具有多层全息组合器的光学系统的制作方法

本申请要求2019年11月19日提交的美国专利申请号16/688,831以及2018年11月29日提交的美国临时专利申请号62/772,985的优先权，这些专利申请据此以全文引用的方式并入本文。

背景技术：

本公开整体涉及光学系统，并且更具体地讲，涉及用于显示器的光学系统。

电子设备可包括靠近用户的眼睛呈现图像的显示器。例如，诸如虚拟现实和增强现实头戴式耳机之类的设备可包括具有允许用户观看显示器的光学元件的显示器。

设计设备诸如这些设备可能是有挑战性的。如果稍有不慎，用于显示内容的部件可能是难看且笨重的，并且可能未表现出期望的光学性能水平。

技术实现要素：

电子设备诸如头戴式设备可具有为用户产生图像的一个或多个近眼显示器。头戴式设备可以是一副虚拟现实眼镜，或者可以是增强现实头戴式耳机，其允许观察者观看计算机生成的图像和观察者周围环境中的真实世界对象两者。

近眼显示器可包括产生图像光的显示模块和将来自显示单元的图像光朝窥眼框重定向的光学系统。光学系统可以是例如多层全息组合器。光学系统可具有第一全息图结构和与第一全息图结构重叠的第二全息图结构。第一全息图结构可以第一全息图结构和第二全息图结构之间的体积外部的角度接收图像光。第一全息图结构可被配置为将来自多个入射角的图像光在多个输出角度上复制到第二全息图结构上。第二全息图结构可将经复制的图像光聚焦到窥眼框上。

在一种合适的布置中，第一全息图结构包括透射全息图，并且第二全息图结构包括反射全息图。在另一合适的布置中，第一全息图结构包括反射全息图，并且第二全息图结构包括透射全息图。在又一合适的布置中，第一全息图结构和第二全息图结构均包括反射全息图。例如，光学系统可占据设备内相对小的空间，可表现出相对大的视场，可具有非平面形状，可在整个窥眼框上复制图像，使得当用户的眼睛转移通过窥眼框时用户不会观察到透视变化(例如，对于宽范围的用户生理学)，并且可允许在距用户的任何深度处渲染虚拟对象。

如果需要，设备可包括图像传感器。光学系统可将图像光的第一部分重定向到窥眼框，并且将图像光的第二部分重定向到图像传感器。图像传感器可基于图像光的第二部分生成图像数据。控制电路可标识图像数据中指示光学系统相对于显示模块的位置变化的失真。失真可为例如从用户的角度在窥眼框处存在的失真。控制电路可通过基于所标识的位置变化对显示模块所投影的图像光执行反馈调节来补偿这些失真。

附图说明

图1是根据一些实施例的具有显示器的例示性系统的图示。

图2是根据一些实施例的具有多层全息组合器的例示性显示系统的示意图，该多层全息组合器具有用于复制外部图像的透射全息图结构和用于将每个经复制的图像聚焦到窥眼框上的反射全息图结构。

图3是根据一些实施例示出多层全息组合器中的例示性透射全息图结构的操作的示意图。

图4是根据一些实施例示出多层全息组合器中的例示性反射全息图结构的操作的示意图。

图5是根据一些实施例示出可在透射全息图结构和/或反射全息图结构中使用的例示性点对平面波全息图的操作的图示。

图6是根据一些实施例示出可在透射全息图结构和/或反射全息图结构中使用的例示性点对近平面波全息图的操作的图示。

图7是根据一些实施例的具有一个或多个基板的例示性多层全息组合器的图示。

图8是根据一些实施例的具有用于复制外部图像的反射全息图结构和用于将每个经复制的图像聚焦到窥眼框上的透射全息图结构的例示性多层全息组合器的示意图。

图9是根据一些实施例示出全息膜的单独层可如何用于衍射不同波长的光的示意图。

图10是根据一些实施例示出用于衍射不同波长的光的全息图可如何在相同体积的光栅介质上复用的图示。

图11是根据一些实施例的设置有弯曲形状的例示性多层全息组合器的图示。

图12是根据一些实施例的具有光学漫射器和反射全息图结构的例示性多层全息组合器的图示。

图13是根据一些实施例的在记录全息图中所涉及的例示性操作的流程图。

图14是根据一些实施例的用于记录透射全息图结构的例示性全息图记录系统的图示。

图15是根据一些实施例的用于记录反射全息图结构的例示性全息图记录系统的图示。

图16是根据一些实施例的具有多层全息组合器的例示性显示系统的示意图，该多层全息组合器被提供有根据窥眼框位置而变化的光功率，以补偿由显示系统的光学部件产生的像差。

图17是根据一些实施例的用于记录反射全息图的例示性全息图记录系统的示意图，该反射全息图被提供有变化的光功率以补偿由显示系统的光学部件产生的像差。

图18是根据一些实施例的具有图像传感器的例示性系统的示意图，用于对照明多层全息组合器的投影仪执行反馈调节以减弱投影仪与多层全息组合器之间的相对位置随时间推移的变化。

图19是根据一些实施例的在对照明多层全息组合器的投影仪执行反馈调节以减弱投影仪与多层全息组合器之间的相对位置随时间推移的变化中所涉及的例示性步骤的流程图。

图20是根据一些实施例的具有用于为多层全息组合器扩展光瞳的波导的例示性光学系统的图示。

图21是根据一些实施例的具有多个透射全息图结构的例示性多层光学组合器的图示。

具体实施方式

图1中示出了一个例示性系统，其具有带有一个或多个近眼显示系统的设备。系统10可以是头戴式设备，其具有一个或多个显示器，诸如安装在支撑结构(壳体)8内的近眼显示器20。支撑结构8可具有一副眼镜(例如，支撑框架)的形状，可形成具有头盔形状的外壳，或者可具有用于帮助将近眼显示器20的部件安装和固定在用户的头部上或眼睛附近的其他构型。近眼显示器20可包括一个或多个显示模块诸如显示模块20a，以及一个或多个光学系统诸如光学系统20b。显示模块20a可安装在支撑结构诸如支撑结构8中。每个显示模块20a可以发射光38(图像光)，使用光学系统20b中的相关联的一个将该光朝眼箱24处的用户眼睛重定向。

可使用控制电路16来控制系统10的操作。控制电路16可包括用于控制系统10的操作的存储和处理电路。电路16可包括存储装置，诸如硬盘驱动器存储装置、非易失性存储器(例如，被配置为形成固态驱动器的电可编程只读存储器)、易失性存储器(例如，静态或动态随机存取存储器)等。控制电路16中的处理电路可基于一个或多个微处理器、微控制器、数字信号处理器、基带处理器、电源管理单元、音频芯片、图形处理单元、专用集成电路以及其他集成电路。软件代码可存储在电路16中的存储装置(例如非暂态计算机可读介质)上，并且在电路16中的处理电路上运行，以实现用于系统10的操作(例如，数据采集操作、涉及使用控制信号调节部件的操作、产生图像内容以向用户显示的图像渲染操作等)。

系统10可包括输入输出电路诸如输入-输出设备12。输入-输出设备12可用于允许由系统10从外部装置(例如，拴系计算机、便携式设备(诸如手持设备或膝上型计算机)或其他电气装置)接收数据，并且允许用户向头戴式设备10提供用户输入。输入-输出设备12还可用于收集有关在其中操作的系统10(例如，头戴式设备10)的环境的信息。设备12中的输出部件可允许系统10向用户提供输出，并且可用于与外部电子装置通信。输入-输出设备12可包括传感器和其他部件18(例如，用于采集与系统10中的显示器上的虚拟对象数字地合并的真实世界对象的图像的图像传感器、加速度计、深度传感器、光传感器、触觉输出设备、扬声器、电池、用于在系统10和外部电子装置之间通信的无线通信电路等)。

显示模块20a可包括液晶显示器、有机发光二极管显示器、基于激光的显示器、基于微机电系统(mems)的显示器、数字微镜设备(dmd)显示器、硅基液晶(lcos)显示器、计算机生成的全息(cgh)显示器或其他类型的显示器，以及用于支持显示器的光学部件。显示模块20a在本文中有时可被称为投影仪20a。显示模块20a可产生(投影)图像光38。光学系统20b可包括允许观察者(参见例如窥眼框24处的观察者的眼睛)观察显示器20上的图像的透镜。可以存在与用户的相应左眼和右眼相关联的两个光学系统20b(例如，用于形成左透镜和右透镜)。单个显示器20可为双眼产生图像，或者一对显示器20可用于显示图像。在具有多个显示器(例如，左眼显示器和右眼显示器)的配置中，可以选择由光学系统20b中的部件形成的透镜的焦距和位置，使得显示器之间存在的任何间隙对于用户将是不可见的(例如，使得左显示器和右显示器的图像无缝地重叠或合并)。

