CN112543885A - 用于头戴式显示器的反射式圆偏振器 - Google Patents

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Abstract

本文公开的技术涉及用于近眼显示的折叠光学系统。在一个实施例中，光学设备包括第一偏振器、第二偏振器和位于第一偏振器和第二偏振器之间的部分反射器。第一偏振器被配置为将入射光偏振成第一圆偏振态的光。第二偏振器被配置为透射第二圆偏振态的光并反射第一圆偏振态的光而不改变它的偏振态。部分反射器被配置为透射来自第一偏振器的光并反射来自第二偏振器的光。由部分反射器反射的光和来自第二偏振器的光具有不同的偏振态。

Description

用于头戴式显示器的反射式圆偏振器
背景
采用头戴式装置(headset)或一副眼镜形式的人工现实系统(诸如头戴式显示器(HMD)或抬头显示器(HUD)系统)通常包括近眼显示器，该近眼显示器被配置为经由电子或光学显示器在用户的眼睛前方(例如大约10mm-20mm内)向用户呈现内容。近眼显示器可以显示虚拟对象或者将真实对象的图像与虚拟对象组合(例如在虚拟现实(VR)、增强现实(AR)或混合现实(MR)应用中)。例如在AR系统中，用户可以通过例如透过透明显示眼镜或透镜看(常常被称为光学透视(see-through))或者通过观看所显示的、由摄像机捕获的周围环境的图像(常常被称为视频透视)来观看虚拟对象的图像(例如计算机生成图像(CGI))和周围环境两者。
近眼显示系统可以包括光学系统，该光学系统被配置成在图像平面上形成计算机生成图像的图像。近眼显示器的光学系统可以中继(relay)由图像源(例如显示面板)生成的图像，以创建看起来远离图像源并且离用户的眼睛比仅仅几厘米更远的虚拟图像。例如，光学系统可以准直来自图像源的光或者以其他方式将所显示的虚拟对象的空间信息转换成角度信息，以创建可能看起来遥远的虚拟图像。光学系统还可以放大图像源，以使图像看起来比图像源的实际尺寸大。在许多情况下，人工现实系统的应用由于例如成本、尺寸、重量、有限的视场、小视窗(eye box)或者用于中继由图像源生成的图像的光学系统的低效率而被限制。
概述
本公开总体上涉及用于近眼显示器的折叠光学系统。反射式圆偏振器(CP)可以用在折叠光学系统中，以代替被对准的反射式线偏振器和波片，因而避免反射式线偏振器和波片的对准。反射式圆偏振器可以反射圆偏振光，同时保持反射光的旋向性(handedness)与入射光的旋向性相同。可以使用例如胆甾型液晶(CLC，cholesteric liquid crystal)来制造反射式圆偏振器。
在一些实施例中，一种光学设备可以包括被配置为将入射光偏振成第一圆偏振态的光的第一偏振器、被配置为透射第二圆偏振态的光并反射第一圆偏振态的光(其中由第二偏振器反射的光可以处于第一圆偏振态)的第二偏振器以及位于第一偏振器和第二偏振器之间的部分反射器，其中部分反射器可以被配置为透射来自第一偏振器的光并反射来自第二偏振器的光。由部分反射器反射的光和来自第二偏振器的光可以具有不同的偏振态。
在光学设备的一些实施例中，第一偏振器、第二偏振器或部分反射器中的至少一个可以在弯曲表面上。在一些实施例中，弯曲表面可以是光学透镜的表面。
在光学设备的一些实施例中，第二偏振器可以包括胆甾型液晶(CLC)圆偏振器，其中CLC圆偏振器可以包括以螺旋结构布置的液晶分子。在一些实施例中，螺旋结构可以包括两个或更多个螺距(pitch)。在一些实施例中，CLC圆偏振器可以包括多个层，每个层具有不同的反射波长范围。在一些实施例中，多个层中的每一层可以包括具有不同螺距的螺旋结构。在一些实施例中，多个层中的至少两层可以掺杂有不同掺杂剂浓度的手性掺杂剂材料，或者可以掺杂有不同的手性掺杂剂材料。在一些实施例中，螺旋结构的螺距逐渐变化。CLC圆偏振器可以包括双扭曲(double-twist)胆甾型液晶层或液晶聚合物层。在一些实施例中，螺旋结构可以包括左旋螺旋结构，并且第二偏振器可以被配置为透射右旋圆偏振光并反射左旋圆偏振光。在一些实施例中，螺旋结构可以包括右旋螺旋结构，并且第二偏振器可以被配置为透射左旋圆偏振光并反射右旋圆偏振光。在光学设备的一些实施例中，第一偏振器可以包括胆甾型液晶(CLC)圆偏振器，其可以包括以螺旋结构布置的液晶分子。
根据一些实施例，一种显示图像的方法可以包括：通过第一偏振器将来自图像源的光偏振成第一圆偏振态的光，通过部分反射器将第一圆偏振态的光透射到第二偏振器，通过第二偏振器将第一圆偏振态的光反射回到部分反射器(处于第一圆偏振态)，通过部分反射器将第一圆偏振态的光反射成第二圆偏振态的光回到第二偏振器，并通过第二偏振器将第二圆偏振态的光透射到用户的眼睛。在一些实施例中，第二偏振器可以包括胆甾型液晶(CLC)反射式圆偏振器。
根据一些实施例，一种近眼显示设备可以包括被配置为发射显示光的显示器、被配置为将显示光偏振成第一圆偏振态的光的第一偏振器、被配置为将第二圆偏振态的光透射到用户的眼睛并将第一圆偏振态的光反射成第一圆偏振态的光的第二偏振器、以及位于第一偏振器和第二偏振器之间的部分反射器，该部分反射器被配置为透射来自第一偏振器的光并反射来自第二偏振器的光，其中由部分反射器反射的光和来自第二偏振器的光可以具有不同的偏振态。
在一些实施例中，近眼显示设备还可以包括具有非零光功率(optical power)的光学透镜，其中第一偏振器、第二偏振器或部分反射器中的至少一个可以在光学透镜的表面上。在一些实施例中，显示器可以包括被配置为透射环境光的透明显示器，并且近眼显示设备可以被配置为将环境光和显示光都透射到用户的眼睛。第二偏振器可以包括胆甾型液晶(CLC)反射式圆偏振器。
根据一些实施例，一种近眼显示设备可以包括显示器，该显示器包括输出表面，其中显示器可以被配置为发射显示光通过输出表面。输出表面可以被配置为至少部分地反射从显示器的外部入射在输出表面上的光，其中反射光和从显示器的外部入射在输出表面上的光可以具有不同的偏振态。近眼显示设备还可以包括形成在显示器的输出表面上并包括以螺旋结构布置的液晶分子的反射式圆偏振器。反射式圆偏振器可以被配置为将显示光中的第一圆偏振态的光反射回到显示器的输出表面，其中从反射式圆偏振器到显示器的输出表面的反射光处于第一圆偏振态。反射式圆偏振器还可以被配置为将显示光中的第二圆偏振态的光透射到用户的眼睛。
本概述既不意欲标识所要求保护的主题的关键或基本特征，也不意欲孤立地用于确定所要求保护的主题的范围。应当通过参考本公开的整个说明书的适当部分、任何或所有附图以及每个权利要求来理解主题。前述内容连同其他特征和示例一起将在下面的说明书、权利要求和附图中被更详细地描述。
附图简述
下面参考下列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人工现实系统环境的示例的简化框图。
图2是用于实现本文公开的一些示例的采用头戴式显示器(HMD)设备形式的近眼显示设备的示例的透视图。
图3是用于实现本文公开的一些示例的采用一副眼镜形式的近眼显示设备的简化示例的透视图。
图4示出了根据某些实施例的使用波导显示器的光学透视增强现实系统的示例。
图5是根据某些实施例的近眼显示器的示例的横截面视图。
图6示出了根据某些实施例的用于近眼显示器的光学系统的示例。
图7示出了根据某些实施例的用于近眼显示器的光学系统的示例。
图8描绘了根据某些实施例的折叠透镜系统的实施例。
图9示出了根据某些实施例的折叠透镜系统的实施例。
图10示出了根据某些实施例的具有左旋螺旋的胆甾型液晶圆偏振器的实施例。
图11示出了根据某些实施例的具有右旋螺旋的胆甾型液晶圆偏振器的实施例。
图12A示出了根据某些实施例的具有右旋螺旋的基于胆甾型液晶的圆偏振器的实施例。
图12B示出了由玻璃或金属反射镜对圆偏振光的反射。
图13示出了根据某些实施例的螺旋胆甾型结构的示例的归一化选择性反射光谱。
图14示出了根据某些实施例的包括反射式圆偏振器的折叠透镜系统的示例。
图15A示出了根据某些实施例的包括反射式圆偏振器并在显示模式中操作的折叠透镜系统的示例。
图15B示出了根据某些实施例的包括反射式圆偏振器并在透视模式中操作的折叠透镜系统的示例。
图16示出了CLC层的三个示例的透射光谱。
图17A示出了根据某些实施例的被配置成以第一光功率操作的折叠透镜系统的示例。
图17B示出了根据某些实施例的被配置成以第二光功率操作的折叠透镜系统的示例。
图18是示出根据某些实施例的使用可切换圆偏振器在多个图像平面处显示图像的方法的示例的简化流程图。
图19是示出根据某些实施例的在显示模式和透视模式中操作近眼显示设备的方法的示例的简化流程图。
图20是根据某些实施例的近眼显示器的电子系统的示例的简化框图。
附图仅为了说明的目的而描绘本公开的实施例。本领域中的技术人员从下面的描述中将容易认识到示出的结构和方法的可选的实施例可以被采用而不偏离本公开的原理或所推崇的益处。
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，可以通过在附图标记之后用短划线和在相似部件之间进行区分的第二标记来区分相同类型的各个部件。如果说明书中仅使用第一附图标记，则该描述适用于具有相同第一附图标记的任何一个相似部件，而与第二附图标记无关。
详细描述
本文公开的技术总体上涉及近眼显示器中的折叠光学器件。根据一些实施例，反射式圆偏振器(CP)可以用在折叠光学器件中，以代替被对准的反射式线偏振器和波片，因而避免反射式线偏振器和波片的对准。反射式圆偏振器可以被配置为反射第一圆偏振态(例如左旋或右旋圆偏振)的光，同时保持反射光的旋向性与入射光的旋向性相同。反射式圆偏振器可以透射第二圆偏振态的光而不改变它的偏振态。来自显示设备的显示光可以被偏振成第一圆偏振态的光，当该光通过50/50反射镜并被反射式圆偏振器反射回到50/50反射镜时，它可以保持它的偏振态。50/50反射镜可以将第一圆偏振态的光反射成第二圆偏振态的光回到反射式圆偏振器。然后，反射式圆偏振器可以让从50/50反射镜反射的第二圆偏振态的光在有很少损失或没有损失的情况下穿过。以这种方式，来自显示设备的第一圆偏振态的显示光可以被光学系统折叠，并作为第二偏振态的光到达用户的眼睛。
在一些实施例中，可以使用胆甾型液晶来实现反射式圆偏振器。被反射的光的偏振态可以由液晶分子所形成的胆甾型螺旋超结构的旋向性确定。多层胆甾型液晶可用于提高反射式圆偏振器的反射率。具有不同螺距(或周期)的胆甾型液晶层可用于反射不同波长的光。
另外，可以通过在反射式圆偏振器上施加电压信号来改变或重新排列在反射式圆偏振器中的液晶分子的定向(或排列)，使得液晶分子可以与电场对准以透射任何偏振的光。因此，可以通过施加具有不同电平或极性的电压来使HMD的操作在显示模式(在有通过反射式圆偏振器反射的情况下)和透视模式(在没有通过反射式圆偏振器反射的情况下)之间切换。
在一个实施例中，当没有电压施加到反射式圆偏振器时，可以使用例如圆偏振器将显示光偏振到第一圆偏振态(例如左旋或右旋圆偏振)。第一圆偏振态的显示光可以穿过部分反射镜(诸如50/50反射镜)，且然后由反射式圆偏振器反射回到50/50反射镜而不改变反射光的偏振态。50/50反射镜可以将第一圆偏振态的显示光反射成第二圆偏振态(例如右旋或左旋圆偏振)的光，其可以由反射式圆偏振器透射。因此，反射式圆偏振器可以在显示模式中有帮于折叠光以将所显示的图像投影在图像平面上。当电压信号施加在反射式圆偏振器上时，液晶分子可以与电场对准，且因此任何偏振态的光可以穿过而不被折叠。以这种方式，折叠光学器件可以用于显示模式和透视模式两者而不损害在透视模式中的图像的质量。
根据某些实施例，两个反射式圆偏振器和部分反射镜(诸如具有大于或小于50％的反射率的50/50反射镜或部分反射镜)可以用于改变折叠光学器件的光功率。例如，当没有电压施加到反射式圆偏振器时，第一圆偏振态的光可以穿过第一反射式圆偏振器和50/50反射镜，并到达第二反射式圆偏振器，第二反射式圆偏振器可以将第一圆偏振态的光反射回到50/50反射镜。50/50反射镜可以将第一圆偏振态的显示光反射成第二圆偏振态的光，其可以被反射式圆偏振器透射。因此，折叠光学设备可以折叠第一圆偏振态的光，并且因此对于在显示光中的第一圆偏振态的光可以具有第一光功率。当电压信号施加在两个反射式圆偏振器中的至少一个反射式圆偏振器的两端时，在反射式圆偏振器内的液晶分子可以与电场对准，且因此任何偏振态的光可以穿过反射式圆偏振器而不被折叠。因此，当电压信号被施加时，折叠光学器件可以具有第二光功率。以这种方式，折叠光学器件可以实现不同的光功率以将图像中继在不同的图像平面上。
在以下的描述中，为了解释的目的，阐述了具体细节以便提供对公开的示例的透彻理解。然而，将明显的是，各种示例可以在没有这些具体细节的情况下被实施。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为部件，以避免在不必要的细节上模糊示例。在其他情况下，公知的设备、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，以避免模糊示例。附图和描述并不旨在是限制性的。在本公开中使用的术语和措辞被用作描述性术语而不是限制性术语，并且这些术语和措辞的使用并不意图排除所示出和描述的特征的任何等同物或其部分。词“示例”在本文中用来意指“用作示例、实例或例证”。在本文中被描述为“示例”的任何实施例或设计不一定被解释为相对于其他实施例或设计是优选的或有利的。
