CN110462460B - 用于虚拟、增强或混合现实系统的目镜 - Google Patents

Abstract

一种用于增强现实的目镜波导。目镜波导可包括透明基板，透明基板具有输入耦合器区域、第一和第二正交光瞳扩展器(OPE)区域、以及出射光瞳扩展器(EPE)区域。输入耦合器区域可以位于第一和第二OPE区域之间，并且可以将从外部入射在输入耦合器区域上的输入光束分成和重定向到在基板内部传播的第一和第二引导光束，其中，第一引导光束被引导朝向第一OPE区域，以及第二引导光束被引导朝向第二OPE区域。第一和第二OPE区域可以分别将第一和第二引导光束分成多个复制、间隔开的光束。EPE区域可以重定向来自第一和第二OPE区域的复制光束，使得它们离开基板。

Description

用于虚拟、增强或混合现实系统的目镜

相关申请的交叉引用

在与本申请一起提交的申请数据表中标识出的外国或国内优先权要求的任何和所有申请在此根据37CFR1.57通过引用并入。本申请要求2017年1月23日提交的题为“用于虚拟、增强或混合现实系统的目镜(EYEPIECE FOR VIRTUAL,AUGMENTED,OR MIXED REALITYSYSTEMS)”的第62/449,524号美国专利申请的优先权。

技术领域

本公开涉及用于虚拟现实、增强现实和混合现实系统的目镜。

背景技术

现代计算和显示技术促进了虚拟现实、增强现实和混合现实系统的发展。虚拟现实或“VR”系统为用户创造模拟的环境来体验。这可以通过将计算机生成的图像数据通过头戴式显示器呈现给用户来完成。该图像数据创造了让用户沉浸在模拟环境中的感觉体验。虚拟现实场景通常涉及仅计算机生成的图像数据的呈现，而不涉及实际的真实世界的图像数据的呈现。

增强现实系统通常用模拟元素来补充真实世界环境。例如，增强现实或“AR”系统可以通过头戴式显示器向用户提供周围真实世界环境的视图。然而，计算机生成的图像数据也能够呈现在显示器上，以增强现实世界环境。该计算机生成的图像数据可以包括与现实世界环境环境相关的元素。这样的元素可以包括模拟的文本、图像、对象等。混合现实或“MR”系统是还将模拟的对象引入到现实世界环境中的一类AR系统，但是这些对象通常以更大程度的交互性为特征。模拟元素通常能够实时地交互多次。

图1描绘了示例的AR/MR场景1，其中用户看到以背景中的人、树、建筑为特征的真实世界的公园设置6以及实体平台20。除了这些项目以外，计算机生成的图像数据也呈现给用户。计算机生成的图像数据可以包括例如站在真实世界的平台20上的机器人雕像10，以及看起来像飞行的蜜蜂的化身的卡通式的头像角色2，尽管这些元素2、10不实际存在于真实的世界环境中。

发明内容

在一些实施例中，一种用于虚拟现实、增强现实或混合现实系统的目镜波导包括：至少部分透明的基板；输入耦合器区域，其形成在基板上或基板中，并且被配置为将从外部入射在输入耦合器区域上的至少一个输入光束分成和重定向到在基板内部传播的第一和第二引导光束；第一正交光瞳扩展器(OPE)区域，其形成在基板上或基板中，并且被配置为将来自输入耦合器区域的第一引导光束分成多个平行、间隔开的光束；第二OPE区域，其形成在基板上或基板中，并且被配置为将来自输入耦合器区域的第二引导光束分成多个平行、间隔开的光束；以及公共出射光瞳扩展器(EPE)区域，其形成在基板上或基板中，并被配置成将来自第一和第二OPE区域的光束重定向使得它们离开基板，其中输入耦合器区域位于第一OPE区域和第二OPE区域之间，并且被配置为将第一引导光束引导朝向第一OPE区域并将第二引导光束引导朝向第二OPE区域。

在一些实施例中，目镜波导还包括：第一扩展器区域，其接收来自第一OPE区域的光束并扩展它们的分布，以便到达EPE区域的更大部分；第二扩展器区域接收来自第二OPE区域的光束并扩展它们的分布，以便到达EPE区域的更大部分。

在一些实施例中，第一扩展器区域和第二扩展器区域均被配置为朝向EPE区域的中心扩展光束的分布。

在一些实施例中，输入耦合器区域包括衍射光学特征，以将输入光束分开并重定向朝向第一和第二OPE区域。输入耦合器区域的衍射光学特征可包括形成至少一个衍射光栅的多个线。输入耦合器区域的衍射光学特征还可以包括以格子图案布置的多个特征。输入耦合器区域的衍射光学特征还可以包括交叉光栅。

在一些实施例中，输入耦合器区域的衍射光学特征被配置为将光引导朝向第一和第二OPE区域，并在不首先通过任一OPE区域的情况下朝向EPE区域。

附图说明

图1示出了通过AR系统对增强现实(AR)场景的用户视图。

图2示出了可穿戴显示系统的示例。

图3示出了用于为用户模拟三维图像数据的传统显示系统。

图4示出了使用多个深度平面来模拟三维图像数据的方法的各方面。

图5A至图5C示出了曲率半径和焦点半径之间的关系。

图6示出了用于在AR目镜中向用户输出图像信息的波导堆叠的示例。

图7A至图7B示出了由波导输出的出射光束的示例。

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。

图9A示出了各自包括内耦合光学元件的一组堆叠波导的示例的剖面侧视图。

图9B示出了图9A的多个堆叠波导的示例的透视图。

图9C示出了图9A和图9B的多个堆叠波导的示例的俯视平面图。

图10是示例AR目镜波导堆叠的透视图。

图11是具有边缘密封结构的示例目镜波导堆叠的一部分的剖面图，该边缘密封结构用于在堆叠配置中支撑目镜波导。

图12A和图12B示出处于操作中的目镜波导在其朝向用户眼睛投射图像的俯视图。

图13A示出VR/AR/MR系统的一半的示例目镜的前视图(处于佩戴位置)。

图13B示出目镜的一些衍射光学特征，其使得在输入耦合器区域处投射到目镜中的图像数据传播通过该目镜并且从出射光瞳扩展器(EPE)区域朝向用户眼睛投射出去。

图13C示出图9B中所示的正交光瞳扩展器(OPE)区域的光学操作。

图14A示出包括具有交叉衍射光栅的输入耦合器区域的目镜的实施例。

图14B是由交叉衍射光栅组成的图14中所示的输入耦合器区域的示例实施例的透视图。

图15A示出具有上OPE区域和下OPE区域的目镜的实施例，该OPE区域朝向EPE区域成角度以提供更紧凑形状因子。

图15B示出图15A中所示的目镜的输入耦合器区域的衍射光学特征的示例实施例。

图15C示出图15A中所示的目镜的OPE区域的衍射光学特征的示例实施例。

具体实施方式

示例HMD设备

在此公开的虚拟和增强现实系统可以包括向用户呈现计算机生成的图像数据的显示器。在一些实施例中，显示系统是可穿戴的，这可以有利地提供更具沉浸感的VR或AR体验。图2示出示例可穿戴显示系统60。显示系统60包括显示器或目镜70以及支持该显示器70的功能的各种机械和电子模块和系统。显示器70可以耦合到框架80，框架80可由显示系统用户90佩戴并且被配置为将显示器70定位在用户90的眼睛前方。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耦合到框架80并且位于用户90的耳道附近。显示系统还可以包括一个或多个麦克风110来检测声音。麦克风110能够允许用户向系统60提供输入或命令(例如，语音菜单命令、自然语言问题等的选择)和/或能够允许与其他人(例如，与类似显示系统的其他用户)的音频通信。麦克风110还能够收集来自用户周围的音频数据(例如，来自用户和/或环境的声音)。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分离并且附接到用户90的身体(例如，头部、躯干和四肢上等)。在一些实施例中，外围传感器120a可以获取表征用户90的生理状态的数据。

显示器70通过通信链路130(诸如通过有线导线或无线连接)可操作地耦合到本地数据处理模块140，该本地数据处理模块140可以以各种配置安装，诸如固定地附接到框架80，固定地附接到用户穿戴的头盔或帽子，嵌入到耳机中，或可移除地附接到用户90(例如，以背包方式的配置，或以带式耦合方式的配置)。类似地，传感器120a可以通过通信链路120b(例如，有线导线或无线连接)可操作地耦合到本地处理和数据模块140。本地处理和数据模块140可以包括硬件处理器以及诸如非易失性存储器(例如，闪速存储器或硬盘驱动)的数字存储器，二者都可用于辅助数据的处理、缓冲以及存储。数据可以包括如下数据：1)从传感器(其可以例如可操作地耦合到框架80或以其他方式附接到用户90)捕获的数据，诸如图像捕获设备(例如，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/或在此公开的其他传感器；和/或2)使用远程处理模块150和/或远程数据储存库160获取和/或处理的数据(包括与虚拟内容有关的数据)，可能在这种处理或检索之后传送给显示器70。本地处理和数据模块140可以通过诸如经由有线或无线通信链路的通信链路170、180操作性地耦合到远程处理模块150和远程数据储存库160，使得这些远程模块150、160可操作性地彼此耦合并作为资源可用于本地处理和数据模块140。在一些实施例中，本地处理和数据模块140可以包括以下中的一个或多个：图像捕获设备、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140通信的独立设备。

