CN110300905B - 用于具有集成的偏振器的显示设备的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种用于将图像投影到观察者的眼睛的目镜单元包括具有世界侧和与所述世界侧相对的观察者侧的目镜。所述目镜单元还包括邻近所述目镜的所述世界侧设置的偏振器。在示例中，所述偏振器包括线栅偏振器。在一些实施例中，所述线栅偏振器可操作以透射p偏振光并且反射s偏振光。在一些实施例中，所述偏振器可以包括吸收偏振器。

Description

用于具有集成的偏振器的显示设备的方法和系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年2月16日提交的题为“Method and System for DisplayDevice with Integrated Polarizer(用于具有集成的偏振器的显示设备的方法和系统)”的美国临时专利申请号62/459,984的优先权，其公开内容以其整体通过引用并入本文用于所有目的。
背景技术
现代计算和显示技术已经促进用于所谓的“虚拟现实”或者“增强现实”体验的系统的发展，其中，数字再现图像或其部分以其似乎真实或者可以被感知为真实的方式呈现给用户。VR场景典型地涉及数字或者虚拟图像信息的呈现，而对于其他实际现实世界视觉输入不透明；AR场景典型地涉及将数字或者虚拟图像信息呈现为对用户周围的实际世界的可视化的增强。
尽管在这些显示技术中取得的进步，在本领域中需要涉及增强现实系统(特别是显示系统)的改进的方法和系统。
发明内容
本公开大体涉及与包括可穿戴显示器的投影显示系统有关的方法和系统。更特别地，本公开的实施例提供了用于具有一个或多个集成的偏振器和改进的系统性能的目镜的方法和系统。本公开适用于计算机视觉和图像显示系统中的各种应用。
在一些投影显示系统中，来自投影仪的光可以耦合到目镜中，该目镜进而将图像投影到观察者的眼睛。另外，来自投影仪的旨在用于观察者的眼睛的光、源于除投影仪之外的源的光(例如，来自观察者附近的顶灯的光)可以耦合到目镜中，从而产生呈现给观察者的伪影。
根据本公开的实施例，可以弯曲的光学元件(例如，偏振器、波片和/或化妆透镜)与目镜集成。由于偏振控制用于减小来自除投影仪之外的源的光的耦合效率，因而将这些光学元件与目镜集成可以导致低水平的伪影产生。
根据本公开的实施例，提供了一种用于将图像投影到观察者的眼睛的目镜单元。目镜单元包括：目镜，其具有世界侧和与世界侧相对的观察者侧；以及偏振器，其邻近目镜的世界侧设置。在示例中，偏振器包括线栅偏振器。在一些实施例中，线栅偏振器可操作以透射p偏振光并且反射s偏振光。在一些实施例中，偏振器可以包括吸收偏振器。
根据本公开的另一实施例，用于将图像投影到观察者的眼睛的目镜单元包括：目镜，其具有世界侧和与世界侧相对的观察者侧；弯曲化妆透镜，其邻近目镜的世界侧设置；以及偏振器，其设置在目镜与弯曲化妆透镜之间。
根据本公开的另一实施例，用于将图像投影到观察者的眼睛的目镜单元包括：目镜，其具有世界侧和与世界侧相对的观察者侧；弯曲化妆透镜，其邻近目镜的世界侧设置；以及偏振器，其设置在目镜与弯曲化妆透镜之间。
根据本公开的又一实施例，用于将图像投影到观察者的眼睛的目镜单元包括：目镜，其具有世界侧和与世界侧相对的观察者侧；弯曲化妆透镜，其邻近目镜的世界侧设置；偏振器，其设置在目镜与弯曲化妆透镜之间；以及四分之一波片，其设置在目镜与偏振器之间。在实施例中，偏振器包括线栅偏振器。在实施例中，目镜单元还可以包括二向色性偏振器，该二向色性偏振器被定位在线栅偏振器与四分之一波片之间。
通过本公开实现了优于常规技术的许多益处。例如，本公开的实施例提供了减少可能不利地影响观察者体验的不期望的伪影的方法和系统。此外，一些实施例再循环利用世界光、由目镜发射的光、或者二者。通过一些实施例提供动态衰减功能，例如，结合由目镜发射的光的再循环利用。本公开的这些和其他实施例连同其许多优点和特征结合以下文本和附图更详细地描述。
