具有经调制表面起伏光栅的光学系统

本申请要求于2021年5月6日提交的美国临时专利申请63/185,198号的优先权，该美国临时专利申请据此全文以引用方式并入本文。

背景技术

本公开整体涉及光学系统，并且更具体地，涉及用于具有显示器的电子设备的光学系统。

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

诸如这些设备的设备可能在设计上具有挑战性。如果稍有不慎，用于在这些设备中显示图像的部件可能是难看且笨重的，并且可能无法表现出期望的光学性能。

发明内容

一种电子设备可具有显示系统。该显示系统可包括波导、输入耦合器和表面起伏光栅(SRG)结构。该输入耦合器可将图像光耦合到该波导中。该图像光可经由全内反射沿该波导传播。该SRG结构可以执行交叉耦合操作，其中该SRG结构沿垂直于传播方向的方向扩展该图像光。该SRG结构还可执行输出耦合操作，其中该SRG结构将经扩展的图像光耦合出该波导并且朝向适眼区。该SRG结构可以在其横向区域上被调制以使该系统的光学效率最大化。

例如，该SRG结构可包括至少第一SRG和第二SRG。该第二SRG可在一层或多层SRG基底中至少部分地与第一SRG重叠。该第一SRG可沿第一方向扩展图像光。该第二SRG可沿与该第一方向相反的第二方向扩展图像光。该第一SRG可将由该第二SRG扩展的图像光耦合出波导。该第二SRG可将由该第一SRG扩展的图像光耦合出波导。该第一SRG可具有从该SRG结构的眉部区域到面颊区域减小的光栅强度。该第二SRG可具有从该面颊区域到该眉部区域减小的光栅强度。该第一SRG和该第二SRG可在该眉部区域与该面颊区域之间的区域中表现出相同的光栅强度。可以使用任何期望的调制函数来调制该SRG结构中的SRG的光栅强度。如果需要，该SRG结构的衍射效率可附加地或可另选地在该SRG结构的鼻部区域与太阳穴区域之间变化。

附图说明

图1是根据一些实施方案的具有显示器的例示性系统的图示。

图2是根据一些实施方案的用于显示器的例示性光学系统的顶视图，该光学系统具有波导和光耦合器。

图3A至图3C是根据一些实施方案的设置有表面起伏光栅结构的例示性波导的顶视图。

图4是根据一些实施方案的具有用于执行光扩展和输出耦合的多个表面起伏光栅的例示性表面起伏光栅结构的前视图。

图5是根据一些实施方案的具有用于执行光扩展和输出耦合的多个表面起伏光栅的例示性表面起伏光栅结构的透视图。

图6是根据一些实施方案的例示性表面起伏光栅结构的前视图，该表面起伏光栅结构具有在其区域上进行调制的表面起伏光栅。

图7是根据一些实施方案的示出例示性表面起伏光栅结构的衍射效率可如何在其区域上进行调制的一个示例的前视图。

图8是根据一些实施方案的示出经调制表面起伏光栅结构的操作的k空间图。

图9是根据一些实施方案的示出可以在经调制表面起伏光栅结构的区域内形成的凹槽图案的一个示例的前视图。

具体实施方式

图1的系统10可以是具有一个或多个显示器的头戴式设备。系统10中的显示器可包括安装在支撑结构(外壳)8内的近眼显示器20。支撑结构8可具有一副眼镜或护目镜(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适眼区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中的存储器上，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可以是液晶显示器、有机发光二极管显示器、基于激光的显示器，或其他类型的显示器。光学系统20B可以形成允许观察者(参见例如适眼区24处的观察者的眼睛)观察显示器20上的图像的镜头。可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，可以选择由系统20B形成的镜头的焦距和定位，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的真实世界图像光与虚拟(计算机生成的)图像诸如图像光38中的虚拟图像被在光学上组合。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)。

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，从耦合到系统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的内容可以由适眼区24处的观察者观看。

图2是可在图1的系统10中使用的例示性显示器20的顶视图。如图2所示，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，以及一个光学系统诸如光学系统20B。光学系统20B可包括光学元件诸如一个或多个波导50。波导50可包括由光学透明材料诸如塑料、聚合物、玻璃等所形成的一个或多个堆叠基底(例如，堆叠平面和/或弯曲层，在本文中有时称为“波导基底”)。

如果需要，波导50还可包括一层或多层全息记录介质(在本文中有时称为“全息介质”、“光栅介质”或“衍射光栅介质”)，在该全息记录介质上记录一个或多个衍射光栅(例如，全息相位光栅，在本文中有时称为“全息图”)。全息记录可存储为光敏光学材料诸如全息介质内的光学干涉图案(例如，不同折射率的交替区域)。该光学干涉图案可产生全息相位光栅，当用给定光源照射该全息相位光栅时，该全息相位光栅衍射光以产生全息记录的三维重建。全息相位光栅可以是用永久干涉图案编码的不可开关的衍射光栅，或者可以是可开关的衍射光栅，其中可以通过控制施加到全息记录介质的电场来调制衍射光。如果需要，可在相同体积的全息介质内记录多个全息相位光栅(全息图)(例如，叠加在相同体积的光栅介质内)。全息相位光栅可为例如体积全息图或光栅介质中的薄膜全息图。光栅介质可包括光聚合物、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全息介质。

