CN112189155A - 利用偏振器提高Pancharatnam Berry相位部件的图像质量 - Google Patents

利用偏振器提高Pancharatnam Berry相位部件的图像质量 Download PDF

Info

Publication number
CN112189155A
CN112189155A CN201980019529.9A CN201980019529A CN112189155A CN 112189155 A CN112189155 A CN 112189155A CN 201980019529 A CN201980019529 A CN 201980019529A CN 112189155 A CN112189155 A CN 112189155A
Authority
CN
China
Prior art keywords
pbp
light
lens
optical system
optical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201980019529.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112189155B (zh
Inventor
林伟诗
吕璐
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Meta Platforms Technologies LLC
Original Assignee
Facebook Technologies LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Facebook Technologies LLC filed Critical Facebook Technologies LLC
Publication of CN112189155A publication Critical patent/CN112189155A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112189155B publication Critical patent/CN112189155B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0025—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for optical correction, e.g. distorsion, aberration
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
    • G02B27/286—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising for controlling or changing the state of polarisation, e.g. transforming one polarisation state into another
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
    • G02B27/288—Filters employing polarising elements, e.g. Lyot or Solc filters
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
    • G02B27/4261—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive element with major polarization dependent properties
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/30—Polarising elements
    • G02B5/3016—Polarising elements involving passive liquid crystal elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G02F1/133504—Diffusing, scattering, diffracting elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G02F1/133526—Lenses, e.g. microlenses or Fresnel lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G02F1/133528—Polarisers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G02F1/133528—Polarisers
    • G02F1/133541—Circular polarisers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G02F1/13363—Birefringent elements, e.g. for optical compensation
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1335—Structural association of cells with optical devices, e.g. polarisers or reflectors
    • G02F1/13363—Birefringent elements, e.g. for optical compensation
    • G02F1/133638—Waveplates, i.e. plates with a retardation value of lambda/n
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/137—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering
    • G02F1/139—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering based on orientation effects in which the liquid crystal remains transparent
    • G02F1/1393—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells characterised by the electro-optical or magneto-optical effect, e.g. field-induced phase transition, orientation effect, guest-host interaction or dynamic scattering based on orientation effects in which the liquid crystal remains transparent the birefringence of the liquid crystal being electrically controlled, e.g. ECB-, DAP-, HAN-, PI-LC cells
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/292—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection by controlled diffraction or phased-array beam steering
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/294—Variable focal length devices
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/011—Head-up displays characterised by optical features comprising device for correcting geometrical aberrations, distortion
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0112—Head-up displays characterised by optical features comprising device for genereting colour display
    • G02B2027/0116—Head-up displays characterised by optical features comprising device for genereting colour display comprising devices for correcting chromatic aberration
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G02B2027/0174—Head mounted characterised by optical features holographic
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G02F1/133—Constructional arrangements; Operation of liquid crystal cells; Circuit arrangements
    • G02F1/1333—Constructional arrangements; Manufacturing methods
    • G02F1/1347—Arrangement of liquid crystal layers or cells in which the final condition of one light beam is achieved by the addition of the effects of two or more layers or cells
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/05—Function characteristic wavelength dependent
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/24—Function characteristic beam steering
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F2413/00—Indexing scheme related to G02F1/13363, i.e. to birefringent elements, e.g. for optical compensation, characterised by the number, position, orientation or value of the compensation plates
    • G02F2413/02—Number of plates being 2

Abstract

各种实施例阐述了一种近眼显示器(NED)，其包括被配置为输出图像光的电子显示器。此外，该NED包括多个Pancharatnam Berry相位(PBP)光学元件(630)，其与一个或更多个圆偏振器(610，620)相结合以改善光学性能。PBP元件产生三个衍射级的输出。典型地，在包括这种PBP元件的光学系统中，使用三个衍射级中的一个(650)，而另外两个(670，660)是不期望的，并且优选地保持在相对低的强度。圆偏振器(610，620)可以降低两个不期望的衍射级的强度。

