CN111052720B - 具有更改深度平面的多元件自适应透镜的增强现实显示器 - Google Patents

Abstract

一种增强现实系统包括至少一个波导，其被配置为接收光并朝向用户重新定向所述光，并允许环境光朝向用户传播。第一自适应透镜组件被定位在波导和环境之间，第二自适应透镜组件被定位在波导和用户之间，以及至少一个处理器被可操作地耦合到第一自适应透镜组件和第二自适应透镜组件。每个透镜组件能够在至少两个不同状态之间选择性地切换，在这两个状态下，相应的透镜组件被配置为分别将至少两个不同的光焦度赋予传播通过其的光。处理器被配置为使得第一自适应透镜组件和第二自适应透镜组件将基本恒定的净光焦度赋予来自环境的环境光的方式，使第一自适应透镜组件和第二自适应透镜组件在不同状态之间同步切换。

Description

具有更改深度平面的多元件自适应透镜的增强现实显示器

相关申请的交叉引用

本申请主张在2017年6月12日提交的序列号62/518,539的，名称为“AUGMENTEDREALITY DISPLAY HAVING MULTI-ELEMENT ADAPTIVE LENS FOR CHANGING DEPTH PLANES(具有更改深度平面的多元件自适应透镜的增强现实显示器)”的美国临时专利申请；以及2017年7月25日提交的序列号为62/536,872的，名称为“AUGMENTED REALITY DISPLAYHAVING MULTI-ELEMENT ADAPTIVE LENS FOR CHANGING DEPTH PLANES(具有更改深度平面的多元件自适应透镜的增强现实显示器)”的美国专利申请的优先权益。上述每个申请的全部内容特此通过引用并入此文。

通过引用合并

本申请通过引用合并以下专利申请中的每一着的全部内容：在2014年11月27日提交的，在2015年7月23日被公开为序列号为2015/0205126的美国公开的，序列号为14/555,585的美国申请；在2015年4月18日提交的，在2015年10月22日被公开为序列号为2015/0302652的美国公开的，序列号为14/690,401的美国申请；在2014年3月14日提交的，现在是2016年8月16日发布的序列号为9,417,452的美国专利的，序列号为14/212,961的美国申请；以及在2014年7月14日提交的，在2015年10月29日公开为序列号为2015/0309263的美国公开的，序列号为14/331,218的美国申请。

技术领域

本公开涉及显示系统，更具体地，涉及增强和虚拟现实显示系统。

背景技术

现代计算和显示技术已经促进了用于所谓的“虚拟现实”或“增强现实”体验的系统的开发，其中，数字再现图像或其部分以看起来真实或可以被感知为真实的方式呈现给用户。虚拟现实或“VR”场景通常涉及以对其它实际的真实世界视觉输入不透明的方式呈现数字或虚拟图像信息；增强现实或“AR”场景通常涉及呈现数字或虚拟图像信息作为对用户周围真实世界的可视化的增强。混合现实或“MR”场景是一种AR场景，并且通常涉及集成到自然世界中并响应于自然世界的虚拟对象。例如，在MR场景中，AR图像内容可以被真实世界中的对象阻挡或者被感知为与该对象交互。

参考图1，描绘了增强现实场景10，其中AR技术的用户看到真实世界的公园式设置20，该设置以人、树、位于背景中的建筑物以及混凝土平台30为特征。除了这些项目之外，AR技术的用户还感知到他“看到”“虚拟内容”，诸如站在真实世界平台30上的机器人雕像40，以及看起来是大黄蜂的化身的正在飞舞的卡通式化身角色50，看，即使这些元素40、50在真实世界中不存在。由于人类视觉感知系统复杂，因此产生促进在其它虚拟或真实世界图像元素当中舒适、感知自然、丰富地呈现虚拟图像元素的AR技术极具挑战性。

本文公开的系统和方法解决了与AR和VR技术相关的各种挑战。

发明内容

本说明书中描述的主题的一种或多种实施方式的细节在附图和下面的描述中阐述。根据描述、附图和权利要求，其它特征、方面和优点将变得显而易见。本发明内容或下面的具体实施方式均不旨在限定或限制本发明主题的范围。

在一方面，一种增强现实系统可以包括至少一个波导，所述至少一个波导被配置为接收光并朝向用户重新定向所述光，并被进一步配置为允许来自所述用户的环境的环境光朝向所述用户传播通过所述环境。所述增强现实系统还可以包括：第一自适应透镜组件，其被定位在所述至少一个波导和所述环境之间；第二自适应透镜组件，其被定位在所述至少一个波导和所述用户之间；以及至少一个处理器，其被可操作地耦合到所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件。所述第一自适应透镜组件能够在以下状态之间选择性地切换：所述第一自适应透镜组件被配置为将第一光焦度赋予传播通过所述第一自适应透镜组件的光的状态；以及所述第一自适应透镜组件被配置为将不同于所述第一光焦度的光焦度赋予传播通过所述第一自适应透镜组件的光的至少一个其它状态。所述第二自适应透镜组件可能够在以下状态之间选择性地切换：所述第二自适应透镜组件被配置为将不同于传播通过所述第二自适应透镜组件的光的状态；以及所述第二自适应透镜组件被配置为将不同于所述第二光焦度的光焦度赋予传播通过所述第二自适应透镜组件的光的至少一个其它状态。所述至少一个处理器可被配置为以使得所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件将基本恒定的净光焦度赋予传播通过其的来自所述环境的环境光的方式，使所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件在不同状态之间同步切换。

在一些实施例中，所述增强现实系统可进一步包括微型显示器。在这样的实施例中，所述至少一个波导可以被配置为接收来自所述微型显示器的光并将朝向所述用户重新定向所述光。

在一些示例中，所述第一光焦度和所述第二光焦度的符号可以相反。在这些示例的至少一些中，所述第一光焦度和所述第二光焦度的大小可以基本相等。

在一些实施例中，所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件中的每一者可以被配置为接收一个或多个控制信号作为输入，并且响应于此，在此后不到400毫秒的时间段内从一个状态切换到另一状态。例如，所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件中的每一者被配置为可以在200毫秒至400毫秒之间，在100毫秒至200毫秒之间，或者不到100毫秒的时间段内从一个状态切换到另一状态。

在一些示例中，所述至少一个波导可以包括输出区域，所述至少一个波导被配置为通过所述输出区域朝向所述用户重新定向光，并且允许来自所述用户的所述环境的环境光朝向所述用户传播通过所述输出区域。所述至少一个波导的所述输出区域可被定位在在所述第一自适应透镜组件的一部分和所述第二自适应透镜组件的一部分之间，在所述第一自适应透镜组件的所述一部分中形成所述第一自适应透镜组件的通光孔径，在所述第二自适应透镜组件的所述一部分中形成所述第二自适应透镜组件的通光孔径。在这些示例的至少一些中，分别形成所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件的通光孔径的所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件的部分中的每一者在尺寸上大于所述至少一个波导的所述输出区域。

在一些实施例中，所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件可以各自包括至少一个光学元件，所述光学元件可在两个状态之间进行单极切换。在这些实施例的至少一些中，所述至少一个光学元件能够在以下状态之间进行单极切换：第一状态，在所述第一状态下，所述至少一个光学元件被配置为将第一偏振状态赋予朝向所述用户传播通过所述至少一个光学元件的光；以及第二状态，在所述第二状态下，所述至少一个光学元件被配置为将不同于所述第一偏振状态的第二偏振状态赋予传播通过所述至少一个光学元件的光。此外，在一个或多个这样的实施例中，所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件可以各自包括至少一个波片透镜，所述至少一个波片透镜被定位在所述至少一个光学元件和所述用户之间。所述至少一个波片透镜可以被配置为将一个光焦度赋予传播通过所述至少一个波片透镜的所述第一偏振状态的光，并且将另一不同的光焦度赋予传播通过所述至少一个波片透镜的所述第二偏振状态的光。

在这些实施例的至少一些中，所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件可以各自包括一定数量的光学元件，所述光学元件能够在两个状态之间进行单极切换。在所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件中的每一者中包括的光学元件的数量可以等于第一值。所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件可以各自在一定数量的不同状态中的状态之间选择性地切换。所述不同状态的数量可以等于在指数上取决于所述第一值的第二值。例如，所述第二值可以等于以一指数对2取幂，所述指数等于所述第一值。在这样的实施例的一者或多者中，所述至少一个波导可以被配置为接收表示虚拟内容的光并朝向所述用户重新定向所述光，并且所述至少一个处理器可以被配置为使所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件在所述一定数量的不同状态中的不同状态之间同步切换，以离开所述用户的距离，在所述距离处由传播通过所述距离的光表示的虚拟内容将由所述用户感知。此外，在上面刚描述的一个或多个实施例中，离开所述用户的所述距离能够选择性地切换到一定数量的不同距离中的任一距离，在所述距离处由传播通过所述距离的光表示的虚拟内容将由所述用户感知。所述不同距离的数量可以等于所述第二值。

在另一方面，一种显示设备可以包括波导组件，所述波导组件可包括波导，所述波导被配置为沿着所述波导的输出表面输出耦出光。所述显示设备可以附加地包括第一自适应透镜组件，所述第一自适应透镜组件具有面向所述输出表面的第一主表面。所述第一自适应透镜组件可以包括：第一波片透镜；第二波片透镜；以及第一可切换波片，其被插在所述第一波片透镜和所述第二波片透镜之间。所述可切换波片可在以下状态之间选择性地切换：第一状态，其被配置为在不改变所述耦出光的偏振状态的情况下传播所述耦出光；以及第二状态，其被配置为改变传播通过所述可切换波片的所述耦出光的偏振状态。所述显示设备可以进一步包括第二自适应透镜组件，所述第二自适应透镜组件具有与所述输出表面相对的面向外部场景的第二主表面。所述第二自适应透镜组件可以包括：第三波片透镜；第四波片透镜；以及第二可切换波片，其被插在所述第三波片透镜和所述第四波片透镜之间。所述第二可切换波片可以下状态之间选择性地切换：第三状态，其被配置为在不改变来自所述外部场景的光的偏振状态的情况下传播来自所述外部场景的光；以及第四状态，其被配置为改变传播通过所述第二可切换波片的来自所述外部场景的光的偏振状态。

