CN109313341B - 具有可变焦透镜元件的增强现实系统和方法 - Google Patents

Abstract

一种增强现实显示系统包括夹着波导堆叠的可变焦透镜元件对。透镜元件之一位于波导堆叠与用户眼睛之间以在将从波导堆叠投射的光聚焦于该眼睛时矫正屈光不正。透镜元件还可以被配置为提供适当的光焦度以将所显示的虚拟内容置于所需的深度平面上。另一透镜元件位于周围环境与波导堆叠之间，并且被配置为提供光焦度以补偿通过波导堆叠和最接近眼睛的透镜元件的环境光的传输中的像差。此外，眼睛跟踪系统监视用户眼睛的聚散，并且基于所确定的这些眼睛的聚散而自动、连续地调节该透镜元件对的光焦度。

Description

具有可变焦透镜元件的增强现实系统和方法

优先权要求

本申请要求2016年4月8日提交的美国临时专利申请No.62/320,375的优先权，该临时专利申请通过引用整体被并入本文中。

通过引用的并入

本申请还通过引用并入有以下每个专利申请的全部内容：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2016年3月16日提交的美国申请No.15/072,290。

技术领域

本公开涉及光学设备，其包括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”体验的系统的开发，其中，数字再现的图像或其部分以它们看起来是真实的或感觉为真实的方式被呈现给用户。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被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。

参考图1，描绘了增强现实场景10。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。用户还感知他/她“看到”站在真实世界平台30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的化身角色50。这些元素50、40是“虚拟的”，因为它们在真实世界中不存在。因为人类的视觉感知系统是复杂的，所以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。

本文公开的系统和方法解决了关于AR和VR技术的各种挑战。

发明内容

在一些实施例中，提供了一种显示系统。所述显示系统包括头戴式显示器，其被配置为向观看者投射光以在一个或多个深度平面上显示图像信息。所述显示器包括一个或多个波导，其被配置为向所述观看者投射所述光。所述一个或多个波导进一步被配置为将来自周围环境中的对象的光透射给所述观看者。所述显示器还包括第一可变焦透镜元件，其位于所述一个或多个波导与所述观看者的第一眼睛之间；以及第二可变焦透镜元件，其位于所述一个或多个波导与所述周围环境之间。眼睛跟踪系统被配置为确定所述观看者的眼睛的聚散(vergence)。所述显示系统被配置为通过基于所确定的所述观看者的眼睛的聚散调节所述第一可变焦透镜元件和所述第二可变焦透镜元件的光焦度(optical power)来矫正所述用户的眼睛的屈光不正。

在一些其它实施例中，提供了一种用于在头戴式显示器上显示图像信息的方法。所述方法包括提供被安装在观看者的头部上的所述显示器，所述显示器被配置为在一个或多个深度平面上显示图像信息。所述显示器包括一个或多个波导，其被配置为向所述观看者投射光以显示所述图像信息。所述一个或多个波导进一步被配置为将来自周围环境中的对象的光透射给所述观看者。所述方法进一步包括确定所述观看者的眼睛的聚散点以及矫正所述观看者的眼睛的屈光不正。所述屈光不正可以通过以下方式被矫正：基于所确定的聚散点，改变被设置在所述一个或多个波导与所述观看者的眼睛之间的第一可变焦透镜元件的光焦度；以及基于所确定的聚散点，改变被设置在所述一个或多个波导与所述观看者的周围环境之间的第二可变焦透镜元件的光焦度。

示例1：一种显示系统，包括：

头戴式显示器，其被配置为向观看者投射光以在一个或多个深度平面上显示图像信息，所述显示器包括：

一个或多个波导，其被配置为向所述观看者投射所述光，其中所述一个或多个波导进一步被配置为将来自周围环境中的对象的光透射给所述观看者；

第一可变焦透镜元件，其位于所述一个或多个波导与所述观看者的第一眼睛之间；以及

第二可变焦透镜元件，其位于所述一个或多个波导与所述周围环境之间；以及

眼睛跟踪系统，其被配置为确定所述观看者的眼睛的聚散，

其中所述显示系统被配置为通过基于所确定的所述观看者的眼睛的聚散调节所述第一可变焦透镜元件和所述第二可变焦透镜元件的光焦度来矫正所述用户的眼睛的屈光不正。

示例2：根据示例1所述的显示系统，其中所述显示系统被配置为根据用于显示所述图像信息的深度平面修改所述第一可变焦透镜元件和所述第二可变焦透镜元件的光焦度。

示例3：根据示例1至2中任一项所述的显示系统，其中所述显示系统被配置为响应于所述第一可变焦透镜元件的光焦度而调节所述第二可变焦透镜元件的光焦度。

示例4：根据示例1至3中任一项所述的显示系统，其中所述一个或多个波导被配置为向所述观看者投射发散光以显示所述图像信息。

示例5：根据示例1至4中任一项所述的显示系统，其中所述一个或多个波导中的每一者具有固定的光焦度。

示例6：根据示例1至5中任一项所述的显示系统，进一步包括第三可变焦元件，其位于所述一个或多个波导与所述观看者的第二眼睛之间。

示例7：根据示例6所述的显示系统，进一步包括第四可变焦元件，其位于所述一个或多个波导与所述周围环境之间。

示例8：根据示例6至7中任一项所述的显示系统，其中所述系统被配置为基于所确定的聚散调节所述第三可变焦透镜元件的光焦度以改变所投射的光的波前。

示例9：根据示例6至8中任一项所述的显示系统，其中所述系统被配置为基于所确定的聚散调节所述第四可变焦透镜元件的光焦度以改变来自所述周围环境中的所述对象的入射光的波前。

示例10：根据示例1至9中任一项所述的显示系统，其中所述眼睛跟踪系统包括一个或多个相机。

示例11：根据示例1至10中任一项所述的显示系统，其中所述第一可变焦透镜元件和/或所述第二可变焦透镜元件的光焦度根据用于在两个或更多个距离处矫正所述观看者的视力的处方(prescription)而被调节。

示例12：根据示例1至11中任一项所述的显示系统，其中所述系统针对所述第一可变焦透镜元件和所述第二可变焦透镜元件中的每一者具有三个或更多个预设的处方光焦度。

示例13：根据示例1至12中任一项所述的显示系统，其中可用的处方光焦度的数量至少等于所述显示器的深度平面的总数。

示例14：根据示例1至13中任一项所述的显示系统，其中所述第一可变焦透镜元件和/或所述第二可变焦透镜元件包括被夹在两个基板之间的液晶层。

示例15：根据示例14所述的显示系统，其中所述第一可变焦透镜元件和/或所述第二可变焦透镜元件包括用于在施加电压时改变所述液晶层的折射率的电极。

示例16：根据示例14至15中任一项所述的显示系统，其中所述基板包括玻璃。

示例17：根据示例1至16中任一项所述的显示系统，进一步包括电子硬件控制系统，其被配置为通过施加电流或电压来改变所述第一可变焦透镜元件和/或所述第二可变焦透镜元件的折射率。

示例18：根据示例17所述的显示系统，其中所述眼睛跟踪系统形成到所述电子硬件控制系统的反馈回路，以根据所确定的所述观看者的眼睛的聚散改变所述第一可变焦透镜元件和/或所述第二可变焦透镜元件的折射率。