Description

利用偏振器提高Pancharatnam Berry相位部件的图像质量
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年3月15日提交的、序列号为62/643,691的、标题为“ComputerGenerated Reality”的美国临时专利申请的优先权权益，并要求于2018年6月12日提交的、序列号为16/006,706的、标题为“Improving Image Quality of Pancharatnam BerryPhase Components Using Polarizers”的美国专利申请的优先权权益。这些申请的主题在此通过引用并入本文。
背景
各种实施例的领域
本公开的实施例总体上涉及近眼显示器，更具体地，涉及使用偏振器(polarizer)来改善Pancharatnam Berry相位部件的光学性能。
相关技术的描述
Pancharatnam Berry相位(PBP)或几何相位部件可用于头戴式显示器 (HMD)的光学组件中，头戴式显示器可以是例如虚拟现实(VR)系统、增强现实(AR)系统、混合现实(MR)系统或其某种组合的一部分。PBP 部件可以由液晶(LC)或超材料制成。PBP部件可以实现为PBP光栅和/ 或PBP透镜。然而，这两种类型的PBP部件的工作都依赖于波长。例如， PBP部件的衍射角或焦距根据光的波长而变化。这种特征可能降低光学系统的图像质量，所述光学系统采用PBP部件和发射多个波长或颜色通道的光的光源。
概述
各种实施例阐述了一种近眼显示器(NED)，其包括被配置为输出图像光的电子显示器。此外，该NED包括一个或更多个PBP光学元件，PBP 光学元件与一个或更多个偏振器相结合以改善光学性能。在一些示例中，光学元件可以被配置用于光束转向(例如，通过衍射)。在其他示例中，光学元件可以被配置为透镜。
通常，PBP元件产生三个衍射级的输出。在包括这种PBP元件的光学系统中，使用三个衍射级中的一个，而其他两个可能是不期望的，并且保持在相对低的强度(理想地，强度为零)。这些不期望的衍射级的非零强度可能导致重影图像和其他降低光学系统的图像质量的效应。PBP元件的工作对波长的依赖性相对较强。因此，如果特定的PBP元件被设计用于特定波长的光，那么该PBP元件在其他波长的光上将不能有效地工作。例如， PBP元件可以产生两个不期望的衍射级的相对高的强度。圆偏振器可以降低两个不期望的衍射级的强度。
本文公开的技术的一个优点是，PBP元件可以用于在多个波长或颜色通道上工作，同时降低光学性能的衰退。
在涉及光学系统和头戴式显示器(HMD)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(例如光学系统)中提到的任何特征，也可以在另一个权利要求类别(例如HMD、NED、PBP 或几何相位部件、VR系统、AR系统、MR系统、系统、存储介质、计算机程序产品和方法)中要求保护。所附权利要求中的从属关系或往回引用仅出于形式原因而选择。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。可以要求保护的主题不仅包括所附权利要求中阐述的特征的组合，还包括权利要求中特征的任何其他组合，其中权利要求中提到的每个特征可以与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，本文描述或描绘的任何实施例和特征可以在单独的权利要求中和/或在与本文描述或描绘的任何实施例或特征或与所附权利要求的任何特征的任何组合中要求保护。
在一个实施例中，光学系统可以包括：
几何相位元件，其被配置为响应于接收到输入光，产生与第一衍射级相关联的第一光束和与第二衍射级相关联的第二光束；和
椭圆偏振器，其被配置为降低第一光束的强度并基本上保持第二光束的强度。
在一个实施例中，光学系统可以包括第二椭圆偏振器。
椭圆偏振器可以包括具有第一旋向性的圆偏振器，第二椭圆偏振器可以包括具有与第一旋向性相反的第二旋向性的圆偏振器。
在一个实施例中，光学系统可以包括被配置为向第二椭圆偏振器提供非偏振光的消偏振器(depolarizer)。
几何相位元件可以被配置成产生与第三衍射级相关联的第三光束，并且椭圆偏振器可以被配置成降低第三光束的强度。
几何相位元件可以包括可切换的Pancharatnam Berry相位(PBP)透镜。
几何相位元件可以包括两个或更多个Pancharatnam Berry相位(PBP) 透镜的堆叠。
在一个实施例中，光学系统可以包括传统透镜，以向几何相位元件提供输入光。
几何相位元件可以包括第一堆叠，该第一堆叠包括具有第一光焦度的第一PBP透镜和具有第二光焦度的第二PBP透镜，光学系统可以包括：光导，其被配置为向椭圆偏振器提供图像光；和
PBP透镜的第二堆叠，其包括第三PBP透镜和第四PBP透镜，第三PBP 透镜具有与第一光焦度共轭的光焦度，第四PBP透镜具有与第二光焦度共轭的光焦度。
第一PBP透镜、第二PBP透镜、第三PBP透镜和第四PBP透镜中的至少一个可以包括可切换PBP透镜，用于提供可切换的像平面(image plane)。
在一个实施例中，光学系统可以包括多个可电切换PBP液晶半波片，多个可电切换PBP液晶半波片中的每一个可以与第一PBP透镜、第二PBP 透镜、第三PBP透镜和第四PBP透镜中不同的一个相邻，多个可电切换 PBP液晶半波片以及第一PBP透镜、第二PBP透镜、第三PBP透镜和第四PBP透镜可以被配置成提供可切换的像平面。
在一个实施例中，光学系统可以包括向光导提供图像光的液晶显示设备。
光学系统可以被包含在增强现实头戴式设备中。
在一个实施例中，光学系统可以包括：
与几何相位元件相邻的第一四分之一波片和第二四分之一波片；和
位于第一四分之一波片和第二四分之一波片之间的线性偏振器。
几何相位元件可以包括Pancharatnam Berry相位(PBP)光栅。
在一个实施例中，头戴式显示器(HMD)可以包括：
电子显示器，其被配置为发射图像光；
Pancharatnam Berry相位(PBP)几何相位元件的第一堆叠，其被配置为响应于图像光产生与第一衍射级相关联的第一光束和与第二衍射级相关联的第二光束；和
椭圆偏振器，其被配置为降低第一光束的强度并基本上保持第二光束的强度。
在一个实施例中，头戴式显示器(HMD)可以包括： PBP几何相位元件的第二堆叠，其被配置成产生输出光；和
光导，其位于PBP几何相位元件的第一堆叠和PBP几何相位元件的第二堆叠之间，该光导被配置为向PBP几何相位元件的第一堆叠提供图像光，并传输由PBP几何相位元件的第二堆叠产生的输出光。
PBP几何相位元件的第一堆叠可以包括具有第一光焦度的第一PBP透镜和具有第二光焦度的第二PBP透镜，PBP几何相位元件的第二堆叠可以包括第三PBP透镜和第四PBP透镜，第三PBP透镜具有与第一光焦度相反的光焦度，第四PBP透镜具有与第二光焦度相反的光焦度。
在一个实施例中，头戴式显示器(HMD)可以包括分别与第一PBP 透镜、第二PBP透镜、第三PBP透镜和第四PBP透镜相邻的可电切换PBP 液晶半波片，可电切换PBP液晶半波片以及第一PBP透镜、第二PBP透镜、第三PBP透镜和第四PBP透镜用于提供可切换的像平面。
在一个实施例中，头戴式显示器(HMD)可以包括：
电子显示器，其被配置为发射图像光；
第一椭圆偏振器，其被配置为基于图像光产生椭圆偏振光；
几何相位元件，其被配置为响应于接收椭圆偏振光，产生与第一衍射级相关联的第一光束和与第二衍射级相关联的第二光束；和
第二椭圆偏振器，其被配置为降低第一光束的强度并基本上保持第二光束的强度。
在一个实施例中，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述实施例的系统中执行。
在一个实施例中，一种计算机实现的方法使用根据本发明或任何上述实施例的系统。
在一个实施例中，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被用在根据本发明或任何上述实施例的系统中。
附图简述
为了能够详细理解各种实施例的上述特征的方式，可以参考各种实施例对上面简要概括的所公开的概念进行更具体的描述，其中一些实施例在附图中示出。然而，要注意的是，附图仅示出了所公开的概念的典型实施例，因此不应被认为是以任何方式限制范围，并且存在其他同等有效的实施例。
图1A是根据一个实施例的近眼显示器(NED)的图。
图1B是图1A所示的NED的实施例的前刚性主体的横截面。
图2A是根据一个实施例的实现为近眼显示器的HMD的图。
图2B是根据一个实施例的实现为近眼显示器的图2A的HMD的横截面视图。
图3A示出了根据一个实施例的PBP光栅的示例。
图3B示出了根据一个实施例的PBP透镜的示例。
图4包括三个曲线图，它们示出了根据一个实施例，随传输通过PBP 透镜的光的相位变化的不同衍射级的相对强度。
图5示出了根据一个实施例，对于不同波长的光，PBP透镜的不同衍射级的光路。
图6示出了根据一个实施例的圆偏振器对PBP透镜的衍射级的影响。
图7示出了根据一个实施例的光学系统的示例应用，该光学系统能够实现可切换的光焦度，并且结合了圆偏振器和PBP透镜。
图8示出了根据一个实施例的光学系统的圆偏振光的旋向性，该光学系统能够实现可切换的光焦度，并且结合了圆偏振器和PBP透镜。
图9示出了根据一个实施例的在两个线性偏振器之间的四分之一波片的圆偏振光和线性偏振光的旋向性。
图10示出了根据一个实施例的光学系统的圆偏振光的旋向性，该光学系统结合了圆偏振器、四分之一波片、线性偏振器和PBP透镜。
图11示出了根据一个实施例的包括图像源和光导的光学系统的框图。
图12示出了根据一个实施例的光学系统的示例应用，该光学系统能够实现可切换的光焦度，并且结合了圆偏振器和PBP透镜。
图13示出了根据一个实施例的光学系统的圆偏振光的旋向性，该光学系统能够实现可切换的光焦度，并且结合了圆偏振器和PBP透镜。
图14示出了根据另一个实施例的光学系统的圆偏振光的旋向性，该光学系统能够实现可切换的光焦度并且结合了圆偏振器和PBP透镜。
图15是控制台在其中操作的NED系统的实施例的框图。
详细描述
在以下描述中，阐述了许多具体细节，以提供对各种实施例的更彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说，显然可以在没有一个或更多个这些具体细节的情况下实践所公开的概念。
配置概述
本文公开的一个或更多个实施例涉及包括多个PBP元件和至少一个圆偏振器的Pancharatnam Berry相位(PBP)结构的配置。PBP元件，也称为几何相位元件，可以包括例如使用光配向技术(photo-alignment technology)布置的有源液晶或液晶聚合物。在一些配置中，PBP元件可以包括具有被配置为产生几何相位的超结构的超材料。当设计为透镜时，PBP 元件可以实现多个焦距或变化的焦距，或者当设计为转向元件(也称为“光栅”)时，PBP元件可以实现多个转向角。在一些实施例中，PBP元件可以用于显示设备的静态或活动操作。
在一些实施例中，包括PBP元件的光学系统可以被配置为从像素化光阀(例如，诸如LCD显示器的电子显示器)接收沿着光轴的光。像素化光阀可以由可以产生至少部分相干的光的光源照射。在一些示例中，该系统可以被配置为对于可见光谱的不同部分(例如，红色、绿色和蓝色通道) 以多个(例如，三个)颜色通道操作。在这种情况下，电子显示器可以被配置成发射包括多个颜色通道的图像光。在一些实施例中，光学系统可以包括消色差(achromatic)或复消色差(apochromatic)PBP透镜堆叠，其被配置为将不同颜色通道的光聚焦到单个公共焦点。这种消色差或复消色差PBP透镜堆叠可以包括三个PBP元件和用于三个颜色通道的两个颜色选择性波片。颜色选择性滤光器是一种多层双折射膜，对于一个颜色通道，它表现为半波片，而对于其他颜色通道，它表现为全波片。在本文中，消色差或复消色差光学系统通常指具有一个或更多个光学元件的系统，该光学元件至少部分地校正由该系统形成的图像的色差。
通常，PBP元件产生三个衍射级的输出。典型地，在包括这种PBP元件的光学系统中，使用三个衍射级中的一个，而其他两个可能是不期望的，并且保持在相对低的强度(理想地，强度为零)。这些不期望的衍射级的非零强度可能导致光泄漏、重影和其它降低光学系统的图像质量的效应。 PBP元件的工作依赖于波长。因此，如果特定的PBP元件被设计为对特定波长的光工作，那么该PBP元件在其他波长的光上将不能适当地工作。例如，PBP元件可以产生两个不期望的衍射级的相对高的强度。向光学系统添加一个或更多个圆偏振器可以降低两个不期望的衍射级的强度。
在一个实施例中，布置在PBP元件堆叠的任一端的左旋圆偏振器和右旋圆偏振器可以阻挡光泄漏并有助于防止重影。在具有多个PBP元件的另一个实施例中，四分之一波片和线性偏振器可以被布置成背靠背的 (back-to-back)圆偏振器，并且被布置在两个PBP元件之间以减少光的泄漏。该系统的结果可以提高图像质量并减少重影。
为了便于讨论，以下描述涉及三个颜色通道，每个通道具有代表性(例如，中心)波长。然而，颜色通道可以包括连续的波长光谱。在本文中，为了简化描述，作为波片工作的PBP透镜在这种连续光谱上的精确效果被试探性地(heuristically)忽略，反而考虑相关联的颜色通道内的代表性波长。例如，红色通道可以用630纳米的波长表示，绿色通道可以用520纳米的波长表示，蓝色通道可以用450纳米的波长表示，但是要求保护的主题不限于此。
公开的实施例可以包括人工现实系统或结合人工现实系统来实现。人工现实是在呈现给用户之前已经以某种方式进行了调整的现实形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)系统、增强现实(AR)系统、混合现实(MR) 系统、混杂现实(hybrid reality)系统或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括但不限于完全生成的内容或生成的与捕获的(例如，真实世界)内容相结合的内容。人工现实内容可以包括但不限于视频、音频、触觉反馈或它们的某种组合。人工现实内容可以在单个通道或多个通道中呈现(例如向观看者产生三维效果的立体视频)。此外，在一些实施例中，人工现实系统还可以与应用、产品、附件、服务或它们的某种组合相关联，这些应用、产品、附件、服务或它们的某种组合被用于例如在人工现实系统中创建内容和/或在人工现实系统中以其他方式被使用(例如，在人工现实系统中执行活动)。人工现实系统可以在各种平台上实现，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看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台。
系统概述
图1A是根据一些实施例的近眼显示器(NED)100的线图。NED 100 包括前刚性主体105和带110。前刚性主体105包括电子显示器(未示出) 的一个或更多个电子显示元件、惯性测量单元(IMU)115、一个或更多个位置传感器120和定位器125。在图1A所示的实施例中，位置传感器 120位于IMU 115内，并且IMU 115和位置传感器120对用户都不可见。以下参照图13详细讨论IMU 115、位置传感器120和定位器125。在各种实施例中，在NED 100充当AR或MR设备的情况下，NED 100的部分和 /或其内部部件是至少部分透明的。
图1B是图1所示的NED 100的实施例的前刚性主体105的横截面160。前刚性主体105包括电子显示器130和光学块135，它们一起向出射光瞳 145提供图像光。出射光瞳145是前刚性主体105中用户的眼睛140可以位于的位置。出于说明的目的，图1B示出了与单只眼睛140相关联的横截面160，但是与光学块135分离的另一个光学块可以向用户的另一只眼睛提供改变的图像光。另外，NED 100包括眼睛跟踪系统(未在图1B中示出)。眼睛跟踪系统可以包括照亮用户一只或两只眼睛的一个或更多个源。眼睛跟踪系统还可以包括一个或更多个相机，该一个或更多个相机捕获用户的一只或两只眼睛的图像以跟踪眼睛的位置。
电子显示器130向用户显示图像。在各种实施例中，电子显示器130 可以包括单个电子显示器或多个电子显示器(例如，用户的每只眼睛对应一个显示器)。电子显示器130的示例包括：液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)显示器、有源矩阵有机发光二极管显示器(AMOLED)、 QOLED、QLED、某种其它的显示器或它们的某种组合。
光学块135调节从电子显示器130发射的图像光的方向，使得电子显示器130出现在离用户特定虚像距离处。光学块135被配置成接收从电子显示器130发射的图像光，并将图像光引导至与出射光瞳145相关联的视窗(eye-box)。被引导到视窗的图像光在眼睛140的视网膜上形成图像。视窗是定义眼睛140向上/向下/向左/向右移动多少而不会显著降低图像质量的区域。在图1B的图示中，视场(FOV)150是眼睛140在任何给定时刻看到的可观察世界的范围。
另外，在一些实施例中，光学块135放大接收到的光，校正与图像光相关联的光学误差，并将校正后的图像光呈现给眼睛140。光学块135可以包括光学系列中的一个或更多个光学元件155。光学元件155可以是光圈、菲涅耳透镜、凸透镜、凹透镜、滤光器、波导、PBP透镜或光栅、颜色选择性滤光器、波片、C板(C-plate)或影响图像光的任何其他合适的光学元件155。此外，光学块135可以包括不同光学元件的组合。在一些实施例中，光学块135中的一个或更多个光学元件可以具有一个或更多个涂层，例如抗反射涂层。光学块135可以包括结合图5-15详细讨论的部件。
