CN114207502A - 具有全息漫射器显示器和透视透镜组件的显示设备 - Google Patents

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李钢
耿莹
B·惠尔赖特
J·戈利耶
B·阿米尔索莱玛尼
高伟川
彭枫琳
J·R·博纳
C·A·M·法比恩
A·莫赫格希
O·雅罗什查克
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    • G02F1/133536—Reflective polarizers

Abstract

一种显示设备，包括光学漫射器，所述光学漫射器被配置为响应于接收图像光，输出具有与图像光相同偏振的漫射图像光(492)。光学漫射器还被配置为透射环境光(490)。所述显示设备还包括光学组件(700)，其包括基板(710)、耦合到基板的反射器(712)以及耦合到基板的分束器(714)。光学组件被配置为通过在反射器处和在分束器处反射漫射图像光来以第一光功率透射漫射图像光，并且以小于第一光功率的第二光功率透射透射的环境光而不在反射器或分束器处反射该环境光。还公开了一种通过显示设备透射光的方法。

Description

具有全息漫射器显示器和透视透镜组件的显示设备
相关申请
本申请要求于2019年9月17日提交的美国临时申请序列号62/901,706的权益和优先权，其全部内容通过引用并入本文。
本申请涉及(1)与本申请同时提交的题为“Thin See-Through Pancake LensAssembly and Display Device Including the Same”(代理人案号010235-01-5278-US)的美国专利申请序列号____，(2)与本申请同时提交的题为“Curved See-Through PancakeLens Assembly and Display Device Including the Same”(代理人案号010235-01-5279-US)的美国专利申请序列号____，(3)与本申请同时提交的题为“Lens AssemblyIncluding a Volume Bragg Grating and Display Device Including the Same”(代理人案号010235-01-5280-US)的美国专利申请序列号____，(4)与本申请同时提交的题为“Display Device with Transparent Emissive Display and See-Through LensAssembly”(代理人案号010235-01-5281-US)的美国专利申请序列号____，(5)与本申请同时提交的题为“Display Device with Switchable Diffusive Display and See-ThroughLens Assembly”(代理人案卷号010235-01-5283-US)的美国专利申请序列号_____，以及(6)与本申请同时提交的题为“Display Device with Diffusive Display and See-Through Lens Assembly”(代理人卷号010235-01-5284-US)的美国专利申请序列号_____，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
这一般涉及显示设备，并且更具体地涉及头戴式显示设备。
背景技术
头戴式显示设备(在本文中也称为头戴式显示器)作为用于向用户提供视觉信息的装置正在变得流行。例如，一些头戴式显示设备被用于虚拟现实和增强现实操作。
当将头戴式显示设备用于AR应用时，期望显示设备将环境光无缝地透射到用户的眼睛，同时将一个或多个图像投射到用户的眼睛。
发明内容
因此，需要一种头戴式显示设备，其能够以减小的光学像差将图像光投射到用户的眼睛并且将环境光透射到用户的眼睛。在光学系统中，光学像差是与光学系统中的光学元件的完美或理想光学性能的偏差。这些偏差可能会导致图像质量降低，例如导致模糊或失真的图像。幸运的是，通过仔细的透镜设计，许多光学像差可以被校正，允许完美或接近完美的光学系统以减小的光学像差(在理想情况下，最小或没有光学像差)来产生图像。
因此，通过所公开的显示设备减少或消除了与传统头戴式显示设备相关联的上述缺陷和其他问题。
根据一些实施例，光学组件包括具有第一表面和与第一表面相对并基本上平行的第二表面的基板。光学组件还包括反射器和分束器，每个反射器和分束器的耦合到基板。光学组件还被配置为：在从第二表面输出第一光之前在包括在反射器处和在分束器处反射的光路中透射在第一表面处接收的第一光。光学组件还被配置为透射在第一表面处接收的第二光，使得第二光从第二表面输出而没有在反射器或分束器处经历反射。
根据一些实施例，显示设备包括显示器和光学组件。显示器被配置为输出图像光并且透射环境光。光学组件包括具有第一表面和与第一表面相对并基本上平行的第二表面的基板。光学组件还包括反射器和分束器，每个反射器和分束器耦合到衬底。光学组件还被配置为：在第一光从第二表面输出之前在包括在反射器处和在分束器处的反射的光路中透射在第一表面处接收的第一光。光学组件还被配置为透射在第一表面处接收的第二光，使得该第二光从第二表面输出而没有在反射器或分束器处经历反射。
根据一些实施例，一种将光透射通过光学组件的方法包括在第一光路中透射图像光以及在不同于第一光路的第二光路中透射环境光。透射图像光包括在基板的第一表面处接收图像光，该基板包括与第一表面相对并基本上平行的第二表面、耦合到基板的反射器以及耦合到基板的分束器。透射图像光还包括从第二表面输出图像光，使得第一光路包括在反射器处和在分束器处的反射。透射环境光包括在第一表面处接收环境光并将环境光从第二表面输出而没有在反射器或分束器处经历反射。
根据一些实施例，光学组件包括基板，该基板具有第一表面和第二表面，该第一表面具有第一弯曲轮廓，该第二表面具有第二弯曲轮廓并且与该第一表面相对并且平行。光学组件还包括被布置在第一表面上并且符合第一表面的第一弯曲轮廓的分束器。光学组件还包括被布置在第二表面上并且符合第二表面的第二弯曲轮廓的反射器。光学组件被配置为在第一表面处接收第一光，并且在反射器处反射第一光并且随后在从反射器输出第一光之前在分束器处反射第一光。第一光以第一光功率透射通过光学组件。光学组件还被配置为通过光学组件透射第二光而不在反射器处反射。第二光以小于第一光功率的第二光功率透射通过光学组件。
根据一些实施例，一种显示设备包括被配置为输出图像光并且可配置为透射环境光的显示器。该显示设备还包括光学组件，该光学组件包括具有第一弯曲轮廓的第一表面和具有第二弯曲轮廓并与第一表面平行的第二表面。光学组件还包括被布置在第一表面上并且符合第一表面的第一弯曲轮廓的分束器。光学组件还包括被布置在第二表面上并且符合第二表面的第二弯曲轮廓的反射器。光学组件被配置为在第一表面处接收图像光，并在反射器处反射图像光并且随后在从反射器输出图像光之前在分束器处反射图像光。图像光以第一非零光功率透射通过光学组件。光学组件还被配置为通过光学组件透射环境光而不在反射器处反射。环境光以小于第一光功率的第二光功率透射通过光学组件。
根据一些实施例，一种通过光学组件透射光的方法包括在第一光路中透射图像光以及在不同于第一光路的第二光路中透射环境光。透射图像光包括：在具有第一弯曲轮廓的基板的第一表面处接收图像光。透射图像光还包括：在具有第二弯曲轮廓并且基本上平行于基板的第一表面处反射图像光，在被布置在第一基板上并且符合第一表面的第一弯曲轮廓的分束器处反射图像光，以及以第一光功率从反射器输出图像光。透射环境光包括：在第一表面处接收环境光，通过光学组件透射环境光而不在反射器处反射，以及以小于第一光功率的第二光功率从光学组件输出环境光。
根据一些实施例，光学组件包括具有第一表面和与第一表面相对并基本上平行的第二表面的基板。光学组件还包括耦合到基板的反射器和耦合到基板的体布拉格光栅。体布拉格光栅被配置为透射以第一预定角度范围内的入射角入射到体布拉格光栅上的光，并反射以不同于第一角度范围的第二预定角度范围内的入射角入射到体布拉格光栅上的光。光学组件被配置为：在从第二表面输出第一光之前在包括在反射器处和在体布拉格光栅处反射的光路中透射在第一表面处接收的第一光。光学组件还被配置为透射在第一表面处接收的第二光，使得第二光从第二表面输出而没有在反射器或体布拉格光栅处经历反射。
根据一些实施例，显示设备包括显示器和光学组件。显示器被配置为输出图像光并透射环境光。光学组件包括具有第一表面和与第一表面相对并基本上平行的第二表面的基板。光学组件还包括耦合到基板的反射器和耦合到基板的体布拉格光栅。体布拉格光栅被配置为以第一预定角度范围内的入射角透射入射到体布拉格光栅上的图像，反射以不同于第一角度范围的第二预定角度范围内的入射角入射到体布拉格光栅上的图像光，并透射环境光。光学组件被配置为：在从第二表面输出图像光之前在包括在反射器处和在体布拉格光栅处反射的光路中在第一表面处透射图像光。光学组件还被配置为透射环境光，使得环境光从第二表面输出而没有在反射器或体布拉格光栅处经历反射。
根据一些实施例，一种将光透射通过光学组件的方法包括在第一光路中透射图像光以及在不同于第一光路的第二光路中透射环境光。透射图像光包括在基板的第一表面处接收图像光。该基板包括与第一表面相对并基本上平行的第二表面、耦合到基板的反射器以及耦合到基板的体布拉格光栅。体布拉格光栅被配置为透射以第一预定角度范围内的入射角入射到体布拉格光栅上的图像光，并反射以不同于第一角度范围的第二预定角度范围内的入射角入射到体布拉格光栅上的图像光。透射图像光的方法还包括经由包括在反射器处和在体布拉格光栅处反射的光路以第一光功率从第二表面输出图像光。透射环境光包括在第一表面处接收环境光，并经由不包括在反射器或体布拉格光栅处反射的光路以第二光功率从第二表面输出环境光。第二光功率小于第一光功率。
根据一些实施例，显示设备包括显示器和光学组件。显示器具有前表面和相对的后表面。显示器被配置为从前表面输出图像光并从后表面向前表面透射环境光。光学组件包括具有基本上均匀厚度的基板、耦合到基板的分束器以及耦合到基板的反射器。光学组件被配置为接收图像光并经由包括在反射器处和在分束器处反射的光路以第一非零光功率透射从显示器的前表面输出的图像光的一部分。光学组件还被配置为接收环境光并以第二光功率将环境光的一部分透射通过光学组件而不在反射器处反射。第二光功率小于第一光功率。
根据一些实施例，一种显示一个或多个图像的方法包括从显示器的前表面输出图像光。显示器还包括与前表面相对的后表面。该方法还包括从后表面向前表面透射环境光，在光学组件处接收从前表面输出的图像光，以及以第一光功率透射图像光的一部分。该方法还包括在光学组件处接收从前表面输出的环境光，并以不同于第一光功率的第二光功率透射环境光的一部分。
根据一些实施例，一种显示设备包括被配置为响应于接收图像光而输出漫射图像的光学漫射器。从光学漫射器输出的漫射图像光具有与所接收的图像光相同的偏振。光学漫射器还被配置为接收环境光并输出环境光的至少第一部分而不改变其偏振。该显示设备还包括光学组件，该光学组件包括具有第一表面和与第一表面相对并基本上平行的第二表面的基板、耦合到基板的反射器以及耦合到基板的分束器。光学组件被配置为通过在反射器处和在分束器处反射漫射图像光来以第一非零光功率透射漫射图像光。光学组件还被配置为：将环境光的第二部分透射通过光学组件而不在反射器或分束器处反射，使得环境光的第二部分以小于第一光功率的第二光功率透射通过光学组件。
根据一些实施例，一种方法包括：在光学漫射器处接收图像光；从所述光学漫射器输出漫射图像光；以及以第一非零光功率将漫射图像透射通过光学组件。从光学漫射器输出的漫射图像光具有与接收的图像光相同的偏振。该方法还包括：在光学漫射器处接收环境光并从光学漫射器输出环境光的至少第一部分。该方法还包括以小于第一光功率的第二光功率通过光学组件透射环境光的第二部分。光学组件包括具有第一表面和与第一表面相对并基本上平行的第二表面的基板、耦合到基板的反射器和耦合到基板的分束器。以第一非零光功率将漫射图像光透射通过光学组件包括在反射器处和在分束器处反射漫射图像光。将环境光的第二部分透射通过光学组件而不在反射器或分束器处反射，使得环境光的第二部分以第二光功率透射通过光学组件。
根据一些实施例，一种显示设备包括显示器，该显示器具有前表面、与该前表面相对的后表面以及被布置在该前表面与该后表面之间的光学各向异性分子。显示器可配置为在前表面处接收图像光并将图像光进行漫射以从前表面输出漫射图像光，或者在后表面处接收环境光并从前表面输出环境光。该显示设备还包括光学组件，该光学组件具有基本上均匀厚度的光学组件基板、耦合到光学组件基板的反射器以及耦合到光学组件基板的分束器。该光学组件可配置为经由包括在反射器处和在分束器处反射的光路以第一光功率透射漫射图像光的一部分，并以第二光功率透射从显示器的前表面输出的环境光的一部分而不在反射器处反射。第二光功率小于第一光功率。
根据一些实施例，一种用于操作显示设备的方法包括以第一模式操作显示设备。以第一模式操作显示设备包括：在显示器的前表面处接收图像光，对图像光进行漫射以从前表面输出漫射图像光，以及经由包括至少一个折叠的第一光路以第一光功率将漫射图像光的一部分透射通过光学组件。用于操作显示设备的方法还包括以第二模式操作显示设备。以第二模式操作显示设备包括：在与显示器的前表面相对的后表面处接收环境光，将环境光透射通过显示器，以及经由第二光路以第二光功率将环境光的一部分透射通过光学组件。第二光功率小于第一光功率，并且第二光路不包括任何折叠。
根据一些实施例，一种显示设备包括被配置为投射图像光的一个或多个投射器，以及具有第一表面和第二表面的显示器。显示器被配置为：从一个或多个投射器接收图像光，从第一表面输出漫射图像光，在第二表面处接收环境光，并从第一表面输出环境光。该显示设备还包括光学组件，该光学组件具有基本上均匀厚度的基板、耦合到基板的分束器以及耦合到基板的反射器。光学组件被配置为接收从显示器的第一表面输出的漫射图像光，并经由包括在反射器处和在分束器处反射的光路以第一光功率透射漫射图像光的一部分。光学组件还被配置为接收从显示器的第一表面输出的环境光，并以第二光功率将环境光的一部分透射通过光学组件而不在反射器处反射。第二光功率小于第一光功率。
根据一些实施例，一种显示一个或多个图像的方法包括：从一个或多个投射器投射图像光；在显示器处接收从一个或多个投射器投射的图像光；在显示器处漫射图像光；以及从显示器的第一表面输出漫射图像光。该方法还包括：在显示器的第二表面处接收环境光并从显示器的第一表面输出环境光。第二表面与第一表面相对。该方法还包括：在光学组件处接收从显示器的第一表面输出的漫射图像光和环境光，在包括一个或多个折叠的第一光路中透射漫射图像光，以及在不同于第一光路的第二光路中透射环境光。
因此，所公开的实施例提供了一种包括光学组件的显示设备，该光学组件可以引导具有第一偏振的图像光，并且能够透射具有与第一偏振不同的偏振的环境光，而不增加显著的像差或失真。
根据一些实施例，头戴式显示设备包括衍射和/或全息光学器件，其实现折叠的光路，从而产生更紧凑和更轻的显示设备。
根据一些实施例，用于头戴式显示设备的光学设备包括第一部分反射器；以及第二部分反射器，该第二部分反射器相对于该第一部分反射器被定位，使得该第二部分反射器接收通过该第一部分反射器透射的第一光并且将该第一光的一部分作为第二光朝向该第一部分反射器部分地反射。第二光的一部分作为第三光被第一部分反射器反射，并且第三光的一部分透射通过第二部分反射器。第一部分反射器或第二部分反射器中的至少一个包括反射全息元件。根据一些实施例，光学设备被包括在具有显示设备(例如，显示面板)的光学系统中。
附图说明
为了更好地理解各种所描述的实施例，应结合以下附图在下面对实施例的描述进行参考，在附图中，相同的附图标记始终指代对应的部分。
图1是根据一些实施例的显示设备的透视图。
图2是根据一些实施例的包括显示设备的系统的框图。
图3是根据一些实施例的显示设备的等距视图。
图4A-图4B是图示了根据一些实施例的显示设备的示意图。
图4C是图示了根据一些实施例的透明发射显示器的示意图。
图4D是图示了根据一些实施例的透明非发射显示器的示意图。
图5A-图5E是图示了根据一些实施例的包括菲涅耳结构的光学组件的示意图。
图5F-图5H是图示了根据一些实施例的包括菲涅耳结构的光学组件的示意图。
图5I-图5K是图示了根据一些实施例的包括菲涅耳结构的光学组件的示意图。
图5L-图5M是图示了根据一些实施例的包括偏振敏感全息图的光学组件的示意图。
图5N-图5O是图示了根据一些实施例的包括偏振敏感全息图的光学组件的示意图。
图6A-图6C是图示了根据一些实施例的包括弯曲表面的光学组件的示意图。
图7A是图示了根据一些实施例的包括体布拉格光栅的光学组件的示意图。
图7B和图7C是图示了根据一些实施例的体布拉格光栅的示意图。
图7D是图示了根据一些实施例的混合光学元件的示意图。
图7E是图示了根据一些实施例的包括体布拉格光栅的光学组件的示意图。
图8A-图8B是图示了根据一些实施例的显示设备的时间同步操作的示意图。
图9A-图9D是图示了根据一些实施例的显示设备的时序操作的示意图。
图10是图示了根据一些实施例的包括光学漫射器显示器的显示设备的示意图。
图11A是图示了根据一些实施例的包括可切换显示器和快门组件的显示设备的示意图。
图11B是图示了根据一些实施例的包括快门的二维阵列的快门组件的示意图。
图11C-图11D是图示了根据一些实施例的包括可切换显示器和快门组件的显示设备的操作的示意图。
图11E-图11F是图示了根据一些实施例的具有聚合物分散液晶的可切换显示器的示意图。
图11G-图11H是图示了根据一些实施例的具有聚合物稳定液晶的可切换显示器的示意图。
图11I-图11J是图示了根据一些实施例的具有液晶和染料的快门组件的示意图。
图11K-图11L是图示了根据一些实施例的具有扭转的向列液晶的快门组件的示意图。
图11M-图11N是图示了根据一些实施例的具有聚合物分散液晶的快门组件的示意图。
图11O-图11P是图示了根据一些实施例的具有聚合物稳定液晶的快门组件的示意图。
图12A-图12B是图示了根据一些实施例的显示设备的示意图。
图12C和图12D是图示了根据一些实施例的包括纳米颗粒显示器的显示设备的示意图。
图13A-图13B是图示了根据一些实施例的包括浸没式漫反射器显示器的显示设备的示意图。
图14A是图示了根据一些实施例的包括楔形波导的显示设备的示意图。
图14B是图示了根据一些实施例的楔形波导中的光路的示例的示意图。
图15是图示了根据一些实施例的将光透射通过光学组件的方法的流程图。
图16是图示了根据一些实施例的将光透射通过光学组件的方法的流程图。
图17是图示了根据一些实施例的将光透射通过包括体布拉格光栅的光学组件的方法的流程图。
图18是图示了根据一些实施例的操作用于增强现实应用的显示设备的方法的流程图。
图19是图示了根据一些实施例的在包括光学漫射器显示器的显示设备中透射光的方法的流程图。
图20A-图20C是图示了根据一些实施例的操作可切换显示设备的方法的流程图。
图21A-图21D是图示了根据一些实施例的显示一个或多个图像的方法的流程图。
除非另有说明，否则这些图不是按比例绘制的。
具体实施方式
本公开提供了一种投射图像光并向用户的眼睛透射环境光的头戴式显示设备(或显示设备)。环境光被透射到观看者而没有来自显示设备的光学部件的显著的光学像差，以便允许显示设备的用户准确地感知外部环境中的对象并与之交互。
现在将对实施例进行参考，其示例在附图中被图示。在以下描述中，阐述了许多具体细节以便提供对各种所述实施例的理解。然而，对本领域技术人员是明显的，可以在没有这些特定细节的情况下实践所述各种实施例。在其它情形中，没有详细描述公知的方法、步骤、组件、电路和网络，以免不必要地模糊实施例的各方面。
还将理解，虽然在一些情况下，术语第一、第二等在本文中被用于描述各种元件，但是这些元件不应受到这些术语的限制。这些术语仅被用于区分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离各个实施例的范围的情况下，第一光投射器可以被称为第二光投射器，并且类似地，第二光投射器可以被称为第一光投射器。第一光投射器和第二光投射器都是光投射器，但它们不是同一光投射器。
在本文的各种所述实施例的描述中使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而不旨在是限制性的。如在各种所描述的实施例和所附权利要求的描述中所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式。还将理解，如本文中所使用的术语“和/或”是指并涵盖一个或多个相关联的所列项目的任何和所有可能的组合。还应当理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但是不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或其组合的存在或添加。术语“示例性”在本文中以“用作示例、实例或说明”的意义而被使用，而不是以“表示其种类中的最佳者”的意义而被使用。
图1图示了根据一些实施例的显示设备100的透视图。在一些实施例中，显示设备100被配置为佩戴在用户的头上(例如，通过具有目镜或眼镜的形式，如图1中所示，或者作为由用户佩戴的头盔的一部分而被包括)。当显示设备100被配置为被佩戴在用户的头上时，显示设备100被称为头戴式显示器。备选地，显示设备100被配置用于放置在用户的一只眼睛或多只眼睛附近的固定位置处，而不是头戴式的(例如，显示设备100被安装在诸如汽车或飞机之类的交通工具中，用于放置在用户的一只眼睛或多只眼睛的前方)。如图1中所示，显示设备100包括显示器110。显示器110被配置用于向用户呈现可视内容(例如，增强现实内容、虚拟现实内容、混合现实内容或其任意组合)。
在一些实施例中，显示设备100包括本文中关于图2描述的一个或多个部件。在一些实施例中，显示设备100包括图2中未示出的附加部件。
图2是根据一些实施例的系统200的框图。图2中所示的系统200包括各自耦合到控制台210的显示设备205(其对应于图1中所示的显示设备100)、成像设备235和输入接口240。虽然图2示出了包括显示设备205，成像设备235和输入接口240的系统200的示例，但是在其他实施例中，系统200中可以包括任意数量的这些部件。例如，可以有多个显示设备205，每个显示设备205具有相关联的输入接口240并由一个或多个成像设备235监视，每个显示设备205、输入接口240和成像设备235与控制台210通信。在备选的配置中，系统200中可以包括不同的和/或附加的部件。例如，在一些实施例中，控制台210经由网络(例如，互联网)连接到系统200，或者作为显示设备205的一部分(例如，物理上位于显示设备205内部)而是自包含的。在一些实施例中，显示设备205被用于通过在真实环境的视图中进行添加来创建混合现实。因此，本文描述的显示设备205和系统200可以递送增强现实、虚拟现实和混合现实。
在一些实施例中，如图1中所示，显示设备205是向用户呈现媒体的头戴式显示器。由显示设备205呈现的媒体的示例包括一个或多个图像、视频、音频或其某些组合。在一些实施例中，音频经由从显示设备205、控制台210或两者接收音频信息并基于该音频信息呈现音频数据的外部设备(例如，扬声器和/或耳机)来呈现。在一些实施例中，显示设备205将用户沉浸在增强环境中。
在一些实施例中，显示设备205还充当增强现实(AR)耳机。在这些实施例中，显示设备205用计算机生成的元素(例如，图像、视频、声音等)来增强物理，现实环境的视野。此外，在一些实施例中，显示设备205能够在不同类型的操作之间循环。因此，基于来自应用引擎255的指令，显示设备205操作为虚拟现实(VR)设备、增强现实(AR)设备、操作为眼镜或其某种组合(例如，没有光学校正的眼镜、为用户进行光学校正的眼镜、太阳镜或其某些组合)。
显示设备205包括电子显示器215、一个或多个处理器216、眼睛跟踪模块217、调整模块218、一个或多个定位器220、一个或多个位置传感器225、一个或多个定位相机222、存储器228、惯性测量单元(IMU)230、一个或多个光学组件260、或其子集或超集(例如，具有电子显示器215、光学组件260的显示设备205，没有任何其他列出的部件)。显示设备205的一些实施例具有与这里描述的模块不同的模块。类似地，功能可以以与这里描述的不同的方式分布在模块之间。
一个或多个处理器216(例如，处理单元或核)执行存储在存储器228中的指令。存储器228包括高速随机存取存储器，诸如DRAM、SRAM、DDR RAM或其他随机存取固态存储器设备；并且可以包括非易失性存储器，诸如一个或多个磁盘存储设备、光盘存储设备、闪存设备或其他非易失性固态存储设备。存储器228或者备选地在存储器228内的(多个)非易失性存储设备包括非瞬态计算机可读存储介质。在一些实施例中，存储器228或存储器228的计算机可读存储介质存储用于在电子显示器215上显示一个或多个图像的程序、模块和数据结构和/或指令。
电子显示器215根据从控制台210和/或(多个)处理器216接收的数据向用户显示图像。在各种实施例中，电子显示器215可以包括单个可调整显示元件或多个可调整显示元件(例如，用于用户的每只眼睛的显示器)。在一些实施例中，电子显示器215被配置为通过一个或多个光学组件260向用户投射图像。
在一些实施例中，显示元件包括一个或多个光发射器件和对应的空间光调制器阵列。空间光调制器是电光像素、光电像素的阵列、动态地调整由每个器件透射的光量的一些其它器件阵列或其某种组合。这些像素被放置在一个或多个透镜之后。在一些实施例中，空间光调制器是LCD(液晶显示器)中的基于液晶的像素阵列。光发射器件的示例包括：有机发光二极管、有源矩阵有机发光二极管、发光二极管、能够放置在柔性显示器中的一些类型的器件或其某种组合。光发射器件包括能够生成被用于图像生成的可见光(例如，红色、绿色、蓝色等)的器件。空间光调制器被配置为选择性地衰减单个光发射器件、光发射器件组或其某种组合。备选地，当光发射器件被配置为选择性地衰减单个发射器件和/或光发射器件组时，显示元件包括没有单独的发射强度阵列的这种光发射器件的阵列。
