CN110824706B - 具有可调节透镜的波导式显示系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及具有可调节透镜的波导式显示系统。本公开提供了一种电子设备，该电子设备可以具有向波导提供图像光的显示器。第一液晶透镜和第二液晶透镜可以安装到波导的相对表面。耦合器可以通过第一透镜将图像光耦合出波导。第二透镜可以将世界光传送到第一透镜。控制电路可以控制第一透镜以将第一光焦度施加到图像光和世界光，并且可以控制第二透镜以将第二光焦度施加到世界光，该第二光焦度抵消第一光焦度。每个透镜可以包括具有反平行预倾角的两个液晶分子层。第一透镜的预倾角和摩擦方向可以反平行于第二透镜关于波导的对应预倾角和摩擦方向。

Description

具有可调节透镜的波导式显示系统

本专利申请要求2019年7月24日提交的美国专利申请16/520,718以及2018年8月10日提交的美国临时专利申请62/717,628的优先权，这些专利申请据此全文以引用方式并入本文。

背景技术

本公开整体涉及电子设备，更具体地讲，涉及具有显示器的电子设备。

具有显示器的电子设备可以用于为用户显示内容。如果稍有不慎，在电子设备中的用于为用户显示内容的部件可能是难看且笨重的，并且可能未表现出期望的光学性能水平。

发明内容

电子设备可以具有经由输入耦合器向波导提供图像光的显示器。图像光可以在全内反射原理下传播通过波导。第一液晶透镜可以安装到波导的第一表面并且第二液晶透镜可以安装到波导的第二表面。输出耦合器可以将图像光耦合出波导并通过第一液晶透镜。第二液晶透镜可以通过波导将来自电子设备外部的物体的世界光(world light)传送到第一液晶透镜。

控制电路可以控制第一液晶透镜以表现出将第一光焦度(optical power)施加到图像光和世界光的第一折射率分布。控制电路可以控制第二液晶透镜以表现出将第二光焦度施加到世界光的第二折射率分布，其至少部分地抵消第一光焦度。线性偏振器可以插置在波导与第一液晶透镜之间以确保线性偏振与液晶透镜的摩擦方向对准。如果需要，第三液晶透镜可以安装到第一液晶透镜，并且第四液晶透镜可以安装到第二液晶透镜。如果采用第三液晶透镜和第四液晶透镜，则可以省略线性偏振器，并且可以使用来自世界光和图像光的两种偏振状态。

第一液晶透镜和第二液晶透镜可以包括具有对准的摩擦方向的透明衬底。每个液晶透镜可以包括具有反平行预倾角的两个液晶分子层。第一液晶透镜的预倾角和摩擦方向可以反平行于第二液晶透镜关于波导的对应预倾角和摩擦方向。

附图说明

图1是根据一个实施方案的例示性头戴式设备的示意图。

图2是根据一个实施方案的用于单眼的例示性头戴式设备的图示。

图3是根据一个实施方案的具有波导和液晶透镜的头戴式设备的例示性显示系统的顶视图。

图4是根据一个实施方案的图3所示类型的例示性液晶透镜的顶视图。

图5和图6是示出根据一个实施方案的如何调整例示性液晶透镜以使得它们的折射率随位置变化以产生期望的透镜分布的曲线图。

图7是根据一个实施方案的具有波导和用于覆盖多个偏振的多对液晶透镜的头戴式设备的例示性显示系统的顶视图。

图8和图9是根据一个实施方案的图7所示类型的例示性液晶透镜的顶视图。

具体实施方式

电子设备诸如头戴式设备以及其他设备可以用于增强现实和虚拟现实系统。这些设备可包括便携式消费电子设备(例如，便携式电子设备，诸如平板电脑、蜂窝电话、眼镜、其他可穿戴装置)、在驾驶舱、车辆等中的头顶显示器、以及基于显示器的装置(电视机、投影仪等)。诸如这些设备的设备可包括显示器和其他光学部件。将其中虚拟现实和/或增强现实内容提供给具有头戴式显示器设备的用户的设备配置在本文中作为示例描述。然而，这仅为例示性的。任何合适的装置都可用于向用户提供虚拟现实和/或增强现实内容。

佩戴在用户头部的头戴式设备诸如增强现实眼镜可用于向用户提供覆盖在真实世界内容顶部的计算机生成的内容。真实世界内容可由用户通过光学系统的透明部分直接查看。光学系统可用于将图像从显示系统中的一个或多个像素阵列或扫描设备路由至观察者的眼睛。光学系统中可包括波导诸如由透明材料(诸如玻璃或塑料)的一个或多个片形成的薄平面波导或其他光导，以将来自像素阵列的图像光传送至观察者。

照明系统可以包括为显示器供应照明的光源。照亮的显示器产生图像光。输入光学耦合器可以用于将来自光源的光耦合到照明系统中的波导中。输出光学耦合器可以用于将显示照明耦合出波导。输入耦合器和输出耦合器还可以用于将来自显示器的图像光耦合到光学系统中的波导中，并且将图像光耦合出波导以供观察者观看。

头戴式设备的输入耦合器和输出耦合器可以形成结构，诸如布拉格光栅、棱镜、成角度的透明结构、和/或将光耦合到波导中并将光耦合出波导的透镜。输入和输出光学耦合器可以由衍射耦合器形成，诸如体全息图、其他全息耦合元件或其他衍射耦合结构。输入耦合器和输出耦合器可以例如由薄的或厚的光聚合物层和/或其中使用激光来记录全息图案的其他光学耦合器结构形成。在一些配置中，光学耦合器可以可动态调节的设备形成，诸如液晶部件(例如，可调液晶光栅、聚合物分散的液晶设备)或其他可调节的光学耦合器。

在图1中示出了例示性头戴式设备的示意图。如图1所示，头戴式设备10可以具有控制电路12。控制电路12可包括用于控制头戴式显示器10的操作的存储和处理电路。电路12可以包括存储设备，诸如硬盘驱动器存储设备、非易失性存储器(例如，被配置为形成固态驱动器的电可编程只读存储器)、易失性存储器(例如，静态或动态随机存取存储器)等。控制电路12中的处理电路可以基于一个或多个微处理器、微控制器、数字信号处理器、基带处理器、电源管理单元、音频芯片、图形处理单元、专用集成电路以及其他集成电路。软件代码可存储在电路12中的存储器上，并且在电路12中的处理电路上运行，以实现用于头戴式显示器10的操作(例如，数据采集操作、涉及使用控制信号调节部件的操作、产生图像内容以向用户显示的图像呈现操作等)。

头戴式设备10可包括输入-输出电路14。输入-输出电路14可用于允许由头戴式显示器10从外部装置(例如，拴系计算机、便携式设备(诸如手持设备或膝上型计算机)或其他电气装置)接收数据，并且允许用户向头戴式设备10提供用户输入。输入-输出电路14还可用于收集有关在其中操作头戴式设备10的环境的信息。电路14中的输出部件可允许头戴式设备10向用户提供输出，并且可用于与外部电气装置通信。

如图1所示，输入-输出电路14可包括一个或多个显示器，诸如显示器18。显示器18可用于为头戴式设备10的用户显示图像。显示器18具有像素阵列或激光扫描图案以生成通过光学系统呈现给用户的图像。如果需要，光学系统可以具有透明部分，用户(观察者)可以通过该透明部分观察现实世界物体，同时计算机生成的内容通过在显示器18上产生计算机生成的图像而覆盖在现实世界物体顶上。

光学部件16可以用于形成向用户呈现图像的光学系统。部件16可以包括静态部件，诸如波导、静态光学耦合器和固定透镜。部件16还可以包括可调节的光学部件，诸如可调节偏振器、可调透镜(例如，液晶可调透镜、基于电光材料的可调透镜、可调液体透镜、微机电系统(MEMS)可调透镜、或其他可调透镜)、可动态调节耦合器(例如，可调节MEM光栅或其他耦合器)、可调节液晶全息耦合器(诸如可调节液晶布拉格光栅耦合器)，可调节全息耦合器(例如，诸如可调布拉格光栅耦合器、聚合物分散的液晶设备的电光设备)、耦合器、透镜和由电光材料(例如，铌酸锂或其他具有电光效应的材料)形成的其他光学设备，或其他静态和/或可调光学部件。部件16可以用于向显示器18提供光以照亮显示器18，并且可以用于将来自显示器18的图像提供给用户以供观看。在一些配置中，可以堆叠部件16中的一个或多个，使得光穿过串联的多个部件。在其他配置中，部件可以横向展开(例如，可以使用平铺的横向相邻耦合器组在波导或波导组上布置多个显示器)。也可以使用其中存在平铺和堆叠的配置。

