光学系统的制作方法

光学系统
1.本申请是pct申请号为pct/us2015/053016、申请日为2015年9月29日、发明名称为“用于从波导中输出不同波长光的架构和方法”的pct申请的中国国家阶段申请的分案申请，该中国国家阶段申请进入国家阶段日为2017年4月28日、国家申请号为201580058936.2。
2.优先权要求
3.本申请要求于2014年9月29日提交的题为“virtual and augmented reality systems and methods”的美国临时专利申请第62/057,165号的优先权权益，其全部内容通过引证结合于此。
4.引证并入
5.本申请通过引证结合以下专利申请中的每一个的全部内容：美国申请第14/331,218号(代理人案卷号20020.00)；美国临时申请第62/012,273号(代理人案卷号30019.00)；以及美国临时申请第62/005,807号(代理人案卷号30016.00)。
技术领域
6.本公开涉及虚拟现实和增强现实成像及可视化系统。


背景技术：

7.现代计算和显示技术已促进了用于所谓的“虚拟现实”或“增强现实”体验的系统的发展，其中，数字再现图像或其一部分以它们看起来是真实的或者可感知为真实的方式呈现至用户。虚拟现实或“vr”情境通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现，而没有对其他现实真实世界视觉输入的透明度；增强现实或“ar”情境通常涉及将数字或虚拟图像信息呈现为用户周围的真实世界的可视化的增强。例如，参考图1，描绘了一种增强现实场景1，其中，ar技术的用户看到真实世界公园般的环境1100，该环境以人、树、背景中的建筑物以及水泥平台1120为特征。除了这些物品以外，ar技术的用户还感知到他“看到”站在真实世界平台1120上的机器人雕像1110以及飞行的卡通般的头像人物1130(其看起来是大黄蜂的化身)，即使这些元素1130、1110不存在于真实世界中。因为人类视觉感知系统是复杂的，所以制作一种促进在其他虚拟或真实世界影像元素中的虚拟图像元素的舒适的、感觉自然的、丰富的呈现的vr或ar技术是有挑战性的。
8.本文公开的系统和方法解决了与vr和ar技术相关的各种挑战。


技术实现要素：

9.实施方式1：一种光学系统，包括：
10.波导，包括第一主表面和第二主表面，该波导被配置为通过在第一主表面与第二主表面之间的全内反射传播光；
11.内耦合光学元件，被配置为沿着第一方向将第一多个波长的入射光内耦合至波导中并且沿着第二方向将一个或多个第二波长的入射光内耦合至波导中，其中，第一多个波
长的内耦合光通过全内反射沿着第一方向通过波导传播，并且一个或多个第二波长的内耦合光通过全内反射沿着第二方向通过波导传播；以及
12.第一外耦合光学元件和第二外耦合光学元件，被配置为将内耦合光外耦合出波导。
13.实施方式2：根据实施方式1所述的光学系统，其中，内耦合光学元件包括一个或多个衍射光学元件。
14.实施方式3：根据实施方式2所述的光学系统，其中，一个或多个衍射光学元件包括模拟表面凹凸光栅(asr)、二元表面凹凸结构(bsr)、全息图以及可切换衍射光学元件中的一个或多个。
15.实施方式4：根据实施方式3所述的光学系统，其中，可切换衍射光学元件是可切换聚合物分散液晶(pdlc)光栅。
16.实施方式5：根据实施方式1至4中任一项所述的光学系统，进一步包括：
17.第一波长选择反射器，被配置为反射沿着第一方向传播的第一多个波长的内耦合光，同时使除了第一多个波长以外的波长的光穿过；以及
18.第二波长选择反射器，被配置为反射沿着第二方向传播的一个或多个第二波长的内耦合光，同时使除了一个或多个第二波长以外的波长的光穿过。
19.实施方式6：根据实施方式5所述的光学系统，进一步包括：
20.第一吸收器，被配置为吸收穿过第一波长选择反射器的内耦合光；以及
21.第二吸收器，被配置为吸收穿过第二波长选择反射器的内耦合光。
22.实施方式7：根据实施方式5所述的光学系统，其中，第一波长选择反射器和第二波长选择反射器是二向色滤波器。
23.实施方式8：根据实施方式1至7中任一项所述的光学系统，其中，第一多个波长的光包括红光和蓝光。
24.实施方式9：根据实施方式1至8中任一项所述的光学系统，其中，一个或多个第二波长的光包括绿光。
25.实施方式10：根据实施方式1至9中任一项所述的光学系统，进一步包括：
26.第一光分配元件，被配置为接收沿着第一方向行进的第一多个波长的内耦合光，并且将第一多个波长的光分配至第一外耦合光学元件；以及
27.第二光分配元件，被配置为接收沿着第二方向行进的一个或多个第二波长的内耦合光，并且将一个或多个第二波长的光分配至第二外耦合光学元件。
28.实施方式11：根据实施方式10所述的光学系统，其中，第一光分配元件和第二光分配元件包括一个或多个衍射光学元件。
29.实施方式12：根据实施方式11所述的光学系统，其中，一个或多个衍射光学元件包括一个或多个光栅。
30.实施方式13：根据实施方式10至12中任一项所述的光学系统，其中，第一光分配元件被配置为将第一多个波长的光重定向为沿着一个方向在波导内传播，该方向不同于其中第二光分配元件被配置为重定向一个或多个第二波长的光的方向。
31.实施方式14：根据实施方式10至13中任一项所述的光学系统，其中，第一光分配元件被配置为将第一多个波长的光重定向为沿着第二方向在波导内传播，并且其中，第二光
分配元件被配置为将一个或多个第二波长的光重定向为沿着第一方向在波导内传播。
32.实施方式15：根据实施方式10至14中任一项所述的光学系统，其中，第一光分配元件和第二光分配元件是正交光瞳扩展器。
33.实施方式16：根据实施方式1至15中任一项所述的光学系统，其中，第一外耦合光学元件包括被配置为将第一多个波长的光外耦合出波导的一个或多个光栅；并且其中，第二外耦合光学元件包括被配置为将一个或多个第二波长的光外耦合出波导的一个或多个光栅。
34.实施方式17：根据实施方式16所述的光学系统，其中，第一外耦合光学元件的一个或多个光栅布置在波导的第一主表面上，并且第二外耦合光学元件的一个或多个光栅布置在波导的第二主表面上。
35.实施方式18：根据实施方式16所述的光学系统，其中，第一外耦合光学元件的一个或多个光栅和第二外耦合光学元件的一个或多个光栅布置在波导的相同主表面上。
36.实施方式19：根据实施方式16至18中任一项所述的光学系统，其中，第一外耦合光学元件的一个或多个光栅包括模拟表面凹凸光栅(asr)、二元表面凹凸结构(bsr)、全息图以及可切换衍射光学元件中的一个或多个。
37.实施方式20：根据实施方式19所述的光学系统，其中，可切换衍射光学元件包括可切换聚合物分散液晶(pdlc)光栅。
38.实施方式21：一种光学系统，包括：
39.多个层叠波导，每个波导包括第一主表面和第二主表面，每个波导被配置为通过在第一主表面与第二主表面之间的全内反射传播光，每个波导进一步包括：
40.内耦合光学元件，被配置为沿着第一方向将第一多个波长的入射光内耦合至波导中，并且沿着第二方向将一个或多个第二波长的入射光内耦合至波导中；以及
41.外耦合光学元件，被配置为将内耦合光外耦合出波导。
42.实施方式22：根据实施方式21所述的光学系统，其中，每个波导具有相关联深度平面，其中，每个波导被配置为产生看起来源自该波导的相关联深度平面的图像。
43.实施方式23：根据实施方式21至22中任一项所述的光学系统，其中，不同波导具有不同的相关联深度平面。
44.实施方式24：根据实施方式21至23中任一项所述的光学系统，其中，用于不同深度平面的外耦合光学元件具有不同的光学功率，以便为每个深度平面提供不同的出射光的发散。
45.实施方式25：一种光学系统，包括：
46.波导，包括第一主表面和第二主表面；
47.内耦合光学元件，被配置为将入射光内耦合至波导中；
48.第一波长选择滤波器，在第一主表面上，该第一波长选择滤波器具有与第一主表面相邻的第一后表面以及与第一后表面相对的第一前表面，该第一波长选择滤波器被配置为：
49.使第一多个波长的内耦合光透射通过第一后表面，并且从第一前表面反射第一多个波长的透射光的一部分；以及
50.反射其他波长的内耦合光；以及
51.第一外耦合光学元件，布置在第一波长选择滤波器上，该第一外耦合光学元件被配置为将透射通过第一波长选择滤波器的第一多个波长的内耦合光外耦合。
52.实施方式26：根据实施方式25所述的光学系统，进一步包括：
53.第二波长选择滤波器，在第二主表面上，该第二波长选择滤波器具有与第二主表面相邻的第二后表面以及与第二后表面相对的第二前表面，该第二波长选择滤波器被配置为：
54.使与第一多个波长不同的一个或多个第二波长的内耦合光透射通过第二后表面，并且从第二前表面反射一个或多个第二波长的透射光的一部分；并且
55.反射第一多个波长的内耦合光；以及
56.第二外耦合光学元件，布置在第二波长选择滤波器上，该第二外耦合光学元件被配置为将透射通过第二波长选择滤波器的一个或多个第二波长的内耦合光外耦合。
57.实施方式27：根据实施方式26所述的光学系统，其中，第一波长选择滤波器和第二波长选择滤波器包括二向色滤波器。
58.实施方式28：根据实施方式26至27中任一项所述的光学系统，其中，第一波长选择滤波器和第二波长选择滤波器被配置为使以相对于法线的0度到20度之间的角度入射的第一多个波长和一个或多个第二波长的光透射至波导的对应第一主表面或第二主表面。
59.实施方式29：根据实施方式26至28中任一项所述的光学系统，其中，一个或多个第二波长的光包括绿光。
60.实施方式30：根据实施方式26至29中任一项所述的光学系统，进一步包括：
61.光分配元件，被配置为：
62.接收来自内耦合光学元件的第一多个波长和一个或多个第二波长的内耦合光；以及
63.将第一多个波长和一个或多个第二波长的光分配至第一外耦合光学元件和第二外耦合光学元件。
64.实施方式31：根据实施方式30所述的光学系统，其中，光分配元件包括一个或多个衍射光学元件。
65.实施方式32：根据实施方式30至31中任一项所述的光学系统，其中，光分配元件是正交光瞳扩展器。
66.实施方式33：根据实施方式30至32中任一项所述的光学系统，其中，第一多个波长的光的第一部分从第一波长选择滤波器的第一前表面反射，并且第一多个波长的光的第二部分由光重分配元件重定向。
67.实施方式34：根据实施方式33所述的光学系统，其中，第一多个波长的光的第一部分在从第二主表面反射之后入射在第一波长选择滤波器上，并且其中，光的第一部分的一部分由光重分配元件重定向。
68.实施方式35：根据实施方式30至34中任一项所述的光学系统，其中，一个或多个第二波长的光的第三部分从第二波长选择滤波器的第二前表面反射，并且一个或多个第二波长的光的第四部分由光重分配元件重定向。
69.实施方式36：根据实施方式35所述的光学系统，其中，一个或多个第二波长的光的第三部分在从第一主表面反射之后入射在第二波长选择滤波器上，并且其中，光的第三部
分的一部分由光重分配元件重定向。
70.实施方式37：根据实施方式26至36中任一项所述的光学系统，其中：
71.第一外耦合元件包括一个或多个衍射光学元件；并且
72.第二外耦合元件包括一个或多个衍射光学元件。
73.实施方式38：根据实施方式37所述的光学系统，其中，第一外耦合光学元件的一个或多个衍射光学元件包括模拟表面凹凸光栅(asr)、二元表面凹凸结构(bsr)、全息图以及可切换衍射光学元件中的一个或多个。
74.实施方式39：根据实施方式38所述的光学系统，其中，可切换衍射光学元件包括可切换聚合物分散液晶(pdlc)光栅。
