CN112313573B - 具有与偏振无关的聚焦的多焦点系统 - Google Patents

Abstract

多焦点系统(900)具有偏振分束器(PBS)(910)以将非偏振光束(905)分成两个正交的线偏振(LP)光束(911,912)。两个LP光束(911,912)被反射镜(951,952)反射，以相反的方向行进，并分别在可变聚焦模块(920)两端(921,922)进入可变聚焦模块。该模块(920,700)包括波片(720,730)，以在光学组件(724,200)两端将LP光束转换为两个圆偏振(CP)光束。该光学组件(724,200)以包括至少一个几何相位透镜的双折射光学元件的堆叠和一个偏振选择器形成，该偏振选择器可以被电调制以在聚焦两个CP光束时选择光焦度。随后是波片(720,730)，其将两个聚焦的CP光束转换为两个聚焦的LP光束(971,972)，并在镜面反射后，光束(971,972)最终被PBS(910)重组以形成一个聚焦的光束(906)。通过多焦点系统(900)来实现与偏振无关的聚焦。

Description

具有与偏振无关的聚焦的多焦点系统

缩略语表

3D 三维

AC 交流

AR 增强现实

ASIC 专用集成电路

CP 圆偏振

FPGA 现场可编程门阵列

GPL 几何相位透镜

HWP 半波片

IPS 面内切换

LC 液晶

LHCP 左旋圆偏振

LHS 左侧

LP 线偏振

PBS 偏振分束器

PS 偏振选择器

QWP 四分之一波片

RHCP 右旋圆偏振

RHS 右侧

TE 横电

TM 横磁

技术领域

本发明总体上涉及用于向光束提供具有可变且可选择的光焦度的聚焦系统。特别地，本发明涉及这样的系统，其利用GPL实现并且提供与偏振无关的聚焦，使得能够以可变且可选择的光焦度来聚焦非偏振光束。

背景技术

考虑3D AR图像的生成作为用于说明本文考虑的技术问题的示例。

3D AR图像提供增强的用户体验，因为用户在真实世界场景下感知计算机生成的物体的3D存在。当用户直接观看真实世界场景时，在用多个计算机生成的物体增强真实世界场景时，每个物体虚拟地形成在用户眼前一定距离处。通常，在3D AR图像中，在不同距离处形成不同的物体。为了形成单个物体，通过聚焦系统，以适当的光焦度聚焦承载由投影仪生成的单个物体的光束，以在距投影仪一定的预定距离处形成虚拟图像。该虚拟图像通过反射器反射到用户的眼睛。诸如全息反射器之类的反射器允许真实世界的场景通过，使得反射之后的虚拟图像被增强到真实世界场景中。由于要增强多个物体，因此要求聚焦系统提供可选择的不同光焦度(即，焦距的不同选择)，从而使不同物体可以对于用户出现在不同深度。即，聚焦系统提供多焦点聚焦。由投影仪生成的物体以时分复用的方式被一个接一地聚焦，以在不同距离处形成相应的虚拟图像。聚焦系统需要从一个焦距快速切换到另一焦距。如果以足够高的速率重复显示每个虚拟图像，则用户会感知到所有计算机生成的物体同时出现在真实世界场景中的幻觉。除了提供多焦点聚焦和快速切换之外，优选的是，聚焦系统的尺寸也要紧凑并且在操作中消耗很少的功率。例如，这两个特色使聚焦系统能够用于实现实用的AR头戴式设备。

用于提供多焦点聚焦的现有聚焦系统包括使用由可移动部件透镜形成的复合透镜的系统和使用电润湿透镜的系统。然而，改变这些设备的焦点或光焦度涉及机械动作，使得焦点的快速切换不容易实现。基于机械动作进行聚焦调整的其他缺点包括：引起不希望的振动和冲击；尺寸庞大；以及消耗大量功率。因此，更优的是非机械聚焦设备。

CN 208921975U公开了一种与偏振有关的电可控AR平视显示系统，其依赖于切换波片将光引导至具有不同焦度的两个不同的光路。但是，这仅导致两个可选的焦距，并且显示系统很庞大。该显示系统不可缩放以增加焦距或可选择的光焦度的总数。此外，该显示系统支持与偏振有关的聚焦。理想的是，支持与偏振无关的聚焦，使得可以使用非偏振光源而无需由于滤除不希望的偏振的光分量而浪费光焦度。

US2018/0284464A1公开了一种紧凑的与偏振有关的电可控AR头戴式显示器，其具有用于提供多个聚焦深度的光学组件。单个GPL用作光学组件中的聚焦元件。GPL提供的光焦度取决于GPL处理的CP光束的旋向性。另外，GPL可以是有源GPL，其可以被接通(即被启用)以能够聚焦入射的CP光束，或者被关断(即被停用)以使CP光束直接通过。该光学组件还包括折叠式光学器件组件，以通过多次反射光束来可控地增加光束行进的光路，从而导致由光学组件提供的光焦度的改变。但是，该光学组件仅提供四个可选的聚焦深度或光焦度。由于实现聚焦深度的每个选择使得输出光束沿着特定取向线偏振，因此简单地将多个这样的光学组件级联在一起并不一定会增加可选聚焦深度的数量。该光学组件不可缩放。另外，该光学组件不支持与偏振无关的聚焦。

在本领域中需要这样一种系统，该系统提供多焦点聚焦能力、能够进行快速切换、可缩放以容易地增加可选光焦度的总数并支持与偏振无关的聚焦。优选地，该系统还是紧凑的并且在操作中消耗很少的功率。该系统可用于构建AR显示器。可以将系统应用于AR以外的技术领域。

发明内容

本发明提供第一和第二多焦点系统，第一和第二多焦点系统均用于聚焦入射光束以形成出射光束。

第二多焦点系统包括PBS、可变聚焦模块、第一和第二反射镜以及电子控制器。

PBS被布置为将入射光束分成在偏振取向上相互正交的第一和第二LP光束。

可变聚焦模块用于在提供多焦点聚焦的情况下聚焦输入LP光束以形成输出LP光束。可变聚焦模块具有第一端和第二端，使得允许输入LP光束通过两端中的一个进入可变聚焦模块，以生成从两端中的另一个离开的输出LP光束。向前传播方向被定义为从第一端到第二端的方向。向后传播方向被定义为从第二端到第一端的方向。

可变聚焦模块包括前端QWP、光学组件、后端QWP和后端LC HWP。前端QWP位于第一端，用于将在第一端接收的输入LP光束转换为入射CP光束。输入LP光束和入射CP光束均沿向前传播方向行进。光学组件被配置为提供用于聚焦入射CP光束以形成出射CP光束的光焦度。光学组件由包括至少一个GPL的光学元件的堆叠形成，并且可电重新配置以支持多焦点聚焦。后端QWP用于将出射CP光束转换为第一中间LP光束。后端LC HWP位于第二端，用于将第一中间LP光束变换为从第二端离开的输出LP光束。后端LC HWP可电重新配置，以在形成输出LP光束时保持或90°旋转第一中间LP光束的偏振取向。

第一和第二反射镜被定位或布置成使得获得以下结果。第一、第一反射镜将从PBS发射的第一LP光束反射到第一端，使第一LP光束在可变聚焦模块中沿向前传播方向行进，从而形成从第二端离开的第三LP光束。第二、第二反射镜将从PBS发射的第二LP光束反射到第二端，使第二LP光束在可变聚焦模块中沿向后传播方向行进，从而形成从第一端离开的第四LP光束。第三、第二反射镜将从第二端发射的第三LP光束反射到PBS。第四、第一反射镜将从第一端离开的第四LP光束反射到PBS。

电子控制器被配置为执行两个任务。第一项任务是配置可变聚焦模块中的光学组件，以在聚焦沿向前传播方向行进的入射CP光束时提供期望光焦度。因此，第一LP光束以期望光焦度在可变聚焦模块中被聚焦。第二任务是配置后端LC HWP，以使第一和第三LP光束在偏振取向上相互正交。因此，第二和第三LP光束在偏振取向上相同，使第二LP光束在可变聚焦模块中以形成第四LP光束时相同的期望光焦度被聚焦，其中，第二和第四LP光束在偏振取向上相互正交。因此，有利地允许可变聚焦模块在同时聚焦第一和第二LP光束时被重新使用。

