低轮廓分束器的制作方法

低轮廓分束器
1.本技术是申请日为2018年3月21日、申请号为201880033287.4、名称为"低轮廓分束器"的专利申请的分案申请。
2.相关申请的交叉引用
3.本技术要求于2017年3月21日提交并且标题为“low-profile beam splitter(低轮廓分束器)”的美国临时专利申请62/474,543以及于2017年10月11日提交并且标题为“low-profile beam splitter(低轮廓分束器)”的美国临时专利申请62/570,995的优先权，其内容通过引用以其整体明确并且全部并入，好像全部阐述一样。
技术领域
4.本公开涉及虚拟现实、增强现实和混合现实成像和可视化系统，并且更特别地，涉及用于在这些和其他光学系统中使用的紧凑分束器。


背景技术：

5.现代计算和显示技术已经有助于用于所谓的“虚拟现实”或“增强现实”体验的系统的开发，其中数字再现的图像或其部分以其看起来是真实的或可以被感知为真实的方式呈现给用户。虚拟现实(vr)场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现而对其它实际的真实世界视觉输入不透明。增强现实(ar)场景通常涉及将数字或虚拟图像信息呈现为对用户周围的实际真实世界的可视化的增强。混合现实(mr)场景是一种类型的ar场景，一般涉及被集成到实际真实世界中并对该实际真实世界做出响应的虚拟对象。例如，在mr场景中，ar图像内容可以被真实世界中的对象阻挡，或者以其他方式，可以被感知为与实际真实世界中的对象交互。
6.在图1中，描绘了ar场景10，其中，ar技术的用户看到了真实世界的公园状的设置20，该设置以人、树、背景中的建筑物以及真实世界平台30为特征。除了这些项之外，ar技术的用户还感知到他们“看到”了“虚拟内容”，诸如站在真实世界平台30上的机器人雕像40，以及看起来是大黄蜂的化身的正在飞行的卡通式的化身角色50，即使这些元素40、50在真实世界中不存在。
7.虽然vr、ar和/或mr技术可能已经给用户提供有趣并且愉快的观看体验，但是存在进一步增强用户体验的更紧凑并且轻量的vr、ar和mr系统的需要。本文所公开的系统和方法可以帮助实现这些目标。


技术实现要素：

8.在一些实施例中，一种光学设备，包括：第一表面，其包括透射衍射光学元件；第二表面，其垂直于所述第一表面；以及第三表面，其以与所述第二表面成某一角度布置，所述第三表面对于具有第一状态的光是反射的并且对于具有第二状态的光是透射的，其中，所述透射衍射光学元件被配置为接收垂直入射在所述第一表面上的准直输入束，所述准直输入束包括具有所述第一状态的光；并且被配置为将所述准直输入束转换为处于第一衍射角
的至少第一衍射束，以使得所述第一衍射束朝向所述第三表面引导并且由所述第三表面在基本上平行于所述第一表面的方向上反射。
9.在一些实施例中，一种光学设备，包括：第一表面，其包括反射衍射光学元件；第二表面，其垂直于所述第一表面；以及第三表面，其以与所述第二表面成某一角度布置，所述第三表面对于具有第一状态的光是反射的并且对于具有第二状态的光是透射的；其中，所述反射衍射光学元件被配置为接收发散输入束，所述发散输入束包括具有所述第一状态的光；并且被配置为将所述发散输入束转换为处于第一衍射角的至少第一准直和衍射束，以使得所述第一准直和衍射束朝向所述第三表面引导并且由所述第三表面在基本上平行于所述第一表面的方向上反射。
10.在一些实施例中，一种被配置为穿戴在用户的头部上的头戴式显示器(hmd)，包括：框架；投射光学器件，其由所述框架支撑并且被配置为将图像投射到所述用户的眼睛；以及光投射器系统，其与所述投射光学器件光学通信，所述光投射器系统被配置为提供编码有所述图像的调制光，所述光投射器系统包括：光源、光学设备、以及空间光调制器，其中，所述光源发射输入束；所述光学设备包括：具有衍射光学元件的第一表面，垂直于所述第一表面的第二表面；以及以与所述第二表面成某一角度布置的第三表面，所述第三表面对于具有第一状态的光是反射的并且对于具有第二状态的光是透射的，其中，所述衍射光学元件被配置为接收所述输入束，所述输入束包括具有所述第一状态的光；并且被配置为将所述输入束转换为处于第一衍射角的至少第一衍射束，以使得所述第一衍射束朝向所述第三表面引导并且由所述第三表面在基本上平行于所述第一表面的方向上反射；以及所述空间光调制器被配置为使用由所述光学设备递送到所述空间光调制器的所述输入束产生调制光。
11.在一些实施例中，一种光学设备，包括：第一表面，其包括衍射光学元件；第二表面，其垂直于所述第一表面；以及第三表面，其以与所述第二表面成某一角度布置，所述第三表面对于具有第一状态的光是反射的并且对于具有第二状态的光是透射的，其中，所述衍射光学元件被配置为接收输入束，所述输入束包括具有所述第一状态的光；并且被配置为将所述输入束转换为处于第一衍射角的至少第一衍射束，以使得所述第一衍射束朝向所述第三表面引导并且由所述第三表面在基本上平行于所述第一表面的方向上反射。
12.在一些实施例中，一种将图像信息传送给用户的方法，包括：提供光学设备，所述光学设备包括：第一表面，垂直于所述第一表面的第二表面；以及以与所述第二表面成某一角度布置的第三表面，所述第三表面对于具有第一状态的光是反射的并且对于具有第二状态的光是透射的；产生入射在所述第一表面上的输入束，所述输入束垂直于所述第一表面行进并且具有第一状态；在所述第一表面上提供透射衍射光学元件以将所述输入束转换为处于第一衍射角的至少第一衍射束，以使得所述第一衍射束朝向所述第三表面引导并且由所述第三表面在基本上平行于所述第一表面的方向上反射；使用空间光调制器至少调制具有图像信息的反射的第一衍射束，所述空间光调制器被配置为接收垂直于所述空间光调制器的所反射的第一衍射束并且产生具有第二状态的调制光束；使用一个或多个投射光学部件接收所述调制光束；以及使用所述一个或多个投射光学部件将所述图像信息投射到所述用户。
13.在一些实施例中，一种将图像信息传送给用户的方法，包括：提供光学设备，所述
光学设备包括：第一表面，垂直于所述第一表面的第二表面，以及以相对于所述第二表面成某一角度布置的第三表面，所述第三表面对于具有第一状态的光是反射的并且对于具有第二状态的光是透射的；产生入射到所述第一表面上的发散输入光束，所述发散输入光束具有第一状态；所述第一表面上提供反射衍射光学元件以将所述发散输入束转换为处于第一衍射角的至少第一准直和衍射束，以使得所述第一准直和衍射束朝向所述第三表面引导并且由所述第三表面在基本上平行于所述第一表面的方向上反射；使用空间光调制器至少调制具有图像信息的反射的第一衍射束，所述空间光调制器被配置为接收垂直于所述空间光调制器的所反射的第一衍射束并且产生具有第二状态的调制光束；使用一个或多个投射光学部件接收所调制的光束；以及使用所述一个或多个投射光学部件将所述图像信息投射到所述用户。
附图说明
14.图1示出了根据一些实施例的用于通过ar设备的观看增强现实(ar)的视图。
15.图2示出了根据一些实施例的可穿戴显示系统的示例。
16.图3示出了根据一些实施例的用于为用户模拟三维影像的显示系统。
17.图4示出了根据一些实施例的用于使用多个深度平面模拟三维影像的方法的各方面。
18.图5a-5c示出了根据一些实施例的曲率半径与焦半径之间的关系。
19.图6示出了根据一些实施例的用于向用户输出图像信息的波导堆叠的示例。
20.图7示出了根据一些实施例的由波导输出的出射束的示例。
21.图8示出了根据一些实施例的每个深度平面包括使用多个不同的分量颜色形成的图像的堆叠波导组件的示例。
22.图9a示出了根据一些实施例的各自包括耦入光学元件的堆叠波导集的示例的剖面侧视图。
23.图9b示出了根据一些实施例的图9a的堆叠波导的示例的透视图。
24.图9c示出了根据一些实施例的图9a和9b的堆叠波导的示例的俯视平面图。
25.图10示出了根据一些实施例的包括分束器(bs)、光源和光调制器的示例光投射器系统。
26.图11a示出了根据一些实施例的包括低轮廓(profile)bs、光源和光调制器的示例光投射器系统。
27.图11b示出了根据一些实施例的包括低轮廓bs、光源和光调制器的示例光投射系统。
28.图12a和12b示出了根据一些实施例的在低轮廓光投射器系统中使用的具有透射衍射光学元件的示例低轮廓bs。
29.图13a示出了根据一些实施例的在低轮廓光投射器系统中使用的具有反射衍射光学元件的示例低轮廓bs。
30.图13b和13c分别示意性地示出了根据一些实施例的图13a的低轮廓bs的侧视图和俯视图，其显示来自多个光源的发散输入光的准直和复用。
31.图13d示出了根据一些实施例的显示空间光调制器的连续和均匀照射的图13a的
低轮廓bs。
具体实施方式
32.概述
33.头戴式显示器(hmd)可以使用光投射器系统通过将来自光源的输入光引导到空间光调制器(slm)来将虚拟现实(vr)、增强现实(ar)、混合现实(mr)内容显示给用户，该空间光调制器(slm)可以利用图像信息编码输入光并且然后经由一个或多个光学元件将产生的调制光反射或者透射到用户。分束器(bs)可以在光投射器系统中使用以朝向slm引导输入光，并且从slm接收调制光并且朝向用户引导该调制光(可能地经由一个或多个中间光学部件)。
34.bs可以包括接收来自光源的输入光的输入表面。输入光然后可以传播到分束表面，该分束表面基于光的特性(诸如光的偏振)在两个方向中的一个方向上重引导光。分束表面可以朝向bs的输出/输入表面重引导输入光的至少一部分。输出/输入表面首先将输入光输出到另一光学部件，诸如邻近输出/输入表面定位的slm。slm可以利用图像信息调制输入光并且然后朝向bs的输出/输入表面将调制光反射回来。调制光然后通过bs的输出/输入表面重新进入bs并且调制光的至少一部分然后可以穿过分束表面并且最终在输出表面处离开bs。在一些实施例中，输入表面的相对侧分别以直角结合到bs的输出/输入表面和输出表面。分束表面可以以相对于这些表面成某一角度布置。
35.对于hmd应用，对于bs可能是有利的是，在垂直于slm的输入平面的方向上朝向slm引导输入光。此外，为了实现对于用户的连续观看的适当的图像重现，光投射器系统可以被设计为利用具有均匀波前的输入光(例如，具有相对小的(如果有的话)波前曲率的准直光)照射slm的整个输入平面。可以满足这些条件的bs的一个示例是立方体bs。在立方体bs中，输入表面和输出/输入表面可以是立方体bs的两个接合面。同时，分束表面可以以45度角在输入表面与输出/输入表面之间延伸。在剖面中，分束表面是具有输入表面和输出/输入表面作为其他两个直角边的45度直角三角形的斜边。
36.bs的尺寸可能影响光投射器系统和利用光投射器系统的hmd的尺寸。由于存在减小hmd的尺寸的持续需求，因而也存在减小其构成部件(诸如光投射器系统)的尺寸的需求。因此，可能期望减小光投射器系统中利用的bs的尺寸。例如，提供具有减小的尺寸的至少一个维度的bs将是有利的。
37.因此，在本文中描述了低轮廓光投射器系统的各种实施例。低轮廓光投射器系统的一些实施例可以包括具有短于一个或多个其他维度(例如，输出/输入表面的宽度)的至少一个维度(例如，输入表面的高度)的低轮廓bs。在这样的实施例中，分束表面不再与输入表面和输出/输入表面形成45度角。相反，分束表面与输入表面或者输出/输入表面形成小于45度的角。另外，低轮廓bs不再是立方体。
38.为了维持与用于利用准直光照射slm的立方体bs类似的能力，可以在低轮廓bs的表面上、表面中、或者邻近表面提供透射或者反射衍射光学元件。在本文所描述的其他可能功能中，衍射光学元件可以被配置为将输入光束转换为一个或多个衍射束。一个或多个衍射束可以以适当的角度衍射，以使得它们在分束表面处以法向角朝向输出/输入表面和邻近的slm最终反射(可能地在低轮廓bs的一个或多个其他表面处的一个或多个中间内反射
之后)。同时，一个或多个衍射束可以提供用于slm的与具有至少一个较大维度的立方体bs相等或者类似的照明覆盖量。如本文所描述的，衍射光学元件的使用允许分束平面与例如低轮廓bs的输出/输入表面之间的角度的减小，从而允许低轮廓bs的高度(例如，低轮廓bs的输入表面的维度)的总体减小，而不消极地影响投射器系统中的低轮廓bs的光学功能。
