全息廣角顯示器的制造方法
【專利摘要】在一個實施方式中提供的是用于顯示圖像的裝置，該裝置包括：輸入圖像節(jié)點，該輸入圖像節(jié)點被配置成提供至少第一圖像調(diào)制光線和第二圖像調(diào)制光線；以及全息波導(dǎo)設(shè)備，該全息波導(dǎo)設(shè)備被配置成在至少第一方向上傳播所述第一圖像調(diào)制光線和所述第二圖像調(diào)制光線中的至少一者。所述全息波導(dǎo)設(shè)備可以包括：布置在至少一層中的至少第一散置的多個光柵元件和第二散置的多個光柵元件，所述第一光柵元件和所述第二光柵元件分別具有第一規(guī)格和第二規(guī)格。第一多個光柵元件可以被配置成將所述第一圖像調(diào)制光線偏轉(zhuǎn)出所述至少一層成為形成第一FOV圖塊的第一多個輸出射線，以及第二多個光柵元件可以被配置成將所述第二圖像調(diào)制光線偏轉(zhuǎn)出所述至少一層成為形成第二FOV圖塊的第二多個輸出射線。
【專利說明】全息廣角顯不器
[0001]相關(guān)申請
[0002]本申請要求2012年4月25日提交的美國臨時專利申請N0.61/687，436以及2012年6月15日提交的美國臨時專利申請N0.61/689，907的優(yōu)先權(quán)，每個臨時申請通過引用整體結(jié)合于此。
[0003]彩圖
[0004]專利或申請文件包含至少一個用彩色制作的圖。根據(jù)請求并繳納必要的費用，專利局可以提供具有彩圖的本專利或?qū)＠暾埞嫉母北尽！颈尘凹夹g(shù)】
[0005]存在能夠顯示從符號和字母數(shù)字陣列到高分辨率像素化圖像的圖像內(nèi)容簡潔、能夠看透(see through)的數(shù)據(jù)顯示器的需求。顯示器應(yīng)當(dāng)高度透明，并且在疊加在明亮背景場景時，顯示的圖像內(nèi)容應(yīng)當(dāng)清晰可見。顯示器應(yīng)當(dāng)提供用于最佳數(shù)據(jù)可見度和沖擊力的具有增強色飽和度的全色彩。期望的特性是顯示器易于穿戴、自然和不干擾，盡可能地具有與滑雪鏡類似的形狀因素，或更期望具有與太陽鏡類似的形狀因素。適眼距(eye relief)和眼瞳(eye pupil)應(yīng)當(dāng)足夠大以避免在頭移動(即使針對軍事和體育活動需求)期間丟失圖像。圖像產(chǎn)生器應(yīng)當(dāng)是簡潔、固態(tài)的，并具有低功率消耗。
[0006]當(dāng)前的技術(shù)沒有達到上述的目標(biāo)。當(dāng)前可穿戴顯示器僅僅通過以笨重的形狀因素為代價的同時設(shè)法達到能夠看透、足夠的光瞳、適眼距以及視場和高亮度。在多種情況中，重量分布在眼睛前面可穿戴顯示器不需要的地方。一個常用的提供能夠看透的方式依賴于軸偏離照亮的反射或衍射(diffractive)罩。微顯示器，其在微小平板中提供高分辨率圖像產(chǎn)生器，通常不需要小型化可穿戴顯示器的幫助，因為對于甚高放大倍數(shù)的一般需求必然導(dǎo)致大直徑光學(xué)器件。提供像眼鏡的形狀因素的多個超低形狀因素設(shè)計當(dāng)前可用，但是通?？傂枨笤谝晥?F0V)、適眼距和出射光瞳之間取舍。
[0007]在HMD中研究和開發(fā)的長期目標(biāo)是創(chuàng)造具有以下特征的貼近眼睛的彩色HMD:
[0008]a)在整個視場上超過標(biāo)準(zhǔn)NVG角分辨率的高分辨率數(shù)據(jù)影像并在在無窮遠(yuǎn)處聚焦；
[0009]b)在FOV中心具有40。立體重疊的120° X40。雙眼FOV HMD，或80。X40。單眼視場(FOV) HMD ；
[0010]c)具有外界無障礙全景視野的高能夠看透O 90%)的顯示器，大氣的眼眶(eyebox)，以及足夠的適眼距；以及
[0011]d)與可穿的罩和標(biāo)準(zhǔn)砂護目鏡、風(fēng)護目鏡和塵土護目鏡完美整合的重量輕、簡約(low-profile)設(shè)計。
[0012]盡管影像在某一視場上顯示，全景的能夠看透的性能可以比它更優(yōu)，并且通常優(yōu)于主罩或護目鏡。這是針對現(xiàn)存NVG的改進，在NVG中，40°以外的周圍環(huán)境被忽略(occlude)。
[0013]一個期望的頭戴顯示器是一個:(I)通過提供具有高透明度全景的能夠看透維持態(tài)勢感知；(2)提供高分辨率、寬視場影像的顯示器。此系統(tǒng)還應(yīng)當(dāng)不被察覺，即簡潔、重量輕并且舒適，其中舒適來自于具有大的出射光瞳和眼運動框(motion box)/出射光瞳(>15mm)，足夠的適眼距O 25mm)、質(zhì)量(mass)的人體工程學(xué)中心，聚焦在無窮遠(yuǎn)處，以及具有與保護性頭飾(head gear)的兼容性。當(dāng)前和未來的傳統(tǒng)折射光學(xué)器件不能夠滿足這組需要。其他重要的區(qū)別包括:全色彩性能、視場、像素分辨率、能夠看透、亮度、動態(tài)灰度級和低功率消耗。即使在高度競爭發(fā)展的若干年后，基于折射光學(xué)器件的HWD展示出有限的視場，并且不簡潔、重量重或不舒服。
[0014]基于波導(dǎo)技術(shù)襯底引導(dǎo)顯示器的頭盔式顯示器已經(jīng)證明滿足這些基本要求中的許多的性能。特別相關(guān)的是1999頒發(fā)給羅克韋爾科林的子公司凱撒光學(xué)系統(tǒng)公司(KOSI)的專利(美國專利號5，856，842)，其教導(dǎo)了如何在輸入處使用衍射元件將光耦合入波導(dǎo)，以及如何在輸出處使用第二衍射元件將光耦合出同一波導(dǎo)。根據(jù)美國專利N0.5，856，842，在波導(dǎo)上的入射光需要被準(zhǔn)直以在其圖像內(nèi)容沿著波導(dǎo)傳播時保持其圖像內(nèi)容。即，光在進入波導(dǎo)之前應(yīng)當(dāng)被準(zhǔn)直。這可以通過適當(dāng)?shù)募夹g(shù)完成。使用這種設(shè)計方式，離開波導(dǎo)的光可以被自然地準(zhǔn)直，這是使圖像聚焦在無限遠(yuǎn)處出現(xiàn)需要的條件。光僅在內(nèi)角的有限范圍內(nèi)沿著波導(dǎo)傳播。平行于表面?zhèn)鞑サ墓鈱?通過定義)沿著波導(dǎo)行進而不反彈(bounce)。不平行于表面?zhèn)鞑サ墓鈱⒃诒砻嬷g前后反彈地沿著波導(dǎo)行進，只要相對于表面法線的入射角大于某臨界角。對于BK-7玻璃，臨界角大約是42°。通過使用反射涂層(但這可以降低襯底的能夠看透性能)或通過使用更高指標(biāo)的材料能夠輕微地得以降低。無論如何，在其上能夠沿波導(dǎo)傳播的內(nèi)角范圍不顯著變化。因此，對于玻璃，內(nèi)角的最大范圍<50°。當(dāng)考慮其他設(shè)計因素時，這轉(zhuǎn)換成〈40°的出射波導(dǎo)的角范圍，通常更小。
[0015]目前，SGO技術(shù)沒有得到廣泛地接受。這可能由于波導(dǎo)光學(xué)器件能夠用來擴展出射光瞳但他們不能用來擴展視場或提升數(shù)字分辨率的事實。也即就是說，底層物理，其能夠約束經(jīng)歷波導(dǎo)內(nèi)全內(nèi)反射(TIR)的內(nèi)角范圍，可以將具有波導(dǎo)光學(xué)器件的可用視場限制到最多40°，并將可達到的數(shù)字分辨率限制為相關(guān)聯(lián)圖像的數(shù)字分辨率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0016]根據(jù)前述，發(fā)明人已經(jīng)認(rèn)識并理解到顯示器的優(yōu)點，并且更具體地，對于結(jié)合襯底引導(dǎo)光學(xué)器件(SGO)以及可開關(guān)布拉格光柵(SBG)的透明顯示器。
[0017]因此，在一些實施方式的一個方面提供的是用于顯示圖像的裝置，包括:輸入圖像節(jié)點，該輸入圖像節(jié)點被配置成提供至少第一圖像調(diào)制光線和第二圖像調(diào)制光線；以及全息波導(dǎo)設(shè)備，該全息波導(dǎo)設(shè)備被配置成在至少第一方向上傳播所述第一圖像調(diào)制光線和所述第二圖像調(diào)制光線中的至少一者。所述全息波導(dǎo)設(shè)備可以包括:布置在至少一層中的至少第一散置的多個光柵兀件和第二散置的多個光柵兀件，所述第一光柵兀件和所述第二光柵元件分別具有第一規(guī)格(prescription)和第二規(guī)格。所述第一圖像調(diào)制光線和所述第二圖像調(diào)制光線可以分別使用第一視場(FOV)圖像信息和第二 FOV圖像信息來被調(diào)制。第一多個光柵元件可以被配置成將所述第一圖像調(diào)制光線偏轉(zhuǎn)出所述至少一層成為形成第一 FOV圖塊的第一多個輸出射線，以及第二多個光柵元件可以被配置成將所述第二圖像調(diào)制光線偏轉(zhuǎn)出所述層成為形成第二 FOV圖塊的第二多個輸出射線。
[0018]在一些實施方式的另一方面提供的是一種顯示圖像的方法，該方法包括:(i)提供一種裝置，該裝置包括輸入圖像節(jié)點和全息波導(dǎo)設(shè)備，所述全息波導(dǎo)設(shè)備包括(MXN)散置的多個光柵元件，其中M、N為整數(shù)；(ii)生成對應(yīng)于視場(FOV)圖塊(I，J)的圖像調(diào)制光線(I，J)輸入圖像節(jié)點，其中整數(shù)I≤I≤N以及I≤J≤M 將匹配FOV圖塊(I，J)的規(guī)格的光柵元件切換至其衍射狀態(tài)；(iv)使用圖像調(diào)制光線(I，J)對匹配FOV圖塊(I，J)的規(guī)格的光柵元件照明；以及(V)將所述圖像調(diào)制光線I，J衍射成FOV圖塊I，J0
[0019]可以通過考慮以下的詳細(xì)說明并結(jié)合附圖得以更完整地理解本發(fā)明，其中相似的索引指示相似的部分。為了簡明的目的，沒有詳細(xì)地描述關(guān)于本發(fā)明的本領(lǐng)域已知的關(guān)于技術(shù)資料的細(xì)節(jié)。
[0020]應(yīng)當(dāng)理解的是，前述概念和下面詳細(xì)討論的其他概念的所有組合(只要該概念不相互沖突)被認(rèn)為是本發(fā)明在此公開的主題的一部分。特別地，在本公開結(jié)尾出現(xiàn)的要求保護的主題的所有組合被認(rèn)為是在此公開的創(chuàng)造性的客體的一部分。應(yīng)當(dāng)理解的是，在此明確使用的還通過引用在任何公開出現(xiàn)的術(shù)語應(yīng)當(dāng)與在此公開特定概念最符合的意思一致。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，圖主要用于示意的目的而不用于限制在此描述的創(chuàng)造性主題的范圍。圖不一定需要縮放，在一些實例中，在此公開的創(chuàng)造性主題的各個方面可以在圖中放大或擴大地顯示以促進對不同特征的理解。在圖中，相似的參考字符通常指相似的特征(例如功能相似和/或結(jié)構(gòu)相似元件)。
[0022]圖1是使用堆疊的光柵的色彩波導(dǎo)顯示器結(jié)構(gòu)的示意圖，其中每個光柵規(guī)格對應(yīng)被衍射入唯一視場圖塊的波導(dǎo)光；
[0023]圖2是使用堆疊的光柵指 示由每個光柵提供的FOV的一個實施方式中波導(dǎo)顯示器的示意截面圖；
[0024]圖3A是顯示細(xì)分圖案細(xì)節(jié)的一個實施方式中細(xì)分的波導(dǎo)顯示器的示意截面圖；
[0025]圖3B是顯示細(xì)分圖案細(xì)節(jié)的一個實施方式中細(xì)分的波導(dǎo)顯示器的示意截面圖，其中光柵元件被均勻地散置(intersperse)；
[0026]圖3C是顯示細(xì)分圖案細(xì)節(jié)的一個實施方式中細(xì)分的波導(dǎo)顯示器的示意截面圖，其中光柵元件被隨機地散置；
[0027]圖4是一個實施方式中細(xì)分波導(dǎo)顯示器的功能元件的示意正視圖；
[0028]圖5是一個實施方式中在一個操作狀態(tài)的細(xì)分波導(dǎo)顯示器的示意正視圖；
[0029]圖6是一個實施方式中顯示輸入圖像節(jié)點細(xì)節(jié)的細(xì)分波導(dǎo)顯示器的示意正視圖；
[0030]圖7示出一個實施方式中輸入圖像節(jié)點的操作；
[0031]圖8A是在一個實施方式中包含不同尺寸和長寬比(aspect ratio)的長方形元件的細(xì)分圖案；
[0032]圖8B是在一個實施方式中包含潘羅斯(Penrose)圖塊的細(xì)分圖案；
[0033]圖8C是在一個實施方式中包含六邊形的細(xì)分圖案；
[0034]圖8D是在一個實施方式中包含正方形的細(xì)分圖案；
[0035]圖9A是在一個實施方式中包含菱形元件的細(xì)分圖案；
[0036]圖9B是在一個實施方式中包含等腰三角形的細(xì)分圖案；
[0037]圖1OA是在一個實施方式中包含水平偏置長寬比的六邊形的細(xì)分圖案；[0038]圖1OB是在一個實施方式中包含水平偏置長寬比的長方形的細(xì)分圖案；
[0039]圖1OC是在一個實施方式中包含水平偏置長寬比的菱形元件的細(xì)分圖案；
[0040]圖1OD是在一個實施方式中包含水平偏置長寬比的三角形的細(xì)分圖案；
[0041]圖11是在一個實施方式中包含兩個光柵層細(xì)分波導(dǎo)的示意截面圖；
[0042]圖12A顯示在一個實施方式中包含具有重疊的眼瞳的4個不同光柵元件類型的細(xì)分圖案示例；
[0043]圖12B顯示在一個實施方式中包含具有重疊的眼瞳的I個光柵元件類型的細(xì)分圖案示例；
[0044]圖12C顯示在一個實施方式中包含具有重疊的眼瞳的2個不同光柵元件類型的細(xì)分圖案示例；
[0045]圖12D顯示在一個實施方式中包含具有重疊的眼瞳的3個不同光柵元件類型的細(xì)分圖案示例；
[0046]圖13顯示在一個實施方式中用于具有重疊的眼瞳的I個特定光柵元件類型的細(xì)分圖案示例；
[0047]圖14是在一個實施方式中用于圖13的細(xì)分圖案的顯示MTF相對于角度頻率的圖；
[0048]圖15顯示一個實施方式中使用水平偏置長寬比的長方形元件并且包含5種不同類型的元件的細(xì)分圖案示例；
[0049]圖16A示出一個實施方式中投射到對應(yīng)于具有重疊的眼瞳的第一視場的第一類型的細(xì)分元件的出射光瞳；
[0050]圖16B示出一個實施方式中投射到對應(yīng)于具有重疊的眼瞳的第二視場的第二類型的細(xì)分元件的出射光瞳；
[0051]圖16C示出一個實施方式中投射到對應(yīng)于具有重疊的眼瞳的第三視場的第三類型的細(xì)分元件的出射光瞳；
[0052]圖16D顯不一個實施方式中對應(yīng)于圖16A的細(xì)分兀件的視場圖塊；
[0053]圖16E顯不一個實施方式中對應(yīng)于圖16B的細(xì)分兀件的視場圖塊；
[0054]圖16F顯不一個實施方式中對應(yīng)于圖16C的細(xì)分兀件的視場圖塊；
[0055]圖17顯示一個實施方式中用于提供圖18中示出的視場平鋪圖案的由數(shù)字1-7標(biāo)記的區(qū)域內(nèi)細(xì)分元件類型的分布；
[0056]圖18顯示包含4個水平圖塊和3個垂直圖塊的視場平鋪圖案；
[0057]圖19A顯示一個實施方式中包含圖17-18示出的實施方式中兩層波導(dǎo)的一層中來自區(qū)域I和區(qū)域7的一個類型的元件的細(xì)分圖案；
[0058]圖19B顯示一個實施方式中來自圖19A的兩層波導(dǎo)的重疊的細(xì)分圖案；
[0059]圖20A顯示一個實施方式中包含圖17-18示出的實施方式中兩層波導(dǎo)的一層中來自區(qū)域2和區(qū)域6的一個類型的元件的細(xì)分圖案；
[0060]圖20B顯示一個實施方式中來自圖20A的兩層波導(dǎo)的重疊的細(xì)分圖案；
[0061]圖21A顯示一個實施方式中包含圖17-18示出的本發(fā)明實施方式中兩層波導(dǎo)的一層中來自區(qū)域3和區(qū)域5的一個類型的元件的細(xì)分圖案；
[0062]圖21B顯示一個實施方式中來自圖21A的兩層波導(dǎo)的重疊的細(xì)分圖案；[0063]圖22A顯示包含圖17-18示出的本發(fā)明實施方式中兩層波導(dǎo)的一層中來自區(qū)域4的一個類型的元件的細(xì)分圖案；
[0064]圖22B顯示一個實施方式中來自圖22A的兩層波導(dǎo)的重疊的細(xì)分圖案；
[0065]圖23示出一個實施方式中源于圖19A-圖22B的平鋪圖案疊加的混合(composite)細(xì)分圖案；
[0066]圖24顯示一個實施方式中僅用于一個類型光柵元件的兩層波導(dǎo)中的細(xì)分圖案示例；
[0067]圖25顯不一個實施方式中兩層波導(dǎo)的第一層中的混合細(xì)分圖案；
[0068]圖26顯不一個實施方式中兩層波導(dǎo)的第二層中的混合細(xì)分圖案；
[0069]圖27A是一個實施方式中顯示輸入圖像節(jié)點的圖像輸出部分的示意截面圖；
[0070]圖27B是一個實施方式中顯示輸入圖像節(jié)點的圖像輸入部分的示意截面圖；
[0071]圖28A是一個實施方式中顯示輸入圖像節(jié)點及其經(jīng)由垂直擴束器到數(shù)字透鏡波導(dǎo)的耦合的示意截面圖；
[0072]圖28B顯示一個實施方式中圖28A的實施方式的射線追蹤(trace)；
[0073]圖29是一個實施方式中數(shù)字透鏡波導(dǎo)和垂直擴束器的平面圖；
[0074]圖30A顯示一個實施方式中的波導(dǎo)252，其中耦合光柵將輸入射線定向到TIR路徑;
[0075]圖30B顯示一個實施方式中的波導(dǎo)，具有輸入耦合光學(xué)器件，包括相互鄰近放置的第一光柵和第二光柵，夾在波導(dǎo)和第一光柵之間的半波膜；夾在波導(dǎo)和第二光柵之間的偏振分束器(PBS)膜；
[0076]圖31是一個實施方式中本發(fā)明使用的波導(dǎo)的一部分的示意截面圖，其中光在相反的方向上從波導(dǎo)提取；
[0077]圖32是一個實施方式中本發(fā)明使用的合并分束器層以改進照度均勻性的波導(dǎo)的一部分的示意截面圖；
