CN116744839A - 用于头戴式显示器的目镜成像组合件 - Google Patents

Abstract

一种头戴式显示器可以包含框架、目镜、图像注入装置、传感器阵列、反射器和离轴光学元件。所述框架可以被配置成支撑在用户的头部上。所述目镜可以联接到所述框架并且被配置成安置在所述用户的眼睛的前面。所述目镜可以包含多个层。所述图像注入装置可以被配置成向所述目镜提供图像内容，以供所述用户观看。所述传感器阵列可以集成在所述目镜中或所述目镜上。所述反射器可以安置在所述目镜中或所述目镜上并且被配置成反射从物体接收的光以供所述传感器阵列成像。所述离轴光学元件可以安置在所述目镜中或所述目镜上。所述离轴光学元件可以被配置成接收从所述反射器反射的光，并且将所述光的至少一部分朝所述传感器阵列引导。

Description

用于头戴式显示器的目镜成像组合件

相关申请的交叉引用

本申请要求于2020年12月23日提交的题为“用于头戴式显示器的目镜成像组合件(EYEPIECE IMAGING ASSEMBLIES FOR A HEAD MOUNTED DISPLAY)”的美国临时申请第63/130,274号(代理人案号：MLEAP.317PR)的优先权的权益。本申请与以下各项有关：于2016年9月21日提交的题为“使用离轴成像器的眼部成像(EYE IMAGING WITH ANOFF-AXISIMAGER)”的美国专利申请第15/271,802号(代理人案号：MLEAP.011A2)、于2018年3月19日提交的题为“使用衍射光学元件的眼部成像设备(EYE-IMAGINGAPPARATUS USINGDIFFRACTIVE OPTICAL ELEMENTS)”的美国专利申请第15/925,505号(代理人案号：MLEAP.099A3)以及于2020年7月29日提交的题为“用于眼动追踪的角度分段热镜(ANGULARLY SEGMENTED HOT MIRROR FOR EYE TRACKING)”的国际申请PCT/US2020/044107(代理人案号：MLEAP.247WO)。此段落中引用的每个申请的全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及虚拟现实和增强现实成像和可视化系统，并且尤其涉及集成在头戴式显示器的目镜中或目镜上的成像组合件。

背景技术

现代计算和显示技术已促进了用于所谓的“虚拟现实”或“增强现实”体验的系统的开发，其中数字地再现的图像或其部分以其中其看起来是真实的或可能被感知为真实的方式呈现给用户。虚拟现实或“VR”场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现，而对其它实际的真实世界视觉输入没有透明度；增强现实或“AR”场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现，作为对用户周围的实际世界的可视化的增强。混合现实或“MR”场景是一种类型的AR场景，并且通常涉及集成到自然世界中并对其做出响应的虚拟物体。例如，在MR场景中，AR图像内容可能被现实世界中的物体阻挡或以其它方式被感知为与现实世界中的物体互动。

参考图1，描绘了增强现实场景10，其中AR技术的用户看到真实世界公园样环境20，所述环境以人、树、背景中的建筑物和混凝土平台30为特征。除了这些项目之外，AR技术的用户还感知到他“看到”了“虚拟内容”，如站在真实世界平台30上的机器人雕像40，以及飞行经过的卡通样化身角色50，其似乎是大黄蜂的化身，尽管这些元素40、50在现实世界中并不存在。由于人类视觉感知系统是复杂的，因此产生有助于在其它虚拟或真实世界影像元素中实现虚拟图像元素的舒适、自然感受的丰富呈现的AR技术具有挑战性。

本文所公开的系统和方法解决了与AR和VR技术相关的各种挑战。

发明内容

所附权利要求范围内的方法和设备的各个实施方案各自均具有若干个方面，其中并非仅靠任何单一方面来负责本文所述的期望的属性。在不限制所附权利要求的范围的情况下，本文描述了一些突出的特征。

本公开的一个方面提供了使用成像组合件对如眼睛等物体进行成像，所述成像组合件不从所述物体的正前面的位置直接观看所述物体。相反，在本文所讨论的各种设计中，来自物体的光从至少部分反射的光学元件或反射器反射到传感器。此反射器可以是部分反射和部分透射的或透明的，使得用户可以通过所述部分反射/透射光学元件看到。因此，根据本文所描述的各个实施方案的各种光学装置包含这样的反射器，以将来自物体的光引导至成像组合件，从而捕获物体的图像，就好像成像组合件处于所述物体的正前面的位置处一样。例如，本文所描述的各个实施方案被配置成将光从眼睛引导至成像组合件，以便捕获所述眼睛的图像，就好像成像摄像头或传感器处于所述眼睛的正前面的位置处一样，但传感器偏离用户眼睛的视线(例如，直前方视线)、眼睛的视场(例如，中心视场)或这些的任何组合。某些实施方案的优点包含对物体进行成像，就好像从物体的正前面的位置观看一样，但不会干扰和/或阻碍用户在观看者的正前面观看物体(例如，通过相对于眼睛暂时放置成像组合件)。在各种情况下，成像组合件集成在头戴式显示器的目镜中或目镜上。一些这样的设计的优点包含减小摄像头外形尺寸以及增加目镜中或目镜上的光学组件之间的对准。成像组合件可以用于对用户的眼睛或环境中的物体进行成像。

在以下附图和说明中阐述了本说明书所描述的主题的一个或多个实施方案的细节。根据本说明书、附图以及权利要求书，其它特征、方面和优点将变得显而易见。此发明内容和以下详细描述并不有意限定或限制本发明主题的范围。

附图说明

图1展示了用户通过增强现实(AR)装置的AR视图。

图2展示了可穿戴显示器系统的实例。

图3展示了用于为用户模拟三维图像的常规显示器系统。

图4展示了使用多个深度平面模拟三维图像的方法的各方面。

图5A-5C展示了曲率半径与焦半径之间的关系。

图6展示了向用户输出图像信息的波导堆叠的实例。

图7展示了由波导输出的出射光束的实例。

图8展示了堆叠波导组合件的实例，其中每个深度平面包含使用多个不同分量色彩形成的图像。

图9A展示了各自包含内耦接光学元件的堆叠波导的集合的实例的横截面侧视图。

图9B展示了图9A的多个堆叠波导的实例的透视图。

图9C展示了图9A和9B的多个堆叠波导的实例的俯视平面图。

图10A-10B示意性地展示了被安置成不阻挡用户的眼睛的中心视场或直前方视线的示例成像系统，所述成像系统包括部分透射、部分反射的光学元件和用于跟踪眼睛的摄像头组合件。

图11A和11B示意性地展示了被安置成不阻挡用户的眼睛的中心视场或直前方视线的示例成像系统，所述成像系统集成在目镜中或目镜上并且被配置成分别对眼睛或环境中的物体进行成像。

图12A和12B示意性地展示了集成在目镜中或目镜上的示例传感器阵列和光学透镜，其中透镜位于同一层但在所述层的相对侧上，或者其中透镜和传感器阵列位于与传感器阵列不同的层上。

图13示意性地展示了具有传感器阵列的另一个示例成像系统，所述传感器阵列具有集成在目镜的层上的晶圆级光学器件。

图14是使用被安置成不阻挡用户的眼睛的中心视场或直前方视线的摄像头对物体进行成像的方法的实例的过程流程图。

贯穿附图，附图标记可以被重复使用以指示参考元件之间的对应关系。提供附图以展示本文所描述的示例实施例，并且并非旨在限制本公开的范围。

具体实施方式

概述

头戴式显示器(HMD)可以出于各种目的使用关于穿戴者的眼睛状态的信息。例如，此信息可以用于评估穿戴者的注视方向、用于生物特征识别、视觉研究、评估穿戴者的生理状态等。然而，对眼睛进行成像可能具有挑战性。HMD与穿戴者的眼睛之间的距离很短。此外，注视跟踪需要大视场(FOV)，而生物特征识别需要虹膜上的目标上的相对较高数量的像素。对于寻求实现这两个目标的成像系统来说，这些要求在很大程度上不一致。此外，由于眼睑和睫毛的遮挡，这两个问题可能会进一步复杂化。用于跟踪眼睛移动的一些当前实施方案使用安装在HMD上并直接指向眼睛的摄像头来捕获眼睛的直接图像。然而，为了实现期望的FOV和像素数，摄像头安装在穿戴者的FOV内，因此倾向于阻挡和干扰穿戴者看到周围世界的能力。其它实施方案在直接对眼睛进行成像的同时，将摄像头移开而不阻挡穿戴者的视野，这引起从高角度对眼睛进行成像，从而导致图像失真，并减少了可用于对眼睛进行成像的视场。类似地，使用直接指向物体的摄像头对环境中的物体进行成像，如在穿戴者的眼睛的前面，如果与穿戴者的直前方视线或中心视场对准，则可能会阻挡穿戴者的视野。此外，将摄像头移开和/或相对于物体以大角度定向摄像头可能引起物体的图像失真和/或提供不同于眼睛的视角的视角。

本文所描述的成像系统的实施方案解决了这些问题中的一些或全部。例如，本文所描述的各个实施方案提供了能够对物体(例如，眼睛的至少一部分、眼睛周围的组织的一部分或穿戴者的眼睛的前面的环境中的物体)进行成像同时准许穿戴者观看周围世界的设备和系统。例如，成像系统可以包括集成在目镜中或目镜上的传感器阵列，所述目镜安置在用户的眼睛的前面。目镜可以包含被配置成将来自物体的光引导到传感器阵列中的一个或多个光学元件(例如，部分反射和部分透射的反射器，以及将光朝传感器阵列重定向的透射性衍射光学元件或折射光学元件)。传感器阵列可以接收光的至少一部分，从而从物体(如眼睛)的正前面的远侧位置捕获物体的图像，就好像处于直视位置一样。

在一些实施方案中，本文所描述的成像系统可以是HMD的显示器光学器件的一部分(或一副眼镜或其它护目镜中的透镜)。可以选择一个或多个反射光学元件来反射第一波长范围，同时准许第二波长范围(例如，不同于第一范围的波长范围)不受阻碍地传播通过目镜。第一波长范围可以例如在红外(IR)中，并且第二波长范围可以在可见光中。例如，目镜可以包括反射光学元件(例如，反射器)，所述反射光学元件反射IR光，同时透射可见光。实际上，成像系统的作用就好像存在引导回到物体(例如，穿戴者的眼睛)的虚拟摄像头组合件一样。因此，虚拟摄像头组合件可以使用从物体(例如，穿戴者的眼睛)反射的IR光形成图像，而来自周围世界的可见光可以透射通过目镜并且可以被穿戴者感知。

在不同意任何特定科学理论的情况下，本文所描述的实施例可以包含若干个非限制性优点。若干个实施例能够增加摄像头组合件与眼睛之间的物理距离，这可以有助于将摄像头组合件定位在穿戴者的视场或中心视场之外，并且因此不阻挡穿戴者的视野，如穿戴者的正前方视野，同时准许捕获相当于眼睛的直视的眼睛图像。本文所描述的实施例中的一些实施例还可以被配置成准许使用比常规系统更大的视场进行眼睛跟踪，从而允许在宽范围的位置上进行眼睛跟踪。本文所描述的一些实施方案还可以被配置成在不阻挡穿戴者的视野的情况下，对穿戴者的眼睛的前面的环境中的物体进行成像。例如，使用IR成像可以有助于对眼睛进行成像，而不干扰穿戴者透过目镜看到以及观看环境的能力。

现在将参考附图，其中相同的附图标记通篇指代相同的零件。

示例HMD装置

图2展示了可穿戴显示器系统60的实例。显示器系统60包含显示器70，所述显示器包括例如目镜，以及支持此显示器70的功能的各种机械和电子模块和系统。显示器70可以联接到框架80，所述框架可由显示器系统用户或观看者90穿戴并且被配置成将显示器70定位在用户90的眼睛的前面。在一些实施例中，显示器70可以被视为护目镜。在一些实施例中，扬声器100联接到框架80并且被配置成定位在用户90的耳道附近(在一些实施例中，另一个扬声器(未示出)定位在用户的另一个耳道附近，以提供立体声/可成形声音控制)。在一些实施例中，显示器系统还可以包含一个或多个麦克风110或用于检测声音的其它装置。在一些实施例中，麦克风被配置成允许用户向系统60提供输入或命令(例如，语音菜单命令的选择、自然语言问题等)，和/或可以允许与其它人(例如，与类似显示器系统的其它用户)进行音频通信。麦克风可以被进一步配置成用于收集音频数据(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，显示器系统还可以包含外围传感器120a，其可以与框架80分离并且附接到用户90的身体(例如，在用户90的头部、躯干、四肢等上)。在一些实施例中，外围传感器120a可以被配置成获取表征用户90的生理状态的数据。例如，传感器120a可以是电极。

继续参考图2，显示器70通过通信链路130，如通过有线引线或无线连接操作性地耦接到本地数据处理模块140，所述本地数据处理模块可以以各种配置安装，如固定地附接到框架80、固定地附接到用户穿戴的头盔或帽子、嵌入头戴式耳机中或者以其它方式可移除地附接到用户90(例如，在背包式配置中，在皮带联接式配置中)。类似地，传感器120a可以通过通信链路120b，例如，有线引线或无线连接操作性地耦接到本地处理器和数据模块140。本地处理和数据模块140可以包括硬件处理器以及数字存储器，如非易失性存储器(例如，闪速存储器或硬盘驱动器)，两者都可以用于辅助数据的处理、高速缓存和存储。数据可以包含：a)从传感器(其可以例如操作性地联接到框架80或以其它方式附接到用户90)捕获的数据，所述传感器如图像捕获装置(例如，摄像头)、麦克风、惯性测量单元、加速度计、指南针、GPS单元、无线电装置、陀螺仪和/或本文所公开的其它传感器；和/或b)使用远程处理模块150和/或远程数据存储库160获取和/或处理的数据(包含与虚拟内容有关的数据)，其可能用于在此类处理或检索之后传送至显示器70。本地处理和数据模块140可以通过通信链路170、180，如通过有线或无线通信链路操作性地耦接到远程处理模块150和远程数据存储库160，使得这些远程模块150、160操作性地彼此耦接并且可用作本地处理和数据模块140的资源。在一些实施例中，本地处理和数据模块140可以包含以下中的一者或多者：图像捕捉装置、麦克风、惯性测量单元、加速度计、罗盘、GPS单元、无线电装置和/或陀螺仪。在一些其它实施例中，这些传感器中的一者或多者可以附接到框架80，或者可以是通过有线或无线通信途径与本地处理和数据模块140通信的独立结构。

继续参考图2，在一些实施例中，远程处理模块150可以包括被配置成分析和处理数据和/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，其可以通过互联网或“云”资源配置中的其它网络配置来获得。在一些实施例中，远程数据存储库160可以包含一个或多个远程服务器，其向本地处理和数据模块140和/或远程处理模块150提供信息，例如，用于生成增强现实内容的信息。在一些实施例中，所有数据都存储在本地处理和数据模块中，并且所有计算都在所述本地处理和数据模块中进行，从而允许远程模块完全自主使用。

通过向观看者的每只眼睛提供略微不同的图像呈现，可以实现将图像感知为“三维”或“3-D”。图3展示了用于为用户模拟三维图像的常规显示器系统。向用户输出两个不同的图像190、200-每只眼睛210、220一个。图像190、200沿平行于观看者的视线的光轴或z轴与眼睛210、220间隔开距离230。图像190、200是平坦的，并且眼睛210、220可以通过采用单一调节状态而聚焦于图像。此类3-D显示器系统依赖于人类视觉系统来组合图像190、200，以提供对组合图像的深度和/或尺度的感知。

然而，将理解的是，人类视觉系统更复杂，并且提供逼真的深度感知更具挑战性。例如，常规“3-D”显示器系统的许多观看者发现此类系统令人不舒服，或者可能根本感知不到深度感。不受理论的限制，据信由于聚散与调节的组合，物体的观看者可能会将物体感知为“三维”的。两只眼睛相对于彼此的聚散移动(例如，眼睛旋转，使得瞳孔朝彼此移动或移动远离彼此，以会聚眼睛的视线，从而固定在物体上)与眼睛的晶状体和瞳孔的聚焦(或“调节”)密切相关。在正常条件下，改变眼睛的晶状体的焦点或调节眼睛以将焦点从一个物体改变到处于不同距离的另一个物体将在被称为“调节-聚散反射”的关系下自动造成到相同距离的匹配的聚散改变，以及瞳孔扩张或收缩。同样，在正常条件下，聚散的改变将触发晶状体形状和瞳孔大小的调节的匹配变化。如本文中所指出，许多立体或“3-D”显示器系统使用对每只眼睛的稍微不同呈现(并且因此稍微不同的图像)来显示场景，使得人类视觉系统感知到三维视角。然而，此类系统对许多观看者来说令人不舒服，因为除其它外，其只是提供场景的不同呈现，但眼睛在单个调节状态下观看所有图像信息并克服“调节-聚散反射”。提供调节与聚散之间的更好匹配的显示器系统可以形成三维图像的更逼真和舒适的模拟，这有助于增加穿戴的持续时间，并且进而遵守诊断和治疗方案。

