CN112673298A - 用于头戴式显示***的基于波导的照明 - Google Patents

用于头戴式显示***的基于波导的照明 Download PDF

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I·L·C·杨
贾志恒
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Abstract

一种头戴式显示***，其被配置为将光投射到佩戴头戴式显示***的用户的眼睛以在所述用户的视场中显示内容。头戴式显示***包括至少一个漫射光学元件、至少一个出耦合光学元件、包括至少一个掩模开口的至少一个掩模、被配置为将来自至少一个照明源的光入耦合到导光部件中的入耦合光学元件、被配置为入耦合图像的图像投影仪、以及被配置为将光入耦合到至少一个照明入耦合光学元件的至少一个照明源、目镜、弯曲的导光部件、包括框架的一部分的导光部件、和/或设置在至少一个出耦合光学元件的相对侧上的两个导光部件。

Description

用于头戴式显示***的基于波导的照明
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年7月5日提交的第62/694,366号美国临时专利申请的优先权，其全部内容通过引用合并于此。
技术领域
本公开涉及显示***，并且更具体地，涉及增强和虚拟现实显示***。
背景技术
现代计算和显示技术已经促进了用于所谓的“虚拟现实”或“增强现实”体验的***的开发，其中，以它们似乎是真实的或可能被感知为真实的方式向用户呈现数字再现的图像或其一部分。虚拟现实或“VR”场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现，而对其他实际现实世界视觉输入不透明；增强现实或“AR”场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现，以增强对用户周围现实世界的可视化。混合现实或“MR”场景是AR场景类型并且通常涉及集成到自然世界中并响应于自然世界的虚拟对象。例如，MR场景可以包括AR图像内容，该AR图像内容似乎被现实世界中的对象阻挡或被感知为与现实世界中的对象交互。
参考图1，示出了增强现实场景10。AR技术的用户看到以人、树、背景中的建筑物为特征的现实世界的公园般的设置20，以及混凝土平台30。用户还感知到他/她“看到”了站在现实世界平台30上的诸如机器人雕像40的“虚拟内容”，以及飞来飞去的似乎是大黄蜂的化身的卡通般的化身角色50。这些元素50、40是“虚拟的”，因为它们在现实世界中不存在。由于人类的视觉感知***很复杂，因此要开发一种促进虚拟图像元素以及其他虚拟或现实图像元素的舒适、感觉自然、丰富的呈现的AR技术是具有挑战的。
本文公开的***和方法解决了与AR和VR技术有关的各种挑战。
用于IR(红外)眼睛跟踪的物理LED在美学上很差，并且施加了机械放置限制，因此眼睛跟踪性能欠佳。需要一种改进的***配置，以采用IR光照亮用户的眼睛，而不会显著影响整个***的质量、功率，体积和成本。
发明内容
以下提供了各种示例。
一种头戴式显示***，其被配置为将光投射到佩戴所述头戴式显示***的用户的眼睛，以在所述用户的视场中显示内容，所述头戴式显示***包括：
框架，其被配置为被支撑在所述用户的头部上；
图像投影仪，其被配置为投影图像；
至少一个照明源；
导光部件，所述导光部件被配置为当所述框架被所述用户佩戴时被定位在所述用户的一只眼睛前方；
至少一个照明入耦合光学元件，其被配置为将来自所述至少一个照明源的光入耦合到所述导光部件中以便在其中引导来自所述至少一个照明源的光；以及
至少一个漫射光学元件，其被设置在所述导光部件上，以便当所述框架被所述用户佩戴时被定位在所述用户的一只眼睛前方，其中，所述至少一个漫射光学元件被配置为将来自所述至少一个照明源的光漫射地耦合出所述导光部件。
一种头戴式显示***，其被配置为将光投射到佩戴所述头戴式显示***的用户的眼睛，以在所述用户的视场中显示内容，所述头戴式显示***包括：
框架，其被配置为被支撑在所述用户的头部上；
图像投影仪，其被配置为投影图像；
至少一个照明源；
导光部件，所述导光部件被配置为当所述框架被所述用户佩戴时被定位在所述用户的一只眼睛前方；
至少一个照明入耦合光学元件，其被配置为将来自所述至少一个照明源的光入耦合到所述导光部件中以便在其中引导来自所述至少一个照明源的光；以及
至少一个出耦合光学元件，其被设置在所述导光部件上，以便当所述框架被所述用户佩戴时被定位在所述用户的一只眼睛前方，其中，所述至少一个出耦合光学元件被配置为将来自所述至少一个照明源的光耦合出所述导光部件，并且使耦合出所述导光部件的光以与源自距所述导光部件前方一定距离的位置的光一致的方式发散。
一种头戴式显示***，其被配置为将光投射到佩戴所述头戴式显示***的用户的眼睛，以在所述用户的视场中显示内容，所述头戴式显示***包括：
框架，其被配置为被支撑在所述用户的头部上；
图像投影仪，其被配置为投影图像；
至少一个照明源；
导光部件，所述导光部件被配置为当所述框架被所述用户佩戴时被定位在所述用户的一只眼睛前方；
至少一个照明入耦合光学元件，其被配置为将来自所述至少一个照明源的光入耦合到所述导光部件中以便在其中引导来自所述至少一个照明源的光；以及
包括至少一个掩膜开口的至少一个掩膜，其被设置在所述导光部件上，以便当所述框架被所述用户佩戴时被定位在所述用户的一只眼睛前方，其中，所述至少一个掩膜和所述至少一个掩膜开口被配置为通过所述至少一个掩膜开口将来自所述至少一个照明源的光耦合出所述导光部件。
一种头戴式显示***，其被配置为将光投射到佩戴所述头戴式显示***的用户的眼睛，以在所述用户的视场中显示内容，所述头戴式显示***包括：
框架，其被配置为被支撑在所述用户的头部上；
图像投影仪，其被配置为投影图像；
至少一个照明源；
导光部件，所述导光部件被配置为当所述框架被所述用户佩戴时被定位在所述用户的一只眼睛前方；
至少一个照明入耦合光学元件，其被配置为将来自所述至少一个照明源的光入耦合到所述导光部件中以便在其中引导来自所述至少一个照明源的光；所述至少一个入耦合光学元件包括棱镜，
其中，所述导光部件被配置为使得来自所述照明源的在所述导光部件内被引导的光被耦合出所述导光部件。
一种头戴式显示***，其被配置为将光投射到佩戴所述头戴式显示***的用户的眼睛，以在所述用户的视场中显示内容，所述头戴式显示***包括：
框架，其被配置为被支撑在所述用户的头部上；
图像投影仪，其被配置为投影图像；
至少一个照明源；
导光部件，所述导光部件被配置为当所述框架被所述用户佩戴时被定位在所述用户的一只眼睛前方；
至少一个照明入耦合光学元件，其被配置为将来自所述至少一个照明源的光入耦合到所述导光部件中以便在其中引导来自所述至少一个照明源的光；
其中，所述导光部件被配置为使得来自所述照明源的在所述导光部件内被引导的光被耦合出所述导光部件，以及
其中，所述图像投影仪被配置为入耦合所述图像，并且所述至少一个照明源被配置为将光入耦合到所述至少一个照明入耦合光学元件中。
一种头戴式显示***，其被配置为将光投射到佩戴所述头戴式显示***的用户的眼睛，以在所述用户的视场中显示内容，所述头戴式显示***包括：
框架，其被配置为被支撑在所述用户的头部上；
图像投影仪，其被配置为投影图像；
至少一个照明源；
导光部件，所述导光部件被配置为当所述框架被所述用户佩戴时被定位在所述用户的一只眼睛前方；
至少一个照明入耦合光学元件，其被配置为将来自所述至少一个照明源的光入耦合到所述导光部件中以便在其中引导来自所述至少一个照明源的光；以及
目镜，其被配置为将光引导到所述用户的眼睛中以向所述用户的视场显示增强现实图像内容，所述目镜的至少一部分是透明的，并且当所述用户佩戴所述框架时被设置在所述用户的眼睛前方的位置，以使得所述透明部分将来自所述用户前方的环境的光透射到所述用户的眼睛以提供所述用户前方的所述环境的视图，
其中，所述目镜包括波导和至少一个图像入耦合光学元件，所述至少一个图像入耦合光学元件被配置为将来自所述图像投影仪的光入耦合到所述波导中，从而在其中引导来自所述图像投影仪的光。
一种头戴式显示***，其被配置为将光投射到佩戴所述头戴式显示***的用户的眼睛，以在所述用户的视场中显示内容，所述头戴式显示***包括：
框架，其被配置为被支撑在所述用户的头部上；
图像投影仪，其被配置为投影图像；
至少一个照明源；
导光部件，所述导光部件被配置为当所述框架被所述用户佩戴时被定位在所述用户的一只眼睛前方，所述导光部件是弯曲的；以及
至少一个照明入耦合光学元件，其被配置为将来自所述至少一个照明源的光入耦合到所述导光部件中以便在其中引导来自所述至少一个照明源的光，
其中，所述导光部件被配置为使得来自所述照明源的在所述导光部件内被引导的光被耦合出所述导光部件。
一种头戴式显示***，其被配置为将光投射到佩戴所述头戴式显示***的用户的眼睛，以在所述用户的视场中显示内容，所述头戴式显示***包括：
框架，其被配置为被支撑在所述用户的头部上；
图像投影仪，其被配置为投影图像；
至少一个照明源；
导光部件，所述导光部件被配置为当所述框架被所述用户佩戴时被定位在所述用户的一只眼睛前方，所述导光部件包括所述框架的一部分，以及；
至少一个照明入耦合光学元件，其被配置为将来自所述至少一个照明源的光入耦合到所述导光部件中以便在其中引导来自所述至少一个照明源的光，
其中，所述导光部件被配置为使得来自所述照明源的在所述导光部件内被引导的光被耦合出所述导光部件。
一种头戴式显示***，其被配置为将光投射到佩戴所述头戴式显示***的用户的眼睛，以在所述用户的视场中显示内容，所述头戴式显示***包括：
框架，其被配置为被支撑在所述用户的头部上；
图像投影仪，其被配置为投影图像；
至少一个照明源；
导光部件，所述导光部件被配置为当所述框架被所述用户佩戴时被定位在所述用户的一只眼睛前方；以及
至少一个照明入耦合光学元件，其被配置为将来自所述至少一个照明源的光入耦合到所述导光部件中以便在其中引导来自所述至少一个照明源的光；以及
至少一个出耦合光学元件，其被设置在所述导光部件上，以便当所述框架被所述用户佩戴时被定位在所述用户的一只眼睛前方，其中，所述至少一个出耦合光学元件被配置为将来自所述至少一个照明源的光耦合出所述导光部件，
其中，所述导光部件包括设置在所述至少一个出耦合光学元件的相对侧上的两个导光部件。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述图像投影仪包括可见光源和调制器。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，光调制器包括空间光调制器。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括被配置为发射红外IR光的IR光源。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括被配置为发射可见光的可见光源。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述导光部件包括对可见光透明的材料，所述材料的折射率足以通过全内反射在所述导光部件中引导来自所述至少一个照明源的光。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述导光部件的至少一部分是透明的，并且当所述用户佩戴所述框架时被设置在所述用户的眼睛前方的位置处，以使得所述透明部分将来自所述用户前方的环境的光透射到所述用户的眼睛以提供所述用户前方的所述环境的视图。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中所述至少一个照明入耦合光学元件包括至少一个棱镜。
根据以上示例中的任一项所述的***，还包括至少一个图像入耦合光学元件，所述至少一个图像入耦合光学元件被配置为将来自所述图像投影仪的光入耦合到所述导光部件中，以便在其中引导来自所述图像投影仪的光。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述图像投影仪被配置为入耦合所述图像，并且所述至少一个照明源被配置为将光入耦合到所述至少一个照明入耦合光学元件中。
根据以上示例中的任一项所述的***统，还包括目镜，所述目镜被配置为将光引导到所述用户的眼睛中以向所述用户的视场显示增强现实图像内容，所述目镜的至少一部分是透明的，并且当所述用户佩戴所述框架时被设置在所述用户的眼睛前方的位置，以使得所述透明部分将来自所述用户前方的环境的光透射到所述用户的眼睛以提供所述用户前方的所述环境的视图。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述目镜包括波导和至少一个图像入耦合光学元件，所述至少一个图像入耦合光学元件被配置为将来自所述图像投影仪的光入耦合到所述波导中，从而在其中引导来自所述图像投影仪的光。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述导光部件被设置在所述目镜的内部部分上，其中，所述内部部分在所述用户的眼睛与所述目镜之间。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述导光部件被设置在所述目镜的外部部分上，其中，所述外部部分在所述环境与所述目镜之间。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述导光部件是弯曲的。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述导光部件具有圆柱体的一部分的形状。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述导光部件包括附接到所述框架的护罩或遮阳板。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述护罩或所述遮阳板被设置在所述显示***的内部部分。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述护罩或所述遮阳板被设置在所述显示***的外部部分。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述导光部件包括所述框架的一部分。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个漫射光学元件被配置为将来自所述至少一个照明源的光朝向所述用户的眼睛耦合出所述导光部件。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个漫射光学元件被配置为将来自所述至少一个照明源的光朝向所述用户前方的环境耦合出所述导光部件到所述用户的眼睛。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个掩模阻挡在所述导光部件内引导的光离开所述导光部件。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个掩模将来自所述至少一个照明源的光反射回到所述导光部件中。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个掩模是二向色的，其反射由所述至少一个照明源发射的某些波长，并且透射没有由所述至少一个照明源发射的其他波长。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个掩模是二向色的，其反射由所述至少一个照明源发射的某些红外波长，并且透射没有由所述至少一个照明源发射的其他可见波长。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个掩模被配置为吸收由所述照明源发射的光。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个掩模开口的直径为大约10μm。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个漫射光学元件在小于所述至少一个导光部件的面积的5％的区域上延伸。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个掩模开口在小于所述至少一个导光部件的面积的5％的区域上延伸。
根据以上示例中的任一项所述的***，还包括光重定向元件，其被配置为将从所述至少一个照明入耦合光学元件接收的光引导到所述导光部件内，以使得所述导光部件将所述光重定向到所述至少一个漫射光学元件。
根据以上示例中的任一项所述的***，还包括光重定向元件，其被配置为将从所述至少一个照明入耦合光学元件接收的光引导到所述导光部件内，以使得所述导光部件将所述光重定向到所述至少一个掩模开口。
根据以上示例中的任一项所述的***，还包括光重定向元件，其被配置为将从所述至少一个照明入耦合光学元件接收的光引导到所述导光部件内，以使得所述导光部件将所述光重定向到到所述至少一个出耦合元件。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述光重定向元件包括正交光瞳扩展器。
根据以上示例中的任一项所述的***，还包括至少一个相机，其被配置为使用来自所述至少一个照明源的从所述眼睛反射的光来对所述用户的眼睛成像。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个相机包括被配置为与电子器件通信的眼睛跟踪相机，所述电子器件被配置为基于来自所述至少一个相机的图像来跟踪所述眼睛的运动。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述导光部件具有圆形形状。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述导光部件包括设置在所述至少一个漫射光学元件的相对侧上的两个导光部件。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个导光部件包括设置在漫射膜的相对侧上的第一导光部件和第二导光部件。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个漫射光学元件包括设置在所述导光部件的相对侧上的一对漫射光学元件。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个漫射光学元件包括设置在所述导光部件的相对侧上的第一漫射膜和第二漫射膜。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个漫射光学元件包括被配置为将光引导到沿不同的第一方向和第二方向取向的分布中的第一漫射光学元件和第二漫射光学元件。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个漫射光学元件包括第一漫射光学元件和第二漫射光学元件，所述第一漫射光学元件和所述第二漫射光学元件被配置为分别将具有第一波长和第二波长的光选择性地引导到沿不同的第一方向和第二方向取向的分布中，并且所述至少一个照明源包括分别选择性地发射所述第一波长和所述第二波长的第一光源和第二光源。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括多个照明源。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括多个照明源，并且所述至少一个漫射光学元件将来自不同照明源的光引导到沿不同方向取向的相应的分布中。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括多个照明源，并且所述至少一个漫射光学元件引导来自不同照明源的光，就像源自所述至少一个导光部件前方的不同相应的位置。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括激光器、LED或垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源还包括至少一个滤波器。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个漫射光学元件是折射的、反射的、衍射的或其任意组合。