具有可变屈光力反射器的显示系统的制作方法

具有可变屈光力反射器的显示系统
1.本技术是国际申请号为pct/us2018/019250、国际申请日为2018年02月22日、中国国家申请号为201880026214.2、标题为“具有可变屈光力反射器的显示系统”的专利申请的分案申请。
2.相关申请的交叉引用
3.本技术要求于2017年2月23日提交的题为“variable-focus virtual image devices(可变焦虚拟图像设备)”的美国临时专利申请号62/462,850的优先权权益，其以整体内容通过引用并入本文。该临时专利申请包括通过引用并入并且形成本专利申请的一部分的以下部分：
4.1.部分i：针对题为“display system with variable power reflector(具有可变屈光力反射器的显示系统)”的申请的一部分的说明书和附图。
5.2.部分ii：针对题为“variable-focus virtual image devices based on polarization conversion(基于偏振转换的可变焦虚拟图像设备)”的申请的一部分的说明书和附图。
6.部分i和ii讨论了可变焦或者可变屈光力设备以及与这些设备的部件相关联的特征并且这两个部分同样地形成本技术的公开内容的一部分。因此，部分i中所描述的各种特征、元素、结构、方法等可以以任何组合与部分ii中所描述的特征、元素、结构、方法等一起使用、组合、并入、或以其他方式兼容。同样，部分ii中所描述的各种特征、元素、结构、方法等可以以任何组合与部分i中所描述的特征、元素、结构、方法等一起使用、组合、并入、或以其他方式兼容。
7.本技术还通过引用并入以下各专利申请的整体内容：于2014年11月27日提交的美国申请号14/555,585；于2015年4月18日提交的美国申请号14/690,401；于2014年3月14日提交的美国申请号14/212,961；于2014年7月14日提交的美国申请号14/331,218。
技术领域
8.本公开涉及光学设备，包括增强现实成像和可视化系统。


背景技术：

9.现代计算和显示技术促进了用于所谓的“虚拟现实”或“增强现实”体验的系统的开发，其中数字再现图像或其一部分以看起来是真实的或可以被感知为真实的方式呈现给用户。虚拟现实或“vr”场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现而对其它实际的真实世界视觉输入不透明；增强现实或“ar”场景通常涉及将数字或虚拟图像信息呈现为对用户周围的实际世界的可视化的增强。混合现实或“mr”场景是“ar”类型的场景，并且通常涉及被整合到自然世界中且响应于自然世界的虚拟对象。例如，mr场景可以包括看起来由真实世界中的对象阻挡或者被感知为与真实世界中的对象交互的ar图像内容。
10.参考图1，了增强现实场景1。ar技术的用户看到以人、树木、背景中的建筑物和混凝土平台30为特征的真实世界的公园状设置20。用户还感知到他/她“看到”“虚拟内容”，例
如站在真实世界平台1120上的机器人雕像40，以及看起来是大黄蜂的化身的正在飞行的卡通式化身角色50。这些元素50、40是“虚拟的”，其在真实世界中不存在。由于人类的视觉感知系统是复杂的，因此产生促进除其他虚拟或真实世界图像元素之外的虚拟图像元素的舒适的、感觉自然的、丰富的呈现的ar技术是具有挑战性的。
11.本文公开的系统和方法解决了与ar和vr技术相关的各种挑战。


技术实现要素：

12.本技术包括可以用于提供可变屈光力的系统和方法的讨论。可变焦或者可变屈光力设备可以发现在投射图像的某些头戴式显示设备中的应用，好像所述图像源于不同深度。通过改变所述头戴式显示设备中的光学元件的屈光力，呈现给所述头戴式显示设备的穿戴者的图像看起来好像位于距所述穿戴者不同距离处。因此，所述可变焦或者可变屈光力光学设备可以调制以使得不同图像内容显示，好像所述图像内容位于相对于所述用户的不同位置处。一些可变屈光力元件包括反射器，所述反射器包括可移动膜。其他可变屈光力元件包括液晶可切换设备，所述液晶可切换设备可以使用可切换液晶元件在屈光力水平之间切换。本文所描述的一些可变焦设备利用光的偏振性质以利于从一个焦点切换到另一个。
13.本公开的系统、方法和设备各自具有数个创新方面，其中没有单独一个仅负责本文所公开的期望的属性。下文提供了各种示例系统和方法。
14.实施例1：一种可穿戴增强现实头戴式显示系统，其被配置为将来自穿戴所述头戴式系统的穿戴者前面的世界的光传递到所述穿戴者的眼睛中，所述可穿戴增强现实头戴式显示系统包括：
15.光学显示器，其被配置为输出光以形成图像；
16.一个或多个波导，其被设置为接收来自所述显示器的所述光；
17.框架，其被配置为将所述波导设置在所述眼睛的前面，使得所述一个或多个波导具有前侧和后侧，所述后侧比所述前侧更接近于所述眼睛；
18.可变屈光力反射器，其被设置在所述一个或多个波导的所述前侧，所述可变屈光力反射器被配置为具有在施加电气信号时可调节的屈光力；
19.一个或多个耦出元件，其相对于所述一个或多个波导设置，以从所述一个或多个波导提取光并将在所述波导内传播的所述光的至少一部分引导到所述可变屈光力反射器，所述光从所述可变屈光力反射器引导回来通过所述波导并引导到所述眼睛中，以将来自所述显示器的图像呈现到所述穿戴者的所述眼睛中。
20.实施例2：根据实施例1所述的系统，其中，所述光学显示器包括扫描光纤显示器或液晶显示器。
21.实施例3：根据实施例1-2中的任一项所述的系统，其中，所述可变屈光力反射器包括具有可调节形状的可变形反射表面。
22.实施例4：根据实施例3所述的系统，其中，所述可变屈光力反射器包括施加电场以使所述反射表面变形的至少一个电极。
23.实施例5：根据实施例1-4中的任一项所述的系统，其中，所述可变屈光力反射器包括氮化硅。
24.实施例6：根据实施例1-5中的任一项所述的系统，其中，所述可变屈光力反射器包括被配置为在两个状态之间切换的一个或多个可切换光学元件。
25.实施例7：根据实施例6所述的系统，其中，所述两个状态包括两个反射水平。
26.实施例8：根据实施例6后7所述的系统，其中，所述两个状态包括两个屈光力水平。
27.实施例9：根据实施例6、7或8中的任一项所述的系统，其中，所述两个状态包括两个透射水平。
28.实施例10：根据实施例6-9中的任一项所述的系统，其中，所述一个或多个可切换光学元件包括衍射光学元件。
29.实施例11：根据实施例6-10中的任一项所述的系统，其中，所述一个或多个可切换光学元件包括反射元件。
30.实施例12：根据实施例6-11中的任一项所述的系统，其中，所述一个或多个可切换光学元件包括包含液晶的液晶元件。
31.实施例13：根据实施例6-12中的任一项所述的系统，其中，所述一个或多个可切换光学元件包括可切换偏振光栅或者可切换聚合物分散液晶元件。
32.实施例14：根据实施例1-13中的任一项所述的系统，其中，所述可变屈光力反射器包括可切换光学元件的堆叠，不同的所述可切换光学元件与不同屈光力相关联，使得可切换光学元件的所述堆叠可以在不同屈光力之间切换。
33.实施例15：根据实施例1-14中的任一项所述的系统，其中，所述可变屈光力反射器被配置为反射来自所述显示器的光，同时透射来自所述穿戴者前面的所述世界的光。
34.实施例16：根据实施例1-15中的任一项所述的系统，其中，所述可变屈光力反射器包括反射来自所述显示器的光同时透射来自所述穿戴者前面的所述世界的光的波长选择性滤波器。
35.实施例17：根据实施例1-16中的任一项所述的系统，其中，所述可变屈光力反射器具有包括陷波的透射光谱，具有对应于所述陷波的波长的光比邻近所述陷波的波长从所述可变屈光力反射器反射更多。
36.实施例18：根据实施例17所述的系统，其中，对应于所述陷波的所述波长被反射具有邻近所述陷波的波长的光的至少两倍。
37.实施例19：根据实施例17所述的系统，其中，对应于所述陷波的波长被反射具有邻近所述陷波的波长的光的至少五倍。
38.实施例20：根据实施例17-19中的任一项所述的系统，其中，所述显示器包括具有对应于所述陷波波长的颜色的颜色光源。
39.实施例21：根据实施例20所述的系统，其中，所述颜色光源的颜色对应于红光、绿光或蓝光。
40.实施例22：根据实施例1-21中的任一项所述的系统，其中，所述可变屈光力反射器包括反射来自所述显示器的光同时透射来自所述穿戴者前面的所述世界的光的一个或多个偏振选择性滤波器。
41.实施例23：根据实施例1-22中的任一项所述的系统，其中，所述一个或多个耦出元件被配置为：与所述反侧相比，将从所述一个或多个波导提取的更多光引导到所述一个或多个波导的所述前侧。
42.实施例24：根据实施例1-23中的任一项所述的系统，其中，所述一个或多个耦出元件包括一个或多个超表面、一个或多个液晶偏振光栅、一个或多个体积相位全息图或其任何组合。
43.实施例25：根据实施例1-24中的任一项所述的系统，还包括电子器件，其与所述可变屈光力反射器电气通信以驱动所述可变屈光力反射器，所述电子器件被配置为改变所述屈光力，以便呈现好像源于不同深度平面的不同图像内容。
44.实施例26：根据实施例25所述的系统，其中，所述电子器件被配置为在逐帧基础上改变所述屈光力。
45.实施例27：根据实施例25所述的系统，其中，所述电子器件被配置为在逐像素基础上改变所述屈光力。
46.实施例28：根据实施例1-27中的任一项所述的系统，还包括光再循环系统，其被配置为将从所述一个或多个波导提取的朝向所述一个或多个波导的所述后侧的光朝向所述前侧重定向，使得所述光可以入射在所述可变屈光力反射器上并引导到所述穿戴者的所述眼睛。
47.实施例29：根据实施例28所述的系统，其中，所述光再循环系统包括一个或多个偏振控制元件或者偏振选择性元件。
48.实施例30：根据实施例28所述的系统，其中，所述光再循环系统包括设置在所述一个或多个波导与所述眼睛之间的偏振选择性反射器。
49.实施例31：根据实施例30所述的系统，其中，所述光再循环系统包括设置在所述一个或多个光导与所述偏振选择性反射器之间的一个或多个延迟器。
50.实施例32：根据实施例31所述的系统，其中，设置在所述一个或多个光导与所述偏振反射器之间的所述一个或多个延迟器引入约半波的净延迟。
51.实施例33：根据实施例29-32中的任一项所述的系统，其中，所述再循环系统包括设置在所述一个或多个光导与可变屈光力反射器之间的一个或多个延迟器。
52.实施例34：根据实施例33所述的系统，其中，设置在所述一个或多个光导与可变屈光力反射器之间的所述一个或多个延迟器引入约四分之一波的净延迟。
53.实施例35：一种显示设备，包括：
54.波导，其被配置为在平行于所述波导的主表面的方向上在全内反射下传播可见光并在垂直于所述主表面的方向上耦出所述可见光；
55.可变形反射镜，其被配置为反射具有第一偏振的可见光，其中，所述可变形反射镜包括陷波反射器或一个或多个胆甾型液晶(clc)层中的至少一者，其中，所述clc层中的每一者包括多个手性结构，其中，所述手性结构中的每一者包括在层深度方向上延伸并在第一旋转方向上连续旋转的多个液晶分子，其中，所述手性结构的所述液晶分子的布置在垂直于所述层深度方向的横向方向上周期性变化，使得所述一个或多个clc层被配置为布拉格反射入射光。
56.实施例36：根据实施例35所述的显示设备，其中，所述波导被配置为朝向所述可变形反射镜选择性地耦出所述可见光。
57.实施例37：根据实施例35或36中的任一项所述的显示设备，其中，所述一个或多个clc层中的不同clc层被配置为反射具有在对应于红光、绿光或蓝光的不同光的波长范围内
的波长的可见光，同时被配置为透射具有所述波长范围之外的波长的光。
58.实施例38：根据实施例35-37中的任一项所述的显示设备，其中，所述clc层的所述手性结构中的每一者包括在层深度方向上延伸至少一螺距的多个液晶分子，其中，所述一个或多个clc层中的不同clc层具有不同螺距。
