CN110945415B - 用于偏振旋转的液晶盒 - Google Patents

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Abstract

提出了一种光学元件，其包括堆叠式液晶(LC)结构，用于针对头戴式显示器(HMD)显示应用，旋转分布在宽的波长和入射角上的入射圆偏振光的偏振(例如，旋向)。堆叠式LC结构具有双盒结构，其至少包括第一LC盒和第二LC盒，并且堆叠式LC结构对于在给定视场角内的宽带光(例如，可见光谱)旋转偏振光。设计的双LC盒结构的性能可以在不同应用情况下针对窄带波长和窄入射角被优化。

Description

用于偏振旋转的液晶盒
背景
本公开总体上涉及来自电子显示器的自适应视觉图像，且具体涉及最小化双折射光学部件的双折射色散。
近眼显示器(NED)、增强现实(AR)头戴式装置(headset)和虚拟现实(VR)头戴式装置可以用于模拟虚拟的、增强的和混合的现实环境。例如，立体图像可以显示在头戴式装置内部的电子显示器上，以模拟深度错觉。头部追踪传感器可以用于估计用户正在观看虚拟环境的哪个部分。然而，这种模拟会导致视觉疲劳和恶心，这是由于现有的头戴式装置无法正确地渲染或以其他方式补偿视觉辐辏调节冲突(vergence and accommodationconflict)。
为了创造舒适的观看体验，头戴式装置生成的虚拟图像需要在离眼睛适当的距离处生成。可以使用一个或更多个光学部件(例如液晶盒(liquid crystal cell))来实现这一点。然而，传统的液晶显示器是双折射的。
概述
本文提出了一种集成到近眼显示器(NED)的显示器中的堆叠式(stacked)液晶(LC)。NED可以是人工现实系统的一部分。堆叠式LC结构可以用作偏振旋转器。此处，堆叠式LC结构包括一个或更多个透明基板(substrate)和两个LC盒(例如，膜型)。入射到堆叠式LC结构上的宽带光(broadband light)在传播通过一个或更多个基板和两个LC盒之后作为宽带光离开堆叠式LC结构。堆叠式LC结构被配置成旋转入射宽带光的偏振。也就是说，入射宽带光作为宽带光离开堆叠式LC结构，该离开的宽带光的偏振相对于入射宽带光的偏振已经被旋转。例如，入射宽带光是右旋圆偏振的(RCP)，而离开堆叠式LC结构的宽带光是左旋圆偏振的(LCP)。在实施例中，构成堆叠式LC结构的两个LC盒之一由外部电源驱动以改变堆叠式LC结构的总相位延迟，而另外一个LC盒用作补偿器。在一些实施例中，另外一个LC盒还可以用作用于驱动系统的备用LC盒。在一些实施例中，两个LC盒都由外部电源驱动以改变总相位延迟。
在涉及堆叠式液晶(LC)结构的所附权利要求中具体公开了根据本发明的实施例，其中，在一个权利要求类别(例如堆叠式LC结构)中提到的任何特征也可以在另一个权利要求类别(例如，系统、方法、存储介质和计算机程序产品)中被要求保护。在所附权利要求中的从属性或往回引用仅为了形式原因而被选择。然而，也可以要求保护由对任何前面权利要求的有意往回引用(特别是多项引用)而产生的任何主题，使得权利要求及其特征的任何组合被公开并可被要求保护，而不考虑在所附权利要求中选择的从属性。可以被要求保护的主题不仅包括如在所附权利要求中阐述的特征的组合，而且还包括在权利要求中的特征的任何其他组合，其中，在权利要求中提到的每个特征可以与在权利要求中的任何其他特征或其他特征的组合相结合。此外，本文描述或描绘的实施例和特征中的任一个可以在单独的权利要求中和/或以与本文描述或描绘的任何实施例或特征的任何组合或以与所附权利要求的任何特征的任何组合被要求保护。
在根据本发明的实施例中，堆叠式液晶(LC)结构可以包括：多个LC盒，其被配置为旋转在一个波长范围和一个入射角范围内的宽带光源的偏振，该多个LC盒以堆叠形式布置，使得宽带光连续穿过多个LC盒中的每一个，其中，由多个LC盒引起的相位调整的量在该波长范围和入射角范围内是与波长无关的(wavelength independent)，并且多个LC盒被相对于彼此定向成使得在宽带光内的所有频带的光的偏振的累积旋转是从第一偏振到第二偏振。
堆叠式LC结构可以是头戴式显示器(HMD)的关联部件。
在根据本发明的实施例中，堆叠式LC结构可以包括第一状态和第二状态，其中，在第一状态下，堆叠式LC结构将入射宽带光的偏振态从第一偏振态改变为第二偏振态，并且在第二状态下，堆叠式LC结构保持入射光的偏振态。
第一状态可以与第一电压值相关联，以及第二状态可以与第二电压值相关联。
堆叠式LC结构的帧率可以取决于所施加电压的大小。
堆叠式LC结构的光学模式可以选自由以下项组成的组：电控双折射(ECB)模式、垂直排列(VA)模式、多畴垂直排列(multiple-domain vertical aligned，MVA)模式、扭曲向列(TN)模式、超扭曲向列(STN)模式和光学补偿(OCB)模式。
多个LC盒中的至少一个可以是向列型LC盒、具有手性掺杂剂的向列型LC盒、手性LC盒、均匀横向螺旋(ULH)LC盒、铁电LC或电驱动双折射材料。
在根据本发明的实施例中，堆叠式LC盒可以包括：第一顶部基板、第一底部基板、第二顶部基板和第二底部基板，该第一顶部基板、第一底部基板、第二顶部基板和第二底部基板被配置为接收宽带光并将所接收的宽带光耦合到第一LC盒和第二LC盒之一中；并且其中，第一LC盒和第二LC盒被配置成旋转所接收的具有宽入射角的宽带光的偏振。
第一顶部基板、第二顶部基板、第一底部基板和第二底部基板可以各自是导电的且光学透明的。
第一顶部基板和第一底部基板可以被配置为在第一LC盒两端施加电场。
堆叠式LC结构可以包括补偿层。补偿层可以被配置成增大波长范围，在增大的波长范围内，由多个LC盒引起的相位调整的量是与波长无关的。
补偿层可以是多层双折射膜。
堆叠式LC结构可以是具有总相位延迟的可切换波片，总相位延迟通过向多个LC盒中的第一LC盒和第二LC盒之一施加外部电压而可控。
堆叠式LC结构可以是四分之一波片、半波片和全波片之一。
堆叠式LC结构的视场角可以为至少60度。
在根据本发明的实施例中，堆叠式液晶(LC)结构可以与头戴式显示器相关联，该堆叠式LC结构可以包括：多个LC盒，其被配置为旋转在一个波长范围和一个入射角范围内的宽带光源的偏振，该多个LC盒以堆叠形式布置，使得宽带光连续穿过多个LC盒中的每一个，其中，由多个LC盒中的每个LC盒引起的相位调整的量在该波长范围和入射角范围内是与波长无关的，并且多个LC盒被相对于彼此定向成使得在宽带光内的所有频带的光的偏振的累积旋转是从第一偏振到第二偏振；以及控制器，其被配置成：确定在第一LC盒中出现了失效，以及向第二LC盒施加电压以驱动堆叠式LC结构。
在根据本发明的实施例中，堆叠式LC盒可以包括：第一顶部基板、第一底部基板、第二顶部基板和第二底部基板，该第一顶部基板、第一底部基板、第二顶部基板和第二底部基板被配置为接收宽带光并将所接收的宽带光耦合到第一LC盒和第二LC盒之一中；并且
其中，第一LC盒和第二LC盒被配置为对所接收的具有宽入射角的宽带光的偏振执行相位调整。第一顶部基板、第二顶部基板、第一底部基板和第二底部基板可以各自是导电的且光学透明的。
第一顶部基板和第一底部基板可以被配置为在第一LC盒两端施加电场。
堆叠式LC结构可以包括补偿层。
补偿层可以被配置成增大波长范围，在增大的波长范围内，由多个LC盒引起的相位调整的量是与波长无关的。
在本发明的另一个实施例中，一个或更多个计算机可读非暂时性存储介质体现软件，该软件在被执行时可操作来在根据本发明或任何上面提到的实施例的系统中执行。
在本发明的另一个实施例中，计算机实现的方法使用根据本发明或任何上面提到的实施例的系统。
在本发明的另一个实施例中，优选地包括计算机可读非暂时性存储介质的计算机程序产品在根据本发明或任何上面提到的实施例的系统中被使用。
附图简述
图1是根据实施例的近眼显示器(NED)的示意图。
图2是根据实施例的图1中的NED的眼镜(eyewear)的横截面。
图3是根据实施例的堆叠式LC结构的设计，该堆叠式LC结构包括被构造为Pi盒的两个LC盒。
图4A是根据实施例的堆叠式LC盒结构的设计，该堆叠式LC盒结构包括反向平行排列的两个LC盒。
图4B是根据实施例的、在图4A中描绘的堆叠式LC盒结构的采用替代构造的设计。
图5A是根据实施例的堆叠式LC盒结构的设计，该堆叠式LC盒结构包括垂直排列的两个LC盒。
图5B是根据实施例的、在图5A中描绘的堆叠式LC结构的采用替代构造的设计。
图6是根据实施例的、包括图1所示的NED的系统环境的框图。
图7是根据实施例的、包括处于扭曲角构造中的LC盒的堆叠式LC结构的等距视图。
图8是根据实施例的堆叠式LC结构的设计示例，该堆叠式LC结构包括两个LC盒，其中每个LC盒都处于扭曲向列构造中并且包括双轴补偿膜。
图9是根据实施例的堆叠式LC结构的等距视图，该堆叠式LC结构包括处于扭曲向列构造中的两个LC盒，并且包括塑料膜基板。
图10是根据实施例的堆叠式LC结构的等距视图，该堆叠式LC结构包括两个LC盒，这两个LC盒处于扭曲向列构造中，具有塑料膜基板，并且用双轴补偿膜进行补偿。
