CN112313556A - 用于近眼显示器的自适应透镜 - Google Patents

Abstract

透镜组件包括对线性或圆偏振敏感的两个或更多个的偏振依赖透镜，以及至少一个可切换偏振转换器。可切换偏振转换器被配置为在被启动时旋转线性偏振光或改变圆偏振光的手性。透镜组件可配置为将显示的图像投影到两个或更多个的不同的图像平面上。例如，当可切换偏振转换器被关闭时，透镜组件将显示的图像投影在第一图像平面上。当可切换偏振转换器被启动时，透镜组件将显示的图像投影到与第一图像平面不同的第二图像平面上。

Description

用于近眼显示器的自适应透镜

背景技术

诸如头戴式显示器(HMD)或平视显示器(HUD)系统之类的人造现实系统通常包括近眼显示器(例如，头戴式耳机或一副眼镜)，该近眼显示器被配置为经由电子显示器或光学显示器例如在用户的眼睛前方约10-20mm内向用户呈现内容。如在虚拟现实(VR)、增强现实(AR)或混合现实(MR)应用中，近眼显示器可以显示虚拟对象或将真实对象的图像与虚拟对象相组合。例如，在AR系统中，用户可以通过例如透过透明的显示器眼镜或透镜(通常被称为光学穿透)或者观看由相机捕获的周围环境的显示图像(通常被称为视频穿透)来观看虚拟对象的图像(例如，计算机生成的图像(CGI))和周围环境二者。

近眼显示器可以包括被配置为在图像平面上形成计算机生成图像的图像的光学系统。近眼显示器的光学系统可以中继由图像源生成的图像，以创建虚拟图像，该虚拟图像看起来像远离图像源并且比距离用户的眼睛的若干厘米更远。光学系统可以放大图像源以使图像看起来大于图像源的实际尺寸。许多近眼显示系统只有一个固定的图像平面，其距离用户的眼睛例如大约2米或3米。与用户的眼睛保持固定距离的图像平面可能适用于某些内容，但可能不适用于某些其他内容。在许多情况下，例如，在较近的视觉图像可能会提供更好的用户体验的情形中，单个图像平面可能会导致眼压和眼睛不适。

发明内容

本公开一般涉及用于在近眼显示器中在两个或更多个的图像平面处显示图像的技术。在一些实施例中，近眼显示器可以包括：被配置为生成第一图像和第二图像的显示设备，以及偏振敏感透镜的第一组件。偏振敏感透镜的第一组件可以包括：对于处于第一偏振状态的光和处于第二偏振状态的光具有不同的光功率(optical power)的第一透镜；对于处于第一偏振状态的光和处于第二偏振状态的光具有不同的光功率的第二透镜；以及可切换偏振转换器，该可切换偏振转换器被配置为在被开启后将处于第一偏振状态的光转换为处于第二偏振状态的光。偏振敏感透镜的第一组件可以被配置为：在可切换偏振转换器被关闭的情况下在近眼显示器的第一图像平面上形成第一图像的虚拟图像，或者在可切换偏振转换器被开启的情况下在近眼显示器的第二偏振图像上形成第二图像的虚拟图像，其中第二图像平面和第一图像平面在距近眼显示器不同的距离处。在一些实施例中，第一透镜和第二透镜是无源或有源液晶透镜。在一些实施例中，第一组件还可以被配置为在近眼显示器的第三图像平面上形成由显示设备生成的第三图像的虚拟图像。

在近眼显示器的一些实施例中，第一偏振状态可以是第一线性偏振状态，并且第二偏振状态可以是第二线性偏振状态，第二线性偏振状态具有与第一线性偏振状态的偏振方向正交的偏振方向。第一透镜对于处于第一线性偏振状态的光可以具有第一非零光功率，并且对于处于第二线性偏振状态的光可以具有零光学光功率，以及第二透镜对于处于第二线性偏振状态的光可以具有第二零光功率并且对于处于第一线性偏振状态的光可以具有零光功率。在一些实施例中，可切换偏振转换器可以包括可切换液晶半波片。在一些实施例中，可切换偏振转换器可以包括可切换液晶偏振旋转器，其包括90°扭曲向列液晶单元。在一些实施例中，可切换偏振转换器可以被定位在显示设备和第一透镜之间，第一图像平面可以对应于第一非零光功率，并且第二图像平面可以对应于第二非零光功率。在一些实施例中，可切换偏振转换器可以被定位在第一透镜和第二透镜之间，第一图像平面可以对应于第一非零光功率，并且第二图像平面可以对应于第一非零光功率和第二非零光功率的组合。

在近眼显示器的一些实施例中，第一偏振状态可以是第一圆偏振状态，并且第二偏振状态可以是第二圆偏振状态，第二圆偏振状态具有与第一圆偏振状态的手性相反的手性。第一透镜对于处于第一圆偏振状态的光可以具有光功率X，并且对于处于第二圆偏振状态的光可以具有光功率-X。第二透镜对于处于第一圆偏振状态的光可以具有光功率Y，并且对于处于第二圆偏振状态的光可以具有光功率-Y。可切换偏振转换器可以包括可切换半波片。在一些实施例中，可切换偏振转换器可以被定位在第一透镜和第二透镜之间。

在近眼显示器的一些实施例中，第一组件还可以包括偏振器，该偏振器被配置为将来自第一图像和第二图像的光偏振为处于第一偏振状态的光。在一些实施例中，近眼显示器还可以包括偏振敏感透镜的第二组件，其中与第一组件相比，第二组件具有相反的光功率。在一些实施例中，第二组件可以包括：第三偏振敏感透镜，对于处于第一偏振状态的光，其具有与第一透镜的光功率相反的光功率；第四偏振敏感透镜，对于处于第二偏振状态的光，其具有与第二透镜的光功率相反的光功率；以及第二可切换偏振转换器，其被配置为在被开启之后将处于第一偏振状态的光转换为处于第二偏振状态的光。

在一些实施例中，近眼显示器还可以包括在第一状态和第二状态之间可切换的调光设备，其中该调光设备可以被配置为在第一状态透射环境光并在第二状态衰减环境光。在一些实施例中，调光设备可以包括宾主液晶调光元件、聚合物分散液晶调光元件或聚合物稳定螺旋织构(cholestertic texture)液晶调光元件。

在一些实施例中，用于近眼显示器的透镜组件可以包括：第一偏振依赖透镜，其对于处于第一偏振状态的光具有第一非零光功率；第二偏振依赖透镜，其对于处于与第一偏振状态不同的第二偏振状态的光具有第二非零光功率；以及在第一状态和第二状态之间可切换的偏振转换器。偏振转换器可以被配置为透射处于第一偏振状态的光或者将处于第一偏振状态的光转换成处于第二偏振状态的光。

在用于近眼显示器的透镜组件的一些实施例中，偏振转换器可以包括90°扭曲向列液晶单元，并且偏振转换器可以基于被施加到90°扭曲向列液晶单元的电压信号而在第一状态和第二状态之间可切换。在一些实施例中，第一偏振依赖透镜和第二偏振依赖透镜可以包括无源或有源液晶透镜。在一些实施例中，液晶透镜可以包括：平凸液晶透镜；包括倾斜的液晶分子的平板液晶透镜，其中液晶分子可以在平板液晶透镜的不同区域处以不同角度倾斜；包括多个区的衍射液晶透镜，其中液晶分子在多个区域中可以以不同角度被倾斜；或者几何相位液晶透镜。

在用于近眼显示器的透镜组件的一些实施例中，第一偏振依赖透镜和第二偏振依赖透镜可以被定位在偏振转换器的同一侧上或被定位在偏振转换器的不同侧上。在一些实施例中，第一偏振状态和第二偏振状态可以包括正交偏振方向上的线性偏振或者左旋圆偏振和右旋圆偏振。在一些实施例中，透镜组件还可以包括偏振器，该偏振器被配置为将入射光偏振为处于第一偏振状态的光，其中第一偏振依赖透镜、第二偏振依赖透镜和偏振转换器可以被定位在偏振器的同一侧上。

根据某些实施例，公开了一种使用透镜组件在两个或更多个的图像平面上自适应地显示图像的方法。该方法可以包括：将来自第一图像的光偏振为处于第一偏振状态的光；以及使用透镜组件的第一透镜和第二透镜在第一图像平面上形成第一图像的虚拟图像。第一透镜对于处于第一偏振状态的光和处于与第一偏振状态正交的第二偏振状态的光可以具有不同的光功率，并且第二透镜对于处于第一偏振状态的光和处于第二偏振状态的光可以具有不同的光功率。该方法还可以包括：将来自第二图像的光偏振为处于第一偏振状态的光；以及使用第一透镜和第二透镜在第二图像平面上形成第二图像的虚拟图像，其中第二图像平面和第一图像平面在距透镜组件不同的距离处。在第二图像平面上形成第二图像的虚拟图像可以包括：使用透镜组件中的可切换偏振转换器，将来自第二图像的处于第一偏振状态的光转换为处于第二偏振状态的光。

本发明内容既不旨在标识所要求保护的主题的关键或必要特征，也不旨在单独用来确定所要求保护的主题的范围。应当参考本公开的整个说明书、任何或所有附图以及每个权利要求的适当部分来理解本主题。将在下面的说明书、权利要求书和附图中更详细地描述前述以及其他特征和示例。

附图说明

下面参考以下附图详细描述说明性实施例。

图1是根据某些实施例的包括近眼显示器的示例人造现实系统环境的简化框图。

图2是用于实现本文公开的一些示例的以头戴式显示器(HMD)设备形式的示例近眼显示器的透视图。

图3是用于实现本文公开的一些示例的以一副眼镜形式的简化示例近眼显示器的透视图。

图4例示出了根据某些实施例的使用波导显示器的示例光学穿透增强现实系统。

图5是根据某些实施例的示例近眼显示器的截面图。

图6例示出了根据某些实施例的用于近眼显示设备的示例光学系统。

图7例示出了根据某些实施例的用于近眼显示设备的示例光学系统。

图8A例示出了自然环境中聚焦距离(focal distance)和聚散距离(vergencedistance)之间的耦合。

图8B例示出了近眼显示环境中在聚焦距离和聚散距离之间的冲突。

图9例示出了根据某些实施例的用于在两个离散图像平面上显示图像的示例液晶透镜堆叠。

图10是根据某些实施例的包括自适应液晶透镜堆叠的示例近眼显示设备的分解图。

图11A例示出了具有零光功率并且包括具有均匀对准的液晶单元的示例液晶设备。

图11B例示出了具有负光功率并且包括具有不均匀对准的液晶单元的示例液晶设备，其用作对线性偏振光敏感的透镜。

图11C例示出了具有正光功率并且包括具有不均匀对准的液晶单元的示例液晶设备，其用作对线性偏振光敏感的透镜。

图12例示出了基于半波片的示例色偏振转换器，其将线性偏振光旋转一个角度2θ(其中θ是入射光的偏振方向与半波片的光轴之间的角度)或改变圆偏振光的手性。

图13A-图13C例示出了根据某些实施例的基于扭曲向列液晶单元的示例消色差液晶偏振旋转器。图13A例示出了处于“开启”状态(即，液晶单元处于场截止(field-off)状态)的消色差液晶偏振旋转器，其中消色差液晶偏振旋转器被配置为改变入射光的偏振状态。图13B例示出了处于“关闭”状态(即，液晶单元处于场接通(field-on)状态)的消色差液晶偏振旋转器，其中消色差液晶偏振旋转器将不改变入射光的偏振状态。图13C例示出了处于“开启”状态的消色差液晶偏振旋转器对线性偏振光的旋转。在该示例中，消色差液晶偏振旋转器是90°TN液晶单元，其中光以Mauguin机制进行传播。

图14A-图14D例示出了具有可切换光功率的示例近眼显示设备。图14A例示出了当可切换偏振旋转器处于“开启”状态以改变入射光的偏振状态时具有零光功率的近眼显示设备，其中近眼显示设备包括基于扭曲向列液晶单元的偏振旋转器，以及线性偏振依赖的LC透镜。图14B例示出了对于处于第一偏振状态的光具有零光功率的线性偏振依赖的液晶透镜。图14C例示出了当可切换偏振旋转器处于“关闭”状态并且因此将不改变入射光的偏振状态时具有非零光功率的近眼显示设备。图14D例示出了对于处于第二偏振状态的光具有非零光功率的线性偏振依赖的液晶透镜。

图15A和图15B例示出了根据某些实施例的包括对圆偏振光敏感的透镜的示例液晶设备。

图16A例示出了处于“关闭”状态的示例可切换聚合物分散液晶调光元件，其中入射光被阻挡或被显著衰减。

图16B例示出了处于“开启”状态的示例可切换聚合物分散液晶调光设备，其中聚合物分散液晶调光设备是基本上透明的。

图17A例示出了处于“关闭”状态的示例可切换宾主液晶调光设备。

图17B例示出了处于“开启”状态的示例可切换宾主液晶调光设备。

图18A例示出了处于“关闭”状态的示例可切换聚合物稳定螺旋织构液晶调光设备。

图18B例示出了处于“开启”状态的示例可切换聚合物稳定螺旋织构液晶调光设备。

图19是例示出根据某些实施例的在两个或更多个的图像平面上自适应地显示图像的示例方法的简化流程图。

图20是根据某些实施例的示例近眼显示器的示例电子系统的简化框图。

这些附图仅出于说明的目的描绘了本公开的实施例。本领域技术人员将从以下描述中容易地认识到，在不脱离本公开的原理或所标榜的利益的情况下，可以采用所例示的结构和方法的替代实施例。

在附图中，相似的部件和/或特征可以具有相同的附图标记。此外，可以通过在参考标签之后加上在其他相似部件之间区分的破折号和第二标签来区分相同类型的各种部件。如果在说明书中仅使用第一参考标签，则该描述适用于具有相同的第一参考标签的任何类似部件，而与第二参考标签无关。

具体实施方式

本文公开的技术通常涉及在近眼显示器中在两个或更多个的图像平面上显示图像以改进用户体验。在近眼显示器中，在单个固定图像平面上显示图像可能会引起眼部压力或不适感(例如，由于聚散-调解冲突或深度感知失真)，这是导致虚拟现实(VR)疾病的原因之一。根据一些实施例，包括对线性或圆偏振敏感并且具有相同或不同光功率的两个或更多个的偏振依赖液晶(LC)透镜的透镜组件可以被用来将所显示的图像投影在多个图像平面之一上，该多个图像平面在与用户眼睛不同的距离处。在一些实施例中，透镜组件还可以包括诸如线性偏振器或圆偏振器之类的偏振器，以及可以旋转线性偏振光或改变圆偏振光的手性的偏振转换器。

在一些实施例中，LC透镜可以对线性偏振光敏感。第一LC透镜对于处于第一线性偏振状态的光可以具有第一非零光功率，而第二LC透镜对于处于第一线性偏振状态的光可以具有零光功率，对于处于可以与第一线性偏振状态正交的第二线性偏振状态的光可以具有第二非零光功率。例如，第一LC透镜的对准方向可以是θ，而第二LC透镜的对准方向可以是θ+90°。透镜组件可以包括可切换偏振旋转器，其在被开启(或关闭)时可以将处于第一线性偏振状态的光转换为处于第二线性偏振状态的光，反之亦然，诸如将线性偏振光旋转例如90°。可以通过使用不同电压电平或极性的信号在可切换偏振旋转器上施加不同的电场来开启或关闭可切换偏振旋转器。