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的人工现实系统环境100的示例的简化框图。图1所示的人工现实系统环境100可以包括近眼显示器120、可选的外部成像设备150和可选的输入/输出接口140，它们可以各自耦合到可选的控制台110。尽管图1示出了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的示例人工现实系统环境100，但人工现实系统环境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，可以有多个近眼显示器120，这些近眼显示器120由与控制台110通信的一个或更多个外部成像设备150监控。在一些配置中，人工现实系统环境100可以不包括外部成像设备150、可选的输入/输出接口140和可选的控制台110。在替代配置中，人工现实系统环境100中可以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呈现的内容示例包括一个或更多个图像、视频、音频或其某种组合。在一些实施例中，音频可以经由外部设备(例如，扬声器和/或头戴式耳机)呈现，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，并基于音频信息来呈现音频数据。近眼显示器120可以包括一个或更多个刚性主体，该刚性主体可以刚性或非刚性地彼此联接。刚性主体之间的刚性联接可以使所联接的刚性主体充当单个刚性实体。刚性主体之间的非刚性联接可以允许刚性主体相对于彼此移动。在各种实施例中，近眼显示器120可以以任何合适的形状因子(包括一副眼镜)来被实现。下面参考图2、图3和图20进一步描述了近眼显示器120的一些实施例。另外，在各种实施例中，本文描述的功能可以用在头戴式装置中，该头戴式装置组合近眼显示器120外部环境的图像和人工现实内容(例如计算机生成图像)。因此，近眼显示器120可以用生成的内容(例如，图像、视频、声音等)来增强近眼显示器120外部的物理、现实世界环境的图像，以向用户呈现增强现实。
在各种实施例中，近眼显示器120可以包括显示电子器件122、显示光学器件124和眼睛跟踪单元130中的一个或更多个。在一些实施例中，近眼显示器120还可以包括一个或更多个定位器126、一个或更多个位置传感器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，或者可以包括附加元件。另外，在一些实施例中，近眼显示器120可以包括组合了结合图1描述的各种元件的功能的元件。
显示电子器件122可以根据从例如控制台110接收的数据来向用户显示图像或便于图像的显示。在各种实施例中，显示电子器件122可以包括一个或更多个显示面板，诸如液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)显示器、微型发光二极管(mLED)显示器、有源矩阵OLED显示器(AMOLED)、透明OLED显示器(TOLED)或某种其他显示器。例如，在近眼显示器120的一个实施方式中，显示电子器件122可以包括前TOLED面板、后显示面板以及在前显示面板和后显示面板之间的光学部件(例如衰减器、偏振器或衍射膜或光谱膜)。显示电子器件122可以包括发射主导颜色(诸如红色、绿色、蓝色、白色或黄色)的光的像素。在一些实施方式中，显示电子器件122可以通过由二维面板产生的立体效果来显示三维(3D)图像，以创建图像深度的主观感知。例如，显示电子器件122可以包括分别位于用户的左眼和右眼前方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偏移的图像的副本，以产生立体效果(即，观看图像的用户对图像深度的感知)。
在某些实施例中，显示光学器件124可以(例如，使用光波导和耦合器)光学地显示图像内容、或者放大从显示电子器件122接收的图像光、校正与图像光相关联的光学误差、并向近眼显示器120的用户呈现经校正的图像光。在各种实施例中，显示光学器件124可以包括一个或更多个光学元件，例如基板、光学波导、光圈、菲涅耳透镜、凸透镜、凹透镜、滤光器或可以影响从显示电子器件122发射的图像光的任何其他合适的光学元件。显示光学器件124可以包括不同光学元件以及机械联接的组合，以保持在该组合中的光学元件的相对间距和定向。显示光学器件124中的一个或更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。
显示光学器件124对图像光的放大可以允许显示电子器件122比更大的显示器在物理上更小、重量更轻并且消耗更少的功率。另外，放大可以增加显示内容的视场。可以通过调整、添加光学元件或从显示光学器件124移除光学元件来改变由显示光学器件124对图像光的放大倍数。
显示光学器件124也可以被设计成校正一种或更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。二维误差可以包括二维中出现的光学像差(opticalaberration)。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。三维误差可以包括三维中出现的光学误差。三维误差的示例类型可以包括球面像差、彗形像差(comatic aberration)、像场弯曲(field curvature)和像散(astigmatism)。
定位器126可以是相对于彼此并相对于近眼显示器120上的参考点位于近眼显示器120上特定位置的对象。在一些实施方式中，控制台110可以识别由外部成像设备150捕获的图像中的定位器126，以确定人工现实头戴式装置的位置、定向或两者。定位器126可以是发光二极管(LED)、锥体棱镜(corner cube reflector)、反射标记、与近眼显示器120操作的环境形成对比的一种类型的光源或者它们的一些组合。在定位器126是有源部件(例如LED或其他类型的发光器件)的实施例中，定位器126可以发射可见光波段(例如约380nm至750nm)中的光、红外(IR)波段(例如约750nm至1mm)中的光、紫外波段(例如约10nm至约380nm)中的光、电磁波谱的另一部分中的光或电磁波谱的各部分的任何组合中的光。
外部成像设备150可以基于从控制台110接收的校准参数生成慢速校准数据。慢速校准数据可以包括显示定位器126的观察位置的一个或更多个图像，这些图像可被外部成像设备150检测到。外部成像设备150可以包括一个或更多个摄像机、一个或更多个摄影机、能够捕获包括一个或更多个定位器126的图像的任何其他设备，或者它们的一些组合。另外，外部成像设备150可以包括一个或更多个滤波器(例如，以提高信噪比)。外部成像设备150可以被配置成在外部成像设备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，回射器(retroreflector))的实施例中，外部成像设备150可以包括照亮一些或所有定位器126的光源，定位器126可以将光回射到外部成像设备150中的光源。可以将慢速校准数据从外部成像设备150传递到控制台110，并且外部成像设备150可以从控制台110接收一个或更多个校准参数，以调整一个或更多个成像参数(例如焦距、焦点、帧速率、传感器温度、快门速度、孔径等)。
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更多个测量信号。位置传感器128的示例可以包括加速度计、陀螺仪、磁力计、其他运动检测或误差校正传感器或其一些组合。例如，在一些实施例中，位置传感器128可以包括测量平移运动(例如向前/向后、向上/向下或向左/向右)的多个加速度计和测量旋转运动(例如俯仰、偏航或横滚)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被定向。
IMU 132可以是基于从一个或更多个位置传感器128接收的测量信号生成快速校准数据的电子器件。位置传感器128可以位于IMU 132的外部、IMU 132的内部或这两种位置的某种组合。基于来自一个或更多个位置传感器128的一个或更多个测量信号，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的估计位置的快速校准数据。例如，IMU 132可以对从加速度计接收的测量信号在时间上进行积分，以估计速度向量，并且对速度向量在时间上进行积分，以确定近眼显示器120上参考点的估计位置。可替代地，IMU 132可以向控制台110提供所采样的测量信号，控制台110可以确定快速校准数据。虽然参考点通常可以被定义为在空间中的点，但是在各种实施例中，参考点也可以被定义为在近眼显示器120内的点(例如IMU 132的中心)。
眼睛跟踪单元130可以包括一个或更多个眼睛跟踪系统。眼睛跟踪可以指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或更多只眼睛进行成像的成像系统，并且可以可选地包括光发射器，该光发射器可以生成指向眼睛的光，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可以包括发射在可见光谱或红外光谱中的光的相干光源(例如激光二极管)以及捕获由用户眼睛反射的光的摄像机。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可以使用低功率光发射器，其以不会伤害眼睛或引起身体不适的频率和强度发射光。眼睛跟踪单元130可以被布置成提高在由眼睛跟踪单元130捕获的眼睛图像中的对比度，同时减小由眼睛跟踪单元130消耗的总功率(例如，减小由在眼睛跟踪单元130中包括的光发射器和成像系统消耗的功率)。例如，在一些实施方式中，眼睛跟踪单元130可以消耗小于100毫瓦的功率。
近眼显示器120可以使用眼睛的定向来例如确定用户的瞳孔间距离(IPD)、确定凝视方向、引入深度线索(例如使在用户的主视线之外的图像模糊)、收集关于在VR媒体中的用户交互的启发信息(heuristics)(例如，根据经受的刺激在任何特定主体、对象或帧上花费的时间)、部分地基于至少一只用户眼睛的定向的一些其他功能或者上述的某种组合。因为可以确定用户双眼的定向，所以眼睛跟踪单元130可以确定用户正在看哪里。例如，确定用户凝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集合点(point ofconvergence)。集合点可以是用户的眼睛的两个视网膜中央凹轴(foveal axes)相交的点。用户凝视的方向可以是穿过集合点和在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，或者是在应用内执行特定动作。输入/输出接口140可以包括一个或更多个输入设备。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递到控制台110的任何其他合适的设备。由输入/输出接口140接收的动作请求可以被传送到控制台110，控制台110可以执行对应于所请求动作的动作。在一些实施例中，输入/输出接口140可以根据从控制台110接收的指令向用户提供触觉反馈。例如，当接收到动作请求时，或者当控制台110已经执行了所请求的动作并将指令传递到输入/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中的一个或更多个接收的信息来向近眼显示器120提供内容，以用于呈现给用户。在图1所示的示例中，控制台110可以包括应用储存器112、头戴式装置跟踪模块114、人工现实引擎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描述的模块不同的或附加的模块。下面进一步描述的功能可以以不同于这里描述的方式分布在控制台110的部件当中。
在一些实施例中，控制台110可以包括处理器和存储可由处理器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，当由处理器执行时，这些指令使得处理器执行下面进一步描述的功能。
应用储存器112可以存储用于由控制台110执行的一个或更多个应用。应用可以包括一组指令，该组指令当由处理器执行时生成用于呈现给用户的内容。由应用生成的内容可以对经由用户眼睛的移动从用户接收的输入或者从输入/输出接口140接收的输入进行响应。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。
头戴式装置跟踪模块114可以使用来自外部成像设备150的慢速校准信息来跟踪近眼显示器120的移动。例如，头戴式装置跟踪模块114可以使用来自慢速校准信息的观察到的定位器和近眼显示器120的模型来确定近眼显示器120的参考点的位置。头戴式装置跟踪模块114还可以使用来自快速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，头戴式装置跟踪模块114可以使用快速校准信息、慢速校准信息中的一部分或其某种组合来预测近眼显示器120的未来位置。头戴式装置跟踪模块114可以向人工现实引擎116提供近眼显示器120的估计或预测的未来位置。
