CN114127596A

CN114127596A - 具有高折射率部分的显示器波导

Info

Publication number: CN114127596A
Application number: CN202080052126.7A
Authority: CN
Inventors: H·Y·李
Original assignee: Facebook Technologies LLC
Current assignee: Meta Platforms Technologies LLC
Priority date: 2019-10-25
Filing date: 2020-09-27
Publication date: 2022-03-01
Also published as: US11460701B2; JP2022553595A; EP4049082A1; US20210124108A1; US11054566B2; US20210124170A1; WO2021080734A1

Abstract

一种显示器波导，被配置为用于向观看者传送图像光，该显示器波导具有波导本体，该波导本体的折射率在厚度方向上发生变化，以在低折射率区域之间包括高折射率区域。描述了多层折射率实现方式和梯度折射率实现方式。波导在波导的高折射率区域内透射图像光的一部分以提供较宽视场。

Description

具有高折射率部分的显示器波导

技术领域

本公开一般涉及光学显示器系统和设备，具体涉及波导显示器及其部件。

背景技术

头戴式显示器(HMD)、头盔式显示器、近眼显示器(NED)等正越来越多地用于显示虚拟现实(VR)内容、增强现实(AR)内容、混合现实(MR)内容等。这样的显示器正在应用于包括娱乐、教育、训练和生物医学科学(仅举几个示例)的各种领域中。所显示的VR/AR/MR内容可以是三维的(3D)的以增强体验，并且将虚拟对象与用户所观察的真实对象相匹配。可以实时跟踪用户的眼睛位置和凝视方向和/或取向，并且可以依据用户的头部取向和凝视方向动态调整所显示的图像，以提供更好的沉浸到模拟环境或增强环境中的体验。

对于头戴式显示器，期望紧凑式显示器设备。因为HMD或NED的显示器通常戴在用户的头上，所以大的、笨重的、不平衡的和/或繁杂的显示器设备可能是麻烦的，并且对于用户而言，可能不太舒服。

基于投影仪的显示器提供角域中的图像，这些图像可以由用户的眼睛直接观察，而无需中间屏幕或显示器面板。成像波导可以用于将角域中的图像传送到用户的眼睛。在投影仪显示器中缺少屏幕或显示器面板使得能够减小显示器的尺寸和重量。

发明内容

根据本发明的实施例，提供了一种用于在显示器系统中传送图像光的波导，该波导包括波导本体，该波导本体具有两个外表面和其之间的厚度，波导本体包括输入区域和输出区域，波导本体被配置为将在输入区域处接收的图像光朝向输出区域引导，其中波导本体具有在厚度的方向上变化的折射率，并且外表面之间的波导本体的中间部分中的折射率大于与外表面相邻的波导本体的部分中的折射率；输入耦合器，该输入耦合器设置在输入区域中，并且被配置为将图像光耦合到波导本体中以便朝向输出区域传播；以及输出耦合器，该输出耦合器设置在输出区域中，并且被配置为将图像光耦合到波导本体之外以便朝向眼箱传播。

在一些实施例中，输入耦合器可以被配置为在包括第一传播角和第二传播角的传播角范围内将图像光耦合到波导本体中，使得以第一传播角耦合到波导本体中的图像光的第一光线通过波导本体的外表面处的全内折射朝向输出区域被引导，而以第二传播角耦合的图像光的第二光线在波导本体的中间部分内进行引导。

在一些实施例中，输入耦合器可以包括第一输入光栅，该第一输入光栅至少部分设置在波导本体的中间部分中，以便将图像光直接注入到中间部分中。

在一些实施例中，输出耦合器可以包括第一输出光栅，该第一输出光栅至少部分设置在波导本体的中间部分中。

在一些实施例中，输出耦合器可以包括第二输出光栅，该第二输出光栅被配置为将从第一输出光栅接收的图像光重定向到波导本体之外。

在一些实施例中，第二输出光栅可以至少部分设置在波导本体的中间部分中。

在一些实施例中，波导本体的中间部分可以包括中间层，波导本体还包括两个外层，这两个外层将中间层夹在中间，其中中间层具有比两个外层更大的折射率。

在一些实施例中，波导本体可以包括多个层，该多个层包括具有不同折射率的至少三个层。

在一些实施例中，第一输出光栅和第二输出光栅中的至少一个输出光栅可以设置在中间层中或其表面处。

在一些实施例中，第一输入光栅可以设置在中间层中或其表面处。

在一些实施例中，波导本体可以是连续的。

在一些实施例中，波导本体的折射率可以从中间部分中的至少2.3变化到波导本体的外表面处的至多1.9。

在一些实施例中，波导本体的折射率可以在厚度的尺寸上逐渐变化，从波导本体的中间部分中的最大值向波导本体的两个外表面处的较小值减小。

根据本发明的实施例，提供了一种近眼显示(NED)设备，包括支撑结构，该支撑结构用于佩戴在用户的头部上；光投影仪，该光投影仪由支撑结构承载并且被配置为发射图像光；以及第一波导，该第一波导由支撑结构承载并且被配置为至少将图像光的第一部分从光投影仪传送到眼箱，该第一波导包括波导本体，该波导本体具有两个外表面和其之间的厚度，波导本体包括输入区域和输出区域，波导本体被配置为将在输入区域处接收的图像光朝向输出区域引导，其中波导本体具有在厚度的方向上变化的折射率，并且外表面之间的波导本体的中间部分中的折射率大于与外表面相邻的波导本体的部分中的折射率；输入耦合器，该输入耦合器被配置为将图像光的第一部分耦合到波导本体中；以及输出耦合器，该输出耦合器被配置为将图像光的第一部分耦合到波导本体之外以便朝向眼箱传播。

在一些实施例中，输入耦合器可以包括第一输入光栅，该第一输入光栅至少部分设置在波导本体的中间部分中，并且输出耦合器包括第一输出光栅，该第一输出光栅至少部分设置在波导本体的中间部分中，其中第一输出光栅在与厚度的方向正交的第一方向上与第一输入光栅隔开。

在一些实施例中，图像光可以包括多个颜色通道，并且其中第一波导被配置为至少耦合图像光的第一颜色通道以便朝向眼箱引导。

在一些实施例中，NED设备可以包括第二波导，该第二波导由支撑结构承载并且被配置为至少将图像光的第二部分从光投影仪传送到眼箱，其中图像光包括第一颜色通道和第二颜色通道，并且其中第一波导被配置为透射第一颜色通道并且第二波导被配置为透射第二颜色通道。

根据本发明的实施例，提供了一种用于将图像光从图像光源传送到眼箱的方法，该方法包括：将图像光引导到波导的输入区域上，该波导包括两个相对的外表面和其之间的中间部分，中间部分从波导的输入区域延伸到波导的输出区域，中间部分具有比波导本体的相对的外表面相邻的波导的部分更大的折射率；以包括第一传播角和第二传播角的传播角范围将图像光耦合到波导本体中；以及将图像光在波导中从输入区域传播到输出区域，使得以第一传播角耦合到波导中的图像光的第一光线通过波导的相对的外表面处的全内折射朝向输出区域引导，而以第二传播角耦合到波导中的图像光的第二光线在波导本体的中间部分内朝向输出区域传播。

在一些实施例中，该方法可以包括：使用设置在波导本体的中间部分中的至少一个输出光栅来将第二光线耦合到波导本体之外。

在一些实施例中，该方法可以包括：主要在波导的中间部分内引导图像光的至少一个颜色通道。

附图说明

本文中所公开的实施例参考表示其示例性实施例的附图进行更详细的描述，其中相同的元件使用相同的附图标记表示，并且其中

图1是使用波导组件的波导显示器系统的示意性等距视图，该波导组件用于向用户传输图像；

图2是图示了将颜色通道耦合到显示其波导及其输入FOV的示意图；

图3是图示了用于选定颜色通道的显示器波导的输入FOV和输出FOV的示意图；

图4是主外表面处具有两个出耦合器光栅的显示器波导的示意性侧视截面；

图5是图示了输出耦合器光栅和与其对准的入耦合器的示例布局的光瞳扩展波导的示意性平面图；

图6A是图示了在图5的波导的示例性实施例中形成2D FOV的示意性K空间图；

图6B是图示了图6A的波导在角空间中的2D FOV的曲线图；

图7是归一化K空间图，图示了针对图5的显示器波导的由两个不同颜色通道共享的对称1D FOV的估计；

图8是图示了其中的两个不同颜色通道的发散的显示器波导的示意性侧视截面；

图9A是图示了不同颜色通道耦合到波导中的具有顶部高折射率层的显示器波导的示意性侧视截面；

图9B是图9A的显示器波导的示意性侧视截面，图示了依据于入射到波导上的角度的选定波长的入耦合光线在波导中的示例传播轨迹；

图10是图示了将图像光的波长耦合到图9A和图9B的双层显示器波导中的K空间图；

图11是图示了依据输入光栅的节距将红波长和蓝波长入耦合到图9A和图9B的双层波导中的临界入射角的曲线图；

图12是在界面光栅上具有封盖层的双层显示器波导的示意性侧视截面视图；

图13是三层显示器波导的示意性侧视截面视图，图示了FOV的相对端处的图像光的光线的耦合；

图14是具有5层不同折射率的多层显示器波导的示意性侧视截面视图；

图15是梯度折射率显示器波导的示意性侧视截面视图；

图16是包括两层波导的双波导叠层的示意性侧视截面视图；

图17A是具有入耦合器和两个光瞳扩展波导的双目镜NED的示意性平面图，入耦合器以对角方式与出耦合器的出射光瞳偏移；

图17B是图示了用于图17A的示例布局的光栅矢量的示意性矢量图；

图18A是本公开的头戴式显示器的等距视图；

图18B是包括图18A的耳机的虚拟现实系统的框图。

具体实施方式

在以下描述中，出于解释而非限制的目的，对诸如特定光学电路和电子电路、光学部件和电子部件、技术等之类的特定细节进行阐述，以便提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域技术人员而言，显而易见的是，本发明可以在脱离这些具体细节的其他实施例中实施。在其他示例中，省略了对公知方法、设备和电路的详细描述，以免混淆对示例实施例的描述。本文中叙述原理、方面和实施例的所有陈述以及其特定示例旨在涵盖其结构等同物和功能等同物两者。附加地，这些等同物旨在包括当前已知的等同物以及将来开发的等同物，即，所开发的执行相同功能的任何元件，无论结构如何。

注意，如本文中所使用的，术语“第一”、“第二”等不旨在暗示顺序排序，而是旨在将一个元件与另一元件区分开，除非明确说明。同样，除非明确说明，否则方法或过程步骤的顺序排序并不暗示其执行的顺序次序。

更进一步地，在本文件中可以使用以下缩写和首字母缩略词：HMD(头戴式显示器)、NED(近眼显示器)、VR(虚拟现实)、AR(增强现实)、MR(混合现实)、LED(发光二极管)、FOV(视场)、TIR(全内反射)、HI(高折射率)。术语“NED”和“HMD”在本文中可以互换使用。