39.示例的hmd设备
40.图2示出了根据一些实施例的可穿戴显示系统60的示例。显示系统60包括显示器70，以及支持该显示器70的运行的各种机械和电子模块和系统。显示器70可以被耦合到框架80，该框架80可由显示系统用户90穿戴，并且该框架80被配置为将显示器70定位在用户90的眼睛的前面。在一些实施例中，显示器70可以被认为是目镜。在一些实施例中，扬声器100被耦合到框架80并且被配置为邻近用户90的耳道定位。在一些实施例中，显示系统60还可以包括一个或多个麦克风110或者检测声音的其他设备。在一些实施例中，麦克风110被配置为允许用户90向显示系统60提供输入或者命令(例如，语音菜单命令、自然语言问题等的选择)，和/或可以允许与其他人(例如，与类似显示系统的其他用户)的音频通信。麦克风110还可以被配置为采集音频数据(例如，来自用户90和/或环境的声音)的外围传感器。在一些实施例中，显示系统60还可以包括外围传感器120a，该外围传感器120a可以与框架80分离并且被附接到用户90的身体(例如，在用户90的头部、躯干、肢体等上)。在一些实施例中，外围传感器120a可以被配置为采集表征用户90的生理状态的数据。
41.显示器70通过通信链路130(诸如通过有线导线或无线连接)操作性地耦合到本地处理和数据模块140，其可以安装在各种配置中，诸如固定地附接到框架80、固定地附接到由用户90穿戴的头盔或帽子、被嵌入在耳机中、或者以其他方式可移除地附接到用户90(例如，在背包型配置中、在腰带耦合型配置中等)。类似地，外围传感器120a可以由通信链路120b(例如有线导线或无线连接)操作性地耦合到本地处理和数据模块140。本地处理和数据模块140可以包括硬件处理器，以及数字存储器，诸如非易失性存储器(例如，闪存或硬盘驱动器)，其二者可以用于辅助数据的处理、高速缓存和存储。数据包括以下数据：a)从传感器(其可以例如操作性地耦合到框架80或以其他方式附接到用户90)采集的数据，诸如图像采集设备(诸如例如相机)、麦克风、惯性测量单元、加速度计、指南针、gps单元、无线电设备、陀螺仪和/或本文所公开的其他传感器；和/或b)使用远程处理模块150和/或远程数据存储库160采集和/或处理的数据(包括与虚拟内容有关的数据)，可能地用于在这样的处理或者检索之后传送到显示器70。本地处理和数据模块140可以通过通信链路170、180(诸如经由有线或无线通信链路)操作性地耦合到远程处理模块150和远程数据存储库160，以使得这些远程模块150、160操作性地耦合到彼此并且可用作本地处理和数据模块140的资源。在一些实施例中，本地处理和数据模块140可以包括以下各项中的一项或多项：图像采集设备、麦克风、惯性测量单元、加速度计、指南针、gps单元、无线电设备和/或陀螺仪。在一些实施例中，这些传感器中的一个或多个可以附接到框架80，或者可以是通过有线或无线通信路径与本地处理和数据模块14通信的独立设备。
42.远程处理模块150可以包括被配置为分析和处理数据和/或图像信息的一个或多个处理器。在一些实施例中，远程数据储存库160可以包括数字数据存储设施，该设施可以通过因特网或“云”资源配置中的其它网络配置获得。在一些实施例中，远程数据储存库160可以是一个或多个远程服务器，该一个或多个远程服务器向本地处理和数据模块140和/或
远程处理模块150提供信息(例如用于生成增强现实内容的信息)。在一些实施例中，在本地处理和数据模块140中存储所有数据并执行所有计算，从而允许从远程模块完全自主地使用。
43.可以通过向用户的每只眼睛提供略微不同的图像呈现来实现将图像感知为“三维的”或“3d”。图3示出了用于模拟用户的3-图像的显示系统。向用户输出两个不同图像190、200，其中每个图像针对一只眼睛210、220。图像190、200沿着平行于用户的视线的光轴或z轴而与眼睛210、220相隔一定距离230。图像190、200是平坦的，眼睛210、2206可以通过假设单个调节状态而聚焦在这些图像上。这样的3-d系统取决于人类视觉系统来组合图像190、200以为组合图像提供深度感知和/或缩放。
44.然而，人类视觉系统更复杂，并且提供逼真的深度感是具挑战性的。例如，“3-d”显示系统的许多用户发现这样的系统不舒服或者根本不能感知到深度感。不受理论的限制，可以相信的是，对象可由于辐辏和调节的组合被感知为“3-d”。两只眼睛相对于彼此的辐辏运动(例如，眼睛的转动使得瞳孔朝向彼此或远离彼此运动以使眼睛的视线会聚以注视在对象上)与眼睛的晶状体的聚焦(或者调节)密切相关。在正常情况下，改变眼睛的晶状体的焦点或调节眼睛，以将焦点从一个对象改变到不同距离处的另一对象将根据被称为“调节-辐辏反射”的关系以及瞳孔扩张或收缩而自动导致与同一距离的辐辏的匹配变化。同样，在正常条件下，辐辏变化将触发晶状体形状和瞳孔尺寸的调节的匹配变化。如本文所指出的，许多立体或“3-d”显示系统使用略微不同的呈现(以及，因此略微不同的图像)向每只眼睛显示场景，以使得人类视觉系统感知到3-d透视。然而，这样的系统对于许多用户来说是不舒服的，因为它们简单地提供在单个调节状态下的图像信息，并且违反“调节-辐辏反射”起作用。在调节和辐辏之间提供更好匹配的显示系统可以形成3-d影像的更逼真和舒适的模拟。
45.图4示出了用于使用多个深度平面模拟3-d影像的方法的各方面。参考图4，眼睛210、220采取不同调节状态以聚焦在z轴上的各种距离处的对象上。因此，特定调节状态可以被说与所示出的深度平面240中的特定一个深度平面相关联，该特定一个深度平面具有相关联的焦距，以使得当眼睛210、220处于针对该深度平面的调节状态中时特定深度平面中的对象或者对象的部分合焦。在一些实施例中，可以通过为眼睛210、220中的每一只眼睛提供图像的不同呈现并且还通过提供对应于多个深度平面的图像的不同呈现来模拟3-d影像。虽然为了说明清晰起见眼睛210、220的视野被示出为分离的，但是它们可以例如随着沿着z轴的距离增加而重叠。另外，虽然为了便于说明起见深度平面被示出为平的，但是将理解到，深度平面的轮廓可以在物理空间中弯曲，以使得深度平面中的所有特征在特定调节状态中与眼睛合焦。
46.对象与眼睛210或220之间的距离也可以改变来自该眼睛观看的对象的光的发散量。图5a至5c示出了距离和光线发散之间的关系。对象与眼睛210之间的距离按照递减的次序由距离r1、r2和r3表示。如图5a至5c所示，随着到对象的距离减小，光线变得更加发散。随着距离的增加，光线变得更加准直。换句话说，可以说，由点(对象或对象的一部分)产生的光场具有球面波前曲率，该球面波前曲率是该点距眼睛210的距离的函数。随着对象与眼睛210之间的距离减小，曲率增大。因此，在不同的深度平面处，光线的发散度也不同，其中，发散度随着深度平面与眼睛210之间的距离的减小而增大。尽管为了在图5a至5c和本文中的
其它图中清楚地说明而仅示出单只眼睛210，但是将理解，关于眼睛210的讨论可以应用于两只眼睛210和220。
47.不受理论的限制，据信人类眼睛通常可以解释有限数量的深度平面以提供深度感知。因此，通过向眼睛提供对应于这些有限数量的深度平面中的每一个的图像的不同呈现，可以实现感知深度的高度可信的模拟。不同的呈现可以由用户的眼睛单独聚焦，从而有助于基于使位于不同深度平面上的场景的不同图像特征聚焦所期望的眼睛调节和/或基于观看到在不同深度平面上的不同图像特征失焦(out of focus)，为用户提供深度线索。
48.波导堆叠组件的示例
49.图6示出了根据一些实施例的用于向用户输出图像信息的波导堆叠的示例。显示系统250包括波导的堆叠或者堆叠波导组件260，该波导的堆叠或者堆叠波导组件260可以用于使用多个波导270、280、290、300、310向眼睛/大脑提供3-d感知。在一些实施例中，显示系统250是图2的显示系统60，其中，图6示意性地更详细地示出该显示系统60的一些部分。例如，堆叠波导组件260可以是图2的显示器70的一部分。将理解到，在一些实施例中，显示系统250可以被认为是光场显示器。
50.堆叠波导组件260还可以包括位于波导2700、280、290、300、310之间的一个或多个特征320、330、340、350。在一些实施例中，特征320、330、340、350可以是一个或多个透镜。波导270、280、290、300、310和/或一个或多个透镜320、330、340、350可以被配置为以各种水平的波前曲率或光线发散度向眼睛发送图像信息。每个波导水平可以与特定深度平面相关联，并且可以被配置为输出对应于该深度平面的图像信息。图像注入设备360、370、380、390、400可以用作波导270、280、290、300、310的光源，并且可用于将图像信息注入到波导270、280、290、300、310中，如本文所述，每个波导可以被配置为跨每个相应的波导分配入射光用于朝着眼睛210输出。光从图像注入设备360、370、380、390、400的输出表面410、420、430、440、450出射，并且注入到波导270、280、290、300、310的对应输入表面460、470、480、490、500中。在一些实施例中，输入表面460、470、480、490、500中的每一个可以是对应波导的边缘，或者可以是对应波导的主表面(即，直接面向世界510或眼睛210的波导表面中的一者)的一部分。在一些实施例中，可以将单个光束(例如准直光束)注入到每个波导中，以便以对应于与特定波导相关联的深度平面的特定角度(和发散量)输出朝向眼睛210引导的克隆准直光束的整个视野。在一些实施例中，图像注入设备360、370、380、390、400中的单个图像注入设备可以与多个波导270、280、290、300、310(例如，其中的三个)相关联并将光注入到这些波导中。
51.在一些实施例中，图像注入设备360、370、380、390、400是离散显示器，每个离散显示器分别产生用于注入到对应的波导270、280、290、300、310中的图像信息。在一些实施例中，图像注入设备360、370、380、390、400是单个多路复用显示器的输出端，例如，该单个多路复用显示器可以经由一个或多个光学导管(诸如，光纤光缆)将图像信息通过管道传输到图像注入设备360、370、380、390、400中的每一个。将理解，由图像注入设备360、370、380、390、400提供的图像信息可以包括不同波长或颜色的光(例如，如本文所讨论的不同的分量颜色)。
52.在一些实施例中，注入波导270、280、290、300、310中的光由光投射器系统520提供，该光投射器系统520包括光模块530，该光模块530可以包括光源或者光发射器，诸如发
光二极管(led)。来自光模块530的光可以经由bs 550被引导到光调制器540(例如，slm)，并且由光调制器540修改。光调制器540可以被配置为空间地和/或时间地改变注入波导270、280、290、300、310中的光的感知强度。slm的示例包括液晶显示器(lcd)，其包括硅上液晶(lcos)显示器和数字光处理(dlp)显示器。
53.在一些实施例中，光投射器系统520或者其一个或多个部件可以附接到图2的框架80。例如，光投射器系统520可以是框架80的太阳穴部分(例如，图2的耳茎(ear stem)82)的一部分或者设置在显示器70的边缘。在一些实施例中，光模块530可以与bs 550和/或光调制器540分离，并且与其光学通信。
54.在一些实施例中，显示系统250可以是扫描光纤显示器，包括被配置为以各种图案(例如，光栅扫描、螺旋扫描、李沙育(lissajous)图案等)将光投影到一个或多个波导270、280、290、300、310中并最终到眼睛210的一个或多个扫描光纤。在一些实施例中，所示出的图像注入设备360、370、380、390、400可以示意性地表示被配置为将光注入波导270、280、290、300、310中的一个或多个中的一个或多个扫描光纤或者一个或多个扫描光纤束。一个或多个光纤可以被配置为将光从光模块530传输到一个或多个波导270、280、290、300和310。另外，可以在扫描光纤或光纤与一个或多个波导270、280、290、300、310之间提供一个或多个中间光学结构，以例如将离开扫描光纤的光重引导到一个或多个波导270、280、290、300、310。