59.实施例39：根据实施例35-38中的任一项所述的显示设备，其中，所述一个或多个clc层中的不同clc层具有基本上相同的屈光力。
60.实施例40：根据实施例35-39中的任一项所述的显示设备，其中，所述显示设备包括多个陷波反射器，其中，所述陷波反射器中的每一者被配置为反射具有第一偏振的可见光，其中，所述陷波反射器中的每一者包括一个或多个胆甾型液晶(clc)层，其中，所述clc层中的每一者包括多个手性结构，其中，所述手性结构中的每一者包括在层深度方向上延伸并在第一旋转方向上连续旋转的多个液晶分子，其中，所述手性结构的所述液晶分子的布置在垂直于所述层深度方向的横向方向上周期性变化，使得所述一个或多个clc层被配置为布拉格反射入射光。
61.实施例41：根据实施例40所述的显示设备，其中，所述多个陷波反射器中的不同陷波反射器具有不同屈光力。
62.实施例42：根据实施例40所述的显示设备，还包括对应于所述多个陷波反射器中的每一者的半波片。
63.实施例43：一种显示设备，包括：
64.光投射器，其被配置为输出光以形成图像；
65.波导组件，其被配置为从所述光投射器接收光，所述波导组件被配置为在平行于所述波导组件的主表面的方向上经由全内反射传播所接收的光并在垂直于所述主表面的方向上耦出所接收的光，所述波导组件具有更接近于用户的眼睛设置的后侧以及与所述后侧相对设置的前侧；以及
66.可变形反射镜，其被配置为反射具有特性的所耦出的光的一部分，所述可变形反射镜被设置在所述波导组件的前侧。
67.实施例44：根据实施例43所述的显示设备，其中，所耦出的光的部分的所述特性包括偏振特性。
68.实施例45：根据实施例43或44所述的显示设备，其中，所耦出的光的部分的特性包括波长特性。
69.实施例46：根据实施例43-45中的任一项所述的显示设备，其中，所述可变形反射镜包括偏振反射器，其被配置为反射具有偏振特性的耦出光的一部分。
70.实施例47：根据实施例43-46中的任一项所述的显示设备，其中，所述可变形反射镜包括陷波反射器，其被配置为反射波长范围内的光。
71.实施例48：根据实施例43-47中的任一项所述的显示设备，还包括设置在所述波导组件的所述后侧的偏振器。
72.实施例49：根据实施例43-48中的任一项所述的显示设备，其中，所述可变形反射镜包括一个或多个胆甾型液晶(clc)层，其中，所述clc层中的每一者包括多个手性结构，其中，所述手性结构中的每一者包括在层深度方向上延伸并在第一旋转方向上连续旋转的多个液晶分子，其中，所述手性结构的所述液晶分子的布置在垂直于所述层深度方向的横向
方向上周期性变化，使得所述一个或多个clc层被配置为布拉格反射入射光。
73.实施例50：根据实施例43-49中的任一项所述的显示设备，其中，所述波导组件包括一个或多个液晶层。
74.实施例51：根据实施例6-11中的任一项所述的系统，其中，所述一个或多个可切换光学元件包括胆甾型液晶(clc)。
75.实施例52：根据实施例1-23中的任一项所述的系统，其中，所述一个或多个耦出元件包括胆甾型液晶(clc)。
76.实施例53：一种显示设备，包括：
77.波导，其被配置为在平行于所述波导的主表面的方向上在全内反射下传播可见光并在垂直于所述主表面的方向上耦出所述可见光；
78.陷波反射器，其被配置为反射具有第一偏振的可见光，其中，所述陷波反射器包括一个或多个胆甾型液晶(clc)层，其中，所述clc层中的每一者包括多个手性结构，其中，所述手性结构中的每一者包括在层深度方向上延伸并在第一旋转方向上连续旋转的多个液晶分子，其中，所述手性结构的所述液晶分子的布置在垂直于所述层深度方向的横向方向上周期性变化，使得所述一个或多个clc层被配置为布拉格反射入射光。
79.实施例54：根据实施例53所述的显示设备，其中，所述波导被配置为朝向所述陷波反射器选择性地耦出所述可见光。
80.实施例55：根据实施例53或54中的任一项所述的显示设备，其中，所述陷波反射器包括具有形成在其上的一个或多个clc层的可变形反射镜。
81.实施例56：根据实施例53-55中的任一项所述的显示设备，其中，所述一个或多个clc层中的不同clc层被配置为反射具有在对应于红、绿或蓝光的不同颜色光的波长范围内的波长的可见光，同时被配置为透射具有所述波长范围之外的波长的光。
82.实施例57：根据实施例53-56中的任一项所述的显示设备，其中，所述clc层的所述手性结构中的每一者包括在层深度方向上延伸至少一螺距的多个液晶分子，其中，所述一个或多个clc层中的不同clc层具有不同的螺距。
83.实施例58：根据实施例53-58中的任一项所述的显示设备，其中，所述一个或多个clc层中的不同clc层具有基本上相同的屈光力。
84.实施例59：根据实施例53所述的显示设备，其中，所述显示设备包括多个陷波反射器，其中，所述陷波反射器中的每一者被配置为反射具有第一偏振的可见光，其中，所述陷波反射器中的每一者包括一个或多个胆甾型液晶(clc)层，其中，所述clc层中的每一者包括多个手性结构，其中，所述手性结构中的每一者包括在层深度方向上延伸并在第一旋转方向上连续旋转的多个液晶分子，其中，所述手性结构的所述液晶分子的布置在垂直于所述层深度方向的横向方向上周期性变化，使得所述一个或多个clc层被配置为布拉格反射入射光。
85.实施例60：根据实施例59所述的显示设备，其中，所述多个陷波反射器中的不同陷波反射器具有不同屈光力。
86.实施例61：根据实施例59或60所述的显示设备，还包括对应于所述多个陷波反射器中的每一者的半波片。
附图说明
87.图1示出了用户通过ar设备观看的增强现实(ar)视图。
88.图2示出了可穿戴显示系统的示例。
89.图3示出了用于为用户模拟三维图像的传统显示系统。
90.图4示出了使用多个深度平面模拟三维图像的方法的各方面。
91.图5a至5c示出了曲率半径与焦半径之间的关系。
92.图6示出了用于将图像信息输出给用户的波导堆叠的示例。
93.图7示出了由波导输出的出射光束的示例。
94.图8示出了堆叠波导组件的示例，其中每个深度平面包括使用多种不同分量颜色形成的图像。
95.图9a示出了一组堆叠波导的示例的横截面侧视图，每个堆叠波导包括耦入光学元件。
96.图9b示出了图9a的多个堆叠波导的示例的透视图。
97.图9c示出了图9a和9b的多个堆叠波导的示例的俯视平面图。
98.图10a示出了包括设置为从光投射器系统接收光的可变屈光力反射器的可穿戴增强现实头戴式显示系统。
99.图10b示出了图10a的光透射系统，其中，可变屈光力反射器产生好像源于无限远处的对象的虚拟图像。
100.图10c示出了偏振选择性的并使用光的偏振来确定什么光被反射以及什么光被透射的可变屈光力反射器。
101.图10d示出了包括可变形反射镜和具有液晶光栅的波导组件的示例显示设备。
102.图11示出了包括光再循环系统的显示设备，该光再循环系统包括被配置为将朝向用户的眼睛耦出的来自波导的注入光朝向反射器重定向的延迟器的布置。
103.图12示出了可以包括一个或多个可切换光学元件(诸如可切换反射元件的堆叠或多个可切换反射元件)的可变屈光力反射器。
104.图13a-13c示出了可以实现为显示设备的一部分的示例的反射衍射透镜，其中，反射衍射透镜由用作反射偏振反射镜的图案化clc材料形成。
105.图14示出了具有多个可切换反射元件的可切换反射元件堆叠或多个可切换反射元件的实施例。
具体实施方式
106.可穿戴增强现实头戴式显示系统可以被配置为将来自穿戴头戴式系统的穿戴者前面的世界的光传递到穿戴者的眼睛中。头戴式显示系统可以包括光学显示器，该光学显示器被配置为输出光以形成图像。显示系统可以包括框架，该框架包括眼睛前面的波导，使得所述一个或多个波导具有前侧和后侧，并且使得后侧比前侧更接近于眼睛。系统可以包括被设置为接收来自显示器的光的一个或多个波导。可变屈光力反射器可以设置在一个或多个波导的前侧。反射器可以被配置为具有在施加电气信号时可调节的屈光力。系统还可以包括一个或多个耦出元件，该一个或多个耦出元件相对于一个或多个波导设置，以从一个或多个波导提取光。元件可以将在波导内传播的光的至少一部分引导到可变屈光力反射
器。从可变屈光力反射器引导的光可以反射回来通过波导并进入到眼睛中，以将来自显示器的图像呈现到穿戴者的眼睛中。
107.光学显示器可以包括扫描光纤显示器或液晶显示器。在一些变型中，可变屈光力反射器包括具有可调节形状的可变形反射表面。可变屈光力反射器可以包括施加电场以使反射表面变形的至少一个电极。可变屈光力反射器可以包括氮化硅。可变屈光力反射器可以包括被配置为在两个状态之间切换的一个或多个可调节光学元件。两个状态可以包括两个反射水平、两个屈光力水平、和/或两个透射水平。
108.一个或多个可切换光学元件可以包括衍射光学元件、反射元件、和/或包括液晶的液晶元件。
109.头戴式显示系统可以包括一个或多个可切换偏振光栅或者可切换聚合物分散液晶元件。可变屈光力反射器可以包括与不同屈光力相关联的可切换光学元件的堆叠，使得可切换光学元件可以在不同屈光力之间切换。
110.在一些情况下，可变屈光力反射器被配置为反射来自显示器的光，同时透射来自穿戴者前面的世界的光。可变屈光力反射器可以包括反射来自显示器的光同时透射来自穿戴者前面的世界的光的波长选择性滤波器。可变屈光力反射器可以以这样的方式具有包括陷波的透射光谱：具有对应于陷波的波长的光比邻近陷波的波长从可变屈光力反射器反射更多。对应于陷波的波长可以被反射具有邻近陷波的波长的光的至少五倍。
111.头戴式显示器可以包括产生对应于陷波波长的颜色的颜色光源。例如，颜色光源的颜色可以对应于红、绿或蓝色。
112.可变屈光力反射器可以包括反射来自显示器的光同时透射来自穿戴者前面的世界的光的偏振选择性滤波器。
113.在一些设计中，一个或多个耦出元件被配置为：与反侧相比较，将从一个或多个波导提取的更多光引导到一个或多个波导的前侧。一个或多个耦出元件可以包括一个或多个超表面、一个或多个液晶偏振光栅、一个或多个体积相位全息图或其任何组合。
114.显示系统可以包括电子器件，该电子器件与可变屈光力反射器电气通信以驱动可变屈光力反射器。电子器件可以被配置为改变屈光力，以便呈现好像源于不同深度平面的不同图像内容。电子器件可以被配置为在逐帧基础上或在逐像素基础上改变屈光力。
115.系统可以包括再循环系统。再循环系统可以被配置为将从一个或多个波导提取的朝向一个或多个波导的后侧的光朝向前侧重定向，使得光可以入射在可变屈光力反射器上并引导到穿戴者的眼睛。再循环系统可以包括一个或多个偏振控制元件或者偏振选择性元件。再循环系统可以包括设置在一个或多个波导与眼睛之间的偏振选择性反射器。
116.再循环系统可以包括设置在一个或多个光导与偏振反射器之间的一个或多个延迟器。设置在一个或多个光导与偏振反射器之间的一个或多个延迟器可以被配置为引入约半波的净延迟。
117.在一些设计中，再循环系统可以包括设置在一个或多个光导与可变屈光力反射器之间的一个或多个延迟器。设置在一个或多个光导与可变屈光力反射器之间的一个或多个延迟器可以被配置为引入约四分之一波的净延迟。
118.现在将对附图进行参考，其中相似附图标记自始至终指代相似部件。
119.图2示出了可穿戴显示系统60的示例。显示系统60包括显示器70，以及支持该显示
器70的运行的各种机械和电子模块和系统。显示器70可以被耦合到框架80，该框架80可由显示系统用户或观察者90穿戴，并且被配置为将显示器70定位在用户90的眼睛的前面。在一些实施例中，显示器70可以被认为是眼镜。在一些实施例中，扬声器100被耦合到框架80并被配置为被定位在用户90的耳道附近(在一些实施例中，未示出的另一扬声器可以可选地定位在用户的另一耳道附近以提供立体/可成形声音控制)。显示系统还可以包括一个或多个麦克风110或者检测声音的其他设备。在一些实施例中，麦克风被配置为允许用户向系统60提供输入或者命令(例如，语音菜单命令、自然语言问题等的选择)，和/或可以允许与其他人(例如，与类似显示系统的其他用户)的音频通信。麦克风还可以被配置为采集音频数据(例如，来自用户和/或环境的声音)的外围传感器。在一些实施例中，显示系统还可以包括外围传感器120a，该外围传感器120a可以与框架80分离并被附接到用户90的身体(例如，在用户90的头部、躯干、肢体等上)。在一些实施例中，外围传感器120a可以被配置为采集表征用户90的生理状态的数据。例如，传感器120a可以是电极。