波导50上的衍射光栅可包括全息相位光栅诸如体积全息图或薄膜全息图、元光栅或任何其他期望的衍射光栅结构。波导50上的衍射光栅还可包括形成在波导26中的基底的一个或多个表面上的表面起伏光栅、由金属结构的图案形成的光栅等。衍射光栅可例如包括在相同体积的光栅介质内至少部分重叠的多个复用光栅(例如，全息图)(例如，用于以一个或多个对应的输出角度衍射不同颜色的光和/或来自不同输入角度范围内的光)。如果需要，可以使用诸如百叶窗镜之类的其他光重定向元件来代替波导50中的衍射光栅。

如图2所示，显示模块20A可生成与要显示到适眼区24的图像内容相关联的图像光38。如果需要，可以使用准直透镜对图像光38进行准直。图像光38可为例如包含和/或表示诸如场景或对象之类的可视事物的光(例如，使用由控制电路提供给显示模块的图像数据调制到图像光上)。光学系统20B可用于将从显示模块20A输出的图像光38呈现到适眼区24。如果需要，显示模块20A可以安装在图1的支撑结构8内，而光学系统20B可以安装在支撑结构8的部分之间(例如，以形成与眼箱24对准的镜头)。如果需要，可使用其他安装布置。

光学系统20B可包括一个或多个光学耦合器(例如，光重定向元件)诸如输入耦合器52、交叉耦合器54和输出耦合器56。在图2的示例中，输入耦合器52、交叉耦合器54和输出耦合器56形成在波导50处或该波导上。输入耦合器52、交叉耦合器54和/或输出耦合器56可完全嵌入在波导50的基底层内、可部分嵌入在波导50的基底层内、可安装到波导50(例如，安装到波导50的外表面)等。

波导50可经由全内反射沿其长度引导图像光38。输入耦合器52可被配置为将图像光38从显示模块20A耦合到波导50中，而输出耦合器56可被配置为将图像38从波导50内耦合到波导50外部并且朝向适眼区24。输入耦合器52可包括输入耦合棱镜、波导50的边缘或面、透镜、转向镜或液晶转向元件、或任何其他期望的输入耦合元件。例如，显示模块20A可沿+Y方向朝向光学系统20B发射图像光38。当图像光48入射到输入耦合器52时，输入耦合器52可重定向图像光38，使得该光在波导50内经由全内反射朝向输出耦合器56(例如，在波导50的全内反射(TIR)范围内沿+X方向)传播。当图像光38入射到输出耦合器56时，输出耦合器56可以将图像光38重定向离开波导50并且朝向适眼区24(例如，再回到沿Y轴)。透镜诸如透镜60可有助于将图像光38引导或聚焦到适眼区24上。如果需要，可省略透镜60。例如，在交叉耦合器54形成在波导50处的场景中，交叉耦合器54可在图像光38沿波导50的长度传播时将该图像光在一个或多个方向上重定向。在重定向图像光38时，交叉耦合器54还可以对图像光38执行光瞳扩展。

输入耦合器52、交叉耦合器54和/或输出耦合器56可以基于反射光学器件和折射光学器件，或者可以基于衍射(例如，全息)光学器件。在其中耦合器52、54和56由反射光学器件和折射光学器件形成的布置中，耦合器52、54和56可包括一个或多个反射器(例如，微镜、部分镜、百叶窗镜、或其他反射器的阵列)。在其中耦合器52、54和56基于衍射光学器件的布置中，耦合器52、54和56可包括衍射光栅(例如，体积全息图、表面起伏光栅等)。

图2的示例仅为例示性的。光学系统14B可包括相对于彼此横向和/或竖直堆叠的多个波导。每个波导可包括耦合器52、54和56中的一个耦合器、两个耦合器、全部耦合器或不包括这些耦合器。如果需要，波导50可为至少部分弯曲的或弯折的。可省略耦合器52、54和56中的一者或多者。如果需要，光学系统20B可以包括诸如表面起伏光栅结构之类的光耦合器，该光耦合器执行交叉耦合器54和输出耦合器56两者的操作。例如，当图像沿波导50传播时(例如，当扩展图像光时)，表面起伏光栅结构可使图像光38重定向，并且表面起伏光栅结构还可将图像光38耦合出波导50并且朝向适眼区24。

图3A是示出如何可在波导50上形成表面起伏光栅结构的一个示例的顶视图。如图3A所示，波导50可具有第一侧(例如，外)表面70和与侧表面70相对的第二侧表面72。波导50可以包括任何期望数量的一个或多个堆叠波导基底。如果需要，波导50还可包括夹置(插置)在第一波导基底与第二波导基底之间的光栅介质层(例如，其中第一波导基底包括侧表面70并且第二波导基底包括侧表面72)。

