CN113412437A

CN113412437A - 光学超焦反射系统和方法以及结合该系统和方法的增强现实和/或虚拟现实显示器

Info

Publication number: CN113412437A
Application number: CN201980091735.0A
Authority: CN
Inventors: 布伦农·彭内尔; 詹姆斯·雷顿; 阿德里安·斯坦纳德; 卢亚哈布·努伊; 伊恩·赖特; 劳伦斯·霍尔
Original assignee: Facebook Technologies LLC
Current assignee: Meta Platforms Technologies LLC
Priority date: 2018-12-10
Filing date: 2019-10-08
Publication date: 2021-09-17
Also published as: JP7404368B2; KR20210100134A; US11125993B2; EP3894893A4; JP2024037875A; JP2022512216A; JP2024037874A; US11668930B1; US20200183152A1; EP3894893A1; WO2020123018A1

Abstract

提供了光学超焦反射系统和方法。一种这样的光学超焦反射系统具有光学基板(101、101F、101G1、101G2、101G3)，被配置为将准直显示图像输入耦合到光学基板的光学输入耦合部分(150、150G1)；以及与所述光学基板(101、101F、101G1、101G2、101G3)集成的光学超焦输出耦合部分。光学输出耦合部分包括由与光学基板集成的离散光学超焦反射器斑(103、103A1、103A2、103B、103M1、103M2、103C1‑103C6、103V、103H.......)形成的至少一个超焦反射视口(102、102H、102V、102G1、102G2....)。离散光学超焦反射器斑的尺寸被设置为在目标区域处形成具有直径的反射的离散光斑束(105、105A1、105A2、105B、105C.....)，使得由可位于目标区域处的透镜检测器系统(400)看到的离散虚拟显示图像部分的视图是超聚焦的。

Description

光学超焦反射系统和方法以及结合该系统和方法的增强现实和/或虚拟现实显示器

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年12月10日提交的美国专利申请序列号16/214，142的优先权，并且是该申请的延续，该申请的全部内容通过引用并入本文，如同在本文中完全阐述一样。

技术领域

实施例涉及光学系统和方法，且更具体地但不排他地，涉及用于增强现实系统和/或虚拟现实光学显示器的光学系统。一些实施例涉及用于在增强现实成像系统和/或虚拟现实成像系统中向人眼传递虚拟显示图像视图的系统和方法。一些实施例涉及结合前述光学系统和与之相关联的方法的增强和/或虚拟现实显示器。

背景

虚拟现实和增强现实显示系统，例如在头戴式显示器和平视显示器中使用的那些，被配置为向人眼显示虚拟图像。在增强现实显示系统中，该系统传递覆盖人眼正在观察的现实世界的虚拟图像。

这种虚拟现实和增强现实系统的一些用户经历眼睛紧张和疲劳，导致不舒服的观看体验。

需要提供可以在虚拟现实和/或增强现实显示器中使用的系统，用于至少减轻眼睛紧张和疲劳的问题。

概述

根据一个方面，提供了一种光学超焦反射系统。光学超焦反射系统可以包括至少一个光学基板；光学输入耦合部分，其被配置为将准直显示图像输入耦合到光学基板；以及与光学基板集成在一起的光学超焦输出耦合部分；其中光学输出耦合部分包括至少一个超焦反射视口；其中超焦反射视口包括与光学基板集成在一起的至少一个离散光学超焦反射器斑；其中离散光学超焦反射器斑是至少部分反射的，并且被配置成将所述光学输入耦合的显示图像光线的离散部分反射性地投射到位于离所述超焦反射视口预定工作距离处的目标区域上，作为形成离散虚拟显示图像部分的光线的离散光斑束，其中所述离散光学超焦反射器斑的尺寸被设置为在目标区域形成具有直径的离散光斑束，使得由可位于目标区域的透镜检测器系统看到的离散虚拟显示图像部分的视图是超聚焦的。

在一些实施例中，光学超焦输出耦合部分包括与光学基板集成的多个超焦反射视口，并且其中光学超焦反射器斑以沿着光学超焦耦合部分延伸的图案彼此间隔开分布，并且形成多个虚拟显示图像部分超聚焦视图，这些视图共同基本上对应于显示图像或其一部分。

目标区域可以是人眼的目标区域，并且由位于目标区域的人眼可观察到的虚拟显示部分的超聚焦视图是超聚焦的。

光学基板对于通过光学基板的背离眼睛目标区域的面接收的现实世界图像的光线可以是部分或基本透明的。

至少一些光学超焦反射器斑可以嵌入光学基板中。

至少一些光学超焦反射器斑可以设置在光学基板的面上。

每个光学超焦反射器斑的孔径直径可以在大约100到1000微米之间。

每个离散斑束在目标区域可以具有在100和1000微米之间的直径。

多个超焦视口中的每个或一些光学超焦反射器斑可以由反射器间距离(inter-reflector distance)间隔开，其中反射器间距离在大约500um到8mm之间。

可以选择光学超焦反射器斑的形状和图案，使得由多个超焦视口形成的虚拟显示图像视图呈镶嵌状(tessellate)。

每个或一些光学超焦反射器斑可以是波长选择性超焦反射器斑。

多个超焦反射视口可以包括多个红光超焦反射视口、多个绿光超焦反射视口和多个蓝光超焦反射视口，其中所述多个红光超焦视口中的每一个的光学超焦反射器斑被配置成选择性地反射具有特定红光波长或红光波长带的输入耦合的准直显示图像光线，并且基本上使具有其他波长的光通过，其中，所述多个绿光超焦视口中的每一个的光学超焦反射器斑被配置成选择性地反射具有特定绿光波长或绿光波长带的输入耦合的准直显示图像光线，并且基本上使具有其他波长的光通过，并且其中，所述多个蓝光超焦视口中的每一个的光学超焦反射器斑被配置成选择性地反射具有特定蓝光波长或蓝光波长带的输入耦合的准直显示图像光线，并且基本上使具有其他波长的光通过。

多个超焦视口中的每一个的每个超焦反射器斑可以被配置为基本上使具有未被该超焦反射器斑反射的其他波长的光的现实世界图像的光线通过，并允许它们到达眼睛目标区域，叠加在具有被该超焦反射器斑选择性反射的特定波长或波长带的显示图像光线上。

超焦反射器斑的图案可以包括交替的红光超焦反射器斑、蓝光超焦反射器斑和绿光超焦反射器斑。

每个超焦斑可以包括至少一个反射涂层。

每个超焦反射器斑可以包括衍射光学元件。

每个超焦反射器斑可以包括偏振选择性反射器斑。

多个超焦反射器斑中的每一个可以包括第一偏振状态选择性反射器斑和第二偏振状态选择性超焦反射器斑，第一偏振状态不同于第二偏振状态。

第一偏振状态可以与第二偏振状态正交或处于中间角度。中间角度可以根据超焦反射斑沿着光学基板的位置来选择。

超焦反射器斑的图案可以包括交替的第一偏振状态反射器斑和第二偏振反射器斑。

光学基板可以包括光学波导。

光学基板可以包括非波导光学基板，并且其中光学输入耦合可以包括自由空间。

根据另一方面，提供了一种增强或虚拟现实电子显示系统。该系统可以包括至少一个准直显示图像生成系统；和至少一个光学超焦反射系统，准直显示图像生成系统光学耦合到光学超焦反射系统；其中光学超焦反射系统包括：至少一个光学基板；光学输入部分，其与光学基板集成和/或分离；和光学超焦输出耦合部分；其中光学输入部分将准直显示图像生成系统光学耦合到光学超焦输出耦合部分；其中光学输出耦合部分包括至少一个超焦反射视口；其中超焦反射视口包括与光学基板集成在一起的至少一个离散光学超焦反射器斑；其中所述离散光学超焦反射器斑是至少部分反射的，并且被配置成将所述光学输入耦合的显示图像光线的离散部分反射性地投射到位于离所述超焦反射视口预定工作距离处的目标区域上，作为光线的离散光斑束，其中所述离散光学超焦反射器斑的尺寸被设置成在所述目标区域形成具有直径的离散光斑束，使得由可位于所述目标区域的透镜-检测器系统看到的所述离散虚拟显示图像部分的视图是超聚焦的。

在一些实施例中，光学超焦输出耦合部分可以包括与光学基板集成在一起的多个超焦反射视口，并且其中光学超焦反射器斑以沿着光学超焦耦合部分延伸的图案彼此间隔开分布。

透镜检测器可以是人眼，并且其中显示系统可以是双目系统，其中第一光学超焦反射系统光学耦合到第一准直显示图像生成系统；第一光学超焦反射系统被配置用于双目显示系统的左眼目标区域；并且还包括光学耦合到第二准直显示图像生成系统的第二光学超焦反射系统；第二光学超焦反射系统被配置用于双目系统的右眼目标区域。

第一光学超焦反射系统和第二光学超焦反射系统可以与左眼目标区域和右眼目标区域间隔开，使得双目系统的辐辏平面位于从无限远一直到左眼晶状体和右眼晶状体的超焦距的光学范围内。

多个超焦视口中的每个或一些光学超焦反射器斑可以由反射器间距离间隔开，其中反射器间距离在大约500um和8mm之间。

可以选择光学超焦反射器斑的形状和图案，使得由多个超焦视口形成的虚拟显示图像视图呈镶嵌状。

每个或一些光学超焦反射器斑可以是波长选择性反射器斑。

多个超焦反射视口可以包括多个红光超焦反射视口、多个绿光超焦反射视口和多个蓝光超焦反射视口，其中所述多个红光超焦视口中的每一个的光学超焦反射器斑被配置成选择性地反射具有特定红光波长或红光波长带的输入耦合的准直显示图像光线，并且基本上使具有其他波长的光通过，其中，所述多个绿光超焦视口中的每一个的光学超焦反射器斑被配置成选择性地反射具有特定绿光波长或绿光波长带的输入耦合的准直显示图像光线，并且基本上使具有其他波长的光通过，以及其中，所述多个蓝光超焦视口中的每一个的光学超焦反射器斑被配置成选择性地反射具有特定蓝光波长或蓝光波长带的输入耦合的准直显示图像光线，并且基本上使具有其他波长的光通过。

超焦视口的图案可以包括交替的红光超焦视口、蓝光超焦视口和绿光超焦视口。

多个超焦视口中的每一个的每个超焦反射器斑可以被配置为基本上使具有未被该超焦反射器斑反射的其他波长的光的现实世界图像的光线通过，并允许它们到达眼睛的目标区域，叠加在具有被该超焦反射器斑选择性反射的特定波长或波长带的所述显示图像光线上。

每个超焦斑可以包括至少一个反射涂层。

每个超焦反射器斑可以包括衍射光学元件。

光学基板可以包括光学波导。

光学基板可以包括非波导光学基板，并且其中光学输入耦合包括自由空间。

增强或虚拟现实显示系统可以是头戴式显示器。

增强或虚拟现实显示系统可以是平视显示器。

增强或虚拟现实显示系统可以是近眼显示器。

根据另一方面，提供了一种光学出射光瞳扩展器超焦系统。该系统可以包括：至少一个光学基板；光学输入耦合部分，其被配置为将准直显示图像输入耦合到光学基板；其中光学输入耦合部分与光学基板集成和/或分离；以及与光学基板集成的光学超焦输出耦合部分；其中光学输出耦合部分包括与光学基板集成的多个超焦反射视口；其中每个超焦反射视口包括与光学基板集成的至少一个离散光学超焦反射器斑；其中所述离散光学超焦反射器斑被配置成将所述光学输入耦合的显示图像光线的离散部分至少部分地反射性地投射到位于离所述超焦反射视口预定工作距离处的目标区域上，作为光线的离散光斑束，其中所述离散光学超焦反射器斑的尺寸被设置成在所述目标区域形成具有直径的离散光斑束，使得由可位于所述目标区域的透镜-检测器系统看到的所述离散虚拟显示图像部分的视图是超聚焦的；并且其中所述多个光学超焦反射器斑以沿着光学基板在出射光瞳扩展方向上延伸的图案彼此间隔分布，并且共同被配置为从光瞳出射扩展器逐渐提取准直显示图像光学输入光线。

光学基板可以包括光学波导。

光学波导对于通过光学波导的背离目标区域的面接收的现实世界图像的光线可以是部分或基本透明的。

超焦反射器斑可以相对于出射扩展方向倾斜。

至少一些超焦反射器斑可以是部分反射斑。

至少一些超焦反射器斑可以是完全反射斑。

超焦反射器斑的倾斜角可以根据在出射光瞳延伸方向上沿着光学波导的超焦反射器斑位置而变化。

基板可以是非波导基板，并且根据在出射光瞳延伸方向上沿着基板的超焦反射器斑位置，超焦反射器斑相对于水平面和/或垂直面逐渐倾斜，以便保持在目标区域可见的超焦距虚拟显示图像的视场。

超焦反射器斑的图案可以根据出射光瞳扩展方向上沿着光学波导的位置而变化。

光学波导每单位体积或面积的超焦反射器斑的密度可以根据在出射光瞳扩展方向上沿着光学波导的位置而变化。

超焦反射器斑可以分布在光学波导的公共区域或公共体积段中的图案中，公共区域或公共体积段沿着光学波导在出射光瞳扩展方向上间隔开。

每个公共区域或公共体积段中的超焦反射器斑的图案可以根据区域或体积段在出射光瞳扩展方向上沿着光学波导的位置而变化。

在光学波导的公共区域或公共体积段中的每个图案中的超焦反射器斑的密度可以根据公共区域或体积段在出射光瞳扩展方向上沿着光学波导的位置而变化。

至少一些超焦反射器斑的反射率可以根据在出射光瞳延伸方向上沿着光学波导的超焦反射器斑位置而变化。

至少一些超焦反射器斑可以包括角度选择性超焦反射器斑。

角度选择性超焦反射器斑的角度响应可以根据它们在出射光瞳扩展方向上沿光学波导的间隔位置而变化。

角度选择性超焦反射器斑可以包括角度陷波滤波器超焦反射器斑。

至少一些角度选择性超焦反射器斑可以是部分反射斑。

至少一些角度选择性超焦反射器斑可以是完全反射斑。

至少一些超焦反射器斑可以是波长选择性超焦反射器斑。

波长选择性超焦反射器斑的波长选择性可以根据它们在出射光瞳扩展方向上沿光学波导的间隔位置而变化。

至少一些波长选择性超焦反射器斑可以是部分反射斑。

至少一些波长选择性超焦反射器斑可以是完全反射斑。

至少一些波长选择性超焦反射器斑中的每一个可以是波长和角度选择性超焦反射器斑。

角度和波长选择性超焦反射器斑的角度响应可以根据它们在出射光瞳扩展方向上沿光学波导的间隔位置而变化。

波长和角度以及波长选择性反射器斑可以是角度陷波滤波器波长选择性反射器斑。

至少一些角度和波长选择性超焦反射器斑可以是部分反射斑。

至少一些角度超焦选择性反射器斑可以是完全反射斑。

至少一些超焦反射器斑可以是完全反射超焦反射器斑，并且在出射光瞳扩展方向上间隔开布置，并且在与出射光瞳扩展方向不同的方向上间隔开，以允许在出射光瞳扩展方向上传播的光学输入准直显示图像光线中的一些穿过在不同方向上间隔开的一些完全反射斑之间的光学波导，并且被在出射光瞳扩展方向上沿着光学波导进一步间隔开的完全反射斑逐渐反射。

至少一些光学超焦反射器斑可以嵌入光学基板中。

至少一些光学超焦反射器斑设置在光学基板的面上。

每个光学超焦反射器斑可以具有大约100到1000微米之间的孔径直径。

每个斑束在目标区域的直径可以在100到1000微米之间。

多个超焦视口的光学超焦反射器斑中的每一个或一些可以由反射器间距离隔开，其中反射器间距离在大约500um到8mm之间。

光学基板对于通过背离眼睛目标区域的光学基板的面接收的现实世界图像的光线可以是部分或基本透明的。

多个超焦视口中的每一个的反射器斑可以被配置为基本上使具有未被超焦反射器斑反射的其他波长的光的现实世界图像的光线通过，并允许它们到达眼睛的目标区域，叠加在具有被该反射器斑选择性反射的特定波长或波长带的所述显示图像光线上。

每个超焦斑可以包括至少一个反射涂层。

每个超焦反射器斑可以包括衍射光学元件。

衍射光学元件超焦反射器斑的衍射角可以根据在出射光瞳延伸方向上沿着光学波导的超焦反射器斑位置而变化。

根据在出射光瞳延伸方向上沿着光学波导的超焦反射器斑位置，衍射光学元件超焦反射器斑的衍射角可以相对于水平面和/或垂直面逐渐倾斜，以保持在眼睛目标区域可见的超聚焦虚拟显示图像的视场。

至少一些超焦反射器斑可以包括偏振状态选择性反射器斑。

偏振状态选择性反射器斑可以根据它们在光瞳出射扩展方向上沿着光学波导的间隔位置而具有偏振状态选择性。

多个超焦反射器斑可以包括第一偏振状态选择性反射器斑和第二偏振状态选择性反射器斑，第一偏振状态不同于第二偏振状态。

第一偏振状态可以与第二偏振状态正交或处于中间角度。中间角度可以根据反射器斑沿着光学基板的位置来选择。

超焦反射器斑的图案可以包括交替的第一偏振状态反射器斑和第二偏振状态反射器斑。

偏振状态选择性超焦反射器斑可以分布在光学波导的公共区域和/或公共体积段中的图案中，公共区域和/或公共体积段沿着光学波导在出射光瞳扩展方向上间隔开。

根据公共区域和/或公共体积段在出射光瞳扩展方向上沿着光学波导的位置，公共区域和/或公共体积段的每个图案中的偏振状态选择性超焦反射器斑可以是偏振状态选择性的。

偏振状态选择性超焦反射器斑可以包括第一偏振状态超焦反射器斑和第二偏振状态选择性超焦反射器斑，第一偏振状态与第二偏振状态正交或处于中间角度。中间角度可以根据反射斑沿着光学基板的位置来选择。

公共区域和/或公共体积段中的每个图案中的偏振状态选择性超焦反射器斑的密度可以根据公共区域和/或公共体积段在第一出射光瞳扩展方向上沿着光学波导的位置而变化。

根据另一方面，提供了一种近眼增强或虚拟现实电子显示系统。该系统可以包括：至少一个准直显示图像生成系统；和至少一个光学超焦出瞳扩展器，准直显示图像生成系统光学耦合到出瞳扩展器；其中光学超焦出射光瞳扩展器包括：光学基板；该光学基板具有光学输入耦合部分和输出耦合部分；其中所述光学输入耦合部分被配置为将来自出射光瞳的准直显示图像输入耦合到光学基板；其中光学输出耦合部分包括与光学基板集成在一起的多个超焦反射视口；其中每个超焦反射视口包括与光学基板集成在一起的离散光学超焦反射器斑；其中所述离散光学超焦反射器斑被配置成将所述光学输入耦合的显示图像光线的离散部分作为光线的离散光斑束至少部分反射地投射到位于离所述超焦反射视口预定工作距离处的目标区域上，其中所述离散光学超焦反射器斑的尺寸被设置为在目标区域形成具有直径的离散光斑束，使得由可位于目标区域的透镜-检测器系统看到的离散虚拟显示图像部分的视图是超聚焦的，并且其中所述多个光学超焦反射器斑以沿着光学基板在出射光瞳扩展方向上延伸的图案彼此间隔分布，并且被共同配置为从光瞳出射扩展器逐渐提取准直显示图像光学输入光线。

透镜检测器系统可以是人眼，并且其中显示系统是双目系统，其中第一出射光瞳扩展器光学耦合到第一准直显示图像生成系统；该出射光瞳扩展器被配置用于双目显示系统的左眼目标区域；并且还包括光学耦合到第二准直显示图像生成系统的第二出射光瞳扩展器；第二出射光瞳扩展器被配置用于双目系统的右眼目标区域。

第一出射光瞳扩展器和第二出射光瞳扩展器可以与左眼目标区域和右眼目标区域间隔开，使得双目系统的辐辏平面位于从无限远到左眼晶状体和右眼晶状体的超焦距的光学范围内。

多个超焦视口的每个或一些光学超焦反射器斑可以由反射器间距离隔开，其中反射器间距离在大约500um和8mm之间。

光学基板可以包括光学波导。

光学波导可以对通过光学波导的背离眼睛目标区域的面接收的现实世界图像的光线部分或基本透明。

超焦反射器斑可以相对于出射扩展方向倾斜。

至少一些超焦反射器斑可以是部分反射斑。

至少一些超焦反射器斑可以是完全反射斑。

基板可以是非波导基板，并且其中超焦反射器斑的倾斜角根据在出射光瞳延伸方向上沿着基板的超焦反射器斑位置而变化。

根据在出射光瞳延伸方向上沿着光学基板的超焦反射器斑位置，超焦反射器斑可以相对于水平面和/或垂直面逐渐倾斜，以便保持在眼睛目标区域可见的超焦距虚拟显示图像的视场。

至少一些超焦反射器斑可以包括角度选择性超焦反射器斑。

至少一些超焦反射器斑可以是波长选择性超焦反射器斑。

至少一些超焦反射器斑可以是完全反射反射器斑，并且在出射光瞳扩展方向上间隔开布置，并且在与出射光瞳扩展方向不同的方向上间隔开，以允许在出射光瞳扩展方向上传播的光学输入准直显示图像光线中的一些穿过在不同方向上间隔开的一些完全反射斑之间的光学波导，并且被在出射光瞳扩展方向上沿着光学波导进一步间隔开的完全反射斑逐渐反射。