120.继续参考图2，显示器70通过通信链路130(诸如通过有线引线或无线连接)操作性地耦合到本地数据处理模块140，该本地数据处理模块140可以安装在各种配置中，诸如固定附接到框架80、固定附接到由用户穿戴的头盔或帽子、被嵌入在耳机中、或者可移除地附接到用户90(例如，在背包型配置中、在腰带耦合型配置中)。类似地，传感器120a可以由通信链路120b(例如，有线引线或无线连接)操作性地耦合到本地处理器和数据模块140。本地处理和数据模块140可以包括硬件处理器以及数字存储器，诸如非易失性存储器(例如，闪存或硬盘驱动器)，其二者可以用于辅助数据的处理、缓存和存储。数据包括：a)从传感器(其可以例如操作性地耦合到框架80或以附接到用户90)采集的数据，诸如图像采集设备(诸如照相机)、麦克风、惯性测量单元、加速度计、指南针、gps单元、无线电设备、陀螺仪和/或本文所公开的其他传感器；和/或b)使用远程处理模块150和/或远程数据存储库160采集和/或处理的数据(包括与虚拟内容有关的数据)，可能地用于在这样的处理或者检索之后传送到显示器70。本地处理和数据模块140可以通过通信链路170、180(诸如经由有线或无线通信链路)操作性地耦合到远程处理模块150和远程数据存储库160，使得这些远程模块150、160操作性地耦合到彼此并且可用作本地处理和数据模块140的资源。在一些实施例中，本地处理和数据模块140可以包括以下各项中的一项或多项：图像采集设备、麦克风、惯性测量单元、加速度计、指南针、gps单元、无线电设备和/或陀螺仪。在一些其他实施例中，这些传感器中的一个或多个可以附接到框架80，或者可以是通过有线或无线通信路径与本地处理和数据模块14通信的独立结构。
121.继续参考图2，在一些实施例中，远程处理模块150可以包括被配置为分析和处理数据和/或图像信息的一个或多个处理器。在一些实施例中，远程数据储存库160可以包括数字数据存储设施，该设施可以通过因特网或“云”资源配置中的其它网络配置获得。在一些实施例中，远程数据储存库160可以包括一个或多个远程服务器，这些服务器向本地处理和数据模块140和/或远程处理模块150提供信息，例如用于生成增强现实内容的信息。在一些实施例中，所有数据都被存储，所有计算都在本地处理和数据模块中被执行，允许从远程模块完全自主地使用。
122.现在参考图3，可以通过向观看者的每只眼睛提供略微不同的图像呈现来实现将图像感知为“三维的”或“3d”。图3示出了用于模拟用户的三维图像的传统显示系统。向用户
输出两个不同图像190、200，其中每个图像针对一只眼睛210、220。图像190、200沿着平行于观看者视线的光轴或z轴而与眼睛210、220相隔一距离230。图像190、200是平坦的，眼睛210、2206可以通过假设单个调节状态而聚焦在这些图像上。这样的3-d系统依赖于人类视觉系统来组合图像190、200以为组合图像提供深度感和/或缩放。
123.然而，应当理解，人类视觉系统更复杂，并且提供逼真的深度感更具挑战性。例如，传统的“3-d”显示系统的许多观看者发现这样的系统不舒服或者根本不能感知到深度感。不受理论的限制，据信对象的观看者可由于聚散和调节的组合而将对象感知为“三维的”。两只眼睛相对于彼此的聚散运动(例如，眼睛的转动使得瞳孔朝向彼此或远离彼此运动以使眼睛的视线会聚以注视在对象上)与眼睛的晶状体和瞳孔的聚焦(或者调节)密切相关。在正常情况下，改变眼睛的晶状体的焦点或调节眼睛，以将焦点从一个对象改变到不同距离处的另一对象将根据被称为“调节-聚散反射”的关系以及瞳孔扩张或收缩而自动导致与同一距离匹配的聚散度变化。同样，在正常条件下，聚散度的变化将触发晶状体形状和瞳孔大小的匹配的调节变化。如本文所指出的，许多立体或“3-d”显示系统使用略微不同的呈现(以及，因此略微不同的图像)向每只眼睛显示场景，使得人类视觉系统感知到三维透视。然而，这样的系统对于许多观看者来说是不舒服的，因为它们除了其余内容之外简单地提供场景的不同呈现，而眼睛在单个调节状态下观看所有图像信息，并且违反“调节-聚散反射”起作用。在调节和聚散之间提供更好匹配的显示系统可以形成更逼真和舒适的三维图像模拟。
124.图4示出了使用多个深度平面模拟三维图像的方法的各方面。参考图4，z轴上距眼睛210、220不同距离处的对象由眼睛210、220调节，以使这些对象焦点对准(in focus)。眼睛210、220呈现特定的调节状态，以使沿着z轴的不同距离处的对象进入焦点。因此，可以说特定的调节状态与深度平面/240中的特定一个深度平面相关联，该特定深度平面具有相关联的焦距，以使得当眼睛处于针对该深度平面的调节状态时，特定深度平面中的对象或对象的部分焦点对准。在一些实施例中，三维影像可以通过为眼睛210、220中的每一只眼睛提供图像的不同呈现并且还通过提供对应于深度平面中的每一者的图像的不同呈现来模拟。尽管为了清楚说明而示出为分离的，但应理解，例如，随着沿着z轴的距离增加，眼睛210、220的视野可以重叠。另外，尽管为了便于说明而示出为平坦的，但是应当理解，深度平面的轮廓可以在物理空间中弯曲，使得深度平面中的所有特征在眼睛处于特定调节状态时焦点对准。
125.对象与眼睛210或220之间的距离也可以改变来自该眼睛所看到的对象的光的发散量。图5a至5c示出了距离和光线发散之间的关系。对象与眼睛210之间的距离按照递减的次序由距离r1、r2和r3表示。如图5a至5c所示，随着到对象的距离减小，光线变得更加发散。随着距离的增加，光线变得更加准直。换句话说，可以说，由点(对象或对象的一部分)产生的光场具有球面波前曲率，其是该点距用户眼睛的距离的函数。随着对象与眼睛210之间的距离减小，曲率增大。因此，在不同的深度平面处，光线的发散度也不同，发散度随着深度平面与观看者眼睛210之间的距离的减小而增大。尽管为了在图5a至5c和本文中的其它图中清楚地说明而仅示出单只眼睛210，但是应当理解，关于眼睛210的讨论可以应用于观看者的双眼210和220。
126.不受理论的限制，据信人类眼睛通常可以解释有限数量的深度平面以提供深度感
知。因此，通过向眼睛提供与这些有限数量的深度平面中的每一者对应的图像的不同呈现，可以实现感知深度的高度可信的模拟。不同的呈现可以由观看者的眼睛单独聚焦，从而有助于基于使位于不同深度平面上的场景的不同图像特征进入焦点所需的眼睛调节和/或基于观察到在不同深度平面上的不同图像特征的焦点没对准，为用户提供深度线索。
127.图6示出了用于将图像信息输出给用户的波导堆叠的示例。显示系统250包括波导堆叠或堆叠波导组件260，其可用于使用多个波导270、280、290、300、310向眼睛/大脑提供三维感知。在一些实施例中，显示系统250是图2的系统60，图6更详细地示意性地示出了该系统60的一些部分。例如，波导组件260可以是图2的显示器70的一部分。将理解，在一些实施例中，显示系统250可以被视为光场显示器。另外，波导组件260还可以称为目镜。
128.继续参考图6，波导组件260还可以包括位于波导之间的多个特征320、330、340、350。在一些实施例中，特征320、330、340、350可以是一个或多个透镜。波导270、280、290、300、310和/或多个透镜320、330、340、350可以被配置为以各种水平的波前曲率或光线发散度向眼睛发送图像信息。每个波导级可以与特定深度平面相关联，并且可以被配置为输出对应于该深度平面的图像信息。图像注入装置360、370、380、390、400可以用作波导的光源，并且可用于将图像信息注入到波导270、280、290、300、310中，如本文所述，每个波导可以被配置为将入射光分配穿过每个相应的波导以朝着眼睛210输出。光从图像注入装置360、370、380、390、400的输出表面410、420、430、440、450出射，并且注入到波导270、280、290、300、310的相应输入表面460、470、480、490、500中。在一些实施例中，输入表面460、470、480、490、500中的每一者可以是相应波导的边，或者可以是相应波导的主表面(即，直接面向世界510或观看者眼睛210的波导表面中的一者)的一部分。在一些实施例中，可以将单个光束(例如准直光束)注入到每个波导中，以便以与特定波导相关联的深度平面对应的特定角度(和发散量)输出朝向眼睛210定向的克隆准直光束的整个视野。在一些实施例中，图像注入装置360、370、380、390、400的一者可以与多个波导270、280、290、300、310(例如，其中的三个)相关联并将光注入到这些波导中。
129.在一些实施例中，图像注入装置360、370、380、390、400是离散显示器，每个离散显示器分别产生用于注入到对应的波导270、280、290、300、310中的图像信息。在一些其它实施例中，图像注入装置360、370、380、390、400是单个多路复用显示器的输出端，例如，多路复用显示器可以经由一个或多个光学导管(例如，光纤光缆)将图像信息通过管道传输到图像注入装置360、370、380、390、400中的每一者。将理解，由图像注入装置360、370、380、390、400提供的图像信息可以包括不同波长或颜色的光(例如，如本文所讨论的不同的分量颜色)。
130.在一些实施例中，注入到波导270、280、290、300、310中的光由光投射器系统520提供，光投射器系统520包括光模块530，光模块530可以包括光发射器，例如发光二极管(led)。来自光模块530的光可以经由分束器540而被引导到光调制器540(例如，空间光调制器)以及被光调制器540修改。光调制器540可以被配置为改变注入到波导270、280、290、300、310中的光的感知强度。空间光调制器的示例包括液晶显示器(lcd)，其包括硅上液晶(lcos)显示器。将理解到，示意性地示出了图像注入设备360、370、380、390、400，并且在一些实施例中，这些图像注入设备可以表示公共透射系统中的不同光路和位置，公共透射系统被配置为将光输出到波导270、280、290、300、310中的相关联波导中。
131.在一些实施例中，显示系统250以是包括一个或多个扫描光纤的扫描光纤显示器，扫描光纤被配置为以各种图案(例如，光栅扫描、螺旋扫描、利萨如图案等)将光投射到一个或多个波导270、280、290、300、3100中并最终投射到观看者的眼睛210。在一些实施例中，所示的图像注入装置360、370、380、390、400可示意性地表示单个扫描光纤或扫描光纤束，单个扫描光纤或扫描光纤束被配置为将光注入到一个或多个波导270、280、290、300、310中。在一些其它实施例中，所示的图像注入装置360、370、380、390、400可以示意性地表示多个扫描光纤或多个扫描光纤束，这些扫描光纤或扫描光纤束中的每一者被配置为将光注入到波导270、280、290、300、310中关联的一者中。应当理解，一个或多个光纤可以被配置为将光从光模块530传输到一个或多个波导270、280、290、300、310。应当理解，可以在一个或多个扫描光纤与一个或多个波导270、280、290、300、310之间提供一个或多个居间光学结构，以例如将从扫描光纤出射的光重定向到一个或多个波导270、280、290、300、310中。