波导50可以设置有表面起伏光栅结构，诸如表面起伏光栅结构74。表面起伏光栅(SRG)结构74可以形成在基底内，诸如SRG基底(介质)76的层内。在图3A的示例中，SRG基底76层叠到波导50的侧表面70上。这仅为例示性的，并且如果需要，SRG基底76可以层叠到侧表面72(例如，波导50的面向适眼区的表面)上。

SRG结构74可包括至少两个部分重叠的表面起伏光栅。SRG结构74中的每个表面起伏光栅可以由SRG基底76的厚度中的对应脊(峰)78和谷(槽)80限定。在图3A的示例中，为了清楚起见，SRG结构74被示为二元结构，其中SRG结构74中的表面起伏光栅由与峰78相关联的第一厚度或与谷80相关联的第二厚度限定。这仅为例示性的。如果需要，SRG结构74可以是非二元的(例如，可以包括遵循任何期望轮廓的任何期望数量的厚度，可以包括相对于Y轴成非平行条纹角度的峰78等)。如果需要，可以使用粘合剂层(未示出)将SRG基底76粘附到波导50的侧表面70。例如，SRG结构74可以与波导50分开制造，并且可以在制造之后粘附到波导50。

图3A的示例仅为例示性的。在另一个具体实施中，SRG结构74可以放置在波导50内部的某位置处，如图3B的示例中所示。如图3B所示，波导50可以包括第一波导基底84、第二波导基底86以及插置在波导基底84与波导基底86之间的介质层82。介质层82可以是光栅或全息记录介质、粘合剂层、聚合物层、波导基底层或波导50内的任何其他期望层。SRG基底76可以层叠到波导基底84的面向波导基底86的表面上。另选地，SRG基底76可以层叠到波导基底86的面向波导基底84的表面上。

如果需要，SRG结构74可以分布在SRG基底的多个层上，如图3C的示例所示。如图3C所示，光学系统可包括多个堆叠的波导，诸如至少第一波导50和第二波导50'。第一SRG基底76可以层叠到波导50的一个侧表面上，而第二SRG基底76'层叠到波导50'的一个侧表面上。第一SRG基底76可包括SRG结构74中的一个或多个表面起伏光栅。第二SRG基底76'可包括SRG结构74中的一个或多个表面起伏光栅。该示例仅为例示性的。如果需要，该光学系统可包括多于两个堆叠的波导。在其中光学系统包括多于两个波导的示例中，设置有SRG基底的每个波导可包括SRG结构74中的一个或多个表面起伏光栅。虽然在本文中描述为单独的波导，但如果需要，图3C的波导50和50'也可由同一波导的相应波导基底形成。如果需要，可将图3A、3B和/或3C中的布置相结合。

在实施过程中，期望波导50上的输出耦合器利用尽可能均匀强度的图像光38尽可能大地填充适眼区24。SRG结构74可以执行用于波导50的交叉耦合器和输出耦合器两者的功能。因此，SRG结构74可被配置为在一个或多个维度上扩展图像光38，同时还将图像光38耦合出波导50。通过使用SRG结构74作为交叉耦合器和输出耦合器两者，可节省显示器内的空间(例如，原本将由单独的交叉耦合器和输出耦合器占据的空间)。通过共同定位多个表面起伏光栅以沿不同方向重定向(扩展)图像光38(例如，在波导50中或波导50上以重叠或交错布置)，可以更有效地利用显示器内的空间。SRG结构74中的表面起伏光栅可在物理空间中重叠(例如，当沿图3A至图3C的-Y方向观察时)，并且在其中仅使用单个SRG基底76的具体实施中，每个表面起伏光栅可至少部分地在SRG基底76的相同体积内重叠。尽管在波导50上重叠，但SRG结构74中的表面起伏光栅衍射来自不同相应方向的入射光和/或将入射光衍射到不同的相应方向上。

图4是波导50上的SRG结构74的前视图。如图4所示，SRG结构74可包括至少第一表面起伏光栅(SRG)100和第二SRG 102。这仅为例示性的，并且如果需要，SRG结构74可包括多于两个SRG。SRG结构74中的每个SRG可包括SRG基底中的相应一组峰78和谷80(例如，在相应的取向上)。SRG结构74中的每个SRG可以通过相应的光栅矢量k来表征。因此，每个SRG(例如，SRG 100、SRG 102等)在本文中有时可以简称为光栅或光栅矢量(例如，SRG结构74可包括两个或更多个SRG、光栅或光栅矢量)。

SRG结构74中每个SRG的光栅矢量k垂直于SRG中的峰78和谷80的方向取向。因此，光栅矢量k的方向也将描述SRG中的峰78和谷80的方向。光栅矢量k的量值对应于SRG中的峰78和谷80的宽度和间距(例如，周期)，以及由SRG衍射的光的波长。表面起伏光栅通常具有相对较宽的带宽。例如，SRG结构74中每个SRG的带宽可以包含图像光38中的每个波长(例如，整个可见光谱、可见光谱的一部分、红外或近红外光谱的一部分、可见光谱的一部分或全部以及红外或近红外光谱的一部分等)。