至少一些光学超焦反射器斑可以嵌入光学基板中。

至少一些光学超焦反射器斑可以设置在光学基板的面上。

每个光学超焦反射器斑的孔径直径可以在100到1000微米之间。

每个斑束在目标区域的直径可以在100到1000微米之间。

每个超焦斑可以包括至少一个反射涂层。

每个超焦反射器斑可以包括衍射光学元件。

至少一些超焦反射器斑包括偏振状态选择性反射器斑。

显示图像生成系统可以包括偏振状态动态开关，其中偏振状态动态开关被配置为动态地改变输入耦合的准直显示图像的偏振状态，使得反射光学输入显示图像光线的超焦斑根据光学输入显示图像光线的偏振状态在不同的偏振状态选择性反射器斑之间切换。

偏振状态动态开关可以包括液晶材料结构。

显示图像生成系统可以包括偏振状态动态开关，其中偏振状态动态开关被配置为在第一偏振状态和第二偏振状态之间动态地改变输入耦合的准直显示图像的偏振状态，使得反射光学输入显示光线的超焦斑根据光学输入显示图像光线的偏振状态在第一偏振状态选择性反射器斑和第二偏振状态选择性反射器斑之间动态地切换。

偏振状态动态开关还可以被配置成在第一偏振状态和第二偏振状态之间循环地动态改变输入耦合的准直显示图像的偏振状态，使得反射光输入显示光线的超焦斑根据光输入显示图像光线的圆偏振状态在第一偏振状态选择性反射器斑、第一偏振状态选择性反射器斑和第二偏振状态选择性反射器斑的组合以及第二偏振状态选择性反射器斑之间动态切换。

偏振状态动态开关可以包括液晶材料结构。

公共区域和/或公共体积段中的每个图案中的偏振状态选择性超焦反射器斑的密度可以根据公共区域和/或公共体积段在第一出射光瞳扩展方向上沿着光学波导的位置而变化。根据另一方面，提供了一种增强或虚拟现实电子显示系统。该系统可以包括：至少一个准直显示图像生成系统；和至少一个光学超焦自由空间反射器，准直显示图像生成系统光学耦合到光学超焦自由空间反射器；其中光学超焦自由空间反射器包括：具有显示图像接收面的光学基板；和与光学基板集成在一起的多个超焦反射视口，其中每个超焦反射视口包括个与光学基板集成的离散光学超焦反射器斑；其中所述离散光学超焦反射器斑被配置成将所述光学输入耦合的显示图像光线的离散虚像显示部分至少部分反射地投射到位于离所述超焦反射视口预定距离处的目标区域上，作为光线的离散光斑束，其中所述离散光学超焦反射器斑的尺寸被设置成在所述目标区域形成具有直径的离散光斑束，使得由可位于所述目标区域的透镜-检测器系统看到的所述离散虚像显示部分的视图是超聚焦的；并且其中多个光学超焦反射器斑以在光学基板的显示图像接收面上延伸的图案彼此间隔分布，并且被共同配置，使得由反射的离散光斑束形成的虚拟显示图像视图一起形成显示图像。

光学基板可以包括平坦或弯曲的光学组合器基板。

光学组合器基板可以相对于图像显示生成系统的轴离轴。

显示系统可以是双目系统，其中第一光学超焦自由空间反射器光学耦合到第一准直显示图像生成系统；第一光学超焦自由空间反射器被配置用于双目显示系统的左眼目标区域；并且还包括光学耦合到第二准直显示图像生成系统的第二光学超焦自由空间反射器，；第二光学超焦自由空间反射器被配置用于双目系统的右眼目标区域。

透镜检测器可以是人眼，并且其中第一光学超焦自由空间反射器和第二光学超焦自由空间反射器与左眼目标区域和右眼目标区域间隔开，使得双目系统的辐辏平面位于从无限远一直到左眼晶状体和右眼晶状体的超焦距的光学范围内。

至少一些超焦反射器斑可以是部分反射斑。

至少一些超焦反射器斑可以是完全反射斑。

至少一些超焦反射器斑的反射率可以根据光学基板接收面上的超焦反射器斑位置而变化。

至少一些超焦反射器斑可以是波长选择性超焦反射器斑。

波长选择性超焦反射器斑的波长选择性可以根据它们在光学基板接收面上的间隔位置而变化。

光学超焦反射器斑的孔径直径可以在100到1000微米之间。

每个斑束在目标区域的直径可以在100到1000微米之间。

每个超焦斑可以包括至少一个反射涂层。

每个超焦反射器斑可以包括衍射光学元件。

至少一些超焦反射器斑可以包括偏振状态选择性反射器斑。

偏振状态选择性反射器斑可以根据它们在光学基板接收面上的间隔位置而具有偏振状态选择性。

偏振状态动态开关可以包括液晶材料结构。

第一偏振状态可以与第二偏振状态正交或处于中间角度。中间角度可以根据超焦反射器斑沿着光学基板的位置来选择。

显示图像生成系统可以包括偏振状态动态开关，其中偏振状态动态开关被配置为在第一偏振状态和第二偏振状态之间动态地改变准直显示图像的偏振状态，使得反射光输入显示光线的超焦斑根据光输入显示图像光线的偏振状态在第一偏振状态选择性反射器斑和第二偏振状态选择性反射器斑之间动态地切换。

偏振状态动态开关可以包括液晶材料结构。

根据另一方面，提供了一种光学和电子显示系统。该系统可以包括上文或下文提到的光学超焦反射系统中的任何一个；至少一个处理器；以及可操作地耦合到处理器的至少一个眼睛跟踪相机，该眼睛跟踪相机被配置成监测眼睛目标区域处的眼睛；其中所述处理器可操作地耦合到增强或虚拟现实电子显示系统的显示图像生成系统；并且其中光学超焦反射系统被配置成根据眼睛的监测形成显示图像的虚拟显示图像的超聚焦人眼视图。

眼睛跟踪相机可以被配置成监测眼睛在眼睛目标区域的注视方向；其中，所述处理器可以被配置为根据对应于由所述眼睛跟踪相机监测的注视方向的眼睛跟踪值来修改显示图像；并且其中光学超焦反射系统可以被配置成形成修改的显示图像的虚拟显示图像的超聚焦人眼视图。

处理器可以被配置为根据眼睛跟踪输出对显示图像中的一个或更多个对象应用模糊。

处理器可以被配置成确定增强或虚拟现实电子显示系统的眼睛目标区域中的眼睛正在看现实世界场景的现实世界对象何处以及现实世界对象所在平面的位置；其中所述处理器被配置为确定超聚焦虚拟显示图像中的对象相对于现实世界对象所在平面的预期位置，并且其中所述显示图像生成系统被配置为对显示图像中的一个或更多个对象应用模糊，所述一个或更多个对象具有更接近或更远离现实世界对象所在平面的预期位置。

眼睛跟踪相机可以被配置成监测眼睛的瞳孔大小，并且还包括亮度控制系统，该亮度控制系统被配置成控制到达眼睛的外部世界亮度的量。

亮度控制系统可以包括位于眼睛目标区域和外部世界之间的电暗化滤光器或面板，处理器可操作地连接到电暗化滤光器，并且被配置为向电暗化滤光器或面板提供反馈控制，以根据瞳孔大小监测来控制到达眼睛的外部世界亮度的量。

眼睛跟踪相机可以布置在间接观看配置中。

眼睛跟踪相机可以被布置成直接观看配置。

根据又一方面，提供了一种用于增强或虚拟现实电子显示系统的方法。该方法可以包括基于眼睛跟踪信息确定眼睛在增强或虚拟现实电子显示系统的眼睛目标区域的注视方向；根据所确定的注视方向修改显示图像；使用增强或虚拟现实电子显示系统显示修改图像的虚拟显示图像的超聚焦人眼视图。

该方法可以进一步包括使用至少一个眼睛跟踪相机跟踪眼睛，并从眼睛跟踪相机确定眼睛跟踪信息。

根据眼睛跟踪修改显示图像可以包括根据眼睛跟踪对显示图像中的一个或更多个对象应用模糊。

该方法还可以包括从眼睛跟踪确定增强或虚拟现实电子显示系统的眼睛目标区域中的眼睛正在观看现实世界场景的现实世界对象何处、现实世界对象所在平面的位置、显示图像中对象相对于现实世界对象所在平面的预期位置。

该方法可以进一步包括对显示图像中的一个或更多个对象应用模糊，这些对象具有更靠近或更远离现实世界对象所在平面的预期位置。

根据又一方面，提供了一种用于增强或虚拟现实电子显示系统的方法。该方法可以包括：基于眼睛跟踪信息确定眼睛在增强或虚拟现实电子显示系统的眼睛目标区域的注视方向；根据所确定的注视方向修改显示图像；使用增强或虚拟现实电子显示系统显示修改图像的虚拟显示图像的超聚焦人眼视图。

根据又一方面，提供了一种装置。该装置可以包括：存储指令的存储器；以及一个或更多个处理器，其中当指令被一个或更多个处理器处理时，使得：用眼睛跟踪相机跟踪观察增强或虚拟现实电子显示器的眼睛的注视方向；根据眼睛跟踪修改显示图像；生成修改的显示图像的虚拟显示图像的超聚焦人眼视图。

至少一个处理器还可以被配置为：根据眼睛跟踪来确定增强或虚拟现实电子显示系统的眼睛目标区域中的眼睛正在看现实世界场景的现实世界对象何处；现实世界对象所在平面的位置；确定显示图像中对象相对于现实世界对象所在平面的预期位置；以及对显示图像中的一个或更多个对象应用模糊，这些对象具有更接近或更远离现实世界对象所在平面的预期位置。

根据又一方面，提供了一种计算机可读介质。该计算机可读介质可以包括被配置成使得处理器通过执行一种方法来编辑要显示的图像的内容，该方法包括：从眼睛跟踪相机确定显示图像的超聚焦虚像的观察者的眼睛的注视方向；通过根据注视方向对显示图像中的一个或更多个对象应用模糊来编辑显示图像，使得超聚焦虚像中的一个或更多个对象看起来失焦。

根据又一方面，提供了一种光学超焦反射系统。该系统可以包括：至少一个光学基板；与光学基板集成的光学超焦输出耦合部分；其中光学输出耦合部分包括至少一个超焦反射视口；其中所述超焦反射视口包括至少一个离散的光学超焦反射器斑，所述光学超焦反射器斑是部分反射的，并且与所述光学基板集成在一起，并且取向朝着所述系统的眼睛观看位置；其中离散光学超焦反射器斑的孔径直径约为100至1000微米。

光学超焦输出耦合部分可以包括与光学基板集成的多个超焦反射视口，并且其中光学超焦反射器斑以沿着光学超焦输出耦合部分延伸的图案彼此间隔分布。

光学基板可以包括部分或基本透明的材料。

至少一些光学超焦反射器斑可以嵌入光学基板中。

多个超焦视口的光学超焦反射器斑中的每一个或一些可以由大约500um和8mm之间的反射器间斑隔开。

根据又一个方面，提供了一种为增强现实和/或虚拟显示系统反射式传递显示图像的方法。该方法可以包括将无限远的显示图像投影到光学传递设备的基板中或基板上；以及在观看位置形成显示图像的虚像的超聚焦视图；其中形成显示图像的虚像的超聚焦视图包括：从与光学基板集成的至少一个超焦反射视口的至少一个超焦反射器斑反射地投影显示图像的至少一部分作为至少一个离散斑束，其中光学超焦反射器斑的尺寸被设置为在观看位置形成具有直径的离散斑束，使得由可位于观看位置的透镜-检测器系统看到的显示图像部分的视图是超聚焦的。

根据又一方面，提供了一种光学出射光瞳扩展器超焦系统。该系统可以包括：第一光学波导基板；第一光学输入耦合部分，其被配置为选择性地将至少一个第一波长的准直显示图像光线沿出射光瞳扩展方向输入耦合到第一光学波导基板中，并使至少一些至少第二波长的准直图像光线穿过其中；其中所述第一光学输入耦合部分与所述第一光学波导基板集成在一起和/或分离；和与第一光学波导基板集成的第一光学超焦输出耦合部分；其中所述第一光学输出耦合部分包括与所述第一光学波导基板集成的一个或更多个第一超焦反射视口；其中每个第一超焦反射视口包括与第一光学波导基板集成的第一离散光学超焦反射器斑，

其中第一离散光学超焦反射器斑被配置成将至少第一波长的光输入耦合显示图像光线的离散部分至少部分反射地投射到位于距第一超焦反射视口预定工作距离处的目标区域上，作为光线的第一离散光斑束，其中第一离散光学超焦反射器斑的孔径被确定尺寸，使得至少第一波长的光线的第一离散光斑束形成虚拟显示图像部分的视图，该视图被可位于目标区域的透镜检测器看到是超聚焦的。

该系统可以进一步包括第二光学波导基板；第二光学输入耦合部分，其被配置为选择性地将从第一光学输入耦合部分接收的至少一个第二波长的准直显示图像光线沿出射光瞳扩展方向输入耦合到第二光学波导基板中；其中所述第二光学输入耦合部分与所述第二光学波导基板集成在一起和/或分离；其中第一波长不同于第二波长；与第二光学波导基板集成的第二光学超焦输出耦合部分；其中光学超焦输出耦合部分对于至少部分地从第一超焦反射斑反射的至少第一波长的光线的第一离散光斑束至少是部分透明的，其中第二光学输出耦合部分包括与第二光学波导基板集成的一个或更多个第二超焦反射视口；其中每个第二超焦反射视口包括与第二光学波导基板集成的第二离散光学超焦反射器斑；其中所述第二离散光学超焦反射器斑被配置成将从所述第二光学输入耦合部分接收的至少第二波长的光学输入显示图像光线的离散部分作为第二离散光斑束至少部分反射地投射到位于距所述第二超焦反射视口预定工作距离处的目标区域上，其中所述第二离散光学超焦反射器斑的孔径被确定尺寸，使得至少第二波长的光线的第二离散光斑束形成虚拟显示图像部分的视图，该视图被可位于目标区域的透镜检测器看到是超聚焦的。

多个第一光学超焦反射器斑可以以沿着第一光学波导基板在出射光瞳扩展方向上延伸的第一图案彼此间隔分布，并且共同被配置为从光瞳出射扩展器逐渐提取至少第一波长的准直显示图像光输入光线；并且多个第二光学超焦反射器斑可以以沿着第二光学波导基板在出射光瞳扩展方向上延伸的第二图案彼此间隔分布，并且共同被配置为从光瞳出射扩展器逐渐提取至少第二波长的准直显示图像光输入光线。

相对于分布在第二光学波导基板中的多个第二光学超焦反射器斑，多个第一光学超焦反射器斑可以分布在第一光学波导基板中，使得由第一离散斑束在目标区域形成的超聚焦视图不与由第二离散斑束在目标区域形成的超聚焦视图重叠。

准直图像可以是多色的，并且其中至少第一波长可以包括对应于第一颜色的波长，并且至少第二波长包括对应于第二颜色的波长。

第一光学输入耦合部分可以被配置为选择性地将第一波长的准直图像光线和第二波长的一些准直图像光线输入耦合到光学第一波导中；并且第一光学输入耦合部分可以被配置为使第二波长的至少一些其他准直图像光线通过，并且使第三波长的准直光线通过到第二光学输入耦合部分。

多个第一超焦斑可以被配置成选择性地反射从第一光学输入耦合部分接收的第一波长和第二波长的准直图像光线作为第一离散光斑束。

第二光学输入耦合部分可以被配置为选择性地将从第一第二光耦合部分接收的第二波长和第三波长的准直图像光线输入耦合到第二光学波导基板中。

多个第二超焦斑可以被配置成选择性地反射从光学输入耦合部分接收的第二波长和第三波长的准直图像光线作为第二离散光斑束。

第一波长可以对应于第一颜色，第二波长对应于第二颜色，第三波长对应于第三颜色。

第一颜色可以包括蓝色，第二颜色可以包括绿色，第三颜色可以包括红色。

该系统可以进一步包括第三光学波导基板；其中，所述第一光学输入耦合部分还被配置为使第二波长和第三波长的准直图像光线通过；第一、第二和第三波长彼此不同；其中，所述第二光学输入耦合部分还被配置为使至少第三波长的准直图像光线通过；以及第三光学输入耦合部分，其被配置为在出射光瞳扩展方向上将从第二光学输入耦合部分接收的至少一个第三波长的准直显示图像光线输入耦合到第二光学波导基板中；其中所述第三光学输入耦合部分与所述第三光学波导基板集成在一起和/或分离；与第三光学波导基板集成的第三光学超焦输出耦合部分；其中第三光学超焦输出耦合部分对于至少第一波长的光线的反射第一离散光斑束和至少第二波长的光线的反射第二离散光斑束至少部分透明；其中所述第三光学输出耦合部分包括与所述第三光学波导基板集成的一个或更多个第三超焦反射视口；其中每个第三超焦反射视口包括与第三光学波导基板集成的第三离散光学超焦反射器斑：其中第三离散光学超焦反射器斑被配置成将从所述第三光学输入耦合部分接收的至少第三波长的光学输入显示图像光线的离散部分至少部分反射地投射到位于距第三超焦反射视口预定工作距离处的目标区域上，作为光线的第三离散光斑束，其中所述第三离散光学超焦反射器斑的孔径被确定尺寸，使得至少所述第三波长的光线的第三离散光斑束形成虚拟显示图像部分的视图，如可位于所述目标区域的透镜检测器所看到的，所述虚拟显示图像部分是超聚焦的。

第一光学输入耦合部分可以被配置为选择性地将第一波长的准直图像光线输入耦合到光学第一波导中；并且其中第一光学输入耦合部分被配置为将第二波长和第三波长的准直图像光线传递到第二光学输入耦合部分；其中所述多个第一超焦斑可以被配置成选择性地反射从第一光学输入耦合部分接收的第一波长的准直图像光线作为第一离散光斑束；其中第二光学输入耦合部分可以被配置为选择性地将从第一第二光耦合部分接收的第二波长的准直图像光线输入耦合到第二光学波导基板中，并且其中第二光学输入耦合部分可以被配置为使从第一光学输入耦合部分接收的第三波长的准直图像光线穿过其中；其中所述多个第二超焦斑可以被配置成选择性地反射从光学输入耦合部分接收的第二波长的准直图像光线作为第二离散光斑束；其中第三光学输入耦合部分可以被配置成选择性地将从第二光耦合部分接收的第三波长的准直图像光线输入耦合到第三光学波导基板中；其中所述多个第二超焦斑可以被配置成选择性地反射从第三光学输入耦合部分接收的第三波长的准直图像光线作为第三离散光斑束；

第一波长可以对应于第一颜色，第二波长可以对应于第二颜色，第三波长可以对应于第三颜色。

多个第一光学超焦反射器斑可以以沿着第一光学波导基板在出射光瞳扩展方向上延伸的第一图案彼此间隔分布，，并且共同被配置为从光瞳出射扩展器逐渐提取至少第一波长的准直显示图像光输入光线；其中，所述多个第二光学超焦反射器斑可以以沿着第二光学波导基板在出射光瞳扩展方向上延伸的第二图案彼此间隔分布，并且共同被配置为从光瞳出射扩展器逐渐提取至少第二波长的准直显示图像光输入光线；并且其中所述多个第三光学超焦反射器斑可以以沿着第二光学波导基板在出射光瞳扩展方向上延伸的第三图案彼此间隔分布，并且共同被配置为从光瞳出射扩展器逐渐提取至少第三波长的准直显示图像光输入光线。

多个第一光学超焦反射器斑、多个第二光学超焦反射器斑和多个第三光学超焦反射器斑可以分别相对于彼此分布在第一光学波导基板、第二光学波导基板和第三光学波导基板中，使得由第一离散斑束、第二离散斑束和第三离散斑束在目标区域形成的超聚焦视图不彼此重叠。

一个或更多个光学输出耦合部分可以包括衍射光学输出耦合器，衍射光学输出耦合器的每个反射斑包括衍射光栅。

一个或更多个光学输入耦合部分可以包括衍射光输入耦合器。

该系统还可以包括将光学输入耦合部分可操作地耦合到输出耦合部分的光瞳扩展区域。

光瞳扩展区域可以包括衍射扩展光栅。

通过引用的并入

本文提及的所有出版物通过引入被并入本文，以公开和描述与引用这些出版物相关的装置、方法和/或材料。本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请通过引用以其整体并入本文，并且出于所有目的，如同每个单独的出版物、专利或专利申请被具体地和单独地指示通过引入被并入一样。