PBS还被布置成组合接收的第三和第四LP光束以形成出射光束。结果，在形成出射光束时充分利用了入射光束的辐射功率，同时，即使在入射光束是非偏振的情况下，也可以在聚焦入射光束时允许期望光焦度可变且可选择，以支持多焦点聚焦。由此能够对入射光束进行与偏振无关的聚焦。

优选地，第一反射镜和第二反射镜分别与参考轴成22.5°-θ/2和67.5°+θ/2的角度，其中，参考轴平行于进入PBS的入射光束的入射方向，并且θ为非零角度偏移，其为正值或负值。非零角度偏移的存在使得当出射光束行进时，出射光束能够偏离入射光束，从而避免发生直接向后反射。

第一多焦点系统包括第一PBS、第一和第二可变聚焦模块、电子控制器和第二PBS。第一PBS用于将入射光束分成在偏振取向上相互正交的第一和第二LP光束。

第一和第二可变聚焦模块用于分别聚焦第一和第二LP光束以产生第三和第四LP光束。用于聚焦输入LP光束以形成输出LP光束的单独的可变聚焦模块可电重新配置，以支持多焦点聚焦。在某些实施例中，可变聚焦模块包括前端QWP、光学组件、后端QWP和后端LCHWP。前端QWP用于将输入LP光束转换为入射CP光束。光学组件被配置为提供用于聚焦入射CP光束以形成出射CP光束的光焦度。光学组件以包括至少一个GPL的光学元件的堆叠形成。光学组件可电重新配置，以支持多焦点聚焦。后端QWP用于将出射CP光束转换为第一中间LP光束。后端LC HWP用于将第一中间LP光束转变为输出LP光束。后端LC HWP可电重新配置，以在形成输出LP光束时保持或90°旋转第一中间LP光束的偏振取向。

电子控制器被配置为配置单独的可变聚焦模块以在聚焦输入LP光束时提供期望光焦度，使得第一和第二LP光束以相同的期望光焦度聚焦。在某些实施例中，电子控制器被配置为执行两个任务。第一项任务是配置第一和第二可变聚焦模块的每一个中的光学组件，以在聚焦入射CP光束时提供期望光焦度。第二任务是配置后端LC HWP，以使第三和第四LP光束在偏振取向上相互正交。

第二PBS用于组合第三和第四LP光束以生成出射光束。结果，在形成出射光束时充分利用了入射光束的辐射功率，同时即使在入射光束是非偏振的情况下，也可以在聚焦入射光束时期望光焦度可变且可选择，以支持多焦点聚焦。由此能够对入射光束进行与偏振无关的聚焦。

在某些实施例中，电子控制器还被配置为附加地配置后端LC HWP，使得第一和第三LP光束在偏振取向上相同，并使得第二和第四LP光束在偏振取向上相同。

第一和第二单独的可变聚焦模块中的每个可进一步包括附加透镜，该附加透镜用于在输出LP光束离开相应的可变聚焦模块之前进一步聚焦输出LP光束。

第一多焦点系统可以进一步包括附加透镜，用于在出射光束离开系统之前进一步聚焦出射光束。

在第一多焦点系统和第二多焦点系统的每一个中，光学组件可以通过将多个聚焦单元串联级联而形成。用于聚焦输入CP光束以形成输出CP光束的单独的聚焦单元包括单个透镜，用于在聚焦输入CP光束时提供增量光焦度。增量光焦度对由光学组件提供的光焦度做出贡献。聚焦单元中的至少一个是可重新配置的。单独的可重新配置聚焦单元的透镜是GPL。特别地，单独的可重新配置聚焦单元电可控，以通过在输入CP光束进入所述GPL之前将输入CP光束的旋向性可控地修改为预定旋向性或通过可控制地启用和停用所述GPL来改变由所述GPL提供的增量光焦度。这使光学组件提供的光焦度可变且可选择，由此支持多焦点聚焦。

优选地，在输入CP光束进入GPL之前，至少通过将输入CP光束的旋向性可控地修改为预定旋向性来改变GPL的增量光焦度。

在某些实施例中，所有聚焦单元都是可重新配置的。

单独的可重新配置聚焦单元还可包括PS，用于将输入CP光束的旋向性可控地修改为预定旋向性。PS可电重新配置，以在输入CP光束进入GPL之前反转或保持输入CP光束的旋向性。

所述GPL可以是主动式GPL，其可以在不聚焦输入CP光束的情况下电重新配置为充当正常GPL或充当各向同性透明介质，从而使所述GPL能够被可控地启用和停用。

在某些实施例中，PS包括LC HWP，该LC HWP在可电重新配置以充当正常HWP或充当各向同性透明介质。

在某些实施例中，PS包括第一QWP、IPS LC HWP和第二QWP。第一QWP用于将第一CP光束转换为第一LP光束。第一CP光束是进入单独的可重新配置聚焦单元的输入CP光束。IPSLC HWP用于将第一LP光束变换为第二LP光束。IPS LC HWP可电重新配置，以在形成第二LP光束时保持或90°旋转第一LP光束的偏振取向。第二QWP用于将第二LP光束转换为第二CP光束。第二CP光束是具有预定旋向性的输入CP光束。

在某些实施例中，单独的聚焦单元的透镜是单独的GPL，而不管单独的聚焦单元是否是可重新配置的。

在某些实施例中，聚焦单元堆叠在一起，使得聚焦单元提供的相应增量光焦度之和给出光学组件提供的光焦度。

本发明还提供了用于在用户观看期间将外部图像增强到真实世界场景上的多焦点AR显示器。

多焦点AR显示器包括投影仪、实现为所公开的第一多焦点系统和第二多焦点系统的实施例中的任何一个的多焦点系统以及全息反射器。投影仪用于生成承载外部图像的图像承载光束。多焦点系统用于聚焦图像承载光束以形成修改的图像承载光束，并用于在聚焦图像承载光束时提供多焦点聚焦。全息反射器被布置成反射修改的图像承载光束，同时允许承载真实世界场景的图像的光束通过，从而在用户观看期间将外部图像增强到真实世界场景上。

在某些实施例中，投影仪包括光学扩散器、微显示器、光源和透镜模块。微显示器用于显示外部图像。光源照亮微显示器，以将外部图像投射到扩散器上，使扩散器发射要由多焦点系统接收的图像承载光束。透镜模块位于微显示器和扩散器之间，用于将最初显示在微显示器上的外部图像聚焦到扩散器上。微显示器可以是空间光调制器。