如果需要，光学系统20b可包含部件(例如，光学组合器等)以允许来自真实世界图像或对象28的真实世界图像光30与虚拟(计算机生成的)图像诸如图像光38中的虚拟图像在光学上组合。在这种类型的系统(有时称为增强现实系统)中，系统10的用户可查看真实世界内容和覆盖在真实世界内容之上的计算机生成的内容两者。基于相机的增强现实系统也可用于设备10中(例如，相机捕获对象28的真实世界图像并且将该内容与光学系统20b处的虚拟内容进行数字合并的布置)。在本文以举例的方式描述的一种合适的布置中，光学系统20b中的光学组合器包括多层全息组合器。

如果需要，系统10可以包括无线电路和/或其他电路，以支持与计算机或其他外部装置(例如，向显示器20提供图像内容的计算机)通信。在操作期间，控制电路16可以将图像内容提供给显示器20。可以远程接收该内容(例如，从耦接到系统10的计算机或其他内容源)和/或可以由控制电路16生成该内容(例如，文本、其他计算机生成的内容等)。由控制电路16提供给显示器20的内容可以由眼箱24处的观察者观看。

在一些情况下，波导用于形成光学系统20b中的光学组合器。在这些情况下，波导可经受全内反射和视场限制，可将光学系统20b的几何形状限制为平面布置，并且可对于在距用户眼睛的任何深度处渲染虚拟对象表现出不期望的光场能力(例如，用于解决调节-聚散度失配)。在其他情况下，在光学系统20b中形成半反射组合器，诸如椭球反射镜。然而，这种类型的组合器常常是不期望的体积大的，并且还可能对于在距用户眼睛的任何深度处渲染虚拟对象表现出不期望的光场能力。

为了减轻这些问题，光学系统20b可包括多层全息组合器。图2是示出可如何使用多层全息组合器将来自显示模块20a的光重定向到窥眼框24的示意图。如图2所示，光学系统20b可包括多层全息组合器40。显示模块20a可将输入光56朝向多层全息组合器40投影。多层全息组合器40可用于将该光朝窥眼框24重定向，如输出光55所示。

全息记录可以存储为光敏光学材料内的光学干涉图案(例如，不同折射率的交替区域)。光敏光学材料可包括体积全息介质诸如光聚合物、明胶诸如重铬酸盐明胶、卤化银、全息聚合物分散液晶，或其他合适的体积全息介质。该光学干涉图案可以产生全息光栅，当用给定光源照射该全息光栅时，该全息光栅衍射光以产生全息记录的三维重建。例如，衍射光栅可以是用永久干涉图案编码的不可切换衍射光栅。

多层全息组合器40可包括记录有全息(衍射)光栅的多层材料。每个光栅有时在本文中可被称为全息图(例如，体积全息图)。例如，多层全息组合器40可包括透射全息图结构44和反射全息图结构42。透射全息图结构44(在本文中有时称为透射光栅结构44)可包括记录有一组透射全息图的一个或多个全息介质层(例如，全息介质厚层、膜、涂层等)。反射全息图结构42(在本文中有时称为反射光栅结构42)可包括记录有一组反射全息图的一个或多个全息介质层。

显示模块20a可从反射全息图结构42与透射全息图结构44之间的体积外部的位置(角度)将光56投影到透射全息图结构44上(例如，光56可从透射全息图结构和反射全息图结构之间的体积外部的方向入射在多层全息组合器40上)。这可例如消除在透射全息图结构和反射全息图结构之间实施波导的需要。形成没有波导的多层全息组合器40可消除对显示器的基于全内反射的限制。显示模块20a可包括用于将光投影到多层全息组合器40上的任何期望的结构。在图2的示例中，显示模块20a被图示为包括微显示器和用于投影光56的投影仪光学器件(例如，透镜)。这仅是例示性的。在其他合适的布置中，显示模块20a可包括液晶显示器、有机发光二极管显示器、基于激光的显示器、基于微机电系统(mems)的显示器(例如，实现一个或多个mems扫描镜或其他mems扫描技术的显示器)、数字微镜设备(dmd)显示器、硅基液晶(lcos)显示器、计算机生成的全息(cgh)显示器或其他类型的显示器。

透射全息图结构44可用于以多个不同输出角度朝向反射全息图结构42复制每个输入光线角度的输入图像(例如，由光56传送的图像)，如光60所示(例如，透射全息图结构44可用于将光56分成以不同输出角度朝向反射全息图结构42透射的多个光束60)。反射全息图结构42可用于将透射全息图结构44所透射的复制图像聚焦到窥眼框24上，如反射光55所示。

通过利用透射全息图结构44复制输入图像，输入图像的多个副本可被反射全息图结构42聚焦到窥眼框24上，如图2中由光瞳46、48、50、52和54所示。这样，可以在窥眼框24内在光瞳46、48、50、52和54中每一者处复制相同的图像，其中光55形成到光瞳中每一者的平行光束。这可允许用户在窥眼框24内移动他们的眼睛(例如，经由平移和/或旋转)，而不丢失图像或产生图像的透视偏移(例如，光瞳46、48、50、52和54中的每一者可在窥眼框24处提供相同的透视)。

当以这种方式配置时，显示系统20可表现出最小的尺寸、重量和功率消耗(例如，相对于使用半反射组合器的情况)，同时还表现出相对大的视场(例如，相对于使用否则会经受全内反射限制的波导组合器的情况)。类似地，透射全息图结构44和反射全息图结构42之间没有波导就可允许多层全息组合器40的几何形状的设计自由度(例如，允许组合器40适应其他形状，诸如弯曲形状)。此外，多层全息组合器40可用光(例如，光瞳46、48、50、52和54)填充窥眼框24，以允许用户正确地观察所投影的图像，而不管用户的面部几何形状、瞳孔直径和瞳孔间距如何。可在整个窥眼框上复制图像，使得用户在其眼睛转移通过窥眼框时不会观察到透视变化，并且可允许在距用户的任何期望深度处渲染虚拟对象(例如，从而解决调节-聚散度失配)。多层全息组合器40还可将真实世界光30传递到窥眼框24(例如，用于重叠真实世界和虚拟图像)。

图3是示出透射全息图结构44可如何复制从输入光56朝向反射全息图结构42的每个光线角度的示意图。在图3的示例中，为了清楚起见，示出了输入光56(图2)的两条例示性光线56-1和56-2。光线56-1以入射角a1入射到透射全息图结构44，而光线56-2以入射角a2入射到透射全息图结构44。透射全息图结构44可以一个或多个输出角度(例如，如光60所示)复制光线56-1和光线56-2。

透射全息图结构44中的透射全息图可被配置为以对应的输出角度衍射来自不同入射角和波长的光。用于形成每个全息图的光栅的间距(频率)(例如，用于形成结构44的全息介质中的折射率调制的间距)将该全息图配置为以对应的输出角度衍射来自给定入射角的给定波长的光(例如，当输入光与光栅布拉格匹配时)。用于形成透射全息图结构44的这组透射全息图可包括具有对应光栅频率和取向的任何期望数量的全息图(光栅)(例如，用于以任何期望数量的输出角度衍射任何期望数量的入射角和波长的入射光)。该组中的每个透射全息图可叠加在相同体积的全息介质上，或者该组中的不同透射全息图可形成在任何期望数量的离散层中。

在图3的例示性示例中，透射全息图结构44中的该组全息图包括第一透射全息图、第二透射全息图、第三透射全息图、第四透射全息图、以及第五透射全息图，第一透射全息图被配置为以输出角度b1衍射来自入射角a1的光(例如，光线56-1)(如光线60-1所示)，第二透射全息图被配置为以输出角度b2衍射来自入射角a1的光(如光线60-2所示)，第三透射全息图被配置为以输出角度b3衍射来自入射角a1的光(如光线60-3所示)，第四透射全息图被配置为以输出角度b4衍射来自入射角a1的光(如光线60-4所示)，第五透射全息图被配置为以输出角度b5衍射来自入射角a1的光(如光线60-5所示)。这样，透射全息图结构44可将光线56-1分成朝反射全息图结构42透射的五个复制光束。

同时，透射全息图结构44中的第一透射全息图可以输出角度b1衍射来自入射角a2的光(例如，光线56-2)(如光线60-6所示)，第二透射全息图可以输出角度b2衍射来自入射角a2的光(如光线60-7所示)，第三透射全息图可以输出角度b3衍射来自入射角a2的光(如光线60-8所示)，第四透射全息图可以输出角度b4衍射来自入射角a2的光(如光线60-9所示)，第五透射全息图可以输出角度b5衍射来自入射角a2的光(如光线60-10所示)。这样，透射全息图结构44可将光线56-2分成朝反射全息图结构42透射的五个复制光线。该示例仅仅是例示性的，并且一般来讲，透射全息图结构44可包括任何期望数量的全息图，用于在任何期望数量的输出角度上分割光线56-1和56-2。