头戴式装置跟踪模块114可以使用一个或更多个校准参数来校准人工现实系统环境100，并且可以调整一个或更多个校准参数以降低在确定近眼显示器120的位置时的误差。例如，头戴式装置跟踪模块114可以调整外部成像设备150的焦点，以获得在近眼显示器120上观察到的定位器的更准确的位置。此外，头戴式装置跟踪模块114执行的校准也可以考虑从IMU 132接收的信息。另外，如果对近眼显示器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)，则头戴式装置跟踪模块114可以重新校准一些或所有校准参数。
人工现实引擎116可以在人工现实系统环境100内执行应用，并且从头戴式装置跟踪模块114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的预测未来位置或者它们的某种组合。人工现实引擎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，人工现实引擎116可以确定要提供给近眼显示器120用于显现给用户的内容。例如，如果接收到的信息指示用户已经向左看，则人工现实引擎116可以为近眼显示器120生成反映用户眼睛在虚拟环境中的移动的内容。另外，人工现实引擎116可以响应于从输入/输出接口140接收的动作请求来执行在控制台110上执行的应用内的动作，并且向用户提供指示动作已经被执行的反馈。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相对于近眼显示器120或其任何元件的眼睛的定向、定位或两者。因为眼睛的旋转轴根据眼睛在眼眶中的定位而改变，所以确定眼睛在眼眶中的定位可以允许眼睛跟踪模块118更精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捕获的图像与眼睛位置之间的映射，以从由眼睛跟踪单元130捕获的图像确定参考眼睛位置。可替代地或附加地，眼睛跟踪模块118可以通过比较从中确定参考眼睛位置的图像和从中确定更新的眼睛位置的图像来确定相对于参考眼睛位置的更新的眼睛位置。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结果来确定眼睛位置。例如，眼睛跟踪模块118可以使用来自慢速眼睛跟踪系统的测量结果来确定参考眼睛位置，然后从快速眼睛跟踪系统确定相对于参考眼睛位置的更新的位置，直到基于来自慢速眼睛跟踪系统的测量结果来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整近眼显示器120时都会改变的参数。示例眼睛校准参数可以包括眼睛跟踪单元130的部件和眼睛的一个或更多个部分(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，并且可以包括所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以及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外部的光的变化而导致的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捕获的测量结果是否允许眼睛跟踪模块118确定准确的眼睛位置(在本文也被称为“有效测量结果”)。眼睛跟踪模块118可能无法从中确定准确眼睛位置的无效测量结果可能是由用户眨眼、调整头戴式装置或移除头戴式装置引起的，和/或可能是由近眼显示器120由于外部光而经历大于阈值的照明变化引起的。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采用头戴式显示器(HMD)设备200形式的近眼显示器的示例的透视图。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)系统或其一些组合的一部分。HMD设备200可以包括主体220和头带230。图2在透视图中示出了主体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。在HMD设备200的主体220和头带230之间可以有足够的空间，用于允许用户将HMD设备200安装到用户的头部上。在各种实施例中，HMD设备200可以包括附加的、更少的或不同的部件。例如，在一些实施例中，HMD设备200可以包括如在例如图2中所示的眼镜镜腿(temple)和镜腿尖端，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元素的物理、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)、音频或其一些组合。图像和视频可以由封装在HMD设备200的主体220中的一个或更多个显示组件(在图2中未示出)呈现给用户的每只眼睛。在各种实施例中，一个或更多个显示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)。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、微型发光二极管(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、某种其他显示器或其一些组合。HMD设备200可以包括两个视窗区域。
在一些实施方式中，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光图案进行感测。在一些实施方式中，HMD设备200可以包括用于与控制台通信的输入/输出接口。在一些实施方式中，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在HMD设备200内执行应用，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。在一些实施方式中，由虚拟现实引擎接收的信息可以用于向一个或更多个显示组件产生信号(例如显示指令)。在一些实施方式中，HMD设备200可以包括定位器(未示出，诸如定位器126)，定位器相对于彼此和相对于参考点位于主体220上的固定位置。定位器中的每一个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采用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的特定实施方式，并且可以被配置为作为虚拟现实显示器、增强现实显示器和/或混合现实显示器来操作。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可以包括显示电子器件和/或显示光学器件。例如，如上面关于图1的近眼显示器120所述的，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(例如波导显示组件)。
近眼显示器300还可以包括框架305上或框架305内的各种传感器350a、350b、350c、350d和350e。在一些实施例中，传感器350a-350e可以包括一个或更多个深度传感器、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可以包括被配置为生成表示在不同方向上的不同视场的图像数据的一个或更多个图像传感器。在一些实施例中，传感器350a-350e可以用作输入设备，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还可用于立体成像。
在一些实施例中，近眼显示器300还可以包括一个或更多个照明器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、紫外光等)相关联，并且可以服务于各种目的。例如，照明器330可以在黑暗环境中(或者在具有低强度红外光、紫外光等的环境中)投射光，来帮助传感器350a-350e捕获黑暗环境中不同对象的图像。在一些实施例中，照明器330可以用于将特定的光图案投射到环境中的对象上。在一些实施例中，照明器330可以用作定位器，诸如上面关于图1描述的定位器126。
在一些实施例中，近眼显示器300也可以包括高分辨率摄像机340。摄像机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的人工现实引擎116)处理，以将虚拟对象添加到所捕获的图像或者修改在所捕获的图像中的物理对象，并且所处理的图像可以由用于AR或MR应用的显示器310显示给用户。
图4示出了根据某些实施例的使用波导显示器的光学透视增强现实系统400的示例。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和投影仪光学器件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，每个光源发射对应于原色(例如红色、绿色或蓝色)的单色图像光。在一些实施例中，图像源412可以包括光学图案生成器，诸如空间光调制器。投影仪光学器件414可以包括一个或更多个光学部件，光学部件可以调节来自图像源412的光，例如对光进行扩展、准直、扫描或者将光从图像源412投影到组合器415。一个或更多个光学部件可以包括例如一个或更多个透镜、液体透镜、反射镜、光圈和/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)，允许扫描来自图像源412的光。
组合器415可以包括输入耦合器430，用于将来自投影仪410的光耦合到组合器415的基板420中。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(例如光楔(wedge)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。如在本文所使用的，可见光可以指波长在大约380nm至大约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可以采用一副眼镜的镜片的形式。基板420可以具有平坦或弯曲的表面，并且可以包括一种或更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，小于大约1mm至大约10mm或更大的范围内。基板420对可见光可以是透明的。如果光束可以以诸如大于50％、40％、75％、80％、90％、95％或更高的高透射率穿过材料，其中光束的一小部分(例如少于50％、40％、25％、20％、10％、5％或更少)可以被材料散射、反射或吸收，则该材料对光束可以是“透明的”。透射率(即，透射度(transmissivity))可以由波长范围内的适光加权或者未加权的平均透射率表示，或者由波长范围(诸如可见波长范围)内的最低透射率来表示。
基板420可以包括或者可以耦合到多个输出耦合器440，输出耦合器440被配置成从基板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引导到增强现实系统400的用户的眼睛490。像输入耦合器430一样，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在不同位置处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以很少损失或没有损失的方式通过。输出耦合器440也可以允许光450以很少的损失穿过。例如，在一些实施方式中，输出耦合器440对于光450可以具有低衍射效率，使得光450可以被折射或者以其他方式以很少的损失穿过输出耦合器440，且因此可具有比所提取的光460更高的强度。在一些实施方式中，输出耦合器440对于光450可以具有高衍射效率，并且可以以很少的损失将光450衍射到某些期望的方向(即，衍射角)。结果，用户可以观看组合器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近眼显示器500的示例的横截面视图。近眼显示器500可以包括至少一个显示组件510。显示组件510可以被配置成将图像光(即，显示光)引导到位于出射光瞳(exit pupil)530处的视窗(eyebox)并引导到用户的眼睛520。注意，尽管图5和本公开中的其他附图为了说明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相应的近眼显示器的一部分。
