CN109073894A - 用于抑制重影的近眼显示设备的波导 - Google Patents

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Abstract

公开了一种用于减少近眼显示设备中的重影效应和彩虹效应的装置和方法。近眼显示设备包括：用于基于来自光源的光生成图像的成像器。近眼显示设备还包括至少一个平面波导。波导在输入表面处输入表示来自成像器的图像的光，并且从输出表面朝向用户的光学感受器输出表示图像的光。波导以相对倾斜角安装。波导的倾斜角和波导的衍射光学元件的光栅周期用于减少重影效应和彩虹效应。

Description

用于抑制重影的近眼显示设备的波导
背景技术
诸如头戴式显示(HMD)设备等近眼显示(NED)设备最近已经被引入消费者市场，以支持诸如增强现实(AR)和虚拟现实(VR)等可视化技术。近眼显示设备可以包括各种部件，诸如一个或多个光源、微显示模块、控制电子器件和诸如波导、透镜、分束器等各种光学器件。
波导可以用在近眼显示设备中，以将表示人工生成的图像的光从设备的图像生成部件传送到用户的眼睛。这些波导中的一个或多个可以用作设备对用户的图像输出接口；这些波导可以称为设备的“输出波导”。例如，对于近眼AR设备，当用户通过输出波导观看现实世界时，用户可以看到从透明输出波导投射的计算机生成的图像。以这种方式，计算机生成的图像看起来被叠加在用户的真实世界环境上。
近眼显示设备中的一些波导可以包括衍射光学元件，其将光分离成不同衍射级的多个光束。期望衍射级的光离开输出波导并且到达用户的眼睛。然而，其他(不期望)衍射级的光也可以继续在输出波导中传播，并且因此也可以到达眼睛。不期望衍射级的光可以引起重影叠加在主(期望)图像上，这对于用户而言降低了整体图像质量。
此外，来自近眼显示设备外部的光源(例如，太阳或室内照明)的环境光可以到达设备的输出波导，然而特别地，这并不仅仅针对AR近眼设备。环境光通常具有宽光谱，并且因此包含不同颜色的光。输出波导中的衍射光学元件倾向于将环境光分离成不同颜色的光束，这会不期望地引起用户感知彩虹效应。
发明内容
这里介绍的是至少一种装置和至少一种方法(统称和单独地称为“这里介绍的技术”)，用于减少由显示设备、特别是(虽然并不一定是)近眼显示设备的衍射光学元件(DOE)引起的重影效应和彩虹效应。以下描述通常假定显示设备的“用户”是人，以便于描述。然而，注意，实施这里介绍的技术的显示设备可以潜在地由诸如机器或动物等非人类用户使用。因此，本文中的术语“用户”可以指代那些可能性中的任何一种，除非另外说明或从上下文中很明显。
在一些实施例中，显示设备包括成像器和平面波导堆叠(即，平面波导的堆叠)。成像器基于来自光源的光生成图像。波导堆叠在输入表面处输入表示来自成像器的图像的光，并且从输出表面朝向用户的光学感受器输出表示图像的光。本文中使用的术语“光学感受器”是指人眼、动物眼或机器的光学传感器。波导堆叠以倾斜方式安装使得当近眼显示设备被用户佩戴或安装在用户的光学感受器附近时，波导堆叠的输出表面面向下。波导堆叠的倾斜角和波导堆叠的衍射光学元件的光栅周期用于减少输出图像中的重影效应和彩虹效应。
在一些实施例中，一种用于抑制重影效应和彩虹效应的方法包括：生成要被传送到近眼显示设备的用户的光学感受器的图像；在波导堆叠的输入表面处将表示图像的光耦合到平面波导堆叠中，并且从波导堆叠的输出表面朝向用户的光学感受器输出表示图像的光。波导堆叠以倾斜方式安装在近眼显示设备中，使得当用户佩戴近眼显示设备时，波导堆叠的输出表面面向下并且朝向用户的光学感受器。
根据附图和“具体实施方式”，该技术的其他方面将是清楚的。
提供本“发明内容”是为了以简化的形式介绍概念中所选的概念，概念将在下面的“具体实施方式”中进一步描述。本“发明内容”不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。
附图说明
本公开的一个或多个实施例通过示例而非限制的方式在附图的图中示出，附图中相同的附图标记指示类似的元件。
图1示出了可以合并本文中介绍的技术的近眼显示设备的示例。
图2示出了可以被包含在图1的近眼显示设备内的显示部件的侧视图。
图3示出了将光传送到用户的眼睛的波导的示例。
图4示出了衍射光学元件将入射光耦合成具有不同方向的光路的离散衍射级。
图5A示出了在近眼显示设备中具有规则倾斜角的波导的示例。
图5B示出了在近眼显示设备中具有相对倾斜角的波导的示例。
图6示出了以规则倾斜角放置的单层波导。
图7A示出了可以在进入耦合器端引入重影的、以规则倾斜角放置的两层波导。
图7B示出了行进通过以规则倾斜角放置的波导的进入耦合器、具有各种衍射级的光束的k向量空间表示。
图7C示出了可以在离开耦合器端引入重影的、以规则倾斜角放置的两层波导。
图7D示出了行进通过以规则倾斜角放置的波导的离开耦合器、具有各种衍射级的光束的k向量空间表示。
图8A示出了抑制进入耦合器端的重影效应、以相对倾斜角放置的两个波导。
图8B示出了行进通过以相对倾斜角放置的波导而不会在进入耦合器端引起重影、具有衍射级的光束的k向量空间表示。
图8C示出了抑制离开耦合器端的重影效应、以相对倾斜角放置的两个波导。
图8D示出了行进通过以相对倾斜角放置的波导而不会在离开耦合器端引起重影、具有衍射级的光束的k向量空间表示。
图9A示出了行进通过以规则倾斜角放置的波导的环境光以及彩虹效应的引入。
图9B示出了行进通过以相对倾斜角放置的波导的环境光以及彩虹效应的抑制。
图10A示出了以60度从上方入射的外部光通过以规则倾斜角放置的波导、到具有不同颜色的衍射光束的衍射。
图10B示出了以60度从上方入射的外部光通过以相对倾斜角放置的波导、到具有不同颜色的衍射光束的衍射。
图11A示出了以60度从下方入射的外部光通过以规则倾斜角放置的波导、到具有不同颜色的衍射光束的衍射。
图11B示出了以60度从下方入射的外部光通过以相对倾斜角放置的波导、到具有不同颜色的衍射光束的衍射。
图12示出了抑制在近眼显示设备中引起重影效应和彩虹效应的衍射级的方法的示例。
具体实施方式
在本说明书中，对“实施例”、“一个实施例”等的引用表示所描述的特定特征、功能、结构或特性被包括在这里介绍的技术的至少一个实施例中。在本说明书中出现的这样的短语并不一定都指代同一实施例。另一方面，所提到的实施例也不一定是相互排斥的。
