用于采用虚拟或增强现实装置生成虚拟内容显示的方法和系统与流程

本申请要求于2014年5月30日提交的名为“用于虚拟和增强现实的方法和系统(METHODS AND SYSTEMS FOR VIRTUAL AND AUGMENTED REALTY)”的美国临时专利申请序列号62/005,807的权益。本申请与于2013年11月27日以代理人案号ML 3001 1.00提交的名为“虚拟和增强现实的系统和方法(VIRTUAL AND AUGMENTED REALITY SYSTEMS AND METHODS)”的美国临时专利申请序列号61/909,174，以及于2013年7月12日以代理案号30007.00提交的美国临时专利申请序列号61/845,907交叉相关。本申请还与于2015年4月18日提交的名为“用于增强和虚拟现实的系统和方法(SYSTEMS AND METHODS FOR AUGMENTED AND VIRTUAL REALITY)”的美国专利申请序列号14/690,401，以及于2014年11月27日提交的名为“虚拟和增强现实的系统和方法(VIRTUAL AND AUGMENTED REALITY SYSTEMS AND METHODS)”的美国专利申请序列号14/555,585相关。

背景技术：

现代计算技术和显示技术已经促进了用于所谓“虚拟现实”或者“增强现实”体验的系统的发展，其中，数字再现的图像或者其部分以看起来是真实的或者可感知为真实的方式呈现给用户。虚拟现实或“VR”场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现，而对于其它实际的真实世界视觉输入并不透明；增强现实或“AR”场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现，作为对用户周围的实际世界的可视化的增强。

当放置数字内容(例如，为增强房间的真实世界视野而呈现的诸如虚拟枝形吊灯对象的3-D内容，或者为增强房间的真实世界视野而呈现的诸如平面的/平的虚拟油画对象的2-D内容)时，可做出设计选择以控制对象的行为。例如，2-D油画对象可以是以头部为中心的，在这种情况下，对象围绕用户的头部移动(例如，如在谷歌眼镜方法中)；或者，对象是以世界为中心，在这种情况下，它被呈现为仿佛它是真实世界坐标系统的一部分，使得用户在不移动对象相对于真实世界的位置的情况下，移动他的头部和眼睛。

当将虚拟内容放置到采用增强现实系统所呈现的增强现实世界中时，对象是否应当呈现为：以世界为中心(即，虚拟对象停留在真实世界的位置中，使得用户可以在不改变相对于围绕着他的真实世界对象(诸如真实世界的墙壁)的其位置的情况下，围绕着它移动他的身体、头部、眼睛)；以身体为中心或者以躯干为中心，在这种情况下，虚拟元素相对于用户的躯干可被固定，使得用户可在不移动对象的情况下移动他的头部或眼睛，但是这种移动从属于躯干移动；以头部为中心，在这种情况下，显示的对象(和/或显示器自身)可与头部移动一起进行移动，如上参考谷歌眼镜中所描述的；或者以眼睛为中心，如在“视网膜凹式显示(foveated display)”配置中，其中内容根据眼睛位置进行转换。

一些传统的方法使用具有表面浮雕型衍射元件(例如，线性光栅)的光波导来重定向来自图像源的光束，以提供光瞳扩展并向观看者的一个眼睛(在单眼布置中)或者两个眼睛(在双眼布置中)生成虚拟内容显示。这些具有表面浮雕型衍射元件的波导需要复杂的数字衍射图样的设计。这些复杂的设计随后被转变成高分辨率二进制掩码信息，然后暴露到标线上或者传递到电子束写入设备(例如，光刻写入装置)。这些数字衍射图样然后被制作或印刷到光刻胶材料中，并且随后使用各种蚀刻技术进行蚀刻。这种表面浮雕型衍射元件不仅制造昂贵，而且所产生的结构由于存在显微浮雕结构同样是脆弱的并且易受无意的损坏和污染。

因此，需要具有加强的衍射元件的方法和装置，用于对于虚拟现实或增强现实显示虚拟内容。

技术实现要素：

所公开的是一种用于虚拟现实和增强现实的方法和系统。一些实施例涉及用于虚拟现实和增强现实设备和应用的装置。装置可包括：目镜，其包括具有一个或多个层的衍射光学元件(DOE)；内耦合光学(ICO(in-coupling optic))元件，其接收来自例如投影仪的光束并将光束传输到DOE中的基板。每一层可包括OPE(正交光瞳扩展)衍射元件和EPE(出射光瞳扩展)衍射元件。

在一个层上的OPE衍射元件将一些输入光束偏转到EPE衍射元件，该EPE衍射元件进而将该偏转的光束中的一些朝向用户的眼睛偏转。应当注意，术语“光栅”的使用不暗示或示意“光栅”中的衍射结构仅包括线性衍射元件或结构。相反，光栅(例如，EPE光栅、OPE光栅等)可包括线性衍射结构、圆形衍射结构、径向对称衍射结构或者它们的任意组合。OPE衍射元件和EPE衍射元件可包括线性衍射结构和圆形或径向对称结构二者以偏转和聚焦光束。

EPE和OPE衍射元件以及携带用于增强或虚拟现实显示装置的图像信息的光束之间的相互作用可参考图1D-E采用以下的示例来解释。在此示例中，携带图像信息的光进入波导(118)，波导(118)中的OPE衍射元件可将入射光朝向平面波导(116)中的DOE或EPE衍射元件(120)偏转。衍射图样、“衍射光学元件”(或“DOE”)或EPE衍射元件(120)嵌入在平面波导(116)内，使得准直光沿着平面波导(116)全内反射，准直光在多个位置处相交于EPE衍射元件(120)。在此所述的一些实施例中，EPE衍射元件(120)具有相对低的衍射效率，使得仅一部分光在EPE衍射元件(120)的每一个交叉点朝向眼睛偏转走，而剩余的光经由全内反射(TIR)通过平面波导(116)继续移动。

因此，携带图像信息的光被划分成在多个位置处离开波导(116)的多个相关光束，并且结果是对于在平面波导(116)内反弹(bounce)的该特定的准直光束，朝向眼睛(158)的出射发射的相当均匀的图样，如图1D所示。朝向眼睛(158)的出射光束在图1D中示出为基本平行，因为在该示例中，EPE衍射元件(120)只具有线性衍射图样。参考图1E，随着在嵌入的EPE衍射元件(220)的径向对称衍射图样分量中的变化，出射光束图样从眼睛(158)的视角可以被渲染得更发散，并且需要眼睛适应更近的距离，以将使其聚焦在视网膜上然后被大脑解释为光来自于比光学无限远更接近眼睛的观看距离。

在一些实施例中，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层上。在一些实施例中，OPE衍射元件和EPE衍射元件可以以折叠或覆盖的方式布置在一层的两侧上。在一些其它实施例中，OPE衍射元件和EPE衍射元件可布置和记录在单个的、整体的、空间一致的层中，以形成具有OPE衍射元件的功能和EPE衍射元件的功能的复用层。多个这种层可在彼此顶部层叠以形成多平面配置，其中每一层可主控(host)与其各自焦距相关联的其各自焦平面。多平面配置可提供更大的焦距范围，并且多平面配置中的每一层可动态地开启和关闭，以向观看者呈现以不同焦距出现的图像。OPE和EPE衍射元件可具有表面浮雕型光栅结构、体相型光栅结构或它们的组合。

一些实施例涉及用于虚拟现实和增强现实的方法。该方法可以通过使用内耦合光学元件将输入光束传输到目镜的基板；通过使用在第一层上的至少第一衍射元件将输入光束的第一部分朝向在目镜的第一层上的第二衍射元件偏转；并通过采用在第一层上的第二衍射元件偏转输入光束的第一部分中的一些而朝向观看者的眼睛定向第一出射光束。在一些实施例中，方法进一步可以在目镜的基板内传输输入光束的剩余部分；通过使用在第一层上的第一衍射元件将输入光束的剩余部分中的一些朝向第二衍射元件偏转；并通过采用在第一层上的第二衍射元件偏转输入光束的剩余部分中的一部分而朝向观看者定向第二出射光束。

在一些实施例中，由于光栅结构的透射特性和反射特性，该方法还可以在目镜的基板内传输输入光束的第一部分中的剩余部分，并且通过使得第一部分中的剩余部分与在第一层上的第一衍射元件和第二衍射元件相互作用而朝向观看者定向另外的出射光束。在目镜包括具有衍射光学元件的多个层的多平面配置的一些实施例中，该方法可通过使用一个或多个控制信号来动态地开启目镜的第二层，其中，第二层包括第三衍射元件和第四衍射元件，并至少通过使用在第二层上的第三衍射元件和第四衍射元件，从输入光束朝向观看者定向出射光束。

一些第一实施例涉及用于生成用于虚拟现实和/或增强现实的立体图像的方法。通过使用内耦合光学元件，可将输入光束传输到目镜的基板中；至少通过使用在第一层上的第一衍射元件，可将输入光束的第一部分朝向在目镜的第一层上的第二衍射元件偏转；并且在这些第一实施例中通过采用第二衍射元件偏转输入光束的第一部分的一些，还可将第一出射光束朝向观看者定向。

在这些第一实施例的一些中，在目镜的基板内的输入光束的剩余部分；通过使用在第一层上的第一衍射元件，可将输入光束的剩余部分中的一些朝向第二衍射元件偏转；并且通过采用在第一层上的第二衍射元件偏转输入光束的剩余部分的一部分，还可将第二出射光束朝向观看者定向。附加地或可替换地，输入光束的第一部分中的剩余部分可在目镜的基板内传输；并且通过使得第一部分中的剩余部分与在第一层上的第一衍射元件和第二衍射元件相互作用，还可将另外的出射光束朝向观看者定向。

在第一实施例的一些中，通过使用一个或多个控制信号，可将目镜的第二层动态地开启，其中，第二层包括第三衍射元件和第四衍射元件；并且通过至少使用第二层上的第三衍射元件和第四衍射元件，可将出射光束从输入光束朝向观看者定向。在前述的实施例的一些中，第一层主控与第一焦距相关联的第一焦平面，并且第一出射光束对于用户看起来从第一焦平面发出。可附加地或可替换地，第二层主控与第二焦距相关联的第二焦平面，并且出射光束对于用户看起来从第二焦平面发出。在第一实施例的一些中，第一衍射元件和第二衍射元件包括表面浮雕型衍射元件、体相型衍射元件或表面浮雕型衍射元件和体相型衍射元件的组合。

一些第二实施例涉及用于实现用于生成虚拟现实和/或增强现实的立体图像的装置。在这些第二实施例中，第一基板可被识别(如果已经存在)或制造(如果不存在)以用于装置的目镜；第一衍射元件和第二衍射元件可在一个或多个第一膜上被识别(如果已经存在)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线性光栅结构以及圆形或径向对称光栅结构；包括第一衍射元件和第二衍射元件的一个或多个第一膜可被设置在第一基板上；并且内耦合光学元件也可被集成在目镜中，以将来自输入光源的输入光束传输到第一基板中，其中，第一衍射元件和第二衍射元件操作地耦合到内耦合光学元件，以偏转输入光束的至少一部分。