本文讨论或提及的出版物仅针对它们在本申请的申请日之前的公开而提供。本文中的任何内容都不应被解释为承认本发明无权凭借先前的发明而先于此类出版物。

附图简述

为了本发明可以被更容易地理解，现在将参考附图，其中：

图1A是示出观察现实世界场景的人眼的匹配的光学会聚和调节的示意性光线图；

图1B是示出与增强现实系统和虚拟现实系统中使用的传统光学系统相关联的光学会聚-调节失配的示意性光线图；

图2是根据本技术的实施例的光学超焦反射系统的概念图；

图3是简单的几何光线图，示出了由透镜在光学检测器上渲染的弥散圈(circleof confusion)；

图4是简单的几何光线图，示出了图3所示的弥散圈是如何被调整的；

图5示出了在眼睛瞳孔入口处的双目配置中的超焦孔径如何提供从超焦距(H)到无限远的调节范围；

图6示出了根据实施例的双目光学超焦反射系统；

图7示出了根据实施例的双目光学超焦反射系统；

图8示出了根据实施例的近眼增强现实显示系统；

图9A示出了根据实施例的在图8的显示系统中使用的光学超焦反射系统；

图9B示出了根据实施例的用于在图8的显示系统中使用的光学超焦反射系统；

图10A是图9A的光学超焦反射系统的一部分的放大视图，示出了根据实施例的超焦反射器斑；

图10B是光学超焦反射系统的一部分的放大视图，示出了根据实施例的超焦反射器斑；

图10C是图9B的光学超焦反射系统的一部分的放大视图，示出了根据实施例的超焦反射器斑；

图11是根据实施例的光学超焦反射系统；

图12是根据实施例的光学超焦反射系统；

图13是根据实施例的光学超焦反射系统；

图14是示出根据一个实施例的对于图9B的光学超焦反射系统中的角度选择性陷波滤波器光学超焦反射器斑序列中的每一个，反射率对光线入射角的依赖关系的曲线图；

图15是示出根据实施例的在眼睛处看到的图15中提到的光学超焦反射器斑序列的净角度响应的曲线图；

图16示出了根据实施例的单独截取的单个超焦反射视口；

图17示出了在没有视口的情况下由眼睛看到的图16中被投射在无限远处的图像；

图18示出了图16中由眼睛看到的通过超焦反射视口形成的虚像；

图19示出了根据实施例分布的多个超焦视口元件；

图20示出了根据实施例的由眼睛看到并且由图19的超焦视口元件形成的超聚焦虚像斑视图；

图21示出了根据实施例分布的多个超焦视口元件；

图22示出了根据一个实施例的由图21的超焦反射视口元件形成的超聚焦虚像斑视图；

图23示出了根据实施例的由图21的超焦反射视口元件形成的超聚焦虚像斑视图；

图24示出了根据实施例的光学超焦反射系统；

图25示出了根据实施例的光学超焦反射系统；

图26示出了图像源的典型发射光谱；

图27示出了根据实施例的多个光学超焦反射视口；

图28示出了根据实施例的多个光学超焦反射视口；

图29示出了根据实施例的多个光学超焦反射视口；

图30示出了根据实施例的根据计算机程序模型的由检测器看到的超聚焦斑图像；

图31示出了根据实施例的根据计算机程序模型的由检测器看到的超聚焦斑图像；

图32示出了根据实施例的根据计算机程序模型的由检测器看到的超聚焦斑图像；

图33示出了根据实施例的根据计算机程序模型的由检测器看到的超聚焦斑图像；

图34示出了根据实施例的光学增强现实显示系统；

图35示出了根据实施例的光学超焦反射系统；

图36示出了根据实施例的光学超焦反射系统；

图37是根据实施例的光学超焦反射系统的透视图；

图38是根据实施例的包括图37的系统的光学超焦反射系统的透视图；

图39是图38的系统的俯视图；

图40是根据实施例的光学超焦反射系统的透视图；

图41是图40的系统的俯视图；

图42示出了根据实施例的观察通过光学超焦反射系统的第一现实世界对象平面和计算机生成的编辑显示图像的眼睛的注视方向；

图43示出了根据实施例的观察通过光学超焦反射系统的第二现实世界对象平面和计算机生成的编辑显示图像的眼睛的注视方向；

图44示出了根据实施例的以直接观看配置进行配置的眼睛跟踪相机模块，该眼睛跟踪相机模块跟踪通过光学超焦反射系统观察现实世界场景的眼睛；

图45示出了根据实施例的以间接观看配置进行配置的眼睛跟踪相机模块，该眼睛跟踪相机模块跟踪通过光学超焦反射系统观察现实世界场景的眼睛；

图46是根据实施例的用于优化光学超焦反射系统的虚像的超聚焦人眼视图的各种控制系统的框图；

图47是根据实施例的包括光学超焦反射系统的头戴式显示眼镜的简化图示；

图48是根据实施例的包括光学超焦反射系统的头戴式显示面罩的简化图示；和

图49是用于增强和/或虚拟现实显示器的计算机系统形式的示例性机器的图解表示。

优选实施例的详细描述

在以下描述中，出于解释而非限制的目的，阐述了具体细节，例如特定实施例、过程、技术等，以便提供对本发明的透彻理解。然而对于本领域中的技术人员将明显的是，可以在脱离这些具体细节的其他实施例中实践本发明。

申请人在本文已经确定了在虚拟现实和增强现实显示器(例如但不限于头戴式显示器，包括近眼显示器和平视显示器)中使用的光学图像传送系统的一个或更多个重要缺点。

一个这样的缺点是所谓的光学辐辏-调节冲突的不期望的效应。辐辏是双眼同时在相反方向上的移动，以获得或维持单一双目视觉。辐辏移动与眼睛的调节密切相关。调节是脊椎动物的眼睛随着对象的距离的变化而改变光焦度以保持清晰图像或聚焦在对象上的过程。在正常条件下，改变眼睛的焦点以看在不同距离处的对象将自动引起辐辏和调节。

所谓辐辏-调节光学冲突效应是显示屏在距观察者固定的光学距离处创建虚像，然而观察者的眼睛基于他们在虚像和/或现实世界场景中看着的对象的感知距离来自动调整他们的光学焦点的结果。在增强现实显示器中，冲突是同时观看位于有限焦距处的虚像的结果，对于给定的辐辏角，该有限焦距与现实世界的焦距不对应。

图1A和图1B是总体上示出了与增强现实系统和虚拟现实系统中使用的传统光学系统相关联的光学会聚-调节失配问题的示意图。在现实世界观看中，辐辏和调节一起工作而没有冲突，如通过图1A中的示例所示，其中辐辏距离/平面和焦距/平面是兼容的，即人眼被旋转以瞄准或固定到现实世界场景上，并且已经适应于保持现实世界图像聚焦。在增强现实显示器中，以及还有在虚拟现实显示器中，当焦平面固定时，显示器可以容易地模拟不同焦平面的辐辏分量，但无法模拟调节分量。因此，两者之间存在冲突。

作为图1B中的示例，光学显示器生成对象的3D虚像，该虚像被眼睛感知为与图1A中的现实世界场景处于相同的距离。人眼基于对象的被感知为超出显示屏的距离而自动旋转并瞄准对象的虚像，使得辐辏分量与图1A所示的辐辏分量相比保持不变。然而，人眼自然地适应于保持3D虚像在显示屏本身的焦平面处聚焦，该焦平面明显小于辐辏距离。当显示器生成的对象的虚像被感知为比显示屏的实际焦平面更接近人眼时，会发生类似的冲突。辐辏-调节冲突会导致复视(double vision)、视觉清晰度降低、视觉不适和疲劳[参见以下文章：Kooi，F.L.和Toet，A.“Visual comfort of binocular and 3D displays”，Displays，25，99-108.doi：10.1016/j.displays.2004.07.004；Lambooij等人，“VisualDiscomfort and Visual Fatigue of Stereoscopic Displays:A Review”，Journal ofImaging Science and

53(3)：030201-030201-14，2009；以及Shibata T、KimJ、Hoffman DM、Banks MS，“The zone of comfort:Predicting visual discomfort withstereo displays”，Vis.2011年7月21日；11(8)：11.doi：10.1167/11.8.11；这些文章中的每一篇都通过引入并入本文。

辐辏-调节冲突的结果是，双目增强现实系统难以产生令人信服的三维图像，因为传达对象距离的被发送到左眼和右眼的图像之间的角度差异(会聚)与眼睛必须聚焦以形成清晰图像(调节)的深度不匹配。

上述光学问题可以通过本技术的方面来缓解，本技术允许提供优于已知的虚拟现实和/或增强显示系统的改进的光学传递的光学系统和方法。现在将更详细地描述根据本技术的各方面的光学系统和方法，用于一些示例性增强现实和虚拟现实显示系统。然而，将会理解，在一些其他方面和实施例中，本技术可以被配置用于除了示例中所示的那些增强现实和/或虚拟现实系统之外的增强现实和/或虚拟现实系统，甚至可以被配置用于在成像应用中使用的其他类型的光学传递系统，以传递改善的观看体验。

如下面将参考本技术的不同方面和实施例更详细地解释的，提供了光学超焦反射系统，其可用于增强现实或虚拟现实显示系统中，以允许减少辐辏和调节光学冲突。该系统采用超焦反射视口来操纵显示器中的会聚，以便允许眼睛调节更紧密地匹配会聚。在用于增强或虚拟现实显示器的任何类型的光学重定向系统中可以采用一个或更多个超焦反射视口，该光学重定向系统被配置为使用某种形式的反射将准直显示图像重定向到人眼中。所得到的光学系统(在本文中被称为光学超焦反射系统)使用超焦反射视口结构向眼睛传递图像，将焦点调节范围扩展到超过源图像的焦点调节范围。该系统的超焦反射视口通过允许调节平面朝向会聚平面移动并保持清晰的图像来减少辐辏-会聚冲突的光学效应。

光学超焦反射系统可以使用不同的方法来实现。在一些方法中，光学超焦反射系统被实现为透视光学组合器或者非透视光学组合器。在一些实施例中，光学超焦反射系统是基于光学波导的系统。在其他实施例中，光学超焦反射系统是基于自由空间光学反射器/组合器的系统，或者是其他类型的光学模块，其被配置为反射性地中继虚拟或增强现实显示器或其他光学系统的准直显示图像。

作为一种通用方法，光学超焦反射系统具有光学基板。光学输入耦合部分被配置为将准直显示图像输入耦合到光学基板。光学超焦输出耦合部分与光学基板集成在一起。光学输出耦合部分包括一个或多个超焦反射视口。超焦反射视口包括与光学基板集成一起的离散光学超焦反射器斑。离散光学超焦反射器斑被配置成将光学输入耦合的显示图像光线的离散部分反射地投射到透镜-检测器系统上或透镜-检测器系统将被放置在其中的目标区域上，作为形成离散虚拟显示图像部分的光线的离散光斑束。这里定义的目标区域是指覆盖用于观看离散虚拟显示部分的透镜-检测器系统的可能的显示观看位置的区域。透镜-检测器系统或透镜-检测器系统将被放置在其中用于观看离散虚拟显示部分的目标区域，位于距超焦反射视口预先确定的工作距离处。

在一些方法中，透镜检测器系统是人眼。在其他方法中，透镜检测器系统包括任何光学透镜检测器设备。在光学透镜-检测器设备的一些实施例中，光学透镜-检测器设备是耦合到诸如数字或模拟传感器的传感器设备的光学透镜或透镜组件。在一些实施例中，光学透镜检测器设备是相机系统。此外，应当理解，虽然在本文描述的一些实施例中参考了人眼及其组成部分，但是透镜检测器系统可以替代地是另一种类型的系统，例如任何前述光学透镜检测器设备。此外，应当理解，虽然在本文描述的一些实施例中参考了光学透镜检测器设备，但是在其他实施例上，透镜检测器设备可以替代地是人眼系统。

离散光学超焦反射器斑的孔径大小被确定为在眼睛或其他透镜-检测器系统的目标区域处形成孔径直径为D的虚像超焦斑，使得离散光斑束形成由透镜-检测器系统看到的虚拟显示图像部分的视图，该视图是超聚焦的。目标区域处的虚像超焦斑的大小是透镜-检测器系统的有效(不是实际的)孔径大小，当透镜-检测器系统被放置在目标区域中时，该孔径大小导致由透镜-检测器系统看到的虚拟显示部分的超聚焦视图。对于透镜-检测器系统，有效孔径因此对应于进入透镜以在透镜-检测器系统的检测器上呈现实像光斑(称为弥散圈)的虚像形成光线的离散斑束部分的横截面。如将参考特定实施例更详细地解释的，考虑到超焦视口距透镜检测器系统的工作距离，超焦反射视口比透镜-检测器系统的透镜小得多，以缩小光线，从而提供具有与透镜-检测器系统相似大小的弥散圈。

为了更详细地解释光学超焦视口的目的，现在将参考图2，图2是根据本技术的实施例的光学超焦反射系统的概念图。为了便于说明和解释，图2和本文的其他附图中所示的元件没有按比例绘制。

在图2中，光学超焦反射系统100被实现为增强现实光学组合器，由此，在使用中，该系统反射性地传递覆盖由显示系统的观察者的人眼正在观察的现实世界的虚像。系统100被实现为光导空间光学组合器。然而，在其他实施例中，光学超焦反射系统可以被实现为自由空间光学组合器、非透视光学组合器(波导空间或自由空间)，或者被配置为反射性地中继虚拟或增强现实显示器或其他光学系统的准直显示图像的任何类型的光学模块。此外，如上所述，在一些实施例中，除了人眼之外，还可以使用其他类型的光学透镜-检测器系统。

如图2所示，光学超焦反射系统100包括超焦反射视口102和光导光学基板101。光导光学基板101对于来自现实世界场景的可见光线131是至少部分地透视的，并且通常基本上是透视的，该现实世界场景将由透镜-检测器系统透过基板101观察。透镜-检测器系统是人眼201。在一些其他实施例中，透镜-检测器系统是光学透镜-检测器设备。基板101被配置成使得来自现实世界场景的光线131进入与现实世界场景在同一侧的基板101的正面113，穿过基板101，并从与观察者的人眼201在同一侧的基板的背面114射出。

超焦反射视口102与光导光学基板101集成在一起，这意味着其被设置在基板中和/或被设置在基板101的表面上。超焦反射视口102具有离散的物理视口孔径112。为了便于说明和解释，孔径112在图2中被示出为一维视口孔径。超焦视口孔径112指的是所生成的显示图像输入106的光学输入光线107被反射出视口102并由此朝向人眼201从基板101输出而所通过的开口。从视口反射出的光线束105形成虚像，因为它们被反射出作为准直光线，并且这些光线的锥体由超焦视口的角度范围形成，这有助于显示器的视场。离散斑束105形式的虚像形成光线穿过观看透镜孔径115进入眼睛晶状体205，以在眼睛视网膜上呈现实像光斑105C(被称为弥散圈)。

在光学中，弥散圈是一种光斑，由当对点源成像时，来自透镜的光线的锥体没有达到完美的聚焦而引起。它也称为弥散盘、不清晰圈(circle of indistinctness)、模糊圈或模糊斑。人眼的弥散圈是由来自眼睛晶状体的光线的锥体在眼睛视网膜上没有达到完美的聚焦而引起的光斑。关于对人眼的弥散圈的进一步解释，例如参见Ray,Sidney F.2000.，包括第52页，载于The Manual of Photography:Photographic and Digital Imaging，第9版，由Ralph E.Jacobson,Sidney F.Ray,Geoffrey G.Atteridge和Norman R.Axford.编辑，Oxford:Focal Press.ISBN 0-240-51574-9，其全部内容通过引用并入本文。

图2示出了被投射到无限远处并对着不同的角度的两个不同的字母“A”和“B”将如何被聚焦在视网膜的背面的示例。在每种情况下，都会形成单独的弥散圈(CoC)。CoC构成成像系统的点扩展函数的基础，并与图像的每个部分进行卷积。CoC是与场景卷积的模糊斑，并且使聚焦差异在超焦距范围内看起来不可区分，这将在下面更详细地解释。

反射视口102的大小使得离散斑束的横截面直径足够小，使得眼睛晶状体或其他透镜-检测器系统超聚焦，也就是说，眼睛晶状体205可以从期望的距离(H)一直聚焦到无限远，同时保持可接受的清晰图像，而不改变图像平面位置。

为了解释超焦反射视口102如何被配置成提供超聚焦的目的，参考图3和图4，它们是简单的几何光线图，示出了如何调整呈现在透镜检测器系统400的检测器设备402上的弥散圈。透镜检测器系统400包括光学耦合到光学传感器检测器402的观看透镜401。在一些实施例中，可以使用光学观看透镜组件来代替单个透镜401。光学传感器检测器402是例如CCD或CMOS图像传感器。在一些实施例中，这种传感器可以采用滚动快门或全局快门。在图3中，光线305来自无限远处的点源，并且光线306来自任意距离H。无限远处光线305在透镜401的焦距f处聚焦。来自H的光线306在点f'处聚焦。在点f'处，来自无限远处的光线305已经扩展超过它们的理想焦点，并将对着被称为弥散圈(CoC)的区域。如果检测器402上的最小可分辨点大于CoC，那么检测器将无法区分源自无限远处的光线和源自H的光线。两个图像都将看起来可接受地清晰。

通过比较图3和图4可以看出，可以通过将有效孔径D减小到期望大小来调节CoC直径。在图4中，源自无限远处的光线307穿过有效透镜孔径，与图3所示的有效孔径相比，该有效透镜孔径具有减小的直径D。类似地，使用相同的原理，通过将对应于眼睛晶状体超焦孔径的直径为D的离散斑束105投射到眼睛晶状体205上，调整人眼的有效透镜孔径，使得图2中的人眼无法区分来自超焦反射视口的反射光线105和源自超焦距H的光线。这是超焦反射视口102的基本定义。

对于图4中所示的透镜-检测器系统，修改后的观看透镜孔径D因此对应于图像形成光线307的离散斑束部分的横截面直径D，该离散斑束部分穿过观看透镜401以在透镜-检测器系统的检测器402上呈现真实图像光斑，即弥散圈(CoC’)。如图2所示，视口孔径112在眼睛的瞳孔入口处提供了相应的修改后的观看透镜孔径。修改后的观看透镜孔径是观看透镜有效孔径，其小于观看透镜实际孔径，并且对应于虚拟图像形成光线105的反射的离散斑束部分的横截面，该反射的离散斑束部分进入眼睛晶状体205以在眼睛视网膜上呈现真实图像光斑105C(弥散圈)。考虑到超焦视口距眼睛晶状体的工作距离，超焦反射视口102比眼睛晶状体205小得多，以有效地缩小虚像形成光线，从而提供具有与眼睛晶状体205相似大小的弥散圈。

因此，在透镜检测器系统的目标区域处的修改后的观看透镜孔径的大小是透镜检测器系统的有效(非实际的)孔径大小，其小于观看透镜的实际孔径直径，并且当透镜检测器系统被放置在目标区域中时，其导致由透镜检测器系统看到的虚拟显示部分的超聚焦视图。

对于本领域的普通技术人员来说，超焦距具有不同的定义。超焦距的一个这样的定义是在保持无限远处的对象可接受地清晰时，透镜可以聚焦的最近距离。当透镜在这个距离处聚焦时，从超焦距的一半到无限远的距离处的所有对象都将是可接受的清晰的。另一个定义是，对于聚焦在无限远处的透镜，超焦距是这样一个距离，超过该距离，所有对象都是可接受的清晰的。两种定义是一致的。超聚焦允许透镜从期望的距离(H)一直聚焦到无限远，同时保持可接受的清晰图像，而不改变图像平面位置。为了避免疑问，参考本技术，本申请所指的超焦距意味着期望的距离H，也就是说，超聚焦允许观看透镜[例如但不限于人眼晶状体]从超焦距(H)一直聚焦到无限远，同时保持可接受的清晰图像而不改变虚像平面位置。

“可接受的清晰图像”的定义是根据系统的光学规范预先确定的。在一些实施例中，可接受的清晰图像是指具有根据平均人眼性能的标准值而预先确定的清晰度水平的图像。在一些实施例中，可接受的清晰图像是指具有根据个人的人眼表现而预先确定的清晰度水平的图像。在一些实施例中，可接受的清晰图像是指具有根据光学检测器设备(非人类)的分辨率而预先确定的清晰度水平的图像。在一些其他实施例中，可接受的清晰图像是指具有符合奈奎斯特准则(Nyquist criterion)(弥散圈应该是显示器上最小可分辨特征的大小的一半)的清晰度水平的图像。这将根据透镜检测器系统的最小可分辨特征来确定。对于作为人眼系统的透镜检测器系统，如果显示器能够显示低于人眼的最小可分辨特征的图像特征，根据平均人眼性能的标准可接受值，那么显然眼睛的分辨率是可接受清晰度的极限。为了清楚起见，下文中所指的可接受的清晰意味着至少具有符合奈奎斯特准则(弥散圈应该是显示器上最小可分辨特征的大小的一半)的清晰度水平的图像。然而，可接受的清晰可以根据可接受的清晰的其他前述定义中的任何一个来定义。

描述超焦距的等式由下式给出：

H是超焦距，孔径直径D是焦距f与F数N之比；以及c是弥散圈的直径。

因此

(有关推导，请参见例如Derr,Louis，1868-1923年，Photography for studentsof physics and chemistry，包括第78和79页以及附录，出版日期1906年，出版社NewYork,The Macmillan Company；London,Macmillan&Co有限公司，其全部内容通过引用并入本文)。

给定的F数是

因此，我们看到超焦距与f和D成正比：

已经提供了基于经验数据的人眼弥散圈的值以及与超焦距的关系的例子(请参见例如Ray,Sidney F.2000.，包括第52页，载于The Manual of Photography:Photographicand Digital Imaging，第9版，由Ralph E.Jacobson、Sidney F.Ray、GeoffreyG.Atteridge和Norman R.Axford.编辑，Oxford：Focal Press.ISBN 0-240-51574-9，其全部内容通过引用并入本文)。下面的例子是由前面提到的Ray Sidney参考文献给出的：

