成像系统中的动态入耦合光栅

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年8月28日提交的题为“DYNAMIC INCOUPLING GRATINGS INIMAGING SYSTEMS(成像系统中的动态入耦合光栅)”的美国临时专利申请第62/723,688号的优先权权益，其全部内容通过引用合并于此。

背景技术

已经考虑了各种成像系统，诸如基于空间光调制器(SLM)的投影仪、微机电系统(MEMS)扫描仪和光纤扫描仪，以在包括目镜的增强现实眼镜中提供逐图像调制的光。尽管取得了重大进展，但是减小照明系统的尺寸变得越来越困难。因此，需要允许进一步小型化的新的可伸缩(scalable)成像架构。

发明内容

公开了目镜和相关的方法，其采用动态输入耦合光栅(ICG)以将输入光束耦合到波导中并可控地在输入光束中扫描以形成图像光场，该图像光场从波导输出到观看者的眼睛。在许多实施例中，经由动态ICG结合输入光束的扫描来调制输入光束的强度，以生成图像光场，作为扫描到图像光场中相应的X和Y坐标位置的输入光束的时间段的组合。通过同时使用输入光束的调制和调制的输入光束的对应扫描，可以使用简化的光源，该光源沿着固定的一维传播路径传播输入光束，从而允许光源具有相对于其中将二维光场透射至非动态输入耦合光栅上的设备和方法的降低的尺寸。

根据一些实施例，用于将图像光场投射到观看者的眼睛的目镜包括波导、动态输入耦合光栅(ICG)、光源、控制器以及出射光瞳扩展器。波导被配置为经由内部反射传播光。动态ICG形成在波导的第一横向区域上。光源被配置为生成透射到动态ICG的光束。控制器被耦合到光源和动态ICG。控制器被配置为在时隙序列中调制光束的强度。时隙序列中的每个时隙对应于图像光场的相应的场角。光束在时隙序列中的每个时隙中的强度对应于图像光场在相应的场角处的强度。控制器被配置为控制动态ICG，以对于时隙序列中的每个时隙，以与相应的场角对应的相应的角度将光束的相应的部分衍射到波导中。出射光瞳扩展器被耦合到波导的第二横向区域，并被配置为以相应的场角将光束的每个相应的部分朝向观看者的眼睛引导出波导，从而将图像光场投射到观看者的眼睛。

根据一些实施例，提供了一种将图像光场投射到观看者的眼睛的方法。该方法包括由控制器在时隙序列中调制光束的强度。时隙序列中的每个时隙对应于图像光场的相应的场角。光束在时隙序列中的每个时隙中的强度对应于图像光场在相应的场角处的强度。光束传播到动态输入耦合光栅(ICG)上。动态ICG由控制器控制，以对于时隙序列的每个时隙，以与相应的场角对应的相应的角度将光束的相应的部分衍射到波导中。光束的每个相应的部分以相应的场角朝向眼睛引导出波导，从而将图像光场投射到观看者的眼睛。

根据一些实施例，一种用于将图像光场投射到观看者的眼睛以形成虚拟内容的图像的目镜包括被配置为在其中传播光的波导。波导可以包括输入光瞳。目镜可进一步包括：光源，其被配置为传递要在输入光瞳处入射在波导上的光束；以及控制器，其被耦合到光源并且被配置为在多个时隙中调制光束的强度。每个时隙可以对应于图像的相应的场角。光束在每个时隙中的强度可以对应于图像在相应的场角处的强度。目镜可进一步包括动态输入耦合光栅(ICG)，该动态输入耦合光栅形成在与输入光瞳对应的波导的第一横向区域上。动态ICG可以被配置为对于每个时隙以与相应的场角对应的相应的全内反射(TIR)角将光束的相应的部分衍射到波导中，并且根据光束的调制从一个时隙到下一个时隙扫描TIR角。目镜可进一步包括出耦合衍射光学元件(DOE)，该出耦合衍射光学元件被耦合到波导的第二横向区域并且被配置为以相应的场角将光束的每个相应的部分朝向眼睛衍射出波导，从而将光场投射到观看者的眼睛。