在一些实施例中，所述第一波片透镜和所述第二波片透镜中的每一者可以被配置为改变传播通过其的所述耦出光的偏振状态，并且被配置为使所述耦出光会聚或发散。在这些实施例的至少一些中，所述第三波片透镜和所述第四波片透镜中的每一者被配置为改变传播通过其的来自所述外部场景的光的偏振状态，并且被配置为使所述耦出光会聚或发散。

在另一方面，一种显示设备可以包括位于光路中的成对的自适应透镜组件。所述自适应透镜组件中的每一者可以进一步包括对应的可切换波片，所述对应的可切换波片被配置为在第一状态和第二状态之间切换以选择性地改变传播通过所述对应的可切换波片的光的偏振状态。所述自适应透镜组件可以具有符号相反的光焦度。

在一些实施例中，所述自适应透镜组件中的每一者可具有相应的光焦度，所述相应的光焦度基于所述自适应透镜组件的可切换波片的状态可调整。在这些实施例的至少一些中，所述显示设备可以进一步包括控制器，所述控制器被配置为使得：在所述成对的自适应透镜组件中的所述第一自适应透镜组件的第一光焦度为第一值时，所述成对的自适应透镜组件中的所述第二自适应透镜组件的第二光焦度被对应地调整到第二值。在这样的实施例中的一者或多者中，来自所述成对的自适应透镜组件中的所述第一自适应透镜组件与所述成对的自适应透镜组件中的所述第二自适应透镜组件的组合的净光焦度保持在恒定值附近。例如，所述恒定值可约为0m^-1。

在一些示例中，所述显示设备可进一步包括波导组件，所述波导组件被插在所述成对的自适应透镜组件之间。在这些示例中，所述波导组件可包括波导，所述波导被配置为将在其中传播的所述光耦出到所述自适应透镜组件中的一者内。在这些示例的至少一些中，所述自适应透镜组件中的每一者可包括多个波片透镜和多个可切换波片。所述波片透镜和所述可切换波片可以交替堆叠。此外，所述可切换波片和波片透镜中的不同者可以具有不同的光焦度。

在一些实施例中，所述自适应透镜组件中的每一者可以包括第一波片透镜和第二波片透镜，所述第一波片透镜和所述第二波片透镜被插在所述透镜组件的对应的可切换拨片之间。在这些实施例中，所述波片透镜中的每一者可以被配置为改变传播通过其的光的偏振状态。

在又一方面，一种自适应透镜组件可包括在光路中对准的一个或多个波片透镜和一个或多个可切换波片。所述一个或多个波片透镜中的每一者可被配置为改变传播通过其的光的偏振状态，并为具有第一偏振的光提供第一光焦度，并为具有第二偏振的光提供第二光焦度。所述一个或多个可切换波片中的每一者可在以下状态之间选择性地切换：第一状态，其被配置为在不改变所述光的偏振状态的情况下使所述光传播通过所述可切换波片；以及第二状态，其被配置改变传播通过所述可切换波片的所述光的偏振状态。

在一些实施例中，所述波片透镜和所述可切换波片中的一者或全部两者可包括液晶。附加地或替代地，在一些实施例中在所述第二状态下，所述一个或多个可切换波片中的每一者可以是半波片，所述半波片被配置为使圆偏振光的旋向性反转。

在一些示例中，所述可切换波片中的每一者被插在所述一个或多个波片透镜的对之间。在这些实施例的至少一些中，所述自适应透镜组件可包括多个所述波片透镜和多个所述可切换波片。所述波片透镜和所述可切换波片可以交替堆叠。

在又一方面，一种可穿戴增强现实头戴式显示系统可包括，所述光调制系统被配置为输出光以形成图像。所述系统还可包括头戴式框架。一个或多个波导可被附接到所述框架，并被配置为接收来自所述光调制系统的光。所述系统可附加地包括成对的自适应透镜组件，其中，所述一个或多个波导被设置在所述自适应透镜组件之间。所述自适应透镜组件中的每一者进而包括一个或多个波片透镜，所述一个或多个波片透镜被配置为，为具有第一偏振的光提供第一光焦度，并为具有第二偏振的光提供第二光焦度。所述自适应透镜组件中的每一者可附加地包括位于所述光路中的一个或多个可切换波片，其中，所述一个或多个可切换波片中的每一者被配置为选择性地改变传播通过其的光的偏振状态。所述自适应透镜组件可附加地被配置为提供相应的光焦度，所述相应的光焦度在施加相应的电信号时可调整。

在又一方面，一种增强现实系统可包括第一自适应透镜组件，以及第二自适应透镜组件，所述第二自适应透镜组件被定位在所述第一自适应透镜组件和用户之间。所述自适应透镜组件中的每一者可包括至少一个可切换光学元件，所述至少一个可切换光学元件能够在至少以下状态之间选择性地切换：(i)第一状态，在所述第一状态下，所述至少一个可切换光学元件配置为将第一偏振状态赋予朝向所述用户传播通过所述至少一个所述可切换光学元件的光，以及(i)第二状态，在所述第二状态下，的所述至少一个可切换光学元件被配置为将第二偏振状态赋予朝向所述用户传播通过所述至少一个所述可切换光学元件的光。所述自适应透镜组件中的每一者可进一步包括至少一个波片透镜，所述至少一个波片透镜被定位在所述至少一个可切换光学元件和所述用户之间。所述至少一个波片透镜可以被配置为将第一相应的光焦度朝向所述用户传播通过所述至少一个波片透镜的所述第一偏振状态的光，并将第二相应的光焦度赋予朝向所述用户传播通过所述至少一个波片透镜的所述第二偏振状态的光。所述自适应透镜组件中的每一者可进一步包括至少一个波导，所述至少一个波导被定位在所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件之间。所述至少一个波导可被配置为通过所述第二透镜组件并朝向所述用户来引导表示虚拟内容的光。

附图说明

图1示出了用户通过AR设备对增强现实(AR)的观看。

图2示出了用于为用户模拟三维影像的常规显示系统。

图3A至图3C示出了曲率半径与焦半径之间的关系。

图4A示出了人类视觉系统的调节-辐辏响应的表示。

图4B示出了用户的一对眼睛的不同调节状态和辐辏状态的示例。

图4C示出了用户经由显示系统观看内容的俯视图的表示的示例。

图4D示出了用户经由显示系统观看内容的俯视图的表示的另一示例。

图5示出了用于通过修改波前发散模拟三维影像的方法的各方面。

图6示出了用于将图像信息输出给用户的波导堆叠的示例。

图7示出了由波导输出的出射光束的示例。

图8示出了堆叠波导组件的示例，其中每个深度平面包括使用多种不同组分颜色形成的图像。

图9A示出了包括耦入光学元件的堆叠波导的组的示例的横截面侧视图。

图9B示出了图9A的多个堆叠波导的示例的透视图。

图9C示出了图9A和图9B的多个堆叠波导的示例的俯视平面图。

图9D示出了可穿戴显示系统的示例。

图10示出了包括成对的自适应透镜组件的显示系统的示例。

图11A示出了在虚拟深度平面处向用户显示虚拟内容的图10的显示系统的示例。

图11B示出了向用户提供真实世界内容的视图的图10的显示系统的示例。

图12A示出了包括液晶的波片透镜的示例。

图12B示出了包括液晶的波片透镜的示例。

图12C示出了波片透镜的示例，该波片透镜取决于光的偏振和光的入射侧来提供不同的光焦度以使传播通过该波片透镜的光发散或会聚。

图12D示出了波片透镜的示例，该波片透镜取决于光的偏振和光的入射侧来提供不同的光焦度以使传播通过该波片透镜的光发散或会聚。

图13A示出了包括波片透镜和可切换波片的自适应透镜组件的示例。

图13B示出了在停用可切换波片的情况下运行的图13A的自适应透镜组件的示例。

图13C示出了在激活可切换波片的情况下运行的图13A的自适应透镜组件的示例。

图14A示出了在停用可切换波片的情况下运行的显示设备的示例，该显示设备包括成对的自适应透镜组件，每个自适应透镜组件包括波片透镜和可切换波片。

图14B示出了在激活可切换波片的情况下运行的图14A的显示设备的示例。

图15示出了包括成对的自适应透镜组件的显示设备的示例，每个自适应透镜组件包括交替堆叠的波片透镜和可切换波片。

图16示出了可以使用图15的显示设备生成的多个虚拟深度平面的示例。

图17A至图17H示出了在用于生成图15所示的多个虚拟深度平面的各种配置下的图15的显示设备的示例。

图18A和图18B示出了包括成对的自适应透镜组件和成对的定焦透镜的显示设备的示例。

图19示出了包括成对的自适应透镜组件和定焦透镜的显示设备的示例。

贯穿附图，可以重复使用参考标记以指示引用元件之间的对应。提供附图是为了说明本文描述的示例实施例，并不旨在限制本公开的范围。

具体实施方式

AR系统可以向用户或观看者显示虚拟内容，同时仍然允许用户看到他们周围的世界。优选地，该内容在例如作为眼镜的一部分的头戴式显示器上显示，该头戴式显示器将图像信息投射到用户的眼睛。此外，显示器还可以将来自周围环境的光传输到用户的眼睛，以允许观看该周围环境。如本文所使用的，应当理解，“头戴式”或“可头戴的”显示器是可以被安装在观看者或用户的头部上的显示器。

