CN114868052A - 头戴式显示系统的线栅偏振器的偏振补偿 - Google Patents

头戴式显示系统的线栅偏振器的偏振补偿 Download PDF

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Abstract

本公开大体上涉及用于改善光学系统的性能和效率的技术，该光学系统例如用于使用头戴式显示系统的光学系统。本公开的光学系统可以包括偏振反射折射光学器件，或利用线栅偏振器作为反射偏振器的“薄饼式光学器件”。线栅偏振器可能在波长上或在变化的入射角上不能均匀地执行。为了改善性能，在光学系统中提供空间变化偏振器，其用于为线栅偏振器提供偏振补偿，使得线栅偏振器在波长上和/或在入射角(例如，轴上和离轴)上表现更均匀。空间变化偏振器可以由液晶材料形成，例如多扭曲延迟器。

Description

头戴式显示系统的线栅偏振器的偏振补偿
技术领域
本公开大体涉及光学系统，更具体地，涉及改进用于头戴式显示系统的光学系统的效率和性能。
背景技术
当前一代虚拟现实(VR)体验使用头戴式显示器(HMD)来创建，该HMD可被拴连到固定计算机(例如个人计算机(PC)、膝上型计算机或游戏控制台)，可以与智能电话和/或其相关联的显示器组合和/或集成，或者可以是独立的。通常，HMD是穿戴在用户头部上的显示设备，其在一只眼睛(单目HMD)或每只眼睛(双目HMD)的前面具有小的显示设备。显示单元通常是小型化的，并且可以包括例如CRT、LCD、硅基液晶(LCoS)、OLED技术或激光扫描束显示器。双目HMD具有向每只眼睛显示不同图像的能力。这种能力被用于显示立体图像。
随着智能电话、高清电视以及其它电子设备的发展，对具有增强性能的显示器的需求增加。虚拟现实和增强现实系统，特别是使用HMD的那些系统，已经进一步增加了这种需求。虚拟现实系统通常完全包住穿戴者的眼睛，并且在穿戴者前方用“虚拟”现实代替实际或物理视图(或实际现实)；而增强现实系统通常在穿戴者的眼睛前方提供一个或更多屏幕的半透明或透明覆盖物使得用附加信息增强实际视图；并且介导现实(mediatedreality)系统可以类似地将这样的信息呈现给观看者，该信息将现实世界元素与虚拟元素相结合。
然而，这种头戴式显示器(在观看者的眼睛和显示器之间具有减小的距离且通常具有完全模糊的视场)以传统显示器不能满足的方式增加了显示器的性能要求，更不用说以节省成本的水平来实现这些性能要求。微型显示器(例如OLED微型显示器)比传统显示器小得多，但涉及额外的挑战。例如，微型显示器需要焦距非常短的透镜。此外，因为用户的眼睛瞳孔尺寸是固定的，所以使用微型显示器的HMD的透镜的F/#减小，这容易增加特定透镜系统的像差(aberration)。此外，微型显示器具有小的像素。这增加了HMD光学器件的空间分辨率，并且还增加了为这种HMD设计和制造透镜的挑战。
发明内容
头戴式显示系统可以概括为包括显示子系统和光学系统，该显示子系统用于生成包括线偏振光的图像，光学系统包括：透镜元件，其接收来自显示子系统的光，透镜元件包括部分反射表面；线栅偏振器，其接收来自透镜元件的光；四分之一波片，其位于透镜元件和线栅偏振器之间；以及空间变化偏振器，其位于显示子系统和透镜元件之间，空间变化偏振器具有在空间变化偏振器的光学窗上变化的延迟以补偿入射到线栅偏振器上的离轴光。
空间变化偏振器可以包括多扭曲延迟器。空间变化偏振器可以在光学窗的中心处提供四分之一波延迟，并且可以朝向光学窗周边逐渐减小延迟。空间变化偏振器可以在窗的周边处提供八分之一波延迟。空间变化偏振器可以在光学窗的中心处提供第一延迟，并且可以在光学窗的周边处提供第二延迟，其中第二延迟小于第一延迟。空间变化偏振器的延迟可以在光学窗上线性地或非线性地变化。
头戴式显示系统还可以包括可操作地联接到空间变化偏振器的控制电路，该控制电路操作成选择性地调整由空间变化偏振器提供的延迟。
头戴式显示系统可以概括为包括显示子系统和光学系统，该显示子系统用于生成包括线偏振光的图像，光学系统包括：四分之一波片，其从显示子系统接收光；透镜元件，其接收来自四分之一波片的光，透镜元件包括部分反射表面；线栅偏振器，其从透镜元件接收光；以及空间变化偏振器，其位于透镜元件和线栅偏振器之间，空间变化偏振器具有在空间变化偏振器的光学窗上变化的延迟以补偿入射在线栅偏振器上的离轴光。
空间变化偏振器可以包括多扭曲延迟器。空间变化偏振器可以在光学窗的中心处提供四分之一波延迟，并且可以朝向光学窗周边逐渐减小延迟。空间变化偏振器可以在窗的周边处提供八分之一波延迟。空间变化偏振器可以在光学窗的中心处提供第一延迟，并且可以在光学窗的周边处提供第二延迟，其中第二延迟小于第一延迟。空间变化偏振器的延迟可以在光学窗上线性地或非线性地变化。
头戴式显示系统还可以包括可操作地联接到空间变化偏振器的控制电路，该控制电路操作成选择性地调整由空间变化偏振器提供的延迟。
头戴式显示系统可以概括为包括第一和第二近眼显示系统，第一和第二近眼显示系统中的每一个包括显示子系统和光学子系统，显示子系统用于生成包括线偏振光的图像，光学子系统包括：透镜元件，其接收来自显示子系统的光，透镜元件包括部分反射表面；线栅偏振器，其从透镜元件接收光；四分之一波片，其位于透镜元件和线栅偏振器之间；以及空间变化偏振器，其位于显示子系统和透镜元件之间，空间变化偏振器具有在空间变化偏振器的光学窗上变化的延迟以补偿入射到线栅偏振器上的离轴光。
