CN113631973A - 串列耦入光学元件 - Google Patents

Abstract

一种显示系统包括具有多个波导的波导组件，每个波导与被配置为将光耦入到相关联的波导中的耦入光学元件相关联。投影仪从一个或多个空间分离光瞳输出光，并且所述光瞳中的至少一个输出具有两个不同波长范围的光。用于两个或两个以上波导的耦入光学元件彼此串列，例如，垂直对准，以使得所述耦入光学元件在所述两个不同波长范围的光路中。第一波导的耦入光学元件选择性地将具有一个波长范围的光耦入到所述波导中，而第二波导的耦入光学元件选择性地耦入具有另一波长范围的光。吸收性滤色器被提供在耦入光学元件的前面以限制不期望波长的光到该耦入光学元件的传播。

Description

串列耦入光学元件

优先权主张

本申请要求来自于2019年2月1日提交并且题为“INLINE IN-COUPLING OPTICALELEMENTS(串列耦入光学元件)”的美国临时申请号62/800,316的优先权，其整体通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及光学系统，包括增强现实成像和可视化系统。

背景技术

现代计算和显示技术已经利于用于所谓的“虚拟现实”或者“增强现实”体验的系统的发展，其中，数字再现图像或其部分以其看起来真实或者可以被感知为真实的方式被呈现给用户。虚拟现实或者“VR”场景典型地涉及数字或者虚拟图像信息的呈现，而对于其他实际现实世界视觉输入不透明；增强现实或者“AR”场景典型地涉及将数字或者虚拟图像信息呈现为对用户周围的实际世界的可视化的增强。混合现实或者“MR”场景是一种类型的AR场景并且典型地涉及被集成到自然界中并且响应于自然界的虚拟对象。例如，MR场景可以包括看起来由现实世界中的对象阻挡或另外被感知为与现实世界中的对象相互作用的AR图像内容。

参考图1，描绘了增强现实场景1。AR技术的用户看到以背景中的人、树、建筑为特征的现实世界公园般的设置20，以及混凝土平台30。用户还感知到他/她“看到”“虚拟内容”，诸如站在现实世界平台30上的机器人雕像40，以及飞行的卡通式的化身人物50，其似乎是大黄蜂的拟人化。这些元素50、40是“虚拟的”，因为其不存在于现实世界中。由于人类视觉感知系统是复杂的，因而产生利于其他虚拟或现实世界影像元素中间的虚拟图像元素的舒适的、自然感觉的、丰富呈现的AR技术是具挑战性的。

本文所公开的系统和方法解决与AR和VR技术有关的各种挑战。

发明内容

头戴式显示系统可以被配置为将光投射到用户的眼睛以将增强现实图像内容显示在用户的视场中。所述头戴式显示系统可以包括被配置为支撑在所述用户的头部上的框架。所述头戴式显示系统还可以包括设置在所述框架上的目镜。所述目镜的至少一部分可以是透明的并且当所述用户穿戴所述头戴式显示器时设置在所述用户的眼睛前面的位置处，使得所述透明部分将光从所述用户前面的环境透射到所述用户的眼睛以在所述用户前面提供该环境的视图。所述目镜可包括设置为将光引导到所述用户的眼睛中以形成增强现实图像内容的一个或多个波导。

所述头戴式显示系统的各种实施例包括具有输出具有多个波长范围(例如，两个或三个波长范围)的光(例如，图像光)的光瞳的投影仪。每个波长范围可包括一个或多个波长。在一些实施例中，所述头戴式显示系统包括波导组件，该波导组件包括多个波导，该多个波导彼此堆叠并且被配置为接收从所述投影仪的光瞳输出的具有多个波长范围的光。所述多个波导中的每个波导可包括耦入光学元件，该耦入光学元件被配置为耦入具有来自从所述投影仪的光瞳输出的光的多个波长范围中的一个的光。所述头戴式显示系统的各种实施例可包括具有两个分离光瞳的投影仪，所述分离光瞳中的一个被配置为输出具有第一波长范围和与所述第一波长范围不同的第二波长范围的光；并且所述分离光瞳中的另一个被配置为输出具有与所述第一波长范围和所述第二波长范围不同的第三波长范围的光。在一些这样的实施例中，所述头戴式显示系统包括波导组件，该波导组件包括至少三个波导，该至少三个波导彼此堆叠并且被配置为接收从所述投影仪的两个分离光瞳输出的具有所述第一波长范围、所述第二波长范围、和所述第三波长范围的光。所述波导组件中的至少三个波导中的每一个包括：第一耦入光学元件，其被配置为耦入具有所述第一波长范围的光；第二耦入光学元件，其被配置为耦入具有所述第二波长范围的光；以及第三耦入光学元件，其被配置为耦入具有所述第三波长范围的光。所述第一耦入光学元件和所述第二耦入光学元件被配置为耦入具有从所述分离光瞳中的一个输出的第一和第二波长范围的光。所述第一耦入光学元件和所述第二耦入光学元件可以至少部分地空间重叠，而被配置为耦入具有所述第三波长的光的所述第三耦入光学元件可以与所述第一耦入光学元件和所述第二耦入光学元件空间分离。

在一些实施例中，提供了一种显示系统。所述显示系统包括用于输出用于形成全色图像的图像光的投射系统。所述显示系统还包括波导的堆叠。所述波导的堆叠包括具有第一耦入光学元件的第一波导，该第一耦入光学元件被配置为接收所述图像光和耦入具有第一分量颜色的图像光。所述波导的堆叠还包括在所述第一波导下层并且具有第二耦入光学元件的第二波导，该第二耦入光学元件被配置为接收所述图像光和耦入具有第二分量颜色的图像光。所述第一耦入光学元件和所述第二耦入光学元件相对于彼此横向移位所述第一和第二耦入光学元件的最短宽度的5-50％，如在自上而下视图中可见。

在一些实施例中，所述第一耦入光学元件和所述第二耦入光学元件相对于彼此横向移位所述第一和第二耦入光学元件的最短宽度的10-25％，如在自上而下视图中可见。在一些实施例中，所述投射系统具有用于输出所述图像光的单个出射光瞳。在一些实施例中，所述显示系统还包括所述图像光的光路中的滤色器，所述滤色器设置在所述第一耦入光学元件与第二耦入光学元件之间。所述滤色器可以相对于所述第一耦入光学元件横向移位与所述第二耦入光学元件相同的量。在一些实施例中，所述滤色器是吸收性滤色器。在一些实施例中，所述显示系统还可包括在所述第二波导下层并且具有第三耦入光学元件的第三波导，该第三耦入光学元件被配置为接收所述图像光和耦入具有第三分量颜色的图像光。在一些实施例中，所述第三耦入光学元件相对于所述第二耦入光学元件横向移位所述第二和第三耦入光学元件的最短宽度的5-50％，如在自上而下视图中可见。在一些实施例中，所述第一、第二、和第三耦入光学元件构成用于在第一深度平面上形成图像的第一波导集，并且所述显示系统还包括用于在第二深度平面上形成图像的第二波导集，其中，所述第一和第二波导集输出具有彼此不同的波前发散量的光。在一些实施例中，所述第二波导集包括第四、第五、和第六波导，每个波导具有相应的第四、第五、和第六耦入光学元件。在一些实施例中，所述第四耦入光学元件和所述第五耦入光学元件相对于彼此横向移位所述第四和第五耦入光学元件的最短宽度的5-50％，如在自上而下视图中可见。在一些实施例中，所述第五耦入光学元件和所述第六耦入光学元件相对于彼此横向移位所述第五和第六耦入光学元件的最短宽度的5-50％，如在自上而下视图中可见。

本文所公开的系统、方法和设备各自具有多个创新方面，其中没有单独一个仅负责本文所公开的期望的属性。下文提供了各种示例系统和方法。

示例1：一种显示系统，包括：

波导的堆叠，其包括：

第一吸收性光学滤波器，其对于具有第一波长范围的光透射并且对于与所述第一波长范围不同的波长的光吸收；

第一耦入光学元件，其被配置为接收通过所述第一吸收性光学滤波器透射的光；以及

第一波导，其具有第一主表面和第二主表面，

其中，所述第一耦入光学元件被配置为将具有所述第一波长范围的光耦入到所述第一波导中。

示例2：根据示例1所述的显示系统，其中，所述第一耦入光学元件在所述第一波导的第一主表面或者所述第一波导的第二主表面上。

示例3：根据示例1-2中的任一项所述的显示系统，还包括：第二吸收性光学滤波器，其在所述第一波导的第一或第二主表面中的一者或两者上，

其中，如在自上而下视图中可见，所述第一吸收性光学滤波器与所述第二吸收性光学滤波器横向移位。

示例4：根据示例1-3中的任一项所述的显示系统，其中，所述第一吸收性光学滤波器包括染料。

示例5：根据示例1-4中的任一项所述的显示系统，其中，所述第一耦入光学元件被配置为透射与所述第一波长范围不同的波长范围的光。

示例6：根据示例1-5中的任一项所述的显示系统，其中，所述波导的堆叠还包括：

第二波导，其具有第一主表面和第二主表面；

第二耦入光学元件，其被配置为将通过所述第一吸收性光学滤波器和所述第一耦入光学元件透射并且与所述第一波长范围不同的第二波长范围的光耦入到所述第二波导中。

示例7：根据示例6所述的显示系统，其中，所述第二耦入光学元件在所述第二波导的第一主表面或者所述第二波导的第二主表面上。

示例8：根据示例6-7中的任一项所述的显示系统，其中，所述第一耦入光学元件的至少一部分和所述第二耦入光学元件的至少一部分彼此横向重叠，如在自上而下视图中可见。

示例9：根据示例7-8中的任一项所述的显示系统，其中，所述第二波导在所述第一波导的前面，还包括：

第三吸收性光学滤波器，其在所述第二波导的主表面上并且与所述第二耦入光学元件横向移位，所述第三吸收性光学滤波器被配置为吸收具有与所述第二波长范围不同的波长的耦入光。

示例10：根据示例9所述的显示系统，其中，所述第三吸收性光学滤波器包括染料。

示例11：根据示例6-10中的任一项所述的显示系统，还包括：

第三波导，其在所述第一波导的后面，所述第三波导具有第一主表面和第二主表面；以及

第三耦入光学元件，其被配置为将来自所述入射光束的具有第三波长范围的光耦入到所述第三波导中。

示例12：根据示例11所述的显示系统，其中，所述第三耦入光学元件在所述第三波导的第一主表面或者所述第三波导的第二主表面中的一个上。

示例13：根据示例11-12中的任一项所述的显示系统，其中，所述第三耦入光学元件的至少一部分与所述第一耦入光学元件和所述第二耦入光学元件横向重叠。

示例14：根据示例11-13中的任一项所述的显示系统，还包括：第四吸收性光学滤波器，其在所述第三耦入光学元件的前面并且在所述第二波导与所述第三波导之间。

示例15：根据示例14所述的显示系统，其中，所述第三光学滤波器包括染料。

示例16：一种显示系统，包括：

波导组件的堆叠，其包括：

第一波导组件，包括：

第一波导，其具有第一主表面和第二主表面；以及

第一耦入光学元件，其被配置为接收第一入射光束；

其中，所述第一耦入光学元件被配置为将来自所述入射光束的具有第一波长范围的光耦入到所述第一波导中；以及

第二波导组件，包括：

第二波导，其具有第一主表面和第二主表面；以及

第二耦入光学元件，其被配置为接收第二入射光束；

其中，所述第二耦入光学元件被配置为将来自所述第二入射光束的具有第二波长范围的光耦入到所述第二波导中，

其中，所述第一耦入光学元件和所述第二耦入光学元件彼此横向移位，如在面对所述第一和第二波导的主表面的自上而下视图中可见。

示例17：根据示例16所述的显示系统，其中，所述波导的堆叠还包括：

第三波导组件，包括：

第三波导，其具有第一主表面和第二主表面；

第三耦入光学元件，其被配置为接收所述第一入射光束，其中，所述第三耦入光学元件被配置为将来自所述入射光束的具有与所述第一波长范围和所述第二波长范围不同的第三波长范围的光耦入到所述第三波导中；以及

光学滤波器，其在所述第一波导与所述第三波导之间，所述光学滤波器被配置为吸收来自所述入射光束的具有所述第一波长的光并且透射来自所述入射光束的具有所述第三波长范围的光。

示例18：根据示例17所述的显示系统，其中，所述第一耦入光学元件的至少一部分与所述第三入射光学元件的一部分重叠，如在所述自上而下视图中可见。

示例19：根据示例17-18中的任一项所述的显示系统，还包括：第二光学滤波器，其在所述第一波导的第一或第二主表面中的一个上，所述第二光学滤波器与所述第一耦入光学元件横向移位，如在所述自上而下视图中可见，其中，所述第二光学滤波器被配置为吸收具有与所述第一波长范围不同的波长范围的在所述第一波导中的耦入光。

