用于近眼显示器应用的可控波导 |
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| 申请号 | CN201280052952.7 | 申请日 | 2012-08-29 | 公开(公告)号 | CN104040410B | 公开(公告)日 | 2017-06-09 |
| 申请人 | 伊奎蒂公司; | 发明人 | P.J.特拉弗斯; R.J.舒尔茨; | ||||
| 摘要 | 一种 近眼显示器 包括生成在一定 角 度范围上的角度相关射束以用于形成虚像的图像发生器和在有限角度范围上传播所述角度相关射束的 波导 。波导的输入孔包括多个可控部件，所述多个可控部件可选择性地作为用于向波导中注入所述角度相关射束的子集的衍射光学装置进行操作。波导的输出孔包括多个可控部件，所述多个可控部件可选择性地作为用于将所述角度相关射束的相应子集朝着眼箱发射到波导外的衍射光学装置进行操作。 控制器 使输出孔的可控部件的操作与角度相关射束的不同子集沿着波导的传播同步，以便将角度相关射束的子集发射到波导外以在眼箱内呈现虚像。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种近眼显示器，包括： |
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| 说明书全文 | 用于近眼显示器应用的可控波导技术领域[0001] 本发明涉及用于发射被角度编码的图像信息、特别是用于近眼显示器的波导系统，并涉及用于诸如优化观看条件和图像质量并支持多个光谱范围和多个场角度范围以便在出射光瞳内呈现虚像的目的的可控孔的使用。 背景技术[0002] 板状（通常是平面的）波导已在紧凑式近眼显示器中被用于向观看者的眼睛发射角度图像信息作为来自位于用户视线之外的图像源的虚像。图像信息一般地是在波导的一端附近被输入，并在波导的相对端附近被输出。该图像信息作为沿着波导被内反射的多个角度相关射束而沿着波导传播。衍射光学装置已被用于通过被波导内反射的角度范围向波导中注入图像信息以及用于通过相应的角度范围发射图像信息以便在可以与观看者的眼睛对准的位置上在波导后面中继或形成出射光瞳。 [0003] 许多波导显示器局限于其中用单个色彩形成虚像的单色光的使用。常规衍射光学装置趋向于通过不同的角度衍射不同的波长，从而产生色差。多个波导（例如，堆叠波导）或更复杂的衍射光学装置已被用来缓解这些像差，但是当前解决方案趋向于过度地限制可以通过其来有效地发射图像信息的不同角度或波长的数目。 [0004] 在其内部能够在波导后面的规定位置处（即，在设计的眼箱内）看到虚像的有效出射光瞳尺寸常常被过度限制，因为衍射光束趋向于在离开平面波导时扩展开。这限制了在其内能够看到虚像的重叠区域（即，减小了眼箱的尺寸）。输出衍射光学装置的衍射效率随位置的变化已被用来扩展出射光瞳（即，眼箱），但这些变化对于管理被用来对彩色虚像进行编码的多个角度和多个波长两者而言并未趋向于有效。 [0005] 某些平面光学显示器还意图支持在同一眼箱内对周围环境的观看。此要求对输出光学装置施加额外负担以保持一定的透射率水平。 发明内容[0006] 本发明在其优选实施例中的一个或多个中以一种用于近眼显示器的波导为特征，其包含具有可寻址可变换部件的至少一个可控孔。电子控制机构提供使孔内的每个可变换部件在有源和无源状态之间以及在期望的情况下通过中间效率状态移位。将多个可寻址可变换部件组合以产生可控孔使得允许地特定范围的射束角和波长的选择性处理。可针对特定的角度范围和波长来优化每个可变换部件的控制（包括激活的持续时间），提供扩展的观看区域和通过波导中继的虚像的增强的质量。 [0007] 本发明作为近眼显示器的版本包括传播在有限的第一角度范围上的角度相关射束的波导和生成在第二较宽角度范围上的角度相关射束以便形成虚像的图像生成器。波导的输入孔包括多个可控部件。每输入孔的每个可控部件可选择性地作为衍射光学装置进行操作以注入在第二角度范围的有限部分上的角度相关射束的子集，以便在第一角度范围内沿着波导传播角度相关射束的该子集。波导的输出孔包括多个可控部件。输出孔的每个可控部件可选择性地作为衍射光学装置进行操作以将角度相关射束的相应子集朝着眼箱喷射出波导外。控制器使得输出孔的可控部件的操作与角度相关射束的不同子集沿着波导的传播同步，以便将角度相关射束的子集发射出波导并在眼箱内呈现虚像。 [0008] 输入孔的每个可控部件优选地与输出孔的可控部件中的一个配对以便注入和发射角度相关射束的子集中的一个。输入和输出孔的可控部件优选地包括多个可变换衍射光学装置，其具有用于通过不同的角度衍射角度相关射束的不同子集的不同的有效时段。可变换衍射光学装置优选地可在对于角度相关射束而言基本上透明的第一状态与根据角度相关射束的子集的时段来衍射角度相关射束的子集的第二状态之间进行变换。 [0009] 优选地，图像生成器提供产生多个不同标称波长的角度相关射束。