CN114902113A - 用于头戴式显示系统的偏振复用光学器件 - Google Patents

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Abstract

本发明大体上涉及用于改善显示系统(例如激光扫描光束显示系统或HMD系统或其它装置的其它类型的显示系统(例如，微显示器))的性能和效率的技术。本公开的显示系统可以使用允许经改进的衍射光学器件优化的偏振多路复用。在至少一些实施方式中，显示系统可以根据波长(例如，颜色)或视场来选择性地偏振光。一种光学组合器可以包括偏振敏感衍射光学元件，偏振敏感衍射光学元件中的每一者针对颜色子集或整个视场的部分而被优化，从而为显示系统提供改进的校正光学器件。

Description

用于头戴式显示系统的偏振复用光学器件
技术领域
本发明总体涉及显示系统，且更具体地，涉及改进显示系统的效率和性能。
背景技术
当前一代虚拟现实(“VR”)体验是使用可被拴到固定计算机(例如个人计算机(“PC”)、膝上型计算机或游戏控制台)的、与智能电话和/或其相关联的显示器组合和/或集成或自包含的头戴式显示器(“HMD”)创建的。通常，HMD是佩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技术或激光扫描光束显示器。双目HMD具有向每只眼睛显示不同图像的潜力。这种能力被用于显示立体图像。
随着智能电话、高清晰度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的系统的日益普及，已经进一步增加了这种需求。虚拟现实系统通常完全包围佩戴者的眼睛，并用“虚拟”现实代替佩戴者前方的实际或物理视图(或实际现实)，而增强现实系统通常提供佩戴者眼睛前方的一个或多个屏幕的半透明或透明覆盖，使得实际视图用附加信息增强，并且媒介化现实系统可以类似地将现实世界元素与虚拟元素相结合的信息呈现给观看者。
对于增强现实应用，可以提供将虚拟图像和现实世界进行组合并同时传递给用户的眼睛的透视光学组合器。一旦用于光组合器的这种技术使用了高效率的衍射光学器件，就能够容易地制造，并有其它优点。然而，设计在整个视场上和/或在多个波长上提供高水平校正的衍射光学组合器可能是一个重大的挑战。
发明内容
头戴式显示系统可以概括为包括：支撑结构；以及连接到支撑结构的显示系统。显示系统包括：显示光源；选择性偏振光学器件，用于接收来自显示光源的光，并且输出处于第一偏振状态的第一颜色的光和处于第二偏振状态的第二颜色的光，第二偏振状态与第一偏振状态正交；以及光组合器，其被定位成接收来自选择性偏振光学器件的光并向观察者的眼睛提供图像。光组合器包括：第一偏振敏感衍射光学元件(PSDOE)，第一偏振敏感衍射光学元件包括第一衍射图案，第一衍射图案衍射第一偏振状态的光并通过第二偏振状态的光而不衍射，第一衍射图案为第一颜色提供经优化的校正；以及第二PSDOE，其包括第二衍射图案，第二衍射图案衍射第二偏振状态的光并且使第一偏振状态的光通过而不衍射，第二衍射图案为第二颜色提供经优化的校正。选择性偏振光学器件、第一PSDOE和第二PSDOE中的每一者可以包括多扭曲延迟器。选择性偏振光学器件、第一PSDOE和第二PSDOE中的至少一者可以包括多扭曲延迟器。选择性偏振光学器件、第一PSDOE和第二PSDOE中的至少一者可以包括液晶材料。选择性偏振光学器件可以用于输出处于第二偏振状态的第三颜色的光，并且第二衍射图案可以为第二颜色和第三颜色提供经优化的校正。第一颜色可以是红色，第二颜色和第三颜色可以分别是绿色和蓝色。第一颜色可以是红色，第二颜色可以是绿色或蓝色。光组合器可以包括入连接器和出连接器。支撑结构可以包括眼镜镜片。显示光源可以包括激光扫描光束系统或微型显示器。
头戴式显示系统可以概括为包括：支撑结构；以及连接到支撑结构的显示系统。显示系统包括：显示光源；选择性偏振光学器件，用于接收来自具有总视场的显示光源的光，并且输出第一偏振状态的总视场的第一视场部分的光和第二偏振状态的总视场的第二视场部分的光，第二偏振状态与第一偏振状态正交；以及光组合器，其被定位成接收来自选择性偏振光学器件的光并向观察者的眼睛提供图像。光组合器包括：第一偏振敏感衍射光学元件(PSDOE)，第一偏振敏感衍射光学元件包括第一衍射图案，第一衍射图案衍射第一偏振状态的光并通过第二偏振状态的光而不衍射，第一衍射图案为第一视场部分提供经优化的校正；以及第二PSDOE，其包括第二衍射图案，第二衍射图案衍射第二偏振状态的光并且使第一偏振状态的光通过而不衍射，第二衍射图案为第二视场部分提供经优化的校正。第一视场部分可以包括0度到M度的角度范围，并且第二视场部分可以包括M度到N度的角度范围，其中N是HMD系统的视场的角度范围，并且M小于N。第一视场部分和第二视场部分可以组合以形成总视场。第一视场部分可以被第二视场部分包围。第一视场部分可以包括总视场的第一半，第二视场部分可以包括总视场的第二半。第一视场部分和第二视场部分可以至少部分地彼此重叠。选择性偏振光学器件、第一PSDOE和第二PSDOE中的每一者可以包括多扭曲延迟器。选择性偏振光学器件、第一PSDOE和第二PSDOE中的至少一者可以包括多扭曲延迟器。选择性偏振光学器件、第一PSDOE和第二PSDOE中的至少一者可以包括液晶材料。光组合器可以包括入连接器和出连接器。支撑结构可以包括眼镜镜片。显示光源可以包括激光扫描光束系统或微型显示器。
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，各种元件的形状和角度不必按比例绘制，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多个系统的网络化环境的示意图。
图2是示出示例环境的图，在该示例环境中，至少一些所描述的技术与示例头戴式显示设备一起使用，该头戴式显示设备被拴到视频呈现计算系统并且向用户提供虚拟现实显示。
图3是具有双目显示子系统的示例HMD设备的前视图。
图4示出了根据本公开的示例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出的实施方式的包括空间变化偏振器的显示系统的示意性框图。
图6是根据一个非限制性示出的实施方式的扫描光束显示系统的示意图。
图7是根据一个非限制性的实施方式的包括空间变化偏振器的扫描光束显示系统的示意图，偏振器基于用户确定的或推断的凝视位置被选择性地调整。
图8是根据一个非限制性示出的实施方式的包括基于波导的光学系统和空间变化偏振器的显示系统的示意图。
图9是根据一个非限制性示出的实施方式的包括基于波导的光学系统的显示系统的示意图，该光学系统使用波长上的偏振多路复用。
图10是根据一个非限制性示出的实施方式的包括基于波导的光学系统的显示系统的示意图，该光学系统使用视场上的偏振多路复用。
