CN111886533A - 基于倾斜阵列的显示器 - Google Patents

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K·R·柯蒂斯
郑惠全
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Abstract

包括空间光调制器的观看光学组件被配置为旋转该空间光调制器。

Description

基于倾斜阵列的显示器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年3月12日提交的题为“高指数目镜的基于基材的观看光学组件架构(VERY HIGH INDEX EYEPIECE SUBSTRATE-BASED VIEWING OPTICS ASSEMBLYARCHITECTURES)”的美国专利申请第62/641,976号35U.S.C.119(e)的优先权的益处，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本公开涉及具有用于空间光调制器照射和图像投影的通用光学器件的显示系统。
背景技术
现代计算和显示技术已经促进了用于所谓的“虚拟现实”或“增强现实”体验的系统的开发，其中，以它们似乎是真实的或可能被感知为真实的方式向用户呈现数字再现的图像或其一部分。虚拟现实或“VR”场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现，而对其他实际现实世界视觉输入不透明；增强现实或“AR”场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现，以增强对用户周围现实世界的可视化。混合现实或“MR”场景是AR场景类型并且通常涉及集成到自然世界中并响应于自然世界的虚拟对象。例如，MR场景可以包括AR图像内容，该AR图像内容似乎被现实世界中的对象阻挡或被感知为与现实世界中的对象交互。
参考图1，示出了增强现实场景10。AR技术的用户看到以人、树、背景中的建筑物为特征的现实世界的公园般的设置20，以及混凝土平台30。用户还感知到他/她“看到”了站在现实世界平台30上的诸如机器人雕像40的“虚拟内容”，以及飞来飞去的似乎是大黄蜂的化身的卡通般的化身角色50。这些元素50、40是“虚拟的”，因为它们在现实世界中不存在。由于人类的视觉感知系统很复杂，因此要开发一种促进虚拟图像元素以及其他虚拟或现实图像元素的舒适、感觉自然、丰富的呈现的AR技术是具有挑战的。
本文公开的系统和方法解决了与AR和VR技术有关的各种挑战。
偏振分束器可用于显示系统中，以将偏振光定向(direct)至光调制器，然后将该光定向至观看者或用户。总体上，一直需要减少显示系统的大小，并且因此，也需要减少显示系统的组成部分(包括利用偏振分束器的组成部分)的大小。
发明内容
本文描述的各种实施例包括一种用于被配置为将图像传递给眼睛的增强现实头戴式显示器目镜的光学系统，其中，该光学系统包括光学器件。光学器件被设置为接收从光源输出的光。光学器件还相对于空间光调制器阵列被布置，使得从光源接收的光穿过光学器件并照射空间光调制器阵列。照射空间光调制器阵列的光通过光学器件被重定向回，并通过多个入耦合(in-coupling)光学元件之一被耦合到多个波导之一中。至少一部分耦合光被至少一个出耦合(out-coupling)光学元件从波导中射出(eject)并定向到用户的眼睛。空间光调制器阵列被配置为倾斜以将光定向到适当的入耦合光学元件中。
本文描述了具有用于空间光调制器照射和图像投影的通用光学器件的头戴式显示系统的各种示例，例如下面列举的示例：
示例1：一种头戴式显示系统，其被配置为将光投影到用户的眼睛，以在所述用户的视场中显示增强现实图像内容，所述头戴式显示系统包括：
框架，其被配置为被支撑在所述用户的头部上；
至少一个光源，其被配置为输出光；
空间光调制器阵列，其被设置为接收来自所述至少一个光源的光；
被设置在所述框架上的目镜，所述目镜被配置为将来自所述空间光调制器阵列的光定向到所述用户的所述眼睛中，以向所述用户的所述视场显示增强现实图像内容，所述目镜的至少一部分是透明的并且在所述用户佩戴所述头戴式显示系统时被设置在所述用户的所述眼睛的前方的位置处，其中，所述透明的部分将来自所述用户的前方的物理环境的一部分的光透射到所述用户的所述眼睛，以提供所述用户的前方的所述物理环境的所述部分的视图，所述目镜包括：
(a)至少一个波导；
(b)至少一个入耦合光学元件，其被配置为将来自所述空间光调制器阵列的光入耦合到所述至少一个波导中；以及
(c)至少一个出耦合光学元件，其被配置为将在所述波导内被引导的光从所述波导中耦合出并将所述光定向到所述用户的所述眼睛；以及
具有光焦度的光学器件，所述光学器件被设置为接收从所述光源输出的光，所述光学器件相对于所述空间光调制器阵列被布置，以使得从所述光源接收的所述光穿过所述光学器件并照射所述空间光调制器阵列，
其中，所述头戴式显示系统被配置为使得照射所述空间光调制器阵列的光通过所述光学器件被重定向回，并通过所述至少一个入耦合光学元件被耦合到所述至少一个波导中，并且所耦合的光的至少一部分通过所述至少一个出耦合光学元件从所述至少一个波导中射出，并被定向到所述用户的所述眼睛；以及
其中，所述空间光调制器阵列被配置为倾斜以将来自所述至少一个光源的更多光在不同的时间定向到所述至少一个入耦合光学元件中的不同入耦合光学元件。
示例2：根据示例1所述的头戴式显示系统，其中，所述至少一个波导包括第一波导和第二波导，所述第一波导和所述第二波导具有与之相关联的相应的第一入耦合光学元件和第二入耦合光学元件。
示例3：根据示例2所述的头戴式显示系统，其中，所述空间光调制器阵列被配置为倾斜以在所述空间光调制器阵列以第一角度倾斜时，将来自所述至少一个光源的更多光定向到所述第一入耦合光学元件，以使得通过所述第一入耦合光学元件被耦合到所述第一波导中的光比通过所述第二入耦合光学元件被耦合到所述第二波导中的光更多。
示例4：根据示例3所述的头戴式显示系统，其中，所述空间光调制器阵列被配置为倾斜以在所述空间光调制器阵列以第二角度倾斜时，将来自所述至少一个光源的更多光定向到所述第二入耦合光学元件，以使得通过所述第二入耦合光学元件被耦合到所述第二波导中的光比通过所述第一入耦合光学元件被耦合到所述第一波导中的光更多。
示例5：根据示例2至4中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一波导和所述第二波导被配置为输出具有波前的光，所述波前具有以下至少一个的不同量：发散，会聚，或准直，就像从距所述用户的眼睛的不同距离投影的。
示例6：根据示例5所述的头戴式显示系统，其中，所述第一波导和所述第二波导被配置为使得从所述第一波导出耦合的光被准直，并且从所述第二波导输出的光发散。
示例7：根据示例5所述的头戴式显示系统，其中，所述第一波导和所述第二波导被配置为使得从所述第一波导出耦合的光发散第一量，以及从所述第二波导出耦合的光发散第二量，其中，所述第二量不同于所述第一量。
示例8：根据示例2至4中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一波导和所述第二波导被配置为将光输出到不同的角场中，以对被呈现给所述用户的图像内容提供整体上更大的视野。
示例9：根据示例2至4中任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一波导和所述第二波导具有相对于彼此横向偏移的对应的第一出耦合光学元件和第二出耦合光学元件，以便提供增大的眼箱供所述用户观看图像。
示例10：根据前述示例中任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述空间光调制器阵列包括多个像素。
示例11：根据示例10所述的头戴式显示系统，其中，所述多个像素包括二维直线像素阵列或六边形封闭停放像素布置，其中所述二维直线像素阵列包括以行和列布置的像素。
示例12：根据示例10或11所述的头戴式显示系统，其中，所述多个像素包括至少1000个像素。
示例13：根据前述示例中任一项所述的头戴式显示系统，还包括在其上设置有所述空间光调制器阵列的旋转台，所述旋转台具有至少一个致动器，所述致动器被配置为接收信号并响应于所接收的信号而倾斜所述旋转台。
示例14：根据前述示例中任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述空间光调制器阵列包括被配置为在两个状态即第一状态和第二状态之间切换的空间调制器阵列，其中，所述空间光调制器阵列的取向在所述第一状态和第二状态中分别以第一角度和第二角度设置。
示例15：根据示例14所述的头戴式显示系统，其中，当从所述第一状态改变为所述第二状态时，所述空间光调制器阵列倾斜至少7度。
示例16：根据示例14所述的头戴式显示系统，其中，当从所述第一状态改变为所述第二状态时，所述空间光调制器阵列倾斜至少10度。
示例17：根据示例14所述的头戴式显示系统，其中，当从所述第一状态改变为所述第二状态时，所述空间光调制器阵列倾斜小于或等于20度。
示例18：根据示例14所述的头戴式显示系统，其中，当从所述第一状态改变为所述第二状态时，所述空间光调制器阵列在小于100毫秒内倾斜至少5度并且小于或等于15度。
示例19：根据示例14所述的头戴式显示系统，其中，当从所述第一状态改变为所述第二状态时，所述空间光调制器阵列在小于100毫秒内倾斜至少10度且小于或等于20度。
示例20：根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述空间光调制器阵列包括反射式空间光调制器阵列。
示例21：根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述空间光调制器阵列包括液晶空间光调制器阵列或可移动微反射镜阵列。
示例22：根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述至少一个光源包括至少一个发光器和相对于所述至少一个发光器设置以收集从中输出的光的至少一个耦合光学器件。
示例23：根据示例22所述的头戴式显示系统，其中，所述耦合光学器件包括复合抛物线收集器(CPC)。
示例24：根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述至少一个波导包括波导堆叠。
示例25：根据示例24所述的头戴式显示系统，其中，所述波导堆叠中的不同波导被配置为输出具有不同的相应颜色的光。
示例26：根据示例24或示例25所述的头戴式显示系统，其中，所述波导堆叠中的第一波导、第二波导和第三波导被配置为分别输出第一颜色光、第二颜色光和第三颜色光，所述第一颜色光、所述第二颜色光和所述第三颜色光分别是红色光、蓝色光和绿色光。
示例27：根据上述示例中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述至少一个波导包括第一组波导和第二组波导，所述第一组波导和所述第二组波导具有与之相关联的相应的第一组入耦合光学元件和第二组入耦合光学元件。
示例28：根据示例27所述的头戴式显示系统，其中，所述空间光调制器阵列被配置为倾斜以当所述空间光调制器阵列以第一角度倾斜时，将来自光源的更多光从所述至少一个光源定向到所述第一组入耦合光学元件中的至少一个所述入耦合光学元件，以使得通过所述第一组入耦合光学元件中的所述一个所述入耦合光学元件被耦合到所述第一组波导中的一个所述波导中的来自所述光源的光比通过所述第二组入耦合光学元件中的入耦合光学元件被耦合到所述第二组波导中的一个所述波导中的光更多。
示例29：根据示例28所述的头戴式显示系统，其中，所述空间光调制器阵列被配置为倾斜以当所述空间光调制器阵列以第二角度倾斜时，将来自所述光源的更多光定向到所述第二组入耦合光学元件中的所述入耦合光学元件，以使得通过所述第二组入耦合光学元件中的所述入耦合光学元件被耦合到所述第二组波导中的所述波导中的来自所述光源的光比通过所述第一组入耦合光学元件中的所述入耦合光学元件被耦合到所述第一组波导中的所述波导中的光更多。
示例30：根据示例27所述的头戴式显示系统，其中，所述至少一个光源包括第一光源，所述第一组波导包括第一波导，并且所述第一组入耦合光学元件包括被配置为将来自所述第一光源的光耦合到所述第一组波导中的所述第一波导中的第一入耦合光学元件，并且其中，所述第二组波导包括第一波导，所述第二组入耦合光学元件包括被配置为将来自所述第一光源的光耦合到所述第二组波导中的所述第一波导中的第一入耦合光学元件。
示例31：根据示例30所述的头戴式显示系统，其中，所述空间光调制器阵列被配置为倾斜以当所述空间光调制器阵列以第一角度倾斜时，将来自所述第一光源的更多光定向到所述第一组入耦合光学元件中的所述第一入耦合光学元件，以使得通过所述第一组入耦合光学元件中的所述第一入耦合光学元件被耦合到所述第一组波导中的所述第一波导中的来自所述第一光源的光比通过所述第二组入耦合光学元件中的所述第一入耦合光学元件被耦合到所述第二组波导中的所述第一波导中的光更多。
示例32：根据示例31所述的头戴式显示系统，其中，所述空间光调制器阵列被配置为倾斜以当所述空间光调制器阵列以第二角度倾斜时，将来自所述第一光源的更多光定向到所述第二组入耦合光学元件中的所述第一入耦合光学元件，以使得通过所述第二组入耦合光学元件中的所述第一入耦合光学元件被耦合到所述第二组波导中的所述第一波导中的来自所述第一光源的光比通过所述第一组入耦合光学元件中的所述第一入耦合光学元件被耦合到所述第一组波导中的所述第一波导中的光更多。
示例33：根据示例27和30至32中任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述至少一个光源包括第二光源，所述第一组波导包括第二波导，并且所述第一组入耦合光学元件包括被配置为将来自所述第二光源的光耦合到所述第一组波导中的所述第二波导中的第二入耦合光学元件，并且其中，所述第二组波导包括第二波导，所述第二组入耦合光学元件包括被配置为将来自所述第二光源的光耦合到所述第二组波导中的所述第二波导中的第二入耦合光学元件。
示例34：根据示例33所述的头戴式显示系统，其中，所述空间光调制器阵列被配置为倾斜以当所述空间光调制器阵列以第一角度倾斜时，将来自所述第二光源的更多光定向到所述第一组入耦合光学元件中的所述第二入耦合光学元件，以使得通过所述第一组入耦合光学元件中的所述第二入耦合光学元件被耦合到所述第一组波导中的所述第二波导中的来自所述第二光源的光比通过所述第二组入耦合光学元件中的所述第二入耦合光学元件被耦合到所述第二组波导中的所述第二波导中的光更多。
示例35：根据示例34所述的头戴式显示系统，其中，所述空间光调制器阵列被配置为倾斜以当所述空间光调制器阵列以第二角度倾斜时，将来自所述第二光源的更多光定向到所述第二组入耦合光学元件中的所述第二入耦合光学元件，以使得通过所述第二组入耦合光学元件中的所述第二入耦合光学元件被耦合到所述第二波导中的所述第二波导中的来自所述第二光源的光比通过所述第一组入耦合光学元件中的所述第二入耦合光学元件被耦合到所述第一组波导中的所述第二波导中的光更多。
示例36：根据示例33至35中任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一组入耦合光学元件中的所述第一入耦合光学元件和所述第二入耦合光学元件相对于彼此横向偏移。
示例37：根据示例36所述的头戴式显示系统，其中，所述第二组入耦合光学元件中的所述第一入耦合光学元件和所述第二入耦合光学元件相对于彼此横向偏移。
示例38：根据示例27和30至37中任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述至少一个光源包括第三光源，所述第一组波导包括第三波导，并且所述第一组入耦合光学元件包括被配置为将来自所述第三光源的光耦合到所述第一组波导中的所述第三波导中的第三入耦合光学元件，并且其中，所述第二组波导包括第三波导，所述第二组入耦合光学元件包括被配置为将来自所述第三光源的光耦合到所述第二组波导中的所述第三波导中的第三入耦合光学元件。
示例39：根据示例38所述的头戴式显示系统，其中，所述空间光调制器阵列被配置为倾斜以当所述空间光调制器阵列以第一角度倾斜时，将来自所述第三光源的更多光定向到所述第一组入耦合光学元件中的所述第三入耦合光学元件，以使得通过所述第一组入耦合光学元件中的所述第三入耦合光学元件被耦合到所述第一组波导中的所述第三波导中的来自所述第三光源的光比通过所述第二组入耦合光学元件中的所述第三入耦合光学元件被耦合到所述第二组波导中的所述第三波导中的光更多。
示例40：根据示例39所述的头戴式显示系统，其中，所述空间光调制器阵列被配置为倾斜以当所述空间光调制器阵列以第二角度倾斜时，将来自所述第三光源的更多光定向到所述第二组入耦合光学元件中的所述第三入耦合光学元件，以使得通过所述第二组入耦合光学元件中的所述第三入耦合光学元件被耦合到所述第二组波导中的所述第三波导中的来自所述第三光源的光比通过所述第一组入耦合光学元件中的所述第三入耦合光学元件被耦合到所述第一组波导中的所述第三波导中的光更多。
示例41：根据示例38至40中任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一组入耦合光学元件中的所述第三入耦合光学元件相对于所述第一组入耦合光学元件中的所述第一入耦合光学元件和所述第二入耦合光学元件横向偏移。
示例42：根据示例41所述的头戴式显示系统，其中，所述第二组入耦合光学元件中的所述第三入耦合光学元件相对于所述第二组入耦合光学元件中的所述第一入耦合光学元件和所述第二入耦合光学元件横向偏移。
示例43：根据示例27至42中任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一组入耦合光学元件相对于所述第二组入耦合光学元件横向偏移。
示例44：根据示例38至43中任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一光源、所述第二光源和所述第三光源分别包括红色光源、绿色光源和蓝色光源。
示例45：根据示例27至42中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一组波导和所述第二组波导被配置为输出具有波前的光，所述波前具有以下至少一个的不同量：发散，会聚，和准直，就像从距所述用户的眼睛的不同距离投影的。
示例46：根据示例45所述的头戴式显示系统，其中，所述第一组波导和所述第二组波导被配置为使得从所述第一组波导出耦合的光被准直，并且从所述第二组波导输出的光发散。
示例47：根据示例45所述的头戴式显示系统，其中，所述第一组波导和所述第二组波导被配置为使得从所述第一组波导出耦合的光发散第一量，以及从所述第二组波导出耦合的光发散第二量，其中，所述第二量不同于所述第一量。
示例48：根据示例27至44中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一组波导和所述第二组波导被配置为将光输出到不同的角场中，以对被呈现给所述用户的图像内容提供整体上更大的视野。
示例49：根据示例27至44中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一组波导和所述第二组波导具有相对于彼此横向偏移的对应的出耦合光学元件，以提供增大的眼箱供所述用户观看图像内容。
可以组合以上示例或附加示例中的任何示例。另外，以上示例或附加示例中的任何示例可以与头戴式显示器集成。另外，可以用单个深度平面和/或一个或多个可变深度平面(例如，提供随时间变化的适应(accommodation)提示的一个或多个具有可变聚焦功率的元件)来实现上述示例或附加示例中的任何示例。
本说明书中描述的主题的一种或多种实现的细节在附图和以下描述中阐述。根据说明书、附图和权利要求书，其他特征、方面和优点将变得显而易见。该概述或以下详细描述均不旨在限定或限制本发明主题的范围。
附图说明
图1示出了用户通过AR设备的增强现实(AR)视图。
图2示出了用于为用户模拟三维图像的传统显示系统。
图3A-3C示出了曲率半径与焦半径之间的关系。
图4A示出了人类视觉系统的适应-聚散响应的表示。
图4B示出了用户的双眼的不同适应状态和聚散状态的示例。
图4C示出了经由显示系统观看内容的用户的俯视平面图的表示的示例。
图4D示出了经由显示系统观看内容的用户的俯视平面图的表示的另一示例。
图5示出了通过修改波前发散来模拟三维图像的方法的方面。
图6示出了用于将图像信息输出给用户的波导堆叠的示例。
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分量颜色形成的图像。
图9A示出了一组堆叠的波导的示例的横截面侧视图，每个堆叠的波导包括入耦合光学元件。
图9B示出了图9A的一个或多个堆叠波导的示例的视角。
图9C示出了图9A和图9B的一个或多个堆叠波导的示例的俯视平面图。
图9D示出了可穿戴显示系统的示例。
图10是投影仪组件的侧视图，该投影仪组件包括偏振分束器，该偏振分束器具有将光注入到该分束器的一侧的光源以及接收来自该分束器的另一侧的光的投影光学器件。
图11A是增强现实显示系统的侧视图，该增强现实显示系统包括光源、空间光调制器、用于照射空间光调制器并投影空间光调制器(SLM)的图像的光学器件、以及用于将图像信息输出给用户的波导。该系统包括用于将来自光学器件的光耦合到波导中的入耦合光学元件以及用于将光从波导耦合出到眼睛的出耦合光学元件。
图11B是图11A所示的增强现实显示系统的俯视图，示出了具有入耦合光学元件和出耦合光学元件以及设置在其上的光源的波导。该俯视图还示出了正交瞳孔扩展器。
图11C是图11A的增强现实显示系统的侧视图，该增强现实显示系统具有共享的偏振器/分析器和基于偏振的空间光调制器(例如，硅上液晶SLM)。
图12A是增强现实显示系统的侧视图，该增强现实显示系统包括多色光源(例如，时分复用RGB LED或激光二极管)、空间光调制器、用于照射空间光调制器并投影空间光调制器的图像到眼睛的光学器件、以及波导堆叠，不同的波导包括不同的颜色选择的入耦合光学元件以及出耦合光学元件。
图12B是图12A的增强现实显示系统的侧视图，该增强现实显示系统还包括基于MEMS(微机电)的SLM，诸如可移动反射镜的阵列(例如，数字光处理(DLPTM)技术)和光收集器(dump)。
图12C是图12B的增强现实显示系统的一部分的俯视图，示意性地示出了入耦合光学元件和光收集器以及光源之一的横向布置。
图13A是包括波导堆叠的增强现实显示系统的透视图，不同的波导包括不同的入耦合光学元件，其中，入耦合光学元件相对于彼此横向地移位。也相对于彼此横向移位的一个或多个光源被设置为通过使光穿过光学器件、将光反射离开空间光调制器并且使反射的光再次穿过光学器件而将光定向到相应的入耦合光学元件。
图13B是图13A中所示的示例的侧视图，示出了横向移位的入耦合光学元件和光源以及光学器件和空间光调制器。
图13C是图13A和13B所示的增强现实显示系统的俯视图，示出了一个或多个横向移位的入耦合光学元件以及相关联的一个或多个横向移位的光源。
图14A是包括波导堆叠的增强现实显示系统的侧视图，不同的波导包括不同的入耦合光学元件，其中，入耦合光学元件相对于彼此横向移位(在此示例中在z方向上发生横向移位)。
图14B是图14A所示的显示系统的俯视图，示出了横向移位的入耦合光学元件和光源。
图14C是图14A和14B所示的显示系统的正交侧视图。
图15是包括堆叠波导集的增强现实显示系统的俯视图，不同的波导包括不同的入耦合光学元件。光源和入耦合光学元件以不同于图14A-14C所示的替代配置来布置。
图16A是增强现实显示系统的侧视图，该增强现实显示系统包括相对于彼此横向移位的入耦合光学元件组，每组包括一个或多个颜色选择的光学入耦合光学元件。
图16B是图16A中的显示系统的俯视图。
图17是包括波导的增强现实显示系统的侧视图，该波导被反射表面分开，该反射表面可以将在该波导的邻近光源的一部分中引导的光从该波导的该部分耦合出并朝向空间光调制器耦合到光学器件中。在该示例中，光学器件和光源被示为设置在波导的相同侧。
图18是包括波导的增强现实显示系统的侧视图，该波导用于接收来自光源的光并将在该波导中引导的光定向到光学器件并朝向空间光调制器。该显示系统附加包括波导，该波导接收来自空间光调制器的光，该光再次穿过光学器件。波导包括反射表面以出耦合光。波导还包括反射表面以入耦合其中的光。在该示例中，光学器件和光源被示为设置在波导的相同侧。
图19是包括自适应光学元件或可变焦光学元件的增强现实显示系统的侧视图。在波导堆叠和眼睛之间的第一可变光学元件可以改变从波导耦合出并定向至眼睛的光的发散和准直，以改变对象看起来位于的深度。在波导堆叠的相对侧上的第二可变光学元件可以补偿第一光学元件对从增强现实显示系统和用户前面的环境接收的光的影响。增强现实显示系统还包括处方透镜，以为患有近视、远视、散光等的用户提供眼科矫正，例如屈光矫正。
图20A是包括滤色器阵列的增强现实显示系统的侧视图。一个或多个横向移位的入耦合光学元件位于不同的波导上，并且横向移位的滤色器与相应的入耦合光学元件对准。
图20B示出了图20A具有位于光学器件和空间光调制器之间的分析器的增强现实显示系统。
图20C示出了类似于图20A和20B所示的增强现实显示系统，然而，使用基于偏转的空间光调制器，诸如基于可移动微反射镜的空间光调制器。
图20D是诸如图20C中所示的增强现实显示系统的一部分的俯视图，示意性地示出了滤色器阵列上方的横向移位的光源和对应的横向移位的入耦合光学元件。
图20E示出了基于偏转的空间光调制器如何将光从对应的入耦合光学元件定向离开并到达围绕用于图20D的增强现实显示系统的滤色器阵列中的滤色器周围的掩模上。
图20F是增强现实显示系统的侧视图，该增强现实显示系统包括设置在波导堆叠的用户侧上的盖玻璃(cover glass)和设置在盖玻璃的世界侧上的光源。
