技术领域
[0001] 本
发明总体上涉及
电子显示器，并且更特别地涉及使用图像光导而向观看者显示虚拟图像内容的显示器。
背景技术
[0002]
头戴式显示器（HMD）被开发用于多种用途范围，包括军事、商业、工业、消防和娱乐应用。对于这些应用中的许多，在形成虚拟图像的方面中存在有特别的价值，所述虚拟图像可在视觉上
叠加在位于HMD使用者的
视野中的真实世界图像之上。光学图像光导在狭窄的空间中将载有图像的光传递到观看者，用于将虚拟图像引导到观看者的瞳孔，并且实现此叠加功能。
[0003] 在此类常规图像光导中，来自图像源的
准直的相对成
角度的编码光束由输入联接（诸如，联接内衍射光学器件）联接到平面
波导中，所述联接内衍射光学器件可被安装或形成在平面波导的表面上或埋在波导内。此类衍射光学器件可形成为衍射光栅、全息光学元件或以其它已知方式形成。例如，可由表面凹凸部形成衍射光栅。在沿着波导传播之后，可由类似的输出光栅将衍射光引导返回离开波导，所述输出光栅可被布置为沿着虚拟图像的一个维度提供光瞳扩展。此外，转向光栅可
定位沿着波导在输入光栅与输出光栅之间，以在虚拟图像的垂直维度中提供光瞳扩展。从波导输出的载有图像的光为观看者提供扩展的眼动范围。
[0004] 常规图像光导在光学无限距离处形成虚拟图像，仅将准直光传递到观看者眼动范围。然而，例如，形成虚拟图像使得其看起来是聚焦在某个近距离处（诸如，在从1米至1.5米的范围中）可存在有优点。使用近聚焦解决方案可允许观看者在应用中具有
增强现实成像的优点，在所述应用中，有用的是，使得真实世界场景内容在近距离处。
[0005] 对于具有图像光导的头戴式光学成像设备可存在有其它优点，所述图像光导形成无限距离处的常规虚拟图像以及从观看者的近距离处的另一虚拟图像两者。同时，所述设备应提供位于观看者视野中的真实世界场景的良好可见性。已提出的用于提供此特征的解决方案包括要求多个图像形成部件并且采用复杂时序方案的笨重设计，以便呈现近聚焦图像和无限距离聚焦图像两者。
[0006] 因此，可认识到的是，对于在近焦点
位置处形成虚拟图像内容的显示设备将存在有优点。
发明内容
[0007] 本公开的目的是特别是当使用紧凑型头戴式装置和类似的成像设备时推进虚拟图像呈现的技术。有利地，本公开的
实施例提供了光学成像设备，所述光学成像设备形成虚拟图像，使得所述虚拟图像看起来在近固定焦点处。这可允许虚拟图像与位于观看者视野中的真实世界场景内容同时可见。
[0008] 通过阅读优选实施例和所附
权利要求的以下详细描述，并且通过参考
附图，将更清楚地理解和认识到本发明的这些和其它方面、目的、特征和优点。
[0009] 根据本公开的一个方面，提供有图像光导，用于形成虚拟图像，所述图像光导包括波导、联接内衍射光学器件和联接外衍射光学器件。联接内衍射光学器件将载有图像的光束引导到波导中，并且联接外衍射光学器件将载有图像的光束从波导引导朝向观看者眼动范围。此外，联接外衍射光学器件包括区域的阵列，每个区域包括衍射特征集合。每个集合内的衍射特征具有共同
节距。沿着阵列的一个维度的连续区域具有相应的衍射特征集合，所述衍射特征集合具有不同的共同节距，所述共同节距以逐步的方式在连续区域之间逐渐变化，用于形成在近焦点距离处从眼动范围可观看的虚拟图像。
[0010] 沿着阵列的一个维度在连续区域中的衍射特征集合也可共享共同形状，诸如，线性或曲线形状。区域的阵列可为区域的多维阵列，使得阵列的一个维度是阵列的第一维度，连续区域中的衍射特征集合沿着所述第一维度在相同方向上定向。沿着阵列的维度中的第二维度的连续区域可具有以沿着第二维度在连续区域之间以逐步的方式逐渐变化的方式在不同方向上定向的相应的衍射特征集合。
[0011] 沿着阵列的第二维度在连续区域内的相应的衍射特征集合也可具有不同的共同节距。然而，沿着阵列的第一维度在衍射特征之间的位移沿着阵列的第二维度在连续区域之间可保持相同。沿着阵列的第二维度的相邻区域的衍射特征可具有相应的线性衍射特征，所述线性衍射特征彼此邻接，形成曲线的连续弦区段。
[0012] 载有图像的光束中的每个包括与虚拟图像内的
像素有关的角度编码信息，并且区域的多维阵列优选地提供的是，使载有图像的光束中的每个以在波导的相对侧面上在近焦点距离处产生虚拟图像的形式在眼动范围内重叠，如在眼动范围内观看的。区域的多维阵列优选地在虚拟图像内将载有图像的光束中的每个聚焦到不同焦点，并且沿着阵列的第一维度在连续区域之间在节距上的逐步变化和沿着阵列的第二维度在连续区域之间的衍射特征在定向上的逐步变化优选地被限制，以避免在虚拟图像内在不同焦点之间的重叠。
[0013] 联接外衍射光学器件优选地被布置为通过与载有图像的光束中的每个的多次相遇中的每次而反射载有图像的光束中的每个的一部分，并且衍射载有图像的光束中的每个的另一部分。中间转向光栅优选地提供的是，在联接外衍射光学器件之前扩展载有图像的光束中的每个的一个维度，并且在载有图像的光束与联接外衍射光学器件每次相遇时，如此扩展的载有图像的光束中的每个优选地沿着阵列的第二维度遇到多个区域。