图11A是HMD系统的总视场的示意图，该HMD系统包括由第二视场部分围绕的第一视场部分，其中HMD系统的光组合器包括针对第一视场部分优化的第一偏振敏感衍射光学元件和针对第二视场部分优化的第二偏振敏感衍射光学元件。
图11B是HMD系统的总视场的示意图，该HMD系统包括邻近第二视场部分定位的第一视场部分，其中HMD系统的光组合器包括针对第一视场部分优化的第一偏振敏感衍射光学元件和针对第二视场部分优化的第二偏振敏感衍射光学元件。
具体实施方式
在以下描述中，阐述某些特定细节以提供对各种所揭示实施方案的透彻理解。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多个的情况下，或者使用其它方法、组件、材料等来实践实施方式。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，以避免不必要地模糊对实施方式的描述。
除非上下文另有要求，否则在整个说明书和随后的权利要求书中，词语“包括”与“包含”同义，并且是包含性的或开放式的(即，不排除其他未列举的元件或方法动作)。
贯穿本说明书提及“一个实施方式”或“一种实施方式”意味着结合该实施方式描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施方式中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施方式中”或“在一种实施方式中”不一定都指相同的实施方式。此外，可以在一个或多个实施方式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”、“一种”和“所述”包括复数指示物，除非上下文另外明确规定。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，而不解释实施方式的范围或含义。
本发明大体上涉及用于改善显示系统(例如激光扫描光束显示系统或其它类型的显示系统(例如微显示器))的性能和效率的技术。对于许多类型的光学器件，例如在增强现实(AR)系统中使用的衍射光学器件，可能难以在整个视场上或在宽范围的波长(例如，红、绿、蓝)上提供校正。本公开的显示系统可以使用允许衍射光学器件的更好优化的偏振多路复用。在至少一些实施方式中，显示系统可以根据波长或视场使光偏振。光学组合器可以包括多个偏振敏感衍射光学元件，每个偏振敏感衍射光学元件针对颜色子集或整个视场的部分进行优化，从而为显示系统提供改进的校正光学器件。
首先，参考图1-4讨论用于这里描述的技术的示例头戴式显示设备应用。然后，参考图5-11，讨论包括本公开的特征的显示系统的示例实施方式。
示例头戴式显示系统和环境
图1是包括本地媒体呈现(LMR)系统110(例如，游戏系统)的网络化环境100的示意图，本地媒体呈现(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)，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(其可以是有线的或拴绳的，例如经由如图2所示的一个或多个电缆(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，不管是与HMD装置180一起还是替代HMD装置180，本地计算系统120可提供经编码的图像数据以供经由有线或无线链路显示到面板显示装置(例如，TV、控制台或监视器)，并且每个显示装置均包括一个或一个以上可寻址像素阵列。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、视频流处理装置、移动计算设备(例如，蜂窝电话、PDA或其它移动设备)、VR或AR处理装置、或其它计算系统。
在所示实施例中，本地计算系统120具有包括一个或多个硬件处理器(例如，集中式处理单元或“CPU”)125、存储器130、各种I/O(“输入/输出”)硬件组件127(例如，键盘、鼠标、一个或多个游戏控制器、扬声器、麦克风、IR发射器和/或接收器等)的组件，包括一个或多个专用硬件处理器(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、计算机可读存储器150和网络连接160。同样在所示实施例中，眼睛跟踪子系统135的实施例在存储器130中运行以便执行至少一些所描述的技术，
例如通过使用CPU 125和/或GPU 144来执行用于实现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多个其它程序133(例如，以生成要显示的视频或其它图像，例如游戏程序)。作为实现这里描述的至少一些技术的自动操作的一部分，在存储器130中运行的眼睛跟踪子系统135和/或程序133可以存储或检索在存储器150的示例数据库数据结构中包括的各种类型的数据，在该示例中，所使用的数据可以包括数据库(“DB”)154中的各种类型的图像数据信息、DB 152中的各种类型的应用数据、DB 157中的各种类型的配置数据，并且可包括额外信息，例如系统数据或其它信息。
在所描述的实施例中，LMR系统110还经由一个或多个计算机网络101和网络链路102可通信地连接到示例网络可访问媒体内容提供商190，该媒体内容提供商190可以进一步向LMR系统110提供内容以供显示，而不考虑是与图像生成程序133一起还是代替图像生成程序133。媒体内容提供商190可以包括一个或多个计算系统(未示出)，每个计算系统可以具有与本地计算系统120的组件类似的组件，包括一个或多个硬件处理器、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商示出一些细节。
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不同和分离，但是在某些实施例中，本地媒体呈现系统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多个系统总线和/或视频总线架构。
作为涉及由本地媒体呈现系统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包括通过使用存储器130的CPU 125执行的一个或多个游戏应用，并且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。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”)，并通过有线或无线传输链路115将其提供给显示设备180。