示例19：一种用于在头戴式显示器上显示图像信息的方法，所述方法包括：

提供被安装在观看者的头部上的所述显示器，所述显示器被配置为在一个或多个深度平面上显示图像信息并且包括：

一个或多个波导，其被配置为向所述观看者投射光以显示所述图像信息，

其中，所述一个或多个波导进一步被配置为将来自周围环境中的对象的光透射给所述观看者；

确定所述观看者的眼睛的聚散点；以及

通过以下方式矫正所述观看者的眼睛的屈光不正：

基于所确定的聚散点，改变被设置在所述一个或多个波导与所述观看者的眼睛之间的第一可变焦透镜元件的光焦度；以及

基于所确定的聚散点，改变被设置在所述一个或多个波导与所述观看者的周围环境之间的第二可变焦透镜元件的光焦度。

示例20：根据示例19所述的方法，进一步包括：

第三可变焦透镜元件和第四可变焦透镜元件，其中所述第三可变焦透镜元件位于所述一个或多个波导与所述观看者的另一眼睛之间，并且其中所述第四可变焦透镜元件位于所述第三可变焦透镜元件的直接前方且位于所述一个或多个波导与所述周围环境之间；以及

通过基于所确定的聚散点改变所述第三可变焦透镜元件和所述第四可变焦透镜元件的光焦度来矫正所述另一眼睛的屈光不正。

示例21：根据示例20所述的方法，其中确定所述聚散点包括使用一个或多个相机跟踪所述观看者的所述眼睛和所述另一眼睛的聚散。

示例22：根据示例19至21中任一项所述的方法，其中所述第一可变焦透镜元件的光焦度与所述第二可变焦透镜元件的光焦度同时变化。

示例23：根据示例19至22中任一项所述的方法，其中所述一个或多个波导中的每一个包括被配置为从所述波导输出发散光的衍射光学元件。

附图说明

图1示出了用户通过增强现实(AR)设备的AR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的常规显示系统。

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。

图5A至图5C示出了曲率半径与焦半径之间的关系。

图6示出了用于向用户输出图像信息的波导堆叠的示例。

图7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组分颜色形成的图像。

图9A示出了堆叠波导组的示例的横截面侧视图，每个堆叠波导包括耦入(incoupling)光学元件。

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10A和10B是具有可变焦透镜元件和一个或多个波导的显示器的示例的示意图。图10A示出了具有单个波导的波导堆叠，图10B示出了具有多个波导的波导堆叠。

图11示出了包括眼睛跟踪系统的增强现实系统的各种组件的示意图。

图12示出了用于基于用户眼睛的聚散改变可变焦透镜元件的光焦度的方法的示例。

提供附图是为了说明示例性实施例，而不旨在限制本公开的范围。

具体实施方式

如本文所公开的，增强现实(AR)系统可以在允许观看者仍看到他们周围世界的同时向观看者显示虚拟内容。优选地，该内容被显示在头戴式显示器(例如作为眼镜的一部分)上，头戴式显示器将图像信息透射到观看者的眼睛，同时还将来自周围环境的光透射到这些眼睛，以允许观看该周围环境。

然而，许多观看者的眼睛屈光不正，这阻止光正确地聚焦在其眼睛的视网膜上。屈光不正的示例包括近视、远视、老花眼和散光。这些观看者可能需要具有特定处方光焦度的透镜元件以清楚地观看由显示器投射的图像信息。在一些实施例中，这种透镜元件可以位于用于投射图像信息的波导与观看者的眼睛之间。不期望地，这些透镜元件和显示器的其它可能的光学透射部件(例如波导)可能在观看者观看周围环境时引起像差。另外，许多透镜元件具有固定的光焦度，这可能无法解决观看者所经历的所有屈光不正。

在一些实施例中，显示系统包括夹着一个波导或多个波导(位于其两侧)的第一可变焦透镜元件和第二可变焦透镜元件。第一透镜元件可以位于一个或多个波导与观看者眼睛之间，并且可以被配置为矫正在从一个或多个波导投射到该眼睛的光的聚焦时的屈光不正。另外，在一些实施例中，第一透镜元件可以被配置为提供适当量的光焦度以将所显示的虚拟内容放置在所需深度平面上。第二透镜元件可以位于周围环境与一个或多个波导之间，并且可以被配置为提供光焦度以补偿来自周围环境的光通过波导和第一透镜元件的透射的像差。在一些实施例中，可以单独矫正观看者的另一只眼睛中的屈光不正。例如，可以使用位于另一只眼睛与波导之间的第三可变焦透镜元件以及位于波导与周围环境之间的第四可变焦透镜元件来矫正该另一只眼睛的屈光不正。可变焦元件的焦距/光焦度可以变化，使得真实世界和/或虚拟内容被聚焦在用户眼睛的视网膜上，从而允许用户以高光学度图像质量观看真实对象和虚拟对象。

在一些实施例中，显示器是显示系统的一部分，该显示系统包括眼睛跟踪系统，该眼睛跟踪系统被配置为确定观看者眼睛的聚散。该眼睛跟踪系统可以是例如确定眼睛的聚散点的一个或多个相机，因此可被用于确定眼睛聚焦的距离，以针对该距离得出眼睛的适当矫正。应当理解，对于不同的聚散点可能需要不同的矫正，例如，观看者的眼睛可能需要不同的矫正以适当地聚焦在近处对象、远处对象或中距离对象(无论是真实对象还是虚拟对象)上。在一些实施例中，可变焦透镜元件提供可变光焦度的能力可能使得矫正等级不容易用于例如处方眼镜或隐形眼镜。例如，(在一些实施例中，对于每只眼睛)两个或更多个，三个或更多个，四个或更多个，或五个或更多个独特矫正是可用的。

替代穿戴固定的处方光学器件，可变焦透镜元件可以被配置为向用户提供所需的矫正。例如，增强现实显示系统可以被配置为针对从不同深度平面投射的虚拟对象和/或针对位于不同距离处的真实世界对象提供不同的光焦度。例如，对于需要近视矫正的用户，可变焦透镜元件可以被配置为在用户正在观看位于与近视区对应的距离处的虚拟对象或真实世界对象时提供近视光焦度。作为另一示例，对于需要中距视矫正的用户，可变焦透镜元件可被配置为在用户正在观看位于与中距离视区对应的距离处的虚拟对象或真实世界对象时提供中距视光焦度。作为又一示例，对于需要远视矫正的用户，可变焦透镜元件可被配置为在用户正在观看位于与远视区对应的距离处的虚拟对象或真实世界对象时提供远视光焦度。在一些实施例中，用户的近视矫正、中距视矫正和远视矫正的处方可以由显示系统访问，并且当用户正在观看位于与近视区、中距视区和远视区对应的距离处的虚拟对象或真实世界对象时，系统可以根据用户的处方改变可变焦透镜元件的光焦度。

有利地，第一和/或第二透镜元件可以允许各种用户使用相同的头戴式显示器，而不需要物理地改变矫正透镜元件。相反地，显示器适应用户。另外，可变焦透镜元件可以被配置为提供适当的光焦度，以将从一个或多个波导投射的图像信息放置在所需的深度平面上。例如，可变焦透镜元件可以被配置为改变从一个或多个波导投射给观看者的光的发散。由可变焦透镜元件提供的适应性可以提供简化显示器的制造和设计的优点，这是因为，相同的显示器可以提供给不同的用户并由不同的用户使用，并且可能需要较少光学结构便可在一系列深度平面上显示图像信息。此外，实时提供宽范围矫正的能力可以允许提供比传统矫正眼镜容易获得的矫正等级更多的矫正等级。这可以改善观看者的世界视图和所显示的图像信息的清晰度和/或敏锐度，并且还利于实现长期的观看者舒适度。另外，通过简单地改变编程到显示系统中的预设矫正，可以使用不同的处方配置可变焦透镜元件，从而在例如用户年龄和一只或全部两只眼睛的状况变化时允许显示器容易地适应新的用户处方。

