CN112602002A - 对于基于平面透镜的ar/vr眼镜的透射改善 - Google Patents

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Abstract

一种人工现实显示器使用各向异性材料来圆偏振离开波导的光，使得人工现实显示器相对透明。

Description

对于基于平面透镜的AR/VR眼镜的透射改善
背景
本公开大体上涉及近眼显示系统，且更具体地涉及波导显示器。传统的近眼显示器通常具有产生图像光的显示元件，该图像光在到达用户的眼睛之前穿过一个或更多个透镜。此外，虚拟现实(VR)系统和/或增强现实(AR)系统中的近眼显示器具有紧凑、重量轻的设计标准，并且提供具有大的适眼区(eye box)和宽的视野(FOV)的二维扩展。传统上，VR显示器是放大镜光学显示器。计算机产生图像，而光学器件被用来放大图像。设计近眼显示器以实现小外形、大FOV和/或大适眼区是一项挑战。
概述
本公开涉及人工现实显示器。更具体地说，但不限于，使用各向异性材料来圆偏振离开波导的光，使得人工现实显示器相对透明。
附图简述
参考以下附图描述说明性实施例。
图1是近眼显示器的实施例的示意图。
图2是近眼显示器的横截面的实施例。
图3示出了波导显示器的实施例的等轴视图。
图4示出了波导显示器的实施例的横截面。
图5是包括近眼显示器的系统的实施例的框图。
图6是波导显示组件的透镜系统的实施例的分解图。
图7是透镜系统中透镜堆叠的一个实施例的分解图。
图8示出了波导的实施例的横截面。
图9示出了离开波导的光的偏振的第一个例子。
图10示出了具有各向异性材料的透镜的快轴取向的实施例。
图11示出了离开波导的光的偏振的第二个例子。
图12示出了具有各向异性材料的透镜的快轴取向的实施例，该各向异性材料具有在空间变化的双折射特性。
图13是透镜堆叠的另一个实施例的分解图。
图14示出了使用透镜系统的过程的流程图的实施例。
图15示出了用于制造具有各向异性材料的透镜的过程的流程图的实施例，该各向异性材料具有空间变化的双折射特性。
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和所推崇的益处。
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种部件。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
在以下描述中，为了解释的目的而阐述了具体细节，以便提供对某些创造性实施例的透彻理解。然而，很明显，没有这些具体细节也可以实施各种实施例。附图和描述并不旨在是限制性的。
本公开涉及减少增强现实(AR)显示器的色调和/或提高其效率。更具体地说，但不限于此，本公开涉及减少使用Pancharatnam-Berry相位(PBP)透镜的AR显示器的色调。在2017年9月1日提交的美国专利申请第15/693,846号中，使用PBP透镜来改变AR显示器的焦距，出于所有目的，该申请通过引用并入。PBP透镜被特别配置成接收圆偏振光。因此，圆偏振器可以放置在PBP透镜之前，以向PBP透镜提供圆偏振光。传统的圆偏振器包括线性偏振器和四分之一波片。圆偏振器的线性偏振器衰减(例如反射或吸收)大约一半的随机偏振光。自然光是随机偏振的。因此，自然光被具有传统圆偏振器的透镜系统衰减了大约一半，并且透镜看起来更暗。在许多情况下，深色镜片可能不如用于AR的看起来透明的眼镜那样容易被社会接受。
在AR显示器中，使用圆偏振器也会降低来自投影仪的光的效率。波导可以通过多种方法在AR显示器中用作光瞳(pupil)扩展器，例如光瞳复制。光从投影仪发射，耦合到波导中，耦合出波导(例如，使用光栅)，并传输到用户的眼睛。PBP透镜放置在波导和用户眼睛之间，以改变从波导发射的光的焦点，这允许改变波导的像平面。在波导和PBP透镜之间放置圆偏振器可以减少显示光的透射，因为圆偏振器中的线性偏振器衰减既不是线性偏振又不与线性偏振器的透射轴对齐的光。
减少圆偏振器中的线性偏振器的衰减的一种方法是移除线性偏振器并设计光栅以从波导发射具有均匀偏振的光。然后，在光被传输到PBP透镜之前，可以使用波片来将从波导发射的均匀偏振的光改变为圆偏振光。
减少圆偏振器中的线性偏振器的衰减的另一种方法是将耦合到波导中的光线性偏振，但是不是将光栅设计成输出均匀偏振，而是使用非均匀波片来补偿离开波导的非均匀偏振。从波导耦合出的光可以具有非均匀偏振，但是非均匀性可以是以确定的方式不同的，使得非均匀波片可以被配置成将来自波导的光转换成均匀的圆偏振光。波片的非均匀性和配置取决于非均匀偏振光从波导耦合出去的确定方式。通过确定从波导发射的光的偏振的局部变化，波片可以被设计成具有波片的双折射材料(例如液晶)的厚度和/或光轴取向的局部变化，以将从波导发射的光转换成圆偏振光，而不使用线性偏振器。
减少衰减的另一种方法是使用带宽有限的圆偏振器。在一些实施例中，投影仪使用有限带宽的源。例如，投影仪可以有红色、绿色和蓝色发光二极管(LED)。三个圆偏振器可以放置在波导和PBP透镜之间。第一圆偏振器可以具有偏振对应于红色LED的波长的有限带宽的红光的第一线性偏振器，第二圆偏振器可以具有偏振对应于绿色LED的波长的有限带宽的绿光的第二线性偏振器，以及第三圆偏振器可以具有偏振对应于蓝色LED的有限带宽的蓝光的第三线性偏振器。通过仅偏振可见光谱的一部分，较少的自然光被线性偏振器衰减。