在一些实施例中，可切换偏振旋转器可以被定位在偏振器之后并且在第一线性偏振敏感LC透镜和第二线性偏振敏感LC透镜之前。在透镜组件的操作期间，来自显示图像的光可以被偏振器偏振为第一线性偏振状态。当可切换偏振旋转器被关闭(例如，没有偏振旋转)时，第一LC透镜可以为处于第一线性偏振状态的光提供第一非零光功率(例如，A)，这可以对应于用户的眼睛前面的第一虚拟图像距离。第二LC透镜可以为处于第一线性偏振状态的光提供零光功率，并且因此将不改变图像平面的位置。当可切换偏振旋转器被开启时，处于第一线性偏振状态的偏振光可以被改变为处于正交的第二线性偏振状态的偏振光。第一LC透镜可以为处于第二线性偏振状态的光提供零光功率，而第二LC透镜可以为处于第二线性偏振状态的光提供第二非零光功率(例如，B)，其可以对应于用户的眼睛前面的第二虚拟图像距离。这样，通过开启/关闭可切换偏振旋转器，显示图像可以被投影在第一或第二虚拟图像距离处的图像平面上。

在一些实施例中，可切换偏振旋转器可以被定位在第一线性偏振敏感LC透镜与第二线性偏振敏感LC透镜之间。在透镜组件的操作期间，来自显示图像的光可以被偏振器线性偏振为第一线性偏振状态。第一LC透镜可以为处于第一线性偏振状态的光提供第一非零光功率(例如，A)，其可以对应于用户的眼睛前面的第一虚拟图像距离。当可切换偏振旋转器被关闭(例如，没有偏振旋转)时，在穿过第一LC透镜和可切换偏振旋转器之后，偏振光可以保持在第一线性偏振状态。第二LC透镜对于处于第一线性偏振状态的光可以具有零光功率，并且因此将不改变图像平面的位置。当可切换偏振旋转器被开启时，在穿过第一LC透镜和可切换偏振旋转器之后，处于第一线性偏振状态的偏振光可以被改变为处于正交的第二线性偏振状态的线性偏振光。第二LC透镜可以为处于第二线性偏振状态的光提供第二非零光功率(例如，B)。因此，当可切换偏振旋转器被开启时，透镜组件的总光功率是第一光功率和第二光功率的组合，并且可以对应于用户的眼睛前面的第二虚拟图像距离。这样，通过开启/关闭可切换偏振旋转器，显示图像可以被投影在第一虚拟图像距离或第二虚拟图像距离处的图像平面上。

在一些实施例中，LC透镜可以对圆偏振光敏感。可切换偏振转换器可以被定位在第一圆偏振敏感LC透镜和第二圆偏振敏感LC透镜之间。第一圆偏振敏感LC透镜对于处于一个偏振手性(例如左旋)的圆偏振光可以具有光功率X，并且对于处于正交的偏振手性(例如右旋)的圆偏振光可以具有光功率-X。类似地，第二可切换偏振转换器对于处于一个偏振手性(例如左旋)的圆偏振光可以具有光功率Y，并且对于处于正交的偏振手性(例如右旋)的圆偏振光可以具有光功率-Y。处于一个手性(例如，左旋)的圆偏振光可以穿过第一圆偏振敏感LC透镜并改变其手性(例如，变为右旋)，可切换偏振转换器可以改变(例如，处于“开启”状态)或者可以不改变(例如，处于“关闭”状态)穿过它的圆偏振光的手性，并且第二圆偏振敏感LC透镜对于来自可切换偏振转换器的圆偏振光可以具有正的或负的光功率(取决于圆偏振光的手性)。因此，当可切换偏振转换器处于“开启”状态(具有偏振转换)时，两个圆偏振敏感LC透镜可以接收处于相同手性的圆偏振光，并且透镜组件的总光功率可以是X+Y。当可切换偏振转换器处于“关闭”状态(无偏振转换)时，两个圆偏振敏感LC透镜可以接收处于不同手性的圆偏振光，并且因此透镜组件的总光功率可以是X-Y。

以这种方式，可以基于内容聚散位置(例如，图像中的对象的预期距离)在两个或多个虚拟图像距离处显示图像，其因此可以减少聚散-调解冲突(vergence-accommodation)并为眼睛在不同聚散位置处观看内容时提供舒适观看体验。

在一些实施例中，为了在穿透模式(例如，观看在近眼显示设备的前面的真实世界图像)下使用相同的近眼显示设备，近眼显示器还可以包括具有偏振依赖LC透镜的第二透镜组件，该偏振依赖LC透镜具有与第一透镜组件中的LC透镜的光功率相反的光功率。例如，如果第一透镜组件包括光功率分别为约A和B的两个LC透镜，则第二透镜组件可以包括光功率分别为约-A和-B的两个LC透镜。因此，对于处于第一偏振状态和第二偏振状态中的每一个偏振状态的光，第一透镜组件和第二透镜组件的总光功率可以近似为0，例如小于大约±0.25屈光度。这样，用户可以通过近眼显示设备观看周围环境，就像不存在两个透镜组件一样。

在一些实施例中，近眼显示器还可以包括附加的自适应调光元件。自适应调光元件可以包括LC材料层，该LC材料层可以通过施加电场来改变LC分子的定向，从而改变针对环境光的自适应调光元件的透射率来进行调谐。

在一些实施例中，近眼显示器还可以包括光伏材料层，该光伏材料层可以吸收不可见光(例如，红外和/或紫外光)并将不可见光转换成电能以向例如可切换偏振转换器和/或自适应调光元件提供功率。

如本文中所使用的，术语“偏振转换器”可以指的是用于旋转线偏振光束的偏振方向的偏振旋转器或用于改变圆偏振光束的手性的偏振开关(或转换器)。例如，偏振转换器可以将具有偏振方向θ的线偏振光束转换(例如旋转)为具有偏振方向θ±90°的线偏振光束。另一个偏振转换器可以将左旋圆偏振光束转换为右旋圆偏振光束，反之亦然。偏振转换器可以包括例如波片或扭曲向列(TN)LC单元。偏振转换器可以是彩色的(例如，波片)或消色差的(例如，以Mauguin机制进行操作的TN LC单元)。在一些实施例中，偏振转换器可以是可切换的。例如，基于LC的波片或基于TN LC单元的偏振旋转器可以通过在其上施加电压信号而是可切换的。在“开启”状态，可切换偏振转换器可以改变入射光的偏振状态(例如，旋转线性偏振光的偏振方向或改变圆形偏振光的手性)。在“关闭”状态，可切换偏振转换器可以不改变入射光的偏振状态。

在以下描述中，出于解释的目的，阐述了具体细节以便提供对本公开的示例的透彻理解。然而，将显而易见的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践各种示例。例如，设备、系统、结构、组件、方法和其他部件可以以框图形式被示出为部件，以免不必要的细节模糊示例。在其他情况下，熟知的设备、过程、系统、结构和技术可以在没有必要细节的情况下被示出，以免模糊示例。附图和描述不意图是限制性的。在本公开内容中已经采用的术语和表达被用作描述性的术语而非限制性的术语，并且这样的术语和表达的使用不意图排除所示出的和描述的特征的任何等同物或其部分。词语“示例”在本文中被用来意指“用作示例、实例或说明”。本文中被描述为“示例”的任何实施例或设计不一定被解释为比其他实施例或设计更优选或有利。

I.近眼显示器

图1是根据某些实施例的包括近眼显示器120的示例人造现实系统环境100的简化框图。图1中所示的人造现实系统环境100可以包括近眼显示器120、可选的外部成像设备150以及可选的输入/输出接口140，它们可以各自耦合到可选的控制台110。虽然图1示出了示例人造现实系统环境100，其包括一个近眼显示器120、一个外部成像设备150和一个输入/输出接口140，但是在人造现实系统环境100中可以包括任何数量的这些部件，或者可以省略任何部件。例如，可以存在由与控制台110通信的一个或多个外部成像设备150监测的多个近眼显示器120。在一些配置中，人造现实系统环境100可以不包括外部成像设备150、可选的输入/输出接口140以及可选的控制台110。在替代配置中，可以在人造现实系统环境100中包括不同或附加的部件。

近眼显示器120可以是向用户呈现内容的头戴式显示器。由近眼显示器120呈现的内容的示例包括图像、视频、音频或其某种组合中的一个或多个。在一些实施例中，可以经由外部设备(例如，扬声器和/或耳机)呈现音频，该外部设备从近眼显示器120、控制台110或两者接收音频信息，并基于音频信息呈现音频数据。近眼显示器120可以包括一个或多个刚性体，其可以彼此刚性或非刚性地耦合。刚性体之间的刚性耦合可以使耦合的刚性体充当单个刚性体。刚性体之间的非刚性耦合可以允许刚性体相对于彼此移动。在各种实施例中，可以以任何合适的形状因子来实现近眼显示器120，包括一副眼镜。下面关于图2、图3和图20进一步描述近眼显示器120的一些实施例。另外，在各种实施例中，本文描述的功能性可以在头戴式耳机中被使用，该头戴式耳机将近眼显示器120外部的环境的图像和人造现实内容(例如，计算机生成的图像)相结合。因此，近眼显示器120可以利用所生成的内容(例如，图像、视频、声音等)来增强近眼显示器120外部的物理的真实世界环境的图像，以向用户呈现增强现实。

在各个实施例中，近眼显示器120可以包括显示器电子器件122、显示器光学器件124和眼睛跟踪单元130中的一个或多个。在一些实施例中，近眼显示器120还可以包括一个或多个定位器126、一个或多个位置传感器128和惯性测量单元(IMU)132。在各种实施例中，近眼显示器120可以省略这些元件中的任何一个或包括附加元件。另外，在一些实施例中，近眼显示器120可以包括合并了结合图1描述的各种元件的功能的元件。

显示器电子器件122可以根据从例如控制台110接收的数据而向用户显示图像或支持向用户显示图像。在各种实施例中，显示器电子器件122可以包括一个或多个显示面板，诸如液晶显示器(FCD)、有机发光二极管(OFED)显示器、微发光二极管(mFED)显示器、有源矩阵OFED显示器(AMOFED)、透明OFED显示器(TOFED)或某些其他显示器。例如，在近眼显示器120的一种实现中，显示器电子器件122可以包括前TOLED面板、后显示面板以及在前和后显示面板之间的光学部件(例如，衰减器、偏振器或衍射或光谱膜)。显示器电子器件122可以包括像素以发射诸如红色、绿色、蓝色、白色或黄色之类的主要颜色的光。在一些实现中，显示器电子器件122可以通过由二维面板创建图像深度的主观感知产生的立体效果来显示三维(3D)图像。例如，显示器电子器件122可以包括分别位于用户的左眼和右眼前面的左显示器和右显示器。左显示器和右显示器可以呈现相对于彼此水平移位的图像的副本，以创建立体效果(即，通过用户观看图像来感知图像深度)。

在某些实施例中，显示器光学器件124可以光学地显示图像内容(例如，使用光波导和耦合器)或放大从显示器电子器件122接收的图像光，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近眼显示器120的用户。在各种实施例中，显示器光学器件124可以包括一个或多个光学元件，诸如例如基板、光波导、光阑(aperture)、菲涅耳透镜、凸透镜、凹透镜、滤光器或者任何可能影响从显示器电子器件122发射的图像光的其他合适的光学元件。显示器光学器件124可以包括不同光学元件的组合以及机械耦合，以保持组合中光学元件的相对间距和定向。显示器光学器件124中的一个或多个光学元件可以具有光学涂层，诸如抗反射涂层、反射涂层、滤光涂层或不同光学涂层的组合。

显示器光学器件124对图像光的放大可以允许显示器电子器件122与较大的显示器相比在物理上更小、重量更轻并且功耗更少。另外，放大可以增加所显示内容的视场。显示器光学器件124对图像光的放大量可以通过调节、添加或移来自显示器光学器件124的光学元件来改变。

显示器光学器件124还可以被设计为校正一种或多种类型的光学误差，诸如二维光学误差、三维光学误差或其组合。二维误差可以包括在二维中发生的光学像差。二维误差的示例类型可以包括桶形失真、枕形失真、纵向色差和横向色差。三维误差可以包括在三维中发生的光学误差。三维误差的示例类型可以包括球面像差、彗形像差、场曲和像散。

定位器126可以是相对彼此被定位在近眼显示器120上的特定位置以及相对于近眼显示器120上的参考点被定位的对象。在一些实现中，控制台110可以在由外部成像设备150捕获的图像中标识出定位器126，以确定人造现实头戴式耳机的位置、定向或两者。定位器126可以是发光二极管(LED)、角锥反射器、反射标记器、与近眼显示器120在其中操作的环境形成对比的一种光源或其某种组合。在定位器126是有源部件(例如，LED或其他类型的发光设备)的实施例中，定位器126可以在可见光波段(例如约380nm至750nm)、在红外(IR)波段(例如约750nm至1mm)、在紫外线波段(例如约10nm至约380nm)或者在电磁光谱的另一部分或电磁光谱的任何部分组合中发射光。

外部成像设备150可以基于从控制台110接收到的校准参数来生成慢校准数据。慢校准数据可以包括一个或多个图像，这些图像示出了可由外部成像设备150检测到的定位器126的被观察到的位置。外部成像设备150可以包括一个或多个相机、一个或多个摄像机、能够捕获包括一个或多个定位器126的图像的任何其他设备或其某种组合。另外，外部成像设备150可以包括一个或多个滤光器(例如，以增加信噪比)。外部成像设备150可以被配置为在外部成像设备150的视场中检测从定位器126发射或反射的光。在定位器126包括无源元件(例如，后向反射器)的实施例中，外部成像设备150可以包括照明一些或全部定位器126的光源，定位器126可以将光向后反射到外部成像设备150中的光源。可以将慢校准数据从外部成像设备150传送到控制台110，并且外部成像设备150可以接收来自控制台110的一个或多个校准参数以调节一个或多个成像参数(例如，焦距、焦点、帧速率、传感器温度、快门速度、光阑等)。

位置传感器128可以响应于近眼显示器120的运动而生成一个或多个测量信号。位置传感器128的示例可以包括加速度计、陀螺仪、磁力计、其他运动检测或纠错传感器或其某种组合。例如，在一些实施例中，位置传感器128可以包括用于测量平移运动(例如，前/后、上/下或左/右)的多个加速度计和用于测量旋转运动(例如，俯仰、偏航或滚动)的多个陀螺仪。在一些实施例中，各种位置传感器可以彼此正交地定向。

