背景技术：
1、现代计算和显示技术促进了用于所谓的“虚拟现实”或“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它们看起来真实或可被感知为真实的方式呈现给观看者。虚拟现实或“vr”场景典型涉及数字或虚拟图像信息的呈现，而对其它实际真实世界视觉输入没有透明性；增强现实或“ar”场景通常涉及将数字或虚拟图像信息呈现为对观看者周围的实际世界的可视化的增强。
2、参考图1，描述了增强现实场景10。ar技术的用户看到以人、树、背景中的建筑物和混凝土平台30为特征的真实世界公园状设置20。用户还感知到他/她“看到”“虚拟内容”，例如站在真实世界平台30上的机器人像40，以及正飞过的卡通状化身角色50，其似乎是大黄蜂的拟人化。这些元素50、40是“虚拟的”，因为它们不存在于真实世界中。因为人类视觉感知系统是复杂的，所以产生促进虚拟图像元素与其它虚拟或真实世界的图像元素的舒适、感觉自然、丰富的呈现的ar技术是有挑战性的。
3、尽管这些显示技术取得了进步，但本领域仍然需要改进与增强现实系统，特别是显示系统相关的方法和系统。
技术实现思路
1、本发明一般涉及与包括可穿戴显示器的投射显示系统相关的方法和系统。更特别地，本发明的实施例提供了用于在增强现实系统中进行光学成像的包括具有可变光学厚度的目镜波导层的方法和系统。本发明适用于计算机视觉和图像显示系统中的各种应用。
2、根据本发明的实施例，提供了一种增强现实设备。一种增强现实设备包括投射器、光学耦合到投射器的投射器光学器件以及光学耦合到投射器光学器件的目镜。目镜包括目镜波导，其特征为横向维度(lateral dimension)和随横向维度中的一个或多个变化的光路长度差。目镜可进一步包括第二目镜波导，其特征为第二横向维度和随第二横向维度中的一个或多个变化的第二光路长度差，以及第三目镜波导，其特征为第三横向维度和随第三横向维度中的一个或多个变化的第三光路长度差。目镜波导、第二目镜波导和第三目镜波导可形成目镜。目镜可以是包括目镜波导、第二目镜波导和第三目镜波导的层叠结构。增强现实设备还可包括第二投射器、光学耦合到投射器的第二投射器光学器件以及光学耦合到第二投射器光学器件的第二目镜。第二目镜可包括第四目镜波导，其特征为第四横向维度和随第四横向维度中的一个或多个的第四光路长度差。第二目镜可进一步包括第五目镜波导，其特征为第五横向维度和随第五横向维度中的一个或多个变化的第五光路长度差，以及第六目镜波导，其特征为第六横向维度和随第六横向维度中的一个或多个变化的第六光路长度差。该投射器、投射器光学器件和目镜可安装在增强现实耳机中。
3、在实施例中，目镜波导可包括组合光瞳扩展器，第二目镜波导包括第二组合光瞳扩展器，以及第三目镜波导包括第三组合光瞳扩展器。目镜波导的厚度在组合光瞳扩展器上变化，第二目镜波导的厚度在第二组合光瞳扩展器上变化，以及第三目镜波导的厚度在第三组合光瞳扩展器上变化。目镜波导的特征可以为随横向维度中的一个或多个变化的厚度变化。目镜波导的特征可以为随横向维度中的一个或多个变化的折射率变化。目镜可包括三个目镜波导。光路长度差可从三个目镜波导中每个目镜波导的第一区域的第一值变化到三个目镜波导中每个目镜波导的第二区域的第二值。第一区域可对应于耦入光栅，第二区域可对应于组合光瞳扩展器，并且光路长度差可从第一值减小到第二值。三个目镜波导中每个目镜波导的光路长度差可沿共同方向延伸。三个目镜波导中每个目镜波导的光路长度差可以沿三个目镜波导中每个目镜波导的横向维度减小，其中，三个目镜波导中每个目镜波导的横向维度是平行的。
4、根据本发明的另一实施例，提供了一种增强现实设备。一种增强现实设备包括投射器、光学耦合到投射器的投射器光学器件以及光学耦合到投射器光学器件的目镜。目镜包括第一目镜波导，其特征为横向维度和第一光路长度差梯度；以及第二目镜波导，其特征为横向维度和与第一光路长度差梯度对齐的第二光路长度差梯度。目镜可进一步包括第三目镜波导，其特征为横向维度和与第一光路长度差梯度和第三光路长度差梯度对齐的第三光路长度差梯度。第一目镜波导、第二目镜波导和第三目镜波导可层叠在一起。投射器、投射器光学器件和目镜可安装在增强现实耳机中。第一目镜波导可包括第一组合光瞳扩展器，其中，第一目镜波导的厚度从第一组合光瞳扩展器的第一部分到第一组合光瞳扩展器的第二部分变化。第二目镜波导可包括第二组合光瞳扩展器，其中第二目镜波导的厚度从第二组合光瞳扩展器的第一部分到第二组合光瞳扩展器的第二部分变化。第一光路长度差梯度可与第二光路长度差梯度对齐。第一光路长度差梯度可对应于一个方向，并且第二光路长度差梯度对应于该方向。