输入孔的每个可控部件提供注入多个不同标称波长中的一个中的角度相关射束的子集，并且输出孔的每个可控部件可操作用于发射所述多个不同标称波长中的一个中的角度相关射束的相应子集以便使不同标称波长中的角度相关射束的子集在眼箱内重叠。控制器优选地提供使输入和输出孔的可控部件的操作与图像生成器的操作同步，以便相继地向波导中注入不同标称波长的角度相关射束的子集以及将它们发射到波导外。为了支持通过波导的输出孔从眼箱观看周围环境，控制器将输出孔的可控输出部件切换到第一状态中。 [0010] 波导还能够合并中间衍射光学装置，其具有在输入和输出孔之间沿着波导被定位以便选择性地使角度相关射束的子集朝着输出孔重新定向的多个部分。中间衍射光学装置的各部分在空间上将角度相关射束的子集分离。 [0011] 本发明作为近眼显示器的波导的另一版本包括板状主体，其具有面对周围环境的前表面、面对眼箱的后表面以及用于通过在有限角度范围内从前表面和后表面的连续反射来传播角度相关射束的长度。板状主体的输入孔包括多个可控部件，所述多个可控部件用于在限定虚像生成器的光瞳的在多个波长上共同地接收角度相关射束，并用于在有限角度范围内向板状主体中单独地注入在多个波长上的角度相关射束的子集。板状主体的输出孔包括多个可控部件，其用于分别接收在多个波长上的角度相关射束的子集，并用于共同地从波导发射在所述多个波长上的角度相关射束的子集。输入和输出孔的每个可控部件包括可变换衍射光学装置，其可在对于在多个波长上的角度相关射束的子集而言基本上透明的第一状态与衍射在多个波长上的角度相关射束的子集中的一个或多个的第二状态之间变换。控制器使输入和输出孔的可控部件的变换同步，以便在观看者的眼睛的积分区间内相继地注入和发射在多个波长上的角度相关射束的子集，以在眼箱内共同地重新形成虚像生成器的光瞳。 [0012] 优选地，输出孔的可控部件提供在观看者的眼睛的积分区间内相继地发射不同波长中的角度相关射束的相应子集，以便在眼箱内共同地重新形成彩色虚像生成器的光瞳。 [0013] 可变换衍射光学装置优选地包括可变换光栅结构，其与输入和输出孔的各部件内的配对光栅结构配对。可变换光栅结构的电活性材料优选地具有能够从与所配对的配对光栅结构的折射率的指数基本上匹配的值变化到与配成对的配对光栅结构的折射率基本上不匹配的另一值，以便在第一和第二状态之间对可控部件进行变换。控制器优选地提供在第一和第二状态之间对输出孔的可控输出部件进行变换，以便同时地支持从眼箱内进行的对周围环境的观看和对由虚像生成器产生的虚像的观看两者。 [0014] 本发明作为将图像生成器的出射光瞳通过波导中继到眼箱的方法的另一版本包括在形成图像生成器的出射光瞳的角度范围上产生角度相关射束。波导的输入孔被定位为接近于图像生成器的出射光瞳以便接收角度相关射束。输入孔的可控部件在对于角度相关射束而言基本上透明的第一状态与衍射角度相关射束以分别向波导中注入角度相关射束的子集以便在较窄的角度范围内沿着波导传播的第二状态之间进行变换。波导的输出孔被定位为接近于眼箱。输出孔的可控部件在对于角度相关射束而言基本上透明的第一状态与衍射角度相关射束以在在眼箱内重新形成图像生成器的出射光瞳的角度范围上从波导向眼箱中单独地发射角度相关射束的子集的第二状态之间进行变换。 [0015] 可以对输入和输出孔的可控部件在第一和第二状态之间的变换的持续时间进行定时以便平衡跨越在重新形成的出射光瞳处可观看的图像场的强度。另外或替换地，可以控制输入和输出孔的可控部件的第二状态的衍射效率以便平衡跨图像场的强度。 [0016] 除在一定角度范围上产生角度相关射束之外，还优选地在形成作为彩色图像生成器的图像生成器的出射光瞳的波长范围上产生角度相关射束。这样，并且变换的步骤包括衍射不同波长中的角度相关射束以向波导中单独地注入不同波长中的角度相关射束的子集以及衍射角度相关射束以从在在眼箱内重新形成彩色图像生成器的出射光瞳的角度和波长的范围上从波导向眼箱中单独地发射不同波长中的角度相关射束的子集。附图说明 [0017] 图1是包括板状波导和堆叠的多个可控光栅以便对包含在准直输入射线中的角度信息进行复用的近眼显示器的简图。 [0018] 图2是包含在图1中的板状波导的截面图。 [0019] 图3是图1的近眼显示器中的所有可控光栅的分解图。 [0020] 图4是包括板状波导和堆叠的多个可控光栅以便对包含在准直输入射线中的光谱信息进行复用的近眼显示器的简图。 [0021] 图5是包括板状波导和多个偏移光栅以便对包含在准直输入射线中的角度信息进行复用的近眼显示器的简图。 [0022] 图6是包括板状波导和多个图案化偏移光栅以便对包含在准直输入射线中的光谱信息进行复用的近眼显示器的简图。 [0023] 图7是用于在图6的近眼显示器中使用的可控光栅的图案化光栅结构的表示。 [0024] 图8是包括板状波导、多个偏移光栅和多个堆叠光栅以便对包含在准直输入射线中的角度和光谱信息进行复用的近眼显示器的简图。 具体实施方式[0025] 参考图1，近眼显示器10包括板状波导12，其具有可控输入孔14、可控输出孔16和可控中间衍射光学装置90。