一个或多个光学组件260中的一个或多个光学部件将光从光发射器件阵列(可选地通过发射强度阵列)引导到每个眼盒(eyebox)内的位置。眼盒是由正在观看来自显示设备205的图像的显示设备205的用户(例如，佩戴显示设备205的用户)的眼睛所占据的区域。在一些实施例中，眼盒表示为10mm×10mm的正方形。在一些实施例中，一个或多个光学部件包括一个或多个涂层，诸如抗反射涂层。
在一些实施例中，显示元件包括红外(IR)检测器阵列，其检测从观看用户的视网膜、从角膜的表面、眼睛的镜片或其某种组合回射的IR光。IR检测器阵列包括IR传感器或多个IR传感器，每个IR传感器对应于观看用户的眼睛的瞳孔的不同位置。在备选实施例中，也可以采用其它眼睛跟踪系统。
眼睛跟踪模块217确定用户眼睛的每个瞳孔的位置。在一些实施例中，眼睛跟踪模块217指导电子显示器215用IR光(例如，经由显示元件中的IR发射器件)照射眼盒。
所发射的IR光的一部分将穿过观看用户的瞳孔并从视网膜朝向IR检测器阵列回射，这被用于确定瞳孔的位置。备选地，眼睛表面的反射也被用于确定瞳孔的位置。IR检测器阵列扫描回射并在检测到回射时识别哪些IR发射器件是活动的。眼睛跟踪模块217可以使用跟踪查找表和所识别的IR发射器件来确定每只眼睛的瞳孔位置。跟踪查找表将IR检测器阵列上的接收信号映射到每个眼盒中的位置(对应于瞳孔位置)。在一些实施例中，跟踪查找表经由校准过程来生成(例如，用户查看图像中的各种已知参考点，并且眼睛跟踪模块217将用户瞳孔在查看参考点时的位置映射到在IR跟踪阵列上接收的对应信号)。如上面所提及，在一些实施例中，系统200可以使用除了本文描述的嵌入式IR之外的其他眼睛跟踪系统。
调整模块218基于所确定的瞳孔位置来生成图像帧。在一些实施例中，这将离散图像发送到显示器，该显示器将子图像平铺在一起，因此相干拼接图像将出现在视网膜的背面上。调整模块218基于检测到的瞳孔位置来调整电子显示器215的输出(即，生成的图像帧)。调整模块218指导电子显示器215的各部分将图像光传递到所确定的瞳孔位置。在一些实施例中，调整模块218还指导电子显示器不将图像光传递到除所确定的瞳孔位置之外的位置。调整模块218可以(例如)阻挡和/或阻止其图像光落在所确定的瞳孔位置之外的光发射器件，允许其它光发射器件发射落在所确定的瞳孔位置内的图像光，平移和/或旋转一个或多个显示元件，动态地调整透镜(例如，微透镜)阵列中的一个或多个有源透镜的曲率和/或屈光力或其某种组合。
可选的定位器220是相对于彼此和相对于显示设备205上的特定参考点而位于显示设备205上的特定位置的对象。定位器220可以是发光二极管(LED)、角锥体反射器、反射标记器、与显示设备205的操作环境形成对比的光源类型或其某种组合。在定位器220是有源的(即，LED或其它类型的光发射器件)的实施例中，定位器220可以发射可见波段(例如，约400nm至750nm)、红外波段(例如，约750nm至1mm)、紫外波段(约100nm至400nm)、电磁光谱的一些其它部分或其某种组合中的光。
在一些实施例中，定位器220位于显示设备205的外表面之下，其对于由定位器220发射或反射的光的波长是透光的，或者足够薄以基本上不衰减由定位器220发射或反射的光。另外，在一些实施例中，显示设备205的外表面或其它部分在可见光波段中是不透光的。因此，定位器220可以在外表面下发射IR波段中的光，该外表面在IR波段中是透光的而在可见波段中是不透光的。
IMU 230是基于从一个或多个位置传感器225接收的测量信号生成校准数据的电子设备。位置传感器225响应于显示设备205的运动而生成一个或多个测量信号。位置传感器225的示例包括：一个或多个加速计、一个或多个陀螺仪、一个或多个磁力计、检测运动的另一合适类型的传感器、用于IMU 230的误差校正的一种类型的传感器或其某种组合。位置传感器225可以位于IMU 230的外部、IMU 230的内部或其某种组合。
基于来自一个或多个位置传感器225的一个或多个测量信号，IMU 230生成第一校准数据，该第一校准数据指示相对于显示设备205的初始位置的显示设备205的估计位置。例如，位置传感器225包括用于测量平移运动(向前/向后、向上/向下、向左/向右)的多个加速度计和用于测量旋转运动(例如，俯仰、偏航、滚动)的多个陀螺仪。在一些实施例中，IMU230对测量信号进行快速采样并从采样数据中计算显示设备205的估计位置。例如，IMU 230随时间对从加速度计接收的测量信号积分以便估计速度矢量，并随时间对速度矢量积分以便确定参考点在显示设备205上的估计位置。备选地，IMU 230将采样的测量信号提供给控制台210，控制台210确定第一校准数据。参考点是可以被用于描述显示设备205的位置的点。而参考点通常可以被定义为空间中的点；然而，在实践中，参考点被定义为显示设备205内的点(例如，IMU 230的中心)。
在一些实施例中，IMU 230从控制台210接收一个或多个校准参数。如下面进一步讨论的，一个或多个校准参数被用于保持显示设备205的跟踪。基于接收到的校准参数，IMU230可以调整一个或多个IMU参数(例如，采样率)。在一些实施例中，某些校准参数使IMU230更新参考点的初始位置，所以其对应于参考点的下一个校准位置。更新参考点的初始位置作为参考点的下一个校准位置有助于减少与所确定的估计位置相关联的累积误差。累积误差，也被称为漂移误差，使参考点的估计位置随时间“漂移”远离参考点的实际位置。
成像设备235根据从控制台210接收的校准参数来生成校准数据。校准数据包括一个或多个图像，该图像示出了可由成像设备235检测的定位器220的观察位置。在一些实施例中，成像设备235包括一个或多个静态相机、一个或多个视频相机、包括一个或多个定位器220的能够捕获图像的任何其他设备或其某种组合。另外，成像设备235可以包括一个或多个滤波器(例如，用于增加信噪比)。成像设备235被配置为选择性地检测从成像设备235的视场中的定位器220发射或反射的光。在定位器220包括无源元件(例如，回射器)的实施例中，成像设备235可以包括照射定位器220中的一些或全部的光源，该光源朝向成像设备235中的光源回射光。第二校准数据从成像设备235传送到控制台210，并且成像设备235从控制台210接收一个或多个校准参数以调整一个或多个成像参数(例如，焦距、焦点、帧速率、ISO、传感器温度、快门速度、光圈等)。
在一些实施例中，显示设备205包括一个或多个光学组件260，其可以包括单个光学组件260或多个光学组件260(例如，用于用户的每只眼睛的光学组件260)。在一些实施例中，一个或多个光学组件260从电子显示器215接收用于计算机生成的图像的图像光，并将图像光朝向用户的一只眼睛或多只眼睛引导。计算机生成的图像包括静止图像、动画图像和/或其组合。计算机生成的图像包括看起来是二维和/或三维对象的对象。
在一些实施例中，电子显示器215将计算机生成的图像投射到一个或多个反射元件(未示出)，并且一个或多个光学组件260接收来自一个或多个反射元件的图像光并将图像光引导到用户的(多个)眼睛。在一些实施例中，一个或多个反射元件是部分透光的(例如，一个或多个反射元件具有至少15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％或50％的透射率)，这允许环境光的透射。在这样的实施例中，由电子显示器215投射的计算机生成的图像与透射的环境光(例如，透射的环境图像)叠加以提供增强现实图像。
输入接口240是允许用户向控制台210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，动作请求可以是启动或结束应用或执行应用内的特定动作。输入接口240可以包括一个或多个输入设备。示例输入设备包括：键盘、鼠标、游戏控制器、来自大脑信号的数据、来自人体其他部分的数据、或用于接收动作请求并将接收到的动作请求传送到控制台210的任何其他合适的设备。由输入接口240接收的动作请求被传送到控制台210，控制台210执行对应于该动作请求的动作。在一些实施例中，输入接口240可以根据从控制台210接收到的指令来向用户提供触觉反馈。例如，当接收到动作请求时提供触觉反馈，或者控制台210将指令传送到输入接口240，使得输入接口240在控制台210执行动作时生成触觉反馈。
控制台210根据从以下各项中的一项或多项中接收到的信息而向显示设备205提供媒体以呈现给用户：成像设备235、显示设备205和输入接口240。在图2中所示的示例中，控制台210包括应用存储器245、跟踪模块250和应用引擎255。控制台210的一些实施例具有与结合图2所描述的模块不同的模块。类似地，本文中进一步描述的功能可以以与在这里描述的方式不同的方式而被分布在控制台210的组件之间。
当应用存储器245被包括在控制台210中时，应用存储器245存储由控制台210执行的一个或多个应用。应用是一组指令，其在由处理器执行时用于生成呈现给用户的内容。由处理器基于应用而生成的内容可以响应于经由显示设备205或输入接口240的移动而从用户接收到的输入。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。
当跟踪模块250被包括在控制台210中时，跟踪模块250使用一个或多个校准参数来校准系统200，并且可以调整一个或多个校准参数以减少在确定显示设备205的位置时的误差。例如，跟踪模块250调整成像设备235的焦点以获得在显示设备205上观察到的定位器的更精确的位置。此外，由跟踪模块250执行的校准还考虑从IMU230接收到的信息。另外，如果显示设备205的跟踪丢失(例如，成像设备235丢失至少阈值数量的定位器220的视线)，则跟踪模块250重新校准系统200的一些或全部。
在一些实施例中，跟踪模块250使用来自成像设备235的第二校准数据来跟踪显示设备205的移动。例如，跟踪模块250使用来自第二校准数据观察到的定位器和显示设备205的模型来确定显示设备205的参考点的位置。在一些实施例中，跟踪模块250还使用来自第一校准数据的位置信息来确定显示设备205的参考点的位置。另外，在一些实施例中，跟踪模块250可以使用第一校准数据、第二校准数据或其某种组合的若干部分来预测显示设备205的将来位置。跟踪模块250将显示设备205的估计或预测的将来位置提供给应用引擎255。
应用引擎255在系统200内执行应用程序，并从跟踪模块250接收显示设备205的位置信息、加速度信息、速度信息、预测的将来位置或其某种组合。基于所接收的信息，应用引擎255确定要提供给显示设备205以呈现给用户的内容。例如，如果所接收的信息指示用户已经向左看，则应用引擎255为显示设备205生成反映用户在增强环境中的移动的内容。另外，应用引擎255响应于从输入接口240接收到的动作请求而在控制台210上执行的应用程序内执行动作，并向用户提供该动作已被执行的反馈。所提供的反馈可以是经由显示设备205的视觉或听觉反馈或者经由输入接口240的触觉反馈。
图3是显示设备300的等距视图，其对应于根据一些实施例的显示设备100(见图1)的一部分或全部。在一些实施例中，显示设备300包括光发射器件阵列310(例如，光发射器件阵列或反射元件)和具有一个或多个光学部件330(例如，透镜)的光学组件(例如，光学组件260)。在一些实施例中，显示设备300还包括IR检测器阵列。
在一些实施例中，光发射器件阵列310朝向光学部件330发射图像光和可选的IR光。光发射器件阵列310可以是例如LED阵列、微LED阵列、OLED阵列或其某种组合。光发射器件阵列310包括以可见光发射光的光发射器件320(并且可选地包括以IR发射光的器件)。
在一些实施例中，显示设备300包括被配置为选择性地衰减从光发射器件阵列310发射的光的发射强度阵列。在一些实施例中，发射强度阵列由多个液晶单元或像素、光发射器件组或其某种组合组成。每个液晶单元(或者在一些实施例中液晶单元组)是可寻址的，以具有特定的衰减水平。例如，在给定时间，一些液晶单元可以被设置为没有衰减，而其它液晶单元可以被设置为最大衰减。以这种方式，发射强度阵列能够控制从光发射器件阵列310发射的图像光的哪部分被传递到一个或多个光学部件330。在一些实施例中，显示设备300使用发射强度阵列以促进向用户的眼睛340的瞳孔350的位置提供图像光，并且最小化提供给眼盒中的其他区域的图像光的量。
可选的IR检测器阵列检测从眼睛340的视网膜、眼睛340的角膜、眼睛340的晶状体或其某种组合回射的IR光。IR检测器阵列包括单个IR传感器或多个IR敏感检测器(例如，光电二极管)。在一些实施例中，IR检测器阵列与光发射器件阵列310分离。在一些实施例中，IR检测器阵列被集成到光发射器件阵列310中。
在一些实施例中，光发射器件阵列310和发射强度阵列构成显示元件。备选地，显示元件包括没有发射强度阵列的光发射器件阵列310(例如，当光发射器件阵列310包括单独可调整的像素时)。在一些实施例中，显示元件另外包括IR阵列。在一些实施例中，响应于所确定的瞳孔350的位置，显示元件调整所发射的图像光，使得由显示元件输出的光被一个或多个光学部件330朝向所确定的瞳孔350的位置折射，而不朝向另一假定位置折射。
在一些实施例中，除了光发射器件阵列310之外或代替光发射器件阵列310，显示设备300包括与多个滤色器耦合的一个或多个宽带源(例如，一个或多个白色LED)。
一个或多个光学部件330从光发射器件阵列310接收图像光(或经修改的图像光，例如衰减的光)，并将图像光引导到用户眼睛340的经检测的或假定的瞳孔350的位置。在一些实施例中，一个或多个光学部件包括一个或多个光学组件260。
图4A-图4B是图示了根据一些实施例的显示设备400的示意图。如图4A中所示，显示设备400包括显示器410和光学组件412。在一些实施例中，显示设备400还可以包括可切换窗口414和框架416中的一个或多个。在一些实施例中，框架416、显示器410和可切换窗口414形成外壳并且对显示设备400限定内部空间。在一些实施例中，如图所示，显示设备400还可以包括快门组件418。在这种情况下，快门组件418、框架416和可切换窗口414形成外壳并且对显示设备400限定内部空间。光学组件412被布置在显示器410和用户的眼睛340(当设备在使用中时)之间的外壳内(例如，在内部空间中)，并且也布置在外壳内的显示器410被布置在光学组件412和快门组件418之间。
在一些实施例中，显示设备400是头戴式显示设备，并且框架416和光学组件412的形状和尺寸被设计以避免干扰用户的眉骨。
在一些实施例中，可切换窗口414和快门组件418可配置为阻挡或允许透射源自外壳外部的环境光490-1、490-2和490-3，诸如来自显示设备400外部的环境的光。如图所示，一些环境光(例如，环境光490-1)在到达眼盒480之前被透射通过快门组件418(当存在时)、显示器410和光学组件412。还示出的是，一些环境光(例如，环境光490-2)在到达眼盒480之前被透射通过可切换窗口414和光学组件412，以及一些环境光(例如，环境光490-3)通过可切换窗口414进入显示设备400的内部空间，并向眼盒480传播而没有被透射通过光学组件412。
在一些实施例中，显示器410是被配置为透射环境光490-1并输出图像光492的透明显示器。光学组件412被配置为接收从显示器410输出的图像光492，并以第一光功率朝向表示用户眼睛340的瞳孔350的眼盒480透射图像光492。光学组件412还被配置为以小于第一光功率的第二光功率向眼盒480透射环境光490-1和环境光490-2中的任一个。在一些实施例中，第二光功率为零。在一些实施例中，光学组件412被配置为透射环境光490-1和环境光490-2中的任一个而不增加显著的光学像差。如图4C中所示，显示器410可以是被配置为发射图像光492的透明发射显示器410-A。备选地，如图4D中所示，显示器410可以是透明非发射显示器410-B，其被配置为接收从一个或多个光源430(诸如投射器)投射的图像光432，并且响应于接收到图像光432而输出(例如，反射、漫射)漫射的图像光492。
在一些实施例中，如图4B中所示，可切换窗口414可以被布置在显示器410和光学组件412之间，使得可切换窗口414的第一边缘与显示器410相邻，并且可切换窗口414的与第一边缘相对的第二边缘与光学组件412相邻。
图5A-图5E是图示了根据一些实施例的与光学组件412相对应的光学组件500的示意图。如图5A中所示，光学组件500包括基板510，基板510具有彼此基本上平行(例如，形成89度和91度之间的角度)的相对的表面510-1和510-2。在一些实施例中，基板510具有基本上均匀的厚度。光学组件500还包括与第二表面510-2光学耦合的反射器512。光学组件500还包括布置在表面510-1和510-2之间并包括多个菲涅耳结构的分束器514。响应于接收入射光，分束器514被配置为透射入射光的至少一部分并透射入射光的另一部分。在一些实施例中，分束器514被配置为透射和反射入射光的相等部分(例如，50％反射和50％透射)。分束器514可以被配置为具有任何反射与透射比(例如，30％反射和70％透射，10％反射和90％透射等)。在一些实施例中，如图所示，多个菲涅耳结构可以被布置在平面表面上。备选地，多个菲涅耳结构可以被布置在弯曲表面(例如，凸面、凹面、球面和非球面)上。
如图5A和图5B中所示，光学组件500被配置为以第一光功率透射图像光492，并且以第二光功率透射环境光490-1和环境光490-2。如图5A中所示，透射通过显示器410和光学组件500的中心部分(例如，对应于光学组件412的中心部分412-C)的环境光490-1以及透射通过可切换窗口414和光学组件500的外围部分(例如，对应于光学组件412的外围部分412-P)的环境光490-2具有不包括任何折叠的光路。如图所示，环境光490-1和490-2透射通过分束器514和反射器512，而不在分束器514和反射器512处反射。图5B图示了从中心部分输出并透射通过光学组件500的中心部分的图像光492-C以及从显示器410的外围部分输出并透射通过光学组件500的外围部分的图像光492-P的光路。如图所示，图像光492-C和492-P(在此共同地和单独地称为图像光492)在表面510-1处被接收，并且在从表面510-2输出之前通过包括反射器512处反射和分束器514处反射的折叠光路(例如，图像光492的光路包括一个或多个折叠)。
参考图5C，插图A示出了分束器514的多个菲涅耳结构中的菲涅耳结构的细节。每个菲涅耳结构包括斜坡(slope)面520和拔模(draft)面522。拔模面522的特征在于拔模角
Figure BDA0003477736120000241
(例如，拔模面522从参考轴524倾斜拔模角
Figure BDA0003477736120000242
)。在一些实施例中，拔模面522是平坦表面。在一些实施例中，拔模面522是弯曲表面，并且拔模角是拔模面的平均拔模角。在一些实施例中，斜坡面520的特征在于斜坡角θ(例如，斜坡面520从参考轴线526倾斜斜坡角θ)。在一些实施例中，斜坡面520是平坦表面。在一些实施例中，斜坡面520是弯曲表面，并且斜坡角是斜坡面的平均斜坡角。每个菲涅耳结构还具有对应于菲涅耳结构宽度的节距(pitch)528。
在一些实施例中，多个菲涅耳结构具有可变节距(例如，多个菲涅耳结构中的一个菲涅耳结构具有与多个菲涅耳结构中的另一个菲涅耳结构的节距不同的节距)。在这种情况下，相应菲涅耳结构的节距基于相应菲涅耳结构与分束器514的光轴529(例如，中心轴或对称轴)的距离。例如，当多个菲涅尔结构具有可变节距时，位置更靠近光轴529的菲涅尔结构的节距大于位于更远离光轴529的菲涅尔结构的节距。与具有恒定节距的菲涅尔结构相比，朝向分束器514的边缘减小菲涅尔结构的节距降低了环形图案的可见度，从而提高了投射图像的均匀性和质量。因此，在一些实施例中，可能希望具有可变节距的菲涅耳结构。
在一些实施例中，多个菲涅耳结构具有动态拔模(例如，多个菲涅耳结构中的一个菲涅耳结构具有与多个菲涅耳结构中的另一个菲涅耳结构的拔模角不同的拔模角)。在这种情况下，相应菲涅耳结构的拔模角基于相应菲涅耳结构与分束器514的光轴529的距离。例如，当多个菲涅尔结构具有动态拔模时，位置更靠近光轴529的菲涅尔结构比位置更远离光轴529的菲涅尔结构具有更小的拔模角。与具有均匀拔模角的菲涅尔结构相比，朝向分束器514边缘增加菲涅尔结构的拔模角降低了环形图案的可见度，从而提高了投射图像的均匀性和质量。因此，在一些实施例中，可能希望具有可变节距的菲涅耳结构。参考图5D，反射器512包括反射偏振器512B(例如，偏振敏感反射器)和光学延迟器512A(例如，四分之一波片)。反射偏振器512B被配置为反射具有第一线性偏振的光且透射具有不同于(例如，正交于)第一线性偏振的第二线性偏振的光。光学延迟器512A被配置为接收具有入射偏振的光并透射该光，同时将光的偏振转换成不同的偏振。在一些实施例中，光学延迟器512A和反射偏振器512B彼此分离，如图所示。备选地，光学延迟器512A和反射偏振器512B可以是堆叠或层压在表面510-2上的两层光学涂层。
图5D中示出了图像光492和环境光490-1和490-2的光路。显示器410被配置为输出具有第一偏振(例如，第一圆偏振)的图像光492并且透射具有第二偏振(例如，第二圆偏振)的环境光490-1。如图所示，透射通过可切换窗口414的环境光490-2也具有第二偏振。在一些实施例中，第一偏振是左旋圆偏振(LCP)并且第二偏振是右旋圆偏振(RCP)，反之亦然。
如图所示，光学组件500被配置为：在第一方向上从表面510-2输出图像光492之前，在表面510-1处接收图像光492并在包括反射偏振器512B和分束器514处反射的光路中聚焦并且输出图像光492。光学组件500还被配置为接收在表面510-1处在第二方向上传播的环境光490-1，并从表面510-2输出环境光490-1而基本上不改变其方向(例如，从光学组件500输出的环境光490-1的方向与第二方向形成小于1度的角度)。在一些实施例中，如关于图像光492和环境光490-1所示，第一方向和第二方向大约相同并且可以被用户感知为来自彼此靠近的一个或多个相同位置。环境光490-2通过光学组件500的光路类似于环境光490-1的光路，并且因此为了简洁不再重复。
图5D的插图B图示了光学组件500中的图像光492和环境光490-1和490-2的光路以及沿着它们相应的光路的它们相应的偏振。
参考图像光492的光路，表面510-1被配置为接收具有第一偏振(例如，LCP)的图像光492并且朝向分束器514透射图像光492。分束器514被配置为朝向反射器512透射图像光492的至少第一部分。反射器512的光学延迟器512A被配置为朝向反射偏振器512B透射图像光492的第一部分，同时将图像光492的第一部分转换为第三偏振(例如，第一线性偏振)。反射偏振器512B被配置为将具有第三偏振的图像光492的第一部分朝向光学延迟器512A反射。光学延迟器512A被配置为朝向分束器514透射图像光492的第一部分，同时将图像光492的第一部分从第三偏振转换为第一偏振。分束器514被配置为接收具有第一偏振的图像光492的第一部分，并朝向反射器512反射图像光492的第二部分，使得图像光492的经反射的第二部分具有第二偏振。光学延迟器512A被配置为朝向反射偏振器512B透射具有第二偏振的图像光492的第二部分，同时将图像光492的第二部分转换为第四偏振(例如，第二线性偏振)。反射偏振器512B被配置为透射图像光492的第二部分，使得具有第四偏振的图像光492的第二部分以第一光功率从表面510-2输出。由于分束器514处反射，多个菲涅耳结构对第一光功率有贡献。
参考环境光490-1和490-2的光路，表面510-1被配置为接收具有第二偏振(例如，RCP)的环境光490并朝向分束器514透射环境光490-1和490-2。分束器514被配置为朝向反射器512透射环境光490-1和490-2的至少第一部分。光学延迟器512A被配置为朝向反射偏振器512B透射环境光490-1和490-2的第一部分，同时将环境光490-1和490-2的第一部分转换为第四偏振。反射偏振器512B被配置为透射环境光490-1和490-2的第一部分，使得具有第四偏振的环境光490-1和490-2的第一部分以第二光功率从表面510-2输出。
在一些实施例中，反射偏振器512B可以是窄带反射偏振器，其被配置为(i)反射具有第一线性偏振和在预定波长范围内的波长的光，(ii)透射具有第二线性偏振和在预定波长范围内的波长的光以及具有在该预定波长范围之外的波长的光，与偏振无关。另外，当反射偏振器512B是窄带反射偏振器时，光学组件500被配置为引导具有与预定波长范围相对应(例如，与预定波长范围相同或至少部分重叠)的窄带输出的图像光492。例如，图像光可以包括来自诸如激光器之类的窄带源的光。因此，与包括不是窄带反射偏振器(例如，是宽带反射偏振器)的反射偏振器512B的光学组件相比，包括窄带反射偏振器512B的光学组件500被配置为透射环境光490-1和490-2的较大部分(例如，光谱范围的较大百分比，或强度的较大部分)。例如，包括窄带反射偏振器的光学组件500可以透射90％、95％、99％或更多的环境光。
在一些实施例中，分束器514是波长选择分束器，诸如窄带分束器，其被配置为对具有在预定的波长范围(例如，具有小于100nm、小于50nm、或小于30nm、小于20nm、小于10nm的宽度的波长范围)内的波长的光进行分束(例如，50％反射和50％透射)，并透射具有在该预定波长范围之外的波长的光。例如，当分束器514是窄带分束器时，分束器514被配置为：当图像光具有在窄的预定波长范围内的波长时，反射从显示器输出的图像光的50％并透射该图像光的50％。窄带分束器514还被配置为：为具有预定波长范围之外的波长的光(例如，预定波长范围之外的可见光)提供接近100％的透射率(例如，大于90％或大于80％的透射率)。另外，当分束器514是窄带分束器时，光学组件500被配置为引导具有至少部分地与预定波长范围重叠(或与其相同或在其内)的窄带输出的图像光492。例如，图像光可以包括来自诸如激光器之类的窄带源的光。因此，与包括不是窄带分束器的分束器(例如，是宽带分束器)的光学组件相比，包括窄带分束器的光学组件500被配置为透射环境光490-1和490-2的较大部分(例如，光谱范围的较大百分比，或强度的较大部分)。例如，包括窄带分束器的光学组件500可以透射90％、95％、99％或更多的环境光。