图2A是根据一个实施例的实现为近眼显示器的HMD 162的图。在该实施例中，HMD162是一副增强现实眼镜的形式。HMD 162向用户呈现计算机生成的媒体，并利用计算机生成的媒体来增强物理的、真实世界环境的视图。由HMD 162呈现的计算机生成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，扬声器和头戴式耳机(headphone))呈现，该外部设备从HMD 162、控制台(未示出)或两者接收音频信息，并基于音频信息呈现音频数据。在一些实施例中，HMD 162可以被修改为也作为虚拟现实(VR) HMD、混合现实(MR)HMD或它们的某种组合来操作。HMD 162包括框架175和显示器164。在该实施例中，框架175将近眼显示器安放到用户的头部，而显示器164向用户提供图像光。显示器164可以定制成各种形状和尺寸，以符合不同风格的眼镜框架。
图2B是根据一个实施例的实现为近眼显示器的图2A的HMD的横截面视图。图2B示出了实现为近眼显示器的HMD 162的横截面视图。该视图包括框架175、显示器164(其包括显示组件180和显示块185)和眼睛170。显示组件180向眼睛170提供图像光。显示组件180容纳显示块185，在不同的实施例中，显示块185封装不同类型的成像光学器件和重定向结构。出于说明的目的，图2B示出了与单个显示块185和单只眼睛170相关联的横截面，但是在未示出的替代实施例中，与图2B所示的显示块185 分离的另一个显示块向用户的另一只眼睛提供图像光。
如所示的，显示块185被配置成将来自局部区域的光与来自计算机生成的图像的光相结合，以形成增强的场景。显示块185还被配置为向视窗 165提供该增强的场景，视窗165对应于用户眼睛170的位置。显示块185 可以包括例如波导显示器、聚焦组件、补偿组件或它们的某种组合。如下文针对一些实施例所描述的，PBP LC结构可以布置在显示块185的一侧或两侧，以影响光学系统的各种参数(例如，焦距、光焦度、图像质量等)。
HMD 162可以在显示块185和眼睛170之间包括一个或更多个其他光学元件。这些光学元件可以用于，例如，校正从显示块185发射的图像光中的像差，放大从显示块185发射的图像光，对从显示块185发射的图像光进行某种其他光学调整，或者它们的某种组合。光学元件的示例可以包括光圈、菲涅尔透镜、凸透镜、凹透镜、滤光器或影响图像光的任何其他合适的光学元件。显示块185可以包括一种或更多种材料(例如，塑料、玻璃等)，其具有一个或更多个折射率，有效地最小化重量并扩大HMD 162 的视场。在一些实施例中，显示块185的一个或更多个部件被实现为具有 PBP板堆叠的PBP结构，这将在下面更详细地描述。
图3A示出了根据各种实施例的PBP光栅300。相互正交的x轴和y 轴310被示出以供参考。未示出的z轴垂直于x-y平面并沿着光栅300的光轴。
光栅300包括以线性重复图案取向的液晶或超结构的单轴快轴(uniaxial fastaxis)320。在图3A中，快轴的取向被示为对齐的短线段，以便示意性地表示液晶或超结构的取向。例如，快轴320A在x方向上取向，而液晶320B在y方向上取向。320A和320B之间的快轴沿着在x方向和y方向中间的方向对齐。具有这种图案化取向的单轴波片由于光的光波传播通过波片(例如，相位板)时的偏振演化而引起光的几何相移。在各种实施例中，对于光栅300的特定x-y平面，快轴沿着x轴的取向是恒定的。此外，尽管未示出，但是在各种实施例中，快轴在垂直于x-y平面的方向(z轴)上的取向可以以旋转方式变化(例如，扭曲结构)。
光栅300的线性重复图案的栅距是图案的重复部分之间沿y轴的距离 330的一半。栅距部分地决定了光栅300的光学特性。例如，沿着光轴入射到光栅300上的偏振光导致光栅输出包括分别对应于衍射级m＝+1、-1 和0的初级光、共轭光和泄漏光。尽管m＝+1在本文被认为是初级，共轭级被认为是m＝-1级，但是级的指定可以颠倒或以其他方式改变。栅距决定了不同衍射级的光的衍射角(例如，光束转向角)。通常，对于给定波长的光，栅距越小，角度越大。
图3B是根据各种实施例的示例PBP透镜300B的俯视图。相互正交的x轴和y轴310被示出以供参考。未示出的z轴垂直于x-y平面并沿着透镜300B的光轴。x-y平面中的r轴表示径向方向和距透镜300B的中心 325的距离。
透镜300B包括以径向和周向重复图案取向的快轴335。在图中，液晶或超结构被示为对齐的短线段，以便示意性地表示快轴的取向。例如，对于距光轴的固定距离，快轴335A在周向方向上取向，而快轴335B在径向方向上取向。335A和335B之间的快轴沿周向方向和径向方向中间的方向对齐。作为另一个示例，沿着固定的径向方向，快轴345A在周向方向上取向，而快轴345B在径向方向上取向。345A和345B之间的快轴沿周向方向和径向方向中间的方向对齐。具有这种图案化取向的液晶或超结构的单轴快轴引起光的几何相移，这是当光的光波传播通过几何相位板时偏振演化的结果。尽管未示出，但快轴在垂直于x-y平面的方向(z轴)上的取向可以以旋转方式变化(例如，扭曲结构)。
透镜300B的径向重复图案具有节距(pitch)350，该节距是图案的重复部分之间沿r轴的距离。通常，节距350可以在径向方向上变化。例如，图案的重复部分之间沿r轴的距离可以随着r的增加而减小。因此，更靠近中心325，节距350可以更大。该节距部分地决定了透镜300B的光学特性。例如，沿光轴入射到透镜300B上的偏振光导致对于特定波长的光，光的透镜输出具有特定焦距。节距决定了这样的焦距。通常，对于给定波长的光，节距越小，焦距越小。
传统上，光的波前是通过调节光程长度(OPL)来控制的，对于各向同性材料，光程长度被定义为波的速度(取决于材料的折射率)和波通过材料的物理传播距离的乘积。对于经典透镜，由透镜曲面引起的空间上变化的OPL导致波前的相移，从而影响透镜的焦距。相比之下，PBP透镜的几何相移来自光波通过PBP透镜的各向异性体积的演化。相移取决于各个光波通过各向异性的路径的几何形状，各向异性对光波进行变换。例如， PBP透镜中液晶的分子各向异性和超材料的纳米结构导致透射或反射光波的相移。这种相移与各向异性材料的有效光轴的取向和快轴的取向成正比。
在一些实施例中，诸如PBP透镜300B的PBP透镜可以是有源的(也称为“有源元件”)或无源的(也称为“无源元件”)。例如，有源PBP透镜具有三种光学状态：加性状态、中性状态和减性状态。加性状态向系统添加光焦度，中性状态不影响系统的光焦度，也不影响穿过有源PBP透镜的光的偏振，减性状态从系统中减去光焦度。
有源PBP透镜的状态由入射到有源PBP透镜上的光的偏振旋向性和施加到由液晶制成的有源PBP透镜上的电压的量度来确定。例如，在一些实施例中，有源PBP LC透镜响应于具有右旋圆偏振的入射光和零(或更一般地，低于阈值电压值的)施加电压而工作在减性状态。在一些实施例中，有源PBP LC透镜响应于具有左旋圆偏振的入射光和零施加电压而工作在加性状态。在一些实施例中，响应于大于阈值电压的施加电压，有源 PBP LC透镜工作在中性状态(不管偏振如何)。大于阈值电压的施加电压使具有正介电各向异性的液晶沿与施加电压相关联的电场方向对齐。如果有源PBP LC透镜处于加性或减性状态，那么从有源PBP LC透镜输出的光具有与输入到有源PBP LC透镜的光的旋向性相反的旋向性。相比之下，如果有源PBP LC透镜处于中性状态，那么从有源PBP LC透镜输出的光与输入到有源PBPLC透镜的光具有相同的旋向性。
无源PBP透镜具有两种光学状态：加性状态和减性状态。无源PBP 透镜的状态由入射到无源PBP透镜上的光的偏振旋向性决定。通常，无源PBP透镜输出的光的旋向性与输入到无源PBP透镜的光的旋向性相反。例如，在一些实施例中，无源PBP透镜响应于具有右旋偏振的入射光而工作在减性状态，并且响应于具有左旋偏振的入射光而工作在加性状态。
在一些实施例中，诸如300的PBP光栅可以是有源的(也称为“有源元件”)或无源的(也称为“无源元件”)。例如，有源PBP光栅具有三种光学状态，它们类似于有源PBP透镜的光学状态：加性状态、中性状态和减性状态。在加性状态下，有源PBP光栅将特定波长的光衍射到相对于减性状态的衍射角为正的角度。在减性状态下，有源PBP光栅将特定波长的光衍射到相对于加性状态的正角度为负的角度。另一方面，在中性状态下， PBP光栅不会导致光的衍射，也不会影响穿过有源PBP光栅的光的偏振。
有源PBP光栅的状态由入射到有源PBP光栅上的光的偏振旋向性和施加到有源PBP光栅上的电压的量度来确定。例如，在一些实施例中，有源PBP光栅响应于具有右旋圆偏振的入射光和零(或者更一般地，低于阈值电压值的)施加电压而工作在减性状态。在一些实施例中，PBP光栅响应于具有左旋圆偏振的入射光和零施加电压而工作在加性状态。在一些实施例中，PBP光栅响应于大于阈值电压的施加电压而工作在中性状态(不管偏振如何)。大于阈值电压的施加电压将具有正介电各向异性的液晶沿着与施加电压相关联的电场方向对齐。如果有源PBP光栅处于加性状态或减性状态，那么从有源PBP光栅输出的光的旋向性与输入到有源PBP光栅的光的旋向性相反。如果有源PBP光栅处于中性状态，那么从有源PBP光栅输出的光与输入到有源PBP光栅的光具有相同的旋向性。
无源PBP光栅的状态由入射到无源PBP光栅上的光的偏振旋向性决定。例如，在一些实施例中，无源PBP光栅响应于具有右旋圆偏振的入射光而工作在减性状态。在一些实施例中，无源PBP光栅响应于具有左旋圆偏振的入射光而工作在加性状态。对于处于加性状态或减性状态的无源 PBP光栅，从无源PBP光栅输出的光具有与输入到无源PBP光栅的光的旋向性相反的旋向性。
减少PBP配置中的图像伪影和重影
根据一个实施例，图4包括三个曲线图410、420和430，它们示出了不同衍射级的相对强度随传输通过PBP透镜的光的相位的变化。例如，诸如300的PBP透镜产生对应于三个衍射级的光。在一个实施例中，PBP透镜产生分别对应于衍射级m＝+1、-1和零的初级光、共轭光和泄漏光。在本文的一些讨论中，PBP透镜的共轭级是光学系统被设计用于的级，而初级和泄漏级被认为是不期望的，并且可能导致图像伪影和重影。因此，减少初级和泄漏级可以导致由包含PBP透镜的光学系统产生的图像的提高的质量。在本文的其他讨论中，PBP透镜的初级是光学系统被设计用于的级，而共轭级和泄漏级被认为是不期望的，并且可能导致图像伪影和重影。因此，减少共轭级和泄漏级可以导致由包含PBP透镜的光学系统产生的图像的提高的质量。
曲线图410示出了泄漏光的强度随强加在入射到PBP透镜上(并穿过该透镜)的光上的相位(例如，双折射大小)的变化。对于非偏振入射光，泄漏光在穿过PBP透镜之后基本上保持非偏振。在相位π处，泄漏光相对最小(例如，在曲线图410中为最小值)，充当半波片的PBP透镜可以将相位π强加到入射光上。因此，因为泄漏光是不期望的，所以PBP透镜可以被配置为半波片，以对入射光强加相位π。
曲线图420示出了初级光的强度随强加在入射到PBP透镜上(并穿过该透镜)的光上的相位(例如，双折射大小)的变化。初级光在相位π处处于相对的最大值，充当半波片的PBP透镜可以在入射光上强加相位π。因此，PBP透镜可以被配置为半波片，以对入射光强加相位π。对于非偏振入射光，初级光在穿过这种PBP透镜之后基本上变为偏振的，变成右旋偏振。
曲线图430示出了共轭级光的强度随强加在入射到PBP透镜上(并穿过该透镜)的光上的相位(例如，双折射大小)的变化。与初级光类似，共轭级光在相位π处处于相对的最大值。这种相位可以由对入射光强加半波双折射的PBP透镜产生。对于非偏振入射光，共轭级光在穿过PBP透镜之后基本上变为偏振的，变成左旋偏振。
图5示出了如示例实施例500A、500B和500C中所示，对于三种不同颜色通道(例如，波长)的光，PBP透镜510的不同衍射级的光路。例如，PBP透镜510可以将不同颜色通道的光聚焦到不同的焦点。
如上所述，PBP透镜510的图案化液晶的周期性或分布的影响取决于波长。因此，不同颜色通道(波长)的入射光被PBP透镜510不同地聚焦。如图5所示，PBP透镜510接收包括不同颜色通道的光的入射光，每个颜色通道与不同的波长范围相关联(例如，红色、绿色和蓝色通道)。因为 PBP透镜510的焦点的位置(例如，焦距)基于入射光550的波长，所以不同颜色通道不会聚焦在同一焦平面中。例如，透镜510可以在焦点525 处聚焦红色通道520(或者更准确地说，红色通道的光谱带的特定波长) 的光。类似地，透镜510可以在焦点535处聚焦绿色通道530(或者更准确地说，绿色通道的光谱带的特定波长)的光，并且可以在焦点545处聚焦蓝色通道540(或者更准确地说，蓝色通道的光谱带的特定波长)的光。
除了将不同颜色通道的光聚焦到不同的会聚点(例如焦点)之外，PBP 透镜510可以对不同波长的光起不同的作用。例如，对于对应于绿色通道 530的光的波长，PBP透镜510可以最佳地起作用。换句话说，PBP透镜 510对于绿色通道530表现为半波片。在该实施例中，PBP透镜510在接收到绿色通道530的光时，产生包括共轭级并聚焦在焦点535处的输出光，以及初级光538。相比之下，如实施例500B所示，PBP透镜510在接收到红色通道520的光时，除了产生包括共轭级并聚焦在焦点525处的输出光之外，还产生泄漏光550和初级光555。由于PBP透镜510不同于半波片地对红色通道的光作用，所以产生了不期望的初级光和泄漏光。类似地，如实施例500C中所示，PBP透镜510在接收到蓝色通道540的光时，除了产生包括共轭级并聚焦在焦点545处的输出光之外，还产生泄漏光560 和初级光565。与红色通道(或具有除绿色光波长以外的波长的光)的情况一样，由于PBP透镜510不同于半波片地对蓝色通道的光作用，所以产生了不期望的初级光和泄漏光。作为这种不期望的初级光和泄漏光的结果，在多个颜色通道上工作的PBP透镜510可能导致图像具有降低的质量，例如图像包括重影和色差，导致图像模糊和看起来不聚焦。
图6示出了根据一些实施例的包括圆偏振器610和620以及PBP透镜630的系统600。虽然这里的示例涉及PBP透镜(例如，630和下面介绍的其他透镜)，但是所要求保护的实施例可以替代地或者附加地涉及PBP 光栅，例如上面关于图3A所描述的。换句话说，如本文所述，包含PBP 光栅和圆偏振器(例如610和620)的光学系统可以提供与包含PBP透镜和圆偏振器的光学系统相同或相似的益处。
在一些实施例中，圆偏振器610不需要被包括在系统600中。在各种实施例中，圆偏振器610和/或圆偏振器620可以是椭圆偏振器。光在穿过系统600的各个部分时的行为是相对于区域I至IV来描述的。对于图6，区域I被定义为圆偏振器610左侧的区域。区域II被定义为圆偏振器610 和PBP透镜630之间的区域。区域III被定义为PBP透镜630和圆偏振器 620之间的区域。区域IV被定义为圆偏振器620右侧的区域。
在图示的示例中，在区域I中，圆偏振器610接收入射光640。除非另有说明，为了便于描述，光640被假定为单色的，具有单个波长。在一些实施例中，光640可以是非偏振的。在其他实施例中，光640可以是椭圆偏振的(例如，部分圆偏振的)。在其他实施例中，光640可以是圆偏振的(或至少基本上完全圆偏振的)。在非偏振光的情况下，圆偏振器610 可以在区域II中输出具有与圆偏振器610的旋向性相匹配的旋向性的圆偏振光。例如，如果圆偏振器610是右旋圆偏振器，那么圆偏振器610的输出是右旋圆偏振的，反之，对于左旋圆偏振器亦然。在椭圆偏振光的情况下，圆偏振器610可以输出具有与圆偏振器610的旋向性相匹配的旋向性的基本上完全圆偏振光。在基本上完全圆偏振入射到圆偏振器610上的情况下，输出光可以基本上不变。
如果区域II中的圆偏振光入射到PBP透镜630上，那么PBP透镜630 输出的光可以是圆偏振光，并且具有与入射光(例如，圆偏振器610输出的光)的旋向性相反的旋向性。例如，如果入射光是右旋圆偏振的，那么 (例如，充当半波片的)PBP透镜630的输出是左旋圆偏振的。另外，PBP 透镜630的光输出(由图中的实线区域III和区域IV表示)可以被衍射并聚焦到区域IV中的焦点650。
在系统600不包括圆偏振器610的情况下，或者在圆偏振器610不使所有的光640圆偏振的情况下(例如，光640包括多于单个波长的光或者光640以非法向入射角入射的一般情况)，例如，椭圆偏振光可以入射到 PBP透镜630上。对于特定的示例，考虑椭圆偏振光主要是右旋圆偏振的，并具有相对少量的左旋圆偏振光。在这种情况下，由PBP透镜630输出的光可以主要是左旋圆偏振的(例如共轭级)，并且聚焦到焦点650。由PBP 透镜630输出的光也可以包括相对少量的偏离焦点650的右旋圆偏振光 660(例如，初级)。如上所述，这种初级光可能导致重影或其他有害的图像伪影。因此，包括圆偏振器610提供了减少初级光660的好处。
如上面简要提到的，圆偏振器610可能不会使所有的光640圆偏振，特别是在光640包括多于单个波长的光或者光640以非法向入射角入射的情况下。例如，光640可以包括分别用于红色、绿色和蓝色的三个颜色通道，或者光640是离轴准直光束。圆偏振器610可以被配置为对以特定角度的特定波长(或特定颜色通道)的光起作用，而对于其他波长和/或其他角度的光可能起不到最佳的作用(例如，不能使所有的透射光圆偏振)。因此，例如，圆偏振器610可以被配置为对一个颜色通道起作用，而对其他颜色通道的作用可能不是最佳的。在这种情况下，无论系统600中是否存在圆偏振器610，都可能存在初级光(例如660)。因此，圆偏振器620 可以布置在PBP透镜630的输出侧，以减少初级光660。
在一些实施例中，圆偏振器620可以具有与圆偏振器610的旋向性相反的旋向性。因此，初级光660的偏振方向与圆偏振器620的偏振方向相反。由于相反的旋向性，圆偏振器620可以减少或至少部分地消除初级光 660。例如，如果圆偏振器610是右旋的，那么圆偏振器620是左旋的。因为圆偏振器610是右旋的，所以PBP透镜630可以接收大多数的右旋圆偏振光，并且随后产生左旋共轭级(例如，聚焦在焦点650处)和右旋初级光(例如，660)。因此，初级光的偏振方向与圆偏振器620的偏振方向(它是左旋的)相反，这将减少或至少部分地消除初级光。
