用于衍射波导显示器的紧凑型投影光引擎的制作方法

波导显示器支持增强现实(AR)和虚拟现实(VR)体验。波导显示器可包括投影光引擎，该投影光引擎可在波导显示器中提供计算机生成的图像(CGI)或其它信息。在AR体验中，波导显示器可包括光学透视透镜以允许将CGI叠放在用户的现实世界视图上。

波导显示器可被包括在头戴式显示器(HMD)或抬头显示器(HUD)中。波导显示器可通过头戴式显示器(HMD)的支承结构来放置。HMD可以在头盔、遮光罩、眼镜和护目镜中包括波导显示器或者包括由一个或多个带来系附的波导显示器。HMD可被至少用于航空、工程、科学、医疗、计算机游戏、视频、体育、训练、仿真和其它应用。HUD可被至少用于军事和商业航空、汽车、军事、陆运和海运、计算机游戏、和其它应用。

概述

本技术提供了具有紧凑型投影光引擎和具有输入和输出光学机构的衍射波导的波导显示器。衍射波导可利用具有具备滚动式k向量的输入衍射光栅的衍射元件。投影光引擎组件可包括但不限于光源或照明源(诸如LED或激光器)、图像源(微显示器)、柱镜屏(微透镜阵列)、双合透镜、偏振分光镜、另一双合透镜、折叠镜、弧形反射镜以及四分之一波片本技术促成省去PBS元件，这可减小投影光引擎的组件的体积、质量和数量。在一实施例中，衍射波导至少执行投影光引擎中的另一PBS的功能。在一实施例中，衍射波导对来自投影光引擎的图像光进行分束和偏振，并向外置的投射出射光瞳输出图像光。

当使用提供透射出射光瞳的投影光引擎时，相比于支持波导显示器的整个视野(FOV)的输入衍射光栅，输入衍射光栅必须支持的角带宽可以更小。在提供投射出射光瞳的投影光引擎中，波导显示器的FOV分布在该衍射波导的多个输入衍射光栅上，以使得每一输入衍射光栅支持波导显示器的FOV的一片段或一部分。

本技术还提供了一种制造衍射波导的方法，该衍射波导具有具备不同的相关联的k向量(或者一实施例中的滚动式k向量)的输入衍射光栅。密相衍射光栅(诸如布拉格(Bragg)光栅)的k向量定义对于给定波长峰值衍射出现的角度。在制造期间，相干光线(诸如激光)由主全息图衍射(一级衍射模式)并且笔直穿过主全息图(零级衍射模式)以在晒印基底中形成驻波干涉图案。该干涉图案一旦被记录就将是具有滚动式k向量的输入衍射光栅。第二晒印基底同样可以用与具有一组不同的滚动式k向量但具有相同的光栅间距的光相关联的不同的主全息图来形成。可组装多个晒印基底以形成多层输入衍射光栅堆叠(或多个衍射波导)，该多层输入衍射光栅堆叠具有对于每一层是不同的滚动式k向量，但光栅周期或间距是相同的。该多层堆叠可支持比单个光栅能支持的角带宽宽得多的角带宽。

本技术提供了波导显示器的一个或多个实施例。投影光引擎实施例包括一种装置，该装置包括用于提供图像光的微显示器以及用于接收图像光并将图像光输出至投射出射光瞳的准直透镜。PBS将图像光输出至微显示器，该微显示器将来自PBS的图像光反射到PBS，该PBS重定向该图像光作为重定向图像光。衍射波导包括用于从PBS接收重定向图像光的输入衍射光栅。来自PBS的重定向图像光不偏移地穿过输入衍射光栅。四分之一波片也从PBS接收重定向图像光并输出该重定向图像光。弧形反射镜从四分之一波片接收重定向图像光。弧形反射镜将重定向图像光反射并准直回到四分之一波片，四分之一波片将重定向图像光输出至输入衍射光栅。来自四分之一波片的重定向图像光由输入衍射光栅来衍射。

在一个这样的实施例中，PBS将具有一个偏振状态的偏振光输出至微显示器，在该微显示器处该偏振光被反射回PBS。在微显示器的活动像素区域内的光的偏振状态旋转90度并且这一次该光由PBS反射。

在一个实施例中，来自微显示器的偏振光落入射在衍射波导的输入衍射光栅上，并且不偏移地笔直穿过该输入衍射光栅(被允许在不衍射的情况下经过)。弧形反射镜接收图像光并且反射并准直该图像光。四分之一波片输出去往和来自弧形反射镜的图像光，并将偏振旋转90度并且将图像光输出至投射出射光瞳。来自微显示器的图像光第二次落入射在输入衍射光栅上并且然后被衍射到衍射波导中。在该实施例中，衍射输入光栅可以对一个状态中的偏振光相当敏感，而对以正交状态偏振的光相当不敏感。

本技术提供了一种全息记录方法的一个或多个实施例，该方法包括沿着第一光路将第一光线定向至主全息图。主全息图将第一光线的50％衍射到经过全息记录介质(或晒印基底)的第二光路。沿着第三光路将第二光线定向至主全息图。第二光线50％不偏移地透射过(或被允许在不衍射的情况下穿过)主全息图。第二光线在全息记录介质中的第一点处与第一光线相交。该第一点处的第一光束与第二光束之间的所得干涉被记录在全息记录介质中以变成波导显示器的输入衍射光栅。

提供本概述以便以简化的形式介绍以下在详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并不旨在标识所要求保护主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护主题的范围。

附图简述

图1是描绘近眼显示器(NED)设备系统的一实施例的各示例组件的框图。

图2A是NED设备的控制电路系统实施例中的示例硬件组件的框图。

图2B是与具有外置出射光瞳的投影光引擎耦合的近眼显示器实施例的俯视图。

图3A是紧凑型投影光引擎实施例的框图。

图3B是示出图3A中示出的波导实施例的各层的俯视图的框图。

图3C是另一紧凑型光引擎实施例和波导的框图。

图4A-B示出了另一紧凑型光引擎实施例。

图5A-C示出了提供用于制造晒印基底的主全息图的实施例，该晒印基底具有具备滚动式k向量的输入衍射光栅。

图6A-B示出了制造可以在具有具备滚动式k向量的输入衍射光栅的衍射波导中使用的晒印基底的方法实施例。

图7示出了容纳具有外置的出射光瞳的投影光引擎以耦合在NED设备的近眼显示器中的实施例。

图8是从软件角度来看的用于由NED设备显示图像数据的系统的框图实施例。

图9A-B是用于制造具有具备滚动式k向量的输入衍射光栅的衍射波导的方法实施例的流程图。

图10是可用于实现网络可访问计算系统、NED设备的伴随处理模块或控制电路系统的计算系统的框图实施例。

详细描述

本技术提供了具有紧凑型投影光引擎和衍射波导的波导显示器。衍射波导包括具有滚动式k向量的输入衍射光栅。投影光引擎可包括但不限于图像源(诸如微显示器)、照明源(诸如LED或激光)、双合透镜、偏振分光镜(PBS)、弧形反射镜和四分之一波片。这些光学元件中的至少某一些可以是共平面的，并且被置于单个印刷电路板上。投影光引擎可具有未被沉浸在高折射率玻璃中的组件并且省略附加PBS元件，这可减小投影光引擎的组件的体积、质量和数量。波导显示器可通过头戴式显示器(HMD)的支承结构来放置。在一实施例中，衍射波导至少执行投影光引擎中的另一PBS的功能。在一实施例中，衍射波导对来自投影光引擎的图像光进行分束和偏振，并向外置的投射出射光瞳输出图像光。

本技术还提供了一种制造具有滚动式k向量输入衍射光栅的衍射波导的方法。光线由主全息图衍射并穿过主全息图以在全息记录介质(或晒印基底)内形成干涉条纹图案，其中正干涉的平面的角度沿该介质变化。条纹被记录在该介质中并形成布拉格光栅，其中每一输入衍射光栅的k向量沿该介质变化。k向量变化的行为被描述为滚动式k向量。第二晒印基底同样可以用与具有一组不同的波长的光相关联的不同的主全息图来形成。可组装多个晒印基底以形成具有具备增加的角带宽的输入衍射光栅的多层衍射波导(或多个波导)。

波导显示器可具有胜过典型的投影显示器的优点，因为内部机构扩大了出射光瞳以使得能够从小入射光瞳中生成相对较大的出射光瞳。形成入射光瞳的光由准直来自诸如硅上液晶(LCoS)显示器等微显示器的光的投影光引擎生成。内部机构晒印入射光瞳，与这些晒印的入射光瞳交叠以使得显示器光具有可接受的亮度均匀性。例如，投影光引擎的出射光瞳可具有4mm出射光瞳，但波导显示器可在眼睛平面处具有20mm的出射光瞳(或投射出射光瞳)。内部机构可包括两个输入衍射光栅，这两个输入衍射光栅可以在一个方向上扩大出射光瞳并且然后在正交方向上扩大该出射光瞳。

诸如衍射波导等衍射技术可包括表面起伏光栅和密相布拉格光栅。这些光栅可具有有限的角带宽，这可降低波导显示系统在FOV边缘处的效率。该降低的效率可降低近眼显示器的透视亮度对比度。例如，通过波导显示器，投射在外部的虚拟全息图将可以看上去在FOV边缘处淡化，并且可能看上去是较不真实的。

典型的输入衍射光栅具有有限的角带宽，尤其对高效输入衍射光栅而言。例如，典型的密相光栅可具有大于80％的衍射效率；但光束应在绕特定输入衍射光栅的目标角度大约5度的范围内接收到。例如，特定的光聚合物全息材料可具有这样的衍射特性。换言之，为了使得与光束相关联的信息的80％经由衍射波导到达用户的眼睛，光束应在绕特定输入衍射光栅的目标入射角大约5度范围内。该FOV限制可通过本文描述的技术来克服。

