用于增强现实的系统和方法与流程

本申请要求2016年4月7日提交的序列号为62/319,566，代理案卷号为ml.30065.00，名称为“systemandmethodforaugmentedreality(用于增强现实的系统和方法)”的美国临时申请的优先权。本申请涉及以下专利申请：2014年7月14日提交的序列号为14/331,218，代理案卷号为ml.20020.00，名称为“planarwaveguideapparatuswithdiffractionelement(s)andsystememployingsame(具有一个或多个衍射元件的平面波导装置及使用其的系统)”的美国实用新型专利申请；2014年11月27日提交的序列号为14/555,585，代理案卷号为ml.20011.00，名称为“virtualandaugmentedrealitysystemsandmethods(虚拟和增强现实系统及方法)”的美国实用新型专利申请；2015年5月29日提交的序列号为14/726,424，代理案卷号为ml.20016.00，名称为“methodsandsystemsforvirtualandaugmentedreality(用于虚拟和增强现实的方法和系统)”的美国实用新型专利申请；2015年5月29日提交的序列号为14/726,429，代理案卷号为ml.20017.00，名称为“methodsandsystemsforcreatingfocalplanesinvirtualandaugmentedreality(用于在虚拟和增强现实中创建焦平面的方法和系统)”的美国实用新型专利申请；以及2015年5月29日提交的序列号为14/726,396，代理案卷号为ml.20018.00，名称为“methodsandsystemsfordisplayingstereoscopywithafreeformopticalsystemwithaddressablefocusforvirtualandaugmentedreality(用具有用于虚拟和增强现实的可寻址焦点的自由形态光学系统显示立体观视的方法和系统)”的美国实用新型专利申请。上述专利申请的全部内容通过引用明确地全部并入此文，就像完整阐述一样。

背景技术

现代计算和显示技术促进了用于所谓的“增强现实”体验的系统的开发，其中数字再现的图像或其部分以其看起来真实或可以被感知为真实的方式呈现给用户。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(即，对其他实际的现实世界视觉输入透明)。因此，ar场景涉及以对其他实际的现实世界视觉输入透明的方式呈现数字或虚拟图像信息。人类视觉感知系统非常复杂，并且产生有助于与其它虚拟或现实世界的图像元素一起舒适、自然、丰富地呈现虚拟图像元素的ar技术极具挑战性。

大脑的可视化中心从双眼和其部件相对于彼此的动作得到有用的感知信息。两只眼睛相对于彼此的聚散运动(即，瞳孔向着彼此或远离彼此以会聚眼睛的视线来注视对象的转动动作)与眼睛的晶状体的聚焦(或“调节(accommodation)”)紧密相关。在正常情况下，根据已知的“调节-聚散度(vergence)反射”关系，改变眼睛的晶状体的焦点或调节眼睛以聚焦在处于不同距离处的对象上会自动引起聚散度的与同一距离匹配的变化。同样，在正常情况下，聚散度变化会引发调节的匹配变化。已知违背此反射起作用(如大多数常规的立体ar配置所做的那样)会使用户产生眼疲劳、头痛或其它形式的不适。

立体可穿戴眼镜一般以用于左眼和右眼的两个显示器为特征，这两个显示器被配置为显示具有稍微不同的元素呈现的图像，使得人类视觉系统感知到三维透视图。已经发现这类配置由于在三维中感知图像所必需克服的聚散度与调节之间的失配(“聚散度-调节冲突”)而使许多用户不舒适。实际上，一些ar用户不能耐受立体配置。因此，大多数传统的ar系统不是最适合以对用户来说舒适且最有用的方式来呈现丰富的双目三维体验，部分原因是现有系统未能解决一些人类感知系统的基本方面的问题，包括聚散度-调节冲突。

ar系统还必须能够在相对于用户的各种感知位置和距离处显示虚拟数字内容。ar系统的设计也带来了许多其他挑战，包括系统在传送虚拟数字内容时的速度、虚拟数字内容的质量、用户的眼睛缓解(解决聚散度-调节冲突)、系统的尺寸和便携性、以及其他系统和光学挑战。

解决这些问题(包括聚散度-调节冲突)的一种可能的方法是在多个深度平面处投射图像。为了实现此类系统，一种方法是使用多个导光光学元件将光引导到用户的眼睛，使得光看起来源自多个深度平面。导光光学元件被设计为使与数字或虚拟对象对应的虚拟光耦入(in-couple)并使其通过全内反射(“tir”)传播，然后耦出(out-couple)所述虚拟光以向用户的眼睛显示所述数字或虚拟对象。导光光学元件也被设计为对来自实际的现实世界对象(例如，从实际的现实世界对象反射)的光透明。因此，导光光学元件的部分被设计为反射虚拟光以经由tir传播，同时对来自现实世界对象的现实世界光透明。