附图说明
本文中所公开的实施例的教导可以通过结合附图考虑以下详细描述容易地理解。
图1示意性地图示了根据一些实施例的可以用于将数字或虚拟图像呈现给观察者的观察光学组件(VOA)中的光路。
图2是图示根据一些实施例的偏振器与目镜集成的侧视图。
图3是图示根据一些实施例的偏振器和波片与目镜集成的侧视图。
图4是图示根据一些实施例的偏振器与目镜和弯曲透镜集成的侧视图。
图5是图示根据一些实施例的偏振器和波片与目镜和弯曲透镜集成的侧视图。
图6是图示根据一些实施例的吸收偏振器和波片与目镜和弯曲透镜集成的侧视图。
图7是图示根据一些实施例的一组偏振器和波片与目镜和弯曲透镜集成的侧视图。
图8是图示根据一些实施例的偏振器与目镜集成的侧视图。
图9是图示根据一些实施例的偏振器和波片与目镜集成的侧视图。
图10是图示根据一些实施例的一组偏振器和液晶元件与目镜集成的侧视图。
具体实施方式
附图和以下描述仅通过图示涉及各种实施例。从以下讨论应当注意，本文所公开的结构和方法的替代实施例将容易地被识别为在不脱离本文所讨论的原理的情况下可以采用的可行的替代方案。现在将详细参考数个实施例，其中的示例被图示在附图中。
本公开大体涉及与包括可穿戴显示器的投影显示系统有关的方法和系统。更特别地，本公开的实施例提供了用于具有一个或多个集成偏振器和改进的系统性能的目镜的方法和系统。本公开适用于计算机视觉和图像显示系统中的各种应用。
图1示意性地图示了根据一些实施例的可以用于将数字或虚拟图像呈现给观察者的观察光学组件(VOA)中的光路。VOA包括投影器101和可以佩戴在观察者的眼睛102周围的目镜100。在一些实施例中，投影仪101可以包括一组红色LED、一组绿色LED和一组蓝色LED。例如，根据一些实施例，投影仪101可以包括两个红色LED、两个绿色LED和两个蓝色LED。目镜100可以包括一个或多个目镜层。在一些实施例中，目镜100包括三个目镜层，一个目镜层用于三种颜色(红色、绿色和蓝色)中的一种。在一些实施例中，目镜100可以包括六个目镜层，用于三种颜色中的每一种的一组目镜层被配置用于在一个深度平面处形成虚拟图像，并且用于三种颜色中的每一种的另一组目镜层被配置用于在另一深度平面处形成虚拟图像。在一些实施例中，目镜100可以包括用于三个或更多个不同的深度平面的用于三种颜色中的每一种的三个或更多个目镜层。每个目镜层包括平面波导并且可以包括耦入光栅107、正交光瞳扩展器(OPE)区域108和出射光瞳扩展器(EPE)区域109。
投影仪101将图像光投影到目镜100的目镜层中的耦入光栅107。耦入光栅107将来自投影仪101的图像光耦合到平面波导中，从而使图像光在朝向OPE区域108的方向上传播。平面波导通过全内反射(TIR)在水平方向上传播图像光。目镜层的OPE区域108还包括衍射元件，该衍射元件将在平面波导中传播的图像光的一部分朝向EPE区域109耦合并重定向。EPE区域109包括衍射元件，该衍射元件将在平面波导中传播的图像光的一部分在朝向观察者的眼睛102的近似垂直于目镜层的平面的方向中耦合并引导。以这种方式，由投影仪101所投影的图像可以由观察者的眼睛102观察。
如上文所描述的，由投影仪101所生成的图像光可以包括三基色(即，蓝色(B)、绿色(G)和红色(R))中的光。这样的图像光可以分离为构成颜色，使得每种构成颜色中的图像光可以耦合到目镜100中的相应波导。
图2是图示根据一些实施例的偏振器与目镜集成的侧视图。图2图示了目镜单元200，该目镜单元200包括目镜210和偏振器220。目镜单元200将图像投影到观察者的眼睛。目镜210包括世界侧212和与世界侧212相对的观察者侧214。在一些实施例中，偏振器220可以是线栅偏振器，并且在一些实施例中，偏振器220可以是吸收偏振器，诸如例如二向色性偏振器。
来自场景的入射光包括s偏振光和p偏振光，该来自场景的入射光可以被称为世界光并且由世界光线205表示。当高角光(即，在大入射角处(例如，从顶灯)入射在目镜单元200上的光)被耦合到目镜单元200中时(例如，通过EPE朝向观察者的眼睛102衍射)，可以产生伪影。