在本文描述的方法实施例中，提供了一种制造衍射波导的输入衍射光栅的方法，该方法可增加至少某一些输入衍射光栅的角带宽。输入光栅几何形状被设计成使得角带宽在空间中从一个输入衍射光栅移位至另一输入衍射光栅。输入衍射光栅几何形状可以在具有表面起伏光栅或密相光栅的衍射波导中使用。在一实施例中，与每一输入衍射光栅相关联的k向量对于每一输入衍射光栅从输入衍射光栅的一端变化和/或滚动到该输入衍射光栅的另一端。换言之，角带宽通过滚动k向量来进行空间调节，因为入射光束的入射角跨光栅变化。

在一实施例中，k向量在布拉格光栅中被定义为垂直于布拉格平面的向量。在一实施例中，布拉格平面是布拉格光栅中的相长干涉的平面。在一实施例中，k向量在由Kogelnik,H.在1969年5月23日发表在贝尔系统技术期刊的题为“Coupled Wave Theory of Thick Hologram Grating(密全息图光栅的耦合波理论)”的论文(Kogelnik论文)中在数学上定义。在一实施例中，k向量在Kogelnik论文中被定义为“K光栅向量(垂直于条纹平面)”。

如本文描述的衍射波导的滚动式k向量输入衍射光栅以及投影光引擎可提供跨波导显示器的FOV的高效且均匀的亮度。在一替代实施例中，可使用复用的输入衍射光栅。

图1是描绘在近眼显示器(NED)系统8中实现的波导显示器的示例组件的框图，该系统8包括紧凑型投影光引擎以及具有滚动式k向量输入衍射光栅的衍射波导。在所示实施例中，NED设备系统8包括在头戴式显示器(HMD)设备2中的近眼显示器(NED)设备和伴随处理模块4。HMD 2通信地耦合至伴随处理模块4。在该示例中示出了无线通信，但也可实现经由伴随处理模块4和HMD 2之间的线的通信。在一实施例中，HMD 2包括具有投影光引擎120(在图3A、3C和4中示出)的NED设备和具有衍射波导的近眼显示器14，如本文详细描述的。

在该实施例中，HMD 2采用具有镜架115的眼镜的形状，其中每个显示器光学系统14l和14r被定位在HMD 2的前部以在被用户佩戴时由每一只眼睛通过其查看。每个显示器光学系统14l和14r也被称为显示器或近眼显示器14，且这两个显示器光学系统14l和14r还可共同被称为显示器或近眼显示器14。在这一实施例中，每一显示器光学系统14l和14r使用投影显示器，其中图像数据(或图像光)被投影到用户的眼睛中以生成图像数据的显示，从而使得该图像数据对于用户而言看上去位于用户前方的三维FOV中的位置处。例如，用户可能正在他的起居室中以光学透视模式玩击落敌人直升机的游戏。如图2B中所示，直升机的图像对于用户而言看上去正飞过他起居室中的椅子的上方，但不在光学透镜116和118之间，因为用户无法聚焦于离人类眼睛很近的图像数据上。

在该实施例中，镜架115提供用于将HMD 2的各元件保持就位的方便的镜框以及用于电连接的管道。在一实施例中，镜架115为如本文所述的投影光引擎120和近眼显示器14提供支撑结构。NED设备支撑结构的一些其它示例是头盔、遮光罩框、护目镜支架或一个或多个带。镜架115包括鼻梁架104、顶端前部的覆盖部分117、针对HMD设备2的左侧外壳(130l)和右侧外壳(130r)中的每一者的相应投影光引擎外壳130以及被设计成停留在用户的每一耳朵上的左和右镜腿或侧臂102l和102r。在该实施例中，鼻梁架104包括具有用于记录声音并向控制电路系统136传送音频数据的话筒110。在侧外壳130l和130r的外部是相应的外向捕捉设备113l和113r(诸如相机)，这些捕捉设备捕捉在用户前面的现实环境的图像数据以用于对在近眼显示器(NED)设备的FOV内的事物进行映射。

在该实施例中，虚线128是连接到控制电路系统136(其也用虚线示出)的一些电连接路径的说明性示例。一个虚线电连接被标记128以避免使附图过于拥挤。在该示例中，电连接和控制电路系统136在虚线中以指示它们在顶端前部的覆盖部分117下面。在用于其他组件的侧臂中还可存在包括电源总线的延伸的其他电连接(未示出)，其他组件的一些示例是包括附加相机的传感器单元、耳机或单元等音频输出设备以及可能为附加处理器和存储器。示出了可用于将框架的各个部分连接在一起的诸如螺钉等连接器129的一些示例。

伴随处理模块4可采取各种实施例。在一些实施例中，伴随处理模块4采用可被佩戴在用户的身体(例如手腕)上的便携式形式，或者是如移动设备(例如，智能电话、平板、膝上型计算机)之类的单独便携式计算系统。伴随处理模块4可以通过一个或多个通信网络50使用线或无线地(例如WiFi、蓝牙、红外、红外个域网、RFID传输、无线通用串行总线(WUSB)、蜂窝、3G、4G或其他无线通信手段)与一个或多个网络可访问计算系统12(无论是位于附近还是远程位置)进行通信。在其他实施例中，伴随处理模块4的功能可被集成在HMD 2的软件和硬件组件中。图7中示出伴随处理模块4和网络可访问计算系统12的硬件组件的一些示例。

可以充分利用一个或多个网络可访问计算系统12来处理电力和远程数据访问。组件的复杂性和数目可以因网络可访问计算系统12和伴随处理模块4的不同实施例而显著变化。在图1中示出的一实施例中，NED设备系统1000可包括近眼显示器(NED)设备系统8(带或不带伴随处理模块4)、通信网络50和网络可访问计算系统12。在一实施例中，网络可访问计算系统12可位于远程或云操作环境中。

图像数据被标识以基于在控制电路系统136、伴随处理模块4和/或网络可访问计算系统12(或其组合)中的一个或多个处理器上执行的应用(例如，游戏或消息收发应用)显示以向近眼显示器14提供图像数据。

图2A是包括NED设备的控制电路系统内的计算系统的各示例硬件组件的框图。控制电路系统136提供支持HMD 2的其他组件的各种电子设备。在此示例中，HMD 2的控制电路系统136包括处理单元210和处理单元210能够访问的用于存储处理器可读指令和数据的存储器244。网络通信模块137通信地耦合至处理单元210，其可担当用于将HMD 2连接至另一计算系统(诸如伴随处理模块4、另一NED设备的计算系统或通过因特网可远程访问的计算系统)的网络接口。电源239为控制电路系统136的各组件及HMD 2的其他组件(如捕捉设备113、话筒110、其他传感器单元)并为近眼显示器14上用于显示图像数据的电源汲取组件(诸如光源以及像投影光引擎中的微显示器等与图像源相关联的电子电路系统)提供电力。

处理单元210可包括一个或多个处理器(或核)，诸如包括中央处理单元(CPU)或核和图形处理单元(GPU)或核。在不带独立伴随处理模块4的实施例中，处理单元210可包含至少一个GPU。存储器244表示系统可使用的各种类型的存储器，诸如用于执行期间的应用使用的随机存取存储器(RAM)、用于传感器数据(包括捕捉到的图像数据和显示数据)的缓冲器、用于指令和系统数据的只读存储器(ROM)或闪存、用于存储例如应用和用户简档数据的其他类型的非易失性存储器。图2A示出数据总线270的电连接，其连接传感器单元257、显示器驱动程序246、处理单元210、存储器244和网络通信模块137。数据总线270还通过控制电路系统的所有被示出的元件都连接到以汲取电力的功率总线272从电源239得到电力。

控制电路系统136进一步包括显示器驱动程序246，该显示器驱动程序246用于选择数字控制数据(例如控制比特)来表示图像数据，该图像数据可由投影光引擎(例如图2B中的120)的微显示器电路系统259和不同的有源组件驱动器解码。微显示器(诸如图3C中示出的微显示器230)可以是有源透射、发射或反射设备。例如，微显示器可以是需要电力的硅上液晶(LCoS)设备或需要电力来移动各个体反射镜的基于微机电机器(MEMs)的设备。有源组件驱动器的一个示例是显示器照明驱动器247，其将数字控制数据转换成用于驱动照明单元222的模拟信号，照明单元222包括一个或多个光源，诸如一个或多个激光器或发光二极管(LED)等。在一些实施例中，显示单元可包括诸如波导之类的用于耦合投影光引擎中的出射光瞳处的图像光的一个或多个有源光栅253。任选的有源光栅控制器249将数字控制数据转换成用于改变一个或多个任选的有源光栅253的属性的信号。类似地，投影光引擎的一个或多个偏光镜可以是有源偏光镜255，其可由任选的(诸)有源偏光镜控制器251驱动。控制器电路系统136可包括本文中没有示出但涉及HMD 2的其他功能(诸如提供音频输出、标识头部取向和位置信息)的其他控制单元。

图2B是与具有外置出射光瞳121的投影光引擎120耦合的近眼显示器141的一实施例的俯视图。为了示出显示器光学系统14(在该情况下是针对左眼的14l)的各个组件，顶部框架部分117覆盖近眼显示器14l的一部分以及投影光引擎120未被描绘。箭头142表示近眼显示器14l的光轴。