与HMD设备200和近眼显示器300一样，近眼显示器500可以包括框架505和显示组件510，显示组件510包括耦合到框架505或嵌在框架505内的显示器512和/或显示光学器件514。如上所述，显示器512可以根据从控制台(诸如控制台110)接收的数据来电气地(例如使用LCD)或光学地(例如使用波导显示器和光耦合器)向用户显示图像。显示器512可以包括发射主导颜色(诸如红色、绿色、蓝色、白色或黄色)的光的子像素。在一些实施例中，显示组件510可以包括堆叠的一个或更多个波导显示器，包括但不限于堆叠式波导显示器、变焦波导显示器等。堆叠式波导显示器是通过堆叠各自的单色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)。堆叠式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，堆叠式波导显示器可以是可以被投影在多个平面上的单色显示器(例如多平面单色显示器)。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，显示组件510可以包括堆叠式波导显示器和变焦波导显示器。
显示光学器件514可以类似于显示光学器件124，并且可以(例如使用光波导和光耦合器)光学地显示图像内容、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、并且将校正后的图像光呈现给近眼显示器500的出射光瞳530，用户的眼睛520可以位于该出射光瞳530处。显示光学器件514还可以中继图像，以创建看起来远离图像源并且离用户的眼睛比仅仅几厘米更远的虚拟图像。例如，显示光学器件514可以使图像源准直以创建可能看起来遥远的虚拟图像，并且将所显示的虚拟对象的空间信息转换成角度信息。显示光学器件514还可以放大图像源以使图像看起来比图像源的实际尺寸大。下面描述显示光学器件的更多细节。
II.显示光学器件
在各种实施方式中，近眼显示器(诸如HMD)的光学系统可以是直视型的(pupil-forming)或非直视型的(non-pupil-forming)。非直视型HMD可以不使用中间光学元件来中继所显示的图像，且因此用户的瞳孔可以充当HMD的光瞳。这种非直视型显示器可以是放大镜(有时被称为“单目镜(simple eyepiece)”)的变形，其可以放大所显示的图像以在离眼睛更大的距离处形成虚拟图像。非直视型显示器可以使用更少的光学元件。直视型HMD可以使用类似于例如复合显微镜或望远镜的光学器件，并且可以包括内部光圈和一些形式的投影光学器件，其放大中间图像并将它中继到出射光瞳。直视型HMD的更复杂的光学系统可以允许有在从图像源到出射光瞳的路径中的更大数量的光学元件，这些光学元件可以用于校正光学像差和产生焦点提示(focal cues)，并且可以为封装HMD提供设计自由。例如，多个反射器(例如反射镜)可以插在光路中，使得光学系统可以被折叠或卷绕(wrap around)，以安装在紧凑的HMD中。
图6示出了根据某些实施例的用于近眼显示设备的具有非直视型配置的光学系统600的示例。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可以起放大镜的作用。图6示出了图像源620在投影仪光学器件610的前面。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，如例如在图4中所示的一个或更多个反射器或定向耦合器可用于反射来自图像源的光，以使图像源看起来在图6所示的图像源620的位置处。因此，图像源620可以类似于上面所述的图像源412。来自在图像源620上的区域(例如像素或发光源)的光可以由投影仪光学器件610引导到用户的眼睛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以在不同视角看起来是远离用户的眼睛690的图像平面上的对象。
图7示出了根据某些实施例的用于近眼显示设备的具有直视型配置的光学系统700的示例。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。尽管图像源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的前方，但是当例如一个或更多个反射器或定向耦合器用于改变光的传播方向时，图像源710、第一中继透镜720和第二中继透镜730中的一个或更多个可以物理地位于用户的眼睛790的视场之外。图像源710可以类似于上面所述的图像源412。第一中继透镜720可以包括一个或更多个透镜，并且可以产生图像源710的中间图像750。第二中继透镜730可以包括一个或更多个透镜，并且可以将中间图像750中继到出射光瞳740。如图7所示，在图像源710上的不同空间位置处的对象可以在不同视角看起来是远离用户的眼睛790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，光的至少一些部分可以聚焦在视网膜792上的视网膜中央凹(fovea)794上。
如果使用传统光学器件实现，则光学系统600和光学系统700可能又大又重。在一些实施方式中，包括反射光学元件的折叠光学器件可以用于实现具有大视场的紧凑HMD系统。
III.折叠透镜
图8示出了包括第一透镜M-1(或弯曲基板)和第二透镜M-2(或弯曲基板)的折叠透镜系统800的实施例。来自显示器804的光可以由折叠透镜系统800中继到视窗808。第一透镜M-1可以包括在其上形成的部分反射器812。部分反射器812可具有等于或大于20％或40％且等于或小于60％或90％的透射率T(例如，具有T＝50％+/-2％、5％或10％的50/50反射镜)。第二透镜M-2可以包括在其上形成的反射式偏振器816。折叠透镜系统800还可以包括在第一透镜M-1和第二透镜M-2之间的四分之一波片(在图8中未示出)。如图8所示，从显示器804发射的光可以由部分反射器812透射(例如，光的一半可以透射通过部分反射器812)和由第一透镜M-1透射，从第二透镜M-2上的反射式偏振器816反射，从部分反射器812和第一反射镜M-1反射，且然后透射通过反射式偏振器816到达视窗808。以这种方式，光可以在由部分反射器812和反射式偏振器816形成的腔内折叠，以增加有效光路并以紧凑的形状因子实现期望的光功率。
图9示出了折叠透镜系统900的实施例。折叠透镜系统900可以是折叠透镜系统800的特定实施方式。尽管折叠透镜系统900的部件在图9中被示为平坦部件，但是至少一些部件可以具有弯曲形状。例如，至少一些部件可以形成在弯曲表面(诸如透镜或弯曲基板的表面)上，如在例如图8中所示的。
在图9所示的示例中，来自显示器902的光沿着光路(OP)904传播到视窗916。来自显示器902的光可以首先被转换成圆偏振光。可以有产生圆偏振光的几种方式。一种方式是使用在线偏振器之后的四分之一波片，其中线偏振器的透射轴在四分之一波片的快轴和慢轴之间的中间(half way)(45°)。非偏振光可以由线偏振器线性地偏振，且线偏振光可以由四分之一波片转换成圆偏振光。例如，如图9所示，在光路904的第一部分OP-1处的光在从显示器902透射通过线偏振器906(例如吸收型偏振器或分束偏振器(beam-splittingpolarizer))之后被线性地偏振。例如，光可以在相对于x/y平面中的x轴的45度处偏振，其中z轴是光传播的方向。线偏振光可以穿过四分之一波片(QWP)908，并沿着光路904的第二部分OP-2变成圆偏振的。更具体地，QWP 908的快轴可以沿着y轴被对准，并且光在穿过QWP908之后可以变成左旋圆偏振的。
左旋圆偏振光然后可以穿过部分反射器910。在穿过部分反射器910之后，光的偏振不沿着光路904的第三部分OP-3而改变。在穿过光学延迟器912之后，光在光路904的第四部分OP-4上改变回到线偏振光(例如，在相对于x轴的45度处)。例如，光学延迟器912可以是第二四分之一波片，其中，轴从QWP 908的轴旋转了90度。
来自光路904的第四部分OP-4的光可以从反射式线偏振器914反射，该反射式线偏振器914使在135度处线性地偏振的光通过，并反射在45度处线性地偏振的光。在被反射式线偏振器914反射之后，来自光路904的第四部分OP-4的光可以在光路904的第五部分OP-5处在135度处变成线偏振的，因为在反射表面处的电场在x/y平面中保持不变，然而光束传播的方向被翻转(flip)。从反射式线偏振器914反射的光然后可以第二次穿过光学延迟器912，并在光路904的第六部分OP-6处变成圆偏振的(例如左旋的)。
来自光路904的第六部分OP-6的光被反射(例如50％反射)，并且在光路904的第七部分OP-7处变成相反地(例如右旋)圆偏振的。在第三次穿过光学延迟器912之后，光在光路904的第八部分OP-8处变成线偏振的，其中偏振方向(例如在135度处)与在光路904的第四部分OP-4处的光的偏振方向(例如在45度处)正交。然后，来自光路904的第八部分OP-8的光透射通过反射式线偏振器914到达视窗916。由于在(例如在第一透镜M-1上的)部分反射器910和(例如在第二透镜M-2上的)反射式线偏振器914之间的腔中的双反射和三次通过，所以系统的总物理长度可以减小。
如图9所示，折叠光学器件可以使用一个或更多个偏振器和一个或更多个波片来透射和反射在折叠光学器件内的某些偏振态的光，以便使光路有效地“折叠”。折叠光学器件可以减小HMD的厚度和/或重量，并且可以提供宽视场。然而，如果偏振器和/或波片没有被精确地对准，则显示给用户的眼睛的图像的质量可能被损害(例如，由于强重影图像(ghost image))。例如，线偏振器906和QWP 908可能需要被对准，使得线偏振器906的偏振方向在QWP 908的快轴和慢轴之间的中间(45度)以产生圆偏振光。QWP 908和光学延迟器912可能需要被对准，使得QWP 908的快轴和慢轴分别与光学延迟器912的慢轴和快轴对准，以便使穿过在OP-4上的光学延迟器912的光变成线偏振的。否则，穿过在OP-4上的光学延迟器912的光不会是线偏振的，并且光的至少一部分可以透射通过反射式线偏振器914(而不是被完全反射)从而引起重影图像。类似地，反射式线偏振器914和光学延迟器912可能需要被对准，使得反射式线偏振器914的偏振方向在光学延迟器912的快轴和慢轴之间的中间(45度)。在许多情况下，使光学部件正确地对准可能是困难的、昂贵的或耗时的，光学部件也可能在使用期间变得未对准，即使它们最初被精确地对准。因此，排除可能需要精确对准的这些光学部件中的至少一些是合乎需要的。
IV.反射式圆偏振器
根据某些实施例，可以在折叠光学器件中使用反射式圆偏振器来代替可能需要被对准的反射式线偏振器和波片，因而避免对准过程。反射式圆偏振器可以被配置为反射第一圆偏振态的光，同时保持反射光的旋向性与入射光的旋向性相同，并且透射第二(例如相反的)圆偏振态的光。在一些实施例中，来自显示设备的显示光可以被偏振到第一圆偏振态，且然后穿过部分反射器(例如50/50反射镜)，并被反射式圆偏振器反射回到部分反射器。部分反射器可以将第一圆偏振态的光反射成第二圆偏振态的光回到反射式圆偏振器。反射式圆偏振器然后可以让从部分反射器反射的第二圆偏振态的光通过。以这种方式，来自显示设备的第一圆偏振态的显示光可以在作为第二偏振态的光到达用户的眼睛之前被光学系统折叠。在一些实施方式中，可以用圆偏振器来代替联合地对来自显示设备的显示光进行圆偏振的线偏振器906和QWP 908，以进一步降低对准要求。
可以有许多不同的方式来实现反射式圆偏振器。在一些实施例中，可以使用胆甾型液晶(CLC)(也被称为手性液晶)来实现反射式圆偏振器。被CLC圆偏振器反射的光的偏振态可以取决于由液晶分子形成的胆甾型螺旋超结构的旋向性。多层胆甾型液晶材料可用于提高反射式圆偏振器的反射率。在一些实施例中，可以使用具有不同螺距(或周期)的多层胆甾型液晶来反射不同波长的光。下面描述基于胆甾型液晶的反射式圆偏振器的更多细节。
在液晶中，棒状液晶分子通常在它们的惯性矩沿着被称为指向矢(director)的轴大致对准的情况下被定向。由于液晶分子的各向异性取向，液晶的物理性质(诸如折射率、弹性常数、粘度、介电常数、热导率和电导率等)也可以是各向异性的。液晶也可以变成手性的。例如，如果被掺杂手性材料(常常被称为手性掺杂剂)，非手性LC基质材料(hostmaterial)可以形成螺旋超分子结构。在手性液晶中的液晶分子可以相对于在层状结构中的层法线(layer normal)倾斜有限的角度。手性可以引起从一层到下一层的有限方位扭曲(azimuthal twist)，产生分子轴沿着层法线方向的螺旋扭曲。距离(LC分子在该距离上经历全360°扭曲)被称为手性螺距p。手性液晶的结构每半个螺距重复一次，因为在0°和±180°处的指向矢是等效的。当温度改变时或当其它分子(例如手性掺杂剂)被添加到液晶基质(host)时，螺距p可以改变。因此，可以通过用不同的材料或不同浓度的材料(诸如手性掺杂剂)掺杂液晶基质来调整螺距。在一些液晶设备中，螺距可以与可见光的波长在同一数量级上。这种CLC设备可以展示独特的光学性质，诸如布拉格反射和低阈值激光发射。此外，CLC还呈现特殊的电光效应，例如记忆效应、光栅效应以及螺旋退绕效应(withdrawaleffect of spiral)。
胆甾型液晶的另一个结构参数是扭曲指向(twist sense)，其确定螺旋的旋向性(左旋或右旋)。由于独特的螺旋结构，胆甾型液晶可以展示使它们与其他液晶材料区分开的特殊光学性质，例如选择性光反射、旋光效应和圆二色性(circular dichroism)的特性。从宏观角度来看，旋向性确定胆甾型液晶的光学反射特性。CLC分子可以根据下式在空间中沿着z方向形成螺旋：