75.实施方式40：根据实施方式37所述的光学系统，其中，第二外耦合光学元件的一个或多个光栅包括模拟表面凹凸光栅(asr)、二元表面凹凸结构(bsr)、全息图以及可切换衍射光学元件中的一个或多个。
76.实施方式41：根据实施方式40所述的光学系统，其中，可切换衍射光学元件包括可切换聚合物分散液晶(pdlc)光栅。
77.实施方式42：根据实施方式25至41中任一项所述的光学系统，其中，内耦合光学元件包括一个或多个衍射光学元件。
78.实施方式43：根据实施方式42所述的光学系统，其中，一个或多个衍射光学元件包括模拟表面凹凸光栅(asr)、二元表面凹凸结构(bsr)、全息图以及可切换衍射光学元件中的一个或多个。
79.实施方式44：根据实施方式43所述的光学系统，其中，可切换衍射光学元件是可切换聚合物分散液晶(pdlc)光栅。
80.实施方式45：根据实施方式25至44中任一项所述的光学系统，其中，内耦合光学元件包括棱镜。
81.实施方式46：根据实施方式25至46中任一项所述的光学系统，其中，第一多个波长的光包括红光和蓝光。
82.实施方式47：一种光学系统，包括：
83.多个层叠波导，每个波导包括第一主表面和第二主表面，每个波导进一步包括：
84.内耦合光学元件，被配置为将入射光内耦合至波导中；
85.第一波长选择滤波器，在第一主表面上，该第一波长选择滤波器具有与第一主表面相邻的第一后表面以及与第一后表面相对的第一前表面，该第一波长选择滤波器被配置为：
86.使第一多个波长的内耦合光透射通过第一后表面，并且从第一前表面反射第一多个波长的透射光的一部分；以及
87.第一外耦合光学元件，布置在第一波长选择滤波器上，该第一外耦合光学元件被配置为将透射通过第一波长选择滤波器的第一多个波长的内耦合光外耦合。
88.实施方式48：根据实施方式47所述的光学系统，其中，每个波导进一步包括：
89.第二波长选择滤波器，在第二主表面上，该第二波长选择滤波器具有与第二主表面相邻的第二后表面以及与第二后表面相对的第二前表面，该第二波长选择滤波器被配置为：
90.使与第一多个波长不同的一个或多个第二波长的内耦合光透射通过第二后表面，并且从第二前表面反射一个或多个第二波长的透射光的一部分；以及
91.第二外耦合光学元件，布置在第二波长选择滤波器上，该第二外耦合光学元件被配置为将透射通过第二波长选择滤波器的一个或多个第二波长的内耦合光外耦合。
92.实施方式49：根据实施方式47至48中任一项所述的光学系统，其中，每个波导具有相关联深度平面，其中，每个波导被配置为产生看起来源自该波导的相关联深度平面的图像。
93.实施方式50：根据实施方式47至49中任一项所述的光学系统，其中，不同波导具有不同的相关联深度平面。
94.实施方式51：根据实施方式47至50中任一项所述的光学系统，其中，用于不同深度平面的外耦合光学元件具有不同的光学功率，以便为每个深度平面提供不同的出射光的发散。
95.实施方式52：根据实施方式48至51中任一项所述的光学系统，其中，每个波导进一步包括光重分配元件，该光重分配元件被配置为：
96.接收透射通过第一波长选择滤波器和第二波长选择滤波器的第一多个波长和一个或多个第二波长的光的一部分；以及
97.将第一多个波长和一个或多个第二波长的光分配至第一外耦合光学元件和第二外耦合光学元件。
98.实施方式53：一种光学系统，包括：
99.多个层叠波导，每个波导包括：
100.内耦合光学元件，被配置为基于入射光的特性将入射光选择性地内耦合至波导中；
101.外耦合光学元件，被配置为将内耦合至波导中的光外耦合。
102.实施方式54：根据实施方式53所述的光学系统，其中，入射光的特性是波长。
103.实施方式55：根据实施方式53至54中任一项所述的光学系统，其中，内耦合光学元件是波长选择反射器。
104.实施方式56：根据实施方式55所述的光学系统，其中，波长选择反射器是二向色反射器。
105.实施方式57：根据实施方式55至56中任一项所述的光学系统，其中，每个波导包括波长选择反射器，该波长选择反射器被配置为反射与多个层叠波导中的另一波导的波长选择反射器不同的波长范围的光。
106.实施方式58：根据实施方式55至57中任一项所述的光学系统，其中，每个波长选择反射器被配置为反射与多个层叠波导中的其他波导的波长选择反射器不同的颜色相对应的波长范围的光。
107.实施方式59：根据实施方式53至58中任一项所述的光学系统，其中，多个层叠波导包括三个波导，该三个波导包括被配置为输出红光的第一波导、被配置为输出绿光的第二波导以及被配置为输出蓝光的第三波导。
108.实施方式60：根据实施方式53至59中任一项所述的光学系统，其中，外耦合光学元件是衍射光学元件。
109.实施方式61：根据实施方式60所述的光学系统，其中，衍射光学元件包括模拟表面凹凸光栅(asr)、二元表面凹凸结构(bsr)、全息图以及可切换衍射光学元件中的一个或多个。
110.实施方式62：根据实施方式61所述的光学系统，其中，可切换衍射光学元件包括可切换聚合物分散液晶(pdlc)光栅。
111.实施方式63：根据实施方式53至62中任一项所述的光学系统，其中，每个波导进一步包括被配置为修改入射光的传播角度的角度修改光学元件，使得入射光入射在角度修改光学元件上之后，以较浅的角度传播至波导表面。
112.实施方式64：根据实施方式63所述的光学系统，其中，角度修改光学元件被配置为改变入射光的焦点。
113.实施方式65：根据实施方式63所述的光学系统，其中，角度修改光学元件是棱镜。
114.实施方式66：根据实施方式63所述的光学系统，其中，角度修改光学元件是衍射光学元件。
115.实施方式67：根据实施方式53至66中任一项所述的光学系统，其中，每个波导进一步包括光分配元件，其中，内耦合光学元件被配置为将光引导至光分配元件，其中，光分配元件被配置为将光引导至外耦合光学元件。
116.实施方式68：根据实施方式67所述的光学系统，其中，光分配元件是正交光瞳扩展器。
117.实施方式69：根据实施方式67至68中任一项所述的光学系统，其中，光分配元件、内耦合光学元件以及外耦合光学元件布置在波导的表面上。
118.实施方式70：根据实施方式67至69中任一项所述的光学系统，其中，光分配元件包括模拟表面凹凸光栅(asr)、二元表面凹凸结构(bsr)、全息图以及可切换衍射光学元件中的一个或多个。
119.实施方式71：根据实施方式70所述的光学系统，其中，可切换衍射光学元件包括可切换聚合物分散液晶(pdlc)光栅。
120.实施方式72：一种光学系统，包括：
121.多组层叠波导，每组层叠波导包括多个层叠波导，每个波导包括：
122.内耦合光学元件，被配置为基于入射光的特性将入射光选择性地内耦合至波导中；以及
123.外耦合光学元件，被配置为将内耦合至波导中的光外耦合。
124.实施方式73：根据实施方式72所述的光学系统，其中，每个波导具有相关联深度平面，其中，每个波导被配置为产生看起来源自该波导的相关联深度平面的图像，并且其中，不同组波导中的波导具有不同的相关联深度平面。
125.实施方式74：根据实施方式72至73中任一项所述的光学系统，其中，每组层叠波导中的波导具有相同的相关联深度平面。
126.实施方式75：根据实施方式72至74中任一项所述的光学系统，其中，外耦合光学元件具有光学功率以便提供发散光束。
127.实施方式76：根据实施方式72至75中任一项所述的光学系统，其中，用于不同深度平面的外耦合光学元件具有不同的光学功率，以便为每个深度平面提供不同的出射光的发
散。
附图说明
128.图1示出通过ar装置的增强现实(ar)的用户的视图。
129.图2示出可穿戴显示系统的实例。
130.图3示出用于模拟对于用户的三维影像的常规显示系统。
131.图4示出用于使用多个深度平面模拟三维影像的方法的方面。
132.图5a至图5c示出曲率半径与焦半径之间的关系。
133.图6示出用于向用户输出图像信息的波导叠层的实例。
134.图7示出由波导输出的出射束的实例。
135.图8示意性示出层叠波导组件的实例，其中每个深度平面包括使用多个不同成分颜色形成的图像。
136.图9a示意性示出包括波导、内耦合光学元件以及外耦合光学元件的显示装置的顶视图的实例。
137.图9b示意性示出图9a中绘示的显示装置沿着轴a
‑
a'的截面图的实例。
138.图9c示出二向色波长选择滤波器的实例，并且绘示该二向色波长选择滤波器的操作。
139.图10a示意性示出包括波导、内耦合光学元件、波长选择滤波器以及第一外耦合光学元件和第二外耦合光学元件的显示装置的顶视图的实例。
140.图10b和图10c示出图10a中绘示的显示装置沿着轴a
‑
a'的截面图的实例。
141.图11a示出多个层叠波导的截面侧视图的实例，该多个层叠波导各自被配置为输出不同波长或波长范围的光。
142.图11b示出图11a的多个层叠波导的立体图的实例。
143.图12a至图12b示出具有角度修改光学元件以促进光内耦合至波导中的波导的截面侧视图的实例。
144.图13是显示折射率对视场的预期影响的绘图。
145.提供附图以示出某些示例性实施方式，并且附图不旨在限制本公开的范围。贯穿本文，相同标号指代相同部件。
具体实施方式
146.vr和ar体验可由具有显示器的显示系统提供，在该显示器中，与多个深度平面相对应的图像提供至观看者。图像可以针对每个深度平面而不同(例如，提供场景或物体的略微不同的呈现)并且可由观看者的眼睛分别聚焦，从而有助于基于使针对位于不同深度平面上的场景而聚焦不同图像特征所需的眼睛的调焦和/或基于观察在不同深度平面上的没有聚焦的不同图像特征，来向用户提供深度线索。如本文讨论的，这种深度线索提供对深度的可靠感知。
147.在一些配置中，可以通过叠加各自具有特定成分颜色的成分图像来形成对于各种深度平面的全色图像。例如，红色图像、绿色图像和蓝色图像可以被各自输出以形成每个全色图像。因此，每个深度平面可以具有与其相关联的多个成分颜色图像。如本文公开的，可
以使用波导输出成分颜色图像，该波导将包含图像信息的光内耦合，横跨波导分配内耦合光，并且然后将光朝向观看者外耦合。
148.可以使用诸如衍射元件的内耦合光学元件将光内耦合至波导中，并且然后使用也可以是衍射元件的外耦合光学元件将光外耦合出波导。常规地，可以使用一对内耦合和外耦合光学元件。然而，这种布置会降低图像质量。例如，这种光学元件通常最有效地偏转特定设计波长，并且不期望地，通过这种系统反馈的由红色、绿色和蓝色成分图像形成的全色图像会根据波长而表现出显著的裁剪和误聚焦(例如，对于非设计波长信道可能出现裁剪和误聚焦)。此外，可能由这种内耦合光学元件和外耦合光学元件导致串扰或重影。在一些情况下，当针对一个波长优化的衍射光学元件被其他波长的光入射至其上时，可以导致形成如同重影的图像。例如，设计为将绿色图像置于距离观看者1米的深度平面上的衍射光学元件，可以将蓝色图像和红色图像置于比一米更近或更远的深度平面上。深度平面之间的这种串扰可以破坏观看者对深度的感知，并且降低图像清晰度。
149.此外，即使在未将光学元件特别设计为使偏转的波长处，颜色平衡也可能受到诸如衍射光学元件的内耦合光学元件和外耦合光学元件偏转一定量的光的趋势的不利影响。因为使用多个成分颜色图像形成全色图像，所以全色图像中的颜色精度以及可用的颜色范围可以取决于准确调节到达观看者的成分颜色的光量的能力。不同成分颜色图像之间的串扰会是不期望的。例如，可以使用成分红色图像、绿色图像和蓝色图像形成全色图像。由于除了别的之外，还破坏准确调节组成最终全色图像的绿光或蓝光的量的能力，所以使用还包括非预期绿光或蓝光的红色光形成的红色成分颜色图像是不期望的。由于准确并精细调节不同颜色的光的比例的能力受串扰减弱，所以这会全色图像的颜色精度并且还所生成的颜色的范围。换句话说，当成分颜色图像各自由“纯”成分颜色(而不是包括一系列其他非预期颜色的“脏”成分颜色)的光形成时，全色图像可以具有更高质量。
