本申請要求于2014年5月30日提交的名為“用于虛擬和增強現(xiàn)實的方法和系統(tǒng)(METHODS AND SYSTEMS FOR VIRTUAL AND AUGMENTED REALTY)”的美國臨時專利申請序列號62/005,807的權(quán)益。本申請與于2013年11月27日以代理人案號ML 3001 1.00提交的名為“虛擬和增強現(xiàn)實的系統(tǒng)和方法(VIRTUAL AND AUGMENTED REALITY SYSTEMS AND METHODS)”的美國臨時專利申請序列號61/909,174，以及于2013年7月12日以代理案號30007.00提交的美國臨時專利申請序列號61/845,907交叉相關(guān)。本申請還與于2015年4月18日提交的名為“用于增強和虛擬現(xiàn)實的系統(tǒng)和方法(SYSTEMS AND METHODS FOR AUGMENTED AND VIRTUAL REALITY)”的美國專利申請序列號14/690,401，以及于2014年11月27日提交的名為“虛擬和增強現(xiàn)實的系統(tǒng)和方法(VIRTUAL AND AUGMENTED REALITY SYSTEMS AND METHODS)”的美國專利申請序列號14/555,585相關(guān)。

背景技術(shù)：

現(xiàn)代計算技術(shù)和顯示技術(shù)已經(jīng)促進了用于所謂“虛擬現(xiàn)實”或者“增強現(xiàn)實”體驗的系統(tǒng)的發(fā)展，其中，數(shù)字再現(xiàn)的圖像或者其部分以看起來是真實的或者可感知為真實的方式呈現(xiàn)給用戶。虛擬現(xiàn)實或“VR”場景通常涉及數(shù)字或虛擬圖像信息的呈現(xiàn)，而對于其它實際的真實世界視覺輸入并不透明；增強現(xiàn)實或“AR”場景通常涉及數(shù)字或虛擬圖像信息的呈現(xiàn)，作為對用戶周圍的實際世界的可視化的增強。

當(dāng)放置數(shù)字內(nèi)容(例如，為增強房間的真實世界視野而呈現(xiàn)的諸如虛擬枝形吊燈對象的3-D內(nèi)容，或者為增強房間的真實世界視野而呈現(xiàn)的諸如平面的/平的虛擬油畫對象的2-D內(nèi)容)時，可做出設(shè)計選擇以控制對象的行為。例如，2-D油畫對象可以是以頭部為中心的，在這種情況下，對象圍繞用戶的頭部移動(例如，如在谷歌眼鏡方法中)；或者，對象是以世界為中心，在這種情況下，它被呈現(xiàn)為仿佛它是真實世界坐標(biāo)系統(tǒng)的一部分，使得用戶在不移動對象相對于真實世界的位置的情況下，移動他的頭部和眼睛。

當(dāng)將虛擬內(nèi)容放置到采用增強現(xiàn)實系統(tǒng)所呈現(xiàn)的增強現(xiàn)實世界中時，對象是否應(yīng)當(dāng)呈現(xiàn)為：以世界為中心(即，虛擬對象停留在真實世界的位置中，使得用戶可以在不改變相對于圍繞著他的真實世界對象(諸如真實世界的墻壁)的其位置的情況下，圍繞著它移動他的身體、頭部、眼睛)；以身體為中心或者以軀干為中心，在這種情況下，虛擬元素相對于用戶的軀干可被固定，使得用戶可在不移動對象的情況下移動他的頭部或眼睛，但是這種移動從屬于軀干移動；以頭部為中心，在這種情況下，顯示的對象(和/或顯示器自身)可與頭部移動一起進行移動，如上參考谷歌眼鏡中所描述的；或者以眼睛為中心，如在“視網(wǎng)膜凹式顯示(foveated display)”配置中，其中內(nèi)容根據(jù)眼睛位置進行轉(zhuǎn)換。

一些傳統(tǒng)的方法使用具有表面浮雕型衍射元件(例如，線性光柵)的光波導(dǎo)來重定向來自圖像源的光束，以提供光瞳擴展并向觀看者的一個眼睛(在單眼布置中)或者兩個眼睛(在雙眼布置中)生成虛擬內(nèi)容顯示。這些具有表面浮雕型衍射元件的波導(dǎo)需要復(fù)雜的數(shù)字衍射圖樣的設(shè)計。這些復(fù)雜的設(shè)計隨后被轉(zhuǎn)變成高分辨率二進制掩碼信息，然后暴露到標(biāo)線上或者傳遞到電子束寫入設(shè)備(例如，光刻寫入裝置)。這些數(shù)字衍射圖樣然后被制作或印刷到光刻膠材料中，并且隨后使用各種蝕刻技術(shù)進行蝕刻。這種表面浮雕型衍射元件不僅制造昂貴，而且所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)由于存在顯微浮雕結(jié)構(gòu)同樣是脆弱的并且易受無意的損壞和污染。

因此，需要具有加強的衍射元件的方法和裝置，用于對于虛擬現(xiàn)實或增強現(xiàn)實顯示虛擬內(nèi)容。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

所公開的是一種用于虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實的方法和系統(tǒng)。一些實施例涉及用于虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實設(shè)備和應(yīng)用的裝置。裝置可包括：目鏡，其包括具有一個或多個層的衍射光學(xué)元件(DOE)；內(nèi)耦合光學(xué)(ICO(in-coupling optic))元件，其接收來自例如投影儀的光束并將光束傳輸?shù)紻OE中的基板。每一層可包括OPE(正交光瞳擴展)衍射元件和EPE(出射光瞳擴展)衍射元件。

在一個層上的OPE衍射元件將一些輸入光束偏轉(zhuǎn)到EPE衍射元件，該EPE衍射元件進而將該偏轉(zhuǎn)的光束中的一些朝向用戶的眼睛偏轉(zhuǎn)。應(yīng)當(dāng)注意，術(shù)語“光柵”的使用不暗示或示意“光柵”中的衍射結(jié)構(gòu)僅包括線性衍射元件或結(jié)構(gòu)。相反，光柵(例如，EPE光柵、OPE光柵等)可包括線性衍射結(jié)構(gòu)、圓形衍射結(jié)構(gòu)、徑向?qū)ΨQ衍射結(jié)構(gòu)或者它們的任意組合。OPE衍射元件和EPE衍射元件可包括線性衍射結(jié)構(gòu)和圓形或徑向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)二者以偏轉(zhuǎn)和聚焦光束。

EPE和OPE衍射元件以及攜帶用于增強或虛擬現(xiàn)實顯示裝置的圖像信息的光束之間的相互作用可參考圖1D-E采用以下的示例來解釋。在此示例中，攜帶圖像信息的光進入波導(dǎo)(118)，波導(dǎo)(118)中的OPE衍射元件可將入射光朝向平面波導(dǎo)(116)中的DOE或EPE衍射元件(120)偏轉(zhuǎn)。衍射圖樣、“衍射光學(xué)元件”(或“DOE”)或EPE衍射元件(120)嵌入在平面波導(dǎo)(116)內(nèi)，使得準(zhǔn)直光沿著平面波導(dǎo)(116)全內(nèi)反射，準(zhǔn)直光在多個位置處相交于EPE衍射元件(120)。在此所述的一些實施例中，EPE衍射元件(120)具有相對低的衍射效率，使得僅一部分光在EPE衍射元件(120)的每一個交叉點朝向眼睛偏轉(zhuǎn)走，而剩余的光經(jīng)由全內(nèi)反射(TIR)通過平面波導(dǎo)(116)繼續(xù)移動。

因此，攜帶圖像信息的光被劃分成在多個位置處離開波導(dǎo)(116)的多個相關(guān)光束，并且結(jié)果是對于在平面波導(dǎo)(116)內(nèi)反彈(bounce)的該特定的準(zhǔn)直光束，朝向眼睛(158)的出射發(fā)射的相當(dāng)均勻的圖樣，如圖1D所示。朝向眼睛(158)的出射光束在圖1D中示出為基本平行，因為在該示例中，EPE衍射元件(120)只具有線性衍射圖樣。參考圖1E，隨著在嵌入的EPE衍射元件(220)的徑向?qū)ΨQ衍射圖樣分量中的變化，出射光束圖樣從眼睛(158)的視角可以被渲染得更發(fā)散，并且需要眼睛適應(yīng)更近的距離，以將使其聚焦在視網(wǎng)膜上然后被大腦解釋為光來自于比光學(xué)無限遠更接近眼睛的觀看距離。

在一些實施例中，OPE衍射元件和EPE衍射元件可以以共面或并排方式布置在一層上。在一些實施例中，OPE衍射元件和EPE衍射元件可以以折疊或覆蓋的方式布置在一層的兩側(cè)上。在一些其它實施例中，OPE衍射元件和EPE衍射元件可布置和記錄在單個的、整體的、空間一致的層中，以形成具有OPE衍射元件的功能和EPE衍射元件的功能的復(fù)用層。多個這種層可在彼此頂部層疊以形成多平面配置，其中每一層可主控(host)與其各自焦距相關(guān)聯(lián)的其各自焦平面。多平面配置可提供更大的焦距范圍，并且多平面配置中的每一層可動態(tài)地開啟和關(guān)閉，以向觀看者呈現(xiàn)以不同焦距出現(xiàn)的圖像。OPE和EPE衍射元件可具有表面浮雕型光柵結(jié)構(gòu)、體相型光柵結(jié)構(gòu)或它們的組合。

一些實施例涉及用于虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實的方法。該方法可以通過使用內(nèi)耦合光學(xué)元件將輸入光束傳輸?shù)侥跨R的基板；通過使用在第一層上的至少第一衍射元件將輸入光束的第一部分朝向在目鏡的第一層上的第二衍射元件偏轉(zhuǎn)；并通過采用在第一層上的第二衍射元件偏轉(zhuǎn)輸入光束的第一部分中的一些而朝向觀看者的眼睛定向第一出射光束。在一些實施例中，方法進一步可以在目鏡的基板內(nèi)傳輸輸入光束的剩余部分；通過使用在第一層上的第一衍射元件將輸入光束的剩余部分中的一些朝向第二衍射元件偏轉(zhuǎn)；并通過采用在第一層上的第二衍射元件偏轉(zhuǎn)輸入光束的剩余部分中的一部分而朝向觀看者定向第二出射光束。

在一些實施例中，由于光柵結(jié)構(gòu)的透射特性和反射特性，該方法還可以在目鏡的基板內(nèi)傳輸輸入光束的第一部分中的剩余部分，并且通過使得第一部分中的剩余部分與在第一層上的第一衍射元件和第二衍射元件相互作用而朝向觀看者定向另外的出射光束。在目鏡包括具有衍射光學(xué)元件的多個層的多平面配置的一些實施例中，該方法可通過使用一個或多個控制信號來動態(tài)地開啟目鏡的第二層，其中，第二層包括第三衍射元件和第四衍射元件，并至少通過使用在第二層上的第三衍射元件和第四衍射元件，從輸入光束朝向觀看者定向出射光束。

一些第一實施例涉及用于生成用于虛擬現(xiàn)實和/或增強現(xiàn)實的立體圖像的方法。通過使用內(nèi)耦合光學(xué)元件，可將輸入光束傳輸?shù)侥跨R的基板中；至少通過使用在第一層上的第一衍射元件，可將輸入光束的第一部分朝向在目鏡的第一層上的第二衍射元件偏轉(zhuǎn)；并且在這些第一實施例中通過采用第二衍射元件偏轉(zhuǎn)輸入光束的第一部分的一些，還可將第一出射光束朝向觀看者定向。

在這些第一實施例的一些中，在目鏡的基板內(nèi)的輸入光束的剩余部分；通過使用在第一層上的第一衍射元件，可將輸入光束的剩余部分中的一些朝向第二衍射元件偏轉(zhuǎn)；并且通過采用在第一層上的第二衍射元件偏轉(zhuǎn)輸入光束的剩余部分的一部分，還可將第二出射光束朝向觀看者定向。附加地或可替換地，輸入光束的第一部分中的剩余部分可在目鏡的基板內(nèi)傳輸；并且通過使得第一部分中的剩余部分與在第一層上的第一衍射元件和第二衍射元件相互作用，還可將另外的出射光束朝向觀看者定向。

在第一實施例的一些中，通過使用一個或多個控制信號，可將目鏡的第二層動態(tài)地開啟，其中，第二層包括第三衍射元件和第四衍射元件；并且通過至少使用第二層上的第三衍射元件和第四衍射元件，可將出射光束從輸入光束朝向觀看者定向。在前述的實施例的一些中，第一層主控與第一焦距相關(guān)聯(lián)的第一焦平面，并且第一出射光束對于用戶看起來從第一焦平面發(fā)出?？筛郊拥鼗蚩商鎿Q地，第二層主控與第二焦距相關(guān)聯(lián)的第二焦平面，并且出射光束對于用戶看起來從第二焦平面發(fā)出。在第一實施例的一些中，第一衍射元件和第二衍射元件包括表面浮雕型衍射元件、體相型衍射元件或表面浮雕型衍射元件和體相型衍射元件的組合。

一些第二實施例涉及用于實現(xiàn)用于生成虛擬現(xiàn)實和/或增強現(xiàn)實的立體圖像的裝置。在這些第二實施例中，第一基板可被識別(如果已經(jīng)存在)或制造(如果不存在)以用于裝置的目鏡；第一衍射元件和第二衍射元件可在一個或多個第一膜上被識別(如果已經(jīng)存在)或制造(如果不存在)，其中，第一衍射元件和第二衍射元件包括線性光柵結(jié)構(gòu)以及圓形或徑向?qū)ΨQ光柵結(jié)構(gòu)；包括第一衍射元件和第二衍射元件的一個或多個第一膜可被設(shè)置在第一基板上；并且內(nèi)耦合光學(xué)元件也可被集成在目鏡中，以將來自輸入光源的輸入光束傳輸?shù)降谝换逯?，其中，第一衍射元件和第二衍射元件操作地耦合到?nèi)耦合光學(xué)元件，以偏轉(zhuǎn)輸入光束的至少一部分。