在一些AR系统中，多个波导可以被配置为在多个虚拟深度平面(在本文中也被简称为“深度平面”)处形成虚拟图像。多个波导中的不同波导可以具有不同的光焦度，并且可以在距用户的眼睛的不同距离处形成。显示系统还可以包括多个透镜，这些透镜提供或附加地提供光焦度。波导和/或透镜的光焦度可以在不同的虚拟深度平面处提供图像。不期望地，波导和透镜中的每一者会增加显示器的整体厚度、重量和成本。

有利地，在本文描述的各种实施例中，可以利用自适应透镜组件来提供可变的光焦度，以例如修改传播通过透镜组件的光的波前发散，以在距用户不同的感知距离处提供虚拟深度平面。自适应透镜组件可以包括中间布置有可切换波片的成对的波片透镜。第一波片透镜和第二波片透镜中的每一者可以被配置为改变传播通过其的光的偏振状态，而且，可切换波片可在多个状态之间切换，例如，在不改变光的偏振的情况下允许光传播通过的第一状态，以及改变光的偏振的第二状态(例如，通过改变偏振的旋向性)。在一些实施例中，波片透镜中的一者或全部两者可在这些第一状态和第二状态之间切换，并且可以省略上述的中间可切换波片。

应当理解，自适应透镜组件可以包括多个波片透镜和多个可切换波片的堆叠。例如，自适应透镜组件可以包括多个子组件，该多个子组件包括具有中间可切换波片的成对的波片透镜。在一些实施例中，自适应透镜组件可以包括交替的波片透镜和可切换波片。有利地，这种交替布置通过使相邻的可切换波片共享公共的波片透镜，允许减小厚度和重量。在一些实施例中，通过切换堆叠中的可切换波片的各种组合的状态，可以提供两种以上的离散的光焦度水平。

在一些实施例中，自适应透镜组件形成具有波导组件的显示设备，以在不同的虚拟深度平面处形成图像。在各种实施例中，显示设备包括插有波导组件的成对的自适应透镜组件。波导组件包括配置为在其中传播(例如，经由全内反射)光(例如，可见光)，并被配置为耦出光的波导。例如，光可以沿着垂直于波导的主表面的光轴方向被耦出。成对的自适应透镜组件中的一者可以被形成在波导组件的第一侧上，并且可以被配置为提供可变的光焦度，以修改传播通过自适应透镜组件的光的波前，从而在多个虚拟深度平面中的每一者处形成图像。例如，自适应透镜组件可以使从波导组件接收到的耦出光会聚或发散。为了补偿由于传播通过自适应透镜组件和/或波导组件的环境光的会聚或发散所引起的对真实世界视图的修改，在与第一侧相反的波导组件的第二侧上附加地提供该成对的自适应透镜组件中的另一自适应透镜组件。当每个自适应透镜组件的可切换波片呈现对应的状态时，自适应透镜组件可以具有符号相反的光焦度，以使得自适应透镜组件中的其它自适应透镜组件校正由波导组件的第一侧上的自适应透镜组件引起的失真(distortion)。

有利地，相对于具有连续可变光学元件的连续可变自适应透镜，利用可在两个状态之间切换的可切换波片简化了自适应透镜组件的驱动，并且降低了确定如何为了理想的光焦度而适当地激活自适应透镜所需的计算能力。另外，通过允许自适应透镜组件修改由波导输出的光的波前发散，相对于其中每个波导提供特定的波前发散量的布置，减少了提供多个深度平面所需的波导数量。

现在将参考附图，在附图中，相同的参考标记始终指示相同的部件。除非另有说明，否则附图是示意性的，不一定按比例绘制。

示例显示系统

图2示出了用于为用户模拟三维影像的常规显示系统。应当理解，用户的眼睛是间隔开的，并且当观看空间中的真实对象时，每只眼睛将具有稍微不同的对象视图，并且可以在每只眼睛的视网膜上的不同位置处形成对象的图像。这可以被称为双眼视差，并且可以被人类视觉系统用于提供深度感知。常规的显示系统通过呈现具有同一虚拟对象的稍微不同的视图的两个有区别的图像190、200来模拟双目视差，其中每只眼睛210、220对应一个图像，这些图像对应于被每只眼睛看成所需深度处的真实对象的虚拟对象的视图。这些图像提供双眼线索，用户的视觉系统可以解释该双眼线索以获得深度感知。

继续参考图2，图像190、200与眼睛210、220在z轴上间隔距离230。z轴平行于观看者的光轴，观看者的眼睛注视观看者的正前方的光学无限远处的对象。图像190、200是平坦的并且在距眼睛210、220固定距离处。基于分别呈现给眼睛210、220的图像中的虚拟对象的稍微不同的视图，眼睛可以自然地旋转，以使得对象的图像落在眼睛中的每一者的视网膜上的对应点上，以保持单一双眼视觉。该旋转可以使眼睛210、220中的每一者的视线会聚到虚拟对象被感知存在的空间点上。因此，提供三维影像通常涉及提供双眼线索，这些线索可以操纵用户眼睛210、220的辐辏，并且被人类视觉系统解释以提供深度感知。

然而，生成逼真且舒适的深度感知是具有挑战性的。应理解，来自在距眼睛不同距离处的对象的光具有发散量不同的波前。图3A至图3C示出了距离和光线发散之间的关系。对象和眼睛210之间的距离按照距离减小的排序由R1、R2和R3表示。如图3A至图3C所示，随着到对象的距离减小，光线变得更加发散。相反，随着距离增加，光线变得更加准直。换句话说，可以认为由点(对象或对象的一部分)产生的光场具有球面波前曲率，其是该点距用户的眼睛多远的函数。曲率随着对象和眼睛210之间的距离的减小而增加。尽管为了清楚地说明在图3A至图3C和本文的其它图中仅示出了单个眼睛210，但是有关眼睛210的讨论可以被应用于观看者的眼睛210和220。

继续参考图3A至图3C，来自观看者的眼睛注视的对象的光可以具有不同程度的波前发散。由于波前发散量不同，光可以由眼睛的晶状体不同地聚焦，这反过来可能需要晶状体呈现不同的形状以在眼睛的视网膜上形成聚焦图像。在视网膜上没有形成聚焦图像的情况下，导致的视网膜模糊充当调节线索，该调节使眼睛得晶状体的形状更改，直到在视网膜上形成聚焦图像。例如，调节线索可以触发眼睛的晶状体周围的睫状肌松弛或收缩，从而调节施加到保持晶状体的悬韧带的力，因此使眼睛的晶状体的形状更改，直到消除或最小化注视对象的视网膜模糊，从而在眼睛的视网膜(例如，中央凹)上形成注视对象的聚焦图像。眼睛的晶状体更改形状的过程可以被称为调节，并且在眼睛的视网膜(例如，中央凹)上形成注视对象的聚焦图像所需的眼睛的晶状体的形状可以被称为调节状态。

现在参考图4A，示出了人类视觉系统的调节-辐辏响应的表示。眼睛移动以注视对象使眼睛接收来自对象的光，其中光在眼睛的视网膜中的每一者上形成图像。在视网膜上形成的图像中视网膜模糊的存在可以提供调节线索，并且在视网膜上的图像的相对位置可以提供辐辏线索。调节线索使调节发生，导致眼睛的晶状体各自呈现特定的调节状态，该状态在眼睛的视网膜(例如，中央凹)形成对象的聚焦图像。另一方面，辐辏线索使辐辏移动(眼睛旋转)发生，以使得在每只眼睛的每个视网膜上形成的图像处于保持单个双眼视觉的对应的视网膜点处。在这些位置中，可以认为眼睛已经呈现特定的辐辏状态。继续参考图4A，调节可以被理解为眼睛实现特定调节状态的过程，并且辐辏可以被理解为眼睛通过其实现特定辐辏状态的过程。如图4A所示，如果用户注视另一对象，则眼睛的调节和辐辏状态可以更改。例如，如果用户注视z轴上的不同深度处的新对象，则调节状态可以更改。

不受理论的限制，可以认为对象的观看者可能由于辐辏和调节的组合而将对象感知为“三维”。如上所述，两只眼睛相对于彼此的辐辏运动(例如，眼睛旋转，以使得瞳孔朝向或离开彼此移动以使眼睛的视线会聚以注视对象)与眼睛的晶状体的调节紧密相关。在正常条件下，根据被称为“调节-辐辏反射”的关系，更改眼睛的晶状体的形状以将焦点从一个对象更改到不同距离处的另一对象将自动导致到同一距离的辐辏的匹配变化。同样，在正常条件下，辐辏的变化将触发晶状体形状的匹配变化。

现在参考图4B，示出了眼睛的不同调节和辐辏状态的示例。一对眼睛222a注视光学无限远处的对象，而一对眼睛222b注视小于光学无限远处的对象221。值得注意的是，每对眼睛的辐辏状态是不同的，其中一对眼睛222a望向正前方，而一对眼睛222会聚在对象221上。形成每对眼睛222a和222b的眼睛的调节状态也是不同的，如由晶状体210a、220a的不同形状所示。