150.有利地，本文公开的各种实施方式提供低水平的串扰以及低水平的非预期外耦合行为。
151.在一些实施方式中，提供了用于以低水平串扰选择性地输出不同波长的光的各种架构。在一些实施方式中，光被内耦合至波导中并且被偏转以根据波长在不同方向上传播。然后，内耦合光由一个或多个外耦合光学元件外耦合，该外耦合光学元件基于光的传播方向选择性地将光外耦合。在一些实施方式中，滤色器设置在波导与波导的表面上的一个或多个外耦合元件之间。滤色器限制与一个或多个外耦合元件相互作用并且由该一个或多个外耦合元件外耦合的光的波长。在又一些其他实施方式中，为待输出的每个波长范围或颜色设置不同波导。一个或多个内耦合光学元件将适当波长范围的光选择性地内耦合至对应的波导中，光从该对应的波导中外耦合。
152.在这些各种实施方式中，如本文描述的，波导可以形成直视显示装置或近眼显示装置，其中，波导被配置为接收输入图像信息并且基于输入图像信息生成输出图像。这些装置可以是可穿戴的并且构成眼镜。由波导接收的输入图像信息可以被编码为不同波长(例如，红光、绿光和蓝光)的复用光流，该复用光流被内耦合至一个或多个波导中。内耦合光可以由一个或多个外耦合光学元件从波导中外耦合(或输出)。一个或多个外耦合光学元件可以包括衍射结构，诸如，例如模拟表面凹凸光栅(asr)、二元表面凹凸结构(bsr)、体全息光学元件(vhoe)、数字表面凹凸结构和/或体积相位全息材料(例如，记录在体积相位全息材
料中的全息图)、或者可切换衍射光学元件(例如，聚合物分散液晶(pdlc)光栅)。将理解，模拟表面凹凸光栅可以在单个结构中组合多个功能。这些结构可以通过连续制造步骤(例如，其中具有一个功能的结构构建在具有另一功能的结构的顶部上)额外构建功能(例如，一个功能可以是用于偏转特定波长或波长范围的光的选择，并且另一功能可以是用于偏转另一波长或波长范围的光的选择)。
153.本文描述的各种实施方式可以包括一个或多个光栅(例如，线性凹槽)，该一个或多个光栅被配置为使得沿着大致平行于光栅的方向传播的光不足以从其路径偏转，而使得该光不能被耦合出波导。相反，沿着相对于光栅的一角度的方向(例如，垂直于凹槽)传播使得其入射到或撞击光栅的光以不满足全内反射(tir)的要求的角度衍射，并且因此被耦合出波导。在一些实施方式中，波导包括一个或多个内耦合光学元件，该内耦合光学元件可以将在与对应衍射结构的方位相容的不同方向上的光重定向。
154.本文描述的各种实施方式可以包括使特定波长的光透射的滤波器。该滤波器可以限制与一个或多个外耦合光学元件相互作用或入射在该一个或多个外耦合光学元件上的光的波长，从而降低非预期波长的光的外耦合的可能性。
155.将理解，本文公开的实施方式可以提供以下优点中的一个或多个。例如，如本文提及的，如上文讨论的，可以降低非预期波长的光的外耦合，从而降低重影的出现。这种重影的降低或消除可以提高图像清晰度。此外，光(如果是非预期波长的话)的外耦合中的降低可以增加所感知的使用该光形成的图像的颜色质量。在一些实施方式中，特别地外耦合期望波长或波长范围的光的能力可以为图像提供高度的颜色精度和准确度。此外，由于对单独波长的光的外耦合的高度控制可以提供对最终全色图像中的特定波长的光的最终比例的高度控制，所以可以显示的颜色范围可以增加。准确控制不同波长的光的比例的能力可以增加可能的可重复的成分颜色的组合的数量，从而增加可以显示的颜色(来自成分颜色的混合)的数量。在一些实施方式中，多个波长或颜色的光可以从相同的波导中外耦合出来，例如，其可以具有通过降低在显示系统中采用的部件的数量来提高可制造性和产率并且降低装置成本的优势，从而降低显示系统的结构和电气复杂性。
156.本文公开的实施方式通常可以实现为显示系统。在一些实施方式中，显示系统采取眼镜(例如，它们是可穿戴的)的形式，其可以有利地提供更身临其境的vr或ar体验。例如，包括用于显示多个深度平面的波导(例如，一叠波导(一个波导或一组波导用于每个深度平面))的显示器可以被配置为佩戴位于用户或观看者的眼睛的前方。在一些实施方式中，可以采用多个波导(例如，两叠波导，一叠波导用于观看者的一只眼睛)为每只眼睛提供不同的图像。
157.图2示出可穿戴显示系统80的实例。显示系统80包括显示器62以及用来支持该显示器62的功能的各种机械和电子模块和系统。显示器62构成眼镜并且可以耦接至框架64，该框架可由显示系统用户或观看者60穿戴并且该框架被配置为将显示器62定位在用户60的眼睛的前方。在一些实施方式中，扬声器66耦接至框架64并且定位为邻近于用户60的耳道(在一些实施方式中，未示出的另一扬声器定位为邻近于用户的另一个耳道以提供立体/可成形的声音控制)。在一些实施方式中，显示系统也可以包括一个或多个麦克风或检测声音的其他装置。在一些实施方式中，麦克风被配置为允许用户向系统80提供输入或命令(例如，选择语音菜单命令、自然语言问题等)，和/或可以允许与其他人(例如，与相似显示系统
的其他用户)进行音频通信。
158.继续参考图2，显示器62可操作地耦接68(诸如通过有线引线或无线连接)至本地处理及数据模块70，该本地处理及数据模块可以安装为各种配置，诸如固定地附接至框架64、固定地附接至用户佩戴的头盔或帽子、嵌入在耳机中或以另外方式可移除地附接至用户60(例如，以背包风格配置、以皮带耦接风格配置)。本地处理及数据模块70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)，两者都可以用于协助数据的处理、缓存和存储。数据包括如下数据：a)从诸如图像捕获装置(诸如照相机)、麦克风、惯性测量单元、加速计、罗盘、gps单元、无线电装置和/或陀螺仪的传感器(例如，其可以可操作地耦接至框架64或以另外方式附接至用户60)获取的数据；和/或b)使用远程处理模块72和/或远程数据存储库74获取和/或处理的数据，该数据在这种处理或检索之后可能用于通向显示器62。本地处理及数据模块70可以通过通信链路76、78(诸如经由有线或无线通信链路)可操作地耦接至远程处理模块72和远程数据存储库74，使得这些远程模块72、74可操作地耦接至彼此并且作为资源可用于本地处理及数据模块70。在一些实施方式中，本地处理及数据模块70可以包括图像捕获装置、麦克风、惯性测量单元、加速计、罗盘、gps单元、无线电装置和/或陀螺仪中的一个或多个。在一些其他实施方式中，这些传感器中的一个或多个可以附接至框架64，或者可以是通过有线或无线通信路径与本地处理及数据模块70通信的独立结构。
159.继续参考图2，在一些实施方式中，远程处理模块72可以包括被配置为分析并处理数据和/或图像信息的一个或多个处理器。在一些实施方式中，远程数据存储库74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因特网或在“云”资源配置中的其他网络配置而可用。在一些实施方式中，所有数据被存储，并且所有计算在本地处理及数据模块中执行，这允许从远程模块完全自主使用。
160.可以通过向观看者的每只眼睛提供图像的稍微不同的呈现来实现图像被感知为“三维”或“3d”。图3示出用于模拟对于用户的三维影像的常规显示系统。两个不同图像5、7(一个用于一只眼睛4、6)输出至用户。图像5、7与眼睛4、6沿着平行于观看者的视线的光轴或z轴以距离10隔开。图像5、7是平坦的，并且眼睛4、6可以通过假定单个调焦状态来聚焦图像。这种系统依赖于人类视觉系统来组合图像5、7，以提供对于组合图像的深度的感知。
161.然而，将理解，人类视觉系统是更复杂的，并且提供逼真的深度感知是更具挑战性的。例如，常规“3
‑
d”显示系统的许多观看者发现这种系统是不舒适的或者可能根本感知不到深度感。不受理论限制，据信由于转向和调焦的组合，物体的观看者可以将物体感知为“三维”。两只眼睛相对于彼此的转向移动(即，光瞳朝向彼此或远离彼此进行转动移动以会聚眼睛的视线来固定在物体上)与眼睛的晶状体的聚焦(或“调焦”)紧密相关联。在正常条件下，在已知为“调焦转向反射”的关系下，改变眼睛的晶状体的焦点或对眼睛调焦以将焦点从一个物体改变至不同距离处的另一物体，将自动引起转向至相同距离的匹配变化。同样地，在正常条件下，转向的变化将触发调焦的匹配变化。如本文提及的，许多立体或“3
‑
d”显示系统利用对每只眼睛的稍微不同的呈现(并且因此，稍微不同的图像)来显示场景，使得由人类视觉系统感知三维视角。然而，由于除了别的之外，它们仅提供场景的不同呈现，但是眼睛在单个调焦状态下观看所有图像信息并且违背“调焦转向反射”工作，因此这种系统对于许多观看者是不舒适的。提供调焦与转向之间的更好匹配的显示系统可以形成三维
影像的更逼真且更舒适的模拟。
162.图4示出用于使用多个深度平面模拟三维影像的方法的方面。参考图4，由眼睛4、6调焦在z轴上距眼睛4、6各种距离的物体，使得那些物体处于聚焦。眼睛(4和6)假定特定调焦状态以沿着z轴来聚焦在不同距离处的物体。因此，特定调焦状态可被称为与深度平面14中的特定一个深度平面相关联，该深度平面具有相关联的焦距，使得当眼睛处于对于该深度平面的调焦状态时，特定深度平面中的物体或物体的一部分处于聚焦。在一些实施方式中，可以通过提供对于眼睛4、6中的每一只眼睛的图像的不同呈现以及还通过提供与深度平面中的每一个相对应的图像的不同呈现，来模拟三维影像。尽管为了说明清楚而示出为分离，但是将理解，例如，随着沿着z轴的距离增加，眼睛4、6的视场可以重叠。此外，尽管为了便于说明而示出为平坦的，但是将理解，深度平面的轮廓可以在物理空间中弯曲，使得深度平面中的所有特征与特定调焦状态下的眼睛聚焦。
163.物体与眼睛4或6之间的距离也可以改变如通过该眼睛观看的来自该物体的光的发散量。图5a至图5c示出距离与光射线的发散之间的关系。按距离减小的顺序，物体与眼睛4之间的距离由r1、r2和r3表示。如图5a至图5c所示，随着与物体的距离减小，光射线变得更发散。随着距离增加，光射线变得更准直。换句话说，可以说，由点(物体或物体的一部分)产生的光场具有球形波前曲率，其是该点距用户的眼睛多远的函数。随着物体与眼睛4之间的距离减小，曲率增加。因此，在不同深度平面处，光射线的发散程度也不同，其中，随着深度平面与观看者的眼睛4之间的距离减小，发散度增加。尽管在本文的图5a至图5c以及其他图中，为了说明清楚而仅示出单只眼睛4，但是将理解，关于眼睛4的讨论可以应用于观看者的双眼4和6。
164.不受理论限制，据信人类眼睛通常可以解释有限数量的深度平面以提供深度感知。因此，可以通过向眼睛提供与这些有限数量的深度平面中的每一个相对应的图像的不同呈现来实现所感知深度的高度可信的模拟。不同呈现可以由观看者的眼睛分开聚焦，从而有助于基于将位于不同深度平面上的场景的不同图像特征聚焦所需的眼睛的调焦和/或基于观察在不同深度平面上的焦点未对准的不同图像特征，来向用户提供深度线索。
165.图6示出用于向用户输出图像信息的波导叠层的实例。显示系统1000包括一叠波导或层叠波导组件178，其可以用于使用多个波导182、184、186、188、190向眼睛/大脑提供三维感知。在一些实施方式中，显示系统1000是图2的系统80，其中，图6更详细地示意性示出系统80的一些部件。例如，波导组件178可以是图2的显示器62的部件。