附图仅为了说明的目的而描绘本公开的实施例。本领域中的技术人员从下面的描述中将容易认识到本文示出的结构和方法的可选的实施例可以被采用而不偏离本文所述的本公开的原理和所推崇的益处。
详细描述
本发明的实施例可以包括人工现实系统或结合人工现实系统来被实现。人工现实是在呈现给用户之前以某种方式被调整的现实的形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(VR)、混合现实(MR)、混杂现实或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或者与所捕获的(例如，现实世界)内容组合的所生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈、或其某种组合，且其中任何一个都可以在单个通道中或在多个通道中被呈现(例如向观众产生三维效果的立体视频)。此外，在一些实施例中，人工现实还可以与用于例如在人工现实中创建内容和/或以其他方式在人工现实中使用(例如，在人工现实中执行活动)的应用、产品、附件、服务或其某种组合相关联。可以在各种平台(包括连接到主计算机系统的头戴式显示器(HMD)、独立的HMD、移动设备或计算系统、或者能够向一个或更多个观众提供人工现实内容的任何其他硬件平台)上实现提供人工现实内容的人工现实系统。
构造综述
近眼显示器(NED)包括一个或更多个显示组件(例如，每个透镜对应一个显示组件)，该一个或更多个显示组件被配置为当宽带光传播通过显示组件时对宽带光的偏振施加一定量的相位调整。相位调整的量是使宽带光的偏振旋转的量。在实施例中，显示组件包括布置成堆叠式液晶(LC)结构的两个LC盒。当宽带光穿过多个LC盒中的每一个时，每个LC盒对宽带光的偏振施加一定量的相位调整。如本文所使用的，相位调整指的是光的偏振矢量分量之间的相移变化和/或偏振矢量分量的旋转。注意，相移可以为零，且相移变化可以使其非零，反之亦然。因此，相位调整的量可以导致例如线性偏振光的旋转(例如，旋转90度)、圆偏振光的旋向变化(例如，右至左或者左至右)等。在一些实施例中，相位调整的总量用于旋转宽带光的偏振(例如，将线性偏振光旋转某个量)。宽带光可以包括例如整个可见光谱。在一些实施例中，显示组件根据来自NED的指令来调整应用于宽带光的偏振的相位调整的量，以例如减轻用户的眼睛的视觉辐辏调节冲突。
在实施例中，每个堆叠式LC结构包括两个LC盒，使得两个LC盒具有彼此反向平行或垂直排列。在堆叠式LC盒结构内的LC盒可以处于有源或无源状态，并且被配置为对显示组件发射的光贡献某个量的相位调整。在一些实施例中，多个LC结构中的每一个都另外包括一个或更多个偏振旋转器。光通过堆叠式LC结构中的第一LC盒的传播可以导致重影图像(ghost image)的形成。堆叠式LC结构被配置成使得离开第一LC盒的光传播通过第二LC盒。第二LC盒相对于第一LC盒的排列减小了重影图像的视场角。在一个或更多个实施例中，堆叠式LC结构的视场角是60度至120度的范围。因此，对于包括宽带光在内的波长范围，在宽入射角范围内，堆叠式LC结构是与波长无关的。
图1是根据实施例的NED 100的示意图。NED 100向用户呈现媒体。NED 100所呈现的媒体的示例包括一个或更多个图像、视频、音频或它们的某种组合。在一些实施例中，音频经由外部设备(例如，扬声器和/或头戴式耳机(headphone))来呈现，该外部设备从NED100、控制台(未示出)或两者接收音频信息，并基于该音频信息来呈现音频数据。NED 100通常被配置为作为人工现实NED进行操作。在一些实施例中，NED 100可以用计算机生成的元素(例如，图像、视频、声音等)来增强物理、现实世界环境的视图。
图1所示的NED 100包括框架105和显示器110。框架105包括一个或更多个光学元件，该一个或更多个光学元件一起向用户显示媒体。显示器110被配置用于让用户看到NED100呈现的内容。显示器110接收来自用户正在观看的局部区域的图像光。在实施例中，显示器110包括被配置为调整视场角和调整调节(accommodation)的一个或更多个光学元件。下面结合图2进一步描述显示器110。在一些实施例中，NED 100也可以被称为HMD。
图2是根据实施例的图1所示的NED 100的眼镜的横截面200。横截面200包括集成到显示器110中的至少一个显示组件210，以及出射光瞳220。出射光瞳220是当用户佩戴NED100时眼睛230所处的位置。在一些实施例中，框架105可以表示眼镜的框架。出于说明的目的，图2示出了与单只眼睛230和单个显示组件210相关联的横截面200，但是在未示出的替代实施例中，与图2所示的显示组件210分离的另一个显示组件向用户的另一只眼睛230提供图像光。
显示组件210被配置成通过出射光瞳220将图像光引导到眼睛230。在一些实施例中，当NED 100被配置为AR NED时，显示组件210还通过出射光瞳220将来自NED 100周围的局部区域的光引导到眼睛230。显示组件210可以被配置成根据例如从变焦模块(图2中未示出)提供的变焦指令以特定的焦距发射图像光。变焦模块可以包括一个或更多个LC透镜，并且是如在2017年9月1日提交的第15/693,839号美国申请中描述的HMD的一部分，该美国申请通过引用以其整体并入本文。变焦模块还可以用在其它HMD和/或其它应用中，其中在宽波长范围内和在宽入射角范围内光的偏振被旋转。
显示组件210可以由具有一个或更多个折射率的一种或更多种材料(例如，塑料、玻璃等)构成，该一种或更多种材料有效地最小化NED 100的重量并拓宽其视场角。在替代构造中，NED 100包括在显示组件210和眼睛230之间的一个或更多个光学元件。光学元件可以起到例如校正从显示组件210射出的图像光的像差、放大图像光、对从显示组件210射出的图像光执行一些其他光学调整或者它们的一些组合的作用。光学元件的示例可以包括光圈、菲涅耳透镜、凸透镜、凹透镜、衍射元件、波导、滤光器、偏振器、漫射器、光纤锥(fibertaper)、一个或更多个反射表面、偏振反射表面、双折射元件或影响从显示组件210射出的图像光的任何其他合适的光学元件。在又一些实施例中，显示组件210另外包括液晶透镜，该液晶透镜包括一个或更多个堆叠式LC结构，该一个或更多个堆叠式LC结构被配置成执行一定量的相位调整，使得一个或更多个堆叠式LC结构总体上起到基于施加的电压来旋转偏振的作用。
液晶透镜包括布置成堆叠式LC结构的液晶(LC)。LC盒可以是例如膜型LC盒、薄玻璃型LC盒。堆叠式LC结构的光学模式可以是电控双折射(ECB)模式、垂直排列(VA)模式、多畴垂直排列(MVA)模式、扭曲向列(TN)模式、超扭曲向列(STN)模式和光学补偿(OCB)模式之一。下面结合图3-图5B详细讨论堆叠式LC结构的细节。下面结合图7-图10描述包括LC盒的堆叠式LC结构的一些具体设计示例，LC盒包括示例材料特性。
堆叠式LC结构包括多个LC盒，这些LC盒以这样的方式耦合在一起：使得堆叠式LC结构对光的相位调整的总量是可调的。堆叠式LC结构中的多个LC盒可以是有源的、无源的或它们的某种组合。在一些实施例中，多个LC盒中的至少一个是向列型LC盒、具有手性掺杂剂的向列型LC盒、手性LC盒、均匀横向螺旋(ULH)LC盒、铁电LC盒。在其他实施例中，LC盒是电驱动双折射材料。当光传播通过堆叠式LC结构时对光的偏振的相位调整可以通过控制偏振光在移动通过堆叠式LC结构时的旋向来实现。在实施例中，可以经由施加到堆叠式LC结构中的多个LC盒的电压来控制偏振光的旋向。在一些实施例中，堆叠式LC结构内的每个LC盒被排成垂直于相邻的膜型LC盒。在垂直排列中，相邻LC盒的平均分子排列(averagemolecular alignment)被配置成彼此正交。在其他实施例中，每个膜型LC盒具有相对于相邻LC盒的反向平行排列。在反向平行排列中，第一LC盒和第二LC盒彼此平行，但具有相反的光学排列。也就是说，在反向平行排列中，第一LC盒的平均分子排列被配置为反向平行于第二LC盒的平均分子排列。在还有其他实施例中，堆叠式LC结构包括具有补偿层的单个LC盒。下面结合图3-图5B和图8A-图11B详细描述上述实施例。
在一些实施例中，NED 100还包括眼睛追踪器(图2中未示出)，用于确定并追踪眼睛230的位置，即眼睛注视的角度和定向。注意，关于眼睛230的位置的信息还包括关于眼睛230的定向的信息，即关于用户的眼睛注视的信息。基于所确定的和追踪的眼睛230的位置和定向，NED 100调整从显示组件210射出的图像光。在一些实施例中，NED 100调整图像光的焦点，并确保图像光在所确定的眼睛注视角度上聚焦，以减轻视觉辐辏调节冲突。附加地或者替代地，NED 100基于眼睛230的位置通过执行图像光的中心凹形渲染(foveatedrendering)来调整图像光的分辨率。附加地或者替代地，NED 100使用关于注视位置和定向的信息来提供对于用户的注意力(无论是关于现实内容还是虚拟内容)的上下文感知。眼睛追踪器通常包括照明源和成像设备(照相机)。在一些实施例中，眼睛追踪器的部件被集成到显示组件210中。在替代实施例中，眼睛追踪器的部件被集成到框架105中。