在一些实施例中，如图5A-图5C中所示，表面510-1和510-2是平面表面。在这种情况下，分束器514的多个菲涅耳结构具有基本上平面的轮廓(例如，平坦轮廓，大于例如100米的曲率半径)。在一些实施例中，表面510-1和表面510-2可以是弯曲表面。例如，如图5E中所示，与光学组件500相同的光学组件500’示出了表面510-1’和510-2’是弯曲表面。表面510-1’和510-2’具有相同的曲率半径并且因此彼此基本上平行(例如，形成89度和91度之间的角度)。在这种情况下，分束器514’的多个菲涅耳结构形成也具有与表面510-1’相同曲率的弯曲轮廓。当分束器514’的多个菲涅耳结构形成弯曲轮廓时，弯曲轮廓的曲率半径还可以对第一光功率有贡献。在一些实施例中，曲率半径大于75毫米。
图5F-图5H是图示了根据一些实施例的与光学组件412相对应的光学组件501的示意图。类似于光学组件500，光学组件501包括基板510，基板510具有相对的表面510-1和510-2，表面510-1和510-2彼此相对并基本上平行(例如，形成89度和91度之间的角度)。光学组件501还包括反射器512’和分束器514。图5F和图5G中图示了图像光492和环境光490-1和490-2的光路。
如图所示，反射器512’包括光学延迟器512A’和反射偏振器512B’，分别类似于光学组件500的光学延迟器512A和反射偏振器512B。与反射偏振器512B不同，反射偏振器512B’被布置在分束器514和表面510-2之间，并具有弯曲反射表面。在一些实施例中，反射偏振器512B’与表面510-1和表面510-2中的每一个间隔开。在一些实施例中，反射偏振器512B’被布置在表面510-2上。在一些实施例中，如图所示，光学延迟器512B’具有平面表面。备选地，光学延迟器512A’可以具有遵循反射偏振器512B’的弯曲反射表面的表面轮廓的弯曲表面。分束器514被布置在表面510-1和510-2之间，并包括多个菲涅耳结构，如上面关于光学组件500所述。关于多个菲涅尔结构的细节类似于光学组件500的多个菲涅尔结构，为了简洁这里不再重复。与当图像光492透射通过光学组件500时对第一光功率的贡献可忽略(如果有的话)的反射偏振器512B的反射表面相比，当图像光492透射通过光学组件501时，反射偏振器512B’的弯曲反射表面的曲率半径和分束器514的多个菲涅耳结构都对第一光功率有贡献。
参考图5H，插图C示出了图像光492、环境光490-1和490-2的光路以及沿着它们相应的光路的它们相应的偏振，它们与上面关于光学组件500描述的相应的光路和偏振相同，并且因此为了简洁这里不再重复。
图5I-图5K是图示了根据一些实施例的与光学组件412相对应的光学组件502的示意图。类似于光学组件500，光学组件502包括基板510，基板510具有相对的表面510-1和510-2，表面510-1和510-2彼此相对并基本上平行(例如，形成89度和91度之间的角度)。光学组件501还包括反射器512和分束器514”。图5I和图5J中图示了图像光492和环境光490-1和490-2的光路。
如图5I中所示，反射器512包括光学延迟器512A和反射偏振器512B。分束器514”被布置在表面510-1和510-2之间，并包括多个菲涅耳结构，如上面关于光学组件500所述。如图所示，多个菲涅耳结构形成弯曲轮廓，并且因此，分束器514”与表面510-1和表面510-2中的每一个间隔开。当图像光492以第一光功率从光学组件502输出时，分束器514”的多个菲涅耳结构的弯曲轮廓也对第一光功率有贡献。
参考图5K，插图D示出了图像光492、环境光490-1和490-2的光路，以及沿着它们相应的光路的它们相应的偏振，它们与上面关于光学组件500描述的相应的光路和偏振相同，因此为了简洁这里不再重复。
图5L-图5M是图示了根据一些实施例的与光学组件412相对应的光学组件503的示意图。类似于光学组件500，光学组件503包括基板510，基板510具有相对的表面510-1和510-2，表面510-1和510-2彼此相对并且基本上平行(例如，形成89度和91度之间的角度)。光学组件503还包括反射器512”和分束器514”’。图5L和图5M中图示了图像光492和环境光490-1和490-2的光路。
如图5L中所示，反射器512”被布置在表面510-2上并包括偏振敏感全息图(PSH)512C。PSH 512C被配置为反射具有选定偏振(例如，LCP)的光，使得具有选定偏振的光以第一光功率从表面510-2输出。PSH 512C还被配置为透射具有不同(例如，正交)偏振(例如，RCP)的光，使得具有与选定偏振不同的偏振的光以第二光功率从光学组件503输出。分束器514被布置在表面510-1上。如图所示，分束器514”’遵循表面510-1的表面轮廓，并且不包括任何菲涅耳结构。当图像光透射通过光学组件503时，反射器512”的PSH 512C对第一光功率有贡献。
参考图5M，插图E示出了图像光492、环境光490-1和490-2的光路以及沿着它们相应的光路的它们相应的偏振。
参考图像光492的光路，布置在表面510-1上的分束器514”’被配置为接收具有第一偏振(例如，LCP)的图像光492，并朝向反射器512”透射图像光492的第一部分。反射器512”被配置为接收图像光492的第一部分并且以第一光功率将具有第一偏振的图像光492的第一部分朝向分束器514”’反射。分束器514”’被配置为接收具有第一偏振的图像光492的第一部分并将具有第二偏振(例如，RCP)的图像光492的第二部分朝向反射器512”反射。反射器512”被配置为透射图像光492的第二部分，使得图像光492的第二部分以第一光功率从表面510-2输出。
参考环境光490-1和490-2的光路，表面510-1被配置为接收具有第二偏振(例如，RCP)的环境光490-1和490-2，并朝向反射器512”透射环境光490-1和490-2的第一部分。反射器512”被配置为透射环境光490-1和490-2的第一部分，使得环境光490-1和490-2的第一部分以第二光功率从光学组件503输出。
图5N-图5O是图示了根据一些实施例的光学组件504的示意图。类似于光学组件503，光学组件504包括基板510，基板510具有彼此基本上平行(例如，形成89度和91度之间的角度)的相对的表面510-1和510-2。光学组件504还包括反射器512”、分束器514”’和净化偏振器516。如图所示，净化偏振器516与表面510-2相邻。在一些情况下，净化偏振器可以被布置在表面510-2上。图5N和图5O图示了图像光492和环境光490-1和490-2的光路。
与光学组件503类似，反射器512”包括PSH 512C，其细节在上面关于图5L而被描述，并且为了简洁这里不再重复。如图所示，反射器512”被布置在表面510-1上，并且分束器514被布置在表面510-2上并且不包括任何菲涅耳结构。因此，分束器514’”遵循表面510-1的表面轮廓。当图像光透射通过光学组件504时，反射器512”的PSH 512C对第一光功率有贡献。
参考图5O，插图F示出了图像光492、环境光490-1和490-2的光路以及沿着它们相应的光路的它们相应的偏振。
参考图像光492的光路，反射器512”被配置为接收具有第一偏振(例如，LCP)的图像光492并且朝向分束器514”’透射图像光492，同时将图像光492转换为第二偏振(例如，RCP)。分束器514”’被配置为接收具有第二偏振的图像光492并将具有第一偏振的图像光492的第一部分朝向反射器512”反射。反射器512”被配置为以第一光功率向分束器514’”反射图像光492的第一部分而不改变偏振。分束器514被配置为接收具有第一偏振的图像光492的第一部分，并透射图像光492的第三部分，使得图像光492的第三部分以第一光功率从光学组件504输出。布置在表面510-2上或与表面510-2相邻的净化偏振器516被配置为接收透射通过分束器514’”的任何光，包括但不限于图像光492的第三部分，并且透射具有第一偏振的光同时阻挡具有与第一偏振不同的偏振的光朝向眼盒480透射。
参考环境光490-1和490-2的光路，反射器512”被配置为接收具有第二偏振的环境光490-1和490-2，并且朝向分束器514”’透射环境光490-1和490-2，同时将环境光490-1和490-2转换成第一偏振。分束器514’”被配置为透射环境光490-1和490-2的第一部分，使得具有第一偏振的环境光490-1和490-2的第一部分以第二光功率从光学组件504输出。
图6A-图6C图示了根据一些实施例的与光学组件412相对应的光学组件600。光学组件600包括彼此基本上平行(例如，形成89度和91度之间的角度)的相对弯曲表面610-1和610-2。如图所示，弯曲表面610-1和610-2各自具有弯曲轮廓。光学组件600还包括反射器612和分束器614。反射器612被布置在弯曲表面610-2上并且符合弯曲表面610-2的弯曲轮廓。分束器614被布置在弯曲表面610-1上并且符合弯曲表面610-1的弯曲轮廓。分束器614对应于分束器514(例如，与之相同)，并且因此为了简洁起见，这里不再重复分束器614的操作。在一些实施例中，弯曲表面610-1和610-2的弯曲轮廓是同心球形轮廓。在一些实施例中，弯曲表面610-1和610-2具有相同的曲率。在一些实施例中，基板610具有基本上均匀的厚度。
如图6A和图6B中所示，光学组件600被配置为以第一光功率图像光492并且以第二光功率透射环境光490-1和环境光490-2。在一些实施例中，第一光功率取决于反射偏振器612B和分束器614的曲率。图6A图示了来自显示器410的中心区域和外围区域的图像光492的光路。图6B图示了从中心部分输出并透射通过光学组件600的中心部分(例如，对应于光学组件412的中心部分412-C)的图像光492-C和从显示器410的外围部分输出并透射通过光学组件600的外围部分(例如，对应于光学组件412的外围部分412-P)的图像光492-P的光路。如图所示，图像光492-C和492-P(在此共同地和单独地称为图像光492)在弯曲表面610-1处被接收，并且在从弯曲表面610-2输出之前通过包括反射器612处反射和分束器614处反射的折叠光路(例如，图像光492的光路包括一个或多个折叠)。如图6B中所示，透射通过显示器410和光学组件600的中心部分的环境光490-1以及透射通过可切换窗口414和光学组件600的外围部分的环境光490-2具有不包括任何折叠的光路。如图所示，环境光490-1和490-2透射通过分束器614和反射器612，而不在分束器614和反射器612处反射。
如图6A中所示，反射器612包括反射偏振器612B(例如，偏振敏感反射器)和光学延迟器612A(例如，四分之一波片)。反射偏振器612B对应于反射偏振器512B(例如，与之相同)，并且因此为了简洁起见，这里不再重复反射偏振器612B的操作。在一些实施例中，光学延迟器612A和反射偏振器612B彼此分离，如图所示。备选地，光学延迟器612A和反射偏振器612B可以是堆叠或层压在弯曲表面610-2上的两层光学涂层。
图6C图示了光学组件600中的图像光492和环境光490-1和490-2的光路和沿着它们相应的光路的它们相应的偏振，它们与上面关于光学组件500描述的相应的光路和偏振相同，并且因此为了简洁这里不再重复。为了便于说明，光学延迟器612A在图6C中示出为间隔开的。
如上所述，光学组件500-504和600中的每一个包括被配置为透射入射光的至少第一部分并且反射入射光的至少第二部分的分束器(例如，分束器514、514’、514”、514”’和614)。例如，对于包括提供50％反射和50％透射的分束器的光学组件，透射通过光学组件的图像光492在从光学组件输出之前将损失其强度的75％(例如，当图像光492首先透射通过分束器时损失50％，而当图像光的透射部分在分束器处反射时损失又一50％)。透射通过同一光学组件的环境光490-1或490-2在从光学组件输出之前也将损失其强度的50％。为了提高光学组件的效率并减少光损失，光学组件的分束器可以由图7A中所示的体布拉格光栅(VBG)714代替。
图7A是图示了光学组件700的示意图，除了光学组件700包括VBG 714代替包括在光学组件500-504和600中的分束器之外，该光学组件700类似于光学组件412以及光学组件500-504和600中的任一个。如图所示，光学组件700包括基板710，其对应于基板510和610中的任一个并具有表面710-1和710-2。光学组件700还包括对应于反射器512、512’、512”和612中的任一个的反射器712，以及代替分束器514、514’、514”、514”’和614中的任一个的VBG 714。为了简洁起见，这里不再重复关于基板710和反射器712的细节。图7A示出了被布置在表面710-1上的VBG 714。然而，VBG 714可以以任何方式而被耦合到基板710，诸如被布置在表面710-1上、被布置在表面710-2上(如图7E中所示)或被布置在表面710-1和710-2之间。VBG 714被配置为偏振和角度选择性的。例如，如图7B中所示，VBG 714被配置为透射并且重新引导(例如，衍射)具有第一偏振(例如，LCP)并在第一预定角度范围θ1内入射到VBG714上的光780。VBG 714还被配置为反射并重新引导具有第一偏振并在第二预定角度范围θ2内入射到VBG 714上的光782。以预定第一角度范围θ1和预定第二角度范围θ1两者之外的入射角入射到VBG 714上的具有第一偏振的光784和具有第二偏振(例如，RCP)的光786，无论光的入射角如何，都透射通过VBG 714而不改变方向或偏振。此外，VBG 714还可以被设计成取决于光入射到VBG 714上的位置来重新引导(例如，衍射)不同衍射级的光。例如，如图7C中所示，VBG 714可以具有基本上准直具有第一偏振的发散光的光学轮廓，该发散光以第一预定角度范围内的入射角入射到VBG上。
如图所示，显示器410被配置为朝向光学组件700输出图像光492，并且光学组件700被配置为在包括反射器712处反射和VBG 714处反射的光路中透射图像光492。光学组件700还被配置为在不包括在反射器712或VBG 714处反射的光路中接收和发射环境光490-1和490-2。
参考插图G，光线792-1到792-1”’图示了图像光492的光路。如图所示，光线792-1具有第一偏振并且以第一预定角度(例如，接收角范围)内的入射角入射到VBG 714上。因此，当光线792-1’在不同于光线792-1的传播方向的方向上传播时，光线792-1透射通过VBG714并由VBG 714重新引导。光线792-1’在反射器712处被反射为光线792-1”。以第二预定角度范围内(例如，在接收角范围之外)的入射角入射到VBG 714上的光线791-1”被VBG 714反射并重新引导为具有第二偏振(例如，RCP)的光线792-1”’。光线792-1”’透射通过反射器712。光线792-2至792-2”’遵循与关于光线792-1至792-1”’所述相似的光路。然而，由于光线792-2和792-2”在与光线792-1和792-1”相比而言不同的位置处入射到VBG 714上，所以光线792-2和792-2”在与光线792-1和792-1”相比而言不同的方向上被重新引导，使得光线792-1”’和792-2”’在它们出射光学组件700时彼此基本上平行(例如，形成小于5度的角度)。
参考插图H，具有第二偏振的环境光490-1和490-2透射通过光学组件700(包括反射器712和VBG 714)而方向没有改变。
VBG 714可以包括一个或多个VBG层。例如，VBG 714可以包括多个VBG层，并且每个VBG层具有不同的接受角范围，使得具有多个VBG的VBG 714具有比单个VBG层(或包括单个VBG层的VBG 714)的接受角范围更大的接受角范围。因此，与包括具有单个VBG层的VBG 714的光学组件700相比，包括具有多个VBG层的VBG 714的光学组件700可以适应更宽范围的瞳孔尺寸和更宽范围的注视角。
在一些实施例中，在光学组件700中使用图7D中所示的混合光学元件715来代替VBG 714。在一些实施例中，混合光学元件715具有盘形形状，并且图7D图示了混合光学元件715的前视图。混合光学元件715包括中心部分715-1和围绕中心部分715-1的外围部分715-2。中心部分715-1包括被配置为分离光束的分束器(例如，反射入射光的一部分并透射入射光的一部分的部分反射器，诸如50/50反射镜，其在一些情况下与入射光的偏振无关地操作)，并且外围部分715-2包括被配置为基于偏振和/或入射角选择性地透射或反射光的VBG。在一些实施例中，中心部分715-1包括包含部分反射器的涂层并且外围部分715-2包括包含一个或多个VBG层的涂层。在一些实施例中，中心部分715-1中的分束器和外围部分715-2中的VBG之间的过渡是突变的。在一些实施例中，中心部分715-1中的分束器和外围部分715-2中的VBG之间的过渡是连续的。在一些实施例中，混合光学元件715具有平滑且连续的表面。
图7E是图示了光学组件701的示意图，该光学组件701类似于光学组件700——除了光学组件包括代替反射器712的VBG 713。如图所示，光学组件701包括与基板510、610和710中的任一个相对应的基板730，并且基板730具有表面730-1和730-2。光学组件701还包括分束器716，其可以对应于分束器514、514’、514”、514”’和614中的任何一个。为了简洁起见，这里不再重复关于基板730、反射器712和分束器716的细节。在一些实施例中，VBG 713被配置为偏振和角度选择性的，以上参考图7A描述了其细节。图像光(例如，光792-1到792-1”’和光792-2到792-2”’)的光路在插图I中示出，并且环境光490-1和490-2的光路在插图J中示出。
虽然上述光学组件(包括光学组件412、500-504、600和700)图示了布置在同一基板的表面上的反射器和分束器，但是在一些实施例中，反射器和分束器可以被布置在不同(例如，不同的)基板的表面上。例如，下面在图8A中示出的光学组件412包括两个分立的基板412-1和412-2。分束器可以被布置在基板412-2的表面上，并且反射器可以被布置在基板412-2的表面上。
包括光学组件412、500-504、600和700的上述光学组件可以被用作诸如显示设备400的显示设备的一部分。这种显示设备可以被用在增强现实(AR)应用中，其中所显示的图像与现实世界环境混合。为了混合由图像光显示的图像和由环境光透射的来自现实世界的图像，显示设备可以使用图像光和环境光在显示设备中同时被透射的时间同步操作，或者显示设备在显示图像光和透射环境光之间切换的时序操作。图8A-图8B和图9A-图9D分别图示了显示设备的时间同步和时序操作。
图8A-图8B是图示根据一些实施例的显示设备400的时间同步操作的示意图。如上所述，关于图4A-图4B，显示设备400包括显示器410、光学组件412以及可选的快门组件418。快门组件418在存在时被配置为选择性地透射环境光490-1。显示器410是具有相对的表面410-1和410-2的透明显示器。显示器410是被配置为从表面410-2输出图像光492并将环境光490-1从表面410-1透射到表面410-2的发射显示器(如图4C中所示)。如图所示，光学组件被配置为在第一光路中透射图像光492，并且在不同于第一光路的第二光路中透射环境光490-1。光学组件412可以是光学组件500-504和600中的任一个，并且在上面关于相应的光学组件提供了关于图像光492和环境光490-1的光路的细节。在显示设备400的时间同步操作中，如图8A-图8B中所示，图像光492和环境光490-1同时(例如，同步地)朝向眼盒480而被透射通过光学组件412。
图8B图示显示设备400中的图像光492和环境光490-1的光路以及沿着其相应的光路的其相应的偏振。
如图8B中所示，光学组件412包括光学延迟器812和816(例如，四分之一波片)、分束器814(对应于分束器514、514”、514”’和614中的任一个)以及反射器818(对应于反射器512、512”和612中的任一个)。显示器410被配置为朝向光学组件412输出具有第三偏振(例如，第一线性偏振)的图像光492。在一些实施例中，显示器410包括线性偏振器，其允许图像光492以线性偏振从显示器410输出。光学延迟器812被配置为接收从显示器410输出的图像光492，并且透射图像光492，同时将图像光492的偏振从第三偏振转换为第二偏振(例如，LCP)。分束器814被配置为朝向光学延迟器816透射图像光492的第一部分。光学延迟器816被配置为接收图像光492的第一部分并且透射图像光492的第一部分，同时将图像光492的第一部分的偏振转换为第三偏振。反射器818被配置为接收透射通过光学延迟器816的图像光492的第一部分，并将图像光492的第一部分反射回光学延迟器816。光学延迟器816被配置为接收从反射器818反射的图像光492的第一部分，并且透射图像光492的第一部分，同时将图像光492的第一部分的偏振从第三偏振转换为第二偏振。分束器814被配置为接收具有第二偏振的图像光492的第一部分，并将具有第一偏振(例如，RCP)的图像光492的第二部分朝向光学延迟器816反射。光学延迟器816被配置为朝向反射器818透射图像光492的第二部分，同时将图像光492的第二部分的偏振转换为第四偏振(例如，第二线性偏振)。反射器818被配置为透射图像光492的第二部分，使得图像光492的第二部分从光学组件412输出。
参考环境光490-1的光路，当在此被示为被电耦合到控制器840快门组件418被配置为允许透射环境光490-1(例如，控制器840控制快门组件418处于“打开”状态)时，环境光490-1透射通过快门组件418。在一些实施例中，快门组件418可以包括线性偏振器，使得从快门组件418输出的环境光490-1具有线性偏振。如图所示，透射通过快门组件418的环境光490-1具有第四偏振。环境光490-1透射通过显示器410并入射到光学延迟器812上。光学延迟器812被配置为透射环境光490-1，同时将环境光490-1的偏振从第四偏振转换为第一偏振。分束器814被配置为朝向光学延迟器816透射环境光490-1的第一部分。光学延迟器816被配置为透射环境光490-1的第一部分，同时将环境光490-1的第一部分的偏振转换为第四偏振。反射器818被配置为透射具有第四偏振的环境光490-1的第一部分，使得境光490-1的第一部分从光学组件412输出环。
如图8A和图8B中所示，与环境光490-1透射通过显示器410同时从显示器410输出图像光492。另外，图像光492和环境光490-1同时透射通过光学组件412，使得图像光492的第二部分和环境光490-1的第一部分同时从光学组件412输出。
图9A到图9D是图示了根据一些实施例的显示设备400的时序操作的示意图。以上关于图4A-图4B和图8A提供了关于显示设备400的细节，并且为了简洁这里不再重复。在显示设备400的时序操作中，显示设备在图9A中所示的第一模式与图9B中所示的第二模式之间交替，在第一模式中，图像光492透射通过显示设备400，在第二模式中，环境光490-1透射通过显示设备400。为了有效地将所显示的图像光492与所透射的环境光490-1混合，显示设备以快于闪变熔阈(flicker fusion threshold)(对于大多数观看条件通常在60赫兹和90赫兹之间)的速率而在第一模式和第二模式之间交替(例如，切换)。
图9A图示了显示设备400在第一模式中的操作。如图所示，在此被示为电耦合到控制器840的快门组件418处于不允许透射环境光490-1的关闭状态(例如，环境光490-1被阻止进入显示设备400)。显示器410被配置为输出图像光492，并且光学组件412被配置为朝向眼盒480透射图像光492。
图9B图示了显示设备400在第二模式中的操作。如图所示，快门组件418处于允许环境光490-1透射的打开状态。在该模式中，显示器410被配置为透射环境光490-1而不输出图像光492。光学组件412被配置为朝向眼盒480透射环境光490-1。
图9C中示出了关于当显示设备400处于第一模式中时沿显示设备400中的光路传播的图像光492的偏振的细节。如图9C中所示，光学组件412包括可切换光学延迟器912(例如，有源半波片)、分束器914(对应于分束器514、514”、514”’和614中的任一个)、光学延迟器916(例如，四分之一波片)和反射器918(对应于反射器512、512”和612中的任一个)。在第一模式中，快门组件418处于“关闭”状态并且被配置为阻挡环境光490-1的透射。显示器410被配置为朝向光学组件412输出具有第二偏振(例如LCP)的图像光492。在一些实施例中，显示器410包括圆偏振器，允许从显示器410输出具有圆偏振的图像光492。可切换光学延迟器912(在此被示为电耦合到控制器940)处于“关断”状态，并且被配置为透射图像光492而不改变图像光492的偏振。分束器914被配置为接收图像光492并朝向光学延迟器916透射图像光492的第一部分。光学延迟器916被配置为接收图像光492的第一部分并且透射图像光492的第一部分，同时将图像光492的第一部分的偏振从第二偏振转换为第三偏振。反射器918被配置为接收透射通过光学延迟器916的图像光492的第一部分，并将图像光492的第一部分反射回光学延迟器916。光学延迟器916被配置为接收从反射器918反射的图像光492的第一部分，并且透射图像光492的第一部分，同时将图像光492的第一部分的偏振从第三偏振转换为第二偏振。分束器914被配置为接收具有第二偏振的图像光492的第一部分，并朝向光学延迟器916反射具有第一偏振(例如，RCP)的图像光492的第二部分。光学延迟器916被配置为将图像光492的第二部分朝向反射器918透射，同时将图像光492的第二部分的偏振转换为第四偏振(例如，第二线性偏振)。反射器918被配置为透射图像光492的第二部分，使得图像光492的第二部分从光学组件412输出。