图1是近眼显示器实施例的示意图100。近眼显示器100向用户呈现媒体。由近眼显示器100呈现的媒体示例包括一个或更多个图像、视频和/或音频。在一些实施例中，音频经由外部设备(例如，扬声器和/或头戴式耳机(headphone))呈现，该外部设备从近眼显示器100、控制台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100通常被配置成作为虚拟现实(VR)显示器进行操作。在一些实施例中，近眼显示器100被修改为作为增强现实(AR)显示器和/或混合现实(MR)显示器来进行操作。
近眼显示器100包括框架105和显示器110。框架105耦合到一个或更多个光学元件。显示器110被配置成让用户看到由近眼显示器100呈现的内容。在一些实施例中，显示器110包括波导显示组件，用于将来自一个或更多个图像的光导向用户的眼睛。
图2是图1所示的近眼显示器100的横截面200的实施例。显示器110包括至少一个波导显示组件210。出射光瞳(exit pupil)230是当用户佩戴近眼显示器100时，眼睛220在适眼区(eyebox)区域中的定位。出于说明的目的，图2示出了与眼睛220和波导显示组件210相关联的横截面200；第二波导显示组件用于用户的第二只眼睛。
波导显示组件210被配置成将图像光导向位于出射光瞳230处的适眼区，并导向眼睛220。波导显示组件210可以由具有一个或更多个折射率的一种或更多种材料(例如，塑料、玻璃等)组成。在一些实施例中，近眼显示器100包括在波导显示组件210和眼睛220之间的一个或更多个光学元件。在一些实施例中，波导显示组件210包括一个或更多个波导显示器，以向用户产生单一视图。
图3示出了波导显示器300的实施例的等轴视图。在一些实施例中，波导显示器300是近眼显示器100的波导显示组件210的部件。在一些实施例中，波导显示器300是将图像光导向特定定位的某个其他近眼显示器或其他系统的一部分。
波导显示器300包括源组件310、输出波导320和控制器330。为了说明的目的，图3示出了与单只眼睛220相关联的波导显示器300，但是在一些实施例中，与波导显示器300分离或部分分离的另一个波导显示器向用户的另一只眼睛提供图像光。
源组件310生成图像光355。源组件310生成图像光355并将其输出到位于输出波导320的第一侧面370-1上的耦合元件350。输出波导320是向用户的眼睛220输出扩展的图像光340的光波导。输出波导320在位于第一侧面370-1上的一个或更多个耦合元件350处接收图像光355，并引导接收到的输入图像光355。在一些实施例中，耦合元件350将来自源组件310的图像光355耦合到输出波导320中。耦合元件350可以是例如衍射光栅、全息光栅、一个或更多个级联反射器、一个或更多个棱镜表面元件、超透镜、具有或不具有光焦度的一定角度的折射表面和/或全息反射器阵列。
使用去耦元件365将来自输出波导320的光耦合出输出波导320。从输出波导320去耦的扩展图像光340被传输到用户的眼睛220。在一些实施例中，导向元件360用于将输出波导320中的光重定向到去耦元件365。导向元件360是输出波导320的第一侧面370-1的一部分或固定到输出波导320的第一侧面370-1。去耦元件365是输出波导320的第二侧面370-2的一部分或固定到输出波导320的第二侧面370-2，使得导向元件360与去耦元件365相对。导向元件360和/或去耦元件365可以是例如衍射光栅、全息光栅、一个或更多个级联反射器、一个或更多个棱镜表面元件、布拉格光栅和/或全息反射器阵列。
第二侧面370-2表示沿x维度和y维度的平面。输出波导320可以由一种或更多种材料组成，这些材料有助于图像光355的全内反射，并且在感兴趣的波长带中具有透明度。输出波导320可以由塑料、玻璃和/或聚合物组成。输出波导320具有相对小的形状因子。例如，输出波导320可以沿着x维度大约50mm宽；沿y维度大约30mm长；沿z维度大约0.3至5.0mm厚。
在一些实施例中，波导显示器300包括多个输出波导320。例如，波导显示器300包括堆叠波导显示器。堆叠波导显示器是多色显示器，其可以投射在多个平面上(例如，多平面彩色显示器；通过堆叠用于不同颜色的输出波导320产生的红绿蓝(RGB)显示器)。堆叠波导显示器可以包括三个输出波导320、一个用于红光的输出波导320、一个用于绿光的输出波导320和一个用于蓝光的输出波导320(有时称为波导堆叠)。在一些配置中，堆叠式波导显示器是可以被投射在多个平面上的单色显示器(例如，多平面单色显示器)。在一些配置中，波导显示器300是变焦波导显示器。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。在一些实施例中，波导显示组件210可以包括堆叠式波导显示器和变焦波导显示器。在一些实施例中，单个输出波导320用于宽光谱。例如，布拉格光栅被用作去耦元件365，并且从输出波导320耦合出红色、绿色和蓝色光。
控制器330控制从光源组件310发射的光。例如，控制器330控制源组件310的扫描操作和/或光源关闭和开启的定时。控制器330能够源组件310的扫描指令。控制器330可用于控制全场投影仪引擎。在一些实施例中，输出波导320向用户的眼睛220输出具有大视场(FOV)的扩展图像光340。例如，向用户提供扩展的图像光340，使得波导显示器300在x和/或y方向上具有等于或大于60度且等于或小于150度的视场。输出波导320被配置为提供在x和/或y方向上长度等于或大于10mm且等于或小于50mm的适眼区。控制器330可以与图形引擎结合使用，以基于测量头部和/或眼睛位置的传感器来渲染图像信息。