板状波导12优选地是具有后表面18（面对观看者的眼睛）和前表面20（面对周围环境）的透射板，其中后表面和前表面18和20两者都被暴露于空气或具有优选地接近于空气的折射率的折射率的另一介质。 [0026] 板状波导12可以由各种透射光学材料（诸如具有1.527的标称折射率的BK7玻璃）制成，并且具有用于从可以注入光的离轴位置向观看者的视场内的位置透射光的尺寸。例如，在限制板状波导12的尺寸和重量的同时，板状波导12可以具有用于到达眼睛位置的约60毫米的长度、用于管理图像的第二维度的约60毫米的高度以及用于支持期望的形式的光的传播的约2毫米的厚度。当然，可以针对特定应用使用其他波导尺寸以便致力于光沿着波导从一个位置到另一个的传播。虽然板状波导12具有简化了传播问题的平面形式，但还可以使板状波导12弯曲以适应附加要求，包括审美考虑。 [0027] 图1以很大程度上一般化的方式示出了包括光源32、准直光学装置34和反射镜24的图像生成器22。光源32可以采取许多形式，包括可寻址像素的二维阵列、可寻址像素的一维阵列或单个可寻址光源，它们全部可被控制器38以常规方式寻址以便同时地或相继地表达预定图像的像素化内容。可以例如通过液晶二极管、微反射镜或发光二极管的适当供电的布置来形成所述阵列。 [0028] 作为可寻址像素的二维阵列，光源32从控制器38接收信号以形成实像，该控制器38可以是常规视频控制器。准直光学装置34将来自二维阵列中的每个像素的光转换成与来自该阵列的其他像素的类似准直射束角度相关的准直射束30。也就是说，准直光学装置34使来自像素阵列内的每个像素的光准直，其通过在对应于该像素在二维像素阵列内的空间位置的两个维度上参考的唯一角度来进行该准直。反射镜24使得来自被参考像素的准直射束30以及来自其他像素的其他角度相关的准直射束朝着可控输入孔14重新定向。如果来自准直光学装置34的准直射束直接地撞击在可控输入孔14上，则不需要反射镜24。 [0029] 替换地，可以将图像生成器22的光源32布置为可寻址像素的一维（例如，线性）阵列，并且可以将反射镜24布置为在一个维度上可枢转的扫描反射镜。准直光学装置34将来自一维阵列中的每个像素的光转换成准直的角度相关射束，该准直的角度相关射束具有对应于每个像素在阵列内的位置的第一角度分量，并且扫描反射镜使与像素的连续表示相关联的准直射束枢转以贡献对应于预定图像的第二维度的第二角度分量。控制一维阵列内的可寻址像素的控制器38使反射镜与一维像素阵列的连续表示同步地枢转，以产生一组角度相关射束，其包含对应于预定图像内的像素位置的角度变化的两个维度。 [0030] 还可以将光源32布置为单个可寻址光源，并且可以将反射镜24布置为可绕着两个、优选地正交的轴26和28枢转的扫描反射镜24。扫描反射镜被由光源以及准直光学装置34一起形成的单个准直射束30照射。使光源的输出与扫描反射镜24的角坐标同步的控制器 38单独地将所生成的图像的每个像素作为对应于预定图像内的像素位置的一连串角度相关射束中的一个而产生。 [0031] 可以通过阵列内的附加像素、具有不同标称波长的多个光源或通过对一个或多个宽带光源进行滤色来产生多色（即，彩色）图像。虽然可以将预定图像的像素产生为一连串像素子集或者甚至每次产生一个像素，但优选地在观看者的眼睛的积分区间内产生每个此类图像，使得可以整体地或另外按照预定来观看每个图像。一般地，图像生成器22提供意图用于作为虚像观看的所生成的图像（例如，视频图像）的傅立叶变换，其中，预定图像内的像素位置被角度地编码。这样，通过不同角度的准直射束定义图像生成器22的出射光瞳。 [0032] 波导12的可控输入孔14在对应于所生成的图像的视场的角度范围上接收准直的角度相关射束（例如，准直射束30）。然而，通过诸如全内反射之类的机制来传播光的波导12可仅支持较窄射束角度范围的传播。可控输入孔14被布置成提供复用功能，由此，定义图像的角度相关射束的子范围被分别地注入到波导12中以便在波导12所支持的较窄角度范围内进一步传播。 [0033] 可控输入孔14包括一堆独立可控衍射部件以便分别地注入角度相关射束的子范围以便在波导12所支持的较窄角度范围的至少部分重叠的部分上沿着波导12传播。参考图1，可控输入孔14包括被嵌入波导12中的第一可控衍射部件68和第二可控衍射部件70。两个可控衍射部件68的衍射特性不同，以便通过不同的角度来衍射角度相关射束的子范围，使得角度相关射束的两个子范围被注入到波导12中以便在波导12所支持的角度范围内进一步传播。可能需要超过两个的单独可控衍射部件以支持对虚像进行编码的较宽范围的角度相关射束或适应在其范围内单独可控衍射部件对于衍射光而言有效的有限角度范围。 [0034] 图2中的剖面图示出了第一可控衍射部件68的优选布置。第一可控衍射部件68包括可变换光栅结构52以及配对（反向）光栅结构54，使得在可变换光栅结构52的无源状态（即，去激活状态）下，两个光栅结构52和54优选地形成光学同质层。诸如可由氧化铟锡（ITO）形成的第一和第二导电层58和60横跨可变换光栅结构52且可在图1中的控制器38的控制下跨可变换光栅结构52形成电场，以便相对于配对光栅结构54来修改可变换光栅结构52的电活性材料的有效折射率。 [0035] 可变换光栅结构52的电活性材料优选地以类似方式在每个具有不同折射率、施加了不同电压的电场的情况下的两个不同状态之间变化。在液晶材料的情况下，晶体在施加给定电压的情况下在初始状态与正交或极端状态之间旋转。如果在液晶的正交状态中的任一个下使用液晶，则偏振输入源将是优选的，因为不正确地偏振的光将不会类似地对被激活光栅进行响应。使用处于由于某个电场的存在而被激活或去激活的液晶的正交（极端）状态中的任一个下的液晶允许光栅有效地存在或不存在于波导12中。可以用使光栅52处于有源状态中的时间量来控制被光栅结构52衍射的光的量。 [0036] 替换地，如果将跨光栅结构52施加的电压设置成不足以完全将液晶转换成正交或极端状态的某个水平，则将降低光栅的衍射效率。许多液晶材料的响应偏离线性或类似响应，特别是由于通过处于中间状态的液晶的偏振光很可能改变偏振状态。然而，可以使用修正层来将大多数光恢复成其正确偏振。此类修正层本身可以布置为动态可调液晶（非常像没有图案化的光栅层之类的另一活动层）或通过将双折射合并到波导主体12中而以静态方式布置。因此，还可以用液晶材料通过中间非正交或非极端状态被旋转的量来控制被光栅衍射的光的量，虽然可能需要一定的偏振修正以实现期望范围的中间响应。 [0037] 参考图2，可以通过将期望基板的三个单独层84、86和88堆叠以形成完整波导12来形成板状波导12。图2中的详细窗口示出第一可控衍射部件68被夹在基板层86和88之间。第一和第二导电层58和60被沉积到基板层86和88的内表面上。配对光栅结构54然后被固定到图案化导电层58的顶部上的基板层86，提供用于对形成可变换光栅结构52的电活性材料进行塑形的模腔。然后可以将基板层86和88以适当的取向堆叠并固定，从而形成可控衍射部件68。配对光栅结构54优选地由类似于常规光栅的固体光学材料形成。例如，所示配对光栅结构54由具有1.5的标称折射率和约0.5微米的节距的压印环氧树脂形成。压印光栅具有约20毫米的长度、约20毫米的宽度以及约一微米的深度。可变换光栅结构52优选地由诸如液晶材料的电活性材料形成，所述电活性材料填充配对光栅结构54与基板层88之间的空间。 [0038] 电活性材料可以是可在1.526的折射率（与波导的折射率匹配）至1.808的折射率之间变换的向列液晶混合物BL037。基板层84、86和88可以由透射光学材料形成，诸如具有约0.5毫米的厚度的BK7玻璃。针对其他应用的特定要求，可以使材料匹配，并且可以对各尺寸进行缩放。 [0039] 优选地以图案形式来沉积或布置导电层58和60中的至少一个，以便激活可控衍射部件68的全部或有限部分。例如，如果被布置成形成栅格的单独区域，则可以激活可控衍射部件68的各部分以便限制平行于波导12的后表面和前表面18和20的平面中的被激活衍射部件的空间效应。 [0040] 第一和第二导电层58和60可以位于其他层之间，只要可以跨可变换光栅结构52形成适当的电场即可。例如，可以在可变换光栅结构52与配对光栅结构54之间的界面处形成第一导电层58。可以使可变换和配对光栅结构52和54的顺序相反。控制器38在有源与无源状态之间控制可变换光栅结构52的状态（包括每个状态的定时和持续时间），并且还可以控制场强以便改变有源状态内的可变换光栅结构52的折射率。 [0041] 优选地，第一和第二导电层58和60、处于无源状态的可变换光栅结构52以及配对光栅结构54的折射率与板状波导12的折射率充分地匹配，使得在可变换光栅结构52的无源状态下，可控衍射部件68与板状波导12类似地运行以允许输入射束穿过光栅68并撞击可控光栅70。换言之，可变换光栅结构52优选地在无源状态下跨可见光谱是基本不可见的，使得可控衍射部件68如同不存在衍射光栅一样运行。相反，在有源状态下，可变换光栅结构52与给定效率的常规衍射光学装置类似地运行以便将特定子范围的角度相关图像承载射束指引到波导中。 [0042] 如图3中所示，可控输入孔12的第二可控衍射部件70包括包含可变换光栅结构92以及被导电层96和98横跨的配对（逆向）光栅结构94的类似布置。可控输出孔14还包括第一和第二可控衍射部件80和78，每个被以类似的方式布置，其包括可变换光栅结构108和116、配对光栅结构110和118、配成对的导电层112、114以及129、122。可控中间衍射光学装置90也以类似方式布置，具有两者都被导电层104和98横跨的可变换光栅结构100和配对光栅结构102。 [0043] 在构造波导12时，可以如上所述地将可控衍射部件68和80以及可控中间衍射光学装置90组装在基板层86和88之间。可以将可控衍射部件70和78组装在基板层84和86之间。为了简化设计或使其紧凑，可以用在厚度方面小于100微米的可用涂有ITO的玻璃片来形成基板层84、86和88。可以将ITO涂层图案化以便提供配成对的导电层（60、58）、（96、98）、（100、98）以及（112、122）。减小基板层的厚度允许在将波导12保持在期望厚度的同时在可控输入和输出孔12和14内将更多的可控衍射部件堆叠在一起。 [0044] 可以优化第一可控衍射部件68的效率以便诸如以接近可控输入孔14的较高入射角将角度相关射束的子范围衍射到波导12中，以便通过全内反射在波导12内在垂直方向上进一步传播。可以优化第二可控衍射部件70的效率以便诸如以接近可控输入孔14的较低入射角将角度相关射束的另一子范围衍射到波导12中，以便通过全内反射在波导12内在垂直方向上进一步传播。可以在有源和无源状态之间变换每个可控衍射部件68和70。在有源状态下，可控衍射部件68和70充当衍射元件并使光重新定向到波导中。在无源状态下，可控衍射部件68和70是不可见的且充当允许光不被改变地穿过的透明元件。 [0045] 在使用控制器38来控制可控光栅68和70的有源和无源状态之间的定时的情况下，可以使用可控输入孔14来选择性地输入入射在可控输入孔14上的角度相关射束的不同子范围，即输入虚像的全视场的子部分。当可控衍射部件68处于有源状态时，可控衍射部件70选择性地处于无源状态。这意味着只有较高入射角射束将被衍射到被支持以便沿着波导12传播的角度范围中，并且衍射射束将在没有任何进一步阻抗或衍射的情况下穿过可控衍射部件70。相反地，当可控衍射部件70处于有源状态时，可控衍射部件68将处于无源状态。这意味着，可控衍射部件68将是不可见的且输入光将穿过可控衍射部件68并遭遇可控衍射部件70，其将把较低角入射射束衍射到被支持以便沿着波导12传播的角度范围中。由可控衍射部件68和70实现的输入图像的角度信息（即角度相关射束）的此复用以这样的方式增加可以被注入到波导12中的最大视场，以使得可以保持角度信息沿着波导12诸如通过全内反射被进一步传播。 [0046] 被垂直地衍射到波导72中的输入图像的复用角度信息被中间衍射光学装置90水平地重新定向以用于沿着波导12朝向可控输出孔16的进一步传播。在图3中可以看到中间光学装置90的详细结构。可以以与光栅结构68和70大致相同的方式来动态地控制中间衍射光学装置90。通过可控衍射光学装置90的导电层104和98中的其中之一或它们两者的图案化且通过到控制器38的适当连接，中间衍射光学装置90的某些垂直移位的可控部分40（图1）可以在其他可控部分保持不活动的同时是活动的。这样，可以选择性地将某些角度相关射束从不同的垂直位置转向朝着输出孔16，允许射束朝着可控输出孔16的特定垂直区域传播。通过控制中间衍射层90的每个可控部分活动的时间或者通过经由所施加的电压的变化来改变电活性材料100的有效折射率，可以平衡被朝着可控输出孔16引导的角度相关射束的大小和相对强度。通过限制经受衍射的波长范围，可以将中间衍射光学装置90布置在单个平面中以支持两个输入衍射部件68和70。然而，控制器38优选地保持输入可控衍射部件 68和70及中间光栅结构90的单独可控部件的有源和无源状态之间的关系，以在到可控输出孔16的途中将角度相关射束在空间上进行分布。 [0047] 可控输出孔16包括被嵌入波导12中的第一可控衍射部件78和第二可控衍射部件80。可控衍射部件78和80的大体结构和组装可以类似于可控部件68和70的结构和组装，例外是可控输出孔16的衍射部件78和80大体上与可控输入孔14的衍射部件68和70正交。 [0048] 一般地，在波导12内部被中间可控衍射光学装置90水平地衍射的输入图像的复用角度信息72被可控输出孔在与波导12的表面18和20正交的方向上进一步衍射，以便从波导12朝着眼箱42发射。可控输出衍射部件78和80或其部分被控制器38与可控输入衍射部件70和68同步地激活，分别地用于分开地注入和发射角度相关射束的不同子范围。优选地，输出衍射部件80内的配对光栅结构108和110的节距与输入衍射部件68内的配对光栅结构52和 54的节距紧密地匹配，并且输出衍射部件78内的配对光栅结构116和118的节距与输入衍射部件70内的配对光栅结构92和94的节距紧密地匹配。也就是说，可控输入和输出衍射部件优选地是成对的，以用于注入和发射角度相关射束的公共子范围，使得从波导12发射的角度相关射束的子范围对应于被注入到波导12中的角度相关射束的子范围。 [0049] 中间可控衍射光学元件90的部分40可以用来将角度相关射束在空间上分布在可控输出孔16的不同区域上，并且可以与可控输入衍射部件68和70及中间可控衍射光学元件90一致地选择性地激活可控输出孔的各部分，以便提供使不同的角度相关射束在眼箱42内重叠。 [0050] 控制器68使对每个衍射部件的控制同步，使得被注入到波导12中和从其发射的角度相关射束的子范围覆盖比被支持用于通过波导12进行传播的射束范围更宽的角度相关射束的总范围。可以由控制器38与诸如可枢转反射镜24的图像生成器22的输出同步地来操作可寻址衍射部件，使得在任何特定时刻只有支持通过波导12到观看者的眼睛的角度相关射束的特定子范围所需的衍射部件被激活。基于角度相关射束的不同子范围的单独处理，可以使用可寻址衍射部件来平衡跨整个场的图像强度。在任何特定时刻不需要的衍射部件保持不活动，并且因此在波导12内并不是可见或可操作的。 [0051] 可以在不需要输送角度的特定子范围时将可控衍射部件切换至无源状态。例如，如果仅仅在图像场的一部分上产生图像，则为了输送场的其余部分而布置的衍射部件可以保持在无源状态。这使得并不有源地将光朝着眼箱衍射的波导的该部分处于可以更好地将来自周围环境的光透射到眼箱42中的透射状态下。 [0052] 因此，可以将对应于生成的图像的场角的角度相关射束的范围划分成子范围并通过可控输入孔14相继地输入到波导12中。在使用两个输入衍射部件68和70的情况下，全场被大致分成两半，其中角度相关射束的第一子范围被可控衍射部件68衍射到波导12中且角度相关射束的第二子范围被可控衍射部件70衍射到波导12中。可控衍射光学元件90使角度相关射束的两个子范围朝着可控输出孔16重新定向。可控衍射部件80将角度相关射束的第一子范围朝着眼箱衍射到波导12外，并且可控衍射部件78将角度相关射束的第二子范围朝着眼箱衍射到波导12外。角度相关射束的两个子范围利用被支持用于波导12内的传播的相同角度范围，诸如可以沿着波导12通过全内反射被传播的角度范围。通过使波导12所支持的这些角度多用化，可以显著地增大来自波导12的物理限制可以支持的的虚像的潜在视场。可以通过添加被以类似方式组装的更多可控衍射部件、诸如通过形成波导12的附加重叠层来将对应于虚像的场角的角度相关射束划分成三个或更多的子范围，以用于进入到波导12中和到其之外的相继传播。 [0053] 类似于图1的近眼显示器10，如图4中所示的近眼显示器120包括可控输入孔122和可控输出孔124，其被修改成对包含在准直输入射束30中的光谱信息进行复用。可供输入孔122包括重叠的可控衍射部件168和170，并且可控输出孔124包括重叠的可控衍射部件180和178。近眼显示器120与近眼显示器10共有的元件共享相同的附图标记。 [0054] 与先前描述的显示器10相对照，近眼显示器120被特别地设计成对至少两个波长范围进行复用。添加更多的可寻址衍射部件168、170和180、178将允许对更多光谱范围的复用，但为了简单起见，在这里仅示出了两层衍射部件。进一步与先前描述的显示器10相对照，中间衍射光学装置126包含两个可控衍射部件190和192以补偿被可控输入孔122重新定向的准直输入射线的光谱分离。由于将光的特定角度转变到不同预定角度所需的光栅节距是非常波长相关的，所以还必须对波长的每个光谱范围使用不同的可控中间光栅。 [0055] 在近眼显示器10的实施例中，可以由控制器38使由扫描源产生的特定角度范围的定时与通过波导的特定路径同步。在近眼显示器120的当前实施例中，控制器38使显示器照射的各种光谱范围的定时与可控输入孔122、可控中间衍射光学装置126以及可控输出孔124的正确可寻址部件同步，以使得除特定路径之外，正确的光栅也是活动的以支持视频图像的当前光谱内容。 [0056] 微显示器在色序模式下的运行是常见的，因此仅需要由控制器38来读取来自显示元件的定时电路以使正确的光栅结构相互同步。在DLP、LOCS以及LCD显示器技术中可以找到色序显示器的示例，并且甚至LED或激光源可以直接地是脉动的，作为扫描系统中的成像像素。 [0057] 以如下方式将各种光谱范围复用到波导12中，即使得在任何给定时刻角度相关射束仅看到针对特定光谱带宽上的最大性能而被优化的一组光栅结构，这有助于使在对此问题的许多传统方法中可能存在的波长混合最小化。 [0058] 像在近眼显示器10的情况下一样利用图案化且可寻址的导电层可以不仅控制在任何给定时刻活动的每个孔内的衍射部件层，而且可以改变每个此类衍射部件的效率以平衡输出虚像中的任何场角上的所支持的光谱范围的照明强度。在被扫描输入系统中，可以控制每个角度相关射束的精确路径和宽度以平衡跨用于特定场角的光瞳并且跨输出虚像的整个场的感知的照明强度。类似于近眼显示器10，当未有源地折射光时，可以使可控衍射部件、包括可控输出孔124的部件178和180置于不活动状态。这使得波导12更加透明得多以便更好地从眼箱42内观看周围环境。 [0059] 图5示出了作为图1中所示的近眼显示系统10的另一变体的近眼显示系统220。近眼显示系统10利用波导12的主体内的直接地位于彼此之上的可控衍射部件的堆叠。在使用几乎任何注入光学装置34的情况下，无论其是使二维显示器还是具有一维阵列或点源的扫描系统准直，来自虚像中的特定场点的角度相关射束都随着其远离准直光学装置34或反射镜24移动而趋向于分离。在特定角度射束漂移的量和方向与虚像中的场角之间发现相关。 [0060] 通过根据不同角度相关射束在场内的行走或漂移使可控衍射部件在平行于波导12的后表面和前表面18和20的方向上相对移位而有利地使用此相关。图5示出了具有仅支持单个波长范围的单个衍射部件堆叠的近眼显示系统220，其中，可控衍射输入和输出部件 268、270和280、278已经相对于彼此横向地移位足够远以使它们可被定位在波导12的同一层内。 [0061] 可以将可控衍射输入部件268和270布置成分别地与近眼显示器10的可控输入部件68和70几乎相同地运行。