可穿戴显示器中光透射伪影的衰减的制作方法

摄影电影;光学设备的制造及其处理,应用技术1.本公开涉及衰减可穿戴显示器中的光透射伪影的技术。背景技术：2.诸如可穿戴显示系统(例如，可穿戴显示头戴装置)之类的光学成像系统可以包括向用户呈现投影图像的一个或多个目镜。可以使用一种或多种高折射材料的薄层来构成目镜。例如，目镜可由一个或多个高折射玻璃、硅、金属或聚合物基板层构成。3.可以结合使用多个目镜来投射模拟的三维图像。例如，各自具有不同图案的多个目镜可以一层一层地叠加在一起，且每个目镜可以投射体积图像的不同深度层。因此，目镜可以跨三个维度将体积图像共同呈现给用户。例如，这在向用户呈现“虚拟现实”环境时可能很有用。4.可穿戴显示系统中的光学元件还可以与环境光交互，环境光是来自用户所处环境的光。例如，可穿戴显示系统中的衍射结构可以将以高角度入射到可穿戴显示器上的通常不会进入用户视野的环境光衍射到视野中，从而形成会降低用户体验的可见伪影。技术实现要素：5.描述了可穿戴显示系统，其包括角度选择膜以减轻与以高入射角入射的环境光相关的伪影。例如，角度选择膜可以结合偏振调节元件，其调节量取决于光的入射角而变化，使用偏振片来减少以特定入射角度的光的透射率。在某些实施例中，角度选择膜可以包括动态元件，其中透射特性响应于某些刺激，例如响应于电场，而变化。6.一般而言，在第一方面，本发明包括一种可穿戴显示系统为特征，所述可穿戴显示系统包括目镜堆叠，其具有世界侧和与所述世界侧相对的用户侧，其中，在使用期间，位于所述用户侧的用户经由所述目镜堆叠观看由所述可穿戴显示系统传送的显示图像，所述显示图像扩大了所述用户对所述用户的环境的视野。所述可穿戴显示系统还包括角度选择膜，其被布置在所述目镜堆叠的所述世界侧，所述角度选择膜包括被布置在一对线偏振片之间的偏振调节膜，其中，所述线偏振片和所述偏振调节膜显著降低以大入射角入射到所述角度选择膜上的可见光的透射率，而没有显著降低以小入射角入射到所述角度选择膜上的光的透射率。7.可穿戴显示系统的实施例可以包括一个或多个下面的特征和/或其他方面的特征。例如，其中所述两个线偏振片的通过轴交叉。8.在一些实施例中，所述偏振调节膜使由所述一对线偏振片中的在所述偏振调节膜的所述世界侧的第一线偏振片透射的光的偏振态旋转。取决于由所述一对线偏振片中的所述第一线偏振片透射的光的入射角，所述偏振态的旋转量变化。具有大入射角透射的光的旋转量可以小于具有小入射角透射的光。9.以在35°和65°之间的入射角入射到所述角度选择膜的波长在从420nm到680nm的范围内的非偏振光的透射效率小于0.5％。10.以在-32°和+32°之间的入射角入射到所述角度选择膜的波长在从420nm到680nm的范围内的非偏振光的透射效率大于45％。11.对于d65光源，所述角度选择膜对于入射角在-32°和+32°之间的非偏振光可使(0.33,0.33)cie 1931白点偏移小于(+/-0.02,+/-0.02)。12.所述角度选择膜的面积可以大于10mm×10mm(例如，200mm2或更大、500mm2或更大、1,000mm2或更大，诸如2,500mm2或更大，例如，大于50mm×50mm)。13.所述偏振调节膜可以包括至少一个双折射材料层。例如，所述至少一个双折射材料层可以包括c板。在一些实施例中，所述至少一个双折射材料层包括一对四分之一波片，所述四分之一波片被设置在所述c板的相对侧上。每个四分之一波片可以相对于所述线偏振片中的对应线偏振片被布置以形成圆偏振片。14.所述至少一层双折射材料可以包括至少一个四分之一波片。15.所述偏振调节膜可以是第一偏振调节膜，并且所述角度选择膜还可以包括第二偏振调节膜和第三线偏振片，所述第二偏振调节膜被布置在所述一对线偏振片和所述第三线偏振片之间。所述第一偏振调节膜和所述第二偏振调节膜可以各自由一个或多个双折射材料层构成。所述第一偏振调节膜和第二偏振调节膜的所述一个或多个双折射材料层均可包括c板。所述第一偏振调节膜和所述第二偏振调节膜的所述一个或多个双折射材料层均可包括被布置在所述对应的c板的相对侧上的一对四分之一波片。16.所述角度选择膜可以包括两级或更多级，每一级包括被布置在一对线偏振片之间的偏振调节膜。相邻的级可以共享线偏振片。17.所述角度选择膜还包括具有可变光学特性的可切换元件。所述可切换元件可以包括位于一对偏振片之间的液晶层，其中，通过所述可切换元件的光透射率是可变的。所述可切换元件可以包括多个像素，每个像素的光学特性是单独可变的。18.一般而言，在另一方面，本发明包括一种使用可穿戴显示系统显示图像的方法为特征，所述方法包括通过目镜将来自显示器的显示光朝向用户引导，以在所述用户的视野中投射图像；以及通过所述目镜透射来自所述用户的环境的环境光。透射所述环境光包括：根据所述环境光在所述目镜上的入射角衰减从所述环境入射到所述目镜上的光，以35°或更大的入射角入射到所述目镜上的所述环境光比以35°或更小的入射角入射到所述目镜上的所述环境光更强的衰减。19.所述方法的实施方式可以包括一个或多个下面的特征和/或其他方面的特征。例如，衰减所述环境光可以包括：使所述环境光偏振以提供偏振光，以及根据所述环境光的入射角调制所述偏振光的偏振态。调制所述偏振光的所述偏振态可以包括：使所述偏振态旋转。所述偏振态的旋转量可以取决于所述环境光的所述入射角而变化。例如，所述旋转量可以针对入射角的增加而减小。在一些实施例中，衰减所述环境光还包括引导所述偏振光通过第二偏振片。20.针对大于30°(例如，35°或更大、40°或更大、45°或更大、50°或更大)的至少一个入射角，环境光的透射率可以是1％或更少。在一些实施例中，针对大于50°的至少一个入射角，环境光的透射率是1％或更少。在某些实施例中，针对60°至80°范围内的至少一个入射角，环境光的透射率是1％或更少。21.引导所述显示光可以包括：以波导传输显示光通过所述目镜中的波导，以及朝着所述用户衍射经波导传输的显示光。22.