5、根据本发明的具体实施例，提供了一种增强现实设备。一种增强现实设备包括投射器、光学耦合到投射器的投射器光学器件以及光学耦合到投射器光学器件的目镜。目镜包括目镜波导，其特征为横向维度和一个或多个层。一个或多个层中至少一层的特征为随横向维度中的一个或多个变化的光路长度差。目镜可包括基板和耦合到基板的可变厚度层。基板的折射率可与可变厚度层的折射率基本相等。目镜可进一步包括第二目镜波导，其特征为第二横向维度和一个或多个第二层；以及第三目镜波导，其特征为第三横向维度和一个或多个第三层。一个或多个第二层中至少一层的特征为随横向维度中的一个或多个变化的第二光路长度差，并且一个或多个第三层中至少一层的特征为随横向维度中的一个或多个变化的第三光路长度差。目镜波导、第二目镜波导和第三目镜波导可形成目镜。目镜可以是包括目镜波导、第二目镜波导和第三目镜波导的层叠结构。一个或多个层、一个或多个第二层和一个或多个第三层的特征为随横向维度中的一个或多个变化的厚度变化，并且一个或多个层、一个或多个第二层和一个或多个第三层的厚度变化可沿着三个目镜波导中每个目镜波导的横向维度减小，其中三个目镜波导中每个目镜波导的横向维度是平行的。增强现实设备可进一步包括第二投射器、光学耦合到投射器的第二投射器光学器件以及光学耦合到投射器光学器件的第二目镜。第二目镜包括第四目镜波导，其特征为第四横向维度和一个或多个第四层，其中一个或多个第四层中的至少一层的特征为随第四横向维度中的一个或多个变化的第四光路长度差。第二目镜可进一步包括第五目镜波导，其特征为第五横向维度和一个或多个第五层，其中一个或多个第五层中的至少一层的特征为随第五横向维度中的一个或多个变化的第五光路长度差；以及第六目镜波导，其特征为第六横向维度和一个或多个第六层，其中一个或多个第六层中的至少一层的特征在为随第六横向维度中的一个或多个变化的第六光路长度差。
6、在实施例中，投射器、投射器光学器件和目镜安装在增强现实耳机中。目镜波导可包括组合光瞳扩展器，第二目镜波导可包括第二组合光瞳扩展器，并且第三目镜波导可包括第三组合光瞳扩展器，其中，一个或多个层的特征为跨组合光瞳扩展器变化的厚度，一个或多个第二层的特征为跨第二组合光瞳扩展器变化的厚度，并且一个或多个第三层的特征为跨第三组合光瞳扩展器变化的厚度。一个或多个层的特征可以为随横向维度中的一个或多个变化的厚度变化。厚度变化可从目镜波导的第一区域的第一值变化到目镜波导的第二区域的第二值。第一区域可对应于耦入光栅，第二区域可对应于组合光瞳扩展器，并且厚度变化可从第一值减小到第二值。一个或多个层的特征可以为随横向维度中的一个或多个变化的折射率变化。目镜波导可包括纳米图案。纳米图案可包括聚合物光栅，其具有小于目镜的折射率的聚合物折射率。一个或多个层的厚度可小于50nm、30nm或10nm。纳米图案可包括在一个或多个层或目镜中形成的保形沉积结构或定向沉积结构。纳米图案可包括聚合物光栅，其聚合物折射率高于目镜的折射率。一个或多个层的厚度可小于100nm，并且包括zro2或tio2中的至少一种。纳米图案可包括在一个或多个层或目镜中形成的蚀刻结构。纳米图案可包括二元光栅、闪耀锯齿光栅、闪耀多阶光栅、闪耀倾斜光栅、孔或柱。
7、根据本发明的另一具体实施例，一种增强现实设备包括投射器、光学耦合到投射器的投射器光学器件和基板结构，基板结构包括具有入射表面和相对出射表面的基板以及耦合到入射表面的第一可变厚度膜。基板结构可进一步包括耦合到第一可变厚度膜的第一组合光瞳扩展器、耦合到出射表面的第二可变厚度膜、耦合到出射表面的耦入光栅以及耦合到出射表面的第二组合光瞳扩展器。第二可变厚度膜在邻近耦入光栅处的厚度可大于邻近第二组合光瞳扩展器处的厚度。基板厚度的变化可小于第一可变厚度膜或第二可变厚度膜的厚度的变化。增强现实设备可进一步包括设置在基板和第一可变厚度膜之间的第一中间膜，以及设置在基板和第二可变厚度膜之间的第二中间膜。第一中间膜的折射率可小于基板的折射率和第一可变厚度膜的折射率，并且第二中间膜的折射率可小于基板的折射率和第二可变厚度膜的折射率。