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个漫射光学元件包括一个或多个漫射片、一个或多个光成形漫射器、一个或多个漫射膜、一个或多个刻蚀、一个或多个透射光学元件、一个或多个颗粒、一个或多个不规则表面、一个或多个表面浮雕结构、PTFE、聚四氟乙烯、毛玻璃、蛋白石玻璃、灰玻璃、一个或多个白色表面、有色凝胶、一个或多个全息图、或它们的任意组合。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个漫射光学元件是波长选择性的，以便基本上选择性地漫射从所述至少一个照明源发射的一个或多个波长的光而不是其他波长的光。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述***包括多个漫射光学元件，并且至少一个照明源发射多个波长带的光，并且其中，不同的所述漫射光学元件选择性地漫射来自所述至少一个照明源的所述多个波长带中的相应的波长带。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个漫射光学元件不重定向来自所述环境的可见光。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个漫射光学元件被配置为将来自所述照明源的光引导朝向所述环境。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括被配置为输出红外光的红外源，并且所述至少一个漫射光学元件被配置为朝向所述环境引导来自所述至少一个照明源的红外光以提供深度感测。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括被配置为输出可见光的可见源，并且所述至少一个漫射光学元件被配置为朝向所述环境引导来自所述至少一个照明源的可见光以向非用户提供标记。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括被配置为输出可见光的可见源，并且所述至少一个漫射光学元件被配置为朝向所述眼睛引导来自所述至少一个照明源的可见光以向所述用户提供标记。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括被配置为输出可见光的可见源，并且所述至少一个漫射光学元件被配置为朝向眼睛的周围引导来自所述至少一个照明源的可见光。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括被配置为输出光的可见源、红外源或两者，并且所述至少一个漫射光学元件被配置朝向所述环境引导来自所述至少一个照明源的光以向外部传感器或外部成像传感器提供信号或基准。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括被配置为输出光的可见源、红外源或两者，并且所述至少一个漫射光学元件被配置朝向所述用户引导来自所述至少一个照明源的光以向外部传感器或外部成像传感器提供信号或基准。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个出耦合光学元件在小于所述至少一个导光部件的面积的5％的区域上延伸。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述导光部件包括设置在所述至少一个出耦合光学元件的相对侧上的两个导光部件。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个导光部件包括设置在出耦合光学膜的相对侧上的第一导光部件和第二导光部件。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个出耦合光学元件包括设置在所述导光部件的相对侧上的一对出耦合光学元件。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个出耦合光学元件包括设置在所述导光部件的相对侧上的第一出耦合光学膜和第二出耦合光学膜。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个出耦合光学元件包括第一出耦合光学元件和第二出耦合光学元件，所述第一出耦合光学元件和所述第二出耦合光学元件被配置为将光引导到沿不同的第一方向和第二方向取向的分布中。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个出耦合光学元件包括第一出耦合光学元件和第二出耦合光学元件，所述第一出耦合光学元件和所述第二出耦合光学元件被配置为分别将具有第一波长和第二波长的光选择性地引导到沿不同的第一方向和第二方向取向的分布中，并且所述至少一个照明源包括分别选择性地发射所述第一波长和所述第二波长的第一光源和第二光源。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括多个照明源。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括多个照明源，并且所述至少一个出耦合光学元件将来自不同照明源的光引导到沿不同方向取向的相应的分布中。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括多个照明源，并且所述至少一个出耦合光学元件引导来自不同照明源的光，就像源自所述至少一个导光部件前方的不同相应的位置。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括激光器、LED或垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源还包括至少一个滤波器。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个出耦合光学元件是折射的、反射的、衍射的或其任意组合。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个出耦合光学元件包括一个或多个漫射片、一个或多个光成形漫射器、一个或多个漫射膜、一个或多个刻蚀、一个或多个透射光学元件、一个或多个颗粒、一个或多个不规则表面、一个或多个表面浮雕结构、PTFE、聚四氟乙烯、毛玻璃、蛋白石玻璃、灰玻璃、一个或多个白色表面、有色凝胶、一个或多个全息图、或它们的任意组合。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个出耦合光学元件是波长选择性的，以便基本上仅与从所述至少一个照明源发射的波长带的光相互作用。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述***包括多个出耦合光学元件，并且至少一个照明源发射多个波长带的光，并且其中，每个出耦合光学元件是波长选择性的，以便基本上仅与从所述至少一个照明源发射的不同的波长带的光相互作用。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个出耦合光学元件不重定向来自所述环境的可见光。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个出耦合光学元件被配置为将来自所述照明源的光引导朝向所述环境。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括被配置为输出红外光的红外源，并且所述至少一个出耦合光学元件被配置为朝向所述环境引导来自所述至少一个照明源的红外光以提供深度感测。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括被配置为输出可见光的可见源，并且所述至少一个出耦合光学元件被配置为朝向所述环境引导来自所述至少一个照明源的可见光以向非用户提供标记。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括被配置为输出可见光的可见源，并且所述至少一个出耦合光学元件被配置为朝向所述眼睛引导来自所述至少一个照明源的可见光以向所述用户提供标记。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括被配置为输出可见光的可见源，并且所述至少一个出耦合光学元件被配置为朝向眼睛的周围引导来自所述至少一个照明源的可见光。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括被配置为输出光的可见源、红外源或两者，并且所述至少一个出耦合光学元件被配置朝向所述环境引导来自所述至少一个照明源的光以向外部传感器或外部成像传感器提供信号或基准。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括被配置为输出光的可见源、红外源或两者，并且所述至少一个出耦合光学元件被配置朝向所述用户引导来自所述至少一个照明源的光以向外部传感器或外部成像传感器提供信号或基准。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述图像投影仪和所述照明源共享相同的入耦合光学元件和所述导光部件。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个出耦合光学元件包括至少一个漫射光学元件或至少一个漫射膜或其任何组合。
根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个出耦合光学元件包括至少一个衍射光学元件或至少一个全息光学元件或其任意组合。
附图说明
图1示出了用户通过AR设备的增强现实(AR)视图。
图2示出了用于为用户模拟三维图像的传统显示***。
图3A-3C示出了曲率半径与焦半径之间的关系。
图4A示出了人类视觉***的适应-聚散响应的表示。
图4B示出了用户的双眼的不同适应状态和聚散状态的示例。
图4C示出了经由显示***观看内容的用户的俯视平面图的表示的示例。
图4D示出了经由显示***观看内容的用户的俯视平面图的表示的另一示例。
图5示出了通过修改波前发散来模拟三维图像的方法的方面。
图6示出了用于将图像信息输出给用户的波导堆叠的示例。
图7示出了由波导输出的出射光束的示例。
图8示出了堆叠波导组件的示例，其中每个深度平面包括使用多种不同分量颜色形成的图像。
图9A示出了一组堆叠的波导的示例的横截面侧视图，每个堆叠的波导包括入耦合光学元件。
图9B示出了图9A的多个堆叠波导的示例的视角。
图9C示出了图9A和图9B的多个堆叠波导的示例的俯视平面图。
图9D示出了可穿戴显示***的示例。
图10A至图10D示出了导光部件的透视图，该导光部件被配置为将光从照明源投射到用户的眼睛，使得该光看起来源于超出该导光部件以外(例如，在远场)的用户眼睛前方的虚拟光源。在一些设计中，该导光部件包括头戴式显示器的目镜，该目镜还被配置为将图像从显示器投射到用户的眼睛中。
图11A至图11B示出了具有掩模的导光部件的透视图，该掩模具有多个开口，光可以通过这些开口离开导光部件，从而产生局部(例如，点)照明源。
图12A至图12B示出了导光部件和包括漫射光学元件或散射区域的一个或多个出耦合光学元件的透视图，其中的漫射光学元件或散射区域使在导光部件内被引导的光散射，在该示例中，从而产生多个单独的局部(例如点)照明源。
图13A至图13B示出了包括头戴式显示器的目镜的外盖的导光部件。在该示例中，包括外盖的导光部件是弯曲的。另外，包括漫射光学元件的一个或多个出耦合光学元件将在导光部件内被引导的光散射到该导光部件之外。
图14A至图14B示出了包括用于头戴式显示器的目镜的内盖的导光部件。包括多个漫射光学元件的一个或多个出耦合光学元件相对于导光部件被设置为使得在导光部件内被引导的光从其中射出。
图15A至图15B示出了集成在头戴式显示***的框架中的导光部件。在该示例中，包括例如漫射光学元件或孔的一个或多个出耦合光学元件位于框架的导光部分上，以使在其中引导的光射出。
图16示出了圆形的导光部件，该圆形的导光部件包括环形的输出耦合元件，该环形的输出耦合元件包括例如环形的漫射膜或衍射光学元件。
图17A示出了彼此堆叠的第一和第二导光部件。在该示例中，第一和第二导光部件由出耦合光学元件分开，该出耦合光学元件包括例如漫射光学元件或衍射光学元件，其被配置为将在第一和第二导光部件内引导的光耦合到导光部件以外。在一些实施方式中，出耦合是双向的，其中光在该对导光部件的前面和后面被射出。
图17B图示了导光部件，其包括设置在导光部件的任一侧上以将在导光部件内引导的光耦合到导光部件以外的第一和第二出耦合光学元件。在一些示例中，第一出耦合光学元件和第二出耦合光学元件可以被配置为提供双向输出耦合，使得光在导光部件和该对出耦合光学元件的前面和后面被射出。
图17C示出了在一个或多个出耦合光学元件的相对侧上的第一和第二导光部件，该一个或多个出耦合光学元件包括例如漫射光学元件或衍射光学元件，其被配置为将在第一和第二导光部件内引导的光耦合到导光部件以外。在一些实施方式中，出耦合是双向的，其中光在该对导光部件的前面和后面被射出。如图所示，第一和第二导光部件是圆形的，而出耦合光学元件是环形的。
提供附图以示出示例实施例，并且不旨在限制本公开的范围。贯穿全文，相同的参考标记表示相同的部分。
具体实施方式
AR***可以向用户或观看者显示虚拟内容，同时仍然允许用户看到他们周围的世界。优选地，该内容被显示在将图像信息投影到用户的眼睛的头戴式显示器上，例如作为眼镜的一部分。另外，显示器还可以将光从周围环境传输到用户的眼睛，以允许观看该周围环境。如本文所使用的，将意识到，“头戴式”或“头部可戴的”显示器是可以安装在观看者或用户的头部上的显示器。
在一些AR***中，可以将多个波导配置为在多个虚拟深度平面(在本文中也简称为“深度平面”)上形成虚拟图像。多个波导中的不同波导可以具有不同的光功率，并且可以在距用户眼睛不同距离处形成。显示***还可包括提供或另外提供光功率的多个透镜。波导和/或透镜的光功率可以在不同的虚拟深度平面处提供图像。不利地，每个波导和透镜会增加显示器的整体厚度、重量和成本。
有利地，在本文所述的各种实施例中，可以利用自适应透镜组件来提供可变的光功率，以例如修改通过透镜组件传播的光的波前发散，从而提供与用户相距不同的感知距离处的虚拟深度平面。自适应透镜组件可以包括一对波片(waveplate)透镜，这对波片透镜之间设置有可切换的波片。第一和第二波片透镜中的每一个波片透镜可以被配置为改变穿过其的光的偏振状态，并且可切换波片可以在多个状态之间切换，例如，在不改变光的偏振的情况下允许光通过的第一状态和改变光的偏振的第二状态(例如，通过改变偏振的手性)。在一些实施例中，波片透镜中的一个或两者可以在这些第一和第二状态之间切换，并且可以省略上述中间的可切换波片。
应当理解，自适应透镜组件可以包括多个波片透镜和多个可切换波片的堆叠。例如，自适应透镜组件可以包括多个子组件，该多个子组件包括具有中间的可切换波片的一对波片透镜。在一些实施例中，自适应透镜组件可以包括交替的波片透镜和可切换的波片。有利地，通过使相邻的可切换波片共享公共的波片透镜，这种交替布置允许减小厚度和重量。在一些实施例中，通过切换堆叠中的可切换波片的各种组合的状态，可以提供两个以上的离散水平的光功率。
在一些实施例中，自适应透镜组件形成具有波导组件的显示设备，以在不同的虚拟深度平面处形成图像。在各种实施例中，显示设备包括由波导组件***的一对自适应透镜组件。波导组件包括配置为在其中(例如，通过全内反射)传播光(例如，可见光)并向外耦合光的波导。例如，光可以沿着垂直于波导的主表面的光轴方向向外耦合。一对自适应透镜组件可以形成在波导组件的第一侧上，并且可以被配置为提供可变的光功率，以修改通过自适应透镜组件的光的波前，从而在多个虚拟深度平面中的每一个虚拟深度平面处形成图像。例如，自适应透镜组件可以会聚或发散从波导组件接收的向外耦合光。为了补偿由于传播通过自适应透镜组件和/或波导组件的环境光的会聚或发散所引起的对现实世界视图的修改，在波导组件与第一侧相对的第二侧上另外设置另一对自适应透镜组件。当每个自适应透镜组件的可切换波片呈现对应状态时，自适应透镜组件可以具有相反符号的光功率，使得另一个自适应透镜组件校正由自适应透镜组件在波导组件的第一侧引起的畸变。
有利地，相对于具有连续可变光学元件的连续可变自适应透镜，利用在两个状态之间可切换的可切换波片简化了自适应透镜组件的驱动并减少了确定如何针对期望的光功率来适当地激活自适应透镜组件所需的计算能力。另外，通过允许自适应透镜组件修改由波导输出的光的波前发散，相对于其中每个波导提供特定量的波前发散的布置，减少了提供多个深度平面所需的波导的数量。
现在将参考附图，在附图中，相同的附图标记始终指代相同的部分。除非另有说明，否则附图是示意性的，不一定按比例绘制。
示例显示***
图2示出了用于为用户模拟三维图像的传统显示***。应当理解，用户的眼睛是间隔开的，并且当观看空间中的真实对象时，每只眼睛将具有该对象的稍微不同的视图，并且可以在每只眼睛的视网膜上的不同位置处形成该对象的图像。这可以被称为双目视差，并且可以被人类视觉***用来提供对深度的感知。传统的显示***通过呈现具有相同虚拟对象的略有不同的视图的两个不同的图像190、200(每只眼睛210、220对应一个图像)来模拟双目视差，该略有不同的视图对应于每只眼睛将看到的虚拟对象的视图，如果虚拟对象是期望深度的真实对象的话。这些图像提供了双目提示，用户的视觉***可以将其解释为获得深度的感知。
继续参考图2，图像190、200与眼睛210、220在z轴上间隔开距离230。z轴与观看者的光轴平行，其眼睛注视在观看者正前方的光学无限远处的对象上。图像190、200是平坦的并且与眼睛210、220处于固定的距离。基于分别呈现给眼睛210、220的图像中的虚拟对象的略微不同的视图，眼睛可以自然地旋转，使得对象的图像落在每只眼睛的视网膜上的对应点上，以保持单个双目视觉。该旋转可导致眼睛210、220中的每只眼睛的视线会聚到空间上的一点，在该点处虚拟对象被感知为存在。结果，提供三维图像通常涉及提供双目提示，该双目提示可操纵用户的眼睛210、220的聚散，并且人类视觉***将其解释为提供深度的感知。
然而，生成对深度的现实且舒适的感知是具有挑战性的。应当理解，来自距眼睛不同距离处的对象的光具有带有不同发散量的波前。图3A-3C示出了距离与光线的发散之间的关系。对象与眼睛210a之间的距离由R1、R2和R3按减小距离的顺序表示。如图3A-3C中所示，随着距对象的距离减小，光线变得更加发散。相反，随着距离增加，光线变得更加准直。换句话说，可以说由点(对象或对象的一部分)产生的光场具有球面波前曲率，该曲率是该点距用户眼睛多远的函数。曲率随着对象和眼睛210a之间的距离减小而增加。尽管为了清楚起见在图3A-3C和在此的其它图中仅示出了单只眼睛210a，但是关于眼睛210a的讨论可以应用于观看者的两只眼睛210和220。
继续参考图3A-3C，观看者的眼睛注视在其上的对象发出的光可能具有不同程度的波前发散。由于不同量的波前发散，眼睛的晶状体可能会不同地聚焦光，这进而可能会要求晶状体采取不同的形状以在眼睛的视网膜上形成聚焦图像。在未在视网膜上形成聚焦图像的情况下，所产生的视网膜模糊可作为适应的提示，该适应引起眼睛晶状体形状的改变，直到在视网膜上形成聚焦图像为止。例如，适应的提示可触发眼睛晶状体周围的睫状肌松弛或收缩，从而调节施加到保持晶状体的悬韧带的力，从而引起眼睛晶状体的形状改变直到注视对象的视网膜模糊被消除或最小化，从而在眼睛的视网膜(例如，中央凹)上形成注视对象的聚焦图像。眼睛的晶状体改变形状的过程可以被称为适应，并且形成在眼睛的视网膜(例如，中央凹)上的注视对象的聚焦图像所需的眼睛的晶状体的形状可以被称为适应状态。
现在参考图4A，示出了人类视觉***的适应-聚散响应的表示。眼睛注视在对象上的运动使眼睛接收来自对象的光，该光在眼睛的每个视网膜上形成图像。在视网膜上形成的图像中视网膜模糊的存在可以提供适应的提示，并且图像在视网膜上的相对位置可以为聚散提供提示。适应的提示使适应发生，导致眼睛的晶状体各自呈现特定的适应状态，该特定的适应状态形成了对象在眼睛的视网膜(例如，中央凹)上的聚焦图像。另一方面，聚散的提示使聚散运动(眼睛的旋转)发生，使得形成在每只眼睛的每个视网膜上的图像位于保持单个双目视觉的对应视网膜点处。在这些位置中，可以说眼睛已呈现特定的聚散状态。继续参考图4A，适应可以被理解为眼睛达到特定的适应状态的过程，而聚散可以被理解为眼睛达到特定的聚散状态的过程。如图4A中所示，如果用户注视在另一对象上，则眼睛的适应和聚散状态可能改变。例如，如果用户在z轴上的不同深度处注视在新对象上，则适应状态可能改变。