Figure BDA0002938425300000251
其中p是螺旋的螺距，并且
Figure BDA0002938425300000252
是取决于边界条件的常数。这个螺旋结构可以在旋向性不改变的情况下导致圆偏振光的反射。
图10示出了具有左旋螺旋结构的胆甾型液晶圆偏振器1000的实施例。圆偏振器1000可以包括嵌在基板1010和基板1020之间的多个层。插入物(insert)1050示出了半螺距的螺旋结构。如在插入物1050中所示的，多个层中的液晶分子1002可以相对于层法线(z方向)倾斜不同的角度，并且可以产生分子轴沿着层法线的螺旋扭曲。在图10所示的示例中，液晶分子形成左旋螺旋结构。因此，入射在圆偏振器1000上的左旋圆偏振光1030可以被反射回来作为左旋圆偏振光1032。另一方面，入射在圆偏振器1000上的右旋圆偏振光1040可以穿过圆偏振器1000作为右旋圆偏振光1042。
图11示出了具有右旋螺旋结构的胆甾型液晶圆偏振器1100的实施例。圆偏振器1100可以包括多个层1110。插入物1150示出了半螺距的螺旋结构。如在插入物1150中所示的，多个层1110中的液晶分子1102可以相对于层法线(z方向)倾斜不同的角度，并产生分子轴沿着层法线的螺旋扭曲。在图11所示的示例中，液晶分子形成右旋螺旋结构。因此，当包括右旋圆偏振分量和左旋圆偏振分量的非偏振光1120入射在圆偏振器1100上时，右旋圆偏振分量可以被反射回来作为右旋圆偏振光1130。相反，左旋圆偏振分量可以穿过圆偏振器1100作为左旋圆偏振光1140。
因此，可以通过根据相应的旋向性扭曲在圆偏振器中的液晶分子来选择由圆偏振器反射的圆偏振光的旋向性。相反，玻璃或金属反射器可以反射入射的圆偏振光，使得反射的圆偏振光与入射的圆偏振光相比具有相反的旋向性。下面在图12A和图12B中示出了在反射式CLC圆偏振器和金属或玻璃反射器之间的反射性质的这样的差异。
图12A示出了具有右旋螺旋的胆甾型液晶圆偏振器1200的实施例。圆偏振器1200包括嵌在两个基板1210之间的液晶分子1220。液晶分子1220形成右旋螺旋结构。因此，入射在圆偏振器1200上的右旋圆偏振光1230可以被反射回来作为右旋圆偏振光1232，而入射在圆偏振器1200上的左旋圆偏振光1240可以穿过圆偏振器1200作为左旋圆偏振光1242。
图12B示出了由玻璃或金属反射镜1250对圆偏振光的反射。如所示，入射在玻璃或金属反射镜1250上的右旋圆偏振光1260可以被反射回来作为左旋圆偏振光1270。
图13示出了具有不同单元(cell)厚度的示例胆甾型液晶单元的归一化选择性反射光谱。由于由螺旋结构引起的折射率的周期性变化，CLC可以基于布拉格关系(Braggrelationship)来选择性地反射入射光。选择性反射的中心波长λ和波长范围(即带宽)Δλ可以分别被表示为λ＝np和Δλ＝Δnp，其中n＝(no+ne)/2是局部单轴结构的寻常折射率(no)和非寻常折射率(ne)的平均值，p是螺旋螺距，并且Δn＝ne-no是双折射(birefringence)。在反射带宽内，具有左旋螺旋结构的胆甾型液晶可以允许右旋圆偏振光通过并反射左旋圆偏振光。具有右旋螺旋结构的胆甾型液晶可以允许左旋圆偏振光通过并反射右旋圆偏振光。在反射带宽之外，左旋和右旋圆偏振光都被透射。另外，由于胆甾型液晶的偏振选择性性质，当普通的非偏振光通过CLC时，最大反射率通常被限制到50％，并且其他50％或更多的光可以透射通过胆甾型液晶。
在图13所示的示例中，第一胆甾型液晶单元可以包括6个螺距，并且第一胆甾型液晶单元的反射光谱由曲线1310示出。曲线1310示出了在可见光频带中，第一胆甾型液晶单元的最大归一化反射率为约80％，并且波长选择性不是很好。第二胆甾型液晶单元可以包括10个螺距。第二胆甾型液晶单元的反射光谱由曲线1320示出。曲线1320示出了在可见光频带中，第二胆甾型液晶单元的最大归一化反射率接近95％，并且波长选择性比第一胆甾型液晶单元好得多。曲线1330和曲线1340分别示出了具有15个螺距和20个螺距的单元厚度的第三和第四胆甾型液晶单元的反射光谱。如所示，第三和第四胆甾型液晶单元具有接近100％的峰值归一化反射率，并且具有非常好的波长选择性。因此，一个圆偏振态(例如右旋或左旋)的光可以几乎都被反射，且因此透射光可以仅包括相反圆偏振态(例如左旋或右旋)的光。
基于胆甾型液晶的圆偏振器可以以各种方式被制造在基板(诸如透明玻璃基板)上。例如，可以使用双扭曲胆甾型液晶层(其中液晶分子可以沿着两个方向扭曲，一个方向垂直于基板，而另一个方向平行于基板)或液晶聚合物层来形成基于胆甾型液晶的圆偏振器。在一个实施例中，可以使用例如光刻法、直写(direct write)(例如使用电子束)或全息记录来在基板上形成包括期望图案的对准层。液晶聚合物薄膜可以被涂覆在对准层上。液晶聚合物(或单体)分子可以根据在对准层上的图案来排列。可以使用UV聚合(或固化)工艺来聚合液晶聚合物(或单体)分子，这可以使液晶分子平行或垂直于入射的线偏振UV光被排列，并将液晶分子固定在薄膜中。可以重复地执行涂覆和聚合过程以创建具有期望厚度(或螺距数量)的液晶聚合物分子的三维螺旋结构，以便实现期望的反射率。
V.使用圆偏振器的折叠透镜
可以使用上面关于图10-图12描述的CLC圆偏振器来简化和改进折叠透镜系统800或900。例如，CLC圆偏振器可以用来代替线偏振器906和QWP 908，或者代替光学延迟器912和反射式线偏振器914。因此，可以消除在光学延迟器912和反射式线偏振器914之间的对准，因为它们被单个反射式圆偏振器代替。如果线偏振器906和QWP 908被单个圆偏振器(例如反射式圆偏振器或吸收型圆偏振器)代替，则在它们之间的对准可以被消除。在QWP 908和反射式线偏振器914(和光学延迟器912)之间的对准也可以被消除，因为被圆偏振器透射或反射的光或者是左旋圆偏振光或者是右旋圆偏振光，而不是沿着某个方向或角度线性地偏振的。
图14示出了根据某些实施例的包括一个或更多个圆偏振器的折叠透镜系统1400的示例。折叠透镜系统1400可以连同显示器1402一起被使用。来自显示器1402的光可以沿着光路(OP)1404穿过折叠透镜系统1400行进到用户的眼睛。在光路1404的第一部分OP-1中，来自显示器1402的光可以是非偏振的。来自显示器1402的非偏振光可以首先被圆偏振器1408转换成圆偏振光。在图14所示的示例中，在穿过圆偏振器1408之后，来自显示器1402的光沿着光路1404的第二部分OP-2变成左旋圆偏振的。
在穿过部分反射器1410之后，光的偏振态不沿着光路1404的第三部分OP-3而改变。来自光路1404的第三部分OP-3的光可以到达反射式偏振器1414，反射式偏振器1414可以是如上所述的反射式CLC圆偏振器。在图14所示的示例中，反射式偏振器1414可以包括左旋圆偏振器，且因此可以反射左旋圆偏振光，同时透射右旋圆偏振光(如图10所示)。被反射式偏振器1414反射的左旋圆偏振光在它到达部分反射器1410之前可以沿着光路1404的第四部分OP-4传播。部分反射器1410可将左旋圆偏振光反射成右旋圆偏振光，如上面关于例如图9或图12B所述的。从部分反射器1410反射的右旋圆偏振光可以沿着光路1404的第五部分OP-5传播，并再次到达反射式偏振器1414。如上所述，在图14所示的示例中，反射式偏振器1414可以是左旋圆偏振器，其在有很少或没有损失的情况下透射右旋圆偏振光。在穿过反射式偏振器1414之后，右旋圆偏振光可以沿着光路1404的第六部分OP-6朝着用户的眼睛传播。
由于在由部分反射器1410和反射式偏振器1414形成的腔中的双反射，来自显示器1402的光可以穿过该腔三次，且因此系统的总物理长度(包括在部分反射器1410和反射式偏振器1414之间的距离)可以减小，而不减小光学长度。
在各种实施例中，圆偏振器1408、部分反射器1410和反射式偏振器1414中的任一个可以具有平坦或弯曲的形状。例如，圆偏振器1408、部分反射器1410和反射式偏振器1414中的任一个可以形成在平坦或弯曲的基板上。在一些实施例中，圆偏振器1408、部分反射器1410和反射式偏振器1414中的任一个可以形成在透镜(例如凹透镜或凸透镜)的表面上(如上面关于图8所述)。
VI.用于显示模式和透视模式的折叠透镜
在一些应用中，近眼显示系统可以在(1)显示模式(例如，在VR或AR应用中)以及(2)光学透视模式中使用可以是合乎需要的，在显示模式中，来自近眼显示设备(例如各种LCD或LED显示器)的图像可以被投影到用户的眼睛，并且在光学透视模式中环境光可以穿过近眼显示系统到达用户的眼睛。这可以通过使用折叠光学器件来实现，所述折叠光学器件(1)折叠来自显示设备的第一偏振态的光(例如圆偏振光(诸如左旋圆偏振光))，并且(2)透射(不折叠)用于透视模式的第二偏振态的光(例如另一圆偏振光(诸如右旋圆偏振光))，因而为显示模式(例如大的光功率)和透视模式(例如小的或接近零的光功率)产生不同的光功率。
上述折叠透镜系统1400也可以在透视模式中使用，在透视模式中没有所显示的图像被投影。如图14所示，在透视模式下，可以移除圆偏振器1408和/或显示器1402(如果不是透明的)。来自周围环境的右旋圆偏振光可以沿着光路1418穿过透明显示器(例如显示器1402)、部分反射器1410和反射式偏振器1414并到达用户的眼睛。然而，如上所述，来自周围环境的左旋圆偏振光也可以穿过透明显示器(例如显示器1402)和部分反射器1410，并且可以被反射式偏振器1414反射回到部分反射器1410。部分反射器1410然后可以朝着反射式偏振器1414将左旋圆偏振光反射成右旋圆偏振光，反射式偏振器1414可以朝着用户的眼睛透射右旋圆偏振光。因为右旋圆偏振光穿过由部分反射器1410和反射式偏振器1414形成的腔一次，所以对于右旋圆偏振光，折叠透镜系统1400的光功率可以相对较小，例如接近零。另一方面，左旋圆偏振光可以在由部分反射器1410和反射式偏振器1414形成的腔内来回反射，且因此对于左旋圆偏振光，折叠透镜系统1400的光功率可以相对较大。
因此，在透视模式中，来自同一对象的第一偏振态的光(例如左旋圆偏振光)和第二偏振态的光(例如右旋圆偏振光)都可以到达用户的眼睛，但是可以以不同的光功率被折射和/或反射。因此，由于由第一偏振态的光和第二偏振态的光经历的不同的聚焦功率，周围环境的图像可能变模糊。因此，图像的亮度、对比度和锐度可以降低。
如上所述，在CLC反射式圆偏振器中的液晶分子的取向可以以某种方式排列，以形成例如胆甾型螺旋超结构，其中由圆偏振器反射的光的偏振态可以由胆甾型螺旋超结构的旋向性确定。在许多液晶设备(例如上面所述的反射式圆偏振器)中，可以通过在液晶设备上施加电压信号来改变或重新排列液晶分子的取向(或排列)。例如，当电压信号被施加到液晶设备时，液晶设备的液晶分子可以被重新排列，使得液晶分子的指向矢平行于电场E，且因此液晶设备可以透射任何偏振的光。因此，当电压信号被施加到圆偏振器时，如上所述的圆偏振器可以对任何偏振态的光变得透明。
因此，通过向圆偏振器施加具有不同电平或极性的电压信号，具有如上所述的圆偏振器的近眼显示设备的操作可以在显示模式(具有通过反射式圆偏振器的光反射)和透视模式(没有通过反射式圆偏振器的光反射)之间切换。例如，在一些实施例中，当没有电压信号施加到反射式圆偏振器时，可以使用圆偏振器(例如反射式、吸收型或分束圆偏振器)来将显示光偏振到第一圆偏振态(例如左旋或右旋)。第一圆偏振态的显示光可以穿过50/50反射镜，且然后可以如上面关于图14所述的被CLC反射式圆偏振器反射回到50/50反射镜。50/50反射镜可以将第一圆偏振态的显示光反射成第二圆偏振态(例如右旋或左旋)的光，其可以被反射式圆偏振器透射。因此，反射式圆偏振器可以帮助在显示模式中折叠光，以在图像平面上投影图像。当电压信号被施加到反射式圆偏振器时，液晶分子可以与电场对准，且因此任何偏振态的光可以穿过反射式圆偏振器(其可以通过电压信号对任何偏振态的光变得透明)而不被折叠。以这种方式，上述折叠透镜系统可以用于显示模式和透视模式两者，而不损害在透视模式中的图像的质量。
图15A示出了根据某些实施例的包括反射式圆偏振器1514并且在显示模式中操作的折叠透镜系统1500的示例。反射式圆偏振器1514可以是如上所述的CLC圆偏振器，并且可以由电压源1518控制。在显示模式中，反射式圆偏振器1514可以与电压源1518断开，且因此可以用作如关于例如图10-图12所述的反射式圆偏振器。来自显示器1502(其不是折叠透镜系统1500的一部分)且在光路1504的第一部分OP-1上传播的光可以由左旋圆偏振器1508转换成圆偏振光，并且沿着光路1504的第二部分OP-2变成左旋圆偏振的。在穿过部分反射器1510(例如50/50反射镜)之后，光沿着光路1504的第三部分OP-3保持左旋圆偏振的。来自光路1504的第三部分OP-3的光可以到达反射式圆偏振器1514。
反射式圆偏振器1514可以包括左旋圆偏振器，且因此可以反射左旋圆偏振光，同时透射右旋圆偏振光。由反射式圆偏振器1514反射的左旋圆偏振光在它到达部分反射器1510之前可以沿着光路1504的第四部分OP-4传播。部分反射器1510可以将左旋圆偏振光反射成右旋圆偏振光，如上面关于图12B所述的。从部分反射器1510反射的右旋圆偏振光可以沿着光路1504的第五部分OP-5传播，并再次到达反射式圆偏振器1514。反射式圆偏振器1514是左旋圆偏振器，且因此可以在有很少或没有损失的情况下透射右旋圆偏振光。在穿过反射式圆偏振器1514之后，右旋圆偏振光可以沿着光路1504的第六部分OP-6朝着视窗1516传播。因为来自显示器1502的光可以在显示模式中穿过在部分反射器1510和反射式圆偏振器1514之间的腔三次，所以系统的总物理长度可以减小而不减小光学长度，且折叠透镜系统1500可以实现非零光功率以将所显示的图像投影到图像平面上。