如下文的实施例所示，还公开了本公开的其他方面。

附图说明

图1描绘了通过GPL聚焦入射光束的一些典型情况，以说明GPL的一些聚焦行为。

图2描绘了根据本发明示例性实施例的光学组件，其中，该光学组件由多个聚焦单元形成，该多个聚焦单元中的至少一个是可重新配置的。

图3A描绘了可重新配置的聚焦单元的第一实施例，其中，该可重新配置的聚焦单元包括主动式GPL。

图3B描绘了可重新配置的聚焦单元的第二实施例，其中，该可重新配置的聚焦单元包括PS，其之后是GPL。

图3C描绘了可重新配置的聚焦单元的第三实施例，其中，该可重新配置的聚焦单元包括PS，其之后是主动式GPL。

图4A描绘了PS的第一实施例，其中，该PS被实现为LC HWP。

图4B描绘了PS的第二实施例，其中，IPS LC HWP用于能够进行快速切换。

图5A描绘了不可重新配置的聚焦单元的第一实施例。

图5B描绘了不可重新配置的聚焦单元的第二实施例。

图6A描绘了用于展示光学组件提供不同光焦度的能力的第一原型光学组件。

图6B描绘了用于展示光学组件提供不同光焦度的能力的第二原型光学组件。

图7描绘了根据本发明某些实施例的用于聚焦输入LP光束以形成输出LP光束的可变聚焦模块。

图8描绘了用于聚焦入射光束以形成出射光束的第一多焦点系统，其中，在形成出射光束时充分利用了入射光束的辐射功率。

图9描绘了用于聚焦入射光束以形成出射光束的第二多焦点系统，其中，在形成出射光束时充分利用了入射光束的辐射功率，并且实现了所需硬件的减少。

图10根据本发明的某些实施例描绘了用于在用户观看期间将外部图像增强到真实场景上的多焦点AR显示器，其中，第一或第二多焦点系统在其中用于支持多焦点聚焦。

图11示出了GPL对于从向前传播方向和向后传播方向进入的光束的非互异性聚焦行为。

图12示出了对由可变聚焦模块对于两个传播方向获得的光焦度的分析，其中，该可变聚焦模块具有一个图3A的聚焦单元。

图13示出了对由可变聚焦模块对于两个传播方向获得的光焦度的另一分析，其中，该可变聚焦模块具有一个图3B的聚焦单元。

具体实施方式

如本文所使用的，“光焦度(optical power)”是指透镜、反射镜或任何光学系统会聚或发散光的程度。光学设备的光焦度由光学设备焦距的倒数给出。

如本文所使用的，除非另有说明，否则“光束的聚焦”通常包括光束的会聚和发散两种情况。在聚焦光束时，如果光束被具有正光焦度的光学聚焦设备处理，则光束会聚。相反，如果光学聚焦设备具有负光焦度，则光束发散。

如本文所使用的，“多焦点聚焦”是指以可选择的光焦度聚焦光束。因此，用于聚焦光束的多焦点聚焦设备提供了多个选择的光焦度供选择，使得所选择的光焦度用于聚焦光束。多焦点聚焦设备的焦距也可以重新配置。

如本文所使用的，“基于GPL的堆叠透镜光学组件”是指形成有包括至少一个GPL的光学元件的堆叠的光学组件，并且是可电重新配置的以支持多焦点聚焦。每个前述光学元件可以是GPL、波片、折射透镜、任何基于LC的光学元件等。基于GPL的堆叠透镜光学组件展现出与偏振有关的聚焦。

通过利用GPL的一些有用的特性来开发本发明。GPL的一般概述和技术特性可以在例如以下文献的公开内容中找到：B.PICCIRILLO等人的“基于Pancharatnam-Berry几何相位的扁平偏振控制的圆柱透镜(Flat polarization-controlled cylindrical lensbased on the Pancharatnam-Berry geometric phase)”，欧洲物理学报，第38卷，(2017)034007(第15页)；S.SLUSSARENKO等人的“通过几何相位引导光(Guiding light viageometric phases)”，自然光子学，第10卷，第571–575页(2016)；和H.YU等人的“Pancharatnam–Berry光学透镜”，美国光学学会杂志B，第36卷，第5期，第D107-D111页(2019)。

GPL使用与空间透镜类似的偏振有关的几何相位分布来对出射光束的波阵面进行整形，并且从而修改入射光束的传播方向。通常，GPL用于处理CP的入射光束。特别地，入射光束是会聚还是发散取决于入射CP光束的旋向性。图1说明了GPL的各种聚焦行为。

图1的插图(a)和(b)描绘了分别从GPL 110的LHS入射的第一光束120(其为LHCP)和第二光束130(其为RHCP)的示例情况。在从RHS离开GPL 110时，第一光束120会聚(或一般而言被聚焦)，而第二光束130会发散(或一般而言被散焦)。因此，GPL 110的焦距对于LHCP光束为f，而对于RHCP光束为-f。对于LHCP和RHCP光束的相应光焦度分别为1/f和-1/f。还要注意，入射光束的旋向性在从GPL 110离开后反转。第一光束120从LHCP变为RHCP，第二光束130从RHCP变为LHCP。

图1的插图(c)描绘了主动式GPL 150被停用的情况。主动式GPL 150通常被实现为基于LC的GPL，其中的LC膜被配置为接收外部电压。LC膜向主动式GPL 150提供几何相位分布。当向LC膜施加外部电压165(通常是AC电压波形)时，主动式GPL 150被停用并充当各向同性透明介质，而不聚焦任何旋向性的入射CP光束160。在离开主动式GPL 150时，CP光束160的旋向性不会被改变。当移除外部电压165时，主动式GPL 150充当具有GPL 110的聚焦行为的正常GPL。

注意，GPL 110与主动式GPL 150的不同之处仅在于GPL 110不被配置或布置为接收用于重新配置GPL 110本身的外部电压。本文使用非主动式GPL来指GPL 110或此类不可重新配置的GPL。

GPL的其他特色包括以下内容。GPL通常在透明基板上被实现为由空间变化的光学单轴各向异性层形成的平坦的薄透镜。因此，可以使GPL比具有类似光焦度的传统折射透镜更薄。对于给定波长，GPL的衍射效率可以很高，甚至高达100％。GPL易于制造成具有较大的孔径尺寸，因此可为许多应用提供较大的视场。GPL还具有大的可调光焦度范围，从而有可能为AR应用实现丰富的深度对比度。从一个光焦度(或焦距)到另一个光焦度的快速切换是可行的，从而允许快速的响应时间。主动式GPL具有使用低驱动电压(例如，AC波形165的峰值电压)并消耗低功率的优点。

然而，GPL只能通过改变入射光束的旋向性来反应性地提供焦距的两个选择。对于许多实际应用，期望焦距或光焦度的更多不同选择。本发明的一个目的是方便地提供多焦点聚焦。

本文公开了用于光聚焦的多焦点系统。这些多焦点系统利用被配置成提供用于聚焦入射CP光束以形成出射CP光束的光焦度的光学组件。

图2描绘了根据本发明某些实施例的光学组件200。光学组件200通过将多个聚焦单元210-1:N(其中N≥2)串联级联而形成。第一聚焦单元210-1接收入射的CP光束205。随着入射CP光束205沿着聚焦单元210-1:N的链行进，入射CP光束205被一个接一个的聚焦单元210-1:N逐渐聚焦。出射CP光束206被形成并从最后的聚焦单元210-N离开光学组件200。

考虑第n聚焦单元210-n作为代表性聚焦单元进行说明。第聚焦单元210-n接收输入CP光束241以形成输出CP光束242。聚焦单元210-n包括单个透镜，用于在聚焦输入CP光束241时提供增量光焦度。聚焦单元210-n仅具有一个透镜，但是还可以包括其他非聚焦光学元件。因此，由该透镜提供的增量光焦度对由光学组件200提供的光焦度做出贡献。

通常，聚焦单元210-1:N紧密地堆叠在一起。由光学组件200提供的光焦度由聚焦单元210-1:N提供的相应增量光焦度之和很好地近似。此外，如果聚焦单元210-1:N足够薄，则通常通过由聚焦单元210-1:N提供的相应增量光焦度之和来计算由光学组件200提供的光焦度，这在实际情况中使用时具有足够的精度。光学组件200的焦距被计算为其光焦度的倒数。另一方面，如果聚焦单元210-1:N中的一个或多个间隔开，则本领域技术人员将理解，可以通过计及聚焦单元210-1:N之间的间距来容易地计算光学组件200的焦距。

聚焦单元210-1:N中的至少一个是可重新配置的。不失一般性，考虑第n聚焦单元210-n是可重新配置的作为说明可重新配置聚焦单元的示例。聚焦单元210-n的透镜是主动式或非主动式GPL。有利地，聚焦单元210-n是电可控的，以在输入CP光束241进入GPL之前通过将输入CP光束241的旋向性可控地改变为预定旋向性或通过可控制地启用和停用GPL来改变由前述GPL提供的增量光焦度。也就是说，由GPL提供的增量光焦度可以通过第一方法或第二方法，或者通过将第一方法和第二方法两者结合而可改变。第一方法是将输入CP光束241修改为具有预定的旋向性。第二方法是以可控制的方式启用和停用GPL。请注意，在使用第二方法时，要求GPL是主动式GPL。通过包括一个或多个可重新配置聚焦单元，使光学组件200提供的光焦度可变且可选，从而由光学组件200支持多焦点聚焦。

数量更多的可重新配置聚焦单元通常提供更多数量的可选光焦度级别，从而使得光学组件200在调整所提供的可选光焦度级别的数量方面可缩放。在一个选项中，聚焦单元210-1:N中的至少两个是可重新配置的，从而提供了多于两个的可选择的光焦度级别。在另一选项中，所有聚焦单元210-1:N都是可重新配置的。本领域技术人员可以根据实际情况确定所需的可选光焦度级别数量。

