用于波扩展器中的衍射元件的自由度的制作方法

近眼显示器(ned)设备(诸如头戴式显示器(hmd)设备)最近已经被引入到消费者市场中以支持可视化技术，诸如增强现实(ar)和虚拟现实(vr)。近眼显示设备可以包括诸如一个或多个光源、微显示器模块、控制电子装置以及各种光学器件(诸如波导、透镜、分束器等)的部件。

波导可以用在近眼显示设备中来将表示人工生成的图像的光从设备的图像生成部件传达到用户的光接受器(例如，人眼)。这些波导中的一个或多个波导可以充当用户的设备的图像输出接口；这些波导可以被称为设备的“输出波导”。例如，利用近眼ar设备，用户可以看到从透明的输出波导投影的计算机生成的图像，而用户通过输出波导查看现实世界。以这种方式，计算机生成的图像似乎被叠加在用户的真实世界环境之上。

近眼显示设备中的一些波导可以包括在两个维度上扩展光波信号的不同的区域中的衍射光学元件。然而，衍射光学元件的定向和周期的选择被限制以便在期望的方向输出耦合扩展的光波信号。

技术实现要素：

在此介绍了提供用于近眼显示设备中的输出波导的衍射光栅的附加的自由度的至少一种装置和至少一种方法(共同地并且单独地，“在此介绍的技术”)。输出波导扩展光波并且将光波引导到用户的光接受器。以下描述通常假定显示设备的“用户”是人以促进描述。然而，注意实现在此介绍的技术的显示设备可以潜在地由不是人类的用户(诸如机器或者动物)使用。因此，除了可以另外说明或者从上下文明显的，在此术语“用户”可以指代那些可能性中的任一个。类似地，如在此使用的术语“光接受器”可以指代人类或动物的眼睛或者机器的光学传感器。

在一些实施例中，近眼显示设备包括用于基于来自光源的光来生成图像的成像器。设备还包括用于输入表示从成像器接收到的图像的光波并且用于朝向用户的光接受器输出表示图像的光波的波导。波导包括从波导的输入到波导的输出的共同光路中的多个衍射光学元件(doe)。doe包括多个周期性衍射图案。各个周期性衍射图案由衍射图案矢量来表示。周期性衍射图案被确定，使得衍射图案矢量的矢量和等于零。

在一些实施例中，近眼显示设备包括用于基于来自光源的光来生成图像的成像器。这样的实施例中的设备还包括用于输入表示从成像器接收到的图像的光波并且用于朝向用户的光接受器输出表示图像的光波的波导。波导包括多个周期性衍射图案。各个周期性衍射图案由光栅矢量(还被称为衍射图案矢量)来表示。周期性衍射图案被确定，使得衍射图案矢量的加权矢量和等于零，其中加权矢量和的加数的权重是整数。

在一些实施例中，一种方法包括以下步骤：通过成像器基于来自光源的光来生成图像；接收表示在第一方向入射到波导的第一doe上的图像的光波并且通过第一doe的第一周期性衍射图案将光波重定向到波导的第二doe；通过第二doe的第二周期性衍射图案在第二方向扩展光波并且将光波重定向到波导的第三doe；以及进一步通过第三doe的第三周期性衍射图案在第三方向扩展光波并且在第一方向朝向用户的光接受器重定向光波。第一周期性衍射图案、第二周期性衍射图案和第三周期性衍射图案的衍射图案矢量的加权矢量和等于零。加权矢量和的加数的权重是整数。

技术的其他方面将从附图和具体实施方式是明显的。

提供本发明内容以引入以在具体实施方式中下面进一步描述的简化形式的概念的选择。本发明内容不旨在标识要求保护的主题的关键特征或基本特征，其也不旨在被用于要求保护的主题的范围。