8、根据本发明的特定实施例，一种增强现实设备包括投射器、光学耦合到投射器的投射器光学器件以及光学耦合到投射器光学器件的目镜。目镜包括第一目镜波导，其特征为横向维度和具有第一厚度梯度的第一可变厚度膜；以及第二目镜波导，其特征为横向维度和具有与第一厚度梯度对齐的第二厚度梯度的第二可变厚度膜。目镜可进一步包括第三目镜波导，其特征为横向维度和第三可变厚度膜，第三可变厚度膜具有与第一厚度梯度和第三厚度梯度对齐的第三厚度梯度。第一目镜波导、第二目镜波导和第三目镜波导可层叠在一起。投射器、投射器光学器件和目镜可安装在增强现实耳机中。第一目镜波导可包括第一组合光瞳扩展器，其中第一可变厚度膜的厚度从第一组合光瞳扩展器的第一部分到第一组合光瞳扩展器的第二部分变化，并且第二目镜波导可包括第二组合光瞳扩展器，其中第二可变厚度膜的厚度从第二组合光瞳扩展器的第一部分到第二组合光瞳扩展器的第二部分变化。第一厚度梯度可与第二厚度梯度对齐。第一厚度梯度可对应于方向，并且第二厚度梯度可对应于该方向。
9、与传统技术相比，通过本发明的方式实现了许多益处。例如，本发明的实施例提供了可提高虚拟内容的质量(包括图像清晰度)的方法和系统。结合下文和附图，更详细地描述了本发明的这些和其它实施例以及其许多优点和特征。
1.一种增强现实设备，包括：
2.根据权利要求1所述的增强现实设备，其中，所述目镜进一步包括：
3.根据权利要求2所述的增强现实设备，其中，所述目镜波导、所述第二目镜波导和所述第三目镜波导形成所述目镜。
4.根据权利要求3所述的增强现实设备，其中，所述目镜是包括所述目镜波导、所述第二目镜波导和所述第三目镜波导的层叠结构。
5.根据权利要求2所述的增强现实设备，进一步包括：
6.根据权利要求5所述的增强现实设备，其中，所述第二目镜进一步包括：
7.根据权利要求2所述的增强现实设备，其中：
8.根据权利要求1所述的增强现实设备，其中，所述投射器、所述投射器光学器件和所述目镜安装在增强现实耳机中。
9.根据权利要求1所述的增强现实设备，其中，所述目镜波导的特征为随着所述横向维度中的一个或多个变化的厚度变化。
10.根据权利要求1所述的增强现实设备，其中，所述目镜波导的特征为随着所述横向维度中的一个或多个变化的折射率变化。
11.根据权利要求1所述的增强现实设备，其中，所述目镜包括三个目镜波导。
12.根据权利要求11所述的增强现实设备，其中，所述光路长度差从所述三个目镜波导中每个目镜波导的第一区域的第一值变化到所述三个目镜波导中每个目镜波导的第二区域的第二值。
13.根据权利要求12所述的增强现实设备，其中，所述第一区域对应于耦入光栅，所述第二区域对应于组合光瞳扩展器，并且所述光路长度差从所述第一值减小到所述第二值。
14.根据权利要求11所述的增强现实设备，其中，所述三个目镜波导中每个目镜波导的光路长度差沿共同方向延伸。
15.根据权利要求11所述的增强现实设备，其中，所述三个目镜波导中每个目镜波导的光路长度差沿所述三个目镜波导中每个目镜波导的横向维度减小，其中，所述三个目镜波导中每个目镜波导的横向维度平行。
16.一种增强现实设备，包括：
17.根据权利要求16所述的增强现实设备，其中，所述目镜进一步包括第三目镜波导，其特征为横向维度和与所述第一光路长度差梯度和所述第三光路长度差梯度对齐的第三光路长度差梯度。
18.根据权利要求17所述的增强现实设备，其中，所述第一目镜波导、所述第二目镜波导和所述第三目镜波导层叠在一起。
19.根据权利要求16所述的增强现实设备，其中，所述投射器、所述投射器光学器件和所述目镜安装在增强现实耳机中。
20.根据权利要求16所述的增强现实设备，其中：
21.根据权利要求16所述的增强现实设备，其中，所述第一光路长度差梯度与所述第二光路长度差梯度对齐。