下文可以参考由三个不同颜色通道组成的多色光对示例实施例进行描述。波长最短的颜色通道可以称为蓝色(B)通道或颜色，并且可以表示RGB颜色方案的蓝色通道。波长最长的颜色通道可以被称为红色(R)通道或颜色，并且可以表示RGB颜色方案的红色通道。波长介于红色通道与蓝色通道之间的颜色通道可以被称为绿色(G)通道或颜色，并且可以表示RBG颜色方案的绿色通道。蓝光或颜色通道可以与约500nm或更短的波长相对应，红光或颜色通道可以与约625nm或更长的波长相对应，并且绿光或颜色通道可以与500nm到565nm的波长范围相对应。然而，应当领会，本文中所描述的实施例可以适于与由两个或更多个或优选地三个或更多个颜色通道的任何组合构成的多色光结合使用，这些颜色通道可以表示相关光学光谱的不同部分。

本发明的一方面涉及一种显示器系统，该显示器系统包括波导和耦合到该波导的图像光源，其中波导被配置为接收由图像光源发射的图像光，并且将在波导的视场(FOV)中接收的图像光传送到眼箱以呈现给用户。术语“视场”(FOV)当相对于显示器系统使用时，可以涉及系统所支持的或用户可见的光传播的角范围。二维(2D)FOV可以由两个正交平面中的角范围来定义。例如，NED设备的2D FOV可以由两个一维(1D)FOV来定义，这两个一维FOV可以是相对于水平面的垂直FOV(例如，+\-20°)以及相对于垂直平面的水平FOV(例如，+\-30°)。关于NED的FOV，“垂直”平面或方向和“水平”平面或方向可以相对于佩戴NED的站立人员的头部来定义。另外，术语“垂直”和“水平”可以在本公开中参考所描述的光学系统或设备的两个正交平面来使用，而无需暗示与其中使用光学系统或设备的环境的任何特定关系或其相对于环境的任何特定取向。

本公开的一个方面涉及一种显示器波导，该显示器波导被配置为向观看者传送图像光并且具有波导本体，该波导本体的折射率在厚度方向上变化以在低折射率区域之间包括高折射率区域。描述了多层和梯度指数实现方式。波导在波导的高折射率区域内透射图像光一部分以提供较宽视场。

本公开的一个方面涉及一种用于在显示器系统中传送图像光的波导，该波导包括波导本体，该波导本体具有两个外表面和其之间的厚度，波导本体包括输入区域和输出区域，波导本体被配置为将在输入区域处接收的图像光朝向输出区域引导，其中波导本体具有在厚度的方向上变化的折射率，并且外表面之间的波导本体的中间部分中的折射率大于与外表面相邻的波导本体的部分中的折射率。波导本体可能是连续的。输入耦合器可以设置在输入区域中并且被配置为将图像光耦合到波导本体中以便朝向输出区域传播。输出耦合器可以设置在输出区域中并且被配置为将图像光耦合到波导本体之外以便朝向眼箱传播。

在一些实现方式中，输入耦合器可以被配置为在包括第一传播角和第二传播角的传播角范围内将图像光耦合到波导本体中，使得以第一传播角耦合到波导本体中的图像光的第一光线通过波导本体的外表面处的全内折射朝向输出区域引导，而以第二传播角耦合的图像光的第二光线在波导本体的中间部分内进行引导。

在一些实现方式中，输入耦合器可以包括第一输入光栅，该第一输入光栅至少部分设置在波导本体的中间部分中，以便将图像光直接注入到中间部分中。输出耦合器可以包括第一输出光栅，该第一输出光栅至少部分设置在波导本体的中间部分中。在一些实现方式中，输出耦合器可以包括第二输出光栅，该第二输出光栅被配置为将从第一输出光栅接收的图像光重定向到波导本体之外。第二输出光栅可以至少部分设置在波导本体的中间部分中。

在一些实现方式中，波导本体的中间部分可以包括中间层，并且波导本体还可以包括两个外层，这两个外层将中间层夹在中间，其中中间层具有比两个外层更大的折射率。在一些实现方式中，第一输出光栅和第二输出光栅中的至少一个输出光栅可以设置在中间层中或其表面处。在一些实现方式中，波导本体可以包括多个层，该多个层包括具有不同折射率的至少三个层。

在一些实现方式中，波导本体的折射率从中间部分中的至少2.3变化到波导本体的外表面的至多1.9。在一些实现方式中，波导本体的折射率在厚度的尺寸上逐渐变化，从波导本体的中间部分中的最大值朝向波导本体的两个外表面处的较小值减小。

本公开的一个方面涉及一种显示器设备，包括支撑结构，该支撑结构用于佩戴在用户的头部上；光投影仪，该光投影仪由支撑结构承载并且被配置为发射图像光；以及第一波导，该第一波导由支撑结构承载并且被配置为至少将图像光的第一部分从光投影仪传送到眼箱。第一波导可以包括波导本体，该波导本体具有两个外表面和其之间的厚度，波导本体包括输入区域和输出区域，波导本体被配置为将在输入区域处接收的图像光朝向输出区域引导，其中波导本体具有在厚度的方向上变化的折射率，并且外表面之间的波导本体的中间部分中的折射率可以大于与外表面相邻的波导本体的部分中的折射率。第一波导还可以包括输入耦合器，该输入耦合器被配置为将图像光的第一部分耦合到波导本体中；以及输出耦合器，该输出耦合器被配置为将图像光的第一部分耦合到波导本体之外以便朝向眼箱传播。

在显示器设备的一些实现方式中，输入耦合器可以包括第一输入光栅，该第一输入光栅至少部分设置在波导本体的中间部分中，并且输出耦合器包括第一输出光栅，该第一输出光栅至少部分设置在波导本体的中间部分中，其中第一输出光栅在与厚度的方向正交的第一方向上与第一输入光栅隔开。

在其中图像光包括多个颜色通道的显示器设备的一些实现方式中，第一波导可以被配置为至少耦合图像光的第一颜色通道以便朝向眼箱引导。

在一些实现方式中，显示器设备可以包括第二波导，该第二波导由支撑结构承载并且被配置为至少将图像光的第二部分从光投影仪传送到眼箱，其中图像光包括第一颜色通道和第二颜色通道，并且其中第一波导可以被配置为透射第一颜色通道并且第二波导可以被配置为透射第二颜色通道。

本公开的一个方面涉及一种用于将图像光从图像光源传送到眼箱的方法，该方法包括：将图像光引导到波导的输入区域上，该波导包括两个相对的外表面和其之间的中间部分，中间部分从波导的输入区域延伸到波导的输出区域，中间部分具有比波导本体的相对的外表面相邻的波导的部分更大的折射率；以包括第一传播角和第二传播角的传播角范围将图像光耦合到波导本体中；以及将波导中的图像光从输入区域传播到输出区域，使得以第一传播角耦合到波导中的图像光的第一光线通过波导的相对的外表面处的全内折射朝向输出区域引导，而以第二传播角耦合到波导中的图像光的第二光线在波导本体的中间部分内朝向输出区域传播。该方法可以包括：使用设置在波导本体的中间部分中的至少一个输出光栅来将第二光线耦合到波导本体之外。该方法可以包括：主要在波导的中间部分内引导图像光的至少一个颜色通道。

本公开的一个方面提供了一种用于在显示器系统中传送图像光的波导，该波导包括波导本体，该波导本体具有两个外表面和其之间的厚度，波导本体包括输入区域和输出区域，波导本体被配置为将在输入区域处接收的图像光朝向输出区域引导，其中波导本体具有在厚度的方向上变化的折射率。输入耦合器可以设置在输入区域中并且被配置为将图像光耦合到波导本体中以便朝向输出区域传播。输出耦合器可以设置在输出区域中并且被配置为将图像光耦合到波导本体之外以便朝向观看区域传播。

在一些实现方式中，外表面中的一个外表面处的折射率可以大于另一外表面处的折射率。在一些实现方式中，外表面之间的波导本体的中间部分中的折射率可以大于与外表面相邻的波导本体的部分中的折射率。

现在，参考波导显示器对本公开的示例实施例进行描述。通常，波导显示器可以包括诸如像素化电子显示器或扫描投影仪组件之类的图像光源、控制器、以及被配置为将图像光从图像光源传输到出射光瞳以将图像呈现给用户的光波导。图像光源在本文中也可以称为显示器投影仪、图像投影仪或简称为投影仪。结合了可以使用本文中所公开的特征和方法的显示器波导的示例显示器系统包括但不限于近眼显示器(NED)、抬头显示器(HUD)、低头显示器等。

参考图1，示出了根据示例实施例的波导显示器100。波导显示器100包括图像光源110、波导120，并且还可以包括显示器控制器155。

图像光源110(本文中可以称为投影仪110)被配置为发射图像光111。在一些实施例中，图像光源110可以是扫描投影仪的形式或包括扫描投影仪。在一些实施例中，扫描投影仪可以包括光源(诸如但不限于激光二极管(LD)或发光二极管(LED))以及一个或多个扫描反射器。在一些实施例中，扫描投影仪可以包括扫描光源。在一些实施例中，图像光源110可以包括像素化微显示器，诸如例如但不限于液晶显示器(LCD)、有机发光显示器(OLED)、无机发光显示器(ILED)、有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示器或透明有机发光二极管(TOLED)显示器。在一些实施例中，图像光源110可以包括光源(诸如LED、LD等)的线性阵列。在一些实施例中，该图像光源110可以包括2D像素阵列，并且每个像素可以被配置为发射多色光。图像光源110还可以包括一个或多个光学部件，该一个或多个光学部件被配置为适当地调节图像光。这可以包括但不限于扩展、准直、校正像差、和/或调整图像光的传播方向，或对于特定系统和电子显示器，可能需要的任何其他合适的调节。光学器件块中的一个或多个光学部件可以包括但不限于一个或多个透镜、反射镜、孔径、光栅或它们的组合。在一些实施例中，图像光源110的光学器件块可以包括一个或多个可调整元件，该一个或多个可调整元件可操作以相对于光束的传播角扫描该光束。

波导120可以包括波导本体123、波导的输入区域中的输入耦合器130、以及波导的输出区域中的输出耦合器140。在一些实施例中，可以使用由一个堆叠在另一个之上的两个或更多个波导构成的波导叠层来代替波导120。输入耦合器130可以设置在它能够接收来自图像光源110的图像光111的位置。输入耦合器130(本文中还可以称为入耦合器130)被配置为将图像光111耦合到波导120中，该图像光111在波导120中朝向输出耦合器140传播。输出耦合器140(本文中还可以称为出耦合器)可以从输入耦合器130偏移并且被配置为对来自波导120的图像光进行解耦以便在期望方向上(诸如例如，朝向用户的眼睛166)传播。出耦合器140的尺寸可以大于入耦合器130，以在图像光束离开波导时扩大该图像光束的尺寸，并且支持比投影仪110更大的出射光瞳。在一些实施例中，波导本体123可以对外部光而言是部分透明的，并且可以用于AR应用中。波导120可以被配置为将二维(2D)FOV从输入耦合器130传送到输出耦合器140，最终传送到用户的眼睛166。本文中以及在以下描述中，可以参考笛卡尔坐标系(x、y、z)对显示器波导120及其实施例进行描述，其中(x、y)平面平行于波导的外表面，波导通过该外表面接收和/或输出图像光，并且z轴与其正交。在一些实施例中，波导120的2D FOV可以由(y、z)平面中的1D FOV和(x、z)平面中的1D FOV定义，这些1DFOV可以分别被称为垂直FOV和水平FOV。