在图4的示例中，SRG 100通过对应的光栅矢量k

图像光38可以通过波导50传送到SRG结构74(例如，经由全内反射)。第一SRG 100可被配置为使图像光38围绕第一轴(例如，反射模式中的第一反射轴)衍射，而第二SRG 102被配置为使图像光38围绕不同于第一轴的第二轴(例如，第二反射轴)衍射。SRG 100和102可被配置为对图像光38执行双重功能(例如，衍射操作)。例如，每个SRG可被配置为将图像光38沿垂直方向(平行于Z轴)重定向，并且可被配置为将图像光38重定向离开波导50(例如，平行于Y轴)。

如图4的示例中所示，第一SRG 100可以将沿+Z和+X方向行进的图像光38向下(例如，沿-Z方向)和向外(例如，沿-Y方向)重定向(衍射)，如箭头92和96所示。同时，第二SRG102可以将沿-Z和+X方向行进的图像光38向上(例如，沿+Z方向)和向外(例如，沿-Y方向)重定向(衍射)，如箭头90和96所示。SRG结构74中的SRG通过将图像光沿+Z或-Z方向重定向(例如，用于对图像光进行+Z或-Z扩展)来执行它们相应的交叉耦合器操作。SRG结构74中的SRG通过将图像光沿-Y方向重定向来执行它们相应的输出耦合器操作。即，由SRG 102进行+Z扩展后的图像光38可通过SRG 100输出耦合，并且由SRG 100进行-Z扩展后的图像光38可通过SRG 102输出耦合。这样，每个SRG可执行两种不同的衍射操作(例如，总共四个衍射操作，诸如+Z扩展、+Z扩展光的输出耦合、-Z扩展以及-Z扩展光的输出耦合)，而不需要四个单独的光栅来分别执行+Z扩展、+Z扩展光的输出耦合、-Z扩展以及-Z扩展光的输出耦合。这可用于减少系统10的制造成本和复杂性，减少光学行进距离，增加吞吐量，以及优化空间使用而不牺牲视场。此外，这可用于减少与每条光线到达眼睛所需的光重定向元件的相互作用的数量，从而提高显示器的效率。

图5是SRG结构74的透视图。如图5所示，SRG结构74可以使用SRG 102将图像光38沿+Z方向(如箭头90所示)和-Y方向(如箭头96所示)重定向。同时，SRG结构74可以使用SRG100将图像光38沿-Z方向(如箭头92所示)和-Y方向(如箭头96所示)重定向。通过使用SRG结构74以这种方式执行光扩展操作，可以用均匀强度的图像光填充相对较大的适眼区24以实现相对较宽的视场。为清楚起见，图4和图5的示例仅示出了由SRG结构74执行的一个或两个光重定向操作。在实施过程中，当图像光38沿SRG结构74的长度传播时，这些光重定向在整个SRG结构74中执行。图像光38可以在沿+X方向传播时沿+Z和-Z方向被连续扩展，并且沿-Y方向被输出耦合。

为了使显示器的效率最大化，可以在SRG结构74的横向(空间)区域上(例如，在图4和图5的X-Z平面中)调制SRG结构74。可通过在SRG结构74的横向区域的一些部分处添加(叠加)附加SRG和/或通过在SRG结构74的横向区域上调制SRG结构74中的每个SRG(例如，每个光栅矢量k)的强度来在SRG结构74的横向区域上调制该SRG结构。可以通过在SRG结构74的横向区域上改变SRG的峰和谷的深度和/或通过将单个SRG定义为两个SRG光栅矢量(例如，光栅矢量k

图6是示出如何可在SRG结构74的横向区域上调制SRG 100和102的强度的前视图。如图6所示，SRG结构74可具有上边缘116和下边缘118。SRG结构74可以具有中心区域112、位于中心区域112与上边缘116之间的第一(上)外围区域110，以及位于中心区域112与下边缘118之间的第二(下)外围区域114。中心区域112可跨越平行于Z轴的SRG结构74的高度的任何期望量(例如，25％、10％、30％、50％、大于50％、小于50％、大于10％、大于20％、大于30％、大于40％、小于40％、小于30％、小于20％等)。外围区域110在本文中有时可被称为眉部区域110(例如，因为当用户正在观看显示器时，区域110位于或邻近用户的眉部)。外围区域114在本文中有时可被称为面颊区域114(例如，因为当用户正在观看显示器时，区域114位于或邻近用户的面颊)。

可通过跨SRG结构74的高度(平行于Z轴)改变SRG的强度来调制SRG 100和SRG102。例如，SRG 100可在眉部区域100内具有相对较高的强度，在面颊区域114内具有相对较低的强度或没有强度，并且在中心区域112内具有中等或梯度强度。相反，SRG 102可在面颊区域114内具有相对较高的强度，在眉部区域110内具有相对较低的强度或没有强度，并且在中心区域112内具有中等或梯度强度。将SRG 100配置成在眉部区域110中最强并且将SRG102配置成在面颊区域114中最强可用于最大化显示器的整体效率，因为由SRG 100沿-Z方向扩展的图像光的大部分将入射到SRG结构74的上半部上并且由SRG 102沿+Z方向扩展的图像光的大部分将入射到SRG结构74的下半部上。