132.控制器560控制堆叠波导组件260中的一者或多者的操作，包括图像注入装置360、370、380、390、400、光源530光调制器540的操作。在一些实施例中，控制器560是本地数据处理模块140的一部分。控制器560包括编程(例如，非暂时性介质中的指令)，该编程根据例如本文公开的各种方案中的任何方案，调节定时和向波导270、280、290、300、310的图像信息提供。在一些实施例中，控制器可以是单个集成设备，或者是通过有线或无线通信信道连接的分布式系统。在一些实施例中，控制器560可以是处理模块140或150(图2)的一部分。
133.继续参考图6，波导270、280、290、300、310可以被配置为通过全内反射(tir)在每个相应的波导内传播光。波导270、280、290、300、310可以各自是平面的或具有另一形状(例如，弯曲的)，具有顶部主表面和底部主表面以及在这些顶部主表面和底部主表面之间延伸的边缘。在所示的配置中，波导270、280、290、300、310可各自包括耦出(outcoupling)光学元件570、580、590、600、610，这些元件被配置为通过重定向光来从波导中提取光，在各自对应的波导内部传播，从波导出射以将图像信息输出到眼睛210。所提取的光也可以被称为耦出光，而耦出光学元件光也可以被称为光提取光学元件。在波导中传播的光照射到光提取光学元件的位置处，所提取的光束由波导输出。如本文进一步讨论的，耦出光学元件570、580、590、600、610可以例如是光栅，光栅包括衍射光学特征。虽然为了便于描述和描绘清楚而被示出为设置在波导270、280、290、300、310的底部主表面处，但是在一些实施例中，如本文进一步所讨论的，耦出光学元件570、580、590、600、610可以被设置在顶部和/或底部主表面处，和/或可以被直接设置在波导270、280、290、300、310的体中。在一些实施例中，耦出光学元件570、580、590、600、610可以被形成在附接到透明基板的材料层中，以形成波导270、280、290、300、310。在一些其它实施例中，波导270、280、290、300、310可以是单片材料，且耦出光学元件570、580、590、600、610可以被形成在该片材料的表面上和/或内部中。
134.继续参考图6，如本文所讨论的，每个波导270、280、290、300、310被配置为输出光以形成对应于特定深度平面的图像。例如，最靠近眼睛的波导270可以被配置为将准直光(该准直光被注入到这种波导270中)递送到眼睛210。准直光可以代表光学无限远焦平面。下一个上行波导280可以被配置为将穿过第一透镜350(例如，负透镜)的准直光在其可以到达眼睛210之前发送出；这样的第一透镜350可以被配置为产生微凸的波前曲率，使得眼睛/大脑将来自下一个上行波导280的光解释为来自第一焦平面，该第一焦平面从光学无限远处更靠近向内朝向眼睛210。类似地，第三上行波导290使其输出光在到达眼睛210之前通过
第一透镜350和第二透镜340；第一透镜350和第二透镜340的组合屈光力可被配置为产生另一增量的波前曲率，以使得眼睛/大脑将来自第三波导290的光解释为来自第二焦平面，该第二焦平面从光学无穷远比来自下一个上行波导280的光更靠近向内朝向人。
135.其它波导层300、310和透镜330、320被类似地配置，其中堆叠中的最高波导310通过其与眼睛之间的所有透镜发送其输出，以获得代表与人最接近的焦平面的聚合焦度(aggregate focal power)。为了在观看/解释来自堆叠波导组件1178的另一侧上的世界510的光时补偿透镜堆叠320、330、340、350，可以在堆叠的顶部设置补偿透镜层620以补偿下面的透镜堆叠320、330、340、350的聚合焦度。这种配置提供与可用的波导/透镜配对一样多的感知焦平面。波导的耦出光学元件和透镜的聚焦方面都可以是静态的(即，不是动态的或电活性的)。在一些替代实施例中，它们中的一者或全部两者可以是使用电活性特征而动态的。
136.在一些实施例中，波导270、280、290、300、310中的两者或更多者可具有相同的相关深度平面。例如，多个波导270、280、290、300、310可以被配置为将图像集输出到相同的深度平面，或者波导270、280、290、300、310的多个子集可以被配置为将图像集输出到相同的多个深度平面，每个深度平面一个图像集。这可以提供形成平铺图像以在那些深度平面处提供扩展的视野的优势。
137.继续参考图6，耦出光学元件570、580、590、600、610可以被配置为将光重定向到它们相应的波导之外并且针对与该波导相关联的特定深度平面输出具有适当的发散量或准直量的该光。结果，具有不同相关联深度平面的波导可具有不同的耦出光学元件570、580、590、600、610的配置，这些耦出光学元件依赖于相关联的深度平面而输出具有不同发散量的光。在一些实施例中，光提取光学元件570、580、590、600、610可以是体或表面特征，其可以被配置为以特定角度输出光。例如，光提取光学元件570、580、590、600、610可以是体全息图、表面全息图和/或衍射光栅。在一些实施例中，特征320、330、340、350可以不是透镜；相反，它们可以简单地是间隔物(例如，包层和/或用于形成气隙的结构)。
138.在一些实施例中，耦出光学元件570、580、590、600、610是形成衍射图案的衍射特征，或“衍射光学元件”(在本文中也被称为“doe”)。优选地，doe具有足够低的衍射效率，以使得光束的仅一部分光通过doe的每一个交点而偏转向眼睛210，而其余部分经由全内反射而继续移动通过波导。携带图像信息的光因此被分成多个相关的出射光束，这些出射光束在多个位置处离开波导，并且结果对于在波导内反弹的该特定准直光束是朝向眼睛4的相当均匀图案的出射发射。
139.在一些实施例中，一个或多个doe可以在它们活跃地衍射的“开”状态与它们不显著衍射的“关”状态之间可切换。例如，可切换的doe可以包括聚合物分散液晶层，其中微滴在主体介质中包含衍射图案，并且微滴的折射率可以被切换为基本上匹配主体材料的折射率(在这种情况下，图案不会明显地衍射入射光)，或者微滴可以被切换为与主体介质的折射率不匹配的折射率(在这种情况下，该图案活跃地衍射入射光)。
140.在一些实施例中，可提供相机组件630(例如，数字相机，包括可见光和红外光相机)以捕获眼睛210和/或眼睛210周围的组织的图像，从而例如检测用户输入和/或监测用户的生理状态。如本文所使用的，相机可以是任何图像捕获设备。在一些实施例中，相机组件630可以包括图像捕获设备和光源，以将光(例如，红外光)投射到眼睛，然后光可以被眼
睛反射并被图像捕获设备检测到。在一些实施例中，相机组件630可以被附接到框架80(图2)并且可以与处理模块140和/或150电通信，处理模块140和/或150可以处理来自相机组件630的图像信息。在一些实施例中，可以针对每只眼睛使用一个相机组件630以分别监测每只眼睛。
141.现在参考图7，其中示出了由波导输出的出射光束的示例。示出了一个波导，但是应当理解，波导组件260(图6)中的其它波导可以类似地起作用，其中波导组件260包括多个波导。光640在波导270的输入表面460处被注入到波导270中，并通过tir在波导270内传播。在光640照射在doe 570上的点处，一部分光作为出射光束650离开波导。出射光束650被示例为基本上平行，但是如本文所讨论的，依赖于与波导270相关联的深度平面，出射光束650也可以以一角度(例如，形成发散的出射光束)被重定向以传播到眼睛210。应该理解，基本上平行的出射光束可以指示具有耦出光学元件的波导，所述耦出光学元件将光耦出以形成看起来被设置在距眼睛210较大距离(例如，光学无穷远)处的深度平面上的图像。其它波导或者其它耦出光学元件组可以输出更加发散的出射光束图案，这将需要眼睛210调节到更近距离以将其聚焦在视网膜上并且将被大脑解释为来自比光学无穷远更接近眼睛210的距离的光。
142.在一些实施例中，可以通过在分量颜色(例如，三种或更多种分量颜色)中的每一者中叠加图像来在每个深度平面处形成全色图像。图8示出了堆叠波导组件的示例，其中，每个深度平面包括使用多种不同分量颜色形成的图像。所示的实施例示出了深度平面240a-240f，但也可以预期更多或更少的深度。每个深度平面可以具有与其相关联的三个或更多分量颜色图像，包括：第一颜色g的第一图像；第二颜色r的第二图像；以及第三颜色b的第三图像。对于字母g，r和b之后的屈光度(dpt)，在图中通过不同的数字表示不同的深度平面。仅作为示例，这些字母中的每一者后面的数字表示屈光度(1/m)，或该深度平面距观看者的距离的倒数，并且图中的每个框表示单独的分量颜色图像。在一些实施例中，为了考虑眼睛对不同波长的光的聚焦的差异，不同分量颜色的深度平面的精确放置可以变化。例如，给定深度平面的不同分量颜色图像可以被放置在与距用户的不同距离相对应的深度平面上。这样的布置可以增加视敏度和用户舒适度，和/或可以减少色差。
143.在一些实施例中，每种分量颜色的光可以由单个专用波导输出，因此，每个深度平面可以具有与其相关联的多个波导。在这样的实施例中，图中包括字母g、r或b的每个框可以被理解为表示单独的波导，并且每个深度平面可以提供三个波导，其中，每个深度平面提供三个分量颜色图像。尽管为了便于描述，在此图中与每个深度平面相关联的波导被示出为邻近彼此，但应当理解，在物理设备中，波导可以全部被布置为每层级一个波导的堆叠形式。在一些其他实施例中，多个分量颜色可以由相同的波导输出，使得例如每个深度平面可以仅提供单个波导。
144.继续参考图8，在一些实施例中，g是绿色，r是红色，b是蓝色。在一些其他实施例中，除了红色、绿色或蓝色之外，可以使用与其他波长的光(包括品红色和青色)相关联的其他颜色，或者这些其他颜色可以替代红色，绿色或蓝色中的一种或多种。
145.应当理解，本公开通篇对给定颜色的光的提及将被理解为包括在被观看者感知为具有该给定颜色的光的波长范围内的一个或多个波长的光。例如，红光可以包括在约620-780nm范围内的一个或多个波长的光，绿光可以包括在约492-577nm范围内的一个或多个波
长的光，并且蓝光可以包括在约435-493nm范围内的一个或多个波长的光。
146.在一些实施例中，光源530(图6)可以被配置为发射观看者的视觉感知范围之外的一个或多个波长的光，例如红外和/或紫外波长的光。此外，显示器250的波导的耦入、耦出和其它光重定向结构可以被配置为引导此光并使此光从显示器出射朝向用户的眼睛210，例如用于成像和/或用户激励应用。
147.现在参考图9a，在一些实施例中，可能需要将照射在波导上的光重定向以将该光耦入到波导中。可以使用耦入光学元件将光重定向并且耦入到其对应的波导中。图9a示出了多个堆叠波导或堆叠波导组660的示例的横截面侧视图，每个波导包括耦入光学元件。波导可以被各自配置为输出一个或多个不同波长的光，或一个或多个不同波长范围的光。应当理解，堆叠660可以对应于堆叠260(图6)，并且除了来自图像注入装置360、370、380、390、400中的一者或多者的光从需要光被重定向以耦入的位置被注入到波导中之外，堆叠660的所示波导可以对应于多个波导270、280、290、300、310的一部分。
148.所示的堆叠波导组660包括波导670、680和690。每个波导包括关联的耦入光学元件(其也可以被称为波导上的光输入区域)，其中例如耦入光学元件700被设置在波导670的主表面(例如，顶部主表面)上，耦入光学元件710被设置在波导680的主表面(例如，顶部主表面)上，耦入光学元件720被设置在波导690的主表面(例如，顶部主表面)上。在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720中的一者或多者可以被设置在相应波导670、680、690的底部主表面上(特别是在一个或多个耦入光学元件是反射性的偏转光学元件的情况下)。如图所示，耦入光学元件700、710、720可以被设置在它们相应的波导670、680、690(或下一下行波导的顶部)的顶部主表面上，特别是在那些耦入光学元件是透射性的偏转光学元件的情况下。在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720可以被设置在相应的波导670、680、690的体中。在一些实施例中，如本文所讨论的，耦入光学元件700、710、720是波长选择性的，使得它们选择性地重定向一个或多个波长的光，同时透射其他波长的光。尽管在它们相应的波导670、680、690的一侧或角上示出，但是应当理解，在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720可以被设置在它们相应的波导670、680、690的其它区域中。
