用于增强现实系统的基于波导的光学系统和方法与流程

本申请根据35u.s.c.§119要求于2017年10月13日提交的美国临时申请序列no.62/572,109的优先权权益，本申请基于该临时申请的内容并且该临时申请的内容通过引用整体并入本文。

本公开涉及增强现实(ar)系统，并且更具体地涉及用于ar系统的基于波导的光学系统和方法。

背景技术：

ar系统用于将虚拟对象添加到用户正在观察的真实视觉场景中。ar系统的示例类型是可穿戴的，并且利用用户佩戴的眼镜、眼罩或头盔的形式的护目镜(eyewear)，并且有时被称为头戴式显示器(hmd)系统。ar系统通常包括光学系统，该光学系统被配置为允许观看对象或场景，同时还向实际对象或直接观看的场景添加增强对象。

ar系统通常执行五个主要功能。第一是将增强对象放置在远离用户眼睛的地方。第二是将增强对象变换成缩放(scale)不变和移位(shift)不变的形式。第三是在用户眼前移位变换后的增强对象，同时允许来自真实场景的光线不受干扰地通过。第四是对变换和移位后的增强对象进行缩放，以使用户眼前的眼盒(eyebox)最大化。第五是将来自真实场景和经过变换、移位和缩放的增强对象两者的光线结合起来，并且允许用户眼睛形成增强场景的真实图像。

已经提出了几种用于ar系统的不同光学系统设计，包括那些采用一种或多种类型的光学元件(诸如分束器、离轴透镜、镜子(包括微镜)、光导、衍射光学元件(doe)和全息光学元件(hoe))的各种组合的设计。

光导的使用是有利的，因为它们可以提供对ar护目镜特别有用的紧凑的设计。然而，迄今为止使用的光导往往相对较厚，即，它们是由几何光学原理而不是由波导的电磁理论来描述的。由此，它们具有相对有限(窄)的视场(例如，在30°到50°范围内)，并且必须按照非常严格的几何公差(例如，微米级)制造，以便输出的光提供高质量的图像。此外，由于光作为光线而不是作为真正的导波穿过光导，因此光从光导的的输出耦合在光导的输出区域上是离散的而不是连续的。

技术实现要素：

本文公开了用于在ar系统中使用以形成用户正在观看的对象或场景的增强图像的一种ar光学系统。该ar光学系统包括波导结构，该波导结构包括由基板支持的波导层。输入光栅和输出光栅位于波导层内并且横向间隔开。使来自显示器的输入光入射到输入光栅上。输入光耦合到波导层中并且作为多个导模在波导层中行进到输出光栅。输入光栅和输出光栅提供相位匹配，使得由输出光栅沿输出光栅连续地将导模耦合出波导层，以形成输出光。同时，来自场景的光垂直地传输通过输出光栅，使得输出光和来自场景的光由用户的眼睛进行组合以形成增强现实图像。

本公开的一个方面是用于在操作波长处在增强现实系统中使用的增强现实光学系统。该系统包括：具有在操作波长处的折射率ns、顶表面和底表面的基板；输入光栅和输出光栅，各自形成在基板的顶表面中或顶表面上，并且彼此横向间隔开；波导层，具有主体、顶表面、底表面以及厚度1μm≤thg≤100μm，其中波导层的底表面被支持在基板的顶表面上，使得输入光栅和输出光栅延伸到波导层中，并且其中波导层在操作波长处具有折射率ng≥ns并且支持多个导模；并且其中输入光栅和输出光栅提供相位匹配，使得入射到输入光栅上的输入光耦合到波导层中并且以导模行进到输出光栅，并且由输出光栅耦合出波导层作为输出光。

本公开的另一方面是用于观看对象或场景的增强现实系统，其包括：上述增强现实光学系统，其具有前区域和后区域；显示装置，设置在后区域中并生成输入光；以及耦合光学系统，相对于显示装置可操作地布置，并且被配置为在输入视场上将输入光引导到增强现实光学系统的输入光栅。