现在将参考附图，在所有附图中，相同的参考标号表示相同的部件。

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的功能的各种机械和电子模块和系统。显示器70可以被耦接到框架80，该框架80是可由显示系统用户或观看者90佩戴的，并且该框架80被配置为将显示器70定位在用户90的眼睛的前方。在一些实施例中，显示器70可以被视为是眼镜。在一些实施例中，扬声器100被耦接到框架80并且被配置为位于邻近用户90的耳道(在一些实施例中，另一个扬声器(未示出)可以可选地位于邻近用户的另一个耳道，以提供立体/可塑形声音控制)。显示系统还可以包括一个或多个麦克风110或其他设备以检测声音。在一些实施例中，麦克风被配置为允许用户向系统60提供输入或命令(例如，语音菜单命令的选择、自然语言问题等)，和/或可以允许与其他人(例如，与类似的显示系统的其他用户)的音频通信。麦克风可以进一步被配置为外围传感器以收集音频数据(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，该传感器120a可以与框架80分离，并且被附接到用户90的身体(例如，在用户90的头部、躯干、四肢等上)。在一些实施例中，外围传感器120a可以被配置为获取表征用户90的生理状态的数据。例如，传感器120a可以是电极。

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)可操作地耦接到本地数据处理模块140，本地数据处理模块140可以以各种配置来安装，诸如固定地附接到框架80，固定地附接到由用户佩戴的头盔或帽子，嵌入耳机中，或以其他方式(例如，以背包式配置、以腰带耦接式配置)可移除地附接到用户90。类似地，传感器120a可以通过通信链路120b(例如，有线引线或无线连接)可操作地耦接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数字存储器，诸如非易失性存储器(例如，闪存或硬盘驱动器)，两者都可被用于辅助数据的处理、缓存和存储。数据包括a)从传感器(其可以例如可操作地耦接到框架80或以其他方式附接到用户90)捕获的数据，传感器诸如为图像捕获设备(诸如相机)、麦克风、惯性测量单元、加速计、指南针、GPS单元，无线电设备、陀螺仪和/或本文公开的其他传感器；和/或b)使用远程处理模块150和/或远程数据储存库160(包括与虚拟内容有关的数据)获取和/或处理的数据，可能用于在这样的处理或检索之后向显示器70传送。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可操作地耦接到远程处理模块150和远程数据储存库160，使得这些远程模块150、160可操作地彼此耦接，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可以包括图像捕获设备、麦克风、惯性测量单元、加速计、指南针、GPS单元、无线电设备和/或陀螺仪中的一者或多者。在一些其他实施例中，这些传感器中的一者或多者可以被附接到框架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通信的独立结构。

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，其可以通过因特网或“云”资源配置中的其他网络配置获得。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，所述远程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，在本地处理和数据模块中存储所有数据，并且执行所有计算，允许从远程模块完全自主地使用。

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“3-D”。图3示出了为用户模拟三维图像的常规显示系统。将两个不同图像190、200——每只眼睛210、220一个图像——输出给用户。图像190、200与眼睛210、220沿着与观看者的视线平行的光轴或z轴间隔一距离230。图像190、200是平坦的，并且眼睛210、220可以通过假设单个调节状态(accommodated state)而聚焦在图像上。这种3-D显示系统依赖于人类视觉系统来组合图像190、200，以提供组合图像的深度感和/或比例感。

然而，应当理解，人类视觉系统更复杂，并且提供对逼真的深度感更具挑战性。例如，常规的“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觉到深度感。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(即，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，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变化。同样，在正常条件下，聚散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。

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，由眼睛210、220适应在z轴上距眼睛210、220各种距离处的对象，使得那些对象处于聚焦状态。眼睛210、220呈现特定的调节状态，以使对象沿z轴在不同距离处聚焦。因此，可以说，特定的调节状态与深度平面240中的特定的一个深度平面相关联，该深度平面具有关联的焦距，使得当眼睛处于用于一特定深度平面的调节状态时，该深度平面中的对象或对象的部分对焦。在一些实施例中，可以通过为每只眼睛210、220提供图像的不同呈现，并且还通过提供与每个深度平面对应的图像的不同呈现，来模拟三维图像。虽然为了清楚说明而示出是分开的，但是应当理解，眼睛210、220的视野可以重叠，例如，随着沿z轴的距离增加而重叠。另外，虽然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，使得深度平面中的全部特征在眼睛处于特定的调节状态时对焦。

对象与眼睛210或220之间的距离也可以改变来自该眼睛所观看到的该对象的光的发散量。图5A至图5C示出了距离和光线发散之间的关系。对象与眼睛210之间的距离以逐渐减小的距离R1、R2和R3的顺序表示。如图5A至图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(对象或对象的部分)产生的光场具有球面波前曲率，球面的波前曲率是该点离用户眼睛多远的函数。曲率随着对象与眼睛210之间的距离的减小而增加。因此，在不同的深度平面处，光线的发散程度也不同，发散程度随着深度平面与观看者眼睛210之间的距离的减小而增加。虽然为了清楚说明而在图5A至图5C和本文的其他图中仅示出了单只眼睛210，但是应当理解，关于眼睛210的讨论可以适用于观看者的双眼210和220。

不受理论的限制，据信人眼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相对应的图像的不同呈现，可以实现高度可信的感知深度模拟。不同的呈现可以由观看者的眼睛分别聚焦，从而有助于基于将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的调节和/或基于观察离焦的不同深度平面上的不同图像特征来为用户提供深度线索。

图6示出了用于向用户输出图像信息的波导堆叠的示例。显示系统250包括波导堆叠或堆叠的波导组件260，波导组件260可被用于使用多个波导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的部分。应当理解，在一些实施例中，显示系统250可以被视为是光场显示器。此外，波导组件260也可以被称为目镜。

继续参考图6，波导组件260还可包括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可被配置为以各种级别的波前曲率或光线发散度向眼睛发送图像信息。每个波导级别可以与特定深度平面相关联，并且可被配置为输出与该深度平面相对应的图像信息。图像注入装置360、370、380、390、400可以用作波导的光源，并且可以被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使入射光分布跨过每个相应的波导，以朝向眼睛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，并且被注入到波导270、280、290、300、310的对应的输入表面460、470、480、490、500中。在一些实施例中，输入表面460、470、480、490、500中的每一者可以是对应波导的边缘，或者可以是对应波导的主表面的部分(即，直接面向世界510或观看者眼睛210的波导表面中的一者)。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输出克隆的准直光束的整个场，所述克隆的准直光束以特定角度(和发散量)被导向眼睛210，所述特定角度(和发散量)对应于与特定波导相关联的深度平面。在一些实施例中，图像注入装置360、370、380、390、400中的单个可与波导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对应的波导270、280、290、300、310的图像信息。在一些其他实施例中，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。应当理解，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组分颜色)。

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540，光模块540可包括光发射器，例如发光二极管(LED)。来自光模块540的光可以经由分束器550被光调制器530(例如，空间光调制器)引导和修改。光调制器530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)，LCD包括硅上液晶(LCOS)显示器。应当理解，图像注入装置360、370、380、390、400被示意性地示出，并且在一些实施例中，这些图像注入装置可以表示公共投射系统中的不同光路和位置，该公共投射系统被配置为将光输出到波导270、280、290、300、310中的关联的波导中。