55.控制器560控制堆叠波导组件260的操作，包括图像注入设备360、370、380、390、400、光模块530和光调制器540的操作。在一些实施例中，控制器560是本地处理和数据模块140的一部分。控制器560包括编程(例如，非暂时性介质中的指令)，该编程根据例如本文公开的各种方案中的任何方案，调节定时和到波导270、280、290、300、310的图像信息的提供。在一些实施例中，控制器560可以是单个集成设备，或者是通过有线或无线通信信道连接的分布式系统。在一些实施例中，控制器560可以是图2模块140或150的一部分。
56.波导270、280、290、300、310可以被配置为通过全内反射(tir)在每个相应的波导内传播光。波导270、280、290、300、310可以各自是平面的或具有另一形状(例如，弯曲的)，具有顶部主表面和底部主表面以及在这些顶部主表面和底部主表面之间延伸的边缘。在所示的配置中，波导270、280、290、300、310可各自包括耦出光学元件570、580、590、600、610，这些耦出光学元件被配置为通过将在各自相应波导内传播的光重引导出波导来从波导中提取光，以将图像信息输出到眼睛210。所提取的光也可以被称为耦出光，而耦出光学元件570、580、590、600、610也可以被称为光提取光学元件。在波导中传播的光入射到光提取光学元件的位置处，所提取的光束由波导输出。如本文进一步讨论的，耦出光学元件570、580、590、600、610可以例如是光栅，光栅包括衍射光学特征。虽然为了便于描述和描绘清楚耦出光学元件570、580、590、600、610被示出为设置在波导270、280、290、300、310的底部主表面处，但是在一些实施例中，它们可以被设置在顶部和/或底部主表面处，和/或可以被直接设置在波导270、280、290、300、310的体中。在一些实施例中，耦出光学元件570、580、590、600、610可以被形成在附接到透明基板以形成波导270、280、290、300、310的材料层中。在一些其它实施例中，波导270、280、290、300、310可以是单片材料，且耦出光学元件570、580、590、600、610可以被形成在该片材料的表面上和/或内部中。
57.每个波导270、280、290、300、310可以被配置为输出光以形成对应于特定深度平面
的图像。例如，最靠近眼睛的波导270可以被配置为将准直光(该准直光被注入到这种波导270中)递送到眼睛210。准直光可以代表光学无限远焦平面。下一个上行波导280可以被配置为将穿过第一透镜350(例如，负透镜)的准直光在其可以到达眼睛210之前发送出；该第一透镜350可以被配置为产生微凸的波前曲率，以使得眼睛/大脑将来自该下一个上行波导280的光解释为来自第一焦平面，该第一焦平面从光学无限远处向内更靠近眼睛210。类似地，第三上行波导290使其输出光在到达眼睛210之前穿过第一透镜350和第二透镜340；第一透镜350和第二透镜340的组合屈光力可被配置为产生另一增量的波前曲率，以使得眼睛/大脑将来自第三波导290的光解释为来自第二焦平面，该第二焦平面从光学无穷远向内更靠近眼睛210。
58.其它波导层300、310和透镜330、320被类似地配置，其中，堆叠波导组件260中的最高波导310发送其输出通过其与眼睛210之间的所有透镜320、330、340、350，以获得代表与人最接近的焦平面的聚合屈光力(aggregate focal power)。为了在观看/解释来自堆叠波导组件1178的另一侧上的世界510的光时补偿透镜堆叠320、330、340、350，可以在堆叠的顶部设置补偿透镜层620以补偿下面的透镜堆叠320、330、340、350的聚合屈光力。这种配置提供与具有可用的波导/透镜配对一样多的感知焦平面。波导270、280、290、300、310的耦出光学元件570、580、590、600、610和透镜的聚焦方面都可以是静态的(即，不是动态的或电活性的)。在一些替代实施例中，它们中的一者或两者使用电活性特征而可以是动态的。
59.在一些实施例中，波导270、280、290、300、310中的两者或更多者可具有相同的相关联深度平面。例如，多个波导270、280、290、300、310可以被配置为将图像集输出到相同的深度平面，或者波导270、280、290、300、310的多个子集可以被配置为将图像集输出到相同的多个深度平面，每个深度平面一个图像集。这可以提供形成拼接图像以在那些深度平面处提供扩展的视野的优势。
60.耦出光学元件570、580、590、600、610可以被配置为将光重引导到它们相应的波导之外并且针对与该波导相关联的特定深度平面输出具有适当的发散量或准直量的光。结果，具有不同相关联深度平面的波导可具有耦出光学元件570、580、590、600、610的不同配置，这些耦出光学元件取决于相关联的深度平面而输出具有不同发散量的光。在一些实施例中，耦出光学元件570、580、590、600、610可以是体或表面特征，其可以被配置为以特定角度输出光。例如，耦出光学元件570、580、590、600、610可以是体全息图、表面全息图和/或衍射光栅。在一些实施例中，特征320、330、340、350可以不是透镜；相反，它们可以简单地是间隔物(例如，包层和/或用于形成气隙的结构)。
61.在一些实施例中，耦出光学元件570、580、590、600、610是形成衍射图案的衍射特征，或“衍射光学元件”(在本文中也被称为“doe”)。优选地，doe具有足够低的衍射效率，以使得光束的仅一部分光通过doe的每一个交点而偏转向眼睛210，而其余部分经由全内反射而继续在波导内移动。携带图像信息的光因此被分成多个相关的出射光束，这些出射光束在多个位置处离开波导，并且结果是对于在波导内反弹的该特定准直光束是朝向眼睛4的相当均匀图案的出射发射。
62.在一些实施例中，一个或多个doe可以在它们活跃地衍射的“开”状态与它们不显著衍射的“关”状态之间切换。例如，可切换的doe可以包括聚合物分散液晶层，其中微滴在主体介质中形成衍射图案，并且微滴的折射率可以被切换为基本上匹配主体材料的折射率
(在这种情况下，图案不会明显地衍射入射光)，或者微滴可以被切换为与主体介质的折射率不匹配的折射率(在这种情况下，该图案活跃地衍射入射光)。
63.在一些实施例中，相机组件630(例如，数字相机，包括可见光和ir光相机)可以被提供以采集眼睛210、眼睛210的部分或眼睛210周围的组织的至少一部分的图像，以例如检测用户输入、从眼睛210提取生物测定信息、估计和跟踪眼睛210的方向的注视、监测用户的生理状态等。如本文所使用的，相机可以是任何图像采集设备。在一些实施例中，相机组件630可以包括图像采集设备和向眼睛投影光(例如，ir或近ir光)的光源，该光可以然后由眼睛反射并且由图像采集设备检测。在一些实施例中，光源包括以ir或近ir发射的发光二极管(“led”)。在一些实施例中，相机组件630可以附接到图2中示出的框架80并且可以与模块140或150电气通信，该模块140或150可以处理来自相机组件630的图像信息以做出关于例如用户的生理状态、用户的注视方向、虹膜识别等的各种确定。将理解到，关于用户的生理状态的信息可以用于确定用户的行为或者情绪状态。这样的信息的示例包括用户的运动或用户的面部表情。用户的行为或者情绪状态然后可以利用收集的环境或虚拟内容数据进行三角测量以便确定行为或者情绪状态、生理状态与环境或者虚拟内容数据之间的关系。在一些实施例中，可以针对每只眼睛利用一个相机组件630，以单独监测每只眼睛。
64.图7示出了由波导输出的出射光束的示例。示出了一个波导，但是图6的堆叠波导组件260中的其它波导可以类似地起作用，其中堆叠波导组件260包括多个波导。光640在波导270的输入表面460处被注入到波导270中，并通过tir在波导270内传播。在光640入射在耦出光学元件(例如doe)570上的点处，一部分光作为出射光束650离开波导。出射光束650被示出为基本上平行，但是如本文所讨论的，取决于与波导270相关联的深度平面，出射光束650也可以以一角度(例如，形成发散的出射光束)被重引导以传播到眼睛210。将理解到，基本上平行的出射光束可以指示具有耦出光学元件的波导，所述耦出光学元件将光耦出以形成看起来被设置在距眼睛210较大距离(例如，光学无穷远)处的深度平面上的图像。其它波导或者其它耦出光学元件组可以输出更加发散的出射光束图案，这将需要眼睛210调节到更近距离以将其聚焦在视网膜上并且将被大脑解释为来自比光学无穷远更接近眼睛210的距离的光。
65.在一些实施例中，可以通过在分量颜色(例如，三种或更多种分量颜色)中的每一个中叠加图像来在每个深度平面处形成全色图像。图8示出了堆叠波导组件的示例，其中，每个深度平面包括使用多种不同分量颜色形成的图像。所示的实施例示出了深度平面240a-240f，但也可以预期更多或更少的深度。每个深度平面可以具有与其相关联的三个或更多分量颜色图像，包括：第一颜色g的第一图像；第二颜色r的第二图像；以及第三颜色b的第三图像。在图中通过用于字母g，r和b之后的屈光度(dpt)的不同数字表示不同的深度平面。仅作为示例，这些字母中的每一个后面的数字表示屈光度(1/m)，或该深度平面距用户的距离的倒数，并且图中的每个框表示单独的分量颜色图像。在一些实施例中，为了考虑眼睛对不同波长的光的聚焦的差异，不同分量颜色的深度平面的精确放置可以变化。例如，给定深度平面的不同分量颜色图像可以被放置在与距用户的不同距离相对应的深度平面上。这样的布置可以增加视敏度或用户舒适度，或者可以减少色差。
66.在一些实施例中，每种分量颜色的光可以由单个专用波导输出，因此，每个深度平面可以具有与其相关联的多个波导。在这样的实施例中，图中包括字母g、r或b的每个框可
以被理解为表示单独的波导，并且每个深度平面可以提供三个波导，其中，每个深度平面提供三个分量颜色图像。尽管为了便于描述，在此图中与每个深度平面相关联的波导被示出为彼此邻近，但将理解，在物理设备中，波导可以全部被布置为每层级一个波导的堆叠形式。在一些其他实施例中，多个分量颜色可以由相同的波导输出，以使得例如每个深度平面可以仅提供单个波导。
67.继续参考图8，在一些实施例中，g是绿色，r是红色，并且b是蓝色。在一些其他实施例中，除了红色、绿色或蓝色之外，可以使用与其它波长的光(包括品红色和青色)相关联的其它颜色，或者这些其它颜色可以替代红色、绿色或蓝色中的一种或多种。在一些实施例中，特征320、330、340和350可以是有源或无源滤光器，该有源或无源滤光器被配置为阻挡来自周围环境的光到用户的眼睛或选择性地将来自周围环境的光传输到用户的眼睛。
68.公开通篇对给定颜色的光的提及应当被理解为包括在被用户感知为具有该给定颜色的光的波长范围内的一个或多个波长的光。例如，红光可以包括在约620-780nm范围内的一个或多个波长的光，绿光可以包括在约492-577nm范围内的一个或多个波长的光，并且蓝光可以包括在约435-493nm范围内的一个或多个波长的光。
69.在一些实施例中，图6的光模块530可以被配置为发射用户的视觉感知范围之外的一个或多个波长的光，例如，ir或紫外波长。ir光可以包括具有从700nm到10μm的范围内的波长的光。在一些实施例中，ir光可以包括具有从700nm到1.5μm的范围内的波长的近ir光。另外，显示系统250的波导的耦入、耦出和其他光重引导结构可以被配置为朝向眼睛210将该光引导并且发射到显示器之外，例如，用于成像或用户刺激应用。