一些近眼AR显示设备包括堆叠在一起的一个或多个输出波导。例如，基于RGB的显示设备可以包括用于每只眼睛的三个堆叠输出波导，例如，一个被调谐以传播红光，一个被调谐以传播绿光，以及一个被调谐以传播蓝光。每个输出波导可以包括一个或多个衍射光学元件(DOE)，DOE被设计为引导特定波长范围的光经由衍射在波导内传播和传播通过波导。DOE将光分离成具有不同衍射级和不同方向的光束。通常，DOE的凹槽轮廓被设计为使得期望的衍射级保持大部分光能。设计凹槽轮廓以控制光能分布的过程称为“闪耀(blazing)”。期望的衍射级朝向用户的光学感受器(例如，人眼)被引导以感知主图像。换言之，波导600的输出表面朝上并且朝向光学感受器660。
然而，可以存在除了期望衍射级之外的衍射级并且其可以被进一步衍射。由于衍射过程分离并且改变光束的方向(除了第零衍射级)，这些不期望的衍射级可以经由衍射被重定向为朝向用户的光学感受器。光学感受器接收那些不期望的衍射级的光，并且因此，用户感知叠加在主图像上的重影。
在AR近眼显示设备中，输出波导可以定位成使得它们的输出表面(即，它们的表面面向并且最靠近用户眼睛)略微向上倾斜。这样做是因为具有这种倾斜角的输出波导可以与具有较大光栅周期的DOE一起工作，这对于制造来说更容易和更便宜。然而，本发明的发明人已经发现，输出波导的相对倾斜角可以用于抑制重影效应。因此，这里介绍的近眼AR显示设备包括以相对倾斜角放置的波导，即其中波导的输出表面向下倾斜。具有相对倾斜角的输出波导以较小的光栅周期操作，以便引导具有相同波长的光。相对倾斜角和较小光栅周期的组合进一步引起具有不同衍射级的光束相对于彼此进一步铺展开。因此，衍射级较高(即，高于期望衍射级)的光束是渐逝(evanescent)的，并且没有机会被重定向回朝向用户的光学感受器。因此，显著地抑制了由不期望的衍射级引起的重影。
此外，相对倾斜角和较小的光栅周期也抑制了来自环境光的彩虹效应。利用相对倾斜角和较小的光栅周期，分离的光束相对于彼此进一步铺展开，并且具有少得多的机会到达用户的光学感受器并且被感知为彩虹效应。
图1示出了其中可以合并这里介绍的技术的近眼显示设备的示例。近眼显示设备100可以为用户(即，设备的佩戴者)提供虚拟现实(VR)和/或增强现实(AR)显示模式。为了便于描述，下文中假定近眼显示设备100被设计用于AR可视化。
在所示实施例中，近眼显示设备100包括底盘101、安装到底盘101的透明保护遮护件102、以及安装到底盘101的左右侧臂104。遮护件102形成下面讨论的各种显示元件(未示出)的保护外壳。
底盘101是用于遮护件102和侧臂104以及与本说明书没有密切关系的各种传感器和其他部件(未示出)的安装结构。可以生成用于AR可视化的图像的显示组件(未示出)也安装到底盘101并且被围绕在保护性遮护件102内。遮护件组件102和/或底盘101还可以容纳用于控制显示组件的功能和近眼显示设备100的其他功能的电子器件(未示出)。近眼显示设备100还包括附接到底盘101的可调节头带105，通过该可调节头带105，近眼显示设备100可以佩戴在用户的头部上。
图2示出了根据某些实施例的可以被包含在近眼显示设备100的遮护件102内的显示部件的侧视图。在近眼显示设备100的操作期间，显示部件相对于用户的左眼206L或右眼206R定位。显示部件安装到底盘101的内表面。底盘101在图2中以横截面示出。
显示部件被设计为在用户对其现实世界环境的视图上覆盖三维图像，例如，通过将光投射到用户的眼睛中。因此，显示部件包括显示模块204，显示模块204容纳光引擎，该光引擎包括各种部件，诸如一个或多个光源(例如，一个或多个发光二极管(LED))；一个或多个微显示成像器，诸如硅上液晶(LCOS)、液晶显示器(LCD)、数字微镜器件(DMD)；以及一个或多个透镜、分束器和/或波导。显示模块204内的(多个)微显示成像器(未示出)可以经由柔性电路连接器205连接到印刷电路板208，印刷电路板208上安装有图像生成/控制电子器件(未示出)。
显示部件还包括：透明波导载体201，显示模块204安装到透明波导载体201；以及堆叠在波导载体201的用户侧的多个透明输出波导202，用于用户的左眼和右眼中的每只眼睛。波导载体201具有中央鼻梁部分210，其左右波导安装表面从该中央鼻梁部分210延伸。多个波导202堆叠在波导载体201的左和右波导安装表面中的每个表面上，以将从显示模块发射并且表示图像的光分别投射到用户的左眼206L和右眼206R中。显示组件200可以通过位于中央鼻梁部分210上方的波导载体201顶部的中心突片207而被安装到底盘101。
近眼显示设备可以将表示图像的光提供给用户的光学感受器。用户可以是例如近眼显示设备的人类用户或附接到近眼显示设备的机器。
图3示出了可以安装到波导载体201以将光传送到用户的眼睛的输出波导的示例。可以为左眼设计类似的波导，例如，作为图3中所示的波导的(水平)镜像。波导310是透明的，并且如从图2中可以看到的，通常在近眼显示设备的操作期间将被直接设置在用户的右眼前面，例如，作为图2中的波导202之一。因此，示出了在近眼显示设备100的操作期间从用户的角度来看的波导310。在一些备选实施例中，在近眼显示设备的操作期间，波导310可以设置在用户的左眼和右眼二者前面。
波导310包括位于波导310的如下区域中的单个输入端口311(也称为进入耦合元件)：当用户佩戴近眼显示设备100时，该区域最靠近用户的鼻梁。输入端口311可以由例如表面衍射光栅、体积衍射光栅或反射部件形成。波导310还包括单个输出端口313(也称为离开耦合元件)和传输通道312。显示模块204(未示出)的右眼输出端口光学耦合(但不一定是物理耦合)到波导310的输入端口311。在操作期间，显示模块204(未示出)将表示针对右眼的图像的光从其右眼输出端口输出到波导310的输入端口311中。
传输通道312将光从输入端口311传送到输出端口313，并且可以是例如表面衍射光栅、体积衍射光栅或反射部件。传输通道312可以设计为通过使用全内反射(TIR)来实现这一点。然后，表示针对右眼的图像的光从输出端口313投射到用户的眼睛。
波导310可以包括多个衍射光学元件(DOE)，以便经由多次发生的光学衍射来控制在近眼显示设备中传播的光的方向。DOE可以是例如表面衍射光栅或体积衍射光栅。波导310的各种部件可以被设计为包含一个或多个DOE。
例如，波导310可以包括三个DOE。波导310的输入端口311是用于将光耦合到波导310中并且在光到达输入端口311之后控制光路的方向的DOE 1。波导310的传输通道312是用于控制传输通道312中的光路的方向并且确保光通过全内反射(TIR)在传输通道312内部传播的DOE 1。输出端口313是用于在光从输出端口313离开之后控制光路的方向的DOE 3。
