CN112119334A - 具有集成光学元件的波导及其制造方法 - Google Patents

Abstract

示例波导可以包括具有基本上光学透明的材料的聚合物层，该聚合物层具有第一主表面和第二主表面，该第一主表面和第二主表面被配置为使得包含图像信息的光能够通过全内反射从第一主表面和第二主表面反射而传播通过聚合物层，该光在聚合物层中被引导。第一表面可包括第一较小表面部分和第二较大表面部分，该第一较小表面部分和第二较大表面部分与聚合物层进行单片集成并且彼此进行单片集成。第一较小表面部分包括耦入光学元件的至少一部分，该耦入光学元件被配置为将入射到耦入光学元件上的光耦合进聚合物层中，以通过从第二主表面和第一主表面的第二较大表面部分的反射而在其中传播。

Description

具有集成光学元件的波导及其制造方法

优先权要求

本申请要求2018年4月2日提交的美国临时申请No.62/651,55335的依据35U.S.C.119(e)的优先权益，其全部公开内容明确地通过引用并入本文。

援引并入

本申请援引并入下列专利申请的每一个的全部内容：2014年11月27日提交的美国申请No.14/555,58，其于2015年7月23日被公开为美国公开No.2015/0205126；2015年4月18日提交的美国申请No.14/690,401，其于2015年10月22日被公开为美国公开No.2015/0302652；2014年3月14日提交的美国申请No.14/212,961，现为2016年8月16日发布的美国专利No.9,417,452；2014年7月14日提交的美国申请No.14/331,218，其于2015年10月29日被公开为美国公开No.2015/0309263。

技术领域

本公开涉及显示系统，更具体地，涉及增强现实显示系统。

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真实或可被感知为真实的方式呈现给用户。虚拟现实或“VR”场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现，而对其它实际真实世界视觉输入没有透明性；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真实世界的可视化的增强。混合现实或“MR”场景是一种AR场景，并且通常涉及集成到自然世界中并对自然世界做出响应的虚拟对象。例如，在MR场景中，AR图像内容可被真实世界中的对象阻挡或者以其它方式被感知为与真实世界中的对象交互。

参考图1，描述了增强现实场景10，其中，AR技术的用户看到以人、树、背景中的建筑物和混凝土平台30为特征的真实世界公园状设置20。除了这些项之外，AR技术的用户还感知到他“看到”“虚拟内容”，例如站在真实世界平台30上的机器人像40，以及飞过的卡通状化身角色50，其似乎是大黄蜂的拟人化，即使这些元素40、50不存在于真实世界中。因为人类视觉感知系统是复杂的，所以产生促进虚拟图像元素与其它虚拟或真实世界的图像元素的舒适、感觉自然、丰富的呈现的AR技术是有挑战性的。

发明内容

本公开提供了波导、系统和方法的各种示例。每个示例均具有多个创新方面，没有任何一个方面单独地负责本文公开的期望属性。

1.一种波导，包括：

聚合物层，其包括基本上光学透明的材料，所述基本上光学透明的材料具有第一主表面和第二主表面，所述第一主表面和所述第二主表面被配置为使得包含图像信息的光能够通过全内反射从所述第一主表面和所述第二主表面反射而传播通过所述聚合物层，所述光在所述聚合物中被引导，

其中，所述第一表面包括第一较小表面部分和第二较大表面部分，所述第一较小表面部分和所述第二较大表面部分与所述聚合物层进行单片集成并且彼此进行单片集成，所述第一较小表面部分包括耦入光学元件的至少一部分，所述耦入光学元件被配置为将入射到所述耦入光学元件上的光耦合进所述聚合物层中，以通过从所述第二主表面和所述第一主表面的所述第二较大表面部分的反射而在其中传播。

2.根据示例1所述的波导，其中，所述耦入光学元件包括转向镜，所述转向镜被配置为使包含图像信息的光在所述波导中偏转。

3.根据示例2所述的波导，其中，所述转向镜包括相对于所述第一主表面的所述第二较大表面部分和所述第二主表面倾斜的所述第一主表面的所述第一较小表面部分。

4.根据示例2或3所述的波导，其中，所述转向镜具有光焦度。

5.根据示例4所述的波导，其中，所述焦度转向镜包括相对于所述第一主表面的所述第二较大表面部分和所述第二主表面弯曲的所述第一主表面的所述第一较小表面部分。

6.根据示例2至5中任一项所述的波导，其中，所述转向镜进一步包括被设置在所述第一主表面的所述第一较小表面部分上的金属化。

7.根据示例1所述的波导，其中，所述耦入光学元件包括透镜。

8.根据示例7所述的波导，其中，所述透镜包括相对于所述第一主表面的所述第二较大表面部分和所述第二主表面弯曲的所述第一主表面的所述第一较小表面部分。

9.根据示例1所述的波导，其中，所述耦入光学元件包括光栅。

10.根据示例9所述的波导，其中，所述光栅包括所述第一主表面的所述第一较小表面部分，所述第一较小表面部分具有起伏的表面凹凸。

11.根据示例1至10中任一项所述的波导，其中，包括所述耦入光学元件的所述至少一部分的所述聚合物层包括模制光学器件。

12.根据示例1至11中任一项所述的波导，其中，所述多个表面具有在约0.1nm至约2.0nm之间的表面粗糙度。

13.一种波导，包括：

模制光学器件，其包括基本上光学透明的材料的模制层，所述模制层具有第一主表面和第二主表面，所述第一主表面和所述第二主表面被配置为使得包含图像信息的光能够通过全内反射从所述第一主表面和所述第二主表面反射而传播通过所述模制层，所述光在所述模制层中被引导，

其中，所述第一表面包括第一较小表面部分和第二较大表面部分，所述第一较小表面部分和所述第二较大表面部分与所述模制层进行单片集成并且彼此进行单片集成，所述第一较小表面部分包括模制耦入光学元件的至少一部分，所述模制耦入光学元件被配置为将入射到所述模制耦入光学元件上的光耦合进所述模制层中，以通过从所述第二主表面和所述第一主表面的所述第二较大表面部分的反射而在其中传播。

14.一种波导，包括：

聚合物层，其被配置为使包含图像信息的光传播通过；

多个表面，其足以通过全内反射在所述聚合物层中引导所述图像信息；以及

倾斜表面部分，其形成耦入光学元件的至少一部分，所述倾斜表面部分被配置为使包含图像信息的光在所述波导中偏转。

15.根据示例14所述的波导，其中，所述倾斜表面部分在所述聚合物层中形成凹口。

16.根据示例15所述的波导，其中，所述聚合物层中的所述凹口是所述聚合物层的厚度的至少1/2。

17.根据示例15所述的波导，其中，所述聚合物层中的所述凹口是所述聚合物层的厚度的至少3/4。

18.根据示例14至17中任一项所述的波导，其中，所述倾斜表面部分相对于所述多个表面在约40°-50°之间倾斜。

19.根据示例14至18中的任一项所述的波导，其中，所述耦入光学元件包括转向镜，所述转向镜包括金属化。

20.根据示例14至19中任一项所述的波导，其中，所述倾斜表面部分包括曲率以提供光焦度。

21.根据示例14至20中任一项所述的波导，其中，所述聚合物层、所述多个表面和所述倾斜表面部分包括模制光学器件。

22.根据示例14至21中任一项所述的波导，其中，所述多个表面具有在约0.1nm至约2.0nm之间的表面粗糙度。

23.一种波导，包括：

光学透明层，其包括光学透明材料和多个表面，所述多个表面足以通过全内反射在所述波导中引导包含图像信息的光；以及

倾斜表面部分，其形成耦入光学元件的至少一部分，所述倾斜表面部分被配置为使包含图像信息的光在所述波导中偏转，以使得所述光在所述光学透明层中被引导，其中，所述倾斜表面部分包括曲率以提供光焦度。

24.根据示例23所述的波导，其中，所述光焦度包括正光焦度。

25.根据示例23或24所述的波导，其中，从所述光学透明层内的大多数位置的角度来看，所述倾斜表面部分具有凹曲率。

26.根据示例23至25中的任一项所述的波导，其中，所述耦入光学元件是反射镜、小平面、棱镜或其组合。

27.根据示例23至26中任一项所述的波导，其中，所述耦入光学元件进一步包括位于所述倾斜表面部分上的金属层。

28.根据示例23至27中任一项所述的波导，其中，所述多个表面中的每一个表面具有在约0.1nm至约2.0nm之间的表面粗糙度。

29.根据示例23至28中任一项所述的波导，其中，所述光学透明材料包括聚合物。

30.根据示例23至29中任一项所述的波导，其中，所述光学透明层、多个表面和所述倾斜表面部分包括模制光学器件。

31.一种波导，包括：

光学透明层，其包括光学透明材料、第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面足以通过全内反射在所述波导中引导包含图像信息的光；以及

所述第一表面上形成透镜的至少一部分的表面部分，所述表面部分是弯曲的。

32.根据示例31所述的波导，其中，所述透镜包括凸透镜。

33.根据示例31或32所述的波导，其中，所述透镜包括正焦度透镜。

34.根据示例31至33中任一项所述的波导，其中，所述透镜与耦入光学元件对准，所述耦入光学元件被配置为使得在穿过所述透镜进入所述光学透明材料层之后被所述耦入光学元件接收的光转向，所述光在所述光学透明材料层中被引导。

35.根据示例34所述的波导，其中，所述耦入光学元件被设置在所述光学透明材料层的所述第二表面上。

36.根据示例31至35中任一项所述的波导，其中，所述多个表面中的每一个表面具有在约0.1nm至约2.0nm之间的表面粗糙度。

37.根据示例31至36中任一项所述的波导，其中，所述光学透明材料包括聚合物。

38.根据示例31至37中任一项所述的波导，其中，所述光学透明层、所述第一表面、所述第二表面以及所述透镜包括模制光学器件。

39.一种波导，包括：

光学透明层，其包括光学透明材料以及第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面足以通过全内反射在所述波导中引导包含图像信息的光；以及

所述第一表面上形成抗反射结构的至少一部分的表面部分，所述抗反射结构包括在所述第一表面上的表面凹凸图案。

40.根据示例39所述的波导，其中，所述抗反射结构包括起伏图案。

41.根据示例39或40中任一项所述的波导，其中，所述抗反射结构包括周期性图案。

42.根据示例41所述的波导，其中，所述周期性图案具有约50nm至约200nm的周期。

43.根据示例41或42所述的波导，其中，所述周期性图案具有约5nm至约200nm的高度。

44.根据示例39至43中任一项所述的波导，进一步包括被设置在所述表面凹凸图案上的材料。

45.根据示例39至44中任一项所述的波导，其中，所述抗反射结构与跟另一波导相关联的光学元件光学对准。

46.根据示例45所述的波导，其中，所述光学元件是被配置为将光耦合进所述另一波导中的光学耦入元件。

47.根据示例39至46中任一项所述的波导，其中，所述第一表面和所述第二表面中的每一个表面具有在约0.1nm至约2.0nm之间的表面粗糙度。

48.根据示例39至47中任一项所述的波导，其中，所述光学透明材料包括聚合物。

49.根据示例39至48中任一项所述的波导，其中，所述光学透明层、所述第一表面、所述第二表面以及所述表面凹凸图案包括模制光学器件。

50.一种光学系统，包括：

一个或多个波导，其包括示例1至49中任一项所述的波导。

51.根据示例50所述的光学系统，其中，所述一个或多个波导包括至少两个根据示例1至49中任一项所述的波导。

52.根据示例50或51所述的光学系统，其中，所述光学系统是头戴式显示系统，所述头戴式显示系统被配置为将光投射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。