在这些第二实施例的一些中，第一衍射元件和第二衍射元件可在第一基板的一侧上以共面的布置来布置。在这些第二实施例的一些其它实施例中，第一衍射元件和第二衍射元件在第一基板的两侧上以折叠或覆盖的布置来布置。附加地或可替换地，以共面的布置或以折叠或覆盖的布置的第一衍射元件和第二衍射元件可在设置在第一基板的一侧上的整体、不可分离的层上复用。

在第二实施例的一些中，第二基板被识别(如果已经存在)或制造(如果不存在)以用于目镜；第三衍射元件和第四衍射元件也可在一个或多个第二膜上被识别(如果已经存在)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线性光栅结构以及圆形或径向对称光栅结构；并且包括第三衍射元件和第四衍射元件的一个或多个第二膜可被设置在第二基板上。

在紧接的前述实施例的一些中，第二基板可被设置在第一基板上，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过使用电压或电流在开启状态和关闭状态之间动态地切换。附加地或可替换地，一个或多个第一膜和一个或多个第二膜中的至少一个包括聚合物分散液晶层。

在第二实施例的一些中，第一衍射元件和第二衍射元件包括表面浮雕型光栅结构、体相型光栅结构或表面浮雕型光栅结构和体相型光栅结构的组合。附加地或可替换地，第一衍射元件和第二衍射元件包括体相光栅结构和表面浮雕结构的组合。第二实施例的一些中，第一基板可选地可包括单层主体透明或半透明介电主介质，或者在第二实施例的一些其它实施例中，包括彼此耦合的半透明或透明主介质的两个或多个层，以共同形成用于输入光束的至少一部分的波导，以产生立体图像。

一些第三实施例涉及用于使用或设计用于生成虚拟现实和/或增强现实的立体图像的装置的过程。在这些第三实施例中，可从内耦合光学器件接收输入光束；采用装置的目镜中的第一衍射元件，可将来自内耦合光学器件的输入光束偏转到朝向第二衍射元件的第一方向中，其中，第一衍射元件具有预定的衍射效率和相对于输入光束的传播的方向的第一取向；以及输入光束的第二部分可传播通过具有第二取向的第二衍射元件，以向观看者产生立体图像。

在这些第三实施例的一些中，第一衍射元件或第二衍射元件中的至少一个包括至少采用体相技术来制造的体积全息图，以在具有单层主介质或主介质的两个或多个单独层的基板上记录第一衍射元件或第二衍射元件。附加地或可替换地，立体图像中的伪像至少通过调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组合的衍射效率。另外，第一衍射元件可可选地包括出射光瞳扩展结构或扩展器，以及第二衍射元件包括正交光瞳扩展结构或扩展器。

在这些第三实施例的一些中，第一衍射元件和第二衍射元件可选地还可以包括包含干法光聚合物材料的主介质。在上述实施例的一些中，主介质包括单层光聚合物材料、单层卤化银、或单层聚合物分散液晶混合材料。

在第三实施例的一些中，至少通过连续地重定向输入光束的至少第一部分的第一光波前并经由全内反射与输入光束的至少第二部分外耦合，来引导输入光束的传播。附加地或可替换地，至少通过采用不同的衍射效率倾斜(ramp)目镜中的一个或多个组件的衍射效率，来控制在输入光束和第一衍射元件和/或第二衍射元件之间的较早和较晚的相互作用。

在第三实施例的一些中，至少通过在制备第一衍射元件和/或第二衍射元件中调制记录光束强度或记录光束强度的比例，在第一衍射元件和/或第二衍射元件中分布光栅衍射效率。可选地，第一衍射元件和第二衍射元件可被识别(如果已经存在)或制造(如果不存在)而不使用表面浮雕结构。

在第三实施例的一些中，通过使用用于第一衍射元件和/或第二衍射元件的可切换光栅结构，过程可提供投射图像到多个焦平面成像元件的时间复用分布。附加地或可替换地，第一衍射元件或第二衍射元件包括聚合物分散液晶(PDLC)组件。在这些紧接的前述实施例的一些中，聚合物分散液晶(PDLC)组件、用于PDLC组件的主介质以及在PDLC组件的主介质中的结构元件可被识别；并且主介质或结构元件的折射率可被确定为与基板的第一折射率不匹配的折射率，其中，第一衍射元件和/或第二衍射元件设置在该基板上。

在第三实施例的一些中，单层结构可被识别；第一衍射元件和第二衍射元件可被识别(如果已经存在)或制造(如果不存在)到单层结构中；并且单层结构中的第一衍射元件和第二衍射元件可被复用，以减少在目镜的至少一部分中输入光束的传播的衍射的串扰。附加地或可替换地，第一衍射元件和第二衍射元件设置在基板上或设置在基板中，并包括体相光栅结构和表面浮雕结构的组合。在这些紧接的前述实施例的一些中，基板包括单层主体透明或半透明介电主介质。在第三实施例的一些中，基板包括彼此耦合的半透明或透明主介质的两个或多个层以共同形成用于输入光束的至少一部分的波导，以产生立体图像。

一些第四实施例涉及用于生成用于虚拟现实和/或增强现实的立体图像的装置。该装置包括包含基板的目镜；用于将输入光束传输到基板中的内耦合光学元件；以及包括第一衍射元件和第二衍射元件的基板的第一层，该第一衍射元件和第二衍射元件操作地耦合到内耦合光学元件并设置在基板的一侧或多侧上，其中第一衍射元件和第二衍射元件包括线性光栅结构和圆形或径向对称光栅结构。

在这些第四实施例的一些中，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层上。可替换地，第一衍射元件和第二衍射元件以折叠或覆盖的布置被布置在第一层的两侧。在第四实施例的一些中，装置还包括一个或多个第二层，其中，第一层和一个或多个第二层在开启和关闭状态之间是动态可切换的，并且一个或多个第二层在彼此顶部层叠。

在这些上述的实施例的一些中，第一层或者一个或多个第二层包括至少一个聚合物分散液晶层。在第四实施例的一些中，第一衍射元件和第二衍射元件包括体相型光栅结构。附加地或可替换地，第一衍射元件和第二衍射元件包括表面浮雕型光栅结构。附加地或可替换地，第一衍射元件和第二衍射元件包括表面浮雕型光栅结构和体相型光栅结构。

以下将参考图1A-图25D来描述用于生成用于虚拟现实和/或增强现实的立体图像的方法和装置的各方面的更多细节。

附图说明

附图示出了本发明的各种实施例的设计和使用。应当注意，附图没有按照比例进行绘制，并且相似结构或功能的元件在全部附图中用相似的参考标记表示。为了更好的理解如何获得本发明的各种实施例的上述内容和其它优点以及目的，以上简要描述的本发明的更详细描述将通过参考其具体实施例来显现，所述具体实施例在附图中示出。需要理解，这些附图仅描绘了本发明的典型实施例，因此并不能认为限制它的范围，本发明将通过使用附图用附加特征和细节来描述和解释，在附图中：

图1A示出了偏转准直光束的线性衍射光栅的简化示意图。

图1B示出了偏转准直光束的径向对称衍射光栅的简化示意图。

图1C示出了在此描述的包括组合线性和径向结构的衍射元件的一些实施例。

图1D示出了衍射图样或衍射元件和携带用于增强或虚拟现实显示装置的图像信息的光束之间的相互作用的示例。

图1E示出了衍射图样或衍射元件和携带用于增强或虚拟现实显示装置的图像信息的光束之间的相互作用的另一示例。

图2A-B示出了在一些实施例中制作和使用体相衍射元件的一些示意性表示。

图3A-B示出了在一些实施例中制作和使用用于RBG(红色、绿色、和蓝色)的体相衍射元件的一些示意性表示。

图3C-D示出了在一些实施例中制作和使用用于RBG(红色、绿色、和蓝色)的体相衍射元件的一些示意性表示。

图3E-F示出了在一些实施例中制作和使用用于RBG(红，绿，蓝)的陡角体相衍射元件的一些示意性表示。

图4A-C示出了在一些实施例中用于记录体相衍射元件或体相陡峭角衍射元件以制造EPE、OPE或组合的EPE/OPE的一些示意性设置。

图5A示出了记录材料和组件层的叠层以及许多可能记录的几何结构中的一个的出射光瞳扩展器的一个实施例的示意性表示。

图5B示出了记录材料和组件层的叠层以及许多可能记录的几何结构中的一个的出射光瞳扩展器、正交光瞳扩展器、输入耦合光栅或组合光栅的一个实施例的示意性表示。

图6示出了在单个晶片基板中的ICO、EPE和OPE组件的一个实施例的示例性配置，以及当采用图像投影系统照明时它们的功能。

图7示出了在一些实施例中操作地耦合到内耦合光学器件的共面OPE和EPE布置的示意性布置。

图8示出了在一些实施例中操作地耦合到内耦合光学器件的覆盖或折叠的OPE和EPE布置的示意性布置。

图9示出了在一些实施例中操作地耦合到内耦合光学器件的覆盖或折叠的OPE和EPE布置的另一个示意性布置。

图10A-B示出了在一些实施例中的覆盖或折叠的OPE和EPE布置的另一个示意性布置。

图11示出了在一些实施例中覆盖或折叠的OPE和EPE以及光束倍增层布置的另一个示意性布置。

图12A-C示出了在一些实施例中在衍射元件和携带用于观看者的图像信息的光之间的相互作用的一些示意性表示。

图12D示出了在一些实施例中用于虚拟现实和/或增强现实装置的多平面配置的示意性表示。

图13A-B示出了在一些实施例中的可切换层的示意性表示。

图14示出了在一些实施例中的复用扩展器元件的示意性表示。

图15A示出了在一些实施例中的复用扩展器元件的一部分的示意性表示。

图15B示出了在一些其它实施例中的复用扩展器组件的另一个图形表示。

图16示出了用户使用在此所述的虚拟现实或增强现实设备来观看图像的图示。

图17示出了用于图示目的的图16的中一部分。

图18示出了用于图示目的的图16的中一部分的另一个视角。

图19示出了用于图示目的的图16的中一部分的另一个视角。

图20示出了图19的特写视图(close-up view)以提供衍射光学元件的各种元件的视图。

图21示出了用户使用虚拟现实或增强现实设备来观看图像的图示的侧视图。

图22示出了在一些实施例中的衍射光学元件(DOE)的特写视图。

图23A示出了在一些实施例中用于生成用于虚拟现实和/或增强现实的立体图像的过程的高级(high level)流程图。

图23B-C共同示出了在一些实施例中用于生成用于虚拟现实和/或增强现实的立体图像的过程的更详细的流程图。

图24A示出了在一个或多个实施例中用于生成用于虚拟现实和/或增强现实的立体图像的过程的高级框图。

图24B示出了在一个或多个实施例中在图24A中所示出的用于生成用于虚拟现实和/或增强现实的立体图像的过程的更详细的框图。

图24C示出了在一个或多个实施例中用于生成用于虚拟现实和/或增强现实的立体图像的过程的更详细的框图。

图25A示出了在一个或多个实施例中用于生成用于虚拟现实和/或增强现实的立体图像的高级框图。

图25B-D共同示出了一些附加的、可选的动作2500B，其可在用于生成用于图25A中所示的虚拟现实和/或增强现实的立体图像的过程的一个组或多个组中单独执行或共同执行。