本公开的另一个方面是增强现实光学系统，包括：波导结构，包括折射率ng和在1μm≤thg≤100μm范围内的厚度thg的波导层，该波导结构被支持在具有折射率ns的基板上，其中ng–ns≥0.5，并且其中波导结构支持多个导模；以及输入光栅和输出光栅，各自位于波导层内，其中输入光栅和输出光栅提供相位匹配，并且彼此横向间隔开。

本公开的另一个方面是在观看对象或场景时形成增强现实图像的方法。该方法包括：在输入视场上将来自显示图像的显示光引导到波导结构的输入光栅，以形成在波导结构中行进的多个导模；使用波导结构的输出光栅在输出视场上将该多个导模耦合出，其中输出光栅与输入光栅相位匹配并与输入光栅间隔开；利用成像光学系统通过输出光栅观看对象或场景同时利用成像光学系统接收来自输出光栅的输出光；以及利用成像光学系统形成增强图像，该增强图像将显示图像与对象或场景的图像进行组合。

本文公开的ar光学系统和ar系统与常规ar光学系统和ar可穿戴系统相比具有优势。一个优点是波导结构允许ar光学系统具有相对较细的形状因数，这对于ar可穿戴系统(诸如ar眼镜和ar眼罩)是重要的。另一个优点是波导结构可以变形(弯曲)，而不会对成像产生实质性的不利影响。另一个优点是使用的材料便宜，设计相对容易制造。另一个优点是波导结构允许相对较大的fov，例如从50°到70°。另一个优点是，相对较薄的设计允许来自通过ar光学系统观看的对象或场景的光的很好的传输。又一个优点是，与常规光导(其中光提取由于光导的基于光线的功能而是离散的)相比，该波导结构允许在输出光栅的长度上的基本上连续的光提取。

附加特征以及优点将在以下具体实施方式中予以阐明，并且部分地从所述描述中对本领域的技术人员而言将变得非常明显或者通过实践如所写描述中描述的实施例和其权利要求书以及所附附图很容易被认识。应当理解的是，以上一般描述和以下详细描述两者仅为示例性的，并且它们旨在提供用于理解权利要求书的本质和特性的概观或框架。

附图说明

各个附图被包括以提供进一步理解，各个附图被并入并且构成本说明书的部分。附图图示了一个或多个实施例，并与具体实施方式一起用来解释各实施例的原理和操作。因此，结合附图，将从以下具体实施方式中更充分地理解本公开，其中：

图1是根据本公开的示例基于波导的ar光学系统的升高的示意图。

图2是示例ar光学系统图1的横截面图。

图3是类似于图2的示例ar光学系统的并且进一步包括盖层的示例ar光学系统的横截面图。

图4是类似于图2的示例ar光学系统的并且进一步包括紧邻波导层的底表面的低折射率层的示例ar光学系统的横截面图。

图5是ar光学系统的示例波导结构的一部分的示意图，示出了主要在波导层内行进的多个导模。

图6a类似于图2，并且示出了本文公开的ar光学系统的基本操作原理。

图6b是示出输入角范围和该输入角范围内的三个示例输入角的输入光的特写视图。

图6c是示出输出角范围和该输出角范围内的三个示例输出角的输出光的特写视图。

图7a到图7d是本文公开的ar光学系统的输入光栅和输出光栅的示例配置的自顶向下视图。

图8到图12是包括至少一个弯曲表面的示例ar光学系统的示意横截面图。

图13a是ar系统的示例实施例的示意图，该ar系统包括如由用户使用的本文公开的ar光学系统，其中用户的眼睛构成成像光学系统。

图13b是示例ar护目镜的示意图，该示例ar护目镜合并了本文公开的ar系统，并且可以由用户佩戴。

图14类似于图13a，并且示出了ar系统包括成像光学系统的示例，该成像光学系统包括成像透镜和图像传感器，而不是如图13a所示的用户眼睛。

具体实施方式

现在将详细参考本公开的各种实施例，在附图中示出实施例的示例。只要有可能，在所有附图中均使用相同或相似的参考数字和标记指代相同或相似的部件。附图不一定要缩放，本领域技术人员将认识到附图在哪里被简化以示出本公开的关键方面。