图20G是增强现实显示系统的侧视图，该增强现实显示系统包括设置在波导堆叠的世界侧上的盖玻璃以及设置在该盖玻璃的世界侧上的光源。
图21是增强现实显示系统的侧视图，该增强现实显示系统包括配备有光回收器的光源，该光回收器被配置为回收诸如一种偏振光的光。
图22是通过对应的光收集光学器件和一个或多个孔传播光的一个或多个光源的侧视图。光还可以传播通过位于该一个或多个孔附近的漫射器(diffuser)。
图23A是增强现实显示系统的一部分的侧视图，该增强现实显示系统包括光源、具有光焦度的光学器件、用于接收图像信息并向用户的眼睛输出图像信息的波导，其中，该系统还包括一个或多个延迟器(retarder)和偏振器，延迟器和偏振器被配置为减少来自光学表面的反射，该反射可输入给该波导作为重影(ghost image)。
图23B是诸如图23A所示的增强现实显示系统的一部分的侧视图，其具有被配置为减少可产生重影的反射的附加的延迟器和偏振器。
图23C是诸如图23A和23B所示的增强现实显示系统的侧视图，其具有减少的延迟器和偏振器，延迟器和偏振器被配置为减少可产生重影的反射。
图24是增强现实显示系统的侧视图，该增强现实显示系统利用诸如盖玻璃上的倾斜表面之类的倾斜表面来将反射定向远离被定向到用户的眼睛中，从而潜在地减少重影反射。
图25是图24的系统的实施例，其中，盖玻璃上的倾斜表面被配置为将反射朝向吸收光的光收集器定向。
图26A和26B是增强现实显示系统的侧视图，该增强现实显示系统包括目镜，该目镜包括波导堆叠，每个波导具有与其相关联的用于将光耦合到波导中的相应的入耦合光学元件。增强现实显示系统还包括光源、可倾斜的空间光调制器阵列、以及用于照射空间光调制器阵列并取决于空间光调制器的倾斜将从空间光调制器阵列反射的光定向到入耦合光学元件之一中的光学器件。
图26C是图26A和26B所示的显示系统的俯视图，示出了在多个光源的相对侧上布置成两组入耦合光学元件，使得取决于空间光调制器的倾斜，来自光源的光可以被定向到入耦合光学元件组中的一个。
图26D是增强现实显示系统的侧视图，其描绘了被配置为出耦合具有第一发散的光的第一组波导以及被配置为出耦合具有第二发散的光的第二组波导，发散的量是不同的。
图27是增强现实显示系统的侧视图，其描绘了被配置为将光出耦合到第一视野的第一组波导和被配置为将光出耦合到与第一视野不同的第二视野的第二组波导。
图28是增强现实显示系统的侧视图，其描绘了具有相应的出耦合光学元件的第一和第二组波导，其中，用于第一组波导的出耦合光学元件相对于用于第二组波导的出耦合光学元件横向移位，以增大眼箱并提供眼睛可从其观看图像的更多位置。
图29A是增强现实显示系统的侧视图，该增强现实显示系统包括多色光源(例如，时分复用的RGB LED或激光二极管)、波导堆叠、包括不同的颜色选择的入耦合光学元件的不同波导、可以倾斜的空间光调制器阵列、用于照射空间光调制器阵列并取决于空间光调制器阵列的倾斜将从空间光调制器阵列反射的光定向到一组颜色选择的入耦合光学元件的光学器件。
图29B是图29A所示的显示系统的俯视图，示出了在相同横向位置(例如，彼此重叠)的每组中的入耦合光学元件，入耦合光学元件组在多色光源的相对侧上。
图30A是增强现实显示系统的侧视图，该增强现实显示系统包括多色光源(例如，时分复用的RGB LED或激光二极管)、波导堆叠，其中，该堆叠中的不同波导具有与其相关联的相应宽带入耦合光学元件。该显示系统还包括可以倾斜的空间光调制器阵列、用于照射该空间光调制器阵列并取决于该空间光调制器阵列的倾斜将从该空间光调制器阵列反射的光定向至宽带入耦合光学元件之一的光学器件。
图30B是图30A所示的显示系统的俯视图，示出了在多色光源的相对侧上的宽带入耦合光学元件。
具体实施方式
现在将参考附图，在附图中，相同的附图标记始终指代相同的部分。除非另有说明，否则附图是示意性的，不一定按比例绘制。
图2示出了用于为用户模拟三维图像的传统显示系统。应当理解，用户的眼睛是间隔开的，并且当观看空间中的真实对象时，每只眼睛将具有该对象的稍微不同的视图，并且可以在每只眼睛的视网膜上的不同位置处形成该对象的图像。这可以被称为双目视差，并且可以被人类视觉系统用来提供对深度的感知。传统的显示系统通过呈现具有相同虚拟对象的略有不同的视图的两个不同的图像190、200(每只眼睛210a、210b对应一个图像)来模拟双目视差，该略有不同的视图对应于每只眼睛将看到的虚拟对象的视图，如果虚拟对象是期望深度的真实对象的话。这些图像提供了双目提示，用户的视觉系统可以将其解释为获得深度的感知。
继续参考图2，图像190、200与眼睛210a、210b在z轴上间隔开距离230。z轴与用户的光轴平行，其眼睛注视在用户正前方的光学无限远处的对象上。图像190、200是平坦的并且与眼睛210a、210b处于固定的距离。基于分别呈现给眼睛210a、210b的图像中的虚拟对象的略微不同的视图，眼睛可以自然地旋转，使得对象的图像落在每只眼睛的视网膜上的对应点上，以保持单个双目视觉。该旋转可导致眼睛210a、210b中的每只眼睛的视线会聚到空间上的一点，在该点处虚拟对象被感知为存在。结果，提供三维图像通常涉及提供双目提示，该双目提示可操纵眼睛210a、210b的聚散，并且人类视觉系统将其解释为提供深度的感知。
然而，生成对深度的现实且舒适的感知是具有挑战性的。应当理解，来自距眼睛不同距离处的对象的光具有带有不同发散量的波前。图3A-3C示出了距离与光线的发散之间的关系。对象与眼睛210a之间的距离由R1、R2和R3按减小距离的顺序表示。如图3A-3C中所示，随着距对象的距离减小，光线变得更加发散。相反，随着距离增加，光线变得更加准直。换句话说，可以说由点(对象或对象的一部分)产生的光场具有球面波前曲率，该曲率是该点距用户眼睛多远的函数。曲率随着对象和眼睛210a之间的距离减小而增加。尽管为了清楚起见在图3A-3C和在此的其它图中仅示出了单只眼睛210a，但是关于眼睛210a的讨论可以应用于两只眼睛210a和210b。
继续参考图3A-3C，用户眼睛注视在其上的对象发出的光可能具有不同程度的波前发散。由于不同量的波前发散，眼睛的晶状体可能会不同地聚焦光，这进而可能会要求晶状体采取不同的形状以在眼睛的视网膜上形成聚焦图像。在未在视网膜上形成聚焦图像的情况下，所产生的视网膜模糊可作为适应的提示，该适应引起眼睛晶状体形状的改变，直到在视网膜上形成聚焦图像为止。例如，适应的提示可触发眼睛晶状体周围的睫状肌松弛或收缩，从而调节施加到保持晶状体的悬韧带的力，从而引起眼睛晶状体的形状改变直到注视对象的视网膜模糊被消除或最小化，从而在眼睛的视网膜(例如，中央凹)上形成注视对象的聚焦图像。眼睛的晶状体改变形状的过程可以被称为适应，并且形成在眼睛的视网膜(例如，中央凹)上的注视对象的聚焦图像所需的眼睛的晶状体的形状可以被称为适应状态。
现在参考图4A，示出了人类视觉系统的适应-聚散响应的表示。眼睛注视在对象上的运动使眼睛接收来自对象的光，该光在眼睛的每个视网膜上形成图像。在视网膜上形成的图像中视网膜模糊的存在可以提供适应的提示，并且图像在视网膜上的相对位置可以为聚散提供提示。适应的提示使适应发生，导致眼睛的晶状体各自呈现特定的适应状态，该特定的适应状态形成了对象在眼睛的视网膜(例如，中央凹)上的聚焦图像。另一方面，聚散的提示使聚散运动(眼睛的旋转)发生，使得形成在每只眼睛的每个视网膜上的图像位于保持单个双目视觉的对应视网膜点处。在这些位置中，可以说眼睛已呈现特定的聚散状态。继续参考图4A，适应可以被理解为眼睛达到特定的适应状态的过程，而聚散可以被理解为眼睛达到特定的聚散状态的过程。如图4A中所示，如果用户注视在另一对象上，则眼睛的适应和聚散状态可能改变。例如，如果用户在z轴上的不同深度处注视在新对象上，则适应状态可能改变。
在不受理论限制的情况下，相信对象的用户可能由于聚散和适应的组合而将对象感知为“三维”。如上所述，两只眼睛相对于彼此的聚散运动(例如，眼睛的旋转，使得瞳孔彼此朝向或远离移动以会聚眼睛的视线以注视在对象上)与眼睛的晶状体的适应紧密相关。在正常情况下，改变眼睛的晶状体形状以将焦点从一个对象改变到不同距离处的另一对象，将在称为“适应-聚散反射”的关系下自动导致在聚散上距相同距离的匹配变化。同样，在正常情况下，聚散的变化将触发晶状体形状的匹配变化。
现在参考图4B，示出了眼睛的不同适应和聚散状态的示例。一对眼睛222a在光学无限远处注视在对象上，而一对眼睛222b在小于光学无限远处注视在对象221上。值得注意的是，每对眼睛的聚散状态不同，该对眼睛222a笔直指向前方，而该对眼睛222会聚在对象221上。形成每对眼睛222a和222b的眼睛的适应状态也不同，如晶状体220a、220b的不同形状所代表的。
不期望地，由于这些显示器中的适应状态和聚散状态之间的失配，传统“3D”显示系统的许多用户发现此类传统系统不舒适或根本无法感知深度感。如上所述，许多立体或“3D”显示系统通过向每只眼睛提供略有不同的图像来显示场景。此类系统对于许多用户来说是不舒适的，因为它们尤其提供了场景的不同呈现并且引起眼睛的聚散状态的改变，但是没有相应地改变那些眼睛的适应状态。相反，通过显示器在距眼睛的固定距离处示出图像，使得眼睛在单个适应状态下观看所有图像信息。此类布置通过引起聚散状态的变化而没有适应状态的匹配变化来对抗“适应-聚散反射”。据信该失配会引起用户不适。在适应和聚散之间提供更优匹配的显示系统可能会形成更逼真的且更舒适的三维图像模拟。
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深度平面相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。在一些实施例中，不同的呈现可以提供聚散的提示和适应的匹配提示二者，从而提供生理上正确的适应-聚散匹配。
继续参考图4B，示出了两个深度平面240，其对应于距眼睛210a、210b在空间上的不同距离。对于给定的深度平面240，可以通过为每只眼睛210a、210b显示适当不同视角的图像来提供聚散提示。此外，对于给定的深度平面240，形成提供给每只眼睛210a、210b的图像的光可以具有与该深度平面240的距离处的点所产生的光场相对应的波前发散。
在所示的实施例中，包含点221的深度平面240沿z轴的距离为1m。如在此所使用的，可以采用位于用户眼睛的瞳孔处的零点来测量沿z轴的距离或深度。因此，位于深度为1m的深度平面240对应于在这些眼睛的光轴上距用户眼睛的瞳孔1m的距离，眼睛朝向光学无限远引导。作为近似，可以从用户眼睛前面的显示器(例如，从波导的表面)测量沿z轴的深度或距离，再加上该设备与用户眼睛的瞳孔之间的距离值。该值可以称为眼距，并且对应于用户眼睛的瞳孔与用户在眼睛前面佩戴的显示器之间的距离。实际上，眼距的值可以是通常用于所有用户的归一化值。例如，可以假设眼距为20mm，并且深度1m处的深度平面在显示器前面的距离可以为980mm。
现在参考图4C和4D，分别示出了匹配的适应-聚散距离和失配的适应-聚散距离的示例。如图4C中所示，显示系统可以向每只眼睛210a、210b提供虚拟对象的图像。图像可以使眼睛210a、210b呈现聚散状态，在该状态中眼睛会聚在深度平面240上的点15上。另外，图像可以由具有与该深度平面240处的真实对象相对应的波前曲率的光形成。结果，眼睛210a、210b呈现适应状态，在该状态中图像聚焦在那些眼睛的视网膜上。因此，用户可以将虚拟对象感知为在深度平面240上的点15处。
应当理解，眼睛210a、210b的适应状态和聚散状态中的每一种状态都与z轴上的特定距离相关联。例如，距眼睛210a、210b特定距离处的对象使那些眼睛基于该对象的距离呈现特定的适应状态。与特定的适应状态相关联的距离可以被称为适应距离Ad。类似地，在特定的聚散状态或相对于彼此的位置中，存在与眼睛相关联的特定的聚散距离Vd。在适应距离和聚散距离匹配的情况下，适应和聚散之间的关系可以说是生理上正确的。对于用户来说，这被认为是最舒适的场景。
然而，在立体显示器中，适应距离和聚散距离可能并不总是匹配。例如，如图4D中所示，显示给眼睛210a、210b的图像可以以与深度平面240相对应的波前发散来显示，并且眼睛210a、210b可以呈现特定的适应状态，在该状态中在该深度平面上的点15a、15b处于焦点。然而，显示给眼睛210a、210b的图像可能会提供聚散提示，该提示使眼睛210a、210b会聚在未位于深度平面240上的点15上。结果，在一些实施例中，适应距离对应于从眼睛210a、210b的瞳孔到深度平面240的距离，而聚散距离对应于从眼睛210a、210b的瞳孔到点15的较大距离。适应距离不同于聚散距离。因此，存在适应-聚散失配。此类失配被认为是不期望的，并且可能导致用户不适。应当理解，失配对应于距离(例如，Vd-Ad)，并且可以使用屈光度来表征。
在一些实施例中，应当理解，除了眼睛210a、210b的瞳孔之外的参考点可以被用于确定用于确定适应-聚散失配的距离，只要相同的参考点被用于适应距离和聚散距离。例如，可以测量从角膜到深度平面，从视网膜到深度平面，从目镜(例如，显示设备的波导)到深度平面的距离等。
在不受理论限制的情况下，据信用户仍可将高达约0.25屈光度、高达约0.33屈光度和高达约0.5屈光度的适应-聚散失配感知为生理上正确的，而失配本身不会引起严重不适。在一些实施例中，在此公开的显示系统(例如，图6的显示系统250)向用户呈现具有约0.5屈光度或更小的适应-聚散失配的图像。在一些其它实施例中，由显示系统提供的图像的适应-聚散失配为约0.33屈光度或更小。在其它实施例中，由显示系统提供的图像的适应-聚散失配为约0.25屈光度或更小，包括约0.1屈光度或更小。
图5示出了通过修改波前发散来模拟三维图像的方法的方面。该显示系统包括波导270，该波导270被配置为接收用图像信息编码的光770，并将该光输出到用户的眼睛210。波导270可以输出具有限定量的波前发散的光650，该限定量的波前发散与由所期望的深度平面240上的点产生的光场的波前发散相对应。在一些实施例中，为在该深度平面上呈现的所有对象提供相同量的波前发散。另外，将说明可以向用户的另一只眼睛提供来自类似波导的图像信息。
在一些实施例中，单个波导可以被配置为输出具有与单个或有限数量的深度平面相对应的设定量的波前发散的光，和/或波导可以被配置为输出有限波长范围的光。因此，在一些实施例中，可以利用堆叠的波导来为不同的深度平面提供不同量的波前发散和/或输出不同波长范围的光。如在此所使用的，应当理解，在深度平面处可以遵循平坦或弯曲表面的轮廓。在一些实施例中，有利地，为简单起见，深度平面可以遵循平坦表面的轮廓。
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包括波导的堆叠，或堆叠的波导组件260，其可以用于使用波导270、280、290、300、310向眼睛/大脑提供三维感知。将理解的是，在一些实施例中，显示系统250可以被认为是光场显示器。另外，波导组件260也可以被称为目镜。
在一些实施例中，显示系统250可以被配置为提供聚散的基本上连续的提示和适应的多个离散的提示。可以通过向用户的每只眼睛显示不同的图像来提供聚散的提示，并且可以通过输出具有可选择的离散量的波前发散的形成图像的光来提供适应的提示。换句话说，显示系统250可以被配置为输出具有可变水平的波前发散的光。在一些实施例中，波前发散的每个离散水平对应于特定的深度平面，并且可以由波导270、280、290、300、310中的特定波导提供。
继续参考图6，波导组件260还可以在波导之间包括特征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/或特征(例如，透镜)320、330、340、350可以被配置为以各种水平的波前曲率或光线发散向眼睛发送图像信息。每个波导水平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相对应的图像信息。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，其可以被配置为将入射光分配在每个相应的波导上，用于朝向眼睛210输出。光从图像注入设备360、370、380、390、400的输出表面410、420、430、440、450出射，并且注入波导270、280、290、300、310的对应输入表面460、470、480、490、500。在一些实施例中，输入表面460、470、480、490、500中的每个输入表面可以是对应波导的边缘，或者可以是对应波导的主表面的一部分(也就是说，直接面对世界510或用户的眼睛210的波导表面之一)。在一些实施例中，可以将单个光束(例如，准直光束)注入每个波导中，以输出克隆的准直光束的整个场，该准直光束以与与特定波导相关联的深度平面相对应的特定角度(和发散量)朝向眼睛210引导。在一些实施例中，图像注入设备360、370、380、390、400中的单个图像注入设备可以与波导270、280、290、300、310中的一个或多个(例如，三个)相关联并将光注入到其中。
在一些实施例中，图像注入设备360、370、380、390、400是离散的显示器，其各自产生图像信息以分别注入到对应的波导270、280、290、300、310中。在一些其它实施例中，图像注入设备360、370、380、390、400是单个多路复用显示器的输出端，该显示器可以例如经由一个或多个光导管(诸如光纤电缆)将图像信息输送到图像注入设备360、370、380、390、400中的每一个图像注入设备。应当理解，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(例如，如在此所述，不同分量的颜色)。
在一些实施例中，注入到波导270、280、290、300、310中的光由光投影仪系统520提供，该光投影仪系统520包括光模块530，该光模块530可以包括诸如发光二极管(LED)的光发射器。来自光模块530的光可以经由分束器550被引导至光调制器540(例如空间光调制器)并由其修改。光调制器540可以被配置为改变注入到波导270、280、290、300、310中的光的感知强度，以采用图像信息对光进行编码。空间光调制器的示例包括液晶显示器(LCD)，该液晶显示器包括硅上液晶(LCOS)显示器。应当理解，示意性地示出了图像注入设备360、370、380、390、400，并且在一些实施例中，这些图像注入设备可以代表配置为将光输出到波导270、280、290、300、310中的相关联波导中的公共投影系统中的不同光路和位置。在一些实施例中，波导组件260的波导可以用作理想透镜，同时将注入波导中的光中继到用户的眼睛。在该概念中，对象可以是空间光调制器540，并且图像可以是深度平面上的图像。
在一些实施例中，显示系统250可以是包括一根或多根扫描光纤的扫描光纤显示器，该一根或多根扫描光纤被配置为将各种模式(例如，光栅扫描、螺旋扫描、Lissajous模式等)的光投射到一个或多个波导270、280、290、300、310中，并且最后到用户的眼睛210。在一些实施例中，所示的图像注入设备360、370、380、390、400可以示意性地表示被配置为将光注入到波导270、280、290、300、310中的一个或多个波导的单个扫描光纤或扫描光纤束。在一些其它实施例中，所示的图像注入设备360、370、380、390、400可以示意性地表示一个或多个扫描光纤或一个或多个扫描光纤束，扫描光纤或扫描光纤束中的每一个被配置为将光注入到波导270、280、290、300、310中的相关联波导中。应当理解，一个或多个光纤可以被配置为将光从光模块530发送到一个或多个波导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中间光学结构，以例如将离开扫描光纤的光重定向到一个或多个波导270、280、290、300、310。
控制器560控制一个或多个堆叠的波导组件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是本地数据处理模块140的一部分。控制器560包括编程(例如，非暂态介质中的指令)，该编程根据例如在此公开的各种方案中的任何方案来调节图像信息到波导270、280、290、300、310的定时和提供。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9D)的一部分。
继续参考图6，可以将波导270、280、290、300、310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每个可以是平面的或具有另一种形状(例如，弯曲的)，具有主要的顶部和底部表面以及在那些主要的顶部和底部表面之间延伸的边缘。在所示的配置中，波导270、280、290、300、310可各自包括出耦合光学元件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之外以将图像信息输出到眼睛210，从而从波导中提取光。尽管在本说明书中被称为“出耦合光学元件”，但是出耦合光学元件不必是光学元件，而可以是非光学元件。提取的光也可以称为出耦合光，并且出耦合光学元件也可以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撞击光提取光学元件的位置处由波导输出。如在此进一步讨论的，出耦合光学元件570、580、590、600、610可以例如是包括衍射光学特征的光栅。虽然示出为设置在波导270、280、290、300、310的底部主表面上，但是为了便于描述和清楚作图起见，在一些实施例中，如在此进一步讨论的，出耦合光学元件570、580、590、600、610可以设置在顶部和/或底部主表面上，和/或可以直接设置在波导270、280、290、300、310的体积中。在一些实施例中，出耦合光学元件570、580、590、600、610可以形成为材料层，该材料层附接到透明基板以形成波导270、280、290、300、310。在其它实施例中，波导270、280、290、300、310可以是单片材料，并且出耦合光学元件570、580、590、600、610可以形成在该片材料的表面上和/或内部中。
继续参考图6，如在此所述，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(其被注入到此类波导270中)传送到眼睛210。准直光可以代表光学无限远焦平面。下一个波导向上280可以被配置为在准直光可到达眼睛210之前发出通过第一透镜350(例如，负透镜)的准直光；此类第一透镜350可以被配置为产生轻微的凸面的波前曲率，使得眼睛/大脑将来自下一个波导向上280的光解释为来自光学无限远更近地向内朝向眼睛210的第一焦平面。类似地，第三向上波导290在到达眼睛210之前使它的输出光通过第一透镜350和第二透镜340二者；第一350和第二340透镜的组合光焦度(optical power)可以被配置为产生另一增量的波前曲率，使得眼睛/大脑将来自第三波导290的光解释为来自第二焦平面，该第二焦平面比来自下一个波导向上280的光从光学无限远更近地向内朝向人。
其它波导层300、310和透镜330、320被类似地配置，其中堆叠中的最高波导310通过其与眼睛之间的所有透镜发送其输出，以代表最接近人的焦平面的总(aggregate)焦度。在观看/解释来自堆叠波导组件260的另一侧上的世界510的光时，为了补偿透镜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的总焦度。此类配置提供与可用的波导/透镜对一样多的感知焦平面。波导的出耦合光学元件和透镜的聚焦方面二者都可以是静态的(即，不是动态的或电激活的)。在一些替代实施例中，使用电激活特征，上述中的一个或二者可以是动态的。
在一些实施例中，波导270、280、290、300、310中的两个或更多个波导可以具有相同的相关联深度平面。例如，多个波导270、280、290、300、310可以被配置为输出设置到相同深度平面的图像，或者波导270、280、290、300、310的多个子集可以被配置为输出设置到相同的一个或多个深度平面的图像，其中对于每个深度平面设置一组。这可以提供用于形成平铺图像以在那些深度平面处提供扩大的视野的优点。
继续参考图6，出耦合光学元件570、580、590、600、610可以被配置为既将光重定向到其相应的波导之外，并且针对与波导相关联的特定深度平面以适当的发散或准直量输出该光。结果，具有不同的相关联深度平面的波导可以具有出耦合光学元件570、580、590、600、610的不同配置，其取决于相关联的深度平面以不同的发散量输出光。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，出耦合光学元件570、580、590、600、610是形成衍射图案的衍射特征，或者是“衍射光学元件”(在此也称为“DOE”)。优选地，DOE具有足够低的衍射效率，使得光束的仅一部分在DOE的每个相交处被偏转出朝向眼睛210，而其余的继续经由TIR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，该光束在多个位置处离开波导，并且结果是对于在波导内弹跳(bounce)的该特定准直光束，朝向眼睛210的出射的图案相当均匀。
在一些实施例中，一个或多个DOE可以在它们主动衍射的“开”状态和它们没有明显衍射的“关”状态之间切换。例如，可切换DOE可以包含聚合物分散的液晶层，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与主体材料的折射率基本上匹配(在该情况下，该图案不会明显地衍射入射光)，或者可以将微滴切换到与主体介质的折射率不匹配的折射率(在该情况下，该图案主动衍射入射光)。