具体实施方式

本发明的各种实施例涉及用于在单个实施例中或在一些实施例中生成虚拟内容显示虚拟或增强现实的方法和系统。本发明的其它目的、特征和优点在详细的说明书、附图和权利要求中来描述。

一些实施例涉及用于生成虚拟内容显示的装置。装置包括衍射元件，以将携带图像信息的光束从图像源传播到观看者的一个眼睛(单眼)或两个眼睛(双眼)。更具体地，装置包括具有OPE衍射元件的第一波导，以将携带图像信息的光束从图像源偏转到具有EPE衍射元件的第二波导。第二波导中的EPE衍射元件还将光束从第一波导重定向到观看者一个眼睛或两个眼睛。

EPE和OPE衍射元件以及用于增强或者虚拟现实显示装置的光束之间的相互作用的简化模式可参考图1D-1E通过下面的示例来解释。在该示例中，携带图像信息的光进入波导(118)，并且波导(118)中的OPE衍射元件可将入射光朝向平面波导(116)中的DOE或EPE衍射元件(120)偏转。衍射图样、“衍射光学元件”(或“DOE”)或EPE衍射元件(120)嵌入在平面波导(116)内，使得准直光沿着平面波导(116)全内反射，准直光在多个位置处与EPE衍射元件(120)相交。在此所述的一些实施例中，EPE衍射元件(120)具有相对低的衍射效率，使得仅一部分光通过EPE衍射元件(120)的每一个相交点朝向眼睛(158)偏转走，而剩余的光经由全内反射(TIR)通过平面波导(116)继续移动。

因此，携带图像信息的光被划分成在多个位置处离开波导(116)的多个相关光束，并且结果是对于在平面波导(116)内反弹的该特定的准直光束，朝向眼睛(158)的出射发射的相当均匀的图样，如图1D所示。朝向眼睛(158)的出射光束在图1D中示出为基本平行的，因为在该示例中，EPE衍射元件(120)只具有线性衍射图样。参考图1E，随着在嵌入的EPE衍射元件(220)的径向对称衍射图样分量中的变化，出射光束图样从眼睛(158)的视角可以被渲染得更发散，并且需要眼睛适应更近的距离，以使其聚焦在视网膜上并被大脑解释为光来自于比光学无限远到眼睛更近的观看距离。

在此描述的装置的一个优点是在此描述的虚拟内容显示装置可包括体型衍射元件，该体型衍射元件以更鲁棒以及成本效益的方式来制造，而不需要使用光刻和蚀刻工艺。在一些实施例中体型衍射元件可被制造(例如，通过压印)以用于装置的一个或多个波导，并且因此完全消除在传统的方法中与表面浮雕型衍射元件的制造、集成和使用相关联的各种问题。这些衍射元件还可以以不同的布置方式来布置，用于虚拟内容显示装置，以用作如以下更多细节中所描述的它们想要的目的。

现将参考附图详细描述各种实施例，其作为本发明的示例性示例而提供，以使得本领域技术人员能够实现本发明。值得注意的是，以下附图和示例并不意味着限制本发明的范围。在使用已知的组件(或方法或过程)可以部分或全部实现本发明的特定元件的情况下，将仅描述对理解本发明所需要的这种已知组件(或方法或过程)的那些部分，并且这种已知组件的其它部分的详细描述将被省略以便不会混淆本发明。进一步地，各种实施例通过说明的方式包含与在此涉及的组件等同的现在和未来已知的等同物。

所公开的是用于虚拟和增强现实的方法和系统。在诸如用于虚拟现实和增强现实的应用的人类可穿戴立体眼镜的光学仪器中，用户的眼睛可以与仪器的出射光瞳对准并具有与仪器的出射光瞳相似的大小，以便将仪器与用户的眼睛适当地耦合。出射光瞳的位置可因此确定适眼距(eye relief)以及因此确定目镜的视场，该适眼距限定可从用户获得全部视角的仪器的目镜的最后表面到观看者眼睛的距离。

适眼距通常设计成具有对于使用的舒适度的特定距离(例如，20mm)。如果出瞳距离太大，来自目镜的出射光可能丢失并且不能到达瞳孔。另一方面，如果适眼距太小使得出射光瞳比瞳孔的大小更小，那么由来自目镜或与衍射光学元件(DOE)耦合的波导的出射光限定的视图可能发生渐晕。在此描述的各种实施例使用具有高角度衍射的体相衍射元件，以生成用于虚拟现实或增强现实系统的出射光瞳扩展(EPE)结构或扩展器和正交光瞳扩展(EPE)结构或扩展器。

如在本公开中所呈现的，OPE和/或EPE表面浮雕结构的生成实现了复杂数字衍射图样的设计，该设计将执行期望的光瞳扩展和外耦合(out-coupling)功能。该设计然后被转变成高分辨率二进制掩码信息，暴露到标线上或者传递到特殊的电子束写入装置、被制作到光刻胶材料中、并使用化学技术进行蚀刻。所产生的结构在某种程度上是脆弱的，因为它是显微的物理浮雕，易受损坏和污染，这将破坏衍射功能。

相比较，体相全息图可以以全息(两束或多束)方法，通过采用激光对光敏材料(例如，光聚合物、卤化银、聚合物分散液晶混合物等)的分段曝光或整体曝光(宽区域同时)进行制作。这些结构所需或所期望的特殊的条纹方向和间隔可通过在厚的介电基板(诸如玻璃或者透明或半透明塑料)上记录全息图来实现，该厚的介电基板能够在陡峭角几何结构中通过激光的指数匹配耦合来形成条纹。一些实施例包括体相和表面浮雕结构的叠加的OPE/EPE的组合。

组合元件的一个优点可以是利用两个类型的结构的独特特性，当组合时，相比于全数字(例如，全表面浮雕)或全体相方法，这些独特特性产生超级功能。体相全息图的记录不昂贵、快速，并且比在表面浮雕结构中的数字设计/计算/制作方法更灵活，因为体相制作光学系统易于使用各种现成的组件和实施技术来重新配置、修改和定制。在生成EPE/OPE结构中，通过使用体相技术，高敏感性的、易于使用的、干法光聚合物材料还提供了其它优势。

体相方法具有调制衍射效率的固有能力，而不引入不想要的或不期望的伪像。在EPE和OPE功能的情况下，在一些实施例中，EPE和OPE结构依赖于准直波前的连续地重定向和外耦合，该准直波前经由全内反射传播通过大面积波导。通过与衍射元件的每一次相互作用，一些光被重定向，或者全部耦合到结构外(根据设计)，导致剩下用于连续地相互作用的光量的减少。随着光从投影注入点传播，这可导致穿过目镜的图像场亮度分布的一些不期望的减少。为了减轻此问题，在一些实施例中目镜组件的衍射效率可被倾斜，使得光线和结构之间的初始相互作用比之后相互作用使用更少的可用光。

此外，在体相记录方法中光栅衍射效率均匀性的再分布是简单的，通过调制记录光束强度和/或两个干涉光束之间的强度的比例来实现。相反，本身是二进制的表面浮雕结构不可容易地修改来实现相同效果，特别地没有引入鬼像、另外的衍射级和其它不想要的或不期望的伪像。体相型结构还可期望或要求聚合物分散液晶(PDLC)组件，其包括使能投射图像到多个焦平面成像元件的时间复用分布的可切换衍射元件。一些实施例将体相方法与PDLC组合，并将该组合应用于OPE/EPE和内耦合光学件(ICO)。

PDLC材料包括在主介质中具有衍射图样的微滴，主介质或微滴的折射率可被切换为与基板的折射率不匹配的折射率。可切换衍射元件也可以由包括铌酸锂的材料制成。体相结构可比表面浮雕结构更有角度选择性，因此不易于衍射来自外部的光(可能是环境光源)。这对于在眼镜应用中使用所述实施例中的至少一些可以构成另一个优点，其中衍射元件还可以曝露于除了想要的图像投射源之外的太阳光或其它光源。附加地或可替换地，一些实施例利用单层复用OPE/EPE结构，其功能使用可替代方法(诸如表面浮雕型衍射结构或元件)难于或完全不可能产生。这种困难和不可能性的一个原因是由于表面浮雕型衍射元件比体相型衍射元件更色散的事实，因此可引入浪费投射光和视觉分散的串扰和多衍射级。这种困难和不可能性的另一个原因是，所需的图样或以二进制形式产生必要图样所需的刻蚀深度和方向的复杂性是难于实现的。

各种实施例需要特定的体相全息记录技术和几何形状，用于产生OPE、EPE、在单独的层中这两个的组合、以及在单个层中这两个功能的组合，其包括用于增强现实显示的基于波导分布的目镜。尽管Bayer Bayfol全息光聚合物可用作用于正交光瞳扩展和出射光瞳扩展结构的主要记录介质，但是各种实施例不限制于用于实现想要的目的或执行想要的功能的该特定材料。相反，各种目标、目的和功能独立于Bayer Bayfol材料的任何专有的元件或特征。例如，用于构造一些可切换EPE的PDLC材料在光敏性、工艺、清晰度等方面表现得与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。

图1A示出了偏转准直光束的线性衍射光栅的简化示意图。从图1A可以看出，线性衍射元件102A包括线性布置的周期结构，其将准直入射光束104A衍射为以不同于入射光方向的方向行进的出射光束106A。图1B示出了偏转准直光束的径向对称衍射光栅的简化示意图。更具体地，准直的入射光束104B穿过包括径向对称结构的波带片或圆形衍射元件102B，并由于圆形衍射元件102B的径向对称结构而变为朝向“焦”点被衍射。

在这些实施例中，波带片或圆形衍射元件102B有效地聚焦准直的入射光束104B，以形成聚焦的出射光束106B。图1C示出了在此描述的包括组合线性和径向结构的衍射元件的一些实施例。衍射元件102C偏转并聚焦入射光束104C以形成出射光束106C。在一些实施例中，圆形或径向对称衍射元件可被配置或设计以使得出射光束分散。

一些实施例使用体相全息图，其通过在全息(两束或多束)方法中采用激光使用例如光敏材料(可包括光聚合物、卤化银、聚合物分散液晶混合物等)的分段曝光或整体曝光(例如，宽区域同时)来制作或写入。图2A-B示出了在一些实施例中制作和使用体相衍射元件的一些示意性表示。更具体地，图2A示出两个激光束或其它光源202B和204B(“记录光束”)在光聚合物膜206B内相交，并产生体干涉图样。干涉图样可在光聚合物206B中永久地记录为相图样。

