；(11)

并且

a′＝2a；(12)

時(shí)

則(θout(x)，φout(x))＝(θin(x)，φin(x))。

此外，當(dāng)條件

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

換言之，當(dāng)這些準(zhǔn)則被滿足時(shí)，出射srg(56)實(shí)際上充當(dāng)入射耦合srg(52)的反轉(zhuǎn)，從而反轉(zhuǎn)入射耦合srg衍射對與其相互的光束的每一版本的效果，由此以與原始光束被輸出到組件(10)相同的方向輸出實(shí)際上為光束34(x)的二維展寬版本的事物(該二維展寬版本具有基本為出射srg56的區(qū)域(＞＞d²，并且其所提到的獨(dú)立于成像光學(xué)器件17的區(qū)域)的區(qū)域)，以向外衍射的光束形成與向內(nèi)輸入的光束基本相同的虛擬圖像，但其可通過更大的區(qū)域來感知。

在圖9b的示例中，α≈45°，即使得折疊srg和出射srg(54,56)被定向?yàn)榉謩e與入射耦合srg(52)成基本45和90度，并且折疊區(qū)域的光柵周期為然而，這僅是示例，并且實(shí)際上，當(dāng)α≥50°時(shí)，顯示系統(tǒng)的總效率通常被增加。

以上考慮了平光學(xué)組件，但適當(dāng)彎曲(即，具有基本沿著z軸延伸的曲率半徑)的光學(xué)組件可被配置成用作有效透鏡，使得各輸出光束30(x)不再同樣被高度準(zhǔn)直并且不是平行的，而具有特定的相對方向和角距，使得各自追溯到公共收斂點(diǎn)——這在圖7g中被示出，其中該公共收斂點(diǎn)被標(biāo)記為q。此外，當(dāng)每一像點(diǎn)被考慮時(shí)，所有不同的活躍像點(diǎn)的各收斂點(diǎn)位于基本相同的平面中(被標(biāo)記為50)，該平面被定位成距眼睛(37)距離l，以使得眼睛(37)可據(jù)此來聚集以將整個(gè)圖像感知為好像該圖像在距離l遠(yuǎn)處。這可被等效地表述為各輸出光束形成與相應(yīng)的輸入光束基本相同的當(dāng)前顯示圖像的虛擬版本，但在距眼睛(37)距離l處，而不是在無窮遠(yuǎn)處。彎曲的光學(xué)組件可特別適合于無法適當(dāng)?shù)鼐劢惯b遠(yuǎn)的圖像的近視眼。

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

返回圖2b，左和右輸入光束分別被引導(dǎo)通過左和右波導(dǎo)(10l,10r)到左和右眼上。注意，對于其中光束被耦合到光學(xué)組件中并在相對側(cè)離開該光學(xué)組件的傳輸布置，波導(dǎo)(10l,10r)是否相對于左和右成像組件(15l/17l,15r,17r)移動(dòng)無關(guān)緊要，因?yàn)檫@并不會(huì)改變輸出光束的定向，也就是說即使這些光學(xué)組件旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)，輸入和輸出光束之間的角關(guān)系未被改變(在該示例中，它們保持平行)。僅是左組件(15l/17l)和右組件(15r/17r)之間的相對移動(dòng)引入了雙目視差。由此，維持左和右圖像雙目對等所需的全部內(nèi)容是確保左和右成像組件(15l/17l,15r/17r)的角對準(zhǔn)被保留，這是通過將其容納在相同的中央位置并由剛性支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)一步幫助來實(shí)現(xiàn)的。