166.继续参考图6，波导组件178还可以包括在波导之间的多个特征198、196、194、192。在一些实施方式中，特征198、196、194、192可以是透镜。波导182、184、186、188、190和/或多个透镜198、196、194、192可以被配置为向眼睛发送具有各种水平的波前曲率或光射线发散的图像信息。每个波导水平可以与特定深度平面相关联，并且可以被配置为输出对应于该深度平面的图像信息。图像注入装置200、202、204、206、208可以充当用于波导的光源，并且可以用于将图像信息注入波导182、184、186、188、190中，如本文描述的，该波导中的每一个可以被配置为横跨每个各自的波导分配射入光以用于向眼睛4输出。光从图像注入装置200、202、204、206、208的输出表面300、302、304、306、308出射，并且被注入至波导182、184、186、188、190的对应输入表面382、384、386、388、390中。在一些实施方式中，输入表面382、384、386、388、390可以是对应波导的边缘，或者可以是对应波导的主表面(即，波导表面中
的直接面向世界144或观看者的眼睛4的一个表面)的一部分。在一些实施方式中，单个光束(例如，准直束)可以注入至每个波导中以便以特定角度(以及发散量)输出导向眼睛4的克隆准直束的整个场，该特定角度对应于与特定波导相关联的深度平面。在一些实施方式中，图像注入装置200、202、204、206、208中的单个图像注入装置可以与多个(例如，三个)波导182、184、186、188、190相关联并且将光注入至该多个波导中。
167.在一些实施方式中，图像注入装置200、202、204、206、208是离散显示器，该离散显示器各自产生用于分别注入至对应波导182、184、186、188、190中的图像信息。在一些其他实施方式中，图像注入装置200、202、204、206、208是单个复用显示器的输出端，例如，复用显示器可以经由一个或多个光学管道(诸如，光纤电缆)向图像注入装置200、202、204、206、208中的每一个以管道输送图像信息。将理解，由图像注入装置200、202、204、206、208提供的图像信息可以包括不同波长或颜色(例如，如本文讨论的，不同成分颜色)的光。
168.控制器210控制层叠波导组件178和图像注入装置200、202、204、206、208的操作。在一些实施方式中，控制器210是本地处理及数据模块70的部件。控制器210包括编程(例如，非易失性介质中的指令)，例如，该编程根据本文公开的各种方案中的任一个方案调节图像信息至波导182、184、186、188、190的定时以及提供。在一些实施方式中，控制器可以是单个集成设备或者通过有线或无线通信信道连接的分布式系统。在一些实施方式中，控制器210可以是处理模块70或72(图1)的部件。
169.继续参考图6，波导182、184、186、188、190可以被配置为通过全内反射(tir)在每个各自的波导内传播光。波导182、184、186、188、190可以各自是平面的或者具有另一形状(例如，弯曲的)，其中主要的顶表面和底表面及在那些主要的顶表面与底表面之间延伸的边缘。在所示配置中，波导182、184、186、188、190可以各自包括一个或多个外耦合光学元件282、284、286、288、290，该外耦合光学元件被配置为通过将在每个各自的波导内传播的光从波导中重定向而从波导中提取光，以将图像信息输出至眼睛4。提取的光也可被称为外耦合光，并且一个或多个外耦合光学元件也可被称为光提取光学元件。在波导中传播的光撞击光提取光学元件的位置处，由波导输出提取的光束。例如，一个或多个外耦合光学元件282、284、286、288、290中的一些或所有可以是包括如本文进一步讨论的衍射光学特征的一个或多个光栅。尽管为了便于描述和附图清楚，外耦合光学元件被示出为布置在波导182、184、186、188、190的底部主表面处，但是在一些实施方式中，一个或多个外耦合光学元件282、284、286、288、290可以布置在顶部和/或底部主表面处、和/或可以直接布置在波导182、184、186、188、190的体中，如本文进一步讨论的。在一些实施方式中，一个或多个外耦合光学元件282、284、286、288、290可以形成在附接至透明基板的一层材料中，以形成波导182、184、186、188、190。在一些其他实施方式中，波导182、184、186、188、190可以是单片材料，并且一个或多个外耦合光学元件282、284、286、288、290可以形成在该片材料的表面上和/或内部中。
170.继续参考图6，如本文讨论的，每个波导182、184、186、188、190被配置为输出光以形成与特定深度平面相对应的图像。例如，最接近眼睛的波导182可以被配置为将注入至该波导182中的准直光传送至眼睛4。准直光可以代表光学无穷焦平面。向上的下一个波导184可以被配置为在准直光可以到达眼睛4之前，将穿过第一透镜192(例如，负透镜)的准直光发送出；这种第一透镜192可以被配置为创建轻微的凸状波前曲率，使得眼睛/大脑将来自
该向上的下一个波导184的光解释为来自第一焦平面，该第一焦平面从光学无穷远向内更接近眼睛4。类似地，在光到达眼睛4之前，向上的第三波导186使它的输出光穿过第一透镜192和第二透镜194；第一透镜192和第二透镜194的组合光学功率可以被配置为创建波前曲率的另一个增量，使得眼睛/大脑将来自第三波导186的光解释为来自第二焦平面，与来自向上的下一个波导184的光相比，该第二焦平面从光学无穷远向内更接近人。产生这些感知的颜色的其他方式是可能的。
171.其他波导层188、190和透镜196、198被相似地配置，其中，叠层中的最高波导190通过在它与眼睛之间的所有透镜发送它的输出以用于代表最接近人的焦平面的总焦度。当在层叠波导组件178的另一侧上观看/解释来自世界144的光时，为了补偿该叠透镜198、196、194、192，可以将补偿透镜层180布置在叠层的顶部处以补偿下方的透镜叠层198、196、194、192的总功率。这种配置提供的感知的焦平面与存在的可用波导/透镜对一样多。波导的一个或多个外耦合光学元件以及透镜的聚焦方面可以都是静态的(即，不是动态或电活性的)。在一些可替换的实施方式中，波导的一个或多个外耦合光学元件以及透镜的聚焦方面中的一者或两者可以是使用电活性特征的动态的。
172.在一些实施方式中，波导182、184、186、188、190中的两个或更多个可以具有相同的相关联深度平面。例如，多个波导182、184、186、188、190可以被配置为将图像组输出至相同深度平面，或者波导182、184、186、188、190的多个子集可以被配置为将图像组输出至相同的多个深度平面，其中，一组用于一个深度平面。这可以提供用于形成铺瓦式图像以在那些深度平面处提供扩展视场的优势。
173.继续参考图6，一个或多个外耦合光学元件282、284、286、288、290可以被配置为将光从它们各自的波导中重定向出来，并且以与波导相关联的特定深度平面的适当发散量或准直量输出该光。因此，具有不同的相关联深度平面的波导可以具有一个或多个外耦合光学元件282、284、286、288、290的不同配置，外耦合光学元件根据相关联深度平面输出具有不同发散量的光。在一些实施方式中，特征198、196、194、192可以不是透镜；相反，它们可以仅是间隔件(例如，用于形成空气间隙的包覆层和/或结构)。
174.在一些实施方式中，一个或多个外耦合光学元件282、284、286、288、290是形成衍射图案或“衍射光学元件”(本文中也被称为“doe”)的衍射特征。优选地，doe具有足够低的衍射效率使得只有光束的一部分利用doe的每个交叉朝向眼睛4偏转，同时其余部分经由全内反射继续通过波导移动。因此，携带图像信息的光被划分为在多个位置处出射波导的大量相关出射束，并且对于在波导内四处反射(bounce around)的该特定准直束，结果是朝向眼睛4的出射发射的相当均匀的图案。
175.在一些实施方式中，一个或多个doe可以在它们主动衍射的“开启”状态与它们不显著衍射的“断开”状态之间可切换。例如，可切换doe可以包括一层聚合物分散液晶，其中，微滴包括主体介质中的衍射图案，并且微滴的折射率可以切换为基本匹配主体材料的折射率(在这种情况下，图案不明显衍射入射光)，或者微滴可以切换为不匹配主体材料的折射率的指数(在这种情况下，图案主动衍射入射光)。
176.图7示出由波导输出的出射束的实例。示出了一个波导，但是将理解，波导组件178中的其他波导可以类似地起作用，其中，波导组件178包括多个波导。光400在波导182的输入边缘382处被注入至波导182中，并且在波导182内通过tir传播。在光400入射在doe 282
上的点处，光的一部分从波导出射作为出射束402。出射束402示出为基本平行，但是如本文讨论的，它们也可以被重定向以便根据与波导182相关联的深度平面，以一角度(例如，形成发散出射束)传播至眼睛4。将理解，基本平行的出射束可以指示具有一个或多个外耦合光学元件的波导，该外耦合光学元件将光外耦合以形成看起来设置在距眼睛4较远距离(例如，光学无穷远)处的深度平面上的图像。其他波导或其他组外耦合光学元件可以输出更发散的出射束图案，这将需要眼睛4调焦至更近的距离，以使其聚焦到视网膜上，并且将由大脑解释为来自比光学无穷远更接近眼睛4的距离的光。
177.图8示意性地示出层叠波导组件的实例，其中每个深度平面包括使用多种不同成分颜色形成的图像。在一些实施方式中，可以通过叠加成分颜色(例如，三种或更多种成分颜色)中的每一个成分颜色的图像而在每个深度平面处形成全色图像。尽管还预期更多或更少的深度，但是示出的实施方式显示出深度平面14a
‑
14f。每个深度平面可以具有与其相关联的三种成分颜色图像：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之后的对于屈光度的不同数字表示。仅作为实例，这些字母中的每一个字母之后的数字表示屈光度(1/m)或深度平面与观看者的距离，并且图中的每个框表示单个成分颜色图像。
178.在一些实施方式中，每种成分颜色的光可以由单个专用波导输出，并且因此，每个深度平面可以具有与其相关联的多个波导。在这种实施方式中，图中包括字母g、r或b的每个框可以理解为表示单个波导，并且每一深度平面可以提供三个波导，其中，每一深度平面提供三种成分颜色图像。尽管为了便于描述，在该示意图中，与每个深度平面相关联的波导示出为彼此相邻，但是将理解，在物理装置中，波导可以全部布置为每一水平具有一个波导的叠层。在一些其他实施方式中，多种成分颜色可以由相同波导输出，使得例如每一深度平面可以仅提供单个波导。
179.继续参考图8，在一些实施方式中，g是绿色，r是红色，并且b是蓝色。在一些其他实施方式中，除了红色、绿色或蓝色以外，包括洋红色和蓝绿色的其他颜色可以被使用或者可以来代替红色、绿色或蓝色中的一个或多个。
180.将理解，贯穿本公开，对给定颜色的光的引用将理解为包括在由观看者感知为该给定颜色的波长范围的光内的一个或多个波长的光。例如，红光可以包括大约620
‑
780nm的范围中的一个或多个波长的光，绿光可以包括大约492
‑
577nm的范围中的一个或多个波长的光，并且蓝光可以包括大约435
‑
493nm的范围中的一个或多个波长的光。
181.现在参考图9a，示意性地示出了包括波导905、内耦合光学元件907和一个或多个外耦合光学元件909a/909b的显示装置900的顶视图的实例。波导905可以是平坦的，具有第一主表面905a、与第一主表面905a相对的第二主表面905b以及在这些第一主表面905a与第二主表面905b之间延伸的边缘。在这种实施方式中，第一主表面905a和第二主表面905b可以在x