在该实施例中，近眼显示器14l和14r是光学透视显示器。在其他实施例中，它们可以是视频观看显示器。每一显示器都包括显示单元112，该显示单元112被示为在两个可选的透视透镜116和118之间并包括波导123。可选的透镜116和118是显示单元的保护罩。这些透镜中的一者或两者也可用于实现用户的眼镜处方(prescription)。在该示例中，当HMD 2被佩戴时，眼睛空间140近似用户眼睛的位置。波导将来自投影光引擎120的图像光形式的图像数据定向至用户的眼睛空间140，同时还允许来自现实世界的光通过朝着用户的眼睛空间，由此允许用户除了观看来自投影光引擎120的虚拟特征的图像外，还具有在HMD 2的前方的空间的实际的直接视图。

在该俯视图中，投影光引擎120包括被示为弯曲表面的鸟盆型光学元件234。该弯曲表面将光功率提供给它反射的图像光束235(也被描述为图像光235)，由此也使这些光束准直化。仅一个光束被标记以防止使附图过度拥挤。在一些实施例中，鸟盆型光学元件的曲率半径为至少-38毫米(mm)。这些光束被准直化，但来自不同的角度，因为这些光束是从弯曲表面的不同点反射出的。因此，这些光束将在其自身的最小截面处交叉并并形成出射光瞳121。

在一些实施例中，波导123可以是衍射波导。附加地，在一些示例中，波导123是表面起伏光栅(SRG)波导。在如本文描述的实施例中，波导123包括滚动式k向量输入衍射光栅。输入衍射光栅119耦合来自投影光引擎120的图像光。此外，波导具有使得图像光以用户的眼睛空间140的方向退出波导的多个出射光栅125。一个出射光栅125被标记以避免使附图过度拥挤。在该示例中，最外的输入衍射光栅119足够宽，并被定位成在退出投影光引擎的光已抵达其出射光瞳121之前捕捉退出投影光引擎120的光。在该示例中，光学地耦合的图像光在波导的中央部分形成其出射光瞳。参见图3B以得到更详细的示例。本文描述的图3A-B提供使出射光瞳处的图像光与定位在该出射光瞳处的输入衍射光栅耦合的波导的示例。

出射光瞳121包括正被显示的完整图像的光，由此耦合出射光瞳121处表示图像的光一次捕捉整个图像，并由此非常高效，并在近眼显示器14中向用户提供完整图像的视图。输入衍射光栅119能够耦合出射光瞳121的图像光，因为出射光瞳121在投影光引擎120的外部。在一实施例中，出射光瞳121在投影光引擎120或投影光引擎的外壳外0.5mm。在其它实施例中，出射光瞳121被投影在投影光引擎120或投影光引擎的外壳外5mm。

在图2B的所示的实施例中，投影光引擎120在左侧外壳130l中包括图像源(例如微显示器)以及投影光学系统，该图像源产生图像光，并且该投影光学系统折叠图像光的光学路径以在投影光引擎120的外部形成出射光瞳121。该投影光引擎120的形状是适应左侧外壳130l的示例的形状的说明性示例，在图1中该形状符合框架115的角落的边界从而减少了体积。该形状可被改变为适应例如归因于被实现的不同图像源技术的投影光引擎120的不同布置。例如，如本文描述的图4示出了不同的定向。在一实施例中，投影光引擎120可包括共平面的组件的至少各部分，并且可被置于诸如单个印刷电路板(PCB)等基底上，如在图4中示出且在本文描述的。

存在可用于实现图像源(诸如本文描述的微显示器230)的不同图像生成技术。例如，可使用透射投影技术来实现微显示器。在这一技术的一个示例中，光源由光学活性材料来调制；该材料通常使用具有强大的背光以及高光能密度的透射LCD型微显示器来实现。其他微显示器使用用于使自照明单元的光被光学活性材料反射和调制的反射技术。取决于该技术，照明可以是白光源或RGB源。数字光处理(DLP)、数字微镜设备(DMD)和LCOS是可由显示器使用的反射技术的所有示例。此外，微显示器可以是自发光的，诸如彩色有机发光二极管(OLED)微显示器或LED阵列。LED阵列可通常在具有用于频谱转换或其它色彩转换方法的荧光体层的GaN基底上创建。可以为观看者中继和放大自发光显示。

图2B示出HMD 2的一半。针对所示实施例，完整的HMD 2可以包括具有另一组任选的透视透镜116和118、另一波导123的另一显示器光学系统14，并包括另一投影光引擎120以及另一面朝外的捕捉设备113。在一些实施例中，可能存在由两只眼睛来查看的连续显示、而不是针对每只眼睛的显示光学系统。在一些实施例中，单个投影光引擎120可以在光学上耦合至由两个眼睛查看到的连续显示或者在光学上耦合至针对各眼睛的分开的显示。在2010年10月15日提交的题为“Fusing Virtual Content Into Real Content(将虚拟内容融合到现实内容中)”的美国专利申请序列号12/905952中示出头戴式个人A/V装置的附加细节。

图3A是使用鸟盆型光学元件234以及四分之一波片236的投影光引擎120的一实施例的框图。在一实施例中，鸟盆型光学元件234和四分之一波片236被沉浸在高折射率玻璃区域225中，这有助于折叠光路以提供在投影光引擎外部的出射光瞳121。在该示例中，使用具有在1.7和1.8之间的折射率的高折射率玻璃。高折射率玻璃的一些示例是燧石玻璃和具有至少1.65的折射率的玻璃。侧视图示出了与鸟盆型投影光学系统相关联的一些示例性基础元件。在各实施例中可存在附加光学元件，诸如非球面光学元件和/或偏光镜。

在该实施例中，投影光引擎120包括图像源和投影光学系统220。在一实施例中，图像源是具有伴随的补偿镜光学元件288以及净化偏光镜光学元件289的微显示器230，诸如反射式LCoS微显示器。在该实施例中，微显示器230具有反射来自照明单元222的用于表示要显示的图像数据的光的表面231。表面231使它反射的光偏振；然而，可存在偏振误差。净化偏光镜光学元件289矫正LCoS表面的偏光镜误差。补偿镜光学元件288是其补偿参数可在LcoS微显示器的制造期间被确定用以补偿在制造期间为LCoS表面测量的误差的光学元件。

在该实施例中，投影光学系统220包括在高折射率玻璃区域225之外的双合透镜226以及在高折射率玻璃区域225之内的多个光学组件。双合透镜226矫正彩色像差并且还向反射离开表面231的图像光提供某种准直程度。在一实施例中，双合透镜226可以是球面双合透镜。这些光学元件包括照明光导元件224、另一光导元件232(诸如偏光镜和分光镜(PBS))、四分之一波片236以及具有弯曲反射表面238的鸟盆型光学元件234。在其他实施例中，如在使用包括其自己的照明单元222的透射式或发射式图像源的各实施例中，除了省略双合透镜以外，还可将光导元件224从投影光学系统220中省略。

接着讨论通过这些元件的光的光路。照明光和图像光的不同部分用不同的标号来标记以便于讨论对光的处理。为了避免使附图过于拥挤，在路径的每一阶段仅标记光束的一表示光线。由照明单元222生成的光229被定向至偏振照明光导元件224，偏振照明光导元件224在表面231的方向上定向光233。在行进到表面231时，照明光通过双合透镜226和补偿镜光学元件288。

照明单元222可包括的照明源的一些示例是发光二极管(LED)和激光器。在一些实施例中，可存在分开的红色、绿色和蓝色(RGB)照明源，而在其他实施例中，可存在白光源和用于表示不同色彩的滤光片。在该实施例中，在照明单元222中使用色序LED设备。色序设备包括红色、蓝色和绿色LED，这些LED在关于LCoS微显示器的定时中按顺序方式打开以产生全色彩图像。在其他示例中，可使用激光器而非LED。表面231上的各个体显示元件被微显示器电路系统259控制以反射或吸收红色、绿色和蓝色光，以表示由显示器驱动程序246针对图像数据的所指示的色彩或灰度图的灰度阴影。

从表面231偏振和反射的图像光237经过光学补偿镜288。图像光237由双合透镜226来部分聚焦。图像光237进入高折射率玻璃区域225、通过照明光导元件224、净化偏光镜光学元件289，并被光导元件232截取，光导元件232将再次偏振的反射光241定向通过四分之一波片236(四分之一波片236再次无源地更改该反射光的偏振状态)至鸟盆型光学元件234的弯曲反射表面238，弯曲反射表面238对图像光进行准直化并将图像光反射回去通过四分之一波片236以进行另一偏振状态更改。四分之一波片提供圆偏振，而光导元件224、232一般充当线性偏光镜。经鸟盆反射且由四分之一波片调谐两次的图像光243通过光导元件232。图像光235随后退出投影光引擎120以实现到波导123中的光学耦合。

在实施例中，光导元件232是从由立方体、板、线栅偏光镜组成的组中选择的一种类型的分光镜。例如，光导元件232可以是立方体分光镜、板分光镜或线栅偏振分光镜。

在一实施例中，鸟盆型光学元件234是球面或非球面鸟盆型反射镜。

图像光235可能已经被偏振以实现到一个或多个输入衍射光栅(诸如衍射波导的一个或多个输入衍射光栅)的更高效的耦合。在一些示例中，波导可具有多层，并且入射图像光的偏振可用于将入射光滤光到波导的不同层。每一层具有其自己的输入衍射光栅和出射光栅。某一层的输入衍射光栅将特定偏振的光耦合到其层。其他偏振的光通过输入衍射光栅以及层本身，以使得下一层的输入衍射光栅基于其偏振而耦合接收到的光或使接收到的光通过。在一些实现中，不同的波长带或光波长集合(诸如针对不同的色彩)可被定向至不同的波导层以用于增强图像的亮度。不同波长带中的光可被偏振以用于耦合到每一波长带的相应层中。例如见Nguyen等人的提交日为2012年8月31日题为“NED Polarization System for Wavelength Pass-Through(供波长通过的NED偏振系统)”的美国专利申请no.13/601,727。