附图说明

本公开的一个或多个实施例通过示例被图示并且不在附图的图中被限制，其中相同的附图标记指示类似元素。

图1示出了可以包含在此介绍的技术的近眼显示设备的示例。

图2示出了可以被包含在图1的近眼显示设备内的显示部件的侧视图。

图3示出了将光传达给用户的眼睛的波导的示例。

图4示出了扩展近眼显示设备的离开光瞳的输出波导的示例。

图5a示出了执行奇数级扩展的输出波导。

图5b示出了在图5a的输出波导中传播的光的波矢量以及输出波导的doe的光栅矢量。

图5c示出了穿过图5a的输出波导的doe的光波的横波矢量空间表示。

图6示出了进行偶数级扩展的输出波导。

具体实施方式

在本说明书中，“实施例”、“一个实施例”等的引用意味着正被描述的特定特征、功能、结构或者特性被包括在在此介绍的技术的至少一个实施例中。在本说明书中的这种短语的出现不必全部指代相同实施例。另一方面，还提到的实施例不必是互相排斥的。

一些近眼ar显示设备包括被定位在用户的一个或多个光接受器(例如，人的眼睛)前面的一个或多个波导。输出波导可以传播并且扩展由成像器所提供的光波，并且使用衍射光学元件(doe)朝向近眼ar显示设备的用户的光接受器引导光波。例如，输出波导可以在特定方向扩展光波。该上下文中的扩展意味着光波经由通过doe造成的反射和衍射被分成多个光波(还被称为“扩展光波”)。扩展光波的传播方向彼此平行。扩展光波沿着特定方向被间隔或者被分布。

换句话说，扩展光波在离开输出波导之前沿着输出波导中的特定方向(或者坐标轴)平移。各个扩展光波具有相对窄范围的传播角或者视场。每个扩展光波具有表示光波的平均传播方向并且表示扩展光波的传播能量的中心轴的“传播矢量”。光波的平移意味着沿着不平行于传播矢量自身的特定方向(或者坐标轴)移动光波的对应的传播矢量。

因此，离开输出波导的光波具有与进入任何给定波长的光的输出波导的光波相同的方向(即，平行于)，以使光波遵循用户的光接受器的期望的路径。该条件被称为消色差成像。

为了完成近眼显示设备中的消色差成像，输出波导内的doe的性质的选择是有限的。在此所公开的技术提供了满足消色差成像条件的方式，而不在doe的设计选择上施加过度限制。例如，可以确定doe的衍射光栅的定向和光栅周期，使得衍射光栅的光栅矢量的矢量和等于零。对于衍射光栅的该零求和方法使得波导满足消色差成像条件，同时doe仍然保留用于光栅定向和光栅周期的自由度。

图1示出了在其中可以包含在此介绍的技术的近眼显示设备的示例。近眼显示设备100可以为用户(即，设备的穿戴者)提供虚拟现实(vr)和/或增强现实(ar)显示模式。为了促进描述，从此假定近眼显示设备100被设计用于ar可视化。

在所图示的实施例中，近眼显示设备100包括：底座101、透明的防护面罩102，其被安装到底座101；和左侧臂和右侧臂104，其被安装到底座101。面罩102形成用于下面所讨论的各种显示元件(未示出)的防护外壳。

底座101是用于面罩102和侧壁104以及用于与该描述没有密切关系的各种传感器和其他部件(未示出)的安装结构。可以生成用于ar可视化的图像的显示组件(未示出)还被安装到底座101并且被封闭在防护面罩102内。面罩组件102和/或底座101还可以容纳控制显示组件的功能和近眼显示设备100的其他功能的电子装置(未示出)。近眼显示设备100还包括被附接到底座101的可调节头带105，通过其近眼显示设备100可以被穿戴在用户的头部上。

根据某些实施例，图2示出了可以被包含在近眼显示设备100的面罩102内的显示部件的侧视图。在近眼显示设备100的操作期间，显示部件相对于用户的左眼206l或者右眼206r被定位。显示部件被安装到底座101的内表面。在图2中的剖视图中示出了底座101。