[0014] 根据本公开的另一方面，提供有另一图像光导，用于形成虚拟图像，所述图像光导包括波导、联接内衍射光学器件和联接外衍射光学器件。联接内衍射光学器件将载有图像的光束引导到波导中，并且联接外衍射光学器件将载有图像的光束从波导引导朝向观看者眼动范围。联接外衍射光学器件包括区域的阵列，每个区域包括衍射特征集合。每个集合内的衍射特征具有共同定向。沿着阵列的一个维度的连续区域具有相应的衍射特征集合，所述衍射特征集合具有不同的定向，所述定向以逐步的方式在连续区域之间逐渐变化，用于形成在近焦点距离处从眼动范围可观看的虚拟图像。
[0015] 区域的阵列是区域的多维阵列，并且阵列的一个维度是阵列的第二维度，并且沿着阵列的第一维度的衍射特征集合在相同方向上定向。沿着阵列的第一维度的衍射特征在节距上可逐渐变化。可选地，每个集合内的衍射特征可具有相等的节距，并且沿着阵列的第一维度的连续区域可具有相应的衍射特征集合，所述衍射特征集合具有沿着阵列的第一维度在连续区域之间以逐步的方式逐渐变化的不同节距。沿着阵列的第二维度在连续区域内的衍射特征也可具有不同节距。然而，沿着阵列的第一维度在衍射特征之间的位移沿着阵列的第二维度在连续区域之间可保持相同。
[0016] 根据本公开的另一方面，提供有成像设备，用于形成虚拟图像，所述成像设备具有：平面波导；联接内衍射光学器件，将载有图像的光束引导到波导中；以及联接外衍射光学器件，将载有图像的光束从波导引导朝向观看者眼动范围。波导被布置为将载有图像的光束作为与角度相关的准直光束的集合从联接内衍射光学器件传播到联接外衍射光学器件。联接外衍射光学器件包括连续衍射区域的二维阵列。衍射区域中的每个（i）具有第一对和第二对相对侧面，并且（ii）具有在第二对相对侧面之间延伸的衍射特征集合，其中，每个集合中的衍射特征具有共同定向和共同节距。沿着阵列的第一维度的连续区域具有在第一对侧面之中的连续侧面和在节距上以逐步的方式逐渐变化的相应的衍射特征集合。沿着阵列的第二维度的连续区域具有在第二对侧面之中的连续侧面和在定向上以逐步的方式逐渐变化的相应的衍射特征集合。沿着阵列的第一和第二维度的连续区域被布置为将准直光束中的每个转换为发散光束，所述发散光束看起来在平面波导的相对侧面上从近焦点散发，如在眼动范围内观看的。
[0017] 优选地，联接外衍射光学器件在虚拟图像内将载有图像的光束中的每个聚焦到不同焦点，并且沿着阵列的第一维度在连续区域之间在节距上的逐步变化和沿着阵列的第二维度在连续区域之间在衍射特征的定向上的逐步变化被限制，以避免在虚拟图像内在不同焦点之间的重叠。
[0018] 根据本公开的又一方面，提供有成像设备，用于形成双虚拟图像，所述成像设备包括：平面波导；第一联接内衍射光学器件，将载有图像的光束的第一集合引导到波导中；第一联接外衍射光学器件，将载有图像的光束的第一集合从波导引导朝向观看者眼动范围；第二联接内衍射光学器件，将载有图像的光束的第二集合引导到波导中；以及第二联接外衍射光学器件，将载有图像的光束的第二集合从波导引导朝向观看者眼动范围。第二联接外衍射光学器件具有连续衍射区域的阵列。衍射区域中的每个具有至少一对侧面以及衍射特征集合，所述衍射特征集合具有共同定向和共同节距中的至少一个。沿着阵列的一个维度的连续区域具有在一对侧面之中的连续侧面以及在定向和节距中的至少一个上以逐步的方式逐渐变化的相应的衍射特征集合。第一联接外衍射光学器件被布置为形成在第一焦点距离处从眼动范围可观看的虚拟图像，并且第二联接外衍射光学器件被布置为与连续衍射区域的阵列一起用于形成在第二近焦点距离处从眼动范围可观看的虚拟图像。
[0019] 波导优选地被布置为将第二集合的载有图像的光束作为与角度相关的准直光束的集合从第二联接内衍射光学器件传播到第二联接外衍射光学器件，并且连续衍射区域的阵列优选地被布置为将准直光束中的每个转换成发散光束，所述发散光束看起来在平面波导的相对侧面上从近焦点散发，如在眼动范围内观看的。
[0020] 优选地，在衍射特征集合中的每个内的衍射特征具有共同节距，阵列的一个维度是阵列的第一维度，并且沿着阵列的第一维度的连续区域具有相应的衍射特征集合，所述衍射特征集合具有在连续区域之间以逐步的方式逐渐变化的不同的共同节距。此外，在衍射特征集合中的每个内的衍射特征优选地具有共同定向，并且沿着阵列的第二维度的连续区域具有相应的衍射特征集合，所述衍射特征集合具有沿着第二维度在连续区域之间以逐步的方式逐渐变化的不同的共同定向。
附图说明
[0021] 尽管
说明书利用特别指出并且明确要求保护本发明主题的权利要求进行总结，但所认为的是，当结合附图时，本发明将从以下描述中被更好理解，其中：图1是显示图像光导的简化截面视图的示意图，所述图像光导用于传递虚拟图像，具有联接外衍射光学器件，其沿着虚拟图像的一个维度提供光瞳扩展。
[0022] 图2是显示图像光导的透视图的示意图，所述图像光导用于传递虚拟图像，除了联接外衍射光学器件之外还具有转向光栅，其沿着虚拟图像的两个维度提供光瞳扩展。