在一些实施例中，显示系统250可以是扫描光纤显示器，扫描光纤显示器包括一个或多个扫描光纤，一个或多个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(Lissajous)图案等)将光投射到一个或多个波导270、280、290、300、310中，并且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一个或多个波导270、280、290、300、310中。在一些其他实施例中，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，多个扫描光纤或多个扫描光纤束中的每一者被配置为将光注入波导270、280、290、300、310中的关联波导中。应当理解，一个或多个光纤可以被配置为将光从光模块540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。

控制器560控制堆叠波导组件260中的一个或多个的操作，包括图像注入装置360、370、380、390、400、光源540和光调制器530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提供图像信息。在一些实施例中，控制器可以是单个整体设备，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)的部分。

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种形状(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(out-coupling)光学元件570、580、590、600、610，耦出光学元件570、580、590、600、610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。所提取的光束可以在波导中传播的光照射到光提取光学元件的位置处由波导输出。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。虽然被示出为设置在波导270、280、290、300、310的底部主表面处，但是为了便于描述和绘制清楚，在一些实施例中，如本文进一步讨论的，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的体积内。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。在一些其他实施例中，波导270、280、290、300、310可以是单片材料，并且耦出光学元件570、580、590、600、610可以被形成在该片材料的表面上和/或内部中。

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与特定深度平面对应的图像。例如，最靠近眼睛的波导270可以被配置为将准直光(其被注入到这样的波导270中)传递到眼睛210。该准直光可以代表光学无限远焦平面。下一上行波导280可以被配置为发出准直光，该准直光在可以到达眼睛210之前传输通过第一透镜350(例如，负透镜)；这样的第一透镜350可以被配置为产生轻微凸起的波前曲率，使得眼睛/大脑将来自该下一上行波导280的光解释为来自从光学无限远向内更靠近眼睛210的第一焦平面。类似地，第三上行波导290使其输出光在到达眼睛210之前传输通过第一透镜350和第二透镜340两者；第一透镜350和第二透镜340的组合光焦度可以被配置为产生波前曲率的另一增量，使得眼睛/大脑将来自第三波导290的光解释为来自从光学无限远向内进一步更靠近人的第二焦平面，而不是来自向下一上行波导280的光。

其他波导层300、310和透镜330、320被类似地配置，其中堆叠中的最高波导310将其输出发送通过其与眼睛之间的全部透镜，以获得代表距人最近焦平面的总光焦度。为了在观看/解释来自堆叠波导组件260的另一侧的世界510的光时补偿透镜320、330、340、350的堆叠，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的总光焦度。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，使用电活性特征，波导的耦出光学元件和透镜的聚焦方面中的一者或两者可以是动态的。

在一些实施例中，波导270、280、290、300、310中的两个或更多个可具有相同的关联深度平面。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深度平面，或者波导270、280、290、300、310中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，每个深度平面一个集。这可以为形成平铺图像提供优势，以在那些深度平面处提供扩展的视野。

继续参考图6，耦出光学元件570、580、590、600、610可以被配置为既将光重定向到它们相应的波导之外，也为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，具有不同的关联深度平面的波导可以具有不同配置的耦出光学元件570、580、590、600、610，不同配置的耦出光学元件570、580、590、600、610根据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，光提取光学元件570、580、590、600、610可以是体积特征或表面特征，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、表面全息和/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)。

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”(在本文中也称为“DOE”)。优选地，DOE具有足够低的衍射效率，使得只有一部分光束借助DOE的每个交叉点向眼睛210偏转，而其余部分经由TIR继续前进通过波导。因此，携带图像信息的光被分成多个相关的出射光束，这些出射光束在多个位置处从波导出射，并且对于在波导内弹跳的此特定准直光束，结果是向眼睛210出射的相当均匀的图案。

在一些实施例中，一个或多个DOE可以在它们活跃地衍射的“开启”状态和它们不显著衍射的“关闭”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，微滴包括处于主体介质中的衍射图案，并且微滴的折射率可以被切换为基本匹配主体材料的折射率(在这种情况下，图案不会显著地衍射入射光)或者微滴可以被切换为与主体介质的折射率失配的折射率(在这种情况下，图案活跃地衍射入射光)。

在一些实施例中，可提供相机组件630(例如，数码相机，包括可见光相机和红外光相机)以捕获眼睛210和/或眼睛210周围的组织的图像，以例如检测用户输入和/或监视用户的生理状态。如此处所使用的，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。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/或处理模块150电连通，处理模块140和/或处理模块150可以处理来自相机组件630的图像信息。在一些实施例中，每个眼睛可以使用一个摄像机组件630，以分别监视每只眼睛。

现在参考图7，示出了由波导输出的出射光束的示例。示出了一个波导，但应当理解，波导组件260(图6)中的其他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处被注入波导270，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从波导出射。出射光束650被示为基本平行，但是如本文所讨论的，它们也可以被重定向以一角度(例如，形成发散的出射光束)传播到眼睛210，该角度取决于与波导270相关联的深度平面。应当理解，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，耦出光学元件耦出光以形成看起来设置在距离眼睛210的远距离处(例如，光学无穷远)的深度平面上的图像。其他波导或耦出光学元件的其他集合可以输出更加发散的出射光束图案，这将要求眼睛210适应更近的距离以使更加发散的出射光束图案聚焦在视网膜上并且将被大脑解释为来自比光学无限远更靠近眼睛210的距离处的光。

在一些实施例中，可以通过在组分颜色(例如，三种或更多种组分颜色)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组分颜色形成的图像。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个组分颜色图像，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倒数，并且图中的每个框表示单独的组分颜色图像。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，不同组分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组分颜色图像可以被放置在与距用户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。

在一些实施例中，每种组分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组分颜色图像。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，波导可以全部布置为每层一个波导的堆叠形式。在一些其他实施例中，多个组分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。

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。

应当理解，贯穿本公开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。

在一些实施例中，光源540(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、耦出和其他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/或用户刺激应用。

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，每个堆叠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)，并且除了来自一个或多个图像注入装置360、370、380、390、400的光从需要光被重定向以耦入的位置被注入波导中之外，堆叠660的所示波导可以与多个波导270、280、290、300、310中的部分对应。

图示的堆叠波导组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中的一个或多个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的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的其他区域中。

如图所示，耦入光学元件700、710、720可以被彼此横向偏移。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，并且可以从其他耦入光学元件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中的其他耦入光学元件的光。

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。在一些其他实施例中，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。在一些其他实施例中，光分布元件730、740、750可以被分别设置在关联的波导670、680、690的顶部主表面上和底部主表面上；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。

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和波导680分隔开；并且层760b可以使波导680和波导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的材料的折射率与形成波导670、680、690的材料的折射率相差0.05或更大，或0.10或更小。有利地，较低折射率层760a、760b可以作为包层，包层促进通过波导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。

优选地，为了便于制造和其他考虑，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。

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可以通过一个或多个图像注入装置360、370、380、390、400(图6)注入到波导670、680、690中。

在一些实施例中，光线770、780、790具有不同的特性，例如，对应于不同的颜色的不同的波长或不同的波长范围。耦入光学元件700、710、720各自使入射光偏转，使得光通过TIR传播通过波导670、680、690中的相应的一个。在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720各自选择性地使一个或多个特定波长的光偏转，同时将其他波长透射到下面的波导和关联的耦入光学元件。

例如，耦入光学元件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偏转，同时分别透射具有不同的第二波长或第二波长范围的光线780和具有第三波长或第三波长范围的光线790。透射光线780照射在耦入光学元件710上并被耦入光学元件710偏转，该耦入光学元件710被配置为使第二波长或第二波长范围的光偏转。光线790被耦入光学元件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第三波长范围的光偏转。

