本申请要求以下共同待审的美国专利申请的优先权：2016年6月20日提交的标题为“skewmirrorpupilexpansion”的62/352,534；2016年9月9日提交的标题为“pupilexpander”的62/385,686；2016年3月1日提交的标题为“pupilexpander”的62/465,619；2017年3月31日提交的标题为“pupilexpander”的62/479,985；和2017年5月11日提交的标题为“pupilexpander”的62/504,890。上述专利申请全文以引用方式并入本文用以所有目的。
本公开整体涉及光学反射设备，并且更具体而言，涉及扩展光学反射设备内的光束。
背景技术
传统电介质反射镜是通过用其介电常数互不相同的多层材料来涂覆表面(通常是玻璃)而制造出来的。这些材料层通常被布置成使得来自层边界的fresnel反射大大增强，从而得到大的净反射率。可以通过确保在相对宽的指定波长范围和入射角上实现该条件，来设计宽带电介质反射镜。但因为这些层是沉积于表面上，因此电介质反射镜的反射轴必然与表面法线一致(即，反射轴与反射镜表面垂直)。由于对反射轴的这种约束，电介质反射镜在一些设备中以次优的配置设置。类似地，反射轴被约束到表面法线就使电介质反射镜不适合某些用途。此外，玻璃电介质反射镜往往相对较重，使之不太适合或不适合用于要求反射部件相对轻质的应用。
相反，传统光栅结构则可关于与光栅结构驻留的介质表面法线相差的反射轴反射光。但对于某个给定的入射角而言，传统光栅结构的反射角通常会随着入射光的波长一起变化。因此，采用传统的光栅结构来反射光可避免传统反射镜所固有的约束：反射轴与表面法线一致。然而，在需要基本上恒定反射轴的情况下，对于某个给定的入射角而言，传统的光栅结构基本上限制在单一波长(或非常窄的波长范围)。类似地，为了关于恒定反射轴反射特定波长的光，传统光栅结构限于单个入射角(或非常窄的入射角范围)。
因此，传统反射设备，包括反射光栅结构或传统反射镜，可能不满足设备所需的特性，包括关于不被约束到表面法线的反射轴的光反射，以及在入射角范围上恒定的反射角。此外，传统反射设备的传统结构和耦合部件可能与设备的光相互作用(例如，与全内反射(tir)模式反射光和非tir直通外部光)并且阻碍投影的光学清晰度。因此，传统的反射设备可能在这些设备产生的fov下提供次优的图像投影并不利于光学清晰度。这种结果在头戴式显示器(hmd)设备中可能特别严重。
技术实现要素：
本文所述的特征总体涉及用于将光束从入射光瞳扩展到出射光瞳(即，光瞳扩展)的一种或多种改进的方法、系统或设备。所述方法、系统或设备可以在光学设备或系统中采用一个或多个光瞳扩展器或光瞳扩展技术来实现投影图像的增大的视场(fov)。
在一个实施方案中，一种设备或系统可包括具有第一波导表面和平行于第一波导表面的第二波导表面的波导、以及设置在第一波导表面和第二波导表面之间的第一体全息光耦合元件。第一体全息光耦合元件可以被结构化成将入射光的至少一部分反射为反射光。入射光可以具有相对于与波导的表面法线对应的第一轴在tir范围内的第一入射角和相对于第二轴的第二入射角。反射光可以具有在tir范围内的第一反射角和相对于第二轴的第二反射角。在一些情况下，第二反射角可以与第二入射角不同。
上述设备或系统的一些示例还可包括设置在第一波导表面和第二波导表面之间的第二体全息光耦合元件。第二体全息光耦合元件可以具有不同于第一反射轴取向的第二反射轴。
在上述设备或系统的一些示例中，第一体全息光耦合元件可具有第一反射轴，该第一反射轴可被取向为在平行于第一波导表面的平面上。
在上述设备或系统的一些示例中，第一体全息光耦合元件可包括光栅介质。上述设备或系统的一些示例还可以包括在光栅介质内的第一光栅结构，第一光栅结构被结构化成关于第一反射轴反射相对于第一轴在tir范围内的第一入射角的第一波长的入射光的至少一部分。
在上述一些示例中，第一体全息光耦合元件还包括在光栅介质内的第二光栅结构，第二光栅结构被结构化成关于另一反射轴反射不同于第一入射角的另一入射角的第一波长的入射光的至少一部分。在上述一些示例中，与第二光栅结构相关联的所述另一入射角可以相对于第一轴在tir范围内。在上述一些示例中，第二光栅的所述另一反射轴可具有与第一反射轴的反射轴角相差0.25度或小于0.25度的反射轴角。
在上述一些示例中，第一光栅结构和第二光栅结构对应于与图像光的内部视场角相关联的相同位点。在上述一些示例中，第一光栅结构对应于与图像光的第一内部视场(fov)角相关联的一个或多个体全息图的第一位点，并且第二光栅结构对应于与图像光的不同于第一内部fov角的第二内部fov角相关联的一个或多个体全息图的第二位点。在上述的一些实施方案中，第一位点和第二位点至少部分地重叠。
在上述未定义的一些示例中，第一光栅结构可以进一步被构造为关于第一反射轴反射包括第一入射角的第一入射角范围的所述波长的入射光的至少一部分，第一入射角范围的每个入射角相对于第一轴在tir范围内。
在上述一些示例中，第一光栅结构包括至少三个体全息图，这至少三个体全息图中的每个体全息图对应于第一入射角范围内的一个独特入射角，并且其中这至少三个全息图的相邻|δkg|可具有在1.0×104和1.0×106弧度/米(rad/m)之间的平均值。
在上述设备或系统的一些示例中，第一体全息光耦合元件包括可为至少70μm厚的光栅介质，并且该光栅介质包括多个体全息图，其被结构化成将tir范围内的至少一些入射角的入射光布拉格匹配。
在上述设备或系统的一些示例中，第一体全息光耦合元件包括第一耦合部分和第二耦合部分，第一耦合部分可被构造为关于第一反射轴将入射光的至少一部分反射为反射光，第二耦合部分可被构造为关于第二反射轴将入射光的至少一部分反射为反射光，第二反射轴被取向为在平行于第一波导表面的平面上，并且与第一反射轴不平行。
在上述一些示例中，第一反射轴可以被构造为在波导的第一位置内将入射光的至少一部分反射为反射光，并且第二反射轴可以被构造为在波导的第二位置内将入射光的至少一部分反射为反射光。
在上述一些示例中，第一耦合部分至少部分地与第二耦合部分重叠，使得第一反射轴可以被构造为在重叠位置处反射入射光的至少一部分，并且第二反射轴可以被构造为在重叠位置处反射入射光的至少一部分。上述系统的一些示例还可以包括入射光瞳元件，该入射光瞳元件与接合部对准，该接合部与第一耦合部分和第二耦合部分相关联，使得入射光瞳元件可以被结构化成允许输入光进入第一耦合部分和第二耦合部分。
在上述一些示例中，第一体全息光耦合元件的第一耦合部分和第一体全息光耦合元件的第二耦合部分可以在接合部对准。
在上述一些示例中，互耦波导可以由重叠的接合部耦合到波导。在上述一些示例中，互耦波导可以利用光学粘合元件耦合到波导。在上述一些示例中，互耦波导操作地可由端对端接合部耦合到波导。
上述设备或系统的一些示例还可包括耦合到波导的互耦波导。上述设备或系统的一些示例还可包括位于波导内的第一波导区段，其中第一体全息光耦合元件可至少部分地设置在第一波导区段内。上述设备或系统的一些示例还可包括位于第一波导区段的第一边缘的第一入射光瞳。在上述的一些示例中，第一波导区段和第二波导区段至少部分地重叠。
上述系统的一些示例还可以包括位于波导内的第二波导区段，其中第一体全息光耦合元件可以至少部分地设置在第一波导区段内。上述系统的一些示例还可以包括位于第二波导区段的第二边缘的第二入射光瞳。
上述设备或系统的一些示例还可以包括具有第一波导表面和平行于第一波导表面的第二波导表面的波导。上述设备或系统的一些示例还可以包括设置在第一波导表面和第二波导表面之间的交叉耦合元件，该交叉耦合元件具有被取向为在平行于第一波导表面的平面上的第一反射轴。上述设备或系统的一些示例还可以包括设置在第一波导表面和第二波导表面之间的体全息光耦合元件，该体全息光耦合元件具有被取向为在不同于第一反射轴被取向的平面的平面上的第二反射轴。
在上述一些示例中，交叉耦合元件可以被结构化成将入射光的至少一部分反射为反射光，入射光具有相对于与波导的表面法线对应的第一轴在全内反射(tir)范围内的第一入射角以及相对于不同于第一轴的第二轴的第二入射角，并且反射光具有在tir范围内的第一反射角和相对于第二轴的第二反射角，第二反射角不同于第二入射角。
在一个实施方案中，一种设备或系统可包括交叉耦合元件，该交叉耦合元件具有被取向为在平行于第一波导表面的平面上的第一反射轴以及设置在第一波导表面和第二波导表面之间的体全息光耦合元件，该体全息光耦合元件具有被取向为在不同于第一反射轴被取向的平面的平面上的第二反射轴。在上述设备或系统的一些示例中，交叉耦合元件包括部分反射格栅，部分反射格栅被结构化成将入射光的至少一部分反射为反射光。
在上述一些示例中，第一反射轴可以偏离第一波导表面的表面法线。在上述一些示例中，体全息光耦合元件的第二反射轴可以被取向为与第一反射轴不同。例如，第二反射轴可以被取向为与第一反射轴正交。在上述未定义的一些示例中，交叉耦合元件可以由端对端接合部耦合到体全息光耦合元件。
在上述一些示例中，体全息光耦合元件包括光栅介质。上述系统的一些示例还可以包括在体全息光耦合元件的光栅介质内的第一光栅结构，该第一光栅结构被构造为关于第二反射轴反射处于第一tir入射角的一定波长的全内反射(tir)光。在上述一些示例中，体全息光耦合元件还包括在体全息光耦合元件的光栅介质内的第二光栅结构，其至少部分地与第一光栅结构不重叠，该第二光栅结构被构造为关于第二反射轴反射第二tir入射角的所述波长的tir光。在上述一些示例中，第二tir入射角与第一tir入射角相差至少5°。
在上述未定义的一些示例中，波长包括可见红光波长、可见蓝光波长或可见绿光波长中的一种。在上述一些示例中，第一光栅结构包括至少三个体全息图，这至少三个体全息图中的每一者对应于tir入射角范围内的一个独特入射角，并且其中这至少三个全息图的相邻|δkg|可具有在1.0×104和1.0×106弧度/米(rad/m)之间的平均值。
在一个实施方案中，一种设备或系统可包括用于提供载像光的光源；光学透镜，该光学透镜包括光学透镜的用于接收载像光的光输入区段；波导，该波导具有第一波导表面和平行于第一波导表面的第二波导表面；和设置在第一波导表面和第二波导表面之间的第一体全息光耦合元件，该第一体全息光耦合元件被结构化成将入射光的至少一部分反射为反射光，入射光具有相对于与波导的表面法线对应的第一轴在全内反射(tir)范围内的第一入射角和相对于不同于第一轴的第二轴的第二入射角，并且反射光具有在tir范围内的第一反射角和相对于第二轴的第二反射角，第二反射角不同于第二入射角。
在上述一些示例中，该光学透镜还包括设置在第一波导表面和第二波导表面之间的第二体全息光耦合元件，该第二体全息光耦合元件可以具有不同于第一反射轴的第二反射轴。
在一个实施方案中，一种设备或系统可包括用于提供载像光的光源；光学透镜，该光学透镜包括光学透镜的用于接收载像光的光输入区段；波导，该波导具有第一波导表面和平行于第一波导表面的第二波导表面；设置在第一波导表面和第二波导表面之间的交叉耦合元件，该交叉耦合元件具有被取向为在平行于第一波导表面的平面上的第一反射轴；和设置在第一波导表面和第二波导表面之间的体全息光耦合元件，该体全息光耦合元件具有被取向为在不同于第一反射轴被取向的平面的平面上的第二反射轴。
在一个实施方案中，交叉耦合元件被结构化成将入射光的至少一部分反射为反射光，入射光具有相对于与波导的表面法线对应的第一轴在全内反射(tir)范围内的第一入射角以及相对于不同于第一轴的第二轴的第二入射角，并且反射光具有在tir范围内的第一反射角和相对于第二轴的第二反射角，第二反射角不同于第二入射角。
在上述一些示例中，该方法可以包括制造包括一个或多个体全息光耦合元件的设备，包括相对于第一棱镜定位记录介质，使得第一记录光束和第二记录光束穿过第一棱镜以在记录介质上记录干涉图案，并在记录介质中记录第一反射轴，使得第一反射轴被取向为平行于记录介质的厚度维度。
附图说明
参考以下附图，可以进一步理解本公开的具体实施的实质和优点。在附图中，类似的部件或特征结构可以具有相同的参考标号。此外，相同类型的各种部件可以通过在参考标号后用短划线和区分相似部件的第二标号来区分。如果在说明书中仅使用第一参考标号，则该描述适用于具有相同第一参考标号的任何一个类似部件，而与第二参考标号无关。
图1是可以在其中实现本文中包括的原理的hmd设备的图示。
图2a是示出根据本公开的各方面的实空间中的斜交镜的反射特性的图。
图2b示出了根据本公开的各方面的k空间中的斜交镜。
图3是根据本公开的各方面的结合有斜交镜出射光瞳扩展技术的光学系统的图。