所述方法可以包括：响应于来自所述可穿戴显示系统的信号，改变经透射的环境光的衰减。例如，所述衰减可以在所述目镜上改变不同的量。在一些实施例中，使用液晶元件改变所述衰减。23.在其他优点中，本发明的实施方式可以减少某些可穿戴显示器中不希望的光学伪影(例如，彩虹效应)，这些伪影与杂散环境光与显示器中光栅结构相互作用有关。例如，采用表面浮雕光栅的基于波导的可穿戴显示器(例如，用于ar/mr应用)会将杂散环境光衍射到显示器的眼动范围中，从而导致用户视野中出现不希望的伪影，从而降低用户体验。本发明的实施方式可以显著减少这种伪影，而不会显著影响用户的视野。24.实施方式可以基于环境光的入射角，衰减环境光的透射。例如，对于大于用户视野的入射角选择性地衰减光的薄膜可以在不牺牲用户对世界的透射率的情况下减轻由衍射近眼显示器生成的伪影的可见性。25.在附图和以下描述中阐述了一个或多个实施例的细节。通过描述、附图以及权利要求，其他特征和优点将变得显而易见。附图说明26.图1示出了可穿戴显示系统的示例。27.图2a示出了用于模拟用户的三维图像数据的常规显示系统。28.图2b示出了使用多个深度平面模拟三维图像数据的方法的各方面。29.图3a-图3c显示曲率半径和焦点半径之间的关系。30.图4示出了用于在ar目镜中向用户输出图像信息的波导堆叠的示例。31.图5和图6示出了由波导输出的出射光束的示例。32.图7a和图7b是示出通过具有表面浮雕光栅的显示组合器的光路的示意图。33.图8a和图8b是比较通过具有和不具有角度选择膜的显示组合器的光透射的示意图。34.图9是具有显示组合器的目镜和角度选择膜的示例的示意图。35.图10是示出透射率与通过角度选择膜的示例的入射光角度的关系的曲线图。36.图11是具有显示组合器的目镜和角度选择膜的另一示例的示意图。37.图12是示出透射率与通过角度选择膜的另一示例的入射光角度的关系的曲线图。38.图13是具有显示组合器和包括分段调光器的角度选择膜的示例的目镜的示意图。39.图14是具有显示组合器和包括分段调光器的角度选择膜的另一示例的目镜的示意图。40.图15是具有显示组合器和包括分段调光器的角度选择膜的又一示例的目镜的示意图。41.图16是可用于可穿戴显示系统的示例计算机系统的图。具体实施方式42.图1示出了示例可穿戴显示系统60的，显示系统60包括显示器或目镜70，以及支持该显示器70的功能的各种机械和电子模块和系统。显示器70被容纳在框架80中，该框架可由显示系统用户90穿戴，并且被配置为将显示器70定位在用户90的眼前。在一些实施例中，显示器70可以被视为眼镜。在一些实施例中，扬声器100被耦接到框架80并且被定位在用户90的耳道附近。显示系统还可以包括一个或多个麦克风110以检测声音。麦克风110可以允许用户向系统60提供输入或命令(例如，语音菜单命令、自然语言问题的选择等)和/或可以允许与其他人(例如，与类似显示系统的其他用户)进行音频通信。麦克风110还可以收集来自用户周围环境的音频数据(例如，来自用户和/或环境的声音)。在一些实施例中，显示系统还可以包括外围传感器120a，其可以与框架80分离并且被附接到用户90的身体(例如，头部、躯干、四肢等上)。在一些实施例中，外围传感器120a可以获取表征用户90的生理状态的数据。43.显示器70通过通信链路130(诸如，通过有线引线或无线连接)被可操作地连接到本地数据处理模块140，本地数据处理模块140可以以各种配置被安装，诸如被固定地附接到框架80，被固定地附接到由用户戴的头盔或帽子，被嵌入耳机中，或被可移除地附接到用户90(例如，采取背包式配置或采取束带连接式配置)。类似地，传感器120a可通过通信链路120b(例如，通过有线引线或无线连接)被可操作地耦接到本地处理和数据模块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)，这两者都可用于辅助数据的处理、缓存和存储。这些数据可以包括1)通过传感器(其例如可以被可操作地耦接到框架80或以其他方式被附接到用户90)捕获的数据，这些传感器诸如图像捕获设备(如相机)、麦克风、惯性测量单元、加速度计、罗盘、gps单元、无线电设备、陀螺仪和/或此处公开的其他传感器；和/或2)使用远程处理模块150和/或远程数据存储库160获取和/或处理的数据(包括有关虚拟内容的数据)，这些数据可以在被执行完上述处理或检索之后被传送到显示器70。本地处理和数据模块140可通过通信链路170、180，诸如经由有线或无线通信链路，被可操作地耦接到远程处理模块150和远程数据存储库160，使得这些远程模块150、160被可操作地彼此耦接，并且作为资源可用于本地处理和数据模块140。在一些实施例中，本地处理和数据模块140可以包括图像捕获设备、麦克风、惯性测量单元、加速度计、罗盘、gps单元、无线电设备和/或陀螺仪中的一者或多者。在一些其他实施例中，这些传感器中的一者或多者可以被附接到框架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通信的独立设备。44.远程处理模块150可以包括分析和处理数据，诸如图像或音频信息，的一个或多个处理器。在一些实施例中，远程数据存储库160可以是数字数据存储设施，该设施可通过因特网或“云”资源配置中的其他网络配置获得。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，这些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)。在其他实施例中，在本地处理和数据模块中存储所有数据都并执行所有计算，允许从远程模块完全自主地使用。45.可通过向用户的每只眼睛提供略微不同的图像呈现来实现将图像感知为“三维”或“3d”。图2a示出了用于针对用户模拟三维图像数据的常规显示系统。向用户输出两个不同图像190、200，其中每个图像针对一只眼睛210、220。