CN108474960A - 具有跨深度平面分布的不等数量的分量彩色图像的虚拟和增强现实系统和方法 - Google Patents

Abstract

被感知为基本上全色或多色的图像可以使用跨多个深度平面以不等数量分布的分量彩色图像来形成。跨深度平面的分量彩色图像的分布可以基于颜色而变化。在一些实施例中，显示系统包括波导堆叠，每个波导输出特定颜色的光，其中一些颜色具有比其它颜色更少数量的相关联波导。波导堆叠可以包括多个多个(例如，第一多个和第二多个)波导，每个波导被配置为通过输出与特定颜色对应的光来产生图像。第二多个波导中的波导的总数小于第一多个波导中的波导的总数，并且在利用三个分量颜色的实施例中，可以大于第三多个波导中的波导的总数。

Description

具有跨深度平面分布的不等数量的分量彩色图像的虚拟和增 强现实系统和方法

相关申请的交叉引用

本申请根据35USC§119(e)要求于2016年1月7日提交的美国临时申请No.62/275987的优先权权益，其全部公开内容通过引用并入在此。

本申请通过引用并入了以下专利申请中的每一个专利申请的全部：2015年3月7日提交的美国申请No.14/641,376；2014年11月27日提交的美国申请No.14/555,585；2015年4月18日提交的美国申请No.14/690,401；2014年3月14日提交的美国申请No.14/212,961；2014年7月14日提交的美国申请No.14/331,218；以及2015年5月4日提交的美国临时申请No.62/156,809。

技术领域

本公开涉及虚拟现实和增强现实成像和可视化系统。

背景技术

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”体验的系统的发展，其中，数字再现的图像或其部分以它们看起来是或可能被感知是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，而不透明于其它实际的现实世界的视觉输入；增强现实或“AR”场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现，作为对用户周围的现实世界的可视化的增强。例如，参考图1，描绘了增强现实场景(1)，其中，AR技术的用户看到以背景中的人、树、建筑为特征的真实世界的公园状的设置(1100)以及实体平台(1120)。除了这些项目以外，AR技术的用户也可以感知他“看到”了站在真实世界的平台(1120)上的机器人雕像(1110)，以及看起来像飞行的蜜蜂的化身的卡通式的头像角色(1130)，尽管这些元素(1130、1110)不存在于真实的世界中。由于人类的视觉感知系统是复杂的，所以开发促进虚拟图像元素在其它虚拟或现实世界图像元素中的舒适的、感觉自然的、丰富的呈现的VR或AR技术是有挑战性的。

在此公开的系统和方法解决了与VR和AR技术有关的各种挑战。

发明内容

在一些实施例中，提供了一种显示系统。该系统包括波导堆叠，其包括第一多个波导，每个波导被配置为通过输出第一波长范围的光来产生图像；以及第二多个波导，每个波导被配置为通过输出第二波长范围的光来产生图像。第一多个波导具有大于形成第二多个波导的波导总数的波导总数。该系统还可以包括第三多个波导，每个波导被配置为通过输出与第三波长范围对应的光来显示图像。第三多个波导可以包括与第一或第二多个波导中的波导的数量不同的波导总数。在一些实施例中，第一波长范围涵盖绿色的光，第二波长范围涵盖红色的光，并且第三波长范围涵盖蓝色的光。

在一些其它实施例中，提供了一种显示系统。显示系统包括显示器，该显示器被配置为输出多个分量彩色图像，该分量彩色图像对应于多个深度平面。第一颜色的分量彩色图像总数大于第二颜色的分量彩色图像的数量。第一颜色的分量彩色图像由具有在第一波长范围内的波长的光形成，并且第二颜色的分量彩色图像由具有在第二波长范围内的波长的光形成。

该系统包括波导堆叠，其包括第一多个波导，每个波导被配置为通过输出与第一颜色对应的光来产生图像；以及第二多个波导，每个波导被配置为通过输出与不同于第一颜色的第二颜色对应的光来产生图像。该系统还包括控制器，该控制器被配置为基于要由第一或第二多个波导的波导产生的图像的内容向图像引入以下中的一个或多个：模糊；以及像素尺寸的变化。

在其它实施例中，显示系统包括一个或多个波导，该一个或多个波导包括：第一多个衍射光学元件，其被配置为外耦合第一波长范围的光以产生第一多个分量彩色图像；以及第二多个衍射光学元件，其被配置为外耦合第二波长范围的光以产生第二多个分量彩色图像。第一多个分量彩色图像的图像设置在第一多个衍射光学元件的X个最大可能深度平面中的一个最大可能深度平面上；并且第二多个分量彩色图像的图像设置在第二多个衍射光学元件的Y个最大可能深度平面中的一个最大可能深度平面上。X和Y是不同的整数。

在一些其它实施例中，提供了一种显示系统。该系统包括用于确定瞳孔尺寸的相机、波导堆叠和控制器。该波导堆叠包括第一多个波导，每个波导被配置为通过输出与第一颜色对应的光来产生图像；以及第二多个波导，每个波导被配置为通过输出与不同于第一颜色的第二颜色对应的光来产生图像。控制器被配置为基于确定的瞳孔尺寸来改变输出的光的属性。

附图说明

图1示出通过AR设备的用户对增强现实(AR)的视图。

图2示出可穿戴显示系统的示例。

图3示出用于模拟用户的三维图像的传统显示系统。

图4示出使用多个深度平面来模拟三维图像的方法的方面。

图5A-5C示出曲率半径和焦点半径之间的关系。

图6示出用于向用户输出图像信息的波导堆叠的示例。

图7示出由波导输出的出射光束的示例。

图8示出波导堆叠的示例，其中每个深度平面具有三个相关联的波导，每个波导输出不同颜色的光。

图9示出波导堆叠的示例，其中不同分量颜色具有不同数量的相关联的波导。

图10示出波导堆叠的另一个示例，其中不同分量颜色具有不同数量的相关联的波导。

图11示出配置为监控瞳孔尺寸的显示系统的示例。

具体实施方式

VR和AR体验可以由具有显示器的显示系统提供，在该显示器中与多个深度平面对应的图像被提供给观看者。对于每个深度平面，图像可以不同(例如，提供场景或对象的稍微不同的呈现)，并且可以由观看者的眼睛单独聚焦。结果，基于对于位于不同深度平面上的场景的不同图像特征聚焦所需的眼睛适应和/或基于观察到不同深度平面上的不同图像特征焦点外，向用户提供深度提示。如在此其它地方所讨论的，这种深度提示提供了可靠的深度感知。

在一些配置中，在每个深度平面处，可以通过覆盖每个具有特定分量颜色的分量图像来形成全色图像。例如，可以各自输出红色、绿色和蓝色图像以形成每个全色图像。结果，每个深度平面可以具有与其相关联的多个分量彩色图像。因此，可能不期望地需要大量的分量彩色图像，以便为所需数量的深度平面提供全色图像。

已经发现，可以实现可靠的深度感知和基本上全色图像的感知，而无需为由显示器呈现的每个深度平面处的每个分量颜色提供分量彩色图像。不受理论的限制，据信不同颜色的景深可以改变。换句话说，当对不同波长的光进行成像时，人眼可能具有不同的敏感度，使得在一种颜色下的不同深度平面上清晰可辨的图像或特征可能不会被感知在另一种颜色的不同深度平面上。例如，不同深度平面上的两个图像对于一种颜色可能显现为充分聚焦，而对于另一种颜色则可能不聚焦。因此，对于不同的颜色，景深(或者焦深)被认为是不同的。另外，如在此所公开的，可能操纵不同颜色的感知景深，或眼睛对识别不同分量颜色的深度提示的敏感度。这种操纵可以减少眼睛可以识别的深度平面的数量。

在一些实施例中，可以使用以不等数量跨多个深度平面而分布的分量彩色图像来形成被感知为基本上全色的图像。例如，不是提供由显示器呈现的每个深度平面的每个分量颜色的图像，而是跨深度平面的分量彩色图像的分布可以基于颜色而变化。例如，跨深度平面分布的第一分量颜色的图像的总数可以不同于第二分量颜色的图像的总数。在一些实施例中，第三分量颜色的图像的总数可以不同于第一或第二分量颜色的总数。在一些实施例中，至少一个分量颜色具有与另一分量颜色不同的图像总数。在一些其它实施例中，所有分量颜色具有彼此不同的图像总数。在一些实施例中，基于眼睛的敏感度来选择特定分量颜色的图像的总数，以使用与该颜色对应的光的波长来区分不同的深度平面。例如，在分量颜色是红色、绿色和蓝色的情况下，绿色分量图像的总数可以大于红色分量图像的总数，这可以大于蓝色分量图像的总数。结果，在一些实施例中，绿色分量图像之间的深度分离可以比红色分量图像更短。该配置可能是可行的，因为与绿光相比，眼睛对于红光可以具有增加的景深或焦深，使得对于类似位置的绿色图像，两个红色图像尽管被超过景深或焦深的深度分开而聚焦。