[0078]圖33示出一個實施方式中使用雙側(cè)尋址(dual sided addressing)減少電極層中接線電痕數(shù)量的方法；
[0079]圖34示出一個實施方式中用于在細(xì)分波導(dǎo)中交錯電極接線電痕的一個方案；
[0080]圖35示出一個實施方式中用于在細(xì)分波導(dǎo)中交錯電極接線電痕的另一個方案；
[0081]圖36示出一個實施方式中用于在細(xì)分波導(dǎo)中交錯電極接線電痕的又一個方案；
[0082]圖37A顯示一個實施方式中本發(fā)明彎曲罩實施的示意平面圖；
[0083]圖37B顯示一個實施方式中本發(fā)明彎曲罩實施的示意側(cè)視圖；
[0084]圖38顯示一個實施方式中本發(fā)明的彎曲罩實施的截面，其中數(shù)字透鏡包括層壓(laminate)光學(xué)隔離波導(dǎo)；
[0085]圖39顯示一個實施方式中本發(fā)明的彎曲罩實施的截面，其中數(shù)字透鏡包括形成單個波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的層壓光柵層；
[0086]圖40A顯示一個實施方式中本發(fā)明的彎曲罩實施的截面，其中數(shù)字透鏡包括刻面(facetted)兀件；
[0087]圖40B顯示一個實施方式中在圖40A的兩個刻面元件之間的光學(xué)接口 ；
[0088]圖40C更詳細(xì)地顯示一個實施方式中在圖40A的兩個刻面元件之間的光學(xué)接口 ；[0089]圖41顯示一個實施方式中本發(fā)明的彎曲罩實施的截面，其中數(shù)字透鏡包括嵌入彎曲波導(dǎo)的刻面元件；
[0090]圖42A是顯示一個實施方式中具有用于本發(fā)明的一個實施方式中的微細(xì)分圖案的隨著角度的衍射效率變化圖；
[0091]圖42B是顯不一個實施方式中對應(yīng)于圖42A的圖的微細(xì)分分布；
[0092]圖43A是顯示一個實施方式中用于具有50%孔徑填充常規(guī)微細(xì)分圖案的MTF圖的圖示；
[0093]圖43B是顯示一個實施方式中由圖43A的微細(xì)分圖案產(chǎn)生的50%孔徑填充效果的示意圖；
[0094]圖44A是顯示一個實施方式中用于具有25%孔徑填充常規(guī)微細(xì)分圖案的MTF圖的圖示；
[0095]圖44B是顯示一個實施方式中由圖43A的微細(xì)分圖案產(chǎn)生的25%孔徑填充效果的示意圖；
[0096]圖45A是顯示一個實施方式中用于具有50%孔徑填充常規(guī)微細(xì)分圖案的MTF圖的圖示；
[0097]圖45B是顯示一個實施方式中用于圖45的情況的足跡圖；
[0098]圖46A是顯不一個實施方式中用于50微米微細(xì)分的75%孔徑填充效果的足跡圖；
[0099]圖46B是顯示一個實施方式中示出用于50微米微細(xì)分的75%孔徑填充效果的MTF圖的圖；
[0100]圖47A是顯示一個實施方式中用于50微米微細(xì)分的50%孔徑填充效果的足跡圖；
[0101]圖47B是顯示一個實施方式中示出用于50微米微細(xì)分的50%孔徑填充效果的MTF圖的圖；
[0102]圖48A是顯示一個實施方式中用于50微米微細(xì)分的25%孔徑填充效果的足跡圖；
[0103]圖48B是顯示一個實施方式中示出用于50微米微細(xì)分的25%孔徑填充效果的MTF圖的圖；
[0104]圖49A是顯不一個實施方式中用于125微米微細(xì)分的75%孔徑填充效果的足跡圖；
[0105]圖49B是顯示一個實施方式中示出用于125微米微細(xì)分的75%孔徑填充效果的MTF圖的圖；
[0106]圖50A是顯不一個實施方式中用于125微米微細(xì)分的50%孔徑填充效果的足跡圖；
[0107]圖50B是顯不一個實施方式中不出用于125微米微細(xì)分的50%孔徑填充效果的MTF圖的圖；
[0108]圖51A是顯不一個實施方式中用于125微米微細(xì)分的25%孔徑填充效果的足跡圖；
[0109]圖51B是顯不一個實施方式中不出用于125微米微細(xì)分的25%孔徑填充效果的MTF圖的圖；
[0110]圖52A是顯示一個實施方式中用于250微米微細(xì)分的75%孔徑填充效果的足跡圖；[0111]圖52B是顯示一個實施方式中示出用于250微米微細(xì)分的75%孔徑填充效果的MTF圖的圖；
[0112]圖53A是顯示一個實施方式中用于250微米微細(xì)分的50%孔徑填充效果的足跡圖；
[0113]圖53B是顯示一個實施方式中示出用于250微米微細(xì)分的50%孔徑填充效果的MTF圖的圖；
[0114]圖54A是顯不一個實施方式中用于250微米微細(xì)分的25%孔徑填充效果的足跡圖；
[0115]圖54B是顯不一個實施方式中不出用于250微米微細(xì)分的25%孔徑填充效果的MTF圖的圖；
[0116]圖55A是顯不一個實施方式中針對3mm眼瞳直徑的用于125微米微細(xì)分的以50%孔徑填充的Imm細(xì)分效果的足跡圖；
[0117]圖55B是顯不一個實施方式中不出針對3mm眼瞳直徑的用于125微米微細(xì)分的以50%孔徑填充的Imm細(xì)分效果的MTF圖的圖示；
[0118]圖56A是顯不一個實施方式中針對3mm眼瞳直徑的用于125微米微細(xì)分的以50%孔徑填充的1.5mm細(xì)分效果的足跡圖；
[0119]圖56B是顯不一個實施方式中不出針對3mm眼瞳直徑的用于125微米微細(xì)分的以50%孔徑填充的1.5mm細(xì)分效果的MTF圖的圖示；
[0120]圖57A是顯不一個實施方式中針對3mm眼瞳直徑的用于125微米微細(xì)分的以50%孔徑填充的3mm細(xì)分效果的足跡圖；
[0121]圖57B是顯不一個實施方式中不出針對3mm眼瞳直徑的用于125微米微細(xì)分的以50%孔徑填充的3mm細(xì)分效果的MTF圖的圖示；
[0122]圖58A是顯示一個實施方式中用戶定義孔徑的MTF的圖示；
[0123]圖58B是顯示一個實施方式中位圖孔徑功能的MTF的圖示；
[0124]圖59A是一個實施方式中本發(fā)明的一個實施方式中的位圖孔徑功能；
[0125]圖59B是顯示一個實施方式中用于圖59A的實施方式的相對于角度的衍射效率的圖；
[0126]圖60是顯不一個實施方式中使用通過可變傳輸隨機放置的125um微細(xì)分和3mm眼瞳的1.0mm微細(xì)分效果的MTF圖的圖示；
[0127]圖61是一個實施方式中的位圖孔徑功能；
[0128]圖62是顯不一個實施方式中使用通過可變傳輸隨機放置的125um微細(xì)分和3mm眼瞳的1.5mm微細(xì)分效果的MTF圖的圖示；
[0129]圖63是一個實施方式中第一實施細(xì)分圖案的第一照度均勻性分析；
[0130]圖64是一個實施方式中第一實施細(xì)分圖案的第二照度均勻性分析；
[0131]圖65是一個實施方式中第一實施細(xì)分圖案的第三照度均勻性分析；
[0132]圖66是一個實施方式中第一實施細(xì)分圖案的第四照度均勻性分析；
[0133]圖67是一個實施方式中第一實施細(xì)分圖案的第五照度均勻性分析；
[0134]圖68是一個實施方式中第一實施細(xì)分圖案的第六照度均勻性分析；
[0135]圖69是一個實施方式中第一實施細(xì)分圖案的第七照度均勻性分析；[0136]圖70是一個實施方式中第一實施細(xì)分圖案的第八照度均勻性分析；
[0137]圖71是一個實施方式中第一實施細(xì)分圖案的第九照度均勻性分析；
[0138]圖72是一個實施方式中第一實施細(xì)分圖案的第十照度均勻性分析；
[0139]圖73是一個實施方式中第一實施細(xì)分圖案的第十一照度均勻性分析；
[0140]圖74是一個實施方式中第一實施細(xì)分圖案的第十二照度均勻性分析；
[0141]圖75是一個實施方式中第一實施細(xì)分圖案的第十三照度均勻性分析。
【具體實施方式】
[0142]以下是對與發(fā)明的顯示器及其實施方式有關(guān)的各種概念的更詳細(xì)的描述。應(yīng)當(dāng)理解的是，上面介紹的和在下面更詳細(xì)的描述中討論的各種概念可以以多種方式中的任意一種方式來實施，因為所公開的概念不限于任意特定的實施方式。出于示例的目的，主要提供特定實施和應(yīng)用的示例。
[0143]各種實施方式
[0144]在一個實施方式中提供的是用于顯示圖像的裝置，該裝置包括:輸入圖像節(jié)點，該輸入圖像節(jié)點被配置成提供至少第一圖像調(diào)制光線和第二圖像調(diào)制光線；以及全息波導(dǎo)設(shè)備，該全息波導(dǎo)設(shè)備被配置成在至少第一方向上傳播所述第一圖像調(diào)制光線和所述第二圖像調(diào)制光線中的至少一者。所述全息波導(dǎo)設(shè)備可以包括:布置在至少一層中的至少第一散置的多個光柵元件和第二散置的多個光柵元件，所述第一光柵元件和所述第二光柵元件分別具有第一規(guī)格和第二規(guī)格。所述第一圖像調(diào)制光線和所述第二圖像調(diào)制光線可以分別使用第一視場(FOV)圖像信息和第二 FOV圖像信息來被調(diào)制。第一多個光柵元件可以被配置成將所述第一圖像調(diào)制光線偏轉(zhuǎn)出所述至少一層成為形成第一 FOV圖塊的第一多個輸出射線，以及第二多個光柵元件可以被配置成將所述第二圖像調(diào)制光線偏轉(zhuǎn)出所述層成為形成第二 FOV圖塊的第二多個輸出射線。
[0145]在另一實施方式中提供的是一種用于顯示圖像的裝置，該裝置包括:輸入圖像節(jié)點，該輸入圖像節(jié)點被配置成提供至少第一圖像調(diào)制光線和第二圖像調(diào)制光線；以及全息波導(dǎo)設(shè)備，該全息波導(dǎo)設(shè)備被配置成在至少第一方向上傳播所述第一圖像調(diào)制光線和所述第二圖像調(diào)制光線中的至少一者。所述全息波導(dǎo)設(shè)備可以包括:布置在至少一層中的至少第一散置的多個光柵元件和第二散置的多個光柵元件，所述第一光柵元件和所述第二光柵元件分別具有第一規(guī)格和第二規(guī)格。所述第一圖像調(diào)制光線和所述第二圖像調(diào)制光線可以分別使用第一視場(FOV)圖像信息和第二 FOV圖像信息來被調(diào)制。第一多個光柵元件可以被配置成將所述第一圖像調(diào)制光線偏轉(zhuǎn)出所述至少一層成為形成第一 FOV圖塊的第一多個輸出射線，以及第二多個光柵元件可以被配置成將所述第二圖像調(diào)制光線偏轉(zhuǎn)出所述層成為形成第二 FOV圖塊的第二多個輸出射線。所述第一多個光柵元件和所述第二多個光柵元件可以包括處于無源模式或開關(guān)模式中的SBG。
[0146]在另一實施方式中提供的是一種用于顯示圖像的裝置，該裝置包括:輸入圖像節(jié)點，該輸入圖像節(jié)點被配置成提供至少第一圖像調(diào)制光線和第二圖像調(diào)制光線；擴束器；以及全息波導(dǎo)設(shè)備，該全息波導(dǎo)設(shè)備被配置成在至少第一方向上傳播所述第一圖像調(diào)制光線和所述第二圖像調(diào)制光線中的至少一者。所述全息波導(dǎo)設(shè)備可以包括:布置在至少一層中的至少第一散置的多個光柵元件和第二散置的多個光柵元件，所述第一光柵元件和所述第二光柵元件分別具有第一規(guī)格和第二規(guī)格。所述第一圖像調(diào)制光線和所述第二圖像調(diào)制光線可以分別使用第一視場(FOV)圖像信息和第二 FOV圖像信息來被調(diào)制。第一多個光柵元件可以被配置成將所述第一圖像調(diào)制光線偏轉(zhuǎn)出所述至少一層成為形成第一 FOV圖塊的第一多個輸出射線，以及第二多個光柵元件可以被配置成將所述第二圖像調(diào)制光線偏轉(zhuǎn)出所述層成為形成第二 FOV圖塊的第二多個輸出射線。
[0147]在另一實施方式中提供的是一種用于顯示圖像的裝置，該裝置包括:輸入圖像節(jié)點，該輸入圖像節(jié)點被配置成提供至少第一圖像調(diào)制光線和第二圖像調(diào)制光線；以及全息波導(dǎo)設(shè)備，該全息波導(dǎo)設(shè)備被配置成在至少第一方向上傳播所述第一圖像調(diào)制光線和所述第二圖像調(diào)制光線中的至少一者。所述全息波導(dǎo)設(shè)備可以包括:布置在至少一層中的至少第一散置的多個光柵元件和第二散置的多個光柵元件，所述第一光柵元件和所述第二光柵元件分別具有第一規(guī)格和第二規(guī)格。所述第一圖像調(diào)制光線和所述第二圖像調(diào)制光線可以分別使用第一視場(FOV)圖像信息和第二 FOV圖像信息來被調(diào)制。第一多個光柵元件可以被配置成將所述第一圖像調(diào)制光線偏轉(zhuǎn)出所述至少一層成為形成第一 FOV圖塊的第一多個輸出射線，以及第二多個光柵元件可以被配置成將所述第二圖像調(diào)制光線偏轉(zhuǎn)出所述層成為形成第二 FOV圖塊的第二多個輸出射線。所述第一多個光柵元件和所述第二多個光柵元件中的至少一者可以按照預(yù)定圖案被細(xì)分。
[0148]在一個實施方式中，所述第一多個光柵兀件和所述第二多個光柵兀件中的至少一者包括處于開關(guān)模式或無源模式中的SBG。
[0149]在一個實施方式中，所述第一多個光柵兀件和所述第二多個光柵兀件中的至少一者是電可開關(guān)的。
[0150]在一個實施方式中，所述第一多個光柵兀件和所述第二多個光柵兀件中的至少一者具有非衍射狀態(tài)和衍射狀態(tài)，該衍射狀態(tài)具有處于預(yù)定的最小水平與最大水平之間的衍射效率。
[0151]在一個實施方式中，所述第一多個光柵兀件和所述第二多個光柵兀件中的所有兀件被配置成被開關(guān)。
[0152]在一個實施方式中，所述第一多個光柵兀件和所述第二多個光柵兀件中的至少一者具有衍射狀態(tài)，并且當(dāng)處于衍射狀態(tài)中時。所述第一光柵元件被配置成將所述第一圖像調(diào)制光線偏轉(zhuǎn)出所述至少一層成為形成第一 FOV圖塊的第一多個輸出射線。所述第二光柵元件被配置成將所述第二圖像調(diào)制光線偏轉(zhuǎn)出所述層成為形成第二 FOV圖塊的第二多個輸出射線。
[0153]在一個實施方式中，所述至少一層被夾在透明襯底之間，圖案化的電極被應(yīng)用至所述透明襯底。
[0154]在一個實施方式中，所述至少一層被夾在透明襯底之間，圖案化的電極被應(yīng)用至所述透明襯底，并且所述圖案化的電極中的至少一者包括與所述第一多個所述第一光柵元件重疊的第一多個電極元件，以及與所述第二多個所述第二光柵元件重疊的第二多個電極元件。
[0155]在一個實施方式中，所述第一多個光柵元件和所述第二多個光柵元件中的至少一者具有空間上依賴的衍射效率。
[0156]在一個實施方式中，所述第一多個光柵兀件和所述第二多個光柵兀件中的至少一者具有隨沿波導(dǎo)的長度的距離增加的衍射效率。
[0157]在一個實施方式中，在所述至少一層內(nèi)，所述光柵元件通過包含具有整數(shù)N2個不同規(guī)格、N3個不同規(guī)格以及整數(shù)N4個不同規(guī)格的元件的光帶，具有在第一光帶中散置的、靠左和靠右、按順序的整數(shù)NI個不同的規(guī)格，其中N1>N2，N2>N3, N3>N4。在一個實施方式中，所述第一多個光柵元件和所述第二多個光柵元件中的至少一者通過包含具有9個不同規(guī)格、6個不同規(guī)格和I個規(guī)格的元件的光帶，具有在第一光帶中散置的、靠左和靠右、按順序的12個不同的規(guī)格。
[0158]在一個實施方式中，每個FOV圖塊被配置成提供在無窮遠(yuǎn)處的圖像。
[0159]在一個實施方式中，每個FOV圖塊被配置成提供在人眼的遠(yuǎn)點處的圖像。
[0160]在一個實施方式中，所述全息波導(dǎo)設(shè)備包括以下中的至少一者:分束器薄片、四分之一波片、以及用于偏振復(fù)原的光柵設(shè)備。
[0161]在一個實施方式中，來自至少一個給定規(guī)格的光柵元件的圖像調(diào)制光線在以人眼瞳的瞬時孔徑為邊界的出射光瞳區(qū)域內(nèi)被呈現(xiàn)。在一個實施方式中，來自給定規(guī)格的至少三個光柵元件的圖像調(diào)制光線被呈現(xiàn)。
[0162]在一個實施方式中，所述FOV圖塊緊靠(abut)在FOV空間中，以形成矩形F0V。
[0163]在一個實施方式中，所述FOV圖塊緊靠在FOV空間中，以提供連續(xù)的視場。
[0164]在一個實施方式中，至少兩個所述FOV圖塊重疊。
[0165]在一個實施方式中，所述FOV圖塊緊靠以提供大約水平40度乘垂直30度的F0V。
[0166]在一個實施方式中，所述FOV圖塊緊靠以提供大約水平60度乘垂直30度的F0V。
[0167]在一個實施方式中，其中所述FOV圖塊緊靠以提供大約水平80度乘垂直80度的FOV。
[0168]在一個實施方式中,所述輸入圖像節(jié)點還包括去散斑器(despeckler)。
[0169]在一個實施方式中，所述第一多個光柵兀件和所述第二多個光柵兀件中的至少一者被記錄在HPDLC中。
[0170]在一個實施方式中，所述第一多個光柵兀件和所述第二多個光柵兀件中的至少一者是反向模式SBG。
[0171 ] 在一個實施方式中，所述全息波導(dǎo)設(shè)備被彎曲。
[0172]在一個實施方式中，所述第一多個光柵兀件和所述第二多個光柵兀件中的至少一者具有變化的厚度。
[0173]在一個實施方式中，所述全息波導(dǎo)設(shè)備包括鄰近邊對邊的刻面部分。
[0174]在一個實施方式中，所述全息波導(dǎo)設(shè)備包括鄰近邊對邊且被嵌入在塑料連續(xù)彎曲體中的刻面部分。
[0175]在一個實施方式中，所述全息波導(dǎo)設(shè)備包括塑料。
[0176]在一個實施方式中，所述全息波導(dǎo)設(shè)備被配置成在所述第一方向上提供出射光瞳擴展，以及所述擴束器被配置成在第二方向上提供出射光瞳擴展。
[0177]在一個實施方式中，所述全息波導(dǎo)設(shè)備被配置成在所述第一方向上提供出射光瞳擴展，以及所述擴束器被配置成在第二方向上提供出射光瞳擴展，該第二方向與所述第一方向正交。