图像190、200沿着平行于用户视线的光轴或z轴与眼睛210、220相隔距离230。图像190、200是平坦的，眼睛210、220可通过假设单个调节状态而聚焦在图像上。这样的3d显示系统依赖于人类视觉系统来组合图像190、200以提供组合图像的深度感和/或比例尺。46.然而，人类视觉系统很复杂，提供逼真的深度感具有挑战性。例如，常规的“3d”显示系统的许多用户发现这样的系统不舒服或者根本无法感觉到深度感。由于辐辏和调节的组合，对象可被感知为“三维的”。两只眼睛相对于彼此的辐辏动作(例如，使得瞳孔彼此靠近或远离以使眼睛的相应视线注视在对象上的眼睛旋转)与眼睛晶状体的聚焦(或“调节”)密切相关。在正常情况下，根据被称为“调节-辐辏反射”的关系，以及瞳孔放大或收缩，更改眼睛晶状体的焦点或调节眼睛以将焦点从一个对象转移到不同距离处的另一对象将自动导致到同一距离的辐辏的匹配变化。同样，在正常情况下，辐辏的变化将引发晶状体形状和瞳孔大小的调节发生匹配变化。如本文所述，许多立体或“3d”显示系统使用略微不同的呈现(因此使用略微不同的图像)向每只眼睛显示场景，使得人类视觉系统感知到三维透视。然而，这些系统对于一些用户来说是不舒服的，因为它们仅在单个调节状态下提供图像信息，并且违反“调节-辐辏反射”起作用。在调节与辐辏之间提供更好匹配的显示系统可以形成更逼真和舒适的三维图像信息的模拟。47.图2b示出了使用多个深度平面模拟三维图像数据的方法的各方面。参考图2b，眼睛210、220呈现不同的调节状态以聚焦于在z轴上的不同距离处的对象。因此，可以认为特定的调节状态与所示的深度平面240中的特定一者(具有相关联的焦距)相关联，使得当眼睛处于针对特定深度平面的调节状态时，该特定深度平面内的对象或对象的一部分对焦。在一些实施例中，可通过为每只眼睛210、220提供图像的不同呈现，并且还通过提供对应于多个深度平面的图像的不同呈现来模拟三维图像数据。尽管眼睛210、220的相应视野为了清楚地说明而被示出为是分开的，但它们可以重叠，例如在沿z轴的距离增加时。此外，尽管为了便于说明而将深度平面示出为平坦的，但是应当理解，深度平面的轮廓在物理空间中可以是弯曲的，使得深度平面内的所有特征在眼睛处于特定调节状态时聚焦。48.对象与眼睛210或220之间的距离也可以改变来自由该眼睛所看到的对象的光的发散量。图3a至图3c示出了距离与光线发散之间的关系。对象与眼睛210之间的距离按照递减的次序由距离r1、r2和r3表示。如图3a至图3c所示，随着到对象的距离的减小，光线变得更加发散。随着距离的增加，光线变得更加准直。换言之，可以认为由点(对象或对象的一部分)产生的光场具有球面波前曲率，其根据该点相对于用户的眼睛的距离。随着对象与眼睛210之间的距离减小，曲率增加。因此，在不同的深度平面上，光线的发散程度也不同，发散度随着深度平面与用户眼睛210之间的距离的减小而增加。尽管为了在图3a至图3c和本文中的其他图中清楚地说明而仅示出单只眼睛210，但是应当理解，有关眼睛210的讨论可以被应用于用户的双眼210和220。49.可通过向眼睛提供与有限数量的深度平面中的每一者相对应的图像的不同呈现来实现高度可信的感知深度模拟。不同的呈现可以由用户眼睛单独聚焦，从而有助于基于使位于不同深度平面上的场景的不同图像特征聚焦所需的眼睛的调节量和/或基于观察到位于离焦的不同深度平面上的不同图像特征，为用户提供深度线索。50.图4示出了ar目镜中用于向用户输出图像信息的波导堆叠的示例。显示系统250包括波导堆叠或堆叠波导组件260，其可用于使用多个波导270、280、290、300、310向眼睛/大脑提供三维感知。在一些实施例中，显示系统250是图1的系统60，图4更详细地示意性地示出了该系统60的一些部分。例如，波导组件260可以是图1的显示器70的一部分。将理解，在一些实施例中，显示系统250可以被视为光场显示器。51.波导组件260还可以包括位于波导之间的多个特征320、330、340、350。在一些实施例中，特征320、330、340、350可以是一个或多个透镜。波导270、280、290、300、310和/或多个透镜320、330、340、350可被配置为以各种水平的波前曲率或光线发散度向眼睛发送图像信息。每个波导水平可以与特定深度平面相关联，并且可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，并且可用于将图像信息注入波导270、280、290、300、310，如本文所述，每个波导可以被配置将入射光分布在每个相应的波导上以便朝着眼睛210输出。光从每个相应的图像注入设备360、370、380、390、400的输出表面410、420、430、440、450出射，并且注入相应的波导270、280、290、300、310的对应的输入表面460、470、480、490、500。在一些实施例中，输入表面460、470、480、490、500中的每一者可以是对应波导的边，或者可以是对应波导的主表面(即，直接面朝世界510或用户的眼睛210的波导表面中的一者)的一部分。在一些实施例中，可以将光束(例如准直光束)注入每个波导中并在波导中并且可以复制这些光束，诸如，通过衍射采样成子束，然后通过与关联于特定波导的深度平面相对应的光焦度量将这些光束朝向眼睛210引导。在一些实施例中，图像注入设备360、370、380、390、400的单独一者可以与波导270、280、290、300、310中的多个(三个)波导相关联以及将光注入这些波导中。52.在一些实施例中，图像注入设备360、370、380、390、400是分立的显示器，每个显示器产生用于分别注入对应波导270、280、290、300、310的图像信息。在一些其他实施例中，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，这些显示器可以经由通过一个或多个光学导管(诸如光纤光缆)将图像信息传输到图像注入设备360、370、380、390、400中的每一者。