图2示意性地示出了针对入射角α的范围将波长λ的光耦合到波导210中。波导210可以表示显示器100的波导120或可以用于代替波导120的波导叠层的任何波导。波导210可以是具有波导本体的平板波导，该波导本体可以是例如基板205的形式或包括基板205。基板205可以是在可见光下透明的光学材料的薄板，诸如作为非限制性示例的玻璃或合适的塑料或聚合物。图像光可以通过其进入或离开波导的波导210的主外表面211、212可以名义上彼此平行。基板材料的折射率n可以大于周围介质的折射率，并且在一些实施例中可以例如在1.4至2.0的范围内。在一些实施例中，高折射率材料可以用于基板205或其一部分。在一些实施例中，这些材料可以具有大于约2.2的折射率n。在一些实施例中，这些材料可以具有大于约2.3的折射率n。在一些实施例中，这些材料可以具有大于约2.5的折射率n。这种材料的非限制性示例是铌酸锂(LiNbO₃)、二氧化钛(TiO₂)、氮化镓(GaN)、氮化铝(AlN)、碳化硅(SiC)、CVD金刚石、硫化锌(ZnS)。

入耦合器230可以设置在波导210的输入区域203中，并且可以是一个或多个衍射光栅的形式。也可以是一个或多个衍射光栅的形式的出耦合器240可以设置在波导的输出区域209中，并且可以例如沿着y轴从入耦合器230横向偏移。在图示实施例中，出耦合器240位于波导210的与入耦合器130相同的表面211处，但是在其他实施例中，该出耦合器240可以位于波导的相对表面212处。一些实施例可以具有可以布置在波导的主外表面211、212处的两个输入光栅，和/或可以布置在波导的主外表面211、212处或在波导内的相同表面或相同平面处叠加的两个输出光栅。体现耦合器230、240的光栅可以是任何合适的衍射光栅，这些衍射光栅包括体积和表面起伏光栅，诸如例如，闪耀光栅。光栅也可以是体积全息光栅。在一些实施例中，它们可以形成在波导本身的材料中。在一些实施例中，它们可以以一种或多种不同的材料制造，这些材料可以在期望位置处附着到波导的一个或多个面上。

入耦合器230可以被配置为支持输入FOV 234，该输入FOV 234在本文中也可以被称为接受角。取决于波长的输入FOV 234定义入射角α的范围，在该入射角α的范围内，入射到入耦合器230上的光耦合到波导中，并且朝向出耦合器240传播。在本说明书的上下文中，“耦合到波导中”意指耦合到波导的引导模式或具有适当低辐射损耗的模式中。在波导的外表面211和212上经历全内反射(TIR)的耦合到波导中的光可以在波导内以适当的低衰减传播，直至其被出耦合器重定向。因此，如果从波导外部入射到入耦合器230上的光的入射角在波导210的输入FOV 234内，则波导210可以借助于TIR来俘获特定波长λ的光，并且将所俘获的光朝向出耦合器240引导。波导的输入FOV 234至少部分由入耦合器光栅230的节距p和波导的折射率n确定。对于给定光栅节距p，在(y、z)平面中以入射角α从空气入射到光栅230上的光的一阶衍射角β可以从衍射方程(1)中找到：

n·sin(β)-sin(α)＝λ/p (1)

本文中，如果对应波矢量具有指向出耦合器240的分量，则入射角α和衍射角β为正。衍射角β定义图像光在波导中的衍射光线的传播角，并且本文中还可以被称为传播角。对于光从折射率n_c>1的材料进入波导210的实施例，可以容易地修改方程(1)。方程(1)适用于具有垂直于入耦合器光栅的沟槽的入射平面的图像光的光线，即，当图像光的入射平面包括入耦合器的光栅矢量时。在图示示例中，入耦合器的光栅矢量可以沿着y轴定向。

在波导或层中经历TIR的光本文中可以称为入耦合光或俘获光。波导内的衍射光的TIR条件可以由方程(2)定义：

n·sin(β)≥1， (2)

其中方程与TIR角β_c＝asin(1/n)相对应。波导210的输入FOV234跨越在第一FOV入射角α₁与第二FOV入射角α₂之间，该第一FOV入射角α₁与第二FOV入射角α₂本文中可以称为FOV角。与图2A中最右边的入射光线111b相对应的第一FOV入射角α₁可以由入耦合光(即，在波导内俘获的光)的TIR角β_c来定义：

与图2A中最左边的入射光线111a相对应的第二FOV入射角α₂可以由对入耦合光的最大角β_max的限制来定义：

波导210的输入1D FOV在特定波长处的宽度w＝|α₁-α₂|可以从方程(3)和(4)估计。通常，在波导的折射率相对于周围介质的折射率增加时，波导的输入FOV增加。通过示例，对于由空气围绕的折射率为n的基板且对于β_max＝75，λ/p＝1.3，用于单色光的波导的输入1DFOV的宽度w对于n＝1.5可以为约26°，对于n＝1.8可以为约43°，并且对于n＝2.4可以为约107°。

根据方程(3)和(4)可以看出，波导210的输入FOV 234是输入光的波长λ的函数，使得输入FOV 234在波长改变时在角空间中偏移其位置；例如，在波长增加时，它朝向出耦合器240偏移。因此，使用单个波导为多色图像光提供足够宽的FOV可能具有挑战性。

参考图3，由入耦合器230耦合到波导210中的光在波导中朝向出耦合器240传播。出耦合器240被配置为以波导的输出FOV 244内的一个或多个角将入耦合光的至少一部分重定向到波导210之外，该输出FOV 244部分地由出耦合器240限定。波导的总FOV(即，可以通过波导传送到观察者的入射角α的范围)可以受入耦合器230和出耦合器240两者的影响。

在一些实施例中，体现入耦合器230和出耦合器240的光栅可以被配置为使得它们的光栅矢量g_i的矢量和基本等于零：

本文中，对所有光栅的光栅矢量g_i执行方程(5)的左手侧(LHS)中的求和，这些光栅协作以衍射穿过波导的输入光，包括入耦合器230的一个或多个光栅以及出耦合器230的一个或多个光栅。光栅矢量g_i是通常指向光栅的等相位平面(即，其“凹槽”)并且其幅度与光栅节距p成反比的矢量，其中|g_i|＝2π/p。在方程(5)的条件下，如果波导210是具有平行外表面211、212的理想平板波导，并且波导的FOV由其输入FOV限定，则图像光的光线借助于出耦合器240以与它们进入入耦合器230相同的角离开波导。在实际实现方式中，方程(5)将以一定精度保持在特定显示器系统可能所允许的误差阈值内。在具有单个1D输入光栅和1D输出光栅的示例实施例中，出耦合器240的光栅节距可以基本等于入耦合器230的光栅节距。

图4图示了其中出耦合器240包括两个衍射光栅241、242的实施例，衍射光栅241、242例如可以设置在波导的主外表面上。衍射光栅241和242可以被配置为以使入耦合光211a在被这些光栅中的每个光栅顺序衍射一次之后作为输出光221离开波导。在一些实施例中，衍射光栅241、242的光栅矢量g₁和g₂可以彼此成一定角定向。在至少一些实施例中，它们可以被选择为使得(g₀+g₁+g₂)＝0，其中g₀是入耦合器230的光栅矢量。

图5以平面图图示了显示器波导410，其中入耦合器430设置在波导的输入区域403中，而出耦合器440设置在波导的输出区域407中。入耦合器430可以是输入衍射光栅的形式，其中光栅矢量g0通常指向出耦合器440。输出耦合器440包括两个输出线性衍射光栅441和442，其中光栅矢量g₁和g₂彼此成一定角。在一些实施例中，光栅441和442可以是在波导的主外表面处形成的线性衍射光栅。在一些实施例中，它们可以在波导的任一面或在其体积中彼此叠加，以形成2D光栅。入射到波导的FOV内的入耦合器430上的光401可以通过入耦合器430耦合到波导中，以便朝向出耦合器440传播，从而扩展在波导的平面中的尺寸，如入耦合光线411a和411b所示的。光栅441、442被配置为使得它们中的每个的连续衍射将入耦合光重定向到波导之外。光线411a可以是入耦合光的光线，该入耦合光的光线在进入出耦合器440所在的波导的输出区域407时首先被第一光栅441衍射，然后在波导内传播一定距离之后被第二光栅442衍射到波导之外。光线411b可以是首先被第二光栅442衍射，然后被第一光栅441衍射出波导的入耦合光线。指示了波导的出射光瞳450，还可以被称为眼箱投影区域450，其中出耦合光具有用于观看的最佳特性，例如，其中出耦合光具有期望尺寸。出射光瞳450可以位于与入耦合器430相距的一定距离处。

图6A图示了参考(K_x、K_y)平面的显示器波导410的操作的各方面，其中K_x和K_y表示图像光在波导的平面上的经归一化k矢量K＝k·2π/λ的投影的x坐标和y坐标：

K_x＝n sin(θ_x)和K_y＝n sin(θ_y) (6)

本文中，n为入耦合光正在其中传播的基板的折射率，角θ_x和θ_y分别定义在x轴和y轴上投影时波导的平面(x，y)中的光传播方向。这些角还可以表示其中可以定义波导的2DFOV的角空间的坐标。(K_x、K_y)平面本文中可以称为K空间，经归一化波矢量K＝(K_x、K_y)本文中可以称为入平面K矢量或简称为K矢量。

在K空间中，入耦合光可以由TIR环500以图表方式表示。TIR环500是由TIR圆501和最大角圆502界定的K空间的区域，两个圆都以K₀＝(0、0)为中心，与波导上的法向入射相对应。TIR圆501与TIR角β_c相对应。最大角圆502与入耦合光的最大传播角β_max相对应。TIR圆501内的状态表示未耦合光，即，入射到入耦合器430上的传入光或由出耦合器光栅441和/或442耦合到波导之外的光。通过归一化，TIR圆501的半径r_TIR和外圆502的半径r_max可以由以下方程定义：

r_TIR＝1，r_max＝n·sin(β_max) (7)