图4示出了波导显示器300的横截面400的实施例。横截面400包括源组件310和输出波导320。源组件310根据来自控制器330的扫描指令生成图像光355。源组件310包括源410和光学系统415。源410是产生相干光、部分相干光和/或非相干光的光源。源410可以包括激光二极管、垂直腔面发射激光器、硅基液晶(liquid-crystal-on-silicon)、有机或无机发光二极管和/或超发光二极管中的一种或更多种。
光学系统415包括一个或更多个光学部件，光学部件调整来自源410的光。调整来自源410的光可以包括例如，根据来自控制器330的指令来扩展、准直和/或调节定向。光学系统415中的一个或更多个光学元件可以用于去斑(despeckling)。相干光干涉形成斑点。如果所有的光都是完全相干和完美的平面波，就会产生一种宏观形式的斑点：干涉条纹。表面缺陷本质上是在光学元件上产生新的光源，这些光源在微观层面上进行干涉，产生斑点。斑点不能被成像掉，相反地，光学元件可以被用来使相干光不相干，或者在时间上或空间上混合相干光。光谱展宽、增加和混合角度范围、去偏振、时间扩散可以帮助减少斑点。用于去斑的光学元件可以放置在更靠近最终图像平面的位置，从而不会出现新的斑点源。一个或更多个光学部件可以包括一个或更多个透镜、液体透镜、反射镜(mirror)、自由元件、光圈、超材料和/或光栅。从光学系统415(还有源组件310)发射的光有时被称为图像光355。
输出波导320接收图像光355。耦合元件350将来自源组件310的图像光355耦合到输出波导320中。在耦合元件350是衍射光栅的实施例中，衍射光栅的间距被选择成使得全内反射在输出波导320中发生，并且图像光355在输出波导320中朝向去耦元件365进行内部传播(例如，通过全内反射)。导向元件360将图像光355重定向到去耦元件365，用于从输出波导320去耦合。
在一些实施例中，导向元件360和/或去耦元件365在结构上类似。离开输出波导320的扩展的图像光340沿着一个或更多个维度被扩展(例如，可以沿着x维度被拉长)。在一些实施例中，波导显示器300包括多个源组件310和多个输出波导320。每个源组件310发射对应于原色(例如，红色、绿色或蓝色)的特定波段的单色图像光。每个输出波导320可以以一定的间隔距离堆叠在一起，以输出多色的扩展的图像光340。在一些实施例中，使用其他颜色方案(例如，RGBW)。
图5是包括近眼显示器100的系统500的实施例的框图。系统500包括近眼显示器100、成像设备535、以及输入/输出接口540，它们各自耦合到控制台510。
近视显示器100是向用户呈现媒体的显示器。由近眼显示器100呈现的媒体示例包括一个或更多个图像、视频和/或音频。在一些实施例中，音频经由外部设备(例如，扬声器和/或头戴式耳机)呈现，该外部设备从近眼显示器100和/或控制台510接收音频信息，并基于音频信息来向用户呈现音频数据。在一些实施例中，近眼显示器100也可以充当AR眼镜。在一些实施例中，近眼显示器100利用计算机生成的元素(例如，图像、视频、声音等)来增强物理、现实世界环境的视图。
近眼显示器100包括波导显示组件210、一个或更多个位置传感器525和/或惯性测量单元(IMU)530。波导显示组件210包括源组件310、输出波导320和控制器330。IMU 530是一种电子设备，其基于从一个或更多个位置传感器525接收的测量信号生成快速校准数据，该快速校准数据指示相对于近眼显示器100的初始位置的近眼显示器100的估计位置。成像设备535根据从控制台510接收的校准参数来生成慢速校准数据。成像设备535可以包括一个或更多个照相机和/或一个或更多个摄像机。输入/输出接口540是允许用户向控制台510发送动作请求的设备。动作请求是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束应用，或者是在应用内执行特定动作。控制台510根据从成像设备535、近眼显示器100和输入/输出接口540中的一个或更多个接收的信息来向近眼显示器100提供媒体以呈现给用户。在图5所示的示例中，控制台510包括应用储存器545、跟踪模块550和引擎555。应用储存器545存储用于由控制台510执行的一个或更多个应用。应用是一组指令，该组指令当由处理器执行时生成用于呈现给用户的内容。应用的示例包括：游戏应用、会议应用、视频回放应用或其他合适的应用。跟踪模块550使用一个或更多个校准参数来校准系统500，并且可以调节一个或更多个校准参数以减小近眼显示器100的位置确定中的误差。跟踪模块550使用来自成像设备535的慢速校准信息来跟踪近眼显示器100的移动。跟踪模块550还使用来自快速校准信息的位置信息来确定近眼显示器100的参考点的位置。
引擎555执行系统500内的应用，并从跟踪模块550接收近眼显示器100的位置信息、加速度信息、速度信息和/或预测的未来位置。在一些实施例中，引擎555接收的信息可以用于产生信号(例如，显示指令)给波导显示组件210，该信号确定呈现给用户的内容类型。