在一些实施例中，可以提供相机组件630(例如，包括可见光和红外光相机的数字相机)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。如在此所使用的，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可包括图像捕获设备和以将光(例如，红外光)投射到眼睛的光源，然后该光可被眼睛反射并由图像捕获设备检测。在一些实施例中，相机组件630可以附接到框架80(图9D)，并且可以与处理模块140和/或150电连通，该处理模块140和/或150可以处理来自相机组件630的图像信息。在一些实施例中，一个相机组件630可以用于每只眼睛，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，但是应当理解，波导组件260(图6)中的其它波导可以类似地起作用，其中波导组件260包括多个波导。光640在波导270的输入表面460处注入到波导270中，并通过TIR在波导270内传播。在光640入射在DOE 570上的点处，光的一部分作为出射光束650离开波导。出射光束650示为基本上平行，但是，如在此所述，取决于与波导270相关联的深度平面，它们还可以被重定向以一定角度传播到眼睛210(例如，形成发散的出射光束)。应当理解，基本上平行的出射光束可以指示具有出耦合光学元件的波导，该出耦合光学元件将光出耦合以形成看起来被设置在距眼睛210很大距离(例如，光学无限远)处的深度平面上的图像。其它波导或其它组出耦合光学元件可能会输出更发散的出射光束图案，该图案将需要眼睛210适应更近的距离以将其聚焦在视网膜上，并且将由大脑解释为光来自比光学无限远更靠近眼睛210的距离。
在一些实施例中，可以通过在诸如三个或更多个分量颜色的每个分量颜色中覆盖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个不同分量颜色形成的图像。所示的实施例示出了深度平面240a-240f，但是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更多个分量颜色图像，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，不同的深度平面由字母G、R和B之后的屈光度(dpt)的不同数字表示。作为示例，这些字母中的每个字母之后的数字都指示屈光度(1/m)或深度平面距用户的距离的倒数，并且图中的每个框代表单独的分量颜色图像。在一些实施例中，为了解决眼睛对不同波长的光聚焦的差异，针对不同分量颜色的深度平面的确切位置可能会有所不同。例如，针对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。此类布置可以增加视觉敏锐度和用户舒适度和/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。在此类实施例中，图中的包括字母G、R或B的每个框可以被理解为代表单独的波导，并且每深度平面可以提供三个波导，其中每深度平面提供三个分量颜色图像。尽管为了便于描述，在该图中将与每个深度平面相关联的波导示出为彼此相邻，但是应当理解，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，相同的波导可以输出多个分量颜色，使得例如每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，并且B是蓝色。在一些其它实施例中，除了红色、绿色或蓝色中的一个或多个之外或可以替代红色、绿色或蓝色中的一个或多个，可以使用与其它波长的光相关联的其它颜色，包括品红色和青色。
应当理解，在整个本公开中，对给定颜色的光的引用将被理解为涵盖被用户感知为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530(图6)可以被配置为发射用户的视觉范围之外的一个或多个波长的光，例如，红外和/或紫外波长。另外，显示器250的波导的入耦合、出耦合和其它光重定向结构可以被配置为将该光朝向眼睛210引导并发射出显示器，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，可能需要重定向撞击到波导上的光以将该光入耦合到波导中。入耦合光学元件可以用于将光重定向并入耦合到其对应的波导中。尽管在本说明书中被称为“入耦合光学元件”，但是入耦合光学元件不必是光学元件，而可以是非光学元件。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，每个堆叠波导包括入耦合光学元件。波导可以各自被配置为输出一种或多种不同波长或一种或多种不同波长范围的光。应当理解，除了来自图像注入设备360、370、380、390、400中的一个或多个图像注入设备的光从需要将光重定向以入耦合的位置注入到波导中之外，堆叠660可以对应于堆叠260(图6)，并且堆叠660的所示波导可以对应于波导270、280、290、300、310的一部分。
所示的堆叠波导组660包括波导670、680和690。每个波导包括相关联的入耦合光学元件(其也可以称为波导上的光输入区域)，例如，设置在波导670的主表面(例如，上主表面)上的入耦合光学元件700、设置在波导680的主表面(例如，上主表面)上的入耦合光学元件710，以及设置在波导690的主表面(例如，上主表面)上的入耦合光学元件720。在一些实施例中，入耦合光学元件700、710、720中的一个或多个可以设置在相应的波导670、680、690(特别是一个或多个入耦合光学元件是反射的偏转光学元件的情况)的底部主表面上。如图所示，入耦合光学元件700、710、720可设置在它们相应的波导670、680、690(或下一个较低的波导的顶部)的上主表面上，特别是那些入耦合光学元件是透射的偏转光学元件的情况。在一些实施例中，入耦合光学元件700、710、720可设置在相应的波导670、680、690的主体中。在一些实施例中，如在此所讨论的，入耦合光学元件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，同时透射其它波长的光。虽然在它们相应的波导670、680、690的一侧或角上示出，但是应当理解，在一些实施例中，入耦合光学元件700、710、720可以设置在其相应的波导670、680、690的其它区域中。
如图所示，入耦合光学元件700、710、720可以在横向上彼此偏移。在一些实施例中，每个入耦合光学元件可以被偏移，使得其接收光而该光不穿过另一入耦合光学元件。例如，如图6中所示，每个入耦合光学元件700、710、720可被配置为从不同的图像注入设备360、370、380、390和400接收光，并且可以与其它入耦合光学元件700、710、720分离(例如，横向间隔开)，使得它基本上不从入耦合光学元件700、710、720中的其它入耦合光学元件接收光。
每个波导还包括相关联的光分配元件，例如，设置在波导670的主表面(例如，顶部主表面)上的光分配元件730、设置在波导680的主表面(例如，顶部主表面)上的光分配元件740，以及设置在波导690的主表面(例如，顶部主表面)上的光分配元件750。在一些其它实施例中，光分配元件730、740、750可分别设置在相关联波导670、680、690的底部主表面上。在一些其它实施例中，光分配元件730、740、750可以分别设置在相关联波导670、680、690的顶部主表面和底部主表面二者上；或光分配元件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可以例如由气体、液体和/或固体材料层间隔开并分离。例如，如图所示，层760a可以分离波导670和680；并且层760b可以分离波导680和690。在一些实施例中，层760a和760b由低折射率材料(也就是说，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。优选地，形成层760a、760b的材料的折射率是形成波导670、680、690的材料的折射率的0.05或更大，或者是0.10或更小。有利地，较低折射率层760a、760b可以用作包层，该包层有助于通过波导670、680、690的光的全内反射(TIR)(例如，每个波导的顶部和底部主表面之间的TIR)。在一些实施例中，层760a、760b由空气形成。尽管未示出，但是应当理解，所示出的波导组660的顶部和底部可以包括紧邻的包层。
优选地，为了易于制造和其它考虑，形成波导670、680、690的材料相似或相同，并且形成层760a、760b的材料相似或相同。在一些实施例中，在一个或多个波导之间，形成波导670、680、690的材料可以是不同的，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入射在该波导组660上。应当理解，可以通过一个或多个图像注入设备360、370、380、390、400(图6)将光线770、780、790注入波导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，不同的波长或不同的波长范围，其可以对应于不同的颜色。入耦合光学元件700、710、720每个使入射光偏转，使得光通过TIR传播通过波导670、680、690中的相应波导。在一些实施例中，入耦合光学元件700、710、720每个选择性地偏转一个或多个特定波长的光，同时将其它波长透射到下面的波导和相关联的入耦合光学元件。
例如，入耦合光学元件700可以被配置为使具有第一波长或波长范围的光线770偏转，同时透射分别具有不同的第二和第三波长或波长范围的光线780和790。透射光线780撞击到入耦合光学元件710上并由其偏转，该入耦合光学元件710被配置为使第二波长或波长范围的光偏转。光线790由入耦合光学元件720偏转，该入耦合光学元件720被配置为选择性地偏转第三波长或波长范围的光。
继续参考图9A，偏转的光线770、780、790被偏转，使得它们传播通过对应的波导670、680、690；也就是说，每个波导的入耦合光学元件700、710、720将光偏转到对应的波导670、680、690中，以将光入耦合到对应的波导中。光线770、780、790以使光通过TIR传播通过相应波导670、680、690的一定角度偏转。光线770、780、790通过TIR传播通过相应的波导670、680、690，直到撞击到波导的对应的光分配元件730、740、750上。
现在参考图9B，示出了图9A的堆叠的波导的示例的视角。如上所述，入耦合的光线770、780、790分别由入耦合光学元件700、710、720偏转，并且然后通过TIR分别在波导670、680、690内传播。然后，光线770、780、790分别撞击在光分配元件730、740、750上。光分配元件730、740、750使光线770、780、790偏转，使得它们分别朝向出耦合光学元件800、810、820传播。
在一些实施例中，光分配元件730、740、750是正交光瞳扩展器(OPE)。在一些实施例中，OPE将光偏转或分配到出耦合光学元件800、810、820，并且在一些实施例中，当光传播到出耦合光学元件时，还可以增加该光的光束或光斑大小。在一些实施例中，可以省略光分配元件730、740、750，并且可以将入耦合光学元件700、710、720配置为将光直接偏转到出耦合光学元件800、810、820。例如，参考图9A，光分配元件730、740、750可以分别用出耦合光学元件800、810、820代替。在一些实施例中，出耦合光学元件800、810、820是将光引导到眼睛210中的出射光瞳(EP)或出射光瞳扩展器(EPE)(图7)。应当理解，OPE可被配置为在至少一个轴上增加眼箱的尺寸，而EPE可被配置为在与OPE的轴相交(例如，正交)的轴线上增加眼箱。例如，每个OPE可被配置为将撞击OPE的光的一部分重定向到相同波导的EPE，同时允许光的其余部分继续沿波导向下传播。再次撞击在OPE上时，其余光的另一部分被重定向到EPE，并且该部分的其余部分继续沿波导向下进一步传播，依此类推。同样，在撞击EPE时，撞击的光的一部分从波导朝向用户向外引导，并且该光的其余部分继续传播通过波导，直到再次撞击EP，此时，撞击的光的另一部分被引导出波导，依此类推。因此，每次通过OPE或EPE重定向该光的一部分时，都可以“复制”单个入耦合光束，从而形成克隆光束的场，如图6中所示。在一些实施例中，OPE和/或EPE可以被配置为修改光束的大小。
相应地，参考图9A和图9B，在一些实施例中，该波导组660包括波导670、680、690；入耦合光学元件700、710、720；光分配元件(例如OPE)730、740、750；以及每个分量颜色的出耦合光学元件(例如EP)800、810、820。波导670、680、690可以以每个波导之间的气隙/包层堆叠。入耦合光学元件700、710、720将入射光(具有接收不同波长的光的不同的入耦合光学元件)重定向或偏转到其波导中。然后，光以一定角度传播，该角度将导致相应的波导670、680、690内的TIR。在所示示例中，光线770(例如，蓝光)由第一入耦合光学元件700偏转，并且然后继续以先前描述的方式沿波导向下反弹，与光分配元件(例如，OPE)730以及然后与出耦合光学元件(例如，EP)800相互作用。光线780和790(例如，分别为绿色和红色)将穿过波导670，光线780撞击在入耦合光学元件710上并由入耦合光学元件710偏转。然后，光线780经由TIR沿波导680向下反弹，继续进行到其光分配元件(例如，OPE)740，以及然后进行到出耦合光学元件(例如，EP)810。最后，光线790(例如，红光)穿过波导690撞击到波导690的光入耦合光学元件720上。光入耦合光学元件720使光线790偏转，使得光线通过TIR传播到光分配元件(例如，OPE)750，并且然后通过TIR传播到出耦合光学元件(例如，EP)820。然后，出耦合光学元件820最终将光线790出耦合到用户，该用户还从其它波导670、680接收出耦合光。
图9C示出了图9A和图9B的堆叠的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配元件730、740、750和相关联的出耦合光学元件800、810、820可以垂直对齐。然而，如在此所述，入耦合光学元件700、710、720不是垂直对齐的；相反，入耦合光学元件优选地是非重叠的(例如，如在俯视平面图中所见，横向地间隔开)。如在此进一步讨论的，该非重叠的空间布置有利于将来自不同资源的光一对一地注入到不同的波导中，从而允许将特定的光源唯一地耦合到特定波导。在一些实施例中，包括非重叠的空间分离的入耦合光学元件的布置可以被称为移位光瞳系统，并且这些布置内的入耦合光学元件可以对应于子光瞳。
图9D示出了可穿戴显示系统60的示例，可将在此所公开的各种波导和相关系统集成到该显示系统60中。在一些实施例中，显示系统60是图6的系统250，图6示意性地更详细地示出了该系统60的一些部分。例如，图6的波导组件260可以是显示器70的一部分。
继续参考图9D，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可以耦合至框架80，该框架80可由显示系统用户或用户90穿戴，并且被配置为将显示器70定位在用户90的眼睛前面。在一些实施例中，显示器70可以被认为是眼镜。在一些实施例中，扬声器100耦合到框架80，并且被配置为定位在用户90的耳道附近(在一些实施例中，未示出的另一扬声器可以可选地定位在用户的另一耳道附近，以提供立体声/整形的声音控制)。显示系统60还可包括一个或多个麦克风110或检测声音的其它设备。在一些实施例中，麦克风被配置为允许用户向系统60提供输入或命令(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(例如与相似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60可进一步包括一个或多个向外定向的环境传感器112，该环境传感器112被配置为检测用户周围的对象、刺激、人、动物、位置或世界的其它方面。例如，环境传感器112可以包括一个或多个相机，该相机可以例如面向外定位以便捕获与用户90的普通视野的至少一部分类似的图像。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分离并附接到用户90的身体(例如，用户90的头部、躯干、四肢上等)。在一些实施例中，外围传感器120a可以被配置为获得表征用户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9D，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，固定地附接到用户佩戴的头盔或帽子，嵌入耳机中，或者以其它方式可移除地附接到用户90(例如，以背包式配置、以皮带耦合式配置)。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器和数据模块140。本地处理和数据模块140可以包括硬件处理器以及数字存储器，诸如非易失性存储器(例如，闪存或硬盘驱动器)，二者均可以用于辅助数据的处理、缓存和存储。可选地，本地处理器和数据模块140可以包括一个或多个中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、专用处理硬件等。数据可以包括如下数据：a)从传感器(例如，可以可操作地耦合到框架80或以其它方式附接到用户90)捕获的，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、罗盘、GPS单元、无线设备、陀螺仪和/或在此公开的其它传感器；和/或b)使用远程处理模块150和/或远程数据存储库160(包括与虚拟内容有关的数据)获得和/或处理的，可能在此类处理或取得之后传递给显示器70。本地处理和数据模块140可以由通信链路170、180，诸如经由有线或无线通信链路，可操作地耦合到远程处理模块150和远程数据存储库160，使得这些远程模块150、160可操作地彼此耦合，并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可以包括一个或多个图像捕获设备、麦克风、惯性测量单元、加速度计、罗盘、GPS单元、无线设备和/或陀螺仪。在一些其它实施例中，这些传感器中的一个或多个传感器可以附接到框架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通信的独立结构。
继续参考图9D，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，例如包括一个或多个中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、专用处理硬件等。在一些实施例中，远程数据存储库160可以包括数字数据存储设施，该数字数据存储设施可以通过互联网或“云”资源配置中的其它网络配置而可用。在一些实施例中，远程数据存储库160可以包括一个或多个远程服务器，该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，所有数据都存储在本地处理和数据模块中，并且所有计算都在本地处理和数据模块中执行，从而允许从远程模块完全自主地使用。可选地，包括CPU、GPU等的外部系统(例如，一个或多个处理器、一个或多个计算机的系统)可以执行至少一部分处理(例如，生成图像信息、处理数据)，并且例如经由无线或有线连接向模块140、150、160提供信息，以及从模块140、150、160接收信息。
图10是示出了投影仪组件1000的示意图，该投影仪组件1000利用偏振分束器(PBS)1020照射空间光调制器(SLM)1030并且将来自SLM 1030的光通过投影光学器件1040重定向到目镜(未示出)。投影仪组件1000包括照射源1010，照射源1010可包括例如发光二极管(LED)、激光器(例如，激光二极管)或其他类型的光源。该光可以通过准直光学器件准直。照射源1010可以发射偏振、非偏振或部分偏振的光。在所示的设计中，照射源1010可以发射偏振为具有p偏振的光1012。第一光学元件1015(例如，预偏振器)被对准以使具有第一偏振(例如，p偏振)的光通过。
该光被定向到偏振分束器1020。最初，光穿过PBS 1020的界面1022(例如，偏振界面)，其被配置为透射第一偏振(例如，p偏振)的光。因此，光继续并入射到空间光调制器1030上。如图所示，SLM 1030是反射式SLM，其被配置为向后反射(retro-reflect)入射的光并选择性地调制光。SLM 1030例如包括可以具有不同状态的一个或多个像素。入射在各个像素上的光可以基于像素的状态来调制。因此，SLM 1030可被驱动以调制光以便提供图像。在该示例中，SLM 1030可以是基于偏振的SLM，其调制入射在其上的光的偏振。例如，在开启状态下，SLM 1030的像素将输入光从第一偏振状态(例如，p偏振状态)改变为第二偏振状态(例如，s偏振状态)，使得示出了亮状态(例如，白色像素)。第二偏振状态可以是被调制(例如，旋转)90°的第一偏振状态。在开启状态下，具有第二偏振状态的光被界面1022反射并向下游传播到投影仪光学器件1040。在关闭状态下，SLM 1030不会改变入射在其上的光的偏振状态，例如不从第一偏振状态旋转输入光，因此示出了暗状态(例如，黑色像素)。在关闭状态下，具有第一偏振状态的光被透射通过界面1022，并向上游传播回到照射源1010，而不是用户的眼睛。
在从SLM 1030反射之后，光1014的一部分(例如，调制光)被从界面1022反射并离开PBS 1020，以被定向到用户的眼睛。所发射的光穿过投影仪光学器件1040，并被成像到目镜(未示出)的入耦合光栅(ICG)1050上。
图11A示出了用于向用户的眼睛210呈现图像并用于观看世界510的系统(例如，增强现实显示系统)1100A，该系统具有图10所示的替代配置。系统1100包括光源1110、空间光调制器(SLM)1140和波导1120，其被布置为使得来自光源1110的光照射SLM 1140并且从SLM1140反射的光耦合到波导1120中以被定向到眼睛210。系统1100A包括被设置为既照射SLM1140又投影SLM 1140的图像的光学器件1130。例如，来自光源1110的光沿第一方向传播通过光学器件1130到SLM 1140上，从而照射SLM 1140。从SLM 1140反射的光再次沿与第一方向相反的第二方向上传播通过光学器件1130，并被定向至波导1120并耦合在其中。
光源1110可包括发光二极管(LED)、激光器(例如，激光二极管)或其他类型的光源。光源1110可以是偏振光源，但是光源1110不必限于此。在一些实施方式中，偏振器1115可以位于光源1110和SLM 1140之间。如图所示，偏振器1115在光源1110和波导1120之间。该偏振器1115也可以是光回收器，其透射第一偏振的光并将第二偏振的光反射回光源1110。这种偏振器1115可以是例如线栅偏振器。诸如非成像光学元件(例如，锥形、复合抛物线形收集器(CPC，透镜))之类的耦合光学器件1105可以相对于光源1110设置以接收从光源1110输出的光。耦合光学器件1105可以收集来自光源1110的光，并且在某些情况下，可以减少从光源1110发射的光的发散。耦合光学器件1105可以例如准直从光源1110输出的光。耦合光学器件1105可以收集与系统1100A的角谱视野(angular spectrum field of view)匹配的光。因此，耦合光学器件1105可以使由光源1110输出的光的角谱与系统1100A的视野相匹配。耦合光学器件1105可以具有不对称的轮廓，以不对称地对从光源1110发射的光进行操作。例如，耦合光学器件1105可以在正交方向(例如，x和z方向)上减少不同量的发散。耦合光学器件1105中的这种不对称可以解决从光源1110发射的光中的不对称，光源1110可包括例如激光二极管，该激光二极管在与正交方向(例如分别为z或x)相反的一个方向(例如，x或z)上发射更宽角度范围的光。
如上所述，系统1100A包括光学器件1130，该光学器件1130被配置为照射SLM1140，其被设置在光源1110和SLM 1140之间的光路上。光学器件1130可包括透射来自光源1110的光到SLM 1140的透射光学器件。光学器件1130也可被配置为将SLM 1140的图像或由SLM 1140形成的图像投影到波导1120中。图像可以被投影到眼睛210的眼睛中。在一些设计中，光学器件1130可包括一个或多个具有光焦度的透镜或光学元件。光学器件1130可以例如具有正光焦度。光学器件1130可包括一个或多个折射光学元件，例如折射透镜。也可以使用其他类型的光学元件。
SLM 1140可以是反射式的，调制和反射来自其的光。SLM 1140可以是被配置为调制偏振的基于偏振的SLM。SLM 1140可以例如包括液晶(LC)SLM(例如，硅上液晶(LCOS)SLM)。LC SLM可以例如包括扭曲向列(twisted nematic)(TN)液晶。参考图10，SLM 1140可以基本上类似于SLM 1030。SLM 1140可以例如包括一个或多个像素，该一个或多个像素被配置为根据像素的状态选择性地调制入射在像素上的光。对于某些类型的SLM 1140，像素可以例如通过更改偏振状态例如旋转偏振(例如，旋转线性偏振光的取向)来调制入射在其上的光束。
如上所述，SLM 1140可以是LCOS SLM 1140。在交叉偏振器配置中，LCOS SLM 1140可以标称为白色。当像素关闭(例如，0电压)时，其具有亮状态，而当像素开启(例如，高于阈值开启电压的电压)时，其具有暗状态。在这种交叉偏振配置中，当像素处于开启状态并且像素处于暗状态时，泄漏会最小化。
在平行偏振器配置中，LCOS SLM 1140标称是黑色。当像素关闭(例如，0电压)时，其具有暗状态，而当像素开启(例如，高于阈值开启电压的电压)时，其具有亮状态。在这种平行偏振器配置中，当像素关闭并且其具有暗状态时，泄漏会最小化。可以使用摩擦方向和补偿角来(重新)优化暗状态。补偿角可以指代可以在光学器件1130和SLM 1140之间的补偿器的角度，例如，如图20B所示。