除了由圆偏振器610没有使所有的光640圆偏振(例如，在光640包括多于单个波长的光的情况下)导致的初级光(例如，660)之外，泄漏光670可能作为PBP透镜630被配置为对于特定波长(或特定颜色通道) 的光起作用，从而对于其他波长的光起不到最佳作用(例如，产生或透射泄漏光)的结果而产生。因此，例如，PBP透镜630可以被配置为对一个颜色通道起作用，而对其他颜色通道的作用可能不是最佳的。在这种情况下，对于除一个颜色通道之外的所有颜色通道，在区域III中可能存在泄漏光(例如670)。因此，圆偏振器620可以布置在PBP透镜630的输出侧，以减少或至少部分地消除泄漏光670。如上所述，圆偏振器620可以具有与圆偏振器610的旋向性相反的旋向性(或者，在没有圆偏振器610 的实施例中，具有与入射到PBP透镜630上的圆或椭圆偏振光的旋向性相反的旋向性)。因此，泄漏光670的偏振方向与圆偏振器620的偏振方向相反。由于相反的旋向性，圆偏振器620可以减少或至少部分地消除泄漏光670。例如，如果圆偏振器610(或入射到PBP透镜630上的光)是右旋的，那么圆偏振器620是左旋的。因为圆偏振器610是右旋的，所以PBP 透镜630可以接收大多数的右旋圆偏振光，并且随后产生左旋的共轭级(例如，聚焦在焦点650处)和右旋的泄漏光(例如，670)。因此，泄漏光的偏振方向与圆偏振器620的偏振方向(它是左旋的)相反，这将减少或至少部分地消除泄漏光。
图7示出了根据各种实施例的光学系统700的示例应用，该光学系统 700能够实现可切换的光焦度，并且结合了圆偏振器和PBP透镜。系统700 包括可选的第一圆偏振器710，并且在一些实施例中不需要被包括在系统 700中。系统700还包括第二圆偏振器720、第一PBP透镜730、第二PBP 透镜740、第一可切换LC波片750和第二可切换LC波片760。在一些实施例中，系统700中可以包括可选的消偏振器770。系统700(如在下面描述的光学系统中)的所有或一些部件可以彼此物理接触，彼此共享衬底，彼此层压，彼此光学接触，彼此之间具有匹配流体或光学胶的折射率，或者在它们之间可以具有空间。
在这里描述的示例中，第一圆偏振器710被认为是左旋圆偏振器，第二圆偏振器720被认为是右旋圆偏振器。在各种实施例中，系统700的所有或一些部件可以彼此物理接触，彼此共享衬底，彼此层压，彼此光学接触，彼此之间具有匹配流体或光学胶的折射率，和/或在它们之间可以具有空间。
第一可切换LC波片750和第二可切换LC波片760中的每一个都可以是可电切换的，以充当半波片或全波片。半波片添加双折射相位，该双折射相位切换穿过半波片的圆偏振光的旋向性(例如，右旋圆偏振光变成左旋圆偏振光，反之亦然)。全波片不会向穿过全波片的圆偏振光添加净双折射相位。为此，全波片不会切换圆偏振光的旋向性(例如，右旋圆偏振光保持是右旋圆偏振光，反之亦然)。通过施加高于或低于阈值量的电压，第一可切换LC波片750和第二可切换LC波片760中的每一个的状态是可选择的。例如，高于阈值的电压可导致可切换LC波片处于第一状态，而低于阈值的电压可导致可切换LC波片处于第二状态。
例如，系统700可以结合在可切换光焦度的眼镜中。光780可以沿着光轴785入射到消偏振器770上，无论光780是偏振的还是已经是非偏振的，消偏振器770都输出非偏振光。消偏振对于光780源自真实世界环境 (与虚拟的、计算机生成的环境相反)的情形可能是有益的，因为这种光可能以不可预测的方式偏振，并因此导致系统700中不受控制的光学效应。
系统700在系统的输入侧产生虚拟焦点790。可以通过电子切换第一可切换LC波片750和第二可切换LC波片760中的一个或两个来切换焦点790的位置。下面结合图8描述穿过系统700的光的特性的细节。
图8示出了根据各种实施例的光学系统700的圆偏振光的旋向性和其他细节。圆偏振光的特性部分地取决于第一可切换LC波片750和第二可切换LC波片760的状态。这些状态的组合可以部分地确定系统700产生的光焦度。在第一示例中，光810经受处于全波片状态的第一可切换LC 波片750，以便向光添加零净双折射相位。光810还经受处于半波片状态的第二可切换LC波片760，以便添加切换光的旋向性的双折射相位。在第二示例中，光820经受处于半波片状态的第一可切换LC波片750，以便添加切换光的旋向性的双折射相位。光820还经受处于全波片状态的第二可切换LC波片760，以便向光添加零净双折射相位。
在第一示例中，可以被可选的消偏振器770消偏振的光810在透射通过左旋圆的第一圆偏振器710时变成左旋圆偏振的。该左旋圆偏振光随后在透射通过第一PBP透镜730时变成右旋圆偏振光，并经历负光焦度-P1。具有光焦度-P1的右旋圆偏振光接着经历处于全波片状态的第一可切换LC 波片750，从而增加零净双折射相位。因此，光保持右旋圆偏振。该右旋圆偏振光随后在透射通过第二PBP透镜740时变成左旋圆偏振光，并经历正光焦度+P2。具有光焦度+P2的左旋圆偏振光接下来经历处于半波片状态的第二可切换LC波片760，以便添加将光的旋向性切换到右旋圆偏振的双折射相位。随后，净光焦度为-P1+P2的右旋圆偏振光透射通过第二圆偏振器720，该第二圆偏振器720是右旋圆的。因为光的旋向性和第二圆偏振器720的旋向性是相同的，所以光基本上不受影响地透射通过第二圆偏振器720。第二圆偏振器720倾向于阻挡光810中可能存在的泄漏光。例如，如上所述，泄漏光可能来自系统700中具有至少部分地取决于波长的光学性能的任何元件或元件的组合。
在第二示例中，可以被可选的消偏振器770消偏振的光820在透射通过第一圆偏振器710时变成左旋圆偏振的，第一圆偏振器710是左旋圆的。该左旋圆偏振光随后在透射通过第一PBP透镜730时变成右旋圆偏振光，并经历负光焦度-P1。具有光焦度-P1的右旋圆偏振光接下来经历处于半波片状态的第一可切换LC波片750，以便添加将光的旋向性切换到左旋圆偏振的双折射相位。该左旋圆偏振光随后在透射通过第二PBP透镜740时变成右旋圆偏振光，并经历负光焦度-P2。具有光焦度-P2的右旋圆偏振光接下来经历处于全波片状态的第二可切换LC波片760，从而添加不改变光的旋向性的零净双折射相位。因此，光保持为右旋圆偏振的。随后，净光焦度为-P1-P2的右旋圆偏振光透射通过第二圆偏振器720，该第二圆偏振器720是右旋圆的。因为光的旋向性和第二圆偏振器720的旋向性是相同的，所以光基本上不受影响地透射通过第二圆偏振器720。第二圆偏振器720倾向于阻挡光820中可能存在的泄漏光。例如，如上所述，泄漏光可能来自系统700中具有至少部分地取决于波长的光学性能的任何元件或元件的组合。
以上示例展示了可切换LC波片的状态如何用于电子控制系统的光焦度。尽管在这些示例中涉及两个可切换LC波片和两个PBP透镜，但是在各种实施例中，可以使用附加的可切换LC波片和PBP透镜来提供对光焦度的进一步控制(例如，提供更多的光焦度选择)。在一些实施例中，PBP 透镜730可以由提供光焦度-P1的传统透镜(凹面、凸面、球面、非球面或自由形式的玻璃或塑料透镜)或其他静态/无源透镜代替。虽然传统透镜的成本涉及比PBP透镜的厚度更大的厚度，但是由于传统透镜的色散与 PBP透镜的色散相反，所以总的色散降低了。此外，传统透镜不像PBP透镜那样具有不期望的衍射级，因此传统透镜倾向于具有较少的泄漏和重影图像问题。在这些实施例中，圆偏振器710是右旋圆偏振的，以向LC单元750提供右旋圆偏振光。在这些实施例中，消偏振器770和圆偏振器710 可以布置在PBP透镜730之前或在PBP透镜730和LC单元750之间。
图9示出了根据一个实施例的四分之一波片线性偏振器(QWPLP)堆叠900的圆偏振光和线性偏振光的旋向性，该堆叠900包括在第一四分之一波片920和第二四分之一波片930之间的线性偏振器910。QWPLP堆叠 900可用于降低光学系统中由PBP透镜的不期望的衍射级引起的杂散光的强度。例如，如果光学系统被设计成使用PBP透镜的输出的第一衍射级来操作，那么如上面所解释的，不期望的衍射级是第一级的共轭。
为了说明QWPLP堆叠900的操作，在第一示例中描述了输入光940 在穿过堆叠时的演化。在第二示例中描述了输入光950在穿过堆叠时的演化。在这两个示例中，线性偏振器910被认为是在水平方向上取向的。在第一示例中，输入光940是右旋圆偏振的。在透射通过第一四分之一波片 920时，光变为具有水平取向的线性偏振光。该水平线性偏振光将透射通过线性偏振器910并保持水平线性偏振。最后，在透射通过第二四分之一波片930时，水平线性偏振光变回右旋圆偏振光，保持输入光940上的旋向性。
在第二示例中，输入光950是左旋圆偏振的。在透射通过第一四分之一波片920时，光变为具有垂直取向的线性偏振光。该垂直线性偏振光将不会透射通过线性偏振器910，因此被阻挡。因此，鉴于第一和第二示例， QWPLP堆叠可用于保持圆偏振光的一个旋向性，同时阻挡相反的旋向性，从而增加圆偏振光的期望旋向性的纯度用于下一个光学元件。在一些实施例中，四分之一波片930可以被取向成产生输出的圆偏振的相反旋向性。在该实施例中，右旋圆偏振输入光940透射成左旋圆偏振，而左旋圆偏振输入光950被阻挡。
图10示出了根据一个实施例的光学系统1000的圆偏振光的旋向性，该光学系统1000包括圆偏振器、四分之一波片、线性偏振器和PBP透镜。例如，系统1000可以类似于系统700，但添加了QWPLP堆叠1005。系统 1000包括第一圆偏振器1010，其是可选的并且在一些实施例中不需要被包括在系统700中。系统700还包括第二圆偏振器1020、第一PBP透镜1030、第二PBP透镜1040、第一可切换LC波片1050和第二可切换LC 波片1060。在一些实施例中，系统1000中可以包括可选的消偏振器1070。在本文描述的示例中，第一圆偏振器1010被认为是左旋圆偏振器，第二圆偏振器1020被认为是右旋圆偏振器。系统1000的所有或一些部件可以彼此物理接触，彼此共享衬底，彼此层压，彼此光学接触，彼此之间具有匹配流体或光学胶的折射率，或者在它们之间可以具有空间。在示出的示例中，光1080经受处于全波片状态的第一可切换LC波片1050，以便向光添加零净双折射相位。光1080还经受处于半波片状态的第二可切换LC 波片1060，以便添加切换光的旋向性的双折射相位。
光1080可以被可选的消偏振器1070消偏振，在透射通过第一圆偏振器1010时变成左旋圆偏振的，第一圆偏振器1010是左旋圆的。该左旋圆偏振光随后在透射通过第一PBP透镜1030时变成右旋圆偏振光。该右旋圆偏振光是第一PBP透镜1030的共轭衍射级。此外，第一PBP透镜1030 可以产生初级衍射级的光1082，其是左旋圆偏振的。此外，第一PBP透镜1030的输出可以包括泄漏光1084，其也是左旋圆偏振的(例如，与入射到第一PBP透镜1030上的光的偏振相同)。虽然光1082和光1084在图 10中以相对于光1080的角度示出，但是这种角度仅仅是示意性的，并不表示光1082和光1084以这种角度行进。随后，被配置为透射右旋圆偏振光并阻挡左旋圆偏振光的QWPLP堆叠1005透射共轭衍射级的右旋圆偏振光，同时阻挡初级衍射级的光1082和泄漏光1084。
在透射通过QWPLP堆叠1005之后，右旋圆偏振光经历处于全波片状态的第一可切换LC波片1050，从而添加零净双折射相位。因此，光保持为右旋圆偏振的。该右旋圆偏振光随后在透射通过第二PBP透镜1040时变成左旋圆偏振光。这个左旋圆偏振光是第二PBP透镜1040的初级衍射级。此外，第二PBP透镜1040可以产生共轭衍射级的光1092，其是右旋圆偏振的。此外，第二PBP透镜1040的输出可以包括泄漏光1094，其也是右旋圆偏振的(例如，与入射在第二PBP透镜1040上的光的偏振相同)。虽然光1092和光1094在图10中以相对于光1080的角度示出，但是这种角度仅仅是示意性的，并不表示光1092和光1094以这种角度行进。随后，初级衍射级的左旋圆偏振光经历处于半波片状态的第二可切换LC波片 1060，以添加将光的旋向性切换到右旋圆偏振的双折射相位。同时，共轭衍射级的右旋圆偏振光和右旋圆偏振泄漏光也经历处于半波片状态的第二可切换LC波片1060，以便添加双折射相位，这些双折射相位将共轭衍射级光和泄漏光的旋向性切换到左旋圆偏振。
随后，右旋圆偏振光透射通过第二圆偏振器1020，第二圆偏振器1020 是右旋圆的。因为光的旋向性和第二圆偏振器720的旋向性是相同的，所以光基本上不受影响地透射通过第二圆偏振器1020。然而，第二圆偏振器 1020倾向于阻挡共轭衍射级光1092和泄漏光1094。
图11示出了根据一些实施例的包括图像源1110和光导1120的光学系统1100的框图。系统1100可以用在增强现实系统中，该系统向用户的眼睛1150提供真实世界光1130和虚拟世界的虚拟图像光1140。图像源1110 可以是光源和像素化光阀(未示出)，例如LCD显示器。虚拟图像光1140 可以是计算机生成的。系统1100还包括真实世界图像光学堆叠1160和组合图像光学堆叠1170，真实世界图像光学堆叠1160透射真实世界的图像光，组合图像光学堆叠1170透射真实世界和虚拟世界的图像光。对于一些实施例，增强现实系统的真实世界光实质上不变，因此零净光焦度被应用于真实世界光。另一方面，可能希望对虚拟世界图像应用光焦度(例如，放大)。因此，真实世界图像光学堆叠1160和组合图像光学堆叠1170可以包括具有将零净光焦度应用于真实世界光和将非零光焦度应用于虚拟世界图像的组合效果的元件。
光导1120可以具有片状(sheet-like)或平面形式，以通过全内反射携带光。光导1120的输出部分可以包括向外耦合的特征，例如表面凹槽或其他形状，其将光从光导内部重定向到光导外部并朝向组合图像光学堆叠 1170。
图12示出了根据一个实施例的光学系统1200的示例应用，该光学系统1200能够实现可切换的光焦度，并且结合了圆偏振器和PBP透镜。系统1200包括四分之一波片1205、第一PBP透镜1210、第一可切换LC波片1215、第二PBP透镜1220、第一圆偏振器1225、第三PBP透镜1230、第二可切换LC波片1235、第四PBP透镜1240、第三可切换LC波片1245、第二圆偏振器1250和光导1260。在一些实施例中，系统1200中可以包括可选的消偏振器1265。第一PBP透镜1210被配置为对于左旋圆偏振的入射光产生-P1的光焦度，并且对于右旋圆偏振的入射光产生+P1的光焦度。第二PBP透镜1220被配置为对于左旋圆偏振的入射光产生-P2的光焦度，并且对于右旋圆偏振的入射光产生+P2的光焦度。第三PBP透镜1230被配置为对于左旋圆偏振的入射光产生-P2的光焦度，并且对于右旋圆偏振的入射光产生+P2的光焦度。第四PBP透镜1240被配置为对于左旋圆偏振的入射光产生-P1的光焦度，并且对于右旋圆偏振的入射光产生+P1的光焦度。
参考图11所示的系统架构，四分之一波片1205、第一PBP透镜1210、第一可切换LC波片1215和第二PBP透镜1220可以被认为是真实世界图像光学堆叠，例如图11中的1160。第一圆偏振器1225、第三PBP透镜1230、第二可切换LC波片1235、第四PBP透镜1240、第三可切换LC波片1245 和第二圆偏振器1250可以被认为是组合图像光学堆叠，例如图11中的1170。
在这里描述的示例中，第一圆偏振器1225被认为是左旋圆偏振器，第二圆偏振器1250被认为是右旋圆偏振器。在各种实施例中，系统1200 的所有或一些部件可以彼此物理接触，彼此共享衬底，彼此层压，彼此光学接触，彼此之间具有匹配流体或光学胶的折射率，或者在它们之间可以具有空间。
第一可切换LC波片1215、第二可切换LC波片1235和第三可切换 LC波片1245中的每一个都可以是可电切换的，以充当半波片或全波片。半波片添加双折射相位，该双折射相位切换穿过半波片的圆偏振光的旋向性(例如，右旋圆偏振光变成左旋圆偏振光，反之亦然)。全波片不会给穿过全波片的圆偏振光添加净双折射相位。为此，全波片不会切换圆偏振光的旋向性(例如，右旋圆偏振光保持右旋圆偏振光，反之亦然)。可以通过施加高于或低于阈值量的电压来选择每个可切换LC波片的状态。例如，高于阈值的电压可导致可切换LC波片处于第一状态，而低于阈值的电压可导致可切换LC波片处于第二状态。
真实世界光1280可以沿着光轴1285入射到消偏振器1265上，消偏振器1265输出非偏振光，不管光1280是偏振的还是已经是非偏振的。消偏振对于真实世界光可能是有益的，因为这种光可能以不可预测的方式偏振，并因此导致系统1200中不受控制的光学效应。
系统1200在系统的真实世界输入侧产生虚拟焦点1290。焦点1290的位置可以通过电子切换可切换LC波片1215、1235和1245中一个或更多个来切换。下面在图13和图14中描述了穿过系统1200的光的特性的细节。
图13和图14示出了根据各种实施例的光学系统1200的圆偏振光的旋向性和其他细节。圆偏振光的特性部分地取决于第一和第二可切换LC 波片1215、1235和1245的状态。这些状态的组合可以部分地确定系统1200 产生的光焦度。在图13所示的示例中，右旋圆偏振光1310和左旋圆偏振光1315来自非偏振虚像源(例如，图11中的1110)。真实世界的右旋圆偏振光1320和左旋圆偏振光1325经受处于全波片状态的第一可切换LC 波片1215，以便添加保持光的旋向性的零净双折射相位。光1315和光1325 也经受处于全波片状态的第二可切换LC波片1235，从而给光添加零净双折射相位。最后，光1315和1325也经受处于半波片状态的第三可切换LC 波片1245，以便添加切换光的旋向性的双折射相位。