[0178]在一個實施方式中，所述擴束器還包括:用于來自所述輸入圖像節(jié)點的圖像調(diào)制光線的輸入端口 ；輸出端口 ；以及被配置成在第二方向上傳播光線的至少一個波導(dǎo)層。所述至少一個波導(dǎo)層可以包括至少一個光柵薄片，所述至少一個光柵薄片被配置成將所述調(diào)制光線從襯底沿所述第二方向提取到通過所述輸出端口的所述第一方向。
[0179]在一個實施方式中，所述擴束器還包括至少一個波導(dǎo)層，所述至少一個波導(dǎo)層包括至少兩個相鄰布置的光柵薄片。
[0180]在一個實施方式中，所述擴束器還包括至少一個波導(dǎo)層，所述至少一個波導(dǎo)層包括至少兩個重疊的光柵薄片。
[0181]在一個實施方式中，所述擴束器包含以下中的至少一者:分束器薄片、四分之一波片、以及用于偏振復(fù)原的光柵設(shè)備。
[0182]在一個實施方式中，所述第一圖像調(diào)制光線和所述第二圖像調(diào)制光線被順序呈現(xiàn)。
[0183]在一個實施方式中，所述第一圖像調(diào)制光線和所述第二圖像調(diào)制光線中的至少一者在所述波導(dǎo)設(shè)備內(nèi)經(jīng)歷全內(nèi)反射(TIR)。
[0184]在一個實施方式中，所述輸入圖像節(jié)點包括以下中的至少一者:微型顯示器，被配置成對所述微型顯示器照明的光源，用于將圖像數(shù)據(jù)寫至所述微型顯示器的處理器，以及準(zhǔn)直透鏡，中繼透鏡，分束器，和放大透鏡。
[0185]在一個實施方式中，所述第一多個光柵元件和所述第二多個光柵元件按照預(yù)定的圖案被細(xì)分。
[0186]在一個實施方式中，所述預(yù)定的圖案是以下中的至少一者:周期性圖案，非周期性圖案，自相似圖案，非自相似平鋪圖案，以及隨機分布的圖案。在一個實施方式中，非周期性圖案可以是Penrose平鋪圖案。在另一實施方式中，自相似圖案可以是Penrose平鋪圖案。
[0187]在一個實施方式中，所述第一多個光柵元件或第二多個光柵元件中的所有元件被配置成被同時切換成衍射狀態(tài)。
[0188]在一個實施方式中，所述第一多個光柵元件和第二多個光柵元件中的至少一者具有至少一個對稱軸。
[0189]在一個實施方式中，所述第一多個光柵兀件和第二多個光柵兀件中的至少一者具有包括正方形、三角形和菱形中的至少一者的形狀。
[0190]在一個實施方式中，所述第一多個光柵元件的元件具有第一幾何圖形，以及所述第二多個光柵元件的元件具有第二幾何圖形。
[0191]在一個實施方式中，所述第一多個光柵兀件和第二多個光柵兀件中的至少一者具有至少兩個不同的幾何圖形。
[0192]在一個實施方式中，在所述至少一層中的所有光柵元件針對一個波長而被優(yōu)化。
[0193]在一個實施方式中，在所述至少一層中的所述第一光柵元件和所述第二光柵元件中的至少一者針對至少兩個波長而被優(yōu)化。
[0194]在一個實施方式中，所述第一光柵元件和所述第二光柵元件中的至少一者具有針對至少兩個不同波長而被優(yōu)化的復(fù)用的規(guī)格。
[0195]在一個實施方式中，所述第一光柵元件和所述第二光柵元件中的至少一者具有針對至少兩個不同的衍射效率角度帶寬而被優(yōu)化的復(fù)用的規(guī)格。
[0196]在一個實施方式中，所述第一圖像調(diào)制光線和所述第二圖像調(diào)制光線中的至少一者被準(zhǔn)直。
[0197]在一個實施方式中，所述第一圖像調(diào)制光線和所述第二圖像調(diào)制光線中的至少一者被偏振。
[0198]在一個實施方式中，所述裝置還可以包括照明源，該照明源包括提供至少一個波長的光線的激光器。
[0199]在一個實施方式中，所述全息波導(dǎo)設(shè)備被配置成提供透明顯示器。
[0200]在一些實施方式中提供的是包括這里所描述的裝置的設(shè)備。該設(shè)備可以是反射顯示器的一部分。該設(shè)備可以是立體顯示器的一部分，其中所述第一圖像調(diào)制光線和所述第二圖像調(diào)制光線提供左眼透視圖和右眼透視圖。該設(shè)備可以是實像形成顯示器的一部分。該設(shè)備可以是HMD、HUD和HDD中的至少一者的一部分。該設(shè)備可以是接觸透鏡的一部分。
[0201]在一個實施方式中，所述圖像輸入節(jié)點包括以下中的至少一者:微型顯示器，被配置成對所述微型顯示器照明的光源，用于將圖像數(shù)據(jù)寫至所述微型顯示器的處理器，以及準(zhǔn)直透鏡，中繼透鏡，分束器，和放大透鏡。
[0202]在另一個實施方式中提供的是一種顯示圖像的方法，該方法包括:(i)提供一種裝置，該裝置包括輸入圖像節(jié)點和全息波導(dǎo)設(shè)備，所述全息波導(dǎo)設(shè)備包括(MXN)散置的多個光柵元件，其中M、N為整數(shù)；(ii)生成對應(yīng)于視場(FOV)圖塊(I，J)的圖像調(diào)制光線(I，J)輸入圖像節(jié)點，其中整數(shù)I≤I≤N以及I≤J≤將匹配FOV圖塊(I，J)的規(guī)格的光柵元件切換至其衍射狀態(tài)；(iv)使用圖像調(diào)制光線(I，J)對匹配FOV圖塊(I，J)的規(guī)格的光柵元件照明；以及(V)將所述圖像調(diào)制光線I，J衍射成FOV圖塊I，J0
[0203]在一個實施方式中，所述方法還可以包括重復(fù)(ii)_ (V)，直到實現(xiàn)全FOV平鋪。
[0204]在一個實施方式中，所述方法還可以包括將所述輸入圖像采樣成多個角度間隔，每個多個角度間隔具有為全光瞳的大小的一部分的有效出射光瞳。
[0205]在一個實施方式中，所述方法還可以包括通過修改第一光學(xué)襯底和第二光學(xué)襯底中的至少一者的至少一個光柵薄片的下列參數(shù)中的至少一者來改善圖像的顯示:光柵厚度、折射率調(diào)制、k矢量、表面光柵周期、以及全息圖襯底指標(biāo)差異。
[0206]應(yīng)當(dāng)理解的是，前述概念和在下面更詳細(xì)討論的其他概念(提供的這些概念不相互矛盾)的所有組合被考慮作為這里公開的發(fā)明主題的一部分。特別地，在本公開文件的最后出現(xiàn)的所要保護的主題的所有組合被考慮作為這里公開的發(fā)明主題的一部分。還應(yīng)當(dāng)理解的是，這里顯式使用的術(shù)語(還可以在通過引用合并的任意公開文件中出現(xiàn))應(yīng)當(dāng)符合與這里公開的特定概念最一致的含義。
[0207]這里提供的至少一些實施方式使用在美國專利N0.8，233，204中公開的類型的波導(dǎo)HMD中的多個不同的光柵規(guī)格來克服平鋪大FOV的挑戰(zhàn)。在一個實施方式中,光柵角度帶寬限制能夠?qū)OV圖塊的大小限制到大約10° X 10°，隨著垂直和水平FOV圖塊的數(shù)量增加，這導(dǎo)致無法處理的大光柵堆疊。嘗試全色彩將層數(shù)以因子3增加。
[0208]這里公開的實施方式的一個重要特征是替代堆疊不同規(guī)格的光柵，他們被切成小元件，所述小元件之后在一個或多個重疊層中被散置成細(xì)分圖案。
[0209]細(xì)分的顯示器的一個實施方式可以包括輸入圖像節(jié)點(IIN);第一擴束器波導(dǎo)(通常垂直)；以及第二擴束器波導(dǎo)(通常水平)，該第二擴束器波導(dǎo)也用作接目鏡。在一個實施方式中，接目鏡合并細(xì)分和擴束功能。每個波導(dǎo)可以包括輸入和輸出布拉格光柵。波導(dǎo)中的每一者可以包括多于一個光柵層。在色彩實施方式中，分開的單色波導(dǎo)可以被用于每個基色。用于提供色彩的另一選擇是記錄復(fù)用光柵，其中具有不同色彩規(guī)格的全息圖被疊加成波導(dǎo)。復(fù)用還可以被用于合并不同角度帶寬的光柵。
[0210]許多不同的細(xì)分方案可能包括周期性(S卩，橫向位移不變)、非周期性、自相似和隨機方案。圖案可以被設(shè)計成提供在鄰近中央FOV中的更多細(xì)節(jié)。這里提供的實施方式包括無源或可開關(guān)細(xì)分解決方案，并且包括合并無源和可開關(guān)元件的混合解決方案。
[0211]在一個實施方式中，從每個細(xì)分元件中衍射的射線形成出射光瞳中的足跡。典型地，在瞬時眼瞳區(qū)域內(nèi)必須有至少兩個這樣的足跡。精確數(shù)量將取決于諸如細(xì)分大小和形狀之類的因子。在一個實施方式中，細(xì)分可能存在顯著的設(shè)計和制造挑戰(zhàn)。微小(幾毫米)光柵元件導(dǎo)致分辨率損失和照明波紋，這兩者已經(jīng)證明很難校準(zhǔn)。在當(dāng)前處理的情況下，全息記錄和細(xì)分的全息陣列的電極圖案化是很難的。這些挑戰(zhàn)可以通過使用無源光柵元件來被克服。在一個實施方式中，通過使光柵變得更薄，帶寬可以在切面中被增加，同時可以在正交、矢狀的平面中實現(xiàn)寬帶寬。如果上述設(shè)計和制造問題能夠被解決，細(xì)分可以提供到較大的FOV的路徑。在色彩上80° X 80°的FOV是合理的目標(biāo)。
[0212]一個實施方式使用分開的垂直和水平擴束波導(dǎo)來提供放大的出射光瞳(或眼眶)。在一個實施方式中，來自IIN的準(zhǔn)直圖像光線被送入具有由微型顯示器和準(zhǔn)直光學(xué)器件定義的FOV的第一擴束波導(dǎo)。一個實施方式允許輸入或“耦合”光學(xué)器件以多種不同的方式被配置，范圍從典型的光學(xué)透鏡設(shè)計到完全基于衍射(全息)光學(xué)器件的更簡潔的設(shè)計。一個實施方式可以使用全無源光柵(盡管對于大FOV而言使用可開關(guān)光柵是優(yōu)選的)來被實施。常規(guī)的無源光柵將不起作用。使用無源SBG的一個益處是光柵的折射率調(diào)制能夠使用相應(yīng)的寬范圍的衍射效率來被從非常低的值調(diào)諧到非常高的值。SBG的高指標(biāo)調(diào)制起因于形成布拉格邊緣的富含樹脂(polymer-rich)和富含LC (LC-rich)區(qū)域的交替光帶?？商鎿Q地，有源光柵也可以被使用，其中所述有源光柵可以使用相應(yīng)的寬范圍的衍射效率來被從非常低的值調(diào)諧到非常高的值。
[0213]垂直和水平擴束器可以基于有損波導(dǎo)；也就是說，一些被設(shè)計成將光線一律沿其長度從所述波導(dǎo)提取出。如在2013年3月15日提交的美國申請N0.13/844456中闡述的，這可以通過改變整個光柵的厚度(和調(diào)制)來被實現(xiàn)。在一個實施方式中，在其最簡單的情況中，這使創(chuàng)建楔形光柵(通過傾斜槽壁(cell wall))成為必要，使得所述全息圖厚度在傳播方向上增加。通常，光柵厚度可以從1.0-1.2微米變化到2.8-3.0微米，較低的厚度產(chǎn)生最低的效率(和最大的角度帶寬)。一些實施方式可以通過在正交方向上改變厚度、使用兩個楔角來允許對提取的更精細(xì)的控制，或通過向光柵的一個或兩個面施加彎曲來以更通用的方式允許對提取的更精細(xì)的控制。
[0214]在一個實施方式中，擴束光柵是非常薄的(最好低于3微米)，其導(dǎo)致非常寬的衍射效率角度帶寬。通過對厚度和折射率調(diào)制進行優(yōu)化，滿足在顯示器中需要的所有期望的光柵特性是可能的，例如，用于耦合到光柵的非常高的效率以及效率的大動態(tài)范圍，對于擴束所需要的均勻提取。
[0215]圖像采樣能夠被用于提高圖像轉(zhuǎn)換效率并形成因子。將寬FOV圖像光線耦合到波導(dǎo)通常將由于能夠被向波導(dǎo)下方有效傳播的有限的角度范圍而導(dǎo)致圖像角度內(nèi)容的一些損失。該光線中的一些可以被耦合出波導(dǎo)。這里描述的至少一些實施方式可以通過將輸入圖像采樣成多個角度間隔來被克服，其中每個角度間隔具有有效的出射光瞳，該出射光瞳是全光瞳的大小的一部分，波導(dǎo)的厚度相應(yīng)地被降低。
[0216]這里提供的實施方式的一個特征是將在每個波導(dǎo)的輸入和輸出處的固定頻率表面光柵與旋轉(zhuǎn)的k矢量合并的可能性。表明光柵可以是布拉格邊緣與襯底邊緣的交叉，并且考慮(大致)波導(dǎo)的基礎(chǔ)射線光學(xué)器件。k矢量是垂直于(normal to)布拉格光柵的方向，并且考慮衍射效率和光柵的角度特性。通過沿波導(dǎo)傳播方向改變k矢量方向(k矢量旋轉(zhuǎn))，首先提供圖像光線到波導(dǎo)的有效耦合，以及其次確保一旦耦合入，所有期望的角度內(nèi)容以高效率被向波導(dǎo)下方傳送是可能的。k矢量旋轉(zhuǎn)將按照期望通過光柵厚度控制來被增加，如上面討論的。
[0217]總體來說，角度內(nèi)容向波導(dǎo)下方的傳播能夠通過微調(diào)以下中的一者或多者來被優(yōu)化:光柵厚度、折射率調(diào)制、k矢量旋轉(zhuǎn)、表面光柵周期、以及全息圖襯底指標(biāo)差異。細(xì)分圖案可以包括用于實施波導(dǎo)眼動儀的紅外敏感元件。
[0218]SBG 設(shè)各
[0219]一種用于創(chuàng)建非常大視場的方法是將其解析成一組較小視場(每個與波導(dǎo)的光局限性相兼容)并且將它們足夠快地(時間上)連續(xù)顯示使得眼睛感覺他們?yōu)橐恢碌膹V角顯示。實現(xiàn)上述目的的一種方法是通過使用可以被非常快地連續(xù)接通和關(guān)斷的全息元件。一種用于提供這種可開關(guān)的全息元件的合適的解決方案是已知為可開關(guān)布拉格光柵(SBG)的設(shè)備。
[0220]衍射光學(xué)元件(DOE)的光學(xué)設(shè)計益處包括獨特而有效的形狀因子和編碼復(fù)雜的光學(xué)功能(如光學(xué)功率和擴散至薄層)。提供高衍射效率的布拉格光柵(通常也稱為體相位光柵或全息圖(holograms))已經(jīng)被廣泛的用于如抬頭顯示器(head up display)的設(shè)備。布拉格光柵的重要類別被已知為可開關(guān)布拉格光柵(SBG)。SBG是通過在聚合物分散液晶(PDLC)混合物中記錄體相位光柵或全息圖而形成的衍射設(shè)備。典型地，SBG設(shè)備通過將光聚合性單體和液晶材料的混合物的薄膜放置在平行玻璃板或襯底之間而被制作。一個或兩個玻璃襯底支撐電極，包括例如透明的銦錫氧化物膜，用于施加橫穿TOLC層的電場。然后體相位光柵通過利用兩個相互連貫的(mutualIy coherent)激光束照明液體材料而被記錄，該兩個相互連貫的激光束干涉儀形成期望的光柵結(jié)構(gòu)。在記錄過程期間，單體聚合并且HPDLC混合物經(jīng)受相分離，創(chuàng)建由液晶微液滴密集填充、用明亮聚合物的區(qū)域點綴的區(qū)域。交替富有液晶的區(qū)域和缺乏液晶的區(qū)域來形成光柵的條紋平面。作為結(jié)果的體相位光柵可以非常高的衍射效率，這可以由施加橫穿I3DLC層的電場的量級來控制。當(dāng)電場經(jīng)由透明電極被施加至全息圖，LC液滴的自然方向被改變使得條紋的折射率調(diào)制減小并且使得全息圖衍射效率降至非常低的級別。注意設(shè)備的衍射效率可以通過例如超過從利用無施加電壓的接近100%效率至利用施加足夠高電壓的基本為零效率的連續(xù)范圍的施加電壓而被調(diào)整。
[0221]SBG可以被用于提供針對自由空間應(yīng)用透射(transmission)或反射光柵。SBG可以被實施為波導(dǎo)設(shè)備，在波導(dǎo)設(shè)備中HPDLC形成或者波導(dǎo)芯或接近于波導(dǎo)的短暫耦合的層。在一種被稱為襯底引導(dǎo)的光學(xué)器件(SG0)特定配置中，用于形成HPDLC單元的平行玻璃板提供全內(nèi)反射(TIR)光引導(dǎo)結(jié)構(gòu)。當(dāng)可開關(guān)光柵以超出TIR條件的角度衍射光時，光被“耦合”出SBG。SGO當(dāng)前具有顯示范圍和傳感器應(yīng)用的興趣。盡管在衍射全息圖處HPDLC上的許多較早工作已經(jīng)被指導(dǎo)，透射設(shè)備證明作為光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建塊更加通用。[0222]在SBG中使用的HPDLC可以包括液晶(LC)、單體、光引發(fā)劑燃料、和共引發(fā)劑。混合物可以包括表面活性劑。專利和科學(xué)文獻包含可以用于制造SBG的材料系統(tǒng)和過程的許多示例。兩個基本專利是:薩瑟蘭(Sutherland)美國專利N0.5, 942, 157、及田中(Tanaka)等人的美國專利5，751，452，兩個文件描述了適于制造SBG設(shè)備的單體和液晶材料的組合。
[0223]透射SBG的已知屬性中的一者為LC分子趨向于垂直于(normal to)光柵條紋平面排列。LC分子排列的效果是透射SBG有效地衍射P偏振光(即，具有在入射平面中的偏振矢量的光)但是對于S偏振光具有接近零的衍射效率(即，具有垂直于入射平面的偏振矢量的光)。如果內(nèi)部入射角約大于42度，空氣中的玻璃光導(dǎo)將通過所有內(nèi)反射來傳播光。因此，使用于此描述的透射SBG的典型實施方式將使用SBG設(shè)計來衍射輸入的P偏振光，該P偏振光進入光導(dǎo)至約42到約70度的TIR角度、或者按照所述角度衍射TIR至輸出光路。
[0224]通常當(dāng)沒有電壓被施加時，SBG衍射，并且當(dāng)其他時間應(yīng)用電壓時，SBG切換至它們光學(xué)的無源狀態(tài)。然而，SBG可以被設(shè)計成以相反模式操作以使得當(dāng)電壓被施加時它們衍射并在所有其它時間保持光學(xué)無源。用于制造相反模式SBG的方法可以是任何合適的方法，如在波波維奇(Popovich)等的PCT/GB2012/000680中公開的那些方法。相同的參考還公開了使用軟塑料襯底可以如何制造SBG以提供改善強度、降低重量和近眼應(yīng)用安全的益處。