在一些实施例中，图像信息可以由波导堆叠投影或输出。在一些实施例中，显示系统包括波导，每个波导输出特定颜色的光，其中一些颜色具有比其它颜色更少数量的相关联波导，如以上所讨论的。例如，显示系统可以包括由多种多个(例如，第一和第二多个)波导形成的波导堆叠。每个多个波导被配置为通过输出与特定颜色对应的光来产生图像。第二多个波导中的波导的总数小于第一多个波导中的波导的总数。在一些实施例中，其中全色图像可以由三种或更多种分量颜色形成，相应地可以具有三个或更多个多个波导(例如，第一、第二和第三多个波导)。

在一些实施例中，第一多个波导可以被配置为输出绿光(即，与感知的颜色绿色对应的波长的光)，第二多个波导可以被配置为输出蓝光(与感知的颜色绿色对应的波长的光)，并且第三多个波导可以被配置为输出红光(与感知的颜色绿色对应的波长的光)。第二多个波导(用于输出蓝光)可以包括比第一或第三多个波导(分别用于输出绿光和红光)更少的波导总数。另外，在一些实施例中，第三多个波导中的总数波导可以比第一多个波导中的总数波导更少，反之亦然。

在一些实施例中，一个或多个波导可以包括光学元件，该光学元件被配置为外耦合光以形成两个或多个深度平面的图像。例如，波导可以包括光学元件，诸如衍射光学元件，其可以在其中它们被配置为外耦合或重定向光的“开启”状态与其中它们不明显地外耦合光的“关闭”状态之间切换。在一些实施例中，单个波导或波导堆叠中的各个波导可包括多组光学元件，其中每一组被配置为形成特定深度平面的特定颜色的图像。一旦一组光学元件外耦合光以在特定深度平面上形成特定分量彩色图像，则其可被关闭，并且另一组光学元件可被开启以在特定深度平面上形成另一特定分量彩色图像。

在一些实施例中，显示器可以包括具有光学元件的至少一个波导，该光学元件被配置为外耦合多种不同颜色的光，而无需光学元件在开启和关闭状态之间切换。例如，单个波导可以包括多组光学元件，其中每组光学元件被配置为外耦合不同颜色的光。不同的组可以具有对一个或多个特定波长的光有选择性的光学活动，从而允许使用单个波导形成不同的分量彩色图像。

应该理解，在此公开的实施例可以提供以下优点中的一个或多个。例如，因为来自外界的光和来自一些波导的光通过波导堆叠传播以到达观看者，所以随着光传播通过波导并与波导相互作用，可能导致诸如反射和/或其它失真的光学伪像。因此，减少波导的数量可以减少这些光学伪像。减少波导的数量还可以提高可制造性和成品率，并且通过例如减少显示系统中利用的部件的数量来降低设备成本，从而降低显示系统的结构和电气复杂性。另外，即使在波导数量没有减少的情况下，减少每个深度平面的分量彩色图像的数量可以减少辅助图像处理系统上的处理或计算负荷，因为系统将被要求处理较少的图像信息(因为存在更少的要处理的总分量彩色图像)。这也可以通过例如通过减少用于处理图像的系统资源的提交来提高响应性并减少延迟来提高显示系统性能。

在此公开的实施例通常包括显示系统。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沉浸式的VR或AR体验。例如，包含用于显示多个深度平面的波导(例如波导堆叠)的显示器可以被配置为佩戴在用户或观看者的眼睛的前方。在一些实施例中，多个波导(例如，两个波导堆叠，一个波导堆叠用于观看者的每只眼睛)可以用于向每只眼睛提供不同的图像。

1.图2示出可穿戴显示系统(80)的示例。显示系统(80)包括显示器(62)以及支持该显示器(62)的功能的各种机械和电子模块和系统。显示器(62)可以耦合到框架(64)，框架(64)可由显示系统用户或观看者(60)佩戴并且被配置为将显示器(62)定位在用户(60)的眼睛前方。在一些实施例中，扬声器(66)耦合到框架(64)并且定位成邻近用户的耳道(在一些实施例中，未示出的另一个扬声器定位成邻近用户的另一个耳道以提供立体声/可塑造声音控制)。显示器(62)诸如通过有线导线或无线连接可操作地耦合(68)到本地数据处理模块(70)，该本地数据处理模块(70)可以以各种配置安装，诸如固定地附接到框架(64)，固定地附接到用户穿戴的头盔或帽子，嵌入到耳机中，或以其它方式可移除地附接到用户(60)(例如，以背包方式的配置，以带式耦合方式的配置)。

2.本地处理和数据模块(70)可以包括处理器以及诸如非易失性存储器(例如，闪速存储器)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。数据包括如下数据：a)从传感器(其可以例如可操作地耦合到框架(64)或以其他方式附接到用户(60))捕获的数据，诸如图像捕获设备(诸如相机)、麦克风、惯性测量单元、加速度计、指南针、GPS单元、无线电设备和/或陀螺仪；和/或b)使用远程处理模块(72)和/或远程数据储存库(74)获取和/或处理的数据，可能在这种处理或检索之后传送给显示器(62)。本地处理和数据模块(70)可以通过诸如经由有线或无线通信链路的通信链路(76、78)操作性地耦合到远程处理模块(72)和远程数据储存库(74)，使得这些远程模块(72、74)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(70)。

一些实施例中，远程处理模块72可以包括被配置为分析和处理数据的一个或多个处理器。在一些实施例中，远程数据储存库74可以包括数字数据存储设施，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，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”可以通过向观看者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的传统显示系统。两个不同的图像(5和7)被输出给用户，一个图像用于每只眼睛(4和6)。图像(5和7)与眼睛(4和6)沿着平行于观看者视线的光轴线或z轴线间隔开距离(10)。图像(5和7)是平坦的，并且眼睛(4和6)可以通过呈现(assume)单个适应(accommodate)状态来聚焦在图像上。这种系统依赖于人类视觉系统以组合图像(5和7)来提供组合图像的深度感知。

然而，应当理解，人类视觉系统更加复杂，并且提供对深度的现实感知是更具挑战性的。例如，传统的“3-D”显示系统的许多观看者发现这种系统不舒服，或者根本不能感知到深度感。不受理论的限制，相信对象的观看者可能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(即，光瞳孔彼此相向或远离的滚动运动，以会聚眼睛的视线来注视对象)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，这种系统对于许多观看者来说是不舒服的，因为，除此之外，这些系统仅提供场景的不同呈现，但是眼睛以单一适应状态观看所有图像信息，并且针对“适应性聚散度反射”进行工作。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更逼真且舒适的三维图像模拟。

图4示出使用多个深度平面来模拟三维图像的方法的方面。参考图4A，在z轴线上距眼睛(4和6)的不同距离处的对象由眼睛(4、6)适应，使得那些对象在焦点中。眼睛(4和6)呈现特定的适应状态，在沿着z轴线的不同距离处聚焦到对象中。因此，可以说特定的适应状态与深度平面(14)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(4、6)中的每一只眼睛提供不同的图像呈现来模拟三维图像，并且还通过提供与深度平面中每一个深度平面对应的图像的不同呈现来模拟三维图像。尽管为了清楚说明而示出为分离的，但应理解的是，例如，随着沿着z轴的距离增加，眼睛(4、6)的视场可能重叠。另外，虽然为了便于说明而示出为平坦的，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(4或6)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(4)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(4)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观看者的眼睛(4)之间的距离减小而增加。尽管在图5A-5C和在此的各种其它附图中为了清楚说明仅示出单只眼睛(4)，将会理解，关于眼睛(4)的讨论可以应用于观看者的双眼(4和6)。

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。

图6示出用于向用户输出图像信息的波导堆叠的示例。显示系统1000包括可以用于采用多个波导(182、184、186、188、19)0向眼睛/大脑提供三维感知的波导堆叠或堆叠波导组件(178)。在一些实施例中，显示系统(1000)是图2的系统(80)，图6更详细地示意性地示出了该系统(80)的一些部分。例如，波导组件(178)可以以集成到图2的显示器(62)中。