首先描述当光穿过系统1200时虚拟世界光的演化，光1310和光1315 可以处于来自虚拟图像光源的偏振态。这种偏振态可以是椭圆的，以便包括右旋圆偏振光1310和左旋圆偏振光1315。右旋圆偏振光1310立即被左旋圆的第一圆偏振器1225阻挡。左旋圆偏振光1315被第一圆偏振器1225 透射。该左旋圆偏振光随后在透射通过第三PBP透镜1230时变成右旋圆偏振光，并经历负光焦度-P2。具有光焦度-P2的右旋圆偏振光接着经历处于全波片状态的第二可切换LC波片1235，从而添加零净双折射相位。因此，光保持为右旋圆偏振的。该右旋圆偏振光随后在透射通过第四PBP透镜1240时变成左旋圆偏振光，并经历正光焦度+P1。具有光焦度+P1的左旋圆偏振光接下来经历处于半波片状态的第三可切换LC波片1245，以便添加将光的旋向性切换到右旋圆偏振的双折射相位。随后，净光焦度为 -P2+P1的右旋圆偏振光透射通过第二圆偏振器1250，该第二圆偏振器1250 是右旋圆的。因为光的旋向性和第二圆偏振器1250的旋向性是相同的，所以光基本上不受影响地透射通过第二圆偏振器1250。然而，第二圆偏振器1250倾向于阻挡光1315中可能存在的泄漏光。例如，如上所述，泄漏光可能来自系统1200中具有至少部分地取决于波长的光学性能的任何元件或元件的组合。
现在描述真实世界光在穿过系统1200时的演化，光1320可以是右旋圆偏振的，以及光1325可以是左旋圆偏振的。右旋圆偏振光1320在透射通过第一PBP透镜1210时变成左旋圆偏振光，并经历正光焦度+P1。具有光焦度+P1的左旋圆偏振光接着经历处于全波片状态的第一可切换LC波片1215，从而添加零净双折射相位。因此，光保持为左旋圆偏振的。该左旋圆偏振光随后在透射通过第二PBP透镜1220时变成右旋圆偏振光，并经历负光焦度-P2。具有光焦度-P2的右旋圆偏振光接下来经历四分之一波片1205，四分之一波片1205把右旋圆偏振光改变成y方向上的线性偏振光。该线性偏振光基本上没有影响地穿过光导1260，接着遇到第一圆偏振器1225。在一些实施例中，第一圆偏振器1225可以包括x方向上的线性偏振器和四分之一波片。在这样的实施例中，y方向上的线性偏振光被x 方向上的线性偏振器阻挡。
当透射通过第一PBP透镜1210时，左旋圆偏振光1325变成右旋圆偏振光并经历负光焦度-P1。具有光焦度-P1的右旋圆偏振光接下来经历处于全波片状态的第一可切换LC波片1215，从而添加零净双折射相位。因此，光保持为右旋圆偏振的。该右旋圆偏振光随后在透射通过第二PBP透镜 1220时变成左旋圆偏振光，并经历正光焦度+P2。具有光焦度+P2的左旋圆偏振光接着经历四分之一波片1205，四分之一波片1205将左旋圆偏振光改变为x方向上的线性偏振光。该线性偏振光基本上没有影响地穿过光导1260，接着遇到第一圆偏振器1225。在第一圆偏振器1225包括x方向上的线性偏振器和四分之一波片的情况下，x方向上的线性偏振光被x方向上的线性偏振器透射。同时，四分之一波片将x方向上的线性偏振光改变为左旋圆偏振光。该左旋圆偏振光随后在透射通过第三PBP透镜1230 时变成右旋圆偏振光，并经历负光焦度-P2。具有光焦度-P2的右旋圆偏振光接着经历处于全波片状态的第二可切换LC波片1235，从而添加零净双折射相位。因此，光保持为右旋圆偏振的。该右旋圆偏振光随后在透射通过第四PBP透镜1240时变成左旋圆偏振光，并经历正光焦度+P1。具有光焦度+P1的左旋圆偏振光接下来经历处于半波片状态的第三可切换LC波片1245，以便添加将光的旋向性切换到右旋圆偏振的双折射相位。随后，净光焦度为零(-P1+P2-P2+P1)的右旋圆偏振光透射通过第二圆偏振器 1250，该第二圆偏振器1250是右旋圆的。因为光的旋向性和第二圆偏振器1250的旋向性是相同的，所以光基本上不受影响地透射通过第二圆偏振器1250，并且任何左旋圆偏振重影被阻挡。
在图14所示的示例中，右旋圆偏振光1410和左旋圆偏振光1415来自非偏振虚像源(例如，图11中的1110)。真实世界的左旋圆偏振光1420 和右旋圆偏振光1425经受处于半波片状态的第一可切换LC波片1215，以便添加切换光的旋向性的双折射相位。光1415和光1425也经受处于半波片状态的第二可切换LC波片1235。最后，光1415和光1425也经受处于全波片状态的第三可切换LC波片1245，从而给光添加零净双折射相位。
首先描述虚拟世界光在穿过系统1200时的演化，光1410和光1415 可以处于来自虚拟图像光源的偏振态。这种偏振态可以是椭圆的，以便包括右旋圆偏振光1410和左旋圆偏振光1415。右旋圆偏振光1410立即被左旋圆的第一圆偏振器1225阻挡。左旋圆偏振光1415被第一圆偏振器1225 透射。该左旋圆偏振光随后在透射通过第三PBP透镜1230时变成右旋圆偏振光，并经历负光焦度-P2。具有光焦度-P2的右旋圆偏振光接下来经历处于半波片状态的第二可切换LC波片1235，以便添加切换光的旋向性的双折射相位。因此，光改变成左旋圆偏振的。该左旋圆偏振光随后在透射通过第四PBP透镜1240时变成右旋圆偏振光，并经历负光焦度-P1。具有光焦度-P1的右旋圆偏振光接下来经历处于全波片状态的第三可切换LC 波片1245，以便向光添加零净双折射相位。随后，右旋圆偏振光保持为右旋圆偏振的并且具有-P2-P1的净光焦度，并且透射通过第二圆偏振器1250，该第二圆偏振器1250是右旋圆的。因为光的旋向性和第二圆偏振器1250 的旋向性是相同的，所以光基本上不受影响地透射通过第二圆偏振器1250。然而，第二圆偏振器1250倾向于阻挡光1415中可能存在的泄漏光。例如，如上所述，泄漏光可能来自系统1200中具有至少部分地取决于波长的光学性能的任何元件或元件的组合。
现在描述当光穿过系统1200时真实世界光的演化，光1420可以是左旋圆偏振的，以及光1425可以是右旋圆偏振的。当透射通过第一PBP透镜1210时，左旋圆偏振光1420变成右旋圆偏振光并经历负光焦度-P1。具有光焦度-P1的右旋圆偏振光接下来经历处于半波片状态的第一可切换LC 波片1215，以便添加切换光的旋向性的双折射相位。因此，光改变成左旋圆偏振的。该左旋圆偏振光随后在透射通过第二PBP透镜1220时变成右旋圆偏振光，并经历负光焦度-P2。具有光焦度-P2的右旋圆偏振光接下来经过四分之一波片1205，四分之一波片1205将右旋圆偏振光改变为y方向上的线性偏振光。该线性偏振光基本上没有影响地穿过光导1260，接着遇到第一圆偏振器1225。在一些实施例中，第一圆偏振器1225可以包括 x方向上的线性偏振器和四分之一波片。在这样的实施例中，y方向上的线性偏振光被x方向上的线性偏振器阻挡。
右旋圆偏振光1425在透射通过第一PBP透镜1210时变成左旋圆偏振光，并且经历正光焦度+P1。具有光焦度+P1的左旋圆偏振光接下来经历处于半波片状态的第一可切换LC波片1215，以便添加切换光的旋向性的双折射相位。因此，光改变为右旋圆偏振的。该右旋圆偏振光随后在透射通过第二PBP透镜1220时变成左旋圆偏振光，并经历正光焦度+P2。具有光焦度+P2的左旋圆偏振光接着经历四分之一波片1205，四分之一波片 1205将左旋圆偏振光改变为x方向上的线性偏振光。该线性偏振光基本上没有影响地穿过光导1260，接着遇到第一圆偏振器1225。在第一圆偏振器1225包括x方向上的线性偏振器和四分之一波片的情况下，x方向上的线性偏振光被x方向上的线性偏振器透射。同时，四分之一波片将x方向上的线性偏振光改变为左旋圆偏振光。该左旋圆偏振光随后在透射通过第三PBP透镜1230时变成右旋圆偏振光，并经历负光焦度-P2。具有光焦度 -P2的右旋圆偏振光接下来经历处于半波片状态的第二可切换LC波片 1235，以便添加切换光的旋向性的双折射相位。因此，光改变为左旋圆偏振的。该左旋圆偏振光随后在透射通过第四PBP透镜1240时变成右旋圆偏振光，并经历负光焦度-P1。具有光焦度1P1的右旋圆偏振光接下来经历处于全波片状态的第三可切换LC波片1245，从而向光添加零净双折射相位。因此，右旋圆偏振光保持为右旋圆偏振的。随后，净光焦度为零 (+P1+P2-P2-P1)的右旋圆偏振光透射通过第二圆偏振器1250，该第二圆偏振器是右旋圆的。因为光的旋向性和第二圆偏振器1250的旋向性是相同的，所以光基本上不受影响地透射通过第二圆偏振器1250，并且任何左旋圆偏振重影被阻挡。
在系统1200的一些实施例中，PBP透镜1230和PBP透镜1220可以由传统透镜(凹面、凸面、球面、非球面或自由形式的玻璃或塑料透镜) 或其他静态/无源透镜代替，它们分别提供-P2和+P2光焦度。通过用右旋圆偏振器代替左旋圆偏振器1225，并调整四分之一波片的取向以将右旋圆偏振转换为x方向上的线性偏振光，图13和图14中的光1310、1315、1320、1325、1410、1415、1420和1425的偏振演化将保持不变。传统透镜的成本需要比PBP透镜更大的厚度，但由于传统透镜具有与PBP透镜相反的色散，所以总的色散降低了。此外，传统透镜不像PBP透镜那样具有不期望的衍射级，因此倾向于具有较少的泄漏和重影。
图15是控制台1510在其中操作的近眼显示器(NED)系统1500的实施例的框图。NED系统1500可以在虚拟现实(VR)系统环境、增强现实(AR)系统环境、混合现实(MR)系统环境或它们的某种组合中操作。图15中所示的NED系统1500包括NED 1505和耦合到控制台1510的输入/输出(I/O)接口1515。
虽然图15示出了包括一个NED 1505和一个I/O接口1515的示例NED 系统1500，但是在其他实施例中，NED系统1500中可以包括任何数量的这些部件。例如，可以有多个NED1505，每个NED 1505具有相关联的I/O 接口1515，其中每个NED 1505和I/O接口1515与控制台1510通信。在替代配置中，不同的和/或附加的部件可以被包括在NED系统1500中。另外，在一些实施例中，被包括在NED 1505、控制台1510和I/O接口1515 内的各种部件可以以不同于结合图15描述的方式来分布。例如，控制台 1510的一些或全部功能可以由NED 1505提供。
NED 1505可以是向用户呈现内容的头戴式显示器。该内容可以包括包括计算机生成的元素(例如，二维或三维图像、二维或三维视频、声音等)的物理、真实世界环境的虚拟和/或增强视图。在一些实施例中，NED 1505还可以向用户呈现音频内容。NED 1505和/或控制台1510可以通过 I/O接口1515将音频内容传输到外部设备。外部设备可以包括各种形式的扬声器系统和/或头戴式耳机。在各种实施例中，音频内容与由NED 1505 显示的视觉内容同步。
NED 1505可以包括一个或更多个刚性主体，它们可以刚性或非刚性地耦合在一起。刚性主体之间的刚性耦合导致耦合的刚性主体充当单个刚性实体。相比之下，在刚性主体之间的非刚性耦合允许刚性主体相对于彼此移动。
如图15所示，NED 1505可以包括深度相机组件(DCA)1520、显示器1525、光学组件1530、一个或更多个位置传感器1535、惯性测量单元 (IMU)1540、眼睛跟踪系统1545和变焦模块1550。在一些实施例中，显示器1525和光学组件1530可以一起集成到投影组件中。与上面列出的部件相比，NED 1505的各种实施例可以具有加的、更少的或不同的部件。另外，在各种实施例中，每个部件的功能可以部分或完全地被一个或更多个其他部件的功能所涵盖。
DCA 1520捕获描述NED 1505周围的区域的深度信息的传感器数据。传感器数据可以通过例如三角测量、结构光成像、飞行时间成像、激光扫描等的深度成像技术中的一种或组合来生成。DCA 1520可以使用传感器数据计算NED 1505周围的区域的各种深度属性。附加地或替代地，DCA 1520可以将传感器数据传输到控制台1510进行处理。
DCA 1520包括照明源、成像设备和控制器。照明源将光发射到围绕 NED 1505的区域上。在一个实施例中，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、时间特性等)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进行操作。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)或某种其他源。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。除了由多个发射器产生的从环境中的物体反射的光之外，成像设备捕获围绕NED 1505 的环境中的环境光。在各种实施例中，成像设备可以是红外相机或被配置为在可见光谱中操作的相机。控制器协调照明源如何发射光以及成像设备如何捕获光。例如，控制器可以确定发射光的亮度。在一些实施例中，控制器还分析检测到的光以检测环境中的物体以及与这些物体相关的位置信息。
显示器1525根据从控制台1510接收的像素数据向用户显示二维或三维图像。在各种实施例中，显示器1525包括单个显示器或多个显示器(例如，用户的每只眼睛对应单独的显示器)。在一些实施例中，显示器1525 包括单个或多个波导显示器。光可以通过例如液晶显示器(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、基于激光器的显示器、一个或更多个波导、其他类型的显示器、扫描仪、一维阵列等耦合到单个或多个波导显示器中。此外，显示器类型的组合可以结合在显示器1525中，并且单独、并行和/或组合使用。
光学组件1530放大从显示器1525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 1505的用户。光学组件1530包括多个光学元件。例如，光学组件1530中可以包括一个或更多个以下光学元件：光圈、菲涅耳透镜、凸透镜、凹透镜、滤光器、反射表面、或偏转、反射、折射和/或以某种方式改变图像光的任何其他合适的光学元件。此外，光学组件1530可以包括不同光学元件的组合。在一些实施例中，光学组件1530中的一个或更多个光学元件可以具有一个或更多个涂层(例如部分反射的或抗反射的涂层)。光学组件1530可以集成到投影组件(例如投影组件)中。在一个实施例中，光学组件1530包括光学块155。
在操作中，光学组件1530放大并聚焦由显示器1525产生的图像光。这样，与不使用光学组件1530的显示器相比，光学组件1530使得显示器 1525在物理上更小、重量更轻并且消耗更少的功率。此外，放大可以增大显示器1525所呈现的内容的视场。例如，在一些实施例中，所显示的内容的视场部分地或完全地使用用户的视场。例如，所显示的图像的视场可以达到或超过1510度。在各种实施例中，可以通过添加或移除光学元件来调整放大量。
在一些实施例中，光学组件1530可以被设计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、纵向色差或横向色差。除了另外类型的光学误差之外，其他类型的光学误差还可以包括球面像差、色差或由于透镜场曲率、像散(astigmatism)引起的误差。在一些实施例中，传输到显示器1525的视觉内容被预失真，并且当来自显示器 1525的图像光穿过光学组件1530的各种光学元件时，光学组件1530校正该失真。在一些实施例中，光学组件1530的光学元件集成到显示器1525 中作为投影组件，该投影组件包括与一个或更多个光学元件耦合的至少一个波导。
IMU 1540是电子器件，其基于从一个或更多个位置传感器1535接收的测量信号和从DCA 1520接收的深度信息来生成指示NED 1505的位置的数据。在NED 1505的一些实施例中，IMU 1540可以是专用硬件部件。在其他实施例中，IMU 1540可以是在一个或更多个处理器中实现的软件部件。在一个实施例中，IMU 1540是与图15A的IMU 1515相同的部件，并且位置传感器1535是与位置传感器1520相同的部件。
在操作中，位置传感器1535响应于NED 1505的运动而生成一个或更多个测量信号。位置传感器1535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、一个或更多个高度计、一个或更多个倾角仪和/或用于运动检测、漂移检测和/或误差检测的各种类型的传感器。位置传感器1535可以位于IMU 1540的外部、IMU 1540的内部或者这两个位置的某种组合。
基于来自一个或更多个位置传感器1535的一个或更多个测量信号， IMU 1540生成指示相对于NED 1505的初始位置的NED 1505的估计的当前位置的数据。例如，位置传感器1535包括测量平移运动(向前/向后、向上/向下、向左/向右)的多个加速度计和测量旋转运动(例如，俯仰、偏航、和横滚)的多个陀螺仪。在一些实施例中，IMU 1540对测量信号进行快速采样，并根据所采样的数据来计算NED 1505的估计的当前位置。例如，IMU 1540对从加速度计接收到的测量信号在时间上求积分以估计速度矢量，并对速度矢量在时间上求积分以确定在NED 1505上的参考点的估计的当前位置。替代地，IMU 1540向控制台1510提供采样的测量信号，控制台1510分析采样数据以确定一个或更多个测量误差。控制台1510还可以向IMU 1540传输一个或更多个控制信号和/或测量误差，以配置IMU 1540来校正和/或减小一个或更多个测量误差(例如，漂移误差)。参考点是可以用来描述NED 1505的位置的点。参考点通常可以被定义为空间中的点或者与NED 1505的位置和/或定向相关的位置。
在各种实施例中，IMU 1540从控制台1510接收一个或更多个参数。该一个或更多个参数用于保持对NED 1505的跟踪。基于接收到的参数， IMU 1540可以调整一个或更多个IMU参数(例如，采样率)。在一些实施例中，某些参数导致IMU 1540更新参考点的初始位置，使得其对应于参考点的下一个位置。将参考点的初始位置更新为参考点的下一个校准位置有助于减小IMU 1540在检测当前位置估计时的漂移误差。