归因于衍射光学元件的周期性，每当光行进通过诸如衍射光栅等DOE时，入射光被耦合成离散的衍射级。图4示出了衍射光学元件将入射光耦合成具有不同方向的光路的离散的衍射级。入射光405包括蓝色(B)和红色(R)两种不同颜色的光。换言之，入射光405包括两种不同波长(或两种不同波长范围)的光。如图4所示，DOE 401右侧的输出光被分离成不同方向的多个光线。光线的方向取决于衍射级和波长。
衍射级的衍射角由光栅等式控制。整数m表示传播模式，即衍射级。整数m可以是0，+1，-1，+2，-2，......等。角度θm是m级衍射光的角度。角度θi是入射光的角度，如果入射光405在DOE 401的表面上正常入射，则其为零。波长λ取决于光的颜色。例如，红光比蓝光具有更长的波长λ。光栅周期d是DOE 401的两个相邻光栅线之间的距离，并且是DOE 401的光栅图案的固有特性。
如图4所示，零级衍射光束M0仍然遵循入射光405的方向，并且包含红光和蓝光二者。具有其他衍射级的光束具有不同的方向。具有正整数衍射级的光束位于零级光束M0的顶侧。具有负整数衍射级的光束位于零级光束M0的底侧。
较高衍射级的光束更偏离零衍射级的光束。例如，具有-1衍射级M-1R的红光束比具有-2衍射级M-2R的红光束更接近零级光束M0。
根据光栅等式，衍射级的光束角可以由光栅周期d控制。例如，通过增加或减少衍射光栅的相邻衍射槽之间的光栅周期d，可以调节衍射级的光束角。此外，衍射级之间的光能分布取决于衍射槽的形状。换言之，通过调节衍射槽的横截面轮廓，可以将大部分衍射光能集中在给定波长的特定衍射级中。例如，通过调节凹槽轮廓，蓝光的大部分光能可以集中在具有-1衍射级M-1B的蓝光束上。
除了调节DOE的衍射图案之外，还可以通过改变倾斜角来调节近眼显示设备内的光路。如图3所示，近眼显示设备使用具有多个DOE的一个或多个波导来实现通过各种衍射级的期望光路。那些波导(例如，如图2所示的波导202)以倾斜角放置。根据波导的倾斜角，可以实现或避免某些衍射效应，诸如重影效应或彩虹效应。
图5A示出了近眼显示设备的输出波导相对于光学感受器的规则倾斜角的示例。当用户佩戴近眼显示设备时，用户的光学感受器590具有视场(FOV)522，如图5A所示。线520是视场522的中心线，并且也称为FOV中心线520。FOV中心线520表示近眼显示设备的显示模块的光轴。
即使当用户笔直站立或坐下时，FOV中心线520也不一定与真实水平线平行。因为人类通常最舒适地向下看约5度，所以FOV 522与真正的水平线不平行，如图5A所示。这里，术语“向下”是相对于人的头部指向向量而不是用户环境中的地面或地板来定义的。人的头部指向向量在这里被定义为指向人的前额前面所面向的方向的向量(可以但不总是平行于他们的视线)。因此，在这种情况下，“向下”在人躺下时可能与在坐下或站立时不同。
波导502和成像器580放置在光学感受器590前面。来自成像器528的光学信号传播到波导502的进入耦合器区域502A中。光学信号进一步传播通过波导502的传输区域502B，并且然后朝向光学感受器590从波导502的离开耦合器区域502C离开。波导502具有平面形状，并且因此具有两个表面527和528。成像器580被光学耦合到的表面被称为输入表面527；最靠近光学感受器590的表面被称为输出表面528。图5A中的波导502的输出表面528向上倾斜。
如图5A所示，向量529垂直于(“正交于”)波导502的输出表面528。向量529在FOV中心线520穿过输出表面528的同一点处源自输出表面528。FOV中心线520穿过波导502的离开耦合器区域502C的几何中心。波导的倾斜角可以被定义为：当FOV中心线520穿过波导502的离开耦合器区域502C的几何中心时，光学感受器590的FOV中心线520与正交于波导502的输出表面528的向量529之间的角度。
图5B示出了输出波导的相对倾斜角的示例。与图5A中所示的波导502相比，图5B中的波导502的输出表面528向下倾斜。同样，波导502的倾斜角510可以被定义为：当FOV中心线520穿过波导502的离开耦合器区域502C的几何中心时，FOV中心线520与正交于输出表面528的向量529之间的角度。
图5A和图5B之间的差异包括：相对于光学感受器590，波导502的法向向量529和进入耦合器区域502A的位置。波导502包括从成像器580接收光学信号的进入耦合器区域502A，以及朝向光学感受器590输出光信号的离开耦合器区域502C。当用户保持垂直中性视线(例如，不是有意地向上或向下看)时，FOV中心线520穿过波导502的离开耦合器区域502C的几何中心。
此外，图5A和图5B示出了在上面定义的头部指向向量592。当用户保持垂直中性视线时，FOV中心线520可以平行于头部指向向量592。图5A和图5B还示出了感受器平面594。感受器平面594垂直于头部指向向量592，并且穿过光学感受器590的前表面。
如图5A所示，当FOV中心线520穿过波导502的离开耦合器区域502C的几何中心时，法向向量529和进入耦合器区域502A位于FOV中心线520的同一侧。波导502的离开耦合器区域502C比波导502的进入耦合器区域502A更靠近感受器平面594。具有诸如图5A所示的倾斜角的输出波导被称为具有规则倾斜角。
如图5B所示，当FOV中心线520穿过波导502的离开耦合器区域502C的几何中心时，法向向量529和进入耦合器区域502A位于FOV中心线520的两个不同侧。波导502的进入耦合器区域502A比波导502的离开耦合器区域502C更靠近感受器平面594。具有诸如图5B所示的倾斜角的输出波导被称为具有相对倾斜角。
在一些实施例中，输出波导的相对倾斜角在5度至45度的范围内。在一些其他实施例中，相对倾斜角在10度至40度的范围内。
对应的光栅周期可以通过等式来估计；其中d是光栅周期，λ是光的波长，n是波导材料的折射率，θt是波导的倾斜角。倾斜角θt对于规则倾斜角是正的；倾斜角θt对于相对倾斜角是负的。θp是在光到达离开耦合器区域之前波导内部的期望的光传播角度(相对于法线)。对于折射率n＝1.7的波导材料，如果视场约为35度，则θp可以约为50度。
例如，可以针对波长为525nm(纳米)的绿光来优化波导，并且波导材料具有折射率n＝1.7。对于15度的规则倾斜角θt，光栅周期d约为500nm；对于-15度的相对倾斜角θt，光栅周期d约为340nm。对于10度的规则倾斜角θt，光栅周期d约为470nm；对于-10度的相对倾斜角θt，光栅周期d约为360nm。对于5度的规则倾斜角θt，光栅周期d约为430nm；对于-5度的相对倾斜角θt，光栅周期d约为380nm。因此，与以规则倾斜角放置的波导相比，以相对倾斜角放置的波导可以具有更小的光栅周期。