不期望地，常规“3-D”显示系统的许多用户发现这样的常规系统由于这些显示器中的调节和辐辏状态之间的失配而令人感到不舒服或者根本不能感知深度感。如上所述，许多立体或“3-D”显示系统通过向每只眼睛提供稍微不同的图像来显示场景。这样的系统对于许多观看者来说是不舒服的，因为它们仅提供场景的不同呈现并且导致眼睛的辐辏状态的变化，但是这些眼睛的调节状态未发生对应的变化。相反，图像由距眼睛固定距离处的显示器示出，以使得眼睛在单个调节状态下观看所有图像信息。这种布置通过在调节状态未发生匹配变化的情况下引起辐辏状态的变化地违反“调节-辐辏”起作用。这种失配被认为会引起观看者的不适。在调节和辐辏之间提供更好匹配的显示系统可以形成更逼真和舒适的三维影像模拟。

不受理论的限制，认为人眼通常可以解释有限数量的深度平面以提供深度感知。因此，可以通过向眼睛提供与这些有限数量的深度平面中的每一者相对应的图像的不同呈现来实现高度可信的感知深度模拟。在一些实施例中，不同的呈现可以提供辐辏线索和匹配的调节线索两者，从而提供生理上正确的调节-辐辏匹配。

继续参考图4B，示出了与距眼睛210、220的不同空间距离相对应的两个深度平面240。对于给定深度平面240，可以通过为每只眼睛210、220显示具有适当不同的视角的图像来提供辐辏线索。此外，对于给定深度平面240，形成提供给每只眼睛210、220的图像的光可以具有与该深度平面240的距离处的点所产生的光场相对应的波前发散。

在所示实施例中，包含点221的深度平面240沿z轴的距离是1米。如本文所使用的，可以利用位于用户的眼睛出射光瞳处的零点来测量沿z轴的距离或深度。因此，位于1米深度处的深度平面240对应于在这些眼睛的光轴上的离开用户的眼睛的出射光瞳1米的距离，其中眼睛望向光学无限远。作为近似，沿z轴的深度或距离可以从用户的眼睛前方的显示器(例如，从波导的表面)测量，加上设备和用户的眼睛的出射光瞳之间的距离的值。该值可以被称为出瞳距离(eye relief)并且对应于用户的眼睛的出射光瞳与在眼前的由用户穿戴的显示器之间的距离。在实践中，出瞳距离的值可以是对所有观看者通用的标准化值。例如，可以假定出瞳距离是20mm，并且1米深度处的深度平面可以在显示器前面980mm的距离处。

现在参考图4C和图4D，分别示出了匹配的调节-辐辏距离和失配的调节-辐辏距离的示例。如图4C所示，显示系统可以向每只眼睛210、220提供虚拟对象的图像。这些图像可以使眼睛210、220呈现辐辏状态，在此状态下，眼睛会聚在深度平面240上的点15处。此外，图像可以由具有与该深度平面240处的真实对象相对应的波前曲率的光形成。因此，眼睛210、220呈现调节状态，在此状态下，图像在这些眼睛的视网膜上对焦。因此，用户可以感知虚拟对象处于深度平面240上的点15处。

应当理解，眼睛210、220的调节和辐辏状态中的每一者与z轴上的特定距离相关联。例如，距眼睛210、220特定距离处的对象使得这些眼睛基于对象的距离呈现特定调节状态。与特定调节状态相关联的距离可以被称为调节距离A_d。类似地，存在与特定的辐辏状态相关联的特定辐辏距离V_d或相对于另一者的位置。在调节距离和辐辏距离匹配的情况下，可以认为调节和辐辏之间的关系在生理学上是正确的。这被认为是对于观看者最舒适的场景。

然而，在立体显示器中，调节距离和辐辏距离可能不总是匹配。例如，如图4D所示，显示给眼睛210、220的图像可以通过与深度平面240相对应的波前发散显示，并且眼睛210、220可以呈现特定调节状态，在此状态下，该深度平面上的点15a、15b对焦。然而，显示给眼睛210、220的图像可以提供辐辏线索，此线索导致眼睛210、220会聚在不位于深度平面240上的点15处。因此，在一些实施例中，调节距离对应于从眼睛210、220的出射光瞳到深度平面240的距离，而辐辏距离对应于从眼睛210、220的出射光瞳到点15的较大距离。调节距离不同于辐辏距离。因此，存在调节-辐辏失配。这种失配被认为是不期望的并且可能引起用户的不适。应理解，失配对应于距离(例如，V_d-A_d)并且可以使用屈光度来表征。

在一些实施例中，应理解，可以使用除了眼睛210、220的出射光瞳之外的参考点来确定距离，从而确定调节-辐辏失配，只要对于调节距离和辐辏距离使用同一参考点即可。例如，可以测量从角膜到深度平面，从视网膜到深度平面，从目镜(例如，显示设备的波导)到深度平面等的距离。

在不受理论限制的情况下，认为用户仍然可以将高达约0.25屈光度、高达约0.33屈光度和高达约0.5屈光度的调节-辐辏失配感知为在生理上正确，而失配本身不导致明显不适。在一些实施例中，本文公开的显示系统(例如，图6中的显示系统250)向观看者呈现具有约0.5屈光度或更小的调节-辐辏失配的图像。在一些其它实施例中，由显示系统提供的图像的调节-辐辏失配约为0.33屈光度或更小。在另外的实施例中，由显示系统提供的图像的调节-辐辏失配约为0.25屈光度或更小，包括约0.1屈光度或更小。

图5示出了用于通过修改波前发散来模拟三维影像的方法的各方面。该显示系统包括波导270，该波导270被接收用图像信息编码的光770，并被配置为将该光输出到用户的眼睛210。波导270可以输出具有限定的波前发散量的光650，该波前发散与所需深度平面240上的点产生的光场的波前发散对应。在一些实施例中，为在该深度平面上呈现的所有对象提供同一波前发散量。另外，将说明可以向用户的另一只眼睛提供来自类似波导的图像信息。

在一些实施例中，单个波导可以被配置为输出具有对应于单个或有限数量的深度平面的设定的波前发散量的光，和/或波导可以被配置为输出有限波长范围的光。因此，在一些实施例中，可以使用多个波导或波导堆叠来为不同深度平面提供不同的波前发散量和/或输出不同波长范围的光。如本文所使用的，应理解，深度平面可以是平坦的，也可以遵循曲面的轮廓。

图6示出了用于将图像信息输出给用户的波导堆叠的示例。显示系统250包括波导堆叠或堆叠波导组件260，其可用于使用多个波导270、280、290、300、310向眼睛/大脑提供三维感知。应理解，在一些实施例中，显示系统250可以被视为光场显示器。此外，波导组件260也可以被称为目镜。

在一些实施例中，显示系统250可以被配置为提供基本连续的辐辏线索和多个离散的调节线索。辐辏线索可以通过向用户的眼睛中的每一者显示不同的图像来提供，调节线索可以通过输出以可选的离散的波前发散量形成图像的光来提供。换言之，显示系统250可以被配置为以可变的波前发散水平输出光。在一些实施例中，每个离散的波前发散水平对应于特定深度平面，并且可以由波导270、280、290、300、310中的特定一者提供。

继续参考图6，波导组件260还可以包括波导之间的多个特征320、330、340、350。在一些实施例中，特征320、330、340、350可以是一个或多个透镜。波导270、280、290、300、310和/或多个透镜320、330、340、350可以被配置为以各种水平的波前曲率或光线发散向眼睛发送图像信息。每个波导水平可以与特定深度平面相关联，并且可以被配置为输出对应于该深度平面的图像信息。图像注入设备360、370、380、390、400可以用作波导的光源，并且可用于将图像信息注入波导270、280、290、300、310中，如本文所述，波导270、280、290、300、310中的每一者可以被配置为将入射光分布在每个相应的波导上以便朝着眼睛210输出。光从图像注入设备360、370、380、390、400的输出表面410、420、430、440、450出射，并且注入波导270、280、290、300、310的对应输入表面460、470、480、490、500中。在一些实施例中，输入表面460、470、480、490、500中的每一者可以是对应波导的边缘，或者可以是对应波导的主表面的一部分(即，直接面向世界510或观看者眼睛210的波导表面中的一者)。在一些实施例中，可以将单个光束(例如，准直光束)注入每个波导中以输出整个克隆的准直光束场，这些克隆的准直光束以对应于与特定波导相关联的深度平面的特定角度(和发散量)指向眼睛210。在一些实施例中，图像注入设备360、370、380、390、400的单个图像注入设备可以与波导270、280、290、300、310中的多个(三个)波导相关联并将光注入这些波导中。

在一些实施例中，图像注入设备360、370、380、390、400是分立的显示器，每个显示器产生用于分别注入对应波导270、280、290、300、310中的图像信息。在一些其它实施例中，图像注入设备360、370、380、390、400是单个多路复用显示器的输出端，该多路复用显示器例如可以经由一个或多个光学导管(例如，光纤光缆)将图像信息管道传输到图像注入设备360、370、380、390、400中的每一者。应理解，由图像注入设备360、370、380、390、400提供的图像信息可以包括不同波长或颜色(例如，本文所讨论的不同组分颜色)的光。

在一些实施例中，注入波导270、280、290、300、31中的光由光投射器系统520提供，该光投射器系统520包括光模块530，该光模块530可以包括诸如发光二极管(LED)之类的光发射器。来自光模块530的光可以经由分束器550被引导到例如空间光调制器的光调制器540引导并被其修改。光调制器540可以被配置为更改注入波导270、280、290、300、310的光的感知强度以用图像信息来编码光。空间光调制器的示例包括液晶显示器(LCD)，该液晶显示器(LCD)包括硅上液晶(LCOS)显示器。以此方式，光调制器540可以有效地充当显示系统250的微型显示器部件。应理解，图像注入设备360、370、380、390、400被示意性地示出，并且在一些实施例中，这些图像注入设备可以表示公共投射系统中的不同光路和位置，该公共投射系统被配置为将光输出到波导270、280、290、300、310中的关联波导中。在一些实施例中，波导组件260的波导可以用作理想透镜，同时将注入波导中的光中继出去到用户的眼睛。在该概念中，对象可以是空间光调制器540，并且图像可以是深度平面上的图像。