[0023] 图3A、3B和3C分别是成像设备的侧视图、俯视图和透视图，所述成像设备具有图像光导，用于在无限距离焦点处形成虚拟图像。
[0024] 图4A、4B和4C分别是根据本公开的实施例的成像设备的侧视图、俯视图和透视图，所述成像设备具有图像光导，用于在近焦点位置处形成虚拟图像。
[0025] 图5是衍射光学器件的一部分的截面侧视图，其特征在于沿着衍射光学器件的第一维度在节距上的逐渐变化，用于对于图像的一个维度生成虚拟焦点。
[0026] 图6A和6B是衍射光学器件的一部分的透视图，其特征在于沿着衍射光学器件的第二维度在衍射特征的定向角度上的逐步变化。
[0027] 图7A是联接外衍射光学器件的一部分的前视图，简略描绘了由相等节距的平行衍射特征限定的分区段式区域的式样内的单个区域。
[0028] 图7B是联接外衍射光学器件的相同部分的前视图，其特征在于所简略描绘的区域的阵列，每个区域具有相等节距的平行衍射特征，但其中，相应区域在节距上沿着阵列的一个维度变化，并且在定向角度上沿着阵列的另一维度变化。
[0029] 图7C是联接外衍射光学器件的相同部分的前视图，显示了在定向上逐渐变化的相邻区域的衍射特征之间的对准。
[0030] 图7D是联接外衍射光学器件的一部分的前视图，所述联接外衍射光学器件具有被布置在相等节距的区域中的弓形光栅。
[0031] 图7E是联接外衍射光学器件的一部分的前视图，所述联接外衍射光学器件具有被布置在其中衍射特征共同定向的区域中的线性衍射特征。
[0032] 图8是由区域的二维阵列形成的类似衍射光学器件的前视图，在其中，轮廓被叠加，以显示联接外衍射光学器件相对于区域的二维阵列的可能定向。
[0033] 图9是显示双焦点成像设备的俯视图的示意图，在其中，一个图像光导被布置为将虚拟图像聚焦在无限距离处，并且另一图像光导被布置为使用区域的阵列而将虚拟图像聚焦在相同眼动范围内在近焦点处，如前述附图中显示的。
[0034] 图10是双焦点成像设备的分解透视图，所述双焦点成像设备为两个图像光导提供单独输入。
[0035] 图11是在相同图像光导内以双焦点布置的双焦点成像设备的透视图。
[0036] 图12是双眼显示系统的透视图，所述双眼显示系统使用本公开的至少一个近焦点图像光导，用于增强现实观看。
具体实施方式
[0037] 本描述特别地指向形成根据本发明的实施例的设备的一部分或与其更直接协作的元件。应理解的是，未具体显示或描述的元件可采取本领域技术人员已知的各种形式。
[0038] 其中在本文使用的，除非另有说明，否则术语“第一”、“第二”以及等等不一定表示任何序数、顺序或优先关系，而是简单地用于更清楚地将一个元素或元素的集合从其它区分。
[0039] “示例性”意味着“的示例”，不旨在暗示任何优选或理想的实施例。
[0040] 在本公开的上下文中，术语“观看者”、“操作者”、“观察者”和“使用者”被认为是等同的，并且指代观看由所考虑的图像光导中的一个（尤其是如被布置在HMD观看装置中的）传递的虚拟图像的人。
[0041] 如本文使用的，术语“可激励”（energizable）涉及在接收功率时并且可选地在接收启动
信号时执行所指示的功能的装置或部件的集合。
[0042] 术语“可致动”具有其常规含义，例如，涉及能够响应于刺激（诸如，响应于
电信号）而实现动作的装置或部件。
[0043] 如本文使用的，术语“集合”指代非空集合，因为集合的元素或成员的组合的概念在
基础数学中被广泛理解。除非另有明确陈述，否则术语“子集”在本文用于指代非空的适当子集，即，指代具有一个或多个成员的更大集合的子集。对于集合S，子集可包括完整集合S。然而，集合S的“适当子集”严格地被包括在集合S中，并且排除集合S的至少一个成员。
[0044] 作为对于真实图像投影的可选例，光学系统可产生对于观看者的眼睛显而易见的虚拟图像。与用于形成真实图像的方法相反，在显示表面上不形成虚拟图像。即，如果显示表面定位在虚拟图像的
感知位置处，则在该表面上不形成图像。虚拟图像显示器具有数个固有优点，用于增强现实呈现。例如，虚拟图像的表观大小不由显示表面的大小或位置限制。附加地，对于虚拟图像的源对象可为小的；作为简单示例，放大镜提供了其对象的虚拟图像。与投影真实图像的系统相比，通过形成看起来相距一定距离的虚拟图像，可提供更真实的观看体验。提供虚拟图像还消除了补偿屏幕伪像的需要，如当投影真实图像时可为必需的。
[0045] 如本文使用的，短语“光学无限距离”和“在无限距离处”对应于
照相机和成像技术中的常规用法，指示使用一束或多束基本准直光而形成图像，使得焦点距离超过至少约4米。
[0046] 在光学器件的上下文中，术语“联接”或“联接器”指的是连接，通过所述连接，光通过有助于连接的中间结构从一个光学介质或装置行进到另一光学介质或装置。
[0047] 术语“光束扩展器”和“光瞳扩展器”被认为是同义词，并且在本文可互换地使用。这些术语在本文总体上用于指代扩大与角度相关的光束之中的重叠区域，用于传递虚拟图像。
