CN117716274A - 出射瞳孔扩展器泄漏消除 - Google Patents

出射瞳孔扩展器泄漏消除 Download PDF

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Abstract

在示例性实施方案中，一种设备包括波导，该波导具有内耦合器、外耦合器和沿着从该内耦合器到该外耦合器的光学路径的至少一个出射瞳孔扩展器。全息光学元件设置在波导的基本上与出射瞳孔扩展器相对的表面上。全息光学元件被配置为选择性地反射具有第一特性的光并且选择性地透射不具有第一特性的光。第一特性可包括光具有大于阈值角度的入射角、光具有沿着从内耦合器到外耦合器的光学路径的传播方向并且/或者光具有选定波长。

Description

出射瞳孔扩展器泄漏消除
相关申请的交叉引用
本申请要求于2021年6月25日提交的欧洲专利申请EP21305878号的优先权，该欧洲专利申请的全部内容以引用方式并入本文。
背景技术
本公开涉及光学器件和光子领域，并且更具体地涉及平面光学装置。更具体地但不完全地，本公开涉及广泛应用于各种装置中的衍射光栅，诸如，除其他示例外，显示器(包括用于AR(增强现实)和VR(虚拟现实)眼镜的眼镜电子装置和头戴式显示器的波导中光的内耦合和外耦合)、平视显示器(HUD)(例如汽车工业中的平视显示器)、用于照片/视频/光场相机的光学传感器、生物/化学传感器(包括片上实验室传感器)、显微镜、光谱学和计量***以及太阳能电池板。
本部分意图向读者介绍本领域的各个方面，这些方面可与下文描述和/或要求保护的本公开的各种方面有关。此讨论被认为有助于向读者提供背景信息，以促进更好地理解本发明的各个方面。因此，应当理解，这些陈述应当从这个角度来解读，而不是承认现有技术。
AR/VR眼镜被视为是新一代人机界面。AR/VR眼镜(以及更一般的眼镜防护电子装置)的开发与许多挑战相关联，包括减少此类装置的尺寸和重量以及改进图像质量(就对比度、视场、颜色深度等而言)，该图像质量应足够真实，以实现真正的沉浸式用户体验。
光学部件的图像质量和物理尺寸之间的权衡促动研究超紧凑光学部件，该超紧凑光学部件可以用作更复杂的光学***(诸如AR/VR眼镜)的构建块。期望此类光学部件易于制造和复制。在此类AR/VR眼镜中，各种类型的折射和衍射透镜和波束形成部件用于将来自微型显示器或投影仪的光引导到人眼，从而允许形成与用肉眼看到的物理世界的图像叠加的(在有AR眼镜的情况下)或由相机捕捉(在有VR眼镜的情况下)的虚拟图像。
一些类型的AR/VR眼镜利用光学波导，其中光仅在有限的内角度范围内通过TIR(指代全内反射(Total Internal Reflection))传播到光学波导中。波导的FoV(指代视场(Field of View))取决于波导的材料以及其他因素。
发明内容
说明书中的“一个实施方案”、“实施方案”、“示例性实施方案”等指示所描述的实施方案可以包含特定特征、结构或特性；但不是每个实施方案必然包括特定特征、结构或特性。而且，此类短语不一定是指相同的实施方案。此外，当结合实施方案描述特定特征、结构或特性时，此类特征、结构或特性可以与其他实施方案结合使用，无论是否明确地描述。
根据一些实施方案，一种设备包括：波导，该波导具有内耦合器、外耦合器和沿着从该内耦合器到该外耦合器的光学路径的至少一个出射瞳孔扩展器；和全息光学元件，该全息光学元件处于波导的与出射瞳孔扩展器相对的表面的至少一部分上。全息光学元件被配置作为波长选择性反射镜或角度选择性反射镜中的一者或两者。
在一些实施方案中，该设备还包括图像生成器，内耦合器被配置为内耦合由该图像生成器生成的图像，并且全息光学元件被配置作为波长选择性反射镜。该波长选择性反射镜的反射率在由图像生成器发射的光的波长处具有至少一个峰值。
在一些实施方案中，全息光学元件被配置作为角度选择性反射镜，并且该角度选择性反射镜具有随入射角的增加而增加的反射率。
在一些实施方案中，角度选择性反射镜被配置为基本上透射入射角小于阈值角度的光并且基本上反射入射角大于阈值角度的光。该阈值可介于30度与40度之间。该阈值可为35度。