在图2中所图示的实施例中，偏振器220是线栅偏振器并且被取向为透射具有第一偏振(例如，p偏振光)的光并且反射具有正交于第一偏振的第二偏振的光(例如，s偏振光)。如在图2中所图示的，世界光线205的p偏振光入射在目镜210上并且不能通过存在于目镜210中的衍射光学元件有效地耦合到目镜210中。偏振器220可以是线栅偏振器。如果利用线栅偏振器，则线栅偏振器的透射轴可以对准或者取向为使得线栅偏振器可以透射p偏振光并且反射s偏振光。
偏振器220可以是二向色性偏振器。如果利用二向色性偏振器，那么不是强烈地反射如在图2中所图示的s偏振光，s偏振光将基本上由二向色性偏振器吸收。
根据本公开的实施例，目镜210的设计使得目镜210中的衍射结构以偏振灵敏的方式衍射光。因此，高入射角处的光到目镜210中的耦合(例如，通过EPE衍射)对于一个偏振比另一个偏振更强烈，例如，感兴趣的设计波长处的～1:3的偏振灵敏度。因此，在一些设计中，s偏振光比p偏振光更有效地耦合到目镜210中(例如，以3:1的比率)，这可能导致伪影强度的75％的减少。本公开不限于该偏振灵敏度并且其他偏振灵敏度被包括在本公开的范围内。例如，具有多级光栅设计的衍射光学元件可以用于将偏振灵敏度增加到1:20，这导致设计波长处的95％的伪影强度减少和对于其他波长的显著减少(例如，～83％的减少)。因此，如在图2中所图示的，具有s偏振的高角光由偏振器220阻挡，并且具有p偏振的光不良地耦合到目镜210中，从而导致彩虹伪影的减少。
虽然图2图示了被实现为线栅偏振器的偏振器220，但是这不由本公开要求并且吸收偏振器也可以利用在本公开的实施例中。本领域的普通技术人员将认识到许多变型、修改和替换。
在实施例中，目镜210由用于大于参考角的入射角处的光的偏振灵敏度表征。该参考角可以取决于配置而变化。例如，在一些实施例中，参考角是37度。该偏振灵敏度可能导致s偏振光的耦合效率与p偏振光的耦合效率的比率大于一。如在图2中所图示的，由于偏振器220反射或者吸收s偏振光，因而入射在目镜210上的p偏振光未强烈地耦合到目镜210中，从而减少或者消除入射光朝向观察者的衍射，该入射光朝向观察者的衍射由目镜210的观察者侧214的右边的缩小振幅的虚光线表示。如在图1中所图示的，目镜100可以包括耦入衍射光学元件(例如，耦入光栅)、正交光瞳扩展器衍射光学元件(例如，正交光瞳扩展器光栅)和出射光瞳扩展器衍射光学元件(例如，出射光瞳扩展器光栅)，并且偏振灵敏度可以与出射光瞳扩展器(例如，光栅)相关联。取决于目镜100/200的设计，该比率可以大于3:1、大于20:1等。
如对于本领域的技术人员将明显的是，在图2中所图示的偏振状态可以依情况切换到目镜210和特定目镜210的偏振灵敏度。如果与p偏振光的耦合效率相比较，高入射角处的s偏振光的耦合效率是低的，则s偏振光可以透射并且p偏振光可以反射和/或吸收。本领域的普通技术人员将认识到许多变型、修改和替换。
图3是图示根据一些实施例的偏振器和波片与目镜集成的侧视图。在目镜由对于其他偏振状态的低耦合效率表征的实施方式中，在适当的角处设置的波片的集成可以被用于产生朝向观察者生成的低水平的伪影。目镜单元300包括波片310，该波片310被设置在目镜210与偏振器220之间。在所图示的实施例中，波片310是大于37度的入射角处的可见波长处的四分之一波片，这导致将由光线305所图示的p偏振光转换为由光线307所图示的圆偏振光。进入目镜210的圆偏振光的低耦合效率导致低水平的伪影生成。因此，根据本公开的一些实施例，具有高耦合效率的偏振状态被反射或者吸收，仅使具有低耦合效率的偏振状态入射在目镜210上，从而减少不需要的伪影。本领域的普通技术人员将认识到许多变型、修改和替换。
虽然未图示在图2和图3中，但是本公开的一些实施例利用化妆透镜，诸如图4中所图示的化妆透镜。偏振器可以设置在化妆透镜与目镜之间并且可以是弯曲的，如本文更充分地讨论的。