然而，一些现实世界的光可被耦入导光光学元件中并且以不受控制的方式耦出，从而导致现实世界对象的非预期图像被呈现给用户的眼睛。ar场景中现实世界对象的非预期图像的出现可能会破坏ar场景的预期效果。在视场中的随机位置处非预期图像的出现也可导致由聚散度-调节冲突引起的不适。本文中描述的系统和方法被配置为解决这些挑战。

技术实现要素：

在一个实施例中，一种增强现实系统包括被配置为生成虚拟光束的光源。所述系统还包括导光光学元件，所述导光光学元件具有入射部分、出射部分和一表面，该表面具有与其相邻设置的转向器。所述光源和所述导光光学元件被配置为使得所述虚拟光束通过所述入射部分进入所述导光光学元件，通过从所述表面至少部分地反射而传播通过所述导光光学元件，以及通过所述出射部分离开所述导光光学元件。所述导光光学元件对第一现实世界光束是透明的。所述转向器被配置为在所述表面处修改第二现实世界光束的光路。

在一个或多个实施例中，所述转向器被配置为反射所述第二现实世界光束。所述转向器可以被配置为折射或衍射所述第二现实世界光束。

在一个或多个实施例中，所述转向器是波长选择性的。所述光源可以被配置为使得所述虚拟光束具有与所述转向器至少部分反射的波长相对应的波长。

在一个或多个实施例中，所述转向器是入射角选择性的。所述光源和所述导光光学元件可以被配置为使得所述虚拟光束以与所述转向器反射的入射角相对应的入射角从所述表面反射。

在一个或多个实施例中，所述转向器是偏振选择性的。所述虚拟光束可以具有与所述转向器反射的偏振相对应的偏振。

在一个或多个实施例中，所述转向器被配置为与没有所述转向器的表面相比减小所述表面的临界角。所述转向器可以是薄膜二向色转向器。

在一个或多个实施例中，所述导光光学元件还具有第二表面，其中所述光源和所述导光光学元件被配置为使得所述虚拟光束通过从所述表面和所述第二表面至少部分地反射而传播通过所述导光光学元件。所述导光光学元件还可以具有与所述第二表面相邻设置的第二转向器，其中所述第二转向器被配置为在所述表面处修改第三现实世界光束的光路。

在一个或多个实施例中，所述转向器是涂层。所述涂层可以是动态涂层。所述动态涂层可以包括介电材料、液晶或铌酸锂。所述转向器可以包括超表面(metasurface)材料。所述转向器可以是波导耦出器(outcoupler)。

在另一实施例中，一种增强现实系统包括被配置为生成虚拟光束的光源。所述系统还包括导光光学元件，其具有入射部分、出射部分、第一表面和第二表面。所述第一表面具有与其相邻设置的第一转向器。所述第二表面具有与其相邻设置的第二转向器。所述光源和所述导光光学元件被配置为使得所述虚拟光束通过所述入射部分进入所述导光光学元件，通过从所述第一表面和所述第二表面至少部分地反射而传播通过所述导光光学元件，以及通过所述出射部分离开所述导光光学元件。所述导光光学元件对第一现实世界光束是透明的。所述第一转向器和所述第二转向器各自被配置为在相应的第一表面和第二表面处修改第二现实世界光束的反射。

在一个或多个实施例中，所述第一转向器和所述第二转向器各自被配置为反射所述第二现实世界光束。

附图说明

附图示出了本发明的各种实施例的设计和效用。应当注意，附图未按比例绘制，并且在所有附图中，相似的结构或功能的元件由相同的参考标记表示。为了更好地理解如何获得本发明的各种实施例的上述和其它优点和目的，将通过参考在附图中示出的具体实施例来对上面简要描述的本发明进行更详细的描述。应当理解，这些附图仅示出了本发明的典型实施例，因此不应被认为限制其范围，通过使用附图，本发明将用附加的特性和细节来进行描述和解释，在附图中：