在一些实施方案中，全息光学元件被配置作为角度选择性反射镜，该角度选择性反射镜具有取决于入射光的方位角的反射率。在一些此类实施方案中，角度选择性反射镜对于方位角沿着从内耦合器到外耦合器的光学路径进行引导的光具有最大反射率。
在一些实施方案中，出射瞳孔扩展器包括衍射光栅。
根据一些实施方案，一种方法包括：将光耦合到波导的内耦合器中，该波导具有外耦合器和沿着从该内耦合器到该外耦合器的光学路径的至少一个出射瞳孔扩展器；以及使用处于波导的与出射瞳孔扩展器相对的表面的至少一部分上的全息光学元件，基于光的波长或光的角度中的任一者或两者来选择性地反射或透射该光。
该方法的一些实施方案还包括从图像生成器发射光，由内耦合器耦合的光包括所发射的光。全息光学元件被配置作为波长选择性反射镜，其中该波长选择性反射镜的反射率在由图像生成器发射的光的波长处具有至少一个峰值。
在一些实施方案中，全息光学元件被配置作为角度选择性反射镜，该角度选择性反射镜具有随入射角的增加而增加的反射率。在一些此类实施方案中，角度选择性反射镜被配置为基本上透射入射角小于阈值角度的光并且基本上反射入射角大于阈值角度的光。
在一些实施方案中，全息光学元件被配置作为角度选择性反射镜，该角度选择性反射镜具有取决于入射光的方位角的反射率。在一些此类实施方案中，角度选择性反射镜对于方位角沿着从内耦合器到外耦合器的光学路径进行引导的光具有最大反射率。
在一些实施方案中，允许环境光进入波导，并且全息光学元件选择性地透射环境光的至少一部分。
附图说明
图1A是波导显示器的横截面示意图。
图1B是具有衍射光学部件的第一布局的双目波导显示器的示意图。
图1C是具有衍射光学部件的第二布局的双目波导显示器的示意图。
图1D是根据一些实施方案的双波导显示器的示意性分解图。
图1E是根据一些实施方案的双波导显示器的横截面示意图。
图1F示意性地示出了波导型AR眼镜的光学架构的一部分，包括圆形的内耦合器和旋转矩形的出射瞳孔扩展器(EPE)。
图2A示出了对于初始方位角为0°的光线在由EPE衍射后的极角，并且图2B示出了对于初始方位角为0°的光线在由EPE衍射后的方位角。这两条曲线均被示出为从波导的内部到EPE上的入射极角的函数。
图3A示出了对于初始方位角为-14°的光线在由EPE衍射后的极角，并且图3B示出了对于初始方位角为-14°的光线在由EPE衍射后的方位角。这两条曲线均被示出为从波导的内部到EPE上的入射极角的函数。
图4A是示出由波导处理的波矢量的相对值的k矢量图。
图4B是示出显示器的传播(虚线区域)和不传播(黑色区域)通过波导的区域的图。
图5是具有EPE的波导(WG)区域的示意性侧视图。
图6是波导的EPE区域的示意性顶视图。
图7是具有内耦合器、EPE和防泄漏HOE部件的示例性波导的示意性侧视图。
图8是图7的***的示意性顶视图。
图9是记录全息光学元件的过程的示意性侧视图。
图10是根据一些实施方案的波导显示器的示意性透视图。
图11是根据一些实施方案的波导显示器的示意性透视图。
具体实施方式
本公开涉及光学器件和光子领域，并且更具体地涉及包括至少一个衍射光栅的光学装置。如本文所述的衍射光栅可以用于可适形和可穿戴光学器件的领域，诸如AR/VR眼镜，以及用于包括显示器和/或轻质成像***的多种其它电子消费品。用于应用的示例性装置可以包括头戴式显示器(HMD)和光场捕获装置。调节非偏振光的此类衍射光栅可以在太阳能电池中应用。
描述了示例性光学装置，其包括一个或多个衍射光栅，该一个或多个衍射光栅可用于将光内耦合到光学装置中和/或将光从光学装置中外耦合。此类光学装置可以用作例如AR/VR眼镜的波导。
图1A中示出了可以采用如本文所述的衍射光栅结构的示例性波导显示装置。图1A是操作中的波导显示装置的示意性横截面侧视图。图像由图像生成器102投影。图像生成器102可以使用各种技术中的一种或多种技术来投影图像。例如，图像生成器102可以是激光束扫描(LBS)投影仪、液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)显示器(包括有机LED(OLED)或微型LED(μLED)显示器)、数字光处理器(DLP)、硅上液晶(LCoS)显示器或其他类型的图像生成器或光引擎。