下文所述的权利要求并入本具体实施方式，并构成本具体实施方式的部分。

在一些图中示出笛卡尔坐标是为了参考，并不旨在对方向或取向进行限制。

在下文的描述中，λ是指光的操作波长，而δλ是指包括操作波长的光的操作波长范围(即，光谱带)。此外，θ是指角度，而δθ是指角度范围，在示例中，该角度范围表示视场(fov)。

下文引用的各种折射率用于操作波长λ，在示例中，操作波长λ是可见波长。在示例中，光谱带δλ包括可见波长。

ar光学系统

图1是根据本公开的示例基于波导的ar光学系统(“ar光学系统”)10的升高的示意图，而图2是图1的示例ar光学系统的横截面图。如图1中最佳所见，ar光学系统具有x方向的长度lz、y方向的长度ly和z方向的总厚度th。

ar光学系统10具有基板20，基板20具有主体21、顶表面22和底表面24。基板20的主体21具有折射率ns和厚度ths。在所示的示例中，基板20是平面的，尽管可以如下文所述使用其他非平面配置。

基板的顶表面22包括由第一光栅元件32a组成的第一光栅30a和由光栅元件32b组成的第二光栅30b。第一光栅和第二光栅在x方向上被间隔(距离)sg间隔开。第一光栅30a在本文中被称为“输入”光栅或“入射光瞳”光栅，而第二光栅30b在本文中被称为“输出”光栅或“出射光瞳”光栅。输入光栅30a和输出光栅30b各自具有相同的周期λ和光栅高度h。

在一个示例中，第一光栅32a和第二光栅32b中的一者或两者在基板中形成，使得第一光栅元件和第二光栅元件由基板材料制成。这可以使用掩模工艺、蚀刻工艺、复制工艺或模塑工艺来完成。在另一个示例中，将第一光栅元件32a和第二光栅元件32b中的一者或两者添加到基板的顶表面，例如，经由选择性沉积工艺或复制工艺。沉积的或复制的第一光栅元件32a和/或第二光栅元件32b可以由各种材料制成，例如无机材料(诸如氧化物)或有机材料(诸如丙烯酸酯)，其具有与基板20的折射率基本上相同的折射率。如下文所讨论的，输入光栅30a和输出光栅30b提供关于从ar光学系统10输入和输出的光的相位匹配，如下文更详细地描述的。

ar光学系统10还包括紧靠在基板20的顶表面22上的波导层40。波导层40具有主体41、顶表面42和底表面44，底表面44与基板20的顶表面22对接(即，接触)。因此，主体41的第一部分填充第一光栅元件32a之间的空间，而主体的第二部分填充第二光栅元件32b之间的空间。波导层40具有折射率ng，其中ng>ns。波导层40具有厚度thg。

在ar光学系统10的示例配置中，波导层40的顶表面42与周围环境60对接，周围环境60在一个示例中包括具有折射率na≈1的空气。在图3中示出的另一个示例中，波导层40的顶表面42与盖层50对接，盖层50具有折射率nc<ng。盖层50具有顶表面52和底表面54，底表面54与波导层的顶表面42接触。

基板20、波导层40和可选盖层50或周围环境60限定波导结构100，其中光可以在波导层内作为以不同导模行进的导波传播，如下文更详细地描述的。

ar光学系统10具有紧邻基板20的底表面24的前区域fr。ar光学系统10还具有紧邻波导层40的顶表面42或盖层50的顶表面52(取决于盖层50是否在ar光学系统中被使用)的后区域br。

在示例中，基板折射率(即，基板的主体21的折射率)ns≤1.5。在示例中，基板20可以由常规玻璃(诸如熔融二氧化硅)制成。在其他示例中，基板20可以由塑料或聚合物制成。在示例中，基板20可以由热塑性塑料制成。

同样，在示例中，波导层折射率ng≥2。在示例中，ng–ns≥0.5。波导层40还可以由至少一种氧化物，或至少一种氧化物材料和至少一种氟化物材料的组合制成。用于波导层40的示例氧化物材料包括薄膜，诸如ta2o5和tio2。