在一些实现方案中，当可以被称为世界光的来自场景的入射光穿过弯曲化妆透镜、在法线入射处反射离开目镜并且在相对于法线的角处反射离开弯曲化妆透镜的内表面时，可以形成被称为“世界重影”的效果。由于这些反射光线以相对于来自场景的入射光的角度行进，因而可以形成鬼影图像，这不利地影响观察者体验。鬼影图像可以具有不同的放大率。如下文相对于图8所讨论的，利用反射涂层涂敷弯曲化妆透镜的内表面可以通过朝向世界反射从目镜投影的光改进观察者隐私，但是可能导致朝向目镜的反射，从而产生鬼影图像。
图4是图示根据一些实施例的偏振器与目镜和弯曲透镜集成的侧视图。图4图示了目镜单元400，该目镜单元400包括目镜410、偏振器420和弯曲化妆透镜430。目镜单元400将图像投影到观察者的眼睛。目镜单元400减少世界鬼影的水平并且改进观察者体验。目镜410具有世界侧412和与世界侧412相对的观察者侧414。目镜410可以利用防反射(AR)涂层涂敷在世界侧412或者观察者侧414以减少来自这些表面的反射。偏振器420邻近目镜410的世界侧412设置。在一些实施例中，偏振器220可以是线栅偏振器，并且在一些实施例中，偏振器220可以是吸收偏振器，诸如例如二向色性偏振器。弯曲化妆透镜430邻近偏振器420设置，使得偏振器420在目镜410与弯曲化妆透镜430之间。弯曲化妆透镜430可以具有屈光力并且用作用于观察者的处方透镜。在其他实施例中，弯曲化妆透镜430可以不具有屈光力，在该情况下，其仅用作化妆功能。
来自场景的入射光包括s偏振光和p偏振光，该来自场景的入射光可以被称为世界光并且由世界光线405表示。目镜410、弯曲化妆透镜430和偏振器420可以沿着平行于世界光线405的光轴来定位，并且偏振器420可以正交于光轴来取向。世界光线405中的光穿过弯曲化妆透镜430并且朝向偏振器420传播。穿过弯曲化妆透镜430的世界光(即，世界光线405)的部分由光线407表示。光线407入射在偏振器420上。
在图4中所图示的实施例中，偏振器420是线栅偏振器并且被取向为透射p偏振光并且反射s偏振光。因此，p偏振光穿过偏振器420并且入射在目镜410上，并且作为光线409透射以由观察者观察。
当光线407入射在偏振器420上时，s偏振状态中的光朝向弯曲化妆透镜430作为反射光线411被反射回来。虽然反射光线411将垂直于目镜410的平面，但是出于清晰的目的，其被图示为成角度的。在反射离开弯曲化妆透镜430的内表面(即，右表面)之后，s偏振光中的一些以相对于法线的非零角朝向偏振器420和目镜410反射回来，因为弯曲化妆透镜430是弯曲的。如上文所讨论的，以非零角反射的该光将导致具有与由以法线入射的世界光形成的图像不同的放大率的图像(被称为鬼影图像)。如由光线413和415所图示的，s偏振光将在偏振器420与弯曲化妆透镜430之间进行多次反射，振幅将减少，因为光的一部分将由弯曲化妆透镜430朝向观察者反射并且光的一部分将朝向世界穿过弯曲化妆透镜430。因此，本公开的实施例通过使用偏振器420反射一个偏振并且减少可以到达观察者的以非零入射角反射离开弯曲化妆透镜430的内表面的光量，减少世界鬼影的量级。
虽然在图4中图示了反射s偏振光的线栅偏振器，但是根据本公开的实施例可以利用二向色性偏振器。在这种情况下，不是强烈地反射如在图4中所图示的s偏振光，s偏振光将基本上由二向色性偏振器吸收。如对于本领域的技术人员将明显的是，在图4中所图示的偏振状态可以依情况切换到特定应用，其中，s偏振光被透射并且p偏振光被反射和/或吸收。本领域的普通技术人员将认识到许多变型、修改和替换。
图5是图示根据一些实施例的偏振器和波片与目镜和弯曲透镜集成的侧视图。图5图示了目镜单元500，该目镜单元500包括目镜510、偏振器520、弯曲化妆透镜530和四分之一波片540。目镜单元500将图像投影到观察者的眼睛。目镜510具有世界侧512和与世界侧512相对的观察者侧514。目镜510可以是涂敷在一个或多个表面上的AR，从而减少反射并且改进系统性能。弯曲化妆透镜530邻近目镜510的世界侧512设置，偏振器520被设置在目镜520与弯曲化妆透镜530之间，并且四分之一波片540被设置在目镜510与偏振器520之间。