平行偏振器配置的动态范围和通量可以与交叉偏振器配置的不同。此外，与交叉偏振器配置不同，可以对平行偏振器配置优化对比度。
系统1100A包括用于将图像信息输出给眼睛210的波导1120。波导1120可以基本上类似于以上讨论的波导270、280、290、300、310、670、680和690。波导1120可包括基本透明的材料，该材料具有足以在其中引导光的折射率。如图所示，波导1120可包括第一侧面1121和与第一侧面1121相对的第二侧面1123以及对应的上主表面和下主表面以及其周围的边缘。第一主表面1121和第二主表面1123可以足够平坦，使得在从SLM1140向眼睛210传播光时可以保留图像信息，使得由SLM 1140形成的图像可被注入眼睛。光学器件1130和SLM 1140可以位于波导1120的第一侧面1121上。光源1110可被设置在第二侧面1123上，使得来自光源1110的光在穿过波导1120并且通过光学器件1130到达SLM 1140之前入射在第二侧面1123上。因此，波导1120可被设置在光源1110和光学器件1130之间。另外，波导1120的至少一部分可以在光源1110和光学器件1130之间延伸，从而光穿过波导1120的一部分到达光学器件1130。因此，从光源1110发射的光可以被定向通过波导1120，进入并通过光学器件1130，并入射在SLM 1140上。SLM 1140将光反射回通过光学器件1130并到达波导1120。
系统1100A还包括用于将来自光学器件1130的光耦合到波导1120中的入耦合光学元件1160。入耦合光学元件1160可被设置在波导1120的主表面(例如，上主表面1123)上。在一些设计中，入耦合光学元件1160可被设置在波导1120的下主表面1121上。在一些设计中，入耦合光学元件1160可被设置在波导1120的主体中。虽然在波导1120的一侧面或拐角处示出，但是入耦合光学元件1160可被设置在波导1120的其他区域中/上。入耦合光学元件1160可以与以上参考图9A、9B和9C描述的入耦合光学元件700、710、720基本相似。入耦合光学元件1160可以是衍射光学元件或反射器。其他结构可以用作入耦合光学元件1160。入耦合光学元件1160可被配置为相对于波导1120的上和下主表面1123、1121以足够大的掠射(grazing)角(例如，大于临界角)将入射在其上的光定向到波导1120中，以在其中通过全内反射被引导。此外，入耦合光学元件1160可以在很宽的波长范围内工作，并且因此被配置为将多种颜色的光耦合到波导1120中。例如，入耦合光学元件1160可被配置为将红光、绿光和蓝光耦合到波导1120中。光源1110可以在不同时间发射红色光、绿色光和蓝色光。
系统1100A包括被设置在波导1120上或中的光分布元件1170。光分布元件1170可以基本上类似于以上关于图9B描述的光分布元件730、740和750。例如，光分布元件1170可以是正交光瞳扩展器(OPE)。光分布元件1170可被配置为通过使沿x方向传播的光例如转向图11B的俯视图中所示的z方向而在波导1120内扩展光。因此，光分布元件1170可被配置为沿z轴增大眼箱的尺寸；参见图11B。光分布元件1170可以例如包括一个或多个衍射光学元件，该衍射光学元件被配置为衍射在波导1120内传播的入射到衍射光学元件的光，从而例如在大体正交的方向上重定向该光。其他配置也是可能的。
如图11B所示，系统1100A还可包括用于将光从波导1120耦合出到眼睛210的出耦合光学元件1180。出耦合光学元件1180可被配置为以与波导1120的上和/或下主表面1123、1121更成法线的角度通过全内反射(TIR)来重定向在波导1120内传播的光，使得光不在波导1120内被引导。相反，该光通过例如下主表面1121从波导1120定向出来。出耦合光学元件1180可以例如包括一个或多个衍射光学元件，该衍射光学元件被配置为对入射在该衍射光学元件的在波导1120内传播的光进行衍射，以便将该光重定向例如出波导1120。其他配置也是可能的。
图11B还示出了相对于光分布光学元件(例如，正交光瞳扩展器)1170和出耦合光学元件1180横向设置的入耦合光学元件1160的位置。图11B还示出了相对于入耦合光学元件1160、光分布光学元件(例如，正交光瞳扩展器)1170和出耦合光学元件1180横向设置的光源1110的位置。
在操作中，系统1100A的光源1110将光发射到耦合光学器件1105中并通过偏振器1115。因此，该光可以被偏振，例如，在第一方向上线性偏振。该偏振光可以透射通过波导1120，进入波导1120的第二主表面并离开波导1120的第一主表面。该光可以通过光学器件1130传播到SLM 1140。光学器件1130准准直和/或选择来自光源1110的光以照射SLM 1140，其可包括基于偏振的调制器，该基于偏振的偏振器调制入射在其上的光的偏振，例如通过根据像素的的状态在逐个像素的基础上选择地旋转调制器的取向。例如，第一像素可以处于第一状态并且旋转偏振，而第二像素可以处于第二状态并且不旋转偏振。耦合光学器件1105和光学器件1130之间的光可以相当均匀地照射SLM 1140。在入射到SLM 1140上之后，光通过光学器件1130被反射回去。光学器件1130可被配置为将来自SLM 1140的图像投影到波导1120中并最终进入眼睛210，以便图像对眼睛210可见。在一些设计中，眼睛210的视网膜是SLM 1140和/或由SLM 1140和/或在SLM 1140上形成的图像的光学共轭。光学器件1130的焦度可有助于将SLM 1140上的图像投影到眼睛210中以及到眼睛210的视网膜上。在一些实施方式中，例如，由出耦合光学元件1180提供的光焦度可以帮助和/或影响最终在眼睛210中形成的图像。当从SLM 1140反射的光通过光学器件1130朝向波导1120行进时，该光学器件充当投影透镜。光学器件可以粗略地用作SLM 1140上的图像到入耦合光学元件1160附近的波导1120中的平面的傅立叶变换。两者一起穿过光学器件1130(来自光源1110的第一个到达SLM 1140，来自SLM 1140的第二个到达波导1120)，可以粗略地对耦合光学器件1105的光瞳成像。光源1110(可能还有耦合光学器件1105和/或偏振器1115)、光学器件1130、SLM1140的对准和取向使得来自光源1110的从SLM 1140反射的光被定向到入耦合光学元件1160上。与耦合光学器件1105相关联的光瞳可以与入耦合光学元件1160对准。光可以穿过SLM 1140和眼睛210之间的光路中的分析器1150(例如，偏振器)。如图11A所示，可以在光学器件1130和入耦合光学元件1160之间的光路上设置分析器(例如，偏振器)1150。分析器1150可以是例如具有透射第一偏振(p偏振)的光并阻挡第二偏振(s偏振)的光(反之亦然)的取向的线性偏振器。分析器1150可以是消(clean-up)偏振器，并且进一步阻挡偏振光，该偏振光被SLM 1140和分析器1150之间或SLM1140内的另一偏振器阻挡。分析器1150可以是例如圆偏振器，其充当隔离器以减轻从波导1120(特别是入耦合光学元件1160)返回到SLM1140的反射。作为本文中公开的任何偏振器，分析器1150可包括线栅偏振器，例如吸收性线栅偏振器。这样的偏振器可以提供对不想要的光的明显吸收，并因此增加对比度。可以使一些这样的偏振器在导线和/或多层膜的顶部上包括一个或多个介电层。在一些实施方式中，SLM 1140可以是硅上液晶(LCOS)SLM，并且可包括LC单元和延迟器(例如，补偿器)。在一些实施方式中，分析器1150可以是补偿器，旨在为不同的入射角和不同的波长提供SLM 1140的更一致的偏振旋转(例如90°)。补偿器可用于通过改善用于在宽的角度和波长范围上入射的光线的旋转偏振来改善显示器的对比度。SLM 1140可包括例如TN LCOS，该TN LCOS被配置为对第一像素将第一偏振(例如，s偏振)的入射光旋转到第二偏振(例如，p偏振)以产生亮像素状态，因此光将穿过分析器1150。相反，SLM 1140可被配置为对第二像素不将第一偏振(例如，s偏振)的入射光旋转到第二偏振(例如，p偏振)，使得反射光保持第一偏振以产生暗像素状态，因此该光将被分析器1150衰减或阻挡。在这种配置中，沿光路更靠近光源1110的偏振器1115可以被取向为不同于沿光路离光源1110更远的分析器1150(例如，正交)。其他例如相反的配置也是可能的。
然后，光被偏转，例如由入耦合光学元件1160转向，以便在波导1120中被引导，在波导1120中它通过TIR传播。然后，光入射在光分布元件1170上，光分布元件1170将光沿另一方向(例如，更多地朝向z方向)转向，从而导致眼箱的尺寸沿图11B所示的z轴方向增大。因此，光朝着出耦合光学元件1180偏转，出耦合光学元件1180促使光被定向出波导1120朝向眼睛210(例如，如图所示的用户眼睛)。由出耦合光学元件1180的不同部分沿着z方向出耦合的光导致眼箱的尺寸至少沿着平行于如图11B中所定义的z轴的方向增大。值得注意的是，在该配置中，光学器件1130既用于照射SLM 1140，又用于将图像投影到入耦合光学元件1160上。因此，光学器件1130可以用作分布来自光源1110的光(例如，均匀地)的投影光学器件以及用于将SLM 1140的图像和/或SLM 1140形成的图像提供给眼睛的成像光学器件。图11A/B的系统1100A在某些情况下可以比图10中的系统1000更紧凑。在某些情况下，不采用图10所示的PBS 1020可以减少系统的成本和/或大小。另外，在没有PBS 1020的情况下，该系统可以更对称，并且通过缩短光学器件1130的后焦长度更容易设计。
如上所述，替代配置是可能的。参考图11C，例如，在一些设计中，系统1100C可以被配置为使具有不被SLM 1140旋转的偏振的光通过。在一种实施方式中，例如，SLM 1140可以是基于液晶(LC)的SLM，并且可包括硅上的垂直对准(VA)LC(LCoS)。SLM 1140可以具有处于不旋转偏振的第一状态的第一像素和处于旋转偏振的第二状态的第二像素。在图11C所示的配置中，利用了单个共享的分析器/偏振器1155。该分析器1155可以透射第一偏振(例如，s偏振)的光，并且衰减或减小第二偏振(例如，p偏振)的透射。因此，在不旋转偏振取向的第一状态下入射在第一像素上的光(例如s偏振光)被从SLM 1140反射，并穿过分析器1155到达波导1120。相反，在旋转偏振取向的第二状态下入射在第二像素上的光(例如s偏振光)被从SLM 1140反射，并被衰减、减少，或不穿过分析器1155到达波导1120。这种配置可因此允许图11A所示的偏振器1115和分析器1150结合到共享光学元件中，图11C中所示的分析器1155，从而通过减少光学部件的数量可以简化图11A/B的系统1100。分析器1155可被设置在波导1120和光学器件1130之间。在其他实施方式中，可以使用分离的分析器/偏振器和分析器/偏振器，诸如图11A/B的系统1100中所示。图11A和11B示出了在光源1110和波导1120之间的偏振器1115，以及在光学器件1130和波导1120之间的分析器1140。
可以采用各种各样的其他配置，其利用光学器件1130照射SLM 1140并对SLM 1140形成的图像进行成像。例如，尽管图11A-11C示出了单个波导1120，可以使用一个或多个波导，诸如波导堆叠(对于不同颜色光可能是不同的波导)。图12A例如示出了示例系统1200A的截面侧视图，该示例系统1200A包括堆叠1205，该堆叠1205包括波导1120、1122、1124，波导各自包括入耦合光学元件1260、1262、1264。波导1120、1122、1124每个可被配置为输出一个或多个不同波长或一个或多个不同波长范围的光。堆叠1205可以与堆叠260和660(图6和9A)基本相似，并且堆叠1205的所示波导1120、1122、1124可以对应于波导670、680、690的一部分，但是，堆叠1205和波导1120、1122、1124不必限于此。如图12A所示，入耦合光学元件1260、1262、1264可以例如分别与波导1120、1122、1124相关联、包括在波导1120、1122、1124之中或之上。入耦合光学元件1260、1262、1264可以是颜色选择的，并且可以主要地将某些波长转移或重定向到对应的波导1120、1122、1124中以在其中被引导。如图所示，因为入耦合光学元件1260、1262、1264是颜色选择的，所以入耦合光学元件1260、1262、1264不需要横向移位并且可以在彼此之上堆叠。可以采用波长复用将特定颜色耦合到对应的波导中。例如，红色入耦合光学元件可以将红光入耦合到被指定用于传播红光的波导中，而没有入耦合蓝光或绿光，蓝光或绿光分别通过其他蓝色和绿色选择性波导耦合到其它波导中。
在一些实施方式中，光源1110可以是能够在不同时间发射不同颜色的光的多色光源。例如，光源1110可以发射红色、绿色和蓝色(RGB)光，并且可被配置为在第一时间段发射红色以及不多于可忽略量的绿色和蓝色，在第二时间段发射绿色以及不多于可忽略量的红色和蓝色，并且在第三时间段发射蓝色以及不多于可忽略量的红色和绿色。可以重复这些循环，并且可以协调SLM 1140，以便为特定颜色(红色、绿色或蓝色)产生合适的像素状态图案，从而为给定的图像帧提供适当的图像颜色分量。堆叠1205的不同波导1120、1122、1124可以各自被配置为输出具有不同相应颜色的光。例如，如图12A所示，波导1120、1122、1124可被配置为分别输出蓝色光、绿色光和红色光。当然，其他颜色也是可能的，例如，光源1110可以发射其他颜色，并且可以将颜色选择入耦合光学元件1260、1262、1264、出耦合光学元件等被配置为用于这种其他颜色。替代地，各个红色、绿色和蓝色发射器可以足够靠近地定位，以有效地用作单个光瞳光源。红色、绿色和蓝色发射器可以与透镜和二向色分离器组合在一起，以形成单个红色、绿色和蓝色光瞳光源。单个光瞳的复用可以被扩展到颜色选择之外或除此之外，并且可包括使用偏振敏感光栅和偏振切换。这些颜色或偏振光栅也可以与多个显示光瞳组合使用，以增加可寻址的层数。
不同波导1120、1122、1124中的不同入耦合光学元件1260、1262、1264可以被设置在彼此之上和/或之下并且相对于彼此横向对准(例如，在图12A所示的x和z方向上)，与彼此横向移位并且未对准相反。因此，在一些实施方式中，例如，不同入耦合光学元件1260、1262、1264可被配置为使得第一颜色的光可以通过入耦合光学元件1260耦合到波导1120中以在其中被引导，并且与第一颜色不同的第二颜色的光可以穿过入耦合光学元件1260到达下一个入耦合光学元件1262，并且可以通过入耦合光学元件1262耦合到波导1122中以在其中被引导。与第一颜色和第二颜色不同的第三颜色的光可以穿过入耦合光学元件1260和1262到达入耦合光学元件1264，并且可以耦合到波导1124中以在其中被引导。另外，入耦合光学元件1260、1262、1264可以是偏振选择性的。例如，不同入耦合光学元件1260、1262、1264可被配置为使得一定偏振的光通过对应的偏振选择性入耦合光学元件1260、1262、1264耦合到波导中或者穿过入耦合光学元件1260、1262、1264。
取决于配置，SLM 1140可包括调制偏振的基于偏振的SLM。系统1200A可包括偏振器和/或分析器，以便例如根据各个像素的状态(例如，像素是否旋转偏振取向)逐个像素地调制注入到堆叠1205中的光。上面讨论了采用基于偏振的SLM的这种系统的各个方面，并且可以结合本文描述的任何其他特征来采用这些特征中的任何一个。然而，其他设计仍然是可能的。
例如，可以采用基于偏转的SLM 1140。例如，SLM 1140可包括一个或多个可移动光学元件，例如可移动反射镜，其可根据光学元件的状态沿不同方向反射和/或偏转光。SLM1140可以例如包括一个或多个像素，该一个或多个像素包括诸如微反射镜或反射器的此类光学元件。SLM 1140可以结合例如使用数字微反射镜设备(DMD)的数字光处理(DLPTM)技术。图12B中示出了使用这种基于偏转的SLM 1140的系统1200B的示例。系统1200B包括基于偏转的SLM 1140以及光收集器1250。光收集器1250可包括被配置为吸收光的吸收材料或结构。基于偏转的SLM 1140可包括一个或多个微可移动反射镜，其可以选择性地倾斜以使光沿不同方向偏转。例如，基于偏转的SLM 1140可被配置为当给定像素处于亮状态时使入射在其上的来自光源1110的光偏转到入耦合光学元件1260、1262、1264。如上所述，该光将因此例如根据光的颜色由入耦合光学元件1260、1262、1264之一耦合到相应的波导1120、1122、1124之一中并被定向到眼睛210。相反，当给定像素处于暗状态时，来自光源1110的光可被偏转到光收集器1250，并且光不被入耦合光学元件1260、1262、1264之一耦合到相应的波导1120、1122、1124之一中并被定向到眼睛210。代替地，光可以被包括光收集器1250的吸收材料吸收。在一些实施方式中，分析器1150可以是用于消除来自入耦合光学元件1260、1262、1264的不希望有的反射的偏振器(例如，“消”偏振器)。该偏振器可能有用，因为光学器件1130可包括具有双折射并可更改偏振的塑性光学元件。“消”偏振器可以衰减或去除具有不想要的偏振的光(例如，反射)被定向到波导1120、1122、1124上。其他类型的光调节元件可被设置在SLM 1140和波导1120、1122、1124之间，例如在光学器件1130和波导1120、1122、1124之间。例如，这种光调节元件还可包括圆偏振器(即，线性偏振和延迟器，诸如四分之一波片)。圆偏振器可以减少来自波导1120、1122、1124或入耦合光学元件1260、1262、1264的反射量，该反射再次入射到波导1120、1122、1124上并耦合在其中。反射光可以是圆偏振的，并且可以具有与入射光相反的圆偏振(例如，反射时右旋圆偏振光被转换为左旋圆偏振光，反之亦然)。圆偏振器中的延迟器可以将圆偏振光转换为线性偏振光，例如偏振器的正交偏振，其被圆偏振器中的线性偏振器衰减(例如吸收)。消偏振器可以与偏振无关的调制器(例如，DMD)一起使用。如上所述，消偏振器可用于抑制反射和/或改善光以最佳偏振状态耦合到入耦合光学元件1260、1262、1264中。
图12B示出了这种系统1200B的侧视图或截面图，而图12C示出了入耦合光学元件1264、光收集器1250和光源1110的横向布置的俯视图。SLM1140将被配置为取决于特定像素的状态以将来自光源1110的光反射、偏转、和/或定向至入耦合光学元件1264(以及其他入耦合光学元件1260、1262)的横向位置或光收集器1250的横向位置。
在某些设计中，光收集器1250可包括能量收集系统。光收集器1250可以例如包括被配置为将光能转换为电能的光能转换元件。光能转换元件可包括例如太阳能电池。光能转换元件可包括例如光伏检测器，该光伏检测器在光入射到其上时产生电输出。光能转换元件可以电连接到电气部件，例如，导电线以定向电输出，以便向系统1200B提供电力和/或可能为一个或多个电池充电。
在某些设计中可以使用横向移位的、非颜色选择的或宽带的或多色入耦合光学元件。图13A例如是包括堆叠1305的系统1300的透视图，堆叠1305包括波导。堆叠1305可以与参考图12A的堆叠1205基本相似。堆叠1305中的每个波导可包括入耦合光学元件1360、1362、1364，然而，与图12A中所示的设计相反，入耦合光学元件1360、1362、1364相对于彼此横向地移位。如图13A、13B和13C所示，光源1110、1112、1114也相对于彼此横向移位，并且可以被设置成通过使光通过光学器件1130、使光从SLM 1140反射离开，并使反射的光再次通过光学器件1130而将光定向到相应的入耦合光学元件1360、1362、1364。描绘了图13B的系统1300，使得光源1114位于光源1110的后面，并且因此在图13B中未示出。光源1110、1112、1114可以分别对应于入耦合光学元件1360、1362、1634。在一种设计中，例如，光源1110、1112、1114和对应的入耦合光学元件1360、1362、1364沿着公共(光)轴与光学器件1130的中心大致等距(对称)地设置。公共(光)轴可以与光学器件1130的中心相交。在一种设计中，例如，光源1110、1112、1114和对应的入耦合光学元件1360、1362、1364沿着公共(光)轴不与光学器件1130的中心大致等距(对称)地设置。
入耦合光学元件1360、1362、1364可被配置为将多种颜色的光耦合到它们各自的波导中。因此，这些入耦合光学元件1360、1362、1364在本文中可以被称为宽带、多色或无色选择的入耦合光学元件1360、1362、1364。例如，在某些情况下，每个这些入耦合光学元件1360、1362、1364被配置为将红色光、绿色光和蓝色光入耦合到其中包括入耦合光学元件1360、1362、1364的相关联波导中，并且使得这种彩色光通过TIR在波导内被引导。这样的宽带入耦合光学元件1360、1362、1364可以例如在例如可见光范围内的宽范围的波长上操作，或者选择在例如可见光范围内散布的波长或波长区域。因此，这种宽带或多色或无色选择的入耦合光学元件1360、1362、1364可被配置为将各种不同颜色(例如，红色、绿色和蓝色)的光转向到波导中以在其中通过TIR被引导。尽管本文中例如与光源、入耦合光学元件、波导等相关地指的是红色、绿色、蓝色(RGB)，但是可以附加地或替代地使用其他颜色或颜色系统，例如但不限于品红色、青色、黄色(CMY)。
如图13A所示，示出了光源1110、1112、1114在最上面的波导上方并且相对于彼此(例如，在x和z方向上)移位。类似地，在三个相应的波导上示出了三个入耦合光学元件1360、1362、1364，并且它们相对于彼此移位(例如，在x、y和z方向上)。图13B是图13A所示的系统1300的侧视图，示出了相对于彼此在空间上(例如，沿x和z方向)横向移位的入耦合光学元件1360、1362、1364以及相对于彼此(例如，在x和z方向上)横向移位的光源1110、1112、1114中的一些。图13B还示出了光学器件1130和SLM 1140。
图13C是图13A和13B所示的增强现实显示系统的俯视图，示出了入耦合光学元件1360、1362、1364和相关联的光源1110、1112、1114。在该设计中，入耦合光学元件1360、1362、1364以及相关联的光源1110、1112、1114以围绕公共(光)轴的中心点的环形图案设置。如图所示，光源1110、1112、1114和对应的入耦合光学元件1360、1362、1364被设置成围绕公共(光)轴的中心点大致等距，但是，必须是这种情况。在一些设计中，该中心点可以对应于沿着公共(光)轴的光学器件1130的中心，该公共(光)轴与光学器件1130的中心和/或沿着光学器件1130的光轴的位置相交。同样作为结果，非颜色选择入耦合光学元件1360、1362、1364以及光源1110、1112、1114相对于彼此(例如，在x和z方向上)横向地移位。
横向放置的其他布置是可能的。图14A-14C示出了包括堆叠1405的系统1400的替代配置，堆叠1405包括波导，其中，入耦合光学元件1360、1362、1364以及光源1110、1112、1114相对于彼此横向地移位。图14A是侧视图，而图14B是图14A中所示的系统1400的俯视图，示出了横向移位的入耦合光学元件1360、1362、1364和光源1110、1112、1114。图14C是图14A和14B中所示的系统1400的正交侧视图。
图14A和14C的侧视图示出了如何将入耦合光学元件1360、1362、1364设置在堆叠1405内的单独的波导上，使得光可以通过相应的横向移位的入耦合光学元件1360、1362、1364耦合到对应的波导中。入耦合光学元件1360、1362、1364被示出为被设置在图14A和14C中的波导的上主表面中。然而，入耦合光学元件1360、1362、1364可以替代地被设置在各个波导的下主表面上或在波导的主体中。各种各样的配置是可能的。
如图14B的俯视图中所示，入耦合光学元件1360、1362、1364被设置成一列，沿z方向但不沿x方向相对于彼此横向移位。类似地，光源1110、1112、1114被设置成一列，也沿z方向而不是沿x方向相对于彼此横向移位。入耦合光学元件1360、1362、1364在x方向上相对于光源1110、1112、1114横向地移位。
其他配置也是可能的。图15是系统1500的俯视图，示出了光源1110、1112、1114和入耦合光学元件1360、1362、1364的替代配置。与将所有光源1110、1112、1114通常设置在图13C中的一个侧面(例如，环形图案)和将所有的入耦合光学元件1360、1362、1364通常设置在图13C中的一个侧面(即，相对侧面)上相反，光源1110、1112、1114和入耦合光学元件1360、1362、1364沿着环形图案的圆周散布或交替。
然而，在一些实施方式中，入耦合光学元件1360、1362、1364和相关联的一个或多个光源1110、1112、1114也围绕中心点以环形图案设置。结果，光源1110、1112、1114和对应的入耦合光学元件1360、1362、1364可被设置成距中心大致等距。在一些设计中，该中心可以对应于沿着公共中心轴的光学器件1130的中心，该公共中心轴与光学器件1130的中心和/或沿着光学器件的光轴的位置相交。因此，来自第一光源1110的光可以经由光学器件1130跨光学器件1130的中心或中心轴或光轴耦合到入耦合光学元件1360中(从图15的俯视图看)。类似地，来自第二光源1112的光可以经由光学器件1130跨光学器件1130的中心或中心轴或光轴耦合到入耦合光学元件1362中。类似地，来自第三光源1114的光可以经由光学器件1130跨光学器件1130的中心或中心轴或光轴耦合到入耦合光学元件1364中。同样，作为结果，非颜色选择入耦合光学元件1360、1362、1364以及光源1110、1112、1114相对于彼此横向移位(例如，沿x和z方向)。光学器件1130可以被设计成使得焦点更多地聚焦在堆叠1405中，从而子光瞳和入耦合光学元件1360、1362、1364的位置在y方向上更近。在该配置中，入耦合光学元件1360、1362、1364可以更小，因为它们更靠近光学器件1130的焦点。光源1110可以在堆叠1405的用户侧(例如，类似于图17和18)，并且因此减少了光源1110和光学元件1130之间的距离或光路。