输入-输出电路14可包括部件，诸如用于收集数据和用户输入以及用于向用户提供输出的输入-输出设备22。设备22可以包括传感器26、音频部件24和用于收集来自用户或设备10周围的环境的输入并用于向用户提供输出的其他部件。例如，设备22可以包括键盘、按钮、操纵杆、用于触控板和其他触敏输入设备的触摸传感器、相机、发光二极管、和/或其他输入-输出部件。

输入-输出设备22中的相机可以收集用户眼睛和/或用户周围的环境的图像。作为示例，控制电路12可以使用面向眼睛的相机来收集瞳孔和观看者的眼睛的其他部分的图像。观察者的瞳孔的位置和观察者的瞳孔相对于观察者的眼睛的其余部分的位置可用于确定观察者眼睛的中心的位置(即，用户的瞳孔的中心)和观察者的眼睛的视线的方向(凝视方向)。

传感器26可包括位置和运动传感器(例如，罗盘、陀螺仪、加速度计，和/或用于监测头戴式显示器10的位置、取向和移动的其他设备，卫星导航系统电路诸如用于监测用户位置的全球定位系统电路等)。例如，控制电路12可使用传感器26监测其中用户头部相对于周围环境取向的当前方向。也可使用传感器26监测用户头部的移动(例如，向左和/或向右移动，以追踪屏幕上的物体和/或查看另外的真实世界物体)。

如果需要，传感器26可以包括测量环境光强度和/或环境光颜色的环境光传感器、力传感器、温度传感器、触摸传感器、电容式接近传感器、基于光的接近传感器、其他接近传感器、应变计、气体传感器、压力传感器、湿度传感器、磁传感器等。音频部件24可以包括用于收集语音命令和其他音频输入的麦克风，以及用于提供音频输出的扬声器(例如，耳塞、骨传导扬声器、或用于向用户的左耳和右耳提供声音的其他扬声器)。如果需要，输入-输出设备22可包括触觉输出设备(例如，振动部件)、发光二极管和其他光源，以及其他输出部件。电路14可包括有线和无线通信电路20，该有线和无线通信电路允许头戴式显示器10(例如，控制电路12)与外部装置(例如，遥控器、操纵杆和其他输入控制器、便携式电子设备、计算机、显示器等)通信，并且允许在头戴式显示器10的不同位置处的部件(电路)之间传送信号。

头戴式显示器10的部件可由头戴式支撑结构诸如图2的例示性支撑结构28支撑。支撑结构28(有时可被称为外壳)可被配置为形成一副眼镜的框架(例如，左右镜腿和其他框架构件)、可被配置为形成头盔、可被配置为形成一副护目镜，或者可具有其他可佩戴在头部的配置。

光学系统33可以支撑在支撑结构28内，并且可以用于从显示器18向用户提供图像(例如，参见图2的用户42的眼睛)。利用一个例示性配置，显示器18可以位于光学系统33的外(边缘)部分38中，并且可以具有产生图像的一个或多个像素阵列。可以使用输入耦合器系统将与图像相关联的光耦合到外部分38中的波导中。波导内的光可以穿过中间区域32。在系统33的中心部分34中(在来自输入耦合器系统和显示器18的波导的相对端部处)，由一个或多个输出耦合器形成的输出耦合器系统可以将光耦合出波导。该光可以在方向40上穿过可选透镜30以供用户42观察。光学系统33的部分34可以是透明的，使得用户42可以通过系统33的该区域查看诸如物体36的外部物体，而系统33将计算机生成的内容(由图1的控制电路12生成的图像内容)与物体(诸如物体36)重叠。

图3是可用于形成设备10的光学系统33的例示性部件的图示。图3的图示包括针对用户眼睛之一的部件。设备10可以包含两组此类部件以向用户的两只眼睛呈现图像。

如图3所示，设备10可以包括一个或多个显示器，诸如用于产生图像光44的显示器18。可以通过照射包含像素阵列的反射显示器或使用任何其他期望的显示部件来生成图像光44。呈现在像素阵列上的图像可以通过透镜46传送到输入耦合器50(例如，在波导48的端部56处)，该输入耦合器将图像光44耦合到波导48(例如，平面波导)中。耦合到波导48中的图像光根据全内反射的原理被约束在波导48之内，并朝输出耦合器52行进，如光54所示。

输出耦合器52(例如，在波导48的端部58处)将光54(图像光)耦合出波导48并朝向观察者42(用户的眼睛)，作为输出光(输出图像光)76。输入耦合器50和输出耦合器52可包括例如将光耦合到波导中以及将光耦合出波导的结构，诸如布拉格光栅或其他衍射光栅。耦合器50和52可由体积全息图或其他全息耦合元件(例如，使用激光记录全息图案的聚合物薄层和/或其他光学耦合器结构)、棱镜、成角度的透明结构、透镜或任何其他期望的光耦合元件形成。耦合器50和52可具有无限焦距(例如，耦合器50和52可为平面到平面耦合器)或可具有相关联的有限焦距。耦合器50和/或52可以嵌入波导48内，形成在波导48的表面62上，和/或形成在波导48的表面64上。

来自外部物体诸如物体36的光80可以穿过波导48(例如，在波导48的端部58处，在图2的中心区域34内)。光80有时在本文中可称为场景光、真实世界光或世界光。输出图像光76和世界光80都可以被提供给眼箱78(例如，图3的用户42放置他们的眼睛以观看来自显示器18的光的区域)。当用户在眼箱78处观看时，可以通过世界光80覆盖输出图像光76。

可以通过期望光学特性(例如，通过期望光焦度、焦距、图像深度等)使用一个或多个透镜将输出图像光76引导到眼箱78。可能期望能够随时间推移调整这些光学特性(例如，基于使用图1的传感器26收集的传感器数据的改变)。设备10可以包括可由控制电路12实时调整的可调节透镜部件，诸如图3的可调节透镜部件66和68。

有时可称为可调节透镜、可调节透镜系统、可调节光学系统、可调节透镜设备、可调透镜等的可调节透镜部件66和68可以包含可电调节材料，诸如液晶材料、体布拉格光栅、或可以被调整以产生定制透镜的其他电调制材料。部件66和68中的每一者可以包含将电场施加到具有可电调节折射率(有时称为可调节透镜光学能力或可调节相位分布)的液晶材料或其他电压调制光学材料的层的部分的电极阵列。通过调整施加到电极的信号的电压，可以动态地调整部件66和68的折射率分布。这允许调整在部件66和68内形成的透镜的尺寸、形状和位置。可调节透镜部件66和68由液晶材料层形成的示例在本文描述为示例。因此，可调节透镜部件66和68在本文中可称为液晶透镜66和68。

控制电路12可以实时调节液晶透镜68以随时间推移调制具有不同期望光学特性(例如，光焦度、图像深度等)的输出图像光76。通常，可能期望调制输出图像光76而不调制世界光80(例如，以调整输出图像光76的光学特性而不调整世界光80的那些光学特性)。

世界光80在穿过波导48之前穿过液晶透镜66。控制电路12可以控制液晶透镜66以表现出与由液晶透镜66提供的折射率分布相反(反转)的折射率分布(例如，使得由液晶透镜66提供给世界光80的光焦度抵消了由液晶透镜68提供给世界光80的光焦度)。以此方式，输出图像光76可以由液晶透镜68调制，而液晶透镜68对世界光80的任何调制都是通过来自液晶透镜66的调制抵消的(例如，控制电路12可以调制来自显示器18的输出图像光76而不调制来自外部物体36的世界光80)。

如果需要，设备10可以包括附加透镜，诸如透镜74和72。如图3所示，透镜74可以安装到液晶透镜66，并且透镜72可以安装到液晶透镜68。透镜72可以用于偏置液晶透镜68的光焦度并且在本文中有时可以称为偏置透镜72。例如，液晶透镜68可以具有-1.5D至1.5D的可调节光焦度，并且偏置透镜72可以具有-1.5D的光焦度，这生成-3D到0D的组合光焦度(例如，因为需要负焦度以使在无穷远处的物体更靠近眼睛)。透镜74可以用于消除透镜72的焦度。透镜74和72可以包括固定透镜和/或可调节透镜。在一个合适布置中，透镜74可以是凸透镜，而透镜72是凹透镜。这仅是例示性的。通常，透镜74和72可以包括任何期望的透镜结构(例如，凹透镜、凸透镜、菲涅耳透镜等)。如果需要，可以省略透镜74和/或透镜72。