一个或多个偏振光学元件在高折射率玻璃区域225内的布置可基于多个因素，包括波导123中的层的数目、光栅的类型(例如表面起伏光栅)和用于在各层之中分发图像光的预定标准。图像光235在从鸟盆型弯曲反射表面238反射出时被准直化，但每一部分由于该弯曲表面而从不同的角度反射。(见图3B关于出射光瞳处具有其最小截面的多个光束的俯视图的示例。)在该实施例中，波导123的输入衍射光栅119将反射光束耦合在出射光瞳121附近。在该实施例中，波导123可以是单层波导。在图3A-C中示出的其他实施例中，可在近眼显示器14中实现多层波导。

将光学元件沉浸在高折射率玻璃中将光路长度延长得足以允许采用折叠机构来启用光引擎的紧凑封装并且提供照明源222的光路。在本文描述的其它实施例中，不使用高折射率玻璃。

鸟盆型构造在几何上允许光引擎的出射光瞳延伸到光引擎之外且在波导组件内。将光耦合在波导内的出射光瞳处减小了输入衍射光栅的尺寸。

图3A(和图3B)中示出了波导123的截面侧视图。波导123与眼睛区域140大致平行地延伸进入版面并进入近眼显示器14，并使小得多的量延伸到页面之外。在该实施例中，波导123是多层的，在该实施例中具有四个示例性层256、258、262和264以及中央波片260。线122指示投影光引擎120(或投影光引擎外壳)和波导123之间的距离。图3A不是按比例绘制的，但投影光引擎120和波导123之间的这样的距离的示例为约0.5mm。在中央波片260中的是要投影的出射光瞳的目标位置。在该实施例中，再次不是按比例绘制的，出射光瞳被投影在从投影光引擎120之外到波导的中央波片260为约5mm之处。此外，在该示例中，波导123具有约1.7的折射率，该折射率在高折射率玻璃的范围内。

在该实施例中，透视玻璃的外保护罩252包围图像光235通过的波导123。波导123被定位在外壳130内，以便将出射光瞳121的图像光光学耦合在中央波片260中。四层中的每一层都具有其自己的输入衍射光栅。输入衍射光栅的示例是被制造成波导123中的每一层的表面的一部分的表面起伏光栅。层256首先接收已退出投影光引擎120的图像光235，并通过其光学输入衍射光栅119a耦合该光。类似地，层258通过其光学输入衍射光栅119b耦合图像光235。中央波片层260耦合并改变其已接收到的图像光235(包括出射光瞳)的偏振状态。在图像光235的截面扩张时，层262经由光学输入衍射光栅119c耦合图像光235，并且当图像光235的截面继续扩张时，层264使图像光235与其光学光栅119d耦合。

图3B是示出例如在图3A中参考鸟盆型光学元件234示出的波导123实施例的四层和中央波片的俯视图的框图(未按比例绘制)。中间元素没有被示出以更容易示出光束273、275和277。三种光线(例如，273a、273b和273c)的每一集合表示光束(例如，273)。每一光束可包括表示多个色彩的光。如本文所述，每一光束被准直化。随着这些光束从弯曲表面上的不同位置反射出，这些光束的不同部分(在本文中被示为光线)交叉，并且光束的最窄截面发生在出射光瞳121处。在一些示例中，出射光瞳的直径为约3.0mm(再次没有按比例绘制)。

本文所述的光学元件可由玻璃或塑料材料制成。光学元件可通过模塑、研磨和/或抛光制造。在实施例中，光学元件可以或可以不彼此接合。本文所述的光学元件可以是非球面的。在实施例中，单透镜光学元件可被分拆为多透镜元件。通过用多透镜光学元件来取代单透镜光学元件以便更多透镜被使用实现了更好的图像质量，并且因此更多属性可用于被改变以实现特定的图像质量。

图3C是可被置于近眼显示器中的另一紧凑型投影光引擎120a实施例和波导123的框图。在一实施例中，波导123包括在图4A-B中示出且如本文描述的波导475a-c。在一实施例中，图3C所示的投影光引擎120a与图3A所示的投影光引擎120类似地操作。在一实施例中，投影光引擎120a包括照明单元222、柱镜屏401、双合透镜226、PBS 402、双合透镜250、微显示器230、折叠镜400、弧形反射镜450以及四分之一波片236。在一实施例中，相同的附图标记指代本文描述的类似组件。在替代实施例中，可以在投影光引擎120a中使用更多或更少的组件。

在一实施例中，图像光从投影光引擎120a投射到波导123中的出射光瞳121。波导123然后可以向眼睛空间140提供图像光。在一实施例中，波导123包括滚动式k向量输入衍射光栅，如本文描述的。箭头142表示近眼显示器14l的光轴。在一实施例中，投影光引擎120a的孔径是4mm。在一实施例中，投射出射光瞳距弧形反射镜450 13mm。

在各实施例中，投影光引擎120a中的组件以共平面的定向被安装在诸如印刷电路板等共同基底上。其它实施例包括投影光引擎120a的组件的其它几何定向。在一实施例中，投影光引擎120a具有至少部分地共平面地耦合到PCB表面的组件。

在各实施例中，弧形反射镜450提供聚焦控制并且可以是具有弧形反射镜的鸟盆型光学元件。在一实施例中，四分之一波片236提供圆偏振。在一实施例中，使用两个双合透镜和/或不使用非球面组件。在一实施例中，照明单元222可包括使用棱镜注入或替换地可被波导化的激光光学元件。在一实施例中，PBS 402被置于可最大化序列对比度的微显示器230的近旁。在一实施例中，微显示器230具有反射来自照明单元222的用于表示要显示的图像数据的光的表面231。

在一实施例中，投影光引擎120不包括高折射率玻璃。

在一实施例中，可以从投影光引擎中省略一个或多个附加PBS(诸如可被具体化为图3A所示的PBS的光导元件224)，相比于图3A所示的投影光引擎120这可减小投影光引擎120a中的所使用的组件数、质量和光学总量(单个地或组合地)。在一实施例中，具有滚动式k向量输入衍射光栅的波导123可以在分光和偏振光方面与所省略的PBS相类似地操作。在一实施例中，波导123被嵌入在投影光引擎120a中并且可以容适在PBS 402与弧形反射镜450之间的间隙中。在一实施例中，投影光引擎120a的光学总量可以近似1.2cc。

接下来讨论通过投影光引擎120a中的各组件的光的光路。照明光和图像光的不同部分用不同的标号来标记以便于讨论对光的处理。为了避免使附图过于拥挤，在路径的每一阶段仅标记光束的一表示光线。由照明单元222生成的光460被定向通过柱镜屏401、双合透镜226、PBS 402和双合透镜250至微显示器230的表面231。在一实施例中，柱镜屏401是可将更多光460聚焦成水平光束的透镜。光(或图像光)461然后从表面231通过双合透镜250反射到PBS 402，该PBS 402将图像光462拆分和偏振至折叠镜400。图像光463从折叠镜400通过四分之一波片236反射至弧形反射镜450。图像光464从弧形反射镜450反射并且通过四分之一波片236以便在波导123中的出射光瞳121处形成图像(或其部分)。在一实施例中，图像光464由波导123中的第一输入衍射光栅衍射，而图像光463被允许在近乎相同的时间从折叠镜400不偏移地穿过相同的第一输入衍射光栅。在一实施例中，波导123执行另一PBS的至少某些功能。在一实施例中，在眼睛空间140处形成外置的投射出射光瞳，如在图4A中类似地示出的。

图4A-B示出了包括紧凑型投影光引擎和多个衍射波导(或波导堆叠)的波导显示器的另一实施例。具体而言，图4A示出了投影光引擎470以及多个衍射波导475a-c(波导堆叠或衍射波导)。在一实施例中，衍射波导475a-c中的一个或多个包括具有滚动式k向量的一个或多个输入衍射光栅，如本文描述的。在各实施例中，衍射波导475a-c替代波导123。在一实施例中，制造一个或多个衍射波导475a-c，如在图6A-B中示出且在本文描述的。图4B示出了图4A所示的投影光引擎470和衍射波导475a-c的一部分，该部分向眼睛空间140处的虚拟或投射出射光瞳480提供图像光。

在一实施例中，投影光引擎470与图3A所示的投影光引擎120以及图3C所示的投影光引擎120a相类似地操作。而且，投影光引擎470具有与图3A和3C所示的实施例相似的组件。然而，在图4A-B所示的实施例中，输入衍射光栅(衍射波导475a-c中)支持的角带宽可小于其中输入衍射光栅支持整个显示器波导FOV的实施例中的角带宽。在图4A-B所示的实施例中，波导显示器FOV分布在衍射波导475a-c中的多个输入衍射光栅上，以使得每一输入衍射光栅都可支持显示器波导FOV的一片段或一部分。换言之，衍射波导被包括在提供FOV的显示器中，并且衍射波导包括提供该FOV的一部分的第一输入衍射光栅以及提供该FOV的第二部分的第二输入衍射光栅。

在一实施例中，投影光引擎470包括图像源或微显示器471，诸如反射式LCOS微显示器。在一实施例中，微显示器471具有反射来自诸如图3A所示的照明单元222等照明单元的光以用于表示要显示的图像数据的表面471a。另外，投影光引擎470包括光导元件472(诸如PBS)、净化偏光镜光学元件473以及双合透镜474。在一实施例中，表面471a偏振它反射的图像光；然而，可能存在偏振误差。净化偏光镜光学元件473在光导元件472重定向所反射的图像光之后矫正LCoS表面的偏光镜误差。双合透镜474矫正色像差，并且还提供对反射离开表面471a的图像光的某一准直。在一实施例中，双合透镜474可以是球面双合透镜。图像光然后传递至和传递自四分之一波片476。图像光从双合透镜/反射镜477反射到四分之一波片476以及衍射波导475a-c以抵达投射出射光瞳480。在一实施例中，双合透镜/反射镜477包括具有用于对来自双合透镜474的图像光进行反射和准直的弧形反射镜的鸟盆型光学元件。在一实施例中，双合透镜/反射镜477还用作双合透镜。