图4类似于图3，并且示出了其中波导结构100包括具有折射率nl<ns和厚度thl的低折射率层20l的示例配置。低折射率层20l紧邻波导层40的底表面44。低折射率层20l可以在顶表面22上被添加到基板20，或者可以形成在顶表面中，并且可以被认为限定新的基板顶表面22'，该基板顶表面22'包括或支持输入光栅30a和输出光栅30b。在示例中，低折射率层20l被形成为低折射率薄膜，诸如具有折射率nl＝1.38的mgf2。

波导结构

如上所述，波导结构100由相对高折射率波导层40限定，该相对高折射率波导层40被顶表面42处的周围环境60或盖层50和底表面44处的基板20或低折射率层20l的相对低折射率包围。波导结构100的波导特性主要由折射率ng、ns(或nl)和na(或nc)以及波导层40的厚度thg和所使用的光的操作波长λ来限定。

在非限制性示例中，波导层40的厚度thg在1μm≤thg≤100μm范围内或在20μm≤thg≤50μm范围内。波导层40的精确厚度thg取决于基底折射率ns(或低折射率层20l(如果使用)的折射率nl)，和盖层50的折射率nc或者是否使用折射率为na的周围环境。

图5是波导结构100的一部分的示意图。波导结构100不同于本领域通常所称的光导或光管，因为波导结构支持导模，导模由波传播的电磁理论而不是几何光学的规则恰当地描述。如上所述，在示例中，波导层40的总波导厚度thg可以在1≤thg≤100μm的范围内，这与例如具有250μm到1000μm的厚度的常规光导相比是相对薄的。在示例中，波导厚度thg至少比在基于常规光导的ar光学系统中使用的常规光导薄2.5倍。

图5包括主要在波导层40中传播的导波或导模120，其中导模的尾部(渐逝)部分在相邻层中行进。在示例中，波导结构100支持n＝0、1、2、……m个导模120，其中n是模数，且m是最高模数。对于给定的偏振，即te或tm，模总数为n＝m+1。n＝0模是基模，且n>0模是高阶模。图5示出了其中m＝8的示例，其中m＝8表示对于给定偏振由波导结构100支持的总共n＝9个导模120。

在波导结构100的示例中，导模120的总数n可以在500≤n≤1000的范围内。模的总数n被选择为足够大以提供足够的角分辨率和足够大的视场(fov)以及对于由输出光栅30b输出的输出光150’的基本上连续的光提取，同时将波导层40的厚度thg保持为相对较小(例如，到100μm或更小)。例如，fov可以高达70°，甚至更大的fov需要更大数量n个导模。同样，较小的fov需要较少的导模120。ar光学系统10当然可以在选择的情况下(例如，在相对窄的视场是可接受的情况下)使用仅几个模或数十个模来操作，但是可以预期，ar光学系统将在具有数百个模以具有相对大的fov的情况下是最有用的。

示例ar光学系统参数

示例ar光学系统10具有有着基板折射率ns≈1.5的玻璃基板20(例如，硅酸硼冕玻璃，诸如bk7)、由ta2o5制成且具有厚度thg＝100μm以及折射率ng＝2.15的波导层40、以及与波导层的顶表面42接触的周围空气环境60。该配置在可见操作波长λ＝520nm处支持约n＝600个导模120。

在与上述示例类似但波导层40由nb2o5制成且具有波导折射率ng＝2.38的另一个示例中，波导结构100支持约n＝700个模。

在与上述示例类似但波导层40由tio2制成且具有折射率ng＝2.68的另一个示例中，波导结构100支持约n＝850个模。

在与上述示例类似但基板20支持由mgf2制成且具有折射率nl＝1.38的低折射率层20l并且其中波导层40由具有折射率ng＝2.68的tio2制成的另一个示例中，波导结构100支持约n＝890个模。

在示例中，使用以下等式计算模的数量：

n＝(2·thg/λ)·(ng²-ns²)^1/2。

此外，在示例中，输入光栅30a和输出光栅30b可以各自具有以下参数：光栅周期(或节距(pitch))λ在200nm到600nm范围内，并且光栅元件高度h在50nm到500nm范围内。