将理解，由图像注入设备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。53.在一些实施例中，注入波导270、280、290、300、310中的光由光投射系统520提供，光投射系统520包括光模块530，其可以包括诸如发光二极管(led)之类的光源或光发射器。来自光模块530的光可以经由分束器(bs)550被引导到光调制器540(例如，空间光调制器)并由光调制器540进行调制。光调制器540可以在空间上和/或时间上改变注入波导270、280、290、300、310中的光的感知强度。空间光调制器的示例包括液晶显示器(lcd)，其包括硅上液晶(lcos)显示器和数字光处理(dlp)显示器。54.在一些实施例中，光投射系统520或其一个或多个部件可以被附接到框架80(图1)。例如，光投射系统520可以是框架80位于颞部处的一部分(例如，耳柄82)，或者可以被设置在显示器70的边缘处。在一些实施例中，光模块530可以与bs 550和/或光调制器540分离。55.在一些实施例中，显示系统250可以是扫描光纤显示器，其包括一个或多个扫描光纤，这些扫描光纤以各种图案(例如，光栅扫描、螺旋扫描、利萨如图案等)将光投射到一个或多个波导270、280、290、300、310中并最终进入用户的眼睛210中。在一些实施例中，所示图像注入设备360、370、380、390、400可示意性地表示单个扫描光纤或一束扫描光纤，该单个扫描光纤或一束扫描光纤被配置为将光注入波导270、280、290、300、310中的一个或多个中。在一些其他实施例中，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扫描光纤束，这些扫描光纤或光纤束中的每一者被配置为将光注入波导270、280、290、300、310中关联的一者中。一个或多个光纤可以将来自光模块530的光传输到一个或多个波导270、280、290、300和310。此外，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，以例如将从扫描光纤出射的光重定向到一个或多个波导270、280、290、300、310中。56.控制器560控制堆叠波导组件260的操作，该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，非暂时性介质中的指令)，其调节图像信息到波导270、280、290、300、310的时机(timing)和提供。在一些实施例中，控制器可以是单个集成设备，或者是通过有线或无线通信信道连接的分布式系统。在一些实施例中，控制器560可以是处理模块140或150(图1)的一部分。57.波导270、280、290、300、310可被配置为经由全内反射(tir)在每个相应的波导内传播光。波导270、280、290、300、310可以各自是平面的或具有另一形状(例如，弯曲的)，其具有主要的顶部表面和主要的底部表面以及在这些主要的顶部表面与主要的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可各自包括耦出光学元件570、580、590、600、610，这些元件被配置为通过将在每个相应的波导内传播的光重定向出波导来从波导中提取光，从而向眼睛210输出图像信息。所提取的光也可以被称为耦出光，并且耦出光学元件光也可以被称为光提取光学元件。在波导内传播的光照射光提取光学元件的位置处，可以由波导输出所提取的光束。耦出光学元件570、580、590、600、610例如可以是衍射光学特征，其中包括本文进一步所讨论的光栅。尽管耦出光学元件570、580、590、600、610被示出为被设置在波导270、280、290、300、310的底部主表面处，但是在一些实施例中，如本文进一步所讨论的，它们可以被设置在顶部主表面和/或底部主表面，和/或可以被直接设置在波导270、280、290、300、310的体中。在一些实施例中，耦出光学元件570、580、590、600、610可以在被连接到透明衬底的材料层中，从而形成波导270、280、290、300、310。在一些其他实施例中，波导270、280、290、300、310可以是整块材料，并且耦出光学元件570、580、590、600、610可以被形成在该块材料的表面上和/或内部中。58.每个波导270、280、290、300、310可以输出光以形成对应于特定深度平面的图像。例如，最接近眼睛的波导270可以将准直光束传送到眼睛210。准直光束可以代表光学无限远焦平面。下一上行波导280可以输出在到达眼睛210之前通过第一透镜350(例如，负透镜)的准直光束。第一透镜350可以向准直光束添加微凸的波前曲率，使得眼睛/大脑将来自该波导280的光解释为源自从光学无限远向内更接近眼睛210的第一焦平面。类似地，第三波导290使其输出光在到达眼睛210之前传输通过第一透镜350和第二透镜340。第一透镜350和第二透镜340的组合光焦度可以添加另一波前曲率增量，使得眼睛/大脑将来自第三波导290的光解释为源自第二焦平面，来自第三波导290的光比来自第二波导280的光从光学无限远向内更近。59.其他波导层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，以获得代表与人最接近的焦平面的总焦度。为了在观察/解释来自堆叠波导组件260的另一侧上的世界510的光时补偿透镜堆叠320、330、340、350，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的总光焦度。这种配置提供与可用的波导/透镜配对一样多的感知焦平面。波导的耦出光学元件和透镜的聚焦方面两者可以是静态的(即，不是动态的或电活性的)。