关于当显示设备400处于第二模式时沿着显示设备400中的光路传播的环境光490-1的偏振的细节在图9D中示出。在第二模式中，快门组件418处于“打开”状态并且被配置为允许环境光490-1的透射。显示器410被配置为朝向光学组件412透射环境光490-1。在一些实施例中，快门组件418或显示器410可以包括圆偏振器，使得透射通过快门组件418和显示器410的环境光490-1具有圆偏振。如图所示，透射通过快门组件418和显示器410的环境光490-1具有第二偏振。环境光490-1入射到可切换光学延迟器912上。可切换光学延迟器912处于“关断”状态，并且被配置为透射环境光490-1同时将环境光490-1的偏振从第二偏振转换为第一偏振。分束器914被配置为朝向光学延迟器916透射环境光490-1的第一部分。光学延迟器916被配置为透射环境光490-1的第一部分，同时将环境光490-1的第一部分的偏振转换为第四偏振。反射器918被配置为透射具有第四偏振的环境光490-1的第一部分，使得环境光490-1的第一部分从光学组件412输出。
如图9C和图9D中所示，在显示设备400的时序操作中，显示设备400在第一模式(显示图像光492)和第二模式(透射环境光490-1)之间交替。因此，在给定的时间点，显示器410被配置为输出图像光492或透射环境光490-1，并且光学组件412被配置为输出图像光492或输出环境光490-1。
在一些实施例中，显示设备400可以在低持久性模式下操作(例如，每一帧被显示为很短的时间段，并且保持白屏或黑屏直到下一帧被显示)，以避免运动模糊伪影。在这种情况下，显示器410可以仅在总操作时间的10％-20％输出图像光492。因此，在剩余的操作时间期间(例如，剩余的80％-90％的操作时间)，显示设备400可以允许环境光490-1被透射到用户的眼睛。在一些情况下，显示设备400可以调整透射到用户眼睛的环境光490-1的量(例如，通过调整用于将环境光透射到用户眼睛的持续时间)。例如，可以基于环境照明水平的测量来调整环境光490-1，以维持用户的特定亮度水平。在另一示例中，可以基于对虚像的场景的需要来调整环境光490-1，以提供全局调光特征来增强虚像对比度(例如，在增强现实(AR)应用中，环境光490-1的一部分(少于全部)可被阻挡或变暗，以便减少对所显示的图像的妨碍)。
图10是图示了根据一些实施例的与显示设备400相对应的显示设备1000的示意图。如图所示，显示设备1000包括投射器1010、光学漫射器显示器1020和光学组件1030。投射器1010被配置为向光学漫射器显示器1020投射图像光1090。光学漫射器显示器1020是非发射显示器，对应于图4D中所示的显示器410，并且被配置为接收图像光1090并输出对应于图像光492的漫射图像光1092。漫射图像光1092和环境光490-1均从光学漫射显示器1020朝向光学组件1030输出，光学组件1030对应于光学组件412、500-504和600中的任一个。
在一些实施例中，诸如当图像光1090具有线性偏振时，光学漫射器显示器1020可操作以漫射图像光1090，使得保持图像光1090的偏振。结果，从光学漫射器显示器1020输出的漫射图像光1092可以具有与投射到光学漫射器显示器1020上的图像光1090相同的线性偏振。例如，如图所示，图像光1090具有第一线性偏振并且漫射图像光1092也具有第一线性偏振。光学漫射器显示器1020还可操作以透射环境光490-1。类似地，当环境光490-1具有线性偏振时，光学漫射器显示器1020被配置为透射环境光490-1而不改变其偏振。例如，环境光490-1可以具有与第一线性偏振正交的第二线性偏振。在这种情况下，环境光490-1在被透射通过光学漫射器显示器1020之后保持相同的偏振(例如，第二线性偏振)。
在一些实施例中，光学漫射器显示器1020被配置为漫射以某个入射角范围内的入射角入射到光学漫射器显示器1020上的光，并且透射以该某个入射角范围之外的入射角入射到光学漫射器显示器1020上的光。
在一些实施例中，光学漫射器显示器1020是偏振选择性的。例如，光学漫射器显示器1020可以被配置为漫射具有第一线性偏振的光并且透射具有第二线性偏振的光。
在一些实施例中，光学漫射器显示器1020是全息光学元件(HOE)(例如，全息漫射器)。
在一些实施例中，如图所示，光学漫射器显示器1020具有相对的表面1020-1和1020-2。如图所示，光学漫射器显示器1020被配置为在表面1020-1处接收图像光1090并漫射图像光1090，使得从表面1020-1输出漫射图像光1092。图像光1090以入射角α(相对于法线1011)入射到表面1020-1上，该入射角α例如在第一角度θ1和第二角度θ2之间，即，θ1<α<θ2。光学漫射器显示器1020还被配置为在表面1020-2处接收环境光490-1，并透射环境光490-1，使得从表面1020-1输出环境光490-1而不改变方向。环境光490-以小于第一角度θ1的入射角β(即，β＜θ1)入射到表面1020-2上。经漫射的图像光1092和环境光490-1由光学组件1030通过上面关于图4A-图4B、5A-图5O和图6A-图6C描述的光路而被引导到眼盒480。在一些实施例中，θ1是30度或更小，并且θ2是60度或更大。
图11A是图示了根据一些实施例的包括可切换显示器1110和快门组件1120的显示设备1100的示意图。在一些实施例中，可切换显示器1110对应于图4D中所示的显示器410和透明非发射显示器，并且快门组件1120对应于快门组件418。如图所示，可切换显示器1110被耦合到控制器1146，并且快门组件1120被耦合到控制器1142。显示设备1100还包括光学组件1130，其对应于光学组件412以及光学组件500-504和600中的任一个。如图所示，可切换显示器1110被布置在快门组件1120和光学组件1130之间。在一些实施例中，显示设备1100还可以包括耦合到控制器1144的一个或多个图像源1140(例如，投射器)。
插图K图示了根据一些实施例的可切换显示器1110的细节。如图所示，可切换显示器1110包括前表面1110-1、与前表面1110-1相对的后表面1110-2以及布置在前表面1110-1和后表面1110-2之间的光学各向异性分子1110-3。在一些实施例中，如图所示，可切换显示器1110还包括被耦合到(例如，涂覆在)前表面1110-1的前电极1112-1和被耦合到(例如，涂覆在)后表面1110-2的后电极1112-2。在这种情况下，前电极和后电极可操作地(例如电)耦合到电压源V1。在一些实施例中，电压源V1电连接到控制器1146。通过改变电压源V1的电压，光学各向异性分子1110-3(以及由此的可切换显示器1110)可以被配置为(1)漫射入射光，或(2)透射入射光而不漫射入射光。
插图L图示了根据一些实施例的快门组件1120的细节。如图所示，快门组件1120包括相对的基板1120-1和1120-2和布置在基板1120-1和1120-2之间的光学各向异性分子1120-3。在一些实施例中，如图所示，显示器还包括耦合到(例如，涂覆在)基板1120-1的电极1122-1和耦合到(例如，涂覆在)基板1120-2的电极1122-2。在这种情况下，电极1122-1和电极1122-2可操作地(例如电)耦合到可调整电压源V2。在一些实施例中，电压源V2电连接到控制器1142或其一部分。通过调整电压源V2的电压，光学各向异性分子1120-3(以及由此的快门组件1120)可以被配置为调制透射通过快门组件1120的环境光490-1的强度I(例如，0％≤I<100％)。
在一些实施例中，如图11B中所示，快门组件1120是快门的二维阵列(例如，快门1120-A1、1120-A2…1120-E6)。在这种情况下，每个相应的快门被配置为调制透射通过相应的快门的环境光490-1的相应部分。此外，每个相应的快门包括基板1120-1上的相应电极和基板1120-2上的相应电极。例如，如图11A的插图M中所示，快门1120-A1(如图11B中所示)包括布置在基板1120-1上的电极1122-1A和布置在基板1120-2上的电极1122-2A。另一快门1120-B1(如图11B中所示)包括布置在基板1120-1上的电极1122-1B和布置在基板1120-2上的电极1122-2B。快门1120-A的电极1122-1A和1122-2A可操作地耦合到可调整电压源VA并且快门1120-B的电极1122-1B和1122-2B可操作地耦合到不同的可调整电压源VB。因此，快门1120-A1是(例如，通过调整可调整电压源VA的电压)独立地可配置为调制透射通过快门1120-A1的环境光的一部分的强度，并且快门1120-B1是(例如，通过调整可调整电压源VB的电压)独立地可配置为调制透射通过快门1120-B1的环境光的一部分的强度。例如，如图11B中所示，快门1120-A1、1120-A2、1120-A3和1120-A4被配置为以第一强度(例如，99.9％)透射环境光490-1的对应部分，快门1112-A5和1120-A6被配置为以第二强度(例如，50％)透射环境光490-1的对应部分，快门112-B4被配置为以第三强度(例如，20％)透射环境光490-1的对应部分，并且快门1112-B5被配置为阻挡环境光490-1的对应部分的透射(例如，0％透射)。
如图11C和图11D中所示，显示设备1100被配置为在第一模式(图11C中所示)和第二模式(图11D中所示)之间交替。
参考图11C，当显示设备1100处于第一模式时，一个或多个图像源1140被配置为朝向可切换显示器1110投射图像光1190。可切换显示器1110的前表面1110-1被配置为接收从一个或多个图像源1140投射的图像光1190，并漫射图像光1190，使得从可切换显示器1110的前表面1110-1输出漫射图像光492。从可切换显示器1110输出的漫射图像光492由光学组件1130以第一光功率引导到眼盒480。在第一模式中，快门组件1120被配置为阻挡环境光490-1的透射，使得环境光490-1不透射通过快门组件1120，并且没有哪部分的环境光490-1(例如，I～0％)入射到可切换显示器1110的背面1110-2上。
参考图11D，当显示设备1100处于第二模式时，一个或多个图像源1140被配置为不朝向可切换显示器1110投射图像光1190(例如，一个或多个图像源1140被关断或者图像光1190被阻挡而不离开一个或多个图像源1140)。快门组件1120被配置为调制(例如，改变或变化)透射通过快门组件1120的环境光490-1的强度，使得环境光490-1的至少一部分以比环境光490-1的强度更小的强度(例如，I<100％)作为环境光490-1’透射通过快门组件1120。因此，当显示设备1100处于第二模式时，环境光490-1’可以具有在环境光490-1的强度的0％到100％之间的强度I。可切换显示器1110的后表面1110-2被配置为接收环境光490-1’并朝向光学组件1130透射环境光490-1’。光学组件1130被配置为以第二光功率透射环境光490-1’，而不显著改变环境光490-1’的方向。在一些实施例中，环境光490-1的强度被调制(例如，变化、改变)使得透射通过快门组件1120的环境光490-1’具有与从可切换显示器1110输出的漫射图像光492的强度兼容的强度(例如，环境光490-1’和从显示器1110输出的漫射图像光492在它们到达用户眼睛340时具有可比较的强度)。
通过在第一模式和第二模式之间交替，显示设备1100能够按时间顺序引导图像光(对应于图像光1190和漫射图像光492)并将环境光(对应于环境光490-1和490-1’)透射到用户的眼睛340，使得由图像光显示的虚拟图像和作为环境光透射的来自现实世界的图像被混合以显示增强现实环境。
图11E-图11F是图示了根据一些实施例的具有聚合物分散液晶的可切换显示器1110的示意图。在一些实施例中，一个或多个光学各向异性分子1110-3可以是包括组织(例如悬浮)在聚合物矩阵1116中的液晶域1114的聚合物分散液晶(PDLC)介质(如图11E和图11F中所示)。例如，PDLC介质可以包括诸如向列液晶之类的液晶，其与预聚物(诸如单体和/或低聚物的光敏组合物)和光引发剂混合。液晶和预聚物混合物被曝光以活化预聚物的光聚合，产生“瑞士乳酪”形态或聚合物球形态。在“瑞士乳酪”形态中(如图11E和图11F中所示)，聚合物结构包括由液晶填充的球形空隙。在聚合物球形态(未示出)中，聚合物结构包括由液晶填充的互连孔。
如图所示，PDLC介质可配置为漫射入射光(如图11E中所示)或透射入射光而不漫射入射光(如图11F中所示)。参考图11E，当电压源V1关断(例如，被断开以创建开路或被设置为具有零电压)时，不同液晶域1114中的液晶相对于彼此随机取向。因此，PDLC介质被配置为在接收到图像光1190时输出漫射图像光492。参考图11F，当电压源V1被设置为产生非零电压(例如，使得在前表面1110-1和后表面1110-2之间存在电压差)时，每个液晶域1114中的液晶被对准。因此，PDLC介质被配置为透射环境光490-1’而不漫射环境光490-1’(例如，在环境光490-1’的方向中没有实质改变)。
在一些实施例中，由液晶填充的空隙具有非球形形状(例如，椭圆体或椭球体，诸如长椭球体或扁椭球体)。在一些实施例中，空隙或互连孔中的液晶被布置在平行于可切换显示器1110的前表面1110-1或后表面1110-2的方向上(例如，通过在平行于前表面1110-1或后表面1110-2的方向上施加电压)，使得具有第一偏振的光被透射并且具有与第一偏振正交的第二偏振的光被散射。
图11G-图11H是图示了根据一些实施例的具有聚合物稳定液晶的可切换显示器1110的示意图。在一些实施例中，一个或多个光学各向异性分子1110-3可以是聚合物稳定的胆甾型织构(PSCT)介质，其包括由聚合物网络1119(图11G和图11H中所示)稳定的胆甾型液晶1118。在一些实施例中，一个或多个光学各向异性分子1110-3可以包括由聚合物网络1119稳定的向列液晶。
PSCT介质可配置为漫射入射光(如图11G中所示)或透射入射光而不漫射入射光(如图11H中所示)。参考图11G，当电压源V1关断(例如，被断开以产生开路或被设置为具有零电压)时，具有螺旋结构(并且因此是手性的)的胆甾型液晶1118处于焦点圆锥状态，形成随机取向的域。随机取向的域允许PSCT介质在接收图像光492后输出漫射图像光492。参考图11H，当电压源V1被设置为产生非零电压(例如，使得在前表面1110-1和后表面1110-2之间存在电压差)时，胆甾型液晶1118在垂直状态下对准，允许PSCT介质透射环境光490-1’而不漫射环境光490-1’(例如，在环境光490-1’的方向上没有显著改变)。虽然未示出，但是PSCT介质也可以以反向模式操作。在反向模式中，当电压差为零时，胆甾型液晶1118在垂直状态下对准，而当电压差为非零时，胆甾型液晶1118处于具有随机取向域的聚焦圆锥状态。备选地，PSCT介质也可以在双频双稳态模式中操作。在双频双稳态模式中，当施加高频电压时胆甾型液晶1118从垂直状态转变到焦点圆锥状态，而当施加低频电压时胆甾型液晶1118从焦点圆锥状态转变到垂直状态。
在一些实施例中，可切换显示器1110的光学各向异性分子1110-3可以包括液晶(诸如向列液晶)和以向列相分散在液晶中的无机纳米颗粒(例如二氧化硅)。在这种情况下，光学各向异性分子1110-3是双稳态的，并且可以通过设置电压源V1以产生非零电压(例如，使得在前表面1110-1和后表面1110-2之间存在电压差)而被配置为透明的。在这种情况下，光学各向异性分子1110-3可配置为通过设置电压源V1以产生非零电压来透射环境光490-1’。当电压源V1被关断(例如，电压为零)时，光学各向异性分子1110-3被配置为保持透明。光学各向异性分子1110-3还可配置为通过激光写入光学各向异性分子1110-3(例如，用激光照射光学各向异性分子1110-3)来散射图像光1190。在激光写入完成之后，光学各向异性分子1110-3保持在散射状态，并且将保持在散射状态直到在光学各向异性分子1110-3上施加非零电压(例如，通过设置电压源V1以产生非零电压)。
图11I-图11J是图示了根据一些实施例的具有液晶和染料的快门组件1120的示意图。在一些实施例中，快门组件1120的光学各向异性分子1120-3包括液晶1124(诸如向列液晶)和染料(例如二色性染料)1126。例如，染料1126可以是具有各向异性分子吸收的二色性染料。在这种情况下，二色性染料是伸长的分子。在一些实施例中，染料1126包括许多不同类型的染料分子的组合。在这种情况下，染料分子的组合被配置为在宽波长范围内提供吸收，诸如在光的可见范围(例如，380nm-740nm)内。如上所述，光学各向异性分子1120-3可配置为调制入射光的强度。
参考图11I，当可调整电压源V2关断时(例如，被断开以创建开路或被设置为具有零电压)，液晶1124和染料1126分子在不允许光透射的第一方向中对准。因此，液晶1124和染料1126分子被配置为阻挡环境光490-1的透射。参考图11J，当可调整电压源V2被设置为预定电压Vset时，液晶1124和染料1126在与第一方向正交的第二方向中对准。在这种情况下，液晶1124和染料1126分子被配置为透射最大强度(接近100％)的环境光490-1作为环境光490-1’。通过在0和Vset之间调整(例如，改变、变化)可调整电压源V2的电压，液晶1124和染料1126分子在第一方向和第二方向之间旋转，并且透射通过光学各向异性分子1120-3的光的量(例如，强度)与液晶1124和染料1126分子的旋转程度(并且由此与可调整电压源V2的电压)成比例。
备选地，液晶1124和染料1126分子可以被对准，使得当可调整电压源V2关断(例如，被断开以创建开路或被设置为具有零电压)时，液晶1124和染料1126分子被配置为透射最大强度(接近100％)的环境光490-1作为环境光490-1’，并且当可调整电压源V2被设置为非零预定电压Vset时，液晶1124和染料1126分子被配置为阻挡环境光490-1的透射。
图11K-图11L是图示了根据一些实施例的具有扭转的向列液晶的快门组件1120的示意图。在一些实施例中，快门组件1120还包括被布置在快门组件1120的第一侧上的偏振器1127-1和被布置在快门组件1120的第二侧上的偏振器1127-2。在一些实施例中，每个偏振器可以被涂覆或被布置在相应的快门基板上(例如，偏振器1127-1可以被布置在基板1120-1上并且偏振器1127-2可以被布置在基板1120-2上)。两个偏振器1127-1和1127-2被配置为选择性地透射正交偏振。例如，偏振器1127-1被配置为透射具有第一线性偏振的光，而偏振器1127-2被配置为透射具有第二线性偏振的光，反之亦然。一个或多个光学各向异性分子1120-3包括处于向列状态的液晶1128。如图11K中所示，两个基板1120-1和1120-2可以包括图案化的光对准层(photoalignment layer)，其指示当液晶1128位于两个基板1120-1和1120-2之间并且电压源V2关断(例如，被断开以创建开路或被设置为具有零电压)时，液晶1128形成90度扭转。在这种情况下，具有第一线性偏振的环境光490-1的一部分作为环境光490-1’而被透射通过偏振器1127-1并透射通过光学各向异性分子1120-3，同时从第一线性偏振被转换为第二线性偏振(由于液晶1128的扭转结构)。具有第二线性偏振的环境光490-1’被透射通过偏振器1127-2。当电压源V2被设置为产生非零电压(例如，使得在基板1120-1和1120-2之间存在电压差)时，液晶1128被配置为垂直对准。在这种情况下，具有第一线性偏振的环境光490-1的一部分作为环境光490-1’而被透射通过偏振器1127-1并透射通过光学各向异性分子1120-3，而不改变偏振(由于液晶1128的垂直对准)。具有第一线性偏振的环境光490-1’没有被透射通过偏振器1127-2。因此，当电压V2被设置为产生非零电压时，快门组件1120被配置为阻挡环境光490-1的透射。
图11M-图11N是图示了根据一些实施例的具有聚合物分散液晶的快门组件1120的示意图。在一些实施例中，一个或多个光学各向异性分子1120-3可以是聚合物分散液晶(PDLC)介质，其包括悬浮在聚合物基质1116中的液晶域1114，如以上关于图11E和图11F所述。PDLC介质可配置为通过漫射环境光490-1来阻挡环境光490-1的透射(如图11M中所示)，或者将环境光490-1作为环境光490-1’来透射而没有漫射(如图11N中所示)。参考图11M，当电压源V2关断(例如，被断开以创建开路或被设置为具有零电压)时，不同液晶域1114中的液晶相对于彼此随机取向，并且PDLC介质被配置为阻挡环境光490-1的透射。参考图11N，当电压源V2被设置为产生非零电压(例如，使得在基板1120-1和1120-2之间存在电压差)时，每个液晶域1114中的液晶被对准。因此，PDLC介质被配置为透射环境光490-1而不漫射环境光490-1(例如，在环境光490-1的方向上没有实质改变)。
在一些实施例中，PDLC介质还可以包括一个或多个二色性染料分子。包含一个或多个二色性染料分子的PDLC介质可以被成透射或阻挡具有在预定义的波长范围内的波长的光。
图11O-图11P是图示了根据一些实施例的具有聚合物稳定液晶的快门组件1120的示意图。在一些实施例中，一个或多个光学各向异性分子1120-3可以是聚合物稳定的胆甾型织构(PSCT)介质，其包括由聚合物网络1119稳定的胆甾型液晶1118。PSCT介质可配置为阻挡环境光490-1(如图11O中所示)或将环境光490-1作为环境光490-1’来透射而没有漫射(如图11P中所示)。参照图11O，当电压源V2关断(例如，被断开以创建开路或被设置为具有零电压)时，胆甾型液晶1118被配置为阻挡环境光490-1的透射。参考图11P，当电压源V2被设置为产生非零电压(例如，使得在基板1120-1和1120-2之间存在电压差)时，胆甾型液晶1118在垂直状态中对准，允许PSCT介质透射环境光490-1而没有漫射(例如，在环境光490-1的方向上没有实质改变)。以上参考图11G-图11H提供了关于PSCT介质在反向模式和双频双稳态模式下的操作的细节，并且为了简洁这里不再重复。
在一些实施例中，快门组件1120的光学各向异性分子1120-3可以包括液晶(诸如向列液晶)和以向列相分散在液晶中的无机纳米颗粒(诸如二氧化硅)。在这种情况下，光学各向异性分子1120-3是双稳态的，并且可以通过设置电压源V2以产生非零电压(例如，使得在基板1120-1和1120-2之间存在电压差)而被配置为透明的。在这种情况下，光学各向异性分子1120-3可配置为通过设置电压源V2以产生非零电压来透射环境光490-1’。当电压源V2已被关断(例如，电压为零)时，光学各向异性分子1120-3被配置为保持透明。光学各向异性分子1120-3还可配置为通过激光写入光学各向异性分子1120-3(例如，用激光照射光学各向异性分子1120-3)来散射环境光490-1’。在激光写入完成之后，光学各向异性分子1120-3保持在散射状态，并且将保持在散射状态直到在光学各向异性分子1120-3上施加非零电压(例如，通过设置电压源V1以产生非零电压)。
图12A-12B是图示了根据一些实施例的显示设备1200的示意图。显示设备1200包括投射器(例如，短焦型投射器)1210，其对应于图4D中所示的一个或多个光源430；对应于显示器410的漫射显示器1214；以及对应于光学组件412的光学组件1218。在一些实施例中，漫射显示器1214是非发射显示器，并且对应于图4D中所示的非发射显示器410-B。如图所示，投射器1210被配置为朝向漫射显示器1214的表面1214-1投射图像光1212。漫射显示器1214被配置为接收从投射器1210投射的图像光1212并从表面1212-1输出漫射图像光492。光学组件1218被配置为接收从漫射显示器1214输出的漫射图像光492并将漫射图像光492朝向眼盒480引导。上文关于图5A-图5O、图6A-图6C和图7A-图7C描述了关于漫射图像光492通过光学组件1218的光路的细节，并且为了简洁这里不再重复。
在一些实施例中，漫射显示器1214可以包括一个或多个漫射光学元件。在一些实施例中，漫射显示器1214的表面1214-1可以具有漫射属性并且被配置为漫射光。
在一些实施例中，投射器1210的尺寸紧凑。例如，投射器1210可以具有不超过5厘米(长)×5厘米(宽)×5厘米(高)的尺寸。在一些实施例中，投射器1210可以具有不超过2厘米(长度)×2厘米(宽度)×2厘米(高度)的尺寸。在一些实施例中，投射器1210可以具有不超过1厘米(长)×1厘米(宽)×1厘米(高)的尺寸。
在一些实施例中，投射器1210具有在2厘米和20厘米之间的工作距离d。在一些实施例中，投射器1210具有不大于1厘米、2厘米、3厘米、5厘米、10厘米、15厘米、20厘米、25厘米或30厘米中的任一个的工作距离d。在一些实施例中，漫射显示器1214被布置在投射器1210的图像平面处(例如，在投射器1210的工作距离d内或在投射器1210的工作距离d处)。
如图12A和图12B中所示，漫射显示器1214具有沿着与表面1214-1的法线方向(例如，y轴)的光轴1216(例如，中心轴)，其与漫射显示器1214的中间(例如，中心)相交。在一些实施例中，如图所示，投射器1210被布置在偏离漫射显示器1214的中间的位置(例如，光轴1216不与投射器1210相交，在一个或多个方向上相对于漫射显示器1214的光轴1216的离轴位置)。如图12B中所示，投射器1210可以位于漫射显示器1214的左侧或右侧，和/或漫射显示器1214的上方或下方。