在一些实施例中，显示系统250可以是扫描光纤显示器，该扫描光纤显示器包括一个或多个扫描光纤，该扫描光纤被配置为以各种图案(例如，光栅扫描、螺旋扫描、利萨如(Lissajous)图案等)将光投射到一个或多个波导270、280、290、300、310中并最终投射到观看者的眼睛210。在一些实施例中，所示图像注入设备360、370、380、390、400可示意性地表示单个扫描光纤或扫描光纤束，该单个扫描光纤或扫描光纤束被配置为将光注入波导270、280、290、300、310中的一个或多个波导中。在一些其它实施例中，所示图像注入设备360、370、380、390、400可以示意性地表示多个扫描光纤或多个扫描光纤束，该扫描光纤或扫描光纤束中的每一者被配置为将光注入波导270、280、290、300、310中的关联波导中。应理解，一个或多个光纤可以被配置为将光从光模块530透射到一个或多个波导270、280、290、300、310。应理解，可以在一个或多个扫描光纤与一个或多个波导270、280、290、300、310之间提供一个或多个插入光学结构，以例如将从扫描光纤射出的光重新定向到一个或多个波导270、280、290、300、310中。

控制器560控制堆叠波导组件260中的一者或多者的操作，包括图像注入设备360、370、380、390、400；光源530和光调制器540的操作。在一些实施例中，控制器560是本地数据处理模块140的一部分。控制器560包括编程(例如，非暂时性介质中的指令)，该编程根据例如本文公开的多种方案中的任一项调节图像信息到波导270、280、290、300、310的定时和提供。在一些实施例中，控制器可以是单个集成设备，或者是通过有线或无线通信信道连接的分布式系统。在一些实施例中，控制器560可以是处理模块140或150(图9D)的一部分。

继续参考图6，波导270、280、290、300、310可以被配置为通过全内反射(TIR)在每个相应的波导内传播光。波导270、280、290、300、310可以各自是平面的或具有另一形状(例如，弯曲的)，其具有主要的顶部表面和底部表面以及在这些主要的顶部表面与底部表面之间延伸的边缘。在所示的配置中，波导270、280、290、300、310可各自包括耦出光学元件570、580、590、600、610，这些耦出光学元件570、580、590、600、610被配置为通过将在每个相应的波导内传播的光重新定向出波导来从波导中提取出光，从而向眼睛210输出图像信息。所提取的光也可以被称为耦出光，并且耦出光学元件也可以被称为光提取光学元件。在波导内传播的光照射光提取光学元件的位置处，可以由波导输出所提取的光束。如本文进一步讨论的，耦出光学元件570、580、590、600、610例如可以是包括衍射光学特征的光栅。尽管为了便于描述和作图清晰而示出了设置在波导270、280、290、300、310的底部主表面处，但是在一些实施例中，如本文进一步所讨论的，耦出光学元件570、580、590、600、610可以被设置在顶部主表面和/或底部主表面处，和/或可以被直接设置在波导270、280、290、300、310的体中。在一些实施例中，耦出光学元件570、580、590、600、610可以在附接到透明基板的材料层中形成，从而形成波导270、280、290、300、310。在一些其它实施例中，波导270、280、290、300、310可以是整块材料，并且耦出光学元件570、580、590、600、610可以形成在该块材料的表面上和/或内部中。

继续参考图6，如本文所讨论的，每个波导270、280、290、300、310被配置为输出光以形成对应于特定深度平面的图像。例如，最靠近眼睛的波导270可以被配置为准直光(其被注入这样的波导270中)的传送到眼睛210。准直光可以代表光学无限远焦平面。下一上行波导280可以被配置为发出在到达眼睛210之前传播通过第一透镜350(例如，负透镜)的准直光；这样的第一透镜350可以被配置为产生微凸的波前曲率，以使得眼睛/大脑将来自下一上行波导280的光解释为来自从光学无限远向内更接近眼睛210的第一焦平面。类似地，第三上行波导290使其输出光在到达眼睛210之前传播通过第一透镜350和第二透镜340；第一透镜350和第二透镜340的组合光焦度可以被配置为产生另一波前曲率增量，以使得眼睛/大脑将来自第三波导290的光解释为来自第二焦平面，该来自第二焦平面的光比来自下一上行波导280的光从光学无限远向内的光更接近人。

其它波导层300、310和透镜330、320被类似地配置，其中堆叠中的最高波导310通过其与眼睛之间的所有透镜发送其输出，以获得代表与人最接近的焦平面的总焦度。为了在观察/解释来自堆叠波导组件260的另一侧上的世界510的光时补偿透镜堆叠320、330、340、350，可以在堆叠的顶部设置补偿透镜层620以补偿下面的透镜堆叠320、330、340、350的总焦度。这样的配置提供与可用的波导/透镜配对一样多的感知焦平面。波导的耦出光学元件和透镜的聚焦方面都可以是静态的(即，不是动态的或电活性的)。在一些替代实施例中，通过使用电活性特征，它们中的一者或全部两者可以是动态的。

在一些实施例中，波导270、280、290、300、310中的两者或更多者可具有相同的关联深度平面。例如，多个波导270、280、290、300、310可以被配置为将图像集输出到同一深度平面，或者波导270、280、290、300、310的多个子集可以被配置为将图像集输出到相同的多个深度平面，每个深度平面一个集。这可以提供形成平铺图像以在那些深度平面上提供扩展视野的优势。

继续参考图6，耦出光学元件570、580、590、600、610可以被配置为既将光重新定向出它们各自的波导又针对与波导相关联的特定深度平面以适当的发散量或准直度输出该光。因此，具有不同关联深度平面的波导可以具有不同配置的耦出光学元件570、580、590、600、610，这些耦出光学元件570、580、590、600、610取决于关联深度平面以不同的发散量输出光。在一些实施例中，光提取光学元件570、580、590、600、610可以是体特征或表面特征，其可以被配置为以特定角度输出光。例如，光提取光学元件570、580、590、600、610可以是体全息图、表面全息图和/或衍射光栅。在一些实施例中，特征320、330、340、350可以不是透镜；相反，它们可以仅仅是间隔物(例如，包层和/或用于形成气隙的结构)。

在一些实施例中，耦出光学元件570、580、590、600、610是形成衍射图案的衍射特征，或“衍射光学元件”(在本文中也被称为“DOE”)。优选地，DOE具有足够低的衍射效率，以使得只有光束的一部分用DOE的每个交叉朝着眼睛210偏转，而其余部分经由TIR继续前进通过波导。因此，携带图像信息的光被分成多个相关出射光束，这些出射光束在多个位置处从波导出射，结果是对于在波导内四处反弹的特定准直光束，形成朝着眼睛210的相当均匀的出射图案。

在一些实施例中，一个或多个DOE可以在积极衍射的“接通”状态与不明显衍射的“关断”状态之间切换。例如，可切换的DOE可以包括聚合物分散液晶层，其中微滴在主体介质中包括的衍射图案，并且微滴的折射率可以切换为基本匹配主体材料的折射率(在这种情况下，图案不会明显地衍射入射光)或者微滴可以切换到与主体介质的折射率不匹配的折射率(在这种情况下，使图案积极衍射入射光)。

在一些实施例中，可提供相机组件630(例如，数码相机，包括可见光和红外光相机)以捕获眼睛210和/或眼睛210周围的组织的图像，从而例如检测用户输入和/或监测用户的生理状态。如本文所使用的，相机可以是任何图像捕获设备。在一些实施例中，相机组件630可以包括图像捕获设备和光源，以将光(例如，红外光)投射到眼睛，然后光可以由眼睛反射并由图像捕获设备检测到。在一些实施例中，相机组件630可以被附接到框架80(图9D)并且可以与处理模块140和/或150电连通，处理模块140和/或150可以处理来自相机组件630的图像信息。在一些实施例中，可以针对每只眼睛使用一个相机组件630以分开监测每只眼睛。

现在参考图7，示出了由波导输出的出射光束的示例。示出了一个波导，但是应理解，波导组件260(图6)中的其它波导可以发挥类似的作用，其中波导组件260包括多个波导。光640在波导270的输入表面460处注入波导270，并通过TIR在波导270内传播。在光640照射在DOE 570上的点处，光的一部分作为出射光束650从波导出射。出射光束650被示为基本上平行，但是如本文所讨论的，它们也可以被重新定向为以一定角度(例如，形成发散的出射光束)传播到眼睛210，该角度取决于与波导270相关联的深度平面。应理解，基本上平行的出射光束可以指示具有耦出光学元件的波导，该耦出光学元件将光耦出以形成看起来设置在距眼睛210较远距离(例如，光学无限远)处的深度平面上的图像。其它波导或其它耦出光学元件组可以输出出射光束图案，这将需要眼睛210适应更近的距离以将该更加发散的出射光束图案聚焦在视网膜上，并且该更加发散的出射光束图案可以被大脑解释为来自比光学无限远更接近眼睛210的距离的光。

