具有弯曲光路的虚拟图像显示器的制作方法

附图描述

为更完全地理解本公开，参考以下详细描述和附图，在附图中，相同的参考标号可被用来标识相同的元素。

图1是根据一个示例的具有带弯曲光路的虚拟图像显示器的可穿戴电子设备的示意透视图。

图2是根据一个示例的具有带弯曲光路的虚拟图像显示器的可穿戴电子设备的部分示意透视图。

图3是根据一个示例的图2的可穿戴电子设备的虚拟图像显示器的分解示意透视图。

图4是根据一个示例的图2的可穿戴电子设备的虚拟图像显示器的示意平面图。

图5是根据一个示例的图4的虚拟图像显示器的光栅的示意图。

图6是根据一个示例的图2的虚拟图像显示器的弯曲波导的示意平面图。

图7是根据一个示例的其中可以使用具有弯曲光路的虚拟图像显示器的电子设备的框图。

尽管所公开的设备易于具有各种形式的实施例，但在附图中示出了(并在下文描述了)各具体实施例，其中要理解，本公开旨在是说明性的，而不将本发明限于本文所描述和示出的各具体实施例。

详细描述

可穿戴电子设备包括产生虚拟图像的显示器。虚拟图像可以是有用的，因为人眼对于在短距离(例如，小于几厘米)处聚焦是有困难的。描述了提供虚拟图像的电子设备，不管它在尺寸上被制成以及配置成近眼或其他可穿戴电子设备，诸如眼镜或其他头戴式显示设备。

电子设备可具有带弯曲波导的显示器。弯曲波导可以允许电子设备的显示器是紧凑的。例如，弯曲光路可在头戴式设备中是有用的，因为电子设备可因而在尺寸上和形状上被调整以符合用户的头部。在眼镜示例中，波导的弯曲部和其他部分也可允许投影仪与虚拟图像的位置间隔开，诸如沿镜架的镜腿。波导可有用于在两个横向方向上(例如，在横向上向外和向后)携带来自与虚拟图像位置偏移开的投影仪的光线。

电子设备解决因虚拟图像的产生、弯曲波导的使用以及显示器的其他方面而引起的视野和其他挑战。虚拟图像的产生可导致窄视野。如果显示器被放置在透镜的后焦平面中且人透过该透镜来查看，则虚拟图像被观察到。在这种情形中，图像看起来无限远。如果显示器移动得稍微更远离透镜，则虚拟图像看起来被定位得较不远离，从而允许更改眼睛的适应性调节。在这样的情形中，虚拟图像的视野是显示器的尺寸的函数。该电子设备提供合适的视野而不诉诸于增加显示器或投影仪的大小。此外，合适的视野可由该电子设备提供，而不管源自光学路径在弯曲光路内的折叠的进一步约束。合适的视野因而可被提供，同时避免庞大的设计。

紧凑设计和光路的弯曲性质可以允许电子设备绕用户的头部弯曲。将电子设备环绕用户的头部弯曲可进而有用于支持极限视野。例如，曲率可以在创建极限角度(例如，与用户的视线成90°或约90°)处的虚拟图像时是有用的，而布置成垂直于查看者的视线的平面元件在没有显著变得更大的情况下可能无法提供这样的虚拟图像。

在一些情形中，电子设备被配置成透视显示器，其中虚拟图像叠加在外部世界的图像上。电子设备包括允许用户(除了虚拟图像之外)还看到外部世界的组合器。观察虚拟图像以外的外部世界可以是有用的，例如结合戴在头上的眼镜和其他设备。为提供组合器，用来产生虚拟图像的透镜可由具有光学曲率或体光栅的镜面来代替。电子设备的体光栅或其他组合器是部分地透明的，以允许来自外部世界的光穿透。例如，体光栅可以对于除显示器提供的被该光栅反射的那些波长以外的波长而言是透明的。显示器的附加或替换层或其他组件可以部分地或完全地透明的。

电子设备使用投影仪(例如，视频投影仪)作为用于虚拟图像的显示器。电子设备的波导和其他光学组件所提供的弯曲光路可被配置成使得由投影仪生成的光线来到显示器本来将处于该处的焦点。随后可通过重新聚焦投影仪的透镜来更改查看者适应性调节。

电子设备的其他组件解决由于使用投影仪来产生虚拟图像所引起的挑战。投影仪的位置确定光在击中组合器之后会聚在何处。可通过将所有光线会聚到瞳孔来获得宽视野。然而，设计在宽视野上正确地聚焦的投影仪透镜是有挑战性的。此外，瞳孔一移动，图像就丢失。通过为小凹(fovea)视觉和外围视觉生成分开的虚拟图像(例如，经由分开的显示系统)或者通过经由扫描生成更宽视野(例如，使用可开关光栅的堆叠)，该电子设备解决这样的视野和其他挑战。

各种类型的扫描技术可被使用来顺序地生成图像的各部分以用于小凹视觉和外围视觉两者。在可开关光栅示例中，显示器可以将光线会聚在瞳孔处，并随后使用波导与眼睛之间的可开关光栅来将光线定向到瞳孔的位置。然而，没有可开关光栅是完全有效的。一些观看者可能发现由未衍射光形成的不可接受的模糊双重图像，例如在夜晚或其他低光照条件下。

为避免可开关光栅的这些问题，电子设备的其他示例包括用于小凹视觉和外围视觉的分开的显示系统(或子系统)。小凹视觉系统可被配置成使得虚拟图像的中央部分的光线由投影仪生成并会聚在眼眶中心(或小凹)上。作为结果，中央视觉持续地看到所投影的图像(例如，由投影仪生成的高分辨率图像)。小凹视觉系统可以使用全息投影仪。外围视觉系统(或子系统)被配置成以低(或较低)分辨率显示具有宽视野的虚拟图像，这对外围视觉而言是可接受的。外围视觉系统可依赖于液晶显示器(lcd)和结构化照明。例如，外围视觉系统可包括由会聚穿过瞳孔中心的光线照亮的lcd面板。组合这两个系统因而可解决小凹视觉的窄视野，而没有诉诸于使得投影仪不合实际地大。