根据一些实施例，一种将光场投射到观看者的眼睛以观看虚拟内容的图像的方法包括提供入射在动态输入耦合光栅(ICG)上的光束。动态ICG可以包括表面声波(SAW)调制器。该SAW调制器可以包括压电材料层和换能器。该SAW调制器可以耦合到波导的第一横向区域。该方法可以进一步包括调制与多个场角对应的多个时隙中的光束的强度。光束在每个时隙中的强度可以对应于图像在相应的场角处的强度。该方法可以进一步包括在多个时隙中以多个频率将振荡电信号施加到换能器，从而在相应的时隙中以相应的空间周期在压电材料层中产生相应的声波，使得动态ICG在相应的时隙中以相应的全内反射(TIR)角将光束的相应的部分衍射到波导中。每个相应的频率可以对应于相应的时隙。光束的相应的部分可以在波导中传播。该方法可以进一步包括：使用耦合到波导的第二横向区域的衍射光学元件(DOE)，以相应的场角将在波导中传播的光束的每个相应的部分朝向眼睛出耦合，从而以多个场角将光场投射到眼睛，以观看虚拟内容的图像。

附图说明

图1A是根据一些实施例的一副增强现实眼镜的示意性透视图。

图1B示出根据一些实施例的示例性增强现实系统。

图2是根据一些实施例的图1中所示的增强现实眼镜的目镜的一部分的示意性侧视图。

图3示出根据一些实施例的成像系统，该成像系统可以用于通过目镜将图像光场投射到观察者的眼睛。

图4示意性地示出根据一些实施例的包括动态入耦合光栅(ICG)的目镜。

图5示意性地示出根据一些实施例的图4中所示的动态ICG的功能。

图6A示意性地示出根据一些实施例的紧凑型眼镜。

图6B示意性地示出根据一些实施例的紧凑型眼镜。

图7A示意性地示出根据一些实施例的基于表面声波(SAW)调制器的一维(1D)动态ICG。

图7B示意性地示出根据一些实施例的基于SAW调制器的二维(2D)动态ICG。

图8A示意性地示出根据一些实施例的处于透射几何形状的目镜中的2D动态ICG。

图8B示意性地示出根据一些实施例的处于反射几何形状的目镜中的2D动态ICG。

图9示意性地示出根据一些实施例的目镜，该目镜包括相对于彼此级联的两个1D动态ICG。

图10A示意性地示出根据一些实施例的目镜，其中，输入光束以相对于法线入射的偏斜角θ

图10B示意性地示出根据一些实施例的目镜，该目镜包括静态衍射光栅，以对于入射在动态ICG上的输入光束产生偏斜角θ’

图11示意性地示出根据一些实施例的配置，其中两个输入光束用于增加总视场(FOV)。

图12示意性地示出根据一些实施例的具有处于透射几何形状的1D动态ICG的目镜。

图13示出根据一些实施例的图12中所示的1D动态ICG的一阶衍射的k矢量图。

图14示出根据一些实施例的用于法向入射输入束的2D动态ICG的k矢量图。

图15示出根据一些实施例的用于叠加在波导全内反射(TIR)图上的法向入射输入束的2D动态ICG的k矢量图。

图16示出根据一些实施例的用于叠加在波导全内反射(TIR)图上的具有角度偏斜的输入束的2D动态ICG的k矢量图。

图17示出根据一些实施例的用于叠加在波导全内反射(TIR)图上的具有角度偏斜以将动态光栅区域偏移至TIR区域的输入束的2D动态ICG的k矢量图。

图18是示出根据一些实施例的将光场投射到观看者的眼睛以观看虚拟内容的图像的方法的简化流程图。

图19是示出根据一些实施例的将图像光场投射到观看者的眼睛的方法的流程图。

具体实施方式

根据本公开的一些实施例，目镜包括波导和耦合到波导的动态输入耦合光栅(ICG)。动态ICG被配置为将固定的输入激光束扫描成到波导中的二维TIR角范围内。通过根据与动态ICG的扫描同步的视场中图像点位置在时隙序列中调制激光束的强度，观看者可以看到完整的图像场显示。该成像范例可以消除对外部投影仪的需求，并且因此可以提供紧凑、轻便的眼镜。此类眼镜可以例如在增强现实系统或其它可穿戴显示器和计算产品中使用。