表示由图像生成器102生成的图像112的光通过衍射内耦合器106耦合到波导104中。内耦合器106将表示图像112的光衍射成一个或多个衍射阶。例如，作为表示图像的底部的一部分的光线中的一条光线108由内耦合器106衍射，并且衍射阶110中的一个衍射阶(例如，二阶)处于能够通过全内反射传播通过波导104的角度。
通过衍射内耦合器106耦合到波导104中的光110的至少一部分通过衍射外耦合器114耦合出波导。耦合出波导104的至少一些光复制耦合到波导中的光的入射角。例如，在图示中，外耦合的光线116a、116b和116c复制内耦合的光线108的角度。由于离开外耦合器的光复制进入内耦合器的光的方向，所以波导基本上复制原始图像112。用户的眼睛118可以聚焦在复制的图像上。
在图1A的示例中，外耦合器114仅通过每次反射外耦合光的一部分，允许单个输入束(诸如光束108)生成多个并行输出光束(诸如光束116a、116b和116c)。以此方式，即使眼睛不与外耦合器的中心完全对准，来源于图像的每个部分的至少一些光可能到达用户的眼睛。例如，如果眼睛118向下移动，即使光束116a和116b没有进入眼睛，光束116c也可以进入眼睛，因此尽管位置偏移，用户仍然可以感知到图像112的底部。因此，外耦合器114部分地作为竖直方向上的出射瞳孔扩展器来操作。波导还可以包括一个或多个额外出射瞳孔扩展器(图1A中未示出)，以在水平方向上扩展出射瞳孔。
在一些实施方案中，波导104相对于源自波导显示器外部的光是至少部分可穿透的。例如，来自真实世界物体(诸如物体122)的至少一些光120穿过该波导104，允许该用户在使用该波导显示器时看到真实世界物体。由于来自真实世界物体的光120也穿过衍射光栅114，因此将存在多个衍射阶并因此存在多个图像。为了最小化多个图像的可见性，期望零阶衍射(不被114偏差)对于光120具有很大的衍射效率以及零阶，而较高的衍射阶能量较低。因此，除了扩展和外耦合虚拟图像之外，外耦合器114优选地被配置为通过实际图像的零阶。在此类实施方案中，由波导显示器显示的图像可能似乎叠加在真实世界上。
在一些实施方案中，如下文进一步详细描述的，波导显示器包括多于一个波导层。每个波导层可以被配置为优先将具有特定波长范围和/或入射角的光从图像生成器输送到观看者。
如图1B和图1C所示，具有内耦合器、外耦合器和瞳孔扩展器的波导显示器可以具有各种不同配置。图1B中示出了一个双目波导显示器的示例性布局。在图1B的示例中，显示器分别包括左眼和右眼的波导152a、152b。波导包括作为外耦合器和水平瞳孔扩展器操作的内耦合器154a、154b、瞳孔扩展器156a、156b和部件158a、158b。瞳孔扩展器156a、156b沿内耦合器和外耦合器之间的光学路径布置。图像生成器(未示出)可以提供给每只眼睛，并且被布置成投射表示相应内耦合器上的图像的光。
图1C中示出了另一双目波导显示器的示例性布局。在图1C的示例中，显示器分别包括左眼和右眼的波导160a、160b。波导包括内耦合器162a、162b。来自图像的不同部分的光可以由内耦合器162a、162b耦合到波导内的不同方向。朝向左侧行进的内耦合光穿过瞳孔扩展器164a、164b，而朝向右侧行进的内耦合光穿过瞳孔扩展器166a、166b。穿过瞳孔扩展器后，光使用部件168a、168b来耦合出波导，这些部件作为外耦合器和竖直瞳孔扩展器两者来操作以基本上复制在内耦合器162a、162b处提供的图像。
在不同实施方案中，波导显示器的不同特征可以设置在波导的不同表面上。例如(如图1A的配置中)，内耦合器和外耦合器都可以布置在波导的前表面上(远离用户的眼睛)。在其他实施方案中，内耦合器和/或外耦合器可以在波导的后表面上(朝向用户的眼睛)。内耦合器和外耦合器可以在波导的相对表面上。在一些实施方案中，内耦合器、外耦合器和瞳孔扩展器中的一者或多者可以存在于波导的两个表面上。图像生成器可以朝向波导的前表面或朝向波导的后表面布置。内耦合器不一定在波导与图像生成器的同一侧上。波导中的任何瞳孔扩展器可以布置在波导的前表面上、后表面上或两个表面上。在具有多于一个波导层的显示器中，不同的层可以具有内耦合器、外耦合器和瞳孔扩展器的不同配置。