149.如图所示，耦入光学元件700、710、720可以彼此横向偏移。在一些实施例中，每个耦入光学元件可以被偏移，使得耦入光学元件接收光，而该光无需传输通过另一耦入光学元件。例如，如图6所示，每个耦入光学元件700、710、720可以被配置为从不同的图像注入装置360、370、380、390和400接收光，并且可以与其它耦入光学元件700、710、720分开(例如，横向间隔开)，使得该耦入光学元件基本上不接收来自耦入光学元件700、710、720中的其它耦入光学元件的光。
150.每个波导还包括关联的光分布元件，其中，例如，光分布元件730被设置在波导670的主表面(例如，顶部主表面)上，光分布元件740被设置在波导680的主表面(例如，顶部主表面)上，光分布元件750被设置在波导690的主表面(例如，顶部主表面)上。在一些其它实施例中，光分布元件730、740、750可以被分别设置在关联的波导670、680、690的底部主表面上。在一些其它实施例中，光分布元件730、740、750可以被分别设置在关联的波导670、680、690的顶部主表面和底部主表面上；或者，光分布元件730、740、750可以被分别设置在不同的关联的波导670、680、690中的顶部主表面和底部主表面中的不同主表面上。
151.波导670、680、690可以被例如气体、液体和/或固体材料层间隔开并分隔开。例如，
如图所示，层760a可以使波导670和680分隔开；层760b可以使波导680和690分隔开。在一些实施例中，层760a和760b由低折射率材料(即，具有比形成紧邻的波导670、680、690中的一个波导的材料的折射率低的材料)形成。优选地，形成层760a、760b的材料的折射率比形成波导670、680、690的材料的折射率小了0.05或更大，或小了0.10或更大。有利地，较低折射率层760a、760b可以作为包层，其促进通过波导670、680、690的光的全内反射(tir)(例如，在每个波导的顶部主表面与底部主表面之间的tir)。在一些实施例中，层760a、760b由空气形成。尽管未示出，但应当理解，所示波导组660的顶部和底部可包括紧邻的包层。
152.优选地，为了便于制造和出于其它考虑，形成波导670、680、690的材料相似或相同，并且形成层760a、760b的材料相似或相同。在一些实施例中，形成波导670、680、690的材料在一个或多个波导之间可以是不同的，和/或形成层760a、760b的材料可以是不同的，同时仍然保持上述各种折射率关系。
153.继续参考图9a，光线770、780、790入射在波导组660上。应当理解，光线770、780、790可通过一个或多个图像注入装置360、370、380、390、400(图6)而被注入到波导670、680、690中。
154.在一些实施例中，光线770、780、790具有不同的特性，例如，不同的波长或不同的波长范围，该不同的波长或不同的波长范围可以对应于不同的颜色。耦入光学元件700、710、720各自偏转入射光，使得光通过tir传播通过波导670、680、690中的相应一个。在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720各自选择性地偏转光的一个或多个特定波长，同时将其他波长透射到底层波导和相关联的耦入光学元件。
155.例如，耦入光学元件700可以被配置为使具有第一波长或波长范围的光线770偏转，同时透射分别具有不同的第二和第三波长或波长范围的光线1242和1244。透射光线780入射在耦入光学元件710上并由耦入光学元件710偏转，该耦入光学元件710被配置为使第二波长或波长范围的光偏转。光线790由耦入光学元件720偏转，该耦入光学元件720被配置为选择性地使第三波长或波长范围的光偏转。
156.继续参考图9a，偏转的光线770、780、790被偏转为使得它们传播通过对应的波导670、680、690；也就是说，每个波导的耦入光学元件700、710、720将光偏转到该对应的波导670、680、690中，以将光耦入到该对应的波导中。光线770、780、790以一定角度被偏转，所述角度使光通过tir传播通过相应的波导670、680、690。光线770、780、790通过tir传播通过相应的波导670、680、690，直到照射到波导的对应的光分布元件730、740、750上。
157.现在参考图9b，示出了图9a的多个堆叠波导的示例的透视图。如上所述，耦入的光线770、780、790分别被耦入光学元件700、710、720偏转，然后分别在波导670、680、690内通过tir传播。然后，光线770、780、790分别照射在光分布元件730、740、750上。光分布元件730、740、750使光线770、780、790偏转，使得光线770、780、790分别朝向耦出光学元件800、810、820传播。
158.在一些实施例中，光分布元件730、740、750是正交光瞳扩展器(ope)。在一些实施例中，ope既将光偏转或分布到耦出光学元件800、810、820，并且在一些实施例中，也可以在光向耦出光学元件传播时增加此光的光束或光斑尺寸。在一些实施例中，可以省略光分布元件730、740、750，并且可以将耦入光学元件700、710、720配置为将光直接偏转到耦出光学元件800、810、820。例如，参考图9a，光分布元件730、740、750可分别被耦出光学元件800、
810、820代替。在一些实施例中，耦出光学元件800、810、820是出射光瞳(ep)或出射光瞳扩展器(epe)，其将光导入观看者的眼睛210(图7)中。将理解到，ope可以被配置为在至少一个轴上增大眼盒的尺寸，并且epe可以在跨越(例如，正交于)ope的轴的轴上增大眼盒。例如，每个ope可以被配置为将入射到ope的光的一部分重定向到相同波导的epe，同时允许光的剩余部分继续沿着波导向下传播。在再次入射在ope上时，剩余光的另一部分被重定向到epe，并且该部分的剩余部分继续沿着波导进一步向下传播等等。类似地，在入射到epe时，入射光的一部分朝向用户引导离开波导，并且该光的剩余部分继续通过波导传播，直到其再次入射到ep，在那时，入射光的另一部分被引导离开波导等等。因此，耦入光的单光束可以每次在该光的一部分由ope或epe重定向时“复制”，从而形成克隆光束的场，如图6中所示。在一些实施例中，ope和/或epe可以被配置为修改光束的尺寸。
159.因此，参考图9a和9b，在一些实施例中，波导组660包括：波导670、680、690；耦入光学元件700、710、720；光分布元件(例如，ope)730、740、750；以及耦出光学元件(例如，ep)800、810、820，用于每种分量颜色。波导670、680、690可以被堆叠有每个波导之间的气隙/包层。耦入光学元件700、710、720将入射光(其中不同耦入光学元件接收不同波长的光)重定向或偏转到其波导中。然后光以一角度传播，该角度将导致相应波导670、680、690内的tir。在所示的示例中，以先前描述的方式，光线770(例如，蓝光)被第一耦入光学元件700偏转，然后继续沿波导反弹，与光分布元件(例如，ope)730和耦出光学元件(例如，ep)800相互作用。光线780和790(例如，分别为绿光和红光)将传输通过波导670，其中光线780照射在耦入光学元件710上并被耦入光学元件710偏转。光线780然后经由tir沿波导680反弹，前进到其光分布元件(例如，ope)740，然后前进到耦出光学元件(例如，ep)810。最后，光线790(例如，红光)传输通过波导690而照射在波导690的光耦入光学元件720上。光耦入光学元件720使光线790偏转，使得该光线通过tir传播到光分布元件(例如，ope)750，然后通过tir传播到耦出光学元件(例如，ep)820。然后，耦出光学元件820最终将光线790耦出到观看者，观看者还接收来自其它波导670、680的耦出光。
160.图9c示出了图9a和9b的多个堆叠波导的示例的俯视平面图。如图所示，波导670、680、690以及每个波导的关联的光分布元件730、740、750和关联的耦出光学元件800、810、820可以垂直对准。然而，如本文所讨论的，耦入光学元件700、710、720不是垂直对准的；相反，耦入光学元件优选地是不重叠的(例如，当在俯视图中观看时横向间隔开)。如本文进一步讨论的，此不重叠的空间布置有助于将来自不同资源的光一对一地注入到不同波导中，从而允许特定光源被唯一地耦合到特定波导。在一些实施例中，包括不重叠的空间分离的耦入光学元件的布置可以被称为移位的光瞳系统，并且这些布置内的耦入光学元件可以与子光瞳对应。
161.可变屈光力反射器
162.如在图10a中所示出的，可穿戴增强现实头戴式显示系统60可以包括可变屈光力反射器(或者可变焦反射器)1032，可变屈光力反射器(或者可变焦反射器)1032被设置为从光投射器系统2000(例如，经由波导2700)接收光。可变屈光力反射器1032可以被配置为具有在施加电气信号时可调节的屈光力。例如，图10a中示出的可变屈光力反射器1032包括具有可变形反射表面(例如，最接近波导2700的表面)的可变形反射器，该可变形反射表面具有可调节的形状。例如，可变形反射器1032的形状可以被配置为弯曲以产生对应于不同屈
光力的不同凸形状。可变屈光力反射器1032可以例如包括柔性并且可以改变其形状的可变形膜或其他薄构件。在一些设计中，电气致动可变形反射器1032。例如，可变形反射器可以包括施加电场以可能地经由静电力或者通过某个其他使反射表面变形的至少一个电极1036。如在图10a中所示出的，另一电极1042包括在波导2700的表面上。跨两个电极1036和1042的电压的施加可以提供这样的电场并且因此可以使可变形反射器变形。利用可变形膜或者构件的变形，反射表面(例如，最接近波导2700的表面)可以变形。如所示出的，形状可以是凸的并且因此提供具有负屈光力的反射表面。虽然在一些示例中最接近波导2700的表面可以包括用于反射来自光透射系统(显示器)2000的光的反射表面，但是与可变屈光力反射器相关的其他表面可以反射来自光透射系统的光。例如，可变屈光力反射器1032可以包括多个层，该多个层包括不需要是最接近于光导2700的表面的一个或多个反射表面。可变屈光力反射器1032可以是波长选择性和/或偏振选择性的，使得具有某些波长和/或偏振状态的光由可变屈光力反射器1032反射，而具有其他波长和/或偏振状态的光透射通过可变屈光力反射器1032。
163.波导2700可以具有前侧和后侧，其中，后侧最接近(更靠近)穿戴者的眼睛，前侧离穿戴者的眼睛更远(或者更远端)并且更接近于穿戴者和头戴式显示系统前面的世界。如所示出的，可变屈光力反射器1032可以设置在波导的前侧。波导可以包括耦出元件，该耦出元件被配置为从波导提取光并将该光朝向波导的前侧引导，以便入射在可变屈光力反射器上。由于可变屈光力反射器被设置在波导的前侧，因而可变屈光力反射器被配置为透射来自穿戴者前面的世界的光，使得头戴式显示系统可以将来自穿戴头戴式系统的穿戴者前面的世界的光传递到穿戴者的眼睛中。尽管对来自穿戴者前面的世界的光透射，但是可变屈光力反射器1032被配置为反射来自所述显示器的光。如下文所讨论的，在一些示例中，可变屈光力反射器可以包括一个或多个波长选择性滤波器，以反射来自光透射系统(显示器)2000的光同时透射来自穿戴者前面的世界的光。此外，在一些示例中，可变屈光力反射器可以包括一个或多个偏振选择性滤波器，以反射来自光透射系统(显示器)2000的光同时透射来自穿戴者前面的世界的光。