衍射光栅是将光偏转一定角度的光学组件，该角度取决于光的波长和光栅上的入射角。衍射光栅可以具有周期性结构，该周期性结构具有与该衍射光栅一起使用的光的波长的数量级的周期。周期性结构可以是透明材料的表面起伏轮廓或透明材料的折射率的体积调制。衍射光栅的操作可由光栅方程式控制：

其中，θ

光栅也可以闪耀，即，给定特定周期性轮廓，以便将它们衍射的光集中到由特定值的阶参数m指定的特定“阶”中。光栅可以是反射性的，在这种情况下，光在光入射到光栅的同一侧离开光栅，或者光栅可以是透射性的，在这种情况下，光主要在光栅入射光的相反侧射出。

图1A是根据一些实施例的一副增强现实眼镜100的透视图。眼镜100包括框架102，该框架102包括通过前件108连接的左臂104和右臂106。前件108支撑左目镜110和右目镜112。为了讨论的目的，特别参考右目镜112，右目镜112包括右堆叠的多个波导114。右堆叠的波导114是透明的，使得佩戴眼镜100的人在佩戴增强现实眼镜100时可以看到真实世界，并且虚拟内容可以与真实世界的环境相叠加并在其中显示。如图1中所示，包括在右堆叠波导114中的右前波导116包括右前选择性可致动的(actuable)入耦合光栅118、右前正交光瞳扩展器120以及右前出射光瞳扩展器122。如授予Abovitz等人的题为“Planar WaveguideApparatus with Diffraction element(s)and System Employing Same(具有衍射元件的平面波导装置和使用该装置的系统)”的美国专利9,612,403中所述，出射光瞳扩展器122可以被设计为将与不同的虚拟源光对应的不同的场曲率赋予出射光。类似地，左目镜110包括左堆叠的波导124，该左堆叠的波导124包括左前波导126。如图1中所示，左前波导包括左前选择性可致动入耦合光栅128、左侧正交光瞳扩展器130、以及左侧出射光瞳扩展器132。左目镜110也是透明的。逐图像调制光的左侧源134和逐图像调制光的右侧源136分别支撑在框架102的左臂104和右臂106的内侧，并且分别选择性地光学耦合到左堆叠的波导124和右堆叠的波导114。

图1B示出示例性增强现实系统150，该示例性增强现实系统150可操作为在用户152的视场中渲染虚拟内容(例如，虚拟对象、虚拟工具和其它虚拟构造，例如应用、特征、字符、文本、数字和其它符号)，并且可以包括头戴式可穿戴显示设备154和计算设备156。头戴式可穿戴显示设备154可以包括与图1A中所示的眼镜类似的一副增强现实眼镜100。计算设备156可以包括执行多个处理任务以向用户152呈现相关虚拟内容的组件(例如，处理组件、电源组件、存储器等)。

计算设备156可以通过连接158(例如，有线引线连接、无线连接等)可操作地和/或通信地耦合到头戴式可穿戴显示设备154。计算设备156可以以带耦合样式配置可移除地附接到用户152的臀部203。在其它示例中，计算设备156可以可移除地附接到用户152的身体的另一部分，附接到或位于用户152所穿戴的衣服或其它附件(例如，框架、帽子或头盔等)内，或定位于用户152的环境内的另一位置中。

