CN113168010A - 光学系统中的用于大光瞳接受角的偏振敏感部件 - Google Patents

Abstract

一种近眼显示器(NED)包括被配置为输出图像光的电子显示器。此外，该NED包括眼睛跟踪模块和多个光学元件，它们被组合以形成允许NED的用户的一只或两只眼睛的定位发生变化的光学系统。可以具有可切换的光学状态的各种类型的这样的光学元件，可以用于将光束朝向用户的眼睛转向。转向的方向可以基于由眼睛跟踪模块测量的眼睛跟踪信息。

Description

光学系统中的用于大光瞳接受角的偏振敏感部件

背景

各种实施例的领域

本公开的实施例总体上涉及近眼显示器，且更具体地说，涉及使用偏振敏感部件和眼睛跟踪模块的光学系统，以允许光学系统将图像光束转向到近眼显示器的用户的眼睛。

相关技术的描述

近眼显示器(NED)作为向用户提供虚拟现实、增强现实和混合现实内容的装置，近年来越来越受欢迎。紧凑和重量轻的近眼显示器有望导致近眼显示器的更广泛的采用。

概述

因此，需要紧凑且重量轻的近眼显示器。本申请中公开的光学系统和方法能够实现紧凑且重量轻的近眼显示器。

根据本发明的第一方面，提供了一种光学系统，包括：眼睛跟踪模块，其被配置为确定眼睛定位信息；控制模块，其被配置为基于眼睛定位信息来确定转向光的第一方向；以及第一光学模块，其包括可切换偏振敏感元件，该可切换偏振敏感元件被配置为将入射在第一光学模块上的光引导到第一方向。

优选地，第一光学模块包括多个光栅层；并且被包括在多个光栅层中的每个光栅层被配置成被单独地打开或关闭，使得通过使多个光栅层中的一个或更多个光栅层打开或关闭，入射到第一光学模块上的光被引导到第一方向。

方便地，多个光栅层中的每个光栅层被配置成以不同于多个光栅层中的其他光栅层的转向角的角度来使入射到该光栅层上的光转向。

优选地，光学系统控制模块还被配置为向第一光学模块发送电子信号，使得第一光学模块扫描多个方向，以引导入射到第一光学模块上的光。

方便地，光学系统还包括被配置成产生入射到第一光学模块上的光的图像源。

优选地，光学系统还包括观察光学系统，该观察光学系统被配置为将来自图像源的光朝向第一光学模块反射。

方便地，第一光学模块包括一个或更多个电子可切换液晶(LC)单元，其被配置为选择性地提供半波相位延迟，用于修改入射在第一光学模块上的光的偏振。

优选地，第一方向对应于光学系统的用户的眼睛的瞳孔的位置。

方便地，第一光学模块包括多个液晶层，并且至少一个液晶层对入射到第一光学模块上穿过该液晶层的区域的光施加相移。

优选地，光学系统还包括第二光学模块，该第二光学模块具有基本上垂直于第一光学模块的转向轴的转向轴，其中，控制模块还被配置为确定使入射在第二光学模块上的光转向的第二方向。

方便地，第一光学模块包括Pancharatnam-Berry相位(PBP)光栅。

优选地，PBP光栅是可切换光栅，或者PBP光栅是无源光栅，并且第一光学模块包括与该无源PBP光栅光学耦合的可切换半波片。

方便地，第一光学模块包括多个光栅层，被包括在多个光栅层中的每个光栅层包括PBP光栅，该PBP光栅被配置为具有预定义的转向角，该转向角不同于被包括在两个或更多个光栅层中的任何其他PBP光栅的转向角。

优选地，第一光学模块包括可切换布拉格光栅(switchable Bragg grating，SBG)。

方便地，第一光学模块包括多个光栅层，被包括在多个光栅层中的每个光栅层包括SBG，该SBG被配置为具有预定义的转向角，该转向角不同于被包括在两个或更多个光栅层中的任何其他SBG的转向角。

优选地，SBG包括透射模式SBG。

方便地，SBG包括反射模式SBG。

根据本发明的另一方面，提供了一种近眼显示设备，包括：图像源，其被配置为产生图像光；眼睛跟踪模块，其被配置为确定眼睛定位信息；以及包括可切换偏振敏感元件的光学模块，该可切换偏振敏感元件被配置为将图像光引导到与眼睛定位信息相关联的第一方向。

优选地，光学模块包括多个光栅层；并且被包括在所述多个光栅层中的每个光栅层被配置成被单独地打开或关闭，从而使被包括在所述多个光栅层中的一个或更多个光栅层打开或关闭，将入射到光学模块上的光引导到第一方向。

根据本发明的另一个方面，提供了一种方法，包括：确定与要向其呈现图像的眼睛相关联的眼睛定位；至少部分地基于眼睛定位，确定用于将与该图像相关联的图像光朝向眼睛引导的转向方向；以及将对应于转向方向的电子信号传输到光学模块，该光学模块被配置为将图像光引导到转向方向。

根据一些实施例，一种光学系统包括：被配置为确定眼睛定位信息的眼睛跟踪模块；控制模块，其被配置为基于眼睛定位信息来确定转向光的第一方向；以及第一光学模块，其包括偏振敏感元件，该偏振敏感元件被配置为将入射在第一光学模块上的光引导到第一方向。

根据一些实施例，一种近眼显示设备包括：被配置成产生图像光的图像源；眼睛跟踪模块，其被配置为确定眼睛定位信息；以及光学模块，其被配置为将图像光引导到与眼睛定位信息相关联的第一方向。

根据一些实施例，一种方法包括：确定与要向其呈现图像的眼睛相关联的眼睛定位；至少部分地基于眼睛定位，确定用于将与该图像相关联的图像光朝向眼睛引导的转向方向；以及将对应于转向方向的电子信号传输到光学模块，该光学模块被配置为将图像光引导到转向方向。

根据一些实施例，一种光学系统包括：第一光学模块，该第一光学模块被配置为将入射到第一光学模块上的真实世界光引导到至少部分基于眼睛定位信息而确定的第一方向；第二光学模块，该第二光学模块被配置为将入射在第二模块上的图像光引导到至少部分基于眼睛定位信息而确定的第二方向；以及光学模块，该光学模块设置在第一光学模块和第二光学模块之间，并且被配置为将入射在光学模块上的真实世界光朝向第二光学模块透射，并且将图像光朝向第二光学模块引导。

根据一些实施例，一种近眼显示设备包括：被配置成产生图像光的图像源；眼睛跟踪模块，其被配置为确定眼睛定位信息；以及第一光学模块，其被配置为将入射在第一光学模块上的真实世界光引导到至少部分基于眼睛定位信息而确定的第一方向；以及第二光学模块，其被配置为将入射在第二模块上的图像光引导到至少部分基于眼睛定位信息而确定的第二方向。

根据一些实施例，一种光学系统包括：被配置为确定眼睛定位信息的眼睛跟踪模块；第一光学模块，其被配置为将入射在第一光学模块上的真实世界光引导到至少部分基于眼睛定位信息而确定的第一方向；以及第二光学模块，其被配置为将入射在第二模块上的图像光引导到至少部分基于眼睛定位信息而确定的第二方向。

根据一些实施例，一种光学系统包括：被配置为确定眼睛定位信息的眼睛跟踪模块；控制模块，其被配置为基于眼睛定位信息来确定转向光的第一方向；以及包括偏振体光栅(polarization volume grating)的光学模块，该偏振体光栅被配置为将具有第一偏振的光的至少第一部分引导到第一方向。

根据一些实施例，一种方法包括：确定与要向其呈现图像的眼睛相关联的眼睛定位；至少部分地基于眼睛定位，确定用于将与该图像相关联的图像光朝向眼睛引导的转向方向；以及在第一时间，将对应于转向方向的第一电子信号传输到偏振体光栅，该偏振体光栅被配置为将图像光引导到转向方向。

根据一些实施例，一种光学系统包括：被配置为确定眼睛定位信息的眼睛跟踪模块；控制模块，其被配置为基于眼睛定位信息来确定转向光的第一方向；以及光学模块，其包括光学相控阵列，该光学相控阵列被配置为将入射到光学相控阵列上的光引导到第一方向。

根据一些实施例，一种方法包括：确定与要向其呈现图像的眼睛相关联的眼睛定位；至少部分地基于眼睛定位，确定用于将与该图像相关联的图像光朝向眼睛引导的转向方向；以及在第一时间，将对应于转向方向的第一电子信号传输到光学相控阵列，该光学相控阵列被配置为将图像光引导到转向方向。

根据一些实施例，一种近眼显示设备包括本文描述的任何光学系统。

附图简述

为了能够详细理解各种实施例的上述特征的方式，可以参考各种实施例对上面简要概括的所公开的概念进行更具体的描述，其中一些实施例在附图中示出。然而，要注意的是，附图仅示出了所公开的概念的典型实施例，因此不应被认为是以任何方式限制范围，并且存在其他同等有效的实施例。

图1A是根据一些实施例的近眼显示器(NED)的图。

图1B是图1A所示的NED的实施例的前刚性主体的横截面。

图2是根据一些实施例的实现为近眼显示器的头戴式显示器(HMD)的图。

图3是根据一些实施例的实现为近眼显示器的图2的HMD的横截面视图。

图4示出了根据一些实施例的具有大光瞳尺寸视网膜投影的光学系统。

图5是根据一些实施例的光学系统的框图，该光学系统具有响应于眼睛跟踪信息可切换的光学参数。

图6示出了根据一些实施例的Pancharatnam Berry相位(PBP)液晶光栅的示例。

图7示出了根据一些实施例的示例有源PBP元件。

图8A示出了根据一些实施例的示例可切换布拉格光栅。

图8B示出了根据一些实施例的穿过可切换布拉格光栅的示例光路。

图9示出了根据一些实施例的穿过偏振体光栅的示例光路。

图10示出了根据一些实施例的穿过无源PBP光栅的示例光路。

图11示出了根据一些实施例的穿过有源PBP光栅的示例光路。

图12示出了包括颜色选择性滤光器的PBP光栅模块。

图13A示出了根据一些实施例的可变相位光学相控阵列光栅的电极。

图13B示出了根据一些实施例的可变栅距光学相控阵列光栅的电极。

图14A-14B和图15A-15B示出了根据一些实施例的可切换PBP元件的堆叠对各种光束的影响。

图16A-16C示出了根据一些实施例的光学相控阵列(OPA)元件的堆叠对各种光束的影响。

图17A是示出根据一些实施例的包括用于虚拟现实操作的偏振敏感元件的光学系统的一部分的图。

图17B是示出根据一些实施例的包括用于虚拟现实操作的偏振敏感元件的光学系统的一部分的图。

图18是示出根据一些实施例的示例光学系统的一部分的图，该示例光学系统包括用于增强现实操作的偏振敏感元件。

图19是示出根据一些实施例的光学系统的一部分的图，该光学系统包括用于增强现实操作的偏振敏感元件和波导。

图20是示出根据一些实施例的包括用于增强现实操作的偏振敏感元件的另一光学系统的一部分的图。

图21是示出根据一些实施例的示例光学系统的一部分的图，该示例光学系统包括用于混合现实操作的偏振敏感元件。

图22是根据一些实施例的控制台在其中操作的NED系统的框图。

详细描述

在以下描述中，阐述了许多具体细节，以提供对各种实施例的更彻底的理解。然而，对于本领域技术人员来说，显然可以在没有一个或更多个这些具体细节的情况下实践所公开的概念。

配置概述

本文公开的一个或更多个实施例涉及包括被配置为输出图像光的电子显示器的近眼显示器(NED)。此外，所述NED包括眼睛跟踪模块和一个或更多个光学模块，它们被组合以形成光学系统，所述光学系统允许根据NED的用户的一只或两只眼睛的定位变化来引导图像光。可以具有可切换的光学状态的各种类型的这样的光学模块可以用于将光束朝向用户的眼睛转向。转向的方向可以基于由眼睛跟踪模块确定的眼睛定位信息。这种系统允许在不移动部件的情况下进行光瞳转向(pupil steering)。

在各种示例中，光学模块包括被配置为使图像光转向的一个或更多个偏振敏感元件。近眼显示器还可以包括控制模块，该控制模块被配置为基于用于使入射到偏振敏感光栅模块上的光转向的期望角度来选择性地控制偏振敏感元件的子集。在一些示例中，眼睛跟踪模块可以生成对应于该期望角度的眼睛凝视角度(的值)。

在各种示例中，光学模块包括一个或更多个偏振敏感光栅，其可被控制以引导图像光。在一些例子中，偏振敏感光栅是使用液晶(LC)元件创建的。在一些配置中，偏振敏感元件可以包括超材料，该超材料具有被配置为改变显示光的几何相位的元结构(meta-structure)。

在不同的例子中，一个或更多个偏振敏感元件选自由偏振体光栅(PVG)、可切换布拉格光栅(SBG)、Pancharatnam Berry相位(PBP)元件、光学相控阵列(OPA)或其任何组合组成的组。