示例堆叠式LC结构
下面讨论堆叠式LC结构的各种设计。在下面的示例中的堆叠式LC结构被配置成作为由NED 100成像的局部区域的图像的偏振旋转器。在下面结合图3-图5讨论的实施例中，堆叠式LC结构可以另外或替代地被配置成作为响应于施加的电压的可切换波片。应当注意，在一个或更多个实施例中，各种堆叠式LC结构的视场角在60度至120度之间。重要的是要注意，这些设计仅仅是说明性的，且堆叠结构的其他设计可以使用本文描述的原理来产生。
图3是根据实施例的堆叠式LC结构300的设计，堆叠式LC结构300包括被构造为Pi盒的两个LC盒305a和305b。堆叠式LC结构300包括两个LC盒(例如，LC盒305a和LC盒305b)、底部基板310a和顶部基板330a。LC盒305a和LC盒305b是光学各向同性胶体系统，其中色散介质是对例如电场和磁场敏感的高度结构化液体。LC盒305a和305b各自悬浮有多个LC分子320。在各种示例实施例中，LC盒305a和LC盒305中的每一个具有大约100纳米(nm)至500nm的厚度。我们注意到LC盒的厚度可以基于例如液晶的折射率而变化。
LC盒305a和305b都稳定在Pi状态中。也就是说，封装在LC盒305a和305b内的多个LC分子320被配置成形成Pi盒。Pi盒通常用于需要快速响应时间和增大的视角的应用(例如，大屏幕电视和高速光学快门)中。在LC盒305a和305b中，多个LC分子320具有180°扭曲角。多个LC分子320中的每一个都是细长的、棒状有机分子，具有沿着分子的轴的偶极矩。在一个或更多个实施例中，多个LC分子320中的每一个都具有几纳米的尺寸，并且包括允许定向和位置顺序的刚性和弹性部分。在实施例中，根据外部条件(例如外部场(例如，施加的电压))，多个LC分子可以表现出光学双折射。通常，在Pi盒中，当电场关闭(例如，施加0V)时，LC分子320经受扭矩，该扭矩导致Pi盒的电光响应。因此，对LC盒(例如，LC盒305a或LC盒305b)的外部场的调制可以导致该LC盒的光学双折射的改变。
LC盒305a和305b中的每一个都在两个光学透明电极之间。顶部基板330a和330b以及底部基板310a和310b包括涂有光学透明导电聚合物的玻璃基板。在其他实施例中，基板330a和330b是涂有导电聚合物的光学透明塑料。在示例实施例中，光学透明导电聚合物是氧化铟锡(ITO)。在该实施例中，基板310a和310b是各向同性的，并且当宽带光穿过基板时不影响宽带光的偏振。顶部基板330a和330b以及底部基板310a和310b被配置为施加分别穿过LC盒305a和305b的均匀电场。在图3中，LC盒305a耦合到顶部基板330a和底部基板310a。类似地，在图3中，LC盒305b耦合到顶部基板330b和底部基板310a。此处，LC盒305a和LC盒305b被配置成使得其中一个盒被配置成驱动堆叠式LC结构300(即，控制堆叠式LC结构的总相位延迟)，而另一个盒被配置成在检测到失效的情况下作为补偿器或备用盒。在各种实施例中，顶部基板330a和330b以及底部基板310a和310b中的每一个还耦合到控制器(未示出)，该控制器被配置为向顶部基板330a和330b中的一个或更多个施加电压。此处，电压的施加导致形成穿过LC盒305a和LC盒305b中的一个或更多个的电场。在各种实施例中，产生的电场与施加的电压成比例。在还有其他实施例中，控制器被配置为确定LC盒之一(例如，LC盒305a或LC盒305b)中的失效，并相应地调整所施加的电压。例如，如果在LC盒305a中检测到失效，则控制器可以向LC盒305b施加电压，使得它驱动堆叠式LC结构300的总相位延迟。
现在转向光传播通过堆叠式LC结构300，在图3中，光340入射到底部基板310a上。光340通过底部基板310a透射到LC盒305A中。当光340传播通过LC盒305a时，光340的对应于LC盒305a的寻常轴(ordinary)和非常轴(extraordinary)的偏振采取不同的路径通过LC盒305a。而且相位调整的量至少部分基于具有不同折射率的寻常轴和非常轴而出现。因此，当光340传播通过LC盒305a时，LC盒305a对光340应用第一量的相位调整。光305通过顶部基板330a和顶部基板330b透射到LC盒305b中。LC盒305b被配置为对光340应用第二量的相位调整。光340通过底部基板310b作为光350离开堆叠式LC结构300。光340在其相位被调整了第三量之后是光350，其中第三量不等于第一量和第二量的线性组合。也就是说，结合图3描绘的堆叠式LC结构300被配置为对光340应用第三量的相位调整。在示例实施例中，光350是RCP、LCP、水平线偏振的、垂直线偏振的、或它们的任意组合。例如，第三量的相位调整导致光350是RCP，而光340是LCP。在示例实施例中，当光305传播通过LC盒305a时，由于LC盒305a的双折射，LC盒305a生成期望的图像和相关联的重影图像。在先前的示例实施例中，LC盒305b被配置为使得其双折射与第一盒的双折射正交。也就是说，LC盒305b的双折射使得它抵消了LC盒305a的双折射，从而减小重影图像的视场角。应当注意，两个LC盒(例如，LC盒305a和LC盒305b)需要被配置成使得一个LC盒的双折射与另外一个LC盒的双折射均衡。在一个实施例中，LC盒305a和305b被配置成使得LC盒305a和LC盒305b两者是相同的，并且被定向成使得LC盒305a和305a的平均分子排列是彼此正交的。替代地，LC盒305a和305b可以被配置为使得它们被定向为彼此反向平行。在还有其他实施例中，堆叠式LC结构300可以包括两个或更多个LC盒，只要这两个或更多个LC盒被配置为补偿其他LC盒。堆叠式LC结构300的总相位延迟是四分之一波片、半波片或单波片。此处，堆叠式LC结构300的总相位延迟可以通过向一个LC盒(例如，LC盒305a)施加电压而可控。
图4A是根据实施例的堆叠式LC盒结构300的设计。堆叠式LC盒结构400包括LC盒405a、LC盒405b、两个底部基板410a和410b以及两个顶部基板430a和430b。在图4A中，LC盒405a和405b是LC盒305a和305b的实施例；顶部基板430a和430b是顶部基板330a和330b的实施例；以及底部基板410a和410b是底部基板310a和310b的实施例。上面结合图3详细描述了LC盒305a和305b、底部基板310a和310b以及顶部基板330a和330b。
LC盒405a和405b中的每一个都包括多个LC分子420。多个LC分子420是上面结合图3详细描述的LC分子320的实施例。在图4A中，多个LC分子420中的每一个被定向成使得LC分子的偶极矩在X-Z平面中为～3°。LC盒405a位于顶部基板410a和顶部基板430a之间。类似地，LC盒405b位于顶部基板430b和底部基板410b之间。在一个或更多个实施例中，底部基板410a和顶部基板430a被配置为在LC盒405a两端产生第一偏振的电场；以及顶部基板430b和底部基板410b被配置为在LC盒405a两端产生第二偏振的电场，该电场与第一偏振的电场相反。
底部基板410a耦合到LC盒405a，且顶部基板430a耦合到LC盒405a和顶部基板430b。光440是光340的实施例，并且入射到底部基板410a上。光440通过底部基板410a透射到LC盒405A中。当光440传播通过LC盒405a时，光440的不同偏振分量受到LC盒405a的寻常轴和非常轴的不同影响，并且采取不同的路径通过LC盒405a。因此，LC盒405a对光440应用第一量的相位调整。光440通过顶部基板430a和顶部基板430b从LC盒405a透射到LC盒405b中。LC盒405b位于顶部基板430b和底部基板410b之间。LC盒405b被配置为当光440传播通过它时，对光440应用第二量的相位调整。光440通过底部基板410b作为光450离开堆叠式LC结构400。堆叠式LC结构400被配置为当宽带光传播通过LC结构400时，将第三量的相位调整赋予宽带光。此处，第三量的相位调整不是第一量的相位调整和第二量的相位调整的线性组合。在其他实施例中，LC盒405b被用作用于驱动系统的备用盒。例如，在使用LC盒405a驱动堆叠式LC结构400的总相位延迟且在LC盒405a中检测到失效的实施例中，LC盒405b替代地作为驱动盒进行操作。
图4B是在图4A所描绘的堆叠式LC结构400的采用替代构造的设计。也就是说，图4B中的堆叠式LC结构400被配置为与结合图4A描绘的堆叠式LC结构反向平行。在实施例中，顶部基板430a和底部基板410a被配置为在LC盒405a两端产生第一偏振的电场，以及底部基板410b和顶部基板430b被配置为在LC盒405b两端产生第二偏振的电场，且第二偏振与第一偏振的电场相反。