图2B示出一些宽带(例如，白光)光从记录光束中的一个的方向(图2A中的第一记录光束的相反方向)朝向衍射元件被定向，一些宽带光可被折射和偏转为在与第二光束204C相同的方向(图2A中的第二记录光束的相反方向)中行进。由于光聚合物膜206C的折射率，只有颜色的相对窄带可被衍射。因此，出射光束看起来与用于记录衍射元件的记录光束的颜色近似相同。与图2A对应的线图示出了记录光束的记录光谱的波长(在此示例中大约是600纳米)。与图2B对应的线图示出了出射光束204C的输出光谱(在此示例中大约也是600纳米)以及宽带光源208C的照明光谱。

图3A-B示出了在一些实施例中制作和使用用于三基色模式-RBG(红色、绿色、和蓝色)颜色模式的体相衍射元件的一些示意性表示。更具体地，图3A示出了使用用于在光聚合物膜中记录体相干涉图样的三个记录光束(例如，红色激光束、蓝色激光束、和绿色激光束)。三个记录光束302A和304A中的每一个以与所描述的用于图2A-B中的单色记录光束的方式相同或基本类似的方式，在光聚合物膜306A内记录单独的叠加衍射元件308A。

图3B示出了当宽带光308B(例如，白光)朝向制造的RGB衍射元件306A被定向时的使用案例的示例。由于RGB衍射元件306A的波长选择性质，宽带光的每一个颜色由RGB衍射元件306A的其自身衍射元件来衍射。因此，当宽带光穿过RGB衍射元件306A时，只有每个颜色的窄色带被衍射。因此，对于入射光束分量(例如，红色、蓝色或绿色)的出射光束看起来与用于记录衍射元件的入射记录光束分量近似相同的颜色。

作为结果，出射光束304B看起来作为结果的近似全色。与图3A对应的线图示出了具有三个峰的记录光束的记录光谱的波长，该三个峰分别表示记录光束的红色、绿色和蓝色光分量。与图3B对应的线图示出了出射光束304B的输出光谱以及宽带光源308B的照明光谱。

图3C-D示出了在一些实施例中制作和使用用于RBG(红色，绿色，蓝色)的体相衍射元件的一些示意性表示。更具体地，图3C示出了使用用于在光聚合物膜中记录体相干涉图样的三个记录光束(例如，红色激光束、蓝色激光束、和绿色激光束)。三个记录光束302C中的每一个以与所描述的用于图2A-B和图3A中的单色记录光束的方式相同或基本类似的方式，在光聚合物膜306A内记录单独的叠加衍射元件308A。

图3D示出了当窄带或激光源RGB照明光308D朝向制造的RGB衍射元件306C被定向时的使用案例。当RGB激光束朝向RGB衍射元件被定向时，每一个颜色由其各自的衍射元件来衍射或反射。由于RGB衍射元件306D的波长选择性质，当RGB光穿过RGB衍射元件306C中的其自身衍射元件时，RGB激光照明光308D的每一种激光颜色被反射或衍射。因此，对于入射光束分量(例如，红色、蓝色或绿色)的出射光束看起来与用于记录衍射元件的入射RGB光束的对应的光分量近似相同的颜色。作为结果，出射光束304D也看起来近似全色。

与图3C对应的线图示出了具有三个峰的记录光束的记录光谱的波长，该三个峰分别表示记录光束的红色、绿色和蓝色光分量。与图3D对应的线图示出了出射光束304D的输出光谱以及宽带光源308D的照明光谱。记录RGB的记录光束(302C和304C)和重构(例如，308D)之间的偏差可引起衍射光束的角位移，并且由于Bragg条件失配，大量的波长偏差可导致降低的衍射效率。

图3E-F示出了在一些实施例中制作和使用用于RBG(红色、绿色、和蓝色)的陡峭角体相型衍射元件的一些示意性表示。更具体地，图3E示出了使用两个记录光束302E和304E以在光聚合物膜或聚合物分散液晶材料中记录体相干涉图样。两个记录光束302E和304E相互干涉，以与所描述的用于图2A-B中的单色记录光束的方式相同或基本类似的方式在光聚合物306E内产生衍射元件308E。

在图3E中，第二记录光束304E以相对陡峭的角度被定向到光聚合物膜306E。在一些实施例中，与衍射光学元件(DOE)耦合的由高折射率主介质310E(例如，玻璃、透明或半透明塑料等)制成的波导可用于控制或提高入射记录光束304E的陡峭角度。图3F示出从记录光束中的一个的方向(图3E中第二记录光束304E的相同方向)朝向衍射元件被定向的宽带光(例如，白色照明光)，由于在体相干涉图样的制造过程中的第二记录光束的陡峭角，宽带光中的一些可在与第一记录光束302E相同的方向上被衍射和偏转。由于光聚合物膜306E的折射率和光聚合物膜306E中干涉图样结构，只有相对窄带色的光束308F可被衍射。因此，出射光束304F看起来与用于记录衍射元件的记录光束(302E和304E)近似相同的颜色。与图3F对应的线图示出了出射光束304F的输出光谱。

在一些实施例中，用于EPE和OPE的体相陡峭角衍射元件可通过使用例如Nd:YAG(掺杂钕的钇铝石榴石或Nd:Y₃Al₅O₁₂)或Nd:YLF(掺杂钕的钇锂氟化物或Nd:LiYF₄)作为用于固态激光器的激光介质而制成，该固态激光器用于在包括BayerHX自行研制的光聚合物膜的光聚合物膜中记录干涉图样。记录量随着记录时间的改变，从几个毫焦每平方厘米(mJ/cm²)到十几个毫焦每平方厘米的范围变化。

例如，在一些实施例中为制造EPE或OPE对于10秒或更短的周期以10mJ/cm²来制造体相干涉图样。在一些实施例中，激光束分布可从中心偏移以在衍射元件记录平面上产生强度倾斜，以产生衍射效率中的变化。衍射效率中的变化可导致来自TIR-照明构造(全内反射照明构造)的衍射光束更均匀的分布。在图4A-C中示出了一些示例性设置，这些示例性设置用于通过使用的一个或多个针孔透镜空间滤波器(LPSF)、准直器(COLL)和各种其它光学元件来记录体相型衍射元件或体相陡峭角衍射元件以制造EPE和/或OPE。

图4A-C示出了在一些实施例中用于记录体相衍射元件或体相陡峭角衍射元件以制造EPE、OPE或组合的EPE/OPE的一些示意性设置。更具体地，图4A示出了示例性记录系统设计，其使用用于固态激光器的掺杂钕的钇铝石榴石(Nd:YAG)激光介质来记录用于EPE、OPE和/或EPE和OPE的组合的体相型衍射元件。固态Nd:YAG激光器400A以例如532nm发射光，并且激光行进通过包括可变分束器412A、分束器、束组合器或透明块406A、各种镜404A、空间滤波器414A、准直器408A以及透镜的一系列光学元件，并最终执行记录功能，以在位于DOE(衍射光学元件)平面402A上的膜材料上制造期望或所需的衍射元件。

在图4A所示的这些实施例中，棱镜418A用于将激光耦合到承载膜的基板的一侧中。应当注意，尽管从光学元件410A的焦点416A到DOE记录平面402A的距离在该示出的实施例中是1米，但是该距离可变化以适应用于不同记录系统的不同设计配置，因此不应当认为或解释为限制其它实施例的范围或权利要求的范围，除非另有具体描述或声明。

图4B示出了在一些实施例中的另一示例性记录系统设计。除了生成绿色激光束408B的Nd:YAG激光454B器之外，图4B中的示例性记录系统使用两个另外的固态激光器：生成蓝色激光束410B的452B(掺杂钕的钇锂氟化物或Nd:YLF)和生成红色激光束406B的456B(氪离子激光器)，以记录用于EPE、OPE和/或组合的EPE和OPE的体相型衍射元件。红色、绿色和蓝色光束与一系列光学元件(例如，分束器、束组合器或透明块412B、波长选择光束组合镜414B、可变分束器416B)组合以形成RGB(红色、绿色、和蓝色)光束404B，RGB(红色、绿色、和蓝色)光束404B进一步传输穿过多个光学元件(例如，空间滤波器418B、准直器420B、聚焦透镜422B和棱镜424B)以在位于DOE(衍射光学元件)记录平面402B上的膜上制造期望或所需的衍射元件。

与图4A示出的记录系统类似，图4B中示出的记录系统包括棱镜424B以将光束耦合到DOE记录平面402B上的膜中。同样与图4A示出的记录系统类似，尽管从光学元件422B的焦点426B到DOE记录平面402B的距离在该示出的实施例中是1米，但是此距离可变化以适应用于不同记录系统的不同设计配置，因此不应当认为或解释为限制其它实施例的范围或权利要求的范围，除非另有具体描述或声明。在一个实施例中，从棱镜418A或424B的法线方向的内部角度可以是73度，尽管不同的角度也可用于不同但相似的配置。

图4C示出了在一些实施例中的另一个示例性记录系统设计。为了便于说明和解释，图4C中的示例性记录系统包括例如Nd:YAG激光器402C(或其它用于不同或另外的光束的激光介质或媒介)以产生用于在位于DOE记录平面420C上的膜上记录衍射元件的光束。激光束传输通过包括例如分束器、束组合器或透明块404C、波长选择光束组合镜408C、可变分束器406C、空间滤波器410C、准直器412C、分束器404C和潜望镜408C的多个光学元件，并最终耦合到位于玻璃块418C上的膜或基板中，以在膜或基板上记录衍射元件。

图4C还示出了记录系统的一部分的顶视图450C和侧视图460C。在图4C中的示例性记录系统中，用于记录衍射元件的光束通过使用玻璃块418C而不是如图4A-B所示的棱镜而被耦合到基板或膜中。玻璃块(例如，418C)的使用允许光束从玻璃块的四个侧面进入，而不是从如图4A-B所示的棱镜的两个侧面进入。在一个实施例中，从玻璃块418C的法线方向的内部角度可以是30度，尽管不同的角度还可用于不同但相似的配置。附加地或可替换地，空间滤波器410C和DOE记录平面420C之间的距离是0.5米，但是应当注意，该距离可变化以适应用于不同的记录系统的不同的设计配置，并且因此不应当认为或解释为限制其它实施例的范围或权利要求的范围，除非另有具体描述或声明。

图5A示出了用于EPE衍射元件的一个实施例的记录配置的示意性表示。扩展激光束510和参考激光504通过折射率匹配的耦合棱镜502和折射率匹配的耦合流体512、基板514、光聚合物层516以及介电层518(以上全部具有名义上很高(～1.51)或类似的折射率)在记录材料514内以陡峭角度(在此示出为73°，但是可任意地调节)相交。折射率匹配元件的使用使得能够将光耦合到记录材料中，否则该光将从材料的表面被高度反射而不被耦合贡献于衍射元件记录。