在一些备选实施例中，通过使用电活性特征，它们中的一者或全部两者可以是动态的。60.在一些实施例中，波导270、280、290、300、310中的两者或更多者可以具有相同的关联深度平面。例如，多个波导270、280、290、300、310可以将图像集输出到相同的深度平面，或者波导270、280、290、300、310的多个子集可以将图像集输出到相同的多个深度平面，每个深度平面一个图像集。这可以提供形成平铺图像以在那些深度平面上提供扩展视野的优势。61.耦出光学元件570、580、590、600、610可被配置为将光重定向到它们各自的波导外并且针对与波导相关联的特定深度平面以适当的发散量或准直量输出该光。因此，具有不同关联深度平面的波导可以具有不同的耦出光学元件570、580、590、600、610的配置，这些元件取决于关联深度平面以不同的发散量输出光。在一些实施例中，提取光学元件570、580、590、600、610可以是体特征或表面特征，其可被配置为以特定角度输出光。例如，提取光学元件570、580、590、600、610可以是体全息图、表面全息图和/或衍射光栅。在一些实施例中，特征320、330、340、350可以不是透镜；相反，它们可以仅仅是间隔物(例如，包层和/或用于形成气隙的结构)。62.在一些实施例中，耦出光学元件570、580、590、600、610是衍射特征，其具有足够低的衍射效率，使得在每次交互时，只有光束的光功率的一部分被朝向眼睛210重定向，而其余部分继续经由tir行进通过波导。因此，在整个波导上复制光模块530的出射光瞳以形成携带来自光源530的图像信息的多个输出光束，从而有效地扩展其中眼睛210可以解释复制光源出射光瞳的位置的数量。这些衍射特征也可以具有跨其几何形状可变化的衍射效率以提高由波导输出的光的均匀性。63.在一些实施例中，一个或多个衍射特征可以在积极地衍射的“接通”状态与不明显地衍射的“关断”状态之间切换。例如，可切换的衍射元件可以包括聚合物分散液晶层，其中微滴在主体介质中形成衍射图案，并且微滴的折射率可以被切换为基本匹配主体材料的折射率(在这种情况下，图案不会明显地衍射入射光)或者微滴可以被切换到与主体介质的折射率不匹配的折射率(在这种情况下，图案积极地衍射入射光)。64.在一些实施例中，可提供相机组件630(例如，数码相机，包括可见光和红外光相机)以捕获眼睛210、眼睛210的部分或眼睛210周围组织的至少一部分的图像，以例如检测用户输入，从眼睛提取生物识别信息，估计和跟踪眼睛的注视方向以监测用户的生理状态等。在一些实施例中，相机组件630可以包括图像捕获设备和光源，以将光(例如，红外光)投射到眼睛，然后光可以由眼睛反射并由图像捕获设备检测到。在一些实施例中，光源包括发射红外或近红外光的发光二极管(“led”)。在一些实施例中，相机组件630可以被附接到框架80(图1)并且可以与处理模块140或150电连通，处理模块140或150可以处理来自相机组件630的图像信息以做出有关例如用户的生理状态、穿戴者的注视方向、虹膜识别等的各种确定。在一些实施例中，可以针对每只眼睛使用一个相机组件630以分别监测每只眼睛。65.图5示出了由波导输出的出射光束的示例。示出了一个波导(具有透视图)，但是波导组件260(图4)中的其它波导也可以具有类似的作用。光640在波导270的输入表面460处注入波导270中，并且通过tir在波导270内传播。通过与衍射特征的交互，光从波导出射作为出射光束650。出射光束650复制来自将图像投射到波导中的投影设备的出射光瞳。出射光束650中的任一者包括输入光640的总能量的子部分。在一个相当高效的系统中，所有出射光束650的能量总和等于输入光640的能量。在图6中，出射光束650被示为基本平行，但是，如本文所讨论的，取决于与波导270相关联的深度平面，可以赋予一些光焦度量。平行的出射光束可以指示包括耦出光学元件的波导，该光学元件将光耦出以形成看起来被设置在距眼睛210较远距离(例如，光学无限远)的深度平面上的图像。其它波导或其它耦出光学元件集可以输出更加发散的出射光束图案，如图6所示，这将需要眼睛210适应更近的距离以聚焦在视网膜上，并且这些光束图案可以被大脑解释为来自比光学无限远更接近眼睛210的距离的光。66.有关可穿戴显示系统(例如，包括在可穿戴显示系统中使用的光学元件)的附加信息可在2018年12月14日提交的题为“eyepieces for augmented reality display system(用于增强现实显示系统的目镜)”的美国专利公开2019/0187474a1中找到，此公开的全部内容在此通过引用并入。67.如上所述，可穿戴显示系统60包括一个或多个光学元件，该一个或多个光学元件具有增强可穿戴显示系统的光学性能的一个或多个光栅结构。例如，参考图7a和图7b所示，衍射浮雕结构，光栅710，与近眼显示组合器700(例如，如上所述的堆叠波导组件)一起用作出瞳扩展器(epe)，增加可穿戴显示系统的出瞳尺寸。如图7a所示，组合器700包括波导720(例如，玻璃基板)，其经由全内反射(tir)沿其长度引导边缘耦合光，同时光栅710衍射入射的引导光，使得至少一些光从光导710朝着显示系统的用户出射。68.具体参考图7b，来自用户的环境的环境光也从“世界”侧入射到显示组合器700上。该光与光栅710相互作用，并且该光中的至少一些可以被衍射到用户的视野中。当用户通过epe观看时，从世界衍射的光可能呈现为不希望的图像伪影。在用户视野中生成伪影的入射角通常取决于关于显示组合器的设计。对于基于波导的衍射型显示组合器，大入射角通常导致离用户的世界视野中心最近的杂散光路。69.这种效果在显示组合器800的图8a中进一步说明。环境光以入射角θinc入射到显示组合器800的前表面上。如图所示，至少一些入射光透射穿过光栅和组合器。然而，显示组合器800支持朝着用户衍射至少一些入射光的光栅(未示出)。