图3A-3C描绘了可重新配置聚焦单元310的三个实施例。可重新配置聚焦单元310布置成聚焦输入CP光束301以生成输出CP光束302。

参考图3A。可重新配置聚焦单元310包括主动式GPL 350，其在不聚焦输入CP光束301的情况下可电重新配置充当正常GPL或充当各向同性透明介质。因此，聚焦单元210-n的前述GPL被实现为主动式GPL 350。因此，前述GPL能够可控地被启用和停用。

参考图3B。可重新配置聚焦单元310包括PS 360和GPL 355。PS 360用于将输入CP光束301的旋向性可控地修改为预定旋向性，以生成中间CP光束303。在输入CP光束301进入GPL 355之前，可以电重新配置PS 360以反转或保持输入CP光束301的旋向性。具有预定旋向性的中间CP光束303被GPL 355接收以进行聚焦。因此，聚焦单元210-n的前述GPL被实现为非主动式GPL 355。

参考图3C。可重新配置聚焦单元310包括PS 360和主动式GPL 350。因此，聚焦单元210-n的前述GPL被实现为主动式GPL 350。

作为说明，图3A中描绘的可重新配置聚焦单元310用于采用上述第二方法来改变GPL的增量光焦度，图3B中描绘的可重新配置聚焦单元的采用第一方法，而图3C中描绘的可重新配置聚焦单元采用第一方法和第二方法。

作为进一步的说明，PS 360可以被实现为以电控双折射LC切换模式操作的LCHWP。因此，PS 360能够通过使用(一个或多个)波片来提供从反转输入CP光束301的旋向性到保持旋向性以及从保持输入CP光束301的旋向性到反转旋向性的快速切换。这种切换通常比接通和关断主动式GPL 350更快。因此，图3B的可重新配置聚焦单元310通常比图3A的可重新配置聚焦单元响应时间更快。更快的响应时间在AR应用中特别有用，因为可以进一步抑制多焦点对焦中从一个焦点切换到另一个焦点期间的焦点抖动。

图3C的可重新配置聚焦单元310包括PS 360和主动式GPL350。如果从一个焦点切换到另一焦点仅限于重新配置PS 360而不重新配置GPL 350，则也支持快速切换。这种快速切换对于某些AR应用仍然有用，因为用户在享受AR体验的某些关键时刻期间可能对抖动敏感，而在其他时刻则可以容忍。

鉴于快速切换的优势，优选地，在光学组件200的单个可重新配置聚焦单元中，至少通过在输入CP光束进入GPL之前可控地将输入CP光束的旋向性修改为预定旋向性来改变GPL的增量光焦度。

与图3A和3B的其他两个单元相比，图3C的可重新配置聚焦单元310通常提供更多数量的可选光焦度级别。在图3A-3C的三个单元中，图3A的可重新配置聚焦单元310具有最低的材料成本和最高的透射率。

尽管图3A-3C未描绘可重新配置聚焦单元310中除主动式GPL 350、PS 360和GPL355以外的光学元件，但在实际上，可以包括本领域技术人员认为合适的一个或多个附加光学元件，例如用于保护主动式GPL 350的惰性玻璃平板等。

图4A和图4B描绘了PS 360的两个实施例。

如图4A所示，PS 360包括LC HWP 410，该LC HWP 410可电重新配置为充当正常HWP或充当各向同性透明介质。当电压源411向LC HWP 410施加电压时，LC HWP 410充当各向同性透明介质。输入CP光束301和中间CP光束303具有相同的旋向性。在没有施加到LC HWP410的电压的情况下，LC HWP 410充当正常HWP，使得中间CP光束303具有与输入CP光束301的旋向性相反的旋向性。通过输入CP光束301是否具有预定旋向性来确定电压源411是否施加电压。

如图4B所示，PS 360包括第一QWP 420、IPS LC HWP 430和第二QWP 440。由x轴11和y轴12形成的参考方位平面80用于说明PS 360中的光学元件的取向。第一QWP 420、IPSLC HWP 430和第二QWP 440平行于方位平面80定位。第一QWP 420用于将输入CP光束301转换为第一LP光束425。IPS LC HWP 430用于将第一LP光束425转变为第二LP光束435。特别地，在形成第二LP光束435时，IPS LC HWP 430可电重新配置为保持或90°旋转第一LP光束425的偏振取向。第二QWP 440用于将第二LP光束435转换为中间CP光束303。在PS 360的实际实现中，第一QWP 420和第二QWP 440使其光轴与x轴11成45°取向。当电压源431未向IPSLC HWP 430施加电压时，IPS LC HWP 430的光轴也与x轴11成45°。当电压源431向IPS LCHWP 430施加电压时，其光轴沿x轴11重新定向。电压源431是否施加电压取决于输入CP光束301是否具有预定旋向性。

尽管PS 360的第二实施例(如图4B所示)比第一实施例(如图4A所示)更为复杂，但是PS 360的第二实施例的主要优点是使用IPS LC HWP 430能够进行从反转输入CP光束301的旋向性到保持旋向性和从保持输入CP光束301的旋向性到反转旋向性的快速切换。

图5A和5B描绘了不可重新配置聚焦单元510的两个实施例。提供这两个实施例是为了说明光学组件200的实现；本领域技术人员将理解，不可重新配置聚焦单元510的其他实现也是可能的。在图5A中，不可重新配置聚焦单元510由非主动GPL 550实现。在图5B中，不可重新配置聚焦单元510包括常规折射透镜560。尽管在图4B中示出了具有正光焦度的凸透镜，但是可以使用本领域技术人员认为合适的具有负光焦度的凹透镜。

在光学组件200的实际实现中，可以将聚焦单元210-1:N中每一个的透镜实现为单个主动式或非主动式GPL，而不管单个聚焦单元是否可重新配置。由于GPL是平坦且薄的，并且由于各个HWP和QWP也是平坦且薄的，所以可以将所有聚焦单元210-1:N紧密地堆叠在一起。因此，由聚焦单元210-1:N提供的相应增量光焦度之和给出了由光学组件200提供的光焦度。

通过考虑具有两个可重新配置聚焦单元的N＝2特定情况，如下展示光学组件200提供的多焦点聚焦。图6A和6B描绘了所考虑的两个原型光学组件610、620。原型光学组件610、620分别通过图3A和图3B的各个可重新配置聚焦单元实现。用图3C的单个可重新配置聚焦单元实现的原型光学组件的分析类似，为简洁起见，此处不再赘述。

在图6A中，AGPL1和AGPL2是两个主动式GPL；LB1是入射CP光束；LB3是出射CP光束；LB2是AGPL1和AGPL2之间的中间CP光束。在图6B中，PS1和PS2是两个PS。GPL1和GPL2是两个GPL；LB1是入射CP光束；LB5是出射CP光束；LB2、LB3和LB4是中间CP光束。设P₁为由未施加用于聚焦LHCP光束的外部电压的GPL1或AGPL1提供的光焦度，因此，P₁是用于聚焦RHCP光束的光焦度。设P₂为由未施加用于聚焦LHCP光束的外部电压的GPL2或AGPL2提供的光焦度，因此，P₂是用于聚焦RHCP光束的光焦度。当施加外部电压时，AGPL1(或AGPL2)的光焦度降至零。表1列出了在AGPL1和APGL2的不同配置(即状态)下由原型光学组件610提供的光焦度。表2列出了原型光学组件620提供的相应光焦度。PS1、PS2、AGPL1或AGPL2下的“0”代表电压关断状态，在该状态下未向所考虑的光学元件施加外部电压。相反，“1”代表电压接通状态，在该状态下施加有外部电压(以停用所考虑的光学元件)。作为说明，并非所有类型的液晶盒都可以通过施加或不施加外部电压来取得上述两种状态。对于典型的平面对齐的电控双折射LC液晶单元来说可以通过施加或不施加外部电压来取得上述两种状态，但对于铁电LC液晶单元则通常不会这样。需要将极性相反的电压施加到FLC单元，以取得电压关断状态。

