基于波导的显示系统的制作方法
背景
显示系统可用于使得期望图像对用户(观看者)可见。可穿戴显示系统可被具体化在可穿戴头部装置中，该可穿戴显示系统被布置成在距人类眼睛的短距离内显示图像。这样的可穿戴头部装置有时被称为头戴式显示器，并且提供有框架，该框架具有适配在用户的(穿戴者的)鼻梁上的中央部分以及适配在用户的耳朵上的左右支撑延伸部。光学组件被布置在该框架中，以便在用户眼睛的几厘米之内显示图像。该图像可以是显示器(诸如微型显示器)上的计算机生成的图像。该光学组件被布置成将在显示器上生成的期望图像的光传输到用户的眼睛以使得该图像对用户可见。在其上生成图像的显示器可形成光引擎的一部分，以使得该图像本身生成可由该光学组件引导以提供对用户可见的图像的准直光束。
不同种类的光学组件已被用来将图像从显示器传达到人类眼睛。这些光学组件可包括例如透镜、反光镜、光学波导、全息图和衍射光栅。在一些显示系统中，光学组件是使用以下光学器件来构造的：该光学器件允许用户看见图像但在“现实世界”不透视该光学器件。其他类型的显示系统通过该光学器件提供视图，以使得向用户显示的生成的图像重叠在现实世界视图上。这有时被称为增强现实。
基于波导的显示系统通常经由波导(光导)中的tir(全内反射)机制将光从光引擎传输到眼睛。这样的系统可并入衍射光栅，该衍射光栅引起高效的光束展宽，以使得输出由光引擎提供的光束的经展宽的版本。这意味着当看着波导的输出而非直接看着光引擎时，图像在更宽的区域上可见：假设眼睛在某区域内，使得该眼睛可接收来自基本全部经展宽的光束的光，则整个图像将对用户可见。这样的区域被称为眼框(eyebox)。
为了维持图像质量，波导的结构可按各种方式被配置成减轻所传输的光的失真。
概述
根据本公开的一方面，提供了一种显示系统，包括：光学波导，所述光学波导具有入射耦合光栅、中间光栅和出射光栅；以及光引擎，所述光引擎被配置成生成多个输入光束，每一光束被基本准直并且以唯一向内方向被定向到所述入射耦合光栅，由此所述多个输入光束形成虚拟图像；其中所述中间光栅和出射光栅具有显著大于所述光束的直径的宽度；其中所述入射耦合光栅被布置成将每一光束耦合到所述中间光栅中，其中该光束被引导到所述中间光栅的第一表面的拆分区域上；其中所述中间光栅包括与所述第一表面相对的第二表面，并且被布置成在所述拆分区域处拆分该光束以提供该光束的两个版本，所述两个版本被耦合到所述出射光栅中；由此，该光束的所述两个版本在以相应的角度入射在所述出射光栅上之前在所述拆分区域之间走相应的光路，所述相应的角度具有小于或等于0.5毫弧度的角变化，并且该光束的所述两个版本的光束涵盖区在所述出射光栅上部分重叠；
其中所述出射光栅被布置成向外衍射该光束的所述两个版本，所述两个输入光束由此使得多个出射光束离开所述波导，所述多个出射光束形成所述虚拟图像的一个版本；并且其中所述第一表面和/或所述第二表面包括表面变化，所述表面变化被布置成引入相应光路之间的光路长度差异，以使得可见的带状效果被从所述虚拟图像的所述版本中消除。
根据本公开的另一方面，提供了一种用于显示系统的光学波导，所述光学波导具有入射耦合光栅、中间光栅以及出射光栅，所述入射耦合光栅被布置成接收多个输入光束，每一光束被基本准直并且以唯一向内方向被定向到所述入射耦合光栅，由此所述多个输入光束形成虚拟图像；.所述中间和出射光栅具有显著大于所述光束的直径的宽度；其中所述入射耦合光栅被布置成将每一光束耦合到所述中间光栅中，其中该光束被引导到所述中间光栅的第一表面的拆分区域上；其中所述中间光栅包括与所述第一表面相对的第二表面，并且被布置成在所述拆分区域处拆分该光束以提供该光束的两个版本，所述两个版本被耦合到所述出射光栅中；由此该光束的所述两个版本在以相应的角度入射在所述出射光栅上之前在所述拆分区域之间走相应的光路，所述相应的角度具有小于或等于0.5毫弧度的角变化，并且该光束的所述两个版本的光束涵盖区在所述出射光栅上部分重叠；
其中所述出射光栅被布置成向外衍射该光束的所述两个版本，所述多个输入光束由此使得多个出射光束离开所述波导，所述多个出射光束形成所述虚拟图像的一个版本；并且其中所述第一表面和/或所述第二表面包括表面变化，所述表面变化被布置成引入相应光路之间的光路长度差异，以使得可见的带状效果被从所述虚拟图像的所述版本中消除。
根据本公开的另一方面，提供了一种可穿戴头部装置，包括：头部部件；光学波导，所述光学波导具有入射耦合光栅、中间光栅和出射光栅；以及光引擎，所述光引擎被安装在所述头部部件上，所述光引擎被配置成生成多个输入光束，每一光束被基本准直并且被以唯一向内方向定向到所述入射耦合光栅，由此所述多个输入光束形成虚拟图像；其中所述中间光栅和出射光栅具有显著大于所述光束的直径的宽度；其中所述入射耦合光栅被布置成将每一光束耦合到所述中间光栅中，其中该光束被引导到所述中间光栅的第一表面的拆分区域上；其中所述中间光栅包括与所述第一表面相对的第二表面，并且被布置成在所述拆分区域处拆分该光束以提供该光束的两个版本，所述两个版本被耦合到所述出射光栅中；由此，该光束的所述两个版本在以相应的角度入射在所述出射光栅上之前在所述拆分区域之间走相应的光路，所述相应的角度具有小于或等于0.5毫弧度的角变化，并且该光束的所述两个版本的光束涵盖区在所述出射光栅上部分地重叠；
其中所述出射光栅被布置成向外衍射该光束的所述两个版本，所述多个输入光束由此使得多个出射光束离开所述波导，所述多个出射光束形成所述虚拟图像的一个版本；并且其中所述第一表面和/或所述第二表面包括表面变化，所述表面变化被布置成引入相应光路之间的光路长度差异，以使得可见的带状效果被从所述虚拟图像的所述版本中消除。
提供本概述以便以简化的形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并不旨在标识出所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限定所要求保护的主题的范围。所要求保护的主题也不限于解决
背景技术：
部分中指出的任何或所有缺点的实现。
附图简述
图1示出可穿戴显示系统；
图2示出显示系统的一部分的俯视图；
图3a和3b示出光学组件的透视图和正视图；
图4a示出其表面上形成有表面起伏光栅的光学组件的示意俯视图；
图4b示出图4a的光学组件的示意图，该光学组件被示为与入射光交互并且是从侧面观看的；
图5a是直的二元表面起伏光栅的示意性说明，该直二元表面起伏光栅被示为与入射光交互并且是从侧面观看的；
图5b是倾斜的二元表面起伏光栅的示意图，该斜二元表面起伏光栅被示为与入射光交互并且是从侧面观看的；
图5c是突出的三角表面起伏光栅的示意性说明，该突出的三角表面起伏光栅被示为与入射光交互并且是从侧面观看的；
图6示出光学组件的入射耦合区域的一部分的关闭视图；
图7a示出了显示系统的一部分的透视图；
图7b示出显示器的各个体像素的俯视图；
图7c和7d示出与光学组件交互的光束的俯视图和正视图；
图7e示出执行光束展宽的光学组件的正视图；
图7f示出执行光束展宽的光学组件的俯视图；