弯曲波导、基于投影仪的扫描或小凹/外围子系统以及显示器的其他方面可以提供合适分辨率且具有可接受视野的虚拟图像。例如，视野可以是约120°乘约90°。虚拟图像可按适于人机接口的分辨率来显示，诸如约每弧度2000像素或更大。这样的分辨率和视野水平可通过纤细且紧凑的电子设备来获得，而不管使用组合器还是投影仪来产生虚拟图像。

即使可开关光栅或其他扫描技术是合适地高效和/或有效的，电子设备也仍然可被配置成产生针对小凹的高分辨率图像和针对外围视觉的低分辨率图像。分开的图像可以是有用的，因为用于每一任务的液晶面板的尺寸可被降低。此外，为全息投影仪计算全息图时所消耗的功率也可被降低。

电子设备具有除了以紧凑、合身、非庞大形式实现可接受视野和分辨率之外的多个操作方面。例如，虚拟图像可由电子设备以最小功率使用来提供。功率使用可通过缺少浪费的光而被降低。电子设备所消耗的功率可以是低的，尽管使用基于投影的虚拟图像。虚拟图像也可以用可变焦深来提供，尽管在一些情形中涉及浮雕有光栅的波导。

虽然下文结合近眼或头戴式设备进行了描述，但可结合各种各样的电子设备和显示器来使用内部支撑。电子设备的大小和形状因子可显著改变。设备的显示器的范围可以从其他可穿戴设备(例如，腕表)到用于各种应用的大规模平视显示器。

图1示出了具有显示系统12的电子设备10。显示系统12生成供电子设备10的穿戴者查看的虚拟图像。虚拟图像被投影在穿戴者的眼睛前方。为此，电子设备10被配置成作为眼镜或其他护目镜来佩戴。在这一示例中，显示系统12被布置在眼镜一侧上用于单只眼睛。可在另一侧重复显示系统12，使得为两只眼睛都生成虚拟图像。在一些情形中，为每一眼睛生成相同的虚拟图像。在其他情形中(例如，立体成像)，虚拟图像可以不同。显示系统12的一个或多个组件可由电子设备10的两侧共享。

显示系统12包括投影仪14、组合器16、以及可任选地耦合投影仪14和组合器16的波导18。投影仪14、组合器16、以及波导18中的每一者可被安装在、合并入电子设备10的镜架20内或以其他方式由镜架20承载。在这一示例中，投影仪14被布置在镜架20的镜腿22之内或之上。波导18可以沿镜腿22延伸和/或在镜腿22内延伸以到达组合器16。组合器16被布置在由镜架20的边框26所限定的查看区24内。

投影仪14被配置成提供虚拟图像的光。例如，投影仪14可包括用于产生虚拟图像的光的一个或多个液晶面板。在这一示例中，投影仪14被安装在眼镜的镜架20的组件上。虚拟图像的光被投影仪14以入射角来入射到波导18。入射角决定了光从波导18提取或出射的点或位置。

在一些情形中，投影仪14可被用来产生用于小凹或外围视觉两者的光。例如，针对小凹和外围视觉两者的图像可通过扫描(例如，可开关光栅)来提供。投影仪14的一个或多个组件或方面可被控制以支持这样的扫描。

在其他情形中(例如，分开的显示系统情形)，投影仪14可被用来只支持小凹视觉。显示系统12可相应地包括多个投影仪(例如，一个用于小凹视觉而一个用于外围视觉)。投影仪可被安装或以其他方式布置在框架20之上或之内的不同位置处。例如，投影仪14可被布置在镜腿22的远端处，而另一投影仪可被布置在镜腿22的近端处(例如，靠近边框26)。该另一投影仪可被用来提供用于外围视觉系统的背光单元的光。

在虚拟图像的光通过全内反射(tir)从投影仪14行进以到达组合器16时，波导18约束该光。波导18因而将投影仪14与组合器16之间的光学路径折叠。波导18可包括多个部分以延伸超出镜腿22并将光递送到组合器16和查看区24。虚拟图像的光沿投影仪14与组合器16之间的弯曲路径行进。在图1的示例中，波导18包括在镜腿22的长度上延伸的部分28、靠近边框26耦合到镜腿22的位置的弯曲部30、以及与组合器16共同延伸的延伸部32。部分30被布置在部分28、32之间并且限定弯曲路径。结合图2来示出并描述波导18和相应部分28、30、32的另一示例。结合图3、4和6的示例来示出和描述延伸部32的示例。

弯曲路径被配置成对虚拟图像的光进行重定向。波导18的弯曲性质允许投影仪14与查看区24间隔开。在这一示例中，投影仪14在横向上向外并且向后与查看区24间隔开。电子设备10因而可避免布置在边框26之处或附近的庞大组件。

波导18可由各种材料组成。在一些情形中，波导18包括丙烯酸塑料/pmma(聚甲基丙烯酸甲酯)或聚碳酸酯材料或由这些材料制成。可以使用附加或另选的材料，诸如trivex或更高折射率聚合物。

组合器16进一步被配置成允许来自波导18之后的外部或其他环境光穿过组合器16。组合器16因而可以是部分地透明的以允许外部世界的光到达观看者以供叠加在虚拟图像上。在一些示例中，组合器16包括在除来自投影仪14的波长(其被组合器16朝观看者反射(或基本上反射))之外的所有波长处透明(或基本上透明)的体光栅。体光栅的节距可根据位置而改变以将光朝着观看者来定向。结合图6描述并示出了合适的组合器的另一示例。