空间变化偏振器可以包括多扭曲延迟器。空间变化偏振器可以在光学窗的中心处提供四分之一波延迟，并且可以朝向光学窗周边逐渐减小延迟。
空间变化偏振器可以在窗的周边处提供八分之一波延迟。空间变化偏振器可以在光学窗的中心处提供第一延迟，并且可以在光学窗的周边处提供第二延迟。空间变化偏振器的延迟可以在光学窗上线性地或非线性地变化。
附图说明
在附图中，相同的附图标记表示类似的元件或动作。附图中的元件的尺寸和相对位置不必按比例绘制。例如，各种元件和角度的形状不必按比例绘制，并且这些元件中的一些可被任意地放大和定位以提高图的可读性。此外，如图所示的元件的特定形状不一定旨在传达关于特定元件的实际形状的任何信息，并且可以仅为易于在附图中识别而选择。
图1是包括适于执行本公开中描述的至少一些技术的一个或更多系统的网络化环境的示意图。
图2是示出其中至少一些所描述的技术与示例性头戴式显示设备一起使用的示例性环境的图，该头戴式显示设备被强系到视频渲染计算系统并且向用户提供虚拟现实显像。
图3是具有双目显示子系统的示例性HMD设备的主视图。
图4示出根据本公开的示例性实施例的具有双目显示子系统和各种传感器的HMD设备的俯视图。
图5是根据一个非限制性示例性实施例的HMD设备的示出显示子系统及其光学系统的剖视图。
图6是根据一个非限制性示例性实施例的图5所示的光学系统的示例性空间变化偏振器的平面图。
具体实施方式
在以下描述中，阐述某些特定细节以便透彻地理解各种所披露的实施例。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有这些具体细节中的一个或更多的情况下，或者利用其它方法、组件、材料等来实践实施例。在其它情况下，没有详细示出或描述与计算机系统、服务器计算机和/或通信网络相关联的公知结构，以避免不必要地使对实施例的描述不清楚。
除非上下文另有要求，否则在整个说明书和所附的权利要求书中，词语“包括”与“包含”同义，并且是包含性的或开放式的(即，不排除其它未列举的元件或方法动作)。
贯穿本说明书，提及“一个实施例”或“实施例”意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不一定都指相同的实施例。此外，可以在一个或更多实施例中以任何合适的方式来组合特定的特征、结构或特性。
本说明书和所附权利要求书中使用的单数形式“一个”、“一个”和“所述”包括复数指示物，除非上下文另有明确规定。还应该注意的是，术语“或”通常以其包括“和/或”的意义使用，除非上下文另有明确规定。
本文提供的本公开的标题和摘要仅是为了方便，而不解释实施例的范围或含义。
本公开大体上涉及用于改善光学系统(例如用于使用头戴式显示系统的光学系统)的性能和效率的技术。本公开的光学系统可以包括偏振反射折射光学器件(polarizedcatadioptric optics)，或者利用线栅偏振器作为反射偏振器的“薄饼式(pancake)光学器件”。线栅偏振器可能在波长上或在变化的入射角上不能均匀地执行。在本公开的至少一些实施例中，在光学系统中提供空间变化偏振器，该空间变化偏振器用于为线栅偏振器提供偏振补偿使得线栅偏振器在波长和/或入射角(例如，轴上和离轴)上表现更均匀。空间变化偏振器可以由多扭曲延迟器(multi-twist retarder)形成，如下面进一步讨论的那样。
首先，参考图1至图4讨论适用于本文描述的技术的示例性头戴式显示设备。然后，参考图5和图6讨论包括本公开的特征的显示系统的示例性实施例。
示例性头戴式显示系统和环境
图1是包括本地媒体渲染(LMR)系统110(例如，游戏系统)的网络化环境100的示意图，该本地媒体渲染(LMR)系统110包括本地计算系统120和显示设备180(例如，具有两个显示面板的HMD设备)，所述显示设备180适于执行本文所述的至少一些技术。在图1所示的实施例中，本地计算系统120经由传输链路115(其可以是有线的或系绳的，例如经由如图2所示的一个或更多电缆(电缆220)，或者替代地可以是无线的)通信地连接到显示设备180。在其它实施例中，无论是除了HMD设备180之外另外地还是替代HMD设备180，本地计算系统120可经由有线或无线链路提供经编码的图像数据以供显示到面板显示设备(例如，电视、控制台或监视器)，且所述显示设备各自包括一个或更多可寻址像素阵列。在各种实施例中，本地计算系统120可以包括通用计算系统；游戏控制台；视频流处理设备；移动计算设备(例如，蜂窝电话、PDA或其它移动设备)；VR或AR处理设备；或者其它计算系统。