图1D是根据一些实施方案的双波导显示器的示意性分解视图，包括图像生成器170、第一波导(WG1)172和第二波导(WG2)174。图1E是根据一些实施方案的双波导显示器的示意性侧视图，包括图像生成器176、第一波导(WG1)178和第二波导(WG2)180。第一波导包括第一透射衍射内耦合器(DG1)180和第一衍射外耦合器(DG6)182。第二波导具有第二透射衍射内耦合器(DG2)184、反射衍射内耦合器(DG3)186、第二衍射外耦合器(DG4)188和第三衍射外耦合器(DG5)190。不同的实施方案可以使用第一波导和第二波导上的光学部件(诸如瞳孔扩展器的不同布置)的不同布置。
虽然图1A至图1E示出了在近眼显示器中使用波导，但是相同原理可以用于其他显示技术，诸如用于汽车或其他用途的平视显示器。
出射瞳孔扩展器对视场的影响
图1F示意性地示出了波导型AR眼镜的光学架构的一部分，包括圆形的内耦合器和旋转矩形的出射瞳孔扩展器(EPE)。这两个元件都是设置在玻璃晶片的表面上的衍射光学元件(DOE)，该玻璃晶片充当AR***的组合器：其在传输真实图像的同时对虚拟图像进行波导传输。
这样，内耦合器接收来自光引擎的光束，该光束穿过投影图像的光学***的出射瞳孔。出射瞳孔与内耦合器相匹配，并且内耦合器被配置为通过衍射将图像偏离到玻璃晶片中，其角度允许图像通过全内反射(TIR)在波导内部被引导。
为了组合虚拟图像和真实图像，期望使虚拟图像光学路径偏转。在自由空间光学器件中，这是利用反射镜来完成的，而在AR域中，将反射镜***到波导中是不可行的。此外，还期望扩展人眼窗口(eyebox)，并且EPE在一个维度上使光偏离并扩展人眼窗口的双重功能是使用衍射光栅来完成的，该衍射光栅可被描述为设置在锥形底座中。
当光线以介于临界角(TIR)与掠射角(通常被选择为较高但不过于接近90°)之间的角度在波导内部传播时，当一些光线被EPE衍射时，它们能够以低于临界角的极角进行衍射，并且因此这些光线会泄漏。
已经观察到，EPE会减小***的竖直视场。即使内耦合器的水平FOV很大，也不可能利用该FOV。由于竖直FOV受到限制并且由于成像器具有纵横比，因此会限制总FOV的第一部件是EPE。
在图1F中，提供了坐标系。z分量指向图外。“极”角是指光线与z轴之间的角度，而“方位角”是指光线在x-y平面上的投影与x轴的角度。
一旦图像已经由内耦合器内耦合到波导内部，波导内部的光的极角就在临界角与掠射角之间变化。临界角是：
其中n是波导的指数。对于掠极角，其是设计相关的，并且可设置在介于例如65°与90°之间。
图2A示出了对于初始方位角为0°的光线在由EPE衍射后的极角，并且图2B示出了对于初始方位角为0°的光线在由EPE衍射后的方位角。这两条曲线均被示出为从波导的内部到EPE上的入射极角的函数。
图2A至图2B示出了光线以0°的方位角和从临界角到掠射角的各种极角在波导内部传播的情况，以及光线随后被衍射到各种方位角和极角的情况。可以看出，在任何情况下，衍射光线都将具有高于临界角的极角(例如，对于n＝1.52，临界角为41.2°)。这表明，在被EPE衍射之后，光线仍将通过全内反射传播。衍射的方位角平均等于90°，这指示图像的直角偏差。对于这种情况，EPE的光栅矢量可以在45°。
图3A示出了对于初始方位角为-14°的光线在由EPE衍射后的极角，并且图3B示出了对于初始方位角为-14°的光线在由EPE衍射后的方位角。这两条曲线均被示出为从波导的内部到EPE上的入射极角的函数。
在图3A至图3B中可以看出，虽然方位角仍然平均为90°，但所有衍射光线极角都低于全内反射的临界角。因此，这些光线将不会完全停留在波导中；相反，一旦它们撞击裸波导面，它们就会泄漏出去。