图4展示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轴上与眼睛210、220相距不同距离的物体由眼睛210、220调节，使得这些物体聚焦。眼睛210、220呈现特定的调节状态，以使处于沿z轴的不同距离处的物体聚焦。因此，可以说特定的调节状态与深度平面240中的特定深度平面相关联，所述深度平面具有相关联的焦距，使得当眼睛处于特定深度平面的调节状态时，所述深度平面中的物体或物体的一部分聚焦。在一些实施例中，可以通过向眼睛210、220中的每一个提供图像的不同呈现，并且还可以通过提供与深度平面中的每个深度平面相对应的图像的不同呈现来模拟三维图像。尽管为了清楚展示而示出为分离的，但将理解的是，例如，随着沿z轴的距离的增加，眼睛210、220的视场可以重叠。此外，尽管为了便于展示而示出为平坦的，但将理解的是，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在特定调节状态下与眼睛聚焦。

物体与眼睛210或220之间的距离也可以改变由此眼睛观看到的来自此物体的光的发散量。图5A-5C展示了距离与光线的发散之间的关系。物体与眼睛210之间的距离按距离减小的次序由R1、R2和R3表示。如图5A-5C所示，随着到物体的距离减小，光线变得更加发散。随着距离增加，光线变得更准直。换句话说，可以说由点(物体或物体的一部分)产生的光场具有球面波前曲率，其随着所述点距用户的眼睛的距离而变。曲率随着物体与眼睛210之间的距离减小而增加。因此，在不同的深度平面处，光线的发散度也不同，其中发散度随着深度平面与观看者的眼睛210之间的距离的减小而增加。尽管为了清楚起见在图5A-5C和本文中的其它附图中仅示出了单个眼睛210，但将理解的是，关于眼睛210的讨论可以应用于观看者的两只眼睛210和220。

不受理论的限制，据信人眼通常可以解释有限数量的深度平面以提供深度感知。因此，可以通过向眼睛提供与这些有限数量的深度平面中的每个深度平面相对应的图像的不同呈现来实现感知深度的高度可信的模拟。不同的呈现可以由观看者的眼睛单独聚焦，由此有助于基于使位于不同深度平面上的场景的不同图像特征聚焦所需的眼睛的调节和/或基于在不同深度平面观察到不同图像特征失焦来向用户提供深度提示。

波导堆叠组合件的实例

图6展示了向用户输出图像信息的波导堆叠的实例。显示器系统250包含波导的堆叠或堆叠的波导组合件260，其可以用于使用多个波导270、280、290、300、310向眼睛/脑提供三维感知。在一些实施例中，显示器系统250是图2的系统60，其中图6示意性地更详细示出所述系统60的一些部分。例如，波导组合件260可以是图2的显示器70的一部分(例如，形成目镜的至少一部分)。将理解的是，在一些实施例中，显示器系统250可以被认为是光场显示器。

继续参考图6，波导组合件260还可以包含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可以被配置成用各种水平的波前曲率或光线发散向眼睛发送图像信息。每个波导水平可以与特定深度平面相关联并且可以被配置成输出与所述深度平面相对应的图像信息。图像注入装置360、370、380、390、400可以充当用于波导的光源，并且可以用于将图像信息注入到波导270、280、290、300、310中，所述波导中的每个波导可以如本文所描述被配置成跨越每个相应波导分配入射光，用于朝眼睛210输出。光离开图像注入装置360、370、380、390、400的输出表面410、420、430、440、450，并且注入到波导270、280、290、300、310的对应输入表面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波导的边缘，或者可以是对应波导的主表面(即，直接面向世界510或观看者的眼睛210的波导表面之一)的一部分。在一些实施例中，可以将单个光束(例如，准直光束)注入到每个波导中，以输出克隆的准直束的整个场，所述克隆的准直束以与和特定波导相关联的深度平面相对应的特定角度(和发散量)朝眼睛210引导。在一些实施例中，图像注入装置360、370、380、390、400中的单一一个可以与波导270、280、290、300、310中的多个(例如，三个)相关联并且向其中注入光。

在一些实施例中，图像注入装置360、370、380、390、400是分立的显示器，其各自产生用于分别注入到对应波导270、280、290、300、310中的图像信息。在一些其它实施例中，图像注入装置360、370、380、390、400是单个多路复用显示器的输出端，其可以例如通过一个或多个光学导管(如光纤电缆)将图像信息传送至图像注入装置360、370、380、390、400中的每一个。应当理解，由图像注入装置360、370、380、390、400提供的图像信息可以包含不同波长或颜色的光(例如，如本文所讨论的不同分量颜色)。

在一些实施例中，注入到波导270、280、290、300、310中的光由投光器系统520提供，所述投光器系统包括光模块530，所述光模块可以包含光发射器，如发光二极管(LED)。来自光模块530的光可以通过分束器550被引导至光调制器540(例如，空间光调制器)并由所述光调制器修改。光调制器540可以被配置成改变注入到波导270、280、290、300、310中的光的感知强度。空间光调制器的实例包括包含硅上液晶(LCOS)显示器的液晶显示器(LCD)。

在一些实施例中，显示器系统250可以是包括一个或多个扫描光纤的扫描光纤显示器，所述一个或多个扫描光纤被配置成将各种图案(例如，光栅扫描、螺旋扫描、李赛尔氏图形(Lissajous pattern)等)中的光投影到一个或多个波导270、280、290、300、310中并且最终投影到观看者的眼睛210。在一些实施例中，展示的图像注入装置360、370、380、390、400可以示意性地表示被配置成将光注入到波导270、280、290、300、310中的一个或多个中的单一扫描光纤或扫描光纤束。在一些其它实施例中，展示的图像注入装置360、370、380、390、400可以示意性地表示多个扫描光纤或多个扫描光纤束，其中的每一个被配置成将光注入到波导270、280、290、300、310中的相关联一个波导中。将理解的是，一个或多个光纤可以被配置成将光从光模块530传输至一个或多个波导270、280、290、300和310。将理解的是，可以在一个或多个扫描光纤与一个或多个波导270、280、290、300、310之间提供一个或多个介入光学结构，以例如将离开扫描光纤的光重定向到一个或多个波导270、280、290、300、310中。

控制器560控制堆叠的波导组合件260中的一个或多个的操作，包含图像注入装置360、370、380、390、400、光源530和光调制器540的操作。在一些实施例中，控制器560是本地数据处理模块140的一部分。控制器560包含编程(例如，非暂时性介质中的指令)，其根据例如本文所公开的各种方案中的任何方案来调节图像信息到波导270、280、290、300、310的定时和提供。在一些实施例中，控制器可以是单个一体式装置，或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的一部分(图2)。

继续参考图6，波导270、280、290、300、310可以被配置成通过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具有另一种形状(例如，弯曲的)，其具有主顶部及底部表面和在那些主顶部及底部表面之间延伸的边缘。在图示的配置中，波导270、280、290、300、310可以各自包含外耦接光学元件570、580、590、600、610，其被配置成通过将在每个相应波导内传播的光重定向至波导之外来将光提取到波导之外，以向眼睛210输出图像信息。提取的光也可以被称为外耦接光并且外耦接光学元件光也可以被称为光提取光学元件。提取的光束可以由波导在波导中传播的光照在光提取光学元件上的位置处输出。外耦接光学元件570、580、590、600、610可以例如是光栅，包含衍射光学特征，如本文进一步讨论的。尽管展示为安置在波导270、280、290、300、310的底部主表面处，但为了便于描述和绘图清楚，在一些实施例中，外耦接光学元件570、580、590、600、610可以安置在顶部和/或底部主表面处，和/或可以直接安置在波导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，外耦接光学元件570、580、590、600、610可以形成于附接到透明基板以形成波导270、280、290、300、310的材料层中。在一些其它实施例中，波导270、280、290、300、310可以是单片材料，并且外耦接光学元件570、580、590、600、610可以形成于此片材料的表面上和/或内部。

继续参考图6，如本文所讨论的，每个波导270、280、290、300、310被配置成输出光以形成与特定深度平面相对应的图像。例如，最靠近眼睛的波导270可以被配置成将准直光(其被注入到此类波导270中)递送至眼睛210。准直光可以表示光学无限焦平面。向上紧邻的波导280可以被配置成发送出准直光，所述准直光在可以到达眼睛210之前穿过第一透镜350(例如，负透镜)；这样的第一透镜350可以被配置成产生轻微的凸波前曲率，使得眼睛/脑将来自向上紧邻的波导280的光解释为来自从光学无穷远处向内朝眼睛210更近的第一焦平面。类似地，第三向上波导290在到达眼睛210之前使其输出光通过第一透镜350和第二透镜340；第一透镜350和第二透镜340的组合光学功率可以被配置成产生另一个增量的波前曲率，使得眼睛/脑将来自第三波导290的光解释为来自第二焦平面，所述第二焦平面比来自向上紧邻的波导280的光从光学无穷远处向内朝人更近。

其它波导层300、310和透镜330、320被类似地配置，其中堆叠中最高的波导310通过其与眼睛之间的所有透镜发送其输出，以获得表示最接近人的焦平面的聚合光焦度。为了补偿透镜320、330、340、350的堆叠，当在堆叠的波导组合件260的另一侧观看/解释来自世界510的光时，补偿透镜层620可以安置在堆叠的顶部，以补偿下面的透镜堆叠320、330、340、350的聚集功率。此配置提供与存在的可用波导/透镜对一样多的感知焦平面。波导的外耦接光学元件和透镜的聚焦方面两者都可以是静态的(即，不是动态或电活性的)。在一些替代性实施例中，任一者或这两者可以使用电活性特征而为动态的。

在一些实施例中，波导270、280、290、300、310中的两个或更多个可以具有相同的相关联深度平面。例如，多个波导270、280、290、300、310可以被配置成输出设置到相同深度平面的图像，或者波导270、280、290、300、310的多个子集可以被配置成输出设置到相同的多个深度平面的图像，其中每个深度平面设置一个图像。这可以提供用于形成平铺图像以提供在那些深度平面处的扩展视场的优点。

继续参考图6，外耦接光学元件570、580、590、600、610可以被配置成将光重定向出其相应波导并且对于与波导相关联的特定深度平面以适当的发散或准直量输出此光。因此，具有不同相关联深度平面的波导可以具有外耦接光学元件570、580、590、600、610的不同配置，所述外耦接光学元件取决于相关联深度平面而输出具有不同发散量的光。在一些实施例中，光提取光学元件570、580、590、600、610可以是体积或表面特征，其可以被配置成以特定角度输出光。例如，光提取光学元件570、580、590、600、610可以是体积全息图、表面全息图和/或衍射光栅。在一些实施例中，特征320、330、340、350可以不是透镜；相反，其可以简单地是间隔物(例如，用于形成气隙的包覆层和/或结构)。

在一些实施例中，外耦接光学元件570、580、590、600、610是形成衍射图案或“衍射光学元件”(本文中也称为“DOE”)的衍射特征。优选地，DOE具有足够低的衍射效率，使得只有光束的一部分光在DOE的每个交叉处朝眼睛210偏转，而其余部分继续通过TIR移动通过波导。因此，携带图像信息的光被划分为多个相关的出射光束，这些出射光束在多个位置离开波导，并且结果是对于在波导内反弹的此特定准直光束而言，朝眼睛210的出射发射具有相当均匀的图案。

在一些实施例中，一个或多个DOE可以在其主动衍射的“开启”状态和其不显著衍射的“关闭”状态之间切换。例如，可切换DOE可以包括聚合物分散液晶层，其中微滴包括主体介质中的衍射图案，并且微滴的折射率可以被切换至与主体材料的折射率基本上匹配(在这种情况下，图案不会明显地衍射入射光)，或者微滴可以被切换至与主体介质的折射率不匹配的折射率(在这种情况下，图案主动地衍射入射光)。

在一些实施例中，可以提供摄像头组合件630(例如，包含可见光和IR光摄像头的数字摄像头)来捕获眼睛210、眼睛210的一部分或眼睛210周围的组织的至少一部分的图像，以例如检测用户输入、从眼睛提取生物特征信息、估计和跟踪眼睛方向的注视、监测用户的生理状态等。如本文所使用的，摄像头可以是任何图像捕获装置。在一些实施例中，摄像头组合件630可以包含图像捕获装置和光源，以将光(例如，IR或近IR光)投影到眼睛，然后这些光可以由眼睛反射并由图像捕获装置检测到。在一些实施例中，光源包含以IR或近IR发射的发光二极管(“LED”)。尽管光源被展示为附接到摄像头组合件630，但将理解的是，光源可以相对于摄像头组合件安置在其它区域中，使得由光源发射的光被引导至穿戴者的眼睛(例如，本文所描述的光源530)。在一些实施例中，摄像头组合件630可以附接到框架80(图2)，并且可以与处理模块140或150电通信，所述处理模块可以处理来自摄像头组合件630的图像信息，以做出关于例如用户的生理状态、穿戴者的注视方向、虹膜识别等的各种确定，如本文所讨论的。将理解的是，关于用户的生理状态的信息可以用于确定用户的行为或情绪状态。此类信息的实例包含用户的移动或用户的面部表情。然后可以对用户的行为或情绪状态以及所收集的环境或虚拟内容数据进行三角测量法测定，以便确定行为或情绪状况、生理状态与环境或虚拟内容数据之间的关系。在一些实施例中，一个摄像头组合件630可以用于每只眼睛，以单独地监测每只眼睛。

现在参考图7，示出了由波导输出的出射光束的实例。展示了一个波导，但将理解的是，波导组合件260(图6)中的其它波导可以类似地起作用，其中波导组合件260包含多个波导。光640在波导270的输入表面460处注入到波导270中，并且通过TIR在波导270内传播。在光640照射在DOE 570上的点处，所述光的一部分作为出射光束650离开波导。出射光束650被展示为基本上平行的，但是，如本文所讨论的，其也可以被重定向以根据与波导270相关联的深度平面以一定角度传播到眼睛210(例如，形成发散出射光束)。基本上平行的出射光束可以指示具有外耦接光学元件的波导，所述外耦接光学元件使光外耦接以形成看起来设置在距眼睛210大距离(例如，光学无穷远)的深度平面上的图像。其它波导或其它外耦接光学元件集合可以输出更发散的出射光束图案，这将需要眼睛210调节至更近的距离以使其聚焦在视网膜上，并且将被脑解释为来自比光学无穷远更接近眼睛210的距离的光。

在一些实施例中，可以通过以分量颜色(例如，三种或更多种分量颜色)中的每一种覆盖图像而在每个深度平面处形成全色图像。图8展示了堆叠波导组合件的实例，其中每个深度平面包含使用多个不同分量色彩形成的图像。展示的实施例示出深度平面240a-240f，但也设想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，包含：第一颜色的第一图像G；第二颜色的第二图像R；以及第三颜色的第三图像B。不同的深度平面在附图中由字母G、R和B后面的屈光度(dpt)的不同数字表示。仅作为实例，这些字母中的每个字母后面的数字指示屈光度(1/m)，或者深度平面与观看者的反向距离，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，为了考虑眼睛对不同波长光的聚焦的差异，用于不同分量颜色的深度平面的精确放置可以变化。例如，用于给定深度平面的不同分量颜色图像可以放置在与距用户的不同距离相对应的深度平面上。此类布置可以增加视觉敏锐度和用户舒适度或者可以减小色像差。

在一些实施例中，每个分量颜色的光可以由单个专用波导输出，并且因此，每个深度平面可以具有与其相关联的多个波导。在此类实施例中，包含字母G、R或B的附图中的每个框可以理解为表示单独的波导，并且每个深度平面可以提供三个波导，其中每个深度平面提供三个分量颜色图像。尽管为了便于描述，与每个深度平面相关联的波导在此图中示出为彼此相邻，但将理解的是，在物理装置中，波导可以全部布置在具有每级一个波导的堆叠中。在一些其它实施例中，多个分量颜色可以由同一波导输出，使得例如每个深度平面可以仅提供单个波导。

继续参考图8，在一些实施例中，G为绿色，R为红色，并且B为蓝色。在一些其它实施例中，除了红色、绿色或蓝色中的一种或多种之外，还可以使用与其它波长的光相关联的其它颜色，包含品红色和青色，或者可以替代红色、绿色或蓝色中的一种或多种。在一些实施例中，特征320、330、340和350可以是被配置成阻挡或选择性地将光从周围环境传送至观看者的眼睛的有源或无源滤光器。