图7g是弯曲的光学组件的俯视图；
图8a和8b是光学组件的一部分的俯视图和正视图；
图9a示出在波导的折叠区内的光束反射的透视图；
图9b解说光束展宽机制；
图10解说由穿戴者在虚拟图像中观察到的带状效果；
图11示出图9b中示出的光束展宽机制的一部分；以及
图12a-c解说表面变化如何消除观察到的带状效应。
详细描述
图1是头戴式显示器的透视图。头戴式显示器包括头部部件，该头部部件包括框架2，该框架2具有旨在适配在穿戴者的鼻梁上的中央部分4以及旨在适配在用户的耳朵上的左右支撑延伸部6、8。虽然支撑延伸部被示为基本笔直，它们可以以弯曲的部分终止，以按传统眼镜的方式更舒适地适配在耳朵上。
框架2支撑标记为10l和10r的左和右光学组件，左和右光学组件为波导。为了便于本文中的参考，光学组件10(光学波导10)将被认为是左或右组件，因为这些组件除了是彼此的镜像外本质上相同。因此，涉及左手组件的所有描述也涉及右手组件。稍后将参考图3更详细地描述光学组件。中央部分4容纳光引擎，该光引擎在图1中未被示出，但在图2中被示出。
图2示出图1的框架的顶部部分的一部分的俯视图。由此，图2示出包括微显示器15和准直透镜20的形式的成像光学器件17的光引擎13。光引擎还包括能够生成微显示器的图像的处理器。微显示器可以是任何类型的图像源的光，诸如硅上液晶(lcos)显示器、透射液晶显示器(lcd)、led的矩阵阵列(有机或无机)和任何其他合适的显示器。该显示器由图2中不可见的电路系统驱动，该电路系统激活显示器的各个体像素以生成图像。从每一像素充分准直的光落在光引擎13的出射光瞳22上。在出射光瞳22处，经准直的光束被耦合到每一光学组件10l、10r中在每一组件上提供的相应入射耦合区12l、12r中。这些入射耦合区在图1中被清楚地示出，但在图2中不是容易可见的。入射耦合光随后被引导通过涉及衍射和tir的机制(该机制在相应的中间(折叠)区14l、14r中的光学组件的横向)，并且还向下到相应的出射区16l、16r中，光在该出射区16l、16r朝向用户的眼睛离开组件10。图1中示出了区14l、14r、16l和16r。以下详细描述这些技术。图2示出接收来自出射区(16l或16r)的经衍射的光的用户的眼睛(右或左)。到用户的眼睛的输出光束ob与入射光束ir平行。例如参考在图2中被标记为ib的入射光束以及在图2中被标记为ob的两个平行输出光束。光学组件10位于光引擎13和眼睛之间，即显示系统配置具有所谓的透射类型。
其他头部部件也在本主题的范围之内。例如，显示光学器件可同样使用头带、头盔或其他适配系统被附连到用户的头部。适配系统的目的在于支撑显示器，并向显示器和其他头部承受系统(诸如，跟踪系统和相机)提供稳定性。适配系统还将被设计成在人体测量范围和头部形态学方面满足用户群体，并提供对显示系统的舒适支撑。
来自同一显示器15的光束可被耦合到组件10l、10r两者中，以使得图像由两个眼睛从单个显示器感知，或者分开的显示器可被用于为每一眼睛生成不同的图像，例如以提供立体图像。在替换头部装置中，(诸)光引擎可被安装在框架的左部和右部之一或两者处—其中入射耦合区12、折叠区14和出射区16的布置被相应地翻转。
光学组件10是基本透明的，以使得用户可不仅查看来自光引擎13的图像，还可透过光学组件10查看现实世界视图。
光学组件10具有折射率n，该折射率n为使得发生全内反射，从而从入射区开始沿着中间展宽区14并朝着出射区16向下引导光束。
图3a和3b更详细地示出光学组件。
图3a示出光学组件10的透视图。光学组件是平的，因为其表面的前部和后部是基本平的(前和后根据如由图3a中眼睛的位置指示的穿戴者的视角定义)。该表面的前部和后部彼此平行。光学组件10基本位于一平面(xy平面)中，其中z轴(被称为“法线”)被定向为从光学组件10朝向观看者。入射耦合区12、折叠区14和出射区16被示出，每一区由光学组件的表面上的相应表面调制52、46和56定义，表面调制52、46和56从佩戴者的视角来看位于在波导的后面。表面调制52、46、56中的每一者形成相应的表面起伏光栅(srg)，其性质将被简短地描述。取代srg，可使用全息图来提供与srg相同的光学功能。
如在图3b的俯视图中示出的，折叠区在横向(x)方向具有水平延伸w2(在本文中被称为展宽区的“宽度”)，并且在y方向具有垂直延伸h2(在本文中被称为展宽区的“高度”)，该折叠区以沿着其宽度w2的横向方向从光学组件的内边缘增加到其外边缘。出射区具有定义眼框的尺寸的水平延伸w3(出射区的宽度)和垂直延伸h3(出射区的高度)，该尺寸取决于光引擎中的成像光学器件。
现在将参考图4a和4b描述构成本文中描述的头戴式显示器的操作的基础的衍射机制的原理。
本文中描述的光学组件通过反射、折射、衍射的方式与光交互。衍射在传播的波与例如障碍或狭缝之类的结构交互时发生。衍射可以被描述为波的干涉，并且在该结构在大小上与波的波长相当时最显著。
可见光的光学衍射归因于光的波性质并且可被描述为光波的干涉。可见光具有在大约390到700纳米(nm)之间的波长，并且当传播的光遇到100或1000nm范围级别的类似规模的结构时可见光的衍射是最显著的。
衍射结构的一个示例是周期性(基本反复的)衍射结构。在本文中，“衍射光栅”意指具有周期性衍射结构的光学组件的任何(部分)。周期性结构可引起光的衍射，该光的衍射通常在周期性结构具有与光的波长类似大小的空间周期时最显著。周期性结构的类型包括例如对光学组件的表面的表面调制、折射率调制、全息图等。当传播的光遇到周期性结构时，衍射使得光被拆分成处于不同方向的多个光束。这些方向取决于所述光的波长，这样衍射光栅引起多色(例如白色)光的色散，由此，多色光被分成在不同的方向上行进的不同颜色的光束。
当周期性结构在光学组件的表面上时，其被称为表面光栅。当周期性结构归因于表面本身的调制时，其被称为表面起伏光栅(srg)。srg的一个示例是在光学组件的表面中的被均匀直槽间隔区域分隔开的均匀直槽。槽间隔区域在此被称为“线”、“光栅线”和“填充区域”。srg的衍射的性质取决于入射在光栅上的光的波长和srg的各种光学特性(例如线间隔、槽深度和槽倾斜角)这两者。srg可以借助于合适的微制造处理被制造，该微制造处理涉及蚀刻基板和/或在基板上沉积以在基板上制造期望的周期微结构。所述基板可以是光学组件本身或生产模板(productionmaster)，例如用于制造光学组件的模具。
图4a和4b分别从顶部和侧面示出具有外表面s的基本透明的光学组件10的一部分。表面s的至少一部分展示构成为微结构的srg44(例如，52、54、56)的表面调制。这样的部分被称为“光栅区域”。