在所示实施例中，本地计算系统120具有包括一个或更多硬件处理器(例如，集中式处理单元或CPU)125)的组件、存储器130、各种I/O(输入/输出)硬件组件127(例如，键盘、鼠标、一个或更多游戏控制器、扬声器、麦克风、IR发射器和/或接收器等)、包括一个或更多专用硬件处理器(例如，图形处理单元或GPU)144和视频存储器(VRAM)148的视频子系统140、计算机可读存储空间150和网络连接160。同样在所示实施例中，眼睛追踪子系统135的实施例在存储器130中执行以便执行至少一些所描述的技术，例如通过使用CPU125和/或GPU 144来执行用于实现那些所描述的技术的自动操作，并且存储器130可以可选地进一步执行一个或更多其它程序133(例如，以生成要显示的视频或其它图像，例如游戏程序)。作为实现本文描述的至少一些技术的自动操作的一部分，在存储器130中执行的眼睛追踪子系统135和/或程序133可以存储或检索各种类型的数据，包括存储空间150的示例性数据库数据结构中的那些；在该示例中，所使用的数据可以包括数据库(DB)中的各种类型的图像数据信息154、DB中的各种类型的应用数据152、DB中的各种类型的配置数据157，并且可包括例如系统数据或其它信息的附加信息。
在所描述的实施例中，LMR系统110还经由一个或更多计算机网络101和网络链路102可通信地连接到示例性网络可访问媒体内容提供方190，该网络可访问媒体内容提供方190可以进一步向LMR系统110提供内容(无论是除了图像生成程序133另外地提供还是替代图像生成程序133来提供)以供显示。媒体内容提供方190可以包括一个或更多计算系统(未示出)，该一个或更多计算系统各自可以具有与本地计算系统120的组件类似的组件，包括一个或更多硬件处理器、I/O组件、本地存储设备和存储器，但是为了简洁起见，没有针对网络可访问媒体内容提供方示出一些细节。
应当理解，尽管在图1所示的实施例中显示设备180被描述为与本地计算系统120不同且分开，但是在某些实施例中，本地媒体渲染系统110的一些或所有组件可以被集成或容纳在单个设备内，例如移动游戏设备、便携式VR娱乐系统、HMD设备等。在这样的实施例中，传输链路115可以例如包括一个或更多系统总线和/或视频总线架构。
作为涉及由本地媒体渲染系统120本地执行的操作的一个示例，假定本地计算系统是游戏计算系统使得应用数据152包括使用存储器130由CPU 125执行的一个或更多游戏应用，并且假定各种视频帧显示数据由图像生成程序133生成和/或处理，例如结合视频子系统140的GPU 144来生成和/或处理。为了提供高质量的游戏体验，由本地计算系统120生成大量的视频帧数据(对应于每个视频帧的高图像分辨率，以及大约每秒60-180个这样的视频帧的高“帧速率”)，并且所述大量的视频帧数据通过有线或无线传输链路115提供给显示设备180。
还应理解，计算系统120和显示设备180仅是说明性的且不打算限制本公开的范围。计算系统120可以替代地包括多个交互计算系统或设备，并且可以连接到未示出的其它设备，包括通过诸如因特网的一个或更多网络、经由Web、或经由专用网络(例如，移动通信网络等)。更通常，计算系统或其它计算节点可包括可交互并执行所述类型的功能的硬件或软件的任何组合，包括但不限于台式或其它计算机、游戏系统、数据库服务器、网络存储设备和其它网络设备、PDA、蜂窝电话、无线电话、寻呼机、电子记事簿、因特网设备、基于电视的系统(例如，使用机顶盒和/或个人/数字录像机)、以及包括适当的通信能力的各种其它消费产品。显示设备180可以类似地包括具有各种类型和形式的一个或更多显示面板的一个或更多设备，并且可选地包括各种其它硬件和/或软件组件。
还应当理解，尽管在使用时将各种项目示出为存储在存储器中或存储在存储空间上，但是出于存储器管理或数据完整性的目的，这些项目或它们的部分可以在存储器和其它存储设备之间传送。因此，在一些实施例中，所描述的技术中的一些或全部可以由包括一个或更多处理器或者其它所配置的硬件电路或存储器或存储空间的硬件来执行，例如当由一个或更多软件程序和/或数据结构来配置时(例如，通过执行一个或更多软件程序的软件指令和/或通过存储这样的软件指令和/或数据结构)那样。组件、系统和数据结构中的一些或全部也可以存储(例如，作为软件指令或结构化数据)在非暂时性计算机可读存储介质(例如硬盘或闪存驱动器或其它非易失性存储设备)、易失性或非易失性存储器(例如，RAM)、网络存储设备、或者要由适当的驱动(例如，DVD盘、CD盘、光盘等)或通过适当的连接被读取的便携式媒体制品上。在一些实施例中，系统、组件和数据结构还可以作为生成的数据信号(例如，作为载波或者其它模拟或数字传播信号的一部分)在各种计算机可读传输介质上传输，该计算机可读传输介质包括基于无线和基于有线/电缆的介质，并且系统、组件和数据结构可以采取各种形式(例如，作为单个或多路复用模拟信号的一部分，或者作为多个离散化数字分组或帧)。在其它实施例中，这种计算机程序产品也可以采用其它形式。因此，本公开可以用其它计算机系统配置来实现。
图2示出其中至少一些所述技术与示例性HMD设备202一起使用的示例性环境200，该HMD设备202经由绳系(tethered connection)连接220(或其它实施例中的无线连接)联接到视频呈现计算系统204以向人类用户206提供虚拟现实显像。用户穿戴HMD设备202并通过HMD设备从计算系统204接收与实际物理环境不同的模拟环境的所显示信息，其中计算系统充当将模拟环境的图像提供给HMD设备以显示给用户的图像渲染系统，该图像例如为由游戏程序和/或在计算系统上执行的其它软件程序生成的图像。在该示例中，用户还能够在实际物理环境200的追踪容积(tracked volume)201内移动，并且还可以具有允许用户进一步与模拟环境交互的一个或更多I/O(输入/输出)设备，在该示例中，该I/O(输入/输出)设备包括手持式控制器208和210。