将理解的是，贯穿本公开对给定颜色的光的引用将被理解为涵盖由观看者感知为具有此给定颜色的光的波长范围内的一个或多个波长的光。例如，红光可以包含处于约620-780nm范围内的一个或多个波长的光，绿光可以包含处于约492-577nm范围内的一个或多个波长的光，并且蓝光可以包含处于约435-493nm范围内的一个或多个波长的光。

在一些实施例中，光源530(图6)可以被配置成发射在观看者的视觉感知范围之外的一个或多个波长，例如，IR或紫外线波长的光。IR光可以包含具有处于700nm至10μm范围内的波长的光。在一些实施例中，IR光可以包含具有处于700nm至1.5μm范围内的波长的近IR光。另外，显示器250的波导的内耦接、外耦接和其它光重定向结构可以被配置成朝用户的眼睛210将此光引导和发射到显示器之外，例如，用于成像或用户刺激应用。

现在参考图9A，在一些实施例中，照射在波导上的光可能需要被重定向以将光内耦接到波导中。内耦接光学元件可以用于将光重定向并且内耦接到其对应的波导中。图9A展示了各自包含内耦接光学元件的多个堆叠波导或堆叠波导的集合660的实例的横截面侧视图。波导可以各自被配置成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。将理解的是，除了来自图像注入装置360、370、380、390、400中的一个或多个的光从需要重定向光以进行内耦接的位置注入到波导中之外，堆叠660可以与堆叠260(图6)相对应，并且所展示的堆叠660的波导可以与多个波导270、280、290、300、310的一部分相对应。

展示的堆叠波导的集合660包含波导670、680和690。每个波导包含相关联的内耦接光学元件(其也可以被称为波导上的光输入区域)，其中，例如，内耦接光学元件700被安置在波导670的主表面(例如，上部主表面)上，内耦接光学元件710被安置在波导680的主表面(例如，上部主表面)上，并且内耦接光学元件720被安置在波导690的主表面(例如，上部主表面)上。在一些实施例中，内耦接光学元件700、710、720中的一个或多个可以安置在相应波导670、680、690的底部主表面上(尤其是在一个或多个内耦接光学元件是反射性偏转光学元件的情况下)。如所展示的，内耦接光学元件700、710、720可以安置在其相应的波导670、680、690的上部主表面(或紧邻的下方波导的顶部)上，尤其是在那些内耦接光学元件是透射性偏转光学元件的情况下。在一些实施例中，内耦接光学元件700、710、720可以安置在相应波导670、680、690的主体中。在一些实施例中，如本文所讨论的，内耦接光学元件700、710、720是波长选择性的，使得其选择性地重定向一个或多个波长的光，同时透射其它波长的光。虽然在其相应波导670、680、690的一侧或拐角上展示，但将理解的是，在一些实施例中，内耦接光学元件700、710、720可以安置在其相应波导670、680、690的其它区域中。

如所展示的，内耦接光学元件700、710、720可以相对于彼此横向偏移。在一些实施例中，每个内耦接光学元件可以偏移，使得其接收光而所述光不会穿过另一个内耦接光学元件。例如，每个内耦接光学元件700、710、720可以被配置成如图6所示从不同图像注入装置360、370、380、390和400接收光，并且可以与其它内耦接光学元件700、710、720分离(例如，横向隔开)，使得其基本上不接收来自内耦接光学元件700、710、720中的其它者的光。

每个波导还包含相关联的光分布元件，其中例如，光分布元件730安置在波导670的主表面(例如，顶部主表面)上，光分布元件740安置在波导680的主表面(例如，顶部主表面)上，并且光分布元件750安置在波导690的主表面(例如，顶部主表面)上。在一些其它实施例中，光分布元件730、740、750可以分别安置在相关联波导670、680、690的底部主表面上。在一些其它实施例中，光分布元件730、740、750可以分别安置在相关联波导670、680、690的顶部和底部主表面两者上；或者光分布元件730、740、750可以分别安置在不同相关联波导670、680、690中的顶部和底部主表面中的不同者上。

波导670、680、690可以由例如气体、液体或固体材料层间隔开和分离。例如，如所展示的，层760a可以将波导670与680分离；并且层760b可以将波导680与690分离。在一些实施例中，层760a和760b由低折射率材料(即，具有比形成波导670、680、690中的紧邻一个的材料的折射率低的折射率的材料)形成。优选地，形成层760a、760b的材料的折射率与形成波导670、680、690的材料的折射率相比大0.05或更多，或者小0.10或更多。有利地，较低折射率层760a、760b可以充当促进通过波导670、680、690的光的TIR(例如，每个波导的顶部和底部主表面之间的TIR)的包覆层。在一些实施例中，层760a、760b由空气形成。虽然未展示，但将理解的是，所展示的波导的集合660的顶部和底部可以包含紧邻的包覆层。

优选地，为了便于制造和其它考虑，形成波导670、680、690的材料是类似或相同的，并且形成层760a、760b的材料是类似或相同的。在一些实施例中，形成波导670、680、690的材料在一个或多个波导之间可以不同，或者形成层760a、760b的材料可以不同，同时仍然保持上述各种折射率关系。

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

在一些实施例中，光线770、780、790具有不同的性质，例如，不同的波长或不同的波长范围，其可以与不同的颜色相对应。内耦接光学元件700、710、720各自使入射光偏转，使得所述光通过TIR传播通过波导670、680、690中的相应一个。

例如，内耦接光学元件700可以被配置成使具有第一波长或波长范围的光线770偏转。类似地，透射光线780照射在内耦接光学元件710上并被其偏转，所述内耦接光学元件被配置成使第二波长或波长范围的光偏转。同样地，光线790被内耦接光学元件720偏转，所述内耦接光学元件被配置成选择性地使第三波长或波长范围的光偏转。

继续参考图9A，偏转的光线770、780、790被偏转，使得其传播通过对应的波导670、680、690；也就是说，每个波导的内耦接光学元件700、710、720使光偏转到对应的波导670、680、690中，以使光内耦接到所述对应的波导中。光线770、780、790以使光通过TIR传播通过相应波导670、680、690的角度偏转。光线770、780、790通过TIR传播通过相应的波导670、680、690，直到照射在波导的对应的光分布元件730、740、750上。

现在参考图9B，展示了图9A的多个堆叠波导的实例的透视图。如上所述，内耦接光线770、780、790分别被内耦接光学元件700、710、720偏转，并且然后分别在波导670、680、690内通过TIR传播。光线770、780、790然后分别照射在光分布元件730、740、750上。光分布元件730、740、750使光线770、780、790偏转，使得其分别朝外耦接光学元件800、810和820传播。

在一些实施例中，光分布元件730、740、750是正交光瞳扩展器(orthogonal pupilexpander，OPE)。在一些实施例中，OPE使光偏转或分布到外耦接光学元件800、810、820，并且在此光传播至外耦接光学元件时，还增加此光的光束或光斑大小。在一些实施例中，例如，在光束大小已经具有期望大小的情况下，可以省略光分布元件730、740、750，并且内耦接光学元件700、710、720可以被配置成使光直接偏转至外耦接光学元件800、810、820。例如，参考图9A，光分布元件730、740、750可以分别被外耦接光学元件800、810、820替代。在一些实施例中，外耦接光学元件800、810、820是出射光瞳(EP)或出射光瞳扩展器(EPE)，其将光引导至观看者的眼睛210中(图7)。将理解的是，OPE可以被配置成在至少一个轴上增加动眼框(eye box)的尺寸，并且EPE可以在与OPE的轴交叉(例如，正交)的轴上增大动眼框。

因此，参考图9A和9B，在一些实施例中，波导的集合660包含：波导670、680、690；内耦接光学元件700、710、720；光分布元件(例如，OPE)730、740、750；以及用于每种分量颜色的外耦接光学元件(例如，EP)800、810、820。波导670、680、690可以堆叠，在每个波导之间具有气隙/包覆层。内耦接光学元件700、710、720将入射光重定向或偏转到其波导中(其中不同的内耦接光学元件接收不同波长的光)。然后，光以将引起相应波导670、680、690内的TIR的角度传播。在示出的实例中，光线770(例如，蓝光)由第一内耦接光学元件700偏转，并且然后继续沿波导向下反弹，以先前所描述的方式与光分布元件(例如，OPE)730并且然后与外耦接光学元件(例如，EP)800交互。光线780和790(例如，分别为绿光和红光)将穿过波导670，光线780照射在内耦接光学元件710上并由其偏转。然后，光线780通过TIR沿波导680向下反弹，前进到其光分布元件(例如，OPE)740上，并且然后到外耦接光学元件(例如，EP)810上。最后，光线790(例如，红光)穿过波导690，以照射在波导690的光内耦接光学元件720上。光内耦接光学元件720使光线790偏转，使得光线通过TIR传播至光分布元件(例如，OPE)750，并且然后通过TIR传播至外耦接光学元件(例如，EP)820。外耦接光学元件820然后最终将光线790外耦接至观看者，所述观看者也接收来自其它波导670、680的外耦接光。

图9C展示了图9A和9B的多个堆叠波导的实例的俯视平面图。如所展示的，波导670、680、690连同每个波导的相关联光分布元件730、740、750和相关联外耦接光学元件800、810、820可以竖直对准。然而，如本文所讨论的，内耦接光学元件700、710、720不是竖直对准的；相反，内耦接光学元件优选地是不重叠的(例如，如从上到下的视图中所见，横向间隔开)。如本文进一步讨论的，这种不重叠的空间布置有助于在一对一的基础上将来自不同资源的光注入到不同的波导中，由此允许特定光源唯一地耦接到特定波导。在一些实施例中，包含不重叠的空间分离内耦接光学元件的布置可以被称为移位光瞳系统，并且这些布置内的内耦接光学元件可以与子光瞳相对应。

示例成像系统

可以使用一个或多个光学元件对HMD(例如，图2中示出的可穿戴显示器系统200)的穿戴者的眼睛或眼睛周围的组织成像，以将来自眼睛的光引导到摄像头组合件中。所得图像可以用于跟踪一只眼睛或两只眼睛、对视网膜成像、三维重建眼睛形状、从眼睛提取生物特征信息(例如，虹膜识别)等。

如上所述，HMD可能使用关于穿戴者的眼睛的状态的信息有多种原因。例如，此信息可以用于估计穿戴者的注视方向或用于生物特征识别。然而，由于HMD与穿戴者的眼睛之间的距离很短，这个问题具有挑战性。注视跟踪需要更大视场，而生物特征识别需要虹膜上的目标上的相对较高数量的像素，这一事实使所述问题变得更加复杂。对于将尝试实现这两个目标的成像系统来说，这两项任务的要求在很大程度上不一致。最后，由于眼睑和睫毛的遮挡，这两个问题进一步复杂化。本文所描述的成像系统的实施例至少解决了这些问题中的一些或全部。

图10A和10B示意性地展示了被配置成对穿戴者90的一只或两只眼睛210、220进行成像的成像系统1000a的实例。成像系统1000a包括基板1070和布置成观看眼睛220的摄像头组合件1030。本文参考图10A和10B描述的成像系统1000a的实施例可以与HMD一起使用，所述HMD包含本文所描述的显示器装置(例如，图2中所示的可穿戴显示器系统60、图6和7中所示的显示器系统250以及图9A-9C的堆叠660)。例如，在其中成像系统1000a是图6的显示器系统250的一部分的一些实施方案中，基板1070可以包括或替代波导270、280、290、300或310之一，安置在波导270、280、290、300和310中的两个之间，可以安置在波导堆叠260与眼睛210之间，或者可以安置在波导堆叠260与世界510之间。

在一些实施例中，摄像头组合件1030可以安装在穿戴者的眼睛附近，例如，在图2的可穿戴显示器系统60的框架80上(例如，在穿戴者的太阳穴附近的耳柄82上)；围绕图2的显示器(例如，目镜)70的边缘(如图10B所示)；和/或嵌入在图2的显示器(例如，目镜)70中。摄像头组合件1030可以基本上类似于图6的摄像头组合件630。在其它实施例中，第二摄像头组合件可以用于对穿戴者的另一只眼睛210单独成像。摄像头组合件1030可以包含对IR辐射敏感的IR数字摄像头。摄像头组合件1030可以被安装成使得其朝前(例如，在穿戴者的视觉朝向的方向上)，如图10A所展示的，或者摄像头组合件1030可以被安装成向后朝向并且向后指向例如眼睛220或眼睛侧(例如，图10B)。

在一些实施例中，摄像头组合件1030可以包含图像捕获装置和光源1032，以将光投影到眼睛220，然后所述光可以由眼睛220反射并由摄像头组合件1030检测到。尽管光源1032被展示为附接到摄像头组合件1030，但是光源1032可以被安置在相对于摄像头组合件的其它区域中，使得由光源发射的光被引导至穿戴者的眼睛并且反射到摄像头组合件1030。例如，在成像系统1000a是显示器系统250(图6)的一部分并且基板1070包括或替代波导270、280、290、300或310之一的情况下，光源1032可以是光发射器360、370、380、390或光源530中的一者。

在图10A所展示的实施例中，摄像头组合件1030被定位成指向基板，如基板1070的近侧表面1074。基板1070可以是例如图2的显示器(例如，目镜)70的一部分或者一副眼镜中的透镜。基板1070可以透射入射到基板1070上的可见光的至少10％、20％、30％、40％、50％或更多，可能至多80％、90％、95％、98％、99％、99.9％、99.99％或更多，或在由这些值中的任何值形成的任何范围内。在其它实施例中，基板1070不需要是透明的(例如，在虚拟现实显示器中)。基板1070可以包括一个或多个反射光学元件1078。在一些实施例中，可以选择一个或多个反射光学元件1078以反射第一波长范围，同时基本上透射不同于第一波长范围的第二波长范围。在一些实施例中，第一波长范围可以是IR波长，并且第二波长范围可以为可见波长。因此，在某些实施方案中，一个或多个反射光学元件可以包括热镜或反射器1078。基板1070可以包括聚合物或塑料材料，如聚碳酸酯或具有期望光学性质的其它轻质材料。在不同意特定科学理论的情况下，塑料材料的刚性可能较低，并且因此在使用期间不太容易发生断裂或缺陷。塑料材料也可以是轻质的，因此，当与允许更薄基板的塑料材料的刚性相结合时，可以有助于制造紧凑且重量轻的成像系统。尽管基板1070被描述为包括聚合物，如聚碳酸酯或具有期望光学性质的其它塑料，但是其它材料也是可能的，如具有期望光学性质的材料，例如，熔融石英。

一个或多个反射光学元件1078可以包括被配置成反射或重定向第一波长范围的光(例如，IR光)同时透射第二波长范围的光(例如，可见光)的反射光学元件。在此类实施例中，来自眼睛220的IR光1010a、1012a和1014a从一个或多个光学元件1078反射，从而产生反射的IR光1010b、1012b、1014b，其可以用于由摄像头组合件1030形成图像。在一些实施例中，摄像头组合件1030可以对由一个或多个反射光学元件1078反射的第一波长范围的至少一个子集(如非空子集或小于全部的子集)敏感或者能够捕获所述子集。例如，在一个或多个反射光学元件1078可以是部分透射性反射元件的情况下，一个或多个光学元件1078可以反射700nm至1.5μm范围内的IR光，并且摄像头组合件1030可以对700nm至900nm范围内波长的近IR光敏感或者能够捕获所述近IR光。作为另一个实例，一个或多个反射光学元件1078可以反射700nm至1.5μm范围内的IR光。在一些实施方案中，摄像头组合件1030可以包含滤出900nm至1.5μm范围内的IR光的滤波器，使得摄像头组合件1030可以捕获700nm至900nm波长的近IR光。

来自外部世界(例如，图6的世界510)的可见光可以透射通过基板1070并由穿戴者感知。然而，光可以从基板的相对侧(例如，眼睛侧)上的物体反射，并且入射在摄像头组合件1030上。实际上，作为由反射光学元件一个或多个光学元件1078产生的这种反射的结果，成像系统1000a可以起到好像存在向后指向穿戴者的眼睛220的虚拟摄像头组合件1030c的作用，从而捕获眼睛220的直接观看图像。虚拟摄像头组合件1030c被标记为参考“c”，因为其可以包括由从穿戴者的眼睛220传播至基板1070的虚拟IR光线1010c、1012c和1014c形成的虚拟图像。尽管一个或多个反射光学元件1078被展示为安置在基板1070的近侧表面1074上，但是其它配置也是可能的。例如，一个或多个反射光学元件1078可以安置在基板1060的远侧表面1076上或基板1070内。