折射率n越大，TIR环500就越宽，并且可以耦合到波导中的波长λ的输入光的角范围就越宽。

图6A中被标记为g₀、g₁和g₂的箭头分别表示对于特定波长λ的入耦合器430、第一出耦合器光栅441和第二出耦合器光栅442的经归一化光栅矢量，其中光栅长度g_i＝λ/p_i，其中p_i是第i个光栅的节距，i＝0、1或2。在该图中，这些光栅矢量形成两个闭合三角形，这两个闭合三角形描述K空间中的两个可能路径，传入光在被三个光栅中的每个光栅衍射一次之后可以沿着该两个可能路径返回到相同的K空间状态，从而保持从波导的输入到输出的角空间中的传播方向。每个衍射可以表示为(K_x、K_y)平面中对应光栅矢量的偏移。区域520、530组合表示波导在(K_x、K_y)平面中的FOV，并且可以分别被称为第一部分FOV区域和第二部分FOV区域。它们由入耦合器光栅和出耦合器光栅以及波导的折射率限定，并且表示光的所有k矢量在输入光栅430和输出光栅441、442中的一个输出光栅上的连续衍射之后保持俘获在波导(TIR环500)内，并且在两个输出光栅中的另一输出光栅上的后续衍射之后返回到TIR圆501的内部中的相同(K_x、K_y)位置。第一部分FOV区域520可以通过标识所有(K_x、K_y)状态来确定，所有(K_x、K_y)状态通过连续衍射到输入光栅430、第一输出光栅441和第二输出光栅442上而成像到其自身，该输入光栅430、第一输出光栅441和第二输出光栅442中的每个光栅都可以表示为(K_x、K_y)平面中对应光栅矢量的偏移。第二部分FOV区域530可以通过标识所有(K_x、K_y)状态来确定，所有(K_x、K_y)状态通过连续衍射到输入光栅430、第二输出光栅442和第一输出光栅441上而成像到其自身。

图6B图示了2D角空间中的第一部分FOV 520和第二部分FOV 530，其中水平轴和垂直轴分别表示输入光在x轴方向和y轴方向上的入射角θ_x和θ_y，二者均以度为单位。(0，0)点与入耦合器上的垂直入射相对应。组合情况下，部分FOV 520、530定义波导在波长λ处的完全FOV 550，该完全FOV 550涵盖可以被传送给用户的选定颜色或波长的输入光的所有入射光线。适配在完全FOV 550内的矩形区域555可以定义波导的单色FOV，该单色FOV用于显示器。

角空间中的每个部分FOV 520、530的位置、尺寸和形状以及由此波导的完全2DFOV，取决于输入光的波长λ，取决于输入光栅和输出光栅的节距p₀、p₁和p₂与传入光的波长λ的比例，以及取决于光栅的相对取向。因此，通过选择光栅的节距尺寸和相对取向，波导的2D FOV可以被适当地成形和定位在特定颜色通道的角空间中。在波导410的一些实施例中，输出光栅441、442可以具有相同的节距p₁＝p₂，并且相对于输入光栅对称定向。在这样的实施例中，第一输出光栅和第二输出光栅的光栅矢量g₁、g₂可以相对于入耦合器的光栅矢量g₀以

的角定向。通过非限制性示例，光栅取向角

可以在50度至70度(例如，60度至66度)的范围内，并且可以取决于波导的折射率。图6B图示了具有折射率n＝1.8、

和p₁＝p₂＝p₃＝p的示例波导的FOV，其中选择p/λ以将FOV 555以法向入射为中心。

在一些实施例中，由光学透明高折射率基板形成的单个波导可以用于显示器系统中，以将RGB光的多个颜色通道从图像源传送到波导显示器的观看区域，诸如NED的眼箱。在一些实施例中，相同的输入光栅和输出光栅可以用于图像光的至少两个颜色通道，例如，用于红RGB颜色通道、绿RGB颜色通道和蓝RGB颜色通道中的至少两个通道，或用于所有三个RGB颜色通道。通过注意到在经波长归一化的K空间中，每个光栅矢量的长度随着波长而缩放，即，g_i＝λ/p_i，其中pi是第i个光栅的节距，i＝0、1或2，可以理解具有高折射率n的愿望。由于TIR环500的宽度与折射率n成比例，所以折射率的更大值使得多色FOV能够更宽，即，由图像光的两个或更多个颜色通道共享的公共FOV。

图7图示了针对图6A的K空间图中的两个不同波长λ₁和λ₂>λ₁的入耦合器430的波长缩放光栅矢量531、532。在图示示例中，入耦合器的光栅矢量沿着y轴定向。用于第一波长λ₁的经归一化光栅矢量531具有长度λ₁/p₀，而较长的经归一化光栅矢量532具有长度λ₂/p₀。第一波长λ₁可以是例如蓝色通道的峰值波长，而第二波长λ₂可以是例如红色通道的峰值波长。

在一些实施例中，可以根据方程(8)和(9)估计由两个波长共享的对称FOV(FOV_y＝(-α、+α))的最大y轴宽度(2α)。

1+sin(α)＝λ₁/p₀ (8)

n·sin(β_max)-sin(α)＝λ₂/p₀ (9)

方程(8)表示光栅矢量531、532中的较短光栅矢量足够长，以从在光栅矢量的方向上距离TIR圆501最远的FOV的状态A1到达TIR圆501的条件。方程(9)表示在FOV的相对端处的K状态A2距离TIR环500的外边界502足够远以致两个光栅矢量531、532中的较长光栅矢量不会延伸超过它的条件。这些条件提供了对入耦合器光栅的节距p₀的估计(方程(10))以及对沿着y轴的两个波长的公共FOV的对应半宽度α的估计(方程11)：

在波导的折射率n增加到最小值n_min以上时，对于波长λ₁和λ₂的共享1D FOV的估计宽度2α增加，在一些实施例中，该最小值可以被估计为n_min＝λ₂/λ₁sin(β_max)。通过示例，较长波长λ₂可以与红色光相对应，其中波长例如为635nm，而较短波长λ₁可以与蓝色光相对应，其中波长例如为465nm，从而对于被配置为透射RGB光的所有三个颜色通道的波导，产生n约为1.4的最小值。根据方程(11)，在一个实施例中，可以由RGB光的所有三个通道共享的单个单层波导的对称1D FOV的估计宽度2α对于n＝2.0可以约为30度，对于n＝2.2可以约为40度，并且对于n＝2.6可以约为63度。

方程(11)提供了以法向入射为中心的1D FOV的估计，并且对于波长从λ₁到λ₂的多色光可以由单个波导支持。波导在其输出处(例如，在眼箱处)支持多色光的2D FOV还可以取决于出耦合器，诸如输出光栅的数目和配置。

在一些实施例中，可以在显示器系统中使用由折射率约为2.3或优选地为2.4或更大的光学透明高折射率材料制成的单个波导，以将RGB光从图像源传送到NED的眼箱。在一些实施例中，NED可以通过由折射率至少为2.5的光学透明高折射率材料制成的单个波导来传输图像光。在一些实施例中，NED可以通过由折射率至少为2.6的光学透明高折射率材料制成的单个波导来传输图像光。

现在，参考图8，通过相同光栅耦合到波导中的不同颜色通道的光线以不同角在波导中传播，差异越大，颜色通道之间的光谱距离就越大。图8示意性地图示了输入RGB光611的蓝色通道的光线611B和红色通道的光线611R在显示器波导600中的传播。显示器波导600可以由诸如高折射率基板之类的波导本体610、输入耦合器630和输出耦合器640形成。输入耦合器630和输出耦合器640可以例如上文参考图3、图4的耦合器230、240或图5的耦合器430、440所描述的。在图示实施例中，输入耦合器630是以节距为p₀的衍射光栅的形式。该光栅上的衍射根据波长分散入射RGB光611。结果，红色通道的光线611R可以以比蓝色通道的光线611B的传播角β_B大得多的角β_R在基板610中传播。显示器波导600的基板610中的颜色通道的这种发散可能需要出耦合器640的更为复杂的设计。实际上，与以更大角传播的光线611R相比较，以更小角传播的光线611B可能经历从波导的外表面的更大数目的反弹。在输出光栅形成在波导的外表面处的实施例中，光线611B也将经历更多数目的与输出光栅的相互作用。对于输入FOV的边缘处的相同波长的图像光线，诸如图2所示的光线111a和111b，光栅-光线相互作用中出现类似的或甚至更大的差异。因此，维持FOV上的颜色和亮度均匀性可能需要具有光栅效率的强角依赖性的输出光栅。对于不同颜色和/或不同入射角的图像光线，光栅可能必须专门设计为补偿波导的输出区域的每单位长度上的波导“反弹”或光线-光栅相互作用的数目的差异。这可能使光栅设计明显更为复杂化。

参考图9A，图示了根据本公开的实施例的示例双层显示器波导700。显示器波导700通过引导较长波长颜色通道的至少一部分在较高折射率材料中传播来解决角差异问题。双层显示器波导700(以下简称为波导700)可以是上文所描述的波导120或波导410的实施例。它具有包括由基板720支撑的高折射率(HI)层710的波导本体707，该基板720可以具有相对较低的折射率。HI层710在本文中还可以称为顶层710。基板720起到双层波导700的第二层或下层的作用。HI层710和基板720两者均可以由具有适当低吸收系数的光学透明材料制成。HI层710可以设置在基板720上，其间没有空气间隙，以形成连续波导本体。本文中所使用的术语“高折射率层”可以是指折射率n₁大于基板720的折射率n₂的层，n₁>n₂。在一个实施例中，n₂可以在1.5至2.0的范围内，并且n₁可以在2.2至2.6或更大的范围内，其中上限可以由合适材料的可用性限定。在至少一些实施例中，层的折射率之间的差Δn＝(n₁-n₂)可以大于0.3。在一些实施例中，折射率差Δn可以在0.3至1的范围内。在一些实施例中，Δn可以大于0.4。在一些实施例中，Δn可以大于0.5。

约0.4。可以用于HI层710的可能材料的示例包括LiNbO₃、TiO₂、GaN、AlN、SiC、CVD金刚石、ZnS。HI层710和基板720的厚度可以依据它们的折射率和/或设计目标而变化。通过非限制性示例，HI层710的厚度d₁可以在150μm至400μm的范围内，例如，约300μm。基板厚度d₂可以例如在200μm与600μm之间。还可以设想层和基板厚度在这些范围之外的实施例。

继续参考图9A，波导700可以包括用于将图像光711耦合到波导中的入耦合器730，以及用于将入耦合图像光朝向眼箱754耦合到波导之外的出耦合器740。在一个实施例中，入耦合器730可以是输入光栅的形式或包括输入光栅。在一个实施例中，入耦合器730可以是棱镜的形式或包括棱镜。实现入耦合器730的输入光栅可以被布置为将光直接注入到HI层710中，并且可以设置在HI层710中或上。在一些实施例中，还可以在HI层710与基板720之间的界面702处形成输入光栅。在一些实施例中，可以提供多于一个的输入光栅。例如，在具有两个或更多个输入光栅的实施例中，至少一个这种光栅可以设置在HI层710中或其表面处。出耦合器740可以例如在入耦合器的光栅矢量的方向上沿着y轴从入耦合器730横向偏移。出耦合器740可以是两个或更多个衍射光栅的形式，其中至少一些衍射光栅被配置为衍射在HI层710中传播的光。在一个实施例中，出耦合器740可以包括第一光栅741和第二光栅742，第一光栅741可以设置在HI层710的表面701处，第二光栅742可以设置在基板720与HI层710之间的界面702处。在一些实施例中，这些光栅741、742中的一个或两个光栅可以设置在HI层710内。在一些实施例中，一对可选输出光栅743、744可以设置在基板720内和/或其表面处，如图9B所示。表面701、703可以限定波导本体的两个主外表面，在图像光从入耦合器传播到出耦合器时，这两个主外表面通过TIR将入耦合图像光限制在波导本体内，并且图像光可以通过这两个主外表面进入和/或离开波导。