EPE后泄漏的问题可以参考完整的极角和方位角范围来进一步理解。
图4A是示出由波导处理的波矢量的相对值的k矢量图。圆402指示对应于临界角的波矢量大小圆404指示对应于掠射角的波矢量大小。圆406指示对应于渐弱波的波矢量大小。为了有效地传播通过波导，光线应该具有落在圆402和404之间的波矢量大小，这指示角度足够大以通过全内反射进行传播但小于掠射角。
区域408示出了入射到内耦合器上的光(例如，来自图像生成器的出射瞳孔)的波矢量的范围。区域410示出了在由内耦合器衍射之后波矢量的所得范围。区域412示出了在经内耦合的光线被EPE衍射之后波矢量的范围。在区域412中可以看出，上部部分(以黑色示出)具有超过掠射角的角度，并且下部部分(也以黑色示出)具有低于临界角的角度。因此，只有(所有三个区域408、410、412的)虚线部分中的波矢量可有效地传播通过波导。图4B示出了显示器的传播(虚线区域)和不传播(黑色区域)通过波导的区域。图4A和图4B因此示出了EPE对限制显示器的竖直视场的影响。
在一些情况下，区域408可仅表示经内耦合的视场的一半，而另一半被衍射为的负值。为了简单起见，在图4A至图4B中未示出另一半视场。
使用全息光学元件的实施方案
图5是具有EPE 504的波导(WG)区域502的示意性侧视图，其被提供以帮助理解图6。在图5和图6两者中，光撞击波导的EPE表面的区域用空心圆示出，而光撞击相对表面(例如，裸玻璃)的区域用实心圆示出。
图6是波导的EPE区域的示意性顶视图。光从左下方进入EPE区域。撞击裸玻璃表面(实心圆)的光会被反射但不偏转。撞击EPE表面的光能够以零阶反射或者以非零阶(例如，在一些实施方案中为二阶)反射和偏转。已偏转偶数次(包括零次)的光的路径由空心箭头示出，而已偏转奇数次的光由实心箭头示出。
如以上关于图4A至图4B所指出的，光在通过EPE偏转之后会特别经受损失(区域412的黑色区域)。参考图6，在虚线椭圆内撞击玻璃的一些光可具有小于临界角的角度并且可逸出波导。
图6的EPE能够以两种方式进行使用。输出可以是朝向右侧离开EPE的光，在这种情况下，EPE正使瞳孔扩展并且使图像偏离。第二种选择是使用朝向顶部离开的光。在这种情况下，EPE仅使光扩展而不使光偏离。采用哪种方式的决策由整个***的几何形状决定。在C形架构中，期望使用具有偏差的EPE。在不以双侧模式内耦合的***中，不需要使波导中的图像路径偏离，并且可以使用传输路径。
在实践中，对零阶衍射与锥形衍射之间的衍射效率的平衡进行调节，以便遵循另一方的一个路径。
在图6中，经内耦合的光线602撞击EPE。在指示EPE的第一次撞击的第一空心圆604处，光栅被设计成使得存在两条衍射光线：向上的零阶606(用空心箭头示出)；以及偏离的锥形衍射光线(例如，一阶、二阶等)(用实心箭头608示出)。
零阶衍射光线606将具有与进入光线相同的极角，因此其将总是处于TIR中。另一方面，锥形衍射光线608可低于如上所述的临界极角。如果其低于临界角，则下次光线撞击裸波导面时，其可能泄漏并且将会损失，并且竖直视场将受到限制。
为了避免不期望的光损失，示例性实施方案包括处于与EPE相对的波导面上的反射性全息光学元件(HOE)。该全息光学元件可被层合到波导的表面上。
图7示出了利用该示例性***的光线处理。图8是具有带标记光线分支的***的示意性顶视图。
图7是具有内耦合器752、EPE 754和防泄漏HOE部件756的示例性波导750的示意性侧视图。EPE处的衍射是平面外衍射，并且为了清楚起见，没有绘制零阶。波导内部传播的光线用带标记光线分支示出。光线701是通过TIR传播的经内耦合的光线。光线702是在从底部表面反射之后仍处于TIR中的光线701。光线703已经被EPE衍射到低于TIR的临界角的角度，并且其入射到HOE上。尽管光线703低于临界角，但是HOE被配置为反射光线703，从而产生光线704。光线705被EPE衍射，通过在与光线701和702相同的极角中的互易性质产生，其再次通过全内反射传播(光线706)。光线707是例如来自显示器外部的环境光的光线。光线707被透射通过波导并且不被HOE反射，因为其不处于EPE被配置为反射的角度范围内并且/或者其不具有EPE被配置为反射的波长。环境光透射通过HOE允许更好地观察用户的眼睛，并且反之允许用户更好地观察周围环境。然而，对外部环境的可穿透度并不理想，因为来自波导外部的一些光可能巧合地具有与HOE被配置为反射的角度和/或波长相对应的角度和/或波长。