因此，尽管在图10A和10B中示出了成像系统1000a的示例布置，但是其它布置也是可能的。

集成在目镜中或目镜上的示例成像系统

图11A示意性地展示了可以与HMD(例如，护目镜)一起使用的另一个示例成像系统2000，所述HMD包含本文所描述的显示器装置(例如，图2中所示的可穿戴显示器系统60、图6和7中所示的显示器系统250以及图9A-9C的堆叠660)。例如，在一些实施方案中，图11A中所示的目镜2010可以联接到框架(例如，图2中所示的框架80)，所述框架可以被配置成支撑在用户的头部上。另外地，目镜2010可以被配置成安置在用户的眼睛2020的前面。目镜2010的至少一部分可以是透明的，以将来自目镜2010前面的环境2021的一部分的光透射到用户的眼睛2020，用于通过其观看，以看到目镜和用户的眼睛前面的所述环境。目镜2010还可以向用户的眼睛2020提供用于观看的虚拟内容。在各个实施方案中，目镜2010可以包含一个或多个层(例如，图6中所示的波导270、280、290、300、310中的一个或多个)。进一步地，图像注入装置(例如，图6中所示的图像注入装置360、370、380、390、400)中的一个或多个可以被配置成向目镜2010提供图像内容以供用户观看。例如，目镜2010可以被配置成将来自一个或多个图像注入装置的光引导至用户的眼睛2020，以向用户呈现图像内容。

成像系统2000还可以包含传感器阵列2030、折射或透射性衍射光学元件2040以及反射器2050。在各个实施方案中，成像系统2000和/或其各个部分(例如，传感器阵列2030、折射或透射性衍射光学元件2040和反射器2050)可以安置或集成在目镜2010中或其上。反射器2050可以被配置成反射从物体(例如，用户的眼睛2020、眼睛2020的一部分或眼睛2020周围的组织的一部分)接收的光2060a，以供传感器阵列2030成像。反射器或反射光学元件2050可以是部分反射的和部分透射的，使得用户可以透过其看到所述用户前面的环境。折射或透射性衍射光学元件2040可以被配置成接收从反射器2050反射的光2060b，并且将光2060c的至少一部分朝传感器阵列2030重定向。折射或透射性衍射光学元件2040可以例如包括如透射性衍射光学元件或衍射光栅等透射元件，其被配置成使来自反射器2050的入射到其上的光透射和衍射，以便将所述光的至少一部分偏转和重定向至所述传感器阵列2030。折射或透射性衍射光学元件2040还可以包括如折射光学元件等透射元件，其被配置成使来自反射器2050的入射到其上的光折射，以便将所述光的至少一部分偏转和重定向至所述传感器阵列2030。

在一些实施方案中，折射或透射性衍射光学元件2040可以包括离轴光学元件。此类离轴光学元件可以使光束偏转，以便在入射光束被引导在不沿光学元件或光学系统的光轴传播的不同的“歪斜”方向上时，使所述光束平行于所述轴或沿所述轴传播，或者反之亦然。在这种情况下，光轴可以是包括传感器阵列的摄像头的光轴，并且可以包含离轴光学元件的光轴。离轴光学元件可以具有偏离光轴或旋转对称中心的机械中心。在各个实施方案中，离轴光学元件被配置成具有垂直于离轴光学元件和/或目镜2010或其层的轴，例如，光轴，所述层上或所述层中安置有所述离轴光学元件。在一些情况下，此光轴可以与包括在离轴光学元件中或离轴光学元件上的光学表面或光学特征的对称轴相对应。来自反射器2050的光可以被偏转、衍射、折射、重定向或这些的任何组合，以便沿所述轴或光轴朝所述传感器阵列2030传播更多。

作为反射器的结果，实际上，成像系统2000可以起到好像存在被引导回物体2020的虚拟摄像头组合件2030d的作用，以捕获物体2020的直接视图。例如，虚拟摄像头组合件2030d可以被认为通过从物体通过目镜2010传播的虚拟IR光线2060d来对物体2020进行成像。

如本文所描述的，目镜2010可以包括一个或多个层。在图11A中，示出了三个层2011、2012、2013。然而，一些实施方案可以仅包含一个或两个层。其它实施方案可以包含三个或更多个层(例如，三个、四个、五个、六个、七个、八个、九个、十个等，或由这些值形成的任何范围)。层2011、2012、2013可以包括被配置成通过全内反射在其中引导光的一个或多个波导。例如，层2011、2012、2013可以包含被配置成从图像注入装置中的一个或多个(例如，图6中所示的图像注入装置360、370、380、390、400中的一个或多个)接收光的波导中的一个或多个(例如，图6中所示的波导270、280、290、310中的一个或多个)。一个或多个波导可以被配置成通过全内反射在其中传播光。一个或多个波导可以包含一个或多个内耦接光学元件(例如，图9A中所示的700、710、720)、外耦接光学元件(例如，图6中所示的570、580、590、600、610)或被配置成从一个或多个波导中分配和/或提取光以将图像信息输出到用户的眼睛2020的其它光重定向光学元件(例如，图9A中所示的730、740、750)。在一些实施方案中，波导可以包括被配置成扩展光瞳以及输出在波导内引导的光的一个或多个复合光瞳扩展器(CPE)。这些内耦接光学元件、外耦接光学元件、重定向光学元件和复合光瞳扩展器中的任何一者或多者可以包括衍射光学元件，如衍射光栅或全息光学元件。在一些情况下，不同的波导可以被布置成提供不同颜色的图像内容。

其它光学元件(例如，透镜、偏振器、棱镜等)可以用于操纵光，例如，根据特定应用的需要聚焦、校正像差、引导等。例如，目镜2010(例如，一个或多个层2011、2012、2013)可以包含一个或多个透镜(例如，图6中所示的透镜320、330、340、350)，其被配置成将图像信息引导至具有各种水平的波前曲率或光线发散或缺乏波前曲率或光线发散的眼睛2020(例如，如在准直光束中)。如本文所描述的，目镜2010可以包含不同的波导或波导组，其被配置成将光投影到用户的眼睛2020中，以显示具有不同量的发散和/或准直的图像内容，从而可能被发散或准直，由此提供光，就好像是从距用户的眼睛2020的不同距离投影的一样。在一些情况下，目镜2010可以包含前透镜或后透镜。例如，如图6所示的补偿透镜层620可以用于补偿层2011、2012、2013中的透镜的聚集功率。作为另一个实例，透镜可以用于扩展聚焦深度。在一些情况下，处方透镜可以用于向具有屈光缺陷的用户提供屈光矫正。例如，透镜可以用于矫正近视、远视、老花眼、散光等或其任何组合。

在一些实施方案中，目镜2010(例如，一个或多个层2011、2012、2013)可以包括外部透镜或窗口，如装饰性(或美容性)透镜。例如，外部透镜或装饰性透镜可以具有影响护目镜的外观的形状，如弯曲的形状。在一些实施方案中，外部透镜或装饰性透镜可以是用作太阳镜以过滤掉阳光的透镜。在另一个实例中，外部透镜或装饰性透镜可以是用于防护眼镜的滤色透镜。在又其它实例中，外部透镜或装饰性透镜可以具有未穿戴此透镜的其它人可观看的彩色视觉外观(例如，对其它人来说是蓝色、红色等的透镜)。外部透镜或装饰性透镜还可以包含由除用户以外的人观看的彩色层。在一些情况下，可以为一个或多个透镜或表面提供抗反射和/或防刮涂层。

在一些实施方案中，目镜2010(例如，一个或多个层2011、2012、2013)可以包含照明层和/或调光器。照明层和/或调光器可以用于调节目镜2010的亮度和/或对比度，并且因此调节投影图像的亮度和/或对比度以供观看。例如，照明层可以提供光(例如，来自一个或多个光源)以例如使用要成像的红外光照射眼睛和/或在眼睛上提供可能用于眼睛跟踪的闪烁。作为另一个实例，调光器可以减少要观看的图像的光量。在一些情况下，调光器可以包含一个或多个膜(例如，一个或多个彩虹膜或滤光器，以阻挡某些波长或光量)。在一些情况下，调光器可以是弯曲层(例如，弯曲透镜)。

在一些实施方案中，目镜2010(例如，一个或多个层2011、2012、2013)可以包括具有期望的光学性质的材料。如本文所描述的，当在用户穿戴HMD时目镜2010被安置在用户的眼睛2020的前面的位置处时，所述目镜可以包括将来自用户的前面的环境2021的一部分和目镜2010的光传输到用户的眼睛2020以提供环境2021的所述部分的视图的部分。在各个实施方案中，目镜2010的层2011、2012、2013中的一个或多个的至少一部分可以是透明的。在一些实例中，目镜2010可以包括对可见光透明的至少一个玻璃或塑料/聚合物层。在一些情况下，目镜2010可以透射和/或透过可见光的至少10％、20％、30％、40％、50％或更多，可能至多80％、90％、95％、98％、99％、99.9％、99.99％或更多，或在由这些值中的任何值形成的任何范围内。

继续参考图11A，成像系统2000可以包括集成在目镜中或目镜上的传感器阵列2030。传感器阵列2030示出在层2011上，然而，传感器阵列2030可以集成在目镜2010的层2011、2012、2013中的任何一个或多个中或其上，例如，集成在波导、照明层、调光层、前透镜、后透镜、美容性或装饰性透镜等中的一者或多者中或其上。传感器阵列2030可以被配置成对物体进行成像。例如，如图11A所展示的，传感器阵列2030可以被设置成使得其朝前(例如，在穿戴者的视野的方向上)，并且可以被配置成观看穿戴者的眼睛2020(或眼睛2020的一部分或眼睛2020周围的组织的一部分)，以通过接收由反射器2050反射到传感器阵列的来自眼睛的光来捕获眼睛2020的图像。作为另一个实例，如图11B所展示的，传感器阵列2030可以被设置成使得其朝后(例如，面向与图11A所展示的相反的方向)，并且指向眼睛2020，并且可以通过接收由反射器2050反射到传感器阵列的来自物体的光来对穿戴者正在观看的环境2021中的物体2022成像。

传感器阵列2030可以在穿戴者的眼睛2020周围的任何位置处集成在目镜2010中或其上，使得传感器阵列2030不会阻挡穿戴者对周围世界或中心视场或直前方视线的视野或者妨碍HMD的操作。在一些实施方案中，传感器阵列2030可以集成在目镜2010中或其上，例如，与耳柄或太阳穴相邻，与鼻梁相邻，在眼睛上方，或在眼睛下方和脸颊之上。在一些实施方案中，传感器阵列2030可以在比目镜的中心或目镜上的直前方视线被引导穿过的位置更靠近目镜的边缘或太阳穴或耳柄或鼻托或其任何组合的位置处集成在目镜2010中或其上。在一些实施方案中，另外的传感器阵列可以用于另外的物体，如穿戴者的另一只眼睛，使得每只眼睛可以单独成像，或者用于环境2021中的其它物体，使得多个物体可以单独成像。

在一些情况下，传感器阵列2030可以包含CMOS检测器阵列。在一些情况下，传感器阵列2030可以包含CCD检测器阵列。在一些实例中，传感器阵列2030可以包括形成在目镜2010的层2011、2012、2013中的至少一个层上(例如，压印在其中)或安置在其上(例如，粘附在其上)的检测器像素。检测器像素可以形成或安置在至少一个层2011、2012、2013上，所述层的至少一部分是透明的并且安置在当用户穿戴HMD时所述用户的眼睛2020的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和目镜2011的前面的环境2021的一部分的光透射到用户的眼睛2020，以提供环境2021的所述一部分的视图。传感器阵列2030可以包括晶圆级光学器件。晶圆级光学器件可以集成在目镜中或目镜上。在各个实施方案中，晶圆级光学器件不包含在排除目镜2010的外壳中。例如，晶圆级光学器件不包含在与容纳目镜2010的外壳分离的外壳中。相反，晶圆级光学器件可以包含在目镜2010的层2011、2012、2013中的一个中或其上。晶圆级光学器件可以例如包括被配置成在传感器阵列上形成物体的图像的成像透镜。因此，晶圆级光学器件可以包括具有光学功率的光学元件，并且晶圆级光学器件可以包括折射透镜。

在各个实施方案中，光源(例如，图10A-10B中的1032)可以被定位成使得来自光源的光可以被引导至物体2020用于成像并且被反射至传感器阵列2030。在一些设计中，光源可以投影红外(IR)或近IR光谱中的光，并且传感器阵列2030可以对此类光或此类光的子集敏感。在一些实施方案中，光源朝前朝目镜和眼睛的前面的环境，使得光从反射器反射到眼睛。在一些实施方案中，光源面向眼睛的前面，使得光照射眼睛。

在一些实施方案中，传感器阵列2030可以对由反射器2050反射的第一波长范围的至少一个子集(如非空子集或小于全部的子集)敏感或者能够捕获所述子集。例如，反射器2050可以反射700nm至1.5μm范围内的IR光，并且传感器阵列2030可以对700nm至900nm波长的近IR光敏感或能够捕获所述近IR光。作为另一个实例，反射器2050可以反射700nm至1.5μm范围内的IR光，并且传感器阵列2030可以包含过滤出900nm至1.5μm范围内的IR光的滤波器，使得传感器阵列2030可以捕获700nm至900nm波长的近IR光。然而，其它配置也是可能的，并且传感器阵列2030可以对更宽范围的波长敏感，可能比反射器2050反射的波长更多。

在各个实施方案中，来自光源的光可以被反射器2050朝传感器阵列2030反射。如图11A所示，反射器2050可以安置在目镜2010中或其上。反射器2050示出为在层2013上，但是可以形成在目镜2010的层2011、2012、2013中的任何一个或多个层上(例如，在波导、照明层、调光器层、前透镜、后透镜、美容性或装饰性透镜等中的任何一者或多者中或其上)，或者反射器2050可以包括目镜2010的层2011、2012、2013之一。在一些情况下，反射器2050可以安置在目镜2010的至少一个层2011、2012、2013中或其上，所述层的至少一部分是透明的并且安置在当用户穿戴HMD时所述用户的眼睛2020的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和目镜2011的前面的环境2021的一部分的光透射到用户的眼睛2020，以提供环境2021的所述一部分的视图。在一些情况下，反射器2050可以包括热镜。在一些情况下，反射器2050可以包括光学涂层。

反射器2050可以被配置成反射或重定向第一波长范围的光(例如，IR或近IR光)，同时透射第二波长范围的光(例如，可见光)。在一些此类实施方案中，来自眼睛2020的IR光2060a传播至反射器2050并从所述反射器反射，从而产生反射的IR光2060b，其至少一部分可以被传感器阵列2030接收并成像。

在一些实施方案中，反射器2050可以包括衍射光学元件(DOE)，例如本文所描述的衍射光学元件。在一些设计中，例如，反射器2050可以包括衍射光栅。在一些情况下，反射器2050可以是反射性衍射光学元件，其通过反射性衍射衍射第一波长范围的光(例如，IR或近IR光)，其中从所述反射器反射的光在透射第二波长范围的光(例如，可见光)的同时被衍射。在一些此类实施方案中，来自眼睛2020的IR光2060a传播质反射器2050并从所述反射器衍射(例如，从反射器反射的IR光被衍射)，从而产生衍射的IR光2060b，其至少一部分可以被传感器阵列2030接收并成像。

在一些实施方案中，反射器2050包括DOE，如全息光学元件(HOE)、全息反射镜(HM)或体积衍射光学元件(VDOE)。在一些实施方案中，这些中的任一者都可以具有光学功率。在一些情况下，反射器2050包括衍射光学元件，如胆甾相液晶衍射光学元件或衍射光栅，除其它外，其可以被配置成增加和/或优化偏振选择性、带宽、相位分布、衍射性质的空间变化、光谱选择性和/或高衍射效率中的任何一者或多者。例如，在于2017年12月7日提交的题为“基于胆甾相液晶的衍射装置”的美国专利申请第15/835,108号中描述的CLC或CLCG中的任一者都可以实施为反射器2050或胆甾相衍射光学元件，所述美国专利申请以其全部公开内容通过引用整体并入本文。在一些实施例中，反射器2050可以是可以在其主动衍射的“开启”状态与其不显著衍射的“关闭”状态之间切换的可切换DOE。