70.现在参考图9a，在一些实施例中，入射在波导上的光可能需要重引导以将该光耦入到波导中。耦入光学元件可以用于将光重引导并且耦入到其对应的波导中。图9a示出了各自包括耦入光学元件的堆叠波导集660的示例的剖面侧视图。波导可以各自被配置为输出一个或多个不同波长或者一个或多个不同波长范围的光。将理解到，集660可以对应于图6的堆叠波导组件260，并且集660的所示出的波导可以对应于一个或多个波导270、280、290、300、310的一部分，例外的是，来自图像注入设备360、370、380、390、400中的一个或多个的光从要求光重引导以耦入的位置被注入到波导中。
71.堆叠波导集660包括波导670、680和690。每个波导包括相关联的耦入光学元件(其还可以被称为波导上的光输入区)，其中，例如，耦入光学元件700设置在波导670的主表面(例如，上主表面)上、耦入光学元件710设置在波导680的主表面(例如，上主表面)上，以及耦入光学元件720设置在波导690的主表面(例如，上主表面)上。在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720中的一个或多个可以被设置在相应波导670、680、690的底主表面上(特别地其中，一个或多个耦入光学元件是反射型偏转光学元件)。如所示出的，耦入光学元件700、710、720可以被设置在其相应波导670、680、690的上主表面上(或在下一个下行波导的顶部)，特别地其中，那些耦入光学元件是透射偏转光学元件。在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720可以被设置在相应波导670、680、690的本体中。在一些实施例中，如本文所讨论的，耦入光学元件700、710、720是波长选择的，以使得其选择性地重引导光的一个或多个波长，同时透射光的其他波长。虽然示出在其相应波导670、680、690的一个边或角上，但是将理解到，在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720可以设置在其相应波导670、680、690的其他区域中。
72.如所示出的，耦入光学元件700、710、720可以彼此横向偏移。在一些实施例中，每个耦入光学元件可以偏移，以使得耦入光学元件在光不穿过另一耦入光学元件的情况下接收该光。例如，每个耦入光学元件700、710、720可以被配置为接收来自不同图像注入设备360、370、380、390和400的光，并且可以与其他耦入光学元件700、710、720分离(例如，横向间隔开)，以使得该耦入光学元件基本上不接收来自耦入光学元件700、710、720中的其他耦入光学元件的光。
73.每个波导还包括相关联的光分布元件，其中，例如，光分布元件730设置在波导670的主表面(例如，顶主表面)上、光分布元件740设置在波导680的主表面(例如，顶主表面)上，以及光分布元件750设置在波导690的主表面(例如，顶主表面)上。在一些其他实施例中，光分布元件730、740、750可以分别设置在相关联的波导670、680、690的底主表面上。在一些其他实施例中，光分布元件730、740、750可以分别设置在相关联的波导670、680、690的顶主表面和底主表面上；或者光分布元件730、740、750可以分别设置在不同的相关联的波导670、680、690中的顶主表面和底主表面中的不同的主表面上。
74.波导670、680、690可以通过例如气体、液体或固体材料层隔开并且分离。例如，如所示出的，层760a可以将波导670和680分离；并且层760b可以将波导680和690分离。在一些实施例中，层760a和760b由低折射率材料(即，具有比形成波导670、680、690中的直接相邻的一个波导的材料更低的折射率的材料)形成。优选地，形成层760a、760b的材料的折射率小于形成波导670、680、690的材料的折射率0.05或更多，或者0.10或更少。有利地，较低折射率层760a、760b可以用作包层，该包层有助于通过波导670、680、690的光的tir(例如，每个波导的顶主表面与底主表面之间的tir)。在一些实施例中，层760a、760b由空气形成。虽然未示出，但是将理解到，所示出的波导集660的顶部和底部可以包括直接相邻的包层。
75.优选地，为了便于制造和其他考虑，形成波导670、680、690的材料类似或者相同，并且形成层760a、760b的材料类似或者相同。在一些实施例中，形成波导670、680、690的材料可以在一个或多个波导之间不同，和/或形成层760a、760b的材料可以不同，同时仍然保持上文指出的各种折射率关系。
76.光线770、780、790入射在堆叠波导集660上。将理解到，可以通过一个或多个图像注入设备360、370、380、390、400将光线770、780、790注入到波导670、680、690中(图6)。
77.在一些实施例中，光线770、780、790具有不同的性质，例如，不同的波长或不同的波长范围，该不同的波长或不同的波长范围可以对应于不同的颜色。耦入光学元件700、710、720各自偏转入射光，以使得光通过tir在波导670、680、690中的相应一个波导内传播。
78.例如，耦入光学元件700可以被配置为使光线770偏转，该光线770具有第一波长或波长范围。类似地，透射光线780入射在耦入光学元件710上并且由耦入光学元件710偏转，该耦入光学元件710被配置为使具有第二波长或波长范围的光偏转。同样地，光线790由耦入光学元件720偏转，该耦入光学元件720被配置为选择性地使具有第三波长或波长范围的光偏转。
79.偏转光线770、780、790被偏转，以使得它们传播通过对应的波导670、680、690；即，每个波导的耦入光学元件700、710、720使光偏转到该对应的波导670、680、690以将光耦入到该对应的波导中。光线770、780、790以使得光通过tir通过相应波导670、680、690传播的角度偏转。光线770、780、790通过tir通过相应波导670、680、690传播，直到入射在波导的对
应的光分布元件730、740、750上。
80.现在参考图9b，示出了图9a的堆叠波导的示例的透视图。如上所述，耦入光线770、780、790分别由耦入光学元件700、710、720偏转，并且然后通过tir分别在波导670、680、690内传播。光线770、780、790然后分别入射在光分布元件730、740、750上。光分布元件730、740、750使光线770、780、790偏转，以使得它们分别朝向耦出光学元件800、810和820传播。
81.在一些实施例中，光分布元件730、740、750是正交光瞳扩展器(ope)。在一些实施例中，ope使光偏转或分布到耦出光学元件800、810、820并且随着其传播到耦出光学元件还增加该光束或光斑尺寸。在一些实施例中，例如，在束尺寸已经具有期望尺寸的情况下，光分布元件730、740、750可以省略并且耦入光学元件700、710、720可以被配置为将光直接偏转到耦出光学元件800、810、820。例如，参考图9a，光分布元件730、740、750可以分别用耦出光学元件800、810、820替换。在一些实施例中，耦出光学元件800、810、820是将光朝向眼睛210引导的出射光瞳(ep)或出射光瞳扩展器(epe)，如图7中所示。将理解到，ope可以被配置为在至少一个轴上增加眼盒(eye box)的尺寸，并且epe可以在与ope的轴相交(例如，正交)的轴上增加眼盒。
82.因此，参考图9a和9b，在一些实施例中，波导集660包括用于各个分量颜色的波导670、680、690；耦入光学元件700、710、720；光分布元件(例如，ope)730、740、750；以及耦出光学元件(例如，ep)800、810、820。波导670、680、690可以通过每一个之间的空隙/包层来堆叠。耦入光学元件700、710、720将入射光(其中，不同的耦入光学元件接收不同的波长的光)重引导或者偏转到其波导中。光然后以将导致相应波导670、680、690内的tir的角度传播。在示出的示例中，光线770(例如，蓝光)以先前所描述的方式由第一耦入光学元件700偏转，并且然后继续沿波导向下反弹，与光分布元件(例如，ope)730并且然后耦出光学元件(例如，ep)800相互作用。光线780和790(例如，分别是绿光和红光)将穿过波导670，其中，光线780入射在耦入光学元件710上并且由耦入光学元件710偏转。光线780然后经由tir沿波导680向下反弹，继续到其光分布元件(例如，ope)740并且然后到耦出光学元件(例如，ep)810。最后，光线790(例如，红光)穿过波导690以入射在波导690的光耦入光学元件720中。光耦入光学元件720偏转光线790，以使得光线通过tir传播到光分布元件(例如，ope)750，并且然后通过tir传播到耦出光学元件(例如，ep)820。耦出光学元件820然后最后将光线790耦出到用户，该用户还从其他波导670、680接收耦出光。
83.图9c示出了图9a和9b的堆叠波导的示例的俯视平面图。如所示出的，波导670、680、690连同每个波导的相关联的光分布元件730、740、750和相关联的耦出光学元件800、810、820可以垂直地对准。然而，如本文所讨论的，耦入光学元件700、710、720未垂直地对准；而是，耦入光学元件优选地是非重叠的(例如，如在俯视图中看到的横向隔开)。如本文进一步讨论的，该非重叠空间布置有助于在一对一基础上将来自不同的源的光注入到不同的波导中，从而允许特定光源唯一地耦合到特定波导。在一些实施例中，包括非重叠的空间分离的耦入光学元件的布置可以被称为偏移光瞳系统，并且这些布置内的耦入光学元件可以对应于子光瞳。
84.示例的光投射器系统
85.在一些显示系统(例如，图6的显示系统250)中，分束器(bs)可以用于将来自光源(例如，光模块530)的光引导到光调制器(例如，光调制器540)，该光调制器可以调制光并将
光反射回来通过bs到用户(可能经由一个或多个中间光学部件)。光调制器可以是空间光调制器(slm)(诸如硅上液晶(lcos)面板)，该空间光调制器(slm)利用例如vr、ar和/或mr图像信息编码输入光。在一些实施例中，slm调制输入光并且然后朝向输入光的入射方向将调制光至少部分地反射回来，其可以被称为“前照(front lit)配置”。虽然在本文中参考前照配置描述了实施例，但是其他配置是可能的，诸如slm调制输入光并且然后透射调制光的后照(back lit)配置。
86.图10示出了包括分束器(bs)1050、光源1030和空间光调制器(slm)540的示例光投射器系统1020。光投射器系统1020的实施例可以与本文所描述的hmd和显示系统(例如，图2的显示系统60或者图6的光投射器系统520)一起使用。例如，光投射器系统1020可以用于经由图6的堆叠波导组件260向用户提供图像信息。光源1030可以是图6的光模块530的一部分并且bs 1050可以是bs 550，其中，光投射器系统1020被配置为将光引导到投射光学器件1080(例如，图像注入设备360、370、380、390或400或者波导270、280、290、300或310中的一个或多个)中。
87.如所示出的，光源1030产生朝向bs 1050的输入表面1052传播的输入光束。输入光束由一条或多条输入光线组成，其中一条输入光线被示出为输入光线1035。在一些实施例中，光源1030可以被配置为发射白光或者具有给定颜色的光(例如，由用户感知为给定颜色的波长的范围)。在一些实施例中，光源1030可以可选地发射用户的视觉感知范围之外的一个或多个波长(例如，红外或紫外波长)的光。在一些实施例中，光源1030可以由一个或多个光源组成(例如，如下文结合图13b和13c所描述的)。