图6是波导显示组件210的透镜系统的实施例的分解图。透镜系统包括一个或更多个波导604(例如，类似于输出波导320)和一个或更多个透镜堆叠608。图6所示实施例中的透镜系统包括第一波导604-1、第二波导604-2、第三波导604-3、第一透镜堆叠608-1、第二透镜堆叠608-2和自适应调光元件612。透镜系统固定在框架105中。使用耦合元件350将来自光源410的光耦合到波导604中。光在波导604中被引导(例如，使用全内反射)，并使用去耦元件365耦合出波导604。耦合出波导604的光被导向近眼显示器100的用户的眼睛220。波导604是近眼显示器100的一部分。
波导604和/或波导604的去耦元件365可以针对特定的光波长或频带来构建。例如，第一波导604-1的去耦元件被设计成使红光去耦；第二波导604-2的去耦元件被设计成使绿光去耦；并且第三波导604-3的去耦元件被设计成使蓝光去耦。在一些实施例中，第一波导604-1的去耦元件被设计成使蓝光去耦；第二波导604-2的去耦元件被设计成使绿光去耦；并且第三波导604-3的去耦元件被设计成使红光去耦。在一些实施例中，使用波导604的其他颜色排序和/或使用多于三个或少于三个波导604。在一些实施例中，使用一个波导604，并且去耦元件被配置为去耦红色、绿色和蓝色光。
第一透镜堆叠608-1在波导604和用户的眼睛220之间。波导604位于第二透镜堆叠608-2和第一透镜堆叠608-1之间。在一些实施例中，第二透镜堆叠608-2垂直于第一透镜堆叠608-1定向。第二透镜堆叠608-2可以具有与第一透镜堆叠608-1相似的元件，以相似或不同的顺序排列；第二透镜堆叠608-2可以具有不同于第一透镜608-1的元件。在一些实施例中，不使用第二透镜堆叠608-2。自适应调光元件612提供可变的光衰减(例如，当用户在晴天外出时，使透镜系统对用户来说更暗)。第二透镜堆叠608-2可用于抵消第一透镜堆叠608-1的聚焦能力，使得即使离开波导604的光的焦点被第一透镜堆叠608-1改变，自然光也不会表现出改变焦点。例如，第一透镜堆叠608-1和第二透镜堆叠608-2各自具有Pancharatnam Berry相位(PBP)透镜和波片。假设右旋圆偏振光和左旋圆偏振光的量相等，来自真实世界的具有随机偏振的光穿过第二堆叠608-2的PBP透镜，并且一半光被聚焦，一半光被散焦；当光穿过第二透镜堆叠608-2的波片时，延迟被添加到轴上；光穿过波导604，并且由于光栅的角度选择性而没有“看到”波导604的光栅；光穿过第一透镜堆叠608-1的波导，这消除了第二透镜堆叠608-2的波片的延迟；并且光穿过第一透镜堆叠608-1的PBP透镜，这解除了第二透镜堆叠60-2的PBP透镜的聚焦和散焦。
图7是第一透镜堆叠608-1的实施例700的分解图。第一透镜堆叠608-1包括波片704、第一Pancharatnam Berry相位(PBP)透镜708-1、可切换半波片712和第二PBP透镜708-2。值得注意的是，线性偏振器不在波导604和PBP透镜708之间。2017年9月1日提交的美国申请第15/693,846号公开了用于光学补偿的PBP透镜。’846申请通过引用结合于此，用于所有目的。PBP透镜708是一种几何相位透镜，并被专门设计用于接收圆偏振光。几何相位透镜也可以称为平面透镜。平面透镜是基于超表面(metasurface)的，它可以使用纳米结构来改变基于偏振的光。例如，平面透镜可以通过对圆偏振光的一种旋向性(例如，右旋圆偏振光)起会聚透镜的作用和对圆偏振光的正交旋向性(例如，左旋圆偏振光)起发散透镜的作用来聚焦光。在另一个例子中，平面透镜可以反射圆偏振光的一个旋向性，并透射圆偏振光的正交旋向性。几何相位透镜可以包括液晶聚合物。在一些实施例中，透镜堆叠608的元件被结合在一起。
圆偏振器可以放置在PBP透镜708的前面，以向PBP透镜708提供圆偏振光。例如，如果平面透镜通过使光线会聚来聚焦右旋圆偏振光，右旋圆偏振器可以放置在PBP透镜708的前面。然而，包括线性偏振器的右旋圆偏振器将衰减穿过右旋圆偏振器的光，使得透镜系统看起来变暗，因为线性偏振器衰减不是线性偏振并且沿着线性偏振器的透射轴取向的光。圆偏振器还包括四分之一波片。四分之一波片可以由具有快轴和慢轴的双折射材料制成。四分之一波片的快轴与线性偏振器的透射轴成45度。穿过线性偏振器的光将沿着透射轴偏振，并通过穿过四分之一波片从线性偏振光转换成圆偏振光。因为圆偏振器的线性偏振器衰减随机偏振光，所以透镜系统将显得暗(例如，像太阳镜)。暗的透镜系统可能不如更透明的透镜更容易被社会接受。此外，因为线性偏振器引起的衰减，在PBP透镜708中的波导604之间具有线性偏振器可能需要光源410消耗更多的功率，以将更亮的图像传输到用户的眼睛220。
在波导604和PBP透镜之间没有线性偏振器的情况下使用波片704，以从耦合出波导604的光产生圆偏振光。波片704有时被称为第一透镜。波片704由光学各向异性材料制成。例如，波片704包括双折射材料。PBP透镜708和可切换半波片712用于改变透镜系统的焦距(例如，如’846申请中所述)。波片704被配置成将从一个或更多个波导604耦合出的光转换成圆偏振光。