图4是一种光学部件的图，其示出根据本发明的各方面的多个光栅结构。
图5a示出了根据本公开的各方面的可用于制造具有光瞳扩展的斜交镜的系统的图。
图5b示出了根据本公开的各方面的可用于制造具有光瞳扩展的斜交镜的系统的图。
图6示出了根据本公开的各方面的支持光瞳扩展的光学系统的示例。
图7a是示出根据本公开的各方面，传统技术与本文描述的光瞳扩展技术的对比的曲线图。
图7b是示出根据本公开的各方面，传统技术与本文描述的光瞳扩展技术的对比的曲线图。
图7c是示出了根据本公开的各方面的光瞳扩展技术的曲线图。
图8a示出了根据本公开的各方面的支持光瞳扩展的光学透镜的示例。
图8b示出了根据本公开的各方面的支持光瞳扩展的光学透镜的示例。
图9a示出了根据本公开的各方面的支持光瞳扩展的光学透镜的示例。
图9b示出了根据本公开的各方面的支持光瞳扩展的光学透镜的示例。
图10a示出了根据本公开的各方面的支持光瞳扩展的光学透镜的示例。
图10b示出了如参考图10a所述的光栅结构(交叉斜交镜)的叠加的k空间表示。
图11a示出了根据本公开的各方面的支持光瞳扩展的光学系统的示例。
图11b示出了根据本公开的各方面的支持光瞳扩展的光学系统的示例。
图11c示出了根据本公开的各方面的支持光瞳扩展的光学系统的示例。
图11d示出了根据本公开的各方面的支持光瞳扩展的光学系统的示例。
图11e示出了根据本公开的各方面的支持光瞳扩展的光学系统的示例。
图12示出了根据本公开的各方面的支持光瞳扩展的光学透镜的示例。
图13a示出了根据本公开的各方面的支持光瞳扩展的光学透镜的示例。
图13b示出了根据本公开的各方面的支持光瞳扩展的光学透镜的示例。
图13c示出了根据本公开的各方面的支持光瞳扩展的光学透镜的示例。
图14是根据本发明的各方面，制造用于均衡光的装置的示例性方法的流程图。
具体实施方式
体全息光栅(vhg)可以用作图像投影系统内的光耦合器件(例如，输入耦合器、输出耦合器和/或交叉耦合器)。根据耦合器件的附加特征，每个传统耦合器件可以通过波导透射光，采用光瞳扩展，并提供图像投影。传统的耦合器件可包括压印衍射光栅、衍射光学元件(doe)、全息光学元件(hoe)和倾斜的部分反射表面来支持至少上述特征。传统耦合器件的一个或多个特性，包括厚度和体折射率，可以决定可达的全内反射(tir)输入角范围、以及产生的视场(fov)能力。在一些情况下，传统的耦合器件(单独或与附加耦合器件组合)可能对光学清晰度和fov造成限制或阻碍。例如，传统的耦合器件可以与在tir模式下操作的光的每个双向反射相互作用，从而阻碍所产生的fov。在其他示例中，传统的耦合器件可以与直接穿过器件的光相互作用(例如，非tir模式)或经历色散，从而妨碍图像投影系统的光学清晰度。
可以在光耦合器件(例如，输入耦合器、输出耦合器和/或交叉耦合器)中采用一个或多个斜交镜型部件或设备用于光瞳扩展。在所述一个或多个光耦合器件中利用斜交镜技术可以改善相关图像投影设备(诸如头戴式显示单元)的观看能力和光学清晰度。斜交镜型设备可表现出消色差特征。斜交镜型设备(例如，输出耦合器实施方案)可以与在基板之间反射的tir模式输入光的一次反射以及直接穿过斜交镜型设备的输入光(例如，入射到基板表面上的外部光)布拉格失配。与使用传统耦合器件的图像投影设备相比，利用斜交镜技术的图像投影设备可以提供更广的fov并避免对光学清晰度的阻碍。
一个或多个斜交镜型部件或设备(例如，输入耦合器实施方案)可以将来自光源的输入光引导到入射光瞳。一个或多个斜交镜型部件或设备(例如，交叉耦合器实施方案)可以引导来自入射光瞳的输入光在一个方向上传播并反射输入光以在另一方向上传播通过波导。交叉耦合器实施方案可以有利地允许投影图像的尺寸(例如，垂直或水平尺寸)在整个入射光瞳到出射光瞳光路中保持不受引导(即，投影尺寸可以对应于横向于tir尺寸的角度)。一个或多个斜交镜型部件或设备(例如，输出耦合器实施方案)可以允许发散光损失减少的图像投影。图像投影系统的利用斜交镜技术的光耦合器件实施方案可以包含在一个或多个互耦波导内，进一步提高图像投影效率并增加设备的紧凑性。利用斜交镜技术的光耦合器件实施方案可以结合到还利用了其他非斜交镜光耦合器件实施方案的图像投影系统中。
一个或多个全息光学元件可以用在光学头戴式显示器(hmd)设备的波导中。hmd设备是可穿戴设备，其具有反射投影图像的能力并且可以有利于用户体验增强现实。头戴式显示器通常涉及投射虚拟图像的近眼光学器件。过去，hmd的技术限制导致体验障碍，包括降低的图像质量和增加的重量和尺寸。过去的实施方案包括用以反射、折射或衍射光的传统光学器件，然而，设计往往体积庞大。另外，传统的反射镜和光栅结构具有固有的限制。例如，传统的反射镜可以具有必须与表面法线重合的反射轴，从而施加次优的镜面取向或在反射镜处受阻的反射输出。而且，传统的光栅结构可以包括多个反射轴，这些反射轴不可接受地与入射在结构上的光的入射角和/或波长共同变化。
因此，用于反射光的设备可以包括关于不被约束到表面法线的反射轴反射光的特征结构，对于给定的入射角，反射角在多个波长处是恒定的。对于给定波长的入射光，在一定入射角范围上，该设备的实施方案可具有基本上恒定的反射轴(即，反射轴所具有的反射轴角度变化小于1.0度)，并且这种现象可使用各种波长的入射光观察到。
本发明的各方面最初在用于将光朝向位于远离斜交镜固定距离处的观察框反射的装置的上下文中进行描述。针对包括光栅介质的装置描述了具体示例。在一些情况下，光栅介质可包括一个或多个光栅结构。光栅结构可以被构造为关于反射轴反射处于特定的多个入射角的特定波长的光，该反射轴偏离光栅结构的表面法线。参考与光瞳扩展有关的装置图、系统图和流程图来进一步说明和描述了本公开的各方面。
该描述提供了示例，并且不旨在限制本文描述的原理的具体实施的范围、适用性或配置。而是，随后的描述将为本领域技术人员提供用于实现本文描述的原理的具体实施的有用描述。可以对元件的功能和布置进行各种改变。
因此，各种具体实施可以适当地省略、替换或添加各种过程或部件。例如，应当理解，可以采用与所描述的顺序不同的顺序执行方法，并且可以添加、省略或组合各种步骤。而且，关于某些具体实施描述的方面和元件可以组合在各种其他具体实施中。还应当理解，以下系统、方法、设备和软件可以单独地或共同地是更大系统的部件，其中其他过程可以优先于或以其他方式修改其应用。
图1是可以在其中实现本文中包括的原理的hmd设备100的图示。hmd设备100可以包括眼镜或头饰，其中近眼显示器(ned)105可以固定在用户眼睛的前面。ned105可以包括设置在hmd设备100的透镜组件内或与透镜组件结合的衍射元件部分。在一些示例中，衍射元件部分可以是全息光学元件(hoe)，其可以包括斜交镜110。参考斜交镜110提供了坐标(x轴、y轴和z轴)。hmd设备100可以包括与斜交镜110组装的多个光耦合元件，包括附加的斜交镜(未示出)、未使用斜交镜技术和原理构造的hoe(未示出)、doe(未示出)和/或格栅镜(未示出)。hmd100还可包括操作地耦合到透镜组件的光源或光投射器115。在一些示例中，光源或光投射器115可以以波导配置而操作地耦合到透镜组件。在一些示例中，光源或光投射器115可以以自由空间配置而操作地耦合到透镜组件。
斜交镜110可以是反射设备，并且可以包括其中驻留有一个或多个体全息图或其他光栅结构的光栅介质。斜交镜110可以包括附加层，诸如玻璃盖或玻璃基板。附加层可用于保护光栅介质免受污染、湿气、氧气、反应性化学物质、损坏等。附加层也可与光栅介质折射率匹配。凭借其中驻留的光栅结构，光栅介质可具有允许该介质在称为反射轴的轴周围衍射光的物理特性，其中衍射角(下文称为反射角)对于以给定入射角入射到光栅介质上的多个波长的光而言变化小于1°。在一些情况下，反射轴对于多个波长和/或入射角也是恒定的。在一些情况下，光栅结构由一个或多个全息图形成。在一些具体实施中，这一个或多个全息图可以是体相位全息图。其他类型的全息图也可以用在光栅结构的各种具体实施中。
类似地，对于给定波长的入射光，在一定入射角范围上，具体实施可具有基本上恒定的反射轴(即，反射轴所具有的反射轴角度变化小于1°)，并且这种现象可使用各种波长的入射光观察到。在一些具体实施中，对于一组多个入射角和一组多个波长的每个组合，反射轴保持基本上恒定。
全息图可以是干涉图案的记录，并且可以包括来自用于记录的光的强度信息和相位信息二者。该信息可以记录在光敏介质中，该光敏介质将干涉图案转换成光学元件，该光学元件根据初始干涉图案的强度来修改后续入射光束的幅度或相位。光栅介质可包括光聚合物、光折射晶体、二色性明胶、光热折射玻璃、含有分散的卤化银颗粒的膜，或具有对入射干涉图案进行反应和记录的能力的其他材料。在一些情况下，相干激光可用于记录和/或读取记录的全息图。
在一些情况下，可以使用称为记录光束的两个激光束来记录全息图。在一些情况下，记录光束可以是除了入射到光栅介质上的角度之外彼此相似的单色准直平面波束。在一些具体实施中，记录光束可具有彼此不同的幅度或相位分布。可以引导记录光束，使得它们在记录介质内相交。在记录光束的交汇处，记录光束可以采用根据干涉图案的每个点的强度而变化的方式与记录介质相互作用，并在记录介质内产生变化的光学性质的图案。例如，在一些实施方案中，折射率可在记录介质内变化。在一些情况下，所产生的干涉图案可以采用对于记录在光栅介质上的所有这种光栅结构一致的方式在空间上分布(例如，利用掩模等)。在一些情况下，可以通过改变波长或入射角来在记录介质内产生不同的干涉图案，从而在单个记录介质内叠加多个光栅结构。在一些情况下，在介质中记录一个或多个全息图之后，可以在记录后光处理中用光处理介质。记录后光处理可以用高度非相干光进行，以基本上消耗剩余的反应性介质组分，诸如光引发剂或光活性单体，从而大大降低或消除记录介质的光敏性。在完成在记录介质中记录全息图或其他光栅结构之后，该介质通常被称为光栅介质。在某些情况下，光栅介质已经变成非光敏的。
在一些具体实施中，光栅结构可包括经由多个光束(称为记录光束)之间的干涉产生的全息图。光栅结构可包括多个全息图。可使用以下记录光束来记录所述多个全息图：以在所述多个全息图之间改变的角度入射到光栅介质上的记录光束(即，角度复用)以及/或波长在所述多个全息图之间改变的记录光束(即，波长复用)以及/或位置在所述多个全息图之间改变的记录光束(即，空间复用)。在一些具体实施中，光栅结构可包括使用两个记录光束记录的全息图，这两个记录光束在记录全息图时其入射到光栅介质上的角度改变以及/或在记录全息图时其波长改变。具体实施还包括一种设备，其中反射轴与光栅介质的表面法线相差至少1.0度、或至少2.0度、或至少4.0度、或至少9.0度。
光投射器115可以向透镜组件提供载像光。在一些情况下，透镜组件和斜交镜可以相对于系统的取向平面基本上是平的。在其他情况下，透镜组件可以相对于取向平面表现出弯曲。例如，在一些情况下，透镜组件和斜交镜110可以相对于x-y平面基本上是平的。在其他情况下，在某些具体实施中，透镜组件可以包括相对于x-y平面的某种弯曲。来自斜交镜110的反射光120可以被反射朝向位于沿z轴远离斜交镜110固定距离处的观察框。在一些示例中，斜交镜110可以被至少部分地包含在波导内。波导可以通过全内反射使入射光130朝向斜交镜110传播。在一些示例中，入射光130可以通过自由空间朝向斜交镜110传播。斜交镜110可包括由光聚合物制成的光栅介质。斜交镜110还可以包括光栅介质内的一个或多个光栅结构。每个光栅结构可以包括一个或多个正弦体光栅，这些光栅可以彼此重叠。光栅结构可以被构造为关于反射轴反射处于特定的多个入射角的特定波长的光，该反射轴偏离光栅介质的表面法线。光栅介质内的每个光栅结构可以被构造成将光的一部分朝向与波导相距固定距离处的观察框中的出射光瞳反射。
每个光栅结构可以采用不同于另一光栅结构的方式反射光。例如，第一光栅结构可以反射处于第一入射角的第一波长的入射光，而第二光栅结构可以反射处于第一入射角的第二波长的入射光(例如，不同的光栅结构可以被构造为反射相同入射角的入射光中的不同波长的光)。而且，第一光栅结构可以反射处于第一入射角的第一波长的入射光，而第二光栅结构可以反射处于第二入射角的第一波长的入射光(例如，不同的光栅结构可以被构造为反射不同入射角的入射光中的相同波长的光)。此外，光栅结构可以反射第一波长和第一入射角的第一入射光，并且该光栅结构可以关于相同反射轴反射处于第二波长和第二入射角的第二入射光。这样，可以使用不同的光栅结构来选择性地反射一定入射角范围的入射光中的特定波长的光。不同的光栅结构可以在斜交镜110的光栅介质内叠加。斜交镜110可以具有基本上恒定的反射轴(即，斜交镜110的每个光栅结构具有相同的基本上恒定的反射轴)。