在一些实施方案中，反射器2050或衍射光学元件可以包括任何液晶光栅或结构。上述CLC或CLCG可以是液晶光栅或结构的一个实例。其它液晶光栅或结构也可以包含大小小于可见光的波长的液晶特征和/或图案，并且可以包括所谓的潘查拉特南-贝里相位效应(Pancharatnam-Berry Phase Effect，PBPE)结构、超表面或超材料。例如，以下美国专利申请中描述的PBPE结构、超表面或超材料中的任一者都可以实施为如本文所描述的反射器2050：题为“具有用于内耦接多路复用光束的光学元件的显示器系统(Display SystemWith OpticalElements For In-Coupling Multiplexed Light Streams)”的美国专利申请第2017/0010466号；于2018年1月24日提交的题为“用于超表面的防反射涂层(Antireflection Coatings ForMetasurfaces)”的美国专利申请第15/879,005号；或于2017年12月13日提交的题为“使用表面对准图案的软压印复制的液晶图案形成(Patterning Of Liquid Crystals Using Soft-ImprintReplication Of SurfaceAlignment Patterns)”的美国专利申请第15/841,037号，所述美国专利申请中的每一个以其全部公开内容通过引用整体并入本文。此类结构可以被配置成操纵光，如用于光束控制、波前整形、分离波长和/或偏振，并且组合不同的波长和/或者偏振可以包含具有超表面的液晶光栅，所述液晶光栅另外地被称为超材料液晶光栅或具有PBPE结构的液晶光栅。在一些实施方案中，具有PBPE结构的液晶光栅可以将液晶光栅的高衍射效率和对入射角的低灵敏度与PBPE结构的高波长灵敏度组合。

在一些实施方案中，折射或透射性衍射光学元件2040可以被配置成接收从反射器2050反射的光2060b，并且将所述光的至少一部分2060c朝传感器阵列2030重定向。如图11A所展示的，折射或透射性衍射光学元件2040被安置在层2012上，但可以被安置在目镜2010的层2011、2012、2013中的任何一个层中或其上(例如，在波导、照明层、调光层、前透镜、后透镜、美容性或装饰性透镜等中的任何一者或多者中或其上)。在一些情况下，折射或透射性衍射光学元件2040可以压印在目镜2010的层2011、2012、2013之一上。

作为实例，传感器阵列2030可以安置在目镜2010的第一层2011中或其上，并且折射或透射性衍射光学元件2040可以安置在目镜2010的第二不同层2012中或其上。第一层2011和/或第二层2012可以包含其一部分，所述一部分是透明的以透射光。

在各个实施方案中，折射或透射性衍射光学元件2040可以安置在反射器2050与传感器阵列2030之间的光学路径中。例如，反射器2050可以安置在层2013上，折射或透射性衍射光学元件2040可以安置在层2012上，并且传感器阵列2030可以安置在层2011上。层2012可以安置在层2013与层2011之间。层2011、2012和2013可以是透明的，以透射来自用户的前面的环境2021的一部分的光。

在一些情况下，折射或透射性衍射光学元件2040可以包括相对于传感器阵列2030对准的至少一个透镜，使得来自反射器2050的光可以穿过至少一个透镜到达传感器阵列2030以在其上形成图像。作为实例，至少一个透镜可以包括至少一个衍射光学元件。作为另一个实例，至少一个透镜可以包括至少一个折射透镜。至少一个透镜可以包括至少一个离轴折射透镜。在各个实施方案中，至少一个透镜可以包括晶圆级光学器件。在一些实施方案中，至少一个透镜可以具有光学功率。

在一些情况下，折射或透射性衍射光学元件2040可以包括透射性衍射光学元件(DOE)或透射性衍射光栅。在一些实施方案中，透射性DOE或衍射光栅可以包括全息光学元件(HOE)、全息反射镜(OAHM)或体积衍射光学元件(OAVDOE)。在一些实施方案中，透射性DOE可以包括离轴DOE、离轴衍射光栅、离轴全息光学元件(HOE)、离轴全息反射镜(OAHM)或离轴体积衍射光学元件(OAVDOE)。在一些实施方案中，这些中的任一者都可以具有光学功率。在一些实施例中，OAHM也可以具有光学功率，在这种情况下，其可以是离轴体积衍射光学元件(OAVDOE)。在一些情况下，透射性衍射光学元件2040可以是胆甾相液晶衍射光学元件或衍射光栅，如离轴胆甾相液晶衍射光栅(OACLCG)，除其它外，其可以被配置成增加和/或优化偏振选择性、带宽、相位分布、衍射性质的空间变化、光谱选择性和/或高衍射效率中的任何一者或多者。例如，在于2017年12月7日提交的题为“基于胆甾相液晶的衍射装置”的美国专利申请第15/835,108号中描述的CLC或CLCG中的任一者都可以实施为胆甾相衍射光学元件2040，所述美国专利申请以其全部公开内容通过引用整体并入本文。在一些实施例中，透射性衍射光学元件2040可以是可以在其主动衍射的“开启”状态与其不显著衍射的“关闭”状态之间切换的可切换DOE。

在一些实施方案中，透射性衍射光学元件2040可以是任何光学透射液晶光栅。上述CLC或CLCG可以是液晶光栅的一个实例。其它液晶光栅也可以包含大小小于可见光的波长的液晶特征和/或图案，并且可以包括所谓的潘查拉特南-贝里相位效应(PBPE)结构、超表面或超材料。例如，以下美国专利申请中描述的PBPE结构、超表面或超材料中的任一者都可以实施为如本文所描述的离轴光学元件2040：题为“具有用于内耦接多路复用光束的光学元件的显示器系统(Display System With Optical Elements For In-CouplingMultiplexed LightStreams)”的美国专利申请第2017/0010466号；于2018年1月24日提交的题为“用于超表面的防反射涂层(Antireflection Coatings For Metasurfaces)”的美国专利申请第15/879,005号；或于2017年12月13日提交的题为“使用表面对准图案的软压印复制的液晶图案形成(Patterning Of Liquid Crystals Using Soft-ImprintReplication Of Surface Alignment Patterns)”的美国专利申请第15/841,037号，所述美国专利申请中的每一个以其全部公开内容通过引用整体并入本文。此类结构可以被配置成操纵光，如用于光束控制、波前整形、分离波长和/或偏振，并且组合不同的波长和/或者偏振可以包含具有超表面的液晶光栅，所述液晶光栅另外地被称为超材料液晶光栅或具有PBPE结构的液晶光栅。在一些实施方案中，具有PBPE结构的液晶光栅可以将液晶光栅的高衍射效率和对入射角的低灵敏度与PBPE结构的高波长灵敏度组合。

如本文所描述的，成像系统2000可以用于头戴式显示器中，以基于以下中的至少一者的图像跟踪用户的注视：用户的眼睛、眼睛的一部分或眼睛周围的组织的一部分。例如，如图11A所展示的，传感器阵列2030可以是被配置成至少部分地基于从反射器2050接收的光来对物体的至少一部分(例如，用户的眼睛2020、眼睛2020的一部分或眼睛2020周围的组织的一部分)成像的朝前摄像头，所述反射器安置在传感器阵列2030的前方。物体2020的至少一部分可以安置在传感器阵列2030的后方。

在一些实施方案中，成像系统2000可以用于对目镜2020的前面的环境2021中的物体进行成像。例如，如图11B所展示的，传感器阵列2030可以是被配置成至少部分地基于从反射器2050接收的光来对物体2022的至少一部分成像的朝后摄像头，所述反射器安置在传感器阵列2030的后方。物体2022的至少一部分可以在用户的前面的环境2021中安置于传感器阵列2030的前方。在所展示的配置中，折射或透射性衍射光学元件安置在反射器2050与传感器阵列2030之间。

如本文所公开的，如图11A所示，传感器阵列2030可以安置在目镜2010的第一层2011中或其上，并且折射或透射性衍射光学元件2040可以安置在目镜2010的第二不同层2012中或其上。在各个实施方案中，折射或透射性衍射光学元件2040可以包含与传感器阵列2030对准以在传感器阵列2030上形成图像的至少一个成像透镜。在一些实施方案中，折射或透射包括离轴光学元件，如离轴透镜。在一些情况下，折射或透射性衍射光学元件2040可以安置在与传感器阵列2030所在的层相同的层上。例如，如图12A所示，传感器阵列2030可以安置在目镜2010的层2011的第一侧2011a中或其上，并且折射或透射性衍射光学元件2040a可以安置在层2011的第二相对侧2011b中或其上。在各个实施方案中，折射或透射性衍射光学元件2040a可以包含与传感器阵列2030对准以在传感器阵列2030上形成图像的至少一个成像透镜。在一些设计中，折射或透射性衍射光学元件包括离轴光学元件，如离轴透镜。在一些实施方案中，其上或其中安置有传感器阵列2030和折射或透射性衍射光学元件2040a的层2011的一部分可以是透明的以透射光。

在一些实施方案中，目镜2010可以包含多于一个折射或透射性衍射光学元件2040。折射或透射性衍射光学元件2040可以在目镜2010的相对于传感器阵列2030的相同和/或不同的层2011、2012、2013上。例如，如图12B所示，目镜2010包含在目镜2010的相对于传感器阵列2030的相同层2011和不同层2012上的折射或透射性衍射光学元件2040a、2040b。在各个实施方案中，折射或透射性衍射光学元件2040a、2040b可以包含与传感器阵列2030对准以在传感器阵列2030上形成图像的成像透镜。其上或其中安置有传感器阵列2030和折射或透射性衍射光学元件2040a、2040b的层2011、2012各自的一部分可以是透明的以透射光。在一些实施方案中，折射或透射性衍射光学元件可以包含用于重定向光束的离轴光学元件和用于在传感器阵列2030上形成图像的成像透镜。

在一些情况下，多个折射或透射性衍射光学元件2040a、2040b可以在不同于传感器阵列2030的一个或多个层上。例如，折射或透射性衍射光学元件2040a、2040b可以在同一层2012的相对侧2012a、2012b上，但不同于相对于传感器阵列2030的层2011。作为另一个实例，折射或透射性衍射光学元件2040a、2040b可以在相对于彼此并且相对于传感器阵列2030分开的层(例如，图11A-11B的2012、2013)上。折射或透射性衍射光学元件2040a、2040b可以包含一个或多个透镜(例如，单个透镜或多个透镜)。在一些情况下，一个或多个透镜可以与传感器阵列2030一起使用以在其上形成图像。在一些设计中，折射或透射性衍射可以包括被配置成重定向光束的至少一个折射或透射性衍射以及在相同或不同层上的至少一个成像透镜。

图13示意性地展示了另一个成像系统2100的示例实施方案。在各个实施方案中，目镜2110可以类似于关于图11A-11B描述的目镜2010。例如，目镜2010可以包含一个或多个层2111、2112、2113。层2111、2112、2113可以类似于关于图11A-11B描述的层2011、2012、2013(例如，波导、照明层、调光层、前透镜、后透镜、美容性或装饰性透镜等中的一者或多者)。一个或多个层2111、2112、2113可以是平面的。成像系统2100还可以包含类似于关于图11A-11B描述的反射器2050的反射器2150。成像系统2100还可以包含成像器2130。成像器2130可以包含传感器阵列(类似于关于图11A-11B描述的传感器阵列2030)和晶圆级成像光学器件。例如，成像器2130的传感器阵列和晶圆级成像光学器件可以集成在目镜2110中或其上。在各个实施方案中，集成在目镜2110中或其上的晶圆级成像光学器件不包含在排除目镜2110的外壳中。例如，摄像头不一定包括传感器阵列，所述传感器阵列包含安置在目镜上的外壳中的晶圆级光学器件，所述目镜也可以包含在外壳中。相反，晶圆级光学器件包含在目镜的一个层上并且与传感器阵列对准，所述传感器阵列可以包含在目镜的相同层或不同层上，所述目镜可以包含在外壳中。

成像系统2100可以类似于关于图11A-11B描述的成像系统2000。在一些此类设计中，成像系统2100可以包含或者可以不包含折射或透射性衍射光学元件2040，所述折射或透射性衍射光学元件包括如上文结合图11A-11B所讨论的离轴光学元件。在一些情况下，晶圆级成像光学器件可以包含安置在相当于传感器阵列相同或不同的层上的一个或多个成像透镜(例如，可以类似于关于图12A-12B描述的光学元件2040a、2040b)。成像透镜可以相对于传感器阵列对准，使得来自反射器2150的光可以穿过传感器阵列以在其上形成图像。

对物体进行成像的示例例程

图14是使用离轴摄像头(或传感器阵列)，例如，图6的摄像头组合件630、图10A的摄像头组合件1030、图11A、11B的传感器阵列2030或图13的成像器2130对物体(例如，用户的眼睛或环境中的物体)进行成像的说明性例程的过程流程图。例程1900描述了如何将来自物体的光引导至被定位成远离或偏离相对于所述物体(例如，眼睛)的侧面的摄像头组合件，以对所述物体成像，就好像摄像头组合件从所述物体的正前面直接指向所述物体一样。

在框1910处，提供被配置成从物体接收光并将所述光引导至摄像头组合件的成像系统。所述成像系统可以是如上结合图10A、10B、11A、11B和13所描述的成像系统中的一种或多种。

在框1920处，使用摄像头组合件(例如，图6的摄像头组合件630、图10A-10B的摄像头组合件1030、图11A、11B的传感器阵列2030或图13的成像器2130)捕获光。摄像头组合件可以被安置在眼睛或眼睛的瞳孔或眼睛的直前方视线的侧面。摄像头组合件可以安置在目镜的侧面(例如，太阳穴侧)。摄像头组合件可以是处于朝前或朝后配置的摄像头。在框1930处，可以基于所捕获的光来产生物体的图像，如本文和贯穿本公开所描述。

在一些实施例中，例程1900可以包含使用来自光源(例如，图6的光源或图10A-10B的光源1032)的光照射物体的任选步骤(未示出)。在一些实施例中，光可以包括包含IR光的波长范围。

在一些实施例中，可以例如使用图像处理技术来处理和分析在框1930处产生的图像。在一些实施方案中，所分析的图像可以用于执行以下中的一者或多者：眼睛跟踪；生物特征识别；眼睛的形状的多视角重建；估计眼睛的调节状态；或者对眼睛的视网膜、虹膜、其它区别图案进行成像，以及部分地基于所分析的离轴图像来评估用户的生理状态，如上文以及贯穿本公开所描述。在一些实施方案中，所分析的图像可以用于跟踪环境中的物体。

在各个实施例中，例程1900可以由被配置成执行存储在存储器中的指令的硬件处理器(例如，图2的本地处理和数据模块140)执行。在其它实施例中，具有计算机可执行指令的远程计算装置(与显示器设备进行网络通信)可以使显示器设备执行例程1900的各方面。

实例

本公开提供了头戴式显示器的各种实例。此类实例包含但不限于以下实例。

第I部分

1.一种头戴式显示器，其包括：

框架，所述框架被配置成支撑在用户的头部上；

目镜，所述目镜联接到所述框架并且被配置成安置在所述用户的眼睛的前面，所述目镜包括多个层；

图像注入装置，所述图像注入装置被配置成向所述目镜提供图像内容，以供所述用户观看；

传感器阵列，所述传感器阵列集成在所述目镜中或所述目镜上；

反射器，所述反射器安置在所述目镜中或所述目镜上，所述反射器被配置成反射从物体接收的光以供所述传感器阵列成像；以及

透射性衍射光学元件，所述透射性衍射光学元件安置在所述目镜中或所述目镜上，所述透射性衍射光学元件被配置成接收从所述反射器反射的光，并且使所述光的至少一部分朝所述传感器阵列透射和衍射。

2.根据实例1所述的头戴式显示器，其中所述目镜被配置成将来自所述图像注入装置的光引导至所述用户的眼睛，以向所述用户呈现图像内容。

3.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述多个层包括一个或多个波导，所述一个或多个波导被配置成从所述图像注入装置接收光并且通过全内反射在其中引导所述光的至少一部分，以向所述用户提供图像内容。

4.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述多个层包括被布置成提供不同颜色图像内容的多个波导、不同波导。

5.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述多个层包括多个波导、不同波导或波导组，所述多个波导、不同波导或波导组被配置成将光投影到所述用户的眼睛中，以显示具有不同发散量的图像内容，就好像从距所述用户的眼睛的不同距离投影一样。

6.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述多个层包括以下中的一者或多者：装饰性或美容性透镜、前透镜、调光器、后透镜、照明层或被配置成向具有屈光缺陷的用户提供屈光矫正的处方透镜。

7.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述目镜的至少一部分是透明的并且安置在当所述用户穿戴所述头戴式显示器装置时所述用户的眼睛的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和所述目镜的前面的环境的一部分的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户和所述目镜的前面的所述环境的所述一部分的视图。

8.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述多个层包括至少一个透明的玻璃层或塑料层。

9.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列包括形成在所述层中的至少一个层上的多个检测器像素。

10.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列包括安置在至少一个层上的多个检测器像素，所述多个检测器像素的至少一部分是透明的并且安置在当所述用户穿戴所述头戴式显示器时所述用户的眼睛的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和所述目镜的前面的环境的一部分的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户和所述目镜的前面的所述环境的所述一部分的视图。

11.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列包括晶圆级光学器件。

12.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述透射性衍射光学元件包括至少一个衍射透镜，所述衍射透镜相对于所述传感器阵列对准，使得来自所述反射器的光穿过所述至少一个衍射透镜到达所述传感器阵列以在所述传感器阵列上形成图像。