图8示出了波导604的实施例的横截面。图像光355通过耦合元件350耦合到波导604中。光通过全内反射在波导604中被引导。光被去耦元件365耦合出波导604，作为扩展的图像光340。图像光355可以被偏振(例如，通过在耦合元件350之前放置线性偏振器和/或通过使用偏振光源，例如激光二极管，被p或s偏振)。在一些实施例中，波导604、耦合元件350和/或去耦元件365被设计成输出偏振光(例如，均匀线性偏振光或均匀椭圆偏振光)。例如，可以使用表面浮雕光栅或液晶布拉格光栅，如Gregory P.Crawford，“ElectricallySwitchable Bragg Gratings”，Optics&Photonics News 14(4)，54-59(2003)中公开的，该文献通过引用结合于此。在一些实施例中，耦合出波导604的光具有不均匀偏振。
图9示出了离开波导604的光的偏振的第一示例，其中扩展的图像光340具有均匀偏振。通过设计光栅以使具有均匀偏振的光去耦，离开波导604的光可以具有均匀偏振(例如，如Gregory P.Crawford，“Electrically Switchable Bragg Gratings”，Optics&Photonics News 14(4)，54-59(2003)中所述的)。耦合出波导604的光(例如，扩展图像光340)的偏振由标记为偏振轴P的线表示。偏振轴P与x轴成角度θ。偏振轴P可以表示线性偏振和/或椭圆偏振的主轴。由于扩展图像光340的偏振是均匀的，所以偏振在x/y空间上是恒定的，P(x，y)＝θ(常数)。波片704可以被设计成将扩展的图像光340改变成圆偏振光(例如，通过使波片704成为四分之一波片并将四分之一波片的快轴定向为与θ成45度，如下所述)。
图10示出了具有各向异性材料的透镜(例如波片704)的快轴F取向的实施例。各向异性材料是双折射的(即显示两种不同的折射率)。双折射材料具有快轴F和慢轴。慢轴通常与快轴F正交，但不一定是。波片704的快轴F被设计成与偏振轴P成角度φ，使得扩展的图像光340被转换成圆偏振光。快轴F与x轴成角度β，使得β＝θ+φ。如果扩展图像光340的偏振是线性偏振的，那么使用波片704的四分之一波片，φ可以等于+/-45°，这取决于希望圆偏振光的哪种旋向性。为简单起见，本公开将提供使用正φ值的示例，并且应当理解，也可以使用负φ值。角度φ不一定是45°。为了将椭圆偏振光转换成圆偏振光，角度φ可以不同于45°，和/或波片704的厚度可以改变。对于扩展图像光340的均匀偏振，快轴F(x，y)＝θ+φ(即，常数)。通过使用波片704，在波导604和波片704之间没有线性偏振器，与使用具有波片704的线性偏振器相比，对于PBP透镜708来说，光可以被圆偏振，而损失更少。
图11示出了离开波导604的光的偏振的第二示例，其中扩展的图像光340在空间上是不均匀的。光的偏振可以在波导604中改变(例如，通过波导内的反射)。尽管离开波导604的光的偏振是不均匀的，但是它是确定的。一般来说，偏振随波长在空间和角度上变化，因为光栅响应与波长和角度有关。此外，波导内每种波长的光线路径略有不同。由于这些变化是确定性的，可以设计空间变化的波片来补偿偏振的变化。波片可以使用多层双折射膜来产生适当的角度响应。
扩展图像光340的x/y空间被分成m行和n列。在图11中，m等于2，且n等于3，因此有六个象限。象限可以被称为区域。区域可以是封闭的二维形状(例如，矩形、多边形或自由形状区域)。在图11中，区域是矩形。实际上，m和n的值通常大于2或3(例如，m和/或n等于或大于5、7或10和/或等于或小于12、15或20)。示出了六个不同象限的偏振轴P。第一偏振轴P1在第一象限中具有约θ＝130°的取向。第二偏振轴P-2在第二象限中具有大约θ＝95°的取向。第三偏振轴P-3在第三象限中具有大约θ＝20°的取向。第四偏振轴P-4在第四象限中具有大约θ＝70°的取向。第五偏振轴P-3在第五象限中具有大约θ＝40°的取向。第六偏振轴P-6在第六象限中具有大约θ＝160°的取向。因此，角度θ不是常数，而是在x和y方向上空间相关，θ(x，y)，并且偏振轴P在x和y方向上空间相关，P(x，y)＝θ(x，y)。通过具有作为波片704上位置的二维函数而变化的双折射，可以创建用于空间非均匀线性偏振光的波片704，以改变扩展图像光340。因此，匹配延迟器(retarder)(例如，波片704)可以相对于波导偏振角和/或椭圆率分区，以便在容差内产生基本上圆偏振，使得PBP透镜焦点位置误差低于可以由波前误差、点扩散函数误差或其他图像质量度量定义的阈值。可以确定多个区域，使得组合光的残余散焦低于阈值。
图12示出了波片704的实施例，波片704被配置为将空间不均匀的光(例如，图11中描述的光)转换成圆偏振光。波片704具有各向异性材料，该各向异性材料具有在透镜上空间变化的双折射，使得双折射的快轴F是x和y的函数。波片704被分成m行和n列，类似于在图11中划分扩展图像光340的x/y空间，从而有六个象限。各向异性材料的快轴F随x和y的变化而变化，以匹配偏振轴P(例如，F(x，y)＝P(x，y)+φ)。在一些实施例中，角度φ也随x和y的变化而变化(例如，象限二可以比象限一更线性偏振，象限一更椭圆偏振；因此，象限二中角度φ可能不同于象限一)。在扩展图像光340的偏振是线性偏振且不均匀的实施例中，第一快轴F-1在第一象限中具有大约β＝175°的取向；第二快轴F-2在第二象限中具有大约β＝140°的取向；第三快轴F-3在第三象限中具有大约β＝65°的取向；第四快轴F-4在第四象限中具有大约β＝115°的取向；第五快轴F-5在第五象限中具有大约β＝85°的取向；并且第六快轴F-6在第六象限中具有大约β＝205°的取向。因此，第一快轴F-1在第一象限中的取向为第一角度，以及第二快轴F-2在第二象限中的取向为第二角度，其中第一角度不等于第二角度。