在一些实施例中，多个偏振敏感元件(每个偏振敏感元件与不同的颜色通道相关联)一起形成偏振敏感结构(例如，偏振敏感堆叠)，例如光栅结构或透镜结构。对于包括一个或更多个PBP元件的光学模块，被包括在偏振敏感结构中的每个PBP元件可以被配置为对于相应的颜色通道作为半波片工作，而对于其他颜色通道作为全波片工作(例如，不引入相位变化)。对于PBP光栅结构，光栅结构中包括的每个PBP元件被配置成使得相应颜色通道内的光被衍射到公共角度。对于PBP透镜结构，透镜结构中包括的每个PBP透镜被配置成使得相应颜色通道内的光被聚焦到一个点，该点对于所有颜色通道是公共的。经颜色校正的透镜可以用在例如头戴式显示器的光学元件中。经颜色校正的透镜可能有助于处理人工现实环境中的视觉辐辏调节冲突(vergence-accommodation conflict)。

为了便于讨论，以下描述涉及三个颜色通道，每个通道具有代表性(例如，中心)波长。然而，颜色通道可以包括连续的波长光谱。为了简化本文的描述，省略了对连续光谱的描述，而是考虑在相关联的颜色通道内的代表性波长。例如，红色通道可以用630纳米的波长表示，绿色通道可以用530纳米的波长表示，蓝色通道可以用490纳米的波长表示，但是本公开和权利要求的范围不限于此。

在一些实施例中，光学系统包括一个或更多个光学元件(例如，一个或更多个光学模块)、被配置为向一个或更多个光学元件提供电子信号的控制模块、以及向控制模块提供眼睛定位信息的眼睛跟踪模块。该光学系统可以在头戴式显示器(HMD)和/或NED中实现，用于重新定位光学系统的出射光瞳的位置。

本公开的实施例可以包括人工现实系统或结合人工现实系统来被实现。人工现实是在呈现给用户之前已经以某种方式进行了调整的一种现实形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)系统、增强现实(AR)系统、混合现实(MR)系统、混杂现实(hybrid reality)系统或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括但不限于完全生成的内容或生成的与捕获的(例如，真实世界)内容相结合的内容。人工现实内容可以包括但不限于视频、音频、触觉反馈或它们的某种组合。人工现实内容可以在单个通道或多个通道中呈现(例如向观看者产生三维效果的立体视频)。此外，在一些实施例中，人工现实系统还可以与应用、产品、附件、服务或它们的某种组合相关联，这些应用、产品、附件、服务或它们的某种组合被用于例如在人工现实系统中创建内容和/或在人工现实系统中以其他方式被使用(例如，在人工现实系统中执行活动)。人工现实系统可以在各种平台上实现，包括耦合到主计算机系统的头戴式显示器(HMD)、独立的HMD、移动设备或计算系统、或者能够向一个或更多个观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台。

系统概述

图1A是根据一些实施例的近眼显示器(NED)100的图。NED 100包括前刚性主体105和带110。前刚性主体105包括电子显示器(未示出)的一个或更多个电子显示元件、惯性测量单元(IMU)115、一个或更多个位置传感器120和定位器125。在图1A所示的实施例中，位置传感器120位于IMU 115内，并且IMU 115和位置传感器120对用户都不可见。下面参照图22详细讨论了IMU 115、位置传感器120和定位器125。在各种实施例中，在NED 100充当AR或MR设备的情况下，NED 100的部分和/或其内部部件是至少部分透明的。

图1B是图1所示的NED 100的实施例的前刚性主体105的横截面160。前刚性主体105包括电子显示器130和光学块135，它们一起向出射光瞳145提供图像光。出射光瞳145是前刚性主体105中用户的眼睛140可以位于的位置。出于说明的目的，图1B示出了与单只眼睛140相关联的横截面160，但是与光学块135分离的另一个光学块可以向用户的另一只眼睛提供改变的图像光。此外，NED 100包括眼睛跟踪系统128。眼睛跟踪系统128可以包括照射用户的一只或两只眼睛的一个或更多个光源，并且可以包括捕获用户的一只或两只眼睛的图像以跟踪眼睛定位的一个或更多个相机。眼睛跟踪系统128可以位于NED 100中的任意数量的位置，并且所要求保护的主题在此方面不被限制。

电子显示器130向用户显示图像。在一些实施例中，电子显示器130包括像素化光阀(例如，诸如液晶显示器(LCD)的电子显示器)。像素化光阀可以由可以产生至少部分相干的光的光源照射。在一些示例中，该系统可以被配置为对于可见光谱的不同部分(例如，红色、绿色和蓝色通道)以多个(例如，三个)颜色通道操作。在一些实现中，电子显示器可以被配置成发射包括多个颜色通道的图像光。在其他实现中，该系统可以包括用于各个颜色通道的电子显示器。在各种实施例中，电子显示器130可以包括单个电子显示器或多个电子显示器(例如，用户的每只眼睛对应一个显示器)。电子显示器130的示例包括：液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)显示器、有源矩阵有机发光二极管显示器(AMOLED)、QOLED、QLED、某种其它的显示器或它们的某种组合。

光学块135调节从电子显示器130发射的图像光的方向，使得电子显示器130出现在离用户特定虚像距离处。光学块135被配置成接收从电子显示器130发射的图像光，并将图像光引导至与出射光瞳145相关联的视窗(eye-box)。被引导到视窗的图像光在眼睛140的视网膜上形成图像。视窗是定义眼睛140向上/向下/向左/向右移动多少而不会显著降低图像质量的区域。在图1B的图示中，视场(FOV)150是眼睛140在任何给定时刻看到的可观察世界的范围。

另外，在一些实施例中，光学块135放大接收到的光，校正与图像光相关联的光学误差，并将校正后的图像光呈现给眼睛140。光学块135可以包括光学系列中的一个或更多个光学元件155。光学元件155可以是光圈、菲涅耳透镜(Fresnel lens)、凸透镜、凹透镜、滤光器、波导、PBP元件、颜色选择性滤光器、波片、C-板(C-plate)、各种类型的偏振器或影响图像光的任何其他合适的光学元件155。此外，光学块135可以包括不同光学元件的组合。在一些实施例中，光学块135中的一个或更多个光学元件可以具有一个或更多个涂层，例如抗反射涂层。光学块135可以包括结合图4-22详细讨论的部件。

图2是根据一些实施例的实现为近眼显示器的NED 162的图。在该实施例中，NED162是一副增强现实眼镜的形式。NED 162向用户呈现计算机生成的媒体，并利用计算机生成的媒体来增强物理的、真实世界的环境的视图。由NED 162呈现的计算机生成的媒体的示例包括一个或更多个图像、视频、音频或它们的某种组合。在一些实施例中，音频经由外部设备(例如，扬声器和头戴式耳机(headphone))呈现，该外部设备从NED 162、控制台(未示出)或两者接收音频信息，并基于音频信息呈现音频数据。在一些实施例中，NED 162可以被修改为也作为虚拟现实(VR)HMD、混合现实(MR)HMD或它们的某种组合来操作。NED 162包括框架175和显示器164。在该实施例中，框架175将近眼显示器安放到用户的头部，而显示器164向用户提供图像光。显示器164可以定制成各种形状和尺寸，以符合不同风格的眼镜框架。

图3是根据一些实施例的实现为近眼显示器的NED 162的横截面视图。该视图包括框架175、显示器164(其包括显示组件180和显示块185)和眼睛170。显示组件180向眼睛170提供图像光。显示组件180容纳显示块185，在不同的实施例中，显示块185包括不同类型的成像光学器件和重定向结构。出于说明的目的，图3示出了与单个显示块185和单只眼睛170相关联的横截面，但是在未示出的替代实施例中，与图3所示的显示块185分离的另一个显示块向用户的另一只眼睛提供图像光。

显示块185被配置成将来自局部区域的光与来自计算机生成的图像的光相结合，以形成增强的场景。显示块185还被配置为向视窗165提供该增强的场景，视窗165对应于用户的眼睛170的位置。显示块185可以包括例如波导显示器、聚焦组件、补偿组件或它们的某种组合。如下所述，偏振敏感结构可以放置在显示块185的一侧或两侧，以影响光学系统的各种参数(例如，焦距、光焦度、图像质量等)。

NED 162可以在显示块185和眼睛170之间包括一个或更多个其他光学元件。这些光学元件可以用于例如，校正从显示块185发射的图像光中的像差，放大从显示块185发射的图像光，对从显示块185发射的图像光进行某种其他光学调整，或者它们的某种组合。示例光学元件可以包括光圈、菲涅耳透镜、凸透镜、凹透镜、滤光器或影响图像光的任何其他合适的光学元件。显示块185可以包括一种或更多种材料(例如，塑料、玻璃等)，其具有一个或更多个折射率，有效地最小化重量并扩大NED 162的视场。在一些实施例中，显示块185的一个或更多个部件被实现为具有偏振敏感层的堆叠的结构，这将在下面更详细地描述。

用于光瞳转向的可切换光学模块

图4示出了根据一些实施例的具有大光瞳尺寸视网膜投影的光学系统500。

光学系统(例如，光瞳投影光学系统)包括电子显示器502和一个或更多个光学元件504，它们被配置成将图像直接投射到眼睛506的视网膜上。光学系统通常具有小的出射光瞳，这允许大的视场和扩大的焦距范围。由于系统的集光率(etendue)有限，光学系统可以使用紧凑的光学器件。此外，光学系统可以使用具有小集光率的光学部件，例如激光扫描设备。然而，由于出射光瞳小，当眼睛506的瞳孔508位于适当位置(例如，在轴上)时，光学系统可以成功地将图像投射到眼睛506的视网膜上，但是当眼睛506的瞳孔508不在适当位置时(例如，由于眼睛506的旋转或头部的移动)，投射的图像被阻挡(例如，被巩膜阻挡)。因此，在本文描述的一些实施例中，光学系统包括用于使图像转向的光学模块510。

图5是根据一些实施例的光学系统500的框图。例如，光学系统500可以结合在下面描述的多个实施例中。除了光学模块510之外，光学系统500还包括电子控制模块520和眼睛跟踪模块530(与图1所示的128类似或相同)。光学模块510具有可切换的光学参数，光学参数的切换导致光的转向。电子控制模块520被配置成响应于眼睛跟踪模块530的眼睛跟踪来切换光学模块510的光学参数。例如，眼睛跟踪模块530可以被配置成测量例如NED的用户的一只或两只眼睛的取向(orientation)、定位(position)和/或位置(location)。这些测量值可以作为眼睛定位信息提供给控制模块520。反过来，控制模块520可以被配置为向光学模块510提供电子信号，以选择性地控制入射到偏振敏感光学元件540上的图像光的转向方向(以及其他)。

光学模块510包括偏振敏感光学元件540，仅举几个例子，例如一个或更多个可切换布拉格光栅(SBG)、PBP光学元件(例如PBP光栅)、偏振体光栅(PVG)和光学相控阵列(OPA)、各种类型的波片和偏振器。

图6-13B示出了不同类型的偏振敏感光学元件，例如，PBP光学元件(例如，PBP光栅)、可切换布拉格光栅(SBG)、偏振体光栅(PVG)、有源和无源Pancharatnam Berry相位(PBP)元件、可变栅距LC光栅(例如，光学相控阵列(OPA))。入射到偏振敏感元件上的光可以以特定于偏振敏感元件的类型和光的特性(仅举几个例子，例如光的偏振类型、波长和入射角)的方式进行修改。图17A-21示出了涉及一个或更多个不同类型的偏振敏感元件的多个示例光学系统配置。这样的系统可以被包括在例如用于VR、AR或MR的近眼显示设备中。

图6示出了根据各种实施例的PBP光栅600。相互正交的x轴和y轴610被示出以供参考。未示出的z轴垂直于x-y平面，并且对应于光栅600的光轴。

在一些例子中，光栅600包括以线性重复图案取向的液晶620。在图6中，液晶(或元结构)被示为对齐的短线段，以便示意性地表示液晶的取向。例如，液晶620A在y方向上取向，而液晶620B在x方向上取向。620A和620B之间的液晶沿x方向和y方向中间的方向排列(例如，相对于x方向和y方向成倾斜的角度)。当光穿过液晶传播时，由于偏振演化，具有这种图案化取向的液晶引起光的几何相移。在各种实施例中，对于光栅600的特定x-y平面，液晶沿x轴的取向是恒定的。此外，尽管未示出，但是在各种实施例中，液晶在垂直于x-y平面的方向(z轴)上的取向可以以旋转方式变化(例如，扭曲结构)。

光栅600的线性重复图案具有栅距，该栅距是图案的重复部分之间沿x轴的距离630。栅距部分地决定了光栅600的光学特性。例如，沿着光轴入射到光栅600上的偏振光导致光栅输出包括分别对应于衍射级m＝+1、-1和0的初级光、共轭光和泄漏光。尽管m＝+1在本文被认为是初级，共轭级被认为是m＝-1级，但是级的指定可以颠倒或以其他方式改变。栅距决定了不同衍射级的光的角度(例如，光束转向角)。通常，对于给定波长的光，栅距越小，角度越大。

在一些实施例中，诸如PBP光栅600的PBP元件可以是有源的(也称为“有源元件”)或无源的(也称为“无源元件”)。

图7示出了根据一些实施例的示例有源PBP元件760。有源PBP元件760包括多个电极702-1和702-2，它们可以被实现为位于基板(例如，诸如玻璃基板的透明基板)704-1和704-2上的氧化铟锡(ITO)电极。液晶层706位于电极702-1和702-2之间。基板704-1和704-2中的至少一个包括具有预定表面图案(例如，图6所示的表面图案)的表面对齐层708。当没有电压施加到有源PBP元件时，表面对齐层708上的表面图案允许液晶以相同的图案自对齐。