13.根据实例12所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列安置在所述目镜的所述多个层中的第一层中或所述第一层上，并且所述至少一个衍射透镜安置在所述目镜的所述多个层中的第二不同层中或所述第二不同层上。

14.根据实例13所述的头戴式显示器，其中第一层和第二层各自的至少一部分是透明的并且安置在当所述用户穿戴所述头戴式显示器时所述用户的眼睛的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和所述目镜的前面的环境的一部分的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户和所述目镜的前面的所述环境的所述一部分的视图。

15.根据实例12所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列安置在所述目镜的所述多个层中的一个层的第一侧中或所述第一侧上，并且所述至少一个衍射透镜安置在所述层的第二相对侧中或所述第二相对侧上。

16.根据实例15所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列和所述至少一个透镜安置于其中或其上的所述层的至少一部分是透明的并且安置在当所述用户穿戴所述头戴式显示器时所述用户的眼睛的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和所述目镜的前面的环境的一部分的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户和所述目镜的前面的所述环境的所述一部分的视图。

17.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器包括热镜。

18.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器被配置成反射第一红外(IR)或近IR波长范围的光，同时透射第二可见波长范围的光。

19.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器形成在所述多个层中的至少一个层上。

20.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器包括所述多个层中的一个层。

21.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器包括光学涂层。

22.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器安置在至少一个层上，所述反射器的至少一部分是透明的并且安置在当所述用户穿戴所述头戴式显示器时所述用户的眼睛的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和所述目镜的前面的环境的一部分的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户和所述目镜的前面的所述环境的所述一部分的视图。

23.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述透射性衍射光学元件安置在所述反射器与所述传感器阵列之间的光学路径中。

24.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器安置在所述多个层中的第一层上，所述透射性衍射光学元件安置在所述多个层中的第二层上，并且所述传感器阵列安置在所述多个层中的第三层上，所述第二层安置在所述第一层与所述第三层之间。

25.根据实例24所述的头戴式显示器，其中所述第一层、所述第二层和所述第三层的所述至少一部分是透明的并且安置在当所述用户穿戴所述头戴式显示器时所述用户的眼睛的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和所述目镜的前面的环境的一部分的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户和所述目镜的前面的所述环境的所述一部分的视图。

26.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述透射性衍射光学元件包括透射性衍射光栅。

27.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述透射性衍射光学元件包括透射性全息光学元件、透射性体积衍射光学元件(OAVDOE)或透射性胆甾相液晶衍射光栅(OACLCG)。

28.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述透射性衍射光学元件具有光学功率。

29.根据前述实例中任一项中任一项所述的头戴式显示器，其中所述透射性衍射光学元件的至少一部分被压印在所述目镜的所述多个层中的所述层中的一个层上。

30.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列是朝前摄像头，所述朝前摄像头被配置成至少部分地基于从所述反射器接收的光对所述物体的至少一部分进行成像，所述反射器被安置在所述传感器阵列的前方，所述物体的所述至少一部分被安置在所述传感器阵列的后方并且包括以下中的至少一者：所述用户的眼睛、所述眼睛的一部分或所述眼睛周围的组织的一部分。

31.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其进一步包括光源，所述光源朝以下中的至少一者发射第一波长范围的光：所述用户的眼睛、所述眼睛的一部分或所述眼睛周围的组织的一部分。

32.根据实例31所述的头戴式显示器，其中所述第一波长范围包括红外(IR)光谱或近IR光谱中的至少一者中的光。

33.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述头戴式显示器被配置成基于所述以下中的至少一者的图像跟踪所述用户的注视：所述用户的眼睛、所述眼睛的所述一部分或所述眼睛周围的组织的所述一部分。

34.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列被进一步配置成对所述目镜前面的环境中的物体进行成像。

35.根据实例34所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列是朝后摄像头，所述朝后摄像头被配置成至少部分地基于从所述反射器接收的光对所述物体的至少一部分进行成像，所述反射器位于所述传感器阵列的后方，所述物体的所述至少一部分在所述用户前面的环境中安置于所述传感器阵列的前方。

36.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中头戴式显示器包括护目镜。

第II部分

1.一种头戴式显示器，其包括：

框架，所述框架被配置成支撑在用户的头部上；

目镜，所述目镜联接到所述框架并且被配置成安置在所述用户的眼睛的前面，所述目镜包括多个层；

图像注入装置，所述图像注入装置被配置成向所述目镜提供图像内容，以供所述用户观看；

传感器阵列，所述传感器阵列集成在所述目镜中或所述目镜上；

反射器，所述反射器安置在所述目镜中或所述目镜上，所述反射器被配置成反射从物体接收的光以供所述传感器阵列成像；以及

透射性折射光学元件，所述透射性折射光学元件安置在所述目镜中或所述目镜上，所述透射性折射光学元件被配置成接收从所述反射器反射的光，并且使所述光的至少一部分朝所述传感器阵列折射。

2.根据实例1所述的头戴式显示器，其中所述目镜被配置成将来自所述图像注入装置的光引导至所述用户的眼睛，以向所述用户呈现图像内容。

3.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述多个层包括一个或多个波导，所述一个或多个波导被配置成从所述图像注入装置接收光并且通过全内反射在其中引导所述光的至少一部分，以向所述用户提供图像内容。

4.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述多个层包括被布置成提供不同颜色图像内容的多个波导、不同波导。

5.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述多个层包括多个波导、不同波导或波导组，所述多个波导、不同波导或波导组被配置成将光投影到所述用户的眼睛中，以显示具有不同发散量的图像内容，就好像从距所述用户的眼睛的不同距离投影一样。

6.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述多个层包括以下中的一者或多者：装饰性或美容性透镜、前透镜、调光器、后透镜、照明层或被配置成向具有屈光缺陷的用户提供屈光矫正的处方透镜。

7.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述目镜的至少一部分是透明的并且安置在当所述用户穿戴所述头戴式显示器装置时所述用户的眼睛的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和所述目镜的前面的环境的一部分的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户和所述目镜的前面的所述环境的所述一部分的视图。

8.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述多个层包括至少一个透明的玻璃层或塑料层。

9.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列包括形成在所述层中的至少一个层上的多个检测器像素。

10.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列包括安置在至少一个层上的多个检测器像素，所述多个检测器像素的至少一部分是透明的并且安置在当所述用户穿戴所述头戴式显示器时所述用户的眼睛的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和所述目镜的前面的环境的一部分的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户和所述目镜的前面的所述环境的所述一部分的视图。

11.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列包括晶圆级光学器件。

12.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述折射光学元件包括至少一个透镜，所述至少一个透镜相对于所述传感器阵列对准，使得来自所述反射器的光穿过所述至少一个透镜到达所述传感器阵列以在所述传感器阵列上形成图像。

13.根据实例12所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列安置在所述目镜的所述多个层中的第一层中或所述第一层上，并且所述至少一个透镜安置在所述目镜的所述多个层中的第二不同层中或所述第二不同层上。

14.根据实例13所述的头戴式显示器，其中第一层和第二层各自的至少一部分是透明的并且安置在当所述用户穿戴所述头戴式显示器时所述用户的眼睛的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和所述目镜的前面的环境的一部分的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户和所述目镜的前面的所述环境的所述一部分的视图。

15.根据实例12所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列安置在所述目镜的所述多个层中的一个层的第一侧中或所述第一侧上，并且所述至少一个透镜安置在所述层的第二相对侧中或所述第二相对侧上。

16.根据实例15所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列和所述至少一个透镜安置于其中或其上的所述层的至少一部分是透明的并且安置在当所述用户穿戴所述头戴式显示器时所述用户的眼睛的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和所述目镜的前面的环境的一部分的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户和所述目镜的前面的所述环境的所述一部分的视图。

17.根据实例12至16中任一项所述的头戴式显示器，其中至少一个透镜包括衍射光学元件。

18.根据实例12至16中任一项所述的头戴式显示器，其中至少一个透镜包括至少一个折射透镜。

19.根据实例12至16中任一项所述的头戴式显示器，其中至少一个透镜包括晶圆级光学器件。

20.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器包括热镜。

21.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器被配置成反射第一红外(IR)或近IR波长范围的光，同时透射第二可见波长范围的光。

22.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器形成在所述多个层中的至少一个层上。

23.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器包括所述多个层中的一个层。

24.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器包括光学涂层。

25.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器安置在至少一个层上，所述反射器的至少一部分是透明的并且安置在当所述用户穿戴所述头戴式显示器时所述用户的眼睛的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和所述目镜的前面的环境的一部分的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户和所述目镜的前面的所述环境的所述一部分的视图。

26.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述折射光学元件安置在所述反射器与所述传感器阵列之间的光学路径中。

27.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器安置在所述多个层中的第一层上，所述折射光学元件安置在所述多个层中的第二层上，并且所述传感器阵列安置在所述多个层中的第三层上，所述第二层安置在所述第一层与所述第三层之间。

28.根据实例27所述的头戴式显示器，其中所述第一层、所述第二层和所述第三层的所述至少一部分是透明的并且安置在当所述用户穿戴所述头戴式显示器时所述用户的眼睛的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和所述目镜的前面的环境的一部分的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户和所述目镜的前面的所述环境的所述一部分的视图。

29.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述折射光学元件包括离轴光学元件。

30.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述折射光学元件具有光学功率。

31.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述折射光学元件包括离轴透镜。

32.根据前述实例中任一项中任一项所述的头戴式显示器，其中所述折射光学元件的至少一部分被压印在所述目镜的所述多个层中的所述层中的一个层上。

33.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列是朝前摄像头，所述朝前摄像头被配置成至少部分地基于从所述反射器接收的光对所述物体的至少一部分进行成像，所述反射器被安置在所述传感器阵列的前方，所述物体的所述至少一部分被安置在所述传感器阵列的后方并且包括以下中的至少一者：所述用户的眼睛、所述眼睛的一部分或所述眼睛周围的组织的一部分。

34.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其进一步包括光源，所述光源朝以下中的至少一者发射第一波长范围的光：所述用户的眼睛、所述眼睛的一部分或所述眼睛周围的组织的一部分。

35.根据实例错误！找不到参考源。所述的头戴式显示器，其中所述第一波长范围包括红外(IR)光谱或近IR光谱中的至少一者中的光。

36.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述头戴式显示器被配置成基于所述以下中的至少一者的图像跟踪所述用户的注视：所述用户的眼睛、所述眼睛的所述一部分或所述眼睛周围的组织的所述一部分。

37.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列被进一步配置成对所述目镜前面的环境中的物体进行成像。

38.根据实例37所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列是朝后摄像头，所述朝后摄像头被配置成至少部分地基于从所述反射器接收的光对所述物体的至少一部分进行成像，所述反射器位于所述传感器阵列的后方，所述物体的所述至少一部分在所述用户前面的环境中安置于所述传感器阵列的前方。

39.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中头戴式显示器包括护目镜。

第III部分

1.一种头戴式显示器，其包括：

框架，所述框架被配置成支撑在用户的头部上；

目镜，所述目镜联接到所述框架并且被配置成安置在所述用户的眼睛的前面，所述目镜包括多个层；

图像注入装置，所述图像注入装置被配置成向所述目镜提供图像内容，以供所述用户观看；

传感器阵列，所述传感器阵列集成在所述目镜中或所述目镜上；

反射器，所述反射器安置在所述目镜中或所述目镜上，所述反射器被配置成反射从物体接收的光以供所述传感器阵列成像；以及

离轴光学元件，所述离轴光学元件安置在所述目镜中或所述目镜上，所述离轴光学元件被配置成接收从所述反射器反射的光，并且将所述光的至少一部分朝所述传感器阵列引导。

2.根据实例1所述的头戴式显示器，其中所述目镜被配置成将来自所述图像注入装置的光引导至所述用户的眼睛，以向所述用户呈现图像内容。

3.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述多个层包括一个或多个波导，所述一个或多个波导被配置成从所述图像注入装置接收光并且通过全内反射在其中引导所述光的至少一部分，以向所述用户提供图像内容。

4.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述多个层包括被布置成提供不同颜色图像内容的多个波导、不同波导。

5.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述多个层包括多个波导、不同波导或波导组，所述多个波导、不同波导或波导组被配置成将光投影到所述用户的眼睛中，以显示具有不同发散量的图像内容，就好像从距所述用户的眼睛的不同距离投影一样。

6.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述多个层包括以下中的一者或多者：装饰性或美容性透镜、前透镜、调光器、后透镜、照明层或被配置成向具有屈光缺陷的用户提供屈光矫正的处方透镜。

7.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述目镜的至少一部分是透明的并且安置在当所述用户穿戴所述头戴式显示器装置时所述用户的眼睛的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和所述目镜的前面的环境的一部分的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户和所述目镜的前面的所述环境的所述一部分的视图。

8.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述多个层包括至少一个透明的玻璃层或塑料层。

9.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列包括形成在所述层中的至少一个层上的多个检测器像素。

10.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列包括安置在至少一个层上的多个检测器像素，所述多个检测器像素的至少一部分是透明的并且安置在当所述用户穿戴所述头戴式显示器时所述用户的眼睛的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和所述目镜的前面的环境的一部分的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户和所述目镜的前面的所述环境的所述一部分的视图。

11.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列包括晶圆级光学器件。

12.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述离轴光学元件包括至少一个透镜，所述至少一个透镜相对于所述传感器阵列对准，使得来自所述反射器的光穿过所述至少一个透镜到达所述传感器阵列以在所述传感器阵列上形成图像。

13.根据实例12所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列安置在所述目镜的所述多个层中的第一层中或所述第一层上，并且所述至少一个透镜安置在所述目镜的所述多个层中的第二不同层中或所述第二不同层上。

14.根据实例13所述的头戴式显示器，其中第一层和第二层各自的至少一部分是透明的并且安置在当所述用户穿戴所述头戴式显示器时所述用户的眼睛的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和所述目镜的前面的环境的一部分的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户和所述目镜的前面的所述环境的所述一部分的视图。

15.根据实例12所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列安置在所述目镜的所述多个层中的一个层的第一侧中或所述第一侧上，并且所述至少一个透镜安置在所述层的第二相对侧中或所述第二相对侧上。

16.根据实例15所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列和所述至少一个透镜安置于其中或其上的所述层的至少一部分是透明的并且安置在当所述用户穿戴所述头戴式显示器时所述用户的眼睛的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和所述目镜的前面的环境的一部分的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户和所述目镜的前面的所述环境的所述一部分的视图。

17.根据实例12至16中任一项所述的头戴式显示器，其中至少一个透镜包括衍射光学元件。

18.根据实例12至16中任一项所述的头戴式显示器，其中至少一个透镜包括至少一个折射透镜。

19.根据实例12至16中任一项所述的头戴式显示器，其中至少一个透镜包括晶圆级光学器件。

20.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器包括热镜。

21.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器被配置成反射第一红外(IR)或近IR波长范围的光，同时透射第二可见波长范围的光。

22.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器形成在所述多个层中的至少一个层上。

23.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器包括所述多个层中的一个层。

24.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器包括光学涂层。

25.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器安置在至少一个层上，所述反射器的至少一部分是透明的并且安置在当所述用户穿戴所述头戴式显示器时所述用户的眼睛的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和所述目镜的前面的环境的一部分的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户和所述目镜的前面的所述环境的所述一部分的视图。

26.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述离轴光学元件安置在所述反射器与所述传感器阵列之间的光学路径中。

27.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器安置在所述多个层中的第一层上，所述离轴光学元件安置在所述多个层中的第二层上，并且所述传感器阵列安置在所述多个层中的第三层上，所述第二层安置在所述第一层与所述第三层之间。

28.根据实例27所述的头戴式显示器，其中所述第一层、所述第二层和所述第三层的所述至少一部分是透明的并且安置在当所述用户穿戴所述头戴式显示器时所述用户的眼睛的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和所述目镜的前面的环境的一部分的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户和所述目镜的前面的所述环境的所述一部分的视图。

29.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述离轴光学元件包括衍射光学元件(DOE)或衍射光栅。

30.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述离轴光学元件包括离轴衍射光学元件(DOE)、离轴衍射光栅、离轴全息镜(OAHM)、离轴体积衍射光学元件(OAVDOE)或离轴胆甾相液晶衍射光栅(OACLCG)。

31.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述离轴光学元件具有光学功率。

32.根据前述实例中任一项中任一项所述的头戴式显示器，其中所述离轴光学元件的至少一部分被压印在所述目镜的所述多个层中的所述层中的一个层上。

33.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列是朝前摄像头，所述朝前摄像头被配置成至少部分地基于从所述反射器接收的光对所述物体的至少一部分进行成像，所述反射器被安置在所述传感器阵列的前方，所述物体的所述至少一部分被安置在所述传感器阵列的后方并且包括以下中的至少一者：所述用户的眼睛、所述眼睛的一部分或所述眼睛周围的组织的一部分。