包括p偏振光和s偏振光二者的由世界光线505表示的世界光入射在并且穿过弯曲化妆透镜530。在该实施例中，偏振器520被实现为二向色性偏振器，使得s偏振光吸收并且p偏振光通过。四分之一波片540以与p偏振轴和s偏振轴成45°的角取向，使得由偏振器520通过的p偏振光被旋转以产生入射在目镜510上的圆偏振光(例如，左手圆偏振光)。圆偏振光的一些反射可以产生如由反射光线515所图示的(例如，右手圆偏振光)。在没有偏振器(例如，偏振器520)和四分之一波片(例如，四分之一波片540)的目镜单元中，反射光线515可以到达化妆透镜(例如，化妆透镜530)并且朝向目镜(例如，目镜510)反射回来。反射图像可以取决于化妆透镜530而放大或者减少。这些失真的反射图像可能导致世界鬼影图像。在一些实施例中，偏振器520是线栅偏振器。反射光线515可以由四分之一波片540转换为s偏振光516。s偏振光可以由线栅偏振器520反射并且保持s偏振光517，该s偏振光由四分之一波片540转换以变为圆偏振光518。由于圆偏振光518平行于世界光线505，因而其可以改进用于观察者的亮度。例如，圆偏振光518显示与世界光线505相同的图像/光。如果目镜510具有菲涅耳反射，则这可以帮助增加目镜510的穿透亮度。进一步地，未产生世界鬼影图像。
在一些实施例中，在反射路径中，反射光线515可以被转换为s偏振光。s偏振光将由二向色性偏振器吸收。如果p偏振光存在于反射路径中(例如，由于四分之一波片540的未对准或者由于来自世界侧514的从目镜510朝向弯曲化妆透镜530的发射)，则其将由偏振器520反射，并且可以由四分之一波片540转换为圆偏振光，并且朝向目镜510传播。由于圆偏振光518平行于世界光线505，因而世界鬼影图像未产生并且从目镜510反射的p偏振中的光再循环利用，这改进用于观察者的亮度。
图6是图示根据一些实施例的吸收偏振器和波片与目镜和弯曲透镜集成的侧视图。图6中所图示的实施例与图5中所图示的实施例共享共同元件，并且相对于图5所提供的描述依情况适用于图6。图6图示了目镜单元600，该目镜单元600包括目镜610、二向色性偏振器620、弯曲化妆透镜630和四分之一波片640。
由世界光线605表示的世界光包括p偏振光和s偏振光二者。s偏振光由二向色性偏振器620吸收，并且p偏振光由四分之一波片640转换为圆偏振光。从目镜610反射的光由四分之一波片640转换为s偏振光并且由二向色性偏振器620吸收。
图7是图示根据一些实施例的一组偏振器和波片与目镜和弯曲透镜集成的侧视图。图7中所图示的实施例与图4和图6中所图示的实施例共享共同元件，并且相对于图4和图6所提供的描述依情况适用于图7。例如，在图4中图示了弯曲化妆透镜和线栅偏振器的组合，并且在图6中图示了二向色性偏振器、四分之一波片和目镜的组合。图7图示了目镜单元700，该目镜单元700包括目镜710、线栅偏振器720、二向色性偏振器725、弯曲化妆透镜730和四分之一波片740。二向色性偏振器725被定位在线栅偏振器720与四分之一波片740之间。
世界光包括p偏振光和s偏振光二者。s偏振光由线栅偏振器720朝向弯曲化妆透镜730反射。如相对于图4所讨论的，由线栅偏振器720反射的s偏振状态中的光将垂直于目镜710的平面，但是出于清晰的目的被图示为成角度的。在反射离开弯曲化妆透镜730的内表面(即，右表面)之后，s偏振光中的一些以相对于法线的非零角朝向线栅偏振器720反射回来，因为弯曲化妆透镜730是弯曲的。由于s偏振光在线栅偏振器720与弯曲化妆透镜730之间经历多次反射，s偏振光的振幅将减小。