如果需要，第一透射全息图至第五透射全息图可在透射全息图结构44的整个长度上彼此叠加。在另一可能的布置中，第一透射全息图至第五透射全息图可被记录在透射全息图结构44的部分重叠或不重叠区域中。透射全息图结构44中的这些透射全息图或附加透射全息图可以这种方式配置，用于以输出角度b1、b2、b3、b4和b5复制(分割)来自任何期望数量的入射角(例如，跨投影仪的视场)的入射光。这可用于复制被反射全息图结构42聚焦到窥眼框24(图2)上的光瞳。在图3的示例中，为了清楚起见，示出了对单个波长的光的操作。如果需要，对于投影到多层全息组合器40上的每个波长的光，可乘以透射全息图结构44中全息图的数量(例如，透射全息图可以是颜色复用的)。

图4是示出反射全息图结构42可如何将透射全息图结构44经复制的光朝向窥眼框24(图2)聚焦的示意图。为了清楚起见，图4的示例仅示出了图3的衍射光线60-3、60-4、60-8和60-9上的反射全息图结构44的操作。一般来讲，反射全息图结构42可包括用于处理来自透射全息图结构44的每条衍射光线的附加全息图。

反射全息图结构42中的反射全息图可被配置为以对应的输出角度衍射来自不同入射角和波长的光。用于形成每个全息图的光栅的间距(频率)(例如，用于形成结构42的全息介质中的折射率调制的间距)将该全息图配置为以对应的输出角度衍射来自给定入射角的给定波长的光(例如，当输入光与光栅布拉格匹配时)。用于形成反射全息图结构44的这组反射全息图可包括具有对应光栅频率和取向的任何期望数量的全息图(光栅)(例如，用于以任何期望数量的输出角度衍射任何期望数量的入射角和波长的入射光)。该组中的每个反射全息图可叠加在相同体积的全息介质上，或者该组中的不同反射全息图可形成在任何期望数量的离散层中。

在图4的例示性示例中，反射全息图结构42中的该组全息图包括区域62中被配置为以输出角度c1衍射来自入射角b3的光(例如，光线60-3)(如光线55-1所示)的第一反射全息图、以及区域62中被配置为以输出角度c1(例如，朝向图2的窥眼框24)衍射来自入射角b4的光(例如，光线60-4)的第二反射全息图。虽然为了清楚起见在图4的示例中未示出，但是可在区域62中记录附加反射全息图，用于以输出角度c1衍射图3的光线60-1、60-2和60-5。类似地，反射全息图结构42中的该组全息图包括区域64中被配置为以输出角度c2衍射来自入射角b3的光(例如，光线60-8)(如光线55-3所示)的第一反射全息图、以及区域64中被配置为以输出角度c2(例如，朝向图2的窥眼框24)衍射来自入射角b4的光(例如，光线60-9)的第二反射全息图。虽然为了清楚起见在图4的示例中未示出，但是可在区域64中记录附加反射全息图，用于以输出角度c2衍射图3的光线60-6、60-7和60-10。区域62和64可例如由结构42和44的最宽衍射角度限定。如果需要，区域62中的全息图可与区域64中的全息图重叠。

以这种方式，来自图3的入射光线56-1的每个复制光线可被区域62中的反射全息图朝向窥眼框24平行衍射，并且来自图3的入射光线56-2的每个复制光线可朝向窥眼框24平行衍射(例如，用于将图2的光瞳46、48、50、52和54聚焦在窥眼框24上)。可在反射全息图结构42的附加区域中形成附加全息图，用于从输入光56的每个入射角衍射透射全息图结构44经复制的光。这可用于在整个窥眼框上复制所显示的图像，使得用户在其眼睛转移或移位通过窥眼框时不会观察到透视变化。在图4的示例中，为了清楚起见，示出了对单个波长的光的操作。如果需要，对于投影到多层全息组合器40上的每个波长的光，可乘以反射全息图结构42中全息图的数量。

用于形成多层全息组合器40的全息图可对具有任何期望波前形状的光进行操作。例如，用于形成透射全息图结构44的透射全息图可各自为平面波对平面波透射全息图、点对平面波透射全息图、或点对近平面波透射全息图。类似地，用于形成反射全息图结构42的反射全息图可各自为平面波对平面波反射全息图、点对平面波反射全息图、或点对近平面波反射全息图。

图5是可在实施透射全息图结构44和/或反射全息图结构42中使用的例示性点对平面波全息图的图示。如图5所示，全息记录(光栅)介质诸如介质70可包括对应的全息图。点光源72可在方向74上朝介质70提供入射光。入射光可表现出从点源72向外传播的球面波前78。在介质70上记录点对平面波透射全息图的情况下(例如，在使用图5的介质70形成图2至图4的透射全息图结构44的情况下)，点对平面波透射全息图将入射光78在介质70的相对侧衍射成输出角度，如箭头76所示。衍射光表现出平行(平面)波前80(例如，全息图用于将入射球面波前衍射成出射的平行波前)。

在介质70上记录点对平面波反射全息图的情况下(例如，在使用图5的介质70形成图2至图4的反射全息图结构42的情况下)，点对平面波反射全息图将入射光78在介质70的与入射光相同的侧衍射成输出角度，如箭头76'所示。衍射光表现出平行(平面)波前80'(例如，全息图用于将入射球面波前衍射成出射的平行波前)。当以这种方式配置时，全息图本身表现出光功率(例如，本可以弯曲的折射光学表面提供的光功率但不需要实施弯曲的折射光学表面所必需的空间)。

图6是可在实现透射全息图结构44和/或反射全息图结构42中使用的例示性点对近平面波全息图的示意图。在介质70上记录点对近平面波透射全息图的情况下(例如，在使用图6的介质70形成图2至图4的透射全息图结构44的情况下)，点对近平面波透射全息图将入射光78在介质70的相对侧衍射成输出角度，如箭头82所示。衍射光表现出几乎平行的(近平面)波前80(例如，全息图用于将入射球面波前衍射成出射的几乎平行的波前)。点对近平面波全息图可例如为点对平面波全息图，但为了补偿显示系统中的像差，可修改衍射波前，使得其不精确地为平面波前。

在介质70上记录点对近平面波反射全息图的情况下(例如，在使用图5的介质70形成图2至图4的反射全息图结构42的情况下)，点对近平面波反射全息图将入射光在介质70的与入射光相同的侧衍射成输出角度，如箭头82'所示。衍射光表现出几乎平行的(近平面)波前84'(例如，全息图用于将入射球面波前衍射成出射的几乎平行的波前)。当以这种方式配置时，全息图本身表现出光功率(例如，本可以弯曲的折射光学表面提供的光功率)。可调谐全息图的光功率以相对于入射波前调节出射波前的形状。

图5和图6的示例示出了写到介质70的全息图的重放。类似的光源(例如，平面波光源、近平面波光源和点光源)可用于将全息图记录在介质70上。图5和图6的示例仅是示例性的。在另一合适的布置中，全息图可以是平面波对平面波全息图(例如，将入射平行波前衍射成出射平行波前的全息图)、平面波对点全息图(例如，将入射平行波前衍射成出射球面波前的全息图)、近平面波对点全息图(例如，将近平行波前衍射成出射球面波前的全息图)等。一般来讲，用于形成多层全息组合器40的全息图可将具有任何期望波前的入射光衍射成具有任何期望波前的出射光。

在一种合适的布置中，例如，透射全息图结构44包括点对平面波全息图、点对近平面波全息图或平面波对平面波全息图，而反射全息图结构42包括平面波对点全息图或近平面波对点全息图。这仅是例示性的，并且一般来讲，可使用任何期望的波前。

在图2至图4的示例中。为清楚起见，多层全息组合器40被例示为在透射全息图结构44和反射全息图结构42之间没有任何基板。如果需要，可在透射全息图结构44和反射全息图结构42之间形成基板。图7是示出多层全息组合器40可如何包括用于支撑透射全息图结构44和反射全息图结构42的一个或多个基板的示意图。

如图7所示，多层全息组合器40可包括基板90(例如，光学透明基板，诸如塑料基板或其他结构)。透射全息图结构44可形成在基板90的表面91上，而反射全息图结构42形成在基板90的相对表面93上。透射全息图结构44和反射全息图结构42可利用安装到基板90的表面的光致聚合物膜或其他涂层、电介质层或任何其他期望的全息介质来形成。如果需要，可选的基板92可安装到反射全息图结构42和/或可选的基板94可安装到透射全息图结构44。可选的基板92和94可由玻璃、塑料或其他光学透明材料形成，并且可用作透射全息图结构44和反射全息图结构42的保护覆盖层。如果需要，光学透明粘合剂可用于将图7的结构粘附在一起。