图4b示出光学组件10，并且具体而言是与传入照明光束i交互的srg44，该传入照明光束向内入射到srg4上。光i在该示例中是白色光，并且因而具有多种颜色分量。光i与srg44交互，srg44将该光拆分成向内定向到光学组件10中的几个光束。光i的一些也可作为反射光束r0被从表面s反射回来。零阶模式向内光束t0和任何反射r0是根据衍射的一般原理以及其它非零阶(±n-阶)模式(其可被解释为波干涉)被创建的。图4b示出第一阶向内光束t1,t-1；将理解可以依据光学组件10的配置创建或不创建更高阶的光束。由于衍射的性质取决于波长，因此，对于更高阶的模式而言，入射光i的不同颜色分量(即波长分量)当存在时以相对于彼此而言不同的传播角度被分成不同颜色的光束，如图4b所示。
图5a-5c是不同的示例性srg44a-44c(在此统称为44)的特写示意性截面图，所述图案由(在这些图中是从侧面查看到的)光学组件10的表面s上的调制形成。光束用箭头标注，其厚度指示大致相对的强度(越高强度的光束以越厚的箭头示出)。
图5a示出直二元srg44a的示例。直二元srg44a由在表面s中通过突出槽间隔区域9a分隔开的一系列槽7a形成，该突出槽间隔区域9a在此也被称为“填充区域”、“光栅线”或简称为“线”。srg44a具有d的空间周期(称为“光栅周期”)，其是调制形状在其上重复的距离，并且由此为毗邻线/槽之间的距离。槽7a具有深度h，且具有基本直的壁和基本平的基底。在图2a中填充区域具有高度h和在填充区域的高度h上基本均匀的标记为“w”的宽度(其中w是周期的某一分数f：w＝f*d)。
对于直二元srg，这些壁基本垂直于表面s。出于这个原因，srg44a引起垂直进入到表面的入射光i的对称衍射，其中由srg4a所创建的每个+n阶模式光束(例如t1)具有与对应的-n阶模式光束(例如t-1)基本相同的强度，通常小于约入射光束i的强度的五分之一(0.2)。
图5b示出斜二元srg44b的示例。斜二元srg44b也由表面s中通过宽度w的线9b分隔开的的槽(被标记为7b)形成，这些槽具有基本直的壁和基本平的基底。然而，与直srg44a相比，这些壁相对于法线倾斜在图5b中由角度α表示的量。槽7b当沿法线测量时具有深度h。取决于非零倾斜所进入的非对称性，行进离开倾斜方向的±n阶模式向内光束具有比它们的±n阶模式对应物更高的强度(例如在图5b的示例中，t1光束被定向离开倾斜的方向并且通常具有比t-1光束更大的强度，但是这取决于例如光栅周期d)；通过增加倾斜达足够量，那些±n对应物可以基本被消除(即具有基本为零的强度)。t0光束的强度通常还通过斜二元srg被大大减少，这样，在图5b的示例中，第一阶光束t1通常具有至多约入射光束i的强度的五分之四(0.8)的强度。
二元srg44a和44b可以被看作是嵌入到表面s中的空间波形，该空间波形具有基本为方波的形状(具有周期d)。在srg44b的情况下，该形状是倾斜达α的倾斜方波形状。
图5c示出了突出的三角srg44c的示例，其是突出的梯形srg的特殊情况。三角srg44c是由表面s中的槽7c形成，所述槽是三角形状的(且因此具有可分辨的尖端)并且当沿法线测量时具有深度h。填充区域9c采用了三角形、齿状突起(齿)的形式，具有与法线成角度α(α是srg44c的倾斜角)的中部。这些齿具有分隔d(其是srg44c的光栅周期)的各尖端，即在齿形底部处为w并且在齿形的尖端处变窄到基本为零的宽度。对于图44c的srg，w≈d，但一般可以为w<d。srg是突出的，因为齿的尖端延伸超过槽的尖端。有可能构建突起的三角形srg，该srg基本消除了传输模式t0光束和±n模式光束，仅留下±n阶模式光束(例如仅有t1)。槽具有与中线成角度γ(壁角)的壁。
srg44c可以被看作是嵌入在s中的空间波形，所述空间波形具有基本三角的波形，其倾斜了α。
其他srg也是可能的，例如其他类型的梯形srg(其在宽度上可能不是一直变窄到零)、正弦srg等。这样的其他srg也展示高度h、线宽w、倾斜角α和壁角γ，其可按与图5a-c相似的方式定义。
在本显示系统中，d通常在约250和500nm之间，并且h在约30和400nm之间。倾斜角α通常在约0和45度之间(以使得倾斜方向通常被提高为超过表面s约45和90度之间的量)。
srg具有依据期望的被衍射的光束(例如t1)的强度相对于照明光束i的强度而被定义的衍射效率，并且可以由那些强度的比η来表达。如从上将显而易见的，斜二元srg(例如4b-在t1是期望的光束的情况高达η≈0.8)可以实现比非斜srg(例如44a-在t1是期望的光束的情况下仅高达约η≈0.2)更高的效率。通过突出的三角srg，有可能实现近于最佳的效率η≈1。
返回到图3a和3b，可看见入射耦合区12、折叠区14和出射区16是衍射光栅，这些衍射光栅的周期性结构由该光学组件的表面上的调制52、54、56引起，调制52、54、56分别形成入射srg、折叠srg和出射srg并分别覆盖入射耦合区12、折叠区14和出射区16。
图6示出具有更大的清晰度的入射srg52，该入射srg52包括示出光束如何与其交互的经展宽的版本。图6示出了光学组件10的俯视图。光引擎13提供经准直的光的光束，这些光束之一被示出(对应于显示像素)。该光束落在入射srg52上并由此在组件10中引起该光束的全内反射。中间光栅14将光束的各版本向下引导到出射光栅16，出射光栅16引起将该图像衍射到用户的眼睛上。光栅12的操作在经扩大的部分中被更详细地示出，该经扩大的部分示出从左边进入并被表示为i的入射光束的光线，并且这些光线被衍射以便在光学组件10中经历tir。图6中的光栅具有图5b中示出的类型，但也可具有图5c中示出的类型或者某种其他倾斜的光栅形状。
现将参考图7a-9b描述作为某些实施例的基础的光学原理。
图7a示出显示器15、成像光学器件17和入射耦合srg52的透视图。显示器15的用于显示图像的区域上的不同几何点在本文中被称为像点，这些像点可以是活跃的(当前正在发射光)或不活跃的(当前不在发射光)。在实践中，各个体像素可被近似为像点。
成像光学器件17可通常被近似为一主平面(薄透镜近似)，或者在一些情况下，更准确地被近似为一对主平面(厚透镜近似)，其位置依据其构成透镜24、20(在图7a中未被单独示出)的性质和布置来确定。在这些近似中，由成像光学器件17引起的任何折射被近似为在主平面处发生。为了避免不必要的复杂化，各实施例的原理将结合成像光学器件17的薄透镜近似来描述，并由此结合图7a中被标记为31的单个主平面来描述，但将显而易见的是不适配该近似的更复杂的成像光学器件仍可被利用来实现所期望的效果。
成像光学器件17具有光轴30和正焦点，并且相对于光学组件10被定位成使得光轴30在入射srg52的几何中心处或附近与入射srg52相交，且正焦点基本位于显示器上的像点x0处(即，位于与显示器的正面相同的平面中)。示出了显示器上的另一任意像点x，并且现在将结合x描述作为各实施例的基础的原理，而不失一般性。在以下，术语“对于每一x”或类似物被用作用于意指“对于每一像点(包括x)”或类似物的方便速记，如在上下文中将显而易见的。
当活跃时，像点—包括被标记为x和x0的像点—充当个体照明点源，光从这些个体照明电源按基本各向同性的方式传播通过在显示器15前向的半个空间。图像中被感知为较亮的区域中的像点相对于该图像中被感知为较暗的区域而言发射较强的光。被感知为黑色的区域中的像点不发射光或仅发射非常小强度的光(不活跃的像点)。特定像点所发射的光的强度可随图像改变(例如当视频被显示在显示器15上时)而改变。