[0048] 复合棱镜由以限定关系的两个或多个部件棱镜元件形成，包括以直接光学
接触或通过中间光学介质连接的那些。
[0049] 图1是显示了单眼型图像光导10的一个常规配置的简化截面视图的示意图，所述单眼型图像光导10包括具有平面平行表面的平面波导22、被布置在平面波导22的透明基底S上的联接内衍射光学器件IDO和联接外衍射光学器件ODO。在此示例中，联接内衍射光学器件IDO被显示为反射型衍射光栅，所述反射型衍射光栅被布置在平面波导22的内表面14上与平面波导22的外表面12相对，载有图像的光WI通过所述外表面12接近平面波导22。然而，联接内衍射光学器件IDO可选地可为透射衍射光栅、体积全息图或其它全息衍射元件或为入射的载有图像的光WI提供衍射的其它类型的光学部件。联接内衍射光学器件IDO可位于平面波导22的外表面12或内表面14上，并且可为透射型或反射型，其组合取决于其中载有图像的光WI接近平面波导22的方向。
[0050] 当用作
虚拟显示系统的一部分时，联接内衍射光学器件IDO将来自真实、虚拟或混合图像源（未显示）的载有图像的光WI联接到平面波导22的基底S中。首先将任何真实图像或图像尺寸转换成（例如，朝向焦点聚焦）重叠的与角度相关的光束的阵列，其在图像内将不同位置编码（类似于虚拟图像），用于呈现到联接内衍射光学器件IDO。载有图像的光WI衍射（总体上通过第一衍射阶），并且因此由联接内衍射光学器件IDO重新引导到平面波导22中，作为载有图像的光WG，用于由完全内部反射（TIR）沿着平面波导22进一步传播。尽管与由TIR设置的边界一致地衍射到与角度相关的光束的总体上更密集的范围中，但载有图像的光WG以编码形式保留图像信息。联接外衍射光学器件ODO接收编码的载有图像的光WG，并且将载有图像的光WG从平面波导22衍射出来（总体上也通过第一衍射阶），作为载有图像的光WO朝向观看者眼睛的预定位置。总体上，联接外衍射光学器件ODO相对于联接内衍射光学器件IDO对称地设计，以恢复载有图像的光WI在载有图像的光WO的输出的与角度相关的光束之中的原始角度关系。然而，为了增加在所谓的眼动范围E（在其内可看到虚拟图像）中在与角度相关的光束之中的重叠的一个维度，联接外衍射光学器件ODO被布置为多次遇到载有图像的光WG，并且在每次相遇时仅衍射载有图像的光WG的一部分。沿着联接外衍射光学器件ODO的长度的多次相遇具有扩大载有图像的光WO的与角度相关的光束中的每个的一个维度的作用，因此扩展了眼动范围E（光束在其内重叠）的一个维度。扩展的眼动范围E降低了对于观看者眼睛的位置的敏感性，用于观看虚拟图像。
[0051] 联接外衍射光学器件ODO被显示为被布置在平面波导22的内表面14上的透射型衍射光栅。然而，类似于联接内衍射光学器件IDO，联接外衍射光学器件ODO可位于平面波导22的外表面12或内表面14上，并且可为透射型或反射型，其组合取决于其中载有图像的光WG旨在离开平面波导22的方向。
[0052] 图2的透视图显示了图像光导20，所述图像光导20被布置为在两个维度上扩展眼动范围74，即，沿着预定图像的x轴线和y轴线两者。为了实现光束扩展的第二维度，联接内衍射光学器件IDO定向为将载有图像的光WG围绕光栅矢量k0朝向中间转向光栅TG衍射，所述中间转向光栅TG的光栅矢量k1定向为在反射模式下将载有图像的光WG朝向联接外衍射光学器件ODO衍射。通过与中间转向光栅TG的多次相遇中的每次，仅使载有图像的光WG的一部分衍射，因此横向扩展了接近联接外衍射光学器件ODO的载有图像的光WG的与角度相关的光束中的每个。转向光栅TG将载有图像的光WG重新引导成与联接外衍射光学器件ODO的光栅矢量k2至少近似对准，用于在离开平面波导22之前在第二维度中纵向扩展载有图像的光WG的与角度相关的光束，作为载有图像的光WO。光栅矢量（诸如，所描绘的光栅矢量k0、k1和k2）在垂直于衍射光学器件的衍射特征（例如，凹槽、线或标线）的方向上延伸，并且具有与衍射光学器件IDO、TG和ODO的周期或节距d（即，凹槽之间的中心距离）成倒数的幅度。
[0053] 在图2的图像光导20中，联接内衍射光学器件IDO接收包括与角度相关的光束的集合的入射的载有图像的光WI，所述与角度相关的光束对应于在图像内由图像源16生成的个别像素或等同位置。通过真实显示器与聚焦光学器件一起，通过用于更直接地设置光束角度的光束扫描器，或通过组合（诸如，与扫描器使用的一维真实显示器），可生成全范围的角度编码光束，用于产生虚拟图像。通过提供载有图像的光WG与中间转向光栅TG和联接外衍射光学器件ODO两者在不同定向上的多次相遇，图像光导20在图像的两个维度中输出与角度相关的光束的扩展集合。在平面波导22的给定定向中，中间光栅TG在y轴线方向上提供光束扩展，并且联接外衍射光学器件ODO在x轴线方向上提供类似的光束扩展。两个衍射光学器件IDO和ODO以及中间光栅TG的反射率特征和相应周期d与其相应的光栅矢量的定向一起在两个维度中提供了光束扩展，同时保留了载有图像的光WI的与角度相关的光束（其从图像光导20输出作为载有图像的光WO）之中的预定关系。