图2是图1A中所示的右目镜112的示意性侧视图。注意，出于说明目的，相对于图1中所示的放置，在图2中改变了入耦合光栅118、正交光瞳扩展器120和出射光瞳扩展器122的放置。尽管未示出，但是左目镜110的结构是右目镜112的结构的镜像。如图2中所示，除了右前波导116之外，右目镜112的右堆叠的多个波导114还包括设置在右前波导116后面的右第二波导202、设置在右第二波导202后面的右第三波导204、设置在右第三波导204后面的右第四波导206、设置在右第四波导206后面的右第五波导208，以及设置在右第五波导208后面的右后波导210。第二至第五波导202、204、206、208和后波导210中的每一个波导分别具有第二至第六入耦合光栅118b、118c、118d、118e、118f。入耦合光栅118a、118b、118c、118d、118e、118f可被设计为例如具有光栅栅距和轮廓(profile)(例如，闪耀轮廓)，以偏转垂直入射到波导116、202、204、206、208的临界角以上的角度的逐图像调制光。第二至第五波导202、204、206、208和后波导210各自还包括另一组正交光瞳扩展器214中的一个，以及另一组出射光瞳扩展器216中的一个。

在单独的时间子帧时段期间，逐图像调制光的右侧源136适当地输出对于不同颜色通道和对于不同虚拟对象深度的逐图像调制光。颜色通道和深度平面的特定序列可以以视频帧速率周期性地重复。堆叠的六个波导114可以包括两组三个波导，其中两组中的每组都包括红色、绿色和蓝色(RGB颜色)通道波导，并且两组中的每组都发射具有两个虚拟物距(object distance)之一的光，该物距由所发射的光的场曲率来确定。从右目镜110的前面射出的光向后指向，到达眼睛位置220。

图3示出可以用于通过目镜320将图像光场投射到观察者的眼睛330的成像系统310。成像系统310可以包括空间光调制器(SLM)312。SLM312可以包括例如硅上液晶(LCOS)显示器、数字光处理(DLP)芯片等。诸如发光二极管(LED)、激光器等的照明源(未示出)可以提供(准)准直的光照明314以入射在SLM 312上。SLM 312可以通过控制入射在每个像素上的光的透射(或反射)量来在空间上调制照明314以形成虚拟内容的二维(2D)图像。成像系统310可以进一步包括投影透镜316。SLM312可以定位于投影透镜316的后焦平面处。由相应的像素P在位置(x

束入射在目镜320的入耦合光栅(ICG)322上，该入耦合光栅将入射光的一部分耦合到波导326中，作为在相应的传播方向

已经考虑了各种成像系统，诸如基于空间光调制器(SLM)的投影仪、微机电系统(MEMS)扫描仪和光纤扫描仪，以在包括目镜(诸如图3中示出的目镜320)的增强现实眼镜中提供逐图像调制光。尽管取得了重大进展，但缩小投影仪的大小变得越来越困难。例如，基于SLM的投影仪的典型大小可能约为15mm(不包括照明模块)；光纤扫描仪的典型大小约为10mm(不包括照明模块)；以及MEMS扫描仪的典型大小约为10mm(不包括照明模块)。

如上所述，SLM 312(或其它类型的2D扫描仪，诸如光纤扫描仪)上的每个像素位置(x

图4示意性地示出根据一些实施例的目镜400。目镜400包括波导410、耦合到波导410的第一横向区域的二维(2D)动态ICG 420，以及耦合到波导410的第二横向区域的衍射光学元件(DOE)412(诸如正交光瞳扩展器OPE和/或出射光瞳扩展器EPE)。具有固定传播方向(例如，垂直于波导410，

图5示意性地示出根据一些实施例的动态ICG 420的动作。动态ICG420被配置为将输入光束402衍射耦合到波导410中作为TIR束。如图5中所示，可以与输入光束402的调制同步地从一个时隙到另一时隙动态地改变衍射光束510的TIR角，使得每个时隙的TIR角

再次参考图4，对于在相应的时隙中的相应的TIR角

因此，如上所述，动态ICG 420在单个设备中集成了ICG的功能和扫描仪的功能，从而消除了对如图3中所示的单独成像系统310的需求。因此，与传统眼镜相比，可以以显著减小的大小和重量来制造眼镜。在一些实施例中，例如，动态ICG 420可以不具有移动部分，不同于光纤扫描仪或MEMS扫描仪。结合动态ICG 420的目镜可以提供其它优点。例如，可以实现更高的亮度和更低的功耗，因为存在引起附加损耗的更少的光学组件。