在一些实施例中，可以通过叠加采用例如三种或更多种组分颜色的组分颜色中的每一者的图像来在每个深度平面处形成全色图像。图8示出了堆叠波导组件的示例，在该堆叠波导组件中每个深度平面包括使用多种不同组分颜色形成的图像。所示的实施例示出了深度平面240a至240f，尽管也还构想更多或更少的深度。每个深度平面可以具有与其相关联的三种或更多种组分颜色图像，其中包括：第一颜色G的第一图像；第二颜色R的第二图像；以及第三颜色B的第三图像。不同的深度平面在图中通过字母G、R和B之后的屈光度(dpt)的不同数字指示。仅作为示例，这些字母中的每一者后面的数字指示屈光度(1/m)，或深度平面距观看者的距离倒数，并且图中的每个框表示单独的组分彩色图像。在一些实施例中，为了解决眼睛对不同波长的光的聚焦的差异，不同组分颜色的深度平面的精确放置可以变化。例如，给定深度平面的不同组分颜色图像可以被放置在与距用户的不同距离相对应的深度平面上。这样的布置可以增加视敏度和用户舒适度和/或可以减少色差。

在一些实施例中，每种分量颜色的光可以由单个专用波导输出，并且因此，每个深度平面可以具有与其相关联的多个波导。在这样的实施例中，图中包括字母G、R或B的每个框可以被理解为表示单独的波导，并且在为每个深度平面提供三个组分颜色图像的情况下，可以为每个深度平面提供三个波导。尽管为了便于描述，在该图中示出了与每个深度平面相关联的波导彼此相邻，但是应理解，在物理设备中，波导可以全部布置在每层具有一个波导的堆叠中。在一些其它实施例中，多个组分颜色可以由相同的波导输出，以使得例如可以为每个深度平面仅提供单个波导。

继续参考图8，在一些实施例中，G是绿色，R是红色，B是蓝色。在一些其它实施例中，除了红色、绿色或蓝色之外，与其它波长的光相关联的包括品红色和青色的其它颜色可以被附加地使用，或者可以替换红色、绿色或蓝色中的一种或多种。

应理解，贯穿本公开对给定颜色的光的引用将被理解为包括被观看者感知为具有该给定颜色的光波长范围内的一个或多个波长的光。例如，红光可以包括在约620至780nm范围内的一个或多个波长的光，绿光可以包括在约492至577nm范围内的一个或多个波长的光，蓝光可以包括在约435至493nm范围内的一个或多个波长的光。

在一些实施例中，光源530(图6)可以被配置为发射观看者视觉感知范围外的例如红外和/或紫外波长的一个或多个波长的光。此外，显示器250的波导的耦入、耦出和其它光重新定向结构可以被配置为将该光从显示器引导出并朝着用户的眼睛210发射，例如，用于成像和/或用户刺激应用。

现在参考图9A，在一些实施例中，可能需要将照射在波导上的光重新定向以将该光耦入波导中。可以使用耦入光学元件将光重新定向并且将光耦入其对应波导中。图9A示出了多个堆叠波导或堆叠波导组660的示例的横截面侧视图，每个堆叠波导包括耦入光学元件。每个波导可以各自被配置为输出一个或多个不同波长的光，或一个或多个不同波长范围的光。应理解，堆叠660可对应于堆叠260(图6)，并且所示的堆叠波导660可对应于多个波导270、280、290、300、310的一部分，除了来自图像注入设备360、370、380、390、400中的一者或多者的光从需要重新定向光以进行耦入的位置注入波导中之外。

所示的堆叠波导组660包括波导670、680和690。每个波导包括关联耦入光学元件(其也可以称为波导上的光输入区域)，例如有，设置在波导670的主表面(例如，顶部主表面)上的耦入光学元件700、设置在波导680的主表面(例如，顶部主表面)上的耦入光学元件710、以及设置在波导690的主表面(例如，顶部主表面)上的耦入光学元件720。在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720中的一者或多者可以被设置在相应波导670、680、690的底部主表面上(特别是在一个或多个耦入光学元件是反射偏转光学元件的情况下)。如图所示，耦入光学元件700、710、720可以被设置在其相应波导670、680、690的顶部主表面上(或下一较低波导的顶部上)，特别是在这些耦入光学元件是透射偏转光学元件的情况下。在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720可以被设置在相应波导670、680、690的体中。在一些实施例中，如本文所讨论的，耦入光学元件700、710、720使波长选择性的，以使得它们选择性地重新定向一个或多个波长的光，同时透射其它波长的光。尽管示出为在其相应波导670、680、690的一侧或角上，但是应理解，在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720可以被设置在其相应波导670、680、690的其它区域中。

如图所示，耦入光学元件700、710、720可以彼此横向偏移。在一些实施例中，每个耦入光学元件可以偏移，以使得其在光不传播通过另一耦入光学元件的情况下接收该光。例如，如图6所示，每个耦入光学元件700、710、720可以被配置为接收来自不同的图像注入设备360、370、380、390和400的光，并且可以与其它耦入光学元件700、710、720分开(例如，横向地隔开)，以使得它基本上不接收来自耦入光学元件700、710、720中的其耦入光学元件的光。

每个波导还包括关联光分布元件，例如，设置在波导670的主表面(例如，顶部主表面)上的光分布元件730、设置在波导680的主表面(例如，顶部主表面)上的光分布元件740、以及设置在波导690的主表面(例如，顶部主表面)上的光分布元件750。在一些其它实施例中，光分布元件730、740、750可以被分别设置在关联波导670、680、690的底部主表面上。在一些其它实施例中，光分布元件730、740、750可以被分别设置在关联波导670、680、690的顶部主表面和底部主表面上；或者，光分布元件730、740、750可以被分别设置在不同的关联波导670、680、690中的顶部主表面和底部主表面中的不同主表面上。

波导670、680、690可以由例如气体、液体和/或固体材料层间隔开并分开。例如，如图所示，层760a可以使波导670和680隔开；以及层760b可以使波导680和690隔开。在一些实施例中，层760a和760b由低折射率材料(即，材料具有比形成波导670、680、690中的紧邻波导的材料低的折射率)形成。优选地，形成层760a、760b的材料的折射率是0.05或大于形成波导670、680、690的材料的折射率，或者是0.10或小于形成波导670、680、690的材料的折射率。有利地，较低折射率层760a、760b可以用作包层，该包层促进光通过波导670、680、690的全内反射(TIR)(例如，每个波导的顶部主表面与底部主表面之间的TIR)。在一些实施例中，层760a、760b由空气形成。尽管未示出，但应理解，所示的波导组660的顶部和底部可以包括紧邻的包层。

优选地，为了便于制造和出于其它考虑，形成波导670、680、690的材料相似或相同，并且形成层760a、760b的材料相似或相同。在一些实施例中，形成波导670、680、690的材料在一个或多个波导之间可以是不同的，和/或形成层760a、760b的材料可以是不同的，同时仍然保持上述各种折射率关系。

继续参考图9A，光线770、780、790入射在波导组660上。应理解，光线770、780、790可以通过一个或多个图像注入设备360、370、380、390、400(图6)注入波导670、680、690中。

在一些实施例中，光线770、780、790具有不同的特性，例如，不同的波长或不同的波长范围，这些不同的波长或不同的波长范围可对应于不同的颜色。耦入光学元件700、710、720各自偏转入射光，以使得光通过TIR传播通过波导670、680、690中的相应波导。在一些实施例中，耦入光学元件700、710、720各自选择性地偏转一个或多个特定波长的光，同时将其它波长透射到下面的波导和关联耦入光学元件。

例如，耦入光学元件700可以被配置为偏转具有第一波长或波长范围的光线770，同时分别透射具有不同的第二和第三波长或波长范围的光线780和790。透射光线780照射在耦入光学元件710上并被其偏转，该耦入光学元件710被配置为偏转第二波长或波长范围的光。光线790被耦入光学元件720偏转，该耦入光学元件720被配置为选择性地偏转第三波长或波长范围的光。

继续参考图9A，所偏转的光线770、780、790被偏转，以使得它们传播通过对应波导670、680、690；即，每个波导的耦入光学元件700、710、720将光偏转到对应波导670、680、690中，以将光耦入对应波导中。光线770、780、790以一定角度偏转，这些角度使光通过TIR传播通过相应波导670、680、690。光线770、780、790通过TIR传播通过相应波导670、680、690，直到照射在波导的相应光分布元件730、740、750。

现在参考图9B，示出了图9A的多个堆叠波导的示例的透视图。如上所述，耦入光线770、780、790分别被耦入光学元件700、710、720偏转，然后分别通过TIR在波导670、680、690内传播。然后，光线770、780、790分别照射在光分布元件730、740、750上。光分布元件730、740、750使光线770、780、790偏转，以使得它们分别朝向耦出光学元件800、810、820传播。

在一些实施例中，光分布元件730、740、750是正交光瞳扩展器(OPE)。在一些实施例中，OPE将光偏转或分布到耦出光学元件800、810、820，并且在一些实施例中，还可以在光传播到耦出光学元件时增加该光的光束或光斑尺寸。在一些实施例中，可以省略光分布元件730、740、750，并且可以将耦入光学元件700、710、720配置为将光直接偏转到耦出光学元件800、810、820。例如。参考图9A，光分布元件730、740、750可分别用耦出光学元件800、810、820代替。在一些实施例中，耦出光学元件800、810、820是出射光瞳(EP)或出射光瞳扩展器(EPE)，该出射光瞳(EP)或出射光瞳扩展器(EPE)引导观看者眼睛210(图7)中的光。应理解，OPE可以被配置为在至少一个轴上增加眼动范围(eye box)的尺寸，并且EPE可以在与OPE的轴相交(例如，正交)的轴上增加眼动范围。例如，每个OPE可以被配置为将照射OPE的光的一部分重新定向到同一波导的EPE，同时允许光的剩余部分继续沿波导向下传播。当再次照射在OPE上时，剩余光的另一部分被重新定向到EPE，并且该剩余部分的该部分继续沿波导向下进一步传播，以此类推。类似地，在照射EPE时，照射光的一部分朝着用户被引导出波导，并且该光的剩余部分继续传播通过波导，直到它再次照射EP，此时照射光的另一部分被引导出波导，以此类推。因此，每当该光的一部分被OPE或EPE重新定向时，可以“复制”单束耦合光，从而形成克隆光束的场，如图6所示。在一些实施例中，OPE和/或EPE可以被配置为修改光束的尺寸。