输入光栅和输出光栅

图6a类似于图2，并且示出了ar光学系统10的基本操作原理。在图6a中，输入光150从ar光学系统10的后区域br入射到输入光栅30a上。如下文所讨论的，输入光150可以由形成显示图像的显示器生成。三种不同的光线150被指示150-1、150-2和150-3，并且对应于不同的入射角θ，在示例中，入射角θ可以相对于z轴测量。此处，光线150-1、150-2和150-3可以被认为是光波的传播方向。图6b是输入光150的特写视图，并且示出了在角范围δθ内的三个不同的示例角度θ1、θ2和θ3。输入光150-1、150-2和150-3通常沿-z方向从后区域br朝向输入光栅30a行进。

不同角度的输入光150-1、150-2和150-3入射到输入光栅30a上并与输入光栅30a交互，该输入光栅30a借助于不同入射角度θ1、θ2和θ3下波导模、输入光栅和输入光之间的相位匹配，将输入光转换成相对应的不同波导模120-1、120-2和120-3。由于波导结构100支持有限数量的导模120，因此只有在输入角范围内的选择入射角θ处的输入光150将作为导模120耦合到波导层40中并在波导层40中行进。这些角度θ被称为耦合角。波导结构100所支持的导模120的数量越多，耦合角θ的数量就越多。在图6a中，为了便于说明，仅示出了三个入射(耦合)角θ1、θ2和θ3。如上所述，可以具有n＝1000个不同的导模120，使得由输入角范围δθ限定的入射fov可以具有1000个耦合角θ。

波导模120-1、120-2和120-3在波导结构100内向输出光栅30b行进。输入光栅30a和输出光栅30b分别使波导模120与输入光150和输出光150'相位匹配。因此，由输出光栅30b将波导模120-1、120-2和120-3耦合出波导层40，作为以输出光150'的输出角范围δθ’＝δθ内的输出角θ1、θ2和θ3发射的相对应的输出光150'-1、150'-2和150'-3。图6c是输出光150’的特写视图，并且示出了在角范围δθ’内的三个不同的示例输出角θ1’、θ2’和θ3’。如上所述，对于n＝1000，可以有1000个不同的输出角θ'。

在当输入光栅30a和输出光栅30b具有相同的周期λ时的示例中，则θ1＝θ1'，θ2＝θ2'，θ3＝θ3'且δθ＝δθ’(即，耦合角等于相对应的输出角，且输入fov等于输出fov)。输出光150’通常沿+z方向行进返回ar光学系统10的后区域br。注意，输出光150’通常在横向方向(在图6a中，x方向)上从输入光150偏移距离sg。

在示例中，输入光150是多色的，即，具有波长带δλ。示例波长带δλ包括可见电磁光谱的至少一部分或由可见电磁光谱的至少一部分组成。

在输入光150是多色的情况下，波长带δλ内的每个波长λ将在输入角范围δθ上作为相对应的导模120耦合到波导结构100中。不同波长的导模120作为波分复用(wdm)应用的导模，以与不同波长的光在光纤中传播的方式相同的方式独立地在波导结构内传播。由于由输入光栅30a和输出光栅30b提供的相位匹配，输出光150’的光谱含量和分布与输入光150相同(或至少基本上相同)。因此，ar光学系统10能够进行彩色成像。

同时，在示例中，不同的光250(例如，来自对象或场景的可见光，未示出)从前区域fr到后区域br行进穿过ar光学系统10，并且特别地沿垂直于光栅元件32b的方向(即，在+z方向)穿过输出光栅30b。光250在穿过输出光栅30b时基本上不被输出光栅30b扭曲。这是因为输出光栅30b没有向光250提供相位匹配。

在ar光学系统10中利用波导结构100的优点是，输出光150沿着输出光栅30b的长度基本上连续地发射。这与基于常规光导的ar系统形成对比，在基于常规光导的ar系统中，光线通过全内反射被俘获在光导内，并且仅在沿光导的离散位置处出现。与常规光导的离散提取不同，沿着输出光栅30b对输出光150'的连续提取导致跨输出光栅(即，出射光瞳)的更均匀的光分布，以及因此如由用户观察到的相对应的更好的增强图像质量。