继续参考图6，波导组件(178)还可以包括在波导之间的多个特征(198、196、194、192)。在一些实施例中，特征(198、196、194、192)可以是透镜。波导(182、184、186、188、190)和/或多个透镜(198、196、194、192)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。图像注入装置(200、202、204、206、208)可以用于将图像信息注入到波导(182、184、186、188、190)中，如在此所述，其中的每一个可以被配置为分布入射光穿过每一个相应的波导，用于向眼睛4输出。光从图像注入装置(200、202、204、206、208)的输出表面(300、302、304、306、308)出射并被注入到波导(182、184、186、188、190)的相应输入边缘(382、384、386、388、390)。在一些实施例中，可以将单个光束(例如，准直光束)注入到每一个波导中，以便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(4)定向的克隆准直光束的整个视场。

在一些实施例中，图像注入装置(200、202、204、206、208)是分立显示器，其每一个产生用于分别注入到相应波导(182、184、186、188、190)中的图像信息。在一些其它实施例中，图像注入装置(200、202、204、206、208)是单个复用显示器的输出端，其可以例如经由一个或多个光导管(诸如光缆)向图像注入装置(200、202、204、206、208)中的每一个图像注入装置输送图像信息。

控制器210控制堆叠波导组件(178)和图像注入装置(200、202、204、206、208)的操作。在一些实施例中，控制器210包括根据例如在此公开的各种方案中的任一个来调节到波导(182、184、186、188、190)的图像信息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装置，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210可以是处理模块(70或72)(图2)的部分。

波导(182、184、186、188、190)可以被配置为通过全内反射(TIR)在每一个相应的波导内传播光。波导(182、184、186、188、190)可以每一个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(182、184、186、188、190)每一个可以包括光提取光学元件(282、284、286、288、290)，其被配置为通过重定向光从波导中提取光，该光在每个相应的波导内传播，从波导出来以将图像信息输出到眼睛4。提取光也可以被称为外耦合光，并且光提取光学元件也可以被称为外耦合光学元件。提取的光束在波导中传播的光照射光提取光重定向元件的位置处被波导输出。光提取光学元件(282，284，286，288，290)例如可以是反射和/或衍射光学特征。虽然为了便于描述和清晰起见而将其图示设置在波导(182、184、186、188、190)的底部主表面处，但是在一些实施例中，光提取光学元件(282、284、286、288、290)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(182、184、186、188、190)的体积中。在一些实施例中，光提取光学元件(282、284、286、288、290)可以形成在附接到透明基板的材料层中以形成波导(182、184、186、188、190)。在一些其它实施例中，波导(182、184、186、188、190)可以是单片材料，并且光提取光学元件(282、284、286、288、290)可以形成在那片材料的表面上和/或那片材料的内部中。

继续参考图6，如在此所讨论的，每一个波导(182、184、186、188、190)被配置为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(182)可以被配置为将如注入到这种波导(182)中的准直光传送到眼睛(4)。准直光可以代表光学无限远焦平面。下一个上行波导(184)可以被配置为在准直光可以到达眼睛(4)之前发出穿过第一透镜(192例如，负透镜)的准直光；这种第一透镜(192)可以被配置为产生轻微的凸面的波前曲率，以使得眼睛/大脑将来自下一个上行波导(184)的光解释为来自第一焦平面，该第一焦平面从光学无穷远更靠近向内朝向眼睛(4)。类似地，第三上行波导(186)在到达眼睛(4)之前使其输出光通过第一(192)和第二(194)透镜两者；第一(192)和第二(194)透镜的组合光强度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(186)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(184)的光更靠近向内朝向人。

其它波导层(188、190)和透镜(196、198)被类似地配置，其中堆叠中的最高波导(190)通过它与眼睛之间的全部透镜发送其输出，用于代表最靠近人的焦平面的聚合(aggregate)焦度。当在堆叠波导组件(178)的另一侧上观看/解释来自世界(144)的光时，为了补偿透镜(198、196、194、192)的堆叠，补偿透镜层(180)可以设置在堆叠的顶部处以补偿下面的透镜堆叠(198、196、194、192)的聚合焦度。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。波导的光提取光学元件和透镜的聚焦方面两者可以是静态的(即，不是动态的或电激活的)。在一些替代实施例中，两者之一或者两者可以是使用电激活特征而动态的。

继续参考图6，光提取光学元件(282、284、286、288、290)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光提取光学元件(282、284、286、288、290)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，如在此所讨论的，光提取光学元件(282、284、286、288、290)可以是可以被配置为以特定角度输出光的体积或表面特征。例如，光提取光学元件(282、284、286、288、290)可以是体积全息图、表面全息图和/或衍射光栅。在2015年3月7日提交的美国专利申请No.14/641,376中描述了诸如衍射光栅的光提取光学元件，该专利申请的全部内容通过引用并入在此。在一些实施例中，特征(198、196、194、192)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，光提取光学元件(282、284、286、288、290)是形成衍射图案或“衍射光学元件”(在此也称为“DOE”)的衍射特征。优选地，DOE具有相对低的衍射效率，以使得仅光束的一部分通过DOE的每一个交点偏转向眼睛(4)，而其余部分经由全内反射继续移动通过波导。携带图像信息的光因此被分成多个相关的出射光束，该出射光束在多个位置处离开波导，并且该结果对于在波导内弹跳(bounce)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。

在一些实施例中，一个或多个DOE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)。

图7示出了由波导输出的出射光束的示例。示出了一个波导，但是可以理解，波导组件(178)中的其他波导可以类似地起作用，其中波导组件(178)包括多个波导。光(400)在波导(182)的输入边缘(382)处被注入到波导(182)中，并且通过TIR在波导(182)内传播。在光(400)撞击在DOE(282)上的点处，一部分光如出射光束(402)离开波导。出射光束(402)被示出为基本上平行，但是如在此所讨论的，取决于与波导(182)相关联的深度平面，该出射光束(402)同样可以以一定角度(例如，形成发散的出射光束(bean))被重定向以传播到眼睛(4)。应该理解的是，基本上平行的出射光束可以指示具有光提取光学元件的波导，其中一个或多个外耦合光学元件外耦合光以形成看起来被设定在距眼睛(4)较大距离(例如，光学无穷远)处的深度平面上的图像。其它波导或者其他光提取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(4)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(4)的距离。

图8示意性地示出堆叠波导组件的示例，其中每个深度平面具有三个相关联波导，每个波导输出不同颜色的光。可以通过在多个分量颜色(例如，三个或更多个分量颜色)中的每一个中覆盖图像，在每个深度平面处形成全色图像。在一些实施例中，分量颜色包括红色、绿色和蓝色。在一些其它实施例中，包括品红色和青色的其它颜色可以与红色、绿色或蓝色中的一种或多种结合使用或者可以替代红色、绿色或蓝色中的一种或多种。在一些实施例中，每个波导可以被配置为输出特定的分量颜色，并且因此每个深度平面可以具有与其相关联的多个波导。每个深度平面可以具有例如与其相关联的三个波导，一个用于输出红光，第二个用于输出绿光，并且第三个用于输出蓝光。应该理解的是，贯穿本公开内容对给定颜色的光的引用将被理解为涵盖在由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620nm-780nm范围内的一个或多个波长的光，绿光可以包括在约492nm-577nm范围内的一个或多个波长的光，并且蓝光可以包括在约435nm-493nm范围内的一个或多个波长的光。

继续参考图8，示出了深度平面14a-14f。在所示实施例中，每个深度平面具有与其相关联的三个分量彩色图像：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。作为在此的惯例，这些字母中的每一个之后的数字表示屈光度(1/m)或深度平面距观看者的距离，并且图中的每个方框表示单独分量彩色图像。在一些实施例中，G是绿色，R是红色，并且B是蓝色。

在一些布置中，每个分量彩色图像可以由波导堆叠中的不同波导输出。例如，每个深度平面可具有与其相关联的三个分量彩色图像：用于输出第一颜色G的第一波导；用于输出第二颜色R的第二波导；以及用于输出第三颜色B的第三波导。在其中波导用于输出分量彩色图像的布置中，图中的每个方框可以被理解为表示单独的波导。

尽管为了便于描述，在该示意图中与每个深度平面相关联的波导示出是彼此相邻的，但应该理解的是，在物理设备中，波导可以全部被布置在每个水平具有一个波导的堆叠中。图中用字母G、R和B之后的屈光度的不同数字指示不同的深度平面。然而，如在此所讨论的，减少波导堆叠中波导的总数将是有益的。