还将了解，计算系统120和显示装置180仅是说明性的且不旨在限制本发明的范围。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多个网络、经由Web、或经由专用网络(例如，移动通信网络等)来连接。更一般地，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他消费产品。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多个显示面板的一个或多个设备，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条目示出为存储在存储器中或存储在存储器上，但是出于存储器管理或数据完整性的目的，这些条目或其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多个处理器或其它配置的硬件电路或存储器或存储器的硬件来执行，例如当由一个或多个软件程序和/或数据结构来配置时(例如，通过执行一个或多个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)。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上，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、或要由适当驱动器(例如，RAM)或通过适当的连接来读取的便携式媒体制品(例如，DVD盘、CD盘、光盘等)。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，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，本发明可以用其它计算机系统配置来实施方式。
图2示出了示例环境200，其中至少一些所述技术与示例HMD设备202一起使用，所述HMD设备202经由拴绳连接220(或其它实施例中的无线连接)连接到视频呈现计算系统204以向人类用户206提供虚拟现实显示。用户佩戴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显示信息，其中计算系统充当图像呈现系统，其将模拟环境的图像提供给HMD设备以显示给用户，例如由游戏程序和/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的经跟踪容积201内移动，并且还可以具有一个或多个I/O(“输入/输出”)设备，以允许用户进一步与模拟环境交互，在该示例中，模拟环境包括手持控制器208和210。
在所示示例中，环境200可以包括一个或多个基站214(示出了两个，标记为基站214a和214b)，其可以帮助跟踪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的方位时，HMD设备的位置被跟踪，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跟踪控制器的位置(并且可选地使用该信息来帮助确定或验证HMD设备的位置)。在已知HMD设备202的跟踪位置之后，经由拴绳220或无线地将相应的信息发送到计算系统204，其使用所跟踪的位置信息来生成所模拟的环境的一个或多个下一个图像以显示给用户。
可以在本公开的各种实施方式中使用多种不同的位置跟踪方法，包括但不限于声跟踪、惯性跟踪、磁跟踪、光学跟踪及其组合等。
在至少一些实施方式中，HMD设备202可以包括一个或多个光接收器或传感器，其可以用于实施方式本公开的跟踪功能或其它方面。例如，基站214可以各自扫过经跟踪容积201上的光信号。根据每个特定实施方式的要求，每个基站214可以生成多于一个的光信号。例如，虽然单个基站214通常足以进行六自由度跟踪，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设备和外围设备提供稳健的房间规模跟踪。在这个例子中，光接收器被结合到HMD设备202和/或其它被跟踪的对象中，例如控制器208和210。在至少一些实施方式中，光接收器可以与每个被跟踪设备上的加速度计和陀螺仪惯性测量单元(“IMU”)配对，以支持低等待时间传感器融合。
在至少一些实施方式中，每个基站214包括两个转子，其在正交轴上跨越经跟踪容积201而扫描线性波束。在每个扫描周期的开始，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跟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经扫描容积中的唯一角位置。传感器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。
位于被跟踪物体(例如，HMD装置202、控制器208和210)上的一个或多个传感器可以包括能够检测来自转子的调制光的光电子装置。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信号的信号相似波长的静态和时变信号(光噪声)，所以在至少一些实施方式中，可以以这样的方式来调制基站光，使得容易地与任何干扰信号区分，和/或对传感器过滤除基站信号之外的任何波长的辐射。
内外跟踪也是可用于跟踪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)的位置的一类位置跟踪。内外跟踪与外内跟踪的不同之处在于用于确定HMD的位置的摄像机或其它传感器的位置。对于内外跟踪，摄像机或传感器位于HMD上，或被跟踪的物体上，而在外外跟踪中，摄像机或传感器被放置在环境中的固定位置。
使用内外跟踪的HMD使用一个或多个摄像机来“向外看”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。这种类型的位置跟踪可以用或不用放置在环境中的标记来实现。放置在HMD上的摄像机观察周围环境的特征。当使用标记时，标记被设计成易于被跟踪系统检测并且被放置在特定区域中。使用“无标记”的内外跟踪，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跟踪的精度。
图3示出了当佩戴在用户342的头部上时示例HMD装置344的前视图的信息300。HMD装置344包括支撑面向前或向前摄像机346的面向前结构343和一种或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中的一些或全部可以帮助确定设备344在空间中的位置和取向，例如光传感器，以检测和使用从一个或多个外部设备(未示出，例如，图2的基站214)发射的光信息。如图所示，向前摄像机346和传感器348被向前引向用户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，一个或多个对象(例如，墙壁、天花板、家具、楼梯、汽车、树木、跟踪标记、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装置344可进一步包括一个或一个以上未附接到面向前结构(例如，在HMD装置内部)的额外组件，例如IMU(惯性测量单元)347电子装置，其测量并报告HMD装置344的特定力、角速率和/或HMD装置周围的磁场(例如，使用加速计和陀螺仪的组合，以及任选地，磁力计)。HMD设备还可以包括未示出的附加部件，包括一个或多个显示面板和光学透镜系统，光学透镜系统朝向用户的眼睛(未示出)定向，并且可选地具有一个或多个连接的内部电动机，以改变一个或多个光学透镜系统和/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。