在不受理论限制的情况下，相信对象的观看者可能由于聚散和适应的组合而将对象感知为“三维”。如上所述，两只眼睛相对于彼此的聚散运动(例如，眼睛的旋转，使得瞳孔彼此朝向或远离移动以会聚眼睛的视线以注视在对象上)与眼睛的晶状体的适应紧密相关。在正常情况下，改变眼睛的晶状体形状以将焦点从一个对象改变到不同距离处的另一对象，将在称为“适应-聚散反射”的关系下自动导致在聚散上距相同距离的匹配变化。同样，在正常情况下，聚散的变化将触发晶状体形状的匹配变化。
现在参考图4B，示出了眼睛的不同适应和聚散状态的示例。一对眼睛222a在光学无限远处注视在对象上，而一对眼睛222b在小于光学无限远处注视在对象221上。值得注意的是，每对眼睛的聚散状态不同，该对眼睛222a笔直指向前方，而该对眼睛222会聚在对象221上。形成每对眼睛222a和222b的眼睛的适应状态也不同，如晶状体210a、220a的不同形状所代表的。
不期望地，由于这些显示器中的适应状态和聚散状态之间的失配，传统“3D”显示***的许多用户发现此类传统***不舒适或根本无法感知深度感。如上所述，许多立体或“3D”显示***通过向每只眼睛提供略有不同的图像来显示场景。此类***对于许多观看者来说是不舒适的，因为它们尤其提供了场景的不同呈现并且引起眼睛的聚散状态的改变，但是没有相应地改变那些眼睛的适应状态。相反，通过显示器在距眼睛的固定距离处示出图像，使得眼睛在单个适应状态下观看所有图像信息。此类布置通过引起聚散状态的变化而没有适应状态的匹配变化来对抗“适应-聚散反射”。据信该失配会引起观看者不适。在适应和聚散之间提供更优匹配的显示***可能会形成更逼真的且更舒适的三维图像模拟。
不受理论的限制，据信人眼通常可以解释有限数量的深度平面以提供深度感知。因此，通过向眼睛提供与这些有限数量的深度平面中的每一个深度平面相对应的图像的不同呈现，可以实现感知深度的高度可信的模拟。在一些实施例中，不同的呈现可以提供聚散的提示和适应的匹配提示二者，从而提供生理上正确的适应-聚散匹配。
继续参考图4B，示出了两个深度平面240，其对应于距眼睛210、220在空间上的不同距离。对于给定的深度平面240，可以通过为每只眼睛210、220显示适当不同视角的图像来提供聚散提示。此外，对于给定的深度平面240，形成提供给每只眼睛210、220的图像的光可以具有与该深度平面240的距离处的点所产生的光场相对应的波前发散。
在所示的实施例中，包含点221的深度平面240沿z轴的距离为1m。如在此所使用的，可以采用位于用户眼睛的瞳孔处的零点来测量沿z轴的距离或深度。因此，位于深度为1m的深度平面240对应于在这些眼睛的光轴上距用户眼睛的瞳孔1m的距离，眼睛朝向光学无限远引导。作为近似，可以从用户眼睛前面的显示器(例如，从波导的表面)测量沿z轴的深度或距离，再加上该设备与用户眼睛的瞳孔之间的距离值。该值可以称为眼距，并且对应于用户眼睛的瞳孔与用户在眼睛前面佩戴的显示器之间的距离。实际上，眼距的值可以是通常用于所有观看者的归一化值。例如，可以假设眼距为20mm，并且深度1m处的深度平面在显示器前面的距离可以为980mm。
现在参考图4C和4D，分别示出了匹配的适应-聚散距离和失配的适应-聚散距离的示例。如图4C中所示，显示***可以向每只眼睛210、220提供虚拟对象的图像。图像可以使眼睛210、220呈现聚散状态，在该状态中眼睛会聚在深度平面240上的点15上。另外，图像可以由具有与该深度平面240处的真实对象相对应的波前曲率的光形成。结果，眼睛210、220呈现适应状态，在该状态中图像聚焦在那些眼睛的视网膜上。因此，用户可以将虚拟对象感知为在深度平面240上的点15处。
应当理解，眼睛210、220的适应状态和聚散状态中的每一种状态都与z轴上的特定距离相关联。例如，距眼睛210、220特定距离处的对象使那些眼睛基于该对象的距离呈现特定的适应状态。与特定的适应状态相关联的距离可以被称为适应距离Ad。类似地，在特定的聚散状态或相对于彼此的位置中，存在与眼睛相关联的特定的聚散距离Vd。在适应距离和聚散距离匹配的情况下，适应和聚散之间的关系可以说是生理上正确的。对于观看者来说，这被认为是最舒适的场景。
然而，在立体显示器中，适应距离和聚散距离可能并不总是匹配。例如，如图4D中所示，显示给眼睛210、220的图像可以以与深度平面240相对应的波前发散来显示，并且眼睛210、220可以呈现特定的适应状态，在该状态中在该深度平面上的点15a、15b处于焦点。然而，显示给眼睛210、220的图像可能会提供聚散提示，该提示使眼睛210、220会聚在未位于深度平面240上的点15上。结果，在一些实施例中，适应距离对应于从眼睛210、220的瞳孔到深度平面240的距离，而聚散距离对应于从眼睛210、220的瞳孔到点15的较大距离。适应距离不同于聚散距离。因此，存在适应-聚散失配。此类失配被认为是不期望的，并且可能导致用户不适。应当理解，失配对应于距离(例如，Vd-Ad)，并且可以使用屈光度来表征。
在一些实施例中，应当理解，除了眼睛210、220的瞳孔之外的参考点可以被用于确定用于确定适应-聚散失配的距离，只要相同的参考点被用于适应距离和聚散距离。例如，可以测量从角膜到深度平面，从视网膜到深度平面，从目镜(例如，显示设备的波导)到深度平面的距离等。
在不受理论限制的情况下，据信用户仍可将高达约0.25屈光度、高达约0.33屈光度和高达约0.5屈光度的适应-聚散失配感知为生理上正确的，而失配本身不会引起严重不适。在一些实施例中，在此公开的显示***(例如，图6的显示***250)向观看者呈现具有约0.5屈光度或更小的适应-聚散失配的图像。在一些其它实施例中，由显示***提供的图像的适应-聚散失配为约0.33屈光度或更小。在其它实施例中，由显示***提供的图像的适应-聚散失配为约0.25屈光度或更小，包括约0.1屈光度或更小。
图5示出了通过修改波前发散来模拟三维图像的方法的方面。该显示***包括波导270，该波导270被配置为接收用图像信息编码的光770，并将该光输出到用户的眼睛210。波导270可以输出具有限定量的波前发散的光650，该限定量的波前发散与由所期望的深度平面240上的点产生的光场的波前发散相对应。在一些实施例中，为在该深度平面上呈现的所有对象提供相同量的波前发散。另外，将说明可以向用户的另一只眼睛提供来自类似波导的图像信息。
在一些实施例中，单个波导可以被配置为输出具有与单个或有限数量的深度平面相对应的设定量的波前发散的光，和/或波导可以被配置为输出有限波长范围的光。因此，在一些实施例中，可以利用多个波导或堆叠的波导来为不同的深度平面提供不同量的波前发散和/或输出不同波长范围的光。如在此所使用的，应当理解，在深度平面处可以是平坦表面或者可以遵循弯曲表面的轮廓。
图6示出了用于向用户输出图像信息的波导堆叠的示例。显示***250包括波导的堆叠，或堆叠的波导组件260，其可以用于使用多个波导270、280、290、300、310向眼睛/大脑提供三维感知。将理解的是，在一些实施例中，显示***250可以被认为是光场显示器。另外，波导组件260也可以被称为目镜。
在一些实施例中，显示***250可以被配置为提供聚散的基本上连续的提示和适应的多个离散的提示。可以通过向用户的每只眼睛显示不同的图像来提供聚散的提示，并且可以通过输出具有可选择的离散量的波前发散的形成图像的光来提供适应的提示。换句话说，显示***250可以被配置为输出具有可变水平的波前发散的光。在一些实施例中，波前发散的每个离散水平对应于特定的深度平面，并且可以由波导270、280、290、300、310中的特定波导提供。
继续参考图6，波导组件260还可以在波导之间包括多个特征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可以被配置为以各种水平的波前曲率或光线发散向眼睛发送图像信息。每个波导水平可以与特定的深度平面相关联并且可以被配置为输出与该深度平面相对应的图像信息。图像注入设备360、370、380、390、400可以用作波导的光源，并且可以用于将图像信息注入到波导270、280、290、300、310中，如在此所述，其可以被配置为将入射光分布在每个相应的波导上，用于朝向眼睛210输出。光从图像注入设备360、370、380、390、400的输出表面410、420、430、440、450出射，并且注入波导270、280、290、300、310的对应输入表面460、470、480、490、500。在一些实施例中，输入表面460、470、480、490、500中的每个输入表面可以是对应波导的边缘，或者可以是对应波导的主表面的一部分(也就是说，直接面对世界510或观看者的眼睛210的波导表面之一)。在一些实施例中，可以将单个光束(例如，准直光束)注入每个波导中，以输出克隆的准直光束的整个场，该准直光束以与与特定波导相关联的深度平面相对应的特定角度(和发散量)朝向眼睛210引导。在一些实施例中，图像注入设备360、370、380、390、400中的单个图像注入设备可以与波导270、280、290、300、310中的多个(例如，三个)相关联并将光注入到其中。
在一些实施例中，图像注入设备360、370、380、390、400是离散的显示器，其各自产生图像信息以分别注入到对应的波导270、280、290、300、310中。在一些其它实施例中，图像注入设备360、370、380、390、400是单个多路复用显示器的输出端，该显示器可以例如经由一个或多个光导管(诸如光纤电缆)将图像信息输送到图像注入设备360、370、380、390、400中的每一个图像注入设备。应当理解，图像注入设备360、370、380、390、400提供的图像信息可以包括不同波长或颜色的光(例如，如在此所述，不同分量的颜色)。
在一些实施例中，注入到波导270、280、290、300、310中的光由光投影仪***520提供，该光投影仪***520包括光模块530，该光模块530可以包括诸如发光二极管(LED)的光发射器。来自光模块530的光可以经由分束器550被引导至光调制器540(例如空间光调制器)并由其修改。光调制器540可以被配置为改变注入到波导270、280、290、300、310中的光的感知强度，以采用图像信息对光进行编码。空间光调制器的示例包括液晶显示器(LCD)，该液晶显示器包括硅上液晶(LCOS)显示器。应当理解，示意性地示出了图像注入设备360、370、380、390、400，并且在一些实施例中，这些图像注入设备可以代表配置为将光输出到波导270、280、290、300、310中的相关联波导中的公共投影***中的不同光路和位置。在一些实施例中，波导组件260的波导可以用作理想透镜，同时将注入波导中的光中继到用户的眼睛。在该概念中，对象可以是空间光调制器540，并且图像可以是深度平面上的图像。
在一些实施例中，显示***250可以是包括一根或多根扫描光纤的扫描光纤显示器，该一根或多根扫描光纤被配置为将各种模式(例如，光栅扫描、螺旋扫描、Lissajous模式等)的光投射到一个或多个波导270、280、290、300、310中，并且最后到观看者的眼睛210。在一些实施例中，所示的图像注入设备360、370、380、390、400可以示意性地表示被配置为将光注入到波导270、280、290、300、310中的一个或多个波导的单个扫描光纤或扫描光纤束。在一些其它实施例中，所示的图像注入设备360、370、380、390、400可以示意性地表示多个扫描光纤或多个扫描光纤束，扫描光纤或扫描光纤束中的每一个被配置为将光注入到波导270、280、290、300、310中的相关联波导中。应当理解，一个或多个光纤可以被配置为将光从光模块530发送到一个或多个波导270、280、290、300、310。应当理解，可以在一个或多个扫描光纤与一个或多个波导270、280、290、300、310之间提供一个或多个中间光学结构，以例如将离开扫描光纤的光重定向到一个或多个波导270、280、290、300、310。
控制器560控制一个或多个堆叠的波导组件260的操作，包括图像注入设备360、370、380、390、400、光源530和光调制器540的操作。在一些实施例中，控制器560是本地数据处理模块140的一部分。控制器560包括编程(例如，非暂态介质中的指令)，该编程根据例如在此公开的各种方案中的任何方案来调节图像信息到波导270、280、290、300、310的定时和提供。在一些实施例中，控制器可以是单个整体设备，或者是通过有线或无线通信信道连接的分布式***。在一些实施例中，控制器560可以是处理模块140或150(图9D)的一部分。
继续参考图6，可以将波导270、280、290、300、310配置为通过全内反射(TIR)在每个相应的波导内传播光。波导270、280、290、300、310每个可以是平面的或具有另一种形状(例如，弯曲的)，具有主要的顶部和底部表面以及在那些主要的顶部和底部表面之间延伸的边缘。在所示的配置中，波导270、280、290、300、310可各自包括出耦合光学元件570、580、590、600、610，其被配置为通过将在每个相应波导内传播的光重定向到波导之外以将图像信息输出到眼睛210，从而从波导中提取光。提取的光也可以称为出耦合光，并且出耦合光学元件也可以称为光提取光学元件。所提取的光束可以在波导中传播的光撞击光提取光学元件的位置处由波导输出。如在此进一步讨论的，出耦合光学元件570、580、590、600、610可以例如是包括衍射光学特征的光栅。虽然示出为设置在波导270、280、290、300、310的底部主表面上，但是为了便于描述和清楚作图起见，在一些实施例中，如在此进一步讨论的，出耦合光学元件570、580、590、600、610可以设置在顶部和/或底部主表面上，和/或可以直接设置在波导270、280、290、300、310的体积中。在一些实施例中，出耦合光学元件570、580、590、600、610可以形成为材料层，该材料层附接到透明基板以形成波导270、280、290、300、310。在其它实施例中，波导270、280、290、300、310可以是单片材料，并且出耦合光学元件570、580、590、600、610可以形成在该片材料的表面上和/或内部中。
继续参考图6，如在此所述，每个波导270、280、290、300、310被配置为输出光以形成与特定深度平面对应的图像。例如，最靠近眼睛的波导270可以被配置为将准直光(其被注入到此类波导270中)传送到眼睛210。准直光可以代表光学无限远焦平面。下一个波导向上280可以被配置为在准直光可到达眼睛210之前发出通过第一透镜350(例如，负透镜)的准直光；此类第一透镜350可以被配置为产生轻微的凸面的波前曲率，使得眼睛/大脑将来自下一个波导向上280的光解释为来自光学无限远更近地向内朝向眼睛210的第一焦平面。类似地，第三向上波导290在到达眼睛210之前使它的输出光通过第一透镜350和第二透镜340二者；第一350和第二340透镜的组合光焦度(optical power)可以被配置为产生另一增量的波前曲率，使得眼睛/大脑将来自第三波导290的光解释为来自第二焦平面，该第二焦平面比来自下一个波导向上280的光从光学无限远更近地向内朝向人。
其它波导层300、310和透镜330、320被类似地配置，其中堆叠中的最高波导310通过其与眼睛之间的所有透镜发送其输出，以代表最接近人的焦平面的总(aggregate)焦度。在观看/解释来自堆叠波导组件260的另一侧上的世界510的光时，为了补偿透镜320、330、340、350的堆叠，可以在堆叠的顶部设置补偿透镜层620，以补偿下面的透镜堆叠320、330、340、350的总焦度。此类配置提供与可用的波导/透镜对一样多的感知焦平面。波导的出耦合光学元件和透镜的聚焦方面二者都可以是静态的(即，不是动态的或电激活的)。在一些替代实施例中，使用电激活特征，上述中的一个或二者可以是动态的。
在一些实施例中，波导270、280、290、300、310中的两个或更多个波导可以具有相同的相关联深度平面。例如，多个波导270、280、290、300、310可以被配置为输出设置到相同深度平面的图像，或者波导270、280、290、300、310的多个子集可以被配置为输出设置到相同的多个深度平面的图像，其中对于每个深度平面设置一组。这可以提供用于形成平铺图像以在那些深度平面处提供扩大的视野的优点。
继续参考图6，出耦合光学元件570、580、590、600、610可以被配置为既将光重定向到其相应的波导之外，并且针对与波导相关联的特定深度平面以适当的发散或准直量输出该光。结果，具有不同的相关联深度平面的波导可以具有出耦合光学元件570、580、590、600、610的不同配置，其取决于相关联的深度平面以不同的发散量输出光。在一些实施例中，光提取光学元件570、580、590、600、610可以是体积或表面特征，其可以被配置为以特定角度输出光。例如，光提取光学元件570、580、590、600、610可以是体积全息、表面全息和/或衍射光栅。在一些实施例中，特征320、330、340、350可以不是透镜；相反，它们可以简单地是间隔物(例如，用于形成气隙的包层和/或结构)。
在一些实施例中，出耦合光学元件570、580、590、600、610是形成衍射图案的衍射特征，或者是“衍射光学元件”(在此也称为“DOE”)。优选地，DOE具有足够低的衍射效率，使得光束的仅一部分在DOE的每个相交处被偏转出朝向眼睛210，而其余的继续经由TIR移动通过波导。携带图像信息的光因此被分成多个相关的出射光束，该光束在多个位置处离开波导，并且结果是对于在波导内弹跳(bounce)的该特定准直光束，朝向眼睛210的出射的图案相当均匀。
在一些实施例中，一个或多个DOE可以在它们主动衍射的“开”状态和它们没有明显衍射的“关”状态之间切换。例如，可切换DOE可以包含聚合物分散的液晶层，其中微滴在主体介质中包含衍射图案，并且微滴的折射率可以切换为与主体材料的折射率基本上匹配(在该情况下，该图案不会明显地衍射入射光)，或者可以将微滴切换到与主体介质的折射率不匹配的折射率(在该情况下，该图案主动衍射入射光)。
在一些实施例中，可以提供相机组件630(例如，包括可见光和红外光相机的数字相机)以捕获眼睛210和/或眼睛210周围的组织的图像，以例如检测用户输入和/或监视用户的生理状态。如在此所使用的，相机可以是任何图像捕获设备。在一些实施例中，相机组件630可包括图像捕获设备和以将光(例如，红外光)投射到眼睛的光源，然后该光可被眼睛反射并由图像捕获设备检测。在一些实施例中，相机组件630可以附接到框架80(图9D)，并且可以与处理模块140和/或150电连通，该处理模块140和/或150可以处理来自相机组件630的图像信息。在一些实施例中，一个相机组件630可以用于每只眼睛，以分别监视每只眼睛。
现在参考图7，示出了由波导输出的出射光束的示例。示出了一个波导，但是应当理解，波导组件260(图6)中的其它波导可以类似地起作用，其中波导组件260包括多个波导。光640在波导270的输入表面460处注入到波导270中，并通过TIR在波导270内传播。在光640入射在DOE 570上的点处，光的一部分作为出射光束650离开波导。出射光束650示为基本上平行，但是，如在此所述，取决于与波导270相关联的深度平面，它们还可以被重定向以一定角度传播到眼睛210(例如，形成发散的出射光束)。应当理解，基本上平行的出射光束可以指示具有出耦合光学元件的波导，该出耦合光学元件将光出耦合以形成看起来被设置在距眼睛210很大距离(例如，光学无限远)处的深度平面上的图像。其它波导或其它组出耦合光学元件可能会输出更发散的出射光束图案，该图案将需要眼睛210适应更近的距离以将其聚焦在视网膜上，并且将由大脑解释为光来自比光学无限远更靠近眼睛210的距离。
在一些实施例中，可以通过在诸如三个或更多个分量颜色的每个分量颜色中覆盖图像来在每个深度平面处形成全色图像。图8示出了堆叠波导组件的示例，其中每个深度平面包括使用多个不同分量颜色形成的图像。所示的实施例示出了深度平面240a-240f，但是也可以考虑更多或更少的深度。每个深度平面可以具有与其相关联的三个或更多个分量颜色图像，包括：第一颜色G的第一图像；第二颜色R的第二图像；以及第三颜色B的第三图像。在图中，不同的深度平面由字母G、R和B之后的屈光度(dpt)的不同数字表示。作为示例，这些字母中的每个字母之后的数字都指示屈光度(1/m)或深度平面距观看者的距离的倒数，并且图中的每个框代表单独的分量颜色图像。在一些实施例中，为了解决眼睛对不同波长的光聚焦的差异，针对不同分量颜色的深度平面的确切位置可能会有所不同。例如，针对给定深度平面的不同分量颜色图像可以被放置在与距用户的不同距离对应的深度平面上。此类布置可以增加视觉敏锐度和用户舒适度和/或可以减少色差。