在這些第二實施例的一些中，第一衍射元件和第二衍射元件可在第一基板的一側(cè)上以共面的布置來布置。在這些第二實施例的一些其它實施例中，第一衍射元件和第二衍射元件在第一基板的兩側(cè)上以折疊或覆蓋的布置來布置。附加地或可替換地，以共面的布置或以折疊或覆蓋的布置的第一衍射元件和第二衍射元件可在設(shè)置在第一基板的一側(cè)上的整體、不可分離的層上復(fù)用。

在第二實施例的一些中，第二基板被識別(如果已經(jīng)存在)或制造(如果不存在)以用于目鏡；第三衍射元件和第四衍射元件也可在一個或多個第二膜上被識別(如果已經(jīng)存在)或制造(如果不存在)，其中，第三衍射元件和第四衍射元件包括線性光柵結(jié)構(gòu)以及圓形或徑向?qū)ΨQ光柵結(jié)構(gòu)；并且包括第三衍射元件和第四衍射元件的一個或多個第二膜可被設(shè)置在第二基板上。

在緊接的前述實施例的一些中，第二基板可被設(shè)置在第一基板上，其中，在第一基板上的第一衍射元件和第二衍射元件以及在第二基板上的第三衍射元件和第四衍射元件通過使用電壓或電流在開啟狀態(tài)和關(guān)閉狀態(tài)之間動態(tài)地切換。附加地或可替換地，一個或多個第一膜和一個或多個第二膜中的至少一個包括聚合物分散液晶層。

在第二實施例的一些中，第一衍射元件和第二衍射元件包括表面浮雕型光柵結(jié)構(gòu)、體相型光柵結(jié)構(gòu)或表面浮雕型光柵結(jié)構(gòu)和體相型光柵結(jié)構(gòu)的組合。附加地或可替換地，第一衍射元件和第二衍射元件包括體相光柵結(jié)構(gòu)和表面浮雕結(jié)構(gòu)的組合。第二實施例的一些中，第一基板可選地可包括單層主體透明或半透明介電主介質(zhì)，或者在第二實施例的一些其它實施例中，包括彼此耦合的半透明或透明主介質(zhì)的兩個或多個層，以共同形成用于輸入光束的至少一部分的波導(dǎo)，以產(chǎn)生立體圖像。

一些第三實施例涉及用于使用或設(shè)計用于生成虛擬現(xiàn)實和/或增強現(xiàn)實的立體圖像的裝置的過程。在這些第三實施例中，可從內(nèi)耦合光學(xué)器件接收輸入光束；采用裝置的目鏡中的第一衍射元件，可將來自內(nèi)耦合光學(xué)器件的輸入光束偏轉(zhuǎn)到朝向第二衍射元件的第一方向中，其中，第一衍射元件具有預(yù)定的衍射效率和相對于輸入光束的傳播的方向的第一取向；以及輸入光束的第二部分可傳播通過具有第二取向的第二衍射元件，以向觀看者產(chǎn)生立體圖像。

在這些第三實施例的一些中，第一衍射元件或第二衍射元件中的至少一個包括至少采用體相技術(shù)來制造的體積全息圖，以在具有單層主介質(zhì)或主介質(zhì)的兩個或多個單獨層的基板上記錄第一衍射元件或第二衍射元件。附加地或可替換地，立體圖像中的偽像至少通過調(diào)制第一衍射元件或第二衍射元件或第一衍射元件和第二衍射元件的組合的衍射效率。另外，第一衍射元件可可選地包括出射光瞳擴展結(jié)構(gòu)或擴展器，以及第二衍射元件包括正交光瞳擴展結(jié)構(gòu)或擴展器。

在這些第三實施例的一些中，第一衍射元件和第二衍射元件可選地還可以包括包含干法光聚合物材料的主介質(zhì)。在上述實施例的一些中，主介質(zhì)包括單層光聚合物材料、單層鹵化銀、或單層聚合物分散液晶混合材料。

在第三實施例的一些中，至少通過連續(xù)地重定向輸入光束的至少第一部分的第一光波前并經(jīng)由全內(nèi)反射與輸入光束的至少第二部分外耦合，來引導(dǎo)輸入光束的傳播。附加地或可替換地，至少通過采用不同的衍射效率傾斜(ramp)目鏡中的一個或多個組件的衍射效率，來控制在輸入光束和第一衍射元件和/或第二衍射元件之間的較早和較晚的相互作用。

在第三實施例的一些中，至少通過在制備第一衍射元件和/或第二衍射元件中調(diào)制記錄光束強度或記錄光束強度的比例，在第一衍射元件和/或第二衍射元件中分布光柵衍射效率。可選地，第一衍射元件和第二衍射元件可被識別(如果已經(jīng)存在)或制造(如果不存在)而不使用表面浮雕結(jié)構(gòu)。

在第三實施例的一些中，通過使用用于第一衍射元件和/或第二衍射元件的可切換光柵結(jié)構(gòu)，過程可提供投射圖像到多個焦平面成像元件的時間復(fù)用分布。附加地或可替換地，第一衍射元件或第二衍射元件包括聚合物分散液晶(PDLC)組件。在這些緊接的前述實施例的一些中，聚合物分散液晶(PDLC)組件、用于PDLC組件的主介質(zhì)以及在PDLC組件的主介質(zhì)中的結(jié)構(gòu)元件可被識別；并且主介質(zhì)或結(jié)構(gòu)元件的折射率可被確定為與基板的第一折射率不匹配的折射率，其中，第一衍射元件和/或第二衍射元件設(shè)置在該基板上。

在第三實施例的一些中，單層結(jié)構(gòu)可被識別；第一衍射元件和第二衍射元件可被識別(如果已經(jīng)存在)或制造(如果不存在)到單層結(jié)構(gòu)中；并且單層結(jié)構(gòu)中的第一衍射元件和第二衍射元件可被復(fù)用，以減少在目鏡的至少一部分中輸入光束的傳播的衍射的串?dāng)_。附加地或可替換地，第一衍射元件和第二衍射元件設(shè)置在基板上或設(shè)置在基板中，并包括體相光柵結(jié)構(gòu)和表面浮雕結(jié)構(gòu)的組合。在這些緊接的前述實施例的一些中，基板包括單層主體透明或半透明介電主介質(zhì)。在第三實施例的一些中，基板包括彼此耦合的半透明或透明主介質(zhì)的兩個或多個層以共同形成用于輸入光束的至少一部分的波導(dǎo)，以產(chǎn)生立體圖像。

一些第四實施例涉及用于生成用于虛擬現(xiàn)實和/或增強現(xiàn)實的立體圖像的裝置。該裝置包括包含基板的目鏡；用于將輸入光束傳輸?shù)交逯械膬?nèi)耦合光學(xué)元件；以及包括第一衍射元件和第二衍射元件的基板的第一層，該第一衍射元件和第二衍射元件操作地耦合到內(nèi)耦合光學(xué)元件并設(shè)置在基板的一側(cè)或多側(cè)上，其中第一衍射元件和第二衍射元件包括線性光柵結(jié)構(gòu)和圓形或徑向?qū)ΨQ光柵結(jié)構(gòu)。

在這些第四實施例的一些中，第一衍射元件和第二衍射元件以共面的布置被布置在第一層上?？商鎿Q地，第一衍射元件和第二衍射元件以折疊或覆蓋的布置被布置在第一層的兩側(cè)。在第四實施例的一些中，裝置還包括一個或多個第二層，其中，第一層和一個或多個第二層在開啟和關(guān)閉狀態(tài)之間是動態(tài)可切換的，并且一個或多個第二層在彼此頂部層疊。

在這些上述的實施例的一些中，第一層或者一個或多個第二層包括至少一個聚合物分散液晶層。在第四實施例的一些中，第一衍射元件和第二衍射元件包括體相型光柵結(jié)構(gòu)。附加地或可替換地，第一衍射元件和第二衍射元件包括表面浮雕型光柵結(jié)構(gòu)。附加地或可替換地，第一衍射元件和第二衍射元件包括表面浮雕型光柵結(jié)構(gòu)和體相型光柵結(jié)構(gòu)。

以下將參考圖1A-圖25D來描述用于生成用于虛擬現(xiàn)實和/或增強現(xiàn)實的立體圖像的方法和裝置的各方面的更多細節(jié)。

附圖說明

附圖示出了本發(fā)明的各種實施例的設(shè)計和使用。應(yīng)當(dāng)注意，附圖沒有按照比例進行繪制，并且相似結(jié)構(gòu)或功能的元件在全部附圖中用相似的參考標(biāo)記表示。為了更好的理解如何獲得本發(fā)明的各種實施例的上述內(nèi)容和其它優(yōu)點以及目的，以上簡要描述的本發(fā)明的更詳細描述將通過參考其具體實施例來顯現(xiàn)，所述具體實施例在附圖中示出。需要理解，這些附圖僅描繪了本發(fā)明的典型實施例，因此并不能認為限制它的范圍，本發(fā)明將通過使用附圖用附加特征和細節(jié)來描述和解釋，在附圖中：

圖1A示出了偏轉(zhuǎn)準(zhǔn)直光束的線性衍射光柵的簡化示意圖。

圖1B示出了偏轉(zhuǎn)準(zhǔn)直光束的徑向?qū)ΨQ衍射光柵的簡化示意圖。

圖1C示出了在此描述的包括組合線性和徑向結(jié)構(gòu)的衍射元件的一些實施例。

圖1D示出了衍射圖樣或衍射元件和攜帶用于增強或虛擬現(xiàn)實顯示裝置的圖像信息的光束之間的相互作用的示例。

圖1E示出了衍射圖樣或衍射元件和攜帶用于增強或虛擬現(xiàn)實顯示裝置的圖像信息的光束之間的相互作用的另一示例。

圖2A-B示出了在一些實施例中制作和使用體相衍射元件的一些示意性表示。

圖3A-B示出了在一些實施例中制作和使用用于RBG(紅色、綠色、和藍色)的體相衍射元件的一些示意性表示。

圖3C-D示出了在一些實施例中制作和使用用于RBG(紅色、綠色、和藍色)的體相衍射元件的一些示意性表示。

圖3E-F示出了在一些實施例中制作和使用用于RBG(紅，綠，藍)的陡角體相衍射元件的一些示意性表示。

圖4A-C示出了在一些實施例中用于記錄體相衍射元件或體相陡峭角衍射元件以制造EPE、OPE或組合的EPE/OPE的一些示意性設(shè)置。

圖5A示出了記錄材料和組件層的疊層以及許多可能記錄的幾何結(jié)構(gòu)中的一個的出射光瞳擴展器的一個實施例的示意性表示。

圖5B示出了記錄材料和組件層的疊層以及許多可能記錄的幾何結(jié)構(gòu)中的一個的出射光瞳擴展器、正交光瞳擴展器、輸入耦合光柵或組合光柵的一個實施例的示意性表示。

圖6示出了在單個晶片基板中的ICO、EPE和OPE組件的一個實施例的示例性配置，以及當(dāng)采用圖像投影系統(tǒng)照明時它們的功能。

圖7示出了在一些實施例中操作地耦合到內(nèi)耦合光學(xué)器件的共面OPE和EPE布置的示意性布置。

圖8示出了在一些實施例中操作地耦合到內(nèi)耦合光學(xué)器件的覆蓋或折疊的OPE和EPE布置的示意性布置。

圖9示出了在一些實施例中操作地耦合到內(nèi)耦合光學(xué)器件的覆蓋或折疊的OPE和EPE布置的另一個示意性布置。

圖10A-B示出了在一些實施例中的覆蓋或折疊的OPE和EPE布置的另一個示意性布置。

圖11示出了在一些實施例中覆蓋或折疊的OPE和EPE以及光束倍增層布置的另一個示意性布置。

圖12A-C示出了在一些實施例中在衍射元件和攜帶用于觀看者的圖像信息的光之間的相互作用的一些示意性表示。

圖12D示出了在一些實施例中用于虛擬現(xiàn)實和/或增強現(xiàn)實裝置的多平面配置的示意性表示。

圖13A-B示出了在一些實施例中的可切換層的示意性表示。

圖14示出了在一些實施例中的復(fù)用擴展器元件的示意性表示。

圖15A示出了在一些實施例中的復(fù)用擴展器元件的一部分的示意性表示。

圖15B示出了在一些其它實施例中的復(fù)用擴展器組件的另一個圖形表示。

圖16示出了用戶使用在此所述的虛擬現(xiàn)實或增強現(xiàn)實設(shè)備來觀看圖像的圖示。

圖17示出了用于圖示目的的圖16的中一部分。

圖18示出了用于圖示目的的圖16的中一部分的另一個視角。

圖19示出了用于圖示目的的圖16的中一部分的另一個視角。

圖20示出了圖19的特寫視圖(close-up view)以提供衍射光學(xué)元件的各種元件的視圖。

圖21示出了用戶使用虛擬現(xiàn)實或增強現(xiàn)實設(shè)備來觀看圖像的圖示的側(cè)視圖。

圖22示出了在一些實施例中的衍射光學(xué)元件(DOE)的特寫視圖。

圖23A示出了在一些實施例中用于生成用于虛擬現(xiàn)實和/或增強現(xiàn)實的立體圖像的過程的高級(high level)流程圖。

圖23B-C共同示出了在一些實施例中用于生成用于虛擬現(xiàn)實和/或增強現(xiàn)實的立體圖像的過程的更詳細的流程圖。

圖24A示出了在一個或多個實施例中用于生成用于虛擬現(xiàn)實和/或增強現(xiàn)實的立體圖像的過程的高級框圖。

圖24B示出了在一個或多個實施例中在圖24A中所示出的用于生成用于虛擬現(xiàn)實和/或增強現(xiàn)實的立體圖像的過程的更詳細的框圖。

圖24C示出了在一個或多個實施例中用于生成用于虛擬現(xiàn)實和/或增強現(xiàn)實的立體圖像的過程的更詳細的框圖。

圖25A示出了在一個或多個實施例中用于生成用于虛擬現(xiàn)實和/或增強現(xiàn)實的立體圖像的高級框圖。

圖25B-D共同示出了一些附加的、可選的動作2500B，其可在用于生成用于圖25A中所示的虛擬現(xiàn)實和/或增強現(xiàn)實的立體圖像的過程的一個組或多個組中單獨執(zhí)行或共同執(zhí)行。