[0054] 即，虽然由联接内衍射光学器件IDO将输入到图像光导20中的载有图像的光WI编码为与角度相关的光束的不同集合，但通过考虑联接内衍射光学器件IDO的系统效果而保留了重建图像所要求的信息。转向光栅TG（位于联接内衍射光学器件IDO和联接外衍射光学器件ODO之间的中间位置中）通常被布置为使得其对于载有图像的光WG的编码不引起任何显著改变。联接外衍射光学器件ODO通常相对于联接内衍射光学器件IDO以对称方式布置，例如，包括共享相同周期的衍射特征。类似地，转向光栅TG的周期通常也与联接内衍射光学器件IDO和联接外衍射光学器件ODO的共同周期匹配。尽管转向光栅TG的光栅矢量k1被显示为相对于其它光栅矢量成45度定向（其仍是可能的定向），但转向光栅TG的光栅矢量k1优选地相对于联接内衍射光学器件IDO和联接外衍射光学器件ODO的光栅矢量k0和k2成60度定向，使得载有图像的光WG转向120度。通过将中间转向光栅的光栅矢量k1相对于联接内衍射光学器件IDO和联接外衍射光学器件ODO两者的光栅矢量k0和k2成60度定向，联接内衍射光学器件IDO和联接外衍射光学器件ODO的光栅矢量k0和k2也相对于彼此成60度定向。通过使光栅矢量幅度基于转向光栅TG以及联接内衍射光学器件IDO和联接外衍射光学器件ODO的共同节距，三个光栅矢量k0、k1和k2形成等边三角形，并且总计为零幅度，这避免了可引入不期望的像差（包括色散）的不对称效应。
[0055] 无论联接内光学器件使用光栅、全息图、棱镜、镜或一些其它机构，衍射到平面波导22中的载有图像的光WI都由联接内光学器件有效地编码。在输入处发生的光的任何反射、折射和/或衍射必须由输出对应地解码，以便重新形成被呈现到观看者的虚拟图像。优选地，被放置在联接内衍射光学器件IDO与联接外衍射光学器件ODO之间的中间位置处的转向光栅TG通常被设计和定向，使得其对于编码光不引起任何改变。联接外衍射光学器件ODO将载有图像的光WG解码为其与角度相关的光束（其已被扩展，以填充眼动范围74）的原始或期望形式。在广义上，无论在转向光栅TG与联接内衍射光学器件IDO和联接外衍射光学器件ODO之间是否维持任何对称性，或是否沿着平面波导22发生载有图像的光WI的与角度相关的光束的编码的任何改变，都使转向光栅TG与联接内衍射光学器件IDO和联接外衍射光学器件ODO相关，使得从平面波导22输出的载有图像的光WO保留或以其它方式维持载有图像的光WI的原始或期望形式，用于产生预定虚拟图像。
[0056] 字母“R”表示虚拟图像的定向，所述虚拟图像对于其眼睛在眼动范围74中的观看者是可见的。如所显示的，所表示的虚拟图像中的字母“R”的定向与如由载有图像的光WI编码的字母“R”的定向匹配。在围绕z轴线的旋转或入射的载有图像的光WI相对于x-y平面的角度定向上的改变导致在来自联接外衍射光学器件（ODO）的射出光的旋转或角度定向上的对应对称改变。从图像定向的方面，转向光栅TG简单地作用为一种光学
中继器，沿着图像的一个轴线（例如，沿着y轴线）提供载有图像的光WG的角度编码光束的扩展。联接外衍射光学器件ODO进一步沿着图像的另一轴线（例如，沿着x轴线）扩展载有图像的光WG的角度编码光束，同时维持由载有图像的光WI编码的虚拟图像的原始定向。转向光栅TG通常是倾斜或方形光栅，或可选地，可为闪耀光栅，并且通常被布置在平面波导22的前表面或后表面上。
[0057] 图1和图2中描绘的图像光导10和20可为在数个现有头戴式装置（HMD）设计中使用的类型，用于为观看者提供图像内容。此类型的图像光导特别适合于增强现实应用，在其中，虚拟图像内容可叠加在真实世界视图上，如通过透明平面波导22看到的。
[0058] 将虚拟图像从偏移图像源传递到扩展眼动范围的基于图像光导的常规虚拟成像系统将虚拟图像呈现在光学无限距离焦点处。即，在眼动范围内包括载有图像的光的与角度相关的光束中的每个保持基本上准直的形式。如图3A、3B和3C中示意性地表示的，由投影仪40产生并且由图像光导30通过联接内衍射光学器件IDO和联接外衍射光学器件ODO传递的图像内容对于观看者眼睛看起来是在无限距离焦点处位于图像光导30的正前方的虚拟图像V1。观看者视野内的虚拟图像的表观大小涉及角度范围，与角度相关的光束通过所述角度范围编码图像。离开联接外衍射光学器件ODO的实线表示载有图像的光WO的准直光束中的一个，并且虚线表示在图像光导30前方的一个准直光束的虚拟延伸，其对应于看起来是在无限距离处从来源散发的虚拟图像的像素。
[0059] 在图4A-4C中，对于图像光导30的布置进行了
修改，使得来自虚拟图像V2内的点的主射线看起来是在图像光导30前方从有限近焦点距离Q处的位置出现。因此，载有图像的光的与角度相关的光束中的每个不再被准直，即，从无限距离处的点发散，而相反地是看起来是从位于更靠近图像光导30的点发散的光束。以实线表示由从图像光导30离开的光线形成的近焦点的发散主射线。虚线是主射线的延伸，其为观看者眼睛指示虚拟图像中的对象点的表观源。