接着讨论图4A-B中的通过这些元件的光的光路。图像光的不同部分用不同的标号来标记以便于讨论光的进程。为了避免附图过于拥挤，在光路的每一阶段处只标记了光束的两个代表性光线，并且未示出可使用的照明单元。在一实施例中，该光束的两个表示(光束的第一部分由图像光481a-c表示，而该光束的第二部分由图像光482a-c表示)是同一光束。在一实施例中可以从光导元件472接收到的图像光481a从表面471a反射。在一替代实施例中，图像光481a从表面471a始发。光导元件472重定向图像光481b通过净化偏光镜光学元件473、双合透镜474且直接不偏移地通过衍射波导475a-c的第一输入衍射光栅至外置的投射出射光瞳480，如由图像光471b和481c示出的。在一实施例中，衍射波导475a-c输出从双合透镜/反射镜477反射通过四分之一波片476至衍射波导475a-c的相同的第一输入衍射光栅中的图像光482c。图像光482c被衍射且被提供至外置的投射出射光瞳480。图像光482c是图像光482b的来自双合透镜/反射镜477的反射版本，该反射版本在一实施例中穿过四分之一波片476、双合透镜474和净化偏光镜473。图像光482a从微显示器471反射或始发，并且从光导元件472被重定向为图像光482b。在一实施例中，图像光482a从光导元件472接收和反射。

图5A示出了提供用于制造晒印基底的主全息图的实施例，该晒印基底具有具备滚动式(或不同的)k向量的输入衍射光栅。由主全息图形成的晒印基底(诸如图6A-B所示的晒印基底604或654)可被用作衍射波导中的层。在一实施例中，具有全息记录材料512的主基底504被用来提供主全息图，诸如主全息图603和653。在各实施例中，主基底504和其它主基底可包括基底堆叠或多个基底。在一实施例中，主全息图可被制造成使得主全息图具有相对较高的角带宽，但不一定具有高衍射效率。通过使用主全息图形成的晒印基底将会是具有由从主全息图上的入射线汇聚的光线形成的输入衍射光栅的接触式晒印片。来自主全息图的汇聚光线将使得k向量能够对晒印基底上的每一输入衍射光栅改变，这可根据来自诸如投影光引擎120a的投影光引擎的输入角来调节角带宽。

在一实施例中，晒印基底上的由主全息图形成的至少两个输入衍射光栅具有不同的相关联的k向量。在一实施例中，晒印基底上的至少两个相邻输入衍射光栅具有各自的相关联的k向量，这些k向量从每一相应k向量滚动或偏移达预定角度。在一实施例中，主全息图被用来制造接收具有一组预定波长的光的晒印基底。

至少两种类型的所制造的主全息图可支持或用于如本文描述的滚动式k向量紧凑型晒印基底制造工艺。第一类型是具有足够的角带宽以支持针对所有晒印光束角的晒印工艺的主全息图。可支持滚动式k向量紧凑型晒印工艺的第二种类型的主全息图是自身具有滚动式k向量的主全息图。第一种类型的主全息图由图5A所示的标准的两个光束记录过程来记录。

图5A示出了通过使用聚焦在无穷远处的各自被投影以形成光栅间距的两个光束来从具有全息记录介质512的主基底504中形成主全息图。在一实施例中，两个相干平面激光束501和502提供从具有全息记录介质512的主基底504中形成主全息图的相长干涉503。在一实施例中，光束501是参考光束。在一实施例中，参考光束501由投影光引擎的主光线方向定义。在一实施例中，来自投影光引擎的主光线方向可以是垂直于波导的输入表面的方向。在一实施例中，光束502以预定的主光线衍射角(在一实施例中是等于晒印基底的临界角加上近眼显示器的玻璃中的FOV的近似一半的内角)的角度入射的相长光束。

为了确立在玻璃角内部，主基底504的至少顶侧和底侧(或其各部分)被沉浸在具有与主基底504的折射率接近地匹配的折射率的光学材料505和506(由虚线示出)中。在记录期间不添加光学材料505的情况下，光束502将超出材料的临界角，并且传入光束的波阵面将与反射波束交叠，从而生成不合乎需要的全息图。为了避免第二斜光束由于主基底504的下表面处的全内反射而导致的内反射，主基底504由具有与主基底504的折射率接近地匹配的折射率的光学材料506背衬。该实施例假定记录波长与重放波长(显示器或图像光的波长)是相同的。如果记录波长不同于显示器的波长，则记录角将需要被调整以优化显示器的效率。

主基底504中形成具有足够的角带宽以支持晒印光束的入射角的主全息图可具有以下限制：一般对于给定全息记录介质，角带宽越大，效率就越低。在一实施例中，主全息图的效率是50％，以使得平衡两个晒印光束。如果主全息图效率更低，则一般而言接触式晒印片将不会实现最大调制。

在一实施例中，在主全息图和晒印基底之间包含反射边缘涂层。在一实施例中，可以在图6A所示的主全息图603与晒印基底604之间包含反射边缘涂层。反射边缘涂层将部分地反射零级非衍射记录光束并传送来自主全息图的衍射光束。反射边缘涂层可被优化成使得零级光束强度与衍射晒印光束相同。在一实施例中，用于记录晒印基底的大量光被丢弃，从而导致延长记录过程或可能需要更高功率的激光。这在生产过程中具有经济意义。

可支持接触式晒印工艺的第二种类型的主全息图是具有固定的光栅周期但具有滚动式k向量的主全息图。存在可用于形成这种类型的主全息图的至少两种方法。第一种方法是图5B所示的扫描方法。图5C所示的第二种方法包括使用两个光束结构光学器件的集合，其能形成具有固定光栅周期但具有滚动式k向量的主全息图。

图5B示出了用于从具有全息记录介质512b的主基底504b中记录具有固定光栅周期但具有滚动式k向量的主全息图504b的扫描光束记录方法。激光501b聚焦在无穷远处并且在横截面中是矩形的；在进入版面的方向上宽且在横跨版面的方向上窄。激光在分光镜502b处被拆分成两个相干光束，并且被定向到镜子507b以获得一个光束，且由第二镜子503b定向到第三镜子508b。镜子507b和508b分别由单独的线性平台和/或旋转平台510b和511b支承。这些平台510b和511b在主基底504b上水平地定向。这两个平台510b和511b的旋转将反射这两个相干光束的光以形成在点509b需要的主全息图的记录几何形状。平台510b和511b将被移动以确保这两个光束完美地在点509b交叠。

基底504b处的相对光束角实现了两个状况。第一个状况是形成对应于布拉格等式的光栅周期，其中该光栅周期对于该光栅的所有点是相同的。第二个状况是形成k向量(在对应于这两个光束的平分线的方向上)。所需k向量是被优化以支持来自投影光引擎的显示器或图像光的角度范围的k向量。为了确立需要在玻璃角内部，主基底504b的顶部被沉浸在具有与主基底504b的折射率接近地匹配的折射率的光学材料505b中。为了避免第二斜光束由于主基底504b的下表面处的全内反射而导致的内反射，主基底504b由具有与主基底504b的折射率接近地匹配的折射率的光学材料506b背衬。主基底504b包含全息记录介质512b。堆叠的精确布局取决于全息记录介质。在一实施例中，诸如重铬酸盐明胶或光聚合物的液体版本等液体被用作全息记录介质512b，并且将被夹在两个基底之间，如图5B所示。

在一实施例中，图5B所示的用于记录主全息图504b的扫描方法使得能够非常快地对新的主处方进行编程并且控制工艺的成本相对较低。在一实施例中，该扫描方法可由于记录主全息图的分段工艺以及第一和第二光束并非完美交叠的可能性而可能具有记录在主全息图中的边缘效应。这些效应一般将会是主全息图中的局部效率变化，这些变化可能在晒印工艺中被记录。

图5C示出了具有恒定的光栅周期但具有变化的k向量的主全息图的双光束记录。第一和第二光束501c和502c所需的波阵面分别通过本领域普通技术人员已知的光线追踪方法预定。这两个光束在全息记录介质507c中的点503c处的干涉确立主全息图的光栅周期和k向量。如在先前实施例中那样，为了确立在玻璃角内部，主基底504c的上表面和下表面被沉浸在具有与主基底504c的折射率接近地匹配的折射率的光学材料505c和505c(由虚线示出)中。在一实施例中，光学材料505c可以是光能材料，其中光学材料505c的光功率在记录光束501c和502c之间共享。在该实施例中，结构光学器件可以更紧凑，且光学材料505c可以比在其它实施例中更紧凑。为了避免第二斜光束由于主基底504的下表面处的全内反射而导致的内反射，主基底504由具有与主基底504的折射率接近地匹配的折射率的光学材料506c背衬。

用于光束501c和502c的结构光学器件可通过本领域普通技术人员已知的光线追踪方法来设计。在一实施例中，结构光束501c和502c可包括能生成这些波阵面的一系列光学组件。在一实施例中，这些光学组件可包括但不限于透镜、柱面镜、非球面透镜和/或包括计算机生成的全息图的衍射光学组件。在一实施例中，使用双光束工艺来记录具有恒定光栅周期但具有滚动式k向量的主全息图可以比图5B所示的方法更高效。在一实施例中，图5C所示的方法可具有可以在改变显示器设计时被重新生成的复杂光学器件。在一实施例中，图5B所示的方法被用来构建原型主全息图，而图5C所示的方法被用来构建用于制造产品且具体而言是如本文描述的衍射波导的主全息图。