具體實施方式

本發(fā)明的各種實施例涉及用于在單個實施例中或在一些實施例中生成虛擬內(nèi)容顯示虛擬或增強現(xiàn)實的方法和系統(tǒng)。本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點在詳細的說明書、附圖和權(quán)利要求中來描述。

一些實施例涉及用于生成虛擬內(nèi)容顯示的裝置。裝置包括衍射元件，以將攜帶圖像信息的光束從圖像源傳播到觀看者的一個眼睛(單眼)或兩個眼睛(雙眼)。更具體地，裝置包括具有OPE衍射元件的第一波導(dǎo)，以將攜帶圖像信息的光束從圖像源偏轉(zhuǎn)到具有EPE衍射元件的第二波導(dǎo)。第二波導(dǎo)中的EPE衍射元件還將光束從第一波導(dǎo)重定向到觀看者一個眼睛或兩個眼睛。

EPE和OPE衍射元件以及用于增強或者虛擬現(xiàn)實顯示裝置的光束之間的相互作用的簡化模式可參考圖1D-1E通過下面的示例來解釋。在該示例中，攜帶圖像信息的光進入波導(dǎo)(118)，并且波導(dǎo)(118)中的OPE衍射元件可將入射光朝向平面波導(dǎo)(116)中的DOE或EPE衍射元件(120)偏轉(zhuǎn)。衍射圖樣、“衍射光學(xué)元件”(或“DOE”)或EPE衍射元件(120)嵌入在平面波導(dǎo)(116)內(nèi)，使得準(zhǔn)直光沿著平面波導(dǎo)(116)全內(nèi)反射，準(zhǔn)直光在多個位置處與EPE衍射元件(120)相交。在此所述的一些實施例中，EPE衍射元件(120)具有相對低的衍射效率，使得僅一部分光通過EPE衍射元件(120)的每一個相交點朝向眼睛(158)偏轉(zhuǎn)走，而剩余的光經(jīng)由全內(nèi)反射(TIR)通過平面波導(dǎo)(116)繼續(xù)移動。

因此，攜帶圖像信息的光被劃分成在多個位置處離開波導(dǎo)(116)的多個相關(guān)光束，并且結(jié)果是對于在平面波導(dǎo)(116)內(nèi)反彈的該特定的準(zhǔn)直光束，朝向眼睛(158)的出射發(fā)射的相當(dāng)均勻的圖樣，如圖1D所示。朝向眼睛(158)的出射光束在圖1D中示出為基本平行的，因為在該示例中，EPE衍射元件(120)只具有線性衍射圖樣。參考圖1E，隨著在嵌入的EPE衍射元件(220)的徑向?qū)ΨQ衍射圖樣分量中的變化，出射光束圖樣從眼睛(158)的視角可以被渲染得更發(fā)散，并且需要眼睛適應(yīng)更近的距離，以使其聚焦在視網(wǎng)膜上并被大腦解釋為光來自于比光學(xué)無限遠到眼睛更近的觀看距離。

在此描述的裝置的一個優(yōu)點是在此描述的虛擬內(nèi)容顯示裝置可包括體型衍射元件，該體型衍射元件以更魯棒以及成本效益的方式來制造，而不需要使用光刻和蝕刻工藝。在一些實施例中體型衍射元件可被制造(例如，通過壓印)以用于裝置的一個或多個波導(dǎo)，并且因此完全消除在傳統(tǒng)的方法中與表面浮雕型衍射元件的制造、集成和使用相關(guān)聯(lián)的各種問題。這些衍射元件還可以以不同的布置方式來布置，用于虛擬內(nèi)容顯示裝置，以用作如以下更多細節(jié)中所描述的它們想要的目的。

現(xiàn)將參考附圖詳細描述各種實施例，其作為本發(fā)明的示例性示例而提供，以使得本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明。值得注意的是，以下附圖和示例并不意味著限制本發(fā)明的范圍。在使用已知的組件(或方法或過程)可以部分或全部實現(xiàn)本發(fā)明的特定元件的情況下，將僅描述對理解本發(fā)明所需要的這種已知組件(或方法或過程)的那些部分，并且這種已知組件的其它部分的詳細描述將被省略以便不會混淆本發(fā)明。進一步地，各種實施例通過說明的方式包含與在此涉及的組件等同的現(xiàn)在和未來已知的等同物。

所公開的是用于虛擬和增強現(xiàn)實的方法和系統(tǒng)。在諸如用于虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實的應(yīng)用的人類可穿戴立體眼鏡的光學(xué)儀器中，用戶的眼睛可以與儀器的出射光瞳對準(zhǔn)并具有與儀器的出射光瞳相似的大小，以便將儀器與用戶的眼睛適當(dāng)?shù)伛詈?。出射光瞳的位置可因此確定適眼距(eye relief)以及因此確定目鏡的視場，該適眼距限定可從用戶獲得全部視角的儀器的目鏡的最后表面到觀看者眼睛的距離。

適眼距通常設(shè)計成具有對于使用的舒適度的特定距離(例如，20mm)。如果出瞳距離太大，來自目鏡的出射光可能丟失并且不能到達瞳孔。另一方面，如果適眼距太小使得出射光瞳比瞳孔的大小更小，那么由來自目鏡或與衍射光學(xué)元件(DOE)耦合的波導(dǎo)的出射光限定的視圖可能發(fā)生漸暈。在此描述的各種實施例使用具有高角度衍射的體相衍射元件，以生成用于虛擬現(xiàn)實或增強現(xiàn)實系統(tǒng)的出射光瞳擴展(EPE)結(jié)構(gòu)或擴展器和正交光瞳擴展(EPE)結(jié)構(gòu)或擴展器。

如在本公開中所呈現(xiàn)的，OPE和/或EPE表面浮雕結(jié)構(gòu)的生成實現(xiàn)了復(fù)雜數(shù)字衍射圖樣的設(shè)計，該設(shè)計將執(zhí)行期望的光瞳擴展和外耦合(out-coupling)功能。該設(shè)計然后被轉(zhuǎn)變成高分辨率二進制掩碼信息，暴露到標(biāo)線上或者傳遞到特殊的電子束寫入裝置、被制作到光刻膠材料中、并使用化學(xué)技術(shù)進行蝕刻。所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)在某種程度上是脆弱的，因為它是顯微的物理浮雕，易受損壞和污染，這將破壞衍射功能。

相比較，體相全息圖可以以全息(兩束或多束)方法，通過采用激光對光敏材料(例如，光聚合物、鹵化銀、聚合物分散液晶混合物等)的分段曝光或整體曝光(寬區(qū)域同時)進行制作。這些結(jié)構(gòu)所需或所期望的特殊的條紋方向和間隔可通過在厚的介電基板(諸如玻璃或者透明或半透明塑料)上記錄全息圖來實現(xiàn)，該厚的介電基板能夠在陡峭角幾何結(jié)構(gòu)中通過激光的指數(shù)匹配耦合來形成條紋。一些實施例包括體相和表面浮雕結(jié)構(gòu)的疊加的OPE/EPE的組合。

組合元件的一個優(yōu)點可以是利用兩個類型的結(jié)構(gòu)的獨特特性，當(dāng)組合時，相比于全數(shù)字(例如，全表面浮雕)或全體相方法，這些獨特特性產(chǎn)生超級功能。體相全息圖的記錄不昂貴、快速，并且比在表面浮雕結(jié)構(gòu)中的數(shù)字設(shè)計/計算/制作方法更靈活，因為體相制作光學(xué)系統(tǒng)易于使用各種現(xiàn)成的組件和實施技術(shù)來重新配置、修改和定制。在生成EPE/OPE結(jié)構(gòu)中，通過使用體相技術(shù)，高敏感性的、易于使用的、干法光聚合物材料還提供了其它優(yōu)勢。

體相方法具有調(diào)制衍射效率的固有能力，而不引入不想要的或不期望的偽像。在EPE和OPE功能的情況下，在一些實施例中，EPE和OPE結(jié)構(gòu)依賴于準(zhǔn)直波前的連續(xù)地重定向和外耦合，該準(zhǔn)直波前經(jīng)由全內(nèi)反射傳播通過大面積波導(dǎo)。通過與衍射元件的每一次相互作用，一些光被重定向，或者全部耦合到結(jié)構(gòu)外(根據(jù)設(shè)計)，導(dǎo)致剩下用于連續(xù)地相互作用的光量的減少。隨著光從投影注入點傳播，這可導(dǎo)致穿過目鏡的圖像場亮度分布的一些不期望的減少。為了減輕此問題，在一些實施例中目鏡組件的衍射效率可被傾斜，使得光線和結(jié)構(gòu)之間的初始相互作用比之后相互作用使用更少的可用光。

此外，在體相記錄方法中光柵衍射效率均勻性的再分布是簡單的，通過調(diào)制記錄光束強度和/或兩個干涉光束之間的強度的比例來實現(xiàn)。相反，本身是二進制的表面浮雕結(jié)構(gòu)不可容易地修改來實現(xiàn)相同效果，特別地沒有引入鬼像、另外的衍射級和其它不想要的或不期望的偽像。體相型結(jié)構(gòu)還可期望或要求聚合物分散液晶(PDLC)組件，其包括使能投射圖像到多個焦平面成像元件的時間復(fù)用分布的可切換衍射元件。一些實施例將體相方法與PDLC組合，并將該組合應(yīng)用于OPE/EPE和內(nèi)耦合光學(xué)件(ICO)。

PDLC材料包括在主介質(zhì)中具有衍射圖樣的微滴，主介質(zhì)或微滴的折射率可被切換為與基板的折射率不匹配的折射率?？汕袚Q衍射元件也可以由包括鈮酸鋰的材料制成。體相結(jié)構(gòu)可比表面浮雕結(jié)構(gòu)更有角度選擇性，因此不易于衍射來自外部的光(可能是環(huán)境光源)。這對于在眼鏡應(yīng)用中使用所述實施例中的至少一些可以構(gòu)成另一個優(yōu)點，其中衍射元件還可以曝露于除了想要的圖像投射源之外的太陽光或其它光源。附加地或可替換地，一些實施例利用單層復(fù)用OPE/EPE結(jié)構(gòu)，其功能使用可替代方法(諸如表面浮雕型衍射結(jié)構(gòu)或元件)難于或完全不可能產(chǎn)生。這種困難和不可能性的一個原因是由于表面浮雕型衍射元件比體相型衍射元件更色散的事實，因此可引入浪費投射光和視覺分散的串?dāng)_和多衍射級。這種困難和不可能性的另一個原因是，所需的圖樣或以二進制形式產(chǎn)生必要圖樣所需的刻蝕深度和方向的復(fù)雜性是難于實現(xiàn)的。

各種實施例需要特定的體相全息記錄技術(shù)和幾何形狀，用于產(chǎn)生OPE、EPE、在單獨的層中這兩個的組合、以及在單個層中這兩個功能的組合，其包括用于增強現(xiàn)實顯示的基于波導(dǎo)分布的目鏡。盡管Bayer Bayfol全息光聚合物可用作用于正交光瞳擴展和出射光瞳擴展結(jié)構(gòu)的主要記錄介質(zhì)，但是各種實施例不限制于用于實現(xiàn)想要的目的或執(zhí)行想要的功能的該特定材料。相反，各種目標(biāo)、目的和功能獨立于Bayer Bayfol材料的任何專有的元件或特征。例如，用于構(gòu)造一些可切換EPE的PDLC材料在光敏性、工藝、清晰度等方面表現(xiàn)得與Bayer材料非常相似。附加地，DuPont OmniDex光聚合物材料也可具有相似的效果。

圖1A示出了偏轉(zhuǎn)準(zhǔn)直光束的線性衍射光柵的簡化示意圖。從圖1A可以看出，線性衍射元件102A包括線性布置的周期結(jié)構(gòu)，其將準(zhǔn)直入射光束104A衍射為以不同于入射光方向的方向行進的出射光束106A。圖1B示出了偏轉(zhuǎn)準(zhǔn)直光束的徑向?qū)ΨQ衍射光柵的簡化示意圖。更具體地，準(zhǔn)直的入射光束104B穿過包括徑向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)的波帶片或圓形衍射元件102B，并由于圓形衍射元件102B的徑向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)而變?yōu)槌颉敖埂秉c被衍射。

在這些實施例中，波帶片或圓形衍射元件102B有效地聚焦準(zhǔn)直的入射光束104B，以形成聚焦的出射光束106B。圖1C示出了在此描述的包括組合線性和徑向結(jié)構(gòu)的衍射元件的一些實施例。衍射元件102C偏轉(zhuǎn)并聚焦入射光束104C以形成出射光束106C。在一些實施例中，圓形或徑向?qū)ΨQ衍射元件可被配置或設(shè)計以使得出射光束分散。