示例20：根据示例17-19中的任一项所述的显示系统，还包括：第三光学滤波器，其在所述第二波导的第一或第二主表面中的一个上，所述第三光学滤波器与所述第二耦入光学元件横向移位，所述第三光学滤波器被配置为吸收具有与所述第二波长范围不同的波长范围的在所述第二波导中的耦入光。

示例21：根据示例17-20中的任一项所述的显示系统，还包括：第四光学滤波器，其在所述第三波导的第一或第二主表面中的一个上，其中，所述第四光学滤波器在所述第二波导与所述第三波导之间，所述第四光学滤波器被配置为：

吸收具有所述第一波长范围和所述第二波长范围的光，并且

透射具有所述第三波长的光。

示例22：一种显示系统，包括：

投射系统，其用于输出用于形成全色图像的图像光；

波导的堆叠，其包括：

第一波导，其具有第一耦入光学元件，所述第一耦入光学元件被配置为接收所述图像光和耦入具有第一分量颜色的图像光；以及

第二波导，其在所述第一波导下层并且具有第二耦入光学元件，所述第二耦入光学元件被配置为接收所述图像光和耦入具有第二分量颜色的图像光，

其中，所述第一耦入光学元件和所述第二耦入光学元件相对于彼此横向移位所述第一和第二耦入光学元件的最短宽度的5-50％，如在自上而下视图中可见。

示例23：根据示例22所述的显示系统，其中，所述第一耦入光学元件和所述第二耦入光学元件相对于彼此横向移位所述第一和第二耦入光学元件的最短宽度的10-25％，如在自上而下视图中可见。

示例24：根据示例22所述的显示系统，其中，所述投射系统具有用于输出所述图像光的单个出射光瞳。

示例25：根据示例22所述的显示系统，还包括：所述图像光的光路中的滤色器，所述滤色器设置在所述第一耦入光学元件与第二耦入光学元件之间。

示例26：根据示例25所述的显示系统，其中，所述滤色器相对于所述第一耦入光学元件横向移位与所述第二耦入光学元件相同的量。

示例27：根据示例25所述的显示系统，其中，所述滤色器是吸收性滤色器。

示例28：根据示例22所述的显示系统，还包括：第三波导，其在所述第二波导下层并且具有第三耦入光学元件，所述第三耦入光学元件被配置为接收所述图像光和耦入具有第三分量颜色的图像光。

示例29：根据示例28所述的显示系统，其中，所述第三耦入光学元件相对于所述第二耦入光学元件横向移位所述第二和第三耦入光学元件的最短宽度的5-50％，如在自上而下视图中可见。

示例30：根据示例28所述的显示系统，其中，所述第一、第二、和第三耦入光学元件构成第一波导集，其用于在第一深度平面上形成图像，

还包括第二波导集，其用于在第二深度平面上形成图像，其中，所述第一和第二波导集输出具有彼此不同的波前发散量的光。

示例31：根据示例30所述的显示系统，其中，所述第二波导集包括第四、第五、和第六波导，每个波导具有相应的第四、第五、和第六耦入光学元件。

示例32：根据示例31所述的显示系统，其中，所述第四耦入光学元件和所述第五耦入光学元件相对于彼此横向移位所述第四和第五耦入光学元件的最短宽度的5-50％，如在自上而下视图中可见。

示例33：根据示例32所述的显示系统，其中，所述第五耦入光学元件和所述第六耦入光学元件相对于彼此横向移位所述第五和第六耦入光学元件的最短宽度的5-50％，如在自上而下视图中可见。

附图说明

图1图示了根据一些实施例的通过AR设备的增强现实(AR)的用户的视图。

图2图示了根据一些实施例的可穿戴显示系统的示例。

图3图示了根据一些实施例的用于为用户模拟三维影像的显示系统。

图4图示了根据一些实施例的用于使用多个深度平面模拟三维影像的方法的方面。

图5A-5C图示了根据一些实施例的曲率半径与焦半径之间的关系。

图6图示了根据一些实施例的用于向用户输出图像信息的波导堆叠的示例。

图7图示了根据一些实施例的由波导输出的出射束的示例。

图8图示了根据一些实施例的每个深度平面包括使用多个不同的分量颜色形成的图像的堆叠波导组件的示例。

图9A图示了根据一些实施例的各自包括耦入(incoupling)光学元件的一组堆叠波导的示例的剖面侧视图。

图9B图示了根据一些实施例的图9A的一组堆叠波导的示例的透视图。

图9C图示了根据一些实施例的图9A和图9B的一组堆叠波导的示例的自上而下平面图。

图10示意性地示出了分割光瞳(split-pupil)波导组件的示例的透视图，该分割光瞳波导组件包括彼此堆叠的多个波导和耦入光学元件，耦入光学元件被配置为耦入从投影仪输出的光，其输出来自两个空间分离光瞳的图像光。

图10A示出了沿着平面10A-10A的图10所示的波导组件的侧视图。

图11示意性地示出了波导组件的示例的透视图，该波导组件包括彼此堆叠的多个波导和被配置为耦入从具有单个光瞳的投影仪输出的光的耦入光学元件。

图11A示出了图11所示的波导组件的沿着平面11A-11A的侧视图。

图12示意性地示出了分割光瞳波导组件的示例的透视图，该分割光瞳波导组件包括彼此堆叠的多个波导、被配置为耦入从具有两个空间分离光瞳的投影仪输出的光的耦入光学元件、和多个颜色/波长滤波器。

图12A示意性地示出了图12所示的示例的侧视图。

图13示意性地示出了单光瞳波导组件的示例的透视图，该单光瞳波导组件包括彼此堆叠的多个波导、被配置为耦入来自具有单光瞳的投影仪的光的耦入光学元件、和多个颜色/波长滤波器。

图13A示出了图13所示的示例的侧视图。

图14A和图14B示意性地示出了波导组件的示例的侧视图，该波导组件包括彼此堆叠的多个波导和被配置为耦入两个不同波长的光的耦入光学元件，耦入光学元件相对于彼此位移以改进颜色选择性。

图15A示意性地示出了波导组件的示例的侧视图，该波导组件包括彼此堆叠的多个波导和被配置为耦入两个不同波长的光的耦入光学元件，耦入光学元件相对于彼此横向位移以改进颜色选择性。

图15B示意性地示出了类似于图12A的波导组件的波导组件的示例的侧视图，以及横向位移的耦入光学元件。

图16示意性地示出了针对正和负入射角的耦入光学元件的耦入效率的变化。

图17示意性地示出了针对双深度平面显示系统的堆叠波导组件的示例的侧视图。

提供附图以图示示例实施例，并且不旨在限制本公开的范围。相同附图标记自始至终指代相同部件。

具体实施方式

可以通过具有对应于多个深度平面的图像的显示的显示系统来向观看者提供VR和AR体验。图像对于每个深度平面可能是不同的(例如提供场景或对象的稍微不同的呈现)，并且可能会分别被观看者的眼睛聚焦，从而有助于基于眼睛的适应(accommodation)向用户提供深度提示。将理解到，眼睛的适应可以使位于场景中的不同深度平面上的不同内容对准焦点。如本文所讨论的，这样的深度提示有助于通过观看者提供可信的深度感觉。

在一些配置中，全色图像可以通过重叠各自具有特定分量颜色的分量图像针对各种深度平面形成。例如，红色、绿色、和蓝色图像可以各自输出以形成每个全色图像。因此，每个深度平面可以具有与其相关联的多个分量颜色图像。如本文所公开的，可以使用波导输出分量颜色图像，该波导耦入包含图像信息的光，将耦入光跨波导分布，并且然后朝向观看者耦出光。光可以使用耦入光学元件耦入到波导中，诸如衍射元件，并且然后使用耦出光学元件从波导当中耦出，其也可以是衍射元件。

针对不同深度平面的图像可以由投影仪产生，该投影仪从多个空间分离光瞳输出光。例如，投影仪可以被配置为从多个空间分离光瞳输出针对不同深度平面的多个分量颜色图像。考虑被配置为将两个不同深度平面处的颜色图像呈现给用户的显示系统，使用三个分量颜色图像形成每个全色图像。显示系统的一些这样的实施例可包括对于第一深度平面彼此堆叠的第一三个波导集和对于第二深度平面彼此堆叠的第二三个波导集。第一和第二波导集可以彼此堆叠。第一和第二三个波导集中的每个波导可以被配置为向观看者输出一种颜色(例如，蓝色、绿色或红色)的图像。在显示系统的这样的实施例中，投影仪可以被配置为具有六(6)个空间分离光瞳。第一三个空间分离光瞳集可以被配置为输出针对第一深度平面的红色、绿色和蓝色图像，并且第二三个空间分离光瞳集可以被配置为输出针对第二深度平面的红色、绿色和蓝色图像。

在不依赖于任何特定理论的情况下，从投影仪输出的光瞳越少，投影仪可以通常越小。因此，减少由投影仪输出的空间分离光瞳的数量可以有利地减少投影仪的尺寸，其进而可以减少显示系统的总体尺寸。因此，为了减少投影仪并且因此总体显示系统的占地面积(footprint)，将上文所讨论的显示系统的示例中的投影仪配置为在少于六(6)个空间分离光瞳中输出光可以是有利的。

例如，投影仪可以被配置为从第一光瞳输出针对第一深度平面的具有第一波长(例如，红色波长)和与第一波长不同的第二波长(例如，蓝色波长)的光，并且从与第一光瞳空间分离的第二光瞳输出针对第一深度平面的具有第三波长(例如，绿色波长)的光。因此，取代使三个空间分离光瞳输出针对第一深度平面的具有第一波长、第二波长和第三波长的光，两个空间分离光瞳用于输出针对第一深度平面的具有三个不同波长的光。将理解到，为了简洁和易于描述，在本文中对单个波长(例如，红色、绿色、或蓝色)进行参考，并且对单个波长的参考应当被理解为包括涵盖单个波长的波长范围。

在该示例中，第一耦入光学元件被配置为耦入具有第一波长的光，并且第二耦入光学元件被配置为在被配置为输出第一深度平面处的图像的第一波导集中耦入具有第二波长的光。耦入光学元件可以彼此垂直对准以使得第一耦入光学元件的至少一部分与第二耦入光学元件而部分空间重叠，如在自上而下视图中可见，以便接收从第一光瞳输出的第一波长和第二波长的光；换句话说，在耦入光学元件在从相同投影仪光瞳输出的光的路径中的意义上，耦入光学元件可以是串列的(inline)。第三耦入光学元件被设置为从与第一光瞳空间分离的第二光瞳接收具有第三波长的光。因此，第三耦入光学元件不需要第一耦入光学元件和第二耦入光学元件垂直对准，而是相反可以与第一耦入光学元件和第二耦入光学元件空间分离。因此，第三耦入光学元件不需要与第一耦入光学元件和第二耦入光学元件空间重叠(部分或全部)。

作为另一示例，投影仪可以被配置为从单个光瞳输出针对第一深度平面的具有第一波长(例如，红色波长)、与第一波长不同的第二波长(例如，蓝色波长)和第三波长(例如，绿色波长)的光。因此，取代使三个空间分离光瞳输出针对第一深度平面的具有第一波长、第二波长和第三波长的光，单个光瞳用于输出针对第一深度平面的具有三个不同波长的光。

在该示例中，第一耦入光学元件被配置为耦入具有第一波长的光，第二耦入光学元件被配置为耦入具有第二波长的光，并且第三耦入光学元件被配置为在第一波导集中耦入具有第三波长的光。第一、第二、和第三耦入光学元件可以垂直对准以使得其彼此空间重叠以便接收从单光瞳输出的第一波长、第二波长、和第三波长的光。

在各种实施例中，第一和/或第二波导集可包括一个或多个波长选择(也被称为滤色器)，以减少具有不同波长的耦入光之间的串扰和/或减少重影。优选地，滤色器是吸收性滤色器，例如，光吸收材料层。在一些实施例中，滤色器可以放置在成对的垂直对准的耦入光学元件之间。将理解到，耦入光学元件可能不将具有特定波长的所有入射光耦入到相关联的波导中，以使得具有该波长的光中的一些传播到被配置为耦入具有另一波长的光的下层(underlying)的耦入光学元件。为了限制不期望波长的光从第一耦入光学元件到第二耦入光学元件的传播，可以在那些耦入光学元件之间提供被配置为吸收不期望波长的光的滤色器。另外，在一些实施例中，可以在波导的一个或两个主表面上提供滤色器以吸收传播通过波导的无意耦入光。