在示例中，输入光150也可以基本上是单色的，以用于单色成像。同样在示例中，ar光学系统10可以被配置为单独地处理输入光150的不同选择波长。例如，对于具有红色(r)、绿色(g)和蓝色(b)分量的输入光150，三种不同的波导结构100可以以堆叠配置设置并使用间隔层(例如，空气或低折射率膜)分离，其中不同的波导结构分别被配置成处理r、g和b输入光150。在另一个示例中，可以堆叠两个波导结构100，其中一个波导结构被设计成用于处理r和g输入光150，而另一个波导结构被设计成用于处理g和b输入光。因此，ar光学系统10的堆叠配置以与非堆叠配置本质上相同的方式操作，其中输入光150的不同波长在不同的波导结构中行进。

示例光栅配置

图7a到图7d是示出了用于输入光栅30a和输出光栅30b的示例配置的ar光学系统10的示例的自顶向下视图。在图7a和图7b的示例中，输入光栅30a具有线性光栅元件32a和整体圆形形状，而输出光栅30b也具有线性光栅元件32b但具有整体矩形形状。此外，在该示例中，输入光栅30a具有比输出光栅30b小得多的面积。

图7a的输出光栅30b被示为具有与x轴平行的传播矢量k，而图7b的输出光栅具有由角度θ限定的x-y平面中的传播矢量。

图7c示出了其中输出光栅30b具有有着交叉元件32a和32b的二维配置的示例，交叉元件32a和32b限定了至少两个光栅动量矢量：由θ1限定的k1和由θ2限定的k2。输出光栅可以具有由角θi限定的附加光栅传播(动量)矢量ki。

在其他示例中，输出光栅30b可以包括弯曲光栅元件32b(诸如图7d所示)，其中光栅元件被同心地布置以限定传播矢量k的连续体。

取决于ar光学系统10的期望功能，可以有效地采用输入光栅30a和输出光栅30b的光栅元件32a和光栅元件32b的各种形状和尺寸。此外，输入和/或输出光栅30a和/或30b可以包括具有不同类型的光栅元件32a和/或32b的两个或更多个离散光栅区域。在期望减小ar光学系统10的总面积和简化光栅布局的情况下，可以有效地采用用于输入光栅30a和/或输出光栅30b的二维配置。

弯曲的ar光学系统

作为示例并且为了便于说明和解释，上述ar光学系统10具有平面配置。然而，ar光学系统10不限于此并且可以是弯曲的，即，可以具有一个或多个弯曲表面。

图8类似于图2，并且示出了具有有着凸曲率的两个表面的ar光学系统10的实施例。图9类似于图8，并且示出了具有有着凹曲率的两个表面的ar光学系统10的实施例。其他示例可以包括ar光学系统10的仅一个表面弯曲，诸如图10中所示的最底表面。图11示出了其中ar光学系统10包括盖层50并且该盖层的顶表面52弯曲而波导层40基本上是平面的示例。

在示例中，一个或多个弯曲表面可以被配置为提供校正成像。图12示出了示例实施例，其中基板20的底表面24包括被设计成用于为用户350提供校正成像的局部弯曲部分24c(参见下文介绍和讨论的图13a)。

此外，ar光学系统10可以被配置为将波导层40放置在基板20的底表面24上，并且为了说明，本文公开的示例配置示出基板的顶表面上的波导层。此外，ar光学系统10内的表面(或其部分)中的任何者可以被配置为校正表面。在示例中，ar光学系统10可以具有多个校正表面。同样，除了通过在图8到图12中的图示所示出的示例之外，可以采用曲率(例如，凸的和凹的)的各种组合。

在ar光学系统10的波导结构100具有相对强的曲率的配置中，导模120可以不再是真束缚模，而是更恰当地描述为漏谐振模。漏谐振模不会实质性地改变波导结构100的操作，并且事实上，可以通过将一范围的输入(耦合)角θ耦合到每个模并且与到每个模的离散耦合角相反来提高角分辨率。