這在無論何時(shí)對任何類型的入射耦合光學(xué)器件和出射耦合光學(xué)器件都適用(而不管它們是光柵還是其他結(jié)構(gòu))，入射耦合光學(xué)器件和出射耦合光學(xué)器件在波導(dǎo)的相對側(cè)，因?yàn)檫@使得波導(dǎo)表現(xiàn)得像其中進(jìn)入該波導(dǎo)的光線的角度等于離開該波導(dǎo)的光線的角度的潛望鏡。該效果的進(jìn)一步細(xì)節(jié)在申請人的2014年2月17日提交的國際專利申請pct/us2014/016658中被描述，該申請涉及以被配置成以容許波導(dǎo)彼此之間和/或與其他光學(xué)器件未對準(zhǔn)力的方式將光耦合到近眼顯示設(shè)備中的波導(dǎo)中。例如，本文中公開的一個(gè)布置提供一種近眼顯示設(shè)備，該近眼顯示設(shè)備包括一個(gè)或多個(gè)波導(dǎo)，其中每一波導(dǎo)包括光輸入耦合和光輸出耦合，所述光輸入耦合被配置成在所述波導(dǎo)的第一側(cè)接收光以將該光耦合到所述波導(dǎo)中，所述光輸出耦合被配置成在所述波導(dǎo)的第二側(cè)將光從所述波導(dǎo)發(fā)射出，所述波導(dǎo)的所述第二側(cè)在所述波導(dǎo)的所述第一側(cè)的對面。

在中央部分(4)的支撐結(jié)構(gòu)足夠剛性，以確保在系統(tǒng)(1)的正常使用期間，從左光學(xué)組件10l的左出射光柵16l到用戶的左眼上的光束obl輸出保持在至少如相對于垂直方向所測量到的其1/2毫弧度的預(yù)期對準(zhǔn)(即，正確的立體圖像被感知到的對準(zhǔn))內(nèi)與從右光學(xué)組件10r的右出射光柵16r到用戶的右眼上的光束obr輸出對準(zhǔn)。注意，在實(shí)踐中，1毫弧度內(nèi)的對準(zhǔn)是可接受的。如鑒于前述內(nèi)容將顯而易見的，維持該水平的角對準(zhǔn)確保左和右圖像至少在垂直方向中在一個(gè)像素內(nèi)的對準(zhǔn)。一般來說，垂直視差相比于所討論的水平視差而言更易被hvs察覺，但盡管如此，水平對準(zhǔn)可被某些支撐結(jié)構(gòu)以相同的精度感知。如將顯而易見的，各種顯著剛性的輕質(zhì)材料可被用于形成支撐結(jié)構(gòu)。

圖10示出了頭戴式顯示器的另一特征。圖10是從圖1中示出的頭戴式顯示器的側(cè)面來看的視圖。它示出支撐延伸6和安裝部分4之一。佩戴者的耳朵在圖10中未被示出，但將理解支撐延伸(6)的部分(90)適配在用戶的耳朵上，并從其水平延伸朝向用戶的臉部的前方。顯示器(4)位于平面(92)中，在這些附圖中其被示為是垂直的并基本上垂直于支撐延伸(6)。然而，一般來說，顯示器可被布置成處于任何定向(例如，顯示面板可甚至處于水平位置)，這取決于光引擎的折疊光學(xué)期間被如何實(shí)現(xiàn)。

圖10還示出了光學(xué)組件(10)，并且尤其示出了光學(xué)組件(10)未相對于支撐延伸(6)被垂直布置。相反，光學(xué)組件(10)以朝向用戶的眼睛以一角度延伸。在圖7中，垂直線通過點(diǎn)線示出，并且該角度被示為銳角θ。