继续参考图9A，偏转的光线770、780、790被偏转为使得光线770、780、790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，该角度使光通过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。

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。

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将光偏转或分布到耦出光学元件800、810、820，并且在一些实施例中，还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，可以省略光分配元件730、740、750，并且耦入光学元件700、710、720可以被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)。应当理解，OPE可以被配置为在至少一个轴上增大眼框(eye box)的尺寸，并且EPE可以在与OPE的轴相交(例如正交)的轴上增大眼框。例如，每个OPE可以被配置为将到达OPE的光的一部分重定向到同一波导的EPE，同时允许光的剩余部分继续沿波导传播。在再次照射到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波导进一步传播，依此类推。类似地，在到达EPE时，照射光的一部分被朝向用户导出波导，并且该光的剩余部分继续传播通过波导，直到它再次到达EPE，此时照射光的另一部分被导出波导，依此类推。因此，每当单束耦入光的一部分被OPE或EPE重定向时，该光可以“被复制”，从而形成克隆光束的场，如图6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。

因此，参考图9A和图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，用于每种组分颜色。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，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，以先前描述的方式与光分布元件(例如，OPE)730和耦出光学元件(例如，EP)800相互作用。光线780和光线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上并被其偏转。然后，光线780经由TIR沿波导680反弹，前进到其光分配元件(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偏转为使得该光线通过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，观看者还从其他波导670、680接收耦出光。

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以及每个波导的关联的光分配元件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。

现在参考图10A和10B。一些增强现实设备的实施例(诸如上述的那些)可以被配置为通过调节在增强现实系统中包括的可变焦透镜元件的焦距来调节光(包括从增强现实系统投射的图像信息的光以及来自周围真实世界中的对象的入射光)的波前。如上所述，增强现实系统可包括显示设备，该显示设备可包括多个堆叠波导(例如，对应于图9A和9B的多个堆叠波导或堆叠波导组660，或对应于图6的堆叠波导组件260)，这些堆叠波导朝着用户或观看者(例如，图2的观看者或用户90)的眼睛投射光。在一些其它实施例中，显示设备可以仅包括单个波导。因此，虽然在本文公开的各个部分中提及了多个波导，但是应当理解，多个波导可以被单个波导代替。

如本文所讨论的，来自波导的投射光可用于向观看者提供虚拟、增强现实图像信息。光可以被投射，以使得用户将该光感知为源自一个或多个不同的深度，或源自相对于观看者的不同距离。显示设备可以是光学透射性的，使得用户可以通过显示设备看到周围环境中的真实世界对象。在一些实施例中，波导可以被配置为具有固定的光焦度。为了提供投射光源自不同深度的表象，波导可以被配置为输出发散的光束，其中不同的发散量对应于不同的深度平面。

应当理解，波导的固定光焦度假定观看者眼睛具有合适的调节范围以聚焦由波导输出的光。然而，如上文所讨论的，一些观看者可能需要矫正性透镜才能清楚地看到，因此，这些观看者可能无法清楚地看到从波导输出的图像信息。在一些实施例中，第一可变焦透镜元件可以被设置在波导与观看者眼睛之间，以适当地调节由波导输出的光的波前，从而允许观看者眼睛正确地聚焦该光。然而，该第一透镜元件也处于从周围环境传播到观看者眼睛的光的路径中。结果，第一透镜元件会修改来自周围环境的光的波前，从而引起观看者观看世界时的像差。为了矫正这种像差，第二可变焦透镜元件可以被设置在所述多个堆叠波导的与第一可变焦透镜元件相反的一侧；也就是说，第二可变焦透镜元件可以位于所述多个堆叠波导与周围真实世界之间，以调节来自周围环境中的真实世界对象的光的波前。第二可变焦透镜元件可以被配置为补偿由第一可变焦透镜元件引起的像差。在一些实施例中，第二可变焦透镜还可以被配置为补偿由波导引起的像差。

在一些实施例中，第二可变焦透镜元件的焦点可以与第一可变焦透镜元件的焦点相反或相对。例如，如果第一可变焦透镜元件具有正光焦度，则第二可变焦透镜元件可具有负光焦度，该负光焦度具有相似的量值。在一些其它实施例中，为了对第一可变焦透镜元件的光焦度和居间波导的光焦度二者都进行补偿，第二透镜元件的光焦度可以与第一透镜元件和波导的总光焦度相反并且具有相似的量值。

在一些其它实施例中，波导可以不具有光焦度(例如，波导可以被配置为输出准直光)，并且第一可变焦透镜元件可以被配置为修改从波导发射的光的波前，以便向被观看者解释为位于特定深度平面上的图像信息提供适当的发散量。应当理解，对于不同的观看者，该适当的发散量可以变化，这是因为，用于将图像信息放置在特定深度平面上的光焦度将按一特定的差异而被调节，以考虑针对该深度平面，观看者的光学处方。在这样的实施例中，第一和第二可变焦透镜元件之间的波导堆叠可以简单地由单个波导形成。

应当理解，可以为观看者的一只眼睛提供第一和第二可变焦透镜元件，并且可以为观看者的另一只眼睛提供分别与第一和第二可变焦透镜元件相似的第三和第四可变焦透镜元件。

图10A和10B示出了具有可变焦透镜元件和波导堆叠的显示系统(例如，增强现实显示系统)的示例的示意图。应当理解，显示系统2010可以对应于显示系统250(图6)。图10A的示例显示系统2010示出了具有单个波导的波导堆叠，而图10B的示例示出了具有多个波导的波导堆叠。在图10A和10B中，第一可变焦透镜元件2007a和第二可变焦透镜元件2007b被设置在波导堆叠2005的任一侧(图10A)，第三可变焦透镜元件2008a和第四可变焦透镜元件2008b被设置在波导堆叠2006的任一侧(图10B)。

图10A和10B的各种示例出的波导2005a、2005b、2006a、2006b可以具有与图6的波导270、280、290、300、310和/或图9A和9B的波导670、680和690中的各个波导类似的特性和/或特征。波导堆叠2005、2006可以具有与图9A和9B的多个堆叠波导或堆叠波导组660或图6的堆叠波导组件260类似的特性和/或特征。在一些实施例中，波导2005a、2005b、2006a、2006b可以包括光学元件，例如衍射光学元件，其为波导提供光焦度(例如固定的光焦度)。例如，这些波导中的一者或多者可以具有范围在0屈光度与约5.0屈光度之间，约0.5屈光度与约4.5屈光度之间，约1.0屈光度与约4.0屈光度之间，约1.5屈光度与约3.5屈光度之间，约2.0屈光度与约3.0屈光度之间的光焦度，或者这些范围或子范围内的任何值的光焦度。作为另一示例，在特定实施例中，波导中的每一者可以具有1.5屈光度的光焦度。

如上所述，来自光源2003或2004的提供图像信息(例如，虚拟内容)的光可以被分别注入到波导2005a或2006a中，使得光通过全内反射传播通过这些波导中的每一者。传播的光可以通过耦出元件(例如，对应于图9A和9B的耦出元件800、810、820)朝着用户的眼睛2001从波导2005a(或波导2005b)投射出。在一些实施例中。如本文所公开的，光源2003、2004可以是利用移动光纤来创建2D图像图案的光纤扫描设备(FSD)。FSD可以通过以各种图案投射光，例如光栅扫描、螺旋扫描、利萨如等，来创建2D图像图案。在一些其它实施例中，光源2003a(和/或2003b)可以是图像投射系统，其中，例如，也如本文所公开的，完整图像被投射到波导上。应当理解，来自光源2003a(和/或2003b)的光可以通过波导的边缘或通过波导的主表面而被注入到波导堆叠2005中。在波导堆叠包括多个波导的情况下，光源2003和/或2004可以被配置为将光注入到这些波导中的多个报道中，或者可以提供附加光源，例如，为每个波导提供一个光源。