图像光711可以包括第一颜色通道和第二颜色通道，其中第二颜色通道包括比第一颜色通道更长的波长。第一颜色通道可以使用字母“B”表示并且被称为蓝色通道或蓝光，并且第二颜色通道可以使用字母“R”表示并且被称为红色通道或红光。在一些实施例中，第一颜色通道和第二颜色通道可以与RGB光的“B”颜色通道和“R”颜色通道相对应。HI层710可以被配置为借助于与基板720的界面702处的TIR来俘获图像光711的红色通道的至少一部分，同时允许图像光的蓝色通道传播到基板720中，在该基板720处，可以通过其第二外表面703处的TIR来俘获图像光的蓝色通道。这由俘获在HI层710中的图像光711的红色通道的光线711R和传播到基板720中并在其表面703处经历TIR的图像光711的蓝色通道的光线711B示意性地图示。由于HI层710相对于基板720具有较高的折射率，所以红色光线711R在HI层710中的传播角β₁和蓝色光线711B在基板720中的传播角可以基本比它们在HI层710中的传播角或光线611R和611B在图8的波导600中的传播角彼此更为接近。在一些实施例中，可以选择层710的厚度d₁和基板720的厚度d₂，以使红色光线711R和蓝色光线711B在到达出耦合器740的途中经历的反弹数目大体相等。在一些实施例中，可以选择层710的厚度d₁和基板720的厚度d₂，以便使红色光线711R和蓝色光线711B在设置有出耦合器740的波导本体的输出区域中传播时所经历的与出耦合器光栅741，742的相互作用的数目大体相等。

输入光栅730对HI层710中的波长λ的图像光711的耦合可以使用方程(1)来描述，其中n＝n₁并且p＝p₀，其中p₀是输入光栅730的节距。界面702上的TIR条件可以表达如下：

n₁sin(β₁)≥n₂ (12)

根据方程(1)和(12)，可以从以下方程(13)估计图像光711在输入光栅730上的第一特定入射角α₁₂，即，波长λ的图像光在界面702处经历TIR的入射角：

以较小角α<α₁₂入射到波导上的图像光线711可以传播到基板720中，并且可以在其外表面703处经历TIR。以比α₁₂稍大的角入射的光线部分反射回到HI层710中，并且部分以如713图示的“掠射”角传播到基板720中，其中反射分数越大，越接近界面702处的TIR条件，并且所透射的分数在TIR条件下变为零。

可以根据以下方程(14)估计波导700上的第二特定入射角α₂₃，即，波长λ的图像光在外表面703处经历TIR的最小入射角：

对基板720中的入耦合光的最大传播角β_2max的限制产生第三特定入射角α₃，其可以根据以下方程(15)估计：

对俘获在HI层710中的光的最大传播角β_1max的限制产生第四特定入射角α₄，其可以根据以下方程(16)估计：

图9B图示了波长λ的图像光711的示例光线716和717在多层波导700中的传播。光线716和717可以从波导的输入FOV 715的相对边缘接收。对于特定入射平面，输入FOV 715定义图像光711可以通过输入光栅730耦合到波导700中的入射角范围。从输入FOV 715的与IH层710中的相对较大的传播角β₁>α₁₂相对应的部分接收的图像光(如光线716所例示的)可以俘获在该层中，并且在顶部外表面701和界面702处由TIR引导而朝向出耦合器740传播。从输入FOV 715的其余部分接收的相同波长的图像光(如第二光线717所例示的)可以至少部分穿过接口702进入基板720，并且至少部分由波导的外表面701、703处的TIR引导而朝向出耦合器740传播。通过将从FOV 715的一部分接收的图像光限制在高折射率区域或波导厚度的部分(诸如HI层710)中，可以有利减小FOV的不同部分之间的光栅-光相互作用的差异。

图10图示了在经归一化K空间(K_x、K_y)中波导700的示例实施例的操作的K状态图。与图6A和图7的示图相似，第一TIR圆801的内部表示未耦合光的入平面K矢量。第一TIR环805的内部表示至少部分通过层-基板界面702，并且在基板720的外表面703处经历TIR的入耦合光。第一TIR环805由半径r₁＝1的第一TIR圆801和半径r₂＝n₂·sin(β_2max)的第一最大角圆802界定。第二TIR环806的内部表示俘获在HI层710中，并且在与基板720的界面702处经历TIR的入耦合光，其中其上的入射角小于β_1max，即，排除HI层710中的“掠射”光线。第二TIR环806由半径r₃＝n₂的第二TIR圆803和半径r₄＝n₁·sin(β_1max)的第二最大角圆804界定。入耦合器730由长度为g_λ＝λ/p₀的波长缩放光栅矢量g_λ表示，该波长缩放光栅矢量g_λ将第一TIR圆801内的未耦合K态耦合到由光栅矢量g_λ偏移的耦合K态。

在图10中，针对选定波长λ的波导700的操作通过参考入射光的两个不同K状态的示例来说明。K空间的中心(0，0)中的状态“A”与图像光在波导上的法向入射相对应。状态“B”与在波导上具有非零入射角α_B的图像光相对应，0<α_B<90；状态“B”位于与K空间中心(0，0)相距的一定距离d_B＝|sin(α_B)|处。在图示示例中，入耦合器730将状态“A”变换为第一TIR环805内的状态，并且将状态“B”变换为第二TIR环806内的状态。因此，波长λ的法向入射光至少部分穿过界面702，并且通过TIR从基板的外表面703反弹。以角α_B入射到波导上的相同波长的图像光俘获在HI层710内，在没有HI层710的情况下，该图像光可能穿过波导而不被耦合。因此，添加HI层710扩展了入耦合光的k空间，从而加宽了波导700能够支持的FOV。

图11通过示例图示了依据耦合器光栅的节距p从方程(13)、(14)和(16)估计的红色通道和蓝色通道的波长的特定入射角。假设n₁＝2.6和n₂＝1.9的波导700的实施例。对于红色通道和蓝色通道，分别假设波长λ_R＝640nm和λ_B＝465nm。实线涉及蓝色通道，虚线涉及红色通道。针对红色通道，在810R处示出了与HI层-基板界面702处的TIR的开始相对应的第一特定入射角，而针对蓝色通道，在810B处示出了该第一特定入射角。针对红色通道，在811R处示出了与外表面703处的TIR的开始相对应的第二特定入射角，而针对蓝色通道，在811B处示出了该第二特定入射角。针对红色通道，在813R处示出了由对HI层中的最大传播角β_1max的限制限定的第三特定入射角，而针对蓝色通道，在813B处示出了该第三特定入射角。对于每个颜色通道，曲线811x和813x界定可以耦合到波导中的入射角的范围，而曲线810x和813x界定可以俘获在波导的HI层中的入射角的范围；本文中，“x”代表“R”或“B”。曲线811B和813R界定入射角的范围815，对于红色波长和蓝色波长，入射角的范围815可以耦合到波导中，从而限定用于RGB光的波导的输入1D FOV的宽度Θ。在图示示例中，如果在输入1D FOV 815的第一部分821中接收到红色通道的光，则红色通道的光可以俘获在HI层710内，并且如果在输入1D FOV 815较小的第二部分822中接收到红色通道的光，则红色通道的光可以在基板720中传播部分时间。在该示例中，对于p小于约300nm的实施例，蓝色波长的入耦合光没有通过TIR俘获在HI层710中。在p大于约300nm的实施例中，在输入FOV 815的一小部分831中接收的蓝色波长的光可以俘获在HI层710中。在基板的折射率n₂较小的实施例中，HI层710中的传播可以支持红色通道和蓝色通道的1D FOV的较大部分。在HI层710的折射率n₁较小的实施例中，红色通道和蓝色通道的1D FOV的较大部分可以与由基板720中的传播支持。对于绿色通道，俘获在HI层中的光的部分介于红色通道和蓝色通道的对应部分之间。在至少一些实施例中，HI层710可以支持图像光的颜色通道中的至少一个颜色通道的角FOV宽度Θ的至少50％。

在HI层710中传播的光可以通过出耦合器光栅741和742衍射到波导之外，出耦合器光栅741和742通常可以设置在HI层内的任何地方或其表面处。出耦合器光栅741和742可以被配置为使得它们的光栅矢量g₁和g₂之和(g₁+g₂)等于(-g₀)，其中g₀是入耦合器730的光栅矢量，使得来自这两个光栅的连续衍射使入耦合光在其入射到波导上的方向上与波导解耦。当存在第一光栅741、第二光栅742和可选的第三光栅743中的两个或更多个光栅时，穿透到基板720中的入耦合光可以通过衍射到第一光栅741、第二光栅742和可选的第三光栅743中的两个或更多个光栅上从波导出耦合。在一些实施例中，第三出耦合器光栅743可以被配置为使得其光栅矢量g₃与第一光栅741的光栅矢量g₁和入耦合器730的光栅矢量g₀的矢量和基本为零，使得从第一光栅741和第三光栅743部分在基板720中传播的入耦合光的接连衍射在光入射到波导上的方向上出耦合该光。在一些实施例中，第二光栅742和第三光栅743可以具有相等的光栅矢量g₃＝g₂。在一些实施例中，第三光栅743可能不存在，并且部分在基板720中传播的入耦合光可以通过来自第一光栅741和第二光栅742的接连衍射而从波导出耦合。在一些实施例中，可以提供具有光栅矢量g₄的第四光栅744，以与第一光栅741、第二光栅742或第三光栅743中的一个光栅协作来将基板穿透入耦合光与波导解耦。第四光栅744例如可以设置在外基板表面703处，在该外基板表面703，该第四光栅744可以与第三光栅743叠加或堆叠。在一些实施例中，第四光栅744的光栅矢量g₄可以等于第一光栅741的光栅矢量g₁。

图12图示了根据实施例的双层显示器波导850。双层显示器波导850可以是上文所描述的波导700的实施例。双层显示器波导850包括作为第一层的折射率为n₂的基板852和作为第二层的折射率为n₁>n₂的HI层851。耦合器光栅830形成在HI层851中或其上，例如，作为HI层的顶部表面中的浮雕光栅。出耦合器840可以包括第一光栅841、第二光栅842和第三光栅83。光栅830、841、842和843可以是上文所描述的波导700的光栅730、741、742和743的实施例。在一个实施例中，双层显示器波导850可以通过包括以下步骤的过程形成：i)在基板852的相对面上形成第二光栅842和第三光栅843，例如，通过蚀刻形成为浮雕光栅；ii)可选地在第二光栅842上沉积薄封盖层以使表面平坦；以及iii)在封盖层855上或直接在基板852上沉积HI层851。在一个实施例中，封盖层855本身可以包括两个或更多个层。在一个实施例中，基板可以具有折射率在1.4和2.0的范围内的光学透明材料，诸如例如，可以适当掺杂的玻璃、塑料、或光学损耗低和折射率在期望范围(例如，作为非限制性示例的1.5到1.9)内的任何其他合适的光学材料。HI层851可以具有折射率大于基板852的折射率(例如，在2.2和2.6的范围内)的光学透明材料。可以适用于HI层851的较高折射率材料的示例包括上文参考波导700所列举的示例。