图15B示出了包括反射式圆偏振器并在透视模式中操作的折叠透镜系统的示例。在一些实施例中，显示器1502可以是如上面关于图4所述的透明显示器，或者可以是透明液晶显示器。在一些实施例中，显示器1502可以不是透明的，并且可以在透视模式中被移除或移位。在透视模式中，反射式圆偏振器1514可以连接到电压源1518，且因此可以如上所述对任何偏振态的光变得透明。来自周围环境和/或穿过透明显示器(例如显示器1502)的光可以在光路1506的第一部分OP-1上传播，并且可以沿着光路1506的第二部分OP-2由左旋圆偏振器1508转换成圆偏振光。光的偏振态在穿过部分反射器1510之后不改变。在光路1506的第三部分OP-3上的左旋圆偏振光可以到达反射式圆偏振器1514。因为当连接到电压源1518时反射式圆偏振器1514可以对任何偏振态的光变得透明，所以它可以朝着视窗1516在有很少或没有损失的情况下透射左旋圆偏振光。因为来自周围环境(和/或显示器1502)的光可以在透视模式中穿过在部分反射器1510和反射式圆偏振器1514之间的腔一次，所以系统的物理长度可以类似于光学长度，并且折叠透镜系统1500在透视模式中对于周围对象可以具有相对较小的光功率。在一些实施例中，折叠透镜系统1500可以被配置成使得折叠透镜系统1500的光功率可以帮助校正用户的视力(或者近视或者远视)。因此，折叠透镜系统1500可以在透视模式中起校正透镜的作用。
在各种实施例中，圆偏振器1508、部分反射器1510和反射式圆偏振器1514中的任一个可以具有平坦或弯曲的形状。例如，圆偏振器1508、部分反射器1510和反射式圆偏振器1514中的任一个可以形成在平坦或弯曲的基板上。在一些实施例中，圆偏振器1508、部分反射器1510和反射式圆偏振器1514中的任一个可以形成在透镜(例如凹透镜或凸透镜)的表面上，如上面关于图8所述的。
在一些实施例中，显示器1502可以是透明显示器，诸如如上所述的透明液晶显示器或波导显示器，并且折叠透镜系统1500可以用作可用于向用户呈现物理世界和虚拟世界两者的图像的增强现实、混合现实或混杂现实设备。例如，来自在折叠透镜系统1500前面的物理世界的光可以穿过显示器1502，且然后以类似于来自显示器1502的显示光的方式传播到用户的眼睛。
在一些实施例中，折叠透镜系统1500可以形成在显示器1502上。例如，在一些实施例中，显示器1502可以包括输出表面，该输出表面可以透射来自显示器1502内部的光，同时反射从显示器1502外部入射的光。因此，可能不需要部分反射器1510，并且可以在显示器1502上形成反射式圆偏振器1514。来自显示器1502的光可以穿过输出表面并到达反射式圆偏振器1514，反射式圆偏振器1514会将第一圆偏振态的光透射到用户的眼睛，并将第二圆偏振态的光反射回到显示器1502的输出表面。第二圆偏振态的反射光可以由显示器1502的输出表面反射成第一圆偏振态的光回到反射式圆偏振器1514，反射式圆偏振器1514然后将来自显示器1502的输出表面的第一圆偏振态的光透射到用户的眼睛。
在一些实施例中，胆甾型液晶单元可以包括一个反射带(reflection band)。根据方程式Δλ＝Δnp＝(ne-no)p，带宽Δλ取决于在正入射情况下的双折射Δn和p。Δn和p越大，Δλ就越大。对于液晶材料或大多数无色有机材料，Δn可以在约0.03至约0.45或更高的范围内。因此，Δλ在可见光谱中可以是大约110nm或更高。
具有高Δn的胆甾型液晶材料可能难以合成，并且可能具有高粘度、低化学和热稳定性以及颜色缺陷。因此，可能难以通过增加CLC材料的Δn来制造可以覆盖可见光范围的CLC反射式圆偏振器。根据方程式λ＝np，可以通过改变CLC反射式圆偏振器的平均折射率n或螺距p来改变CLC反射式圆偏振器的反射带的中心波长。在一些实施例中，反射式圆偏振器可以包括多个层，其中每个层可以具有不同的螺距，并且可以用作不同波长范围(诸如红光、绿光、蓝光或红外光)的反射式圆偏振器。通过针对不同的波长范围堆叠多个CLC层，可以实现圆偏振光的宽带反射。例如，用于可见光的宽带圆偏振器可以包括分别反射红色、绿色和蓝色圆偏振光的三个CLC层的叠层。CLC层可以具有不同的螺距，以便如上所述反射在不同的波长范围中的圆偏振光。在一些实施例中，为了实现宽反射带，可以制造CLC反射式圆偏振器，使得CLC的螺距逐渐改变。
图16示出了具有不同螺距的胆甾型液晶层的三个示例的透射光谱。曲线1610示出了对红光具有相对高的反射率的第一CLC圆偏振器层的透射光谱。曲线1620示出了对绿光具有相对高的反射率的第二CLC圆偏振器层的透射光谱。曲线1630示出了对蓝光具有高反射率的第三CLC圆偏振器层的透射光谱。三个CLC层的叠层可以对在宽波长范围内的光具有相对高的反射率。在一些实施例中，圆偏振器1508或反射式圆偏振器1514可以包括CLC层的叠层，每个CLC层用作不同波长范围的反射式圆偏振器。
在折叠透镜系统1500中，环境光或来自透明显示器的光可以在透视模式中被圆偏振器(例如圆偏振器1508)衰减。在一些实施例中，也可以使用CLC圆偏振器来实现圆偏振器1508，并且可以通过使用电压信号切换圆偏振器1508和反射式圆偏振器1514两者来将折叠透镜系统设置成显示模式或透视模式。当没有电压信号施加到圆偏振器1508时，折叠透镜系统1500可以被设置成显示模式，其中圆偏振器1508可以如上所述用作圆偏振器。当电压信号被施加到圆偏振器1508并且将圆偏振器1508转变成用于任何偏振态的光的透明设备时，折叠透镜系统1500可以被设置成透视模式，其中任何偏振态的光可以在有很少或没有损失的情况下穿过圆偏振器1508。如上所述，在透视模式中，反射式圆偏振器1514也可以连接到电压源1518，且因此可以在有很少或没有损失的情况下变得对任何偏振态的光透明。
VII.在显示模式中具有可切换光功率的折叠透镜
附加地或可替代地，如图15A和图15B所示的两个圆形偏振器和部分反射器(例如50/50反射镜)可用于改变折叠光学器件的光功率，用于在不同的图像平面中投影图像。例如，当没有电压信号施加到圆偏振器时，第一圆偏振态的显示光可以穿过第一圆偏振器和50/50反射镜，并到达第二圆偏振器。如上所述，第二圆偏振器可以将第一圆偏振态的光反射回到50/50反射镜。50/50反射镜可以将第一圆偏振态的显示光反射成第二圆偏振态的光，其可以由第二圆偏振器透射。因此，折叠光学器件可以折叠第一圆偏振态的光，因此对于在显示光中的第一圆偏振态的光可以具有第一光功率。当电压信号施加到两个圆偏振器(或仅第二圆偏振器)时，在圆偏振器(或仅第二圆偏振器)中的液晶分子可以与电场对准，且因此任何偏振态的光可以穿过两个圆偏振器(或仅第二圆偏振器)而不被折叠。因此，当电压信号被施加时，折叠光学器件可以具有第二光功率。以这种方式，折叠光学器件可以具有不同的光功率，并且可以将所显示的图像中继在不同的图像平面上。
图17A示出了根据某些实施例的被配置成以第一光功率操作的折叠透镜系统1700的示例。折叠透镜系统1700可以将由显示器1702生成的图像投影在不同的图像平面上。折叠透镜系统1700可以包括第一圆偏振器1708、部分反射器1710和第二圆偏振器1714。在一些实施例中，第一圆偏振器1708和/或第二圆偏振器1714可以是反射式CLC圆偏振器，并且可以包括CLC层的叠层，每个CLC层用作不同波长范围的圆偏振器，如上面关于图16所述的。第一圆偏振器1708可以由电压源1716控制，并且可以是可切换的。如图17A所示，第一圆偏振器1708可以与电压源1716断开，且因此可以如上所述用作例如左旋圆偏振器。来自显示器1702并在光路1704的第一部分OP-1上传播的光可以由第一圆偏振器1708偏振，并且沿着光路1704的第二部分OP-2变成左旋圆偏振的。在穿过部分反射器1710(例如50/50反射镜)之后，显示光沿着光路1704的第三部分OP-3保持左旋圆偏振的。来自光路1704的第三部分OP-3的光可以到达第二圆偏振器1714。
第二圆偏振器1714可以包括左旋圆偏振器，且因此可以反射左旋圆偏振光。由第二圆偏振器1714反射的左旋圆偏振光在它到达部分反射器1710之前可以沿着光路1704的第四部分OP-4传播。部分反射器1710可以将左旋圆偏振光反射成右旋圆偏振光。从部分反射器1710反射的右旋圆偏振光可以沿着光路1704的第五部分OP-5传播，并再次到达第二圆偏振器1714。(左旋)第二圆偏振器1714然后可以在有很少或没有损失的情况下透射右旋圆偏振光。因为来自显示器1702的光可以在部分反射器1710和第二圆偏振器1714之间行进三次，所以折叠透镜系统1700可以具有第一光功率，并且可以将所显示的图像投影在第一图像平面上。
图17B示出了根据某些实施例的被配置为以第二光功率操作的折叠透镜系统1700。如图17B所示，第一圆偏振器1708可以连接到电压源1716，并且由电压源1716施加到第一圆偏振器的电场可以改变液晶分子的旋向性，使得当施加电场时，第一圆偏振器1708可以用作右旋圆偏振器。来自显示器1702并在光路1706上传播的光可以由第一圆偏振器1708圆偏振(现在是右旋的)，并且可以沿着光路1706变成右旋圆偏振的。在穿过部分反射器1710之后，显示光可以保持右旋圆偏振的，并且可以到达左旋第二圆偏振器1714。(左旋)第二圆偏振器1714可以在有很少或没有损失的情况下透射右旋圆偏振显示光。因为来自显示器1702的光可以穿过在部分反射器1710和第二圆偏振器1714之间的腔一次，折叠透镜系统1700可以具有不同于第一光功率的第二光功率，并且可以将所显示的图像投影在第二图像平面上。
在一些实施例中，第二圆偏振器1714也可以由电压源控制，并且可以是可切换的。例如，当电压信号被施加到第一圆偏振器1708和第二圆偏振器1714时，两个圆偏振器都可以透射任何偏振态的光。因此，折叠透镜系统1700可以不折叠显示光，并且可以具有不同于上面关于图17A描述的第一光功率的第二光功率。
在各种实施例中，第一圆偏振器1708、部分反射器1710和第二圆偏振器1714中的任一个可以具有平坦或弯曲的形状。例如，第一圆偏振器1708、部分反射器1710和第二圆偏振器1714中的任一个可以形成在平坦或弯曲的基板上。在一些实施例中，第一圆偏振器1708、部分反射器1710和第二圆偏振器1714中的任一个可以形成在透镜(例如凹透镜或凸透镜)的表面上，如上面关于图8所述的。因为透镜(圆偏振器和/或部分反射器形成在该透镜上)可以具有非零光功率，所以可以通过切换圆偏振器来实现不同值的两个非零光功率，以用于将所显示的图像投影在两个不同的图像平面上。在一些实施例中，可以使用多个可切换圆偏振器来将折叠透镜系统的光功率设置到多个值之一，且因此显示图像可以被投影在多个图像平面之一上。
VIII.示例方法
图18是示出根据某些实施例的使用一个或更多个可切换圆偏振器在多个图像平面处显示图像的方法的示例的简化流程图1800。在流程图1800中描述的操作仅仅是为了说明目的，且并不旨在进行限制。在各种实施方式中，可以对流程图1800进行修改以添加附加操作、省略一些操作、组合一些操作、拆分一些操作或重新排序一些操作。可以使用例如上面所述的折叠透镜系统800、1400、1500或1700来执行在流程图1800中描述的操作。
在框1810，折叠透镜系统的第一圆偏振器(例如圆偏振器1508或第一圆偏振器1708)可以将来自第一所显示的图像的光偏振成第一圆偏振态(例如左旋圆偏振)的光。第一圆偏振器可以是或可以不是反射式圆偏振器。例如，在一些实施例中，第一圆偏振器可以是如上所述的CLC反射式圆偏振器。在一些实施例中，第一圆偏振器可以是吸收型圆偏振器或不同类型的反射式圆偏振器。
在框1820，折叠透镜系统的部分反射器(例如部分反射器1510或1710)可以将第一圆偏振态的光透射到第二圆偏振器。在一些实施例中，部分反射器可以包括50/50反射镜。在一些实施例中，部分反射器可以透射从一个方向入射的光，并反射从另一个方向入射的光。在一些实施例中，部分反射器可以包括金属或玻璃反射器。部分反射器可以反射偏振光，并相对于入射光的偏振态改变反射光的偏振态。
在框1830，折叠透镜系统的第二圆偏振器(例如反射式偏振器1514或第二圆偏振器1714)可以将第一圆偏振态的光反射回部分反射器。在一些实施例中，第二圆偏振器可以包括如上所述的CLC反射式圆偏振器。第二圆偏振器可以反射第一圆偏振态(例如左旋圆偏振)的光而不改变反射光的旋向性，并且可以透射相反的圆偏振态(例如右旋圆偏振)的光而不改变透射光的旋向性。
在框1840，部分反射器可以将第一圆偏振态的光反射成第二圆偏振态的光回到第二圆偏振器。例如，如果第一圆偏振态的光是左旋圆偏振的，则从部分反射器反射的光可以是右旋圆偏振的。