显示部件被设计为将三维图像覆盖在他的真实世界环境的用户的视图上(例如，通过将光投影到用户的眼睛中)。因此，显示部件包括显示模块204，其容纳包括诸如以下各项的部件的光引擎：一个或多个光源(例如，一个或多个发光二极管(led))；一个或多个微显示器成像器，诸如硅上液晶(lcos)、液晶显示器(lcd)、数字微镜设备(dmd)；以及一个或多个透镜、分束器和/或波导。显示模块204内的(一个或多个)微型显示器成像器(未示出)可以经由柔性电路连接器205被连接到印刷电路板208，印刷电路板208具有被安装在其上的图像生成/控制电子装置(未示出)。

显示部件还包括：显示模块204被安装到其的透明波导载体201；以及多个透明输出波导202，其被堆叠在针对用户的左眼和右眼中的每一个的波导载体201的用户的一侧上。波导载体201具有中央鼻梁部分210，其左和右波导安装表面从其延伸。多个波导202被堆叠在波导载体201的左和右波导安装表面中的每一个上，以将从显示模块发射并且表示图像的光分别地投影到用户的左眼206l和右眼206r中。显示组件200可以通过被定位在中央鼻梁部分210上的波导载体201顶部的中心标签207被安装到底座101。

近眼显示设备可以将表示图像的光提供到用户的光接受器。用户可以是例如人类、动物或者机器。

图3示出了可以被安装在波导载体201上以将光传达给用户的眼睛的输出波导的示例。类似波导可以被设计用于左眼，例如，作为图3中所示的波导的(水平)镜像图像。波导310是透明的，并且如从图2可以看到，将通常地在近眼显示设备的操作期间直接地被布置在用户的右眼的前面，例如，作为图2中的波导202之一。因此，波导310在近眼显示设备100的操作期间从用户的视角被示出。在一些备选实施例中，分离的波导(诸如波导310)可以在近眼显示设备的操作期间被布置在用户的左眼和右眼中的每一个的前面。

波导310包括单个输入端口311(还被称为输入耦合元件)，其被定位在当近眼显示设备100由用户穿戴时最接近于用户的鼻梁的波导310的区域中。输入端口311可以从例如表面衍射光栅、体积衍射光栅或者反射部件来形成。波导310还包括单个输出端口313(还被称为输出耦合元件)和传输通道312。显示部件204(未示出)的右眼输出端口光学地被耦合(但是不一定物理地被耦合)到波导310的输入端口311。在操作期间，显示模块204(未示出)将表示来自其右眼输出端口的右眼的图像的光输出到波导310的输入端口311中。

传输通道312将光从输入端口311传达给输出端口313，并且可以是例如表面衍射光栅、体积衍射光栅或者反射部件。传输通道312可以被设计为通过使用全内反射(tir)完成这一点。表示用于右眼的图像的光然后从输出端口313被投影到用户的眼睛。

波导310可以包括多个衍射光学元件(doe)，以便经由光学衍射的多次出现来控制在近眼显示设备中传播的光的方向。doe可以是例如表面衍射光栅或者体积衍射光栅。波导310的各种部件可以被设计为包含doe中的一个或多个。

例如，波导310可以包括三个doe。波导310的输入端口311是用于将光耦合到波导310中并且控制在光到达输入端口311之后光路的方向的doe1。波导310的传输通道312是用于控制传输通道312中的光路的方向并且确保通过全内反射(tir)在传输通道312的内部传播的光的doe1。输出端口313是用于控制在光离开输出端口313之后光路的方向的doe3。

包括三个doe的波导可以在两个维度上扩展光波。扩展过程还被称为离开光瞳扩展。图4示出了扩展近眼显示设备的离开光瞳的输出波导的示例。波导410包括三个doe415、420和425以扩展离开光瞳。doe415、420和425在共同光路中是连续的。doe415、520和425可以例如被布置在平面衬底上。