在一些实施例中，每个分量颜色的光可以由单个专用波导输出，并且因此，每个深度平面可以具有与其相关联的多个波导。在此类实施例中，图中的包括字母G、R或B的每个框可以被理解为代表单独的波导，并且每深度平面可以提供三个波导，其中每深度平面提供三个分量颜色图像。尽管为了便于描述，在该图中将与每个深度平面相关联的波导示出为彼此相邻，但是应当理解，在物理设备中，波导可以全部以每个层级一个波导的形式布置在堆叠中。在一些其它实施例中，相同的波导可以输出多个分量颜色，使得例如每深度平面可以仅提供单个波导。
继续参考图8，在一些实施例中，G是绿色，R是红色，并且B是蓝色。在一些其它实施例中，除了红色、绿色或蓝色中的一个或多个之外或可以替代红色、绿色或蓝色中的一个或多个，可以使用与其它波长的光相关联的其它颜色，包括品红色和青色。
应当理解，在整个本公开中，对给定颜色的光的引用将被理解为涵盖被观看者感知为给定颜色的光的波长范围内的一个或多个波长的光。例如，红光可以包括在约620-780nm范围内的一个或多个波长的光，绿光可以包括在约492-577nm范围内的一个或多个波长的光，并且蓝光可以包括在约435-493nm范围内的一个或多个波长的光。
在一些实施例中，光源530(图6)可以被配置为发射观看者的视觉范围之外的一个或多个波长的光，例如，红外和/或紫外波长。另外，显示器250的波导的入耦合、出耦合和其它光重定向结构可以被配置为将该光朝向用户的眼睛210引导并发射出显示器，例如，用于成像和/或用户刺激应用。
现在参考图9A，在一些实施例中，可能需要重定向撞击到波导上的光以将该光入耦合到波导中。入耦合光学元件可以用于将光重定向并入耦合到其对应的波导中。图9A示出了多个堆叠波导或堆叠波导组660的示例的横截面侧视图，每个堆叠波导包括入耦合光学元件。波导可以各自被配置为输出一种或多种不同波长或一种或多种不同波长范围的光。应当理解，除了来自图像注入设备360、370、380、390、400中的一个或多个图像注入设备的光从需要将光重定向以入耦合的位置注入到波导中之外，堆叠660可以对应于堆叠260(图6)，并且堆叠660的所示波导可以对应于多个波导270、280、290、300、310的一部分。
所示的堆叠波导组660包括波导670、680和690。每个波导包括相关联的入耦合光学元件(其也可以称为波导上的光输入区域)，例如，设置在波导670的主表面(例如，上主表面)上的入耦合光学元件700、设置在波导680的主表面(例如，上主表面)上的入耦合光学元件710，以及设置在波导690的主表面(例如，上主表面)上的入耦合光学元件720。在一些实施例中，入耦合光学元件700、710、720中的一个或多个可以设置在相应的波导670、680、690(特别是一个或多个入耦合光学元件是反射的偏转光学元件的情况)的底部主表面上。如图所示，入耦合光学元件700、710、720可设置在它们相应的波导670、680、690(或下一个较低的波导的顶部)的上主表面上，特别是那些入耦合光学元件是透射的偏转光学元件的情况。在一些实施例中，入耦合光学元件700、710、720可设置在相应的波导670、680、690的主体中。在一些实施例中，如在此所讨论的，入耦合光学元件700、710、720是波长选择性的，使得它们选择性地重定向一个或多个波长的光，同时透射其它波长的光。虽然在它们相应的波导670、680、690的一侧或角上示出，但是应当理解，在一些实施例中，入耦合光学元件700、710、720可以设置在其相应的波导670、680、690的其它区域中。
如图所示，入耦合光学元件700、710、720可以在横向上彼此偏移。在一些实施例中，每个入耦合光学元件可以被偏移，使得其接收光而该光不穿过另一入耦合光学元件。例如，如图6中所示，每个入耦合光学元件700、710、720可被配置为从不同的图像注入设备360、370、380、390和400接收光，并且可以与其它入耦合光学元件700、710、720分离(例如，横向间隔开)，使得它基本上不从入耦合光学元件700、710、720中的其它入耦合光学元件接收光。
每个波导还包括相关联的光分布元件，例如，设置在波导670的主表面(例如，顶部主表面)上的光分布元件730、设置在波导680的主表面(例如，顶部主表面)上的光分布元件740，以及设置在波导690的主表面(例如，顶部主表面)上的光分布元件750。在一些其它实施例中，光分布元件730、740、750可分别设置在相关联波导670、680、690的底部主表面上。在一些其它实施例中，光分布元件730、740、750可以分别设置在相关联波导670、680、690的顶部主表面和底部主表面二者上；或光分布元件730、740、750可以分别设置在不同的相关联的波导670、680、690中的顶部主表面和底部主表面中的不同主表面上。
波导670、680、690可以例如由气体、液体和/或固体材料层间隔开并分离。例如，如图所示，层760a可以分离波导670和680；并且层760b可以分离波导680和690。在一些实施例中，层760a和760b由低折射率材料(也就是说，具有比形成波导670、680、690中的紧邻波导的材料的折射率低的材料)形成。优选地，形成层760a、760b的材料的折射率是形成波导670、680、690的材料的折射率的0.05或更大，或者是0.10或更小。有利地，较低折射率层760a、760b可以用作包层，该包层有助于通过波导670、680、690的光的全内反射(TIR)(例如，每个波导的顶部和底部主表面之间的TIR)。在一些实施例中，层760a、760b由空气形成。尽管未示出，但是应当理解，所示出的波导组660的顶部和底部可以包括紧邻的包层。
优选地，为了易于制造和其它考虑，形成波导670、680、690的材料相似或相同，并且形成层760a、760b的材料相似或相同。在一些实施例中，在一个或多个波导之间，形成波导670、680、690的材料可以是不同的，和/或形成层760a、760b的材料可以是不同的，同时仍保持上述各种折射率关系。
继续参考图9A，光线770、780、790入射在该波导组660上。应当理解，可以通过一个或多个图像注入设备360、370、380、390、400(图6)将光线770、780、790注入波导670、680、690中。
在一些实施例中，光线770、780、790具有不同的特性，例如，不同的波长或不同的波长范围，其可以对应于不同的颜色。入耦合光学元件700、710、720每个使入射光偏转，使得光通过TIR传播通过波导670、680、690中的相应波导。在一些实施例中，入耦合光学元件700、710、720每个选择性地偏转一个或多个特定波长的光，同时将其它波长透射到下面的波导和相关联的入耦合光学元件。
例如，入耦合光学元件700可以被配置为使具有第一波长或波长范围的光线770偏转，同时透射分别具有不同的第二和第三波长或波长范围的光线780和790。透射光线780撞击到入耦合光学元件710上并由其偏转，该入耦合光学元件710被配置为使第二波长或波长范围的光偏转。光线790由入耦合光学元件720偏转，该入耦合光学元件720被配置为选择性地偏转第三波长或波长范围的光。
继续参考图9A，偏转的光线770、780、790被偏转，使得它们传播通过对应的波导670、680、690；也就是说，每个波导的入耦合光学元件700、710、720将光偏转到对应的波导670、680、690中，以将光入耦合到对应的波导中。光线770、780、790以使光通过TIR传播通过相应波导670、680、690的一定角度偏转。光线770、780、790通过TIR传播通过相应的波导670、680、690，直到撞击到波导的对应的光分布元件730、740、750上。
现在参考图9B，示出了图9A的多个堆叠的波导的示例的视角。如上所述，入耦合的光线770、780、790分别由入耦合光学元件700、710、720偏转，并且然后通过TIR分别在波导670、680、690内传播。然后，光线770、780、790分别撞击在光分布元件730、740、750上。光分布元件730、740、750使光线770、780、790偏转，使得它们分别朝向出耦合光学元件800、810、820传播。
在一些实施例中，光分布元件730、740、750是正交光瞳扩展器(OPE)。在一些实施例中，OPE将光偏转或分布到出耦合光学元件800、810、820，并且在一些实施例中，当光传播到出耦合光学元件时，还可以增加该光的光束或光斑大小。在一些实施例中，可以省略光分布元件730、740、750，并且可以将入耦合光学元件700、710、720配置为将光直接偏转到出耦合光学元件800、810、820。例如，参考图9A，光分布元件730、740、750可以分别用出耦合光学元件800、810、820代替。在一些实施例中，出耦合光学元件800、810、820是将光引导到观看者的眼睛210中的出射光瞳(EP)或出射光瞳扩展器(EPE)(图7)。应当理解，OPE可被配置为在至少一个轴上增加眼箱的尺寸，而EPE可被配置为在与OPE的轴相交(例如，正交)的轴线上增加眼箱。例如，每个OPE可被配置为将撞击OPE的光的一部分重定向到相同波导的EPE，同时允许光的其余部分继续沿波导向下传播。再次撞击在OPE上时，其余光的另一部分被重定向到EPE，并且该部分的其余部分继续沿波导向下进一步传播，依此类推。同样，在撞击EPE时，撞击的光的一部分从波导朝向用户向外引导，并且该光的其余部分继续传播通过波导，直到再次撞击EP，此时，撞击的光的另一部分被引导出波导，依此类推。因此，每次通过OPE或EPE重定向该光的一部分时，都可以“复制”单个入耦合光束，从而形成克隆光束的场，如图6中所示。在一些实施例中，OPE和/或EPE可以被配置为修改光束的大小。
相应地，参考图9A和图9B，在一些实施例中，该波导组660包括波导670、680、690；入耦合光学元件700、710、720；光分布元件(例如OPE)730、740、750；以及每个分量颜色的出耦合光学元件(例如EP)800、810、820。波导670、680、690可以以每个波导之间的气隙/包层堆叠。入耦合光学元件700、710、720将入射光(具有接收不同波长的光的不同的入耦合光学元件)重定向或偏转到其波导中。然后，光以一定角度传播，该角度将导致相应的波导670、680、690内的TIR。在所示示例中，光线770(例如，蓝光)由第一入耦合光学元件700偏转，并且然后继续以先前描述的方式沿波导向下反弹，与光分布元件(例如，OPE)730以及然后与出耦合光学元件(例如，EP)800相互作用。光线780和790(例如，分别为绿色和红色)将穿过波导670，光线780撞击在入耦合光学元件710上并由入耦合光学元件710偏转。然后，光线780经由TIR沿波导680向下反弹，继续进行到其光分布元件(例如，OPE)740，以及然后进行到出耦合光学元件(例如，EP)810。最后，光线790(例如，红光)穿过波导690撞击到波导690的光入耦合光学元件720上。光入耦合光学元件720使光线790偏转，使得光线通过TIR传播到光分布元件(例如，OPE)750，并且然后通过TIR传播到出耦合光学元件(例如，EP)820。然后，出耦合光学元件820最终将光线790出耦合到观看者，该观看者还从其它波导670、680接收出耦合光。
图9C示出了图9A和图9B的多个堆叠的波导的示例的俯视平面图。如图所示，波导670、680、690以及每个波导的相关联的光分布元件730、740、750和相关联的出耦合光学元件800、810、820可以垂直对齐。然而，如在此所述，入耦合光学元件700、710、720不是垂直对齐的；相反，入耦合光学元件优选地是非重叠的(例如，如在俯视平面图中所见，横向地间隔开)。如在此进一步讨论的，该非重叠的空间布置有利于将来自不同资源的光一对一地注入到不同的波导中，从而允许将特定的光源唯一地耦合到特定波导。在一些实施例中，包括非重叠的空间分离的入耦合光学元件的布置可以被称为移位光瞳***，并且这些布置内的入耦合光学元件可以对应于子光瞳。
图9D示出了可穿戴显示***60的示例，可将在此所公开的各种波导和相关***集成到该显示***60中。在一些实施例中，显示***60是图6的***250，图6示意性地更详细地示出了该***60的一些部分。例如，图6的波导组件260可以是显示器70的一部分。
继续参考图9D，显示***60包括显示器70，以及支持该显示器70的功能的各种机械和电子模块和***。显示器70可以耦合至框架80，该框架80可由显示***用户或观看者90穿戴，并且被配置为将显示器70定位在用户90的眼睛前面。在一些实施例中，显示器70可以被认为是眼镜。在一些实施例中，扬声器100耦合到框架80，并且被配置为定位在用户90的耳道附近(在一些实施例中，未示出的另一扬声器可以可选地定位在用户的另一耳道附近，以提供立体声/整形的声音控制)。显示***60还可包括一个或多个麦克风110或检测声音的其它设备。在一些实施例中，麦克风被配置为允许用户向***60提供输入或命令(例如，语音菜单命令的选择、自然语言问题等)，和/或可以允许与其他人(例如与相似显示***的其他用户)的音频通信。麦克风可以进一步被配置为***传感器以收集音频数据(例如，来自用户和/或环境的声音)。在一些实施例中，显示***还可以包括***传感器120a，该***传感器120a可以与框架80分离并附接到用户90的身体(例如，用户90的头部、躯干、四肢上等)。在一些实施例中，***传感器120a可以被配置为获得表征用户90的生理状态的数据。例如，传感器120a可以是电极。
继续参考图9D，显示器70通过通信链路130(诸如通过有线导线或无线连接)可操作地耦合到本地数据处理模块140，该本地数据处理模块140可以以各种配置安装，诸如固定地附接到框架80，固定地附接到用户佩戴的头盔或帽子，嵌入耳机中，或者以其它方式可移除地附接到用户90(例如，以背包式配置、以皮带耦合式配置)。类似地，传感器120a可以通过通信链路120b(例如，有线导线或无线连接)可操作地耦合到本地处理器和数据模块140。本地处理和数据模块140可以包括硬件处理器以及数字存储器，诸如非易失性存储器(例如，闪存或硬盘驱动器)，二者均可以用于辅助数据的处理、缓存和存储。可选地，本地处理器和数据模块140可以包括一个或多个中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、专用处理硬件等。数据可以包括如下数据：a)从传感器(例如，可以可操作地耦合到框架80或以其它方式附接到用户90)捕获的，诸如图像捕获设备(诸如相机)、麦克风、惯性测量单元、加速度计、罗盘、GPS单元、无线设备、陀螺仪和/或在此公开的其它传感器；和/或b)使用远程处理模块150和/或远程数据存储库160(包括与虚拟内容有关的数据)获得和/或处理的，可能在此类处理或取得之后传递给显示器70。本地处理和数据模块140可以由通信链路170、180，诸如经由有线或无线通信链路，可操作地耦合到远程处理模块150和远程数据存储库160，使得这些远程模块150、160可操作地彼此耦合，并可用作本地处理和数据模块140的资源。在一些实施例中，本地处理和数据模块140可以包括一个或多个图像捕获设备、麦克风、惯性测量单元、加速度计、罗盘、GPS单元、无线设备和/或陀螺仪。在一些其它实施例中，这些传感器中的一个或多个传感器可以附接到框架80，或者可以是通过有线或无线通信路径与本地处理和数据模块140通信的独立结构。
继续参考图9D，在一些实施例中，远程处理模块150可以包括被配置为分析和处理数据和/或图像信息的一个或多个处理器，例如包括一个或多个中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、专用处理硬件等。在一些实施例中，远程数据存储库160可以包括数字数据存储设施，该数字数据存储设施可以通过互联网或“云”资源配置中的其它网络配置而可用。在一些实施例中，远程数据存储库160可以包括一个或多个远程服务器，该远程服务器向本地处理和数据模块140和/或远程处理模块150提供信息，例如用于生成增强现实内容的信息。在一些实施例中，所有数据都存储在本地处理和数据模块中，并且所有计算都在本地处理和数据模块中执行，从而允许从远程模块完全自主地使用。可选地，包括CPU、GPU等的外部***(例如，一个或多个处理器、一个或多个计算机的***)可以执行至少一部分处理(例如，生成图像信息、处理数据)，并且例如经由无线或有线连接向模块140、150、160提供信息，以及从模块140、150、160接收信息。
照明
在一些情况下，例如，向眼睛提供照明可能是有用的。例如，将光投射到用户的眼睛以进行眼睛跟踪可能是有益的。在一些实施方式中，可以通过使用一个或多个相机对用户的眼睛进行成像来实现眼睛跟踪。眼睛的照明可以有助于这种成像和眼睛跟踪。具有诸如点光源的局部光源并知道该光源的位置也可以有助于执行眼睛跟踪算法。照明的原点的位置可以是实际光源位置，也可以是照明看起来来自其中的虚拟光源的位置。在一些方法中，可以在处理眼睛跟踪算法时考虑此类位置的知识。在一些实施方式中，这些照明源可以包括局部光源，例如点光源。使用彼此分开一定距离并因此在不同/有区别的位置的多个照明源(并知道这些位置)也可以帮助处理眼睛跟踪算法。因此，在一些设计中，在从眼睛跟踪相机获得第一图像时，第一照明源在第一时间将光引导到用户的眼睛，而在从眼睛跟踪相机获得第二图像时，第二照明源在第二时间将光引导到用户的眼睛。在一些实施方式中，当获得第一图像时，第二光照明可以不照射眼睛，而当获得第二图像时，第一光照明可以不照射眼睛。该过程在本文中可以被称为多路复用，并且在执行眼睛跟踪算法中可以是有益的。
此外，在一些情况下，能够将光从眼睛前方更中心的一个或多个位置(而不是从***的位置)投射到用户的眼睛可以是有益的。在本文公开的各种示例中(例如，图10A至图10D)，使用直接设置在用户眼睛前方的导光部件从用户眼睛前方(例如，从更中心且较少***的位置)大体上投射多个光束。导光部件对于可见光可以是光学透明的，使得用户可以透过直接设置在他或她的眼睛前面的导光部件看得见，以观看用户前方的环境和其中的对象。如本文所讨论的，导光光学部件可以被配置为将在其中引导的光从导光光学部件中射出以提供照明，例如，以将光引导到用户的眼睛用于辅助眼睛跟踪。
在各种情况下，导光光学部件在眼睛的前方，并且在其中具有对象的环境在导光光学部件的前方。因此，本文中可使用术语“前方”和“前面”来描述距眼睛更远的位置。相反，本文中可使用“后方”和“后面”来描述更靠近眼睛的位置。
图10A至图10D示出了头戴式显示***的透视图，该头戴式显示***被配置为将来自照明源的光投射到用户的眼睛。图10A示出了用于在其中引导光以例如向眼睛提供照明(例如，用于眼睛跟踪)的导光部件902。入耦合元件908被定位成将来自照明源的光耦合至导光部件。导光部件902被示为设置在眼睛916的前面。在各种实施方式中，导光部件对可见光是光学透明的，使得用户可以透过设置在用户眼睛前面的导光部件看得见。导光部件还可包括具有折射率的材料，使得来自照明源的光可在其中被引导。
在一些设计中，导光部件可以包括目镜，该目镜用于将来自显示器的图像呈现给用户的眼睛，如上所述。目镜可包括例如波导，以通过全内反射在波导中引导来自显示器的光。同样，用于将图像从显示器传送到用户眼睛的该目镜可以用作导管，以将来自照明源的光提供给例如眼睛以进行照明(例如，用于眼睛跟踪)。
导光部件包括出耦合光学元件912，其被配置为将在导光部件内被引导的光从导光部件中射出。在一些设计中，导光部件和出耦合光学元件是相对于用户的眼睛而设置的，以将来自照明源的光引导到用户的眼睛上。在光耦合光学部件包括用于向用户的眼睛也呈现图像内容的目镜的情况下，出耦合光学元件可以包括例如如上所述的出射光瞳扩展器912。光分布光学元件910可以用于重定向在导光部件902内引导的光，使得光从光耦合光学元件上的特定位置射出。在光耦合光学部件包括用于向用户的眼睛也呈现图像内容的目镜的情况下，光分布光学元件可以包括例如如上所述的正交光瞳扩展器910。导光部件902、光分布元件(OPE)910和出耦合光学元件(OPE)912可以被配置为以与图9A至图9C所示的波导670、680、690相似的方式操作。同样地，在各种实施方式中，光分布元件和出耦合光学元件可以包括衍射光学元件，例如衍射光栅或全息元件或两者或其他衍射光学元件。
类似地，导光部件可包括例如图9A至图9C中所示的波导670、680、690中的一个或多个，或者另外目镜可以除了用于提供显示内容以外用作向眼睛提供照明的导光部件。然而，在一些其他实施方式中，导光部件包括用于将图像内容传送到用户的眼睛的任何波导或波导的附加导光部件，例如图9A至图9C所示的波导670、680、690。
如图10A至图10D所示，一个或多个照明源提供光，该光耦合到导光部件902中并从其射出以提供照明，例如，以照射用户的眼睛。在一些设计中，照明源可以包括不可见或可见光源，诸如被配置为分别选择性地发射IR或可见波长的光的红外或可见光源。照明源可以包括例如LED或激光器或其他类型的发射器或光源。在一些设计中，照明源包括垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。在一些实施方式中，可以包括滤波器以提供频谱变窄。在一些情况下，该滤波器可以包括例如窄带通滤波器。