在框1850，第二圆偏振器可以将第二圆偏振态的光透射到用户的眼睛。例如，第二圆偏振器可以包括左旋CLC螺旋，并且可以用作左旋反射式圆偏振器，该左旋反射式圆偏振器可以在有很少或没有损失的情况下透射右旋圆偏振光。因为来自第一图像的光在部分反射器和第二圆偏振器之间的腔中行进三次，所以来自第一图像的光的光路可以比折叠透镜系统的物理路径长。因此，折叠透镜系统可以具有大的光功率，并且可以将第一图像中继到第一图像平面。
在框1860，电压源可以在第二圆偏振器上施加电压信号。电压信号可以使第二圆偏振器透射任何圆偏振的光。例如，如上所述，由电压源施加到第二圆偏振器的电场可以使在CLC圆偏振器中的液晶分子与电场的方向重新对准，并破坏螺旋结构，且因此第二圆偏振器可以对任何偏振态的光变得透明。
在框1870，第二圆偏振器可以将来自第二图像的光透射到用户的眼睛。在一些实施例中，第一圆偏振器可以将来自第二图像的光偏振成第一圆偏振态的光；部分反射器可以将在来自第二图像的光中的第一圆偏振态的光透射到第二圆偏振器；并且(在接收到电压信号之后对任何偏振态的光透明的)第二圆偏振器可以将在来自第二图像的光中的第一圆偏振态的光透射到用户的眼睛。在一些实施例中，第二电压源可以在第一圆偏振器上施加第二电压信号，其中第二电压信号可以使第一圆偏振器对任何圆偏振态的光变得透明。因此，第一圆偏振器和部分反射器可以将来自第二图像的处于任何偏振态的光透射到第二圆偏振器，第二圆偏振器可以将来自第二图像的任何圆偏振态的光透射到用户的眼睛。在任一情况下，来自第二图像的光可以在部分反射器和第二圆偏振器之间的腔中仅行进一次，并且来自第二图像的光的光路可以类似于折叠透镜系统的物理路径。因此，折叠透镜系统可以具有小的光功率，并且可以将第二图像中继到不同于第一图像平面的第二图像平面。
图19是示出根据某些实施例的在显示模式和透视模式中操作近眼显示设备的方法的示例的简化流程图1900。流程图1900中描述的操作仅仅是为了说明目的，且并不旨在进行限制。在各种实施方式中，可以对流程图1900进行修改以添加附加操作、省略一些操作、组合一些操作、拆分一些操作或重新排序一些操作。可以使用例如上面所述的折叠透镜系统800、1400、1500或1700来执行在流程图1900中描述的操作。
在框1910，可以将在近眼显示设备中的折叠透镜系统(例如折叠透镜系统1500或1700)的第一圆偏振器(例如反射式偏振器1514或第二圆偏振器1714)与电压信号断开，以将近眼显示设备设置到显示模式。如上所述，第一圆偏振器可以包括CLC反射式圆偏振器，其在没有电压信号施加到它上时包括CLC螺旋结构。当电压信号被施加到第一圆偏振器以重新排列液晶分子并破坏螺旋结构时，第一圆偏振器的圆偏振能力可能被无效。当没有电压信号被施加时，第一圆偏振器可以反射第一圆偏振态(例如右旋圆偏振，如果螺旋结构是右旋的)的光而不改变反射光的偏振态，并且可以透射第二圆偏振态(例如左旋圆偏振)的光而不改变透射光的偏振态。
在框1920，折叠透镜系统的第二圆偏振器(例如圆偏振器1508或第一圆偏振器1708)可以将来自所显示的图像的光偏振成第一圆偏振态(例如右旋圆偏振)的光。在一些实施例中，第一圆偏振器可以是如上所述的CLC反射式圆偏振器。在一些实施例中，第一圆偏振器可以是吸收型圆偏振器或不同类型的反射式圆偏振器。
在框1930，折叠透镜系统的部分反射器(例如部分反射器1510或1710)可以将第一圆偏振态的光透射到第一圆偏振器。在一些实施例中，部分反射器可以包括50/50反射镜。在一些实施例中，部分反射器可以透射从一个方向入射的光，并反射从另一个方向入射的光。在一些实施例中，部分反射器可以包括金属或玻璃反射器。部分反射器可以反射偏振光，并相对于入射光的偏振态改变反射光的偏振态。
在框1940，第一圆偏振器可以将第一圆偏振态的光反射回到部分反射器。例如，如果第一圆偏振态的光是右旋圆偏振的，则从第一圆偏振器反射的光也可以是右旋圆偏振的。
在框1950，部分反射器可以将第一圆偏振态的光反射成第二圆偏振态的光回到第一圆偏振器。例如，如果第一圆偏振态的光是右旋圆偏振的，则从部分反射器反射的光可以是左旋圆偏振的。
在框1960，第一圆偏振器可以将第二圆偏振态的光透射到用户的眼睛。例如，第一圆偏振器可以是右旋圆偏振器，并且可以将从部分反射器反射的左旋圆偏振光透射到用户的眼睛。因为来自所显示的图像的光在显示模式中在部分反射器和第一圆偏振器之间的腔中行进三次，所以折叠透镜系统可以具有大的光功率，并且可以将所显示的图像中继到图像平面。
在框1970，第一圆偏振器可以连接到电压信号，其中电压信号可以使第一圆偏振器透射任何圆偏振态的光，且因而将近眼显示设备设置到透视模式。例如，如上所述，在第一圆偏振器中由电压信号施加的电场可以使在CLC圆偏振器中的液晶分子与电场的方向重新对准，并破坏螺旋结构，且因此第一圆偏振器可以对任何偏振态的光变得透明。
在框1980，第一圆偏振器可以将环境光透射到用户的眼睛。在一些实施例中，第二圆偏振器可以将环境光偏振成第一圆偏振态的光，部分反射器可以将在环境光中的第一圆偏振态的光透射到第一圆偏振器，且然后第一圆偏振器可以将在环境光中的第一圆偏振态的光透射到用户的眼睛。在一些实施例中，第二电压信号可以被施加在第二圆偏振器上，其中第二电压信号可以破坏螺旋结构，并且使第二圆偏振器对于任何圆偏振态的光变得透明。因此，第二圆偏振器和部分反射器可以将任何圆偏振态的环境光透射到第一圆偏振器，且然后第一圆偏振器可以将任何圆偏振态的环境光透射到用户的眼睛。因此，在透视模式中，环境光可以通过在部分反射器和第二圆偏振器之间的腔行进仅一次，且因此折叠透镜系统对于环境光可以具有小的或接近零的光功率。
本发明的实施例可以用于制造人工现实系统的部件或可以结合人工现实系统来被实现。人工现实是在呈现给用户之前以某种方式被调整的现实的形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)、混杂现实或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或者与所捕获的(例如，现实世界)内容组合的所生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈或其某种组合，且其中任一个可以在单个通道中或在多个通道中被呈现(诸如对观众产生三维效果的立体视频)。另外，在一些实施例中，人工现实还可以与用于例如在人工现实中创建内容和/或以其他方式在人工现实中使用(例如，在人工现实中执行活动)的应用、产品、附件、服务或其某种组合相关联。可以在各种平台(包括连接到主计算机系统的头戴式显示器(HMD)、独立的HMD、移动设备或计算系统或者能够向一个或更多个观众提供人工现实内容的任何其他硬件平台)上实现提供人工现实内容的人工现实系统。
IX.示例系统
图20是用于实现本文公开的一些示例的近眼显示器(例如HMD设备)的电子系统2000的示例的简化框图。电子系统2000可以用作上述的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可以包括一个或更多个处理器2010和存储器2020。处理器2010可以被配置成执行用于在多个部件处执行操作的指令，并且可以是例如通用处理器或适合于在便携式电子设备内实现的微处理器。处理器2010可以与在电子系统2000内的多个部件通信地耦合。为了实现这种通信耦合，处理器2010可以通过总线2040与其他示出的部件进行通信。总线2040可以是适于在电子系统2000内传输数据的任何子系统。总线2040可以包括传输数据的附加电路和多条计算机总线。
存储器2020可以耦合到处理器2010。在一些实施例中，存储器2020可以提供短期和长期存储，并且可以被分成若干个单元。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可以包括可移动存储设备，例如安全数字(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可以分布在不同的硬件模块中。一组指令和/或代码可以存储在存储器2020上。指令可以采取可以由电子系统2000可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，当在电子系统2000上(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)编译和/或安装时，源代码和/或可安装代码可以采用可执行代码的形式。
在一些实施例中，存储器2020可以存储多个应用模块2022至2024，应用模块2022至2024可以包括任意数量的应用。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可以包括要由处理器2010执行的特定指令。在一些实施例中，应用模块2022-2024中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可以另外包括安全存储器，该安全存储器可以包括附加的安全控件，以防止对安全信息的复制或其他未授权的访问。
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可操作来发起由应用模块2022-2024提供的指令的执行和/或管理其他硬件模块2080以及与无线通信子系统2030的接口，无线通信子系统2030可以包括一个或更多个无线收发器。操作系统2025可以适合于在电子系统2000的部件当中执行其他操作，包括线程管理(threading)、资源管理、数据存储控制和其他类似的功能。
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
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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根或更多根天线2034，作为无线通信子系统2030的一部分或者作为耦合到系统的任何部分的单独部件。根据期望的功能，无线通信子系统2030可以包括单独的收发器，以与基站收发信台和其他无线设备以及接入点进行通信，这可以包括与不同的数据网络和/或网络类型(例如无线广域网(WWAN)、无线局域网(WLAN)或无线个域网(WPAN))进行通信。例如，WWAN可以是WiMax(IEEE 802.16)网络。WLAN可以是例如IEEE 802.11x网络。WPAN可以是例如蓝牙网络、IEEE 802.15x或一些其他类型的网络。本文描述的技术也可以用于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可以包括用于使用天线2034和无线链路2032发送或接收数据(诸如HMD设备的标识符、位置数据、地理地图、热图、照片或视频)的装置。无线通信子系统2030、处理器2010和存储器2020可以一起包括用于执行本文公开的一些功能的装置中的一个或更多个的至少一部分。
电子系统2000的实施例还可以包括一个或更多个传感器2090。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、接近度传感器、磁力计、陀螺仪、惯性传感器(例如组合加速度计和陀螺仪的模块)、环境光传感器或者可操作来提供感觉输出和/或接收感觉输入的任何其他类似的模块，诸如深度传感器或位置传感器。例如，在一些实施方式中，传感器2090可以包括一个或更多个惯性测量单元(IMU)和/或一个或更多个位置传感器。IMU可以基于从一个或更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更多个测量信号。位置传感器的示例可以包括但不限于一个或更多个加速度计、一个或更多个陀螺仪、一个或更多个磁力计、检测运动的另一种合适类型的传感器、用于IMU的误差校正的一种类型的传感器或者其某种组合。位置传感器可以位于IMU的外部、IMU的内部或者这两种位置的某种组合。至少一些传感器可以使用结构化光图案进行感测。
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，并且可以向用户用图形呈现来自电子系统2000的信息，例如图像、视频和各种指令。这种信息可以从一个或更多个应用模块2022-2024、虚拟现实引擎2026、一个或更多个其他硬件模块2080、它们的组合或者(例如，通过操作系统2025)用于为用户解析图形内容的任何其他合适的装置中得到。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)技术或某种其他显示技术。
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，动作请求可以是开始或结束应用或者执行在应用内的特定动作。用户输入/输出模块2070可以包括一个或更多个输入设备。示例输入设备可以包括触摸屏、触摸板、麦克风、按钮、拨号盘、开关、键盘、鼠标、游戏控制器、或者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接收的指令向用户提供触觉反馈。例如，可以在接收到动作请求或者已经执行动作请求时提供触觉反馈。