圖11和12中示出了這個(gè)的原因。如圖11和12所示，光引擎13具有出射光圈ea。出射光圈可例如被形成在光引擎的外殼或?qū)⒐庖娴膬?nèi)部光學(xué)器件與波導(dǎo)隔開的隔板中。光可僅經(jīng)由出射光圈ea進(jìn)入或離開光引擎13。圖11示出當(dāng)光學(xué)組件被布置成真正垂直時(shí)光可表現(xiàn)得如何?？紤]來自微顯示器(14)的像素(x)并入射在入射耦合光柵(12)上的被標(biāo)記為(i)的入射光線。對于該入射光線(i)，入射角度為使得存在被反射回去通過成像光學(xué)器件(17)并入射在顯示器(14)上的反射光線(r)。由于顯示器(14)在其表面處具有某種反射性，虛反射(r)被反射離開微顯示器，并被成像光學(xué)組件(17)形成在光學(xué)組件的入射耦合光柵(12)上。由此，除了通過全內(nèi)反射被引導(dǎo)通過光學(xué)組件并(作為輸出光線i’)被衍射出用戶的眼睛的期望光線(i)外，還存在由反射光束(r/r)形成的重像，其也通過全內(nèi)反射引導(dǎo)，并最終(作為輸出光線r’)入射在用戶的眼睛上。雖然重像的光水平可能很小，但無論如何，它對用戶是刺激物并破壞其對預(yù)期圖像的視覺的清楚性。

圖12示出該重像可如何通過使光學(xué)組件(10)在yz平面中相對于平面(92)成角度θ而被移除，其中光學(xué)組件(10)的底部被成角度為朝向用戶(即，使得光學(xué)組件10的底部比光學(xué)組件10的頂部更靠近用戶)。在該情況下，入射光線i類似地從入射耦合光柵(12)反射，但反射光束r’在該情況下以不撞擊光學(xué)器件(17)的透鏡的角度反射。角度θ足夠大，使得對于來自x的所有光線都是這樣(來自x的所有光線被準(zhǔn)直以形成入射光束ib)，從而使得入射光束ib的被光學(xué)組件(10)向外反射的版本rb傳播為完全離開光學(xué)器件(17)。由此，不形成像素x的重像。

為了確保不形成任何像素的重像，這應(yīng)當(dāng)適用于顯示器上的所有像素(回想，每一像素導(dǎo)致單個(gè)反射光束)，由此角度θ取決于顯示器15、光學(xué)器件17和光學(xué)組件10相對于彼此的布置。當(dāng)光學(xué)組件如圖12中那樣被朝向用戶垂直傾斜時(shí)，使角度θ大到足以使得來自最低像素行的光束被反射離開準(zhǔn)直光學(xué)器件就夠了，因?yàn)橛捎谶@些被反射的光束在yz平面具有最小入射角，因此這些被反射的光束而不是任何其他光束將進(jìn)入光學(xué)器件(17)。

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

與防止重影有關(guān)的相關(guān)因素是來自光引擎的經(jīng)準(zhǔn)直光束遇到光導(dǎo)板的角度，無論光引擎的配置是什么，這都適用。假如光束的向后反射的光束版本無法重新進(jìn)入光引擎，則重影將被消除。由此，無論何時(shí)光引擎和光學(xué)組件之間的角度為使得將沒有從該板返回到光引擎的反射在光引擎的視野的任何角度值處離開光圈時(shí)，重影被消除。

雖然在以上各光學(xué)組件被垂直傾斜為朝向用戶，但假如每一光學(xué)組件相對于光引擎傾斜一角度，該角度足夠大，以致所有反射光束均離開出射光圈，則重影可通過使每一光學(xué)組件相對于其中排列有光引擎的顯示器90的平面92以任何方向成角度來消除。

光學(xué)組件(10)可使用任何合適的安裝機(jī)制以角度θ安裝；具體地，它可被固定到框架的已經(jīng)以該角度傾斜的一部分以便在該角度處為光學(xué)組件提供支撐。

注意，通過傾斜來消除重影可被用于其他類型的顯示系統(tǒng)，例如其中來自相同顯示器的光束被耦合到左和右光學(xué)波導(dǎo)組件中使得圖像由兩個(gè)眼睛從單個(gè)顯示器中感知到的顯示系統(tǒng)，或者其中單個(gè)波導(dǎo)被用于提供通過單個(gè)顯示器僅向一個(gè)眼睛提供圖像的顯示系統(tǒng)。