一些實施例使用體相全息圖，其通過在全息(兩束或多束)方法中采用激光使用例如光敏材料(可包括光聚合物、鹵化銀、聚合物分散液晶混合物等)的分段曝光或整體曝光(例如，寬區(qū)域同時)來制作或?qū)懭搿D2A-B示出了在一些實施例中制作和使用體相衍射元件的一些示意性表示。更具體地，圖2A示出兩個激光束或其它光源202B和204B(“記錄光束”)在光聚合物膜206B內(nèi)相交，并產(chǎn)生體干涉圖樣。干涉圖樣可在光聚合物206B中永久地記錄為相圖樣。

圖2B示出一些寬帶(例如，白光)光從記錄光束中的一個的方向(圖2A中的第一記錄光束的相反方向)朝向衍射元件被定向，一些寬帶光可被折射和偏轉(zhuǎn)為在與第二光束204C相同的方向(圖2A中的第二記錄光束的相反方向)中行進。由于光聚合物膜206C的折射率，只有顏色的相對窄帶可被衍射。因此，出射光束看起來與用于記錄衍射元件的記錄光束的顏色近似相同。與圖2A對應(yīng)的線圖示出了記錄光束的記錄光譜的波長(在此示例中大約是600納米)。與圖2B對應(yīng)的線圖示出了出射光束204C的輸出光譜(在此示例中大約也是600納米)以及寬帶光源208C的照明光譜。

圖3A-B示出了在一些實施例中制作和使用用于三基色模式-RBG(紅色、綠色、和藍色)顏色模式的體相衍射元件的一些示意性表示。更具體地，圖3A示出了使用用于在光聚合物膜中記錄體相干涉圖樣的三個記錄光束(例如，紅色激光束、藍色激光束、和綠色激光束)。三個記錄光束302A和304A中的每一個以與所描述的用于圖2A-B中的單色記錄光束的方式相同或基本類似的方式，在光聚合物膜306A內(nèi)記錄單獨的疊加衍射元件308A。

圖3B示出了當(dāng)寬帶光308B(例如，白光)朝向制造的RGB衍射元件306A被定向時的使用案例的示例。由于RGB衍射元件306A的波長選擇性質(zhì)，寬帶光的每一個顏色由RGB衍射元件306A的其自身衍射元件來衍射。因此，當(dāng)寬帶光穿過RGB衍射元件306A時，只有每個顏色的窄色帶被衍射。因此，對于入射光束分量(例如，紅色、藍色或綠色)的出射光束看起來與用于記錄衍射元件的入射記錄光束分量近似相同的顏色。

作為結(jié)果，出射光束304B看起來作為結(jié)果的近似全色。與圖3A對應(yīng)的線圖示出了具有三個峰的記錄光束的記錄光譜的波長，該三個峰分別表示記錄光束的紅色、綠色和藍色光分量。與圖3B對應(yīng)的線圖示出了出射光束304B的輸出光譜以及寬帶光源308B的照明光譜。

圖3C-D示出了在一些實施例中制作和使用用于RBG(紅色，綠色，藍色)的體相衍射元件的一些示意性表示。更具體地，圖3C示出了使用用于在光聚合物膜中記錄體相干涉圖樣的三個記錄光束(例如，紅色激光束、藍色激光束、和綠色激光束)。三個記錄光束302C中的每一個以與所描述的用于圖2A-B和圖3A中的單色記錄光束的方式相同或基本類似的方式，在光聚合物膜306A內(nèi)記錄單獨的疊加衍射元件308A。

圖3D示出了當(dāng)窄帶或激光源RGB照明光308D朝向制造的RGB衍射元件306C被定向時的使用案例。當(dāng)RGB激光束朝向RGB衍射元件被定向時，每一個顏色由其各自的衍射元件來衍射或反射。由于RGB衍射元件306D的波長選擇性質(zhì)，當(dāng)RGB光穿過RGB衍射元件306C中的其自身衍射元件時，RGB激光照明光308D的每一種激光顏色被反射或衍射。因此，對于入射光束分量(例如，紅色、藍色或綠色)的出射光束看起來與用于記錄衍射元件的入射RGB光束的對應(yīng)的光分量近似相同的顏色。作為結(jié)果，出射光束304D也看起來近似全色。

與圖3C對應(yīng)的線圖示出了具有三個峰的記錄光束的記錄光譜的波長，該三個峰分別表示記錄光束的紅色、綠色和藍色光分量。與圖3D對應(yīng)的線圖示出了出射光束304D的輸出光譜以及寬帶光源308D的照明光譜。記錄RGB的記錄光束(302C和304C)和重構(gòu)(例如，308D)之間的偏差可引起衍射光束的角位移，并且由于Bragg條件失配，大量的波長偏差可導(dǎo)致降低的衍射效率。

圖3E-F示出了在一些實施例中制作和使用用于RBG(紅色、綠色、和藍色)的陡峭角體相型衍射元件的一些示意性表示。更具體地，圖3E示出了使用兩個記錄光束302E和304E以在光聚合物膜或聚合物分散液晶材料中記錄體相干涉圖樣。兩個記錄光束302E和304E相互干涉，以與所描述的用于圖2A-B中的單色記錄光束的方式相同或基本類似的方式在光聚合物306E內(nèi)產(chǎn)生衍射元件308E。

在圖3E中，第二記錄光束304E以相對陡峭的角度被定向到光聚合物膜306E。在一些實施例中，與衍射光學(xué)元件(DOE)耦合的由高折射率主介質(zhì)310E(例如，玻璃、透明或半透明塑料等)制成的波導(dǎo)可用于控制或提高入射記錄光束304E的陡峭角度。圖3F示出從記錄光束中的一個的方向(圖3E中第二記錄光束304E的相同方向)朝向衍射元件被定向的寬帶光(例如，白色照明光)，由于在體相干涉圖樣的制造過程中的第二記錄光束的陡峭角，寬帶光中的一些可在與第一記錄光束302E相同的方向上被衍射和偏轉(zhuǎn)。由于光聚合物膜306E的折射率和光聚合物膜306E中干涉圖樣結(jié)構(gòu)，只有相對窄帶色的光束308F可被衍射。因此，出射光束304F看起來與用于記錄衍射元件的記錄光束(302E和304E)近似相同的顏色。與圖3F對應(yīng)的線圖示出了出射光束304F的輸出光譜。

在一些實施例中，用于EPE和OPE的體相陡峭角衍射元件可通過使用例如Nd:YAG(摻雜釹的釔鋁石榴石或Nd:Y₃Al₅O₁₂)或Nd:YLF(摻雜釹的釔鋰氟化物或Nd:LiYF₄)作為用于固態(tài)激光器的激光介質(zhì)而制成，該固態(tài)激光器用于在包括BayerHX自行研制的光聚合物膜的光聚合物膜中記錄干涉圖樣。記錄量隨著記錄時間的改變，從幾個毫焦每平方厘米(mJ/cm²)到十幾個毫焦每平方厘米的范圍變化。

例如，在一些實施例中為制造EPE或OPE對于10秒或更短的周期以10mJ/cm²來制造體相干涉圖樣。在一些實施例中，激光束分布可從中心偏移以在衍射元件記錄平面上產(chǎn)生強度傾斜，以產(chǎn)生衍射效率中的變化。衍射效率中的變化可導(dǎo)致來自TIR-照明構(gòu)造(全內(nèi)反射照明構(gòu)造)的衍射光束更均勻的分布。在圖4A-C中示出了一些示例性設(shè)置，這些示例性設(shè)置用于通過使用的一個或多個針孔透鏡空間濾波器(LPSF)、準(zhǔn)直器(COLL)和各種其它光學(xué)元件來記錄體相型衍射元件或體相陡峭角衍射元件以制造EPE和/或OPE。

圖4A-C示出了在一些實施例中用于記錄體相衍射元件或體相陡峭角衍射元件以制造EPE、OPE或組合的EPE/OPE的一些示意性設(shè)置。更具體地，圖4A示出了示例性記錄系統(tǒng)設(shè)計，其使用用于固態(tài)激光器的摻雜釹的釔鋁石榴石(Nd:YAG)激光介質(zhì)來記錄用于EPE、OPE和/或EPE和OPE的組合的體相型衍射元件。固態(tài)Nd:YAG激光器400A以例如532nm發(fā)射光，并且激光行進通過包括可變分束器412A、分束器、束組合器或透明塊406A、各種鏡404A、空間濾波器414A、準(zhǔn)直器408A以及透鏡的一系列光學(xué)元件，并最終執(zhí)行記錄功能，以在位于DOE(衍射光學(xué)元件)平面402A上的膜材料上制造期望或所需的衍射元件。

在圖4A所示的這些實施例中，棱鏡418A用于將激光耦合到承載膜的基板的一側(cè)中。應(yīng)當(dāng)注意，盡管從光學(xué)元件410A的焦點416A到DOE記錄平面402A的距離在該示出的實施例中是1米，但是該距離可變化以適應(yīng)用于不同記錄系統(tǒng)的不同設(shè)計配置，因此不應(yīng)當(dāng)認為或解釋為限制其它實施例的范圍或權(quán)利要求的范圍，除非另有具體描述或聲明。

圖4B示出了在一些實施例中的另一示例性記錄系統(tǒng)設(shè)計。除了生成綠色激光束408B的Nd:YAG激光454B器之外，圖4B中的示例性記錄系統(tǒng)使用兩個另外的固態(tài)激光器：生成藍色激光束410B的452B(摻雜釹的釔鋰氟化物或Nd:YLF)和生成紅色激光束406B的456B(氪離子激光器)，以記錄用于EPE、OPE和/或組合的EPE和OPE的體相型衍射元件。紅色、綠色和藍色光束與一系列光學(xué)元件(例如，分束器、束組合器或透明塊412B、波長選擇光束組合鏡414B、可變分束器416B)組合以形成RGB(紅色、綠色、和藍色)光束404B，RGB(紅色、綠色、和藍色)光束404B進一步傳輸穿過多個光學(xué)元件(例如，空間濾波器418B、準(zhǔn)直器420B、聚焦透鏡422B和棱鏡424B)以在位于DOE(衍射光學(xué)元件)記錄平面402B上的膜上制造期望或所需的衍射元件。

與圖4A示出的記錄系統(tǒng)類似，圖4B中示出的記錄系統(tǒng)包括棱鏡424B以將光束耦合到DOE記錄平面402B上的膜中。同樣與圖4A示出的記錄系統(tǒng)類似，盡管從光學(xué)元件422B的焦點426B到DOE記錄平面402B的距離在該示出的實施例中是1米，但是此距離可變化以適應(yīng)用于不同記錄系統(tǒng)的不同設(shè)計配置，因此不應(yīng)當(dāng)認為或解釋為限制其它實施例的范圍或權(quán)利要求的范圍，除非另有具體描述或聲明。在一個實施例中，從棱鏡418A或424B的法線方向的內(nèi)部角度可以是73度，盡管不同的角度也可用于不同但相似的配置。

圖4C示出了在一些實施例中的另一個示例性記錄系統(tǒng)設(shè)計。為了便于說明和解釋，圖4C中的示例性記錄系統(tǒng)包括例如Nd:YAG激光器402C(或其它用于不同或另外的光束的激光介質(zhì)或媒介)以產(chǎn)生用于在位于DOE記錄平面420C上的膜上記錄衍射元件的光束。激光束傳輸通過包括例如分束器、束組合器或透明塊404C、波長選擇光束組合鏡408C、可變分束器406C、空間濾波器410C、準(zhǔn)直器412C、分束器404C和潛望鏡408C的多個光學(xué)元件，并最終耦合到位于玻璃塊418C上的膜或基板中，以在膜或基板上記錄衍射元件。

圖4C還示出了記錄系統(tǒng)的一部分的頂視圖450C和側(cè)視圖460C。在圖4C中的示例性記錄系統(tǒng)中，用于記錄衍射元件的光束通過使用玻璃塊418C而不是如圖4A-B所示的棱鏡而被耦合到基板或膜中。玻璃塊(例如，418C)的使用允許光束從玻璃塊的四個側(cè)面進入，而不是從如圖4A-B所示的棱鏡的兩個側(cè)面進入。在一個實施例中，從玻璃塊418C的法線方向的內(nèi)部角度可以是30度，盡管不同的角度還可用于不同但相似的配置。附加地或可替換地，空間濾波器410C和DOE記錄平面420C之間的距離是0.5米，但是應(yīng)當(dāng)注意，該距離可變化以適應(yīng)用于不同的記錄系統(tǒng)的不同的設(shè)計配置，并且因此不應(yīng)當(dāng)認為或解釋為限制其它實施例的范圍或權(quán)利要求的范圍，除非另有具體描述或聲明。

圖5A示出了用于EPE衍射元件的一個實施例的記錄配置的示意性表示。擴展激光束510和參考激光504通過折射率匹配的耦合棱鏡502和折射率匹配的耦合流體512、基板514、光聚合物層516以及介電層518(以上全部具有名義上很高(～1.51)或類似的折射率)在記錄材料514內(nèi)以陡峭角度(在此示出為73°，但是可任意地調(diào)節(jié))相交。折射率匹配元件的使用使得能夠?qū)⒐怦詈系接涗洸牧现?，否則該光將從材料的表面被高度反射而不被耦合貢獻于衍射元件記錄。