基板90可具有相对窄的厚度98(例如，相对于在反射全息图结构42和透射全息图结构44之间形成波导的情况以及使用半反射组合器的情况更窄的厚度)。例如，厚度98可为大约3mm、2-4mm、1.5-4.5mm、1-5mm或其他厚度。窥眼框24(图2)可具有例如大约11mm、10-12mm、8-14mm、6-16mm、大于16mm、小于10mm的宽度或其他宽度。透射全息图结构44可跨角度范围96在两个或更多个输出角度衍射每个入射角的输入光56(图2)。角度范围96可为例如大约120度、110-130度、115-125度、100-140度或任何其他所期望范围。如果需要，可省略基板92、90和/或94。

图2至图7中的示例仅仅是例示性的，其中透射全息图结构44复制输入光56并且反射全息图结构42将经复制的输入光聚焦到窥眼框24上。在另一合适的布置中，反射全息图结构42可复制输入光56，并且透射全息图结构44可将经复制的光聚焦到窥眼框24上。图8是示出反射全息图结构42可如何复制输入光56以及透射全息图结构44可如何将经复制的光聚焦到窥眼框24上的图示。

如图8所示，来自图2的显示模块20a的输入光56可从多层全息组合器40外部的位置被提供给反射全息图结构42(例如，在反射全息图结构42和透射全息图结构44之间的体积中不执行波导全内反射)。在图8的示例中，为了清楚起见，输入光以两个入射角(例如，光线56-1和56-2)示出。当以此方式配置时，可交换图3所描绘的透射全息图结构44和图4所描绘的反射全息图结构42的衍射操作。

例如，反射全息图结构42可通过以多个输出角度衍射光来复制光线56-1，如光线102-1所示。类似地，反射全息图结构42可通过以相同的输出角度衍射光来复制光线56-2，如光线102-2所示。透射全息图结构44的区域107中的透射全息图可将光线102-1朝向窥眼框24聚焦(图2)，如光线104-1所示。类似地，透射全息图结构44的区域105中的透射全息图可将光线102-2朝向窥眼框24聚焦。这可在多层全息组合器40的整个长度上重复，以产生相同的复制光瞳46、48、50、52和54，如图2所示。

在又一合适的布置中，多层全息组合器40可包括两层反射全息图结构(例如，透射全息图结构44可由附加反射全息图结构替换)。在这种情况下，反射全息图结构中的一者可复制输入光56，另一反射全息图结构可将经复制的光聚焦到窥眼框24上。例如，在这种情况下，输入光可从多层全息组合器40的与窥眼框24相对的一侧入射在多层全息组合器40上。

图9和图10是示出用于形成多层全息组合器40的全息图可如何进行颜色复用以用于衍射多个波长的光的示意图。在图9的示例中，全息图结构110(例如，图2至图8的透射全息图结构44或反射全息图结构42)可包括多个层112的全息图用于衍射不同波长的光。层112可以是全息记录介质的全息膜。可在每个层112上记录对应的一组全息图以用于衍射光，如图2至图8所示。例如，第一层112-1可衍射第一波长的光，诸如红(r)光(例如，第一层112-1中的全息图可与第一波长布拉格匹配)，第二层112-2可衍射第二波长的光，诸如绿(g)光，并且第三层112-3可衍射第三波长的光，诸如蓝(b)光。该示例仅仅是例示性的。每个层可衍射任何期望波长的光(例如，紫外光、可见光、红外光等)。全息图结构110可包括任何期望数量的层112(例如，两层、三层、四层、多于四层等)。

在图10的示例中，全息图结构110(例如，图2至图8的透射全息图结构44或反射全息图结构42)可包括全息记录介质的单个层114。用于衍射不同波长的光的全息图可各自叠加在层114的相同体积内。例如，层114可包括用于衍射红光(例如，用于以多个输出角度衍射不同输入角度的光或用于将经复制的光聚焦在窥眼框上，如图2至图8所示)的第一组全息图，用于衍射绿光的第二组全息图、以及用于衍射蓝光的第三组全息图。该示例仅仅是例示性的。层114可包括用于衍射任何期望波长组合(例如，紫外光、可见光、红外光等)的光的全息图。如果需要，图10的布置可与图9的布置组合(例如，单个层可包括用于衍射不同波长的光的全息图，并且可在该层上方提供用于衍射附加波长的光的附加层等)。

图2至图10的示例仅仅是例示性的，其中多层全息组合器40设置有平面形状。因为在反射全息图结构42和透射全息图结构44之间没有居间波导的情况下形成多层全息组合器40，所以组合器40可设置有任何期望的形状。图11是示出多层全息组合器40可如何设置有弯曲形状的示意图。

如图11所示，基板90、反射全息图结构42和透射全息图结构44可各自设置有弯曲形状。在一种合适的布置中，基板90的表面91和93都是弯曲的(例如，反射全息图结构42和透射全息图结构44设置有类似的非零曲率)。在另一合适的布置中，表面91和93中的一者是弯曲的，而另一者是平面的。该示例仅仅是例示性的，并且一般来讲，多层全息组合器40可设置有任何期望的形状(例如，以适应图1的外壳8的弯曲形状因数或其他形状因数)。

在另一合适的布置中，透射全息图结构44可被光学漫射器替代。图12是示出可如何用光学漫射器替代透射全息图结构44的示意图。如图12所示，光学漫射器120可形成在基板90的表面91上(或在省略基板90的情况下，与反射全息图结构42相距设定距离)。光学漫射器120可接收输入光56并且可在一定范围的不同角度上漫射输入光56，如箭头122所示。反射全息图结构42可将这个漫射光朝向窥眼框24聚焦(例如，如图4所示)。如果需要，光学漫射器120可包括全息光学元件。全息光学元件可包括例如从给定入射角获取光以及在每个输出角度上连续输出光的全息图。图12的示例仅为例示性的。如果需要，基板90可为弯曲的(例如，如图11所示)。

图13是在使用记录系统记录用于多层全息组合器40的透射全息图结构44和反射全息图结构42的全息图中所涉及的例示性操作的流程图。记录系统可包括控制器、固定装置、信号束源和参考束源。记录系统可包括可调节部件，该可调节部件基于来自控制器的指令调节信号束源和参考束源。全息记录介质可被加载到固定装置中。

在框130的操作期间，控制器可标识用于利用记录系统的可调节部件调节信号和参考束的设置。例如，可利用控制器和可调节部件调节信号和参考束的强度、角度、波长、形状(例如，束孔径、光功率等)和/或方向。

在已标识这些期望调节中每一者的设置并且在框130的操作期间相应地调节系统部件之后，控制器可引导光源(例如，激光器或其他光源)生成光。所生成的光被分成参考束和信号束，并且在框132的操作期间被引导到全息记录介质中以记录全息图。在记录操作之后，处理可返回到框130，如线134所示，使得控制器可在任选地执行一个或多个附加记录操作(例如，以形成复用全息图)之前调节一个或多个设置。

图14是可用于记录多层全息组合器40的透射全息图结构44的记录系统的示意图。如图14所示，记录系统140可包括全息记录介质142。记录介质142可放置在固定装置(为清楚起见未示出)中。控制器164可控制固定点源144以向介质142提供参考束146。控制器164可控制可调节面源150以向记录介质142的同一侧提供对应的信号束148。束146和148之间的干涉图案被记录在介质142上作为对应的透射全息图。

控制器164可通过在介质142的每次暴露之前(例如，在图13的每次迭代期间)调节信号束148的角度来在介质142上记录多个全息图(例如，用于复制图2的输入光56的全息图)，如箭头152所示。例如，控制器164可控制面源150以在方向154上提供信号束148，用于在介质142中记录以图3的输出角度b3衍射输入光的透射全息图；在方向158上提供信号束148，用于在介质142中记录以图3的输出角度b2衍射输入光的透射全息图；在方向156上提供信号束148，用于在介质142中记录以图3的输出角度b1衍射输入光的透射全息图；在方向160上提供信号束148，用于在介质142中记录以图3的输出角度b4衍射输入光的透射全息图；在方向162上提供信号束148，用于在介质142中记录以图3的输出角度b5衍射输入光的透射全息图；等等。可调节参考束146的取向以调节记录在介质142中的每个透射全息图所操作于的入射角。控制器164可调节参考束146和信号束148的波长以记录用于衍射其他波长的光的全息图(例如，使用如图9所示的分开的介质层112或如图10所示的单个介质层)。

图15是可用于记录多层全息组合器40的反射全息图结构42的记录系统的示意图。如图15所示，记录系统140可包括全息记录介质166。记录介质166可放置在固定装置(为清楚起见未示出)中。控制器164可控制可调节点源144以向介质166提供信号束170。控制器164可控制可调节面源150以将对应的参考束168提供到记录介质142的相对侧。束168和170之间的干涉图案被记录在介质166上作为对应的反射全息图。