成像器405(例如，lcos设备)输出在z方向入射到第一doe415上的光波450。doe415朝向第二doe420引导光波452。如在图4中所示，doe420在第一维度(x维度)上扩展光波454。如在图4中所示，在扩展期间，扩展光波454的每个传播矢量沿着x坐标轴被移动，使得扩展光波在x维度上被间隔或者被分布。

doe420还将扩展光波454重定向到第三doe425。第三doe425在第二维度(y维度)上扩展光波454，并且在z方向向外重定向扩展光波456。

因此，波导410接收在z方向入射的输入光波450，在x和y维度二者上扩展光波，并且在相同的z方向重定向扩展光波。换句话说，波导410在两个维度上扩展光分布，同时维持光波的定向。因此，波导410可以被称为波束扩展设备或者离开光瞳扩展器。

波导(作为波束扩展设备)可以在例如奇数级扩展过程或者偶数级过程中扩展光波。图5a示出了进行奇数级扩展的输出波导。波导500包括doe515、520和525。

doe515、520和525中的每一个具有衍射光栅。衍射光栅是具有周期性结构的光学部件，其将入射光束分割并且衍射为在不同的方向行进的若干波束。周期性结构可以包括在周期性图案中布置的线性凹槽。附近的凹槽之间的距离被称为光栅周期d。

衍射光栅具有光栅矢量d(还被称为衍射图案矢量)的性质。光栅矢量d表示光栅图案(还被称为周期性衍射图案)的方向和间隔。光栅矢量的长度是d＝2π/d。光栅矢量d的方向垂直于(“垂直”或者“正交”)周期性线性凹槽的中心轴，其中中心轴垂直于周期性线性凹槽的横截面。

光在z方向入射到波导500上，z方向垂直于x和y方向。第一doe515将光从成像器(未示出)耦合到波导500中。第二doe520在x方向扩展光。第三doe525进一步在y方向扩展光并且在相同的z方向耦合从波导500出来的扩展光。

如在图5a中所示，第二doe520在doe的左边缘(当读者查看附图时)处从第一doe515接收光波。在光波在doe520的底边缘处离开doe520之前，光波由doe520中的光栅图案反射一次或多次。由于奇数级扩展使得第二doe520在侧边缘处接收光波，奇数级扩展配置的波导通常占用比偶数级扩展配置(其稍后讨论)的波导更少的空间。

在奇数级扩展过程期间，第二doe520在将光重定向到第三doe525中之前将光衍射奇数次(例如，改变方向)。在0与+1衍射级之间的多个衍射的过程期间，光能的较大部分被转换为+1级，其被重定向到第三doe525。

图5b示出了在波导中传播的光的波矢量以及波导的doe的光栅矢量。入射光具有一对横波矢量分量kx0和ky0。波矢量的幅度是波数k＝2π/λ，其中，λ是光的波长。空气中的入射光的波数被表示为k0。在波导中传播的光的波数被表示为k＝k0*n，其中n是波导材料的折射率。

doe1、2和3(图5b中的515、520和525)的光栅矢量被表示为dj＝(dxj,dyj)。具有(dx1,dy1)的波矢量的doe515朝向第二doe520重定向入射光(kx0,ky0)。因此，

(kx1,ky1)＝(kx0+dx1,ky0+dy1)。

具有(dx2,dy2)的波矢量的doe520接收光(kx1,ky1)并且朝向第三doe525重定向光(kx1,ky1)。因此，

(kx2,ky2)＝(kx1+dx2,ky1+dy2)＝(kx0+dx1+dx2,ky0+dy1+dy2)。

具有(dx3,dy3)的波矢量的doe525接收光(kx2,ky2)并且在z方向耦合光(kx2,ky2)输出。因此，

(kx3,ky3)＝(kx2+dx3,ky2+dy3)＝(kx0+dx1+dx2+dx3,ky0+dy1+dy2+dy3)。

波导500满足消色差成像条件，其意味着当具有不同的波长的光波由波导500扩展并且离开波导500时，光波的离开方向与光波进入波导500的输入方向相同。换句话说，入射光波数(kx0,ky0)匹配输出耦合的光波数(kx3,ky3):(kx0,ky0)＝(kx3,ky3)。因此，波导500的光栅矢量满足

dx1+dx2+dx3＝dy1+dy2+dy3)＝0。

备选地，以矢量形式，光栅矢量的矢量和等于零：

d1+d2+d3＝0

(还被称为“求和规则”)。

注意，光栅矢量d1、d2、d3取决于光栅周期但是不取决于光波的波长。因此，一旦光栅矢量满足求和规则，针对具有任何波长的光波，消色差成像条件被满足(因此术语“消色差成像”)。