在一些示例中，hmd设备可以包括用于提供载像光的光源或光投射器115、以及透镜组件。透镜组件可包括至少一个斜交镜110。透镜组件可包括用于接收来自光源或光投射器115的载像光的光输入区段。波导可以设置在透镜组件内并可操作地耦合到光输入区段。在一些示例中，可以省略波导，并且光源或光投射器115可以以自由空间配置而操作地耦合到透镜组件。波导可以具有第一波导表面和平行于第一波导表面的第二波导表面。第一体全息光耦合元件可以被设置在第一波导表面和第二波导表面之间。第一体全息光耦合元件可以被构造或结构化成将入射光的至少一部分反射为反射光。波导中的入射光可以具有相对于与波导的表面法线对应的第一轴(例如，z轴)在tir范围内的第一入射角和相对于第二轴(例如，x轴或y轴)的第二入射角。反射光可以具有在tir范围内的第一反射角和相对于第二轴的第二反射角。在一些情况下，第二反射角可以与第二入射角不同。
上述hmd设备或系统的一些示例还可以包括设置在第一波导表面和第二波导表面之间的第二体全息光耦合元件(例如，斜交镜110)。第二体全息光耦合元件可以具有不同于第一反射轴取向的第二反射轴。
图2a是示出根据一个示例的在实空间中的斜交镜205的反射特性的横截面视图200。横截面视图200可以包括光栅结构，诸如光栅介质中的全息图230。图2a省略了除光栅介质以外的斜交镜部件，诸如可用作光栅介质的基板或保护层的附加层。基板或保护层可用于保护光栅介质免受污染、湿气、氧气、反应性化学物质、损坏等。用于光瞳均衡的斜交镜的具体实施可以是部分反射的。这样，用于光瞳均衡的一个或多个斜交镜可以被构造或结构化成选择性地将光线反射到光学设备的各个部分(例如，在输入耦合器配置中将光朝向波导重定向，在交叉耦合器配置中将光重定向为在波导内以tir模式传播，和/或形成朝向光学设备的观察框的出射光瞳)。用于光瞳均衡的斜交镜可以被构造为避免反射某些入射角的光线，其中此类反射会将光线反射到不朝向期望的出射光瞳的区域。某些斜交镜实施方案的具体实施可能需要相对高动态范围的记录介质，以针对所得的光栅介质在相对宽的波长带宽和角度范围上实现高反射率。相比之下，用于光瞳均衡的斜交镜可能需要较小的动态范围，从而允许每个全息图更强(例如，以更大的强度和/或更长的曝光时间被记录)。由更强的全息图组成的斜交镜可以提供更亮的图像，或者允许更暗的光投影仪提供类似亮度的图像。斜交镜205可通过反射轴225来表征，该反射轴处于相对于z轴测量的某个角度。z轴可以垂直于斜交镜表面。斜交镜205被入射光215照明，该入射光具有相对于z轴测量的内入射角。主反射光220可以相对于z轴测量的180°内反射角被反射。主反射光220可以对应于驻留在可见光谱的红色、绿色和蓝色区域中的光波长。
斜交镜210可通过反射轴225来表征，该反射轴处于相对于z轴测量的某个角度。z轴垂直于斜交镜轴205。斜交镜210被入射光215照明，该入射光具有相对于z轴测量的内入射角。主反射光220可以通过基本上垂直于斜交镜210的表面的内反射角轴被反射。在一些示例中，主反射光220可以对应于驻留在可见光谱的红色、绿色和蓝色区域中的光波长。例如，可见光谱的红色、绿色和蓝色区域可以包括红光波长(例如，610-780nm)带、绿光波长(例如，493-577nm)带、和蓝光波长(例如，405-492nm)带。在其他示例中，主反射光220可以对应于驻留在可见光谱外的光波长(例如，红外和紫外波长)。
斜交镜210可以具有多个全息图区域，这些全息图区域都共享基本上相同的反射轴225。然而，这些多个区域可以各自反射不同入射角范围的光。例如，包含斜交镜210的hoe的底部三分之一可以仅包含将光向上朝向对应观察框反射的光栅结构子集。然后，中间三分之一可以将光直接朝向对应观察框反射。然后，顶部三分之一只需包含将光向下反射到对应观察框的光栅结构子集。
图2b示出了图2a的斜交镜210的k空间表示250。空间变化的折射率分量的k空间分布通常被表示为
k空间形式体系可表示一种用于分析全息记录和衍射的方法。在k空间中，传播的光波和全息图可由它们在实空间中分布的三维傅立叶变换表示。例如，无限准直单色参考光束可在实空间和k空间中由公式(1)表示：
其中
另一个重要的k空间分布是全息图本身。体全息图可由光栅介质内的折射率的空间变化组成。折射率空间变化，通常表示为
其中
其中
通常，全息图230构成在实空间中为实值的折射率分布。全息图230的
一旦被记录，全息图230可被探测光束照明以产生衍射光束。出于本公开的目的，衍射光束可被认为是探测光束的反射，该探测光束可被称为入射光束(例如，载像光)。探测光束及其反射光束可被反射轴225按角度平分(即，探测光束相对于反射轴的入射角度与反射光束相对于反射轴的反射角度相同)。衍射过程可由类似于记录过程中的那些的k-空间中的一组数学和几何运算来表示。在弱衍射极限中，衍射光束的衍射光分布由等式(4)给出，
其中
在一些情况下，当探测光束类似于用于记录的记录光束中的一者时，卷积的作用可以是在记录期间逆转互相关性，并且衍射光束可基本上类似于用于记录全息图的另一记录光束。当探测光束具有与用于记录的记录光束不同的k空间分布时，全息图可产生与用于记录全息图的光束完全不同的衍射光束。还需注意，尽管记录光束通常是相互相干的，但探测光束(和衍射光束)不受此限制。多波长探测光束可被分析为单波长光束的叠加，每个光束遵循具有不同k球体半径的公式(4)。
从本公开获益的本领域技术人员将认识到，在描述k空间中斜交镜特性时使用的术语“探测光束”类似于在描述实空间中斜交镜反射特性时使用的术语“入射光”。类似地，在描述k空间中斜交镜特性时使用的术语“衍射光束”类似于在描述实空间中斜交镜特性时使用的术语“主反射光”。因此，当描述实空间中反射镜的反射特性时，通常的说法可以是入射光被全息图(或其他光栅结构)反射为主反射光，但探测光束被全息图衍射产生衍射光束的这一说法是相同的意思。类似地，当描述k空间中反射镜的反射特性时，通常的说法是探测光束被全息图(或其他光栅结构)衍射产生衍射光束，但入射光被光栅结构反射产生主反射光的这一说法在本公开的具体实施的上下文中具有相同的含义。
图3是根据本公开的各方面的结合有二维斜交镜出射光瞳扩展技术的光学系统的图。光学系统300可以用在hmd、增强现实(ar)或虚拟现实(vr)应用中，诸如但不限于图1的hmd100。光学系统300还可以用在各种光学耦合应用中，诸如但不限于大屏幕显示器和光学传感器应用。光学系统300可以采用选择性耦合以允许斜交镜305将光朝向特定位置诸如观察框315-a衍射，从而提高光度效率(例如，图像亮度)。选择性耦合可以具有在观察框315-a处产生外部出射光瞳的有利效果。该出射光瞳可以与斜交镜305相距固定距离。外部出射光瞳可以相对于内部出射光瞳增加光学效率。所表示的角度是相对于光栅介质的表面法线的内角，并且为了说明的目的，忽略光栅介质和/或基板界面处以及基板空气界面处的折射。
光学系统300可以包括显示器355、准直器360、水平波导365、竖直波导370和观察框315-a。观察框315-a可以是距竖直波导370的距离，在此称为眼距375。光学系统300示出了可以利用斜交镜的二维光瞳扩展器的示例。设置在水平波导365中的斜交镜可以被称为交叉耦合器。在一些情况下，设置在竖直波导370中的斜交镜可以被称为输出耦合器。
所描述的出射光瞳扩展技术可用于通过利用两个斜交镜来提供二维光瞳扩展。例如，水平波导365可以包括第一斜交镜，该第一斜交镜操作地耦合到第二斜交镜。第一斜交镜可用于在水平方向上扩展光瞳。在一些示例中，第一斜交镜(例如，交叉耦合器)可以设置在单独的2d(管道型)波导内。第二斜交镜可用于在竖直方向上扩展光瞳。在一些示例中，第二斜交镜(例如，输出耦合器)可以设置在单独的1d(平板型)波导内。在一些示例中，第一斜交镜(例如，交叉耦合器)和第二斜交镜(例如，输出耦合器)可以设置在单个1d(平板型)波导内。在一些示例中，第一斜交镜和第二斜交镜可以邻接或以其他方式操作地竖直耦合(例如，沿着y轴)。在一些示例中，第一斜交镜和第二斜交镜可以邻接或以其他方式操作地水平耦合(例如，沿着x轴)。在一些示例中，第一斜交镜和第二斜交镜可以邻接或以其他方式操作地以重叠方式耦合(例如，沿着z轴)。
在一些示例中，第一斜交镜(例如，交叉耦合器)可以采用选择性耦合来实现如本文所述的出射光瞳均衡技术。在一些示例中，第二斜交镜(例如，输出耦合器)可以独立地采用选择性耦合来实现如本文所述的出射光瞳均衡技术。
图4是光学部件400的图，示出了多个光栅结构405。光栅结构405可以类似于具有本文所述的光栅介质的光栅结构。为了讨论的目的，以分解视图的方式示出了光栅结构405，但是这些光栅结构405可以在如本文所述的光栅介质的体积或空间内重叠和混合。而且，每个光栅结构可以具有不同的衍射角响应，并且可以反射与另一光栅结构不同的波长的光。
光学部件400描绘了光栅结构405-a和光栅结构405-b。光栅结构405-a可以具有对应的k空间图410-a，光栅结构405-b可以具有对应的k空间图410-b。k空间图410-a和410-b可以示出通过照明全息图进行布拉格匹配重构的情况。
k空间图410-a可以示出光栅结构405-a对入射光的反射。k空间图410-b是全息图对探测光束的类镜面衍射(其可被称为反射)的表示，其中探测光束相对于反射轴的入射角等于衍射光束相对于反射轴的反射角。k空间图410-a可以包括正边带
k空间图410-a描绘了探测光束435-a产生衍射光束k空间分布425-a，
探测光束可以具有也为点状的k空间分布435-a，
探测光束波矢量415-a和衍射光束波矢量420-a可以形成基本上等腰三角形的边。该三角形的相等角度可以与入射角和反射角一致，入射角和反射角都是相对于反射轴430-a测量。因此，光栅结构405-a可以关于反射轴430-a以基本上类镜像的方式反射光。
k空间图410-b可以示出光栅结构405-b对入射光的反射。光栅结构405-b可以反射处于与由光栅结构405-a反射的入射角不同的多个入射角的入射光。光栅结构405-b还可以反射与光栅结构405-a不同的波长的光。k空间图410-b可以是全息图对探测光束的类镜面衍射(其可被称为反射)的表示，其中探测光束相对于反射轴的入射角等于衍射光束相对于反射轴的反射角。k空间图410-b具有正边带
k空间图410-b描绘了探测光束435-b产生衍射光束k空间分布425-b，
探测光束435-b具有也为点状的k空间分布
探测光束波矢量415-b和衍射光束波矢量420-b可以形成基本上等腰三角形的边。该三角形的相等角度可以与入射角和反射角一致，入射角和反射角都是相对于反射轴430-b测量。因此，光栅结构405-b可以关于反射轴430-b以基本上类镜像的方式反射光。
图5a是根据本公开的各方面的用于制造具有光瞳均衡的斜交镜的系统500-a。系统500-a可包括样品台载体505、样品载体轨道510、第一记录光束515-a、信号镜520、第二记录光束525-a、参考镜530、参考镜载体轨道535、参考镜载体540、光栅介质545-a、全息图550、第一棱镜555-a和第二棱镜560-a。
系统500-a可以包括全局坐标(xg,yg,zg)和斜交镜坐标(x,y,z)。原点可以被定义为在光栅介质545-a的中心。在一些情况下，光栅介质545-a可以包括大致矩形的形状，其中“z”对应于光栅介质545-a的厚度，“x”对应于光栅介质545-a的面内侧的长度，“y”对应于光栅介质545-a的面内侧的长度。用于记录的全局角度θg可以被定义为第一记录光束515-a相对于光栅介质545-a内的xg轴的角度。可以通过以下公式将斜交镜坐标(x,y,z)转换成全局坐标：
系统500-a可用于将记录光束配置为具有近似等于所需的观察框尺寸的尺寸。在一个具体实施中，系统500-a可以设置诸如信号镜520和参考镜530的旋转镜，以为第一记录光束515-a和第二记录光束525-a创建正确的角度。可以改变信号镜520的角度以产生宽度为～deb的第一记录光束515-a的所需角度(θg1)。可以定位样品台载体505和参考镜载体540，以对于每次曝光以记录光束照明正确的位置。系统500-a的样品台载体505可以定位在样品载体轨道510上，以便于在所需位置以第一记录光束515-a照明光栅介质545-a。参考镜载体540可以定位在参考镜载体轨道535上，以便于在所需位置以第二记录光束525-a照明光栅介质545-a。光栅介质545-a可以在全息图记录之前或期间被称为记录介质，并且可以包括光聚合物。在一些实施方案中，光栅介质可包括光折射晶体、二色性明胶、光热折射玻璃、和/或含有分散的卤化银颗粒的薄膜。