控制器164可通过在介质166对于可调节点源144的给定固定位置的每次暴露之前调节参考束168的角度来在可调节点源144保持固定在给定位置时在介质166上记录多个全息图。一旦可调节面源150的每个角度已用于记录对应的全息图，则可调节点源144可平行于x轴平移，如箭头184所示(例如，平移到位置186、187、188等)。然后可重复该过程以跨介质166的长度在每个区域中记录不同组全息图。

例如，可调节点源144可移动到位置186，用于在反射全息图结构42的区域62内记录反射全息图(图4)。一旦可调节点源144在位置186处就位，控制器164就可控制面源150在方向174上提供参考束168，用于在介质166中记录以图4的输出角度c1衍射光线60-3的反射全息图；在方向178上提供参考束168，用于在介质166中记录以图4的输出角度c1衍射光线60-4的反射全息图；等等。一旦已经为透射全息图结构44所生成的每个经复制的光束记录了反射全息图(例如，一旦已经如箭头172所示旋转了可调节面源150以在方向176、178、174、180和182处记录)，可调节点源144就可移动到位置187用于在反射全息图结构42的区域64内记录反射全息图(图4)。

一旦可调节点源144在位置187处就位，控制器164就可控制面源150在方向174上提供参考束168，用于在介质166中记录以图4的输出角度c2衍射光线60-8的反射全息图；在另一方向(例如，箭头178与174之间的方向)上提供参考束168，用于在介质166中记录以图4的输出角度c2衍射光线60-9的反射全息图；等等。一旦已经为透射全息图结构44所生成的每个经复制的光束记录了反射全息图，可调节点源144就可移动到位置188。该过程可在介质166的整个长度上重复以用于记录将透射全息图结构44经复制的图像朝向窥眼框聚焦的反射全息图。控制器164可调节参考束168和信号束170的波长以记录用于衍射其他波长的光的全息图(例如，使用如图9所示的分开的介质层112或如图10所示的单个介质层)。

图14和图15的示例仅为例示性的。在图14和图15的示例中，点对平面波透射全息图被记录在介质142上，并且平面波对点反射全息图被记录在介质166上。这仅是例示性的。一般来讲，任何期望的波前可用于记录多层全息组合器40的全息图。

如果需要，可以以将全息图配置为补偿显示器20的光学部件中的像差的光功率记录透射全息图结构44中的透射全息图和/或反射全息图结构42中的反射全息图。图16是示出反射全息图结构42中的反射全息图可如何被配置为补偿显示器20的光学部件中的像差的示意图。

如图16所示，显示模块20a可向多层全息组合器40提供经受像差或其他几何非理想性(例如，由于显示模块20a的部件的几何特性)的输入光200。这些像差可导致较宽的分离窥眼框不再被准直，而是被聚焦超过无穷大相当大的量。在实践中，增大透射全息图结构44与反射全息图结构42之间的间距可有助于减小这个场曲率，但可能不期望地增大显示器20的尺寸。

为了减轻这些问题，可记录反射全息图结构42中的反射全息图，以对于对透射全息图结构44的给定输入束为衍射束中的一些提供比其他衍射束更大的光功率。例如，反射全息图结构42中的反射全息图可被配置为向相对于透射全息图结构44具有最大衍射角的光束诸如光束206和208(例如，最大移位的窥眼框)提供光功率。同时，可向中心线204处的窥眼框提供更少的光功率或不提供光功率。这样，光束208和206可具有补偿由显示模块20a生成的像差的光功率，如宽度202所示。

图17是用于生成图16中所示类型的反射全息图结构42的记录系统140的示意图。如图17所示，将合适量的光功率添加到参考束168的平面波，以补偿从中心线204移位的窥眼框处的这些场曲率效应。中心线204处的窥眼框可例如利用没有这个附加光功率的参考束平面波来记录。在图17的示例(放大)中示出了用于窥眼框的边缘的记录，其中添加了光功率以确保光束206正确地聚焦到微显示器上。

图16和图17的示例仅仅是例示性的。在另一合适的布置中，透射全息图结构44可被配置为以类似的方式补偿来自显示模块20a的像差。如果需要，多层全息组合器40中的透射全息图结构44和反射全息图结构42均可具有用于补偿这些像差的光功率。如果需要，用于多层全息组合器40的全息图母版可配置全息图以预补偿全息膜材料收缩。

图2至图17的示例仅仅是例示性的，其中多层全息组合器40将来自显示模块20a的光仅朝向窥眼框24重定向。如果需要，多层全息组合器40可包括将来自显示模块20a的一些光朝向图像传感器重定向的附加全息图。图像传感器可响应于来自显示模块的经重定向的光而捕获图像数据。控制电路可基于图像数据对显示模块执行反馈调节。

图18是示出多层全息组合器40可如何将来自显示模块20a的一些光朝向图像传感器重定向的示意图。如图18所示，系统10可在外壳部分8a(例如，图1的外壳8的第一部分)中包括多层全息组合器40，而显示模块20a位于分开的外壳部分8b(例如，图1的外壳8的第二部分)中。在实践中，外壳部分8a的位置可随时间推移相对于外壳部分8b的位置改变。例如，外壳部分8b可相对于外壳部分8a弯曲(例如，围绕平行于图18的y轴的轴)(例如，在图1的外壳8由柔性材料形成的情况下)。在另一示例中，外壳部分8a可通过铰链联接到外壳部分8b，并且外壳部分8a和8b可围绕铰链旋转，使得外壳部分8a和外壳部分8b之间的相对角度可随时间推移而不一致。在系统10被实施成头戴式设备(例如，一副眼镜或护目镜)的情况下，外壳部分8b可形成头戴式设备的框架的边撑，而外壳部分8a形成头戴式设备的框架的桥接部或其他部分。在该示例中，图18的布置仅示出头戴式设备的一侧(例如，外壳部分8b可形成头戴式设备的左或右边撑)。类似的结构可用于将光投影到用户的另一只眼睛。

当外壳部分8b的位置相对于外壳部分8a的位置改变时，显示模块20a相对于多层全息组合器40移动。如果不小心，这可用于在观察由显示模块(投影仪)20a在窥眼框24处显示的图像时使用户的透视失真。为了减轻这些问题，多层全息组合器40可将来自显示模块20a的输入光56的一部分朝向图像传感器228重定向，如光束224所示。例如，多层全息组合器40中的透射全息图结构44和/或反射全息图结构42可各自包括朝向图像传感器228衍射输入光56的至少一个全息图。图像传感器228可包括响应于光束224而采集图像数据的相机或其他图像传感器部件。当外壳部分8a和多全息图全息组合器40的位置相对于外壳部分8b和显示模块20a的位置改变时，由组合器40朝向窥眼框24重定向的光束55中的失真也将存在于朝向图像传感器228提供的光束224中。图像传感器228所采集的图像数据可用于标识这些透视失真。

控制电路16可安装在外壳部分8b中或系统10中的其他地方。控制电路16可通过控制路径232联接到图像传感器228，并且可通过控制路径234联接到显示模块20a。图像传感器228可通过控制路径232将所捕获的图像数据提供给控制电路16。控制电路16可利用图像数据标识光束55中的失真(如光束224所表现)，并且因此标识外壳部分8a与外壳部分8b之间的任何相对运动。控制电路16可通过控制路径234向显示模块20a提供控制信号以控制显示模块20a来补偿这些失真。例如，控制电路16可调节显示模块20a内的光学部件的位置和/或几何形状，可调节输入光56的亮度/强度，可调节输入光56的颜色，和/或可对显示模块20a执行根据组合器40和显示模块20a之间的相对位置变化来补偿光束55中的失真的任何其他期望的调节。

在一种合适的布置中，通过光束224向图像传感器228提供朝向窥眼框24重定向的相同输入光56的一部分。在另一合适的布置中，显示模块20a可发射专门波长的光诸如红外光作为输入光56的一部分。组合器40中的一个或多个全息图可将该专门波长的光朝向图像传感器228重定向(例如，该波长的光不朝向窥眼框24重定向)。在这种情况下，图像传感器228可以是红外图像传感器。