[0060] 看起来在比常规无限距离焦点更短的焦点距离处的虚拟图像内容提供了对于在其中可为观看者呈现虚拟图像的方式的附加控制，诸如，通过将对象图像呈现在观看者视野内在其它对象前方的感知距离处。例如，近焦点距离或有限焦点距离Q可在从图像光导30约1米到2米内的任何距离处，诸如，约0.6 m处。为了形成看起来具有有限焦点距离的虚拟图像，从联接外衍射光学器件ODO发射的载有图像的光的与角度相关的光束中的每个具有其主射线，所述主射线在虚拟图像内从定位在近焦点距离Q处的表观位置发散。在与角度相关的光束的集合之中，以其它方式准直的光束中的每个的近聚焦不改变其中光束看起来在虚拟图像内聚焦的相对位置。 相反地，整个虚拟图像看起来更靠近观看者。
[0061] 在图5中呈现了一个机制，用于将沿着平面波导22传播的一个维度的准直光束转换为表示虚拟图像中的近焦点位置的发散光束，作为在反射模式下操作的步进线性调频（stepped-chirp）衍射光栅80。光栅矢量k2平行于x轴线但在与准直光束传播所沿着的方向相对的方向上延伸。联接外光栅80的光栅周期d沿着相同的传播方向以逐步的方式增加。由于给定光束衍射所通过的角度与光栅的周期成反比，因此在准直光束沿着步进线性调频衍射光栅80的连续相遇的情况下，准直光束衍射所通过的角度减小。在首先由准直光束遇到的联接外光栅ODO的开始处，周期d相对缩短，使得衍射角度增大，并且在光栅ODO的结束处，周期d相对延长，使得衍射角度减小。
[0062] 在x-z平面中考虑的是，沿着联接外光栅80的x轴线长度对于周期d的逐步调整提供的是，使代表性准直光束衍射通过逐渐变化的衍射角度，使得光看起来从近焦点f散发。载有图像的光WG的其它与角度相关的光束也在与联接外光栅80的每次连续相遇的情况下衍射通过不同衍射角度的
进程，使得来自这些光束中的每个的光根据其不同角度内容而看起来在距离Q处在共同焦点平面中从其它位置的不同近焦点散发。
[0063] 在图6A和6B中呈现了另一机制，用于将沿着平面波导22传播的不同维度的准直光束转换为表示虚拟图像中的近焦点位置的发散光束，其描绘了反射衍射光学器件的一部分，其特征在于分区段式区域的式样，所述式样总体上沿着衍射光学器件的y轴线维度在区域之间具有角度变化。为了简单性，沿着x轴线方向的光栅周期d保持恒定，以强调在衍射特征的角度定向上的步进变化的影响，所述衍射特征在本文也被称为光栅特征。参考图6A，通过改变平面波导22的x-y平面内的光栅特征82的角度φ，可实现y-z平面中的与角度相关的光束的逐渐重新引导。相对于y轴线测量，光栅特征82的角度φ沿着y轴线以逐步的方式变化，作为连续曲线的弦。光栅特征82在沿着x轴线从光栅的中心线相距一定距离的情况下以逐步的方式从y轴线定向成角度地偏离，但角度偏离在符号上在中心线的相对侧面上改变。与通过与联接外光栅80的连续相遇相关联的不同角度的进程而衍射单独光束相反，来自转向光栅TG的在y维度中的已扩展光束通过角度β在y-z平面中根据沿着y轴线的位置的进程而衍射。因此，在y-z平面中考虑的是，载有图像的光WG的与角度相关的光束中的每个看起来在从图像光导的距离Q处从唯一近焦点f散发。
[0064] 图6B描绘了给定准直光束的两条射线，其编码了虚拟图像的单个像素。给定光束的中心射线R1总体上与总体上沿着衍射光学器件的x轴线维度延伸的区域的光栅矢量k1对准地传播。在与光栅特征82中的一个的每次相遇时，在此方向上行进的光的一部分根据光栅矢量k1在总体上在x-z平面内的方向上相对于z轴线成倾斜角度衍射。中心射线R1衍射以达到期望倾斜角度（此处显示为与z轴线重合）的角度量主要由其初始角度定向、
波长和光栅周期d决定。在与射线R1相同的方向上传播但在y轴线方向上偏移的相同光束的另一射线R1'遇到光栅元件的不同区域，所述光栅元件定向为如由光栅矢量k1'限定的，所述光栅矢量k1'在x-y平面中相对于矢量k1以及射线R1和R1'通过角度φ成角度定向。总体上在射线R1'的方向上传播的光束部分与区域的相对倾斜的光栅特征82的每次连续相遇将至少一部分光衍射到y-z平面中。倾斜角度β表示y-z平面中衍射光的角度分量。尽管以逐步的方式完成，但倾斜角度φ逐渐改变，使得在y-z平面中，每个角度编码光束的不同衍射部分看起来在近焦平面中从焦点散发。可根据对于锥形衍射的规则而计算各种与角度相关的光束衍射所通过的分量和角度。
[0065] 图7A、图7B和图7C以简化示意性形式显示了划分成区域Z的二维阵列的联接外衍射光学器件的一部分，所述区域Z组合了沿着阵列的x轴线维度在节距上的逐步变化与在阵列的y轴线维度中在光栅特征的定向上的逐步变化。区域中的每个包括线性光栅特征的集合，所述线性光栅特征平行于彼此地延伸，并且具有相等节距。因此，每个区域具有常规线性光栅的形式。然而，沿着阵列的x轴线维度并且在阵列中被称为行的连续区域具有在相同方向上延伸但具有不同周期d（即，不同节距）的平行光栅特征的相应集合。沿着阵列的y轴线维度并且在阵列中被称为列的连续区域具有在逐渐不同的方向上通过角度φ延伸的平行光栅特征的相应集合。