在其他示例中，输入光栅30a和输出光栅30b的光栅周期λ可以是非恒定的(例如，啁啾)，以考虑波导结构100中的任何曲率并且保持入射光150的正确耦合角θ，以及保持输出光150’的输出角θ’。输入光栅和输出光栅的光栅高度h可以是非恒定的，以分别改变输入光150耦合到波导结构100中以及输出光150’从波导结构耦合出的速率。

ar系统

图13a是包括本文公开的ar光学系统10的ar系统300的示例实施例的示意图。为了便于说明，以示例的方式示出ar光学系统10的平面配置。ar系统300包括通过耦合光学系统320光学地耦合到ar光学系统10的输入光栅30a的显示装置310。在示例中，显示装置300是微显示器，例如，微显示芯片。在示例中，耦合光学系统320包括一个或多个光学元件，诸如透镜、镜子、分束器等。耦合光学系统320可以包括微光学元件以最小化尺寸和重量。

ar系统300被示出为相对于用户350并相对于真实对象400设置，该真实对象400位于ar光学系统10的前区域fr附近，并且通过示例的方式示出为树。真实对象400也可以被视为用户通过ar光学系统10观看的场景。显示装置310被示为提供显示图像312，通过示例，显示图像312被描绘为鸟。构成与显示图像312相关联的显示光的光150在输入(耦合)角θ的范围δθ上(例如，在输入fov上)被耦合光学系统320引导到ar光学系统10的输入光栅30a。如上所述，输入(显示)光150以输入fov内的选择耦合角θ光学地耦合到波导结构100中，以生成多(n)个导模120。然后，n个导模120在波导结构100内行进到输出光栅30b，其中输入光栅30a和输出光栅30b提供相位匹配，以与导模的数量n相对应的离散输出角θ’将n个导模120转换成相对应的输出光150’。当输出角θ’是离散的时，输出光150’在输出光栅30b的长度上基本上连续地耦合出。

输出光150’被引导到用户350的一只或两只眼镜352。同样，用户的一只或两只眼睛直接通过输出光栅30b从对象400接收光250(同样参见图6a)。因此，用户350的一只或两只眼睛352在眼睛的视网膜354上形成增强图像500，其中该增强图像包括对象400的真实图像400’和显示图像312的虚拟图像312’。

在示例中，ar系统300可以可选地包括可操作地设置在用户350的眼睛352与ar光学系统10之间的至少一个校正透镜600，以提供校正成像，例如，在用户的眼睛有像差的情况下。在示例中，校正透镜600构成一个或多个常规眼镜镜片。如上所述，还可以通过弯曲的波导结构100的表面中的一个或多个的至少一部分来提供校正成像。

图13b是示例ar护目镜650的示意图，该示例ar护目镜合并了本文公开的ar系统，并且可以由用户350佩戴。ar护目镜包括镜片652和镜腿654。在示出的示例中，每个镜片352包括输出光栅30b。输入光栅30a位于镜片352的相应外部部分。镜片352中的每一个的至少一部分包括上述波导结构100。显示装置(例如，微显示器)310和耦合光学系统320可以由镜腿654中的每一个支持(为了便于说明，仅示出一个显示器和耦合光学系统)。

图14类似于图13a，并且示出了ar系统300的示例实施例，其中用成像光学系统700替换用户350，即，成像光学系统替换用户的(多只)眼睛352。成像光学系统700包括成像透镜702和增强图像500形成于其上的图像传感器704。在示例中，成像光学系统700包括数码照相机。在示例中，图像传感器704可操作地耦合到图像处理电子器件710(例如，诸如与数字照相机相关联)。在示例中，用户的眼睛352构成成像光学系统700的示例，其中用户的大脑对增强图像500执行必要的图像处理。

本领域技术人员将清楚，可以在不脱离所附权利要求中限定的公开的精神或范围的情况下对本文所述的公开的优选实施例进行各种修改。因此，本公开涵盖了所附权利要求及其等价物范围内的修改和变更。