34.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其进一步包括光源，所述光源朝以下中的至少一者发射第一波长范围的光：所述用户的眼睛、所述眼睛的一部分或所述眼睛周围的组织的一部分。

35.根据实例错误！找不到参考源。所述的头戴式显示器，其中所述第一波长范围包括红外(IR)光谱或近IR光谱中的至少一者中的光。

36.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述头戴式显示器被配置成基于所述以下中的至少一者的图像跟踪所述用户的注视：所述用户的眼睛、所述眼睛的所述一部分或所述眼睛周围的组织的所述一部分。

37.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列被进一步配置成对所述目镜前面的环境中的物体进行成像。

38.根据实例37所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列是朝后摄像头，所述朝后摄像头被配置成至少部分地基于从所述反射器接收的光对所述物体的至少一部分进行成像，所述反射器位于所述传感器阵列的后方，所述物体的所述至少一部分在所述用户前面的环境中安置于所述传感器阵列的前方。

39.根据前述实例中任一项所述的头戴式显示器，其中头戴式显示器包括护目镜。

40.一种头戴式显示器，其包括：

框架，所述框架被配置成支撑在用户的头部上；

目镜，所述目镜联接到所述框架并且被配置成安置在所述用户的眼睛的前面，所述目镜包括多个层；

图像注入装置，所述图像注入装置被配置成向所述目镜提供图像内容，以供所述用户观看；

传感器阵列，所述传感器阵列集成在所述目镜的所述多个层中的第一层中或所述第一层上；以及

至少一个成像透镜，所述至少一个成像透镜与所述传感器阵列对准以在所述传感器阵列上形成图像，所述至少一个成像透镜安置在所述目镜的所述多个层中的第二层中或第二层上。

41.根据实例40所述的头戴式显示器，其中所述目镜被配置成将来自所述图像注入装置的光引导至所述用户的眼睛，以向所述用户呈现图像内容。

42.根据实例40至41中任一项所述的头戴式显示器，其中所述多个层包括一个或多个波导，所述一个或多个波导被配置成从所述图像注入装置接收光并且通过全内反射在其中引导所述光的至少一部分，以向所述用户提供图像内容。

43.根据实例40至42中任一项所述的头戴式显示器，其中所述多个层包括被布置成提供不同颜色图像内容的多个波导、不同波导。

44.根据实例40至43中任一项所述的头戴式显示器，其中所述多个层包括多个波导、不同波导或波导组，所述多个波导、不同波导或波导组被配置成将光投影到所述用户的眼睛中，以显示具有不同发散量的图像内容，就好像从距所述用户的眼睛的不同距离投影一样。

45.根据实例40至44中任一项所述的头戴式显示器，其中所述多个层包括以下中的一者或多者：美容性窗口、前透镜、调光器、后透镜、照明层或被配置成向具有屈光缺陷的用户提供屈光矫正的处方透镜。

46.根据实例40至45中任一项所述的头戴式显示器，其中所述目镜的至少一部分是透明的并且安置在当所述用户穿戴所述头戴式显示器装置时所述用户的眼睛的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和所述目镜的前面的环境的一部分的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户和所述目镜的前面的所述环境的所述一部分的视图。

47.根据实例40至46中任一项所述的头戴式显示器，其中所述多个层包括至少一个透明的玻璃层或塑料层。

48.根据实例40至47中任一项所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列包括形成在所述层中的至少一个层上的多个检测器像素。

49.根据实例40至48中任一项所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列包括安置在至少一个层上的多个检测器像素，所述多个检测器像素的至少一部分是透明的并且安置在当所述用户穿戴所述头戴式显示器时所述用户的眼睛的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和所述目镜的前面的环境的一部分的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户和所述目镜的前面的所述环境的所述一部分的视图。

50.根据实例40至49中任一项所述的头戴式显示器，其进一步包括反射器，并且所述至少一个透镜相对于所述传感器阵列对准，使得来自所述反射器的光穿过所述至少一个透镜到达所述传感器阵列以在所述传感器阵列上形成图像。

51.根据实例40至50中任一项所述的头戴式显示器，其中第一层和第二层各自的至少一部分是透明的并且安置在当所述用户穿戴所述头戴式显示器时所述用户的眼睛的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和所述目镜的前面的环境的一部分的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户和所述目镜的前面的所述环境的所述一部分的视图。

52.根据实例40至51中任一项所述的头戴式显示器，其中所述至少一个透镜包括衍射光学元件。

53.根据实例40至51中任一项所述的头戴式显示器，其中所述至少一个透镜包括至少一个折射透镜。

54.根据实例40至53中任一项所述的头戴式显示器，其中所述至少一个透镜包括晶圆级光学器件。

55.根据实例40至54中任一项所述的头戴式显示器，其进一步包括反射器，所述反射器安置在所述目镜中或所述目镜上，所述反射器被配置成反射从物体接收的光以供所述传感器阵列成像。

56.根据实例55所述的头戴式显示器，其中所述反射器包括热镜。

57.根据实例55或56所述的头戴式显示器，其中所述反射器被配置成反射第一红外(IR)或近IR波长范围的光，同时透射第二可见波长范围的光。

58.根据实例55至57中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器形成在所述多个层中的至少一个层上。

59.根据实例55至58中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器包括所述多个层中的一个层。

60.根据实例55至59中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器包括光学涂层。

61.根据实例55至60中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器安置在至少一个层上，所述反射器的至少一部分是透明的并且安置在当所述用户穿戴所述头戴式显示器时所述用户的眼睛的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和所述目镜的前面的环境的一部分的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户和所述目镜的前面的所述环境的所述一部分的视图。

62.根据实例50至61中任一项所述的头戴式显示器，其进一步包括离轴光学元件，所述离轴光学元件安置在所述目镜中或所述目镜上，所述离轴光学元件被配置成接收从所述反射器反射的光，并且将所述光的至少一部分朝所述至少一个成像透镜引导。

63.根据实例62所述的头戴式显示器，其中所述离轴光学元件安置在所述反射器与所述至少一个成像透镜之间的光学路径中。

64.根据实例50至63中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器安置在所述多个层中的第三层上，所述第二层安置在所述第一层与所述第三层之间。

65.根据实例64所述的头戴式显示器，其中所述第一层、所述第二层和所述第三层的所述至少一部分是透明的并且安置在当所述用户穿戴所述头戴式显示器时所述用户的眼睛的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和所述目镜的前面的环境的一部分的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户和所述目镜的前面的所述环境的所述一部分的视图。

66.根据实例62至65中任一项所述的头戴式显示器，其中所述离轴光学元件包括衍射光学元件(DOE)或衍射光栅。

67.根据实例62至66中任一项所述的头戴式显示器，其中所述离轴光学元件包括离轴衍射光学元件(DOE)、离轴衍射光栅、离轴全息镜(OAHM)、离轴体积衍射光学元件(OAVDOE)或离轴胆甾相液晶衍射光栅(OACLCG)。

68.根据实例62至67中任一项所述的头戴式显示器，其中所述离轴光学元件具有光学功率。

69.根据实例62至68中任一项中任一项所述的头戴式显示器，其中所述离轴光学元件的至少一部分被压印在所述目镜的所述多个层中的所述层中的一个层上。

70.根据实例50至69中任一项所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列是朝前摄像头，所述朝前摄像头被配置成至少部分地基于从反射器接收的光对所述物体的至少一部分进行成像，所述反射器被安置在所述传感器阵列的前方，所述物体的所述至少一部分被安置在所述传感器阵列的后方并且包括以下中的至少一者：所述用户的眼睛、所述眼睛的一部分或所述眼睛周围的组织的一部分。

71.根据实例40至70中任一项所述的头戴式显示器，其进一步包括光源，所述光源朝以下中的至少一者发射第一波长范围的光：所述用户的眼睛、所述眼睛的一部分或所述眼睛周围的组织的一部分。

72.根据实例71所述的头戴式显示器，其中所述第一波长范围包括红外(IR)光谱或近IR光谱中的至少一者中的光。

73.根据实例40至72中任一项所述的头戴式显示器，其中所述头戴式显示器被配置成基于所述以下中的至少一者的图像跟踪所述用户的注视：所述用户的眼睛、所述眼睛的所述一部分或所述眼睛周围的组织的所述一部分。

74.根据实例40至69中任一项所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列被配置成对所述目镜前面的环境中的物体进行成像。

75.根据实例50至69和74中任一项所述的头戴式显示器，其中所述感觉阵列是朝后摄像头，所述朝后摄像头被配置成至少部分地基于从反射器接收的光对所述物体的至少一部分进行成像，所述反射器位于所述传感器阵列的后方，所述物体的所述至少一部分在所述用户前面的环境中安置于所述传感器阵列的前方。

76.根据实例40至75中任一项所述的头戴式显示器，其中头戴式显示器包括护目镜。

77.一种头戴式显示器，其包括：

框架，所述框架被配置成支撑在用户的头部上；

目镜，所述目镜联接到所述框架并且被配置成安置在所述用户的眼睛的前面，所述目镜包括多个层；

图像注入装置，所述图像注入装置被配置成向所述目镜提供图像内容，以供所述用户观看；

传感器阵列，所述传感器阵列集成在所述目镜的所述多个层中的一个层的第一侧中或所述第一侧上；以及

至少一个成像透镜，所述至少一个成像透镜与所述传感器阵列对准以在所述传感器阵列上形成图像，所述至少一个成像透镜安置在所述传感器阵列安置于其上的所述目镜的所述多个层中的所述层的第二侧中或第二侧上。

78.根据实例77所述的头戴式显示器，其中所述目镜被配置成将来自所述图像注入装置的光引导至所述用户的眼睛，以向所述用户呈现图像内容。

79.根据实例77至78中任一项所述的头戴式显示器，其中所述多个层包括一个或多个波导，所述一个或多个波导被配置成从所述图像注入装置接收光并且通过全内反射在其中引导所述光的至少一部分，以向所述用户提供图像内容。

80.根据实例77至79中任一项所述的头戴式显示器，其中所述多个层包括被布置成提供不同颜色图像内容的多个波导、不同波导。

81.根据实例77至80中任一项所述的头戴式显示器，其中所述多个层包括多个波导、不同波导或波导组，所述多个波导、不同波导或波导组被配置成将光投影到所述用户的眼睛中，以显示具有不同发散量的图像内容，就好像从距所述用户的眼睛的不同距离投影一样。

82.根据实例77至81中任一项所述的头戴式显示器，其中所述多个层包括以下中的一者或多者：美容性窗口、前透镜、调光器、后透镜、照明层或被配置成向具有屈光缺陷的用户提供屈光矫正的处方透镜。

83.根据实例77至82中任一项所述的头戴式显示器，其中所述目镜的至少一部分是透明的并且安置在当所述用户穿戴所述头戴式显示器装置时所述用户的眼睛的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和所述目镜的前面的环境的一部分的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户和所述目镜的前面的所述环境的所述一部分的视图。

84.根据实例77至83中任一项所述的头戴式显示器，其中所述多个层包括至少一个透明的玻璃层或塑料层。

85.根据实例77至84中任一项所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列包括形成在所述层中的至少一个层上的多个检测器像素。

86.根据实例77至85中任一项所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列包括安置在至少一个层上的多个检测器像素，所述多个检测器像素的至少一部分是透明的并且安置在当所述用户穿戴所述头戴式显示器时所述用户的眼睛的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和所述目镜的前面的环境的一部分的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户和所述目镜的前面的所述环境的所述一部分的视图。

87.根据实例77至86中任一项所述的头戴式显示器，其进一步包括反射器，并且所述至少一个透镜相对于所述传感器阵列对准，使得来自所述反射器的光穿过所述至少一个透镜到达所述传感器阵列以在所述传感器阵列上形成图像。

88.根据实例77至87中任一项所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列和所述至少一个透镜安置于其中或其上的所述层的至少一部分是透明的并且安置在当所述用户穿戴所述头戴式显示器时所述用户的眼睛的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和所述目镜的前面的环境的一部分的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户和所述目镜的前面的所述环境的所述一部分的视图。

89.根据实例77至88中任一项所述的头戴式显示器，其中所述至少一个透镜包括衍射光学元件。

90.根据实例77至88中任一项所述的头戴式显示器，其中所述至少一个透镜包括至少一个折射透镜。

91.根据实例77至90中任一项所述的头戴式显示器，其中所述至少一个透镜包括晶圆级光学器件。

92.根据实例77至91中任一项所述的头戴式显示器，其进一步包括反射器，所述反射器安置在所述目镜中或所述目镜上，所述反射器被配置成反射从物体接收的光以供所述传感器阵列成像。

93.根据实例92所述的头戴式显示器，其中所述反射器包括热镜。

94.根据实例92或93所述的头戴式显示器，其中所述反射器被配置成反射第一红外(IR)或近IR波长范围的光，同时透射第二可见波长范围的光。

95.根据实例92至94中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器形成在所述多个层中的至少一个层上。

96.根据实例92至95中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器包括所述多个层中的一个层。

97.根据实例92至96中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器包括光学涂层。

98.根据实例92至97中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器安置在至少一个层上，所述反射器的至少一部分是透明的并且安置在当所述用户穿戴所述头戴式显示器时所述用户的眼睛的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和所述目镜的前面的环境的一部分的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户和所述目镜的前面的所述环境的所述一部分的视图。

99.根据实例87至98中任一项所述的头戴式显示器，其进一步包括离轴光学元件，所述离轴光学元件安置在所述目镜中或所述目镜上，所述离轴光学元件被配置成接收从反射器反射的光，并且将所述光的至少一部分朝所述至少一个成像透镜引导。

100.根据实例99所述的头戴式显示器，其中所述离轴光学元件安置在所述反射器与所述至少一个成像透镜之间的光学路径中。

101.根据实例99或100所述的头戴式显示器，其中所述反射器安置在所述多个层中的第一层上，所述离轴光学元件安置在所述多个层中的第二层上，并且所述传感器阵列安置在所述多个层中的第三层上，所述第二层安置在所述第一层与所述第三层之间。

102.根据实例101所述的头戴式显示器，其中所述第一层、所述第二层和所述第三层的所述至少一部分是透明的并且安置在当所述用户穿戴所述头戴式显示器时所述用户的眼睛的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和所述目镜的前面的环境的一部分的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户和所述目镜的前面的所述环境的所述一部分的视图。

103.根据实例99至102中任一项所述的头戴式显示器，其中所述离轴光学元件包括衍射光学元件(DOE)或衍射光栅。

104.根据实例99至103中任一项所述的头戴式显示器，其中所述离轴光学元件包括离轴衍射光学元件(DOE)、离轴衍射光栅、离轴全息镜(OAHM)、离轴体积衍射光学元件(OAVDOE)或离轴胆甾相液晶衍射光栅(OACLCG)。

105.根据实例99至104中任一项所述的头戴式显示器，其中所述离轴光学元件具有光学功率。

106.根据实例99至105中任一项中任一项所述的头戴式显示器，其中所述离轴光学元件的至少一部分被压印在所述目镜的所述多个层中的所述层中的一个层上。

107.根据实例87至106中任一项所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列是朝前摄像头，所述朝前摄像头被配置成至少部分地基于从反射器接收的光对所述物体的至少一部分进行成像，所述反射器被安置在所述传感器阵列的前方，所述物体的所述至少一部分被安置在所述传感器阵列的后方并且包括以下中的至少一者：所述用户的眼睛、所述眼睛的一部分或所述眼睛周围的组织的一部分。

108.根据实例77至107中任一项所述的头戴式显示器，其进一步包括光源，所述光源朝以下中的至少一者发射第一波长范围的光：所述用户的眼睛、所述眼睛的一部分或所述眼睛周围的组织的一部分。

109.根据实例108所述的头戴式显示器，其中所述第一波长范围包括红外(IR)光谱或近IR光谱中的至少一者中的光。

110.根据实例77至109中任一项所述的头戴式显示器，其中所述头戴式显示器被配置成基于所述以下中的至少一者的图像跟踪所述用户的注视：所述用户的眼睛、所述眼睛的所述一部分或所述眼睛周围的组织的所述一部分。

111.根据实例77至106中任一项所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列被配置成对所述目镜前面的环境中的物体进行成像。

112.根据实例87至106和111中任一项所述的头戴式显示器，其中所述感觉阵列是朝后摄像头，所述朝后摄像头被配置成至少部分地基于从反射器接收的光对所述物体的至少一部分进行成像，所述反射器位于所述传感器阵列的后方，所述物体的所述至少一部分在所述用户前面的环境中安置于所述传感器阵列的前方。