进入耦合器端的重影效应
取决于波导的倾斜角是规则的还是相对的，可以增强或抑制由于光学衍射而引起的重影效应。图6示出了以规则倾斜角放置的单个波导。波导600包括进入耦合器(也称为输入端口)DOE 610、扩展器DOE 620和离开耦合器(也称为输出端口)DOE 630。波导600可以是诸如图2所示的近眼显示设备的一部分。
波导600是平面的并且具有两侧。波导600在左侧(输入表面)接收入射光640，并且在右侧(输出表面)向光学感受器660输出光650。光学感受器660可以是例如人眼、动物的眼睛、或机器的光学传感器。波导600具有规则倾斜角。换言之，波导600的输出表面朝上并且朝向光学感受器660。
可以针对特定波长来优化波导和DOE 610、620和630的倾斜角、光栅周期和凹槽轮廓。因此，特定波长的入射光640可以被引导通过波导(例如，通过TIR)并且作为光650被输出而不引入任何重影效应。
相反，归因于具有不同波长的光束的衍射，多层波导能够引入重影效应。图7A示出了可以引入重影的、以规则倾斜角放置的两层波导。这两层波导700和705分别被优化以引导具有不同波长(因此，不同颜色)的光束。本文中公开的技术可以用于引导具有任何波长的光束。为了便于讨论，假定波导700被优化以引导绿色(G)光；假定波导705被优化以引导蓝色(B)光。波导700和705可以是如图2所示的近眼显示设备的一部分。
类似于波导600，波导700和705具有规则倾斜角。换言之，波导700和705的输出表面面向光学感受器760略微向上。波导700和705中的每个波导具有三个DOE，如波导600。
波导700和705针对绿色和蓝色的不同颜色而被优化。波导700被设计为在进入耦合器710处接收(也称为“耦合进入”或“进入耦合”)绿光并且在离开耦合器730处输出(也称为“耦合离开出”或“离开耦合”)绿光。波导705被设计为在进入耦合器715处接收蓝光并且在离开耦合器735处输出蓝光。
由于波导700和705如图7A所示堆叠在一起，被设计为耦合到波导705中的蓝光需要在蓝光可以到达波导705之前行进通过波导700。如图7A所示，当光740行进通过波导700时，光通过进入耦合器710(其针对绿光被优化)的DOE经历衍射，并且被分离成具有不同衍射级的至少两个光束742和744。由于光束744保持与原始入射蓝光740相同的方向，因此期望具有零衍射级的光束744。
具有非零衍射级的光束742是不期望的，因为这种非零衍射级的光束以非优化的角度到达波导705的进入耦合器715。一旦光束742和744进入波导705，这些光束在波导705内传播并且在离开耦合器735处分别作为光束752和754而离开。这些光束752和754具有不同的衍射级和不同的方向。特别是，光束752具有不期望的方向并且导致重影。因为重影是由进入耦合器(DOE 1)处的衍射引起的，所以光束752引起的重影效应也称为DOE 1重影效应。
不同衍射级的光束的行进方向可以通过k向量空间表示来解释。图7B示出了行进通过以规则倾斜角放置的波导的进入耦合器、具有各种衍射级的光束的k向量空间表示。图7B的波导具有三层：针对绿光优化的第一波导、针对蓝光优化的第二波导和针对红光优化的第三波导。
图7B的左侧、中间、右侧k向量空间图分别示出了具有由第一波导、第二波导和第三波导的进入耦合器衍射的衍射级的视场。在每个k向量空间图中，两个同心圆之间的环形部分中的任何光波通过全内反射(TIR)在波导中传播。内圆中的任何光波都是在空气和波导中传播的波。换言之，那些光波耦合到波导中并且然后从波导中离开。外圆外部的任何光波都是没有耦合到波导中的渐逝波。
转到图7B的左侧图，其示出了由第一波导的进入耦合器引起的衍射，内圆中间的区域771表示期望的-1衍射级，其对主图像有贡献。内圆上部的区域773表示-2衍射级，其以大角度离开第一波导。由区域771(-1衍射级)和区域773(-2衍射级)表示的两个光束进入第二波导，并且进一步被第二波导的进入耦合器衍射。
图7B的中间图示出了由第二波导的进入耦合器引起的衍射。区域771(第一波导的-1衍射级)的光束再次离开第二波导，并且对由区域775表示的光有贡献，区域775位于中间图的内圆的中间。因此，区域775的光包括主图像的光。
此外，区域773(第一波导的-2衍射级)的光束也被衍射，并且分离成不同的衍射级，包括由区域777表示的0级和由区域775表示的+1级。区域777(0衍射级)的光以大角度离开波导。+1级的光属于区域775的光，其也包括主图像的光。因此，主图像的光和重影的光在区域775中混合在一起。
光进一步在进入耦合器处进入第三波导，并且从第三波导的离开耦合器离开。图7B的右侧图示出了由第三波导引起的衍射。因为光需要在第三波导内部传播，包括第三波导的传输通道部分，所以包括期望光的区域779位于k向量空间图的环形部分内部。
由于区域775已经包括主图像的光和重影的光的混合，因此第三波导的区域779还包括主图像的光和重影的光的混合。如图7B的右侧图所示，甚至更多的衍射级被引入区域775，这进一步增强了重影效应。
离开耦合器端的重影效应
除了由图7A中的光束752引起的重影之外，波导700和705还可以引入由离开耦合器端的衍射引起的重影。图7C示出了相同的波导700和705。入射光741首先到达波导700并且如所期望地来传播通过波导700。
波导700输出具有不同衍射级的至少两个光束772和774。光束774具有朝向光学感受器760的方向并且具有期望的衍射级(例如，-1级)。另一方面，光束772具有不朝向光学感受器760的方向并且具有不期望的衍射级(例如，-2级)。
在离开波导700之后，光束772和774进一步行进通过波导705。当行进通过波导705的离开耦合器735时，光束772被进一步分离成具有不同衍射级的光束。这些具有不同衍射级的光束具有不同的方向。其中，衍射级为+1的光束776具有朝向光学感受器760的方向。因此，光束776与期望光束交叠并且产生重影。因为重影是由离开耦合器735(也称为DOE 3)处的衍射引起的，所以光束776的重影效应也称为DOE 3重影效应。
DOE 3重影效应也可以以k向量空间表示而被解释。图7D示出了行进通过以规则倾斜角放置的波导的离开耦合器、具有各种衍射级的光束的k向量空间表示。波导具有三层：针对绿光优化的第一波导、针对蓝光优化的第二波导和针对红光优化的第三波导。