每一活跃像点提供对成像光学器件17的准直区域a的基本一致的照明，该准直区域a基本是圆形的并具有直径d，该直径d取决于诸如构成透镜的直径之类的因素(d可具有量级1-10mm，但这只是一个示例)。这在图7a中针对像点x来解说，图7a示出来自x的圆锥体32(x)内的任何传播光如何入射在准直区域a上。成像光学器件准直入射在准直区域a上的任何光32(x)以形成为直径d的经准直的光束34(x)(输入光束)，该光束被定向为朝向光学组件10的入射耦合光栅52。光束34(x)由此入射在入射耦合光栅52上。屏蔽组件(未示出)可被布置成防止从x发射的在圆锥体32(x)外部的任何未经准直的光到达光学组件10。
对应于像点x的光束34(x)以向内传播方向被朝向入射srg52定向，其可通过传播向量
成像光学器件具有主点p，该主点p是光轴30与主平面31相交处的点，并且通常位于准直区域a的中心处或附近。向内方向
如将显而易见的，以上适用于每一活跃的像点，并且成像光学器件由此被布置成基本将当前在显示器15上的图像准直成多个输入光束，每一输入光束对应于依据相应活跃像点(在实践中为活跃像素)的位置确定的唯一方向，并且以该唯一方向传播。即，成像光学器件17高效地将每一活跃点源x转换成处于唯一向内方向
对应于像点x0(未示出)的输入光束将与光轴30平行地朝向入射耦合srg52的几何中心或在该几何中心附近传播。
如所提到的，在实践中，显示器15的各个体像素可被近似为单个像点。这在图7b中解说，图7b是示出显示器15的主平面31和两个毗邻像素xa、xb的示意俯视图，这两个毗邻像素xa、xb的中心从主点p起包住角度δβ。在活跃时发射像素xa,xb的光被高效地转换成具有等于δβ的角距的经准直的光束34(xa),34(xb)。如将显而易见的，出于解说的目的，像素xa、xb的范围已被极大地扩大。
光束被高度准直，并且彼此高度平行，从而展示出不大于(并且可能显著小于)被个体像素从p起包住的角度(～δβ)的总角变化，例如通常具有不多于约1/2毫弧度的角度范围。如在以下的示图中将变得显而易见的，这增加了穿戴者感知到的最终图像的图像质量。
图7c和7d分别示出了光学组件的一部分的示意俯视图(xz)和正视图(yz)。如这些附图中所指示的，入射耦合光栅52引起光束34(x)的衍射，由此引起一阶(±1)模式光束在光学组件10内以大致朝向折叠srg54的新方向
光学组件具有折射率n，并且被配置成使得极坐标角θ(x)满足由下式给出的全内发射准则：
(1):对于每个x，sinθ(x)＞1/n。
如将显而易见的是，来自成像光学器件17的每一光束输入由此通过全内反射(tir)以大致水平的(+x)方向(与x轴偏离φ(x)<φin(x))传播通过光学组件10。通过这种方式，光束34(x)被从入射区12耦合到折叠区14，在折叠区14中，光束34(x)沿着折叠区14的宽度传播。
图7e从与穿戴者的视角相似的视角示出10完整的光学组件10的正面(xy)视图。如以下更详细解释的，光学组件10内的衍射光束拆分和全内反射的组合导致每一输入光束34(x)的多个版本沿着出射区16的宽度和高度两者从出射srg向外衍射，成为处于基本匹配对应输入光束34(x)的相应向内方向
在图7e中，在光学组件10外部的光束被使用阴影来表示，并且点线被用来表示光学组件10内的光束。透视被用来指示z方向中的传播，其中图7e中的光束的变宽(或者变窄)表示正(或者负)z方向中的传播；即朝向(或者远离)佩戴者。由此，发散的点线表示光学组件10内的光束朝向光学组件10的前壁传播；最宽的部分表示那些光束撞到了光学组件10的前壁，那些光束被从光学组件10的前壁全内反射回去朝向后壁(各个srg被形成在该后壁上)，该全内反射由从最宽的点到最窄的点(在这些最窄的点处，光束入射在后壁上)收缩的虚线表示。各光束入射在折叠srg和出射srg上的区域被标记为s和e，并且出于将变得显而易见的理由，被分别称为拆分区域和出射区域。
如所解说的，输入光束34(x)被入射srg52通过前述衍射耦合到波导中，并且通过tir以方向φ(x),±θ(x)(每当该光束被反射时，极坐标角的符号而非幅值改变)沿着入射区12的宽度传播。如将显而易见的，这导致光束34(x)最终在最左边的拆分区域s撞击折叠srg。
当光束34(x)入射在拆分区域s处时，那个入射光束34(x)通过衍射的方式被高效地拆分成两个光束，以除了零阶反射模式光束(镜面反射光束)外，还创建那个光束的新版本42(x)(具体为-1反射模式光束)，归因于具有特定配置(其将在适当的时候被描述)的折叠srg54，该新版本以特定并且大致向下(-y)的方向φ'(x),±θ'(x)被定向为朝向出射区16，而零阶反射模式光束继续以相同的方向φ(x),±θ(x)沿着该光束34(x)的宽度传播，就好像光束34(x)将处在没有折叠srg的地方(但是以降低的强度传播)一样。由此，光束34(x)基本沿着折叠区14的整个宽度高效地继续传播，在各拆分区域s撞击折叠srg，并在每一拆分区域s创建该光束的另一新版本(处于相同的基本向下的方向φ'(x),±θ'(x))。如图7e所示，这导致光束34(x)的多个版本被耦合到出射区16，这多个版本在水平上分隔开以共同跨越出射区16的基本整个宽度。
还如图7e所示，该光束的在拆分区域s处创建的新版本42(x)本身在其向下传播期间撞击折叠srg。这将导致零阶模式被创建，该零阶模式一般以方向φ'(x),±θ'(x)向下继续传播，并且其可被看作该光束的继续传播，但可导致非零阶模式光束40(x)(进一步的新版本)通过衍射的方式被创建。然而，通过这样的双重衍射在同一srg处创建的任何这样的光束40(x)将以与耦合在光学组件10中的原始光束34(x)基本相同的方向φ(x),±θ(x)沿着折叠区14的宽度传播(参见以下)。由此，尽管有被折叠srg多次衍射的可能性，但光束34(x)(对应于像点x)的各版本在光学组件10内的传播被高效地限制于两个xy方向：大致水平的方向(φ(x),±θ(x))和特定且大致向下的方向(φ'(x),±θ'(x))，这将在以下被简短地讨论。
折叠区14内的传播由此高度规则，其中对应于特定像点x的所有光束版本基本按所解说的方式被约束于格状结构。
出射区16位于折叠区14下方，并且由此该光束的各向下传播版本42(x)被耦合到出射区16中，在出射区16中，这些向下传播版本被引导到输出srg的各出射区域e上。出射srg56被配置成使得当光束的某版本撞击输出srg时，那个光束被衍射以创建以向外的方向从该出射srg56向外定向的一阶模式光束，该向外的方向基本匹配其中对应于像点x的原始光束34(x)被输入的唯一向内方向。由于存在该光束的多个版本向下传播，此多个版本基本跨越出射区16的宽度，因此生成了跨出射区16的宽度的多个输出光束(如图7e所示)以提供高效的水平光束展宽。