在一些实施例中，眼睛跟踪系统1545被集成到NED 1505中。眼睛跟踪系统1545可以包括一个或更多个照明源和成像设备(相机)。在操作中，当用户佩戴NED 1505时，眼睛跟踪系统1545生成并分析与用户眼睛相关的跟踪数据。眼睛跟踪系统1545可以进一步生成眼睛跟踪信息，该信息可以包括关于用户眼睛位置的信息，即，关于眼睛注视角度的信息。
在一些实施例中，变焦模块1550进一步被集成到NED 1505中。变焦模块1550可以通信地耦合到眼睛跟踪系统1545，以便使变焦模块1550能够从眼睛跟踪系统1545接收眼睛跟踪信息。变焦模块1550可以基于从眼睛跟踪系统1545接收的眼睛跟踪信息，进一步修改从显示器1525发射的图像光的聚焦。因此，变焦模块1550可以减少当用户的眼睛分辨图像光时可能产生的视觉辐辏调节冲突(vergence-accommodation conflict)。在各种实施例中，变焦模块1550可以与光学组件1530的至少一个光学元件通过接口连接(例如，机械地或电气地)。
在操作中，变焦模块1550可以调整光学组件1530中的一个或更多个光学元件的位置和/或定向，以便调整通过光学组件1530传播的图像光的聚焦。在各种实施例中，变焦模块1550可以使用从眼睛跟踪系统1545获得的眼睛跟踪信息来确定如何调整光学组件1530中的一个或更多个光学元件。在一些实施例中，变焦模块1550可以基于从眼睛跟踪系统1545获得的眼睛跟踪信息来执行图像光的注视点渲染(foveated rendering)，以便调整由显示器1525发射的图像光的分辨率。在这种情况下，变焦模块1550 将显示器1525配置为在用户眼睛注视的中央凹区(foveal region)中显示高像素密度，而在用户眼睛注视的其他区域中显示低像素密度。
I/O接口1515便于将动作请求从用户传送到控制台1510。此外，I/O 接口1515便于将设备反馈从控制台1510传送给用户。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，或者是在应用内执行特定动作的指令，例如暂停视频回放、增加或减小音频回放的音量等。在各种实施例中，I/O接口1515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、操纵杆和/或用于接收动作请求并将动作请求传送到控制台1510的任何其他合适的设备。在一些实施例中，I/O接口1515包括IMU 1540，其捕获指示相对于I/O接口1515的初始位置的I/O接口1515的估计的当前位置的校准数据。
在操作中，I/O接口1515接收来自用户的动作请求，并将这些动作请求传送到控制台1510。响应于接收到动作请求，控制台1510执行相应的动作。例如，响应于接收到动作请求，控制台1510可以配置I/O接口1515 以将触觉反馈发射到用户的手臂上。例如，控制台1515可以配置I/O接口 1515，以在接收到动作请求时向用户传递触觉反馈。附加地或替代地，控制台1510可以配置I/O接口1515，以在控制台1510响应于接收到动作请求而执行动作时生成触觉反馈。
控制台1510向NED 1505提供内容，用于根据从DCA 1520、NED 1505 和I/O接口1515中的一个或更多个接收的信息来进行处理。在图15所示的实施例中，控制台1510包括应用储存器1555、跟踪模块1560和引擎 1565。在一些实施例中，与结合图15描述的模块和/或部件相比，控制台 1510可以具有附加的、更少的或不同的模块和/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15描述的方式分布在控制台1510的部件中。
应用储存器1555存储用于由控制台1510执行的一个或更多个应用。应用是一组指令，该组指令当被处理器执行时，执行一组特定的功能，例如生成内容以呈现给用户。例如，应用可以响应于(例如，经由当用户移动他/她的头部时NED 1505的移动，经由I/O接口1515等)接收到来自用户的输入而生成内容。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。
跟踪模块1560使用一个或更多个校准参数校准NED系统1500。跟踪模块1560可以进一步调整一个或更多个校准参数，以减小在确定NED 1505或I/O接口1515的位置和/或定向时的误差。例如，跟踪模块1560可以将校准参数传输到DCA 1520，以便调整DCA 1520的聚焦。因此，DCA 1520可以更准确地确定从环境中的物体反射的结构光元素的位置。跟踪模块1560还可以在确定要修改的各种校准参数时，分析由IMU 1540生成的传感器数据。此外，在一些实施例中，如果NED 1505失去对用户眼睛的跟踪，则跟踪模块1560可以重新校准NED系统1500中的一些或所有部件。例如，如果DCA 1520失去投射到用户眼睛上的至少阈值数量的结构光元素的视线，则跟踪模块1560可以将校准参数传输到变焦模块1550，以便重新建立眼睛跟踪。
跟踪模块1560使用来自DCA 1520、一个或更多个位置传感器1535、 IMU 1540或它们的某种组合的信息来跟踪NED 1505和/或I/O接口1515 的移动。例如，跟踪模块1560可以根据NED 1505局部的区域的映射来确定NED 1505的参考位置。跟踪模块1560可以基于从NED 1505本身接收的信息生成该映射。跟踪模块1560还可以利用来自IMU 1540的传感器数据和/或来自DCA 1520的深度数据来确定NED 1505和/或I/O接口1515 的参考位置。在各种实施例中，跟踪模块1560生成对NED 1505和/或I/O 接口1515的后续位置的估计和/或预测。跟踪模块1560可以将预测的后续位置传输到引擎1565。
引擎1565基于从NED 1505接收的信息生成NED 1505周围的区域(即，“局部区域”)的三维映射。在一些实施例中，引擎1565基于从DCA 1520 接收的深度数据(例如，局部区域中的物体的深度信息)来确定用于局部区域的三维映射的深度信息。在一些实施例中，引擎1565通过使用由DCA 1520生成的深度数据来计算NED 1505的深度和/或位置。特别地，引擎1565可以实现用于计算NED 1505的深度和/或位置的各种技术，例如基于立体的技术、结构光照明技术、飞行时间技术等等。在各种实施例中，引擎1565使用从DCA 1520接收的深度数据来更新局部区域的模型，并且部分基于更新后的模型来生成和/或修改媒体内容。
引擎1565还执行在NED系统1500内的应用，并从跟踪模块1560接收NED 1505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1565确定各种形式的媒体内容以传输到NED 1505以呈现给用户。例如，如果接收到的信息指示用户已经向左看，则引擎1565为NED 1505生成媒体内容，该媒体内容反映了用户在虚拟环境中或在用附加媒体内容增强局部区域的环境中的移动。因此，引擎1565可以生成和/或修改媒体内容(例如，视觉和/或音频内容) 以呈现给用户。引擎1565可以进一步将媒体内容传输到NED 1505。另外，响应于从I/O接口1515接收到动作请求，引擎1565可以在控制台1510上执行的应用内执行动作。当动作被执行时，引擎1505可以进一步提供反馈。例如，引擎1565可以配置NED 1505以生成视觉和/或音频反馈，和/ 或配置I/O接口1515以生成对用户的触觉反馈。
在一些实施例中，基于从眼睛跟踪系统1545接收的眼睛跟踪信息(例如，用户眼睛的定向)，引擎1565确定提供给NED 1505以在显示器1525 上呈现给用户的媒体内容的分辨率。引擎1565可以至少部分基于从眼睛跟踪系统1545接收的用户注视的方向，通过配置显示器1525执行视觉内容的注视点渲染，来调整提供给NED 1505的视觉内容的分辨率。引擎1565 向NED 1505提供内容，在显示器1525上，该内容在用户注视的中央凹区中具有高分辨率，而在其他区域中具有低分辨率，从而降低NED 1505的功耗。此外，在不影响用户视觉体验质量的情况下，使用注视点渲染减少了在渲染视觉内容中使用的计算周期的数量。在一些实施例中，引擎1565 可以进一步使用眼睛跟踪信息来调整从显示器1525发射的图像光的聚焦，以便减少视觉辐辏调节冲突。
1.一种光学系统，包括：几何相位元件，其被配置为响应于接收到输入光，产生与第一衍射级相关联的第一光束和与第二衍射级相关联的第二光束；以及椭圆偏振器，其被配置为降低所述第一光束的强度并基本上保持所述第二光束的强度。
2.根据条款1所述的光学系统，还包括第二椭圆偏振器。
3.根据条款1或2所述的光学系统，其中所述椭圆偏振器包括具有第一旋向性的圆偏振器，第二椭圆偏振器包括具有与所述第一旋向性相反的第二旋向性的圆偏振器。
4.根据条款1-3中任一项所述的光学系统，还包括消偏振器，所述消偏振器被配置为向第二椭圆偏振器提供非偏振光。
5.根据条款1-4中任一项所述的光学系统，其中所述几何相位元件还被配置成产生与第三衍射级相关联的第三光束，并且所述椭圆偏振器还被配置成降低所述第三光束的强度。
6.根据条款1-5中任一项所述的光学系统，其中所述几何相位元件包括可切换的Pancharatnam Berry相位(PBP)透镜。
7.根据条款1-6中任一项所述的光学系统，其中所述几何相位元件包括两个或更多个Pancharatnam Berry相位(PBP)透镜的堆叠。
8.根据条款1-7中任一项所述的光学系统，还包括向所述几何相位元件提供所述输入光的传统透镜。
9.根据条款1-8中任一项所述的光学系统，其中所述几何相位元件包括第一堆叠，所述第一堆叠包括具有第一光焦度的第一PBP透镜和具有第二光焦度的第二PBP透镜，所述光学系统还包括光导和PBP透镜的第二堆叠，所述光导被配置为向所述椭圆偏振器提供图像光，PBP透镜的所述第二堆叠包括第三PBP透镜和第四PBP透镜，所述第三PBP透镜具有与所述第一光焦度共轭的光焦度，所述第四PBP透镜具有与所述第二光焦度共轭的光焦度。
10.根据条款1-9中任一项所述的光学系统，其中，所述第一PBP透镜、第二PBP透镜、第三PBP透镜和第四PBP透镜中的至少一个包括可切换的PBP透镜，用于提供可切换的像平面。
11.根据条款1-10中任一项所述的光学系统，还包括多个可电切换的 PBP液晶半波片，所述多个可电切换的PBP液晶半波片中的每一个与所述第一PBP透镜、第二PBP透镜、第三PBP透镜和第四PBP透镜中不同的一个相邻，所述多个可电切换的PBP液晶半波片以及所述第一PBP透镜、第二PBP透镜、第三PBP透镜和第四PBP透镜被配置为提供可切换的像平面。
12.根据条款1-11中任一项所述的光学系统，还包括向所述光导提供所述图像光的液晶显示设备。
13.根据条款1-12中任一项所述的光学系统，其中所述光学系统被包括在增强现实头戴式设备中。
14.根据条款1-13中任一项所述的光学系统，还包括与所述几何相位元件相邻的第一四分之一波片和第二四分之一波片，以及在所述第一四分之一波片和所述第二四分之一波片之间的线性偏振器。
15.根据条款1-14中任一项所述的光学系统，其中所述几何相位元件包括Pancharatnam Berry相位(PBP)光栅。
16.一种头戴式显示器(HMD)，包括电子显示器、Pancharatnam Berry 相位(PBP)几何相位元件的第一堆叠、以及椭圆偏振器，所述电子显示器被配置为发射图像光，所述Pancharatnam Berry相位(PBP)几何相位元件的第一堆叠被配置为响应于所述图像光而产生与第一衍射级相关联的第一光束和与第二衍射级相关联的第二光束，所述椭圆偏振器被配置为降低所述第一光束的强度并基本上保持所述第二光束的强度。
17.根据条款16所述的HMD，还包括被配置为产生输出光的PBP几何相位元件的第二堆叠，以及在PBP几何相位元件的所述第一堆叠和PBP 几何相位元件的所述第二堆叠之间的光导，所述光导被配置为向PBP几何相位元件的所述第一堆叠提供所述图像光，并传输由PBP几何相位元件的所述第二堆叠产生的输出光。
18.根据条款16或17所述的HMD，其中PBP几何相位元件的所述第一堆叠包括具有第一光焦度的第一PBP透镜和具有第二光焦度的第二 PBP透镜，并且其中PBP几何相位元件的所述第二堆叠包括第三PBP透镜和第四PBP透镜，所述第三PBP透镜具有与所述第一光焦度相反的光焦度，所述第四PBP透镜具有与所述第二光焦度相反的光焦度。
19.根据条款16-18中任一项所述的HMD，还包括分别与所述第一 PBP透镜、第二PBP透镜、第三PBP透镜和第四PBP透镜相邻的可电切换的PBP液晶半波片，所述可电切换的PBP液晶半波片以及所述第一PBP 透镜、第二PBP透镜、第三PBP透镜和第四PBP透镜用于提供可切换的像平面。
20.一种头戴式显示器(HMD)，包括电子显示器、第一椭圆偏振器、几何相位元件以及第二椭圆偏振器，所述电子显示器被配置为发射图像光、所述第一椭圆偏振器被配置为基于所述图像光产生椭圆偏振光，所述几何相位元件被配置为响应于接收椭圆偏振光而产生与第一衍射级相关联的第一光束和与第二衍射级相关联的第二光束，所述第二椭圆偏振器被配置为降低所述第一光束的强度并基本上保持所述第二光束的强度。
在任何权利要求中叙述的任何权利要求元素和/或在本申请中描述的任何元素的任何和所有组合，以任何方式，都落在本发明和保护的设想的范围内。
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。数据处理领域的技术人员通常使用这些算法描述和表示来向本领域的其他技术人员有效地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，但应理解为将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联的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，利用包括计算机可读介质的计算机程序产品来实现软件模块，该计算机可读介质包含计算机程序代码，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。这种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，或者任何类型的适于存储电子指令的介质中，其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架构。
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的、有形的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。
为了说明的目的，已经给出了各种实施例的描述，但是这些描述并不意图是无遗漏的或限制于所公开的实施例。在不脱离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说是明显的。
本实施例的方面可以体现为系统、方法或计算机程序产品。因此，本公开的方面可以采取完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、常驻软件、微代码等)，或结合软件和硬件方面(这些方面在本文中通常都被称为“模块”或“系统”)的实施例的形式。此外，本公开的各方面可以采取计算机程序产品的形式，该计算机程序产品体现在一个或更多个计算机可读介质中，该计算机可读介质在其上体现有计算机可读程序代码。
可以利用一个或更多个计算机可读介质的任何组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可以是，例如但不限于，电子、磁、光、电磁、红外或半导体系统、装置或设备，或前述的任何合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的示例 (非穷举列表)将包括以下：具有一条或更多条导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式光盘只读存储器 (CD-ROM)、光存储设备、磁存储设备或前述的任何合适的组合。在本文档的上下文中，计算机可读存储介质可以是能够包含或存储由指令执行系统、装置或设备使用或结合指令执行系统、装置或设备来使用的程序的任何有形介质。
以上参考根据本公开的实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本公开的方面。应当理解，流程图和/或框图的每个框以及流程图和/或框图中的框的组合可以通过计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以被提供给通用计算机、专用计算机或用于产生机器的其他可编程数据处理装置的处理器。当通过计算机或其他可编程数据处理装置的处理器执行时，这些指令能够实现流程图和/或框图的一个或更多个框中指定的功能/动作。这种处理器可以是但不限于通用处理器、专用处理器、应用特定处理器或现场可编程门阵列。
图中的流程图和框图示出了根据本公开的各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个框可以表示模块、代码段或代码部分，其包括用于实现指定逻辑功能的一个或更多个可执行指令。还应当注意，在一些替代实现中，框中提到的功能可以不按图中提到的顺序进行。例如，连续示出的两个框实际上可以基本上同时执行，或者这些框有时可以以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。还将注意到，框图和/或流程图中的每个框以及框图和 /或流程图中的框的组合可以由执行指定功能或动作的基于专用硬件的系统或者由专用硬件和计算机指令的组合来实现。
虽然前面针对本公开的实施例，但是在不脱离本公开的基本范围的情况下，可以设计本公开的其他和进一步的实施例，并且本公开的范围由所附权利要求确定。