图7D的左侧、中间、右侧k向量空间图分别示出了具有由第一波导、第二波导和第三波导的离开耦合器衍射的衍射级的视场。在每个k向量空间图中，两个同心圆之间的环形部分中的任何光波通过全内反射(TIR)在波导中传播。内圆中的任何光波都是在空气和波导中传播的波。换言之，那些光波耦合到波导中，并且然后从波导中离开。外圆外部的任何光波都是没有被耦合到波导中的渐逝波。
转向图7D的左侧图，其示出了由第一波导的离开耦合器引起的衍射，内圆中间的区域782表示光从离开耦合器、朝向光学感受器而离开，并且对主图像有贡献。区域782的光包括衍射级为-1的绿光以及交叉耦合的红光和蓝光。内圆顶部的区域783表示衍射级为-2的光。衍射级为-2的光也从离开耦合器离开，但不朝向光学感受器行进。
现在转到图7D的中间图，其示出了由第二波导的离开耦合器引起的衍射，内圆中间的区域784包括来自区域782的主图像光。此外，来自区域783的、离开耦合的-2级光进一步分离成新的零级光束和新的+1级光束。零级光束在区域785中并且不与主图像交叠。然而，新的+1级光束也在同一区域784中，并且因此与主图像交叠。光学感受器将接收那些新的+1级光束，并且感知与新图像交叠的重影。
图7D的左侧图示出了由第三波导的离开耦合器引起的衍射。具有更高级的更多光束将到达中心区域并且与主图像的光交叠。因此，在第三波导的衍射之后，将引入更多的重影。
因此，如图7A-图7D所示，归因于到达光学感受器并且与主图像的光交叠的具有较高衍射级的光束，以规则倾斜角放置的多层波导可以引入重影。这些重影可以通过以相对倾斜角放置多层波导来抑制。
图8A示出了抑制重影效应的、以相对倾斜角放置的波导800和805。堆叠在一起的多个平面波导(诸如波导800和805)可以统称为平面波导堆叠。这种相对倾斜角导致DOE的小光栅周期，以便耦合期望的-1衍射级光，以在波导内部传播。当相对倾斜角足够大并且光栅周期足够小时，抑制了更高的衍射级。因此，由于抑制了较高的衍射级，重影效应显著降低。
图8A中示出的入射光840在进入耦合器810处进入波导800。一些入射光840、特别是具有针对其波导800未被优化的波长的光直接从进入耦合器810而不是离开耦合器830离开。光被进入耦合器810衍射。如后面的图8B所示，只有期望的-1衍射级离开进入耦合器810。
然后，光以适当的角度进入波导805的进入耦合器815。光传播通过波导805并且从离开耦合器835作为期望的-1衍射级离开。-1衍射的光束最终到达光学感受器860，并且对主图像有贡献。
图8B中的k向量空间表示证实了相对倾斜角和小的光栅周期抑制了重影效应。图8B的左侧图示出了由第一波导的进入耦合器衍射的衍射级。内圆中间的区域871表示-1衍射级，其对主图像有贡献。小区域872表示以大角度行进并且具有低效率的另一衍射级。
图8B的中间图示出了由第二波导的进入耦合器内引起的衍射。类似于左侧图中的情况，内圆中间的区域873表示期望的-1衍射级。区域873处于期望的视场(FOV)中，用于到达光学感受器并且用于对主图像做出贡献。区域874是接近期望视场的衍射级。然而，由区域874表示的光将不会被耦合进入，因为其传播角度不满足全内反射(TIR)的条件。
光进一步在进入耦合器处进入第三波导，并且从第三波导的离开耦合器离开，而不是从第三波导的进入耦合器离开。图8B的右侧图示出了由第三波导引起的衍射。因为光需要在第三波导内部传播，包括第三波导的传输通道部分，所以表示期望的光的区域875在k向量空间图的环形部分内部。
区域876表示最初来自区域872的衍射级的光。尽管区域876的光也从第三波导的离开耦合器离开，但区域876的光以大角度离开。区域876的光也具有低效率。因此，区域876的光将不会引入可能被光学感受器感知的重影。因此，抑制了重影效应。
图8C示出了以相对倾斜角放置的相同波导800和805。这种相对倾斜角导致DOE的小光栅周期，以便耦合-1衍射级光以在波导内部传播。当相对倾斜角足够大并且光栅周期足够小时，抑制了更高的衍射级。因此，由于抑制了更高的衍射级，重影效应显著降低。
如图8C所示，入射光841在进入耦合器810处进入波导800。光在波导800内部传播，并且大部分光在离开耦合器830处作为-1衍射级光束离开。-1衍射级的光束是期望光束，因为它朝向光学感受器860行进并且形成主图像。由于较小的光栅周期，-2衍射级的光束是渐逝的并且因此被抑制。-1衍射级的光束进一步行进通过波导805的离开耦合器835，并且最终到达光学感受器860。
图8D中的k向量空间表示证实了相对倾斜角和小的光栅周期抑制了重影效应。图8D的左侧图示出了由第一波导的离开耦合器衍射的衍射级。内圆中间的区域881表示-1衍射级，其对主图像有贡献。左侧图中没有示出表示任何-2衍射级的区域。因此，-2衍射级是渐逝的。
图8D的中间图示出了由第二波导的离开耦合器引起的衍射。类似于左侧图中的情况，内圆中间的区域883表示用于主图像的-1衍射级。其他衍射级未示出，并且因此是渐逝的。
然后，-1衍射级的光束行进通过第三波导。图8D的右侧图示出了由第三波导的离开耦合器引起的衍射。内圆中间的区域885表示01衍射级，其具有朝向光学感受器的方向并且对主图像有贡献。内圆内部的另一区域887表示离开第三波导的另一衍射级。然而，区域887的位置指示光束以大角度传播，并且不到达光学感受器。因此，只有对主图像有贡献的光到达光学感受器。因此，抑制了重影效应。
彩虹效应抑制
除了抑制重影效应之外，相对倾斜角和小的光栅周期也可以抑制彩虹效应。如图4所示，具有宽光谱的光可以衍射成多个衍射级。对于特定衍射级，具有不同波长的光束被衍射到不同的方向。换言之，不同波长的光束通过衍射铺展开。例如，红光束M-1R和蓝光束M-1B相对于彼此展开。这导致人眼或其他类型的光学感受器可以感知的彩虹效应。
图9A和图9B示出了环境光行进通过波导，并且可以根据波导的倾斜角来引入或抑制彩虹效应。图9A示出了以规则倾斜角放置的波导900。来自近眼显示设备外部的光源发射环境光，该环境光穿过波导并且到达光学感受器960。波导的衍射光栅衍射环境光，并且将它们分离成不同颜色的光束。不同颜色的衍射光束仍然在光学感受器960的视场内。因此，光学感受器960可以感知彩虹效应。
图9B示出了以相对倾斜角放置的波导910。波导910的衍射光栅具有比波导900的衍射光栅更小的光栅周期。根据光栅等式较小的光栅周期d导致具有不同颜色的光束的较大铺展(也称为角发散)，这减少了彩虹效应。如图9B所示，具有不同颜色的衍射光束在光学感受器906的视场之外。因此，彩虹效应基本上被波导910抑制。