通过信号镜520和参考镜530组合的旋转，这些镜可以被布置成引导第一记录光束515-a和第二记录光束525-a，使得记录光束相交并相互干涉以形成在光栅介质545-a中记录为全息图550的干涉图案。全息图550可以是光栅结构的示例。系统500-a可以形成多个光栅结构，每个光栅结构被构造为关于倾斜轴565-a反射处于多个入射角的特定波长的光。可以使用光栅介质545-a的多次曝光到具有特定波长的相干光来形成每个光栅结构。对应于每个光栅结构的这多个入射角可以彼此偏移最小角度范围。
在一些具体实施中，记录光束可以具有彼此不同的宽度，或者这些宽度可以是相同的。记录光束可以各自具有彼此相同的强度，或者光束之间的强度可以不同。光束的强度可以是不一致的。通常使用与棱镜和光栅介质二者匹配的流体折射率，将光栅介质545-a在第一棱镜555-a和第二棱镜560-a之间固定就位。倾斜轴565-a驻留在相对于表面法线570-a的倾斜角度。如图5a中所示，倾斜角可以为相对于表面法线570-a-30.25度。第一记录光束和第二记录光束之间的角度可以驻留在0到180度的范围内。对于面内系统500-a，记录的相对于表面法线570-a的倾斜角则变为φ’＝(θr1+θr2–180°)/2+φg。对于标称情况，其中θg2＝180°-θg1，φ’＝φg。在图5中，φg表示相对于表面法线的标称倾斜角。另外，在图5中，未示出θg1和θg2的角度的准确描绘。θ’g1和θ’g2的角度被示出并且对应于θg1和θg2的角度。θg1和θg2的角度与分别在第一棱镜555-a和第二棱镜560-a内的第一记录光束515-a和第二记录光束525-a有关。由于当记录光束进入棱镜时，在空气和棱镜之间的边界上发生折射率失配(例如，斯涅耳定律或折射定律的效应)，θ’g1和θ’g2的角度与θg1和θg2的角度不同。
第一记录光束515-a和第二记录光束525-a可以关于倾斜轴565-a标称对称，使得第一记录光束相对于倾斜轴的内角与第二记录光束相对于倾斜轴的内角之和等于180度。第一记录光束和第二记录光束中的每一者可以是源自激光光源的准直平面波束。
象征性地而不是严格定量地示出了空气/棱镜交界处的折射，例如其中第一记录光束515-a与第一棱镜555-a的空气/棱镜交界处相交，并且其中第二记录光束525-a与第二棱镜560-a的空气/棱镜交界处相交。也可能在棱镜/光栅介质交界处发生折射。在具体实施中，在405nm的记录光束波长，光栅介质和棱镜各自具有约1.5471的折射率。
全息图的倾斜角(包括全息图集合的平均倾斜角)可与反射轴角度基本相同，这意味着倾斜角或平均倾斜角在反射轴角度的1.0度内。从本公开获益的本领域技术人员将会认识到，倾斜角和反射轴角度在理论上可以是相同的。然而，由于系统精度和准确度的限制，在记录全息图期间发生的记录介质的收缩以及其他误差源，测量的或基于记录光束角度估计的倾斜角或平均倾斜角可能不完全匹配根据斜交镜反射的光的入射角和反射角测量的反射轴角度。尽管如此，基于记录光束角度确定的倾斜角可以在基于入射光及其反射的角度确定的反射轴角度的1.0度内，即使其中中等收缩和系统缺陷会带来估计倾斜角和反射轴角度的误差。应当理解，在制造具有光瞳均衡的斜交镜时，可以使这些中等收缩和系统缺陷任意小。就这一点而言，这些中等收缩和系统缺陷可以被认为类似于普通或传统反射镜的平坦度。在一些示例中，与使用体全息图制造斜交镜相关联的基本极限可以基于记录介质的厚度。
当参考制造斜交镜时(例如当描述在斜交镜光栅介质中记录全息图时)，倾斜轴/反射轴通常被称为倾斜轴，并且当参考斜交镜的光反射特性时称为反射轴。全息图的倾斜角(包括全息图集合的平均倾斜角)可与反射轴角度基本相同，这意味着倾斜角或平均倾斜角在反射轴角度的1.0度内。从本公开获益的本领域技术人员将会认识到，倾斜角和反射轴角度在理论上可以是相同的。然而，由于系统精度和准确度的限制，在记录全息图期间发生的记录介质的收缩以及其他误差源，测量的或基于记录光束角度估计的倾斜角或平均倾斜角可能不完全匹配根据斜交镜反射的光的入射角和反射角测量的反射轴角度。尽管如此，基于记录光束角度确定的倾斜角可以在基于入射光及其反射的角度确定的反射轴角度的1.0度内，即使其中中等收缩和系统缺陷会带来估计倾斜角和反射轴角度的误差。从本公开获益的本领域技术人员将认识到，给定全息图的倾斜角与该全息图的光栅矢量角相同。
在系统500-a的变型中，可使用可变波长激光器来改变第一记录光束和第二记录光束的波长。当第一记录光束和第二记录光束的波长改变时，第一记录光束和第二记录光束的入射角可以但并非必须保持恒定。波长可以包含可见红光波长、可见蓝光波长、可见绿光波长、紫外(uv)波长和/或红外(ir)波长。系统500-a的每个光栅结构可以反射处于与另一光栅结构不同的波长的入射角。系统500-a可具有反射特性，这些反射特性允许其反射与记录光束波长显著不同并且特别是波长明显长于记录光束波长的光。
图5b是根据本公开的各方面的用于制造具有光瞳均衡的斜交镜的系统500-b。系统500-b可包括第一记录光束515-b、第二记录光束525-b、光栅介质545-b、第一棱镜555-b、第二棱镜560-b，和倾斜轴565-b。系统500-b可以是参考结合图5a讨论的实施方案的扩展视图。
在一些情况下，可以为用作交叉耦合器的光耦合器件制造一个或多个斜交镜。例如，每个反射轴可以与光瞳扩展器内的一个或多个波导的表面平行或成角度地偏移。例如，可以通过在第一棱镜555-b和第二棱镜560-b内重新取向光栅介质545-b来制造具有交叉斜交镜交叉耦合器配置的交叉耦合器。在一些记录具体实施中，第二棱镜560-b可以省略并且用用于固定或稳定光栅介质545-b的部件代替。用于固定或稳定光栅介质545-b的部件也可包括光吸收特征。例如，当配置交叉耦合器时，第一记录光束515-b和第二记录光束525-b都可以进入第一棱镜555-b。
在一些情况下，可以在重新取向的光栅介质545-b上记录第二斜交镜取向。第二斜交镜可以被取向为与第一斜交镜至少部分地重叠或不重叠。因此，在给定体积的光栅介质545-b(即，重新取向和固化过程之后的记录介质)中形成了交叉斜交镜配置。可以重复重新取向过程来记录光耦合器件的所有所需的倾斜轴。在一些情况下，第二斜交镜可以按与第一斜交镜不重叠的方式被取向。
图6示出了根据本公开的各方面的支持光瞳扩展的光学系统600的示例。光学系统600可以用在诸如但不限于hmd设备的应用中。光学系统600可采用选择性耦合以允许光耦合器件605将光610朝向特定位置反射，并投射复制的光瞳615-a和615-b。所表示的角度是相对于波导620的表面法线的内角，并且为了说明的目的，忽略了基板界面处以及基板空气界面处的折射。复制的光瞳615-a和615-b可以分别投射对应于反射轴625-a和625-b的图像。光耦合器件605可以包括光栅介质和该光栅介质内的光栅结构。光栅结构可以具有多个全息图或正弦体光栅。
光学系统600示出了来自光学系统600的另一部分的在波导620内以tir模式传播的光610。为了使光610朝向光耦合器件605反射并投射复制的光瞳615-a和615-b，光610可以通过全内反射传播通过波导620。例如，光610可以传播通过波导620并且在向下模式方向和向上模式方向之间反射。光610可以是来自一个像素(例如，图像点)的光的示例并且具有对应的宽度(例如，光瞳宽度)。在一些示例中，光610可以是来自多个像素的光的示例。
在一些情况下，tir设备中的反射光610可经历模式不均匀性。例如，由光的tir模式(例如，沿着传播方向的空间模式)引起的间隙635可以存在于光和波导表面的连续相互作用之间。在一些情况下，相对于波导620的表面法线的入射角大的传播光610可以增加光610和波导620的相互作用之间的间隙635的大小。根据光610的耦合模式引起的间隙635的大小，在波导620内反射的光610可以仅部分地与光耦合器件605相互作用。在图6的非重叠模式不均匀性示例中的这种部分相互作用可在光耦合器件605处引起不一致的强度轮廓。不一致强度轮廓可导致在空间上不均匀的功率分布640。在空间上不均匀的功率分布640可以使与光耦合器件605的复制光瞳相关联的输出光束的点扩散函数(psf)变宽，从而降低投影图像的分辨率。在一些示例中，可将光均匀化技术应用于光学系统600。
在一些示例中，光耦合器件605可以包括光栅介质和该光栅介质内的光栅结构。光栅结构可以具有多个全息图或正弦体光栅。
图7a是示出根据本公开的各方面，传统技术与本文描述的光瞳扩展技术的对比的曲线图700-a。曲线图700-a包括在轴705上以外角测量的反射角和在轴710上的衍射效率。排除使用斜交镜技术的具体实施，传统的输出耦合器可能经历外部fov限制。在一些情况下，输出耦合器可以实现与光耦合系统内的有限tir角度范围成正比(<1)的外部fov。例如，在体折射率为1.5时，外部fov可对应于光耦合系统的tir角度范围的0.7倍(例如，从比波导部分的临界角大几度到与该波导部分的基板平行的15度)。理想地，tir光线可为限制在41.8度和90度之间的范围的角度。基于tir角度范围，传统耦合器可产生大约29度的外部fov。然而，通常，传统输出耦合器的tir角度范围可以限制在41.8度和78度之间的范围，进一步约束了发射的外部fov。
图7b是示出根据本公开的各方面，传统技术与本文描述的光瞳扩展技术的对比的曲线图700-b。曲线图700-b包括在轴715-a上以度为单位测量的tir角和在轴720-a上以度为单位测量的fov角。曲线图700-b的曲线725-a示出了内部fov范围的示例。曲线图700-b的曲线730-a示出了外部fov范围的示例。例如，图7b可以示出由传统输出耦合器产生的内部fov范围和外部fov范围二者。由传统输出产生的内部fov范围可以对应于41.8度和90度之间的tir光线角度范围。然而，由传统输出产生的外部fov范围可以限制在41.8度和78度之间的对应tir光线角度范围。在一些情况下，图700-b可以对应于具有一个或多个特征的耦合器(例如，doe和hoe)。
在一些实施方案中，包括压印衍射光栅、doe和倾斜的部分反射表面的其他传统耦合器可对fov施加明显的限制。在一些情况下，其他传统耦合器可能由于耦合器与每个tir模式的多次反射之间的相互作用而引起fov限制。例如，传统耦合器可能由于直通光和耦合元件之间的相互作用而导致光学清晰度降低。其他传统耦合器(例如，doe和hoe)可能经历耦合器元件的色散。相比之下，一些体全息图和斜交镜型部件或设备可与在tir模式下操作的光的反射中的一次(例如，朝向靠近光耦合系统观察框的基板向下反弹)布拉格失配。因此，体全息图可能不会引起适用于传统耦合器的一些fov限制。一些体全息图和斜交镜型部件或设备可以与直接穿过光耦合系统的输入光(例如，入射到基板表面上的外部或环境光)布拉格失配。
利用斜交镜型部件或设备的光耦合器件可以是基本上消色差的，因此可以不像传统的耦合器那样遭受色散。至少部分地基于利用斜交镜型部件或设备的光耦合器件的上述性质，使用斜交镜技术的输出耦合器可以实现与tir角度范围成更高比例的外部fov。使用斜交镜技术的输出耦合器可以实现等于tir角度范围的内部fov，因为耦合器处的入射角内部范围等于反射角内部范围。例如，在体折射率为1.5时，外部fov可以是光耦合系统的tir角度范围的约1.5倍。因此，结果可能是与传统输出耦合器相比外部fov明显更大。34.9度的tir角度范围(例如，光耦合系统的波导部分内的内部范围)可产生53.4度的外部fov。
图7c示出了展示根据本公开的各方面的光瞳扩展技术的曲线图700-c。曲线图700-c包括在轴715-b上以度为单位测量的tir角和在轴720-b上以度为单位测量的fov角。曲线图700-c的曲线725-b示出了内部fov范围的示例。曲线图700-c的曲线730-b示出了外部fov范围的示例。例如，图7c可以示出根据43度和78度之间的角度范围，由使用斜交镜技术的输出耦合器产生的内部fov范围和外部fov范围。
在一些实施方案中，使用斜交镜技术的输出耦合器的外部fov是线性fov，如曲线730-b所示。因此，输出耦合器可以支持比传统输出耦合器更大的输出图像投影对角视场。在示例光耦合系统取向(例如，具有相对于输出耦合器水平设置的交叉耦合器)，在水平方向上具有53.4度外部fov的16:9显示器视场可以支持31.6度的竖直fov和60度的对角fov。在一个示例中，光耦合系统取向(例如，具有相对于输出耦合器竖直设置的交叉耦合器)，在竖直方向上具有53.4度外部fov的16:9显示器视场可以支持83.9度的水平fov和91.7度的对角fov。利用斜交镜技术的光耦合系统取向可以支持其他显示器视场具体实施，诸如但不限于正方形显示器视场。