在一些场景中，可能期望提供具有特定线性偏振的输出图像光76。在一种布置中，第一线性偏振器插置在显示器18与输入耦合器50之间以用于提供具有第一线性偏振的图像光44，并且第二线性偏振器插置在透镜74与波导48之间以用于提供具有第二线性偏振的世界光80。然而，实际上，线性偏振光在其沿波导48的长度向下从端部56传播到输出耦合器52时不保持其线性偏振态(例如，由于在波导48的表面62和64处的每次反射时生成的相移)。这可能导致不期望的伪影，诸如来自显示器18的双重图像。

为了在光到达液晶透镜68时保持输出图像光76的线性偏振状态，线性偏振器(诸如线性偏振器70)可以插置在波导48的表面64和液晶透镜68之间。这允许光54在穿过液晶透镜68之前保持其偏振。线性偏振器70还用于线性偏振世界光80。在图3的示例中，线性偏振器70具有平行于X轴延伸的吸收轴(如箭头86所示)和平行于Y轴延伸的透射轴(例如，如箭头88所示)。粘合剂诸如光学透明粘合膜或可固化液体可以用于附接透镜74和液晶透镜66，并且同样可用于附接波导48和线性偏振器70，和/或将液晶透镜68附接到透镜72等。在波导48的表面62和液晶透镜66以及波导48的表面64和线性偏振器70之间可以保持小气隙，以生成折射率变化并允许光54在与输出耦合器52相互作用之前进行全内反射(如果需要)。也可以使用其他方式在波导表面处产生反射界面(例如，介电涂层、金属涂层、材料选择等)。

液晶透镜66和液晶透镜68可以各自包括相应的液晶单元对。每个液晶单元可以包括对应的液晶分子层。液晶透镜66的第一液晶单元中的液晶分子的预倾角可以与液晶透镜66的第二液晶单元中的液晶分子的预倾角相反。类似地，透镜68的第一液晶单元中的液晶分子的预倾角可以与透镜68的第二液晶单元中的液晶分子的预倾角相反。

可以通过在液晶透镜66和68内提供具有特定摩擦方向的衬底来设置液晶分子的预倾角(例如，液晶分子可以接触衬底并沿对应的摩擦方向对准)。在图3示例中，液晶透镜66的摩擦方向可以平行于Y轴延伸(例如，如箭头82所示)。类似地，液晶透镜68的摩擦方向也可以平行于Y轴延伸(例如，如箭头84所示)。以此方式，液晶透镜66和68的摩擦方向可以都平行于线性偏振器88的透射轴延伸。

图3的示例仅为例示性的。通常，线性偏振器70的透射轴和液晶透镜66和68的摩擦方向可以平行于任何期望轴延伸(例如，使得液晶透镜66的摩擦方向平行/反平行于液晶透镜68的摩擦方向并平行于线性偏振器70的透射轴延伸)。然而，如果不小心的话，来自液晶透镜68的轴外光伪影可能加剧来自液晶透镜66的轴外光伪影，从而在眼箱78处产生世界光80中的不期望的图像伪影。

为了减轻这些影响，液晶透镜66中的液晶分子的预倾角可以与液晶透镜68中的对应预倾角相反(例如，相对于波导48)。图4是示出液晶透镜66的结构如何可以反平行于液晶透镜68的结构布置的截面图。

如图4所示，液晶透镜66可以包括一对液晶单元，诸如液晶单元90和液晶单元92。液晶单元90可以具有电压调制光学材料层，诸如液晶层110。液晶层110可以插置在诸如上衬底106和下衬底114的透明衬底之间。衬底106和114可以由透明玻璃、蓝宝石或其他透明结晶材料、透明塑料、薄涂层或薄膜、其他透明层和/或这些的组合形成。

液晶单元90可以具有电极图案诸如电极层108和112，其可以被供应来自控制电路12的信号以在液晶单元90上产生期望的电压。电极层108可以在衬底106上图案化，而电极层112可以在衬底114上图案化。在一个合适的布置中，电极层108可以包括公共电极(例如，衬底106上的导电材料的毯或平面)，而电极层112包括在衬底114上的细长电极(例如，条形电极或指状电极)。例如，条形电极可以平行于图4的X轴延伸，并且有时可以在本文中称为垂直电极112。

在垂直电极112的每个位置处，可以通过向电极112提供第一电压以及向公共电极108提供第二电压(例如，接地电压)来跨液晶层110施加期望电压。两个电极层之间的液晶将接收施加的电场，该电场的量值与电极层上的第一电压和第二电压之间的差值成比例。通过控制电极112和108上的电压，可以动态地调节液晶单元90的液晶层110的折射率以产生定制透镜。

当电场施加到层110的液晶时，液晶改变定向。给定液晶材料可以重新定向的速度受到诸如层110的厚度的因素的限制。为了增加液晶层110的调谐速度并同时仍然达到合适的调谐范围，液晶透镜66可以包括堆叠在彼此顶部上的两个或更多个液晶单元。这种类型的布置方式在图4中示出。

如图4所示，液晶透镜66的液晶单元92可以堆叠在液晶单元90下面。液晶单元92可以包括液晶层120。液晶层120可以插置在诸如上衬底116和下衬底124的透明衬底之间。单元92的上衬底116可以安装(附接)到电池90的下衬底114(例如，使用光学透明粘合剂或其他结构)。

衬底116和124可以由透明玻璃、蓝宝石或其他透明结晶材料、透明塑料、薄涂层或薄膜、其他透明层和/或这些的组合形成。液晶单元92可以具有电极图案诸如电极层118和122，其可以被供应来自控制电路12的信号以在液晶单元92上产生期望的电压。电极层118可以在衬底116上图案化，而电极层122可以在衬底124上图案化。在一个合适的布置中，电极层122可以包括公共电极(例如，衬底124上的导电材料的毯或平面)，而电极层118包括在衬底116上的细长电极(例如，条形电极或指状电极)。例如，条形电极可以平行于图4的Y轴延伸，并且有时可以在本文中称为水平电极118。

在水平电极118的每个位置处，可以通过向电极118提供第一电压以及向公共电极122提供第二电压(例如，接地电压)来跨液晶层120施加期望电压。两个电极层之间的液晶将接收施加的电场，该电场的量值与电极上的第一电压和第二电压之间的差值成比例。通过控制电极118和124上的电压，可以动态地调节液晶单元92的液晶层120的折射率以产生定制透镜。

如果需要，透镜66中的液晶单元90和92的摩擦方向和预倾角可以相对于彼此反平行。具体地，上液晶单元90的液晶分子126A可以具有第一预倾角，并且下液晶单元92的液晶分子126B可以具有与第一预倾角相反的第二预倾角(例如，当没有将电压施加到电极时，液晶分子126B的光轴可以相对于图4的Z轴以正角度定向，而液晶分子126A的光轴相对于Z轴以相等但负的角度定向)。换句话讲，当没有将电压施加到电极时，液晶分子126B可以相对于衬底平面具有正的预倾角，而液晶分子126A位于由液晶分子126B的光轴和衬底的表面法线形成的相同平面内，并且相对于衬底平面具有相等但负的预倾角(例如，液晶分子126A和液晶分子126B可以具有相反的预倾角)。

为了获得这些相反的预倾角，可以使用相反(反平行)的摩擦方向来形成每个液晶单元的上衬底，并且可以使用相反(反平行)的摩擦方向来形成每个液晶单元的下衬底。如图4所示，透镜66的衬底106和124可以具有第一摩擦方向，如箭头150和156所示，而衬底114和116具有第二摩擦方向，如箭头152和154所示(例如，与和箭头152和154相关联的摩擦方向反平行的摩擦方向)。例如，这些摩擦方向可以平行/反平行于图3的箭头82延伸。

可以使用相同或不同的电压来控制透镜66中的液晶层110和120的重叠部分以在透镜66的该部分处实现期望的折射率。例如，可以跨上液晶层110的给定部分施加第一电压V1，而可以跨下液晶层120的该部分上施加第二电压V2。电压V1和V2可以不同或可以相同。控制电路12可以基于液晶透镜66的该部分处的期望折射率来确定V1到V2的量值和比率(例如，以便为透镜66提供与透镜68相反的光焦度)。

衬底124的表面100可以安装到图3的波导48的表面62。如果需要，可以在衬底124与表面62之间保持小气隙(例如，以允许波导48具有能够在波导48内实现全内反射的折射率差)。即使存在这种小气隙，也可以认为衬底124“安装”到波导管48(安装在其处)(例如，在波导与最靠近波导的液晶透镜之间不存在粘合剂)。图3的透镜74可以安装到衬底106的表面98。液晶透镜68的表面102可以安装到波导48的表面64。类似地，即使在液晶透镜68和波导48之间存在小气隙以允许全内反射时，也可以认为表面102“安装”到波导48。为清楚起见，图4中省略了波导48。相对于波导48，透镜68中的液晶分子的预倾角可以与透镜66中的液晶分子的对应预倾角相反(例如，在透镜66中具有特定单电极方向的液晶层中的液晶分子可以具有与在透镜68中具有相同电极方向的液晶层相反的预倾角等)。