“正常的视力需要肌肉活动来改变眼睛的屈光状态，以便聚焦。这种内部聚焦被称为调节，并且生理限制设定了大约250mm的舒适近距离的清晰视觉(Dv)...例如，在理想条件下，宽度为0.075mm的高对比度线可以在对着大约1分弧度的角度的Dv处被感知到，并且代表眼睛视网膜上大约5微米宽的图像...极限性能很少被达到，通常采用Dv处0.1mm线宽的较低值。转换成分辨能力，0.1mm的锐度对应于0.2mm的空间周期，即线条的宽度加上相邻的相同间隔(例如在条形分辨率测试目标上使用的间隔)，对于普通人的眼睛，给出每mm为5个周期的值。”

使用上述等式(1)至(4)来确定孔径直径D。重新排列等式(3)至(4)给出了下面的等式(5)，用于对于预先确定的超焦距H和弥散圈c，确定眼睛晶状体的有效孔径的直径D(并因此确定图2中所示的眼睛晶状体处的离散斑束105的直径)。

在一些实施例中，用于系统的预先确定的超焦距H是人眼清晰视觉的舒适近距离。在这种情况下，孔径直径D(其是在观看透镜处的反射离散斑光束的直径)由等式(3)和(4)利用等于人眼清晰视图的舒适近距离的超焦距H和对于该超焦距H的已知弥散圈c来确定。在一些实施例中，替代地或附加地，超焦距H的设置是为了保持光学图像输入光线的净反射率，以提供所需的显示效率。

作为非限制性示例，当聚焦在无限远处时，眼睛晶状体的焦距大约为16mm。当聚焦在0.25m的超焦距处时，眼睛的焦距f大约为15.04mm。根据上述参考文献Ray,SidneyF.2000中阐述的经验处理，对于0.2mm的空间周期，弥散圈大约为13.3微米。给出从0.25m到无限远的视网膜分辨率有限的焦点的眼睛前方的孔径的直径如下：

因此，在上述例子中，对应于从无限远到0.25m的超聚焦的理想瞳孔直径的孔径直径D在眼睛晶状体上为210微米。超焦视口孔径112被配置为具有相同或基本相同的孔径直径。由于光线105基本上是平行的，所以视口孔径112在眼睛晶状体上投射基本上相似大小的反射光线离散斑。对于光学基板是光学波导基板的系统，光线105是平行的或基本平行的。对于光学基板是光学自由空间组合器基板或其他非波导基板的系统，光线105可以是平行的或基本平行的，而在一些其他实施例中，它们可以远离超焦反射视口发散而不是平行的，在这种情况下，在观看透镜处的离散斑直径D可以大于视口孔径112，但是可以通过简单的几何学来确定。

上述例子说明了对于给定的超焦距，如何确定超焦反射视口的孔径直径。应当理解，用于眼睛晶状体上超聚焦的瞳孔直径可以使用其他经验数据来计算，并且不限于上述参考文献Ray,Sidney F中阐述的特定值。

在一些实施例中，头戴式显示器或近眼显示器、或结合光学超焦反射系统的其他显示系统的角度分辨率，与奈奎斯特准则组合，被用于确定弥散圈的尺寸。弥散圈被预先确定为在显示系统的出射光瞳处，显示的图像上最小可分辨特征的大小的一半。在一些实施例中，弥散圈被预先确定为小于最小可分辨特征的大小的一半。

现在更详细地参考根据一些实施例的近眼波导显示器和其他类型的增强现实显示系统，在这些显示器的设计中涉及的光学器件决定了视场(FOV)、分辨率和图像位置(x、y和z)以及其他细节。在现实世界中，我们的深度感知由两个主要因素驱动。辐辏；眼睛向内旋转以保持对对象的注视。调节；眼睛晶状体适应以在视网膜上保持清晰的“聚焦”图像。如前所述，当焦平面和辐辏平面不对齐时，会发生辐辏-调节光学冲突。在波导显示器中，图像通过波导传播，焦平面在无限远处。当辐辏平面不在调节平面(显示图像聚焦的地方)的CoC内时，这种AR显示器表现出更严重的辐辏调节冲突。Robert Konrad等人的研究表明，辐辏可以驱动调节(参见“Accommodation-invariant Near-eye Displays”，SIGGRAPH 2017年7月，Robert Konrad、Nitish Padmanaban、Keenan Molner、Emily A.Cooper、GordonWetzstein，其内容通过引用并入本文)。这种会聚和调节差异经常会导致迷失方向(disorientation)和恶心。

在基于波导的显示器中，选定的初始焦平面在无限远处，以免丧失分辨率。这是因为波导保持角度信息而不保持位置信息。拥有只具有角度信息的图像的唯一方法是对它进行无限远校正。可以操纵显示器以导致眼睛在更近的距离处会聚，但是眼睛的调节将保持在无限远处，这导致VAC。推拉式透镜可用于拉近焦平面，但这会导致额外的部件，增加整体形状因子，并最终提供单个焦平面。基于波导的显示器由于其操作的本质，被迫承载焦平面在无限远处的图像，偏离这一点会导致分辨率的损失。如下文将更详细解释的，通过在图像穿过波导之后使用超焦反射视口来将图像传递到眼睛，无限远聚焦的图像可以由用户在除无限远之外的焦平面中观看和调节，从而消除辐辏差异。

为了更充分地解释可以如何使用超焦反射视口来消除辐辏差异，现在将参考附图中的图5和图6。图5示出了在眼睛201的瞳孔入口处的双目配置中直径为D的超焦孔径115如何提供从超焦距H到无限远的调节范围。辐辏平面140，即双眼的视线或视轴(visual axis)会聚以保持单一双目视觉的平面，可以在从H到无限远的辐辏范围141中选择，并用于确定最舒适进行调节以保持可接受的清晰虚像的平面。由于光线307源自无限远，每个超焦孔径115可以沿着视线进一步远离眼睛移动，而不会改变超焦性能。以类似的方式，嵌入波导中的超焦反射视口102充当所投射的显示图像的超焦孔径。

作为示例，图6示出了根据实施例的双目光学超焦反射系统，该系统具有用于每只眼睛201的光学超焦反射系统100。超焦反射视口102设置在各自的光学波导基板101中，分别用于每只眼睛201。在每个光学超焦反射系统100中，超焦视口的孔径112是由嵌入波导基板101中的倾斜的离散反射器斑103限定的二维孔径。基板101是几何光学波导基板。

反射器斑103可以由任何类型的光学元件提供，该光学元件被配置为将光学输入光线107的离散部分反射性地投射出光学波导基板并进入眼睛晶状体或眼睛目标区域(或其他光学观看透镜-检测器系统)，作为基本平行光线或发散光线105的离散光斑束。

使用的离散反射器斑的类型可以变化。在图6的实施例中，一个或更多个倾斜的反射器斑是光学反射涂层或层，其设置在相对于光学波导基板的虚像输入波传播轴或出射光瞳扩展方向的至少一个倾斜平面中，例如包括一个或更多个金属层或介电层的光学层。在一些其他实施例中，根据虚拟现实或增强现实系统中将使用的光学器件的类型来选择离散反射器斑的类型，该光学器件例如为自由空间光学组合器、其他出射光瞳扩展器或其他基于波导的光学器件，例如但不限于任何类别的反射(各向同性和各向异性)、衍射、全息、可切换和可寻址或MEMS等波导技术。

在一些实施例中，一个或更多个反射器斑是衍射光学元件，其可以设置在相对于波导基板的传播轴倾斜或平行的平面中。被配置成透射模式或反射模式的光学衍射光学元件可以用作反射器斑。处于透射模式的衍射光学元件有效地起到反射器斑的作用，因为它们被设置在光学波导上或被嵌入光学波导中，并用于将波导反射光线引导出波导。

具有对应于超焦孔径115的斑大小的离散斑束105通过波导基板101中的超焦反射视口投射到眼睛晶状体上。超焦视口孔径112对应于反射器斑孔径，并且具有使用简单几何学进行相应选择的横截面，使得从视口孔径112出射的反射光线105仍然代表1D视口孔径112，以在观看透镜处提供具有直径D的离散斑束105，直径D根据上述示例来确定。因此，具有2D孔径的超焦反射视口102被配置为用于所投射的显示图像的超焦视口。选择超焦视口102的位置和相对于眼睛的反射器斑倾斜角，使得辐辏平面140在从H到无限远的范围内，并用于确定最适合调节以保持可接受的清晰图像的平面。超焦视口102相对于眼睛的位置由光学波导基板101的位置和基板光学波导基板中各个视口102的位置决定。

每个超焦视口的孔径直径(即该视口的离散反射器斑孔径的直径)的大小足够小，使得形成的虚像离散部分的人眼视图或其他光学透镜-检测器视图是超聚焦的。每只眼睛能够在从无限远一直到眼睛晶状体的超焦距的范围内调节由离散光斑束105形成的虚像，而虚像斑的分辨率没有任何损失。为此，在观看透镜处的离散斑束105的直径D使用上述用于计算D的过程来确定。反过来，离散反射器斑孔径大小是考虑了反射器斑倾斜角，基于所计算的D来确定的。

在反射斑束发散而不是严格平行的实施例中，通过考虑反射器斑相对于眼睛晶状体的角度位置、反射器斑和眼睛之间的距离以及发散角，光束的发散也被考虑，以从D确定离散反射器斑孔径大小。

在一些实施例中，选择反射器斑孔径大小，使得在眼睛晶状体处投射的离散斑束的直径等于计算的直径D。在一些其他实施例中，选择反射器斑孔径大小，使得在眼睛晶状体处投射的离散斑束的直径小于直径D。作为非限制性示例，在本文公开的任何实施例的光学超焦反射系统的一些方法中，超焦反射斑和人眼的眼睛目标区域之间的工作距离通常在大约10mm和75mm之间，并且超焦反射器斑孔径大小通常为直径在大约100至1000微米。在一些实施例中，超焦反射器斑孔径大小小于1000微米。注意，其他工作距离和超焦反射器斑大小被设想，并且将根据所使用的显示系统的类型和用于观看超聚焦斑图像的光学透镜检测器系统的类型而变化。

采用上述方法，多个超焦反射视口102可用于光学超焦反射系统中，以创建覆盖在现实世界投影图像上的增强现实显示，尽管原始投影图像在无限远处，但该现实世界投影图像可以在除无限远处之外的平面上会聚和调节。这允许提供基于紧凑波导的AR显示器，或基于其他类型的光学反射系统的AR显示器。虽然图6的光学超焦反射系统是基于波导的光学组合器，但是超焦反射视口102可以结合在其他反射系统中，这些反射系统或者使用波导技术(例如但不限于任何类别的反射(各向同性和各向异性)、衍射、全息、可切换和可寻址或MEMS等波导技术)，或者在非波导系统(例如自由空间组合器以及甚至是使用这种系统的非组合器)中。

与眼睛处的超焦孔径相比，远离眼睛的每个超焦反射视口102的一个缺点是眼睛在任何一个位置可以访问的视场减小了。

作为一般方法，在光学超焦反射系统中提供多个超焦视口的图案或分布，以允许眼睛201可以访问显示器的整个视场。多个超焦反射视口以特定的配置布置在光学超焦反射系统中，以提取光学输入光线，从而扩展显示图像生成设备的出射光瞳，同时以上面参考图2至图6描述的方式执行虚像的超聚焦。如将参考不同实施例更详细地解释的，超焦视口的特定图案可以根据所采用的光学超焦反射系统的类型(例如基于波导的或自由空间组合器或非组合器)而不同。重要的是，眼睛201从每个视口接收显示视场的唯一部分，以保持超聚焦。过采样会降低超焦效果，而欠采样会产生均匀性问题。这将不可避免地意味着性能因人而变化。在一些实施例中，为了实现期望的性能特征，系统可以被配置为具有用于特定条件的超焦反射视口的分布，并且当这些条件变化时，光学性能随后被表征。

现在将更详细地参考根据本技术的一些实施例的近眼波导显示系统。在基于近眼波导的系统中，多个超焦反射视口以特定配置布置在波导中，以逐步提取由沿着波导的内部反射引导的光线107，从而扩展图像形成设备的出射光瞳，同时以上面参考图2至图6描述的方式执行虚像的超聚焦。

至于图7的光学超焦反射系统100，多个超焦反射器斑103被布置在光学超焦反射系统中，以允许人眼虚像视图在显示系统的基本上整个视场上被超聚焦，并在朝向会聚平面的平面上被调节。以这种方式，近眼系统中的每个光学超焦反射系统被配置为出射光瞳超焦扩展器，用于扩展图像生成显示系统的出射光瞳。

参考图8和图9A，根据一个实施例的近眼波导增强显示系统包括显示图像生成系统120和光学反射超焦系统100，分别用于双目配置中的每只眼睛201。为了便于解释，在图8和图9A中仅示出了用于一只左眼201的一个图像生成系统120和光学超焦反射系统100，但是应当理解，显示系统包括为右眼配置的类似的光学超焦反射系统和图像生成系统，以形成双目系统。在一些实施例中，用于右眼的光学超焦反射系统是用于左眼的光学超焦反射系统的镜像。在一些其他实施例中，显示系统是单目显示系统，并且包括仅一个光学超焦反射系统100。

图8和图9A是示出超焦反射视口阵列的概念图，其中仅为了便于解释，仅以简单的分布示出了有限数量的超焦反射视口。典型地，超焦反射视口102的数量比所示出的多。然而，在一些其他实施例中，当不需要视场的基本上全范围的超聚焦时，超焦反射视口的数量少于所示出的数量。图8示出了离散光束105照射在眼睛晶状体上并到达视网膜的示例，与对应于眼睛晶状体孔径的光束直径所预期的直径为201Dc的弥散圈相比，形成直径为105Dc的减小的弥散圈。为了便于说明，仅示出了进入眼睛的一个光束105。然而，在实践中，多个光束105穿过眼睛目标区域进入眼睛晶状体并到达视网膜上。

图像生成系统120可以包括任何类型的合适的近眼图像生成设备和任何光学器件，被配置成生成显示图像108并将在无限远处准直的显示图像输出到光学超焦反射系统。作为非限制性示例，图像生成设备可以是LED、LCD显示器、或基于激光的设备或用于生成显示图像的其他光源设备。图像生成设备被实现为微型显示器，但是在其他实施例中可以是另一种类型的显示器。图像生成系统包括将显示图像准直到无限远所需的任何光学器件，例如准直透镜。

光学波导基板101由波导材料制成，例如但不限于玻璃、塑料或其他合适的材料。在一些实施例中，基板材料可以是铝酸镁尖晶石(magnesium aluminate spinel)、光子晶体和/或其他光学材料。光学波导基板101本身是平板(slab)或平面型波导基板。光学基板101具有在由图9A所示的x轴箭头118指示的出射光瞳扩展方向上沿着波导基板的长度延伸的直的水平x轴。在一些其他实施例中，光学波导基板101可以是弯曲的或其他形状和配置，并且具有弯的或弯曲的轴。如图9A最佳示出的，系统100具有光学输入耦合部分150和光学输出耦合部分160。

各种光学输入耦合部分和耦合方法都是可能的。在图8所示的实施例中，光学输入耦合部分150是波导的远离光学输出耦合部分150的侧部或端部。包括准直的显示图像光线107的光学输入106被直接注入光学输入耦合部分150。在一些其他实施例中，光学输入耦合部分150包括结合在波导中的反射镜，以将注入基板侧部的光学输入光线107反射性地耦合到引导空间中。在另一些其他实施例中，光学输入耦合部分包括与光学波导基板集成在一起或分离的一个或更多个其它光学耦合部件，用于将光学输入106耦合到波导中。举例来说，这种光学耦合部件可以是棱镜、透镜系统和/或衍射光学元件。在其他实施例中，输入耦合部分是衍射耦合系统，其可以包括与波导基板集成在一起或分离的一个或更多个衍射光学元件。

每个反射器斑具有根据本文所述方法来选择的孔径大小，使得超焦视口在眼睛晶状体或其他光学透镜-检测器系统处投射具有孔径D的离散斑束，从而提供离散虚像的超聚焦。以这种方式，眼睛接收并保持来自每个视口的显示视场的独特部分的超聚焦，并保持整个虚像的超聚焦。

沿光学波导基板101在出射光瞳扩展方向上对光学输入光线107的渐进提取是以各种方式实现的。对于波导来说，超焦反射器斑是相互平行的。波导是一种“角度设备”，因此通过沿波导分布超焦反射器斑，截取(pick off)一定范围的角度是可能的。每个超焦反射器斑原则上确实在整个角度范围内反射，在一些实施例中，超焦反射器斑被倾斜成至少在由显示系统的出瞳距离(eye relief)控制的最大和最小角度范围(例如但不限于，例如40度)内反射。在图9A的实施例中，使用超焦视口的图案来实现渐进提取，该图案是具有部分超焦反射器斑的端口和具有完全反射超焦反射器斑的端口的组合。每个部分超焦反射器斑充当分束器，该分束器仅将入射光学输入光线107的一部分向外朝向眼睛晶状反射，并将另外一部分沿着波导在出射光瞳扩展方向上传输到反射器序列中的沿着波导基板101进一步远离光学输入耦合150间隔开的另一个超焦反射器斑。完全反射超焦反射器斑基本上完全地反射入射光学输入光线107，并且不允许任何光学输入光线在出射光瞳扩展方向上沿着波导进一步传递。

作为图9A中的例子，输出耦合部分160包括超焦视口反射器端口102A1至102A2的部分反射超焦反射器斑103A1至103A2。第一部分反射超焦反射器斑103A1被配置成将入射在第一超焦反射器斑103A1上的光学输入光线107的离散部分107A分成第一离散斑束105A1和剩余部分，该第一离散斑束105A1被斑反射朝向眼睛晶状体205，该剩余部分透射通过斑103A1，并进一步在出射光瞳扩展方向118上沿着波导基板101到达反射器序列中的下一个超焦反射器斑，即第二超焦反射器斑103A2。第二超焦反射器斑103A2被配置成将入射在第二超焦反射器斑103A2上的离散部分107A的剩余光线部分地分成第二离散斑束105A2和剩余部分，该第二离散斑束105A2被斑反射朝向眼睛晶状体205，该剩余部分继续沿着波导传播到任何下一个超焦反射器斑，直到到达反射器序列中的最后一个部分反射超焦反射器斑，或者直到到达完全反射超焦反射器斑。由于离散斑束105A1和105A2分别被斑103A1和103A2反射，所以它们在眼睛目标区域处形成各自的直径为D(D是如本文所述计算的)的离散斑束，使得当虚像斑由人眼观看时，它们被超聚焦。

当采用完全反射超焦反射器斑时，通过将完全反射超焦反射器斑配置成在出射光瞳扩展方向118上沿着光学波导的图案和分布，以允许一些光学输入光线穿过完全反射超焦反射器斑之间的光学波导基板材料，直到它们照射到进一步沿着波导基板的完全反射超焦反射器斑上，来实现显示图像的渐进提取。

举例来说，在图9A中，光学输入显示图像光线107的离散部分107B传播到输出耦合部分160中，并且最初穿过超焦视口反射器斑103之间的光学透明材料。通过的离散部分107B通过全内反射沿着波导继续，而不被超焦反射器斑103中断，直到离散部分107B到达完全反射超焦视口反射器斑103B。由于超焦反射器斑103B是完全反射的，因此反射器斑将离散光线部分107B的全部作为离散斑束105B朝向眼睛晶状体完全地反射，并阻止部分107B的任何光线107进一步沿波导向下传输。

在一些其他实施例中，所有的超焦视口都具有完全反射超焦反射器斑。举例来说，在一些其他实施例中，图8和图9A所示的反射系统中的所有反射斑103都是完全反射的。当形成显示图像的光学输入光线107沿着波导基板101行进时，其中一些光线撞击设置在最靠近光学输入耦合部分150的基板的第一体积部分中的第一超焦反射器斑，并且被重新导向眼睛。然而，大多数光线107错过第一超焦反射器斑，因为它们只占据第一体积部分的一小部分区域。例如，如果斑占据第一体积部分的5％，则总反射率也约为5％，并且95％的图像能量穿过第一体积部分进一步沿着基板到达下一体积部分，以此类推。超焦反射器斑反射直接传播到基板中的光线，但也反射经由大“反弹”到达并以掠射角撞击超焦反射器斑的其他光线。

在一些其他实施例中，所有的超焦反射器斑都是部分反射的。例如，至少一些超焦反射器斑各自具有在大约5-100％之间的反射率。在一些实施例中，至少一些超焦反射器斑的反射率是相同的。在一些实施例中，至少一些超焦反射器斑的反射率是不同的。

在图8和图9A的实施例中，超焦反射器斑103是相对于在出射光瞳扩展方向118上的被引导光线的传播方向而倾斜的反射涂层。在一些实施例中，这里的任何一个实施例的超焦反射斑可以是反射涂层斑。作为示例，图10A是图9A的输出耦合部分的一部分的放大视图，示出了由反射涂层材料制成并具有镜面反射表面(specular reflecting surface)103S的超焦反射器斑103。在一些实施例中，光学超焦反射器斑103由反射材料制成，例如但不限于单个反射金属层或多层反射氧化物或其他材料。图10C示出了根据一个实施例的由多层介电反射涂层制成的超焦反射器斑的非限制性示例。