图1至3是各种增强现实系统的详细示意图；

图4是示出增强现实系统的焦平面的图；

图5是增强现实系统的导光光学元件的详细示意图；

图6是增强现实系统的现有技术导光光学元件的侧向示意图；

图7是根据一个实施例的增强现实系统的导光光学元件的侧向示意图；以及

图8是根据一个实施例的增强现实系统的导光光学元件的涂覆表面的侧向示意图。

具体实施方式

本发明的各种实施例在单个实施例或多个实施例中涉及用于实现光学系统的方法、系统和制品。在具体实施方式、附图以及权利要求中描述了本发明的其他目的、特征以及优点。

现在将参考附图详细描述各种实施例，附图被提供作为本发明的例示性示例以使本领域技术人员能够实践本发明。值得注意的是，以下附图和示例不旨在限制本发明的范围。在可以使用已知部件(或方法或过程)部分地或完全地实现本发明的某些要素的情况下，将仅描述这样的已知部件(或方法或过程)中的对本发明的理解所必需的那些部分，且将省略这样的已知部件(或方法或过程)中的其他部分的详细描述以不使本发明模糊。另外，各种实施例包含对本文中以例示的方式提到的部件的现在或未来已知的等同物。

所述光学系统可以独立于ar系统来实现，但在下面许多实施例仅为了说明的目的而关于ar系统进行描述。

问题和解决方案的概要

用于在允许现实世界光通过的同时在各种深度处生成虚拟图像的一种光学系统包括至少部分透明的导光光学元件(例如，包括衍射光学元件的棱镜)。然而，这些导光光学元件可能非故意地从现实世界对象耦入现实世界光。意外耦入的现实世界光可以朝向用户的眼睛从导光光学元件耦出。耦出的现实世界光以改变了的角度离开导光光学元件，从而在ar场景中生成伪像，例如从地平线下方出现的太阳的“鬼影”图像或伪像。鬼影伪像不仅用不协调且脱离背景的图像破坏ar场景的效果，还会导致用户遭受由聚散度调节冲突引起的不适。

以下公开内容描述了通过将一个或多个涂层施加到导光光学元件的一个或多个表面，使用解决了该问题的多平面聚焦光学元件来创建3d感知的系统和方法的各种实施例。特别地，涂层可以是角度选择性的，使得涂覆的光学元件对于具有低入射角(“aoi”；例如，距光学元件的表面近90度)的现实世界光是基本上透明的。同时，该涂层使得涂覆的光学元件对具有高aoi(例如，几乎平行于光学元件的表面；约170度)的倾斜现实世界光具有高反射性。因此，涂覆的导光光学元件对于视场中的现实世界光可以是基本透明的，同时使现实世界光的非故意耦入和与其相关联的鬼影伪像最小化。

示例性增强现实系统

在描述涂覆的导光光学元件的实施例的细节之前，本公开现在将提供示例性ar系统的简要描述。

实现ar系统的一种可能的方法使用多个体相位全息图、表面浮雕全息图或被嵌入有深度平面信息的导光光学元件，以生成看起来源自相应深度平面的图像。换句话说，衍射图案或衍射光学元件(“doe”)可以被嵌入在导光光学元件(“loe”；例如平面波导)内或被压印在导光光学元件上，使得当准直光(具有基本平面波前的光束)沿着loe基本被全内反射时，所述准直光在多个位置处与衍射图案相交并朝向用户的眼睛出射。doe被配置为使得从loe通过其出射的光被聚散，从而它们看起来源自特定的深度平面。可以使用光学聚光透镜(“聚光器”)生成准直光。

例如，第一loe可以被配置为向眼睛传送看起来源自光学无限远深度平面(0屈光度)的准直光。另一loe可以被配置为传送看起来源自2米的距离(1/2屈光度)的准直光。又一loe可以被配置为传送看起来源自1米的距离(1屈光度)的准直光。通过使用堆叠的loe组件，可以理解，可以创建多个深度平面，其中每个loe被配置为显示看起来源自特定深度平面的图像。应该理解，堆叠可以包括任何数量的loe。然而，需要至少n个堆叠的loe来生成n个深度平面。此外，n、2n或3n个堆叠的loe可被用于在n个深度平面处生成rgb彩色图像。

为了向用户呈现3d虚拟内容，增强现实(ar)系统将虚拟内容的图像投射到用户的眼睛中，使得它们看起来源自z方向上的各种深度平面(即，正交地远离用户的眼睛)。换言之，虚拟内容不仅可以在x和y方向上(即，在与用户眼睛的中心视轴正交的2d平面中)改变，而且也可以看起来在z方向上改变，使得用户可以感知到对象非常靠近或处于无限远距离或其间的任何距离处。在其他实施例中，用户可以同时感知在不同的深度平面处的多个对象。例如，用户可以看到虚拟的龙从无限远处出现并朝向用户行进。或者，用户可以同时看到距用户3米距离处的虚拟的鸟和距用户手臂长度(约1米)处的虚拟的咖啡杯。