所示的HMD装置344的示例至少部分地基于一个或多个绑带345支撑在用户342的头部上，所述绑带345连接到HMD装置344的外壳上并且围绕用户的头部全部或部分地延伸。虽然这里未示出，但是HMD装置344还可以具有一个或多个外部电动机，例如连接到一个或多个绑带345，并且自动校正动作可以包括使用该电动机来调节该绑带，以便修改HMD装置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装置可以包括在此未示出的其它支撑结构(例如鼻件、下巴绑带等)，并且一些实施例可以包括连接在一个或多个此类其它支撑结构上的电动机，以类似地调整它们的形状和/或位置，从而修改HMD装置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多个结构或其一部分，并且在至少一些实施例中可以包括电动机或其它机械致动器，以类似地修改它们的形状和/或位置，从而相对于显示设备的一个或多个用户的一个或多个瞳孔来修改显示设备的对准或其它定位。
图4示出了包括一对近眼显示系统402和404的HMD设备405的简化俯视平面图400。HMD器件405例如可以是图1-3中所示的相同或类似的HMD器件或不同的HMD器件，并且本文所讨论的HMD器件可以进一步用于下文所讨论的示例中。图4的近眼显示系统402和404分别包括显示面板406和408(例如，OLED微显示器)，以及各自具有一个或多个光学透镜的光学透镜系统410和412。显示系统402和404可以安装到外壳(或框架)414上或以其它方式定位在外壳(或框架)414内，外壳(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和内表面421，当用户佩戴HMD装置时，内表面421接触佩戴者用户424的面部或靠近佩戴者用户424的面部。两个显示系统402和404可以置于眼镜装置中固定到外壳414上，该眼镜装置可以佩戴在佩戴者用户424的头部422上，左眼镜腿418和右眼镜腿420分别搁在用户的耳朵426和428上，而鼻件492可以搁在用户的鼻430上。在图4的示例中，HMD装置405可以部分地或全部地由鼻显示器和/或左右耳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装置固定到用户的头部，例如图2和3中所示的实施例。外壳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/或显示面板的前面垂直和水平地居中。尽管为了说明的目的，以类似于眼镜的简化方式示出了外壳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示，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示。图4的显示器406和408中的每一个都可以产生光，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。光通过其进入眼睛的、每只眼睛的瞳孔494通常具有从非常明亮条件下直径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/或垂直方向上在开放眼睑下在眼睛的可见部分内移动几毫米。当眼球绕其中心旋转时(导致瞳孔可在其中移动的三维容积)，对于不同的水平和垂直位置，该方向也将使瞳孔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。在一些实施方式中，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装置405还包括硬件传感器和附加部件，例如包括一个或多个加速度计和/或陀螺仪490(例如，作为一个或多个IMU单元的一部分)。如本文别处更详细讨论的，来自加速度计和/或陀螺仪的值可用于局部地确定HMD装置的取向。此外，HMD设备405可以包括一个或多个面向前摄像机，例如在前部416外部的摄像机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、一个或多个电池、与外部基站交互的位置跟踪设备等)，如本文别处更详细讨论的。其它实施例可以不包括部件475、485和/或490中的一个或多个。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，以便跟踪用户身体、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部件，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技术的一部分，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多个部件以供使用，如本文别处所讨论的。该示例中的硬件传感器包括眼睛跟踪子系统的一个或多个眼睛跟踪组件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，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。