如图4所示，液晶透镜68可以包括一对液晶单元，诸如液晶单元94和液晶单元96。液晶单元94可以具有液晶层132。液晶层132可以插置在诸如上衬底128和下衬底136的透明衬底之间。衬底128和136可以由透明玻璃、蓝宝石或其他透明结晶材料、透明塑料、薄涂层或薄膜、其他透明层和/或这些的组合形成。

液晶单元94可以具有诸如电极层130和134的电极图案，其可以被供应来自控制电路12的信号以在液晶单元94上产生期望的电压。电极层130可以在衬底128上图案化，而电极层134可以在衬底136上图案化。在一个合适的布置中，电极层130可以包括公共电极(例如，衬底128上的导电材料的毯或平面)，而电极层134包括在衬底136上的细长电极(例如，条形电极或指状电极)。例如，条形电极可以平行于图4的Y轴延伸，并且有时可以在本文中称为水平电极134。

在水平电极134的每个位置处，可以通过向电极134提供第一电压以及向公共电极130提供第二电压(例如，接地电压)来跨液晶层132施加期望电压。两个电极层之间的液晶将接收施加的电场，该电场的量值与电极上的第一电压和第二电压之间的差值成比例。通过控制电极130和134上的电压，可以动态地调节液晶单元94的液晶层132的折射率以产生定制透镜。

如图4所示，液晶透镜68的液晶单元96可以堆叠在液晶单元94下面。液晶单元96可以包括液晶层142。液晶层142可以插置在诸如上衬底138和下衬底146的透明衬底之间。单元96的上衬底138可以安装(附接)到电池94的下衬底136(例如，使用光学透明粘合剂或其他结构)。

衬底138和146可以由透明玻璃、蓝宝石或其他透明结晶材料、透明塑料、薄涂层或薄膜、其他透明层和/或这些的组合形成。液晶单元96可以具有电极图案诸如电极层140和144，其可以被供应来自控制电路12的信号以在液晶单元96上产生期望的电压。电极层140可以在衬底138上图案化，而电极层144可以在衬底146上图案化。在一个合适的布置中，电极层144可以包括公共电极(例如，衬底146上的导电材料的毯或平面)，而电极层140包括在衬底138上的细长电极(例如，条形电极或指状电极)。例如，条形电极可以平行于图4的X轴延伸，并且有时可以在本文中称为垂直电极140。

在垂直电极140的每个位置处，可以通过向电极140提供第一电压以及向公共电极144提供第二电压(例如，接地电压)来跨液晶层142施加期望电压。两个电极层之间的液晶将接收施加的电场，该电场的量值与电极上的第一电压和第二电压之间的差值成比例。通过控制电极140和144上的电压，可以动态地调节液晶单元96的液晶层142的折射率以产生定制透镜。

如果需要，透镜68中的液晶单元94和96的摩擦方向和预倾角可以相对于彼此反平行或相反。具体地，上液晶单元94的液晶分子148A可以具有第一预倾角，并且下液晶单元96的液晶分子148B可以具有与第一预倾角相反的第二预倾角(例如，当没有将电压施加到电极时，液晶分子148B的光轴可以相对于图4的Z轴以正角度定向，而液晶分子148A的光轴相对于Z轴以相等但负的角度定向)。

为了获得这些相反的预倾角，可以使用相反的摩擦方向来形成每个液晶单元的上衬底，并且可以使用相反的摩擦方向来形成每个液晶单元的下衬底。如图4所示，透镜68的衬底128和146可以具有第一摩擦方向，如箭头158和164所示，而衬底136和138具有第二摩擦方向，如箭头160和162所示(例如，与和箭头158和164相关联的摩擦方向反平行的摩擦方向)。例如，这些摩擦方向可以平行/反平行于图3的箭头84延伸。

以此方式，透镜66的衬底106的摩擦方向可以平行于透镜66的衬底124以及透镜68的衬底128和146的摩擦方向。类似地，透镜66的衬底106的摩擦方向可以反平行于透镜66的衬底114和116以及透镜68的衬底136和138的摩擦方向。此外，透镜66中的液晶分子126B的预倾角可以与液晶分子148A的预倾角相反。类似地，透镜66中的液晶分子126A的预倾角可以与液晶分子148B的预倾角相反。换句话讲，液晶透镜66的预倾角可以与液晶透镜68关于波导48的对应预倾角相反。

可以使用相同或不同的电压来控制透镜68中的液晶层132和142的重叠部分以在透镜68的该部分处实现期望的折射率。例如，可以跨上液晶层132的给定部分施加第一电压V3，而可以跨下液晶层142的该部分上施加第二电压V4。电压V3和V4可以不同或可以相同。控制电路12可以基于液晶透镜66的该部分处的期望折射率(例如，基于用户眼睛16的设置)确定V3与V4的比率。这可以用于配置透镜68以提供具有期望光学特性(例如，光焦度、图像深度等)的输出图像光76(图3)。控制电路12可以确定透镜66的电压V1和V2以控制透镜66来反转由透镜68施加在世界光80上的光学特性(例如，控制电路12可以提供电压V1和V2以抵消透镜68的光学特性)。

图4的示例仅为例示性的。如果需要，透镜66的电极层108和122可以使用条形电极来形成(例如，其中一个电极层使用水平条来形成并且另一个电极层使用垂直条来形成)，而电极层112和118使用共同的(平面)电极来形成。类似地，如果需要，透镜68的电极层130和144可以使用条形电极来形成(例如，其中一个电极层使用水平条来形成并且另一个电极层使用垂直条来形成)，而电极层134和140使用共同的(平面)电极来形成。摩擦方向150、152、154、156、158、160、162和164可以平行于任何期望轴延伸(例如，只要摩擦方向150、156、158和164彼此平行并且反平行于摩擦方向152、154、160和162)。当以此方式布置时，透镜68可以调制提供给眼箱78(图3)的输出图像光76，同时防止来自透镜66的光伪影添加有来自透镜68的光伪影。

图5和图6示出了可由图4的液晶透镜66和/或68生成的例示性折射率分布的示例。在图5的示例中，曲线166描绘了为液晶透镜66生成的示例性折射率n。如曲线166所示，折射率n在周边透镜边缘Y1和Y2之间连续变化。这可以为液晶透镜66提供期望的光焦度和/或任何其他期望的光学特性。

曲线168描绘了为液晶透镜68生成的示例性折射率n。如曲线168所示，折射率n与和曲线166相关的折射率反向变化(例如，透镜66的折射率n在透镜68的折射率n相对较高的位置处可能相对较低，而透镜66的折射率n在透镜68的折射率n相对较低的位置处可能相对较高)。例如，这可以为液晶透镜68提供与液体透镜66的光焦度相反的光焦度。以此方式，透镜68的光焦度可以抵消由透镜66施加到世界光80(图3)的光焦度，使得世界光不会在其到达眼箱78时被调制。控制电路12可以随时间推移调整曲线166(例如，通过调整图4的电压V1和V2)，并且可以调整曲线168以抵消这些改变(例如，通过调整图4的电压V3和V4)。

在图6的示例中，折射率n不连续地变化以产生适于形成菲涅耳透镜的折射率分布。例如，当图6的折射率分布应用于透镜66，反向分布可以应用于透镜68。这些示例仅为例示性的。如果需要，可以使用图3和图4所示类型的可调节透镜部件来使用其他合适的折射率分布。

在图4的示例中，液晶透镜66和68包括沿多个方向延伸的电极(例如，水平电极118和134以及垂直电极112和140)。为简单起见，图5和图6示出了，仅沿单个方向(例如，图3至图6的Y维度)的对透镜66和68的相位分布调制。通常，图5的曲线166和168和图6的曲线可以位于使用控制电路12来控制/调整的三维折射率表面上(例如，透镜66和68的折射率可以在图3至图6的X和Y维度上主动变化)。在另一种合适的布置中，图4的液晶透镜66和68可以包括仅在一个方向上延伸的电极，从而允许透镜66和68仅沿一个方向调制它们的相位分布。