尽管在图12A和图12B中仅示出了一个投射器1210，但是显示设备1200可以包括一个或多个投射器。例如，显示设备1200可以包括三个投射器，其被配置为输出具有分别对应于红光、绿光和蓝光的波长的光。
图12C和图12D是图示了根据一些实施例的显示设备1202的示意图。如图12C中所示，显示设备1202包括对应于图4D中所示的一个或多个光源430的一个或多个投射器1222；对应于图4D中所示的非发射显示器410-B的纳米颗粒显示器1224；以及光学组件1225。纳米颗粒显示器1224具有相对的表面1224-1和1224-2，并且包括透明材料1226(例如，丙烯酸或任何其它高度透明的塑料)。纳米颗粒显示器1224还包括被嵌入在透明材料1226中并位于表面1224-1和1224-5之间的多个纳米颗粒1228(例如银纳米颗粒)。多个纳米颗粒被配置为散射(或漫射)特定波长范围内的光。
一个或多个投射器1222被配置为朝向纳米颗粒显示器1224的表面1224-1投射图像光1232。纳米颗粒显示器1224被配置为接收图像光1232，漫射图像光1232，并输出漫射图像光492。当图像光1232具有在特定波长范围内的波长时，多个纳米颗粒1228被配置为漫射图像光1232，使得从纳米颗粒显示器1224的表面1224-1输出漫射图像光492。光学组件1225被配置为接收从纳米颗粒显示器1224输出的漫射图像光492并将漫射图像光492朝向眼盒480引导。上面参考图5A-图5O、图6A-图6C和图7A-图7C描述了关于漫射图像光492通过光学组件1225的光路的细节，并且为了简洁这里不再重复。
纳米颗粒显示器1224还被配置为在表面1224-2处接收环境光490-1，并且以相对低的损耗(例如，小于10％的损耗)将环境光490-1从表面1224-2透射到表面1224-1。
在一些实施例中，多个纳米颗粒1228被配置为在相对窄的光谱范围(例如，特定波长的+/-20nm)中散射光。在这种情况下，纳米颗粒显示器1224能够有效地透射(例如，>90％透射)环境光490-1，允许高透视可见度。在一些实施例中，多个纳米颗粒1228被配置为散射可见光而不散射红外(IR)光。
在一些实施例中，例如当显示器不被用于AR应用时，多个纳米颗粒1228可以被配置为散射宽带可见光(例如，400nm-700nm)。
在一些实施例中，如图12D中所示，显示设备1202可以包括多于一个投射器1222。例如，如图所示，一个或多个投射器1222可以包括三个投射器：投射器1222-1被配置为投射具有对应于红光的波长的图像光1232-1(例如，红色图像光)，投射器1222-2被配置为投射具有对应于绿光的波长的图像光1232-2(例如，绿色图像光)，以及投射器1222-31被配置为投射具有对应于蓝光的波长的图像光1232-3(例如，蓝色图像光)。另外，投射器1222可以被布置在用户眼睛周围的任何地方。例如，投射器1222-1可以被布置在用户右眼的上方，并且投射器1222-2可以被布置在用户右眼的下方。在一些实施例中，每个投射器可以被配置为照射纳米颗粒显示器1224的不同区域。例如，投射器1222-1可以被配置为照射纳米颗粒显示器1224的顶部区域，投射器1222-2可以被配置为照射纳米颗粒显示器1224的中间区域，并且投射器1222-3可以被配置为照射纳米颗粒显示器1224的底部区域。在一些实施例中，不同区域的每个区域可以与至少一个其他区域重叠。备选地，不同区域可以是彼此不重叠的不同区域。
同样如图12D中所示，多个纳米颗粒1228可以包括不同尺寸的纳米颗粒。例如，图12D中的多个纳米颗粒包括具有第一尺寸(例如，白色圆圈)的纳米颗粒1228-1，具有第二尺寸(例如，灰色圆圈)的纳米颗粒1228-2和具有第三尺寸(例如，黑色圆圈)的纳米颗粒1228-3。第一、第二和第三尺寸彼此不同。在一些实施例中，纳米颗粒的尺寸被预先确定并且对应于纳米颗粒被配置为进行散射的光的特定波长。例如，纳米颗粒1228-1可以被配置(例如，具有预定尺寸)以散射红光(例如，～630nm+/-20nm)，纳米颗粒1228-2可以被配置(例如，具有预定尺寸)以散射绿光(例如，～530nm+/-20nm)，并且纳米颗粒1228-3可以被配置(例如，具有预定尺寸)以散射蓝光(例如，～420nm+/-20nm)。因此，从投射器1222-1输出的红色图像光1232-1被纳米颗粒1228-1散射，使得从纳米颗粒显示器1224的表面1224-1输出漫射的红色图像光1232-1D。类似地，从投射器1222-2输出的绿色图像光1232-2被纳米颗粒1228-2散射，使得从纳米颗粒显示器1224的表面1224-1输出漫射的绿色图像光1232-2D，并且从投射器1222-3输出的蓝色图像光1232-3被纳米颗粒1228-3散射，使得从纳米颗粒显示器1224的表面1224-1输出漫射的蓝色图像光1232-3D。通过在多个纳米颗粒中包括三种不同尺寸的纳米颗粒，其中不同尺寸的纳米颗粒被配置为散射不同窄光谱范围(例如，420nm+/-20nm、530nm+/20nm和630nm+/-20nm)中的光，可以使用(多个)图像光1232(例如，红色图像光1232-1、绿色图像光1232-2和蓝色图像光1232-3)来实现颜色混合，以在所显示的图像中产生真实颜色，同时(例如，低损耗)环境光490-1被有效地透射通过纳米颗粒显示器1224。
图13A-图13B是图示了根据一些实施例的包括浸没式漫反射器显示器1310的显示设备1300的示意图。如图所示，显示设备1300包括对应于图4D中所示的一个或多个光源430的一个或多个光源(例如，一个或多个投射器，图像源)1312；对应于图4D中所示的非发射显示器410-B的浸没式漫反射器显示器1310；以及光学组件1316。浸没式漫反射器显示器1310包括相对的表面1310-1和1310-2，以及位于表面1310-1和表面1310-2之间的漫射表面1310-3。浸没式漫反射器显示器1310还包括位于表面1310-1和漫射表面1310-3之间的第一显示部分1310-4以及位于漫射表面1310-3和表面1310-2之间的第二显示部分1310-5。第一显示部分1310-4由具有第一折射率的第一材料制成，并且第二显示部分1310-5由具有基本上与第一折射率相同的第二折射率的第二材料制成。在一些实施例中，第二材料与第一材料相同，并且因此，第二折射率与第一折射率相同。因此，漫射表面1310-3被浸入或夹在第一显示部分1310-4和第二显示部分1310-5之间。漫射表面1310-3可以是第一显示部分1310-4或第二显示部分1310-5，诸如反射偏振器或分束器(例如，50/50反射镜)，的织构化(例如，不平滑)表面，其上形成有反射涂层。漫射表面因此被配置为反射和散射(或漫射)入射到其上的光的至少一部分。
一个或多个光源1312被配置为朝向浸没式漫反射器显示器1310的表面1310-1发射与图4D中所示的图像光432相对应的图像光1314。浸没式漫反射器显示器1310被配置为接收图像光1314并且将图像光1314的至少一部分透射通过第一显示部分1310-4，使得图像光1314的透射部分入射到漫射表面1310-3上。响应于接收到图像光1314的透射的部分，漫射表面1310-3被配置为将图像光1314的该部分反射和漫射(例如，散射)为漫射图像光492。漫射图像光492的至少一部分透射通过第一显示部分1310-4并从显示器1310的表面1310-1输出。光学组件1316被配置为接收从浸没式漫反射器显示器1310输出的漫射图像光492并将漫射图像光492朝向眼盒480引导。上文关于图5A-图5O、图6A-图6C和图7A-图7C描述了关于漫射图像光492通过光学组件1316的光路的细节，并且为了简洁这里不再重复。
浸没式漫反射器显示器1310还被配置为在表面1310-2处接收环境光490-1，并从表面1310-2向表面1310-1透射环境光490-1。由于第一显示部分1310-4和第二显示部分1310-5具有基本上类似的折射率(理想地，相同的折射率)，所以环境光490-1的一部分以高效率(例如，低损耗)透射通过浸没式漫反射器显示器1310的第一和第二显示部分1310-4和1310-5。
在一些实施例中，漫射表面1310-3还用作分束器或50/50反射镜。在这种情况下，图像光1314的至少一半通过漫射表面1310-3透射到第二显示部分1310-5，并且因此不在漫射表面1310-3处反射和漫射(例如，至少50％的图像光1314被损耗)。类似地，环境光490-1的至少一半在漫射表面1310-3处反射，并且因此不被透射到第一显示部分1310-4(例如，至少50％的环境光490-1被反射回环境)。
在一些实施例中，漫射表面1310-3包括反射偏振器，其被配置为反射具有第一偏振(例如，第一线性偏振)的光并透射具有与第一偏振正交的第二偏振(例如，第二线性偏振)的光。在这种情况下，如图13B中所示，图像光1314被配置为具有第一线性偏振，使得图像光1314在漫射表面1310-3处被漫射和反射为漫射图像光492。在一些实施例中，从表面1310-1输出的漫射图像光492也具有第一偏振。具有第二线性偏振的环境光490-1的一部分透射通过漫射表面1310-3。在这种情况下，浸没式漫反射器显示器1310能够以高效率和低损耗输出漫射图像光492并透射环境光490-1的一部分。
图14A是图示了根据一些实施例的包括楔形波导1410的显示设备1400的示意图。如图所示，显示设备1400包括一个或多个投射器1412、楔形波导1410、耦合到楔形波导1410的光学漫射器1416以及光学组件1420。楔形波导1410包括位于楔形波导1410的第一端附近的导引部分1410-G和位于楔形波导1410的第二端附近的输出部分1410-O(例如，楔形部分)。楔形波导1410还包括被布置在楔形波导1410的第一端上的输入表面1410-1。在导引部分1410-G中，楔形波导1410包括彼此基本上平行(例如，形成小于5度的角度)的两个相对的表面1410-2和1410-3。在一些实施例中，如图所示，输入表面1410-1不垂直于楔形波导1410的导引部分1410-G中的相对的表面1410-2和1410-3中的任一个。在输出部分1410-O中，楔形波导具有输出表面1410-4和相对于输出表面1410-4形成角度θ(例如，锐角)的相对表面1410-5。输出表面1410-4(例如，光学地)耦合到光学漫射器1416的表面1416-1。光学漫射器1416具有两个相对的表面1416-1和1416-2。
一个或多个投射器1412被配置为朝向楔形波导1410的输入表面1410-1输出图像光1414。图像光1414透射通过输入表面1410-1并朝向波导的第二端传播。在楔形波导1410的导引部分1410-G中，图像光1414经由全内反射以非常低的损耗(例如，小于1％的损耗)而被导引。在楔形波导1410的输出部分1410-O中，在输出表面1410-2处从楔形波导1410输出图像光1414。由于输出表面1410-2和表面1410-3之间的角度θ，图像光1414以不满足全内反射条件的角度入射到输出表面1410-2的各个部分上(例如，图像光1414以小于临界角的角度入射到输出表面1410-2的各个部分上)。因此，图像光1414在输出表面1410-2处从楔形波导1410输出并耦合到光学漫射器1416中。光学漫射器1416被配置为接收从楔形波导的输出表面1410-2输出的图像光1414，并且从光学漫射器1416的表面1416-2输出漫射图像光492。光学组件1420被配置为接收从光学漫射器1416输出的漫射图像光492并将漫射图像光492朝向眼盒480引导。上面参考图5A-图5O、图6A-图6C和图7A-图7C描述了关于通过光学组件1420的漫射图像光492的光路的细节，并且为了简洁这里不再重复。
图14B是图示了根据一些实施例的楔形波导中的光路的示例的示意图。如图所示，图像光1414经由输入表面1410-1进入楔形波导1410。在楔形波导1410的导引部分1410-G中通过全内反射导引图像光1414。在楔形波导1410的输出部分1410-0中，从输出表面1410-2输出图像光1414。在图14B中用不同的虚线图示透射通过楔形波导的1410图像光1414的光路，该不同的虚线表示在输入表面1410-1上具有不同入射角的光线。
在一些实施例中，如图14B中所示，楔形波导1410包括耦合部件(例如，耦合棱镜、耦合光学元件、诸如定制透镜或定制全息光学元件之类的定制光学器件)，该耦合部件被配置为接收从投射器1412输出的图像光1414并经由输入表面1410-1将图像光1414耦合到楔形波导1410中。
图15是图示了根据一些实施例的通过光学组件(例如，光学组件412、500-504、600)透射光的方法1500的流程图。方法1500包括(步骤1510)在第一光路中透射图像光492，其包括(步骤1512)在基板510的表面510-1处接收图像光492。基板510还包括与表面510-1相对并基本上平行(例如，形成89度和91度之间的角度)的表面510-2，以及耦合到基板510的反射器512和耦合到基板510的分束器514。方法1500还包括(步骤1514)从第二表面输出图像光，使得第一光路包括在反射器处和在分束器处反射。方法1500还包括(步骤1520)在不同于第一光路的第二光路中透射环境光490-1和490-2。透射环境光包括(步骤1522)在表面510-1处接收环境光490，以及(步骤1524)从第二表面510-2输出环境光490-1和490-2，而没有在反射器512或分束器514处经历反射。
在一些实施例中，方法1500还包括以第一光功率输出图像光492并且以小于第一光功率的第二光功率透射环境光。在一些实施例中，第二光功率为零。
在一些实施例中，方法1500还包括透射环境光490-1和490-2而不增加显著的光学失真和/或像差。
图16是图示了根据一些实施例的通过光学组件(例如，光学组件600)透射光的方法1600的流程图。透射图像光492(步骤1610)的方法1600包括(步骤1612)在基板610的弯曲表面610-1处接收图像光492。弯曲表面610-1具有第一弯曲轮廓。方法1600还包括(步骤1614)在具有第二弯曲轮廓并且基本上平行于弯曲表面610-1的反射器612处反射图像光492，以及(步骤1616)在分束器614处反射图像光492。分束器614位于弯曲表面610-1上并且符合弯曲表面610-1的弯曲轮廓。方法1600还包括(步骤1618)以第一光功率从反射器612输出图像光。(步骤1620)透射环境光490-1和490-2的方法1600包括(步骤1622)在弯曲表面610-1处接收环境光490-1和490-2，以及(步骤1624)通过光学组件600透射环境光490-1和490-2而不在反射器612处反射。方法1600还包括(步骤1626)以小于第一功率的第二功率从光学组件600输出环境光490-1和490-2。在一些实施例中，第二光功率为零。
在一些实施例中，方法1500还包括透射环境光490-1和490-2而不增加显著的光学失真和/或像差。
图17是图示了根据一些实施例的通过包括VBG 714的光学组件700透射光的方法1700的流程图。方法1700包括(步骤1710)在第一光路中透射图像光492和(步骤1720)在不同于第一光路的第二光路中透射环境光490-1。透射图像光492包括(步骤1712)在基板710的第一表面710-1处接收图像光492。基板710还包括与第一表面710-1相对并基本上平行的第二表面710-2、反射器712和VBG714。VBG 714被配置为透射以第一预定角度范围θ1内的入射角入射在VBG上的光，并且反射以不同于第一预定角度范围的第二预定角度范围θ2内的入射角入射在VBG上的光。透射图像光492还包括(步骤1714)经由包括在反射器712处和在VBG 714处反射的光路以第一光功率从第二表面710-2输出图像光492。方法1700还包括(步骤1720)在不同于第一光路的第二光路中透射环境光490-1。透射环境光490-1包括(步骤1722)在第一表面处接收环境光490-1，并且(步骤1724)经由不包括在反射器712或VBG 714处反射的第二光路以第二光功率从第二表面710-2输出环境光490-1。第二光功率小于第一光功率。
图18是图示了根据一些实施例的操作用于增强现实应用的显示设备400的方法1800的流程图。方法1800包括(步骤1810)从显示器410的前表面410-2输出图像光492。显示器410还包括与前表面410-2相对的后表面410-1。方法1800还包括(步骤1820)从后表面410-1向前表面410-2透射环境光490-1。方法1800还包括(步骤1830)在光学组件412处接收从前表面410-2输出的图像光492，并且(步骤1840)以第一光功率透射图像光492的一部分。方法1800还包括(步骤1850)在光学组件412处接收从前表面410-2输出的环境光490-1，并且(步骤1860)以不同于第一光功率的第二光功率透射环境光490-1的一部分。在一些实施例中，第二光功率小于第一光功率。在一些实施例中，第二光功率为零或可忽略。
在一些实施例中，(步骤1822)环境光490-1与从显示器410的前表面410-2输出的图像光492同时地从显示器410的前表面410-2输出。
在一些实施例中，(步骤1824)环境光490-1与从显示器410的前表面410-2输出图像光492交替地从显示器410的前表面410-2输出。
在一些实施例中，(步骤1832)图像光492具有第一偏振(例如，RCP)，并且(步骤1852)环境光490-1具有不同于(例如，正交于)第一偏振的第二偏振。
在一些实施例中，(步骤1842)图像光492的该部分经由包括一个或多个折叠的光路而被透射通过光学组件412，并且(步骤1862)环境光490-1的该部分经由不包括任何折叠的不同光路而被透射通过光学组件412。
在一些实施例中，光学组件412被配置为透射环境光490-1的该部分而没有显著光学像差。
图19是图示了根据一些实施例的在包括光学漫射器显示器的显示设备中透射光的方法1900的流程图。方法1900包括(步骤1910)从光学漫射显示器1020接收图像光1090，并且响应于接收到图像光1090，(步骤1920)从光学漫射显示器1020输出漫射图像光1092而不改变图像光的偏振。方法1900还包括(步骤1930)以第一非零光功率将漫射图像光1092透射通过光学组件1030。如步骤1932中所示，光学组件1030包括具有第一表面和与第一表面相对并基本上平行的第二表面的基板、耦合到基板的反射器以及耦合到基板的分束器。以第一非零光功率将漫射图像光1092透射通过光学组件1030包括(步骤1934)在反射器处和在分束器处反射漫射图像光1092。方法1900还包括(步骤1940)在光漫射显示器1020处接收环境光490-1，并且(步骤1950)从光漫射显示器1020输出环境光490-1的至少第一部分。方法1900还包括(步骤1960)以小于第一光功率的第二光功率通过光学组件1030透射环境光490-1的第二部分。如步骤1962中所示，环境光490-1的第二部分被透射通过光学组件1030而不在反射器或分束器处反射。
在一些实施例中，图像光1090和漫射图像光1092具有第一线性偏振，并且环境光具有与第一线性偏振正交的第二线性偏振。
在一些实施例中，方法1900还包括：将图像光1090从投射器1010朝向光学漫射器显示器1020投射，在光学漫射器显示器1020处接收图像光1090，以及在光学漫射器显示器1020处漫射图像光1090，使得漫射图像光1092从光学漫射器显示器1020输出。
在一些实施例中，在光漫射显示器1020的第二表面1020-2处接收图像光1090，并且漫射图像光1092从光漫射显示器1020的第二表面1020-2输出。
在一些实施例中，光学漫射器显示器1020被配置为接收在第一方向上传播的图像光1090并漫射图像光1090，使得漫射图像光1092在多个方向上传播。
在一些实施例中，与从光学漫射器显示器1020输出漫射图像光1092同时地将环境光490-1的第一部分透射通过光学漫射器显示器1020，并且环境光的第二部分490-1和漫射图像光1092同时透射通过光学组件1030。
在一些实施例中，第二光功率为零。
在一些实施例中，环境光490-1的第二部分被透射通过光学组件1030而没有显著光学像差，并且优选地没有光学像差。
在一些实施例中，光学组件1030的基板具有基本上均匀的厚度。
图20A-图20C是图示了根据一些实施例的操作可切换显示设备1100的方法2000的流程图。方法2000包括(步骤2010)以第一模式操作可切换显示设备1100。操作可切换显示设备1100包括(步骤2012)在可切换显示器1110的前表面1110-1处接收图像光1190，(步骤2016)对图像光1190进行漫射以从前表面1110-1输出漫射图像光492，并且经由包括至少一个折叠的第一光路以第一光功率将漫射图像光492的一部分透射通过光学组件1130。在一些实施例中，(步骤2014)可切换显示器1110包括耦合到前表面1110-1的前电极1112-1，耦合到后表面1110-2的后电极1112-2，以及被布置在前表面1110-1和后表面1110-2之间的光学各向异性分子1110-3。前电极1112-1和后电极1112-2可操作地耦合到第一电压源V1。以第一模式操作显示设备1100包括关断第一电压源V1。
方法2000还包括(步骤2020)以第二模式操作显示设备1100，其包括(步骤2022)在可切换显示器1110的后表面1110-2处接收环境光490-1。在一些实施例中，(步骤2022-A)环境光490-1被透射通过快门组件1120，快门组件1120包括两个基板1120-1和1120-2以及被布置在两个快门基板之间的光学各向异性分子1120-3。在一些实施例中，(步骤2022-A1)快门组件1120包括耦合到基板之一的1120-1的第一电极1122-1和耦合到另一基板1120-2的第二电极1122-2。第一和第二电极可操作地耦合到具有可调整电压的第二电压源V2。在一些实施例中，方法2000还包括(步骤2024)通过配置光学各向异性分子1120-3来调制环境光490-1(例如，调制环境光490-1的强度)。这可以包括(步骤2024-A)调整第二电压源V2的可调整电压。在一些实施例中，调整第二电压源V2的可调整电压被调整以变化透射通过快门组件1120的环境光490-1’的强度，以匹配从可切换显示器1110输出的漫射图像光492的强度。在一些实施例中，以第二模式操作显示设备1100还包括(步骤2026)将第一电压源V1设置为第一电压，(步骤2028)将环境光490-1’透射通过可切换显示器1110，以及(步骤2029)经由不包括任何折叠的第二光路来以小于第一光功率的第二光功率将环境光490-1’的一部分透射通过光学组件1130。
在一些实施例中，方法2000还包括(步骤2030)检测显示设备1100是否正在运行增强现实应用。响应于(步骤3032)检测到显示设备1100正在运行增强现实应用，通过在第一模式和第二模式之间交替来操作显示设备1100，并且响应于(步骤3034)检测到显示设备1100未正在运行增强现实应用，以第一模式操作显示设备。
图21A-图21D是图示了显示一个或多个图像的方法2100的流程图。方法2100包括(步骤2112)从一个或多个投射器(例如，一个或多个投射器1210、1222、1312、1412)投射图像光(例如，图像光1212、1232、1314、1414、432)。方法2100还包括(步骤2112)在显示器(例如，显示器1214、1224、1310、1400、410)处接收从一个或多个投射器投射的图像光；(步骤2114)在显示器处漫射图像光；并且(步骤2116)从显示器的第一表面(例如，表面1214-1、1224-1、1310-1、1416-2)输出漫射图像光(例如，漫射图像光492、1232-1D、1232-2D、1232-3D)。该方法还包括(步骤2118)在显示器的第二表面(例如，表面1214-2、1224-2、1310-2、1410-2)处接收环境光(例如，环境光490-1)，并且(步骤2020)从显示器的第一表面输出环境光。第二表面与第一表面相对。方法2100还包括(步骤2122)在光学组件(例如，光学组件1218、1225、1316、1240、412、500-504、600)处接收图像光和环境光中的任一个；(步骤2124)在包括一个或多个折叠的第一光路中透射图像光；以及(步骤2126)在不同于第一光路的第二光路中透射环境光。
在一些实施例中，光学组件被配置为以第一非零光功率透射漫射图像光，并且以不同于(例如，小于)第一光功率的第二光功率透射环境光。在一些实施例中，第二光功率为零。
在一些实施例中，(步骤2110-A)一个或多个投射器被布置在相对于显示器的光轴的离轴位置，并且一个或多个投射器位于距离显示器小于2英寸的位置。
在一些实施例中，如图21B中所示，在步骤2130中，显示器1310包括位于显示器1310的第一表面1310-1和第二表面1310-2之间的漫射表面1310-3。显示器1310还包括第一显示部分1310-4，其位于显示器的第一表面1310-1和漫射表面1310-3之间，并且具有第一折射率。显示器还包括第二显示部分1310-5，其位于漫射表面1310-3和第二表面1310-2之间，并且具有等于第一折射率的第二折射率。漫射表面被配置为漫射图像光1314。在这种情况下，(步骤2132)在显示器1310处漫射图像光1314包括在漫射表面1310-3处漫射图像光1314。
在一些实施例中，如图21C中所示，在步骤2112-A中，显示器包括楔形波导1410和耦合到楔形波导1410的表面1410-2的光学漫射器1416。楔形波导1410的至少一部分1410-O被布置在显示器的第一表面和第二表面之间。在这种情况下，(步骤2112-B)从一个或多个投射器1412投射图像光1414包括将图像光1414投射到楔形波导1410的输入表面1410-1上。方法2100包括(步骤2112-C)在楔形波导1410处接收来自一个或多个投射器1412的图像光1414；(步骤2112-D)经由全内反射朝向光学漫射器1416传播图像光1414；以及(步骤2112-E)从波导的表面1410-2输出图像光。在这种情况下，(步骤2114-A)在显示器处漫射图像光1414包括响应于接收到从楔形波导1410输出的图像光1414而在光学漫射器1416处漫射图像光1414。