图8是波导752的EPE区域的一部分的顶视图。在光线703和704之间撞击HOE的光将基本上被HOE反射而不是从波导泄漏。在705和606之间将不存在泄漏，因为这些分支再次处于全内反射，而在706之后，极角将保持与702相同并且将通过全内反射被反射。
EPE和HOE可被配置为对来自真实世界环境的光基本上是可穿透的。此类配置提供了可穿透波导的益处，允许人们看到用户的眼睛以进行舒适的交流和社交互动。虽然图7示出了处于波导的顶部表面上的EPE和处于波导的底部表面上的HOE，但是在一些实施方案中这些位置可以互换。
在一些实施方案中，HOE的性质可根据角度行为来描述。HOE可被配置为对FOV内来自真实世界环境的光基本上是可穿透的，同时对于低于临界角并且至少最多临界角的角度，对波导内的窄带光是反射的。
厚全息光学元件的性质使得能够进行波长复用以及角度复用。全息图可被记录为仅衍射特定入射角和/或特定波长的光线。因此，TIR泄漏光线可能会通过HOE进行偏离，而HOE保持对其他入射角可穿透。
例如，从图3A至图3B可以看出，为了透射整个竖直角度FOV，HOE可被配置为防止低至几乎35度的泄漏。最低值可基于诸如期望的竖直FoV等因素以及基于波导的折射率来选择。在一些实施方案中，用于传送虚拟图像的光是窄带光，该窄带光的波长已知为具有一定光谱扩展的相对精确值。光谱扩展是显示器中使用的光源的特性。对于激光器而言，其可非常窄，而对于LED而言，其可稍微更宽一些(大约±5nm至±10nm)。
在一些实施方案中，HOE反射性质也是不对称的。参考图8，例如，分支703从左侧撞击HOE。每次HOE撞击，光都从左侧入射。因此，可以使HOE透射率更高，因为当从右手侧撞击时其可以是可穿透的。通过使用简单的反射镜代替HOE，此类性质不会被共享。
图9是在玻璃板904上使用全息乳剂902来记录全息光学元件的过程的示意性侧视图。该过程包括记录垂直于全息板的两个平面波的干涉。记录HOE是为了围绕期望角度进行操作。为了提供全息图的窄角带宽，准直参考光束906和准直物体光束908可在记录期间倾斜。αin和αout分别是光线在波导内部的HOE上的预期入射角和反射角。αout是玻璃板内部的角度。玻璃内部的折射可被考虑在内。
图10是根据一些实施方案的波导显示器的示意性透视图。图10的设备包括波导1002，该波导具有内耦合器1004和外耦合器1006。波导具有第一表面1008和相对的第二表面1010，波导提供从内耦合器到外耦合器的光学路径(由箭头1012所示)。出射瞳孔扩展器1018沿着光学路径定位在第一表面1008上。全息光学元件1016定位在基本上与出射瞳孔扩展器1018相对的第二表面1010上。在一些实施方案中，内耦合器、出射瞳孔扩展器和外耦合器中的一者或多者(或全部)是衍射光栅。
图11是根据一些实施方案的波导显示器的示意性透视图。图11的设备包括波导1102，该波导具有内耦合器1104和外耦合器1106。波导具有第一表面1108和相对的第二表面1110，在该示例中波导提供从内耦合器到外耦合器的两个光学路径，一个路径由实线箭头1112示出，并且另一个路径由虚线箭头1113示出。在该示例中，沿着每个光学路径存在两个出射瞳孔扩展器：沿着路径1112的出射瞳孔扩展器1118a和1118b以及沿着路径1113的出射瞳孔扩展器1119a和1119b。在该示例中，全息光学元件1120设置在波导的基本上与出射瞳孔扩展器1119a和1119b相对的表面上，并且全息光学元件1122设置在波导的基本上与出射瞳孔扩展器1118a和1118b相对的表面上。虽然图示示出了每一对出射瞳孔扩展器共享单个HOE，但是在一些实施方案中，可为不同的EPE提供单独的HOE。在一些实施方案中，并非所有EPE都具有相关联的HOE。在一些实施方案中，内耦合器、出射瞳孔扩展器和外耦合器中的一者或多者(或全部)是衍射光栅。