在图4B中，光440入射到顶部基板430a上，传播通过LC盒405a，并通过底部基板410a和底部基板410b进入LC盒405b。光440通过底部基板410a作为光450离开堆叠式LC结构400。结合图4B描绘的堆叠式LC结构400被配置为对传播通过它的光440的偏振应用第三量的相位调整。也就是说，光450的偏振是经由第三量的相位调整而有所改变的光440的偏振，第三量的相位调整表示由堆叠式LC结构400导致的总相位调整。而且相位调整的总量使得光450的偏振可以相对于光440旋转。此处，第三量的相位调整不是分别与LC盒405a和405b相关联的第一量的相位调整和第二量的相位调整的线性组合。
图5A是根据实施例的堆叠式LC盒结构500的设计，堆叠式LC盒结构500包括垂直排列的两个LC盒505a和505b。堆叠式LC盒结构500包括LC盒505a、LC盒505b、两个底部基板510a和510b以及两个顶部基板530a和530b。在垂直排列中，LC盒505a的平均分子排列与LC盒505b的平均分子排列是正交的。在图5A中，LC盒505a和505b是LC盒305a和305b的实施例，顶部基板530a和530b是顶部基板330a和330b的实施例，以及底部基板510a和510b是底部基板310a和310b的实施例。上面结合图3详细描述了LC盒305a和305b、底部基板310a和310b以及顶部基板330a和330b。
LC盒505a和505b两者都包括多个LC分子520。多个LC分子520是上面结合图3详细描述的LC分子320的实施例。与LC盒505a相关联的多个LC分子520中的每一个被定向成使得它们的偶极矩平行于y轴。另一方面，在没有电场的情况下，与LC盒505b相关联的多个LC模块520被定向成使得它们的偶极矩相对于X-Z平面在0.5°和89.5°之间的范围内。在一些实施例中，在LC盒505a和505b具有正介电各向异性的实施例中，多个LC分子520与X-Z平面成0.5°至10°的范围内的角度。在一些实施例中，在LC盒505a和505b具有负介电各向异性的实施例中，多个LC分子520与X-Z平面成80°至89.5°的范围内的角度。多个LC分子520中的每一个的双折射是与多个LC分子520相关联的LC分子的固有特性。也就是说，多个LC分子520中的LC分子的双折射与其定向无关。在各种实施例中，传播通过LC盒(例如，LC盒505a和505b)的光所经历的相位延迟与多个LC分子的定向相关。例如，在包括具有正介电各向异性的LC盒505a和505b的实施例中，延迟随着倾斜角的增大而减小。在包括具有负介电各向异性的LC盒505a和505b的一些其他实施例中，穿过LC盒505a和505b的光所经历的相位延迟随着倾斜角的减小而增加。LC盒505a位于顶部基板530a和底部基板510a之间，使得顶部基板530a和底部基板510a被配置为在LC盒505a两端施加电场。此处，底部基板510a耦合到底部基板510b。LC盒505b位于顶部基板530b和底部基板510b之间，使得施加到LC盒505b的电场被定向成与施加到LC盒505a的电场反向平行。
在图5A中，顶部基板530a耦合到LC盒505a，且底部基板510a耦合到LC盒405a和顶部基板530b两者。光540是光340的实施例，并且入射到顶部基板530a上。光540通过顶部基板530a透射到LC单元505A中。当光540传播通过LC盒505a时，光540的对应于LC盒505a的寻常轴和非常轴的偏振采取不同的路径通过LC盒505a。因此，当光540传播通过LC盒505a时，LC盒505a改变光540的偏振。光540通过顶部基板530a和底部基板510a从LC盒505a透射到LC盒505b中。LC盒505b位于顶部基板530b和底部基板510b之间，并且被配置为当光540传播通过LC盒505b时将光540的偏振改变了第二量。光540通过底部基板510b作为光550离开堆叠式LC结构500。光550是偏振被第三量的相位调整改变了的光540，第三量的相位调整表示由堆叠式LC结构500导致的总相位调整。而且相位调整的总量使得光550的偏振可以相对于光540旋转。注意，第三量的相位调整不是第一量的相位调整和第二量的相位调整的线性组合。在其他实施例中，LC盒505b被用作用于驱动系统的备用盒。例如，在使用LC盒505a驱动堆叠式LC结构500的总相位延迟且在LC盒505a中检测到失效的实施例中，LC盒505b替代地作为驱动盒进行操作。
图5B是根据实施例的、在图5A中描绘的堆叠式液晶结构500的采用替代构造的设计。也就是说，图5A中的堆叠式LC结构500被配置成与结合图5A描绘的堆叠式LC结构垂直。在实施例中，底部基板510a和顶部基板530a被配置成产生穿过LC盒505a的反向平行于z轴而定向的均匀电场；并且底部基板510b和顶部基板530b被配置为产生穿过LC盒505b的均匀电场，使得该电场被定向成与穿过LC盒505a的电场反向平行。
在图5B中，光540入射到顶部基板530a上，传播通过LC盒505a，并通过底部基板510a和顶部基板530b进入LC盒505b。光540通过底部基板510b作为光550离开堆叠式LC结构500。在各种实施例中，光550是偏振被第三量的相位调整改变了的光540，第三量的相位调整表示由堆叠式LC结构500导致的总相位调整。而且相位调整的总量使得光550的偏振可以相对于光540旋转。注意，第三量的相位调整不是分别与LC盒505a和505b相关联的第一量的相位调整和第二量的相位调整的线性组合。
此外，堆叠式LC结构(例如，堆叠式LC结构300、堆叠式LC结构400和堆叠式LC结构500)的性能可以通过向LC盒应用一个或更多个补偿层来被改善。例如，一个或更多个补偿层可以用于增大波长范围，在该增大的范围内，由一个或更多个堆叠式LC结构导致的相位调整的量是与波长无关的。通常，补偿层是多层双折射膜。例如，一个或更多个补偿层中的每一个提供c板(c-plate)补偿、单轴a板补偿和负双折射膜补偿之一。在还有其他实施例中，补偿层可以提供负o板补偿、正o板补偿和液晶补偿(LCC)。
系统环境
图6是控制台605在其中操作的NED系统600的一个实施例的框图。NED系统600可以在人工现实环境中操作。图6所示的NED系统600包括NED 610和耦合到控制台605的输入/输出(I/O)接口620。虽然图6示出了包括一个NED 610和一个I/O接口615的示例NED系统600，但是在其他实施例中，任意数量的这些部件可以被包括在NED系统600中。例如，可以有多个NED 610，每个NED 610具有相关联的I/O接口615，每个NED 610和I/O接口615与控制台605通信。在替代构造中，不同的和/或附加的部件可以被包括在NED系统600中。另外，在一些实施例中，结合图6所示的部件中的一个或更多个所描述的功能可以以与结合图6所描述的不同方式来分布在部件中。例如，控制台605的一些或全部功能由NED 610提供。
NED 610是向用户呈现内容的近眼显示器(也被称为头戴式显示器)，所呈现的内容包括具有计算机生成的元素(例如，二维或三维图像、二维或三维视频、声音等)的物理、现实世界环境的虚拟和/或增强视图。在一些实施例中，所呈现的内容包括经由外部设备(例如，扬声器和/或头戴式耳机)呈现的音频，该外部设备从NED 610、控制台605或两者接收音频信息，并基于该音频信息来呈现音频数据。NED 610包括光学组件620、深度照相机组件(DCA)625、显示器630、眼睛追踪系统616、多焦点块640。NED 610的一些实施例具有与结合图6描述的部件不同的部件。另外，在其他实施例中，由结合图6描述的各种部件提供的功能可以不同地分布在NED 610的部件中。NED 610的实施例是上面结合图1描述的NED 100。
光学组件620放大从显示器630接收的图像光，校正与该图像光相关联的光学误差，并将校正后的图像光呈现给NED 610的用户。光学组件620包括多个光学元件。包括在光学组件620中的示例光学元件包括：光圈、菲涅耳透镜、凸透镜、凹透镜、滤光器、反射表面或影响图像光的任何其他合适的光学元件。此外，光学组件620可以包括不同光学元件的组合。光学元件还可以包括通过使用一个或更多个堆叠式LC结构(例如，堆叠式LC结构300、400和500)而形成的可切换波片。包括堆叠式LC结构的光学元件的示例包括四分之一波片、半波片和全波片。在一些实施例中，在光学组件620中的光学元件中的一个或更多个可以具有一个或更多个涂层，例如部分反射或抗反射涂层。
DCA 625捕获描述NED 610周围区域的深度信息的数据。DCA 625可以基于结构化光发射器、飞行时间照相机或它们的某种组合中的一个或更多个来确定深度信息。DCA 625可以使用数据来计算深度信息，或者DCA 625可以将该信息发送给可以使用来自DCA 625的数据来确定深度信息的另一个设备(例如控制台605)。