53.根据示例52所述的光学系统，进一步包括：

框架，其被配置为支撑在所述用户的头部上；

图像投射器，其被配置为投射图像；以及

被设置在所述框架上的目镜，所述目镜被配置为将光引导到所述用户的眼睛中以向所述用户的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，并且当所述用户佩戴所述头戴式显示系统时，所述目镜被放置在所述用户的眼睛前方的位置，以使得所述透明部分将来自所述用户前方的环境的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户前方的所述环境的视图，所述目镜包括所述一个或多个波导。

54.根据示例53所述的光学系统，其中，所述图像投射器包括扫描光纤显示器。

55.一种制造波导的方法，所述方法包括：

提供第一模具和第二模具，所述第一模具和所述第二模具彼此面对，其中，至少所述第一模具包括至少一个耦入光学元件的至少一部分的压印；

在所述第一模具与所述第二模具之间提供聚合物材料；

使所述聚合物材料与所述第一模具和所述第二模具接触，以使得所述第一模具将所述至少一个耦入光学元件的所述至少一部分的对应压印转移到所述聚合物材料中；

将所述聚合物材料暴露于硬化过程；以及

从所述第一模具和所述第二模具去除所述聚合物材料。

56.根据示例55所述的方法，其中，将所述聚合物材料暴露于硬化过程包括将所述聚合物材料暴露于紫外光。

57.根据示例55或56所述的方法，其中，所述波导包括多个表面，所述多个表面足以通过全内反射在所述波导中引导包含图像信息的光。

58.根据示例57所述的方法，其中，所述多个表面具有在约0.1nm至约2.0nm之间的表面粗糙度。

59.根据示例55至58中任一项所述的方法，其中，所述至少一个耦入光学元件包括倾斜表面。

60.根据示例59所述的方法，其中，所述倾斜表面具有曲率。

61.根据示例55至60中任一项所述的方法，其中，所述至少一个耦入光学元件包括透镜。

62.根据示例55至61中的任一项所述的方法，其中，所述至少一个耦入光学元件包括光栅。

附图说明

图1示出了通过AR装置的用户的增强现实(AR)的视图。

图2示出了用于针对用户模拟三维影像的常规显示系统。

图3A-3C示出了曲率半径和聚焦半径之间的关系。

图4A示出了人类视觉系统的调节-辐辏(accommodation-vergence)响应的表示。

图4B示出了用户的一对眼睛的不同调节状态和辐辏状态的示例。

图4C示出了用户经由显示系统观看内容的俯视图的表示的示例。

图4D示出了用户经由显示系统观看内容的俯视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影像的方法的各方面。

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个不同分量颜色形成的图像。

图9A示出了堆叠波导组的示例的剖面侧视图，每个堆叠波导包括耦入光学元件。

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9B的多个堆叠波导的示例的俯视平面视图。

图9D示出了可佩戴显示系统的示例。

图10、11、12、13、14、15和16示出了具有集成耦入光学元件的示例波导。

图16A示出了与示例耦入光学元件相邻的示例抗反射结构的放大图像。图16B示出了示例抗反射结构的放大图像。

图17A、17B、17C和17D示出了形成具有集成光学元件的波导的示例方法。

具体实施方式

波导可以用于例如在包括头戴式增强现实显示系统的显示装置中引导光。例如，波导可以被结合到眼镜的目镜中，并且观察者可以通过波导看到周围环境。另外，波导可通过接收包含图像信息的光(例如，通过投射器系统)并将该光引导到观察者的眼睛中来投射图像。可以使用耦入光学元件将接收到的光耦入到波导中。随后可以使用光分布元件在波导内分布耦入的光，并使用耦出光学元件将光耦出波导。

投射器系统与波导之间的光的低耦合效率会降低波导组件的总效率，并且可能会降低提供给观察者的整体图像质量。光学部件之间的耦合还会增加对显示装置和/或系统制造的限制(例如，关于如何与其他部件集成、组装、对准和封装的限制)。因此，耦入光学元件会影响设计。

耦入光学元件可以包括常规的光栅，其可以具有对来自投射器的入射光的相对低的耦入效率。常规光栅也可以将光反射回投射器，而光可以从投射器被反射回光栅。杂散光路可能产生会分散注意力的重影图像伪影。常规光栅也可以固有地具有相对于输入角度的不同的衍射效率。在各种波导显示器中，这可能使得难以产生具有均匀亮度的图像。然而，有时可能期望耦入光栅。棱镜和透镜本质上在光学上也可能是有利的，但在制造和集成方面可能存在挑战。

本文描述的某些实现方式可以包括具有集成耦入光学元件的波导。例如，各种波导可以包括形成耦入光学元件的至少一部分的表面。与不具有跟波导集成的这种耦入光学元件的波导相比，各种实现方式可以有利地提供更高的耦合效率、更好的图像质量(例如，减少的重影、更高的均匀性等)以及更简单的制造过程。例如，在各种实现方式中，集成光学元件可以允许与波导直接接触，从而导致增加的耦入和更简单的集成。某些实现方式可以有利地集成棱镜、透镜和/或抗反射结构。各种实现方式可以减少重影图像伪影、实现更均匀的亮度并减少装置的总占据面积。波导的一些实现方式还可以集成一个或多个其他光学元件，例如光分布元件和/或耦出光学元件。

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。除非另外指出，否则这些附图是示意性的，不一定按比例绘制。

示例显示系统

图2示出了用于针对用户模拟三维影像的常规显示系统。将理解到，用户的眼睛是隔开的，并且当观看空间中的真实对象时，每只眼睛将具有略微不同的对象视图，并且可以在每只眼睛的视网膜上的不同位置处形成对象的图像。这可以被称为双目视差，并且可以由人类视觉系统利用以提供深度感知。常规的显示系统通过呈现具有相同虚拟对象的略微不同视图(每只眼睛210、220一个)的两个不同图像190、200来模拟双目视差，该不同的视图对应于每只眼睛将看到的虚拟对象的视图，该虚拟对象是位于期望的深度处的真实对象的虚拟对象。这些图像提供双目提示，用户的视觉系统可以解释该双目提示以得到深度感知。

继续参考图2，图像190、200与眼睛210、220在z轴上隔开距离230。z轴平行于观察者的光轴，其中他们的眼睛注视在观察者正前方的光学无限远处的对象上。图像190、200是平坦的并且在距眼睛210、220的固定距离处。基于分别呈现给眼睛210、220的图像中的虚拟对象的略微不同的视图，眼睛可以自然旋转，使得对象的图像落在每只眼睛的视网膜上的相应点上，以维持单个双目视觉。该旋转可以使得每只眼睛210、220的视线会聚到空间中的点上，其中，虚拟对象被感知为存在于该点处。结果，提供三维影像通常涉及提供双目提示，该双目提示可以操纵用户眼睛210、220的辐辏，并且人类视觉系统解释该双目提示以提供深度感知。

然而，产生真实且舒适的深度感知具有挑战性。将理解到，来自距眼睛不同距离处的对象的光具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210之间的距离以减小的距离的次序由R1、R2和R3表示。如在图3A-3C中所示，随着到对象的距离减小，光线变得更发散。相对的，随着距离增加，光线变得更准直。换句话说，可以说由点(对象或者对象的一部分)产生的光场具有球面波前曲率，该球面波前曲率是该点距用户的眼睛多远的函数。曲率随着对象与眼睛210之间的距离的减小而增加。虽然在图3A-3C和本文中的其他附图中为了说明清晰起见，仅示出单只眼睛210，关于眼睛210的讨论可以适用于观察者的两只眼睛210和220。

继续参考图3A-3C，来自观察者的眼睛注视到的对象的光可以具有不同程度的波前发散。由于波前发散的量不同，光可以通过眼睛的晶状体而被不同地聚焦，这进而可能需要晶状体呈现不同的形状以在眼睛的视网膜上形成聚焦的图像。在视网膜上没有形成聚焦的图像的情况下，所产生的视网膜模糊充当对调节的提示，该对调节的提示引起眼睛的晶状体形状的改变，直到在视网膜上形成聚焦的图像。例如，对调节的提示可以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，由此引起眼睛晶状体的形状改变，直到注视的对象的视网膜模糊消除或最小化，从而在眼睛的视网膜(例如，中央凹)上形成注视对象的聚焦的图像。眼睛的晶状体改变形状的过程可以称为调节，并且在眼睛的视网膜(例如，中央凹)上形成注视对象的聚焦的图像所需的眼睛的晶状体的形状可以称为调节状态。

现在参考图4A，示出了人类视觉系统的调节-辐辏响应的表示。眼睛运动以注视对象使得眼睛接收来自对象的光，其中光在眼睛的视网膜中的每一个上形成图像。在视网膜上形成的图像中视网膜模糊的存在可以提供对调节的提示，并且图像在视网膜上的相对位置可以提供对辐辏的提示。对调节的提示引起调节发生，这导致眼睛的晶状体各自呈现特定的调节状态，该特定的调节状态在眼睛的视网膜(例如，中央凹)上形成对象的聚焦的图像。另一方面，对辐辏的提示引起辐辏运动(眼睛的转动)发生，使得在每只眼睛的每个视网膜上形成的图像处于维持单个双目视觉的相应视网膜点处。在这些位置，可以说眼睛已呈现特定的辐辏状态。继续参考图4A，调节可以被理解为眼睛实现特定调节状态的过程，并且辐辏可以被理解为眼睛实现特定辐辏状态的过程。如图4A中所示，如果用户注视另一个对象，则眼睛的调节和辐辏状态可以改变。例如，如果用户注视在z轴上的不同深度处的新对象，则调节状态可以改变。

不受理论的限制，据信，由于辐辏和调节的组合，对象的观察者可以将对象感知为“三维的”。如上所述，两只眼睛相对于彼此的辐辏运动(例如，眼睛的转动使得瞳孔向着彼此或远离彼此运动以会聚眼睛的视线来注视对象)与眼睛的晶状体的调节紧密相关。在正常情况下，改变眼睛的晶状体的形状以将聚焦从一个对象改变到不同距离处的另一对象，将会在被称为“调节-辐辏反射”的关系下自动引起到相同距离的辐辏的匹配变化。同样，在正常情况下，辐辏的变化将触发晶状体形状的匹配变化。

现在参考图4B，示出了眼睛的不同调节和辐辏状态的示例。眼睛对222a注视在光学无穷远处的对象上，而眼睛对222b注视在小于光学无限远处的对象221上。值得注意的是，每对眼睛的辐辏状态不同，其中眼睛对222a指向正前方，而眼睛对222会聚在对象221上。形成每个眼睛对222a和222b的眼睛的调节状态是也不同，如由晶状体210a、220a的不同形状所表示的。

不希望的是，常规“3-D”显示系统的许多用户发现由于这些显示器中的调节和辐辏状态之间的不匹配这些常规系统不舒服或者根本不会感知到深度感。如上所述，许多立体或“3-D”显示系统通过向每只眼睛提供略微不同的图像来显示场景。这样的系统对于许多观察者来说不舒服，因为除了其他事项之外它们仅仅提供场景的不同呈现并且引起眼睛的辐辏状态的改变，但是没有那些眼睛的调节状态的相应改变。然而，图像由距眼睛固定距离处的显示器示出，使得眼睛在单个调节状态下观看所有图像信息。这种布置通过引起辐辏状态的变化而没有调节状态的匹配变化来违背“调节-辐辏反射”。这种不匹配被认为会引起观察者的不适。提供调节和辐辏之间的更好匹配的显示系统可以形成更真实和舒适的三维影像模拟。