‑
y平面上延伸，并且与第一主表面905a和第二主表面905b相交的表面法线可以沿着z轴取向。波导905可以包括光学级材料，该光学级材料被配置为对于可见频谱中的波长或者与待由波导905输出的成分颜色相对应的波长是能透射的。在各种实施方式中，本文公开的包括波导905的波导可以是单片材料。例如，第一主表面905a和第二主表面905b以及两个主表面905a与905b之间的空间包括相同材料。在一些实施方式中，波导可以包括多层材料。例如，第一主表面905a与第二主表面905b之间的空间可以包括具有第一折射率的材料，并且
第一主表面905a与第二主表面905b之间的空间可以包括具有不同折射率的材料。
182.如在图9b中绘示的，一个或多个外耦合光学耦合元件可以包括第一外耦合光学元件909a和第二外耦合光学元件909b，图9b示意性地示出显示装置900沿着轴a
‑
a'的截面图的实例。在一些实施方式中，例如，第一外耦合光学元件909a和第二外耦合光学元件909b可以组合到一起以便在相同的主表面上或在第一主表面905a和第二主表面905b上形成单个外耦合光学元件。
183.内耦合光学元件907被配置为内耦合第一多个波长的入射光，使得它们通过全内反射沿着第一方向通过波导905传播，并且内耦合一个或多个第二波长的入射光，使得它们通过全内反射沿着第二方向通过波导905传播。第一方向和第二方向在与波导905的第一主表面905a或第二主表面905b共面的平面上延伸。例如，如图9a所示，当沿着平行于第一主表面905a或第二主表面905b的表面法线的方向观看波导905(例如，当波导905取向为使得第一主表面905a朝上时，如在自上而下视图中看到的)时，第一方向可以平行于y轴，并且第二方向可以平行于x轴。因此，图9a示出第一方向和第二方向在与第一主表面905a或第二主表面905b共面的平面上彼此正交。然而，在其他实施方式中，当沿着平行于第一主表面905a或第二主表面905b的表面法线的方向观看时，第一方向和第二方向可以相对于彼此以不同于90度的角度取向。例如，第一方向和第二方向可以相对于彼此以在大约60度与120度之间、大约70度与大约110度之间、大约80度与大约100度之间、大约85度与大约95度之间或其间的角度取向。优选地，选择角度使得在第一方向上传播的光由外耦合元件中的一个以高效率偏转并且由外耦合光学元件中的另一个以低效率偏转，并且在第二方向上传播的光由前一个外耦合元件以高效率偏转并且由后一个外耦合光学元件以低效率偏转。
184.一个或多个第二波长可以不同于第一多个波长。在各种实施方式中，具有多种成分颜色(例如，红色、绿色、蓝色)的光可以被耦合至波导中。第一外耦合光学元件909a被配置为将沿着第一方向通过波导905传播的第一多个波长的光从波导905中重定向出来；并且第二外耦合光学元件909b被配置为将沿着第二方向通过波导905传播的一个或多个第二波长的光从波导905中重定向出来。在一些实施方式中，第一多个波长包括两种成分颜色(例如，红色和蓝色)的光；并且一个或多个第二波长包括第三成分颜色(例如，绿色)的光。优选地，同两种成分颜色中的任一成分颜色的波长与第三颜色的波长之间的差异相比，两种成分颜色在这两种成分颜色的波长之间具有更大差异，这可以促进串扰的降低。在一些实施方式中，第一外耦合光学元件909a包括偏转两种成分颜色中的每一种颜色的光的asr。
185.将理解，波导905可以是显示系统1000(图6)中的该叠波导的一部分。例如，波导905可以与波导182、184、186、188、190中的一个相对应，并且外耦合光学元件909a和909b可以与图6的外耦合光学元件282、284、286、288、290相对应。
186.继续参考图9a和图9b，在各种实施方式中，内耦合光学元件907可以是波长选择光学部件，该波长选择光学部件被配置为偏转不同波长的光使得它们通过tir通过波导905沿着不同方向传播。例如，内耦合光学元件907可以包括被配置为与第一多个波长的光相互作用的第一组内耦合光学元件以及被配置为与一个或多个第二波长的光相互作用的第二组内耦合光学元件。在各种实施方式中，形成内耦合光学元件907的元件可以包括一个或多个光学棱镜或者包括一个或多个衍射元件和/或折射元件的光学部件。
187.在一些实施方式中，内耦合光学元件907可以包括可与一个或多个波长的光相互
作用的一个或多个光栅。例如，如果入射光包括红色、绿色和蓝色波长的光，则内耦合光学元件907可以包括与所有三个波长相互作用的光栅或者与红光相互作用的第一光栅、与绿光相互作用的第二光栅以及与蓝光相互作用的第三光栅。在一些实施方式中，与红光相互作用的第一光栅以及与蓝光相互作用的第三光栅可以组合为单个光栅结构。包括在内耦合光学元件907中的一个或多个光栅可以包括模拟表面凹凸光栅(asr)、二元表面凹凸结构(bsr)、体全息光学元件(vhoe)、数字表面凹凸结构和/或体积相位全息材料(例如，记录在体积相位全息材料中的全息图)或可切换衍射光学元件(例如，聚合物分散液晶(pdlc)光栅)中的一个或多个。也可以使用提供本文公开的功能的其他类型的光栅、全息图和/或衍射光学元件。一个或多个光栅被配置为引导由射线903i1和903i2表示的第一多个波长的入射光，使得第一多个波长的光沿着第一方向(例如，沿着平行于y轴的方向)通过波导905传播，并且引导由射线903i3表示的一个或多个第二波长的入射光，使得一个或多个第二波长的光沿着第二方向(例如，沿着平行于x轴的方向)通过波导传播。因此，一个或多个光栅被配置为通过以适当角度(该适当角度使得入射光在波导905中经历tir)偏转从第一主表面905a的前方或第二主表面905b的后方的方向入射的光，而将光耦合至波导905中。内耦合光学元件907可以包括反射光栅和/或透射光栅。在包括一个或多个反射光栅的一些实施方式中，射入光从波导905内入射在光栅上，并且沿着波导905的第一方向或第二方向衍射。
188.在一些实施方式中，一个或多个波长选择滤波器913a和913b可以与内耦合光学元件907集成或布置为邻近于内耦合光学元件907。一个或多个波长选择滤波器913a和913b可以被配置为分别过滤掉一个或多个第二波长的光的可以沿着第一方向传播的某些部分以及第一多个波长的光的可以沿着第二方向传播的某些部分。在一些实施方式中，波长选择滤波器913a和913b可以是吸收式滤波器。例如，在各种实施方式中，波长选择滤波器913a和913b可以是色带吸收器。
189.在一些实施方式中，波长选择滤波器913a和913b可以包括二向色滤波器。图9c示出二向色波长选择滤波器913b的实例，并且绘示二向色波长选择滤波器的操作。二向色波长选择滤波器913b(或913a)被配置为使通过tir沿着第二方向(或第一方向)传播的第一多个波长(或一个或多个第二波长)的光穿过或透射，并且反射通过tir沿着第二方向(或第一方向)传播的一个或多个第二波长(或第一多个波长)的光。穿过二向色波长选择滤波器913b(或913a)的光由吸收器915b吸收，该吸收器与二向色波长选择滤波器913b(或913a)集成或布置为邻近于该二向色波长选择滤波器。以这种方式，单独地或与波长选择滤波器913b(或913a)和吸收器915b组合的内耦合光学元件907可以增加沿着第一方向通过波导905传播的第一多个波长的内耦合光与沿着第二方向通过波导905传播的一个或多个第二波长的内耦合光之间的隔离的程度。换言之，单独地或与波长选择滤波器913b(或913a)和吸收器915b组合的内耦合光学元件907可以通过限制通过波导905传播的不同波长的光的量，来降低沿着第一方向通过波导905传播的第一多个波长的内耦合光与沿着第二方向通过波导905传播的一个或多个第二波长的内耦合光之间的串扰。降低沿着第一方向通过波导905传播的第一多个波长的内耦合光与沿着第二方向通过波导905传播的一个或多个第二波长的内耦合光之间的串扰，可以有利于提高第一外耦合光学元件909a和第二外耦合光学元件909b的外耦合效率，并且也提高由外耦合光生成的彩色图像的质量。
190.内耦合光学元件907可以布置为邻近于波导905的第一主表面905a或第二主表面
905b。在各种实施方式中，内耦合光学元件907可以布置为邻近于波导905的拐角。内耦合光学元件907可以与波导905明显不同。可替换地，内耦合光学元件907可以与波导905的第一主表面905a或第二主表面905b中的一个或两个集成。在各种实施方式中，内耦合光学元件907和波导905可以单片集成。在各种实施方式中，内耦合光学元件907可以形成在波导905的一部分中。例如，在其中内耦合光学元件907包括一个或多个光栅的实施方式中，一个或多个光栅可以形成在波导905的第一主表面905a和/或第二主表面905b的一部分中。在各种实施方式中，内耦合光学元件907可以布置在一层光学透射材料中，该光学透射材料布置为邻近于波导905的第一主表面905a和/或第二主表面905b。在一些其他实施方式中，如本文公开的，内耦合光学元件907可以布置在波导905的本体(bulk)中。
191.在各种实施方式中，显示装置900可以包括第一光分配元件911a，该第一光分配元件布置在沿着第一方向通过波导905传播的第一多个波长的内耦合光的光路径中。显示装置900还可以包括第二光分配元件911b，该第二光分配元件布置在沿着第二方向通过波导905传播的一个或多个第二波长的内耦合光的光路径中。第一光分配元件911a和第二光分配元件911b可以被配置为分别沿着第一方向和第二方向分配第一多个波长的光和一个或多个第二波长的光。例如，在各种实施方式中，第一光分配元件911a和第二光分配元件911b可以被配置为分别沿着第一方向和第二方向伸展第一多个波长的光和一个或多个第二波长的光(例如，在整个长度上展开光)。由于借助于沿着第一方向和第二方向分配光，所以第一光分配元件911a和第二光分配元件911b可被称为光瞳扩展器或正交光瞳扩展器(ope)，它们可以有利地增加包括第一多个波长的光的第一光束以及包括一个或多个第二波长的光的第二光束的光斑尺寸。第一光分配元件911a和第二光分配元件911b也可以有助于增加显示装置900的出射光瞳的尺寸。当显示装置900被配置为由用户和/或近眼显示应用直接观看时，增加出射光瞳的尺寸可以是有用的。增加出射光瞳的尺寸也可以有利于减轻在观看显示装置900时的眼睛的压力。
192.第一光分配元件911a和第二光分配元件911b可以包括一个或多个光栅，该一个或多个光栅被配置为将分别沿着第一方向和第二方向传播的光引导朝向第一外耦合光学元件909a和第二外耦合光学元件909b。例如，一个或多个光栅可以被配置为具有如下尺寸(例如，凹槽深度或凹槽高度、形状、间隔和/或周期性)和方位，使得光栅被配置为与沿着第一方向传播的第一多个波长的光以及沿着第二方向传播的一个或多个第二波长的光相互作用。例如，如果第一多个波长的光包括红光和蓝光，则第一光分配元件911a可以包括被配置为与红光和蓝光相互作用的光栅或者与红光相互作用的第一光栅以及与蓝光相互作用的第二光栅。类似地，如果一个或多个第二波长的光包括绿光，则第二光分配元件911b可以包括被配置为与绿光相互作用的光栅。
193.在一些实施方式中，第一光分配元件911a和第二光分配元件911b各自被配置为当第一多个波长和一个或多个第二波长的内耦合光通过tir通过波导传播时，在光每次弹跳时使光入射在光栅上的一部分重定向。第一光分配元件911a和第二光分配元件911b可以将沿着第一方向和第二方向传播的第一光束和第二光束划分为朝向第一外耦合光学元件909a和第二外耦合光学元件909b重定向的多个相关束。在各种实施方式中，多个相关束可以是彼此的副本。以这种方式，第一光分配元件911a和第二光分配元件911b可以被配置为均匀或基本均匀地照亮第一外耦合光学元件909a和第二外耦合光学元件909b的较大区域，