超焦反射器斑材料可以通过已知的沉积技术沉积。在一些实施例中，利用包覆成型的反射层的注射成型和光学3D印刷可用于形成包括图案区域的光学基板。在图9A所示的实施例中，超焦反射器斑基本上是平面的，并且在形状上是圆形的或细长圆形的。如下面将关于一些其他实施例更详细地解释的，在本技术中可以采用提供了关于整体虚拟图像观看质量的某些优点的其他特定的斑形状。

在一些其他实施例中，本文公开的任何系统的该或每个超焦反射器斑103是衍射光学元件。在一些实施例中，衍射光学元件可以是全息光学元件。这种光学元件的非限制性例子是如图10B所示的衍射光栅

可以选择超焦反射器斑角度位置的分布，使得超焦视口在眼睛的瞳孔入口处的眼睛目标区域上以特定分布投射它们相关联的离散斑束。在超焦反射器斑被包含在光学波导中的实施例中，超焦反射器斑相对于出射光瞳扩展方向以相同或基本相同的角度倾斜。超焦反射器斑可以以与公共垂直倾斜平面117相同的角度倾斜，或者可以如图10中的超焦反射器斑的非限制性示例所示，偏离该公共平面的轴线倾斜。在一些实施例中，眼睛目标区域对应于这样一个区域，在该区域上，考虑到眼睛在视窗内的移动，眼睛能够在显示器的基本整个视场内具有到每个超焦反射视口的视线或视轴。

在一些实施例中，超焦反射视口的超焦反射器斑103是成角度的，以根据特定的光学性能要求以均匀或不规则的图案将直径为D的相应离散斑束投射到眼睛目标区域上。

在一些其他实施例中，超焦反射器斑103除了设置在光学基板101的体积内之外，还设置在光学基板的背面或正面。分布在透明光学基板材料内和/或表面上的超焦反射器斑103形成图案区域。在一些实施例中，超焦反射器斑103的分布是规则的图案。在一些其他实施例中，超焦反射器斑103的分布是不规则的图案。在一些其他实施例中，反射斑103的分布是规则图案区域和不规则图案的组合。为了便于解释和可视化，在附图中，超焦反射器斑被放大示出，而不是按比例示出。此外，并没有示出所有的超焦反射器斑。实际上，超焦反射器斑的数量将取决于显示器设置和观看透镜-检测器的尺寸。对于近眼显示器配置，在一个非限制性示例中，对于10mn平方的瞳孔，在基板中通常有100到200个超焦反射器斑。对于这里描述的实施例的红、绿、蓝系统，在一个非限制性示例中，通常可以有300到600个斑。

为了便于制造和设计，在一些实施例中，例如如图8和图9A所示，超焦反射器斑分布在沿着基板101的长度间隔开的多个不同平面或平面体积段117中。每个平面或段117在基板105的顶侧和底侧之间延伸，并且相对于传播轴116倾斜，如图9A所示。一个或更多个平面117中的超焦反射器斑以不限于图中所示的图案分布。一个或更多个平面中的图案可以是规则图案或不规则图案。此外，每个超焦反射器斑或至少一些反射点的形状、大小、倾斜和/或间距可以相同或可以彼此不同。在多个不同的平面或段中提供反射斑，允许系统更方便地由光学材料的多个平面基板制造，这些平面基板上设置有超焦反射器斑，这些平面基板被夹在一起以将超焦反射器斑嵌入光学基板中。然而，在其他实施例中，超焦反射器斑不是分布在不同的平面或段中，而是分布在整个体积中。

在一些实施例中，更靠近光学输入耦合部分150的超焦反射器斑103具有相对低的反射率(小面积的点)，并且后续更远离光学输入耦合部分105的超焦反射器斑具有更大的反射率(更大面积的点)，沿着波导基板101越远，反射率逐渐增加。可以改变斑面积与光学透明间隙的比率，以在沿着波导的不同位置处获得选定的反射率。反射斑或其他元件的厚度会变化，但通常但不限于0.1-1微米(um)。在一些实施例中，由全息膜层形成的超焦反射斑可以是例如大约1微米。

在图9A的系统中，斑形状是规则的形状。在其他实施例中，斑可以是规则的和/或随机的形状。反射斑具有相同的分离距离，但是在其他实施例中可以具有不同的分离距离。对于不同的反射点，反射斑的厚度也可以变化。光学组合器性能和成像可以通过优化各种反射器参数来控制和改进，这些参数包括但不限于下面的：超焦反射器斑的形状(规则或随机的形状)、斑特征的最小尺寸、斑特征的最大尺寸、表面上的随机化程度、斑反射材料的厚度、点之间的最小间距、斑之间的最大间距和点占据的面积分数。在一些实施例中，至少一些反射斑或其他元件具有完全或基本反射的前侧和完全或基本吸收的后侧。一些反射斑或元件包括掩埋式浮雕反射器(buried relief reflector)和正浮雕反射器(positiverelief reflector)。

在一些实施例中，光学超焦反射系统被实现为包括超焦视口102的自由空间光学组合器。作为示例，图12示出了根据一个实施例的实现为自由空间光学组合器(非波导组合器)的光学超焦反射系统。超焦反射器斑103是在凹面光学基板101F的表面上以图案间隔开设置的反射涂层。在一些其他实施例中，光学基板101F可以具有其他轮廓或形状。光学基板101F由部分或基本透明的材料制成，使得现实世界图像的光线可以被眼睛看到。光学基板101F被配置成允许入射到超焦反射器斑103之间的基板区域上的光学输入显示图像光线107穿过光学基板101F和/或被反射离开眼睛目标区域，而不是被反射到眼睛目标区域或眼睛。在一些实施例中，例如对于虚拟现实应用，光学基板101是不透明的，并且入射到超焦反射器斑之间的基板区域上的光学输入显示图像光线107被吸收和/或被反射离开眼睛目标区域或眼睛。

光学图像生成设备120将光线输入106(准直光线107)引导到中继透镜120L，中继透镜120L将光线107分散或扩散到凹面基板的表面上。超焦反射器斑103被定向，使得光线107作为离散斑束105被反射到眼睛目标区域或眼睛晶状体，该离散斑束105的角度方向是以上文已经参考图8和图9的实施例解释的方式捕获显示器的整个视场所必需的。由于现在有多于一个的超焦反射器斑，所以每个超焦反射器斑可以被单独认为在观看透镜处提供了相关联的有效超焦孔径115，并因此提供了独特的视场。为此，选择每个超焦反射器斑103的孔径大小，以在眼睛处投射具有直径D的离散显示图像斑束，并如本文参考上述实施例所描述的进行计算。

在自由空间组合器或其他非波导组合器中，通过使用相应地分布和/或倾斜的超焦视口来保持对显示系统的视场的访问，从而重新获得对原本将会丢失的视场的访问。在一些实施例中，每个超焦反射器斑的角度位置被单独选择，使得通过来自超焦反射器斑的图案的反射而提取的完整显示图像被引导到眼睛目标区域或眼睛晶状体上。

在自由空间组合器或其他非波导组合器的一些实施例中，超焦反射器斑103在显示器的水平视场上逐渐进一步地水平倾斜和/或在显示器的垂直视场上逐渐垂直(向上或向下)倾斜。设想了超焦反射器斑的倾斜角的其他分布。如图9A和图10A中的例子所示，超焦反射器斑103相对于光学基板中的公共平面117在不同的平面中倾斜。超焦反射器斑103相对于公共平面117在x轴上倾斜第一角度103X，并且相对于公共平面117在Y轴上倾斜第二角度103Y。在其他实施例中，至少一些超焦反射器斑可以不同地或以相同的方式在x、y、z平面(或其任意组合)中倾斜。

在自由空间组合器或其他非波导组合器的一些实施例中，为了基本上捕获显示系统的整个视场，超焦反射器斑103根据显示器的水平视场范围，逐渐进一步地水平倾斜(相对于公共平面117成正或负的角度103X，这取决于基板的位置是在眼睛的左侧还是右侧)。此外，超焦反射器斑根据显示器的垂直视场，逐渐进一步地垂直倾斜(相对于公共平面117向上或向下成正或负的角度103Y)，使得超焦反射视口基本上捕获显示器的整个视场。

如上文已经指出的，在一些其他实施例中，超焦反射视口的超焦反射器斑103是衍射光学元件，每个衍射光学元件被配置为特定的衍射级，使得衍射光学元件单独地或者与光学基板结合，有效地将光学输入光线部分反射为离散斑束105。作为背景，当光线入射到具有光的波长的大小和级的结构上时，实现了衍射。重复或周期性的结构导致具有由布拉格定律决定的方向的衍射光线。衍射表面能够产生多个光束，也就是说，不同衍射光束的级和相对强度取决于衍射结构的特性。

衍射光学元件配置有衍射结构，使得基本上所有由元件衍射的光线都以一个特定的顺序被引导，也就是说，使得它们在所需的方向和轮廓上形成离散斑束105，从而形成离散的虚拟显示超聚焦视图。例如，衍射光栅的光学轮廓可以通过已知的方法来配置，例如闪耀(blazing)(改变光栅凹槽角度或形状而不改变其周期)，以及改变光栅间距、尺寸、形状和密度。图10B中示出了超焦反射器斑103的一个非限制性例子，即衍射光学元件103G。在波导是弯曲的一些实施例中，改变光栅间距是合适的。

在一些实施例中，衍射元件不是倾斜的，而是在平行于波导的传播轴的平面中延伸，并且沿着波导基板的一个或更多个面间隔开分布和/或嵌入波导基板中。作为示例，图11示出了根据实施例的实现为出射光瞳扩展器的光学超焦反射系统。超焦视口的超焦反射器斑103包括衍射光学元件103G，其设置在基板的面向眼睛的面111上。在一些其他实施例中，超焦反射器斑衍射光学元件103G设置在基板的与面111相对的面上和/或设置在基板内的平行平面中。

在图11的实施例中，衍射光学元件103G是衍射针孔。在一些其他实施例中，一些或所有衍射光学元件103G是其他类型的衍射光栅或衍射光学元件，例如全息衍射光栅或其他光学元件或其任意组合。选择衍射光学元件103G的孔径大小，以将具有直径D的虚拟孔径视口投射到眼睛上，并如本文参考上述实施例所描述的进行计算。在一些实施例中，根据衍射元件在出射光瞳扩展方向上沿着基板的位置来逐渐调谐每个衍射元件的光学轮廓，使得光线以特定的顺序衍射，以提供反射斑束105相对于眼睛晶状体或眼睛目标区域的期望的角度方向，该角度方向对于以上文已经解释的方式捕获显示器的整个视场是必需的。

在本技术的一些方面，超焦反射视口102是波长相关的视口，从而提供波长选择性光学超焦反射系统。视口的超焦反射器斑103被配置为波长选择性超焦反射器斑，使得每个反射的离散斑束105由仅具有特定波长或特定波长带的反射光线组成。在一些实施例中，一些或所有波长选择性超焦反射器斑被配置成反射具有相同特定波长或相同波长带的光学输入光线107，同时透射通过其他波长的光。在一些其他实施例中，一个或更多个波长选择性超焦反射器斑被配置为仅反射具有特定波长或特定波长带的光学输入光线107，该特定波长或特定波长带不同于由一个或更多个其他超焦反射器斑反射的光学输入光线107的特定波长或波长带。

在适当的情况下，波长选择性超焦反射器斑可以用于本文所述的任何不同的光学反射超焦系统。波长选择性超焦反射器斑可以以不同的方式形成。在一些实施例中，超焦反射器斑由波长选择性反射涂层制成。波长调谐反射涂层是多层介电层或其他类型的薄膜干涉光学涂层等，其被设计成反射特定波长带的光而不反射宽波长带的光。具有多层介电层103M1和103M2的波长选择性陷波超焦反射器斑103在图10C中以非限制性示例的方式示出。在图10C中仅示出了两个多层介电层，但是可以有比所示更多的层。此外，如上文已经指出的，附图不是按比例绘制的。出于说明的目的，图10C所示的层的厚度被放大，并且在一些实施例中，厚度实际上是波长的分数。在一些其他实施例中，波长选择性反射斑是这里描述的衍射光学元件，以及例如通过图10B中的非限制性示例示出的。

在一些实施例中，光学超焦反射系统包括多个不同的波长选择性超焦视口组。每组波长选择性超焦视口被配置成对不同的波长带具有选择性。每组超焦视口的波长选择性超焦反射器斑103被配置成反射不同的波长或不同的波长带。一个或更多个不同的波长相关的超焦反射器斑组可以以相同的图案或不同的图案沿着光学超焦系统的光学基板分布。以这种方式，离散的图案化波长带相关的超焦反射器斑形成反射超焦视口，用于增加投射光的每个波长带的光线的每个角度分布的超焦范围。

在一些实施例中，波长选择性光学超焦反射系统被配置为基于波导的系统，图13示出了根据一个实施例的包括多个不同的波长选择性超焦视口组的光学超焦反射系统。第一组超焦视口102λ1的第一超焦反射器斑103λ1被配置成选择性地将第一波长带内的光线107作为离散斑束105λ1朝向眼睛晶状体或眼睛目标区域反射。第一超焦反射器斑103λ1沿着波导基板以第一图案分布。第二组超焦视口102λ2的第二超焦反射器斑103λ2被配置成选择性地将第二波长带内的光线107作为离散斑束105λ2朝向眼睛晶状体或眼睛目标区域反射。第二超焦反射器斑103λ2沿着波导基板以第二图案分布。第三组超焦视口102λ3的第三超焦反射器斑103λ3被配置成选择性地将第三波长带内的光线107作为离散斑束105λ3朝向眼睛晶状体或眼睛目标区域反射。第三超焦反射器斑103λ3沿着波导基板以第三图案分布。超焦反射器斑103λ1-103λ3被配置成使得离散的反射斑束105λ1-105λ3具有相对于眼睛晶状体205或眼睛目标区域的角度方向，该角度方向对于以上文已经参考图7至图9B解释的方式捕获显示器的整个视场是必需的。选择超焦反射器斑的孔径大小，以将离散斑束以直径D投射到眼睛上，从而以上文解释的方式实现虚像的超焦聚焦。

在图13所示的实施例中，第一波长带λ1是对应于红光的第一窄波长带，第二波长带λ2是对应于绿光的第二窄波长带，并且第三波长带λ3是对应于蓝光的第三窄波长带。光学图像生成器102是RGB光源，例如但不限于RGB LED。在一些其他实施例中，可以存在比图13所示更多或更少的不同的波长选择性超焦反射器斑组。在一些其他实施例中，每组的波长选择性斑的图案、大小和形状可以不同于图13所示的图案。在其他实施例中，每个波长带可以不同于图13所指示的那些波长带。

在一些实施例中，波长选择性超焦视口102λ1至102λ3或在系统实施例中示出的其他端口可以被配置为波长和角度选择性超焦反射视口。在一些实施例中，这种端口的一个或更多个超焦反射器斑被配置成至少部分地反射具有相对于超焦反射器斑的在为特定反射器选择的特定角度带中的入射角的光学输入光线107，并且在没有反射或反射减少的情况下通过或透射在该特定角度带之外的光学输入光线。在一些实施例中，一个或更多个超焦反射器斑被配置为反射具有相对于超焦反射器斑的在第一角度带中的入射角的光学输入光线107，并且一个或更多个其他超焦反射器斑被配置为反射具有相对于超焦反射器斑的在不同于第一角度带的第二角度带中的入射角的光学输入光线107。

波长选择性和角度选择性超焦反射器斑被配置成实现特定角度选择性的方式将取决于所使用的超焦反射器斑的类型。对于作为衍射光学元件的波长选择性超焦反射器斑，例如但不限于例如图10B所示的那些，角度选择性由所使用的衍射光栅的类型、衍射光栅是以透射模式还是以反射模式被使用以及本领域已知的衍射结构来决定。对于由多层介电涂层或其他光学层形成的波长选择性超焦反射器斑，角度选择性由多层设计决定。举例来说，在一个实施例中，波长和角度选择性超焦反射器斑是由波长和角度调谐的反射涂层(包括但不限于图10C所示的103M1和103M2)制成的超焦反射器斑103。

在一些实施例中，任一实施例的每个超焦反射器斑103中的一个或更多个是角度选择性陷波滤波器超焦反射器斑，其被配置为至少部分地反射具有相对于超焦反射器斑的在为特定超焦反射器斑选择的特定透反射(transflectance)角度带中的入射角的光学输入光线107，并且在没有反射或反射减少的情况下通过或透射入射角高于和低于所选择的特定透反射带的光学输入光线。为特定超焦反射器斑选择的特定透反射角度带对于每个超焦反射器斑可以是相同的，或者对于一个或更多个超焦反射器斑可以是不同的。在一些实施例中，为一个或更多个超焦反射视口组的超焦反射器斑选择的特定透反射角度带可以不同。

在一些实施例中，每个角度选择性陷波滤波器光学超焦反射器斑的特定透反射带可以根据光学波导基板中反射器序列内反射器的反射器顺序来选择。这允许改进的性能，特别是在系统被实现为出射超焦扩展器的实施例的光学超焦反射系统中。代替使用具有平坦角度响应的反射涂层，一定范围的角度选择性超焦反射器斑被包含在光学波导基板内，并且根据它们的反射器在反射器序列内的顺序进行优化。反射器的这种配置确保所需的角度信息被传递通过到序列内的正确的反射器。此外，角度响应确保不会形成二次图像或形成减少的二次图像，并将其携带到连续的反射器，否则会导致不期望的伪像。

作为示例，图9B是根据另一个实施例的光学超焦反射系统，其类似于图9A的系统，但是其中超焦视口的超焦反射器斑是角度选择性超焦反射器斑。根据一个非限制性示例，角度选择性陷波滤波器光学超焦反射器斑103C1至103C6是部分反射的，并且在反射器序列中沿着波导在出射光瞳扩展方向上分布。图14是示出根据一个实施例的对于图9B的光学超焦反射系统中的角度选择性陷波滤波器光学超焦反射器斑103C1至103C6中的每一个，反射率对显示输入光线107入射角的依赖关系的示例曲线图。从图14可以看出，序列中每个超焦反射器斑103C1至103C6的角度依赖性被调谐到光线107的入射角的不同陷波带。在图14的例子中，超焦反射器斑103C1至103C6的角度陷波带的位置根据反射器序列逐渐移动到更高的入射角。图15是示出根据一个实施例的在眼睛处看到的光学反射器斑103C1至103C6的净角度响应的曲线图。

在一些实施例中，基于前述实施例，超焦反射器斑各自被配置为波长选择性超焦反射器斑和角度选择性超焦反射器斑两者。举例来说，在一些实施例中，用于每个离散的图案化超焦反射器斑的波长和角度调谐的反射涂层可以被配置成形成超焦视口，用于增加投射光的每个波长带(例如红色、绿色和蓝色)的光线107的每个角度分布的超焦范围。

在这里描述的每个光学超焦反射系统中，眼睛看到的虚像109的质量取决于各种参数，例如超焦反射视口的分布和超焦反射器斑的形状。关于超焦视口的最佳定位，存在超焦视口分布与欠采样或过采样的平衡。从多个超焦反射器斑中需要的采样量需要对超焦反射器斑之间的间距有较低的限制，这是由最小的典型瞳孔大小设定的。当少于或多于一个的超焦视口分别对在眼睛处形成的重定向图像斑有贡献时，就会出现欠采样和过采样的情况。超焦反射器斑形状也是用于改善场重叠的另一个参数。

在一些其他实施例中，超焦反射器斑是随机化形状，但仍以几何分布，以解决增大的瞳孔大小(＝增加的过采样)。几何分布提供了视场的名义覆盖范围。随机化形状确保平均而言，系统不会从多于一个的超焦反射器斑同时观看到相等的场部分，这将降低HVP效应。

为了更充分地理解如何在本文描述的光学反射中继系统中最佳地定位和分布超焦视口(HVP)102，现在将参考附图16至33。图16示出了放置在位置H处的单个超焦反射视口102，其中眼睛201聚焦在被投射在无限远处的图像上。根据照明条件，对于人类来说，眼睛瞳孔直径P通常在大约2至8mm之间，但是可以高于或低于这些值。在图17中示出了由眼睛看到的被投射在无限远处的相同图像(在没有任何HVP的情况下被引导到眼睛)。在任意焦距H处的单个超焦视口的最简单情况下，如图18所示，单个图像覆盖图像的整个FOV(视场)，这是当聚焦在H处时由眼睛看到的如图17所示被投射在无限远处的图像。图18所示的单个图像对应于形成的虚像109。

图19示出了以等于瞳孔直径P的间距分布的多个超焦视口元件102，其从图像平面重定向图17的投射图像108。图19中的图像平面对应于沿着本文描述的实施例的光学超焦反射系统(波导或自由空间组合器或非组合器)中的任何一个的基板水平地和垂直地延伸的平面，并且端口分布在该平面上。HVP的距离不再在位置H处，而是比焦距H离眼睛更远，几何上需要许多HVP元件102以形成如图19所示的横跨图像平面的FOV的HVP阵列。如果对于瞳孔直径P，HVP元件的间距是d，那么如果d＝P，则图像经历欠采样。这意味着对于给定的入射角，只有一个完整的HVP元件(由连续的HVP元件的两个半部组成)，并且导致场中的微小孔，如图20所示，当聚焦在H处时由眼睛看到的形成图像的阴影区域所示。