现在将对附图进行参考，其中相似附图标记自始至终指代相似部件。

图2示出了可穿戴显示系统60的示例。显示系统60包括显示器70，以及支持该显示器70的运行的各种机械和电子模块和系统。显示器70可以被耦合到框架80，该框架80是可由显示系统用户或观察者90穿戴的，并且该框架80被配置为将显示器70定位在用户90的眼睛的前面。在一些实施例中，显示器70可以被认为是眼镜。在一些实施例中，扬声器100被耦合到框架80并且被配置为被定位在用户90的耳道附近(在一些实施例中，未示出的另一扬声器可以可选地定位在用户的另一耳道附近以提供立体/可成形声音控制)。显示系统还可以包括一个或多个麦克风110或者检测声音的其他设备。在一些实施例中，麦克风被配置为允许用户向系统60提供输入或者命令(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(例如，与类似显示系统的其他用户)的音频通信。麦克风还可以被配置为采集音频数据(例如，来自用户和/或环境的声音)的外围传感器。在一些实施例中，显示系统还可以包括外围传感器120a，该外围传感器120a可以与框架80分离并且被附接到用户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可以被配置为采集表征用户90的生理状态的数据。例如，传感器120a可以是电极。

继续参考图2，显示器70通过通信链路130(诸如通过有线导线或无线连接)操作性地耦合到本地数据处理模块140，其可以安装在各种配置中，诸如固定地附接到框架80、固定地附接到由用户穿戴的头盔或帽子、被嵌入在耳机中、或者另外可移除地附接到用户90(例如，在背包型配置中、在腰带耦合型配置中)。类似地，传感器120a可以由通信链路120b(例如，有线导线或无线连接)操作性地耦合到本地处理器和数据模块140。本地处理和数据模块140可以包括硬件处理器，以及数字存储器，诸如非易失性存储器(例如，闪存或硬盘驱动器)，其二者可以用于辅助数据的处理、高速缓存和存储。数据包括以下数据：a)从传感器(其可以例如操作性地耦合到框架80或另外附接到用户90)捕获的数据，诸如图像捕获设备(诸如照相机)、麦克风、惯性测量单元、加速度计、指南针、GPS单元、无线电设备、陀螺仪和/或本文所公开的其他传感器；和/或b)使用远程处理模块150和/或远程数据存储库160采集和/或处理的数据(包括与虚拟内容有关的数据)，可能地用于在这样的处理或者检索之后传送到显示器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)操作性地耦合到远程处理模块150和远程数据存储库160，使得这些远程模块150、160操作性地耦合到彼此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可以包括以下各项中的一项或多项：图像捕获设备、麦克风、惯性测量单元、加速度计、指南针、GPS单元、无线电设备和/或陀螺仪。在一些其他实施例中，这些传感器中的一个或多个可以附接到框架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14通信的独立结构。

继续参考图2，在一些实施例中，远程处理模块150可以包括被配置为分析和处理数据和/或图像信息的一个或多个处理器。在一些实施例中，远程数据存储库160可以包括数字数据存储设施，该数字数据存储设施可以是通过因特网或“云”资源配置中的其他网络配置可用的。在一些实施例中，远程数据存储库160可以包括一个或多个远程服务器，该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，用于生成增强现实内容的信息。在一些实施例中，所有数据被存储并且所有计算在本地处理和数据模块中执行，这允许来自远程模块的完全自主使用。

现在参考图3，将图像感知为“三维”或“3-D”可以通过向观察者的每只眼睛提供图像的稍微不同的呈现而实现。图3图示了用于为用户模拟三维影像的常规显示系统。两个不同的图像190、200-一个用于每只眼睛210、220-被输出给用户。图像190、200沿着平行于观察者的视线的光轴或z轴与眼睛210、220隔开距离230。图像190、200是平面的，并且眼睛210、220可以通过假定单个调节(accommodated)状态聚焦于图像上。这样的3-D显示系统依赖于人类视觉系统来组合图像190、200，以为组合图像提供深度和/或标度感知。

然而，将理解到，人类视觉系统更复杂，并且提供现实深度感知是更具挑战性的。例如，常规“3-D”显示系统的许多观察者发现这样的系统是不舒适的或者可能根本感知不到深度感觉。在不由理论限制的情况下，人们相信对象的观察者可以由于眼转向(vergence)和调节的组合将对象感知为“三维的”。两只眼睛相对于彼此的眼转向运动(即，眼睛的旋转，使得瞳孔朝向彼此或远离彼此移动以将眼睛的视线会聚以固定在对象上)与眼睛的晶状体和瞳孔的聚焦(或“调节”)紧密地相关联。在正常情况下，改变眼睛的晶状体的焦点或者调节眼睛以将焦点从一个对象改变到不同的距离处的另一对象将，在被称为“调节-眼转向反射”以及瞳孔扩张或者收缩的关系下，自动引起对于相同距离的眼转向的匹配改变。同样地，在正常情况下，眼转向的改变将触发晶状体形状和瞳孔大小的调节的匹配改变。如本文指出的，许多立体或者“3-D”显示系统将使用对每只眼睛稍微不同的呈现(并且因此，稍微不同的图像)显示场景，使得三维视角由人类视觉系统感知。然而，这样的系统对于许多观察者是不舒适的，因为除了其他方面，其简单地提供场景的不同的呈现，但是其中，眼睛在单个调节状态处观察所有图像信息，并且与“调节-眼转向反射”相违背。提供调节与眼转向之间的更好匹配的显示系统可以形成三维影像的更现实并且舒适的模拟。

图4示出了使用多个深度平面模拟三维图像的方法的各方面。参考图4，在z轴上距眼睛210、220各种距离处的对象由眼睛210、220调节，使得那些对象合焦。眼睛210、220采取特定调节状态以将对象对焦在沿着z轴的不同距离处。因此，特定调节状态可以被说成与深度平面240中的特定一个相关联，并且具有相关联的焦距，使得当眼睛在针对该深度平面的调节状态中时特定深度平面中的对象或者对象的部分合焦。在一些实施例中，三维影像可以通过为眼睛210、220中的每一个提供图像的不同呈现并且还通过提供对应于深度平面中的每一个的图像的不同呈现来模拟。虽然为了说明清晰起见被示出为分离的，但是将理解到，眼睛210、220的视场可以重叠，例如，随着沿着z轴的距离增加。另外，虽然为了便于说明起见被示出为平的，但是将理解到，深度平面的轮廓在物理空间中可以是弯曲的，使得深度平面中的所有特征与特定调节状态中与眼睛合焦。

对象与眼睛210或220之间的距离还可以改变，如由该眼睛观察的，来自该对象的光的发散量。图5A-5C图示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5A-5C中所示，随着到对象的距离减小，光线变得更发散。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么远的函数。曲率随着减小对象与眼睛210之间的距离而增加。因此，在不同的深度平面处，光线的发散度也是不同的，其中，发散度随着深度平面与观察者的眼睛210之间减小的距离而增加。虽然在图5A-5C和本文中的其他附图中为了说明清晰起见仅图示单只眼睛210，但是将理解到，关于眼睛210的讨论可以适用于观察者的两只眼睛210和220。

在不由理论限制的情况下，人们相信人眼通常可以解释有限数目的深度平面以提供深度感知。因此，感知深度的高度可信模拟可以通过如下来实现：向眼睛提供对应于这些有限数目的深度平面中的每一个的图像的不同呈现。不同呈现可以由观察者的眼睛单独聚焦，从而有助于基于使针对位于不同的深度平面的场景的不同的图像特征对焦所要求的眼睛的调节和/或基于观察离焦的不同深度平面上的不同图像特征，给用户提供深度线索。

图6示出了用于将图像信息输出给用户的波导堆叠的示例。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。在一些实施例中，显示系统250是图2的系统60，并且图6示意性地更详细地示出该系统60的一些部分。例如，波导组件260可以是图2的显示器70的一部分。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还可以称为目镜。

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。图像注入设备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，其中的每一个波导可以被配置为跨每个相应波导而分布入射光，用于朝向眼睛210输出。光离开图像注入设备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的一部分(即，直接面对世界510或者观察者的眼睛210的波导表面之一)。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，图像注入设备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，图像注入设备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，图像注入设备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设备360、370、380、390、400中的每一个。将理解到，由图像注入设备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中的光由光投影仪系统520提供，该光投影仪系统520包括光模块540，该光模块540可以包括光发射器，诸如发光二极管(LED)。来自光模块540的光可以经由分束器550被引导到光调制器530(例如，空间光调制器)，并且由光调制器530修改。光调制器530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。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，示意性地图示了图像注入设备360、370、380、390、400，并且在一些实施例中，这些图像注入设备可以表示被配置为将光输入到波导270、280、290、300、310中的相关联的波导中的共同投影系统中的不同光路和位置。

在一些实施例中，显示系统250可以是扫描光纤显示器，包括被配置为以各种图案(例如，光栅扫描、螺旋扫描、李萨茹(Lissajous)图案等)将光投影到一个或多个波导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，所图示的图像注入设备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，所图示的图像注入设备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，其中的每一个被配置为将光注入波导270、280、290、300、310中的相关联的一个。将理解到，一个或多个光纤可以被配置为将光从光模块540传输到一个或多个波导270、280、290、300、310。将理解到，一个或多个中间光学结构可以在扫描光纤或光纤与一个或多个波导270、280、290、300、310之间提供，以例如将离开扫描光纤的光重引导到一个或多个波导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，包括图像注入设备360、370、380、390、400、光源540和光调制器530的操作。在一些实施例中，控制器560是本地数据处理模块140的一部分。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的调控到波导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，控制器可以是单个集成设备，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2)的一部分。

继续参考图6，波导270、280、290、300、310可以被配置为通过全内反射(TIR)在每个相应波导内传播光。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(out-coupling)光学元件570、580、590、600、610，该耦出光学元件570、580、590、600、610被配置为通过重引导在每个相应波导内传播的光来将光提取出波导，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。虽然图示被设置在波导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可以在附接到透明衬底以形成波导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。

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。准直光可以代表光学无限远焦平面。下一向上波导(waveguide up)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之前通过第一透镜350(例如，负透镜)；这样的第一透镜350可以被配置为产生轻微的凹波前曲率，使得眼睛/大脑将来自该下一向上波导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，第三向上波导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的组合屈光力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的光解释为比来自下一向上波导280的光从光学无限远朝向人向内更加接近的第二焦平面。

其它波导层300、310和透镜330、320被类似地配置，其中，该堆叠中的最高波导310通过其与眼睛之间的所有透镜发送其输出，用于代表到人的最近焦平面的总光焦度。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二者可以是静态的(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，针对每个深度平面具有一个集。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引导到其相应波导之外并且以对于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。因此，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，其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，特征320、330、340、350可以不是透镜；相反，其可以简单地是间隔器(例如，包层和/或用于形成空气间隙的结构)。

在一些实施例中，耦出光学元件570、580、590、600、610是形成衍射图案的衍射特征，或者“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利用DOE的每个相交(intersection)朝向眼睛210偏转离开，而剩余部分继续经由TIR移动通过波导。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反弹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可以是在其主动地衍射的“开启”状态与其不显著地衍射的“关闭”状态之间可切换的。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以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，照相机组件630(例如，数字照相机，包括可见光和红外光照相机)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，照相机可以是任何图像捕获设备。在一些实施例中，照相机组件630可以包括图像捕获设备和向眼睛投影光(例如，红外光)的光源，该光可以然后由眼睛反射并且由图像捕获设备检测。在一些实施例中，照相机组件630可以附接到框架80(图2)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可以处理来自照相机组件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照相机组件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光束的示例。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运行。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DOE 570上的点处，光的一部分离开波导作为出射束650。出射束650被图示为基本上平行的，但是如本文所讨论的，其还可以被重引导以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学元件的波导，该耦出光学元件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。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对焦于视网膜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)中的每一个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个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，但是还考虑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。通过跟随字母G、R和B的针对屈光度(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，跟随这些字母中的每一个的数字指示屈光度(1/m)，或者深度平面距观察者的反距离，并且附图中的每个框表示单独的分量颜色图像。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，并且每深度平面可以提供三个波导，其中，每深度平面提供三种颜色分量图像。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，在物理设备中，波导可以全部布置在每层具有一个波导的堆叠中。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，贯穿本公开对于光的给定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，红光可以包括大约620–780nm的范围内的一个或多个波长的光，绿光可以包括大约492–577nm的范围内的一个或多个波长的光，并且蓝光可以包括大约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540(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、耦出和其他光重引导结构可以被配置为朝向用户的眼睛210将该光引导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引导以将该光耦入到波导中。耦入光学元件可以用于将光重引导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)，并且堆叠660的所图示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，来自图像注入设备360、370、380、390、400中的一个或多个的光从要求光重引导用于耦入的位置被注入到波导中。