这可以导致来自波导905的出射发射的相当均匀的图案。在不丧失一般性的情况下，第一光分配元件911a和第二光分配元件911b可以被配置为使以波长范围内的单个波长或多个波长入射的光重定向。
194.在各种实施方式中，包括在第一光分配元件911a和第二光分配元件911b中的一个或多个光栅可以包括模拟表面凹凸光栅(asr)、二元表面凹凸结构(bsr)、体全息光学元件(vhoe)、数字表面凹凸结构和/或体积相位全息材料或可切换衍射光学元件(例如，聚合物分散液晶(pdlc)光栅)中的一个或多个。也可以使用被配置为提供本文公开的功能的其他类型的光栅、全息图和/或衍射光学元件。第一光分配元件911a和第二光分配元件911b可以布置为邻近于波导905的第一主表面905a或第二主表面905b。在各种实施方式中，第一光分配元件911a和第二光分配元件911b可以布置为使得它们与第一外耦合光学元件909a和第二外耦合光学元件909b间隔开，尽管在一些实施方式中，第一光分配元件911a和第二光分配元件911b不需要被如此配置。第一光分配元件911a和第二光分配元件911b可以与波导905的第一主表面905a或第二主表面905b中的一个或两个集成。在各种实施方式中，第一光分配元件911a和第二光分配元件911b与波导905可以单片集成。在各种实施方式中，第一光分配元件911a和第二光分配元件911b可以形成在波导905的第一主表面905a和/或第二主表面905b的一部分中。在各种实施方式中，第一光分配元件911a和第二光分配元件911b可以布置在一层或多层光学透射材料中，该光学透射材料布置为邻近于波导905的第一主表面905a和/或第二主表面905b。在一些其他实施方式中，如本文公开的，第一光分配元件911a和第二光分配元件911b可以布置在波导905的本体中。
195.如以上所讨论的，第一外耦合光学元件909a和第二外耦合光学元件909b被配置为将入射在其上的内耦合光从波导905的平面中重定向出来。第一外耦合元件909a和第二外耦合元件909b被配置为将入射在第一外耦合元件909a和第二外耦合元件909b上的内耦合光以适当角度重定向为朝向观看者(例如，图7中，眼睛4)，以确保不同波长的光的适当叠加，使得观看者可以感知良好视觉质量的彩色图像。第一外耦合光学元件909a和第二外耦合光学元件909b可以具有提供通过波导905出射的光的发散的光学功率，使得由通过波导905出射的光形成的图像看起来源自一定深度。因此，波导905可以被视为具有与第一外耦合光学元件909a和第二外耦合光学元件909b的光学功率相关的相关联深度平面。如本文讨论的，显示装置的各种实施方式可以包括与上述波导905(包括内耦合光学元件907以及具有不同光学功率的第一外耦合光学元件909a和第二外耦合光学元件909b)相似的层叠在一起的多个不同波导。在这种实施方式中，不同波导可以与同包括在其中的第一外耦合光学元件909a和第二外耦合光学元件909b的不同光学功率相对应的不同深度平面相关联。包括这种层叠在一起的多个不同波导的显示装置对于生成3d图像，并且具体地，生成基于光场的3d图像可以是有用的。
196.如上所述，第一外耦合光学元件909a和第二外耦合光学元件909b可以包括一个或多个光栅。例如，第一外耦合元件909a可以包括被配置为与第一多个波长的光相互作用的一个或多个光栅，并且第二外耦合元件909b可以包括被配置为与一个或多个第二波长的光相互作用的一个或多个光栅。例如，如果第一多个波长包括红色波长和蓝色波长，则第一外耦合元件909a可以包括与红光和蓝光都相互作用的光栅结构或者与红光相互作用的第一光栅以及与蓝光相互作用的第二光栅。如另一实例，如果一个或多个第二波长包括绿色波
长，则第二外耦合元件909b可以包括与绿光相互作用的光栅。
197.第一外耦合元件909a和第二外耦合元件909b可以包括线性凹槽，该线性凹槽被配置为使得沿着基本平行于凹槽长度的方向传播的光不足以从其路径偏转，而使得该光不能被耦合出波导。相反，沿着以相对于凹槽的一角度的方向(例如，垂直于凹槽长度)传播的光使得其入射到或撞击凹槽，并且光以不满足tir的要求的角度偏转，并且因此光被耦合出波导905。因此，第一外耦合元件909a中的凹槽沿着平行于或基本平行于第二方向的方向取向，使得沿着第二方向传播的一个或多个第二波长的光不足以由第一外耦合光学元件909a偏转而不能被外耦合出波导905，并且沿着第一方向传播的第一多个波长的光足以由第一外耦合光学元件909a偏转而被外耦合出波导905。第二外耦合元件909b中的凹槽沿着平行于或基本平行于第一方向的方向取向，使得沿着第一方向传播的第一多个波长的光不足以由第二外耦合光学元件909b偏转而不能被外耦合出波导905，并且沿着第二方向传播的一个或多个第二波长的光足以由第二外耦合光学元件909b偏转而被外耦合出波导905。
198.第一外耦合光学元件909a和第二外耦合光学元件909b可以包括模拟表面凹凸光栅(asr)、二元表面凹凸结构(bsr)、体全息光学元件(vhoe)、数字表面凹凸结构和/或体积相位全息材料(例如，记录在体积相位全息材料中的全息图)或可切换衍射光学元件(例如，聚合物分散液晶(pdlc)光栅)。也可以使用提供本文公开的功能的其他类型的光栅、全息图和/或衍射光学元件。在各种实施方式中，第一外耦合光学元件909a和第二外耦合光学元件909b可以集成为单个外耦合光学元件909。例如，包括用于记录在彼此的顶部上的不同波长(例如，红色、绿色和蓝色)的不同全息图的单个外耦合光学元件909可以布置在主表面905a和905b中的一个上，而不是如图9b所示的布置在第一主表面905a和第二主表面905b上的两个外耦合光学元件909a和909b。在一些实施方式中，第一外耦合光学元件909a可以布置在第一主表面905a或第二主表面905b中的一个上，并且第二外耦合光学元件909b可以布置在另一个主表面上。第一外耦合光学元件909a和第二外耦合光学元件909b可以形成在第一主表面905a和第二主表面905b中的一个或两个上。在各种实施方式中，第一外耦合元件和第二外耦合元件可以形成在布置于第一主表面905a或第二主表面905b中的一个主表面上的层上。
199.图10a示意性地示出包括波导905、内耦合光学元件1007、波长选择滤波器1013a和1013b以及第一外耦合光学元件1009a和第二外耦合光学元件1009b的显示装置1000的顶视图的实例。图10b和图10c示出图10a中绘示的显示装置1000沿着轴a
‑
a'的截面图的实例。显示装置被配置为使得由射线903i1、903i2和903i3表示的射入的不同波长的入射光通过内耦合光学元件1007耦合至波导905中。内耦合光学元件1007可以被配置为以支持借助于tir通过波导传播的适当角度，将所有波长的入射光耦合至波导905中。在各种实施方式中，内耦合光学元件1007不需要被配置为内耦合不同波长的入射光以使得它们沿着不同方向传播。因此，在一些实施方式中，所有波长的入射光可以耦合至波导905中而使得它们沿着相同方向通过波导传播。内耦合光学元件可以包括多个光栅，诸如，例如模拟表面凹凸光栅(asr)、二元表面凹凸结构(bsr)、体全息光学元件(vhoe)、数字表面凹凸结构和/或体积相位全息材料(例如，记录在体积相位全息材料中的全息图)或可切换衍射光学元件(例如，聚合物分散液晶(pdlc)光栅)。也可以使用提供本文公开的功能的其他类型的光栅、全息图和/或衍射光学元件。在各种实施方式中，内耦合光学元件1007可以包括一个或多个光学棱
镜或者包含一个或多个衍射元件和/或折射元件的光学部件。
200.显示装置1000包括波长选择滤波器1013a和1013b，每个波长选择滤波器1013a和1013b与外耦合光学元件1009a和1009b中的一个相关联。在所示实施方式中，波长选择滤波器1013a与外耦合光学元件1009a相关联，并且波长选择滤波器1013b与外耦合光学元件1009b相关联。波长选择滤波器1013a包括第一后表面以及与第一后表面相对的第一前表面。波长选择滤波器1013b包括第二后表面以及与第二后表面相对的第二前表面。在一些实施方式中，例如，如图10b所示，波长选择滤波器1013a可以布置在凹部中的波导905的第一主表面上，使得第一前表面与波导905的第一主表面905a的部分在相同水平上。在一些其他实施方式中，如图10c所示，波长选择滤波器1013a可以布置为使得第一后表面仅叠加在第一主表面905a上(而不布置在凹部中)。在一些实施方式中，例如，如图10b所示，波长选择滤波器1013b可以布置在波导905的第二主表面的凹部中，使得第二前表面与波导905的第二主表面905b在相同水平上。在一些其他实施方式中，如图10c所示，波长选择滤波器1013b可以布置为使得第二后表面仅位于第二主表面905b之下(而不布置在凹部中)。在波导905中传播的光分别入射在第一波长选择滤波器1013a或第二波长选择滤波器1013b的第一后表面或第二后表面上。第一多个波长(或一个或多个第二波长)的光透射通过第一波长选择滤波器1013a(或第二波长选择滤波器1013b)的第一后表面(或第二后表面)。第一波长选择滤波器1013a和第二波长选择滤波器1013b能够反射透射通过第一后表面或第二后表面的光的一部分。
201.波长选择滤波器1013a被配置为使第一多个波长的光(例如，红色波长范围和蓝色波长范围的光)的一部分透射，该第一多个波长的光通过多次反射朝向相应外耦合光学元件1009a通过波导905传播，该外耦合光学元件1009a被配置为使第一多个波长的光从波导905中偏转出。波长选择滤波器1013a被配置为将波长不同于第一多个波长的光反射远离外耦合光学元件1009a。类似地，波长选择滤波器1013b被配置为使一个或多个第二波长的光(例如，绿色波长范围的光)的一部分透射，该一个或多个第二波长的光通过多次反射朝向相应外耦合光学元件1009b通过波导905传播，该外耦合光学元件1009b被配置为使一个或多个第二波长的光从波导905中偏转出。波长选择滤波器1013b被配置为将波长不同于一个或多个第二波长的光反射远离外耦合光学元件1009b。以这种方式，波长选择滤波器1013a和1013b可以降低被耦合出波导905的不同波长的光之间的串扰，以生成彩色图像。
202.在各种实施方式中，波长选择滤波器1013a和1013b可以包括一个或多个二向色滤波器。波长选择滤波器1013a和1013b可以布置在波导905的第一主表面905a和第二主表面905b上。在不丧失一般性的情况下，波长选择滤波器1013a和1013b可以被配置为使以近法线角度入射在滤波器1013a和1013b上的光透射。例如，当波长选择滤波器1013a和1013b布置为平行于第一主表面905a和第二主表面905b时，例如，以相对于法线的大约0度与大约20度之间的角度入射至第一主表面905a和第二主表面905b的光可以透射通过波长选择滤波器1013a和1013b。因此，波长选择滤波器1013a和1013b可以被配置为使来自由观看者通过波导观看的周围场景的光透射。
203.第一外耦合光学元件1009a和第二外耦合光学元件1009b可以布置在对应的波长选择滤波器1013a和1013b上。例如，第一外耦合光学元件1009a布置在对应的波长选择滤波器1013a上，并且被配置为将透射通过波长选择滤波器1013a的第一多个波长的光外耦合出