IMU 132可以是一种电子设备，其基于从一个或多个位置传感器128接收的测量信号来生成快校准数据。位置传感器128可以位于IMU 132外部、IMU 132内部或其某种组合。基于来自一个或多个位置传感器128的一个或多个测量信号，IMU 132可以生成指示相对于近眼显示器120的初始位置的近眼显示器120的估计位置的快校准数据。例如，IMU 132可以随时间对从加速度计接收的测量信号进行积分以估计速度矢量，并且随时间对速度矢量进行积分以确定近眼显示器120上的参考点的估计位置。可替代地，IMU 132可以将采样的测量信号提供给控制台110，其可以确定快校准数据。尽管参考点通常可以被定义为空间中的点，但是在各种实施例中，参考点还可以被定义为近眼显示器120内的点(例如，IMU 132的中心)。

眼睛跟踪单元130可以包括一个或多个眼睛跟踪系统。眼睛跟踪可以指的是确定眼睛相对于近眼显示器120的位置，包括眼睛的定向和位置。眼睛跟踪系统可以包括对一只眼睛或多只眼睛成像的成像系统，并且可以可选地包括发光器，其可以生成被引导到眼睛的光，使得由眼睛反射的光可以被成像系统捕获。例如，眼睛跟踪单元130可以包括发射可见光谱或红外光谱的光的相干光源(例如，激光二极管)，以及捕获由用户的眼睛反射的光的相机。作为另一个示例，眼睛跟踪单元130可以捕获由微型雷达单元发射的反射无线电波。眼睛跟踪单元130可以使用低功率发光器，该低功率发光器以不会伤害眼睛或引起身体不适的频率和强度来发射光。眼睛跟踪单元130可以被布置为增加由眼睛跟踪单元130捕获的眼睛的图像中的对比度，同时减小由眼睛跟踪单元130消耗的总功率(例如，减小由包括在眼睛跟踪单元130中的成像系统和发光器所消耗的功率)。例如，在一些实施例中，眼睛跟踪单元130可以消耗少于100毫瓦的功率。

近眼显示器120可以使用眼睛的定向，以例如确定用户的瞳孔间距离(IPD)、确定注视方向、引入深度线索(depth cues)(例如，模糊用户主视线之外的图像)、收集有关VR媒体中的用户交互的启发法(heuristics)(例如，根据所暴露的刺激而在任何特定主题、对象或帧上花费的时间)、至少部分地基于用户的至少一只眼睛的定向的其他一些功能或其某种组合。因为可以针对用户的两只眼睛确定定向，所以眼睛跟踪单元130可以能够确定用户正在看向何处。例如，确定用户注视的方向可以包括基于所确定的用户的左眼和右眼的定向来确定会聚点。会聚点可以是用户眼睛的两个中央凹轴(foveal axes)相交的点。用户的注视的方向可以是穿过会聚点和用户眼睛的瞳孔之间的中点的线的方向。

输入/输出接口140可以是允许用户向控制台110发送动作请求的设备。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束应用或在应用内执行特定动作。输入/输出接口140可以包括一个或多个输入设备。示例输入设备可以包括键盘、鼠标、游戏控制器、手套、按钮、触摸屏或用于接收动作请求并将接收到的动作请求传送到控制台110的任何其他合适的设备。由输入/输出接口140接收到的动作请求可以被传送到控制台110，控制台110可以执行与所请求的动作相对应的动作。在一些实施例中，输入/输出接口140可以根据从控制台110接收到的指令向用户提供触觉反馈。例如，当动作请求被接收时或者在控制台110已经执行了所请求的动作并将指令传送给输入/输出接口140时，输入/输出接口140可以提供触觉反馈。

控制台110可以根据从外部成像设备150、近眼显示器120和输入/输出接口140中的一个或多个接收的信息，向近眼显示器120提供内容以呈现给用户。在图1中所示的示例中，控制台110可以包括应用存储库112、头戴式耳机跟踪模块114、人造现实引擎116和眼睛跟踪模块118。控制台110的一些实施例可以包括与结合图1所描述的模块不同或另外的模块。下面进一步描述的功能可以以与这里描述的方式不同的方式分布在控制台110的各部件之中。

在一些实施例中，控制台110可以包括处理器和存储由处理器可执行的指令的非暂时性计算机可读存储介质。处理器可以包括并行执行指令的多个处理单元。计算机可读存储介质可以是任何存储器，诸如硬盘驱动器、可移动存储器或固态驱动器(例如，闪存或动态随机存取存储器(DRAM))。在各种实施例中，结合图1描述的控制台110的模块可以被编码为非暂时性计算机可读存储介质中的指令，该指令在由处理器执行时使处理器执行以下进一步描述的功能。

应用存储库112可以存储用于由控制台110执行的一个或多个应用。应用可以包括指令集，指令集在由处理器执行时，生成内容以呈现给用户。由应用所生成的内容可以响应于经由用户的眼睛的移动从用户接收的输入或者从输入/输出接口140接收的输入。应用的示例可以包括游戏应用、会议应用、视频回放应用或其他适用的应用。

头戴式耳机跟踪模块114可以使用来自外部成像设备150的慢校准信息来跟踪近眼显示器120的移动。例如，头戴式耳机跟踪模块114可以使用观察到的定位器根据慢校准信息和近眼显示器120的模型来确定近眼显示器120的参考点的位置。头戴式耳机跟踪模块114还可以使用来自快校准信息的位置信息来确定近眼显示器120的参考点的位置。另外，在一些实施例中，头戴式耳机跟踪模块114可以使用快校准信息、慢校准信息或其某种组合来预测近眼显示器120的未来位置。头戴式耳机跟踪模块114可以向人造现实引擎116提供近眼显示器120的估计的或预测的未来位置。

头戴式耳机跟踪模块114可以使用一个或多个校准参数来校准人造现实系统环境100，并且可以调节一个或多个校准参数以减小在确定近眼显示器120的位置时的误差。例如，头戴式耳机跟踪模块114可以调节外部成像设备150的焦点，以获得在近眼显示器120上的被观察到的定位器的更准确的位置。此外，头戴式耳机跟踪模块114执行的校准也可以考虑从IMU 132接收的信息。另外，如果近眼显示器120的跟踪丢失(例如，外部成像设备150失去至少阈值数量的定位器126的视线)，则头戴式耳机跟踪模块114可以重新校准一些或所有校准参数。

人造现实引擎116可以在人造现实系统环境100内执行应用，并且接收近眼显示器120的位置信息、近眼显示器120的加速度信息、近眼显示器120的速度信息、近眼显示器120的所预测的未来位置或来自头戴式耳机跟踪模块114的其某种组合。人造现实引擎116还可以从眼睛跟踪模块118接收估计的眼睛位置和定向信息。基于接收到的信息，人造现实引擎116可以确定要提供给近眼显示器120的内容以用于呈现给用户。例如，如果接收到的信息指示用户已经向左看，则人造现实引擎116可以为近眼显示器120生成在虚拟环境中反映用户的眼睛移动的内容。另外，人造现实引擎116可以响应于从输入/输出接口140接收到的动作请求而在控制台110上执行的应用内执行动作，并且向用户提供指示该动作已被执行的反馈。反馈可以是经由近眼显示器120的视觉或听觉反馈，或者是经由输入/输出接口140的触觉反馈。

眼睛跟踪模块118可以从眼睛跟踪单元130接收眼睛跟踪数据，并基于眼睛跟踪数据确定用户的眼睛的位置。眼睛的位置可以包括眼睛相对于近眼显示器120或其任何元件的定向、位置或两者。因为眼睛的旋转轴根据眼睛在其眼窝中的位置而变化，所以确定眼睛在其眼窝中的位置可以允许眼睛跟踪模块118更准确地确定眼睛的定向。

在一些实施例中，眼睛跟踪模块118可以存储由眼睛跟踪单元130捕获的图像和眼睛位置之间的映射，以根据眼睛跟踪单元130捕获的图像来确定参考眼睛位置。可替代地或附加地，通过将确定参考眼睛位置的图像与确定更新后的眼睛位置的图像进行比较，眼睛跟踪模块118可以确定相对于参考眼睛位置的更新后的眼睛位置。眼睛跟踪模块118可以使用来自不同成像设备或其他传感器的测量来确定眼睛位置。例如，眼睛跟踪模块118可以使用来自慢眼睛跟踪系统的测量来确定参考眼睛位置，然后从快眼睛跟踪系统确定相对于参考眼睛位置的更新后的位置，直到基于来自慢眼睛跟踪系统的测量确定下一个参考眼睛位置为止。

眼睛跟踪模块118还可以确定眼睛校准参数以提高眼睛跟踪的精度和准确度。眼睛校准参数可以包括每当用户佩戴或调节近眼显示器120时都可以改变的参数。示例眼睛校准参数可以包括眼睛跟踪单元130的配件与眼睛的一个或多个部分(诸如眼睛的中心、瞳孔、角膜边界或眼睛表面上的点)之间的估计距离。其他示例眼睛校准参数可以特定于特定用户，并且可以包括估计的平均眼睛半径、平均角膜半径、平均巩膜半径、眼睛表面上的特征图和估计的眼睛表面轮廓。在来自近眼显示器120外部的光可以到达眼睛的实施例中(如在一些增强现实应用中)，校准参数可以包括由于来自近眼显示器120外部的光的变化而引起的针对强度和色彩平衡的校正因子。眼睛跟踪模块118可以使用眼睛校准参数来确定由眼睛跟踪单元130捕获的测量是否将允许眼睛跟踪模块118确定准确的眼睛位置(在本文中也被称为“有效测量”)。眼睛跟踪模块118可能无法从无效测量中确定准确的眼睛位置，无效测量可能是由用户眨眼、调节头戴式耳机或取下头戴式耳机所引起的，和/或可能是由近眼显示器120由于外部光而经历了大于阈值的照明变化所引起的。在一些实施例中，眼睛跟踪模块118的至少一些功能可以由眼睛跟踪单元130执行。

图2是用于实现本文公开的一些示例的头戴式显示器(HMD)设备200形式的示例近眼显示器的透视图。HMD设备200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。HMD设备200可以包括主体220和头带230。图2以透视图示出了主体220的顶侧223、前侧225和右侧227。头带230可以具有可调节或可延伸的长度。HMD设备200的主体220和头带230之间可能有足够的空间，以允许用户将HMD设备200安装到用户的头部上。在各种实施例中，HMD设备200可以包括更多的、更少的或不同的组件。例如，在一些实施例中，HMD设备200可以包括眼镜镜腿和镜腿尖，例如如图2中所示，而不是头带230。

HMD设备200可以向用户呈现包括具有计算机生成的元件的物理的真实世界环境的虚拟和/或增强视图的媒体。由HMD设备200呈现的媒体的示例可以包括图像(例如，二维(2D)或三维(3D)图像)、视频(例如，2D或3D视频)、音频或其某种组合。可以通过封装在HMD设备200的主体220中的一个或多个显示器组件(图2中未示出)将图像和视频呈现给用户的每只眼睛。在各个实施例中，一个或多个显示器组件可以包括单个电子显示面板或多个电子显示面板(例如，用户的每只眼睛一个显示面板)。(多个)电子显示面板的示例可以包括例如液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)显示器、无机发光二极管(ILED)显示器、微发光二极管(mLED)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、某些其他显示器或其某种组合。HMD设备200可以包括两个眼盒(eyebox)区域。

在一些实施例中，HMD设备200可以包括各种传感器(未示出)，诸如深度传感器、运动传感器、位置传感器和眼睛跟踪传感器。这些传感器中的一些可以使用结构化的光图案以进行感测。在一些实施例中，HMD设备200可以包括用于与控制台通信的输入/输出接口。在一些实施例中，HMD设备200可以包括虚拟现实引擎(未示出)，该虚拟现实引擎可以执行HMD设备200内的应用并从各种传感器接收HMD设备200的深度信息、位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置或其某种组合。在一些实施例中，由虚拟现实引擎接收的信息可以被用于产生到一个或多个显示器组件的信号(例如，显示指令)。在一些实施例中，HMD设备200可以包括定位器(未示出，诸如定位器126)，定位器相对于参考点并且相对于彼此位于主体220上的固定位置。每个定位器可以发射可由外部成像设备检测到的光。

图3是用于实现本文公开的一些示例的一副眼镜形式的简化示例近眼显示器300的透视图。近眼显示器300可以是图1的近眼显示器120的具体实现，并且可以被配置为操作为虚拟现实显示器、增强现实显示器和/或混合现实显示器。近眼显示器300可以包括框架305和显示器310。显示器310可以被配置为向用户呈现内容。在一些实施例中，显示器310可以包括显示器电子器件和/或显示器光学器件。例如，如以上关于图1的近眼显示器120所描述的，显示器310可以包括LCD显示面板、LED显示面板或光学显示面板(例如，波导显示器组件)。

近眼显示器300还可以在框架305上或在框架305内包括各种传感器350a、350b、350c、350d和350e。在一些实施例中，传感器350a-350e可以包括一个或多个深度传感器、运动传感器、位置传感器、惯性传感器或环境光传感器。在一些实施例中，传感器350a-350e可以包括一个或多个图像传感器，其被配置为生成表示在不同方向上的不同视场的图像数据。在一些实施例中，传感器350a-350e可以被用作输入设备，以控制或影响近眼显示器300的显示内容，和/或向近眼显示器300的用户提供交互式VR/AR/MR体验。在一些实施例中，传感器350a-350e也可以被用于立体成像。

在一些实施例中，近眼显示器300还可以包括一个或多个照明器330以将光投射到物理环境中。投射的光可以与不同的频带(例如，可见光、红外光、紫外线等)相关联，并且可以用于各种目的。例如，(多个)照明器330可以在黑暗的环境中(或在具有低强度的红外光、紫外光等的环境中)投射光，以辅助传感器350a-350e捕获黑暗的环境内的不同对象的图像。在一些实施例中，(多个)照明器330可以被用来将某些光图案投射到环境内的对象上。在一些实施例中，(多个)照明器330可以被用作定位器，诸如以上关于图1描述的定位器126。

在一些实施例中，近眼显示器300还可以包括高分辨率相机340。相机340可以捕获视场中的物理环境的图像。所捕获的图像可以例如由虚拟现实引擎(例如，图1的人造现实引擎116)处理以将虚拟对象添加到所捕获的图像或修改所捕获的图像中的物理对象，并且处理后的图像可以通过显示器310而被显示给用户以用于AR或MR应用。

图4例示出了根据某些实施例的使用波导显示器的示例光学穿透增强现实系统400。增强现实系统400可以包括投影仪410和组合器415。投影仪410可以包括光源或图像源412以及投影仪光学器件414。在一些实施例中，图像源412可以包括显示虚拟对象的多个像素，诸如LCD显示面板或LED显示面板。在一些实施例中，图像源412可以包括生成相干光或部分相干光的光源。例如，图像源412可以包括激光二极管、垂直腔表面发射激光器和/或发光二极管。在一些实施例中，图像源412可以包括多个光源，每个光源发射与原色(例如，红色、绿色或蓝色)相对应的单色图像光。在一些实施例中，图像源412可以包括光学图案发生器，诸如空间光调制器。投影仪光学器件414可以包括可以调制来自图像源412的光的一个或多个光学部件，所述调制诸如是将来自图像源412的光扩展、准直、扫描或投影到组合器415。一个或多个光学部件可以包括例如一个或多个透镜、液体透镜、反光镜、光阑和/或光栅。在一些实施例中，投影仪光学器件414可以包括具有多个电极的液体透镜(例如，液晶透镜)，其允许扫描来自图像源412的光。