所示的堆叠波导集660包括波导670、680和690。波导670在波导680的前面，或者比波导680更接近图像光源，并且波导690在波导680的后面，或者比波导680更远离图像光源。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被设置在相应波导670、680、690的底主表面上(特别地其中，一个或多个耦入光学元件是反射偏转光学元件)。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(或在下一个下波导的顶部)，特别地其中，那些耦入光学元件是透射偏转光学元件。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是波长选择的，使得其选择性地重引导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。

如所示出的，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设备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，其中，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中的顶和底主表面中的不同的主表面上。

波导670、680、690可以通过例如气体、液体和/或固体材料层隔开并且分离。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的材料的折射率比形成波导670、680、690的材料的折射率小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，该包层利于通过波导670、680、690的光的全内反射(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相邻的包层。

优选地，为了便于制造和其他考虑，形成波导670、680、690的材料类似或者相同，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是不同的，和/或形成层760a、760b的材料可以是不同的，同时仍然保持上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设备360、370、380、390、400(图6)将光线770、780、790注入到波导670、680、690中。光线770、780、790可以构成图像光，编码有图像信息的光。例如，光可以空间调制或在不同位置处提供有不同强度和/或不同波长，以例如形成形成图像的像素。

在一些实施例中，光线770、780、790具有不同的性质，例如，不同的波长或不同的波长范围，该不同的波长或不同的波长范围可以对应于不同的颜色。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底层波导和相关联的耦入光学元件。

例如，耦入光学元件700可以被配置为使光线770偏转，该光线770具有第一波长或波长范围，同时透射分别具有不同的第二和第三波长或波长范围的光线780和790。透射光线780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被配置为使第二波长或波长范围的光偏转。光线790由耦入光学元件720偏转，该耦入光学元件720被配置为选择性地使第三波长或波长范围的光偏转。

继续参考图9A，偏转光线770、780、790被偏转，使得其传播通过对应的波导670、680、690；即，每个波导的耦入光学元件700、710、720使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以使得光通过TIR传播通过相应波导670、680、690的角度偏转。光线770、780、790通过TIR传播通过相应波导670、680、690，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，图示了图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是正交光瞳扩张器(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，随着其传播到耦出光学元件还可以增加该光束或斑尺寸。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是将光定向到观察者的眼睛210(图7)中的出射光瞳(EP)或出射光瞳扩张器(EPE)。将理解到，OPE可以被配置为在至少一个轴上增加眼盒(eye box)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可以被配置为将入射OPE的光的一部分重引导到相同波导的EPE，通过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引导到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EPE时，入射光的一部分朝向用户被引导离开波导，并且该部分的剩余部分继续传播通过波导，直到其再次入射EP，在那时，入射光的另一部分被引导离开波导，以此类推。因此，耦入光的单光束可以每次该光的一部分由OPE或EPE重引导时“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；以及用于每个分量颜色的耦出光学元件(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，不同的耦入光学元件接收不同的波长的光)重引导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反弹，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，分别地绿光和红光)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向下反弹，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以撞在波导690的光耦入光学元件720上。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。耦出光学元件820然后最后将光线790耦出到观察者，该观察者还从其他波导670、680接收耦出光。

图9C图示了图9A和图9B的多个堆叠波导的示例的自上而下平面图。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未垂直地对准；相反，耦入光学元件优选地是非重叠的(例如，横向隔开，如在自上而下视图中看到的)。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资源的光注入到不同的波导中，从而允许特定光源唯一地耦合到特定波导。在一些实施例中，包括非重叠的空间分离的耦入光学元件的布置可以被称为偏移光瞳系统或分割光瞳系统，并且这些布置内的耦入光学元件可以对应于子光瞳。

可穿戴显示系统60(图2)的一些实施例可包括显示器70，该显示器70包括分割光瞳波导组件。例如，波导组件260或660(图6和图9A-9C)的各种实施例可以被配置为分割光瞳波导组件。作为示例，分割光瞳波导组件可以包括六个波导，每个波导与这样的耦入光学元件相关联：其被配置为接收来自投影仪的光并且将具有特定光学特性(例如，特定波长、波长范围和/或特定偏振状态)的光耦入到波导中。第一三个波导集可以被配置为接收在第一深度平面处产生红色图像、绿色图像和蓝色图像的红色、绿色和蓝色光，并且第二三个波导集可以被配置为接收在第二深度平面处产生红色图像、绿色图像和蓝色图像的红色、绿色和蓝色光。将理解到，更多或更少分量颜色是可能的，并且深度平面的数量也可以根据期望变化。

与这样的显示系统相关联的投影仪可以被配置为从多个空间分离光瞳输出朝向分割光瞳波导组件引导的光。例如，在一些实施例中，与包括分割光瞳波导组件的显示器相关联的投影仪可包括六个空间分离出射光瞳(在本文中也简称为光瞳，其中，作为出射光瞳的光瞳的标识从上下文是明显的)。作为示例，第一三个空间分离光瞳集可以被配置为输出针对第一深度平面的红色、绿色和蓝色图像，并且第二三个空间分离光瞳集可以被配置为输出针对第二深度平面的红色、绿色和蓝色图像。来自六个空间分离光瞳中的每一个的光被耦入到波导组件的波导中的对应波导中。作为另一示例，在一些实施例中，与包括分割光瞳波导组件的显示器相关联的投影仪可包括两个空间分离光瞳。第一空间分离光瞳被配置为输出针对第一深度平面的红色、绿色和蓝色图像，并且第二空间分离光瞳被配置为输出针对第二深度平面的红色、绿色和蓝色图像。来自第一空间分离光瞳的光耦入到与第一深度平面相关联的第一波导集(例如，三个波导，针对每个分量颜色一个波导)中的对应波导，并且来自第二空间分离光瞳的光耦入到与第二深度平面相关联的第二波导集(例如，三个波导，针对每个分量颜色一个波导)中的对应波导。

在一些实施例中，耦入光学元件可以是衍射光栅。例如，耦入光学元件可包括闪耀(blazed)光栅。在各种实施例中，高折射率介电材料可以设置在闪耀光栅上。分割光瞳波导组件的构成波导中的每一个可包括与投影仪的多个空间分离光瞳中的一个而空间对准的耦入光栅(ICG)。例如，被配置为在第一深度平面处产生红色图像的波导可包括耦入光栅(ICG)，其被定位以使得其对向(subtend)被配置为在第一深度平面处输出红色图像的投影仪的对应光瞳。作为另一示例，被配置为在第二深度平面处产生绿色图像的波导可包括耦入光栅(ICG)，其被定位以使得其对向被配置为在第二深度平面处输出绿色图像的投影仪的对应光瞳。

因此，显示系统的各种实施例可包括多个波导，每个波导包括这样的耦入光栅：被配置为接收从投影仪的对应光瞳输出的光接收并将其耦入到波导中。在这样的实施例中，投影仪从其输出光的光瞳的数量可以等于多个波导中的波导的数量或等于深度平面的数量。与每个波导相关联的耦入光学元件可以被配置为促进期望颜色的光到该波导中的高耦入效率。

如上文所讨论的，投影仪的尺寸可以取决于投影仪输出的光瞳的数量。例如，如果减少投影仪从其输出光的光瞳的数量，则可以减少投影仪的尺寸。在不依赖于任何特定理论的情况下，如果减少投影仪从其输出光的光瞳的数量，则显示系统的总体尺寸也可以减少。例如，为了减少投影仪的尺寸，投影仪可以被配置为从第一光瞳输出针对深度平面的两个不同颜色图像(例如，蓝色图像和红色图像)，而针对深度平面的第三不同颜色图像(例如，绿色图像)可以从与第一光瞳空间分离的第二光瞳输出。优选地，共享共同光瞳的颜色被选择以提供波长的最大差异(例如，在分量颜色图像集中)，以有助于不同分量颜色之间的耦入光学元件的区别。作为另一示例，为了减少投影仪的尺寸，投影仪可以被配置为从如上文所讨论的单光瞳输出针对深度平面的三个不同颜色图像(例如，蓝色图像、红色图像、和绿色图像)。

因此，为了减少投影仪的尺寸和/或显示系统的总体尺寸，投影仪从其输出光的光瞳的数量可以小于多个波导中的波导的数量。在包括从单个光瞳输出针对深度平面的不同颜色图像(例如，两个或三个颜色图像)的投影仪的显示系统的实施例中，与接收从投影仪的单个光瞳输出的不同颜色图像的波导相关联的耦入光学元件被对准(例如，垂直对准)以使得其看起来空间重叠，如在自上而下视图中可见。本文讨论了其中耦入光学元件垂直对准以使得它们可以从投影仪的单个光瞳接收不同颜色图像(例如，两个或三个颜色图像)的波导体系结构。此外，在本申请中还描述了被配置为减少或者防止将非预期的颜色图像耦入到波导中的方法和系统。

图10示意性地示出了分割光瞳波导组件的示例的透视图，该分割光瞳波导组件包括彼此堆叠的多个波导。多个波导中的每个波导与被配置为耦入具有特定光学特性(例如，特定波长、波长范围和/或特定偏振状态)的光的耦入光学元件相关联。所示的实施例包括彼此堆叠的三个波导670、680、和690。每个波导与被配置为耦入从投影仪输出的具有不同波长的光的耦入光学元件(例如，耦入光学元件700、710和720)相关联。投影仪可以被配置为从第一光瞳输出多个不同颜色图像(例如，蓝色和红色图像)并且从与第一光瞳空间分离的第二光瞳输出一个或多个不同颜色图像(例如，绿色图像)。因此，在图10所示的实施例中，耦入光学元件700和720彼此垂直对准(例如，沿着y轴)以使得它们彼此横向重叠(例如，在x-z平面内)并且与投影仪的第一光瞳重合，而耦入光学元件710与耦入光学元件700和720横向(例如，在x-z平面内)位移并且与投影仪的第二光瞳重合。

图10A示出了沿着平面10A-10A的图10所示的波导组件的侧视图。如上文所讨论的，投影仪被配置为通过第一光瞳输出第一和第二颜色图像(例如，红色和蓝色图像)并且通过第二光瞳输出第三颜色图像(例如，绿色图像)。在图10A中，光线1005和1007表示从第一光瞳输出的第一和第二颜色图像，并且光线1009表示从第二光瞳输出的第三颜色图像。参考图10A，耦入光学元件700被配置为将第一颜色图像(由光线1005表示的)耦入到波导670中，以使得其通过波导670的主表面处的多次全内反射通过波导670传播。在图10A中，光线1005r表示对应于第一颜色图像的耦入光的传播。耦入光学元件720被配置为将第二颜色图像(由光线1007表示的)耦入到波导690中，以使得其通过波导690的主表面处的多次全内反射通过波导690传播。在图10A中，光线1007r表示对应于第二颜色图像的耦入光的传播。如上文所讨论的，与波导670相关联的耦入光学元件700和与波导690相关联的耦入光学元件702彼此垂直对准(例如，沿着y轴)并且彼此横向空间重叠(例如，在x-z平面内)。

在图10A，耦入光学元件710被配置为将第三颜色图像(由光线1009表示的)耦入到波导680中，以使得其通过波导680的主表面处的多次全内反射通过波导680传播。在图10A中，光线1009r表示对应于第三颜色图像的耦入光的传播。耦入光学元件710被设置为接收从与第一光瞳空间分离的投影仪的第二光瞳输出的光。因此，耦入光学元件710与耦入光学元件700和720横向隔开，如在自上而下视图中可见。

如上文所讨论的，耦入光学元件700、710和720被配置为重新引导具有特定光学特性(例如，特定波长、波长范围和/或特定偏振状态)的入射光以使得其耦入到相关联的波导中。例如，在各种实施例中，耦入光学元件700、710和720可以包括折射、反射和/或衍射特征，其被配置为选择性地折射、反射/或衍射具有特定颜色(例如，红色、绿色或蓝色)的光，以使得大部分具有特定颜色或波长的光耦入到相关联的波导中。在这样的实施例中，大部分具有未被配置为由耦入光学元件700、710和720选择性地折射、反射和/或衍射的颜色的入射光通过耦入光学元件700、710和720而不耦入到相关联的波导中。在各种实施例中，耦入光学元件700、710和720可包括波长选择和/或偏振选择光栅。在包括偏振选择光栅的耦入光学元件700、710和720的实施例中，对应于第一颜色图像的从第一光瞳输出的光可以具有第一偏振状态(例如，线性、圆形或椭圆偏振状态)，并且对应于第一颜色图像的从第一光瞳输出的光可以具有与第一偏振状态不同的第二偏振状态(例如，直线、圆形或椭圆偏振状态)。在包括波长选择光栅的耦入光学元件700、710和720的实施例中，对应于第一颜色图像的从第一光瞳输出的光和对应于第二颜色图像的从第一光瞳输出的光可以具有相同偏振状态。不失一般性地，在包括波长选择光栅的耦入光学元件700、710和720的实施例中，光栅可以被配置以使得光栅对具有特定波长的光的耦合效率大于光栅对具有与特定波长不同的波长的光的耦合效率。在这样的实施例中，尽管光栅对具有与特定颜色不同的波长的光的耦合效率可能减少，但是实际上，具有与特定颜色不同的波长的少量光可以耦入到相关联的波导中。将理解到，具有不同波长的光可以对应于不同颜色，并且如此，在本文中对具有不同颜色的光的参考也应当被理解为对具有不同波长的光的参考。