在所示示例中，环境200可以包括一个或更多基站214(示出两个，标记为基站214a和214b)，其可以帮助追踪HMD设备202或控制器208和210。当用户移动HMD设备202的位置或改变HMD设备202的取向时，追踪HMD设备的位置，以便允许在HMD设备上向用户显示模拟环境的相应部分，并且控制器208和210还可以使用类似的技术来追踪控制器的位置(并且可选地使用该信息来帮助确定或验证HMD设备的位置)。在知晓HMD设备202的所追踪位置之后，经由系绳220或无线地将相应的信息发送到计算系统204，该计算系统204使用所追踪的位置信息来生成模拟环境的一个或更多后续图像以显示给用户。
可以在本公开的各种实施例中使用多种不同的位置追踪方法，包括但不限于声追踪、惯性追踪、磁追踪、光学追踪及其组合等。
在至少一些实施例中，HMD设备202可以包括一个或更多光学接收器或传感器，其可以用于实现本公开的追踪功能或其它方面。例如，基站214可以各自在追踪容积201上扫射光学信号。根据每个特定实施例的要求，每个基站214可以生成多于一个的光学信号。例如，虽然单个基站214通常足以进行六自由度追踪，但是在一些实施例中，可能需要或希望多个基站(例如，基站214a、214b)来为HMD设备和周边设备提供鲁棒的房间规模追踪。在这个示例中，光学接收器被结合到HMD设备202和/或其它被追踪对象(例如控制器208和210)中。在至少一些实施例中，光学接收器可以与每个被追踪设备上的加速度计和陀螺仪惯性测量单元(IMU)配对以支持低延迟的传感器融合。
在至少一些实施例中，每个基站214包括两个转子，该两个转子在正交轴上跨越追踪容积201扫射线性波束。在每个扫射周期的开始，基站214可以发射全向光脉冲(被称为“同步信号”)，该全向光脉冲对于被追踪对象上的所有传感器是可见的。因此，每个传感器通过对同步信号和波束信号之间的持续时间进行定时来计算被扫射的容积中的唯一角位置。传感器的距离和方向可以使用固定到单个刚性主体上的多个传感器来解决。
位于被追踪对象(例如，HMD设备202、控制器208和210)上的一个或更多传感器可以包括能够检测来自转子的调制光的光电设备。对于可见光或近红外(NIR)光，可以使用硅光电二极管和合适的放大器/检测器电路。因为环境200可以包含具有与基站214的信号相似的波长的静态和时变信号(光学噪声)，所以在至少一些实施例中，可以以这样的方式来调制基站光，使得容易与任何干扰信号区分和/或容易从传感器过滤除基站信号之外的任何波长的辐射。
内向外追踪也是可用于追踪HMD设备202和/或其它对象(例如，控制器208和210、平板计算机、智能电话)的位置的这类位置追踪。内向外追踪与外向内追踪的不同之处在于用于确定HMD的位置的相机或其它传感器的位置。对于内向外追踪，相机或传感器位于HMD上或被追踪对象上；而在外向外追踪中，相机或传感器被放置在环境中的固定位置。
利用内向外追踪的HMD利用一个或更多相机来“向外看(look out)”以确定其位置如何相对于环境改变。当HMD移动时，传感器重新调整它们在房间中的位置，并且虚拟环境相应地实时响应。这种类型的位置追踪可以用或不用放置在环境中的标记来实现。放置在HMD上的相机观察周围环境的特征。当使用标记器时，标记器被设计成易于被追踪系统检测并且被放置在特定区域中。利用“无标记”的内向外追踪，HMD系统使用最初存在于环境中的独特特征(例如，自然特征)来确定位置和方向。HMD系统的算法识别特定的图像或形状，并使用它们来计算设备在空间中的位置。来自加速度计和陀螺仪的数据也可以用于增加位置追踪的精度。
图3示出当穿戴在用户342的头部上时示例性HMD设备344的主视图的信息300。HMD设备344包括支撑面向前或向前相机346的面向前结构343以及一种或更多种类型的多个传感器348a-348d(统称为348)。作为一个示例，传感器348中的一些或全部(例如光传感器)可以帮助确定设备344在空间中的位置和取向，以检测和使用从一个或更多外部设备(未示出，例如，图2的基站214)发射的光信息。如图所示，向前相机346和传感器348被向前引向其中用户342操作HMD设备344的实际场景或环境(未示出)。实际的物理环境可以包括例如一个或更多对象(例如，墙壁、天花板、家具、楼梯、汽车、树木、追踪标记、或任何其它类型的对象)。传感器348的特定数量可以少于或多于所示的传感器的数量。HMD设备344还可包括未附接到面向前结构(例如，在HMD设备内部)的一个或更多附加组件，例如IMU(惯性测量单元)347、测量并报告HMD设备344的特定力、角速率和/或HMD设备周围的磁场(例如，使用加速计和陀螺仪的组合，以及可选地使用磁力计)的电子设备。HMD设备还可以包括未示出的附加组件，包括一个或更多显示面板和朝向用户的眼睛(未示出)定向的光学透镜系统，并且HMD设备可选地具有一个或更多连接的内部电机以改变一个或更多光学透镜系统和/或显示面板在HMD设备内的对准或其它定位，如下面关于图4更详细地讨论的那样。