88.bs 1050具有输入表面1052、分束表面1055和输出/输入表面1053。输入表面1052、分束表面1055和输出/输入表面1053可以是输入楔形或棱镜1054的表面。在这样的实施例中，输入表面1052和输出/输入表面1053可以彼此邻近并且以90度角结合。同时，分束表面1055可以以45度角布置在输入表面1052与输出/输入表面1053之间。bs 1050还可以包括邻近输入楔形1054的输出楔形或棱镜1051。输出楔形1051可以包括基本上平行于输入楔形1054的输出/输入表面1053的输出表面1058。输出楔形1051还可以包括垂直于输出表面1058的表面1057，并且可以与输入楔形1054共享分束表面1055。在图10中示出的示例中，表面1052、1053、1057和1058具有类似尺寸，形成具有以相对于输入表面1052、输出/输入表面1053和输出表面1058的45度角的分束表面1055的立方体。
89.bs 1050可以由任何光学材料制成，包括光学级玻璃或者塑料。更轻重量的材料对于hmd应用可能有利。在一些实施例中，光的(一个或多个)操作波长下的bs 1050的折射率可以是至少约1.5。
90.分束表面1055可以被配置为选择性地反射或者透射入射在其上的光。分束表面1055可以对于具有第一状态的光是反射的并且对于具有第二状态的光是透射的。例如，bs 1050可以是偏振bs(pbs)，其分束表面1055选择性地反射具有第一偏振状态(例如，s偏振状态)的光并且选择性地透射具有第二偏振状态(例如，p偏振状态)的光。因此，在输入束(由输入光线1035示出)具有第一偏振状态(例如，s偏振状态)的情况下，输入光可以朝向slm 540反射。同时，具有第二偏振状态(例如，p偏振状态)的调制光(由调制光线1075示出)可以透射通过分束表面1055。虽然参考第一偏振状态和第二偏振状态描述了由分束表面1055对光的选择性反射和透射，但是光的其他特性也可以用于实现该选择性，其可以基于入射角、
波长、相位等。分束表面1055可以由光学材料制成或者具有被设计为实现期望的分束特性的光学涂层。
91.在bs 1050是pbs的实施例中，输入光束(由输入光线1035示出)可以具有第一偏振状态(例如，s偏振状态)。可以在光源1030与bs 1050之间提供准直器1010以对输入束进行准直，以用于输入表面1052的均匀照射。准直输入光束(包括输入光线1035)被传输到其进入bs 1050的输入表面1052并且然后由分束表面1055选择性地反射。这导致反射光束(由反射光线1065示出)，该反射光束从分束表面1055传输到输出/输入表面1053，其中，反射光束离开bs 1050并且入射在slm 540上。
92.slm 540或者中间光学部件可以被配置为接收具有第一偏振状态(例如，s偏振状态)的反射光束(包括反射光线1065)并且将其转换成第二偏振状态(例如，p偏振状态)。slm 540还利用或者基于图像信息调制反射光束并且然后朝向bs 1050的输出/输入表面1053将调制光束(由调制光线1075示出)反射回来。取决于其偏振状态(例如，s偏振状态或者p偏振状态)，调制光束然后由分束表面1055透射或者反射。
93.slm 540可以通过例如图6的控制器560控制以在“开启”与“关闭”状态之间切换单独像素，从而利用图像信息编码调制光。在一些实施例中，当slm 540的像素“开启”时，其可以将反射光线1065的偏振状态从第一偏振状态转换为第二偏振状态，以使得对应的调制光线1075通过分束表面1055透射到投射光学器件1080。在“关闭”状态中，反射光线1065的偏振状态未转换，并且对应的调制光线1075朝向光源1030反射回来或者在光投射器系统1020中其他地方设置。因此，bs 1050选择性地将调制光束(由调制光线1075所示出的)透射到投射光学器件1080。投射光学器件1080然后将调制光束中继到用户的眼睛。
94.虽然参考作为第一偏振状态的s偏振状态和作为第二偏振状态的p偏振状态做出以上描述，但是其他配置是可能的。例如，第一偏振状态可以是p偏振状态，并且第二偏振状态可以是s偏振状态。此外，不同slm 540是可能的，并且本文中的实施例可以被配置有分束器和能够选择性地将光反射和透射至这些其他slm 540和从这些其他slm 540反射和透射的光学部件。例如，不是lcos面板，slm 540可以是数字光处理(dlp)面板，该数字光处理(dlp)面板接收处于第一角(例如，第一状态)的光并且调制和反射处于不同角(例如，第二状态)的光，从而利用图像信息编码光。
95.对于一些显示系统(诸如hmd应用)，可能期望的是，提供(1)slm540的完全和均匀照射和(2)垂直于slm 540的方向上的照射。bs 1050可以被选择为具有实现这些特性的光学特性。例如，bs 1050可以接收垂直于输入表面1052的准直光并且在垂直于输出/输入表面1053的方向上反射光。因此，在图10的实施例中，bs 1050是输入表面1052的长度(在本文中也称为bs 1050的高度)与输出/输入表面1053和输出表面1058的长度(在本文中也称为bs 1050的宽度)相同的立方体。分束表面1055以45度角从输入表面1052和输出表面1058的接合点延伸到输出/输入表面1053和表面1057的接合点。该配置允许输入光线1035垂直于输入表面1052入射并且在垂直于输出/输入表面1053的方向上反射。其还允许slm540完全并且均匀照射。不期望地，这些立方维度可能增加光投射器系统1020或者图2的显示系统60中的由bs 1050占用的体积以及其重量。因此，可能期望提供用于在紧凑和轻量显示应用中使用的低轮廓光投射器系统。
96.低轮廓光投射器系统的示例
97.图11a示出了根据一些实施例的用于向用户提供图像信息的示例低轮廓光投射器系统1120。低轮廓光投射器系统1120包括低轮廓bs 1150、光源1030和slm 540。低轮廓光投射器系统1120类似于图10的光投射器系统1020，但是具有一些重要差异。例如，低轮廓光投射器系统1120使用被配置为减小低轮廓光投射器系统1120的总体高度而不消极地影响光学性能(例如，slm 540的照射覆盖、亮度、对比度、分辨率等)的低轮廓bs 1150。本文参考图11a所描述的低轮廓光投射器系统1120的实施例可以与本文所描述的hmd系统(例如，图2的显示系统60或者图6的光投射器系统520)一起使用。例如，光源1030可以是图6的光模块530的一部分并且低轮廓bs 1150可以是bs 550，其中，光投射器系统1120被配置为将光引导到投射光学器件1080(例如，图像注入设备360、370、380、390或400或者波导270、280、290、300或310中的一个或多个)中。
98.如在图11a中所示，光源1030被配置为发射包括输入光线1135的输入束。仅单个输入光线1135在图11a中被示出仅用于说明性目的。图11a的输入光线1135可以基本上类似于图10的输入光线1035。
99.低轮廓bs 1150具有输入表面1152、分束表面1155和输出/输入表面1153a。输入表面1152、分束表面1155和输出/输入表面1153a可以是输入楔形或棱镜1154的表面。在这样的实施例中，输入表面1152和输出/输入表面1153a可以彼此邻近并且以90度角结合。bs 1150还可以包括邻近输入楔形元件1154的输出楔形或棱镜1151。输出楔形1151可以包括基本上平行于输入楔形1154的输出/输入表面1153a的输出表面1158a。输出楔形1151还可以包括垂直于输出表面1158a的表面1157，并且可以与输入楔形1154共享分束表面1155。
100.低轮廓bs 1150可以由任何光学材料制成，包括光学级玻璃或者塑料。更轻重量的材料对于hmd应用可能有利。在一些实施例中，光的(一个或多个)操作波长下的低轮廓bs 1150的折射率可以是至少约1.5。
101.低轮廓bs 1150可以基本上类似于图10的bs 1050，例外的是，分束表面1155相对于输出/输入表面1153a以小于45度的角布置。例如，分束表面1155相对于输出/输入表面1153a的角度可以是40度或更小、35度或更小、或30度或更小。减小分束表面1155相对于输出/输入表面1153a的角度减小输入表面1152(和表面1157)的长度，从而减小光投射器系统1120的总体尺寸。为了维持期望的光学性能(包括以垂直于slm 540的接收表面的方向对slm 540的完全和均匀照射)，低轮廓bs 1150可以具有设置在输入表面1152上、输入表面1152中或邻近输入表面1152设置以操纵输入光束(由输入光线1135表示)的衍射光学元件(下文结合图12a-13d所描述的)。
102.如在图11a中所示，输入光束由准直器1010准直并且正交入射在输入表面1152上。衍射光学元件(例如，图12a-12b中的透射衍射光学元件1256、或者图13a-13d中的反射衍射光学元件1356)操控低轮廓bs 1150的输入表面1152处的输入光束(由输入光线1135表示)的传播角，以使得输入束被转换为以某一角度朝向分束表面1155(可能在低轮廓bs 1150的其他表面处的一个或多个内反射之后)引导的一个或多个衍射束，以使得分束表面1155在基本上平行于输入表面1152并且垂直于输出/输入表面1153a的方向上选择性地反射光(例如，反射光线1165)。反射光线1165然后垂直入射在slm 540上。如上文结合图10所描述的，slm 540利用图像信息调制反射光束(由反射光线1165表示)并且将调制光束(由调制光线1175表示)反射通过低轮廓bs 1150到投射光学器件1080。分束表面1155可以以与如上文相
1250的折射率可以是至少约1.5。
111.低轮廓bs 1250的分束表面1255可以以相对于输出/输入表面1253小于45度、并且更特别地40度或更小、35度或更小、或30度或更小的角度布置，从而减小低轮廓bs 1250沿着y轴的总体尺寸。为了维持期望的光学性能，包在以垂直于slm 540的接收表面的方向对slm 540的完全和均匀照射，低轮廓bs 1250包括在输入表面1252上、输入表面1252中或邻近输入表面1252的透射衍射光学元件1256。透射衍射光学元件1256可以定位在光源(例如，图11的光源1030)与输入表面1252之间。在一些实施例中，透射衍射光学元件1256可以例如通过将衍射特征蚀刻到输入表面1252中或者通过将透射衍射光学元件1256附接到输入表面1252形成。透射衍射光学元件1256操控准直输入光束1230。例如，透射衍射光学元件1256可以被配置为在垂直于输入表面1252的方向上接收准直输入光束1230。透射衍射光学元件1256然后可以将准直输入光束1230转换为一个或多个衍射光束，该一个或多个衍射光束以一个或多个对应的衍射角衍射，以使得衍射光束朝向分束表面1255引导(可能在从低轮廓bs 1250的其他表面的一个或多个中间反射之后)并且以法向角朝向输出/输入表面1253反射作为反射束1265。反射束1265然后入射在slm 540上，该slm540利用图像信息调制光并且然后将调制束1275反射到输出/输入表面1253中、通过分束表面1255、并且从输出表面1258出射。
112.在各种实施例中，透射衍射光学元件1256包括形成衍射光栅的一个或多个衍射特征。通常，衍射光栅具有周期性结构，其将入射光束分裂并衍射成在不同方向上行进的若干束。这些衍射束中的每一个对应于特定衍射级。衍射束的方向取决于衍射光栅的各种特性，包括周期性结构的周期和光的波长。透射衍射光学元件1256可以根据已知方程和技术设计以将入射光衍射为具有一个或多个期望的对应衍射角的一个或多个期望衍射级。
113.如图12a中所示，准直输入光束1230可以入射在bs 1250的输入表面1252上。准直输入光束1230可以由光源(例如，图11的光源1030)发射并且由准直器(例如，图11的准直器1010)准直。准直输入光束1230由可以跨低轮廓bs 1250的整个输入表面1252完全并均匀入射的一个或多个输入光线组成。例如，准直输入光束1230可以包括中心输入光线1235、下输入光线1233和上输入光线1237。出于说明性目的，在图12a中仅示出了三个输入光线1233、1235和1237。
114.在一些实施例中，低轮廓bs 1250可以具有偏振分束表面1255(如上文结合图10所描述的)。分束表面1255可以以相对于z轴的角θ
bs