在一些实施方式中，照明源可以包括输出发散光束的发射器。在一些这样的情况下，附加的准直光学器件可以增加来自照明源的光的准直。
在一些设计中，例如图10A至图10D中所示，入耦合元件908包括入耦合棱镜或其他反射耦合元件。在一些实施方式中，入耦合元件被配置为以大于导光部件的临界角的角度将来自至少一个照明源的光入耦合到导光部件中。在一些实施例中，入耦合元件被配置为以大约45°的角度将来自至少一个照明源的光入耦合到导光部件内。具有倾斜反射表面(例如，通过全内反射提供反射)的棱镜可能适合于相对于导光部件(例如，相对于导光部件的主要、顶部和底部或前和后反射表面，这些表面通过全内反射在导光部件内引导光)以45°的角度将来自照明源的光转向到导光部件内。如果光在导光部件(例如，平面导光板、片或膜)内相对于导光部件(例如，相对于导光部件的主要、顶部和底部或前和后反射表面，并且没有从导光部件中转向出去)以45°的角度传播，则光可以从导光部件的端部反射，并继续通过全内反射沿相反方向在导光部件内被引导。在一些实施方式中，入耦合光学元件可以包括入耦合光栅(ICG)或其他衍射光学元件。在一些设计中，可以采用一个以上的入耦合元件。
在一些设计中，一个或多个照明源包括产生多个光束的多个照明源。在一些实施方式中，照明源发射(radiate)与其他照明源不同颜色的光，并且照明源可以包括多个滤波器，其中不同的滤波器分别产生不同波长的光束。可以利用任何数量的照明源，例如1、2、3、4、5、10或20个照明源，或者这些值中的任何之间的任何范围。在一些实施方式中，多个光束具有相应的光谱组成或颜色或波长带。
图10A至图10D示出了三个照明源904A、904B和904C，以及被配置为将光耦合到入耦合光学元件908(例如，棱镜)中的单个准直透镜906，以及被配置为将光从导光部件902出耦合到用户的眼睛916的出耦合光学元件。在各种实现方式中(例如，参见图10B)，可以以使得出耦合的光似乎源自例如点光源的一个或多个虚拟光源992A的方式从出耦合光学元件912出耦合光。例如，光可以以如下方式在离开导光部件时发散：光看起来是从虚拟光源发出的，虚拟光源例如是远离导光光学元件(例如，导光光学元件前方)一定距离定位的局部光源(例如，点光源)。
图10B至10D各自示出了这样的***，该***在操作中显示从光源904A、904B、904C耦合到导光部件902中并在不同方向上出耦合到眼睛916的光926A、926B和926C，仿佛光从特定深度(例如，深度平面914)处的不同空间定位的局部虚拟源922A、922B和922C发出。例如，图10B示出了发射发散光束920A的第一照明源904A，该光束经棱镜908耦合到导光部件902中。位于照明源904A与入耦合元件908之间的光路中的准直透镜906使光准直，使得光基本上沿着共同的方向传播。来自第一照明源920A的光在导光部件902内传播，并且由光分布元件(例如，OPE)910朝向出耦合光学元件912(例如，EPE)重定向。出耦合光学元件使在导光部件902中引导的光射向用户的眼睛916。从导光部件902出射的光包括发散光束，该发散光束看起来像是从位于深度平面914处的第一虚拟光源922A发出的。发散光束所指向的方向导致第一虚拟光源922A看起来位于特定的位置，例如在深度平面914上。因此，出耦合光926A指向用户的眼睛916，就好像出耦合光926A是从源于深度平面914的第一虚拟光源922A发出，其中虚拟光924A是出耦合光926A在导光部件902和深度平面914之间的虚拟投影。
图10C示出了发射发散光束920B的第二照明源904B，该发散光束经由棱镜908耦合到导光部件902中。在第二照明源904B与入耦合元件908之间的光路中的准直透镜906使光准直，使得光基本上沿着共同的方向传播。来自第二光源920B的光在导光部件902内传播，并且由光分布元件(例如，OPE)910朝向出耦合光学元件912(例如，EPE)重定向。出耦合光学元件使在导光部件902中引导的光射向用户的眼睛916。从导光部件902出射的光包括发散光束，该发散光束看起来像是从位于深度平面914处的第二虚拟光源922B发出的。发散光束所指向的方向导致第二虚拟光源922B看起来位于特定位置，例如在深度平面914上。因此，出耦合光926B指向眼睛916，仿佛出耦合光926B是从源自深度平面914的第二虚拟光源922B发出，其中虚拟光924B是出耦合光926B在光耦合部件902与深度平面914之间的虚拟投影。
图10D示出了发射发散光束920C的第三照明源904C，该发散光束920C经由棱镜908耦合到导光部件902中。在第三照明源904C与入耦合元件908之间的光路中的准直透镜906使光准直，使得光基本上沿着共同的方向传播。来自第三照明源920C的光在导光部件902内传播，并且由光分布元件(例如，OPE)910朝向出耦合光学元件912(例如，EPE)重定向。出耦合光学元件使在导光部件902中引导的光射向用户的眼睛916。从导光部件902出射的光包括发散光束，该发散光束看起来像是从位于深度平面914处的第三虚拟光源922C发出。发散光束所指向的方向导致第三虚拟光源922C看起来位于特定位置，例如在深度平面914上。因此，出耦合光926C指向眼睛916，仿佛出耦合光926C是从源于深度平面914的第三虚拟光源922C发出，其中虚拟光924C是出耦合光926C在光耦合部件902与深度平面914之间的虚拟投影。
在各种实施方式中，出耦合光学元件包括衍射光学元件，诸如光栅结构或全息图或其他衍射光学元件，该衍射光学元件被配置为将在导光部件内引导的光从导光部件中转向出去，以使得不在导光光学部件内引导光。在各种实施方式中，可以在导光部件的任一侧和/或在导光部件中形成出耦合光学元件。出耦合光学元件可以包括例如一个或多个体积全息图、表面全息、体积或表面衍射光学元件和/或衍射光栅。衍射光学元件(例如，光栅或全息图)可以被配置为使离开导光部件的光发散，并且可以被配置为使该光看起来好像源自不同的位置，例如导光部件前方的不同位置。因此，可以认为出耦合光学元件具有光焦度(optical power)，例如负光焦度，以使得入射在其上的光发散，就好像源自不同的位置或深度。因此，在一些情况下，出耦合光学元件可以包括具有光焦度(例如，负光焦度)的衍射光栅或衍射光学元件(例如，全息)。可以使用其他类型的出耦合光学元件或添加其他光学元件(例如透镜或透镜阵列)来提供光焦度，例如使光发散，就像从位于导光部件前面(或后面)的虚拟光源发出一样。
如上所述，头戴式显示***可以包括波导，该波导被配置为接收来自一个或多个显示器的光并使光引导到用户的眼睛，以便向用户提供图像内容。可以向光学元件(例如，出耦合光学元件或EPE)提供光焦度，以使从波导射出的光发散，就像源自不同的深度平面。用于使来自显示器的光引导到用户的眼睛中并向用户提供图像内容的这种***(例如，波导)也可以用于引导来自照明源的照明(例如，引导到用户的眼睛)。被配置为使来自显示器的光发散的类似结构(例如，出耦合光学元件或EPE)可用于使来自照明源的光发散，就像源于与光耦合部件相距一定距离的局部虚拟光源(例如，点光源)。在这样的配置中，导光光学元件可以经由一个或多个入耦合光学元件从一个或多个显示器和一个或多个照明源两者接收光。在一些实施方式中，相同的出耦合光学元件(例如，EPE)用于将来自(多个)导光部件或(多个)波导的光出耦合。在一些实施方式中，该出耦合光学元件可以包含衍射光学元件，例如全息等，和/或还可以与一个或多个透镜集成以提供负(或正)光焦度。在其他实施方式中，除了目镜或其他波导之外，还可以提供导光部件，用于将来自一个或多个显示器的光传输到用户的眼睛。在一些实施方式中，出耦合光学元件可以是漫射的。出耦合光学元件可以包括例如全息漫射器。
如图10B至图10D所示，似乎从其发出光的虚拟源可以位于沿着单个虚拟深度平面的不同位置。因此，多个虚拟源可以源自单个虚拟深度平面。相反，多个虚拟源可以源自多个虚拟深度平面。在一些设计中，虚拟源可以是局部发射源，例如虚拟点源。在一些实施方式中，虚拟源可以具有大约100nm、250nm、500nm、大约1μm、大约2μm、大约3μm、大约5μm、大约10μm或大约50μm的最大横向范围，或这些值中的任何值之间的任何范围。在一些配置中，虚拟源所位于的虚拟深度平面可以在光耦合部件或用户眼睛的前方(或后方)大约5mm、大约10mm、大约15mm、大约20mm、大约30mm、大约50mm、大约100mm或大约200mm处，或者这些值中的任何值之间的任意范围。
在各种实施方式中，出耦合光学元件可以产生多个虚拟源，例如，2、3、4、5、6、10或20个虚拟源，或者这些值中的任何值之间的任何范围。这些虚拟源可以在同一深度平面上、不同深度平面上或两者组合的不同位置。
因此，出耦合光学元件可以在多个方向上产生出耦合光。例如，这可以取决于哪个光源正在输出光。相对于入耦合光学元件具有不同位置的不同光源可以提供不同的光束，这些光束可能在导光部件内沿不同方向准直并引导，因此从不同方向并且可能在不同的位置入射到出耦合光学元件上。结果是，出耦合光束的方向不同。对于不同的照明源，这可能导致似乎从其发出光的虚拟源是不同的(例如，具有不同的位置)。
如上所述，具有位于不同的已知位置处的多个光源可以用于眼睛跟踪，了解光源的位置，有助于执行眼睛跟踪算法。因此，当相机或传感器(例如，眼睛跟踪相机)捕获图像时，可以激活不同的照明源(以及因此的不同的相应的虚拟源)。当眼睛的不同图像被相机捕获时，光可以在不同的时间从用户眼睛前方的特定横向位置和/或深度处的不同虚拟光源投射到眼睛中。随着更多具有不同的已知虚拟光源位置和深度的光束被利用，光束可以被多路复用并且可以改善眼睛跟踪。这样的时间复用方法可以与眼睛跟踪相机一起使用以增加眼睛跟踪的鲁棒性。在一些情况下，可以使用波长复用。例如，具有不同光谱输出(或通过波长滤波器所发送的不同光谱输出)以提供不同光谱分布的不同照明源可以用于耦合到不同出耦合光学元件中，这些不同的出耦合光学元件被设计用于选择性地在不同波长下工作。因此，如图所示，该***可以另外包括眼睛跟踪相机918，以获取眼睛的图像以跟踪用户的眼睛916。
在诸如以上讨论的一些配置中，出耦合光学元件可以被配置为使出耦合光引导到用户的眼睛。可以将这种照明提供给眼睛，例如以执行眼睛跟踪。但是，在其他配置中，出耦合光学元件可以配置为使出耦合光引导到用户眼睛前面的环境。这种照明例如可以用于感测用户前面的环境中的对象的深度。或者，这种照明可用于向其他人提供眼镜状态的通知(例如，拍摄视频)或用于美学效果。其他用途也是可能的。
各种变化是可能的。例如，在一些实施方式中，可以使用光分布光学元件(或OPE)，而在其他实施方式中，可以不使用OPE。类似地，光分布光学元件(或OPE)可以形成在导光元件上或形成在其中，并且可以包括衍射光学元件或其他光学结构。
在一些实施例中，头戴式显示器的图像投影仪和照明源共享相同的入耦合光学元件和导光部件。
掩膜
如上所述，在一些情况下，例如用于眼睛跟踪，将光投射到用户的眼睛上仿佛光来自多个光源的光可能是有益的。此外，在一些情况下，将来自一个或多个光源的光投射到用户眼睛前面的环境中(例如用于深度感测)可能很有用。可以采用一个或多个照明源和导光部件来提供这种照明。
图11A至图11B示出了具有掩模的导光部件1002的透视图，该掩模的开口被配置为产生发出光的局部区域。具体地，图11A示出了导光部件1002，其具有被定位成在其中耦合光的入耦合元件1008。光分布元件(例如，OPE)1010和出耦合光学元件1012(例如，EPE)设置在导光部件1002上或设置在其中。相对于出耦合元件1012(例如，在上方或下方)设置有包括四个掩模孔或掩模开口1022A、1022B、1022C、1022D的掩模1014。导光部件1002、光分布元件(OPE)1010和出耦合光学元件(EPE)1012可以被配置为以与图9A至图9C所示的波导670、680、690并且如上关于图10A至图10D所述的相似方式操作。例如，在一些实施方式中，光分布元件(OPE)1010和出耦合光学元件(EPE)1012中的一个或两者包括衍射光学元件，尽管这些元件的结构不应该限于此。此外，出耦合光学元件不需要被提供光焦度，或者不需要被配置为使得由出耦合光学元件从导光部件1002射出的光发散。如将在下面讨论的，在一些实施方式中，掩模中的开口可以提供这种发散。同样如上所述，导光部件1002可包括目镜，该目镜包括一个或多个波导(例如，图9A至图9C中所示的波导670、680、690)，该波导被配置为接收来自显示器的光并向用户眼睛传递图像内容，或者替代地，导光部件1002可以替补这种被配置为向用户传递图像内容的目镜。
图11B示出了相对于入耦合光学元件1008设置的照明源1004，以将光耦合到导光部件1002中，从而通过全内反射在其中引导光。光分布元件1010被设置为接收通过入耦合光学元件耦合到导光部件1002中的光，并且将光朝向出耦合光学元件重定向。出耦合光学元件使光从导光部件中射出。如上所述，出耦合光学元件可包括衍射光学元件、衍射特征、散射特征或者其他特征，该特征被配置为使在导光部件内引导的光转向以便光不在其中被引导。例如，光可以以一定角度指向用户的眼睛，以使光不会通过全内反射而在导光部件内被引导。掩模可以包括对由照明源发出的光不透明(例如，吸收、反射)的材料，使得除非光穿过掩膜中的一个或多个开口1022A、1022B、1022C、1022D，否则该光不会例如朝向眼睛射出光导。在一些实施方式中，材料可以包括诸如电介质涂层的电介质，并且可以在一个或多个特定波长下反射。在一些设计中，通过更具反射性和更少吸收性，掩模可以更有效。
在一些配置中，与掩模相比，掩模中的开口较小。减小的尺寸在一些情况下可导致经过开***出的光束通过衍射而发散。开口可以例如具有横向范围，例如，宽度或直径为大约1μm、大约5μm、大约10μm、大约20μm、大约50μm、大约100μm、大约500μm、大约1mm或大约5mm，或这些值中的任何值之间的任何范围。在一些情况下，可以考虑小的开口来创建点光源。可以通过掩模中的开口来创建彼此间隔开的几个这种局部光源。
图11B示出了通过开口1022A、1022B、1022C、1022D传播的出耦合光1026A、1026B、1026C、1026D，其可以是点光源，如图所示。图11B特别地描绘了照明源1004将发散光束1020发射到入耦合光学元件1008。入耦合元件1008将光耦合到导光部件1002中，以使得通过全内反射在其中对光进行引导。然而，光束可以在导光光学元件内继续发散。入耦合到导光部件1002中的光可以传播到光分布元件或OPE 1010。光分布元件或OPE 1010可以将该光的至少一部分重定向到出耦合光学元件1012。如上所述，出耦合光学元件1012被配置为使来自导光部件1002的光射出。然而，在掩模1014覆盖出耦合光学元件1012或光将会通过出耦合光学元件射出所在的导光部件1002的部分的情况下，光可以被阻挡，使得更少的光通过掩模逸出。然而，掩模中的开口1022A、1022B、1022C、1022D允许光从中通过。光1026A、1026B、1026C、1026D可以通过开口1022A、1022B、1022C、1022D射出，例如，到用户的眼睛(或到用户前方的环境)。
开口可以是掩模为透射的掩模的区域，并且不一定是没有材料的区域。例如，掩模可以包括基本上不透明的区域(反射和/或吸收)和基本上较少少不透明的区域(例如，较少反射和/或吸收)。这些后面的区域在本文中称为掩模中的开口，因为更多的光将穿过这些区域或开口。在掩模是反射性的配置中，未透射穿过开口的光可能潜在地反射回到导光部件中并在其中被引导，直到在本文称为再循环(recycling)或光再循环的过程中被射出为止。
在一些实施方式中，掩模可以是二向色的和/或波长选择性的。例如，掩模可以吸收或反射不可见(例如，红外)光，从而阻挡和/或再循环来自可以是红外光源的照明源的光。然而，开口将被配置为使该红外光通过。然而，掩膜可以透射可见光，使得用户可以透过掩膜看到用户前方的环境。
在一些实施例中，多个二向色掩模可以相对于出耦合元件堆叠，例如，使得第一掩模阻挡第一波长或第一光谱范围，而第二掩模阻挡第二波长或第二光谱范围，以便(多个)第一波长的光被第一掩模阻挡或基本上被阻挡，但是穿过第一掩模的开口。(多个)第一波长也将由第二掩模透射。类似地，(多个)第二波长将被第二掩模阻挡或基本被阻挡，但是穿过第二掩模中的开口。(多个)第二波长也将由第一掩模透射。结果，产生被配置为分别输出与第一和第二波长区域相对应的光的第一和第二光源。如上所述，具有可能在已知位置的不同空间分离的光源可以改善眼睛跟踪。复用(时间复用和/或波长复用)可以用于利用激活不同的相应光源来协调图像捕获。在一些实施方式中，不同的多个掩模可以包括它们自己的图案和多个开口。多个掩模和开口图案可以与多个波长源和/或滤波器结合使用，从而允许通过多个掩模的选择性开口进行的基于波长的选择性光出耦合。
因此，照明源可以发射多种不同波长的光，例如IR波长和/或可见波长。如上所述，照明源可以包括LED或激光器。在一些实施方式中，照明源包括垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。在一些配置中，照明源可以产生发散光束和/或发散光束被耦合到导光部件中。在一些设计中，一个或多个照明源可以包括产生多个光束的多个照明源。在一些实施方式中，多个光束具有不同的相应波长。在一些配置中，采用诸如窄带通滤波器之类的滤波器来调整光的波长特性。在一些实施方式中，多个照明源包括多个滤波器，不同的滤波器产生不同波长的光束。可以利用任何数量的照明源，例如1、2、3、4、5或10个照明源，或者这些值中的任何值之间的任何范围。
在一些配置中，入耦合光学元件可以包括入耦合光栅(ICG)。在一些配置中，入耦合光学元件包括入耦合棱镜。在一些实施方式中，入耦合元件被配置为以大于导光部件的临界角的角度将来自至少一个照明源的光入耦合到导光部件内。在一些实施方式中，入耦合光学元件被配置为以大约45°的角度将来自至少一个照明源的光入耦合到导光部件中。具有倾斜反射表面(例如，通过全内反射提供反射)的棱镜可能适合于使来自照明源的光以相对于导光部件(例如，相对于经由全内反射在导光部件内引导光的导光部件的主要、顶部和底部或前和后反射表面)成45°转向到导光部件内。如果光在导光部件(例如，平面导光板、片或膜)内以相对于导光部件(例如，相对于导光部件的主要、顶部和底部或前和后反射表面)成45°的角度传播，并且没有从导光部件中转向出去，则光可能会从导光部件的端部反射，并通过全内反射在相反的方向上继续在其中被引导。可以采用一个以上的入耦合光学元件。
在各种实施方式中，导光部件可以包括对来自一个或多个照明源的光光学透射的材料。可以通过全内反射在导光部件内引导光。然而，在一些实施方式中，导光部件包括具有内侧壁的中空导管，光从该内侧壁反射，以在导光部件内引导光。
在一些实施方式中，光分布光学元件或OPE可以形成在导光部件上或形成在导光部件中。在一些配置中，可以排除光分布光学元件或OPE。
在一些设计中，出耦合光学元件可以形成在导光部件上或形成在导光部件中。出耦合光学元件可以包括一个或多个衍射光学元件，例如一个或多个衍射光栅和/或全息。出耦合光学元件可以包括一个或多个漫射或散射特征或层。例如，出耦合光学元件可以包括一个或多个散射片、一个或多个光成形散射器、一个或多个散射膜、一个或多个蚀刻、一个或多个透射光学元件、一个或多个颗粒或颗粒层、一个或多个不规则表面、一个或多个表面浮雕结构、PTFE、聚四氟乙烯、毛玻璃、蛋白石玻璃、灰玻璃、一个或多个白色表面、有色凝胶、一个或多个全息图或其任意组合。出耦合光学元件可以使在导光光学元件内引导的光指向掩模和掩模中的(多个)开口，使得至少一些光可以通过该(多个)开***出。
在一些实施方式中，出耦合光学元件涵盖掩模的整个区域，和/或反之亦然。在一些实施方式中，出耦合光学元件大于掩模或掩模大于外耦合光学元件。在一些实施方式中，出耦合光学元件涵盖掩模开口的区域。
在一些配置中，可以排除出耦合光学元件。例如，光可以简单地从导光光学元件泄漏出来而不在其中通过全内反射。例如，导光元件的内侧壁可以是反射性的，但是允许在导光部件内引导的一些光从中穿过。其他变化是可能的。
如上所述，在一些配置中，光从导光光学元件朝向用户的眼睛射出，以例如利用红外光来照射用户的眼睛用于跟踪。在一些实施方式中，一个或多个相机用于捕获由照明源照射的眼睛的图像。在一些配置中，时间复用方法可以与相机一起使用以增加眼睛跟踪的鲁棒性。
在一些配置中，光从导光部件朝向用户前方的环境射出，以可能照亮环境中的对象，例如，以提供深度感测。