DCA 625包括照明源、成像设备和控制器。照明源发射光来追踪用户的眼睛。在实施例中，发射的光是结构光。照明源包括多个发射器，每个发射器发射具有某些特性(例如，波长、偏振、相干性、时间行为等)的光。发射器之间的特性可以相同或不同，并且发射器可以同时或单独地被操作。在一个实施例中，多个发射器可以是例如激光二极管(例如，边发射器(edge emitter))、无机或有机发光二极管(LED)、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)或一些其他源。在一些实施例中，照明源中的单个发射器或多个发射器可以发射具有结构光图案的光。成像设备捕获环境光和从区域中的对象反射的来自多个发射器中的一个或更多个发射器的光。成像设备可以是红外照相机或者被配置为在可见光谱内操作的照相机。控制器协调照明源如何发出光以及成像设备如何捕获光，以便确定用户和在NED610周围局部区域中的各种对象之间的距离。在一些实施例中，控制器还使用捕获到的图像来确定与该局部区域相关联的深度信息。
显示器630根据从控制台605接收的数据向用户显示二维或三维图像。在各种实施例中，显示器630包括单个显示器或多个显示器(例如，用户的每只眼睛对应一个显示器)。在一些实施例中，显示器630包括单个或多个波导显示器。光可以经由例如液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)显示器、无机发光二极管(ILED)显示器、有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示器、透明有机发光二极管(TOLED)显示器、基于激光的显示器、一个或更多个波导、一些其他显示器、扫描仪、一维阵列、或它们的某种组合被耦合到该单个或多个波导显示器中。显示器630的一个实施例是基于波导的显示组件，其被配置为渲染信息(即，图片、文本和视频)，使得信息出现在与由DCA 625确定的局部区域中的对象相关联的局部区域中的位置处。
在一些实施例中，光学组件620可以另外被配置成校正一种或更多种类型的光学误差。光学误差的示例包括桶形或枕形失真、纵向色像差或横向色像差。其他类型的光学误差还可以包括球面像差、色像差、或由于透镜场曲率、像散的误差、或任何其他类型的光学误差。在一些实施例中，提供给显示器630用于显示的内容是预失真的，并且当光学组件620从显示器630接收基于该内容生成的图像光时，光学组件620校正此失真。
眼睛追踪系统635被集成到NED 610中。眼睛追踪系统635确定与佩戴NED 610的用户的眼睛相关联的眼睛追踪信息。由眼睛追踪系统635确定的眼睛追踪信息可以包括关于用户眼睛的位置的信息，即关于眼睛注视的角度的信息。替代地或附加地，眼睛追踪系统635可以包括一个或更多个照明源和成像设备(照相机)，成像设备朝向眼睛并且被配置为基于由与眼睛追踪系统635相关联的一个或更多个照明源确定的注视点或注视线的估计相交点来确定用户注视的视觉辐辏深度。视觉辐辏是两只眼睛在相反方向上的同时移动或旋转以保持双眼单视(single binocular vision)，这是由人眼自然且自动地执行的。因此，用户的眼睛转向(verge)的位置是用户正在看的位置，并且通常也是用户的眼睛聚焦的位置。例如，眼睛追踪系统635对注视线进行三角测量，以估计与注视线的相交点相关联的距用户的距离或深度。然后，与注视线的相交点相关联的深度可以被用作调节距离的近似值，该调节距离标识了用户的眼睛所指向之处距用户的距离。因此，视觉辐辏距离允许确定用户的眼睛应该聚焦的位置。
多焦点块640激活或去激活一个或更多个SHWP、一个或更多个堆叠式LC结构、或它们的某种组合，以调整多焦点块640的焦距(即，调整光焦度)。在各种实施例中，多焦点块640基于从DCA 625接收的关于局部场景的信息，响应于来自控制台605的一个或更多个指令来调整其焦距。
多焦点块640耦合到眼睛追踪系统635，以获得由眼睛追踪系统635确定的眼睛追踪信息。多焦点块640可以被配置成基于从眼睛追踪系统635获得的所确定的眼睛追踪信息来调整从显示器630射出的图像光的焦点。以这种方式，多焦点块640可以减轻与图像光相关的视觉辐辏调节冲突。多焦点块640可以与光学组件620的至少一个光学元件(例如，机械地或电气地)连接。然后，多焦点块640可以被配置成基于从眼睛追踪系统635获得的所确定的眼睛追踪信息，通过调整光学组件620的至少一个光学元件的光学位置来调整从显示器630射出并传播通过光学组件620的图像光的焦点。通过调整光学位置，多焦点块640改变通过光学组件620朝向用户的眼睛传播的图像光的焦点。多焦点块640还可以被配置成至少部分地基于从眼睛追踪系统635获得的所确定的眼睛追踪信息，通过执行图像光的中心凹形渲染来调整由显示器630射出的图像光的分辨率。在这种情况下，多焦点块640向显示器630提供适当的图像信号。多焦点块640仅在用户的眼睛注视的中心凹区(foveal region)中为显示器630提供具有最大像素密度的图像信号，而在其他区域中提供具有较低像素密度的图像信号。
I/O接口615是允许用户向控制台605发送动作请求并接收来自控制台605的响应的设备。例如，动作请求是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束图像或视频数据的捕获的指令，或者是在应用中执行特定动作的指令。I/O接口615可以包括一个或更多个输入设备。示例输入设备包括：键盘、鼠标、游戏控制器或用于接收动作请求并将动作请求传送到控制台605的任何其他合适的设备。由I/O接口615接收的动作请求可以被传送到控制台605，控制台605执行对应于该动作请求的动作。在一些实施例中，I/O接口615包括IMU 615，该IMU捕获指示I/O接口615相对于I/O接口615的初始位置的估计位置的校准数据。在一些实施例中，I/O接口615可以根据从控制台605接收的指令来向用户提供触觉反馈。例如，当动作请求被接收到或控制台605向I/O接口615传送使I/O接口615在控制台605执行动作时生成触觉反馈的指令时，触觉反馈被提供。
控制台605向NED 610提供内容，用于根据从DCA 625、NED 610和I/O接口615中的一个或更多个接收的信息来进行处理。在图6所示的示例中，控制台605包括应用存储器650、追踪模块655和引擎645。控制台605的一些实施例具有与结合图6描述的模块或部件不同的模块或部件。类似地，下面进一步描述的功能可以以不同于结合图6描述的方式来分布在控制台605的部件当中。
应用存储器650存储用于由控制台605执行的一个或更多个应用。应用是一组指令，该组指令当由处理器执行时生成用于呈现给用户的内容。由应用生成的内容可以对经由NED 610或I/O接口615的移动从用户接收的输入进行响应。应用的示例包括：游戏应用、会议应用、视频回放应用或其他合适的应用。
追踪模块655使用一个或更多个校准参数来校准NED系统600，并且可以调整一个或更多个校准参数以减少在NED 610或I/O接口615的位置的确定中的误差。例如，追踪模块655将校准参数传送给DCA 625以调整DCA 625的焦点，以更准确地确定由DCA 625捕获的结构光元件的位置。由追踪模块655执行的校准还考虑了从在NED 610中的惯性测量单元(IMU)和/或包括在I/O接口615中的IMU接收的信息。IMU是一种电子设备，基于从与NED 610相关联的一个或更多个位置传感器接收的测量信号来生成指示NED 610的位置的数据。此处，与NED 610相关联的一个或更多个位置传感器响应于NED 505的运动而生成一个或更多个测量信号。位置传感器的示例包括一个或更多个加速度计、一个或更多个陀螺仪、一个或更多个磁力计、检测运动的另一合适类型的传感器、用于误差校正的一种类型的传感器或者它们的某种组合。一个或更多个位置传感器可以位于IMU的外部或内部。另外，如果失去了NED 610的追踪(例如，DCA 625失去至少阈值数量的结构光元件的视线)，则追踪模块655可以重新校准NED系统600的一些或全部。
追踪模块655使用来自DCA 625、一个或更多个位置传感器716、IMU或它们的某种组合的信息来追踪NED 610或I/O接口615的移动。例如，追踪模块655基于来自NED 610的信息来确定NED 610的参考点在局部区域的映射中的位置。追踪模块655还可以分别使用指示来自IMU的NED 610的位置的数据或者使用指示来自包括在I/O接口615中的IMU的I/O接口615的位置的数据，来确定NED 610的参考点或者I/O接口615的参考点的位置。另外，在一些实施例中，追踪模块655可以使用来自IMU的指示NED 610的位置的数据的部分以及来自DCA625的局部区域的表示来预测NED 610的未来位置。追踪模块655向引擎645提供NED 610或I/O接口615的估计的或预测的未来位置。