表1.原型光学组件610提供的光焦度。(L：LHCP；R：RHCP)

表2.原型光学组件620提供的光焦度。(L：LHCP；R：RHCP)

表1和2中列出的结果表明，光学组件200可以在聚焦时提供不同的光焦度，以利于多焦点聚焦。通常，对于具有N个聚焦单元(210-1:N)的光学组件200，聚焦状态的数量为2^N。

在AR应用中，可以通过包括用于投射图像承载光束的正常投影仪、用于将图像承载光束转换为LP光束的线偏振器、用于将LP光束转换为CP光束的QWP、用于处理CP光束以向图像承载光束提供多焦点聚焦的光学组件200以及用于控制和配置光学组件200的电子控制器来实现多焦点投影仪。但是，将线偏振器应用于非偏振的图像承载光束导致光功率损失50％。这是不可取的。

光学组件200具有包括至少一个GPL的堆叠透镜布置，并且展现出与偏振有关的聚焦。发明人已经认识到，如果光学组件200被展现出与偏振有关的聚焦的另一基于GPL的堆叠透镜光学组件所替代，则也会导致相同的光功率显著浪费。如上所述，基于GPL的堆叠透镜光学组件是由包括至少一个GPL的光学元件的堆叠形成的光学组件，并且可电重新配置以支持多焦点聚焦。光学组件200的每个实施例是基于GPL的堆叠透镜光学组件的实例。基于GPL的堆叠透镜光学组件的其他示例包括在US10,379,419B1和US2009/0174918A1中公开的光学设备。

希望能够在不显著损失光功率的情况下实现多焦点聚焦。本文公开的多焦点系统旨在接收非偏振光并执行与偏振无关的聚焦，从而可实现高功率效率(接近100％)。

光学组件200被设计为接收入射CP光束205，并因此生成出射CP光束206。在多焦点系统的开发中，很快就会发现，首先开发用于向输入LP光束提供多焦点聚焦从而获得输出LP光束的光学设备是有利的。所公开的多焦点系统建立在该光学设备上，该光学设备在本文中称为可变聚焦模块。可变聚焦模块可电重新配置以支持多焦点聚焦。

图7描绘了根据本发明的某些实施例的用于聚焦输入LP光束705以形成输出LP光束706的可变聚焦模块700。可变聚焦模块700包括前端QWP 720、基于GPL的堆叠透镜光学组件724、后端QWP 730和后端LC HWP 740。在某些实施例中，基于GPL的堆叠透镜光学组件724被实现为光学组件200。当输入LP光束705进入可变聚焦模块700时，前端QWP 720将输入LP光束705转换为要由基于GPL的堆叠透镜光学组件724进行处理的入射CP光束725。基于GPL的堆叠透镜光学组件724被配置为聚焦入射CP光束725以形成出射CP光束726。在聚焦入射CP光束725时的多焦点聚焦由基于GPL的堆叠透镜光学组件724支持。后端QWP 730接收出射CP光束726并将出射CP光束726转换为第一中间LP光束735。后端LC HWP 740可电重新配置为在形成输出LP光束706时保持或90°旋转第一中间LP光束735的偏振取向。

由x轴11和y轴12形成的参考方位平面80用于说明可变聚焦模块700中的光学元件的取向。考虑输入LP光束705具有平行于x轴11的偏振取向的特定状况。前端QWP 720具有与x轴11成45°定向的光轴，以将输入LP光束705转换为CP光束(即入射CP光束725)。后端QWP730的光轴与x轴11成-45°定向。当出射CP光束726被后端QWP 730转换为第一中间LP光束735时，第一中间LP光束735的偏振沿x轴11或沿y轴12。后端LC HWP 740的光轴与x轴11成45°定向。当关断电压源742时，第一中间LP光束735的偏振取向旋转90°以形成输出LP光束706。相反，当接通电压源742以提供电压时，后端LC HWP 740充当各向同性透明介质，在形成输出LP光束706时，不导致第一中间LP光束735的偏振取向改变。

可选的透镜750可以被包括在可变聚焦模块700中，用于在输出LP光束706离开可变聚焦模块700之前进一步聚焦输出LP光束706。在存在提供某个固定光焦度的透镜750的情况下，光学组件200中不必包括另一个折射透镜(作为基于GPL的堆叠透镜光学组件724的实现)，从而光学组件200仅由平坦的薄光学元件组成。由于前端QWP 720、后端QWP 730和后端LC HWP 740也是扁平的薄光学元件，因此在制造中简化了这些光学元件与光学组件200的集成。

本发明的第一方面是提供一种第一多焦点系统，用于聚焦入射光束以形成出射光束。另外，系统在产生出射光束时充分利用了入射光束的辐射功率。第一多焦点系统至少在与偏振无关的聚焦和高功率效率方面提供优势。

通过将非偏振入射光束分成两个LP光束、分别以相同的光焦度聚焦这两个LP光束并在聚焦完成后最终组合两个LP光束，从而达到充分利用辐射功率的目的。

示例性地，图8中示出了第一多焦点系统，图8描绘了第一多焦点系统800，该第一多焦点系统800接收非偏振入射光束805，并生成同样也是非偏振的出射光束806。系统800包括第一PBS 810、第一可变聚焦模块820、第二可变聚焦模块830、电子控制器860和第二PBS 840。

第一PBS 810用于将入射光束805分成第一LP光束811和第二LP光束812，其中，第一LP光束811和第二LP光束812在偏振取向上相互正交。作为图8所示的示例，第一LP光束811是TE偏振光束，而第二LP光束812是TM偏振光束。

第一和第二可变聚焦模块820、830用于聚焦第一和第二LP光束811、812以分别生成第三和第四LP光束871、872。第一和第二可变聚焦模块820、830中的每一个均由以上所公开的可变聚焦模块700的任何实施例实现。另外，第一和第二可变聚焦模块820、830可以用可变聚焦模块700的相同实施例或不同实施例来实现。由于第一和第二LP光束811、812在偏振取向上正交，因此，第一和第二可变聚焦模块820、830中的相应前端QWP被定位成使得两个前端QWP的光轴相互正交。

电子控制器860被配置为配置第一可变聚焦模块820和第二可变聚焦模块830中的每一个以在聚焦第一LP光束811和第二LP光束812中的每一个时提供期望的光焦度，使得第一LP光束和第二LP光束811、812以相同的期望光焦度聚焦。在某些实施例中，电子控制器860被配置和编程为执行以下任务。第一任务是配置第一和第二可变聚焦模块820、830的每一个中的光学组件200，以在聚焦相应的入射CP光束时提供期望的光焦度。第二任务是配置第一和第二可变聚焦模块820、830中的每一个中的后端LC HWP 640，使得第三和第四LP光束871、872在偏振取向上相互正交。

电子控制器860可以由例如通用计算处理器、专用处理器、微控制器、ASIC、诸如FPGA的任何可编程器件或其组合来实现。诸如用于驱动光学组件200的线驱动器之类的外围设备可以包括在电子控制器860的实施方式中。本领域技术人员将理解，电子控制器860的其他实际实施方式也是可能的，并且可以根据本领域的知识进行设计。

第二PBS 840用于组合第三和第四LP光束871、872以生成出射光束806。结果，在形成出射光时充分利用了入射光束805的辐射功率，同时在聚焦入射光束805时允许期望的光焦度可变且可选择以支持多焦点聚焦。

由于第三和第四LP光束871、872具有相互正交的偏振取向，因此可以通过第二PBS840组合这两个光束871、872。在一个实施例中，电子控制器860还被配置为附加地配置第一和第二可变聚焦模块820、830的每一个中的后端LC HWP 640，使得第一和第三LP光束811、871在偏振取向上正交并使得第二LP光束812和第四LP光束872在偏振取向上也正交。出射光束806的传播方向是如图8所示的传播方向。

注意，如果第三和第四LP光束871、872分别变成TE和TM偏振光束，则出射光束806的传播方向从图8所示的方向旋转90°。

可选地，第一反射器851(第二反射器852)用于将来自第一PBS 810的第一LP光束811(第二LP光束812)反射到第一可变聚焦模块820(第二可变聚焦模块830)。