雖然以上覆蓋表面起伏光柵，但本主題適用于其他結(jié)構(gòu)，例如其他基于衍射的波導(dǎo)顯示器和反射(非衍射)波導(dǎo)顯示器。

根據(jù)第一方面，一種可穿戴圖像顯示系統(tǒng)包括頭部部件、第一和第二光引擎、以及第一和第二光學(xué)組件。所述第一和第二光引擎被配置成分別生成第一和第二光束集合。每一光束被基本準(zhǔn)直成使得第一和第二集合分別形成第一和第二虛擬圖像。所述光引擎被安裝在所述頭部部件上。每一光學(xué)組件被定位成將圖像分別投影到佩戴者的第一和第二眼睛上，并且包括入射耦合結(jié)構(gòu)和出射結(jié)構(gòu)。所述第一和第二光束集合被分別定向到所述第一和第二光學(xué)組件的所述入射耦合結(jié)構(gòu)。所述第一和第二光學(xué)組件的出射設(shè)備被布置成分別將所述第一和第二光束集合引導(dǎo)到所述第一和第二眼睛上。所述光學(xué)組件被定位在所述光引擎和所述眼睛之間。所述光引擎兩者都被安裝到所述頭部部件的中央部分。

在各實(shí)施例中，所述系統(tǒng)可包括安裝到所述中央部分的支撐結(jié)構(gòu)，所述支撐結(jié)構(gòu)支撐所述第一和第二光引擎，所述支撐結(jié)構(gòu)比所述頭部部件更剛性。

所述支撐結(jié)構(gòu)可足夠剛性以將所述第一和第二光束集合之間的垂直對準(zhǔn)維持在基本上一毫弧度內(nèi)。此外，所述第一和第二光束集合之間的水平對準(zhǔn)也可被所述支撐結(jié)構(gòu)維持在基本上一毫弧度內(nèi)。所述支撐結(jié)構(gòu)可例如由碳纖維或鈦形成。

每一光學(xué)組件可包括操縱光束在波導(dǎo)內(nèi)的空間分布的折疊結(jié)構(gòu)。

所述光學(xué)組件可以是基本上透明的，由此用戶可透視所述光學(xué)組件，以與投影的圖像同時(shí)地查看現(xiàn)實(shí)世界場景。

第一和第二光束集合可分別定向自第一和第二光引擎的第一和第二出射光圈，并且所述光學(xué)組件可相對于所述光引擎成角度，以使得所述光束的任何向外反射的版本傳播離開所述出射光圈。

所述第一和第二圖像可彼此不同，以使得立體圖像被所述佩戴者感知。

所述第一光引擎可包括其上生成第一圖像的第一顯示器以及被布置成根據(jù)所述第一顯示器上的所述第一圖像生成所述第一光束集合的準(zhǔn)直光學(xué)器件；所述第二光引擎可包括其上生成第二圖像的第二顯示器以及被布置成根據(jù)所述第二顯示器上的所述第二圖像生成所述第二光束集合的準(zhǔn)直光學(xué)器件。