由于离开波导604的光的偏振是确定的，所以可以表征偏振。波片704是基于表征耦合出波导604的光的偏振而构建的。例如，来自波导604的输出被分成m×n个区域(如图11所述)。空间变化延迟器(例如波片704)也通过将空间变化延迟器分成m×n个区域来构造。在一些实施例中，m和/或n等于或大于7且等于或小于100(例如，m＝n＝5、10或20)。每个区域中的快轴F与该区域中的光的偏振P相匹配(和/或空间变化延迟器的厚度相匹配)，以将从波导604发射的光转换成圆偏振光。通过在每个区域中使快轴F与偏振轴P在空间上匹配，波片704为PBP透镜708(有时称为第二透镜)产生圆偏振光，与使用波片704的线性偏振器相比，损耗较小。因此，在PBP透镜708中的波导604之间不使用线性偏振器，并且透镜系统比透镜系统具有线性偏振器时更透明。
图13是第一透镜堆叠608-1的另一实施例1300的分解图。实施例1300中的第一透镜堆叠608-1包括三个圆偏振器1304。圆偏振器可以通过使用线性偏振器和四分之一波片来制造，其中线性偏振器的透射轴与四分之一波片的快轴偏移45°。圆偏振器1304包括线性偏振器和波片(例如，四分之一波片)。圆偏振器1304具有窄带宽，使得圆偏振器1304的线性偏振器仅在窄带宽内偏振光。在一些实施例中，窄带宽等于或大于5、10或15nm，并且等于或小于20、30、35、40、50、75或80nm(例如，测量的全宽度，半最大值)。在一些实施例中，圆偏振器1304具有以不同波长为中心的窄带宽(例如，过滤红色、绿色和蓝色光)。
第一圆偏振器1304-1包括第一线性偏振器和第一波片。第一线性偏振器具有第一偏振带宽；第一偏振带宽等于或大于5nm并且等于或小于50nm；并且第一线性偏振器具有第一透射轴。第一波片被配置成将在第一透射轴的方向上偏振的光转换成圆偏振光。第二圆偏振器1304-2包括第二线性偏振器和第二波片。第二线性偏振器具有第二偏振带宽；第二偏振带宽等于或大于5nm且等于或小于50nm；并且第二线性偏振器具有第二透射轴。第二波片被配置成将在第二透射轴的方向上偏振的光转换成圆偏振光。第三圆偏振器1304-3包括第三线性偏振器和第三波片。第三线性偏振器具有第三偏振带宽；第三偏振带宽等于或大于5nm且等于或小于50nm；并且第三线性偏振器具有第三透射轴。第三波片被配置成将在第三透射轴的方向上偏振的光转换成圆偏振光。
第一圆偏振器1304-1用于偏振红色扩展图像光340；第二圆偏振器1304-2用于偏振绿色扩展图像光340；第三圆偏振器1304-3用于偏振蓝色扩展图像光340。由于具有窄带，圆偏振器1304比作为圆偏振器一部分的宽带线性偏振器衰减更少的光，因为只有一部分环境光被圆偏振器1304的线性偏振器偏振。以400至700nm的自然光谱为例；300nm的光谱。如果使用传统的线性偏振器，大约一半的自然光将被传统的线性偏振器吸收(或反射)。但是如果使用三个圆偏振器1304，每个圆偏振器具有30nm的偏振带宽，那么自然光300nm光谱中只有90nm将被偏振。假设每个波长的损耗为50％，并且每个波长的自然光的幅度相等，那么损耗接近15％(例如，0.5*90/300)，而不是接近50％。因此，通过使用具有窄带宽的线性偏振器的圆偏振器，自然光被减弱得更少，并且透镜系统看起来更透明。
在一些实施例中，使用单个圆偏振器1304。例如，只有红光可以用于源410(例如，用于飞机驾驶员的近眼显示器)。那么第一圆偏振器1304-1是唯一使用的圆偏振器1304，而不是第二圆偏振器1304-2或第三圆偏振器1304-3，以将红光变为圆偏振光。类似地，如果源410包括多于三种颜色，那么可以使用多于三个圆偏振器1304。
圆偏振器1304可以放置在PBP透镜708之前(比PBP透镜708离眼睛更远)或PBP透镜708之后(例如，比PBP透镜708离眼睛更近)。在任一配置中，圆偏振器1304阻挡光的正交偏振(例如，非优选偏振的光穿过PBP透镜708，与优选偏振的光相反地聚焦，然后在到达眼睛之前被圆偏振器1304阻挡)。在一些实施例中，圆偏振器1304被放置在PBP透镜708之后，因为一些显示器发射线偏振光。在最坏的情况下，如果圆偏振器的线性偏振器被定向成与显示器的偏振方向正交，并且圆偏振器1304位于显示器和PBP透镜708之间，则显示器发出的光可能被圆偏振器完全阻挡。此外，通过在PBP透镜708之后具有圆偏振器1304，则在第二透镜堆叠608-2中不使用四分之一波片来补偿圆偏振器1304的延迟。来自现实世界的光穿过第二透镜堆叠608-2的PBP透镜，并被第一透镜堆叠608-1的PBP透镜708反转。圆偏振器1304吸收该波段50％的光。
在一些实施例中，多个(例如三个)窄带线性偏振器与一个四分之一波片一起使用。因此，圆偏振器1304可以包括三个线性偏振器(例如，一个红色、一个绿色和一个蓝色)和仅一个四分之一波片。一些实施例仅使用一个四分之一波片，因为宽带消色差四分之一波片是共用的。