远程处理模块150可以包括分析和处理数据的一个或多个处理器，例如图像和音频信息。在一些实施例中，远程数据储存库160可以是数字数据存储设施，其可以通过互联网或其它网络配置以“云”资源配置而可用。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，其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)。在其他实施例中，在本地处理和数据模块中存储全部数据，并且执行全部计算，允许从远程模块完全自主使用。

将图像感知为“三维”或“3D”可以通过向用户的每只眼睛提供稍微不同的图像呈现来实现。图3示出用于为用户模拟三维图像数据的传统显示系统。两个不同的图像190、200被输出给用户，一个图像用于每只眼睛210、220。图像190、200与眼睛210、220沿着平行于用户视线的光轴线或z轴线间隔开距离230。图像190、200是平坦的，并且眼睛210、220可以通过呈现(assume)单个适应(accommodate)状态来聚焦在图像上。这种3D显示系统依赖于人类视觉系统以组合图像190、200来提供组合图像的深度和/或缩放的感知。

然而，人类视觉系统是复杂的，并且提供对深度的现实感知是具有挑战性的。例如，传统的“3-D”显示系统的许多用户发现这种系统不舒服，或者根本不能感知到深度感。由于聚散度和适应性的组合而将该对象感知为“三维”。两只眼睛彼此相对的聚散运动(例如，眼睛的旋转使得瞳孔彼此相向或远离运动，以会聚眼睛的相应的视线来注视对象)与眼睛晶状体的聚焦(或“适应性”)密切相关。在正常情况下，改变眼睛晶状体的焦点或适应眼睛，以将焦点从在不同距离处的一个对象改变到另一个对象，将会在称为“适应性聚散度反射(accommodation-vergence reflex)”的关系以及瞳孔的扩张或收缩下自动地导致在聚散度上的匹配改变达到相同的距离。同样，在正常情况下，聚散度的改变将引发晶状体形状和瞳孔尺寸的适应性的匹配改变。如在此所指出的，许多立体或“3-D”显示系统使用稍微不同的呈现(并且因此稍微不同的图像)来向每只眼睛显示场景，以使得人类视觉系统感知到三维视角。然而，这样的系统由于它们简单地提供单个适应性状态的图像信息并且违背“适应性聚散度反射”进行工作，而对于一些用户来说不舒服。提供适应性和聚散度之间的更好匹配的显示系统可以形成三维图像数据的更逼真且舒适的模拟。

图4示出了使用多个深度平面来模拟三维图像数据的方法的各方面。参照图4，眼睛210、220呈现不同的适应状态从而聚焦于Z轴上的各种距离处的对象。因此，可以说特定的适应状态与所示的深度平面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，以使得当眼睛处于该深度平面的适应状态时，特定深度平面中的对象或对象的部分被聚焦。在一些实施例中，可以通过为眼睛210、220中的每一只眼睛提供不同的图像呈现来模拟三维图像数据，并且还通过提供与多个深度平面对应的图像的不同呈现来模拟三维图像数据。虽然为了清楚说明而将眼睛210、220的相应视野示出为分开，但是它们可以例如随沿着Z轴的距离增加而重叠。另外，虽然为了便于说明而将深度平面示出为平坦的，但应理解的是，深度平面的轮廓可以在物理空间中是弯曲的，以使得深度平面中的所有特征在特定的适应状态下与眼睛对焦。

对象与眼睛210或220之间的距离还可以改变来自该对象的光的发散量，如该眼睛所观察的。图5A-5C示出了距离与光线的发散之间的关系。对象与眼睛210之间的距离以距离减小的顺序表示为R1、R2和R3。如在图5A-5C中所示，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(对象或对象的部分)产生的光场具有球面波前曲率，这是该点距用户眼睛有多远的函数。曲率随着对象和眼睛210之间的距离减小而增加。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用户的眼睛210之间的距离减小而增加。尽管在图5A-5C和在此的其它附图中为了清楚说明仅示出单只眼睛210，将会理解，关于眼睛210的讨论可以应用于用户的双眼210和220。

通过向眼睛提供与有限数量的深度平面中的每一个平面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。不同的呈现可以由用户的眼睛单独聚焦，从而有助于基于针对位于不同深度平面上的场景而聚焦不同图像特征所需的眼睛适应性量和/或基于观察离焦的不同深度平面上的不同图像特征，向用户提供深度线索。

用于AR或MR目镜的波导堆叠组件的示例

图6示出了AR目镜中向用户输出图像信息的波导堆叠的示例。显示系统250包括可以用于采用多个波导270、280、290、300、310向眼睛/大脑提供三维感知的波导堆叠或堆叠波导组件260。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。将清楚的是，在一些实施例中，显示系统250可以被认为是光场显示器。

波导组件260还可以包括在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级别的波前曲率或光线发散向眼睛发送图像信息。每个波导级别可以与特定的深度平面相关联，并且可以被配置为输出与该深度平面对应的图像信息。图像注入设备360、370、380、390、400可以用作波导的光源并且可以用于将图像信息注入到波导270、280、290、300、310中，如在此所述，每个图像注入设备可以被配置为分布入射光穿过每个相应的波导，用于朝向眼睛210输出。光从每个相应的图像注入设备360、370、380、390、400的输出表面410、420、430、440、450出射并被注入到相应波导270、280、290、300、310的相应输入表面460、470、480、490、500。在一些实施例中，输入表面460、470、480、490、500中的每个可以是相应波导的边缘，或者可以是相应波导的主表面的一部分(即，直接面向世界510或用户的眼睛210的波导表面中的一个)。在一些实施例中，光束(例如，准直光束)可以注入到每个波导中，并且可以在波导中诸如经过衍射通过采样为子光束进行复制，接着以与关联于特定波导的深度平面对应的光焦度量(amount of opticalpower)引导朝向眼睛210。在一些实施例中，图像注入设备360、370、380、390、400中的单个一个图像注入设备可以与波导270、280、290、300、310中的多个(例如，三个)相关联并将光注入其中。

在一些实施例中，图像注入设备360、370、380、390、400是分立显示器，其中每一个产生用于分别注入到相应波导270、280、290、300、310中的图像信息。在一些其它实施例中，图像注入设备360、370、380、390、400是单个复用显示器的输出端，其可以经由一个或多个光导管(诸如，光纤线缆)向图像注入设备360、370、380、390、400中的每一个图像注入设备发送图像信息。应该理解，由图像注入设备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。

在一些实施例中，由包括光模块530的光投影系统520提供注入到波导270、280、290、300、310的光，光模块530可以包括光源或光发射器(诸如发光二极管(LED))。来自光模块530的光可以经由分束器(BS)550由光调制器540(例如，空间光调制器)进行引导和调制。光调制器540可以在空间上和/或在时间上改变注入到波导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)显示器和数字光处理(DLP)显示器。

在一些实施例中，光投影系统520或者其一个或多个部件可以附接到框架80(图2)。例如，光投影系统520可以是框架80的临时部分(例如，耳柄82)的一部分或者设置在显示器70的边缘处。在一些实施例中，光模块530可以与BS 550和/或光调制器540分离。

在一些实施例中，显示系统250可以是包括一个或多个扫描光纤的扫描光纤显示器，将光以各种模式(例如，光栅扫描、螺旋扫描、李萨如模式等)投射到一个或多个波导270、280、290、300、310中并且最终投射到用户的眼睛210中。在一些实施例中，所示的图像注入设备360、370、380、390、400可以示意性表示单个扫描光纤或扫描光纤束，扫描光纤或扫描光纤束被配置为将光注入到波导270、280、290、300、310中的一个或多个。在一些其他实施例中，所示的图像注入设备360、370、380、390、400可以示意性表示多个扫描光纤或多个扫描光纤束，每一个扫描光纤或扫描光纤束被配置为将光注入到波导270、280、290、300、310中的相关联的一个波导。一个或多个光纤可以将光从光模块530发送到一个或多个波导270、280、290、300和310。另外，一个或多个中间光学结构可以设置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，从而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。

控制器560控制堆叠波导组件260的操作，包括图像注入设备360、370、380、390、400、光源530和光调制器540的操作。在一些实施例中，控制器560可以是本地数据处理模块140的一部分。控制器560包括调节图像信息到波导270、280、290、300、310的定时和提供的编程(例如，在非暂时性介质中的指令)。在一些实施例中，控制器可以是单个整体设备，或通过有线或无线通信通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)的部分。

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其他形状(例如，弯曲的)，具有主要的顶表面和底表面以及在这些主要的顶表面和底表面之间延伸的边缘。在所示的配置中，波导270、280、290、300、310可以各自包括外耦合光学元件570、580、590、600、610，其被配置为通过将在每个相应波导内传播的光重定向到波导外从而向眼睛210输出图像信息。提取的光也可以被称为外耦合光，并且外耦合光学元件也可以被称为光提取光学元件。提取的光束可以在波导中传播的光照射光提取元件的位置处通过波导输出。例如，外耦合光学元件570、580、590、600、610可以是包括衍射光栅的衍射光学特征，如在此进一步讨论的。虽然外耦合光学元件570、580、590、600、610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，它们可以设置在顶部和/或底部主表面处，和/或可以直接设置在波导270、280、290、300、310的体积中，如在此进一步讨论。在一些实施例中，外耦合光学元件570、580、590、600、610可以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，并且外耦合光学元件570、580、590、600、610可以形成在该片材料的表面上和/或该片材料的内部中。