在图3和图4的示例中，单个线性偏振光被提供给眼箱78。有时可能期望能够向眼箱78提供附加偏振的光。图7是示出波导48如何用于向眼箱78提供非偏振光的图示。

如图7所示，四个液晶透镜诸如液晶透镜170、172、174和176可以在端部58处邻近波导48安装。液晶透镜172可以安装到波导48。液晶透镜170可以安装到液晶透镜172。可选透镜74可以安装到液晶透镜170。液晶透镜174可以安装到波导48。液晶透镜172和174可以被称为“安装”到波导48，即使在液晶透镜与波导之间可以存在小气隙以保持波导内的全内反射。液晶透镜176可以安装到液晶透镜174。可选透镜72可以安装到液晶透镜176。在该示例中可以省略图3的线性偏振器70，从而允许非偏振输出图像光76和世界光80传递到眼箱78。

液晶透镜174和176可以用于为输出图像光76提供期望的光焦度。液晶透镜170和172可以用于抵消由透镜174和176提供给世界光80的光焦度(例如，使得世界光80在到达眼箱78时不被调制)。例如，控制电路12可以控制液晶透镜172以抵消由液晶透镜174提供的光焦度(例如，通过向透镜172提供相对于提供给透镜174的折射率分布反向的折射率分布)。类似地，控制电路12可以控制液晶透镜170以抵消由液晶透镜176提供的光焦度(例如，通过向透镜170提供相对于提供给透镜176的折射率分布反向的折射率分布)。

透镜170和176中的液晶分子的预倾角和衬底的摩擦方向可以沿相对于透镜172和174中的液晶分子的预倾角和衬底的摩擦方向正交的方向延伸。例如，透镜172中的摩擦方向可以平行于图7的Y轴延伸，如箭头180所示。类似地，透镜174中的摩擦方向也可以平行于Y轴延伸，如箭头182所示。同时，透镜170中的摩擦方向可以平行于X轴延伸，如箭头178所示。类似地，透镜176中的摩擦方向也可以平行于X轴延伸，如箭头184所示。这可以允许透镜用多个偏振来调制输出图像光76并通过多个偏振将未调制的世界光80传递到眼箱78。

图7的示例仅为例示性的。通常，透镜170、172、174和176的摩擦方向可以平行于任何期望轴延伸(例如，使得液晶透镜172的摩擦方向沿着平行/反平行于液晶透镜174的摩擦方向并与液晶透镜176和170的摩擦方向正交的轴延伸)。

图8是示出液晶透镜172的结构如何可以反平行于液晶透镜174的结构布置的截面图。如图8所示，液晶透镜172可以包括一对液晶单元，诸如液晶单元186和液晶单元188。液晶单元186可以包括液晶层204。液晶层204可以插置在透明衬底诸如上衬底202和下衬底206之间。

液晶透镜172的液晶单元188可以堆叠在液晶单元186下面。液晶单元188可以包括液晶层210。液晶层210可以插置在透明衬底诸如上衬底208和下衬底212之间。为清楚起见，已从图8中省略了透镜172和174的电极层。通常，透镜172和174可以设置有类似于图4的电极层108、112、118和122的电极层。

液晶单元186的摩擦方向和预倾角可以反平行于液晶单元188的摩擦方向和预倾角。具体地，上液晶单元186的液晶分子214A可以具有第一预倾角，并且下液晶单元188的液晶分子214B可以具有与第一预倾角相反的第二预倾角。类似地，可以使用相反的摩擦方向来形成透镜172中的每个液晶单元的上衬底，并且可以使用相反的摩擦方向来形成每个液晶单元的下衬底。

如图8所示，透镜172的衬底202和212可以具有第一摩擦方向，如箭头216和222所示，而衬底206和208具有第二摩擦方向，如箭头218和220所示(例如，与和箭头216和222相关联的摩擦方向反平行的摩擦方向)。例如，这些摩擦方向可以平行/反平行于图7的箭头180延伸。

衬底212的表面196可以安装到图7的波导48的表面62(例如，允许衬底212与波导48之间的小气隙)。图7的透镜170可以安装到衬底202的表面194。透镜174的表面198可以安装到波导48的表面64。为清楚起见，图8中省略了波导48。关于波导48，透镜174中的液晶分子的预倾角可以与透镜172中的液晶分子的对应预倾角相反(例如，在透镜174中具有特定单电极方向的液晶层中的液晶分子可以具有与在透镜172中具有相同电极方向的液晶层相反的预倾角等)。

如图8所示，透镜174可以包括一对液晶单元，诸如液晶单元190和液晶单元192。液晶单元190可以包括液晶层226。液晶层226可以插置在透明衬底诸如上衬底224和下衬底228之间。液晶透镜174的液晶单元192可以堆叠在液晶单元190下面。液晶单元192可以包括液晶层232。液晶层232可以插置在透明衬底诸如上衬底230和下衬底234之间。

液晶单元190的摩擦方向和预倾角可以与液晶单元192的摩擦方向和预倾角反平行或相反。具体地，上液晶单元190的液晶分子236A可以具有第一预倾角，并且下液晶单元192的液晶分子236B可以具有与第一预倾角相反的第二预倾角。类似地，可以使用相反的摩擦方向来形成透镜174中的每个液晶单元的上衬底，并且可以使用相反的摩擦方向来形成每个液晶单元的下衬底。

如图8所示，透镜174的衬底224和234可以具有第一摩擦方向，如箭头238和244所示，而衬底228和230具有第二摩擦方向，如箭头240和242所示(例如，与和箭头238和244相关联的摩擦方向反平行的摩擦方向)。例如，这些摩擦方向可以平行/反平行于图7的箭头182延伸。

以此方式，透镜172的衬底202的摩擦方向可以平行于透镜172的衬底212以及透镜174的衬底224和234的摩擦方向。类似地，透镜172的衬底202的摩擦方向可以反平行于透镜172的衬底206和208以及透镜174的衬底228和230的摩擦方向。此外，透镜172中的液晶分子214B的预倾角可以与液晶分子236A的预倾角相反。类似地，透镜66中的液晶分子214A的预倾角可以与液晶分子236B的预倾角相反。换句话讲，液晶透镜172的预倾角可以与液晶透镜174关于波导48的对应预倾角相反(例如，只要液晶单元具有相同的电极方向)。

图8的示例仅为例示性的。摩擦方向216、218、220、222、238、240、242和244可以平行于任何期望轴延伸(例如，只要摩擦方向216、222、238和244彼此平行，反平行于摩擦方向218、220、240和242，并且与图7的透镜170和176的摩擦方向正交)。当以此方式布置时，透镜174可以调制提供给眼箱78(图7)的输出图像光76，同时防止来自透镜174的光伪影添加有来自透镜172的光伪影。

图9是示出液晶透镜170的结构如何可以反平行于液晶透镜176的结构布置的截面图(例如，图9的页面的平面可以位于图3至图8的X-Z平面中)。如图9所示，液晶透镜170可以包括一对液晶单元，诸如液晶单元246和液晶单元248。液晶单元246可以包括液晶层264。液晶层264可以插置在透明衬底诸如上衬底262和下衬底266之间。

液晶透镜170的液晶单元248可以堆叠在液晶单元246下面。液晶单元248可以包括液晶层270。液晶层270可以插置在透明衬底诸如上衬底268和下衬底272之间。为清楚起见，已从图9中省略了透镜170和176的电极层。如果需要，透镜170和176可以设置有类似于图4的电极层108、112、118和122的电极层。

液晶单元246的摩擦方向和预倾角可以反平行于液晶单元248的摩擦方向和预倾角。具体地，上液晶单元246的液晶分子274A可以具有第一预倾角，并且下液晶单元248的液晶分子274B可以具有与第一预倾角相反的第二预倾角(例如，与图8的液晶分子214A、214B、236A和236B的预倾角正交)。类似地，可以使用相反的摩擦方向来形成透镜170中的每个液晶单元的上衬底，并且可以使用相反的摩擦方向来形成每个液晶单元的下衬底。

如图9所示，透镜170的衬底262和272可以具有第一摩擦方向，如箭头276和282所示，而衬底266和268具有第二摩擦方向，如箭头278和280所示(例如，与和箭头276和282相关联的摩擦方向反平行的摩擦方向)。例如，这些摩擦方向可以平行/反平行于图7的箭头178并且与图8的透镜172和174的摩擦方向正交地延伸。

衬底272的表面256可以安装到透镜172的表面194(图8)。图7的透镜74可以安装到衬底262的表面254。透镜176的表面258可以安装到透镜174的表面200(图8)。图7的透镜72可以安装到衬底294的表面260。为清楚起见，图9中省略了波导48、透镜172和透镜174。关于波导48，透镜170中的液晶分子的预倾角可以与透镜176中的液晶分子的对应预倾角相反(例如，在液晶层中具有特定单电极方向的液晶分子可以具有与在透镜170中具有相同电极方向的液晶层相反的预倾角等)。