一旦光到达组合器16，该光就从波导18出射以供组合器16朝着观看者来重定向。如本文所描述的，光从波导18的出射或提取可得自波导的锥形化或者与嵌入在波导18的多个体全息图的交互。在任一情形中，波导18被配置成在由入射角所确立的点处(例如，沿波导18的位置)出射光。

显示系统12可以按各种方式与镜架20或电子设备10的其他结构组件集成在一起。显示系统12的一个或多个元件可外部地安装在(这些)结构组件上。作为替换或补充，一个或多个元件在结构组件内部或者以其他方式布置在结构组件之内或与其集成在一起。例如，波导18的部分28可被布置在镜架20之内，而其他部分30、32可以在镜架20外部。

电子设备10的多个电子控制组件在图1中的34处示意性地以易于解说形式示出。控制组件中的许多控制组件可被布置在控制模块中。然而，控制模块(和/或任何其他组件)的位置可以与所示示例有相当大的改变。控制组件34可涉及处理、存储、数据捕捉(例如，相机)、以及功率(例如，电池功率)。结合图7描述并示出与控制组件34有关的进一步细节。

电子设备10可穿戴的方式可以变化。其他类型的可穿戴式安装可被使用以将虚拟图像定位在穿戴者眼睛前方的短距离处。例如，电子设备10可包括具有显示面甲的头盔。在这些和其他情形中，电子设备10可包括一个或多个透镜、滤光器和/或布置在查看区之中或附近的其他光学元件。透镜或其他元件可被配置成校正所投影图像的焦点和/或其他方面以用于穿戴者的舒适度和视觉需求。

图2描绘了可穿戴电子设备40的显示器40的另一示例。如在上述示例中，显示器40具有弯曲波导42。在这一示例中，电子设备40可被配置成护目镜或其他戴在头上的设备。波导42可包括丙烯酸塑料/pmma、聚碳酸酯、和/或其他材料或由这些材料组成。

波导42包括从投影仪46延伸的部分44，沿组合器50布置的部分48，以及在这两个部分44、48之间的弯曲部52。在一些情形中，波导42的部分44、48、52可本身形成护目镜的结构组件。例如，部分44可以形成或对应于护目镜的沿观看者的太阳穴延伸的一侧。另选地，部分44可被安装在显示器40(或电子设备)的充当护目镜侧面的另一组件上、沿其延伸、或以其他方式与其集成在一起。弯曲部52可被成形和调整大小，以使得显示器40包裹查看者的头部。部分48可形成或对应于限定显示器40的查看区的前侧，跨查看者的眼睛延伸。另选地，部分48可被安装在显示器40(或电子设备)的充当护目镜的前侧的另一组件(诸如透明挡板)上、沿其延伸、或以其他方式与其集成在一起。

部分44、48、52中的一者或多者可随着距投影仪46的距离增加而扇形散开(fanout)。在图2的示例中，部分44从光入射到的端54渐进地扇形散开。端54可具有大小与投影仪46的输出面相匹配的面。另选地，端54可以大于投影仪46。在任一情形中，部分44的高度尺寸可随着距端54的距离增加而增加。在高度尺寸增加时，在光从端54传播通过波导42时，光可分散。因这样的分散和/或波导42的曲率造成的任何像差可通过由投影仪46产生的全息图来解决。全息图可使所投影的光的波前预失真，以使得在像差之后，该波前变得行为良好。

在图2的示例中，沿组合器50的波导部48是锥形的。示例性波导锥在图3和4的示例中更好地描绘。该锥形成楔形波导，使得传播通过波导42的光在某一数目的反射之后最终超过tir临界角。反射数目取决于光入射到波导42的角度。一旦超过临界角，光就退出波导42并且反射离开组合器50以重定向到观看者。在其他情形中，波导部48没有锥形化。相反，可使用嵌入在波导42中的体全息图来提取光。在这样的情形中。体全息图也可充当组合器50，如结合图6的示例描述并示出的。

电子设备40的显示器可包括在波导部48前方的一个或多个组件。在这样的情形中，这(些)组件被示意性地描绘成单个层56，但可包括任何数目的层。在一些情形中，层56表示堆叠在波导部48前方的用于将图像定向到瞳孔的位置的数个可开关光栅。在其他情形中，层56表示用来产生外围视觉的虚拟图像的液晶显示器(lcd)系统。lcd系统可包括数个膜或层，包括例如多层lcd面板和一个或多个偏振滤光器。结合图3-5的示例提供了与这些显示组件有关的进一步细节。

投影仪46可以是全息投影仪。投影仪46可包括用于产生全息图像的数个液晶面板。在一些示例中，液晶面板可被配置成用作一个或多个衍射光栅来显示全息图像。为易于解说，投影仪46被描绘为具有用于这样的衍射的单个液晶面板58。激光束60或其他光源照亮液晶面板58。附加液晶面板可被提供用于衍射。液晶光栅将光衍射到该光需要到达的位置，而非阻塞光到达该光不需要的位置(这是例如将液晶面板放置在投影透镜的焦平面中的视频投影仪的情形)。投影仪46因而可比非全息投影仪浪费更少的光。然而，在其他情形中，可以使用非全息视频投影仪。例如，可改为使用扫描光束投影仪，例如结合本文演示的其他示例所描述的。

投影仪46所产生的全息图也可用作透镜。投影仪46可以显示透镜的全息图以更改距虚拟图像的光线聚焦位置的距离。全息透镜可另选地或另外地被用来校正在传播通过波导42期间所引入的像差，包括来自弯曲部52、楔形部48、或波导42的其他部分的像差。

全息投影仪的扇出角对于总体所需视野而言可能很窄。然而，如果投影仪46只被用于中央或小凹视觉(并且分开的lcd系统被用于解决外围视觉)，则该扇出角是没有问题的。在扫描光束情形中，可以用例如dc偏置或其他控制信号来驱动扫描仪，以将图像写到小凹看到的区域。只解决小凹视觉也可将功耗限制到可接受水平。尽管全息图的计算一般可涉及大量功率，但可仅经由小全息图来解决中央视觉。