为了使用分量颜色形成全色图像，已经认为应当输出每个分量颜色以形成每个图像。因此，当使用其中专用波导输出特定分量颜色的显示器时，据信为了在特定深度平面上形成图像，至少一个波导应当可用于输出每种分量颜色。然而，已经发现可以使用减少数量的波导同时仍然提供良好的颜色分辨率。

在一些实施例中，在此也被称为堆叠波导组件的波导堆叠包括不等数量的波导以输出不同颜色或波长范围的光。图9示出其中不同分量颜色具有不同数量的相关联波导的波导堆叠的示例。波导堆叠可以是波导组件178的一部分(图6)。波导堆叠包括全部由G指示的第一多个波导，全部由字母R指示的第二多个波导，以及全部由字母B指示的第三多个波导。为了说明的清楚起见，示出了深度平面14a-14f，然而，也可以考虑更少或更多数量的深度平面。此外，示出了三种分量颜色，但也可以考虑更少(例如两种)或更多数量(例如四种或更多)的分量颜色。

不受理论的束缚，虽然形成全色图像优选地利用图像的每种分量颜色的图像信息，但已经发现，这不要求每个深度平面具有用于每种分量颜色的相关联波导。相反，据信当使用不同的波长或颜色的光聚焦时，眼睛具有不同的敏感度。例如，据信眼睛对使用绿光进行聚焦非常敏感，并且具有比例如对于红光更短的焦深和景深。因此，与红光相比，眼睛可以在绿光的波长处单独区分更多数量更紧密间隔的深度平面。据信眼睛对使用红光聚焦不太敏感，并且对蓝光聚焦更不敏感。结果，眼睛感知到对象处于聚焦的距离范围也随着颜色而变化，并且类似地，感知到的深度平面的数量随着颜色而变化；也就是说，对蓝光的较低敏感度指示使用该光呈现的图像将被感知为对于比在使用红光或绿光呈现的图像时更大范围的深度处于焦点中，并且使用红光呈现的图像将被感知为对于更大范围的深度平面处于焦点中，然后是使用绿光呈现的图像。结果，如图9中所示，可以呈现被感知为具有良好范围的颜色的图像，而不会在具有相关联波导的所有深度平面处为每个分量颜色输出光。

继续参考图9，第一多个波导G包括比第二多个波导R更多的波导总数。将会理解，该差异单独有利地减少相对于图8所示的配置的波导组件中的波导总数。在一些实施例中，第三多个波导B可以具有与第一多个波导G或第二多个波导R不同的波导总数。在一些实施例中，如在此所讨论的，与每种分量颜色对应的波导总数可基于以下来选择：眼睛对与那些颜色对应的光进行聚焦的敏感度和相关联的景深。例如，用于输出绿光的波导总数可以大于用于输出红光的波导的总数，其进而大于用于输出蓝光的波导的总数。

在一些实施例中，每种分量颜色的波导可对应于等距间隔开的深度平面。例如，如图所示，波导G可以与间隔0.50屈光度的深度平面相关联，而波导R与间隔0.75屈光度的深度平面相关联，并且波导B与间隔1.0屈光度的深度平面相关联。在一些实施例中，因为对于波导的深度平面不一定相同，所以将理解，由它们输出的图像信息也可以稍微不同并且可以对应于与该波导相关联的特定深度平面。

在一些其它实施例中，由与相邻深度平面相关联的波导输出的图像信息可以除了颜色以外相同。例如，由G，0.25、R，0.375、以及B，0.5指示的波导中的每个波导可以被配置为输出除了颜色之外相同的图像信息。例如，控制器210(图6)可以被编程为向这些不同的波导提供另外相同的图像信息。在这种实施例中，深度平面之间的间隔被选择为使得输出相似图像信息的波导彼此分开的距离小于输出用于在另一个深度平面上呈现不同图像的图像信息的波导的距离。

应该理解的是，不同的颜色可以最锐利地聚焦在不等距间隔的深度平面上。在一些实施例中，可以基于眼睛对使用由该波导输出的颜色的光来锐利地聚焦特定深度平面的能力来选择与特定波导和颜色相关联的特定深度平面。可以基于对于特定颜色的眼睛的焦深或景深来选择与对于特定颜色光的波导相关联的特定深度平面及其在z轴上的位置。因此，在一些实施例中，第一、第二和第三多个波导的至少一些波导与深度平面相关联，该深度平面被选择为使用由相应的波导输出的光的颜色提供高度聚焦的图像。另外，在某些实施例中，第一多个波导的波导可以被配置成对于不相等地间隔开的深度平面提供图像；也就是说，与第一多个波导相关联的深度平面可以不相等地间隔开。类似地，与第二和/或第三多个波导相关联的深度平面也可以不相等地间隔开。如在此所使用的，参考诸如图9的示意图，两个深度平面之间的间隔是这些深度平面之间的屈光度差。

图10示出其中不同分量颜色具有不同数量的相关联波导的波导堆叠的另一个示例。与图9的配置相比，图10的配置包括更少的波导并且为更少的深度平面提供图像信息。结果，对于不同分量颜色的深度平面之间的间隔也不同于图9中所示的深度平面之间的间隔。在一些实施例中，波导数量的该进一步减少可以通过z轴中的分辨率的降低或者景深上的增加来实现。如上所述，所示的波导堆叠可以是波导组件178的一部分(图6)。

虽然参考波导讨论，但将理解，图9和图10及相关描述可被理解为通常涉及与深度平面相关联的分量彩色图像，如上文关于图8所讨论。例如，图9和图10可以被理解为示出与不同深度平面相关联的分量彩色图像，在波导和深度平面和/或颜色之间具有或不具有一对一对应关系。例如，不同的图像可以通过显示器直接输出给观看者或者通过替代的光学装置中继，而不使用诸如图6中所示的波导堆叠。例如，在一些实施例中，用于生成图像的光调制器(诸如空间光调制器)可以耦合到可变焦点元件，其中通过可变焦点元件将不同分量彩色图像或子帧放置在不同焦距(和不同深度平面)处。关于这种空间光调制器和可变焦点元件的进一步细节在2015年3月7日提交的美国申请No.14/641,376中公开，如在此所述，其通过引用并入。

在一些实施例中，被配置为输出用于不同分量颜色和/或设置在多个深度平面上的图像的光的多个光学元件(例如DOE)可以驻留在共享波导上。共享波导上的各个光学元件可以开启以外耦合光来产生设置在特定深度平面上的分量彩色图像，并且然后当不需要特定深度平面的图像时关闭。不同的光学元件可以在不同的时间开启和关闭，以输出与多个不同深度平面和/或不同波长范围对应的图像，全部来自共享波导。在2015年3月7日提交的美国专利申请No.14/641,376中可以找到关于共享波导上的光学元件的附加细节。在某些实施例中，可切换光学元件可以允许波导组件(178)仅包括单个波导(例如波导182)，同时省略其它波导(例如波导184、186、180和190)。

在一些实施例中，光提取光学元件可以对于特定波长的光是选择性的，并且多组光提取光学元件可以形成波导的一部分，每组光提取光学元件对于不同波长的光是选择性的。在一些实施例中，这些光学元件在开启和关闭状态之间不可切换。通过对提供给波导的图像信息进行时间排序，用于形成不同分量彩色图像的光可以在不同时间外耦合。在一些实施例中，这些光学元件可以是衍射光学元件。

如上所述，可有利地通过利用眼睛对聚焦光的特定波长或颜色的敏感度来减少波导堆叠中的波导的数量(或跨多个深度平面利用的分量彩色图像的总数)。在一些其它实施例中，除了关于使用对于眼睛的不同颜色和相关联的不同深度进行聚焦的眼睛的非均匀敏感度的考虑之外或作为其替代，可以通过操纵显示系统的其它属性来促进波导或分量彩色图像(如在图9和图10中所示)的数量的该减少。

在一些实施例中，眼睛感知的深度平面的数量可以通过增加眼睛的景深或者焦深来操纵。例如，一个或多个波导的出瞳可以减小以增加焦深。应该理解，光传播通过显示系统(1000)并且从波导出来到眼睛(4)。当光从光源传播到眼睛(4)时，该光穿过出瞳。在一些实施例中，出瞳可以由设置在波导的输出表面和显示器之间的光路中的光圈来设置，用于生成要被注入到波导中的图像信息。在一些实施例中，光圈可以具有固定尺寸。