布置。具有第一偏振状态(例如，s偏振状态)的准直输入光束1230垂直于透射衍射光学元件1256入射并且被衍射为一个或多个衍射束。在图12a中通过以从法线向上的角θd衍射的第一衍射光线1242和以从法线向下的角θd衍射的第二衍射光线1244示出两个衍射束，每个衍射束具有第一偏振状态。角θd可以基于透射衍射光学元件1256的空间频率或周期。第一和第二衍射光线1242、1244可以分别是正一级和负一级衍射光线。在其他实施例中，利用较高衍射级(例如，第二级、第三级等)是可能的。在一些实施例中，将透射衍射光学元件1256设计为将准直输入光束1230的至少80％、或至少90％、或至少95％衍射为第一和第二衍射级可能是有利的。
115.第一衍射光线1242以衍射角θd行进到分束表面1255，并且然后，基于分束表面1255相对于z轴的角度，以垂直于z轴(并且还垂直于输出/输入表面1253和slm 540)的角度朝向slm 540反射作为反射的第一衍射光线1262。第二衍射光线1244以衍射角θd朝向输出/
输入表面1253行进，该衍射角θd被配置为导致第二衍射光线1244在输出/输入表面1253处朝向分束表面1255的全内反射(tir)。分束表面1255然后以垂直于z轴(并且还垂直于输出/输入表面1253和slm 540)的角度反射第二衍射光线1244作为反射的第二衍射光线1264。如上文所描述的，slm 540然后可以将反射的第一和第二衍射光线1262、1264的第一偏振状态(例如，s偏振状态)转换为第二偏振状态(例如，p偏振状态)并且还利用图像数据调制光。
116.在所示出的实施例中，反射的第一衍射光束(由第一衍射光线1262示出)入射在slm 540的左侧，提供左侧照射，并且反射的第二衍射光束(由第二衍射光线1264示出)入射在slm 540的右侧，提供右侧照射。在一些实施例中，每个衍射光线1242、1244可以具有传输到低轮廓bs 1250中的中心输入光线1235的能量的约一半。因此，进入bs 1250的光的约一半被传输到slm 540的左侧，并且进入bs 1250的光的一半被传输到slm540的右侧。
117.虽然前述描述主要涉及中心输入光线1235的行为，但是包括在准直输入光线1230中的所有光线类似地衍射和反射。例如，较低输入光线1233被衍射为衍射光线1243(以衍射角θd)并且被反射为光线1263。因此，低轮廓bs 1250有助于在垂直于slm 540的表面的方向上对slm 540的完全、连续和均匀照射。
118.在一些实施例中，低轮廓bs 1250中的角θ
bs
可以小于45度(例如，40度或更小、35度或更小、或30度或更小)，并且角θd可以大于0度(例如，15度或更大、20度或更大、25度或更大、或30度或更大)。在一些实施例中，低轮廓bs 1250中的角θ
bs
和角θd可以相同或者近似相同。例如，这两个角可以是约30度(例如，在30度的15％内)。角θ
bs
和θd是30度的一个非限制性优点在于，沿着y轴的低轮廓bs 1250的高度可以相对于图10的bs 1050减小约58％。角θ
bs
可以基于输入表面1252的期望长度(例如，低轮廓bs 1250的期望高度)选择并且引起第二衍射光线1244的tir。随着分束表面1255的角θ
bs
减小，衍射角θd增加(并且反之亦然)。对于零度的衍射角，如结合图10所描述的，分束表面1255将以相对于z轴的45度布置。然而，太大的衍射角可能导致第二衍射光线1244不能在低轮廓bs 1250内tir。这可能导致slm 540的照射的不需要的间隙或者重叠。
119.图12b示出了使用低轮廓bs 1250对slm 540的完全、均匀和连续照射的示例。除了附加输入光线1234和1236被示出为准直输入光束1230的一部分之外，图12b基本上类似于图12a。输入光线1233-1237中的每一条输入光线由透射衍射光学元件1256衍射为一个或多个衍射光线(未标记以便于说明)。这些衍射光线由分束表面1255反射(对于衍射光线中的一些，这在输出/输入表面1253处的tir之后发生)，并且以垂直于slm540的接收表面的方向被引导到slm 540，如上文结合图12a所描述的。如上文所描述的，第一衍射光线(示出为实线)各自以衍射角θd朝向分束表面1255向上衍射。这些光线然后作为第一组反射光线1261被反射到slm 540的左侧，以提供左侧连续照射。类似地，第二衍射光线(示出为虚线)各自以衍射角-θd朝向输出/输入表面1253向下衍射。这些光线在输出/输入表面1253处经历tir，朝向分束表面1255向上反射，在分束表面1255处，它们各自作为第二组反射光线1268向下反射到slm 540的右侧，以提供右侧连续照射。因此，低轮廓bs 1250能够在垂直于slm 540的方向上提供完全、连续和均匀照射。
120.虽然图12a和12b示出了具有透射衍射光学元件1256的示例低轮廓bs 1250，但是其他配置是可能的。例如，反射衍射光学元件可以代替透射衍射光学元件1256使用，如在图13a-13d中所示出的。
121.图13a示出了包括反射衍射光学元件1356的示例低轮廓bs 1350。以类似于关于图12a和12b所描述的类似的方式，反射衍射光学元件1356被配置为将输入光束(由输入光线1335表示)转换为一个或多个衍射光束，该一个或多个衍射光束从低轮廓bs 1350的各种表面反射，以使得对应的(一个或多个)反射光束(例如，反射光束1365)垂直于输出/输入表面1353行进。反射衍射光学元件1356还可以被设计为执行附加功能，诸如一个或多个发散输入光束的准直。反射衍射光学元件1356还可以被设计为对来自多个光源的成角度和/或横向位移的输入光束进行复用。在一些实施例中，反射衍射光学元件1356是全息图，诸如全息光学元件(hoe)。图13a-13d仅出于说明性目的示出示例坐标系，其中，垂直y轴正交于水平z轴，其两者正交于伸入和伸出页面的水平x轴(未示出)。
122.低轮廓bs 1350具有反射衍射光学元件1356所位于的表面1352。低轮廓bs 1350还包括输入表面1357、分束表面1355和输出/输入表面1353。分束表面1355、输出/输入表面1353和表面1352可以是输入楔形或者棱镜1354的表面。在这样的实施例中，表面1352和输出/输入表面1353可以彼此邻近并且以90度角结合。分束表面1355可以以相对于z轴的角θ
bs
布置，其中，分束表面1355的角θ
bs
可以类似于图12a和12b中的分束表面1255的角θ
bs
。bs 1350还可以包括邻近输入楔形1354的输出楔形或棱镜1351。输出楔形1351可以包括基本上平行于输出/输入表面1353的输出表面1358。输出楔形1351还包括垂直于输出表面1358的输入表面1357，并且可以与输入楔形1354共享分束表面1355。
123.低轮廓bs 1350可以由任何光学材料制成，包括光学级玻璃或者塑料。更轻重量的材料对于hmd应用可能有利。在一些实施例中，光的(一个或多个)操作波长下的低轮廓bs 1350的折射率可以是至少约1.5。
124.反射衍射光学元件1356可以在表面1352上、表面1352中或邻近表面1352设置。反射衍射光学元件1356可以例如通过将衍射特征蚀刻到表面1352中或者通过将反射衍射光学元件1356附接到表面1352形成。
125.光源(例如，光源1030)可以发射具有第一偏振状态(例如，s偏振状态)的输入光束。输入光束可以在输入楔形1354的角部进入bs 1350，在该角部，分束表面1355和输出/输入表面1353相交。输入光束(由输入光线1335表示)通过输入楔形1354朝向反射衍射光学元件1356行进。随着输入光束行进穿过输入楔形1354，输入光束可以发散，如由代表非平面波前的输入光线1335上的叠置曲线所指示的。反射衍射光学元件1356可以被配置为以一种或多种方式操控输入光束。例如，反射衍射光学元件1356可以被配置为接收发散的输入光束(由输入光线1335表示)并且将其转换为一个或多个准直和衍射束。
126.第一准直和衍射束由第一准直和衍射光线1342表示，而第二准直和衍射束由第二准直和衍射光线1344表示。示出在第一和第二准直和衍射光线1342、1344上叠置的直线，其表示准直束的平面波前。第一和第二准直和衍射光线1342、1344可以以类似于图12a的衍射光线1242、1244的方式以一个或多个角θd衍射。例如，第一准直和衍射光线1342可以以相对于z轴的角θd向上衍射，而第二衍射光线1344可以以相对于z轴的角θd向下衍射。在一些实施例中，第一和第二准直和衍射束可以对应于正一级和负一级，但是在其他实施例中使用较高衍射级是可能的。在一些实施例中，将反射衍射光学元件1356设计为将输入光束的至少80％、或至少90％、或至少95％衍射为第一和第二衍射级可能是有利的。
127.在一些实施例中，低轮廓bs 1350可以具有偏振分束表面1355(如上文结合图10所
描述的)。分束表面1355可以以相对于z轴的角θ
bs
布置。第一准直和衍射光线1342以衍射角θd行进到分束表面1355，并且然后，基于分束表面1355相对于z轴的角度，以垂直于z轴(并且还垂直于输出/输入表面1353和空间光调制器540)的角度朝向slm 540反射作为反射的第一衍射光线1362。第二准直和衍射光线1344以衍射角θd朝向输出/输入表面1353行进，该衍射角θd被配置为导致第二准直和衍射光线1344在输出/输入表面1353处朝向分束表面1355的tir。分束表面1355然后基于分束表面1355相对于z轴的角度朝向slm 540反射第二准直和衍射光线1344作为反射的第二衍射光线1364。反射光束1365(其包括反射的第一衍射光线1362和反射的第二衍射光线1364)然后入射在slm 540上。如上文所描述的，slm 540然后可以将反射光束1365的第一偏振状态(例如s偏振状态)转换为第二偏振状态(例如，p偏振状态)并且还利用图像数据调制光。slm 540然后可以将调制束1375反射回到输出/输入表面1353中、通过分束表面1355、并且从输出表面1358出射。
128.在所示出的实施例中，反射的第一衍射光束(由反射的第一衍射光线1362示出)入射在slm 540的左侧，以提供左侧照射。反射的第二衍射光束(由反射的第二衍射光线1364示出)入射在slm 540的右侧，以提供右侧照射。在一些实施例中，每个准直和衍射光束(由准直和衍射光线1342、1344表示)可以具有传输到低轮廓bs 1350中的输入束的能量的约一半。因此，进入bs 1350的光的约一半被传输到slm 540的左侧并且进入bs 1350的光的一半被传输到slm 540的右侧。
129.虽然前述描述主要涉及单个输入光线1335的行为，但是包括在发散输入束中的所有光线被类似地准直、衍射和反射。因此，低轮廓bs 1350有助于在垂直于slm 540的表面的方向上对slm 540的完全、连续和均匀照射。
130.类似于图12a的低轮廓bs 1250，低轮廓bs 1350中的角θ
bs
可以小于45度(例如，40度或更小、35度或更小、或30度或更小)，并且角θd可以大于0度(例如，15度或更大、20度或更大、25度或更大、或30度或更)。在一些实施例中，低轮廓bs 1350中的角θ
bs
和角θd可以相同或者近似相同。例如，这两个角可以是约30度(例如，在30度的15％内)。此外，角θ
bs
和θd是30度的一个非限制性优点在于，沿着y轴的低轮廓bs 1350的高度可以相对于图10的bs 1050减小约58％。角θ
bs
可以基于低轮廓bs 1350的期望高度选择并且引起第二衍射光线1344的tir。随着分束表面1355的角θ
bs
减小，衍射角θd增加(并且反之亦然)。对于零度的衍射角，如结合图10所描述的，分束表面1355将以相对于z轴的45度布置。然而，太大的衍射角可能导致第二衍射光线1344不能在低轮廓bs 1350内tir。这可能导致slm 540的照射的不需要的间隙或者重叠。