此外，出射srg56被配置成使得除了向外衍射的光束38(x)在各出射区域e处从入射光束中被创建外，零阶衍射模式光束继续按与该入射光束相同的特定方向向下传播。该零阶衍射模式光束进而在较低的出射区16s以图7e所示的方式撞击出射srg，从而导致继续的零阶光束和向外的一阶光束两者。由此，还生成了基本跨出射区16的整个高度的多个输出光束38(x)以提供高效的垂直光束展宽。
输出光束38(x)以基本匹配原始光束34(x)被输入的唯一输入方向的向外方向被向外地定向。在该上下文中，基本匹配意味着该向外方向按使得穿戴者的眼睛能够将输出光束38(x)的任何组合聚焦到视网膜上的单个点由此重构像点x(参见以下)的方式与输入方向相关。
对于平光学组件(即，其前和后表面在其整体上基本平行于xy平面)，输出光束基本彼此平行(至少在被两个毗邻显示像素包住的角度δβ内)，并且按与相应的输入光束34(x)被定向到入射耦合srg52的唯一向内方向
如将参考图7f描述的，这使得观看者的眼睛在看着出射区16时能够重构图像。图7f示出光学组件10的俯视图(xz)。输入光束34(x)被入射耦合到光学组件10，从而导致多个平行的输出光束38(x)按以上讨论的方式在各输出区域e处被创建。在对应于所有像点的各输出光束(在无穷远处)形成与对应的输入光束相同的虚拟图像时，这可被等效地表达。
由于对应于像点x的光束38(x)全部基本平行，被眼睛37接收的光束38(x)中的一者或多者的任何光被聚焦为好像眼睛37正在感知处于无穷远处的图像(即，遥远的图像)。眼睛37由此将这样的接收光聚焦在单个视网膜点上，就好像该光是直接从成像光学器件17处接收到的一样，由此在视网膜上重构像点x(例如，像素)。如将显而易见的，上述情况适用于每一活跃像点(例如，像素)，使得眼睛37重构当前在显示器15上的整个图像。
然而，与直接从光学器件17接收图像(从该光学器件17，仅为直径d的相应单个光束34(x)被为每一x发射)形成对照，输出光束39(x)在显著更宽的区域(即，基本为出射区16的区域)上被发射，该显著更宽的区域比输入光束的区域(～d2)显著更大。眼睛全部接收的光束38(x)的哪些(部分)被聚焦在相同的视网膜点上(例如，在图7f中，眼睛37是否将水平地(±x)移动)并不重要，因为显然该图像仍将被感知。由此，不需要针对例如在远处的具有不同瞳距的观看者对显示系统进行适配，这使得出射区16宽到足以预测合理范围的瞳距：尽管与其眼睛较远离的观看者相比，其眼睛较靠近在一起的观看者将一般接收来自出射区16的较靠近入射耦合区12的一侧的光，但是两者将感知到相同的图像。此外，在眼睛27转动时，(随着光束相对于眼睛的光轴的角度改变)该图像的不同部分被引向观看者的视野的中心，且该图像仍保持可见，由此允许观看者按需将其注意力聚焦于图像的不同部分。
对应于任何两个毗邻像素xa、xb的输入光束所展示出的相同相对角距δβ也由输出光束38(xa)、38(xb)的相应集合展示出—由此毗邻像素被眼睛37聚焦到毗邻的视网膜点。光束的所有各个版本在其传播通过光学组件10时保持被高度准直，从而防止聚焦在视网膜上的各像素图像的显著重叠，由此保持图像锐度。
应当注意，图7a-7g不是按比例的，并且尤其地，为了清楚起见，光束直径一般相对于诸如显示器15之类的实践中通常将预期的组件被减小。
现将参考图8a和8b描述入射耦合srg52的配置，图8a和8b示出了折叠光栅52的一部分的示意俯视图和正视图。注意，在图8a和8b中，为了清楚起见，光束通过箭头来表示(即，其区域没有被表示出)。
图8a示出分别位于显示器15的最左边和最右边的两个像点xl、xr，来自这两个像点的光被光学器件17准直以便以向内的方向(θin(xl),φin(xl))、(θin(xr),φin(xr))生成相应的输入光束34(xl)、34(xr)。如所示出的，这些光束被入射耦合srg52耦合到光学组件10中—所示的在入射耦合srg52处创建的入射耦合光栅是通过衍射入射在srg52上的光束的方式来创建的一阶(+1)模式光束。耦合在波导中的光束34(xl)、34(xr)以由极坐标角θ(xl)、θ(xr)定义的方向传播。
图8b示出在显示器15的最右上方和最右下方处的两个像点xr1和xr2。注意，在该图中，点划线表示在光学组件10后面(-z)的各方面。相应的光束34(xl)、34(xr)在光学组件10内处于具有极坐标角φ(xl)、φ(xr)的方向中。
这样的角度θ(x)、φ(x)由以下(传输)光栅等式给出：
nsinθ(x)sinφ(x)＝sinθin(x)sinφin(x)(2)
其中srg52具有光栅周期d1，光束光具有波长λ，并且n为光学组件的折射率。
通过(2)、(3)中明确示出θ(xl)＝θmax且θ(xr)＝θmin，即耦合到组件10中的任何光束以在范围[θ(xr),θ(xl)]中的初始极坐标角传播；并且φ(xr2)＝φmax且φ(xr1)＝φmin(在该示例中≈–φmax)，即耦合到该组件中的任何光束最初以在范围[φ(xr1),φ(xr2)](≈[–φ(xr2),φ(xr2)])中的方位角传播。
现将参考图9a-9b描述折叠srg54的配置。注意，在图9a和9b中，为了清楚起见，光束再次通过箭头来表示，而没有其区域的任何表示。在这些附图中，点线表示垂直于折叠srg光栅线的各方向，虚线表示垂直于入射耦合srg光栅线的各方向，且点划线表示垂直于出射srg光栅线的各方向。
图9a示出耦合到光学组件10的折叠区14中、已从光学组件10的前壁反射出并由此以朝向折叠srg54的方向(φ(x),-θ(x))行进的光束34(x)的透视图。点线(其垂直于折叠srg光栅线)被示为表示折叠srg的方向。
折叠srg54和入射耦合srg52具有相对定向角a(该相对定向角a是其相应光栅线之间的角度)。该光束由此与在xy平面中测得的折叠srg光栅线成角度a+φ(x)(参见图9b)。光束34入射在折叠srg54上，折叠srg54将光束34衍射到不同的组件中。零阶反射模式(镜面反射)光束被创建，该零阶反射模式光束继续以方向(φ(x),+θ(x))传播，就好像光束34(x)将由在没有折叠srg54的情况下的反射造成(但是以降低的强度传播)。该镜面反射光束实际上可被看作光束34(x)的延续，并且出于该原因也被标记为34(x)。还创建一阶(-1)反射模式光束42(x)，其实际上可被看作光束的新版本。
如所指示的，光束的新版本42(x)以特定方向(φ'(x),θ'(x))传播，该方向由以下已知的(反射)光栅等式给出：
nsinθ′(x)sin(a+φ′(x))＝nsinθ(x)sin(a+φ(x))(4)
其中折叠srg具有光栅周期d2，光束光具有波长λ，并且n为光学组件10的折射率。
如示出光学组件10的示意正视图的图9b所示，光束34(x)以方位角φ(x)被耦合到入射耦合区12中，并且由此与折射srg54成xy角φ(x)+a。