图8a示出了根据本公开的各方面的支持光瞳扩展的光学透镜800-a的示例。光学透镜800-a可包括波导805-a、光输入区段810-a、第一光耦合器件815-a(例如，交叉耦合器)、反射轴820-a、第二光耦合器件825-a(例如，输出耦合器)和观察框830-a。波导805-a还可以包括另一光耦合器件(例如，输入耦合器)；但是，出于说明的目的，忽略了输入耦合器。波导805-a可包括彼此平行的第一表面和第二表面、靠近光输入区段810-a的光接收端、以及远离光输入区段810-a的光输出端。
在一些情况下，输入光可以在光输入区段810-a处被耦入并且传播通过波导805-a。例如，光输入区段810-a可以边缘耦合到波导805-a。在其他示例中，光输入区段810-a可以棱镜耦合、由基于doe、hoe或斜交镜的输入耦合器耦合、等等(未示出)。输入光可以由波导805-a在光耦合器件的取向平面(例如，x-y平面)内引导，以从光输入区段810-a的孔径以发散角(例如，以20.4度的发散角)扩展，从而填充第一光耦合器件815-a(例如，使用具有大致饼形配置的斜交镜技术的交叉耦合器)。第一光耦合器件815-a可包括光栅介质和该光栅介质内的多个光栅结构。在一些情况下，第一光耦合器件815-a可以包括部分反射斜交镜，其中反射轴820-a被取向为在x-y平面中呈45度。根据反射轴820-a，第一光耦合器件815-a可以在第一光耦合器件815-a处将所波导的光朝向第二光耦合器件825-a(例如，输出耦合器)以偏离输入光传播方向的角度反射。光可以传播通过第二光耦合器件825-a并朝向观察框830-a反射，将内部tir角度范围映射到在观察框处表示的发射的外部fov。例如，可以将34.9度的tir角度范围映射到53.4度的外部水平fov，并且可以将20.4度的面内内角范围映射到31.6度的外部竖直fov，从而产生60度的对角线fov。
在一些情况下，第一光耦合器件815-a的反射轴820-a可以平行于波导表面(例如，波导805-a的主基板表面)。由于相对于波导表面平行的取向，第一光耦合器件815-a的反射轴820-a可以维持衍射(或反射)光的面外方向分量。通过维持衍射光在面外维度中的方向性，第一光耦合器件815-a可以将双向(例如，向上和向下)tir反射都衍射到第二光耦合器件825-a。因此，可以增大光瞳复制密度。
在其他情况下，第一光耦合器件815-a的反射轴820-a可以维持面外分量，允许单向tir反射到第二光耦合器件825-a。也就是说，反射轴820-a的面外分量可以允许第一光耦合器件815-a在面外方向上反射衍射光，类似于tir反射。例如，相对于面外方向呈45度入射角的入射光可以朝向第二光耦合器件825-a(例如，使用斜交镜技术的输出耦合器)以相对于面外方向135度的角度反射。
第一光耦合器件815-a可以允许投影图像的维度保持为不被引导通过从光输入区段810-a到观察框830-a的路径。在一些情况下，第一光耦合器件815-a可以侧向于第二光耦合器件825-a。未被引导的维度可以是竖直fov，其包括比最大tir范围更小的fov范围。另选地，在一些情况下，第一光耦合器件815-a可被构造为处于第二光耦合器件825-a的另选位置处(例如沿第二光耦合器件825-a的底部或顶部)。未被引导的维度可以是水平fov，并且fov可以跨超过最大tir范围的角度范围。例如，第一光耦合器件815-a可以在光耦合系统的一部分上相对于第二光耦合器件825-a竖直直地设置。使用具有最大引导外部53.4度fov的竖直fov，16:9显示器视场可以水平地包含83.9度并且对角地包含91.7度。
本公开的发明方面由图8a的非限制性示例示出。例如，波导可以具有第一波导表面和平行于第一波导表面的第二波导表面。第一体全息光耦合元件(例如，第一光耦合器件815-a)可以设置在第一波导表面和第二波导表面之间。第一体全息光耦合元件可以被构造或结构化成将入射光的至少一部分反射为反射光。波导中的入射光可以具有相对于与波导的表面法线对应的第一轴(例如，z轴)在tir范围内的第一入射角和相对于第二轴(例如，x轴或y轴)的第二入射角。第一体全息光耦合元件可以具有第一反射轴(例如，反射轴820-a)，该第一反射轴被取向为在平行于第一波导表面的平面上。反射光可以具有在tir范围内的第一反射角和相对于第二轴的第二反射角。在一些情况下，第二反射角可以与第二入射角不同。
在一些情况下，第二体全息光耦合元件(例如，第二光耦合器件825-a)可以设置在第一波导表面和第二波导表面之间。第二体全息光耦合元件可以具有不同于第一反射轴的第二反射轴。在一些情况下，第二反射轴可以被取向为与第一反射轴正交。如图8a的示例中所示，第一反射轴820-a与波导805-a的表面法线正交。相反地，在一些实施方案中，第一反射轴不与波导表面法线正交，并且在一些实施方案中，第二反射轴不与第一反射轴正交。第二反射轴通常不与表面法线重合。
在一些情况下，第一体全息光耦合元件可以具有光栅介质和该光栅介质内的第一光栅结构。第一光栅结构可以被构造为关于第一反射轴反射处于第一入射角的一定波长的光。第一体全息光耦合元件还可以包括光栅介质内的与第一光栅结构至少部分地不重叠的第二光栅结构，其中第二光栅结构可以被构造为关于第一反射轴介质反射处于与第一入射角不同的第二入射角的所述波长的光。
第一光栅结构可包括至少三个全息图，其中这至少三个全息图中的每一者对应于第一入射角范围内的一个独特入射角，并且其中这至少三个全息图的相邻|δkg|可具有在1.0×104和1.0×106弧度/米(rad/m)之间的平均值。在一些情况下，波长可以包括可见红光波长、可见蓝光波长或可见绿光波长中的一种。
设想了使用本文描述的光瞳均衡技术的另外的示例和各种具体实施。
图8b示出了根据本公开的各方面的支持光瞳扩展的光学透镜800-b的示例。光学透镜800-b可包括波导805-b、光输入区段810-b、第一光耦合器件815-b(例如，交叉耦合器)、反射轴820-b、第二光耦合器件825-b(例如，输出耦合器)、观察框830-b和多个位点835。波导805-b还可以包括另一光耦合器件(例如，输入耦合器)；但是，出于说明的目的，忽略了输入耦合器。波导805-b可包括彼此平行的第一表面和第二表面、靠近光输入区段810-a的光接收端、以及远离光输入区段810-b的光输出端。
在一些实施方案中，第一光耦合器件815-b(例如，使用具有以香蕉配置布置的耦合器部件的斜交镜技术的交叉耦合器)可以包含位点835中的位点835-a，其对应于至少一些与这些位点835中的每个其他位点835-b、835-c、835-d、835-e不同的竖直视场角或不同的竖直视场角范围。位点835中的每个位点835-a、835-b、835-c、835-d、835-e可以是用以反射特定竖直视场角的光以将光引导到第二光耦合器件825-b(例如，使用斜交镜技术的输出耦合器)的光栅结构的示例。第一光耦合器件815-b可包括光栅介质和该光栅介质内的多个光栅结构。第一光耦合器件815-b可以包括部分反射的斜交镜部件，其在x-y平面中具有相对于x轴50.1度的反射轴820-b。第一光耦合器件815-b可以被取向成使得最远的角部与第二光耦合器件825-b等距，从而最小化第一光耦合器件815-b的所需尺寸。
在一些情况下，第一光耦合器件815-b的位点835可以对应于部分反射的斜交镜部件。例如，输入光可以进入光输入区段810-b并且由波导805-b在耦合器的取向平面(例如，x-y平面)内引导，并且传播到第一光耦合器件815-b的位点835中的至少一个位点(例如，位点835-a)。部分反射的斜交镜部件可以反射光，并且该光可以在朝向第二光耦合器件825-b的方向上传播。该光然后可以被第二光耦合器件825-b进一步反射(例如，朝向观察框830-b)。
第一光耦合器件815-b的位点835中的每个位点835-a、835-b、835-c、835-d、835-e可以将来自光输入区段810-b的图像光的一部分朝向第二光耦合器件825-b反射。在一些情况下，图像光的由特定位点835-a、835-b、835-c、835-d、835-e反射的部分可以对应于随后投射到光耦合系统的观察框830的图像的水平行。例如，图像光的对应于随后投影图像的顶部水平延伸边缘部分的一部分可以由靠近光输入区段810-b的第一位点835-a(例如，最顶部位点)朝向第二光耦合器件825-b反射(例如，位点835-a可以包括一个或多个全息图，这些全息图反射tir范围的处于比位点835中的其余位点835-b、835-c、835-d、835-e的其他全息图更高的入射角和更低的光栅频率的入射光)。在其他示例中，图像光的对应于随后投影图像的底部边缘的一部分可以由远离光输入区段810-b的另一位点835-e(例如，最底部位点)朝向第二光耦合器件825-b反射。图8b的非限制性示例中示出的五个位点835-a、835-b、835-c、835-d、835-e可以按从底部位点835到顶部位点835的升序对应于100％、75％、50％、25％和0％竖直场角(即，内部竖直fov角度场的径向扫描)。在一些情况下，至少一个位点(例如，位点835-a)包括与光输入区段810-b的中心相距第一径向距离处的一个或多个全息图，并且另一位点(例如，位点835-e)不包括与光输入区段810-b的中心相距第一径向距离处的全息图。在一些情况下，位点835中的位点的数量可以大于内部竖直fov角度场中的角度的数量。例如，具有20.4度内部竖直fov的光学系统可包括多于20个位点。在一些情况下，每个位点对应于单个全息图。在一些情况下，对应于第一位点的第一全息图包括与对应于第二位点的第二全息图不重叠的条纹图案。
在一些示例中，可以省略其中光耦合器件可以具有大致饼形配置的右下部分，因为对应的全息图具有对随后投影图像的顶部边缘部分的角度选择性。可具有对与随后投影图像的其他水平延伸部分对应的图像光的角度选择性的全息图可以位于相对靠近第二光耦合器件825-b的位置。通过限制任何特定位点835必须包含的竖直区域，底部位点835的竖直尺寸可以更小。因此，可以构造更紧凑的第一光耦合器件815-b。
第一光耦合器件815-b可以允许投影图像的维度保持为不被引导通过从光输入区段810-b到观察框830-b的路径。在一些情况下，第一光耦合器件815-b可以侧向于第二光耦合器件825-b。未被引导的维度可以是竖直fov，其包括比最大tir范围更小的fov范围。另选地，在一些情况下，第一光耦合器件815-b可被构造为处于第二光耦合器件825-b的另选位置处(例如沿第二光耦合器件825-b的底部或顶部)。未被引导的维度可以是竖直fov，并且fov可以跨超过最大tir范围的角度范围。例如，第一光耦合器件815-b可以相对于第二光耦合器件825-b竖直地设置在光耦合系统的一部分上。使用具有最大引导外部53.4度fov的竖直fov，16:9显示器视场可以水平地包含83.9度并且对角地包含91.7度。
本公开的发明方面由图8b的非限制性示例示出。例如，波导可以具有第一波导表面和平行于第一波导表面的第二波导表面。第一体全息光耦合元件(例如，第一光耦合器件815-b)可以设置在第一波导表面和第二波导表面之间。第一体全息光耦合元件可以被构造或结构化成将入射光的至少一部分反射为反射光。波导中的入射光可以具有相对于与波导的表面法线对应的第一轴(例如，z轴)在tir范围内的第一入射角和相对于第二轴(例如，x轴或y轴)的第二入射角。第一体全息光耦合元件可以具有被取向为在平行于第一波导表面的平面上的第一反射轴(例如，反射轴820-b)(例如，第一反射轴可以被取向为相对于第一波导表面的表面法线正交)。反射光可以具有在tir范围内的第一反射角和相对于第二轴的第二反射角。在一些情况下，第二反射角可以与第二入射角不同。
在一些情况下，第二体全息光耦合元件(例如，第二光耦合器件825-b)可以设置在第一波导表面和第二波导表面之间。第二体全息光耦合元件可以具有第二反射轴，该第二反射轴被取向为在与第一反射轴被取向的平面正交的平面上。