穿过线栅偏振器720和二向色性偏振器725的p偏振光将由四分之一波片740转换为圆偏振光并且可以穿过目镜710到观察者。从目镜710反射的光将被转换为s偏振光并且将由二向色性偏振器725吸收。
在通过目镜710投影的光朝向观察者以及朝向世界二者来投影的实施方式中，朝向世界的光的投影可以减小用于观察者的图像亮度。因此，本公开的实施例实现光再循环利用以增加用于观察者的图像亮度。此外，由于朝向世界投影的光可以潜在地由他人观察，因而本公开的实施例通过减少朝向世界投影的光改进观察者的隐私。
图8是图示根据一些实施例的偏振器与目镜集成的侧视图。图8中所图示的实施例与图2中所图示的实施例共享共同元件，并且相对于图2所提供的描述依情况适用于图8。图8图示了目镜单元800，该目镜单元200包括目镜810和线栅偏振器820。目镜810具有世界侧812和与世界侧812相对的用户侧814。在s偏振光中从目镜810的世界侧812朝向世界发射的光由线栅偏振器820朝向目镜810反射。因此，从观察者侧814发射的s偏振的光朝向观察者引导，并且从世界侧814发射的s偏振的光通过来自线栅偏振器820的反射再循环利用并且朝向观察者引导。因此，本公开的实施例通过光再循环利用的实现增加用于观察者的图像亮度。
图9是图示根据一些实施例的偏振器和波片与目镜集成的侧视图。图9中所图示的实施例与图8中所图示的实施例共享共同元件，并且相对于图8所提供的描述依情况适用于图9。图9图示了目镜单元900，该目镜单元900包括目镜910、线栅偏振器920和波片940。波片940是改变光的偏振状态的波片。在一些实施例中，波片940是四分之一波片。在由目镜910发射的光圆偏振或椭圆偏振的情况下，发射光的偏振状态可以被控制以提供与线栅偏振器920的反射轴对准的光。在所图示的实施例中，从目镜910发射的圆偏振光由四分之一波片940转换为s偏振光，由线栅偏振器920反射，并且再循环利用以透射到观察者。
应当注意，除了将世界光再循环利用之外，可以再循环利用由目镜910发射的光，如在图8和图9中所图示的。在这些实施例中，由于由目镜810/910发射的较少光可用于由从世界侧观察目镜单元800/900的那些观察者观察，因而可以增强观察者隐私。
图10是图示根据一些实施例的一组偏振器和液晶元件与目镜集成的侧视图。液晶元件(还被称为液晶单元)作为为液晶衰减器的元件操作并且使能动态衰减器功能，该动态衰减器功能取决于观察者的周围的亮度可以是有用的。如果液晶单元被像素化，则其还可以执行局部阻塞。例如，当观察者在室内时，环境光量可以是低的，并且由目镜单元造成的衰减是可以忽略的或者减少到零。然而，当观察者在室外移动时，例如在晴天，环境光水平可以显著地增加并且目镜单元可以从使世界光动态地衰减的能力获益，使得与世界光相比较，由目镜发射的光将是不可忽略的。
图10图示了目镜单元1000，该目镜单元1000包括目镜1010、液晶衰减器1020和可选的弯曲化妆透镜1030。目镜1010具有世界侧1012和邻近世界侧1012的观察者侧1014。液晶衰减器1020邻近目镜1010的世界侧1012设置在弯曲化妆透镜1030与目镜1010之间。液晶衰减器1020包括邻近液晶元件1024的两个表面的偏振器。线栅偏振器1022邻近目镜1010的世界侧1012，液晶元件1024邻近线栅偏振器1022，并且二向色性偏振器1026邻近液晶元件1024。虽然线栅偏振器1022和二向色性偏振器1026被图示为与液晶元件1024空间分离，但是应当理解，通常，这些偏振器1022/1026可以与液晶元件1024的表面接触。例如，线栅偏振器1022可以被层压到液晶元件1024。此外，虽然在线栅偏振器1022与目镜1010之间图示了空间分离，但是这并不要求并且这些元件可以物理接触。例如，线栅偏振器1022可以被层压到目镜1010。本领域的普通技术人员将认识到许多变型、修改和替换。