131.如刚刚讨论的，反射衍射光学元件1356可以用作至少两个功能：(1)准直来自光源(例如，光源1030)的发散输入光；和(2)以一个或多个角衍射和反射准直光，以使得衍射束最终在垂直于输出/输入表面1353的方向上朝向slm 540反射。图13a中所示出的实施例的非限制性优点在于，可以省略分离的准直器(例如，准直器1010)并且光源(例如，光源1030)可以更接近于低轮廓bs 1350定位，从而提供更紧凑的低轮廓光投射器系统。在多个输入束从不同位置发射到bs 1350中的实施例中，反射衍射光学元件1356可以用作又一功能。
132.光投射器系统1120可以包括用于发射具有不同波长的光(例如，图9a-9c的光线770、780和790)的多个光源。因此，反射衍射光学元件1356可以被配置为接收来自位于不同位置的一个或多个光源的不同波长的一个或多个成角度和/或横向分离的输入束并且将那
些输入束转换为具有减小的角分离量和/或横向分离量的对应的准直和衍射束。为了实现该功能，反射衍射光学元件1356可以被配置为部分地基于不同光源发射的光的(一个或多个)不同波长或者它们的入射角单独操控来自不同光源的光。光源可以彼此横向分离和/或可以以不同角度发射光束。反射衍射光学元件1356可以被配置为将从光源接收到的光引导到一个或多个公共复用光束中。
133.图13b和13c分别示出了根据一些实施例的低轮廓bs 1350的侧视图和俯视图。图13b和13c示出了将来自多个光源1330a-c的光复用到一个或多个公共束中。在输入楔形1354的角部提供三个光源1330a-c。这三个光源1330a-c沿着x轴彼此横向偏移。虽然在图13b和13c示出了三个光源1330a-c，但是根据给定应用所期望的，可以提供任何数目的光源(例如，1、2、4、5等)。
134.图13b示出了如上文结合图13a所描述的低轮廓bs 1350的侧视图。利用在产生三个对应的输入光束(由输入光线1335a-c示出)的输入楔形1354的角部的光源1330a-c照射低轮廓bs 1350。在一些实施例中，光源1330a-c(例如，led或者光纤递送激光器等)可以光学和/或物理地耦合到输入楔形1354。类似于图13a，反射衍射光学元件1356接收输入光束(由输入光线1335a-c示出)，并且将输入光束转换为对应的第一准直、复用和衍射光束(由第一准直、复用和衍射光线1342a-c示出)。反射衍射光学元件1356还将输入光束(由输入光线1335a-c示出)转换为第二准直、复用和衍射光束(由第二准直、复用和衍射光线1344a-c示出)。如本文所描述的，第一和第二准直、复用和衍射光线1342a-c、1344a-c以基本上类似于图13a的第一和第二准直和衍射光线1342、1344的方式以衍射角θd反射。第一和第二准直、复用和衍射光线1342a-c、1344a-c朝向分束表面1355引导(在一些情况下，在已经首先从输出/输入表面1353反射之后)并且然后反射到slm 540作为反射复用束1369。反射复用束1369可以由在垂直于slm 540的方向上入射在slm 540上的反射的第一和第二复用衍射光线1362a-c、1364a-c组成。
135.如在图13c中所示，反射衍射光学元件1356可以被配置为接收成角度和/或横向分离的发散输入束(由输入光线1335a-c表示)。这些输入束可以起源于可以沿着x轴横向分离的光源1330a-c。光源1330a-c通常可以朝向反射衍射光学元件1356位于的表面1352引导。在一些实施例中，每个光源1330a-c可以以相对于z轴的不同角度定位以便从不同横向位置完全照射表面1352的表面区域。例如，光源1330a可以沿着z轴垂直于表面1352引导，而光源1330b可以相对于z轴稍微向下成角度并且光源1330c可以相对于z轴稍微向上成角度以便利用来自每个光源1330a-c的光填充表面1352。因此，三个输入束(由输入光线1335a-c表示)可以具有某种程度的角分离。
136.在一些实施例中，光源1330a-c可以被配置为分别发射具有不同颜色或者不同波长范围(其在图13b和13c中利用不同线型表示)的输入光束(由输入光线1335a-c表示)。因此，出于说明性目的，光源1330a可以发射绿光(由虚线表示)，光源1330b可以发射红光(由实线表示)，并且光源1330c可以发射蓝光(由点划线表示)。其他颜色和配置是可能的，例如，光源1330a-c可以发射品红、青绿或绿光或者可以发射ir或近ir光。
137.如在图13c中所示，反射衍射光学元件1356可以被配置为将输入光束(由输入光线1335a-c表示)转换为对应的准直、复用和衍射光束(由准直、复用和衍射光线1342a-c、1344a-c表示)。上文结合图13b描述了将输入光线1335a-c转换为准直和衍射光线1342a-c、
1344a-c。另外，反射衍射光学元件1356将输入光线1335a-c复用为一个或多个复用光束，以使得第一准直、复用和衍射光线1342a-c在减小的角分离或横向分离量或根本没有角分离或横向分离的情况下传播。对于第二准直、复用和衍射光线1344a-c同样如此。在一些实施例中，第一准直、复用和衍射光线1342a-c可以复用以沿着基本上公共光路传播。对于第二准直、复用和衍射光线1344a-c同样如此。
138.反射衍射光学元件1356被配置为复用来自光源1330a-c的输入束的非限制性优点在于，多个颜色的光可以利用图像信息编码并且呈现给用户，以提供全色图像(例如，作为光线770、780和790)。
139.在一些实施例(例如，相对于图13b和13c所描述的实施例)中，提供可以分开和单独地操控来自每个光源1330a-c的光的反射衍射光学元件1356可以是期望的。为了实现该功能，反射衍射光学元件1356可以被配置为取决于光的波长或光的入射角而与光不同地相互作用。例如，反射衍射光学元件1356可以接收由处于第一角度的具有第一波长的输入光线1335a表示的输入光束并且将其转换为由处于第一衍射角θ
d1
的准直衍射光线1342a、1344a表示的准直衍射光束。反射衍射光学元件1356可以接收由处于第二角度的具有第二波长的输入光线1335b表示的输入光束并且将其转换为由处于第二衍射角θ
d2
的准直衍射光线1342b、1344b表示的准直衍射光束。反射衍射光学元件1356可以接收由处于第三角度的具有第三波长的输入光线1335c表示的输入光束并且将其转换为由处于第三衍射角θ
d3
的准直衍射光线1342c、1344c表示的准直衍射光束。第一、第二和第三衍射角θ
d1
、θ
d2
和θ
d3
可以各自分别不同或者一个或多个可以相同。第一、第二和第三衍射角θ
d1
、θ
d2
和θ
d3
可以分别选择以复用准直衍射光线1342a-c、1344a-c。
140.反射衍射光学元件1356可以例如是表面或者体全息图，诸如被设计为如上文所描述操作的全息光学元件(hoe)。在一些实施例中，hoe可以包括各自具有在其中形成的干涉图案以对所选择的波长或波长范围和/或所选择的入射角范围操作的一个或多个层。例如，hoe的第一层可以被配置为对输入光线1335a(例如，在该示例中为绿光)操作并且可以包括使用对应于输入光线1335a的波长的光的波长记录的干涉图案。其他层可以包括被配置为基于其波长和/或其入射角对其它光线操作的干涉图案。这些干涉图案也可以使用对应的输入光线(例如，1335b或1335c)记录。
141.在一些实施例中，反射衍射光学元件1356的层可以具有沿着z轴的不同深度。例如，第一层可以具有使被选择为使输入光线1335a和1335b(例如，在该示例中，分为地绿和红光)未受影响地穿过的深度，同时转换输入光线1335c(例如，在该示例中为蓝光)，如上文所描述的。例如，光的较长波长可以穿过给定层，而较短波长可以由于选择用于该层的适当的深度而与相同层相互作用(例如，蓝光可以与绿光可以穿过的层相互作用，绿光可以与红光可以穿过的层相互作用)。
142.因此，在一些实施例中，反射衍射光学元件1356可以用作三个功能：(1)对针对光源1330a-c的输入光进行准直；(2)以某些角度衍射和反射光，以使得衍射光线在垂直于输出/输入表面1353的方向上朝向slm540反射；以及(3)复用来自光源1330a-c的成角度和/或横向分离的光束。
143.图13d示出了根据一些实施例的使用低轮廓bs 1350对slm 540的完全、均匀和连续照射的示例。除了附加输入光线1333和1337被示出为输入束的一部分之外，图13d基本上
类似于图13a。每个输入光线1333、1335、1337由反射衍射光学元件1356衍射为衍射光线1342(实线)和1344(虚线)。(为了便于说明，并未标记全部衍射光线1342和1344。)这些衍射光线由分束表面1355反射(对于衍射光线中的一些，这在输出/输入表面1353处的tir之后发生)，并且在垂直于slm 540的接收表面的方向上引导到slm 540，如上文结合图13a所描述的。第一衍射光线(示出为实线)各自以衍射角θd朝向分束表面1355向上衍射。这些光线然后作为第一组反射光线1361反射到slm 540的左侧，以提供左侧连续照射。类似地，第二衍射光线(示出为虚线)各自以衍射角-θd朝向输出/输入表面1353向下衍射。这些光线在输出/输入表面1353处经历tir，朝向分束表面1355向上反射，在分束表面1335处，它们各自作为第二组反射光线1368向下反射到slm 540的右侧，以提供右侧连续照射。(第一和第二组反射光线1361和1368可以被称为反射光线1365。)因此，低轮廓bs 1350能够提供在垂直于光调制器540的方向上的完全、连续和均匀照射。
144.示例实施例
145.在一些实施例中，一种光学设备，包括：第一表面，其包括透射衍射光学元件；第二表面，其垂直于第一表面；以及第三表面，其以与第二表面成某一角度布置，第三表面对于具有第一状态的光是反射的并且对于具有第二状态的光是透射的，其中，透射衍射光学元件被配置为接收垂直入射在第一表面上的准直输入束，准直输入束包括具有第一状态的光；并且被配置为将准直输入束转换为处于第一衍射角的至少第一衍射束，以使得第一衍射束朝向第三表面引导并且由第三表面在基本上平行于第一表面的方向上反射。
146.在这些实施例中，第一衍射束可以在第二表面处离开光学设备，光学设备还可以包括邻近第二表面以接收第一衍射束的空间光调制器，空间光调制器被配置为将第一衍射束转换为第一调制束，第一调制束包括具有第二状态的光；并且被配置为将第一调制束朝向第二表面引导回来。
147.在这些实施例中，空间光调制器可以是硅上液晶(lcos)空间光调制器或者数字光处理(dlp)空间光调制器。
148.在这些实施例中，光学设备还可以包括与第二表面相对的第四表面，其中，第四表面被配置为在第一调制束穿过第二表面之后接收并且透射第一调制束，并且其中，第四表面是弯曲的。
149.在这些实施例中，透射衍射光学元件还可以被配置为将准直输入束转换为处于第二衍射角的第二衍射束，以使得第二衍射束朝向第二表面引导、经由全内反射由第二表面朝向第三表面反射，并且由第三表面在基本上平行于第一表面的方向上反射。
150.在这些实施例中，反射的第一衍射束和反射的第二衍射束可以由空间光调制器接收，其中，反射的第一衍射束和反射的第二衍射束组合以照射整个空间光调制器。
151.在这些实施例中，第一、第二和第三表面可以是平面的。
152.在这些实施例中，第二表面可以是弯曲表面。
153.在这些实施例中，第一、第二和第三表面可以形成楔形。
154.在这些实施例中，楔形可以包括至少约1.5的折射率。
155.在这些实施例中，第三表面可以包括偏振分束表面。
156.在这些实施例中，第三表面相对于第二表面的角可以小于45度。
157.在这些实施例中，第三表面相对于第二表面的角可以是约30度。
158.在这些实施例中，第一衍射角可以大于0度。
159.在这些实施例中，第一衍射角可以是约30度。
160.在这些实施例中，透射衍射光学元件可以包括多个衍射特征。
161.在这些实施例中，第一衍射角可以基于多个衍射特征的周期。
162.在一些实施例中，一种光学设备，包括：第一表面，其包括反射衍射光学元件；第二表面，其垂直于第一表面；以及第三表面，其以与第二表面成某一角度布置，第三表面对于具有第一状态的光是反射的并且对于具有第二状态的光是透射的；其中，反射衍射光学元件被配置为接收发散输入束，发散输入束包括具有第一状态的光；并且被配置为将发散输入束转换为处于第一衍射角的至少第一准直和衍射束，以使得第一准直和衍射束朝向第三表面引导并且由第三表面在基本上平行于第一表面的方向上反射。