多平面聚焦系统通过位于在z方向上距用户的眼睛相应的固定距离处的多个深度平面中的一些或全部上投影图像来创建可变深度的感知。现在参考图4，应当理解，多平面聚焦系统一般在固定深度平面202(例如，图4所示的六个深度平面202)处显示帧。尽管ar系统可包括任何数量的深度平面202，但是一个示例性多平面聚焦系统在z方向上具有六个固定深度平面202。在六个深度平面202中的一个或多个上生成虚拟内容时，创建3d感知，以使得用户在距用户眼睛不同的距离处感知一个或多个虚拟对象。假定人眼对距离较近的对象比看起来很远的对象更敏感，则距眼睛越近，生成的深度平面202越多，如图4所示。在其他实施例中，深度平面202可以被放置在彼此相距相等的距离处。

通常以屈光度度量深度平面位置202，屈光度是光焦度(opticalpower)的单位，光焦度等于以米为单位度量的焦距的倒数。例如，在一个实施例中，深度平面1可以是1/3屈光度远，深度平面2可以是0.3屈光度远，深度平面3可以是0.2屈光度远，深度平面4可以是0.15屈光度远，深度平面5可以是0.1屈光度远，深度平面6可以表示无限远(即，0屈光度远)。应当理解，其他实施例可以在其他距离/屈光度处生成深度平面202。因此，在策略性放置的深度平面202处生成虚拟内容时，用户能够以三维方式感知虚拟对象。例如，当在深度平面1中显示时，用户可以将第一虚拟对象感知为靠近他，而另一个虚拟对象看起来在深度平面6处的无限远处。或者，虚拟对象可以首先被显示在深度平面6处，然后在深度平面5处，依此类推，直到虚拟对象看起来非常靠近用户。应当理解，为了示例性目的，上述示例被显著简化。在另一个实施例中，全部六个深度平面可以集中在距用户特定焦距处。例如，如果待显示的虚拟内容是距用户半米远的咖啡杯，则可以在咖啡杯的各个横截面处生成全部六个深度平面，从而向用户提供咖啡杯的高度粒化的3d视图。

在一个实施例中，ar系统可以作为多平面聚焦系统工作。换言之，全部六个loe可以被同时照亮，以使得看起来源自六个固定深度平面的图像快速连续地生成，其中光源快速地将图像信息传送到loe1，然后是loe2，然后是loe3等。例如，可以在时间1处注入包括光学无限远处的天空的图像的所需图像的一部分，并且可以利用使光保持准直(例如，图4中的深度平面6)的loe1090。然后，可以在时间2处注入更近的树枝的图像，并且可以利用被配置为创建看起来源自10米远的深度平面(例如，图4中的深度平面5)的图像的loe1090；然后，可以在时间3处注入笔的图像，并且可以利用被配置为创建看起来源自1米远的深度平面的图像的loe1090。这种类型的范例可以以快速时间顺序(例如，以360hz)方式重复，使得用户的眼睛和大脑(例如视觉皮层)感知该输入是同一图像的全部部分。

需要ar系统投影看起来源自沿z轴的各个位置(即，深度平面)的图像(即，通过发散或会聚光束)，以生成用于3d体验的图像。如在本申请中所使用的，光束包括但不限于从光源辐射的光能(包括可见光能和不可见光能)的定向投射。生成看起来源自各深度平面的图像符合用户针对该图像的眼睛的聚散度和调节，并最小化或消除聚散度-调节冲突。

图1示出了用于在单个深度平面处投影图像的基本光学系统100。系统100包括光源120和loe190，loe190具有衍射光学元件(未示出)和与衍射光学元件相关联的耦入光栅192(“icg”)。衍射光学元件可以是任何类型，其中包括体浮雕或表面浮雕。在一个实施例中，icg192是loe190的反射模式镀铝部分。在另一实施例中，icg192是loe190的透射衍射部分。当使用系统100时，来自光源120的光束经由icg192进入loe190并通过基本上全内反射(“tir”)沿着loe190传播，以便向用户的眼睛显示。应当理解，尽管在图1中仅示出了一个光束，但是多个光束可以通过同一icg192从宽范围的角度进入loe190。光束“进入”或“被允许进入”loe包括但不限于光束与loe相互作用以便通过基本tir沿着loe传播。图1中示出的系统100可以包括各种光源120(例如，led、oled、激光器和遮蔽的宽区域/宽带发射器)。在其它实施例中，来自光源120的光可以经由光纤光缆(未示出)被传送到loe190。