所述結(jié)構(gòu)可以是光柵，由此所述光束被衍射到所述眼睛中。

所述頭部部件可包括框架、頭盔或頭帶。

所述光學(xué)組件可例如由玻璃或聚合物形成。

根據(jù)第二方面，一種可穿戴圖像顯示系統(tǒng)包括頭部部件、準(zhǔn)直光學(xué)器件、其上分別生成第一和第二圖像的第一和第二顯示器、其上分別生成第一和第二圖像的第一和第二顯示器以及第一和第二光學(xué)組件。所述顯示器被安裝在所述頭部部件上。每一光學(xué)組件被定位成將圖像分別投影到佩戴者的第一和第二眼睛上，并且包括入射耦合結(jié)構(gòu)和出射結(jié)構(gòu)。所述準(zhǔn)直光學(xué)器件被配置將每一圖像基本上準(zhǔn)直成相應(yīng)的光束，并將第一和第二圖像的光束分別定向到所述第一和第二光學(xué)組件的入射耦合結(jié)構(gòu)。所述第一和第二光學(xué)組件的出射結(jié)構(gòu)被布置成將所述第一和第二圖像的衍射版本分別衍射到所述第一和第二眼睛上。所述光學(xué)組件被定位在所述準(zhǔn)直光學(xué)器件和所述眼睛之間。所述顯示器和所述準(zhǔn)直光學(xué)器件兩者都被安裝到所述頭部部件的中央部分。

在各實(shí)施例中，所述光學(xué)組件可以是基本上透明的，由此用戶可透視所述光學(xué)組件，以與投影的圖像同時(shí)地查看現(xiàn)實(shí)世界場景。

所述第一和第二圖像可彼此不同，以使得立體圖像被所述佩戴者感知。

根據(jù)第三方面，一種可穿戴圖像顯示系統(tǒng)包括框架、準(zhǔn)直光學(xué)器件、其上分別生成第一和第二圖像的第一和第二顯示器、以及第一和第二光學(xué)組件。所述顯示器被安裝在所述框架上。每一光學(xué)組件被定位成將圖像分別投影到佩戴者的第一和第二眼睛上，并且包括入射耦合光柵出射光柵。所述準(zhǔn)直光學(xué)器件被配置將每一圖像基本上準(zhǔn)直成相應(yīng)的光束，并將第一和第二圖像的光束分別定向到所述第一和第二光學(xué)組件的入射耦合結(jié)構(gòu)。所述第一和第二光學(xué)組件的出射光柵被布置成將所述第一和第二圖像的衍射版本分別衍射到所述第一和第二眼睛上。所述光學(xué)組件被定位在所述準(zhǔn)直光學(xué)器件和所述眼睛之間。支撐結(jié)構(gòu)被安裝在所述框架的中央部分，并支撐所述第一和第二顯示器以及所述準(zhǔn)直光學(xué)器件，所述支撐結(jié)構(gòu)比所述框架更剛性。

所述支撐結(jié)構(gòu)可足夠剛性以將所述第一和第二圖像的衍射版本之間的垂直對準(zhǔn)維持在基本上一毫弧度內(nèi)。所述第一和第二圖像的衍射版本之間的水平對準(zhǔn)也可被所述支撐結(jié)構(gòu)維持在基本上一毫弧度內(nèi)。

每一光學(xué)組件可包括操縱所述光束在所述波導(dǎo)內(nèi)的空間分布的折疊光柵。

所述光學(xué)組件可以是基本上透明的，由此用戶可透視所述光學(xué)組件，以與投影的圖像同時(shí)地查看現(xiàn)實(shí)世界場景。

所述第一和第二圖像可彼此不同，以使得立體圖像被所述佩戴者感知。

根據(jù)第四方面，一種可穿戴圖像系統(tǒng)包括頭部部件、光引擎和光學(xué)組件。所述光引擎被安裝在所述頭部部件上，并被配置成生成光束，所述光束中的每一者被基本準(zhǔn)直以使得所述光束形成虛擬圖像。所述光學(xué)組件被定位成將圖像分別投影在佩戴者的眼睛上，并且包括入射耦合結(jié)構(gòu)和出射結(jié)構(gòu)。所述光束被從所述光引擎的出射光圈定向到所述光學(xué)組件的入射耦合結(jié)構(gòu)。所述出射結(jié)構(gòu)被布置成將所述光束引導(dǎo)到所述眼睛上。所述光學(xué)組件被定位在所述光引擎和所述眼睛之間。所述光學(xué)組件相對于所述光引擎成角度，以使得所述光束的任何向外反射的版本傳播離開所述出射光圈。