这种被标记为杂散光的光以角θstray衍射。70.参考图8b，可以将角度选择膜810应用到(例如，层压到)显示组合器800上，以减少与环境光相关联的杂散光伪影。通常，穿过膜810的光透射率取决于光在膜上的入射角。如图所示，膜810减少(例如，阻挡)具有相对高(例如，30°或更大、35°或更大、40°或更大、45°或更大，例如用户将从室内环境中的头顶照明中体验到)的入射角θinc的光的透射率，但是透射具有较低入射角θа的光(例如，由穿戴者在设备的核心视野中看到的“世界光”)。角度选择膜可以在很宽的波长范围内执行此功能，例如在显示系统的工作波长范围内，诸如从420nm到680nm。71.入射光的透射率通常根据入射角从相对高的透射效率(例如，40％或更多、45％或更多)变化到相对低的透射率(例如，小于1％、小于0.5％)。透射率是指在特定波长透射的光的相对强度。在一些实施例中，以在35°和65°之间的入射角入射到角度选择膜的波长在从420nm到680nm的范围内的非偏振光的透射率小于0.5％。在某些实施例中，以在-32°和+32°之间的入射角入射到角度选择膜的波长在从420nm到680nm的范围内的非偏振光的透射率大于45％。72.角度选择膜还可以对通过膜观察到的图像的颜色具有相对小的影响。例如，对于d65光源，角度选择膜针对入射角在-32°和+32°之间的非偏振光可以使(0.33,0.33)cie 1931白点偏移小于(+/-0.02,+/-0.02)(例如，(+/-0.01,+/-0.01)或更少)。73.角度选择膜的透射率还可以通过衰减表征，对于相对高的入射角，衰减可以较大(例如，10db或更大、15db或更大、20db或更大、25db或更大、30db或更大)。较低入射角(例如25°或更小(例如，20°或更小、15°或更小、10°或更小))的光可以经历非常低水平的衰减(例如，2db或更小、1db或更小)。74.通常，角度选择膜810可以相对薄。例如，膜810的总厚度可以在从500微米到2,000微米的范围内。因此，可以在不显著增加可穿戴显示系统的体积的情况下实现使用角度选择膜的好处。75.在一些实施例中，角度选择膜810是包括被布置在一对偏振片膜(例如，线偏振片)之间的偏振调节膜的膜堆叠。偏振片膜和偏振调节膜显著降低以大入射角入射到角度选择膜810上的可见光的透射率，而没有显著降低以小入射角入射到角度选择膜上的光的透射率。76.通常，两个偏振片和偏振调节膜的配置可以变化以在感兴趣的角入射范围(例如，从-75°到+75°)内提供所需水平的透射率变化。在一些实施例中，偏振片是线偏振片并且两个线偏振片的通过轴可以交叉(例如，90°交叉)。77.通常，偏振调节膜包括一个或多个双折射层，该一个或多个双折射层被设计成使从世界侧入射的由一对线偏振片中的第一线偏振片透射的光的偏振态旋转。双折射层可以包括a板，其中双折射材料的非寻常轴平行于层的平面(例如，四分之一波片(qw))，和/或包括c板，其中，双折射材料的非寻常轴垂直于层的平面，示例布置如下所示。更一般地，双折射层可以包括单轴(例如，作为a-板或c-板)或双轴双折射材料。78.通常，取决于偏振调节层的构造并取决于由一对线偏振片中的第一线偏振片透射的光的入射角，偏振调节层使偏振态旋转的量变化。在一些实施例中，具有大入射角(例如，35°或更大)的透射光比具有小入射角(例如，小于35°)的透射光更小地旋转。例如，在偏振片是交叉线偏振片的情况下，旋转量越大(高达90°)，膜的透射率就越高。在这种情况下，与入射角较大的光相比，希望轴上光的旋转更大。相反地，在一些实施例中，偏振片轴是平行的，并且偏振调节膜使得轴上光比入射角较大的光更大地旋转。79.通常，角度选择膜的尺寸被适当地设置为覆盖可穿戴显示系统的目镜的至少一部分。例如，在一些实施例中，角度选择膜可以具有大于50mm×50mm的面积。80.现在转向角度选择膜的具体示例并参考图9，用于可穿戴显示系统的目镜900包括显示组合器800和作为角度选择膜操作的膜堆叠910。堆叠910包括一对线偏振片920a和920b。在线偏振片之间，堆叠910包括一对位于c板940两侧的一对四分之一波片(qw)930a和930b。81.波片930a和930b的快轴分别与线偏振片920a和920b的通过轴成大约45°取向，使得线偏振片920b和qw 930b的组合将从世界侧入射的非偏振光转换为大致圆形偏振光(即，该组合表现为圆偏振片)。qw930a和线偏振片920a的组合具有类似的表现。请注意，每个圆偏振片的偏手性是相同的。82.c板940对于垂直入射光具有零延迟，但对于倾斜入射光具有非零延迟。不希望受理论束缚，作为入射角函数的c板延迟可以由下式给出：其中no是c板的寻常折射率，ne是c板的非寻常折射率,θ是相对于c板界面法线的入射角，ko＝2π/λ是入射光的波数，λ是入射光的波长，d是c板的厚度。通过使用圆偏振光，针对所有入射角c板中寻常模式和非寻常模式的激发大致相等。这导致从输入圆偏振态传输到在t＝cos2(γ/2)的输出处相同的圆偏振态。83.图10示出了堆叠910的入射角与透射率的关系的示例。这里，针对c板示例，其中no＝1.5236、ne＝1.52且d＝153μm，在三个不同波长处示出了透射率与入射角的关系。在这里，透射率对于轴上光被归一化为unity(统一)，并在大约20°之前保持为1或接近1，在20°之后，它在60°和80°之间单调下降到零，具体取决于波长。对于较短的波长(例如，460nm和525nm)，在90°之前，透射率随着入射角增加而增加。84.尽管图9示出了在两个线偏振片之间包括双折射层的角度选择膜的示例，但是具有附加层的实施方式也是可能的。例如，图10示出了包括应用于显示组合器800的世界侧的膜堆叠1010的目镜100。膜堆叠1010包括三个线偏振片1020a、1020b和1020c。第一偏振调节堆叠被布置在偏振片1020a和1020b之间。该堆叠包括一对位于c板1040a两侧的qw 1030a和130b。