波导可以具有设置在第一体全息光耦合元件中的第一位点(例如，位点835-a)，其中第一位点可以被构造为关于第一反射轴反射处于第一入射角的一定波长的光。在一些情况下，波导可以具有设置在第一体全息光耦合元件中的第二位点(例如，位点835-b)，其中第二位点可以被构造为关于第一反射轴反射处于不同于第一入射角的第二入射角的一定波长的光。第一位点和第二位点可以至少部分地重叠。
设想了使用本文描述的光瞳均衡技术的另外的示例和各种具体实施。
图9a示出了根据本公开的各方面的支持光瞳扩展的光学透镜900-a的示例。光学透镜900-a可包括波导905-a、光输入区段910-a、第一光耦合器件915-a(例如，交叉耦合器)、反射轴920-a、第二光耦合器件925-a(例如，输出耦合器)和观察框930-a。波导905-a还可以包括另一光耦合器件(例如，输入耦合器)；但是，出于说明的目的，忽略了输入耦合器。波导905-a可包括彼此平行的第一表面和第二表面、靠近光输入区段910-a的光接收端、以及远离光输入区段910-a的光输出端。
在一些实施方案中，第一光耦合器件915-a(例如，使用斜交镜技术和潜望镜反射率配置的交叉耦合器)可包括偶数次衍射以将入射光935-a朝向第二光耦合器件925-a(例如，使用斜交镜技术的输出耦合器)反射。输入光935-a可以进入光输入区段910-a(例如，入射光瞳)。在一些情况下，输入光935-a可以在第一方向上传播通过第一光耦合器件915-a并且可以由第一部分反射部件(例如，全息图)反射，从而产生第一反射光线和第一透射光线。第一反射光线可以在第二方向上传播通过第一光耦合器件915-a，并且可以由第二部分反射部件反射，从而产生第二反射光线，该第二反射光线可以在平行于光传播的原始方向的第一方向上传播。
在一些情况下，第一光耦合器件915-a的每次衍射可以对应于斜交镜内的相同光栅的复制，允许类似于平行镜面取向的入射光反射。光935-a可以在第一方向上传播通过第一光耦合器件915-a并且由相对于倾斜轴920-a取向的第一部分反部件反射。从第一部分反射部件反射的光线可以在第一光耦合器件915-a内传播，并且随后被第二部分反射部件反射，第二部分反射部件与第一部分反射部件和倾斜轴920-a具有共同取向，从而发射可以在输入光925-a的原始方向上传播的光线。
在一些情况下，第一光耦合器件915-a的反射轴920-a可以平行于波导表面(例如，波导905-a的主基板表面)。由于相对于波导表面平行的取向，第一光耦合器件915-a的反射轴920-a可以维持衍射光的面外方向分量。通过维持衍射光在面外维度中的方向性，第一光耦合器件915-a可以将双向(例如，向上和向下)tir反射都衍射到第二光耦合器件925-a。因此，可以增大光瞳复制密度。
在一些示例中，反射轴可以具有面外分量，从而允许单向tir反射到第二光耦合器件925-a。反射轴的面外分量可以允许斜交镜在面外方向上反射衍射光，类似于tir反射。例如，相对于面外方向呈45度角的入射光可以朝向第二光耦合器件以相对于面外方向125度的角度反射。
本公开的发明方面由图9a的非限制性示例示出。例如，波导可以具有第一波导表面和平行于第一波导表面的第二波导表面。第一体全息光耦合元件(例如，第一光耦合器件915-a)可以设置在第一波导表面和第二波导表面之间。第一体全息光耦合元件可以具有第一反射轴(例如，反射轴920-a)，该第一反射轴被取向为在平行于第一波导表面的平面上。
在一些情况下，第二体全息光耦合元件(例如，第二光耦合器件925-a)可以设置在第一波导表面和第二波导表面之间。第二体全息光耦合元件可以具有第二反射轴，该第二反射轴被取向为在与第一反射轴被取向的平面正交的平面上。
设想了使用本文描述的光瞳均衡技术的另外的示例和各种具体实施。
图9b示出了根据本公开的各方面的支持光瞳扩展的光学透镜900-b的示例。光学透镜900-b可包括波导905-b、光输入区段910-b、第一光耦合器件915-b(例如，交叉耦合器)、反射轴920-b、第二光耦合器件925-b(例如，输出耦合器)和观察框930-b。波导905-b还可以包括另一光耦合器件(例如，输入耦合器)；但是，出于说明的目的，忽略了输入耦合器。波导905-b可包括彼此平行的第一表面和第二表面、靠近光输入区段910-b的光接收端、以及远离光输入区段910-b的光输出端。
第一光耦合器件915-b可以包括第一光耦合部件915-c和第二光耦合部件915-d(例如，在潜望镜配置中使用斜交镜技术的两个交叉耦合器区段)。第一耦合部件915-c和第二耦合部件915-d通常可以在各自的靠近光输入区段910-b的边缘处邻接。光输入区段910-b(例如，入射光瞳)可以相对于第一光耦合器件915-b的边缘中心取向。该取向可以允许扩展的入射光瞳。在一些情况下，间隙可以位于第一耦合部件915-c和第二耦合部件915-d的邻接或相邻边缘部分之间。在其他示例中，第一耦合部件915-c和第二耦合部件915-d的边缘部分可以重叠。
输入光可以进入光输入区段910-b并被引导到第一光耦合器件915-b。光935-b可以被引导到耦合器件的光耦合部件915-c，并且传播到光耦合部件915-c内的第一部分反射部件，第一部分反射部件相对于倾斜轴920-b取向。从第一部分反射部件反射的光线可以在光耦合部件915-c内传播，并且随后由第二部分反射部件反射，第二部分反射部件与第一部分反射部件和倾斜轴920-b具有共同取向，从而发射可以在被引导的输入光935-b的原始方向上传播的光线。发射的光可以被引导到第二光耦合器件925-b。
类似地，光935-c可以被引导到光耦合部件915-d，并且传播到光耦合部件915-d内的第一部分反射部件，第一部分反射部件相对于倾斜轴920-c取向。从第一部分反射部件反射的光线可以在光耦合部件915-d内传播，并且随后由第二部分反射部件反射，第二部分反射部件与第一部分反射部件和倾斜轴920-c具有共同取向，从而发射可以在被引导的输入光935-c的原始方向上传播的光线。发射的光可以被引导到第二光耦合器件925-b。
本公开的发明方面由图9b的非限制性示例示出。例如，波导可以具有第一波导表面和平行于第一波导表面的第二波导表面。第一体全息光耦合元件(例如，第一光耦合器件915-a)可以设置在第一波导表面和第二波导表面之间。第一体全息光耦合元件可以具有第一反射轴(例如，反射轴920-a)，该第一反射轴被取向为在平行于第一波导表面的平面上。
在一些情况下，第二体全息光耦合元件(例如，第二光耦合器件925-a)可以设置在第一波导表面和第二波导表面之间。第二体全息光耦合元件可以具有第二反射轴，该第二反射轴被取向为在与第一反射轴被取向的平面正交的平面上。
在一些情况下，第一体全息光耦合元件可包括可被构造为关于第一反射轴(例如，反射轴920-b)反射光的第一耦合部分(例如，第一耦合部件915-c)以及可被构造为关于第二反射轴(例如，反射轴920-c)反射光的第二耦合部分(例如，第二耦合部件915-d)，第二反射轴被取向为在平行于第一波导表面的平面上，第二反射轴与第一反射轴不平行。第一反射轴可以被构造为在第一位置处反射光，并且第二反射轴可以被构造为在第二位置处反射光，其中第一位置可以与第二位置不同。
在一些示例中，第一耦合部分至少部分地与第二耦合部分重叠，使得第一反射轴可以被构造为在重叠位置处反射光，并且第二反射轴可以被构造为在重叠位置处反射光。体全息光耦合元件的第一耦合部分和该体全息光耦合元件的第二耦合部分可以在接合部对准。
在一些示例中，入射光瞳元件(例如，光输入区段910-b)可以与第一耦合部分和第二耦合部分的接合部对准，使得入射光瞳元件在第一耦合部分和第二耦合部分上延伸。体全息光耦合元件的第一耦合部分和该体全息光耦合元件的第二耦合部分可以至少部分地重叠。
设想了使用本文描述的光瞳均衡技术的另外的示例和各种具体实施。
图10a示出了根据本公开的各方面的支持光瞳扩展的光学透镜1000-a的示例。光学透镜1000-a可包括波导1005-a、光输入区段1010-a、第一光耦合器件1015-a(例如，交叉耦合器)、反射轴1020-a和1020-b、第二光耦合器件1025-a(例如，输出耦合器)和观察框1030-a。波导1005-a还可以包括另一光耦合器件(例如，输入耦合器)；但是，出于说明的目的，忽略了输入耦合器。波导1005-a可包括彼此平行的第一表面和第二表面、靠近光输入区段1010-a的光接收端、以及远离光输入区段1010-a的光输出端。
在一些实施方案中，一对潜望镜耦合器可以被构造为重叠并且包括第一光耦合器件1015-a。重叠区域可以包括第一光耦合器件1015-a的整个区域，或者可以限制在第一光耦合器件1015-a的子区域。每个潜望镜交叉耦合器可以包含许多光栅结构，允许设备的光栅结构叠加。重叠区域可以包括形成交叉倾斜轴取向1040的反射轴1020-a和1020-b的叠加。光栅结构的反射轴1020-a和1020-b可以在第一光耦合器件1015-a的重叠区域内正交。在一些示例中，光栅结构的反射轴1020-a和1020-b可以平行于波导1005-a的表面。在其他示例中，光栅结构的反射轴1020-a和1020-b可以具有面外分量，从而允许单向tir到第二光耦合器件1025-a。
根据交叉倾斜轴取向1040，光栅结构的正交配置可以实现模式扩散。在波导1005-a内，每个光线可以表示互补的tir对，其共享共同的取向平面(例如，x-y平面)，具有在取向平面内或取向平面外的相对角度(即，相对于z轴的向上和向下tir反射)。互补tir对可以表示波导1005-a内的一对导模，其以取向轴的水平和竖直补角两者传播。互补对的导模可以在第一光耦合器件1015-a的共同方向上传播，并且部分地或完全地填充第一光耦合器件1015-a的重叠区域内的光栅结构的叠加，从而产生交叉倾斜轴取向1040的总共八个耦合模式。
在第一光耦合器件1015-a的非重叠部分的输入光1035可以传播到一个或多个部分反射部件，这些部分反射部件根据反射轴1020-a或1020-b来取向。部分反射部件的反射光线可以朝向交叉斜交镜区域传播，从而最小化从第二光耦合器件1025-a发散的光的量。
由于光栅结构的取向，引入到耦合模式之一中的任何光可以衍射以填充每个模式。根据第一光耦合器件1015-a的方向限制，每个输入光线可以被反射和衍射以再现方向与输入光线对准的光线。再现的光线可以发生在未被原始输入光线照明的空间位置，从而形成光瞳扩展。
本公开的发明方面由图10a的非限制性示例示出。例如，波导可以具有第一波导表面和平行于第一波导表面的第二波导表面。第一体全息光耦合元件(例如，第一光耦合器件1015-a)可以设置在第一波导表面和第二波导表面之间。第一体全息光耦合元件可以具有第一反射轴(例如，反射轴1020-a和1020-b)，该第一反射轴被取向为在平行于第一波导表面的平面上。
在一些情况下，第二体全息光耦合元件(例如，第二光耦合器件1025-a)可以设置在第一波导表面和第二波导表面之间。第二体全息光耦合元件可以具有第二反射轴，该第二反射轴被取向为在与第一反射轴被取向的平面正交的平面上。
设想了使用本文描述的光瞳均衡技术的另外的示例和各种具体实施。
图10b示出了如参考图10a所述的光栅结构(交叉斜交镜)的叠加的k空间表示1045。表示一对导模的输入光线可以填充包括正交的倾斜轴1050-a和1050-b的交叉斜交镜。导模可以经历模式扩散，并且填充到八个耦合模式中，其中一条光线可以保持原始输入光线的方向。
例如，通过入射光瞳引入的输入光线或沿平行方向1055-d传播的光线可以传播到交叉斜交镜。光线可以衍射成平行于方向1055-a和1055-c的反射光线，每条光线包括在z方向上的互补的一对导模。在交叉斜交镜的后续位置，反射光线可以随后衍射成平行于方向1055-b和1055-d的光线，每条光线包括在z方向上的互补的一对导模。由此，反射光线可以传播到该取向的每个方向1055，填充交叉斜交镜的一些或所有位置。该过程可以在整个光耦合器件1015-a中连续地存在，将在入射光瞳1010-a处引入的光漫射到设备的一些或所有位置，参考图10a。
在一些情况下，倾斜轴1050可以采用非正交方式被取向，从而允许实现根据取向轴的另选数量的导模。此外，在一些实施方案中，光栅结构的叠加可以利用超过两个的多个叠加的倾斜轴。叠加倾斜轴处的导模可以根据交叉斜交镜的取向配置经历模式扩散。
图11a示出了根据本公开的各方面的支持光瞳扩展的光学系统1100-a的示例。光学系统1100-a可以用在诸如但不限于hmd设备的应用中。光学系统1100-a可以采用选择性耦合以允许第一波导1105-a和第二波导1110-a将光1115-a朝向特定位置反射。所表示的角度是相对于第一波导1105-a和第二波导1110-a的表面法线的内角。为了说明的目的，忽略了基板界面处以及基板空气界面处的折射。