Claims (34)

1.一种光学系统，包括：
几何相位元件，其被配置为响应于接收到输入光，产生与第一衍射级相关联的第一光束和与第二衍射级相关联的第二光束；和
椭圆偏振器，其被配置为降低所述第一光束的强度并基本上保持所述第二光束的强度。
2.根据权利要求1所述的光学系统，还包括第二椭圆偏振器。
3.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述椭圆偏振器包括具有第一旋向性的圆偏振器，并且所述第二椭圆偏振器包括具有与所述第一旋向性相反的第二旋向性的圆偏振器。
4.根据权利要求2所述的光学系统，还包括消偏振器，所述消偏振器被配置为向所述第二椭圆偏振器提供非偏振光。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述几何相位元件还被配置成产生与第三衍射级相关联的第三光束，并且所述椭圆偏振器还被配置成降低所述第三光束的强度。
6.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述几何相位元件包括能够切换的Pancharatnam Berry相位(PBP)透镜。
7.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述几何相位元件包括两个或更多个Pancharatnam Berry相位(PBP)透镜的堆叠。
8.根据权利要求1所述的光学系统，还包括传统透镜，以向所述几何相位元件提供所述输入光。
9.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述几何相位元件包括第一堆叠，所述第一堆叠包括具有第一光焦度的第一PBP透镜和具有第二光焦度的第二PBP透镜，所述光学系统还包括：
光导，其被配置为向所述椭圆偏振器提供图像光；和
PBP透镜的第二堆叠，其包括第三PBP透镜和第四PBP透镜，所述第三PBP透镜具有与所述第一光焦度共轭的光焦度，所述第四PBP透镜具有与所述第二光焦度共轭的光焦度。
10.根据权利要求9所述的光学系统，其中，所述第一PBP透镜、所述第二PBP透镜、所述第三PBP透镜和所述第四PBP透镜中的至少一个包括能够切换的PBP透镜，用于提供能够切换的像平面。
11.根据权利要求9所述的光学系统，还包括多个能够电切换的PBP液晶半波片，所述多个能够电切换的PBP液晶半波片中的每一个与所述第一PBP透镜、所述第二PBP透镜、所述第三PBP透镜和所述第四PBP透镜中不同的一个相邻，所述多个能够电切换的PBP液晶半波片以及所述第一PBP透镜、所述第二PBP透镜、所述第三PBP透镜和所述第四PBP透镜被配置成提供能够切换的像平面。
12.根据权利要求9所述的光学系统，还包括向所述光导提供所述图像光的液晶显示设备。
13.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述光学系统被包括在增强现实头戴式设备中。
14.根据权利要求1所述的光学系统，还包括：
与所述几何相位元件相邻的第一四分之一波片和第二四分之一波片；和
位于所述第一四分之一波片和所述第二四分之一波片之间的线性偏振器。
15.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述几何相位元件包括PancharatnamBerry相位(PBP)光栅。
16.一种头戴式显示器(HMD)，包括：
电子显示器，其被配置为发射图像光；
Pancharatnam Berry相位(PBP)几何相位元件的第一堆叠，其被配置为响应于所述图像光，产生与第一衍射级相关联的第一光束和与第二衍射级相关联的第二光束；和
椭圆偏振器，其被配置为降低所述第一光束的强度并基本上保持所述第二光束的强度。
17.根据权利要求16所述的HMD，还包括：
PBP几何相位元件的第二堆叠，其被配置成产生输出光；和
光导，其位于PBP几何相位元件的所述第一堆叠和PBP几何相位元件的所述第二堆叠之间，所述光导被配置为向PBP几何相位元件的所述第一堆叠提供所述图像光，并传输由PBP几何相位元件的所述第二堆叠产生的输出光。
18.根据权利要求16所述的HMD，其中，PBP几何相位元件的所述第一堆叠包括具有第一光焦度的第一PBP透镜和具有第二光焦度的第二PBP透镜，并且其中，PBP几何相位元件的所述第二堆叠包括第三PBP透镜和第四PBP透镜，所述第三PBP透镜具有与所述第一光焦度相反的光焦度，所述第四PBP透镜具有与所述第二光焦度相反的光焦度。
19.根据权利要求18所述的HMD，还包括分别与所述第一PBP透镜、所述第二PBP透镜、所述第三PBP透镜和所述第四PBP透镜相邻的能够电切换的PBP液晶半波片，所述能够电切换的PBP液晶半波片以及所述第一PBP透镜、所述第二PBP透镜、所述第三PBP透镜和所述第四PBP透镜提供能够切换的像平面。
20.一种头戴式显示器(HMD)，包括：
电子显示器，其被配置为发射图像光；
第一椭圆偏振器，其被配置为基于所述图像光产生椭圆偏振光；
几何相位元件，其被配置为响应于接收椭圆偏振光，产生与第一衍射级相关联的第一光束和与第二衍射级相关联的第二光束；和
第二椭圆偏振器，其被配置为降低所述第一光束的强度并基本上保持所述第二光束的强度。
21.一种光学系统，包括：
几何相位元件，其被配置为响应于接收到输入光，产生与第一衍射级相关联的第一光束和与第二衍射级相关联的第二光束；和
椭圆偏振器，其被配置为降低所述第一光束的强度并基本上保持所述第二光束的强度。
22.根据权利要求21所述的光学系统，还包括第二椭圆偏振器。
23.根据权利要求22所述的光学系统，其中，所述椭圆偏振器包括具有第一旋向性的圆偏振器，并且所述第二椭圆偏振器包括具有与所述第一旋向性相反的第二旋向性的圆偏振器；和/或
所述光学系统还包括被配置为向所述第二椭圆偏振器提供非偏振光的消偏振器。
24.根据权利要求21至23中任一项所述的光学系统，其中，所述几何相位元件还被配置成产生与第三衍射级相关联的第三光束，并且所述椭圆偏振器还被配置成降低所述第三光束的强度。
25.根据权利要求21至24中任一项所述的光学系统，其中，所述几何相位元件包括能够切换的Pancharatnam Berry相位(PBP)透镜；和/或
其中，所述几何相位元件包括两个或更多个Pancharatnam Berry相位(PBP)透镜的堆叠；和/或
其中，所述几何相位元件包括Pancharatnam Berry相位(PBP)光栅。
26.根据权利要求21至25中任一项所述的光学系统，还包括传统透镜，以向所述几何相位元件提供所述输入光。
27.根据权利要求21至26中任一项所述的光学系统，其中，所述几何相位元件包括第一堆叠，所述第一堆叠包括具有第一光焦度的第一PBP透镜和具有第二光焦度的第二PBP透镜，所述光学系统还包括：
光导，其被配置为向所述椭圆偏振器提供图像光；和
PBP透镜的第二堆叠，其包括第三PBP透镜和第四PBP透镜，所述第三PBP透镜具有与所述第一光焦度共轭的光焦度，所述第四PBP透镜具有与所述第二光焦度共轭的光焦度。
28.根据权利要求27所述的光学系统，其中，所述第一PBP透镜、所述第二PBP透镜、所述第三PBP透镜和所述第四PBP透镜中的至少一个包括能够切换的PBP透镜，用于提供能够切换的像平面；和/或
所述光学系统还包括多个能够电切换的PBP液晶半波片，所述多个能够电切换的PBP液晶半波片中的每一个与所述第一PBP透镜、所述第二PBP透镜、所述第三PBP透镜和所述第四PBP透镜中不同的一个相邻，所述多个能够电切换的PBP液晶半波片以及所述第一PBP透镜、所述第二PBP透镜、所述第三PBP透镜和所述第四PBP透镜被配置成提供能够切换的像平面；和/或
所述光学系统还包括向所述光导提供所述图像光的液晶显示设备。
29.根据权利要求21至28中任一项所述的光学系统，其中，所述光学系统被包括在增强现实头戴式设备中。
30.根据权利要求21至29中任一项所述的光学系统，还包括：
与所述几何相位元件相邻的第一四分之一波片和第二四分之一波片；和
位于所述第一四分之一波片和所述第二四分之一波片之间的线性偏振器。
31.一种头戴式显示器(HMD)，包括：
电子显示器，其被配置为发射图像光；
Pancharatnam Berry相位(PBP)几何相位元件的第一堆叠，其被配置为响应于所述图像光，产生与第一衍射级相关联的第一光束和与第二衍射级相关联的第二光束；和
椭圆偏振器，其被配置为降低所述第一光束的强度并基本上保持所述第二光束的强度。
32.根据权利要求31所述的HMD，还包括：
PBP几何相位元件的第二堆叠，其配置成产生输出光；和
光导，其位于PBP几何相位元件的所述第一堆叠和PBP几何相位元件的所述第二堆叠之间，所述光导被配置为向PBP几何相位元件的所述第一堆叠提供所述图像光，并传输由PBP几何相位元件的所述第二堆叠产生的输出光。
33.根据权利要求31或32所述的HMD，其中，PBP几何相位元件的所述第一堆叠包括具有第一光焦度的第一PBP透镜和具有第二光焦度的第二PBP透镜，并且其中，PBP几何相位元件的所述第二堆叠包括第三PBP透镜和第四PBP透镜，所述第三PBP透镜具有与所述第一光焦度相反的光焦度，所述第四PBP透镜具有与所述第二光焦度相反的光焦度的第四PBP透镜；
可选地，所述HMD还包括分别与所述第一PBP透镜、所述第二PBP透镜、所述第三PBP透镜和所述第四PBP透镜相邻的能够电切换的PBP液晶半波片，所述能够电切换的PBP液晶半波片以及所述第一PBP透镜、所述第二PBP透镜、所述第三PBP透镜和所述第四PBP透镜提供能够切换的像平面。
34.一种头戴式显示器(HMD)，特别是根据权利要求31至33中任一项所述的头戴式显示器(HMD)，包括：
电子显示器，其被配置为发射图像光；
第一椭圆偏振器，其被配置为基于所述图像光产生椭圆偏振光；
几何相位元件，其被配置为响应于接收椭圆偏振光，产生与第一衍射级相关联的第一光束和与第二衍射级相关联的第二光束；和
第二椭圆偏振器，其被配置为降低所述第一光束的强度并基本上保持所述第二光束的强度。
CN201980019529.9A 2018-03-15 2019-03-14 利用偏振器提高Pancharatnam Berry相位部件的图像质量 Active CN112189155B (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201862643691P 2018-03-15 2018-03-15
US62/643,691 2018-03-15
US16/006,706 2018-06-12
US16/006,706 US20190285891A1 (en) 2018-03-15 2018-06-12 Image quality of pancharatnam berry phase components using polarizers
PCT/US2019/022334 WO2019178398A1 (en) 2018-03-15 2019-03-14 Improving image quality of pancharatnam berry phase components using polarizers