图9A、图9B、图12图示了其中出耦合器光栅741至743设置在波导的相对表面处和基板层界面处的实施例。还可以设想具有不同放置和/或不同配置的光栅的该实施例的变型。在这些变型中的至少一些变型中，第一光栅和第二光栅可以被配置为将HI层中俘获的光重定向到波导之外。在一些实施例中，它们可以形成在HI层的内部，例如，作为全息光栅。在一些实施例中，它们可以叠加在HI层的内部中、HI层的表面处、或HI层与基板的界面处。同样，被配置为重定向未被俘获在HI层中的入耦合光的第三光栅可以形成在基板或HI层的内部中，或它可以与第一光栅和第二光栅中的任一光栅叠加。在一些实施例中，出耦合器740可以省略第三输出光栅。

可以例如通过改变层的次序和/或添加更多层来修改图9A、图9B中所图示的示例多层波导700。可以设想以下实施例：图像光通过基板进入波导本体，然后注入到HI层中，以通过形成在HI层中或其表面处的输入光栅俘获到其中。例如，在图9A的经过修改的实施例中，图像光711可以通过基板720的外表面703进入波导700，并且通过被配置为在反射中操作的输入光栅730耦合到HI层710中。在另一实施例中，输入光栅730可以形成在HI层710内或在HI层710和基板720的界面702处。在另一实施例中，附加层可以设置在HI层上，例如，其中附加层的折射率低于HI层的折射率。

参考图13，图示了具有波导本体910的多层波导900的示例实施例，该波导本体910包括厚度为d₁的中心层922，和厚度分别为d₀和d₂的两个外层921、923。多层波导900可以是上文所描述的波导120和410的实施例。三个层921、922、923对于操作光谱范围的光(诸如可见光)而言可能是透明的，并且可以形成连续波导本体910。中心层922可以具有比两个外层921、923的折射率n₂和n₃更大的折射率n₁。折射率n₂和n₃可以相同或不同。在一些实施例中，中心层与外层之间的折射率差可以在0.3至1的范围内，或在一些实施例中，在0.4至0.7的范围内。在一些实施例中，尽管可以设想外层921、923具有不同折射率的实施例，但是外层921、923可以具有相同的折射率n₂＝n₃。在一些实施例中，外层921、923中的一个外层的折射率可以大于其他两个层的折射率。入耦合器930被配置为至少将图像光的一部分耦合到HI层922中，用于在其中朝向出耦合器340传播。入耦合器930可以包括一个或多个输入光栅或具有一个或多个输入光栅的形式，该一个或多个输入光栅可以形成在HI层922中，或在其与外层中的一个外层的界面处；在图示实施例中，入耦合器930被实现为输入光栅930，该输入光栅930设置在顶部外层921与HI层922之间的界面处，并且在透射时操作。输出耦合器940在波导的平面中从入耦合器在空间上偏移，并且被配置为将在波导中传播的图像光朝向观看区域或眼箱954解耦。在一些实施例中，出耦合器940形成有两个输出光栅941和942，这两个输出光栅941和942可以形成在HI层922与外层921、922的界面处。在一些实施例中，输出光栅941和942中的一个或两个输出光栅可以形成在HI层92内。在一些实施例中，输出光栅941和942可以叠加。输入光栅930和输出光栅942、942可以被配置为使得它们的光栅矢量之和基本为零，达到制造精度。在一些实施例中，出耦合器940可以包括附加输出光栅，例如，用于衍射在外层921、923中的至少一个外层中传播的光。在一些实施例中，出耦合器940可以包括用于出耦合在第一层921和第三层923中传播的光的两个附加光栅943、944。在一些实施例中，这两个附加光栅可以设置在波导900的外表面991和994处。

图13示意性地图示了图像光911的两个光线951、952在具有较大折射率n₁的中心层922和具有较小折射率n₂和n₃的两个外层的波导910的实施例中的传播。两个光线951和952可以与波导900的FOV的相对边缘相对应，其中光线951的传播角β_TIR由波导900的外表面991、994处的TIR条件限定。在没有中心HI层922的情况下，光线952可能已经以接近掠射角β_max在波导中传播，在两个光线951、952之间产生沿着出耦合器940的长度的光线-光栅相互作用的数目方面的很大差异。通过示例，对于n₂＝n₃＝1.9，以最大角β_max＝75°在波导中传播的“掠射”光线952在波导中的反弹和与输出光栅的相互作用比TIR限制光线951小约6倍，其中当在β_max＝85°处考虑甚至更多个“掠射”光线时，比率增加到18。

中央HI层922被配置为通过TIR将“掠射”光线952俘获在其自身内，其方式通常类似于上文参考图9A和图9B关于HI层710所描述的方式。通过依据层的折射率以合适方式选择层的厚度d₀、d₁和d₂，对于波导FOV的相对边缘处的光线951和952，可以大幅度减小沿着出耦合器940的相关光线-光栅相互作用的数目的差异，通常，近似减小厚度比例d₁/d，其中d为波导910的总厚度。这在图13中图示，图13示意性地示出了分别由离开输出光栅941和942的光线951和952的连续衍射产生的出耦合光线961(虚线)和962(虚线)，作为与这些光线相对应的图像光沿着出耦合器940传播。根据附图可以看出，光线952和951的连续衍射事件之间的距离可以近似相同，尽管它们在HI层922中的传播角存在很大差别。通过非限制性示例，HI层的厚度d₁可以在波导的总厚度d的20％至50％的范围内。

现在，转到图14，图示了具有由具有不同折射率的多个光学透明层981形成的连续波导本体的示例多层显示器波导980。波导980可以是平面波导，在图中通过垂直于其外光学面的平面以截面示出。波导980可以是上文所描述的波导120和410的实施例。在图示实施例中，通过示例，示出了五个层981，尽管在其他实施例中，波导中的层数可以不同。图14右边的插图是图示了层i＝1、……、5的折射率n_i的曲线图。在图示示例中，中间层的折射率最大，并且朝向波导的外表面减小；然而，还可以设想其他四个层中的任一层在波导中具有最大折射率的实施例。例如，在一个实施例中，可以省略两个顶部层或两个底部层，以使最高折射率层与波导的外表面相邻。在波导的厚度方向(图中的z轴)上的折射率变化的幅度Δn可以大于约0.3，或优选地，大于约0.4。可以选择层的折射率n₁和厚度d₁，以便将比以较小传播角β耦合到波导中的光线更多的“滑动”光线限制在波导本体的较窄部分内。可以设置入耦合器983以将图像光911的至少一些部分耦合到波导的一个或多个高折射率层中；例如，入耦合器983可以实现为设置在中心层的接近图像光源(未示出)的界面处的衍射光栅。出耦合器984可以与入耦合器983横向偏移，并且被设置为将入耦合图像光重定向到波导之外，该入耦合图像光包括界定在波导的高折射率部分中的光。例如，出耦合器983可以使用两个衍射光栅实现，这两个衍射光栅可以设置在中心层与外较低折射率层的界面处，如图14所示。在一些实施例中，可以提供一个或多个附加输入光栅和/或附加输出光栅。

现在，转到图15，图示了折射率n在波导厚度方向上(即，沿着图中的z轴)连续变化的示例梯度折射率显示器波导990。波导990可以是平面波导，在图中通过垂直于其外表面的平面以横截面示出。波导990可以是上文所描述的波导120和410的实施例。图15右边的插图是图示了作为“深度”坐标z的函数n＝n(z)的折射率的曲线图。在图示示例中，波导在“深度”方向(z轴)上对称，其中折射率在波导本体的中间最大；然而，还可以设想折射率相对于波导的外表面具有不对称折射率分布的实施例，其中一些实施例可以使最大折射率的位置相对于其他波导表面更靠近外波导面中的一个外波导面，包括当最高折射率部分靠近波导的外表面时。在波导的厚度方向(图中的z轴)上的折射率变化的幅度Δn可以大于约0.3，或优选地，大于约0.4。可以优化作为“深度”坐标z的函数的折射率n(z)的分布，以便将比以较小传播角β耦合到波导中的光线更多的“滑动”光线界定在波导本体的较窄部分内。入耦合器1583和出耦合器1584可以使用设置在波导的较高折射率部分中的衍射光栅来实现，以将图像光911中的至少一些图像光911耦合到较高折射率部分中，并且将入耦合光与波导解耦，通常如上文参考图9A、图9B、图12至图14所描述的。例如，出耦合器1584可以使用两个衍射光栅来实现，这两个衍射光栅可以彼此靠近设置或在波导的高折射率区域中叠加在波导的中间部分中。与在层界面处的折射率中具有陡峭阶差的多层实现方式相比，梯度折射率实现方式可以具有一些优点。这些优点可以包括避免图像光从折射率阶差反射，以及在图像光的不同颜色和入射角上使光瞳复制密度更好地均匀化。可以例如通过层融合实现如上文所描述的梯度折射率平面波导。

上文参考图9A至图15所描述的实施例是用于在显示器系统中传送图像光的显示器波导的示例，该波导具有连续波导本体，该连续波导本体具有两个外表面和其之间的厚度以及在厚度方向上变化的折射率。该波导还包括输入耦合器，该输入耦合器设置在输入区域中，并且被配置为将图像光耦合到波导本体中以便朝向输出区域传播；以及输出耦合器，该输出耦合器设置在输出区域中，并且被配置为将图像光耦合到波导本体之外以便朝向眼箱传播。波导本体具有输入区域和从输入区域偏移的输出区域，并且被配置为将图像光从输入区域朝向输出区域引导。在诸如上文参考图13至图15所描述的实施例之外的一些实施例中，外表面之间的波导本体的中间部分中的折射率大于与外表面相邻的波导本体的部分中的折射率。在诸如参考图9A至图12所描述的实施例之类的一些实施例中，在波导本体的与其外表面中的一个外表面相邻的部分中，折射率较大。

上文所描述的实施例实现了一种通过选择性地将图像光的第一部分界定在比图像光的第二部分小的波导本体的体积中，用于均衡它们从波导中解禁的条件来利用波导将图像光从图像光源传送到眼箱的方法。

在一些实施例中，该方法可以包括：将图像光引导到波导的输入区域上，该波导包括两个相对的外表面和两个相对外表面之间的高折射率部分，该高折射率部分从波导的输入区域延伸到其输出区域，高折射率部分具有比波导本体的相对的外表面中的一个外表面相邻的波导本体的部分更大的折射率；以包括第一传播角和第二传播角的传播角范围将图像光耦合到波导本体中；以及将波导中的图像光从输入区域朝向输出区域传播，使得以第一传播角耦合到波导中的图像光的第一光线通过波导的相对外的表面处的全内折射朝向输出区域引导，而以第二传播角耦合到波导中的图像光的第二光线在波导本体的高折射率部分内朝向输出区域传播。

在一些实施例中，该方法可以包括：将图像光引导到波导的输入区域上，该波导包括两个相对的外表面和两个相对外表面之间的中间部分，中间部分从波导的输入区域延伸到其输出区域，中间部分具有比波导本体的相对的外表面相邻的波导本体的部分更大的折射率；以包括第一传播角和第二传播角的传播角范围将图像光耦合到波导本体中；以及将波导中的图像光从输入区域朝向输出区域传播，使得以第一传播角耦合到波导中的图像光的第一光线通过在波导的相对的外表面处的全内折射朝向输出区域引导，而以第二传播角耦合到波导中的图像光的第二光线在波导本体的中间部分内朝向输出区域传播。