在诸如图12A-15中所示的以上各种实施方式中，可包括包括多个波导的堆叠(例如，堆叠1205、1305、1405)(例如，包括波导1120、1122、1124的堆叠1205、包括波导(未标记)的堆叠1305、以及包括波导(未标记)的堆叠1405)来处理不同的颜色(例如红色、绿色和蓝色)。不同的波导可以用于不同的颜色。类似地，可包括多个堆叠以向从各个堆叠出耦合的光提供不同的光学特性。例如，图12A至图12B的堆叠1205的波导1120、1122、1124可被配置为输出具有可能地与光看起来从其发出的视深度(apparent depth)相关联的光学特性(例如，提供特定的波前形状的光焦度)的光。例如，具有不同量的发散、会聚或准直的波前可能看起来好像是从距眼睛210的不同距离投影的。因此，可包括多个堆叠，其中不同堆叠被配置以使得由出耦合光学元件出耦合的光具有不同量的会聚、发散或准直，并且因此看起来源自不同的深度。在一些设计中，不同的堆叠可包括不同的透镜，例如衍射透镜或其他衍射光学元件，以向不同的堆叠提供不同量的光焦度。因此，不同的堆叠将产生不同量的会聚、发散或准直，并且因此来自不同堆叠的光将看起来好像与距眼睛210不同距离的不同深度平面或对象相关联。
图16A是包括堆叠1605、1610、1620的系统1600的侧视图。在图16A中，系统1600包括三个堆叠1605、1610、1620，但是，不必是这种情况。可以设计具有更少或更多堆叠的系统。堆叠1605、1610和1620中的每一个包括一个或多个(例如，三个)波导。图16A还示出了入耦合光学元件的组1630、1640、1650。第一组1630与第一堆叠1605相关联，第二组1640与第二堆叠1610相关联，并且第三组1650与第三堆叠1620相关联。组1630、1640、1650相对于彼此横向移位。组1630、1640、1650每个包括颜色选择入耦合光学元件，其被配置为入耦合不同的相应的颜色，基本上类似于图12A的入耦合光学元件1260、1262、1264。如图16A中所示，每个组1630、1640、1650内的入耦合光学元件不相对于彼此横向移位，但是，不必是这种情况。可以设计一种系统，其中，一组中的入耦合光学元件相对于彼此横向移位。系统1600可被配置为使得从堆叠1605、1610、1620中的每个堆叠出耦合的光具有不同量的光焦度。例如，堆叠中的波导可以具有具有给定光焦度的出耦合光学元件或衍射透镜。不同堆叠1605、1610、1615的光焦度可以不同，以使得来自一个堆叠的光可能看起来源自与来自另一堆叠的光不同的深度。例如，一个堆叠的光焦度可以使来自该堆叠的光准直，而另一堆叠的光焦度可以使来自其的光发散。发散光看起来似乎源自与眼睛210相距很近的对象，而准直的光看起来似乎源自相距较远的对象。因此，从第一堆叠1605、第二堆叠1610和第三堆叠1620出耦合的光可以具有会聚、发散和准直中的至少一个的不同量，并且因此看起来源自不同的深度。在一些实施方式中，从堆叠之一出耦合的光可以被准直，而由不同堆叠出耦合的光可以发散。从其他堆叠之一出耦合的光也可发散，但发散量不同。
如图16A中所示，可以相对于光学器件1130和SLM 1140设置光源1110以将光定向到入耦合光学元件的组1630中，可以相对于光学器件1130和SLM 1140设置光源1112以将光定向到入耦合光学元件的组1640中，并且可以相对于光学器件1130和SLM 1140设置光源1114以将光定向到入耦合光学元件的组1650中。光源1110、1112、1114可被配置为在不同时间发射不同颜色的光。同样地，由于颜色选择入耦合光学元件以上述方式，可以将不同的相应颜色的光耦合到堆叠内的不同波导中。例如，如果从第二光源1112发射蓝光，则光学器件1130和SLM 1140将蓝光定向到入耦合光学元件的第二组1640中。光可以穿过第二组1640中的第一红色入耦合光学元件和第二绿色入耦合光学元件，并且被第二组1640中的第三蓝色入耦合光学元件转向到第二堆叠1610中的第三波导。第二堆叠1610中的波导可包括出耦合光学元件或具有光焦度的其他光学元件(例如，衍射透镜)，以便向眼睛210提供与特定深度平面相关联的光束或与第二堆叠1610相关联的对象距离。
图16B是图16A中的系统1600的俯视图。示出了入耦合光学元件的不同组1630、1640、1650相对于彼此横向移位(例如，沿x方向)。类似地，光源1110、1112、1114被示为相对于彼此横向移位(例如，沿x方向)。
前述系统中的多种不同变型是可能的。例如，光源1110相对于波导和光学器件1130的位置可以不同。图17例如是系统1700的侧视图，该系统1700具有相对于图11-16B所示的波导1720和光学器件1130处于不同位置的光源1110。另外，图17示出了将波导1720分为第一部分1720a和第二部分1720b的设计。波导1720可进一步包括反射器1730，该反射器1730被配置为将在接近光源1110的第一部分1720a中被引导的光耦合出第一部分1720a并朝着SLM 1140耦合到光学器件1130中。附加地或替代地，该系统1700可包括衍射出耦合光学元件，以将波导1720的第一部分1720a中的光出耦合并朝着SLM 1140耦合到光学器件1130。该反射器1730可以是不透明的，并包括隔离器，该隔离器减少第一部分1720a和第二部分1720b之间的串扰(cross-talk)。波导1720具有第一侧面1721和与第一侧面1721相对的第二侧面1723，光学器件1130和SLM 1140被设置在第一侧面1721上，使得来自SLM 1140的光被定向到第一侧面1721上。在该示例中，光源1110被设置在波导1720的第一侧面1721上，使得来自光源1110的光在穿过光学器件1130到达SLM 1140之前入射在第一侧面1721上。系统1700可以进一步包括被设置在第一部分1720a上或之中的入耦合光学元件1710。入耦合光学元件1710可被配置为接收来自光源1110的光并且将该光耦合到第一部分1720a中。入耦合光学元件1710可包括衍射光学元件或反射器，该衍射光学元件或反射器被配置为以一定角度将入射在其上的光转向第一部分1720a中，以通过TIR在其中被引导。
反射器1730可被配置为将在第一部分1720a中引导的光定向出第一部分1720a并朝着光学器件1130和SLM 1140(如上所述，在一些实施方式中，衍射光学元件可以附加地或替代地用于将第一部分1720a中的光定向出第一部分1720a并朝着光学器件1130和SLM1140。)因此，反射器1730可以是反射镜、反射光栅、反射波导1720的光朝向SLM 1140的一个或多个涂层。由反射器1730从第一部分1720a射出的光穿过光学器件1130，入射到SLM 1140上，然后再次穿过光学器件1130并入射到第二部分1720b上。如上所述，从SLM 1140反射的、通过光学器件1130透射的光可以入射在入耦合光学元件1160上，并且使光转向以在第二部分1720b中被引导。在第二部分1720b中被引导的光可以通过出耦合光学元件1180(未示出)从其出耦合并被定向到眼睛210。
如上所述，反射器1730可以是减少第一部分1720a和第二部分1720b之间的串扰的隔离器。反射器1730可包括不透明和/或反射表面。反射器1730可被设置在波导1720内，并且在一些情况下，可以限定第一部分1720a和第二部分1720b的一侧。
代替具有波导1720的第一部分1720a和第二部分1720b，可以使用单独的波导。图18是系统1800的侧视图，系统1800包括第一波导1822，第一波导1822用于接收来自光源1110的光并将在其中引导的光定向至光学器件1130并朝向SLM 1140。系统1800附加包括第二波导1820，第二波导1820在光再次穿过光学器件1130之后接收来自SLM 1140的光。第一波导1822分别包括入耦合光学元件1730a和出耦合光学元件1730b。这些入耦合和出耦合光学元件1730a、1730b可包括反射面，这些反射面取向成将光入耦合到波导1822中和从波导1822出耦合。入耦合光学元件1730a可例如包括反射表面，该反射表面被设置成接收来自光源1110的光并且取向(例如，倾斜)成以将光以一定角度定向到波导1822中，以便通过TIR在其中被引导。出耦合光学元件1730b可以例如包括反射表面，该反射表面取向成(例如，倾斜)以一定角度将在波导1822内引导的光定向以便从波导1822射出。出耦合光学元件1730b可以定位使得从波导1822中转向出的光被定向到光学器件1130中，从SLM 1140反射，再次穿过光学器件1130，并入射到第二波导1820的入耦合光学元件1730c上。
第二波导1820中的入耦合光学元件1730c可包括反射表面，该反射表面可以被定位和取向(例如，倾斜)，以便接收并转向从SLM 1140入射在其上的光以通过TIR在第二波导1820中被引导。图18示出了被设置在波导1820、1822的同一侧上的光学器件1130和光源1110。系统1800可以进一步包括隔离器，以减少波导1822和波导1820之间的串扰。该隔离器可包括不透明的和/或反射表面。隔离器可被设置在波导1820、1822中的至少一个之中或之上。
各种设计，例如以上讨论的设计，可包括附加特征或组件。图19例如示出了系统1900的侧视图，该系统1900包括可变焦光学元件(或自适应光学元件)1910、1920。可变焦光学元件1910、1920可包括被配置为被更改以提供可变光焦度的光学元件。可变焦光学元件1910、1920可包括多个状态，诸如第一状态和第二状态，其中，在第一状态中，可变焦光学元件1910、1920具有与处于第二状态时不同的光焦度。例如，可变焦光学元件1910、1920在第一状态下可具有负光焦度，而在第二状态下可具有零光焦度。在一些实施方式中，可变焦光学元件1910、1920在第一状态下具有正光焦度，在第二状态下具有零光焦度。在一些实施方式中，可变焦光学元件1910、1920在第一状态下具有第一负或正光焦度，在第二状态下具有第二不同的负或正光焦度。一些自适应光学元件或可变焦光学元件1910、1920可以具有两个以上的状态，并且可能提供连续的光焦度分布。
可变焦光学元件1910、1920可包括透镜(例如，可变透镜)并且是透射的。图7中示出透射或透明的自适应光学元件或可变焦光学元件1910、1920。可变焦光学元件1910、1920可包括液体透镜(例如，可移动膜和/或电润湿)。可变焦透镜还可包括液晶透镜，例如可切换液晶透镜，例如可切换液晶偏振透镜，其可例如包括衍射透镜。也可以使用Alverez透镜。可以采用其他类型的可变焦光学元件1910、1920。可变焦光学元件的示例可以在2017年6月12日提交的题为“具有用于改变深度平面的多元素自适应透镜的增强现实显示器”(AUGMENTED REALITY DISPLY HAVING MULTI-ELEMENT ADAPTIVE LENSE FOR DEEPTHDEPTH PLANES)的美国申请号62/518539中找到，该申请的全部内容通过引用合并在此。可变焦光学元件1910、1920可以具有电输入(electrical input)，该电输入接收控制由可变焦光学元件1910、1920表现出的光焦度的量的电信号。可变焦光学元件1910、1920可以具有正和/或负光焦度。除了可变焦元件(例如，偏振开关、几何相位(GP)透镜、流体透镜等)之外，可变焦元件1910、1920还可包括固定透镜(例如，衍射透镜、折射透镜等)以生成光场中所需的深度平面。
第一可变焦光学元件1910可被设置在堆叠1905和眼睛210之间。堆叠1905可包括用于如上所述的不同颜色的不同波导。第一可变光学元件1910可被配置为引入不同量的光焦度、负和/或正光焦度。可变光焦度可以用于改变从堆叠1905耦合出的光的发散和/或准直，以改变被系统1900投影到眼睛210中的虚拟对象看起来所位于的深度。因此，可以创建4维(4D)光场。
第二可变焦光学元件1920与第一可变焦光学元件1920在堆叠1905的相对侧面。第二可变焦光学元件1920因此可补偿第一光学元件1910对从系统1900和眼睛210前面的世界510接收到的光的影响。因此，可以根据需要有效地不更改或更改世界视图。
系统1900可以进一步包括静态或可变处方或矫正透镜1930。这样的透镜1930可以提供眼睛210的屈光矫正。另外，如果处方透镜1930是可变透镜，则它可以对于多个用户提供不同的屈光矫正。上面讨论了可变焦透镜。眼睛210可以例如具有近视、远视和/或散光。透镜1930可以具有减少眼睛210的屈光不正的处方(例如，光焦度)。透镜1930可以是球形和/或圆柱形，并且可以是正的或负的。透镜1930可以被设置在堆叠1905和眼睛210之间，使得来自世界510和来自堆叠1905的光都经历透镜1930提供的校正。在一些实施方式中，透镜1930可被设置在眼睛210和第一可变焦光学元件1910之间。用于透镜1930的其他位置也可以。在一些实施例中，处方透镜可以是可变的并且允许实现多个用户处方。
在一些设计中，系统1900可包括可调调光器1940。在一些实施方式中，该可调调光器1940可被设置在波导1900的堆叠中与眼睛210相对的一侧(例如，世界侧)。因此，该可调调光器1940可被设置在波导1900的堆叠与世界510之间。可调调光器1940可包括光学元件，该光学元件提供通过其透射的光的可变衰减。可调调光器1940可包括电输入以控制衰减的水平。在一些情况下，可调调光器1940被配置为当眼睛210暴露于亮光时(例如当用户去户外时)增大衰减。因此，系统1900可包括光传感器以感测环境光的亮度并且控制电子器件以驱动可调调光器1940以基于由光传感器感测的光水平来改变衰减。
可以采用不同类型的可调调光器1940。这样的可调调光器1940可包括具有偏振器、电致变色材料、光致变色材料等的可变液晶开关。可调调光器1940可被配置为调节从世界510进入和/或透射通过堆叠1905的光的量。可调调光器1940在某些情况下可以用于减少来自环境的穿过波导堆叠1900到眼睛210的光的量，这可另外提供眩光(glare)并减少用户感知从堆叠1905注入到眼睛210中的虚拟对象/图像的能力。这样的可调调光器1940可以减少入射的亮环境光，这是因洗去投影到眼睛210中的图像而导致的。因此，通过可调调光器1940可增加呈现给眼睛210的虚拟对象/图像的对比度。相反，如果环境光低，则可调调光器1940可被调整以减少衰减，使得眼睛210可以更轻松地看到用户前面的世界510中的对象。调暗(dimming)或衰减可以在整个系统上或局部于系统的一个或多个部分。例如，多个局部部分可以被调暗或设置为衰减来自用户210前面的世界510的光。这些局部部分可以通过没有这种增加的调暗或衰减的部分彼此分开。在某些情况下，相对于目镜的其他部分，只有一部分被调暗或被促使提供增加的衰减。可以以不同的设计添加其他部件。部件的布置也可以不同。类似地，可以从系统中排除一个或多个部件。
在图20A中示出了另一种配置的示例。图20A示出了系统2000的侧视图，该系统2000包括在不同波导上的横向移位的入耦合光学元件1360、1362、1364以及滤色器阵列2030，滤色器阵列2030包括与相应的入耦合光学元件1360、1362、1364对准的横向移位的滤色器2040、2042、2044。滤色器阵列2030可被设置在堆叠2005的靠近眼睛210和光学器件1130的一侧。滤色器阵列2030可以在堆叠2005和光学器件1130之间。滤色器阵列2030可被设置在位于堆叠2005和光学器件1130之间的盖玻璃2050中或上。滤色器阵列2030可包括一个或多个不同的滤色器2040、2042、2044，例如相对于彼此横向设置的红色滤色器、绿色滤色器和蓝色滤色器。系统2000包括相对于彼此横向移位的光源1110、1112、1114。这些光源1110、1112、1114可包括不同颜色的光源，例如红色、绿色和蓝色光源。滤色器2040、2042、2044可以是透射滤色器或透明滤色器。在一些实施方式中，滤色器2040、2042、2044包括吸收滤光器，然而，滤色器2040、2042、2044也可包括反射滤光器。滤色器阵列2030中的滤色器2040、2042、2044可以由诸如将减少杂散光的传播的不透明掩模之类的掩模分开和/或包围。滤色器阵列2030中的滤光器可以用于减少或消除系统内的不期望的反射，例如来自波导和/或入耦合光学元件1360、1362、1364的不希望的反射，避免通过用于不同颜色的入耦合光学元件1360、1362、1364重新进入用于不同颜色的波导。滤色器阵列的示例可以在2017年8月22日提交的题为“结合人工缓解的投影仪架构(PROJECTOR ARCHITECTUREINCORPORATING ARTIFACT MITIGATION)”的美国申请号15/683412(其全部内容通过引用合并于此)以及于2017年11月30日提交的题为“结合人工缓解的投影仪架构(PROJECTORARCHITECTURE INCORPORATING ARTIFACT MITIGATION)”的美国申请号62/592607(其全部内容通过引用合并于此)中找到。该掩模可以是黑色掩模，并且可包括吸收材料以减少杂散光的传播和反射。光源1110、1112、1114可以相对于光学器件1130和SLM 1140设置，以将光耦合到滤色器阵列2030中的对应滤色器2040、2042、2044中。例如，滤色器阵列2030可包括被设置为分别接收来自第一、第二和第三光源1110、1112、1114的光的第一、第二和第三(例如，红色、绿色和蓝色)滤色器2040、2042、2044。第一、第二和第三(例如，红色、绿色和蓝色)滤色器2040、2042、2044可以与相应的入耦合光学元件1360、1362、1364对准(例如，在x和z方向上)。因此，来自第一光源1110的光将被定向通过第一滤色器2040并到达第一入耦合光学元件1360，来自第二光源1112的光将被定向通过第二滤色器2042并到达第二入耦合光学元件1362，来自第三光源1114的光将被定向通过第三滤色器2044并到达第三入耦合光学元件1364。在一些实施方式中，入耦合光学元件1360、1362、1364可以是特定于颜色的。例如，第一和第二入耦合光学元件1360、1362可被配置为将相应的第一和第二颜色的光分别耦合到第一和第二波导中。类似地，第一、第二和第三入耦合光学元件1360、1362、1364可被配置为将相应的第一、第二和第三颜色的光分别耦合到第一、第二和第三波导中。第一入耦合光学元件1360可被配置为将比第二颜色(或第三颜色)更多的第一颜色的光耦合到第一波导中。第二入耦合光学元件1362可被配置为将比第一颜色(或第三颜色)更多的第二颜色的光耦合到第二波导中。第三入耦合光学元件1364可被配置为将比第一颜色或第二颜色更多的第三颜色的光耦合到第二波导中。在其他配置中，入耦合光学元件1360、1362、1364可以是宽带的。例如，第一入耦合光学元件1360可被配置为将第一、第二和第三颜色的光耦合到第一波导中。第二入耦合光学元件1362可被配置为将第一、第二和第三颜色的光耦合到第二波导中。第三入耦合光学元件1364可被配置为将第一、第二和第三颜色的光耦合到第三波导中。然而，多个滤色器2040、2042、2044可以是特定于颜色的，选择性地透射特定颜色的光。例如，第一滤色器2040可以透射比第二颜色(和第三颜色)更多的第一颜色。第二滤色器2042可以透射比第一颜色(和第三颜色)更多的第二颜色。第三滤色器2044可以透射比第一颜色和第二颜色更多的第三颜色。同样，第一、第二和第三滤色器2040、2042、2044可以是分别选择性地透射第一、第二和第三颜色的滤色器。因此，第一、第二和第三滤色器2040、2042、2044可以是分别选择性地使第一、第二和第三颜色通过的带通滤光器。在一些实施方式中，第一、第二和第三光源1110、1112、1114可以分别选择性地发射第一、第二和第三颜色。例如，第一光源1110可以发射比第二颜色(和第三颜色)更多的第一颜色。第二光源2042可以发射比第一颜色(和第三颜色)更多的第二颜色。第三光源2044可以透射比第一颜色和第二颜色更多的第三颜色。滤色器2040、2042、2044可以减少被无意中定向至特定的入耦合光学元件的杂散光的量。在其他实施方式中，光源1110、1112、1114中的一个或多个是宽带光源。例如，第一光源1110可以发射第一和第二(并且可能的第三)颜色。第二光源1112也可以发射第一和第二(并且可能的第三)颜色。第三光源1114也可以发射第一和第二(并且可能的第三)颜色。尽管在图20A-20G中示出了三个滤光器，可包括更多或更少的滤光器。例如，在一些实施方式中，可以使用两个滤光器(不是三个)。因此，与两个滤色器相对应的两种颜色可以由滤色器选择性地透射至其中。在一些这样的实施方式中，可以使用两个对应的入耦合光学元件并且将其与两个滤光器对准。在一些实施方式中，两个入耦合光学元件选择性地将两种颜色分别耦合到两个相应的波导中。在一些实施方式中，可以使用两个光源而不是三个。可以使用其他变体和其他数量的部件。而且，滤色器2040、2042、2044可以或可以不集成在单个阵列中。
如上所述，部件及其位置和布置可以改变。例如，尽管图20A示出了被设置在光学器件1130和堆叠1905之间的分析器1150，但是分析器1150可以位于不同的位置。图20B示出了位于光学器件1130和SLM 1140之间的分析器1150。在一些设计中，分析器(例如，偏振器)1150可以直接附接到SLM 1140。例如，分析器1150可以粘附到或机械耦合到SLM 1140。例如，可以使用粘合剂将分析器1150粘贴、胶合到SLM 1140(例如，到SLM窗口)。因此，尽管图20B示出了分析器1150与SLM 1140之间的间隙，在一些设计中，在分析器1150与SLM 1140之间不存在间隙。分析器1150可以机械地(例如，使用机械固定装置)被固定到SLM 1140，并且在这种情况下，在分析器1150和SLM 1140之间可以包括或不包括间隙。可以通过如上所述将偏振器直接定位在SLM 1140上来消除来自光学器件1130的双折射。在一些实施方式中，还可包括被设置在光学器件1130与入耦合光学元件1360、1362、1364之间的分析器1150，以消除从光学器件1130出射的光的偏振(例如，如图20B中的虚线所示)。另外，诸如四分之一波片的延迟器(未示出)可被包括在SLM 1140附近，例如在光学器件1130和SLM 1140之间。如本文所使用的，四分之一波片可以指代四分之一波延迟器，而不管是否四分之一波延迟器包括用于提供四分之一波延迟的板、膜或其他结构。在图20B中，可以例如将延迟器(例如，四分之一波片)被设置在分析器1150和SLM 1140之间。该延迟器(例如，四分之一波片)可以用于斜光线管理(skew ray management)。例如，延迟器(例如，四分之一波片)可以例如补偿由SLM 1140上的波长和入射角的差异引起的变化。如上所述，补偿器可被包括并且可以提供SLM1140的更一致偏振旋转(例如，90度)用于不同的入射角和不同的波长。补偿器可用于通过提供更一致的正交旋转来增加显示器的对比度。如上所述，补偿器可以被附接或固定到SLM 1140。例如，可以使用胶、接合剂或其他粘合剂。补偿器也可以使用机械固定装置附接到SLM 1140。补偿器或SLM 1140之间可包括间隙或不存在间隙。附加地或替代地，还可包括其他光调节光学器件，并且可以将其固定到SLM 1140，例如以上关于分析器1150和/或补偿器描述的。
在一些实施例中，可以使用大的角度扩展(例如，70度)。角度扩展可以指例如从光源1110、1112、1114进入光学器件1130的光的角度，和/或从光学器件1130离开进入入耦合光学元件1360、1362、1364的光的角度。在这些实施例中，可以使用较薄的SLM 1140。例如，如果SLM 1140是液晶(LC)SLM(例如，硅上液晶(LCOS)SLM)，则可以使LC层更薄以适应大角度扩展。
通过偏振器和分析器1150的双程延迟(double pass retardance)可能需要是半波。偏振器可以在光学器件1130和分析器1150之间。双程延迟可以是LCOS SLM 1140的折射率与LCOS SLM 1140的厚度之比的函数。对于LCOS SLM 1140的给定折射率和LCOS SLM1140的给定厚度，以大角度进出LCOS SLM 1140使光的路径长度比以小角度进出LCOSSLM1140更长。路径长度与LCOS SLM 1140的厚度有关。在一个示例中，LCOS SLM可以具有第一折射率和第一厚度。对于小角度，具有第一折射率和第一厚度的LCOS SLM的双程延迟可以是半波。对于大角度，具有第一折射率和第一厚度的LCOS SLM的双程延迟可以不是半波(例如，可以大于半波)。LCOS SLM的厚度可以从第一厚度改变为第二厚度，其中，第二厚度小于第一厚度。对于小角度，具有第一折射率和第二厚度的LCOS SLM的双程延迟可以不是半波(例如，可以小于半波)。对于大角度，具有第一折射率和第二厚度的LCOS SLM的双程延迟可以是半波。