电子系统2000可以包括摄像机2050，摄像机2050可以用于拍摄用户的照片或视频例如用于跟踪用户的眼睛位置。摄像机2050也可以用于拍摄环境的照片或视频，例如用于VR、AR或MR应用。摄像机2050可以包括例如具有几百万或几千万像素的互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器。在一些实施方式中，摄像机2050可以包括可以用于捕获3D图像的两个或更多个摄像机。
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中的每一个可以是在电子系统2000内的物理模块。虽然其他硬件模块2080中的每一个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者被临时激活。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、可再充电电池、电池管理系统、有线/无线电池充电系统等。在一些实施例中，其他硬件模块2080的一个或更多个功能可在软件中实现。
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可以执行在电子系统2000内的应用，并从各种传感器接收HMD设备的位置信息、加速度信息、速度信息、所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2026接收的信息可以用于为显示模块2060产生信号(例如显示指令)。例如，如果接收到的信息指示用户向左看，则虚拟现实引擎2026可以为HMD设备生成反映用户在虚拟环境中的移动的内容。另外，虚拟现实引擎2026可以响应于从用户输入/输出模块2070接收的动作请求而执行在应用内的动作，并且向用户提供反馈。所提供的反馈可以是视觉、听觉或触觉反馈。在一些实施方式中，处理器2010可以包括可以执行虚拟现实引擎2026的一个或更多个GPU。
在各种实施方式中，上述硬件和模块可以在单个设备上被实现，或者在能够使用有线或无线连接彼此通信的多个设备上被实现。例如，在一些实施方式中，一些部件或模块，例如GPU、虚拟现实引擎2026和应用(例如跟踪应用)，可以在与头戴式显示设备分离的控制台上被实现。在一些实施方式中，一个控制台可以连接到或支持一个以上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，一个或更多个部件的功能可以以不同于上述方式的方式分布在部件当中。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，例如AR系统环境和/或MR环境。
上面讨论的方法、系统和器件是示例。各种实施例可以酌情省略、替换或添加各种过程或部件。例如，在替代配置中，所描述的方法可以以不同于所描述的顺序来被执行，和/或可以添加、省略和/或组合各个阶段。此外，关于某些实施例描述的特征可以在各种其他实施例中被组合。实施例的不同方面和元素可以以相似的方式被组合。此外，技术不断发展，且因此许多元素是示例，并不将本公开的范围限制于那些具体示例。
在描述中给出了具体细节，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施实施例。例如，为了避免模糊实施例，众所周知的电路、过程、系统、结构和技术被示出而没有不必要的细节。本描述仅提供示例实施例，且并不意欲限制本发明的范围、适用性或配置。相反，实施例的前述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(enabling description)。在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以在元素的功能和布置方面进行各种改变。
此外，一些实施例被描述为被描绘为流程图或框图的过程。尽管每一个都可以将操作描述为顺序过程，但是许多操作可以并行地或同时被执行。此外，操作的顺序可以被重新排列。过程可以具有图中未包括的附加步骤。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、中间件或微代码实现时，执行相关联的任务的程序代码或代码段可以存储在诸如存储介质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来说，将明显的是，可以根据特定的要求进行实质性的变化。例如，还可以使用定制的或专用的硬件，和/或可以在硬件、软件(包括便携式软件，诸如小应用程序等)或两者中实现特定的元件。此外，可以采用到诸如网络输入/输出设备的其他计算设备的连接。
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，各种机器可读介质可以涉及向处理单元和/或其他设备提供指令/代码以供执行。另外或可替代地，机器可读介质可以用于存储和/或携带这样的指令/代码。在许多实施方式中，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多种形式，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性和/或光学介质，例如光盘(CD)或数字多功能盘(DVD)、穿孔卡、纸带、具有孔(hole)图案的任何其他物理介质、RAM、可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、闪存-EPROM、任何其他存储器芯片或盒、如在下文中所述的载波、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代码和/或机器可执行指令，其可以表示过程、函数、子程序、程序、例程、应用(App)、子例程、模块、软件包、类或指令、数据结构或程序语句的任何组合。
本领域中的技术人员将认识到，可以使用各种不同的技术和技艺中的任一种来表示用于传递本文描述的消息的信息和信号。例如，在上面的描述中引用的数据、指令、命令、信息、信号、比特、符号和码片(chip)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。
本文使用的术语“和”以及“或”可以包括多种含义，这些含义还被预期至少部分地取决于使用这些术语的上下文。典型地，“或”如果用于关联列表，例如A、B或C，则意在表表示A、B和C(此处以包含的意义使用)以及A、B或C(此处以排他的意义使用)。此外，本文使用的术语“一个或更多个”可以用来以单数形式描述任何特征、结构或特性，或者可以用来描述特征、结构或特性的某种组合。然而，应当注意，这仅仅是说明性的示例，并且要求保护的主题不限于该示例。此外，如果术语“...中的至少一个(at least one of)”被用来关联列表(例如A、B或C)，该术语可以被解释为意指A、B和/或C的任何组合，例如A、AB、AC、BC、AA、ABC、AAB、AABBCCC等。
此外，虽然已经使用硬件和软件的特定组合描述了某些实施例，但是应当认识到，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实现，或者仅以软件实现，或者使用它们的组合来实现。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，所述计算机程序代码或指令可由一个或更多个处理器执行，用于执行在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在相同的处理器上或者以任何组合在不同的处理器上被实现。
在设备、系统、组件或模块被描述为被配置为执行某些操作或功能的情况下，可以通过下列项来完成这种配置：例如，通过设计电子电路来执行操作、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)、或者通过被编程为执行存储在非暂态存储介质上的代码或指令的处理器或核、或者通过它们的任意组合。多个进程可以使用各种技术(包括但不限于用于进程间通信的传统技术)进行通信，并且不同的进程对可以使用不同的技术，或者相同的进程对可以在不同的时间使用不同的技术。
因此，说明书和附图应被视为说明性的而不是限制性的。然而，将明显的是，在不脱离在权利要求中阐述的更广泛的精神和范围的情况下，可以对其进行添加、删减、删除以及其他修改和改变。因此，尽管已经描述了具体实施例，但是这些实施例并不意图进行限制。各种修改和等同物都在所附权利要求的范围内。

Claims (21)

1.一种光学设备，包括：
第一偏振器，所述第一偏振器被配置为将入射光偏振成第一圆偏振态的光；
第二偏振器，所述第二偏振器被配置为：
透射第二圆偏振态的光；以及
反射所述第一圆偏振态的光，其中，由所述第二偏振器反射的光处于所述第一圆偏振态；以及
部分反射器，所述部分反射器位于所述第一偏振器和所述第二偏振器之间，所述部分反射器被配置为：
透射来自所述第一偏振器的光；以及
反射来自所述第二偏振器的光，其中，由所述部分反射器反射的光和来自所述第二偏振器的光具有不同的偏振态。
2.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述第一偏振器、所述第二偏振器或所述部分反射器中的至少一个在弯曲表面上。
3.根据权利要求2所述的光学设备，其中，所述弯曲表面是光学透镜的表面。
4.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述第二偏振器包括胆甾型液晶(CLC)圆偏振器，所述CLC圆偏振器包括以螺旋结构布置的液晶分子。
5.根据权利要求4所述的光学设备，其中，所述螺旋结构包括两个或更多个螺距。
6.根据权利要求4所述的光学设备，其中，所述CLC圆偏振器包括多个层，每个层具有不同的反射波长范围。
7.根据权利要求6所述的光学设备，其中，所述多个层中的每一层包括具有不同螺距的螺旋结构。
8.根据权利要求7所述的光学设备，其中，所述多个层中的至少两层掺杂有不同掺杂剂浓度的手性掺杂剂材料。
9.根据权利要求7所述的光学设备，其中，所述多个层中的至少两层掺杂有不同的手性掺杂剂材料。
10.根据权利要求4所述的光学设备，其中，所述螺旋结构的螺距逐渐变化。
11.根据权利要求4所述的光学设备，其中，所述CLC圆偏振器包括双扭曲胆甾型液晶层或液晶聚合物层。
12.根据权利要求4所述的光学设备，其中：
所述螺旋结构包括左旋螺旋结构；并且
所述第二偏振器被配置为透射右旋圆偏振光并反射左旋圆偏振光。
13.根据权利要求4所述的光学设备，其中：
所述螺旋结构包括右旋螺旋结构；并且
所述第二偏振器被配置为透射左旋圆偏振光并反射右旋圆偏振光。
14.根据权利要求1所述的光学设备，其中，所述第一偏振器包括胆甾型液晶(CLC)圆偏振器，所述CLC圆偏振器包括以螺旋结构布置的液晶分子。
15.一种显示图像的方法，所述方法包括：
通过第一偏振器将来自图像源的光偏振成第一圆偏振态的光；
通过部分反射器将所述第一圆偏振态的光透射到第二偏振器；
通过所述第二偏振器将所述第一圆偏振态的光反射回到所述部分反射器，反射的光处于所述第一圆偏振态；
通过所述部分反射器将所述第一圆偏振态的光反射成第二圆偏振态的光回到所述第二偏振器；以及
通过所述第二偏振器将所述第二圆偏振态的光透射到用户的眼睛。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第二偏振器包括胆甾型液晶(CLC)反射式圆偏振器。
17.一种近眼显示设备，包括：
显示器，所述显示器被配置为发射显示光；
第一偏振器，所述第一偏振器被配置为将所述显示光偏振成第一圆偏振态的光；
第二偏振器，所述第二偏振器被配置为：
将第二圆偏振态的光透射到用户的眼睛；以及
将所述第一圆偏振态的光反射成所述第一圆偏振态的光；以及部分反射器，所述部分反射器位于所述第一偏振器和所述第二偏振器之间，所述部分反射器被配置为：
透射来自所述第一偏振器的光；以及
反射来自所述第二偏振器的光，其中，由所述部分反射器反射的光和来自所述第二偏振器的光具有不同的偏振态。
18.根据权利要求17所述的近眼显示设备，还包括具有非零光功率的光学透镜，其中，所述第一偏振器、所述第二偏振器或所述部分反射器中的至少一个在所述光学透镜的表面上。
19.根据权利要求17所述的近眼显示设备，其中：
所述显示器包括被配置为透射环境光的透明显示器；并且
所述近眼显示设备被配置为将所述环境光和所述显示光都透射到用户的眼睛。
20.根据权利要求17所述的近眼显示设备，其中，所述第二偏振器包括胆甾型液晶(CLC)反射式圆偏振器。
21.一种近眼显示设备，包括：
显示器，所述显示器包括输出表面，其中：
所述显示器被配置为发射显示光通过所述输出表面；并且
所述输出表面被配置为至少部分地反射从所述显示器的外部入射在所述输出表面上的光，其中，反射的光和从所述显示器的外部入射在所述输出表面上的光具有不同的偏振态；以及
反射式圆偏振器，所述反射式圆偏振器形成在所述显示器的输出表面上并包括以螺旋结构布置的液晶分子，所述反射式圆偏振器被配置为：
将所述显示光中的第一圆偏振态的光反射回到所述显示器的输出表面，其中，从所述反射式圆偏振器到所述显示器的输出表面的反射的光处于所述第一圆偏振态；以及
将所述显示光中的第二圆偏振态的光透射到用户的眼睛。
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