每个波导270、280、290、300、310可以输出光以形成与特定深度平面对应的图像。例如，最接近眼睛的波导270可以将准直光束传递到眼睛210。准直光束可以代表光学无限远焦平面。下一个上行波导280可以输出准直光束，该准直光束在到达眼睛210之前穿过第一透镜350(例如，负透镜)。第一透镜350可以向准直光束增加轻微的凸面的波前曲率，使得眼睛/大脑将来自波导280的光解释为源于第一焦平面，该第一焦平面从光学无穷远更向内靠近朝向眼睛210。类似地，第三波导290使其输出光在到达眼睛210之前穿过第一透镜350和第二透镜340两者。第一透镜350和第二透镜454的组合光焦度可以增加波前曲率的另一增量，使得眼睛/大脑将来自第三波导290的光解释为源于第二焦平面，该第二焦平面从光学无穷远比来自第二波导280的光更向内靠近。

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通过它与眼睛之间的全部透镜发送其输出，用于表示最靠近人的焦平面的总(aggregate)光焦度。当在堆叠波导组件260的另一侧上观看/解释来自世界510的光时，为了补偿透镜320、330、340、350的堆叠，补偿透镜层620可以设置在堆叠的顶部处以补偿下面的透镜堆叠320、330、340、350的总光焦度。这种配置提供了与可用波导/透镜配对一样多的感知焦平面。波导的外耦合光学元件和透镜的聚焦方面都可以是静态的(即，不是动态的或电激活的)。在一些替代实施例中，两者之一或者两者都可以是使用电激活特征而动态的。

在一些实施例中，波导270、280、290、300、310中的两个或更多个可以具有相同的关联深度平面。例如，多个波导270、280、290、300、310可以输出设定到相同深度平面的图像，或波导270、280、290、300、310的多个子集可以输出设定到相同的多个深度平面的图像，其中对于每个深度平面设定一个。这可以为形成平铺图像提供优势，以在这些深度平面处提供扩大的视场。

外耦合光学元件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对于与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外耦合光学元件570、580、590、600、610的不同配置，其取决于相关联的深度平面输出具有不同发散量的光。在一些实施例中，光提取元件570、580、590、600、610可以是体积或表面特征，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可以是体积全息图、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，用于形成气隙的包层和/或结构)。

在一些实施例中，外耦合光学元件570、580、590、600、610是衍射效率足够低的衍射特征，使得仅光束的功率的一部分在每次相互作用中朝向眼睛210重定向，同时剩余的继续经由TIR移动通过波导。相应地，光模块530的出射光瞳穿过波导进行复制，从而创建携带来自光源530的图像信息的多个输出光束，有效扩展眼睛210可以拦截复制的光源出射光瞳的位置数量。这些衍射特征还可以跨越它们的几何形状具有可变的衍射效率以提高波导输出的光的均匀性。

在一些实施例中，一个或多个衍射特征可以在它们主动地衍射的“开”状态和它们不显著衍射的“关”状态之间可切换。例如，可切换的衍射特征可以包括聚合物分散液晶层，其中微滴在主体介质中形成衍射图案，并且微滴的折射率可以切换为基本上匹配主体材料的折射率(在这种情况下，图案不明显地衍射入射光)，或者微滴可以切换为与主体介质的指数不匹配的指数(在这种情况下，该图案主动地衍射入射光)。

在一些实施例中，相机组件630(例如，数码相机，包括可见光和红外(IR)光相机)可以设置为捕获眼睛210、眼睛210的部分或者眼睛210周围的组织的至少一部分，从而例如检测用户输入、从眼睛提取生物识别信息、评估和跟踪眼睛的注视方向，以监测用户的心理状态等。在一些实施例中，相机组件630可以包括图像捕获设备和将光(例如，IR或近IR光)投射到眼睛的光源，接着该光可以由眼睛反射并且由图像捕获设备检测。在一些实施例中，光源包括在IR或近IR发光的发光二极管(“LED”)。在一些实施例中，相机组件630可以附接到框架80(图2)并且可以与处理模块140或150电通信，处理模块140或150可以处理来自相机组件630的图像信息以做出关于例如用户的心理状态、佩戴者的注视方向、虹膜识别等的各种确定。在一个实施例中，可以针对每个眼睛使用一个相机组件630，从而分开监视每个眼睛。

图7A示出了由波导输出的出射光束的示例。(以透视图)示出了一个波导，但是波导组件260(图6)中的其他波导可以类似的发挥作用。光640在波导270的输入表面460处被注入到波导270中，并且通过TIR在波导270内传播。通过与衍射特征的相互作用，光作为出射光束650离开波导。出射光束650从投影仪设备复制出射光瞳，该投影仪设备将图像投影到波导中。出射光束650中的任何一个包括输入光640的总能量的子部分。并且在完全有效的系统中，所有出射光束650中的能量的总和将等于输入光640的能量。出射光束650在图7A中示出为基本平行，但是，如本文所讨论的，取决于与波导270相关联的深度平面，可以赋予一定量的光焦度。平行的出射光束可以指示具有如下的外耦合光学元件的波导，其中外耦合光学元件将光外耦合以形成看起来被设定在距眼睛210远距离(例如，光学无穷远)处的深度平面上的图像。其它波导或者其他的外耦合光学元件组可以输出更加发散的出射光束图案，如图7B所示，这将需要眼睛210适应更近距离以将它聚焦在视网膜上，并且将被大脑解释为光来自比光学无穷远更接近眼睛210的距离。

在一些实施例中，可以通过在每个分量颜色(例如三种或更多种分量颜色，诸如红色、绿色和蓝色)中覆盖图像，在每个深度平面处形成全色图像。图8示出了堆叠的波导组件的示例，其中每个深度平面包括使用多个不同分量颜色形成的图像。所示实施例示出深度平面240a-240f，但也可以考虑更多或更少的深度。每个深度平面可以具有与其相关联的三个或多个分量颜色图像，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。在图中通过字母G、R和B之后的不同屈光度表示不同的深度平面。这些字母的每个字母之后的数字表示屈光度(1/m)，或者深度平面与用户距离的倒数，并且图中的每个框代表单个分量颜色图像。在一些实施中，为了考虑眼睛对于不同波长的光的聚焦上的差异，可以改变针对不同分量颜色的深度平面的精确放置。例如，对于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或可以减少色差。

在一些实施例中，每个分量颜色的光可以由单个专用波导输出，并且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，图中的每个框可以被理解为表示单独的波导，并且可以为每个深度平面提供三个波导，从而每个深度平面显示三个分量颜色图像。虽然为了便于说明，在该图中示出与每个深度平面相关联的波导彼此相邻，但是应该理解，在物理设备中，波导可以全部以每个层级一个波导的形式布置在堆叠中。在一些其它实施例中，多个分量颜色可以由相同的波导输出，使得例如可以为每个深度平面仅提供单个波导。

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、绿色或蓝色中的一个或多个颜色之外，还可以使用与其他波长的光相关联的其他颜色(包括黄色、品红色和青色)，或者这些其他颜色可以代替红色、绿色或蓝色中的一个或多个颜色。在一些实施例中，特征320、330、340和350可以是有源或无源光学滤波器，其被配置为阻挡或选择性地将来自周围环境的光传送到用户的眼睛。

贯穿本公开对给定颜色的光的参考应当被理解为包括一个或多个波长的光，该一个或多个波长的光被用户感知为该给定颜色的光的波长范围内。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。

在一些实施例中，光源530(图6)可以被配置为在用户的视觉感知范围之外发射一个或多个波长的光，例如，红外或紫外波长。红外光可以包括波长范围从700nm到10μm的光。在一些实施例中，红外光可以包括波长范围从700nm到1.5μm的近红外光。另外，显示器250的波导的内耦合、外耦合、以及其他光重定向结构可以被配置为将该光从显示器引导出并朝向用户的眼睛210发射，例如用于成像和/或用户刺激应用。

现在参考图9A，在一些实施例中，入射在波导上的光可能需要被重定向，以将该光内耦合到波导中。可以使用内耦合光学元件来将光重定向并将光内耦合到其对应的波导中。图9A示出了各自包括内耦合光学元件的堆叠波导组660的示例的横截面侧视图。波导可以各自被配置为输出一个或多个不同波长的光，或者一个或多个不同波长范围的光。应当理解的是，堆叠660可以对应于堆叠260(图6)，并且所示出的堆叠660的波导可以对应于多个波导270、280、290、300、310的一部分，除了来自图像注入装置360、370、380、390、400中的一个或多个的光从需要光重定向以进行内耦合的位置或方位注入到波导中。

示出的堆叠波导组660包括波导670、680和690。每个波导包括相关联的内耦合光学元件(其还可以被称为波导上的光输入区域)，具有例如设置在波导670的主表面(例如，上部主表面)上的内耦合光学元件700，设置在波导680的主表面(例如，上部主表面)上的内耦合光学元件710，以及设置在波导690的主表面(例如，上部主表面)上的内耦合光学元件720。在一些实施例中，内耦合光学元件700、710、720中的一个或多个可以设置在相应的波导670、680、690的底部主表面上(尤其是在一个或多个内耦合光学元件是反射光学元件的情况下)。如所示，内耦合光学元件700、710、720可以被设置在它们相应的波导670、680、690的上部主表面上(或下一个较低波导的顶部)，特别是在那些内耦合光学元件是透射光学元件的情况下。在一些实施例中，内耦合光学元件700、710、720可以设置在相应的波导670、680、690的主体中。在一些实施例中，如在此所讨论的，内耦合光学元件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。虽然在他们相应的波导670、680、690的一侧或角部上示出，但应理解的是，在一些实施例中，内耦合光学元件700、710、720可以设置在它们相应的波导670、680、690的其他区域中。