另外，尽管图20A和20B示出了基于偏振的SLM 1140的使用，但是可以利用其他类型的SLM。图20C例如示出了基于偏转的SLM 1140(诸如基于可移动微反射镜的SLM)的使用。如上所述，这样的SLM 1140可包括数字光处理(DLPTM)和数字微反射镜设备(DMD)技术。如上所述，基于偏转的SLM 1140可以将来自光源1110、1112、1114之一的光耦合到相应的入耦合光学元件1360、1362、1364中，这取决于SLM 1140的像素的状态。在一种状态下，来自光源1110、1112、1114的光将被定向至相应的入耦合光学元件1360、1362、1364，如图20D所示。在另一状态下，来自光源1110、1112、1114的光将被定向远离入耦合光学元件1360、1362、1364，如图20E所示。在一些实施方式中，当处于关闭状态时，滤色器阵列2030中的滤色器2040、2042、2044之间的黑色吸收掩模可以用作光收集器。如上所述，滤色器2040、2042、2044可以被诸如吸收掩模(例如，黑色掩模)之类的掩模围绕和/或分离。该掩模可包括吸收材料，使得入射光被吸收比被从其反射的更多。该掩模也可能是不透明的。
其他改变是可能的。尽管将光源示出为耦合至诸如非成像光学耦合元件(例如，复合抛物线收集器(CPC)或锥体)之类的耦合光学器件1105的发射器1110、1112、1114(例如，LED、激光二极管)，但是其他配置是可能的。例如，耦合光学器件1105(例如，CPC)可以相对于波导堆叠倾斜。在某些情况下，投影仪(即，光学器件1130和SLM 1140)可相对于目镜(例如，波导堆叠)倾斜。在一些实施方式中，透镜光学器件1130相对于SLM 1140倾斜以减少失真，例如梯形(keystone)失真。可以采用Scheimplug配置来减少这种失真。部件(例如，光学器件1130和/或空间光调制器1140)可以根据需要倾斜，例如以更保形地(conformally)围绕头部和/或面部。如上所述，发光器和/或耦合光学器件1105可以倾斜。在一些配置中，包括波导的组件可以倾斜，使得更靠近眼睛210的一侧(例如，颞侧)的一侧更靠近眼睛210，以增加整个双眼系统的感知视场(以双眼重叠为代价)。
如上所述，部件及其位置和布置可以改变。例如，图20F是系统2000F的侧视图，该系统2000F包括被设置在堆叠2005与光学器件1130之间的盖玻璃2050。在一些设计中，光源1110、1112、1114可以被设置在盖玻璃2050的世界侧，并被配置为通过盖玻璃2050传播光到光学器件1130和SLM 1140。如图所示，盖玻璃2050可以横向(例如，平行于x轴)延伸超过堆叠2005，使得由光源1110、1112、1114发射的光进入光学器件1130，而没有穿过堆叠2005中的波导。尽管系统2000F描绘了基于偏转的SLM 1140，但是光源的类似配置也可以与基于非偏转的SLM或本文公开的任何其他配置或特征一起使用。
图20G是包括盖玻璃2060的系统2000G的侧视图，该盖玻璃2060被设置在堆叠2005的世界侧(即，与堆叠2005的靠近光学器件1130的一侧相对)。在一些设计中，光源1110、1112、1114可以被设置在盖玻璃2050的世界侧，并且被配置为将光通过盖玻璃2050传播到光学器件1130和SLM 1140。如图所示，盖玻璃2060可以横向(例如，平行于x轴)延伸超过堆叠2005，使得由光源1110、1112、1114发射的光进入光学器件1130，而没有穿过堆叠2005中的波导。尽管系统2000G描绘了基于偏转的SLM 1140，但是光源的类似配置也可以与基于非偏转的SLM或本文公开的任何其他配置或特征一起使用。
另外，如上所述，可以采用促进光回收的配置。例如，图21是配备有提供对来自光源1110的光进行光回收的配置的系统2100的局部侧视图。光源1110可以相对于偏振器1115设置，该偏振器1115被配置为回收具有不期望的偏振的光。偏振器1115可包括例如线栅偏振器，该线栅偏振器透射第一偏振的光并且向后反射第二相反偏振的光。因此，光2110可以从光源1110发射并入射到偏振器1115上。偏振器1115可以透射第一偏振的光，为此投影仪(未示出)被配置为使用。例如，SLM可以使用此第一偏振的光适当地运行。第二偏振的光2120被反射回朝向光源1110，并且可被回收。在以各种角度反射离开了诸如像复合抛物线收集器(CPC)的非成像光学器件之类的耦合光学器件(未示出)的部分(例如，侧壁)之后，光2120的偏振可被更改，以进行偏振旋转。可以产生可被偏振器1115通过的具有适当偏振(例如，偏振取向)的一些光。多次反射可以改变光的偏振并且可以使光以期望的偏振出射。然后，该回收光2130朝着偏振器1115发射回去。随着产生更多的所需偏振，这种配置可以提高效率，例如能量效率。而且，附加地或替代地，可以使用延迟器来改变反射的偏振状态并回收光。
图22示出了另一配置，其包括光源1110、1112、1114和对应的光收集光学器件2210、2212、2214。光收集光学器件2210、2212、2214可包括透镜或其他光学器件以收集来自光源1110、1112、1114的光。光源1110、1112、1114可以是激光二极管或可以在很大的角度范围内发光的其他发射器。光收集光学器件2210、2212、2214可用于收集该光的大部分。光源1110、1112、1114可以不对称地发光。例如，可以在一个方向(例如，x或z方向)上以比在正交方向(例如，z或x方向)上以更宽的角度范围发射光。因此，光收集光学器件2210、2212、2214可以是不对称的。例如，光收集光学器件2210、2212、2214可以在不同的可能的正交方向上具有不同的光焦度。光收集光学器件2210、2212、2214可以例如包括诸如变形透镜的透镜。光收集光学器件2210、2212、2214也可包括非成像光学器件。可包括孔2220、2222、2224。例如，当光源1110、1112、1114是诸如激光二极管的激光器时，也可以在孔2220、2222、2224的附近包括漫射器2230。在漫射器靠近孔2220、2222、2224的情况下，孔可能看起来是横向移位的光源的位置。如上所述，孔2220、2222、2224可以经由光学器件和SLM与一个或多个波导上的入耦合光学元件匹配。例如，每个孔2220、2222、2224可以与各自的入耦合光学元件匹配。类似地，在某些实施方式中，诸如在图16A中示出的那样，每个孔2220、2222、2224可以与相应的(例如，颜色选择的)入耦合光学元件组匹配。
各种各样的系统变化和配置是可能的。例如，尽管线性偏振光被描述为通过光学器件1130传播到SLM 1140并且通过光学器件传播回到波导堆叠，但是在一些设计中，可以替代地使用圆偏振光。例如，圆偏振光可以被定向到光学器件1130中。可以设置诸如四分之一波片的延迟器，使得该光在入射到SLM上之前穿过该延迟器。可以将延迟器(例如，四分之一波片)设置在光学器件1130和SLM 1140之间。在某些情况下，例如如上所述，可以将延迟器(例如，四分之一波片)固定到SLM 1140，例如，使用粘合剂或机械固定装置。延迟器(例如，四分之一波片)可以在从SLM1140反射之后从线性偏振光变换成圆偏振光。因此，在一些实施方式中，圆偏振光可以再次穿过光学器件1130朝向堆叠。例如，靠近分析器1150的另一延迟器(例如，四分之一波片)可以将圆偏振光变换为线性偏振光，该线性偏振光可以取决于线性偏振(例如，取向)穿过或不穿过分析器。SLM 1140的像素可以具有可以被改变以旋转或不旋转偏振的状态。其他配置也是可能的。
图23A是增强现实显示系统2300的侧视图，该增强现实显示系统2300包括光源2305、偏振旋转器2307、具有光焦度的光学器件(例如，透镜)2320、偏振器2312、2335(诸如线性偏振器(例如，水平或垂直偏振器))、延迟器2315、2330、2340(诸如四分之一波延迟器(例如，四分之一波片))，以及至少一个用于向用户输出图像信息的波导2348。这样的配置可用于照射反射式空间光调制器(未示出)，使得从光源2305发射的光从空间光调制器反射并耦合到至少一个波导2348中，以被定向到用户的眼睛。这些元件(特别是偏振器和延迟器)的配置和放置可以减少或消除来自系统内光学表面(例如来自光学器件2320的表面)的反射，否则可能导致对用户可见的重影。例如，可以布置和配置具有偏振选择性和/或具有延迟的光学元件(例如，偏振器2312、2335和延迟器2315、2330、2340)，以将线性偏振光转换为圆偏振光，该圆偏振光在从光学表面反射时从左旋改变为右旋或从右旋改变为左旋。类似地，可以布置和配置具有偏振选择性和/或具有延迟的光学元件(例如，偏振器2312、2335和延迟器2315、2330、2340)，以将圆偏振光转换为可被偏振器(例如线性偏振器)衰减或滤掉的线性偏振光。可以利用具有偏振选择性并且具有延迟的光学元件(例如，偏振器2312、2335和延迟器2315、2330、2340)来制造将线性偏振光变换成圆偏振光并且反之亦然的圆偏振器。例如，圆偏振器可包括线性偏振器和四分之一波延迟器。圆偏振器可用于将线性偏振光转换为具有第一状态(例如，旋向性(handedness))的圆偏振光，并滤掉具有不同于第一状态的第二状态(例如，旋向性)的圆偏振光。例如，圆偏振器可用于将具有特定取向的线性偏振光转换为左旋圆偏振光，并滤掉右旋圆偏振的圆偏振光。圆偏振器还可以用于将具有特定取向的线性偏振光转换为右旋圆偏振光，并滤掉左旋圆偏振的圆偏振光。如下结合图23A和23B所述，可用于将线性偏振光转换为圆偏振光以及相反操作并且可以选择性地过滤线性偏振光的圆偏振器或包括延迟的光学元件的其他配置可用于减少来自光学表面的背反射(back reflection)。
注意，在图23A和23B中分别用顺时针和逆时针箭头示出了左旋和右旋圆偏振。此外，分别使用水平箭头和圆点来描绘水平和垂直线性偏振。
如上所述，图23A示出了增强现实显示系统2300的配置，其中，偏振器2312、2335(诸如线性偏振器(例如，水平偏振器))和延迟器2315、2330、2340(诸如四分之一波延迟器(例如，四分之一波片))被布置为减少来自照射空间光调制器(未示出)和从空间光调制器反射的光的路径中的光学表面(例如光学器件2320的表面)的背反射。第一偏振器2312和第一延迟器2315被设置在光源2305和光学器件2320之间。第一偏振器2312被设置在光源2305和第一延迟器2315之间。同样，第一延迟器2315被设置在第一偏振器2312和光学器件2320之间。
如图所示，光源2305发射如光线2310表示的光。在一些实施方式中，光线2310可以穿过偏振旋转器2307。旋转器2307是可选的，并且可以用来旋转来自光源2305的光(例如，光线2310)的偏振。在各种实施方式中，旋转器2307可以旋转偏振的角度(例如，线性偏振的角度)。例如，旋转器2307可以将光线2310的线性偏振旋转到与第一偏振器2312对准的取向，从而通过其透射。在一些实施方式中，偏振旋转2307可包括延迟器，例如在某些情况下为半波延迟器。半波延迟器的光轴可以被取向为将来自光源2305的光的偏振从垂直旋转到水平，或者反之亦然。替代地，偏振旋转器2307可被配置为将从光源2305发射的线性偏振光的偏振角旋转不同的量。偏振旋转器2307不需要被包括在系统中。例如，在光源2305发射具有与第一偏振器2312相同的偏振的光的实施方式中，可以不包括偏振旋转器2307。如图所示，光(例如光线2310)穿过偏振器2312(在此显示为水平偏振器)。在来自光源2305的光是非偏振的情况下，透射通过水平偏振器2312的光(如光线2310所示)在穿过偏振器2312之后被线性偏振(例如，水平偏振)。尽管在该示例中使用水平线性偏振器，应当理解，可以使用垂直线性偏振器来应用所教导的原理。替代地，也可以使用具有除了垂直或线性以外的不同取向的线性偏振器。
水平偏振光线2310行进通过延迟器2315(这里示出为四分之一波延迟器)。该延迟器2315可包括足够的延迟以将线性偏振光转换成圆偏振光。例如，可以将水平偏振光转换成左旋圆偏振光，如弯曲的(例如，顺时针方向)箭头所示。在该示例中，偏振器2312和延迟器2315(例如，四分之一波)的组合形成圆偏振器(这里称为第一圆偏振器)，其可以将特定线性偏振(例如，水平或垂直偏振)的光转换为特定的圆偏振(例如，左旋或右旋圆偏振，反之亦然)。取决于配置，圆偏振器还可以阻挡特定圆偏振(例如，右旋或左旋圆偏振)的光。
在一些实施方式中，各种光学元件具有双折射。在某些这样的情况下，延迟器2315可包括足以将线性偏振光转换成圆偏振光的延迟量，并且不必是四分之一波片。延迟器2315中可包括大于或小于四分之一波的延迟，因为延迟可以由其他光学元件贡献。类似地，可以将延迟分布在许多光学元件中。作为另一个示例，可以采用多个延迟器来提供适当量的延迟。
然后，圆偏振光线2310(在此为左旋圆偏振)穿过光学器件2320。在具有折射率不同的介质的系统中的任何界面(例如，空气到材料界面)上，都可能发生不希望的反射。如果允许这些反射进入至少一个波导2348，则这些反射可能会成问题，因为此反射光可被定向到用户的眼睛并形成用户的眼睛可见的“重影”图像。例如，在显示器利用至少一个波导2348将第一图像投影到用户的眼睛的情况下，相对于第一图像移位(例如，横向移位)的第二模糊复制图像也可以被用户看到。由来自光学表面的被定向到用户的眼睛中的反射形成的这种“重影”图像可能会分散注意力或恶化观看体验。例如，如图23A所示，诸如反射光线2325的光可以从光学器件2320内的透镜被反射。该光可以被定向朝向至少一个波导2348，该波导2348被配置为将光定向到用户的眼睛中以用于向其呈现图像。然而，在这种情况下，圆偏振光使旋向性反转。例如，在从透镜反射离开时，圆偏振的方向被改变(例如，从左旋到右旋)。右旋反射的光线2325然后行进通过延迟器2315，并被变换成具有与偏振器2312透射的偏振不同(例如正交)的线性偏振的线性偏振光。例如，在这种情况下，从透镜的光学表面反射的光被延迟器2315转换为垂直线偏振，该垂直线偏振与水平线偏振器2312透射的偏振正交。水平线偏振器2312选择性地使水平偏振光穿过并滤掉垂直偏振光。因此，反射光线2325被水平线性偏振器2312衰减和/或不透射，并且被阻止到达至少一个波导2348，或者至少减少量的这种反射光到达至少一个波导2348或被耦合在其中，例如，通过入耦合光学元件(例如，一个或多个入耦合光栅)。对于从光学器件2320的不同光学表面或在不同光学元件上的其他光学表面反射的左旋圆偏振光线，结果将是相似的。
如图所示，显示系统2300还包括被设置在光学器件2320和空间光调制器(未示出)之间的第二延迟器2330(例如，四分之一波延迟器或四分之一波片)以及第二偏振器2335(例如，线性偏振器)。在某些实施方式中，该第二延迟器2330和该第二线性偏振器2335可以形成第二圆偏振器。第二延迟器2330被设置在光学器件2320和第二偏振器2335之间。同样，第二偏振器2335被设置在第二延迟器2330和空间光调制器之间。因此，在穿过光学器件2320之后，光线2310可以穿过第二延迟器2330(例如，四分之一波延迟器)。第二延迟器2330被配置(例如，光轴被适当地取向)，使得光线2310从左旋圆偏振转换为水平线性偏振。同样地，第二延迟器2330将圆偏振光转换回由第一偏振器2312输出的原始线性偏振状态。如以下将讨论的，当光行进到至少一个光导2348时，该第二延迟器2330和第二偏振器2312可用于减少由从空间光学调制器反射的穿过光学表面(例如，在具有焦度的光学器件或透镜2320上)的光引起的“重影”图像。
第三延迟器2340(例如，四分之一波延迟器或四分之一波片)被设置在第二偏振器2335和空间光调制器之间。因此，第三延迟器2340被设置在第二延迟器2330和空间光调制器之间。而且，在诸如所示的各种实施方式中，第二偏振器2335在第二和第三延迟器2330、2340之间。如图所示，穿过第二偏振器2335时的光线2310是线性偏振的，并且在一些实施方式中，第二延迟器2330/第二偏振器2335可以将光转换为第一偏振器2312的原始线性偏振(例如，水平偏振)。该线性偏振光入射到第三延迟器2340上。第三延迟器2340被配置为使得光线被转换回圆偏振光，并在某些实施方式中被转换为与由第一延迟器2315输出的偏振相同的偏振(例如，在该示例中是左旋圆偏振光)。在某些实施方式中，空间光调制器被配置为对圆偏振光进行操作。在一些实施方式中，空间光调制器是反射式空间光调制器，其将入射的圆偏振光反射回圆偏振光。在一些实施例中，从空间光调制器反射的圆偏振光可以具有与入射在其上的圆偏振光相同的旋向性(例如，左旋圆偏振)，这取决于空间光调制器像素是处于“开启”还是“关闭“状态。在一些实施例中，空间光调制器可以反射具有与入射在其上的圆偏振光不同的旋向性的圆偏振光(例如，右旋圆偏振)，这取决于空间光调制器像素是处于“开启”还是“关闭“状态。然而，可以使用其他类型的空间光调制器。
图23A示出了从空间光调制器反射并向波导2385行进的示为光线2342的光。反射的光线2342被示为左旋圆偏振光。光线2342穿过第三延迟器2340。第三延迟器2340将圆偏振光转换为线性偏振光。在该示例中，左旋圆偏振光被转换为水平偏振光。线性偏振光被透射通过第二偏振器2335。在该示例中，水平偏振光通过第二偏振器2335。线性偏振光入射在第二延迟器2330上并被转换为圆偏振光。在该示例中，水平偏振光被转换为左旋偏振光并且被透射到光学器件2320。在此，来自光学表面(诸如具有光焦度的光学器件2320的表面)的反射再次可以通过从空间光调制器反射离开进入至少一个波导2348并到达用户的眼睛而产生重影图像。如上所述，在与具有不同折射率的介质的任何界面(例如空气到材料界面)处都可能发生不希望的反射。如上所述，第二延迟器和偏振器2330、2335的包含可以使这些反射衰减并且减少重影反射的可能性。例如，图23A描绘了从光学器件2320的光学表面反射的示为光线2346的光。从该表面反射的动作导致被圆偏振的反射光线2346切换旋向性，在该示例中从左旋圆偏振切换到右旋圆偏振。切换的圆偏振光被第二延迟器和偏振器2330、2335形成的第二圆偏振器衰减。如图23A中所示，例如，反射的圆偏振光2346入射在第二延迟器2330上，并被第二延迟器变换成具有与由第二线性偏振器2335选择性地透射的线性偏振光不同(例如正交的线性偏振)的线性偏振光。在这种情况下，例如，从光学器件2320的光学表面反射的右旋圆偏振光被延迟器2330转换为垂直线偏振，该垂直线偏振与由偏振器2335选择性地透射的偏振正交。第二偏振器2335衰减或阻止该线性偏振光的透射。在该示例中，光2346被垂直偏振，而第二偏振器2335是选择性地使水平偏振光通过并滤掉垂直偏振光的水平偏振器。
相反，穿过光学器件2320并入射在第一延迟器2315上的光2342是圆偏振的，并且具有不同于从光学器件2320的光学表面反射的光的旋向性。被定向朝向至少一个波导2348的该光2342具有由第一延迟器2315转换成被第一偏振器2312选择性地透射的线性偏振(例如，水平线性偏振光)的偏振(例如，左旋偏振)。以这种方式，光2342可以到达并被耦合到至少一个波导2348中并且被定向到用户的眼睛。
在图23A所示的示例中，在光学器件2320的相对侧上的由第一偏振器2312和第一延迟器2315形成的第一圆偏振器和由第二延迟器2330和第二偏振器2335形成的第二圆偏振器(一个更靠近光源2305，一个更靠近空间光调制器)被用于减少可能导致“重影图像”的反射。在第二圆偏振器(例如，第二偏振器2335)和空间光调制器之间包括附加的延迟器2340，以将光转换为圆偏振光。但是，各种各样的变化都是可能的。例如，可以仅包括一个圆偏振器。替代地，可包括附加的圆偏振器或其他类型的偏振光学器件。
图23B示出了可以添加到诸如图23A所示的增强现实系统2300中的第三圆偏振器。特别地，图23B描绘了包括如上所述的第二偏振器2335和第二延迟器2330的第二圆偏振器以及第三延迟器2340，并且还描绘了空间光调制器2375。该空间光调制器(SLM)2375可包括液晶空间光调制器(例如，硅上液晶或LCOS)。在一些实施方式中，SLM 2375可以用盖玻璃2370覆盖。
图23B还示出了第三圆偏振器，该第三圆偏振器包括设置在包括第二偏振器2335和第二延迟器2330的第二圆偏振器与空间光调制器2375之间的第四延迟器2345(例如四分之一波延迟器(例如，四分之一波片))和第三偏振器2355(例如线性偏振器)。第三偏振器2355位于第四延迟器2345和空间光调制器2375之间。另外的第五延迟器2360(例如四分之一波延迟器(例如，四分之一波片))以及补偿器2365设置在包括第四延迟器2345和第三偏振器2355的第三圆偏振器与空间光调制器2375或更具体地讲如图23B所示的盖玻璃2370之间。第五延迟器2360在第三偏振器2355与补偿器2365之间。补偿器2365在第五延迟器2360与空间光调制器2375之间或者具体地盖玻璃2370。
图23B示出了来自光源2305(图23A所示)的光(例如光线2310)如何传播通过包括延迟器2330和第二偏振器2335的第二圆偏振器以及第三延迟器2340到包括第四延迟器2345和第三偏振器2355的第三圆偏振器。来自光源2305的光线2310在通过包括第二延迟器2330和第二偏振器2335的第二圆偏振器之后入射在第三圆偏振器上，尤其是入射在第四延迟器2345上。第四延迟器2345可将光线2310的圆偏振光转换为线性偏振光。在图23B所示的示例中，光线2310被圆偏振(例如，左旋圆偏振)，并且被第四延迟器2345转换成线性偏振光(例如，水平偏振光)。该线性偏振光行进通过第三偏振器2355，其在图23B中包括选择性地透射水平偏振光的水平偏振器。该线性偏振光传播通过第五延迟器2360，第五延迟器2360可包括将线性偏振光转换成圆偏振光的四分之一波延迟器。在图23B所示的例子中，入射在第五延迟器2360上的水平线性偏振光2310被转换为左旋圆偏振光。该圆偏振光入射在补偿器2365上并通过补偿器2365。补偿器2365可包括将偏振调整为期望的偏振的偏振元件。补偿器2365可用于偏移系统中各种光学元件的双折射。例如，由于一个或多个光学元件的延迟贡献，光可能略微被椭圆偏振。在各种实施方式中，从补偿器2365输出的光是圆偏振光。在图23B所示的例子中，从补偿器2365输出的光是左旋圆偏振光。在各种实施方式中，补偿器2365可用于偏移SLM内的残余延迟，该SLM可包括例如液晶(例如，LCOS)SLM单元。补偿器可以引入面内(in-plane)延迟和/或面外(out of plane)延迟。在一些实施方式中，补偿器2365可包括光学延迟器的组合，该光学延迟器在被组合时产生可潜在地偏移来自SLM(例如，LCOS面板)的残余延迟的延迟。
在图23B中，穿过补偿器2365之后的光入射到盖玻璃2370和SLM2375上。入射到盖玻璃2370和SLM 2375上的该光被描绘为左旋圆偏振光。根据空间调制器的类型和状态，SLM2375可以反射具有相同旋向性的圆偏振光。例如，当SLM 2375的像素处于“开启”状态时(尽管在某些实施方式中此状态可能是非驱动状态)，SLM 2375可在每次穿过SLM2375时引入四分之一波延迟。相应地，在反射时，入射的圆偏振光可以在反射时保持圆偏振。在各种配置中，旋向性也可以保持相同。例如，如图23B所示，入射的左旋圆偏振光可以在反射时保持左旋圆偏振。由光线2342表示的从SLM 2375反射的圆偏振光可以通过盖玻璃2370和补偿器2365，并入射到第五延迟器2360上，第五延迟器2360将圆偏振光转换为线性偏振光。在图23B所示的例子中，入射到第五延迟器2360上的圆偏振光是左旋的，并且第五延迟器2360将该圆偏振光转换成水平偏振光。第三偏振器2355可被配置为选择性地透射由第五延迟器2360输出的光的偏振。相应地，在图23B中所示的其中从第五延迟器2360输出的光是水平偏振的示例中，第三偏振器2355选择性地透射水平偏振光。由偏振器2355透射的该线性偏振光入射在第四延迟器2345上，并被转换为圆偏振光。在图23B所示的例子中，该圆偏振光是左旋圆偏振的。该光可以行进通过包括第二延迟器2330和第二偏振器2335的第二圆偏振器、光学器件2320、以及包括第一偏振器2312和第一延迟器2315的第一圆偏振器，到达至少一个波导2348并进入用户的眼睛，如以上结合图23A所讨论的。
然而，从光学表面反射的光可以被第三圆偏振器衰减，从而减少了这种反射将到达至少一个波导2348并被定向到用户的眼睛从而产生重影图像的可能性。为了说明，图23B示出了从第三延迟器2340的光学表面(例如从空气与第三延迟器2340之间的界面)反射的示例性光线2343。如上所述，反射可以在具有不同折射率的介质之间的任何界面(例如空气到材料界面或不同介电层之间的界面)处发生。但是，圆偏振光在反射时会使旋向性反转。例如，在反射离开第三延迟器2340的表面时，圆偏振的方向改变(例如，从左旋到右旋)。右旋反射的光线2343然后行进通过第四延迟器2345，并且被变换为具有与由第三偏振器2355选择性透射的偏振光不同的例如正交的线性偏振的线性偏振光。在这种情况下，例如，从第三延迟器2340的光学表面反射的光被第四延迟器2345转换为垂直线性偏振，该垂直线性偏振与由第三偏振器2355选择性透射的偏振正交。第三偏振器2355选择性地使水平偏振光通过并滤掉垂直偏振光。因此，反射光线2343被第三偏振器2355衰减和/或不透射，并且被阻止到达至少一个波导2348(例如，通过从另一表面反射离开)，或至少减少量的这种反射光到达至少一个波导2348或被耦合在其中。
对于从不同光学表面反射的圆偏振光线，结果可能是相似的。例如，图23B示出了入射光线2310从第四延迟器2345的光学表面反射离开。从第四延迟器2345离开的反射2350切换偏振的旋向性。例如，描绘为左旋圆偏振的入射光线2310在反射时被转换成示出为具有右旋圆偏振的光线2350。反射光线2350通过第三延迟器2340并且被变换为垂直偏振光。该垂直偏振光被第二偏振器2335选择性地衰减或滤掉。