为了满足消色差成像条件，将第一doe515和doe525的衍射光栅限于具有相同光栅周期是不必要的。求和规则放宽那些衍射光栅的设计限制。放宽的设计限制使得波导500能够具有较大的视场(fov)。

此外，波导500将由doe515和520衍射的光保持在波导500内。因此，在波导500的内部传播的光不是瞬逝(evanescent)的并且满足全内反射(tir)的条件。换句话说，由doe515衍射的光满足在波导内部的tir条件：kx1²+ky1²>k0²。由doe515衍射的光不是瞬逝的：kx1²+ky1²<k²。由doe520衍射的光还满足在波导内部的tir条件：kx2²+ky2²>k0²。由doe520衍射的光不是瞬逝的：kx2²+ky2²<k²。

波导的doe中的光波的行进方向可以由波矢量空间表示来解释。图5c示出了穿过波导的doe的光波的横波矢量空间表示。内实线圆571表示tir条件的边界。外实线圆572表示瞬逝波的边界。

因此，同心圆571和572之间的环形部分中的任何光波通过全内反射(tir)在波导中传播。在内圆571中的任何光波是在波导中传播并且然后离开到空气中的波。换句话说，那些光波在波导中传播并且然后从波导离开。外圆572外部的任何光波是未被耦合到波导中的瞬逝波。

区域552、554和556表示由波导的doe衍射的fov。入射光的fov由区域551(“fov551”)来表示。doe1将光转换为由区域552表示的fov(“fov552”)。然后，doe2将光转换为由区域553表示的fov(“fov553”)。在doe2中，光在被重定向到doe3中之前在区域552与区域553之间来回反弹奇数次。

doe3将光转换为由区域551表示的fov。换句话说，输出光的fov(fov551)匹配输入光的fov(再次，fov551)。因此，波导满足消色差成像条件。如在图5c中所示，doe1、2和3的光栅矢量满足d1+d2+d3＝0。

虽然图5a、图5b和图5c示出了包括三个doe的波导，但是根据所公开的技术的波导可以具有任何任意数目的doe。例如，如果波导包括n数目的doe，则消色差成像的条件是

dx1+dx2+dx3+…+dxn＝dy1+dy2+dx3+…+dyn＝0。

备选地，在矢量形式中：

d1+d2+d3+…+dn＝0。

doe还满足针对tir和非瞬逝的条件。

在一些实施例中，消色差成像条件可以被表达为光栅矢量的加权矢量和：

md1+nd2+ld3＝0，

其中，加数中的值m、n和l是表示周期性衍射图案被设计为将光能集中到的衍射级的整数权重值。在一些实施例中，整数权重值可以是0、负数、或正数。

此外，波导(作为波束扩展设备)也可以在偶数级扩展过程中扩展光波。图6示出了进行偶数级扩展的输出波导。波导600包括doe615、620和625。

光在z方向入射到波导600上，所述z方向垂直于x和y方向。第一doe615将光耦合到波导600中，并且在doe620的顶边缘处将光波重定向到第二doe620中。第二doe620在x方向扩展光。第三doe625进一步在y方向扩展光并且在相同的z方向耦合从波导600出来的扩展光。

如在图6中所示，第二doe620在doe520的顶边缘处从第一doe615接收光波。注意，在图5a中所图示的奇数级扩展中，第二doe520在左边缘处接收光波。奇数级或者偶数级扩展的选择取决于用于波导的各种设计因素。通常，奇数级扩展配置的波导倾向于是较小的。另一方面，偶数级扩展配置使能在第二doe的顶边缘处供应光波，其当存在对波导的宽度的限制时可以是有利的。