另外，可控衍射输出部件278和280分别地与可控输出光栅78和80几乎相同地运行。部件激活的定时将与近眼显示器10的部件类似地运行。相似性包括平衡跨图像的强度、通过波导12内的特定路径引导扫描射束、平衡跨特定角度射束的大小和均匀性、关掉未被有源地使用的衍射部件以及将多个角度范围复用到波导12中的能力。 [0062] 像近眼显示器10一样，一次激活支持相同射束角度范围的可控衍射部件将是优选的。射束角度范围仍在具有时间上的分离的情况下被复用到波导12中和到其之外，使得在给定时刻，仅存在一个射束角度范围。这是因为，如前所述，其中支持全内反射的波导12内的射束角度范围正在被多用化，并且在输入或输出可控孔224和222内的并列可控部件之间可以存在串扰，如果允许它们同时是活动的话。 [0063] 近眼显示器220相比于先前的近眼显示器10的益处包括复杂性的降低。具有一个堆叠构建起来比两个堆叠更容易且一般地较廉价。对于多个光栅而言仅需要一个模具，而对于近眼显示器10而言需要至少两个。在较少堆叠的情况下更容易保持堆叠内的平行性。可以使得整个波导更细，允许波导更均匀地充满图像承载光，减少跨虚像的场的阴影或暗点。一般地，具有较薄波导12也减小系统的总尺寸和重量。 [0064] 图6和7涉及以与近眼显示系统220类似的方式具有仅一层可寻址衍射部件的另一近眼显示系统320。在在近眼显示系统220中将来自虚像的角度信息的多个范围复用通过波导主体120的情况下，近眼显示系统320将波长的不同光谱范围复用通过波导并到达眼箱42。 [0065] 而在近眼显示系统220中，由于角度射束相对场漂移或行走的趋势而可以将可控光栅子孔在空间上分离，不存在相对于光谱信息的空间相关。因此，图7示出了将存在于导电层（以可寻址方式）的至少一个中和图案化部件本身内的交错图案。 [0066] 返回图4的近眼显示器120，可控衍射部件的每个堆叠在不同的波长范围上运行。用显示源的色序属性对各个部件的控制进行定时。根据相同种类的色序显示方案，近眼显示器320采取相同的衍射部件并使它们交错，如图7中所示。此图案化允许支持相同波长范围的各个部件的不同区段同时是活动的。 [0067] 例如，用λ1标记的衍射部件322、326和324的所有分段区域可以在特定时刻是活动的，而用λ2标记的相同衍射部件322、326和324的所有分段区域可以处于无源状态。然而，可能优选的是，控制器38仅激活用λ1标记的衍射部件的总子集的一部分。还可能优选的是，在虚像信息来自扫描源的情况下为了平衡跨整个虚像的或跨光瞳的图像强度的目的，通过总活动时间或通过跨部件中的电活性材料的电场的变化，由38来独立地控制衍射部件的分段区域的效率。 [0068] 虽然图7仅示出了两个光谱子集，但可以在相同的分段可控衍射部件内使更多的光谱子集交错。LCD显示器在其显示系统中经常使用红色、绿色以及蓝色滤光器的交错图案。但是，应注意的是，虽然在孔的部件与场之间存在相关，但交错的活动光栅的各部件不一定对应于单个像素。可能优选的是，在一定时间使部件的多个部分打开，并且一般地，很可能存在比在显示阵列中存在活动像素更少的分段区域。实际上，虽然存在与位置的相关，但定义单独像素的仍是角度信息。 [0069] 同样，在认识到移动至单层光栅减小成本、尺寸、重量以及复杂性的情况下，近眼显示器320显示可以将多个波长复用通过波导，从而提供全色图像的潜在可能。在具有限制在任何给定时刻支持活动的给定波长范围的部件的活动面积的能力的情况下，减少了输出虚像中的色彩之间的串扰的路径。 [0070] 图8表示本发明的另一实施例。近眼显示器420实际上是近眼显示器120和220的组合。近眼显示器420表示单个波导，其中不同射束角度范围和不同光谱范围被复用到波导12中。近眼显示器420将复用来自近眼显示器220的复用不同射束角度范围的并列部件图案与用于复用不同光谱范围的近眼显示器120中的衍射部件的堆叠相组合。如所示，提供了两个部件的堆叠，但是这是为了简单起见。更优选地，提供三部件堆叠，每个堆叠中的一个部件用于可见光谱的红色、绿色以及蓝色部分中的每一个。 [0071] 返回图8中所示的双堆叠、并列光栅堆叠，显示设备的大体上一半接通时间或者一半的帧速率专用于波长的一个光谱范围，而另一半将专用于光谱波长的第二范围。在这种情况下，针对显示设备产生光谱波长的第一范围时的时间衍射部件440、490和462将是活动的，而衍射部件442、492和460是不活动的。在显示设备产生第二半的光谱波长范围时的时间期间，光栅层442、492和460的部件是活动的，而衍射部件440、490和462是不活动的。 [0072] 然后可以再次地将显示设备产生光谱波长的第一半的持续时间划分成两半，从而允许此划分的一半（帧速率的四分之一）专用于在眼箱42处显示的虚像的场角的一半。在此时间段期间，可能正在通过波导12向眼睛发送场的左半边，因此可控光栅470和478的一个或多个部件连同可控中间衍射光学元件层490一起是活动的。