不受理论限制，据信人眼通常可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，可实现高度可信的感知深度的模拟。在一些实施例中，不同的呈现可提供对辐辏的提示和对调节的匹配提示，从而提供生理上正确的调节-辐辏匹配。

继续参考图4B，示出了对应于在空间中距眼睛210、220的不同距离的两个深度平面240。对于给定的深度平面240，可以通过为每只眼睛210、220显示适当不同透视的图像来提供辐辏提示。此外，对于给定的深度平面240，形成提供给每只眼睛210、220的图像的光可以具有与由该深度平面240的距离处的点产生的光场对应的波前发散。

在所示实施例中，包含点221的深度平面240沿z轴的距离是1m。如本文所使用的，可以通过位于用户眼睛的出射光瞳处的零点来测量沿z轴的距离或深度。因此，在眼睛指向光学无限远的那些眼睛的光轴上，位于1m深度处的深度平面240与距用户眼睛的出射光瞳1m远的距离对应。作为近似，沿着z轴的深度或距离可以从用户眼睛前方的显示器(例如，从波导的表面)测量，加上装置和用户眼睛的出射光瞳之间的距离的值。该值可以被称为适眼距(eye relief)并且对应于用户眼睛的出射光瞳与用户在眼睛前方佩戴的显示器之间的距离。在实践中，适眼距的值可以是通常对于所有观察者使用的标准化值。例如，可以假设适眼距是20mm，以及深度为1m的深度平面可以在显示器前方980mm的距离处。

现在参考图4C和4D，分别示出了匹配的调节-辐辏距离和不匹配的调节-辐辏距离的示例。如图4C所示，显示系统可以向每只眼睛210、220提供虚拟对象的图像。图像可以使眼睛210、220呈现眼睛会聚在深度平面240上的点15上的辐辏状态。此外，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210、220呈现图像在那些眼睛的视网膜上合焦的调节状态。因此，用户可以感知到虚拟对象在深度平面240上的点15处。

将理解到，眼睛210、220的调节和辐辏状态中的每一者与z轴上的特定距离相关联。例如，距眼睛210、220特定距离处的对象使得那些眼睛基于对象的距离呈现特定的调节状态。与特定调节状态相关联的距离可以被称为调节距离A_d。类似地，存在与在特定辐辏状态下的眼睛或相对于彼此的位置相关联的特定的辐辏距离V_d。在调节距离和辐辏距离匹配的情况下，可以说调节和辐辏之间的关系在生理学上是正确的。这被认为是对观察者最舒适的场景。

然而，在立体显示器中，调节距离和辐辏距离可能不总是匹配。例如，如图4D所示，显示给眼睛210、220的图像可以以对应于深度平面240的波前发散而被显示，并且眼睛210、220可以呈现在该深度平面上点15a、15b合焦的特定的调节状态。然而，显示给眼睛210、220的图像可能提供使眼睛210、220会聚在不位于深度平面240上的点15的对辐辏的提示。结果，在一些实施例中，调节距离对应于从眼睛210、220的出射光瞳到深度平面240的距离，而辐辏距离对应于从眼睛210、220的出射光瞳到点15的更大距离。调节距离与辐辏距离不同。因此，存在调节-辐辏不匹配。这种不匹配被认为是不期望的并且可能引起用户的不适。将理解到，该不匹配对应于距离(例如，V_d-A_d)并且可以使用屈光度来表征。

在一些实施例中，将理解到，除了眼睛210、220的出射光瞳之外的参考点可以用来确定用于确定调节-辐辏不匹配的距离，只要针对调节距离和辐辏距离使用相同的参考点即可。例如，可以从角膜到深度平面、从视网膜到深度平面、从目镜(例如，显示装置的波导)到深度平面等来测量距离。

不受理论的限制，据信用户仍然可以将高达约0.25屈光度、高达约0.33屈光度和高达约0.5屈光度的调节-辐辏不匹配感知为在生理上正确的，而没有不匹配本身引起的显著的不适。在一些实施例中，本文公开的显示系统(例如，图6的显示系统250)向观察者呈现具有约0.5屈光度或更小的调节-辐辏不匹配的图像。在一些其他实施例中，由显示系统提供的图像的调节-辐辏不匹配为约0.33屈光度或更小。在其他实施例中，由显示系统提供的图像的调节-辐辏不匹配为约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影像的方法的方面。该显示系统包括波导270，该波导270被配置为接收利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可以输出具有与由期望深度平面240上的点产生的光场的波前发散相对应的限定量的波前发散的光650。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以与单个或有限数量的深度平面对应的设定量的波前发散来输出光和/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，可以利用多个波导或波导堆叠来为不同的深度平面提供不同量的波前发散和/或输出具有不同波长范围的光。如本文所使用的，应当理解，深度平面可以遵循平坦或弯曲表面的轮廓。在一些实施例中，有利地为了简单起见，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包括波导的堆叠或者堆叠波导组件260，该波导的堆叠或者堆叠波导组件260可以用于使用多个波导270、280、290、300、310向眼睛/大脑提供三维感知。将理解到，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还可被称为目镜。

在一些实施例中，显示系统250可以被配置为提供对辐辏的基本上连续的提示以及对调节的多个离散的提示。可以通过向用户的每只眼睛显示不同的图像来提供对辐辏的提示，并且可以通过以可选择的离散量的波前发散输出形成图像的光来提供对调节的提示。换句话说，显示系统250可以被配置为以可变水平的波前发散输出光。在一些实施例中，波前发散的每个离散水平对应于特定深度平面并且可以由波导270、280、290、300、310中的特定一者来提供。

继续参考图6，波导组件260还可以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可以被配置为以不同水平的波前曲率或者光线发散向眼睛发送图像信息。每个波导水平可以与特定深度平面相关联并且可以被配置为输出对应于该深度平面的图像信息。图像注入装置360、370、380、390、400可以用作用于波导的光源并且可以用于将图像信息注入波导270、280、290、300、310中，如本文所描述的，波导270、280、290、300、310中的每一个波导可以被配置为跨每个相应波导分布入射光，以用于朝向眼睛210输出。光离开图像注入装置360、370、380、390、400的输出表面410、420、430、440、450并且注入波导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中的每一个可以是对应的波导的边缘，或者可以是对应的波导的主要表面(即，波导表面中的直接面对世界510或者观察者的眼睛210的一个表面)的一部分。在一些实施例中，单个光束(例如，准直束)可以被注入每个波导中，以输出克隆的准直束的整个场，该克隆的准直束以对应于与特定波导相关联的深度平面的特定角(和发散量)朝向眼睛210引导。在一些实施例中，图像注入装置360、370、380、390、400中的单独一个可以与多个(例如，三个)波导270、280、290、300、310相关联并且将光注入多个(例如，三个)波导270、280、290、300、310中。

在一些实施例中，图像注入装置360、370、380、390、400是分立显示器，该分立显示器各自产生用于分别注入对应的波导270、280、290、300、310中的图像信息。在一些其他实施例中，图像注入装置360、370、380、390、400是单个复用显示器的输出端，该单个复用显示器的输出端可以例如经由一个或多个光学导管(诸如光纤光缆)将图像信息输送到图像注入装置360、370、380、390、400中的每一个。将理解到，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的波长或者颜色(例如，不同的分量颜色，如本文所讨论的)的光。

在一些实施例中，注入波导270、280、290、300、310中的光由光投射器系统520提供，该光投射器系统520包括光模块530，该光模块530可以包括光发射器，诸如发光二极管(LED)。来自光模块530的光可以经由分束器550引导到光调制器540(例如，空间光调制器)并由光调制器540修改。光调制器540可以被配置为改变注入波导270、280、290、300、310中的光的感知强度，以对用图像信息对光编码。空间光调制器的示例包括液晶显示器(LCD)，其包括硅上液晶(LCOS)显示器。将理解到，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在共用投射系统中的不同光路径和位置，该不同光路径和位置被配置为将光输出到波导270、280、290、300、310中的相关联的波导中。在一些实施例中，波导组件260的波导可以用作理想透镜，同时将注入波导的光中继出来到用户的眼睛。在该构思中，对象可以是空间光调制器540，以及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可以是扫描光纤显示器，其包括被配置为以各种图案(例如，光栅扫描、螺旋扫描、李沙育(Lissajous)图案等)将光投射到一个或多个波导270、280、290、300、310中并且最终到观察者的眼睛310的一个或多个扫描光纤。在一些实施例中，所图示的图像注入装置360、370、380、390、400可以示意性地表示被配置为将光注入一个或多个波导270、280、290、300、310中的单个扫描光纤或一束扫描光纤。在一些其他实施例中，所图示的图像注入装置360、370、380、390、400可以示意性地表示多个扫描光纤或多束扫描光纤，其中的每一个或每一束扫描光线被配置为将光注入波导270、280、290、300、310中的相关联的一个波导。将理解到，一个或多个光纤可以被配置为将光从光模块530传输到一个或多个波导270、280、290、300、310。将理解到，一个或多个中间光学结构可以提供在扫描光纤或多个光纤与一个或多个波导270、280、290、300、310之间，以例如将离开扫描光纤的光重导引到一个或多个波导270、280、290、300、310。

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包括根据例如本文所公开的各种方案中的任一个调控到波导270、280、290、300、310的图像信息的时序和提供的编程(例如，非暂态介质中的指令)。在一些实施例中，控制器可以是单个积分装置，或者由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，波导270、280、290、300、310可以被配置为使光通过全内反射(TIR)在每个相应波导内传播。波导270、280、290、300、310可以各自是平面的或者具有另外的形状(例如，弯曲的)，其具有主顶面和主底面以及在那些主顶面与主底面之间延伸的边缘。在所图示的配置中，波导270、280、290、300、310可以各自包括耦出光学元件570、580、590、600、610，该耦出光学元件570、580、590、600、610被配置为通过将在每个相应波导内传播的光重导引出波导来将光提取出波导，以向眼睛210输出图像信息。提取的光还可以称为耦出光，并且耦出光学元件光还可以称为光提取光学元件。所提取的光束可以由波导在波导中传播的光撞击光提取光学元件的位置处输出。耦出光学元件570、580、590、600、610可以例如是包括衍射光学特征的光栅，如本文进一步讨论的。虽然图示为设置在波导270、280、290、300、310的底主表面处以便于描述和附图清晰，但是在一些实施例中，耦出光学元件570、580、590、600、610可以设置在顶和/或底主表面处，和/或可以直接设置在波导270、280、290、300、310的体积中，如本文进一步讨论的。在一些实施例中，耦出光学元件570、580、590、600、610可以在附接到透明基板以形成波导270、280、290、300、310的材料层中形成。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可以在该片材料的表面上和/或内部中形成。如本文所述，在一些实施例中，耦出光学元件570、580、590、600、610可以与波导270、280、290、300、310的表面部分集成。