113.根据实例77至112中任一项所述的头戴式显示器，其中头戴式显示器包括护目镜。

114.一种头戴式显示器，其包括：

框架，所述框架被配置成支撑在用户的头部上；

目镜，所述目镜联接到所述框架并且被配置成安置在所述用户的眼睛的前面，所述目镜包括安置在所述眼睛前方的多个层；

图像注入装置，所述图像注入装置被配置成向所述目镜提供图像内容，以供所述用户观看；

成像器，所述成像器包括集成在所述目镜中或所述目镜上的传感器阵列和晶圆级成像光学器件；以及

反射器，所述反射器安置在所述目镜中或所述目镜上，所述反射器被配置成反射从物体接收的光以供所述成像器成像，

其中所述晶圆级成像光学器件不包含在排除所述目镜的外壳中。

115.根据实例114所述的头戴式显示器，其中所述目镜的所述多个层包括多个平面层，并且所述成像器相对于所述平面层的法线倾斜。

116.根据实例114或115所述的头戴式显示器，其中所述成像器在所述反射器的方向上倾斜。

117.根据实例114至116中任一项所述的头戴式显示器，其中所述成像器倾斜以面向所述反射器并接收来自所述反射器的光。

118.根据实例114至117中任一项所述的头戴式显示器，其中所述成像器相对于前向方向倾斜。

119.根据实例114至118中任一项所述的头戴式显示器，其中所述目镜被配置成将来自所述图像注入装置的光引导至所述用户的眼睛，以向所述用户呈现图像内容。

120.根据实例114至119中任一项所述的头戴式显示器，其中所述多个层包括一个或多个波导，所述一个或多个波导被配置成从所述图像注入装置接收光并且通过全内反射在其中引导所述光的至少一部分，以向所述用户提供图像内容。

121.根据实例114至120中任一项所述的头戴式显示器，其中所述多个层包括被布置成提供不同颜色图像内容的多个波导、不同波导。

122.根据实例114至121中任一项所述的头戴式显示器，其中所述多个层包括多个波导、不同波导或波导组，所述多个波导、不同波导或波导组被配置成将光投影到所述用户的眼睛中，以显示具有不同发散量的图像内容，就好像从距所述用户的眼睛的不同距离投影一样。

123.根据实例114至122中任一项所述的头戴式显示器，其中所述多个层包括以下中的一者或多者：美容性窗口、前透镜、调光器、后透镜、照明层或被配置成向具有屈光缺陷的用户提供屈光矫正的处方透镜。

124.根据实例114至123中任一项所述的头戴式显示器，其中所述目镜的至少一部分是透明的并且安置在当所述用户穿戴所述头戴式显示器装置时所述用户的眼睛的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和所述目镜的前面的环境的一部分的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户和所述目镜的前面的所述环境的所述一部分的视图。

125.根据实例114至124中任一项所述的头戴式显示器，其中所述多个层包括至少一个透明的玻璃层或塑料层。

126.根据实例114至125中任一项所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列包括形成在所述层中的至少一个层上的多个检测器像素。

127.根据实例114至126中任一项所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列包括安置在至少一个层上的多个检测器像素，所述多个检测器像素的至少一部分是透明的并且安置在当所述用户穿戴所述头戴式显示器时所述用户的眼睛的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和所述目镜的前面的环境的一部分的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户和所述目镜的前面的所述环境的所述一部分的视图。

128.根据实例114至127中任一项所述的头戴式显示器，其中所述晶圆级成像光学器件包括至少一个透镜，所述至少一个透镜相对于所述传感器阵列对准，使得来自所述反射器的光穿过所述至少一个透镜到达所述传感器阵列以在所述传感器阵列上形成图像。

129.根据实例128所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列安置在所述目镜的所述多个层中的第一层中或所述第一层上，并且所述至少一个透镜安置在所述目镜的所述多个层中的第二不同层中或所述第二不同层上。

130.根据实例129所述的头戴式显示器，其中第一层和第二层各自的至少一部分是透明的并且安置在当所述用户穿戴所述头戴式显示器时所述用户的眼睛的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和所述目镜的前面的环境的一部分的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户和所述目镜的前面的所述环境的所述一部分的视图。

131.根据实例128所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列安置在所述目镜的所述多个层中的一个层的第一侧中或所述第一侧上，并且所述至少一个透镜安置在所述层的第二相对侧中或所述第二相对侧上。

132.根据实例131所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列和所述至少一个透镜安置于其中或其上的所述层的至少一部分是透明的并且安置在当所述用户穿戴所述头戴式显示器时所述用户的眼睛的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和所述目镜的前面的环境的一部分的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户和所述目镜的前面的所述环境的所述一部分的视图。

133.根据实例128至132中任一项所述的头戴式显示器，其中至少一个透镜包括衍射光学元件。

134.根据实例128至132中任一项所述的头戴式显示器，其中至少一个透镜包括至少一个折射透镜。

135.根据实例128至134中任一项所述的头戴式显示器，其中所述至少一个透镜的至少一部分被压印在所述目镜的所述多个层中的所述层中的一个层上。

136.根据实例114至135中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器包括热镜。

137.根据实例114至136中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器被配置成反射第一红外(IR)或近IR波长范围的光，同时透射第二可见波长范围的光。

138.根据实例114至137中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器形成在所述多个层中的至少一个层上。

139.根据实例114至138中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器包括所述多个层中的一个层。

140.根据实例114至139中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器包括光学涂层。

141.根据实例114至140中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器安置在至少一个层上，所述反射器的至少一部分是透明的并且安置在当所述用户穿戴所述头戴式显示器时所述用户的眼睛的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和所述目镜的前面的环境的一部分的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户和所述目镜的前面的所述环境的所述一部分的视图。

142.根据实例114至141中任一项所述的头戴式显示器，其进一步包括离轴光学元件，所述离轴光学元件安置在所述目镜中或所述目镜上，所述离轴光学元件被配置成接收从所述反射器反射的光，并且将所述光的至少一部分朝所述成像器引导。

143.根据实例142所述的头戴式显示器，其中所述离轴光学元件安置在所述反射器与所述成像器之间的光学路径中。

144.根据实例142至143中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器安置在所述多个层中的第一层上，所述离轴光学元件安置在所述多个层中的第二层上，并且所述传感器阵列安置在所述多个层中的第三层上，所述第二层安置在所述第一层与所述第三层之间。

145.根据实例144所述的头戴式显示器，其中所述第一层、所述第二层和所述第三层的所述至少一部分是透明的并且安置在当所述用户穿戴所述头戴式显示器时所述用户的眼睛的前面的位置处，使得所述透明部分将来自所述用户和所述目镜的前面的环境的一部分的光透射到所述用户的眼睛，以提供所述用户和所述目镜的前面的所述环境的所述一部分的视图。

146.根据实例142至145中任一项所述的头戴式显示器，其中所述离轴光学元件包括衍射光学元件(DOE)或衍射光栅。

147.根据实例142至146中任一项所述的头戴式显示器，其中所述离轴光学元件包括离轴衍射光学元件(DOE)、离轴衍射光栅、离轴全息镜(OAHM)、离轴体积衍射光学元件(OAVDOE)或离轴胆甾相液晶衍射光栅(OACLCG)。

148.根据实例142至147中任一项所述的头戴式显示器，其中所述离轴光学元件具有光学功率。

149.根据实例142至148中任一项所述的头戴式显示器，其中所述离轴光学元件的至少一部分被压印在所述目镜的所述多个层中的所述层中的一个层上。

150.根据实例114至149中任一项所述的头戴式显示器，其中所述成像器是朝前摄像头，所述朝前摄像头被配置成至少部分地基于从所述反射器接收的光对所述物体的至少一部分进行成像，所述反射器被安置在所述成像器的前方，所述物体的所述至少一部分被安置在所述成像器的后方并且包括以下中的至少一者：所述用户的眼睛、所述眼睛的一部分或所述眼睛周围的组织的一部分。

151.根据实例114至150中任一项所述的头戴式显示器，其进一步包括光源，所述光源朝以下中的至少一者发射第一波长范围的光：所述用户的眼睛、所述眼睛的一部分或所述眼睛周围的组织的一部分。

152.根据实例151所述的头戴式显示器，其中所述第一波长范围包括红外(IR)光谱或近IR光谱中的至少一者中的光。

153.根据实例114至152中任一项所述的头戴式显示器，其中所述头戴式显示器被配置成基于所述以下中的至少一者的图像跟踪所述用户的注视：所述用户的眼睛、所述眼睛的所述一部分或所述眼睛周围的组织的所述一部分。

154.根据实例114至149中任一项所述的头戴式显示器，其中所述成像器被配置成对所述目镜前面的环境中的物体进行成像。

155.根据实例154所述的头戴式显示器，其中所述成像器是朝后摄像头，所述朝后摄像头被配置成至少部分地基于从所述反射器接收的光对所述物体的至少一部分进行成像，所述反射器位于所述成像器的后方，所述物体的所述至少一部分在所述用户前面的环境中安置于所述成像器的前方。

156.根据实例114至155中任一项所述的头戴式显示器，其中头戴式显示器包括护目镜。

另外的考虑因素

在上文所描述的实施例中，已经在成像显示器系统以及更具体地增强现实显示器系统的上下文中描述了光学布置。然而，应当理解，光学布置的原理和优点可以用于其它头戴式显示器、光学系统、设备或方法。在上文中，将理解的是，实施例中的任一个的任何特征都可以与实施例中的任何另一个的任何其它特征组合和/或替换。

除非上下文另有明确要求，否则贯穿整个描述和权利要求书，“包括(comprise/comprising)”、“包含(include/including)”和“具有(have/having)”等词应以包含性的意义来进行解释，而不是独占或穷尽性的意义；即作为“包含但不限于”的意义。如大体上本文中所使用的，词语“耦接”指代可以直接连接或借助于一个或多个中间元件连接的两个或更多个元件。类似地，如大体上本文中所使用的，词语“连接”指代可以直接连接或借助于一个或多个中间元件连接的两个或更多个元件。取决于上下文，“耦接”或“连接”可以指代光学耦接或光学连接，使得光从一个光学元件耦接或连接至另一个光学元件。另外地，“本文中”、“以上”、“以下”、“见下文”、“见上文”这些词和类似意义的词，当在本申请中使用时，应指此申请整体，而不是指此申请的任何特定部分。在上下文准许的情况下，上述具体实施方式中使用单数或复数的词语还可以分别包含复数或单数。参考两个或更多个项目的列表的词语“或”是包含性(而不是排他性)“或”，并且“或”涵盖词语的所有以下解释：列表中的项目中的任一个、列表中的所有项目，和列表中的项目中的一个或多个的任何组合，且不排除添加到列表的其它项目。另外，除非另有说明，否则本申请和所附权利要求中使用的冠词“一个/种(a/an)”和“所述”应理解为意指“一个或多个”或“至少一个”。

如本文所使用的，指代一系列项中的“至少一个”的短语是指那些项目的任何组合，包含单一成员。例如，“A、B或C中的至少一项”旨在涵盖：A、B、C、A和B、A和C、B和C以及A、B和C。除非另外特别说明，否则如短语“X、Y和Z中的至少一个”等连接语言与通常用于表达项目、术语等可以是X、Y或Z中的至少一个的上下文一起理解。因此，此类连接语言通常并不旨在暗示某些实施例需要X中的至少一个、Y中的至少一个和Z中至少一个中的每一个均存在。

此外，本文所使用的条件语言，尤其例如“能够/可以(can)”、“可以(可能)”、“也许(might)”、“可以(may)”、“例如(e.g./for example)”、“如”等，除非确切地陈述是其它情况或在所使用的上下文内另外理解，否则通常意图表示某些实施例包含某些特征、元件和/或状态，而其它实施例不包含某些特征、元件和/或状态。因此，此类条件语言通常不旨在暗示针对一个或多个实施例以任何方式要求所述特征、元件和/或状态，或者在任何特定实施例中是否应包含或执行这些特征、元件和/或状态。

虽然已经描述了某些实施例，但是这些实施例仅通过实例的方式呈现，并且不旨在限制本公开的范围。实际上，本文所描述的新颖的设备、方法和系统可以以各种其它形式来体现；此外，在不脱离本公开的精神的情况下，可以对本文所描述的方法和系统的形式进行各种省略、替换和改变。例如，尽管框以给定的布置呈现，但是替代性实施例可以使用不同的组件和/或电路拓扑来执行类似的功能，并且一些框可以被删除、移动、添加、细分、组合和/或修改。这些框中的每一个可以以各种不同的方式来实施。上文所描述的各个实施例的元件和动作的任何合适的组合可以被组合以提供进一步的实施例。上文所描述的各个特征和过程可以彼此独立地实施，或者可以以各种方式组合。对于所有实施例，没有元件或元件的组合是必要的或必不可少的。本公开的特征的所有合适的组合和子组合旨在落入本公开的范围内。

Claims (20)

1.一种头戴式显示器，其包括：

框架，所述框架被配置成支撑在用户的头部上；

目镜，所述目镜联接到所述框架并且被配置成安置在所述用户的眼睛的前面，所述目镜包括多个层；

图像注入装置，所述图像注入装置被配置成向所述目镜提供图像内容，以供所述用户观看；

传感器阵列，所述传感器阵列集成在所述目镜中或所述目镜上；

反射器，所述反射器安置在所述目镜中或所述目镜上，所述反射器被配置成反射从物体接收的光以供所述传感器阵列成像；以及

透射性衍射或透射性折射光学元件，所述透射性衍射或透射性折射光学元件安置在所述目镜中或所述目镜上，所述透射性衍射或透射性折射光学元件被配置成接收从所述反射器反射的光，并且使所述光的至少一部分朝所述传感器阵列衍射或折射。

2.根据前述权利要求中任一项所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列包括形成在所述层中的至少一个层上的多个检测器像素。

3.根据前述权利要求中任一项所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列包括晶圆级光学器件。

4.根据前述权利要求中任一项所述的头戴式显示器，其中所述衍射或折射光学元件包括至少一个透镜，所述至少一个透镜相对于所述传感器阵列对准，使得来自所述反射器的光穿过所述至少一个透镜到达所述传感器阵列以在所述传感器阵列上形成图像。

5.根据权利要求4所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列安置在所述目镜的所述多个层中的第一层中或所述第一层上，并且所述至少一个透镜安置在所述目镜的所述多个层中的第二不同层中或所述第二不同层上。

6.根据权利要求4所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列安置在所述目镜的所述多个层中的一个层的第一侧中或所述第一侧上，并且所述至少一个透镜安置在所述层的第二相对侧中或所述第二相对侧上。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的头戴式显示器，其中至少一个透镜包括晶圆级光学器件。

8.根据前述权利要求中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器包括热镜。

9.根据前述权利要求中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器被配置成反射第一红外(IR)或近IR波长范围的光，同时透射第二可见波长范围的光。

10.根据前述权利要求中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器形成在所述多个层中的至少一个层上。

11.根据前述权利要求中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器包括所述多个层中的一个层。

12.根据前述权利要求中任一项所述的头戴式显示器，其中所述衍射或折射光学元件安置在所述反射器与所述传感器阵列之间的光学路径中。

13.根据前述权利要求中任一项所述的头戴式显示器，其中所述反射器安置在所述多个层中的第一层上，所述衍射或折射光学元件安置在所述多个层中的第二层上，并且所述传感器阵列安置在所述多个层中的第三层上，所述第二层安置在所述第一层与所述第三层之间。

14.根据前述权利要求中任一项所述的头戴式显示器，其中所述衍射或折射光学元件包括离轴光学元件。

15.根据前述权利要求中任一项所述的头戴式显示器，其中所述衍射或折射光学元件具有光学功率。

16.根据前述权利要求中任一项所述的头戴式显示器，其中所述衍射或折射光学元件包括离轴透镜。

17.根据前述权利要求中任一项中任一项所述的头戴式显示器，其中所述衍射或折射光学元件的至少一部分被压印在所述目镜的所述多个层中的所述层中的一个层上。

18.根据前述权利要求中任一项所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列是朝前摄像头，所述朝前摄像头被配置成至少部分地基于从所述反射器接收的光对所述物体的至少一部分进行成像，所述反射器被安置在所述传感器阵列的前方，所述物体的所述至少一部分被安置在所述传感器阵列的后方并且包括以下中的至少一者：所述用户的所述眼睛、所述眼睛的一部分或所述眼睛周围的组织的一部分。

19.根据前述权利要求中任一项所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列被进一步配置成对所述目镜前面的环境中的物体进行成像。

20.根据权利要求19所述的头戴式显示器，其中所述传感器阵列是朝后摄像头，所述朝后摄像头被配置成至少部分地基于从所述反射器接收的光对所述物体的至少一部分进行成像，所述反射器位于所述传感器阵列的后方，所述物体的所述至少一部分在所述用户前面的环境中安置于所述传感器阵列的前方。