在示例性实施方案中采用的全息光学元件(诸如HOE 1016、1120和1122)可被配置为作为波长选择性和/或角度选择性的反射镜来操作。例如，HOE可被配置为选择性地反射具有第一特性的光并且选择性地透射不具有第一特性的光。在一些实施方案中，具有第一特性的光可以是具有以下性质中的一个或多个性质的光：入射角大于阈值角度(例如，35度)、传播方向沿着波导的光学路径和/或光的波长对应于由波导的图像生成器发射的波长。在一些实施方案中，不具有第一特性的光可以是具有以下性质中的一个或多个性质的光：入射角小于阈值角度(例如，35度)，传播方向不对应于波导的光学路径和/或光的波长不对应于由波导的图像生成器发射的任何波长。
在一些实施方案中，全息光学元件被配置为作为波长选择性反射镜来操作。配置作为波长选择性反射镜的全息光学元件的透射率和反射率取决于入射光的波长。在一些实施方案中，全息光学元件的反射率在由对应图像生成器发射的至少一种颜色的光的波长处具有至少一个峰值(相反，透射率具有最小值)，并且反射率随着波长远离由图像生成器使用的波长而减小(透射率增加)。
在一些实施方案中，全息光学元件被配置为作为角度选择性反射镜来操作。配置作为角度选择性反射镜的全息光学元件的透射率和反射率取决于入射光的角度。角度选择性反射镜的透射率和反射率可取决于入射角、方位角或这两个角度。在一些实施方案中，对于具有低入射角的入射光，全息光学元件的反射率处于最小值(相反，透射率处于峰值)，并且对于与波导具有较大入射角的入射光，反射率增加(透射率减小)。另选地或除此以外，在一些实施方案中，对于方位角沿着从内耦合器到外耦合器的光学路径进行引导的光，全息光学元件的反射率处于最大值，并且随着方位角远离沿着从内耦合器到外耦合器的光学路径，反射率减小(透射率增加)。
在使用全息光学元件作为波长选择性反射镜和/或作为角度选择性反射镜的情况下，源自图像生成器的光更有可能被反射以在波导内进一步传播，而源自外部场景的光更有可能被透射通过全息光学元件并且因此离开波导。
在一些实施方案中，一种设备包括波导，该波导具有第一表面和相对的第二表面。波导包括内耦合器、外耦合器和沿着从该内耦合器到该外耦合器的光学路径的至少一个出射瞳孔扩展器。出射瞳孔扩展器处于波导的第一表面上，并且全息光学元件设置在波导的与出射瞳孔扩展器的至少一部分相对的第二表面上。在一些实施方案中，全息光学元件被配置为作为波长选择性反射镜来操作。在另选实施方案中，全息光学元件被配置为作为角度选择性反射镜来操作。在又一些实施方案中，全息光学元件被配置为既作为波长选择性反射镜又作为角度选择性反射镜来操作。
根据一些实施方案，一种设备包括：波导，该波导具有内耦合器、外耦合器和沿着从该内耦合器到该外耦合器的光学路径的至少一个出射瞳孔扩展器；和全息光学元件，该全息光学元件处于波导的基本上与出射瞳孔扩展器相对的表面上，该全息光学元件被配置为选择性地反射具有第一特性的光并且选择性地透射不具有第一特性的光。
在一些实施方案中，第一特性包括光具有大于阈值角度(诸如35度)的入射角。在一些实施方案中，具有第一特性的光包括传播方向沿着从内耦合器到外耦合器的光学路径的光。在一些实施方案中，具有第一特性的光包括具有选定波长的光。
在一些实施方案中，该设备还包括图像生成器，内耦合器被配置为内耦合由该图像生成器生成的图像。该图像生成器被配置为使用至少一个选定波长的光来生成图像；并且第一特性包括光具有选定波长。
在一些实施方案中，出射瞳孔扩展器被配置为使从内耦合器到外耦合器的光学路径偏转。在其他实施方案中，出射瞳孔扩展器被配置为在不使从内耦合器到外耦合器的光学路径偏转的情况下执行出射瞳孔扩展。
在一些实施方案中，出射瞳孔扩展器包括衍射光栅。
根据一些实施方案，一种方法包括：将光耦合到波导的内耦合器中，该波导具有外耦合器和沿着从该内耦合器到该外耦合器的光学路径的至少一个出射瞳孔扩展器；以及使用处于波导的基本上与出射瞳孔扩展器相对的表面上的全息光学元件，选择性地反射具有第一特性的光并且选择性地透射不具有第一特性的光。