如果需要，红外投影仪226可设置在系统10中(例如，在外壳部分8a、外壳部分8b内或其他地方)。红外投影仪226可通过控制路径230联接到控制电路16。控制电路16可控制红外投影仪226以投影红外光236，用于朝向窥眼框24导向。红外光236可被直接提供到窥眼框24，可由其他光学部件(未示出)朝向窥眼框24重定向，和/或可由组合器40中的一个或多个全息图(例如，反射全息图结构42中的反射全息图和/或透射全息图结构44中的透射全息图)朝向窥眼框24引导。红外光236可反射离开窥眼框24内的用户眼睛(例如，离开用户的视网膜或其他生理特征部)。反射的红外光可朝向红外图像传感器(例如，图像传感器228或位于外壳部分8a、外壳部分8b或其他地方的单独图像传感器)引导。反射的红外光可直接的、通过专用光学部件(未示出)和/或通过组合器40中的一个或多个全息图(例如，反射全息图结构42中的反射全息图和/或透射全息图结构44中的透射全息图)被提供给红外图像传感器。

红外图像传感器可响应于指示用户正注视到窥眼框24中的方向的经反射红外光而生成视线(眼睛)跟踪数据。控制电路16可处理视线跟踪数据以随时间推移跟踪用户视线的方向。控制电路16可调节由显示模块20a投影的图像数据，调节输入光56的物理特性，和/或可基于用户的视线如何随时间变化来执行任何其他期望的操作。在另一合适的布置中，由显示模块20a发射的红外光可用于执行视线跟踪操作。该示例仅仅是例示性的，并且如果需要，可省略红外投影仪226和视线跟踪功能。

图19是可由系统10在显示模块20a上执行反馈操作以补偿显示模块20a相对于多层全息组合器40随时间推移的位置变化(例如，以最小化被提供给窥眼框24的光55的失真)中所处理的例示性步骤的流程图。

在步骤250，显示模块20a可将光56投影到多层全息组合器40上。

在步骤252，多层全息组合器40可复制光56并将经复制的光聚焦到窥眼框24上。同时，多层全息组合器40可将光56的一部分重定向到图像传感器228上(例如，如图18的光束224所示)。

在步骤254，图像传感器228可响应于来自多层全息组合器40的光束224采集图像数据。图像传感器228可通过控制路径230(图18)将图像数据传送给控制电路16。

在步骤256，控制电路16可处理图像数据以确定是否需要调节显示模块20a以补偿组合器40和显示模块20a之间的相对位置变化(例如，由于外壳部分8a和8b的弯曲或旋转)。例如，控制电路16可确定与相对位置变化相关联的失真是否存在于图像数据中。如果需要补偿，则控制电路16可控制显示模块20a以补偿这些变化。例如，控制电路16可调节显示模块20a内的光学部件的位置和/或几何形状，可调节输入光56的亮度/强度，可调节输入光56的颜色，和/或可对显示模块20a执行根据组合器40和显示模块20a之间的相对位置变化来补偿光束55中的失真的任何其他期望的调节。如果不需要补偿，则可省略对显示模块20a的调节。处理可随后返回到步骤250，如箭头258所示。

这样，系统10可对投影图像执行主动反馈，以补偿外壳部分8a的位置相对于外壳部分8b的位置随时间推移的变化(例如，利用指示用户在窥眼框24处的透视的图像数据)。这可帮助确保随时间推移向窥眼框24提供具有一致且不失真的透视的图像。

如本文所述的显示模块20a可包括任何期望的显示器或光投影部件。例如，显示模块20a可包括空间光调制器、液晶显示器、有机发光二极管显示器、基于激光的显示器、基于微机电系统(mems)的显示器、数字微镜设备(dmd)显示器、硅基液晶(lcos)显示器、计算机生成的全息(cgh)显示器或其他类型的显示器。如果需要，可提供用于将光从显示模块20a导向到多层全息组合器40上的光学部件。

如果需要，显示模块20a可被配置为利用小凹技术投影光。在这些情况下，显示模块可显示图像，其中所显示图像的中心部分以比所显示图像的周边部分更高的分辨率提供。这可例如模拟用户眼睛的自然响应，使得所显示的图像仍然自然地呈现给用户，同时还降低显示图像所需的资源和数据速率。

图20是示出波导可如何用于将光(入射光瞳)从显示模块20a引导和扩展到多层全息组合器40上的示意图。如图20所示，显示模块20a可生成相对窄的图像光束260。光学系统20b可包括用于将光束260重定向和扩展到多层全息组合器40上的光学部件262。

光学部件262可包括波导，诸如波导270。波导270可设置有输入耦合器，诸如安装到波导270的表面278的输入耦合棱镜272。这仅是例示性的，并且一般来讲，可使用任何期望的输入耦合器。棱镜272可将光束260耦入到波导270中。来自光束260的光可根据全内反射的原理(如箭头274所示)在表面276和278之间沿着波导270的长度向下传播。当光沿着波导270的长度向下传播时，一些光可在多个点处(例如，在光撞击表面276的每个点处，利用表面276上的输出耦合器、表面278上的输出耦合器和/或嵌入在波导270内的输出耦合器等)耦出波导270。这可用于将相对窄的光束260扩展成扩展光束264。光学部件262可包括光学元件268(例如，一个或多个透镜)，所述光学元件为扩展光束264提供期望的光功率并且将扩展光束264聚焦到多层全息组合器40上，如光束266所示。多层全息组合器40可复制光束266并且可将经复制的光束聚焦到窥眼框上(例如，光束266可形成图2-4、图8、图12和图18的输入光56)。当以这种方式配置时，(例如，基于光束266)提供给窥眼框24的光瞳可相对于省略光学部件262的情况被扩展。图20的示例仅仅是例示性的，并且一般来讲，光学部件262可包括任何期望的光学元件。

在另一合适的布置中，如果需要，多层全息组合器40可包括多个透射全息图结构。图21是示出多层全息组合器40可如何包括多个透射全息图结构的示意图。如图21所示，多层全息组合器40可包括透射全息图结构44和附加透射全息图结构304。在图21的示例中，附加透射全息图结构304层叠在透射全息图结构44下方。如果需要，附加透射全息图结构304可层叠在透射全息图结构44的相对侧上(例如，在透射全息图结构44上方)，如虚线框306所示。在又一合适的布置中，附加透射全息图结构304可由与透射全息图结构44相同的全息结构形成(例如，结构304和44可由记录在相同体积的全息介质内的叠加全息图形成)。

透射全息图结构44可复制输入光56，如复制光300所示。多层全息组合器40可包括部分反射结构310，该部分反射结构将复制光300朝向附加透射全息图结构304反射，如反射的复制光302所示。附加透射全息图结构304可将反射的复制光302聚焦到窥眼框24上(图2)。这可用于有利地使用于多层全息组合器40进行图像复制的路径长度加倍。部分反射结构310可包括半镀银反射镜、反射涂层、反射全息光学元件、滤光器诸如陷波滤光器(例如，在相对窄带波长上反射光的薄膜干涉滤光器)或其他反射结构。

图2至图21的示例仅仅是例示性的，其中多层全息组合器40被描述为用于组合虚拟和真实世界图像。一般来讲，多层全息组合器40可将图像光朝向窥眼框24重定向，而并不也传送真实世界光30(图2)。换句话讲，多层全息组合器40不必是光学组合器，并且通常可以是用于利用至少一层本文所述的全息图结构(例如，反射全息图结构42和透射全息图结构44)重定向输入光56的任何期望的光学系统。因此，多层全息组合器40在本文中有时也可称为多层光学系统40或光学系统40。

物理环境是指人们在没有电子系统帮助的情况下能够感测和/或交互的物理世界。物理环境诸如物理公园包括物理物品，诸如物理树木、物理建筑物和物理人。人们能够诸如通过视觉、触觉、听觉、味觉和嗅觉来直接感测物理环境和/或与物理环境交互。

相反，计算机生成现实(cgr)环境是指人们经由电子系统(例如，包括本文所述的显示系统的电子系统)感测和/或交互的完全或部分模拟的环境。在cgr中，跟踪人的物理运动的一个子集或其表示，并且作为响应，以符合至少一个物理定律的方式调节在cgr环境中模拟的一个或多个虚拟对象的一个或多个特征。例如，cgr系统可以检测人的头部转动，并且作为响应，以与此类视图和声音在物理环境中变化的方式类似的方式调节呈现给人的图形内容和声场。在一些情况下(例如，出于可达性原因)，对cgr环境中虚拟对象的特征的调节可以响应于物理运动的表示(例如，声音命令)来进行。

人可以利用其感觉中的任一者来感测cgr对象和/或与cgr对象交互，包括视觉、听觉、触觉、味觉和嗅觉。例如，人可以感测音频对象和/或与音频对象交互，该音频对象创建3d或空间音频环境，该3d或空间音频环境提供3d空间中点音频源的感知。又如，音频对象可以使能音频透明度，该音频透明度在有或者没有计算机生成的音频的情况下选择性地引入来自物理环境的环境声音。在某些cgr环境中，人可以感测和/或只与音频对象交互。cgr的示例包括虚拟现实和混合现实。