图2示出了另一光学系统100'，其包括光源120、三个loe190和三个相应的耦入光栅192。光学系统100'还包括三个分束器或二向色镜162(用于将光引导到相应的loe)和三个lc光闸164(用于控制loe何时被照亮)。当使用系统100'时，来自光源120的光束被三分束器162分成三个亚光束/子光束。三个分束器还将子光束重定向到相应的耦入光栅。在子光束通过相应的耦入光栅192进入loe190之后，它们通过基本tir而沿着loe190传播，在这里它们与附加的光学结构相互作用，从而向用户的眼睛显示。在光路的远侧上的耦入光栅192的表面可以涂覆有不透明材料(例如铝)以防止光通过耦入光栅192传输到下一个loe190。在一个实施例中，分束器162可以与波长滤波器组合以生成红色、绿色和蓝色子光束。在这样的实施例中，需要三个loe190以在单个深度平面处显示彩色图像。在另一实施例中，每个loe190可以在用户的视场内横向角度移位地呈现较大的单个深度平面图像区域的一部分，所述视场可以是相同颜色的或不同颜色的(“平铺(tile)视场”)。

图3示出了另一光学系统100”，其具有六个分束器162、六个lc光闸164和六个loe190，每个loe具有相应的icg192。如上面在讨论图2时所解释的，需要三个loe190以在单个深度平面处显示彩色图像。因此，该系统100”的六个loe190能够在两个深度平面处显示彩色图像。

图5示出了loe190，其具有icg192、正交光瞳扩展器194(“ope”)和出射光瞳扩展器196(“epe”)。

如图1至4所示，随着所生成的深度平面、场块(fieldtile)或颜色的数量增加(例如，随着ar场景质量的增加)，loe190和icg192的数量增加。例如，单个rgb颜色深度平面需要至少三个具有三个icg192的loe190。因此，在这些光学元件处无意地耦入现实世界光的机会也增加。此外，现实世界光可以全部沿着loe190被耦入，其中包括在耦出光栅(未示出)处耦入。因此，生成可接受的ar场景所需的光学元件数量的增加加剧了由耦入的现实世界光引起的鬼影伪像的问题。

光瞳扩展器

上面讨论的loe190还可以用作出射光瞳扩展器196(“epe”)以增加光源120的数值孔径，从而增加系统100的分辨率。由于光源120产生小直径/光斑大小的光，因此epe196使从loe190出射的光的光瞳的表观尺寸扩展以增加系统分辨率。在ar系统100的其它实施例中，除了epe196之外，该系统可以还包括正交光瞳扩展器194(“ope”)以使光在x和y这两个方向上都扩展。关于epe196和ope194的更多细节在上面引用的序列号为14/555,585的美国实用新型专利申请和序列号为14/726,424的美国实用新型专利申请中进行了描述，其内容先前已通过引用而被并入。

图5示出了具有icg192、ope194和epe196的loe190。图5从俯视图示出了loe190，该俯视图与来自用户眼睛的视图类似。icg192、ope194和epe196可以是任何类型的doe，包括体浮雕或表面浮雕。

icg192是这样的doe(例如，线性光栅)：其被配置为准许来自光源120的光通过tir传播。在图5所示的实施例中，光源120被设置在loe190的侧面。

ope194是这样的doe(例如，线性光栅)：其在横向平面中(即，垂直于光路)倾斜，使得传播通过系统100的光束将被横向偏转90度。ope194也是部分透明的，并且沿着光路部分地反射，从而使得光束部分地传输通过ope194以形成多个(例如11个)子光束。在一个实施例中，光路沿着x轴，并且ope194被配置为使子光束向y轴弯曲。

epe196是这样的doe(例如，线性光栅)：其在轴向平面(即，平行于光路或y方向)中倾斜，使得传播通过系统100的子光束被轴向偏转90度。epe196也是部分透明的，并且沿着光路(y轴)部分地反射，使得子光束部分地传输通过epe196以形成多个(例如，7个)子光束。epe196也在z方向上倾斜，以将传播的子光束的一部分引导朝向用户的眼睛。

ope194和epe196二者也是沿z轴至少部分透明的，以允许现实世界光(例如，从现实世界对象反射出的现实世界光)在z方向上传输通过ope194和epe196到达用户眼睛。在一些实施例中，icg192也是沿z轴至少部分透明的，以准许现实世界光进入。然而，当icg192、ope194或epe196是loe190的透射衍射部分时，它们可能非故意地将现实世界光耦入到loe190中。如上所述，该非故意地耦入的现实世界光可能被耦出到用户眼睛中形成鬼影伪像。

鬼影伪像问题

图6是具有loe190的现有技术ar系统100的侧向示意图。该loe190类似于图5所示的loe190，但图6仅示出了icg192和epe196，为了清晰起见省略了ope194。示出了来自各种源的若干示例性光束以演示上述鬼影伪像问题。由光源120生成的虚拟光束302通过icg192而被耦入loe190。虚拟光束302携带由ar系统100生成的虚拟对象的信息。