图14示出了使用透镜系统的过程1400的流程图的实施例。过程1400从步骤1404开始，从源(例如，源410)发射光。在步骤1408，使用耦合元件(例如，耦合元件350)将来自光源的光耦合到波导(例如，波导604)中。光通过波导被引导到去耦元件(例如，去耦元件365)。在步骤1412，去耦元件用于将光耦合出波导并朝向用户的眼睛(例如，眼睛220)。在步骤1416中，光透射通过第一透镜(例如，波片704)以产生圆偏振光。第一透镜由光学各向异性材料制成；第一透镜不包括偏振器；并且第一透镜位于去耦元件和用户的眼睛之间。在步骤1418中，光透射通过第二透镜，其中第二透镜被配置为专门接收圆偏振光(例如，它是PBP透镜)。第二透镜在光学上位于第一透镜和用户的眼睛之间；并且光从去耦元件传输到第二透镜，而不穿过偏振器。
图15示出了用于产生具有各向异性材料的透镜(例如波片704)的过程1500的流程图的实施例，该各向异性材料具有空间变化的双折射。过程1500从步骤1504开始，从源(例如，源410)发射光。在步骤1508，使用耦合元件(例如，耦合元件350)将来自光源的光耦合到波导(例如，波导604)中。光通过波导被引导到去耦元件(例如，去耦元件365)。在步骤1512，去耦元件用于将光耦合出波导。在步骤1516，分析耦合出波导的光的偏振。在步骤1518中，基于对耦合出波导的光的偏振的分析，透镜(例如，波片704)被设计成具有位置可变的双折射。在一些实施例中，通过将光分成多个区域(例如，象限)并确定每个区域中的光的偏振(例如，如结合图11所讨论的)，来分析耦合出波导的光的偏振。
来自光源(例如，来自光源组件310和/或源410)的光可以通过一个或更多个耦合元件(例如，耦合元件350)耦合到一个或更多个波导604中。来自光源的光可以被偏振(例如，作为偏振光发射或者在耦合元件350之前被偏振)。光可以是线偏振的或椭圆偏振的。在一些实施例中，来自光源的光在耦合到波导604之前没有被偏振。在一些实施例中，使用三个波导604；一个用于红光，一个用于绿光，并且一个用于蓝光。来自波导604的光通过去耦元件365耦合出波导604。去耦元件可以包括光栅。
在一些实施例中，光栅被配置为将光耦合出波导604，使得光在空间上被均匀偏振(例如，如结合图9所讨论的线性偏振或椭圆偏振)。波片被设计成将来自波导的均匀偏振光变为圆偏振光(例如，如结合图10所讨论的)。圆偏振光穿过PBP透镜，并在到达近眼显示器100的用户的眼睛220之前被PBP透镜聚焦。
在一些实施例中，光以确定性和空间变化的偏振耦合出波导604(例如，如结合图11所讨论的)。光的偏振不均匀。波片被设计成匹配从一个或更多个波导604射出的光的非均匀偏振，以将光变为圆偏振光(例如，如结合图12所述)。圆偏振光穿过PBP透镜，并在到达近眼显示器100的用户的眼睛220之前被PBP透镜聚焦。
在一些实施例中，使用一个或更多个圆偏振器来圆偏振窄带中的光(例如，30nm带；如结合图13所讨论的)。窄带对应于光源的源(例如发光二极管)的发射带。圆偏振光穿过PBP透镜，并在到达近眼显示器100的用户的眼睛220之前被PBP透镜聚焦。
本发明的实施例可以包括人工现实系统或结合人工现实系统来被实现。人工现实是一种在呈现给用户之前已经以某种方式进行了调整的现实形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(mixed reality，MR)、混杂现实(hybrid reality)或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或者与所捕获的(例如，现实世界)内容组合的所生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈、或其某种组合，且其中任何一个都可以在单个通道中或在多个通道中被呈现(例如向观众产生三维效果的立体视频)。此外，在一些实施例中，人工现实还可以与应用、产品、附件、服务或其某种组合相关联，这些应用、产品、附件、服务或其某种组合用于例如在人工现实中创建内容和/或在人工现实中以其他方式被使用(例如在人工现实中执行活动)。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。
本公开的实施例的前述描述为了说明的目的被提出；它并不意图为无遗漏的或将本公开限制到所公开的精确形式。相关领域中的技术人员可以认识到，按照上面的公开，许多修改和变化是可能的。
本描述的一些部分从对信息的操作的算法和符号表示方面描述了本公开的实施例。数据处理领域的技术人员通常使用这些算法描述和表示来向本领域的其他技术人员有效地传达他们工作的实质。这些操作虽然在功能上、计算上或逻辑上进行了描述，但应理解为将由计算机程序或等效电路、微代码等来实现。此外，将操作的这些布置称为模块有时候也被证明是方便的而不失一般性。所描述的操作和它们的相关模块可以体现在软件、固件和/或硬件中。
可以利用一个或更多个硬件或软件模块单独地或与其他设备组合地来执行或实现所描述的步骤、操作或过程。在一些实施例中，利用包括包含计算机程序代码的计算机可读介质的计算机程序产品来实现软件模块，计算机程序代码可以由计算机处理器执行，用于执行所描述的任何或全部步骤、操作或过程。
本公开的示例也可以涉及用于执行所描述操作的装置。该装置可以被特别构造成用于所需的目的，和/或它可以包括由存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置的通用计算设备。这种计算机程序可以存储在非暂时性的、有形的计算机可读存储介质中，或者任何类型的适于存储电子指令的介质中，其可以耦合到计算机系统总线。此外，说明书中提到的任何计算系统可以包括单个处理器，或者可以是采用多处理器设计来提高计算能力的架构。