如图10A和10B所示，第一可变焦透镜元件2007a可以被设置在波导堆叠2005与用户眼睛2001之间，第二可变焦透镜元件2007b可以被设置在波导堆叠2005与用户周围的真实世界之间。应当理解，眼睛2001可以对应于图6的观看者眼睛210。类似地，第三可变焦透镜元件2008a可以被设置在波导堆叠2006与用户眼睛2002之间，第二可变焦透镜元件2008b可以被设置在波导堆叠2006与用户周围的真实世界之间。

在一些实施例中，第一和第二可变焦透镜元件2007a和2007b以及第三和第四可变焦透镜元件2008a和2008b可以是自适应光学元件。自适应光学元件可以被动态地改变(例如通过向其施加电信号)，以改变入射在其上的波前的形状。在一些实施例中，自适应光学元件可包括透射光学元件，例如动态透镜(例如，液晶透镜、电活性透镜、具有移动元件的传统折射透镜、基于机械变形的透镜、电润湿透镜、弹性体透镜或具有不同折射率的多种流体)。如本文所述，通过改变自适应光学元件的形状、折射率或其它特性，可以改变入射在其上的波前，例如，以改变观看者眼睛对光的聚焦。

在一些实施例中，可变焦透镜元件2007a、2007b、2008a、2008b可包括被夹在两个基板之间的液晶层。基板可包括光学透射材料，例如玻璃、塑料、丙烯酸等。在一些实施例中，基板可以是平坦的。在一些实施例中，基板可以具有弯曲区域，使得基板的部分可以具有固定的光焦度。

在一些实施例中，可变焦透镜元件2007a、2007b、2008a、2008b的光焦度可以通过调节经由例如与液晶层和/或基板集成的一个或多个薄膜晶体管(TFT)和/或电极施加到液晶层的电信号(例如，电流和/或电压)来改变。应当理解，液晶层中液晶物质的取向决定了该层的折射率。所施加的电信号设置液晶物质的取向，从而允许通过改变所施加的电信号来按需改变液晶层的折射率。在一些实施例中，可变焦透镜元件2007a、2007b、2008a、2008b的光焦度可在约±5.0屈光度之间(例如，在约-4.0屈光度与+4.0屈光度之间；在约-3.5屈光度与约+3.5屈光度之间，在约-3.0屈光度与约+3.0屈光度之间，在约-2.0屈光度与约+2.0屈光度之间，在约-1.5屈光度与约+1.5屈光度之间，包括任何这些范围或子范围中的值)变化。

有利地，可变焦透镜元件2007a、2007b、2008a、2008b可以具有宽孔径，该宽孔径基本上与它们各自相关联的波导堆叠2005、2006中的波导的孔径匹配。在一些实施例中，可变焦透镜元件2007a、2007b、2008a、2008b的孔径可以与波导堆叠2005、2006中的波导的表面区域基本相等(例如，在约±20％，约±15％或约±10％内)。因此，可变焦透镜元件2007a、2007b、2008a、2008b和波导堆叠2005、2206用于将光传输到相关联的眼睛2001、2002的区域可以基本相等。

继续参考图10A和10B，第一和第三可变焦透镜元件2007a、2008a中的每一者可以使其光焦度改变来调节从波导堆叠2005、2006中的波导投射的光的波前，从而适当地将所述光分别聚焦在眼睛2001、2002的视网膜上。如本文所述，第一和第三可变焦透镜元件2007a、2008a可能引起来自周围环境中的对象2009的入射光的波前的像差，从而降低通过第一可变焦透镜元件2007a观看的真实世界对象2009的光学图像质量。在观看对象2009时，第二和第四可变焦透镜元件2007b、2008b可以有利地补偿分别由第一和第三可变焦透镜元件2007a、2008a以及任何波导引入的像差。在一些实施例中，第二和第四可变焦透镜元件2007b、2008b可以被配置为提供与分别由第一和第三可变焦透镜元件2007a、2008a和相关联的波导堆叠2005、2006提供的光焦度相反的光焦度。在一些实施例中，该相反光焦度的量值使得对于每只眼睛2001、2002而言，显示系统2010的净光焦度等于该眼睛正趋向的深度平面处的眼睛的光学处方。由第一和第二可变焦透镜元件2007a和2007b提供的光焦度可以通过电子硬件控制系统2011改变和控制。在一些实施例中，电子硬件控制系统2011可以对应于图2的本地处理和数据模块140和/或远程处理模块150。

在一些实施例中，增强现实显示系统2010可以被配置为确定用户眼睛的聚散。可以基于眼睛2001、2002的聚散点来设定第一和第二可变焦透镜元件2007a、2007b的光焦度。第三和第四可变焦透镜元件2008a、2008b的光焦度也可以是基于该聚散点而被设定。应当理解，聚散点是眼睛2001、2002的视线会聚的空间点，并且可以对应于这些眼睛的生理调节目标。在一些实施例中，可以基于例如眼睛2001、2002之间的已知分离量和每只眼睛做出的角度来计算该点远离眼睛2001、2002的距离。一旦计算出该距离，就可以确定针对该距离为观看者提供的适当矫正。例如，显示系统2010可以用一个或多个光学处方编程。在一些实施例中，光学处方可以被存储在本地处理和数据模块140和/或远程数据储存库160中。眼睛2001、2002与聚散点之间的距离可以与对该距离的适当矫正相匹配，并且，可变焦透镜元件2007a、2007b、2008a、2008b可以被调节以提供该矫正。在一些实施例中，眼睛2001、2002可以具有不同的处方矫正，因此，可变焦透镜元件对2007a、2007b和2008a、2008b可以提供不同的光焦度。

有利地，可变焦透镜元件2007a、2007b、2008a、2008b提供大量可能的矫正，因为它们的光焦度可以通过例如施加不同电压，根据需要而被调节。在一些实施例中，每只眼睛的矫正总数可以是1、2、3、4或更多。在一些实施例中，每只眼睛的矫正总数可以等于显示系统2010被配置为在其上显示图像信息的深度平面的数量。应当理解，这些矫正可以对应于光学处方，光学处方可以针对距眼睛2001、200的各种距离处的对象而被确定。例如，可以通过确定针对在四个逐渐远离眼睛2001、2002的距离(例如，近距离、中近距离、中远距离、远距离)处的屈光不正的矫正来获得四个处方。在一些实施例中，用于观看由波导堆叠2005输出的图像内容的可能矫正的数量可以与观看周围环境中的对象2009时的可能矫正的数量不同。

继续参考图10A和10B，在一些实施例中，可变焦透镜元件2007a、2007b、2008a、2008b的焦点或光焦度可以各自基于所确定的用户眼睛2001、2004的聚散来设定。例如，第一和第二可变焦透镜元件2007a和2007b的光焦度可以基于用户眼睛2001的聚散而变化，无需专门参考另一透镜元件的光焦度。