第二偏振调节堆叠被布置在偏振片1020b和1020c之间。该堆叠包括位于c板1040b两侧的qw 1030c和1030d。实际上，堆叠1010的表现类似于堆叠在一起的两个堆叠910。85.堆叠910可以被认为是单级布置，而堆叠1010是双级堆叠。通常，可以添加额外的级。不希望受理论束缚，可以串联使用多个级以提供不同的透射率响应t＝cos2(γ1/2)cos2(γ2/2)....cos2(γn/2)，其中γn是第n级的延迟。86.串联使用多个级可以使来自大入射角的光的衰减更强。例如，参考图11，示出了对于两级c板布置(诸如堆叠1010)，入射角和透射率的关系。在该示例中，no＝1.5236，ne＝1.52，第一级中的c板(即1040b)的厚度d1＝111μm，第二级中的c板(即1040a)的厚度d2＝111μm。与图10所示的单级膜相比，在90°之前，高入射角的透射率在460nm和525nm处保持较低，而在60°到80°之间，从最小值增加。87.多种合适的不同材料可用于角度选择膜中的层的每一层。例如，线偏振片可以由已用发色团(例如，碘)染色的拉伸聚合物材料(例如，pva)形成。可以使用市售的线偏振片，诸如可从sanritz co.(日本)或nitto denko(日本)获得的那些偏振片。例如，qw可以由拉伸聚合物薄膜或液晶聚合物薄膜制成。例如，c板可以由浇铸聚合物薄膜形成，例如三乙酸纤维素。液晶聚合物c板也是可能的。88.通常，虽然每一层都被表示为同质层，但复合层也是可能的。例如，c板可以由多个叠层形成，每个叠层具有与其相邻层不同的光学特性。类似地，可以使用多层qw。89.通常，膜堆叠可以包括除上述那些之外的附加层。例如，堆叠可以包括附加层以提供机械功能，而不是光学功能。可以包括粘合剂层和/或用于机械强度和/或环境保护的层。这些层可以是光学各向同性的，从而不会显著影响透射的光的偏振。在一些实施例中，堆叠包括位于最外面的线偏振片的世界侧的一个或多个层。例如，可以包括抗反射膜和/或硬涂层。90.虽然角度选择膜的前述示例包括光学无源元件，但更一般地，实施方式也可以包括光学有源元件为特征。这些元件可以响应于电信号或一些其他物理刺激而改变其光学特性，从而改变角度选择膜的透射特性。例如，图13示出了目镜1100，其包括在显示组合器800上的堆叠1110，堆叠1110除了几个无源光学膜之外还包括液晶(lc)分段调光器1150。膜堆叠1110包括偏振片1120a、1120b和1120c(例如，线偏振片)。由位于两个a板1130a和1130b之间的c板1140构成的偏振调节堆叠被布置在调光器1150的世界侧的偏振片1120b和1120c之间，调光器1150被布置在偏振片1120a和1120b之间。实际上，堆叠1110对应于与lc调光器1150堆叠在一起的单级衰减器(如图9所示)。91.分段lc调光器1150是一种像素化设备，其允许对跨目镜1100区域的光透射率进行可变控制。在一些实施例中，lc调光器1150包括在两个透明电极(例如，由氧化铟锡形成)之间的液晶材料层(例如，向列lc材料层)。电极可以被图案化以形成像素，每个像素可以通过驱动信号单独寻址，以控制lc层中lc分子的取向。通过每个像素的透射率通常会根据施加到像素电极的电压而变化。lc调光器1150可以作为可变中性密度滤光片操作，例如，其中通过调光器的透射率在其区域内是恒定的，但随时间变化。例如，在明亮的周围环境中，例如在阳光直射下使用系统时，可以减少通过调光器的透射率。在较暗的环境中，可以增加透射率。92.lc调光器1150还可以在目镜的区域上改变通过堆叠的透射。例如，在具有大量头顶照明的区域中，lc调光器1150可以降低目镜上半部的透射率，从而使目镜下半部的透射率相对较高。93.也可以通过在目镜区域上使用lc调光器的空间控制作为伪影抑制的方法，但是此功能应该与保持用户对世界的观看相平衡。调光器可能会在生成杂散光路的目镜区域前面变暗，从而降低相关伪影的幅度。94.调光器也可以被包括在多级堆叠中。例如，参考图14，目镜1200包括安装在显示组合器800上的堆叠1210，堆叠1210除了两级角度选择膜之外还包括分段调光器1250。具体地，堆叠1210包括偏振片1220a、1220b、1220c和1220d。调光器1250位于偏振片1220a和1220b之间，最靠近显示组合器800。角度选择膜的一级包括被布置在c板1240a两侧的qw 1230a和1230b。另一级包括被布置在c板1240b两侧的qw 1230c和1230d。95.在一些实施例中，调光器可以被包括在角度选择膜级之间。例如，图15示出了目镜1300，其包括在显示组合器800的世界侧的堆叠1310，该堆叠包括在角度选择膜的两个级之间的lc分段调光器1350。堆叠1310包括偏振片1320a、1320b、1320c和1320d。调光器1350位于偏振片1320a和1320b之间，最靠近显示组合器800。角度选择膜的一级包括被布置在c板1340a两侧的qw 1330a和1330b。另一级包括被布置在c板1340b两侧的qw 1330c和1330d。96.如图15所示，在调光器两侧放置单级角度选择膜可优于图14所示的在调光器的一侧上放置两级角度选择膜，例如，从机械角度来看，节省用于增强现实显示的光学部件堆叠中的空间。97.本说明书中描述的一些实施方式可以被实现为数字电子电路、计算机软件、固件或硬件、或它们中的一个或多个的组合的一个或多个组或模块。尽管可以使用不同的模块，但每个模块不需要不同，并且可以在相同的数字电子电路、计算机软件、固件或硬件或其组合上实现多个模块。98.本说明书中描述的一些实施方式可以实现为一个或多个计算机程序，即，在计算机存储介质上编码以供数据处理装置执行或控制数据处理装置的操作的一个或多个计算机程序指令模块。计算机存储介质可以是或可以被包括在计算机可读存储设备、计算机可读存储基板、随机或串行存取存储器阵列或设备、或它们中的一个或多个的组合中。