在光学超焦反射系统的一些实施例中，通过采用d<P的HVP反射器斑之间的间距，即每个瞳孔直径多于一个完整的HVP元件，以便利用HVP反射器提供瞳孔的过采样，来减轻图像场中的孔。图21示出了以小于瞳孔直径P的间距d分布的多个HVP元件，其从图像平面重定向图17的投射图像。如图22和图23中的每一个所示，根据上述可接受的清晰图像的定义，由眼睛看到的图像提供有可接受的图像质量。然而，过采样会引入如图22所示的微小模糊，该模糊随着每个瞳孔的HVP元件的数量而增加，但是模糊的影响是一个反复试验(trialand error)的问题，取决于反射器大小和瞳孔大小，这将在下面更详细地解释。如图23所示，场中还存在加强(更亮的)区域。

图24是图23的光学超焦反射系统的透视示意图，该系统采用了其中HVP反射器斑之间的间距是d<P的光学系统，并且示出了当眼睛聚焦在距离H<<∞(无限远)并且耦合到波导中的图像在无限远时系统的操作。为了便于说明和解释，视口作为非限制性例子被示出为以1D分布在光学波导的超焦输出耦合部分的相同垂直平面101P中，并且有六个HVP反射器斑。然而，如上文所述，在其他实施例中，视口可以是2D的，并且可以有更多的HVP，这些HVP可以分布在波导的相同或不同的垂直平面中。HVP反射器斑将具有与视口相同的形状，但是在倾斜的2D配置的情况下，其大小将被调整以提供1D视口大小，如上文已经解释的。所需的HVP反射器斑的数量也将取决于图像生成设备的出射光瞳的扩展量，光学超焦反射系统需要执行该扩展量以满足特定增强或虚拟现实系统的规格。

如图24所示，其包括眼睛看到的虚像109，该虚像109示出了当超焦视口102以对于眼睛瞳孔大小最优的方式间隔开时重叠的圆形场区域的模糊，存在重叠区域，在该重叠区域中，由于过采样，超聚焦会变差[轻微模糊]。这是因为圆形视口产生圆形视场。为了确保在眼睛看到的虚像中没有暗块(dark patch)(并因此没有信息损失)，在由相邻的超焦视口102传递的视场中必须有最小的重叠。

根据一些方法，在本文公开的一个或更多个实施例的光学超焦反射系统中，布置HVP以及因此布置相应的HVP反射器斑，使得在眼睛处形成的超聚焦虚像斑之间的干扰较少，并且减轻了由眼睛看到的整体虚像的退化。根据一些实施例，由超聚焦虚像斑视图形成的整体虚像的退化通过控制超焦反射器斑的形状来减轻，使得从各个视口传递的视场呈镶嵌状。

根据一些实施例，HVP元件是六边形视口102H。从图25中可以看出，图25是图24所示系统的示意图，但是其中HVP元件被成形为六边形视口102H而不是圆形视口，并且被布置在波导平面中以形成超聚焦虚像斑视图的镶嵌，当眼睛聚焦在距离H<<∞(无限远)处并且耦合到波导中的图像在无限远时，六边形视口减少了虚像109的重叠的六边形场区域的模糊。从当系统使用圆形视口时眼睛在图24中看到的内容与当系统使用六边形视口(并且因此使用对应的成形超焦反射器斑)以形成超聚焦虚像斑视图的镶嵌图案时眼睛在图25中看到的内容的比较中可以看出，对于图25的系统，由于视场重叠而导致的模糊被减少，并且视口分离针对眼睛瞳孔大小被优化。作为非限制性示例，在本文公开的任何实施例的光学超焦反射系统的一些方法中，超焦反射斑和人眼的眼睛目标区域之间的工作距离通常在大约10mm和75mm之间，并且反射器斑间距离小于1mm。在其他非限制性示例中，反射器斑间距离大于大约500um。在另一些其他示例中，反射器斑间距离在大约500um和8mm之间。如本文所指出的，对于这样的工作距离，典型的超焦反射器斑孔径大小在大约100到1000微米之间，但不限于这个大小。注意，其他工作距离、超焦反射器斑孔径大小和反射器斑间距离被设想，并且将根据所使用的显示系统的类型和旨在观看超聚焦斑图像的光学透镜检测器系统的类型而变化。

在一些其他实施例中，可以采用任何形状的HVP反射斑，其在眼睛或眼睛目标区域处以镶嵌图案形成超聚焦虚像斑，从而有助于减轻虚像的退化。在一些实施例中，布置成提供镶嵌的超聚焦视斑的HVP端口以及因此对应的超焦反射器斑可以具有规则形状和/或随机化形状。在一些实施例中，在眼睛处形成镶嵌图案的HVP反射器斑是随机化形状的HVP斑(但仍然是几何分布的)，以解决增大的瞳孔大小(＝增加的过采样)。采样指的是将光线瞬间引导到眼睛中的超焦反射器斑的数量。

根据一些方法，在光学超焦反射系统中采用根据本文实施例的使用波长反射斑的超焦视口，以减轻眼睛看到的虚像的退化。在一些实施例中，视口的波长选择性超焦斑被布置在光学超焦反射系统中，以在眼睛处形成镶嵌的超聚焦虚像斑的图案，而在其他实施例中，波长选择性超焦反射器斑被布置成使得不存在这样的镶嵌图案。

将超焦视口从是宽带的转换为是波长相关的反射端口具有一些潜在的技术优势。第一个优势是关于外部世界透射，对于光学超焦反射系统被实现为光学组合器的情况，即是对于来自现实世界场景的光通过光学超焦反射系统的光学基板的光学透射。图26示出了诸如OLED的图像源的典型发射光谱、宽带自然太阳光的发射光谱和诸如银镜的典型宽带反射器的反射率。从图26可以看出，宽带反射器本质上不区分外部世界自然光和我们的AR图像光源光。在宽带超焦视口反射器斑的情况下，我们的视口系统向眼睛传递AR图像的效率的最基本度量由所有视口的总面积与光学超焦反射光学基板(波导或护目镜)的总面积之比决定。这将意味着为了将来自图像生成源的光的10％朝向眼睛反射，我们将阻挡10％的外部世界自然光通过光学基板透射到眼睛。通过在超焦视口中采用波长选择性超焦反射器斑，来自外部世界的更多光能够穿过光学基板，而不会降低来自AR图像源的反射光的效率。

可以以不同的方式实现减少视口对来自外部世界的自然光的阻挡。在一些实施例中，这是通过采用覆盖AR图像源的整个RGB发射光谱的波长选择性反射器斑作为每个视口反射器斑来实现的。在一些实施例中，通过将每个视口分成AR图像源发射光谱的三个单独的R、G或B部分，并复制每个R、G和B超焦反射器斑的初始分布，来实现减少来自外部世界的自然光。作为示例，图27至图29示出了根据一些实施例的超焦反射视口的不同配置。图27示出了具有宽带超焦反射器斑(例如具有银镜或介电涂层的斑)的视口。图28示出了具有波长选择性超焦反射器斑的视口，该斑反射总的图像源发射光谱但使其他光通过，以及图29示出了具有波长选择性超焦反射器斑的视口，其中一些斑被配置为仅反射图像源发射光谱的单独的R部分，其中一些斑被配置为仅反射图像源发射光谱的G部分，并且其中一些斑被配置为仅反射图像源发射光谱的B部分，同时允许所有其他光通过。

在图27的布局中，具有宽带超焦反射器斑的视口完全阻挡外部世界自然光，并反射与反射器斑接触的所有AR图像源光。在图28的布局中，具有用于总图像源发射光谱的波长选择性超焦反射器斑的视口，如果外部世界自然光落在超焦反射器斑的反射波长范围之外，允许更多的外部世界自然光穿过基板，而在该范围内，反射与宽带反射器相等或相似百分比的AR图像源光。

图29的布局中示出了具有波长选择性超焦反射器斑的视口，这些斑用于选择AR图像源发射光谱的单独的R、G和B部分。这种配置将波长选择性视口分到它们的RGB组成部分，并偏移每个图案。如果外部世界自然光落在特定的R、G、B波长选择性超焦反射器斑的反射波长范围之外，它们允许更多的外部世界自然光穿过基板，而在该范围之内，分别反射与宽带反射器类似或相等百分比的AR图像源R、G、B光。

在根据一些实施例的光学超焦反射系统中，采用具有用于AR图像源发射光谱的单独的R、G和B部分的波长选择性反射器斑的视口，当涉及到眼睛对超焦视口的欠采样时，提供了潜在的有益效果。当观看视口间距离对眼睛瞳孔来说太大的显示器时，将会出现严重的信息丢失或暗块效果。这种效果在图31和图33中以示例的方式示出，图31和图33示出了根据计算机模型确定的由检测器看到的图像。计算机模型是但不限于Zemax，LLC的光学设计程序，它对光线在光学超焦反射系统中的传播和在检测器处看到的视图进行建模。在图31和图33中示出了在具有宽带反射超焦视口元件的超焦反射系统中欠采样的例子，其中分别地，眼睛聚焦在1m处和眼睛聚焦在无限远处。暗块是位置相关的，因此两个检测器具有不同的视图。图30和图32示出了根据计算机模型由眼睛看到的图像，用于在图29的布局中具有单独的RGB选择性超焦视口的超焦视口显示器中欠采样的示例，其中分别地，眼睛聚焦在1m处和眼睛聚焦在无限远处。

从图30至图33可以看出，当眼睛聚焦在1m和无限远处时，图像处于聚焦，这表明在两种情况下都存在超聚焦。当在图27的布局中使用宽带超焦反射器斑时，通过视口对白色图像进行欠采样的结果是在显示器的一些区域中的信息完全丢失(见图31和图33)。这同样适用于具有在图28的布局中用于总图像源发射光谱的波长选择性反射器的视口，其中RGB反射来自单个超焦反射器斑。然而，在图29的布局中分离的RGB超焦反射器斑的情况下，存在颜色均匀性的损失，但是信息被保持在图像中(见图30和图32)。

如下文将解释的，在一些其他方法中，减轻由眼睛看到的图像的退化的另一种方式是通过在光学超焦反射系统的超焦视口中采用偏振超焦反射器斑来主动控制图像质量。

在光学超焦反射系统的一些方法中，HVP反射器斑是偏振反射器斑。偏振超焦反射器斑可以是被布置成反射感兴趣的偏振状态的线栅格(wire grid)或其他偏振材料。在一些实施例中，一些偏振器超焦反射器斑具有第一配置，并且一些偏振器超焦反射器斑具有不同于第一配置的第二配置。偏振HVP反射器斑可以在光学超焦反射系统(作为光学组合器或非组合器)中实现，该光学超焦反射系统具有光学波导基板或自由空间光学基板，例如但不限于图中所示的那些光学基板。

非偏振的光学图像输入光线从处于具有第一电场的第一偏振状态下的第一偏振状态选择性偏振器超焦反射器斑反射，并从以具有第二电场的第二偏振状态的第二偏振状态选择性偏振器超焦反射器斑反射。在一些实施例中，第一偏振状态可以与第二偏振状态正交或处于中间角度。中间角度可以根据超焦反射斑沿着光学基板的位置来选择。在一些实施例中，第一偏振状态是水平(H)偏振状态，其中第一电场是水平的，并且第二偏振状态是垂直(V)偏振状态，其中第二电场是垂直的。在一些实施例中，偏振超焦反射器斑以第一偏振状态选择性反射器斑和第二偏振状态选择性反射器斑的交替图案分布，例如但不限于交替的水平(H)偏振选择性反射器斑和垂直(V)偏振选择性反射器斑。

参考图34，示出了根据实施例的增强现实显示系统，其中基板是自由空间光学基板(自由空间光学组合器或非组合器)。光学超焦反射系统的超焦反射视口是偏振选择性视口102H、102V。在所示的实施例中，超焦反射视口102H具有水平线栅格形式的水平偏振选择性反射器斑103H，其被配置为反射水平偏振的输入光线107并使垂直偏振的输入光线107通过。超焦反射视口102V具有垂直线栅格形式的垂直偏振选择性反射器斑103V，其被配置为反射垂直偏振的输入光线107并使水平偏振的输入光线107通过。在其他实施例中可以采用其他类型的偏振器。为了便于说明，栅格的线和间距未按比例示出。在一些实施例中，间距在纳米范围内，例如但不限于100-200nm。当非偏振光入射到偏振器上时，具有平行于线栅格的电场的偏振被反射，并且具有垂直于线栅格的电场的偏振被透射。当光学图像输入光线107是非偏振的时，从偏振器超焦反射器斑103V反射的光学显示输入光线107是以垂直电场偏振的，并且超焦反射器斑103V使水平电场通过，而从偏振器超焦反射器斑103H反射的光学图像输入光线107是以水平电场偏振的，并且超焦反射器斑103H使垂直电场通过。

在图34的光学系统中，光学图像输入光线107是动态偏振的。为此，来自图像生成设备120(在这种情况下是投影仪)的图像108经由偏振模块134(这里是LC模块)改变偏振状态。当光学输入图像处于水平H偏振状态时，只有103H超焦反射器斑反射具有H偏振状态的离散斑束105H，并且103V超焦反射器斑不反射任何H状态光学输入光线。当图像处于垂直V偏振状态时，只有103V超焦反射器斑反射具有V偏振状态的离散斑束105V，并且103H超焦反射器斑不反射任何V状态光学输入光线。光学图像输入光线107可以是动态偏振的，或者在H和V之间、或在H和V一起与H和/或V之间持续线性偏振、或圆形偏振，或者通过改变椭圆状态的程度，使得图像从H状态的HVP元件、V状态的HVP元件或同时从这两者连续地被引导到眼睛。如果期望更大数量的HVP区域，这种方法克服了过采样问题。在一些实施例中，配置有第一偏振状态的一些或所有超焦反射器斑可以配置有除垂直偏振状态以外的偏振状态，和/或配置有第二偏振状态的一些或所有超焦反射器斑可以配置有除水平偏振状态以外的偏振状态。第一偏振状态可以与第二偏振状态正交或者处于中间角度。中间角度可以根据超焦反射斑沿着光学基板的位置来选择。

可以为光学超焦反射系统实现相应的设置，其中基板是光学波导而不是自由空间基板。作为示例，图35示出了这种光学超焦反射系统的透视图，其中H偏振状态超焦反射器斑103H和V偏振状态超焦反射器斑交替地沿着波导分布，在彼此间隔开的公共平面117中被组合在一起。光学图像输入光线107可以是动态偏振的，或者在H和V之间连续偏振，在H和V之间具有圆形偏振，或者通过改变椭圆状态的程度，使得图像从H状态的HVP元件、V状态的HVP元件或者同时从这两者连续地被引导到眼睛。如果期望更大数量的HVP区域，这种方法克服了过采样问题。在一些实施例中，配置有第一偏振状态的一些或所有超焦反射器斑可以配置有除垂直偏振状态以外的偏振状态，和/或配置有第二偏振状态的一些或所有超焦反射器斑可以配置有除水平偏振状态以外的偏振状态。第一偏振状态可以与第二偏振状态正交或者处于中间角度。中间角度可以根据超焦反射斑沿着光学基板的位置来选择。

如例如通过图34和图35的光学系统的实施例所证明的，在一些方法中，通过改变光学显示输入光线107的偏振，系统能够动态地改变瞳孔上的活动的超焦反射器斑和非活动的超焦反射器斑的分布，以考虑不同的瞳孔大小和位置。活动的超焦反射器斑是那些被实际上开启的斑，也就是说，它们是反射光学输入光线107的斑，因为光学输入光线107是根据那些超焦反射器斑的偏振选择状态而偏振的。非活动的超焦反射器斑是那些被实际上“关闭”的斑，也就是说，它们不反射光学输入光线107，因为光学输入光线输入不是根据那些超焦反射器斑的偏振选择状态而偏振的。

在光学超焦反射系统被实现为出射光瞳扩展器的一些实施例中，通过改变光学输入光线的偏振而导致的反射超焦反射器斑和非反射超焦反射器斑的分布的这种动态改变可以被采用，以通过根据沿着波导的斑位置改变第一偏振状态选择性反射器斑的密度和/或第二偏振状态选择性反射器斑的密度来控制沿着出射光瞳扩展方向穿过波导的强度。在一些实施例中，第一偏振状态选择性反射器斑是水平(H)偏振状态选择性反射器斑，并且第二偏振状态反射斑是垂直(V)偏振状态选择性反射器斑。

作为示例，参考图36，图36示出了一种极端情况，其中只有具有V偏振状态的超焦反射器斑占据倾斜的公共反射器平面117V，只有具有H偏振状态的超焦反射器斑占据沿着波导进一步间隔开的下一个倾斜的公共反射器平面117H，并且具有V偏振状态的超焦反射器斑和具有H偏振状态的超焦反射器斑的组合占据沿着波导更进一步间隔开的最终倾斜的公共反射器平面117HV。通过改变光学输入图像偏振状态，人们可以选择H和V状态的每个反射器，因此光不会被前面的HVP元件遮挡(也最小化了二次光线的产生)。增加特定偏振状态下的持续时间允许控制(最大化)特定HVP区域处的亮度——即，由于传播损耗(包括前面的HVP元件的影响)，离投影仪最远的区域通常会更暗，但是如果圆偏振光被发射到波导中，则该区域会显得更亮。在一些实施例中，配置有第一偏振状态的一些或所有超焦反射器斑可以配置有除垂直偏振状态以外的偏振状态，和/或配置有第二偏振状态的一些或所有超焦反射器斑可以配置有除水平偏振状态以外的偏振状态。第一偏振状态可以与第二偏振状态正交或者处于中间角度。中间角度可以根据超焦反射斑沿着光学基板的位置来选择。

如偏振相关的超焦视口的前述示例所说明的，偏振相关的反射视口允许视口的分布基于图像偏振而变化，从而导致改进的图像质量。

在采用波长选择性超焦反射视口的光学超焦反射系统的一些方法中，光学超焦反射系统可以被配置为具有多个光学波导的显示器。在所有这样的实施例中，选择超焦反射器斑的孔径大小，使得反射的离散虚像斑束105在目标区域处具有直径D，从而以上文解释的方式在位于目标区域的眼睛或其他透镜检测器处实现虚像斑束的超焦聚焦。每个输出耦合光栅由不同的超焦视口组成，这些视口的尺寸可以与本文参考使用单个光学波导的系统的其他实施例描述的部分或完全反射视口的尺寸相同，但是考虑了第一波导相对于第二波导的视斑(apparent spot)到目标光路长度差异。

每个波导包括衍射光学元件形式的波长选择性超焦反射器斑，以选择性地将特定波长或波长带的光线107反射为离散斑束105。在一些其他实施例中，可以使用除衍射光学元件之外的波长选择性超焦反射器斑。超焦反射器斑可以是部分反射斑、完全反射斑或两者的组合。

每个波导中的衍射光学元件反射器斑组通常以与本文描述的其他波导实施例的衍射超焦反射器斑相同的方式配置。然而，为了最大化衍射波导显示器的角度带宽，同时也最小化不同颜色之间的串扰(由此一种颜色的光线被具有旨在用于另一种颜色的间距的光栅不正确地衍射)，衍射波导显示器包括多个波导，其中不同的特定波长或波长带或光学输入图像的颜色被不同光学波导中的衍射光学元件超焦反射器斑选择性地反射。在一些实施例中，多个波导被夹在一起或者以夹层(sandwich)配置彼此非常接近地放置。

在一些实施例中，多个波导中的各个波导包括各自的被配置成选择性地反射各自特定颜色或波长带的光学图像输入光线的衍射光学元件超焦反射器斑组。在一些实施例中，由多个波导中的一个波导中的一组超焦反射器斑选择性地反射的光学图像输入光线的特定颜色或波长带不同于由另一个波导中的另一组超焦反射器斑选择性地反射的光学图像输入光线的特定颜色或波长带。在一些实施例中，多个波导中的一个或更多个波导包括多个不同的超焦反射器斑组。在一些实施例中，由多个波导中的波导中的一组超焦反射器斑选择性地反射的光学图像输入光线的特定颜色或波长带不同于由同一波导中的另一组超焦反射器斑选择性地反射的光学图像输入光线的特定颜色或波长带。

在光学超焦反射系统被配置为衍射光学显示器的一些方法中，该系统具有两个波导。光学输入图像106是多色图像。在这样的实施例中，多色图像由三种不同的颜色(第一、第二和第三颜色)组成，并且光学输入图像106的颜色在两个波导之间被分开。第一光学波导的衍射输入耦合器被配置成选择性地衍射第一和第二颜色的一些光学图像输入光线，同时使第三颜色的光学图像输入光线通过，并且将第二颜色的至少一些光学输入图像光线传递到第二光学波导。第二光学波导的衍射输入耦合器被配置成选择性地衍射已经穿过第一衍射输入耦合器的第三颜色和第二颜色的至少一些光学图像输入光线。

作为示例，图37至图39示出了根据一个实施例的光学超焦反射系统，其被配置为具有多个光学波导的衍射波导显示器。第一波导的衍射输入耦合器被优化以衍射波长为λ1和λ2的光线光学输入光线107，而第二波导被优化以衍射波长为λ2和λ3的光学输入光线107。通常，λ1＝蓝色，λ2＝绿色，以及λ3＝红色。在其他实施例中，λ1、λ2和λ3可以分别对应于不同的颜色。在一些实施例中，λ1、λ2和λ3可以以不同的顺序表示蓝色、绿色和红色。例如，在一些实施例中，λ1＝红色，λ2＝绿色，以及λ3＝蓝色。作为非限制性示例，对于诸如有机发光二极管(OLED)的图像源，λ1＝450nm，λ2＝532nm，以及λ3＝640nm(例如，参见示出OLED的典型发射光谱的图26)。在一些实施例中，λ1、λ2和λ3中的至少一些彼此不同，并且对应于任何波长的光。波导中的衍射光栅被配置成选择性地衍射具有某些波长的光。在一个非限制性示例中，为了选择性地衍射蓝光、绿光、红光中的任何一种或组合，输入衍射光栅间距被相应地选择在大约300nm到500nm的间隔量级。选择的间距取决于FOV和基板材料的类型(对于临界角引导条件)。