所示的HMD设备344的示例至少部分地基于一个或更多绑带345支撑在用户342的头部上，所述绑带345连接到HMD设备344的壳体上并且整体地或部分地围绕用户的头部延伸。虽然这里未示出，但是HMD设备344还可以具有例如连接到一个或更多绑带345的一个或更多外部电机，且自动校正动作可以包括使用这样的电机来调节这样的绑带以便改变HMD设备在用户头部上的对准或其它定位。应当理解，无论是作为所示绑带的补充还是替代，HMD设备可以包括在这里未示出的其它支撑结构(例如鼻装配件、下巴带等)；并且一些实施例可以包括连接在一个或更多这样的其它支撑结构上的电机，以类似地调整它们的形状和/或位置，从而改变HMD设备在用户头部上的对准或其它定位。未固定到用户头部的其它显示设备可以类似地连接到影响显示设备的定位的一个或更多结构或其一部分，并且在至少一些实施例中可以包括电机或其它机械致动器以类似地改变它们的形状和/或位置，从而相对于显示设备的一个或更多用户的一个或更多瞳孔来改变显示设备的对准或其它定位。
图4示出包括一对近眼的显示系统402和404的HMD设备405的简化俯视平面图400。HMD设备405例如可以是与图1至图3中所示的那些相同或类似的HMD设备或者与之不同的HMD设备，并且本文所讨论的HMD设备可以进一步用于下文所讨论的示例中。图4的近眼的显示系统402和404分别包括显示面板406和408(例如，OLED微型显示器、LCD显示器)以及各自具有一个或更多光学透镜的光学透镜系统410和412。显示系统402和404可以安装到壳体(或框架)414上或以其它方式定位在壳体(或框架)414内，该壳体(或框架)414包括面向前部分416(例如，与图3的面向前表面343相同或相似)、左眼镜腿418、右眼镜腿420、以及当用户穿戴HMD设备时接触或靠近作为穿戴者的用户424的面部的内表面421。两个显示系统402和404可以以其中眼镜设备可以穿戴在作为穿戴者的用户424的头部422上的眼镜布置来固定到壳体414上，其中，左眼镜腿418和右眼镜腿420分别搁在用户的耳朵426和428上，而鼻装配件492可以搁在用户的鼻430上。在图4的示例中，HMD设备405可以部分地或全部地由鼻显示器和/或左右耳上的镜腿支撑在用户的头部上，尽管在一些实施例中可以使用绑带(未示出)或其它结构来将HMD设备固定到用户的头部，例如图2和图3中所示的实施例那样。壳体414的形状和尺寸可以被设计成将两个光学透镜系统410和412中的每一个分别定位在用户的眼睛432和434中的一个的前面，使得每个瞳孔494的目标位置在相应的光学透镜系统和/或显示面板的前面竖直地居中和水平地居中。尽管为了说明的目的，以类似于眼镜的简化方式示出壳体414，但是应当理解，实际上可以使用更复杂的结构(例如，护目镜、集成头带、头盔、绑带等)来将显示系统402和404支撑和定位在用户424的头部422上。
图4的HMD设备405以及这里讨论的其它HMD设备能够向用户呈现虚拟现实显像，例如通过以诸如每秒30或60或90帧(或图像)的显示速率呈现的相应视频，而类似系统的其它实施例可以向用户呈现增强现实显像。图4的显示器406和408中的每一个都可以生成光，该光分别通过相应的光学透镜系统410和412透射并聚焦到用户424的眼睛432和434上。每只眼睛的瞳孔494(光通过其进入眼睛)通常具有从非常明亮的条件下的直径2mm(毫米)到黑暗条件下多达8mm的瞳孔尺寸，而包含瞳孔的较大虹膜可以具有大约12mm的尺寸——瞳孔(和封闭的虹膜)通常还可以在水平和/或竖直方向上在开放眼睑下在眼睛的可见部分内移动几毫米，这在眼球绕其中心旋转(形成可供瞳孔在其中移动的三维容积)时，还将使瞳孔针对不同的水平和竖直位置从显示器的光学透镜或其它物理元件移动到不同的深度。进入用户瞳孔的光被用户424视作图像和/或视频。在一些实施例中，光学透镜系统410和412中的每一个与用户的眼睛432和434之间的距离可以相对较短(例如，小于30mm、小于20mm)，这有利地使得HMD设备对用户显得更亮，因为光学透镜系统和显示系统的重量相对接近用户的面部，并且这还可以向用户提供更大的视场。虽然这里未示出，但是这种HMD设备的一些实施例可以包括各种附加的内部和/或外部传感器。
在所示实施例中，图4的HMD设备405还包括硬件传感器和附加组件，例如包括一个或更多加速度计和/或陀螺仪490(例如，作为一个或更多IMU单元的一部分)。如本文别处更详细讨论的那样，来自加速度计和/或陀螺仪的值可用于局部地确定HMD设备的取向。此外，HMD设备405可以包括一个或更多面向前的相机，例如在面向前部分416外部的相机485，并且其信息可以用作HMD设备的操作的一部分，例如用于提供AR功能或定位功能。此外，HMD设备405还可以包括其它组件475(例如，控制显示面板406和408上的图像显示的电子电路、内部存储器、一个或更多电池、与外部基站交互的位置追踪设备等)，如本文别处更详细讨论的那样。其它实施例可以不包括组件475、485和/或490中的一个或更多。虽然这里未示出，但是这种HMD设备的一些实施例可以包括各种附加的内部和/或外部传感器，以便追踪用户身体、眼睛、控制器等的各种其它类型的运动和位置。
在所示的实施例中，图4的HMD设备405还包括硬件传感器和附加组件，它们可以由所公开的实施例用作用于确定用户瞳孔或凝视方向的所述技术的一部分，所述用户瞳孔或凝视方向可以被提供给与HMD设备相关联的一个或更多组件以供使用，如本文别处所讨论的那样。该示例中的硬件传感器包括眼睛追踪子系统的一个或更多眼睛追踪装配件472，其安装在显示面板406和408上或附近和/或位于光学透镜系统410和412附近的内表面421上以用于获取关于用户瞳孔494的实际位置的信息，例如在该示例中分别用于每个瞳孔。