每个眼睛跟踪组件472可以包括一个或多个光源(例如，IR LED)和一个或多个光检测器(例如，硅光电二极管)。此外，尽管为了清楚起见在图4中仅示出了四个全眼睛跟踪组件472，但是应当理解，实际上可以提供不同数量的眼睛跟踪组件。在一些实施例中，提供总共八个眼睛跟踪组件472，用户424的每个眼睛四个眼睛跟踪组件。此外，在至少一些实施方式中，每个眼睛跟踪组件包括指向用户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所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，来自眼睛跟踪组件472的信息可以用于在HMD设备405的使用期间确定和跟踪用户的凝视方向。此外，在至少一些实施例中，HMD装置405可包括一个或多个内部电动机438(或其它移动机构)，其可用于移动439一个或多个光学透镜系统410和412和/或显示面板406和408在HMD装置405的外壳内的对准和/或其它定位(例如，在垂直、水平左右和/或水平前后方向)，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，以对应于瞳孔494中的一个或两个的实际位置。这种电动机438可以通过例如用户操纵外壳414上的一个或多个控制器437和/或通过用户操纵一个或多个相关的单独I/O控制器(未示出)来控制。在其它实施例中，HMD装置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，而不需要这样的电动机438，例如通过使用可调节的定位机构(例如，螺钉、滑块、棘轮等)，该可调节的定位机构由用户通过使用控制器437手动改变。此外，虽然在图4中仅针对近眼显示系统中的一个示出了电动机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多个电动机，并且在一些实施例中，可以使用一个或多个电动机来控制(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。其它这样的装置的非排他性实例包括摄像机、望远镜、显微镜、双目镜、观测镜、测量镜等。此外，所描述的技术可以与发射光以形成一个或多个用户通过一个或多个光学透镜观看的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。在其它实施例中，用户可以通过一个或多个光学透镜观看一个或多个图像，该一个或多个光学透镜以不同于通过显示面板的方式产生，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。
示例显示系统
图5是根据一个非限制性示出的实施方式的显示系统500的示意性框图。显示系统500可以是头戴式显示系统的显示系统，例如上述头戴式显示系统，或任何其它类型的显示系统(例如，可佩戴或不可佩戴的显示系统)。显示系统500可以包括扫描光束显示系统或另一种类型的显示系统(例如，微显示器)。在至少一些实施方式中，显示系统500可以是在诸如头戴式显示设备的设备中提供的两个基本相同的显示系统中的一个。
显示系统500包括光学连接到瞳孔中继系统504的显示光源502。显示光源502可以包括激光扫描光束光源、微型显示器或任何其它合适的显示光源。瞳孔中继系统504被定位成将第一瞳孔从显示光源502中继到观看者的眼睛506(或其它图像平面、表面或材料)处的第二瞳孔。瞳孔中继系统504包括偏振敏感光学器件508(例如，扫描后光学器件)，其可以包括基于波导的光学系统、煎饼光学系统、鸟浴光学系统、基于涂层的光学系统或其它光学器件中的一个或多个。偏振敏感光学器件508可以包括一个或多个部件。偏振敏感光学器件508的效率可能对通过其中的光的偏振非常敏感。也就是说，不同的偏振将显著地改变强度和杂散光，使得光脱离偏振敏感光学器件508。
为了优化提供给偏振敏感光学器件508的光的偏振，显示系统500的瞳孔中继系统504还包括空间变化偏振器510，其具有作为位置的函数而空间变化的偏振，用于补偿偏振的变化，以向偏振敏感光学器件508提供均匀的偏振光，或者更一般地优化的偏振光。例如，偏振敏感光学器件508可以被配置成补偿或“撤消”一个或多个镜子或其它光学器件从复合角度产生的任何偏振。如下面进一步讨论的，可以选择性地实时调节空间变化偏振器510，以基于用户的凝视位置在区域或视场中提供优化的性能。
空间变化偏振器510可以包括由双折射材料形成的波延迟器。双折射是具有取决于光的偏振和传播方向的折射率的材料的性质。波延迟器改变通过波延迟器传播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。
如上所述，空间变化偏振器510可以提供相位延迟，该相位延迟在视场(例如，同轴到离轴)上改变位置(例如，水平位置、垂直位置、径向位置)的函数，这允许从显示光源502到偏振敏感光学器件508的光的更均匀和有效的分布。空间变化偏振器510的延迟变化的具体方式可以取决于显示系统500的光学系统的具体配置和材料，例如入射光的偏振状态、入射角、材料、各种部件的几何形状等。
作为实例，空间变化偏振器510可以在第一位置处不提供延迟，并且可以线性增加延迟，以在空间变化偏振器的第二位置处提供λ/4(或其它值)的延迟。通常，空间变化偏振器510可以提供作为位置的函数以任何方式变化的延迟，并且延迟的量可以是任何值(例如，λ/20，λ/10，λ/4，λ，2λ)。此外，延迟量可以仅在一个或多个方向上增加、仅在一个或多个方向上减少、或者同时增加和减少。延迟量可以连续变化，或者可以多个步长变化。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。
在至少一些实施方式中，空间变化偏振器510可以由多扭曲延迟器(MTR)形成，MTR是波片状延迟膜，其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。更具体地，MTR包括在单个衬底上的两个或更多个扭曲的液晶(LC)层，并且具有单个对准层。随后的LC层通过先前的层直接对准，允许简单的制造，实现自动的层对准，并产生具有连续变化的光轴的单片膜。
图6是根据一个非限制性示出的实施方式的扫描光束显示系统或投影仪600的示意图。扫描光束显示系统600包括光源602，其可以是发射光束604的激光光源。光源602可以包括另外两个光源，例如红色光源、绿色光源和蓝色光源。在这种情况下，多个光源可以通过光束组合器组合成单个光束。在至少一些实施方式中，光源602可以包括一个或多个彩色光源(例如，红色、绿色、蓝色)和发射诸如红外光束或紫外光束的不可见光束的光源，其可以用于各种目的，例如眼睛跟踪。
光束604入射到扫描平台606上，扫描平台606可以包括基于微机电系统(MEMS)的扫描仪，并且从平台的扫描镜608反射以产生受控输出光束610。扫描平台606可以包括衍射光栅、移动光栅、光阀、旋转镜、可移动硅设备、数字光投影仪设备、飞点投影仪、硅上液晶(LCoS)设备、或其它扫描或调制设备。扫描平台606可以连接到一个或多个驱动电路，驱动电路由连接到扫描平台和光源602的控制器612选择性地控制，控制器612可以包括具有一个或多个部件的任何合适的控制电路。驱动电路调制扫描镜608偏转入射光束604的方向，以使输出光束610产生诸如光栅扫描的扫描，从而在诸如显示表面或观察者眼睛614的图像平面上产生显示图像。
图7是根据一个非限制性示出的实施方式的扫描光束显示系统或投影仪700的示意图。扫描光束显示系统700在许多方面可以与图6的扫描光束显示系统600类似或相同。这样，相同的部件用相同的标号表示，并且为了简洁起见，这里不再重复讨论这种部件。