在一些其它实施例中，光圈可具有可由控制器(210)(图6)设定的动态可变尺寸。例如，可变光圈可以包括电子可调虹膜、空间光调制器、具有同心区域的快门(例如，液晶快门)等。在一些其它实施例中，不同特性(例如，不同数值光圈)的多个光源可以被配置为将光耦合到相同的波导中。通过切换或交替地照亮哪个光源，可以改变波导注入区域处(并且随后传播通过波导)的数值光圈和光束直径。在使用光纤扫描显示器(FSD)作为图像源的一些实施例中，FSD可以包括具有不同模场直径和数值光圈的多个核心。通过改变照亮哪个核心，可以改变光束直径，并且因此可以改变耦合到波导中并且传播通过波导的光束的尺寸。在2015年5月4日提交的美国临时申请No.62/156,809中公开了具有不同特性的光源的示例，其全部公开内容通过引用并入在此。

在一些实施例中，减小与所有分量颜色对应的波导的出瞳通常可以减少感知的深度平面的数量。例如，参考图8，其中示出了与波导相关联的六个深度平面，可以通过减小出射光瞳尺寸来减少相关联的深度平面的总数。因此，即使在为所有相关联深度平面提供所有分量颜色的波导的情况下，也可以实现波导总数的减少。然而，如在此所讨论的，因为对于某些颜色，眼睛可以区分比其它颜色更少的深度平面，所以可以减少与一些颜色对应的深度平面的数量。因此，在一些示例实施例中，通过减小观看者的眼睛的景深，可以从图9的配置转到图10的进一步减小的配置，而没有图像质量或者感知深度的可感知降低。在一些实施例中，出射光瞳可以取决于由波导输出的光的颜色或波长而不同。例如，用于输出一些颜色的光的波导可以比输出其它颜色的光的波导具有更小的出射光瞳。

应该理解，观看者的眼睛的景深也可以通过减小眼睛的瞳孔尺寸来改变。在一些实施例中，这可以通过例如增加由波导输出的图像的亮度来实现，由此导致观看者的瞳孔收缩。

在一些实施例中，波导可以被配置为输出比观看者瞳孔尺寸更小的光束(图7)。比观看者瞳孔更小的出射光束可以提供与使用小的出射光瞳或收缩观看者瞳孔尺寸相似的景深效果。在一些实施例中，出射光束的宽度可以取决于由波导输出的光的颜色或波长而改变并且不同。例如，用于输出一些颜色的光(例如，眼睛对聚焦更敏感的颜色)的波导可以具有比输出其它颜色的光(例如，眼睛(die)对于聚焦相对不太敏感的颜色)的波导更小的出射光束宽度。

对于小光束尺寸，多个类似的光束可进入眼睛是可能的，这可导致不期望的视觉伪像。在一些实施例中，例如通过适当地间隔出射光束的位置，波导的光提取光学元件可以被配置为一次仅将单个光束引导至眼睛。在一些实施例中，出射光束的宽度可以通过将准直光束注入到波导中来设定，其中准直光束具有用于出射光束的期望宽度。因为注入的光束是准直的，所以可以预期出射光束的宽度在波导的整个输出区域上保持基本上相似。在一些实施例中，光提取光学元件可以被配置为与注入的光束相互作用以提供期望尺寸的出射光束。例如，光提取光学元件可以被配置为相对于注入的光束的宽度来修改(例如，减小)出射光束的宽度。例如，两个串联的光提取光学元件(一个使光束会聚，并且一个再准直)可用于减小出射光束的尺寸，或者两个光提取光学元件可以包括使光束发散的一个光提取光学元件和再准直(增加宽度)的一个光提取光学元件。可以理解，宽度的减小会增加景深。类似地，将重定向元件间隔开可用于将出射光束间隔开，使得仅一个光束穿过眼睛的瞳孔。另外，当通过TIR传播通过波导时，通过控制准直光束照射光重定向元件的频率来控制出射光束之间的间隔。

在一些实施例中，准直光束照射光重定向元件的次数可以通过以下来选择：选择准直光束被注入到波导中的角度和/或通过使用接收注入光并且引导光以期望的角度通过波导的光转向特征。例如，相对于注入到波导中的光以如关于主表面的法线测量的较小角度照射主表面，注入到波导中并以浅的角度(相对于主表面)照射波导的主表面的准直光束可以预期准直光束在再次照射主表面之前传播更大的距离。在一些系统中，光注入波导的角度确定了它所代表的像素。在这种系统中，波导中的有源光学元件(例如，可切换DOE)可用于将光束偏转回其预期角度以表示空间中的正确像素。

应该理解的是，可以使用各种其它方案来调节出射光束的位置和间隔。例如，包含体积相位全息图的波导可以是高度成角度选择性的。这种全息图可以被配置为在一些位置处抑制一些光束的外耦合，同时在其它位置处选择性地外耦合其它光束。在使用具有可切换DOE的波导用于外耦合的一些其它实施例中，DOE可以被划分成本地可寻址单元或区域，使得DOE的区域可以被关闭(防止光束从该区域耦合出)，而其它区域开启以外耦合一个或多个光束。在一些实施例中，诸如光纤扫描显示器的扫描光束显示器可以耦合到本地可寻址波导中并被同步，使得不同的DOE单元被激活。不同的DOE单元可以作为注入波导中的光束角的函数而被激活。在一些其它实施例中，快门阵列(或SLM)可设置在波导与眼睛之间，以选择性地衰减一些光束，同时允许其它光束穿过。

在一些实施例中，出射光束宽度为约7mm或更小，约5mm或更小，或约3mm或更小，2mm或更小，1mm或更小，或者这些值的任何组合之间的范围。在一些实施例中，可以使用光源和光到波导中的注入之间的光的光路中的可变光圈来改变出射光束的宽度。例如，可以在图像注入设备(200、202、204、206、208)中提供可变光圈(图6)。例如，可以在图像注入设备(200、202、204、206、208)的输出表面(300、302、304、30、308)处提供可变光圈。

在此公开的用于增加景深的各种方法可以有利地应用于分别用于输出一种或多种特定颜色的一个或多个波导，以允许那些颜色的波导在数量上减少。在一些实施例中，可以结合眼睛对聚焦不同颜色的光的敏感度的差异来应用用于增加景深的这些方法，从而进一步允许总波导数量的减少。例如，图9可以被认为是利用眼睛对不同颜色的敏感度差异的波导堆叠，并且图10可以被认为是利用用于增加具有减小光圈尺寸的景深以及眼睛对不同颜色的敏感度差异的方法的波导堆叠。

在一些实施例中，可以根据需要应用在此公开的用于增加景深的方法来减少与所选颜色相关联的波导(或分量彩色图像)的数量。例如，用于向波导提供绿色图像信息的绿光发射器可比红光发射器更昂贵。预期眼睛对绿光聚焦的敏感度将决定用于输出绿光的波导在数量上最多。然而，通过将在此公开的用于增加景深的一种或多种方法应用于颜色绿色的波导(例如，减小光圈尺寸)，那些波导的总数可以减少(例如，减少到比红色波导的数量更小的数量)，从而减少了绿光发射器的数量，这进而降低了使用这些部分的系统的成本。结果，在一些实施例中，用于输出不同颜色的各种多个波导中的波导可具有不同的相关联的出射光瞳尺寸和/或不同的出射光束尺寸。例如，特定多个波导中的波导的总数可以与与特定多个波导的波导相关联的出射光瞳尺寸和/或光束尺寸直接有关。在一些实施例中，具有相对大的相关联出射光瞳尺寸的波导具有比具有相对小的出射光瞳尺寸的波导更大的总数。

应该理解，减少由波导表示的深度平面的数量可能导致对于相同的深度平面，由一些波导输出的图像相对于其它颜色的图像失焦。结合或作为利用眼睛的不同敏感度来聚焦不同颜色和/或操纵一些或全部波导的景深的替代方案，在一些实施例中，眼睛对散焦的敏感度可以降低。通过有意引入由波导堆叠中的一些或全部波导输出的图像的像差(诸如模糊)可以降低敏感度。例如，可以针对具有相对低的总数的一个或多个波导引入模糊。在一些实施例中，对于使用红-绿-蓝分量颜色的显示系统，可以将模糊引入到由与颜色蓝色相关联的波导输出的图像，其可以具有比与颜色红色或绿色相关联的波导少的总数。在一些实施例中，引入的模糊量可以随着波导输出的颜色光而变化。例如，引入的模糊量可能与与特定颜色相关联的波导的数量直接相关；对于特定颜色的波导数量越少，由这些波导输出的图像引入的模糊量越大。在一些实施例中，可以针对每个分量颜色的图像引入模糊，其中模糊量取决于颜色而变化。例如，人眼非常敏感的颜色的分量彩色图像可具有比研究相对较不敏感的颜色的分量彩色图像更高水平的引入模糊。