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对应于特定深度平面的图像。例如，最靠近眼睛的波导270可以被配置为将准直光(其被注入这样的波导270中)递送给眼睛210。准直光可以表示光学无限远焦平面。下一上方波导280可以被配置为发送出准直光，该准直光在其可以到达眼睛210之前穿过第一透镜350(例如，负透镜)；这样的第一透镜350可以被配置为产生轻微的凸波前曲率，使得眼睛/大脑将来自该下一上方波导280的光解释为来自从光学无限远朝向眼睛210向内更接近的第一焦平面。类似地，第三上方波导290使其输出光在到达眼睛210之前穿过第一透镜350和第二透镜340；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加量，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上方波导280的光从光学无限远朝向人向内更加接近。

其他波导层300、310和透镜330、320类似地配置，其中，该堆叠中的最高波导310发送其输出通过其与眼睛之间的所有透镜，用于表示距人最近的焦平面的总光焦度。为了补偿当观看/解释来自堆叠波导组件260的另一侧的世界510的光时透镜320、330、340、350的堆叠，补偿透镜或透镜层620可以被设置在堆叠的顶部以补偿下面透镜堆叠320、330、340、350的总光焦度。这样的配置提供与存在可用的波导/透镜配对一样多的焦平面。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，非动态或电活性的)。在一些可选实施例中，一者或二者可以使用电活性特征是动态的。

在一些实施例中，波导270、280、290、300、310中的两个或两个以上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可以被配置为将图像集输出给相同的深度平面，或者波导270、280、290、300、310的多个子集可以被配置为将图像集输出给相同的多个深度平面，其中，每个深度平面一个集。这可以提供用于形成拼接图像以在那些深度平面处提供扩展视场的优点。

继续参考图6，耦出光学元件570、580、590、600、610可以被配置为将光重导引到其相应波导之外，并且以针对与波导相关联的特定深度平面的适当的发散或准直量输出该光。结果，具有不同的相关联的深度平面的波导可以具有耦出光学元件570、580、590、600、610的不同配置，耦出光学元件570、580、590、600、610取决于相关联的深度平面输出具有不同的发散量的光。在一些实施例中，光提取光学元件570、580、590、600、610可以是体积或者表面特征，其可以被配置为以特定角输出光。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，光提取光学元件570、580、590、600、610可以是与波导270、280、290、300、310的表面部分集成的光栅。

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，或者“衍射光学元件”(在本文中还被称为“DOE”)。优选地，DOE具有足够低的衍射效率，使得光束的仅一部分通过DOE的每个交点朝向眼睛210偏转离开，而剩余部分继续通过波导经由TIR移动。携带图像信息的光因此被分成在许多位置处离开波导的许多相关出射束，并且结果是针对在波导内到处弹跳的该特定准直束的朝向眼睛210的出射发射的相当均匀的图案。

在一些实施例中，一个或多个DOE可以在其主动地衍射的“开启”状态与其不显著地衍射的“关闭”状态之间切换。例如，可切换DOE可以包括聚合物分散液晶层，其中，微滴包括主介质中的衍射图案，并且微滴的折射率可以被切换为基本上匹配主材料的折射率(在该情况下，图案未明显地衍射入射光)或者微滴可以被切换到不匹配主介质的折射率的折射率(在该情况下，图案主动地衍射入射光)。

在一些实施例中，相机组件630(例如，数字相机，包括可见光和红外光相机)可以被提供以捕获眼睛210和/或眼睛210周围的组织的图像，以例如检测用户输入和/或监测用户的生理状态。如本文所使用的，相机可以是任何图像捕获装置。在一些实施例中，相机组件630可以包括图像捕获装置和向眼睛投射光(例如，红外光)的光源，该光然后可以由眼睛反射并且由图像捕获装置检测。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电气通信，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，可以针对每只眼睛利用一个相机组件630，以单独监测每只眼睛。

现在参考图7，示出了由波导输出的出射束的示例。图示了一个波导，但是将理解到，在波导组件260包括多个波导的情况下，波导组件260(图6)中的其他波导可以类似地起作用。光640在波导270的输入表面460处被注入波导270中并且通过TIR在波导270内传播。在光640入射在DOE570上的点处，光的一部分作为出射束650离开波导。出射束650被图示为基本上平行的，但是如本文所讨论的，其还可以被重导引为以某个角度传播到眼睛210(例如，形成发散出射束)，这取决于与波导270相关联的深度平面。将理解到，基本上平行出射束可以指示具有耦出光以形成看起来设定在距眼睛210大距离(例如，光学无限远)的深度平面上的图像的耦出光学元件的波导。其他波导或者其他耦出光学元件集可以输出更发散的出射束图案，该出射束图案将要求眼睛210调节到更近的距离以使其在视网膜聚焦并且将由大脑解释为来自比光学无限远更接近于眼睛210的距离的光。

在一些实施例中，全色图像可以通过重叠分量颜色(例如，三种或更多种分量颜色)中的每一种的图像在每个深度平面处形成。图8图示了每个深度平面包括使用多种不同的分量颜色形成的图像的堆叠波导组件的示例。所图示的实施例示出深度平面240a–240f，尽管还预期了更多或更少的深度。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。通过字母G、R和B之后的用于屈光度(dpt)的不同的数字在附图中指示不同的深度平面。仅作为示例，这些字母中的每一个之后的数字指示屈光度(1/m)，或者深度平面距观察者的逆距离，并且附图中的每个框表示单个分量颜色图像。在一些实施例中，为了解释不同的波长的光的眼睛聚焦的差异，用于不同的颜色分量的深度平面的确切定位可以变化。例如，对于给定深度平面的不同的分量颜色图像可以被放置在对应于距用户不同距离的深度平面上。这样的布置可以增加视觉灵敏度和用户舒适和/或可以减小色差。

在一些实施例中，每种分量颜色的光可以由单个专用波导输出，并且因此，每个深度平面可以具有与其相关联的多个波导。在这样的实施例中，包括字母G、R或B的图中的每个框可以被理解为表示单独波导，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种分量颜色图像。虽然与每个深度平面相关联的波导在该附图中被示出为彼此邻近，但是将理解到，在物理装置中，波导可以全部布置在堆叠中，其中，每层具有一个波导。在一些其他实施例中，多种分量颜色可以由相同波导输出，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，并且B是蓝色。在一些其他实施例中，与光的其他波长相关联的其他颜色(包括品红和青色)可以另外使用或者可以替换红、绿或蓝中的一个或多个。

将理解到，贯穿本公开对于给定的光颜色的引用将被理解为涵盖由观察者感知为具有该给定颜色的光的波长的范围内的一个或多个波长的光。例如，红光可以包括约620–780nm的范围内的一个或多个波长的光，绿光可以包括约492–577nm的范围内的一个或多个波长的光，并且蓝光可以包括约435–493nm的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)可以被配置为发射观察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。另外，显示器250的波导的耦入、耦出和其他光重导引结构可以被配置为朝向用户的眼睛210将该光导引并且发射到显示器之外，例如，用于成像和/或用户刺激应用。

现在参考图9A，在一些实施例中，入射在波导上的光可能需要重导引以将该光耦入到波导中。耦入光学元件可以用于将光重导引并且耦入到其对应的波导中。图9A图示了各自包括耦入光学元件的多个堆叠波导或堆叠波导集660的示例的剖面侧视图。波导可以各自被配置为输出一个或多个不同波长或者一个或多个不同波长范围的光。将理解到，堆叠660可以对应于堆叠260(图6)，并且所图示的堆叠660的波导可以对应于多个波导270、280、290、300、310的一部分，例外的是，来自图像注入装置360、370、380、390、400中的一个或多个的光从期望光重导引以耦入的位置被注入到波导中。

所图示的堆叠波导集660包括波导670、680和690。每个波导包括相关联的耦入光学元件(其还可以被称为波导上的光输入区)，其中例如，在波导670的主表面(例如，上主表面)上设置的耦入光学元件700、在波导680的主表面(例如，上主表面)上设置的耦入光学元件710，以及在波导690的主表面(例如，上主表面)上设置的耦入光学元件720。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设置在相应波导670、680、690的底主表面上(特别地，在一个或多个耦入光学元件是反射偏转光学元件的情况下)。如所图示的，耦入光学元件700、710、720可以被设置在其相应波导670、680、690的上主表面上(或在下一个较低波导的顶部)，特别地，在那些耦入光学元件是透射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可以被设置在相应波导670、680、690的本体中。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，使得其选择性地重导引光的一个或多个波长，同时透射光的其他波长。虽然图示在其相应波导670、680、690的一个边或角上，但是将理解到，在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720可以设置在其相应波导670、680、690的其他区域中。如本文所述，在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720可以与波导670、680、690的表面部分集成。

如所图示的，耦入光学元件700、710、720可以彼此横向偏移。在一些实施例中，每个耦入光学元件可以偏移，使得其在该光不穿过另一耦入光学元件的情况下接收光。例如，每个耦入光学元件700、710、720可以被配置为从如图6中所示的不同图像注入装置360、370、380、390和400接收光，并且可以与其他耦入光学元件700、710、720分离(例如，横向地隔开)，使得其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。

每个波导还包括相关联的光分布元件，例如，在波导670的主表面(例如，顶主表面)上设置的光分布元件730、在波导680的主表面(例如，顶主表面)上设置的光分布元件740，以及在波导690的主表面(例如，顶主表面)上设置的光分布元件750。在一些其他实施例中，光分布元件730、740、750可以分别设置在相关联的波导670、680、690的底主表面上。在一些其他实施例中，光分布元件730、740、750可以分别设置在相关联的波导670、680、690的顶主表面和底主表面上；或者光分布元件730、740、750可以分别设置在不同的相关联的波导670、680、690中的顶主表面和底主表面中的不同的主表面上。如本文所述，在一些实施例中，光分布元件730、740、750可以与波导670、680、690的表面部分集成。

波导670、680、690可以通过例如气体、液体和/或固态材料层隔开并分离。例如，如所图示的，层760a可以将波导670和680分离；并且层760b可以将波导680和690分离。在一些实施例中，层760a和760b由低折射率材料(即，具有比形成波导670、680、690中的直接相邻的一个波导的材料更低的折射率的材料)形成。优选地，形成层760a、760b的材料的折射率小于形成波导670、680、690的材料的折射率0.05或更多，或者0.10或更少。有利地，较低折射率层760a、760b可以用作包层，该包层利于光通过波导670、680、690的全内反射(TIR)(例如，每个波导的顶主表面与底主表面之间的TIR)。在一些实施例中，层760a、760b由空气形成。虽然未图示，但是将理解到，所图示的波导集660的顶部和底部可以包括直接邻近的包层。

优选地，为了便于制造和其他考虑，形成波导670、680、690的材料类似或者相同，并且形成层760a、760b的材料类似或者相同。在一些实施例中，形成波导670、680、690的材料可以在一个或多个波导之间不同，和/或形成层760a、760b的材料可以不同，同时仍然保持上文指出的各种折射率关系。

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

在一些实施例中，光线770、780、790具有不同性质，例如，对应于不同颜色的不同波长或不同波长范围。耦入光学元件700、710、720各自偏转入射光，使得光通过TIR传播通过波导670、680、690中的相应一个。在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720各自选择性地偏转光的一个或多个特定波长，同时将其他波长透射到下方波导和相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1242和1244。透射光线780入射在耦入光学元件710上并且由耦入光学元件710偏转，该耦入光学元件710被配置为偏转第二波长或波长范围的光。光线790由耦入光学元件720偏转，该耦入光学元件720被配置为选择性地偏转第三波长或波长范围的光。