[0225]現(xiàn)在本發(fā)明將僅參考附圖通過示例的方式被進一步描述。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解本發(fā)明可以利用在以下描述中公開的本發(fā)明的部分或全部而被時間。出于說明本發(fā)明的目的，光學(xué)設(shè)計和視覺顯示的領(lǐng)域中的技術(shù)人員已知的光學(xué)技術(shù)的熟知特征已經(jīng)被省略或簡化，以避免模糊本發(fā)明的基本原理。除非另外規(guī)定關(guān)于射線或光束方向的術(shù)語“軸上”指的是平行于垂直關(guān)于本發(fā)明描述的光學(xué)組件的表面的軸來傳播。在以下的描述中，術(shù)語光、射線、光束和方向可以被可交換并彼此相關(guān)聯(lián)的使用以指示光能量沿著直線軌跡傳播的方向。以下描述中的部分將使用光學(xué)實際領(lǐng)域的技術(shù)人員通常采用的用辭被呈現(xiàn)。還應(yīng)該注意在以下描述中再三使用的短語“在一種實施方式中”不必指相同的實施方式。
[0226]于此提供的實施方式的一個重要特征是實現(xiàn)創(chuàng)建非常大視場的方法是將其解析成一組較小的視場(每個與波導(dǎo)的光學(xué)限制向兼容)并且將它們足夠快的(時間上)連續(xù)顯示使得眼睛感覺他們?yōu)榻y(tǒng)一圖像的廣角顯示。
[0227]實現(xiàn)上述目的的一種方法是利用可以被非常快地連續(xù)接通和關(guān)斷的全息元件。2012年4月25日提交的美國臨時專利申請N0.61/687，436示出多個SBG可以被一起堆疊在相同的波導(dǎo)中并快速連續(xù)地被激活以時間連續(xù)的平鋪高分辨率、極為廣發(fā)的視場。而且，每個子視場具有關(guān)聯(lián)成像器的全數(shù)字分辨率，允許接近或甚至超出人類眼睛視覺敏度限制的圖像的形成。
[0228]在較早文件歸檔中公開的平鋪克服了以下的成對缺陷(twin deficiencies):標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)波體系結(jié)構(gòu)(即，受限的視場和受限的像素分辨率)，當(dāng)必須在較大視場之上垂直地和水平地平鋪時其受到限制。對于具有適度FOV且僅在一個方向上擴展的單色顯示，平鋪可以通過簡單堆疊光柵平面而被完成。然而，當(dāng)視場在兩個方向中擴展且顏色被增加時，使用該方法需要的層的數(shù)量很快地變得不切實際。例如，參考示出用于提供顯示的光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的方案闡述的圖1。該顯示是基于使用電可開關(guān)光柵SBG的堆疊I來將輸入光100從圖像生成器2偏轉(zhuǎn)至FOV區(qū)域或圖塊中的原理。在一種實施方式中，每個SBG實質(zhì)上是平面光柵光束偏轉(zhuǎn)器，該平面光柵光束偏轉(zhuǎn)器將入射TIR光偏轉(zhuǎn)至輸出光以形成獨特的FOV圖塊。SBG元件10A-10D提供第一排的四個FOV圖塊，元件IIA-1ID提供第二排的四個FOV圖塊，以及元件12A-12D提供第三排的四個FOV圖塊。有利地是，圖像光被校準(zhǔn)并可以通過例如光導(dǎo)或襯底引導(dǎo)的光學(xué)器件而被傳遞至SBG堆疊。用于包含SBG的襯底可以提供光導(dǎo)襯底。圖2示出如何可以使用四個獨立層中配置的4個SBG10A-10D來生成水平視場。一個輸入SBG將提供以指導(dǎo)將圖像光從圖像生成器輸入至TIR路徑。該輸入圖像生成器可以包括激光模塊、微顯示器及用于準(zhǔn)直和擴束的光學(xué)器件。輸出SBG可以被水平錯開(stagger)以在FOV空間中提供圖像連續(xù)性。圖2示出在對應(yīng)于一排FOV圖塊10A-10D的SBG組3的一個平面中的限制射線。限制射線101A-101D和相對于顯示器法線102、103的最大角范圍Θ I被示出。射線限定了出射光瞳104。
[0229]在一種實施方式中，每個子視場被衍射效率和SBG的角度帶寬限制。SBG光柵設(shè)備可以具有空氣中的大約±5°的角度帶寬(受制于材料性能、指標(biāo)調(diào)制光束幾何體(indexmodulation beam geometry)和厚度)。在一種實施方式中，較大角度可以使用較細(xì)的SBG在實踐中被實現(xiàn)。在一種實施方式中，SBG可以具有小于或等于約4μπι的厚度，例如，小于或等于約 3.5μπι、3μπι、2.5μπι、2μπι、1.5μπι、1μπι、0.5μπι或更小。從較細(xì) SBG 引起的增加帶寬可以引起較低峰值的衍射效率。在一種實施方式中，可以期望可以增加真正的折射調(diào)制。
[0230]在一種實施方式中，頂部SBGlOA提供-20°至-10°的視場，下一個SBGlOB提供-10°到0°的視場，下一個SBGlOC提供O°至10°的視場，較低SBGlOD提供10°至20°的視場，一個提供右20°。每個輸出表達FOV提供水平范圍10度和由輸入準(zhǔn)直光學(xué)器件設(shè)置的垂直范圍的FOV圖塊和通常為10度的波導(dǎo)限制。當(dāng)SBG元件被依次快速地顯示(SBG具有與例如35微妙一樣小的切換速度)時，眼睛集合單獨的光學(xué)輸出，并且40°水平視場乘10度垂直視場被感知。每次新的輸出SBG被激活并且由2表示的輸入圖像生成器利用新的數(shù)字圖像來更新。在一種實施方式中，輸入圖像生成器提供接近1000水平像素乘800垂直像素分辨率的圖像。因此，完整感知到的圖像具有4000x800像素的分辨率。圖塊可以在通過由來自SBG層的重疊光限定的出射光瞳的FOV空間中鄰近?；谏鲜鲈淼腍MD 在本發(fā)明人的題目為 COMPACT HOLOGRAPHIC EDGE ILLUMINATED EYEGLASS DISPLAY 的國際申請日為2010年4月26日的PCT申請N0.PCT/GB2010/000835中被公開(并且還由 申請人:的案卷號SBG073PCT引用)，其所有內(nèi)容分通過引用被合并于此。
[0231]圖1中不出的堆疊方法可以適用于相對適度的F0V。在一種實施方式中，大約60度的水平視場乘的10度的垂直視場是可行的。由于視場的增加，需要的SBG層的數(shù)量變得不切實際:在顯示器的性能由于散射、吸收、及其它光學(xué)損耗而讓步之前，六個層是當(dāng)前實際極限。如果用于藍(lán)色和綠色的附加層被增加，如圖示的由13、14所指示的，則圖塊的數(shù)量將被增加x3。
[0232]用于避免使用單獨的RGB SBG的一種方法是使用多路SBG，其中照明被從光導(dǎo)的相反端提供作為R和B/G照明，讓步色飽和度點(color gamut somewhat)。然而,多路光柵引起制造復(fù)雜和串?dāng)_的問題。
[0233]于此描述的實施方式的一個益處是最小化對大量SBG層的需要。一種實施方式提供通過交錯SBG來壓縮堆疊，如圖3所示，相對于簡單的堆疊光柵，如圖1-2所示。參考上文(插圖)討論的簡單堆疊方案，可以看出通常將需要四個全息平面的堆疊來產(chǎn)生一個顏色通道的光學(xué)過程可以利用交錯光柵的單個層來完成。注意在圖1-3中，全息圖的陰影圖案(shading pattern)僅用于區(qū)分四個不同類型的目的并不表示光柵的幾何圖形。
[0234]首先轉(zhuǎn)向圖3A的原理圖的側(cè)視圖，這里提供用于顯示圖像的包括多組可選擇的可開關(guān)的光束偏轉(zhuǎn)兀件的裝置。在優(yōu)選實施方式中，光束偏轉(zhuǎn)器是具有第一衍射狀態(tài)和第二衍射狀態(tài)的SBG。第一衍射狀態(tài)可以展現(xiàn)高衍射效率而第二衍射狀態(tài)可以展現(xiàn)低衍射效率。
[0235]在一種實施方式中，SBG可以以相反模式操作，以使得當(dāng)施加電壓時它們衍射并在所有其它時間保持光學(xué)無源。SBG可以作為由薄的(如100微米薄)襯底層分開的連續(xù)SBG薄片(lamina)來實施。在一種實施方式中,襯底可以包括塑料制品。在一種實施方式，襯底可以包括具有投射導(dǎo)電涂層(代替ΙΤ0)的塑料襯底。
[0236]出于簡潔的目的，由數(shù)字15-18指示的4組SBG元件被示出，每組包括由字母A-D標(biāo)志的四個元件。SBG元件的圖案的重復(fù)由點線表示。光束偏轉(zhuǎn)元件的組的數(shù)量或每組元件的數(shù)量不被限制。元件在夾在透明襯底14A、14B之間的薄的HPDLC光柵薄片15中形成。透明電極被應(yīng)用至襯底的反面，電極中的至少一個電極被圖案化以與SBG元件重疊。
[0237]稍后將被更加詳細(xì)描述的輸入圖像生成器提供通常由100指示的準(zhǔn)直圖像光。每組光束偏轉(zhuǎn)元件將圖像光衍射成多個射線以提供一組FOV圖塊。對應(yīng)于給定圖塊的元素將具有獨特的光柵規(guī)格。射線可以根據(jù)幾何光原理定義出瞳。投射圖中來自組15和18的限制射線由107、108來表示。每個元件具有衍射效率角度帶寬土 Θ。比較圖3和圖2，顯然地是，圖3的實施方式等同于在單個SBG薄片中散置圖2所示的SBG層。在一種實施方式中，第一多個光束偏轉(zhuǎn)兀件和第二多個光束偏轉(zhuǎn)兀件如圖3B所被均勻地散置。在一種實施方式中，第一多個的光束偏轉(zhuǎn)兀件和第二多個的光束偏轉(zhuǎn)兀件如圖3C所不被隨機地散置。
[0238]圖3示出HMD的原理?；谏鲜鲈淼娘@示器可以包括兩個子系統(tǒng):顏色波導(dǎo)(其于此也被成為數(shù)字透鏡(DigiLen))和被配置成將輸入圖像注入至顏色波導(dǎo)中的設(shè)備(于此也被稱為圖像注入節(jié)點)。
[0239]使用圖4-7的正視圖來更詳細(xì)地示出一個實施方式中顯示器的基本原理。在彩色顯示器中，數(shù)字透鏡包括三個單獨RGB波導(dǎo)的堆疊，每個RGB波導(dǎo)提供紅色、綠色或藍(lán)色成像信道。在一個實施方式中，每個波導(dǎo)被進一步劃分成兩個全息層(將被稱為成對層)。在一個實施方式中，所述描述將假設(shè)兩個層，除非以其他方式陳述。因此，在圖4中，數(shù)字透鏡2包括所述成對層，該成對層進一步包括層21、22。該裝置進一步包括IIN3、數(shù)字透鏡驅(qū)動電子器件4、以及用于允許光從IIN進入數(shù)字透鏡的耦合器。IIN和數(shù)字透鏡驅(qū)動電子器件由通信鏈路103連接。每個SBG層包含SBG陣列，該SBG陣列包括子陣列集，其中任意給定子陣列的組件具有預(yù)定義光學(xué)規(guī)格集之一，每個規(guī)格對應(yīng)于唯一FOV圖塊。SBG規(guī)格的數(shù)量等于FOV圖塊的數(shù)量。在一些實施方式中，規(guī)格定義了將TIR輸入光從I IN偏轉(zhuǎn)到定義了 FOV圖塊的輸出光中所需的布拉格光柵幾何尺寸。簡單起見，示出了 SBG元件的由標(biāo)號200-202指示的三個子陣列。每個子陣列的三個元件通過被標(biāo)記為符號A-C而被示出。驅(qū)動電子器件提供電壓輸出103A-103C。示出了至SBG元件300A-300C的連接104A-104C。陣列元件的分布依賴于FOV圖塊，其中例如需要相應(yīng)SBG元件的FOV的中央?yún)^(qū)域附近的FOV圖塊被分布在數(shù)字透鏡的中心附近。陣列元件的空間配置將在下面進行更詳細(xì)地討論。圖5示出了來自被耦合到數(shù)字透鏡中的IIN的輸入準(zhǔn)直圖像光200，以在波導(dǎo)2的輸入處提供準(zhǔn)直圖像光201。來自針對SBG子陣列200-202的波導(dǎo)的典型準(zhǔn)直輸出光束通常由202A-202C所指示。
[0240]在一個實施方式中，SBG操作在反向模式中，以便它們在電壓被施加時進行衍射并在所有其他時間保持光學(xué)上的無源性。
[0241 ] 如圖所示，SBG可以被實施為由薄(薄至100微米)襯底層分離的連續(xù)SBG薄片。這是一種平面單片設(shè)計，其將窄帶激光照明的全部優(yōu)點與單片全息光學(xué)器件一起進行利用。將SBG配置為單色層的動機使得能夠使用全息光學(xué)器件和SBG分光器來提供平坦、固態(tài)、精度對準(zhǔn)的顯示器，從而使得對大體積折射光學(xué)器件的需求最小化。在一個實施方式中，該顯示器的分辨率僅受到微顯示器分辨率的限制。通過將更多的圖塊交錯到每個層中和/或通過添加新的層，該設(shè)計能夠可縮放成更大的F0V。類似地，能夠調(diào)整瞳孔、適眼距和FOV長寬t匕，以適合于應(yīng)用。
[0242]在一個實施方式中，圖6更詳細(xì)地示出了 IIN。IIN的角色是形成數(shù)字圖像，對該數(shù)字圖像進行準(zhǔn)直并將該數(shù)字圖像注射到數(shù)字透鏡中?？梢圆捎脙蓚€單獨的光學(xué)子系統(tǒng):一個子系統(tǒng)用于照明微顯示器，另一個子系統(tǒng)用于對圖像進行準(zhǔn)直。IIN可以包括圖形處理器3A、輸入圖像產(chǎn)生器3B和垂直擴束器(VBE)3C。圖像處理器經(jīng)由通信鏈路150將圖像數(shù)據(jù)提供給輸入圖像產(chǎn)生器。圖像處理器還通過至數(shù)字透鏡驅(qū)動電子器件的電子鏈接來控制數(shù)字透鏡中SBG元件的開關(guān)。將在下面的描述中進行更詳細(xì)討論的輸入圖像產(chǎn)生器可以包括激光模塊和微顯示器。來自輸入產(chǎn)生器的準(zhǔn)直圖像光203被耦合到擴束器3C，該擴束器自身被光學(xué)地連接到耦合器5。圖7通過聚焦到輸入圖像產(chǎn)生器并參照在附圖中提供的XYZ正交坐標(biāo)軸而更詳細(xì)地示出了 IIN的操作。正視圖對應(yīng)于YZ平面，以及Y軸稱為由顯示器的觀察者能夠觀察的垂直方向。
[0243]VBE包括夾在襯底61A、61B之間的SBG60。來自圖像產(chǎn)生器的圖像光經(jīng)歷由襯底形成的波導(dǎo)中的如由204所指示的TIR。VBE被設(shè)計成是有損耗的。換言之，光柵的衍射效率在最接近圖像產(chǎn)生器的末端處是低的并且在最遠(yuǎn)的末端處是最高的。一個效應(yīng)是其沿著其整個長度將光(諸如204A、204B)向外耦合向耦合器5，從而(在Y方向上)提供垂直光束擴展以與數(shù)字透鏡波導(dǎo)的高度進行匹配。圖像光可以由光柵耦合器31A耦合到VBE中。參照插圖62,還存在著全息物鏡31和全息物鏡32,它們都光學(xué)地稱合到光導(dǎo)設(shè)備33。來自微顯示器207的圖像光被允許經(jīng)由全息物鏡進入光駐留區(qū)并沿著TIR路徑208行進直到其被全息物鏡32引導(dǎo)出光導(dǎo)并進入VBE作為輸出光203為止。在一個實施方式中，光導(dǎo)33在每一端包括斜面。插圖63示出激光模塊和微顯示器的配置。微顯示器37的照明可以通過使用二極管激光器34、波導(dǎo)和SBG分光器來執(zhí)行。SBG分光器可以被形成為夾在透明襯底35A、35B之間的薄片36，從而形成波導(dǎo)。傾斜的SBG光柵被記錄在與微顯示器重疊的薄片35A的部分中。稱合器36允許來自激光模塊的準(zhǔn)直的P偏振光210進入波導(dǎo)。該稱合器可以是棱鏡。在一些實施方式中，耦合器可以是光柵設(shè)備。耦合后的光沿著TIR路徑211行進到達SBG分束器,其中根據(jù)SBG的屬性，P偏振光被衍射向微顯不器。一經(jīng)反射，光就變成S偏振并在沒有明顯損耗或偏離的情況下通過SBG分束器，以從波導(dǎo)輸出作為準(zhǔn)直后圖像光207。
[0244]對光學(xué)設(shè)計領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的是，根據(jù)這里描述的原理，許多可替換的光學(xué)配置和部件可以被用來提供IIN。
[0245]例如，反射性微顯示器可以由透射設(shè)備替代?？商鎿Q地，可以使用發(fā)射性顯示器。還應(yīng)當(dāng)顯而易見的，諸如畸變透鏡和光成形擴散元件之類的部件可以被用在某些應(yīng)用中以控制圖像長寬比和照明一致性。該裝置還可以包括去散斑設(shè)備。IIN可以包括或者是衍射光學(xué)器件。如先前技術(shù)中采用的由IIN執(zhí)行的過程可以使用若干衍射透鏡、極化分束器立方體和用于對準(zhǔn)和組裝各種部件的精度殼體(precision housing)。不僅這些零件是昂貴的，而且人力(touch labor)也是昂貴的。另外，整個組裝很難堅固，并且最后是重且體積大的。小型化部件能夠減小尺寸和重量，但是它們也急劇增加了部件成本和組裝時間。
[0246]還應(yīng)當(dāng)顯而易見的是，IIN的描述指代僅一個單色微顯示器。在彩色顯示器中，IIN光學(xué)部件將需要被復(fù)制以用于每個顏色。由于該光學(xué)設(shè)計使用襯底引導(dǎo)的光學(xué)器件和衍射光學(xué)元件，所以在一個實施方式中，紅、綠和藍(lán)信道的組合能夠被實現(xiàn)在非常緊湊的形狀因數(shù)中，該非常緊湊的形狀因數(shù)僅受到微顯示器和激光模塊和整個系統(tǒng)設(shè)計需求的限制。
[0247]數(shù)字透鏡中SBG元件的交錯可以以許多不同的方式來實現(xiàn)。例如，圖1實施方式中的交錯后光柵可以以軟百葉窗的形式進行配置(如本申請發(fā)明人在臨時專利申請N0.61/627，202中所公開的那樣)。然而，與這種幾何尺寸相關(guān)聯(lián)的MTF中具有換級觸點，它們的空間頻率對于交錯的周期性特性而言是可追蹤的。在一個實施方式中，通過引入光柵的復(fù)雜細(xì)分，該缺陷是能夠被矯正的。這里，至少一些實施方式中的“細(xì)分”被定義為使用幾何形狀的重復(fù)來創(chuàng)建二維表面圖案，但沒有重疊和間隙。然而，應(yīng)當(dāng)指出的是，細(xì)分圖案不局限于圖4-7中示出的菱形細(xì)分圖案類型。應(yīng)當(dāng)意識到，可以使用基于正方形、矩形、三角形的圖案。雖然在附圖中暗示了矩形圖案，但是在某些情況中具有隨機分布的圖案是有利的。在一個實施方式中，還有可能在給定圖案中使用不同大小和幾何尺寸的元件。許多可能的方案存在。這些元件可以具有垂直或水平偏移的長寬比。在一個實施方式中，更寬的水平長寬比導(dǎo)致更好的水平分辨率。如下面將示出的，1.38mm x0.8mm菱形給出了可接受的分辨率。由于不期望使水平分辨率比垂直分辨率更好會產(chǎn)生任意好處，所以(在側(cè)邊上)使用Imm的正方形而不是菱形甚至是已經(jīng)足夠了。僅出于說明的目的，該描述指代基于菱形或正方形元件的細(xì)分圖塊化。在細(xì)分圖案的一個實施方式中，將存在小的間隙以允許電極尋址電路，如后面將討論的。SBG元件圖案化的示例在圖8-10中示出。圖8A示出了圖塊化圖案304，其包括具有多樣性垂直和水平尺寸的矩形形狀304A-304F。圖8B示出了圖塊化圖案305，其已知是Penrose圖塊化并包括元件305A-305J。圖8C示出了基于規(guī)則六邊形的包括元件306A-306C的圖塊化圖案306。圖8D示出了基于正方形的包括元件307A-306D的圖塊化圖案306。圖9A示出了基于菱形形狀的包括元件308A-308D的圖塊化圖案308。圖9B示出了基于等腰三角形的包括元件309A-309D的圖塊化圖案309。圖10A示出了基于水平延長六邊形的包括元件310A-310C的圖塊化圖案310。圖10B示出了基于矩形的圖塊化圖案311，其具有水平偏移的長寬比并包括元件311A-311D。圖10C示出了基于矩形的包括水平延長菱形元件312A-312D的圖塊化圖案312。