有源PBP元件具有两种光学状态：“开”状态和“关”状态。在一些实施例中，有源PBP元件的状态由施加到有源PBP元件的电压的度量来确定。

这种“关”状态允许有源PBP元件提供衍射(例如，衍射光的强度比没有衍射的任何透射光的强度更强)。当施加高于预定阈值的电压时，液晶在沿着由施加的电压创建的电场的方向上排列，因此，液晶不再保持与表面图案对齐。这种“开”状态允许有源PBP元件透射光而不进行衍射(例如，透射光的强度比任何衍射光的强度更强)。

当有源PBP元件处于关状态时，从有源PBP元件输出的光具有与输入到有源PBP元件的光的旋向相反的旋向。相反，当有源PBP元件处于开状态时，从有源PBP元件输出的光与输入到有源PBP元件的光具有相同的旋向。

当PBP元件被实现为有源PBP光栅时，有源PBP光栅基于光的偏振有条件地衍射特定波长的光。例如，当没有电压(或低于阈值电压值的电压)被施加到有源PBP光栅(使得有源PBP光栅处于“关”状态)时，具有某个旋向的有源PBP光栅在第一方向(例如+1衍射级的方向)上衍射具有右旋圆偏振的入射光，并在第二方向(例如-1衍射级的方向)上衍射具有左旋圆偏振的入射光。如果PBP光栅被翻转(使得面内结构的旋向被反转)，则翻转的PBP光栅可以在第二方向(例如-1衍射级的方向)上衍射具有右旋圆偏振的入射光，并且在第一方向(例如+1衍射级的方向)上衍射具有左旋圆偏振的入射光。当大于阈值电压值的电压被施加到PBP光栅时，PBP光栅不引起光的衍射(而不管光的偏振如何)。

在一些实施例中，无源PBP元件具有以预定图案(例如，图6所示的图案)排列的液晶，而不管施加到该无源PBP元件上的电压如何。无源PBP元件可以作为处于“关”状态的相应有源PBP元件工作。例如，当无源PBP元件被实现为无源PBP光栅时，无源PBP光栅以与处于“关”状态的有源PBP光栅类似的方式工作。通常，无源PBP元件输出的光具有与输入到无源PBP元件的光相反的旋向。

图8A示出了根据一些实施例的示例可切换布拉格光栅(SBG)800。SBG 800包括多个电极802-1和802-2，它们可以被实现为位于透明基板(例如，玻璃基板)上的氧化铟锡(ITO)电极。在电极802-1和802-2之间是具有固定折射率的一个或更多个层804和具有可调折射率的一个或更多个层806(例如，一个或更多个液晶层)。当在电极802-1和802-2之间施加(高于阈值电压值的)电压时，一个或更多个层806中的液晶的折射率不同于液晶的折射率。当所述液晶的折射率不同于一个或更多个层804的折射率时，则具有不同折射率值的交替的层作为布拉格光栅工作。当所述液晶的折射率与一个或更多个层804的折射率匹配时，一个或更多个层804和一个或更多个层806不再作为布拉格光栅工作。

虽然图8A示出了一个或更多个层804和一个或更多个层806具有相同的厚度，但是在一些实施例中，一个或更多个层804的每个层具有第一厚度，并且一个或更多个层806的每个层具有不同于第一厚度的第二厚度。

替代地，SBG 800可以通过用两个干涉相干激光束在独立式单元(free-standingcell)或波导中固化单体和液晶的组合以使混合物聚合来形成。这导致固体聚合物和液晶液滴(droplets)的交替部分具有不同的折射率。通过调节两个干涉相干激光束的方向，可以选择衍射的方向。因为该方法允许在单个层中形成具有不同折射率值的多个区域，所以该配置可以仅用单个液晶层806来实现。

图8B示出了根据一些实施例的穿过SBG 800的光的示例光路。SBG可以被配置成至少部分地基于光的特性(例如光的偏振类型、波长和入射角)来修改穿过SBG的光。例如，SBG可以被配置为基于光的偏振来选择性地操作。当非偏振光入射到SBG 800上并透射穿过SBG800时，非偏振光可以被认为是S偏振光和P偏振光的组合。SBG 800可以被配置为(例如，通过对SBG 800不施加电场或施加低于阈值的电场)将P偏振光衍射到特定角度，而大部分S偏振光被透射而不被衍射。在这样的配置中，SBG800作为用于P偏振光的光栅工作，但是不作为用于S偏振光的光栅工作。在一些情况下，SBG 800被配置成(例如，通过向SBG 800施加高于阈值的电场)使得S偏振光和P偏振光都透射穿过SBG 800而不进行衍射。

图9示出了根据几个实施例的穿过各种偏振体光栅(PVG)的示例光路。仅举几个例子，PVG可以包括具有形成的对光轴调制的液晶，可以包括具有光配向(photo-alignment)材料的液晶聚合物，或者可以包括图案化的双折射纳米结构。PVG可以在反射模式和透射模式下工作，并且可以充当偏振选择性光栅。在一些实施例中，PVG可以包括可切换PVG的层的堆叠。如下文详细描述的，这种堆叠可以包括两个或更多个层。

在一些实施例中，PVG包括以螺旋图案排列的液晶分子。如本文所使用的，当液晶分子沿光传播方向以逆时针旋转图案排列时，PVG被称为左旋的(LH)，而当液晶分子沿光传播方向以顺时针旋转图案排列时，PVG被称为右旋的(RH)。然而，对于给定的光传播方向，LHPVG可以被翻转以作为RH PVG工作，RH PVG可以被翻转以作为LH PVG工作。因此，本文使用LH PVG和RH PVG的名称来描述PVG和输入光之间的相互作用，而不是描述不同类型的PVG。

LH PVG对光的操作方式不同于RH PVG。例如，当接收到具有右旋圆偏振的入射光时，RH PVG 910将接收到的光衍射到特定的角度，并将光的偏振改变为左旋圆偏振，并且当接收到具有左旋圆偏振的光时，RH PVG 910透射接收到的光的大部分而不衍射(例如，RHPVG 910，当接收到具有右旋圆偏振的入射光时，提供具有第一强度的衍射光和具有小于第一强度的第二强度的透射光，并且当接收到具有左旋圆偏振的入射光时，提供具有第三强度的透射光和具有小于第三强度的第四强度的衍射光)，而当接收到具有左旋圆偏振的入射光时，LH PVG 920将接收到的光衍射到特定的角度，并将光的偏振改变为右旋圆偏振，并且在接收到具有右旋圆偏振的入射光时，LH PVG 920透射接收到的光的大部分而不衍射(例如，LH PVG 920，当接收到具有左旋圆偏振的入射光时，提供具有第一强度的衍射光和具有小于第一强度的第二强度的透射光，并且当接收到具有右旋圆偏振的入射光时，提供具有第三强度的透射光和具有小于第三强度的第四强度的衍射光)。

在一些实施例中，如果光具有特定的偏振并且入射角大于阈值角度，则PVG(例如，910或920)可以被配置为重定向透射光。另一方面，如果光具有另一种特定的偏振或者入射角小于阈值角度，则PVG可以仅透射光而不重定向。在一些实施例中，由于这种对阈值角度(例如，大于约15度，尽管要求保护的主题在这个方面不受限制)的依赖性，光学系统可以涉及以相对大的偏置角度入射到PVG上的光。

在一些实施例中，PVG(例如，910或920)可以包括多个PVG层的堆叠，每个PVG层被配置为打开或关闭。因此，堆叠可以将光转向一角度，该角度至少部分地基于多个PVG层中的哪些被打开或关闭。例如，每个层可以单独提供离散量的转向。例如，为了产生将光束转向10度的光束转向堆叠，PVG层的特定组合可以被切换到关状态。这种组合可以是例如，被配置为将光束转向2度的第一层和被配置为将光束转向8度的第二层。这些层对转向的组合效果是将光束重定向10度。

图10示出了根据一些实施例的穿过无源PBP光栅(PG)的示例光路。

如本文所使用的，基于液晶分子在参考方向(例如，沿着图6所示的x方向)上的旋转方向，PG被称为左旋的(LH)或右旋的(RH)。但是，LH PG可以被翻转以作为RH PG工作，并且RH PG可以被翻转以作为LH PG工作。因此，本文使用LH PG或RH PG的名称来描述PG和输入光之间的相互作用，而不是描述不同类型的PG。

返回参考图10，LH PG对光的操作不同于RH PG。例如，当接收到具有右旋圆偏振的入射光时，RH PG 1010将接收到的光衍射到第一角度，并将光的偏振改变为左旋圆偏振，并且当接收到具有左旋圆偏振的入射光时，RH PG 1010将接收到的光衍射到第二角度，该第二角度具有与第一角度相同的幅度和与第一角度相反的符号。当接收到具有右旋圆偏振的入射光时，LH PG 1020将接收到的光衍射到第三角度，并将光的偏振改变为左旋圆偏振，并且当接收到具有右旋圆偏振的入射光时，LH PG 1020将接收到的光衍射到第四角度，该第四角度具有与第三角度相同的幅度和与第三角度相反的符号。

图11示出了根据一些实施例的穿过有源PBP光栅(PG)的示例光路。如上面参考图7所述，PG可以被配置为有源元件。在一些实施例中，当PG处于“关”状态时(使得液晶沿着预定表面图案排列)，有源PG像上面参考图10描述的无源PB一样工作。当PG处于“开”状态时(使得液晶不再沿着预定表面图案排列)，有源PG像窗口一样工作(例如，透射光的强度比衍射光(如果有的话)的强度更强)。替代地，有源PG可以被配置成(例如，通过使用偏置电压)使得当施加高于阈值电压值的某个电压时，液晶沿着预定表面图案排列，并且当没有施加电压时，液晶不再沿着预定表面图案排列。

图12示出了包括颜色选择性滤光器的示例PBP液晶光栅模块1200。光栅模块1200被配置成减少或消除光栅模块原本可能具有的问题，其中不同的波长被衍射到不同的方向。PBP光栅模块1200包括第一PBP光栅1210、第二PBP光栅1220和第三PBP光栅1230，每个都与不同的颜色通道(例如，红色、绿色和蓝色)相关联。PBP光栅模块1200还包括颜色选择性滤光器1235A和1235B。

颜色选择性滤光器是一种多层双折射膜，对于一个颜色通道，它表现为半波片，而对于其他颜色通道，它表现为全波片。通常，半波片反转偏振光的旋向(例如，右旋圆偏振光在透射穿过半波片时变成左旋圆偏振光，反之亦然)。全波片不会强加这样的变化。

在一些实施例中，第一PBP光栅1210、第二PBP光栅1220和第三PBP光栅1230被配置为将左旋圆偏振光衍射到+1级方向，并将右旋圆偏振光衍射到-1级方向。此外，当穿过PBP光栅时，圆偏振光的旋向进行切换(从右向左，反之亦然)。

在各种实施例中，在PBP光栅1210、1220和1230之间放置颜色选择性滤光器允许当相关联的光穿过相应的PBP光栅和颜色选择性滤光器时控制各个颜色通道的方向。例如，包括三个颜色通道(例如，红色、绿色和蓝色)的输入光1240透射穿过提供波长相关的衍射的第一PBP光栅1210。相应地，对于包括全部为左圆偏振的红色通道1265、绿色通道1270和蓝色通道1275的光1240，第一PBP光栅1210将红色通道衍射到第一方向，将绿色通道衍射到第二方向，并将蓝色通道衍射到第三方向(对于每个颜色通道都是在+1级方向上)。三个通道的旋向切换到右圆偏振。接下来，所有三个通道的光穿过颜色选择性滤光器1235A。在该示例中，颜色选择性滤光器1235A被配置为对于红色通道表现为半波片，对于绿色通道和蓝色通道表现为全波片。因此，颜色选择性滤光器1235A将红色通道的旋向从右圆偏振改变为左圆偏振，而绿色通道和蓝色通道的旋向保持不变(右圆偏振)。第二PBP光栅1220基于颜色通道各自的旋向衍射颜色通道。因此，第二PBP光栅1220将红色通道衍射到+1级方向，并将绿色和蓝色通道衍射到-1级方向。以这种方式，第一PBP光栅1210、第二PBP光栅1220、第三PBP光栅1230以及颜色选择性滤光器1235A和1235B可以提供衍射的组合，使得最终结果是所有颜色通道都被引导到相同的点1250(或相同的方向)。

图13A示出了根据一些实施例的可变相位光学相控阵列(OPA)光栅1300的电极。通常，可变相位OPA光栅包括两种或更多种类型的电极区域的图案，其中每种类型的各个区域彼此电互连(例如，使用例如由氧化铟锡(ITO)制成的电极)，但是与其他类型的各个区域电隔离。例如，可变相位OPA光栅1300包括电极1310的线性区域(例如，图案)，这些区域与电极1320的线性区域交替。在图13A中，每隔一个电极区域(例如，1310)是一种类型，而介于其间的电极区域(1320)是另一种类型。电极1310的所有线性区域彼此电互连，使得电极1310的所有线性区域同时被电气地打开或关闭，而不影响电极1320的线性区域的电状态。类似地，电极1320的所有线性区域彼此电互连，使得电极1320的所有线性区域同时被电气地打开或关闭，而不影响电极1310的线性区域的电状态。电极的这种线性区域的图案和间隔可以以多种方式配置，以允许图案液晶区域的各种相位，这可以导致各种衍射角。