[0066] 如在图7B中编号为Z1到Z12显示的，区域Z中的每个具有平行四边形的形状，其具有通过对应于线性光栅特征82的长度的距离间隔开的平行顶侧和底侧，并且还具有通过对应于光栅特征82的数量与等距线性光栅特征82中的每个的周期d的乘积的距离间隔开的平行左侧和右侧。
[0067] 每个区域Zn内的线性衍射光栅特征82平行延伸，并且一行区域中的每个内的线性衍射光栅特征82也平行延伸。因此，每行内的区域的光栅矢量k平行延伸。然而，在每行内，光栅节距（周期d）在每行的区域之中以逐步的方式逐渐变化。因此，光栅矢量k的幅度沿着每行逐渐变化。例如，如图7B中显示的，相同行中的连续区域Z1、Z2和Z3的光栅矢量k1、k2和k3全部在相同方向上延伸，但长度不同。类似地，连续区域Z4、Z5和Z6的光栅矢量k4、k5和k6在相同方向上延伸，但长度不同。可在所描绘的其它行的区域Z7、Z8和Z9以及区域Z10、Z11和Z12的光栅矢量之中进行类似的观察。
[0068] 在每列的区域之中，光栅矢量在角度定向上以逐步的方式通过角度φ逐渐改变。虽然光栅特征82之间在x轴线方向上的位移在每列内的区域之中保持恒定，但节距本身作为x轴线位移与角度φ的余弦的乘积而变化。因此，光栅矢量k1、k4、k7和k10的角度定向在角度φ上以逐步的方式在一列的连续区域Z1、Z4、Z7和Z10之间变化，并且这些光栅矢量k1、k4、k7和k10的幅度根据所述一列内的光栅特征的恒定x轴线位移和角度φ的余弦而变化。
可在所描绘的其它列的区域Z2、Z5、Z8和Z11以及区域Z3、Z6、Z9和Z12的光栅矢量之中进行类似的观察。
[0069] 尽管每行的区域包括全部平行于共同轴线（即，x轴线）对准的上边界和下边界，但每列中的区域沿着相应的弧对准。例如，沿着图7C的联接外衍射光学器件的两列的区域被显示为与弧A1和A2对准。如图7C中对于两个代表性弧A1和A2显示的，在区域的上边界与下边界之间延伸的每个线性光栅特征区段可被认为是沿着弧的弦。衍射光学器件内的不同列的弧（例如，A1和A2）共享相同的
曲率，并且由沿着x轴线方向的不同偏移区分。尽管在单独列内在相邻区域之间的平行线性光栅特征82在不同方向上定向，但在每列内在相邻区域中的光栅特征的共享x轴线位移允许相邻区域的平行光栅特征精确邻接。因此，在一列的每个区域内的光栅特征的有效前表面与相同列内的相邻区域的光栅特征的有效前表面相交，并且在一列的每个区域内的光栅特征的有效后表面与相同列内的相邻区域的光栅特征的有效后表面相交。在每个相交处在光栅特征之间的夹角α是对于在所述一列的相邻区域的光栅特征的角度定向之间的角度差的补充角度。因此，每列的光栅特征形成弧的弦表示。具有这些弦的上标弧在区域的列之间偏移，但共享相同的曲率，并且因此不是同心的。
[0070] 如将由光栅制造领域技术人员认识到的，图7A-7C中显示的ODO衍射光栅的分区域布置提供了可在实践中制造的连续式样，而没有对于电子束或其它处理系统提出的高度计算密集型要求。尽管区域在节距和定向中的至少一个上与彼此不同，但在任何给定区域内的节距和定向保持恒定。因此，每个区域可容易地复制，并且与仅在节距和定向上变化的其相邻区域匹配，其中，每行中的区域共享相同的定向，并且每列的区域共享光栅特征之间的相同的x轴线位移。
[0071] 如图7D中显示的可选方法使光栅特征形成有横跨多个区域具有共同曲率的弓形形状。类似于上文描述的区域，每个区域内的弓形光栅特征共享相同的节距和定向。然而，代替共同的线性形式，即，无限曲率，所有区域的弓形光栅特征共享共同的有限曲率。单个弓形光栅特征也更容易制造，其中，每行的区域之间的光栅特征仅在节距上不同。给定光栅区段的共同曲率、其在每列中的对准以及其变化定向，每列的光栅特征形成真实弧。在列内和列之间两者，由光栅特征形成的这些真实弧共享相同的曲率。弧（无论是在列内还是列之间的光栅特征之间）仅在沿着x轴线方向的偏移上不同。因此，光栅特征之间的x轴线位移在每列的区域之中保持恒定。
[0072] 虽然区域阵列可沿着每行和每列具有多个区域，但光栅特征（诸如，图7D中显示的）可形成有单个行和多个列。在每一列内，光栅特征可由沿着x轴偏移相同量的相同弧划出。列通过彼此相邻的光栅特征之间的偏移彼此不同，使得每个不同列沿着x轴呈现不同的偏移。弓形光栅特征之间的偏移在列之间以逐步的方式变化。
[0073] 相反地，区域的阵列可如图7E中所示出地形成有单个列和多个行。此处，每行包括一系列线性光栅特征，所述线性光栅特征具有相同的定向，但具有逐渐变化的节距。尽管每个不同的行在不同定向上由光
栅线划刻，并且节距间距沿着每行逐渐变化，但不同行的不同定向的光栅线沿着x轴线以相同量在间距上逐渐变化。因此，每行中的光栅特征可在x轴线方向上划刻有相同的渐进索引式样，并且仅在不同行之间在光栅特征的定向上不同。