虚拟光束302通过tir传播通过loe190，并且在每次照射到epe196上时部分地出射。在图6中，虚拟光束302照射到epe196上的两个位置。出射的虚拟子光束302'以由ar系统100确定的一角度寻址用户的眼睛304。图6所示虚拟子光束302'基本上彼此平行。因此，虚拟子光束302'将呈现看起来源自近乎无限远的图像(例如，远处的鸟群；未示出)。虚拟子光束302'可以以相对于彼此宽范围的角度对用户的眼睛304寻址，从而呈现看起来源自相对于用户眼睛的宽范围距离的图像。

loe190对于现实世界光束306——例如从现实世界对象308(例如，远处的树)反射的那些光束——也是透明的。由于图6所示的树308远离用户的眼睛304，因此现实世界光束302基本上相互平行。现实世界光束306在不明显改变轨迹的情况下传输通过loe190，这是因为loe190对于以相对低的aoi(例如，相对于loe190的外表面310大约90度)照射在loe190上的光是透明的。与用户眼睛302较近的距离处的现实世界对象308将彼此分开(diverge)，但仍将基本上传输通过loe190。

问题在于，该现有技术的loe190还耦入(通过折射)高aoi现实世界光束312，该现实世界光束312以高aoi(例如，大约平行于loe190的表面；约170度)对loe190寻址。例如，图6所示的高aoi对象314(即，太阳)相对于loe190具有高aoi。虽然太阳314被示出为位于loe190的右侧，但是太阳314可以是，并且通常是在loe190上方的高空中。

太阳314是高aoi对象314，由于其也非常明亮，因此可以产生鬼影伪像。可以产生鬼影伪像的其它对象314包括偶然以高aoi照射到loe190上的光源(手电筒、灯、前灯等)。

如图6所示，高aoi现实世界光束312可以在loe190的外表面310处被耦入loe190中。由于loe190的制造材料的折射率，耦入的高aoi现实世界光束312'改变高aoi现实世界光束312的轨迹。最后，当耦入的高aoi现实世界光束312'照射到epe196上时，它从loe190出射为具有进一步改变的轨迹的出射高aoi现实世界光束312”。如图6所示，该出射高aoi现实世界光束312”呈现太阳的鬼影图像/伪像316，其看起来源自视场中与太阳314的实际位置不同的位置。在图6中，鬼影图像/伪像316看起来源自与树308相同的位置。太阳314的非预期鬼影图像/伪像316在现实世界树308上的并置会破坏ar场景的预期效果。因为鬼影图像/伪像316将以随机的聚焦度出现，非预期鬼影图像/伪像316的出现还会导致由聚散度-调节冲突引起的不适。

因为ar系统100需要对现实世界光束306具有一定的透明度，所以它们的loe190具有高aoi现实世界光束312的非故意耦入、以及在耦入的高aoi现实世界光束312'离开loe190时产生的鬼影伪像的问题。虽然图6中示出了单个光束和子光束，但应该理解，这是为了清晰的目的。图6中示出的每个单个光束或子光束表示携带有相关信息并具有类似轨迹的多个光束或子光束。

涂覆的导光光学元件

图7是根据一个实施例的具有loe190的ar系统100的侧向示意图。loe190具有icg192、ope(未示出)、epe196和选择性反射涂层320。选择性反射涂层320被设置在loe190的外表面310上。选择性反射涂层320可以被配置为反射具有各种特性的光，这取决于涂层320是如何被“调谐”的。在一个实施例中，涂层被调谐以选择性地反射以相对高aoi照射在涂层320上的光，同时允许以相对低aoi照射在涂层320上的光传输通过涂层。涂层320也被调谐为允许相对低aoi光在不显著改变其轨迹角度的情况下传输通过。

对涂层320调谐涉及选择涂层的物理尺寸和化学组成以控制其反射特性。例如，涂层320可以包括多个薄层，如图8所示。整个涂层320或其中的一个或多个层可以包括二向色材料，或具有基于光特性(例如，波长、aoi和/或偏振)的不同光反射率的其它材料。可以组合具有不同反射特性的层以对涂层320调谐。

在一个实施例中，涂层320可以被调谐以在各种aoi下实现目标反射率。涂层设计软件可以确定层数和每个层的折射率以实现目标反射率。从折射率和厚度的标准堆叠开始(例如，来自镜设计师)，软件可以确定作为aoi或波长的函数的该结构的封闭解。增加涂层320中的层数和/或这些层的折射率和厚度便于实现更复杂的反射率-aoi轮廓，其中包括aoi和反射率的锐截止。对于单层和单材料折射率，涂层320可以是v涂层(即，一个波长和一个角度下的抗反射材料)。对于两个层，涂层320可以是w涂层(即，在两个波长和两个角度下的抗反射材料)。涂层设计技术类似于用于设计具有多个层和极锐波长截止的用于荧光显微镜的生物过滤器的技术。涂层320的示例包括动态涂层，例如介电涂层、液晶涂层和铌酸锂涂层。