在一些情况下，可以在图像投影系统中使用异构耦合器。异构耦合器可以对应于一个或多个斜交镜或非斜交镜体全息耦合器、冲压或蚀刻到表面介质上的doe、嵌入波导内的部分反射表面等。异构波导也可以接合成单个结构(例如，包括第一波导1105-a和第二波导1110-a)。例如，互耦接合部1120-a可用于将第一波导1105-a和第二波导1110-a集成为单个结构。第一波导1105-a和第二波导1110-a的接合可以通过光学透射接合部1120-a(例如，norland光学粘合剂)接合，形成重叠接合架构。一条或多条光线1115-a可以在波导1105-a内反射并朝向透射接合部1120-a传播。在波导1105-a和1110-a之间的重叠点(例如，在那里存在透射接合部1120-a)，光线1115-a可以在每个透射接合部1120-a在两个波导介质内反射。然后，光线1115-a于是可以传播超过透射接合部1120-a并且仅在第二波导1110-a内反射。
本公开的发明方面由图11a的非限制性示例示出。例如，设备可以具有耦合到波导(第二波导1110-a)的互耦波导(例如，第一波导1105-a)。在一些情况下，互耦波导可以由重叠接合部(例如，接合部1120-a)耦合到波导。
设想了使用本文描述的光瞳均衡技术的另外的示例和各种具体实施。
图11b示出了根据本公开的各方面的支持光瞳扩展的光学系统1100-b的示例。光学系统1100-b可以用在诸如但不限于hmd设备的应用中。光学系统1100-b可以采用选择性耦合以允许第一波导1105-b和第二波导1110-b将光1115-b朝向特定位置反射。所表示的角度是相对于第一波导1105-b和第二波导1110-b的表面法线的内角，并且为了说明的目的，忽略了基板界面处以及基板空气界面处的折射。
在一些情况下，可以在图像投影系统中使用异构耦合器。异构耦合器可以对应于一个或多个斜交镜或非斜交镜体全息耦合器、冲压或蚀刻到表面介质上的doe、嵌入波导内的部分反射表面等。异构波导也可以接合成单个结构(例如，包括第一波导1105-b和第二波导1110-b)。例如，互耦接合部1120-b可用于将第一波导1105-b和第二波导1110-b集成为单个结构。第一波导1105-b和第二波导1110-b的接合可以包括但不限于一种接合架构，其中第一波导1105-b和第二波导1110-b耦合以在边缘耦合接合部1120-b处共享公共边缘(例如，对接耦合的)。边缘耦合接合部1120-b可以是光学透明的。在一些情况下，异构耦合器和接合材料可具有相同的折射率。
例如，第一波导1105-b和第二波导1110-b可以是异构的，并且使用对接耦合架构相互耦合。第一波导1105-b和第二波导1110-b可以与光学透射接合部粘合。接合部可包括光学粘合剂。一条或多条光线1115-b可以在第一波导1105-b内反射并且朝向第二波导1110-b的耦合边缘传播。边缘耦合接合部1120-b的光学透射特性可允许光经过第一波导1105-b传播到第二波导1110-b。然后，光115-b可以在第二波导1110-b内反射。
本公开的发明方面由图11b的非限制性示例示出。例如，设备可以具有耦合到波导(第二波导1110-b)的互耦波导(例如，第一波导1105-b)。在一些情况下，互耦波导操作地可由端对端接合部(例如，接合部1120-b)耦合到波导。在其他示例中，互耦波导可以利用光学粘合元件耦合到波导。
设想了使用本文描述的光瞳均衡技术的另外的示例和各种具体实施。
图11c示出了根据本公开的各方面的支持光瞳扩展的光学系统1100-c的示例。光学系统1100-c可以用在诸如但不限于hmd设备的应用中。光学系统1100-c可以采用选择性耦合以允许第一波导1105-c和第二波导1110-c将光朝向特定位置反射。所表示的角度是相对于第一波导1105-c和第二波导1110-c的表面法线的内角，并且为了说明的目的，忽略了基板界面处以及基板空气界面处的折射。在一些情况下，一个或多个所述波导可以包含全息记录层(例如，波导介质1125-a)。
可以使用光学粘合剂或波导介质1125-a将边缘耦合面(例如，表面1120-c)粘合到第二波导1110-c的包含波导介质1125-a的边缘。例如，表面1120-c可以粘合到第二波导1110-c以形成接合部(例如，对接耦合接合部)。在一些情况下，阻止将光引导通过波导介质1125-a的暴露边缘，例如通过施加吸收性涂层，可以维持图像保真度。
图11d示出了根据本公开的各方面的支持光瞳扩展的光学系统1100-d的示例。光学系统1100-d可以用在诸如但不限于hmd设备的应用中。光学系统1100-d可以采用选择性耦合以允许第一波导1105-d和第二波导1110-d将光朝向特定位置反射。所表示的角度是相对于第一波导1105-d和第二波导1110-d的表面法线的内角，并且为了说明的目的，忽略了基板界面处以及基板空气界面处的折射。在一些情况下，一个或多个所述波导可以包含全息记录层(例如，波导介质1125-b)。
在一些情况下，对接耦合接合部1120-d可以耦合到包含波导介质1125-b而没有边缘耦合面的第二波导1110-d。由此，对接耦合接合部1120-d可以在与制造第二波导1110-d(包括全息记录层1125-b)相同的工艺步骤中形成。
图11e示出了根据本公开的各方面的支持光瞳扩展的光学系统1100-e的示例。光学系统1100-e可以用在诸如但不限于hmd设备的应用中。光学系统1100-e可以采用选择性耦合以允许第一波导1105-e和第二波导1110-e将光朝向特定位置反射。所表示的角度是相对于第一波导1105-e和第二波导1110-e的表面法线的内角，并且为了说明的目的，忽略了基板界面处以及基板空气界面处的折射。在一些情况下，一个或多个所述波导可以包含全息记录层(例如，波导介质1125-c)。
在一些情况下，对接耦合接合部1120-e可以粘合到第二波导1110-e的基板的边缘，其包含波导介质1125-c，但不包含波导介质1125-c的暴露边缘。耦合到第二波导1110-e的基板可阻止引导光通过波导介质1125-c的暴露边缘并维持图像保真度。
在一些示例中，由光学系统1100表示的耦合接合部架构可以包括吸收、反射、双折射或另选的光学元件。可以使用吸收性或反射性阻挡层来防止光耦合到波导介质1125的边缘中。可以包括双折射层以使通过耦合接合部1120的光的偏振旋转。接合部1120可以重叠(未示出)，并且可以包含部分反射层，以便控制耦合光。反射层可以在空间上变化(例如，近边缘处高，近中心处低)，以便减少由耦合接合部架构形成的孔径的清晰图像，从而减少散射并改善强度均匀性。
图12示出了根据本公开的各方面的支持光瞳扩展的光学透镜1200的示例。光学透镜1200可包括波导1205、光输入区段1210、第一光耦合器件1215(例如，交叉耦合器)、反射轴1220、第二光耦合器件1225(例如，输出耦合器)、观察框1230、以及一个或多个部分反射格栅1235。波导1205还可以包括另一光耦合器件(例如，输入耦合器)；但是，出于说明的目的，忽略了输入耦合器。波导1205可包括彼此平行的第一表面和第二表面、靠近光输入区段1210的光接收端、以及远离光输入区段1210的光输出端。
在一些情况下，第一光耦合器件1215可包含一个或多个格栅1235、doe、vhg、棱镜、液晶等。用于从第一光耦合器件1215到第二光耦合器件1225的光束方向的特征可以在第一光耦合器件1215的一个或多个位点(未示出)内，这些位点对应于变化的竖直视场角。输入光可以进入光输入区段1210并传播到第一光耦合器件1215的所述一个或多个位点。在一些情况下，光可以在另选方向上朝向第二光耦合器件1225反射和/或衍射。然后，反射光可以在第二光耦合器件1225处被引导，并朝向观察框1230反射。
在一些实施方案中，第一光耦合器件1215可以允许投影图像维度中的一个保持不被引导通过从光输入区段1210到观察框1230的路径。具有一个或多个格栅镜1235的第一光耦合器件1215可以反射处于任何给定的偏振态的输入光，而基于衍射的第一光耦合器件可以部分地反射一些偏振态。
本公开的发明方面由图12的非限制性示例示出。例如，设备可以具有波导，该波导可以具有第一波导表面和平行于第一波导表面的第二波导表面。光耦合元件(例如，第一光耦合器件1215)可以设置在第一波导表面和第二波导表面之间。光耦合元件可以具有第一反射轴(例如，反射轴1220)，该第一反射轴可被取向为在平行于第一波导表面的平面上。该设备还可以具有设置在第一波导表面和第二波导表面之间的体全息光耦合元件(例如，第二光耦合器件1225)。体全息光耦合元件可以具有第二反射轴，该第二反射轴被取向为在与第一反射轴被取向的平面正交的平面上。
在一些情况下，光耦合元件可包括部分反射格栅(例如，格栅镜1235)。部分反射格栅可以被构造为关于第一反射轴反射处于第一入射角的一定波长的光。光耦合元件可以由端对端接合部(例如，接合部1240)耦合到体全息光耦合元件。
该设备还可以包括体全息光耦合元件的光栅介质内的第一光栅结构。第一光栅结构可以被构造为关于第一反射轴反射处于第一入射角的一定波长的光。第一反射轴可以偏离光栅介质的表面法线。在一些情况下，光栅介质的表面法线可以对应于波导的表面法线。该设备还可以包括在体全息光耦合元件的光栅介质内的至少部分地与第一光栅结构不重叠的第二光栅结构。第二光栅结构可以被构造为关于第二反射轴反射处于与第一入射角不同的第二入射角的所述波长的光。第二反射轴偏离光栅介质的表面法线。在一些情况下，光栅介质的表面法线可以对应于波导的表面法线。
在一些情况下，第一光栅结构可以进一步被构造为关于偏离光栅介质表面法线的第一反射轴反射处于包括第一入射角的第一入射角范围的所述波长的光，其中第一入射角范围中每个入射角大于第二入射角。第一光栅结构可包括至少三个全息图，这至少三个全息图中的每一者可对应于第一入射角范围内的一个独特入射角，并且其中这至少三个全息图的相邻|δkg|具有在1.0×104和1.0×106弧度/米(rad/m)之间的平均值。
在一些示例中，波长可以包括可见红光波长、可见蓝光波长或可见绿光波长中的一种。第一光栅结构可以进一步被构造为反射处于第一入射角的多个波长的光，并且第二光栅结构可以进一步被构造为反射处于第二入射角的所述多个波长的光。在一些情况下，这多个波长包括可见红光波长、可见蓝光波长或可见绿光波长中的至少两种。
设想了使用本文描述的光瞳均衡技术的另外的示例和各种具体实施。
图13a示出了根据本公开的各方面的支持光瞳扩展的光学透镜1300-a的示例。光学透镜1300-a可包括波导1305-a、光输入区段1310-a、第一光耦合器件1315-a(例如，交叉耦合器)和第二光耦合器件1325-a(例如，输出耦合器)。波导1305-a还可以包括另一光耦合器件(例如，输入耦合器)；但是，出于说明的目的，忽略了输入耦合器。波导1305-a可包括彼此平行的第一表面和第二表面、靠近光输入区段1310-a的光接收端、以及远离光输入区段1310-a的光输出端。
图13b示出了根据本公开的各方面的支持光瞳扩展的光学透镜1300-b的示例。光学透镜1300-b可包括波导1305-b、光输入区段1310-b和1310-c、第一光耦合器件1315-b和1315-c(例如，交叉耦合器)、以及第二光耦合器件1325-b和1325-c(例如，输出耦合器)。波导1305-b还可以包括另一光耦合器件(例如，输入耦合器)；但是，出于说明的目的，忽略了输入耦合器。波导1305-b可包括彼此平行的第一表面和第二表面、靠近光输入区段1310-b和1310-c的光接收端、以及远离光输入区段1310-b和1310-c的光输出端。
光学透镜1300-b的一些架构可以实现多个波导、输入耦合器、第一光耦合器件和/或第二光耦合器件。使用多个光耦合器件可以扩展图像投影系统的fov。例如，显示水平视场的左侧的光耦合器件可以与显示水平视场的右侧的光耦合器件组合。这样，扩展的组合水平fov可以由光耦合器件的这种布置产生。例如，组合的fov图像的两半可以采用图像处理技术并且可以被混合。组合的fov可以超过单个光耦合器件可达到的范围。例如，组合的fov可以包括83.9度的组合水平fov、53.4度的组合竖直fov以及91.7度的组合对角fov。
在一些实施方案中，光输入区段1310-b和1310-c可以放置在多个参考取向。例如，光输入区段1310-b可以位于第一光耦合器件1315-b的外边缘上，并且光输入区段1310-c可以位于第一光耦合器件1315-c的外边缘上。可以实现一个或多个投射器来用于到输入光瞳的图像投影。一个或多个波导1305-b可以包括许多已配置的光耦合器件。如果是在公共波导中，则可以使用两个第一光耦合器件、单个第二光耦合器件配置。在一些情况下，波导1305-b可包括第二光耦合器件1320-b和第二光耦合器件1320-c。