[0074] 虽然已以简化和对称的形式呈现了区域阵列，用于强调制造便利性，但可叠加包括更高阶变化的其它区域阵列，以实现各种性能目标。衍射光学器件领域中已知的这些变化可包括在光栅特征的形式或实质上的变化以及其在区域内和区域之间的分布。
[0075] 为了提供高度分辨的图像内容的目的，阵列中的逐步变化区域的大小和数量被设置为将与角度相关的光束中的每个聚焦在虚拟唯一的近焦点处，所述焦点被定大小为显著限制或避免与眼动范围中的其它与角度相关的光束的虚拟焦点重叠。优选地，焦点中的每个分散在小于约0.5像素的大小的区域之上。例如，在视野（FOV）是100度的情况下，并且在显示器横跨FOV生成1000个像素的情况下，每个像素分隔0.1度。因此，例如，与相邻行的区域之间的改变定向角度φ相关联的角度步进优选地被限制为小于0.05度。优选地，与相邻列的区域之间的光栅特征的变化x轴线位移相关联的角度步进优选地类似被限制。
[0076] 例如，如图8中描绘的，已组装阵列的整体形状可相对于区域阵列的定向的更规则的x-y轴线歪斜。图8的平面视图显示了轮廓84，所述轮廓84限定了所制造的ODO的周界，用于一个类型的分区域光栅布置。轮廓84外部的所描绘的特征仅被显示用于参考，并且不需要被制造。优选地，ODO的光栅区域成形为适应与角度相关的光束的分布，所述与角度相关的光束旨在用于衍射到图像光导之外的虚拟近焦点位置。
[0077] 双成像设备。
[0078] 参考图9的示意图和图10的分解图，显示有使用第一图像光导30a的双成像设备200，所述第一图像光导30a使用根据本公开的实施例配置为步进线性调频衍射光栅的ODO而形成在无限距离焦点处的虚拟图像V1和在近焦点位置处的虚拟图像V2两者。光束分离器
50可用于引导对于无限距离和近聚焦图像的适当场景内容，诸如，使用偏振、快
门（shuttering）或其它特征，以为每个图像光导30a、30b选择适当的光。
[0079] 由双成像设备200形成的两个虚拟图像位于不同的焦距处。本公开的可选实施例可使用两个分区域ODO光栅，以提供两个焦距，其中，在光学无限距离处不考虑任何焦距。
[0080] 图11的透视图显示了具有双焦点布置的双成像设备300的可选实施例。联接外衍射光学器件ODO1为在无限距离焦点处形成虚拟图像V1提供成像。使用本文描述的分区域步进线性调频布置而被配置的联接外衍射光学器件OD02提供近焦点成像，以形成虚拟图像V2。投影仪40被配置为为对应的联接内衍射光学器件IDO1或IDO2提供单独的图像内容。尽管图11显示了成对的联接内和联接外衍射光学器件ODO，但成像设备300布置也可被配置有单个联接内光学器件和一个近乎连续的联接外光学器件，其被划分成无限距离焦点部段和近焦点部段。可选地，可提供渐进焦点布置，其中，多个部段形成ODO，每个部段具有不同焦点。来自投影仪40的
输入信号可对于具有其相应焦点特征的ODO的每个部段选择性地将图像内容引导到IDO。
[0081] 图12的透视图显示了显示系统60，用于使用本公开的一对图像光导而进行三维（3-D）增强现实观看。显示系统60被显示为具有左眼光学系统64l和对应的右眼光学系统64r的HMD，所述左眼光学系统64l具有图像光导140l，用于左眼，所述右眼光学系统64r具有图像光导140r，用于右眼。可提供图像源152（诸如，微型投影仪或类似装置），其可被激励，以为每只眼睛生成单独的图像，形成为具有所需图像定向的虚拟图像，用于竖直图像显示。
所生成的图像可为一对立体图像，用于3-D观看。由光学系统形成的虚拟图像可看起来叠加或
覆盖到由观看者看到的真实世界场景内容上。还可提供增强现实
可视化领域技术人员熟悉的附加部件，诸如，被安装在HMD的
框架上的一个或多个照相机，用于观看场景内容或观看者视线追踪。可选布置是可能的，包括显示设备，用于为一只眼睛提供图像。
[0082] 图像光导制造。
[0083] 例如，联接内衍射光学器件IDO和联接外衍射光学器件ODO可为衍射光栅，或可形成为体积全息图，或可由全息
聚合物分散的
液晶形成。图像光导的波导基底S通常是玻璃或具有足够折射率的光学材料，用于支持联接内衍射光学器件、分布光栅与联接外衍射光学器件之间的TIR传输。
[0084] 联接内衍射光学器件IDO、分布或转向光栅以及联接外衍射光学器件ODO可具有适于其功能的不同光栅周期。在玻璃基底毛坯的恰当表面制备之后，例如，可使用纳米压印方法在光瞳扩展器的一个或两个外表面上形成衍射部件。联接内和联接外器件中的至少一个可为表面凹凸衍射光栅。
[0085] 在实践中，可难以测量限定ODO的每个区域Z的连续角度改变，特别是在提供高
分辨率的情况下。可比较ODO的边界部分，以指示光栅式样的相应角度上的改变。
[0086] 已特别参考当前优选的实施例而详细描述了本发明，但应理解的是，可在本发明的精神和范围内实现变化和修改。因此，当前公开的实施例在所有方面中被认为是说明性而非限制性的。本发明的范围由所附权利要求指示，并且在其等同的含义和范围内的所有改变旨在被包括在其中。