可选的透镜850也可以被包括在系统800中，用于在出射光束806离开系统800之前进一步聚焦出射光束806。

系统800提供了充分利用入射光束805的辐射功率来形成出射光束806的优点，但以所需硬件加倍为代价(即，需要两个可变聚焦模块和两个PBS)。所需硬件的加倍不仅增加了构建系统800的材料成本，而且还增加了其物理尺寸。希望的是，在减少所需硬件的同时，保持上述功率效率优势。

本发明的第二方面是提供用于聚焦入射光束以形成出射光束的第二多焦点系统。该系统使入射光束的辐射功率在产生出射光束时得到充分利用，但是与第一多焦点系统相比，减少了所需硬件。第二多焦点系统至少在与偏振无关的聚焦、高功率效率、降低的材料成本和减小的空间需要方面提供了优点。

发明人已经注意到，如果满足了对两个LP光束的一些要求，可变聚焦模块700就能够同时聚焦两个LP光束。这可以减少所需硬件。考虑聚焦第一输入LP光束和第二输入LP光束。模块700具有两端。第一输入LP光束进入模块700的第一端，并由此产生从模块700的第二端离开的第一输出LP光束。同时，第二输入LP光束进入第二端，并由此产生从第一端离开的第二输出LP光束。因此，模块700被再次使用以便同时聚焦两个LP光束。发明人发现以下结果：如果第一输入LP光束和第一输出LP光束在偏振取向上正交，并且如果第一输出LP光束和第二输入LP光束具有相同的偏振取向，则第一和第二输入光束以模块700提供的相同的光焦度被聚焦。简单地说，沿相反方向行进并通过模块700的两个相对端进入模块700的两个正交LP光束同时被模块700聚焦。下面借助于图11-13来解释该结果。

图11示出了GPL 1180对于从向前传播方向1101和从向后传播方向1102入射的光束的非互异聚焦行为。出于说明的目的，向前传播方向1101被定义为从GPL 1180的LPL到RHS的行进方向，而向后传播方向1102与向前传播方向1101相反。GPL 1180由光轴r(x,y)在GPL 1180横截面上的空间分布来进行特征表述。该光轴分布会导致GPL 1180在聚焦行为方面取决于入射CP光束的旋向性做出不同的响应。在第一布置1110中，LHCP光束沿着向前传播方向1101行进并且从其LHS入射到GPL 1180上。LHCP光束被会聚以形成RHCP光束，从而使GPL 1180具有f的焦距。相反，如第二布置1120所示，如果LHCP光束沿向后传播方向1102行进并从其RHS入射到GPL 1180上，则首先要注意，光轴分布由于颠倒反射对称的结果而翻转并且变为-r(x,y)。由于该翻转，LHCP光束不被会聚，而是被发散以给出RHCP光束，因此GPL1180的焦距为-f。第一和第二布置1110、1120的结果表明GPL 1180是非互异的。第三布置1130具有沿向前传播方向1101行进，并且从其LHS入射到GPL 1180上的RHCP光束。除了输入光束的旋向性之外，第三布置1130与第一布置1110相同。如解释图1所述，RHCP光束发散并形成LHCP光束，从而导致GPL 1180的焦距为-f。在第四布置1140中，RHCP光束沿向后传播方向1102行进并从其RHS入射到GPL 1180上。基于类似的分析，RHCP光束会聚以给出LHCP光束作为输出，因此GPL 1180的焦距为f。第三布置1130和第四布置1140之间的比较还表明GPL1180是偏振非互异的。

图12和图13展示了通过使两个输入LP光束在偏振取向上保持正交并将可变聚焦模块配置为使一个输入LP光束与其输出LP光束在偏振取向上正交，可以对分别沿向前和向后传播方向行进的两个输入LP光束获得相同的光焦度。图12和图13中的每一个示出了通过以作为示例进行说明的一个聚焦单元来实现的可变聚焦模块对于两个传播方向提供的光焦度的分析。分析中使用了与该可变聚焦模块等效的光学模块。在图12中，聚焦单元根据图3A实现，并且具有用于GPL切换的主动式GPL。在图13中，聚焦单元根据图3B实现，并且具有用于波片切换的PS和GPL。在两个图中的每个图中，都获得了两种状态。

参考图12中所示的等效光学模块。可变聚焦模块具有前端QWP 1211、主动式GPL1213、后端QWP 1212、后端LC HWP 1214和常规透镜1215。处于电压关断状态的主动式GPL1213具有对于沿向前传播方向行进的输入LHCP光束的光焦度P₁。常规透镜1215具有光焦度P₀。状态1具有处于电压关断状态的主动式GPL 1213和处于电压接通状态的后端LC HWP1214。状态2具有处于电压接通状态的主动式GPL 1213和处于电压关断状态的后端LC HWP1214。选择两种状态以使得：(1)当TM偏振光束沿向前传播方向入射到可变聚焦模块时，输出TE偏振光束；并且(2)当TE偏振光束沿向后传播方向入射到可变聚焦模块时，输出TM偏振光束。在状态1中，情况A和B描绘了TM和TE偏振光束分别是沿着向前传播方向和向后传播方向的到可变聚焦模块的输入。简单的分析发现，对于这两种情况，提供的光焦度相同且等于P₁+P₀。在状态2中，情况C和D描绘了TM和TE偏振光束分别是沿着向前传播方向和向后传播方向的到可变聚焦模块的输入。在两种情况下，类似地，提供的光焦度相同且等于P₀。因此，图12的可变聚焦模块是可重新配置的，以实现不同的光焦度，并且以相同的光焦度同时聚焦来自两个传播方向的LP光束。

参考图13中所示的等效光学模块。可变聚焦模块具有前端QWP 1311、实现为HWP的PS1316、GPL 1313、后端QWP 1312、后端LC HWP 1314和常规透镜1315。GPL 1313具有对于沿向前传播方向行进的输入LHCP光束的光焦度P₁。常规透镜1315具有光焦度P₀。状态1具有均处于电压关断状态的PS1316和后端LC HWP 1314。状态2具有均处于电压接通状态的PS1316和后端LC HWP 1314。同样，选择两种状态以使得：(1)当TM偏振光束沿向前传播方向入射到可变聚焦模块时，输出TE偏振光束；并且(2)当TE偏振光束沿向后传播方向入射到可变聚焦模块时，输出TM偏振光束。在状态1中，情况A和B描绘了TM和TE偏振光束分别是沿着向前传播方向和向后传播方向的到可变聚焦模块的输入。发现对于这两种情况，提供的光焦度相同且等于-P₁+P₀。在状态2中，情况C和D描绘了TM和TE偏振光束分别是沿着向前传播方向和向后传播方向的到可变聚焦模块的输入。也发现对于这两种情况，提供的光焦度相同且等于P₁+P₀。因此，图13的可变聚焦模块是可重新配置的，以实现不同的光焦度，并且以相同的光焦度同时聚焦从两个传播方向行进的LP光束。

当可变聚焦模块具有图3C的单个聚焦单元时，对于两个传播方向的光焦度的分析类似，为简洁起见，在此不再赘述。

本文公开的第二多焦点系统是基于两个光束的同时聚焦而开发的。

示例性地，第二多焦点系统在图9中示出，图9描绘了第二多焦点系统900，该第二多焦点系统900接收非偏振的入射光束905，并生成也是非偏振的出射光束906。系统900包括PBS 910、可变聚焦模块920、第一反射镜951、第二反射镜952和电子控制器960。

PBS 910被布置成将入射光束905分成第一LP光束911和第二LP光束912。第一LP光束911和第二LP光束912在偏振取向上相互正交。作为图9所示的示例，第一和第二LP光束911、912分别被选择为TE和TM偏振光束。

可变聚焦模块920被实现为所公开的可变聚焦模块700的任何实施例。可变聚焦模块920具有第一端921和第二端922，使得特定输入LP光束被允许通过两端921、922之一进入可变聚焦模块920，以生成从两端921、922中的另一端离开的特定输出LP光束。向前传播方向923被定义为从第一端921到第二端922的方向。向后传播方向924被定义为从第二端922到第一端921的方向。