每个眼睛追踪装配件472可以包括一个或更多光源(例如，IRLED)和一个或更多光检测器(例如，硅光电二极管)。此外，尽管为了清楚起见在图4中仅示出总共四个眼睛追踪装配件472，但是应当理解，实际上可以提供不同数量的眼睛追踪装配件。在一些实施例中，提供总共八个眼睛追踪装配件472，其中针对用户424的每个眼睛提供四个眼睛追踪装配件。此外，在至少一些实施例中，每个眼睛追踪装配件包括指向用户424的眼睛432和434中的一个的光源，被定位成接收由用户的相应眼睛反射的光的光检测器，以及被定位和配置成防止经由镜面反射而反射的光被施加到光检测器上的偏振器。
如本文别处更详细讨论的那样，来自眼睛追踪装配件472的信息可以用于在HMD设备405的使用期间确定和追踪用户的凝视方向。此外，在至少一些实施例中，HMD设备405可包括一个或更多内部电机438(或其它移动机构)，其可用于移动(439)一个或更多光学透镜系统410和412和/或显示面板406和408在HMD设备405的壳体内的对准和/或其它定位(例如，在竖直、水平左右和/或水平前后方向)，例如以便个性化或以其它方式调整近眼显示系统402和404中的一个或两个的目标瞳孔位置，从而对应于瞳孔494中的一个或两个的实际位置。这种电机438可以通过例如用户操纵壳体414上的一个或更多控制件437和/或通过用户操纵一个或更多相关的单独I/O控制件(未示出)来控制。在其它实施例中，HMD设备405可以控制光学透镜系统410和412和/或显示面板406和408的对准和/或其它定位，而不需要这样的电机438，例如通过使用可由用户通过使用控制件437手动改变的可调节定位机构(例如，螺钉、滑块、棘轮等)。此外，虽然在图4中仅针对近眼显示系统中的一个示出电机438，但是在一些实施例中，每个近眼显示系统可以具有其自己的一个或更多电机，并且在一些实施例中，可以使用一个或更多电机来控制(例如，独立地)多个近眼显示系统中的每一个。
虽然所描述的技术可以在一些实施例中与类似于所示的显示系统一起使用，但是在其它实施例中也可以使用其它类型的显示系统，包括与单个光学透镜和显示设备一起使用，或者与多个这样的光学透镜和显示设备一起使用。其它这样的设备的非排他性示例包括相机、望远镜、显微镜、双目镜、点样镜、测量范围等。此外，所描述的技术可以与发射光以形成图像的各种显示面板或其它显示设备一起使用，如本文别处所讨论的那样，其中一个或更多用户通过一个或更多光学透镜观看所述图像。在其它实施例中，用户可以通过一个或更多光学透镜例如在部分或全部反射来自另一光源(例如激光扫描光束)的光的表面上观看以排除通过显示面板在外的方式生成的一个或更多图像。
示例性显示系统
图5是头戴式显示系统500的剖视侧视图，该头戴式显示系统500包括显示系统502和由支撑结构506支撑的光学系统504，所述支撑结构506例如是壳体、头盔、护目镜、眼镜或其它头饰。当用户沿图5中箭头512所示的Z轴方向观看系统时，支撑结构506将显示系统502和光学系统504支撑在用户眼睛(例如眼睛510)的前面。控制电路514可以可选地联接到光学系统504或显示系统502的一个或更多组件，如本文别处所讨论的那样。作为示例，显示系统502和光学系统504可以与上面参考图4讨论的显示系统和光学系统相似或相同。显示系统502和光学系统504可用于向用户510显示图像。如下面进一步讨论的，光学系统504可以利用反射折射或“薄饼式”光学器件从显示系统502向用户的眼睛510提供图像。头戴式显示系统400的组件的间隔和尺寸可以与所示的不同。作为示例，示出为彼此间隔开的组件可以以不同的顺序彼此相邻地定位，诸如此类。
显示系统502包括图像源，例如像素阵列516。像素阵列516可以包括发射光的二维像素阵列。作为非限制性示例，像素阵列516可包括液晶显示器(LCD)、硅上液晶(LCoS)显示器、有机发光二极管(OLED)显示器等。
线性偏振器518可以位于像素阵列516的前面，以提供来自像素阵列516的偏振光。在至少一些实施例中，像素阵列516可以通过设计生成线性偏振光，从而可以省略线性偏振器518。作为示例，线性偏振器518可以具有与图5所示的X轴对准的透射轴或通过轴。
光学系统504可以包括位于线性偏振器518前面的空间变化偏振器520。如下面进一步讨论的，空间变化偏振器520可以跨越其光学窗提供可变延迟，这使得空间变化偏振器能够为光学系统502的线栅偏振器522提供偏振补偿，这使得线栅偏振器的波长和入射角上的变化最小化。空间变化偏振器520可以包括由双折射材料形成的波延迟器，例如多扭曲延迟器。双折射是这样的材料性质，其所具有的折射率取决于光的偏振和传播方向。波延迟器改变传播通过波延迟器的光的偏振状态或相位。波延迟器可以具有慢轴(或非寻常轴)和快轴(寻常轴)。当偏振光行进通过波延迟器时，沿着快轴的光比沿着慢轴的光行进更快。
空间变化偏振器520可以对准，使得其快轴与线性偏振器518的透射轴成45度地对准。空间变化偏振器520可以安装在线性偏振器518的前面，并且可选地连接到其上。