向电极施加电势可以改变可变相位OPA光栅1300中液晶的取向，从而改变可变相位OPA光栅1300中液晶的折射率。在图13A所示的可变相位OPA光栅中，可以通过调节施加到电极1310和电极1320中的一个或更多个的电压来控制转向方向。

图13B示出了根据一些实施例的可变栅距光学相控阵列(OPA)光栅1390的电极。除了可变栅距OPA光栅1390包括多于两组的电极(或单独可选的电极)外，可变栅距OPA光栅1390类似于可变相位OPA光栅1300。这允许仅向电极的子集施加电势，以改变光栅的栅距。例如，当电势仅被施加到电极1310、1330、1340和1350时，光学相控阵列1300像具有栅距1360的光栅一样工作。当电势仅被施加到电极1310和1340(以及具有间距1370的其他电极)时，光学相控阵列1300像具有栅距1370的光栅一样工作。当电势仅被施加到电极1310和具有间距1380的其他电极时，光学相控阵列1300像具有栅距1380的光栅一样工作。因为衍射角取决于光栅的栅距，所以改变光栅的栅距允许使衍射光的方向转向。

本文描述的相敏元件(例如，SBG、PG和OPA)可以单独使用或者在相敏元件的堆叠中使用。例如，图14A-14B和图15A-15B示出了根据一些实施例的可切换PG的堆叠。

图14A示出了光学系统1402，其包括无源PG层1415的第一堆叠1410、无源PG层1425的第二堆叠1420以及介于中间的半波片1430和1440。光束1452穿过第一堆叠1410和第二堆叠1420透射一次，光束1462穿过第一堆叠1410透射两次(在被光学元件1470重定向之后)。在一些实施例中，光束1452可以是真实世界光。例如，光束1462可以是产生为具有左圆偏振或者被引导穿过左圆偏振器的图像光。每个光栅层(例如，1415或1425)被配置成将光重定向(例如，转向)特定角度(例如，离散量)。例如，层1415A可以被配置为将光重定向1°，层1415B可以被配置为将光重定向2°，层1415C可以被配置为将光重定向4°，以及层1415D可以被配置为将光重定向8°。例如，这种配置可以至少部分地基于光栅层中液晶的排列和分布。此外，每个光栅层基于光的偏振来重定向(或不重定向)光。照射到相应PG上的光的偏振可以由可切换的半波片1430和1440改变。半波片1430和1440可以被打开以将光的偏振改变为相反的偏振(例如，将右圆偏振改变为左圆偏振，反之亦然)，或者可以被关闭以保持光的偏振(例如，将右圆偏振保持为右圆偏振，反之亦然)。这允许以无源PG层1415的转向角的任何组合来引导光(例如，每次穿过第一堆叠1410，1°+2°+4°+8°＝15°，-1°-2°-4°-8°＝-15°，1°+2°-4°+8°＝7°，等等)。

在一些实施例中，光学元件1470是部分反射器。在一些实施例中，光学元件1470是全息光学元件。在一些实施例中，全息光学元件被配置成反射满足布拉格条件的光并透射不满足布拉格条件的光。在这种情况下，线偏振光在被反射时保持其偏振状态(例如，S偏振光被反射为S偏振光，并且P偏振光被反射为P偏振光)。

在一些实施例中，第一光栅层堆叠1410和第二光栅层堆叠1420中的每一个可以基于切换到开状态或关状态的层1415和1425的特定组合来重定向光。这种组合可以是例如，被配置为将光转向第一角度的第一层和被配置为将光转向第二角度的第二层。这些层的组合效果是将光重定向第一角度和第二角度的总和。

波片1442A(例如，四分之一波片)有助于已经穿过层1415和介于中间的半波片1430的堆叠1410的光与在被光学元件1470反射之后被提供回层1415和介于中间的半波片1430的堆叠1410的光具有相同的旋向。例如，当提供给光学系统1402的光束1462在穿过层1415和介于中间的半波片1430的堆叠之后是左圆偏振时，波片1442A(例如，四分之一波片)将光的偏振改变为s偏振，使得光在被光学元件1470反射之后保持处于s偏振，并且波片1442A将反射光的偏振改变为左圆偏振。在另一个例子中，当已经穿过层1415和介于中间的半波片1430的堆叠的光是右圆偏振时，波片1442A(例如，四分之一波片)将光的偏振改变为p偏振，使得光在被光学元件1470反射之后保持处于p偏振，并且波片1442A将反射光的偏振改变为右圆偏振。这允许堆叠1410进一步使反射光转向。例如，当光束1462在被光学元件1470反射之前被堆叠1410转向15°时，堆叠1410还可以将反射光转向15°。因此，在一些实施例中，波片1442A用于使转向角增加(例如，加倍)。

在一些实施例中，波片1442A和1442B中的至少一个是四分之一波片(例如，波片1442A是用于以法向入射角照射在波片1442A上的光的四分之一波片)。在一些实施例中，波片1442A具有特定的双折射，使得已经穿过层1415和介于中间的半波片1430的堆叠的光与在被光学元件1470反射之后被提供回层1415和介于中间的半波片1430的堆叠的光具有相同的旋向。

在一些实施例中，底部堆叠中的半波片1430和顶部堆叠中对应的半波片1440中的每一对(例如，一对半波片1430A和半波片1440A，一对半波片1430B和半波片1440B，一对半波片1430C和半波片1440C，或者一对半波片1430D和半波片1440D)一起被激活，使得底部堆叠中的半波片的双折射被顶部堆叠中对应的半波片补偿。例如，当半波片1430A被激活时，半波片1440A也被激活，使得对于真实世界光1452，半波片1430A的双折射被半波片1440A补偿，使得真实世界光1452在整体上不被光学系统1402转向(例如，以特定方向进入光学系统1402的真实世界光以相同的特定方向从光学系统1402射出)。

该配置允许光学系统1402透射真实世界光1452，而不管偏振如何(例如，光学系统1402被配置为透射来自真实世界的左圆偏振光和右圆偏振光)，因此，穿过光学系统1402透射的真实世界光1452比穿过仅透射具有特定偏振的光(例如，透射右圆偏振光但不透射左圆偏振光)的光学系统透射的真实世界光具有更高的亮度。

图14B示出了光学系统1404，除了光学系统1404包括波导1474而不是波片1442A和1442B外，光学系统1404类似于光学系统1402。光束1464通过波导1474被提供给光学元件1470，使得光束1464不穿过光栅层1415和半波片1430的堆叠，从而消除了在光学元件1470与光栅层1415和半波片1430的堆叠之间(例如，使用诸如波片1442A的波片)改变光的偏振的需要。

该配置还允许光学系统1404透射真实世界光1452，而不管偏振如何，因此，穿过光学系统1402透射的真实世界光1452具有比穿过仅透射具有特定偏振的光的光学系统透射的真实世界光更高的亮度。

图15A示出了光学系统1502，除了光栅层1515包括有源PG外，其类似于光学系统1402，这消除了对图14A所示的可切换半波片1430A至1430D和1440A至1440D的需要。因此，光学系统1502不包括可切换半波片1430A至1430D和1440A至1440D。

图15B示出了光学系统1504，除了光栅层1515包括有源PG外，其类似于光学系统1404，这消除了对图14B所示的可切换半波片1430A至1430D和1440A至1440D的需要。因此，光学系统1504不包括可切换半波片1430A至1430D和1440A至1440D。

如图14A-14B和图15A-15B所示，在一些实施例中，偏振敏感元件包括与可切换光学元件(例如，可切换半波片)耦合的无源偏振敏感元件。在一些其他实施例中，偏振敏感元件包括不需要单独的可切换光学元件的有源偏振敏感元件。为简洁起见，此处不再重复这些细节。

虽然图14A-14B和图15A-15B示出了PG的堆叠，但是在一个或更多个堆叠中可以使用其他偏振敏感元件(例如，SBG、PVG和OPA)。

例如，图16A-16C示出了OPA元件的堆叠的效果。

图16A示出了光学系统1622，该光学系统1622包括OPA 1616A、1616B和1616C的堆叠，但是光学系统1622可以包括更少或更多的OPA(例如，光学系统1622可以包括一个或更多个OPA)。图16A中所示的每个OPA包括位于两个基板1612之间的液晶层1613和电极1614。例如，OPA 1616A包括位于基板1612A和1612B之间的液晶层1613和电极1614-1和1614-2，OPA 1616B包括位于基板1612B和1612C之间的液晶层和电极1614-3和1614-4，并且OPA1616C包括位于基板1612C和1612D之间的液晶层和电极1614-5和1614-6。虽然图16A示出了电极1614-2和1614-3位于同一基板1612B的相反侧，并且电极1614-4和1614-5位于同一基板1612C的相反侧，但是在一些情况下，电极1614-2和1614-3可以位于单独的基板上(例如，可以使用具有电极1614-2的基板和具有电极1614-3的分开的基板的堆叠来代替具有电极1614-2和1614-3的单个基板1612B)，并且电极1614-4和1614-5可以位于单独的基板上。

在一些实施例中，一个或更多个电极1614被图案化。例如，OPA可以包括第一基板上的图案化电极和第二基板上的图案化电极(例如，OPA1616A包括基板1612A上的图案化电极1614-1和基板1612B上的图案化电极1614-2)。在一些实施例中，第一基板上的图案化电极和第二基板上的图案化电极被对齐(例如，如图16A所示，图案化电极1614-1和图案化电极1614-2被对齐)。在一些实施例中，第一基板上的图案化电极和第二基板上的图案化电极是偏离的(例如，第一基板上的图案化电极和第二基板上的图案化电极交替，或者第一基板上的图案化电极与第二基板上的图案化电极部分偏离)。在一些实施例中，电极1614的一个或更多个层可以如图13A或13B所示来配置。在一些实施例中，OPA包括第一基板上的单个连续电极和第二基板上的图案化电极。

当OPA 1616被配置为使p偏振光转向时，具有s偏振的光束1662在不转向的情况下穿过OPA 1616。四分之一波片1642A将具有s偏振的光转换成左圆偏振光，该左圆偏振光被光学元件1470反射为右圆偏振光。然后，四分之一波片1642A将右圆偏振光转换成p偏振光，该p偏振光被OPA 1616的堆叠转向。

相比之下，四分之一波片1642-A将具有左圆偏振的真实世界光1654转换成s偏振光，该s偏振光不被OPA 1616的堆叠转向。这允许光1662的转向，而不会导致真实世界光1654的转向。

图16B示出了光学系统1623，除了光学系统1623还包括OPA 1626A、OPA 1626B和OPA 1626C以及四分之一波片1642B的堆叠外，其类似于光学系统1622，使得OPA 1626的堆叠补偿由OPA 1616的堆叠引起的真实世界光1652的偏移。

这种配置允许光学系统1623透射真实世界光，而不管偏振如何，因此，穿过光学系统1623透射的真实世界光1652比穿过仅透射具有特定偏振的光(例如，透射左圆偏振光但不透射右圆偏振光)的光学系统透射的真实世界光具有更高的亮度。

图16C示出了光学系统1624，其包括OPA 1616A、四分之一波片1642A、可切换半波片1676和PBP光栅1674的堆叠，以及OPA 1626A、四分之一波片1642B、可切换半波片1666和PBP光栅1664的堆叠。

光学系统1624利用OPA 1616A和PBP光栅1674来使光束1662转向，这提供了大的转向角，而不需要在光学元件1470的两侧使用多个OPA的堆叠。此外，OPA 1616A和PBP光栅1674的组合允许使用OPA 1616A连续调谐转向角。

当OPA 1616被配置为使p偏振光转向时，具有s偏振的光束1662在没有转向的情况下穿过OPA 1616。当不需要OPA 1616A的转向时，可切换半波片1676被配置成向四分之一波片1642A提供左圆偏振光，四分之一波片1642A又将左圆偏振光转换成不被OPA 1616A转向的s偏振光。然而，当需要OPA 1616A进行转向时，可切换半波片1676被配置成向四分之一波片1642A提供右圆偏振光，四分之一波片1642A又将右圆偏振光转换成被OPA 1616A转向的p偏振光。因为p偏振光被OPA 1616A转向两次(第一次在光学元件1470反射之前，第二次在光学元件1470反射之后)，所以OPA 1616A的转向角可以是在光仅穿过OPA一次的配置中的OPA的转向角的一半。这减少了OPA 1616A的厚度，从而实现了紧凑和低重量的光束转向系统，该系统可用于头戴式显示设备中。

OPA1626A、四分之一波片1642B、可切换半波片1666和PBP光栅1664的堆叠被配置为补偿OPA 1616A、四分之一波片1642A、可切换半波片1676和PBP光栅1674的堆叠，使得由OPA 1626A、四分之一波片1642B、可切换半波片1666和PBP光栅1664的堆叠对真实世界光的转向被由OPA1616A、四分之一波片1642A、可切换半波片1676和PBP光栅1674的堆叠对真实世界光的转向所抵消。类似于图16B中所示的光学系统1623，光学系统1624允许真实世界光的透射而不管偏振如何，因此，穿过光学系统1624透射的真实世界光1652比穿过仅透射具有特定偏振的光的光学系统透射的真实世界光具有更高的亮度。