参考图10A，形成从投影仪的第一光瞳输出的第二颜色图像的光线1007被描绘为通过耦入光学元件700但不耦入到波导670中。尽管图10A描绘了对应于从投影仪的第一光瞳输出的第一颜色图像的所有入射光耦入到波导670中，但是实际上，对应于从投影仪的第一光瞳输出的第一颜色图像的入射光中的一些可以透射通过耦入光学元件700而不耦入到波导670中。类似地，尽管图10A描绘了对应于从投影仪的第一光瞳输出的第二颜色图像的所有入射光透射通过耦入光学元件700而不重新引导，但是实际上，对应于从投影仪的第一光瞳输出的第二颜色图像的入射光中的一些可以通过耦入光学元件700耦入到波导670中。在图10A所描绘的实施例中，耦入光学元件700、710和720被设置在波导的主表面(例如，下主表面)上，该主表面与从投影仪接收入射光的主表面(例如，上主表面)相对。因此，耦入光学元件700、710和720被配置为在反射模式中操作。然而，在其他实施例中，耦入光学元件700、710和720可以设置在从投影仪接收入射光的主表面(例如，上主表面)上并且被配置为在透射模式中操作。

在图10A所示的实施例中，耦入光学元件700、710和720被示出为在下主表面上或邻近设置。因此，耦入光学元件700、710和720被配置为在反射模式中操作。例如，耦入光学元件700、710和720中的一个或多个可以包括反射衍射光栅以选择性地将具有特定波长的光耦入到波导670、680和690中的相应波导。例如，在图10A所示的实施例中，耦入光学元件700被配置为将形成第一颜色图像的光(由光线1005表示的)反射到波导670中，以使得其通过多次全内反射通过波导670传播；耦入光学元件710被配置为将形成第三颜色图像的光(由光线1009表示的)反射到波导680中，以使得其通过多次全内反射传播通过波导680；以及耦入光学元件720被配置为将形成第二颜色图像的光(由光线1007表示的)反射到波导690中，以使得其通过多次全内反射传播通过波导690。

此外，在图10A所示的实施例中，耦入光学元件700被配置为使得形成第二颜色图像的大部分的入射光(由光线1007表示的)能通过。例如，耦入光学元件700可以被配置为使得形成第二颜色图像的超过50％的入射光(由光线1007表示的)能通过。作为另一示例，耦入光学元件700可以被配置为使得形成第二颜色图像的大于或等于约60％的入射光(由光线1007表示的)、形成第二颜色图像的大于或等于约75％的入射光(由光线1007表示的)、形成第二颜色图像的大于或等于约80％的入射光(由光线1007表示的)、形成第二颜色图像的大于或等于约85％的入射光(由光线1007表示的)、形成第二颜色图像的大于或等于90％的入射光(由光线1007表示的)、或形成第二颜色图像的大于或等于95％的入射光(由光线1007表示的)能通过。

在各种实施例中，耦入光学元件700、710和720中的一个或多个可以被配置为透射具有不旨在由相应耦入光学元件耦入到相关联的波导中的波长的大部分(例如，大于或等于约50％、大于或等于约60％、大于或等于约70％、大于或等于约80％、大于或等于约90％、大于或等于约95％、或大于或等于约99％)的入射光，而同时反射具有旨在由相应耦入光学元件耦入到相关联的波导中的波长的大部分(例如，大于或等于约50％、大于或等于约60％、大于或等于约70％、大于或等于约80％、大于或等于约90％、大于或等于约95％、或大于或等于约99％)的入射光。

在各种实施例中，与堆叠中的最后波导相关联的耦入光学元件(例如，与波导690相关联的耦入光学元件720)可以金属化。另外，在具有两个光瞳的一些实施例中，针对每个光瞳的最后波导的耦入光学元件可以金属化。将理解到，最后波导是在光通过所有其他波导之后最后接收光的波导。在两光瞳布置中，每个光瞳可以具有最后波导；例如，针对光线1009的光瞳的最后波导是波导680。另外，针对光线1007的光瞳的最后光瞳是波导690。因此，在一些实施例中，耦入光学元件710和720中的一者或两者可以金属化。金属化可以增加反射的效率，并且因此，增加光耦入效率。然而，金属化反射光栅可以减少具有不旨在由相应耦入光学元件耦入到相关联的波导中的波长的光的透射率。因此，用于在最后波导之前从投影仪接收光的波导的耦入光学元件优选地未金属化。

在各种实施例中，耦入光学元件700、710和720中的一个或多个可以包括透射衍射光栅，该透射衍射光栅被配置为以这样的角度重新引导具有旨在由相应耦入光学元件耦入到相关联的波导中的波长的大部分(例如，大于或等于约50％、大于或等于约60％、大于或等于约70％、大于或等于约80％、大于或等于约90％、大于或等于约95％、或大于或等于约99％)的入射光，该角度将使得重新引导光通过全内反射传播通过相关联的波导。同时，包括透射衍射光栅的耦入光学元件700、710和720中的一个或多个被配置为透射具有不旨在由相应耦入光学元件耦入到相关联的波导中的波长的大部分(例如，大于或等于约50％、大于或等于约60％、大于或等于约70％、大于或等于约80％、大于或等于约90％、大于或等于约95％、或大于或等于约99％)的入射光。在这样的实施例中，包括透射衍射光栅的耦入光学元件700、710和720中的一个或多个被设置在波导的上主表面上。

图11示意性地示出了波导组件的示例的透视图，该波导组件包括彼此堆叠的多个波导。多个波导中的每个波导与被配置为耦入具有特定光学特性(例如，特定波长、波长范围和/或特定偏振状态)的光的耦入光学元件相关联。所示的实施例包括彼此堆叠的三个波导670、680、和690。每个波导与被配置为耦入从投影仪输出的具有不同波长的光的耦入光学元件(例如，耦入光学元件700、710和720)相关联。投影仪可以被配置为具有从其输出多个不同颜色图像(例如，蓝色、绿色和红色图像)的单光瞳。因此，在图11所示的实施例中，耦入光学元件700、710和720彼此垂直对准(例如，沿着y轴)以使得它们彼此横向重叠(例如，在x-z平面内)并且与投影仪的单光瞳重合。

图11A示出了沿着轴11A-11A的图11所示的波导组件的侧视图。如上文所讨论的，投影仪被配置为通过单光瞳输出第一颜色图像、第二颜色图像、和第三颜色图像(例如，红色、绿色和蓝色图像)。在图11A中，光线1005、1007和1009表示从单光瞳输出的第一、第二、和第三颜色图像。参考图11A，耦入光学元件700被配置为将第一颜色图像(由光线1005表示的)耦入到波导670中，以使得其通过波导670的上和下主表面处的多次全内反射传播通过波导670，耦入光学元件720被配置为将第二颜色图像(由光线1007表示的)耦入到波导690中，以使得其通过波导670的上和下主表面处的多次全内反射传播通过波导670，以及耦入光学元件710被配置为将第三颜色图像(由光线1009表示的)耦入到波导680中，以使得其通过波导670的上和下主表面处的多次全内反射传播通过波导670。如上文所讨论的，耦入光学元件700被配置为耦入对应于第一颜色图像的大部分入射光并且允许对应于第二和第三颜色图像的大部分入射光通过而不重新引导。类似地，耦入光学元件710被配置为耦入对应于第三颜色图像的大部分入射光并且允许对应于第二颜色图像的大部分入射光通过而不重新引导。

在以上实施例中，期望的是，耦入光学元件700将对应于第一颜色图像的所有(或大部分)入射光耦入到相关联的波导670中，同时允许对应于第二颜色图像和第三颜色图像的所有(或大部分)入射光被透射而不耦入。类似地，期望的是，耦入光学元件710将对应于第三颜色图像的所有(或大部分)入射光耦入到相关联的波导680中，同时允许对应于第二颜色图像的所有(或大部分)入射光被透射而不耦入。然而，实际上，对应于第二颜色图像和第三颜色图像的入射光中的一些可以通过耦入光学元件700耦入到相关联的波导670中，并且对应于第二颜色图像和第三颜色图像的入射光中的一些可以通过耦入光学元件710耦入到相关联的波导680中。此外，对应于第一颜色图像的入射光中的一些可以通过耦入光学元件700透射并且耦入到波导680和/或690中。

将颜色图像耦入到非预期波导中可能引起不期望的光学效应，诸如例如串扰和/或重影。例如，将第一颜色图像耦入非预期波导680和/或690中可能导致第一颜色图像、第二颜色图像和/或第三颜色图像之间的不期望的串扰和/或引起不期望的重影。作为另一示例，将第二或第三颜色图像耦入非预期波导670中可能导致第一颜色图像、第二颜色图像和/或第三颜色图像之间的不期望的串扰和/或引起不期望的重影。这些不期望的光学效应可以通过提供可减少耦入到非预期波导中的入射光量的光学器件(例如，吸收滤波器)来减轻。

图12、图12A、图13和图13A示出了包括一个或多个光学滤波器的波导组件的实施方式。图12和图12A分别示出了包括彼此堆叠的三个波导670、680、和690的波导组件的透视图和侧视图，该三个波导670、680、和690被配置为从投影仪的第一光瞳接收对应于第一颜色图像和第二颜色图像的光，并且从与第一光瞳空间分离的投影仪的第二光瞳接收第三颜色图像。在图12A中，对应于由光线1005表示的第一颜色图像的光旨在通过耦入光学元件700耦入到波导670中，并且对应于由光线1007表示的第二颜色图像的光旨在通过耦入光学元件720耦入到波导690中。图12A所示的波导组件包括多个光学滤波器1101和1103，该多个光学滤波器1101和1103被配置为减少耦入到波导670中的对应于第二颜色图像(由光线1007表示的)的入射光量并且减少耦入到波导690中的对应于第一颜色图像(由光线1005表示的)的入射光量。在波导670的上和下主表面上设置的多个光学滤波器1101被配置为吸收耦入到波导670中的对应于第二颜色图像(例如，红色)的光。多个光学滤波器1101可以被配置为吸收对应于通过全内反射传播通过波导670的第二颜色图像(例如，红色)的耦入光的吸收滤波器。多个光学滤波器1101可以被配置为不影响对应于通过TIR传播通过波导670的第一颜色的耦入光的传播。因此，多个光学滤波器1101可以被配置为对于对应于经由TIR传播通过波导670的第一颜色的耦入光是基本上透射的。因此，多个光学滤波器1101可以被认为是对于具有某些颜色的光基本上透明的选择性透明光学组件。

被配置为吸收未耦入到波导中并且透射通过耦入光学元件700的对应于第一颜色图像的入射光的另一光学滤波器1103可以设置在波导670与690之间。光学滤波器1103可以对于具有第二和第三颜色的光是基本上透射的，以使得对应于第二颜色图像和/或第三颜色图像的入射光透射通过光学滤波器1103而几乎没有衰减。如此，光学滤波器1103可以被认为是对于具有第二和第三颜色的光基本上透明的选择性透明光学组件。光学滤波器1103可以设置在主表面上。在一些实施例中，光学滤波器1103可以设置在波导680的上主表面上，如图12A所示。例如，光学滤波器1103可以设置在与耦入光学元件710横向隔开并且与投影仪的第一光瞳垂直对准的波导680的上主表面的一部分上。在一些实施例中，光学滤波器1103可以设置在波导680的下主表面上或在波导690的上主表面上。例如，光学滤波器可以设置在被配置为接收对应于第二颜色图像的入射光的波导690的上主表面上。在一些其他实施例中，光学滤波器1103可以设置在设置在波导670与690之间的分离衬底上。