光学系统504还包括透镜元件，该透镜元件包括透镜部分524和部分反射镜或表面526。透镜部分524和部分反射镜526可以形成为单个组件或多个组件。光学系统504还包括位于透镜部分524和线栅偏振器522之间的四分之一波片528。
尽管为了说明的目的示出为平面的，但是透镜部分524或显示系统502或光学系统504的其它组件可以是非平面的(例如，平凸、平凹等)。此外，光学系统504可以包括另外的或更少的光学结构，例如折射或衍射透镜、部分反射涂层、波片、反射偏振器、线性偏振器、抗反射涂层、另外的空间变化偏振器，或者允许来自显示系统502的光线以期望的光功率聚焦在用户的眼睛510上的其它光学结构。
现在参考图5中所示的光线530-544(箭头)来描述光如何穿过头戴式显示系统500的显示系统502和光学系统504的非限制性示例。图像光线530可以射出像素阵列516并通过线性偏振器518，在线性偏振器518中，图像光线530与线性偏振器518的透射轴对准地变成线性偏振的。在所示的示例中，线性偏振器518的透射轴可以与图5所示的X轴对准。
在通过线性偏振器518之后，光线530通过空间变化偏振器520并变成圆偏振的。在本文别处提供了对空间变化偏振器520的操作的附加讨论。
来自空间变化偏振器520的圆偏振的光线530撞击部分反射镜526，并且一部分光线穿过部分反射镜成为光线532。光线532通过透镜元件的透镜部分524的形状或特性被折射或衍射(部分聚焦)。
光线532是圆偏振的。四分之一波片528将光线532转换为线性偏振的光线534，其中线性偏振与图5的Y轴对准。
线栅偏振器522可以位于四分之一波片528附近或邻近它定位。线栅偏振器522可以具有正交的反射和透射(或通过)轴。平行于线栅偏振器522的反射轴偏振的光被线栅偏振器反射，并且平行于透射轴偏振的光通过线栅偏振器522。在所示的示例中，线栅偏振器522可以具有与Y轴对准的反射轴，因此光线534从线栅偏振器反射为反射光线536。
反射光线536具有与图5所示的Y轴对准的线性偏振。在通过四分之一波片528之后，反射光线536变成圆偏振光线538。圆偏振光线538穿过透镜部分524，一部分光线538被部分反射镜526反射为反射光线540。光线538的、被部分反射镜526透射为透射光线542的部分被空间变化偏振器520从圆偏振光转换为线偏振光。线性偏振光具有与图5所示的Y轴对准的偏振，使得光线542被线性偏振器518吸收。
如上所述，反射光线540是圆偏振的。在返回通过透镜部分524和四分之一波片528之后，光线540被线偏振为光线544，光线544的偏振与X轴对准，该X轴平行于线栅偏振器522的透射轴。因此，光线544穿过线栅偏振器522以向用户的眼睛510提供可视图像。
如上所述，空间变化偏振器520可以提供相位延迟，该相位延迟在视场(例如，轴上到离轴)上作为位置(例如，水平位置、竖直位置、径向位置)的函数而变化，该相位延迟为对波长和入射角敏感的线栅偏振器522提供偏振补偿。空间变化偏振器520的延迟变化的具体方式可以取决于线栅偏振器520或其它组件的具体结构和材料，例如入射光的偏振状态、入射角、材料、各种组件的几何形状等。
图6示出空间变化偏振器520的非限制性示例性平面图600，示出了其延迟图案。在该示例中，空间变化偏振器520被配置为在光学窗的中心602处提供圆波或四分之一波(λ/4)的延迟，并且该延迟朝向周边604逐渐(例如，线性地、非线性地)减小，其中空间变化偏振器提供椭圆波或八分之一波(λ/8)的延迟。通常，空间变化偏振器520可以提供作为位置的函数以任何方式变化的延迟，并且延迟量可以是用于为线栅偏振器520提供偏振补偿的任何值(例如，λ/20、λ/10、λ/8、λ/4、λ、2λ)。此外，延迟量可以仅在一个或更多方向上增加，仅在一个或更多方向上减少，或者同时增加和减少。延迟量可以连续地或逐渐地变化，或可以在多个步骤(例如，两个步骤、10个步骤)中变化。延迟量可以根据任何类型的函数而变化，包括例如线性函数、多项式函数、指数函数、阶跃函数、其它类型的函数或其组合。
如上所述，在至少一些实施例中，空间变化偏振器520可以由多扭曲延迟器(MTR)形成，MTR是在单个薄膜中提供精确和定制水平的宽带、窄带或多频带延迟的波片状延迟膜。更具体地，MTR包括在单个衬底上的两个或更多扭曲的液晶(LC)层，并且具有单个取向层。随后的LC层通过现有的层直接对准，从而允许简单的制造，实现自动的层对准，并生成具有连续变化的光轴的单片膜。
在至少一些实施例中，控制器514可操作地联接到空间变化偏振器520，以选择性地将空间变化偏振器的空间相关相位延迟改变为任何期望的配置。换句话说，空间变化偏振器520可以选择性地切换。在这种实施例中，可以提供一个或更多薄膜晶体管层，其允许控制器514以任何期望的方式选择性地控制空间变化偏振器520的空间相关相位延迟。控制器514可以以任何期望的速率控制相位延迟，例如仅一次、周期性地、以等于显示系统502的帧速率或其一部分的速率等。
在至少一些实施例中，可以切换四分之一波片528和空间变化偏振器520的位置。在至少一些实施例中，四分之一波片528可以用与空间变化偏振器520类似或相同的空间变化偏振器代替，使得光学系统504包括两个(或更多)空间变化偏振器。