扫描光束显示系统700包括扫描后校正光学器件702(“扫描后光学器件”)和准直光学器件704。扫描后光学器件702可以包括位于扫描平台606之后的光路中的一个或多个光学器件，其在这里通常被称为“扫描后”。扫描后校正光学器件702可以被设计和配置为校正或调整投影图像中的一个或多个失真伪像。这种畸变的例子可以包括微笑畸变、插针畸变、桶畸变、基于离轴投影的畸变等。应当理解，这些仅仅是扫描后校正光学器件702可以校正的非限制性示例类型的失真。
扫描后光学器件702可以包括基于波导的光学系统、煎饼光学系统、鸟浴光学系统、基于涂层的光学系统等中的一个或多个。扫描后光学器件可以包括一个或多个部件。扫描后光学器件702的效率可能对通过其的光的偏振非常敏感。也就是说，不同的偏振将显著地改变强度和杂散光，这使得光离开扫描后光学器件702。在至少一些实施方式中，显示系统700还可以包括准直或光束形成光学器件704，其可以用于至少部分地重新获得由扫描后光学器件702引起的非限定聚焦的损失。
显示系统700还包括偏振补偿光学器件，其形式为位于扫描镜608和扫描后光学器件702之间的空间变化偏振器706，以为扫描后光学器件702提供偏振补偿，如上所述，扫描后光学器件702可以是非常偏振敏感的。例如，空间变化偏振器706可以位于扫描后光学器件702上、邻近扫描后光学器件702或位于扫描后光学器件702内。在其它实施方式中，空间变化偏振器706位于光源602和所显示图像之间的光路中的其它位置(例如，预扫描、后扫描、邻近光源等)。
在至少一些实施方式中，控制器612可以可操作地连接到空间变化偏振器706，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。在这种实施方式中，可以提供一个或多个薄膜晶体管层，其允许控制器612选择性地控制空间变化偏振器706的空间相关相位延迟。控制器612可以以任何期望的速率控制相位延迟，例如仅一次地、周期性地、以等于显示系统700的帧速率或其一部分的速率等。
在至少一些实施方式中，控制器612可以用于接收凝视跟踪信息708，该凝视跟踪信息708可以用于选择性地调整空间变化偏振器706的空间相关相位延迟，以便在用户被认为当前正在凝视的经优化区域中被优化。这种凝视跟踪信息可以从眼睛跟踪子系统接收、从关于正在显示的内容的信息(例如，焦点对象)接收、或者从提供关于用户可能在显示器上凝视的位置的信息的任何其它源接收。
如上所述，扫描后光学器件702的效率可能对通过其的光的偏振非常敏感。也就是说，不同的偏振将显著地改变强度和杂散光，这使得光离开扫描后光学器件702。在相对较小的视场(例如，0-10度、0-30度、其它区域)上优化空间变化偏振器706可能是有利的，这可以提供比在整个视场上优化明显更好的性能。使用凝视跟踪信息，系统可以优化用于各种特性(例如，强度、杂散光)的区域，同时将该区域之外的区域配置为具有较低的性能(例如，较小的强度、较多的杂散光)。由于用户的视觉在外围区域中不敏感，因此用户甚至可能不会感觉到显示器的性能在用户正在注视的区域之外降低。
图8是显示系统800的示意图，根据一个非限制性示出的实施方式，显示系统800包括基于波导的光学系统和偏振补偿光学器件，偏振补偿光学器件的形式为用于头戴式显示系统中的空间变化偏振器。显示系统800可以包括透镜或支撑结构802(例如处方或非处方眼镜镜片)。波导结构804可以至少部分地嵌入在结构802中或位于结构附近(例如，在结构之前或之后)。波导804可以是由折射率与周围结构(例如，结构802)的折射率足够不同的材料形成的矩形(或其它形状)棱镜结构，以在波导内提供全内反射。
为了使光能够连接到波导804中，显示系统800包括物理连接到波导的第一部分的入连接器806。类似地，为了使光能够朝向观察者的眼睛810连接出波导804，显示系统800包括物理连接到波导的第二部分的出连接器808。通过入连接器806入连接和通过出连接器808出连接的显示光可以源自显示光源，例如投影仪、扫描激光投影仪、微型显示器或其它显示光源，如上所述。作为非限制性实例，连接器806和808可以包括衍射光栅、全息图、全息光学元件、体衍射光栅、表面浮雕衍射光栅等中的一个或多个。连接器806和808也可以是反射型连接器或透射型连接器。作为示例，结构802可以包括右眼镜片，并且入连接器806可以位于靠近显示源(例如，投影仪)的眼镜镜片的边缘附近，并且出连接器可以朝向眼镜镜片的中心定位，使得观看者可以看到来自波导804的光，同时观看直的区域或近似直的前方。
显示系统800还包括空间变化偏振器812形式的偏振补偿光学器件。在所示的非限制性示例中，空间变化偏振器812位于连接器806附近，以为进入波导804的光提供偏振补偿，如上所述，波导804可以是非常偏振敏感的。例如，空间变化偏振器812可以位于波导804上、邻近波导804或在波导804内(如虚线所示)。在至少一些实施方式中，空间变化偏振器812位于例如入连接器806或出连接器808的任一侧附近。在其它实施方式中，空间变化偏振器812位于显示光源和观察者眼睛之间的光路中的其它位置，以提供偏振补偿。
图9是用于增强现实系统的显示系统900的示意图，所述增强现实系统使用偏振多路复用来提供在波长(例如，颜色)上优化的波导结构。显示系统800包括一些与显示系统800的部件相似或相同的部件，这些部件由相同的标号标识。显示系统900可以包括透镜或支撑结构802(例如处方或非处方眼镜镜片)。光组合器结构902可以至少部分地嵌入在结构802(例如，透镜)中，或者定位在结构附近(例如，在结构之前或之后)。光组合器902可以是由折射率与周围结构(例如，结构802)的折射率足够不同的材料形成的矩形(或其它形状)结构，以在光组合器的至少一部分内提供全内反射。
为了使光能够连接到光组合器902中，显示系统900包括物理连接到光组合器902的第一部分的入连接器806。类似地，为了使光能够朝向观察者的眼睛810连接出光组合器902，显示系统900包括与光组合器的与第一部分相对的第二部分物理连接的出连接器808。通过入连接器806入连接和通过出连接器808出连接的显示光可以源自光学引擎908，该光学引擎908可以包括显示光源910，例如投影仪、扫描激光投影仪、微型显示器或其它显示光源，如上所述。作为非限制性实例，连接器806和808可以包括衍射光栅、全息图、全息光学元件、体衍射光栅、表面浮雕衍射光栅等中的一个或多个。连接器806和808也可以是反射型连接器或透射型连接器。作为示例，结构802可以包括右眼镜片，并且入连接器806可以位于靠近显示源(例如，投影仪)的眼镜镜片的边缘附近，并且出连接器可以朝向眼镜镜片的中心定位，使得观看者可以看到来自光组合器902的光，同时观看直的区域或近似直的前方。此外，在至少一些实施方式中，图9所示的组件可以用于用户的一只眼睛，并且可以为用户的另一只眼睛提供一组类似或相同的组件以提供双目显示。