光束34(x)的第一新版本42a(x)(-1模式)在该光束首次被折叠srg54衍射时被创建，并且第二新版本42b(x)(-1模式)在该光束接着被折叠srg54衍射时被创建(并且以此类推)，第一新版本42a(x)和第二新版本42b(x)两者都以xy方向φ'(x)传播。通过这种方式，光束34(x)被高效地拆分成多个版本，这些版本(跨折叠区14的宽度)被水平地分隔开。这些版本被引导向下朝向出射区16，并由此(由于该水平分隔，基本跨出射区16的宽度)被耦合到出射区16中。如可看出的，多个版本由此入射在出射srg56的各出射区域(被标记为e)上，出射区域沿着出射区16的宽度定位。
这些新的(以φ'(x)方向)向下传播的版本本身可再次遇到折叠srg，如所解说的。然而，从(4),(5)中可示出通过入射光束(例如，42a(x),-1模式)在srg处的衍射创建的任何一阶反射模式光束(例如40a(x),+1模式)将回复成原始光束的方向(例如，φ(x),±θ(x),其是40a(x)的传播方向)，入射光束本身由原始光束(例如，34(x))在同一srg处的早期衍射创建。由此，折叠区14内的传播限于菱状格，如可从图9b的几何结构中看出的。被标记为42ab(x)的光束是在42b(x)遇到折叠srg54时创建的镜面反射光束和在40a(x)在基本相同的位置处遇到该折叠srg时创建的-1模式光束的叠加；被标记为42ab(x)的光束是在40a(x)遇到折叠srg54时创建的镜面反射光束和在42b(x)在基本相同的位置遇到该折叠srg时创建的+1模式光束的叠加(并以此类推)。
出射srg和入射耦合srg52、56以相对定向角a'(该相对定向角a'是其相应光栅线之间的角度)定向。在出射区域中的每一者处，遇到该区域的版本被衍射，以使得除了以方向φ'(x),±θ'(x)向下传播的零阶反射模式光束外，还有以由以下给出的向外的方向φout(x),θout(x)远离光学组件10传播的一阶(+1)传输模式光束38(x)：
sinθout(x)sin(a′+φout(x))＝nsinθ′(x)sin(a′+φ′(x))(6)
输出方向θout(x),φout(x)是波导之外的输出光束(在空气中传播)的方向。对于平波导，当出射光栅在该波导的正面时，等式(6)、(7)两者都成立—在该情况下，输出光束是一阶传输模式光束(如可看见的，等式(6)、(7)对应于已知的传输光栅等式—但同样当出射光栅在波导的背面时(如在图7f中)—在该情况下，输出光栅对应于一阶反射模式光束，其在来自后出射光栅的初始反射之际，在光学组件10内以由以下给出的方向θ′out(x),φ′out(x)传播：
nsinθ′out(x)sin(a′+φ′out(x))＝nsinθ′(x)sin(a′+φ′(x))(6′)
这些光束随后在光学组件的前表面处被折射，并由此以由以下snell定律给出的方向θin(x),φin(x)离开光学组件：
sinθout(x)＝nsinθ′out(x)(8)
φ′out(x)=φout(x)(9)
如将显而易见的，等式(6)、(7)的条件直接由(6’)、(7’)、(8)和(9)产生。注意，前表面处的这样的折射尽管在图7f中不是容易可见的，但在图7f的布置中将会发生。
根据等式(2-7)可示出，当
d＝d1＝d3(10)
(即，当入射耦合srg52和出射srg56的周期基本匹配)；
d2=d/(2cosa)；(11)
并且
a′＝2a；(12)
时
则(θout(x),φout(x))=(θin(x),φin(x))。
此外，当条件
被满足时，折叠srg54处的衍射并没有创建除上述一阶和零阶反射模式以外的模式。即，当该准则被满足时，在折叠区中并没有创建附加的不期望的光束。对于大的范围a(从约0到70度)，条件(13)被满足。
换言之，当这些准则被满足时，出射srg56实际上充当入射耦合srg52的反转，从而反转入射耦合srg衍射对与其相互的光束的每一版本的效果，由此以与原始光束被输出到组件10相同的方向输出实际上为光束34(x)的二维展宽版本的事物(该二维展宽版本具有基本为出射srg56的区域(＞＞d2，并且其所提到的独立于成像光学器件17的区域)的区域)，以向外衍射的光束形成与向内输入的光束基本相同的虚拟图像，但其可通过更大的区域来感知。
在图9b的示例中，a≈45°，即使得折叠srg54和出射srg56被定向为分别与入射耦合srg52成基本45和90度，并且折叠区域的光栅周期为
以上考虑了平光学组件，但适当弯曲(即，具有基本沿着z轴延伸的曲率半径)的光学组件可被配置成用作有效透镜，使得各输出光束30(x)不再同样被高度准直并且不是平行的，而具有特定的相对方向和角距，使得各自追溯到公共收敛点——这在图7g中被示出，其中该公共收敛点被标记为q。
此外，当每一像点被考虑时，所有不同的活跃像点的各收敛点位于基本相同的平面中(被标记为50)，该平面被定位成距眼睛37距离l，以使得眼睛37可据此来聚集以将整个图像感知为好像该图像在距离l远处。
这可被等效地表述为各输出光束形成与相应的输入光束基本相同的当前显示图像的虚拟版本，但在距眼睛37距离l处，而不是在无穷远处。
弯曲的光学组件可特别适合于无法适当地聚焦遥远的图像的近视眼。
注意，一般来说，折叠区和出射区的“宽度”不一定是其水平延伸—一般来说，折叠区14或出射区16的宽度是该区在光从入射耦合区12耦合到折叠区14中的大致方向上的延伸(在以上示例中，其是水平的，但更一般地其是基本垂直于入射耦合区12的光栅线的方向)。
注意，光引擎13的以上布置只是一个示例。例如，基于所谓的扫描的替换光引擎可提供单个光束，该单个光束的定向被快速调制，且同时调制其强度和/或颜色。如将显而易见的，虚拟图像可按与将通过用准直光学器件来准直显示器上的(现实)图像的光来创建的虚拟图像等效的方式来仿真。
如本领域的技术人员公知的，模块化传输函数(mtf)是对光学系统将来自对象的各细节水平传递到图像的能力的测量。1.0(或100％)的mtf表示完美的对比度保留，而小于此的值意味着越来越多的对比度被丢失—直到为0(或0％)的mtf，其中线对(线对是一根黑色线和一根白色线的序列)可能根本不再被区分。
本文中描述的光学组件由于高度规则的衍射表面而达成高mtf性能(该高度规则的衍射表面产生高度准直的输出光束，这些高度准直的输出光束彼此高度平行)，从而展示出不大于(可能显著小于)被个体像素从p起包住的角(～δβ)的总角度变化，例如展示出小于或等于0.5毫弧度的总角度变化，由此增加了穿戴者所感知到的最终图像的图像质量。
发明人已注意到了已由本文中描述的光学组件的增加的性能引起的惊人效果。即，带状效果被佩戴者在最终图像中观察到。图10解说由穿戴者在最终图像中观察到的带状效果。眼框中在观察者的位置上方的强度不是保持基本恒定，而是由于环路干扰而几乎从零到最大值变化(以下被更详细地描述)。因此，取决于观察者的位置，强度巨大地变化。带在眼框中表现为垂直的黑色和/或白色条纹。观察到的带状效果中的暗带或亮带严重依赖于表面和光栅线特征方面的非常小的变化。表面水平方面甚至某数十纳米的改变可形成局部亮度方面几乎100％的改变。
发明人已认识到，该观察到的带状效果由传播通过折叠区14的入射光所走的、具有相等的(或非常接近相等的)路径长度的不同光路引起。