图5B示出了用于EPE、OPE或ICO衍射元件的各种实施例的可替代记录配置的示意性表示。扩展激光束502B和505B通过折射率匹配的块509B和折射率匹配的耦合流体501B以及基板508B(以上全部具有名义上很高并匹配的折射率(～1.46)，但是比记录材料507B的折射率低)在记录材料507B内以陡峭角(在此示出为60°，但是可任意地调节)相交。抗反射涂层和或也是吸收层504B(名义上玻璃或塑料)被耦合到具有折射率匹配的流体层503B的记录叠层。层504B和其相关联的抗反射涂层防止光束502B的全内反射(TIR)，以减轻来自反射光的第二衍射元件的记录。

图5A中的示例性EPE衍射元件记录叠层被设置在三角棱镜的矩形侧面508的一侧。应当注意，在图5A中为了便于说明和解释的目的，EPE衍射元件记录叠层呈现为设置在矩形侧面508。EPE可以以各种不同的方式来设置，如在后续的段落中将参考图7-图15进行描述的。EPE衍射元件记录叠层包括：二甲苯(n～1.495)或矿物油(n～1.46)的膜512、层叠在二甲苯或矿物油膜上的显微镜载玻片(n～1.51)的膜514、层叠在显微镜载玻片膜上的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。在图5B中，EPE或OPE衍射元件记录叠层包括：Cargille 1.46折射率匹配油(n～1.46)的膜508B，层叠在折射率匹配油膜上的石英或熔融硅石显微镜载玻片的膜508B，层叠在显微镜载玻片膜上的Bayer Bayfol HX光聚合物膜(n～1.504)的膜507B，以及聚酰胺的膜506B。进一步地，Cargille 1.52折射率匹配油(n～1.52)的膜层叠在膜506B上，并且抗反射涂层和或/吸收灰玻璃504B的膜层叠在折射率匹配油上。

相反，当图5A中的参考光束504朝向三角棱镜502的矩形侧面506定向时，三角棱镜的折射率导致光束朝向EPE衍射元件记录叠层偏转，EPE衍射元件记录叠层根据图示被配置为偏转参考光束504，使得法线光束510与它相互干涉并生成记录在516中的衍射元件。当图5B中的参考光束502B朝向块509B的矩形侧面定向时，块的折射率导致光束朝向EPE/OPE衍射元件记录叠层偏转，EPE/OPE衍射元件记录叠层根据图示被配置为偏转参考光束502B，使得光束505B与它相互干涉并生成记录在507B中的衍射元件。

在一些实施例中，衍射光学元件(DOE)可夹在波导间、与波导耦合、或与波导集成，并可具有相对低的衍射效率，因此只有小部分光而不是全部的光被偏转向眼睛，而其它的光经由例如全内反射(TIR)通过平面波导进行传播。应当注意，光在波导内传播，并且在一些实施例中由于光波的干涉，当光遇到与DOE耦合的衍射光学元件(DOE)时发生衍射。因此，本领域的技术人员当然理解如下事实，衍射光学元件构成“障碍”或“狭缝”以引起衍射，并且波导是引导光波的结构或介质。

图6示出了在一些实施例中用于虚拟和/或增强现实应用的装置的示例性配置。更具体地，图6示出了用于虚拟或增强现实设备的共面OPE/EPE结构。在图6所示的这些实施例中，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，该基板114也用作波导以引导光波在其中传播。在操作示例性装置期间，输入光束604可从光源602传输，该光源602可包括可用于提供输入光束的光纤扫描系统、光纤扫描器、微型投影仪、投影仪束、微阵列显示器、硅上LCoS或液晶、或者DLP或数字光处理，或任何其它光源中的一个。

来自光源602的输入光束被传输到扫描光学部件和/或内耦合光学部件(ICO)606，并朝向设置或集成在基板114上的OPE衍射元件112定向。OPE衍射元件112使得光束如箭头116所示，在波导114内沿着OPE衍射元件112阵列继续传播。每一次当光束撞击倾斜的OPE衍射元件112时，一部分光束因此如箭头118所示，由OPE衍射元件112朝向EPE衍射元件110偏转。当偏转到EPE衍射元件110的该部分光束撞击EPE衍射元件时，EPE衍射元件110将入射光束偏转成朝向用户的眼睛106的出射光束108。

图7示出了在一些实施例中操作地耦合到内耦合光学器件的共面OPE和EPE布置的示意性布置。OPE和EPE衍射元件可在基板702(诸如玻璃或者透明或半透明基板)上以基本共面的方式进行布置。在这些实施例的一些中，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学地生产或由例如计算机设计的结构和显微条纹写入技术而数字地生产。

通过该方式生成的衍射元件可通过压印或浇铸进行复制，并通常展现出像棱镜一样的色散行为。在一些其它实施例中，OPE衍射元件704和/或EPE衍射元件706可包括体相型衍射元件，体相型衍射元件通过例如接触复制来光学地产生和复制。在一些实施例中，体相型衍射元件可在叠层的光聚合物膜(例如，Bayer Bafol HX)中或在聚合物分散液晶层(PDLC层)中产生。体相型衍射元件可以是波长选择性的并且行为像二向色镜。在一些其它实施例中，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体相型衍射元件。

在操作期间，内耦合光学部件712接收来自例如光纤扫描器或微型投影仪(图7中没有示出)的输入光束，并朝向OPE衍射元件704折射输入光束，如由输入光束710所示的。OPE衍射元件704可以以倾斜取向的方式进行配置以朝向EPE衍射元件706偏转输入光束中的一些，如由光束708所示的。附加地或可替换地，OPE衍射元件704可被配置或设计成具有相对低的衍射效率，使得输入光束710的所期望部分经由例如全内反射(TIR)在基板702内继续传播，并且使得来自ICO712的输入光束的剩余部分朝向EPE衍射元件706偏转。

也就是说，每一次输入光束撞击OPE衍射元件，它的一部分将朝向EPE衍射元件706偏转，然而剩余部分将在基板内继续传输，基板也用作波导以引导光波在其中传播。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个或多个标准来配置或设计，该标准包括来自EPE衍射元件706的出射光束的亮度和均匀性。EPE衍射元件706接收从OPE衍射元件704偏转的光束708，并进一步地将光束708朝向用户的眼睛偏转。

图8示出了在一些实施例中操作地耦合到内耦合光学器件的覆盖或折叠的OPE和EPE布置的示意性布置。在这些实施例中，OPE衍射元件804和EPE衍射元件806可被设置或安装在基板802(例如，玻璃或者透明或半透明的塑料基板)的两侧，基板也用作波导以引导光波在其中传播。在一些实施例中，OPE衍射元件804和EPE衍射元件806可被单独地制造为两个膜结构(例如，在光聚合物膜或聚合物分散液晶层上)，然后集成到基板802上。

在一些其它实施例中，OPE衍射元件804和EPE衍射元件806可在单个膜或层上进行制造，并且随后进行折叠以与基板802集成。在操作期间，内耦合光学部件808可接收来自光源(例如，光纤扫描器或微型投影仪)的输入光束，并将输入光束折射到基板802的一侧中。输入光束可经由例如全内反射(TIR)在基板802内继续传播，如通过810所示的。当输入光束撞击OPE衍射元件804时，输入光束的一部分由OPE衍射元件804朝向EPE衍射元件806偏转，如通过812所示的，并且输入光束的剩余部分可在基板内继续传播，如通过810所示的。

输入光束810的剩余部分在基板802内的方向中继续传播，并撞击设置在基板802的其它侧面上的EPE衍射元件806，如通过816所示的。输入光束810的该剩余部分中的一部分因此通过EPE衍射元件806偏转，并成为到用户的眼睛(没有示出)的出射光束814，并且输入光束810的剩余部分在基板802内作为光束818进一步地继续传播。同样的方式还应用于沿着水平方向(如图8所示)的偏转输入光束812。也就是说，穿过ICO808的输入光束在基板802内反弹。

当输入光束的一部分撞击OPE衍射元件804时，输入光束的该部分被偏转，以在与入射方向(如通过810所示的)正交的方向(如通过812所示的)上行进，并在基板802内继续反弹，而剩余部分在基板802内沿着初始的方向继续行进。当光束撞击EPE衍射元件806时，EPE衍射元件806将光束朝向用户的眼睛偏转，如通过814所示的。该折叠或覆盖的OPE/EPE配置的一个优点是OPE和EPE没有占据如与共面配置(图7)一样多的空间。由于在该覆盖或折叠配置中光束的更多的限制传播，该覆盖或折叠的OPE/EPE结构的另一个优点是光的传输中的衍射效率。在一些实施例中，EPE衍射元件拦截入射光束，并通过偏转(如通过814示出)、反射(如通过反射光束820示出)或通过偏转和反射来朝向用户的眼睛定向入射光束。

图9示出了在一些实施例中操作地耦合到内耦合光学器件的覆盖或折叠的OPE和EPE布置的另一个示意性布置。更具体地，图9示出了与图8中的配置基本类似的覆盖或折叠的OPE/EPE结构。尽管如此，OPE衍射元件904和EPE衍射元件906之间的重叠与图8中的不同。在一些实施例中，重叠的度或程度或OPE和EPE衍射元件如何重叠可至少部分地基于一个或多个设计标准或要求和/或出射光束的期望或所需的均匀性来确定。

图10A-B示出了在一些实施例中的覆盖或折叠的OPE和EPE布置的另一示意性布置。图10A示出了设置在基板(例如，玻璃或者透明或半透明塑料基板)1002A两侧上的OPE衍射元件1004A和EPE衍射元件1006A。图10B也示出了设置在基板(例如，玻璃或者透明或半透明塑料基板)1002B两侧上的OPE衍射元件1004B和EPE衍射元件1006B。尽管如此，基板1002B的厚度比基板1002A的厚度小。

更薄的基板1002B的结果是，输出光束1010B的密度比输出光束1010A的密度高，因为在光束1008B撞击图10B中的OPE衍射元件1004B或EPE衍射元件1006B之前，光束1008B比图10A中的光束1010A行进更短的距离。如图10A-B所示，更薄的基板厚度导致更高的输出光密度。在一些实施例中，基板的厚度可至少部分地基于一个或多个因素来确定。该一个或多个因素可包括例如期望或所需的输出束密度、衰减因数等。在一些实施例中，基板的厚度可在0.1-2mm的范围内。

图11示出了在一些实施例中覆盖或折叠的OPE和EPE布置的另一个示意性布置。更具体地，图11中所示的覆盖或折叠的OPE和EPE布置包括嵌入在基板1102中或夹在两个单独的基板1102之间的分束面1104。如其它的覆盖或折叠的OPE/EPE结构，OPE衍射元件1106和EPE衍射元件1108设置在基板1102的两侧。在这些实施例中，分束面可嵌入、夹在基板1102中或与基板1102集成，以提高输出光束密度。