在图2的示例中，全息投影仪46包括用于根据小凹的位置来移动所投影的图像的数个附加组件。在眼睛移动到新位置时，所投影的图像可相应地保持对观看者可见。在这一情形中，附加组件将所投影的图像在波导42的表面上四处移动，而没有移动部件。然而，在其他情形中，可以使用一个或多个移动部件，诸如镜。移动所投影的图像的一种方式是更改照亮液晶面板58的角度。例如，液晶光栅62可被布置在液晶面板58与光源60之间以更改该角度。在这一示例中，望远镜64也被用来放大来自液晶光栅62的扫描角。

波导的构造可以与结合图1和2示出并描述的示例不同。例如，波导可以是或包括均匀曲率半径的曲线。弯曲的程度可以变化。在一些情形中，该曲线的一端可被布置在投影仪之处或附近，而该曲线的相对端可被布置在观看者的鼻子之处或附近。在这样的情形中，显示系统的一个或多个其他组件也可被弯曲，诸如lcd面板。

图3描绘了其中经由弯曲波导72来递送用于虚拟图像的光的另一显示系统70。弯曲波导72的仅一部分可以易于解说显示系统70的弯曲路径和其他光学组件的形式被示出。在这一示例中，波导72包括弯曲部74和楔形波导部76。楔形波导部76被锥形化以根据光入射到波导72的角度在楔形波导部76内的数个反射之后出射光。

显示系统70是包括用于小凹视觉的子系统和用于外围视觉的子系统的显示器的一个示例。与由来自波导72的光所提供的虚拟图像相比，由外围视觉子系统所产生的图像可具有较低分辨率。虚拟图像的较高分辨率对于通过小凹来观看可以是适当的。外围图像的较低分辨率可对于观看者的外围视觉而言是可接受的。

小凹视觉子系统包括波导72、投影仪78、以及组合器80。外围视觉子系统包括背光面板82、lcd面板84、以及偏振器86。在这一示例中，各子系统组件被布置成以背光单元82处于最后方位置，此后按从后至前的次序是组合器80、楔形波导部76、lcd面板84、以及偏振器86。背光面板82在lcd面板84后方以照亮lcd面板84，并且偏振器86被定位在lcd面板84前方以创建lcd图像。其他组件的相对位置可与所示示例不同。例如，楔形波导部76和组合器80可被定位在背光面板82后方。

在图3的示例中，单个投影仪被用于这两个子系统。投影仪78产生用于小凹视觉的虚拟图像的光线以及用于由背光面板82提供的照明的光线。在其他情形中，多个投影仪或其他光源可被使用。例如，一个或多个发光二极管(led)或其他发光器件可沿背光面板82的边缘布置以充当外围视觉子系统的相应光源。

子系统组件中的一些以分解形式描绘以易于解说。在一些情形中，各子系统组件被毗邻地堆叠。或者，子系统组件中的一些或全部由无源膜或其他间隔件来与相邻组件分隔开。在又一些其他情形中，子系统组件中的一些或全部由气隙分隔开。各子系统组件可被安装在框架或其他结构中，诸如镜架的边框。

在小凹子系统中，投影仪78将光以确定光从楔形波导部76的出射点以与组合器80交互的入射角来入射到波导72。在这一示例中，光在从镜88(例如，45度镜)反射离开之后被入射到波导72。镜88可以是部分透明的以选择要被用于小凹视觉子系统的光。在一些情形中，镜88可被用来确立入射角。例如，镜88可以是可旋转的或以其他方式可移动的。在反射离开镜之后，光行进通过波导72在投影仪78与组合器80之间的弯曲部74。镜88可包括用于以所需入射角来捕捉和/或定向光的附加光学组件(例如，透镜)。

投影仪78所生成的光也可由外围视觉子系统来使用。在图3的示例中，没有被镜88反射的光不进入波导72。相反，该光行进到背光面板82。该光可由分开的波导来引导。该光在图3中被示为行进通过自由空间以易于解说。或者，用于外围和小凹视觉子系统两者的光经由同一波导72以时间复用方式来传播。

在这一示例中，组合器80包括布置在楔形波导部76的背面上的部分透明膜或其他层。部分透明度允许来自显示器70后方的光穿过并到达观看者。从楔形波导部76出射的光被反射以朝着观看者重定向。在一些情形中，组合器80的透明度取决于光的波长。例如，组合器80可包括具有波长相关反射率的体光栅。在其他情形中，组合器80包括嵌入在波导76中的一组体全息图。体全息图也可被用于光提取，在这种情形中，波导76可以在查看区中不是楔形的。

转向外围视觉子系统，背光面板82可被配置成生成用于照亮lcd面板84的会聚光线。在会聚光线照亮lcd面板84之后，该光线可如同穿过置于显示器前方的针孔那样来起作用以投影显示器的聚焦在任何距离处的图像。通过使用会聚到针孔本来所处的点处的光线照亮lcd面板84来达到相同效果。在这种情形中，该点与观看者的瞳孔相对应。因此，在视网膜上形成图像，该图像由于大景深而看起来是虚拟的。

背光面板82也可被配置成使得光线会聚的点移动以匹配眼睛的当前位置。在瞳孔移动时，光线会聚到的点也移动以允许观看者仍然看到虚拟图像。为移动该位置，背光面板82可包括体全息图或多重记录全息图的阵列90。每一体全息图被配置成在激励之际将光线定向到可能瞳孔位置中的相应一个。

可能的瞳孔位置可如下确定。瞳孔具有约2毫米的最小直径。在这一大小处，瞳孔可移动到离散数目的独立(即，不交叠)位置。在一些情形中，存在约37个独立的位置。这些位置可分布在一区域(例如，六边形区域)上，其中约7个像素横跨该区域。因而，在一个示例中，约37个体全息图被记录在背光面板82中，每一瞳孔位置一个体全息图。