图6的曲线图132绘制了光栅强度随着沿SRG结构74的高度的位置(例如，沿Z轴的位置Z)而变化的函数关系。例如，SRG 100可被调制成使得SRG表现出由曲线120表征的强度，而SRG 102被调制成使得SRG表现出由曲线图132的曲线122表征的强度。在该示例中，如曲线120所示，SRG 100在边缘116处表现出最大(例如，100％)强度，在边缘118处表现出最小(例如，0％)强度，并且从边缘116到边缘118表现出线性梯度强度。类似地，如曲线122所示，SRG 102在边缘118处表现出最大(例如，100％)强度，在边缘116处表现出最小(例如，0％)强度，并且从边缘118到边缘116表现出线性梯度强度。该示例仅为例示性的。

曲线120和122不必为线性的，并且如果需要，可以在边缘116和118之间连续地弯曲，如分别由示例性曲线128和130所示。又如，SRG 100可被调制成使得SRG表现出由曲线126表征的强度，并且SRG 102可被调制成使得SRG表现出由曲线124表征的强度。在该示例中，SRG 100在眉部区域110中表现出最大强度，在面颊区域114中表现出最小强度或没有强度，并且在中心区域112内表现出线性梯度强度。类似地，SRG 102在面颊区域114中表现出最大强度，在眉部区域110中表现出最小强度或没有强度，并且在中心区域112内表现出线性梯度强度。当以这种方式调制时，在物理空间中，SRG结构74可以在中心区域112内具有棋盘图案(例如，二维光栅图案)(例如，来自强度相似的SRG 100和102的交叉点)，可以在眉部区域110内具有基本上线性的图案(例如，一维光栅图案)(例如，来自SRG 100)，并且可以在面颊区域114内具有基本上线性的图案(例如，来自SRG 102)。

图6的示例仅为例示性的。如果需要，曲线124和126可以在中心区域112内弯曲。如果需要，曲线124可以在眉部区域110中具有非零值。如果需要，曲线126可以在面颊区域114中具有非零值。曲线124在眉部区域110内的零值和曲线126在面颊区域114内的零值(例如，减小SRG 100和102重叠的区域)可以例如有助于减轻图像光中的彩虹伪影。在实施过程中，曲线120-130可以具有其他形状。一般而言，SRG 100和102的调制可由曲线图132中所示的曲线的任何期望组合、由任何期望的阶跃函数(例如，在眉部区域110中具有最大值或最小值、在中心区域112中具有中间值并且在面颊区域114中具有最小值或最大值的阶跃函数、具有多于三个阶数的阶跃函数等)、和/或由位置Z的任何其他期望(调制)函数来表征。例如，可以通过将傅里叶空间谐波与相对幅度叠加，然后采用等高线图以获得二维光栅轮廓，来计算每个SRG的最佳调制函数。二维光栅轮廓可以在三维中闪耀或在三维中涂覆。这可能涉及到具有光栅的目镜，该光栅连续地或多次地在目镜上改变形状。以这种方式在SRG结构74的区域上调制该SRG结构可用于最大化显示器扩展并外耦合图像光24的整体效率。

如果需要，SRG结构74也可被调制成将SRG结构74沿其长度设置有不同衍射效率。图7是示出SRG结构74如何沿其长度(尺寸X)设置有不同衍射效率的前视图。如图7所示，SRG结构74可具有第三(左)边缘140和第四(右)边缘142(例如，其中边缘116和118从边缘140延伸到边缘142)。

SRG结构74可具有中心区域146、位于中心区域146与左边缘140之间的第一(左)外围区域144，以及位于中心区域146与右边缘142之间的第二(右)外围区域148。中心区域146可跨越平行于X轴的SRG结构74的长度的任何期望量(例如，25％、10％、30％、50％、大于50％、小于50％、大于10％、大于20％、大于30％、大于40％、小于40％、小于30％、小于20％等)。外围区域144在本文中有时可被称为鼻部区域144(例如，因为当用户正在观看显示器时，区域144位于或邻近用户的鼻部)。外围区域148在本文中有时可被称为太阳穴区域148(例如，因为当用户正在观看显示器时，区域148位于或邻近用户的太阳穴)。这仅为例示性的，并且在实施过程中，区域144可以是太阳穴区域并且区域148可以是鼻部区域(例如，具体取决于SRG结构74在系统内的位置)。