图17A-21示出了涉及一个或更多个各种类型的PBP元件的多个示例光学系统配置。这些系统可以被包括在例如用于VR、AR或MR的近眼显示设备中。在各种实施例中，用于VR、AR和MR近眼显示设备的光学系统被配置成处理图像光，该图像光由通过计算机处理器执行的应用程序驱动的像素化光源产生。光学系统可以处理这种虚拟光，以在光学系统的出射光瞳处形成图像，该出射光瞳可以与近眼显示设备的用户的眼睛的位置一致。如下所述，光学系统的光学特性可以被配置为改变，以使得出射光瞳的位置可以响应于眼睛相对于光学系统的位置(和/或取向)的变化而改变。因此，近眼显示设备可以包括眼睛跟踪模块，以测量和跟踪眼睛的运动。

在各种实施例中，用于AR和MR近眼显示设备的光学系统被配置成处理真实世界光。与图像光的情况不同，光学系统不需要在出射光瞳处将光焦度(optical power)引入真实世界光的图像，并且不需要响应于眼睛相对于光学系统的位置(和/或取向)的变化而改变真实世界光的出射光瞳的位置。因此，真实世界光和图像光虽然共同位于光学系统的部分中，但至少在一些实施例中，由光学系统彼此不同地处理，如下所述。

针对以下实施例描述的光学系统配置包括各种偏振敏感光学元件，包括基于偏振敏感光学元件Pancharatnam-Berry相位(PBP)、PVG和SBG的原理进行工作的偏振敏感光学元件。特别地，基于PBP的元件可以使具有任何偏振的入射光重定向(例如，转向)。因此，将这种类型的光学元件用于AR或MR系统可能需要针对真实世界光的补偿堆叠。另一方面，PVG和SBG类型的元件使具有特定偏振的光转向，但不干扰正交偏振的光。PVG类型的元件选择性地工作于特定的圆偏振，而SBG类型的元件选择性地工作于特定的线偏振。与PBP不同，对于PVG和SBG类型的元件，补偿堆叠可能不是AR或MR操作所必需的。例如，真实世界光可以穿过偏振器，以使真实世界光具有不受随后的偏振敏感光学元件的堆叠影响的偏振。OPA是可以被配置为偏振相关或偏振无关的一种光学元件。因此，对于真实世界光，包括OPA的AR和MR系统可以具有相对高(例如，接近100％)的透射率。

图17A是示出根据一些实施例的包括用于虚拟现实操作的各种类型的偏振敏感元件的光学系统1700的一部分的图。例如，光学系统1700可以被包括在虚拟现实NED中。

光学系统1700可以包括模块1710，模块1710包括有源和/或无源偏振敏感元件，例如SBG、PBP、PVG或OPA。在一些实现中，模块1710可以包括偏振敏感元件的堆叠或者单个偏振敏感元件。

在模块1710包括一个或更多个有源元件的情况下，模块1710可以具有电子可选择的双折射，以至少部分地基于由控制模块(例如图5所示的控制模块520)提供的电子信号，以选定的角度使入射到模块1710上的光转向。控制模块可以向模块1710提供电子信号，以选择性地控制入射光朝向例如NED的用户的眼睛1720的转向方向，使得光学系统1700的出射光瞳位于眼睛1720的瞳孔附近。

在一些实施例中，控制模块可以向模块1710提供顺序电子信号，以扫描入射到模块上的光的多个转向方向。如果这种扫描相对快速地执行，则光学系统1700可以例如以用户可能无法感知到扫描的速率(例如，每光瞳每秒60帧)快速连续地产生多个出射光瞳。在一些示例中，用于每个光瞳复制的帧速率可以具有用户可感知到但是足以呈现视频信息的帧速率(例如，30fps)。在这样的例子中，可能不需要眼睛跟踪模块。然而，当光学系统1700包括眼睛跟踪模块时，眼睛跟踪模块可以基于用户瞳孔的一般已知位置来帮助减少光瞳复制的数量。在一些示例中，图像的单个投影可以被转向用户的眼睛，而不进行任何复制。减少的复制(或不复制)将有助于提高帧速率能力，而增加的复制将有助于为光瞳转向提供误差缓冲。因此，在一些实现中，结合眼睛跟踪来使用多个复制。

在一些实施例中，光学系统1700包括眼睛跟踪模块1730，以向控制模块提供眼睛定位信息。例如，眼睛跟踪模块1730可以位于NED内或NED上的多个位置中的任何一个位置处。

光学系统1700可以进一步包括透镜模块1740，用于将图像光朝向光学系统1700的出射光瞳聚焦。仅举几个例子，透镜模块1740可以包括PBP透镜、PVG透镜或薄饼透镜(pancake lens)。图像源1750可以向透镜模块1740提供图像光。这种源(例如可以是激光投影仪)可以产生偏振光。

在一些实施例中，模块1710可以包括用于使入射到模块上的光偏振的偏振器(例如，当模块1710包括SBG时是线偏振器，或者当模块1710包括PG或PVG时是圆偏振器)。

图17B示出了光学系统1702，除了光学系统1702包括被配置用于在二维上使光转向的附加元件或附加模块外，其类似于光学系统1700。例如，当模块1710被配置为沿着第一轴(例如，x轴)使光转向时，光学系统1702可以包括被配置为沿着不平行于第一轴的第二轴(例如，y轴)使光转向的第二模块1712。在一些实施例中，第二轴基本上垂直于第一轴。如本文所使用的，“基本上垂直”表示在例如几度左右内垂直的方向。这种配置可以提供图像光的相互正交(例如，x-y)方向的转向控制。在这样的实施例中，控制模块可以被配置为向附加元件或附加模块1712提供第二电子信号，以选择性地控制入射在附加元件或附加模块上的光的第二转向方向。

在一些实施例中，虽然未示出，但是光学系统1700或1702的模块1710可以包括分隔特定距离的液晶层的两个(或更多个)堆叠(例如，图14A所示的堆叠)。这种配置可以导致位移或平移的光(或图像)，同时保留伴随的光角度。例如，如果两个堆叠被电驱动成处于相反的状态(例如，一个堆叠被驱动成以15度转向，而另一个堆叠被驱动成以-15度转向)，则可以在保留所有光角度的同时平移所得的光瞳。

系统1700或1702的所有或一些部件可以彼此物理接触，彼此共享基板，彼此层压，彼此光学接触，彼此之间具有折射率匹配的流体或光学胶，和/或其间可以具有空间。

图18是示出根据一些实施例的示例光学系统1800的一部分的图，该示例光学系统1800包括用于增强现实操作的偏振敏感元件。例如，光学系统1800可以被包括在增强现实NED中。光学系统1800可以包括以下中的一个或更多个：模块1810，其对应于模块1710；对应于眼睛跟踪模块1730的眼睛跟踪模块1830；观察光学系统1840；和对应于图像源1750的图像源1850。光学系统1800与光学系统1700的不同之处在于，图像源1850位于模块1810的光轴之外，使得真实世界光可以朝向NED的用户的眼睛1720透射，而不会被图像源1850阻挡。此外，观察光学系统1840被配置成将来自图像源1850的图像光朝向眼睛1720反射，同时观察光学系统1840对真实世界光保持透明(例如，全息光栅和PVG光栅)。这些特征结合在一起，使得增强现实设备成为可能。

在一些示例中，来自图像源1850的光是偏振的(例如，线偏振或圆偏振)。在一些实现中，模块1810被配置成使来自图像源1850的光转向。在一些实施例中，模块1810在使来自图像源1850的光转向时，将来自图像源1850的光的偏振改变为不同的偏振(例如，正交偏振)。在一些实施例中，观察光学系统1840将已转向的光的偏振改变为不同的偏振(例如，正交偏振)。当模块1810被配置为使具有特定偏振的光转向时，在先前已转向的光被修改为具有正交偏振之后，模块1810不再使先前已转向的光转向。替代地，模块1810被配置成不使来自图像源1850的具有特定偏振的光转向，而是被配置成使具有正交偏振的光转向。来自图像源1850的光透射穿过模块1810，并且观察光学系统1840反射透射光并将透射光的偏振改变为不同的偏振(例如，正交偏振)，使得模块1810可以使反射光转向。

当模块1810被配置为使具有特定偏振的光转向时，在一些实施例中，光学系统1800包括偏振器1802，用于将真实世界光的偏振改变为正交偏振(或透射真实世界光的具有正交偏振的分量)，使得透射的真实世界光不被模块1810转向。

图19是示出根据一些实施例的包括用于增强现实操作的波导1940的光学系统1900的一部分的图。例如，光学系统1900可以被包括在增强现实NED中。光学系统1900可以包括以下中的一个或更多个：图像源1950，其对应于图像源1850；对应于眼睛跟踪模块1830的眼睛跟踪模块1930；对应于模块1810的模块1910；和对应于偏振器1802的偏振器1902。

光学系统1900与光学系统1800的不同之处在于，光学系统1900包括波导1940而不是观察光学系统1840。波导1940被配置为从对应于图像光源1850的图像光源1950接收图像光，并且沿着波导1940经由全内反射传输图像光。例如，传输的图像光通过波导1940上的一个或更多个表面特征(诸如表面浮雕光栅、体布拉格光栅等)从波导1940向外耦合(out-couple)。波导1940为图像源1950的放置提供了灵活性。此外，波导1940可以被配置成将图像光从波导1940上的多个位置向外耦合，这有助于光瞳复制。

来自波导1940的向外耦合的图像光被朝向模块1910发送，模块1910基于眼睛定位信息使图像光转向。

图20是示出根据一些实施例的包括用于增强现实操作的偏振敏感元件的另一示例光学系统2000的一部分的图。例如，光学系统2000可以被包括在增强现实NED中。在一些实现中，光学系统2000可以包括以下中的一个或更多个：图像源2050，其对应于图像源1850；对应于眼睛跟踪模块1830的眼睛跟踪模块2030；对应于模块1810的模块2010；观察光学系统2040，其对应于观察光学系统1840；和对应于偏振器1802的偏振器2002。

光学系统2000与光学系统1800的不同之处在于，光学系统2000包括层2060，该层2060被配置为漫射来自图像投影仪2050的图像光，但对真实世界光保持透明。因此，层2060允许真实世界光透射穿过层2060，同时至少部分地基于漫反射率使来自图像投影仪2050的图像光朝向眼睛1720传播。

图21是示出根据一些实施例的包括用于混合现实操作的偏振敏感元件的光学系统2100的一部分的图。例如，光学系统2100可以被包括在混合现实NED中。除了光学系统2100包括用于控制真实世界光的传播的光快门2104外，光学系统2100类似于光学系统1800。

在一些实施例中，光学系统2100可以包括光快门2104，以减少或阻挡入射到模块1810上的真实世界光的至少一部分。当光快门2104被配置为完全阻挡真实世界光时，光学系统2100作为虚拟现实显示器操作。当光快门2104被配置为完全透射真实世界光时，光学系统2100作为增强现实显示器操作。在一些情况下，快门2104被配置成透射真实世界光的一部分并阻挡真实世界光的另一部分。光快门2104可以包括例如聚合物分散(例如，聚合物基质)液晶(PDLC)结构，可以以各种电压向该结构施加电场以调节光快门的透射率。在另一个例子中，光快门2104可以包括液晶的分散体，其中一些液晶在ITO覆盖的基板之间是不透明的(例如，由于染料)。施加在液晶分散体上的电场倾向于使液晶对齐。这种对齐或不对齐影响液晶分散体的透射率。因此，可以以各种电压施加电场，以调节液晶分散体和整个光快门的透射率。在又一个例子中，光快门2104可以包括聚合物稳定的胆甾型结构(polymerstabilized cholesteric texture，PSCT)，其包括液晶的分散体。施加在液晶分散体上的电场倾向于使各个液晶对齐，并且透射率是相对高的。另一方面，电场的缺乏允许各个液晶在不同的方向上彼此成组，导致相对低的透射率。因此，可以以各种电压施加电场，以调节液晶分散体和整个光快门的透射率。

尽管参照图17A-21所示的特定实施例描述了某些特征，但是这些特征可以在图17A-21所示的其他实施例中实现。例如，参照图17B描述的第二模块1712可以被包括在光学系统1800、1900、2000和2100中的任何一个中。为了简洁起见，本文省略了这些细节。

图22是控制台3310在其中操作的近眼显示器(NED)系统3300的框图。NED系统3300可以在VR系统环境、AR系统环境、MR系统环境或其某种组合中运行。图22中所示的NED系统3300包括NED 3305和耦合到控制台3310的输入/输出(I/O)接口3315。

虽然图22示出了包括一个NED 3305和一个I/O接口3315的示例NED系统3300，但是在其他实施例中，NED系统3300中可以包括任何数量的这些部件。例如，可以有多个NED3305，每个NED 3305具有相关联的I/O接口3315，其中每个NED 3305和I/O接口3315与控制台3310通信。在替代配置中，不同的和/或附加的部件可以被包括在NED系统3300中。另外，在一些实施例中，被包括在NED 3305、控制台3310和I/O接口3315内的各种部件可以以不同于结合图22描述的方式来分布。例如，控制台3310的一些或全部功能可以由NED 3305提供。