引擎645基于从NED 610接收的信息生成NED 610周围区域(即，“局部区域”)的三维映射。在一些实施例中，引擎645可以基于从DCA 625接收的与在计算深度时使用的技术相关的信息来确定用于局部区域的三维映射的深度信息。引擎645可以在根据由DCA 625检测到的反射光部分来计算深度方面使用一种或更多种技术(例如基于立体的技术、结构光照明技术和飞行时间技术)来计算深度信息。在各种实施例中，引擎645使用深度信息来例如更新局部区域的模型，并部分地基于已更新的模型来生成内容。
引擎645还执行在NED系统600内的应用，并从追踪模块655接收NED 610的位置信息、加速度信息、速度信息、所预测的未来位置或它们的某种组合。基于接收到的信息，引擎645确定要提供给NED 610用于呈现给用户的内容。例如，如果接收到的信息指示用户已经向左看，则引擎645为NED 610生成镜像用户在虚拟环境中或在用附加内容增强局部区域的环境中的移动的内容。另外，引擎645响应于从I/O接口615接收的动作请求来执行在控制台605上执行的应用内的动作，并且向用户提供该动作被执行的反馈。所提供的反馈可以是经由NED 610的视觉或听觉反馈，或者经由I/O接口615的触觉反馈。
在一些实施例中，基于从眼睛追踪系统635接收的眼睛追踪信息(例如，用户的眼睛的定向)，引擎645确定提供给NED 610以在显示器630上呈现给用户的内容的分辨率。引擎645可以被配置为至少部分地基于从眼睛追踪系统635获得的所确定的眼睛追踪信息，通过执行所呈现内容的中心凹形渲染来调整提供给NED 610的内容的分辨率。引擎645向NED610提供在显示器630上在用户注视的中心凹区中具有最大分辨率的内容，而引擎645在其他区域中提供较低的分辨率，从而在NED 610处实现更少的功耗，并节省控制台605的计算周期，而不损害用户的视觉体验。在一些实施例中，引擎645还可以使用眼睛追踪信息来调整从显示器630射出的图像光的焦点，以防止视觉辐辏调节冲突。在还有其他实施例中，引擎645可以确定在与NED 610相关联的局部区域中的对象和由眼睛追踪系统635确定的用户的眼睛的追踪位置之间的距离，并且指示显示器630和多焦点块640中的一个或更多个在与被成像的对象相关联的焦点距离处渲染视频的文本图像。也就是说，引擎645可以被配置成渲染虚拟对象，使得从用户的角度来看，它们看起来是在局部区域中。
引擎645可以被配置成(例如，经由与NED 610相关联的控制器)生成一个或更多个发射指令。生成的发射指令包括关于施加到与NED 610相关联的堆叠式LC结构(例如，堆叠式LC结构300、400和500之一)的电压电平的信息。响应于发射指令中的电压电平，引擎645对传播通过多焦点块640的图像光进行调制。在各种实施例中，引擎645确定610在堆叠式LC结构之一(例如，堆叠式LC结构300、400和500之一)中出现了失效。确定出现了失效包括确定重影图像的强度高于阈值。在一些实施例中，确定出现了失效包括由堆叠式LC结构输出的光没有适当的偏振。在还有其他实施例中，确定出现了失效包括来自用户NED 610的输入。在一个或更多个实施例中，确定重影图像的强度高于阈值利用了与控制器相关联的照相机，该控制器与NED 610相关联；并且确定由堆叠式LC结构输出的光不是适当的偏振包括照相机和一个或更多个偏振器的使用。响应于确定出现了失效，引擎645可以生成标识驱动堆叠式LC结构的驱动LC盒(例如，LC盒305a-305b、405a-405b和505a-505b)的指令。在一个或更多个实施例中，指令包括由与NED 610相关联的控制器基于来自引擎645的一个或更多个指令而提供的电压值。
具体设计示例
下面讨论堆叠式LC结构的各种具体设计示例。下面的示例讨论了堆叠式LC结构的不同构造，每种构造提供对于大FOV的圆偏振光的宽带切换(例如，450nm-650nm)。本文讨论的设计示例实现了宽带和宽角度偏振旋转器。另外，在下面结合图7-图10讨论的实施例的每一个中，堆叠式LC结构的总相位延迟通过向光学透明且导电的基板之一施加电压而可控。也就是说，下面结合图7-图10讨论的堆叠式LC结构可以另外或替代地被配置成作为响应于施加的电压的可切换波片。此处，堆叠式LC结构的总相位延迟可以等同于四分之一波片、半波片和全波片的相位延迟。
堆叠式LC结构的几何形状类似于普通处方镜片(prescription lens)的几何形状。例如，本文讨论的LC结构所体现的几何形状可以是正方形、圆形、三角形、长方形、椭圆形、菱形和心形中的一种。因此，在实施例中，LC结构可以被制造成匹配用户的面部的形状。我们注意到，本文讨论的设计可以包括Pancharatnam Berry相位(PBP)液晶透镜以及与线偏振光或圆偏振光相关联的任何光学元件(例如，透镜、光栅、偏振器、旋转器和波片)。在于2017年9月1日提交的第15/693,846号美国申请中描述了PBP液晶透镜，该申请通过引用以其整体并入本文。
在一些实施例中，本文描述的堆叠式LC结构可以基于由例如控制器施加的电压值而被配置成两种状态中的一种。控制器被配置成施加第一电压值和第二电压值，其中，第一电压值低于第二电压值。例如，第一电压值为0伏(V)，而第二电压值为9V。在各种实施例中，堆叠式LC结构的帧率取决于所施加的电压。
重要的是要注意，这些设计仅仅是说明性的，且可以使用本文描述的原理来产生堆叠式LC结构的其他设计。
图7是根据实施例的堆叠式LC结构700的等距视图，堆叠式LC结构700包括处于扭曲角构造中的两个LC盒。堆叠式LC结构700另外包括四个基板710a、710b、710c和710d。此处，LC盒720a在基板710a和基板710b之间，以及LC盒720b在基板710c和基板710d之间。在图7中，光740入射到基板710a上，并通过基板710a、LC盒720a、基板710b、基板710c、LC盒720b和基板710d传播通过堆叠式LC结构700。光740通过基板710d作为光750离开堆叠式LC结构700。基板710a-710d是光学各向同性的，并且被配置成响应于施加的电压而施加穿过LC盒(例如，LC盒720a或LC盒720b之一)的均匀电场。例如，基板710a-710d中的每一个由涂有光学透明膜型电极(即，ITO)的玻璃或塑料材料组成。基板710a、710b、710c和710d各自是上面结合图3A-图3B、图4A-图4B和图5A-图5B讨论的底部基板310a-310b、410a-410b和510a-510b或顶部基板330a-330b、430a-430b和530a-530b中的任一个的实施例。LC盒720a-720b是上面结合图3A-图3B、图4A-图4B和图5A-图5B讨论的LC盒305a-305b中的任一个的实施例。
在下面描绘的示例实施例中，LC盒720a和LC盒720b都对施加的电场敏感，并且包括多个LC分子(例如，多个LC分子320)。多个LC分子中的每一个都是中心对称的纳米晶体，并且表现出尺寸和形状相关的偶极矩。在一些实施例中，多个LC分子中的每一个是封装在液晶态介质中的硫化锌(ZnS)和/或硫化铅(PbS)纳米棒。此处，LC盒720a和LC盒720b被配置为在光740的偏振上分别引起第一量和第二量的相位调整。在该讨论中，假设了光740是RCP。
光750是偏振被第三量的相位调整改变了的光740，第三量的相位调整表示由堆叠式LC结构700导致的总相位调整。而且相位调整的总量使得光750的偏振可以相对于光740旋转。例如，光750是RCP，而光740是LCP。在其他示例实施例中，光750是RCP、LCP、水平线偏振的、垂直线偏振的、或它们的任意组合。LC盒720a相对于LC盒720b的定向使得LC盒720b的双折射补偿引入到穿过LC盒720a的光740的任何重影图像。而且补偿可以使得重影图像被减轻，或者在一些情况下，从离开堆叠式LC结构700的光750中被完全去除。
在实施例中，堆叠式LC结构700具有第一状态和第二状态。在各种实施例中，堆叠式LC结构700的状态经由控制电压的施加而可控。在实施例中，第一电压值将堆叠式LC结构700配置为第一状态，并且第二电压值将堆叠式LC结构700配置为第二状态。在实施例中，在第一状态下，堆叠式LC结构700偏振波长为650nm、550nm和450nm且输入角从-60°至60°的输入RCP光(例如，光740)。例如，在第一状态下，在从-60°至60°的入射极角，输入光(例如，光740)是RCP，而输出光(例如，光750)是LCP。在第二状态下，堆叠式LC结构700不改变输入光的偏振。在示例实施例中，在施加第一值的情况下，LC堆叠结构700在第一状态下操作，而当施加第二值的电压时，LC堆叠结构700在第二状态下操作。
图8是根据实施例的堆叠式LC结构800的等距视图，堆叠式LC结构800包括处于扭曲向列构造中的两个LC盒(例如，LC盒720a和LC盒720b)以及双轴补偿膜(例如，双轴补偿膜830a、双轴补偿膜830b和双轴补偿膜830c)。双轴补偿膜830a-830d是被配置为补偿LC盒的角度依赖性的具有特定角度双折射的光学部件。在图8的示例实施例中，双轴补偿膜被排成使得它们的双折射彼此偏移90°。在各种实施例中，双轴补偿膜830a、830b、830c和830d是沿其光轴具有双折射的塑料。在与图8相关联的示例实施例中，双轴补偿膜830c和双轴补偿膜830d的光轴被定向成使得一个的光轴与另外一个的光轴正交。也就是说，在示例实施例中，如果双轴补偿膜830c的双折射沿着X轴被定向，那么双轴补偿膜830d的双折射沿着Y轴或Z轴被定向。在实施例中，双轴补偿膜830a、830b、830c和830d中的每一个都由在两个方向(例如，沿着X和Z轴)上被压制和拉伸的聚丙烯组成。堆叠式LC结构800还包括基板710a-710d。上面结合图7进一步详细描述了基板710a-710d。