目镜单元1000执行世界光的动态衰减以及从目镜1010发射的光的再循环利用，从而增加图像亮度。从世界入射的世界光线1005包括p偏振光和s偏振光二者。二向色性偏振器1026吸收s偏振光并且通过p偏振光。在透射模式中，液晶元件1024不改变光的偏振状态，并且p偏振光穿过目镜1010到观察者。在衰减模式中，液晶元件1024用于使光的偏振旋转到s偏振，该s偏振由线栅偏振器1022反射。因此，通过由液晶元件1024给予的偏振旋转的控制，实现了动态衰减功能。在图10中所图示的实施例中，线栅偏振器1022可操作以通过p偏振光并且反射s偏振光，并且二向色性偏振器1026可操作以透射p偏振光，但是这不由本公开要求。在其他实施例中，偏振状态可以依情况切换到特定应用。本领域的普通技术人员将认识到许多变型、修改和替换。
除了动态衰减之外，从目镜1010发射的光再循环利用。再次参考图10，从目镜1010的世界侧1012发射的s偏振的光由线栅偏振器1022朝向目镜1010反射，其中，其连同从目镜1010的观察者侧1014发射的s偏振的光一起朝向观察者传播。在一些实施例中，可以可选地添加邻近二向色性偏振器1026设置的弯曲化妆透镜1030。
根据本公开的一些方面，提供了一种用于将图像投影到观察者的眼睛的目镜单元。目镜单元包括：目镜，其具有世界侧和与世界侧相对的观察者侧；以及偏振器，其邻近目镜的世界侧设置。偏振器可以包括线栅偏振器，例如，该线栅偏振器可操作以透射p偏振光并且反射s偏振光。目镜单元还可以包括邻近线栅偏振器的液晶元件和邻近液晶元件的二向色性偏振器。偏振器可以包括吸收偏振器。在一个实施例中，目镜由对于大于37度的入射角处的光的偏振灵敏度表征。例如，偏振灵敏度可以由大于1的s偏振光的耦合效率与p偏振光的耦合效率的比率表征。比率可以大于3:1或大于20:1。目镜可以包括耦入衍射光学元件、正交光瞳扩展器衍射光学元件和出射光瞳扩展器衍射光学元件，并且偏振灵敏度与出射光瞳扩展器相关联。
根据本公开的一些方面，耦入衍射光学元件包括光栅，正交光瞳扩展器衍射光学元件包括光栅，并且出射光瞳扩展器衍射光学元件包括光栅。目镜单元还可以包括设置在目镜与偏振器之间的波片。例如，波片包括大于37度的入射角处的可见波长处的四分之一波片。而且，目镜单元可以附加地包括化妆透镜，其中，偏振器设置在化妆透镜与目镜之间。化妆透镜可以包括弯曲化妆透镜。在特定示例中，目镜、弯曲化妆透镜和偏振器沿着光轴来定位。偏振器可以包括线栅偏振器，并且线栅偏振器的线栅可以正交于光轴来取向。
在一些方面中，目镜单元包括设置在偏振器与弯曲化妆透镜之间的液晶元件和设置在液晶元件与弯曲化妆透镜之间的二向色性偏振器。线栅偏振器和二向色性偏振器可以可操作以透射p偏振光。
在本公开的一些方面中，提供了一种用于将图像投影到观察者的眼睛的目镜单元。目镜单元包括：目镜，其具有世界侧和与世界侧相对的观察者侧；弯曲化妆透镜，其邻近目镜的世界侧设置；偏振器，其设置在目镜与弯曲化妆透镜之间；以及四分之一波片，其设置在目镜与偏振器之间。偏振器可以包括线栅偏振器。目镜单元还可以包括二向色性偏振器，该二向色性偏振器被定位在线栅偏振器与四分之一波片之间。作为示例，偏振器可以包括二向色性偏振器。
在本公开的一些方面中，提供了一种用于将图像投影到观察者的眼睛的目镜单元。目镜单元包括：目镜，其具有世界侧和与世界侧相对的观察者侧；以及液晶衰减器，其邻近目镜的世界侧设置。液晶衰减器包括邻近目镜的世界侧的线栅偏振器、邻近线栅偏振器的液晶元件和邻近液晶元件的二向色性偏振器。在示例中，目镜单元还包括邻近二向色性偏振器的弯曲化妆透镜。例如，弯曲化妆透镜可以由屈光力表征。线栅偏振器可以被层压到目镜，例如，被层压到液晶元件。线栅偏振器可以可操作以通过p偏振光并且反射s偏振光。
还应当理解，本文所描述的示例和实施例仅出于说明性目的并且依据其的各种修改或改变将被暗示给本领域的技术人员并且将被包括在本申请的精神和范围和随附的权利要求的范围之内。
在阅读本公开时，本领域的技术人员还将理解通过本文所公开的原理的用于基于运动的内容导航的系统和过程的附加的替代结构和功能设计。因此，虽然已图示并且描述特定实施例和应用，但是应理解到所公开的实施例不限于本文所公开的精确构建和部件。在不脱离如随附的权利要求中限定的精神和范围的情况下，可以在本文所公开的方法和装置的布置、操作和细节中做出对于本领域的技术人员将明显的各种修改、改变和变型。