如图9所示，透镜176可以包括一对液晶单元，诸如液晶单元250和液晶单元252。液晶单元250可以包括液晶层286。液晶层286可以插置在透明衬底诸如上衬底284和下衬底288之间。液晶透镜176的液晶单元252可以堆叠在液晶单元250下面。液晶单元252可以包括液晶层292。液晶层292可以插置在透明衬底诸如上衬底290和下衬底294之间。

液晶单元250的摩擦方向和预倾角可以与液晶单元252的摩擦方向和预倾角反平行或相反。具体地，上液晶单元250的液晶分子296A可以具有第一预倾角，并且下液晶单元252的液晶分子296B可以具有与第一预倾角相反的第二预倾角。类似地，可以使用相反的摩擦方向来形成透镜176中的每个液晶单元的上衬底，并且可以使用相反的摩擦方向来形成每个液晶单元的下衬底。

如图9所示，透镜176的衬底284和294可以具有第一摩擦方向，如箭头298和304所示，而衬底288和290具有第二摩擦方向，如箭头300和302所示(例如，与和箭头298和304相关联的摩擦方向反平行的摩擦方向)。例如，这些摩擦方向可以平行/反平行于图7的箭头184并且与图8的透镜172和174的摩擦方向正交地延伸。

以此方式，透镜170的衬底262的摩擦方向可以平行于透镜170的衬底272以及透镜176的衬底284和294的摩擦方向。类似地，透镜170的衬底262的摩擦方向可以反平行于透镜170的衬底266和268以及透镜176的衬底288和290的摩擦方向。此外，透镜170中的液晶分子274B的预倾角可以与液晶分子296A的预倾角相反。类似地，透镜170中的液晶分子274A的预倾角可以与液晶分子296B的预倾角相反。换句话讲，液晶透镜170的预倾角可以与液晶透镜176关于波导48的对应预倾角相反。

图9的示例仅为例示性的。摩擦方向276、278、280、282、298、300、302和304可以平行于任何期望轴延伸(例如，只要摩擦方向276、282、298和304彼此平行，反平行于摩擦方向278、280、300和302，并且与图7和图8的透镜172和174的摩擦方向正交)。当以此方式布置时，透镜176可以调制提供给眼箱78(图7)的输出图像光76，同时防止来自透镜170的光伪影添加有来自透镜176的光伪影。这也可以允许光的多个偏振传递到图7的眼箱78。

通常，图7的透镜170、172、174和176可以包括以任何期望的顺序堆叠的多个透镜。如果需要，可以在波导48的端部58处堆叠多于四个液晶透镜以用于调制输出图像光76而不调制世界光80。通过以此方式配置设备10(例如，使用图1至图9的布置)，可以用期望的光学特性(例如，光焦度)调制来自显示器18的图像光而不调制世界光80，同时还最小化与液晶透镜相关联的光伪影并同时消除与沿波导48的长度向下传播的光相关联的偏振损失。

图8的衬底202、206、208、212、224、228、230和234和图9的衬底262、266、268、272、284、288、290和294以及图4的衬底106、114、116、124、128、136、138和146可以各自在本文中称为“衬底”、“衬底层”或“透明层”(例如，衬底202、透明层206、衬底层294等)，但各自包括给定透明材料(诸如涂覆有聚酰亚胺层/涂层的玻璃或透明塑料)层(例如，透明材料层和对应聚酰亚胺涂层在本文中统称为“衬底”、“衬底层”或“透明层”)。图8的衬底202、206、208、212、224、228、230和234和图9的衬底262、266、268、272、284、288、290和294以及图4的衬底106、114、116、124、128、136、138和146的摩擦方向可以由在该衬底的对应聚酰亚胺涂层上执行的摩擦的方向来限定。还可以存在薄膜层，诸如形成在衬底上方和聚酰亚胺层下方以提供驱动信号(为了清楚起见，从图3至图9中省略)的图案化的透明电极和无机或有机绝缘层。其中每个液晶透镜内的液晶分子具有相反预倾角的图3至图8的示例仅是例示性的。如果需要，一个或多个液晶透镜内的预倾角可以具有沿相同方向对准的预倾角。

图4的电极层108、112、118、122、130、134、140和144以及图8和图9中的对应电极层(为了清楚起见未在图8和图9中示出)可以各自包括公共(平面)电极或细长电极(例如，在给定平面内彼此平行延伸并由间隙分开的多个细长导体，其中每个细长电极由控制电路12提供期望电压)。图4、图8和图9中的任何给定的液晶层可以具有在一侧(例如，上侧或下侧)上形成的公共电极和在另一侧上形成的细长电极，可以具有在两侧上形成的公共电极，或者可以具有在两侧上形成的细长电极。如果需要，图4、图8和图9中的任何电极层可以包括由绝缘体分离的两个电极层(例如，两个图案化电极层，诸如两个公共电极、一个公共电极和一个细长电极层、或者由绝缘层分开的两个细长电极层(例如，彼此平行或正交地延伸)可以形成在液晶层的一侧上)。

根据一个实施方案，提供了一种电子设备，该电子设备包括：波导，该波导具有相对的第一表面和第二表面；显示器，该显示器被配置为将图像光发射到波导中；第一液晶透镜，该第一液晶透镜位于波导的第一表面处；第二液晶透镜，该第二液晶透镜位于波导的第二表面处，该第二液晶透镜被配置为通过波导将来自电子设备的外部的世界光传送到第一液晶透镜；输出耦合器，该输出耦合器被配置为将图像光耦合出波导并通过第一液晶透镜；以及控制电路，该控制电路耦合到第一液晶透镜和第二液晶透镜，该控制电路被配置为控制第一液晶透镜以将第一光焦度施加到图像光和世界光，并且控制电路被配置为控制第二液晶透镜以将第二光焦度施加到世界光，该第二光焦度至少部分地抵消第一光焦度。

根据另一个实施方案，第一液晶透镜包括具有带第一预倾角的第一液晶分子的第一液晶层，并且第二液晶透镜包括具有带第二预倾角的第二液晶分子的第二液晶层，第二预倾角与第一预倾角相反。

根据另一个实施方案，第一液晶透镜包括具有带第三预倾角的第三液晶分子的第三液晶层，第三预倾角与第一预倾角相反，并且第二液晶透镜包括具有带第四预倾角的第四液晶分子的第四液晶层，第四预倾角与第二预倾角相反。

根据另一个实施方案，第二液晶层插置在第四液晶层与波导之间，并且第一液晶层插置在第三液晶层与波导之间。

根据另一个实施方案，第一液晶透镜包括安装在波导处的第一透明衬底层、在第一透明衬底层上的第一液晶层、以及在第一液晶层上的第二透明衬底层，第二液晶透镜包括安装在波导处的第三透明衬底层、在第三透明衬底层上的第二液晶层、以及在第二液晶层上的第四透明衬底层，第一透明衬底层和第三透明衬底层具有第一摩擦方向，并且第二透明衬底层和第四透明衬底层具有反平行于第一摩擦方向的第二摩擦方向。

根据另一个实施方案，第一液晶透镜包括在第二透明衬底层上的第五透明衬底层、在第五透明衬底层上的第三液晶层、以及在第三液晶层上的第六透明衬底层，第二液晶透镜包括在第四透明衬底层上的第七透明衬底层、在第七透明衬底层上的第四液晶层、以及在第四液晶层上的第八透明衬底层，第七透明衬底层和第五透明衬底层具有第二摩擦方向，并且第八透明衬底层和第六透明衬底层具有第一摩擦方向。

根据另一个实施方案，第一液晶透镜包括在第一透明衬底层上的第一电极层和在第二透明衬底层上的第二电极层，第二液晶透镜包括在第三透明衬底层上的第三电极层和在第四透明衬底层上的第四电极层，控制电路被配置为在第一电极层与第二电极层之间提供第一电压，该第一电压将第一液晶配置为表现出第一折射率分布，并且控制电路被配置为在第三电极层与第四电极层之间提供第二电压，该第二电压将第二液晶层配置为表现出第二折射率分布，该第二折射率分布是第一折射率分布的倒转。

根据另一个实施方案，电子设备包括线性偏振器，该线性偏振器插置在第一液晶透镜与波导的第一表面之间。

根据另一个实施方案，线性偏振器具有透射轴，第一液晶透镜包括具有第一摩擦方向的第一多个堆叠透明衬底，第二液晶透镜包括具有第二摩擦方向的第二多个堆叠透明衬底，并且第一摩擦方向和第二摩擦方向与透射轴对准。