继续参考图9A，偏转光线770、780、790被偏转，使得其通过对应的波导670、680、690传播；即，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以引起光通过TIR传播通过相应波导670、680、690的角度偏转。光线770、780、790以TIR通过相应波导670、680、690传播，直到入射在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，耦入光线770、780、790分别由耦入光学元件700、710、720偏转，并且然后通过TIR分别在波导670、680、690内传播。光线770、780、790然后分别入射在光分布元件730、740、750上。光分布元件730、740、750使光线770、780、790偏转，使得其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使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随着该光传播到耦出光学元件还可以增加该光束的尺寸或光斑尺寸。在一些实施例中，光分布元件730、740、750可以省略并且耦入光学元件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可以分别用耦出光学元件800、810、820替换。在一些实施例中，耦出光学元件800、810、820是将光导引到观察者的眼睛210中的出射光瞳(EP)或出射光瞳扩展器(EPE)(图7)。将理解到，OPE可以被配置为在至少一个轴上增加眼盒的尺寸，并且EPE可以在跨越(例如，正交于)OPE的轴的轴上增加眼盒。例如，每个OPE可以被配置为将撞击OPE的光的一部分重导引到相同波导的EPE，同时允许光的剩余部分继续沿着波导向下传播。在再次入射在OPE上时，剩余光的另一部分被重导引到EPE，并且该部分的剩余部分继续沿着波导进一步向下传播等等。类似地，在入射到EPE时，入射光的一部分朝向用户导引离开波导，并且该光的剩余部分继续通过波导传播，直到其再次撞击EP，在那时，入射光的另一部分被导引离开波导等等。因此，耦入光的单光束可以每次在该光的一部分由OPE或EPE重导引时“复制”，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尺寸。

因此，参考图9A和9B，在一些实施例中，波导集660包括用于每个分量颜色的波导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，EPE)800、810、820。波导670、680、690可以以在每一个之间具有空隙/包层来堆叠。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)重导引或者偏转到其相应波导中。光然后以将导致相应波导670、680、690内的TIR的角度传播。在示出的示例中，光线770(例如，蓝光)以先前所描述的方式由第一耦入光学元件700偏转，并且然后继续沿波导向下弹跳，与光分布元件(例如，OPE)730并且然后耦出光学元件(例如，EP)800相互作用。光线780和790(例如，分别为绿光和红光)将穿过波导670，其中，光线780入射在耦入光学元件710上并且由耦入光学元件710偏转。光线780然后经由TIR沿波导680向下弹跳，继续到其光分布元件(例如，OPE)740并且然后耦出光学元件(例如，EP)810。最后，光线790(例如，红光)穿过波导690以入射在波导690的光耦入光学元件720中。光耦入光学元件720偏转光线790，使得光线通过TIR传播到光分布元件(例如，OPE)750，并且然后通过TIR传播到耦出光学元件(例如，EP)820。然后，耦出光学元件820最后将光线790耦出到观察者，该观察者还接收来自其他波导670、680耦出光。

图9C图示了图9A和图9B的多个堆叠波导的示例的俯视平面视图。如所图示的，波导670、680、690连同每个波导的相关联的光分布元件730、740、750和相关联的耦出光学元件800、810、820可以垂直地对准。然而，如本文所讨论的，耦入光学元件700、710、720未垂直对准；相反，耦入光学元件优选非重叠(例如，如在俯视图中看到的横向隔开)。如本文进一步讨论的，该非重叠空间布置利于在一对一基础上将来自不同的源的光注入到不同的波导中，从而允许特定光源唯一地耦接到特定波导。在一些实施例中，包括非重叠的空间分离的耦入光学元件的布置可以称为偏移光瞳系统，并且这些布置内的耦入光学元件可以对应于子光瞳。

图9D示出了可佩戴显示系统60的示例，本文公开的各种波导和相关系统可以集成到该可佩戴显示系统60中。在一些实施例中，显示系统60是图6的系统250，其中图6更详细地示意性地示出了该系统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可以耦接到框架80，该框架80可由显示系统用户或观察者90佩戴并被配置为将显示器70定位在用户90的眼睛前方。在一些实施例中，显示器70可以被认为是眼镜。在一些实施例中，扬声器100耦接到框架80并且被配置为位于用户90的耳道附近(在一些实施例中，另一个扬声器，未示出，可以可选地位于用户的另一耳道附近，以提供立体声/可塑形声音控制)。显示系统60还可以包括一个或多个麦克风110或其他装置以检测声音。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、自然语言问题等的选择)和/或可以允许与其他人的音频通信(例如，与类似显示系统的其他用户。麦克风还可以被配置作为外围传感器来收集音频数据(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，其被配置为检测用户周围的对象、刺激、人、动物、位置或世界的其他方面。例如，环境传感器112可以包括一个或多个相机，其可以例如面向外定位，以捕获与用户90的普通视场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，其可以与框架80分离并且附接到用户90的身体(例如，在用户90的头部、躯干、肢体等上)。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9D，显示器70通过通信链路130(诸如通过有线引线或无线连接)可操作地被耦接到本地数据处理模块140，本地数据处理模块140可以以各种配置安装，诸如被固定地附接到框架80上、被固定地附接到由用户佩戴的头盔或帽子上、被嵌入头戴耳机内、或者可拆卸地附接到用户90(例如，以背包式配置、以带耦接式配置)。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诸如非易失性存储器(例如，闪速存储器或硬盘驱动器)的数字存储器，这两者都可用于数据的辅助处理、缓存和存储。可替代地，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：a)从传感器(例如，该传感器可以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，所述传感器诸如为图像捕获装置(诸如相机)、麦克风、惯性测量单元、加速度计、罗盘、GPS单元、无线电装置、陀螺仪和/或本文公开的其他传感器；以及/或者b)使用远程处理模块150和/或远程数据储存库160获取和/或处理的数据(包括与虚拟内容相关的数据)，这些数据可以在这样的处理或检索之后被传送到显示器70。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可以包括图像捕获装置、麦克风、惯性测量单元、加速度计、罗盘、GPS单元、无线电装置和/或陀螺仪中的一种或多种。在一些其他实施例中，这些传感器中的一种或多种可以附接到框架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，该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”资源配置中的其它网络配置而可用。在一些实施例中，远程数据储存库160可以包括一个或多个远程服务器，该一个或多个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，用于产生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，从而允许与远程模块完全自主的使用。可替代地，包括CPU、GPU等的外部系统(例如，具有一个或多个处理器的系统、一个或多个计算机)可以执行处理的至少一部分(例如，产生图像信息、处理数据)以及例如经由无线或有线连接向模块140、150、160提供信息和从模块140、150、160接收信息。

示例波导

如关于图6所描述的，可以通过光投射器系统520(例如，通过投射器系统520的图像注入装置360、370、380、390、400)将包含图像信息的光提供给目镜(包括例如波导组件260的目镜，该波导组件260包括波导270、280、290、300、310)。投射器系统520与波导270、280、290、300、310之间的光的低耦合效率会降低波导组件260的总效率并且会劣化提供给观察者的整体图像质量。与当前显示系统中使用的波导相比，本文描述的波导的某些实现方式可以有利地提供更高的耦合效率、更好的图像质量和/或更简单的制造过程。

现在参考图10，示出了具有集成耦入光学元件的示例波导。示例波导1000包括被配置为将入射光耦合到波导1000中的集成耦入光学元件1030。光可以经由全内反射传播通过波导1000。一个或多个光分布元件1035可以将光引向一个或多个耦出光学元件1040，该一个或多个耦出光学元件1040可以提取光并将光引导出波导1000并进入观察者的眼睛。

在各种实现方式中，波导1000可以包括包含基本上光学透明的材料的层1005。在一些实现方式中，层1005可以对可见光谱中的光的波长(例如，390-700nm)高度透明。例如，层1005可以跨其厚度透射可见光光谱中的光的约85％至约100％、约90％至约100％、约95％至约100％、约96％至约100％、约97％至约100％、约98％至约100％。在一些情况下，层1005可以由聚合物材料形成，例如用于眼科镜片的光学聚合物和/或透明聚合物。可以使用的一些示例聚合物可以包括基于硫醇的聚合物；可商业上购自纽约莱伊布鲁克(RyeBrook)的三井化学美国公司(Mitsui Chemicals America,Inc.)的MR系列聚合物；可商业上购自日本东京的三菱化学公司的LPB或LPL系列聚合物；或可商业上购自德国柏林的micro resist technology GmbH的OrmoStamp。在一些情况下，层1005可以由材料的组合形成，例如第一材料的第一层和第二材料的第二层。其他示例也是可能的。

继续参考图10，层1005可以具有第一主表面1010和第二主表面1020。第一和第二主表面1010、1020可以被配置为使得包含图像信息的光可以传播通过在其中被引导的层1005。例如，可以通过经由从表面的全内反射从第一主表面1010和第二主表面1020反射光来将光引导通过层1005。在各种实现方式中，第一和第二主表面1010、1020可具有相对低的表面粗糙度。例如，在一些实现方式中，表面粗糙度可以在约0.05nm至约3.0nm的范围内(例如，约0.05nm、约0.07nm、约0.1nm、约0.5nm、约1.0nm、约1.5nm、约2.0nm、约2.5nm、约3.0nm等)、在该范围内的任何范围内(例如约0.05nm至约2.5nm、约0.07nm至约2.5nm、约0.1nm至约2.5nm、约0.5nm至约2.5nm、约0.7nm至约2.5nm、约1.0nm至约2.5nm、约0.05nm至约2.0nm、约0.07nm至约2.0nm、约0.1nm至约2.0nm、约0.5nm至约2.0nm、约0.7nm至约2.0nm、约1.0nm至约2.0nm等)、在这些范围内的任何值、或在由这些值形成的任何范围内。不受理论的束缚，具有相对低的表面粗糙度的波导可以保持成像质量。因此，在各种实现方式中，第一和第二主表面1010、1020可具有相对较低的表面粗糙度，使得层1005可保留图像信息并保持成像。

在各种实现方式中，第一主表面1010可以包括第一较小表面部分1011和第二较大表面部分1012，该两部分与层1005进行单片集成并且彼此1011、1012进行单片集成。在一些情况下，第一较小表面部分1011可包括耦入光学元件1030的至少一部分。例如，第一较小表面部分1011可形成耦入光学元件1030的至少一部分。在各种实现方式中，第一较小表面部分1011可以与耦入光学元件1030集成，使得可以将耦入光学元件1030配置为将入射在耦入光学元件1030上的光有效地耦合到层1005中。如本文所描述的，光可以通过从第二主表面1020和第一主表面1010的第二较大表面部分1012的全内反射而传播通过层1005。

在一些实现方式中，可将耦入光学元件1030配置为使包含图像信息的光在波导1000的层1005中偏转。在图10中，耦入光学元件1030包括倾斜表面部分(例如，第一较小表面部分1011)。例如，倾斜表面部分可以包括相对于第一主表面1010的第二较大表面部分1012和第二主表面1020倾斜的第一主表面1010的第一较小表面部分1011。倾斜表面部分1011相对于与第一主表面1010和/或第二主表面1020平行的平面倾斜约30度至约60度的范围(例如约30度、约35度、约40度、约45度、约50度、约55度、约60度等)、在此范围内的任何范围内(例如约30度至约50度、约35度至约50度、约40度至约50度、约30度至约55度、约40度至约55度等)、这些范围内的任何值、或有这些值形成的任何范围。在一些实施例中，倾斜角可以至少部分地基于波导1000的层1005的厚度T。