如所示，内耦合光学元件700、710、720可以彼此横向偏移。在一些实施例中，每个内耦合光学元件可以偏移使得它接收光而该光没有穿过另一内耦合光学元件。例如，每个内耦合光学元件700、710、720可以被配置为从图6所示的不同图像注入设备360、370、380、390、和400接收光，并且可以与其他内耦合光学元件700、710、720分离(例如，横向间隔开)使得它基本上不接收来自内耦合光学元件700、710、720中的其他内耦合光学元件的光。

每个波导还包括相关联的光分布元件，其中例如设置在波导670的主表面(例如，顶部主表面)上的光分布元件730，设置在波导680的主表面(例如，顶部主表面)上的光分布元件740，以及设置在波导690的主表面(例如，顶部主表面)上的光分布元件750。在一些其他实施例中，光分布元件730、740、750可以分别设置在相关联的波导670、680、690的底部主表面上。在一些其他实施例中，光分布元件730、740、750可以分别设置在相关联的波导670、680、690的顶部和底部主表面上；或光分布元件730、740、750可以分别设置在不同的相关联的波导670、680、690中的顶部主表面和底部主表面中的不同主表面上。

波导670、680、690可以被例如气体、液体或固体材料层隔开并且分离。例如，如图所示，层760a可以分离波导670和波导680；并且层760b可以分离波导680和波导690。在一些实施例中，层760a和760b由低折射率材料(即，具有比形成波导670、680、690中的紧邻波导的材料的折射率低的材料)形成。在一些实施例中，形成层760a、760b的材料的折射率比形成波导670、680、690的材料的折射率至少小0.05或至少小0.10。有利的是，较低折射率层760a、760b可以用作促进穿过波导670、680、690的光的TIR(例如，每个波导的顶部和底部主表面之间的TIR)的包层。在一些实施例中，层760a、760b由空气形成。虽然未示出，但应当理解的是，图示的波导组660的顶部和底部可以包括紧邻的包层。

优选地，为了便于制造和其他考虑，形成波导670、680、690的材料类似或相同，并且形成层760a、760b的材料类似或相同。在其他实施例中，形成波导670、680、690的材料可以在一个或多个波导之间不同，或形成层760a、760b的材料可以不同，同时仍然保持上述的各种折射率关系。

继续参考图9A，光线770、780、790入射在波导组660上。光线770、780、790可以通过一个或多个图像注入设备360、370、380、390、400(图6)注入到波导670、680、690中。

在一个实施例中，光线770、780、790具有不同的性质(例如，不同的波长或不同的波长范围)，其可以对应于不同的颜色。内耦合光学元件700、710、720各自将入射光重定向，使得该光通过TIR传播经过波导670、680、690中的相应波导。

例如，内耦合光学元件700可以被配置为使具有第一波长或第一波长范围的光线770重定向。类似地，透射的光线780照射在内耦合光学元件710上并被其重定向，该内耦合光学元件710被配置为使第二波长或第二波长范围的光重定向。同样，光线790被内耦合光学元件720重定向，该内耦合光学元件720被配置为选择性地重定向第三波长或第三波长范围的光。

继续参照图9A，光线770、780、790被重定向，使得它们传播通过相应的波导670、680、690；也就是说，每个波导的内耦合光学元件700、710、720使光重定向到相应的波导670、680、690中从而将光内耦合到该相应的波导中。光线770、780、790以使得光通过TIR传播通过相应的波导670、680、690的角度被重定向。光线770、780、790通过TIR传播通过相应的波导670、680、690，直到与波导的相应的光分布元件730、740、750相互作用。

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，光线770、780、790分别被内耦合光学元件700、710、720内耦合，然后通过TIR分别在波导670、680、690内传播。然后光线770、780、790分别与光分布元件730、740、750相互作用。光分布元件730、740、750使光线770、780、790重定向，使得它们分别朝向外耦合光学元件800、810、820传播。

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将光重定向到外耦合光学元件800、810、820，并且还通过当光线770、780、790传播到外耦合光学元件时在横跨光分布元件730、740、750的多个位置处对光线770、780、790进行采样来扩展与该光相关联的光瞳。在一些实施例中(例如，在出射光瞳已经具有期望尺寸的情况下)，可以省略光分布元件730、740、750，并且可以内耦合光学元件700、710、720可以被配置为将光直接重定向到外耦合光学元件800、810、820。例如，参照图9A，光分布元件730、740、750可以分别被外耦合光学元件800、810、820替代。在一些实施例中，外耦合光学元件800、810、820是将光重定向离开波导并且朝向用户的眼睛210(图7)的出射光瞳(EP)或出射光瞳扩展器(EPE)。OPE可以被配置为在至少一个轴上增加眼箱的尺寸，并且EPE可以被配置为在与OPE的轴交叉(例如，正交)的轴上增加眼箱。

因此，参考图9A和图9B，在一些实施例中，波导组660针对每个分量颜色包括波导670、680、690；内耦合光学元件700、710、720；光分布元件(例如，OPE)730、740、750；以及外耦合光学元件(例如，EPE)800、810、820。波导670、680、690可以与每一个之间用气隙/包层堆叠。内耦合光学元件700、710、720将入射光(不同的内耦合光学元件接收不同波长的光)定向到相应的波导中。然后光以支持相应的波导670、680、690内的TIR的角度进行传播。由于TIR仅在特定角度范围内发生，因此光线770、780、790的传播角度的范围受到限制。在这样的示例中可以考虑支持TIR的角度范围，例如可以由波导670、680、690显示的视场的角度限制。在所示的示例中，光线770(例如，蓝光)由第一内耦合光学元件700内耦合，然后在沿波导向下行进时继续从波导的表面来回反射，其中光分布元件(例如，OPE)730以前面描述的方式逐渐对其进行采样以产生另外的复制光线，该复制光线被引导朝向外耦合光学元件(例如，EPE)800。光线780和790(例如，分别为绿光和红光)将穿过波导670，其中光线780照射在内耦合光学元件710上并且被其内耦合。光线780接着经由TIR沿波导680向下传播，继续前进到其光分布元件(例如，OPE)740，然后到外耦合光学元件(例如，EPE)810。最后，光线790(例如，红光)穿过波导670、680从而照射到波导690的光内耦合光学元件720。光内耦合光学元件720使光线790内耦合，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到达外耦合光学元件(例如，EPE)820。然后外耦合光学元件820最后将光线790向外耦合到用户，该用户也从其他波导670、680接收外耦合光。

图9C示出了图9A和图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以及每个波导的相关联的光分布元件730、740、750和相关联的外耦合光学元件800、810、820可以垂直对准。然而，如本文所讨论的，内耦合光学元件700、710、720不是垂直对准的；相反，内耦合光学元件可以是非重叠的(例如，如在俯视图中所见，横向间隔开)。这种非重叠的空间布置可以有助于将来自不同光源的光一对一地注入到不同的波导中，从而允许特定的光源唯一地光学耦合到特定的波导。在一些实施例中，包括非重叠的空间分离的内耦合光学元件的布置可以被称为移位的光瞳系统，并且这些布置内的内耦合光学元件可以对应于子光瞳。

图10是示例AR目镜波导堆叠1000的透视图。目镜波导堆叠1000可以包括世界侧覆盖窗口1002和眼睛侧覆盖窗口1006，以保护位于覆盖窗口之间的一个或多个目镜波导1004。在其他实施例中，可以省略覆盖窗1002、1006中的一个或两个。如已经讨论的，目镜波导1004可以以分层配置布置。目镜波导1004可以耦合在一起，例如，每个单独的目镜波导耦合到一个或多个相邻的目镜波导。在一些实施例中，波导1004可以用边缘密封件(诸如图11中所示的边缘密封件1108)耦合在一起，使得相邻的目镜波导1004不彼此直接接触。

每个目镜波导1004可以由至少部分透明的基板材料制成，诸如玻璃、塑料、聚碳酸酯、蓝宝石等。所选择的材料可以具有高于1.4的折射率，例如，或者高于1.6，或高于1.8，以便于光导。每个目镜波导基板的厚度可以是例如325微米或更小，但是也可以使用其他厚度。每个目镜波导可以包括一个或多个内耦合区域、光分布区域、图像扩展区域和外耦合区域，其可以由形成在每个波导基板902上或其中的衍射特征构成。

尽管未在图10中示出，目镜波导堆叠1000可包括用于将其支撑在用户眼睛前方的物理支撑结构。在一些实施例中，目镜波导堆叠1000是如图2所示的头戴式显示系统60的一部分。通常，目镜波导堆叠1000被支撑使得外耦合区域直接位于用户眼睛前方。应该理解，图10仅示出了目镜波导堆叠1000的与用户的一只眼睛相对应的部分。完整的目镜可以包括相同结构的镜像，两个半部可能由鼻架分开。

在一些实施例中，目镜波导堆叠1000可以将来自多个深度平面的彩色图像数据投影到用户的眼睛中。由目镜1000中的每个单独的目镜波导1004显示的图像数据可以对应于所选择的深度平面的图像数据的所选颜色分量。例如，由于目镜波导堆叠1000包括六个目镜波导1004，它可以投射对应于两个不同深度平面的彩色图像数据(例如，由红色、绿色和蓝色分量组成)：每个深度平面每个颜色分量一个目镜波导1004。其他实施例可以包括用于更多或更少颜色分量和/或更多或更少深度平面的目镜波导1004。