如果以每一体全息图被记录的角度来照亮该体全息图，则该体全息图衍射。每一体全息图是以相应(即，不同)角度来记录的。因而，以特定角度将光提供到背光面板82选择体全息图中的相应一个来进行激励。光入射在背光面板82上的角度可以按各种方式来确定。在图3的示例中，入射角由可旋转镜92来确定。来自投影仪78的没有进入小凹视觉子系统的波导72的光被可旋转镜92重定向朝着背光面板82，如图所示。

该光可按所需入射角以其他方式被定向或重定向朝着背光面板82，包括例如经由具有一组体全息图的另一面板。背光面板82可被认为是包括附加面板、可旋转镜92、和/或用来照亮lcd面板84的其他组件的背光单元的组件。背光单元可由配置成跟踪或以其他方式确定瞳孔的位置的瞳孔跟踪模块控制。瞳孔跟踪模块可接收指示由相机捕捉的图像数据的数据，如结合图7的示例描述的。

偏振器86过滤该光以产生外围图像。lcd面板84在逐像素的基础上改变由背光面板82所提供的光的偏振。在一个示例中，偏振器86是具有在例如垂直方向上取向的传输轴的线性偏振器。lcd面板84因而被控制来为处于“开启(on)”状态的每一像素产生垂直偏振光，并为处于“关闭(off)”状态的每一像素产生水平偏振光。由小凹视觉子系统所产生的光也可以被垂直地偏振以避免被偏振器86阻塞。尽管来自外部世界的环境光可能未被垂直地偏振，但足够环境光是非偏振的以允许观看者看到显示器70后方。

在图3的示例中，由背光面板82提供的光不完全覆盖查看区。背光面板82的区域94不向lcd面板84提供光，从而导致lcd面板84的非照亮区域96。区域96在背光面板82没有照亮区域96的意义上是非照亮的。

lcd面板84的非照亮避免了与小凹图像的光相冲突。区域94和96与其中产生小凹图像的区域98相对应。区域98的定位由入射角确定，如上所述。

lcd面板84还可被控制以使得像素在lcd面板84的区域96中是不活动的。像素的停用导致从楔形波导部76出射的光穿过lcd面板84，而没有被液晶进行偏振修改通过不在区域94中照亮lcd面板84，并且通过停用区域94中的像素，外围图像被限于查看区的外围。区域94和96的定位是根据区域98的定位来调整的。在其他情形中，lcd面板84被控制来修改穿过区域96的小凹图像的光的偏振，以使得该光与偏振器86的传输轴相匹配，并且小凹图像是可看见的。

外围视觉子系统可以使用时间复用(而非色彩滤波器)来提供彩色图像。缺少色彩滤波器在允许来自外部世界的光到达观看者方面可以是有用的。时间复用可被实现，因为lcd面板84可具有适用于外围视觉的粗分辨率。例如，该分辨率可以与具有约100微米大小的像素相对应，这导致只有约300水平行。较低分辨率也可以是有用的，因为lcd面板84具有低(或稀疏)晶体管密度。因此，来自lcd面板84后方的较少光被lcd面板84的晶体管遮挡。

投影仪78可包括一个或多个激光器或其他光源。投影仪78可以是全息投影仪，如上所述。在图3的示例中，投影仪78包括用于为小凹和外围视觉子系统两者提供光的单个激光器100。投影仪78还可包括一个或多个液晶层，如上所述。在这一示例中，投影仪78包括液晶光栅102和液晶显示器104。液晶显示器104可包括或被配置成硅上液晶(lcos)设备。

图4描绘了其中通过扫描来产生虚拟图像的小凹和外围部分两者的示例性显示器110。使用扫描，而非由分开的显示系统或子系统来分开地处置外围图像。扫描允许获得宽视野，而不管使用导向光的基于投影的系统所产生的窄视野。扫描允许该光会聚在观看者的瞳孔111处，即使瞳孔的位置改变。在使用扫描的情形中，显示器110可通过产生用于小凹和外围视觉两者并用于瞳孔的所有可能位置的图像来获得宽视野。

显示器110包括配置成将光会聚在多个可能的瞳孔位置处的扫描仪112。扫描仪112将光顺序地定向到多个可能的瞳孔位置中的每一可能的瞳孔位置。在图4的示例中，扫描仪112包括与楔形波导116相邻地布置的可开关光栅114的堆叠。可开关光栅114的堆叠可被布置在观看者的瞳孔与组合器118之间的任何位置处。在操作中，从楔形波导116出射的光被组合器118重定向并随后被可开关光栅114中的一者或多者导向到可能的瞳孔位置之一。每一光栅114可由光栅控制器或其他控制器(诸如处理器所实现的光栅控制模块(其示例在下文结合图7描述))所提供的相应控制信号单独地控制以用于选择性激活。

该堆叠中的每一光栅114所引入的导向(或偏转)的量和方向可以变化。例如，光栅114的子集120可被配置成在垂直方向上导向，而子集122可被配置成在水平方向上导向。在图4的示例中，提供总共六个光栅114，其中每一子集120、122中具有光栅114中的三个。每一光栅114所提供的导向的量可以改变以按瞳孔位置的粒度来覆盖瞳孔位置的所有整个范围。例如，子集120中的垂直光栅114之一可以接转1度垂直导向，而其他两个垂直光栅114接转2度和4度。子集122中的水平光栅114可按类似的方式配置。