图11解说图9b的菱状格的一部分以解释带状效果的起因。被引导到原本在本文中被称为折叠srg54的第一拆分区域的点a上的光束被拆分成该光束的两个版本。这两个版本在入射在出射光栅16上之前走在点a之间的相应光路。这两个版本在出射光栅16的涵盖区基本重叠。即，这两个版本以相应的角度(具有小于或等于0.5毫弧度的角度变化)入射在出射光栅16上。
沿着第一光路，(这两个版本中的)第一版本通过tir的方式以光束42a(x)从点a(在点a处，光束34(x)首先被折叠srg54衍射)传播到在本文中原本被称为折叠srg54的第二拆分区域的点b(在点b处，光束42a(x)被折叠srg54衍射)，并通过tir的方式以一阶反射光束40a(x)传播到折叠srg54的第三拆分区域。
沿着第二光路，(这两个版本中的)第二版本通过tir的方式以光束34(x)从点a传播到在本文中原本被称为折叠srg54的第四拆分区域的点c(在点c处，光束34(x)被折叠srg54衍射)，并通过tir的方式以光束42b(x)传播到折叠srg54的第五拆分区域。折叠srg54的第三和第五拆分区域部分重叠，其在图11中被一起示为点d。
发明人已观察到，带状效果在非常高的mtf处发生，这表明当路径a->b->d和路径a->c->d之间在路径长度方面的差异由于折叠区14的高度规则的衍射表面而出人意料地非常小(例如，小于50纳米)时，这导致破环性的和构造上的干扰(在本文中被称为环路干扰)并且由此在穿戴者所感知的最终图像中导致暗区域和亮区域。
本公开的各实施例涉及在制造时在(其上形成折叠srg54的)折叠区14的前壁和/或折叠区14的相对的后壁中引入表面变化，以便引入光路长度失配，以消除观察到的带状效应。
发明人观察到各光路(诸如以上描述的两个光路)之间至少50纳米的光路长度差异足以消除观察到的带状效应，因此表面变化具有提供该光路长度差异的物理特性。表面变化导致光学组件10的折叠区14的变化的厚度(折叠区14的前壁和折叠区14的相对后壁之间的距离)。即，在折叠区14的不同部分之间存在折叠区14的厚度方面的差异。
基于光学组件10的折射率n，折叠区14的所需厚度差异td可被计算出，以根据等式(13)实现至少50纳米的光路长度差异opd：
td*2*tanθ(x)＝opd(13)
为了实现至少50纳米的光路长度差异，取决于光学组件10的折射率n，折叠区14的厚度差异td在10nm≤td≤12nm的范围中。将显而易见的是，当表面变化被引入折叠区14的前壁和折叠区14的相对后壁中的仅一者上时，则光学组件10的厚度差异td对应于表面变化的高度h。
图12a示出折叠区14的沿着图11所示的q轴的透视图。q轴与y轴成角度φ'(x)。图12a示出光束42b(x)从点c(折叠srg54的第四拆分区域)开始以朝向折叠区14的前壁的φ'(x)方向传播，并通过tir的方式被反射离开折叠区14的前壁，以使得光束42b(x)传播到折叠srg54的在折叠区14的相对后壁上的第五拆分区域(点d)。
图12b示出折叠区14的沿着图11所示的p轴的透视图。p轴与y轴成角度φ'(x)。图12b示出光束42a(x)从折叠srg54的第一拆分区域(点a)开始以朝向折叠区14的前壁的φ'(x)方向传播，并通过tir的方式被反射离开折叠区14的前壁，以使得光束42a(x)传播到折叠srg54的在折叠区14的相对后壁上的第二拆分区域(点b)。
图12b解说在折叠区14的前壁的表面中具有高度h的表面变化。相比于光束42b(x)在折叠区14的后壁上的折叠srg54的第四拆分区域(点c)和折叠区14的后壁上的折叠srg54的第四拆分区域(点d)之间行进的路径长度，光束42a(x)在被再次入射到折叠区14的后壁上的折叠srg54的第二拆分区域(点b)处之前从折叠区14的后壁上的折叠srg54的第一拆分区域(点a)起行进的光路长度减少了。即，相比于光束42a(x)，光束42b(x)在入射在折叠区14的后壁上之前进一步以φ'(x)方向行进。
如以上所解释的，光束42a(x)将在折叠srg54的第二拆分区域(点b)处被折叠srg54衍射，并以光束40a(x)在φ(x)方向中传播。然而，由于由折叠区14的前壁的表面中的表面变化引入的光路长度失配，光束40a(x)将从折叠srg54的第二拆分区域(点b)起以朝向折叠区14的前壁的φ(x)方向传播，并通过tir的方式反射离开折叠区14的前壁，以使得折叠srg54的第三拆分区域的中心沿着q轴在y方向中偏离折叠srg54的第五拆分区域的中心至少50纳米，由此避免以上所述的破坏性的干扰。
虽然图12b解说了折叠区14的前壁的表面中的表面变化，但替换地或附加地，可在(其上形成折叠srg54的)折叠区14的相对后表面上引入表面变化，这在图12c中被示出。
图12c解说在折叠区14的后壁的表面中具有高度h的表面变化。相比于光束42b(x)在折叠区14的后壁上的折叠srg54的第四拆分区域(点c)和折叠区14的后壁上的折叠srg54的第四拆分区域(点d)之间行进的路径长度，光束42a(x)在被再次入射到折叠区14的后壁上的折叠srg54的第二拆分区域(点b)处之前从折叠区14的后壁上的折叠srg54的第一拆分区域(点a)起行进的光路长度增加了。即，相比于光束42b(x)，光束42a(x)在入射在折叠区14的后壁上之前进一步以φ'(x)方向行进。
由于由折叠区14的前壁的表面中的表面变化引入的光路长度失配，光束40a(x)将从折叠srg54的第二拆分区域(点b)起以朝向折叠区14的前壁的φ(x)方向传播，并通过tir的方式反射离开折叠区14的前壁，以使得折叠srg54的第三拆分区域的中心沿着在φ'(x)方向中偏离折叠srg54的第五拆分区域的中心至少50纳米，由此避免以上所述的破坏性的干扰。
虽然图12a-c仅引用了图9b的菱状格的一部分来解释表面变化如何消除观察到的带状效应，但原理也扩展到图9b的菱状格的其他部分。
虽然以上描述了涉及改变光束42a(x)的路径长度以增加折叠srg54的第三和第五拆分区域的中心之间的间距的各实施例，但附加地或替换地，可改变(i)光束34(x)在折叠区14的后壁上的折叠srg54的第一拆分区域(点a)和折叠区14的后壁上的折叠srg54的第三拆分区域(点c)之间行进的光路长度；(ii)光束42b(x)在折叠区14的后壁上的折叠srg54的第三拆分区域(点c)和折叠区14的后壁上的折叠srg54的第五拆分区域(点d)之间行进的光路长度；以及(iii)光束40a(x)在折叠区14的后壁上的折叠srg54的第二拆分区域(点b)和折叠区14的后壁上的折叠srg54的第三拆分区域(点d)之间行进的光路长度中的一者或多者以增加折叠srg54的第三和第五拆分区域的中心之间的间距。
虽然图12b和12c示出具有周期性结构的折叠区14的前壁和后壁的表面变化，但这仅仅是一个示例，而本公开的实施例并不限于此。折叠区14的前壁和/或后壁的表面变化可被形成，而没有可标识的图案或对称性。即，只要表面变化引入光路长度失配，该表面变化可采取任何形式，以使得原本会在基本上相同的位置处遇到折叠srg54的光束在基本上不同的位置处遇到折叠srg54。