图11是在堆叠配置中具有用于支撑目镜波导1104的边缘密封结构1108的示例目镜波导堆叠1100的一部分的剖面图。边缘密封结构1108对准目镜波导1104并将它们彼此分隔开，其中空气间隙或另一种材料设置在它们之间。虽然未示出，但是边缘密封结构1108可以围绕堆叠波导配置的整个周边延伸。在图11中，每个目镜波导之间的间隔是0.027mm，但是其他距离也是可能的。

在所示实施例中，存在两个目镜波导1104被设计用于显示红色图像数据，一个用于3米深度平面而另一个用于1米深度平面。(同样，目镜波导1104输出的光束的发散可以使图像数据看起来源自位于特定距离处的深度平面。)类似地，存在两个目镜波导1104被设计用于显示蓝色图像数据，一个用于3米深度平面，另一个用于1米深度平面，两个目镜波导1104被设计用于显示绿色图像数据，一个用于3米深度平面和另一个用于1米深度平面。这六个目镜波导1104中的每一个被示出为0.325mm厚，但是其他厚度也是可能的。

世界侧覆盖窗口1102和眼睛侧覆盖窗口1106也在图11中示出。这些覆盖窗口可以是例如0.330mm厚。当考虑六个目镜波导1104、七个空气间隙、两个覆盖窗口1102、1106和边缘密封件1108的厚度时，所示目镜波导堆叠1100的总厚度为2.8mm。

图12A和图12B示出处于操作中的目镜波导1200在其朝向用户眼睛210投射图像的俯视图。可以首先使用投影透镜1210或一些其他投影仪设备将图像从图像平面1207投射朝向目镜波导1200的入射光瞳1208。每个图像点(例如，图像像素或图像像素的一部分)具有相应的输入光束(例如，1202a、1204a、1206a)，其在入射光瞳1208处沿特定方向传播(例如，以相对于投影仪透镜1210的光轴的特定角度)。尽管示出为光线，但是输入光束1202a、1204a、1206a可以是例如当它们进入目镜波导1200时直径为几毫米或更小的准直光束。

在图12A和图12B中，中间图像点对应于输入光束1204a，其用实线示出。用点划线示出的输入光束1202a对应于移位到中间图像点的一侧的图像点，而用虚线示出的输入光束1206a对应于移位到另一侧的图像点。为了清楚说明，在入射光瞳1208处仅示出了三个输入光束1202a、1204a、1206a，但是典型的输入图像将包括对应于不同图像点的许多输入光束。并且输入光束将在x方向和y方向上相对于光轴以一定角度范围传播。

在入射光瞳1208处的输入光束(例如，1202a、1204a、1206a)的各种传播角度与图像平面1207处的相应图像点之间存在唯一的对应关系。目镜波导1200可以被设计成将输入光束(例如，1202a、1204a、1206a)内耦合，以分布的方式通过空间复制它们，并引导它们以形成出射光瞳1210，其大于入射光瞳1208并且由复制的光束组成，同时基本上保持图像点和光束角度之间的对应关系。目镜波导1200可以将以特定角度传播的给定输入光束(例如，1202a)转换为许多复制光束(例如，1202b)，这些复制光束以基本上唯一关联于该特定输入光束及其对应的图像点的角度穿过出射光瞳1210被输出。因此，目镜波导1200可以在保持构成投影图像的光束的相对角度关系的同时执行光瞳扩展。

如图12A和图12B所示，对应于图像平面1207处的中间图像点的输入光束1204a被转换成一组复制输出光束1204b，用实线示出，这些复制输出光束与垂直于目镜波导1200的出射光瞳1210的光轴对准。输入光束1202a被转换成一组复制的输出光束1202b，用点划线示出，这些复制输出光束1202b以使得它们看起来源自用户视场的一侧的传播角度离开目镜波导1200，而输入光束1206a被转换成一组复制的输出光束1206b，用虚线表示，复制的输出光束1206b以使得它们看起来源自用户视场的另一侧的传播角度离开目镜波导1200。输入光束角度和/或输出光束角度的范围越大，目镜波导1200的视场(FOV)越大。

对于每个图像，存在多组复制的输出光束(例如，1202b、1204b、1206b)-每个图像点一组复制光束-其以不同的角度在出射光瞳1210上输出。输出光束(例如，1202b、1204b、1206b)可以各自被准直。对应于给定图像点的一组输出光束可以包括沿平行路径(如图12A所示)或发散路径(如图12B所示)传播的光束。在任一种情况下，该组复制输出光束的特定传播角度取决于图像平面1207处的相应图像点的位置。图12A示出了每组输出光束(例如，1202b、1204b、1206b)包括沿平行路径传播的光束的情况。这导致图像被投影以便看起来源自光学无穷远。这在图12A中表示为从外围输出光束1202b、1204b、1206b朝向目镜波导1200的世界侧(与用户眼睛210所在的一侧相对)的光学无限远延伸的虚线。图12B示出了每组输出光束(例如，1202b、1204b、1206b)包括沿发散路径传播的光束的情况。这导致图像被投影以便看起来源自比光学无限远更近的距离。这在图12B中表示为从外围输出光束1202b、1204b、1206b朝向目镜波导1200的世界侧的点延伸的虚线。

再次，每组复制的输出光束(例如，1202b、1204b、1206b)具有对应于图像平面1207处的特定图像点的传播角度。在沿着平行路径传播的一组复制的输出光束的情况下(参见图12A)，所有光束的传播角度是相同的。然而，在沿着发散路径传播的一组复制的输出光束的情况下，各个输出光束可以以不同的角度传播，但是这些角度彼此相关，因为它们看起来源自沿着该组光束的轴的公共点(参见图12B)。正是该轴限定了该组发散输出光束的传播角度，并且该轴对应于图像平面1207处的特定图像点。

示例目镜波导

图13A示出VR/AR/MR系统的一半的示例目镜波导1300的前视图(处于佩戴位置)。目镜波导1300可包括输入耦合器区域1310、上正交光瞳扩展器(OPE)区域1320a、下正交光瞳扩展器(OPE)区域1320b和出射光瞳扩展器(EPE)区域1330。在一些实施例中，目镜波导1300还可包括上扩展器区域1340a和下扩展器区域1340b。目镜波导1300由至少部分透明的基板材料制成。例如，目镜波导1300可以由玻璃、塑料、聚碳酸酯、蓝宝石等基板1302制成。所选材料的折射率可高于1，更优选具有高于1.4的相对高的折射率，或更优选高于1.6，或最优选高于1.8，以便于光引导。基板1302的厚度可以是例如325微米或更小。目镜波导1300的每个上述区域可以通过在目镜波导基板1302上或在目镜波导基板1302中形成一个或多个衍射结构来制成。具体的衍射结构可以在不同区域之间变化。

尽管未在图13A示出，目镜波导1300可以包括位于用户眼前支撑目镜波导的物理支撑结构。在一些实施例中，目镜波导1300是如图2所示的头戴式显示器的一部分。通常，目镜波导1300被支撑为使得EPE区域1330直接位于用户眼前。应该理解，图13A仅示出了目镜波导1300的一半，对应于用户的一只眼睛。完整的目镜波导通常还包括图13A中所示的相同结构的镜像(例如，相应的输入耦合器区域1310朝向用户头部的镜腿，并且相应的EPE区域1330位于用户眼前并且可能由鼻架分开)。两个半部可以是相同基板1302的一部分或是分开的基板。

如图10和图11所示，在一些实施例中，目镜可包括由堆叠在一起(由包层分开)的多个基板1302制成的多个目镜波导1300。每个基板1302可以如图13A所示，并且可以设计为波导以将图像数据投射到眼睛中。在一些实施例中，由堆叠中的每个目镜波导1300显示的图像数据对应于与所选深度平面对应的图像数据的所选颜色分量。例如，投影对应于三个不同深度平面的彩色图像数据(例如，由红色、绿色和蓝色分量组成)的目镜可以包括堆叠在一起的总共九个目镜波导1300：一个目镜波导1300针对三个深度平面中的每一个深度平面的图像数据的每个颜色分量。

图13B示出目镜波导1300的一些衍射光学特征，其使得在输入耦合器区域1310处投射到目镜中的图像数据传播通过该目镜波导并且从EPE区域1330朝向用户眼睛投射出去。一般而言，图像数据经由光束投射到目镜波导1300中，该光束大致在所示的z方向上行进(但是角度变化的量可以取决于图像数据的FOV)并且从基板1302的外侧入射在输入耦合器区域1310上。输入耦合器区域1310包括衍射光学特征，其重定向输入光束，使得它们经由全内反射在目镜波导1300的基板1302内侧传播。在一些实施例中，输入耦合器区域1310对称地位于上OPE区域1320和下OPE区域1320之间。输入耦合器区域1310将输入光分割并重定向到这两个OPE区域1320。

OPE区域1320包括可以执行至少以下两个功能的衍射光学特征：首先，它们可以通过在沿y方向的许多位置处空间复制每个输入光束来执行光瞳扩展，以形成许多间隔开的平行光束；第二，它们可以在通常朝向EPE区域1330的路径上衍射复制的光束。