通过激活垂直光栅114的各种组合，扫描仪112可以覆盖瞳孔111的可能位置的范围。在最小时，瞳孔111具有约2毫米直径。在这一大小，瞳孔可驻定于在水平方向上没有交叠的七个位置之一以及在垂直位置中没有交叠的七个位置之一。因而，在一个示例中，每一方向(垂直和水平)上的离散数目的可能瞳孔位置偏移是七个。对于七个可能性，每一子集120、122中三个可开关光栅114足以覆盖每一离散位置。例如，如果每一离散位置对应于1度偏转，则位置偏移的范围是0-7度。该范围可以用每一子集120、122中的三个光栅来覆盖，因为最大偏转可通过激活所有三个光栅来达到(即，1+2+4度，其中每一光栅都被激活)，并且中间的每一单独偏移(1-6度)可通过小于全部三个光栅的相应组合来覆盖(例如，4度＝1度+3度)。在其他情形中，每一偏移所呈现的度数可以不同，但每一子集120、122中的三个光栅114可解决每一可能偏移，如果光栅114所提供的偏转的比率是1:2:4的话，如上所述。

显示器110可包括投影仪124和弯曲波导部126以将虚拟图像的光线提供给组合器118。如在上述示例中所述，光线在远离观看者眼睛的方向上从波导126出射，并随后由组合器118反射回眼睛。投影仪124和弯曲波导部126可如上所述地配置。例如，投影仪124可被配置成以确定光从楔形波导116出射的位置的角度将光入射到弯曲波导部126(或波导的其他部分)。其他示例可以使用其他技术来在由入射角确定的位置处从波导提取光，包括例如嵌入式体全息图。

每一可开关光栅114可以是液晶衍射光栅。每一可开关光栅114可以通过用紫外光在液晶和光敏聚合物的混合物中记录干涉图来形成。例如，液晶层可以在存在电磁场的情况下衍射很高比例(例如，99％)的p偏振光并且在其不存在的情况下不衍射。在这种情形中，可开关光栅114被配置成偏转来自投影仪124的光，但不偏转环境光。然而，在任一状态中，s偏振光没有被液晶层衍射。因此，显示器110可包括用于确立环境光是s偏振的偏振器(例如，在组合器118后方)。

液晶光栅可被布置在相应膜或层中，如图所示。或者，多个光栅被布置在共同的膜或层中。该堆叠中的各可开关光栅114的相对位置可与所示示例不同。

其他类型的扫描技术可被使用以将光会聚在各个瞳孔位置，并且因而为观看者的小凹和外围视觉产生宽视野。例如，投影仪124可包括全息扫描仪或由全息扫描仪照亮。全息扫描仪可以将虚拟图像定向到小凹，而不管小凹的位置如何。声光调制或电湿润棱镜可另选地或另外地被用来实现扫描。在其他情形中，可以使用其他类型的可开关光栅，包括例如可开关bragg光栅、由聚合物-液晶-聚合物(policryps)片制成的光栅、或polifem光栅。在又一些其他情形中，可开关bragg光栅可被使用。在又一些其他情形中，经由点状光(pinlight)显示系统来提供外围图像，这可使用散焦点光源(例如，布置在眼睛前方的焦点未对准的点光源阵列)来提供宽视野。

图5描绘了根据一个示例的可开关光栅114之一。每一可开关光栅114可被像素化以根据位置来调制或调整由相应可开关光栅114提供的导向的量。在这一示例中，可开关光栅114具有八列和四行像素。像素的数目可显著地变化。

像素化所提供的调制可在细调导向的量时是有用的。跨光栅114的整个横向和垂直范围使用恒定节距光栅来进行导向可造成散焦。例如，在光线会聚到来自宽视野的点时，在没有不可接受的散焦的情况下该点可能不能通过添加恒定节距光栅而被移动。在没有调制的情况下，得自光栅114的偏转可依赖于光栅114与瞳孔之间的距离(或即路径长度)。路径长度可显著地在宽视野上变化。为避免散焦，每一可开关光栅114可被像素化，或者拆分成各离散区域，使得可在每一区域中提供适当的导向量。例如，如果图5中示出的光栅114被配置成一般提供水平方向上的2度导向，则各单独像素或区域132-135可分别提供1.96度、1.98度、2.00度以及2.02度导向。水平子集中的其他光栅114可被类似地像素化。光栅114的各种组合的激活因而可使得所有光线进入瞳孔。

图6描绘了具有嵌入在波导144中的组合器142的示例性波导140。波导144可具有弯曲部146和处于显示器查看区中的部分148。组合器142被嵌入在波导144的背面。在这一示例中，组合器142提供提取和重定向功能两者。组合器142包括嵌入在波导144的部分148中的一组体全息图(在150处示意性地描绘)。每一体全息图150可被记录，使得光线在所需(固定)或预定数目的tir反射之后被提取。以此方式，从波导144提取是基于入射角的，如上所述。每一体全息图150还朝观看者反射或重定向所提取的光。所提取的光被重定向在经由体全息图的记录而确立的预定方向上。因而，每一体全息图150可被配置成在被激励时将光重定向在与光的入射tir角不同的方向上。

波导140和组合器142的组合可以是有用的，因为波导140没有表面以一角度被布置。因此，该组合可避免观看者的眼睛通过倾角相反的棱镜查看从而导致观看者斗鸡眼的情况。对于楔形波导，波导的楔形部的背面或正面以相对于其他显示组件成一定角度被布置。相反，波导140的正面和背面是平行的。结果，其他显示组件可被堆叠或以其他方式相邻于波导140，而没有进一步的偏角或角偏移。

将组合器142嵌入波导140还可造成更薄的设备轮廓。与本文中描述的楔形示例不同，分开的组合器没有被添加到波导140的背面。

图7示出示例性电子设备700，该电子设备具有电子模块702以及显示模块704(或系统)、电池706以及相机708。电子设备600可包括更多的、更少的或替换的组件。例如，显示模块704可与电子设备700的电子模块702和/或其它组件以不同的程度集成。例如，电子模块702和/或显示模块704可包括电子设备700的图形子系统。可包括任何数量的显示模块或系统704。例如，可向观看者的每一只眼睛提供一个显示系统704。每一显示系统704可根据上述示例中的一者或多者来配置。