圖5B示出了用于EPE、OPE或ICO衍射元件的各種實施例的可替代記錄配置的示意性表示。擴展激光束502B和505B通過折射率匹配的塊509B和折射率匹配的耦合流體501B以及基板508B(以上全部具有名義上很高并匹配的折射率(～1.46)，但是比記錄材料507B的折射率低)在記錄材料507B內(nèi)以陡峭角(在此示出為60°，但是可任意地調(diào)節(jié))相交?？狗瓷渫繉雍突蛞彩俏諏?04B(名義上玻璃或塑料)被耦合到具有折射率匹配的流體層503B的記錄疊層。層504B和其相關(guān)聯(lián)的抗反射涂層防止光束502B的全內(nèi)反射(TIR)，以減輕來自反射光的第二衍射元件的記錄。

圖5A中的示例性EPE衍射元件記錄疊層被設(shè)置在三角棱鏡的矩形側(cè)面508的一側(cè)。應(yīng)當(dāng)注意，在圖5A中為了便于說明和解釋的目的，EPE衍射元件記錄疊層呈現(xiàn)為設(shè)置在矩形側(cè)面508。EPE可以以各種不同的方式來設(shè)置，如在后續(xù)的段落中將參考圖7-圖15進行描述的。EPE衍射元件記錄疊層包括：二甲苯(n～1.495)或礦物油(n～1.46)的膜512、層疊在二甲苯或礦物油膜上的顯微鏡載玻片(n～1.51)的膜514、層疊在顯微鏡載玻片膜上的Bayer Bayfol HX光聚合物膜(n～1.504)的膜516、以及聚碳酸酯(n～1.58)的膜518。在圖5B中，EPE或OPE衍射元件記錄疊層包括：Cargille 1.46折射率匹配油(n～1.46)的膜508B，層疊在折射率匹配油膜上的石英或熔融硅石顯微鏡載玻片的膜508B，層疊在顯微鏡載玻片膜上的Bayer Bayfol HX光聚合物膜(n～1.504)的膜507B，以及聚酰胺的膜506B。進一步地，Cargille 1.52折射率匹配油(n～1.52)的膜層疊在膜506B上，并且抗反射涂層和或/吸收灰玻璃504B的膜層疊在折射率匹配油上。

相反，當(dāng)圖5A中的參考光束504朝向三角棱鏡502的矩形側(cè)面506定向時，三角棱鏡的折射率導(dǎo)致光束朝向EPE衍射元件記錄疊層偏轉(zhuǎn)，EPE衍射元件記錄疊層根據(jù)圖示被配置為偏轉(zhuǎn)參考光束504，使得法線光束510與它相互干涉并生成記錄在516中的衍射元件。當(dāng)圖5B中的參考光束502B朝向塊509B的矩形側(cè)面定向時，塊的折射率導(dǎo)致光束朝向EPE/OPE衍射元件記錄疊層偏轉(zhuǎn)，EPE/OPE衍射元件記錄疊層根據(jù)圖示被配置為偏轉(zhuǎn)參考光束502B，使得光束505B與它相互干涉并生成記錄在507B中的衍射元件。

在一些實施例中，衍射光學(xué)元件(DOE)可夾在波導(dǎo)間、與波導(dǎo)耦合、或與波導(dǎo)集成，并可具有相對低的衍射效率，因此只有小部分光而不是全部的光被偏轉(zhuǎn)向眼睛，而其它的光經(jīng)由例如全內(nèi)反射(TIR)通過平面波導(dǎo)進行傳播。應(yīng)當(dāng)注意，光在波導(dǎo)內(nèi)傳播，并且在一些實施例中由于光波的干涉，當(dāng)光遇到與DOE耦合的衍射光學(xué)元件(DOE)時發(fā)生衍射。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員當(dāng)然理解如下事實，衍射光學(xué)元件構(gòu)成“障礙”或“狹縫”以引起衍射，并且波導(dǎo)是引導(dǎo)光波的結(jié)構(gòu)或介質(zhì)。

圖6示出了在一些實施例中用于虛擬和/或增強現(xiàn)實應(yīng)用的裝置的示例性配置。更具體地，圖6示出了用于虛擬或增強現(xiàn)實設(shè)備的共面OPE/EPE結(jié)構(gòu)。在圖6所示的這些實施例中，OPE 112和EPE 110在例如玻璃或者透明或半透明的塑料基板114上，以基本上共面的方式布置，該基板114也用作波導(dǎo)以引導(dǎo)光波在其中傳播。在操作示例性裝置期間，輸入光束604可從光源602傳輸，該光源602可包括可用于提供輸入光束的光纖掃描系統(tǒng)、光纖掃描器、微型投影儀、投影儀束、微陣列顯示器、硅上LCoS或液晶、或者DLP或數(shù)字光處理，或任何其它光源中的一個。

來自光源602的輸入光束被傳輸?shù)綊呙韫鈱W(xué)部件和/或內(nèi)耦合光學(xué)部件(ICO)606，并朝向設(shè)置或集成在基板114上的OPE衍射元件112定向。OPE衍射元件112使得光束如箭頭116所示，在波導(dǎo)114內(nèi)沿著OPE衍射元件112陣列繼續(xù)傳播。每一次當(dāng)光束撞擊傾斜的OPE衍射元件112時，一部分光束因此如箭頭118所示，由OPE衍射元件112朝向EPE衍射元件110偏轉(zhuǎn)。當(dāng)偏轉(zhuǎn)到EPE衍射元件110的該部分光束撞擊EPE衍射元件時，EPE衍射元件110將入射光束偏轉(zhuǎn)成朝向用戶的眼睛106的出射光束108。

圖7示出了在一些實施例中操作地耦合到內(nèi)耦合光學(xué)器件的共面OPE和EPE布置的示意性布置。OPE和EPE衍射元件可在基板702(諸如玻璃或者透明或半透明基板)上以基本共面的方式進行布置。在這些實施例的一些中，OPE衍射元件704和/或EPE衍射元件706可包括表面浮雕型衍射元件，表面浮雕型衍射元件可由例如激光束干涉而光學(xué)地生產(chǎn)或由例如計算機設(shè)計的結(jié)構(gòu)和顯微條紋寫入技術(shù)而數(shù)字地生產(chǎn)。

通過該方式生成的衍射元件可通過壓印或澆鑄進行復(fù)制，并通常展現(xiàn)出像棱鏡一樣的色散行為。在一些其它實施例中，OPE衍射元件704和/或EPE衍射元件706可包括體相型衍射元件，體相型衍射元件通過例如接觸復(fù)制來光學(xué)地產(chǎn)生和復(fù)制。在一些實施例中，體相型衍射元件可在疊層的光聚合物膜(例如，Bayer Bafol HX)中或在聚合物分散液晶層(PDLC層)中產(chǎn)生。體相型衍射元件可以是波長選擇性的并且行為像二向色鏡。在一些其它實施例中，OPE衍射元件或EPE衍射元件的至少第一部分可具有表面浮雕型衍射元件，并且OPE衍射元件或EPE衍射元件的至少另一部分可具有體相型衍射元件。

在操作期間，內(nèi)耦合光學(xué)部件712接收來自例如光纖掃描器或微型投影儀(圖7中沒有示出)的輸入光束，并朝向OPE衍射元件704折射輸入光束，如由輸入光束710所示的。OPE衍射元件704可以以傾斜取向的方式進行配置以朝向EPE衍射元件706偏轉(zhuǎn)輸入光束中的一些，如由光束708所示的。附加地或可替換地，OPE衍射元件704可被配置或設(shè)計成具有相對低的衍射效率，使得輸入光束710的所期望部分經(jīng)由例如全內(nèi)反射(TIR)在基板702內(nèi)繼續(xù)傳播，并且使得來自ICO712的輸入光束的剩余部分朝向EPE衍射元件706偏轉(zhuǎn)。

也就是說，每一次輸入光束撞擊OPE衍射元件，它的一部分將朝向EPE衍射元件706偏轉(zhuǎn)，然而剩余部分將在基板內(nèi)繼續(xù)傳輸，基板也用作波導(dǎo)以引導(dǎo)光波在其中傳播。OPE衍射元件704的衍射效率和/或EPE衍射元件706的衍射效率可至少部分地基于一個或多個標(biāo)準(zhǔn)來配置或設(shè)計，該標(biāo)準(zhǔn)包括來自EPE衍射元件706的出射光束的亮度和均勻性。EPE衍射元件706接收從OPE衍射元件704偏轉(zhuǎn)的光束708，并進一步地將光束708朝向用戶的眼睛偏轉(zhuǎn)。

圖8示出了在一些實施例中操作地耦合到內(nèi)耦合光學(xué)器件的覆蓋或折疊的OPE和EPE布置的示意性布置。在這些實施例中，OPE衍射元件804和EPE衍射元件806可被設(shè)置或安裝在基板802(例如，玻璃或者透明或半透明的塑料基板)的兩側(cè)，基板也用作波導(dǎo)以引導(dǎo)光波在其中傳播。在一些實施例中，OPE衍射元件804和EPE衍射元件806可被單獨地制造為兩個膜結(jié)構(gòu)(例如，在光聚合物膜或聚合物分散液晶層上)，然后集成到基板802上。

在一些其它實施例中，OPE衍射元件804和EPE衍射元件806可在單個膜或?qū)由线M行制造，并且隨后進行折疊以與基板802集成。在操作期間，內(nèi)耦合光學(xué)部件808可接收來自光源(例如，光纖掃描器或微型投影儀)的輸入光束，并將輸入光束折射到基板802的一側(cè)中。輸入光束可經(jīng)由例如全內(nèi)反射(TIR)在基板802內(nèi)繼續(xù)傳播，如通過810所示的。當(dāng)輸入光束撞擊OPE衍射元件804時，輸入光束的一部分由OPE衍射元件804朝向EPE衍射元件806偏轉(zhuǎn)，如通過812所示的，并且輸入光束的剩余部分可在基板內(nèi)繼續(xù)傳播，如通過810所示的。

輸入光束810的剩余部分在基板802內(nèi)的方向中繼續(xù)傳播，并撞擊設(shè)置在基板802的其它側(cè)面上的EPE衍射元件806，如通過816所示的。輸入光束810的該剩余部分中的一部分因此通過EPE衍射元件806偏轉(zhuǎn)，并成為到用戶的眼睛(沒有示出)的出射光束814，并且輸入光束810的剩余部分在基板802內(nèi)作為光束818進一步地繼續(xù)傳播。同樣的方式還應(yīng)用于沿著水平方向(如圖8所示)的偏轉(zhuǎn)輸入光束812。也就是說，穿過ICO808的輸入光束在基板802內(nèi)反彈。

當(dāng)輸入光束的一部分撞擊OPE衍射元件804時，輸入光束的該部分被偏轉(zhuǎn)，以在與入射方向(如通過810所示的)正交的方向(如通過812所示的)上行進，并在基板802內(nèi)繼續(xù)反彈，而剩余部分在基板802內(nèi)沿著初始的方向繼續(xù)行進。當(dāng)光束撞擊EPE衍射元件806時，EPE衍射元件806將光束朝向用戶的眼睛偏轉(zhuǎn)，如通過814所示的。該折疊或覆蓋的OPE/EPE配置的一個優(yōu)點是OPE和EPE沒有占據(jù)如與共面配置(圖7)一樣多的空間。由于在該覆蓋或折疊配置中光束的更多的限制傳播，該覆蓋或折疊的OPE/EPE結(jié)構(gòu)的另一個優(yōu)點是光的傳輸中的衍射效率。在一些實施例中，EPE衍射元件攔截入射光束，并通過偏轉(zhuǎn)(如通過814示出)、反射(如通過反射光束820示出)或通過偏轉(zhuǎn)和反射來朝向用戶的眼睛定向入射光束。

圖9示出了在一些實施例中操作地耦合到內(nèi)耦合光學(xué)器件的覆蓋或折疊的OPE和EPE布置的另一個示意性布置。更具體地，圖9示出了與圖8中的配置基本類似的覆蓋或折疊的OPE/EPE結(jié)構(gòu)。盡管如此，OPE衍射元件904和EPE衍射元件906之間的重疊與圖8中的不同。在一些實施例中，重疊的度或程度或OPE和EPE衍射元件如何重疊可至少部分地基于一個或多個設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)或要求和/或出射光束的期望或所需的均勻性來確定。

圖10A-B示出了在一些實施例中的覆蓋或折疊的OPE和EPE布置的另一示意性布置。圖10A示出了設(shè)置在基板(例如，玻璃或者透明或半透明塑料基板)1002A兩側(cè)上的OPE衍射元件1004A和EPE衍射元件1006A。圖10B也示出了設(shè)置在基板(例如，玻璃或者透明或半透明塑料基板)1002B兩側(cè)上的OPE衍射元件1004B和EPE衍射元件1006B。盡管如此，基板1002B的厚度比基板1002A的厚度小。

更薄的基板1002B的結(jié)果是，輸出光束1010B的密度比輸出光束1010A的密度高，因為在光束1008B撞擊圖10B中的OPE衍射元件1004B或EPE衍射元件1006B之前，光束1008B比圖10A中的光束1010A行進更短的距離。如圖10A-B所示，更薄的基板厚度導(dǎo)致更高的輸出光密度。在一些實施例中，基板的厚度可至少部分地基于一個或多個因素來確定。該一個或多個因素可包括例如期望或所需的輸出束密度、衰減因數(shù)等。在一些實施例中，基板的厚度可在0.1-2mm的范圍內(nèi)。

圖11示出了在一些實施例中覆蓋或折疊的OPE和EPE布置的另一個示意性布置。更具體地，圖11中所示的覆蓋或折疊的OPE和EPE布置包括嵌入在基板1102中或夾在兩個單獨的基板1102之間的分束面1104。如其它的覆蓋或折疊的OPE/EPE結(jié)構(gòu)，OPE衍射元件1106和EPE衍射元件1108設(shè)置在基板1102的兩側(cè)。在這些實施例中，分束面可嵌入、夾在基板1102中或與基板1102集成，以提高輸出光束密度。