164.如所示出的，可以使得可变屈光力反射器使其形状变形以使得来自显示器2000的从可变屈光力反射器反射的光发散。特别地，来自光源530的光由分束器引导到空间光调制器420和相对于波导2700设置的图像注入设备4000以将包含图像的空间调制光耦合到波导中。该光1022可以通过全内反射(tir)传播通过波导2700并且经由一个或多个耦出光学元件(例如，包括例如衍射特征的出射光瞳扩展器)从波导2700提取出。在一些配置中，如图10a中所示出的，来自显示器2000的注入到波导2700中的光可以准直，因此准直光1022可以离开波导并朝向可变屈光力反射器1032传播。在图10a中示出的示例中，可变屈光力反射器(或者可变焦反射器)变形以便创建产生负屈光力(例如，在距眼睛210一定距离处产生虚拟图像)的凸反射表面，因此使得反射光线1024发散。反射光1024然后可以进入个体(例如，穿戴者)的眼睛210并且看起来由距波导和可变形反射镜的另一侧的眼睛的短距离处的对象形成。因此，由显示器形成的图像可以看起来源于相对接近于穿戴者的对象。
165.在图10a中示出的示例中，光离开图像注入设备4000并注入到波导2700的输入表面4600中，即，在波导2700的边缘上。然而，在其他示例中，光可以注入到对应波导的主表面中(例如，直接地面向世界144或者观察者的眼睛210的波导表面之一)。例如，参见图9a-9c。
在各种实施例中，可以将来自图像注入设备4000的光在注入到波导2700之前偏振。例如，注入到波导2700中的光可以被配置为沿着垂直(或者水平)方向线性偏振。
166.在某些配置中，一个或多个耦出光学元件5700可以被配置为在从观察者的眼睛的远侧方向上(例如朝向世界)引导基本上所有耦出光。一个或多个耦出光学元件5700可以包括一个或多个非对称衍射光栅。
167.虽然可变屈光力反射器1032可以被设置为朝向用户的眼睛210将在从用户的眼睛210的远侧方向上耦出的光反射，潜在地改变从可变屈光力反射器1032反射的光的波前，但是可变屈光力反射器将来自穿戴者前面的世界的光透射到用户的眼睛，而不引入对波前的类似改变。例如，虽然可变屈光力反射器可以被配置为具有对来自显示器2000的从可变屈光力反射器反射的光起作用的屈光力，但是可变屈光力反射器可以不类似地对来自穿戴者前面的世界的透射通过该可变屈光力反射器到眼睛的光起作用。在一些情况下，例如，可变屈光力反射器1032的厚度可以选择足够低以便不显著地改变穿过可变屈光力反射器1032的光(例如，来自世界)的光学特性。有利地，这可以允许来自世界的穿过可变屈光力反射器1032的光在适当的深度处观察到，同时控制来自显示器2000的图像看起来源于的深度。因此，该配置可以排除补偿对于来自穿戴者前面的世界的光的可变屈光力反射器的曲率半径或屈光力的变化的任何附加透镜，并且因此使系统更轻、更便宜以及更不复杂。
168.反射器1036可以包括一种或多种透明材料，诸如例如一氮化硅(sin)。以适当的厚度的材料也可以足够柔性以例如通过在施加电场的情况下的静电力而变形。可以使用使可变屈光力反射器变形的其他方法。类似地，如下文所讨论的，还可以采用与使反射器的形状变形不同的提供可变屈光力的其他方式。
169.在一些实施例中，可变屈光力反射器1032的弹性允许在一个或多个屈光力之间的快速时间转换。例如，从一个焦距(例如，曲率)到另一个的快速转换可以允许如由观察者(例如，眼睛210)看到的不同焦平面的时间复用。在一些实施例中，转换可以在两个或两个以上焦距之间一分钟切换许多次。
170.如上文所讨论的，在一些情况下，可变屈光力反射器1032的曲率由两个或两个以上电极控制。如由图10a所示出的，虽然远端电极1036可以设置在可变屈光力反射器1032的远侧，近端电极1042可以邻近反射器1032设置(例如，设置在波导2700上，如图10a中所示)，但是其他电极配置是可能的。远端电极1036可以设置在可变屈光力反射器1032的近侧。电极1036、1042可以包括可以传电并且对可见光透明的材料。一种或多种材料可以用于电极1036、1042，诸如例如铟锡氧化物(ito)。
171.电极可以与被配置为驱动可变屈光力反射器的电子器件电气通信。这些电子器件可以被配置为改变可变屈光力反射器的屈光力，以便呈现好像源于不同深度平面的不同图像内容。在某些配置中，例如，控制器560或者其他电子器件控制可变屈光力反射器的操作并且可以结合控制波导2700中的一个或多个(例如，图6的堆叠波导组件)和/或光投射器系统2000的其他部分(例如，图像注入设备4000、光源530、光调制器540、照相机组件630)。在一些情况下，控制器560调节图像信息到波导2700以及因此到可变屈光力反射器的时序和提供并且还控制可变屈光力反射器的屈光力的致动或者变化的定时和其之间的同步。
172.因此，可变屈光力反射器(或者可变焦反射器)1032可以具有可调节并且可以电子控制的屈光力。该能力允许对应于从波导2700耦出的图像的深度平面动态调节。例如，从波
导2700耦出的光可以基本上准直，好像生成光的对象位于距观察者的无限远的距离(或者至少很远)处。如果对应于可变屈光力反射器(或者可变焦反射器)的期望的焦平面在无限远距离处，则反射器1032可以以平面状态设定，以便在准直光从波导输出的情况下保持反射光的波前曲率基本上不变。在图10b中示出了该情况。可选地，如果期望的焦平面比无限远更接近于观察者，则可以调节(例如，弯曲、电气影响)可变屈光力反射器1032以采取适当量的凸曲率。在图10a中示出了该模式。
173.因此，图10b示出了图10a的光透射系统2000，其中，可变屈光力反射器1032产生好像在无限远处的虚拟图像。光线1022彼此平行或者基本上平行地离开波导2700并朝向可变屈光力反射器1032传播。由于电极1036、1042已经使得反射器1032具有平坦反射表面，因而当反射光线1024朝向眼睛210传播时，其也平行于彼此。在一些实施例中，类似在图10a中，可变屈光力反射器1032、波导2700和耦出光学元件5700被配置为基本上未改变光1024的发散度。
174.如上文所讨论的，可变屈光力反射器可以被配置为反射来自显示器2000的光，同时透射来自穿戴者前面的世界的光。例如，可变屈光力反射器可以包括反射来自显示器的光同时透射来自穿戴者前面的世界的光的波长选择性滤波器。在一些设计中，例如，可变屈光力反射器1032包括对应于一种或多种颜色或者颜色的组合的一个或多个波长选择性滤波器(例如，陷波滤波器、带通滤波器)。例如，可以调谐一个或多个陷波滤波器以反射对应于绿色(例如，在520-560nm之间的范围内的窄带)、红色(例如，在635nm-700nm之间的范围内的窄带)和/或蓝色(例如，在450nm-490nm之间的范围内的窄带)的波长的范围处的光，同时允许在其他可见波长处的光透射通过反射器1032。由于允许光的大多数可见波长穿过反射器(例如，从“世界”)可能是有利的，因而可以调谐一个或多个波长选择性滤波器以仅反射窄的可见波长范围。例如，反射器可以包括一个或多个陷波滤波器，每个陷波滤波器被配置为反射涵盖在约0.1nm与2nm之间、在约1nm与5nm之间、在约2nm与8nm之间、在约5nm与10nm之间和/或在约10nm与25nm之间的范围的波长带。由这些值中的任一个形成的任何范围是可能的。其他尺寸带也是可能的。
175.可变屈光力反射器反射的可见光谱中的窄带可以与由显示器2000发射的光的颜色一致。例如，显示器可以包括发射具有特定颜色的光的一个或多个光源(例如，led或者激光器)。由可变屈光力反射器反射的窄带可以重叠和/或与由显示器中的这些光源发射的颜色和波长一致。
176.虽然可变屈光力反射器1032的光谱透射反射具有这些窄带内的波长的光，但是可以透射这些带之外的光。因此，来自穿戴者和头戴式显示器前面的世界的许多环境可见光透射通过可变屈光力反射器。为了提供这样的反射率特性，可变屈光力反射器可以包括一个或多个反射层。例如，可变屈光力反射器可以包括具有不同光谱反射率的多个层。
177.类似地，可变屈光力反射器可以包括反射来自显示器的光同时透射来自穿戴者前面的世界的光的一个或多个偏振选择性滤波器。例如，图10c示出了偏振选择性的并使用光的偏振来确定什么光被反射以及什么光被透射的可变屈光力反射器1032。在该示例中，可变屈光力反射器被配置为反射一个偏振状态并且透射另一偏振状态。特别地，可变屈光力反射器被配置为反射一个线性偏振状态(垂直的)并且透射另一线性偏振状态(水平的)。如在图10c中所示，显示器中的光源530发射具有水平偏振和垂直偏振二者的光1170a。然而，
由输出耦合元件从波导输出的光1170b被示出为垂直偏振的。在该示例中，可变屈光力反射器1032被配置为反射垂直偏振光。如所示出的，垂直偏振光1170b由反射器1032反射。因此，来自显示器2000的进入眼睛210的光1170c可以垂直偏振。如上文所讨论的，除了偏振选择性之外，可变屈光力反射器可以是波长选择性的。
178.相反，在图10c中示出的示例中，来自世界510的光可以包括垂直偏振光和水平偏振光二者。如果可变屈光力反射器1032被配置为透射水平偏振光和/或反射(和/或吸收)垂直偏振光，则水平偏振光1170d可以在没有对应的垂直偏振光的情况下成功穿过(例如，透射)反射器1032。如此，来自穿戴者前面的世界的进入眼睛210的光1170e可以水平偏振。
179.以这种方式，可变屈光力反射器可以反射来自显示器2000的光以及通过来自穿戴者和头戴式显示器前面的世界的可见光。然而，可以采用其他技术。
180.例如，在一些实施例中，波导2700可以包括液晶光栅。液晶光栅可以包括具有多个液晶分子的胆甾型液晶(clc)层，该多个液晶分子被布置为具有根据膜中的在液晶层的层法线方向或者层深度方向上的位置的引导器的连续方位扭转。如本文所描述的，被布置为具有连续方位角扭转的液晶分子被统称为手性结构。如本文所描述的，方位扭转或者旋转的角度(φ)被描述为相对于平行于层法线的方向的液晶分子的引导器之间的角度。手性结构的液晶分子的空间变化引导器可以被描述为形成螺旋图案，在该螺旋图案中，螺距(p)被定义为引导器已经旋转360
°
的距离(例如，在液晶层的层法线方向上)，如上文所描述的。液晶光栅可以被配置为如下文所描述的衍射光栅。
181.不受理论的限制，在布拉格反射条件下，入射光的波长(λ)可以与clc层的平均(mean)或平均(average)折射率(n)和螺距(p)成正比，并且可以表示为在一些情况下满足以下条件：
[0182][0183]
因此，通过控制液晶分子的节距p，可以调谐可切换反射元件中的不同可切换反射元件以反射不同波长。另外，布拉格反射波长的带宽(δλ)可以与clc层的双折射δn(例如，光的不同偏振之间的折射率的差)和螺距(p)成正比，并且可以表示为在一些情况下满足以下条件：
[0184]
δλ＝δn
·
p
ꢀꢀꢀ
[2]
[0185]
图10d示出了被配置为使用波导组件2904和可变形反射镜3004将图像信息输出给用户的显示设备3000的实施方式。显示设备3000包括波导组件2904，其中，波导组件2904插入在弯曲或者可变形反射镜3004(使得其具有屈光力)与可选清理偏振器3008之间。波导组件2904包括胆甾型液晶衍射光栅(clcg)2905。在一些实施方式中，clcg 2905可以设置在波导组件2904与可变形反射镜3004之间。波导组件可以包括被配置为经由全内反射传播光的一个或多个波导。在该示例中，目镜2904可以被配置为向左(向世界)而不是向右(向眼睛)非对称地透射光。目镜2904可以包括可以优选地投射处于期望的非对称方向和/或期望的偏振状态(例如，线性或圆形的)的光的doe、超材料、全息图等。虽然未示出，但是显示设备300可以包括类似于上文参考图10a-10c讨论的图像注入设备4000的图像注入设备。