在光波在doe620的底边缘处离开doe620之前，光波由doe620中的光栅图案反射多次。在偶数级扩展过程期间，第二doe620在将光重定向到第三doe525中之前将光衍射偶数次(包括零次)。与奇数级扩展类似，在0与+1级之间的多个衍射的过程期间，更多光能被转换为+1级，其被重定向到第三doe625。

如在图6中所示，第二doe620在x方向扩展光波。然而，第二doe620维持其输出光的方向与其输入光的方向相同。换句话说，在偶数级扩展中，在第二doe620之前和之后光波的波矢量是相同的。因此，第二doe620的衍射光栅的光栅矢量不向波导600中的其他doe的衍射矢量施加限制。

在偶数级扩展中，第一doe615在doe615的两侧具有例如线性衍射光栅(还被称为“双面线性光栅”)。在doe615的第一侧(例如，顶侧)的第一衍射光栅具有d1a＝(dx1a,dy1a)的光栅矢量。在doe615的第二侧(例如，底侧)的第二衍射光栅具有d1b＝(dx1b,dy1b)的光栅矢量。第三doe625的衍射光栅具有d3＝(dx3,dy3)的光栅矢量

波导600满足消色差成像条件，其意味着入射光(kx0,ky0)匹配输出耦合光(kx3,ky3)。消色差成像条件被满足，如果

md1a+nd1b＝±d3，

其中，m和n是整数级数字。

在一些实施例中，消色差成像条件可以被表达为光栅矢量的加权矢量和：

md1a+nd1b+ld3＝0，

其中，加数中的值m、n和l是表示周期性衍射图案被设计为将光能集中到的衍射级的整数权重值(还被称为“加权求和规则”)。在一些实施例中，整数权重值可以是0、-1或+1。对应于其绝对值大于1的整数的较高的衍射级通常由光栅图案来抑制。

在一些实施例中，m＝1并且n＝0，或者m＝0并且n＝1。因此，第一doe615具有一个衍射光栅，其具有波矢量d1＝±d3。换句话说，如果第一doe615和第三doe625具有针对光栅矢量的相同长度(或者相同光栅周期)，则满足消色差成像条件。

光栅矢量的设计限制可以进一步被放宽，因为对于第一doe615和第三doe625的光栅周期不需要是相等的。在一些实施例中，m＝1并且n＝1，其意味着第一doe615的第一衍射光栅将光波反射到+1衍射级，并且然后第一doe615的第二衍射光栅再次将光波反射到+1衍射级。比+1衍射级更高的衍射级通常是不太高效的，并且可以创建重影图像效果。因此，当m＝1并且n＝1时，第一doe615的衍射光栅的光栅矢量的矢量和等于第三doe625的光栅矢量，或者与第三doe625的光栅矢量恰好相反：

d1a+d1b＝±d3。

特别地，在-d3的情况下，第一doe615的第一衍射光栅和第二衍射光栅和第三doe625的衍射光栅满足求和规则：

d1a+d1b+d3＝0。

除双侧线性光栅之外，第一doe615可以在doe615的两侧具有例如交叉衍射光栅(还被称为“双面交叉光栅”)。因此，第一doe615有效地具有包括四个光栅矢量的四个衍射光栅。在第一doe615的第一侧(例如，顶侧)，存在彼此交叉并且具有d1a＝(dx1a,dy1a)和d1b＝(dx1b,dy1b)的光栅矢量的两个衍射光栅。换句话说，光栅图案在第一侧上在两个方向是周期性的。在第一doe615的第二侧(例如，底侧)，存在彼此交叉并且具有d1c＝(dx1c,dy1c)和d1d＝(dx1d,dy1d)的光栅矢量的两个衍射光栅。

波导600满足消色差成像条件，其意味着入射光匹配输出耦合光。消色差成像条件被满足，如果

md1a+nd1b+od1c+pd1d＝±d3,

其中，m、n、o和p是整数级数字。

因此，加权矢量和规则可以被用于设计输出波导的doe。doe的衍射光栅遵循求和规则或者加权求和规则，并且因此满足消色差成像次序。求和规则或者加权求和规则实现用于利用doe的各种性质设计输出波导的配置的放松的自由度。