在所示的例子中，光学引擎908包括位于光源910(例如，微显示器、扫描光束)前面的选择性偏振光学器件(SPO)912。选择性偏振光学器件912可以由液晶材料形成，例如上面讨论的多扭曲延迟器(MTR)，并且可以与这里别处讨论的空间变化偏振器类似或相同。通常，来自显示源的离开选择性偏振光学器件的光被准直器914准直，然后与入连接器806相互作用以被光组合器902引导。光组合器902提供光学校正并且将光传送到出连接器808，其中光920离开光组合器902并且向用户的眼睛810呈现图像。
更具体地，选择性偏振光学器件912接收包括多个波长或颜色C1、C2、C3(例如，红色、绿色、蓝色)的光916。选择性偏振光学器件912用于接收来自显示光源910的光916，并输出处于第一偏振状态(P1)的第一颜色(C1)的光918和处于第二偏振状态(P2)的至少第二颜色(C2或C3)的光，第二偏振状态与第一偏振状态正交。作为非限制性实例，选择性偏振光学器件912可以将红光(C1)转换为p偏振状态(P1)，并且可以将绿光(C2)和蓝光(C3)转换为s偏振状态(P2)。
光组合器902包括第一偏振敏感衍射光学元件(PSDOE)904和第二偏振敏感衍射光学元件906。第一和第二偏振敏感衍射光学元件中的每一个都可以由液晶材料形成，例如多扭曲延迟器，并且可以与这里别处讨论的空间变化偏振器类似或相同。第一偏振敏感衍射光学元件904包括第一衍射图案，其衍射第一偏振状态(P1)的光并使第二偏振状态(P2)的光通过而不衍射。类似地，第二偏振敏感衍射光学元件906包括第二衍射图案，该第二衍射图案衍射第二偏振状态(P2)的光并且使第一偏振状态(P1)的光通过而不衍射。设计第一衍射图案以提供对第一颜色(C1)的优化校正，并且设计第二衍射图案以提供对至少第二颜色(例如C2和/或C3)的优化校正。
如上所述，设计在所有期望波长(例如，380至740纳米)上提供可接受校正的衍射光学元件可能是困难的。通过根据颜色对来自光源910的光进行偏振，第一和第二偏振敏感衍射光学元件904和906中的每一个可以针对较窄的波长范围进行优化，这允许更多的设计自由度并且最终更好地被整个光组合器902校正。继续上述示例，第一偏振敏感衍射光学元件904可以仅针对处于第一偏振状态(P1)的红光(C1)进行优化，因为第一偏振敏感衍射光学元件不会看到处于第二偏振状态(P2)的绿光或蓝光。同样，第二偏振敏感衍射光学元件906可以仅针对处于第二偏振状态(P2)的绿光(C2)和蓝光(C3)进行优化，因为第二偏振敏感衍射光学元件不会看到处于第一偏振状态(P1)的红光(C1)。
图10是用于增强现实系统的显示系统1000的示意图，该增强现实系统使用偏振多路复用来提供在显示系统的整个或全部视场上优化的波导结构。显示系统1000包括一些与上述显示系统的部件相似或相同的部件，这些部件由相同的附图标记标识。显示系统1000可以包括透镜或支撑结构802(例如处方或非处方眼镜镜片)。光组合器结构1002可以至少部分地嵌入在结构802(例如，透镜)中或定位在结构附近(例如，在结构之前或之后)。光组合器1002可以是由折射率与周围结构(例如，结构802)的折射率足够不同的材料形成的矩形(或其它形状)结构，以在光组合器的至少一部分内提供全内反射。
为了使光能够连接到光组合器1002中，显示系统1000包括物理连接到光组合器1002的第一部分的入连接器806。类似地，为了使光能够朝向观察者的眼睛810连接出光组合器1002，显示系统1000包括物理连接到与第一部分相对的光组合器的第二部分的出连接器808。通过入连接器806入连接和通过出连接器808出连接的显示光可以来自光学引擎1008，光学引擎1008可以包括显示光源1010，例如投影仪、扫描激光投影仪、微型显示器或其它显示光源，如上所述。作为非限制性实例，连接器806和808可以包括衍射光栅、全息图、全息光学元件、体衍射光栅、表面浮雕衍射光栅等中的一个或多个。连接器806和808也可以是反射型连接器或透射型连接器。作为示例，结构802可以包括右眼镜片，并且入连接器806可以位于靠近显示源(例如，投影仪)的眼镜镜片的边缘附近，并且出连接器可以朝向眼镜镜片的中心定位，使得观看者可以看到来自光组合器1002的光，同时观看直的区域或近似直的前方。此外，在至少一些实施方式中，图10所示的组件可以用于用户的一只眼睛，并且可以为用户的另一只眼睛提供一组类似或相同的组件以提供双目显示。
在所示的例子中，光学引擎1008包括位于光源1010(例如，微显示器、扫描光束)前面的选择性偏振光学器件(SPO)1012。选择性偏振光学器件1012可以由液晶材料形成，例如多扭曲延迟器(MTR)。通常，来自显示源的离开选择性偏振光学器件1012的光被准直器1014准直，然后与连接器806相互作用以被光组合器1002引导。光组合器1002提供光学校正并将光传送到出连接器808，其中光1020离开光组合器1002并向用户的眼睛810呈现图像。
更具体地，选择性偏振光学器件1012接收包括多个波长或颜色C1、C2、C3(例如，红、绿、蓝)的光1016，多个波长或颜色C1、C2、C3(例如，红、绿、蓝)跨越将被提供给用户的眼睛810的整个或全部视场。选择性偏振光学器件1012用于接收来自显示光源1010的光1016，并输出处于第一偏振状态(P1)的第一视场部分(FOV1)内的光1018和处于第二偏振状态(P2)的第二视场部分(FOV2)内的光1019，第二偏振状态与第一偏振状态正交。作为非限制性实例，选择性偏振光学器件1012可以将轴上且在窄角范围内(例如，在离轴20度内)的光转换为p偏振状态(P1)，并且可以将在窄角范围之外的整个视场中的光转换为s偏振状态(P2)。图11A示出了HMD系统的示例全视场1100，其包括具有由第二视场部分1104围绕的窄角范围的第一视场部分1102。图11B示出了整个视场1100的另一个例子，其包括位于第二视场部分1108附近的第一视场部分1106。应当理解，所示实施例仅通过示例的方式提供，并且可以使用第一和第二视场部分的其它配置。
光组合器1002包括第一偏振敏感衍射光学元件(PSDOE)1004和第二偏振敏感衍射光学元件1006。第一和第二偏振敏感衍射光学元件中的每一个都可以由液晶材料形成，例如多扭曲延迟器。第一偏振敏感衍射光学元件1004包括第一衍射图案，其衍射第一偏振状态(P1)的光并且使第二偏振状态(P2)的光通过而不衍射。类似地，第二偏振敏感衍射光学元件1009包括第二衍射图案，该第二衍射图案衍射第二偏振状态(P2)的光并且使第一偏振状态(P1)的光通过而不衍射。第一衍射图案被设计成针对第一视场部分(FOV1)提供经优化的校正，而第二衍射图案被设计成针对第二视场部分(FOV2)提供经优化的校正。