相机708被配置成捕捉指示观看设备700的显示器的观看者的瞳孔的图像的数据。相机708可以是任何图像捕捉设备，包括例如电荷耦合器件(ccd)图像传感器或有源像素传感器(诸如cmos传感器)。相机708还可被配置成生成指示瞳孔位置的数据。这样的数据可另选地或另外地由电子模块702生成。

在这一示例中，电子模块702包括处理器710和与显示模块704分开的一个或多个存储器712。处理器710和存储器712可涉及执行由设备700实现的一个或多个应用。例如，显示模块704可生成用于由处理器710和存储器712支持的操作环境(例如，应用环境)的用户界面。处理器710可以是通用处理器，诸如中央处理单元(cpu)、或者任何其他处理器或处理单元。任何数量的此类处理器或处理单元可被包括。

在图7的示例中，电子模块702包括图形处理单元(gpu)714和固件和/或驱动器716。gpu714可专用于图形相关或显示相关的功能和/或提供通用处理功能。电子模块702的一些组件可被集成。例如，处理器710、一个或多个存储器712、gpu714和/或固件716可被集成为片上系统(soc)或应用专用集成电路(asic)。电子模块702可包括更多的、更少的或替换的组件。例如，电子模块702可不包括专用图形处理器，而是可依赖于cpu710或其它通用处理器来支持电子设备700的图形相关的功能。电子模块702和/或显示模块704可包括(一个或多个)附加存储器以支持显示相关的处理。

在图7的示例中，显示模块704包括一个或多个投影仪718、数个光学组件720、背光单元(blu)721、一个或多个lcd面板或单元722、以及可开关光栅723。投影仪718可以是全息投影仪和/或以其他方式来配置，如上所述。在一些情形中(包括使用扫描来产生宽视野的那些情形)，显示模块704包括用于小凹图像的高分辨率投影仪和用于外围图像的低分辨率投影仪。

额外的、更少或替换的显示器组件可被提供。例如，在一些情形中，诸如使用扫描的那些情形，显示模块704不包括背光单元721。在一些情形中，lcd面板中的一者或多者可被集成在投影仪718内。取决于外围图像是否由分开的lcd子系统来处置，可开关光栅723可以或可以不被包括，如上所述。显示模块704可包括数个其他组件，包括例如数个无源光学组件，诸如虚拟图像的光在其中从投影仪行进通过以到达组合器的波导，如上所述。有源光学组件被示出在图7的框图中以易于解说。

显示模块704和相机708的操作可由电子模块702通过执行存储在存储器712中的数个计算机可读指令(或指令集)来控制。指令集的任何部分可由处理器710或gpu714执行。在这一示例中，该指令包括用于瞳孔跟踪器724、适应性调节测量器726、blu控制器728、图像(或投影仪)控制器730以及光栅控制器732的模块或其他指令集。

在操作中，相机708可由瞳孔跟踪器724控制并以其他格式与其交换数据。通过瞳孔跟踪器724的指令，处理器710可被配置成基于由相机708捕捉的数据来确定瞳孔的位置。

通过适应性调节测量器726、blu控制器728、和/或图像控制器730的指令，处理器710可被配置成生成一个或多个控制信号以确立光被入射到波导的角度，如上所述。投影仪718和/或光学组件720(例如，镜)可被配置成根据控制信号来调整入射角。例如，适应性调节测量器726可被实现以调整投影仪718的焦点。

blu控制器728的指令可被实现以控制blu721的光源和/或镜。通过blu控制器728的指令，处理器710可被配置成根据瞳孔的位置来控制背光单元721(和/或其镜)以将光线会聚在瞳孔处。blu控制器728的指令还可被用来控制投影仪718以确立非照亮区域，如上所述。

图像控制器730的指令可被实现以控制lcd面板722中的一者或多者以提供小凹和外围视觉图像。例如，图像控制器730可被用来计算投影仪718的全息图和/或控制用来确立入射角的光束扫描仪和/或镜。图像控制器730也可被用来确立lcd面板722中的、小凹图像的光线穿过其中的一个lcd面板的停用区。

光栅控制器732可被实现以控制可开关光栅723的选择性激活。光栅723可以结合通过扫描来处置小凹和外围图像的显示器来使用，如上所述。通过用于光栅控制器732的指令的实现，处理器710可被配置成生成控制信号以选择性地激活可开关光栅723中的一者或多者来将虚拟图像的光导向到瞳孔，瞳孔的位置可由瞳孔跟踪器724来确定。

更多、更少或替换的指令集或模块可被提供。例如，在设备700使用可开关光栅或分开的lcd系统中的任一者来解决外围图像的范围内，设备700可具有存储用于blu控制器728或光栅控制器732任一者的指令，但不同时包括这两者，如上所述。

设备700可被配置成各种各样的电子设备之一，包括但不限于近眼或其他可穿戴计算或电子设备，诸如眼镜、面甲、或其他头戴式设备。设备700还可被配置成头戴式电子显示设备。又一些其他可能的设备包括仍具有大视野的各种类型的小型显示器。这样的设备可包括可由用户拿起靠近眼睛以供查看的可穿戴或不可穿戴设备，如在例如腕表中。

在一个方面，一种显示器包括：配置成提供虚拟图像的光的投影仪；波导，由所述投影仪将所述虚拟图像的光以入射角入射到所述波导中，所述波导被配置成在由所述入射角所确立的点处出射所述光；以及沿所述波导布置并被配置成重定向所述虚拟图像的光的组合器。所述组合器被进一步配置成允许来自所述波导后方的环境光穿过所述组合器。所述波导通过沿在所述投影仪与所述组合器之间的所述光的弯曲路径的全内反射来约束所述虚拟图像的光。