NED 3305可以是向用户呈现内容的头戴式显示器。该内容可以包括包括计算机生成的元素(例如，二维或三维图像、二维或三维视频、声音等)的物理、真实世界环境的虚拟和/或增强视图。在一些实施例中，NED3305还可以向用户呈现音频内容。NED 3305和/或控制台3310可以通过I/O接口3315将音频内容传输到外部设备。外部设备可以包括各种形式的扬声器系统和/或头戴式耳机。在各种实施例中，音频内容与由NED 3305显示的视觉内容同步。

NED 3305可以包括一个或更多个刚性主体，它们可以刚性或非刚性地耦合在一起。刚性主体之间的刚性耦合导致耦合的刚性主体充当单个刚性实体。相比之下，在刚性主体之间的非刚性耦合允许刚性主体相对于彼此移动。

如图22所示，NED 3305可以包括深度相机组件(DCA)3320、显示器3325、光学组件3330、一个或更多个位置传感器3335、惯性测量单元(IMU)3340、眼睛跟踪系统3345和变焦模块3350。在一些实施例中，显示器3325和光学组件3330可以一起集成到投影组件中。与上面列出的部件相比，NED 3305的各种实施例可以具有附加的、更少的或不同的部件。另外，在各种实施例中，每个部件的功能可以部分或完全地被一个或更多个其他部件的功能所涵盖。

DCA 3320捕获描述NED 3305周围的区域的深度信息的传感器数据。传感器数据可以通过诸如三角测量、结构光成像、飞行时间成像、激光扫描等的深度成像技术中的一种或组合来生成。DCA 3320可以使用传感器数据计算NED 3305周围的区域的各种深度属性。附加地或替代地，DCA3320可以将传感器数据传输到控制台3310进行处理。

DCA3320包括照明源、成像设备和控制器。照明源将光发射到NED3305周围的区域上。在一些实施例中，发射的光是结构光。照明源包括多个发射器，每个发射器发射具有某些特性(例如，波长、偏振、相干性、时间行为等)的光。发射器之间的特性可以相同或不同，并且发射器可以同时或单独进行操作。在一个实施例中，多个发射器可以是例如激光二极管(例如，边发射器(edge emitter))、无机或有机发光二极管(LED)、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)或某种其他源。在一些实施例中，照明源中的单个发射器或多个发射器可以发射具有结构光图案的光。除了由多个发射器产生的从环境中的物体反射的光之外，成像设备捕获围绕NED 3305的环境中的环境光。在各种实施例中，成像设备可以是红外相机或被配置为在可见光谱中操作的相机。控制器协调照明源如何发射光以及成像设备如何捕获光。例如，控制器可以确定发射光的亮度。在一些实施例中，控制器还分析检测到的光以检测环境中的物体以及与这些物体相关的位置信息。

显示器3325根据从控制台3310接收的像素数据向用户显示二维或三维图像。在各种实施例中，显示器3325包括单个显示器或多个显示器(例如，用户的每只眼睛对应单独的显示器)。在一些实施例中，显示器3325包括单个或更多个波导显示器。光可以通过例如液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)显示器、无机发光二极管(ILED)显示器、有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示器、透明有机发光二极管(TOLED)显示器、基于激光器的显示器、一个或更多个波导、其他类型的显示器、扫描仪、一维阵列等耦合到单个或更多个波导显示器中。此外，显示器类型的组合可以结合在显示器3325中，并且单独、并行和/或组合使用。

光学组件3330放大从显示器3325接收的图像光，校正与该图像光相关联的光学误差，并将校正后的图像光呈现给NED 3305的用户。光学组件3330包括多个光学元件。例如，光学组件3330中可以包括一个或更多个以下光学元件：光圈、菲涅耳透镜、凸透镜、凹透镜、滤光器、反射表面、或偏转、反射、折射和/或以某种方式改变图像光的任何其他合适的光学元件。此外，光学组件3330可以包括不同光学元件的组合。在一些实施例中，光学组件3330中的一个或更多个光学元件可以具有一个或更多个涂层(例如部分反射的或抗反射的涂层)。光学组件3330可以集成到投影组件(例如投影组件)中。在一个实施例中，光学组件3330包括图1B所示的光学块135。

在操作中，光学组件3330放大并聚焦由显示器3325产生的图像光。这样，与不使用光学组件3330的显示器相比，光学组件3330使得显示器3325在物理上更小、重量更轻并且消耗更少的功率。此外，放大可以增大显示器3325所呈现的内容的视场。例如，在一些实施例中，所显示的内容的视场部分地或完全地使用用户的视场。例如，所显示的图像的视场可以达到或超过3310度。在各种实施例中，可以通过添加或移除光学元件来调整放大量。

在一些实施例中，光学组件3330可以被设计成校正一种或更多种类型的光学误差。光学误差的示例包括桶形或枕形失真、纵向色差或横向色差。除了另外类型的光学误差之外，其他类型的光学误差还可以包括球面像差、色差或由于透镜场曲率、像散(astigmatism)引起的误差。在一些实施例中，传输到显示器3325的视觉内容被预失真，并且当来自显示器3325的图像光穿过光学组件3330的各种光学元件时，光学组件3330校正该失真。在一些实施例中，光学组件3330的光学元件集成到显示器3325中作为投影组件，该投影组件包括与一个或更多个光学元件耦合的至少一个波导。

IMU 3340是电子器件，其基于从一个或更多个位置传感器3335接收的测量信号和从DCA 3320接收的深度信息来生成指示NED 3305的位置的数据。在NED 3305的一些实施例中，IMU 3340可以是专用硬件部件。在其他实施例中，IMU 3340可以是在一个或更多个处理器中实现的软件部件。在一个实施例中，IMU 3340是与图22的IMU 3315相同的部件，并且位置传感器3335是与位置传感器3320相同的部件。

在操作中，位置传感器3335响应于NED 3305的运动而生成一个或更多个测量信号。位置传感器3335的示例包括：一个或更多个加速度计、一个或更多个陀螺仪、一个或更多个磁力计、一个或更多个高度计、一个或更多个倾角仪(inclinometer)和/或用于运动检测、漂移检测和/或误差检测的各种类型的传感器。位置传感器3335可以位于IMU 3340的外部、IMU 3340的内部或者这两个位置的某种组合。

基于来自一个或更多个位置传感器3335的一个或更多个测量信号，IMU 3340生成指示相对于NED 3305的初始位置的NED 3305的估计的当前位置的数据。例如，位置传感器3335包括测量平移运动(向前/向后、向上/向下、向左/向右)的多个加速度计和测量旋转运动(例如，俯仰、偏航和横滚)的多个陀螺仪。在一些实施例中，IMU 3340对测量信号进行快速采样，并根据所采样的数据来计算NED 3305的估计的当前位置。例如，IMU 3340对从加速度计接收到的测量信号在时间上求积分以估计速度矢量，并对速度矢量在时间上求积分以确定在NED 3305上的参考点的估计的当前位置。替代地，IMU 3340向控制台3310提供采样的测量信号，控制台3310分析采样数据以确定一个或更多个测量误差。控制台3310还可以向IMU 3340传输一个或更多个控制信号和/或测量误差，以配置IMU3340来校正和/或减小一个或更多个测量误差(例如，漂移误差)。参考点是可以用来描述NED 3305的位置的点。参考点通常可以被定义为空间中的点或者与NED 3305的位置和/或取向相关的位置。

在各种实施例中，IMU 3340从控制台3310接收一个或更多个参数。该一个或更多个参数用于保持对NED 3305的跟踪。基于接收到的参数，IMU 3340可以调整一个或更多个IMU参数(例如，采样率)。在一些实施例中，某些参数导致IMU 3340更新参考点的初始位置，使得其对应于参考点的下一个位置。将参考点的初始位置更新为参考点的下一个校准位置有助于减小IMU 3340在检测当前位置估计时的漂移误差。

在一些实施例中，眼睛跟踪系统3345被集成到NED 3305中。眼睛跟踪系统3345可以包括一个或更多个照明源和成像设备(相机)。在操作中，当用户佩戴NED 3305时，眼睛跟踪系统3345生成并分析与用户的眼睛相关的跟踪数据。眼睛跟踪系统3345可以进一步生成眼睛跟踪信息，该信息可以包括关于用户眼睛定位的信息，即，关于眼睛注视角度的信息。

在一些实施例中，变焦模块3350进一步被集成到NED 3305中。变焦模块3350可以通信地耦合到眼睛跟踪系统3345，以便使变焦模块3350能够从眼睛跟踪系统3345接收眼睛跟踪信息。变焦模块3350可以基于从眼睛跟踪系统3345接收的眼睛跟踪信息，进一步修改从显示器3325发射的图像光的聚焦。因此，变焦模块3350可以减少当用户的眼睛分辨图像光时可能产生的视觉辐辏调节冲突。在各种实施例中，变焦模块3350可以与光学组件3330的至少一个光学元件通过接口连接(例如，机械地或电气地)。

在操作中，变焦模块3350可以调整光学组件3330中的一个或更多个光学元件的位置和/或取向，以便调整通过光学组件3330传播的图像光的聚焦。在各种实施例中，变焦模块3350可以使用从眼睛跟踪系统3345获得的眼睛跟踪信息来确定如何调整光学组件3330中的一个或更多个光学元件。在一些实施例中，变焦模块3350可以基于从眼睛跟踪系统3345获得的眼睛跟踪信息来执行图像光的注视点渲染(foveated rendering)，以便调整由显示器3325发射的图像光的分辨率。在这种情况下，变焦模块3350将显示器3325配置为在用户眼睛注视的中央凹区(foveal region)中显示高像素密度，而在用户眼睛注视的其他区域中显示低像素密度。

I/O接口3315便于将动作请求从用户传送到控制台3310。此外，I/O接口3315便于将设备反馈从控制台3310传送给用户。动作请求是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束图像或视频数据的捕获的指令，或者是在应用内执行特定动作的指令，例如暂停视频回放、增大或减小音频回放的音量等。在各种实施例中，I/O接口3315可以包括一个或更多个输入设备。示例输入设备包括：键盘、鼠标、游戏控制器、操纵杆和/或用于接收动作请求并将动作请求传送到控制台3310的任何其他合适的设备。在一些实施例中，I/O接口3315包括IMU 3340，其捕获指示相对于I/O接口3315的初始位置的I/O接口3315的估计的当前位置的校准数据。

在操作中，I/O接口3315接收来自用户的动作请求，并将这些动作请求传送到控制台3310。响应于接收到动作请求，控制台3310执行相应的动作。例如，响应于接收到动作请求，控制台3310可以配置I/O接口3315以将触觉反馈发射到用户的手臂上。例如，控制台3315可以配置I/O接口3315，以在接收到动作请求时向用户传递触觉反馈。附加地或替代地，控制台3310可以配置I/O接口3315，以在控制台3310响应于接收到动作请求而执行动作时生成触觉反馈。

控制台3310向NED 3305提供内容，用于根据从DCA 3320、NED 3305和I/O接口3315中的一个或更多个接收的信息来进行处理。在图22所示的实施例中，控制台3310包括应用储存器3355、跟踪模块3360和引擎3365。在一些实施例中，与结合图22描述的模块和/或部件相比，控制台3310可以具有附加的、更少的或不同的模块和/或部件。类似地，下面进一步描述的功能可以以不同于结合图22描述的方式分布在控制台3310的部件当中。

应用储存器3355存储用于由控制台3310执行的一个或更多个应用。应用是一组指令，该组指令当被处理器执行时，执行一组特定的功能，例如生成内容以呈现给用户。例如，应用可以响应于(例如，经由当用户移动他/她的头部时NED 3305的移动，经由I/O接口3315等)接收到来自用户的输入而生成内容。应用的示例包括：游戏应用、会议应用、视频回放应用或其他合适的应用。

跟踪模块3360使用一个或更多个校准参数校准NED系统3300。跟踪模块3360可以进一步调整一个或更多个校准参数，以减少在确定NED3305或I/O接口3315的位置和/或取向时的误差。例如，跟踪模块3360可以将校准参数传输到DCA 3320，以便调整DCA 3320的聚焦。因此，DCA3320可以更准确地确定从环境中的物体反射的结构光元素的位置。跟踪模块3360还可以在确定要修改的各种校准参数时，分析由IMU 3340生成的传感器数据。此外，在一些实施例中，如果NED 3305失去对用户眼睛的跟踪，则跟踪模块3360可以重新校准NED系统3300中的一些或所有部件。例如，如果DCA 3320失去投射到用户眼睛上的至少阈值数量的结构光元素的视线，则跟踪模块3360可以将校准参数传输到变焦模块3350，以便重新建立眼睛跟踪。

跟踪模块3360使用来自DCA 3320、一个或更多个位置传感器3335、IMU 3340或它们的某种组合的信息来跟踪NED 3305和/或I/O接口3315的移动。例如，跟踪模块3360可以根据NED 3305局部的区域的映射来确定NED 3305的参考位置。跟踪模块3360可以基于从NED 3305本身接收的信息生成该映射。跟踪模块3360还可以利用来自IMU 3340的传感器数据和/或来自DCA 3320的深度数据来确定NED 3305和/或I/O接口3315的参考位置。在各种实施例中，跟踪模块3360生成对NED 3305和/或I/O接口3315的后续位置的估计和/或预测。跟踪模块3360可以将预测的后续位置传输到引擎3365。