EPE区域1330同样包括可以执行至少以下两个功能的衍射光学特征：首先，它们可以沿着另一个方向(例如，与OPE区域1320复制的光束的方向大致正交的方向)在许多位置处复制光束；第二，它们可以衍射来自OPE区域1320的光束，使得它们离开目镜波导1300的基板1302并朝向用户的眼睛传播。EPE区域1330的衍射光学特征还可以向出射光束赋予一定程度的光焦度(optical power)，以使它们看起来好像它们源自期望的深度平面，如本文其他地方所讨论的。目镜波导1300可以具有以下特性：由EPE区域1330输出的光束的出射角与在输入耦合器区域1310处的相应输入光束的入射角唯一相关，从而允许眼睛忠实地再现输入图像数据。

现在将更详细地描述目镜波导1300的光学操作。首先，图像数据从一个或多个输入设备在输入耦合器区域1310处投射到目镜波导1300中。输入设备可以包括例如空间光调制器投影仪(相对于用户的脸部位于目镜波导1300的前面或后面)。在一些实施例中，输入设备可以使用液晶显示器(LCD)技术、硅上液晶(LCoS)技术、数字光处理(DLP)技术或光纤扫描显示器(FSD)技术，但是其他也可以使用。每个输入设备可以将一个或多个光束投射到输入耦合器区域1310的子部分上。如本文其他地方所讨论的，每个基板1302可以用作波导，以将给定的图像数据的深度平面的给定颜色分量引导到用户的眼睛中。输入耦合器区域1310的不同子部分可用于输入构成目镜的多个堆叠目镜波导1300中的每一个目镜波导1300的图像数据。对于每个目镜波导1300，这可以通过在输入耦合器区域1310的子部分处提供适当的衍射光学特征来实现，该子部分已经被留出用于将图像数据输入到该目镜波导1300的基板1302中(例如，如图9A-图9C所示)。例如，一个基板1302可以具有设置在其输入耦合器区域1310的中心中的衍射特征，而其他基板1302可以具有设置在它们各自的输入耦合器区域的外围处的衍射特征，例如在3点钟或9点钟位置。因此，用于每个目镜波导1300的输入图像数据可以由投影仪在输入耦合器区域1310的相应子部分处瞄准，使得正确的图像数据被耦合到正确的基板1302中而不耦合到其他基板中。

可以提供投影仪，使得输入光束通常沿着所示的z方向接近基板1302的输入耦合器区域1310(尽管存在一些角度偏差，假设与输入图像的不同点对应的光束将以不同角度投影)。任何给定基板1302的输入耦合器区域1310包括衍射光学特征，其以适当的角度重定向输入光束以经由全内反射在目镜波导1300的基板1302内传播。如放大视图1312所示，在一些实施例中，输入耦合器区域1310的衍射光学特征可以形成由许多线组成的衍射光栅，该线在所示的x方向上水平延伸并且在所示的y方向上周期性地垂直重复。在一些实施例中，线可以被蚀刻到目镜波导1300的基板1302中和/或它们可以由沉积在基板1302上的材料形成。例如，输入耦合器光栅(ICG)可以包括蚀刻到基板的后表面(与输入光束进入的一侧相对)中的线，然后用溅射的反射材料(诸如金属)覆盖。在这样的实施例中，输入耦合器光栅以反射模式起作用，但是其他设计可以使用透射模式。输入耦合器光栅可以是几种类型中的任何一种，包括表面浮雕光栅、二元表面浮雕结构、体全息光学元件(VHOE)、可切换聚合物分散液晶光栅等。线的周期、占空比、深度、轮廓可以基于设计基板所针对的光的波长、光栅的期望衍射效率和其他因素来选择。

入射在该输入耦合器衍射光栅上的输入光被分开并且在+y方向上向上朝向上OPE区域1320a以及在-y方向上向下朝向下OPE区域1320b重定向。具体地，入射在输入耦合器区域1310的衍射光栅上的输入光被分成正衍射级和负衍射级，其中正衍射级向上朝向上OPE区域1320a定向，负衍射级向下朝向下OPE区域1320b定向，或反之亦然。在一些实施例中，输入耦合器区域1310处的衍射光栅被设计成主要将输入光耦合为+1和-1衍射级。(衍射光栅可以设计成减少或消除第0衍射级和超过第一衍射级的更高的衍射级。这可以通过例如适当地塑形每条线的轮廓来实现。)

如图13A中，光束1324a和1324b分别示出了与输入耦合器区域1310的9点钟位置处投影的输入图像的四个角相对应的输入光束朝向上OPE区域1320a和下OPE区域1320b重定向所沿着的路径。类似地，光束1326a和1326b分别示出了与输入耦合器区域1310的3点钟位置处投影的输入图像的四个角相对应的输入光束朝向上OPE区域1320a和下OPE区域1320b重定向所沿着的路径。

上OPE区域1320a和下OPE区域1320b还包括衍射光学特征。在一些实施例中，这些衍射光学特征是形成在目镜波导1300的基板1302上或其中的线。线的周期、占空比、深度、轮廓等可以基于设计基板所针对的光的波长、光栅的期望衍射效率和其他因素来选择。OPE区域1320a、1320b的具体形状可以变化，但是通常可以基于容纳与输入图像数据的角相对应的光束以及其间的所有光束所需的内容来确定，以便提供输入图像数据的完整视图。

如已经提到的，OPE区域1320a、1320b中的这些衍射光栅的一个目的是在许多空间位置处复制每个输入光束以产生多个间隔开的平行光束。这可以通过将OPE衍射光栅设计成具有相对低的衍射效率(例如，小于10％)来实现，使得由于光束通过TIR在基板1302的前表面和后表面之间来回反射而与光栅每次相互作用，光栅仅重定向(例如，通过第一级衍射)光束的所需部分的功率，而其余部分继续在目镜波导1300的平面内沿相同方向传播(例如，通过第0级衍射)。(可用于影响光栅的衍射效率的一个参数是线的蚀刻深度。)OPE区域1320a、1320b中的衍射光栅的另一个目的是沿着通常朝向EPE区域1330的路径引导那些复制的光束。也就是说，每当光束与OPE衍射光栅相互作用时，其一部分的功率将朝向EPE区域1330衍射，而其剩余部分的功率将于再次与光栅相互作用之前继续在相同方向上在OPE区域内传输，其中另一部分的功率向EPE区域偏转，依此类推。以这种方式，每个输入光束被分成多个平行光束，这些平行光束沿着通常朝向EPE区域1330的路径被引导。这在图13C中示出。

OPE衍射光栅的取向相对于从输入耦合器区域1310到达的光束倾斜，以便将这些光束重定向到通常朝向EPE区域1330。倾斜的特定角度可取决于目镜波导1300的各个区域的布局。在图13A和图13B中所示的目镜波导实施例中，上OPE区域1320a在+y方向上延伸，而下OPE区域1320b在-y方向上延伸，使得它们以180°间隔取向。同时，EPE区域1330相对于OPE区域1320a、1320b的轴线90°定位。因此，为了将来自OPE区域1320a、1320b的光朝向EPE区域1330重定向，OPE区域的衍射光栅可以相对于所示的x轴以约+/-45°取向。具体地，如放大视图1322a所示，上OPE区域1320a的衍射光栅可以由与x轴大约+45°取向的线组成。同时，如放大视图1322b所示，下OPE区域1320b的衍射光栅可以由与x轴大约-45°取向的线组成。

图13C是图13B中所示的OPE区域的光学操作的三维图示。图13C示出了图13B的输入耦合器区域1310和上OPE区域1320a，两者都在基板1302的靠近观察者的一侧。由于它们是微观的，所以不能看到输入耦合器区域1310和上OPE区域1320a的衍射光学特征。在这种情况下，示出了单个输入光束1311，但是图像将由以略微不同的角度通过目镜波导1300传播的许多这样的输入光束构成。输入光束1311从输入耦合器区域1310进入上OPE区域1320a。然后输入光束1311继续经由全内反射传播通过目镜波导1300，在其表面之间反复地来回反射。这在图13C中通过所示的每个光束的传播中的锯齿形来表示。

当输入光束1311与形成在上OPE区域1320a中的衍射光栅相互作用时，其一部分的功率朝向EPE区域1330衍射，而其另一部分的功率沿着相同路径继续通过上OPE区域1320a。如已经提到的，这部分是由于光栅的相对低的衍射效率。此外，朝向EPE区域1330衍射的光束可以重新遇到上OPE区域1320a的光栅，并且它们的部分功率可以衍射回到输入光束1311的原始传播方向中，而其其他部分的功率可以继续朝向EPE区域行进。这些光束中的一些光束的路径在图13C中用箭头表示。效果是光的空间范围扩展，因为当输入光束传播通过上OPE区域1320a时，输入光束在许多位置被复制。这从图13C中可以看出，示出了输入光束1311被复制成最终通常在x方向上朝向EPE区域1330行进的许多光束。