为了在行进通过折叠区14的光入射在折叠区14的前壁上时避免衍射，空间变化的空间周期d’被选择为显著大于该光的波长。空间变化的空间周期d’处于mm的量级，通常为3mm。
在本公开的一个方面中，提供了一种显示系统，包括：
引导到所述中间光栅的第一表面的拆分区域上；其中所述中间光栅包括与所述第一表面相对的第二表面，并且被布置成在所述拆分区域处拆分该光束以提供该光束的两个版本，所述两个版本被耦合到所述出射光栅中；由此，该光束的所述两个版本在以相应的角度入射在所述出射光栅上之前在所述拆分区域之间走相应光路，所述相应的角度具有小于或等于0.5毫弧度的角变化，并且该光束的所述两个版本的光束涵盖区在所述出射光栅上部分地重叠；
其中所述出射光栅被布置成向外衍射该光束的所述两个版本，所述多个输入光束由此使得多个出射光束离开所述波导，所述多个出射光束形成所述虚拟图像的一个版本；并且其中所述第一表面和/或所述第二表面包括表面变化，所述表面变化被布置成引入相应光路之间的光路长度差异，以使得可见的带状效果被从所述虚拟图像的所述版本中消除。
所述表面变化可被布置成引入相应的光路之间至少50纳米的光路长度差异。
该光束可以沿着所述中间光栅的宽度的方向被引导到所述中间光栅的所述第一表面的拆分区域上。
在一实施例中，沿着该光束的所述第一版本所走的第一光路，所述第一版本以朝向所述出射光栅的方向被从所述第一拆分区域引导到所述中间光栅的所述第一表面的第二拆分区域上，并以沿着所述中间光栅的宽度的方向被从所述第二拆分区域引导到所述中间光栅的所述第一表面的第三拆分区域上；沿着该光束的所述第二版本所走的第二光路，所述第二版本以沿着所述中间光栅的宽度的方向被从所述第一拆分区域引导到所述中间光栅的所述第一表面的第四拆分区域，并以朝向所述出射光栅的方向被从所述第四拆分区域引导到所述中间光栅的所述第一表面的第五拆分区域；并且所述中间光栅的所述第一表面的所述第三和第五拆分区域部分重叠。
所述表面变化可在(i)所述第一和第二拆分区域之间的光路长度；以及(ii)所述第四和第五拆分区域之间的光路长度之间引入光路长度失配；以引入所述光路长度差异。
替换地或附加地，所述表面变化可在(i)所述第一和第四拆分区域之间的光路长度；以及(ii)所述第二和第三拆分区域之间的光路长度之间引入光路长度失配；以引入所述光路长度差异。
所述光学波导可基本是平的，以便基本彼此平行地并以基本匹配该光束被入射耦合的唯一向内方向的向外方向来向外衍射每一光束的多个版本。替换地，所述光学波导是弯曲的，以便在距所述波导无穷远的距离处形成所述虚拟图像的所述版本。
在一个实施例中，仅所述第一表面包括所述表面变化。在一替换实施例中，仅所述第二表面包括所述表面变化。在一替换实施例中，所述第一表面和所述第二表面两者包括所述表面变化。
所述显示系统可由用户穿戴。
所述显示系统可被具体化在可穿戴头部部件中，当被穿戴时，所述出射光栅被定位成在所述用户的眼睛的前向以形成对所述用户可见的图像。
所述显示系统可包括两个这样的光学波导，所述两个光学波导中的每一者向所述用户的不同眼睛提供图像光。
根据本公开的另一方面，提供了一种用于显示系统的光学波导，所述光学波导具有入射耦合光栅、中间光栅以及出射光栅，所述入射耦合光栅被布置成接收多个输入光束，每一光束被基本准直并且以唯一向内方向被定向到所述入射耦合光栅，由此所述多个输入光束形成虚拟图像；所述中间和出射光栅具有显著大于所述光束的直径的宽度；其中所述入射耦合光栅被布置成将每一光束耦合到所述中间光栅中，其中该光束被引导到所述中间光栅的第一表面的拆分区域上；其中所述中间光栅包括与所述第一表面相对的第二表面，并且被布置成在所述拆分区域处拆分该光束以提供该光束的两个版本，所述两个版本被耦合到所述出射光栅中；由此，该光束的所述两个版本在以相应的角度入射在所述出射光栅上之前在所述拆分区域之间走相应的光路，所述相应的角度具有小于或等于0.5毫弧度的角变化，并且该光束的所述两个版本的光束涵盖区在所述出射光栅上部分地重叠；
所述表面变化可被布置成引入相应的光路之间至少50纳米的光路长度差异。
该光束可以沿着所述中间光栅的宽度的方向被引导到所述中间光栅的所述第一表面的拆分区域上。
在一个实施例中，沿着该光束的所述第一版本所走的第一光路，所述第一版本以朝向所述出射光栅的方向被引导到所述中间光栅的所述第一表面的第二拆分区域上，并以沿着所述中间光栅的宽度的方向被从所述第二拆分区域引导到所述中间光栅的所述第一表面的第三拆分区域上；沿着该光束的所述第二版本所走的第二光路，所述第二版本以沿着所述中间光栅的宽度的方向被引导到所述中间光栅的所述第一表面的第四拆分区域上，并以朝向所述出射光栅的方向被从所述第四拆分区域引导到所述中间光栅的所述第一表面的第五拆分区域上；以及，所述中间光栅的所述第一表面的所述第三和第五拆分区域部分重叠。
所述表面变化可在(i)所述第一和第二拆分区域之间的光路长度以及(ii)所述第四和第五拆分区域之间的光路长度之间引入光路长度失配以引入所述光路长度差异。替换地或附加地，所述表面变化可在(i)所述第一和第四拆分区域之间的光路长度以及(ii)所述第二和第三拆分区域之间的光路长度之间引入光路长度失配以引入所述光路长度差异。
在本公开的另一方面中，提供了一种可穿戴头部装置，包括：头部部件；光学波导，所述光学波导具有入射耦合光栅、中间光栅和出射光栅；以及光引擎，所述光引擎被安装在所述头部部件上，所述光引擎被配置成生成多个输入光束，每一光束被基本准直并且被以唯一向内方向定向到所述入射耦合光栅，由此所述多个输入光束形成虚拟图像；其中所述中间光栅和出射光栅具有显著大于所述光束的直径的宽度；其中所述入射耦合光栅被布置成将每一光束耦合到所述中间光栅中，其中该光束被引导到所述中间光栅的第一表面的拆分区域上；其中所述中间光栅包括与所述第一表面相对的第二表面，并且被布置成在所述拆分区域处拆分该光束以提供该光束的两个版本，所述两个版本被耦合到所述出射光栅中；由此，该光束的所述两个版本在以相应的角度入射在所述出射光栅上之前在所述拆分区域之间走相应的光路，所述相应的角度具有小于或等于0.5毫弧度的角变化，并且该光束的所述两个版本的光束涵盖区在所述出射光栅上部分地重叠；
其中所述出射光栅被布置成向外衍射该光束的所述两个版本，所述多个输入光束由此使得多个出射光束离开所述波导，所述多个出射光束形成所述虚拟图像的一个版本；并且其中所述第一表面和/或所述第二表面包括表面变化，所述表面变化被布置成引入相应光路之间的光路长度差异，以使得可见的带状效果被从所述虚拟图像的所述版本中消除。
尽管用结构特征和/或方法动作专用的语言描述了本发明主题，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。更确切而言，上述具体特征和动作是作为实现权利要求的示例形式公开的。
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