所有其他活动光栅将处于无源状态，在用户看起来是不可见的，而活动区域的各部分被控制器38以类似方式控制，无论是通过减少某些部件的接通时间还是通过改变跨各种活动光栅的所述部件的电压，其导致一个光谱范围和一个场角范围的均匀虚像被呈现给眼箱42以被用户的眼睛接收到。这样，波导12所支持的每个输入角度范围和每个波长范围对于视频源的总帧速率的给定部分而言是活动的。 [0073] 应注意的是，还可以通过波导使扫描源与各种衍射部件同步，并且以色序方式使用扫描源，使得在任何给定时刻只有通过波导传播特定射线束所需的那些波导部件是活动的。通过控制衍射部件，可以调整跨角度相关射束的范围的射线束的尺寸和照明的相对强度。另外，应注意的是，根据内含物，可以将波导内的衍射部件的各部分置于关闭状态以更好地支持用户对周围环境的观看。 [0074] 并且，虽然这些实施例中的每一个被图示为单个单眼用近眼显示器，但可以将这些中的任何一个与其本身的大体上镜像的图像配对并以向用户呈现双眼视图的方式安装到框架。在这种情况下，可以向观看者呈现三维立体图像。另外，可以向组件添加照相机、头部跟踪和/或眼睛跟踪，允许作为补充现实观看设备的全部集成。 [0075] 在输入或输出孔内，可以以许多不同的方式来布置多个可控衍射部件。例如，可以将每个可控部件附加于透射支撑板的表面。可以以期望的取向将这些透射支撑板连同其附加衍射部件一起堆叠，其中在每个支撑板之间具有边界层。在无源状态下，衍射部件可以形成它们的透射支撑板的新的不中断表面，其将允许光直接地穿过支撑板而到达下一支撑板并进入波导、在其内部或到其外面。在有源状态下，可控衍射部件中的一个或多个充当用于在不同的方向上将光衍射进入波导、在波到内或到波导之外的衍射光学装置。 [0076] 可以将可控衍射部件的导电层图案化以便不同地激活孔的不同部分，即衍射部件的不同部分。也就是说，可以使得孔的不同部分可单独寻址，使得可以使用电子控制机构将一个或多个孔部分切换至有源状态而其他孔部分保持在无源状态。电子控制结构还可以提供其中可以提高或降低可变换光栅结构与其邻近配对衍射结构之间的折射率差以调节衍射效率的各种中间状态。此外，可以使电子控制机构与诸如来自扫描光学装置的各种图像承载射束的注入同步，使得可以通过输入和输出孔的不同部分且在不同持续时间内衍射射束。例如，可以通过输出孔的一个部件来发射较高入射角射束，并且可以通过输出孔的不同部件来发射较低入射角射束，以便使用更多的可用光来在眼箱内形成较大且更均匀的光瞳。还可以通过与图像的不同部分的发射（即，图像的角度构造）同步地跨输入和输出孔的多个部件调节衍射效率或激活的持续时间来进一步增强眼箱光瞳内的图像均匀度。 [0077] 将多个可寻址可变换光栅组合以产生可控孔使得允许对角度相关射束的波长和入射角的特定范围的选择性衍射。其余图像承载光然后可以自由地传播至第二可寻址衍射部件，其衍射特定信息并允许其余信息传播。存在于孔中的可寻址衍射部件的数目取决于入射光将被分离的程度。这允许信息在波导内的复用并允许优化将针对特定波长范围和入射角范围被优化至最大效率的每个衍射部件的效率（包括激活的持续时间）。因此，可以通过电子控制调整使对输出图像质量的整个视场或重组光谱的控制最大化。 [0078] 对于输入孔而言，给定衍射部件的活动状态允许孔充当被嵌入该特定波导的表面中的衍射光学装置并将具有给定标称波长的光引导到波导中。在无源状态下，该特定波导的输入孔打开并允许将输入图像传输至下一输入衍射部件或到周围环境中。由于可变换光栅的各电极是可寻址的，所以可以独立地激活孔的特定区域以衍射特定波长或入射角，从而允许对视场和被衍射到波导中的信息类型的控制。这允许按光的波长或射束的入射角来复用输入图像。 [0079] 对于可以被用于将输入和输出孔互连的中间可寻址可变换光栅结构而言，可变换光栅结构的给定部件的有源状态允许该活动部件充当被嵌入波导中的衍射光学装置并图像承载光在波导内横向地朝着输出孔重新定向。在无源状态下，可变换光栅结构在很大程度上充当波导内的不中断层，其允许光在很大程度上不受可变换光栅结构的影响地行进，无论该光是来自周围环境源还是在波导内部的图像承载光。 [0080] 针对输出孔，给定衍射部件的有源状态允许孔充当被嵌入该特定波导的表面中的衍射光学装置并从波导向期望眼箱中发射图像承载信息。在衍射部件的无源状态下，输出孔在很大程度上充当波导内的不中断层，允许周围环境光直接地穿过该波导。在输出孔的特定部分处于无源状态的情况下，图像承载光继续在波导内行进，在波导处其随后可接触输出孔的活动部分。此类活动输出孔部分可以在同一孔内的不同层上，并且此类活动部分可以在与输出孔的不活动部分相同的层上或在覆盖不活动部件的不同层上沿着波导更远。由于衍射部件的各电极是可寻址的，所以可以独立地激活覆盖的或相对于输出孔的特定区域被横向地间隔开的一个或多个衍射部件，以便支持通过输出孔的复用并提供对眼箱位置的控制。 [0081] 虽然已将可控衍射部件描述为包括成对的相对可变换光栅结构，但可以使用用于实现类似衍射性能的其他机构，包括电动全息衍射光学装置。 |
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