在一些实施例中，模糊可以由一个或多个光学元件和/或由图像处理电子器件引入。例如，在通过将光束内耦合到波导(诸如用FSD)中来将图像信息提供给波导的情况下，要被耦合到波导中的光束的焦点可以远离准直进行调节。准直光束为从波导耦合出并被观看的光束创建最小光斑。注入到波导中的非准直光束仍然会在正确的位置处产生像素，但光斑尺寸会增大，增加模糊。在一些实施例中，在内耦合光束(例如，设置在波导的光输入表面处)以调节光束的焦点之前可以使用光学元件，使得它们远离准直被调节，从而将模糊引入从图像注入设备(200、202、204、206、208)(图6)和/或图像注入设备(200、202、204、206、208)接收的图像信息。在一些其它实施例中，引入模糊的光学元件可以设置在用于生成图像的显示器与从波导到观看者的眼睛的图像信息的输出之间的光路的其它部分处。

除了使用光学元件来引入模糊之外或作为替代，模糊可以例如在处理模块(70)或(72)(图2)中的图像处理中电子地引入。模糊的电子引入可以允许基于例如图像内容动态地改变模糊。例如，可以确定一些图像对于感知的清晰度损失不太敏感，例如具有较少细节或信息的图像。对于这种图像，在一些实施例中，模糊量可以增加而图像质量没有明显的降低。

在一些实施例中，可以通过降低由波导输出的图像的x-y分辨率(例如，像素分辨率)来降低对散焦的敏感度。例如，这可以通过增加单个像素的尺寸来有效地实现。在一些实施例中，可以通过增加向波导提供图像信息的光纤的尺寸来增加像素尺寸。例如，扫描光纤显示器可以包含多个光纤芯，每个光纤芯具有不同的模场直径，并因此具有不同的有效光斑尺寸或像素尺寸。在一些实施例中，像素的尺寸可以取决于由波导堆叠的波导输出的光的颜色而变化。例如，对于特定颜色的波导数量越少，由那些波导输出的图像的单个像素的尺寸越大(并且x-y分辨率越低)。在一些实施例中，可以在产生图像的空间光调制器(SLM)中使用不同尺寸的子像素来建立像素尺寸的差异。例如，例如蓝色子像素可以在物理上大于绿色子像素，和/或可以在计数上更少，和/或跨SLM更稀疏分布。可替代地或另外地，将会理解，在一些实施例中，像素分辨率可以由图像处理模块动态地改变。例如，与模糊一样，可以确定一些图像对像素分辨率的感知损失不太敏感，例如具有较少细节或信息的图像。结果，在一些实施例中，像素分辨率可以降低而图像质量上没有明显的降低。

在一些实施例中，深度平面的数量和分布和/或景深可以基于观看者的眼睛的瞳孔尺寸而动态地改变。图11示出配置为监控瞳孔尺寸的显示系统的示例。相机(500)(例如数码相机)捕捉眼睛(4)的图像以确定眼睛(4)的瞳孔的尺寸。在一些实施例中，相机(500)可以附接到框架(64)(图2)并且可以与处理模块(70)和/或(72)电通信，该处理模块(70)和/或(72)可以处理来自相机(500)的图像信息以确定用户(60)的眼睛的瞳孔直径。在一些实施例中，可以为每只眼睛利用一个相机(500)，以分别确定每只眼睛的瞳孔尺寸，由此允许向每只眼睛呈现图像信息以动态地适合该眼睛。在一些其它实施例中，仅单只眼睛(4)的瞳孔直径(例如，每双眼睛仅使用单个相机(500))被确定并且假定对于观看者(60)的两只眼睛是相似的。

如在此所讨论的，景深可以与观看者的瞳孔尺寸成反比地改变。结果，随着观看者眼睛的瞳孔尺寸减小，景深增加，使得由于该平面的位置超出眼睛的焦深而不可辨别的一个平面可变得可辨别，并且随着瞳孔尺寸的减小和景深的相应增加看起来更聚焦。类似地，用于向观看者呈现不同图像的间隔开的深度平面的数量可随着瞳孔尺寸减小而减小。例如，再次参考图8，观看者可能不能在一个瞳孔尺寸下清楚地感知深度平面14a和14b二者的细节，而不调节眼睛远离一个深度平面和到另一个深度平面的适应性。然而，这两个深度平面可以同时充分地聚焦于另一瞳孔尺寸下的用户而不改变适应性。

在一些实施例中，显示系统可以基于瞳孔尺寸的确定或者基于接收到指示特定瞳孔尺寸的电信号改变接收图像信息的波导的数量。例如，如果用户的眼睛不能在与两个波导相关联的两个深度平面之间区分，则控制器(210)(图6)可以被配置或编程为停止向这些波导中的一个波导提供图像信息。有利地，这可以减轻系统的处理负担，从而增加系统的响应性。在其中波导的DOE可在开启和关闭状态之间切换的实施例中，当波导确实接收图像信息时，DOE可切换到关闭状态。

如在此所讨论的，在一些实施例中，可能期望具有符合具有小于观看者眼睛直径的直径的条件的出射光束。然而，鉴于观看者的瞳孔尺寸的可变性，满足该情况可能是具有挑战性的。在一些实施例中，通过响应于观看者的瞳孔的尺寸的确定而改变出射光束的尺寸，在宽范围的瞳孔尺寸上满足该条件。例如，随着瞳孔尺寸减小，出射光束的尺寸也可能减小。在一些实施例中，如在此所讨论的，可以使用可变光圈来改变出射光束尺寸。

在此描述了本发明的各种示例实施例。以非限制性的方式参考这些示例。提供它们是为了说明本发明的更广泛适用的方面。在不脱离本发明的真实精神和范围的情况下，可以对所描述的发明进行各种改变并且可以替换等同物。

例如，尽管在一些实施例中将单个波导讨论为输出一种特定颜色的光，但是在一些其它实施例中，至少一些波导可以被配置为输出多于一种颜色的光。例如，在一些实施例中，在其内具有光提取光学元件(例如，体积全息图)的体积材料可用于选择性地将不同波长的光重定向到波导外。使用波导来输出不同颜色的光可以允许在波导堆叠中使用较少的现今波导。

应该理解，深度平面之间的间隔的一个目标是提供对象似乎从近处平滑过渡到远处而没有感知焦点中的突然跳跃的间隔。“深度融合”的方法可用于增加观看对象的较近和较远部分之间的过渡的平滑度。例如，如在此所公开的，给定有限数量的深度平面，对象上的一些点可以位于两个深度平面之间，并且关于这些点的图像信息可以是可用的。在一些实施例中，这些点可以具有分布在两个相邻平面之间的其亮度；例如，在屈光度空间中的两个深度平面之间的中点的点可以具有在这两个平面中的第一个平面上的一半亮度以及在这两个平面中的第二平面上的一半亮度。通过在这些深度平面之间分配位于直接相邻深度平面之间的点的亮度，可以增加深度平面之间的过渡的平滑度。

在一些实施例中，波导堆叠中的多个波导可以具有相同的相关联深度平面。例如，配置为输出相同颜色的多个波导可以被设置为相同的深度平面。这可以提供形成平铺图像以在该深度平面处提供扩大的视场的优点。

如在此所讨论的，在一些实施例中，显示器可以向观看者的左眼和右眼呈现具有相同焦距进展的相同数量的相等间隔的深度平面。在一些其它实施例中，与呈现给观看者的左眼和右眼的深度平面相关联的总数、间隔和焦距中的一个或多个可以是不同的。例如，可以向右眼而不是向左眼呈现大量的深度平面，反之亦然，因此右眼和左眼的深度平面之间的焦距的进展是不同的。不受理论的限制，据信立体视觉可以掩盖一只眼睛中减少数量的深度平面。深度平面数量、间隔和/或焦距的差异可以针对所有分量颜色而存在，或者可以限于一种或多种特定分量颜色，例如绿色。作为示例，在一些实施例中，一只眼睛可呈现如图9中所示的深度平面，而另一只眼睛可呈现如图10中所示的深度平面。

尽管作为有利示例示出为可穿戴系统，但是可以应用在此公开的波导和相关结构以及模块来形成不可穿戴显示器。例如，显示器(62)不是被容纳在可穿戴框架(64)(图2)中，而是可以附接到支撑显示器(62)并允许显示器(62)向观看者(60)提供图像而不被观看者(60)穿戴的支架、底座或其它结构。