参考图16，在一些实施例中，诸如通过示例说明的两层波导1102之类的多层或梯度折射率波导可以与第二波导1101组合，以形成波导叠层1100。波导1102可以如上文参考图9A至图15中的任一附图所描述的。第二波导可以是图2至图4所示的类型的单层波导或上文所描述的多层或梯度折射率波导中的任一多层或梯度波导，其中折射率在波导厚度方向上变化。间隙可以分开两层波导1102和第二波导1101。该间隙可以是空气间隙、真空间隙，或它可以包括折射率低于波导的折射率的材料。波导的入耦合器1131、1132和出耦合器1141、1142可以针对不同的波长范围进行优化。例如，可以优化双层波导1102的入耦合器1132和出耦合器1142，以耦合蓝色通道和绿色通道的光，同时可以优化第二波导1101的入耦合器1131和出耦合器1141以耦合红色通道的光。在一些实施例中，一个或多个颜色通道的光可以由两个波导中的每个波导传送，例如，取决于入射角。

图17A示意性地图示了包括由一个或多个框架1215支撑的两个波导组件1210的双目近眼显示器(NED)1200的示例布局。波导组件1210中的每个波导组件1210被配置为将图像光从显示器投影仪1260传送到用户的不同眼睛。入耦合器1230可以设有公共微显示器投影仪或两个分开的微显示器投影仪1260，它们可以被设置为朝向对应入耦合器1230投射图像光。波导组件1210中的每个波导组件可以具有单个多层折射率波导或梯度折射率波导的形式，或包括单个多层折射率波导或梯度折射率波导，该单个多层折射率波导或梯度折射率波导可以被配置为如上所述在目标FOV中引导多色光。每个波导包括入耦合器1230和出耦合器1240，其中每个入耦合器与对应出耦合器以对角方式对齐。在其他实施例中，入耦合器1230在对应出耦合器1240的外围中的放置可以不同。每个输出耦合器1240包括眼箱投影区域1251，该眼箱投影区域1251还可以被称为波导的出射光瞳，并且在操作时，图像光从该眼箱投影区域1251投影到用户的眼睛。眼箱为优质图像可以呈现给用户的眼睛并且在操作时期望定位用户的眼睛的几何区域。眼箱投影区域1251可以设置在连接它们的中心的轴1201上。轴1201可以以合适方式与佩戴NED的用户的眼睛对齐，或至少平行于连接用户的眼睛的线，并且可以被称为水平轴(x轴)。入耦合器1230可以是以具有光栅矢量g₀的衍射光栅的形式，该入耦合器1230通常可以指向相应波导组件的眼箱投影区域1251。每个出耦合器1240可以是以两个衍射光栅的形式，其中相应光栅的光栅矢量g₁和g₂彼此成一定角度取向。这些光栅可以设置在每个波导的高折射率部分处，以在其中耦合图像光，并且如上所述将在高折射率层或区域中传播的光解耦到波导之外。入耦合器和出耦合器的光栅可以被配置为满足图17B中所图示的矢量图。在一些实施例中，每个波导组件1210可以是以具有如上所述的两个或更多个波导的波导叠层的形式，或包括具有两个或更多个波导的波导叠层，其中光栅矢量g₀、g₁和g₂对于叠层的每个波导在长度上可能不同，并且可以被优化用于传送不同的颜色通道。在一些实施例中，叠层的每个波导的光栅可以被配置为避免或至少减少一次衍射的环境光泄漏到所支持的FOV或所支持的FOV的至少一个预先定义的中心部分中，如上文所描述的。

本公开的实施例可以包括人工现实系统或结合人工现实系统来实现。人工现实系统在呈现给用户之前以某个方式调整通过诸如视觉信息、音频、触摸(体感)信息、加速度、平衡等之类的感觉获得的关于外部世界的感觉信息。通过非限制性示例，人工现实可以包括虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)、复合现实或其某个组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或与所俘获的(例如，现实世界)内容组合的所生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、躯体反馈或触觉反馈、或它们的某些组合。该内容中的任一内容可以呈现在单个通道或多个通道中，诸如呈现在对观看者产生三维效果的立体视频中。更进一步地，在一些实施例中，人工现实还可以与应用、产品、附件、服务或其某个组合相关联，这些应用、产品、附件、服务或其某个组合用于例如在人工现实中创建内容和/或以其他方式用于人工现实(例如，在人工现实中执行活动)。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，这些平台包括诸如连接到主机系统的HMD、独立HMD、具有眼镜形状因数的近眼显示器、移动设备或计算系统、或能够向一个或多个观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台之类的可穿戴式显示器。

参考图18A，HMD 1300是AR/VR可佩戴式显示器系统的示例，该AR/VR可佩戴式显示器系统围合用户的面部，用于更大程度地浸入到AR/VR环境中。HMD 1300可以是例如图1A的波导显示器100或图17A的NED 1200的实施例。HMD 1300的功能是使用计算机生成的图像扩充物理现实世界环境的视图和/或生成完全虚拟的3D图像。HMD 1300可以包括前本体1302和带1304。前本体1302被配置为以可靠和舒适的方式放置在用户的眼睛前面，并且带1304可以被拉伸以将前本体1302稳固在用户的头部上。显示器系统1380可以设置在前本体1302中，用于向用户呈现AR/VR图像。前本体1302的各侧面1306可以是不透明的或透明的。显示器系统1380可以包括耦合到图像投影仪1314的如上文所描述的显示器波导。

在一些实施例中，前本体1302包括定位器1308和用于跟踪HMD 1300的加速度的惯性测量单元(IMU)1310，以及用于跟踪HMD 1300的位置的位置传感器1312。IMU 1310是基于从位置传感器1312中的一个或多个位置传感器1312接收的测量信号来生成指示HMD 1300的位置的数据的电子设备，该一个或多个位置传感器1312响应于HMD 1300的运动而生成一个或多个测量信号。位置传感器1312的示例包括一个或多个加速计、一个或多个陀螺仪、一个或多个磁力计、检测运动的另一合适类型的传感器、用于IMU 1310的误差校正的一种类型的传感器、或它们的某些组合。位置传感器1312可以位于IMU 1310的外部、IMU 1310的内部或它们的某些组合。

定位器1308由虚拟现实系统的外部成像设备跟踪，使得虚拟现实系统可以跟踪HMD 1300的位置和取向。由IMU 1310和位置传感器1312生成的信息可以与通过跟踪定位器1308获得的位置和取向进行比较，以提高HMD 1300的位置和取向的跟踪精度。当用户在3D空间中移动和转动时，精确位置和取向对于向用户呈现适当虚拟场景而言很重要。

HMD 1300还可以包括深度相机组件(DCA)1311，该DCA 1311俘获描述围绕HMD1300的一些或全部HMD 1300的局部区域的深度信息的数据。为此，DCA1311可以包括激光雷达(LIDAR)或类似设备。深度信息可以与来自IMU 1310的信息进行比较，以便更好地准确确定HMD 1300在3D空间中的位置和取向。

HMD 1300还可以包括眼睛跟踪系统，该眼睛跟踪系统用于实时确定用户眼睛的取向和位置。所确定的用户眼睛的位置允许HMD 1300执行(自)调整过程。所获得的眼睛的位置和取向还允许HMD 1300确定用户的凝视方向，并且相应调整由显示器系统1380生成的图像。在一个实施例中，确定聚散度，也就是说，用户眼睛凝视的会聚角。所确定的凝视方向和聚散度角还可以用于依据视角和眼睛位置来实时补偿视觉假象。更进一步地，所确定的聚散度角和凝视角可以用于与用户交互、突出显示对象、将对象带到前景、创建附加对象或指示器等。还可以提供音频系统，该音频系统包括例如内置于前本体1302中的一组小扬声器。

参考图18B，AR/VR系统1350可以是图1A的波导显示器100或图17A的NED 1200的示例实现方式。AR/VR系统1350包括图18A的HMD 1300；存储各种AR/VR应用、设置和校准过程、3D视频等的外部控制台1390；以及用于操作控制台1390和/或与AR/VR环境交互的输入/输出(I/O)接口1315。HMD 1300可以使用物理电缆“系留(tethered)”到控制台1390，或经由诸如

wi-fi等之类的无线通信链路连接到控制台1390。可以存在多个HMD 1300，每个HMD 1300具有相关联的I/O接口1315，其中每个HMD 1300和(多个)I/O接口1315与控制台1390通信。在备选配置中，AR/VR系统1350中可以包括不同组件和/或附加组件。附加地，在一些实施例中，结合图18A和图18B所示的部件中的一个或多个部件所描述的功能可以以与结合图18A和图18B所描述的方式不同的方式分布在部件之间。例如，控制台1315的功能中的一些或全部功能可以由HMD 1300提供，反之亦然。HMD 1300可以设有能够实现这种功能的处理模块。

如上文参考图18A所描述的，HMD 1300可以包括眼睛跟踪系统1325，该眼睛跟踪系统1325用于跟踪眼睛位置和取向，确定凝视角和会聚角等；IMU 1310，该IMU 1310用于确定HMD 1300在3D空间中的位置和取向；DCA 1311，该DCA 1311用于捕获外部环境；位置传感器1312，该位置传感器1312用于独立地确定HMD 1300的位置；以及显示器系统1380，该显示器系统1380用于向用户显示AR/VR内容。显示器系统1380包括(图18B)一个或多个图像投影仪1314，诸如一个或多个扫描投影仪或一个或多个电子显示器，该一个或多个电子显示器包括但不限于液晶显示器(LCD)、有机发光显示器(OLED)、无机发光显示器(ILED)、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、投影仪或它们的组合。显示器系统1380还包括显示器波导1330，其功能是将图像投影仪1314所生成的图像传送到用户的眼睛。显示器系统1380还可以包括光学器件块1335，该光学器件块1335又可以包括各种透镜，例如，折射透镜、菲涅耳透镜、衍射透镜、有源或无源pancharatnam-berry相位(PBP)透镜、液体透镜、液晶透镜等；光瞳复制波导、光栅结构、涂层等。在一些实施例中，光学器件块1335可以包括变焦模块的变焦功能，以调整光学器件块1330的焦点，例如，以补偿聚散度调节冲突、校正特定用户的视觉缺陷、抵消像差等。

I/O接口1315是允许用户发送动作请求并且从控制台1390接收响应的设备。动作请求是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束俘获图像数据或视频数据的指令，或执行应用内的特定动作的指令。I/O接口1315可以包括一个或多个输入设备，诸如键盘、鼠标、游戏控制器、或用于接收动作请求并将动作请求传达到控制台1390的任何其他合适设备。由I/O接口1315接收的动作请求传达到控制台1390，该控制台1390执行与该动作请求相对应的动作。在一些实施例中，I/O接口1315包括IMU，该IMU俘获指示I/O接口1315相对于I/O接口1315的初始位置的估计位置的校准数据。在一些实施例中，I/O接口1315可以根据从控制台1390接收的指令向用户提供触觉反馈。例如，可以在接收到动作请求时提供触觉反馈，或控制台1390将指令传达到I/O接口1315，从而使得当控制台1390执行动作时，I/O接口1315生成触觉反馈。