引擎3365基于从NED 3305接收的信息生成NED 3305周围的区域(即，“局部区域”)的三维映射。在一些实施例中，引擎3365基于从DCA 3320接收的深度数据(例如，局部区域中的物体的深度信息)来确定用于局部区域的三维映射的深度信息。在一些实施例中，引擎3365通过使用由DCA3320生成的深度数据来计算NED 3305的深度和/或位置。特别地，引擎3365可以实现用于计算NED 3305的深度和/或位置的各种技术，例如基于立体的技术、结构光照明技术、飞行时间技术等等。在各种实施例中，引擎3365使用从DCA 3320接收的深度数据来更新局部区域的模型，并且部分基于更新后的模型来生成和/或修改媒体内容。

引擎3365还执行在NED系统3300内的应用，并从跟踪模块3360接收NED 3305的位置信息、加速度信息、速度信息、所预测的未来位置或它们的某种组合。基于接收到的信息，引擎3365确定各种形式的媒体内容以传输到NED 3305以呈现给用户。例如，如果接收到的信息指示用户已经向左看，则引擎3365为NED 3305生成媒体内容，该媒体内容反映了用户在虚拟环境中或在用附加媒体内容增强局部区域的环境中的移动。因此，引擎3365可以生成和/或修改媒体内容(例如，视觉和/或音频内容)以呈现给用户。引擎3365可以进一步将媒体内容传输到NED 3305。另外，响应于从I/O接口3315接收到动作请求，引擎3365可以在控制台3310上执行的应用内执行动作。当动作被执行时，引擎3305可以进一步提供反馈。例如，引擎3365可以配置NED 3305以生成视觉和/或音频反馈，和/或配置I/O接口3315以生成对用户的触觉反馈。

在一些实施例中，基于从眼睛跟踪系统3345接收的眼睛跟踪信息(例如，用户眼睛的取向)，引擎3365确定提供给NED 3305以在显示器3325上呈现给用户的媒体内容的分辨率。引擎3365可以至少部分基于从眼睛跟踪系统3345接收的用户注视的方向，通过配置显示器3325执行视觉内容的注视点渲染，来调整提供给NED 3305的视觉内容的分辨率。引擎3365向NED 3305提供内容，在显示器3325上，该内容在用户注视的中央凹区中具有高分辨率，而在其他区域中具有低分辨率，从而降低NED 3305的功耗。此外，在不影响用户视觉体验质量的情况下，使用注视点渲染减少了在渲染视觉内容中使用的计算周期的数量。在一些实施例中，引擎3365可以进一步使用眼睛跟踪信息来调整从显示器3325发射的图像光的聚焦，以便减少视觉辐辏调节冲突。

根据这些例子，一些实施例可以描述如下。

根据一些实施例，一种光学系统包括眼睛跟踪模块，其被配置为确定眼睛定位信息；控制模块，其被配置为基于眼睛定位信息来确定转向光的第一方向；以及第一光学模块，其包括可切换偏振敏感元件，该可切换偏振敏感元件被配置为将入射在第一光学模块上的光引导到第一方向。

在一些实施例中，第一光学模块包括多个光栅层；并且被包括在所述多个光栅层中的每个光栅层被配置成被单独地打开或关闭，使得通过使所述多个光栅层中的一个或更多个光栅层打开或关闭来将入射到第一光学模块上的光引导到第一方向。

在一些实施例中，多个光栅层中的每个光栅层被配置成以不同于多个光栅层中的其他光栅层的转向角的角度来使入射到该光栅层上的光转向。

在一些实施例中，光学系统包括透镜模块，该透镜模块被配置为将入射到第一光学模块上的光聚焦在对应于眼睛定位信息的位置。

在一些实施例中，控制模块还被配置为向第一光学模块发送电子信号，使得第一光学模块扫描多个方向，用于引导入射到第一光学模块上的光。

在一些实施例中，光学系统包括被配置成产生入射在第一光学模块上的光的图像源。

在一些实施例中，第一光学模块包括一个或更多个电子可切换液晶(LC)单元，其被配置为选择性地提供半波相位延迟，用于修改入射在第一光学模块上的光的偏振。

在一些实施例中，第一方向对应于光学系统的用户的眼睛的瞳孔的位置。

在一些实施例中，第一光学模块包括多个液晶层，并且至少一个液晶层对入射到第一光学模块上穿过该液晶层的区域的光施加相移。

在一些实施例中，光学系统包括第二光学模块，该第二光学模块具有基本上垂直于第一光学模块的转向轴的转向轴，其中控制模块还被配置为确定用于使入射在第二光学模块上的光转向的第二方向。

在一些实施例中，第一光学模块包括Pancharatnam-Berry相位(PBP)光栅。

在一些实施例中，PBP光栅是可切换光栅，或者PBP光栅是无源光栅，并且第一光学模块包括与该无源PBP光栅光学耦合的可切换半波片。

在一些实施例中，第一光学模块包括多个光栅层，被包括在多个光栅层中的每个光栅层包括PBP光栅，该PBP光栅被配置为具有预定义的转向角，该转向角不同于被包括在两个或更多个光栅层中的任何其他PBP光栅的转向角。

在一些实施例中，第一光学模块包括可切换布拉格光栅(SBG)。

在一些实施例中，第一光学模块包括多个光栅层，被包括在多个光栅层中的每个光栅层包括SBG，该SBG被配置为具有预定义的转向角，该转向角不同于被包括在两个或更多个光栅层中的任何其他SBG的转向角。

在一些实施例中，SBG包括透射模式SBG。

在一些实施例中，SBG包括反射模式SBG。

根据一些实施例，一种近眼显示设备包括被配置成产生图像光的图像源；眼睛跟踪模块，其被配置为确定眼睛定位信息；以及包括可切换偏振敏感元件的光学模块，该可切换偏振敏感元件被配置为将图像光引导到与眼睛定位信息相关联的第一方向。

在一些实施例中，光学模块包括多个光栅层；并且被包括在多个光栅层中的每个光栅层被配置成被单独地打开或关闭，从而使被包括在多个光栅层中的一个或更多个光栅层打开或关闭，将入射到光学模块上的光引导到第一方向。

根据一些实施例，一种方法包括确定与要向其呈现图像的眼睛相关联的眼睛定位；至少部分地基于眼睛定位，确定用于将与该图像相关联的图像光朝向眼睛引导的转向方向；以及将对应于转向方向的电子信号传输到光学模块，该光学模块被配置为将图像光引导到转向方向。

根据一些实施例，一种光学系统包括第一偏振敏感模块，该第一偏振敏感模块被配置为将入射到第一偏振敏感模块上的真实世界光引导到至少部分基于眼睛定位信息而确定的第一方向；第二偏振敏感模块，该第二偏振敏感模块被配置为将入射到第二模块上的虚拟世界光引导到至少部分基于眼睛定位信息而确定的第二方向；以及光学模块，该光学模块设置在第一偏振敏感模块和第二偏振敏感模块之间，并且被配置为将入射到光学模块上的真实世界光朝向第二偏振敏感模块透射，并且将虚拟世界光朝向第二偏振敏感模块引导。

在一些实施例中，光学系统包括被配置为确定眼睛定位信息的眼睛跟踪模块。

在一些实施例中，光学模块被配置为朝向第二偏振敏感模块反射虚拟世界光。

在一些实施例中，第一偏振敏感模块被配置成使真实世界光转向第一角度，并且第二偏振敏感模块被配置成使真实世界光转向第二角度，该第二角度在大小上基本上等于第一角度并且在符号上与第一角度相反。

在一些实施例中，光学系统包括控制模块，该控制模块被配置为：将第一组电子信号传输到第一偏振敏感模块，以基于眼睛定位信息控制用于引导真实世界光的第一转向角；以及将第二组电子信号传输到第二偏振敏感模块，以基于眼睛定位信息控制用于引导虚拟世界光的第二转向角。

在一些实施例中，光学模块包括具有光向外耦合表面(light out-couplingsurface)的光学波导，该光向外耦合表面面向第二偏振敏感模块，并且被配置为沿着光学波导将虚拟世界光中继到第二偏振敏感模块。

在一些实施例中，光学模块包括与光学波导耦合的全息光栅，用于将来自光学波导的虚拟世界光向外耦合。

在一些实施例中，光学系统包括被配置成产生虚拟世界光的图像源。

在一些实施例中，入射到第一偏振敏感模块上的真实世界光具有第一偏振，并且光学模块还被配置为将入射到第二偏振敏感模块上的虚拟世界光的第二偏振改变为第一偏振。

在一些实施例中，光学系统包括被配置成聚焦虚拟世界光的透镜模块。

在一些实施例中，透镜模块包括偏振敏感的Pancharatnam-Berry相位(PBP)透镜。

在一些实施例中，第一偏振敏感模块和第二偏振敏感模块中的至少一个包括Pancharatnam-Berry相位(PBP)光栅。

在一些实施例中，第一偏振敏感模块和第二偏振敏感模块中的至少一个包括可切换布拉格光栅(SBG)。

在一些实施例中，第一偏振敏感模块和第二偏振敏感模块中的至少一个包括偏振体光栅(PVG)。

根据一些实施例，一种近眼显示设备包括被配置成生成虚拟世界光的图像源；眼睛跟踪模块，其被配置为确定眼睛定位信息；第一偏振敏感模块，其被配置为将入射到第一偏振敏感模块上的真实世界光引导到至少部分基于眼睛定位信息而确定的第一方向；以及第二偏振敏感模块，其被配置为将入射到第二模块上的虚拟世界光引导到至少部分基于眼睛定位信息而确定的第二方向。

在一些实施例中，第一偏振敏感模块被配置成以第一角度引导真实世界光，并且第二偏振敏感模块被配置成以第二角度引导第一转向光，该第二角度在大小上基本上等于第一角度并且在符号上与第一角度相反。

在一些实施例中，近眼显示设备包括光学模块，该光学模块设置在第一偏振敏感模块和第二偏振敏感模块之间，并且被配置为将入射在光学模块上的真实世界光朝向第二偏振敏感模块透射，并将虚拟世界光朝向第二偏振敏感模块反射。

在一些实施例中，近眼显示设备包括被配置为聚焦虚拟世界光的透镜模块。

根据一些实施例，一种光学系统包括被配置为确定眼睛定位信息的眼睛跟踪模块；第一偏振敏感模块，其被配置为将入射到第一偏振敏感模块上的真实世界光引导到至少部分基于眼睛定位信息而确定的第一方向；以及第二偏振敏感模块，其被配置为将入射到第二模块上的虚拟世界光引导到至少部分基于眼睛定位信息而确定的第二方向。

根据一些实施例，一种光学系统包括被配置为确定眼睛定位信息的眼睛跟踪模块；控制模块，其被配置为基于眼睛定位信息来确定转向光的第一方向；以及偏振敏感模块，其包括偏振体光栅，该偏振体光栅被配置为将具有第一偏振的光的至少第一部分引导到第一方向。

在一些实施例中，偏振体光栅被配置为使具有第二偏振的光的至少第二部分透射穿过偏振体光栅，该第二偏振与第一偏振正交。

在一些实施例中，偏振体光栅被配置为将具有第一偏振的光的第一部分转向大于预定义角度的角度，并将具有第二偏振的光的第二部分转向小于预定义角度的角度。

在一些实施例中，控制模块被配置为：在第一时间，将第一电子信号传输到偏振体光栅，配置偏振体光栅以将光的第一部分引导到第一方向；以及在不同于第一时间的第二时间，将第二电子信号传输到偏振体光栅，配置偏振体光栅以将光的第一部分引导到不同于第一方向的方向。

在一些实施例中，偏振敏感模块包括多个光栅层，其中被包括在多个光栅层中的每个光栅层被配置成被单独地打开或关闭，使得打开或关闭被包括在多个光栅层中的一个或更多个光栅层导致入射在偏振敏感模块上的光被引导到第一方向。

在一些实施例中，被包括在多个光栅层中的两个或更多个光栅层中的每一个包括偏振体光栅，被包括在相应光栅层中的每个偏振体光栅被配置为具有预定义的转向角，该转向角不同于被包括在两个或更多个光栅层中的任何其他偏振体光栅的转向角。