在一些实施例中，如图21D中所示，在步骤2113-A中，显示器1224包括在第一表面1224-1和第二表面1224-2之间的多个纳米颗粒1228。在这种情况下，(步骤2114-B)在显示器1224处漫射图像光1232包括由多个纳米颗粒1228散射来自一个或多个投射器1222的图像光1232。
根据这些原理，我们现在转向光学组件和显示设备的某些实施例。
根据一些实施例，光学组件(例如，光学组件500-504)包括基板(例如，基板510)。基板具有第一表面(例如，第一表面510-1)和第二表面(例如，第二表面510-2)，该第二表面与第一表面相对并且与第一表面基本上平行(例如，形成89度和91度之间的角度)。光学组件还包括反射器(例如，反射器512B)和分束器(例如，分束器514)，其每一个都耦合到基板。光学组件被配置为在从第二表面输出第一光之前在包括在反射器处和在分束器处反射的光路中透射在第一表面处接收的第一光(例如，图像光492)。光学组件还被配置为透射在第一表面处接收的第二光(例如，环境光490-1和490-2)，使得从第二表面输出第二光而没有在反射器或分束器处经历反射。
在一些实施例中，光学组件(例如，光学组件500-504)还被配置为以第一光功率(例如，非零光功率)输出第一光(例如，图像光492)，并且以小于第一光功率的第二光功率透射第二光(例如，环境光490-1和490-2)。在一些实施例中，第二光功率为零。在一些实施例中，光学组件被配置为透射第二光而不增加显著的光学像差。
在一些实施例中，反射器(例如，反射器512)包括反射偏振器(例如，反射偏振器512B)和光学延迟器(例如，光学延迟器512A)。
在一些实施例中，分束器(例如，分束器514)被布置在第一表面(例如，第一表面510-1)和第二表面(例如，第二表面510-2)之间。分束器包括对第一光功率有贡献的多个菲涅耳结构。在一些实施例中，菲涅耳结构具有可变节距和动态拔模中的一个或多个。在一些实施例中，菲涅耳结构形成平面(例如，平坦)轮廓。
在一些实施例中，反射器(例如，反射器512)具有弯曲反射表面，并且被布置在分束器(例如，分束器514)和第二表面(例如，第二表面510-2)之间。弯曲反射表面具有对第一光功率有贡献的第一曲率半径。在一些实施例中，菲涅耳结构具有可变节距和动态拔模中的一个或多个。在一些实施例中，反射器与第一表面和第二表面中的每一个间隔开。
在一些实施例中，反射器(例如，反射器512)被布置在分束器(例如，分束器514)和第二表面(例如，第二表面510-2)之间。在一些实施例中，菲涅耳结构形成具有对第一光功率有贡献的第二曲率半径的弯曲轮廓。在一些实施例中，菲涅耳结构具有可变节距和动态拔模中的一个或多个。在一些实施例中，分束器与第一表面(例如，第一表面)和第二表面中的一个或多个间隔开。在一些实施例中，反射偏振器(例如，反射偏振器512B)和光学延迟器(例如，光学延迟器512A)是平坦的(例如，具有平面表面轮廓)。
在一些实施例中，分束器(例如分束器514)被布置在第一表面(例如第一表面510-1)上，并且反射器(例如反射器512)被布置在第二表面(例如第二表面)上。反射器包括偏振敏感全息图(PSH)(例如，PSH 512C)，其被配置为反射第一光(例如，图像光492)，使得以第一光功率输出第一光，并透射第二光(例如，环境光490-1和490-2)，使得以第二光功率输出第二光。
在一些实施例中，分束器(例如，分束器514)被布置在第二表面(例如，第二表面512)上。反射器(例如，反射器512)被布置在第一表面(例如，第一表面510-1)上并且包括PSH(例如，PSH512C)。PSH被配置为反射第一光(例如，图像光492)，使得以第一光功率输出第一光，并且透射第二光(例如，环境光490-1和490-2)，使得以第二光功率输出第二光。
在一些实施例中，第一表面(例如，第一表面510-1)和第二表面(例如，第二表面510-2)是平面表面。
在一些实施例中，第一表面(例如，第一表面510-1)和第二表面(例如，第二表面510-2)中的每一者具有第三曲率半径。在一些实施例中，第三曲率半径大于75毫米。
在一些实施例中，显示设备(例如，显示设备400)包括显示器(例如，显示器410)和光学组件(例如，光学组件500-504)。显示器被配置为输出图像光(例如，图像光492)并透射环境光(例如，环境光490-1和490-2)。光学组件包括基板(例如，基板510)、耦合到基板的反射器(例如，反射器512)和耦合到基板的分束器(例如，分束器514)。光学组件被配置为在第一表面处接收从显示器输出的图像光，并且在从第二表面输出图像光之前在包括反射器处和在分束器处反射的光路中透射图像光。光学组件还被配置为在第一表面处接收环境光(例如，环境光490-1和490-2)并且透射环境光，使得环境光从第二表面输出而没有在反射器或分束器处经历反射。
在一些实施例中，光学组件(例如，光学组件500-504)被配置为以第一光功率(例如，非零光功率)输出图像光(例如，图像光492)，并以小于第一光功率的第二光功率透射环境光(例如，环境光490)。
在一些实施例中，分束器(例如，分束器514)被布置在第一表面(例如，第一表面510-1)和第二表面(例如，第二表面510-2)之间。分束器包括对第一光功率有贡献的多个菲涅耳结构。在一些实施例中，菲涅耳结构具有可变节距和动态拔模中的一个或多个。在一些实施例中，菲涅耳结构形成平面(例如，平坦)轮廓。
在一些实施例中，反射器(例如，反射器512)具有弯曲反射表面，并且被布置在分束器(例如，分束器514)和第二表面(例如，第二表面510-2)之间。弯曲反射表面具有对第一光功率有贡献的第一曲率半径。在一些实施例中，菲涅耳结构具有可变节距和动态拔模中的一个或多个。在一些实施例中，反射器与第一表面和第二表面中的每一个间隔开。
在一些实施例中，反射器(例如，反射器512)被布置在分束器(例如，分束器514)和第二表面(例如，第二表面510-2)之间。在一些实施例中，菲涅耳结构形成具有对第一光功率有贡献的第二曲率半径的弯曲轮廓。在一些实施例中，菲涅耳结构具有可变节距和动态拔模中的一个或多个。在一些实施例中，分束器与第一表面(例如，第一表面)和第二表面中的一个或多个间隔开。在一些实施例中，反射偏振器(例如，反射偏振器512B)和光学延迟器(例如，光学延迟器512A)是平坦的(例如，具有平面表面轮廓)。
在一些实施例中，分束器(例如分束器514)被布置在第一表面(例如第一表面510-1)上，并且反射器(例如反射器512)被布置在第二表面(例如第二表面)上。反射器包括PSH(例如，PSH 512C)，其被配置为反射第一光(例如，图像光492)，使得以第一光功率输出第一光，并透射第二光(例如，环境光490-1和490-2)，使得以第二光功率输出第二光。
在一些实施例中，分束器(例如，分束器514)被布置在第二表面(例如，第二表面512)上。反射器(例如，反射器512)被布置在第一表面(例如，第一表面510-1)上并且包括PSH(例如，PSH512C)。PSH被配置为反射第一光(例如，图像光492)，使得以第一光功率输出第一光，并且透射第二光(例如，环境光490-1和490-2)，使得以第二光功率输出第二光。
在一些实施例中，第一表面(例如，第一表面510-1)和第二表面(例如，第二表面510-2)是平面表面。
在一些实施例中，第一表面(例如，第一表面510-1)和第二表面(例如，第二表面510-2)中的每一个具有第三曲率半径。在一些实施例中，第三曲率半径大于75毫米。
根据一些实施例，一种通过光学组件(例如，光学组件500-504)透射光的方法(例如，方法1500)包括(步骤1510)在第一光路中透射图像光(例如，图像光492)，以及(步骤1520)在不同于第一光路的第二光路中透射环境光(例如，环境光490-1和490-2)。在第一光路中透射图像光包括(步骤1512)在基板(例如，基板510)的第一表面(例如，第一表面510-1)处接收图像光。基板包括与第一表面相对并基本上平行(例如，形成89度和91度之间的角度)的第二表面(例如，第二表面510-2)、耦合到基板的反射器(例如，反射器512)以及耦合到基板的分束器(例如，分束器514)。透射图像光还包括(步骤1514)从第二表面输出图像光。第一光路包括在反射器处和在分束器处反射(例如，第一光路包括一个或多个折叠)。(步骤1520)在第二光路中透射环境光包括(步骤1522)在第一表面处接收环境光以及(步骤1524)从第二表面输出环境光而没有在反射器或分束器处经历反射(例如，第二光路不包括任何折叠)。
根据一些实施例，光学组件(例如，光学组件600)包括具有第一表面(例如，第一表面610-1)的基板(例如，基板610)，该第一表面具有第一弯曲轮廓。光学组件还包括第二表面(例如，第二表面610-2)，其具有第二弯曲轮廓并且与第一表面相对且平行。光学组件还包括被布置在第一表面上并且符合第一表面的第一弯曲轮廓的分束器(例如，分束器614)。光学组件还包括布置在第二表面上并且符合第二表面的第二弯曲轮廓的反射器(例如，反射偏振器612B)。光学组件被配置为在第一表面处接收第一光(例如，图像光492)并在反射器处反射第一光并且随后在从反射器输出第一光之前在分束器处反射第一光。第一光以第一非零光功率被透射通过光学组件。光学组件还被配置为透射第二光(例如，环境光490-1和490-2)通过光学组件而不在反射器处反射。第二光以小于第一光功率的第二光功率透射通过光学组件。
在一些实施例中，光学组件(例如，光学组件600)还包括被布置在分束器和反射器(例如，反射偏振器612B)之间的光学延迟器(例如，光学延迟器612A)。
在一些实施例中，第二光功率为零。
在一些实施例中，第一表面(例如，第一表面610-1)和第二表面(例如，第二表面610-2)中的每一个具有曲率。第一光功率取决于曲率。
在一些实施例中，在第一表面(例如，第一表面610-1)处接收的第一光(例如，图像光492)在第一方向上传播。第一光在不同于第一方向的第二方向上从反射器(例如，反射偏振器612B)输出。在第一表面处接收的第二光(例如，环境光490-1和490-2)在第三方向上传播，并且第二光在与第三方向基本上平行(例如，形成小于1度的角度)的第四方向上从光学组件(例如，光学组件600)输出。
在一些实施例中，光学组件(例如，光学组件600)被配置为透射第二光(例如，环境光490-1和490-2)而没有显著光学像差。在一些实施例中，光学组件被配置为透射没有光学像差的第二光。
在一些实施例中，在第一表面(例如，第一表面610-1)处接收的第一光(例如，图像光492)具有第一偏振，从反射器(例如，反射偏振器612B)输出的第一光具有不同于第一偏振的第二偏振，在第一表面处接收的第二光具有不同于第一偏振和第二偏振中的每一个的第三偏振，并且从光学组件(例如，光学组件600)输出的第二光具有第二偏振。
在一些实施例中，反射器(例如，反射偏振器612B)被配置为取决于其偏振来反射或透射入射到其上的光。
在一些实施例中，基板(例如，基板610)具有基本上均匀的厚度。
在一些实施例中，第一弯曲轮廓和第二弯曲轮廓是同心球形轮廓。
根据一些实施例，显示设备(例如，显示设备400)包括被配置为输出图像光(例如，图像光492)并且可被配置为透射环境光(例如，环境光490-1)的显示器(例如，显示器410)。该显示设备还包括光学组件(例如，光学组件600)，该光学组件包括具有第一弯曲轮廓的第一表面(例如，第一表面610-1)和具有第二弯曲轮廓并与第一表面平行的第二表面(例如，第二表面610-2)。光学组件还包括布置在第一表面上并且符合第一表面的第一弯曲轮廓的分束器(例如，分束器614)。光学组件还包括被布置在第二表面上并且符合第二表面的第二弯曲轮廓的反射器(例如，反射器612)。光学组件被配置为在第一表面处接收图像光，并在反射器处反射图像光并且随后在从反射器输出图像光之前在分束器处反射图像光。图像光以第一非零光功率透射通过光学组件。光学组件还被配置为通过光学组件透射环境光而不在反射器处反射。环境光以小于第一光功率的第二光功率透射通过光学组件。在一些实施例中，显示器包括被配置为将光从线性偏振转换为圆偏振的四分之一波片。在一些实施例中，显示器对于可见光是透明的。在一些实施例中，显示器对近红外光和/或红外光也是透明的。
在一些实施例中，光学组件(例如，光学组件600)还包括被布置在分束器和反射偏振器612B之间的光学延迟器(例如，光学延迟器612A)。
在一些实施例中，第二光功率为零。
在一些实施例中，第一表面(例如，第一表面610-1)和第二表面(例如，第二表面610-2)中的每一个具有曲率。第一光功率取决于曲率。
在一些实施例中，在第一表面(例如，第一表面610-1)处接收的图像光(例如，图像光492)在第一方向上传播。第一光在不同于第一方向的第二方向上从反射器(例如，反射偏振器612B)输出。在第一表面处接收的环境光(例如，环境光490-1和490-2)在第三方向上传播，并且第二光在与第三方向基本上平行(例如，形成小于1度的角度)的第四方向上从光学组件(例如，光学组件600)输出。
在一些实施例中，光学组件(例如，光学组件600)被配置为透射第二光(例如，环境光490-1和490-2)而没有显著光学像差。在一些实施例中，光学组件被配置为透射无光学像差的第二光。
在一些实施例中，在第一表面(例如，第一表面610-1)处接收的图像光(例如，图像光492)具有第一偏振，从反射器(例如，反射偏振器612B)输出的图像光具有不同于第一偏振的第二偏振，在第一表面处接收的环境光具有不同于第一偏振和第二偏振中的每一个的第三偏振，并且从光学组件(例如，光学组件600)输出的环境光具有第二偏振。
在一些实施例中，反射器(例如，反射偏振器612B)被配置为取决于其偏振来反射或透射入射到其上的光。
在一些实施例中，显示设备(例如，显示设备400)是头戴式显示设备。
根据一些实施例，一种通过光学组件(例如，光学组件600)透射光的方法(例如，方法1600)包括(步骤1610)在第一光路中透射图像光(例如，图像光492)，以及(步骤1620)在不同于第一光路的第二光路中透射环境光(例如，环境光490-1和490-2)。透射图像光包括(步骤1612)在具有第一弯曲轮廓的基板(例如，基板610)的第一表面(例如，第一表面610-1)处接收图像光。透射图像光还包括：(步骤1614)在反射器(例如，反射偏振器612B)处反射图像光，该反射器具有第二弯曲轮廓并且基本上平行于基板的第一表面；(步骤1616)在分束器(例如，分束器614)处反射图像光，该分束器被布置在第一基板上并且符合第一表面的第一弯曲轮廓；以及(步骤1618)以第一光功率从反射器输出图像光。透射环境光包括(步骤1622)在第一表面处接收环境光，(步骤1624)通过光学组件透射环境光而不在反射器处反射，以及(步骤1626)以小于第一光功率的第二光功率从光学组件输出环境光。
根据一些实施例，光学组件(例如，光学组件700)包括具有第一表面(例如，表面710-1)和与第一表面相对并基本上平行的第二表面(例如，表面710-2)的基板(例如，基板710)、耦合到基板的反射器(例如，反射器712)以及耦合到基板的体布拉格光栅(VBG)(例如，VBG 714)。VBG被配置为透射以第一预定角度范围(例如，角度范围θ1)内的入射角入射在VBG上的光，并且反射以不同于第一角度范围的第二预定角度范围(例如，角度范围θ2)内的入射角入射在VBG上的光。光学组件被配置为在从第二表面输出第一光之前，在包括反射器处和VBG处反射的光路中透射在第一表面处接收的第一光。光学组件还被配置为透射在第一表面处接收的第二光，使得从第二表面输出第二光而没有在反射器或VBG处经历反射。
在一些实施例中，VBG(例如，VBG 714)被布置在第一表面(例如，表面710-1)上，并且反射器(例如，反射器712)被布置在第二表面(例如，表面710-2)上。在第一表面处接收的第一光以第一预定角度范围(例如，角度范围θ1)内的入射角入射到VBG上，并且从反射器反射的第一光以第二预定角度范围(例如，角度范围θ2)内的入射角入射到体布拉格光栅上。
在一些实施例中，第一光具有第一偏振，并且第二光具有与第一偏振正交的第二偏振。
在一些实施例中，VBG(例如，VBG 714)是偏振选择性的，并且被配置为透射具有与第一偏振不同的偏振的光而不管光的入射角如何。
在一些实施例中，反射器(例如，反射器712)包括偏振敏感全息图(PSH)(例如，PSH512C)。VBG(例如，VBG 714)被布置在第二表面(例如，表面710-2)上，并且反射器(例如，反射器712)被布置在第一表面(例如，表面710-1)上。透射通过第一表面和反射器的第一光以第二预定角度范围(例如，角度范围θ2)内的入射角入射在VBG上，并且从反射器反射的第一光以第一预定角度范围(例如，角度范围θ1)内的入射角入射在VBG上。
在一些实施例中，第一表面(例如，表面710-1)和第二表面(例如，表面710-2)是平面表面。
在一些实施例中，第一表面(例如，表面710-1)和第二表面(例如，表面710-2)具有相同的曲率半径。
在一些实施例中，第二光被透射而没有显著光学像差。
在一些实施例中，光学组件(例如，光学组件700)被配置为以第一光功率输出第一光并且以小于第一光功率的第二光功率透射第二光。
在一些实施例中，第二光功率为零。
在一些实施例中，显示设备包括显示器(例如，显示器410)和光学组件(例如，光学组件700)。显示器被配置为输出图像光并且透射环境光。光学组件(例如，光学组件700)包括具有第一表面(例如，表面710-1)和与第一表面相对并基本上平行的第二表面(例如，表面710-2)的基板(例如，基板710)、耦合到基板的反射器(例如，反射器712)以及耦合到基板的体布拉格光栅(VBG)(例如，VBG 714)。VBG被配置为透射以第一预定角度范围(例如，角度范围θ1)内的入射角入射在VBG上的光，并且反射以不同于第一角度范围的第二预定角度范围(例如，角度范围θ2)内的入射角入射在VBG上的光。光学组件被配置为在从第二表面输出第一光之前，在包括反射器处和VBG处反射的光路中透射在第一表面处接收的第一光。光学组件还被配置为透射在第一表面处接收的第二光，使得从第二表面输出第二光而没有在反射器或VBG处经历反射。
在一些实施例中，VBG(例如，VBG 714)被布置在第一表面(例如，表面710-1)上，并且反射器(例如，反射器712)被布置在第二表面反射器(例如，表面710-2)上。在第一表面处接收的第一光以第一预定角度范围(例如，角度范围θ1)内的入射角入射到VBG上，并且从反射器反射的第一光以第二预定角度范围(例如，角度范围θ2)内的入射角入射到VBG上。
在一些实施例中，第一光具有第一偏振，并且第二光具有与第一偏振正交的第二偏振。
在一些实施例中，VBG(例如，VBG 714)是偏振选择性的，并且被配置为透射具有与第一偏振不同的偏振的光，而不管光的入射角如何。
在一些实施例中，反射器(例如，反射器712)包括被布置在基板(例如，基板710)的第一表面(例如，表面710-1)上的PSH(例如，PSH 512C)，以及被布置在基板(例如，基板710)的第二表面(例如，表面710-2)上的VBG(例如，VBG 714)。透射通过第一表面和反射器的第一光以第二预定角度范围(例如，角度范围θ2)内的入射角入射到VBG上，并且从反射器反射的第一光以第一预定角度范围(例如，角度范围θ1)内的入射角入射到VBG上。
在一些实施例中，第一表面(例如，表面710-1)和第二表面(例如，表面710-2)是平面表面。
在一些实施例中，第一表面(例如，表面710-1)和第二表面(例如，表面710-2)具有相同的曲率半径。
在一些实施例中，第二光被透射而没有显著光学像差。
在一些实施例中，光学组件(例如，光学组件700)被配置为以第一光功率输出第一光并且以小于第一光功率的第二光功率透射第二光。
在一些实施例中，一种通过光学组件(例如，光学组件700)透射光的方法(例如，方法1700)包括透射图像光(例如，图像光492)。透射图像光包括在基板(例如，基板710)的第一表面(例如，表面710-1)处接收图像光。基板包括与第一表面相对并基本上平行的第二表面(例如，表面710-2)、反射器(例如，反射器712)和VBG(例如，VBG 714)。VBG被配置为透射以第一预定角度范围(例如，角度范围θ1)内的入射角入射在VBG上的光，并且反射以不同于第一角度范围的第二预定角度范围(例如，角度范围θ2)内的入射角入射在VBG上的光。透射图像光还包括：经由包括在反射器处和在VBG处反射的光路以第一光功率从第二表面输出图像光。该方法还包括在不同于第一光路的第二光路中透射环境光。透射环境光包括：在第一表面处接收环境光，并且经由不包括在反射器或VBG处反射的光路以第二光功率从第二表面输出环境光。第二光功率小于第一光功率。
根据一些实施例，显示设备(例如，显示设备400)包括具有前表面(例如，表面410-2)和与前表面相对的后表面(例如，表面410-1)的显示器(例如，显示器410)。显示器被配置为从前表面输出图像光(例如，图像光492)并且从后表面向前表面透射环境光(例如，环境光490-1)。显示设备还包括光学组件(例如，光学组件412、500-504、600)。光学组件包括具有基本上均匀厚度的基板(例如，基板510、610)、耦合到基板的分束器(例如，分束器814、916、514、514’、514”、514”’)以及耦合到基板的反射器(例如，反射器818、918、512、512’、512”、612)。光学组件被配置为接收图像光并经由包括在反射器处和在分束器处反射的光路以第一光功率透射从显示器的前表面输出的图像光的一部分。光学组件还被配置为接收环境光并以第二光功率将环境光的一部分透射通过光学组件而不在反射器处反射，第二光功率小于第一光功率。
在一些实施例中，显示器(例如，显示器410)被配置为从前表面(例如，表面410-2)同时输出图像光(例如，图像光492)和环境光(例如，环境光490-1)。在一些实施例中，图像光和环境光具有正交偏振。
在一些实施例中，显示设备(例如，显示设备400)被配置为在从显示器(例如，显示器410)的前表面(例如，表面410-2)输出图像光(例如，图像光492)与从显示器的前表面输出环境光(例如，环境光490-1)之间交替。在一些实施例中，图像光和环境光具有正交偏振。在一些实施例中，图像光和环境光具有相同的偏振。
在一些实施例中，在光学组件(例如，光学组件412、500-504、600)处接收的图像光(例如，图像光492)具有第一偏振，并且在光学组件处接收的环境光(例如，环境光490-1)具有与第一偏振正交的第二偏振。在一些实施例中，图像光的该部分和从光学组件输出的环境光的该部分具有相同的偏振。
在一些实施例中，图像光(例如，图像光492)的光路包括一个或多个折叠(例如，包括在反射器和分束器或VBG处反射)，并且环境光的该部分(例如，环境光490-1)经由不包括任何折叠的不同光路透射(例如，透射通过光学组件而不经历反射)。
在一些实施例中，第二光功率为零。
在一些实施例中，光学组件(例如，光学组件412、500-504、600)被配置为透射环境光的该部分(例如，环境光490-1)而没有显著光学像差。在一些实施例中，光学组件被配置为与图像光(例如，图像光492)的该部分相比以减小的光学像差透射环境光的该部分。在一些实施例中，光学组件被配置为透射环境光的该部分而没有显著光学像差。
在一些实施例中，光学组件(例如，光学组件412、500-504、600)的基板(例如，基板510，610)包括第一表面(例如，表面510-1、610-1)和与第一表面相对并平行的第二表面(例如，表面510-2、610-2)。
在一些实施例中，光学组件(例如，光学组件412，600)的基板(例如，基板510)包括第一表面(例如，表面610-1)和与第一表面相对的第二表面(例如，表面610-2)。第一表面具有第一弯曲轮廓，并且第二表面具有第二弯曲轮廓。分束器(例如，分束器614)被布置在第一表面上并且符合第一表面的第一弯曲轮廓。反射器(例如，反射器612)包括反射偏振器(例如，反射偏振器612B)和四分之一波片(例如，光学延迟器612A)。反射偏振器被布置在第二表面上并且符合第二表面的第二弯曲轮廓。在一些实施例中，第一表面和第二表面中的每一个具有曲率，并且第一光功率取决于该曲率。在一些实施例中，第一弯曲轮廓和第二弯曲轮廓是同心球形轮廓。在一些实施例中，反射偏振器被配置为取决于光的偏振来反射或透射光。
在一些实施例中，光学组件(例如，光学组件412、500-502)的基板(例如，基板510)包括第一表面(例如，表面510-1)和与第一表面相对的第二表面(例如，表面510-1)。分束器(例如，分束器514、514’、514”)被布置在第一表面和第二表面之间，并且包括对第一光功率有贡献的多个菲涅耳结构。
在一些实施例中，反射偏振器(例如，反射偏振器512B’)具有弯曲反射表面，并且被布置在分束器(例如，分束器514)和第二表面(例如，表面510-2)之间。弯曲反射表面具有对第一光功率有贡献的第一曲率半径。
在一些实施例中，反射器(例如，反射器512’)被布置在分束器(例如，分束器514)和第二表面(例如，表面510-2)之间。菲涅耳结构形成弯曲轮廓，该弯曲轮廓具有对第一光功率有贡献的第二曲率半径。
在一些实施例中，光学组件的基板(例如，基板510)包括第一表面(例如，表面510-1)和与第一表面相对的第二表面(例如，表面510-2)。分束器(例如，分束器512”)被布置在第一表面上，并且反射器(例如，反射器514”’)被布置在第二表面上并且包括偏振敏感全息图(例如，偏振敏感全息图512C)。偏振敏感全息图被配置为反射图像光(例如，图像光492)，使得以第一光功率输出图像光。偏振敏感全息图还被配置为透射环境光(例如，环境光490-1)，使得以第二光功率输出环境光。
在一些实施例中，显示设备(例如，显示设备400)是头戴式显示设备。