[0248]在一個實施方式中，用于制造SBG陣列的技術(shù)有規(guī)律地產(chǎn)生小至50微米(500dpi)的特征，以便上面描述的方式中的交錯特征不是問題。一個重要條件是，與光亮條件下的眼瞳大小(假設(shè)在光亮的太陽光下是3mm)相比，類似規(guī)格的光柵之間的距離應(yīng)當(dāng)是小的。在一個實施方式中，當(dāng)該條件滿足時，觀察不到條帶。重要的是，在一個實施方式中，當(dāng)眼睛在眼眶中四處移動時，因移動到眼瞳之外的帶導(dǎo)致的光損失由從移進眼瞳中的另一帶獲得的光進行補償。假設(shè)在波導(dǎo)中進行均勻照明，則期望從該效應(yīng)中得到的發(fā)光度變化是平均亮度水平的近似±1%。在SBG元件包括列的實施方式中，條帶的概念是非常容易理解的。然而，基本原理可以應(yīng)用于任意類型的可以與這里描述的任意實施方式一起使用的圖案化。
[0249]在一些實施方式中，圖像光被允許進入數(shù)字透鏡的僅一端。數(shù)字透鏡中的每個波導(dǎo)可以一般地包括兩個SBG層。通過考慮這些實施方式中的附圖和描述而顯而易見的是，這些層可以包括相同規(guī)格的SBG陣列，而且其中一個被反向并且圖像注入節(jié)點被配置在兩個對稱部分中以在相反路徑中向兩個全息層提供單獨的圖像光。這些實施方式或許需要部件的復(fù)制并且因此有可能需要花費更多成本來實施。
[0250]在一些實施方式中，每個數(shù)字透鏡成對層波導(dǎo)是2.8mm厚。SBG層可以在理論上由低指標(biāo)襯底或氣隙進行分離。在一個實施方式中，在需要TIR的許多實際應(yīng)用中，光束幾何尺寸在沒有空氣接口的情況下不能被支持。注意，全息圖的厚度也已經(jīng)被擴大的。在一個實施方式中，光柵可以是3微米厚，并夾在100-200微米厚的襯底之間。施加到襯底對立面上的透明電極的厚度可以是納米量級的。
[0251]圖11是在一個實施方式中包括兩個層20、21的數(shù)字透鏡波導(dǎo)的示意剖面圖。層20包括透明襯底20A、透明圖案化的電極層20B、包含諸如20F之類的元件的SBG陣列20C、透明電極層20D和第二襯底20E。層21包括透明襯底21A、透明圖案化的電極層21B、包含諸如2IF之類的元件的SBG陣列21C、透明電極層2ID和第二襯底21E。在一個實施方式中，襯底20E和21A可以被組合到單個層中。
[0252]圖12A-12D示出了位于包含被標(biāo)記為1_4的SBG元件類型的區(qū)域中的細(xì)分圖案的示例。眼瞳311被覆蓋。圖13-14示出了如圖13所配置的、在顯示器出瞳中的一個眼瞳位置處的一個特定SBG元件類型的MTF數(shù)據(jù)。SBG元件被標(biāo)記為313A-313I。圖14示出了 MTF曲線。在該實施方式中，上曲線314A是衍射限制的MTF,下曲線是允許偏差(aberration)的所估計SBG陣列MTF。菱形形狀基于邊=0.8mm的三角形的三角形，因此長度=1.38mm。該架構(gòu)可應(yīng)用于2層(I個成對層)單色設(shè)計，或者R、G、B色彩設(shè)計中的單個色彩層。三個堆疊的成對層層給出了復(fù)合性能。在該實施方式中，出瞳311的直徑是3mm。
[0253]對應(yīng)于圖13-14的數(shù)字透鏡架構(gòu)在2個單色SBG層上平鋪了 12個SBG元件。參照圖18，在圖13中示出的第一層平鋪了所有的水平(下)圖塊:L1-4和水平(中間)圖塊(MID, I), (MID, 2)。第二層平鋪了水平(中間)圖塊:(MID，3)、(MID，4)和所有水平(上)圖塊:Ul-4o
[0254]圖15示出了將矩形SBG和水平偏移的長寬比一起使用的圖塊化示例。圖塊化圖案315包括也由標(biāo)號315Α-315Ε標(biāo)記的元件類型1_5。
[0255]圖16示出了在一個實施方式中在形成單色圖像的三個連續(xù)階段中數(shù)字透鏡如何在出瞳中平鋪F0V。具有每個基色的圖像的寫入將遵循類似的過程。圖16A-16C示出了也由標(biāo)號315A-315C指示的、正在被激活的三種類型的SBG1-3。眼瞳311和出瞳316在每種情況中被重疊。FOV空間中也由矩形319指示的相應(yīng)FOV圖塊319A-319C在圖16D-16F中示出。僅示出了少量SBG元件以簡化開關(guān)過程的理解。注意，具有給定類型的所有SBG元件都能夠因光束與光柵之間的“損失性”耦合而同時將輸出的光進行耦合。換言之，單獨元件的衍射效率被調(diào)制，以從被引導(dǎo)的光束中提取可用光的一部分。在一個實施方式中，引導(dǎo)光束與其進行交互的第一元件具有最弱的耦合效率，而位于光束路徑的其他末端處的元件具有最強的耦合效率。
[0256]由來自給定類型的SBG的光所填充的瞳孔區(qū)域被粗略地固定。當(dāng)眼睛從左向右移動時，光從最左邊的SBG元件消失但在右手邊上被獲得。假設(shè)在所有元件之間進行均勻照明，則源自該效應(yīng)的發(fā)光度變化近似為2% (平均亮度水平的+/_1%)。
[0257]在一些實施方式中，SBG元件的周期性能夠產(chǎn)生源自元件孔徑的衍射或甚至干擾效應(yīng)的不期望偽像。后一者被相信是不可能的，因為平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中的光傳播將不必與來自下一孔徑的光同相，這是因為平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中光學(xué)路徑長度不相等。當(dāng)考慮所有SBG元件時，離開每個周期性孔徑的光因此被期望無條理地進行組合(即使對于平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)而言，激光的相干長度是合理地長)。在不期望偽像確實由SBG元件產(chǎn)生的情況下，所提出策略的周期性將涉及使得元件隨機化。
[0258]由于25mm的適眼距，數(shù)字透鏡孔徑上的點向日益不同的IOmm眼眶貢獻了角坐標(biāo)信息。向著顯示器的左邊的點并不貢獻來自FOV的右邊的角內(nèi)容，反之亦然。為了使得光效率最大化，在一個實施方式中，數(shù)字透鏡可以被優(yōu)化以在規(guī)定的適眼距處填充期望的眼眶。圖10A-10D指示了在一個實施方式中對眼眶做出貢獻的SBG孔徑的部分。
[0259]不是數(shù)字透鏡表面上的所有位置都對在眼眶處填充內(nèi)容的瞳孔做出貢獻。為了在25mm (適眼距)處填充IOmm瞳孔,外稱合(outcoupling) SBG的最小大小剛好小于30mm寬。然而，數(shù)字透鏡的中心中僅非常小的區(qū)域在所有視角(例如-15° ±5°、-5° ±5°、+5° ±5°和+15° ±5° )處提供內(nèi)容。這些角帶對應(yīng)于外耦合SBG列1、2、3和4 (針對上(+10。)、中(+0。)和下(-10° )視場而被找到)。
[0260]圖17示出了對于圖18的3垂直x4水平FOV圖塊化圖案而言的SBG圖塊類型的分布。如圖所示，在該情況中，在FOV中心處需要所有12個SBG規(guī)格，而在FOV的水平限制處所需數(shù)量下降到僅一。
[0261]圖18示出了可以被用來平鋪52° X30° FOV的示例性FOV圖塊化圖案(假設(shè)每個SBG規(guī)格提供13° χ10° )。需要提供總共12個不同類型的SBG規(guī)格，包括針對每個垂直圖塊化SBG圖塊(標(biāo)記為1-4)的垂直圖塊化和四個水平圖塊化規(guī)格的“上(UP)”、“中(MIDDLE)”和“下(DOWN)”元件。每個類型的SBG將由不止一個SBG元件表示。因此為了觀看[UP, I]處的FOV圖塊，在該實施方式中需要順序地激活每個列群“UP”中的每個元件“I”。
[0262]圖19-23示出了 SBG圖案，其對應(yīng)于在圖17_18中定義的每個圖塊化區(qū)域。在每種情況中，示出了針對SBG類型的單層圖案和兩個重疊圖案。在該實施方式中假設(shè)了正方形元件。圖19示出了對應(yīng)于區(qū)域I和7的圖案(3個圖塊類型)。這兩個層由326、327指示，每個層包括類型I元件326A、327A和空間326B、327B (將由其他類型的元件所占據(jù))。在該情況中，一個層實現(xiàn)了 33%的孔徑填充，另一個成對層實現(xiàn)了 66%的孔徑填充。圖20示出了對應(yīng)于區(qū)域2和6的圖案(6個圖塊類型)。這兩個層由328、329指示，每個層包括類型I元件328A、329A和空間328B、329B。在該情況中，一個層實現(xiàn)了 16.7%的孔徑填充，另一個成對層實現(xiàn)了 33%的孔徑填充。圖21示出了對應(yīng)于區(qū)域3和5的圖案(9個圖塊類型)。這兩個層由330、331指示，每個層包括類型I元件330A、331A和空間330B、331B。在該情況中，一個層實現(xiàn)了 11.1%的孔徑填充，另一個成對層實現(xiàn)了 22.2%的孔徑填充。最后，圖22示出了對應(yīng)于區(qū)域4的圖案(12個圖塊類型)。這兩個層由332、333指示，每個層包括類型I元件332A、333A和空間332B、333B。在該情況中，一個層實現(xiàn)了 8.33%的孔徑填充，另一個成對層實現(xiàn)了 16.7%的孔徑填充。
[0263]所得到的復(fù)合圖案340如圖23所示。三層波導(dǎo)341中單個SBG類型的覆蓋的示例如圖24所示。
[0264]圖25-26不出了一個實施方式中的兩層波導(dǎo)的每一層的SBG圖案。
[0265]人的視覺敏度限制的典型估計大約是I角分(arc minute)/線稱(line pair)=60周期/度(cyc/deg);這為通?？山邮艿男阅芟拗魄业扔?.4cyc/mr。這可以在眼瞳被限制在3mm直徑的明亮環(huán)境下實現(xiàn)有20/20視覺。眼睛受感光器限制。中央凹處的錐間距可以與2.5 μ m —樣小，等于60cyc/deg。在較大的瞳孔孔徑,眼睛的性能由于眼睛中的像差而顯著降低。在大約3_處，眼睛的性能近乎受衍射限制。要注意的是針對f/5.6眼睛(具有f=17mm的3mm瞳孔)在532nm處中斷的衍射限制大約是3201p/m,其顯著高于視網(wǎng)膜限制。因此在該實施方式中眼睛是感光器密度受限的。考慮到這一點，意識到如果眼睛的瞳孔或者限制眼睛的瞳孔的顯示器大于0.75mm (等于1.4cyc/mr中斷)，則視網(wǎng)膜處的模糊光斑將不受影響。這建立了對顯示器的最小孔徑要求。具有4Hx3V圖塊的12μπι螺距(pitch)LCoS微顯示器可以在52degHx30degV (水平52度x垂直30度)上產(chǎn)生2560H xl440V像素，其中每個圖塊具有640Hx480V像素。從微顯示器到視網(wǎng)膜的顯示投射放大倍率大約是
2。因此在眼睛處的微顯示器像素的角距大小為6.0 μ m，在視網(wǎng)膜處給出了顯示器83cyc/mm奈奎斯特頻率(1.4cyc/mr)0圖像清晰度在對比度在一半的奈奎斯特限制(即,在示出了視網(wǎng)膜處圖像質(zhì)量的以下平面圖中大約為40cyc/mm)處被最大化(且為高的)時被評估為清晰。
[0266]關(guān)注的是顏色波導(dǎo)SBG層的周期性的結(jié)構(gòu)將用作衍射光柵已經(jīng)被尋址(address)。顏色波導(dǎo)中的許多潛在源衍射產(chǎn)物(artifact)(諸如較高級衍射、波導(dǎo)中的零級光束和SBG元素的孔徑)仔細(xì)觀察下可以被最小化(或甚至消除)，SBG為體布拉格光柵，且在一個實施方式中可以不支持較高級，就好像發(fā)現(xiàn)閃耀或薄光柵。不存在較高級可以最小化(或甚至消除)重像。在一個實施方式中，繼續(xù)被波導(dǎo)的波導(dǎo)光(在有損耗的波導(dǎo)中)內(nèi)將不能‘看到’圖塊的輸出孔徑。波導(dǎo)光束內(nèi)的衍射級的建立因此將不會發(fā)生。來自不同的SBG元素孔徑的光輸出將不是同相位(可能以一種獨特的情況遠(yuǎn)離)。光路將根據(jù)場角(field angle)改變。因此期望孔徑的輸出將為異相位且因而非相干地結(jié)合是合理的。因此不期望衍射的偽像。
[0267]關(guān)于周期性結(jié)構(gòu)的早期關(guān)注是基于50um列寬的。新SBG特征尺寸現(xiàn)在處于SOOum到1380um的范圍內(nèi)。有光柵方程預(yù)測的衍射角顯著較小。例如，對于具有52°輸入角的50um特征，衍射角將為I度(等于74像素)。對于在52°輸入角處的IOOOum特征，衍射角減小至0.05° (3.7像素)。在最糟糕的情況下，在該實施方式中，如果衍射重影看起來處于所述的條件下，非常明亮的物體與黑暗的背景對照，其將看起來像近似于鏡頭光暈，且不是與原物(original)很好地分離的雙像。
[0268]盡管去散斑器可以合并到IIN中以克服激光散斑，但存在對設(shè)計被固有地去散斑的合理高的期望。相位差異應(yīng)當(dāng)跨越輸出SBG孔徑存在。偏振差異應(yīng)當(dāng)進一步幫助去散斑，且因此最小化來自結(jié)構(gòu)的任意衍射產(chǎn)物的效果。作為進一步的保護措施，注意到SBG孔徑不必具有直邊，該邊將被圖案化以使任意產(chǎn)物隨機化。
[0269]若干因素可以影響設(shè)計布局。可能需要考慮細(xì)分限制(tessellationlimitations)來最大化光瞳填充(fill)。重要地,可能需要使單個雙合透鏡的2層上的每個圖案具有3、6、9和12個圖塊，以針對3_直徑投射的眼瞳在顯示器出射光瞳中的任意位置創(chuàng)建最大化的光瞳填充條件。在兩層中的SBG圖案之間的偏移不需要細(xì)分圖案在X或y方向具有非整數(shù)偏移。在一個實施方式中，X偏移實際上將引起區(qū)域的一側(cè)或另一側(cè)的半像素，且之后將需要對該區(qū)域中的半像素單獨尋址的ΙΤ0。在一個實施方式中，最好是避免這一點來保持一致的尋址距(addressing pitch)。在一個實施方式中，在y方向的偏移將同樣地需要半像素垂直尋址。類似地，將期望避免這一點。對于在y方向具有半像素偏移來最小化覆蓋范圍是可接受的，但之后全部圖案需要在相同方向上具有半像素偏移。在一個實施方式中，全部12個圖塊類型在每個雙合透鏡上使用。然而，最大圖塊類型填充針對兩層上的9個圖塊類型獲得。我們還存在6個圖塊類型和3個圖塊類型需要被配置在例如兩層上的情況。例如在一個實施方式中考慮其中三個水平圖塊類型針對單個垂直圖塊類型來填充眼瞳的區(qū)域。注意到雙合透鏡的其他層對其他兩個垂直圖塊光帶尋址。層I和層2均包括相同的圖塊，但在偏移排列中來實現(xiàn)期望的光瞳填充。單個圖塊具有如下尺寸規(guī)格:(H，V) = (0.8*sqrt (3)，0.8) = (1.386，0.8)。I 個圖塊類型的單個層上的偏移由(dx, dy) = (O, 3V)給定。相對于層2的層I的偏移由(dx, dy) = (0.5H, 1.5V) = (0.693，0.4)給定。在如下的分析中，Imm xlmm正方形已經(jīng)用于簡化光學(xué)模型；然而,無論形狀如何,原理是完全相同的。然而，應(yīng)當(dāng)注意某些形狀將優(yōu)先封裝(pack)。
[0270]圖27-29示出了包括輸入圖像產(chǎn)生器的IIN的一些實施方式，輸入圖像產(chǎn)生器包括二極管激光器模塊34、稱合棱鏡34A、夾于襯底35A、35B之間的SBG分束器層35、微顯不器模塊38、包括表面42A、42B的光導(dǎo)41、輸入稱合、全息物鏡、墊片半波片、全息場透鏡。
[0271]有利地，在一個實施方式中，IIN提供遠(yuǎn)心鏡頭(輕微地投射的)光瞳以允許更好的彗形象差控制以及更好的用光瞳垂直光束擴展器封裝。
[0272]圖28A是示出了在一個實施方式中經(jīng)由VBE從輸入圖像節(jié)點耦合到數(shù)字鏡頭的橫截面圖。圖28B示出了圖28A的實施方式的詳細(xì)射線追蹤。VBE可以包括或者可以是在相當(dāng)于數(shù)字鏡頭的高度的距離上從光束提取光的有損耗的光柵。在物鏡輸入處，光被很好的整理，其中穿過光瞳的光被排列在緊場束中。在VBE的遠(yuǎn)端，具有不同視場角的不同數(shù)量的光束可以使得束更分散。在物鏡末端，具有最高波導(dǎo)角的粉紅射線可以距離其余的VBE波導(dǎo)最遠(yuǎn)。波導(dǎo)中的陡峭射線(黃色)從最左邊開始。這可以有助于使無源輸入耦合器(和VBE厚度)降低。在遠(yuǎn)端(完全在左邊)JfVBE的輸出耦合到波導(dǎo)中因命令的丟失而被阻礙，如在輸入處發(fā)現(xiàn)的。為了防止波導(dǎo)的厚度加倍，50/50有源耦合器在一個實施方式中在VBE處用于數(shù)字透鏡耦合階段。
[0273]圖29是數(shù)字透鏡和VBE的平面圖，該平面圖示出了后者如何分為兩個可切換元件。這降低了波導(dǎo)厚度。每個數(shù)字透鏡雙合透鏡波導(dǎo)為2.8mm厚度。在沒有切換的情況下厚度加倍，由此總波導(dǎo)厚度從大約IOmm增大到大約18mm。圖10示出了從VBE到數(shù)字透鏡追蹤的射線。