如圖11所示，當(dāng)光束穿過分束器時，分束器將光束分成兩束-反射光束和透射光束。分束器可包括在第一基板表面上的薄的涂層，該涂層隨后被膠合、粘接或其它附接到第二基板。示例性的涂層可包括例如金屬涂層(例如，銀、鋁等)、介電光學(xué)涂層、粘合劑(例如，環(huán)氧樹脂、聚酯、聚氨酯等)。在一些實施例中，分束器的反射對透射的比例可至少部分地基于涂層的厚度來調(diào)整或確定。在這些實施例的一些中，分束器可包括多個小穿孔，以控制分束器的反射對透射的比例。

圖12D示出了在一些實施例中用于虛擬現(xiàn)實和/或增強現(xiàn)實裝置的多平面配置的示意性表示。在圖12D所示的這些實施例中，多個目鏡可在彼此頂部層疊，并且多個目鏡中的每一個目鏡或每一層主控不同的焦平面，以在它的各自焦距上產(chǎn)生圖像。圖12A-C示出了在一些實施例中在圖12D中所示的多平面配置中的衍射元件和攜帶用于觀看者的圖像信息的光之間的相互作用的一些示例性表示。更具體地，多層可包括主控具有如圖12A所示的無窮遠焦距的焦平面的一個層以模擬圖像，仿佛圖像位于距離用戶基本上長的距離處，使得用于形成圖像的光束與基本上充分平行。

圖12B示出了多平面結(jié)構(gòu)也可包括主控具有特定焦距(例如，4米)的焦平面的層以生成圖像，仿佛圖像位于距離用戶4米的距離處。這可通過使用如在前述段落中參考圖1A-C所描述的線性衍射元件和徑向?qū)ΨQ衍射元件的組合來實現(xiàn)。圖12C示出了多平面配置也可包括主控具有相對近的焦距(例如，0.5米)的焦平面的層以生成圖像，仿佛圖像位于距離用戶半米的距離處。應(yīng)當(dāng)注意，在這些附圖中提供這些焦距為了便于說明和解釋并不意在限制其它實施例的范圍或權(quán)利要求的范圍，除非另有具體描述或聲明。

多平面方法也可包括具有不同或另外焦距的層。圖12D示出了用于目鏡1202D的六層多平面配置的示例性表示，其中，在一些實施例中，六層目鏡1202D的全部厚度1204D可不多于4毫米。這些六層中的一層或多層可包括可切換層(例如，PDLC或聚合物分散液晶層)，該可切換層可通過使用控制信號來切換開啟和關(guān)閉以改變所產(chǎn)生的圖像的焦平面。該示例性多平面結(jié)構(gòu)還可以可操作地耦合到快速切換的內(nèi)耦合光學(xué)部件(ICO)1206D，該內(nèi)耦合光學(xué)部件(ICO)1206D還可以可操作地耦合到光源，諸如光纖、一束光纖、多光纖投影儀或微型投影儀等。

在操作期間，光源將光束傳輸?shù)絀CO，ICO將光束折射或偏轉(zhuǎn)到目鏡的平面中。來自控制器(未示出)的控制信號還可開啟指定的層，使得該層上的衍射元件(例如，OPE衍射元件和EPE衍射元件)執(zhí)行如以上參考圖5-11所描述的它們各自的功能，以在被用戶的眼睛觀看到的指定焦平面處產(chǎn)生圖像。取決于圖像將在哪被用戶觀看到，控制器還傳輸進一步的控制信號，以開啟一個或多個其它層，并關(guān)閉剩余層以改變?nèi)绫挥脩舻难劬τ^看的焦距。在一些實施例中，多平面結(jié)構(gòu)通過具有一個主焦平面和在焦距中具有正邊限的一個或多個焦平面以及在焦距中具有負邊限的一個或多個焦平面，可提供更大的焦距范圍。

圖13A-B示出了在一些實施例中的可切換層的示意性表示。在這些實施例中，裝置可包括用于ICO(內(nèi)耦合光學(xué)部件)和/或EPE切換的PDLC(聚合物分散液晶)。裝置包括PDLC填充區(qū)域1302A和只捕獲一次TIR(全內(nèi)反射)反彈的ITO(氧化銦錫)主動區(qū)域。裝置還被操作地耦合到ICO 1306A。圖13A示出了當(dāng)電壓關(guān)閉時所產(chǎn)生的圖像，以及圖13B示出了當(dāng)電壓開啟時所產(chǎn)生的圖像。在這些實施例的一些中，當(dāng)未施加電壓或電流時，PDLC填充區(qū)域或其部分可以是透射的。

在一些實施例中，在例如至少包括基板、OPE衍射元件和EPE衍射元件的衍射光學(xué)元件(DOE)中的可切換層可以數(shù)十至數(shù)百兆赫茲(MHz)切換并因此調(diào)整或移動焦點，以在逐像素的基礎(chǔ)上促進聚焦?fàn)顟B(tài)。在一些其它實施例中，DOE可以以千赫茲范圍進行切換，以在逐行的基礎(chǔ)上促進聚焦，因此可調(diào)整每一個掃描線的聚焦。在一些實施例中，可切換DOE元件的矩陣可用于掃描、視場擴展和/或EPE。附加地或可替換地，DOE可被劃分為多個更小的部分，每一個部分可由其自身的ITO或其它控制引線材料來唯一地控制，以處于開啟狀態(tài)或關(guān)閉狀態(tài)。

圖14示出了在一些實施例中的復(fù)用擴展器元件的示意性表示。復(fù)用擴展器元件1406在單個層上的單個元件中組合斜紋OPE衍射元件1402的OPE功能和EPE衍射元件的功能。在一些實施例中，復(fù)用擴展器可通過在具有計算機設(shè)計的結(jié)構(gòu)和顯微條紋寫入技術(shù)的OPE衍射元件表面1402和EPE衍射元件表面1401之間執(zhí)行異或來形成。該方法的一個優(yōu)點是所產(chǎn)生的復(fù)用元件對于散射和衍射元件的交叉項可具有更少的問題。

在一些其它實施例中，復(fù)用擴展器元件可以通過將OPE衍射元件表示為相位斜坡而形成，并將相位斜坡添加到以它的連續(xù)多項式形式的透鏡函數(shù)，并隨后離散化二進制結(jié)構(gòu)。用于制造復(fù)用擴展器元件的該第二方法的一個優(yōu)點是所產(chǎn)生的復(fù)用擴展器元件的高衍射效率。在一些其它實施例中，在蝕刻之前或者在蝕刻之后，可通過在元件的表面上連續(xù)地圖案化組合的圖樣來形成復(fù)用擴展器元件。

圖15A示出了在一些實施例中復(fù)用擴展器元件的一部分的示意性表示。復(fù)用擴展器元件1502包括在單個層上的單個元件中的斜紋OPE衍射元件和外耦合圓形EPE衍射元件。當(dāng)入射光束1504在層內(nèi)(例如，通過全內(nèi)反射或TIR)傳播并撞擊斜紋OPE衍射元件時，斜紋OPE衍射元件偏轉(zhuǎn)入射光束1504的一部分以形成偏轉(zhuǎn)的光束1506。偏轉(zhuǎn)的光束1506的一部分與外耦合圓形EPE衍射元件相互作用，并將偏轉(zhuǎn)的光束的一部分偏轉(zhuǎn)到用戶的眼睛。

入射光束1504的剩余部分在層內(nèi)繼續(xù)傳播，并以基本類似的方式與斜紋OPE衍射元件相互作用，以橫跨復(fù)用元件繼續(xù)偏轉(zhuǎn)傳播的光束的一部分。應(yīng)當(dāng)注意，來自斜紋OPE衍射元件和外耦合EPE圓形衍射元件的組合衍射或交叉項將消逝。偏轉(zhuǎn)的光束1506也在層內(nèi)傳播，并以基本類似的方式與斜紋OPE衍射元件和外耦合圓形EPE衍射元件相互作用。

圖15B示出了在一些其它實施例中的復(fù)用擴展器組件的另一個圖形表示。在圖15B所示的這些實施例中，復(fù)用擴展器組件1500A包括在彼此頂部層疊的三個獨立擴展器元件1502A、1504A和1506A。來自光源的入射RGB(紅色，綠色，和藍色)光1508A經(jīng)由例如如上所述的輸入耦合光學(xué)元件(ICO)進入復(fù)用擴展器組件1500A。復(fù)用擴展器組件1500A可包括在獨立的擴展器元件1502A和1504A之間的第一波長選擇或波長特定濾波器(以下“彩色濾波器”)1510A，以允許特定波長的光分量穿過，而反射其它波長的光分量。例如，第一彩色濾波器可包括藍色和綠色通過的二向色濾波器，使得入射光1508A中的藍色和綠色光分量穿過第一彩色濾波器1510A，而紅光分量被反射并且此后通過例如全內(nèi)反射在獨立的擴展器元件1502A傳播，以與OPE和/或EPE衍射元件相互作用。

復(fù)用擴展器組件1500A可包括在獨立的擴展器元件1504A和1506A之間的第二彩色濾波器1512A，以允許特定波長的光分量穿過，而反射其它波長的光分量。例如，如圖15B所示，第二彩色濾波器可包括藍色二向色濾波器，使得入射光1508A中的藍光分量穿過第二彩色濾波器1512A，而綠光分量被反射并且此后通過例如全內(nèi)反射在獨立的擴展器元件1504A傳播，以與OPE、EPE和/或焦點調(diào)節(jié)衍射元件(例如，具有光功率的圓形或徑向?qū)ΨQ衍射元件)相互作用。

如圖15B所示，藍光分量也可通過例如全內(nèi)反射在獨立的擴展器元件1506A內(nèi)傳播，以與OPE、EPE和/或焦點調(diào)節(jié)衍射元件(例如，圓形或徑向?qū)ΨQ衍射元件)相互作用。在所示的實施例的一些中，入射光1508A以比各自的臨界角大的角度傳輸?shù)綇?fù)用擴展器元件1500A中，使得各自的光分量可通過全內(nèi)反射在各自的獨立擴展元件內(nèi)傳播。在一些其它實施例中，復(fù)用擴展器組件1500A還包括反射涂層，以引起或提高在獨立的擴展器元件1506A中的藍光分量的全內(nèi)反射的效率。

復(fù)用擴展器組件1500A和圖14-15所示的那些之間的不同是，復(fù)用擴展器組件1500A包括三個獨立的擴展器元件，每一個擴展器元件包括其自身的OPE、EPE和焦點調(diào)節(jié)衍射元件并負責(zé)特定波長的相應(yīng)光分量。如上所述，采用單個記錄工藝或多個記錄工藝在單個膜或基板上一起制造圖14-15中所使用的體相衍射元件。盡管如此，如圖14-15所示的體相衍射元件和圖15B所示的復(fù)用的多個獨立擴展器元件提供了復(fù)用的擴展器元件，每一個復(fù)用的擴展器元件可包括用于在入射輸入光中的全部三基色的OPE、EPE和/或焦點調(diào)節(jié)衍射元件。

圖16示出了用戶1602使用在此所述的虛擬現(xiàn)實或增強現(xiàn)實設(shè)備1604來觀看圖像1606的圖示。由于由虛擬現(xiàn)實或增強現(xiàn)實設(shè)備提供的多個可切換焦平面，圖像1606在用戶看起來，圖像1606中的對象位于距離用戶指定的焦距處。當(dāng)圖像中的對象進一步遠離用戶移動時，虛擬現(xiàn)實或增強現(xiàn)實設(shè)備可開啟具有一定圓形衍射元件圖樣的指定層，該圓形衍射元件圖樣渲染在具有由該指定層控制的更長焦距的焦平面上的對象。

當(dāng)圖像中的對象向用戶更近地移動時，虛擬現(xiàn)實或增強現(xiàn)實設(shè)備可開啟具有一定圓形衍射元件圖樣的另一個指定層，該圓形衍射元件圖樣渲染在具有由該指定層控制的更短焦距的另一個焦平面上的對象。作為使用不同圓形衍射元件圖樣改變形成圖像的光束的焦點的結(jié)果，圖像中的對象在用戶看起來，它正朝向或遠離用戶移動。在如前所述的不同的實施例中，虛擬現(xiàn)實或增強現(xiàn)實設(shè)備1604可包括可切換、共面的OPE衍射元件和EPE衍射元件；折疊或覆蓋的OPE衍射元件和EPE衍射元件；多平面目鏡；或單層復(fù)用的OPE衍射元件和EPE衍射元件。OPE衍射元件和EPE衍射元件可包括表面浮雕型衍射元件、體相型衍射元件或它們的組合。

此外，OPE衍射元件和/或EPE衍射元件可包括與圓形或徑向?qū)ΨQ衍射元件相加的線性衍射元件，以偏轉(zhuǎn)和聚焦出射光束。線性衍射元件和圓形或徑向?qū)ΨQ衍射元件可存在于單個膜上或兩個單獨的膜上。例如，DOE(衍射光學(xué)元件)衍射元件(OPE衍射元件和/或EPE衍射元件)可包括具有線性衍射元件的第一膜，并且該第一膜附接到具有圓形或徑向?qū)ΨQ衍射元件的第二膜。在一些實施例中，虛擬現(xiàn)實或增強現(xiàn)實設(shè)備可采用隨時間變化的衍射元件控制來擴展如由用戶的眼睛所觀看到的視場和/或補償色差。線性和圓形DOE可隨時間(例如，基于幀順序)進行調(diào)制或控制，以例如產(chǎn)生朝向用戶眼睛存在的光的拼接顯示配置或擴展的視場。