如上所述，SLM 2375的像素可以例如处于“开启”状态(尽管在一些实施方式中为非驱动状态)，其中，入射在SLM 2375的该像素上的光从其反射并被耦合到至少一个波导2348中并被定向到用户的眼睛。但是，SLM 2375的像素可以处于“关闭”状态(在某些实施方式中可能是驱动状态)，其中，入射在SLM 2375的像素上的光不被耦合到至少一个波导2348中并且不被耦合到用户的眼睛中。例如，在此“关闭”状态下，SLM2375的各种实施方式可能不会因从其反射而引入延迟。因此，在图23B所示的示例中，入射在SLM 2375上的圆偏振光可以在从SLM 2375反射时保持圆偏振。然而，圆偏振光的这种旋向性可以在从SLM 2375反射时改变。例如，图23B中所示的入射到SLM 2375上的被左旋圆偏振的光线2310可以在从SLM 2375反射时被变换为改变右旋圆偏振光。但是，该反射光可以被第三偏振器2355选择性地衰减。例如，从SLM 2375反射的右旋圆偏振光可以通过盖玻璃2370、补偿器2365和第五延迟器2360。第五延迟器2360可以将右旋圆偏振光转换为垂直偏振光，该垂直偏振光被第三偏振器2355选择性地衰减，第三偏振器2355可包括水平偏振器。因此，在各种实施方式中，当SLM的像素处于“关闭”状态时，第五延迟器2360可以将从SLM 2375的像素反射的光转换为与由第三偏振器2355选择性透射的线性偏振正交的线性偏振。因此，该第三偏振器2355可以选择性地衰减该线性偏振光，从而减少或阻挡来自SLM 2375的像素的光到达至少一个波导2348并被定向到眼睛中。
配置中的变化(例如偏振光学元件中的变化)是可能的。例如，可包括更多或更少的圆偏振器。在各种实施方式中，例如，如图23C所示，排除了包括第四延迟器2345和第三偏振器2355的第三圆偏振器。在该特定实施方式中，系统中不包括第四延迟器2345、第三偏振器2355和第五延迟器2360。图23C示出了增强现实系统2300的设计，该增强现实系统2300包括图23A和图23B所示的部件，除了第四延迟器2345、第三偏振器2355和第五延迟器2360之外。尽管如此，尽管排除了第三圆偏振器，增强现实显示系统仍然被配置为减少重影图像。例如，第二圆偏振器减少了否则会产生重影图像的反射。为了说明，图23C描绘了从第三延迟器2340反射的示出为光线2380的光。从第三延迟器2340的表面反射的动作导致了反射的光线2380，该光线是圆偏振的以切换旋向性。在该示例中，偏振从左旋圆偏振切换到右旋圆偏振。然后，切换的圆偏振光2380穿过补偿器2365，并入射到盖玻璃2370和SLM 2375上。如上所述，SLM 2375可以反射相同旋向性的圆偏振光。因此，入射的右旋圆偏振光可以在反射时保持右旋圆偏振。然后，由光线2382表示的从SLM 2375反射的该圆偏振光可以通过盖玻璃2370和补偿器2365，并入射到第三延迟器2340上。切换的圆偏振光2382被第二圆偏振器并且特别是被第三延迟器2340和偏振器2335衰减。例如，如图23C所示，从SLM 2375反射的圆偏振光2382入射在第三延迟器2340上，并且被第三延迟器2340变换为具有与由第二线性偏振器2335选择性透射的偏振光不同的例如正交的线性偏振的线性偏振光。在这种情况下，例如，右旋圆偏振光2382被第三延迟器2340转换成垂直线性偏振，该垂直线性偏振与第二偏振器2335选择性地透射的偏振正交。第二偏振器2335衰减或阻止这种线性偏振光的透射。
还可以通过倾斜系统中的光学表面来潜在地减少可能导致重影反射的反射。图24示出了具有倾斜的光学表面以减少可能产生重影反射的反射的示例配置。图24示出了增强现实显示系统2400，该增强现实显示系统2400包括光源2305，该光源2305发射由光线2310表示的光，该光在朝着空间光调制器(SLM)2375行进时通过任何数量的偏振器、延迟器、透镜和/或其他光学部件。出于说明目的，图24中示出了可能形成第一圆偏振器的第一偏振器2312和第一延迟器2315以及透镜2320。但是，可包括其他部件，或者可以以不同方式排除或布置或配置部件。在所示的示例中，SLM2375包括与其一起的盖玻璃2370。盖玻璃2370可以是产生重影图像的反射的贡献者。这样，在一些实施方式中，盖玻璃2370可被成形以便将可以产生重影图像的反射定向远离避免定向到用户的眼睛中。如图所示，盖玻璃2370具有可以倾斜的表面，使得该表面与系统的其他部件或光学表面(例如，SLM 2375、第一延迟器2315、第一偏振器2312、至少一个波导2348等等，或其光学表面)不平行。盖玻璃2370的主表面可以例如具有倾斜的法线，以便不与增强现实显示系统2400或其中的光学部件(例如光学器件2320)的光轴对准或平行。通过倾斜，来自盖玻璃2370的光学表面的反射可以被定向远离至少一个波导2348或用于将光入耦合到至少一个波导2348中的入耦合光学元件(例如，入耦合光栅或衍射光学元件)，并减少了来自盖玻璃2370的反射进入至少一个波导2348的可能性。如图所示，反射光2405被定向回朝向光源2305，并远离至少一个波导2348，这种光最终可以到达用户的眼睛。在一些实施方式中，反射光2405可以被定向回到光源，并且至少一部分在光源2305处被回收。
尽管图24描绘了具有倾斜的表面的盖玻璃2370，被倾斜以将反射转向远离被耦合到至少一个波导2348中的光学表面可被包括在系统中可能发生不期望反射的任何部件上。因此，诸如偏振器、延迟器等的其他部件上的光学表面可被倾斜以减少被耦合到至少一个波导2348中并且被耦合到用户的眼睛的反射。盖玻璃2370或其他光学部件的形状和大小的变化是可能的。盖玻璃2370或其他光学部件可以例如更薄。类似地，盖玻璃2370或其他光学部件可以具有与图24所示不同的纵横比(长度对厚度)。在一些实施方式中，盖玻璃2370或其他光学部件是楔形的。然而，其他形状也是可能的。
其他布置也是可能的。例如，图25示出了类似于图24所示的系统2400的增强现实显示系统2500的实施方式，但进一步包括用于吸收被定向到其的光的光收集器2505。系统2500包括倾斜的盖玻璃2370，以将反射2510从盖玻璃2370定向到光收集器2505，而不是被定向回到光源2305。光收集器2505可包括被配置为吸收光的吸收材料或结构。可以根据实施方式，例如取决于倾斜的盖玻璃2370的角度，来改变光收集器2505的位置。如上所述，该方法可以应用于系统中的其他光学表面。附加地，光学元件的形状和大小可以不同。
增强现实显示器中的多种变化是可能的。偏振光学元件中的变化是可能的。例如，尽管使用水平偏振器，但是在一些实施方式中，采用垂直偏振器或水平偏振器和垂直偏振器的组合。附加地，可以使用以垂直或水平以外的偏振为特征的偏振器。同样，图中所示的光不必是水平偏振的，而可以是垂直偏振的。类似地，在不同的实施方式中，示出为垂直偏振的光可以是水平偏振的，反之亦然。也可以使用具有不同于垂直或水平偏振的线性偏振光。
附加地，延迟器可以被不同地配置。例如，图中的偏振光不必是左旋圆偏振的，而可以是右旋圆偏振光，和/或右旋偏振光可以是左旋圆偏振的。其他变化也是可能的。可以采用不同的延迟器配置来产生与所示的左旋和/或右旋偏振光的不同组合。而且，在一些实施方式中，可以使用椭圆偏振光代替圆偏振光。可以使用延迟器，例如以将椭圆偏振光转换为线性偏振光，反之亦然。线性偏振器可用于过滤光，并且可用于减少如本文所述的重影反射。
在一些实施方式中，采用其他类型的偏振元件及其配置。例如，延迟器不限于四分之一波延迟器或四分之一波片。例如，在一些实施方式中，各种光学元件具有双折射。在某些这样的情况下，延迟器2315、2330、2340中的任何一个或多个可包括足以将线性偏振光转换成圆偏振光的延迟量，并且不必是四分之一波延迟器。或多或少的四分之一波延迟可包括在延迟器2315、2330、2340中的任何一个或多个中，因为延迟可以由其他光学元件贡献。类似地，可以将延迟分布在多个光学元件中。作为另一个示例，可以采用多个延迟器来提供适当量的延迟。此外，如上所述，在一些实施方式中，可以使用椭圆偏振光代替圆偏振光。可以使用延迟器，例如以将椭圆偏振光转换为线性偏振光，反之亦然。线性偏振器可用于过滤光，并且可用于减少如本文所述的重影反射。
附加地，光学部件可以是光学层、片和/或膜以及堆叠或一个或多个层、片和/或膜的形式。因此，可以使用不同量、位置和布置中的不同偏振元件。例如，一个或多个延迟器和/或偏振器可包括膜。
在一些实施方式中，空间光调制器可以不同地操作。例如，空间光调制器可以对除圆偏振光以外的光进行操作和/或可以输出除圆偏振光以外的光。
在前述说明书中，已经参考本公开的特定实施例描述了本公开。然而，将显而易见的是，在不脱离本公开的更广泛的精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应被认为是说明性而非限制性的。
的确，应当理解，本公开的系统和方法均具有多个创新方面，其中，没有一个对本文中公开的期望属性单独负责或要求。上述的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旨在落入本公开的范围内。
在单独的实施例的上下文中在本说明书中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以分别在多个实施例中单独或以任何合适的子组合来实现。而且，尽管以上可以将特征描述为以某些组合起作用并且甚至最初如此声称，但是在某些情况下可以从该组合中切除所要求保护的组合中的一个或多个特征，并且所要求保护的组合可以针对子组合或子组合的变化。对于每个实施例，没有单个特征或一组特征是必要的或必不可少的。
倾斜空间光调制器
如上所述，在头戴式显示器中使用的各种目镜可被配置为以不同的发散量将光定向到眼睛中，就好像源自位于距用户不同距离处的对象一样。例如，第一组波导可以将具有第一发散量的光耦合出并且第二组波导可以将具有第二发散量的光耦合出，其中，第二发散量不同于(例如，小于)第一发散量。类似地，第一组波导可以将具有第一发散量的光耦合出，并且第二组波导可以将被准直的光耦合出。因此，由来自第一组波导的光形成的图像可提供与较近的对象相关联的视觉提示，而由来自第二组波导的光形成的图像可提供与较远的对象相关联的视觉提示。如上所述，波导可以因此具有与其相关联的光焦度以提供发散或准直。每组波导还可包括多个波导，例如，以呈现不同的颜色分量(例如，红色、绿色和蓝色)。如本文所讨论的，因此头戴式显示器可以通过被配置为在当处于第一状态时将光定向到第一组波导(例如，具有与其相关联的第一焦度以产生看起来源自第一距离或第一组距离的图像)和当处于第二状态时将光定向到第二组波导(例如，具有与其相关联的第二不同光焦度以产生看起来源自第二距离或第二组距离的图像)之间进行切换而受益。例如，头戴式显示器可以在被配置成提供看起来相对较近的图像的第一状态和被配置成提供看起来相对较远的图像的第二状态之间切换。在本文公开的各种配置中，为了提供这种切换，增强现实显示系统可包括空间光调制器(SLM)，该空间光调制器可以从第一取向倾斜到第二取向以将光定向到第一组入耦合光学元件以用于第一组波导或定向到第二组入耦合光学元件以用于第二组波导以向其提供图像。
图26A-26D中示出了一个这样的增强现实显示设备，其中，空间光调制器(SLM)被配置为在两个或多个取向(例如，第一和第二取向)之间倾斜，以将光沿不同方向定向到不同入耦合中光学元件，从而将光耦合到不同组波导中。
图26A示出了增强现实显示系统2600，该增强现实显示系统2600包括光源1110、空间光调制器阵列(SLM)2610、以及被设置在其间的光路中的光学器件1130。光源1116发射穿过光学器件1130并入射到SLM 2610上的光。SLM 2610是反射性的，并且将光反射回光学器件1130中。增强现实显示系统2600还包括目镜2602，该目镜2602包括包括一个或多个波导2603的波导堆叠2605。光学器件1130还被设置在SLM 2610和波导堆叠2605之间的光路中。如图26A和26B所示，来自光源1116的、从SLM2610反射的光入射在波导堆叠2605上。
波导堆叠2605可以分别包括两组或更多组波导2603和两组或更多组入耦合光学元件。例如，图26A和26B示出了具有第一组入耦合光学元件2614的第一组波导2607和具有第二组入耦合光学元件2616的第二组波导2609。在该设计中，第一组入耦合光学元件2614包括三个入耦合光学元件，即用于将三种不同颜色(例如红色、绿色和蓝色)入耦合到第一组波导2607中的三个波导2603中的第一、第二和第三入耦合光学元件2650、2652和2654。类似地，第二组入耦合光学元件2616包括三个入耦合光学元件，即也用于将三种不同颜色(例如红色、绿色和蓝色)入耦合到第二组波导2609中的三个波导2603中的第一、第二和第三入耦合光学元件2640、2642和2644。
如图26A和26B所示，SLM 2610被配置为倾斜以便在处于第一状态时将光定向至第一组入耦合元件2614并进入第一组波导2607或在处于第二状态时将光定向至第二组入耦合元件2616中并进入第二组波导2609。例如，在图26A和26B中示出了SLM 2610，其绕轴2615旋转。在一些实施例中，轴2615平行于波导堆叠2605中的波导(例如，平行于z轴)。具体地，当处于第一状态时，SLM 2610被示出为相对于平行于目镜2602和波导堆叠2605的平面逆时针倾斜角度θ(+θ)，而当处于第二状态时，相对于平行于目镜和波导堆叠的平面顺时针倾斜角度θ(-θ)。尽管在图26A和26B中所示的示例中，在相反的方向上倾斜相同的角度θ，但角度不必相同。
在各种实施方式中，增强现实显示系统2600可包括不止一个光源。例如，一组光源1116可包括三个光源1110、1112、1114，如图26C所示，其描绘了包括波导堆叠2605的目镜2602的正视图。光源1110、1112、1114可以相对于彼此横向地移位，如图26C所示。在该示例中，一组光源1116包括三个光源1110、1112、1114，尽管可以有更多或更少的光源。光源1110、1112、1114可以是不同颜色的光源，例如分别是红色、绿色和蓝色光源。在该设计中，光源1110、1112、1114被示出为沿着平行于SLM 2610围绕其旋转的轴2615(例如，平行于z轴)的方向相对于彼此移位。
在图26A-26C所示的示例中，SLM 2610被配置为倾斜以将来自一组光源1116中的光源1110、1112、1114的光定向到第一或第二组入耦合光学元件2614、2616中的入耦合光学元件2650、2652、2654、2640、2642、2644中，以分别在处于第一或第二状态时将光耦合入第一或第二组波导2607、2609中的一个中。图26A示出了以一定角度(例如，+θ)2612a倾斜的SLM 2610，使得来自光源1110的光被定向至第一组入耦合光学元件2614中的入耦合光学元件2650、2652、2654中的一个入耦合光学元件中，而不是第二组入耦合光学元件2616中的入耦合光学元件2640、2652、2644中的一个入耦合光学元件。然后，第一组入耦合光学元件2614中的入耦合光学元件可以将光耦合到第一组波导2607中的波导2603中的一个波导中，而不是第二组波导2609中的波导2603中的一个波导。图26B示出了以一定角度(例如，-θ)2612b倾斜的SLM 2610，以使得来自光源1116的光被定向到第二组入耦合光学元件2614中的入耦合光学元件2640、2642、2644中的一个中，而不是第一组入耦合光学元件2614中的波导2650、2652、2654中的一个中。第二组入耦合光学元件2614中的入耦合光学元件然后可以将更多光定向至第二组波导2609中的波导2603中的一个波导，而不是第一组波导2607中的波导2603中的一个波导。
在此设计中，第一和第二组入耦合光学元件2614、2616被布置在一组光源1116的相对侧，该组光源1116可包括光源1110、1112、1114。因此，SLM 2610当处于第一状态时，可以朝着光源1110、1112、1114的一侧上的第一组入耦合光学元件2614倾斜，并且处于第二状态时，可以朝着光源的相对侧上的第二组入耦合光学元件2616倾斜。
图26D是从不同于图26A和26B所示的一侧的目镜2602的侧视图。在图26D中，入耦合光学元件2650、2652、2654、2640、2642和2644以及光源1110、1112、1114在SLM 2610围绕其倾斜的轴2615的方向(例如Z方向)上相对于彼此横向移位。特别地，第一、第二和第三入耦合光学元件2650、2652、2654、2640、2642和2644(在第一和第二组入耦合元件2614、2616中)在S LM 2610围绕其倾斜的轴方向(例如Z方向)上相对于彼此横向移位。类似地，三个光源1110、1112、1114在SLM 2610围绕其倾斜的轴2615的方向(例如，Z方向)上相对于彼此横向移位。然而，第一、第二和第三光源1110、1112、1114与第一和第二组入耦合光学元件2614、2616中的第一、第二和第三入耦合光学元件2650、2652、2654、2640、2642和2644中的相应一个对准(沿Z方向)，使得当SLM 2610适当倾斜时，第一、第二和第三光源1110、1112、1114将光分别定向到第一和第二组入耦合光学元件2614、2616中的第一、第二、第三入耦合光学元件2650、2652、2654、2640、2642和2644。
如上所述，在一些实施方式中，每一组波导2607、2609可被配置为输出具有不同量的发散、会聚或准直的光。例如，图26D示出了第一组波导2607，其包括被配置为输出发散第一量的光2665的第一组出耦合光学元件2666，以及第二组波导2607，其包括被配置为输出发散第二量的光2675的第二组出耦合光学元件2676。在该示例中，图26D示出了第一发散量大于第二发散量。如上所述，在一些实施方式中，波导组2607、2609中的一个组可被配置为将准直的光定向朝向用户的眼睛，而另一个波导组被配置为将发散的光定向朝向用户的眼睛。因此，在各种实施方式中，包括入耦合光学元件2650、2652和2654的第一组入耦合光学元件2614接收光并将其耦合到第一组波导2607中，第一组波导2607输出光2665以形成看起来源自第一距离(例如，更近的距离)的图像，包括2640、2642和2644的第二组入耦合光学元件2616接收光并将其耦合到第二组波导2609中以输出光2675以形成看起来源自第二距离(例如，更远的距离)的图像，这取决于SLM 2610的倾斜。尽管以上将出耦合光学元件2666和2676称为产生发散和/或准直，但在一些实施方式中，可包括一个或多个透镜或具有光焦度的其他光学元件以提供发散和/或准直。在某些实施方式中，例如可以在第一和第二组波导2607、2609之间和/或在第二组波导2609和用户的眼睛之间包括透镜。在任何这样的设计中，出耦合光学元件2666和2676可包括或可以不包括光焦度，或者以其他方式被配置成使光具有发散和/或被准直。
其他配置是可能的。例如，如图27所示，在一些实施方式中，不同波导组2707、2709被配置为对虚拟图像内容提供不同视野。在某些情况下，这些视野可以加在一起为用户提供更大的视野。例如，第一组波导2707可提供0°至+45°的视野，而第二组波导可提供0°至-45°的视野。SLM2610可以通过前后倾斜SLM 2610以提供-45°至+45°的总视野，来在将光定向至第一和第二组波导2707、2709之间进行切换。SLM 2610可以以足够快的速率在第一和第二组波导2707、2709之间切换，使得用户不能感知到该切换。例如，图27示出了包括入耦合光学元件2650、2652和2654的第一组入耦合光学元件2614，其被配置为将光定向到第一组波导2707中，以及包括入耦合光学元件2640、2642和2644的第二组入耦合光学元件2616，其被配置为将光定向到第二组波导2709中。第一组波导2707具有第一组出耦合光学元件2766，其被配置为输出对应于第一角度视野(angular field-of-view)2782中的虚拟图像内容的光，第二组波导2709具有第二组出耦合光学元件2776，其被配置为输出对应于第二角度视野2784中的虚拟图像内容的光。图27示出了在与第二角场(angular field)2784不同的方向上定向的第一角场2782。然而，在一些实施方式中，第一和第二角场2782、2784中的每个的一部分可以重叠。然而，重叠可以小于由波导组2707、2709提供的视野的50％、25％、10％、5％、1％，或者在一些实施方式中这些值中的任何一个之间的任何范围中。与单独的一个视野相比，不同的视野可以一起为虚拟图像内容提供更大的视野。在一些实施方式中，来自每波导组2707、2709的角度视野不必重叠或可以发散。其他变化也是可能的。例如，三个波导组可以提供三个不同的视野。如上所述，SLM 2610可以在向这三个波导组提供光之间切换。在某些实施方式中，由波导组提供的总视野大于单独的任何一个视野。
其他设计是可能的。例如，在一些实施方式中，不同波导组2807、2809可以提供增大的眼箱。例如，如图28所示，每个入耦合光学元件组2614、2616可将光定向到具有出耦合光学元件1180的相应波导组2807、2809中，该出耦合光学元件1180相对于彼此横向位移或偏移以提供用户的眼睛的可能横向位置的增加的范围。具体地，图28示出了包括入耦合光学元件2650、2652和2654的第一组入耦合光学元件2614，其可以将光定向到具有第一组出耦合光学元件2866的第一组波导2807中，以及包括入耦合光学元件2640、2642和2644的第二组入耦合光学元件2614，其可以将光定向到具有第二组出耦合光学元件2876的第二组波导2809中。如上所述，SLM 2610可以通过来回倾斜在将光定向到第一和第二组波导2807、2809以及第一和第二组出耦合光学元件2866、2876之间切换。第一组出耦合元件2866相对于第二组出耦合元件2876横向偏移或移位。有利地，第一和第二组出耦合光学元件2866、2876从比第一和第二组出耦合光学元件2866、2876中的仅一个更宽的区域输出光。该较宽的投影区域可以转化为增大的眼箱，以用于用户观看显示器中的图像。因此，较宽的区域可以适应用户的眼睛210的横向位置的变化。例如，用户的瞳孔间距离可以使得眼睛210相对于目镜2602或多或少在鼻部或颞部。然而，出耦合光学元件1180的组合增加了眼睛210可能位于的横向方向(例如，z方向)的位置，并且仍然能够从出耦合光学元件2866、2876接收光并观看虚拟图像内容。SLM2610可以以足够快的速率在第一和第二组波导2807、2809之间并且从而在第一和第二组入耦合光学元件2614、2616之间切换，使得用户无法感知切换但看起来有更大的眼箱。
光源和入耦合光学元件可以不同地布置和/或配置。在一些实施例中，诸如图29A和29B所示，光源2910例如可以是能够在不同时间发射不同颜色光的多色光源。例如，光源2910可以发射三种颜色，并且可被配置为在第一时间段发射第一颜色以及不高于可忽略量的第二和第三颜色，在第二时间段发射第二颜色以及不高于可忽略量的第一和第三颜色，并且在第三时间段发射第三颜色以及不高于可忽略量的第一和第二颜色。例如，光源2910可以发射红色、绿色和蓝色(RGB)光，并且可被配置为在第一时间段发射红色以及不高于可忽略量的绿色和蓝色，在第二时间段发射绿色以及不高于可忽略量的红色和蓝色，并且在第三时间段内发射蓝色以及不高于可忽略量的红色和绿色。可以重复这些循环，并且可以协调SLM2610，以便为特定颜色(红色、绿色或蓝色)产生合适的像素状态图案，从而为给定的图像帧提供适当的图像颜色分量。
然而，波导堆叠2605中的不同波导2990、2992、2994、2930、2932和2934可各自被配置为输出具有不同的相应颜色的光。例如，如图29A所示，与相应的第一、第二和第三入耦合光学元件2950、2952和2954相关联的第一组波导2607中的第一、第二和第三波导2930、2932、2934可被配置为分别输出第一、第二和第三颜色光(例如，蓝色、绿色和红色)。类似地，与相应的第一、第二和第三入耦合光学元件2940、2942和2944相关联的第二组波导2609中的第一、第二和第三波导2990、2992、2994也可被配置为分别输出第一、第二和第三颜色的光(例如，蓝色、绿色和红色)。第一组波导2607中的不同入耦合光学元件2950、2952、2954(包括2930、2932和2934)可被横向对准(例如，如图29B所示)或者被设置在彼此上方和/或下方并相对于彼此横向地对准，使得光路延伸通过第一组入耦合光学元件2614中的每个入耦合光学元件。因此，在某些情况下，光可以沿着路径传播并且入射到第一组入耦合光学元件2614中的所有三个入耦合光学元件2950、2952、2954。类似地，第二组波导2609中的不同入耦合光学元件2940、2942、2944(包括2990、2992和2994)可以彼此横向对准(例如，如图29B所示)或被设置在彼此上方和/或下方并相对于彼此横向对准，使得光路延伸通过第二组入耦合光学元件2616中的每个入耦合光学元件。因此，在某些情况下，光可以沿路径传播并入射在第二组入耦合光学元件2616中的所有三个入耦合光学元件2940、2942、2944。然而，第一组入耦合光学元件2614可以相对于第二组入耦合光学元件2616横向地偏移，使得光可以取决于SLM 2610的倾斜被定向到第一或第二组入耦合光学元件2614、2616。
入耦合光学元件2950、2952、2954、2940、2942、2944可以是颜色选择的。例如，第一和第二组入耦合光学元件2614、2616中的第一入耦合光学元件2950、2940可被配置为入耦合不可忽略量的第一颜色以及不大于可忽略量的第二和第三颜色。类似地，第一和第二组入耦合光学元件2614、2616中的第二入耦合光学元件2952、2942可被配置为入耦合不可忽略量的第二颜色以及不大于可忽略量的第一和第三颜色。附加地，第一和第二组入耦合光学元件2614、2616中的第三入耦合光学元件2952、2942可被配置为入耦合不可忽略量的第三颜色以及不大于可忽略量的第一和第二颜色。其他配置也是可能的。例如，第一组波导2607中的不同波导可被配置为接收和输出与第二组波导2609中的各个对应波导不同的颜色，反之亦然。当然，其他颜色也是可能的，例如，光源2910可以发射其他颜色，并且颜色选择入耦合光学元件2950、2952、2954、2940、2942、2944可被配置用于其他颜色。附加地，各个红色、绿色和蓝色发射器可以足够靠近地定位，以有效地用作单个瞳孔光源。为了提高效率，可以将任何颜色的发射器与光束调节元件(例如反射器、膜和全息图)组合使用，以使光源的角度输出与显示的视野相匹配。在一些实施方式中，红色、绿色和蓝色发射器可以与透镜和二向色分离器组合以形成单个红色、绿色和蓝色光瞳源。单个光瞳的复用可以扩展到颜色选择之外或除此之外，并且可包括使用偏振敏感光栅和偏振切换。这些颜色或偏振光栅也可以与多个显示光瞳组合使用，以增加可寻址的层数。