在图7的示例中，图像光38在左边缘140处入射到SRG结构74上。这仅为例示性的，并且在其他具体实施中，图像光38可在右边缘142处入射到SRG结构74上。在图像光38在左边缘140处入射到SRG结构74上的示例中，图7的曲线图150绘制了衍射效率随着沿SRG结构74的长度的位置(例如，沿X轴的位置X)而变化的函数关系。SRG结构74中的SRG(例如，SRG100和SRG 102)可各自被调制成将SRG结构74配置为在外围区域148内表现出最大衍射效率并且在外围区域144内表现出最小衍射效率。这可用于防止SRG结构74在图像光已到达中心区域146和/或外围区域148之前将过量的图像光38衍射出波导50，同时还确保外围区域148中的任何剩余图像光38被耦合出波导，从而允许图像光以在适眼区的视场上尽可能均匀的亮度填充适眼区24。

例如，SRG 100和SRG 102可以各自被调制成使得每个SRG表现出由曲线图150的曲线152所表征的衍射效率。在该示例中，如曲线152所示，SRG 100和SRG 102在外围区域148内表现出最大(例如，100％)衍射效率，在外围区域144内表现出最小(例如，0％)衍射效率，并且在从外围区域148到外围区域144的中心区域146内表现出线性梯度衍射效率。虽然最大衍射效率在本文中有时被称为100％衍射效率，但该百分比是相对于SRG的整体峰值衍射效率所测量的相对值(例如，在实施过程中，每个SRG的整体最大衍射效率可小于100％衍射效率)。

又如，SRG 100和SRG 102可各自被调制成使得每个SRG表现出由阶跃函数所表征的衍射效率，如曲线154所示(例如，在中心区域146内具有单个中间衍射效率)。这些示例仅仅是例示性的。曲线154的一部分或全部可以是弯曲的而不是线性的。曲线152的一部分或全部可以是弯曲的而不是线性的。曲线154可具有任何期望数量的阶数。通常，可以在SRG结构74的整个长度上使用任何期望的调制函数(例如，从左边缘140到右边缘142的连续弯曲的调制函数、从左边缘140到右边缘142的线性梯度函数、这些布置中的两种或更多种布置的组合等)。

例如，可以通过改变用于形成每个SRG的峰和谷的几何形状和/或通过增加SRG结构74中沿X轴的光栅矢量的数量来以这种方式调制SRG结构74的衍射效率。SRG结构74可如图7中所示沿X轴被调制，可如图6中所示沿Z轴被调制，或者可同时沿X轴和Y轴被调制(例如，可将图6和图7的布置相结合)。例如，SRG 100可被调制成使得SRG 100的强度在远离上边缘116的点处沿着Z轴减小(如图6所示)，并且SRG 102可被调制成使得SRG 102的强度在远离下边缘118的点处沿着Z轴减小(如图6所示)，并且SRG 100和SRG2均可被调制成(或者可以添加附加的SRG光栅)使得SRG结构74的衍射效率在远离左边缘140的点处沿着X轴增大(如图7所示)。

图6和图7的示例仅为例示性的。每个SRG的强度和SRG结构74的整体衍射效率可沿任何期望方向而变化。调制不必是严格定向的(例如，可通过增加或减小SRG结构74的横向区域的一个或多个区域内的SRG强度和/或衍射效率，而不增加或减小SRG结构74的横向区域的其他区域中的SRG强度或衍射效率来调制SRG结构74)。SRG结构74可具有任何期望的侧向形状(例如，SRG结构74可具有遵循任何期望的直线或曲线路径的三个侧向边缘或多于四个侧向边缘)。边缘116、118、140和/或142可遵循相对于彼此以任何期望角度延伸的任何期望弯曲和/或直线路径(例如，SRG结构74可具有矩形侧向轮廓、正方形侧向轮廓、非矩形侧向轮廓，或可具有任何其他期望侧向形状)。

图8是示出由SRG结构74对图像光38所执行的衍射操作的一个示例的k空间(动量空间)图。图8中的k空间图是表征SRG结构74在三维中的操作的三维k球体的二维横截面(例如，为了清楚起见，图8中省略了k球体的其中一个分量)。区域164表示如在适眼区24处提供的视场。区域168表示由输入耦合器52(图2)耦合到波导50中并且入射到SRG结构74上的图像光38。圆162与圆160之间的区域表示波导50的全内反射(TIR)范围(例如，当图像光38位于圆162和160之间时，该图像光将经由TIR沿着波导50传播)。

箭头170示意性地表示由SRG 102对入射到SRG结构74上的图像光38所执行的第一衍射操作。此第一衍射执行SRG 102的交叉耦合器功能，从而有助于扩展图像光(例如，沿如图6中所示的+Z方向)。箭头170的长度对应于与SRG 102相关联的光栅矢量k

箭头174示意性地表示由SRG 100对入射到SRG结构74上的图像光38所执行的第一衍射操作。该第一衍射执行SRG 100的交叉耦合器功能，从而有助于扩展图像光(例如，沿如图6所示的-Z方向)。箭头174的长度对应于与SRG 100相关联的光栅矢量k

箭头172示意性地表示由SRG 100对已由SRG 102沿+Z方向扩展的图像光38所执行的第二衍射操作。此第二衍射执行SRG 100的输出耦合器功能，用于将经+Z扩展的图像光耦合出波导50(例如，沿如图6所示的-Y方向)。箭头172的长度对应于与SRG 100相关联的光栅矢量k