图6A-B示出了制造可以在具有具备滚动式k向量的输入衍射光栅的衍射波导中使用的一个或多个晒印基底的方法实施例。图6A-B所示的尺寸不是按比例的。在一实施例中，从图5A所示的主基底504中形成的主全息图可被用来形成图6A所示的晒印基底604。在一实施例中，从图5A所示的主基底504中形成的主全息图被用来形成图6A所示的主全息图603。在替代实施例中，从图5B-C所示的主基底中形成的主全息图可用于形成图6A-B所示的晒印基底。

在一实施例中，晒印基底604被用作图3A-C所示的衍射波导中的层，诸如一实施例中的层256。在一实施例中，晒印基底604接收具有第一组波长的光，而图6B中示出的晒印基底654(可对应于一实施例中的层258)接收具有不同的第二组波长的光。在一实施例中，输入衍射光栅使用诸如液晶等双折射材料来在晒印基底604和654中形成。双折射材料对于图像光的一个偏振定向可以是高效的，这可使得形成多层衍射波导的所组装的晒印基底比另一PBS更高效地运作。

在一实施例中，主全息图603被置于晒印基底604上。主全息图603和晒印基底604由结构605支承。光源601向主全息图603的输入衍射光栅611a-d提供包括光线610a-d(或射线610a-d)的光束610。在一实施例中，形成主全息图603的输入衍射光栅611a-d，如本文描述的。在一实施例中，光束610穿过聚焦透镜602，该聚焦透镜可包括非球面矫正以生成经优化的波阵面以便最大化与显示器输入衍射光栅中所需的角度相匹配的晒印全息图的效率。

现在将描述图6A所示的光束610的光路。在一实施例中，光线610a沿着第一非衍射光路(零级衍射模式)行进通过输入衍射光栅611a处的主全息图603以及晒印基底604。光线610a还通过主全息图603在输入衍射光栅611a(一级衍射模式)处沿着第二光路衍射以在点612a处形成光束。该光束表示将形成晒印基底中的干涉图案的光束之一。第三光束(或光线)610b沿着第一非衍射路径或第三光路行进通过输入衍射光栅611b处的主全息图至点612a处的晒印基底。这形成第二光束，该第二光束形成晒印基底中的干涉图案。第一和第二光束的干涉图案将被记录在晒印基底中并且形成显示器的输入衍射光栅的一部分。来自主全息图的非衍射光束和衍射光束的干涉将跨晒印基底继续以形成用于显示器的输入衍射光栅的最终全息图。由于输入光束610汇聚于点613，因此干涉由通常以角度为单位滚动的两个波阵面导致。因此，晒印全息图的k向量将会是滚动的。

其它输入衍射光栅被类似地形成，如在图6A中示出的。具体而言，光线610b也在输入衍射光栅611b处沿着第四光路衍射以形成输入衍射光栅612b，并且光线610c沿着第五光路在输入衍射光栅611c处进入并穿过晒印基底604至点613。输入衍射光栅612c类似地用沿着第六光路到汇聚光束614的衍射光线610c形成，且光线610d沿着第七光路在输入衍射光栅611d处穿过主全息图603以形成输入衍射光栅612c并行进至点613。

图6B示出了制造可以在具有具备滚动式(或不同的)k向量的输入衍射光栅的衍射波导中使用的不同的第二晒印基底654的方法实施例。在一实施例中，主全息图653被置于晒印基底654上。主全息图653和晒印基底654由结构605支承。光源651向主全息图653的输入衍射光栅661a-d提供包括光线660a-d(或射线660a-d)的光束660。在一实施例中，光源651是与光源601不同的光源。在一实施例中，形成主全息图653的输入衍射光栅661a-d，如本文描述的。在一实施例中，光束660穿过聚焦透镜652。

晒印基底654的输入光栅662a-c由类似于本文描述的输入衍射光栅612a-c的光束660的光路形成。光束660可被定向到点663并且还被定向到汇聚光束664，如参照图6A所示的点613和汇聚光束614类似地描述的。在各实施例中，每一输入衍射光栅662a-c可具有不同的k向量或滚动式k向量。

如可通过图6A-B的几何形状看到的，在制造期间在主全息图与晒印基底之间存在距离(例如，输入光栅611b与612a之间的距离)，以使得所制造的晒印基底可具有某一光能。在一实施例中，晒印基底604中的光能在一侧(或输入衍射光栅)与另一侧(或下一相邻的输入衍射光栅)是不同的。光能可以是离轴的，并且可造成进入具有晒印基底604的波导的光的像差(例如，波导中的光可能未被恰当地准直)。

为了对此进行补偿，矫正透镜或非球面元件可被置于投影光引擎中(或外置于具有晒印基底的波导)以补偿光像差。

在一实施例中，晒印基底604和654可以耦合以形成多层衍射波导，诸如波导123。在一实施例中，晒印基底604和654可以在各端用粘合剂、水泥或其它粘接材料(或设备)耦合或堆叠，这允许具有输入光栅的晒印基底表面之间存在空隙。

图7示出用于将具有外置出射光瞳的投影光引擎120的一实施例定位成供使用眼镜架与NED设备中的近眼显示器光学耦合的左侧外壳1301的一实施例。左侧外壳130l也被称为投影光引擎的外壳。该视图示出了如何使投影光引擎组件可适合放在左侧外壳130l中的示例。移除保护罩以查看示例性布置。在替换实施例中，投影光引擎组件可被置于不同布置和/或取向中以便适合不同大小的外壳。例如，投影光引擎的组件可以按共平面定向被置于如图4所示的PCB上。

左侧外壳130l连接至并相邻于镜架顶部部分117和左侧臂102l以及围绕左侧显示单元112的镜架115的部分。在该示例中，电源馈源291被定位在左侧外壳130l内部的左上侧，以从电源239为各组件提供电力。遍及左侧外壳130l的都是用于向各组件提供电力以及表示指令和值的数据的各示例性电连接228(228a、228b、228c、228d和228e)。电连接的一示例是与控制电路系统136对接的柔性电缆228b，其可在框架顶部部分117的内部(如图1所示)或在其他地方，诸如在侧臂102之上或之内。

左下方开始是外壳结构222h，其包围由表示外壳结构222h的虚线围绕的三维空间内的组件。外壳结构222h为照明单元222的组件(诸如该照明单元222的一个或多个光源)和至少显示器照明驱动器247提供支撑和保护性覆盖。显示器照明驱动器247将数字指令转换为模拟信号以驱动构成照明单元222的一个或多个光源，如激光器或LED。柔性电缆228c也提供电连接。在该实施例中，照明被定向至诸如反射镜的光导元件227(被表示为虚线)，该光导元件227在光学系统外壳220h之内。后面是在光学系统外壳220h之内的光导元件227和光导元件224(也被表示为虚线)之间的附加元件(如另一偏光镜)。

光学系统外壳220h包括投影光学系统220的各组件，诸如本文讨论的各实施例。在该实施例中，光学系统外壳220h在虚线290下方延伸到箭头294，并包括如箭头298所指示的略微在虚线290上方延伸以及如箭头296所指示的在左边延伸的其部分，该光学系统外壳220h使各组件沉浸在高折射率玻璃中。在光学系统外壳220h的该视图中，从光导元件227反射出的照明被定向至光导元件224，光导元件224将光定向通过双合透镜外壳226h中的双合透镜226至由被置于双合透镜226上方的芯片外壳230h来定位的微显示器230。从微显示器230(如在由图3A示出的实施例中)反射的光被偏振并反射到鸟盆型光学元件234(在图7中被示出为虚线圆)。鸟盆型光学元件234的弯曲反射表面238的背面从该视图的页面向外朝向。反射的图像光被反射到页面中，其中波导123的具有一个或多个输入衍射光栅的一部分(未示出)在该视图中延伸到显示单元112的左边和光学系统外壳220h的下边，以便耦合外置出射光瞳121(未示出)的图像光。

在一些实施例中，从芯片外壳230h的顶部到光学系统外壳220h的由箭头294所指示的垂直底部的距离在20毫米之内。在一实施例中，该距离为约17mm。这一实施例中所布置的组件包括微显示器230、光学补偿镜228、双合透镜226、光导元件224、光导元件232、鸟盆型光学元件234和四分之一波片236(如布置在图3A的实施例中)。此外，在一实施例中，光学系统外壳220h从其最左侧296到箭头292处的右侧延伸在约30毫米之内。

在替换实施例中，图7中示出(或本文描述)的电子元件和光学元件可被置于具有一个或多个不同或组合的支承外壳和/或结构的替换取向或布置中。在替代实施例中，非球面元件和/或非球面凹凸透镜可被置于左侧外壳1301中和/或外置于左侧外壳1301。

图8是从用于由近眼显示器设备显示图像数据或光(诸如计算机生成的图像(CGI))的软件角度来看的一系统的一实施例的框图。图8示出了从软件角度来看的计算环境54的一实施例，该计算环境可由如NED系统8之类的系统、与一个或多个NED系统通信的网络可访问计算系统12或其组合来实现。此外，NED系统可与其他NED系统通信以共享数据和处理资源。

如本文所述，正在执行的应用确定要显示哪些图像数据，其一些示例为本文、电子邮件、虚拟书或游戏相关图像。在此实施例中，应用162可正在NED系统8的一个或多个处理器上执行，并且与操作系统190和图像和音频处理引擎191通信。在所例示的实施例中，网络可访问计算系统12也可正在执行该应用的版本162N以及其他NED系统8，网络可访问计算系统12与所述其他NED系统8通信以增强体验。