此外，虽然计算机存储介质不是传播信号，但计算机存储介质可以是在人工生成的传播信号中编码的计算机程序指令的源或目的地。计算机存储介质也可以是一个或多个单独的物理部件或介质(例如，多个cd、磁盘或其他存储设备)或被包括在一个或多个单独的物理部件或介质(例如，多个cd、磁盘或其他存储设备)中。99.术语“数据处理装置”涵盖用于处理数据的所有种类的装置、设备和机器，例如包括可编程处理器、计算机、片上系统、上述项中的多个或其组合。装置可以包括专用逻辑电路，例如fpga(现场可编程门阵列)或asic(专用集成电路)。除了硬件之外，装置还可以包括为所讨论的计算机程序创建执行环境的代码，例如，构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统、跨平台运行时环境、虚拟机或它们中一个或多个的组合的代码。装置和执行环境可以实现各种不同的计算模型基础设施，诸如web服务、分布式计算和网格计算基础设施。100.计算机程序(也称为程序、软件、软件应用、脚本或代码)可以任何形式的编程语言编写，编程语言例如包括编译或解译语言、描述性或过程性语言。计算机程序可以但不必对应于文件系统中的文件。程序可以被存储在包含其他程序或数据的文件的一部分中(例如，存储在标记语言文档中的一个或多个脚本)、专用于所讨论程序的单个文件或多个协调文件(例如，存储一个或多个模块、子程序或部分代码的文件)。可以部署计算机程序以在一台计算机上，或位于一个站点或被分布在多个站点并通过通信网络互连的多台计算机上执行。101.本说明书中描述的一些过程和逻辑流程可以由一个或多个可编程处理器执行，该处理器执行一个或多个计算机程序以通过对输入数据进行操作并生成输出来执行动作。过程和逻辑流程也可以由同时实现为专用逻辑电路，例如fpga(现场可编程门阵列)或asic(专用集成电路)的装置来执行。102.适合于执行计算机程序的处理器例如包括通用和专用微处理器、以及任何种类的数字计算机的处理器。通常，处理器将从只读存储器和/或随机存取存储器接收指令和数据。一种计算机包括：用于根据指令执行动作的处理器；以及用于存储指令和数据的一个或多个存储器设备。计算机还可以包括用于存储数据的一个或多个海量存储设备(例如，磁、磁光盘或光盘)，或可操作地耦合到一个或多个上述海量存储设备以从中接收数据和/或向其发送数据。然而，计算机不需要有这样的设备。适用于存储计算机程序指令和数据的设备包括所有形式的非易失性存储器、介质和存储器设备，例如包括半导体存储器设备(例如，eprom、eeprom、闪存设备等)、磁盘(例如，内置硬盘、可移动磁盘等)、磁光盘以及cd rom和dvd-rom磁盘。处理器和存储器可以由专用逻辑电路补充或并入专用逻辑电路中。103.为了提供与用户的交互，可以在具有用于向用户显示信息的显示设备(例如，监视器或另一类型的显示设备)以及用户可以借以向计算机提供输入的键盘和指点设备(例如，鼠标、轨迹球、平板计算机、触敏屏幕或另一类型指点设备)的计算机上实现操作。也可以使用其他类型的设备来提供与用户的交互；例如，向用户提供反馈可以是任何形式的感官反馈，例如视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈；可以以任何形式接收来自用户的输入，包括声音、语音或触觉输入。此外，计算机可以通过向用户使用的设备发送文档和从其接收文档来与用户交互；例如，通过响应于从用户的客户端设备上的web浏览器接收到的请求，将网页发送到该web浏览器。104.计算机系统可以包括单个计算设备，或者多个计算机，这些多个计算机彼此靠近地执行操作或通常彼此远离地执行操作，并且通常通过通信网络进行交互。通信网络的示例包括局域网(“lan”)和广域网(“wan”)、互联网络(例如，互联网)、包括卫星链路和对等网络(例如，ad hoc对等网络)的网络。客户端和服务器的关系可以通过在各个计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序而产生。105.图16示出了包括处理器1610、存储器1620、存储设备1630和输入/输出设备1640的示例计算机系统1600。部件1610、1620、1630和1640中的每一个例如可以通过系统总线1650互连。处理器1610能够处理用于在系统1600内执行的指令。在一些实施方式中，处理器1610是单线程处理器、多线程处理器或其他类型的处理器。处理器1610能够处理存储在存储器1620或存储设备1630上的指令。存储器1620和存储设备1630可以存储系统1600内的信息。106.输入/输出设备1640为系统1600提供输入/输出操作。在一些实施方式中，输入/输出设备1640可以包括一个或多个网络接口设备，例如以太网卡、串行通信设备(例如rs-232端口)和/或无线接口设备(例如，802.11卡、3g无线调制解调器、4g无线调制解调器等)。在一些实施方式中，输入/输出设备可以包括被配置为接收输入数据并将输出数据发送到其他输入/输出设备(例如，可穿戴显示系统1660)的驱动器设备。在一些实施方式中，可以使用移动计算设备、移动通信设备和其他设备。107.虽然本说明书包含许多细节，但这些不应被解释为对可要求保护的范围的限制，而是对特定于具体示例的特征的描述。也可以组合本说明书中在单个实施方式的上下文中描述的某些特征。相反，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施例中单独地实现或以任何合适的子组合来实现。108.已经描述了许多实施方式。然而，应当理解，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种修改。因此，其他实施方式在所附权利要求的范围内。









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