[0186]
在操作中，在波导组件2904内的一个或多个波导内在x方向上传播的光中的一些可以在z方向上重定向或者耦出，作为具有均匀圆偏振(例如，rhcp)的光束3012。波导组件
2904朝向弯曲或者可变形反射镜3004(与用户的眼睛4相对的一侧)透射虚拟图像的光束3012。在一些实施例中，可变形反射镜3004涂有偏振反射层(例如，多层线性偏振反射器或者宽带胆甾型液晶圆偏振反射器)以反射具有指定偏振的光，例如，具有与clcg的耦出偏振相同偏振的光，并且允许朝向眼睛4透射来自现实世界1114的光。在一些其他实施例中，取代偏振反射层，可变形反射镜3004涂有陷波反射层或clc反射层，该陷波反射层或clc反射层被设计为反射窄带宽δλ内的光，该窄带宽δλ匹配来自波导组件2904的耦出光的虚拟图像带宽。在一些实施例中，清理偏振器3008可以如在图10d中所示放置以消除任何重影图像，而不穿过可变形反射镜。
[0187]
虽然在图10a-10d中示出的各种示例中，示出了单个波导2700或者波导组件2904，但是波导的堆叠可以用于将图像信息输出给用户(例如，如在图6中所示)。在某些设计中，堆叠中的不同波导可以对应于显示器的特定颜色(例如，波长的范围)和/或深度平面。类似地，图像注入设备4000、波导2700、波导组件2904和组件的其他元件可以分别表示多个图像注入设备、波导等。例如，图像注入设备4000可以是产生用于注入到对应波导2700中的图像信息的分立显示器。在一些情况下，图像注入设备4000可以包括单个复用显示器的输出端，该单个复用显示器的输出端可以例如经由一个或多个光学导管(例如，光纤光缆)将图像信息输送到图像注入设备4000。由图像注入设备4000提供的图像信息可以包括不同的波长或者颜色(例如，不同的分量颜色和/或子颜色)的光。上文结合图6可以发现关于堆叠波导组件(诸如用于波导2700或波导组件2904的堆叠波导组件)的附加信息。
[0188]
如上文所讨论的，例如上文参考图10a和10b所讨论的耦出元件5700可以是非对称的，使得从图像注入设备4000注入到波导2700中的由耦出元件5700朝向波导的前侧和反射器1032引导的光量大于从图像注入设备4000注入到波导2700中的由耦出元件5700朝向波导2700的后侧和用户的眼睛210引导的光量。例如，注入到波导2700中的光的大于50％可以由耦出元件5700朝向反射器1032引导。在各种实施例中，由耦出元件朝向反射器1032引导的注入光量可以大于60％、大于70％、大于80％、大于90％、大于95％和/或在约50％与约99.9％之间的任何其他百分比。可以被配置为非对称地衍射光使得在一个方向上比在另一方向上衍射更多光的耦出元件5700的实施例可以包括液晶偏振光栅、体积相位全息图和/或超表面。如上文所讨论的，注入到波导2700中的朝向反射器1032以及向用户的眼睛210引导的光可以具有由反射器1032聚焦调制的益处(例如，可以改变光的波前使得光看起来来自另一深度处的对象)。因此，在一些情况下，如果大多数(例如，所有或基本上所有)注入到波导2700中的光朝向反射器1032引导，则可以是有益的。
[0189]
然而，在显示设备的一些实施例中，从图像注入设备4000注入到波导2700中的大部分光可以不由耦出元件5700朝向反射器1032引导。在一些这样的实施例中，注入光中的一些可以朝向用户的眼睛210引导。在一些这样的实施例中，可以使用光再循环系统(诸如包括延迟器(例如，延迟器层)的布置的基于偏振的光再循环系统)来再循环由耦出元件5700朝向用户的眼睛210引导的光，使得其朝向反射器1032引导以在入射在用户的眼睛210上之前被聚焦调制。
[0190]
图11示出了包括光再循环系统(即，基于偏振的光再循环系统)的显示设备的实施例，该光再循环系统包括被配置为将朝向用户的眼睛210耦出的来自波导的注入光朝向反射器1032重定向的延迟器的布置。在各种实施例中，延迟器的布置包括：设置在波导2700与
反射器1032之间的四分之一波延迟器或四分之一波片1104，该四分之一波延迟器或四分之一波片1104将线偏振光转换为圆或椭圆偏振光，反之亦然；以及设置在波导2700与用户的眼睛210之间的半波延迟器或半波片1108，该半波延迟器或半波片1108被配置为偏移(例如，旋转)线偏振光的偏振的方向。在各种实施例中，四分之一波片1104和/或半波片1108可以是刚性结构。在一些实施例中，四分之一波片1104和/或半波片1108可以是柔性结构(例如，膜)。在一些情况下，可以使用具有期望的净延迟的一个或多个元件或者层，诸如四分之一波长(λ/4)的净延迟或者一半波长(λ/2)的净延迟。图11中所示出的显示设备还包括设置在半波片1108与用户的眼睛210之间的偏振选择性反射器1112。在各种实施例中，偏振选择性反射器1112可以包括波长选择性部件(例如，陷波滤波器)或者反射液晶装置。在各种实施例中，偏振选择性反射器1112可以包括超表面。包括波长选择性部件、反射液晶部件和/或超表面的偏振选择性反射器1112的实施例可以被配置为反射具有特定特性的光(例如，窄波长带和/或特定偏振状态)并且透射不具有那些特定特性的光。
[0191]
将注入到波导2700中的由耦出光学元件5700朝向反射器1032耦出的光的一部分考虑为束1172a。束1172a入射在的四分之一波(λ/4)片上，该四分之一(λ/4)片将束1172a的偏振状态从线性转换为圆/椭圆偏振，或者反之亦然。因此，如果束1172a线性偏振，则从四分之一波片1104输出的束1174a具有圆/椭圆偏振(或者反之亦然)。束1174a由反射器1032反射并且经历聚焦调制，如上文参考图10a和10b所讨论的。聚焦调制的反射束1174a穿过四分之一波片1104并经历从圆/椭圆到线性(或者反之亦然)的偏振偏移。从四分之一波片1104输出的束1176a的偏振状态正交于束1172a的偏振状态。当束1176a穿过半波(λ/2)片1108时，偏振的方向被偏移(或者旋转)。因此，离开半波片1108的束117a具有正交于束1176a的偏振状态的偏振状态。束1178a的偏振状态与束1172a的偏振状态相同。偏振选择性反射器1112可以被配置为透射具有束1178a的偏振状态(或者束1172a的偏振状态)的光并且可以反射具有正交于束1178a(或1172a)的偏振状态的偏振状态的光。
[0192]
将注入到波导2700中的由耦出光学元件5700朝向用户的眼睛210耦出的光的一部分考虑为束1172b。束1172b入射在半波片1108上，该半波片1108偏移(或者旋转)束1172b的偏振方向。例如，如果束1172b沿着垂直方向线性偏振，那么从半波片出射的束1176b沿着水平方向线性偏振。如上文所讨论的，偏振选择性反射器1112被配置为透射具有束1172b的偏振状态的光并反射正交于束1172b的偏振状态的光。因此，具有正交于1172b的偏振状态的偏振状态的束1176b由偏振选择性反射器1112朝向反射器1032反射。当其穿过半波片1108时，束1176b的偏振状态的方向被偏移(例如，旋转)。因此，束1178b具有与束1172b相同的偏振状态。当其穿过四分之一波片1104时，束1178b的偏振状态从线性偏振转换为圆/椭圆偏振。因此，从四分之一波片1104出射的束1174b是圆/椭圆偏振的并且由反射器1032反射。从反射器1032反射的束聚焦调制并且当其穿过四分之一波片1104时经历从圆/椭圆偏振到线性偏振的偏振偏移。离开四分之一波片1104的束1180b具有正交于束1178b的偏振。例如，如果束1178b(或者束1172b)沿着垂直方向线性偏振，那么束1180b沿着水平方向线性偏振。当其穿过半波片1108时，束1180b的偏振状态的方向被偏移(或者旋转)。例如，如果束1180b沿着水平方向线性偏振，那么束1182b沿着垂直方向线性偏振。束1182b具有与束1172b的偏振状态相同的偏振状态。偏振选择性反射器1112被配置为朝向用户的眼睛210透射聚焦调制的束1182b。
[0193]
如上文所讨论的，反射器1032可以包括被配置为反射在窄(可见)波长带内的光同时透射在(可见)窄波长带之外的光的涂层。例如，反射器1032可以被配置为反射红色、绿色和/或蓝色的窄波长范围内的光。作为另一示例，反射器1032可以被配置为反射红色中心波长(例如，630nm)周围的约5-10nm的波长范围内的光。作为又一示例，反射器1032可以被配置为反射绿色中心波长(诸如例如，550nm)周围的约5-10nm的波长范围内的光。作为另一示例，反射器1032可以被配置为反射蓝色中心波长(诸如例如，470nm)周围的约5-10nm的波长范围内的光。在各种实施例中，反射器1032可以被配置为反射可见光谱范围中的中心波长周围的约5-20nm的波长范围内的光。在各种设计中，这些窄波长带可以重叠和/或与由显示器2000的光源发射的波长一致。例如，显示器2000可以包括多个颜色光源并且可变屈光力反射器的反射率的窄带区域可以与由光源发射的光的颜色一致或者重叠。例如，对于上文引用的示例，显示器2000中的光源可以发射以630nm为中心或其5-10nm内的红光、以550nm为中心或其5-10nm内的绿光、和以470nm为中心或其5-10nm内的蓝光。不同设计可以具有光源和具有不同光谱特性的反射器滤波器，然而，在各种情况下，由光源发射的波长和由可变屈光力反射器反射的波长重叠或一致，而许多其他可见波长未反射并透射通过可变屈光力反射器。如果许多其他可见波长透射，则来自穿戴者和头戴式显示器前面的对象的许多光将通过头戴式显示器对于观察者可见。
[0194]
还如上文所讨论的，可变屈光力反射器可以包括选择性地反射来自显示器2000的光同时透射来自穿戴者和头戴式显示器前面的对象的光的偏振选择性反射器。在一些设计中，例如，反射器1032可以被配置为包括偏振选择性反射器，该偏振选择性反射器被配置为反射特定偏振的光。例如，反射器1032可以被配置为反射具有特定偏振状态的光同时对于其他偏振状态(在一些情况下，许多、大多数、所有或基本上所有其他偏振状态)是透射的。
[0195]
在某些设计中，可变屈光力反射器可以包括一个或多个可切换光学元件，诸如如在图12中所描绘的可切换反射元件堆叠或多个可切换反射元件1232。这样的可切换元件可以被配置为在两个状态(诸如两个反射水平，例如，低反射水平(0％或更多)或高反射水平)之间切换。类似地，可切换元件可以被配置为在两个透射水平(例如，低透射水平(0％或更多)或高透射水平)之间切换。这样的可切换光学元件可以包括例如可切换反射器、可切换衍射光学元件(诸如可切换衍射反射器或可切换反射光栅)或全息光学元件。可切换光学元件可以被配置为在两个屈光力水平(诸如低屈光力水平(0屈光度或较高幅度)和较高屈光力水平)之间切换。这些屈光力水平可以是正或负的并且可以在两个正屈光力、两个负屈光力或正屈光力和负屈光力或零屈光力和非零屈光力之间切换。这样的可切换光学元件可以包括例如可切换衍射光学元件，诸如可切换衍射光学透镜。
[0196]
在各种情况下，一个或多个可切换光学元件包括一个或多个液晶元件，该一个或多个液晶元件包含液晶，诸如可切换聚合物分散液晶元件。可切换光学元件可以包括可切换偏振光栅。在某些配置中，可变屈光力反射器包括可切换光学元件的堆叠，其中，不同的所述可切换光学元件与不同的屈光力相关联，使得所述可切换光学元件可以在不同屈光力之间切换。这些屈光力可以例如由透镜(诸如衍射透镜)提供。
[0197]
在图12中所示的示例中，多个可切换反射元件中的不同可切换反射元件具有负屈光力(尽管在不同设计中一个或多个屈光力可以是正的或零)。例如，多个可切换反射元件或可切换反射元件堆叠可以具有具有第一负屈光力的第一可切换反射元件、具有第二负屈