控制台1390可以根据从以下各项中的一项或多项接收的信息向HMD 1300提供内容以供处理：IMU 1310、DCA1311、眼睛跟踪系统1325和I/O接口1315。在图18B所示的示例中，控制台1390包括应用商店1355、跟踪模块1360和处理模块1365。控制台1390的一些实施例可以具有与结合图18B所描述的模块或部件不同的模块或部件。同样，下文所进一步描述的功能可以以与结合图18A和图18B所描述的方式不同的方式分布在控制台1390的部件之间。

应用商店1355可以存储由控制台1390执行的一个或多个应用。应用是指令组，该指令组当由处理器执行时，生成用于呈现给用户的内容。由应用生成的内容可以响应于经由HMD 1300或I/O接口1315的移动从用户接收的输入。应用的示例包括游戏应用、演示和会议应用、视频回放应用、或其他合适应用。

跟踪模块1360可以使用一个或多个校准参数来校准AR/VR系统1350，并且可以调整一个或多个校准参数，以减少确定HMD 1300或I/O接口1315的位置时的误差。由跟踪模块1360执行的校准还考虑从HMD 1300中的IMU 1310和/或包括在I/O接口1315中的IMU(如果有)接收的信息。附加地，如果HMD 1300的跟踪丢失，则跟踪模块1360可以重新校准AR/VR系统1350的一些或全部AR/VR系统1350。

跟踪模块1360可以跟踪HMD 1300或I/O接口1315、IMU 1310或它们的某些组合的移动。例如，跟踪模块1360可以基于来自HMD 1300的信息，来在局部区域的映射中确定HMD1300的参考点的位置。跟踪模块1360还可以分别使用来自IMU 1310的指示HMD 1300的位置的数据或使用来自包括在I/O接口1315中的IMU的指示I/O接口1315的位置的数据，来确定HMD 1300的参考点或I/O接口1315的参考点的位置。更进一步地，在一些实施例中，跟踪模块1360可以使用来自IMU 1310的指示HMD 1300的位置的数据的各部分以及来自DCA 1311的局部区域的表示，来预测HMD 1300的未来位置。跟踪模块1360将HMD 1300或I/O接口1315的所估计或预测的未来位置提供给处理模块1365。

处理模块1365可以基于从HMD 1300接收的信息来生成围绕HMD 1300的一些或全部HMD 1300的区域(“局部区域”)的3D映射。在一些实施例中，处理模块1365基于从DCA1311接收的与用于计算深度的技术相关的信息，来确定用于局部区域的3D映射的深度信息。在各种实施例中，处理模块1365可以使用深度信息来更新局部区域的模型，并且部分基于经更新的模型来生成内容。

处理模块1365执行AR/VR系统1350内的应用，并且从跟踪模块1360接收HMD 1300的位置信息、加速度信息、速度信息、所预测的未来位置或它们的某些组合。基于所接收的信息，处理模块1365确定提供给HMD 1300以呈现给用户的内容。例如，如果所接收的信息指示用户已经看向左侧，则处理模块1365生成用于HMD 1300的内容，该内容反映用户在虚拟环境中或在使用附加内容扩充局部区域的环境中的移动。附加地，处理模块1365响应于从I/O接口1315接收的动作请求而在控制台1390上执行的应用内执行动作，并且向用户提供执行该动作的反馈。所提供的反馈可以是经由HMD 1300的视觉反馈或听觉反馈或经由I/O接口1315的触觉反馈。

在一些实施例中，基于从眼睛跟踪系统1325接收的眼睛跟踪信息(例如，用户眼睛的取向)，处理模块1365确定提供给HMD 1300的内容的分辨率，以便使用(多个)图像投影仪1314呈现给用户。处理模块1365可以向HMD 1300提供在用户凝视的中央凹区域中具有最大像素分辨率的内容。处理模块1365可以在用户凝视的外围中提供较低的像素分辨率，从而减少AR/VR系统1350的功耗并且节省控制台1390的计算资源，而不损害用户的视觉体验。在一些实施例中，处理模块1365还可以使用眼睛跟踪信息来调整向用户的眼睛显示对象的位置，以防止聚散度-调节冲突和/或抵消光学失真和像差。

用于结合本文中所公开的各方面实现的各种说明性逻辑、逻辑块、模块和电路的硬件可以使用通用处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其他可编程逻辑设备、离散门或晶体管逻辑、离散硬件部件或被设计为执行本文中所描述的功能的其任何组合来实现或执行。通用处理器可以是微处理器，但在备选方案中，处理器可以是任何传统处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器还可以实现为计算设备的组合，例如，DSP与微处理器的组合、多个微处理器、与DSP核结合的一个或多个微处理器、或任何其他这种配置。可替代地，一些步骤或方法可以由特定于给定功能的电路系统来执行。

本公开不限于本文中所描述的具体实施例的范围。实际上，根据前述描述和附图，除了本文中所描述的实施例和修改之外，其他各种实施例和修改对于本领域普通技术人员而言是显而易见的。因此，这些其他实施例和修改旨在落入本公开的范围内。进一步地，尽管在本文中已经针对特定目的在特定环境中的特定实现方式的上下文中对本发明进行了描述，但所属领域的技术人员将认识到其有用性不限于此，并且本发明可以出于任何数目的目的在任何数目的环境中以有利方式实现。因而，下文所阐述的权利要求应根据权利要求的完整广度和范围来解释。

Claims

1.一种用于在显示器系统中传送图像光的波导，所述波导包括：

波导本体，具有两个外表面和其之间的厚度，所述波导本体包括输入区域和输出区域，所述波导本体被配置为将在所述输入区域处接收的所述图像光朝向所述输出区域引导，其中所述波导本体具有在所述厚度的方向上变化的折射率，并且所述外表面之间的所述波导本体的中间部分中的折射率大于与所述外表面相邻的所述波导本体的部分中的折射率；

输入耦合器，设置在所述输入区域中，并且被配置为将所述图像光耦合到所述波导本体中以便朝向所述输出区域传播；以及

输出耦合器，设置在所述输出区域中，并且被配置为将所述图像光耦合到所述波导本体之外以便朝向眼箱传播。

2.根据权利要求1所述的波导，其中所述输入耦合器被配置为在包括第一传播角和第二传播角的传播角范围内将所述图像光耦合到所述波导本体中，使得以所述第一传播角耦合到所述波导本体中的所述图像光的第一光线通过所述波导本体的所述外表面处的全内折射朝向所述输出区域被引导，而以所述第二传播角耦合的所述图像光的第二光线在所述波导本体的所述中间部分内进行引导。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的波导，其中所述输入耦合器包括第一输入光栅，所述第一输入光栅至少部分设置在所述波导本体的所述中间部分中，以便将所述图像光直接注入到所述中间部分中。

4.根据权利要求1、权利要求2或权利要求3所述的波导，其中所述输出耦合器包括第一输出光栅，所述第一输出光栅至少部分设置在所述波导本体的所述中间部分中；并且优选地，其中所述输出耦合器包括第二输出光栅，所述第二输出光栅被配置为将从所述第一输出光栅接收的所述图像光重定向到所述波导本体之外。

5.根据权利要求4所述的波导，其中所述第二输出光栅至少部分设置在所述波导本体的所述中间部分中；和/或优选地，其中所述波导本体包括多个层，所述多个层包括具有不同折射率的至少三个层。

6.根据权利要求4或权利要求5所述的波导，其中所述波导本体的所述中间部分包括中间层，所述波导本体还包括两个外层，所述两个外层将所述中间层夹在中间，其中所述中间层的折射率大于所述两个外层的折射率。

7.根据权利要求6所述的波导，其中所述第一输出光栅和所述第二输出光栅中的至少一个输出光栅设置在所述中间层中或其表面处；和/或优选地，其中所述第一输入光栅设置在所述中间层中或其表面处。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的波导，其中所述波导本体是连续的；和/或优选地，其中所述波导本体的所述折射率从所述中间部分中的至少2.3变化到所述波导本体的所述外表面处的至多1.9；和/或优选地，其中所述波导本体的所述折射率在所述厚度的尺寸上逐渐变化，从所述波导本体的所述中间部分中的最大值朝向所述波导本体的所述两个外表面处的较小值减小。

9.一种近眼显示器(NED)设备，包括：

支撑结构，用于佩戴在用户的头部上；

光投影仪，由所述支撑结构承载并且被配置为发射图像光；以及

第一波导，由所述支撑结构承载并且被配置为至少将所述图像光的第一部分从所述光投影仪传送到眼箱，所述第一波导包括：

输入耦合器，被配置为将所述图像光的所述第一部分耦合到所述波导本体中；以及

输出耦合器，被配置为将所述图像光的所述第一部分耦合到所述波导本体之外以便朝向眼箱传播。

10.根据权利要求9所述的NED设备，其中所述输入耦合器包括第一输入光栅，所述第一输入光栅至少部分设置在所述波导本体的所述中间部分中，并且所述输出耦合器包括第一输出光栅，所述第一输出光栅至少部分设置在所述波导本体的所述中间部分中，其中所述第一输出光栅在与所述厚度的方向正交的第一方向上与所述第一输入光栅隔开。

11.根据权利要求9或权利要求10所述的NED设备，其中所述图像光包括多个颜色通道，并且其中所述第一波导被配置为至少耦合所述图像光的第一颜色通道以便朝向所述眼箱引导。

12.根据权利要求9、权利要求10或权利要求11所述的NED设备，包括第二波导，所述第二波导由所述支撑结构承载，并且被配置为至少将所述图像光的第二部分从所述光投影仪传送到所述眼箱，其中所述图像光包括第一颜色通道和第二颜色通道，并且其中所述第一波导被配置为透射所述第一颜色通道并且所述第二波导被配置为透射所述第二颜色通道。

13.一种用于将图像光从图像光源传送到眼箱的方法，所述方法包括：

将所述图像光引导到波导的输入区域上，所述波导包括两个相对的外表面和其之间的中间部分，所述中间部分从所述波导的所述输入区域延伸到所述波导的输出区域，所述中间部分具有比与所述波导本体的所述相对的外表面相邻的所述波导本体的部分更大的折射率；

以包括第一传播角和第二传播角的传播角范围将所述图像光耦合到所述波导本体中；以及

将所述图像光在所述波导中从所述输入区域传播到所述输出区域，使得以所述第一传播角耦合到所述波导中的所述图像光的第一光线通过所述波导的所述相对的外表面处的全内折射朝向所述输出区域被引导，而以所述第二传播角耦合到所述波导中的所述图像光的第二光线在所述波导本体的所述中间部分内朝向所述输出区域传播。

14.根据权利要求13所述的方法，包括：使用设置在所述波导本体的所述中间部分中的至少一个输出光栅来将所述第二光线耦合到所述波导本体之外。

15.根据权利要求13或权利要求14所述的方法，包括：主要在所述波导的所述中间部分内引导所述图像光的至少一个颜色通道。