更详细地参考图37至图39的示例性实施例，图37是单独截取的光学波导之一(即第一光学波导基板101G1)的透视图。每个光学波导基板是适用于增强现实或虚拟现实显示器的任何光学波导基板，例如本文公开的任何实施例的光学波导基板101。光学波导基板101G1包括第一光学输入耦合部分150G1和第一输出耦合部分160G1。第一光学输入耦合部分150G1和第一光学耦合部分160G1在出射光瞳扩展方向118上沿着第一波导基板101G1彼此间隔开。第一光学输入耦合部分150G1经由附加的第一光瞳扩展区域155G1光学耦合到第一光学输出耦合部分160G1。在一些实施例中，可以省略附加的第一光瞳扩展区域。

第一光学输入耦合部分150G1包括第一光学输入衍射光栅151G1，其被配置为在光瞳扩展方向118上沿着第一光学波导基板选择性地将特定第一波长λ1的光学输入光线107和具有特定第二波长λ2的一部分光学输入光线107衍射并由此内反射到第一光学波导101G1中(见图39)。第一光学输入衍射光栅151G1还被配置为使没有被衍射到第一波导101G1中的具有特定波长λ2的至少一些光学输入光线107穿过其中，并且还使具有第三特定波长λ3的光学输入光线107穿过其中离开第一光学基板的面，而不是内反射它们。第一输入衍射光栅151G1具有光栅配置和间距，以沿着光学波导基板101G1在光瞳扩展方向118上选择性地反射具有特定波长或波长带λ1、λ2的光学输入波107，并使其他波长穿过其透射。

第一附加光瞳扩展区域155G1是设置在第一光学输入耦合部分150G1和第一光学输出耦合部分160G1之间的第一扩展衍射光栅156G1。在其他实施例中，第一附加光瞳扩展区域155G1可以是适合于在光瞳扩展方向118上扩展特定波长的光学输入光线的另一种类型的光瞳扩展部件，该特定波长的光学输入光线被第一光学输入耦合区域150G1选择性地内反射并沿着第一光学波导传播。第一扩展衍射光栅151G1被配置为选择性地沿着第一光学波导101G1在内部衍射特定波长的光学输入光线107，以在扩展方向118上在2维上扩展图像生成系统的出射光瞳。在图37至图39所示的示例中，第一扩展衍射光栅151G1具有光栅配置和间距，以进一步沿着第一光学波导基板在光瞳扩展方向118上，选择性地衍射接收到的波长为λ1、λ2的反射的第一光学输入光线107。

第一光学输出耦合160G1包括第一超焦视口102G1的多个第一超焦反射器斑103G1，其形式为设置在第一光学波导101G1中的衍射光学元件。第一衍射光学元件反射器斑103G1是嵌入第一光学波导基板的表面中的衍射光栅。在一些其他实施例中，衍射光栅被进一步嵌入到基板101G1的体积中或者设置在表面上。第一衍射光栅超焦反射器斑103G1被配置成选择性地将具有特定第一波长λ1和特定第二波长λ2的光学输入光线102，作为由第一和第二特定波长105λ1和λ2的光线组成的离散斑束，朝向眼睛晶状体或眼睛目标区域反射。在该示例中，第一衍射光栅超焦反射器斑103G1具有光栅配置和光栅间距，以选择性地将具有第一特定波长λ1和第二特定波长λ2的第一光学输入波107，作为由第一和第二特定波长的光线组成的离散斑束105λ1、λ2，朝向眼睛或其他光学检测器目标反射。第一衍射光栅超焦反射器斑103G1沿着第一波导基板的第一输出耦合部分被布置成第一图案。在US9946068中可以找到用于在光学波导中扩展和选择性地反射不同颜色的衍射光栅间距和材料的示例，该专利的内容通过引入被并入本文。

类似于光学波导基板101G1的第二光学波导基板101G2以并排或夹层配置与第一光学波导101G1相邻布置。第一光学波导基板101的正面面向第二光学波导基板101的背面。第一光学波导101G1与第二光学波导102G2平行或基本平行布置。间隙设置在第一光学波导101G1和第二光学波导101G2之间。在一些其他实施例中，第一光学波导101G1可以与第二光学波导101G2直接接触，其间没有任何间隙。

第二光学波导基板101G2中包括的元件通常对应于第一光学波导101G1中由相同的参考标记标识的那些元件，但是标识第二基板中元件的参考标记以“G2”而不是“G1”结尾。然而，第二光学输入部分105G2、第二附加光瞳扩展区域155G2和第二输出耦合部分105G2的配置分别不同于第一光学输入部分105G1、第一附加光瞳扩展区域155G1和第一输出耦合部分105G1的配置，因为它们被配置成选择性地反射特定第二波长λ2和特定第三波长λ3的光学输入光线。第一波长λ1、第二波长λ2和第三波长λ3是不同的波长。在图37至图39的示例中，λ1对应于蓝色，λ2对应于绿色，以及λ3对应于红色。第二光学输入光栅151G1具有光栅配置和光栅间距，以选择性地将波长λ2和λ3的光学输入光线107沿着第二光学基板朝向第二扩展衍射光栅155G2反射。第二扩展衍射光栅155G2具有光栅配置和间距，以选择性地将接收到的波长λ2和λ3的光学输入光线进一步沿着第二光学基板101G2朝向第二输出耦合部分160G2反射。此外，第二光学输出耦合160G2包括第二超焦视口102G2的多个第二超焦反射器斑103G2，其形式为沿着光瞳扩展方向118分布在第二光学波导101G2中的衍射光学元件。该实施例中的超焦反射衍射光学元件斑103G2是第二衍射光栅，其被配置为分别选择性地将第二波长λ2和第三波长λ3的光学输入光线，作为由第二和第三波长105λ2和λ3的光线组成的离散斑束105，朝向眼睛晶状体或眼睛目标区域反射。在该示例中，第二衍射光栅超焦反射器斑103G2具有光栅配置光栅间距，以选择性地反射分别对应于绿光和红光的波长λ2和λ3。

第二衍射光栅超焦反射器斑103G2沿着第二波导基板的第二输出耦合部分被布置成第二图案。在该实施例中，第二衍射光栅超焦反射器斑103G2的第二图案不同于第一衍射光栅超焦反射器斑103G2的第一图案。设想了第一衍射光栅超焦反射器斑和/或第二衍射光栅超焦反射器斑的其他图案，其可以是规则的或不规则的。

第一和第二超焦反射器斑103G1和103G2沿着出射光瞳扩展方向118间隔开，使得离散的反射斑束105具有相对于眼睛晶状体205或眼睛目标区域的角度方向，该角度方向对于以上文已经参考图7至图9B解释的方式捕获显示器的整个视场是必需的。选择超焦反射器斑103G1和103G2的孔径大小，使得离散斑束在眼睛或其他透镜检测器的目标区域处具有直径D，从而以上文解释的方式实现虚像斑的超聚焦视图。

第一光学波导基板101G1的第一输出耦合部分160G1的第一超焦反射器斑103G1相对于第二光波基板101G2的第二输出耦合部分160G2中的第二超焦反射器斑103G2交错或以其他方式分布在出射光瞳扩展方向118上，使得在眼睛目标区域或其他光学检测器目标区域处观看的、由从第一超焦反射器斑103G1反射的离散斑束105λ1λ2形成的超聚焦斑图像不与由从第二超焦反射器斑103G2反射的离散斑束105λ2λ3形成的超聚焦斑图像重叠。以与单个波导的超聚焦斑图像相同的方式(参见图21至图33的示例)，这在图像质量和视场方面提供了好处。例如，与导致超聚焦斑图像重叠的布置相比，它允许整个观看图像的视场和/或质量增加。

在一些其他实施例中，可以存在比图37至图39所示更多或更少的波长选择性超焦反射器斑103G1、103G2。在一些其他实施例中，每组的波长选择性斑103G1、103G2的图案、大小和形状可以不同于所示出的图案。在其他实施例中，每个特定波长可以不同于所指示的那些波长。此外，在一些实施例中，第一超焦反射器斑103G1和第二超焦反射器斑103G2被成形为六边形斑或其他形状(其可以是规则的、不规则的或两者的组合)，并且相对于彼此布置，使得由组合获取的第一超焦反射器斑103G1和第二超焦反射器斑103G2形成的超聚焦斑图像以类似于单个光学波导中的超焦反射斑的方式在眼睛目标区域处形成超聚焦斑图像的镶嵌(参见例如图21至图33以及关于斑形状和超聚焦斑图像的镶嵌的相应描述)。

在光学超焦反射系统被配置为衍射光学显示器的一些方法中，该系统具有至少三个光学波导。每个波导被设计成仅支持三种不同颜色中的一种颜色，因此与仅使用两个光学波导相比，光栅设计更简单。光学输入图像106是多色图像。在该实施例中，多色图像由三种不同的颜色(第一、第二和第三颜色，例如分别为蓝色、绿色、红色)组成，并且光学输入图像106的颜色在三个波导之间被分开。波导中的衍射光栅被配置成选择性地衍射具有特定波长的光。在一个非限制性示例中，为了选择性地衍射蓝光、绿光和红光中的任何一种或组合，输入衍射光栅间距被相应地选择在大约300nm到500nm的间隔量级。选择的间距取决于FOV和基板材料的类型(对于临界角引导条件)。

与第一光学波导基板相关联的第一衍射输入耦合器被配置成衍射第一颜色的一些光学图像输入，同时将第二和第三颜色的光学图像传递到第二光学波导。与第二光学波导基板相关联的第二衍射输入耦合器被配置成衍射第二颜色的一些光学图像输入，同时将第三颜色的光学图像传递到第三光学波导。第一、第二和第三光学波导基板的第一、第二和第三光瞳扩展光栅分别选择性地沿着基板内反射第一、第二和第三颜色的光学图像。第一波导基板的第一超焦反射斑被配置成选择性地反射由第一波长的光线组成的离散斑束。第二波导基板的第二超焦反射斑被配置成选择性地反射由第二波长的光线组成的离散斑束。第三波导基板的第三超焦反射斑被配置成选择性地反射由第三波长的光线组成的离散斑束。

作为具有三个光学波导的这种光学超焦反射系统的例子，参考图40和图41，它们示出了根据一个实施例的具有三个光学波导的衍射波导显示器。第一波导基板101G1中的第一衍射输入耦合器171G1被配置成在出射光瞳扩展方向118上内部地选择性地衍射具有波长λ1的光学输入光线107，并将光线107λ2和λ3传递到第二光学波导102G2。第二波导101G2具有相对于第一衍射光学耦合器171G1定位的第二衍射输入耦合器171G2，使得穿过第一衍射光学耦合器171G1的光线107λ2和λ3被第二光学波导101G2的第二衍射光学耦合器171G2接收。第二衍射输入耦合器171G2被配置为衍射接收到的具有波长λ2的光学输入光线107，并将接收到的光线107λ3传递到第三光学波导103G2。第三波导101G3具有第三衍射输入耦合器173G2，其相对于第一和第二衍射光学耦合器173G1和173G2定位，使得穿过第一和第二衍射光学耦合器的光线107λ3被第三光学波导101G3的第三衍射光学耦合器173G3接收。分别选择性地衍射第一、第二和第三波长的第一、第二和第三衍射扩展光栅176G1、176G2和176G3分别设置在第一、第二和第三光学波导101G1、101G2、101G3中，以进一步在方向18上扩展光学输入图像生成系统出射光瞳。

第一、第二和第三超焦反射器斑173G1、173G2和173G3分别分布在第一、第二和第三光学波导的第一、第二和第三输出耦合部分160G1、160G2和160G3中。超焦反射斑可以是部分反射斑、完全反射斑或两者的组合。第一超焦反射器斑173G1被配置成选择性地将波长为λ1的光线107作为离散斑束105λ1朝向眼睛晶状体或眼睛目标区域反射。第一超焦反射器斑173G1以第一图案分布在第一光学基板101G1的第一输出耦合部分160G1中。第二超焦反射器斑173G2被配置成选择性地将波长为λ2的光线107作为离散斑束105λ2朝向眼睛晶状体或眼睛目标区域反射。第二超焦反射器斑173G2以第二图案分布在第二光学基板101G2的第二输出耦合部分160G2中。第三超焦反射器斑103G3被配置成选择性地将波长为λ3的光线107作为离散斑束105λ3朝向眼睛晶状体或眼睛目标区域反射。第三超焦反射器斑103G3以第三图案分布在第三光学基板101G3的第三输出耦合部分160G3中。

以这种方式，三个光学波导被优化用于分别衍射具有不同波长λ1、λ2和λ3的光学输入光线107。典型地，λ1＝蓝色，λ2＝绿色，以及λ3＝红色。在其他实施例中，λ1、λ2和λ3可以分别对应于不同的颜色。在一些实施例中，λ1、λ2和λ3可以以不同的顺序表示蓝色、绿色和红色。例如，在一些实施例中，λ1＝红色，λ2＝绿色，以及λ3＝蓝色。作为非限制性示例，对于诸如有机发光二极管(OLED)的图像源，λ1＝450nm，λ2＝532nm，以及λ3＝640nm(例如，参见示出OLED的典型发射光谱的图26)。在一些实施例中，λ1、λ2和λ3中的至少一些彼此不同，并且对应于任何波长的光。

第一、第二和第三超焦反射器斑173G1、173G2、173G3被配置成使得离散的反射斑束105具有相对于眼睛晶状体205或眼睛目标区域的角度方向，该角度方向对于以上文已经参考图7至图9B解释的方式捕获显示器的整个视场是必需的。选择超焦反射器斑的孔径大小，以将具有直径D的离散斑束投射到眼睛或其他透镜检测器上，从而以上文解释的方式实现虚像斑视图的超聚焦。

第一超焦反射器斑173G1、第二超焦反射器斑173G2和第三超焦反射器斑173G3在出射光瞳扩展方向118上相对于彼此交错或以其他方式分布，使得在眼睛目标区域或其他光学检测器目标区域处观看的、由分别从第一、第二和第三超焦反射器斑173G1、173G2和173G3反射的离散斑束105λ1、105λ2、105λ3形成的超聚焦斑图像彼此不重叠。以与单个波导的超聚焦斑图像相同的方式(参见图21至图33的示例)，这在图像质量和视场方面提供了好处。例如，与导致超聚焦斑图像重叠的布置相比，它允许整个观看图像的视场和/或质量增加。

在一些其他实施例中，可以存在比图40和图41所示更多或更少的波长选择性超焦反射器斑。在一些其他实施例中，每组的波长选择性斑的图案、大小和形状可以不同于所示出的图案。在其他实施例中，每个特定波长可以不同于所指示的那些波长。此外，在一些实施例中，超焦反射器斑被成形为六边形斑或其他形状(其可以是规则的、不规则的或两者的组合)，并且相对于彼此布置，使得由组合获取的第一超焦反射器斑173G1、第二超焦反射器斑173G2和第三超焦反射器斑173G3形成的超聚焦斑图像以类似于单个光学波导中的超焦反射斑的方式在眼睛目标区域处形成超聚焦斑图像的镶嵌(参见例如图21至图33以及关于斑形状和形成超聚焦图像斑的镶嵌的相应描述)。

如参考具有多于一个光学波导基板的光学超焦反射系统的不同示例性实施例所说明的，来自不同波导的输出耦合器的布置可以被布置成使得所形成的超聚焦斑图像不重叠，如本文前面描述的用于单个光学波导基板的波长选择性反射视口一样。以同样的方式，这允许输出的FOV增加。

通过具有多个光学波导的衍射显示器的前述例子可以看出，每个输出耦合光栅由不同的超焦视口组成，这些视口的尺寸可以与本文参考使用单个光学波导的系统的其他实施例描述的部分或完全反射视口的尺寸相同，但是考虑了第一波导相对于第二波导的视斑到目标光路长度差异。

在一些其他方法中，设想使用多于三个光学波导的光学超焦反射系统用于选择性地反射多于三种不同波长的离散斑束。

在又一些其他方法中，根据本文公开的实施例的具有多个光学波导的光学超焦反射系统具有附加地被配置为不同偏振反射器斑的超焦反射器斑，例如但不限于图35和图36的实施例的那些，并且该系统包括LC模块或其他模块，用于根据需要将光学输入图像的偏振动态地切换到相应的光学波导中，以实现本文已经参考单个光学波导讨论的益处。

上述实施例的光学显示系统说明，通过使用超焦反射视口，该系统允许从无限远一直到H(超焦距)的范围，在该范围内，眼睛可以舒适地适应初始在无限远处的图像而不损失分辨率。此外，该系统使用会聚来驱动眼睛晶状体的调节，允许晶状体聚焦在其最舒适的位置处，并根据我们之前的定义保持可接受的清晰图像。

现在将参考根据本技术的一些方面的一些控制系统，用于优化显示器中光学超焦反射系统的虚像的超聚焦人眼视图。

根据一些方面，提供了眼睛跟踪显示图像编辑系统和方法，其中通过眼睛跟踪，会聚被用来欺骗大脑相信无论现实世界中的眼睛注视如何，计算机生成的对象都处于焦点中，从而允许视口的超焦范围支持适当的调节。在一个实施例中，该系统被配置为以与透视的现实世界场景相同的外观对超出范围的对象应用选择性模糊。

作为非限制性示例，参考图42和图43，其中光学超焦反射系统以根据这里描述的实施例解释的方式被配置为光学组合器。人眼正在观察叠加在超聚焦虚拟显示图像上的现实世界场景。现实世界场景包括在与观察者的眼睛间隔开的不同平面中的现实世界对象。在该非限制性示例中，现实世界场景包括对象平面1和现实世界对象平面2。现实世界对象平面1被设置在距眼睛目标区域平面的X1距离处，并且真实对象平面2被设置在比平面1更远的平面2中，其距眼睛目标区域或眼睛平面的距离为X2(参见图42和图43)。当眼睛直接居中时，即当眼睛注视角度为零时，每只眼睛的零光轴也显示在图42和图43中。

在图42中，眼睛正在注视平面1中的真实对象，该平面1上叠加有超聚焦虚像，也就是说，平面1距眼睛目标区域或眼睛的距离为X1。当眼睛直接位于现实世界场景和叠加的虚拟显示图像的中心时，每只眼睛的注视方向被表达为相对于眼睛光轴的注视角。注视角θ1a和θ1b分别对应于看着比平面2更近的平面1的左眼和右眼的注视角。注视方向可以以不同的方式测量和表达，例如眼睛的视线或眼睛的可见轴，例如其可能受到眼睛移动、头部移动和/或其他身体移动的影响。本文公开的眼睛跟踪和图像编辑实施例的方法和系统不限于测量或表达注视方向或角度的任何特定方式。可以采用代表每只眼睛的注视方向的任何类型的测量。

在图43中，眼睛正在注视现实世界场景对象平面2的方向，该平面2上叠加有超聚焦虚拟显示图像，其距眼睛目标区域或眼睛的平面的距离为X2。注视角θ2a和θ2b分别对应于看着平面2的左眼和右眼的注视角，平面2比平面1离眼睛更远。通过跟踪眼睛并确定注视方向，确定眼睛正在看着的现实世界对象平面。识别显示图像中旨在出现在离眼睛正在看的现实世界对象平面更近或更远的超聚焦虚像中的对象。显示图像中被识别为旨在比眼睛正在注视的现实世界对象平面离眼睛更远或更近的一个或更多个对象可以被编辑，使得显示图像对象被模糊或被以其他方式改变，以给出这样的印象，即当超聚焦虚拟显示图像与现实世界场景叠加时，那些被识别的显示对象相对于现实世界对象平面失焦。

作为非限制性示例，原始未编辑的显示图像包括正方形对象和圆形对象。对于图42的情况，其中现实世界对象平面在附近，导致眼睛上更大的辐辏角，原始图像被编辑，使得显示器上产生的图像显示为意图在距离x1处的圆形和在距离x2处的正方形。由于两个图像看起来都将在焦点上，所以眼睛跟踪被用来监测眼睛的注视，使得如果看着平面x1，则数字模糊被应用于正方形(并且通常应用于不在平面x1的任何对象)。当眼睛进一步向外聚焦到与正方形的位置一致的对象平面x2时，数字模糊被改为应用于圆(并且通常应用于不在平面x2的任何对象)。

眼睛跟踪可以通过直接观看或间接观看来执行。在前一种情况下，微型宽视角相机模块位于显示器附近，以直视眼睛。作为示例，图44示出了根据实施例的以直接观看配置来配置的眼睛跟踪相机模块，该眼睛跟踪相机模块跟踪通过光学超焦反射系统观察现实世界场景的眼睛。对于间接观看，显示器或另一个直接表面可以在NIR区域中结合(许多公司，例如3M，已经开发了类似的，在全息薄膜上工作的)反射全息或衍射层，其允许眼睛的图像被反射到微型宽视角相机模块。作为示例，图45示出了根据实施例的以间接观看配置来配置的眼睛跟踪相机模块，该模块跟踪通过光学超焦反射系统观察现实世界场景的眼睛；