波导905。类似地，第二外耦合光学元件1009b布置在对应的波长选择滤波器1013b上，并且被配置为将透射通过波长选择滤波器1013b的一个或多个第二波长的光外耦合出波导905。在一些实施方式中，如本文提及的，第一多个波长包括两种成分颜色(例如，红色和蓝色)的光；并且一个或多个第二波长包括第三成分颜色(例如，绿色)的光。优选地，同两种成分颜色中的任一种成分颜色的波长与第三颜色的波长之间的差异相比，两种成分颜色在这两种成分颜色的波长之间具有更大差异，这可以促进串扰的降低。在一些实施方式中，第一外耦合光学元件1009a包括偏转两种成分颜色中的每一成分颜色的光的一个或多个asr，并且第二外耦合光学元件1009b包括偏转第三成分颜色的光的asr。
204.将理解，波导905可以是显示系统1000(图6)中的该叠波导的一部分。例如，波导905可以与波导182、184、186、188、190中的一个相对应，并且外耦合光学元件1009a、1009b和波长选择滤波器1013a、1013b可以与图6的外耦合光学元件282、284、286、288、290相对应。
205.第一外耦合光学元件1009a和第二外耦合光学元件1009b可以物理上和功能上类似于以上参考图9a和图9b描述的第一外耦合光学元件909a和第二外耦合光学元件909b。例如，第一外耦合光学元件1009a和第二外耦合光学元件1009b可以包括衍射结构，诸如，例如模拟表面凹凸光栅(asr)、二元表面凹凸结构(bsr)、体全息光学元件(vhoe)、数字表面凹凸结构和/或体积相位全息材料(例如，记录在体积相位全息材料中的全息图)或可切换衍射光学元件(例如，聚合物分散液晶(pdlc)光栅)中的一个或多个。
206.类似于第一外耦合光学元件909a和第二外耦合光学元件909b，第一外耦合光学元件1009a和第二外耦合光学元件1009b被配置为以适当角度和效率将入射在其上的内耦合光从波导905的平面中重定向出来，以促进或确保不同波长的光的适当叠加，使得观看者可以感知良好视觉质量的彩色图像。第一外耦合光学元件1009a和第二外耦合光学元件1009b可以具有提供通过波导905出射的光的发散的光学功率，使得由通过波导905出射的光形成的图像看起来源自一定深度。
207.诸如，例如第一光分配元件1011a和第二光分配元件1011b的光重分配元件可以布置在光学路径中，不同波长的光沿着该光学路径通过波导905传播。第一光分配元件1011a和第二光分配元件1011b可以物理上和功能上类似于以上参考图9a和图9b描述的第一光分配元件911a和第二光分配元件911b。例如，第一光分配元件1011a和第二光分配元件1011b可以包括衍射结构，诸如，例如模拟表面凹凸光栅(asr)、二元表面凹凸结构(bsr)、体全息光学元件(vhoe)、数字表面凹凸结构和/或体积相位全息材料(例如，记录在体积相位全息材料中的全息图)或可切换衍射光学元件(例如，聚合物分散液晶(pdlc)光栅)中的一个或多个。第一光分配元件1011a和第二光分配元件1011b可以被配置为在光通过波导905朝向第一外耦合光学元件1009a和第二外耦合光学元件1009b传播时，将与其相互作用的光的一部分重定向，从而放大沿着传播方向的相互作用光的束流尺寸。因此，第一光分配元件1011a和第二光分配元件1011b可以有利于放大包括波导905的显示装置1000的出射光瞳。因此，在一些实施方式中，第一光分配元件1011a和第二光分配元件1011b可以用作正交光瞳扩展器(ope)。
208.类似于第一光分配元件911a和第二光分配元件911b，第一光分配元件1011a和第二光分配元件1011b可以布置在波导的第一主表面905a和第二主表面905b中的一个或两个
上。在图10a和图10b所示的实施方式中，第一光分配元件1011a布置在第一主表面905a上，并且第二光分配元件1011b布置在第二主表面905b上。在其他实施方式中，第一光分配元件1011a和第二光分配元件1011b可以布置在波导905的相同主表面上。在各种实施方式中，第一光分配元件1011a和第二光分配元件1011b可以组合以形成单个光分配光学元件。
209.在各种实施方式中，第一光分配元件1011a和第二光分配元件1011b可以被配置为是波长选择性的，使得它们对于一定波长的光比其他波长的光具有更高的重定向效率。例如，在各种实施方式中，第一光重分配元件1011a可以被配置为朝向第一外耦合光学元件1009a重定向第一多个波长的光，并且第二光重分配元件1011b可以被配置为朝向第二外耦合光学元件1009b重定向一个或多个第二波长的光。在这种实施方式中，第一光分配元件1011a可以布置在第一波长选择滤波器1013a上面，并且第二光分配元件1011b可以布置在第二波长选择滤波器1013b上面。以这种方式，由第一(或第二)光分配元件1011a(或1011b)朝向第一(或第二)外耦合光学元件1009a(或1009b)重定向的一个或多个第二(或第一多个)波长的光的量可以降低。
210.在以上参考图9a至图10b讨论的实施方式中，第一外耦合光学元件909a、1009a和第二外耦合光学元件909b和1009b可以被配置为在它们所布置的第一主表面或第二主表面的任一侧上对称地衍射光，使得来自波导的光在主表面905a和905b的前方和后方衍射。因此，即使彩色图像的颜色中的一些由布置在波导的一个主表面上的外耦合元件输出并且彩色图像的一些其他颜色由布置在波导的另一主表面上的外耦合元件输出的光生成，彩色图像的质量也不受影响。
211.此外，各种内耦合光学元件和外耦合光学元件以及光分配元件可以被配置为通过组合不同组的衍射结构来与多个不同波长的光相互作用，不同组的衍射结构中的每一组被配置为与单个波长的光相互作用。可以通过使用诸如注入压缩成型、uv复制或衍射结构的纳米印刷的制造方法，将不同组的衍射结构布置在波导上。
212.现在参考图11a，示出多个层叠波导或层叠波导组1200的截面侧视图的实例，波导各自被配置为输出不同波长或波长范围的光。层叠波导组1200包括波导1210、1220和1230。每个波导包括相关联的内耦合光学元件，例如，布置在波导1210的主表面(例如，底部主表面)上的内耦合光学元件1212、布置在波导1220的主表面(例如，底部主表面)上的内耦合光学元件1222以及布置在波导1230的主表面(例如，底部主表面)上的内耦合光学元件1232。在一些实施方式中，内耦合光学元件1212、1222、1232中的一个或多个可以布置在相应波导1210、1220、1230的顶部主表面上(具体地，其中，一个或多个内耦合光学元件是透射偏转光学元件)。优选地，内耦合光学元件1212、1222、1232布置在其相应波导1210、1220、1230的底部主表面上(或下一个较低波导的顶部上)。在一些实施方式中，内耦合光学元件1212、1222、1232可以布置在相应波导1210、1220、1230的主体内。优选地，内耦合光学元件1212、1222、1232是滤色器，该滤色器包括选择性地反射一个或多个波长的光、同时使其他波长的光透射的滤波器。滤色器的实例包括如本文讨论的二向色滤波器。尽管示出为在其相应波导1210、1220、1230的一侧或拐角上，但是将理解，在一些实施方式中，内耦合光学元件1212、1222、1232可以布置在其相应波导1210、1220、1230的其他区域中。
213.每个波导还包括相关联的光分配元件，例如，布置在波导1210的主表面(例如，顶部主表面)上的光分配元件1214、布置在波导1220的主表面(例如，顶部主表面)上的光分配
元件1224以及布置在波导1230的主表面(例如，顶部主表面)上的光分配元件1234。在一些其他实施方式中，光分配元件1214、1224、1234可以分别布置在相关联的波导1210、1220、1230的底部主表面上。在一些其他实施方式中，光分配元件1214、1224、1234可以分别布置在相关联的波导1210、1220、1230的顶部主表面和底部主表面上；或者光分配元件1214、1224、1234可以分别布置在不同相关联的波导1210、1220、1230的顶部主表面和底部主表面中的不同主表面上。
214.波导1210、1220、1230可以通过气体和/或固体材料层间隔开并分离。例如，如示出的，层1216a和1218a可以分离波导1210与1220；并且层1216b和1218b可以分离波导1220与1230。在一些实施方式中，层1216a和1216b由与形成波导1210、1220、1230中的紧邻波导的材料指数匹配的材料形成。有利地，指数匹配层1216a和1216b可以促进光通过波导组1200的厚度的传播，使得例如光可以通过波导1210、1220和1230以较少反射或损失行进至内耦合光学元件1232。
215.在一些实施方式中，层1216b和1218b由低折射率材料(即，该材料的折射率比形成波导1210、1220、1230中的紧邻波导的材料的折射率低)形成。优选地，形成层1216b、1218b的材料的折射率比形成波导1210、1220、1230的材料的折射率小0.05以上或者0.10以上。有利地，较低折射率层1216b、1218b可以用作促进光通过波导1210、1220、1230的全内反射(tir)(例如，在每个波导的顶部主表面与底部主表面之间的tir)的包覆层。在一些实施方式中，层1216b、1218b由空气形成。尽管未示出，但是将理解，示出的波导组1200的顶部和底部可以包括紧邻包覆层。
216.优选地，为了便于制造和其他考虑，形成波导1210、1220、1230的材料相似或相同，并且形成层1216b、1218b的材料相似或相同。在一些实施方式中，形成波导1210、1220、1230的材料可以在一个或多个波导之间不同，和/或形成层1216b、1218b的材料可以不同，同时仍然保持上述各种折射率关系。
217.继续参考图11a，光射线1240、1242、1244入射在波导组1200上。将理解，波导组1200可以是显示系统1000(图6)中的该叠波导的一部分。例如，波导1210、1220、1230可以与波导182、184、186、188、190中的三个波导相对应，并且光射线1240、1242、1244可以通过一个或多个图像注入装置200、202、204、206、208注入至波导1210、1220、1230中。
218.优选地，光射线1240、1242、1244具有不同特性，例如，可以与不同颜色相对应的不同波长或波长范围。内耦合光学元件1212、1222、1232基于光的特性的特定特征选择性地偏转光射线1240、1242、1244，同时使不具有该特性或特征的光透射。在一些实施方式中，光的特性是波长，并且内耦合光学元件1212、1222、1232各自选择性地偏转一个或多个特定波长的光，同时将其他波长透射至底层波导及相关联的内耦合光学元件。
219.例如，内耦合光学元件1212可以被配置为选择性地偏转(例如，反射)具有第一波长或波长范围的射线1240，同时分别使具有不同的第二波长和第三波长或不同波长范围的射线1242和1244透射。然后，透射的射线1242入射在内耦合光学元件1222上并由该内耦合光学元件偏转，该内耦合光学元件1222被配置为选择性地偏转(例如，反射)第二波长或波长范围的光。射线1244通过内耦合光学元件1222透射，并且继续入射在内耦合光学元件1232上并且由该内耦合光学元件1232偏转，该内耦合光学元件1232被配置为选择性地偏转(例如，反射)第三波长或波长范围的光。在一些实施方式中，内耦合光学元件1212、1222、
1232是诸如二向色滤波器的反射滤色器。