返回参考图13B，有利的是输入耦合器区域1310位于两个OPE区域之间，因为这允许目镜波导1300有效地利用在输入耦合器区域1310处衍射成正衍射级和负衍射级的光，从输入耦合器区域1310，一个OPE区域接收一个或多个正衍射级，而另一个OPE区域接收一个或多个负衍射级。然后，来自正衍射级和负衍射级的光可以在EPE区域1330处重新组合并且外耦合到用户的眼睛。尽管输入耦合器区域1310在上和下OPE区域1320a、1320b之间的位置在这方面是有利的，但是它可以导致输入耦合器区域1310有效地遮蔽(shadow)EPE区域1330的中心部分。也就是说，因为输入光束被输入耦合器分成正和负衍射级，并且在+x方向上朝向EPE区域1330重定向之前，首先在+y方向或-y方向上被引导，所以更少的光束可以到达EPE区域的中心部分，该中心部分直接位于图13A和图13B中的输入耦合器区域1310的左侧。这可能是不期望的，因为如果EPE区域1330的中心与用户的眼睛对准，则由于这种由输入耦合器区域1310在OPE区域1320之间的位置而引起的遮蔽效应，最终更少的光束会被从EPE区域1330的中心部分引导到用户的眼睛。作为对此的解决方案，目镜波导1300还可以包括上和下扩展器区域1340a、1340b。这些扩展器区域可以重定向来自OPE区域的光束，以便填充EPE区域1330的中心部分。上和下扩展器区域1340a、1340b利用图13中所示的衍射特征完成该任务。

如放大视图1342a所示，上扩展器区域1340a可以包括衍射光栅，其光栅线与x轴成约-45°形成，通常与相邻的上OPE区域1320a中的光栅线正交，上扩展器区域1340a主要从该相邻的上OPE区域1320a接收光。与OPE光栅一样，可以设计扩展器区域中光栅的效率，使得在每次与光栅的相互作用期间，每个光束的仅一部分的功率被重定向。由于上扩展器区域1340a中的衍射光栅线的取向，来自上OPE区域1320a的光束在朝向EPE区域1330在+x方向上继续之前在-y方向上稍微重定向。因此，上扩展器区域1340a有助于增加到达EPE区域1330的中心部分的光束的数量，尽管由输入耦合器区域1310相对于EPE区域1330的位置引起一些遮蔽。类似地，如放大视图1342b所示，下扩展器区域1340b可以包括光栅线，其与x轴成约+45°形成，通常与相邻的下OPE区域1320b中的光栅线正交，下扩展器区域1340b主要从该相邻的下OPE区域1320b接收光。下扩展器区域1340b中的衍射光栅线使得来自下OPE区域1320b的光束在朝向EPE区域1330在+x方向上继续之前在+y方向上稍微重定向。因此，下扩展器区域1340b也有助于增加到达EPE区域1330的中心部分的光束的数量。

来自OPE区域1320a、1320b和扩展器区域1340a、1340b的光束传播通过目镜波导1300的基板1302，直到最终到达EPE区域1330。EPE区域1330可以包括衍射光学特征，其将光束重定向出目镜波导1300并朝向用户的眼睛。如放大视图1332所示，EPE区域1330的衍射光学特征可以是垂直光栅线，其在y方向上延伸并且在x方向上呈现周期性。可替换地，如图14所示，EPE区域1330中的衍射光栅的线可以稍微弯曲，以便将光焦度赋予图像数据。线的周期、占空比、深度、轮廓等可以基于设计基板所针对的光的波长、光栅的期望衍射效率和其他因素来选择。由于与EPE区域1330中的光栅的每次相互作用，每个光束的一部分功率被重定向到目镜波导1300的基板1302之外。每个输出光束离开目镜波导1300的EPE区域1330的特定角度由输入耦合器区域1310处的相应输入光束的入射角确定。

图14A示出目镜波导1400的实施例，其包括具有交叉衍射光栅的输入耦合器区域1410。目镜波导1400由基板1402形成，并包括输入耦合器区域1410、上OPE区域1420a、下OPE区域1420b和EPE区域1430。除非另有说明，否则图14中所示的目镜波导1400可以与图13A至图13C中所示的目镜波导1300的功能类似地发挥作用。目镜波导1400的设计表示增加朝向EPE区域1430的中心部分(直接位于输入耦合器区域1410的左侧)的光量的另一种方式，而不必使用关于图13A至图13C讨论的类型的扩展器区域1340a、1340b。

图14A中的目镜波导1400与图13A至图13C中的目镜波导1300相比，主要差异在于输入耦合器区域1410的设计。在图13A至图13C所示的目镜波导1300中，输入耦合器区域1310被设计成主要仅将输入光重定向到上OPE区域1320a和下OPE区域1320b。与之相比，图14A中所示的输入耦合器区域1410被设计成将输入光既引导到上OPE区域1420a和下OPE区域1420b又直接引导到EPE区域1430。这可以通过在输入耦合器区域1410中使用交叉衍射光栅来实现。

图14B是由交叉衍射光栅构成的输入耦合器区域1410的示例实施例的透视图。交叉光栅可以被认为是具有不同取向的两个衍射光栅的叠加。第一衍射光栅可以与参照图13A至图13C所示的类似地形成。即，它可以包括在x方向上延伸并在y方向上周期性重复的线。该第一衍射光栅将输入光分成正和负衍射级，它们分别引导朝向上OPE区域1420a和下OPE区域1420b。第一衍射光栅可以具有第一衍射效率，以控制朝向OPE区域1420a、1420b重定向的输入光的功率的比例。

第二衍射光栅可以包括在y方向上延伸并在x方向上周期性重复的线。换句话说，第二衍射光栅可以与第一衍射光栅成约90°取向。第二衍射光栅的这种取向使得输入光束朝向EPE区域1430重定向，在该实施例中，第二衍射光栅位于与OPE区域1420a、1420b相对于输入耦合器区域1410所位于的方向基本上成90°的方向上，没有首先穿过OPE区域。(在其他实施例中，第二衍射光栅也可以具有取决于EPE区域1430所处的方向的其他取向。)第二衍射光栅可以设计成具有第二衍射效率，该第二衍射效率可以与第一衍射光栅的不同。在一些实施例中，第二衍射光栅可以设计成比第一衍射光栅效率低。(这可以通过例如使第二衍射光栅的线比第一衍射光栅的线浅，如图14B所示来实现。)因此，输入光的大部分功率通过第一衍射光栅被重定向朝向上OPE区域1420a和下OPE区域1420b(由光束1412a、1412b表示)，而输入光的较小部分功率通过第二衍射光栅被直接重定向朝向EPE区域1430(由光束1414表示)。因为输入耦合器区域1410将输入光的一些功率直接重定向朝向EPE区域1430，使得它不首先穿过OPE区域1420，所以可以减少由输入耦合器区域造成的EPE区域的中心部分的上述遮蔽。

图15A示出了目镜波导1500的实施例，其具有朝向EPE区域1530成角度的上OPE区域和下OPE区域以提供更紧凑的形状因子。目镜波导1500由基板1502形成，并包括输入耦合器区域1510、上OPE区域1520a、下OPE区域1520b和EPE区域1530。除非另有说明，否则图15A中所示的目镜波导1500可以与图13A至图13C中所示的目镜波导1300的功能类似地发挥作用。

图15A中的目镜波导1500与图13A至图13C中的目镜波导1300相比，主要差异在于OPE区域1520a、1520b朝向EPE区域1530成角度。在图15A所示的实施例中，每个OPE区域从y轴倾斜约30°。因此，不是如图13A至图13B中所示的实施例那样分开大约180°，上OPE区域1520a和下OPE区域1520b分开约120°。虽然OPE区域1520a、1520b朝向EPE区域的精确倾斜角的量可以变化(例如，高达60°)，但是通常这种倾斜角可以允许目镜波导1500实现更紧凑的设计。这可能是有利的，因为它可以使VR/AR/MR系统的头戴式显示器变得不那么笨重。

可以改变输入耦合器区域1510中的衍射特征的设计，以便匹配输入光束被发射到目镜波导1500的基板1502中的角度，使得它们对应于OPE区域1520a、1520b相对于输入耦合器区域1510所位于的方向。输入耦合器区域1510的衍射特征的示例实施例在图15B中的放大视图1512中示出。

图15B示出了图15A中所示的目镜波导1500的输入耦合器区域1510的衍射光学特征的示例实施例。在所示实施例中，输入耦合器区域1510具有以六角格子1516布置的多个衍射特征或光散射特征1514(例如，凹陷、突起等)。(注意：每个衍射特征1514周围的虚线旨在示出六角格子1516，不一定对应于沿虚线的任何物理结构。)衍射特征的六角格子1516使入射在输入耦合器区域上的输入光束以60°的间隔在多个方向上发射到目镜波导1500的基板1502中。因此，如图15A所示，第一组输入光束朝向上OPE区域1520a以与x轴成约60°发射，第二组输入光束朝向下OPE区域1520b以与x轴成约-60°发射，并且第三组输入光束直接朝向EPE区域1530通常沿x轴发射。取决于目镜波导1500的形状和从输入耦合器区域1510到一个或多个OPE区域的方向，也可以使用其他棋盘格状的(tessellate)配置。衍射特征1514的具体形状确定光被重定向到这些方向中的每个方向上的效率。在所示实施例中，每个衍射特征1514是菱形，但是其他形状也是可能的。另外，衍射特征1514可以是单级或多级的。

在一些实施例中，输入耦合器区域1510的衍射特征被蚀刻到基板1502的后表面中(在输入光束从输入设备进入基板1502的相对侧)。然后可以用反射材料涂覆基板1502的后表面上的蚀刻的衍射特征。以这种方式，输入光束进入基板的前表面并从后表面上的衍射特征衍射，使得衍射特征以反射模式操作。上OPE区域1520a和下OPE区域1520b也包括如前所述的衍射光学特征。上OPE区域1520a的衍射特征在图15C中以放大视图1522示出。