在一些实施例中，可以使用同步的颜色。在这些实施例中，红色(R)、绿色(G)和蓝色(B)信息可以同时分别作为来自R、G、B激光器的共线R、G、B束存在。当跨图像场扫描三个共线R、G、B束时，可以通过独立但同时调制三个激光器来控制任何点(像素)处每种颜色的量。相反，如果共享单个LCOS以一次生成一种颜色的R、G、B图像，则可以使用顺序颜色。

图6A示意性地示出根据一些实施例的紧凑型眼镜。紧凑型眼镜可以包括目镜(例如，类似于目镜400)，该目镜包括动态ICG(例如，类似于动态ICG 420)。安装在眼镜上的紧凑型光源模块可以提供在固定传播方向处入射在动态ICG上的输入光束。在一些实施例中，紧凑型光源模块可以发射准直光。在一些实施例中，紧凑型光源模块可以发射具有窄光谱/束扩展的光。在一些实施例中，紧凑型光源模块可以包括一个或多个激光器。例如，紧凑型光源模块可以包括红色激光器、蓝色激光器和绿色激光器。在一些实施例中，紧凑型光源模块可以在头戴式可穿戴显示设备(例如，类似于图1B中所示的头戴式可穿戴显示设备154)中。在一些实施例中，紧凑型光源模块可以包括一个或多个LED。例如，一个或多个LED可以是一个或多个超发光LED(SLED)。在一些实施例中，控制器可以用于操作紧凑型光源模块，例如移动紧凑型光源模块和/或调制紧凑型光源模块。控制器可用于将图像加载到一个或多个光束中。

图6B示意性地示出根据一些实施例的紧凑型眼镜。在此，单独的光源封装可以经由光纤提供输入光束。在一些实施例中，紧凑型光源模块可以在腰包中(例如，在图1B中所示的计算设备156中)，并且可以经由光纤传递到头戴式可穿戴显示设备。由于动态ICG的操作可能与偏振无关，因此输入光束可以是非偏振的。因此，可以通过使用保持非偏振的光纤来实现有效的光纤传输。

图7A示意性地示出根据一些实施例的基于表面声波(SAW)调制器的一维动态ICG。SAW调制器使用声波(例如，在射频下)使用声光效应来衍射光。换能器(例如，压电换能器)被附接到SAW调制器的基板。振荡电信号可驱动换能器振动，这可产生在基板表面上传播的声波。该声波(其可以称为表面声波或SAW)可导致表面变形并形成衍射光栅。基板可以包括表现出压电效应的材料，诸如熔融二氧化硅、铌酸锂、钽酸锂、硅酸镧镓、三硫化砷、二氧化碲、碲酸盐玻璃、硅酸铅等。基板可以包括最初制造时表现出压电效应的材料，或者可以沉积到基板上的表现出压电效应的材料。对于每个像素，创建具有特定光栅栅距的2D特定衍射光栅，该特定光栅栅距将在特定方向上衍射光。通过改变光栅栅距来改变衍射光栅将导致方向上的变化。

入射在由SAW形成的衍射光栅上的光束(“In”)可以以透射几何形状或反射几何形状(例如，在金属化表面上)衍射。图7A示出处于透射几何形状的SAW调制器。如图所示，可以得到各种衍射级(例如-1、0，+1级)。衍射光栅的周期可以取决于驱动电信号的频率。衍射角(例如，处于一阶衍射)取决于衍射光栅的周期。因此，通过调制驱动电信号的频率，衍射光可以扫描一定角度范围。

上述的SAW调制器可以扩展到二维(2D)情况。图7B示意性地示出根据一些实施例的处于透射几何形状的2D SAW调制器。用于X轴运动的第一换能器和用于Y轴运动的第二换能器被附接到基板。第一振荡电信号RF(RF)