因此，可以另外包括一个或多个眼睛跟踪相机，深度传感器或其他部件。同样，也可以包括用于将图像内容投影到用户的眼睛中的一个或多个显示器。类似地，上述的任何特征、结构、变型、应用、用途、益处等可以与采用掩模和掩模中的一个或多个开口以提供照明的实施方式结合使用或适用于这些实施方式。
在一些实施例中，头戴式显示器的图像投影仪和照明源共享相同的入耦合光学元件和导光部件。
漫射光学元件
在各种实施方式中，出耦合光学元件可以包括漫射光学元件。
例如，图12A至图12B示出了导光部件1102的透视图，该导光部件1102包括用于使导光部件1102中引导的光射出的多个漫射光学元件、漫射区域或散射区域。具体地，图12A示出了导光部件1102，其具有被定位成在其中耦合光的入耦合元件1108。光分布元件(例如，OPE)1110和出耦合光学元件1112(例如，EPE)被设置在导光部件1102上或导光部件1102内，其中的出耦合光学元件1112包括多个漫射光学元件或散射区域1122A、1122B、1122C、1122D(例如，示出的四个漫射光学元件)，用于使在导光部件1102中引导的光射出。导光部件1102、光分布元件(OPE)1110和出耦合光学元件(EPE)1112可以配置为以类似于图9A至图9C中所示的波导670、680、690并且如上关于图10A至图10D所讨论的方式进行操作。例如，在一些实施方式中，光分布元件(OPE)1010包括衍射光学元件，尽管这些元件的结构不应该限于此。同样如上所述，导光部件还可包括目镜，该目镜包括一个或多个波导(例如，图9A至图9C中所示的波导670、680、690)，该波导被配置为接收来自显示器的光并向用户的眼睛传递图像内容，或者替代地，导光部件可以替补被配置为向用户传递图像内容的这种目镜。然而，在一些实施方式中，导光部件可以包括目镜，该目镜也用于将图像内容传递给用户。例如，导光部件可以包括波导，该波导引导来自照明源的光(例如，引导至用户的眼睛或引导至用户前方的环境)以及来自投影仪或显示器的光至用户的眼睛以向用户的眼睛呈现图像。在一些设计中，例如在导光部件既用于传输来自照明源的照明，又用于传输来自图像投影仪或显示器的光的情况下，可以同时包括包含漫射光学元件(或衍射光学元件)的出耦合光学元件(EPE)1112和以及用于使来自显示器或图像投影仪的光出耦合的出耦合光学元件(EPE)。在一些情况下，包括漫射光学元件(或衍射光学元件)的出耦合光学元件(EPE)1112和/或用于使来自显示器或图像投影仪的光出耦合的出耦合光学元件(EPE)中的任一个或两者是具有波长选择性。例如，包括漫射光学元件(或衍射光学元件)的出耦合光学元件(EPE)1112可以被配置为选择性地将第一波长或波长组出耦合，并且用于使来自显示器或图像投影仪的光出耦合的出耦合光学元件(EPE)可以被配置为选择性地将第二波长或波长组出耦合。在一些这样的情况下，包括漫射光学元件(或衍射光学元件)的出耦合光学元件(EPE)1112可以被配置为不使具有第二波长或波长组的光出耦合，并且用于使来自显示器或图像投影仪的光出耦合的出耦合光学元件(EPE)可以被配置为不使具有第一波长或波长组的光出耦合。第一波长或波长组可以包括红外波长而不包括可见波长，并且第二波长或波长组可以包括可见波长而不包括红外波长。在这种情况下，例如，包括漫射光学元件(或衍射光学元件)的出耦合光学元件(EPE)1112可以使红外光出耦合而不使可见光出耦合，而用于使来自显示器或图像投影仪的光出耦合的出耦合光学元件(EPE)可以使可见光出耦合，而不使红外光或至少由照明源输出的红外光出耦合。因此，在一些设计中，出耦合光学元件1112可以是波长选择性的，使得例如出耦合光学元件仅使在其中引导的选择波长(例如，IR)出耦合，并且不与在其中引导的其他波长(例如可见光)相互作用或不使这些其他波长出耦合。其他方法也是可能的。例如，在一些实施方式中，用于使来自显示器或图像投影仪的光出耦合的出耦合光学元件(EPE)可以具有与包括漫射光学元件(或衍射光学元件)的出耦合光学元件(EPE)1112的横向放置或位置相对应的开口或断口(break)。
图12B示出了相对于入耦合光学元件1108设置的照明源1104，以将光耦合到导光部件1102中，从而通过全内反射在其中引导光。光分布元件1210被设置为接收由入耦合光学元件耦合到导光部件1102中的光，并且将光朝向包括漫射光学元件或散射区域的出耦合光学元件重定向。出耦合光学元件，即漫射光学元件或散射区域，使来自照明源的光从导光部件1102射出。如上所述，出耦合光学元件可以包括漫射特征或散射特征，该漫射特征或散射特征被配置为使在导光部件1102内引导的光转向以便光不在其中引导。例如，光可以以一定角度朝向用户的眼睛引导，使得该光将不会通过全内反射而在导光部件1102中被引导。散射特征1122A、1122B、1122C、1122D可以设置在局部区域中，从而使光线看起来从可能位于导光部件上或导光部件(例如，其表面)处的局部光源(例如点光源)发出。
因此，在一些配置中，与导光部件1102相比，漫射区域1122A、1122B、1122C、1122D较小。减小的尺寸在一些情况下可以导致光束由于衍射而发散。漫射区域1122A、1122B、1122C、1122D中的一个漫射区域可以例如具有横向范围，例如，宽度或直径为大约1μm、大约5μm、大约10μm、大约20μm、大约50μm、大约100μm、大约500μm、大约1mm或大约5mm，或这些值中的任何值之间的任意范围。在一些情况下，可以考虑漫射区域1122A，1122B，1122C，1122D中的一个来创建点光源。可以由多个漫射区域1122A、1122B、1122C、1122D创建彼此间隔开的几个这样的局部光源。
图12B示出了由漫射区域1122A、1122B、1122C、1122D射出的出耦合光1126A、1126B、1126C、1126D，其可以对应于点光源，如图所示。图12B具体描绘了照明源1104使发散光1020发射到入耦合光学元件1108。入耦合元件1108将光耦合到导光部件1102中，从而通过全内反射在其中引导光。然而，光束可以在导光光学元件内继续发散。入耦合到导光部件1102中的光可以传播到光分布元件或OPE 1110。光分布元件或OPE 1010可以将该光的至少一部分重定向到包括多个漫射光学元件或散射区域1122A、1122B、1122C、1122D的出耦合光学元件1112。如上所述，包括多个漫射光学元件或散射区域1122A、1122B、1122C、1122D的出耦合光学元件1112被配置为从导光部件1102射出光。光1126A、1126B、1126C、1126D可以由漫射光学元件或散射区域1122A、1122B、1122C、1122D射出到例如用户的眼睛(或用户前面的环境)。
在一些实施方式中，多个光束照亮包括多个漫射光学元件的多个出耦合光学元件。例如，在一些设计中，从相对边缘的反射和/或光束分束使光束引导朝向包括不同漫射光学元件的不同出耦合光学元件。在各种实施方式中，例如，多个光束中的不同光束包括不同波长的光，并且多个出耦合光学元件中不同的出耦合光学元件选择性地使这些波长中的相应波长出耦合，使得具有不同波长的不同光束波长通过不同的相应的出耦合光学元件出耦合。在一些设计中，这些多个光束可以同时或顺序地转向或出耦合。
照明源可以发射多种不同波长的光，例如IR和/或可见光波长。如上所述，照明源可以包括LED或激光器。在一些实施方式中，照明源包括垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。在一些实施例中，照明源可以产生发散光束和/或发散光束被耦合到导光部件中。在一些配置中，一个或多个照明源可以包括产生多个光束的多个照明源。在一些实施方式中，多个光束具有不同的相应波长。在一些配置中，采用诸如窄带通滤波器的滤波器来调整光的波长特性。在一些设计中，多个照明源包括多个滤波器，不同的滤波器产生不同波长的光束。可以利用任何数量的照明源，例如，1、2、3、4、5或10个照明源，或者这些值中的任何值之间的任何范围。在一些实施例中，多个光束可以同时或顺序地转向。
在一些配置中，入耦合元件可以包括入耦合光栅(ICG)。在一些配置中，入耦合元件包括入耦合棱镜。在一些实施方式中，入耦合元件被配置为以大于导光部件的临界角的角度将来自至少一个照明源的光入耦合到导光部件内。在一些设计中，入耦合元件被配置为以大约45°的角度将来自至少一个照明源的光入耦合到导光部件内。具有倾斜反射表面(例如，通过全内反射提供反射)的棱镜可能适合于将来自照明源的光相对于导光部件(例如，相对于通过全内反射在导光部件内引导光的导光部件的主要、顶部和底部或前和后表面)成45度的角度转向到导光部件中。如果光在导光部件(例如，平面导光板、片或膜)内以相对于导光部件(例如，相对于导光部件的主要、顶部和底部或前和后反射表面)成45°的角度传播，并且没有从导光部件中转向出去，则光可能会从导光部件的端部反射，并经由全内反射沿相反的方向继续在导光部件中被引导。可以采用一个以上的入耦合元件。
在各种实施方式中，导光部件可以包括对来自一个或多个照明源的光光学透射的材料。可以通过全内反射在导光部件内引导光。然而，在一些实施方式中，导光部件包括具有内侧壁的中空导管，光从该内侧壁反射，以在导光部件内引导光。
在一些实施方式中，光分布光学元件或OPE可以形成在导光部件上或导光部件中。在一些配置中，可以排除光分布光学元件或OPE。
在一些配置中，大部分出耦合光从漫射光学元件从导光部件出射。在一些设计中，漫射光学元件可以散射出光。在一些配置中，漫射光学元件是折射的、反射的、衍射的或其任何组合。在一些设计中，出耦合光学元件可以形成在导光部件上或导光部件中。例如，在一些设计中，漫射光学元件被设置在导光部件的顶部表面上。在一些实施方式中，将诸如漫射片或膜或其一部分或漫射材料或颗粒的漫射光学元件放置在导光部件的表面上。在一些配置中，漫射光学元件设置在导光部件的体积内。在一些实施例中，出耦合光学元件可以包括漫射光学元件。在一些实施例中，采用包括多个漫射光学元件的多个出耦合光学元件。在一些实施例中，出耦合光学元件(或多个漫射光学元件)分别选择性地出耦合来自不同光谱区域的光。
出耦合光学元件可以包括一个或多个漫射或散射特征或层。例如，出耦合光学元件可以包括一个或多个散射片、一个或多个光成形散射器、一个或多个散射膜、一个或多个蚀刻、一个或多个透射光学元件、一个或多个颗粒或颗粒层、一个或多个不规则表面、一个或多个表面浮雕结构、聚四氟乙烯(例如PTFE和/或特氟隆(Teflon))、毛玻璃、蛋白石玻璃、灰玻璃、一个或多个白色表面、有色凝胶、一个或多个全息图或任何它们的组合。在一些实施方式中，漫射光学元件仅在导光部件的一小部分上延伸。漫射光学元件可以例如在小于10％、小于5％、小于3％、小于2％、小于1％、小于0.5％或小于1％或这些值中的任何值之间的任何范围的导光部件的区域上延伸。出耦合光学元件可以使在导光部件内引导的光指向为至少一些光可以出射。
如上所述，在一些配置中，光从导光光学元件朝向用户的眼睛射出以照射用户的眼睛，例如利用红外光进行眼睛跟踪。在一些实施方式中，一个或多个相机用于捕获由照明源照射的眼睛的图像。在一些配置中，时间复用方法可以与相机一起使用以增加眼睛跟踪的鲁棒性。
在一些配置中，光从导光光学元件朝向用户前方的环境射出，以可能照亮该环境中的对象，例如，以提供深度感测。
在一些实施方式中，至少一个照明源可以发射可见光并且从导光光学元件出耦合，以向用户和/或用户的环境提供视觉标记(例如，警报、通知等)。例如，在一些实施例中，可见光可以被出耦合(例如，耦合到除用户之外的旁观者)以提供闪烁的彩色(例如，红色)照明图案。在一些配置中，例如，闪烁的照明图案可以指示目镜正在记录视频。在一些设计中，可见光可以被出耦合(例如，耦合到用户)以提供脉动的彩色(例如，绿色)照明图案。在一些设计中，例如，脉动(例如绿色)照明图案可以指示用户具有未读消息(例如电子邮件，文本消息)，或者可以用于提供另一种形式的警报。
在一些实施方式中，至少一个照明源可以发射可见光并且从导光光学元件出耦合以提供美学增强和/或娱乐驱动的特殊视觉效果。例如，在一些设计中，例如，当用户从事诸如在深海潜水混合现实体验中的活动时，可见光可以被出耦合以用发光和/或波动的彩色(例如，蓝色)光环围绕用户的视觉***，从而营造出更大的沉浸感。
在一些配置中，至少一个照明源可以发射可见和/或不可见(例如，IR或UV)光并且从导光光学元件出耦合到用户和/或用户的环境并产生可以用来提供一个或多个信号或基准点的照明图案，这些信号或基准点能够由环境中的外部成像传感器(例如，第三方相机、其他头戴式显示器等)识别。
因此，可以另外包括一个或多个眼睛跟踪相机、深度传感器或其他部件。同样，也可以包括用于将图像内容投影到用户的眼睛中的一个或多个显示器。类似地，以上描述的任何特征、结构、变体、应用、用途、益处等可以与采用漫射光学元件或散射区域以提供照明的实施方式结合使用或适用于这些实施方式。
在一些实施例中，头戴式显示器的图像投影仪和照明源共享相同的入耦合光学元件和导光部件。
内外盖或护罩
如上所述，在一些实施方式中，用于提供照明(例如，向眼睛提供照明用于眼睛跟踪)的导光部件补充了包括一个或多个波导的目镜，该波导用于将来自一个或多个显示器的光引导到眼睛以向其提供图像内容。图13A至图13B示出了这种配置的示例，其中，导光部件包括盖(cover)或护罩(shield)。
特别地，图13A示出了包括在导光元件1202的前面的外盖或护罩1200的导光部件。在该特定示例中，外盖1200是弯曲的。图13A还示出了波导1202，其具有被配置为接收来自显示器(未示出)的光并将来自显示器的光引导到用户的眼睛以向其呈现图像内容的入耦合光栅(ICG)、光分布元件(OPE)1210和出耦合光学元件(EPE)1212。图13A还示出了波导1202前面的外盖1200。入耦合元件1208定位成将来自照明源的光耦合到包括外盖的导光部件1200中。
该***还包括照明源1204，该照明源1204被配置为将光耦合到入耦合光学元件1208中，使得光在导光部件1200中被引导。图13B示出了在导光部件/盖1200的后面不包括波导1202的目镜的情况下的导光部件/盖1200。图13B还示出了利用设置在外盖1200中或外盖1200上的漫射光学元件1222A、1222B、1222C、1222D、1222E使光从导光部件/盖1200射出到用户的眼睛(未示出)。例如，与导光部件/盖1200相比，这些漫射光学元件1222A、1222B、1222C、1222D、1222E具有相对较小的横向范围。因此，可以认为通过漫射光学元件1222A、1222B、1222C、1222D、1222E从导光部件/盖1200射出的光是从多个相应的点光源有效地发出。
在各种实施方式中，导光部件/盖1200包括用于目镜1202的保护盖。导光部件/盖1200可以包括例如塑料，例如聚碳酸酯和/或丙烯酸，以及玻璃或它们的任何组合。如图所示，盖1200在目镜1202的前方，目镜1202在用户的眼睛的前方。然而，盖1200在用户前面的环境的后面。盖1200可由未示出的框架支撑。盖1200可以保护目镜1202免受用户前方环境的影响。在图13A至图13B所示的示例中，盖1200在一个方向上弯曲得比在另一(例如，正交)方向上弯曲得更多。盖1200具有圆柱形状。特别地，盖1200在一个方向(垂直)上弯曲而在另一个正交方向(水平)上不弯曲。盖1200具有直圆柱体的一部分的形状。尽管将盖示为弯曲，但是盖不必弯曲或不必具有所示的特定弯曲形状。
在一些实施例中，外盖可以设置在目镜上方以充当护罩。在一些实施例中，头戴式显示器可以包括遮阳板，其中该遮阳板包括包含导光部件的外盖。因此，在各种实施方式中，外盖和/或遮光板被配置为将来自照明源的照明引导到用户的眼睛或环境(例如，使用全内反射)。
如上所述，用于提供照明(例如，向眼睛提供照明用于眼睛跟踪)的导光部件可以补充包括一个或多个波导的目镜，该波导用于使来自一个或多个显示器的光引导到眼睛以向其提供图像内容。特别地，导光部件可以包括盖或护罩，并且该盖或护罩可以设置在目镜的后方。
具体地，图14A至图14B示出了导光部件，其包括在目镜(例如，被配置为显示图像内容的导光元件)1302后方的内盖或护罩1300。在该特定示例中，内盖1300不是弯曲的，而是平面的。图14A还示出了波导1302，其具有被配置为接收来自显示器(未示出)的光并且将来自显示器的光引导到用户的眼睛以向其呈现图像内容的入耦合光栅(ICG)、光分布元件(OPE)1310和出耦合光学元件(EPE)1312。图14A还示出了波导1302后面的内盖1300。
***还包括照明源1304，该照明源1304被配置为将光耦合到入耦合光学元件(例如，棱镜)1308中，使得光在导光部件1300中被引导。图14B示出了在导光部件/盖1300的前方不包括波导1202的目镜的情况下的导光部件/盖1300。图14B还示出了利用设置在内盖1300中或内盖1300上的漫射光学元件1322A、1322B、1322C、1322D、1322E使光从导光部件/盖1300射出到用户眼睛(未示出)。例如，与导光部件/盖1300相比，这些漫射光学元件1322A、1322B、1322C、1322D、1322E具有相对较小的横向范围。因此，可以认为通过漫射光学元件1322A、1322B、1322C、1322D、1322E从导光部件/盖1300射出的光是从多个相应的点源有效地发出。
在各种实施方式中，导光部件/盖1300包括用于目镜1302的保护盖。导光部件/盖1300可以包括例如塑料，例如聚碳酸酯和/或丙烯酸，以及玻璃或它们的任何组合。如图所示，盖1300在目镜1202的后方，这两者都在用户的眼睛前方并且在用户前方的环境的后方。盖1200可由未示出的框架支撑。盖1200可以保护目镜1202的后侧。尽管盖1200被示出为平坦的或平面的，但是盖不必是平坦的，而是可以弯曲的并且可以在一个方向上比正交方向上弯曲得多(例如，圆柱形)。
在一些实施方式中，显示器包括一个或多个盖。在一些设计中，盖可以是美容外观的、着色的、抗冲击的或其组合。例如，(多个)盖可以使盖后面的***部件不透明，以使显示器看起来更清洁(例如，不太混乱)。在一些配置中，显示器还可包括前带和传感器盖，以在围绕外部透镜形成显示器的连续前部的同时保护***部件。盖可以具有50％至70％的透明度(在一些情况下可以由着色提供)，其在一些情况下可以潜在地改善或优化涉及来自虚拟对象和真实世界物理对象的光的AR体验。
在一些设计中，显示器还可以包括一个或多个(例如，一对)内盖，以保护***部件和/或形成与用户的面部相邻的显示器的保护性内表面。在一些实施方式中，显示器可以包括一个或多个可选的处方镜片，以适应需要矫正镜片的用户。在一些设计中，安装结构可以容纳盖，该盖设置在观看光学组件的环境侧或用户侧。
在一些实施方式中，盖或盖透镜可包括抗划痕材料或其他保护性覆盖物以防止显示器与诸如来自指尖的油或来自外部环境的灰尘和碎屑接触。在一些配置中，盖或盖透镜可包括光调节器，例如偏振透镜，以反射或吸收特定光。在一些设计中，除了多个波导之外，显示器还包括这种保护性盖或盖透镜。
这些盖或透镜中的任何一个可以包括导光部件并且被配置为引导来自照明源的光(例如，经由全内反射)。
设计和配置的变化是可能的。例如，可以通过诸如全息的衍射光学元件来提供出耦合，并且可以提供虚拟光源，该虚拟光源设置在与盖不同的分离的深度平面上。类似地，可以使用具有开口的掩模。其他布置、配置和组合也是可能的。
框架
如图15A至图15B所示，导光部件可以包括框架的一部分。因此，用于提供照明(例如，到眼睛以用于眼睛跟踪)的导光部件可以补充包括一个或多个波导的目镜，该波导用于使来自一个或多个显示器的光引导到眼睛以向其提供图像内容。
特别地，图15A至图15B示出了导光部件1400，该导光部件1400包括围绕目镜(例如，被配置为显示图像内容的波导)1402的框架的一部分。图15A还示出了具有被配置为接收来自显示器(未显示)的光并使来自显示器的光引导到用户的眼睛以向其呈现图像内容的光分布元件(OPE)1410和出耦合光学元件(EPE)1412的目镜/波导1402。
图15A还示出了围绕目镜/波导1402的框架的部分。框架的各部分中的一个包括用于使光传输通过其中的导光部件1400。图15A还示出了照明源1404，该照明源1404被配置为将光耦合到入耦合光学元件(例如，棱镜)1408中，使得光在框架的一部分中所包括的导光部件1400内被引导。
在一些实施方式中，框架的包括导光部件1400的部分可以包括对由照明源1404输出的光透射并且可以具有足以引起这种光通过全内反射在其中被引导的折射率的材料。在一些替代实施方式中，框架的包括导光部件1400的部分可以包括具有侧壁的中空腔，来自照明源1404的光可以从该侧壁反射，从而在导光部件内传播光。
图15B还示出了利用设置在光耦合部件1300中或光耦合部件1300上的漫射光学元件1422A、1422B、1422C、1422D、1422E使光从导光部件1400射出到用户的眼睛(未示出)。例如，与导光部件1400相比，这些漫射光学元件1422A、1422B、1422C、1422D、1422E具有相对较小的横向范围。因此，可以认为通过漫射光学元件1422A、1422B、1422C、1422D、1422E从导光部件1400射出的光是从多个相应的点源有效地发出。