系统100还包括光源120，其被配置为在icg192处引导虚拟光束302。虚拟光束302通过icg192而被耦入loe190中。虚拟光束302携带着由ar系统100生成的虚拟对象的信息。

虚拟光束302通过tir而传播通过loe190，并且在每次照射到epe196时部分地出射。涂层320被调谐以选择性地反射具有大于或等于系统100的临界角的aoi的光，从而便于tir。在其它实施例中，涂层320可以被调谐以减小loe190的临界角，从而进一步便于tir。

在图7中，虚拟光束302照射epe196上的两个位置。出射的虚拟子光束302'以由ar系统100确定的角度对用户的眼睛304寻址。图6所示的虚拟子光束302'基本上相互平行。因此，虚拟子光束302'将呈现看起来源自近乎无限远的图像(例如，远处的鸟群；未示出)。虚拟子光束302'可以以相对于彼此宽范围的角度对用户的眼睛304寻址，从而呈现看起来源自相对于用户眼睛的宽范围距离的图像。

loe190对于现实世界光束306——例如从现实世界对象308(例如，远处的树)反射的那些光束——也是基本透明的。施加到loe190的涂层320也被调谐为对于其aoi小于系统100的临界角的现实世界光束306基本透明。由于图6所示的树308远离用户的眼睛304，因此现实世界光束302基本上相互平行。现实世界光束306在不明显改变轨迹的情况下传输通过loe190，这是因为loe190对于以相对低的aoi(例如，相对于loe190的外表面310大约90度)照射在loe190上的光是基本透明的。与用户眼睛302较近的距离处的现实世界对象308将彼此分开，但仍将基本上传输通过loe190和涂层320。

当高aoi现实世界光束312以高aoi(例如，大约平行于loe190的表面)照射在loe190上时，高aoi现实世界光束312被涂层320选择性地反射，不会被耦入loe190中。涂层320被调谐而选择性地反射高aoi现实世界光束312(因为它具有高aoi)。如图7所示，反射的高aoi现实世界光束312”'被引导远离loe190，不会照射到用户的眼睛304。因为反射的高aoi现实世界光束312”'不会到达用户的眼睛304，因此不会在用户的视场中产生鬼影伪像。

以上述方式，选择性反射涂层320减少或消除鬼影伪像，同时保持对ar系统100所需的现实世界光束306的透明度。涂层320基本上防止了loe190耦入高aoi现实世界光束312。

涂层320还可以被调谐为对于虚拟光束302的特性是选择性的，从而提升其tir。在一个实施例中，涂层320被调谐为反射或更大程度地反射具有特定波长的光，并且光源120可被配置为使得虚拟光束302具有该特定波长。在另一实施例中，涂层320被调谐为反射或更大程度地反射具有特定aoi的光，并且系统100可被配置为使得虚拟光束302具有该特定aoi。在又一实施例中，涂层320被调谐为反射或更大程度地反射具有特定偏振的光，并且系统100可以被配置为使得虚拟光束302具有该特定偏振。在再一实施例中，涂层320被调谐为减小外表面310的临界角。在又一实施例中，涂层320被调谐为反射用户眼睛最敏感的一个或多个波长的光(例如，520nm或532nm“绿色”光)，从而防止该光的非故意耦入。

虽然图6中示出了单个光束和子光束，但应该理解，这是为了清晰的目的。图6中示出的每个单个光束或子光束表示携带有相关信息并具有类似轨迹的多个光束或子光束。

虽然涂层320可以通过反射现实世界的高aoi光来减小视场，但是鬼影伪像的减少或消除是一个重于减小视场的代价的益处。此外，涂层320可以被调谐为在保持可接受的视场的同时减少鬼影伪像。

虽然本文描述的实施例包括单个涂覆表面310，但是其它实施例具有两个或更多个涂覆表面310，以减少在所有涂覆表面310处高aoi现实世界光束312的非故意耦入。在单个表面310被涂覆的实施例中，优选地面向前的表面310被涂覆，因为面向前的表面310将最大程度地暴露于高aoi现实世界光束312。

虽然本文描述的实施例包括涂覆的外表面310，但是也可以使涂层320或其结构和化学等同物包含在loe190中。在一些实施例中，涂层320或其结构和化学等同物被设置在loe190的内表面上。在其它实施例中，涂层320或其结构和化学等同物被设置在loe190的中间。实施例包括所有可能的位置，只要涂层320或其结构和化学等同物反射高aoi现实世界光束312并防止它们耦入loe190即可。