一些实施方案还包括允许环境光进入波导，其中选择性地透射不具有第一特性的光包括：选择性地透射环境光的至少一部分。
尽管上文以特定组合描述了特征和元件，但是本领域的普通技术人员将理解，每个特征或元件可单独使用或以与其他特征和元件的任何组合来使用。

Claims (15)

1.一种设备，所述设备包括：
波导，所述波导具有内耦合器、外耦合器和沿着从所述内耦合器到所述外耦合器的光学路径的至少一个出射瞳孔扩展器；和
全息光学元件，所述全息光学元件处于所述波导的与所述出射瞳孔扩展器相对的表面的至少一部分上；
其中所述全息光学元件被配置作为波长选择性反射镜或角度选择性反射镜中的一者或两者。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述设备还包括图像生成器，所述内耦合器被配置为内耦合由所述图像生成器生成的图像，并且其中所述全息光学元件被配置作为波长选择性反射镜，所述波长选择性反射镜的反射率在由所述图像生成器发射的光的波长处具有至少一个峰值。
3.根据权利要求1或2所述的设备，其中所述全息光学元件被配置作为角度选择性反射镜，所述角度选择性反射镜具有随入射角的增加而增加的反射率。
4.根据权利要求3所述的设备，其中所述角度选择性反射镜被配置为基本上透射入射角小于阈值角度的光并且基本上反射入射角大于阈值角度的光。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述阈值角度为35度。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的设备，其中所述全息光学元件被配置作为角度选择性反射镜，所述角度选择性反射镜具有取决于入射光的方位角的反射率。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述角度选择性反射镜对于方位角沿着从所述内耦合器到所述外耦合器的光学路径进行引导的光具有最大反射率。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的设备，其中所述出射瞳孔扩展器包括衍射光栅。
9.一种方法，所述方法包括：
将光耦合到波导的内耦合器中，所述波导具有外耦合器和沿着从所述内耦合器到所述外耦合器的光学路径的至少一个出射瞳孔扩展器；
使用处于所述波导的与所述出射瞳孔扩展器相对的表面的至少一部分上的全息光学元件，基于所述光的波长或所述光的角度中的任一者或两者来选择性地反射或透射所述光。
10.根据权利要求9所述的方法，所述方法还包括从图像生成器发射光，由所述内耦合器耦合的所述光包括所发射的光，其中所述全息光学元件被配置作为波长选择性反射镜，所述波长选择性反射镜的反射率在由所述图像生成器发射的所述光的波长处具有至少一个峰值。
11.根据权利要求9或10所述的方法，其中所述全息光学元件被配置作为角度选择性反射镜，所述角度选择性反射镜具有随入射角的增加而增加的反射率。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述角度选择性反射镜被配置为基本上透射入射角小于阈值角度的光并且基本上反射入射角大于阈值角度的光。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的方法，其中所述全息光学元件被配置作为角度选择性反射镜，所述角度选择性反射镜具有取决于入射光的方位角的反射率。
14.根据权利要求9至13中任一项所述的方法，其中所述角度选择性反射镜对于方位角沿着从所述内耦合器到所述外耦合器的光学路径进行引导的光具有最大反射率。
15.根据权利要求9至14中任一项所述的方法，所述方法还包括允许环境光进入所述波导，其中所述全息光学元件选择性地透射所述环境光的至少一部分。
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