因此，参考图9A和图9B，在一些实施例中，波导组660包括用于每种组分颜色的波导670、680、690；耦入光学元件700、710、720；光分布元件(例如，OPE)730、740、750；以及耦出光学元件(例如，EP)800、810、820。波导670、680、690可以在每一者之间堆叠有气隙/包层。耦入光学元件700、710、720将入射光重新定向或偏转(通过接收不同波长的光的不同耦入光学元件)到其波导中。然后光以一定角度传播，这将导致相应波导670、680、690内的TIR。在所示的示例中，光线770(例如，蓝光)以先前描述的方式被第一耦入光学元件700偏转，然后继续沿波导向下反弹，与光分布元件(例如，OPE)730相互作用，以及然后与耦出光学元件(例如，EP)800相互作用。光线780和790(例如，分别为绿光和红光)将传播通过波导670，其中，光线780照射在耦入光学元件710上并被耦入光学元件710偏转。光线780然后经由TIR沿波导680向下反弹，行进到其光分布元件(例如，OPE)740上，以及然后行进到耦出光学元件(例如，EP)810。最后，光线790(例如，红光)传播通过波导690以照射在波导690的耦入光学元件720上。耦入光学元件720偏转光线790，以使得光线通过TIR传播到光分布元件(例如，OPE)750，以及然后通过TIR传播到耦出光学元件(例如，EP)820。然后，耦出光学元件820最终将光线790耦出到观看者，观看者还接收来自其它波导670、680的耦出光。

图9C示出了图9A和图9B的多个堆叠波导的示例的俯视平面图。如图所示，波导670、680、690以及每个波导的关联光分布元件730、740、750和关联耦出光学元件800、810、820可以垂直对准。然而，如本文所讨论的，耦入光学元件700、710、720不是垂直对准的；相反，耦入光学元件优选地是非重叠的(例如，如俯视图中所示，是横向间隔开的)。如本文进一步所讨论的，该非重叠空间布置促进将来自不同资源的光一对一地注入不同波导中，从而允许特定光源被唯一地耦合到特定波导。在一些实施例中，包括非重叠空间分开的耦入光学元件的布置可以被称为移位光瞳系统，并且这些布置内的耦入光学元件可对应于子光瞳。

图9D示出了可以将本文公开的各种波导和相关系统集成的可穿戴显示系统60的示例。在一些实施例中，显示系统60是图6的系统250，其中图6示意性地更详细地示出了系统60的一些部件。例如，图6的波导组件260可以是显示器70的一部分。

继续参考图9D，显示系统60包括显示器70，以及支持该显示器70的功能的各种机械和电子模块和系统。显示器70可以被耦接到框架80，该框架可由显示系统用户或观看者90穿戴，并且被配置为将显示器70定位在用户90的眼前。在一些实施例中，显示器70可以被视为眼镜。在一些实施例中，扬声器100被耦接到框架80并且被配置为将定位在用户90的耳道附近(在一些实施例中，另一扬声器(未示出)可选择性地被定位在用户的另一耳道附近以提供立体声/可塑型的声音控制)。显示系统60还可以包括一个或多个麦克风110或其它检测声音的设备。在一些实施例中，麦克风被配置为允许用户向系统60提供输入或命令(例如，语音菜单命令的选择、自然语言问题等)，和/或可以允许与其它人(例如，与类似显示系统的其它用户)进行音频通信。麦克风可以进一步被配置为外围传感器以收集音频数据(例如，来自用户和/或环境的声音)。在一些实施例中，显示系统还可以包括外围传感器120a，该外围传感器120a可以与框架80分离并且被附接到用户90的身体(例如，用户90的头部、躯干、四肢等上)。在一些实施例中，外围传感器120a可以被配置为获取表征用户90的生理状态的数据。例如，传感器120a可以是电极。

继续参考图9D，显示器70通过通信链路130，诸如通过有线引线或无线连接，被可操作地耦接到本地数据处理模块140，本地数据处理模块140可以以各种配置安装，诸如固定地附接到框架80，固定地附接到用户戴的头盔或帽子，嵌入耳机中或以其它方式可移除地附接到用户90(例如，采取背包式配置，采取束带耦接式配置)。类似地，传感器120a可以通过通信链路120b，例如通过有线引线或无线连接，被可操作地耦接到本地处理和数据模块140。本地处理和数据模块140可以包括硬件处理器，以及数字存储器，诸如非易失性存储器(例如，闪存或硬盘驱动器)，这两者都可用于辅助处理、缓存和存储数据。可选地，本地处理和数据模块140可以包括一个或多个中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、专用处理硬件等。这些数据可以包括：a)从传感器(其例如可以被可操作地耦接到框架80或以其它方式被附接到用户90)捕获的数据，这些传感器为诸如图像捕获设备(诸如，相机)、麦克风、惯性测量单元、加速度计、指南针、GPS单元、无线电设备、陀螺仪和/或此处公开的其它传感器；和/或b)使用远程处理模块150和/或远程数据存储设备160获取和/或处理的数据(包括关于虚拟内容的数据)，这些数据可以在被执行完这样的处理或检索之后传送到显示器70。本地处理和数据模块140可以通过通信链路170、180，诸如经由有线或无线通信链路，被可操作地耦接到远程处理模块150和远程数据存储设备160，以使得这些远程模块150、160被可操作地彼此耦接，并且作为资源可用于本地处理和数据模块140。在一些实施例中，本地处理和数据模块140可以包括图像捕获设备、麦克风、惯性测量单元、加速度计、指南针、GPS单元、无线电设备和/或陀螺仪中的一者或多者。在一些其它实施例中，这些传感器中的一者或多者可以被附接到框架80，或者可以是通过有线或无线通信路径与本地处理和数据模块140通信的独立结构。

继续参考图9D，在一些实施例中，远程处理模块150可以包括被配置为分析和处理数据和/或图像信息的一个或多个处理器，例如，包括一个或多个中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)、专用处理硬件等。在一些实施例中，远程数据存储设备160可以包括数字数据储存设施，该设施可以通过因特网或“云”资源配置中的其它网络配置获得。在一些实施例中，远程数据存储设备160可以包括一个或多个远程服务器，该一个或多个远程服务器向本地处理和数据模块140和/或远程处理模块150提供信息，例如用于生成增强现实内容的信息。在一些实施例中，所有数据都被储存在本地处理和数据模块中，并在本地处理和数据模块中执行所有计算，允许从远程模块完全自主的使用。可选地，包括CPU、GPU等的外部系统(例如，一个或多个处理器、一个或多个计算机的系统)可以执行至少一部分处理(例如，生成图像信息，处理数据)，并且例如经由无线或有线连接向模块140、150、160提供信息，并从这些模块接收信息。

自适应透镜组件

如上面关于图6所述，根据实施例的一些显示系统包括波导组件260，该波导组件260被配置为在多个虚拟深度平面处形成图像。在所示实施例中，可以使用例如被配置为在不同深度平面中的一者处形成图像的多个波导270、280、290、300、310来形成图像。波导组件260还可选地在波导之间包括多个透镜320、330、340、350。波导270、280、290、300、310和/或多个透镜320、330、340、350可以具有各种光焦度以在不同的虚拟深度平面处形成图像。

然而，由于波导270、280、290、300、310中的每一者增加了波导组件260的整体厚度、重量和成本，需要以较少的波导在多个虚拟深度平面处形成图像。另外，当由常规透镜材料形成时，可选透镜320、330、340、350中的每一者可以使显示器的厚度增加数毫米或数十毫米，并且增加对应的重量。

在本文描述的各种实施例中，显示设备被配置为使用波导组件和一个或多个自适应透镜组件在不同的虚拟深度平面处形成图像。在一些实施例中，自适应透镜组件与常规透镜相比包括显著较轻且较薄(微米)的液晶，并且可以有利地被配置为可切换(例如，可电切换)。有利地，这样的自适应透镜组件可以减小诸如组件260之类的波导组件的数量、厚度和重量。如本文所使用的，光焦度(也被称为透射力、屈光力或会聚力)是指透镜、反射镜或其它光学系统会聚或发散光的程度。它等于设备焦距的倒数：P＝1/f。即，高光焦度对应于短焦距。光焦度的SI单位是米的倒数(m^-1)，通常被称为屈光度。如本文所述，会聚透镜被描述为具有正光焦度，而发散透镜被描述为具有负光焦度。不受理论的束缚，当光传播通过彼此相对靠近的两个或更多个薄透镜时，组合透镜的光焦度可以近似地为各个透镜的光焦度之和。因此，当光传播通过具有第一光焦度P1的第一透镜并且进一步传播通过具有第二光焦度P2的第二透镜时，该光可以被理解为根据光焦度之和P＝P1+P2而会聚或发散。