在一些实施例中，漫射光学元件1422A、1422B、1422C、1422D、1422E设置在框架的表面上，框架可以是实心的或空心的。漫射光学元件也可以设置在中空框架内或实心框架的体积内。
在一些情况下，其中导光部件1400包括框架上的一部分，并且出耦合光学元件包括在框架的该部分上，相比于上面讨论的导光部件，光可以从***区域发射，这些导光部件相对于用户眼睛的视场位于更中央的位置。在此示例中，多个光束从漫射光学元件投射到用户的眼睛。此外，多个光束沿着一条线布置。其他设计是可能的。例如，可以使用更少的光束(例如，甚至单个光束)。另外，光束不必成布置成线。同样，尽管框架的包括导光部件1400的部分通常是线性的，但是形状可以是非线性的。可以使用其他非线性导光形状和结构。在一些实施方式中，框架可以包括多个臂，该多个臂被配置为接触和/或将框架固定到用户的头部，其中光可以从框架的一个或多个臂入耦合和/或出耦合。
设计和配置的变化是可能的。例如，出耦合可以由诸如全息的衍射光学元件提供，并且可以提供虚拟光源，该虚拟光源设置在与框架不同的单独的深度平面上。类似地，可以使用具有开口的掩模。其他布置、配置和组合也是可能的。
其他形状
可以使用导光部件、出耦合元件、掩模和掩模开口以及漫射光学元件的多种图案和/或几何形状。图16示出了圆形的导光部件。图16还示出了圆环形或环形漫射光学元件图案。包括漫射光学元件或散射特征的区域可以被配置为从光耦合部件提取光。因此，可以从该圆环形或环形区域发射射出的光。其他形状也是可能的。另外，尽管在该示例中，该区域包括漫射光学元件，但是该区域可以另外包括如上所述的一个或多个衍射光学元件或全息或具有开口的掩模。这些类型的特征的组合也是可能的。
其他形状也是可能的。例如，尽管导光部件的形状为圆形，但是导光部件的形状可以为椭圆形或卵形、正方形、矩形或其他规则或不规则形状。导光部件可以是平坦的，例如平面的，或者可以是弯曲的。
在一些实施方式中，出耦合元件、掩模开口和/或漫射光学元件位于导光部件***。在一些设计中，出耦合元件、掩模开口和/或漫射光学元件位于导光部件中央。在一些配置中，出耦合元件、掩模开口和/或漫射光学元件在导光部件上的分布形状为环形或圆形，或者具有其他形状，例如线性。
在一些实施方式中，出耦合元件、掩模开口和/或漫射光学元件在导光部件上的分布密度为1个元件/mm2、5个元件/mm2、10个元件/mm2、50个元件/mm2、100个元件/mm2、500个元件/mm2、1000个元件/mm2、10000个元件/mm2、1个元件/μm2、5个元件/μm2、10个元件/μm2、50个元件/μm2、100个元件/μm2、500个元件/μm2、1000个元件/μm22或10000个元件/μm2、或这些值中的任何值之间的任意范围。其他变化是可能的。
导光部件和/或出耦合光学元件的堆叠
在一些情况下，可以采用多个导光部件和/或出耦合元件的堆叠。
例如，图17A示出了堆叠在彼此顶部上的第一和第二导光部件。在该示例中，第一和第二导光部件由出耦合光学元件分开，该出耦合光学元件包括例如漫射光学元件或衍射光学元件，其被配置为将在第一和第二导光部件内引导的光耦合出导光部件。在一些实施方式中，出耦合是双向的，其中光在该对导光部件的前面和后面被射出。
图17B示出了导光部件，其包括设置在导光部件的任一侧上的第一和第二出耦合光学元件，以将在导光部件内被引导的光耦合出导光部件。在一些示例中，第一和第二出耦合光学元件可以被配置为提供双向出耦合，使得光在导光部件和该对出耦合光学元件的前面和后面被射出。
图17C示出了在一个或多个出耦合光学元件的相对侧上的第一和第二导光部件，其中的出耦合光学元件包括例如漫射光学元件或衍射光学元件，其被配置为将在第一和第二导光部件内引导的光耦合出导光部件。在一些实施方式中，出耦合是双向的，其中光在该对导光部件的前面和后面被射出。如图所示，第一和第二导光部件是圆形的，而出耦合光学元件是圆环形的。
尽管在这些示例中可以使用漫射光学元件，但是在其他实施方式中，出耦合光学元件可以包括衍射光学元件。可以使用其他部件，例如具有一个或多个开口或本文所述的其他特征或结构的掩模。此外，形状和分布可能会有所不同。其他特征可能也会有所不同。
在一些实施例中，将来自照明源的光引导朝向所述环境可以提供深度感测。在一些实施例中，将光引导朝向用户和/或环境可以向用户和/或世界提供指示。例如，光可以指示可穿戴设备正在录制视频。例如，在一些实施方式中，可见光可以被出耦合以提供闪烁的(例如，红色)照明图案以指示目镜正在录制视频。在另一示例中，在一些配置中，可见光可以被出耦合以提供脉动(例如，绿色)照明图案以指示用户具有未读消息(例如，电子邮件、文本消息)或提供另一消息或警报。
在一些实施方式中，将光引导朝向用户和/或环境可能是出于美学目的和/或提供特殊效果。例如，在一些设计中，可见光可以被出耦合以在用户从事诸如深海潜水混合真实体验的特定活动时利用发光和/或波动(例如，蓝色)的气氛围绕用户的视觉周围，从而创造出更大的沉浸感。
在一些配置中，至少一个照明源可以发射可见和/或不可见(例如，IR或UV)光并且从导光光学元件出耦合到用户和/或用户的环境并产生可以用来提供一个或多个基准点或信号的照明图案，这些基准点或信号能够由环境中的外部成像传感器(例如，第三方相机、头戴式显示器等)进行识别。
在一些实施例中，使用虚拟光源架构将光出耦合。在一些实施例中，使用掩模架构将光出耦合。在一些实施例中，使用漫射光学元件架构将光输出耦合。
示例
以下提供了各种示例。
1.一种头戴式显示***，其被配置为将光投射到佩戴所述头戴式显示***的用户的眼睛，以在所述用户的视场中显示内容，所述头戴式显示***包括：
框架，其被配置为被支撑在所述用户的头部上；
图像投影仪，其被配置为投影图像；
至少一个照明源；
导光部件，所述导光部件被配置为当所述框架被所述用户佩戴时被定位在所述用户的一只眼睛前方；
至少一个照明入耦合光学元件，其被配置为将来自所述至少一个照明源的光入耦合到所述导光部件中以便在其中引导来自所述至少一个照明源的光；以及
至少一个漫射光学元件，其被设置在所述导光部件上，以便当所述框架被所述用户佩戴时被定位在所述用户的一只眼睛前方，其中，所述至少一个漫射光学元件被配置为将来自所述至少一个照明源的光漫射地耦合出所述导光部件。
2.一种头戴式显示***，其被配置为将光投射到佩戴所述头戴式显示***的用户的眼睛，以在所述用户的视场中显示内容，所述头戴式显示***包括：
框架，其被配置为被支撑在所述用户的头部上；
图像投影仪，其被配置为投影图像；
至少一个照明源；
导光部件，所述导光部件被配置为当所述框架被所述用户佩戴时被定位在所述用户的一只眼睛前方；
至少一个照明入耦合光学元件，其被配置为将来自所述至少一个照明源的光入耦合到所述导光部件中以便在其中引导来自所述至少一个照明源的光；以及
至少一个出耦合光学元件，其被设置在所述导光部件上，以便当所述框架被所述用户佩戴时被定位在所述用户的一只眼睛前方，其中，所述至少一个出耦合光学元件被配置为将来自所述至少一个照明源的光耦合出所述导光部件，并且使耦合出所述导光部件的光以与源自距所述导光部件前方一定距离的位置的光一致的方式发散。
3.一种头戴式显示***，其被配置为将光投射到佩戴所述头戴式显示***的用户的眼睛，以在所述用户的视场中显示内容，所述头戴式显示***包括：
框架，其被配置为被支撑在所述用户的头部上；
图像投影仪，其被配置为投影图像；
至少一个照明源；
导光部件，所述导光部件被配置为当所述框架被所述用户佩戴时被定位在所述用户的一只眼睛前方；
至少一个照明入耦合光学元件，其被配置为将来自所述至少一个照明源的光入耦合到所述导光部件中以便在其中引导来自所述至少一个照明源的光；以及
包括至少一个掩膜开口的至少一个掩膜，其被设置在所述导光部件上，以便当所述框架被所述用户佩戴时被定位在所述用户的一只眼睛前方，其中，所述至少一个掩膜和所述至少一个掩膜开口被配置为通过所述至少一个掩膜开口将来自所述至少一个照明源的光耦合出所述导光部件。
4.一种头戴式显示***，其被配置为将光投射到佩戴所述头戴式显示***的用户的眼睛，以在所述用户的视场中显示内容，所述头戴式显示***包括：
框架，其被配置为被支撑在所述用户的头部上；
图像投影仪，其被配置为投影图像；
至少一个照明源；
导光部件，所述导光部件被配置为当所述框架被所述用户佩戴时被定位在所述用户的一只眼睛前方；
至少一个照明入耦合光学元件，其被配置为将来自所述至少一个照明源的光入耦合到所述导光部件中以便在其中引导来自所述至少一个照明源的光；所述至少一个入耦合光学元件包括棱镜，
其中，所述导光部件被配置为使得来自所述照明源的在所述导光部件内被引导的光被耦合出所述导光部件。
5.一种头戴式显示***，其被配置为将光投射到佩戴所述头戴式显示***的用户的眼睛，以在所述用户的视场中显示内容，所述头戴式显示***包括：
框架，其被配置为被支撑在所述用户的头部上；
图像投影仪，其被配置为投影图像；
至少一个照明源；
导光部件，所述导光部件被配置为当所述框架被所述用户佩戴时被定位在所述用户的一只眼睛前方；
至少一个照明入耦合光学元件，其被配置为将来自所述至少一个照明源的光入耦合到所述导光部件中以便在其中引导来自所述至少一个照明源的光；
其中，所述导光部件被配置为使得来自所述照明源的在所述导光部件内被引导的光被耦合出所述导光部件，以及
其中，所述图像投影仪被配置为入耦合所述图像，并且所述至少一个照明源被配置为将光入耦合到所述至少一个照明入耦合光学元件中。
6.一种头戴式显示***，其被配置为将光投射到佩戴所述头戴式显示***的用户的眼睛，以在所述用户的视场中显示内容，所述头戴式显示***包括：
框架，其被配置为被支撑在所述用户的头部上；
图像投影仪，其被配置为投影图像；
至少一个照明源；
导光部件，所述导光部件被配置为当所述框架被所述用户佩戴时被定位在所述用户的一只眼睛前方；
至少一个照明入耦合光学元件，其被配置为将来自所述至少一个照明源的光入耦合到所述导光部件中以便在其中引导来自所述至少一个照明源的光；以及
目镜，其被配置为将光引导到所述用户的眼睛中以向所述用户的视场显示增强现实图像内容，所述目镜的至少一部分是透明的，并且当所述用户佩戴所述框架时被设置在所述用户的眼睛前方的位置，以使得所述透明部分将来自所述用户前方的环境的光透射到所述用户的眼睛以提供所述用户前方的所述环境的视图，
其中，所述目镜包括波导和至少一个图像入耦合光学元件，所述至少一个图像入耦合光学元件被配置为将来自所述图像投影仪的光入耦合到所述波导中，从而在其中引导来自所述图像投影仪的光。
7.一种头戴式显示***，其被配置为将光投射到佩戴所述头戴式显示***的用户的眼睛，以在所述用户的视场中显示内容，所述头戴式显示***包括：
框架，其被配置为被支撑在所述用户的头部上；
图像投影仪，其被配置为投影图像；
至少一个照明源；
导光部件，所述导光部件被配置为当所述框架被所述用户佩戴时被定位在所述用户的一只眼睛前方，所述导光部件是弯曲的；以及
至少一个照明入耦合光学元件，其被配置为将来自所述至少一个照明源的光入耦合到所述导光部件中以便在其中引导来自所述至少一个照明源的光，
其中，所述导光部件被配置为使得来自所述照明源的在所述导光部件内被引导的光被耦合出所述导光部件。
8.一种头戴式显示***，其被配置为将光投射到佩戴所述头戴式显示***的用户的眼睛，以在所述用户的视场中显示内容，所述头戴式显示***包括：
框架，其被配置为被支撑在所述用户的头部上；
图像投影仪，其被配置为投影图像；
至少一个照明源；
导光部件，所述导光部件被配置为当所述框架被所述用户佩戴时被定位在所述用户的一只眼睛前方，所述导光部件包括所述框架的一部分，以及；
至少一个照明入耦合光学元件，其被配置为将来自所述至少一个照明源的光入耦合到所述导光部件中以便在其中引导来自所述至少一个照明源的光，
其中，所述导光部件被配置为使得来自所述照明源的在所述导光部件内被引导的光被耦合出所述导光部件。
9.一种头戴式显示***，其被配置为将光投射到佩戴所述头戴式显示***的用户的眼睛，以在所述用户的视场中显示内容，所述头戴式显示***包括：
框架，其被配置为被支撑在所述用户的头部上；
图像投影仪，其被配置为投影图像；
至少一个照明源；
导光部件，所述导光部件被配置为当所述框架被所述用户佩戴时被定位在所述用户的一只眼睛前方；以及
至少一个照明入耦合光学元件，其被配置为将来自所述至少一个照明源的光入耦合到所述导光部件中以便在其中引导来自所述至少一个照明源的光；以及
至少一个出耦合光学元件，其被设置在所述导光部件上，以便当所述框架被所述用户佩戴时被定位在所述用户的一只眼睛前方，其中，所述至少一个出耦合光学元件被配置为将来自所述至少一个照明源的光耦合出所述导光部件，
其中，所述导光部件包括设置在所述至少一个出耦合光学元件的相对侧上的两个导光部件。
10.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述图像投影仪包括可见光源和调制器。
11.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，光调制器包括空间光调制器。
12.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括被配置为发射红外IR光的IR光源。
13.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括被配置为发射可见光的可见光源。
14.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述导光部件包括对可见光透明的材料，所述材料的折射率足以通过全内反射在所述导光部件中引导来自所述至少一个照明源的光。
15.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述导光部件的至少一部分是透明的，并且当所述用户佩戴所述框架时被设置在所述用户的眼睛前方的位置处，以使得所述透明部分将来自所述用户前方的环境的光透射到所述用户的眼睛以提供所述用户前方的所述环境的视图。
16.根据以上示例中的任一项所述的***，其中所述至少一个照明入耦合光学元件包括至少一个棱镜。
17.根据以上示例中的任一项所述的***，还包括至少一个图像入耦合光学元件，所述至少一个图像入耦合光学元件被配置为将来自所述图像投影仪的光入耦合到所述导光部件中，以便在其中引导来自所述图像投影仪的光。
18.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述图像投影仪被配置为入耦合所述图像，并且所述至少一个照明源被配置为将光入耦合到所述至少一个照明入耦合光学元件中。
19.根据以上示例中的任一项所述的***统，还包括目镜，所述目镜被配置为将光引导到所述用户的眼睛中以向所述用户的视场显示增强现实图像内容，所述目镜的至少一部分是透明的，并且当所述用户佩戴所述框架时被设置在所述用户的眼睛前方的位置，以使得所述透明部分将来自所述用户前方的环境的光透射到所述用户的眼睛以提供所述用户前方的所述环境的视图。
20.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述目镜包括波导和至少一个图像入耦合光学元件，所述至少一个图像入耦合光学元件被配置为将来自所述图像投影仪的光入耦合到所述波导中，从而在其中引导来自所述图像投影仪的光。
21.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述导光部件被设置在所述目镜的内部部分上，其中，所述内部部分在所述用户的眼睛与所述目镜之间。
22.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述导光部件被设置在所述目镜的外部部分上，其中，所述外部部分在所述环境与所述目镜之间。
23.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述导光部件是弯曲的。
24.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述导光部件具有圆柱体的一部分的形状。
25.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述导光部件包括附接到所述框架的护罩或遮阳板。
26.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述护罩或所述遮阳板被设置在所述显示***的内部部分。
27.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述护罩或所述遮阳板被设置在所述显示***的外部部分。
28.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述导光部件包括所述框架的一部分。
29.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个漫射光学元件被配置为将来自所述至少一个照明源的光朝向所述用户的眼睛耦合出所述导光部件。
30.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个漫射光学元件被配置为将来自所述至少一个照明源的光朝向所述用户前方的环境耦合出所述导光部件到所述用户的眼睛。
31.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个掩模阻挡在所述导光部件内引导的光离开所述导光部件。
32.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个掩模将来自所述至少一个照明源的光反射回到所述导光部件中。
33.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个掩模是二向色的，其反射由所述至少一个照明源发射的某些波长，并且透射没有由所述至少一个照明源发射的其他波长。
34.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个掩模是二向色的，其反射由所述至少一个照明源发射的某些红外波长，并且透射没有由所述至少一个照明源发射的其他可见波长。
35.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个掩模被配置为吸收由所述照明源发射的光。
36.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个掩模开口的直径为大约10μm。
37.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个漫射光学元件在小于所述至少一个导光部件的面积的5％的区域上延伸。
38.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个掩模开口在小于所述至少一个导光部件的面积的5％的区域上延伸。
39.根据以上示例中的任一项所述的***，还包括光重定向元件，其被配置为将从所述至少一个照明入耦合光学元件接收的光引导到所述导光部件内，以使得所述导光部件将所述光重定向到所述至少一个漫射光学元件。
40.根据以上示例中的任一项所述的***，还包括光重定向元件，其被配置为将从所述至少一个照明入耦合光学元件接收的光引导到所述导光部件内，以使得所述导光部件将所述光重定向到所述至少一个掩模开口。
41.根据以上示例中的任一项所述的***，还包括光重定向元件，其被配置为将从所述至少一个照明入耦合光学元件接收的光引导到所述导光部件内，以使得所述导光部件将所述光重定向到到所述至少一个出耦合元件。
42.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述光重定向元件包括正交光瞳扩展器。
43.根据以上示例中的任一项所述的***，还包括至少一个相机，其被配置为使用来自所述至少一个照明源的从所述眼睛反射的光来对所述用户的眼睛成像。
44.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个相机包括被配置为与电子器件通信的眼睛跟踪相机，所述电子器件被配置为基于来自所述至少一个相机的图像来跟踪所述眼睛的运动。
45.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述导光部件具有圆形形状。