在一些实现方式中，倾斜表面部分1011可以形成层1005中的凹口(或刻面)1050的一部分。继续参考图10，凹口1050可以具有深度D(或高度)和宽度W。在一些实现方式中，凹口1050的深度D可小于层1005的厚度T。在一些情况下，凹口1050的深度D可为层1005的厚度T的至少一半或厚度T的至少四分之三。例如，凹口1050可以具有约0.5T、约0.6T、约0.75T、约0.8T、约0.9T等的深度D，或者可以具有由这些值形成的任何范围内的深度D。其他值和范围也是可能的。在一些实现方式中，凹口1050可以具有基本上等于层1005的厚度T的深度D。

在一些情况下，凹口1050的深度D可以在约50微米至约550微米的范围内(例如，约50微米、约75微米、约100微米、约150微米、约200微米、约250微米、约300微米、约350微米、约400微米、约450微米、约500微米、约550微米等)、在此范围内的任何范围内(例如，约50微米至约500微米、约75微米至约500微米、约100微米至约500微米、约75微米至约550微米、约100微米至约550微米、约150微米至约550微米等)、这些范围内的任何值由、或由这些值形成的任何范围内。在一些情况下，凹口1050的深度D可以在这些范围之外。

在一些情况下，凹口1050的宽度W可以在约25微米至约350微米的范围内(例如，约30微米、约40微米、约50微米、约75微米、约100微米、约150微米、约200微米、约250微米、约300微米、约350微米等)、在此范围内的任何范围内(例如约25微米至约300微米、约50微米至约300微米、75微米至约300微米、约30微米至约350微米、约40微米至约350微米、约50微米至约350微米、约75微米至约350微米等)、这些范围内的任何值、或由这些值形成的任何范围内。在一些情况下，凹口1050的宽度W可以在这些范围之外。

在一些实现方式中，凹口1050可包括空气。可选地，凹口1050可包括与层1005相同的材料或另一种基本上光学透明的材料(例如，具有基本类似的折射率的材料)。在一些这样的实现方式中，凹口1050可形成具有深度D和宽度W的棱镜(例如，三角棱镜)的至少一部分，如本文所述，其中倾斜表面部分1011形成棱镜的表面中的一个。因此，波导的一些实现方式可以包括棱镜形式的集成耦入光学元件1030。在各种实现方式中，棱镜可以被配置为在波导1000的层1005中反射包含图像信息的光。例如，在一些实现方式中，棱镜可以被配置为当光以大于临界角的角度入射到棱镜的表面时通过全内反射来反射光。

由于相对于输入角度具有不同的衍射效率，用作耦入元件的常规光栅可能潜在地导致图像的亮度不均匀。有利地，在各种实现方式中，包括棱镜的耦入光学元件1030可以实现相对于输入角的更高的均匀反射率(在一些情况下，极端均匀的反射率)，因此可以改善显示器的输出图像的亮度均匀性。另外，在本文描述的某些实现方式中，包括与波导相同的材料(或具有基本类似的折射率的材料)的集成棱镜的耦入光学元件1030可以实现与波导的近乎完美的折射率匹配(或基本上类似的折射率匹配)，而在棱镜与波导材料之间没有界面(例如粗糙表面)。在一些这样的实现方式中，耦入光学元件1030可以减少进入到投射器的背反射(在一些情况下实现极低的背反射)，并因此减少重影图像伪像(在一些情况下没有重影)。此外，包括棱镜的与波导1000的表面1011集成的耦入光学元件1030可以允许与波导1000的直接接触，从而导致光投射器与波导1000之间的耦入增加，并且可以通过简化和/或消除在组装期间棱镜与波导之间的对准步骤来简化制造过程。

图11示出了具有集成耦入光学元件的另一示例波导。示例波导1100类似于图10中的示例波导1000(例如，第一主表面1110、第二主表面1120、层1105、凹口1150、一个或多个光分布元件1135、一个或多个耦出光学元件1140)，除了倾斜表面部分1111可以形成转向镜的至少一部分之外。例如，在一些实现方式中，耦入光学元件1130可以包括设置在倾斜表面部分1111上的反射材料层(例如，金属化层)1145。在一些情况下，反射层1145可以包括金属膜(例如，Au、Al、Ag或任何反射性金属)。金属膜的厚度可以在约5nm至约500nm的范围内(例如约5nm、约10nm、约20nm、约30nm、约40nm、约50nm、约75nm、约100nm、约150nm、约200nm、约250nm、约300nm、约350nm、约400nm、约450nm、约500nm等)、在此范围内的任何范围内(例如约5nm至约400nm、约5nm至约450nm、约10nm至约400nm、约10nm至约450nm、约5nm至约500nm、约10nm至约500nm、约50nm至约500nm、约100nm至约500nm等)、在这些范围内的任何值、或在由这些值形成的任何范围内。在一些实现方式中，凹口1150可以填充有反射材料或填充物。可以将包括转向镜(例如，金属化的倾斜表面部分)的耦入光学元件1130配置为在波导1100的层1105中反射包含图像信息的光。包括转向镜的与波导1100的表面集成的耦入光学元件1130可以允许与波导1100的直接接触，从而导致光投射器与波导之间的耦入增加，并且可以通过简化和/或消除在组装期间转向镜与波导之间的对准步骤来简化制造过程。

在一些实现方式中，倾斜表面部分1111可以完全延伸穿过波导层1105的厚度，使得倾斜表面部分1111是波导层1105的边缘(例如，在主表面之间延伸的表面)而不是第一主表面1110的一部分。换句话说，在一些实现方式中，可以将耦入光学元件1130与波导层1105的边缘而不是主表面1110集成。

图12示出了具有集成耦入光学元件的另一示例波导。示例波导1200类似于图11中的示例波导1100(例如，第一主表面1210、第二主表面1220、层1205、凹口1250、一个或多个光分布元件1235、一个或多个耦出光学元件1240)，除了耦入光学元件1230的倾斜表面部分1211具有曲率之外。例如，在图12所示的耦入光学元件1230中，第一主表面1210的第一较小表面部分1211相对于第一主表面1210的第二较大表面部分1212和第二主表面1220弯曲。作为另一示例，弯曲表面部分1211可以是波导1205的边缘部分。

在各种实现方式中，包括转向镜(例如，金属化的弯曲表面部分)的耦入光学元件1230可以被配置为在波导1200的层1205中反射包含图像信息的光。在一些实现方式中，弯曲表面部分1211可以被配置为提供光焦度(例如，焦度转向镜)。在一些实现方式中，弯曲表面部分1211可以补充其他部件的光焦度(例如，补充出射光瞳扩展器的光焦度)和/或使得其他部件的光焦度是不必要的。在一些示例中，弯曲表面部分1211可以被配置为提供正光焦度。在一些这样的实现方式中，从基本上光学透明的层1205内的大多数位置的角度来看，倾斜表面部分1211可以具有凹曲率。作为另一示例，弯曲表面部分1211可以被配置为提供负光焦度。在一些这样的实现方式中，从层1205内的大多数位置的角度来看，倾斜表面部分1211可以具有凸曲率。

图13示出了具有集成耦入光学元件的另一示例波导。在示例波导1300中，弯曲表面部分1311可以形成集成棱镜1352和透镜1351中的透镜1351(例如，球形、圆柱形、抛物线形、自由形式的透镜等)的至少一部分。在图13所示的耦入光学元件1330中，第一主表面1310的第一较小表面部分1311相对于第一主表面1310的第二较大表面部分1312和第二主表面1320弯曲。在一些实现方式中，从波导1305的大部分看，弯曲表面部分1311可以是凸的。在一些示例中，弯曲表面部分1311可以形成正焦度透镜。在一些实现方式中，从波导1305的大部分看，弯曲表面部分1311可以是凹的。在一些示例中，弯曲表面部分1311可以形成负焦度透镜。在各种实现方式中，集成棱镜1352和透镜1351可以被配置为在波导1300的层1305中引导包含图像信息的光。例如，在一些实现方式中，棱镜1352可以被配置为当光以大于临界角的角度入射到棱镜1352的表面时通过全内反射来反射光，并且透镜1351可以被配置为将光聚焦和/或折射到层1305中。形成波导1300的具有表面1311的透镜1351的至少一部分可以改善光投射器与波导之间的光耦合，并且可以通过消除透镜与波导之间的对准步骤来简化组装。

图14示出了另一示例波导，其中透镜1460的至少一部分与波导1400集成。在图14所示的示例中，整个透镜1460与波导1400进行单片集成。尽管透镜1460被示出为与波导层1405的主表面1420集成，但是在一些实现方式中，透镜1460可以与波导层的边缘集成。除了改善光的耦合并简化组件之外，将透镜与波导进行单片集成可以通过消除投射器中的透镜组件和/或投射器与波导之间的透镜组件来减少波导显示装置的总占据面积(例如，尺寸和/或重量)。在一些实现方式中，透镜1460可以包括球形、圆柱形、抛物线形或自由形式的透镜。任何形状都是可能的。在一些情况下，透镜1460可以是凸透镜。在一些示例中，透镜1460可以提供正光焦度。在一些实现方式中，透镜1460可以是凹透镜。在一些示例中，透镜1460可以提供负光焦度。

在一些实现方式中，透镜1460可以与另一耦入光学元件对准。例如，如图15中所示，耦入光学元件1530可以被配置为在光穿过透镜1560之后将光转向进入到层1505中。在一些情况下，耦入光学元件1530可以被设置在层1505的与其上设置有透镜1560的表面1520相反的表面1510上。在一些其他情况下，耦入光学元件1530可以被设置在与其上设置有透镜的表面相邻的表面上。在一些其他情况下，耦入光学元件1530可以被设置在其上设置有透镜的同一表面上。在一些实现方式中，耦入光学元件1530可以与波导1500的表面集成。例如，耦入光学元件1530可以包括本文所述的耦入光学元件中的任何(例如，集成小平面、棱镜、转向镜、透镜或其组合)。

作为另一示例，耦入光学元件1530可以包括集成光栅。例如，在一些实现方式中，第一主表面1510的第一较小表面部分1511可以形成光栅的至少一部分(例如，第一较小表面部分1511可以包括起伏的表面凹凸)。光栅可以是反射光栅。在一些情况下，光栅的线宽可以在约25nm至约550nm的范围内(例如约25nm、约50nm、约60nm、约70nm、约75nm、约100nm、150nm、约200nm、约250nm、约300nm、约350nm、约400nm、约450nm、约500nm、约550nm等)、在该范围内的任何范围内(例如约25nm至约400nm、约50nm至约400nm、约25nm至约450nm、约50nm至约450nm、约25nm至约500nm、约50nm至约500nm、约75nm至约500nm、约100nm至约500nm、约50nm至约550nm、约75nm至约550nm等)、在这些范围内的任何值或在由这些值形成的任何范围内。其他示例也是可能的。

在一些情况下，光栅的节距可以在约150微米至约650微米的范围内(例如，约150微米、约200微米、约250微米、约300微米、约350微米、约400微米、450微米、约500微米、约550微米、约600微米、约650微米等)、在该范围内的任何范围内(例如约150微米至约500微米、约150微米至约550微米、约150微米至约600微米、约200微米至约500微米、约200微米至约550微米、约200微米至约600微米等)、这些范围内的任何值、或由这些值形成的任何范围内。其他示例也是可能的。