在一实施例中，应用162包括游戏。在实施例中，游戏可被存储在远程服务器上并从控制台、计算机或智能电话购买。游戏可整体或部分在服务器、控制台、计算机、智能电话上或在其任何组合上执行。在实施例中，多个用户可使用标准控制器、计算机、智能电话、或伴随设备来与游戏交互并使用空中姿势、触摸、语音或按钮来与游戏通信。

一个或多个应用的应用数据329也可被存储在一个或多个网络可访问的位置中。应用数据329的一些示例可以是针对以下各项的一个或多个规则的数据存储：将动作响应链接到用户输入数据的规则、用于确定响应于用户输入数据要显示哪些图像数据的规则、可向姿势识别引擎193注册的自然用户输入(如与应用相关联的一个或多个姿势)的参考数据、一个或多个姿势的执行准则、可向声音识别引擎194注册的语音用户输入命令、可向图像和音频处理引擎191的可选物理引擎(未示出)注册的与应用相关的虚拟对象的物理模型、以及场景中的虚拟对象和虚拟图像的对象属性(如色彩、形状、面部特征、着装等)。

如图8中所示，计算环境54的软件组件包括与操作系统190通信的图像和音频处理引擎191。图像和音频处理引擎191的所示实施例包括对象识别引擎192、姿势识别引擎193、显示数据引擎195、声音识别引擎194、以及场景映射引擎306。各个体引擎和数据存储通过发送标识要处理的数据的请求以及接收数据更新的通知来提供对应用162可利用来实现其一个或多个功能的数据和任务的支持平台。操作系统190促进各个引擎和应用之间的通信。操作系统190使得以下对各个应用可用：对象识别引擎192已标识的对象、姿势识别引擎193已标识的姿势、声音识别引擎194已标识的语言或声音、以及来自场景映射引擎306的对象(现实对象或虚拟对象)的位置。

计算环境54还将数据存储在(诸)图像和音频数据缓冲器199中，图像和音频数据缓冲器199提供用于可从各种源捕捉或接收的图像数据和音频数据的存储器以及用于要被显示的图像数据的存储器空间。缓冲区可存在于NED(例如，作为总存储器244的一部分)上并且还可以存在于伴随处理模块4上。

在许多应用中，将显示与现实环境中的现实对象相关的虚拟数据(或虚拟图像)。图像和音频处理引擎191的对象识别引擎192基于来自面向外的图像捕捉设备113的捕捉到的图像数据以及捕捉到的深度数据(如果可用)、或根据由捕捉设备113捕捉到的现实环境的图像数据通过立体观测确定的深度位置，来检测和标识出显示器视野中的现实对象、它们的朝向以及它们的位置。对象识别引擎192通过标记对象边界(例如使用边缘检测)并且将对象边界与结构数据200进行比较来将现实对象彼此区分开。除了标识出对象的类型以外，可以基于与所存储的结构数据200的比较来检测所标识出的对象的朝向。可通过一个或多个通信网络50访问的结构数据200可以存储要比较的结构化信息(诸如结构化模式)以及作为模式识别的基准的图像数据。基准图像数据和结构化模式也可在存储在基于云的存储本地或可在基于云的存储中访问的用户简档数据197中得到。

场景映射引擎306追踪现实和虚拟对象在显示器视野的3D映射中的三维(3D)位置、取向、和移动。基于与对象识别引擎192的通信或导致图像数据被显示的一个或多个执行中的应用162，图像数据将被显示在用户的视野中或围绕用户的体空间的3D映射中。

应用162针对由图像数据所表示的且由应用控制的对象来标识显示器视野的3D映射中的目标3D空间位置。例如，直升机击落应用基于击落虚拟直升机的用户的动作来标识直升机的位置和对象属性的改变。显示数据引擎195执行转换、旋转和缩放操作以用于以正确的大小和视角显示图像数据。显示数据引擎195将显示器视野中的目标3D空间位置与显示器单元112的显示坐标进行相关。例如，显示数据引擎可存储每一可分开寻址的显示位置或区域的图像数据(例如，像素，在Z缓冲区和分开的色彩缓冲区中)。显示器驱动程序246将每一显示区域的图像数据转换成对微显示器电路系统259或显示器照明驱动器247或两者的数字控制数据指令以供图像源控制图像数据的显示。

本文描述技术可以用其他具体形式或环境来实施而不背离其精神或实质特性。同样，对于模块、引擎例程、应用、特征、属性、方法和其他方面的特定命名和划分并非是强制性的，且实现本技术或其特征的机制可具有不同的名称、划分和/或格式。

本文描述的技术可用各种操作环境来具体化。例如，NED系统8和/或网络可访问计算系统12可被包括在物联网(IoT)实施例中。IoT实施例可包括可具有经由传感器捕捉信息的能力的设备的网络。而且，这些设备可以能够追踪、解释和传递所收集的信息。这些设备可根据用户偏好和隐私设置行动以传送信息并与其它设备合作地工作。信息可在各个设备中直接传递或经由网络(诸如局域网(LAN)、广域网(WAN)、互联的LAN或WAN的“云”或跨整个互联网)传递。这些设备可被集成到计算机、电器、智能电话、可穿戴设备、可植入设备、车辆(例如，汽车、飞机、和火车)、玩具、建筑物和其它对象中。

本文描述的技术还可具体化在大数据或云操作环境中。在云操作环境中，包括本文描述的数据、图像、引擎、操作系统和/或应用的信息可经由互联网从远程存储设备访问。在一实施例中，模块化的租赁私有云可被用来远程访问信息。在大数据操作实施例中，数据集具有超出通常使用的用于在可容忍的流逝时间内捕捉、创建、管理、和处理数据的软件工具的能力的大小。在一实施例中，图像数据可远程存储在大数据操作实施例中。

图9A-B是用于制造具有诸如滚动式k向量输入衍射光栅等输入衍射光栅的衍射波导的方法实施例的流程图。图9A-B中示出的步骤可由光学元件、硬件组件和软件组件单个地或组合地执行。图9A-B所示的步骤可通过诸如半导体处理步骤等各种不同类型的制造步骤来执行。出于说明性目的，本文描述的方法实施例可提供可以在本文描述的系统和装置实施例的上下文中使用的衍射波导。然而，这些方法实施例和具有特定输入衍射光栅的所得衍射波导不限于在本文描述的系统实施例中操作，而是可以在其他系统实施例中实现。

在一实施例中，以下描述且在图9A-B中示出的步骤951-957示出了制造第一晒印基底或衍射波导层中的至少两个滚动式(或不同的)k向量输入衍射光栅，如图6A所示。在另一实施例中，以下描述且在图9B中示出的步骤958-962示出了制造第二晒印基底或衍射波导的第二层中的至少两个滚动式(或不同的)k向量输入衍射光栅，如图6B所示。

方法950的步骤951通过将第一光线沿着第一光路定向至第一全息图来开始。在一实施例中，第一光线对应于来自图6A所示的光源601和透镜602的光线610a。在一实施例中，第一全息图对应于主全息图603。

步骤952示出了由第一全息图将第一光线衍射到通过第一晒印基底的第二光路。在一实施例中，第一光线从主全息图603中的输入衍射光栅611a衍射到晒印基底604中的点612a。

步骤953示出了将第二光线沿着第三光路定向至第一全息图。在一实施例中，第二光线对应于来自图6A所示的光源601和透镜602的光线610b。

步骤954示出了允许第二光线沿着第三光路穿过第一全息图，第二光线在形成第一晒印基底的第一输入衍射光栅的该晒印基底中的第一点处与第一光线相交。在一实施例中，第一晒印基底中的第一点对应于如图6A所示的输入衍射光栅612a。

步骤955示出了由第一全息图将第二光线沿着第四光路衍射到第一晒印基底。在一实施例中，第二光线从主全息图603中的输入衍射光栅611b衍射到晒印基底604中的输入衍射光栅612b。在一实施例，步骤

图9B所示的步骤956示出了将第三光线沿着第五光路定向至第一全息图。在一实施例中，第三光线对应于图6A所示的光线610c。

步骤957示出了允许第三光线沿着第五光路穿过第一全息图，以使得第三光线在形成第一晒印基底的第二输入衍射光栅的第一晒印基底中的第二点处与第二光线相交。步骤957还示出了第一输入衍射光栅具有相关联的第一k向量以及不同的第二k向量。在一实施例中，第二晒印基底中的第二点对应于输入衍射光栅612b。在替代实施例中，以上描述的步骤中的至少两个步骤可被重复以在第一晒印基底上(诸如在图6A所示的输入衍射光栅612c处)形成更多输入衍射光栅。

步骤958示出了将第五光线沿着第六光路定向至第二全息图。在一实施例中，第五光线对应于来自图6B所示的光源651和透镜652的光线660a。在一实施例中，第二全息图对应于主全息图653。

步骤959示出了由第二全息图将第五光线衍射到通过第二晒印基底的第七光路。在一实施例中，第五光线从主全息图653中的输入衍射光栅611a衍射到晒印基底654中的输入衍射光栅662a。

步骤960示出了将第六光线沿着第八光路定向至第二全息图。在一实施例中，第六光线对应于来自图6B所示的光源651和透镜652的光线660b。

步骤961示出了允许第六光线沿着第八光路穿过第二全息图，以使得第六光线在形成第二晒印基底的第一输入衍射光栅的第二晒印基底中的第一点处与第五光线相交。在一实施例中，第二晒印基底中的第一点对应于如图6B所示的输入衍射光栅662a。在替代实施例中，以上描述的步骤中的至少两个步骤可被重复以在第二晒印基底上(诸如在图6B所示的输入衍射光栅662b-c处)形成更多输入衍射光栅。

步骤962示出了将第一晒印基底耦合到第二晒印基底以使得在第一晒印基底与第二晒印基底之间存在空隙。在一实施例中，可使用粘接材料来耦合晒印基底。在一实施例中，第一晒印基底对应于层256，而第二晒印基底对应于图3A-B所示的层258。