组合器415可以包括用于将来自投影仪410的光耦合到组合器415的基板420中的输入耦合器430。输入耦合器430可以包括体全息光栅、衍射光学元件(DOE)(例如，表面浮雕光栅)或折射耦合器(例如，楔或棱镜)。对于可见光，输入耦合器430可以具有大于30％、50％、75％、90％或更高的耦合效率。如本文所使用的，可见光可以指的是波长在约380nm至约750nm之间的光。耦合到基板420中的光可以通过例如全内反射(TIR)在基板420内传播。基板420可以是一副眼镜的透镜的形式。基板420可以具有平坦或弯曲的表面，并且可以包括一种或多种类型的介电材料，诸如玻璃、石英、塑料、聚合物、聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)、晶体或陶瓷。基板的厚度可以在例如小于约1mm到约10mm或更大的范围内。基板420可以对可见光是透明的。如果光束可以以高透射率(诸如大于50％、40％、75％、80％、90％、95％或更高)通过材料，则该材料可能对光束而言是“透明的”，其中一小部分光束(例如小于50％、40％、25％、20％、10％、5％或更少)可能被材料散射、反射或吸收。透射比率(即透射率)可以由在一定波长范围内的光学加权或未加权的平均透射率来表示，或者可以由诸如可见波长范围之类的波长范围内的最低透射率来表示。

基板420可以包括或可以耦合到多个输出耦合器440，该多个输出耦合器440被配置为从基板420提取由基板420引导并在基板420内传播的光的至少一部分，并将所提取的光460引导至增强现实系统400的用户的眼睛490。就像输入耦合器430，输出耦合器440可以包括光栅耦合器(例如，体全息光栅或表面浮雕光栅)、其他DOE、棱镜等。输出耦合器440在不同的位置可以具有不同的耦合(例如，衍射)效率。基板420还可以允许来自组合器415前面的环境的光450以很小的损耗或无损耗地通过。输出耦合器440也可以允许光450以很小的损耗通过。例如，在一些实施例中，输出耦合器440对于光450可能具有低衍射效率，使得光450可以被折射或以其他方式以很小的损耗通过输出耦合器440，因此可以具有比所提取的光460更高的强度。在一些实施例中，输出耦合器440对于光450可以具有高衍射效率，并且可以以很小的损耗将光450衍射到某些期望的方向(即，衍射角)。结果，用户可以能够观看组合器415前面的环境和由投影仪410投影的虚拟对象的组合图像。

图5是根据某些实施例的示例近眼显示器500的截面图。近眼显示器500可以包括至少一个显示器组件510。显示器组件510可以被配置为将图像光(即，显示光)引导到位于出射瞳孔530处的眼盒以及引导到用户的眼睛520。应注意，虽然本公开中的图5和其他附图为了说明的目的示出了近眼显示器的用户的眼睛，但是用户的眼睛不是对应的近眼显示器的一部分。

就像HMD设备200和近眼显示器300，近眼显示器500可以包括框架505和显示器组件510，该显示器组件510包括耦合到或嵌入在框架505中的显示器512和/或显示器光学器件514。如上所述，显示器512可以根据从诸如控制台110之类的控制台接收的数据，电气地(例如，使用LCD)或光学地(例如，使用波导显示器和光学耦合器)向用户显示图像。显示器512可以包括子像素以发射诸如红色、绿色、蓝色、白色或黄色之类的主要颜色的光。在一些实施例中，显示器组件510可以包括一个或多个波导显示器的堆叠，包括但不限于堆叠的波导显示器、可变焦波导显示器等。堆叠的波导显示器是通过堆叠其相应单色光源具有不同颜色的波导显示器而创建的多色显示器(例如，红-绿-蓝(RGB)显示器)。堆叠的波导显示器也可以是可以被投影在多个平面上的多色显示器(例如，多平面彩色显示器)。在一些配置中，堆叠的波导显示器可以是可以投影在多个平面上的单色显示器(例如，多平面单色显示器)。可变焦波导显示器是可以调节从波导显示器发射的图像光的焦点位置的显示器。在替代实施例中，显示器组件510可以包括堆叠的波导显示器和可变焦波导显示器。

显示器光学器件514可以类似于显示器光学器件124，并且可以光学地显示图像内容(例如，使用光波导和光学耦合器)、校正与图像光相关联的光学误差、组合虚拟对象和真实对象的图像并将校正后的图像光呈现给近眼显示器500的出射瞳孔530，用户的眼睛520可能位于该处。显示器光学器件514还可以中继图像以创建虚拟图像，该虚拟图像看起来像远离图像源并且比距离用户的眼睛的仅若干厘米更远。例如，显示器光学器件514可以准(collimate)直图像源以创建可以看起来像很远的虚拟图像，并将所显示的虚拟对象的空间信息转换为角度信息。显示器光学器件514还可以放大图像源以使图像看起来大于图像源的实际尺寸。显示器光学器件的更多细节在下面描述。

II.显示器光学器件

在各种实施例中，诸如HMD之类的近眼显示器的光学系统可以是瞳孔形成的或非瞳孔形成的。非瞳孔形成的HMD可以不使用中间光学器件来中继所显示的图像，因此用户的瞳孔可以用作HMD的瞳孔。这样的非瞳孔形成的显示器可以是放大镜(有时被称为“简单目镜”)的变体，其可以放大所显示的图像以形成在距眼睛更大距离处的虚拟图像。非瞳孔形成的显示器可以使用更少的光学元件。瞳孔形成的HMD可以使用与例如复合显微镜或望远镜的光学器件相类似的光学器件，并且可以包括内部光阑和某些形式的投影光学器件，它们放大中间图像并将其中继到出射瞳孔。瞳孔形成的HMD的光学系统更加复杂，可以允许在从图像源到出射瞳孔的路径上使用更多的光学元件，这些光学元件可以被用来校正光学像差并生成聚焦线索(focal cues)，并可以提供包装HMD的设计自由度。例如，可以在光路中插入许多反射器(例如，反射镜)，使得可以将光学系统折叠或包裹起来以装配在紧凑的HMD中。

图6例示出了根据某些实施例的用于近眼显示设备的具有非瞳孔形成配置的示例光学系统600。光学系统600可以包括投影仪光学器件610和图像源620。投影仪光学器件610可以用作放大器。图6示出图像源620在投影仪光学器件610前面。在一些其他实施例中，图像源620可以位于用户的眼睛690的视场之外。例如，一个或多个反射器或定向耦合器，例如如图4中所示，可以被用来反射来自图像源的光，以使图像源看起来像位于图6中所示的图像源620的位置。图像源620可以类似于上述的图像源412。可以通过投影仪光学器件610将来自图像源620上的区域(例如，像素或发光源)的光引导至用户的眼睛690。由投影仪光学器件610引导的光可以在图像平面630上形成虚拟图像。可以基于图像源620的位置和投影仪光学器件610的焦距来确定图像平面630的位置。用户的眼睛690可以使用由投影仪光学器件610引导的光来在用户的眼睛690的视网膜上形成真实图像。以这种方式，在图像源620上的不同空间位置处的对象可能看起来像是在以不同视角离眼睛很远的图像平面上的对象。

图7例示出了根据某些实施例的用于近眼显示设备的具有光瞳形成配置的示例光学系统700。光学系统700可以包括图像源710、第一中继透镜720和第二中继透镜730。即使图像源710、第一中继透镜720和第二中继透镜730被示为在用户的眼睛790前面，它们中的一个或多个也还是可以物理上位于用户的眼睛790的视场之外——例如，当一个或多个反射器或定向耦合器被用来改变光的传播方向时。图像源710可以类似于上述的图像源412。第一中继透镜720可以包括一个或多个透镜，并且可以产生图像源710的中间图像750。第二中继透镜730可以包括一个或多个透镜，并且可以将中间图像750中继到出射瞳孔740。如图7中所示，在图像源710上的不同空间位置处的对象可能看起来像是在不同视角处离用户的眼睛790很远的对象。然后，来自不同角度的光可以被眼睛聚焦到用户的眼睛790的视网膜792上的不同位置上。例如，至少一部分光可以被聚焦在视网膜792上的中央凹794上。

III.用于近眼显示器的自适应透镜

A.聚散-调解冲突

在自然环境中，观看者调节眼睛的聚焦力(即调解(accommodate)以保证清晰的视网膜图像，并调节眼睛的视线之间的角度(聚散)，使得两只眼睛都被引导到同一点。例如，为了在视网膜上形成对象的清晰图像，眼睛需要调解到接近于对象的聚焦距离的距离。可接受的范围是焦点深度，该深度在正常情况下约为±0.3屈光度(D)。为了将对象观看为单个(即融合)对象而不是两个对象，眼睛的视线需要会聚在接近于对象距离的距离处。公差范围是Panum的融合区域，其是约15至30arcmin。因此，大于约15至30arcmin的聚散误差可导致双眼视像融合的破裂。为了清楚地将对象观看为单个对象，调解距离和聚散距离需要紧密耦合。

图8A例示出了自然环境中的聚焦距离和聚散距离之间的耦合。在自然环境中，聚散和调解响应是神经耦合或相关的。更具体地，无论观看者看向何处，眼睛会聚到的距离和眼睛调解到的距离总是相同的。调解变化将引起聚散变化(被称为调解性聚散)，而聚散变化将引起调解变化(称为聚散性调解)。耦合的一个好处是提高了调解和聚散的速度。如图8A中所示，当在自然环境中观看目标点850时，观看者的左眼810和右眼820的注视方向以及因此的眼睛的视线之间的角度(聚散)可以被自然地调节，使得两只眼睛都被引导到同一点。同时，眼睛的聚焦力也可以被自然地调节，以确保获得清晰的视网膜图像(即调解)。因此，聚散距离830和聚焦距离840相同。

在人造现实显示器(例如，立体VR或AR显示器)中，聚焦距离和聚散距离之间的耦合有时会被破坏，因为聚焦距离被固定在图像平面处，而聚散距离则取决于观看者所关注的模拟场景的部分而变化。因此，由于眼睛必须会聚在图像内容上(其可能在图像平面的前面或后面)，并且必须调解到图像平面的距离，因此在两个响应之间出现不符。聚散距离与调解距离之间的自然相关性的破坏常常被称为聚散-调解冲突。

图8B例示出了在近眼显示环境中的聚焦距离和聚散距离之间的冲突。当观看聚散距离880处的预期点860时，需要调节观看者的左眼810和右眼820的注视方向，并且因此调节眼睛的视线之间的角度，使得两只眼睛都被引导到预期点。另一方面，由于实际图像被显示在图像平面870处，因此需要调节眼睛的聚焦力以聚焦在图像平面上。因此，眼睛的聚焦距离890是图像平面870的距离，其常常与聚散距离880不同。例如，在许多现有的近眼显示器中，图像平面在用户的眼睛前面的约2米或约3米处。但是，所显示的对象的预期距离可能小于或大于2米或3米。因此，聚散距离可以小于或大于聚焦距离。

聚散-调解冲突具有若干不利影响。例如，由于冲突性的视差和焦点信息，可能会发生感知失真。可能难以同时融合和聚焦刺激(例如，预期的对象)，因为观看者需要将聚散和调解调节到不同的距离。如果调解准确，则观看者可以清楚地看到对象，但可能看到双重图像。如果聚散准确，则观看者可以看到融合的对象，但它可能是模糊的。当用户尝试调节聚散和调解时，可能会出现视觉不适。一组可能不会引起眼睛不适的聚散和调解性响应是Percival的舒适区，其大约是单个双目视觉清晰区的宽度的三分之一。现实世界中的刺激(例如目标对象)落在舒适区内，而3D显示器中的许多刺激却不是。为了融合和聚焦3D显示器中的刺激，观看者可能需要抵抗正常的调解-聚散耦合，并且据信所涉及的努力会在长时间使用近眼显示器期间引起观看者疲劳和不适。

B.用于近眼显示器的自适应透镜

为了减小眼压，近眼显示设备可能需要能够在多个图像平面处显示图像。图像平面的距离可能需要基于所显示的内容的聚散距离而被改变。对于具有较长聚散距离的内容，图像平面可能需要与用户的眼睛相距较长的距离。例如，当聚散距离小于大约1米时，图像平面可以被设置在用户的眼睛前面的0.6米处，而当聚散距离大于约1米时，图像平面可以被设置在用户的眼睛前面的2米处。以这种方式，将聚散距离和聚焦距离耦合或相关以减小聚散-调解冲突并因此减小眼压。为了在聚散距离和适应之间具有更好的对应关系，可以创建三个或更多个的图像平面。

根据某些实施例，透镜堆叠(例如，液晶透镜堆叠)被用来形成可切换透镜组件，该可切换透镜组件可以将图像自适应地投影在两个或更多个的图像平面处。透镜堆叠可以包括至少两个液晶(FC)透镜或对线性或圆偏振光敏感的其他透镜。该堆叠还包括一个或多个可切换偏振转换器，其将线性偏振旋转90°或改变圆偏振的手性。这些转换器可以被放置在透镜堆叠前面或透镜之间，并且可以同时或在不同的时间被切换以实现多个图像平面。

图9例示出了根据某些实施例的用于在两个离散图像平面上显示图像的示例液晶透镜堆叠900。在一些实施例中，液晶透镜堆叠900包括第一液晶透镜920、偏振转换器930和第二液晶透镜940。第一液晶透镜920和第二液晶透镜940可以是偏振依赖的无源或有源液晶透镜。在一些实施例中，第一液晶透镜920和第二液晶透镜940可以是线性偏振敏感的，并且偏振转换器930可以是偏振旋转器。例如，第一液晶透镜920可以对处于第一线性偏振状态(例如，在对准方向θ处线性偏振)的光具有第一(正或负)光功率(例如，x)。第一光功率可以对应于液晶透镜堆叠的第一聚焦距离，并且因此对应于针对所显示图像的第一虚拟图像距离。第二液晶透镜940可以对处于第二线性偏振状态(例如，在对准方向θ+90°处线性偏振)的光具有第二(正或负)光功率(例如，y)。第二光功率可以对应于液晶透镜堆叠的第二聚焦距离，并且因此对应于针对所显示图像的第二虚拟图像距离。第一液晶透镜920可以对于处于第二线性偏振状态的光具有零光功率，并且第二液晶透镜940可以对于处于第一线性偏振状态的光具有零光功率。偏振转换器930可以被配置为将显示光从第一偏振状态旋转到第二偏振状态，反之亦然。偏振转换器930可以被定位在第一液晶透镜920和第二液晶透镜940之间，或者可以被定位成使得第一液晶透镜920和第二液晶透镜940在偏振转换器930的同一侧上。在显示光(例如，来自波导显示器)不是线性偏振的一些实施例中，液晶透镜堆叠900还可以包括用于使显示光偏振的偏振器950。液晶透镜堆叠900可以被附接到近眼显示设备的框架910。