22.根据权利要求16所述的增强现实设备，其中，所述第一光路长度差梯度对应于方向，并且所述第二光路长度差梯度对应于所述方向。
23.一种增强现实设备，包括：
24.根据权利要求23所述的增强现实设备，其中，所述目镜包括：
25.根据权利要求24所述的增强现实设备，其中，所述基板的折射率基本上等于所述可变厚度层的折射率。
26.根据权利要求23所述的增强现实设备，其中，所述目镜进一步包括：
27.根据权利要求26所述的增强现实设备，其中，所述目镜波导、所述第二目镜波导和所述第三目镜波导形成所述目镜。
28.根据权利要求27所述的增强现实设备，其中，所述目镜是包括所述目镜波导、所述第二目镜波导和所述第三目镜波导的层叠结构。
29.根据权利要求26所述的增强现实设备，其中：
30.根据权利要求26所述的增强现实设备，进一步包括：
31.根据权利要求30所述的增强现实设备，其中，所述第二目镜进一步包括：
32.根据权利要求23所述的增强现实设备，其中，所述投射器、所述投射器光学器件和所述目镜安装在增强现实耳机中。
33.根据权利要求26所述的增强现实设备，其中：
34.根据权利要求23所述的增强现实设备，其中，所述一个或多个层的特征为随着所述横向维度中的一个或多个变化的厚度变化。
35.根据权利要求34所述的增强现实设备，其中，所述厚度变化从所述目镜波导的第一区域的第一值变化到所述目镜波导的第二区域的第二值。
36.根据权利要求35所述的增强现实设备，其中，所述第一区域对应于耦入光栅，所述第二区域对应于组合光瞳扩展器，并且所述厚度变化从所述第一值减小到所述第二值。
37.根据权利要求23所述的增强现实设备，其中，所述一个或多个层的特征为随着所述横向维度中的一个或多个变化的折射率变化。
38.根据权利要求23所述的增强现实设备，其中，所述目镜波导包括纳米图案。
39.根据权利要求38所述的增强现实设备，其中，所述纳米图案包括聚合物光栅，所述聚合物光栅的聚合物折射率小于所述目镜的折射率。
40.根据权利要求39所述的增强现实设备，其中，所述一个或多个层的厚度小于50nm、小于30nm或小于10nm。
41.根据权利要求39所述的增强现实设备，其中，所述纳米图案包括在所述一个或多个层或所述目镜中形成的保形沉积结构或定向沉积结构。
42.根据权利要求38所述的增强现实设备，其中，所述纳米图案包括聚合物光栅，所述聚合物光栅的聚合物折射率高于所述目镜的折射率。
43.根据权利要求42所述的增强现实设备，其中，所述一个或多个层的厚度小于100nm，并且包括zro2或tio2中的至少一种。
44.根据权利要求42所述的增强现实设备，其中，所述纳米图案包括在所述一个或多个层或所述目镜中形成的蚀刻结构。
45.根据权利要求38所述的增强现实设备，其中，所述纳米图案包括二元光栅、闪耀锯齿光栅、闪耀多阶光栅、闪耀倾斜光栅、孔或柱。
46.一种增强现实设备，包括：
47.根据权利要求46所述的增强现实设备，其中，所述基板结构进一步包括：
48.根据权利要求47所述的增强现实设备，其中，所述第二可变厚度膜在邻近所述耦合光栅处比在邻近所述第二组合光瞳扩展器处更厚。
49.根据权利要求47所述的增强现实设备，其中，所述基板的厚度变化小于所述第一可变厚度膜或所述第二可变厚度膜的厚度变化。
50.根据权利要求47的增强现实设备，进一步包括：
51.根据权利要求50的增强现实设备，其中，
52.一种增强现实设备，包括：
53.根据权利要求52所述的增强现实设备，其中，所述目镜进一步包括第三目镜波导，其特征为横向维度和第三可变厚度膜，所述第三可变厚度膜具有与所述第一厚度梯度和所述第三厚度梯度对齐的第三厚度梯度。
54.根据权利要求53所述的增强现实设备，其中，所述第一目镜波导、所述第二目镜波导和所述第三目镜波导层叠在一起。
55.根据权利要求52所述的增强现实设备，其中，所述投射器、所述投射器光学器件和所述目镜安装在增强现实耳机中。
56.根据权利要求52所述的增强现实设备，其中：
57.根据权利要求52所述的增强现实设备，其中，所述第一厚度梯度与所述第二厚度梯度对齐。
58.根据权利要求52所述的增强现实设备，其中，所述第一厚度梯度对应于方向，并且所述第二厚度梯度对应于所述方向。