在各實(shí)施例中，所述光引擎可包括其上生成圖像的顯示器以及被布置成根據(jù)所述顯示器上的所述圖像生成所述光束的準(zhǔn)直光學(xué)器件。

所述結(jié)構(gòu)可以是光柵，由此所述光束被衍射到所述眼睛中。

所述光學(xué)組件可被成角度為朝向所述佩戴者。

所述光學(xué)組件可包括操縱所述光束在所述波導(dǎo)內(nèi)的空間分布的折疊結(jié)構(gòu)。

所述光學(xué)組件可以是基本上透明的，由此用戶可透視所述光學(xué)組件，以與投影的圖像同時(shí)地查看現(xiàn)實(shí)世界場景。

所述光學(xué)組件可包括兩個(gè)這樣的光引擎以及兩個(gè)這樣的光學(xué)組件，每一光引擎被配置成生成相應(yīng)的這樣的虛擬圖像，并且在兩個(gè)這樣的光學(xué)組件中，所述虛擬圖像彼此不同，以使得立體圖像被所述佩戴者感知。

所述光學(xué)組件可例如由玻璃或聚合物形成。

所述光引擎可被安裝到所述框架的中央部分。

所述頭部部件可包括框架、頭盔或頭帶。

根據(jù)第五方面，一種可穿戴圖像顯示系統(tǒng)包括頭部部件、在其上生成圖像的顯示器、光學(xué)組件以及準(zhǔn)直光學(xué)器件。所述顯示器被安裝在所述頭部部件上并位于一平面中。所述光學(xué)組件被定位成將圖像投影到佩戴者的眼睛上，并包括入射耦合結(jié)構(gòu)和出射結(jié)構(gòu)。所述準(zhǔn)直光學(xué)器件被布置成將所述圖像基本上準(zhǔn)直成光束并將所述光束定向到所述光學(xué)組件的入射耦合結(jié)構(gòu)。所述出射結(jié)構(gòu)被布置成將所述光束引導(dǎo)到所述眼睛上。所述光學(xué)組件相對于所述平面成一定量的角度，以使得所述光束的任何向外反射的版本傳播離開所述準(zhǔn)直光學(xué)器件。

所述結(jié)構(gòu)可以是光柵，由此所述光束被衍射到所述眼睛上。

所述光學(xué)組件可被成角度為朝向所述佩戴者。

所述光學(xué)組件可包括操縱所述光束在所述波導(dǎo)內(nèi)的空間分布的折疊結(jié)構(gòu)。

所述光學(xué)組件可以是基本上透明的，由此用戶可透視所述光學(xué)組件以與投影的圖像同時(shí)查看現(xiàn)實(shí)世界場景。

所述光學(xué)組件可例如由玻璃或聚合物形成。

根據(jù)第六方面，一種可穿戴圖像顯示系統(tǒng)包括：頭部部件；分別在其上生成第一和第二圖像的第一和第二顯示器，第一和第二光學(xué)組件以及準(zhǔn)直光學(xué)器件。所述顯示器被安裝在所述頭部部件上并位于一平面中。每一光學(xué)組件被定位成將圖像分別投影到佩戴者的第一和第二眼睛上，并包括入射耦合光柵和出射光柵。準(zhǔn)直光學(xué)器件被布置成將每一圖像基本上準(zhǔn)直成相應(yīng)的光束，并將第一和第二圖像的光束分別定向到第一和第二光學(xué)組件的入射耦合光柵。所述第一和第二光學(xué)組件的出射光柵被布置成將所述第一和第二圖像的各版本分別衍射到所述第一和第二眼睛上。所述光學(xué)組件被定位在所述準(zhǔn)直光學(xué)器件和所述眼睛之間。每一光學(xué)組件相對于所述平面成一定量的角度，以使得所述光束的任何向外反射的版本傳播離開所述準(zhǔn)直光學(xué)器件。

所述第一和第二圖像可彼此不同，以使得立體圖像被所述佩戴者感知。

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