在一些实施例中，第一和第二可变焦透镜元件2007a、2007b中的一者或第三和第四可变焦元件2008a、2008b中的一者可以被指定为主可变焦透镜元件，第一和第二可变焦透镜元件2007a、2007b或第三和第四可变焦元件2008a、2008b中的另一者可以被指定为从可变焦透镜元件。被指定为从可变焦透镜元件的可变焦透镜元件可被配置为跟随主可变焦透镜元件。在一些其它实施例中，第二和第四可变焦透镜元件2007b、2008b可以从动于第一和第三可变焦透镜元件2007a、2008a，并且第一和第三可变焦透镜元件2007a、2008a的焦点可以基于所确定的用户眼睛2001、2002的聚散点而被设定。例如，如果波导2005a(和/或波导2005b)具有约1.5屈光度的光焦度并且用户正趋向2.0屈光度，则第一可变焦透镜元件2007a可以具有+0.5屈光度的光焦度，并且第二可变焦透镜元件2007b可以具有-0.5屈光度的光焦度。

可变焦透镜元件2007a、2007b、2008a、2008b的光焦度可以实时被改变，并且可以优选地以等于或大于人眼改变调节状态的速率的速率改变。优选地，第一和第二可变焦透镜元件可以在人眼改变调节状态之前改变其光焦度，使得用户在接收针对给定聚散点的适当矫正时不会体验到延迟。在一些实施例中，第一和第二可变焦透镜元件可以在小于约300ms，小于约275ms或小于约250ms内改变光焦度。电子硬件控制系统2011可以驱动可变焦透镜元件2007a、2007b、2008a、2008b，使得可变焦透镜元件2007a、2007b、2008a、2008b的光焦度可同时被改变。

本文描述的增强现实显示系统的各种实施例可以包括眼睛跟踪系统，该眼睛跟踪系统包括一个或多个眼睛跟踪相机或成像系统，以跟踪用户的一只或多只眼睛，从而确定/测量用户眼睛的聚散。图11中示出了包括眼睛跟踪系统22的增强现实系统2010的示例性实施例。眼睛跟踪系统22可包括相机24(例如，红外相机)，该相机24与指向的光源26(例如，红外光源)配对并且被配置为监视和跟踪用户的眼睛2001、2002。这些摄像机24和光源26能够可操作地被耦接到本地处理模块140。这样的相机24可以监视相应眼睛的取向、瞳孔大小和对应的视线方向中的一者或多者。如本文所述，相机24可以被配置为确定眼睛2001、2002的聚散点。

继续参考图11，相机24和光源26可以被安装在框架80上，框架80也可以保持波导堆叠2005、2006。在一些实施例中，相机24可以通过通信链路170、180而与本地处理和数据模块140通信。

在一些实施例中，除了确定眼睛2001、2002的聚散之外，相机24也可被用于跟踪眼睛以提供用户输入。例如，眼睛跟踪系统22可被用于选择虚拟菜单上的项，和/或向显示系统2010提供其它输入。

现在参考图12A，提供了流程图2200，该流程图示出了基于所确定的用户的聚散来改变可变焦透镜元件的光焦度的示例性方法。在框2205处，可以确定或测量用户眼睛的聚散点。可以使用例如本文描述的眼睛跟踪系统来做出这样的确定。基于该确定，可以估计用户眼睛所指向的距离和/或深度平面。可以根据所确定的聚散来改变可变透镜元件对的光焦度，从而改善用户观看的虚拟对象和/或真实世界对象的图像质量。在框2215处，改变可变焦透镜元件(例如，可变焦透镜元件2007a、2007b、2008a、2008b之一)的光焦度以调节从一波导(例如，波导堆叠2005、2006中的一波导(图10A和10B))投射的光的波前。在框2220处，改变另一可变焦透镜元件(例如，可变焦透镜元件2007a、2007b、2008a、2008b中的一不同可变焦透镜元件)的光焦度以调节来自周围环境中的对象的入射环境光的波前。应当理解，框2215、2220可以被依次执行(例如，先执行2215，再执行2220，或者先执行2220，再执行2215)，或者这些框2215、2220可以被同时执行。在一些实施例中，框2205、2215、2220可以由显示系统2010连续地执行，以自动且连续地调节可变焦透镜元件的光焦度，从而为用户提供舒适的观看体验。

将理解，本文中描述和/或在附图中示出的过程、方法和算法中的每一者可以体现在由一个或多个物理计算系统、硬件计算机处理器、应用专用电路和/或被配置为执行特定和特殊的计算机指令的电子硬件所执行的代码模块中并且完全或部分地由该代码模块自动化。例如，计算系统可以包括用特定计算机指令编程的通用计算机(例如，服务器)或专用计算机、专用电路等等。代码模块可以被编译并链接到可执行程序中，安装在动态链接库中，或者可以用解释的编程语言编写。在一些实施例中，特定操作和方法可以由专用于给定功能的电路来执行。

此外，本公开的功能的某些实施例在数学上、计算上或技术上是足够复杂的，使得应用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)对于执行功能可能是必需的，例如由于所涉及的计算的数量或复杂性或为了基本上实时提供结果。例如，视频可以包括许多帧，每帧具有数百万个像素，并且具体地编程的计算机硬件对于处理视频数据是必需的以在商业上合理的时间量内提供期望的图像处理任务或应用。

代码模块或任何类型的数据可以存储在任何类型的非暂时性计算机可读介质上，诸如物理计算机存储器，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器、其组合和/或类似物。在一些实施例中，非暂时性计算机可读介质可以是本地处理和数据模块(70)、远程处理模块(72)和远程数据储存库(74)中的一者或多者的一部分。方法和模块(或数据)也可以在各种计算机可读传输介质上作为生成的数据信号(例如，作为载波或其他模拟或数字传播信号的一部分)传输，所述传输介质包括基于无线的和有线/基于线缆的介质，并且可以采取多种形式(例如，作为单个或多路复用模拟信号的一部分，或者作为多个离散数字分组或帧)。所公开的方法或方法步骤的结果可以持久地或以其他方式存储在任何类型的非暂时性有形计算机存储器中，或者可以经由计算机可读传输介质来通信。

本文描述的和/或在附图中描绘的流程图中的任何过程、框、状态、步骤或功能应当被理解为潜在地表示代码模块、代码段或代码部分，代码包括一个或多个可执行指令以实现特定功能(例如，逻辑或算术)或方法中的步骤。各种方法、框、状态、步骤或功能可以与本文提供的说明性示例相组合，重新排列，添加，删除，修改或以其他方式改变。在一些实施例中，附加的或不同的计算系统或代码模块可以执行本文描述的功能中的一些或全部。这里描述的方法和过程也不限于任何特定的序列，并且与其相关的块、步骤或状态可以以适当的其他序列来执行，例如串行、并行或以某种其他方式。可以向所公开的示例性实施例添加任务或事件或者从中移除任务或事件。此外，这里描述的实现中的各种系统组件的分离是出于说明的目的，并且不应该被理解为在所有实施例中都需要这种分离。应该理解，所描述的程序组件、方法和系统通常可以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。

在前面的说明书中，已经参考其具体实施例描述了本发明。然而，显而易见的是，在不脱离本发明的更广泛的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应被视为说明性的而非限制性的。

实际上，应当理解，本公开的系统和方法各自具有若干创新性方面，其中没有单独一个对于本文公开的期望属性完全负责或需要。上述各种特征和过程可以彼此独立地使用，或者可以以各种方式组合。所有可能的组合和子组合均旨在落入本公开的范围内。

在本说明书中在分开的实施例的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实施。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以分开或者以任何合适的子组合在多个实施例中实施。此外，尽管上文可以将特征描述为以某些组合起作用并且甚至最初如此要求，但是来自所要求保护的组合的一个或多个特征可以在一些情况下从组合中删除，并且所要求保护的组合可以针对子组合或变体的子组合。没有单个特征或特征组对于每个实施例是必要或是必不可少的。