虚拟现实(vr)环境是指被设计成对于一个或多个感觉完全基于计算机生成的感官输入的模拟环境。vr环境包括人可以感测和/或交互的多个虚拟对象。例如，树木、建筑物和代表人的化身的计算机生成的图像是虚拟对象的示例。人可以通过在计算机生成的环境内人的存在的模拟、和/或通过在计算机生成的环境内人的物理移动的一个子组的模拟来感测和/或与vr环境中的虚拟对象交互。

与被设计成完全基于计算机生成的感官输入的vr环境相比，混合现实(mr)环境是指被设计成除了包括计算机生成的感官输入(例如，虚拟对象)之外还引入来自物理环境的感官输入或其表示的模拟环境。在虚拟连续体上，混合现实环境是完全物理环境作为一端和虚拟现实环境作为另一端之间的任何状况，但不包括这两端。

在一些mr环境中，计算机生成的感官输入可以对来自物理环境的感官输入的变化进行响应。另外，用于呈现mr环境的一些电子系统可以跟踪相对于物理环境的位置和/或取向，以使虚拟对象能够与真实对象(即，来自物理环境的物理物品或其表示)交互。例如，系统可以导致移动使得虚拟树木相对于物理地面看起来是静止的。混合现实的示例包括增强现实和增强虚拟。

增强现实(ar)环境是指其中一个或多个虚拟对象叠加在物理环境或其表示之上的模拟环境。例如，用于呈现ar环境的电子系统可具有透明或半透明显示器，人可以透过该显示器直接查看物理环境。该系统可以被配置为在透明或半透明显示器上呈现虚拟对象，使得人利用该系统感知叠加在物理环境之上的虚拟对象。另选地，系统可以具有不透明显示器和一个或多个成像传感器，该成像传感器捕获物理环境的图像或视频，这些图像或视频是物理环境的表示。系统将图像或视频与虚拟对象组合，并在不透明显示器上呈现组合物。人利用系统经由物理环境的图像或视频而间接地查看物理环境，并且感知叠加在物理环境之上的虚拟对象。如本文所用，在不透明显示器上显示的物理环境的视频被称为“透传视频”，意味着系统使用一个或多个图像传感器捕获物理环境的图像，并且在不透明显示器上呈现ar环境时使用那些图像。进一步另选地，系统可以具有投影系统，该投影系统将虚拟对象投射到物理环境中，例如作为全息图或者在物理表面上，使得人利用该系统感知叠加在物理环境之上的虚拟对象。

增强现实环境也是指其中物理环境的表示被计算机生成的感官信息进行转换的模拟环境。例如，在提供透传视频中，系统可以对一个或多个传感器图像进行转换以施加与成像传感器所捕获的视角不同的选择视角(例如，视点)。又如，物理环境的表示可以通过图形地修改(例如，放大)其部分而进行转换，使得经修改部分可以是原始捕获图像的代表性的但不是真实的版本。再如，物理环境的表示可以通过以图形方式消除其部分或将其部分进行模糊处理而进行转换。

增强虚拟(av)环境是指其中虚拟或计算机生成的环境结合来自物理环境的一个或多个感官输入的模拟环境。感官输入可以是物理环境的一个或多个特性的表示。例如，av公园可以具有虚拟树木和虚拟建筑物，但人的脸部是从对物理人拍摄的图像逼真再现的。又如，虚拟对象可以采用一个或多个成像传感器所成像的物理物品的形状或颜色。再如，虚拟对象可以采用符合太阳在物理环境中的定位的阴影。

有许多不同类型的电子系统使人能够感测和/或与各种cgr环境交互。示例包括头戴式系统、基于投影的系统、平视显示器(hud)、集成有显示能力的车辆挡风玻璃、集成有显示能力的窗户、被形成为被设计用于放置在人眼睛上的透镜的显示器(例如，类似于隐形眼镜)、耳机/听筒、扬声器阵列、输入系统(例如，具有或没有触觉反馈的可穿戴或手持控制器)、智能电话、平板电脑、和台式/膝上型计算机。头戴式系统可以具有一个或多个扬声器和集成的不透明显示器。另选地，头戴式系统可以被配置为接受外部不透明显示器(例如，智能电话)。头戴式系统可以结合用于捕获物理环境的图像或视频的一个或多个成像传感器、和/或用于捕获物理环境的音频的一个或多个麦克风。头戴式系统可以具有透明或半透明显示器，而不是不透明显示器。透明或半透明显示器可以具有媒介，代表图像的光通过该媒介被引导到人的眼睛。显示器可以利用数字光投影、oled、led、uled、硅基液晶、激光扫描光源或这些技术的任意组合。媒介可以是光学波导、全息图媒介、光学组合器、光学反射器、或它们的任意组合。在一个实施例中，透明或半透明显示器可被配置为选择性地变得不透明。基于投影的系统可以采用将图形图像投影到人的视网膜上的视网膜投影技术。投影系统也可以被配置为将虚拟对象投影到物理环境中，例如作为全息图或在物理表面上。本文所述的显示系统可以用于这些类型的系统和用于任何其他期望的显示布置。

如上所述，本公开技术的一个方面在于采集和使用得自各种来源的数据，以改善向用户递送图像、执行注视追踪操作以及/或执行其他显示器相关的操作。本公开预期，在一些实例中，这些所采集的数据可包括唯一地识别或可用于联系或定位特定人员的个人信息数据。此类个人信息数据可包括人口统计数据、基于定位的数据、电话号码、电子邮件地址、twitterid、家庭地址、与用户的健康或健身等级相关的数据或记录(例如，生命信号测量、药物信息、锻炼信息)、出生日期、或任何其他识别信息或个人信息。

本公开认识到在本公开技术中使用此类个人信息数据可用于使用户受益。例如，个人信息数据可用于追踪用户的注视以更新所显示的图像和/或执行其他期望的显示操作。因此，使用此类个人信息数据使得用户能够查看更新的显示图像。此外，本公开还预期个人信息数据有益于用户的其他用途。例如，健康和健身数据可用于向用户的总体健康状况提供见解，或者可用作使用技术来追求健康目标的个人的积极反馈。

本公开设想负责采集、分析、公开、传输、存储或其他使用此类个人信息数据的实体将遵守既定的隐私政策和/或隐私实践。具体地，此类实体应当实行并坚持使用被公认为满足或超出对维护个人信息数据的隐私性和安全性的行业或政府要求的隐私政策和实践。此类政策应该能被用户方便地访问，并应随着数据的采集和/或使用变化而被更新。来自用户的个人信息应当被收集用于实体的合法且合理的用途，并且不在这些合法使用之外共享或出售。此外，应在收到用户知情同意后进行此类采集/共享。此外，此类实体应考虑采取任何必要步骤，保卫和保障对此类个人信息数据的访问，并确保有权访问个人信息数据的其他人遵守其隐私政策和流程。另外，这种实体可使其本身经受第三方评估以证明其遵守广泛接受的隐私政策和实践。此外，应当调整政策和实践，以便采集和/或访问的特定类型的个人信息数据，并适用于包括管辖范围的具体考虑的适用法律和标准。例如，在美国，对某些健康数据的收集或获取可能受联邦和/或州法律的管辖，诸如健康保险流通和责任法案(hipaa)；而其他国家的健康数据可能受到其他法规和政策的约束并应相应处理。因此，在每个国家应为不同的个人数据类型保持不同的隐私实践。

不管前述情况如何，本公开还预期用户选择性地阻止使用或访问个人信息数据的实施例。即本公开预期可提供硬件元件和/或软件元件，以防止或阻止对此类个人信息数据的访问。例如，就注视追踪而言，本公开技术可被配置为在注册服务期间或者其后的任何时间，允许用户选择“选择加入”或“选择退出”参与对个人信息数据的收集。在另一个示例中，用户可选择不执行注视追踪或其他收集个人信息数据的操作。在另一个示例中，用户可选择限制执行注视追踪的时间长度。除了提供“选择加入”和“选择退出”选项外，本公开设想提供与访问或使用个人信息相关的通知。例如，可在下载应用时向用户通知其个人信息数据将被访问，然后就在个人信息数据被应用访问之前再次提醒用户。

此外，本公开的目的是应管理和处理个人信息数据以最小化无意或未经授权访问或使用的风险。一旦不再需要数据，通过限制数据收集和删除数据可最小化风险。此外，并且当适用时，包括在某些健康相关应用程序中，数据去标识可用于保护用户的隐私。可在适当时通过移除特定标识符(例如，出生日期等)、控制所存储数据的量或特异性(例如，在城市级别而不是在地址级别收集位置数据)、控制数据如何被存储(例如，在用户之间聚合数据)、和/或其他方法来促进去标识。