图15C示出了图15A中所示的目镜波导1500的OPE区域1520a的衍射光学特征的示例实施例。与在图13A和图13B所示的目镜波导1300中的OPE区域的衍射特征的情况一样，图15A所示的目镜波导1500的OPE区域1520a、1520b的衍射特征同样是形成衍射光栅的线图案的周期性重复。然而，在这种情况下，考虑到OPE区域1520a的倾斜取向，已经调整了线的取向的角度，以便仍然朝向EPE区域1530重定向光束。具体地，上OPE区域1520a中的衍射光栅的线相对于x轴以大约+30°取向。类似地，下OPE区域1520b中的衍射光栅的线相对于x轴以大约-30°取向。

附加的考虑

除非上下文明确要求，否则在整个说明书和权利要求中，词语“包含(comprise)”、“包含(comprising)”、“包括(include)、“包括(including)”、“具有(have)”、“具有(having)”等应以包含性意义解释，而不是排他性或穷举性意义；也就是说，在“包括但不限于”的意义上。如本文通常使用的，词语“耦合”指的是两个或更多个元件可以直接连接或通过一个或多个中间元件连接。类似地，词语“连接”指的是两个或更多个元件可以直接连接或通过一个或多个中间元件连接。根据上下文，“耦合”或“连接”可以指光学耦合或光学连接,使得光从一个光学元件耦合或连接到另一个光学元件。另外，当在本申请中使用时，词语“在此”、“上方”、“下方”、“以下”、“以上”和类似含义的词语应当指代本申请作为整体而不是指本申请的任何特定部分。在上下文允许的情况下，使用单数或复数的上述具体实施方式中的词语也可以分别包括复数或单数。关于两个或更多项目的列表中的“或”一词是包含性的(而不是排他性的)“或”，并且“或”涵盖该词的所有以下解释：列表中的任何项目、列表中的所有项目、以及列表中一个或多个项目的任意组合，并不排除添加到列表中的其他项目。另外，除非另有说明，否则本申请和所附权利要求中使用的冠词“一”、“一个”和“该”应理解为表示“一个或多个”或“至少一个”。

如在此所使用的，提及项目列表中的“至少一个”的短语是指这些项目的任何组合，包括单个成员。作为例子，“A，B或C中的至少一个”旨在涵盖：A、B、C、A和B、A和C、B和C、以及A、B与C。除非另有特别说明，否则诸如短语“X、Y和Z中的至少一个”的连接语言如所使用的在利用上下文进行理解，通常用于表达项目、术语等可以是X、Y或Z中的至少一个。因此，这样的连接语言通常不旨在暗示某些实施例需要X中的至少一个、Y中的至少一个和Z中的至少一个都存在。

而且，除非另有特别说明，或者在所使用的上下文中进行理解，在此使用的条件语言，诸如“能(can)”、“能够(could)”、“可能(might)”、“可以(may)”、“例如(e.g.)”、“例如(for example)、诸如(such as)”等等，一般意在表达某些实施例包括而其他实施例不包括某些特征、要素和/或状态。因此，这样的条件语言通常不旨在暗示特征、要素和/或状态以任何方式对于一个或多个实施例是必需的，或者这些特征、要素和/或状态是否包括在或执行在任何特定实施例中。

除非另外叙述或说明，或者对于本领域普通技术人员从上下文中显而易见，否则结合所述值或其他描述符使用的诸如“约”、“大约”和“一般”的词语可被理解为表示在所述值附近±20％的范围。

虽然已经描述了特定实施例，这些实施例仅作为示例呈现，并不旨在限制本公开的范围。任何一个实施例的特征可以与任何其他实施例的特征组合和/或替换。本文已经描述了各种实施例的某些优点。但并非所有实施例都必须实现这些优点。

已经结合附图描述了实施例。然而，附图未按比例绘制。距离、角度等仅仅是说明性的，并不一定与所示设备的实际尺寸和布局具有精确的关系。

已经在细节层次上描述了前述实施例，以允许本领域普通技术人员制造和使用在此描述的设备、系统、方法等。可以有各种各样的变型。可以改变、添加、移除或重新布置组件、元件和/或步骤。虽然已明确描述了特定实施例，但基于本公开，本领域普通技术人员将清楚其他实施例。

Claims (18)

1.一种用于虚拟现实、增强现实或混合现实系统的目镜波导，所述目镜波导包括：

基板，其至少部分透明；

输入耦合器区域，其形成在所述基板上或所述基板中，并且包括衍射光学特征，所述衍射光学特征被配置为将从外部入射在所述输入耦合器区域上的至少一个输入光束分成且重定向为在所述基板内部传播的第一引导光束和第二引导光束；

第一正交光瞳扩展器区域，其形成在所述基板上或所述基板中，并且被配置为将来自所述输入耦合器区域的所述第一引导光束分成多个平行且间隔开的光束；

第二正交光瞳扩展器区域，其形成在所述基板上或所述基板中，并且被配置为将来自所述输入耦合器区域的所述第二引导光束分成多个平行且间隔开的光束；以及

公共出射光瞳扩展器区域，其形成在所述基板上或所述基板中，并且被配置为重定向来自所述第一正交光瞳扩展器区域和所述第二正交光瞳扩展器区域的所述光束，使得它们离开所述基板，

其中，所述输入耦合器区域位于所述第一正交光瞳扩展器区域和所述第二正交光瞳扩展器区域之间，并且被配置为将所述第一引导光束引导朝向所述第一正交光瞳扩展器区域并将所述第二引导光束引导朝向所述第二正交光瞳扩展器区域，并且

其中，所述输入耦合器区域的所述衍射光学特征包括以六角格子图案布置的多个特征，所述六角格子图案被配置为在与x轴成约60°的第一方向上朝向所述第一正交光瞳扩展器区域发射所述第一引导光束，并且在与所述x轴成约-60°的第二方向上朝向所述第二正交光瞳扩展器区域发射所述第二引导光束。

2.根据权利要求1所述的目镜波导，其中，所述基板的厚度小于325微米。

3.根据权利要求1所述的目镜波导，其中，所述基板包括玻璃、塑料或聚碳酸酯。

4.根据权利要求1所述的目镜波导，其中，所述目镜波导被配置为投影图像数据的颜色分量。

5.根据权利要求1所述的目镜波导，还包括将光引导朝向所述输入耦合器区域的投影仪。

6.根据权利要求1所述的目镜波导，其中，所述输入耦合器区域被配置为将所述输入光束分离为引导朝向所述第一正交光瞳扩展器区域的+1衍射级和引导朝向所述第二正交光瞳扩展器区域的-1衍射级。

7.根据权利要求1所述的目镜波导，其中，所述第一正交光瞳扩展器区域和所述第二正交光瞳扩展器区域分开大约180°，并且所述出射光瞳扩展器区域位于与两个正交光瞳扩展器区域成约90°的位置处。

8.根据权利要求1所述的目镜波导，其中，所述第一正交光瞳扩展器区域和所述第二正交光瞳扩展器区域朝向所述出射光瞳扩展器区域倾斜。

9.根据权利要求8所述的目镜波导，其中，所述第一正交光瞳扩展器区域和所述第二正交光瞳扩展器区域分离开大约120°，并且所述出射光瞳扩展器区域位于与两个正交光瞳扩展器区域成约60°的位置处。

10.根据权利要求1所述的目镜波导，其中，所述输入耦合器区域的所述衍射光学特征被配置为将光引导朝向所述第一正交光瞳扩展器区域和所述第二正交光瞳扩展器区域，并在不首先通过任一所述正交光瞳扩展器区域的情况下朝向所述出射光瞳扩展器区域。

11.根据权利要求1所述的目镜波导，其中，所述第一正交光瞳扩展器区域和所述第二正交光瞳扩展器区域包括衍射光学特征，以将所述第一引导光束和所述第二引导光束中的每一个分成所述多个平行且间隔开的光束。

12.根据权利要求11所述的目镜波导，其中，所述第一正交光瞳扩展器区域和所述第二正交光瞳扩展器区域的所述衍射光学特征包括形成衍射光栅的多个线。

13.根据权利要求12所述的目镜波导，其中，所述第一正交光瞳扩展器区域和所述第二正交光瞳扩展器区域的所述衍射光栅成角度，以便将所述多个平行且间隔开的光束引导朝向所述出射光瞳扩展器区域。

14.根据权利要求1所述的目镜波导，还包括：

第一扩展器区域，其接收来自所述第一正交光瞳扩展器区域的光束并扩展它们的分布，以便到达所述出射光瞳扩展器区域的更大部分；以及

第二扩展器区域，其接收来自所述第二正交光瞳扩展器区域的光束并扩展它们的分布，以便到达所述出射光瞳扩展器区域的更大部分。

15.根据权利要求14所述的目镜波导，其中，所述第一扩展器区域和所述第二扩展器区域均被配置为朝向所述出射光瞳扩展器区域的中心扩展所述光束的分布。

16.根据权利要求14所述的目镜波导，其中，所述第一扩展器区域和所述第二扩展器区域包括衍射光学特征。

17.根据权利要求16所述的目镜波导，其中，所述第一扩展器区域和所述第二扩展器区域中的每一个的所述衍射光学特征包括形成衍射光栅的多个线。

18.根据权利要求17所述的目镜波导，其中，所述第一扩展器区域的所述衍射光栅与所述第一正交光瞳扩展器区域的衍射光栅成大约90°取向，并且其中，所述第二扩展器区域的所述衍射光栅与所述第二正交光瞳扩展器区域的衍射光栅成大约90°取向。

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