参考图12A，光学滤波器1101可以设置在波导670的上和/或下主表面的一部分上。例如，光学滤波器1101可以设置在与耦入光学元件700横向隔开的波导670的上主表面的一部分上。在一些实施例中，光学滤波器1101可以具有小于或等于约10％(例如，小于或等于约5％、小于或等于约2％、小于或等于约1％)的单通衰减因子，以使得具有未经由TIR在波导670中传播并且从周围环境入射在光学滤波器1101上的大部分(例如，大于或等于约50％、大于或等于约60％、大于或等于约70％、大于或等于约80％、大于或等于约90％、大于或等于约95％)光透射通过光学滤波器1101。具有小于或等于约10％(例如，小于或等于约5％、小于或等于约2％、小于或等于约1％)的单通衰减因子的光学滤波器1101的一些这样的实施例可以设置在波导670的上主表面(例如，从投影仪接收入射光的表面)的大多数区域上而不显著减少耦入到波导670中的第一颜色图像的入射光量。包括具有小于或等于约10％的单通衰减因子的光学滤波器1101的一些这样的实施例的波导组件也可以并入上文所描述的可穿戴显示系统60中，以允许来自世界510的大部分光透射到用户。因此，具有小于或等于约10％的单通衰减因子的光学滤波器1101的实施例可以设置在用户的视场中。光学滤波器1101的一些其他实施例可以具有高单通衰减因子。光学滤波器1101的这样的实施例可以设置在用户的视场外部的波导670的一部分中。

参考图12A，光学滤波器1103可以被配置为具有针对具有第一颜色的光的高单通衰减因子和针对具有第二颜色的光的低单通衰减因子。例如，光学滤波器1103可以被配置为透射大于约90％的具有第二颜色(例如，红色)的入射光并且吸收大于约90％的具有第一颜色(例如，蓝色)的入射光。

图13和图13A分别示出了包括彼此堆叠的三个波导670、680、和690的波导组件的透视图和侧视图，该三个波导670、680、和690被配置为从投影仪的单光瞳接收对应于第一颜色图像的光、对应于第二颜色图像的光、和对应于第三颜色图像的光。图13A所示的波导组件包括多个光学滤波器1105、1107和1109，该多个光学滤波器1105、1107和1109被配置为减少对应于耦入在波导670内或传播到波导670中的第二和第三颜色图像(由光线1007和1009表示的)的入射光量，减少对应于耦入到波导680中或在波导680内传播的第一和第二颜色图像(由光线1005和1007表示的)的入射光量，以及减少对应于耦入到波导690中的第一和第三颜色图像(由光线1005和1009表示的)的入射光量。

例如，在波导670的上和下主表面上设置的多个光学滤波器1105被配置为吸收耦入到波导670中的对应于第二和第三颜色图像(例如，红色和绿色)的光。在波导670与680之间设置的光学滤波器1107被配置为吸收透射通过耦入光学元件700的对应于第一颜色图像(例如，蓝色图像)的大部分(例如，大于或等于约90％、大于或等于约95％、或大于或等于约99％)光。在波导680的上和下主表面上设置的多个光学滤波器1109被配置为吸收耦入到波导680中的对应于第二颜色图像(例如，红色)的光和对应于第一颜色图像(例如，蓝色)的光。在波导680与690之间设置的光学滤波器1111被配置为吸收透射通过耦入光学元件710的对应于第三颜色图像(例如，绿色图像)的光的一部分。

如上文所讨论的，多个光学滤波器1105可以被配置为吸收滤波器，该吸收滤波器吸收对应于通过全内反射传播通过波导670的第二和第三颜色图像(例如，红色和绿色)的耦入光而不影响对应于经由TIR传播通过波导670的第一颜色的耦入光的传播。类似地，多个光学滤波器1109可以被配置为吸收滤波器，该吸收滤波器吸收对应于通过全内反射传播通过波导680的第二颜色图像(例如，红色)的耦入光而不影响对应于经由TIR传播通过波导680的第三颜色的耦入光的传播。

光学滤波器1107和1111也可以被配置为吸收滤波器。光学滤波器1107可以对于具有第二和第三颜色的光是基本上透射的，以使得对应于第二颜色图像和/或第三颜色图像的入射光透射通过光学滤波器1107而几乎没有衰减。光学滤波器1111可以对于具有第二颜色的光是基本上透射的，以使得对应于第二颜色图像的入射光透射通过光学滤波器11111而几乎没有衰减。如此，光学滤波器1107和1111可以被认为是对于具有某些颜色的光透明的选择性透明光学组件。光学滤波器1107可以设置在波导680的主表面(例如，上主表面)上，如图13A所示。替换地，光学滤波器1107可以设置在定位在波导670与680之间的分离衬底上或在波导670的下主表面上。光学滤波器1111可以设置在波导690的主表面(例如，上主表面)上。替换地，光学滤波器1111可以设置在定位在波导680与690之间的分离衬底上或在波导680的下主表面上。不失一般性地，光学滤波器1107和1111可以与输出对应于第一、第二和第三颜色图像的光的投影仪的单光瞳垂直对准。

光学滤波器1105和1109的各种实施例可以具有小于约10％的单通衰减因子。光学滤波器1107和1111的各种实施例可以被配置为具有针对将被透射的波长的低衰减因子和针对将被吸收的波长的高衰减因子。例如，光学滤波器1107可以被配置为透射大于约90％的具有第二和第三颜色(例如，红色和绿色)的入射光并且吸收大于约90％的具有第一颜色(例如，蓝色)的入射光。类似地，光学滤波器1111可以被配置为透射大于约90％的具有第二颜色(例如，红色)的入射光并且吸收大于约90％的具有第三颜色(例如，绿色)的入射光。上文所描述的光学滤波器1101、1103、1105、1107、1109和1111可以包括沉积在衬底(例如，玻璃衬底、聚合物衬底、晶体衬底、波导670、680和/或690的一个或两个表面)上的颜色选择吸收材料层。颜色选择吸收材料可以包括染料、墨水、或其他光吸收材料。

颜色选择材料可以使用各种沉积方法沉积在衬底上。例如，颜色选择吸收材料可以使用喷射沉积技术(例如，喷墨沉积)沉积在衬底上。喷墨沉积可以促进沉积颜色选择吸收材料的薄层。使用喷墨沉积，可以控制颜色选择吸收材料层的厚度。例如，使用喷墨沉积而沉积的颜色选择吸收材料层可以具有在约10nm与约1微米之间(例如，在约10nm与约50nm之间、在约25nm与约75nm之间、在约40nm与约100nm之间、在约80nm与约300nm之间、在约200nm与约500nm之间、在约400nm与约800nm之间、在约500nm与约1微米之间、或由这些值中的任意一个定义的范围/子范围中的任何值)的厚度。控制颜色选择吸收材料的沉积层的厚度可以在实现具有期望的衰减因子的光学滤波器中是有利的。此外，喷墨沉积可以促进具有均匀厚度的颜色选择吸收材料层的沉积。喷墨沉积也可以有利地减少在沉积期间浪费的颜色选择吸收材料量。此外，颜色选择吸收材料的不同组成可以使用喷墨沉积来沉积在衬底的不同部分中。此外，具有不同厚度的层可以沉积在衬底的不同部分中。组成和/或厚度的这样的变化可以有利地允许吸收的位置变化。例如，在其中来自周围环境的光的透射(以允许观看者看到周围环境)不必要的波导区域中，组成和/或选择可以被选择以提供光的高吸收或衰减。其他沉积方法诸如涂布、旋涂、喷涂等可以用于将颜色选择吸收材料沉积在衬底上。

要将由对应光学滤波器吸收的光束的尺寸(例如，形状和面积)优选地基本上等于上文所描述的光学滤波器1103、1107和1111的尺寸(分别图12A、图13A、和图13A)。例如，光学滤波器1103和光束1005的尺寸优选地与被配置为由光学滤波器1103吸收的形成第一颜色图像的光束1005基本上相等。类似地，光学滤波器1107和被配置为由光学滤波器1107吸收的形成第一颜色图像的光束1005的尺寸和光学滤波器1111的尺寸可以等于被配置为由光学滤波器1111吸收的形成第三颜色图像的光束1009的尺寸。不失一般性地，在其中光学滤波器的尺寸可与被配置为吸收的入射光束的尺寸相比较的显示设备的实施例中，光学滤波器可以与发射被配置为吸收的入射光束的投影仪的出射光瞳垂直对准。

然而，在各种实施例中，制造具有等于将被吸收的光束的尺寸的尺寸的光学滤波器可能是不实际的。在一些这样的实施例中，光学滤波器1103、1107和1111的尺寸可以被配置为小于将被吸收的对应光束的尺寸。在一些这样的实施例中，包括具有小于将被吸收的对应光束的尺寸的尺寸的光学滤波器，光学滤波器的位置可以关于发射被配置为被吸收的入射光束的投影仪的出射光瞳横向位移，以使得与其他入射角相比较，更有助于图像质量的降低的那些入射角被吸收。

在图12、图12A、图13和图13A所示的实施例中，如果一个或多个耦入光学元件700、710和720具有针对旨在耦入到相关联的波导中的光的颜色的足够高的颜色选择性，则可以消除对于一个或多个光学滤波器1101、1103、1105、1107、1109和1111的需要。

减少将具有特定颜色的光耦入到非预期波导中的其他方法可以使用以代替或附加到使用光学滤波器。例如，考虑包括从单光瞳或关于彼此位移的两个光瞳输出对应于两个不同颜色图像(例如，红色图像和蓝色图像)的光的投影仪的显示系统。

显示系统还包括波导组件，该波导组件包括：第一波导670，其具有被配置为耦入对应于第一颜色图像(例如，蓝色图像)的光的第一耦入光学元件700；以及第二波导690，其具有被配置为耦入对应于第二颜色图像(例如，红色图像)的光的第二耦入光学元件720。图14A至图14B示出了这样的波导组件。在包括从关于彼此位移的两个光瞳输出对应于两个不同分量颜色图像(例如，红色图像和蓝色图像)的光的投影仪的显示系统的各种实施例中，第一耦入光学元件700和第二耦入光学元件720可以与发射对应于将耦入到相应波导中的图像的光的相应光瞳垂直对准。因此，在这样的实施例中，第一耦入光学元件700和第二耦入光学元件720也彼此位移(例如，距离“D”，如图14A所示)。将理解到，可以提供针对一个或多个附加的分量颜色图像的耦入和耦出光的一个或多个附加波导，以使得分量颜色图像一起形成全色图像，如本文所讨论的。

在包括从单个光瞳输出对应于两个不同颜色图像(例如，红色图像和蓝色图像)的光的投影仪的显示系统的各种实施例中，第一耦入光学元件700和第二耦入光学元件720可以与输出对应于第一和第二颜色图像的光的投影仪的单光瞳垂直对准。然而，第一耦入光学元件700和第二耦入光学元件720可以关于彼此而横向位移距离“D”，如图14A所示。将第一耦入光学元件700和第二耦入光学元件720关于彼此横向位移可以有利地减少将光耦合到非预期波导中，其可以增强颜色选择性，减少串扰和/或重影。

当从投影仪的单光瞳输出的光以某一角度入射在波导组件上时，将耦入光学元件720关于耦入光学元件700横向位移也可以是有利的，如图14B所示。在该配置中，对于一些入射角，透射通过耦入光学元件700的对应于第一颜色图像的光的一部分未入射在耦入光学元件720上并且因此未耦入到波导690中。

现在将讨论与横向移动耦入光学元件有关的某些细节。参考图15A，包括投影仪的显示系统可以输出对应于两个不同颜色图像(例如，由光线1007n和1007a表示的红色图像，和由光线1005n和1005a表示的蓝色图像)的光。在一些其他实施例中，对应于两个不同颜色图像(例如，红色图像和蓝色图像)的光束可以从两个不同光瞳发射，诸如，例如，图14所示的光瞳1401和光瞳1403。在一些实施例中，发射对应于两个不同颜色图像(例如，红色图像和蓝色图像)的光束的两个光瞳可以是至少部分重叠的，如图14所示。然而，在一些其他实施例中，发射对应于两个不同颜色图像(例如，红色图像和蓝色图像)的光束的两个光瞳，诸如，例如，光瞳1401和光瞳1403，可以是空间不重叠的。在一些其他实施例中，发射对应于两个不同颜色图像(例如，红色图像和蓝色图像)的光束的两个光瞳，诸如，例如，光瞳1401和光瞳1403可以是完全重叠的，以使得对应于两个不同颜色图像(例如，红色图像和蓝色图像)的光束可以被认为是从单个出射光瞳发射。单个出射光瞳系统可以是特别有利的，因为引导到耦入光学元件的光可以通过投射光学器件的类似部分(例如，中心)，从而减少如果光通过投射光学器件的不同部分可能发生的可能失真。另外，单出射光瞳系统可以有利地要求比多出射光瞳系统更小的投射透镜系统。