如上所述，设计在显示系统的整个视场上提供可接受的校正的衍射光学元件可能是困难的。通过根据整个视场的视场部分对来自光源1010的光进行偏振，第一和第二偏振敏感衍射光学元件1004和1006中的每一个可以针对较小的视场进行优化，这允许更多的设计自由度，并且最终由整个光组合器1002进行更好的校正。继续上述示例，由于第一偏振敏感衍射光学元件不会看到处于第二偏振状态(P2)的宽视场(FOV2)中的光，因此第一偏振敏感衍射光学元件1004可以仅针对第一偏振状态(P1)中的窄视场(FOV1)进行优化。同样，由于第二偏振敏感衍射光学元件不会看到处于第一偏振状态(P1)的窄视场(FOV1)中的光，因此第二偏振敏感衍射光学元件1006可以仅针对处于第二偏振状态(P2)的宽视场(FOV2)中的光进行优化。
在至少一些实施方式中，控制器(例如，控制器612)可以可操作地连接到选择性偏振光学器件和/或偏振敏感衍射光学元件，以选择性地将它们的空间相关相位延迟改变到任何期望的配置。在这种实施方式中，可以提供一个或多个薄膜晶体管层，其允许选择性地控制元件的空间相关相位延迟。控制器可以以任何期望的速率控制相位延迟，例如仅一次地、周期性地、以等于显示系统的帧速率或其一部分的速率等。
通过使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以产生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。
上述各种实施方式可被组合以提供进一步的实施方式。根据以上详细描述，可以对实施方式进行这些和其它改变。总体来说，在随后的权利要求中，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中所公开的特定实施方式，而应被解释为包括所有可能的实施方式以及这些权利要求所授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 (22)

1.一种头戴式显示系统，包括：
支撑结构；以及
显示系统，连接到所述支撑结构并且包括：
显示光源；
选择性偏振光学器件，用于接收来自所述显示光源的光，并输出处于第一偏振状态的第一颜色的光和处于第二偏振状态的第二颜色的光，所述第二偏振状态与所述第一偏振状态正交；以及
光组合器，定位成接收来自所述选择性偏振光学器件的光并向观察者的眼睛提供图像，所述光组合器包括：
第一偏振敏感衍射光学元件PSDOE，所述第一偏振敏感衍射光学元件包括第一衍射图案，所述第一衍射图案衍射所述第一偏振状态的光并使所述第二偏振状态的光通过而不衍射，所述第一衍射图案为所述第一颜色提供经优化的校正；以及
第二PSDOE，所述第二PSDOE包括第二衍射图案，所述第二衍射图案衍射所述第二偏振状态的光并使所述第一偏振状态的光通过而不衍射，所述第二衍射图案为所述第二颜色提供经优化的校正。
2.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述选择性偏振光学器件、所述第一PSDOE和所述第二PSDOE中的每一者包括多扭曲延迟器。
3.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述选择性偏振光学器件、所述第一PSDOE和所述第二PSDOE中的至少一者包括多扭曲延迟器。
4.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述选择性偏振光学器件、所述第一PSDOE和所述第二PSDOE中的至少一者包括液晶材料。
5.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述选择性偏振光学器件进一步用于输出处于所述第二偏振状态的第三颜色的光，并且所述第二衍射图案为所述第二颜色和所述第三颜色提供经优化的校正。
6.根据权利要求5所述的头戴式显示系统，其中，所述第一颜色是红色，所述第二颜色和第三颜色分别是绿色和蓝色。
7.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述第一颜色是红色，且所述第二颜色是绿色或蓝色。
8.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述光组合器包括入连接器和出连接器。
9.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述支撑结构包括眼镜镜片。
10.根据权利要求1所述的头戴式显示系统，其中，所述显示光源包括激光扫描光束系统或微型显示器。
11.一种头戴式显示系统，包括：
支撑结构；以及
显示系统，连接到所述支撑结构并且包括：
显示光源；
选择性偏振光学器件，用于接收来自具有总视场的所述显示光源的光，并且输出第一偏振状态的所述总视场的第一视场部分的光和第二偏振状态的所述总视场的第二视场部分的光，所述第二偏振状态与所述第一偏振状态正交；以及
光组合器，被定位成接收来自所述选择性偏振光学器件的光并向观察者的眼睛提供图像，所述光组合器包括：
第一偏振敏感衍射光学元件PSDOE，所述第一偏振敏感衍射光学元件包括第一衍射图案，所述第一衍射图案衍射所述第一偏振状态的光并使所述第二偏振状态的光通过而不衍射，所述第一衍射图案为所述第一视场部分提供经优化的校正；以及
第二PSDOE，所述第二PSDOE包括第二衍射图案，所述第二衍射图案衍射所述第二偏振状态的光并使所述第一偏振状态的光通过而不衍射，所述第二衍射图案为所述第二视场部分提供经优化的校正。
12.根据权利要求11所述的头戴式显示系统，其中，所述第一视场部分包括0度至M度的角度范围，并且所述第二视场部分包括M度至N度的角度范围，其中N是所述头戴式显示系统的所述视场的所述角度范围，并且M小于N。
13.根据权利要求11所述的头戴式显示系统，其中，所述第一视场部分和所述第二视场部分组合以形成所述总视场。
14.根据权利要求11所述的头戴式显示系统，其中，所述第一视场部分被所述第二视场部分包围。
15.根据权利要求11所述的头戴式显示系统，其中，所述第一视场部分包括所述总视场的第一半，并且所述第二视场部分包括所述总视场的第二半。
16.根据权利要求11所述的头戴式显示系统，其中，所述第一视场部分和所述第二视场部分至少部分地彼此重叠。
17.根据权利要求11所述的头戴式显示系统，其中，所述选择性偏振光学器件、所述第一PSDOE和所述第二PSDOE中的每一者包括多扭曲延迟器。
18.根据权利要求11所述的头戴式显示系统，其中，所述选择性偏振光学器件、所述第一PSDOE和所述第二PSDOE中的至少一者包括多扭曲延迟器。
19.根据权利要求11所述的头戴式显示系统，其中，所述选择性偏振光学器件、所述第一PSDOE和所述第二PSDOE中的至少一者包括液晶材料。
20.根据权利要求11所述的头戴式显示系统，其中，所述光组合器包括入连接器和出连接器。
21.根据权利要求11所述的头戴式显示系统，其中，所述支撑结构包括眼镜镜片。
22.根据权利要求11所述的头戴式显示系统，其中，所述显示光源包括激光扫描光束系统或微型显示器。
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