图10A和图10B示出了以60度从上方入射的外部光被衍射成具有不同颜色的衍射光束。衍射光束由图10A和图10B中的不同类型的虚线表示。图10A示出了由具有15度的规则倾斜角的波导引起的衍射。在图10A中，线1002表示以60度(水平线上方)入射并且到达线1004的外部光，线1004表示波导的离开耦合DOE元件(例如，衍射光栅)。线1006表示眼睛框，其是可以光学感受器所在的区域。换言之，光学感受器(例如，人眼)可以比眼睛框小，并且可以位于眼睛框内的任何位置。
图10B示出了由具有15度的相对倾斜角的波导引起的衍射。线1012表示以60度入射并且到达线1014的外部光，线1014表示波导的离开耦合DOE元件(例如，衍射光栅)。线1016表示眼睛框，其是可以光学感受器所在的区域。比较图10A和图10B，由于15度的相对倾斜角，具有不同颜色的少得多的衍射外部光到达眼睛框1016。因此，相对倾斜角和较小的光栅周期有助于抑制彩虹效应。
图11A和图11B示出了以60度从下方入射的外部光被衍射成具有不同颜色的衍射光束。这种外部光的光源可以是例如地板照明设备。图11A示出了通过具有规则倾斜角的波导，具有很多不同颜色的衍射光束(由不同类型的虚线表示)到达眼睛框1106。图11B示出了通过具有相对倾斜角的波导，具有不同颜色的少得多的衍射光束到达眼睛框1116。因此，相对倾斜角和较小的光栅周期有助于抑制彩虹效应。
图12示出了抑制可以在近眼显示设备中引起重影效应和彩虹效应的衍射级的方法的示例。方法1200开始于步骤1210，其中近眼显示设备的成像器生成要传送到近眼显示设备的用户的光学感受器的图像。接下来，在步骤1220，该设备在波导堆叠的输入表面处将表示图像的光耦合到平面波导堆叠中。波导堆叠以倾斜方式安装在近眼显示设备中，使得当用户佩戴近眼显示设备时，波导堆叠的输出表面部分地向下，即，它具有相对倾斜。
一旦光进入波导堆叠，光的传播路径就被分离成多个路径。特别地，波导堆叠内的每个波导被优化，以传播特定颜色的光。对于具有与该波导相对应的颜色的光，光传播通过该波导的所有部件。对于具有与该波导不对应的颜色的光，光直接穿过该波导(利用衍射效应)，并且从例如波导的进入耦合DOE的背面离开。
在步骤1230，该设备从波导堆叠的第一波导的进入耦合DOE释放表示图像的光的一部分，而不使光的该部分传播通过第一波导的离开耦合DOE。换言之，光的该部分直接穿过第一波导而不传播通过第一波导的所有部件。
此外，在步骤1232，第一波导的进入耦合DOE将光的该部分衍射为集中衍射级，并且抑制除了集中衍射级之外的衍射级。在步骤1234，该设备引导具有集中衍射级的光的该部分通过波导堆叠的最后的波导的进入耦合DOE和离开耦合DOE，并且朝向用户的光学感受器。
光的其他部分在不同于步骤1230、1232和1234的路径的光路中传播。在步骤1240，该设备引导表示图像的光通过波导堆叠的第一波导的进入耦合DOE和离开耦合DOE。换言之，光的那部分在离开第一波导之前传播通过第一波导的所有部件。
接下来，在步骤1242，第一波导的离开耦合DOE将光衍射为集中衍射级，并且抑制除了集中衍射级之外的衍射级。在步骤1244，该设备引导光的一部分通过波导堆叠的最后的波导的离开耦合器，而不使光的该部分传播通过最后的波导的进入耦合器。
在步骤1246，最后的波导的离开耦合器DOE抑制除了集中衍射级之外的衍射级，使得光学感受器不接收由除了集中衍射级之外的衍射级引起的重影。
在步骤1250，波导堆叠从波导堆叠的输出表面、朝向用户的光学感受器输出表示图像的光。光学感受器接收表示主图像的光而不叠加重影。
近眼显示设备进一步抑制彩虹效应。在步骤1260，该设备在波导堆叠的输入表面处将外部光(即，不是由近眼显示设备生成的光)耦合到波导堆叠中。接下来，在步骤1270，波导堆叠的衍射光学元件(DOE)将外部光分离成具有不同颜色和特定集中衍射级的多个光束，其中DOE具有使得具有不同颜色和特定集中衍射级的光束不会到达用户的光学感受器的光栅周期。
某些实施例的示例
本文中介绍的技术的某些实施例被总结在以下编号的示例中：
1.一种近眼显示设备，包括：成像器，用于基于来自光源的光来生成图像；以及第一平面波导，用于在第一波导的进入耦合器区域处输入表示来自成像器的图像的光，并且从第一波导的离开耦合器区域朝向用户的光学感受器输出表示图像的光，第一波导以倾斜方式被安装在近眼显示设备中，使得进入耦合器区域比离开耦合器区域更靠近用户的光学感受器的感受器平面，用户的光学感受器的感受器平面垂直于用户的头部指向向量，并且穿过用户的光学感受器的表面。
2.根据示例1所述的近眼显示设备，还包括透明波导载体，第一波导安装在透明波导载体上。
3.根据示例1或2所述的近眼显示设备，还包括：附加的第二平面波导，用于在第二波导的附加的进入耦合器区域处输入表示第二图像的光，并且从附加波导的附加的离开耦合器区域朝向用户的第二光学感受器输出表示第二图像的光，附加波导以倾斜方式被安装在近眼显示设备中，使得附加的进入耦合器区域比附加的离开耦合器区域更靠近感受器平面。
4.根据示例1至3中任一项所述的近眼显示设备，其中第一波导包括将来自外部光源的外部光分离成具有不同颜色的多个光束的衍射光学元件(DOE)，DOE具有光栅周期，光栅周期使得当近眼显示设备被用户佩戴时，来自外部光源的具有不同颜色的光束中的一些光束不会到达用户的光学感受器。
5.根据示例1至4中任一项所述的近眼显示设备，其中第一波导包括用于将来自外部光源的外部光分离成具有不同颜色和不同衍射级的多个光束的衍射光学元件(DOE)，DOE具有用于以特定衍射级来集中光能的凹槽轮廓，DOE具有光栅周期，光栅周期使得具有特定衍射级的光束和具有不同颜色的光束不会到达用户的光学感受器。
6.根据示例5所述的近眼显示设备，其中特定衍射级是-1级，其是邻近零级的衍射级，零级的光束不改变相对于外部光的方向。
7.根据示例1至6中任一项所述的近眼显示设备，还包括：第二平面波导，与第一波导堆叠在一起，使得第一波导的输出表面面向第二波导的输入表面，第一波导和第二波导以相同的倾斜方式被堆叠，使得第一波导和第二波导的进入耦合器区域比第一波导和第二波导的离开耦合器区域更靠近光学感受器的感受器平面。
8.根据示例7所述的近眼显示设备，其中波导中的每个波导包括至少一个衍射光学元件(DOE)，波导的DOE具有用于集中由波导中的每个波导以特定衍射级输出的光能的衍射凹槽轮廓。
9.根据示例7或8所述的近眼显示设备，其中波导中的每个波导包括用于以特定衍射级来集中光能的至少一个衍射光学元件(DOE)，DOE具有使得除了特定衍射级之外的衍射级被抑制的衍射光栅周期。