显示系统还包括波导组件，该波导组件包括：第一波导670，其具有被配置为耦入对应于由光线1005n和1005a表示的第一颜色图像(例如，蓝色图像)的光的第一耦入光学元件700；以及第二波导690，其具有被配置为耦入对应于由光线1007n和1007a表示的第二颜色图像(例如，红色图像)的光的第二耦入光学元件720。图15A示出了这样的波导组件。第一耦入光学元件700与发射对应于由光线1005n和1005a表示的第一颜色图像的光的投影仪的第一光瞳1401垂直对准，并且第二耦入光学元件720相应光瞳与发射对应于由光线1007n和1007a表示的第一颜色图像的光的投影仪的第二光瞳1403垂直对准。第一耦入光学元件700和第二耦入光学元件720关于彼此横向位移距离“D”，如图15A所示。将第一耦入光学元件700和第二耦入光学元件720关于彼此横向位移可以有利地减少将光耦合到非预期波导中，其可以增强颜色选择性，减少串扰和/或重影，如本文所讨论的。如本文所讨论的，光瞳1401和1403可以部分重叠，并且，在一些实施例中，优选地是将光引导到第一和第二耦入光学元件700和720的投射系统的相同单个光瞳。

不受理论的限制，从投影仪的光瞳发射的光束是锥形的，并且包括垂直入射在波导的表面上的光线，诸如例如，光线1005n和1007n，以及以关于波导的表面的法线的某一角度入射的光线，诸如，例如，光线1005a和1007a。第一颜色图像可以传播的光中的一些通过第一耦入光学元件，以入射在第二耦入光学元件720上。关于彼将第一耦入光学元件700和第二耦入光学元件720此横向移位可以减少对应于耦入到第二波导690中的第一颜色图像的光量和/或对应于耦入到第一波导670中的第二颜色图像的光量。

例如，通过将第一耦入光学元件700和第二耦入光学元件720关于彼此横向位移，关于第二波导690的表面的法线倾斜入射的对应于第一颜色图像的光中的一些未耦入到第二波导690中，因为它们未入射在第二耦入光学元件720上，如图15A所示。

例如，考虑对应于第一颜色图像的光的某些部分耦入到第二波导690中。对应于第一颜色图像的光的耦入部分可以当其随后从波导690输出时产生部分图像。这些部分图像可以降低从第一波导670输出的第一颜色图像的对比率和/或分辨率和/或引起重影(通过提供从第一波导670输出的第一颜色图像的重影)。通过减少对应于耦入到第二波导690的第一颜色图像的倾斜入射光量，如图15A所示，可以减少或者减轻从第一波导670输出的第一颜色图像的对比率和/或分辨率的降低和/或减少从第一波导670输出的第一颜色图像中的重影量。

第一耦入光学元件700和第二耦入光学元件720关于彼此横向位移的显示设备的一些实施例可以省略滤色器，该滤色器被配置为吸收具有不期望被耦入到波导中的相应波导中的波长的光。第一耦入光学元件700和第二耦入光学元件720关于彼此横向位移的显示设备的一些实施例也可以包括一个或多个光学滤波器(例如，类似于光学滤波器1101或光学滤波器1103的光学滤波器)，该光学滤波器被配置为吸收具有不期望被耦入到波导中的相应波导中的波长的光。例如，如图15B所示，在以其他方式与图12A的布置相同的布置中，第二耦入光学元件720和相关联的滤色器1103可以相对于第一耦入光学元件700横向位移。

在图15A所示的实施例中，耦入光学元件720横向位移到耦入光学元件700的右边。然而，在其他实施例中，耦入光学元件可以横向位移到耦入光学元件700的左边，或者进或出页面。一对耦入光学元件之间的横向位移量和一个耦入光学元件关于另一个耦入光学元件的位移方向(例如，向右或向左，和/或进或出页面)可以取决于从波导投射出的图像的总体图像质量。

在一些实施例中，位移方向(例如，向右或向左，和/或进或出页面)和一对耦入光学元件之间的横向位移量可以被选择，以减少重影图像相对于从波导当中投射的期望图像的强度的感知性。例如，在一些实施例中，位移方向(例如，向右或向左，和/或进或出页面)和一对耦入光学元件之间的横向位移量可以被选择以将重影图像的强度减少到从波导当中投射的期望图像的强度的约1/100。作为另一示例，在一些实施例中，位移方向(例如，向右或向左，和/或进或出页面)和一对耦入光学元件之间的横向位移量可以被选择以使得重影图像不能由平均人眼感知。

在一些实施例中，位移方向和一对耦入光学元件之间的横向位移量可以被选择以增加从波导投射出的期望图像的亮度和/或对比率。在一些实施例中，位移方向(例如，向右或向左，和/或进或出页面)和一对耦入光学元件之间的横向位移量可以被选择以增加从波导投射出的期望图像的如由平均人类感知的分辨率。

在一些实施例中，一对耦入光学元件之间的横向位移量可以大于或等于约5％(例如，大于或等于约10％、大于或等于约15％、大于或等于约20％、大于或等于约25％、大于或等于约30％、大于或等于约40％)的第一或第二耦入光学元件中的一个的宽度，以使得从波导投射出的期望图像的总体图像质量改进(例如，以使得来自具有耦入光学元件中的一个的波导的重影图像的强度小于或等于从具有耦入光学元件中的其他的波导投射出的期望图像的强度的约1/100，和/或以使得从耦入光学元件中的第一个的波导投射出的期望图像的亮度、分辨率和/或对比率改进)。另外，在一些实施例中，一对耦入光学元件之间的横向位移量可以小于50％(例如，小于约40％、小于30％、或小于约20％)的第一或第二耦入光学元件中的一个的宽度。在一些实施例中，在耦入光学元件具有不同宽度的情况下，用于确定位移的相关宽度是最短宽度。

不受理论的限制，将一对耦入光学元件位移，以使得从改进从波导投射出的期望图像的总体图像质量的观点，不希望存在重叠。然而，将一对耦入光学元件关于彼此移位以使得不存在重叠，将要求移位将发射要由一对耦入光学元件中的相应耦入光学元件耦入的光的投影仪的对应出射光瞳，以使得出射光瞳不重叠。这可能导致增加投影仪的尺寸和/或产生不期望的光学伪影。将一对耦入光学元件和投影仪的对应出射光瞳移位以使得它们部分重叠，可用于减少投影仪的尺寸和/或减少光学事实(optical facts)而不负面影响从波导投射出的期望图像的图像质量。在一些实施例中，横向位移量被选择为足够小以使得单个出射光瞳投射系统可以用于将图像光引导到在一起的(incompany)光学元件，而位移量有利地减少来自下层波导的重影图像的发生。这样的位移可以使得图像的一部分不被显示，因为耦入光学元件的位移可以使得该耦入光学元件的一部分不接收其如果完美对准出射光瞳和其他耦入光学元件否则将接收的光。不受理论的限制，然而，人们相信，图像的一部分的潜在损失比可能源自无意耦入和耦出旨在用于上层波导的光的底层波导的重影图像对图像质量产生更小的影响。将理解到，参考由投射系统输出的图像光流，下层的波导是上层波导的下游。

在一些实施例中，位移方向(例如，向右或向左，和/或进或出页面)和一对耦入光学元件之间的横向位移量可以使用包括包含波导堆叠和耦入光学元件的显示设备的虚拟模型的模拟工具确定。位移方向(例如，向右或向左，和/或进或出页面)和一对耦入光学元件之间的横向位移量可以使用模拟工具迭代调节以改进从波导投射出的期望图像的总体图像质量。例如，位移方向和一对耦入光学元件之间的横向位移量可以使用模拟工具迭代调节以相对于从波导投射出的期望图像的强度，减少重影图像的强度。作为另一示例，位移方向和一对耦入光学元件之间的横向位移量可以使用模拟工具迭代调节以改进从波导投射出的期望图像的如由平均人眼感知的亮度、对比率和/或分辨率中的至少一个。

除了将耦入光学元件关于另一耦入光学元件移位之外，耦入光学元件的单独元件(例如，光栅元件)的一个或多个参数可以调节以改变以不同角度入射的光的不同颜色的耦入效率。例如，在不支持任何特定理论的情况下，与以正入射角入射的(例如，从表面的法线的左边的方向入射的)光相比，以负入射角入射的(例如，从表面的法线的右边的方向入射的)光可以以更低的效率而耦入。因此，一个耦入光学元件的位移方向可以通过考虑耦入以负入射角和正入射角入射的光的效率来调节。作为另一示例，在不支持任何特定理论的情况下，耦入光学元件对以不同入射角入射的光的耦入效率可以通过调节耦入光学元件的单独元件(例如，光栅元件)的一个或多个参数的高度和/或节距来改变。

例如，显示设备的不完整的光学元件可以被配置以使得以正入射角入射的具有第一颜色的光由对应的耦入光学元件耦入到波导中，该波导被配置为耦入具有第二颜色的光以使得从波导投射出的第一颜色图像引起可感知的重影。在这样的实施例中，耦入光学元件可以沿着避免以正入射角入射的第一颜色光的方向位移以减少重影。

在包括与多个深度平面相关联的波导的显示设备中，与不同深度平面相关联的波导的耦入光学元件可以在没有任何空间重叠的情况下彼此分离。这在减少对应于与不同深度平面相关联的波导的图像的光的意外耦入中可以是有利的。

图17示出了包括与两个不同深度平面相关联的波导的显示设备的实施例。第一波导堆叠1501与第一深度平面D1相关联。第一波导堆叠1501包括波导1505a、1505b、和1505c，第一波导堆叠1501的每个波导被配置为耦入对应于从投影仪的出射光瞳1513投射的第一深度平面图像的不同颜色的光(例如，红色、绿色或蓝色)。光分别使用耦入光学元件1507a、1507b、和1507c耦入到波导1505a、1505b、和1505c中。在各种实施例中，耦入光学元件1507a、1507b、和1507c可以彼此空间分离，以使得它们部分重叠，如上文所讨论的。如上文所讨论的，单独耦入光学元件1507a、1507b、和1507c之间的横向位移量和位移方向可以被配置为改进从第一波导堆叠1501投射出的第一深度平面图像的如由平均人眼感知的亮度、对比率和/或分辨率中的至少一个(例如，通过减少从下层波导输出的重影图像的发生)。

在一些实施例中，出射光瞳1513被配置为投射第一深度平面图像并且可以包括发射对应于第一深度平面图像的不同颜色的光的单个光瞳。替换地，在各种实施例中，出射光瞳1513可以包括多个出射光瞳1513a、1513b、和1513c，每个出射光瞳被配置为发射对应于第一深度平面图像的不同颜色的光。在这样的实施例中，多个出射光瞳1513a、1513b、和1513c中的每一个可以被设置为分别与被配置为耦入发射颜色的光的对应耦入光学元件1507a、1507b、和1507c基本上垂直对准。

图17所描绘的显示设备包括与第二深度平面D2相关联的第二波导堆叠1503。第二波导堆叠1503包括波导1509a、1509b、和1509c，每个波导被配置为耦入不同颜色的光(例如，红色、绿色或蓝色)用于显示从投影仪的出射光瞳1515投射的第二深度平面图像。波导1509a、1509b、和1509c分别使用耦入光学元件1511a、1511b、和1511c来耦入光。在各种实施例中，耦入光学元件1511a、1511b、和1511c可以彼此空间分离，以使得它们部分重叠，如上文所讨论的。如上文所讨论的，位移方向和单独耦入光学元件1511a、1511b、和1511c之间的横向位移量可以被配置为改进从第二波导堆叠1503投射出的第二深度平面图像的如由平均人眼感知的亮度、对比率和/或分辨率中的至少一个(例如，通过减少从下层波导输出的重影图像的发生)。

在一些实施例中，被配置为投射第二深度平面图像的出射光瞳1515可以包括发射对应于第一深度平面图像的不同颜色的光的单个光瞳。替换地，在各种实施例中，被配置为投射第二深度平面图像的出射光瞳1515可以包括被配置为发射对应于第二深度平面图像的不同颜色的光的多个出射光瞳1515a、1515b、和1515c。在这样的实施例中，多个出射光瞳1515a、1515b、和1515c中的每一个可以被设置为分别与被配置为耦入发射颜色的光的对应耦入光学元件1511a、1511b、和1511c基本上垂直对准。

如图17注意到，投射第一和第二深度平面图像的出射光瞳1513和1515以及被配置为耦入第一和第二深度平面图像的耦入光学元件1507a-1507c和1511a-1511c在没有任何重叠的情况下空间分离(如从出射光瞳的视角在自上而下视图中可见)。在没有任何重叠的情况下将投射第一和第二深度平面的出射光瞳1513和1515以及被配置为耦入第一和第二深度平面图像的耦入光学元件1507a-1507c和1511a-1511c空间分离，可以减少第一波导堆叠1501中的第二深度平面图像的耦入，并且反之亦然。输出第一和第二深度平面图像的光的出射光瞳1513和1515以及耦入光学元件1507a-1507c和1511a-1511c可以在波导1505a-1505c和1509a-1509c的平面内沿着横向和/或沿着侧向空间分离。