此外，可以进行很多修改以适应针对本发明的目的、精神或范围的特定情况、材料、物质的组合物、过程、的过程动作或步骤。进一步地，如本领域的技术人员所知道的，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，在此描述和示出的每个单独的变形具有独立的组件和特征，其可容易地与其他若干实施例的任意一个的特征分离或组合。所有这些修改意在处于与本公开相关的权利要求的范围之内。

本发明包括可使用主体装置执行的方法。该方法可包括提供这种合适的装置的动作。这种提供可由终端用户执行。换言之，“提供”动作仅需要终端用户的获得、访问、处理、定位、设置、激活、通电或其它动作，以在该方法中提供必要的装置。在此所述的方法可按逻辑上可能的所述事件的任何顺序以及以所述的事件顺序来执行。

以上已经描述了本发明的示例方面以及关于材料选择和制造的细节。对于本发明的其它细节，可结合以上参考的专利和出版物以及本领域的技术人员通常知道或理解的来理解。这在关于如通常或逻辑上采用的附加动作的方面，关于本发明的基于方法的方面同样成立。

此外，虽然已经参考可选地包括各种特征的若干示例描述了本发明，但是本发明并不限于被描述或表示为针对本发明的每个变形所预期的。在不脱离本发明的实际精神和范围的情况下，可以对所描述的本发明进行各种变化，并且可用等同(无论是本文所陈述的还是为了简洁的目的而未被包括的)来代替。此外，如果提供值的范围，则应当理解，在该范围的上限和下限之间的每个中间值和或者在该说明的范围中的任何其它中间值被包括在本发明之内。

此外，可预期的是，所描述的发明变形的任何可选特征可独立或结合在此描述的任何一个或多个特征来陈述和要求权利。引用单数项包括可能存在相同项的复数。更具体地，如在此和在相关的权利要求中所使用的，只要不具体说明，单数形式“一”、“所述”和“该”包括复数对象。换言之，在以上描述以及与本公开相关的权利要求中，冠词的使用允许“至少一个”目标项。还需要注意的是，可起草这种权利要求以排除任何可选元件。因此，该声明意在结合权利要求要素的表述而用作使用如“单独”、“仅”等这种排他性术语的先行基础，或者使用“否定”限制。

在不使用这种排他性术语的情况下，在与本公开相关的权利要求中的术语“包括”应允许包括任何其它要素，而不考虑给定数量的要素是否列举在这种权利要求中，或者添加特征可被视为变换在权利要求中所述的要素的性质。除了在此特别定义之外，在此所使用的全部科技术语应在维持权利要求有效的同时被提供尽可能款的通常理解的含义。

本发明并不限于所提供的示例和/或本说明书，而仅由与本公开相关的权利要求语言的范围限定。

Claims (70)

1.一种显示系统，包括：

波导堆叠，其包括：

第一多个波导，每个波导被配置为通过输出第一波长范围的光来产生图像；以及

第二多个波导，每个波导被配置为通过输出第二波长范围的光来产生图像，

其中，所述第一多个波导总计为比所述第二多个波导更多数量的波导。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括第三多个波导，每个波导被配置为通过输出第三波长范围的光来显示图像。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第三多个波导总计为与所述第一多个波导或所述第二多个波导不同数量的波导。

4.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一波长范围、所述第二波长范围和所述第三波长范围分别对应于不同的第一颜色、第二颜色和第三颜色，其中所述第三颜色是红色。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述第二颜色选自包括蓝色和绿色的组，并且所述第一颜色来自包括蓝色和绿色的所述组中的另一种颜色。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述第三多个波导总计为与所述第一多个波导或所述第二多个波导中的一者相同数量的波导。

7.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一多个波导中的每个波导具有相关联的深度平面，其中所述第一多个波导中的每个波导被配置为产生似乎源自该波导的相关联的深度平面的图像，并且其中所述第一多个波导中的每个波导具有与所述第一多个波导中的至少一个其它波导不同的相关联的深度平面；

其中，所述第二多个波导中的每个波导具有相关联的深度平面，其中所述第二多个波导中的每个波导被配置为产生似乎源自该波导的相关联的深度平面的图像，并且其中所述第二多个波导中的每个波导具有与所述第二多个波导的至少一个其它波导不同的相关联的深度平面；以及

其中，所述第三多个波导中的每个波导具有相关联的深度平面，其中所述第三多个波导中的每个波导被配置为产生似乎源自该波导的相关联的深度平面的图像，并且其中所述第三多个波导中的每个波导具有与所述第三多个波导中的至少一个其它波导不同的相关联的深度平面。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，对于所述第一多个波导、所述第二多个波导和所述第三多个波导中的每一个，深度平面之间的间隔是不同的。

9.根据权利要求7所述的系统，其中所述第一多个波导、所述第二多个波导和所述第三多个波导中的每一个波导包括光提取光学元件，其中所述光提取光学元件的配置取决于与所述波导相关联的所述深度平面而变化。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述光提取光学元件具有光焦度以便提供发散光束。

11.根据权利要求10所述的系统，其中，所述光提取光学元件包括衍射光栅。

12.根据权利要求10所述的系统，其中，对于不同深度平面的所述光提取光学元件具有不同的光焦度，以便为每个深度平面提供不同的出射光发散。

13.根据权利要求2所述的系统，其中，所述波导堆叠被配置为输出N种颜色，其中，所述波导堆叠包括N个多个波导，每个波导被配置为通过输出与所述N种颜色之一对应的光来显示图像，其中，每个多个波导总计为与所述多个波导中的其它波导不同的数量，其中N是正整数。

14.根据权利要求1所述的系统，还包括与所述第一多个波导和所述第二多个波导的每个波导相关联的出射光瞳，其中所述第一多个波导的波导的出射光瞳尺寸大于所述第二多个波导的波导的出射光瞳尺寸。

15.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一多个波导和所述第二多个波导的每个波导输出具有出射光束尺寸的光，其中所述出射光束尺寸在所述第一多个波导和所述第二多个波导的波导之间不同。

16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一多个波导和所述第二多个波导的每个波导输出具有出射光束尺寸的光，其中所述第一多个波导的波导的所述出射光束尺寸小于5mm。

17.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一多个波导的波导输出具有与所述第二多个波导的波导不同的出射光束尺寸的光。

18.根据权利要求1所述的系统，还包括第三多个波导，每个波导被配置为通过输出第三波长范围的光来产生图像，其中，所述第三多个波导的波导输出具有与所述第一多个波导或所述第二多个波导的波导不同的出射光束尺寸的光。

19.根据权利要求1所述的系统，还包括图像注入设备，每个图像注入设备被配置为将图像信息注入到所述第一多个波导和所述第二多个波导中的每一个的对应输入边缘中。

20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述图像注入设备包括用于注入到所述第一多个波导和所述第二多个波导的所述对应输入边缘中的光的可变光圈。

21.根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统包括被配置为由观看者佩戴的框架，其中，所述波导堆叠附接到所述框架。

22.根据权利要求1所述的系统，还包括：

另一个波导堆叠，

其中，所述波导堆叠被配置为将图像信息引导到观看者的第一只眼睛，并且所述另一个波导堆叠被配置为将图像信息引导到所述观看者的第二只眼睛。

23.根据权利要求22所述的系统，其中，所述波导堆叠和所述另一个波导堆叠被配置为产生设定于多个深度平面上的图像，其中，以下中的一个或多个在所述波导堆叠的深度平面和所述另一个波导堆叠的深度平面之间不同：

深度平面之间的距离的进展；

深度平面的总数；以及

深度平面的焦距。

24.根据权利要求1所述的系统，其中，所述波导中的每一个波导被配置为通过全内反射在其中传播光，每个波导包括：

衍射光学元件，其被配置为将在所述波导内传播的光朝向观看者重定向出所述波导。

25.根据权利要求1所述的系统，还包括用于将模糊引入注入到所述波导中的图像信息的光学元件或图像处理模块。

26.根据权利要求1所述的系统，其中，光学元件或图像处理模块被配置为将不同量的模糊引入所述第一多个波导和所述第二多个波导的波导。

27.根据权利要求1所述的系统，还包括第三多个波导，每个波导被配置为通过输出第三波长范围的光来产生图像，其中，光学元件或图像处理模块被配置为将不同量的模糊引入所述第一多个波导、所述第二多个波导和所述第三多个波导的波导。