在一些实施例中，多个驱动频率可以彼此叠加。例如，一个或多个电信号可以沿着X轴组合为复合驱动信号，其中每个相应的电信号对应于相应的频率。以该方式，可以同时寻址沿X轴的一组像素(或整个像素线)。在一些实施例中，可以通过RF信号的叠加来调制声波。在一些实施例中，可以根据两个光栅中的每一个光栅的衍射特性(例如，栅距和/或幅度)来叠加两个光栅并且可以对光进行衍射。例如，如果存在第一光栅和第二光栅并且第一光栅和第二光栅被叠加，则入射在其上的光将在由第一光栅的第一栅距和第二光栅的第二栅距二者确定的方向上被衍射和分离，并且具有与第一光栅的第一幅度和第二光栅的第二幅度有关的幅度。第一RF信号的频率可以确定第一光栅的第一栅距，并且第一RF信号的幅度可以确定第一光栅的幅度。类似地，第二RF信号的频率可以确定第二光栅的第二栅距，并且第二RF信号的幅度可以确定第二光栅的幅度。在一些实施例中，可以叠加多个光栅，并且从多个光栅衍射的光可以跟随所有多个光栅。

可以注意到，光栅幅度可以取决于传递到一个或多个换能器的电功率。因此，在一些实施例中，除了调制驱动电信号的频率之外，还可以通过调制驱动电信号的电功率由SAW调制器来执行图像强度调制。

还应当注意，由于频率/幅度调制而不断变化的衍射光栅可以帮助减少静态光栅可能产生的相干伪像。例如，由静态光栅产生的相干伪像可表现为跨图像场的明暗变化。不断变化的衍射光栅可产生“滑动”的明暗变化，当眼睛在响应时间窗口中将光积分(integrate)时，该明暗变化可能不太明显。

在一些实施例中，如图5中所示，可以在波导的表面上形成SAW调制器。例如，压电材料(诸如铌酸锂)层和一个或多个换能器可以被附接到波导的表面。在一些实施例中，可以在波导的表面下方形成SAW调制器。例如，压电材料层可以被嵌入波导中，并且一个或多个换能器可以耦合到压电材料层。在一些实施例中，SAW调制器可以是波导的组成部分。例如，波导可以包括压电材料，诸如铌酸锂。可以在波导的表面的第一横向区域上形成一个或多个换能器，以在表面的第一横向区域中生成SAW。

应该理解，尽管以上讨论了SAW调制器作为动态ICG的示例，但是其它类型的模拟扫描技术也可以用于动态ICG。

图8A示意性地示出根据一些实施例的处于透射几何形状的目镜中的2D动态ICG。目镜包括波导，该波导具有第一表面和与第一表面相对的第二表面。2D动态ICG耦合到波导的第一表面。注意，该配置与图4和图5中所示的配置类似。强度调制的输入光束通常入射在2D动态ICG上。如以上参考图5所描述的，2D动态ICG与输入光束的强度调制同步地被调制，使得处于透射几何形状的具有传播角

图8B示意性地示出根据一些实施例的处于反射几何形状的目镜中的2D动态ICG。目镜包括波导，该波导具有第一表面和与第一表面相对的第二表面。2D动态ICG被耦合到波导的第二表面。强度调制的输入光束通过波导，并法向地入射在2D动态ICG上。2D动态ICG与输入光束的强度调制同步地被调制，使得在反射几何形状中具有传播角

图9示意性地示出根据一些实施例的目镜，该目镜包括相对于彼此级联的两个一维(1D)动态ICG。目镜包括波导，该波导具有第一表面和与第一表面相对的第二表面。第一1D动态ICG耦合到波导的第二表面。第二1D动态ICG耦合到波导的第一表面。强度调制的输入光束通过波导，并且法向地入射在第一1D动态ICG上。

第一1D动态ICG与输入光束的强度调制同步地被调制，使得在反射几何形状中具有传播角θ范围的一个或多个对应衍射光束在波导中传播。图9中所示的第一1D动态ICG下方的向左箭头和向右箭头指示输入光束在纸平面内被分散成一个或多个传播角θ。