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112189155A true CN112189155A (zh) 2021-01-05
CN112189155B CN112189155B (zh) 2022-10-21

Family

ID=67903947

Family Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201980019492.XA Active CN112074769B (zh) 2018-03-15 2019-03-13 用C板改善复消色差Pancharatnam-Berry相位部件的角度性能
CN201980019529.9A Active CN112189155B (zh) 2018-03-15 2019-03-14 利用偏振器提高Pancharatnam Berry相位部件的图像质量

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201980019492.XA Active CN112074769B (zh) 2018-03-15 2019-03-13 用C板改善复消色差Pancharatnam-Berry相位部件的角度性能

Country Status (6)

Country Link
US (3) US20190285891A1 (zh)
EP (2) EP3765889A1 (zh)
JP (2) JP2021516771A (zh)
KR (2) KR20200130349A (zh)
CN (2) CN112074769B (zh)
WO (2) WO2019178294A1 (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112859337A (zh) * 2021-01-14 2021-05-28 上海交通大学 一种超多视点显示系统
CN113917591A (zh) * 2021-10-15 2022-01-11 中国人民解放军国防科技大学 任意偏振转换超表面及将任意偏振光进行偏振转换的方法
CN114815290A (zh) * 2022-04-26 2022-07-29 东南大学 一种基于pb相位的可切换三维显示装置
WO2023020399A1 (zh) * 2021-08-16 2023-02-23 华为技术有限公司 一种光学成像系统及控制方法

Families Citing this family (21)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9132352B1 (en) 2010-06-24 2015-09-15 Gregory S. Rabin Interactive system and method for rendering an object
CN110651211B (zh) * 2017-03-21 2022-08-05 奇跃公司 具有用于分体式光瞳的空间光调制器照射的显示系统
US20220026721A1 (en) * 2018-03-15 2022-01-27 Facebook Technologies, Llc Polarization-sensitive components in optical systems for large pupil acceptance angles
TWI676071B (zh) * 2018-10-04 2019-11-01 國立交通大學 電控變焦的消色差透鏡
US11009766B2 (en) * 2019-06-28 2021-05-18 Intel Corporation Foveated virtual reality near eye displays
CN112630868A (zh) * 2019-10-08 2021-04-09 三星电子株式会社 超透镜和包括超透镜的光学装置
US11598964B2 (en) * 2020-01-24 2023-03-07 Meta Platforms Technologies, Llc Freeform varifocal optical assembly
WO2021158679A1 (en) * 2020-02-06 2021-08-12 Valve Corporation Spatially and time varying polarization correction optic for scan beam systems
WO2022150267A1 (en) * 2021-01-05 2022-07-14 Perdix Systems Llc Electronic device display having a selective light redirecting layer
US11650429B2 (en) 2021-02-24 2023-05-16 Meta Platforms Technologies, Llc Thin liquid crystal stack for polarization conversion
WO2022182831A1 (en) * 2021-02-24 2022-09-01 Meta Platforms Technologies, Llc Thin liquid crystal stack for polarization conversion
WO2022245614A1 (en) * 2021-05-17 2022-11-24 Meta Platforms Technologies, Llc Apochromatic liquid crystal polarization hologram device
US20220365264A1 (en) * 2021-05-17 2022-11-17 Facebook Technologies, Llc Apochromatic liquid crystal polarization hologram device
US11796801B2 (en) 2021-05-24 2023-10-24 Google Llc Reducing light leakage via external gaze detection
TW202305455A (zh) * 2021-06-14 2023-02-01 美商元平台技術有限公司 具有可變視野及解析度的虛擬實境應用頭戴式裝置
US11741864B2 (en) 2021-06-14 2023-08-29 Meta Platforms Technologies, Llc Headset for virtual reality applications with variable field of view and resolution
US20230017964A1 (en) * 2021-07-19 2023-01-19 Meta Platforms Technologies, Llc Balanced switchable configuration for a pancharatnam-berry phase (pbp) lens
TW202305414A (zh) * 2021-07-21 2023-02-01 美商元平台技術有限公司 可調式偏振全像透鏡
US11953796B2 (en) 2021-07-21 2024-04-09 Meta Platforms Technologies, Llc Tunable polarization holographic lenses
US20230176376A1 (en) * 2021-12-06 2023-06-08 Meta Platforms Technologies, Llc Lightguides with color- and time-sequential gratings
US20230176377A1 (en) 2021-12-06 2023-06-08 Facebook Technologies, Llc Directional illuminator and display apparatus with switchable diffuser

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011014743A2 (en) * 2009-07-31 2011-02-03 North Carolina State University Beam steering devices including stacked liquid crystal polarization gratings and related methods of operation
WO2016154537A1 (en) * 2015-03-26 2016-09-29 Kent State University Compact non-mechanical zoom lens
CN106716223A (zh) * 2014-09-24 2017-05-24 微软技术许可有限责任公司 采用可切换衍射光栅的波导眼睛跟踪

Family Cites Families (40)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3413885B2 (ja) * 1993-07-29 2003-06-09 ソニー株式会社 ディスプレイ装置及び該装置を用いる眼鏡型映像表示装置
WO2001009685A1 (en) 1999-08-03 2001-02-08 Digilens Inc. Display system with eye tracking
WO2005091628A1 (en) 2004-03-16 2005-09-29 Koninklijke Philips Electronics, N.V. Brightness regulation in lcd projection systems
DE602005009996D1 (de) * 2004-05-27 2008-11-13 Toshiba Matsushita Display Tec Flüssigkristallanzeigevorrichtung
US20070258029A1 (en) * 2004-12-15 2007-11-08 Fujifilm Corporation Phase Difference Compensator, Light Modurating System, Liquid Crystal Display and Liquid Crystal Projector
US7692759B2 (en) * 2005-03-01 2010-04-06 Stichting Dutch Polymer Institute Polarization gratings in mesogenic films
US7848020B2 (en) 2006-06-02 2010-12-07 Jds Uniphase Corporation Thin-film design for positive and/or negative C-plate
GB2439961A (en) * 2006-07-07 2008-01-16 Sharp Kk Liquid crystal cell switchable between two viewing angles
EP1970734B1 (en) 2007-03-12 2011-09-14 JDS Uniphase Corporation A method of fabricating a space-variant liquid-crystal waveplate
US20080309854A1 (en) * 2007-06-15 2008-12-18 Zhibing Ge Wide Viewing Angle and Broadband Circular Polarizers for Transflective Liquid Crystal Displays
US8531646B2 (en) 2007-09-11 2013-09-10 Kent State University Tunable liquid crystal devices, devices using same, and methods of making and using same
EP2163923B1 (en) 2008-09-12 2014-12-17 JDS Uniphase Corporation Optical vortex retarder micro-array
JP2012098657A (ja) * 2010-11-05 2012-05-24 Jvc Kenwood Corp 位相差板
WO2014016403A1 (de) 2012-07-27 2014-01-30 Seereal Technologies S.A. Polarisationsgitter für schräge einfallswinkel
WO2014159045A1 (en) * 2013-03-13 2014-10-02 North Carolina State University Polarization conversion systems with geometric phase holograms
US9335548B1 (en) 2013-08-21 2016-05-10 Google Inc. Head-wearable display with collimated light source and beam steering mechanism
JP2017529128A (ja) 2014-04-16 2017-10-05 ビーム エンジニアリング フォー アドバンスド メジャーメンツ カンパニー 回折波長板レンズを用いてヒトの視力を矯正する方法及び装置
WO2016019123A1 (en) 2014-07-31 2016-02-04 North Carolina State University Bragg liquid crystal polarization gratings
CA2968084C (en) 2014-12-15 2024-01-02 FHOOSH, Inc. Systems and methods for diffracted data retrieval
EP4249965A3 (en) * 2015-06-15 2023-12-27 Magic Leap, Inc. Display system with optical elements for in-coupling multiplexed light streams
US9976911B1 (en) 2015-06-30 2018-05-22 Beam Engineering For Advanced Measurements Co. Full characterization wavefront sensor
US10247858B2 (en) 2015-10-25 2019-04-02 Facebook Technologies, Llc Liquid crystal half-wave plate lens
US10725290B2 (en) 2016-04-29 2020-07-28 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Device components formed of geometric structures
CN105911697B (zh) * 2016-07-05 2018-07-13 苏州市齐科光学科技有限公司 基于Pancharatnam-Berry相位液晶透镜的智能眼镜
US10451947B1 (en) 2016-10-31 2019-10-22 Facebook Technologies, Llc Apochromatic pancharatnam berry phase (PBP) liquid crystal structures for head-mounted displays
US10248001B1 (en) 2016-11-16 2019-04-02 Facebook Technologies, Llc Varifocal structure comprising a liquid lens structure in optical series with a liquid crystal lens in a head-mounted display
US10895784B2 (en) * 2016-12-14 2021-01-19 Magic Leap, Inc. Patterning of liquid crystals using soft-imprint replication of surface alignment patterns
US10151961B2 (en) * 2016-12-29 2018-12-11 Facebook Technologies, Llc Switchable bragg gratings for chromatic error correction of pancharatnam berry phase (PBP) components
US10197810B2 (en) * 2017-01-23 2019-02-05 Samsung Electronics Co., Ltd. Image display apparatus
CN114200562A (zh) * 2017-01-27 2022-03-18 奇跃公司 由具有不同取向的纳米梁的超表面形成的衍射光栅
US10120193B2 (en) 2017-01-27 2018-11-06 Oculus Vr, Llc Geometric phase lens alignment in an augmented reality head mounted display
KR102601052B1 (ko) * 2017-02-23 2023-11-09 매직 립, 인코포레이티드 가변 파워 반사기를 갖는 디스플레이 시스템
US11644669B2 (en) 2017-03-22 2023-05-09 Magic Leap, Inc. Depth based foveated rendering for display systems
US10451885B2 (en) 2017-03-28 2019-10-22 Facebook Technologies, Llc Multifocal system using pixel level polarization controllers and folded optics
US10969585B2 (en) 2017-04-06 2021-04-06 Microsoft Technology Licensing, Llc Waveguide display with increased uniformity and reduced cross-coupling between colors
WO2018231784A1 (en) * 2017-06-12 2018-12-20 Magic Leap, Inc. Augmented reality display having multi-element adaptive lens for changing depth planes
KR102485447B1 (ko) * 2017-08-09 2023-01-05 삼성전자주식회사 광학 윈도우 시스템 및 이를 포함하는 투시형 디스플레이 장치
US10546430B1 (en) * 2017-08-29 2020-01-28 Facebook Technologies, Llc Image plane adjustment in a near-eye display
US10574973B2 (en) * 2017-09-06 2020-02-25 Facebook Technologies, Llc Non-mechanical beam steering for depth sensing
CZ2017570A3 (cs) 2017-09-21 2018-11-07 Vysoké Učení Technické V Brně Zobrazovací modul pro mimoosový záznam polarizačně oddělených vln

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011014743A2 (en) * 2009-07-31 2011-02-03 North Carolina State University Beam steering devices including stacked liquid crystal polarization gratings and related methods of operation
CN106716223A (zh) * 2014-09-24 2017-05-24 微软技术许可有限责任公司 采用可切换衍射光栅的波导眼睛跟踪
WO2016154537A1 (en) * 2015-03-26 2016-09-29 Kent State University Compact non-mechanical zoom lens

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112859337A (zh) * 2021-01-14 2021-05-28 上海交通大学 一种超多视点显示系统
WO2023020399A1 (zh) * 2021-08-16 2023-02-23 华为技术有限公司 一种光学成像系统及控制方法
CN113917591A (zh) * 2021-10-15 2022-01-11 中国人民解放军国防科技大学 任意偏振转换超表面及将任意偏振光进行偏振转换的方法
CN114815290A (zh) * 2022-04-26 2022-07-29 东南大学 一种基于pb相位的可切换三维显示装置

Also Published As

Publication number Publication date
JP2021516359A (ja) 2021-07-01
CN112074769B (zh) 2022-08-05
EP3765889A1 (en) 2021-01-20
US20220291510A1 (en) 2022-09-15
EP3765877A1 (en) 2021-01-20
CN112074769A (zh) 2020-12-11
JP2021516771A (ja) 2021-07-08
US20190285890A1 (en) 2019-09-19
US20190285891A1 (en) 2019-09-19
WO2019178398A1 (en) 2019-09-19
EP3765877B1 (en) 2024-02-28
WO2019178294A1 (en) 2019-09-19
JP7289842B2 (ja) 2023-06-12
US11327306B2 (en) 2022-05-10
KR20200130349A (ko) 2020-11-18
KR20200130316A (ko) 2020-11-18
CN112189155B (zh) 2022-10-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN112189155B (zh) 利用偏振器提高Pancharatnam Berry相位部件的图像质量
US11175507B2 (en) Polarization-sensitive components in optical systems for large pupil acceptance angles
US10591989B2 (en) Waveguide display with spatially switchable grating
US10809585B1 (en) Apochromatic pancharatnam berry phase (PBP) liquid crystal structures for head-mounted displays
US11294184B2 (en) Foveated display system
US11668932B2 (en) Switchable Pancharatnam-Berry phase grating stack
CN115280218A (zh) 高分辨率液晶显示器
CN114270253A (zh) 磁场驱动的液晶图案化控制系统
US20220026721A1 (en) Polarization-sensitive components in optical systems for large pupil acceptance angles
US11448803B1 (en) Pancake lens including diffuser

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
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
GR01 Patent grant