[0274]在這里提供的若干實施方式可能必須很好的適用于襯底引導(dǎo)光學(xué)器件。首先，元件成本可以被降低。光學(xué)復(fù)雜性被包含在不同全息光學(xué)元件中。一旦與創(chuàng)建一組飼主(master)相關(guān)聯(lián)的一次性工程(NRE)完成，相比于與離散折射元件相關(guān)聯(lián)的循環(huán)材料，復(fù)制成本相對來說是不重要的。第二，可以減少裝配時間。不僅減少了部件數(shù)量，而且裝配過程更快。平面結(jié)構(gòu)可以使用校準(zhǔn)基準(zhǔn)點與甚高光學(xué)精度一起被經(jīng)濟有效地層壓。相比于將零部件裝配形成為嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，極大地降低了可觸摸人工。第三，光學(xué)精度更大。在設(shè)計新的光學(xué)設(shè)計的過程中最大的挑戰(zhàn)之一是控制零部件、機械殼體和裝配過程逐漸增加的容差。使用全息光學(xué)元件(HOE)，“黃金標(biāo)準(zhǔn)”可以由高級工程師來裝配，且在NRE階段期間在HOE飼主中捕獲該級別的質(zhì)量。除了 HOE的光學(xué)校準(zhǔn)能夠以高精度完成的事實以外，單獨的HOE更能容忍校準(zhǔn)的變化。因此，高質(zhì)量設(shè)備的整體產(chǎn)量更高。最后，通過該單塊集成電路設(shè)計極大地減小了尺寸和重量，同時是整個子系統(tǒng)的強度。
[0275]—個重要的性能參數(shù)是顯示器的看穿傳輸。對傳輸有影響的變量是ITO涂層(0.995)、AR涂層(0.99)和襯底及全息層的吸收。在波導(dǎo)和低指標(biāo)粘合層之間的接口處還存在菲涅爾損耗。在一個實施方式中，色彩顯示器的期望傳輸是>70%，具有>90%目標(biāo)。假定每個顯示器有三個波導(dǎo)和每個波導(dǎo)有兩個襯底，計算的傳輸是93%，滿足規(guī)定的目標(biāo)。在一個實施方式中，這里描述的設(shè)計可以使用100微米玻璃襯底。使用三個波導(dǎo)，且每個波導(dǎo)有三個襯底(注意:兩個全息層可能需要三個襯底)，色彩顯示器的顯示器厚度可以仍然小于1mm。全息層(包括涂層)的厚度是可以忽略的；對于整體厚度每個僅貢獻4-5微米。由于重量一直是個問題，這可能是這里描述的實施方式的重要特征。在一個實施方式中，襯底包括塑料制品，重量可以被進一步降低。
[0276]在一個實施方式中，SBG操作在反向模式中，由此他們在施加電壓時衍射且在所有其他時間保持光學(xué)無源。SBG可以實施為由所示薄襯底層(如100微米薄)隔開的連續(xù)SBG薄層。最終設(shè)計目標(biāo)是使用具有穿透式傳導(dǎo)涂層的塑料襯底(替代ΙΤ0)。適用于本申請的塑料SBG技術(shù)正在類似的SBIR項目中開發(fā)。在該實施方式中，這是平面單塊集成電路設(shè)計，利用了使用單塊集成電路全息光學(xué)器件的窄光帶激光照明的全部有利條件。
[0277]將SBG配置為單色層可以實現(xiàn)使用全息光學(xué)器件和SBG分束器技術(shù)來提供平固態(tài)精度校準(zhǔn)的顯示器，完全消除了對龐大的折射光學(xué)器件的需要。顯示器的分辨率僅受LCoS面板的分辨率的限制。
[0278]可通過在每層交織更多圖塊和/或增加新層來將該設(shè)計放大為更大的F0V。類似地，瞳孔、適眼距和FOV長寬比可以被調(diào)整以適合該應(yīng)用。該設(shè)計可以被按比例縮小為更小的 FOV。
[0279]圖30A-30B示出了對使用這里所述的至少一些實施方式的偏振再循環(huán)的方案。這可以與沒有維持有SBG輸出耦合波導(dǎo)的偏振的事件有關(guān)，憑借SBG材料的特性(當(dāng)前的或?qū)黹_發(fā)的)或偏振轉(zhuǎn)動元件被特意引入到波導(dǎo)中的地點。具體地，如果線性偏振光輸入至數(shù)字透鏡波導(dǎo)(即，光從VBE耦合到波導(dǎo))更薄的數(shù)字透鏡波導(dǎo)可被使用，且光轉(zhuǎn)換為混合S和P偏振光。這可以允許多達兩倍減小厚度的波導(dǎo)的一個因素。圖30A示出了具有定向到TIR路徑的輸入射線354A、354B的波導(dǎo)，TIR路徑由355A、355B通過耦合光柵353標(biāo)記。光可以具有任意偏振。然而，對于SBG輸入光柵,在一個實施方式中可以期望P偏振。I禹合光柵孔徑為A。僅出于說明的目的，TIR角已經(jīng)被選為45°，由此限制輸入射線所需的波導(dǎo)的厚度在第一 TIR反彈為A/2之后恰好繞開耦合光柵的邊緣。
[0280]參考圖30B,波導(dǎo)356具有輸入f禹合光學(xué)器件,包括相互鄰近放置的第一光柵357A和第二光柵357B，夾在波導(dǎo)和第一光柵之間的半波膜357C ;以及夾在波導(dǎo)和第二光柵之間的偏振分束器(PBS)膜357D。PBS被設(shè)計為發(fā)射P偏振光和反射S偏振光。僅出于說明的目的，TIR角再次被選為45°。輸入P偏振準(zhǔn)直光358A、358B經(jīng)由第一光柵和半波膜(HWF)被耦合至波導(dǎo)以提供S偏振光359A，且經(jīng)由第二光柵和PBS以提供P偏振光359C、359D。比較圖30A和圖30B的實施方式，應(yīng)當(dāng)顯而易見的是在第二個中，輸入耦合孔徑可以等于歸因于HWF和PBS的偏振恢復(fù)的兩個TIR反彈的長度。在圖30A的實施方式中，輸入對不長于一個TIR反彈，因為光柵相互作用將導(dǎo)致光從波導(dǎo)外向下反射。圖30B的實施方式的一個益處在于波導(dǎo)厚度可以減少50%;也就是，對于耦合器長度等于A，波導(dǎo)厚度(針對45° TIR)為A/4。在一些實施方式中，波導(dǎo)中的S和P光不分離。典型地，輸入光將是發(fā)散的，導(dǎo)致S和P光很快變得空間混合。然而，如果波導(dǎo)轉(zhuǎn)動偏振，因為更多P是輸出耦合的，將存在比P到S更多的S到P轉(zhuǎn)換，因此產(chǎn)生凈收益。偏振轉(zhuǎn)動可以由波導(dǎo)墻的反射特征引起和由使用了 SBG的全息材料的雙折射引起。在一個實施方式中，通過應(yīng)用四分之一波膜(QWF)至波導(dǎo)的下面來提供偏振轉(zhuǎn)動。HWF和QWF可以是大約0.125mm厚。典型的粘合層可以是大約75微米。因此，在一些實施方式中，偏振控制膜不顯著貢獻到整體波導(dǎo)厚度。在某些情況下，膜可以是能夠浸入到用于層壓的粘合層中。
[0281]圖31示出了一些實施方式中使用的反傳輸(counter-propagation)波導(dǎo)。波導(dǎo)包括完全相同但夾在襯底52A、52B之間的相反規(guī)格的鄰近的光柵薄層51A、51B。從左到右傳輸?shù)牟▽?dǎo)光362與光柵51A相互作用以連續(xù)提供提取的光360A-360C來提供擴展的輸出光束360。從右到左傳輸?shù)牟▽?dǎo)光368與光柵51B相互作用以連續(xù)提供提取的光361A-361C來提供擴展的輸出光束361。注意到不是從左/右傳輸方向的每個方向提取小量光將于對立的光柵相互作用，并在對立的方向上從光柵衍射到擴展的波束360、361，如射線363-366所指示的。
[0282]圖32示出了在一個實施方式中在波導(dǎo)中使用分束器以實現(xiàn)均勻性。該原理可以應(yīng)用于兩個擴展的坐標(biāo)軸。如進一步細(xì)化的，分束器偏移可以在波導(dǎo)中使用(即，未在波導(dǎo)表面的中間，但從波導(dǎo)中點的偏移來在多個反彈相互作用之后最大化均勻性)。又一個細(xì)分是在分束器中使用不同的反射率來最優(yōu)化和裁定光束混合。不僅是通過任意特定理論被反彈，而且通過將分束器的反射率％改變?yōu)?0/50以外的內(nèi)容，或者通過將沿Β/S長度分離的傳輸/反射改變，瞳孔填充可以被均質(zhì)和最佳化。例如，在圖32中，波導(dǎo)353包括分束器層352。在一些實施方式中，分束器可以使用薄膜涂層來提供。諸如370的TIR射線之后可以經(jīng)歷光束分離，其導(dǎo)致在波導(dǎo)的上壁和下壁之間；波導(dǎo)的上壁和分束器之間和分束器和波導(dǎo)的下壁之間出現(xiàn)波導(dǎo)，如射線371-373所指示的。
[0283]通過控制輸入照度的曲線形成IIN停止。在至少一些實施方式中，在投射光學(xué)器件中不存在硬物理停止。投射停止的益處包括降低的波導(dǎo)厚度。停止被中途投射到VBE以最小化VBE中的孔徑直徑，且因此最小化VBE到數(shù)字透鏡波導(dǎo)耦合器的孔徑寬度(例如，減小第一坐標(biāo)軸擴展器的寬度)限制了第二坐標(biāo)軸擴展光學(xué)器件的厚度。
[0284]圖33-36示出了一些實施方式中用于數(shù)字透鏡的尋址架構(gòu)的ITO的細(xì)節(jié)。
[0285]圖33示出了在給定ITO層中減少電痕(track)的數(shù)量，其中該方法使用ITO的雙側(cè)尋址，以及超級像素尋址來減少將近三分之一的電痕數(shù)量。在第一組35，O中提供的像素包括:3單位xl單位的尺寸元件，例如被標(biāo)記為350A、350B ;以及I單位xl單位的尺寸元件，例如被標(biāo)記為350C-350H，以及等同像素幾何學(xué)的第二重疊反向組351，指示為351A-351G。
[0286]圖34-36示出了如何使用電極接線交錯電痕來允許2D電極結(jié)構(gòu)來處理(開關(guān))多個不同細(xì)分類型。圖34示出了在實施方式中使用的接線圖，其中電極元件例如401被電痕402-404連接。圖35示出了在另一種實施方式中的接線圖，其中指示電極407-409和電痕部分410、411。圖36更詳細(xì)地示出了圖33的實施方式的電極和電痕，由標(biāo)號421-434指
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[0287]電極架構(gòu)可以由于部分復(fù)雜性的減少從使用等同圖案技術(shù)中獲益，以及提供對稱性以創(chuàng)建全尋址網(wǎng)絡(luò)。不需要做設(shè)計工作，但可以限制需要被設(shè)計和處理的部分的數(shù)量。
[0288]在一種實施方式中，SBG層下的漸變反射曲線(graduated reflection profile)被用于與長度一起控制(或協(xié)助)光柵DE變化(通常在SBG光柵中使用指標(biāo)調(diào)制實現(xiàn))。這在低百分比的光被I禹合在第一反彈(bounce )被輸出，而高百分比的光被I禹合輸出自擴展器的其他端的VBE的情況中是很有用的。
[0289]在一種實施方式中，ID擴展引擎被用于雙倍輸入功率和/或最小化ID孔徑寬度。
[0290]在一種實施方式中，顯示器被配置為“罩(visor)”。彩色波導(dǎo)在至少一個面中被彎曲。通常，這種實施方式可以具有大(30mm)適眼距(eye relief )和大出射光瞳(exitpupil)。大出射光瞳可以減少(或者甚至消除)對IB)調(diào)整的需要。圖37A-38B是彎曲的罩的平面圖和側(cè)視圖，所述罩包括數(shù)字透鏡71和每側(cè)有光學(xué)電子模塊70A、70B。一個模塊將包括IIN。第二模塊可以包含輔助的光學(xué)器件和電子器件。
[0291]圖38進一步詳細(xì)示出了在一種實施方式中的彎曲的罩的數(shù)字透鏡。所述數(shù)字透鏡可以包括層壓的波導(dǎo)，每個包含SBG陣列73A-73C。在這種情況中，三個SBG層通過覆層72A-72D彼此隔開。光程由381A-381C指示。在圖39的實施方式中，SBG層被堆疊而沒有覆層以形成單個波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。光程由382A-382C指示。
[0292]如圖40所示的一種實施方式中，罩?jǐn)?shù)字透鏡被成形為刻面(facetted)平面元件76A、76B以允許波導(dǎo)為平面。在插圖B和C中所示，光柵77A、77B被提供在刻面之間的光學(xué)接口 77處以控制波束角度來確保到SBG陣列元件的被導(dǎo)向的圖像光的有效耦合。光柵77A、77B可以是布拉格光柵。在圖41所示的實施方式中，刻面數(shù)字透鏡包括平面刻面，例如76A、76B，被嵌入有彎曲的光導(dǎo)79。
[0293]實施方式可以依賴單色波導(dǎo)。但是明顯的可以考慮在可替換實施方式中波導(dǎo)能夠在多個顏色上操作的描述。這種實施方式可以涉及更多復(fù)雜的IIN設(shè)計。
[0294]至少在一些實施方式中，這里描述的多層架構(gòu)可能不與常規(guī)全息圖一起使用，因為他們將彼此干擾。因此，SBG (其可以被開關(guān)以清楚地允許視場的時域集成)可以被使用來克服這個挑戰(zhàn)。
[0295]這里描述的一種實施方式涉及HMD，例如具有下列規(guī)范的HMD:
[0296]a)180。透明可見度；
[0297]b)全色彩；
[0298]c)52° x30° FOV ;
[0299]d) 30mm x30mm 眼眶；
[0300]e) 2560x1440 分辨率；[0301]f)斯內(nèi)倫(Snellen) 20/20 銳度；
[0302]g) 30mm 適眼距
[0303]h)通用 IPD;
[0304]i)雙眼的；以及
[0305]j)樹脂(polycarbonate)光學(xué)器件。
[0306]這里描述的至少一些實施方式的一個重要特性是他們提供了透明的益處。后者對車輛、航空以及其他運輸工具應(yīng)用的抬頭(head up)顯示器具有重要意義；例如對安全敏感應(yīng)用的私有透明顯示器；建筑學(xué)內(nèi)部引導(dǎo)標(biāo)志和許多其他應(yīng)用。采用附加的貼在顯示器一側(cè)的全息亮度增強膜、或者其他窄光帶反射器，其目的在于僅反射顯示器照度波長光，透明顯示器可以在觀看方向的相反方向做成隱形的(以及從而安全)。反射的顯示器照度可以被有效地鏡像以及因此在一個方向被阻擋，以使其適用于銀行或金融服務(wù)設(shè)置中常用的顧客或個人會談中的透明臺式顯示器應(yīng)用。
[0307]雖然上述一些實施方式中描述的可穿戴顯示器，但清楚的是上述任何實施方式中的目鏡和視網(wǎng)膜屏可以由任何類型的圖像透鏡和屏幕代替。上述描述的任何實施方式可以被用于直接視覺或虛擬圖像顯示器?？赡艿膽?yīng)用范圍從例如在取景器中使用的那些微型顯示器到大區(qū)域公共信息顯示器。上述實施方式可以被用于期望透明顯示的應(yīng)用中。例如，一些實施方式可以使用在例如抬頭顯示器和提字器等背景屏上疊加的顯示的影像的應(yīng)用中。一些實施方式可以被用于提供位于或鄰近于光學(xué)系統(tǒng)的內(nèi)部圖像平面的顯示器設(shè)備。例如，上述的任何實施方式可以被用于提供數(shù)碼相機取景器的符號數(shù)據(jù)顯示器，在所述數(shù)碼相機取景器中所述符號數(shù)據(jù)被投射在中間圖像平面以及之后由取景器接目鏡放大。一種實施方式可以被應(yīng)用于雙眼或單眼的顯示器。另一種實施方式也可以用于立體可穿戴的顯示器。一些實施方式可以被用于背投式電視機。一種實施方式可以被用于航空、工業(yè)、醫(yī)藥顯示器。存在于娛樂、仿真、虛擬現(xiàn)實、培訓(xùn)系統(tǒng)和運動中的應(yīng)用。
[0308]使用激光照度的上述的任意實施方式可以結(jié)合在從激光路徑到鏡片的照度路徑中任意點處配置的用于消除激光散斑的去散斑設(shè)備。優(yōu)勢在于，去散斑設(shè)備是電光的設(shè)備。期望的去散斑設(shè)備基于HPDLC設(shè)備。
[0309]引用文件
[0310]下列專利申請的內(nèi)容全部以引用的方式結(jié)合于此:
[0311]申請日為2011年10月7日的發(fā)明名稱為“WIDE ANGLE COLOR HEAD MOUNTEDDISPLAY”的美國臨時專利申請N0.61/627，202 ( 申請人:的案件編號為SBG106)；
[0312]國際申請日為2008年7月22日的發(fā)明名稱為“LASER ILLUMINATION DEVICE”的PCT 申請 N0.US2008/001909 以及發(fā)明名稱為 “METHOD AND APPARATUS FOR PROVIDING ATRANSPARENT DISPLAY” 的 PCT 申請 N0.US2006/043938 ；
[0313]發(fā)明名稱為“COMPACTEDGE ILLUMINATED EYEGLASS DISPLAY”的PCT 申請N0.PCT/GB2010/001982 ;國際申請日為2010年4月26日的發(fā)明名稱為“Compact holographic edgeilluminated eyeglass display” 的 PCT 申請 N0.PCT/GB2010/000835 ;
[0314]2010 年 11 月 2 日提交的發(fā)明名稱為“APPARATUS FOR REDUCING LASER SPECKLE”的PCT申請N0.PCT/GB2010/002023 ;2005年11月4日提交的發(fā)明名稱為“SWITCHABLEVIEWFINDER DISPLAY” 的美國專利申請 Ser.N0.10/555，661 ；[0315]申請日為2010年9月28日的發(fā)明名稱為“Eye Tracked Holographic EdgeIlluminated Eyeglass Display” 的美國臨時專利申請 N0.61/344，748 ;
[0316]本申請發(fā)明人的美國臨時申請、發(fā)明名稱為‘IMPROVEMENTS TO HOLOGRAPHICPOLYMER DISPERSED LIQUID CRYSTAL MATERIALS AND DEVICES”，其當(dāng)前還尚沒有申請?zhí)柕且? 申請人:的案件編號SBG104被引用；