如图11所示，当光束穿过分束器时，分束器将光束分成两束-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层，该涂层随后被胶合、粘接或其它附接到第二基板。示例性的涂层可包括例如金属涂层(例如，银、铝等)、介电光学涂层、粘合剂(例如，环氧树脂、聚酯、聚氨酯等)。在一些实施例中，分束器的反射对透射的比例可至少部分地基于涂层的厚度来调整或确定。在这些实施例的一些中，分束器可包括多个小穿孔，以控制分束器的反射对透射的比例。

图12D示出了在一些实施例中用于虚拟现实和/或增强现实装置的多平面配置的示意性表示。在图12D所示的这些实施例中，多个目镜可在彼此顶部层叠，并且多个目镜中的每一个目镜或每一层主控不同的焦平面，以在它的各自焦距上产生图像。图12A-C示出了在一些实施例中在图12D中所示的多平面配置中的衍射元件和携带用于观看者的图像信息的光之间的相互作用的一些示例性表示。更具体地，多层可包括主控具有如图12A所示的无穷远焦距的焦平面的一个层以模拟图像，仿佛图像位于距离用户基本上长的距离处，使得用于形成图像的光束与基本上充分平行。

图12B示出了多平面结构也可包括主控具有特定焦距(例如，4米)的焦平面的层以生成图像，仿佛图像位于距离用户4米的距离处。这可通过使用如在前述段落中参考图1A-C所描述的线性衍射元件和径向对称衍射元件的组合来实现。图12C示出了多平面配置也可包括主控具有相对近的焦距(例如，0.5米)的焦平面的层以生成图像，仿佛图像位于距离用户半米的距离处。应当注意，在这些附图中提供这些焦距为了便于说明和解释并不意在限制其它实施例的范围或权利要求的范围，除非另有具体描述或声明。

多平面方法也可包括具有不同或另外焦距的层。图12D示出了用于目镜1202D的六层多平面配置的示例性表示，其中，在一些实施例中，六层目镜1202D的全部厚度1204D可不多于4毫米。这些六层中的一层或多层可包括可切换层(例如，PDLC或聚合物分散液晶层)，该可切换层可通过使用控制信号来切换开启和关闭以改变所产生的图像的焦平面。该示例性多平面结构还可以可操作地耦合到快速切换的内耦合光学部件(ICO)1206D，该内耦合光学部件(ICO)1206D还可以可操作地耦合到光源，诸如光纤、一束光纤、多光纤投影仪或微型投影仪等。

在操作期间，光源将光束传输到ICO，ICO将光束折射或偏转到目镜的平面中。来自控制器(未示出)的控制信号还可开启指定的层，使得该层上的衍射元件(例如，OPE衍射元件和EPE衍射元件)执行如以上参考图5-11所描述的它们各自的功能，以在被用户的眼睛观看到的指定焦平面处产生图像。取决于图像将在哪被用户观看到，控制器还传输进一步的控制信号，以开启一个或多个其它层，并关闭剩余层以改变如被用户的眼睛观看的焦距。在一些实施例中，多平面结构通过具有一个主焦平面和在焦距中具有正边限的一个或多个焦平面以及在焦距中具有负边限的一个或多个焦平面，可提供更大的焦距范围。

图13A-B示出了在一些实施例中的可切换层的示意性表示。在这些实施例中，装置可包括用于ICO(内耦合光学部件)和/或EPE切换的PDLC(聚合物分散液晶)。装置包括PDLC填充区域1302A和只捕获一次TIR(全内反射)反弹的ITO(氧化铟锡)主动区域。装置还被操作地耦合到ICO 1306A。图13A示出了当电压关闭时所产生的图像，以及图13B示出了当电压开启时所产生的图像。在这些实施例的一些中，当未施加电压或电流时，PDLC填充区域或其部分可以是透射的。

在一些实施例中，在例如至少包括基板、OPE衍射元件和EPE衍射元件的衍射光学元件(DOE)中的可切换层可以数十至数百兆赫兹(MHz)切换并因此调整或移动焦点，以在逐像素的基础上促进聚焦状态。在一些其它实施例中，DOE可以以千赫兹范围进行切换，以在逐行的基础上促进聚焦，因此可调整每一个扫描线的聚焦。在一些实施例中，可切换DOE元件的矩阵可用于扫描、视场扩展和/或EPE。附加地或可替换地，DOE可被划分为多个更小的部分，每一个部分可由其自身的ITO或其它控制引线材料来唯一地控制，以处于开启状态或关闭状态。

图14示出了在一些实施例中的复用扩展器元件的示意性表示。复用扩展器元件1406在单个层上的单个元件中组合斜纹OPE衍射元件1402的OPE功能和EPE衍射元件的功能。在一些实施例中，复用扩展器可通过在具有计算机设计的结构和显微条纹写入技术的OPE衍射元件表面1402和EPE衍射元件表面1401之间执行异或来形成。该方法的一个优点是所产生的复用元件对于散射和衍射元件的交叉项可具有更少的问题。

在一些其它实施例中，复用扩展器元件可以通过将OPE衍射元件表示为相位斜坡而形成，并将相位斜坡添加到以它的连续多项式形式的透镜函数，并随后离散化二进制结构。用于制造复用扩展器元件的该第二方法的一个优点是所产生的复用扩展器元件的高衍射效率。在一些其它实施例中，在蚀刻之前或者在蚀刻之后，可通过在元件的表面上连续地图案化组合的图样来形成复用扩展器元件。

图15A示出了在一些实施例中复用扩展器元件的一部分的示意性表示。复用扩展器元件1502包括在单个层上的单个元件中的斜纹OPE衍射元件和外耦合圆形EPE衍射元件。当入射光束1504在层内(例如，通过全内反射或TIR)传播并撞击斜纹OPE衍射元件时，斜纹OPE衍射元件偏转入射光束1504的一部分以形成偏转的光束1506。偏转的光束1506的一部分与外耦合圆形EPE衍射元件相互作用，并将偏转的光束的一部分偏转到用户的眼睛。

入射光束1504的剩余部分在层内继续传播，并以基本类似的方式与斜纹OPE衍射元件相互作用，以横跨复用元件继续偏转传播的光束的一部分。应当注意，来自斜纹OPE衍射元件和外耦合EPE圆形衍射元件的组合衍射或交叉项将消逝。偏转的光束1506也在层内传播，并以基本类似的方式与斜纹OPE衍射元件和外耦合圆形EPE衍射元件相互作用。

图15B示出了在一些其它实施例中的复用扩展器组件的另一个图形表示。在图15B所示的这些实施例中，复用扩展器组件1500A包括在彼此顶部层叠的三个独立扩展器元件1502A、1504A和1506A。来自光源的入射RGB(红色，绿色，和蓝色)光1508A经由例如如上所述的输入耦合光学元件(ICO)进入复用扩展器组件1500A。复用扩展器组件1500A可包括在独立的扩展器元件1502A和1504A之间的第一波长选择或波长特定滤波器(以下“彩色滤波器”)1510A，以允许特定波长的光分量穿过，而反射其它波长的光分量。例如，第一彩色滤波器可包括蓝色和绿色通过的二向色滤波器，使得入射光1508A中的蓝色和绿色光分量穿过第一彩色滤波器1510A，而红光分量被反射并且此后通过例如全内反射在独立的扩展器元件1502A传播，以与OPE和/或EPE衍射元件相互作用。

复用扩展器组件1500A可包括在独立的扩展器元件1504A和1506A之间的第二彩色滤波器1512A，以允许特定波长的光分量穿过，而反射其它波长的光分量。例如，如图15B所示，第二彩色滤波器可包括蓝色二向色滤波器，使得入射光1508A中的蓝光分量穿过第二彩色滤波器1512A，而绿光分量被反射并且此后通过例如全内反射在独立的扩展器元件1504A传播，以与OPE、EPE和/或焦点调节衍射元件(例如，具有光功率的圆形或径向对称衍射元件)相互作用。

如图15B所示，蓝光分量也可通过例如全内反射在独立的扩展器元件1506A内传播，以与OPE、EPE和/或焦点调节衍射元件(例如，圆形或径向对称衍射元件)相互作用。在所示的实施例的一些中，入射光1508A以比各自的临界角大的角度传输到复用扩展器元件1500A中，使得各自的光分量可通过全内反射在各自的独立扩展元件内传播。在一些其它实施例中，复用扩展器组件1500A还包括反射涂层，以引起或提高在独立的扩展器元件1506A中的蓝光分量的全内反射的效率。

复用扩展器组件1500A和图14-15所示的那些之间的不同是，复用扩展器组件1500A包括三个独立的扩展器元件，每一个扩展器元件包括其自身的OPE、EPE和焦点调节衍射元件并负责特定波长的相应光分量。如上所述，采用单个记录工艺或多个记录工艺在单个膜或基板上一起制造图14-15中所使用的体相衍射元件。尽管如此，如图14-15所示的体相衍射元件和图15B所示的复用的多个独立扩展器元件提供了复用的扩展器元件，每一个复用的扩展器元件可包括用于在入射输入光中的全部三基色的OPE、EPE和/或焦点调节衍射元件。

图16示出了用户1602使用在此所述的虚拟现实或增强现实设备1604来观看图像1606的图示。由于由虚拟现实或增强现实设备提供的多个可切换焦平面，图像1606在用户看起来，图像1606中的对象位于距离用户指定的焦距处。当图像中的对象进一步远离用户移动时，虚拟现实或增强现实设备可开启具有一定圆形衍射元件图样的指定层，该圆形衍射元件图样渲染在具有由该指定层控制的更长焦距的焦平面上的对象。

当图像中的对象向用户更近地移动时，虚拟现实或增强现实设备可开启具有一定圆形衍射元件图样的另一个指定层，该圆形衍射元件图样渲染在具有由该指定层控制的更短焦距的另一个焦平面上的对象。作为使用不同圆形衍射元件图样改变形成图像的光束的焦点的结果，图像中的对象在用户看起来，它正朝向或远离用户移动。在如前所述的不同的实施例中，虚拟现实或增强现实设备1604可包括可切换、共面的OPE衍射元件和EPE衍射元件；折叠或覆盖的OPE衍射元件和EPE衍射元件；多平面目镜；或单层复用的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、体相型衍射元件或它们的组合。

此外，OPE衍射元件和/或EPE衍射元件可包括与圆形或径向对称衍射元件相加的线性衍射元件，以偏转和聚焦出射光束。线性衍射元件和圆形或径向对称衍射元件可存在于单个膜上或两个单独的膜上。例如，DOE(衍射光学元件)衍射元件(OPE衍射元件和/或EPE衍射元件)可包括具有线性衍射元件的第一膜，并且该第一膜附接到具有圆形或径向对称衍射元件的第二膜。在一些实施例中，虚拟现实或增强现实设备可采用随时间变化的衍射元件控制来扩展如由用户的眼睛所观看到的视场和/或补偿色差。线性和圆形DOE可随时间(例如，基于帧顺序)进行调制或控制，以例如产生朝向用户眼睛存在的光的拼接显示配置或扩展的视场。