在另一个实施例中，对于处于第一线性偏振状态的光，第一液晶透镜920可以具有第一(正或负)光功率(例如，x)，并且第二液晶透镜940可以具有第二(正或负)光功率(例如，y)。对于处于第二线性偏振状态的光，LC透镜920和940可以具有零光功率。被配置为将显示光从第一线性偏振状态旋转到第二线性偏振状态或反之亦然的偏振转换器930可以被放在第一液晶透镜920和第二液晶透镜940之间。当偏振转换器930处于关闭状态(即，没有偏振旋转)时，透镜堆叠900的光功率是x+y，其对应于聚焦距离1/(x+y)。当偏振转换器930处于开启状态时，透镜堆叠900的光功率是x，其对应于聚焦距离l/x。

在又一个实施例中，对于处于第一圆偏振状态(例如，右旋圆偏振(RCP))下的光，第一LC透镜920和第二LC透镜940可以分别具有正光功率x和y。偏振转换器930可以是可以将右旋圆偏振转换为左旋圆偏振或反之亦然的偏振转换器。例如，在一些实施例中，偏振转换器930可以包括半波片并且可以被放在第一LC透镜920和第二LC透镜940之间。当偏振转换器930处于关闭状态(即，没有偏振转换)时，RCP光可以在穿过第一LC透镜920之后变成左旋圆偏振(LCP)光，然后LCP光可以穿过偏振转换器而不改变该偏振状态。第二LC透镜940可以对于LCP光具有负的光功率-y。结果，透镜堆叠900的光功率为x-y。当偏振转换器930处于开启状态时，RCP光可以在穿过第一LC透镜920之后变成LCP光，然后LCP光可以在穿过偏振转换器930之后被转换回RCP光。第二LC透镜940可以对于RCP光具有正的功率y。结果，透镜堆叠900的光功率为x+y。

图9示出了液晶透镜堆叠的一种示例构造或堆砌。液晶透镜堆叠中的第一液晶透镜920、偏振转换器930、第二液晶透镜940和/或偏振器950也可以以其他方式进行布置。在一个实现中，在显示之后，堆砌可以以偏振器950(可选)、偏振转换器930、第一液晶透镜920和第二液晶透镜940的顺序。在另一个实施例中，堆砌可以以偏振器950(可选)、偏振转换器930、第二液晶透镜940和第一液晶透镜920的顺序。在又一实施例中，堆砌可以以偏振器950(可选)、第二液晶透镜940、偏振转换器930和第一液晶透镜920的顺序。

在偏振转换器930位于第一液晶透镜920和第二液晶透镜940之间的一些实施例中，如果来自显示器的显示光未被偏振的话，则来自显示器(例如，LCD或波导显示器)的光可以首先被偏振成例如被偏振器950线性或圆形偏振的光。例如，偏振器950可以对显示光进行偏振，使得穿过偏振器950的显示光可以在对准方向θ上被线性地偏振。第一液晶透镜920对于处于第一线性偏振状态的光可以具有非零光功率。因此，第一液晶透镜920可以在与第一液晶透镜920的非零光功率相关联的第一虚拟图像距离处将显示图像投影在图像平面上。偏振转换器930可以处于“关闭”状态(不旋转)，并且因此将不会改变穿过偏振转换器930的光的偏振状态。第二液晶透镜940对于处于第一线性偏振状态的光可以具有零光功率，并且因此将不会改变图像平面的距离。因此，当偏振转换器930处于“关闭”状态时由液晶透镜堆叠900形成的图像处于第一虚拟图像距离处。当偏振转换器930被切换到“开启”状态(旋转)时，并且因此将改变穿过偏振转换器930的光的偏振状态，例如从第一线性偏振状态改变为第二线性偏振状态。第二液晶透镜940对于处于第二线性偏振状态的光可以具有非零光功率，并且因此将会改变图像平面的距离。因此，当偏振转换器930处于“开启”状态时由液晶透镜堆叠900形成的图像处于与第一液晶透镜920和第二液晶透镜940的合成光功率相关联的第二虚拟图像距离处。

在第一液晶透镜920和第二液晶透镜940是线性偏振敏感的并且在偏振转换器930(其在偏振器950和两个LC透镜之间)的同一侧上的一些实施例中，来自显示器的或在穿过偏振器950之后的光可以处于第一偏振状态，诸如在对准方向θ上被线性地偏振。偏振转换器930可以处于“关闭”状态(不旋转)，并且因此将不会改变穿过偏振转换器930的光的偏振状态。这样，处于第一偏振状态的显示光可以到达第一液晶透镜920。因为第一液晶透镜920对于处于第一偏振状态的光可以具有非零光功率，所以第一液晶透镜920可以在与第一液晶透镜920的非零光功率相关联的第一虚拟图像距离处将显示图像投影在图像平面上。第二液晶透镜940对于处于第一偏振状态的光可以具有零光功率，并且因此将不会改变图像平面的距离。因此，当偏振转换器930处于“关闭”状态时由液晶透镜堆叠900形成的图像处于第一虚拟图像距离处。当偏振转换器930被切换到“开启”状态(旋转)时，其可以改变穿过偏振转换器930的光的偏振状态，例如从第一偏振状态改变为第二偏振状态。因为第一液晶透镜920对于处于第二偏振状态的光可以具有零光功率，所以第一液晶透镜920可以不改变显示光的波前。然而，由于第二液晶透镜940对于处于第二偏振状态的光可以具有非零光功率，所以第二液晶透镜940将在与第二液晶透镜的非零光功率相关联的第二虚拟图像距离处将显示图像投影在图像平面上。因此，当偏振转换器930处于“开启”状态时，由液晶透镜堆叠900形成的图像处于第二虚拟图像距离处。

这样，液晶透镜堆叠900可以形成可切换透镜组件，该可切换透镜组件可以在两个或更多个的图像平面处自适应地投射图像。在各种实施例中，用于LC透镜的液晶可以包括在电场中可切换的有源LC或无源LC(例如，反应性液晶元)，其层可以在形成对准结构之后被交叉链接。在一个实施例中，LC包括向列LC。在一些实施例中，可以在透镜堆叠中使用其他偏振依赖的透镜，而不是液晶透镜，以形成可切换透镜组件。在一些实施例中，液晶透镜可以是可以电调节的无源透镜或有源透镜。在一些实施例中，透镜堆叠中的一个液晶透镜可以是无源透镜，而堆叠中的另一液晶透镜可以是有源透镜。在一些实施例中，一个或多个液晶透镜堆叠可以被使用在用于虚拟现实或增强现实应用的近眼显示设备中。例如，在近眼显示设备中可以使用两个或更多个的液晶透镜堆叠以实现两个以上的不同图像平面。

图10是根据某些实施例的示例近眼显示设备1000的分解图。近眼显示设备1000可以包括框架1010、波导显示器1040和第一透镜堆叠1050。第一透镜堆叠1050可以包括这样的透镜堆叠，该透镜堆叠包括两个或更多个的偏振依赖的透镜和可切换偏振转换器，如上关于液晶透镜堆叠1000所述。在一些实施例中，波导显示器1040可以包括多个(例如3个)波导显示器，其中每个波导显示器可以显示一个波长(例如红色、绿色或蓝色)的图像。图像可以由图像源生成，并且耦合到波导显示器1040，如上关于例如图4所述。在VR应用中，例如通过将可切换偏振转换器切换为开启或关闭，由波导显示器1040显示的图像可以由第一透镜堆叠1050在第一虚拟图像距离或第二虚拟图像距离处投影在图像平面上，如上关于图10所述。

在一些实施例中，近眼显示设备1000可以包括第二透镜堆叠1030。第二透镜堆叠1030还可以包括两个或更多个的偏振依赖透镜和可切换偏振转换器，如上关于液晶透镜堆叠1000所述。第二透镜堆叠1030中的两个或更多个的偏振依赖透镜可以具有与第一透镜堆叠1050中的两个或更多个的偏振依赖透镜的光功率相反的光功率。例如，如果第一透镜堆叠1050中的两个偏振依赖透镜分别具有大约x和大约y的光功率(其中x和y可以是正或负)，则第二透镜堆叠1030中的两个偏振依赖透镜可以分别具有大约-x和大约-y的光功率。这样，第一透镜堆叠1050和第二透镜堆叠1030的总的光功率可以接近零或小于约±0.25屈光度。如以上关于图4所描述的，在一些实施例中，波导显示器1040对于环境可见光可以是基本上透明的。因此，在增强现实应用中，第一透镜堆叠1050、波导显示器1040和第二透镜堆叠1030对来自近眼显示设备1000前面的周围环境的光可能只有一点影响或者没有影响，使得用户可以只有一点失真或者没有失真地观看真实世界环境。同时，波导显示器1040和第一透镜堆叠1050可以被用来向用户显示计算机生成的人造图像。

在一些实施例中，近眼显示设备1000可以包括眼睛跟踪系统，该眼睛跟踪系统可以包括用于跟踪用户的眼睛的移动的相机1070和眼睛跟踪元件1060，如以上关于图1所描述的。例如，眼睛跟踪元件1060可以将红外光引导到用户的眼睛，并且将由用户的眼睛反射的红外光引导到相机1070。由相机1070捕获的图像可以被分析以确定用户的眼睛的移动。在一些实施例中，近眼显示设备1000可以包括自适应调光元件1020。自适应调光元件1020可以包括LC材料层，该LC材料层可以通过施加电场来改变LC分子的定向来进行调谐，从而改变自适应调光元件的透射率。自适应调光元件的更多细节在下面例如关于图16A-图18B进行描述。在一些实施例中，近眼显示设备1000还可以包括光伏材料层，该光伏材料层可以吸收不可见光(例如，红外和/或紫外线)并将不可见光转换成电能以向例如可切换偏振转换器和/或自适应调光元件提供能量。

C.液晶透镜

如上所述，自适应透镜组件可以包括偏振依赖透镜。可能存在许多不同的方式来实现偏振依赖透镜，该偏振依赖透镜可以是有源或无源透镜，并且可能对线性偏振光或圆偏振光敏感。如上所述，在一些实施例中，偏振依赖透镜可以包括液晶透镜。液晶透镜可以包括例如与平凹聚合物或玻璃透镜相组合的平凸LC透镜，其中液晶分子在平坦和弯曲边界处的对准通过光对准、摩擦(rubbing)或其他合适的对准方法来提供。在一些实施例中，液晶透镜可以包括平板透镜(flat lens))，其中透镜的非零光功率由液晶分子在透镜的不同区域处的预倾斜角的变化所引起的折射率梯度来提供。液晶分子的预倾斜角的变化可以通过例如光对准、微摩擦、与摩擦相结合的不均匀表面聚合、表面聚合物网络的创建、易轴的梯度或锚定能量来实现。在一些实施例中，液晶透镜可以包括衍射光学元件(例如菲涅耳透镜)，并且衍射光学元件的区(例如菲涅耳区)可以通过掺杂预聚物的LC层的相分离图案化或通过图案化的LC对准来形成。对准图案可以通过例如光对准来创建。在一些实现中，液晶透镜可以包括平坦且对圆偏振光敏感的潘恰那南-贝里相(PBP)透镜(即，几何相位透镜)。PBP透镜或几何相位透镜基于透镜内的几何相位的梯度，这可以通过例如偏振全息术或直接光学写入来诱发。

液晶透镜可以包括例如向列液晶透镜、聚合物稳定向列液晶透镜、聚合物稳定蓝相液晶透镜、聚合物分散向列液晶透镜等。向列液晶包括棒状分子，它由于其各向异性的分子结构而表现出光学和介电各向异性。当在LC单元中适当对准时，向列液晶分子的长轴彼此大致平行，其中对准方向被称为LC指向矢。沿着LC指向矢偏振的光(异常光线(extraordinary ray))看到异常折射率n_e，而垂直于LC指向矢偏振的光(寻常光线)看到寻常折射率n_o。如果光相对于LC指向矢以角度θ偏振，则可以看到有效折射率n_eff(θ)：

介电常数各向异性可以被描述为：

Δε＝ε//-ε⊥， (2)

其中ε∥和ε⊥分别是沿着LC指向矢和垂直于LC指向矢的介电常数(或相对介电常数)。LC的双折射(光学各向异性)可以被表达为：

Δn＝ne-no。 (3)

图11A例示出了具有零光功率的示例液晶设备1100。液晶设备1100可以包括液晶单元1120和偏振器1110。在液晶单元1120中，LC 1122被夹在涂覆有表面对准层(例如，聚酰亚胺(PI))的两个基板和可选的电极(例如，铟锡氧化物(ITO)之间。两个基板可以由控制单元间隙(或厚度)的间隔分开。表面对准层致使LC指向矢的对准。液晶单元1120可以是同质LC单元，其中顶部和底部基板可以沿着反平行方向被摩擦，并且在静止状态LC指向矢沿着基板对准。在图11A中所示的示例中，偏振器1110可以是线性偏振器。当通过偏振器1110沿着摩擦方向线性地偏振的光法线(normally)入射到液晶单元1120上时，它可能在竖直方向上经历光程L＝dn_e，其中d是液晶单元1120的厚度。因为LC 1122在液晶单元1120中被同质地对准，所以入射光的波前没有被液晶单元1120修改，如图11中所示。结果，液晶设备1100的焦距为无穷大(即零光功率)。

图11B例示出了具有负光功率的示例液晶设备1130。就像液晶设备1100，液晶设备1130可以包括液晶单元1150和偏振器1140。在图11B中所示的示例中，偏振器1140可以是线性偏振器。液晶单元1150可以包括在液晶单元1150的不同区域处在不同方向上对准的液晶分子。当由偏振器1110沿着摩擦方向线性地偏振的光法线入射到液晶单元1150上时，它可能在液晶单元1150的不同区域处经历不同的光程。在LC分子沿着入射光的偏振方向对准的区域中，入射光可能经历光程长度L＝dn_e。在LC分子的对准方向垂直于入射光的偏振方向的区域中，入射光可能经历光程长度L＝dn_o。在LC分子的指向矢与入射光的偏振方向形成角度θ的区域中，入射光可能经历光程长度：

其中有效折射率n_eff(θ)可以使用等式(1)来确定。

在液晶单元1150中，LC分子的对准方向被预倾斜，使得预倾斜角θ从围绕中心的大约90°(即，垂直或垂直配向(homeotropic)对准)平滑地变化到在液晶单元的边缘区域上的0°(即，平面对准)。因此，LC单元1150的边缘区域和其他区域之间的光程差(OPD)可以被表达为：

OPD＝d(n_e-n_eff(θ))。 (5)

因此，LC单元1150表现出折射率梯度，并且因此表现出透镜状的相位分布。因此，LC单元1150等效于在透镜的不同区域处具有各向同性介质且厚度不同的透镜。LC单元1150的焦距可以由以下给出：

其中D是LC单元1150的光阑尺寸(例如，直径)，λ是波长，Δδ是光阑的边缘和中心区域之间的相位差并且可以被表达为：

其中，Δn是光阑的中心和边缘区域之间的折射率的差异。因此，LC单元1150的焦距可以被改写为：

其中，r是LC单元1150的光阑的半径。如在图11B中那样，当中心区域的折射率小于边缘区域的折射率时，Δn为负，并且因此f为负。因此，液晶设备1130可以是用于来自偏振器1140的线性偏振光的负透镜。