[0317]申請日為2011年6月16日的發(fā)明名稱為“HOLOGRAPHIC BEAM STEERINGDEVICE FOR AUT0STERE0SC0PIC DISPLAYS” 的美國臨時專利申請 N0.61/457，835 ；國際申請日為2008年7月22日的發(fā)明名稱為“LASER ILLUMINATION DEVICE”的PCT申請N0.US2008/001909 ；
[0318]本申請發(fā)明人于2010年11月2日提交的發(fā)明名稱為“APPARATUS FOR REDUCINGLASER SPECKLE” 的 PCT 申請 N0.PCT/GB2010/002023 ；
[0319]本申請的發(fā)明人于2011年9月7日提交的發(fā)明名稱為“METHOD AND APPARATUSFOR SWITCHING HPDLC ARRAY DEVICES”的美國臨時專利申請 N0.61/573，121 ( 申請人:的案件編號為SBG105B)；
[0320]國際申請日為2010年4月26日的發(fā)明名稱為“COMPACT HOLOGRAPHIC EDGEILLUMINATED EYEGLASS DISPLAY”的 PCT 申請 N0.PCT/GB2010/000835 ( 申請人:的案件編號為 SBG073PCT);以及
[0321]本申請發(fā)明人的美國臨時專利申請、發(fā)明名稱為‘IMPROVEMENTS TO CONTACTIMAGE SENSORS”，其當(dāng)前還尚沒有申請?zhí)柕且? 申請人:的案件編號SBG100被引用。
[0322]微細(xì)分
[0323]一組實施方式使用微細(xì)分。在可開關(guān)布拉格光柵數(shù)字透鏡?波導(dǎo)設(shè)備上下文中的微細(xì)分光柵的性能將于此披露。細(xì)分是安裝在一起沒有間隔的重復(fù)形狀的圖案。術(shù)語“細(xì)分”的使用可以稱為細(xì)分圖案的單個元件。細(xì)分的實際應(yīng)用屬于數(shù)字透鏡?設(shè)備，細(xì)分還意味著圖案的創(chuàng)建沒有細(xì)分元件間的大量間隔-即其中存在高整體孔徑填充因素。
[0324]細(xì)分元件是衍射光柵或多個衍射光柵的區(qū)域(孔徑)，其可以是可開關(guān)的衍射光柵(SBG)0細(xì)分將同時衍射細(xì)分的所有區(qū)域的光。衍射光柵可以是可開關(guān)的或不可開關(guān)的。
[0325]微細(xì)分:這是個存在在較大主細(xì)分元件內(nèi)的小細(xì)分。在主細(xì)分內(nèi)的微細(xì)分可以具有不同的光柵規(guī)格。在主細(xì)分元件內(nèi)的微細(xì)分元件都同時衍射。細(xì)分的性能和他們對MTF的影響已經(jīng)在先前的文檔中描述，其中單個光柵被寫入細(xì)分。
[0326]在主細(xì)分結(jié)構(gòu)中的微細(xì)分
[0327]感興趣的性能考慮是:MTF (分辨率)和視場角的均勻性。
[0328]在平鋪襯底引導(dǎo)光學(xué)器件(SGO)中，單個視場將在波導(dǎo)中存在。在任何給定的時間時刻中，這將攜帶針對整個視場的部分的視場信息。在眼睛顯示器的情況中，存在投射場的部分從SGO外耦合。外耦合光柵需要外耦合該視場以使眼睛可以在眼眶之間看見視場信息，期望的對于每個視場角和對于在眼眶內(nèi)的眼瞳的任何位置的所有視場角進入眼睛相同的流量。從先前的工作認(rèn)識到較大的細(xì)分從屬于上級MTF (分辨率)性能，以及在眼睛的瞳孔上的視場輻射照度與較小的細(xì)分更為一致。外耦合光柵角度帶寬導(dǎo)致在輸出光方面減少了視場角。最小化細(xì)分大小以從屬于足夠的分辨率，該分辨率取決于系統(tǒng)分辨率尋找。但是，0.5_到Imm寬度(或者直徑)的最小細(xì)分孔徑尺寸將近似地被需要以支持0.7至1.41p/mr分辨率，以及較大孔徑在實施方式中被偏好。這主要影響高空間頻率性能。
[0329]當(dāng)在衍射狀態(tài)時，細(xì)分是外耦合光柵的區(qū)域，其將同時衍射地外耦合在該細(xì)分孔徑區(qū)域中的所有點的光。在細(xì)分內(nèi)的區(qū)域可以包含具有一個光柵規(guī)格或多個光柵規(guī)格。這些多個光柵規(guī)格可以通過將光柵多路復(fù)用(光柵規(guī)格共享細(xì)分的相同區(qū)域)到，或通過使細(xì)分的空間上離散區(qū)域進入到，僅被寫入單個光柵的規(guī)格來實現(xiàn)。微細(xì)分是與其他小細(xì)分區(qū)域同時開關(guān)的小細(xì)分?？臻g上離散的微細(xì)分(μ Τ)的情況在如下被檢查。
[0330]μ T光柵可以被設(shè)計成角度帶寬重疊鄰近μ T (在角度場中)。在一種實施方式中對于給定視場角的建模微細(xì)分如下描述?？紤]的一種情況是微細(xì)分的FoV重疊導(dǎo)致不同視場角將被以不同點輸出?？紤]的其他情況是對于給定視場角等于來自多個微細(xì)分的眼瞳輻射照度。一些視場角將輸出等于來自多個微細(xì)分的光，從而提供與眼瞳輻射照度相等的輻射照度。假設(shè)一些微細(xì)分將之后提供少于或沒有眼瞳輻射照度。頂帽(top hat)模型將很適合模擬這種情況。
[0331]研究了對于給定視場角來自多個微細(xì)分的眼瞳輻射照度不等。為了模擬這種情況，不等孔徑加權(quán)需要被模擬。對于給定單個視場角，從微細(xì)分到微細(xì)分的輸出可以不是平滑函數(shù)，而是階躍函數(shù)，如在下述空間分布圖中所示。
[0332]非限制性工作實例
[0333]建模遵循首先評估的針對20%、50%和75%的孔徑填充的均等福照度情況。大多數(shù)場角情況不是頂帽，當(dāng)必須使用用于不同宏細(xì)分的代表性場角加權(quán)函數(shù)來進行評估。
[0334]圖42A示出了典型的角分布。圖42B示出了相應(yīng)的空間分布。在情況A中，用于該場角的頂帽函數(shù)給出了 50%孔徑填充。在情況B中，圖塊具有不同的加權(quán)。因此孔徑不是頂帽函數(shù)。注意到微細(xì)分不需要是正方形的或如圖所示的順序，且可以具有任何形狀或順序，例如2D分布。
[0335]構(gòu)建的和隨機的排列被研究。下圖示出了非隨機、規(guī)則重復(fù)微細(xì)分圖案。
[0336]圖43示出了 MTF曲線(圖43A)和3D布局圖43B示出了 50%孔徑填充的效果:IOOum孔距的50um孔徑,3mm眼瞳。假定40um孔距上的IOum孔徑(25%填充因子)且僅綠光(532nm)。注意到在最后得到的頻率空間中高調(diào)制。圖44示出了 25%孔徑填充的效果:40um孔距上的IOum孔徑,3mm眼瞳。提供了 MTF和3D布局圖。40um孔距上的IOum孔徑(25%填充因子)。假定綠色(532nm)。圖45示出了 50%孔徑填充的效果:250um孔距上的125um孔徑，3_眼瞳，使用MTF圖(圖45A)和足跡圖(圖45B)。假定250um孔距上的125um條紋孔徑(50%填充因子)和綠色(532nm)。非隨機化的規(guī)則周期性結(jié)構(gòu)顯示整個感興趣角頻率范圍內(nèi)MTF中的傾斜，典型為1.4cyc/mr。
[0337]接下來考慮隨機微細(xì)分圖案。周期性孔徑函數(shù)的結(jié)果顯示MTF中的“洞”。下面研究使用微細(xì)分的眼瞳填充的隨機化。25%、50%和75%的細(xì)分％填充被考慮。對于該初始分析，細(xì)分被認(rèn)為是100%的眼瞳。后面的情況考慮包含具有3mm沿瞳孔的微細(xì)分的Imm正方形細(xì)分。
[0338]下面圖示示出了 50微米(micron)微細(xì)分的特性。圖46A是示出3mm眼瞳的50um微細(xì)分的75%孔徑填充的效果的足跡圖。圖46B是3mm眼瞳的50um微細(xì)分的75%孔徑填充的效果的MTF圖。圖47A是示出3mm眼瞳的50um微細(xì)分的50%孔徑填充的效果的足跡圖。圖47B是示出3mm眼瞳的50um微細(xì)分的50%孔徑填充的效果的MTF圖。圖48A是示出3mm眼瞳的50um微細(xì)分的25%孔徑填充的效果的足跡圖。圖48B是示出3mm眼瞳的50um微細(xì)分的25%孔徑填充的效果的MTF圖。
[0339]下面研究125微米微細(xì)分。圖49A是示出3mm眼瞳的125um微細(xì)分的75%孔徑填充的效果的足跡圖。圖49B是示出3mm眼瞳的125um微細(xì)分的75%孔徑填充的效果的足跡圖。圖50A是示出3mm眼瞳的125um微細(xì)分的50%孔徑填充的效果的足跡圖。圖50B是示出3mm眼瞳的125um微細(xì)分的50%孔徑填充的效果的MTF圖。圖51A是示出3mm眼瞳的125um微細(xì)分的25%孔徑填充的效果的足跡圖。圖51B是示出3mm眼瞳的125um微細(xì)分的25%孔徑填充的效果的MTF圖。
[0340]下面研究250微米微細(xì)分。圖52A是示出3mm眼瞳的250um微細(xì)分的75%孔徑填充的效果的足跡圖。圖52B是示出3mm眼瞳的250um微細(xì)分的75%孔徑填充的效果的足跡圖。圖53A是示出3mm眼瞳的250um微細(xì)分的50%孔徑填充的效果的足跡圖。圖53B是示出3mm眼瞳的250um微細(xì)分的50%孔徑填充的效果的MTF圖。圖54A是示出3mm眼瞳的250um微細(xì)分的25%孔徑填充的效果的足跡圖。圖54B是示出3mm眼瞳的250um微細(xì)分的25%孔徑填充的效果的MTF圖。
[0341]還研究了比眼瞳直徑和微細(xì)分小的細(xì)分。圖55A是示出具有使用3mm眼瞳直徑的125um微細(xì)分的50%填充的Imm細(xì)分的效果的足跡圖。圖55B是示出具有使用3mm眼瞳直徑的125um微細(xì)分的50%填充的Imm細(xì)分的效果的MTF圖。圖56A是示出具有使用3mm眼瞳直徑的125um微細(xì)分的50%填充的1.5mm細(xì)分的效果的足跡圖。圖56B是示出具有使用3mm眼瞳直徑的125um微細(xì)分的50%填充的Imm細(xì)分的效果的足跡圖。圖57A是示出具有使用3mm眼瞳直徑的125um微細(xì)分的50%填充的Imm細(xì)分的效果的足跡圖。圖57B是示出具有使用3mm眼瞳直徑的125um微細(xì)分的50%填充的Imm細(xì)分的效果的MTF圖。
[0342]研究了空間隨機化可變透射孔徑。第一步是檢查模型有效性。從UDA改變到位圖灰度透射孔徑。在3_直徑眼瞳中水平帶超過1.5mm孔徑(125 μ mu Ts)。
[0343]對下面的建模技術(shù)進行比較:將模型實現(xiàn)為UDA (用戶定義孔徑)；將使用位圖模型的模型實現(xiàn)為透射孔徑。這里位圖等級是二進制。預(yù)測的MTF結(jié)果是相同的，因此建模工具等效。圖58A示出了 UDA的MTF圖。圖58B示出了位圖孔徑函數(shù)。
[0344]圖59示出了使用隨機放置可變透射的125um微細(xì)分的1.0mm細(xì)分和3mm眼瞳。使用可變孔徑透射。使用可變孔徑透射改善模型以更好描述非頂帽模型情況(其是細(xì)分的主要情況)。0%、50%和100%的DE值等同于圖59A中示出的場角情況。
[0345]注意這描述3個重疊光柵的空間上最寬的可能情況-即場角被輸出75%的主細(xì)分區(qū)域(雖然微細(xì)分中的兩個貢獻了 50%)。這里描繪了 4種圖塊類型。每種類型的透射值是:50%、100%、50%、0%。微細(xì)分孔徑是125um的正方形。柵格是8x8像素，因此細(xì)分孔徑是Immxlmm的正方形。
[0346]圖60是示出使用125umy Ts隨機放置可變透射的1.0mm細(xì)分和3mm眼瞳的效果的MTF圖。注意到上框區(qū)域中的空間頻率落入以50%和75%孔徑填充的125um像素的頂帽預(yù)測有關(guān)的圖中示出的預(yù)測之間。下框區(qū)域中示出的較高空間頻率主要受到主細(xì)分形狀的影響。讀者請看顯示50%孔徑填充的圖。還注意到針對75%孔徑填充MTF得到改進。
[0347]下面參考圖61，考慮了使用隨機放置可變透射的125um微細(xì)分和3mm眼瞳的1.5mm細(xì)分。圖61中描繪了四種不同的圖塊類型。每種的透射值是:50%、100%、50%、0%。微細(xì)分孔徑是125um的正方形。柵格是12x12像素，因此該細(xì)分孔徑是1.5mm x1.5mm的正方形。
[0348]圖62是示出使用隨機放置可變透射的125um微細(xì)分和3mm眼瞳的1.5mm細(xì)分的效果的MTF。應(yīng)當(dāng)注意高空間頻率主要受主細(xì)分形狀的影響，因此基礎(chǔ)細(xì)分從1.0mm增加到1.5mm改善了高頻率響應(yīng)。
[0349]概述
[0350]a)微細(xì)分的衍射效果需要說明。
[0351]b)微細(xì)分的衍射效果不同于基礎(chǔ)主細(xì)分圖案的衍射效果。
[0352]c)使用μ Ts與使用不包含微細(xì)分的單細(xì)分相比使MTF降級。但是，微細(xì)分能夠使細(xì)分具有更大角度帶寬，因此減少期望細(xì)分的總數(shù)量。而這允許更大的細(xì)分。
[0353]d) μ Ts的規(guī)則圖案產(chǎn)生MTF調(diào)制，其導(dǎo)致MTF頻率響應(yīng)中不可接受的傾斜。
[0354]e) MTF傾斜可以通過空間隨機化微細(xì)分來平均出來。注意到μ Ts需要足夠小以允許合理的隨機化。細(xì)分與μ T寬度大約8:1的比率看來是足夠的，雖然這還沒有探索完全。
[0355]f)細(xì)分之間重疊的角視場量對于成功實施μ Ts是關(guān)鍵的。在建模的情況中，微細(xì)分的ABW是整個細(xì)分ABW的至少一半。更大的重疊將導(dǎo)致改善的MTF性能，因為這有效增大了給定場角的可用孔徑。
[0356]g)現(xiàn)在建立工具來建模不同光柵配置的折衷情況。
[0357]對細(xì)分進行空間隨機化的微細(xì)分結(jié)構(gòu)的實施提供附加的設(shè)計靈活性。實際上細(xì)分角度帶寬(ABW)在MTF擴展得到增強。結(jié)果顯示微細(xì)分特征的隨機化允許在非隨機化圖案中找到的MTF振蕩的均質(zhì)化(粗平均)。此外，不是很感興趣的空間頻率的MTF可以為了改善的細(xì)分ABW而被犧牲掉。相關(guān)重疊光柵的不同情況需要被考慮。微細(xì)分支持的MTF與微細(xì)分尺寸和重疊百分?jǐn)?shù)(％)有關(guān)。重疊細(xì)分的代表性情況的ABW需要被考慮更仔細(xì)，并結(jié)合期望支持期望架構(gòu)的折疊的光柵。在3mm眼瞳和0.5mm、1.0mm和<3mm的尺寸的主要細(xì)分元素的環(huán)境中已經(jīng)考慮了特征尺寸為50 μ m、125 μ m和250 μ m的微細(xì)分。這些是在近眼顯示器的環(huán)境有效的實際數(shù)字。然而細(xì)分可以是任意尺寸和形狀，并且微細(xì)分可以是小于主細(xì)分的任意尺寸和形狀。
[0358]接下來進行細(xì)分圖案的照明度均勻性分析。參考圖63，考慮情況1，其包括Imm細(xì)分。圖63中每個重疊的參考設(shè)計的填充描繪了 6層、12圖塊、單色參考設(shè)計。假定單個圖塊有50%孔徑填充。還假定:17mm的適眼距；3mm的眼瞳；6層單色參考設(shè)計；lmm細(xì)分，以及偏移參考設(shè)計。單元格是2x3。圖63中示出了重疊以生成成塊的重疊圖案。使用Imm細(xì)分，最小到最大最佳均勻性針對50%孔徑填充是+/-12%，即+/-12%均勻性變化=24%p-p。
[0359]圖64示出了情況lb，在30mm適眼距處在3mm眼瞳的軸上重復(fù)。適眼距影響該變化的空間頻率。較大的適眼距導(dǎo)致較高的空間頻率波紋。均勻性幅度不受影響。最大波紋是瞳孔填充的56.6%。最小波紋是瞳孔填充的43.4%。均勻性是+/-13.2%,26.4%峰值比峰值。
[0360]圖65示出了情況2:1mm細(xì)分；優(yōu)化填充。圖描繪了 6層、12圖塊、單色參考設(shè)計，其光柵位置被重新優(yōu)化。單個圖塊具有50%的孔徑填充。假定了 3mm眼瞳和Imm細(xì)分。細(xì)分是空間上均勻的。[0361]圖66示出了情況2:最大和最小情形的考慮。示出了對應(yīng)于最小45.1%和最大54.9%的足跡圖。使用Imm細(xì)分，最小到最大的最佳均勻化是針對50%孔徑填充的+/_5%，即+/-10%均勻性變化(20%p-p )。
[0362]圖67示出了情況3:0.5mm細(xì)分，具有軸外的50%孔徑填充。圖67描繪了 6層、12圖塊、單色參考設(shè)計，但是具有0.5_細(xì)分。單個圖塊:假定50%孔徑填充和3_眼瞳。這種計算模擬0.5mm寬細(xì)分的50%孔徑填充。波紋被計算為:最大=50.4 ;最小=49.6。波紋幅度大約是+/-0.8% (1.6%P-P)。測得的視場范圍是?Ildeg (度)到24deg。波紋頻率是1.25deg?I個周期。
[0363]圖68示出了情況3b:軸上的50%孔徑填充的0.5mm細(xì)分。圖68描繪了 6層、12圖塊、單色參考設(shè)計，但是具有0.5_細(xì)分。單個圖塊:假定50%孔徑填充和3_眼瞳。這模仿具有0.5mm寬細(xì)分的50%孔徑填充。波紋被計算為:最大=50.9，最小=49.6。波紋幅度大約是+/-1.5%(3%P-P)。測得的視場范圍是?+/-6.5deg。軸外，縮短了細(xì)分，因此均勻性增強。波紋頻率是1.25deg?I個周期。
[0364]圖69示出了 4mm眼瞳、0.5mm細(xì)分、50%孔徑填充。如圖中所示，特性是最大:51.97%，最小:48.03%,以及波紋:+/-2%(=4%p-p)。
[0365]圖70示出了 3mm眼瞳、33%孔徑填充(3層、9種圖塊類型)。圖70描繪了 3層、9圖塊、單色參考設(shè)計，但是具有0.5_細(xì)分。單個圖塊:假定33%孔徑填充和3_眼瞳。波紋被計算為:最大=36.9，最小=30.4。波紋幅度是?6.5%/33%=+/-9.75% (=19.5%P_P)。波紋頻率是5deg?I個周期。
[0366]圖71示出了 4mm眼瞳、33%孔徑填充(3層、9種圖塊類型)。單個圖塊:假定33%孔徑填充和4_眼瞳。波紋被計算為:最大=35，最小=30.8。波紋幅度是?