本公开的实施例也可以涉及由本文所述的计算过程产生的产品。这样的产品可以包括由计算过程产生的信息，其中信息被存储在非暂时性的、有形的计算机可读存储介质上且可以包括计算机程序产品或本文所述的其他数据组合的任何实施例。
在说明书中使用的语言主要出于可读性和指导的目的而被选择，并且它可以不被选择来描绘或限制创造性主题。因此，意图是本公开的范围不由该详细描述限制，而是由在基于其的申请上发布的任何权利要求限制。因此，实施例的公开旨在对本公开的范围是说明性的，而不是限制性的，在所附权利要求中阐述了本公开的范围。

Claims (20)

1.一种系统，包括：
光源；
波导；
耦合元件，其中所述耦合元件被配置成将来自所述光源的光耦合到所述波导中；
去耦元件，其中所述去耦元件被配置为将光耦合出所述波导，使得从所述波导去耦出的光具有均匀偏振；
波片，其中所述波片被配置成将具有均匀偏振的光转换成圆偏振光；和
几何相位透镜，其被配置为聚焦圆偏振，其中所述波片位于所述去耦元件和所述几何相位透镜之间。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述均匀偏振是椭圆偏振。
3.根据权利要求1所述的系统，其中光在进入所述波导之前被偏振。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述几何相位透镜是Pancharatnam Berry相位(PBP)液晶透镜。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述波片具有各向异性材料，所述各向异性材料在整个所述波片上具有均匀的双折射。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统包括位于所述光源和所述耦合元件之间的线性偏振器。
7.根据权利要求1所述的系统，还包括框架，其中：
所述框架是用户佩戴的眼镜的一部分；和
所述波导、所述波片和所述几何相位透镜固定在所述框架中。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述波片和所述几何相位透镜结合在一起作为透镜堆叠的一部分。
9.根据权利要求8所述的系统，其中：
所述透镜堆叠是第一透镜堆叠；
所述系统还包括第二透镜堆叠；
所述第二透镜堆叠包括几何相位透镜；和
所述波导位于所述第一透镜堆叠和所述第二透镜堆叠之间。
10.一种系统，包括：
光源；
波导；
耦合元件，其中所述耦合元件被配置成将来自所述光源的光耦合到所述波导中；
去耦元件，其中：
所述去耦元件将光耦合出所述波导；和
耦合出所述波导的光具有空间变化的偏振；
波片，其中所述波片具有空间变化的快轴，所述快轴被配置成将具有空间变化的偏振的光转换成圆偏振光；和
几何相位透镜，其被配置为聚焦圆偏振，其中所述波片位于所述去耦元件和所述几何相位透镜之间。
11.根据权利要求10所述的系统，其中：
所述波片被分成多个区域；
所述多个区域包括第一区域和第二区域；和
所述波片包括光学各向异性材料，所述材料具有取向变化的快轴，使得：
所述第一区域中的所述快轴的取向处于第一角度；
所述第二区域中的所述快轴的取向处于第二角度；和
所述第一角度不等于所述第二角度。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述多个区域产生组合光的低于阈值的残余散焦。
13.根据权利要求11所述的系统，所述多个区域的数量等于或大于25以及等于或小于225。
14.根据权利要求10所述的系统，还包括位于所述光源和所述耦合元件之间的线性偏振器。
15.根据权利要求10所述的系统，还包括框架，其中：
所述框架是用户佩戴的眼镜的一部分；和
所述波导、所述波片和所述几何相位透镜固定在所述框架中。
16.一种系统，包括：
光源；
波导；
耦合元件，其中所述耦合元件被配置成将来自所述光源的光耦合到所述波导中；
去耦元件，其中所述去耦元件被配置为将光耦合出所述波导；
几何相位透镜，其被配置为聚焦圆偏振光；和
圆偏振器，其包括：
具有偏振带宽的线性偏振器，其中：
所述偏振带宽等于或大于5nm且等于或小于50nm；和
所述线性偏振器具有透射轴；和
波片，其中所述线性偏振器和所述波片的组合被配置为使一个旋向性的圆偏振光通过，并阻挡第二旋向性的圆偏振光。
17.根据权利要求16所述的系统，其中：
所述线性偏振器是第一线性偏振器；
所述偏振带宽是第一偏振带宽；
所述系统还包括第二线性偏振器；
所述第二线性偏振器具有第二偏振带宽，其中：
所述第二偏振带宽等于或大于5nm且等于或小于50nm；和
所述第二偏振带宽不同于所述第一偏振带宽。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述第一线性偏振器被配置成偏振红光，并且所述第二线性偏振器被配置成偏振蓝光。
19.根据权利要求17所述的系统，其中：
所述系统还包括第三线性偏振器；和
所述第一线性偏振器、所述第二线性偏振器和所述第三线性偏振器是所述圆偏振器的一部分。
20.根据权利要求16所述的系统，其中所述几何相位透镜位于所述去耦元件和所述圆偏振器之间。
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