耦入光学元件的其他示例可以与波导的表面集成。另外，尽管在本文中将各种实现方式描述为耦入光学元件，但是其他光学元件也可以与波导的表面集成。例如，光分布元件1035、1135、1235、1335、1435、1535和/或耦出光学元件1040、1140、1240、1340、1440、1540可以与波导的表面集成。此外，尽管将光分布元件1035、1135、1235、1335、1435、1535和/或耦出光学元件1040、1140、1240、1340、1440、1540的各种实现方式示出为光栅，但是光分布元件和/或耦合输出光学元件可以是本文描述的任何集成光学元件。

一些实现方式可以包括一个或多个抗反射结构，以减少当观察者通过波导观察时的反射。例如，如图16所示，抗反射结构1665被设置为与耦入光学元件1630相邻。一个或多个抗反射结构1665也可以被设置为与耦出光学元件1640(或光分布元件)相邻和/或相对。一个或多个抗反射结构1665可以设置在波导1600的任何表面部分上。在图16中，将耦入光学元件1630和耦出光学元件1640示出为与波导1600的表面1620集成的光栅(例如，类似于图15所示的光栅1530)。在各种实现方式中，光学元件(例如，耦入光学元件、耦出光学元件和/或光分布元件)可以是本文所述的集成光学元件的任何一者。

对于常规的抗反射涂层，通常提供多层涂层，并且用这样的层围绕光栅可能是挑战性的。此外，通常存在与提供常规抗反射涂层的每个附加层相关联的成本。在各种实现方式中，抗反射结构的至少一部分也可以与波导的表面集成(并且在一些实现方式中可以围绕光栅)。例如，波导1600的表面部分1621可以形成抗反射结构1665的至少一部分。在一些实现方式中，抗反射结构1665可以包括表面凹凸图案。例如，抗反射结构1665可以包括起伏图案。在一些实现方式中，起伏图案可以在一维或一个方向上起伏。在一些实现方式中，起伏图案可以在二维或两个方向上起伏。起伏图案可以包括周期性图案。例如，图案的周期可以在约25nm至约250nm的范围内(例如约25nm、约50nm、约75nm、约100nm、约125nm、约150nm、约175nm、约200nm、约250nm等)、在此范围内的任何范围内(例如约25nm至约200nm、约50nm至约200nm、约75nm至约200nm、约100nm至约200nm、约50nm至约250nm、约75nm至约250nm、约100nm至约250nm等)、在这些范围内的任何值、或在由这些值形成的任何范围内。在一些实现方式中，抗反射结构1665的节距可以使得抗反射结构1665不对可见光衍射。其他示例也是可能的。

在一些情况下，图案的高度可以在约5nm至约250nm的范围内(例如约5nm、约10nm、约20nm、约30nm、约50nm、约75nm约100nm、约100nm、约125nm、约150nm、约175nm、约200nm、约250nm等)、在此范围内的任何范围内(例如约5nm至约200nm、约10nm至约200nm、约50nm至约200nm、约10nm至约250nm、约50nm至约250nm、约75nm至约250nm、约100nm至约250nm等)、在这些范围内的任何值、或在由这些值形成的任何范围内。其他示例也是可能的。

图16A示出了与耦入光栅相邻的示例抗反射结构的放大图像。图16B示出了示例抗反射结构的放大图像。如这些图所示，纳米结构可以与波导的表面集成。在各种实现方式中，极小的尺寸可以具有与空气匹配的有效折射率，以使得该结构可以起到类似于抗反射涂层的作用。被集成到波导的表面部分中的抗反射结构可以有利地被选择性地设置在波导的期望部分上。例如，可以提供一个或多个抗反射结构以包围耦入光栅。

在一些实现方式中，抗反射结构可以包括设置在表面凹凸图案上的材料。例如，在一些示例中，材料可以具有期望的折射率。在一些实现方式中，抗反射结构可减少(和/或在一些情况下最小化)由相邻波导生成的图像的反射。在一些实现方式中，抗反射结构可以减小(和/或在一些情况下最小化)当光入射在表面上时的相位延迟。

抗反射结构可以与光学元件光学对准。在一些情况下，抗反射结构可以与跟另一波导相关联的光学元件光学对准。例如，抗反射结构1665可以被配置为促进光通过波导1600到达另一波导。参考图9A，各种实现方式可以包括波导670、680、690的堆叠660。如图9A所示，耦入光学元件700、710、720可以彼此横向偏移，使得每个耦入光学元件700、710、720可以接收光，而该光不穿过另一耦入光学元件700、710、720。另外，抗反射结构可以与跟另一波导相关联的耦入光学元件光学对准。例如，抗反射结构(例如，图16中所示的1665)可以被放置在波导670上、位于用于波导680的耦入光学元件(例如，图9A中的710)上方，以使得光780可以透射通过抗反射结构和波导670并入射在耦入光学元件710上以耦合进入波导680中。作为另一示例，抗反射结构可以被配置为减少(和/或在一些情况下最小化)来自从波导耦出并指向用户的光的反射。在一些实现方式中，抗反射结构可以与耦出光学元件和/或光分布元件光学对准。参照图9A，由于由波导680耦出的光通过波导670，因此抗反射结构可以被放置在波导670的最靠近波导680的一侧上。其他示例也是可能的。

如本文所述，各种实现方式可包括集成光学元件。例如，一些实现方式可以包括形成光学元件(例如，耦入光学元件、光分布元件、耦出光学元件、抗反射结构等)的至少一部分的表面部分。在一些实现方式中，光学元件的至少一部分可以在形成波导的表面时形成。作为示例，可以模制一些实现方式，以使得光学元件的至少一部分可以形成到波导的表面。例如，参考图16，一些实现方式可以包括波导，该波导包括基本上光学透明的材料的模制层1605。表面部分1621、1622可以与模制层1605进行单片集成并且彼此1621、1622进行单片集成。表面部分中的一个1621可以包括模制光学元件1630的至少一部分。在一些示例中，层1605、表面1610、1620和表面凹凸图案1665可以形成模制光学器件。图10至图15中的波导1000、1100、1200、1300、1400、1500也可以被模制。在一些示例中，层(例如，1005、1105、1205、1305、1405、1505)、第一表面(例如，1010、1110、1210、1310、1410、1510)、第二表面(例如，1020、1120、1220、1320、1420、1520)和光学元件的至少一部分(例如，倾斜表面部分1011、1111、弯曲表面部分1211、1311、透镜1460、1560、光栅1530)可以形成单个模制光学器件。

波导1000、1100、1200、1300、1400、1500、1600中的任何一个或它们的组合可以用作波导堆叠260(图6)或660(图9A-9C)的波导中的一个，例如，用作波导270、280、290、300或310(图6)或670、680或690(图9A-9C)中的一个。另外，可以在波导中的任何一个上设置本文描述的光学元件中的任何一个。例如，光学元件1030、1130、1230、1330、1460、1530、1560、1630中的任何一个可以对应于耦入光学元件700、710或720(图9A-9C)、光分布元件730、740或750和/或耦出光学元件570、580、590、600或610(图6)或800、810或820(图9A-9C)中的任何一个。作为另一示例，光学元件1030、1130、1230、1330、1460、1530、1560、1630中的任何一个可以对应于特征(例如，透镜)320、330、340、350、360或620(图6)中的任何一个。在一些实现方式中，可在波导270、280、290、300或310(图6)或670、680或690(图9A-9C)中的任何一个上提供一个或多个抗反射结构1665。此外，尽管一些实现方式已经将光学元件1030、1130、1230、1330、1460、1530、1560、1630、1665描述为与波导的主表面集成，但是光学元件1030、1130、1230、1330、1460、1530、1560、1630、1665中的任何一个可以与波导的边缘(例如，在主表面之间延伸的表面)集成。

制造波导的示例方法

如本文所述，光学元件的至少一部分(例如，耦入光学元件、光分布元件、耦出光学元件、抗反射结构等的至少一部分)可以与波导层集成。如本文所述，波导表面的至少一部分可以形成光学元件的至少一部分，这可以简化波导和结合有波导的装置/系统的制造(例如，更少的步骤和/或如果有的话，更少的对准问题)。通过利用波导的表面部分形成光学元件的至少一部分，可以使光学元件的至少一部分与波导层完美地折射率匹配并且在它们之间没有界面。此外，在一些实现方式中，通过利用波导的表面部分形成光学元件的至少一部分，可以在波导的选择性部分上形成光学元件。

在各种实现方式中，可使用可流动材料来形成波导层(例如，1005、1205、1305、1405、1505、1605)。光学元件的至少一部分可以通过压印并随后硬化或固化所压印的材料而与波导层集成。作为示例方法，可以通过如本文所述的模制来形成波导。可以使用其他类型的模制，例如注射模制。喷墨、光刻和/或纳米压印还可以在一些实现方式中使用，例如以包括诸如透镜和/或棱镜的光学元件。在各种实现方式中，该方法可用于形成各种形状和尺寸(例如，宏观水平、微观水平和/或纳米水平尺寸的特征)并形成良好对准的特征。一些实现方式还可以实现相对平坦的表面(例如，低的表面粗糙度)，而无需额外的后处理步骤(例如，没有抛光)。此外，可以重复且相对不昂贵地执行一些实现方式(例如，不昂贵的材料、设备和操作)。

图17A-17D示出了形成具有集成光学元件的波导的示例方法。参考图17A，提供了一对被配置为彼此面对的模具2001、2002。模具2001、2002中的至少一个可以包括光学元件的至少一部分的压印2011、2012。压印2011、2012可以是将在要形成的波导层中限定的光学元件的期望部分的负片。为简单起见，模具2001、2002被示出为具有凸起特征的图案，例如以形成如本文所述的一个或多个集成的光栅和/或抗反射结构。在一些其他实现方式中，压印可以是本文所述的棱镜、透镜、集成棱镜和透镜和/或转向镜(倾斜的和/或弯曲的)的至少一部分的负片。应当理解，可以在模具2001、2002上提供压印，以根据需要形成任何光学元件、光学元件的任何组合和/或任何其他结构。继续参考图17A，可以在模具2001上(例如，在模具2001、2002之间)沉积用于形成波导层的大量材料2003。如本文所述，材料2003可以是可流动的材料。例如，材料2003可以是聚合物(例如，树脂)。

参考图17B，可以将模具2001、2002放在一起以压缩材料2003，从而形成波导层。例如，模具2001、2001可以接触材料2003，以使得模具2001、2002中的至少一个将对应的压印转移到材料2003中。

参考图17C，压缩材料2003可经受硬化过程。作为示例，压缩材料2003可经受固化过程(例如，暴露于紫外光)以使材料硬化以便形成基本上固态的波导层2005。如图所示，负压印2011、2012可以限定波导层2005中的光学元件的至少一部分。

参考图17D，可以使模具2001、2002相对于彼此移开，并且可以从模具2001、2002释放波导层2005，从而形成波导2000，以使得波导的表面部分形成光学元件的至少一部分。在一些实现方式中，可执行额外的步骤以制造光学元件的其余部分，例如，在光学元件的所形成部分上沉积材料。例如，可以使倾斜表面部分(例如，图11的1130)或弯曲的表面部分(例如，图12的1230)金属化。作为另一示例，可以在表面凹凸图案上(例如，图16的1665)沉积材料。

在上述说明书中，已经参考本发明的具体实施例对本发明进行了描述。然而显而易见的是，在不偏离本发明的更广泛的精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种修改和更改。因此，说明书和附图应该被视为出于说明的目的，而非进行限制。