在图8中，LC盒720a在基板710a和基板710b之间，以及LC盒720b在基板710c和基板710d之间。在图8中，光840入射在双轴补偿膜830a上，并传播通过堆叠式LC结构800。在传播通过基板710a、LC盒720a、基板710b、双轴补偿膜830b、双轴补偿膜830c、基板710c、LC盒720b、基板710d和双轴膜830d之后，光840通过双轴补偿膜830d作为光850离开堆叠式LC结构800。
光850是偏振被一定量的相位调整改变了的光840，一定量的相位调整表示由堆叠式LC结构800导致的总相位调整。而且相位调整的总量使得光850的偏振可以相对于光840旋转。例如，光850是RCP，而光840是LCP。在其他示例实施例中，光850是RCP、LCP、水平线偏振的、垂直线偏振的、或它们的任意组合。LC盒720a相对于LC盒720b的定向使得LC盒720b的双折射补偿引入到穿过LC盒720a的光840的任何重影图像。而且补偿可以使得重影图像被减轻，或者在一些情况下，从离开堆叠式LC结构800的光850中被完全去除。
在实施例中，堆叠式LC结构800具有第一状态和第二状态。在各种实施例中，堆叠式LC结构800的状态经由控制电压的施加而可控。在实施例中，第一电压值将堆叠式LC结构800配置为第一状态，并且第二电压值将堆叠式LC结构800配置为第二状态。在一些实施例中，输入光(例如，光840)是RCP。在第一状态下，堆叠式LC结构800偏振波长为650nm、550nm和450nm且输入极角从-60°至60°的输入RCP光。在第二状态下，RCP输入光被转换成波长为650nm、550nm和450nm且输入极角从-25°至25°的RCP输出光。换句话说，堆叠式LC结构800在第二状态下不改变输入RCP偏振光的偏振。在示例实施例中，在施加第一值的情况下，LC堆叠结构800在第一状态下操作，而当施加第二值的电压时，LC堆叠结构800在第二状态下操作。
图9是根据实施例的堆叠式LC结构900的等距视图，堆叠式LC结构900包括处于扭曲向列构造中的两个LC盒(例如，LC盒720a和LC盒720b)，并且包括塑料膜基板。LC盒720a在双轴补偿膜930a和双轴补偿膜930b之间。LC盒720b在双轴补偿膜930c和双轴补偿膜930d之间。在图9A中，光940入射到双轴补偿膜930a上，并通过双轴补偿膜930a传播通过堆叠式LC结构900。在传播通过LC盒720a、双轴补偿膜930b、双轴补偿膜930c、LC盒720b和双轴补偿膜930d之后，光940通过双轴补偿膜930d作为光950离开堆叠式LC结构。此处，双轴补偿膜930a、930b、930c和930d是上面结合图8描述的双轴补偿膜830a、830b、830c和830d的实施例。
光950是偏振被一定量的相位调整改变了的光940，一定量的相位调整表示由堆叠式LC结构900导致的总相位调整。而且相位调整的总量使得光950的偏振可以相对于光940旋转。例如，光950是RCP，而光940是LCP。在其他示例实施例中，光950是RCP、LCP、水平线偏振的、垂直线偏振的、或它们的任意组合。LC盒720a相对于LC盒720b的定向使得LC盒720b的双折射补偿引入到穿过LC盒720a的光940的任何重影图像。而且补偿可以使得重影图像被减轻，或者在一些情况下，从离开堆叠式LC结构900的光950中被完全去除。
在实施例中，堆叠式LC结构900具有第一状态和第二状态。在各种实施例中，堆叠式LC结构900的状态经由控制电压的施加而可控。在示例实施例中，在第一状态下，输入光(例如，光940)是RCP，而输出光(例如，光950)是LCP。例如，在第一状态下，堆叠式LC结构900偏振波长为650nm、550nm和450nm且输入极角从-60°至60°的输入RCP光。在一些示例实施例中，在第二状态下，输入光是RCP，并且输出光也是RCP(波长为650nm、550nm和450nm且输入极角从-25°至25°)。换句话说，堆叠式LC结构900在第二状态下不改变输入RCP光的偏振。在示例实施例中，在施加第一值的情况下，LC堆叠结构900在第一状态下操作，而当施加第二值的电压时，LC堆叠结构900在第二状态下操作。
图10是根据实施例的堆叠式LC结构1000的等距视图，堆叠式LC结构1000包括处于扭曲向列构造中的两个LC盒，具有塑料膜基板，并且用双轴补偿膜补偿。LC盒720a在双轴补偿膜930a和双轴补偿膜930b之间，以及LC盒720b在双轴补偿膜930c和双轴补偿膜930d之间。在图10A中，光1040入射到双轴补偿膜1030a上，并通过双轴补偿膜930a传播通过堆叠式LC结构1000。在传播通过双轴补偿膜930a、LC盒720a、双轴补偿膜930b、双轴补偿膜1030b、双轴补偿膜1030c、双轴补偿膜930c、LC盒720b、双轴补偿膜930d和双轴补偿膜1030d之后，光1040通过双轴补偿膜1030d作为光1050离开堆叠式LC结构1000。此处，双轴补偿膜1030a、1030b、1030c和1030d是上面结合图8描述的双轴补偿膜830a、830b、830c和830d的实施例。
光1050是偏振被一定量的相位调整改变了的光1040，一定量的相位调整表示由堆叠式LC结构1000导致的总相位调整。而且相位调整的总量使得光1050的偏振可以相对于光1040旋转。例如，光1050是RCP，而光1040是LCP。在其他示例实施例中，光1050是RCP、LCP、水平线偏振的、垂直线偏振的、或它们的任意组合。
在实施例中，堆叠式LC结构1000具有第一状态和第二状态。在各种实施例中，堆叠式LC结构1000的状态经由控制电压的施加而可控。在一些实施例中，在第一状态下，输入光(例如，光1040)是RCP，而输出光(例如，光1050)是LCP。例如，在第一状态下，RCP输入光被转换成波长为650nm、550nm和450nm且输入极角从-60°至60°的LCP输出光。在一些示例实施例中，在第二状态下，RCP输入光被转换成波长为650nm、550nm和450nm且输入极角从-35°至40°的RCP输出光。换句话说，堆叠式LC结构1000在第二状态下不改变输入RCP偏振光的偏振。在示例实施例中，在施加第一值的情况下，LC堆叠结构1000在第一状态下操作，而当施加第二值的电压时，LC堆叠结构1000在第二状态下操作。
附加配置信息
本公开的实施例的前述描述为了说明的目的被提出；它并不意图为无遗漏的或将本公开限制到所公开的精确形式。相关领域中的技术人员可以认识到，按照上面的公开，许多修改和变化是可能的。
本描述的一些部分从对信息的操作的算法和符号表示方面描述了本公开的实施例。这些算法描述和表示是数据处理领域的技术人员所通常使用的，以有效地向本领域的其他技术人员传达他们工作的实质。这些操作虽然在功能上、计算上或逻辑上进行了描述，但应被理解为由计算机程序或等效电路、微代码等来实现。此外，将操作的这些布置称为模块有时候也被证明是方便的而不失一般性。所描述的操作和它们的相关模块可以体现在软件、固件、硬件或其任何组合中。
可以利用一个或更多个硬件或软件模块单独地或与其他设备组合地来执行或实现本文描述的任何步骤、操作或过程。在一个实施例中，利用包括包含计算机程序代码的计算机可读介质的计算机程序产品来实现软件模块，计算机程序代码可以由计算机处理器执行，用于执行所描述的任何或全部步骤、操作或过程。
本公开的实施例也可以涉及用于执行本文的操作的装置。该装置可以被特别构造成用于所需的目的，和/或它可以包括由存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置的通用计算设备。这样的计算机程序可以存储在非暂时性的、有形的计算机可读存储介质中，或者存储在适于存储电子指令的任何类型的介质中，该介质可以耦合到计算机系统总线。此外，说明书中提到的任何计算系统可以包括单个处理器，或者可以是采用多处理器设计以提高计算能力的体系结构。
本公开的实施例也可以涉及由本文所述的计算过程产生的产品。这样的产品可以包括由计算过程产生的信息，其中信息被存储在非暂时性有形计算机可读介质上且可以包括计算机程序产品或本文所述的其他数据组合的任何实施例。
最后，在说明书中使用的语言主要为了可读性和指导目的而被选择，并且它可以不被选择来描绘或限制创造性主题。因此，意图是本公开的范围不由该详细描述限制，而是由在基于其的申请上发布的任何权利要求限制。因此，实施例的公开意图对本公开的范围是说明性的，而不是限制性的，在所附权利要求中阐述了本公开的范围。