由第一1D动态ICG以传播角θ范围衍射的光束入射在第二1D动态ICG上。第二1D动态ICG与输入光束的强度调制同步地被调制，使得在反射几何形状中具有传播角

在一些情况下，可能需要使输入光束以偏斜角θ

在一些情况下，可能希望有偏斜角θ

图10B示意性地示出目镜，该目镜包括耦合到波导的第一表面的静态衍射光栅。输入光束法向地入射在静态衍射光栅上，并由静态衍射光栅以偏斜角θ’

在一些情况下，动态ICG的调制范围可能不足以覆盖整个视场(FOV)。在一些实施例中，可以使用多个输入光束来增加图像视场。图11示意性地示出使用两个输入光束(“IN1”和“IN2”)的配置。目镜可包括耦合到波导的第一表面的静态ICG和耦合到波导的第二表面的动态ICG。第一输入光束“IN1”以第一偏斜角θ

应当理解，根据一些实施例，可以组合在图8A-8B、9、10A-10B和11中示出的两个或更多个配置。

在一些实施例中，可以使用堆叠的三个波导(例如，如图2中所示)来实现全RGB颜色，每个波导配置为RGB颜色之一。如美国专利10,371,896中所述，可以使用分离光瞳配置或成列配置来分离颜色，其内容通过引用合并于此。

假设SAW的速度为v

Λ

如图12中所示，考虑具有输入入射角θ

nk

其中K是幅度为2π/Λ

作为数值示例，假设θ

假设使用焦距为F的傅立叶变换透镜将动态光栅的长度设为D，则变换平面上的光斑大小可表达为d＝2Fλ/D。采用

假设动态光栅的长度D＝2mm，使用示例1中的

最小像素时间可以是SAW穿过光栅长度D的时间。考虑瞬变的像素时间T

根据方程式(5)，对于v

图14示出法向入射输入束的2D动态ICG的k矢量图。为了说明的目的，考虑具有在+和–方向上传播的两个正交本征模的2D动态ICG。k空间中的阴影区域1420表示可以由2D动态ICG生成的，幅度为2π/Λs的所有光栅矢量K。阴影区域1420在此可以被称为动态光栅区域。下标“min”和“max”分别对应于最小和最大RF频率。在一些实施例中，宽带换能器可用于实现较大的动态光栅区域1420，从而获得较宽的FOV。

为了示出目镜波导内侧的传播，如图15中所示，将上图与波导TIR图重叠可能很有用。由两个圆1512和1514界定的环形区域1510表示在波导中可能发生TIR的k空间。动态光栅区域1520(即，阴影区域)和TIR环形区域1510的重叠表示k空间，在该k空间中，由2D动态ICG生成的衍射光束可以经由TIR在波导中传播。

如图16中所示，可以施加角度偏斜以改善TIR区域利用。例如，与图15中所示的阴影区域1520相比，应注意图16中的较大阴影区域1620。

对于相对较小的动态光栅矢量，动态光栅区域可以位于TIR区域1510的外侧。在此类情况下，如图17中所示，可以使用角度偏斜将动态光栅区域1720偏移至TIR区域1510。如上所述，可以通过使用特定的外部入射角(如图10A中所示)或通过使用静态光栅(如图10B中所示)来引入偏斜。

总之，提出了使用动态ICG的非常紧凑的眼镜的概念。动态ICG可以被配置为将固定的输入激光束扫描到目镜中的二维TIR角范围内。通过根据图像点位置调制激光束强度，观察者可以看到整个图像场。该新的成像范例可以消除对外部投影仪的需求，并因此可以实现非常紧凑的眼镜的构造。

图18是示出根据一些实施例的将光场投射到观看者的眼睛以观看虚拟内容的图像的方法1800的流程图。可以使用任何合适的部件、组件和方法(包括但不限于在此所述的任何合适的部件、组件和方法)来完成方法1800。