Claims (20)

1.一种用于将图像投影到观察者的眼睛的目镜单元，所述目镜单元包括：
目镜，其具有世界侧和与所述世界侧相对的观察者侧；其中，所述目镜包括：
耦入衍射光学元件，
正交光瞳扩展器衍射光学元件，和
出射光瞳扩展器衍射光学元件，
弯曲化妆透镜，其邻近所述目镜的所述世界侧设置；
偏振器，其被设置在所述目镜与所述弯曲化妆透镜之间；以及
四分之一波片，其被设置在所述目镜与所述偏振器之间。
2.根据权利要求1所述的目镜单元，其中，所述偏振器包括线栅偏振器。
3.根据权利要求2所述的目镜单元，其中，还包括二向色性偏振器，其被定位在所述线栅偏振器与所述四分之一波片之间。
4.根据权利要求1所述的目镜单元，其中，所述偏振器包括二向色性偏振器。
5.根据权利要求1所述的目镜单元，所述偏振器包括线栅偏振器，所述目镜单元还包括：
液晶元件，其中，所述线栅偏振器被设置在所述液晶元件与所述目镜之间；以及
二向色性偏振器，其中，所述液晶元件被设置在所述线栅偏振器与所述二向色性偏振器之间。
6.根据权利要求5所述的目镜单元，其中，所述目镜由偏振灵敏度表征，所述偏振灵敏度由大于1的具有第一偏振的光的耦合效率与具有第二偏振的光的耦合效率的比率表征。
7.根据权利要求6所述的目镜单元，其中，所述比率大于3:1。
8.根据权利要求7所述的目镜单元，其中，所述比率大于20:1。
9.根据权利要求1所述的目镜单元，其中，所述耦入衍射光学元件包括光栅，所述正交光瞳扩展器衍射光学元件包括光栅，并且所述出射光瞳扩展器衍射光学元件包括光栅。
10.根据权利要求1所述的目镜单元，其中，所述偏振器包括吸收偏振器。
11.根据权利要求1所述的目镜单元，其中，所述目镜、所述弯曲化妆透镜和所述偏振器沿着光轴来定位，其中，所述偏振器包括线栅偏振器，并且其中，所述线栅偏振器的所述线栅正交于所述光轴取向。
12.一种用于将图像投影到观察者的眼睛的目镜单元，所述目镜单元包括：
目镜，其具有世界侧和与所述世界侧相对的观察者侧；其中，所述目镜包括：
耦入衍射光学元件，
正交光瞳扩展器衍射光学元件，和
出射光瞳扩展器衍射光学元件，以及
液晶衰减器，其邻近所述目镜的所述世界侧设置，其中，所述液晶衰减器包括：
线栅偏振器，其邻近所述目镜的所述世界侧；
液晶元件，其中，所述线栅偏振器被设置在所述液晶元件与所述目镜之间；以及
二向色性偏振器，其中，所述液晶元件被设置在所述线栅偏振器与所述二向色性偏振器之间，
其中，所述线栅偏振器可操作以透射具有第一偏振的光并且反射具有正交于所述第一偏振的第二偏振的光，
其中，所述目镜由偏振灵敏度表征，所述偏振灵敏度由大于1的具有所述第二偏振的光的耦合效率与具有所述第一偏振的光的耦合效率的比率表征。
13.根据权利要求12所述的目镜单元，还包括弯曲化妆透镜，其中，所述二向色性偏振器被设置在所述液晶元件与所述弯曲化妆透镜之间。
14.根据权利要求13所述的目镜单元，其中，所述弯曲化妆透镜由屈光力表征。
15.根据权利要求13所述的目镜单元，所述目镜、所述弯曲化妆透镜和所述线栅偏振器沿着光轴来定位，并且其中，所述线栅偏振器的所述线栅正交于所述光轴取向。
16.根据权利要求12所述的目镜单元，其中，所述线栅偏振器被层压到所述目镜。
17.根据权利要求12所述的目镜单元，其中，所述线栅偏振器被层压到所述液晶元件。
18.根据权利要求12所述的目镜单元，其中，所述比率大于3:1。
19.根据权利要求18所述的目镜单元，其中，所述比率大于20:1。
20.根据权利要求12所述的目镜单元，其中，所述耦入衍射光学元件包括光栅，所述正交光瞳扩展器衍射光学元件包括光栅，并且所述出射光瞳扩展器衍射光学元件包括光栅。
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