通过利用在此讨论的空间变化偏振器，光学设计者具有显著更大的自由度来生成具有改进的性能和效率的光学系统，这允许显示系统提供更好的观看体验、更小的成本，在尺寸或重量上更小，消耗更少的功率，并且提供对于本领域技术人员将是显而易见的其它优点。
上述各种实施例可被组合以提供进一步的实施例。根据以上详细描述，可以对实施例进行这些和其它改变。通常，在所附的权利要求书中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制为在说明书和权利要求书中所公开的特定实施例，而应被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求所赋予的等同物的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。

Claims (20)

1.头戴式显示系统，包括：
显示子系统，操作成生成包括线偏振光的图像；以及
光学系统，包括：
透镜元件，从所述显示子系统接收光，所述透镜元件包括部分反射表面；
线栅偏振器，从所述透镜元件接收光；
四分之一波片，位于所述透镜元件和所述线栅偏振器之间；以及
空间变化偏振器，位于所述显示子系统和所述透镜元件之间，所述空间变化偏振器具有在所述空间变化偏振器的光学窗上变化的延迟以补偿入射到所述线栅偏振器上的离轴光。
2.如权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述空间变化偏振器包括多扭曲延迟器。
3.如权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述空间变化偏振器在所述光学窗的中心处提供四分之一波延迟，并朝向所述光学窗的周边逐渐减小所述延迟。
4.如权利要求3所述的头戴式显示系统，其中，所述空间变化偏振器在所述窗的周边处提供八分之一波延迟。
5.如权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述空间变化偏振器在所述光学窗的中心处提供第一延迟，并且在所述光学窗的周边处提供第二延迟，其中所述第二延迟小于所述第一延迟。
6.如权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述空间变化偏振器的延迟在所述光学窗上线性地或非线性地变化。
7.如权利要求1所述的头戴式显示系统，还包括：
控制电路，能够操作地联接到所述空间变化偏振器，所述控制电路操作成选择性地调整由所述空间变化偏振器提供的所述延迟。
8.头戴式显示系统，包括：
显示子系统，操作成生成包括线偏振光的图像；以及
光学系统，包括：
四分之一波片，接收来自所述显示子系统的光；
透镜元件，接收来自所述四分之一波片的光，所述透镜元件包括部分反射表面；
线栅偏振器，接收来自所述透镜元件的光；以及
空间变化偏振器，位于所述透镜元件和所述线栅偏振器之间，所述空间变化偏振器具有在所述空间变化偏振器的光学窗上变化的延迟以补偿入射到所述线栅偏振器上的离轴光。
9.如权利要求8所述的头戴式显示系统，其中，所述空间变化偏振器包括多扭曲延迟器。
10.如权利要求8所述的头戴式显示系统，其中，所述空间变化偏振器在所述光学窗的中心处提供四分之一波延迟，并朝向所述光学窗的周边逐渐减小所述延迟。
11.如权利要求10所述的头戴式显示系统，其中，所述空间变化偏振器在所述窗的周边处提供八分之一波延迟。
12.如权利要求8所述的头戴式显示系统，其中，所述空间变化偏振器在所述光学窗的中心处提供第一延迟，并且在所述光学窗的周边处提供第二延迟，其中所述第二延迟小于所述第一延迟。
13.如权利要求8所述的头戴式显示系统，其中，所述空间变化偏振器的延迟在所述光学窗上线性地或非线性地变化。
14.如权利要求8所述的头戴式显示系统，还包括：
控制电路，能够操作地联接到所述空间变化偏振器，所述控制电路操作成选择性地调整由所述空间变化偏振器提供的所述延迟。
15.头戴式显示系统，包括：
第一近眼显示系统和第二近眼显示系统，所述第一近眼显示系统和所述第二近眼显示系统中的每一个包括：
显示子系统，操作成生成包括线偏振光的图像；以及
光学子系统，包括：
透镜元件，接收来自所述显示子系统的光，所述透镜元件包括部分反射表面；
线栅偏振器，接收来自所述透镜元件的光；
四分之一波片，位于所述透镜元件和所述线栅偏振器之间；以及
空间变化偏振器，位于所述显示子系统和所述透镜元件之间，所述空间变化偏振器具有在所述空间变化偏振器的光学窗上变化的延迟以补偿入射到所述线栅偏振器上的离轴光。
16.如权利要求15所述的头戴式显示系统，其中，所述空间变化偏振器包括多扭曲延迟器。
17.如权利要求15所述的头戴式显示系统，其中，所述空间变化偏振器在所述光学窗的中心处提供四分之一波延迟，并且朝向所述光学窗的周边逐渐减小所述延迟。
18.如权利要求17所述的头戴式显示系统，其中，所述空间变化偏振器在所述窗的周边处提供八分之一波延迟。
19.如权利要求15所述的头戴式显示系统，其中，所述空间变化偏振器在所述光学窗的中心处提供第一延迟，并且在所述光学窗的周边处提供第二延迟。
20.如权利要求15所述的头戴式显示系统，其中，所述空间变化偏振器的延迟在所述光学窗上线性地或非线性地变化。
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