在一些实施例中，一种方法(例如，方法1800)包括从显示器(例如，显示器410)的前表面(例如，表面410-2)输出图像光(例如，图像光492)。显示器还包括与前表面相对的后表面(例如，表面410-1)。该方法还包括从后表面向前表面透射环境光(例如，环境光490-1)，在光学组件(例如，光学组件412、500-504、600)处接收从前表面输出的图像光，以及经由折叠光路以第一光功率透射图像光的一部分。该方法还包括在光学组件处接收从前表面输出的环境光，并且经由不同于第一光路的第二光路以不同于第一光功率的第二光功率透射环境光的一部分。在一些实施例中，在基本上平行于在光学组件处接收的环境光的方向的方向上从光学组件输出环境光的该部分。在一些实施例中，在不增加显著的光学像差和不增加光功率的情况下透射环境光。在一些实施例中，第二光功率小于第一光功率。在一些实施例中，第二光功率为零。
在一些实施例中，从显示器(例如，显示器410)的前表面(例如，表面410-2)同时输出图像光(例如，图像光492)和环境光(例如，环境光490-1)。
在一些实施例中，交替地从显示器(例如，显示器410)的前表面(例如，表面410-2)输出图像光的该部分(例如，图像光492)和环境光的该部分(例如，环境光490-1)。
在一些实施例中，在光学组件(例如，光学组件412、500-504、600)处接收的图像光(例如，图像光492)具有第一偏振，并且在光学组件处接收的环境光(例如，环境光490-1)具有与第一偏振正交的第二偏振。在一些实施例中，第一偏振和第二偏振是线性偏振。
在一些实施例中，在光学组件(例如，光学组件412、500-504、600)处接收的图像光(例如，图像光492)和环境光(例如，环境光490-1)具有相同的偏振。在一些实施例中，偏振是圆偏振。
在一些实施例中，图像光的该部分(例如，图像光492)经由包括一个或多个折叠的光路透射通过光学组件(例如，光学组件412、500-504、600)，并且环境光的该部分(例如，环境光490-1)经由不包括任何折叠的不同光路被透射通过光学组件。
在一些实施例中，光学组件(例如，光学组件412、500-504、600)被配置为透射环境光的该部分(例如，环境光490-1)而没有显著光学像差。在一些实施例中，光学组件被配置为：透射环境光的该部分，与透射的图像光相比，环境光的该部分具有减小的光学像差。在一些实施例中，光学组件被配置为透射环境光的该部分而没有光学像差。
根据一些实施例，显示设备(例如，显示设备1000)包括光学漫射器(例如，光学漫射器显示器1020)，该光学漫射器被配置为响应于接收图像光(例如，图像光1090)而漫射该图像光，并且输出漫射图像光(例如，漫射图像光1022)。从光学漫射器输出的漫射图像光与所接收的图像光具有相同偏振。光学漫射器还被配置为接收环境光(例如，环境光490-1)并输出环境光的至少第一部分。显示设备还包括光学组件(例如，光学组件1030)，其包括具有第一表面和与第一表面相对并基本上平行的第二表面的基板、耦合到基板的反射器和耦合到基板的分束器。光学组件被配置为通过在反射器处和在分束器处反射漫射图像光来以第一非零光功率透射漫射图像光。光学组件还被配置为将环境光的第一部分之中的环境光的第二部分透射通过光学组件而不在反射器或分束器处反射，使得环境光的第二部分以小于第一光功率的第二光功率透射通过光学组件。
在一些实施例中，图像光具有第一线性偏振。光学漫射器被配置为漫射具有第一线性偏振的图像光，使得从光学漫射器输出具有第一线性偏振的漫射图像光。在一些实施例中，环境光的第一部分具有与第一线性偏振正交的第二线性偏振。在一些实施例中，光学漫射器被配置为透射环境光的第一部分而不改变其偏振，使得从光学漫射器输出具有第二线性偏振的环境光的第一部分。
在一些实施例中，显示设备(例如，显示设备1000)还包括投射器(例如，投射器1010)，其被配置为向光学漫射器(例如，光学漫射器显示器1020)投射图像光(例如，图像光1090)。
在一些实施例中，图像光(例如，图像光1090)以某个入射角范围内的入射角入射到光学漫射器(例如，光学漫射器显示器1020)上，并且环境光(例如，环境光490-1)以该某个入射角范围之外的入射角入射到光学漫射器上。
在一些实施例中，光学组件(例如，光学组件1030)的第一表面和光学组件的第二表面是平面表面。
在一些实施例中，光学组件(例如，光学组件1030)的第一表面具有第一弯曲轮廓，并且光学组件的第二表面具有第二弯曲轮廓。
在一些实施例中，第一弯曲轮廓和第二弯曲轮廓具有相同的曲率半径，并且第一光功率取决于该曲率半径。
在一些实施例中，第一弯曲轮廓和第二弯曲轮廓是同心球形轮廓。
在一些实施例中，第二光功率为零。
在一些实施例中，光学组件(例如，光学组件1030)被配置为透射环境光的第二部分(例如，环境光490-1)而没有显著光学像差。
在一些实施例中，光学组件(例如，光学组件1030)的基板具有基本上均匀的厚度。
在一些实施例中，光学组件(例如，光学组件1030)的反射器包括反射偏振器和光学延迟器(例如，四分之一波片)。
在一些实施例中，光学组件(例如，光学组件1030)的反射器包括偏振敏感全息图，该偏振敏感全息图被配置为反射漫射图像光(例如，漫射图像光1092)，使得以第一光功率输出漫射图像光。偏振敏感全息图还被配置为透射环境光的第二部分(例如，环境光490-1)，使得以第二光功率输出环境光的第二部分。
根据一些实施例，一种方法(例如，方法1900)包括在光学漫射器(例如，光学漫射器显示器1020)处接收图像光(例如，图像光1090)，并且响应于接收到图像光，在不改变图像光的偏振的情况下漫射来自光学漫射器的图像光，并且输出漫射图像光(例如，漫射图像光1092)。该方法还包括以第一光功率将漫射图像光透射通过光学组件(例如，光学组件1030)。该方法还包括在光学漫射器处接收环境光(例如，环境光490-1)，并从光学漫射器输出环境光的至少第一部分。该方法还包括以小于第一光功率的第二光功率将环境光的第一部分之中的环境光的第二部分透射通过光学组件。光学组件包括具有第一表面和与第一表面相对并基本上平行的第二表面的基板、耦合到基板的反射器以及耦合到基板的分束器。以第一光功率将漫射图像光透射通过光学组件包括：在反射器处和在分束器处反射漫射图像光。将环境光的第二部分被透射通过光学组件而不在反射器或分束器处反射，使得环境光的第二部分以小于第一光功率的第二光功率透射通过光学组件。
在一些实施例中，该方法(例如，方法1900)还包括将来自投射器(例如，投射器1010)的图像光(例如，图像光1090)朝向光学漫射器(例如，光学漫射器显示器1020)投射，在光学漫射器处接收图像光，以及在光学漫射器处漫射图像光，使得从光学漫射器输出漫射图像光。
在一些实施例中，在光学漫射器(例如，光学漫射器显示器1020)的表面(例如，第一表面1020-1)处接收图像光(例如，图像光1090)，并且从光学漫射器的表面输出漫射图像光。
在一些实施例中，图像光(例如，图像光1090)以某个入射角范围内的入射角入射到光学漫射器(例如，光学漫射器显示器1020)上，并且环境光(例如，环境光490-1)以该某个入射角范围之外的入射角入射到光学漫射器上。
在一些实施例中，环境光的第一部分(例如，环境光490-1)与从光学漫射器输出的漫射图像光(例如，漫射图像光1092)同时透射通过光学漫射器(例如，光学漫射器显示器1020)，并且环境光的第二部分和漫射图像光同时透射通过光学组件(例如，光学组件1030)。
在一些实施例中，第二光功率为零。
在一些实施例中，环境光的第二部分(例如，环境光490-1)被透射通过光学组件(例如，光学组件1030)而没有显著光学像差。
在一些实施例中，光学组件(例如，光学组件1030)的基板具有基本上均匀的厚度。
根据一些实施例，显示设备(例如，显示设备1100)包括显示器(例如，可切换显示器1110)和光学组件(例如，光学组件1130)。显示器包括前表面(例如，前表面1110-1)、与前表面相对的后表面(例如，后表面1110-2)以及被布置在前表面和后表面之间的第一光学各向异性分子(例如，光学各向异性分子1110-3)。显示器可配置为在前表面处接收图像光(例如，图像光1190)并对图像光进行漫射以从前表面输出漫射图像光(例如，漫射图像光492)，或者在后表面处接收环境光490-1’并从前表面输出环境光。光学组件包括具有基本上均匀厚度的光学组件基板(例如，基板510、610、710)、耦合到光学组件基板的反射器(例如，反射器818、918、512、512’、512”、612)以及耦合到光学组件基板的分束器(例如，分束器814、916、514、514’、514”、514)。该光学组件可配置为经由包括在反射器处和在分束器处反射的光路以第一光功率透射漫射图像光的一部分，并以第二光功率透射从显示器的前表面输出的环境光的一部分而不在反射器处反射，第二光功率小于第一光功率。
在一些实施例中，快门组件(例如，快门组件1120)包括第一快门基板(例如，基板1120-1)、第二快门基板(例如，基板1120-2)以及被布置在第一快门基板与第二快门基板之间的第二光学各向异性分子(例如，光学各向异性分子1120-3)。在显示器(例如，可切换显示器1110)的后表面(例如，表面1110-1)处接收的环境光(例如，环境光490-1’)被透射通过快门组件，第二光学各向异性分子可配置为调制环境光，并且显示器被布置在快门组件和光学组件(例如，光学组件1130)之间。
在一些实施例中，显示设备(例如，显示设备1100)被配置为在第一模式与第二模式之间交替。在第一模式中，快门组件(例如，快门组件1120)被配置为阻挡环境光(例如，环境光490-1)被透射通过快门组件，并且显示器(例如，可切换显示器1110)被配置为漫射图像光。在第二模式中，快门组件被配置为以可变强度透射环境光，并且显示器被配置为透射环境光。
在一些实施例中，显示器(例如，可切换显示器1110)还包括耦合到前表面(例如，前表面1110-1)的前电极(例如，前电极1112-1)和耦合到后表面(例如，后表面1110-2)的后电极(例如，后电极1112-2)。前电极和后电极可操作地耦合到第一电压源(例如，电压源V1)。第一光学各向异性分子(例如，光学各向异性分子1110-3)被配置为当第一电压源关断时漫射图像光(例如，图像光1190)，并且当第一电压源被设置为第一电压时透射环境光(例如，环境光490-1’)。快门组件(例如，快门组件1120)还包括耦合到第一快门基板(例如，基板1120-1)的第一电极(例如，电极1122-1)和耦合到第二快门基板(例如，基板1120-2)的第二电极(例如，电极1122-2)。第一电极和第二电极可操作地耦合到具有可调整电压的第二电压源(例如，电压源V2)，该可调整电压允许通过调整可调整电压来调制环境光的强度。
在一些实施例中，快门组件(例如，快门组件1120)包括多个快门(例如，快门1120-A1、1120-A2、1120-A3、1120-A4、1120-A5、1120-A6、1120-B1、1120-B4、1120-B5)，并且该多个快门中的每个相应的快门独立地可配置为调制透射通过相应的快门的环境光(例如，环境光490-1’)的相应部分的强度(例如，强度I)。相应的快门(例如，快门1120-A1)包括相应的第一电极(例如，电极1122-1A)和相应的第二电极(例如，电极1122-2A)。相应的第一和第二电极耦合到相应的可调整电压源(例如，可调整电压源VA)。
在一些实施例中，环境光(例如，环境光490-1’)被调制以匹配从显示器(例如，可切换显示器1110)输出的漫射图像光(例如，漫射图像光492)的强度。
在一些实施例中，该快门组件(例如，快门组件1120)还包括以下各项中的任一项：(i)染料(例如，染料1126)，其被布置在第一快门基板(例如，基板1120-1)和第二快门基板(例如，基板1120-2)之间，并且散布有第二光学各向异性分子(例如，光学各向异性分子1120-3、1124)；(ii)聚合物基质(例如，聚合物基质1116)，被布置在第一快门基板和第二快门基板之间并且第二光学各向异性分子(例如，光学各向异性分子1120-3)是悬浮在聚合物基质中的域(例如，液晶域1114)中组织的液晶分子；(iii)聚合物网络(例如，聚合物网络1119)，其被布置在第一快门基板和第二快门基板之间，并且被配置为稳定第二光学各向异性分子(例如，光学各向异性分子1120-3、液晶分子1118)；或(iv)液晶(例如液晶1128)，其被布置在第一快门基板和第二快门基板之间，并且在第一快门基板和第二快门基板之间形成90度扭转。
在一些实施例中，显示器(例如，可切换显示器1110)还包括被布置在前表面(例如，表面1110-1)和后表面(例如，表面1110-2)之间的聚合物基质(例如，聚合物基质1116)，并且第一光学各向异性分子(例如，光学各向异性分子1110-3)是悬浮在聚合物基质中的液晶分子形成域(例如，液晶域1114)。
在一些实施例中，显示器(例如，可切换显示器1110)还包括被布置在前表面(例如，表面1110-1)和后表面(例如，表面1110-2)之间的聚合物网络(例如，聚合物网络1119)，并且第一光学各向异性分子(例如，液晶分子1110-3)由聚合物稳定。
在一些实施例中，一种操作显示设备(例如，可切换显示器1110)的方法(例如，方法2000)包括以第一模式操作显示设备和以第二模式操作显示设备。操作显示设备包括：在显示器(例如，可切换显示器1110)的前表面(例如，表面1110-1)处接收图像光(例如，图像光1190)，对图像光进行漫射以从前表面输出漫射图像光(例如，漫射图像光492)，以及经由第一光路以第一光功率将漫射图像光的一部分透射通过光学组件(例如，光学组件1130)。第一光路包括至少一个折叠。以第二模式操作显示设备包括：在与显示器的前表面相对的后表面(例如，表面1110-2)处接收环境光(例如，环境光490-1’)，将环境光透射通过显示器，以及经由第二光路以第二光功率将环境光的一部分透射通过光学组件。第二光功率小于第一光功率，并且第二光路不包括任何折叠。
在一些实施例中，显示器(例如，可切换显示器1110)还包括耦合到前表面(例如，表面1110-1)的前电极(例如，前电极1112-1)、耦合到后表面(例如，表面1110-1)的后电极(例如，后电极1112-2)以及布置在前表面和后表面之间的光学各向异性分子(例如，光学各向异性分子1110-3)。前电极和后电极可操作地耦合到第一电压源(例如，电压源V1)，以第一模式操作显示设备包括关断第一电压源，并且以第二模式操作显示设备包括将第一电压源设置为第一电压。
在一些实施例中，环境光(例如，环境光490-1’)被透射通过快门组件(例如，快门组件1120)，该快门组件包括第一快门基板(例如，基板1120-1)、第二快门基板(例如，基板1120-2)和被布置在第一快门基板与第二快门基板之间的光学各向异性分子(例如，光学各向异性分子1120-3)。该方法还包括通过配置光学各向异性分子来调制环境光。
在一些实施例中，快门组件(例如，快门组件1120)还包括耦合到第一快门基板的第一电极(例如，电极1122-1)和耦合到第二快门基板的第二电极(例如，电极1122-2)。第一电极和第二电极可操作地耦合到具有可调整电压的第二电压源(例如，电压源V2)，并且调制环境光(例如，环境光490-1)包括调整第二电压源的可调整电压。
在一些实施例中，调整第二电压源(例如，电压源V2)的可调整电压以改变透射通过快门组件(例如，快门组件1120)的环境光(例如，环境光490-1’)的强度(例如，强度I)，从而匹配从显示器(例如，可切换显示器1110)输出的漫射图像光(例如，漫射图像光492)的强度。
在一些实施例中，快门组件(例如，快门组件1120)包括多个快门(例如，快门1120-A1、1120-A2、1120-A3、1120-A4、1120-A5、1120-A6、1120-B1、1120-B4、1120-B5)。多个快门中的每个相应的快门可独立配置为调制透射通过相应的快门的环境光(例如，环境光490-1’)的相应部分。相应的快门(例如，快门1120-A1)包括相应的第一电极(例如，电极1122-1A)和相应的第二电极(例如，电极1122-2A)。相应的第一和第二电极耦合到相应的可调整电压源(例如，可调整电压源VA)。
在一些实施例中，在第一模式中，快门组件(例如，快门组件1120)被配置为阻挡环境光(例如，环境光490-1)，并且显示器(例如，可切换显示器1110)被配置为漫射图像光(例如，图像光1190)。在第二模式中，快门组件被配置为透射环境光的至少一部分，并且显示器被配置为透射环境光而不漫射环境光。
在一些实施例中，该快门组件(例如，快门组件1120)还包括以下各项中的任一项：(i)染料(例如，染料1126)，其被布置在第一快门基板(例如，基板1120-1)和第二快门基板(例如，基板1120-2)之间，并且散布有第二光学各向异性分子(例如，光学各向异性分子1120-3)；(ii)聚合物基质(例如，聚合物基质1116)，被布置在第一快门基板和第二快门基板之间，并且第二光学各向异性分子是形成悬浮在聚合物基质中的液晶分子域(例如，液晶域1114)；(iii)聚合物网络(例如，聚合物网络1119)，其被布置在第一快门基板和第二快门基板之间，并且被配置为稳定第二光学各向异性分子(例如，液晶分子1118)；或(iv)液晶(例如液晶1128)，其被布置在第一快门基板和第二快门基板之间，并在第一快门基板和第二快门基板之间形成90度扭转。
在一些实施例中，显示器(例如，可切换显示器1110)还包括被布置在前表面(例如，表面1110-1)和后表面(例如，表面1110-2)之间的聚合物基质(例如，聚合物基质1116)，以及悬浮在聚合物基质中的液晶域(例如，液晶域1114)。
在一些实施例中，显示器(例如，可切换显示器1110)还包括布置在前表面(例如，表面1110-1)和后表面(例如，表面1110-2)之间的光学各向异性分子(例如，光学各向异性分子1110-3)、布置在前表面(例如，表面1110-1)和后表面(例如，表面1110-2)之间的聚合物网络(例如，聚合物网络1119)。光学各向异性分子(例如，光学各向异性分子1110-3)由聚合物稳定。
在一些实施例中，该方法(例如，方法2000)还包括检测显示设备(例如，显示设备1100)是否正在运行增强现实应用。响应于检测到显示设备正在运行增强现实应用，通过在第一模式和第二模式之间交替来操作显示设备。响应于检测到显示设备未正在运行增强现实应用，以第一模式操作显示设备。
根据一些实施例，显示设备(例如，显示设备，诸如包括显示组件1200、1202、1300和1400的显示设备100)包括被配置为投射图像光(例如，图像光1212、1232、1314、1414、432)的一个或多个投射器(例如，一个或多个投射器1210、1222、1312、1412)，以及具有第一表面(例如，表面1214-1、1224-1、1310-1、1410-1)和第二表面(例如，表面1214-2、1224-2、1310-2、1410-2)的显示器(例如，显示器1214、1224、1310、1410、410)。显示器被配置为从一个或多个投射器接收图像光，从第一表面输出漫射图像光(例如，漫射图像光492、1232-1D、1232-2D、1232-3D)，在第二表面处接收环境光(例如，环境光490-1)，并从第一表面输出环境光。显示设备还包括光学组件(例如，光学组件1218、1225、1316、1240、412、500-504、600)，该光学组件具有基本上均匀厚度的基板(例如，基板510，610)、耦合到基板的分束器(例如，分束器814、916、514、514’、514”、514”’)以及耦合到基板的反射器(例如，反射器818、918、512、512’、512”、612)。光学组件被配置为接收漫射图像光，并且经由包括在反射器处和在分束器处反射的光路以第一光功率透射从显示器的第一表面输出的漫射图像光的一部分。光学组件还被配置为接收环境光并以第二光功率将环境光的一部分透射通过光学组件而不在反射器处反射。第二光功率小于第一光功率。
在一些实施例中，光学组件被配置为以第一非零光功率透射漫射图像光(例如，漫射图像光492、1232-1D、1232-2D、1232-3D)，并且以不同于(例如，小于)第一光功率的第二光功率透射环境光。在一些实施例中，第二光功率为零。
在一些实施例中，显示器(例如，显示器1310)还包括位于显示器的第一表面(例如，表面1310-1)和第二表面(例如，表面1310-2)之间的漫射表面(例如，漫射表面1310-3)。显示器还包括第一显示部分(例如，第一显示部分1310-4)，其位于显示器的第一表面和漫射表面之间并且具有第一折射率。显示器还包括第二显示部分(例如，第二显示部分1310-5)，其位于漫射表面和第二表面之间并具有等于第一折射率的第二折射率。漫射表面被配置为漫射图像光。
在一些实施例中，显示器(例如，漫射显示器1214)被布置在光学组件(例如，光学组件1218)的图像平面处。
在一些实施例中，一个或多个投射器(例如，一个或多个投射器1210)被布置在相对于显示器(例如，漫射显示器1214)的光轴(例如，光轴1216)的离轴位置处。
在一些实施例中，一个或多个投射器(例如，一个或多个投射器1210)中的每个投射器在其任何维度上都小于2英寸。
在一些实施例中，一个或多个投射器(例如，一个或多个投射器1210)位于距离显示器(例如，漫射显示器1214)小于2英寸的位置。
在一些实施例中，显示器包括波导(例如，楔形波导1410)和耦合到波导的输出表面(例如，输出表面1410-2)的光学漫射器(例如，光学漫射器1416)。波导的至少一部分(例如，输出部分1410-O)被布置在显示器的第一表面和第二表面之间。一个或多个投射器(例如，一个或多个投射器1412)被配置为将图像光(例如，图像光1414)投射到波导的输入表面(例如，输入表面1410-1)上。波导被配置为接收来自一个或多个投射器的图像光，经由全内反射朝向光学漫射器传播图像光，并从波导的输出表面输出图像光。光学漫射器被配置为响应于接收到从波导输出的图像光而漫射图像光。
在一些实施例中，第一表面相对于第二表面形成锐角(例如，输出表面1410-2和表面1410-3相对于彼此形成锐角)。
在一些实施例中，显示器(例如，纳米颗粒显示器1224)包括位于显示器的第一表面和第二表面之间的多个纳米颗粒(例如，纳米颗粒1228)。多个纳米颗粒被配置为散射(例如，漫射地散射)来自一个或多个投射器的图像光(例如，图像光1232)，使得从显示器的第一表面输出漫射图像光。在一些实施例中，纳米颗粒被嵌入在透明材料(例如，透明材料1226)中。
在一些实施例中，一个或多个投射器(例如，一个或多个投射器1222)包括被配置为发射具有第一波长的第一图像光(例如，图像光1232-1)的第一投射器(例如，投射器1222-1)。多个纳米颗粒(例如，纳米颗粒1228)包括具有第一尺寸的纳米颗粒(例如，纳米颗粒1228-1)。具有第一尺寸的纳米颗粒被配置为散射(例如，漫射地散射)入射到显示器(例如，显示器1224)的第一表面(例如，表面1224-1)上的第一图像光，使得从显示器的第一表面输出漫射的第一图像光(例如，漫射光1232-1D)。
在一些实施例中，一个或多个投射器(例如，一个或多个投射器1222)包括与第一投射器不同的第二投射器(例如，投射器1222-2)。一个或多个投射器被配置为输出具有不同于第一波长的第二波长的第二图像光(例如，图像光1232-2)。多个纳米颗粒(例如，纳米颗粒1228)包括具有第二尺寸的纳米颗粒(例如，纳米颗粒1228-2)。具有第二尺寸的纳米颗粒被配置为散射入射到显示器(例如，显示器1224)的第一表面(例如，表面1224-1)上的第二图像光，使得从显示器的第一表面输出漫射的第二图像光(例如，漫射光1232-2D)。具有第二尺寸的纳米颗粒对于第一图像光是透明的，并且具有第一尺寸的纳米颗粒对于第二图像光是透明的。
在一些实施例中，第一图像光和第二图像光(例如，图像光1232-1和1232-2)是可见光，并且纳米颗粒(例如，纳米颗粒1228、1228-1、1228-2)被配置为对红外光是透明的。
在一些实施例中，纳米颗粒(例如，纳米颗粒1228、1228-1、1228-2、1228-3)被配置为散射小于或等于40纳米的光谱带宽内的图像光。
在一些实施例中，纳米颗粒(例如，纳米颗粒1228、1228-1、1228-2、1228-3)被配置为透射环境光(例如，环境光490-1)，使得小于8％的环境光由纳米颗粒散射。
根据一些实施例，一种显示一个或多个图像的方法包括：从一个或多个投射器投射图像光；在显示器处接收从一个或多个投射器投射的图像光；在显示器处漫射图像光；以及从显示器的第一表面输出漫射图像光。该方法还包括：在显示器的第二表面处接收环境光并且从显示器的第一表面输出环境光。第二表面与第一表面相对。该方法还包括：在光学组件处接收图像光和环境光中的任何一个，在包括一个或多个折叠的第一光路中透射图像光，并且在不同于第一光路的第二光路中透射环境光。
在一些实施例中，显示器包括：位于第一表面和第二表面之间的漫射表面；第一显示部分，其位于第一表面与漫射表面之间且具有第一折射率；以及第二显示部分，其位于漫射表面与第二表面之间并且具有等于第一折射率的第二折射率。在这种情况下，在显示器处漫射图像光包括在漫射表面处漫射图像光。
在一些实施例中，一个或多个投射器被布置在相对于显示器的光轴的离轴位置处，并且一个或多个投射器位于距离显示器小于2英寸的位置。
在一些实施例中，显示器包括波导和耦合到波导的输出表面的光学漫射器。波导的至少一部分被布置在显示器的第一表面和第二表面之间。在一些实施例中，该方法还包括：在该波导的输入表面处接收来自该一个或多个投射器的图像光；经由全内反射朝向光学漫射器传播图像光；以及从波导的输出表面输出图像光。在这种情况下，从一个或多个投射器投射图像光包括将图像光投射到波导的输入表面上，并且在显示器处漫射图像光包括响应于接收到从波导输出的图像光而在光学漫射器处漫射图像光。
在一些实施例中，显示器包括位于显示器的第一表面和第二表面之间的多个纳米颗粒。在这种情况下，在显示器上漫射图像光包括由多个纳米颗粒散射来自一个或多个投射器的图像光。
尽管各种附图图示了关于一只眼睛的特定部件或特定部件组的操作，但是本领域普通技术人员将理解，可以关于另一只眼睛或两只眼睛执行类似的操作。为简洁起见，这些细节在此不再重复。