已经提供了设备(例如，光学设备、显示设备、照明器、集成光学设备等)和系统(例如，照明系统)的各种示例。这些设备和/或系统中的任一个可以包括在头戴式显示系统中以将光(例如，利用一个或多个耦入光学元件)耦合到波导和/或目镜中以形成图像。另外，设备和/或系统可以是相对小的(例如，小于1cm)，使得设备和/或系统中的一个或多个可以包括在头戴式显示系统中。例如，设备和/或系统可以相对于目镜是小的(例如，小于目镜的长度和/或宽度的三分之一)。

在前述说明书中，本发明已经参考其特定实施例描述。然而，将明显的是，在本发明的较宽精神和范围的情况下，可以对其做出各种修改和改变。例如，虽然在一些示例中参考具有用于输出光的多个光瞳(例如，多个出射光瞳)的投影仪讨论，但是将理解到，任何图像光源或者多个图像光源可以用于提供用于耦入到耦入光学元件中的图像光。作为示例，在一些实施例中，多个投影仪可以用于向耦入光学元件提供图像光。另外，在一些图中，在其中来自投影仪的光朝向波导向下引导的取向上，耦入光学元件被示出为沿着波导的后面或下主表面设置，并且因此，在反射模式中工作(使得通过以适于波导内的TIR的角度反射光来将入射光耦入到波导中)。在一些其他实施例中，在其中来自投影仪的光朝向波导向下引导的取向上，耦入光学元件可以在波导的前面或上主表面上设置，并且因此，在透射模式中工作(使得通过将光透射通过耦入光学元件来将入射光耦入到波导中，其中，光以适于波导内的TIR的角度出射耦入光学元件)。因此，说明书和附图将被认为是说明性而非限制性意义。

实际上，将理解到，本公开的系统和方法各自具有数个创新方面，其中没有单独一个仅负责或者要求本文所公开的期望的属性。上述的各种特征和过程可以彼此独立地使用，或者可以以各种方式组合。所有可能的组合和子组合旨在落入本公开的范围内。

在分离的实施例的上下文中在该说明书中所描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相反地，在单个实施例中的上下文中所描述的各种特征也可以单独地或者以任何适合的子组合被实现在多个实施例中。而且，尽管特征可以上文描述为在某些组合中作用并且甚至如此初始地示例，但是在一些情况下，可以从组合切除示例组合的一个或多个特征，并且示例的组合可以涉及子组合或子组合的变型。对于每个实施例，没有单个特征或一组特征是必要的或必不可少的。

将理解到，除非另外特别说明，否则本文所使用或者如使用的上下文内以其他方式理解的条件语言(诸如尤其“可以(can)”、“可(could)”、“可能(might)”、“会(may)”、“例如(e.g.)”等)通常旨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没有作者输入或提示的情况下决定这些特征、元素和/或步骤是否在任何特定实施例中被包括或将被执行的逻辑。术语“包括”、“包含”、“具有”等是同义词，以开放式方式包含地使用，并且不排除附加要素、特征、动作、操作等。而且，术语“或”以其包含的含义使用(而不是以其排他的含义使用)，因此例如在用于连接元素列表时，术语“或”表示列表中的一个、一些或全部元素。另外，除非另外指出，否则如使用在本申请中和随附的示例中的冠词“一(a)”、“一个(an)”和“该(the)”将被理解为意味着“一个或多个”或者“至少一个”。类似地，虽然操作可以以特定次序在附图中描绘，但是将认识到，这样的操作不需要以所示的特定次序或者以顺序次序执行，或者全部所图示的操作被执行，以实现期望的结果。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，未描绘的其他操作可以包含在示意性地图示的示例方法和过程中。例如，一个或多个附加操作可以在任何所示出的操作之前、之后、同时或者之间执行。此外，在其他实施例中，操作可以重新布置或者重新排列。在某些情况下，多任务和并行处理可以是有利的。而且，上文所描述的实施例中的各种系统部件的分离不应该被理解为要求所有实施例中的这样的分离，并且应该理解的是，所描述的程序部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中。此外，其他实施例在以下示例的范围内。在一些情况下，示例中所记载的动作可以以不同的次序执行并且仍然实现期望的结果。

因此，本公开不旨在限于本文中所示的实施例，而是将符合与本文所公开的本公开、原理和新颖特征一致的最宽范围。

Claims (33)

1.一种显示系统，包括：

波导的堆叠，其包括：

第一吸收性光学滤波器，其对于第一波长范围的光透射并且对于与所述第一波长范围不同的波长的光吸收；

第一耦入光学元件，其被配置为接收通过所述第一吸收性光学滤波器透射的光；以及

第一波导，其具有第一主表面和第二主表面，

其中，所述第一耦入光学元件被配置为将所述第一波长范围的光耦入到所述第一波导中。

2.根据权利要求1所述的显示系统，其中，所述第一耦入光学元件在所述第一波导的所述第一主表面或者所述第一波导的所述第二主表面上。

3.根据任何权利要求1所述的显示系统，还包括：第二吸收性光学滤波器，其在所述第一波导的所述第一或第二主表面中的一者或两者上，

其中，如在自上而下视图中可见，所述第一吸收性光学滤波器与所述第二吸收性光学滤波器横向移位。

4.根据任何权利要求1所述的显示系统，其中，所述第一吸收性光学滤波器包括染料。

5.根据任何权利要求1所述的显示系统，其中，所述第一耦入光学元件被配置为透射具有与所述第一波长范围不同的波长范围的光。

6.根据任何权利要求1所述的显示系统，其中，所述波导的堆叠还包括：

第二波导，其具有第一主表面和第二主表面；

第二耦入光学元件，其被配置为将通过所述第一吸收性光学滤波器和所述第一耦入光学元件透射并且具有与所述第一波长范围不同的第二波长范围的光耦入到所述第二波导中。

7.根据任何权利要求6所述的显示系统，其中，所述第一耦入光学元件的至少一部分和所述第二耦入光学元件的至少一部分彼此横向重叠，如在自上而下视图中可见。

8.根据任何权利要求6所述的显示系统，还包括：

第三波导，其在所述第一波导的后面，所述第三波导具有第一主表面和第二主表面；以及

第三耦入光学元件，其被配置为将来自所述入射光束的具有第三波长范围的光耦入到所述第三波导中。

9.根据权利要求8所述的显示系统，其中，所述第三耦入光学元件在所述第三波导的所述第一主表面或者所述第三波导的所述第二主表面中的一个上。

10.根据任何权利要求8所述的显示系统，其中，所述第三耦入光学元件的至少一部分与所述第一耦入光学元件和所述第二耦入光学元件横向重叠。

11.根据任何权利要求8所述的显示系统，还包括：第四吸收性光学滤波器，其在所述第三耦入光学元件的前面并且在所述第二波导与所述第三波导之间。

12.根据权利要求11所述的显示系统，其中，所述第三光学滤波器包括染料。

13.根据权利要求6所述的显示系统，其中，所述第二耦入光学元件在所述第二波导的所述第一主表面或者所述第二波导的所述第二主表面上。

14.根据任何权利要求13所述的显示系统，其中，所述第二波导在所述第一波导的前面，还包括：

第三吸收性光学滤波器，其在所述第二波导的主表面上并且与所述第二耦入光学元件横向移位，所述第三吸收性光学滤波器被配置为吸收具有与所述第二波长范围不同的波长的耦入光。

15.根据权利要求14所述的显示系统，其中，所述第三吸收性光学滤波器包括染料。

16.一种显示系统，包括：

波导组件的堆叠，其包括：

第一波导组件，包括：

第一波导，其具有第一主表面和第二主表面；以及

第一耦入光学元件，其被配置为接收第一入射光束；

其中，所述第一耦入光学元件被配置为将来自所述入射光束的具有第一波长范围的光耦入到所述第一波导中；以及

第二波导组件，包括：

第二波导，其具有第一主表面和第二主表面；以及

第二耦入光学元件，其被配置为接收第二入射光束；

其中，所述第二耦入光学元件被配置为将来自所述第二入射光束的具有第二波长范围的光耦入到所述第二波导中，

其中，所述第一耦入光学元件和所述第二耦入光学元件彼此横向移位，如在面对所述第一和第二波导的主表面的自上而下视图中可见。

17.根据权利要求16所述的显示系统，其中，所述波导的堆叠还包括：

第三波导组件，包括：

第三波导，其具有第一主表面和第二主表面；

第三耦入光学元件，其被配置为接收所述第一入射光束，其中，所述第三耦入光学元件被配置为将来自所述入射光束的具有与所述第一波长范围和所述第二波长范围不同的第三波长范围的光耦入到所述第三波导中；以及

光学滤波器，其在所述第一波导与所述第三波导之间，所述光学滤波器被配置为吸收来自所述入射光束的具有所述第一波长的光，并且透射来自所述入射光束的具有所述第三波长范围的光。

18.根据权利要求17所述的显示系统，其中，所述第一耦入光学元件的至少一部分与所述第三入射光学元件的一部分重叠，如在所述自上而下视图中可见。

19.根据任何权利要求17所述的显示系统，还包括：第二光学滤波器，其在所述第一波导的所述第一或第二主表面中的一个上，所述第二光学滤波器与所述第一耦入光学元件横向移位，如在所述自上而下视图中可见，其中，所述第二光学滤波器被配置为吸收具有与所述第一波长范围不同的波长范围的在所述第一波导中的耦入光。

20.根据任何权利要求17所述的显示系统，还包括：第三光学滤波器，其在所述第二波导的所述第一或第二主表面中的一个上，所述第三光学滤波器与所述第二耦入光学元件横向移位，所述第三光学滤波器被配置为吸收具有与所述第二波长范围不同的波长范围的在所述第二波导中的耦入光。

21.根据任何权利要求17所述的显示系统，还包括：第四光学滤波器，其在所述第三波导的所述第一或第二主表面中的一个上，其中，所述第四光学滤波器在所述第二波导与所述第三波导之间，所述第四光学滤波器被配置为：

吸收具有所述第一波长范围和所述第二波长范围的光，以及

透射具有所述第三波长的光。

22.一种显示系统，包括：

投射系统，其用于输出用于形成全色图像的图像光；

波导的堆叠，其包括：

第一波导，其具有第一耦入光学元件，所述第一耦入光学元件被配置为接收所述图像光和耦入第一分量颜色的图像光；以及

第二波导，其在所述第一波导下层并且具有第二耦入光学元件，所述第二耦入光学元件被配置为接收所述图像光和耦入第二分量颜色的图像光，

其中，所述第一耦入光学元件和所述第二耦入光学元件相对于彼此横向移位所述第一和第二耦入光学元件的最短宽度的5-50％，如在自上而下视图中可见。

23.根据权利要求22所述的显示系统，其中，所述第一耦入光学元件和所述第二耦入光学元件相对于彼此横向移位所述第一和第二耦入光学元件的最短宽度的10-25％，如在自上而下视图中可见。

24.根据权利要求22所述的显示系统，其中，所述投射系统具有用于输出所述图像光的单个出射光瞳。

25.根据权利要求22所述的显示系统，还包括：所述图像光的光路中的滤色器，所述滤色器设置在所述第一和第二耦入光学元件之间。

26.根据权利要求25所述的显示系统，其中，所述滤色器相对于所述第一耦入光学元件横向移位与所述第二耦入光学元件相同的量。

27.根据权利要求25所述的显示系统，其中，所述滤色器是吸收性滤色器。

28.根据权利要求22所述的显示系统，还包括：第三波导，其在所述第二波导下层并且具有第三耦入光学元件，所述第三耦入光学元件被配置为接收所述图像光和耦入第三分量颜色的图像光。

29.根据权利要求28所述的显示系统，其中，所述第三耦入光学元件相对于所述第二耦入光学元件横向移位所述第二和第三耦入光学元件的最短宽度的5-50％，如在自上而下视图中可见。

30.根据权利要求28所述的显示系统，其中，所述第一、第二和第三耦入光学元件构成用于在第一深度平面上形成图像的第一波导集，

还包括用于在第二深度平面上形成图像的第二波导集，其中，所述第一和第二波导集输出具有彼此不同的波前发散量的光。

31.根据权利要求30所述的显示系统，其中，所述第二波导集包括第四、第五和第六波导，每个波导具有相应的第四、第五和第六耦入光学元件。

32.根据权利要求31所述的显示系统，其中，所述第四耦入光学元件和所述第五耦入光学元件相对于彼此横向移位所述第四和第五耦入光学元件的最短宽度的5-50％，如在自上而下视图中可见。

33.根据权利要求32所述的显示系统，其中，所述第五耦入光学元件和所述第六耦入光学元件相对于彼此横向移位所述第五和第六耦入光学元件的最短宽度的5-50％，如在自上而下视图中可见。

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