可以通过例如不同质电场、不同质LC形态、光对准、微摩擦、与摩擦组合的不均匀表面聚合、表面聚合物网络的创建、易轴的梯度或锚定能量等来引入LC指向矢的折射率梯度和预倾斜角的梯度。

图11C例示出了具有正光功率的示例液晶设备1160。液晶设备1160可以包括液晶单元1180和偏振器1170。在图11C中所示的示例中，偏振器1170可以是线性偏振器。液晶单元1180可以包括在液晶单元1180的不同区域处在不同方向上对准的液晶分子。在液晶单元1180的中心，LC分子的对准方向是平面的并且平行于入射光的偏振方向(并且因此折射率在n_e附近)，并且从中心到边缘其他区域处的LC对准方向随着预倾斜角θ的增加而被预倾斜。在边缘处，对准基本上垂直配向、或垂直于入射光的偏振方向(并且因此折射率约为n_o)。因为液晶单元1180的中心区域的折射率(n_e)大于边缘区域的折射率(n_o)，所以Δn为正，并且因此基于等式(8)确定的f为正。因此，液晶设备1160可以是用于来自偏振器1170的线性偏振光的正透镜。

D.可切换偏振旋转器

可以使用波片来实现诸如线性偏振旋转器或圆偏振转换器之类的偏振转换器(例如，可切换偏振转换器930)。例如，波片的轴线关于入射光的偏振方向成角度θ的半波片可以使入射光的偏振方向旋转2θ。特别地，其轴线关于入射光的偏振方向而定向成45°的半波片可以被用来使偏振方向旋转90°。

图12例示出了基于半波片的示例线性偏振旋转器。线性偏振旋转器被配置为旋转线性偏振光的偏振方向。线性偏振器1210可以沿着偏振方向1212线性地偏振入射光。快光轴1222关于偏振方向1212成角度θ的半波片1220可以将线性偏振光的偏振方向旋转角度2θ。当角度θ为45°时，竖直偏振光可以被转换为水平偏振光1230。半波片也可以改变圆偏振光的手性。

在光学系统中，偏振旋转器(例如，半波片)常常使用石英延迟片来实现。石英片可能具有较高的质量和良好的透射性能，但是它们通常价格昂贵并且是不可切换的，并且它们仅可用于窄光谱带宽(即彩色)，并且具有较小的视场(例如，小于2°)。在一些实施例中，半波片可以是具有半波延迟的有源液晶单元，其中半波片可以是可切换的，但是也可以仅用于窄光谱带宽(即，彩色)。例如，具有均匀的LC平面对准的LC单元可以在偏振平行于以及垂直于LC单元的光轴的光之间提供相移Δδ＝π。这些LC单元可以包括透明电极(例如，ITO电极)，以跨单元施加电场并实现LC层的平面至垂直配向的重新定向。

根据某些实施例，扭曲向列液晶单元(TN单元)可以被用来将线性偏振光的定向旋转固定量，例如45°或90°。当光穿越扭曲向列LC液晶单元时，其偏振方向可能跟随分子的旋转。向列液晶单元具有大的接受角，在从VIS到NIR的很大光谱范围内都起作用，而且价格便宜。另外，通过在TN单元上施加电压信号，可以开启或关闭偏振旋转。与基于半波片的偏振旋转器相比，基于TN单元的偏振旋转器可能是消色差的。

图13A-图13C例示出了根据某些实施例的基于TN单元的示例消色差液晶偏振旋转器1300。在该示例中，消色差液晶偏振旋转器是90°TN液晶单元，其中光以Mauguin机制进行传播。图13A示出了处于“开启”状态(即，LC单元处于场截止状态)的消色差液晶偏振旋转器1300，其中可切换液晶偏振旋转器被配置为改变入射光的偏振状态。图13B例示出了处于“关闭”状态(即，液晶单元处于场接通状态)的消色差液晶偏振旋转器，其中可切换液晶偏振旋转器将不改变入射光的偏振状态。图13C例示出了处于“开启”状态的消色差液晶偏振旋转器对线性偏振光的旋转。消色差液晶偏振旋转器1300可以包括形成腔体的两个基板1310(例如，玻璃基板)、透明电极层1320(例如，ITO)、对准层1330(例如，摩擦的聚酰亚胺层)以及包括液晶分子的液晶层1340。通过控制对准层的摩擦方向，可以跨液晶层引起扭曲角。如图13A中所示，在90°的扭曲角的情况下，扭曲向列单元可以被用来将线性偏振光的偏振旋转90°。

如图13A中所示，当消色差LC偏振旋转器1300处于“开启”状态时，由LC分子形成的螺旋形结构可以将入射的线性偏振光1360(例如，垂直偏振)旋转90°，成为如图13C中所示的线性偏振光1370(例如，水平偏振)。当电压信号1350被施加到透明电极层1320时，液晶分子可以被重新对准，使得液晶分子的指向矢都平行于液晶层1340中的电场E。这样，消色差LC偏振旋转器1300的偏振旋转功率被挂起(即，处于“关闭”状态)，并且入射光的偏振状态不会被消色差LC偏振旋转器1300改变。偏振旋转的效率可以取决于液晶层1340的厚度和液晶材料的折射率的各向异性。

图14A至图14D例示出了具有可切换光功率的示例近眼显示设备1400。近眼显示设备1400可以包括显示器1410(例如，光学或电学显示器)、可选的偏振器1420、可切换偏振旋转器1430和液晶透镜1440。如果来自显示器1410的显示光不是线性偏振的，则偏振器1420可以使显示光线性地偏振。可切换偏振旋转器1430可以包括例如上述的基于消色差TN单元的LC偏振旋转器1300。液晶透镜1440可以包括例如上述液晶设备1130或1160。在图14A-图14D中所示的示例中，液晶透镜1440对于s偏振光可以具有零光功率并且对于p偏振光可以具有第一非零光功率。

图14A例示出了当可切换偏振旋转器1430处于“开启”状态时具有零光功率的近眼显示设备1400，其中近眼显示设备包括基于扭曲向列液晶单元的偏振旋转器和线性偏振依赖的LC透镜。图14B例示出了对于处于第一线性偏振状态的光(例如，s偏振的显示光1450)具有零光功率的偏振依赖的液晶透镜1440。在图14A-图14D中所示的示例中，来自显示器1410的显示光可以被偏振器1420进行p偏振。当可切换偏振旋转器1430处于“开启”状态时，可切换偏振旋转器1430可以将p偏振的显示光1460旋转为s偏振的显示光1450。因为液晶透镜1440是偏振敏感的，并且对于s偏振的显示光1450具有零光功率，所以近眼显示设备1400可以具有零光功率。

图14C例示出了当可切换偏振旋转器处于“关闭”状态时具有非零光功率的近眼显示设备1400。图14D例示出了对于处于第二线性偏振状态的光(例如，p偏振的显示光1460)具有非零光功率的偏振依赖的液晶透镜1440。来自显示器1410的显示光可以被偏振器1420进行p偏振。当通过在可切换偏振旋转器1430中施加电场而将可切换偏振旋转器1430设置为“关闭”状态时，可切换偏振旋转器1430可以不旋转p偏振的显示光1460，如上所述。因为液晶透镜1440是偏振敏感的并且对于p偏振的显示光1460具有第一非零光功率，所以近眼显示设备1400可以具有第一非零光功率。因此，可以将近眼显示设备1400的光功率可以从零切换为非零，反之亦然。

可以将具有与液晶透镜1440不同的偏振灵敏度的第二液晶透镜添加到近眼显示设备1400，以使设备具有两个可切换非零光功率。例如，第二液晶透镜对于s偏振的光可以具有第二非零光功率并且对于p偏振的光可以具有零光功率。因此，当可切换偏振旋转器处于“开启”状态时，由于第二液晶透镜，近眼显示设备可以具有第二非零光功率。当可切换偏振旋转器处于“关闭”状态时，由于液晶透镜1440，近眼显示设备可以具有第一非零光功率。

E.对圆偏振光敏感的自适应透镜

如上所述，在一些实现中，液晶透镜可以包括至少一个潘恰那南-贝里相(PBP)透镜或其他平坦且对圆偏振光敏感的几何相位透镜。PBP透镜或几何相位透镜基于透镜内的几何相位的梯度，其可以通过例如偏振全息术或直接光学写入来诱发。PBP透镜通常可以包括半波片，其晶体轴以特定的方式在空间上变化，因此可以累积空间变化的相位。

更具体地，左旋和右旋的圆偏振光(LCP和RCP)的琼斯矢量可以被描述为：

其中J₊和J_-分别表示左旋和右旋的圆偏振光的琼斯向量。对于PBP透镜，局部方位角ψ(r)可以根据以下等式变化：

为了达成中心对称的抛物线相位分布，其中

ω，c，r和f分别是相对相位、角频率、真空中的光速、径向坐标和透镜的焦距。在穿过PBP透镜后，琼斯向量可以被更改为：

其中R(ψ)和W(π)分别是旋转和延迟琼斯矩阵。从等式(11)可以看出，输出光的手性相对于入射光被切换。另外，取决于局部方位角ψ(r)的空间变化的相位被累积。此外，相位累积对于RCP和LCP光具有相反的符号，并且因此PBP透镜可能会不同地修改RCP和LCP入射光的波前。例如，PBP透镜对于RCP光可以具有正光功率而对于LCP光可以具有负光功率，反之亦然。

根据某些实施例，可以在自适应透镜中使用对圆偏振光敏感的一个或多个透镜以实现可切换焦距。例如，如上所述的一个或多个无源PBP透镜可以与可切换偏振转换器(例如，可切换半波片)一起使用，以实现针对入射光的不同焦距。因为(多个)PBP透镜对于不同手性的圆偏振光具有不同的光功率符号，所以可以通过开启或关闭可切换半波片来切换自适应透镜的总光功率。

图15A和图15B例示出了根据某些实施例的包括对圆偏振光敏感的透镜的示例液晶设备1500。液晶设备1500可以包括第一PBP透镜1510、可切换半波片1520和第二PBP透镜1530。在各种实施例中，第一PBP透镜1510和第二PBP透镜1530可以是无源或有源透镜，并且在各种实施例中对于RCP或LCP光可以具有正的或负的光功率。在一个示例中，第一PBP透镜1510和第二PBP透镜1530对于RCP光都可以具有正的光功率并且对于LCP光都可以具有负的光功率。在另一个示例中，第一PBP透镜1510和第二PBP透镜1530对于RCP光都可以具有负的光功率并且对于LCP光都可以具有正的光功率。在又一个示例中，第一PBP透镜1510对于RCP光可以具有正的光功率，而第二PBP透镜1530对于RCP光可以具有负的光功率。如上所述，可切换半波片1520可以是液晶偏振转换器，其可以通过电压信号1550来开启或关闭。当没有电压信号被施加到可切换半波片1520时，可切换半波片1520可以处于“开启”状态并且可以改变穿过它的圆偏振光的手性。当电压信号被施加到可切换半波片1520时，可切换半波片1520可以处于“关闭”状态并且可以不改变穿过它的圆偏振光的手性。

在图15A中，RCP光束1540入射在液晶设备1500上，其中没有电压信号被施加到可切换半波片1520(即，可切换半波片1520处于“开启”状态)。第一PBP透镜1510对于RCP光可以具有光功率D1，第二PBP透镜1530对于RCP光可以具有光功率D2。RCP光束1540可以进入第一PBP透镜1510并且可以被第一PBP透镜1510改变为LCP光。然后，LCP光可以在穿过可切换半波片1520之后被变回RCP光。RCP光可以进入第二PBP透镜1530。因此，入射光(RCP光束1540)可以作为RCP光入射在第一PBP透镜1510和第二PBP透镜1530上，并且因此液晶设备1500的总光功率可以是D1+D2。

在图15B中，RCP光束1540入射在液晶设备1500上，其中电压信号1550被施加到可切换半波片1520(即，可切换半波片1520处于“关闭”状态)以关闭可切换半波片1520(没有偏振状态改变)。RCP光束1540可以进入第一PBP透镜1510，并且可以被第一PBP透镜1510改变为LCP光。LCP光在穿过已经关闭的可切换半波片1520之后可以保持左旋圆偏振。LCP光可以进入第二PBP透镜1530，该第二PBP透镜1530对于LCP光具有光功率-D2。因此，液晶设备1500对于RCP光束1540的总光功率可以是D1-D2。

因此，通过开启或关闭可切换半波片1520，可以在D1+D2和D1-D2之间切换液晶设备1500的光功率。在一些实施例中，三个或更多个无源PBP透镜和两个或更多半波片1520可以被用于液晶设备中，以实现三个或更多个的不同的光功率值，从而实现三个或更多个的不同的图像平面。

IV.自适应调光元件

如以上关于图10所描述的，近眼显示设备还可以包括可以改变环境光的透射率的自适应调光元件。在一些实施例中，自适应调光元件可以包括LC材料层，通过施加电场来改变LC分子的对准，可以调谐LC材料层，从而改变环境光的透射率。基于LC的自适应调光元件可以使用例如聚合物分散液晶调光设备、宾主液晶调光设备或聚合物稳定螺旋织构液晶调光设备来实现。在一些实施例中，自适应调光元件可以包括电致变色设备或光致变色设备。

图16A例示出了处于“光关闭”(或不透明)状态的示例可切换聚合物分散液晶(PDLC)调光设备1600。图16B例示出了处于“光开启”(或透明)状态的示例可切换聚合物分散液晶调光设备1600。PDLC调光设备1600可以包括具有涂覆的透明电极层的基板1610。基板1610可以形成腔体，该腔体可以容纳包括液晶分子和聚合物的PDLC混合物。混合物中的聚合物的浓度可以为例如约30％至50％。聚合物可以在LC/聚合物乳液内被固化以形成聚合物基体1620。液晶分子的液滴1630可以被聚合物基体1620分开。如图16A中所示，当电压信号未被施加到透明电极层时，每个液滴1630内的液晶分子可以具有局部有序(order)，但是不同的液滴可以相对于其他液滴被随机对准。因此，入射光可以被液晶分子随机散射，并且PDLC调光设备1600可以处于“光关闭”(不透明)状态。当电压信号被施加到透明电极层时，发生液晶液滴1630的电光重新定向，如图11B中所示，这可以减小通过单元的光散射的程度。因此，PDLC调光设备1600可以处于“光开启”(透明)状态。在一些实施例中，可以将化学染料添加到PDLC混合物中。化学染料可以优先散射或吸收例如红光、绿光或蓝光。

图17A例示出了处于“光关闭”(或不透明)状态的示例可切换宾主液晶调光设备1700。图17B例示出了处于“光开启”(或透明)状态的示例可切换宾主液晶调光设备1700。宾主液晶调光设备1700可以包括形成腔体的两个基板1710，该腔体容纳包括液晶分子1720和染料1730(例如，二色性染料)的混合物。在一些实施例中，宾主可以是相变GH(PC-GH)，其中在“光关闭”状态中，染料处于螺旋LC状态，并且CLC的螺旋轴可以平行于或垂直于表面(在两种情况下，染料由于旋转的指向矢而被定向在所有方向上)。在一些实施例中，宾主模式也可以是海尔迈尔模式，其中在单元的前面或后面使用线性偏振器，其透射轴平行于二色性染料分子的长轴或摩擦方向。液晶材料可以具有正或负的介电各向异性，并且二色性染料可以是正的。液晶分子可以具有同质或扭曲的向列对准。