163.在这些实施例中，第一准直和衍射束可以在第二表面处离开光学设备，并且光学设备还可以包括邻近第二表面以接收第一准直和衍射束的空间光调制器，空间光调制器被配置为将第一准直和衍射束转换为第一调制束，第一调制束包括具有第二状态的光；并且被配置为将第一调制束朝向第二表面引导回来。
164.在这些实施例中，空间光调制器可以是硅上液晶(lcos)空间光调制器或者数字光处理(dlp)空间光调制器。
165.在这些实施例中，光学设备还可以包括与第二表面相对的第四表面，其中，第四表面被配置为在第一调制束穿过第二表面之后接收并且透射第一调制束，并且其中，第四表面是弯曲的。
166.在这些实施例中，反射衍射光学元件还可以被配置为将发散输入束转换为处于第二衍射角的第二准直和衍射束，以使得第二准直和衍射束朝向第二表面引导、经由全内反射由第二表面朝向第三表面反射、并且由第三表面在基本上平行于第一表面的方向上反射。
167.在这些实施例中，反射的第一准直和衍射束和反射的第二准直和衍射束可以由空间光调制器接收，其中，反射的第一准直和衍射束和反射的第二准直和衍射束组合以照射整个空间光调制器。
168.在这些实施例中，反射衍射光学元件可以被配置为接收多个成角度或横向分离的发散输入束并且将其转换为具有减小的角分离量或横向分离量的准直和衍射束。
169.在这些实施例中，光学设备还可以包括多个横向分离光源以输出多个成角度或横向分离的发散输入束。
170.在这些实施例中，反射衍射光学元件可以被配置为接收处于第一角的多个成角度或横向分离的发散输入束中的第一输入束并且将第一输入束转换为沿着光路朝向第三表面引导的对应的第一准直和衍射束，并且接收处于第二角的多个成角度或横向分离的发散输入束中的第二输入束并且将第二输入束转换为沿着光路朝向第三表面引导的第二准直和衍射束。
171.在这些实施例中，第一、第二和第三表面可以是平面的。
172.在这些实施例中，第二表面可以是弯曲表面。
173.在这些实施例中，第一、第二和第三表面可以形成楔形。
174.在这些实施例中，楔形可以包括至少约1.5的折射率。
175.在这些实施例中，第三表面可以包括偏振分束表面。
176.在这些实施例中，第三表面相对于第二表面的角可以小于45度。
177.在这些实施例中，第三表面相对于第二表面的角可以是约30度。
178.在这些实施例中，第一衍射角可以大于0度。
179.在这些实施例中，第一衍射角可以是约30度。
180.在这些实施例中，第一衍射角可以基于反射衍射光学元件的衍射特征的周期。
181.在这些实施例中，反射衍射光学元件可以包括全息图。
182.在一些实施例中，一种被配置为穿戴在用户的头部上的头戴式显示器(hmd)，包括：框架；投射光学器件，其由框架支撑并且被配置为将图像投射到用户的眼睛；以及光投射器系统，其与投射光学器件光学通信，光投射器系统被配置为提供编码有图像的调制光，光投射器系统包括：光源、光学设备、以及空间光调制器，其中，所述光源发射输入束；所述光学设备包括：具有衍射光学元件的第一表面，垂直于第一表面的第二表面，以及以与第二表面成某一角度布置的第三表面，第三表面对于具有第一状态的光是反射的并且对于具有第二状态的光是透射的，其中，衍射光学元件被配置为接收输入束，输入束包括具有第一状态的光；并且被配置将输入束转换为处于第一衍射角的至少第一衍射束，以使得第一衍射束朝向第三表面引导并且由第三表面在基本上平行于第一表面的方向上反射；以及所述空间光调制器被配置为使用由光学设备递送到空间光调制器的输入束产生调制光。
183.在这些实施例中，衍射光学元件可以包括透射衍射光学元件。
184.在这些实施例中，衍射光学元件可以包括反射衍射光学元件。
185.在这些实施例中，衍射光学元件可以包括衍射光栅。
186.在这些实施例中，衍射光学元件可以包括全息图。
187.在这些实施例中，hmd还可以包括被设置在光学设备与光源之间的准直器。
188.在这些实施例中，投射光学器件可以包括：耦入光学元件；以及耦出光学元件，其中，耦入光学元件被配置为接收并且耦入调制光，并且其中，耦出光学元件被配置为朝向用户的眼睛耦出耦入光。
189.在这些实施例中，投射光学器件可以包括波导的堆叠。
190.在这些实施例中，每个波导可以被配置为耦出具有与波导的堆叠中的一个或多个其他波导相比较的不同发散量的光。
191.在一些实施例中，一种光学设备，包括：第一表面，其包括衍射光学元件；第二表面，其垂直于第一表面；以及第三表面，其以与第二表面成某一角度布置，第三表面对于具有第一状态的光是反射的并且对于具有第二状态的光是透射的，其中，衍射光学元件被配置为接收输入束，输入束包括具有第一状态的光；并且被配置为将输入束转换为处于第一衍射角的至少第一衍射束，以使得第一衍射束朝向第三表面引导并且由第三表面在基本上平行于第一表面的方向上反射。
192.在这些实施例中，衍射光学元件可以包括透射衍射光学元件。
193.在这些实施例中，衍射光学元件可以包括反射衍射光学元件。
194.在这些实施例中，衍射光学元件可以包括衍射光栅。
195.在这些实施例中，衍射光学元件可以包括全息图。
196.在这些实施例中，输入束可以由与光学设备分离的准直器准直。
197.在这些实施例中，衍射光学元件可以被配置为将输入束转换为第一准直和衍射束。
198.在这些实施例中，第一状态和第二状态可以分别是第一偏振状态和第二偏振状态。
199.在一些实施例中，一种将图像信息传送给用户的方法，包括：提供光学设备，该光学设备包括：第一表面，垂直于第一表面的第二表面，以及以与第二表面成某一角度布置的第三表面，第三表面对于具有第一状态的光是反射的并且对于具有第二状态的光是透射的；产生入射在第一表面上的输入束，输入束垂直于第一表面行进并且具有第一状态；在第一表面上提供透射衍射光学元件以将输入束转换为处于第一衍射角的至少第一衍射束，以使得第一衍射束朝向第三表面引导并且由第三表面在基本上平行于第一表面的方向上反射；使用空间光调制器至少调制具有图像信息的反射的第一衍射束，空间光调制器被配置为接收垂直于空间光调制器的反射的第一衍射束并且产生具有第二状态的调制光束；使用一个或多个投射光学部件接收调制光束；以及使用一个或多个投射光学部件将图像信息投射到用户。
200.在这些实施例中，该方法还可以包括利用邻近光学设备设置的准直器对输入束进行准直。
201.在这些实施例中，第三表面相对于第二表面的角可以小于45度。
202.在这些实施例中，第三表面相对于第二表面的角可以是约30度。
203.在这些实施例中，第一衍射角可以大于0度。
204.在这些实施例中，第一衍射角可以是约30度。
205.在一些实施例中，一种将图像信息传送给用户的方法，包括：提供光学设备，该光学设备包括：第一表面，垂直于第一表面的第二表面；以及以相对于第二表面成某一角度布置的第三表面，第三表面对于具有第一状态的光是反射的并且对于具有第二状态的光是透射的；产生入射到第一表面上的发散输入光束，发散输入光束具有第一状态；在第一表面上提供反射衍射光学元件以将发散输入束转换为处于第一衍射角的至少第一准直和衍射束，以使得第一准直和衍射束朝向第三表面引导并且由第三表面在基本上平行于第一表面的方向上反射；使用空间光调制器至少调制具有图像信息的反射的第一衍射束，空间光调制器被配置为接收垂直于空间光调制器的反射的第一衍射束并且产生具有第二状态的调制光束；使用一个或多个投射光学部件接收调制光束；以及使用一个或多个投射光学部件将图像信息投射到用户。
206.在这些实施例中，方法还可以包括使用反射衍射光学元件将发散输入束转换为处于第二衍射角的第二准直和衍射束，以使得第二准直和衍射束朝向第二表面引导、经由全内反射由第二表面朝向第三表面反射、并且由第三表面在基本上平行于第一表面的方向上反射。
207.在这些实施例中，方法还可以包括产生多个成角度或横向分离的发散输入束以及使用反射衍射光学元件将其转换为具有减小的角分离量或横向分离量的准直和衍射束。
208.在这些实施例中，第三表面相对于第二表面的角可以小于45度。
209.在这些实施例中，第三表面相对于第二表面的角可以是约30度。
210.在这些实施例中，第一衍射角可以大于0度。
211.在这些实施例中，第一衍射角可以是约30度。
212.附加考虑
213.在上文所描述的实施例中，在眼睛成像显示系统并且更特别地增强现实显示系统的上下文中已经描述了光学布置。然而，将理解到，光学布置的原理和优点可以用于其他头戴式显示器、光学系统、装置或者方法。在前文中，应当理解，任一实施例的任何特征可以与任何其它实施例的任何其它特征组合和/或被任何其它实施例的任何其它特征替代。
214.除非上下文另外明确要求，否则在整个说明书和权利要求书中，词语“包括(comprise)”、“包括(comprising)”、“包含(include)”、“包含(including)”、“具有(have)”和“具有(having)”等应以包含性的含义，而不是排他性或独占的含义来解释，也就是说，以“包括但不限于”的含义解释。如本文通常使用的，词语“耦接”是指两个或更多个元件可以直接连接或通过一个或多个中间元件连接。同样地，如本文通常使用的，词语“连接”是指两个或更多个元件可以直接连接或通过一个或多个中间元件连接。取决于上下文，“耦接”或者“连接”可以是指光学耦合或者光学连接，以使得光从一个光学元件耦合或者连接到另一光学元件。另外，当在本技术中使用时，词语“本文”、“上面”、“下面”、“下文”、“上文”和类似含义的词语应当指该申请整体而不是本技术的任何特定部分。在上下文允许的情况下，上述具体实施方式中使用单数或复数的词语也可以分别包括复数或单数。关于两个或更多个项的列表的词语“或”是包含性的(而不是排他性的)“或”，并且“或”涵盖了该单词的以下所有解释：列表中的任一项、列表中的所有项，以及列表中的一个或多个项的任意组合，并且不排除被添加到列表的其他项。另外，除非另外指出，否则如在本技术中和随附的权利要求中使用的冠词“一(a)”、“一(an)”和“该(the)”将被理解为意指“一个或多个”或者“至少一个”。
215.如本文所使用的，涉及项目列表中的“至少一个”的短语是指这些项的任意组合，包括单个成员。例如，“a、b或c中的至少一者”旨在涵盖：a、b、c、a和b、a和c、b和c，以及a、b和c。除非另外特别说明，否则诸如短语“x、y和z中的至少一者”之类的连接语言另外通过通常使用的上下文进行理解，以表达项、术语等可以是x、y或z中的至少一者。因此，这种连接语言通常不旨在暗示某些实施例需要x中的至少一个、y中的至少一个和z中的至少一个各自存在。
216.此外，除非另有明确说明或者在所使用的上下文内另有理解，否则本文使用的条件语，例如，除其他之外，“可(can)”、“可以(could)”、“可能(might)”、“可以(may)”、“例如(e.g.)”、“例如(for example)”、“诸如”等通常旨在表达某些实施例包括而其它实施例不包括某些特征、元件和/或状态。因此，这种条件语通常不旨在暗示一个或多个实施例以任何方式需要这些特征、元件和/或表述，或者暗示这些特征、元件和/或表述是否被包括在任何特定实施例中或者在任何特定实施例中执行。
217.虽然已经描述了某些实施例，但是这些实施例仅以示例的方式给出，并且不旨在限制本公开的范围。实际上，可以以各种其他形式实现本文所描述的新颖装置、方法和系统；此外，可以做出本文所描述的方法和系统的形式的各种省略、替代和改变而不脱离本公开的精神。例如，虽然在给定布置中呈现了块，但是可选实施例可以利用不同部件和/或电路拓扑执行类似功能，并且一些块可以删除、移动、添加、再分、组合和/或修改。这些块中的每个块可以以各种不同方式实现。可以组合上文所描述的各种实施例的元件和动作的任何
适合的组合以提供进一步的实施例。上文所描述的各种特征和过程可以独立于彼此实现，或者可以以各种方式组合。没有任何元件或元件组合是对于所有实施例而言必需或不可或缺的。本公开的特征的任何适合的组合和子组合旨在落在本公开的范围内。