在一些实施例中，光学系统包括图像源，该图像源被配置为提供虚拟世界光，用于偏振敏感模块的后续转向。

在一些实施例中，光学系统包括光学模块，该光学模块被配置为接收来自图像源的虚拟世界光，并将虚拟世界光朝向偏振敏感模块引导，并将真实世界光朝向偏振敏感模块透射。

在一些实施例中，光学模块被配置为朝向偏振敏感模块反射虚拟世界光。

在一些实施例中，光学模块包括具有光向外耦合表面的光学波导，该光向外耦合表面面向偏振敏感模块并且被配置为沿着光学波导中继虚拟世界光。

在一些实施例中，光学系统包括被配置为修改真实世界光的偏振的偏振元件。

在一些实施例中，光学系统包括位于光学模块和偏振敏感模块之间的一个或更多个光学部件，该一个或更多个光学部件被配置成聚焦来自光学模块的虚拟世界光。

在一些实施例中，第一方向对应于光学系统的用户的眼睛的瞳孔的位置。

在一些实施例中，偏振敏感模块还被配置成聚焦光的至少第一部分。

在一些实施例中，光学系统包括透镜模块，该透镜模块被配置为聚焦入射到偏振敏感模块上的虚拟世界光。

在一些实施例中，透镜模块包括Pancharatnam-Berry相位(PBP)透镜。

在一些实施例中，透镜模块包括薄饼透镜。

根据一些实施例，一种近眼显示设备包括本文描述的任何光学系统。

根据一些实施例，一种方法包括确定与要向其呈现图像的眼睛相关联的眼睛定位；至少部分地基于眼睛定位，确定用于将与该图像相关联的图像光朝向眼睛引导的转向方向；以及在第一时间，将对应于转向方向的第一电子信号传输到偏振体光栅，使得偏振体光栅被配置用于将图像光引导到转向方向。

在一些实施例中，该方法包括在不同于第一时间的第二时间，将第二电子信号传输到偏振体光栅，从而配置偏振体光栅用于将图像光引导到不同于转向方向的方向。

根据一些实施例，一种光学系统包括被配置为确定眼睛定位信息的眼睛跟踪模块；控制模块，其被配置为基于眼睛定位信息来确定转向光的第一方向；以及偏振敏感模块，其包括光学相控阵列，该光学相控阵列被配置为将入射到光学相控阵列上的光引导到第一方向。

在一些实施例中，光学相控阵列包括位于两个基板之间的液晶，两个基板中的第一基板上具有多个电极，并且两个基板中的第二基板具有一个或更多个电极。

在一些实施例中，多个电极包括被配置成接收第一电压的第一组电极和被配置成接收不同于第一电压的第二电压的第二组电极。

在一些实施例中，控制模块被配置为：在第一时间，向第一组电极提供第一电压并向第二组电极提供第二电压，使得入射到光学相控阵列上的光被引导到第一方向。

在一些实施例中，控制模块被配置为在不同于第一时间的第二时间，向第一组电极提供不同于第一电压的第三电压，或者向第二组电极提供不同于第二电压的第四电压，使得入射到光学相控阵列上的光被引导到不同于第一方向的方向。

在一些实施例中，在第二时间，眼睛跟踪模块确定第二眼睛定位信息；控制模块基于第二眼睛定位信息确定转向光的第二方向；并且光学相控阵列被配置成将入射到光学相控阵列上的光引导到第二方向。

在一些实施例中，控制模块被配置为在第一时间，向被包括在多个电极中的第一电极子集提供第一电压，并且向被包括在多个电极中的其他电极提供不同于第一电压的第二电压，第一电极子集被间隔开第一距离，使得入射到光学相控阵列上的光被引导到第一方向。

在一些实施例中，控制模块被配置为在不同于第一时间的第二时间，向被包括在多个电极中的第二电极子集提供第一电压，并且向被包括在多个电极中的其他电极提供第二电压，第二电极子集被间隔开不同于第一距离的第二距离，使得入射到光学相控阵列上的光被引导到不同于第一方向的方向。

在一些实施例中，在第二时间，眼睛跟踪模块确定第二眼睛定位信息；控制模块基于第二眼睛定位信息确定转向光的第二方向；并且光学相控阵列被配置成将入射到光学相控阵列上的光引导到第二方向。

在一些实施例中，偏振敏感模块包括多个光栅层，其中被包括在多个光栅层中的每个光栅层包括光学相控阵列。

在一些实施例中，光学系统包括图像源，该图像源被配置为提供虚拟世界光，用于光学相控阵列的后续转向。

在一些实施例中，光学系统包括光学模块，该光学模块被配置为接收来自图像源的虚拟世界光并将虚拟世界光朝向光学相控阵列引导，并且将真实世界光朝向光学相控阵列透射。

在一些实施例中，光学模块被配置成朝向光学相控阵列反射虚拟世界光。

在一些实施例中，光学模块包括具有光向外耦合表面的光学波导，该光向外耦合表面面向偏振敏感模块并且被配置为沿着光学波导中继虚拟世界光。

在一些实施例中，光学系统包括偏振元件，该偏振元件被配置为修改真实世界光的偏振。

在一些实施例中，光学系统包括透镜模块，该透镜模块被配置为聚焦入射到偏振敏感模块上的虚拟世界光。

在一些实施例中，透镜模块包括Pancharatnam-Berry相位(PB)透镜。

根据一些实施例，一种方法包括确定与要向其呈现图像的眼睛相关联的眼睛定位；至少部分地基于眼睛定位，确定用于将与该图像相关联的图像光朝向眼睛引导的转向方向；以及在第一时间，将对应于转向方向的第一电子信号传输到光学相控阵列，使得光学相控阵列被配置用于将图像光引导到转向方向。

在一些实施例中，该方法包括在不同于第一时间的第二时间，将第二电子信号传输到光学相控阵列，从而配置光学相控阵列以将图像光引导到不同于转向方向的方向。

出于说明的目的，已经呈现了本公开的实施例的前述描述；它并不旨在穷举或将本公开限制于所公开的精确形式。相关领域的技术人员可以理解，根据上述公开，许多修改和变化是可能的。

本说明书的一些部分根据信息操作的算法和符号表示来描述本公开的实施例。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，在不失一般性的情况下，将这些操作安排称为模块有时也被证明是方便的。所描述的操作和它们的相关模块可以体现在软件、固件、硬件或其任何组合中。

可以利用一个或更多个硬件或软件模块单独地或与其他设备组合地来执行或实现本文描述的任何步骤、操作或过程。在一个实施例中，利用包括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。

本公开的实施例也可以涉及用于执行本文的操作的装置。该装置可以被特别构造成用于所需的目的，和/或它可以包括由存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置的通用计算设备。这种计算机程序可以存储在非暂时性的、有形的计算机可读存储介质中，或者任何类型的适于存储电子指令的介质中，其可以耦合到计算机系统总线。此外，说明书中提到的任何计算系统可以包括单个处理器，或者可以是采用多处理器设计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、有形的计算机可读介质上且可以包括计算机程序产品或本文所述的其他数据组合的任何实施例。

最后，说明书中使用的语言主要是出于可读性和指导性的目的而选择的，而且它可能没有被选择来描绘或限制所公开的主题。因此，意图是本公开的范围不被该详细描述所限制，而是被基于此的申请发布的任何权利要求所限制。因此，实施例的公开旨在说明而非限制本公开的范围，本公开的范围在所附权利要求中阐述。

出于说明的目的，已经给出了各种实施例的描述，但是这些描述并不意图是无遗漏的或限制于所公开的实施例。在不脱离所描述的实施例的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说将是明显的。

本实施例的方面可以体现为系统、方法或计算机程序产品。因此，本公开的方面可以采取完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、常驻软件、微代码等)，或结合软件和硬件方面(这些方面在本文中通常都被称为“模块”或“系统”)的实施例的形式。此外，本公开的各方面可以采取计算机程序产品的形式，该计算机程序产品体现在一个或更多个计算机可读介质中，在该一个或更多个计算机可读介质上体现有计算机可读程序代码。

可以利用一个或更多个计算机可读介质的任何组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可以是，例如但不限于，电子、磁、光、电磁、红外或半导体系统、装置或设备，或前述的任何合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的示例(非穷举列表)将包括以下：具有一条或更多条导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式光盘只读存储器(CD-ROM)、光存储设备、磁存储设备或前述的任何合适的组合。在本文档的上下文中，计算机可读存储介质可以是能够包含或存储由指令执行系统、装置或设备使用或结合指令执行系统、装置或设备来使用的程序的任何有形介质。

以上参考根据本公开的一些实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本公开的方面。应当理解，流程图和/或框图的每个框以及流程图和/或框图中的框的组合可以通过计算机程序指令来实现。这些计算机程序指令可以被提供给通用计算机、专用计算机或用于产生机器的其他可编程数据处理装置的处理器。当通过计算机或其他可编程数据处理装置的处理器执行时，这些指令能够实现流程图和/或框图的一个或更多个框中指定的功能/动作。这样的处理器可以是但不限于通用处理器、专用处理器、应用特定处理器或现场可编程门阵列。

各图中的流程图和框图示出了根据本公开的各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个框可以表示模块、代码段或代码部分，其包括用于实现指定逻辑功能的一个或更多个可执行指令。还应当注意，在一些替代实现中，框中提到的功能可以不按该图中提到的顺序进行。例如，连续示出的两个框实际上可以基本上同时执行，或者这些框有时可以以相反的顺序执行，这取决于所涉及的功能。还将注意到，框图和/或流程图中的每个框以及框图和/或流程图中的框的组合可以由执行指定功能或动作的基于专用硬件的系统或者由专用硬件和计算机指令的组合来实现。

虽然前面针对本公开的实施例，但是在不脱离本公开的基本范围的情况下，可以设计本公开的其他和进一步的实施例，并且本公开的范围由所附权利要求确定。

Claims (15)

1.一种光学系统，包括：

眼睛跟踪模块，其被配置为确定眼睛定位信息；

控制模块，其被配置为基于所述眼睛定位信息来确定转向光的第一方向；和

第一光学模块，其包括可切换偏振敏感元件，所述可切换偏振敏感元件被配置为将入射到所述第一光学模块上的光引导到所述第一方向。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其中：

所述第一光学模块包括多个光栅层；和

被包括在所述多个光栅层中的每个光栅层被配置成被单独地打开或关闭，使得通过使所述多个光栅层中的一个或更多个光栅层打开或关闭，入射到所述第一光学模块上的光被引导到所述第一方向。

3.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述多个光栅层中的每个光栅层被配置成以不同于所述多个光栅层中的其他光栅层的转向角的角度来使入射到所述光栅层上的光转向。

4.根据任一前述权利要求所述的光学系统，下列中的一项或更多项成立：

a)其中，所述控制模块还被配置为向所述第一光学模块发送电子信号，使得所述第一光学模块扫描多个方向，以引导入射到所述第一光学模块上的光；或者

b)还包括图像源，所述图像源被配置成产生入射到所述第一光学模块上的光；或者

c)还包括观察光学系统，所述观察光学系统被配置为将来自所述图像源的光朝向所述第一光学模块反射；或者

d)其中，所述第一光学模块包括一个或更多个电子可切换液晶(LC)单元，所述一个或更多个电子可切换液晶(LC)单元被配置为选择性地提供半波相位延迟，用于修改入射到所述第一光学模块上的光的偏振；或者

e)其中，所述第一方向对应于所述光学系统的用户的眼睛的瞳孔的位置；或者

f)其中，所述第一光学模块包括多个液晶层，并且至少一个液晶层对入射到所述第一光学模块上穿过所述液晶层的区域的光施加相移。

5.根据任一前述权利要求所述的光学系统，还包括第二光学模块，所述第二光学模块具有基本上垂直于所述第一光学模块的转向轴的转向轴，其中，所述控制模块还被配置为确定使入射在所述第二光学模块上的光转向的第二方向。

6.根据任一前述权利要求所述的光学系统，其中，所述第一光学模块包括Pancharatnam-Berry相位(PBP)光栅。

7.根据权利要求6所述的光学系统，其中：

所述PBP光栅是可切换光栅，或者

所述PBP光栅是无源光栅，并且所述第一光学模块包括与所述无源PBP光栅光学耦合的可切换半波片。

8.根据权利要求6所述的光学系统，其中，所述第一光学模块包括多个光栅层，被包括在所述多个光栅层中的每个光栅层包括PBP光栅，所述PBP光栅被配置为具有预定义的转向角，所述预定义的转向角不同于被包括在所述两个或更多个光栅层中的任何其他PBP光栅的转向角。

9.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述第一光学模块包括可切换布拉格光栅(SBG)。

10.根据权利要求9所述的光学系统，其中，所述第一光学模块包括多个光栅层，被包括在所述多个光栅层中的每个光栅层包括SBG，所述SBG被配置为具有预定义的转向角，所述预定义的转向角不同于被包括在所述两个或更多个光栅层中的任何其他SBG的转向角。

11.根据权利要求9所述的光学系统，其中，所述SBG包括透射模式SBG。

12.根据权利要求9所述的光学系统，其中，所述SBG包括反射模式SBG。

13.一种近眼显示设备，包括：

图像源，其被配置为产生图像光；

眼睛跟踪模块，其被配置为确定眼睛定位信息；和

光学模块，其包括可切换偏振敏感元件，所述可切换偏振敏感元件被配置为将所述图像光引导到与所述眼睛定位信息相关联的第一方向。

14.根据权利要求13所述的近眼显示设备，其中：

所述光学模块包括多个光栅层；和

被包括在所述多个光栅层中的每个光栅层被配置成被单独地打开或关闭，从而使被包括在所述多个光栅层中的一个或更多个光栅层打开或关闭，将入射到所述光学模块上的光引导到第一方向。

15.一种方法，包括：

确定与要向其呈现图像的眼睛相关联的眼睛定位；

至少部分地基于所述眼睛定位，确定用于将与所述图像相关联的图像光朝向所述眼睛引导的转向方向；和

将对应于所述转向方向的电子信号传输到光学模块，所述光学模块被配置为将所述图像光引导到所述转向方向。

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