根据另一个实施方案，电子设备包括：第三液晶透镜，该第三液晶透镜安装到第一液晶透镜并与第一液晶透镜和第二液晶透镜对准；以及第四液晶透镜，该第四液晶透镜安装到第二液晶透镜并与第一液晶透镜、第二液晶透镜和第三液晶透镜对准，控制电路被配置为控制第三液晶透镜以将第三光焦度施加到世界光和图像光，并且控制电路被配置为控制第四液晶透镜以将第四光焦度施加到世界光，第四光焦度至少部分地抵消第三光焦度。

根据另一个实施方案，第一液晶透镜和第二液晶透镜具有第一摩擦方向，并且第三液晶透镜和第四液晶透镜具有与第一摩擦方向正交的第二摩擦方向。

根据另一个实施方案，输出耦合器包括嵌入波导内的衍射光栅。

根据一个实施方案，一种光学系统，该光学系统被配置为将来自显示器的图像光和外部光传送到眼箱，该光学系统提供了包括以下的该光学系统：波导，该波导具有相对的第一表面和第二表面；第一透明层，该第一透明层安装在第一表面处；第一液晶层，该第一液晶层安装到第一透明层；第二透明层，该第二透明层安装到第一液晶层，其中第一透明层和第二透明层及第一液晶层被配置为传递图像光和外部光；第三透明层，该第三透明层安装在第二表面处；第二液晶层，该第二液晶层安装到第三透明层；第四透明层，该第四透明层安装到第二液晶层，第三透明层和第四透明层及第二液晶层被配置为传递外部光，第一透明层和第三透明层具有第一摩擦方向，并且第二透明层和第四透明层具有反平行于第一摩擦方向的第二摩擦方向。

根据另一个实施方案，光学系统包括：第五透明层，该第五透明层安装到第二透明层；第三液晶层，该第三液晶层安装到第五透明层；以及第六透明层，该第六透明层安装到第三液晶层，第五透明层具有第二摩擦方向并且第六透明层具有第一摩擦方向，并且第五透明层和第六透明层以及第三液晶层被配置为传递图像光和外部光。

根据另一个实施方案，光学系统包括：第七透明层，该第七透明层安装到第四透明层；第四液晶层，该第四液晶层安装到第七透明层；以及第八透明层，该第八透明层安装到第四液晶层，第七透明层具有第二摩擦方向并且第八透明层具有第一摩擦方向，并且第七透明层和第八透明层及第四液晶层被配置为传递外部光。

根据另一个实施方案，光学系统包括：第一细长电极和第一公共电极，该第一细长电极和该第一公共电极耦合到第一液晶层的相对侧；以及第二细长电极和第二公共电极，该第二细长电极和该第二公共电极耦合到第二液晶层的相对侧，第一细长电极平行于第二细长电极延伸。

根据另一个实施方案，光学系统包括：第三细长电极和第三公共电极，该第三细长电极和该第三公共电极耦合到第三液晶层的相对侧；以及第四细长电极和第四公共电极，该第四细长电极和该第四公共电极耦合到第四液晶层的相对侧，第三细长电极平行于第四细长电极并与第一细长电极和第二细长电极正交地延伸。

根据另一个实施方案，光学系统包括线性偏振器，该线性偏振器插置在第三透明层与波导之间，该线性偏振器具有与第一摩擦方向和第二摩擦方向对准的透射轴。

根据一个实施方案，提供了一种头戴式设备，该头戴式设备包括：显示器，该显示器具有像素阵列；波导，该波导被配置为传送由显示器发射的图像光；第一液晶透镜，该第一液晶透镜安装在波导的第一侧处；第二液晶透镜，该第二液晶透镜安装到第一液晶透镜；第三液晶透镜，该第三液晶透镜安装在波导的第二侧处；以及第四液晶透镜，该第四液晶透镜安装到第三液晶透镜，第三液晶透镜和第四液晶透镜被配置为传递图像光和来自第一液晶透镜和第二液晶透镜的光，第一液晶透镜具有第一反平行摩擦方向，第二液晶透镜具有与第一反平行摩擦方向正交的第二反平行摩擦方向，第三液晶透镜具有与第一反平行摩擦方向对准并与第二反平行摩擦方向正交的第三反平行摩擦方向，并且第四液晶透镜具有与第二反平行摩擦方向对准并与第一反平行摩擦方向和第三反平行摩擦方向正交的第四反平行摩擦方向。

根据另一个实施方案，第一液晶透镜、第二液晶透镜、第三液晶透镜和第四液晶透镜中的每一者包括：第一液晶分子层，该第一液晶分子层具有第一预倾角；以及第二液晶分子层，该第二液晶分子层具有反平行于第一预倾角的第二预倾角。

根据一个实施方案，提供了一种头戴式设备，该头戴式设备包括：波导，该波导具有相对的第一侧和第二侧；第一液晶层，该第一液晶层位于波导的第一侧处；第一细长电极的第一层，该第一细长电极的第一层位于第一液晶层上；第二液晶层，该第二液晶层位于波导的第二侧处；以及第二细长电极的第二层，该第二细长电极的第二层位于第二液晶层上，第二细长电极平行于第一细长电极延伸，第一液晶层包括具有第一预倾角的第一液晶分子，并且第二液晶层包括具有与第一预倾角相反的第二预倾角的第二液晶分子。

根据另一个实施方案，头戴式设备包括：第三液晶层，该第三液晶层位于波导的第一侧处；第三细长电极的第三层，该第三细长电极的第三层位于第三液晶层上；第四液晶层，该第四液晶层位于波导的第二侧处；以及第四细长电极的第四层，该第四细长电极的第四层位于第四液晶层上，第四细长电极平行于第三细长电极延伸，第四细长电极和第三细长电极垂直于第一细长电极和第二细长电极延伸，第三液晶层包括具有与第一预倾角相反的第三预倾角的第三液晶分子，并且第四液晶层包括具有与第二预倾角相反的第四预倾角的第四液晶分子。

前述内容仅为例示性的并且可对所述实施方案作出各种修改。前述实施方案可独立实施或可以任意组合实施。

Claims (19)

1.一种电子设备，所述电子设备包括：

波导，所述波导具有相对的第一表面和第二表面；

显示器，所述显示器被配置为将图像光发射到所述波导中；

第一液晶透镜，所述第一液晶透镜位于所述波导的所述第一表面处；

第二液晶透镜，所述第二液晶透镜位于所述波导的所述第二表面处，其中所述第二液晶透镜被配置为将来自所述电子设备的外部的世界光通过所述波导传送到所述第一液晶透镜；

输出耦合器，所述输出耦合器被配置为将所述图像光耦合出所述波导并通过所述第一液晶透镜；以及

控制电路，所述控制电路耦合到所述第一液晶透镜和所述第二液晶透镜，其中所述控制电路被配置为控制所述第一液晶透镜以将第一光焦度施加到所述图像光和所述世界光，并且其中所述控制电路被配置为控制所述第二液晶透镜以将第二光焦度施加到所述世界光，所述第二光焦度至少部分地抵消所述第一光焦度，

其中所述第一液晶透镜包括具有第一液晶层，所述第一液晶层具有带第一预倾角的第一液晶分子，并且其中所述第二液晶透镜包括第二液晶层，所述第二液晶层具有带第二预倾角的第二液晶分子，所述第二预倾角与所述第一预倾角相反，以防止来自所述第一液晶透镜的光伪影添加有来自所述第二液晶透镜的光伪影。

2.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述第一液晶透镜包括具有第三液晶分子的第三液晶层，所述第三液晶分子具有第三预倾角，所述第三预倾角与所述第一预倾角相反，并且其中所述第二液晶透镜包括具有第四液晶分子的第四液晶层，所述第四液晶分子具有第四预倾角，所述第四预倾角与所述第二预倾角相反。

3.根据权利要求2所述的电子设备，其中所述第二液晶层置于所述第四液晶层与所述波导之间，并且其中所述第一液晶层置于所述第三液晶层与所述波导之间。

4.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述第一液晶透镜包括安装在所述波导处的第一透明衬底层、在所述第一透明衬底层上的第一液晶层、以及在所述第一液晶层上的第二透明衬底层，其中所述第二液晶透镜包括安装在所述波导处的第三透明衬底层、在所述第三透明衬底层上的第二液晶层、以及在所述第二液晶层上的第四透明衬底层，其中所述第一透明衬底层和所述第三透明衬底层具有第一摩擦方向，并且其中所述第二透明衬底层和所述第四透明衬底层具有反平行于所述第一摩擦方向的第二摩擦方向。

5.根据权利要求4所述的电子设备，其中所述第一液晶透镜包括在所述第二透明衬底层上的第五透明衬底层、在所述第五透明衬底层上的第三液晶层、以及在所述第三液晶层上的第六透明衬底层，其中所述第二液晶透镜包括在所述第四透明衬底层上的第七透明衬底层、在所述第七透明衬底层上的第四液晶层、以及在所述第四液晶层上的第八透明衬底层，其中所述第七透明衬底层和所述第五透明衬底层具有所述第二摩擦方向，并且其中所述第八透明衬底层和所述第六透明衬底层具有所述第一摩擦方向。