图17示出了图16的一部分。更具体地，图17示出了包括基板1704的衍射光学元件1702，该基板1704与在基板的靠近用户的一侧上的OPE衍射元件1706以及在基板的远离用户的另一侧上的EPE衍射元件1708集成。ICO 1710将光束传输到基板1704中，并且如上所描述的OPE衍射元件和EPE衍射元件将光束偏转成被用户的眼睛观看的出射光束1712。

图18示出了图16的一部分的另一个视角。更具体地，图18示出了包括基板1804的衍射光学元件1802，该基板1804与在基板的靠近用户的一侧上的OPE衍射元件1806以及在远离基板的用户的另一侧上的EPE衍射元件1808集成。ICO1810将光束传输到基板1804中，如上所描述的OPE衍射元件1806和EPE衍射元件1808将光束偏转成出射光束1812，该出射光束1812形成被用户的眼睛观看的图像1820。DOE 1802包括线性衍射元件和圆形或径向对称衍射元件，以不仅偏转来自ICO 1810的光束而且产生出射光束1818，以看起来好像该出射光束从在焦距处正被观看的对象处发出，该焦距由主控焦平面的特定层的焦平面来限定。

图19示出了图16的一部分的另一个视角。更具体地，图19示出了包括基板1804的衍射光学元件1902，该基板1904与在基板的靠近用户的一侧上的OPE衍射元件1906以及在基板的远离用户的另一侧上的EPE衍射元件1908集成。ICO1910将光束传输到基板1904中，如上所描述的，OPE衍射元件1906和EPE衍射元件1908将光束偏转成出射光束1912，该出射光束1912形成被用户的眼睛观看的图像1920。DOE 1902包括线性衍射元件和圆形或径向对称衍射元件，以不仅偏转来自ICO 1910的光束而且生成出射光束1918，以看起来仿佛该出射光束从在焦距处正被观看的对象处发出，该焦距由主控焦平面的特定层的焦平面来限定。

图20示出了图19的特写视图以提供衍射光学元件的各种元件的视图。更具体地，图20示出了DOE的一部分，DOE包括基板2004、在基板2004的靠近用户的一侧上的OPE衍射元件2006以及在基板2004的另一侧上的EPE衍射元件2008。ICO2010相对于基板设置，以将输入光束折射并传输到基板中。输入光束通过全内反射(TIR)在基板2004内传播，并与OPE衍射元件2006和EPE衍射元件2008相互作用以将输入光束偏转成被用户的眼睛观看的出射光束2012。

图21示出了用户使用虚拟现实或增强现实设备来观看图像的图示的侧视图。衍射光学元件2102包括基板2104，该基板2104操作地耦合到设置在基板2004的近侧上的OPE衍射元件2106以及设置在基板2104的远侧上的EPE衍射元件2108。形状2112表示可由用户的眼睛观看的出射光束。形状2130表示在基板2104内沿着垂直方向(如图21所示)在OPE衍射元件2106和EPE衍射元件2108之间反弹的光束。例如来自ICO元件的输入光束也以基本类似的方式沿着Z方向(如图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之间反弹。每一次光束撞击OPE衍射元件2106时，OPE衍射元件将光束的一部分朝向EPE衍射元件2108偏转，该EPE衍射元件2108进而将光束的偏转部分中的一部分朝向用户的眼睛偏转。

图22示出了在一些实施例中的衍射光学元件(DOE)的特写视图。DOE包括设置在基板2202一侧上的OPE/EPE衍射元件2204的组合。输入光束2214经由内耦合光学元件2206传输到基板中，并经由全内反射(TIR)在基板2202内传播。输入光束在基板2202内反弹，并与组合OPE/EPE衍射元件2204相互作用。更具体地，OPE/EPE衍射元件2204的组合在与基板2202的表面基本平行的正交方向上偏转输入光束的一部分。

应当注意，尽管组合OPE/EPE衍射元件2204可设计为或意在在与基板2202的表面完全平行的正交方向上来偏转光束，但是尽管如此，制造过程中的公差、松弛和/或容差可导致制造的产品中的一些偏差。附加地或可替换地，各种器件和组件的布置或相对位置中的公差、松弛和/或容差，或者在所使用的材料的各种特性的均匀性上的变化也可导致上述的正交方向偏离与基板2202的表面完美平行。因此，上述“正交方向”是与基板2202的表面“基本平行”，以适应在制造过程(一个或多个)、布置、相对位置中的这种变化和/或各种变化。

EPE衍射元件将输入光束的偏转部分中的一部分偏转成朝向用户的眼睛的出射光束。形状2208表示可被用户的眼睛观看的出射光束。图22中的形状2208表示无穷远聚焦的图像信息，然而，使用该方法可产生任何其它焦距。在一些实施例中，其中，EPE衍射元件除线性衍射元件之外包括圆形或径向对称的衍射元件，这些形状中的每一个可具有其顶点在圆形或径向对称的衍射元件的焦点处的圆锥形。

之字形2210表示在基板内反弹并与组合OPE/EPE衍射元件2204相互作用的输入光束的一部分。每一次当光束的一部分撞击组合OPE/EPE衍射元件2204时，OPE组件衍射元件偏转光束的一部分横向地穿过基板。每一次当偏转光束的一部分撞击组合OPE/EPE衍射元件2204时，EPE组件衍射元件朝向用户的眼睛偏转光束的一部分，因此形成可被用户的眼睛观察的光束2208。

没有被组合OPE/EPE衍射元件2204偏转的光束的剩余部分如2210所示继续在基板2202内传播。由于折射率和/或衍射效率，没有被组合OPE/EPE衍射元件2204偏转的光束的偏转部分中的剩余部分如之字形2212所表示的在基板内继续传播。结果是，包括组合OPE/EPE衍射元件的DOE将输入光束有效地转变为形成被用户的眼睛感知的图像的出射光束的矩阵。

图23A示出了在一些实施例中用于生成用于虚拟现实和/或增强现实的立体图像的过程的高级流程图。在2302A，使用至少一个内耦合光学元件(例如，图6的参考标号606、图7的参考标号712、图8的参考标号808等)，输入光束可传输到用于虚拟现实和/或增强现实的目镜的基板中。基板可包括半透明或透明的介电材料。

在2304A，使用第一衍射元件，输入光束的第一部分可被朝向第二衍射元件偏转。例如，第一衍射元件可布置成与从内耦合光学元件出来的输入光束的第一部分的传播方向成钝角或锐角的取向，以朝向第二衍射元件偏转输入光束的第一部分中的第一部分。以上参考图7描述了使用第一衍射元件朝向第二衍射元件偏转第一部分光的示例。在这些实施例的一些中，第一衍射元件包括出射光瞳扩展(EPE)结构或衍射元件或出射光瞳扩展器。

在2306A，通过使用第二衍射元件偏转输入光束的第一部分中的至少一部分，第一出射光束可朝向观看者定向或重定向。在这些实施例的一些中，第二衍射元件包括正交光瞳扩展(OPE)结构或衍射元件或正交光瞳扩展器。

图23B-C共同示出了在一些实施例中用于生成用于虚拟现实和/或增强现实的立体图像的过程的更详细的流程图。在一些实施例中，在2302，首先过程可将输入光束传输到目镜的基板中。例如，以上至少参考图5所描述的，过程可涉及将自投影仪的光束通过一个或多个光纤传输到内耦合光学元件，并且内耦合光学元件进一步通过例如折射将输入光束中继到目镜的基板。在2304，过程进一步可以可选地开启衍射光学元件(DOE)的一层或多层中的第一层。

第一层包括第一衍射元件(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)。在一些实施例中，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叠或覆盖的方式布置。在一些其它实施例中，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复用的方式制造于或共存于膜的单层上。DOE可包括在彼此顶部层叠的多个这种层，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、体相型衍射元件或它们的组合。第一衍射元件或第二衍射元件可包括线性衍射元件和圆形或径向对称衍射元件，以偏转和聚焦输入光束。采用线性衍射元件和圆形或径向对称衍射元件，第一层可因此主控与第一焦距相关联的第一焦平面，使得由从第一层偏转的光束产生的对象的图像可看起来位于距离用户的眼睛的焦距处，好像用户正观看物理上位于由真实世界中的焦距限定的位置处的对象。

在一些实施例中，DOE可包括多层，每一层主控其自身具有特定焦距的焦平面。这些多层中的每一层可包括通过使用控制信号进行开启和关闭的可切换层。在2306，过程通过使用第一层上的第一衍射元件可朝向第二衍射元件偏转输入光束的第一部分。例如，过程可使用之前所描述的OPE衍射元件来朝向EPE衍射元件偏转输入光束的一部分。

在2308，该过程然后通过采用第二衍射元件偏转输入光束的第一部分中的一些，经由目镜朝向用户的眼睛定向第一出射光束。例如，过程可使用之前所描述的EPE衍射元件朝向用户的眼睛偏转从OPE衍射元件偏转的输入光束中的一部分。在2310，过程可进一步在目镜的基板内传输没有被偏转到第二衍射元件的输入光束的剩余部分。输入光束的剩余部分的量取决于衍射效率、折射率、最终输出光束的期望或所需的均匀性、所涉及的衍射元件或任何其它相关的因素。

在2312，过程可进一步通过使用第一层的第一衍射元朝向第二衍射元件偏转输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，在目镜的基板内继续传播的输入光束中的一些可撞击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，由第一衍射元件的该不同部分朝向第二衍射元件偏转。在2314，过程可通过采用第二衍射元件来偏转输入光束的剩余部分中的一些来朝向用户的眼睛定向第二出射光束。例如，在2314，过程可使用EPE衍射元件来朝向用户的眼睛偏转来自OPE衍射元件的入射光束中的一些。

在2316，输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，经由例如全内反射(TIR)在目镜的基板内继续传播。在2318，输入光束的第一部分中的剩余部分在基板内传播，并因此与第一衍射元件和第二衍射元件相互作用。当剩余部分中的一些撞击第一衍射元件时，第一衍射元件朝向第二衍射元件偏转光束，该第二衍射元件进而将这些光束偏转成朝向观看者的眼睛的另外的出射光束。在2320，过程然后通过第一出射光束、第二出射光束和另外的出射光束生成用于观看者经由目镜感知的第一图像。

在一些实施例中，当使用线性衍射元件和圆形或径向对称衍射元件时，第一层可因此主控与第一焦距相关联的第一焦平面，使得由从第一层偏转的这些出射光束产生的对象的图像可看起来位于距离观看者的眼睛的焦距处，好像用户正观看物理上位于由真实世界中的焦距限定的位置处的对象。图像可包括静态的图像(诸如图片)或动态的图像(诸如运动图片的一部分)。在2322，过程可以进一步可选地切换主控具有第二焦距的第二焦平面的第二层。在2324，用于观看的第二图像可通过至少使用第三衍射元件和第四衍射元件来生成。