本公开的发明方面由图13b的非限制性示例示出。例如，设备可具有位于波导内的第一波导区段(例如，第一光耦合器件1315-b)、位于该波导内的第二波导区段(例如，第一光耦合器件1315-c)、位于第一波导区段的第一边缘的第一入射光瞳(例如，光输入区段1310-b)以及位于第二波导区段的第二边缘的第二入射光瞳(例如，光输入区段1310-c)。在一些情况下，第一波导区段和第二波导区段可至少部分地重叠。
设想了使用本文描述的光瞳均衡技术的另外的示例和各种具体实施。
图13c示出了根据本公开的各方面的支持光瞳扩展的光学透镜1300-c的示例。光学透镜1300-b可包括波导1305-c、光输入区段1310-d和1310-e、第一光耦合器件1315-d和1315-e(例如，交叉耦合器)、以及第二光耦合器件1325-d和1325-e(例如，输出耦合器)。波导1305-b还可以包括另一光耦合器件(例如，输入耦合器)；但是，出于说明的目的，忽略了输入耦合器。波导1305-c可包括彼此平行的第一表面和第二表面、靠近光输入区段1310-d和1310-e的光接收端、以及远离光输入区段1310-d和1310-e的光输出端。
在一些实施方案中，光输入区段1310-d和1310-e可以放置在多个参考取向。例如，光输入区段1310-e可以位于第一光耦合器件1315-e的内边缘上，并且光输入区段1310-e可以位于第一光耦合器件1315-e的内边缘上。可以实现一个或多个投射器来用于到输入光瞳的图像投影。一个或多个波导1305-b可以包括许多已配置的光耦合器件。如果是在公共波导中，则可以使用两个第一光耦合器件和单个第二光耦合器件的配置。在一些情况下，波导1305-c可包括第二光耦合器件1320-d和第二光耦合器件1320-e。
在一些情况下，第一光耦合器件1315-d和1315-e可以与第一光耦合器件1315-d和1315-e的fov中心对准。也就是说，fov中心对准可以提供更紧凑的多光耦合器件架构。在一些情况下，第一光耦合器件1315-d和1315-e可以通过此种方式平铺以对准fov中心。在一些实施方案中，可以使用多个平铺图案。
图14示出流程图，该流程图示出了根据本公开的各方面的制造交叉耦合器斜交镜的方法1400。方法1400的操作可以由用于制造如本文所述的斜交镜或其部件的系统来实现。例如，可以参考图1至图13来执行方法1400的操作。
在框1405处，可以将记录介质相对于第一棱镜定位，使得第一记录光束和第二记录光束穿过第一棱镜以在记录介质上记录干涉图案。可以根据本文描述的方法来执行框1405的操作。在某些示例中，框1405的操作的各方面可以由用于制造交叉耦合器斜交镜的系统(例如，如图5a和5b中所描述的系统)执行。
在框1410处，可以将第一反射轴记录在记录介质中，使得第一反射轴被取向为在与记录介质的厚度维度平行的平面上。框1410的操作可以由用于制造根据本文描述的光瞳扩展技术的交叉耦合器斜交镜的系统来执行。参考图1至图13描述的附加特征结构可以在记录介质中形成以用作波导和光学设备或系统中的光栅介质。
应当指出的是，这些方法描述了可能的具体实施，并且可以重新布置或以其他方式修改操作和步骤，使得其他具体实施是可能的。在一些示例中，可以组合来自两个或更多个所述方法的各方面。例如，每个所述方法的各方面可以包括其他方法的步骤或方面、或本文描述的其他步骤或技术。
虽然本文已经描述和图示了各种发明实施方案，但是本领域普通技术人员将容易地想到各种其他手段和/或结构，用于执行相应功能，并且/或者获得本文所述的相应结果和/或益处中的一个或多个，并且这些变型形式和/或修改中的每一个都被认为是在本文描述的发明实施方案的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易理解，本文所述的所有参数、尺寸、材料和构造都是示例性的，并且实际参数、尺寸、材料和/或构造将取决于特定应用或使用本发明的教导的应用。从本公开获益的本领域技术人员将认识到或者仅仅使用常规实验就能够确定本文所述的特定发明实施方案的许多等同形式。因此，应当理解，前述实施方案仅以示例性的方式呈现，并且在所附权利要求书及其等同内容的范围内，可以以不同于具体描述和要求保护的方式来实践发明实施方案。本公开的发明实施方案针对本文描述的每个单独的特征、系统、制品、材料、套件和/或方法。此外，此类特征、系统、制品、材料、工具、套件和/或方法中的两个或多个的任意组合都包括在本公开的发明范围内(如果此类特征、系统、制品、材料、工具、套件和/或方法相互之间未有矛盾)。
另外，各种发明构思可以体现为已提供示例的一个或多个方法。作为该方法的一部分执行的动作可以以任何合适的方式进行排序。因此，可以构造在其中以不同于所示顺序执行动作的实施方案，其可以包括同时执行一些动作，即使在说明性实施方案中示出为顺序动作。
如在本文整个说明书通篇中所定义和使用的所有定义应理解为控制字典定义、通过引用并入的文献中的定义和/或所定义术语的普通含义。
除非有明确的相反说明，否则在本文说明书和权利要求数中使用的不定冠词“一”和“一个”应理解为意指“至少一个”。
如在本文说明书和权利要求书中所使用的短语“以及/或者”应理解为意指以此结合的元素的“一者或两者”，即在某些情况下结合地存在，而在其他情况中则分离地存在。通过“和/或”列出的多个元素应该以相同的方式解释，即如此连接的元素中的“一者或多者”。除了通过“和/或”子句明确标识的元素之外，不管与具体标识的元素相关还是不相关，其他元素可以可选地存在。因此，作为非限制性示例，当与开放性语言(诸如“包括”)结合使用时，“a和/或b”的引用在一个实施方案中可以仅指a(可选地包括除b以外的元素)；在另一个实施方案中，仅指b(可选地包括除a以外的元素)；在又一个实施方案中，指a和b两者(可选地包括其他元素)；等。
如在本文说明书和权利要求书中所使用的，“或者”应被理解为具有与如上所定义的“和/或”相同的含义。例如，当用于分离列表中的项目时，“或者”或“和/或”应被解释为包含性的，即包括若干个元素或元素列表中的至少一个(但也包括多于一个)元素，并且可选地包括其他未列出项目。只有明确指出相反情况的术语，例如“仅一个”或“恰好一个”，或者当在权利要求书中使用时，“由...组成”将指包括若干元素或元素列表中的恰好一个元素。通常，只有当前面出现排他性术语诸如“任一”、“其中的一个”、“仅其中的一个”或“其中的恰好一个”时，本文使用的术语“或者”才应被解释为指示排他性选择(例如，“一个或另一个，但非两者”)。当在权利要求书中使用时，“基本包含”应具有其在专利法领域中使用的普通含义。
如在本文中的说明书和权利要求书中所使用的，关于一个或多个元素列表的短语“至少一个”应该理解为意指选自元素列表中的任意一个或多个元素中的至少一个元素，但不一定包括元素列表中特别列出的每个元素中的至少一个，并且不排除元素列表中元素的任意组合。该定义还允许短语“至少一个”所指的元素列表内明确标识的元素以外的元素可选地存在，而不管所述元素与明确标识的那些元素相关还是不相关。因此，作为非限制性示例，在一个实施方案中，“a和b中的至少一个”(或者等同地，“a或b中的至少一个”；或者等同地，“a和/或b中的至少一个”)可以指至少一个(可选地包括多于一个)括a，而不包括b(并且可选地包括除b以外的元素)；在另一个实施方案中，指至少一个(可选地包括多于一个)b，而不包括a(并且可选地包括除a以外的元素)；在又一个实施方案中，指至少一个(可选地包括多于一个)a、以及至少一个(可选地包括多于一个)b(并且可选地包括其他元素)；等。
在权利要求书以及上述说明书中，诸如“包含”、“包括”、“承载”、“具有”、“含有”、“涉及”、“保留”、“由...组成”等所有过渡型短语应被理解为是开放的，即意味着包括但不限于。如在美国专利局手册专利考察程序第221.03节所述，只有过渡型短语“由...组成”和“基本上由......组成”应分别是封闭式或半封闭式过渡型短语。
术语“大约”是指给定值±10％。
术语“约”是指给定值±20％。
术语“反射轴”是指将入射光的角度相对于其反射一分为二的轴。入射光相对于反射轴的入射角的绝对值等于入射光的反射相对于反射轴的反射角的绝对值。对于常规的反射镜，反射轴与表面法线重合，(即，反射轴垂直于反射镜表面)。相反地，根据本公开的斜交镜的具体实施可以具有不同于表面法线的反射轴，或者在一些情况下可以具有与表面法线重合的反射轴。从本公开获益的本领域技术人员将认识到，可以通过将入射角与其相应的反射角相加并将得到的和除以2来确定反射轴角度。入射角和反射角可以是凭经验确定的，使用多次测量(通常为三次或更多次)来产生平均值。
术语“反射”和类似术语在通常“衍射”被认为是适当术语的一些情况下用于本公开中。“反射”的使用与斜交镜所展现的镜像特性一致，并且有助于避免可能混淆的术语。例如，在称光栅结构被构造为“反射”入射光的情况下，常规技术人员可能更倾向于说光栅结构被构造成“衍射”入射光，因为通常认为光栅结构通过衍射作用于光。然而，术语“衍射”的这种使用将导致出现诸如“入射光关于大致稳定的反射轴衍射”的表述，这可能造成困惑。因此，在表述为入射光被光栅结构“反射”的情况下，依据本公开，本领域的普通技术人员将意识到光栅结构实际上是通过衍射机制对光进行“反射”的。“反射”的这种使用在光学中并非没有先例，常规反射镜就通常被表述为“反射”光，尽管衍射在这种反射中发挥主要作用。本领域技术人员因此认识到，大多数“反射”包括衍射的特性，并且由斜交镜或其部件进行的“反射”也包括衍射。
术语“光”是指本领域技术人员熟悉的电磁辐射。除非参考特定波长或波长范围，诸如“可见光”，其指的是电磁光谱的人眼可见的一部分，否则电磁辐射可具有任何波长。
术语“全息图”和“全息光栅”是指记录由多个相交光束之间的干涉产生的干涉图案。在一些示例中，全息图或全息光栅可以通过多个相交光束之间的干涉产生，其中这多个相交光束中的每一者在曝光时间内保持不变。在其他示例中，全息图或全息光栅可以通过多个相交光束之间的干涉产生，其中在记录全息图时这多个相交光束中的至少一者在光栅介质上的入射角改变，和/或其中在记录全息图时波长改变(例如，复杂全息图或复杂全息光栅)。
术语“正弦体光栅”是指一种光学部件，其具有在整个体积区域中以基本上正弦曲线轮廓调制的光学性质，诸如折射率。每个(简单/正弦)光栅对应于k空间中的单个互补矢量对(或k空间中的基本上点状互补对分布)。
术语“入射光瞳”是指以其最小尺寸使光束通过并进入成像光学器件的真实或虚拟孔径。
术语“观察框”是指某个二维区域，其限定了可在其中放置人类的瞳孔来在距光栅结构固定距离处观察整个视场的区域。
术语“眼距”是指光栅结构和对应的观察框之间的固定距离。
术语“出射光瞳”是指以其最小尺寸使光束通过并离开成像光学器件的真实或虚拟孔径。在使用中，成像光学系统通常被构造为将光束朝向图像捕获装置引导。图像捕获装置的示例包括但不限于用户的眼睛、相机或其他光电探测器。
术语“光栅介质”是指配置有用于反射光的光栅结构的物理介质。光栅介质可包括多个光栅结构。
术语“光栅结构”是指被构造为反射光的一个或多个光栅。在一些示例中，光栅结构可以包括一组光栅，这些光栅共享至少一个共同属性或特征(例如，这组光栅中的每一者所响应的相同波长的光)。在一些实施方案中，光栅结构可包括一个或多个全息图。在其他具体实施中，光栅结构可包括一个或多个正弦体光栅。在一些示例中，对于这一个或多个光栅(例如，全息图或正弦光栅)中的每一个，光栅结构可以相对于反射轴是均匀的。另选地或除此之外，对于光栅介质内的这一个或多个光栅(例如，全息图或正弦体光栅)中的每一个，光栅结构可以相对于长度或体积是均匀的。
提供本文中的描述是为了使本领域的技术人员能够制备或使用本公开。对于本领域的技术人员而言，对本公开的各种修改将是显而易见的，并且可以将本文所定义的一般原理应用于其他变型形式，而不脱离本公开的范围。因此，本公开不限于本文所描述的示例和设计，而是将被赋予符合本文所公开的原理和新颖特征的最广范围。
在附图中，类似的部件或特征结构可以具有相同的参考标号。此外，相同类型的各种部件可以通过在参考标号后用短划线和区分相似部件的第二标号来区分。如果在说明书中仅使用第一参考标号，则该描述可适用于具有相同第一参考标号的任何一个类似部件，而与第二参考标号无关。