220.继续参考图11a，偏转的光射线1240、1242、1244被偏转为使得它们通过对应的波导1210、1220、1230传播；即，每个波导的内耦合光学元件1212、1222、1232将光偏转至对应的波导1210、1220、1230中以将光内耦合至对应的波导中。光射线1240、1242、1244以使得光通过tir通过相应波导1210、1220、1230传播的角度偏转。
221.在一些实施方式中，为了使光射线1240、1242、1244以用于tir的适当角度入射在内耦合光学元件1212、1222、1232上，角度修改光学元件1260可以设置为改变光射线1240、1242、1244撞击内耦合光学元件的角度。例如，在一些实施方式中，光射线1240、1242、1244可以以正交于波导1210的角度入射在角度修改光学元件1260上。然后，角度修改光学元件1260改变光射线1240、1242、1244的传播方向，使得它们以相对于波导1210的表面小于90度的角度撞击内耦合光学元件1212、1222、1232。在一些实施方式中，角度修改光学元件1260是光栅。在一些其他实施方式中，角度修改光学元件1260是棱镜。
222.继续参考图11a，光射线1240、1242、1244通过tir通过相应波导1210、1220、1230传播，直至入射在波导的对应的光分配元件1214、1224、1234上。
223.现在参考图11b，示出了图11a的多个层叠波导的立体图的实例。如以上提及的，内耦合光射线1240、1242、1244分别由内耦合光学元件1212、1222、1232偏转，并且然后通过tir分别在波导1210、1220、1230内传播。然后，光射线1240、1242、1244分别入射在光分配元件1214、1224、1234上。光分配元件1214、1224、1234偏转光射线1240、1242、1244，使得它们分别朝向外耦合光学元件1250、1252、1254传播。
224.在一些实施方式中，光分配元件1214、1224、1234是正交光瞳扩展器(ope)。在一些实施方式中，ope将光偏转并分配至外耦合光学元件1250、1252、1254，并且当该光传播至外耦合光学元件时还增加其束流尺寸或光斑尺寸。例如，在束流尺寸已经是期望尺寸的一些实施方式中，光分配元件1214、1224、1234可以省去，并且内耦合光学元件1212、1222、1232可以被配置为将光直接偏转至外耦合光学元件1250、1252、1254。例如，参考图11a，在一些实施方式中，光分配元件1214、1224、1234可以分别由外耦合光学元件1250、1252、1254替代。
225.如本文公开的，将理解，外耦合光学元件1250、1252、1254可以包括衍射结构，诸如，例如模拟表面凹凸光栅(asr)、二元表面凹凸结构(bsr)、体全息光学元件(vhoe)、数字表面凹凸结构和/或体积相位全息图或可切换衍射光学元件(例如，聚合物分散液晶(pdlc)光栅)中的一个或多个。在一些实施方式中，将理解，外耦合光学元件1250、1252、1254可以是图6的外耦合光学元件282、284、286、288、290中的三个。在一些实施方式中，外耦合光学元件1250、1252、1254是引导观看者的眼睛4(图7)中的光的出射光瞳(ep)或出射光瞳扩展器(epe)。
226.因此，参考图11a和图11b，在一些实施方式中，波导组1200包括：分离的波导1210、1220、1230；光分配元件(例如，ope)1214、1224、1234；以及用于每种成分颜色的外耦合光学元件(例如，ep)1250、1252、1254。三个波导1210、1220、1230可以利用在每个之间的除了内耦合光学元件(例如，滤色器)1212、1222、1232位于的地方以外的空气间隙来层叠。滤色器将期望颜色反射至其适当波导中，同时透射其他颜色的光。例如，光最初通过角度修改光学元件1260(诸如，内耦合光栅或棱镜)耦合至第一波导1210中。然后，如果光遇到的表面在该
表面的另一侧上具有相对低的折射率材料(例如，空气)则光以将导致tir的角度传播，或者当光具有适当波长时，如果光撞击内耦合光学元件(例如，滤色器)1212、1222、1232(诸如适当设计的二向色滤波器)，它将几乎全部反射。在所示实例中，以先前描述的方式，光射线1240(例如，绿光)将从第一内耦合光学元件(例如，滤色器)1212反射，并且然后，通过与光分配元件(ope)1214相互作用并然后与外耦合光学元件(例如，ep)1250相互作用而继续在波导中反弹。光射线1242和1244(例如，蓝光和红光)将穿过内耦合光学元件(例如，滤色器)1212并且进入下一个波导1220。光射线1242将从下一个内耦合光学元件(例如，滤色器)1222反射，并且然后经由tir在波导1220中反弹，继续至其光分配元件(例如，ope)1224并且然后至外耦合光学元件(例如，ep)1252。最终，光射线1244(例如，红光)将穿过内耦合光学元件(例如，滤色器)1232并且进入其波导1230中，在波导1230中光射线1244传播至其光分配元件(例如，ope)1234并且然后传播至外耦合光学元件(例如，ep)1254，最终该光与来自其他波导1210、1220的光一起耦合出至观看者。
227.现在参考图12a至图12b，显示了具有角度修改光学元件1260以促进光内耦合至波导中的波导的截面侧视图的实例。如本文提及的，角度修改光学元件1260可以包括例如可以通过衍射偏转光射线的光栅。在一些其他实施方式中，角度修改光学元件1260可以是棱镜，该棱镜可以例如通过折射改变光射线的传播方向或传播角度。图12a显示通过棱镜1260内耦合并且从内耦合光学元件(例如，滤色器)1212反射并且通过tir在第一波导1210内传播的波段的光。图12b显示通过内耦合光学元件(例如，滤色器)1212透射并且从内耦合光学元件(例如，滤色器)1222反射并且通过tir在第二波导1220内传播的第二波段的光。
228.已发现，各种波导(例如，图9a至图10b的905；以及图11a至图11b的1210、1220、1230)将受益于使用具有高折射率的材料制成。图13是显示折射率对视场的预期影响的绘图。图13示出来自用于显示器62的单色目镜的模拟结果，该目镜与图11a至图11b的波导1210、1220、1230中的一个波导显著相似。在模拟中，波导的折射率变化上至与各种树脂相关联的值(在高端)，下至表示熔融二氧化硅的值(在低端)。在曲线图中发现并示出可用视场的明显增加。由于该原因，在一些实施方式中，本文公开的各种波导可以由提供高折射率波导的材料形成。
229.在一些实施方式中，本文公开的各种波导(例如，图9a至图10c的波导905；以及图11a至图11b的波导1210、1220、1230)可以由玻璃、聚合物、塑料、蓝宝石、树脂或能使可见频谱中的波长透射的其他材料形成。如本文公开的，包括具有相对高折射率的材料的波导可以具有更高的可用视场(fov)。例如，当波导的材料的折射率从大约1.45增加至大约1.75时，可用fov可以从大约35度增加至大约60度。因此，本文描述的各种实施方式可以包括这样的波导，该波导包含具有大于1.5、在大约1.5与1.8之间、大于1.6或大于1.8的折射率的材料。
230.在一些实施方式中，将理解，在波导上具有衍射结构(例如，光栅)的波导可以通过例如注入压缩成型、uv复制或衍射结构的纳米印刷而在高指数基板的顶部上制成。在一些实施方式中，这种方法可以用于形成基于asr结构的设计或二元表面凹凸设计。
231.本文描述了本发明的各种示例性实施方式。以非限制性意义对这些实例进行参考。提供这些实例以示出本发明的更广泛的可适用方面。在不偏离本发明的真实精神和范围的情况下，可以对描述的本发明做出各种改变，并且可以用等同物替代。
232.尽管示出为可穿戴系统中的眼镜作为有利实例，但是本文公开的波导及相关结构和模块可应用以形成非可穿戴显示器。例如，在不由观看者60穿戴的情况下，代替调整为可穿戴框架64(图2)，显示器62可以附接至支撑显示器62并且允许显示器62向观看者60提供图像的独立底座或其他结构(例如，作为桌子或桌面监视器)。
233.在一些实施方式中，本文参考某些图描述的各种特征可以用在参考其他图讨论的实施方式中。例如，参考图9b，诸如图10b和图10c的滤色器1013a、1013b的滤色器可以分别设置在外耦合光学元件909a、909b与波导905之间。类似地，参考图11a，与图10b和图10c的滤色器1013a、1013b相似的滤色器可以设置在外耦合光学元件1214、1224、1234与它们相应的波导1210、1220、1230之间。将理解，对于每个外耦合光学元件，将该元件与其对应的波导分离的滤色器被配置为透射外耦合光学元件被配置为外耦合的波长或波长的光，同时反射其他波长的光。
234.此外，可以进行许多修改以将特定情形、材料、物质组合、过程、(一个或多个)过程行为或(一个或多个)步骤适配至本发明的(一个或多个)目的、精神或范围。此外，如本领域技术人员将理解的，在不偏离本发明的范围或精神的情况下，本文描述和示出的单独变型中的每一个具有分离的部件和特征，其可以容易地与其他若干实施方式中的任一个实施方式的特征分离或组合。所有这些修改旨在处于与本公开相关联的权利要求的范围内。
235.本发明包括可以使用主题装置执行的方法。该方法可以包括提供这种合适的装置的行为。这种提供可以由终端用户执行。换言之，“提供”行为仅需要终端用户获得、接入、接近、定位、设置、激活、加电或以另外方式行动以提供主题方法中的必要装置。本文陈述的方法可以以所述事件逻辑上可能的任意顺序进行以及以所述事件顺序进行。
236.以上已阐述本发明的示例性方面以及关于材料选择和制造的细节。至于本发明的其他细节，这些可以结合以上引用的专利和公开以及本领域技术人员常见或认可的来理解。就通常或逻辑上采用的附加行为而言，相对于本发明的基于方法的各方面也是如此。
237.此外，尽管本发明已被描述为参考若干实例(可选地，包括各种特征)，但是本发明不限于如相对于本发明的每种变型预期的所描述或表示的该实例。在不偏离本发明的真实精神和范围的情况下，可以对描述的本发明做出各种改变，并且可以用等同物(为了简洁起见，本文陈述的或未包括的)替代。此外，在提供了值的范围的情况下，应理解，该范围的上限与下限之间的每个中间值以及所述范围中的任意其他所述值或中间值包括在本发明内。
238.另外，预期到，所描述的创新性变型的任何可选特征可以独立地阐述并要求保护，或结合本文所描述的任何一个或多个特征来阐述并要求保护。单数项的参考包括存在多个相同项的可能性。更具体地，除非另外明确指出，否则如本文和与其相关联的权利要求中使用的单数形式“一(a)”、“一个(an)”、“所述(said)”和“该(the)”包括复数指示。换言之，冠词的使用允许在以上描述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”。还要注意的是，这些权利要求可以撰写成排除任何可选元件。因而，此声明旨在针对将这种排除性术语如“单独”、“仅”等与权利要求元件的叙述相结合使用，或针对使用“负”限制而用作前提基础。
239.在不使用这种排除性术语的情况下，与本公开相关联的权利要求中的术语“包括”将允许包括任意附加元件，而不考虑给定数量的元件是否列举在这些权利要求中、或者特征的增加是否可以被视为这种权利要求中阐述的元件的本质的转换。除了本文特别限定，
本文使用的所有技术和科学术语在维持权利要求有效性的同时，将给出尽可能广泛的普遍理解的含义。
240.本发明的广度不限于提供的实例和/或本说明书，而是仅由与本公开相关联的权利要求语言的范围限制。