应当理解，除非另有明确说明，否则本文中使用的条件语言，诸如“能够”、“可能”“应该”、“可以”、“例如”等等，或者在上下文中以其他方式理解的，为一般地意在表达某些实施例包括，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示特征、元素和/或步骤以任何方式对于一个或多个实施例是必需的，或者一个或多个实施例必然包括用于在有或者没有作者输入或提示的情况下决定是否这些特征、元件和/或步骤包括在任何特定实施例中或将在任何特定实施例中执行。术语“包括”、“包含”、“具有”等是同义词，并且以开放式的方式包含性地使用，并且不排除附加的元件、特征、动作、操作等等。此外，术语“或”以其包含性含义(而不是其专有含义)使用，因此当用于例如连接元素列表时，术语“或”表示一个、一些或全部列表中的元素。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“所述”应被解释为表示“一个或多个”或“至少一个”。类似地，尽管可以在特定顺序中在附图中描绘操作，但应认识到，这些操作不需要以所示出的特定顺序或按顺序执行，或者所有所示操作都要执行，以实现理想的结果。此外，附图可以以流程图的形式示意性地描绘一个或多个示例过程。然而，未示出的其他操作可以并入示意性说明的示例性方法和过程中。例如，可以在任何所示操作之前、之后、同时或之间执行一个或多个附加操作。另外，在其他实施例中，操作可以重新安排或重新排序。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。此外，上述实施例中的各种系统组件的分离不应该被理解为在所有实施例中都需要这种分离，并且应该理解，所描述的程序组件和系统通常可以一起集成在单个软件产品中或者封装到多个软件产品。另外，其他实施例在以下权利要求的范围内。在一些情况下，权利要求中列举的动作可以以不同的顺序执行并且仍然实现期望的结果。

因此，权利要求不旨在限于本文所示的实施例，而是与符合本公开、本文所公开的原理和新颖特征的最宽范围相一致。

Claims (22)

1.一种显示系统，包括：

头戴式显示器，其被配置为向观看者投射光以在一个或多个深度平面上显示图像信息，所述显示器包括：

一个或多个波导，其被配置为向所述观看者投射所述光，其中所述一个或多个波导进一步被配置为将来自周围环境中的对象的光透射给所述观看者；

第一可变焦透镜元件，其位于所述一个或多个波导与所述观看者的第一眼睛之间；以及

第二可变焦透镜元件，其位于所述一个或多个波导与所述周围环境之间；以及

眼睛跟踪系统，其被配置为确定所述观看者的眼睛的聚散，

其中，所述显示系统被配置为通过基于所确定的所述观看者的眼睛的聚散以及基于用于矫正观看者的第一眼睛的屈光不正的量调节所述第一可变焦透镜元件的光焦度来矫正所述观看者的眼睛的屈光不正，以及基于调节后的所述第一可变焦透镜元件的光焦度来调节所述第二可变焦透镜元件的光焦度。

2.根据权利要求1所述的显示系统，其中，所述显示系统被配置为根据用于显示所述图像信息的深度平面来修改所述第一可变焦透镜元件的光焦度。

3.根据权利要求1所述的显示系统，其中，所述一个或多个波导被配置为向所述观看者投射发散光以显示所述图像信息。

4.根据权利要求1所述的显示系统，其中，所述一个或多个波导中的每一者具有固定的光焦度。

5.根据权利要求1所述的显示系统，进一步包括第三可变焦透镜元件，其位于所述一个或多个波导与所述观看者的第二眼睛之间。

6.根据权利要求5所述的显示系统，进一步包括第四可变焦透镜元件，其位于所述一个或多个波导与所述周围环境之间。

7.根据权利要求5所述的显示系统，其中，所述系统被配置为基于所确定的聚散来调节所述第三可变焦透镜元件的光焦度以改变所投射的光的波前。

8.根据权利要求6所述的显示系统，其中，所述系统被配置为基于所确定的聚散来调节所述第四可变焦透镜元件的光焦度以改变来自所述周围环境中的所述对象的入射光的波前。

9.根据权利要求1所述的显示系统，其中，所述眼睛跟踪系统包括一个或多个相机。

10.根据权利要求1所述的显示系统，其中，所述第一可变焦透镜元件和/或所述第二可变焦透镜元件的光焦度根据用于在两个或更多个距离处矫正所述观看者的视力的处方而被调节。

11.根据权利要求1所述的显示系统，其中，所述系统针对所述第一可变焦透镜元件和所述第二可变焦透镜元件中的每一者具有三个或更多个预设的处方光焦度。

12.根据权利要求1所述的显示系统，其中，可用的处方光焦度的数量至少等于所述显示器的深度平面的总数。

13.根据权利要求1所述的显示系统，其中，所述第一可变焦透镜元件和/或所述第二可变焦透镜元件包括被夹在两个基板之间的液晶层。

14.根据权利要求13所述的显示系统，其中，所述第一可变焦透镜元件和/或所述第二可变焦透镜元件包括用于在施加电压时改变所述液晶层的折射率的电极。

15.根据权利要求13所述的显示系统，其中，所述基板包括玻璃。

16.根据权利要求1所述的显示系统，进一步包括电子硬件控制系统，其被配置为通过施加电流或电压来改变所述第一可变焦透镜元件和/或所述第二可变焦透镜元件的折射率。

17.根据权利要求16所述的显示系统，其中，所述眼睛跟踪系统形成到所述电子硬件控制系统的反馈回路，以根据所确定的所述观看者的眼睛的聚散来改变所述第一可变焦透镜元件和/或所述第二可变焦透镜元件的折射率。

18.一种用于在头戴式显示器上显示图像信息的方法，所述方法包括：

提供安装在观看者的头部上的所述显示器，所述显示器被配置为在一个或多个深度平面上显示图像信息并且包括：

一个或多个波导，其被配置为向所述观看者投射光以显示所述图像信息，

其中，所述一个或多个波导进一步被配置为将来自周围环境中的对象的光透射给所述观看者；

确定所述观看者的眼睛的聚散点；以及

通过以下方式矫正所述观看者的眼睛的屈光不正：

基于所确定的聚散点以及基于用于矫正所述观看者的眼睛的屈光不正的量，改变被设置在所述一个或多个波导与所述眼睛之间的第一可变焦透镜元件的光焦度；以及

基于所述第一可变焦透镜元件的光焦度，改变被设置在所述一个或多个波导与所述观看者的周围环境之间的第二可变焦透镜元件的光焦度。

19.根据权利要求18所述的方法，进一步包括：

第三可变焦透镜元件和第四可变焦透镜元件，其中所述第三可变焦透镜元件位于所述一个或多个波导与所述观看者的另一眼睛之间，并且其中所述第四可变焦透镜元件位于所述第三可变焦透镜元件的直接前方且位于所述一个或多个波导与所述周围环境之间；以及

通过基于所确定的聚散点改变所述第三可变焦透镜元件和所述第四可变焦透镜元件的光焦度，来矫正所述另一眼睛的屈光不正。

20.根据权利要求19所述的方法，其中，确定所述聚散点包括使用一个或多个相机跟踪所述观看者的所述眼睛和所述另一眼睛的聚散。

21.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第一可变焦透镜元件的光焦度与所述第二可变焦透镜元件的光焦度同时被改变。

22.根据权利要求18所述的方法，其中，所述一个或多个波导中的每一个包括被配置为从所述波导输出发散光的衍射光学元件。

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