第一反射镜951和第二反射镜952被定位或布置为使得获得以下结果。第一、第一反射镜951将从PBS 910发射的第一LP光束911朝向第一端921反射，从而使第一LP光束911在可变聚焦模块920中沿着向前传播方向923行进，从而形成从第二端922离开的第三LP光束971。第二、第二反射镜952将从第二端922发射的第三LP光束971反射到PBS 910。第三、第二反射镜952将从PBS 910发射的第二LP光束912反射到第二端922，从而使第二LP光束912在可变聚焦模块920中沿着向后传播方向924行进，从而形成从第一端921离开的第四LP光束972。第四、第一反射镜951将从第一端921离开的第四LP光束972反射到PBS 910。

在一个实施例中，上述结果是通过如图9所示的示例性几何布置获得的。选择PBS910、第一反射镜951和第二反射镜952的位置，使得这三个光学元件形成接近直角三角形的三角形，其中，PBS 910与两个反射镜951、952成直角。优选地，直角三角形是等腰直角三角形。考虑平行于进入PBS 910中的入射光束905的入射方向的参考轴991。PBS 910形成第一LP光束911和第二LP光束912，其中，第一LP光束911在垂直于参考轴991的方向上行进，而第二LP光束912在沿着参考轴991的方向上行进。在上述三个光学元件形成接近等腰直角三角形的三角形的情况下，第一和第二反射镜951、952有利地被定位成使得第一反射镜951和第二反射镜952分别与参考轴991成22.5°-θ/2和67.5°+θ/2的角度，其中，θ为非零角度偏移。然后，出射光束906的行进方向与参考轴991成θ的角度。具有θ的非零值的优点是，当出射光束906行进时，使出射光束906能够偏离入射光束905。如果两个光束905、906沿基本平行的方向行进，则会发生直接向后反射，并且出射光束906不能与入射光束905分离。非零角度偏移可以是正值或负值，使得参考图9，出射光束906可以向上或向下偏离。本领域技术人员可以根据两个光束905、906之间所需的间隙来确定θ的适当值，以使得出射光束906可以与入射光束905分离。

电子控制器960被配置和编程为执行以下任务。第一任务是配置可变聚焦模块920中的光学组件200，以在聚焦在向前传播方向923上行进的第一LP光束911时提供期望的光焦度。结果，第一LP光束911以期望的光焦度在可变聚焦模块920中被聚焦。第二任务是配置可变聚焦模块920中的后端LC HWP 740，使得第一LP光束911和第三LP光束971在偏振取向上相互正交。因此，第二LP光束912和第三LP光束971在偏振取向上相同，从而使第二LP光束912在可变聚焦模块920中以与在形成第四LP时相同的期望光焦度被聚焦。另外，第二和第四LP光束912、972在偏振取向上相互正交。

电子控制器960可以由例如通用计算处理器、专用处理器、微控制器、ASIC、诸如FPGA的任何可编程器件或其组合来实现。诸如用于驱动光学组件200的线驱动器之类的外围设备可以包括在电子控制器960的实施方式中。本领域技术人员将理解，电子控制器960的其他实际实施方式也是可能的，并且可以根据本领域的知识进行设计。

另外，PBS 910还被布置并再次使用，以组合接收的第三和第四LP光束971、972以形成出射光束906。因此，在形成出射光束906时，入射光束905的辐射功率被充分利用，同时在聚焦入射光束905时允许期望的光焦度可变且可选择以支持多焦点聚焦。此外，在第二多焦点系统900中仅使用一个可变聚焦模块，与第一多焦点系统800相比，减少了对硬件的需求。

本发明的第三方面在于提供一种多焦点AR显示器，用于在用户观看期间将外部图像增强到真实世界场景上。该显示器通过包括第一多焦点系统800或第二多焦点系统900来支持多焦点聚焦。

图10描绘了根据本发明某些实施例的多焦点AR显示器1000。多焦点AR显示器1000包括投影仪1010、多焦点系统1020和全息反射器1030。投影仪1010用于生成承载外部图像的图像承载光束1050。多焦点系统1020被实现为第一多焦点系统800和第二多焦点系统900的实施例中的任何一个。在多焦点AR显示器1000中，多焦点系统1020用于聚焦图像承载光束1050以形成修改的图像承载光束1052，使得在聚焦图像承载光束1050时提供多焦点聚焦。全息反射器1030被布置成反射修改的图像承载光束1052，同时允许承载真实世界场景的图像的光束1080通过。结果，在用户观看期间，外部图像被增强到真实世界场景。

在某些实施例中，投影仪1010包括光学扩散器1044、微显示器1042、光源1041和透镜模块1043。微显示器1042用于显示外部图像。光源1041用于照亮微显示器1042，以将外部图像投射在扩散器1044上，从而使扩散器1044发射要由多焦点系统1020接收的图像承载光束1050。透镜模块1043位于微显示器1042和扩散器1044之间，用于将最初显示在微显示器1042上的外部图像聚焦到扩散器1044上。在一个实施例中，微显示器1042是空间光调制器，例如在US2018/0164643A1中公开的空间光调制器。

尽管光学组件200、可变聚焦模块700以及第一多焦点系统800和第二多焦点系统900对于构建AR领域中使用的光学系统特别有用，但是本发明不仅限于AR应用。本发明可以用于其他技术领域中的应用，例如先进显微镜的开发。

在不脱离本发明的精神或基本特征的情况下，本发明可以以其他特定形式来实现。因此，本实施例在所有方面都应被认为是说明性的而非限制性的。本发明的范围由所附的权利要求书而不是由前面的描述来指示，因此，落入权利要求书的等同含义和范围内的所有改变均旨在包含在其中。

Claims (17)

1.一种用于聚焦入射光束以形成出射光束的多焦点系统，所述系统包括：

第一偏振分束器PBS，用于将所述入射光束分成在偏振取向上相互正交的第一和第二线偏振LP光束；

第一可变聚焦模块和第二可变聚焦模块，用于分别聚焦所述第一和第二LP光束以产生第三LP光束和第四LP光束，其中，用于聚焦输入LP光束以形成输出LP光束的单独的可变聚焦模块可电重新配置以支持多焦点聚焦；

电子控制器，被配置为配置单独的可变聚焦模块以在聚焦所述输入LP光束时提供期望光焦度，使得所述第一和第二LP光束以相同的期望光焦度聚焦；和

第二PBS，用于组合所述第三和第四LP光束以生成所述出射光束，从而在形成所述出射光束时充分利用所述入射光束的辐射功率，同时在聚焦所述入射光束时允许期望光焦度可变且可选择以支持多焦点对焦，

其中：

所述单独的可变聚焦模块包括：

前端四分之一波片QWP，用于将所述输入LP光束转换为入射圆偏振CP光束；

光学组件，被配置为提供用于聚焦所述入射CP光束以形成出射CP光束的光焦度，所述光学组件由包括至少一个几何相位透镜GPL的光学元件的堆叠形成，所述光学组件可电重新配置以支持多焦点聚焦；

后端QWP，用于将所述出射CP光束转换为第一中间LP光束；和

后端液晶LC半波片HWP，用于将所述第一中间LP光束转换为所述输出LP光束，所述后端LC HWP可电重新配置，以在形成所述输出LP光束时保持或90°旋转所述第一中间LP光束的偏振取向；

并且

所述电子控制器还被配置为：

配置所述光学组件以在聚焦所述入射CP光束时提供期望光焦度；和

配置所述后端LC HWP，使得所述第三和第四LP光束在偏振取向上相互正交。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述单独的可变聚焦模块还包括附加透镜，用于在所述输出LP光束离开所述单独的可变聚焦模块之前进一步聚焦所述输出LP光束。

3.根据权利要求1所述的系统，还包括：

附加透镜，用于在所述出射光束离开所述系统之前进一步聚焦所述出射光束。

4.根据权利要求1所述的系统，其中：

所述光学组件通过串联级联多个聚焦单元而形成；

用于聚焦输入CP光束以形成输出CP光束的单独的聚焦单元包括单个透镜，该单个透镜用于在聚焦所述输入CP光束时提供增量光焦度，其中，所述增量光焦度对由所述光学组件提供的光焦度做出贡献；并且