在另一方面，一种电子设备包括：捕捉指示观看所述显示器的观看者的瞳孔的图像的数据的相机；其中存储瞳孔跟踪指令以及投影仪控制指令的存储器；处理器，所述处理器由所述瞳孔跟踪指令配置以基于所捕捉的数据来确定瞳孔的位置；以及显示器。该显示器包括：配置成提供虚拟图像的光的全息投影仪；波导，由所述投影仪将所述虚拟图像的光以入射角入射到所述波导中，所述波导被配置成在由所述入射角所确立的点处出射所述光；以及沿所述波导布置并被配置成重定向所述虚拟图像的光的组合器。所述组合器被进一步配置成允许来自所述波导后方的环境光穿过所述组合器。所述波导通过沿在所述投影仪与所述组合器之间的所述光的弯曲路径的全内反射来约束所述虚拟图像的光。所述处理器由投影仪控制指令来配置以生成控制信号来确立投影仪的入射角。

在又一方面，一种眼镜显示设备包括：镜腿；耦合到所述镜腿的镜架；投影仪，所述投影仪被布置在所述镜腿上并被配置成提供虚拟图像的光；以及波导，由所述投影仪将所述虚拟图像的光以入射角入射到所述波导中。所述波导包括从所述投影仪开始并沿着所述镜腿延伸的第一部分、布置在所述镜架处的第二部分、以及布置在所述第一和第二部分之间并限定弯曲路径的第三部分。所述眼镜显示设备进一步包括沿波导的第二部分布置在镜架处的组合器。所述组合器被配置成重定向所述虚拟图像的光，并被进一步配置成允许来自波导后方的环境光穿过所述组合器。所述波导通过沿在所述投影仪与所述组合器之间的所述光的弯曲路径的全内反射来约束所述虚拟图像的光。

结合前述各方面中的任一方面，该电子设备可替换或附加地包括以下方面或特征的一者或多者的任何组合。对显示器的引用可以指包括显示器的电子、计算、或其它设备。波导包括楔形波导部，所述楔形波导部被锥形化以根据入射角在楔形波导部内的某一数目的反射之后出射光。组合器包括在波导的一部分中嵌入在所述波导中的一组体全息图，所述一组体全息图中的每一体全息图被配置成根据入射角从波导提取光并将所提取的光重定向在经由所述体全息图的记录来确立的预定方向上。波导包括沿镜腿布置的第一部分、沿组合器布置的第二部分、以及布置在所述第一和第二部分之间并限定弯曲路径的第三部分。该显示器进一步包括：捕捉指示观看所述显示器的观看者的瞳孔的图像的数据的相机；以及处理器，所述处理器被配置成基于所捕捉的数据来确定瞳孔的位置，并且被进一步配置成生成控制信号以确立投影仪的入射角，其中所述投影仪被配置成根据所述控制信号来调整所述入射角。该显示器进一步包括配置成使由组合器重定向的光会聚在瞳孔的多个可能位置处的扫描仪。扫描仪包括布置在组合器与瞳孔之间的可开关光栅的堆叠；以及所述处理器被进一步配置成生成进一步控制信号以选择性地激活可开关光栅集合中的一个或多个相应可开关光栅以将由组合器重定向的光导向到瞳孔的多个可能位置中的相应一个可能位置。可开关光栅的该堆叠包括：将光水平地导向到多个水平位置偏移之一的可开关光栅第一子集；以及将光垂直地导向到多个垂直位置偏移之一的可开关光栅第二子集。可开关光栅集合中的每一可开关光栅被像素化以根据位置来调制由相应可开关光栅提供的导向的量。该显示器进一步包括：外围视觉系统，该外围视觉系统包括配置成生成会聚光线的背光单元；以及由所述会聚光线照亮的液晶显示器(lcd)面板，其中所述处理器被配置成根据瞳孔的位置来控制所述背光单元以使所述光线会聚在所述瞳孔处，并控制所述lcd面板以提供外围视觉图像并确定所述lcd面板的停用区，从所述波导出射的光穿过所述停用区到达所述观看者的小凹。所述背光单元包括体全息图阵列，每一体全息图被配置成在激励之际将光线定向到相应瞳孔位置。外围视觉图像具有比由来自波导的光所提供的虚拟图像更低的分辨率。投影仪是配置成校正由弯曲路径引起的像差的全息投影仪。波导包括楔形波导部，所述楔形波导部被锥形化以根据入射角在楔形波导部内的某一数目的反射之后出射光，以及组合器包括沿楔形波导部布置的光栅。组合器包括在波导的一部分中嵌入在所述波导中的一组体全息图，所述一组体全息图中的每一体全息图被配置成根据入射角从波导提取光并将所提取的光重定向在经由所述体全息图的记录来确立的预定方向上。该显示器进一步包括：外围视觉系统，该外围视觉系统包括配置成生成会聚光线的背光单元；由所述会聚光线照亮的液晶显示器(lcd)面板；以及布置在所述lcd面板和所述观看者之间以过滤所述lcd面板的输出的偏振器。处理器被配置成根据瞳孔的位置来控制所述背光单元以使所述光线会聚在所述瞳孔处，并控制所述lcd面板以提供外围视觉图像并确定所述lcd面板的非照亮区，从所述波导出射的光穿过所述非照亮区到达所述观看者的小凹。波导的第二部分被锥形化以根据入射角在楔形波导部内的某一数目的反射之后出射光。组合器包括在波导的一部分中嵌入在所述波导中的一组体全息图，所述一组体全息图中的每一体全息图被配置成根据入射角从波导提取光并将所提取的光重定向在经由所述体全息图的记录来确立的预定方向上。

尽管已经参考具体示例描述了本发明，其中这些示例旨在仅仅是说明性的而非本发明的限制，但本领域普通技术人员将明白，可以对所公开的实施例作出改变、添加和/或删除而不背离本发明的精神和范围。

上述描述只是出于清楚理解的目的给出的，并且不应从中理解出不必要的限制，因为本发明的范围内的修改对本领域普通技术人员而言是显而易见的。