在同质对准的情况下，当电压未被施加到宾主液晶调光设备1700时，液晶分子以及因此染料可以具有平面对准。当非偏振光入射到宾主液晶调光设备1700上时，它被线性偏振器线性地偏振，其偏振方向与染料的吸收轴对准。因此，光可能会被染料强烈吸收，并且设备可以显示由所用染料确定的彩色背景。因此，当电压未被施加时，宾主液晶调光设备1700处于“光关闭”(或不透明)状态。当电压被施加到宾主液晶调光设备1700时，LC指向矢可以旋转到垂直配向定向，如图17B中所示，并且因此由于染料的长吸收轴垂直于光的偏振方向，由染料引起的吸收降低。因此，当电压被施加时，宾主液晶调光设备1700处于“光开启”(或透明)状态。

在一些实施例中，液晶调光设备可以包括具有负介电各向异性的LC，其中当电场未被施加时，LC可以具有垂直配向或垂直对准。因此，当电场未被施加时，液晶调光设备可以处于“光开启”(或透明)状态。当电场被施加到液晶调光设备时，LC和染料分子可以重新定向为垂直于电场(平行于单元平面)，并且因此可以增加染料的光吸收。因此，当电场被施加时，液晶调光设备可以处于“光关闭”(或不透明)状态。

在扭曲向列系统中，当电压未被施加时，螺旋形结构可以充当波导，并且线性偏振光可能由于它跟随扭曲的液晶变形而被强烈吸收。因此，宾主液晶调光设备1700处于“光关闭”(或不透明)状态。当电压被施加时，螺旋形结构被破坏，并且作为液晶的重新定向的结果，吸收降低。因此，宾主液晶调光设备1700处于“光开启”(或透明)状态。

图18A例示出了处于“光关闭”(或不透明)状态的示例可切换聚合物稳定螺旋织构(PSCT)液晶调光设备1800。图18B例示出了处于“光开启”(或透明)状态的示例可切换聚合物稳定螺旋织构液晶调光设备1800。PSCT LC调光设备1800可以包括两个基板1810以及在两个基板1810之间的单体和螺旋液晶的混合物。当高电压被施加到在基板1810上形成的透明电极层1840时，可能发生聚合。聚合可能趋向于展开螺旋织构液晶的螺旋结构，并将LC分子重新定向为垂直配向状态(垂直于基板)。在聚合之后，可以形成具有垂直于基板1810的聚合物网络1830的液晶单元，如图18A中所示。当电压信号1850未被施加到透明电极层1840时，LC分子可以具有如图18A中所示的螺旋形结构，而聚合物网络1830可以尝试保持LC指向矢平行于聚合物网络。这两个因素之间的竞争可导致如图18A中所示的焦锥态(focalconic texture)。因此，液晶单元可以具有多畴结构并且可以是光学散射的(即，处于“光关闭”状态)。当跨液晶单元施加足够高的电场时，LC分子可能会被切换到垂直配向织构，如图18B中所示。因此，入射光只能看到LC分子的寻常反射率，而不会被散射。因此，液晶单元是透明的，并且PSCT LC调光设备1800处于“光开启”状态。因为聚合物的浓度可能为低并且LC和聚合物都可以在垂直于基板的方向上对准，所以PSCT LC调光设备可以在宽的视角范围内是透明的。

注意，适合于调光的LC复合材料不限于以上示例中描述的那些。具有电可控的光散射效应的其他LC复合材料可以包括例如反向散射模式PDLC、以动态散射模式操作的LC单元、填充有纳米颗粒的LC等。

V.示例方法

图19是例示出了根据某些实施例的在两个或更多个的图像平面上自适应地显示图像的示例方法的简化流程图1900。流程图1900中描述的操作仅用于说明目的，而无意于进行限制。在各种实施例中，可以对流程图1900进行修改以添加附加的操作或者可以省略一些操作。可以使用例如显示器光学器件124、HMD设备200、近眼显示器300、液晶透镜堆叠1000、近眼显示设备1100或近眼显示设备1500来执行流程图1900中描述的操作。

在框1910处，可以使用例如线性偏振器或圆偏振器将来自第一图像的光偏振为处于第一偏振状态的光。处于第一偏振状态的光可以包括具有第一偏振方向的线偏振光或左旋(或右旋)圆偏振光。

在框1920处，可以使用透镜组件的第一透镜和第二透镜在第一图像平面上形成第一图像的虚拟图像。第一透镜和第二透镜可以是偏振依赖的。例如，第一透镜对于处于第一偏振状态的光可以具有第一非零光功率，而第二透镜对于处于第一偏振状态的光可以具有零光功率。因此，第一非零光功率可以对应于第一图像平面。在一些实施例中，第一透镜和第二透镜是液晶透镜。上面例如关于图10、图12和图15描述了第一透镜和第二透镜的更多细节。

在框1930处，来自第二图像的光可以被偏振为处于第一偏振状态的光。如以上关于框1910所述，可以使用例如线性偏振器或圆偏振器来对光进行偏振。光第一偏振状态可以包括具有第一偏振方向的线性偏振光或左旋(或右旋)圆偏振光。

可选地，在框1940处，可以首先由第一透镜处理来自第二图像的处于第一偏振状态的光，该第一透镜对于处于第一偏振状态的光可以具有第一非零光功率。

在框1950处，可以使用例如处于“开启”状态的可切换偏振转换器将来自第二图像的处于第一偏振状态的光转换成处于第二偏振状态的光。可切换偏振转换器可以在“关闭”状态透射处于第一偏振状态的光而没有旋转。处于第二偏振状态的光可以包括具有第二偏振方向的线性偏振光或右旋(或左旋)圆偏振光。在一些实施例中，第二偏振方向可以与第一偏振方向正交。上面例如关于图13-图15描述了可切换偏振转换器的更多细节。

在框1960处，可以使用第一透镜和第二透镜在第二图像平面上形成第二图像的虚拟图像。第二图像平面和第一图像平面在与透镜组件不同的距离处。第一透镜对于处于第二偏振状态的光可以具有零光功率。第二透镜对于处于第二偏振状态的光可以具有第二非零光功率。在一些实施例中，来自第二图像的光在被偏振到第一偏振状态之后，在处于第一偏振状态的光被转换为处于第二偏振状态的光之前，如上面在框1940处所述的那样由第一透镜处理。在处于第一偏振状态的光被转换为处于第二偏振状态的光之后，第二透镜可以处理处于第二偏振状态的光。因此，针对第二图像的透镜组件的总光功率可以是第一非零光功率和第二非零光功率的组合。在一些实施例中，在被偏振到第一偏振状态之后，在被第一透镜和第二透镜处理之前，来自第二图像的光可以被转换成处于第二偏振状态的光。因为第一透镜对于处于第二偏振状态的光可以具有零光功率，所以透镜组件对于第二图像的总光功率可以是第二非零光功率。这样，可以通过开启或关闭可切换偏振转换器在不同的图像平面上形成虚拟图像。

本发明的实施例可以被用来实现人造现实系统的部件，或者可以与人造现实系统结合实现。人造现实是一种形式的现实，其在向用户展示之前已经以某种方式进行调节，其例如可以包括虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合的现实(MR)、混合现实、或其某种组合和/或派生。人造现实内容可以包括完全生成的内容或与捕获的(例如，真实世界的)内容相组合的生成的内容。人造现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈或其某种组合，并且其中任何一种都可以在单个通道或多个通道中被呈现(诸如对观看者产生三维效果的立体声视频)。另外，在一些实施例中，人造现实还可以与被用来例如在人造现实中创建内容和/或以其他方式被使用在人造现实中(例如，在人造现实中执行活动)的应用、产品、附件、服务或其组合相关联。提供人造现实内容的人造现实系统可以在各种平台上被实现，包括连接到主机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、或者任何其他能够向一个或多个观看者提供人造现实内容的硬件平台。

图20是用于实现本文公开的一些示例的示例近眼显示器(例如，HMD设备)的示例电子系统2000的简化框图。电子系统2000可以被用作如上所述的HMD设备或其他近眼显示器的电子系统。在该示例中，电子系统2000可以包括一个或多个处理器2010和存储器2020。(多个)处理器2010可以被配置为执行用于在多个部件处执行操作的指令，并且可以是例如适合于在便携式电子设备内实现的通用处理器或微处理器。(多个)处理器2010可以与电子系统2000内的多个部件通信地耦合。为了实现该通信耦合，(多个)处理器2010可以跨总线2040来与其他例示出的部件通信。总线2040可以包括多个计算机总线和用于传送数据的附加电路系统。

存储器2020可以耦合到(多个)处理器2010。在一些实施例中，存储器2020可以供应短期和长期存储两者并且可以被划分为若干单元。存储器2020可以是易失性的，诸如静态随机存取存储器(SRAM)和/或动态随机存取存储器(DRAM)，和/或可以是非易失性的，诸如只读存储器(ROM)、闪存等。此外，存储器2020可以包括可移除存储设备，诸如安全数字(SD)卡。存储器2020可以为电子系统2000提供计算机可读指令、数据结构、程序模块和其他数据的存储。在一些实施例中，存储器2020可以被分布到不同的硬件模块中。指令集和/或代码集可以被存储在存储器2020上。指令可以采取可以由电子系统2000执行的可执行代码的形式，和/或可以采取源代码和/或可安装代码的形式，其在电子系统2000上编译和/或安装时(例如，使用各种通常可用的编译器、安装程序、压缩/解压缩实用程序等中的任何一种)，可以采取可执行代码的形式。

在一些实施例中，存储器2020可以存储可以包括任何数量的应用的多个应用模块2022至2024。应用的示例可以包括游戏应用、会议应用、视频回放应用或其他合适的应用。这些应用可以包括深度感测功能或眼睛跟踪功能。应用模块2022-2024可以包括要由(多个)处理器2010执行的特定指令。在一些实施例中，应用模块2022-2024的某些应用或部分可以由其他硬件模块2080执行。在某些实施例中，存储器2020可以另外地包括安全存储器，其可以包括其他安全控件以防止复制或对安全信息的其他未经授权的访问。

在一些实施例中，存储器2020可以包括加载在其中的操作系统2025。操作系统2025可以可操作来启动由应用模块2022-2024提供的指令的执行和/或管理其他硬件模块2080以及与可以包括一个或多个无线收发器的无线通信子系统2030的接口。操作系统2025可以适于执行跨电子系统2000的部件的其他操作，包括线程化、资源管理、数据存储控制和其他类似功能性。

无线通信子系统2030可以包括例如红外通信设备、无线通信设备和/或芯片组(诸如

设备、IEEE 802.11设备、Wi-Fi设备、WiMax设备、蜂窝通信设施等)和/或类似的通信接口。电子系统2000可以包括用于无线通信的一个或多个天线2034，作为无线通信子系统2030的一部分或作为耦合到系统的任何部分的单独部件。取决于所期望的功能性，无线通信子系统2030可以包括与基站收发器以及其他无线设备和接入点进行通信的单独的收发器，其可以包括与诸如无线广域网(WWAN)、无线局域网(WLAN)或无线个人区域网(WPAN)之类的不同数据网络和/或网络类型进行通信。WWAN可以是例如WiMax(IEEE802.16)网络。WLAN可以是例如IEEE 802.11x网络。WPAN可以是例如蓝牙网络、IEEE802.15c或某些其他类型的网络。本文描述的技术还可以被用于WWAN、WLAN和/或WPAN的任何组合。无线通信子系统2030可以允许与网络、其他计算机系统和/或本文描述的任何其他设备交换数据。无线通信子系统2030可以包括用于使用(多个)天线2034和(多个)无线链路2032来发射或接收数据的装置，该数据诸如是HMD设备的标识符、位置数据、地图、热图、照片或视频。无线通信子系统2030、(多个)处理器2010和存储器2020可以一起包括用于执行本文公开的某些功能的一个或多个装置的至少一部分。

电子系统2000的实施例还可以包括一个或多个传感器2090。(多个)传感器2090可以包括例如图像传感器、加速度计、压力传感器、温度传感器、接近传感器、磁力计、陀螺仪、惯性传感器(例如，结合了加速度计和陀螺仪的模块)、环境光传感器或任何其他可操作来提供传感输出和/或接收传感输入的类似模块，诸如深度传感器或位置传感器。举例来说，在一些实现中，(多个)传感器2090可以包括一个或多个惯性测量单元(IMU)和/或一个或多个位置传感器。IMU可以基于从一个或多个位置传感器接收的测量信号来生成指示相对于HMD设备的初始位置的HMD设备的估计位置的校准数据。位置传感器可以响应于HMD设备的运动而生成一个或多个测量信号。位置传感器的示例可以包括但不限于一个或多个加速度计、一个或多个陀螺仪、一个或多个磁力计、检测运动的另一种合适类型的传感器、用于IMU的误差校正的一个类型的传感器或其某种组合。位置传感器可以位于IMU外部、IMU内部或其某种组合。至少一些传感器可以使用结构化的光图案以进行感测。

电子系统2000可以包括显示模块2060。显示模块2060可以是近眼显示器，并且可以以图形方式将诸如图像、视频和各种指令之类的信息从电子系统2000呈现给用户。这样的信息可以从一个或多个应用模块2022-2024、虚拟现实引擎2026、一个或多个其他硬件模块2080、它们的组合、或用于为用户解析图形内容的任何其他合适的装置(例如，通过操作系统2025)来导出。显示模块2060可以使用液晶显示(LCD)技术、发光二极管(LED)技术(包括例如OLED、ILED、mLED、AMOLED、TOLED等)、发光聚合物显示(LPD)技术或某些其他显示技术。

电子系统2000可以包括用户输入/输出模块2070。用户输入/输出模块2070可以允许用户向电子系统2000发送动作请求。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是启动或结束应用或在应用内执行特定动作。用户输入/输出模块2070可以包括一个或多个输入设备。示例输入设备可以包括触摸屏、触摸板、(多个)麦克风、(多个)按钮、(多个)拨号盘、(多个)开关、键盘、鼠标、游戏控制器或用于接收动作请求并将接收到的动作请求传送给电子系统2000的任何其他合适的设备。在一些实施例中，用户输入/输出模块2070可以根据从电子系统2000接收到的指令向用户提供触觉反馈。例如，当已接收到或已经执行了动作请求时，可以提供触觉反馈。

电子系统2000可以包括相机2050，其可以被用来拍摄用户的照片或视频，例如以用于跟踪用户的眼睛位置。相机2050还可以被用来拍摄环境的照片或视频，例如以用于VR、AR或MR应用。相机2050可以包括例如具有数百万或数千万像素的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。在一些实施例中，相机2050可以包括可以被用来捕获3-D图像的两个或更多个的相机。