28.根据权利要求1所述的系统，其中，由所述第一多个波导产生的所述图像的第一像素尺寸小于由所述第二多个波导产生的所述图像的第二像素尺寸。

29.根据权利要求1所述的系统，还包括第三多个波导，其中由所述第三多个波导产生的图像的第三像素尺寸不同于所述第一像素尺寸或所述第二像素尺寸。

30.根据权利要求1所述的系统，还包括控制器，所述控制器被配置为在两个相邻深度平面之间分配所述相邻深度平面之间的点的亮度。

31.一种显示系统，包括：

显示器，其被配置为输出多个分量彩色图像，所述分量彩色图像对应于多个深度平面，

其中，第一颜色的分量彩色图像总计大于第二颜色的分量彩色图像的数量，其中，所述第一颜色的所述分量彩色图像由具有在第一波长范围内的波长的光形成，并且其中所述第二颜色的所述分量彩色图像由具有在第二波长范围内的波长的光形成。

32.根据权利要求31所述的系统，其中，第三颜色的分量彩色图像总计少于所述第二颜色的所述分量彩色图像的数量，其中，所述第三颜色的所述分量彩色图像由具有在第三波长范围内的波长的光形成。

33.根据权利要求31所述的系统，其中，所述系统包括多个波导，每个波导被配置为输出单一颜色的分量彩色图像。

34.根据权利要求33所述的系统，其中，每个波导还被配置为输出单个相关联的深度平面的分量彩色图像。

35.根据权利要求33所述的系统，其中，每个波导包括具有光焦度的光学元件，所述光学元件被配置为提供不同深度平面的感知。

36.根据权利要求31所述的系统，其中，对于所述第一颜色、所述第二颜色和所述第三颜色的所述分量彩色图像，深度平面之间的间隔对于所述多个深度平面中的每一个深度平面而不同。

37.根据权利要求31所述的系统，其中，出射光瞳与形成每个分量彩色图像的光相关联，其中，出射光瞳尺寸随着所述分量彩色图像的所述颜色而变化。

38.根据权利要求31所述的系统，其中，形成每个分量彩色图像的光具有出射光束尺寸，其中所述出射光束尺寸小于5mm。

39.根据权利要求38所述的系统，其中，所述出射光束尺寸随着所述分量彩色图像的所述颜色而变化。

40.根据权利要求31所述的系统，其中，所述系统包括被配置为由观看者佩戴的框架，其中所述显示器附接到所述框架。

41.根据权利要求31所述的系统，其中，所述显示器被配置为输出两组分量彩色图像，一组用于一只眼睛，其中以下中的一个或多个在每组的深度平面之间不同：

深度平面之间的距离的进展；

深度平面的总数；以及

深度平面的焦距。

42.根据权利要求31所述的系统，还包括用于将模糊引入所述分量彩色图像的光学元件或图像处理模块。

43.根据权利要求42所述的系统，其中，所述光学元件或所述图像处理模块被配置为将不同量的模糊引入不同颜色的分量彩色图像。

44.根据权利要求31所述的系统，其中，所述第一颜色的所述分量彩色图像的第一像素尺寸不同于所述第二颜色的所述分量彩色图像的第二像素尺寸。

45.根据权利要求44所述的系统，还包括第三颜色的分量彩色图像，其中，第三颜色的所述分量彩色图像的第三像素尺寸不同于所述第一像素尺寸或所述第二像素尺寸。

46.根据权利要求44所述的系统，其中，所述分量彩色图像包括多于三种的颜色。

47.根据权利要求31所述的系统，还包括控制器，所述控制器被配置为在两个相邻深度平面之间分配所述相邻深度平面之间的点的亮度。

48.一种显示系统，包括：

一个或多个波导，其包括：

第一多个衍射光学元件，其被配置为外耦合第一波长范围的光以产生第一多个分量彩色图像，每个图像设置在所述第一多个衍射光学元件的X个最大可能深度平面中的一个最大可能深度平面上；以及

第二多个衍射光学元件，其被配置为外耦合第二波长范围的光以产生第二多个分量彩色图像，每个图像设置在所述第二多个衍射光学元件的Y个最大可能深度平面中的一个最大可能深度平面上，

其中，X和Y是整数，并且其中X和Y不同。

49.根据权利要求48所述的系统，其中，所述第一多个衍射光学元件和所述第二多个衍射光学元件是单个波导的一部分。

50.根据权利要求49所述的系统，其中，所述第一多个衍射光学元件和所述第二多个衍射光学元件的所述衍射光学元件在光学衍射状态和光学非衍射状态之间可切换。

51.根据权利要求49所述的系统，其中，所述第一多个衍射光学元件和所述第二多个衍射光学元件包括液晶。

52.根据权利要求48所述的系统，其中，所述第一多个衍射光学元件的所述衍射光学元件是与所述第一多个衍射光学元件的衍射光学元件不同的一个或多个不同波导的部分，其中，所述第一多个衍射光学元件和所述第二多个衍射光学元件的所述衍射光学元件在光学衍射状态和光学非衍射状态之间可切换。

53.根据权利要求48所述的系统，还包括第三多个衍射光学元件，所述第三多个衍射光学元件被配置为外耦合第三波长范围的光以产生第三多个分量彩色图像，每个图像设置在所述第三多个衍射光学元件的Z个最大可能深度平面中的一个最大可能深度平面上。

54.根据权利要求53所述的系统，其中，Z不同于X和Y。

55.根据权利要求53所述的系统，其中，所述第一波长范围、所述第二波长范围和所述第三波长范围的所述光分别包括红色、绿色和蓝色的光。

56.根据权利要求48所述的系统，其中，所述第一多个衍射光学元件的深度平面之间的间隔的进展与所述第二多个衍射光学元件的深度平面之间的间隔的进展不同。

57.根据权利要求48所述的系统，其中，所述系统被配置为外耦合具有与取决于外耦合的光的波长而不同的出射光瞳尺寸的所述光。

58.根据权利要求48所述的系统，其中，形成每个分量彩色图像的光具有出射光束尺寸，其中，所述出射光束尺寸小于5mm。

59.根据权利要求58所述的系统，其中，所述出射光束尺寸随着所述分量彩色图像的所述颜色而变化。

60.根据权利要求48所述的系统，其中，所述系统包括被配置为由观看者佩戴的框架，其中，所述显示器附接到所述框架。

61.根据权利要求48所述的系统，其中，所述显示系统被配置为输出两组分量彩色图像，一组用于一只眼睛，其中以下中的一个或多个在每组的深度平面之间不同：

深度平面之间的距离的进展；

深度平面的总数；以及

深度平面的焦距。

62.根据权利要求48所述的系统，还包括用于将模糊引入分量彩色图像的光学元件或图像处理模块。

63.根据权利要求62所述的系统，其中，所述光学元件或所述图像处理模块被配置为将不同量的模糊引入不同颜色的分量彩色图像。

64.根据权利要求48所述的系统，其中，使用所述第一波长范围的光产生的所述分量彩色图像的第一像素尺寸不同于使用所述第二波长范围的光产生的所述分量彩色图像的第二像素尺寸。

65.根据权利要求64所述的系统，还包括第三颜色的分量彩色图像，其中第三颜色的所述分量彩色图像的第三像素尺寸不同于所述第一像素尺寸或所述第二像素尺寸。

66.根据权利要求48所述的系统，还包括控制器，所述控制器被配置为在两个相邻深度平面之间分配所述相邻深度平面之间的点的亮度。

67.一种显示系统，包括：

显示器，其被配置为输出多个分量彩色图像，所述分量彩色图像对应于多个深度平面，

控制器，其被配置为基于要针对所述深度平面中的至少一个深度平面显示的图像的内容向图像引入以下中的一个或多个：

模糊；以及

像素尺寸的变化。

68.根据权利要求67所述的显示系统，其中，所述显示器包括：

波导堆叠，其包括：

第一多个波导，每个波导被配置为通过输出与第一颜色对应的光来产生分量彩色图像；以及

第二多个波导，每个波导被配置为通过输出与不同于所述第一颜色的第二颜色对应的光来产生分量图像。

69.一种显示系统，包括：

相机，其用于确定瞳孔尺寸；

显示器，其被配置为输出光以显示多个分量彩色图像，所述分量彩色图像对应于多个深度平面；以及

控制器，其被配置为基于所确定的瞳孔尺寸来改变所述输出的光的属性。

70.根据权利要求69所述的显示系统，其中所述显示器包括：

第一多个波导，每个波导被配置为通过输出与第一颜色对应的光来产生分量图像；以及

第二多个波导，每个波导被配置为通过输出与不同于所述第一颜色的第二颜色对应的光来产生分量图像。