圖17示出了圖16的一部分。更具體地，圖17示出了包括基板1704的衍射光學(xué)元件1702，該基板1704與在基板的靠近用戶的一側(cè)上的OPE衍射元件1706以及在基板的遠離用戶的另一側(cè)上的EPE衍射元件1708集成。ICO 1710將光束傳輸?shù)交?704中，并且如上所描述的OPE衍射元件和EPE衍射元件將光束偏轉(zhuǎn)成被用戶的眼睛觀看的出射光束1712。

圖18示出了圖16的一部分的另一個視角。更具體地，圖18示出了包括基板1804的衍射光學(xué)元件1802，該基板1804與在基板的靠近用戶的一側(cè)上的OPE衍射元件1806以及在遠離基板的用戶的另一側(cè)上的EPE衍射元件1808集成。ICO1810將光束傳輸?shù)交?804中，如上所描述的OPE衍射元件1806和EPE衍射元件1808將光束偏轉(zhuǎn)成出射光束1812，該出射光束1812形成被用戶的眼睛觀看的圖像1820。DOE 1802包括線性衍射元件和圓形或徑向?qū)ΨQ衍射元件，以不僅偏轉(zhuǎn)來自ICO 1810的光束而且產(chǎn)生出射光束1818，以看起來好像該出射光束從在焦距處正被觀看的對象處發(fā)出，該焦距由主控焦平面的特定層的焦平面來限定。

圖19示出了圖16的一部分的另一個視角。更具體地，圖19示出了包括基板1804的衍射光學(xué)元件1902，該基板1904與在基板的靠近用戶的一側(cè)上的OPE衍射元件1906以及在基板的遠離用戶的另一側(cè)上的EPE衍射元件1908集成。ICO1910將光束傳輸?shù)交?904中，如上所描述的，OPE衍射元件1906和EPE衍射元件1908將光束偏轉(zhuǎn)成出射光束1912，該出射光束1912形成被用戶的眼睛觀看的圖像1920。DOE 1902包括線性衍射元件和圓形或徑向?qū)ΨQ衍射元件，以不僅偏轉(zhuǎn)來自ICO 1910的光束而且生成出射光束1918，以看起來仿佛該出射光束從在焦距處正被觀看的對象處發(fā)出，該焦距由主控焦平面的特定層的焦平面來限定。

圖20示出了圖19的特寫視圖以提供衍射光學(xué)元件的各種元件的視圖。更具體地，圖20示出了DOE的一部分，DOE包括基板2004、在基板2004的靠近用戶的一側(cè)上的OPE衍射元件2006以及在基板2004的另一側(cè)上的EPE衍射元件2008。ICO2010相對于基板設(shè)置，以將輸入光束折射并傳輸?shù)交逯?。輸入光束通過全內(nèi)反射(TIR)在基板2004內(nèi)傳播，并與OPE衍射元件2006和EPE衍射元件2008相互作用以將輸入光束偏轉(zhuǎn)成被用戶的眼睛觀看的出射光束2012。

圖21示出了用戶使用虛擬現(xiàn)實或增強現(xiàn)實設(shè)備來觀看圖像的圖示的側(cè)視圖。衍射光學(xué)元件2102包括基板2104，該基板2104操作地耦合到設(shè)置在基板2004的近側(cè)上的OPE衍射元件2106以及設(shè)置在基板2104的遠側(cè)上的EPE衍射元件2108。形狀2112表示可由用戶的眼睛觀看的出射光束。形狀2130表示在基板2104內(nèi)沿著垂直方向(如圖21所示)在OPE衍射元件2106和EPE衍射元件2108之間反彈的光束。例如來自ICO元件的輸入光束也以基本類似的方式沿著Z方向(如圖21所示的指向或指出平面)在OPE衍射元件2106和EPE衍射元件2108之間反彈。每一次光束撞擊OPE衍射元件2106時，OPE衍射元件將光束的一部分朝向EPE衍射元件2108偏轉(zhuǎn)，該EPE衍射元件2108進而將光束的偏轉(zhuǎn)部分中的一部分朝向用戶的眼睛偏轉(zhuǎn)。

圖22示出了在一些實施例中的衍射光學(xué)元件(DOE)的特寫視圖。DOE包括設(shè)置在基板2202一側(cè)上的OPE/EPE衍射元件2204的組合。輸入光束2214經(jīng)由內(nèi)耦合光學(xué)元件2206傳輸?shù)交逯?，并?jīng)由全內(nèi)反射(TIR)在基板2202內(nèi)傳播。輸入光束在基板2202內(nèi)反彈，并與組合OPE/EPE衍射元件2204相互作用。更具體地，OPE/EPE衍射元件2204的組合在與基板2202的表面基本平行的正交方向上偏轉(zhuǎn)輸入光束的一部分。

應(yīng)當(dāng)注意，盡管組合OPE/EPE衍射元件2204可設(shè)計為或意在在與基板2202的表面完全平行的正交方向上來偏轉(zhuǎn)光束，但是盡管如此，制造過程中的公差、松弛和/或容差可導(dǎo)致制造的產(chǎn)品中的一些偏差。附加地或可替換地，各種器件和組件的布置或相對位置中的公差、松弛和/或容差，或者在所使用的材料的各種特性的均勻性上的變化也可導(dǎo)致上述的正交方向偏離與基板2202的表面完美平行。因此，上述“正交方向”是與基板2202的表面“基本平行”，以適應(yīng)在制造過程(一個或多個)、布置、相對位置中的這種變化和/或各種變化。

EPE衍射元件將輸入光束的偏轉(zhuǎn)部分中的一部分偏轉(zhuǎn)成朝向用戶的眼睛的出射光束。形狀2208表示可被用戶的眼睛觀看的出射光束。圖22中的形狀2208表示無窮遠聚焦的圖像信息，然而，使用該方法可產(chǎn)生任何其它焦距。在一些實施例中，其中，EPE衍射元件除線性衍射元件之外包括圓形或徑向?qū)ΨQ的衍射元件，這些形狀中的每一個可具有其頂點在圓形或徑向?qū)ΨQ的衍射元件的焦點處的圓錐形。

之字形2210表示在基板內(nèi)反彈并與組合OPE/EPE衍射元件2204相互作用的輸入光束的一部分。每一次當(dāng)光束的一部分撞擊組合OPE/EPE衍射元件2204時，OPE組件衍射元件偏轉(zhuǎn)光束的一部分橫向地穿過基板。每一次當(dāng)偏轉(zhuǎn)光束的一部分撞擊組合OPE/EPE衍射元件2204時，EPE組件衍射元件朝向用戶的眼睛偏轉(zhuǎn)光束的一部分，因此形成可被用戶的眼睛觀察的光束2208。

沒有被組合OPE/EPE衍射元件2204偏轉(zhuǎn)的光束的剩余部分如2210所示繼續(xù)在基板2202內(nèi)傳播。由于折射率和/或衍射效率，沒有被組合OPE/EPE衍射元件2204偏轉(zhuǎn)的光束的偏轉(zhuǎn)部分中的剩余部分如之字形2212所表示的在基板內(nèi)繼續(xù)傳播。結(jié)果是，包括組合OPE/EPE衍射元件的DOE將輸入光束有效地轉(zhuǎn)變?yōu)樾纬杀挥脩舻难劬Ω兄膱D像的出射光束的矩陣。

圖23A示出了在一些實施例中用于生成用于虛擬現(xiàn)實和/或增強現(xiàn)實的立體圖像的過程的高級流程圖。在2302A，使用至少一個內(nèi)耦合光學(xué)元件(例如，圖6的參考標(biāo)號606、圖7的參考標(biāo)號712、圖8的參考標(biāo)號808等)，輸入光束可傳輸?shù)接糜谔摂M現(xiàn)實和/或增強現(xiàn)實的目鏡的基板中?；蹇砂ò胪该骰蛲该鞯慕殡姴牧稀?/p>

在2304A，使用第一衍射元件，輸入光束的第一部分可被朝向第二衍射元件偏轉(zhuǎn)。例如，第一衍射元件可布置成與從內(nèi)耦合光學(xué)元件出來的輸入光束的第一部分的傳播方向成鈍角或銳角的取向，以朝向第二衍射元件偏轉(zhuǎn)輸入光束的第一部分中的第一部分。以上參考圖7描述了使用第一衍射元件朝向第二衍射元件偏轉(zhuǎn)第一部分光的示例。在這些實施例的一些中，第一衍射元件包括出射光瞳擴展(EPE)結(jié)構(gòu)或衍射元件或出射光瞳擴展器。

在2306A，通過使用第二衍射元件偏轉(zhuǎn)輸入光束的第一部分中的至少一部分，第一出射光束可朝向觀看者定向或重定向。在這些實施例的一些中，第二衍射元件包括正交光瞳擴展(OPE)結(jié)構(gòu)或衍射元件或正交光瞳擴展器。

圖23B-C共同示出了在一些實施例中用于生成用于虛擬現(xiàn)實和/或增強現(xiàn)實的立體圖像的過程的更詳細的流程圖。在一些實施例中，在2302，首先過程可將輸入光束傳輸?shù)侥跨R的基板中。例如，以上至少參考圖5所描述的，過程可涉及將自投影儀的光束通過一個或多個光纖傳輸?shù)絻?nèi)耦合光學(xué)元件，并且內(nèi)耦合光學(xué)元件進一步通過例如折射將輸入光束中繼到目鏡的基板。在2304，過程進一步可以可選地開啟衍射光學(xué)元件(DOE)的一層或多層中的第一層。

第一層包括第一衍射元件(例如，以上描述的OPE衍射元件)和第二衍射元件(例如，以上描述的EPE衍射元件)。在一些實施例中，第一衍射元件和第二衍射元件可以以共面或并排的方式或者折疊或覆蓋的方式布置。在一些其它實施例中，如在一些前述的段落中所描述的，第一衍射元件和第二衍射元件可以以復(fù)用的方式制造于或共存于膜的單層上。DOE可包括在彼此頂部層疊的多個這種層，以形成如之前所描述的多平面DOE。

第一衍射元件和第二衍射元件可包括表面浮雕型衍射元件、體相型衍射元件或它們的組合。第一衍射元件或第二衍射元件可包括線性衍射元件和圓形或徑向?qū)ΨQ衍射元件，以偏轉(zhuǎn)和聚焦輸入光束。采用線性衍射元件和圓形或徑向?qū)ΨQ衍射元件，第一層可因此主控與第一焦距相關(guān)聯(lián)的第一焦平面，使得由從第一層偏轉(zhuǎn)的光束產(chǎn)生的對象的圖像可看起來位于距離用戶的眼睛的焦距處，好像用戶正觀看物理上位于由真實世界中的焦距限定的位置處的對象。

在一些實施例中，DOE可包括多層，每一層主控其自身具有特定焦距的焦平面。這些多層中的每一層可包括通過使用控制信號進行開啟和關(guān)閉的可切換層。在2306，過程通過使用第一層上的第一衍射元件可朝向第二衍射元件偏轉(zhuǎn)輸入光束的第一部分。例如，過程可使用之前所描述的OPE衍射元件來朝向EPE衍射元件偏轉(zhuǎn)輸入光束的一部分。

在2308，該過程然后通過采用第二衍射元件偏轉(zhuǎn)輸入光束的第一部分中的一些，經(jīng)由目鏡朝向用戶的眼睛定向第一出射光束。例如，過程可使用之前所描述的EPE衍射元件朝向用戶的眼睛偏轉(zhuǎn)從OPE衍射元件偏轉(zhuǎn)的輸入光束中的一部分。在2310，過程可進一步在目鏡的基板內(nèi)傳輸沒有被偏轉(zhuǎn)到第二衍射元件的輸入光束的剩余部分。輸入光束的剩余部分的量取決于衍射效率、折射率、最終輸出光束的期望或所需的均勻性、所涉及的衍射元件或任何其它相關(guān)的因素。

在2312，過程可進一步通過使用第一層的第一衍射元朝向第二衍射元件偏轉(zhuǎn)輸入光束的剩余部分中的一些。例如，由于第一衍射元件的透射特性，在目鏡的基板內(nèi)繼續(xù)傳播的輸入光束中的一些可撞擊第一衍射元件的不同部分，并且由于第一衍射元件的反射特性，由第一衍射元件的該不同部分朝向第二衍射元件偏轉(zhuǎn)。在2314，過程可通過采用第二衍射元件來偏轉(zhuǎn)輸入光束的剩余部分中的一些來朝向用戶的眼睛定向第二出射光束。例如，在2314，過程可使用EPE衍射元件來朝向用戶的眼睛偏轉(zhuǎn)來自O(shè)PE衍射元件的入射光束中的一些。

在2316，輸入光束的第一部分中的剩余部分由于第二衍射元件的透射特性，經(jīng)由例如全內(nèi)反射(TIR)在目鏡的基板內(nèi)繼續(xù)傳播。在2318，輸入光束的第一部分中的剩余部分在基板內(nèi)傳播，并因此與第一衍射元件和第二衍射元件相互作用。當(dāng)剩余部分中的一些撞擊第一衍射元件時，第一衍射元件朝向第二衍射元件偏轉(zhuǎn)光束，該第二衍射元件進而將這些光束偏轉(zhuǎn)成朝向觀看者的眼睛的另外的出射光束。在2320，過程然后通過第一出射光束、第二出射光束和另外的出射光束生成用于觀看者經(jīng)由目鏡感知的第一圖像。