46.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述导光部件包括设置在所述至少一个漫射光学元件的相对侧上的两个导光部件。
47.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个导光部件包括设置在漫射膜的相对侧上的第一导光部件和第二导光部件。
48.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个漫射光学元件包括设置在所述导光部件的相对侧上的一对漫射光学元件。
49.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个漫射光学元件包括设置在所述导光部件的相对侧上的第一漫射膜和第二漫射膜。
50.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个漫射光学元件包括被配置为将光引导到沿不同的第一方向和第二方向取向的分布中的第一漫射光学元件和第二漫射光学元件。
51.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个漫射光学元件包括第一漫射光学元件和第二漫射光学元件，所述第一漫射光学元件和所述第二漫射光学元件被配置为分别将具有第一波长和第二波长的光选择性地引导到沿不同的第一方向和第二方向取向的分布中，并且所述至少一个照明源包括分别选择性地发射所述第一波长和所述第二波长的第一光源和第二光源。
52.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括多个照明源。
53.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括多个照明源，并且所述至少一个漫射光学元件将来自不同照明源的光引导到沿不同方向取向的相应的分布中。
54.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括多个照明源，并且所述至少一个漫射光学元件引导来自不同照明源的光，就像源自所述至少一个导光部件前方的不同相应的位置。
55.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括激光器、LED或垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。
56.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源还包括至少一个滤波器。
57.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个漫射光学元件是折射的、反射的、衍射的或其任意组合。
58.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个漫射光学元件包括一个或多个漫射片、一个或多个光成形漫射器、一个或多个漫射膜、一个或多个刻蚀、一个或多个透射光学元件、一个或多个颗粒、一个或多个不规则表面、一个或多个表面浮雕结构、PTFE、聚四氟乙烯、毛玻璃、蛋白石玻璃、灰玻璃、一个或多个白色表面、有色凝胶、一个或多个全息图、或它们的任意组合。
59.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个漫射光学元件是波长选择性的，以便基本上选择性地漫射从所述至少一个照明源发射的一个或多个波长的光而不是其他波长的光。
60.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述***包括多个漫射光学元件，并且至少一个照明源发射多个波长带的光，并且其中，不同的所述漫射光学元件选择性地漫射来自所述至少一个照明源的所述多个波长带中的相应的波长带。
61.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个漫射光学元件不重定向来自所述环境的可见光。
62.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个漫射光学元件被配置为将来自所述照明源的光引导朝向所述环境。
63.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括被配置为输出红外光的红外源，并且所述至少一个漫射光学元件被配置为朝向所述环境引导来自所述至少一个照明源的红外光以提供深度感测。
64.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括被配置为输出可见光的可见源，并且所述至少一个漫射光学元件被配置为朝向所述环境引导来自所述至少一个照明源的可见光以向非用户提供标记。
65.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括被配置为输出可见光的可见源，并且所述至少一个漫射光学元件被配置为朝向所述眼睛引导来自所述至少一个照明源的可见光以向所述用户提供标记。
66.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括被配置为输出可见光的可见源，并且所述至少一个漫射光学元件被配置为朝向眼睛的周围引导来自所述至少一个照明源的可见光。
67.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括被配置为输出光的可见源、红外源或两者，并且所述至少一个漫射光学元件被配置朝向所述环境引导来自所述至少一个照明源的光以向外部传感器或外部成像传感器提供信号或基准。
68.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括被配置为输出光的可见源、红外源或两者，并且所述至少一个漫射光学元件被配置朝向所述用户引导来自所述至少一个照明源的光以向外部传感器或外部成像传感器提供信号或基准。
69.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个出耦合光学元件在小于所述至少一个导光部件的面积的5％的区域上延伸。
70.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述导光部件包括设置在所述至少一个出耦合光学元件的相对侧上的两个导光部件。
71.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个导光部件包括设置在出耦合光学膜的相对侧上的第一导光部件和第二导光部件。
72.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个出耦合光学元件包括设置在所述导光部件的相对侧上的一对出耦合光学元件。
73.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个出耦合光学元件包括设置在所述导光部件的相对侧上的第一出耦合光学膜和第二出耦合光学膜。
74.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个出耦合光学元件包括第一出耦合光学元件和第二出耦合光学元件，所述第一出耦合光学元件和所述第二出耦合光学元件被配置为将光引导到沿不同的第一方向和第二方向取向的分布中。
75.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个出耦合光学元件包括第一出耦合光学元件和第二出耦合光学元件，所述第一出耦合光学元件和所述第二出耦合光学元件被配置为分别将具有第一波长和第二波长的光选择性地引导到沿不同的第一方向和第二方向取向的分布中，并且所述至少一个照明源包括分别选择性地发射所述第一波长和所述第二波长的第一光源和第二光源。
76.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括多个照明源。
77.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括多个照明源，并且所述至少一个出耦合光学元件将来自不同照明源的光引导到沿不同方向取向的相应的分布中。
78.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括多个照明源，并且所述至少一个出耦合光学元件引导来自不同照明源的光，就像源自所述至少一个导光部件前方的不同相应的位置。
79.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括激光器、LED或垂直腔表面发射激光器(VCSEL)。
80.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源还包括至少一个滤波器。
81.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个出耦合光学元件是折射的、反射的、衍射的或其任意组合。
82.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个出耦合光学元件包括一个或多个漫射片、一个或多个光成形漫射器、一个或多个漫射膜、一个或多个刻蚀、一个或多个透射光学元件、一个或多个颗粒、一个或多个不规则表面、一个或多个表面浮雕结构、PTFE、聚四氟乙烯、毛玻璃、蛋白石玻璃、灰玻璃、一个或多个白色表面、有色凝胶、一个或多个全息图、或它们的任意组合。
83.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个出耦合光学元件是波长选择性的，以便基本上仅与从所述至少一个照明源发射的波长带的光相互作用。
84.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述***包括多个出耦合光学元件，并且至少一个照明源发射多个波长带的光，并且其中，每个出耦合光学元件是波长选择性的，以便基本上仅与从所述至少一个照明源发射的不同的波长带的光相互作用。
85.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个出耦合光学元件不重定向来自所述环境的可见光。
86.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个出耦合光学元件被配置为将来自所述照明源的光引导朝向所述环境。
87.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括被配置为输出红外光的红外源，并且所述至少一个出耦合光学元件被配置为朝向所述环境引导来自所述至少一个照明源的红外光以提供深度感测。
88.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括被配置为输出可见光的可见源，并且所述至少一个出耦合光学元件被配置为朝向所述环境引导来自所述至少一个照明源的可见光以向非用户提供标记。
89.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括被配置为输出可见光的可见源，并且所述至少一个出耦合光学元件被配置为朝向所述眼睛引导来自所述至少一个照明源的可见光以向所述用户提供标记。
90.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括被配置为输出可见光的可见源，并且所述至少一个出耦合光学元件被配置为朝向眼睛的周围引导来自所述至少一个照明源的可见光。
91.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括被配置为输出光的可见源、红外源或两者，并且所述至少一个出耦合光学元件被配置朝向所述环境引导来自所述至少一个照明源的光以向外部传感器或外部成像传感器提供信号或基准。
92.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个照明源包括被配置为输出光的可见源、红外源或两者，并且所述至少一个出耦合光学元件被配置朝向所述用户引导来自所述至少一个照明源的光以向外部传感器或外部成像传感器提供信号或基准。
93.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述图像投影仪和所述照明源共享相同的入耦合光学元件和所述导光部件。
94.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个出耦合光学元件包括至少一个漫射光学元件或至少一个漫射膜或其任何组合。
95.根据以上示例中的任一项所述的***，其中，所述至少一个出耦合光学元件包括至少一个衍射光学元件或至少一个全息光学元件或其任意组合。
附加考虑
在前述说明书中，已经参考本发明的特定实施例描述了本发明。然而，将显而易见的是，在不脱离本发明的更广泛的精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应被认为是说明性而非限制性的。
的确，应当理解，本公开的***和方法均具有多个创新方面，其中，没有一个对本文中公开的期望属性单独负责或要求。上述的各种特征和过程可以彼此独立地使用，或者可以以各种方式组合。所有可能的组合和子组合旨在落入本公开的范围内。
在单独的实施例的上下文中在本说明书中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合实现。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以分别在多个实施例中单独或以任何合适的子组合来实现。而且，尽管以上可以将特征描述为以某些组合起作用并且甚至最初如此进行示例，但是在某些情况下可以从该组合中切除所示例的组合中的一个或多个特征，并且所示例的组合可以针对子组合或子组合的变化。对于每个实施例，没有单个特征或一组特征是必要的或必不可少的。
应当理解，这里使用的条件语言，尤其例如“能够”、“会”、“可能”、“可”、“例如”等，除非另有明确说明，否则在所使用的上下文中理解为通常意在传达某些实施例包括而其他实施例不包括某些特征、元素和/或步骤。因此，这样的条件语言通常不旨在暗示特征、元素和/或步骤以任何方式对于一个或多个实施例是必需的，或者一个或多个实施例必然包括用于在有或没有作者输入或提示的情况下决定这些特征、元素和/或步骤是否在任何特定实施例中被包括或将被执行的逻辑。术语“包括”、“包含”、“具有”等是同义词，并且以开放式方式被包含在内地使用，并且不排除附加元素、特征、动作、操作等。而且，术语“或”以其包含的含义使用(而不是以其排他的含义使用)，因此例如在用于连接元素列表时，术语“或”表示列表中的一个、一些或全部元素。附加地，在本申请和所附示例中使用的“一”、“一个”和“该”应被解释为表示“一个或多个”或“至少一个”，除非另有说明。类似地，尽管可以以特定顺序在附图中描绘操作，但是要认识到，不需要以所示的特定顺序或时间顺序来执行这样的操作，或者不需要执行所有示出的操作来实现理想的结果。此外，附图可以以流程图的形式示意性地描绘一个或多个示例过程。然而，未示出的其他操作可结合在示意性示出的示例方法和过程中。例如，可在任何所示操作之前、之后、同时或之间执行一个或多个附加操作。附加地，在其他实施例中，操作可被重新布置或重新排序。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。此外，在上述实施例中的各种***部件的分离不应被理解为在所有实施例中都需要这种分离，并且应当理解，所描述的程序部件和***通常可集成在单个软件产品中或打包到多个软件产品中。附加地，其他实施例在以下示例的范围内。在某些情况下，可以以不同的顺序执行示例中记载的动作，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，而是与与本文中公开的本发明、原理和新颖性特征一致的最宽范围相一致。

Claims (21)

1.一种头戴式显示***，其被配置为将光投射到佩戴所述头戴式显示***的用户的眼睛，以在所述用户的视场中显示内容，所述头戴式显示***包括：
框架，其被配置为被支撑在所述用户的头部上；
图像投影仪，其被配置为投影图像；
至少一个照明源；
导光部件，所述导光部件被配置为当所述框架被所述用户佩戴时被定位在所述用户的一只眼睛前方；
至少一个照明入耦合光学元件，其被配置为将来自所述至少一个照明源的光入耦合到所述导光部件中以便在其中引导来自所述至少一个照明源的光；以及
至少一个漫射光学元件，其被设置在所述导光部件上，以便当所述框架被所述用户佩戴时被定位在所述用户的一只眼睛前方，其中，所述至少一个漫射光学元件被配置为将来自所述至少一个照明源的光漫射地耦合出所述导光部件。
2.根据权利要求1所述的***，其中，所述图像投影仪包括可见光源和调制器。
3.根据权利要求2所述的***，其中，光调制器包括空间光调制器。
4.根据权利要求1所述的***，其中，所述至少一个照明源包括被配置为发射红外IR光的IR光源。
5.根据权利要求1所述的***，其中，所述导光部件包括对可见光透明的材料，所述材料的折射率足以通过全内反射在所述导光部件中引导来自所述至少一个照明源的光。
6.根据权利要求1所述的***，其中，所述导光部件的至少一部分是透明的，并且当所述用户佩戴所述框架时被设置在所述用户的眼睛前方的位置处，以使得所述透明部分将来自所述用户前方的环境的光透射到所述用户的眼睛以提供所述用户前方的所述环境的视图。
7.根据权利要求1所述的***，其中，所述至少一个漫射光学元件被配置为将来自所述至少一个照明源的光朝向所述用户的眼睛耦合出所述导光部件。
8.根据权利要求1所述的***，其中，所述至少一个漫射光学元件被配置为将来自所述至少一个照明源的光朝向所述用户前方的环境耦合出所述导光部件到所述用户的眼睛。
9.根据权利要求1所述的***，其中，所述至少一个漫射光学元件在小于所述至少一个导光部件的面积的5％的区域上延伸。
10.根据权利要求1所述的***，其中，所述至少一个导光部件包括被设置在漫射膜的相对侧的第一导光部件和第二导光部件。
11.根据权利要求1所述的***，其中，所述至少一个漫射光学元件包括被设置在所述导光部件的相对侧的一对漫射光学元件。
12.根据权利要求1所述的***，其中，所述至少一个漫射光学元件包括被设置在所述导光部件的相对侧的第一漫射膜和第二漫射膜。
13.根据权利要求1所述的***，其中，所述至少一个漫射光学元件包括被配置为将光引导到沿不同的第一方向和第二方向取向的分布中的第一漫射光学元件和第二漫射光学元件。
14.根据权利要求1所述的***，其中，所述至少一个漫射光学元件包括第一漫射光学元件和第二漫射光学元件，所述第一漫射光学元件和所述第二漫射光学元件被配置为分别将具有第一波长和第二波长的光选择性地引导到沿不同的第一方向和第二方向取向的分布中，并且所述至少一个照明源包括分别选择性地发射所述第一波长和所述第二波长的第一光源和第二光源。
15.根据权利要求1所述的***，其中，所述至少一个照明源包括多个照明源，并且所述至少一个漫射光学元件将来自不同照明源的光引导到沿不同方向取向的相应的分布中。
16.根据权利要求1所述的***，其中，所述至少一个照明源包括多个照明源，并且所述至少一个漫射光学元件引导来自不同照明源的光，就像源自所述至少一个导光部件前方的不同相应的位置。
17.根据权利要求1所述的***，其中，所述至少一个漫射光学元件是折射的、反射的、衍射的、或其任意组合。
18.根据权利要求1所述的***，其中，所述至少一个漫射光学元件包括一个或多个漫射片、一个或多个光成形漫射器、一个或多个漫射膜、一个或多个刻蚀、一个或多个透射光学元件、一个或多个颗粒、一个或多个不规则表面、一个或多个表面浮雕结构、PTFE、聚四氟乙烯、毛玻璃、蛋白石玻璃、灰玻璃、一个或多个白色表面、有色凝胶、一个或多个全息图、或它们的任意组合。
19.根据权利要求1所述的***，其中，所述至少一个漫射光学元件是波长选择性的，以便基本上选择性地漫射从所述至少一个照明源发射的一个或多个波长的光而不是其他波长的光。
20.根据权利要求1所述的***，其中，所述***包括多个漫射光学元件，并且至少一个照明源发射多个波长带的光，并且其中，不同的所述漫射光学元件选择性地漫射来自所述至少一个照明源的所述多个波长带中的相应的波长带。
21.根据权利要求1所述的***，其中，所述至少一个漫射光学元件不重定向来自所述环境的可见光。
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