在这两种情况下，照明可以在可见光或NIR波长区域中由显示表面提供。

图46是根据实施例的用于优化光学超焦反射系统的虚像的超聚焦人眼视图的各种控制系统的框图。光学超焦反射系统是本技术在此阐述的实施例的光学超焦反射系统中的任何一种。如图46所示，控制系统4000包括眼睛跟踪显示图像编辑系统，该系统包括可操作地连接到显示图像编辑系统4204的眼睛跟踪系统4201。显示图像编辑系统或控制器4204或其一部分可以位于远离显示器的位置，并通过计算机处理机器(例如但不限于图49的示例性计算机机器)实现。在一些其他实施例中，显示图像编辑系统4204位于头戴式显示器或其他显示器的本地，并且可以包括被配置为执行与计算机器类似的功能的集成电路或其他电路。如果位于远处，则显示图像编辑系统经由无线或蜂窝模块4203可操作地连接到眼睛跟踪系统。

眼睛跟踪系统4201包括眼睛跟踪相机4202和相关联部件，包括任何跟踪处理器或控制器4203。跟踪处理器或其一部分可以位于远离显示器的位置，并通过计算机处理机器(例如但不限于图49的示例性计算机机器)实现。眼睛跟踪相机可操作地本地地或经由无线/蜂窝模块远程地耦合到眼睛跟踪处理器。在一些其他实施例中，眼睛跟踪处理器位于头戴式显示器或其他显示器的本地，并且可以包括被配置为执行与计算机器类似的功能的集成电路或其他电路。如果位于远处，跟踪处理器经由无线或蜂窝模块4203可操作地连接到眼睛跟踪相机4202。显示图像处理器可以并入显示图像生成系统4205本身，或者并入可操作地耦合到显示图像生成系统的独立处理器。显示图像生成系统光学耦合到光学超焦反射系统。

图46中的控制系统还包括亮度控制系统，用于控制到达光学超焦反射系统的观察者的眼睛的外部世界亮度的量。亮度控制系统具有可操作地连接到眼睛跟踪系统的电暗化滤光器(electro-darkening filter)4501，该眼睛跟踪系统可以是用于监测注视方向的同一眼睛跟踪系统4201，或者可以是另一个单独的眼睛跟踪系统。眼睛跟踪系统被配置成监测眼睛瞳孔大小。电暗化滤光器4501可根据来自眼睛跟踪系统的反馈控制来配置，以根据外部世界亮度来控制到达眼睛的外部世界亮度的量，从而控制眼睛瞳孔大小。因此，电暗化滤光器(称为电致变色(electrochromic)滤光器/面板)能够控制系统内的外部世界亮度，并因此控制瞳孔大小。以这种方式，眼睛同时观察的超焦视口的数量可以由系统控制。在一些实施例中，电暗化滤光器系统被配置成控制眼睛正在观察的超焦视口的最大数量，同时确保可接受的清晰图像。

在一些其他实施例中，电暗化滤光器系统被包括在控制系统中，而没有显示图像编辑系统。在一些其他实施例中，显示图像编辑系统被包括在控制系统中，而没有电暗化滤光器。

在一些方面，本文公开的实施例的任何光学超焦反射系统中的一个或更多个被结合到头戴式显示器中。在一些实施例中，眼镜或其他形状因子增强现实头戴式显示器中包括一对光学超焦反射系统。图47示出了根据一个实施例的一副头戴式显示眼镜的前视图。护目镜型头戴式显示器或其他类型的眼镜具有左眼光学超焦反射系统4215和右眼光学超焦反射系统4210。显示图像生成系统被包括在头戴式显示器中。光学超焦反射系统可以是这里描述的实施例的光学超焦反射系统中的任何一个，具有或不具有电暗化滤光器。光学显示图像生成系统可以包括生成用于双目观看的计算机形成的图像的处理模块4205和光学图像投影仪4206、4207以及用于每只眼睛的相关联的光学耦合件。光学显示图像生成系统可以是这里公开的实施例的显示图像生成系统中的任何一个，只要适合于所使用的光学超焦反射系统的类型。光学机械框架(opto mechanical frame)4220牢固地保持光学零件并保持正确的几何对准。在一些实施例中，形成的图像用于单目观看，并且仅一个光学超焦反射系统和相关联的显示图像生成系统被包括在头戴式显示器中。还包括眼睛跟踪系统和亮度控制系统(见4208)。眼睛跟踪系统和亮度控制系统可以是这里描述的实施例的眼睛跟踪系统和亮度控制系统中的任何一个，或者是另一种类型的系统。在一些实施例中，省略了眼睛跟踪系统。在一些实施例中，省略了电暗化滤光器和亮度控制系统。

在一些实施例中，其中结合了一个或更多个光学组合器的头戴式显示器是头盔形状因子增强现实头戴式显示器。图48示出了根据一个实施例的头戴式显示头盔的前视图。头盔头戴式显示器具有处理模块4305，其生成用于双目观看的计算机形成的图像。头戴式显示器中包括左眼光学超焦反射系统4315和显示图像生成系统4307以及右眼光学超焦反射系统4320和显示图像生成系统4306。每个系统中的光学超焦反射系统可以是这里描述的实施例的光学超焦反射系统中的任何一个，具有或不具有电暗化滤光器。显示图像生成系统可以是这里公开的实施例的显示图像生成系统中的任何一个，只要适合于所使用的光学超焦反射系统的类型。光学图像投影仪和光学耦合件可以例如形成显示图像生成系统的一部分。光学机械子框架4300牢固地保持光学零件并保持正确的几何对准。光学机械子框架由机械坚固的头盔外壳支撑。还包括眼睛跟踪系统和亮度控制系统(见4308)。眼睛跟踪系统和亮度控制系统可以是这里描述的实施例的眼睛跟踪系统和亮度控制系统中的任何一个，或者是另一种类型的系统。在一些实施例中，省略了眼睛跟踪系统。在一些实施例中，省略了电暗化滤光器和亮度控制系统。

在其他实施例中，图47和图48所示的头戴式显示器可以包括其他光学和电子部件，例如但不限于深度传感器相机、彩色相机、麦克风、扬声器、输入/输出端口和电池。

在一些实施例中，形成的图像用于单目观看，并且仅一个光学超焦反射系统和显示图像生成系统被包括在头戴式显示器中。

图49是计算机系统4401形式的机器的实施例的图解表示，在计算机系统4401中，用于使机器执行这里讨论的任何一种或更多种方法(包括在执行显示图像生成、眼睛跟踪、显示图像编辑、亮度控制和其他过程中的任何一个或组合时使用的计算机实现的方法步骤)的一组指令可以被执行，并且其可以用作结合在这里公开的任何一个光学超焦反射系统中的增强或虚拟现实显示器的计算系统。在各种示例实施例中，机器作为独立设备操作，可以连接(例如，联网)到其他机器，或者集成在头戴式显示器或平视显示器本身中。在网络化部署中，机器可以在服务器-客户端网络环境中以服务器或客户端机器的身份操作，或者可以在对等(或分布式)网络环境中作为对等机器操作。机器可以是机器人施工标记设备(robotic construction marking device)、基站、个人计算机(PC)、平板电脑PC、机顶盒(STB)、个人数字助理(PDA)、蜂窝电话、便携式音乐播放器(例如便携式硬盘驱动器音频设备，例如动态影像专家组音频层3(MP3)播放器)、web设备、网络路由器、交换机或网桥、或者能够执行指定该机器要采取的动作的一组指令(顺序的或其他方式)的任何机器。此外，虽然仅说明了单个机器，但是术语“机器”也应当被理解为包括单独地或联合地执行一组(或多组)指令以执行本文讨论的任何一种或更多种方法的任何机器集合。

计算机系统4401的实施例包括处理器或多个处理器4405(例如，中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)或两者)以及主存储器4410和静态存储器4415，它们通过总线4420与彼此通信。计算机系统4401可以进一步包括视频显示器4435(例如，液晶显示器(LCD))。计算机系统4401还可以包括字母数字输入设备4430(例如，键盘)、光标控制设备(例如，鼠标)、语音识别或生物统计验证单元(未示出)、驱动单元4437(也称为磁盘驱动单元)、信号生成设备4440(例如，扬声器)和网络接口设备4445。计算机系统4401可以进一步包括数据加密模块(未示出)，用于加密数据。

驱动单元4437包括计算机或机器可读介质4450，其上存储了体现或利用本文描述的任何一种或更多种方法或功能的一组或更多组指令和数据结构(例如，指令4455)。指令4455也可以在由计算机系统4401执行期间完全或至少部分地驻留在主存储器4410和/或处理器4405内。主存储器4410和处理器4405也可以构成机器可读介质。

还可以利用多种众所周知的传输协议(例如，超文本传输协议(HTTP))中的任何一种经由网络接口设备4445在网络上发送或接收指令4455。虽然机器可读介质4450在示例实施例中被示为单个介质，但是术语“计算机可读介质”应当被理解为包括存储一组或更多组指令的单个介质或多个介质(例如，集中式或分布式数据库和/或相关联的高速缓存和服务器)。术语“计算机可读介质”还应被理解为包括能够存储、编码或携带由机器执行并使机器执行本申请的任何一种或更多种方法的一组指令的任何介质，或者能够存储、编码或携带由这样一组指令使用或与这样一组指令相关联的数据结构的任何介质。因此，术语“计算机可读介质”应被理解为包括但不限于固态存储器、光和磁介质以及载波信号。这种介质还可以包括但不限于硬盘、软盘、闪存卡、数字视频盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)等。本文描述的示例实施例可以在包括安装在计算机上的软件的操作环境中、在硬件中、或在软件和硬件的组合中实现。

并非计算机系统4401的所有部件都是必需的，因此如果不需要，计算机系统4401的部分可以被移除，例如输入/输出(I/O)设备(例如，输入设备4430)。本领域技术人员将认识到，互联网服务可以被配置为向耦合到互联网服务的一个或更多个计算设备提供互联网接入，并且这些计算设备可以包括一个或更多个处理器、总线、存储器设备、显示设备、输入/输出设备等。此外，本领域的技术人员可以理解，互联网服务可以耦合到一个或更多个数据库、储存库、服务器等，这些可以被使用以便实现本文描述的本公开的任何实施例。

如本文所用，术语“模块”还可以指专用集成电路(“ASIC”)、电子电路、执行一个或更多个软件或固件程序的处理器(共享的、专用的或处理器组)、组合逻辑电路和/或提供所描述的功能的其他合适部件中的任何一种。

计算机器可以用眼睛跟踪系统和显示图像生成系统在本地实现和/或远程地实现。在一些实施例中，计算系统用作眼睛跟踪显示图像编辑系统，并且位于远处。眼睛跟踪系统和图像生成显示系统被配置成与计算系统无线通信。在一些实施例中，远程计算系统还提供用于生成计算机图像(这原本将由图像显示生成系统执行)目的的一些功能。在一些实施例中，眼睛跟踪显示图像编辑系统的至少一部分是在头戴式显示器上本地实现的计算机器，例如以头戴式显示器上的一个或更多个模块的形式的计算机器。

所附权利要求中的所有装置或步骤加功能元件的对应结构、材料、动作和等同物旨在包括用于结合如具体要求保护的其他要求保护的元件来执行功能的任何结构、材料或动作。出于说明和描述的目的，已经呈现了本技术的描述，但是本技术的描述并不旨在穷尽或局限于所公开形式的本技术。在不脱离本技术的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说将是明显的。选择和描述示例性实施例是为了最好地解释本技术的原理及其实际应用，并且使本领域的其他普通技术人员能够理解本技术以获得具有适合于所设想的特定用途的各种修改的各种实施例。

以上参考根据本技术的实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本技术的各方面。应当理解，流程图和/或框图中的每个框以及流程图和/或框图中的框的组合可以通过计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以被提供给通用计算机、专用计算机或用于生产机器的其他可编程数据处理装置的处理器，使得经由计算机或其他可编程数据处理装置的处理器执行的指令创建用于实现在流程图和/或框图的一个或更多个框中指定的功能/动作的装置。

这些计算机程序指令也可以存储在计算机可读介质中，这些指令可以指导计算机、其他可编程数据处理装置或其他设备以特定方式运行，使得存储在计算机可读介质中的指令产生包括实现在流程图和/或框图的一个或更多个框中指定的功能/动作的指令的制品。

计算机程序指令也可以加载到计算机、其他可编程数据处理设备或其他设备上，以使在计算机、其他可编程装置或其他设备上执行一系列操作步骤，从而产生计算机实现的过程，使得在计算机或其他可编程装置上执行的指令提供用于实现在流程图和/或框图的一个或更多个框中指定的功能/动作的过程。

图中的框图示出了根据本公开的各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的架构、功能和操作。在这点上，框图可以表示模块、代码段或代码部分，其包括用于实现指定逻辑功能的一个或更多个可执行指令。还应当注意，在一些替代实现中，框中提到的功能可以不按图中提到的顺序进行。例如，连续示出的两个框实际上可以基本上同时执行，或者这些框有时可以以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。还将注意到，框图和/或流程图中的每个框以及框图和/或流程图中的框的组合可以由执行指定功能或动作的基于专用硬件的系统或者由专用硬件和计算机指令的组合来实现。

在整个这个说明书中对“一个实施例”或“实施例”的提及意味着关于该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”或“根据一个实施例”(或具有类似含义的其他短语)在整个这个说明书各处的出现不一定都指同一实施例。此外，特定特征、结构、或特性可以在一个或更多个实施例中以任何合适的方式被组合。此外，根据本文讨论的上下文，单数术语可以包括其复数形式，并且复数术语可以包括其单数形式。类似地，连字符术语(例如，“按-需”)可以偶尔与其非连字符版本(例如，“按需”)互换使用，大写条目(例如，“软件(Software)”)可以与其非大写版本(例如，“软件(software)”)互换使用，复数术语可以用或不用撇号表示(例如，PE's或PEs)，以及斜体术语(例如，“N+1”)可以与其非斜体版本(例如，“N+1”)互换使用。这种偶尔的互换使用不应被视为相互不一致。

此外，一些实施例可以用“用于”执行任务或一组任务“的装置”来描述。应该理解的是，“用于……的装置(means for)”在本文可以用结构(例如处理器、存储器、诸如相机的I/O设备或其组合)来表达。替代地，“用于……的装置”可以包括描述功能或方法步骤的算法，而在其他实施例中，“用于……的装置”用数学公式、文字(prose)来表达，或被表达为流程图或信号图。

本文使用的术语仅仅是为了描述特定的实施例的目的，而并不旨在限制本发明。如本文所使用的，除非上下文清楚地另外指出，否则单数形式“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”旨在也包括复数形式。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括(comprises)”和/或“包括(comprising)”指定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或更多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或添加。

如果任何公开通过引用被并入本文，并且这种并入的公开与本公开部分地和/或全部冲突，则在冲突的范围内、和/或更广泛的公开、和/或更广泛的术语定义，以本公开为准。如果这种并入的公开部分地和/或全部相互冲突，则在冲突的范围内，以较晚日期的公开为准。

此处使用的术语可能意味着直接或间接、全部或部分、暂时或永久、立即或延迟、同步或异步、行动或不行动。例如，当一个元件被称为在另一个元件“上”、“连接”或“耦合”到另一个元件时，则该元件可以直接在另一个元件上、连接或耦合到另一个元件，和/或可以存在中间元件，包括间接和/或直接变型。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一个元件时，不存在中间元件。这里的描述是说明性的，而不是限制性的。通过阅读本公开，本技术的许多变化对于本领域技术人员来说将变得明显。

应当理解，上述公开的各种和其他特征和功能或其替代物可以理想地组合到许多其他不同的系统或应用(例如平视型显示器)中。本领域技术人员随后可以做出各种目前未预料到或未预期到的替代、修改、变化或改进，这些也旨在被所附权利要求所包含。例如，头戴式显示装置可以是面罩、护目镜或头带结构，并且不限于图中所示的特定类型。同样，光学组合器基板的形状可以是能够以上文描述的方式引导和组合图像的任何形状。

本公开的描述是出于说明和描述的目的而给出的，但并不旨在穷举或将本公开限于所公开的形式。在不脱离本公开的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说将是明显的。选择和描述示例性实施例是为了最好地解释本公开的原理及其实际应用，并且使本领域的其他普通技术人员能够理解本公开以获得具有适合于所设想的特定用途的各种修改的各种实施例。

虽然上面已经描述了各种实施例，但是应当理解，它们仅作为示例而非限制给出。这些描述并不旨在将本技术的范围限制在本文阐述的特定形式。因此，优选实施例的宽度和范围不应该受到任何上述示例性实施例的限制。应当理解，以上描述是说明性的，而不是限制性的。相反，本说明书旨在覆盖可以包含在由所附权利要求限定的本技术的精神和范围内以及由本领域普通技术人员以其他方式理解的替代、修改和等同物。因此，本技术的范围不应参考上述描述来确定，而是应参考所附权利要求及其等同物的全部范围来确定。

Claims

1.一种光学超焦反射系统，包括：

至少一个光学基板；

光学输入耦合部分，其被配置为将准直显示图像输入耦合到所述光学基板；和

光学超焦输出耦合部分，其与所述光学基板集成在一起；

其中，所述光学输出耦合部分包括至少一个超焦反射视口；

其中，所述超焦反射视口包括与所述光学基板集成在一起的至少一个离散光学超焦反射器斑；

其中，所述离散光学超焦反射器斑是至少部分反射的，并且被配置成将光学输入耦合的显示图像光线的离散部分反射性地投射到位于离所述超焦反射视口预定工作距离的目标区域上，作为形成离散虚拟显示图像部分的光线的离散光斑束，

其中，所述离散光学超焦反射器斑的尺寸被设置为在所述目标区域处形成具有直径的所述离散光斑束，使得由能够位于所述目标区域处的透镜检测器系统看到的所述离散虚拟显示图像部分的视图是超聚焦的。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述光学超焦输出耦合部分包括与所述光学基板集成在一起的多个所述超焦反射视口，并且其中，所述光学超焦反射器斑以沿着所述光学超焦耦合部分延伸的图案彼此间隔开分布，并且形成多个虚拟显示图像部分超聚焦视图，所述多个虚拟显示图像部分超聚焦视图共同基本上对应于所述显示图像或其一部分。

3.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述目标区域是人眼的目标区域，并且其中，由位于所述目标区域处的人眼能够观察到的虚拟显示部分的所述超聚焦视图是超聚焦的。

4.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述光学基板对于通过所述光学基板的背离所述眼睛目标区域的面接收的现实世界图像的光线是部分或基本透明的。

5.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述光学超焦反射器斑中的至少一些嵌入在所述光学基板中。

6.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述光学反射器斑中的至少一些设置在所述光学基板的面上。

7.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述光学超焦反射器斑中的每一个的孔径直径在大约100和1000微米之间。

8.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述离散斑束中的每一个在所述目标区域处具有在100和1000微米之间的直径。

9.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述多个超焦视口的所述光学超焦反射器斑中的每一个或一些由反射器间距离间隔开，其中，所述反射器间距离在大约500um到8mm之间。

10.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述光学超焦反射器斑的形状和图案被选择成使得由所述多个超焦视口形成的虚拟显示图像视图呈镶嵌状。

11.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述光学超焦反射器斑中的每一个或一些是波长选择性反射器斑。

12.根据权利要求10所述的光学系统，

其中，所述多个超焦反射视口包括多个红光超焦反射视口、多个绿光超焦反射视口和多个蓝光超焦反射视口，

其中，所述多个红光超焦视口中的每一个的光学超焦反射器斑被配置成选择性地反射具有特定红光波长或红光波长带的输入耦合的准直显示图像光线，并且基本上使具有其他波长的光通过，

其中，所述多个绿光超焦视口中的每一个的光学超焦反射器斑被配置成选择性地反射具有特定绿光波长或绿光波长带的输入耦合的准直显示图像光线，并且基本上使具有其他波长的光通过，并且

其中，所述多个蓝光超焦视口中的每一个的光学超焦反射器斑被配置成选择性地反射具有特定蓝光波长或蓝光波长带的输入耦合的准直显示图像光线，并且基本上使具有其他波长的光通过。

13.根据权利要求11所述的光学系统，其中，所述光学基板对于通过所述光学基板的背离所述眼睛目标区域的面接收的现实世界图像的光线是部分或基本透明的。

14.根据权利要求12所述的光学系统，其中，所述多个所述超焦视口中的每个所述超焦视口的每个反射器斑被配置为基本上使具有未被该反射器斑反射的其他波长的光的现实世界图像的光线通过，并允许它们到达所述眼睛目标区域，叠加在具有被该反射器斑选择性反射的特定波长或波长带的所述显示图像光线上。

15.根据权利要求13所述的光学系统，其中，所述超焦反射器斑的图案包括交替的红光超焦反射器斑、蓝光超焦反射器斑和绿光超焦反射器斑。

16.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述超焦斑中的每一个包括至少一个反射涂层。

17.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述超焦反射器斑中的每一个包括衍射光学元件。

18.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述超焦反射器斑中的每一个包括偏振选择性反射器斑。

19.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述多个超焦反射器斑包括第一偏振状态选择性反射器斑和第二偏振状态选择性反射器斑，所述第一偏振状态不同于所述第二偏振状态。

20.根据权利要求18所述的光学系统，其中，所述第一偏振状态与所述第二偏振状态正交或者处于中间角度，所述中间角度根据所述超焦反射斑沿着所述光学基板的位置来选择。