多种变化是可能的。例如，尽管以上参考图26A-29B讨论了两组波导2607、2609，可包括更多组波导(并且因此，更多组对应的入耦合光学元件)。例如，SLM 2610可被配置为切换到不同的状态，例如以不同的角度倾斜，以将来自光源的光耦合到三、四或更多组波导中。SLM 2610可以具有例如三个、四个或更多个状态，其中，SLM以不同的角度(例如θ1、θ2和θ3)倾斜，以将光定向到第一、第二或第三组入耦合光学元件中到第一、第二、第三组波导中。类似地，该组波导可包括更多或更少的波导2603。例如，每组波导可以仅包括两个波导2603。类似地，在这种实现方式中，每组入耦合光学元件可以仅包括两个入耦合光学元件。替代地，一组波导可包括四个或更多个波导2603。在这样的实施方式中，一组入耦合光学元件可包括四个或更多个入耦合光学元件。
图30A示出了一种配置，其中，代替使用一个或多个波导来提供被定制以产生看起来源自某一深度的图像的光，而是使用单个波导来提供这种光。例如，在图30A中，两个这样的波导(称为第一和第二波导3004、3006)用于两个相应的深度。每个波导3004、3006被配置为根据倾斜的空间光调制器2610的倾斜状态从多色光源3010接收多种颜色的光。在各种实施方式中，横向移位的、非颜色选择的或宽带入耦合光学元件3050、3040可被配置为接收来自光源3010的光并将其耦合到相应的第一和第二波导3004、3006中。
图30A例如是增强现实显示系统的侧视图，该增强现实显示系统包括目镜2602，该目镜2602包括波导堆叠2605。波导堆叠2605包括第一和第二波导3004、3006，每个波导均包括与其一起的相应的入耦合光学元件3050、3040以及相应的出耦合光学元件3060、3070。入耦合光学元件3040和3050可被配置为将多种颜色的光耦合到它们相应的波导中。因此，由于这些入耦合光学元件耦合不同颜色的光，因此这些入耦合光学元件3050、3040在本文中可被称为宽带、多色或非颜色选择的耦合光学元件。例如，在一些实施方式中，这些入耦合光学元件3050、3040中的每个被配置为将第一、第二和第三颜色(例如，红色、绿色和蓝色)入耦合到相关联的波导3004、3006中，在相关联的波导3004、3006中包括入耦合光学元件使得具有颜色的光通过TIR在波导内被引导。这样的宽带入耦合光学元件3040和3050可以例如在例如可见光范围内的宽范围的波长上操作，或者选择在例如可见光范围内扩展的波长或波长区域。因此，这样的宽带或多色或非颜色选择的入耦合光学元件3040和3050可被配置为将各种不同颜色(例如，红色、绿色和蓝色)的光转向至波导中以在其中通过TIR被引导。类似地，这些出耦合光学元件3060和30 70中的每一个可包括宽带出耦合光学元件。这样的宽带出耦合光学元件3060和3070可以例如在例如可见范围内的宽范围的波长上操作，或者选择在例如可见范围内扩展的波长或波长区域。因此，这样的宽带或多色或非颜色选择的出耦合光学元件3060和3070可被配置为将各种不同颜色(例如，红色、绿色和蓝色)的光从波导中转向出到眼睛。尽管在本文中例如结合光源、入耦合光学元件、出耦合光学元件和/或波导等指的是红色、绿色、蓝色(RGB)，但是其他颜色或颜色系统也可以附加地或替代地被使用，例如包括但不限于青色、品红色和黄色(CMY)。
在一些实施方式中，增强现实显示系统2600可包括其上设置有SLM2610的倾斜台。倾斜台可包括至少一个能够倾斜倾斜台的致动器。在一些实施方式中，致动器可以能够接收信号并且可以响应于倾斜信号使倾斜台倾斜。
如上所述，在一些实施方式中，SLM 2610可被配置为在两个或更多个状态之间切换。SLM 2610的每个状态可以对应于不同的角度。例如，SLM 2610可以倾斜到对应于第一角度的第一状态，并且可以倾斜到对应于第二角度的第二状态。例如，图26A和26B示出了第一角度2612a和第二角度2612b。在一些实施例中，第一角度2612a和第二角度2612b可包括以下角度：在-45度至+45度之间、在-30度至+30度之间、在-20度至+20度之间、在-10度至+10度之间、或在-5和+5度之间、或介于这些值之间的任何范围。例如，第一和第二角度2612a可以至少为±7度。在另一个示例中，第一角度2612a和第二角度2612b可包括至少20度的角度。第一和第二角度2612a、2612b不必相同。附加地，角度2612a、2612b不需要具有相反的符号，尽管在一些实施方式中，角度将具有相反的符号的相同或不同的大小。
在一些实施例中，SLM 2610可以以足够快以避免被眼睛210检测到的速度倾斜。例如，SLM 260可以在不超过0.1秒的时间内在状态之间倾斜(例如，在5度和15度之间或者更大或更小的范围内)，但不应限制在此范围内。在一些实施方式中，状态之间的倾斜可以发生在200毫秒与100毫秒之间、100毫秒与50毫秒之间、100毫秒与50毫秒之间、50毫秒与20毫秒之间、50毫秒与10毫秒之间、40毫秒与5毫秒之间、30毫秒和1毫秒之间、或由任何这些值形成的范围。
如上所述，多种变化是可能的。例如，SLM 2610可被配置为沿不同方向倾斜。例如，尽管在图26A至图29B所示的示例中，SLM被描绘为绕平行于z轴的轴2615倾斜，但是SLM可绕不同的轴或绕一个或多个轴旋转。SLM 2610可以例如围绕平行于x轴的轴2615倾斜或旋转。在这样的配置中，可以将入耦合光学元件设置在光源的与沿着z方向(而不是沿着x方向)横向间隔开的不同位置相对应的相对侧上。其他取向也是可能的。例如，SLM 2610可以绕相对于x和z轴成45°角的轴旋转。类似地，SLM 2610可被配置为围绕具有其他角度取向的轴2615旋转。
可以采用多种类型的光源。2018年6月18日提交的题为“具有曲面的RGB照明器系统(RGB ILLUMINATOR SYSTEM HAVING CURVED SURFACES)”的美国临时专利申请No.62/686,474(其全部公开内容通过引用合并于此)公开了例如图7和8中的一些示例性光源配置。然而，可以采用其他配置和其他类型的光源。
例如，本文所述的这种配置可以与包括多个入耦合光栅和/或多个光瞳扩展器(例如正交光瞳扩展器)的设计一起使用。可能与本文所述配置结合使用的目镜设计的一些示例在2018年9月27日发布的美国专利申请公开号2018/0275411(对应于2018年3月21日提交的题为“用于具有宽视野的波导投影的方法和系统(Method and System for WaveguideProjection with Wide Field of View)”的美国专利申请号15/927,821(其全部公开内容通过引用合并于此))中呈现。然而，也可以采用其他配置。
在各种设计中，空间光调制器阵列包括对从其反射的光进行调制的反射式空间光调制器阵列。在一些实施方式中，空间光调制器阵列可包括液晶空间光调制器阵列。在一些实施方式中，空间光调制器阵列可包括可移动微反射镜阵列，例如数字微反射镜(DMD)阵列。
而且，目镜的各种各样的不同配置是可能的。例如，尽管在各种实施方式中(诸如在图26C、29B和30B中)，出耦合光学元件1180被示为与光分布元件或正交光瞳扩展器(OPE)1170分离，但是其他配置也是可能的。例如，在一些设计中，出耦合光学元件1180、光分布元件或正交光瞳扩展器(OPE)1170的功能可以被组合成例如单个衍射光学元件或光栅。附加地，波导堆叠中可包括任何顺序的波导。例如，顶部波导可以输出红光，或者底部波导可以输出红光。替代地，顶部波导可以输出绿光，或者底部波导可以输出绿光。类似地，顶部波导可以输出蓝光，或者底部波导可以输出蓝光。任何其他顺序都是可能的。而且，如上所述，可以使用其他颜色。
术语
应当理解，这里使用的条件语言，尤其例如“能够”、“会”、“可能”、“可”、“例如”等，除非另有明确说明，否则在所使用的上下文中理解为通常意在传达某些实施例包括而其他实施例不包括某些特征、元素和/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没有作者输入或提示的情况下决定这些特征、元素和/或步骤是否在任何特定实施例中被包括或将被执行的逻辑。术语“包括”、“包含”、“具有”等是同义词，并且以开放式方式被包含在内地使用，并且不排除附加元素、特征、动作、操作等。而且，术语“或”以其包含的含义使用(而不是以其排他的含义使用)，因此例如在用于连接元素列表时，术语“或”表示列表中的一个、一些或全部元素。附加地，在本申请和所附权利要求书中使用的“一”、“一个”和“该”应被解释为表示“一个或多个”或“至少一个”，除非另有说明。类似地，尽管可以以特定顺序在附图中描绘操作，但是要认识到，不需要以所示的特定顺序或时间顺序来执行这样的操作，或者不需要执行所有示出的操作来实现理想的结果。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结合在示意性示出的示例方法和过程中。例如，可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。附加地，在其他实施例中，操作可被重新布置或重新排序。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。此外，在上述实施例中的各种系统部件的分离不应被理解为在所有实施例中都需要这种分离，并且应当理解，所描述的程序部件和系统通常可集成在单个软件产品中或打包到多个软件产品中。附加地，其他实施例在所附权利要求的范围内。在某些情况下，可以以不同的顺序执行权利要求中记载的动作，并且仍然实现期望的结果。
因此，权利要求书不旨在限于本文中所示的实施例，而是与与本文中公开的本发明、原理和新颖性特征一致的最宽范围相一致。

Claims (49)

1.一种头戴式显示系统，其被配置为将光投影到用户的眼睛，以在所述用户的视场中显示增强现实图像内容，所述头戴式显示系统包括：
框架，其被配置为被支撑在所述用户的头部上；
至少一个光源，其被配置为输出光；
空间光调制器阵列，其被设置为接收来自所述至少一个光源的光；
被设置在所述框架上的目镜，所述目镜被配置为将来自所述空间光调制器阵列的光定向到所述用户的所述眼睛中，以向所述用户的所述视场显示增强现实图像内容，所述目镜的至少一部分是透明的并且在所述用户佩戴所述头戴式显示系统时被设置在所述用户的所述眼睛的前方的位置处，其中，所述透明的部分将来自所述用户的前方的物理环境的一部分的光透射到所述用户的所述眼睛，以提供所述用户的前方的所述物理环境的所述部分的视图，所述目镜包括：
(a)至少一个波导；
(b)至少一个入耦合光学元件，其被配置为将来自所述空间光调制器阵列的光入耦合到所述至少一个波导中；以及
(c)至少一个出耦合光学元件，其被配置为将在所述波导内被引导的光从所述波导中耦合出并将所述光定向到所述用户的所述眼睛；以及
具有光焦度的光学器件，所述光学器件被设置为接收从所述光源输出的光，所述光学器件相对于所述空间光调制器阵列被布置，以使得从所述光源接收的所述光穿过所述光学器件并照射所述空间光调制器阵列，
其中，所述头戴式显示系统被配置为使得照射所述空间光调制器阵列的光通过所述光学器件被重定向回，并通过所述至少一个入耦合光学元件被耦合到所述至少一个波导中，并且所耦合的光的至少一部分通过所述至少一个出耦合光学元件从所述至少一个波导中射出，并被定向到所述用户的所述眼睛；以及
其中，所述空间光调制器阵列被配置为倾斜以将来自所述至少一个光源的更多光在不同的时间定向到所述至少一个入耦合光学元件中的不同入耦合光学元件。
2.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述至少一个波导包括第一波导和第二波导，所述第一波导和所述第二波导具有与之相关联的相应的第一入耦合光学元件和第二入耦合光学元件。
3.根据权利要求2所述的头戴式显示系统，其中，所述空间光调制器阵列被配置为倾斜以在所述空间光调制器阵列以第一角度倾斜时，将来自所述至少一个光源的更多光定向到所述第一入耦合光学元件，以使得通过所述第一入耦合光学元件被耦合到所述第一波导中的光比通过所述第二入耦合光学元件被耦合到所述第二波导中的光更多。
4.根据权利要求3所述的头戴式显示系统，其中，所述空间光调制器阵列被配置为倾斜以在所述空间光调制器阵列以第二角度倾斜时，将来自所述至少一个光源的更多光定向到所述第二入耦合光学元件，以使得通过所述第二入耦合光学元件被耦合到所述第二波导中的光比通过所述第一入耦合光学元件被耦合到所述第一波导中的光更多。
5.根据权利要求2至4中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一波导和所述第二波导被配置为输出具有波前的光，所述波前具有以下至少一个的不同量：发散，会聚，或准直，就像从距所述用户的眼睛的不同距离投影的。
6.根据权利要求5所述的头戴式显示系统，其中，所述第一波导和所述第二波导被配置为使得从所述第一波导出耦合的光被准直，并且从所述第二波导输出的光发散。
7.根据权利要求5所述的头戴式显示系统，其中，所述第一波导和所述第二波导被配置为使得从所述第一波导出耦合的光发散第一量，以及从所述第二波导出耦合的光发散第二量，其中，所述第二量不同于所述第一量。
8.根据权利要求2至4中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一波导和所述第二波导被配置为将光输出到不同的角场中，以对被呈现给所述用户的图像内容提供整体上更大的视野。
9.根据权利要求2至4中任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一波导和所述第二波导具有相对于彼此横向偏移的对应的第一出耦合光学元件和第二出耦合光学元件，以便提供增大的眼箱供所述用户观看图像。
10.根据前述权利要求中任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述空间光调制器阵列包括多个像素。
11.根据权利要求10所述的头戴式显示系统，其中，所述多个像素包括二维直线像素阵列或六边形封闭停放像素布置，其中所述二维直线像素阵列包括以行和列布置的像素。
12.根据权利要求10或11所述的头戴式显示系统，其中，所述多个像素包括至少1000个像素。
13.根据前述权利要求中任一项所述的头戴式显示系统，还包括在其上设置有所述空间光调制器阵列的旋转台，所述旋转台具有至少一个致动器，所述致动器被配置为接收信号并响应于所接收的信号而倾斜所述旋转台。
14.根据前述权利要求中任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述空间光调制器阵列包括被配置为在两个状态即第一状态和第二状态之间切换的空间调制器阵列，其中，所述空间光调制器阵列的取向在所述第一状态和第二状态中分别以第一角度和第二角度设置。
15.根据权利要求14所述的头戴式显示系统，其中，当从所述第一状态改变为所述第二状态时，所述空间光调制器阵列倾斜至少7度。
16.根据权利要求14所述的头戴式显示系统，其中，当从所述第一状态改变为所述第二状态时，所述空间光调制器阵列倾斜至少10度。
17.根据权利要求14所述的头戴式显示系统，其中，当从所述第一状态改变为所述第二状态时，所述空间光调制器阵列倾斜小于或等于20度。
18.根据权利要求14所述的头戴式显示系统，其中，当从所述第一状态改变为所述第二状态时，所述空间光调制器阵列在小于100毫秒内倾斜至少5度并且小于或等于15度。
19.根据权利要求14所述的头戴式显示系统，其中，当从所述第一状态改变为所述第二状态时，所述空间光调制器阵列在小于100毫秒内倾斜至少10度且小于或等于20度。
20.根据上述权利要求中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述空间光调制器阵列包括反射式空间光调制器阵列。
21.根据上述权利要求中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述空间光调制器阵列包括液晶空间光调制器阵列或可移动微反射镜阵列。
22.根据上述权利要求中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述至少一个光源包括至少一个发光器和相对于所述至少一个发光器设置以收集从中输出的光的至少一个耦合光学器件。
23.根据权利要求22所述的头戴式显示系统，其中，所述耦合光学器件包括复合抛物线收集器(CPC)。
24.根据上述权利要求中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述至少一个波导包括波导堆叠。
25.根据权利要求24所述的头戴式显示系统，其中，所述波导堆叠中的不同波导被配置为输出具有不同的相应颜色的光。
26.根据权利要求24或权利要求25所述的头戴式显示系统，其中，所述波导堆叠中的第一波导、第二波导和第三波导被配置为分别输出第一颜色光、第二颜色光和第三颜色光，所述第一颜色光、所述第二颜色光和所述第三颜色光分别是红色光、蓝色光和绿色光。
27.根据上述权利要求中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述至少一个波导包括第一组波导和第二组波导，所述第一组波导和所述第二组波导具有与之相关联的相应的第一组入耦合光学元件和第二组入耦合光学元件。
28.根据权利要求27所述的头戴式显示系统，其中，所述空间光调制器阵列被配置为倾斜以当所述空间光调制器阵列以第一角度倾斜时，将来自光源的更多光从所述至少一个光源定向到所述第一组入耦合光学元件中的至少一个所述入耦合光学元件，以使得通过所述第一组入耦合光学元件中的所述一个所述入耦合光学元件被耦合到所述第一组波导中的一个所述波导中的来自所述光源的光比通过所述第二组入耦合光学元件中的入耦合光学元件被耦合到所述第二组波导中的一个所述波导中的光更多。
29.根据权利要求28所述的头戴式显示系统，其中，所述空间光调制器阵列被配置为倾斜以当所述空间光调制器阵列以第二角度倾斜时，将来自所述光源的更多光定向到所述第二组入耦合光学元件中的所述入耦合光学元件，以使得通过所述第二组入耦合光学元件中的所述入耦合光学元件被耦合到所述第二组波导中的所述波导中的来自所述光源的光比通过所述第一组入耦合光学元件中的所述入耦合光学元件被耦合到所述第一组波导中的所述波导中的光更多。
30.根据权利要求27所述的头戴式显示系统，其中，所述至少一个光源包括第一光源，所述第一组波导包括第一波导，并且所述第一组入耦合光学元件包括被配置为将来自所述第一光源的光耦合到所述第一组波导中的所述第一波导中的第一入耦合光学元件，并且其中，所述第二组波导包括第一波导，所述第二组入耦合光学元件包括被配置为将来自所述第一光源的光耦合到所述第二组波导中的所述第一波导中的第一入耦合光学元件。
31.根据权利要求30所述的头戴式显示系统，其中，所述空间光调制器阵列被配置为倾斜以当所述空间光调制器阵列以第一角度倾斜时，将来自所述第一光源的更多光定向到所述第一组入耦合光学元件中的所述第一入耦合光学元件，以使得通过所述第一组入耦合光学元件中的所述第一入耦合光学元件被耦合到所述第一组波导中的所述第一波导中的来自所述第一光源的光比通过所述第二组入耦合光学元件中的所述第一入耦合光学元件被耦合到所述第二组波导中的所述第一波导中的光更多。
32.根据权利要求31所述的头戴式显示系统，其中，所述空间光调制器阵列被配置为倾斜以当所述空间光调制器阵列以第二角度倾斜时，将来自所述第一光源的更多光定向到所述第二组入耦合光学元件中的所述第一入耦合光学元件，以使得通过所述第二组入耦合光学元件中的所述第一入耦合光学元件被耦合到所述第二组波导中的所述第一波导中的来自所述第一光源的光比通过所述第一组入耦合光学元件中的所述第一入耦合光学元件被耦合到所述第一组波导中的所述第一波导中的光更多。
33.根据权利要求27和30至32中任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述至少一个光源包括第二光源，所述第一组波导包括第二波导，并且所述第一组入耦合光学元件包括被配置为将来自所述第二光源的光耦合到所述第一组波导中的所述第二波导中的第二入耦合光学元件，并且其中，所述第二组波导包括第二波导，所述第二组入耦合光学元件包括被配置为将来自所述第二光源的光耦合到所述第二组波导中的所述第二波导中的第二入耦合光学元件。
34.根据权利要求33所述的头戴式显示系统，其中，所述空间光调制器阵列被配置为倾斜以当所述空间光调制器阵列以第一角度倾斜时，将来自所述第二光源的更多光定向到所述第一组入耦合光学元件中的所述第二入耦合光学元件，以使得通过所述第一组入耦合光学元件中的所述第二入耦合光学元件被耦合到所述第一组波导中的所述第二波导中的来自所述第二光源的光比通过所述第二组入耦合光学元件中的所述第二入耦合光学元件被耦合到所述第二组波导中的所述第二波导中的光更多。
35.根据权利要求34所述的头戴式显示系统，其中，所述空间光调制器阵列被配置为倾斜以当所述空间光调制器阵列以第二角度倾斜时，将来自所述第二光源的更多光定向到所述第二组入耦合光学元件中的所述第二入耦合光学元件，以使得通过所述第二组入耦合光学元件中的所述第二入耦合光学元件被耦合到所述第二波导中的所述第二波导中的来自所述第二光源的光比通过所述第一组入耦合光学元件中的所述第二入耦合光学元件被耦合到所述第一组波导中的所述第二波导中的光更多。
36.根据权利要求33至35中任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一组入耦合光学元件中的所述第一入耦合光学元件和所述第二入耦合光学元件相对于彼此横向偏移。
37.根据权利要求36所述的头戴式显示系统，其中，所述第二组入耦合光学元件中的所述第一入耦合光学元件和所述第二入耦合光学元件相对于彼此横向偏移。
38.根据权利要求27和30至37中任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述至少一个光源包括第三光源，所述第一组波导包括第三波导，并且所述第一组入耦合光学元件包括被配置为将来自所述第三光源的光耦合到所述第一组波导中的所述第三波导中的第三入耦合光学元件，并且其中，所述第二组波导包括第三波导，所述第二组入耦合光学元件包括被配置为将来自所述第三光源的光耦合到所述第二组波导中的所述第三波导中的第三入耦合光学元件。
39.根据权利要求38所述的头戴式显示系统，其中，所述空间光调制器阵列被配置为倾斜以当所述空间光调制器阵列以第一角度倾斜时，将来自所述第三光源的更多光定向到所述第一组入耦合光学元件中的所述第三入耦合光学元件，以使得通过所述第一组入耦合光学元件中的所述第三入耦合光学元件被耦合到所述第一组波导中的所述第三波导中的来自所述第三光源的光比通过所述第二组入耦合光学元件中的所述第三入耦合光学元件被耦合到所述第二组波导中的所述第三波导中的光更多。
40.根据权利要求39所述的头戴式显示系统，其中，所述空间光调制器阵列被配置为倾斜以当所述空间光调制器阵列以第二角度倾斜时，将来自所述第三光源的更多光定向到所述第二组入耦合光学元件中的所述第三入耦合光学元件，以使得通过所述第二组入耦合光学元件中的所述第三入耦合光学元件被耦合到所述第二组波导中的所述第三波导中的来自所述第三光源的光比通过所述第一组入耦合光学元件中的所述第三入耦合光学元件被耦合到所述第一组波导中的所述第三波导中的光更多。
41.根据权利要求38至40中任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一组入耦合光学元件中的所述第三入耦合光学元件相对于所述第一组入耦合光学元件中的所述第一入耦合光学元件和所述第二入耦合光学元件横向偏移。
42.根据权利要求41所述的头戴式显示系统，其中，所述第二组入耦合光学元件中的所述第三入耦合光学元件相对于所述第二组入耦合光学元件中的所述第一入耦合光学元件和所述第二入耦合光学元件横向偏移。
43.根据权利要求27至42中任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一组入耦合光学元件相对于所述第二组入耦合光学元件横向偏移。
44.根据权利要求38至43中任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一光源、所述第二光源和所述第三光源分别包括红色光源、绿色光源和蓝色光源。
45.根据权利要求27至42中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一组波导和所述第二组波导被配置为输出具有波前的光，所述波前具有以下至少一个的不同量：发散，会聚，和准直，就像从距所述用户的眼睛的不同距离投影的。
46.根据权利要求45所述的头戴式显示系统，其中，所述第一组波导和所述第二组波导被配置为使得从所述第一组波导出耦合的光被准直，并且从所述第二组波导输出的光发散。
47.根据权利要求45所述的头戴式显示系统，其中，所述第一组波导和所述第二组波导被配置为使得从所述第一组波导出耦合的光发散第一量，以及从所述第二组波导出耦合的光发散第二量，其中，所述第二量不同于所述第一量。
48.根据权利要求27至44中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一组波导和所述第二组波导被配置为将光输出到不同的角场中，以对被呈现给所述用户的图像内容提供整体上更大的视野。
49.根据权利要求27至44中的任一项所述的头戴式显示系统，其中，所述第一组波导和所述第二组波导具有相对于彼此横向偏移的对应的出耦合光学元件，以提供增大的眼箱供所述用户观看图像内容。
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