4.2%/33%=+/-6.3%=12.6%P_P。波紋頻率是 5deg ?I 個周期。
[0367]圖72示出了 3mm眼瞳、33%孔徑填充(3層、9種圖塊類型)。單個圖塊:假定33%孔徑填充和3mm眼瞳。計算的特性是:波紋最大:35.2%，波紋最小:29.7%，均勻性:
5.5%/33.3%=+/-8.25%=16.5%。
[0368]圖73示出了單元格如何形成均勻分布的圖案。
[0369]圖74是使用4mm眼瞳、33%孔徑填充(3層、9種圖塊類型)的實施方式的重新計算。這需要該圖案具有1x3單元格，具有0.5像素偏移的偶數(shù)列。
[0370]使用偶數(shù)列半個像素偏移的柵格分布給出更均勻的分布。計算出的特性是:波紋最大:35.0%，波紋最小:31.0%，均勻性:4.0%/33.3%=+/_6%=12%。
[0371]圖75示出了 4mm眼瞳、33%孔徑填充(3層、9種圖塊類型)。該實施方式需要該圖案有1x3的單元格，具有0.5像素偏移的偶數(shù)列。
[0372]使用偶數(shù)列半個像素偏移的柵格分布給出了更均勻的分布。計算出的特性是:波紋最大:34.6%，波紋最小:32.7%，均勻性:1.9%/33.3%=+/_2.85%=5.7%。
[0373]基于微細(xì)分原理的一系列參考設(shè)計已經(jīng)被開發(fā)并總結(jié)如下:
[0374]1.參考設(shè)計:
[0375].單色、6層、12圖塊(50%孔徑填充)、Imm細(xì)分:
[0376].3mm眼瞳:24%均勻性
[0377]2.在不同層上重新優(yōu)化的光柵位置的參考設(shè)計:[0378].單色、6層、12圖塊(50%孔徑填充)、Imm細(xì)分:
[0379].3mm眼瞳:20%均勻性
[0380]3.使用0.5mm細(xì)分的參考設(shè)計:
[0381].單色、6層、12圖塊(50%孔徑填充)、0.5mm細(xì)分:
[0382].3mm眼瞳:視場~3%到2%均勻性。
[0383]4.3mm眼瞳(目標(biāo):C AR戶外)
[0384].3層、9圖塊(33%孔徑填充)、0.5mm細(xì)分:
[0385].多至16.5%均勻性[0386]5.4mm眼瞳[目標(biāo):C室內(nèi)電影]
[0387].3層、9圖塊(33%孔徑填充)、0.5mm細(xì)分:
[0388]?多至12%均勻性
[0389]實現(xiàn)單圖塊的50%孔徑填充在甚至33%孔徑填充提供明顯改善的均勻性(在3mm眼瞳情況下~5x均勻性改善)。對于50%孔徑填充,0.5mm性能明顯比Imm細(xì)分要好:針對3mm眼瞳3%相對于20%。
[0390]對于9圖塊50%孔徑填充需要‘4.5，(即，5層)。
[0391]具有場角的眼瞳輻照度均勻性改進減小的主細(xì)分元素尺寸并增大主細(xì)分元素孔徑填充。注意在給定層上降低圖塊類型密度然后將改善具有場角的輻照度均勻性，因為更少的圖塊類型增大任意單個主細(xì)分元素類型的孔徑填充。減小的主細(xì)分元素尺寸使MTF(分辨率)降級。注意到減小的主細(xì)分元素尺寸和增大的主細(xì)分元素類型目的允許不規(guī)則的圖案。而這允許主細(xì)分的MTF的均質(zhì)化，以及改變輻照度均勻性場角波紋頻率的時機。使用主細(xì)分的孔徑內(nèi)的小(微細(xì)分)可以改善主細(xì)分元素的整體角度帶寬，由此提供減少期望的主細(xì)分元素類型的數(shù)量的機會。
[0392]參考
[0393]以下專利申請全部以引用的方式結(jié)合于此:
[0394]美國臨時專利申請N0.61/627，202，申請日2011年10月7日，名稱WIDE ANGLECOLOR HEAD MOUNTED DISPLAY，其也由 申請人:的文檔號SBG106引用；
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[0405]PCT 申請 N0.PCT/GB2010/002023，申請日:2010 年 11 月 2 日，名稱 APPARATUS FORREDUCING LASER SPECKLE ；
[0406]美國臨時專利申請N0.61/573, 121，申請日2011年9月7日，名稱METHOD ANDAPPARATUS FOR SWITCHING HPDLC ARRAY DEVICES，其也被 申請人:的文檔號 SBG105B 引用；
[0407]PCT 申請 N0.PCT/GB2010/000835,國際申請日:2010 年 4 月 26 日，名稱 COMPACTHOLOGRAPHIC EDGE ILLUMINATED EYEGLASS DISPLAY (也被 申請人:文檔號 SBG073PCT 引用)；
[0408]本申請發(fā)明人的美國臨時專利申請，名稱MPROVEMENTS TO CONTACT IMAGESENSORS，該申請的申請?zhí)柲壳安豢色@得，但由 申請人:的文檔號SBG100引用；
[0409]美國臨時專利申請N0.61/573，156，申請日2011年9月16日，名稱“Holographicwide angle near eye display” (SBG Labs 引用 N0.SBG106A)；
[0410]美國臨時專利申請N0.61/573，175，申請日2011年9月19日，名稱“Holographicwide angle near eye display” (SBG Labs 引用 N0.SBG106B)；
[0411]美國臨時專利申請N0.61/573，176，申請日2011年9月19日，名稱“Holographicwide angle near eye display” (SBG Labs 引用 N0.SBG106C)；
[0412]美國臨時專利申請N0.61/573，196，申請日:2011年9月25日，名稱“Furtherimprovements to holographic wide angle near eye display” (SBG Labs 弓I 用N0.SBG106D)；
[0413]美國臨時專利申請N0.61/627，202，申請日:2011年10月7曰，名稱“Wide anglecolor head mounted display，，(SBG Labs 引用 N0.SBG106)；
[0414]美國臨時專利申請N0.61/687,436，申請日:2012年4月25日，名稱“Improvements to holographic wide angle head mounted display” (SBG Labs 弓I用N0.SBG109)；
[0415]益論
[0416]本申請中所有的文獻和類似材料包括但不限于專利、專利申請、文章、書籍、論文以及網(wǎng)頁，不管這些文獻和類似材料的格式如何，其全部內(nèi)容清楚地以應(yīng)用的方式結(jié)合于此。如果結(jié)合的文獻和類似材料的一個或多個不同于或與本申請相悖，包括但不限于定義的術(shù)語、術(shù)語使用，描述的技術(shù)等，以本申請為準(zhǔn)。
[0417]雖然本申請結(jié)合各種實施方式和實施例描述，但本申請的范圍不限于這些實施方式或?qū)嵤├?。相反，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解，本申請包括各種可替換方式、修改以及等同方式。
[0418]雖然本文描述并圖示了各種發(fā)明性實施方式，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員容易想到各種其他方式和/或結(jié)構(gòu)來執(zhí)行功能和/或得到效果和/或這里描述的一個或多個優(yōu)點，且這些變形和/或修改的每一個被視為在本文描述的發(fā)明性實施方式的范圍內(nèi)。更一般地，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易理解這里描述的所有參數(shù)、尺寸、材料以及配置是示意性的且實際的參數(shù)、尺寸、材料和/或配置取決于使用本發(fā)明性教示的特定一個或多個應(yīng)用。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到本文描述的特定發(fā)明性實施方式的許多等效實施方式。因此，應(yīng)當(dāng)理解之前的實施方式是僅以示例方式給出且在所附權(quán)利要求書的范圍以及等效范圍內(nèi)，發(fā)明性實施方式可以以與具體描述和要求的實施方式不同實施。本文的發(fā)明性實施方式針對這里描述的每個單獨特征、系統(tǒng)、物品、材料、套件和/或方法。此外，兩個或更多這樣的特征、系統(tǒng)、物品、材料、套件和/或方法的任意組合，如果這些特征、系統(tǒng)、物品、材料、套件和/或方法相互是一致的，包含在本文的發(fā)明范圍內(nèi)。
[0419]此外，這里描述的技術(shù)可以體現(xiàn)為已經(jīng)提供至少一個示例的方法。作為該方法的部分執(zhí)行的動作可以以任意合適的方式來排序。因此，實施方式可以被構(gòu)建，其中可以以不同于所圖示的順序來執(zhí)行動作，這可以包括同時執(zhí)行一些動作，即使在示出的實施方式中示出的是順序動作。
[0420]這里定義和使用的所有定義應(yīng)當(dāng)理解為支配詞典定義、引用結(jié)合的文獻中的定義和/或定義的術(shù)語的普通意思。
[0421]說明書和權(quán)利要求書中使用的非限定冠詞“一(a)”和“一(an)”，除非有明確相反指示，否則應(yīng)當(dāng)理解為“至少一個“。這里引用的任何范圍都適用。
[0422]說明書中使用的術(shù)語“基本上”和“大約”用于描述和說明小波動。例如，它們可以涉及小于或等于±5%，例如小于或等于±2%，例如小于或等于±1%，例如小于或等于±0.5%,例如小于或等于±0.2%,例如小于或等于±0.1%，例如小于或等于±0.05%。
[0423]說明書和權(quán)利要求書中使用的短語“和/或”應(yīng)當(dāng)理解為集合的元素中的“任意一者或兩者”，即在一些情況中一起出現(xiàn)而在其他情況中分開出現(xiàn)的元素。以“和/或”列出的多個元素應(yīng)當(dāng)理解為以相同的方式，即在一起的元素的“一個或多個”。其他元素可選地可以不同于具體由“和/或”分句標(biāo)識的元素而存在，不管與這些具體標(biāo)識的元素是否相關(guān)。因此，作為非限制性距離，參考“A和/或B”，當(dāng)與開放性結(jié)尾語言例如“包括” 一起使用時，可以在一個實施方式中指僅A (可選地包括B以外的元素)，在另一個實施方式中指僅B (可選地包括A以外的元素)，在另一實施方式中指A和B (可選地的包括其他元素)等。
[0424]說明書和權(quán)利要求書中使用的“或”應(yīng)當(dāng)理解為與上述定義的“和/或”有相同的意思。例如，當(dāng)在例示中分開項時，“或”或“和/或”理解為包含的，即包括多個元素或元素列表中的至少一個，但也包括多于一個，且可選地，包含其他未列出的項。相反明確指出的僅術(shù)語，例如“…的僅一個”或“…的只一個”或在權(quán)利要求書中使用的“由…組成”是指包括多個元素或元素列表中的準(zhǔn)確的一個元素。一般來說，當(dāng)后接排他性術(shù)語例如“任一者”、“一者”、“僅一者”或“準(zhǔn)確的一個”時，這里使用的術(shù)語“或”僅理解為指示排他性的可替換選項(g卩，“一者或另一者，但不是這兩者”)。權(quán)利要求書中使用的“本質(zhì)上包括”具有其專利法領(lǐng)域使用的普通意思。
[0425]說明書和權(quán)利要求書中使用的短語“至少一個”涉及一個或多個元素的列出，應(yīng)當(dāng)理解為在元素列表中的任意一個或多個元素中選出的至少一個元素，但不一定包括元素列表中每個具體列出的元素的至少一個，且不排除元素列表中元素的任意組合。這種定義還允許可選地存在元素列表中短語“至少一個”涉及的具體標(biāo)識的元素以外的元素，不管與具體標(biāo)識的這些元素是否有關(guān)。因此，作為非限制的舉例，“A和B的至少一個”(或等同地，“A或B的至少一個”，或等同地“A和/或B的至少一個”)在一個實施方式中可以指至少一個，可選地包括多于一個A，不存在B(以及可選地包括B以外的元素)，在另一個實施方式中，指至少一個，可選地包括多于一個B，不存在A (以及可選地包括A以外的元素)，在另一個實施方式中，指至少一個，可選地包括多于一個A，且至少一個，可選地包括多于一個B (以及，可選地包括其他元素)，等等。
[0426]在權(quán)利要求書以及說明書中，所有的過渡短語例如“包括”、“包含”、“攜帶”、“具有”、“包含”、“涉及”、“持有”、“包括”被理解為開放式的，即意思是包括但不限于。僅過渡短語“由…組成”和“本質(zhì)上由…組成”是封閉式或半封閉式過渡短語，其分別在美國專利局專利審查指南2111.03節(jié)提到。
[0427]權(quán)利要求不應(yīng)當(dāng)理解為限定所描述的方法或元素，除非另有說明。應(yīng)當(dāng)理解本領(lǐng)域技術(shù)人員在不偏離所附權(quán)利要求書的實質(zhì)和范圍的情況下可以進行各種形式和細(xì)節(jié)的改變。在權(quán)利要求書的實質(zhì)和范圍內(nèi)的所有實施方式以及等效方式都被要求。
【權(quán)利要求】
1.一種用于顯示圖像的裝置，該裝置包括: 輸入圖像節(jié)點，該輸入圖像節(jié)點被配置成提供至少第一圖像調(diào)制光線和第二圖像調(diào)制光線；以及 全息波導(dǎo)設(shè)備，該全息波導(dǎo)設(shè)備被配置成在至少第一方向上傳播所述第一圖像調(diào)制光線和所述第二圖像調(diào)制光線中的至少一者，所述全息波導(dǎo)設(shè)備包括: 布置在至少一層中的至少第一散置的多個光柵元件和第二散置的多個光柵元件，所述第一光柵兀件和所述第二光柵兀件分別具有第一規(guī)格和第二規(guī)格； 其中所述第一圖像調(diào)制光線和所述第二圖像調(diào)制光線可以分別使用第一視場(FOV)圖像息和第二 FOV圖像信息來被調(diào)制； 其中第一多個光柵元件可以被配置成將所述第一圖像調(diào)制光線偏轉(zhuǎn)出所述至少一層成為形成第一 FOV圖塊的第一多個輸出射線，以及第二多個光柵元件可以被配置成將所述第二圖像調(diào)制光線偏轉(zhuǎn)出所述層成為形成第二 FOV圖塊的第二多個輸出射線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第一多個光柵元件和所述第二多個光柵元件按照預(yù)定圖案被細(xì)分。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第一多個光柵元件和所述第二多個光柵元件按照預(yù)定圖案被細(xì)分，以及所述預(yù)定圖案是以下的至少一者:周期性圖案、非周期性圖案、自相似圖案以及隨機分布圖案。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第一多個光柵元件或所述第二多個光柵元件中的所有元件被配置成被同時切換成衍射狀態(tài)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第一多個光柵元件和所述第二多個光柵元件中的至少一者具有包括正方形、三角形和菱形中的至少一者的形狀。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第一多個光柵元件的元件具有第一幾何圖形，以及所述第二多個光柵元件的元件具有第二幾何圖形。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第一多個光柵元件和所述第二多個光柵元件中的至少一者具有至少兩個不同的幾何圖形。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中在所述至少一層中的所有光柵元件針對一個波長而被優(yōu)化。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中在所述至少一層中的所述第一光柵元件和所述第二光柵元件中的至少一者針對至少兩個波長而被優(yōu)化。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第一光柵元件和所述第二光柵元件中的至少一者具有針對至少兩個不同波長而被優(yōu)化的復(fù)用的規(guī)格。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第一光柵元件和所述第二光柵元件中的至少一者具有針對至少兩個不同的衍射效率角度帶寬而被優(yōu)化的復(fù)用的規(guī)格。
12.—種設(shè)備，包括權(quán)利要求1的裝置，其中該設(shè)備是立體顯示器的一部分，其中所述第一圖像調(diào)制光線和所述第二圖像調(diào)制光線提供左眼透視圖和右眼透視圖。
13.一種設(shè)備，包括權(quán)利要求1的裝置，其中該設(shè)備是HMD、HUD和HDD中的至少一者的一部分。
14.根據(jù) 權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第一多個光柵元件和所述第二多個光柵元件中的至少一者具有空間相關(guān)的衍射效率。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中來自至少一個給定規(guī)格的光柵元件的圖像調(diào)制光線存在于以人眼瞳的瞬時孔徑為邊界的出射光瞳區(qū)域內(nèi)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第一多個光柵元件和所述第二多個光柵元件中的至少一者是電可開關(guān)的。
17.—種顯示圖像的方法，該方法包括: (i )提供一種裝置，該裝置包括輸入圖像節(jié)點和全息波導(dǎo)設(shè)備，所述全息波導(dǎo)設(shè)備包括(MXN)散置的多個光柵元件，其中M、N為整數(shù)； (ii)生成對應(yīng)于視場(FOV)圖塊(I，J)的圖像調(diào)制光線(I，J)輸入圖像節(jié)點，其中整數(shù)I≤I≤N以及I≤JSM; (iii)將匹配FOV圖塊(I，J)的規(guī)格的光柵元件切換至其衍射狀態(tài)； (iv)使用圖像調(diào)制光線(I，J)對匹配FOV圖塊(I，J)的規(guī)格的光柵元件照明；以及 (V)將所述圖像調(diào)制光線I，J衍射成FOV圖塊I，J。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，該方法還包括重復(fù)(ii)_(V)，直到實現(xiàn)全FOV平鋪。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，該方法還包括將所述輸入圖像采樣成多個角度間隔，多個角度間隔的每個具有為全光瞳的大小的一部分的有效出射光瞳。
20.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法,該方法還包括通過修改第一光學(xué)襯底和第二光學(xué)襯底中的至少一者的至少一個光柵薄片的下列參數(shù)中的至少一者來改善圖像的顯示:光柵厚度、折射率調(diào)制、k矢量、表面光柵周期、以及全息圖襯底指標(biāo)差異。
【文檔編號】H04N13/04GK103562802SQ201380001530
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年4月24日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月25日
【發(fā)明者】M·M·波波維奇, A·J·格蘭特, J·D·瓦爾德恩, W·L·亨德里克, J·H·斯坦利 申請人:羅克韋爾柯林斯公司, Sbg實驗室有限公司