第二层可包括其自身的第三衍射元件和第四衍射元件，诸如以上所描述的OPE衍射元件和EPE衍射元件。过程然后重复步骤2302至2320，以如上面刚刚描述的为观看者生成对象的第二图像。第二图像可看起来位于距离观看者的眼睛的第二焦距处，好像用户正观看物理上位于由真实世界中的第二焦距限定的位置处的对象。在图23所示的这些实施例的一些中，衍射光学元件的这些多层可以一千或高于一千赫兹至数百兆赫兹的范围动态地切换，以在逐行的基础上或逐像素的基础上促进聚焦状态。这些多层可包括PDLC层，并通过使用控制信号来切换开启和关闭以改变产生的图像的焦平面。该示例性多层方法还可操作地耦合到快速切换的内耦合光学部件(ICO)1206D，该内耦合光学部件(ICO)1206D可进一步可操作地耦合到光源，诸如光纤、一束光纤、多光纤投影仪或微型投影仪等。

图24A示出了在一个或多个实施例中用于生成用于虚拟现实和/或增强现实的立体图像的过程的高级框图。在2402，用于目镜的第一基板可被识别(如果已经存在)或制造(如果不存在)以用于目镜。在这些一个或多个实施例的一些中，第一基板可包括具有单个层或多个层的半透明或透明介电材料。在2404，第一衍射元件和第二衍射元件可在一个或多个第一膜上或者在一个或多个第一膜中被识别(如果已经存在)或制造(如果不存在)。在一些实施例中，膜包括薄片材料，其厚度小于材料的长度或宽度的预定百分。

在这些实施例的一些中，第一衍射元件包括出射光瞳扩展(EPE)结构或衍射元件或出射光瞳扩展器。在这些实施例的一些中，第二衍射元件包括出射正交光瞳扩展(OPE)结构或衍射元件或正交光瞳扩展器。在一些实施例中，在2406，一个或多个膜然后被设置在第一基板上。在一些其它实施例中，在2406，接纳第一衍射元件和第二衍射元件的一个或多个膜可在第一基板上被识别。采用接纳第一和第二衍射元件并设置在第一基板上的一个或多个第一膜，在2408来自输入光源的输入光束可传输到第一基板中。在这些实施例的一些中，输入光源包括内耦合光学元件，该内耦合光学元件设置在目镜中或设置在目镜上并与第一衍射元件或第二衍射元件耦合。

图24B示出了在一个或多个实施例中在图24A中所示出的用于生成用于虚拟现实和/或增强现实的立体图像的过程的更详细的框图。更具体地，图24B示出了关于在第一基板上设置一个或多个第一膜的动作的更多细节。在这些实施例的一些中，在2402B，第一衍射元件和第二衍射元件可在第一基板的一侧上以共面的布置被识别或布置。该共面的布置的示例在图7中示出。

可替换地，在2404B，第一衍射元件和第二衍射元件可在第一基板的一侧或两侧在折叠或者部分或完全覆盖的布置中被识别或布置。该折叠或覆盖布置的一些示例在图8-9、10A-B和11中示出。在一些实施例中，在第一衍射元件和第二衍射元件已经实现的情况下，第一衍射元件和第二衍射元件的布置可在2402B或2404B被识别。采用在设置在第一基板的一侧上的整体、不可分离的层上识别或设计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复用。

图24C示出了在一个或多个实施例中用于生成用于虚拟现实和/或增强现实的立体图像的过程的更详细的框图。在这些实施例中，在2402C，用于目镜的第一基板可被识别(如果已经存在)或制造(如果还未设计)。在2404C，第一衍射元件和第二衍射元件也可在一个或多个第一膜上被识别(如果已经存在)或制造(如果还未设计)。也就是说，通过使用例如体相记录技术、表面浮雕型衍射元件技术、或体相记录技术和表面浮雕型衍射元件技术的组合，可在这些实施例的一些中在材料的单个膜或单个层中设计第一和第二衍射元件。

可替换地，第一衍射元件和第二衍射元件可设计在彼此可操作地耦合的两个或多个单独的层或膜上。例如，在这些实施例的一些中，第一衍射元件可设计在第一膜上，以及第二衍射元件可设计在第二膜上。在2406C，接纳第一和第二衍射元件的一个或多个第一膜可在第一基板上设置。在2408C，来自包括例如内耦合光学元件或器件的输入光源的输入光束可被传输到第一基板中。输入光源可设置在目镜中或设置在目镜上，并还可与第一衍射元件、第二衍射元件或第一衍射元件和第二衍射元件的组合相耦合。在2410C，第二基板可与在2402C中的第一基板类似地被识别或制造以用于目镜。

在2412C，第三衍射元件和第四衍射元件也可在一个或多个第一膜上被识别(如果已经存在)或制造(如果还未设计)。也就是说，通过使用例如体相记录技术、表面浮雕型衍射元件技术、或体相记录技术和表面浮雕型衍射元件技术的组合，可在这些实施例的一些中在材料的单个膜或单个层中设计第三和第四衍射元件。

可替换地，第三衍射元件和第四衍射元件可设计在彼此可操作地耦合的两个或多个单独的层或膜上。例如，在这些实施例的一些中，第三衍射元件可设计在第三膜上，以及第四衍射元件可设计在第四膜上。在这些实施例的一些中，第三衍射元件可包括线性、圆形、径向对称或线性、圆形、径向对称衍射元件的任意组合。附加地或可替换地，第四衍射元件可包括线性、圆形、径向对称或线性、圆形、径向对称衍射元件的任意组合，而第三和第四衍射元件彼此不同。

在2414C，一个或多个第二膜可在第二基板上设置或识别。在2416C，第二基板还可设置在第一基板上。在一些实施例中，第一基板上的第一和第二衍射元件通过使用例如电流或电压可在两个状态(例如，开启和关闭状态)之间动态地切换。附加地或可替换地，第一基板上的第三和第四衍射元件通过使用例如电流或电压可在两个状态(例如，开启和关闭状态)之间动态地切换。可动态切换的衍射元件可使能投射图像到多个焦平面成像元件的时间复用分布。切换速率范围可从一千赫兹(1KHz)至数百兆赫兹(MHz)，以在逐行的基础上或逐像素的基础上促进聚焦状态。

图25A示出了在一个或多个实施例中用于生成用于虚拟现实和/或增强现实的立体图像的高级框图。更具体地，图25A与图25B-D一起示出了关于通过衍射元件来传播输入光束以产生用于虚拟现实和/或增强现实的立体图像的更多细节。在这些一个或多个实施例中，在2502A，来自包括例如内耦合光学元件或设备的输入光源的输入光束可被接收。

在一些实施例中，第一衍射元件可以布置在相对于输入光束的入射方向形成锐角或钝角的第一取向。在2504A，通过第一衍射元件，从输入光源传播到第一衍射元件的输入光束的第一部分可被朝向目镜中的第二衍射元件偏转。在一些实施例中，第一衍射元件可包括出射光瞳扩展(EPE)衍射元件或扩展器，以第二衍射元件可包括正交光瞳扩展(OPE)衍射元件或扩展器。

在2506A，输入光束的第二部分可传播通过具有与第一取向不同的第二取向的第二衍射元件，以向观看者生成立体图像。在一些实施例中，第一部分和第二部分之间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。在一些实施例中，第二部分可构成离开输入光源的输入光束的剩余部分，并可经由全内反射(TIR)通过第二衍射元件传播。

图25B-D共同示出了一些附加的、可选的动作2500B，其可在用于产生用于图25A中所示的虚拟现实和/或增强现实的立体图像的过程的一组或多组中单独执行或共同执行。应当注意，在图25B-D中所示的一些动作可单独执行，因此不通过图25B-D中的箭头连接到其它动作。在这些实施例中，在2502B，可以从包括例如内耦合光学元件或设备的输入光源接收输入光束，如上面参考图25A的类似描述。

在2504B，从输入光源传播到第一衍射元件中的输入光束的第一部分可通过第一衍射元件朝向目镜中的第二衍射元件偏转。在2506B，输入光束的第二部分可传播通过具有与第一取向不同的第二取向的第二衍射元件，以向观看者产生立体图像。在2502B接收输入光束和在2506B最终产生立体图像之间的任何时间点期间，可执行一个或多个附加的、可选的动作2500B。例如，在一些实施例中，在2508B，可通过至少调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组合的衍射效率来减少立体图像中的伪像。

在2510B，用于第一衍射元件和/或第二衍射元件的主介质可被识别。在一些实施例中，主介质可包括干法光聚合物材料、单层卤化银或单层聚合物分散液晶混合材料中的至少一种。在2512B，通过采用第一衍射元件至少连续地重定向输入光束的至少第一部分的第一光波前，来引导输入光束的传播。

在2512B，可通过将重定向的第一光波前与传播通过第二衍射元件的输入光束的至少第二部分外耦合，进一步引导输入光束的传播。在2514B，在输入光束和第一和/或第二衍射元件之间的相互作用(在时间或空间顺序方面)的较早部分和较晚部分可至少通过以不同的衍射效率来倾斜目镜中的一个或多个组件的衍射效率来控制。在这些实施例中，目镜组件的衍射效率可被倾斜，使得光线和结构之间的初始相互作用比之后的相互作用使用更少的可用光，以降低或消除随着光的传播跨过目镜的图像场亮度分布的降低。

在2516B，在制备第一和/或第二衍射元件中，还可通过至少调制记录光束强度或记录光束强度的比例来分布用于第一和/或第二衍射元件的光栅衍射效率。在2518B，通过使用用于第一和/或第二衍射元件的可切换衍射元件，提供投射图像到多个焦平面成像元件的时间复用分布。在一些实施例中，在2520B，用于第一和/或第二衍射元件的聚合物分散液晶(PDLC)组件可被识别。在涉及的PDLC组件的一些实施例中，在2522B，用于PDLC组件的主介质可被识别，以及在2524B，在PDLC组件的主介质中的结构元件可被识别。

在2532B，主介质或结构元件的折射率可被确定为与接纳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。也就是说，在这些实施例中，主介质或结构元件的折射率可与基板的折射率不同。在一些实施例中，在2526B，单层结构可被识别，并且在2528B，在单层结构中第一衍射元件和第二衍射元件可被识别或设计。采用单层结构，在2530B，至少通过复用单层结构中的第一和第二衍射元件，可降低在目镜的至少一部分输入光束的传播的衍射中的串扰。

在上述说明书中，已经参照具体的实施例描述本发明。然而，显然在不脱离本发明的较宽的精神和范围的情况下，可以对其进行修改和变换。例如，以上描述的过程流参考过程动作的特定顺序来描述。然而，在不影响本发明的范围或操作的情况下可改变多个所描述的过程动作的顺序。因此，说明书和附图理解为说明性意义而非限制性意义。