箭头178示意性地表示由SRG 102对已由SRG 100沿-Z方向扩展的图像光38所执行的第二衍射操作。此第二衍射执行SRG 102的输出耦合器功能，用于将经-Z扩展的图像光耦合出波导50(例如，沿如图6所示的-Y方向)。箭头178的长度对应于与SRG 102相关联的光栅矢量k

在实施过程中，由SRG 100和102执行的交叉耦合功能可以将不期望的背反射引入到SRG结构74中。当以特定入射角入射到SRG上的图像光38被SRG向后反射(例如，以相对于入射角的180度角)而不是被衍射到期望的输出角的情况下，发生背反射。如果稍有不慎，则该背反射光可能从SRG结构的侧面泄漏出来，从而限制在适眼区24处可实现的最大亮度。在图8的示例中，SRG 100的背反射由箭头180表示，并且SRG 102的背反射由箭头182表示。如果需要，SRG结构74可包括附加SRG(光栅矢量)以用于抵消与箭头182相关联的背反射，并且可包括附加SRG(光栅矢量，以用于抵消与箭头180相关联的背反射)。这些附加SRG可有助于将背反射的图像光保持在SRG结构74的横向区域内，从而为背反射光由至少SRG 100和102交叉耦合和输出耦合提供更多机会。这可用于使在适眼区24处可实现的峰值亮度最大化。

图4至图8所示的示例假设显示模块位于系统10的支撑结构的太阳穴区域中。这仅为例示性的，并且在其中显示模块位于支撑结构的鼻部区域中的具体实施中，图4至图6中的布置可以在围绕Z轴的取向上反转。如果需要，光栅矢量k

图9是SRG结构74的部分200(在物理空间中)的前视图。如图9所示，部分200包括峰78和谷80。峰78和谷80的宽度、间距和取向可由位于SRG结构74的一部分内的一个或多个SRG给出(例如，来自单个SRG或多个SRG的叠加)。由于SRG结构74在其横向区域上被调制，因此SRG结构74的峰和谷在SRG结构74的横向区域上的其他位置处的物理空间中将具有不同的宽度、间距和/或取向。如果需要，可使用波导50上的任何期望类型的衍射光栅结构来执行如本文所述的SRG结构74的操作(例如，SRG结构74中的每个SBG可由一个或多个相应的体积全息图、薄膜全息图、元光栅或执行如本文所述的SBG的操作的任何其他期望类型的衍射光栅来代替)。如果需要，SRG结构74中的一个或多个SRG可以用一个或多个体积全息图、薄膜全息图、元光栅、其他类型的衍射光栅、百叶窗镜或其他反射结构来代替，这些反射结构执行与被代替的SRG相同的操作。如果需要，SRG结构74中的一个或多个SRG可以用一个或多个体积全息图、薄膜全息图、元光栅等来代替，它们执行与被代替的SRG相同的操作，而SRG结构74还包括执行本文所述功能的SRG(例如，在混合耦合器布置中)。

根据一个实施方案，提供了一种显示系统，该显示系统包括：波导，该波导被配置为经由全内反射沿第一方向传播图像光；和该波导处的表面起伏光栅(SRG)结构，其中该SRG结构具有横向区域并且包括：第一SRG，该第一SRG被配置为使该图像光的第一部分沿不同于该第一方向的第二方向衍射，和第二SRG，该第二SRG至少部分地与该第一SRG重叠并且被配置为使该图像光的第二部分沿不同于该第一方向和该第二方向的第三方向衍射，该第一SRG被配置为将已被该第二SRG衍射的该图像光的第二部分衍射出该波导，该第二SRG被配置为将已被该第一SRG衍射的该图像光的第一部分衍射出该波导，并且该第一SRG具有在该SRG结构的该横向区域上被调制的光栅强度。

根据另一实施方案，该第二SRG具有在该SRG结构的该横向区域上被调制的附加光栅强度。

根据另一实施方案，该SRG结构具有第一边缘和与该第一边缘相对的第二边缘，该第一SRG的光栅强度在该第一边缘处具有第一值并且在该第二边缘处具有第二值，并且该第二值小于该第一值。

根据另一实施方案，该第二SRG的该附加光栅强度在该第二边缘处具有第三值并且在该第一边缘处具有第四值，该第四值小于该第三值。

根据另一实施方案，该第一SRG的该光栅强度从该第一边缘到该第二边缘以线性梯度减小，并且该第二SRG的该附加光栅强度从该第二边缘到该第一边缘以线性梯度减小。

根据另一实施方案，该SRG结构具有第三边缘和与该第三边缘相对的第四边缘，该第一SRG和该第二SRG被配置为在该第三边缘处表现出第一衍射效率，并且该第一SRG和该第二SRG被配置为在该第四边缘处表现出第二衍射效率，该第二衍射效率大于该第一衍射效率。