虽然本文描述的实施例包括位于loe190的一个外表面310上的涂层320，但是其它实施例包括位于多个表面上的多个涂层。例如，图9所示的光学系统100包括位于loe190的第一外表面310上的第一涂层320，以及位于loe190的第二外表面310'上的第二涂层322'。该第二涂层322'可以防止选择的现实世界光束(例如，高aoi)从第二方向耦入loe190。

虽然本文描述的实施例包括至少部分透明的涂层320，但是其它实施例可以包括用于改变选择的现实世界光束(例如，高aoi)的光路的其它“转向器”，以使得现实世界光束不被耦入loe。转向器的示例包括各种“有损物质”，例如超表面材料和波导耦出器。

虽然本文描述的实施例包括反射选择的现实世界光束的转向器(例如，涂层)，但是其它实施例包括改变选择的现实世界光束的光路的转向器。这样的转向器可以折射或衍射选择的现实世界光束。

提供上述ar系统作为可受益于更多选择性反射的光学元件的各种光学系统的示例。因此，本文所述的光学系统的用途不限于所公开的ar系统，而是适用于任何光学系统。

本文描述了本发明的各种示例性实施例。在非限制性的意义上参考这些实施例。提供这些示例是为了示出本发明的更广泛的可应用方面。在不脱离本发明的真实精神和范围的情况下，可以对所描述的本发明进行各种改变并可用等同物替换。另外，可以进行很多修改以使特定情形、材料、物质的组成、过程、过程动作或步骤适应本发明的目的、精神或范围。此外，如本领域技术人员将理解的，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，在此描述和说明的每个单独的变型具有分立的部件和特征，其可以容易地与其他若干实施例的任意一个的特征分离或组合。全部这样的修改旨在落入与本公开相关联的权利要求的范围之内。

本发明包括可以使用主题设备执行的方法。所述方法可以包括提供这样的合适设备的动作。这种提供可以由终端用户执行。换言之，“提供”动作仅需要终端用户的获得、访问、接近、定位、设置、激活、通电或其它动作，以在主题方法中提供必要的设备。在此所述的方法可按逻辑上可能的所述事件的任何顺序以及以所述的事件顺序来执行。

以上已经阐述了本发明的示例性方面以及关于材料选择和制造的细节。对于本发明的其它细节，这些其他细节可结合以上引用的专利和出版物以及本领域的技术人员通常知道或理解的来理解。在如通常或逻辑上采用的附加动作的方面，关于本发明的基于方法的方面也是如此。

此外，虽然已经参考可选地包括各种特征的若干示例描述了本发明，但是本发明并不限于被描述或指示为关于本发明的每个变型所预期的。在不脱离本发明的真实精神和范围的情况下，可以对所描述的本发明进行各种变化，并且等同物(无论是本文所述的还是为了简洁起见而未被包括的)可被代替。此外，如果提供值的范围，则应当理解，在该范围的上限和下限之间的每个中间值和在该所述范围中的任何其它所述值或中间的值被包括在本发明之内。

此外，可预期的是，所描述的发明变型的任何可选特征可以独立地或者与本文描述的任何一个或多个特征组合来阐述和要求权利。对单数项目的引用包括存在多个相同项的可能性。更具体地，除非另有具体说明，当在本文和与本文相关联的权利要求中所使用时，单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”包括复数指示对象。换言之，所述冠词的使用允许有上述说明书以及与本公开相关联的权利要求中的主题项中的“至少一个”。还应注意，这样的权利要求可以被撰写为排除任何可选要素。因此，本声明旨在作为使用与权利要求要素的叙述相关的如“单独”、“仅”等排他性术语或使用“否定”限制的先行基础。

在不使用这种排他性术语的情况下，与本公开相关联的权利要求中的术语“包括”应允许包括任何附加要素，不管在这样的权利要求中是否列举了给定数量的要素，或者特征的添加可以被视为转变在这样的权利要求中阐述的要素的性质。除非本文中具体限定，否则本文使用的全部技术术语和科学术语在保持权利要求有效性的同时被赋予尽可能宽的通常理解的含义。

本发明的广度不限于所提供的示例和/或主题说明书，而是仅由与本公开相关联的权利要求语言的范围限制。

在前述说明书中，已经参考本发明的具体实施例对本发明进行了描述。然而，显而易见的是，在不脱离本发明的更广泛的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和改变。例如，参考过程动作的特定顺序来描述上述过程流程。然而，可以改变许多所描述的过程动作的排序而不影响本发明的范围或操作。因此，说明书和附图应被视为说明性的而非限制性的。