图10是可用于实现网络可访问计算系统12、伴随处理模块4或HMD 2的控制电路系统136的另一实施例的示例性计算系统900(也被称为计算机系统)的框图。计算系统900可主存计算环境54的软件组件中的至少一些。在一实施例中，计算系统900可包括云服务器、服务器、客户端、对等体、台式计算机、膝上型计算机、手持处理设备、平板、智能电话、和/或可穿戴计算/处理设备。

在其最基本配置中，计算系统900通常包括一个或多个处理单元(或核)902或一个或多个中央处理单元(CPU)和一个或多个图形处理单元(GPU)。计算系统900还包括存储器904。取决于计算系统的确切配置和类型，存储器904可以包括易失性存储器905(如RAM)、非易失性存储器907(如ROM、闪存等)或是其某种组合。该最基本配置在图10中由虚线906来例示出。

另外，计算系统900还可具有附加特征/功能。例如，计算机系统900还可包括附加存储(可移动和/或不可移动)，包括但不限于磁盘、光盘或磁带。这样的附加存储在图10中由可移动存储908和不可移动存储910来例示出。

作为处理单元902的替换或附加，本文描述的功能可以至少部分由一个或多个其它硬件逻辑组件来执行或实现。例如，并且但不仅限于，可以使用的硬件逻辑组件的说明性类型包括现场可编程门阵列(FPGA)、程序专用集成电路(ASIC)、程序专用标准产品(ASSP)、片上系统(SOC)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)，及其他类似类型的硬件逻辑组件。

计算系统900还可包含允许该设备与其他计算系统通信的(诸)通信模块912，包括一个或多个网络接口和收发机。计算系统900还可具有输入设备914，诸如键盘、鼠标、笔、话筒、触摸输入设备、姿势识别设备、面部识别设备、追踪设备或类似的输入设备。也可包括输出设备916，诸如显示器、扬声器、打印机或类似的输出设备。

用于与用户对接的用户界面(UI)软件组件可被存储在计算机系统900中并由计算系统900执行。在一实施例中，计算系统900存储并执行自然语言用户界面(NUI)和/或3D UI。NUI的示例包括使用语音识别、触摸和触笔识别、屏上及邻近屏的姿势识别、空中姿势、头部和眼部跟踪、说话和语音、视觉、触摸、悬浮、姿势以及机器智能。NUI技术的具体类别可包括例如触敏显示、话音和语音识别、意图和目的理解、使用深度相机(如立体或飞行时间相机系统、红外相机系统、RGB相机系统及其组合)的运动姿势检测、使用加速度计/陀螺仪的运动姿势检测、面部识别、3D显示、头部、眼睛和注视跟踪、沉浸式增强现实和虚拟现实系统，所有这些都可提供更自然的接口，以及用于使用电场传感电极(EEG和相关方法)的传感大脑活动的技术。

UI(包括NUI)软件组件可至少部分在本地计算机、平板、智能电话、NED设备系统上执行和/或存储。在一替换实施例中，UI可至少部分在服务器上执行和/或存储并被发送至客户端。UI可被生成为服务的一部分并且它可以与诸如社交网络服务等其它服务集成。

附图中例示出的示例计算系统包括计算机可读存储设备的示例。计算机可读存储设备也是处理器可读存储设备。这样的设备包括以用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据等信息的任意方法或技术来实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动存储器设备。处理器或计算机可读存储设备的一些示例是RAM、ROM、EEPROM、高速缓存、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、记忆棒或卡、磁带盒、磁带、媒体驱动器、硬盘、磁盘存储或其他磁性存储设备、或能用于存储信息且可由计算系统访问的任何其他设备。

某些实施例的各方面

一个或多个实施例包括一种装置，该装置包括用于输出图像光的偏振分光镜以及用于将来自该偏振分光镜的图像光反射回偏振分光镜的微显示器，该偏振分光镜重定向该图像光作为重定向图像光。一种衍射波导，具有用于从偏振分光镜接收重定向图像光的输入衍射光栅。来自偏振分光镜的重定向图像光不偏移地穿过输入衍射光栅。四分之一波片从偏振分光镜接收重定向图像光并输出该重定向图像光。弧形反射镜从四分之一波片接收重定向图像光。弧形反射镜将重定向图像光反射并准直回到四分之一波片，四分之一波片将重定向图像光输出至输入衍射光栅。来自四分之一波片的重定向图像光由输入衍射光栅来衍射。

在一装置实施例中，其中衍射波导被包括在提供视野的显示器中，其中衍射波导包括提供该视野的一部分的输入衍射光栅以及提供该视野的第二部分的另一输入衍射光栅。

在一实施例中，其中衍射波导执行另一偏振分光镜的至少一个功能。

在一实施例中，该装置还包括净化偏光镜以及双合透镜，该净化偏光镜从偏振分光镜接收重定向图像光并输出该重定向图像光，该双合透镜从净化偏光镜接收重定向图像光并将该重定向图像光输出到衍射波导。

在一实施例中，其中偏振分光镜、微显示器、弧形反射镜以及四分之一波片中的至少一部分是共平面的和/或被放置在印刷电路板上。

在一实施例中，该装置还包括包含多层的衍射波导。四分之一波片输出重定向图像光通过衍射波导至投射出射光瞳。

在一实施例中，多层中的第一层包括具有第一k向量的输入衍射光栅，而多层中的第二层具有具备第二k向量的另一输入衍射光栅。第一k向量不同于第二k向量。

在一实施例中，该装置被包括在具有投影光引擎和近眼显示器的近眼显示设备中。投影光引擎包括微显示器、偏振分光镜、弧形反射镜以及四分之一波片。近眼显示器包括衍射波导。

一个或多个实施例包括一种方法，该方法包括将第一光线沿着第一光路定向至第一全息图。第一全息图将第一光线衍射到通过第一晒印基底的第二光路。沿着第三光路将第二光线定向至第一全息图。第二光线被允许沿着第三光路穿过第一全息图。第二光线在形成第一晒印基底的第一输入衍射光栅的第一晒印基底中的第一点处与第一光线相交。

在一实施例中，该方法还包括由第一全息图将第二光线沿着第四光路衍射到第一晒印基底。沿着第五光路将第三光线定向至第一全息图。第三光线被允许沿着第五光路穿过第一全息图。第三光线在形成第一晒印基底的第二输入衍射光栅的第一晒印基底中的第二点处与第二光线相交。第一输入衍射光栅具有相关联的第一k向量以及第二k向量，其中第一k总量不同于第二k向量。

在一实施例中，该方法还包括将第五光线沿着第六光路定向至第二全息图。第二全息图将第五光线衍射到通过第二晒印基底的第七光路。沿着第八光路将第六光线定向至第二全息图。第六光线被允许沿着第八光路穿过第二全息图。第六光线在形成第二晒印基底的第一输入衍射光栅的第二晒印基底中的第一点处与第五光线相交。

在一实施例中，第一全息图与具有第一组波长的第一光相关联，而第二全息图与具有第二组波长的第二光相关联。

在一实施例中，该方法包括将第一晒印基底耦合到第二晒印基底以使得在第一晒印基底与第二晒印基底之间存在空隙。

在一实施例中，第一晒印基底和第二晒印基底形成在近眼显示器中使用的多层衍射波导的第一层和第二层，该近眼显示器在多层衍射波导中的出射光瞳处接收图像光。

一个或多个装置实施例包括计算机系统和具有波导显示器的头戴式显示器。一种装置包括一种提供表示图像数据的电子信号的计算机系统。头戴式显示器响应于该电子信号提供图像光。头戴式显示器包括波导显示器。波导显示器包括用于输出图像光的偏振分光镜。微显示器将来自偏振分光镜的图像光反射回到偏振分光镜，偏振分光镜重定向该图像光作为重定向图像光。衍射波导具有用于从偏振分光镜接收重定向图像光的输入衍射光栅。来自偏振分光镜的重定向图像光不偏移地穿过输入衍射光栅。四分之一波片从偏振分光镜接收重定向图像光并输出该重定向图像光。弧形反射镜从四分之一波片接收重定向图像光。弧形反射镜将重定向图像光反射并准直回到四分之一波片，四分之一波片将重定向图像光输出至输入衍射光栅。来自四分之一波片的重定向图像光由输入衍射光栅来衍射。衍射波导执行另一偏振分光镜的至少一个功能。衍射波导将图像光输出至外置于衍射波导的投射出射光瞳。

在一装置实施例中，其中波导显示器包括视野，且衍射波导包括用于输出该视野的第一部分的输入衍射光栅以及用于输出该视野的第二部分的另一输入衍射光栅。

在另一装置实施例中，该装置包括用于从偏振分光镜接收重定向图像光并输出该重定向图像光的净化偏光镜。双合透镜从净化偏光镜接收重定向图像光并将该重定向图像光输出至衍射波导。

在一装置实施例中，衍射波导包括多层，其中该多层中的第一层包括由第一全息图衍射的第一光线以及穿过第一全息图的第二光线形成的第一输入衍射光栅。

在一装置实施例中，衍射波导包括多层中的第二层。第二层包括由第二全息图衍射的第三光线以及穿过第二全息图的第四光线形成的第一输入衍射光栅。第一全息图与具有第一组波长的第一光相关联，而第二全息图与具有第二组波长的第二光相关联。

在前面的段落中描述的实施例可以与专门描述的替换实施例中的一者或多者相组合。

尽管用结构特征和/或动作专用的语言描述了本主题，但可以理解，所附权利要求书中定义的主题不必限于上述具体特征或动作。相反，上述特定特征和动作是作为实现权利要求书的示例而公开的，并且本领域的技术人员将认识到其他等价特征和动作旨在处于权利要求书的范围内。