根据另一实施方案，该SRG结构的该第一边缘和该第二边缘平行于该第一方向延伸。

根据另一实施方案，该显示系统包括层叠在该波导的侧表面上的SRG基底，该第一SRG和该第二SRG形成在该SRG基底中。

根据另一实施方案，该SRG结构包括第三SRG，该第三SRG至少部分地与该第一SRG重叠并且被配置为减轻该第一SRG对该图像光的背反射。

根据一个实施方案，提供了一种显示系统，该显示系统包括：波导，该波导被配置为经由全内反射传播图像光；和位于该波导上的表面起伏光栅(SRG)结构，该SRG结构具有第一区域、第二区域和第三区域，该第二区域横向插置在该第一区域与该第三区域之间，该SRG结构包括第一SRG，该第一SRG被配置为对该第一区域中的该图像光贡献第一衍射量、对该第二区域中的该图像光贡献第二衍射量，并且对该第三区域中的该图像光贡献第三衍射量，该第二衍射量小于该第一衍射量并且该第三衍射量小于该第二衍射量，该SRG结构包括至少部分地与该第一SRG重叠的第二SRG，该第二SRG被配置为对该第一区域中的图像光贡献该第三衍射量、对该第二区域中的图像光贡献该第二衍射量，并且对该第三区域中的图像光贡献该第一衍射量，并且该SRG结构被配置为将该图像光耦合出该波导。

根据另一实施方案，该第一SRG和该第二SRG各自被配置为扩展该图像光。

根据另一实施方案，该第一SRG被配置为沿第一方向扩展该图像光，该第二SRG被配置为将由该第一SRG沿第一方向扩展的该图像光耦合出该波导，该第二SRG被配置为沿与该第一方向不同的第二方向扩展该图像光，并且该第一SRG被配置为将由该第二SRG沿该第二方向扩展的该图像光耦合出该波导。

根据另一实施方案，该显示系统包括层叠在该波导上的SRG基底，该第一SRG和该第二SRG形成在该SRG基底中。

根据另一实施方案，该波导包括具有第一侧表面的第一波导基底和具有第二侧表面的第二波导基底，该显示系统包括层叠在该第一侧表面上的第一SRG基底，该第一SRG形成在该第一SRG基底中；和层叠在该第二侧表面上的第二SRG基底，该第二SRG形成在该第二SRG基底中。

根据另一实施方案，该SRG结构包括第四区域、第五区域和第六区域，该第五区域横向插置在该第四区域与该第六区域之间，该第四区域、该第五区域和该第六区域各自与该第一区域、该第二区域和该第三区域重叠，并且该第一SRG和该第二SRG被配置为在该第四区域中表现出第一衍射效率，在该第五区域中表现出大于该第一衍射效率的第二衍射效率，并且在该第六区域中表现出大于该第二衍射效率的第三衍射效率。

根据另一实施方案，该显示系统包括输入耦合器，该输入耦合器被配置为将该图像光耦合到该波导中，其中该SRG结构的该第四区域光学地插置在该输入耦合器与该SRG结构的该第五区域之间。

根据一个实施方案，提供了一种头戴式显示设备，该头戴式显示设备包括：波导；输入耦合器，该输入耦合器被配置为将图像光耦合到该波导中；位于该波导上的表面起伏光栅(SRG)结构，该SRG结构被配置为扩展该图像光，该SRG结构被配置为将经扩展的图像光耦合出该波导，该SRG结构具有眉部区域和面颊区域，并且该SRG结构包括：第一SRG，该第一SRG具有从该眉部区域到该面颊区域减小的第一强度，和第二SRG，该第二SRG至少部分地与该第一SRG重叠并且具有从该面颊区域到该眉部区域减小的第二强度。

根据另一实施方案，该第一SRG被配置为沿第一方向扩展该图像光的第一部分，该第二SRG被配置为沿与该第一方向相反的第二方向扩展该图像光的第二部分，该第一SRG被配置为将由该第二SRG扩展的该图像光的第二部分耦合出该波导，并且该第二SRG被配置为将由该第一SRG扩展的该图像光的第一部分耦合出该波导。

根据另一实施方案，该SRG结构具有鼻部区域和与该鼻部区域不同的太阳穴区域，该鼻部区域与该眉部区域和该面颊区域重叠，该太阳穴区域与该眉部区域和该面颊区域重叠，该SRG结构被配置为在该鼻部区域处接收该图像光，该第一SRG和该第二SRG在该鼻部区域中具有第一衍射效率，并且该第一SRG和该第二SRG在该太阳穴区域中具有大于该第一衍射效率的第二衍射效率。

根据另一实施方案，该SRG结构具有鼻部区域和与该鼻部区域不同的太阳穴区域，该鼻部区域与该眉部区域和该面颊区域重叠，该太阳穴区域与该眉部区域和该面颊区域重叠，该SRG结构被配置为在该太阳穴区域处接收该图像光，该第一SRG和该第二SRG在该鼻部区域中具有第一衍射效率，并且该第一SRG和该第二SRG在该太阳穴区域中具有小于该第一衍射效率的第二衍射效率。

前述内容仅为例示性的并且可对所述实施方案作出各种修改。前述实施方案可独立实施或可以任意组合实施。