在一些实施例中，电子系统2000可以包括多个其他硬件模块2080。其他硬件模块2080中的每个都可以是电子系统2000内的物理模块。虽然其他硬件模块2080中的每个都可以被永久地配置为结构，但是其他硬件模块2080中的一些可以被临时配置为执行特定功能或被临时激活。其他硬件模块2080的示例可以包括例如音频输出和/或输入模块(例如麦克风或扬声器)、近场通信(NFC)模块、可充电电池、电池管理系统、有线/无线电池充电系统等。在一些实施例中，可以用软件实现其他硬件模块2080的一个或多个功能。

在一些实施例中，电子系统2000的存储器2020还可以存储虚拟现实引擎2026。虚拟现实引擎2026可以执行电子系统2000内的应用，并接收位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置或来自各种传感器的HMD设备的其某种组合。在一些实施例中，由虚拟现实引擎2026接收的信息可以被用于产生信号(例如，显示指令)给显示模块2060。例如，如果接收到的信息指示用户已经向左看，则虚拟现实引擎2026可以为HMD设备生成在虚拟环境中反映用户的移动的内容。另外，虚拟现实引擎2026可以响应于从用户输入/输出模块2070接收到的动作请求而在应用内执行动作，并向用户提供反馈。所提供的反馈可以是视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈。在一些实施例中，(多个)处理器2010可以包括可以执行虚拟现实引擎2026的一个或多个GPU。

在各种实施例中，可以在单个设备上实现上述硬件和模块或在可以使用有线或无线连接彼此通信的多个设备上实现上述硬件和模块。例如，在一些实施例中，可以在与头戴式显示设备分开的控制台上实现诸如GPU、虚拟现实引擎2026和应用(例如，跟踪应用)之类的一些部件或模块。在一些实施例中，一个控制台可以连接到或支持一个以上的HMD。

在替代配置中，不同的和/或附加的部件可以被包括在电子系统2000中。类似地，可以以与上述方式不同的方式在这些部件之间分布一个或多个部件的功能性。例如，在一些实施例中，电子系统2000可以被修改为包括其他系统环境，诸如AR系统环境和/或MR环境。

以上讨论的方法、系统和设备是示例。各种实施例可以适当地省略、替代或添加各种过程或部件。例如，在替代配置中，可以以与所描述的顺序不同的顺序来执行所描述的方法，和/或可以添加、省略和/或组合各个阶段。而且，关于某些实施例描述的特征可以在各种其他实施例中进行组合。实施例的不同方面和元件可以以类似方式进行组合。而且，技术在发展，并且因此许多元件是示例，其并不将本公开的范围限制为那些特定示例。

在说明书中给出了具体细节以提供对实施例的透彻理解。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实践实施例。例如，已经在没有不必要细节的情况下示出了熟知的电路、过程、系统、结构和技术，以避免使实施例晦涩难懂。该描述仅提供示例实施例，并且不旨在限制本发明的范围、适用性或配置。相反，实施例的先前描述将为本领域技术人员提供用于实现各种实施例的使能描述。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以对元件的功能和布置进行各种改变。

此外，一些实施例被描述为被描绘为流程图或框图的过程。尽管每个操作可以将操作描述为顺序过程，但是许多操作可以并行或同时执行。另外，可以重新布置操作的顺序。一个过程可以具有图中未包括的其他步骤。此外，可以通过硬件、软件、固件、中间件、微代码、硬件描述语言或其任意组合来实现方法的实施例。当以软件、固件、中间件或微代码来实现时，用于执行相关联的任务的程序代码或代码段可以被存储在诸如存储介质之类的计算机可读介质中。处理器可以执行相关联的任务。

对于本领域技术人员将显而易见的是，可以根据特定要求做出实质性变化。例如，也可以使用定制的或专用的硬件，和/或可以以硬件、软件(包括便携式软件，诸如小应用程序等)或两者来实现特定元件。此外，到诸如网络输入/输出设备之类的其他计算设备的连接可以被采用。

参考附图，可以包括存储器的部件可以包括非暂时性机器可读介质。术语“机器可读介质”和“计算机可读介质”可以指的是参与提供使机器以特定方式操作的数据的任何存储介质。在上文提供的实施例中，在向处理单元和/或(多个)其他设备提供指令/代码以供执行时，可能涉及各种机器可读介质。附加地或可替代地，机器可读介质可以被用来存储和/或携带这样的指令/代码。在许多实现中，计算机可读介质是物理和/或有形存储介质。这样的介质可以采取许多形式，包括但不限于非易失性介质、易失性介质和传输介质。计算机可读介质的常见形式包括例如磁和/或光学介质，诸如光盘(CD)或数字多功能盘(DVD)、打孔卡、纸带、任何其他带孔图案的物理介质、RAM、可编程只读存储器(PROM)、可擦可编程只读存储器(EPROM)、FLASH-EPROM、任何其他存储器芯片或盒带、下文所述的载波或计算机可以从中读取指令和/或代码的任何其他介质。计算机程序产品可以包括可以表示过程、功能、子程序、程序、例程、应用(App)、子例程、模块、软件包、类的代码和/或机器可执行指令、或指令、数据结构或程序语句的任意组合。

本领域技术人员将理解，可以使用多种不同技术中的任何一种来表示用于传达本文所述消息的信息和信号。例如，在以上整个说明书中可以引用的数据、指令、命令、信息、信号、位、符号和芯片可以由电压、电流、电磁波、磁场或粒子、光场或粒子或其任意组合来表示。

如本文所使用的术语“和”和“或”可以包括各种含义，其还预期至少部分取决于使用这些术语的上下文。通常，“或”如果被用来关联列表，诸如A、B或C，则其旨在意指A、B和C(此处以包括性含义使用)以及A、B或C(此处仅在专有意义上使用)。另外，本文所使用的术语“一个或多个”可以被用来以单数形式描述任何特征、结构或特性，或者可以被用来描述特征、结构或特性的某种组合。然而，应当注意，这仅是说明性示例，并且所要求保护的主题不限于该示例。此外，术语“至少一个”如果被用来关联列表，诸如A、B或C，则其可以被解释为意指A、B和/或C的任何组合，诸如A、AB、AC、BC、AA、ABC、AAB、AABBCCC等。

此外，尽管已经使用硬件和软件的特定组合描述了某些实施例，但是应该认识到，硬件和软件的其他组合也是可能的。某些实施例可以仅以硬件或仅以软件或使用其组合来实现。在一个示例中，可以用包含计算机程序代码或指令的计算机程序产品来实现软件，该计算机程序代码或指令可由一个或多个处理器执行以执行本公开中描述的任何或所有步骤、操作或过程，其中计算机程序可以被存储在非暂时性计算机可读介质上。本文描述的各种过程可以以任何组合在相同处理器或不同处理器上实现。

在将设备、系统、部件或模块描述为被配置为执行某些操作或功能的情况下，这样的配置可以例如通过如下操作来实现：通过设计电子电路以执行该操作，通过对可编程电子电路(诸如微处理器)进行编程来执行操作，诸如通过执行计算机指令或代码，或通过被编程为执行存储在非暂时性存储介质上的代码或指令的处理器或内核，或其任意组合。过程可以使用多种技术进行通信，包括但不限于用于过程间通信的常规技术，并且不同的过程对可以使用不同的技术，或者同一对过程可以在不同的时间使用不同的技术。

因此，说明书和附图应被认为是说明性的而不是限制性的。然而，显而易见的是，在不脱离权利要求书所阐述的更广泛的精神和范围的情况下，可以对其进行增加、减少、删除以及其他修改和改变。因此，尽管已经描述了特定的实施例，但是这些并不旨在是限制性的。各种修改和等同物均在所附权利要求的范围之内。

Claims (23)

1.一种近眼显示器，包括：

显示设备，被配置为生成第一图像和第二图像；以及

偏振敏感透镜的第一组件，包括：

第一透镜，对于处于第一偏振状态的光和处于第二偏振状态的光具有不同的光功率；

第二透镜，对于处于所述第一偏振状态的光和处于所述第二偏振状态的光具有不同的光功率；以及

可切换偏振转换器，被配置为在被开启之后，将处于所述第一偏振状态的光转换为处于所述第二偏振状态的光，

其中所述第一组件被配置为：

在所述可切换偏振转换器被关闭的情况下，在所述近眼显示器的第一图像平面上形成所述第一图像的虚拟图像；以及

在所述可切换偏振转换器被开启的情况下，在所述近眼显示器的第二图像平面上形成所述第二图像的虚拟图像，其中所述第二图像平面和所述第一图像平面在距所述近眼显示器的不同距离处。

2.根据权利要求1所述的近眼显示器，其中所述第一透镜和所述第二透镜是无源液晶透镜或有源液晶透镜。

3.根据权利要求1所述的近眼显示器，其中所述第一组件还被配置为在所述近眼显示器的第三图像平面上形成由所述显示设备生成的第三图像的虚拟图像。

4.根据权利要求1所述的近眼显示器，其中：

所述第一偏振状态是第一线性偏振状态；

所述第二偏振状态是第二线性偏振状态，所述第二线性偏振状态具有与所述第一线性偏振状态的偏振方向正交的偏振方向；

所述第一透镜对于处于所述第一线性偏振状态的光具有第一非零光功率，并且对于处于所述第二线性偏振状态的光具有零光功率；并且

所述第二透镜对于处于所述第二线性偏振状态的光具有第二非零光功率，并且对于处于所述第一线性偏振状态的光具有零光功率。

5.根据权利要求4所述的近眼显示器，其中所述可切换偏振转换器包括可切换液晶半波片。

6.根据权利要求4所述的近眼显示器，其中所述可切换偏振转换器包括可切换液晶偏振旋转器，所述可切换液晶偏振旋转器包括90°扭曲向列液晶单元。

7.根据权利要求4所述的近眼显示器，其中：

所述可切换偏振转换器被定位在所述显示设备与所述第一透镜之间；

所述第一图像平面对应于所述第一非零光功率；并且

所述第二图像平面对应于所述第二非零光功率。

8.根据权利要求4所述的近眼显示器，其中：

所述可切换偏振转换器被定位在所述第一透镜与所述第二透镜之间；

所述第一图像平面对应于所述第一非零光功率；并且

所述第二图像平面对应于所述第一非零光功率和所述第二非零光功率的组合。

9.根据权利要求1所述的近眼显示器，其中：

所述第一偏振状态是第一圆偏振状态；

所述第二偏振状态是第二圆偏振状态，所述第二圆偏振状态具有与所述第一圆偏振状态的手性相反的手性；

所述第一透镜对于处于所述第一圆偏振状态的光具有光功率X，并且对于处于所述第二圆偏振状态的光具有光功率-X；

所述第二透镜对于处于所述第一圆偏振状态的光具有光功率Y，并且对于处于所述第二圆偏振状态的光具有光功率-Y；并且

所述可切换偏振转换器包括可切换半波片。

10.根据权利要求9所述的近眼显示器，其中所述可切换偏振转换器被定位在所述第一透镜和所述第二透镜之间。

11.根据权利要求1所述的近眼显示器，其中所述第一组件还包括偏振器，所述偏振器被配置为将来自所述第一图像和所述第二图像的光偏振为处于所述第一偏振状态的光。

12.根据权利要求1所述的近眼显示器，还包括偏振敏感透镜的第二组件，其中与所述第一组件相比，所述第二组件具有相反的光功率。

13.根据权利要求12所述的近眼显示器，其中所述第二组件包括：

第三偏振敏感透镜，对于处于所述第一偏振状态的光具有与所述第一透镜的光功率相反的光功率；

第四偏振敏感透镜，对于处于所述第二偏振状态的光具有与所述第二透镜的光功率相反的光功率；以及

第二可切换偏振转换器，被配置为在被开启之后，将处于所述第一偏振状态的光转换为处于所述第二偏振状态的光。

14.根据权利要求1所述的近眼显示器，还包括在第一状态和第二状态之间可切换的调光设备，其中所述调光设备被配置为：

在所述第一状态中透射环境光；以及

在所述第二状态中衰减所述环境光。

15.根据权利要求14所述的近眼显示器，其中所述调光设备包括：

宾主液晶调光元件；

聚合物分散液晶调光元件；或

聚合物稳定螺旋织构液晶调光元件。

16.一种用于近眼显示器的透镜组件，所述透镜组件包括：

第一偏振依赖透镜，对于处于第一偏振状态的光具有第一非零光功率；

第二偏振依赖透镜，对于处于第二偏振状态的光具有第二非零光功率，所述第二偏振状态与所述第一偏振状态不同；以及

偏振转换器，在第一状态和第二状态之间可切换，其中所述偏振转换器被配置为：

在所述第一状态中，透射处于所述第一偏振状态的光；以及

在所述第二状态中，将处于所述第一偏振状态的光转换为处于所述第二偏振状态的光。

17.根据权利要求16所述的透镜组件，其中：

所述偏振转换器包括90°扭曲向列液晶单元；并且

基于被施加到所述90°扭曲向列液晶单元的电压信号，所述偏振转换器在所述第一状态和所述第二状态之间可切换。

18.根据权利要求16所述的透镜组件，其中所述第一偏振依赖透镜和所述第二偏振依赖透镜包括无源液晶透镜或有源液晶透镜。

19.根据权利要求18所述的透镜组件，其中所述液晶透镜包括：

平凸液晶透镜；

平板液晶透镜，包括倾斜的液晶分子，其中所述液晶分子在所述平板液晶透镜的不同区域处以不同角度倾斜；

衍射液晶透镜，包括多个区，其中液晶分子在所述多个区中以不同角度倾斜；或

几何相位液晶透镜。

20.根据权利要求16所述的透镜组件，其中所述第一偏振依赖透镜和所述第二偏振依赖透镜被定位在所述偏振转换器的同一侧上、或者被定位在所述偏振转换器的不同侧上。

21.根据权利要求16所述的透镜组件，其中所述第一偏振状态和所述第二偏振状态包括：

处于正交偏振方向的线性偏振；或

左旋圆偏振和右旋圆偏振。

22.根据权利要求16所述的透镜组件，还包括偏振器，所述偏振器被配置为将入射光偏振为处于所述第一偏振状态的光，其中所述第一偏振依赖透镜、所述第二偏振依赖透镜和所述偏振转换器被定位在所述偏振器的同一侧上。

23.一种使用透镜组件在两个或更多个图像平面上自适应地显示图像的方法，所述方法包括：

将来自第一图像的光偏振为处于第一偏振状态的光；

使用所述透镜组件的第一透镜和第二透镜在第一图像平面上形成所述第一图像的虚拟图像，所述第一透镜对于处于所述第一偏振状态的光和处于第二偏振状态的光具有不同的光功率，并且所述第二透镜对于处于所述第一偏振状态的光和处于所述第二偏振状态的光具有不同的光功率；

将来自第二图像的光偏振为处于所述第一偏振状态的光；以及

使用所述第一透镜和所述第二透镜在第二图像平面上形成所述第二图像的虚拟图像，所述第二图像平面和所述第一图像平面在距所述透镜组件的不同距离处，其中在所述第二图像平面上形成所述第二图像的所述虚拟图像包括：

使用所述透镜组件中的可切换偏振转换器，将来自所述第二图像的处于所述第一偏振状态的所述光转换为处于所述第二偏振状态的光。

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