某些实施例的示例

在此介绍的技术的某些实施例被概述在以下编号的示例中：

1.一种近眼显示设备，包括：成像器，其用于基于来自光源的光来生成图像；以及波导，其用于输入表示从成像器接收到的图像的光波并且用于朝向近眼显示设备的用户的光接受器输出表示图像的光波，波导包括从波导的输入到波导的输出的共同光路中的多个衍射光学元件(doe)，doe包括多个周期性衍射图案，各个周期性衍射图案由对应的衍射图案矢量来表示，周期性衍射图案使得多个doe的衍射图案矢量的矢量和等于零。

2.根据示例1所述的近眼显示设备，其中波导在第一方向接收光波，并且波导的多个doe在第二方向和第三方向共同地扩展光波并且在第一方向输出光波。

3.根据示例1或2所述的近眼显示设备，其中多个doe包括：第一doe，其用于接收在第一方向入射到第一doe上的光波并且重定向光波；第二doe，其用于从第一doe接收光波并且在第二方向扩展光波；以及第三doe，其用于在第三方向进一步扩展光波并且在第一方向朝向用户的光接受器重定向扩展光波。

4.根据先前示例1到3中的任一项所述的近眼显示设备，其中光波在波导内的共同光路中从第一doe传播到第二doe并且然后传播到第三doe，其中第一doe、第二doe和第三doe中的每一个包括周期性衍射图案，并且其中第一doe、第二doe和第三doe的周期性衍射图案的衍射图案矢量的矢量和等于零。

5.根据示例4所述的近眼显示设备，其中在光波在第二doe中传播并且由第二doe的周期性衍射图案扩展时，光波由第二doe的周期性衍射图案衍射奇整数次。

6.根据示例5所述的近眼显示设备，其中第一doe朝向第二doe的侧边缘重定向光波，并且第二doe通过第二doe的底边缘朝向第三doe重定向光波。

7.根据先前示例4到6中的任一项所述的近眼显示设备，其中在第一doe和第二doe中传播的光波满足全内反射条件：kx2+ky2>k02，其中k0是在进入波导之前光波的波数，kx和ky是在第一doe或者第二doe中传播的光波的波数的分量。

8.根据先前示例4到7中的任一项所述的近眼显示设备，其中在第一doe和第二doe中传播的光波满足非瞬逝条件：kx12+ky12<k2，其中k是在波导内传播的光波的波数，kx和ky是在第一doe或者第二doe中传播的光波的波数的分量。

9.根据前述示例1到8中的任一项所述的近眼显示设备，其中多个doe包括：第一doe，其用于接收在第一方向入射到第一doe上的光波并且重定向光波；第二doe，其用于从第一doe接收光波并且第二方向扩展光波，光波由第二doe的周期性衍射图案反射偶数次；以及第三doe，其用于在第三方向进一步扩展光波并且在第一方向朝向用户的光接受器重定向扩展光波。

10.根据示例9所述的近眼显示设备，其中第二doe扩展光波并且在第二方向平移扩展的光波，并且其中从第二doe离开的光波具有与进入第二doe的光波相同的方向。

11.根据示例9或10所述的近眼显示设备，其中第一doe朝向第二doe的顶边缘重定向光波，并且第二doe通过第二doe的底边缘朝向第三doe重定向光波，底边缘与顶边缘相反。

12.根据先前示例9到11中的任一项所述的近眼显示设备，其中第一doe包括分别在第一doe的两个边缘上的第一周期性衍射图案和第二周期性衍射图案，并且第三doe具有第三周期性衍射图案，并且第一周期性衍射图案、第二周期性衍射图案和第三周期性衍射图案的衍射图案矢量的矢量和等于零。