10.根据示例7至9中任一项所述的近眼显示设备，其中第一波导包括第一进入耦合衍射光学元件(DOE)、第一传输通道和第一离开耦合DOE，以及其中第二波导包括第二进入耦合DOE、第二传输通道和第二离开耦合DOE；其中表示图像的光的一部分在传播通过第一进入耦合DOE之后，并且在不传播通过第一波导的第一传输通道和第一离开耦合DOE的情况下，从第一波导离开，光的部分进一步进入第二波导并且在到达用户的光学感受器之前传播通过第二波导的第二进入耦合DOE、第二传输通道和第二离开耦合DOE；以及其中光的部分被第一波导的第一进入耦合DOE衍射成集中衍射级，并且第一波导的第一进入耦合DOE具有使得具有除了集中衍射级之外的所有衍射级的光被抑制的衍射光栅周期。
11.根据示例7至10中任一项所述的近眼显示设备，其中第一波导包括第一进入耦合衍射光学元件(DOE)、第一传输通道和第二离开耦合DOE，以及其中第二波导包括第二进入耦合DOE、第二传输通道和第二离开耦合DOE；其中表示图像的光的一部分传播通过第一波导的第一进入耦合DOE、第一传输通道和第一离开耦合DOE，光的部分进一步在传播通过第二离开耦合DOE之后，并且在到达用户的光学感受器之前不传播通过第二波导的第二进入耦合DOE和第二传输通道的情况下，从第二波导离开；以及其中光的部分被第一波导的第一离开耦合DOE衍射成集中衍射级，并且第一波导的第一离开耦合DOE具有使得具有除了集中衍射级之外的所有衍射级的光被抑制的衍射光栅周期。
12.根据示例1至11中任一项所述的近眼显示设备，还包括：与第一波导堆叠在一起的第二平面波导；其中第一波导和第二波导包括衍射光学元件(DOE)，DOE具有使得高于正一或负一的任何衍射级均被抑制的衍射光栅周期。
13.根据示例12所述的近眼显示设备，还包括与第一波导和第二波导堆叠在一起的第三平面波导；以及其中第一波导、第二波导和第三波导包括衍射光学元件(DOE)，衍射光学元件(DOE)具有使得高于正1或负1的任何衍射级都被抑制的衍射光栅周期。
14.一种装置，包括：用于在近眼显示设备中生成图像的器件，图像要被传送到近眼显示设备的用户的光学感受器；用于以下的器件：在包括多个平面波导的波导堆叠处，进入耦合表示图像的光；通过波导的衍射光学元件(DOE)将表示图像的光衍射为具有包括集中衍射级的多个衍射级的光束；以及在具有集中衍射级的光束到达用户的光学感受器的方向上，离开耦合具有集中衍射级的光束。
15.根据示例14所述的装置，还包括：用于抑制具有除了集中衍射级之外的衍射级的光束中的至少一些光束的器件，使得至少一些光束不到达用户的光学感受器；其中除了集中衍射级之外的衍射级如果到达用户的光学感受器，则引起重影效应。
16.根据示例14或15所述的装置，其中用于衍射的器件包括：用于从波导堆叠的第一波导的进入耦合DOE释放表示图像的光的一部分，而不使光的部分传播通过第一波导的离开耦合DOE的器件；用于通过第一波导的进入耦合DOE将光的部分衍射成集中衍射级的器件；用于通过第一波导的进入耦合DOE来抑制除了集中衍射级之外的衍射级的器件；以及用于引导具有集中衍射级的光的部分通过波导堆叠的第二波导的进入耦合DOE和离开耦合DOE，并且朝向用户的光学感受器的器件。
17.根据示例14至16中任一项所述的装置，其中用于衍射的器件包括：用于引导表示图像的光通过波导堆叠的第一波导的进入耦合DOE和离开耦合DOE的器件；用于通过第一波导的离开耦合DOE将光衍射为集中衍射级的器件；用于通过第一波导的离开耦合DOE来抑制除了集中衍射级之外的衍射级的器件；用于引导光的一部分通过波导堆叠的第二波导的离开耦合器，而不使光的部分传播通过第二波导的进入耦合器的器件；以及用于通过最后的波导的离开耦合器DOE来抑制除了集中衍射级之外的衍射级的器件，使得光学感受器不接收表示重影的光，重影由除了集中衍射级之外的衍射级引起。
18.根据示例14至17中任一项所述的装置，还包括：用于在波导堆叠的输入表面处，将来自外部光源的外部光进入耦合到波导堆叠中的器件；以及用于通过波导堆叠的衍射光学元件(DOE)将外部光分离成具有不同颜色和特定集中衍射级的多个光束的器件；其中DOE具有光栅周期，光栅周期使得来自外部光源的、具有不同颜色和特定集中衍射级的光束中的至少一些光束不到达用户的光学感受器。
19.一种近眼显示装置，包括：用于进入耦合光的器件，光表示要传送到近眼显示设备的用户的光学感受器的图像；用于将光衍射成具有包括集中衍射级的多个衍射级的光束的器件；以及用于以以下输出角度离开耦合具有集中衍射级的光束的器件，输出角度使得具有集中衍射级的光束到达用户的光学感受器，并且抑制具有除了集中衍射级之外的一些衍射级的光束，使得那些光束不会到达用户的光学感受器或引起重影效应。
20.根据示例19所述的近眼显示装置，还包括：用于将来自外部光源的外部光分离成具有不同颜色和特定集中衍射级的多个光束的器件；其中DOE具有使得来自外部光源、具有不同颜色和特定集中衍射级的光束中的至少一些光束不会到达用户的光学感受器的光栅周期；其中来自外部光源、具有不同颜色和特定集中衍射级的光束中的一些光束如果到达用户的光学感受器，则引起彩虹效应。
上述任何或所有特征和功能可以彼此组合，除非在上文中另外说明或者任何这样的实施例可能由于其功能或结构而不相容，这对于本领域普通技术人员来说是很清楚的。除非物理上不可能，否则设想(i)本文中描述的方法/步骤可以以任何顺序和/或以任何组合来执行，并且(ii)各个实施例的部件可以以任何方式组合。
尽管用特定于结构特征和/或动作的语言描述了本主题，但是应当理解，所附权利要求书中定义的主题不必限于上述具体特征或动作。相反，上面描述的具体特征和动作被公开作为实现权利要求的示例，并且其他等同的特征和动作旨在落入权利要求的范围内。

Claims (15)

1.一种近眼显示设备，包括：
成像器，用于基于来自光源的光来生成图像；以及
第一平面波导，用于在所述第一波导的进入耦合器区域处输入表示来自所述成像器的所述图像的光，并且从所述第一波导的离开耦合器区域朝向用户的光学感受器输出表示所述图像的所述光，所述第一波导以倾斜方式被安装在所述近眼显示设备中，使得所述进入耦合器区域比所述离开耦合器区域更靠近所述用户的所述光学感受器的感受器平面，所述用户的所述光学感受器的所述感受器平面垂直于所述用户的头部指向向量，并且穿过所述用户的所述光学感受器的表面。
2.根据权利要求1所述的近眼显示设备，还包括：
附加的第二平面波导，用于在所述第二波导的附加的进入耦合器区域处输入表示第二图像的光，并且从所述附加波导的附加的离开耦合器区域朝向所述用户的第二光学感受器输出表示所述第二图像的所述光，所述附加波导以倾斜方式被安装在所述近眼显示设备中，使得所述附加的进入耦合器区域比所述附加的离开耦合器区域更靠近所述感受器平面。