光力的第二可切换反射元件、具有第三负屈光力的第三可切换反射元件、...、具有第n负屈光力的第n可切换反射元件。在某些配置中，第一、第二、第三、...、或第n可切换反射元件中的一个可以被配置为反射从波导2700耦出的光，而剩余的可切换反射元件可以被配置为是透射的。以这种方式，从波导2700耦出的远离用户的眼睛210引导的光从第一、第二、第三、...、第n可切换反射元件中的所选择的一个反射，使得其看起来源于距用户的某个深度平面。在各种实施例中，多个可切换反射元件中的每一者可以被配置为反射光的特定波长，使得光的特定波长看起来源于特定深度。
[0198]
如上文相对于图12所描述的，一些显示设备包括多个可切换反射元件或可切换反射元件堆叠。有利地，可切换反射元件中的每一者可以包括液晶，如在说明书的别处和以下相对于例如图13a-13c所描述的。例如，可切换反射元件可以由未聚合或可聚合液晶、或者反应式液晶基元(rm)形成，其配置可以由外部刺激(例如，电场)改变。
[0199]
在一些实施例中，可切换反射元件可以包括液晶，诸如例如上文所讨论的胆甾型液晶(clc)层。图13a和13b示出了可以实现为显示设备的一部分的示例的可切换反射元件3100a，其中，可切换反射元件3100a由用作反射偏振反射镜的图案化clc层形成。图13a示出了二元菲涅尔透镜图案顶部的液晶引导器(箭头)的局部取向。因此，可切换反射元件3100a可以被配置为具有使用施加电场可调节的屈光力。可切换反射元件3100a的实施例可以用作相对于例如图10a-10c和11所示的可变形反射镜的替换物。
[0200]
参考图13b，当可切换反射元件3100a利用具有对应于clc手性的旋向性(例如，rhcp)(例如，具有与clc手性的旋向性相同的旋向性)的圆偏振的圆偏振入射光3012照射时，反射光3016展现出类似于上文所描述的曲面镜反射器的透镜效应。另一方面，具有正交偏振(例如，lhcp)的光在没有干扰的情况下透射。可切换反射元件3100a可以被配置为具有小于约10nm、小于约25nm、小于约50nm、小于约100nm、或者某个其他范围的范围内的带宽。
[0201]
图13c示出了包括多个可切换反射元件3100-r、3100-g和3100-b的可切换反射元件3100c。在所示出的实施例中，可切换反射元件3100-r、3100-g和3100-b处于堆叠配置中并被配置为分别反射红、绿和蓝色光谱内的波长范围δλ内的光。当可切换反射元件3100c利用具有对应于clc手性的旋向性(例如，rhcp)的圆偏振和红、绿和蓝色光谱内的波长范围δλ内的波长的圆偏振入射光3012照射时，反射光3016展现类似于曲面镜透镜的透镜效应。另一方面，具有正交偏振(例如，lhcp)的光在没有干扰的情况下透射。
[0202]
图14示出了具有多个可切换反射元件1404a、1404b、1404c、1408a、1408b和1408c的可切换反射元件堆叠或多个可切换反射元件1232的实施例。反射元件1404a-1404c被配置为具有第一负屈光力，并且反射元件1408a-1408c被配置为具有第二负屈光力。反射元件1404a和1408a可以被配置为反射第一波长范围(例如，红色周围的约5-10nm)。反射元件1404b和1408b可以被配置为反射第二波长范围(例如，绿色周围的约5-10nm)。反射元件1404c和1408c可以被配置为反射第三波长范围(例如，蓝色周围的约5-10nm)。反射元件1404a、1404b、1404c、1408a、1408b和1408c中的每一者夹在一对电极1173之间。反射元件1404a、1404b、1404c、1408a、1408b和1408c中的所选择的一个反射元件可以通过跨约束反射元件1404a、1404b、1404c、1408a、1408b和1408c中的所选择的一个反射元件的该对电极1173施加电压来接通或者关断。
[0203]
在各种实施例中，堆叠1232中的多个可切换反射元件中的每一者可以包括例如液
晶衍射光栅、聚合物分散液晶光栅结构和/或偏振光栅结构。在各种实施例中，多个可切换反射元件中的每一者可以在逐像素基础上以帧顺序方式接通/关断。可切换反射元件可以包括衍射光学元件，诸如衍射透镜。
[0204]
此外，在各种实施例中，反射元件1232的堆叠可以与可变形膜(例如，可变屈光力反射器1032)集成以提供调节反射堆叠的发散屈光力的附加控制。
[0205]
参考图12，来自图像透射设备1282(例如，空间光调制器)的图像内容经由光学耦合元件2050注入到波导2700中。在各种实施例中，光学耦合元件2050可以包括偏振分束器。来自波导2700的光通过与波导2700相关联的耦出元件(例如，耦出元件5700)朝向反射器1232引导。在各种实施例中，光再循环系统(诸如包括如上文关于图11所讨论的延迟器的布置的基于偏振的光再循环系统)可以用于在图12中所示的显示设备的示例中，以朝向反射器1232重定向来自波导2700的朝向用户的眼睛210引导的任何光。从波导2700耦出并引导到可变屈光力反射器的光可以通过切换反射元件中的一个从可变屈光力反射器反射，使得用户的眼睛210接收来自显示器的特定发散(可能地包括不发散而是准直)的光并且因此将光感知为源于穿戴者的前面(诸如靠近穿戴者或者远处)的特定深度处的对象。注意到，来自显示设备周围的周围环境(在本文中也称为世界)510的光朝向用户的眼睛210透射通过反射器1232。
[0206]
虽然未示出，但是图11和12中的波导2700可以包括如上文参考图6所描述的波导的堆叠。波导的堆叠和可变反射器1032或可切换反射元件1232的堆叠的组合可能有用于提供用于提供期望深度的增加的能力。
[0207]
将理解到，在本文中所描述和/或在附图中所描绘的过程、方法和算法中的每一者可以在代码模块中体现或由其完全或部分自动化，代码模块由被配置为执行特定和具体计算机指令的一个或多个物理计算系统、硬件计算机处理器、专用电路、和/或电子硬件执行。例如，计算系统可以包括编程有特定计算机指令通用计算机(例如，服务器)或者专用计算机、专用电路等。代码模块可以被编译和链接到可执行程序、安装在动态链接库中，或者可以以解释性编程语言书写。在一些实施例中，可以通过特定于给定功能的电路执行特定操作和方法。
[0208]
进一步地，本公开的功能的某些实施例数学上、计算上、技术上足够复杂使得专用硬件或一个或多个物理计算设备(利用适当的专用可执行指令)可能对执行例如归因于涉及的计算的容量或复杂性的功能或者对基本上实时提供结果是必要的。例如，视频可以包括许多帧，其中，每一帧具有数百万像素，并且特别编程的计算机硬件对于处理视频数据以在商业上合理的时间量内提供期望的图像处理任务或者应用是必要的。
[0209]
代码模块或任何类型的数据可以存储在任何类型的非暂态计算机可读介质上，诸如物理计算机存储装置，包括硬盘驱动器、固态存储器、随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、光盘、易失性或非易失性存储装置、相同和/或类似物的组合。在一些实施例中，非暂态计算机可读介质可以是局部处理和数据模块(140)、远程处理模块(150)和远程数据存储库(160)中的一个或多个的一部分。方法和模块(或者数据)还可以作为各种计算机可读传输介质(包括基于无线和基于有线/电缆的介质)上的所生成的数据信号(例如，作为载波或其他模拟或数字传播信号的一部分)来传送，并且可以采取各种形式(例如，作为单个或复用模拟信号的一部分，或者作为多个分立数字分包或帧)。所公开的过程或者过程步骤的结
果可以永久地或以其他方式存储在任何类型的非暂态有形计算机存储装置中或者可以经由计算机可读传输介质通信。
[0210]
在本文中所描述和/或在附图中所描绘的流程图中的任何过程、块、状态、步骤或功能应当被理解为潜在地表示包括用于实现过程中的特定功能(例如，逻辑的或者算术的)或步骤的一个或多个可执行指令的代码模块、段或代码的部分。各种过程、块、状态、步骤或功能可以从本文所提供的说明性示例组合、重排、添加、删除、修改、或以其他方式改变。在一些实施例中，附加或者不同计算系统或者代码模块可以执行本文所描述的一些或全部功能。本文中所描述的方法和过程也不限于任何特定顺序，并且与其有关的块、步骤或状态可以以适当的其他顺序(例如，串行、并行、或以某种其他方式)执行。任务或者事件可以添加到所公开的示例实施例或者从所公开的示例实施例移除。而且，本文所描述的实施例中的各种系统部件的分离出于说明性目的，不应当被理解为要求所有实施例中的这样的分离。应当理解，所描述的程序组件、方法和系统可以通常一起集成在单个计算机产品中或者封装到多个计算机产品中。
[0211]
在前述说明书中，本发明已经参考其特定实施例描述。然而，将明显的是，在本发明的较宽精神和范围的情况下，可以对其做出各种修改和改变。因此，说明书和附图将被认为是说明性而非限制性意义。
[0212]
实际上，将理解到，本公开的系统和方法各自具有数个创新方面，其中没有单独一个仅负责或者要求本文所公开的期望的属性。上文所描述的各种特征和过程可以彼此独立使用，或者可以以各种方式组合。所有可能的组合和子组合旨在落在本公开的范围内。
[0213]
在分离的实施例的上下文中在该说明书中所描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相反，在单个实施例中的上下文中所描述的各种特征还可以单独地或者以任何适合的子组合在多个实施例中实现。而且，尽管特征可以上文描述为在某些组合中起作用并且甚至初始如此要求保护，但是在一些情况下，可以从组合删除来自所要求保护的组合的一个或多个特征，并且所要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变型。没有单个特征或特征组对于每一个实施例是必要或不可缺少的。
[0214]
将理解到，除非另外特别说明，否则本文所使用或者根据使用在上下文内以其他方式理解的条件语言(诸如，除其他之外，“可以(can)”、“可以(could)”、“可能(might)”、“可以(may)”、“例如(e.g.)”等)通常旨在传达某些实施例包括而其他实施例不包括某些特征、元件和/或步骤。因此，这样的条件语言通常不旨在暗含特征、元件和/或步骤以任何方式对于一个或多个实施例所要求或者一个或多个实施例必然包括用于在有或没有作者输入或者提示的情况下决定这些特征、元件和/或步骤是否在任何特定实施例中包括或者将执行的逻辑。术语“包括(comprising)”、“包括(including)”、“具有(having)”等是同义的并且以开放式方式包含地使用，并且不排除附加元件、特征、动作、操作等。而且，术语“或者(or)”以其包括的意义(而非以其排外的意义)使用，使得例如当用于连接元件的列表时，术语“或者(or)”意味着列表中的元件中的一个、一些或全部。另外，除非另外指出，否则如在本技术中和随附的权利要求中使用的冠词“一(a)”、“一(an)”和“该(the)”将被解释为为意味着“一个或多个”或者“至少一个”。类似地，虽然操作可以以特定次序在附图中描绘，但是将认识到，这样的操作不需要以所示的特定次序或者以顺序次序执行，或者全部所示出的操作被执行，来实现期望的结果。而且，附图可以示意性地以流程图的形式描绘一个或多个
示例过程。然而，未描绘的其他操作可以包含在示意性地示出的示例方法和过程中。例如，一个或多个附加操作可以在任何所示出的操作之前、之后、同时或者之间执行。此外，在其他实施例中，操作可以重新布置或者重新排列。在某些情况下，多任务和并行处理可以是有利的。而且，上文所描述的实施例中的各种系统部件的分离不应该被理解为所有实施例中要求这样的分离，并且应该理解的是，所描述的程序部件和系统可以通常一起集成在单个软件产品或者封装到多个软件产品中。此外，其他实施例在以下权利要求的范围内。在一些情况下，权利要求中所记载的动作可以以不同的次序执行并且仍然实现期望的结果。
[0215]
因此，权利要求不旨在限于本文中所示的实施例，而是将符合与本文所公开的本公开、原理和新颖特征一致的最宽范围。