13.根据先前示例9到12中的任一项所述的近眼显示设备，其中第一doe包括在第一doe的第一边缘上彼此交叉的第一周期性衍射图案和第二周期性衍射图案，第一doe还包括在第一doe的第二边缘上彼此交叉的第三周期性衍射图案和第四周期性衍射图案，并且第三doe具有第五周期性衍射图案，并且第一周期性衍射图案、第二周期性衍射图案、第三周期性衍射图案、第四周期性衍射图案和第五周期性衍射图案的衍射图案矢量的矢量和等于零。

14.一种近眼显示设备，包括：成像器，其用于基于来自光源的光来生成图像；以及波导，其用于将表示图像的光波扩展为朝向近眼显示设备的用户的光接受器的、在共同方向离开波导的多个扩展光波；波导包括多个周期性衍射图案，各个周期性衍射图案由的衍射图案矢量来表示，周期性衍射图案被确定，使得衍射图案矢量的加权矢量和等于零，其中加权矢量和包括多个加数，并且其中加权矢量和的个体加数的权重是整数。

15.根据示例14所述的近眼显示设备，其中权重的整数表示周期性衍射图案被设计为将光能集中到的衍射级。

16.根据示例14或15所述的近眼显示设备，其中权重的整数是0、-1和+1，其中其绝对值大于1的整数表示由周期性衍射图案抑制的较高的衍射级。

17.根据前述示例14到16中的任一项所述的近眼显示设备，其中波导包括从波导的输入到波导的输出的共同光路中的多个衍射光学元件(doe)，周期性衍射图案中的每一个在doe之一上或之内；并且其中当光波在共同光路中间的中间doe中传播时，光波由中间doe的周期性衍射图案反射奇数次。

18.根据前述示例14到17中的任一项所述的近眼显示设备，其中波导包括从波导的输入到波导的输出的共同光路中的多个衍射光学元件(doe)，周期性衍射图案中的每一个在doe之一上或之内；并且其中当光波在共同光路中间的中间doe中传播时，光波由中间doe的周期性衍射图案反射偶数次；并且其中共同光路中的第一doe在第一doe的两个表面中的每一个上包括两个周期性衍射图案。

19.根据前述示例14到18中的任一项所述的近眼显示设备，其中波导包括从波导的输入到波导的输出的共同光路中的多个衍射光学元件(doe)，周期性衍射图案中的每一个在doe之一上或之内；并且其中当光波在共同光路中间的中间doe中传播时，光波由中间doe的周期性衍射图案反射偶数次；并且其中共同光路中的第一doe包括在第一doe的表面上彼此交叉的两个周期性衍射图案。

20.一种设备，包括：用于通过成像器基于来自光源的光生成图像的装置；用于接收在第一方向入射到波导的第一衍射光学元件(doe)上的表示图像的光波并且通过第一doe的第一周期性衍射图案将光波重定向到波导的第二doe的装置；用于通过第二doe的第二周期性衍射图案在第二方向扩展光波并且将光波重定向到波导的第三doe的装置；以及用于通过第三doe的第三周期性衍射图案在第三方向扩展光波并且在第一方向朝向用户的光接受器重定向光波的装置；其中第一周期性衍射图案、第二周期性衍射图案和第三周期性衍射图案的衍射图案矢量的加权矢量和等于零，其中加权矢量和包括多个加数，并且其中加权矢量和中的个体加数的权重是整数。

21.根据示例20所述的设备，其中权重的整数表示第一周期性衍射图案、第二周期性衍射图案和第三周期性衍射图案被设计为将光能集中到的衍射级。

除了可以上文另外说明的程度或者任何这样的实施例可以借助于其功能或结构不相容的程度之外，上文所描述的特征和功能中的任何和全部可以彼此组合，如对于本领域的普通技术人员而言将明显的。除非与物理可能性相反，否则应设想到(i)在此所描述的方法/步骤可以以任何顺序和/或以任何组合被执行，以及(ii)相应实施例的部件可以以任何方式被组合。

虽然已经以特定于结构特征和/或动作的语言描述主题，但是将理解到，所附的权利要求中限定的主题不必限于上文所描述的特征或者动作。相反，上文所描述的特定特征和动作被公开为实现权利要求的示例并且其他等效特征和动作旨在权利要求的范围之内。