实际上，将理解，本公开的系统和方法各自具有若干创新性方面，它们中没有一个独立地单独导致本文公开的所需属性或者是本文公开的所需属性所必需的。上述各种特征和处理可以彼此独立地使用，或者可以以各种方式进行组合。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。

将理解，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，权利要求并非旨在限于此处所示的实施例，而是被赋予与此处披露的本公开、原理和新颖特征一致的最广泛的范围。

Claims (62)

1.一种波导，包括：

聚合物层，其包括基本上光学透明的材料，所述基本上光学透明的材料具有第一主表面和第二主表面，所述第一主表面和所述第二主表面被配置为使得包含图像信息的光能够通过全内反射从所述第一主表面和所述第二主表面反射而传播通过所述聚合物层，所述光在所述聚合物中被引导，

其中，所述第一表面包括第一较小表面部分和第二较大表面部分，所述第一较小表面部分和所述第二较大表面部分与所述聚合物层进行单片集成并且彼此进行单片集成，所述第一较小表面部分包括耦入光学元件的至少一部分，所述耦入光学元件被配置为将入射到所述耦入光学元件上的光耦合进所述聚合物层中，以通过从所述第二主表面和所述第一主表面的所述第二较大表面部分的反射而在其中传播。

2.根据权利要求1所述的波导，其中，所述耦入光学元件包括转向镜，所述转向镜被配置为使包含图像信息的光在所述波导中偏转。

3.根据权利要求2所述的波导，其中，所述转向镜包括相对于所述第一主表面的所述第二较大表面部分和所述第二主表面倾斜的所述第一主表面的所述第一较小表面部分。

4.根据权利要求2或3所述的波导，其中，所述转向镜具有光焦度。

5.根据权利要求4所述的波导，其中，所述焦度转向镜包括相对于所述第一主表面的所述第二较大表面部分和所述第二主表面弯曲的所述第一主表面的所述第一较小表面部分。

6.根据权利要求2至5中任一项所述的波导，其中，所述转向镜进一步包括被设置在所述第一主表面的所述第一较小表面部分上的金属化。

7.根据权利要求1所述的波导，其中，所述耦入光学元件包括透镜。

8.根据权利要求7所述的波导，其中，所述透镜包括相对于所述第一主表面的所述第二较大表面部分和所述第二主表面弯曲的所述第一主表面的所述第一较小表面部分。

9.根据权利要求1所述的波导，其中，所述耦入光学元件包括光栅。

10.根据权利要求9所述的波导，其中，所述光栅包括所述第一主表面的所述第一较小表面部分，所述第一较小表面部分具有起伏的表面凹凸。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的波导，其中，包括所述耦入光学元件的所述至少一部分的所述聚合物层包括模制光学器件。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的波导，其中，所述多个表面具有在约0.1nm至约2.0nm之间的表面粗糙度。

13.一种波导，包括：

模制光学器件，其包括基本上光学透明的材料的模制层，所述模制层具有第一主表面和第二主表面，所述第一主表面和所述第二主表面被配置为使得包含图像信息的光能够通过全内反射从所述第一主表面和所述第二主表面反射而传播通过所述模制层，所述光在所述模制层中被引导，

其中，所述第一表面包括第一较小表面部分和第二较大表面部分，所述第一较小表面部分和所述第二较大表面部分与所述模制层进行单片集成并且彼此进行单片集成，所述第一较小表面部分包括模制耦入光学元件的至少一部分，所述模制耦入光学元件被配置为将入射到所述模制耦入光学元件上的光耦合进所述模制层中，以通过从所述第二主表面和所述第一主表面的所述第二较大表面部分的反射而在其中传播。

14.一种波导，包括：

聚合物层，其被配置为使包含图像信息的光传播通过；

多个表面，其足以通过全内反射在所述聚合物层中引导所述图像信息；以及

倾斜表面部分，其形成耦入光学元件的至少一部分，所述倾斜表面部分被配置为使包含图像信息的光在所述波导中偏转。

15.根据权利要求14所述的波导，其中，所述倾斜表面部分在所述聚合物层中形成凹口。

16.根据权利要求15所述的波导，其中，所述聚合物层中的所述凹口是所述聚合物层的厚度的至少1/2。

17.根据权利要求15所述的波导，其中，所述聚合物层中的所述凹口是所述聚合物层的厚度的至少3/4。

18.根据权利要求14至17中任一项所述的波导，其中，所述倾斜表面部分相对于所述多个表面在约40°-50°之间倾斜。

19.根据权利要求14至18中的任一项所述的波导，其中，所述耦入光学元件包括转向镜，所述转向镜包括金属化。

20.根据权利要求14至19中任一项所述的波导，其中，所述倾斜表面部分包括曲率以提供光焦度。

21.根据权利要求14至20中任一项所述的波导，其中，所述聚合物层、所述多个表面和所述倾斜表面部分包括模制光学器件。

22.根据权利要求14至21中任一项所述的波导，其中，所述多个表面具有在约0.1nm至约2.0nm之间的表面粗糙度。

23.一种波导，包括：

光学透明层，其包括光学透明材料和多个表面，所述多个表面足以通过全内反射在所述波导中引导包含图像信息的光；以及

倾斜表面部分，其形成耦入光学元件的至少一部分，所述倾斜表面部分被配置为使包含图像信息的光在所述波导中偏转，以使得所述光在所述光学透明层中被引导，其中，所述倾斜表面部分包括曲率以提供光焦度。

24.根据权利要求23所述的波导，其中，所述光焦度包括正光焦度。

25.根据权利要求23或24所述的波导，其中，从所述光学透明层内的大多数位置的角度来看，所述倾斜表面部分具有凹曲率。

26.根据权利要求23至25中的任一项所述的波导，其中，所述耦入光学元件是反射镜、小平面、棱镜或其组合。

27.根据权利要求23至26中任一项所述的波导，其中，所述耦入光学元件进一步包括位于所述倾斜表面部分上的金属层。

28.根据权利要求23至27中任一项所述的波导，其中，所述多个表面中的每一个表面具有在约0.1nm至约2.0nm之间的表面粗糙度。

29.根据权利要求23至28中任一项所述的波导，其中，所述光学透明材料包括聚合物。

30.根据权利要求23至29中任一项所述的波导，其中，所述光学透明层、多个表面和所述倾斜表面部分包括模制光学器件。

31.一种波导，包括：

光学透明层，其包括光学透明材料、第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面足以通过全内反射在所述波导中引导包含图像信息的光；以及

所述第一表面上形成透镜的至少一部分的表面部分，所述表面部分是弯曲的。

32.根据权利要求31所述的波导，其中，所述透镜包括凸透镜。

33.根据权利要求31或32所述的波导，其中，所述透镜包括正焦度透镜。

34.根据权利要求31至33中任一项所述的波导，其中，所述透镜与耦入光学元件对准，所述耦入光学元件被配置为使得在穿过所述透镜进入所述光学透明材料层之后被所述耦入光学元件接收的光转向，所述光在所述光学透明材料层中被引导。

35.根据权利要求34所述的波导，其中，所述耦入光学元件被设置在所述光学透明材料层的所述第二表面上。

36.根据权利要求31至35中任一项所述的波导，其中，所述多个表面中的每一个表面具有在约0.1nm至约2.0nm之间的表面粗糙度。

37.根据权利要求31至36中任一项所述的波导，其中，所述光学透明材料包括聚合物。

38.根据权利要求31至37中任一项所述的波导，其中，所述光学透明层、所述第一表面、所述第二表面以及所述透镜包括模制光学器件。

39.一种波导，包括：

光学透明层，其包括光学透明材料以及第一表面和第二表面，所述第一表面和所述第二表面足以通过全内反射在所述波导中引导包含图像信息的光；以及

所述第一表面上形成抗反射结构的至少一部分的表面部分，所述抗反射结构包括在所述第一表面上的表面凹凸图案。

40.根据权利要求39所述的波导，其中，所述抗反射结构包括起伏图案。

41.根据权利要求39或40中任一项所述的波导，其中，所述抗反射结构包括周期性图案。

42.根据权利要求41所述的波导，其中，所述周期性图案具有约50nm至约200nm的周期。

43.根据权利要求41或42所述的波导，其中，所述周期性图案具有约5nm至约200nm的高度。

44.根据权利要求39至43中任一项所述的波导，进一步包括被设置在所述表面凹凸图案上的材料。

45.根据权利要求39至44中任一项所述的波导，其中，所述抗反射结构与跟另一波导相关联的光学元件光学对准。

46.根据权利要求45所述的波导，其中，所述光学元件是被配置为将光耦合进所述另一波导中的光学耦入元件。

47.根据权利要求39至46中任一项所述的波导，其中，所述第一表面和所述第二表面中的每一个表面具有在约0.1nm至约2.0nm之间的表面粗糙度。

48.根据权利要求39至47中任一项所述的波导，其中，所述光学透明材料包括聚合物。

49.根据权利要求39至48中任一项所述的波导，其中，所述光学透明层、所述第一表面、所述第二表面以及所述表面凹凸图案包括模制光学器件。

50.一种光学系统，包括：

一个或多个波导，其包括权利要求1至49中任一项所述的波导。

51.根据权利要求50所述的光学系统，其中，所述一个或多个波导包括至少两个根据权利要求1至49中任一项所述的波导。

52.根据权利要求50或51所述的光学系统，其中，所述光学系统是头戴式显示系统，所述头戴式显示系统被配置为将光投射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。

53.根据权利要求52所述的光学系统，进一步包括：

框架，其被配置为支撑在所述用户的头部上；

图像投射器，其被配置为投射图像；以及

被设置在所述框架上的目镜，所述目镜被配置为将光引导到所述用户的眼睛中以向所述用户的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，并且当所述用户佩戴所述头戴式显示系统时，所述目镜被放置在所述用户的眼睛前方的位置，以使得所述透明部分将来自所述用户前方的环境的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户前方的所述环境的视图，所述目镜包括所述一个或多个波导。

54.根据权利要求53所述的光学系统，其中，所述图像投射器包括扫描光纤显示器。

55.一种制造波导的方法，所述方法包括：

提供第一模具和第二模具，所述第一模具和所述第二模具彼此面对，其中，至少所述第一模具包括至少一个耦入光学元件的至少一部分的压印；

在所述第一模具与所述第二模具之间提供聚合物材料；

使所述聚合物材料与所述第一模具和所述第二模具接触，以使得所述第一模具将所述至少一个耦入光学元件的所述至少一部分的对应压印转移到所述聚合物材料中；

将所述聚合物材料暴露于硬化过程；以及

从所述第一模具和所述第二模具去除所述聚合物材料。

56.根据权利要求55所述的方法，其中，将所述聚合物材料暴露于硬化过程包括将所述聚合物材料暴露于紫外光。

57.根据权利要求55或56所述的方法，其中，所述波导包括多个表面，所述多个表面足以通过全内反射在所述波导中引导包含图像信息的光。

58.根据权利要求57所述的方法，其中，所述多个表面具有在约0.1nm至约2.0nm之间的表面粗糙度。

59.根据权利要求55至58中任一项所述的方法，其中，所述至少一个耦入光学元件包括倾斜表面。

60.根据权利要求59所述的方法，其中，所述倾斜表面具有曲率。

61.根据权利要求55至60中任一项所述的方法，其中，所述至少一个耦入光学元件包括透镜。

62.根据权利要求55至61中的任一项所述的方法，其中，所述至少一个耦入光学元件包括光栅。

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