在一些實施例中，當(dāng)使用線性衍射元件和圓形或徑向?qū)ΨQ衍射元件時，第一層可因此主控與第一焦距相關(guān)聯(lián)的第一焦平面，使得由從第一層偏轉(zhuǎn)的這些出射光束產(chǎn)生的對象的圖像可看起來位于距離觀看者的眼睛的焦距處，好像用戶正觀看物理上位于由真實世界中的焦距限定的位置處的對象。圖像可包括靜態(tài)的圖像(諸如圖片)或動態(tài)的圖像(諸如運動圖片的一部分)。在2322，過程可以進一步可選地切換主控具有第二焦距的第二焦平面的第二層。在2324，用于觀看的第二圖像可通過至少使用第三衍射元件和第四衍射元件來生成。

第二層可包括其自身的第三衍射元件和第四衍射元件，諸如以上所描述的OPE衍射元件和EPE衍射元件。過程然后重復(fù)步驟2302至2320，以如上面剛剛描述的為觀看者生成對象的第二圖像。第二圖像可看起來位于距離觀看者的眼睛的第二焦距處，好像用戶正觀看物理上位于由真實世界中的第二焦距限定的位置處的對象。在圖23所示的這些實施例的一些中，衍射光學(xué)元件的這些多層可以一千或高于一千赫茲至數(shù)百兆赫茲的范圍動態(tài)地切換，以在逐行的基礎(chǔ)上或逐像素的基礎(chǔ)上促進聚焦?fàn)顟B(tài)。這些多層可包括PDLC層，并通過使用控制信號來切換開啟和關(guān)閉以改變產(chǎn)生的圖像的焦平面。該示例性多層方法還可操作地耦合到快速切換的內(nèi)耦合光學(xué)部件(ICO)1206D，該內(nèi)耦合光學(xué)部件(ICO)1206D可進一步可操作地耦合到光源，諸如光纖、一束光纖、多光纖投影儀或微型投影儀等。

圖24A示出了在一個或多個實施例中用于生成用于虛擬現(xiàn)實和/或增強現(xiàn)實的立體圖像的過程的高級框圖。在2402，用于目鏡的第一基板可被識別(如果已經(jīng)存在)或制造(如果不存在)以用于目鏡。在這些一個或多個實施例的一些中，第一基板可包括具有單個層或多個層的半透明或透明介電材料。在2404，第一衍射元件和第二衍射元件可在一個或多個第一膜上或者在一個或多個第一膜中被識別(如果已經(jīng)存在)或制造(如果不存在)。在一些實施例中，膜包括薄片材料，其厚度小于材料的長度或?qū)挾鹊念A(yù)定百分。

在這些實施例的一些中，第一衍射元件包括出射光瞳擴展(EPE)結(jié)構(gòu)或衍射元件或出射光瞳擴展器。在這些實施例的一些中，第二衍射元件包括出射正交光瞳擴展(OPE)結(jié)構(gòu)或衍射元件或正交光瞳擴展器。在一些實施例中，在2406，一個或多個膜然后被設(shè)置在第一基板上。在一些其它實施例中，在2406，接納第一衍射元件和第二衍射元件的一個或多個膜可在第一基板上被識別。采用接納第一和第二衍射元件并設(shè)置在第一基板上的一個或多個第一膜，在2408來自輸入光源的輸入光束可傳輸?shù)降谝换逯?。在這些實施例的一些中，輸入光源包括內(nèi)耦合光學(xué)元件，該內(nèi)耦合光學(xué)元件設(shè)置在目鏡中或設(shè)置在目鏡上并與第一衍射元件或第二衍射元件耦合。

圖24B示出了在一個或多個實施例中在圖24A中所示出的用于生成用于虛擬現(xiàn)實和/或增強現(xiàn)實的立體圖像的過程的更詳細的框圖。更具體地，圖24B示出了關(guān)于在第一基板上設(shè)置一個或多個第一膜的動作的更多細節(jié)。在這些實施例的一些中，在2402B，第一衍射元件和第二衍射元件可在第一基板的一側(cè)上以共面的布置被識別或布置。該共面的布置的示例在圖7中示出。

可替換地，在2404B，第一衍射元件和第二衍射元件可在第一基板的一側(cè)或兩側(cè)在折疊或者部分或完全覆蓋的布置中被識別或布置。該折疊或覆蓋布置的一些示例在圖8-9、10A-B和11中示出。在一些實施例中，在第一衍射元件和第二衍射元件已經(jīng)實現(xiàn)的情況下，第一衍射元件和第二衍射元件的布置可在2402B或2404B被識別。采用在設(shè)置在第一基板的一側(cè)上的整體、不可分離的層上識別或設(shè)計的第一和第二衍射元件的布置，在2406B第一衍射元件和第二衍射元件可復(fù)用。

圖24C示出了在一個或多個實施例中用于生成用于虛擬現(xiàn)實和/或增強現(xiàn)實的立體圖像的過程的更詳細的框圖。在這些實施例中，在2402C，用于目鏡的第一基板可被識別(如果已經(jīng)存在)或制造(如果還未設(shè)計)。在2404C，第一衍射元件和第二衍射元件也可在一個或多個第一膜上被識別(如果已經(jīng)存在)或制造(如果還未設(shè)計)。也就是說，通過使用例如體相記錄技術(shù)、表面浮雕型衍射元件技術(shù)、或體相記錄技術(shù)和表面浮雕型衍射元件技術(shù)的組合，可在這些實施例的一些中在材料的單個膜或單個層中設(shè)計第一和第二衍射元件。

可替換地，第一衍射元件和第二衍射元件可設(shè)計在彼此可操作地耦合的兩個或多個單獨的層或膜上。例如，在這些實施例的一些中，第一衍射元件可設(shè)計在第一膜上，以及第二衍射元件可設(shè)計在第二膜上。在2406C，接納第一和第二衍射元件的一個或多個第一膜可在第一基板上設(shè)置。在2408C，來自包括例如內(nèi)耦合光學(xué)元件或器件的輸入光源的輸入光束可被傳輸?shù)降谝换逯?。輸入光源可設(shè)置在目鏡中或設(shè)置在目鏡上，并還可與第一衍射元件、第二衍射元件或第一衍射元件和第二衍射元件的組合相耦合。在2410C，第二基板可與在2402C中的第一基板類似地被識別或制造以用于目鏡。

在2412C，第三衍射元件和第四衍射元件也可在一個或多個第一膜上被識別(如果已經(jīng)存在)或制造(如果還未設(shè)計)。也就是說，通過使用例如體相記錄技術(shù)、表面浮雕型衍射元件技術(shù)、或體相記錄技術(shù)和表面浮雕型衍射元件技術(shù)的組合，可在這些實施例的一些中在材料的單個膜或單個層中設(shè)計第三和第四衍射元件。

可替換地，第三衍射元件和第四衍射元件可設(shè)計在彼此可操作地耦合的兩個或多個單獨的層或膜上。例如，在這些實施例的一些中，第三衍射元件可設(shè)計在第三膜上，以及第四衍射元件可設(shè)計在第四膜上。在這些實施例的一些中，第三衍射元件可包括線性、圓形、徑向?qū)ΨQ或線性、圓形、徑向?qū)ΨQ衍射元件的任意組合。附加地或可替換地，第四衍射元件可包括線性、圓形、徑向?qū)ΨQ或線性、圓形、徑向?qū)ΨQ衍射元件的任意組合，而第三和第四衍射元件彼此不同。

在2414C，一個或多個第二膜可在第二基板上設(shè)置或識別。在2416C，第二基板還可設(shè)置在第一基板上。在一些實施例中，第一基板上的第一和第二衍射元件通過使用例如電流或電壓可在兩個狀態(tài)(例如，開啟和關(guān)閉狀態(tài))之間動態(tài)地切換。附加地或可替換地，第一基板上的第三和第四衍射元件通過使用例如電流或電壓可在兩個狀態(tài)(例如，開啟和關(guān)閉狀態(tài))之間動態(tài)地切換?？蓜討B(tài)切換的衍射元件可使能投射圖像到多個焦平面成像元件的時間復(fù)用分布。切換速率范圍可從一千赫茲(1KHz)至數(shù)百兆赫茲(MHz)，以在逐行的基礎(chǔ)上或逐像素的基礎(chǔ)上促進聚焦?fàn)顟B(tài)。

圖25A示出了在一個或多個實施例中用于生成用于虛擬現(xiàn)實和/或增強現(xiàn)實的立體圖像的高級框圖。更具體地，圖25A與圖25B-D一起示出了關(guān)于通過衍射元件來傳播輸入光束以產(chǎn)生用于虛擬現(xiàn)實和/或增強現(xiàn)實的立體圖像的更多細節(jié)。在這些一個或多個實施例中，在2502A，來自包括例如內(nèi)耦合光學(xué)元件或設(shè)備的輸入光源的輸入光束可被接收。

在一些實施例中，第一衍射元件可以布置在相對于輸入光束的入射方向形成銳角或鈍角的第一取向。在2504A，通過第一衍射元件，從輸入光源傳播到第一衍射元件的輸入光束的第一部分可被朝向目鏡中的第二衍射元件偏轉(zhuǎn)。在一些實施例中，第一衍射元件可包括出射光瞳擴展(EPE)衍射元件或擴展器，以第二衍射元件可包括正交光瞳擴展(OPE)衍射元件或擴展器。

在2506A，輸入光束的第二部分可傳播通過具有與第一取向不同的第二取向的第二衍射元件，以向觀看者生成立體圖像。在一些實施例中，第一部分和第二部分之間的比例可部分或全部基于第一或第二衍射元件的透射和反射特性。在一些實施例中，第二部分可構(gòu)成離開輸入光源的輸入光束的剩余部分，并可經(jīng)由全內(nèi)反射(TIR)通過第二衍射元件傳播。

圖25B-D共同示出了一些附加的、可選的動作2500B，其可在用于產(chǎn)生用于圖25A中所示的虛擬現(xiàn)實和/或增強現(xiàn)實的立體圖像的過程的一組或多組中單獨執(zhí)行或共同執(zhí)行。應(yīng)當(dāng)注意，在圖25B-D中所示的一些動作可單獨執(zhí)行，因此不通過圖25B-D中的箭頭連接到其它動作。在這些實施例中，在2502B，可以從包括例如內(nèi)耦合光學(xué)元件或設(shè)備的輸入光源接收輸入光束，如上面參考圖25A的類似描述。

在2504B，從輸入光源傳播到第一衍射元件中的輸入光束的第一部分可通過第一衍射元件朝向目鏡中的第二衍射元件偏轉(zhuǎn)。在2506B，輸入光束的第二部分可傳播通過具有與第一取向不同的第二取向的第二衍射元件，以向觀看者產(chǎn)生立體圖像。在2502B接收輸入光束和在2506B最終產(chǎn)生立體圖像之間的任何時間點期間，可執(zhí)行一個或多個附加的、可選的動作2500B。例如，在一些實施例中，在2508B，可通過至少調(diào)制第一衍射元件或第二衍射元件或第一和第二衍射元件的組合的衍射效率來減少立體圖像中的偽像。

在2510B，用于第一衍射元件和/或第二衍射元件的主介質(zhì)可被識別。在一些實施例中，主介質(zhì)可包括干法光聚合物材料、單層鹵化銀或單層聚合物分散液晶混合材料中的至少一種。在2512B，通過采用第一衍射元件至少連續(xù)地重定向輸入光束的至少第一部分的第一光波前，來引導(dǎo)輸入光束的傳播。

在2512B，可通過將重定向的第一光波前與傳播通過第二衍射元件的輸入光束的至少第二部分外耦合，進一步引導(dǎo)輸入光束的傳播。在2514B，在輸入光束和第一和/或第二衍射元件之間的相互作用(在時間或空間順序方面)的較早部分和較晚部分可至少通過以不同的衍射效率來傾斜目鏡中的一個或多個組件的衍射效率來控制。在這些實施例中，目鏡組件的衍射效率可被傾斜，使得光線和結(jié)構(gòu)之間的初始相互作用比之后的相互作用使用更少的可用光，以降低或消除隨著光的傳播跨過目鏡的圖像場亮度分布的降低。

在2516B，在制備第一和/或第二衍射元件中，還可通過至少調(diào)制記錄光束強度或記錄光束強度的比例來分布用于第一和/或第二衍射元件的光柵衍射效率。在2518B，通過使用用于第一和/或第二衍射元件的可切換衍射元件，提供投射圖像到多個焦平面成像元件的時間復(fù)用分布。在一些實施例中，在2520B，用于第一和/或第二衍射元件的聚合物分散液晶(PDLC)組件可被識別。在涉及的PDLC組件的一些實施例中，在2522B，用于PDLC組件的主介質(zhì)可被識別，以及在2524B，在PDLC組件的主介質(zhì)中的結(jié)構(gòu)元件可被識別。

在2532B，主介質(zhì)或結(jié)構(gòu)元件的折射率可被確定為與接納第一衍射元件和第二衍射元件的基板的折射率不匹配的折射率。也就是說，在這些實施例中，主介質(zhì)或結(jié)構(gòu)元件的折射率可與基板的折射率不同。在一些實施例中，在2526B，單層結(jié)構(gòu)可被識別，并且在2528B，在單層結(jié)構(gòu)中第一衍射元件和第二衍射元件可被識別或設(shè)計。采用單層結(jié)構(gòu)，在2530B，至少通過復(fù)用單層結(jié)構(gòu)中的第一和第二衍射元件，可降低在目鏡的至少一部分輸入光束的傳播的衍射中的串?dāng)_。

在上述說明書中，已經(jīng)參照具體的實施例描述本發(fā)明。然而，顯然在不脫離本發(fā)明的較寬的精神和范圍的情況下，可以對其進行修改和變換。例如，以上描述的過程流參考過程動作的特定順序來描述。然而，在不影響本發(fā)明的范圍或操作的情況下可改變多個所描述的過程動作的順序。因此，說明書和附圖理解為說明性意義而非限制性意義。