至少一个聚焦单元可重新配置，单独的可重新配置聚焦单元的透镜是GPL，其中，单独的可重新配置聚焦单元电可控，以通过在所述输入CP光束进入所述GPL之前将所述输入CP光束的旋向性可控地修改为预定旋向性或通过可控制地启用和停用所述GPL来改变由所述GPL提供的增量光焦度，从而使所述光学组件提供的光焦度可变且可选择，由此支持多焦点聚焦。

5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述单独的可重新配置聚焦单元还包括偏振选择器PS，用于将所述输入CP光束的旋向性可控地修改为预定旋向性，所述PS可电重新配置以在所述输入CP光束进入所述GPL之前反转或保持所述输入CP光束的旋向性。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述PS包括LC HWP，所述LC HWP可电重新配置以充当正常HWP或充当各向同性透明介质。

7.根据权利要求5所述的系统，其中，所述PS包括：

第一QWP，用于将第一CP光束转换为第一LP光束，所述第一CP光束为进入单独的可重新配置聚焦单元的输入CP光束；

面内切换IPS LC HWP，用于将所述第一LP光束变换为第二LP光束，该IPS LC HWP可电重新配置以在形成所述第二LP光束时保持或90°旋转所述第一LP光束的偏振取向；和

第二QWP，用于将所述第二LP光束转换为第二CP光束，所述第二CP光束是具有预定旋向性的输入CP光束。

8.根据权利要求4所述的系统，其中，所述GPL是主动式GPL，其可电重新配置为充当正常GPL或充当各向同性透明介质而不聚焦所述输入CP光束，从而使所述GPL能够可控地启用和停用。

9.一种用于聚焦入射光束以形成出射光束的多焦点系统，所述系统包括：

偏振分束器PBS，被布置为将所述入射光束分成在偏振取向上相互正交的第一和第二线偏振LP光束；

可变聚焦模块，用于聚焦输入LP光束以形成输出LP光束，所述可变聚焦模块具有第一端和第二端，使得允许所述输入LP光束通过两端中的一个进入所述可变聚焦模块以生成从两端中的另一个离开的所述输出LP光束，向前传播方向被定义为从所述第一端到所述第二端的方向，向后传播方向被定义为从所述第二端到所述第一端的方向，所述可变聚焦模块包括：

位于所述第一端的前端四分之一波片QWP，用于将在所述第一端接收的所述输入LP光束转换为入射圆偏振CP光束，所述输入LP光束和所述入射CP光束均沿向前传播方向行进；

光学组件，被配置为提供用于聚焦所述入射CP光束以形成出射CP光束的光焦度，所述光学组件由包括至少一个几何相位透镜GPL的光学元件的堆叠形成，所述光学组件可电重新配置以支持多焦点聚焦；

后端QWP，用于将所述出射CP光束转换为第一中间LP光束；和

位于所述第二端的后端液晶LC半波片HWP，用于将所述第一中间LP光束变换为从所述第二端离开的所述输出LP光束，所述后端LC HWP可电重新配置以在形成所述输出LP光束时保持或90°旋转所述第一中间LP光束的偏振取向；

第一和第二反射镜，被布置为使得：

所述第一反射镜将从所述PBS发射的所述第一LP光束反射到所述第一端，使所述第一LP光束在所述可变聚焦模块中沿向前传播方向行进，从而形成从所述第二端离开的第三LP光束；

所述第二反射镜将从所述第二端发射的所述第三LP光束反射到所述PBS；

所述第二反射镜将从所述PBS发射的所述第二LP光束反射到所述第二端，使所述第二LP光束在所述可变聚焦模块中沿向后传播方向行进，从而形成从所述第一端离开的第四LP光束；和

所述第一反射镜将从所述第一端离开的所述第四LP光束反射到所述PBS；

以及

电子控制器，被配置为：

配置所述光学组件以在聚焦沿向前传播方向行进的所述入射CP光束时提供期望光焦度，从而使所述第一LP光束以期望光焦度在所述可变聚焦模块中被聚焦；和

配置所述后端LC HWP，使得所述第一LP光束和第三LP光束在偏振取向上相互正交，从而使所述第二LP光束和第三LP光束在偏振取向上相同，使所述第二LP光束在所述可变聚焦模块中以形成所述第四LP光束时相同的期望光焦度被聚焦，其中，所述第二和第四LP光束在偏振取向上相互正交，从而允许再次使用所述可变聚焦模块同时聚焦所述第一和第二LP光束；

其中，所述PBS还被布置为组合接收的第三LP光束和第四LP光束以形成所述出射光束，从而在形成所述出射光束时充分利用所述入射光束的辐射功率，同时在聚焦所述入射光束时允许期望光焦度可变且可选择以支持多焦点聚焦。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述第一反射镜和第二反射镜分别与参考轴成22.5°-θ/2和67.5°+θ/2的角度，所述参考轴平行于进入所述PBS的所述入射光束的入射方向，θ为非零角度偏移，从而在所述出射光束行进时使所述出射光束能够偏离所述入射光束，以避免发生直接向后反射。

11.根据权利要求9所述的系统，其中：

所述光学组件通过串联级联多个聚焦单元而形成；

用于聚焦输入CP光束以形成输出CP光束的单独的聚焦单元包括单个透镜，所述单个透镜用于在聚焦所述输入CP光束时提供增量光焦度，其中，所述增量光焦度对由所述光学组件提供的光焦度做出贡献；和

至少一个聚焦单元可重新配置，单独的可重新配置聚焦单元的透镜是GPL，其中，单独的可重新配置聚焦单元电可控，以通过在所述输入CP光束进入所述GPL之前将所述输入CP光束的旋向性可控地修改为预定旋向性或通过可控制地启用和停用所述GPL来改变由所述GPL提供的增量光焦度，从而使所述光学组件提供的光焦度可变且可选择，由此支持多焦点聚焦。

12.根据权利要求11所述的系统，其中，所述单独的可重新配置聚焦单元还包括偏振选择器PS，用于将所述输入CP光束的旋向性可控地修改为预定旋向性，所述PS可电重新配置以在所述输入CP光束进入所述GPL之前反转或保持所述输入CP光束的旋向性。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述PS包括LC HWP，所述LC HWP可电重新配置以充当正常HWP或充当各向同性透明介质。

14.根据权利要求12所述的系统，其中，所述PS包括：

第一QWP，用于将第一CP光束转换为第一LP光束，所述第一CP光束为进入单独的可重新配置聚焦单元的输入CP光束；

面内切换IPS LC HWP，用于将所述第一LP光束变换为第二LP光束，该IPS LC HWP可电重新配置以在形成所述第二LP光束时保持或90°旋转所述第一LP光束的偏振取向；和

第二QWP，用于将所述第二LP光束转换为第二CP光束，所述第二CP光束是具有预定旋向性的输入CP光束。

15.根据权利要求11所述的系统，其中，所述GPL是主动式GPL，其可电重新配置为充当正常GPL或充当各向同性透明介质而不聚焦所述输入CP光束，从而使所述GPL能够可控地启用和停用。

16.一种多焦点增强现实AR显示器，用于在用户观看期间将外部图像增强到真实世界场景上，所述多焦点AR显示器包括：

投影仪，用于生成承载所述外部图像的图像承载光束；

根据权利要求1-15中任一项所述的多焦点系统，用于聚焦所述图像承载光束以形成修改的图像承载光束，并用于在聚焦所述图像承载光束时提供多焦点聚焦；和

全息反射器，被布置为反射修改的图像承载光束，同时允许承载真实世界场景的图像的光束通过，从而在用户观看期间将所述外部图像增强到真实世界场景上。

17.根据权利要求16所述的多焦点AR显示器，其中，所述投影仪包括：

光扩散器；

空间光调制器，用于显示所述外部图像；

光源，用于照亮所述空间光调制器以将所述外部图像投射到所述扩散器上，从而使所述扩散器发射要由所述多焦点系统接收的所述图像承载光束；和

位于所述空间光调制器和所述扩散器之间的透镜模块，用于将最初显示在所述空间光调制器上的所述外部图像聚焦到所述扩散器上。