6.根据权利要求4所述的电子设备，其中所述第一液晶透镜包括在所述第一透明衬底层上的第一电极层和在所述第二透明衬底层上的第二电极层，其中所述第二液晶透镜包括在所述第三透明衬底层上的第三电极层和在所述第四透明衬底层上的第四电极层，其中所述控制电路被配置为在所述第一电极层与所述第二电极层之间提供第一电压，所述第一电压将所述第一液晶层配置为表现出第一折射率分布，并且其中所述控制电路被配置为在所述第三电极层与所述第四电极层之间提供第二电压，所述第二电压将所述第二液晶层配置为表现出第二折射率分布，所述第二折射率分布是所述第一折射率分布的倒转。

7.根据权利要求1所述的电子设备，还包括：

线性偏振器，所述线性偏振器置于所述第一液晶透镜与所述波导的所述第一表面之间。

8.根据权利要求7所述的电子设备，其中所述线性偏振器具有透射轴，其中所述第一液晶透镜包括具有第一摩擦方向的第一多个堆叠透明衬底，其中所述第二液晶透镜包括具有第二摩擦方向的第二多个堆叠透明衬底，并且其中所述第一摩擦方向和所述第二摩擦方向与所述透射轴对准。

9.根据权利要求1所述的电子设备，还包括：

第三液晶透镜，所述第三液晶透镜安装到所述第一液晶透镜并与所述第一液晶透镜和所述第二液晶透镜对准；和

第四液晶透镜，所述第四液晶透镜安装到所述第二液晶透镜并与所述第一液晶透镜、所述第二液晶透镜和所述第三液晶透镜对准，其中所述控制电路被配置为控制所述第三液晶透镜以将第三光焦度施加到所述世界光和所述图像光，并且其中所述控制电路被配置为控制所述第四液晶透镜以将第四光焦度施加到所述世界光，所述第四光焦度至少部分地抵消所述第三光焦度。

10.根据权利要求9所述的电子设备，其中所述第一液晶透镜和所述第二液晶透镜具有第一摩擦方向，并且所述第三液晶透镜和所述第四液晶透镜具有与所述第一摩擦方向正交的第二摩擦方向。

11.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述输出耦合器包括嵌入所述波导内的衍射光栅。

12.一种光学系统，所述光学系统被配置为将来自显示器的图像光和外部光传送到眼箱，所述光学系统包括：

波导，所述波导具有相对的第一表面和第二表面；

第一透明层，所述第一透明层安装在所述第一表面处；

第一液晶层，所述第一液晶层安装到所述第一透明层；

第二透明层，所述第二透明层安装到所述第一液晶层，其中所述第一透明层和所述第二透明层以及所述第一液晶层被配置为传递所述图像光和所述外部光；

第三透明层，所述第三透明层安装在所述第二表面处；

第二液晶层，所述第二液晶层安装到所述第三透明层；以及

第四透明层，所述第四透明层安装到所述第二液晶层，其中所述第三透明层和所述第四透明层以及所述第二液晶层被配置为传递所述外部光，其中所述第一透明层和所述第三透明层具有第一摩擦方向，并且其中所述第二透明层和所述第四透明层具有反平行于所述第一摩擦方向的第二摩擦方向，以防止来自所述第一液晶层的光伪影添加有来自所述第二液晶层的光伪影。

13.根据权利要求12所述的光学系统，还包括：

第五透明层，所述第五透明层安装到所述第二透明层；

第三液晶层，所述第三液晶层安装到所述第五透明层；和

第六透明层，所述第六透明层安装到所述第三液晶层，其中所述第五透明层具有所述第二摩擦方向并且所述第六透明层具有所述第一摩擦方向，并且其中所述第五透明层和所述第六透明层以及所述第三液晶层被配置为传递所述图像光和所述外部光。

14.根据权利要求13所述的光学系统，还包括：

第七透明层，所述第七透明层安装到所述第四透明层；

第四液晶层，所述第四液晶层安装到所述第七透明层；

第八透明层，所述第八透明层安装到所述第四液晶层，其中所述第七透明层具有所述第二摩擦方向并且所述第八透明层具有所述第一摩擦方向，并且其中所述第七透明层和所述第八透明层以及所述第四液晶层被配置为传递所述外部光；

第一细长电极和第一公共电极，所述第一细长电极和所述第一公共电极耦合到所述第一液晶层的相对侧；和

第二细长电极和第二公共电极，所述第二细长电极和所述第二公共电极耦合到所述第二液晶层的相对侧，其中所述第一细长电极平行于所述第二细长电极延伸。

15.根据权利要求14所述的光学系统，还包括：

第三细长电极和第三公共电极，所述第三细长电极和所述第三公共电极耦合到所述第三液晶层的相对侧；和

第四细长电极和第四公共电极，所述第四细长电极和所述第四公共电极耦合到所述第四液晶层的相对侧，其中所述第三细长电极平行于所述第四细长电极并且与所述第一细长电极和所述第二细长电极正交地延伸。

16.根据权利要求14所述的光学系统，还包括：

线性偏振器，所述线性偏振器置于所述第三透明层与所述波导之间，其中所述线性偏振器具有与所述第一摩擦方向和所述第二摩擦方向对准的透射轴。

17.一种头戴式设备，所述头戴式设备包括：

显示器，所述显示器具有像素阵列；

波导，所述波导被配置为传送由所述显示器发射的图像光；

第一液晶透镜，所述第一液晶透镜安装在所述波导的第一侧处；

第二液晶透镜，所述第二液晶透镜安装到所述第一液晶透镜；

第三液晶透镜，所述第三液晶透镜安装在所述波导的第二侧处；以及

第四液晶透镜，所述第四液晶透镜安装到所述第三液晶透镜，其中所述第三液晶透镜和所述第四液晶透镜被配置为传递所述图像光和来自所述第一液晶透镜和所述第二液晶透镜的光，所述第一液晶透镜具有第一反平行摩擦方向，所述第二液晶透镜具有与所述第一反平行摩擦方向正交的第二反平行摩擦方向，所述第三液晶透镜具有与所述第一反平行摩擦方向对准并与所述第二反平行摩擦方向正交的第三反平行摩擦方向，并且所述第四液晶透镜具有与所述第二反平行摩擦方向对准并与所述第一反平行摩擦方向和所述第三反平行摩擦方向正交的第四反平行摩擦方向，以防止来自所述第一液晶透镜和所述第二液晶透镜的光伪影添加有来自所述第三液晶透镜和所述第四液晶透镜的光伪影。

18.根据权利要求17所述的头戴式设备，其中所述第一液晶透镜、所述第二液晶透镜、所述第三液晶透镜和所述第四液晶透镜中的每一个包括：

第一液晶分子层，所述第一液晶分子层具有第一预倾角；和

第二液晶分子层，所述第二液晶分子层具有反平行于所述第一预倾角的第二预倾角。

19.一种头戴式设备，所述头戴式设备包括：

波导，所述波导具有相对的第一侧和第二侧；

第一液晶层，所述第一液晶层在所述波导的所述第一侧处；

第一细长电极的第一层，所述第一细长电极的第一层在所述第一液晶层上；

第二液晶层，所述第二液晶层在所述波导的所述第二侧处；以及

第二细长电极的第二层，所述第二细长电极的第二层在所述第二液晶层上，其中所述第二细长电极平行于所述第一细长电极延伸，所述第一液晶层包括具有第一预倾角的第一液晶分子，并且所述第二液晶层包括第二液晶分子，所述第二液晶分子具有与所述第一预倾角相反的第二预倾角；

第三液晶层，所述第三液晶层在所述波导的所述第一侧处；

第三细长电极的第三层，所述第三细长电极的第三层在所述第三液晶层上；

第四液晶层，所述第四液晶层在所述波导的所述第二侧处；和

第四细长电极的第四层，所述第四细长电极的第四层在所述第四液晶层上，其中所述第四细长电极平行于所述第三细长电极延伸，所述第四细长电极和所述第三细长电极垂直于所述第一细长电极和所述第二细长电极延伸，所述第三液晶层包括第三液晶分子，所述第三液晶分子具有与所述第一预倾角相反的第三预倾角，并且所述第四液晶层包括第四液晶分子，所述第四液晶分子具有与所述第二预倾角相反的第四预倾角，以防止来自所述第一液晶层和所述第二液晶层的光伪影添加有来自所述第三液晶层和所述第四液晶层的光伪影。

Images