3.根据权利要求1或2所述的近眼显示设备，其中所述第一波导包括将来自外部光源的外部光分离成具有不同颜色的多个光束的衍射光学元件(DOE)，所述DOE具有光栅周期，所述光栅周期使得当所述近眼显示设备被所述用户佩戴时，来自所述外部光源的具有所述不同颜色的所述光束中的一些光束不会到达所述用户的所述光学感受器。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的近眼显示设备，其中所述第一波导包括用于将来自外部光源的外部光分离成具有不同颜色和不同衍射级的多个光束的衍射光学元件(DOE)，所述DOE具有用于以特定衍射级来集中光能的凹槽轮廓，所述DOE具有光栅周期，所述光栅周期使得具有所述特定衍射级的所述光束和具有所述不同颜色的所述光束不会到达所述用户的所述光学感受器。
5.根据权利要求4所述的近眼显示设备，其中所述特定衍射级是-1级，其是邻近零级的衍射级，所述零级的光束不改变相对于所述外部光的方向。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的近眼显示设备，还包括：
第二平面波导，与所述第一波导堆叠在一起，使得所述第一波导的输出表面面向所述第二波导的输入表面，所述第一波导和第二波导以相同的倾斜方式被堆叠，使得所述第一波导和所述第二波导的进入耦合器区域比所述第一波导和所述第二波导的离开耦合器区域更靠近所述光学感受器的所述感受器平面。
7.根据权利要求6所述的近眼显示设备，其中所述波导中的每个波导包括用于以特定衍射级来集中光能的至少一个衍射光学元件(DOE)，所述DOE具有使得除了所述特定衍射级之外的衍射级被抑制的衍射光栅周期。
8.根据权利要求6所述的近眼显示设备，其中所述第一波导包括第一进入耦合衍射光学元件(DOE)、第一传输通道和第一离开耦合DOE，
以及其中所述第二波导包括第二进入耦合DOE、第二传输通道和第二离开耦合DOE；
其中表示所述图像的所述光的一部分在传播通过所述第一进入耦合DOE之后，并且在不传播通过所述第一波导的所述第一传输通道和所述第一离开耦合DOE的情况下，从所述第一波导离开，所述光的所述部分进一步进入所述第二波导并且在到达所述用户的所述光学感受器之前传播通过所述第二波导的所述第二进入耦合DOE、所述第二传输通道和第二离开耦合DOE；以及
其中所述光的所述部分被所述第一波导的所述第一进入耦合DOE衍射成集中衍射级，并且所述第一波导的所述第一进入耦合DOE具有使得具有除了所述集中衍射级之外的所有衍射级的光被抑制的衍射光栅周期。
9.根据权利要求6所述的近眼显示设备，其中所述第一波导包括第一进入耦合衍射光学元件(DOE)、第一传输通道和第二离开耦合DOE，
以及其中所述第二波导包括第二进入耦合DOE、第二传输通道和第二离开耦合DOE；
其中表示所述图像的所述光的一部分传播通过所述第一波导的所述第一进入耦合DOE、所述第一传输通道和所述第一离开耦合DOE，所述光的所述部分进一步在传播通过所述第二离开耦合DOE之后，并且在到达所述用户的所述光学感受器之前不传播通过所述第二波导的所述第二进入耦合DOE和所述第二传输通道的情况下，从所述第二波导离开；以及
其中所述光的所述部分被所述第一波导的所述第一离开耦合DOE衍射成集中衍射级，并且所述第一波导的所述第一离开耦合DOE具有使得具有除了所述集中衍射级之外的所有衍射级的光被抑制的衍射光栅周期。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的近眼显示设备，还包括：
与所述第一波导堆叠在一起的第二平面波导；
其中所述第一波导和所述第二波导包括衍射光学元件(DOE)，所述DOE具有使得高于正一或负一的任何衍射级均被抑制的衍射光栅周期。
11.一种方法，包括：
在近眼显示设备中生成图像，所述图像要被传送到所述近眼显示设备的用户的光学感受器；
在包括多个平面波导的波导堆叠处，进入耦合表示所述图像的光；
通过所述波导的衍射光学元件(DOE)将表示所述图像的所述光衍射为具有包括集中衍射级的多个衍射级的光束；以及
在具有所述集中衍射级的所述光束到达所述用户的所述光学感受器的方向上，离开耦合具有所述集中衍射级的所述光束。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
抑制具有除了集中衍射级之外的所述衍射级的光束中的至少一些光束，使得所述至少一些光束不到达所述用户的所述光学感受器；
其中除了所述集中衍射级之外的所述衍射级如果到达所述用户的所述光学感受器，则引起重影效应。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其中所述衍射步骤包括：
从所述波导堆叠的第一波导的进入耦合DOE释放表示所述图像的所述光的一部分，而不使所述光的所述部分传播通过所述第一波导的所述离开耦合DOE；
通过所述第一波导的所述进入耦合DOE将所述光的所述部分衍射成集中衍射级；
通过所述第一波导的所述进入耦合DOE来抑制除了所述集中衍射级之外的衍射级；以及
引导具有所述集中衍射级的所述光的所述部分通过所述波导堆叠的第二波导的进入耦合DOE和离开耦合DOE，并且朝向所述用户的所述光学感受器。
14.根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中所述衍射步骤包括：
引导表示所述图像的所述光通过所述波导堆叠的第一波导的进入耦合DOE和离开耦合DOE；
通过所述第一波导的所述离开耦合DOE将所述光衍射为集中衍射级；
通过所述第一波导的所述离开耦合DOE来抑制除了所述集中衍射级之外的衍射级；
引导所述光的一部分通过所述波导堆叠的第二波导的离开耦合器，而不使所述光的所述部分传播通过所述第二波导的所述进入耦合器；以及
通过最后的所述波导的所述离开耦合器DOE来抑制除了所述集中衍射级之外的衍射级，使得所述光学感受器不接收表示重影的光，所述重影由除了所述集中衍射级之外的所述衍射级引起。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法，还包括：
在所述波导堆叠的所述输入表面处，将来自外部光源的外部光进入耦合到所述波导堆叠中；以及
通过所述波导堆叠的衍射光学元件(DOE)将所述外部光分离成具有不同颜色和特定集中衍射级的多个光束；其中所述DOE具有光栅周期，所述光栅周期使得来自所述外部光源的、具有所述不同颜色和所述特定集中衍射级的所述光束中的至少一些光束不到达所述用户的所述光学感受器。
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