尽管各种附图中的一些以特定顺序示出了多个逻辑阶段，但是可以对不依赖于顺序的各阶段进行重新排序，并且可以对其它阶段进行组合或分解。虽然具体提到了一些重新排序或其它分组，但是另外的分组对于本领域的普通技术人员来说是明显的，因此本文给出的排序和分组不是备选的的穷举列表。此外，应当认识到，这些阶段可以用硬件、固件、软件或其任何组合来实现。
出于解释的目的，已经参考具体实施例描述了上述描述。然而，上述说明性讨论并不旨在穷举或将权利要求的范围限制为所公开的精确形式。鉴于上述教导，许多修改和变化是可能的。选择的实施例是为了最好地解释作为权利要求的基础的原理及其实际应用，从而使得本领域的其他技术人员能够最好地使用具有适合于考虑的特定用途的各种修改的实施例。
条款
1.一种用于头戴式显示设备的光学设备，该光学设备包括：
第一部分反射器；以及
第二部分反射器，该第二部分反射器相对于该第一部分反射器被定位，使得该第二部分反射器接收透射通过该第一部分反射器的第一光并且将该第一光的至少一部分作为第二光朝向该第一部分反射器反射，其中：
该第二光的至少一部分作为第三光被该第一部分反射器反射，并且该第三光的至少一部分被透射通过该第二部分反射器，以及
该第一部分反射器或该第二部分反射器中的至少一个包括反射全息元件。
2.根据条款1所述的光学设备，其中反射全息元件具有自由形式的相位分布。
3.根据条款1所述的光学设备，其中反射全息元件是对于红色、绿色和蓝色波长中的每一个具有不同相位分布的波长敏感元件。
4.根据条款3所述的光学设备，其中相位轮廓通过波长复用被编码在反射全息中。
5.根据条款3所述的光学设备，其中反射全息元件包括两个或多个全息图的堆叠，每个全息图对不同的波长范围是敏感的。
6.根据条款1所述的光学设备，其中反射全息元件包括节距梯度偏振体全息图。
7.根据条款6所述的光学设备，其中节距梯度偏振体积全息图包括胆甾型液晶。
8.根据条款1所述的光学设备，还包括第三部分反射器。
9.根据条款8所述的光学设备，其中第三部分反射器是反射全息元件。
10.根据条款1所述的光学设备，其中第一部分反射器包括体布拉格光栅，并且第二部分反射器包括反射偏振器。
11.根据条款1所述的光学设备，其中反射全息元件从由体布拉格光栅、偏振体全息图和Pancharatnam Berry相位元件组成的组中选择。
12.根据条款1所述的光学设备，其中第一部分反射器包括体布拉格光栅，并且第二光学元件包括偏振体全息图。
13.根据条款1所述的光学设备，其中第一部分反射器包括偏振体积全息图，并且第二部分反射器包括反射偏振器。
14.根据条款1所述的光学设备，其中第一部分反射器具有光功率，并且第二部分反射器被定位在远离该第一部分反射器的焦平面。
15.根据条款14所述的光学设备，其中第二部分反射器不具有光功率。
16.根据条款1所述的光学设备，其中第二部分反射器通过气隙与第一部分反射器间隔开，并且该气隙的尺寸被配置为是变化的。
17.一种用于头戴式显示设备的光学设备，该光学设备包括：
第一部分反射器；以及
第二部分反射器，该第二部分反射器相对于该第一部分反射器被定位，使得该第二部分反射器接收透射通过该第一部分反射器的第一光并且将该第一光的至少一部分作为第二光朝向该第一部分反射器反射，其中：
该第二光的至少一部分作为第三光被该第一部分反射器反射，并且该第三光的至少一部分被透射通过该第二部分反射器，并且该第一部分反射器和该第二部分反射器不具有光功率。
18.根据条款17所述的光学设备，还包括第一光学元件，该第一光学元件包括全息元件。
19.根据条款18所述的光学设备，其中第一部分反射器包括分束器，并且第二部分反射器包括反射偏振器。
20.根据条款17所述的光学设备，还包括第一光学元件，该第一光学元件是透射衍射元件。
21.一种光学系统，包括：
光学设备，包括：
第一部分反射器；以及
第二部分反射器，该第二部分反射器相对于该第一部分反射器被定位，使得该第二部分反射器接收被透射通过该第一部分反射器的第一光，并且将该第一光的至少一部分作为第二光朝向该第一部分反射器反射，其中：
该第二光的至少一部分作为第三光被该第一部分反射器反射，并且该第三光的至少一部分被透射通过该第二部分反射器，以及
该第一部分反射器或该第二部分反射器中的至少一个包括反射全息元件；以及
显示设备。
22.根据条款221所述的光学系统，其中该显示设备与基本上相干的光源耦合。
23.根据条款222所述的光学系统，其中该基本上相干的光源包括激光器。
24.根据条款222所述的光学系统，还包括去斑器。
25.根据条款224所述的光学系统，其中该去斑器被定位以对从该基本上相干的光源发射的光进行去斑。
26.根据条款224所述的光学系统，其中该去斑器被定位成对从显示设备发射的光进行去斑。
27.根据条款224所述的光学系统，其中去斑器包括被配置为提供时变漫射图案的电活性聚合物。
28.根据条款221所述的光学系统，其中第一部分反射器接收从该显示设备的显示面板发射的光，所发射的光具有有限的发射锥。
29.根据条款228所述的光学系统，其中该发射锥在该显示面板上空间地变化。
30.根据条款229所述的光学系统，其中该显示面板被配置为在该显示面板上的第一位置处提供具有由第一发射锥角表征的第一发射锥的光，并且在该显示面板上的不同于该第一位置的第二位置处提供具有由不同于该第一发射锥角的第二发射锥角表征的第二发射锥的光。
31.根据条款229所述的光学系统，其中来自该显示面板的发射锥的中心光线与该显示面板前方或后方的公共点相交。
32.根据条款228所述的光学系统，其中发射锥基本上对应于进入光学系统的用户的眼盒的光。
33.根据条款221所述的光学系统，其中该显示设备包括方向性背光源。
34.根据条款33所述的光学系统，其中该方向性背光源包括体积全息图。
35.根据条款33所述的光学系统，其中该方向性背光源包括非定向光源和角度限制板。
36.根据条款33所述的光学系统，其中该方向性背光源包括漫射器。
37.根据条款221所述的光学系统，其中该显示设备被定位在该第一部分反射器附近。
38.根据条款221所述的光学系统，其中该光学系统被配置为改变该光学器件与该显示器件之间的气隙的尺寸。
39.根据条款221所述的光学系统，其中该显示设备包括液晶显示器(LCD)面板或硅基液晶(LCOS)面板。
40.一种用于头戴式显示设备的光学设备，该光学设备包括：
第一部分反射器；以及
第二部分反射器，该第二部分反射器相对于该第一部分反射器被定位，使得该第二部分反射器接收透射通过该第一部分反射器的第一光并且将该第一光的至少一部分作为第二光朝向该第一部分反射器反射，其中：
该第二光的至少一部分作为第三光被该第一部分反射器反射，并且该第三光的至少一部分透射通过该第二部分反射器，并且
该第一部分反射器或该第二部分反射器中的至少一个包括亚表面或多级衍射元件。

Claims (80)

1.一种显示设备，包括：
光学漫射器，所述光学漫射器被配置为：
接收图像光；
响应于接收到所述图像光而漫射所述图像光；
输出与所接收的图像光具有相同偏振的漫射图像光；以及
接收环境光并且输出所述环境光的至少第一部分而不漫射所述环境光的所述第一部分；以及
光学组件，所述光学组件包括：
基板，具有第一表面和与所述第一表面相对并基本上平行的第二表面；
反射器，耦合到所述基板；以及
分束器，耦合到所述基板，其中所述光学组件被配置为：
通过在所述反射器处以及在所述分束器处反射所述漫射图像光来以第一光功率透射所述漫射图像光；以及
将所述环境光的第一部分之中的所述环境光的第二部分透射通过所述光学组件而不在所述反射器或所述分束器处反射，使得所述环境光的所述第二部分以小于所述第一光功率的第二光功率透射通过所述光学组件。
2.根据权利要求1所述的显示设备，还包括被配置为朝向所述光学漫射器投射所述图像光的投射器。
3.根据权利要求1所述的显示设备，其中：
所述图像光以某个入射角范围内的入射角入射在所述光学漫射器上；以及
所述环境光以所述某个入射角范围之外的入射角入射在所述光学漫射器上。
4.根据权利要求1所述的显示设备，其中所述第一表面和所述第二表面是平面表面。
5.根据权利要求1所述的显示设备，其中所述第一表面具有第一弯曲轮廓并且所述第二表面具有第二弯曲轮廓。
6.根据权利要求5所述的显示设备，其中所述第一弯曲轮廓和所述第二弯曲轮廓具有相同的曲率半径，并且所述第一光功率取决于所述曲率半径。
7.根据权利要求6所述的显示设备，其中所述第一弯曲轮廓和所述第二弯曲轮廓是同心球形轮廓。
8.根据权利要求1所述的显示设备，其中所述第二光功率为零。
9.根据权利要求1所述的显示设备，其中所述光学组件被配置为透射所述环境光的所述第二部分而没有显著的光学像差。
10.根据权利要求1所述的显示设备，其中所述基板具有基本上均匀的厚度。
11.根据权利要求1所述的显示设备，其中所述反射器包括反射偏振器和光学延迟器。
12.根据权利要求1所述的显示设备，其中所述反射器包括偏振敏感全息图，所述偏振敏感全息图被配置为：
反射所述漫射图像光，使得以所述第一光学功率输出所述漫射图像光；以及
透射所述环境光的所述第二部分，使得以所述第二光功率输出所述环境光的所述第二部分。
13.一种方法，包括：
在光学漫射器处接收图像光；
响应于接收到所述图像光，从所述光学漫射器输出漫射图像光；
以第一光功率将所述漫射图像光透射通过光学组件，所述漫射图像光具有与所接收的图像光相同的偏振；
在所述光学漫射器处接收环境光；
从所述光学漫射器输出所述环境光的至少第一部分；以及
以小于所述第一光功率的第二光功率将所述环境光的第二部分透射通过所述光学组件；
其中所述光学组件包括：
基板，具有第一表面和与所述第一表面相对并基本上平行的第二表面；
反射器，耦合到所述基板；以及
分束器，耦合到所述基板；
其中以所述第一光功率将所述漫射图像光透射通过所述光学组件包括在所述反射器处和在所述分束器处反射所述漫射图像光；以及
其中将所述环境光的所述第二部分透射通过所述光学组件而不在所述反射器或所述分束器处反射，使得所述环境光的所述第二部分以所述第二光功率被透射通过所述光学组件。
14.根据权利要求13所述的方法，还包括：
将来自投射器的所述图像光朝向所述光学漫射器投射；
在所述光学漫射器处接收所述图像光；以及
在所述光学漫射器处漫射图像光，使得从所述光学漫射器输出所述漫射图像光。
15.根据权利要求14所述的方法，其中：
所述图像光在所述光学漫射器的表面处被接收；以及
所述漫射图像光从所述光学漫射器的所述表面被输出。
16.根据权利要求13所述的方法，其中：
所述图像光以某个入射角范围内的入射角入射在所述光学漫射器上；以及
所述环境光以所述某个入射角范围之外的入射角入射在所述光学漫射器上。
17.根据权利要求13所述的方法，其中：
所述环境光的所述第一部分在所述漫射图像光从所述光学漫射器被输出的同时被透射通过所述光学漫射器；以及
所述环境光的所述第二部分与所述漫射图像光同时被透射通过所述光学组件。
18.根据权利要求13所述的方法，其中所述第二光功率为零。
19.根据权利要求13所述的方法，其中所述环境光的所述第二部分被透射通过所述光学组件而没有显著光学像差。
20.根据权利要求13所述的方法，其中所述基板具有基本上均匀的厚度。
21.一种光学组件，包括：
基板，具有第一表面和与所述第一表面相对并基本上平行的第二表面；
反射器，耦合到所述基板；以及
分束器，耦合到所述基板；
其中所述光学组件被配置为：
在从所述第二表面输出在所述第一表面处接收的第一光之前，在包括在所述反射器处和在所述分束器处的反射的光路中透射所述第一光；以及
透射在所述第一表面处接收的第二光，使得所述第二光从所述第二表面输出而没有在所述反射器或所述分束器处经历反射。
22.根据权利要求21所述的光学组件，其中所述光学组件被配置为：
以第一光功率输出所述第一光；以及
以小于所述第一光功率的第二光功率透射所述第二光。
23.根据权利要求22所述的光学组件，其中所述反射器包括反射偏振器和光学延迟器。
24.根据权利要求23所述的光学组件，其中：
所述分束器被布置在所述第一表面和所述第二表面之间；以及
所述分束器包括对所述第一光功率有贡献的多个菲涅耳结构。
25.根据权利要求24所述的光学组件，其中：
所述反射器具有弯曲反射表面并且被布置在所述分束器与所述第二表面之间；以及
所述弯曲反射表面具有对所述第一光功率有贡献的第一曲率半径。
26.根据权利要求24所述的光学组件，其中：
所述反射器被布置在所述分束器和所述第二表面之间；以及
所述菲涅耳结构形成弯曲轮廓，所述弯曲轮廓具有对所述第一光功率有贡献的第二曲率半径。
27.根据权利要求22所述的光学组件，其中：
所述分束器被布置在所述第一表面上；以及
所述反射器被布置在所述第二表面上，并且包括偏振敏感全息图，所述偏振敏感全息图被配置为：
反射所述第一光，使得所述第一光以所述第一光功率输出；以及
透射所述第二光，使得所述第二光以所述第二光功率输出。
28.根据权利要求22所述的光学组件，其中：
所述分束器被布置在所述第二表面上；以及
所述反射器被布置在所述第一表面上，并且包括偏振敏感全息图，所述偏振敏感全息图被配置为：
反射所述第一光，使得所述第一光以所述第一光功率输出；以及
透射所述第二光，使得所述第二光以所述第二光功率输出。
29.根据权利要求21所述的光学组件，其中所述第一表面和所述第二表面是平面表面。
30.根据权利要求21所述的光学组件，其中所述第一表面和所述第二表面中的每一个表面具有第三曲率半径。
31.一种显示设备，包括：
显示器，被配置为输出图像光并透射环境光；以及
光学组件，所述光学组件包括：
基板，具有第一表面和与所述第一表面相对并且与所述第一表面基本上平行的第二表面；
反射器，耦合到所述基板；以及
分束器，耦合到所述基板，
其中所述光学组件被配置为：
在从所述第二表面输出在所述第一表面处接收的图像光之前，在包括在所述反射器处和在所述分束器处的反射的光路中透射所述图像光；以及
透射在所述第一表面处接收的环境光，使得所述环境光从所述第二表面输出而没有在所述反射器或所述分束器处经历反射。
32.根据权利要求31所述的显示设备，其中所述光学组件被配置为：
以第一光功率输出所述图像光；以及
以小于所述第一光功率的第二光功率透射所述环境光。
33.根据权利要求32所述的显示设备，其中：
所述分束器被布置在所述第一表面和所述第二表面之间；以及
所述分束器包括对所述第一光功率有贡献的多个菲涅耳结构。
34.根据权利要求33所述的显示设备，其中：
所述反射器具有弯曲反射表面并且被布置在所述分束器与所述第二表面之间；以及
所述弯曲反射表面具有对所述第一光功率有贡献的第一曲率半径。
35.根据权利要求33所述的显示设备，其中：
所述反射器被布置在所述分束器和所述第二表面之间；以及
所述菲涅耳结构形成弯曲轮廓，所述弯曲轮廓具有对所述第一光功率有贡献的第二曲率半径。
36.根据权利要求32所述的显示设备，其中：
所述分束器被布置在所述第一表面上；以及
所述反射器被布置在所述第二表面上并且包括偏振敏感全息图，所述偏振敏感全息图被配置为：
反射所述图像光，使得所述图像光以所述第一光功率输出；以及
透射所述环境光，使得所述环境光以所述第二光功率输出。
37.根据权利要求32所述的显示设备，其中：
所述分束器被布置在所述第二表面上；以及
所述反射器被布置在所述第一表面上并且包括偏振敏感全息图，所述偏振敏感全息图被配置为：
反射所述图像光，使得所述图像光以第一光功率输出；以及
透射所述环境光，使得所述环境光以所述第二光功率输出。
38.根据权利要求31所述的显示设备，其中所述第一表面和所述第二表面是平面表面。
39.根据权利要求31所述的显示设备，其中所述第一表面和所述第二表面中的每一个表面具有第三曲率半径。
40.一种通过光学组件透射光的方法，所述方法包括：
在第一光路中透射图像光，包括：
在基板的第一表面处接收所述图像光，所述基板包括：
第二表面，所述第二表面与所述第一表面相对并且基本上平行于所述第一表面；
反射器，耦合到所述基板；以及
分束器，耦合到所述基板；以及
从所述第二表面输出所述图像光，其中所述第一光路包括在所述反射器处和在所述分束器处的反射；以及
在不同于所述第一光路的第二光路中透射环境光，所述透射包括：
在所述第一表面处接收所述环境光；以及
从所述第二表面输出所述环境光而未在所述反射器或所述分束器处经历反射。
41.一种光学组件，包括：
基板，具有第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面具有第一弯曲轮廓，并且所述第二表面具有第二弯曲轮廓并且与所述第一表面平行；
分束器，所述分束器在所述第一表面上并且符合所述第一表面的所述第一弯曲轮廓；以及
反射器，所述反射器在所述第二表面上并且符合所述第二表面的所述第二弯曲轮廓，其中所述光学组件被配置为：
在所述第一表面处接收第一光，并且在所述反射器处反射所述第一光并且随后在从所述反射器输出所述第一光之前在所述分束器处反射所述第一光，由此所述第一光以第一光功率被透射通过所述光学组件；以及
将第二光透射通过所述光学组件而不在所述反射器处反射，其中所述第二光以小于所述第一光功率的第二光功率被透射通过所述光学组件。
42.根据权利要求41所述的光学组件，还包括被布置在所述分束器和所述反射器之间的光学延迟器。
43.根据权利要求41所述的光学组件，其中所述第二光功率为零。
44.根据权利要求41所述的光学组件，其中：
所述第一表面和所述第二表面中的每一个表面具有曲率；以及
所述第一光功率取决于所述曲率。
45.根据权利要求41所述的光学组件，其中：
在所述第一表面处接收的所述第一光在第一方向上传播；
所述第一光在不同于所述第一方向的第二方向上从所述反射器输出；
在所述第一表面处接收的所述第二光在第三方向上传播；以及
所述第二光在基本上平行于所述第三方向的第四方向上从所述光学组件输出。
46.根据权利要求41所述的光学组件，其中所述光学组件被配置为透射所述第二光而没有显著光学像差。
47.根据权利要求41所述的光学组件，其中：
在所述第一表面处接收的所述第一光具有第一偏振；
从所述反射器输出的所述第一光具有不同于所述第一偏振的第二偏振；
在所述第一表面处接收的所述第二光具有与所述第一偏振和第二偏振中的每一个偏振不同的第三偏振；以及
从所述光学组件输出的所述第二光具有所述第二偏振。
48.根据权利要求47所述的光学组件，其中所述反射器被配置为取决于其偏振来反射或透射入射到其上的光。
49.根据权利要求41所述的光学组件，其中所述基板具有基本上均匀的厚度。
50.根据权利要求41所述的光学组件，其中所述第一弯曲轮廓和所述第二弯曲轮廓是同心球形轮廓。
51.一种显示设备，包括：
显示器，被配置为输出图像光并且可配置为透射环境光；以及
光学组件，所述光学组件包括：
具有第一弯曲轮廓的第一表面和具有第二弯曲轮廓并且与所述第一表面平行的第二表面；
分束器，所述分束器在所述第一表面上并且符合所述第一表面的所述第一弯曲轮廓；
反射器，所述反射器在所述第二表面上并且符合所述第二表面的所述第二弯曲轮廓，其中所述光学组件被配置为：
在所述第一表面处接收所述图像光，并且在所述反射器处反射所述图像光并且随后在从所述反射器输出所述图像光之前在所述分束器处反射所述图像光，由此所述图像光以第一光功率被透射通过所述光学组件；以及
将所述环境光透射通过所述光学组件而不在所述反射器处反射，其中所述环境光以小于所述第一光功率的第二光功率被透射通过所述光学组件。
52.根据权利要求51所述的显示设备，还包括被布置在所述分束器与所述反射器之间的光学延迟器。
53.根据权利要求52所述的显示设备，其中所述光学组件被配置为透射所述环境光而没有显著光学像差。
54.根据权利要求51所述的显示设备，其中所述第二光功率为零。
55.根据权利要求51所述的显示设备，其中：
所述第一表面和所述第二表面中的每一个表面具有曲率；以及
所述第一光功率取决于所述曲率。
56.根据权利要求51所述的显示设备，其中：
在所述第一表面处接收的所述图像光在第一方向上传播；
所述图像光在不同于所述第一方向的第二方向上从所述反射器输出；
在所述第一表面处接收的所述环境光在第三方向上传播；以及
所述环境光在基本上平行于所述第三方向的第四方向上从所述光学组件输出。
57.根据权利要求51所述的显示设备，其中：
在所述第一表面处接收的所述图像光具有第一偏振；
从所述反射器输出的所述图像光具有不同于所述第一偏振的第二偏振；
在所述第一表面处接收的所述环境光具有与所述第一偏振和第二偏振中的每一个偏振不同的第三偏振；以及
从所述光学组件输出的所述环境光具有所述第二偏振。
58.根据权利要求57所述的显示设备，其中所述反射器被配置为取决于其偏振来反射或透射入射到其上的光。
59.根据权利要求51所述的显示设备，其中所述显示设备是头戴式显示设备。
60.一种将光透射通过光学组件的方法，所述方法包括：
透射图像光，包括：
在基板的第一表面处接收所述图像光，所述基板具有第一弯曲轮廓；
在反射器处反射所述图像光，所述反射器具有第二弯曲轮廓并且基本上平行于所述第一表面；
在所述第一基板上的分束器处反射所述图像光，所述分束器符合所述第一表面的所述第一弯曲轮廓；以及
以第一光功率从所述反射器输出所述图像光；以及
透射环境光，包括：
在所述第一表面处接收所述环境光；
将所述环境光透射通过所述光学组件而不在所述反射器处反射；以及
以小于所述第一光功率的第二光功率从所述光学组件输出所述环境光。
61.一种显示设备，包括：
显示器，具有前表面和与所述前表面相对的后表面，所述显示器被配置为：
从所述前表面输出图像光；以及
从所述后表面向所述前表面透射环境光；以及
光学组件，所述光学组件包括：
基板，具有基本上均匀厚度；
分束器，耦合到所述基板；以及
反射器，耦合到所述基板，其中所述光学组件被配置为：
接收所述图像光并且经由包括在所述反射器处和在所述分束器处的反射的光路以第一光功率透射从所述显示器的所述前表面输出的所述图像光的一部分；以及
接收所述环境光并且以第二光功率将所述环境光的一部分透射通过所述光学组件而不在所述反射器处反射，所述第二光功率小于所述第一光功率。
62.根据权利要求61所述的显示设备，其中所述显示器被配置为从所述前表面同时输出所述图像光和所述环境光。
63.根据权利要求61所述的显示设备，其中所述显示设备被配置为在从所述显示器的所述前表面输出所述图像光与从所述显示器的所述前表面输出所述环境光之间交替。
64.根据权利要求61所述的显示设备，其中：
在所述光学组件处接收的所述图像光具有第一偏振；以及
在所述光学组件处接收的所述环境光具有与所述第一偏振正交的第二偏振。
65.根据权利要求61所述的显示设备，其中所述光学组件被配置为：
所述图像光的所述光路包括一个或多个折叠；以及
所述环境光的所述部分经由不包括任何折叠的不同光路而被透射。
66.根据权利要求61所述的显示设备，其中所述第二光功率为零。
67.根据权利要求61所述的显示设备，其中所述光学组件被配置为透射所述环境光的所述部分而没有显著光学像差。
68.根据权利要求61所述的显示设备，其中所述光学组件的所述基板包括第一表面和与所述第一表面相对并平行的第二表面。
69.根据权利要求61所述的显示设备，其中：
所述光学组件的所述基板包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；
所述第一表面具有第一弯曲轮廓并且所述第二表面具有第二弯曲轮廓；
所述分束器被布置在所述第一表面上并且符合所述第一表面的所述第一弯曲轮廓；
所述反射器包括反射偏振器和四分之一波片；以及
所述反射偏振器被布置在所述第二表面上并且符合所述第二表面的所述第二弯曲轮廓。
70.根据权利要求61所述的显示设备，其中：
所述光学组件的所述基板包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；
所述分束器被布置在所述第一表面和所述第二表面之间；以及
所述分束器包括对所述第一光功率有贡献的多个菲涅耳结构。
71.根据权利要求70所述的显示设备，其中：
所述反射偏振器具有弯曲反射表面并且被布置在所述分束器和所述第二表面之间；以及
所述弯曲反射表面具有对所述第一光功率有贡献的第一曲率半径。
72.根据权利要求71所述的显示设备，其中：
所述反射器被布置在所述分束器和所述第二表面之间；以及
所述菲涅耳结构形成弯曲轮廓，所述弯曲轮廓具有对所述第一光功率有贡献的第二曲率半径。
73.根据权利要求61所述的显示设备，其中：
所述光学组件的所述基板包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面；
所述分束器被布置在所述第一表面上；以及
所述反射器被布置在所述第二表面上并且包括偏振敏感全息图，所述偏振敏感全息图被配置为：
反射所述图像光，使得所述图像光以所述第一光功率被输出；以及
透射所述环境光，使得所述环境光以所述第二光功率被输出。
74.根据权利要求61所述的显示设备，其中所述显示设备是头戴式显示设备。
75.一种显示一个或多个图像的方法，所述方法包括：
从显示器的前表面输出图像光，所述显示器具有与所述前表面相对的后表面；
从所述后表面向所述前表面透射环境光；
在光学组件处接收从所述前表面输出的所述图像光；
以第一光功率透射所述图像光的一部分；
在所述光学组件处接收从所述前表面输出的所述环境光；以及
以不同于所述第一光功率的第二光功率透射所述环境光的一部分。
76.根据权利要求75所述的方法，其中所述图像光和所述环境光同时从所述显示器的所述前表面输出。
77.根据权利要求75所述的方法，其中所述图像光的所述部分和所述环境光的所述部分从所述显示器的所述前表面交替地输出。
78.根据权利要求75所述的方法，其中：
在所述光学组件处接收的所述图像光具有第一偏振；以及
在所述光学组件处接收的所述环境光具有与所述第一偏振正交的第二偏振。
79.根据权利要求78所述的方法，其中：
所述图像光的所述部分经由包括一个或多个折叠的光路被透射通过所述光学组件；以及
所述环境光的所述部分经由不包括任何折叠的不同光路被透射通过所述光学组件。
80.根据权利要求75所述的方法，其中所述光学组件被配置为透射所述环境光的所述部分而没有显著光学像差。
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