因此，虽然本公开广泛地覆盖了使用个人信息数据来实现一个或多个各种所公开的实施例，但本公开还预期各种实施例也可在无需访问此类个人信息数据的情况下被实现。即，本公开技术的各种实施例不会由于缺少此类个人信息数据的全部或一部分而无法正常进行。例如，可基于非个人信息数据或绝对最小量的个人信息(诸如与用户相关联的设备所请求的内容、可从显示系统获得的其他非个人信息或公开可用的信息)来显示图像。

根据一个实施例，提供了一种光学系统，所述光学系统被配置为从显示模块接收图像光并且被配置为将所述图像光重定向到窥眼框上，所述光学系统包括第一全息图结构和与所述第一全息图结构重叠的第二全息图结构，所述第一全息图结构被配置为以所述第一全息图结构和所述第二全息图结构之间的体积外部的角度接收所述图像光，所述第一全息图结构被配置为将所述图像光复制到所述第二全息图结构上，并且所述第二全息图结构被配置为将经复制的图像光聚焦到所述窥眼框上。

根据另一实施例，所述第一全息图结构包括透射全息图结构。

根据另一实施例，所述第二全息图结构包括反射全息图结构。

根据另一实施例，所述透射全息图结构包括点对平面波透射全息图，并且所述反射全息图结构包括平面波对点反射全息图。

根据另一实施例，所述透射全息图结构包括平面波对平面波透射全息图，并且所述反射全息图结构包括平面波对点反射全息图。

根据另一实施例，所述透射全息图结构包括点对近平面波透射全息图，并且所述反射全息图结构包括近平面波对点反射全息图。

根据另一实施例，所述透射全息图结构包括第一透射全息图，所述第一透射全息图被配置为以第一输出角度朝向所述反射全息图结构衍射来自第一入射角的所述图像光，并且所述透射全息图结构包括第二透射全息图，所述第二透射全息图被配置为以第二输出角度朝向所述反射全息图结构衍射来自所述第一入射角的所述图像光。

根据另一实施例，所述第一透射全息图被配置为以所述第一输出角度朝向所述反射全息图结构衍射来自第二入射角的所述图像光，所述第二透射全息图被配置为以所述第二输出角度朝向所述反射全息图结构衍射来自所述第二入射角的所述图像光，所述反射全息图结构包括第一区域，所述第一区域具有第一反射全息图和第二反射全息图，所述第一反射全息图被配置为以第三输出角度朝向所述窥眼框衍射由所述第一透射全息图衍射的所述光，所述第二反射全息图被配置为以所述第三输出角度朝向所述窥眼框衍射由所述第二透射全息图衍射的所述光，并且所述反射全息图结构包括第二区域，所述第二区域具有第三反射全息图和第四反射全息图，所述第三反射全息图被配置为以第四输出角度朝向所述窥眼框衍射由所述第一透射全息图衍射的所述光，所述第四反射全息图被配置为以所述第四输出角度朝向所述窥眼框衍射由所述第二透射全息图衍射的所述光。

根据另一实施例，所述第一全息图结构包括反射全息图结构，并且所述第二全息图结构包括透射全息图结构。

根据另一实施例，所述光学系统包括：具有相对的第一表面和第二表面的基板，所述第一全息图结构安装到所述第一表面并且所述第二全息图结构安装到所述第二表面；所述第一全息图结构上方的第一电介质覆盖层；以及所述第二全息图结构上方的第二电介质覆盖层。

根据另一实施例，所述第一全息图结构和所述第二全息图结构各自具有非零物理曲率，并且所述第一全息图结构位于所述第二全息图结构的8mm内。

根据另一实施例，所述第二全息图结构设置有光功率，所述光功率将所述第二全息图结构配置为减轻与所述显示模块相关联的像差。

根据另一实施例，所述第一全息图结构设置有附加光功率，所述附加光功率将所述第一全息图结构配置为减轻与所述显示模块相关联的所述像差。

根据另一实施例，与来自所述第一全息图结构的较小衍射角的经复制的图像光相比，所述第二全息图结构被配置为提供更多光功率给来自所述第一全息图结构的较大衍射角的经复制的图像光。

根据另一实施例，所述第一全息图结构包括第一膜和第二膜，所述第一膜具有被配置为衍射第一波长的光的第一组全息图，所述第二膜具有被配置为衍射第二波长的光的第二组全息图。

根据另一实施例，所述第一全息图结构包括具有第一组全息图和第二组全息图的介质，所述第一组全息图被配置为衍射第一波长的光，所述第二组全息图与所述介质中的所述第一组全息图叠加并且被配置为衍射第二波长的光。

根据另一实施例，所述光学系统包括被配置为将所述图像光与真实世界光组合的光学组合器。

根据一个实施例，提供了一种显示系统，所述显示系统包括被配置为投影图像光的显示模块和光学系统，所述光学系统包括第一层全息图和第二层全息图，所述第一层全息图被配置为在多个输出角度上复制由所述显示模块投影的所述图像光，所述第二层全息图被配置为将由所述第一层全息图复制的所述图像光聚焦到窥眼框上。

根据另一实施例，所述显示模块包括选自液晶显示器、有机发光二极管显示器、基于激光的显示器、微机电系统(mems)显示器、数字微镜设备(dmd)显示器、硅基液晶(lcos)显示器和计算机生成的全息(cgh)显示器的显示器。

根据另一实施例，所述显示系统包括波导和透镜，所述波导被配置为接收来自所述显示模块的所述图像光，扩展所述图像光并将经扩展的图像光提供给所述第一层全息图，所述透镜被配置为将经扩展的图像光聚焦到所述光学系统上。

根据另一实施例，所述第一层全息图包括透射全息图，并且所述第二层全息图包括反射全息图。根据另一实施例，所述第一层全息图包括反射全息图，并且所述第二层全息图包括透射全息图。

根据另一实施例，所述第一层全息图和所述第二层全息图各自包括反射全息图。

根据一个实施例，提供了一种电子设备，所述电子设备包括：显示模块，所述显示模块被配置为投影图像光；图像传感器；光学系统，所述光学系统被配置为将所述图像光的第一部分重定向到窥眼框，并且将所述图像光的第二部分重定向到所述图像传感器，所述图像传感器被配置为基于所述图像光的所述第二部分生成图像数据；和耦接到所述显示模块和所述图像传感器的控制电路，所述控制电路被配置为基于所述图像数据标识所述光学系统相对于所述显示模块的位置变化，并且所述控制电路被配置为基于所标识的位置变化调节所述显示模块投影的所述图像光。

根据另一实施例，所述电子设备包括第一外壳部分和第二外壳部分，所述光学系统安装在所述第一外壳部分内，所述显示模块和所述图像传感器安装在所述第二外壳部分中，所述电子设备包括具有框架的头戴式设备，并且所述第二外壳部分包括所述框架的边撑。

根据另一实施例，所述光学系统包括被配置为复制所述图像光的第一全息图结构和被配置为将经复制的图像光聚焦到所述窥眼框上作为所述图像光的所述第一部分的第二全息图结构，所述第一全息图结构和所述第二全息图结构各自包括被配置为朝向所述图像传感器衍射所述图像光作为所述图像光的所述第二部分的至少一个全息图，并且所述图像光的所述第二部分包括红外光，并且所述第一全息图结构和所述第二全息图结构中的所述至少一个全息图被配置为衍射所述红外光。

根据另一实施例，所述控制电路被配置为基于所标识的位置变化调节所述显示模块投影的所述图像光，以补偿由所述位置变化产生的所述图像光的所述第一部分中的失真，所述控制电路被配置为通过执行选自以下的操作来调节所述图像光：调节所述显示模块所投影的所述图像的强度、调节所述显示模块所投影的所述图像的颜色、以及调节所述显示模块中的光学部件的几何形状。

根据一个实施例，提供了一种光学组合器，所述光学组合器被配置为从显示模块接收图像光并且被配置为将所述图像光重定向到窥眼框上，所述光学组合器包括光学漫射器和与所述光学漫射器重叠的一组全息图，所述光学漫射器被配置为以所述光学漫射器和所述一组全息图之间的体积外部的角度接收所述图像光，所述光学漫射器被配置为通过在多个角度上漫射所述图像光来复制所述图像光，并且所述一组全息图被配置为将经复制的图像光聚焦到所述窥眼框上。

根据一个实施例，提供了一种光学组合器，所述光学组合器被配置为从显示模块接收图像光并且被配置为将所述图像光重定向到窥眼框上，所述光学组合器包括被配置为复制所述图像光的第一透射全息图结构、被配置为反射经复制的图像光的部分反射结构、和被配置为将经反射的经复制的图像光聚焦到所述窥眼框上的第二透射全息图结构。

根据另一实施例，所述部分反射结构包括选自半镀银反射镜、全息光学元件和陷波滤光器的部分反射结构。

前述内容仅为示例性的并且可对所述实施例作出各种修改。前述实施例可独立实施或可以任意组合实施。