Claims (46)

1.一种与头戴式显示器相关联的堆叠式液晶LC结构，堆叠式LC结构包括：
多个LC盒，其被配置为旋转在一个波长范围和一个入射角范围内的宽带光源的偏振，所述多个LC盒以堆叠形式布置，使得宽带光连续穿过所述多个LC盒中的每一个，其中，由所述多个LC盒中的每个LC盒引起的相位调整的量在所述波长范围和所述入射角范围内是与波长无关的，并且所述多个LC盒被相对于彼此定向成使得在所述宽带光内的所有频带的光的偏振的累积旋转是从第一偏振到第二偏振；以及
控制器，其被配置成：
确定在第一LC盒中出现了失效，以及
向第二LC盒施加电压以驱动所述堆叠式LC结构。
2.根据权利要求1所述的堆叠式LC结构，其中，堆叠式LC盒包括：
第一顶部基板、第一底部基板、第二顶部基板和第二底部基板，所述第一顶部基板、所述第一底部基板、所述第二顶部基板和所述第二底部基板被配置为接收宽带光并将所接收的宽带光耦合到所述第一LC盒和所述第二LC盒之一中；并且
其中，所述第一LC盒和所述第二LC盒被配置为对所接收的宽带光执行相位调整。
3.根据权利要求2所述的堆叠式LC结构，其中，所述第一顶部基板、所述第二顶部基板、所述第一底部基板和所述第二底部基板各自是导电的且光学透明的。
4.根据权利要求2所述的堆叠式LC结构，其中，所述第一顶部基板和所述第一底部基板还被配置为在所述第一LC盒两端施加电场。
5.根据权利要求3所述的堆叠式LC结构，其中，所述第一顶部基板和所述第一底部基板还被配置为在所述第一LC盒两端施加电场。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的堆叠式LC结构，其中，所述堆叠式LC结构还包括补偿层，其中，所述补偿层增大所述波长范围，在所增大的波长范围内，由所述多个LC盒引起的相位调整的量是与波长无关的。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的堆叠式LC结构，包括第一状态和第二状态，其中，在所述第一状态下，所述堆叠式LC结构将入射宽带光的偏振态从第一偏振态改变为第二偏振态，以及在第二状态下，所述堆叠式LC结构保持入射光的偏振态。
8.根据权利要求7所述的堆叠式LC结构，其中，所述第一状态与第一电压值相关联，以及所述第二状态与第二电压值相关联。
9.根据权利要求7所述的堆叠式LC结构，其中，所述堆叠式LC结构的帧率取决于所施加电压的大小。
10.根据权利要求6所述的堆叠式LC结构，包括第一状态和第二状态，其中，在所述第一状态下，所述堆叠式LC结构将入射宽带光的偏振态从第一偏振态改变为第二偏振态，以及在第二状态下，所述堆叠式LC结构保持入射光的偏振态。
11.根据权利要求10所述的堆叠式LC结构，其中，所述第一状态与第一电压值相关联，以及所述第二状态与第二电压值相关联。
12.根据权利要求10所述的堆叠式LC结构，其中，所述堆叠式LC结构的帧率取决于所施加电压的大小。
13.根据权利要求1至5和8至12中的任一项所述的堆叠式LC结构，其中，所述堆叠式LC结构的光学模式选自由以下项组成的组：电控双折射(ECB)模式、垂直排列(VA)模式、多畴垂直排列(MVA)模式、扭曲向列(TN)模式、超扭曲向列(STN)模式和光学补偿(OCB)模式。
14.根据权利要求6所述的堆叠式LC结构，其中，所述堆叠式LC结构的光学模式选自由以下项组成的组：电控双折射(ECB)模式、垂直排列(VA)模式、多畴垂直排列(MVA)模式、扭曲向列(TN)模式、超扭曲向列(STN)模式和光学补偿(OCB)模式。
15.根据权利要求7所述的堆叠式LC结构，其中，所述堆叠式LC结构的光学模式选自由以下项组成的组：电控双折射(ECB)模式、垂直排列(VA)模式、多畴垂直排列(MVA)模式、扭曲向列(TN)模式、超扭曲向列(STN)模式和光学补偿(OCB)模式。
16.根据权利要求1至5、8至12和14至15中的任一项所述的堆叠式LC结构，其中，所述多个LC盒中的至少一个是向列型LC盒、具有手性掺杂剂的向列型LC盒、手性LC盒、均匀横向螺旋(ULH)LC盒、铁电LC或电驱动双折射材料。
17.根据权利要求6所述的堆叠式LC结构，其中，所述多个LC盒中的至少一个是向列型LC盒、具有手性掺杂剂的向列型LC盒、手性LC盒、均匀横向螺旋(ULH)LC盒、铁电LC或电驱动双折射材料。
18.根据权利要求7所述的堆叠式LC结构，其中，所述多个LC盒中的至少一个是向列型LC盒、具有手性掺杂剂的向列型LC盒、手性LC盒、均匀横向螺旋(ULH)LC盒、铁电LC或电驱动双折射材料。
19.根据权利要求13所述的堆叠式LC结构，其中，所述多个LC盒中的至少一个是向列型LC盒、具有手性掺杂剂的向列型LC盒、手性LC盒、均匀横向螺旋(ULH)LC盒、铁电LC或电驱动双折射材料。
20.根据权利要求1至5、8至12、14至15和17至19中的任一项所述的堆叠式LC结构，其中，所述堆叠式LC结构还包括补偿层，其中，所述补偿层增大所述波长范围，在所增大的波长范围内，由所述多个LC盒引起的相位调整的量是与波长无关的。
21.根据权利要求20所述的堆叠式LC结构，其中，所述补偿层是多层双折射膜。
22.根据权利要求7所述的堆叠式LC结构，其中，所述堆叠式LC结构还包括补偿层，其中，所述补偿层增大所述波长范围，在所增大的波长范围内，由所述多个LC盒引起的相位调整的量是与波长无关的。
23.根据权利要求22所述的堆叠式LC结构，其中，所述补偿层是多层双折射膜。
24.根据权利要求13所述的堆叠式LC结构，其中，所述堆叠式LC结构还包括补偿层，其中，所述补偿层增大所述波长范围，在所增大的波长范围内，由所述多个LC盒引起的相位调整的量是与波长无关的。
25.根据权利要求24所述的堆叠式LC结构，其中，所述补偿层是多层双折射膜。
26.根据权利要求16所述的堆叠式LC结构，其中，所述堆叠式LC结构还包括补偿层，其中，所述补偿层增大所述波长范围，在所增大的波长范围内，由所述多个LC盒引起的相位调整的量是与波长无关的。
27.根据权利要求26所述的堆叠式LC结构，其中，所述补偿层是多层双折射膜。
28.根据权利要求1至5、8至12、14至15、17至19和21至27中的任一项所述的堆叠式LC结构，其中，所述堆叠式LC结构是具有总相位延迟的可切换波片，所述总相位延迟通过向所述多个LC盒中的第一LC盒和第二LC盒之一施加外部电压而可控。
29.根据权利要求28所述的堆叠式LC结构，其中，所述堆叠式LC结构是四分之一波片、半波片和全波片之一。
30.根据权利要求6所述的堆叠式LC结构，其中，所述堆叠式LC结构是具有总相位延迟的可切换波片，所述总相位延迟通过向所述多个LC盒中的第一LC盒和第二LC盒之一施加外部电压而可控。
31.根据权利要求30所述的堆叠式LC结构，其中，所述堆叠式LC结构是四分之一波片、半波片和全波片之一。
32.根据权利要求7所述的堆叠式LC结构，其中，所述堆叠式LC结构是具有总相位延迟的可切换波片，所述总相位延迟通过向所述多个LC盒中的第一LC盒和第二LC盒之一施加外部电压而可控。
33.根据权利要求32所述的堆叠式LC结构，其中，所述堆叠式LC结构是四分之一波片、半波片和全波片之一。
34.根据权利要求13所述的堆叠式LC结构，其中，所述堆叠式LC 结构是具有总相位延迟的可切换波片，所述总相位延迟通过向所述多个LC盒中的第一LC盒和第二LC盒之一施加外部电压而可控。
35.根据权利要求34所述的堆叠式LC结构，其中，所述堆叠式LC结构是四分之一波片、半波片和全波片之一。
36.根据权利要求16所述的堆叠式LC结构，其中，所述堆叠式LC结构是具有总相位延迟的可切换波片，所述总相位延迟通过向所述多个LC盒中的第一LC盒和第二LC盒之一施加外部电压而可控。
37.根据权利要求36所述的堆叠式LC结构，其中，所述堆叠式LC结构是四分之一波片、半波片和全波片之一。
38.根据权利要求20所述的堆叠式LC结构，其中，所述堆叠式LC结构是具有总相位延迟的可切换波片，所述总相位延迟通过向所述多个LC盒中的第一LC盒和第二LC盒之一施加外部电压而可控。
39.根据权利要求38所述的堆叠式LC结构，其中，所述堆叠式LC结构是四分之一波片、半波片和全波片之一。
40.根据权利要求1至5、8至12、14至15、17至19、21至27和29至39中的任一项所述的堆叠式LC结构，其中，所述堆叠式LC结构的视场角为至少60度。
41.根据权利要求6所述的堆叠式LC结构，其中，所述堆叠式LC结构的视场角为至少60度。
42.根据权利要求7所述的堆叠式LC结构，其中，所述堆叠式LC结构的视场角为至少60度。
43.根据权利要求13所述的堆叠式LC结构，其中，所述堆叠式LC结构的视场角为至少60度。
44.根据权利要求16所述的堆叠式LC结构，其中，所述堆叠式LC结构的视场角为至少60度。
45.根据权利要求20所述的堆叠式LC结构，其中，所述堆叠式LC结构的视场角为至少60度。
46.根据权利要求28所述的堆叠式LC结构，其中，所述堆叠式LC结构的视场角为至少60度。
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Inventor before: Lv Lu

Inventor before: Peng Fenglin

Inventor before: Lin Weishi

Inventor before: Wang Mengfei

Inventor before: Scott Charles Michael Downey

CB03 Change of inventor or designer information
CB02 Change of applicant information

Address after: California, USA

Applicant after: Yuan Platform Technology Co.,Ltd.

Address before: California, USA

Applicant before: Facebook Technologies, LLC

CB02 Change of applicant information
GR01 Patent grant
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