方法1800可以包括，在1802处，提供入射在动态输入耦合光栅(ICG)上的光束。动态ICG可以包括表面声波(SAW)调制器。该SAW调制器可以包括压电材料层和换能器。该SAW调制器可以耦合到波导的第一横向区域。

方法1800可以进一步包括，在1804处，在与一个或多个场角对应的一个或多个时隙中调制光束的强度。光束在每个时隙中的强度对应于图像在相应的场角处的强度。方法1800可以进一步包括，在1806处，在多个时隙中以一个或多个频率将振荡电信号施加到换能器。每个相应的频率对应于相应的时隙。因此，在相应的时隙中以相应的空间周期在压电材料层中产生相应的声波，使得动态ICG在相应的时隙中以相应的全内反射(TIR)角将光束的相应的部分衍射到波导中。光束的相应的部分在波导中传播。

方法1800可以进一步包括，在1808处，使用耦合到波导的第二横向区域的衍射光学元件(DOE)，以相应的场角将在波导中传播的光束的每个相应的部分朝向眼睛出耦合。因此，以一个或多个场角将光场投射到眼睛以观看虚拟内容的图像。

应当理解，根据一些实施例，图18中示出的特定动作提供了将光场投射到观看者的眼睛以观看虚拟内容的图像的特定方法。根据一些实施例，也可以执行其它动作序列。例如，一些实施例可以以不同顺序执行以上概述的动作。此外，在图18中示出的各个动作可以包括多个子动作，该子动作可以按照适合于单个动作的各种顺序来执行。此外，取决于特定应用，可以添加或删除附加动作。本领域普通技术人员将认识到许多变型、修改和替代。

图19是示出根据一些实施例的将图像光场投射到观看者的眼睛的方法1900的流程图。任何合适的部件、组件和方法(包括但不限于在此所述的任何合适的部件、组件和方法)可用于完成方法1900。

方法1900包括，在1902处，由控制器在时隙序列中调制光束的强度。时隙序列中的每个时隙对应于图像光场的相应的场角。光束在时隙序列中的每个时隙中的强度对应于图像光场的在相应的场角处的强度。

方法1900包括，在1904处，将光束传播到动态输入耦合光栅(ICG)上。在许多实施例中，光束在固定的光路上传播到动态ICG，而无需对该光束进行任何横向扫描或横向于固定光路的光束变化。在许多实施例中，光束被传播到ICG上的固定点。相应地，用于生成光束并将其透射至动态ICG上的光源相对于被配置为用于光束的二维扫描或在光束中横向于光束的传播方向的二维变化的光源可具有减小的大小。

方法1900包括，在1906处，由控制器控制动态ICG，以对于时隙序列中的每个时隙，以与相应的场角对应的相应的角度将光束的相应的部分衍射到波导中。在许多实施例中，控制器结合动态ICG的控制来控制光束的强度的调制，以便实现光束的二维扫描，以形成投射到观看者的眼睛的图像光场。

方法1900包括，在1908处，以相应的场角将光束的每个相应的部分朝向眼睛引出波导，从而将图像光场投射到观看者的眼睛。因此，以一个或多个场角将图像光场投射到观看者的眼睛。方法1900可用于在任何合适的应用中将图像光场投射到观看者的眼睛，包括但不限于将图像光场叠加在观看者的眼睛所观看的外部图像上。

应当理解，根据一些实施例，图19中所示的特定动作提供了将图像光场投射到观看者的眼睛的特定方法。根据一些实施例，也可以执行其它动作序列。例如，一些实施例可以以不同顺序执行以上概述的动作。此外，在图19中示出的各个动作可以包括多个子动作，该子动作可以按照适合于单个动作的各种顺序来执行。此外，取决于特定的应用，可以添加或删除其它动作。本领域普通技术人员将认识到许多变型、修改和替代。

还应理解，在此描述的示例和实施例仅用于说明性目的，并且鉴于其的各种修改或改变将被本领域技术人员建议，并且将被包括在本申请的精神和范围内以及所附权利要求的范围之内。