图10示出了显示设备1000(例如，可穿戴显示设备)的示例，该显示设备1000包括一个或多个自适应透镜组件，例如位于光路1016中的中间插有波导组件1012的自适应透镜组件1004、1008对。如上文所述，波导组件包括波导，该波导被配置为在全内反射下传播光(例如，可见光)，并在从波导的光输出表面(例如，波导的主表面)延伸的光轴中(例如，在垂直于波导的光输出表面的方向上)耦出光。在一些实施例中，光可以通过衍射光栅耦出。自适应透镜组件1004、1008中的每一者可以被配置为至少部分地透射通过其的耦出光。在所示实施例中，自适应透镜组件中的每一者可以被配置为接收来自波导组件1012的耦出光并且使耦出光在光轴方向上会聚或发散。自适应透镜组件1004、1008中的每一者包括插有可切换波片的第一波片透镜和第二波片透镜。第一波片透镜和第二波片透镜中的每一者可以被配置为改变传播通过其的耦出光的偏振状态。可切换波片可以被配置为当被激活(例如，电激活)时改变传播通过其的耦出光的偏振状态。

如本文所使用的，自适应透镜组件指具有至少一个光学特性的透镜组件，该光学特性可以使用外部刺激来调整，例如可逆地激活和停用。可以被可逆地激活和停用的示例光学特性包括光焦度(焦距)、相位、偏振、偏振选择性、透射率、反射率、双折射和衍射特性以及其它特性。在各种实施例中，自适应透镜组件能够电改变传播通过其的光的光焦度和偏振状态。

在所示实施例中，自适应透镜组件1004、1008对中的每一者被配置为被电激活和电停用，其中在停用状态下，自适应透镜组件1004、1008中的每一者提供第一光焦度，而在激活状态下，自适应透镜组件1004、1008中的每一者提供不同于第一光焦度的第二光焦度。另外，在激活状态下，自适应透镜组件1004、1008中的每一者改变传播通过其的光(例如，可见光)的偏振状态，而在停用状态下，自适应透镜组件1004、1008中的每一者保持传播通过其的光的偏振状态。例如，当被激活时，自适应透镜组件1004、1008中的每一者使圆偏振光的旋向性反转，而当被停用时，自适应透镜组件1004、1008中的每一者保持圆偏振光的旋向性。虽然本文主要参考圆偏振状态来描述偏振状态，但是应理解，本文描述的系统和技术中的一些或全部可用于赋予光其它类型的光偏振状态(例如，线性偏振状态、椭圆偏振状态等)，并区别地与具有这样的其它类型的偏振状态的光进行相互作用。

仍然参考图10，显示设备1000进一步包括被插在自适应透镜组件1004、1008对之间的波导组件1012。波导组件1012可以类似于上面关于图6所述的波导组件260，包括一个或多个波导，该一个或多个波导与图6中的一个或多个波导270、280、290、300、310类似。如上面关于例如图6和图7所述，该波导可以被配置为在全内反射下，在平行于波导主表面的横向上传播光。波导可以被进一步配置为例如在垂直于波导主表面的方向上耦出光。

仍然参考图10，成对的自适应透镜组件中的第一自适应透镜组件1004被设置在波导组件1012的第一侧上，例如，用户观察到的世界510的一侧上，上，而透镜组件对中的第二自适应透镜组件1008被设置在波导组件1012的第二侧上，例如，用户的眼睛210的一侧上。如下文所述，如所配置的成对的自适应透镜组件在多个虚拟深度平面处向用户提供来自波导组件1012的虚拟内容，以及真实世界的视图。在一些实施例中，由于自适应透镜组件的存在，失真很少或不存在失真。如下面关于图11A和11B所述，在激活第一自适应透镜组件1004和第二自适应透镜组件1008时，虚拟内容和真实世界的视图被提供给用户。

在本文所述的各种实施例中，显示设备包括成对的自适应透镜组件，用于在调整世界视图的可能的失真的同时显示增强现实内容。然而，应理解，实施例不限于此，在一些实施方式中，显示设备可以仅具有一个自适应透镜组件。这样的配置可以适合于显示设备被配置为提供虚拟现实(VR)内容而不是增强现实(AR)内容的情况。在这样的配置中，在波导组件和真实世界之间不需要第二自适应透镜组件。因此，应理解，本文公开的实施例中的任一者可以具有一个自适应透镜组件或成对的自适应透镜组件。

图11A和图11B示出了显示设备1100A/1100B的示例，它们各自包括通过操作向用户输出图像信息的自适应透镜组件。在未加电状态下，显示设备1100A和1100B在结构上相同。显示设备1100A在本文中用于描述向用户输出虚拟图像，而显示设备1100B在本文中用于描述通过显示设备1100B向用户发送真实世界图像。显示设备1100A/1100B包括可切换透镜组件1004、1008对，它们被配置为例如通过施加电压或电流而被电激活。在一些实施例中，在停用状态下，例如，当未施加电压或电流时，第一可切换透镜组件1004和第二可切换透镜组件1008中的每一者具有低光焦度，例如，约为零。在一些实施例中，在激活状态下，例如，当施加电压或电流时，在世界侧上的第一自适应透镜组件1004可以提供具有第一符号的第一净光焦度(Pnet1)，例如，正光焦度。当在激活状态下时，在用户侧上的第二自适应透镜组件1008可以提供具有第二符号的第二净光焦度(Pnet2)，例如，负光焦度。

图11A示出了根据一些实施例的在虚拟深度平面处向用户显示虚拟内容的图10的显示系统的示例。如上所述，被插在自适应透镜组件1004、1008对之间的波导组件1012包括被配置为接收包含虚拟图像信息的光并在全内反射下传播该光的波导。波导组件1012被进一步配置为通过例如衍射光栅朝向眼睛210耦出光。耦出光在进入眼睛210之前传播通过第二自适应透镜组件1008。当被激活时，第二自适应透镜组件1008具有第二净光焦度Pnet2，该第二净光焦度Pnet2可以具有负值，以使得用户看到在虚拟深度平面1104处的虚拟图像。

在一些实施例中，可以电调整第二净光焦度Pnet2以调整第二自适应透镜组件1008的第二净光焦度(Pnet2)，从而调整到虚拟深度平面1104的距离。例如，当虚拟对象在虚拟三维空间内相对于眼睛210“移动”得更近或更远时，可以相应地调整第二自适应透镜组件1008的第二净光焦度Pnet2，以使得虚拟深度平面1104通过调整来跟踪虚拟对象。因此，用户可能经受到相对较少的超过可接受阈值的调节/辐辏失配或不经受超过可接受阈值的调节/辐辏失配。在一些实施例中，到虚拟深度平面1104的距离的大小可以通过不连续的步骤来调整，而在一些其它实施例中，到虚拟深度平面1104的距离的大小可以连续地调整。

图11B示出了根据一些实施例的向用户提供真实世界内容的视图的图10的显示系统的示例。当第二自适应透镜组件1008被激活以具有第二净光焦度(Pnet2)以在虚拟深度平面1104处显示虚拟内容时，传播通过第二自适应透镜组件1008的来自真实世界的光也可以根据被激活的第二自适应透镜组件1008的Pnet2被会聚或发散。因此，真实世界中的对象可能出现失焦。为了减轻这种失真，根据实施例，当被激活时，第一自适应透镜组件1004和第二自适应透镜组件1008可以被配置为具有符号相反的光焦度。在一些实施例中，传播通过第一自适应透镜组件1004和第二自适应透镜组件1008的光根据组合光焦度会聚或发散，该组合光焦度具有大小约为第一自适应透镜组件1004的第一净光焦度Pnet1和第二自适应透镜组件1008的第二净光焦度Pnet2的大小之差。在一些实施例中，波导组件1012也可以具有光焦度，并且自适应透镜组件1008可以被配置为解决由透镜组件1004和波导组件1012两者引起的失真。例如，自适应透镜组件1008的光焦度可以与透镜组件1004和波导组件1012的光焦度之和的符号相反。

在一些实施例中，第一自适应透镜组件1004被配置为具有第一净光焦度Pnet1，该第一净光焦度Pnet1的大小接近或与第二自适应透镜组件1008的第二净光焦度Pnet2相同。因此，当第一自适应透镜组件1004和第二自适应透镜组件1008被同时激活时，真实世界中的对象呈现为相对不受用于为显示虚拟内容而提供的第二自适应透镜组件1008的光焦度的影响。

在一些实施例中，第一自适应透镜组件1004可以被配置为使得当被激活时，第一净光焦度Pnet1与第二自适应透镜组件1008的第二净光焦度Pnet2动态地匹配。例如，当调整第二可切换组件1008的第二净光焦度Pnet1以在虚拟三维空间内跟踪移动的虚拟对象时，可以动态地调整第一自适应透镜组件1004的第一净光焦度Pnet1，以使得组合光焦度的大小P＝Pnet1+Pnet2可以保持小于预定值。因此，根据实施例，可以通过用第一自适应透镜组件1004的第一净光焦度(Pnet1)补偿可具有负值的第二自适应透镜组件1008的第二净光焦度(Pnet2)，以使得组合光焦度P＝Pnet1+Pnet2保持较小，例如，约为0m^-1，来防止真实世界中的对象出现不可接受的失焦。

包括可切换半波片和波片透镜的自适应透镜组件

如上所述，以较少的波导在多个深度平面处形成图像的优点之一是使得显示设备(例如，图10中的显示设备1000)的厚度和重量总体减小。因此，包括例如玻璃透镜或菲涅耳(Fresnel)透镜的传统透镜可能不适合作为本文所讨论的自适应透镜组件的组分透镜。因此，本文的各种实施例提供了紧凑、轻便的，且提供例如偏振反转的附加光学功能的自适应透镜组件。在一些实施例中，在自适应透镜组件(例如，图10、图11A、图11B中的1004、1008)中包括的光学部件包括由双折射材料薄膜形成的可切换波片和/或波片透镜。例如，可切换波片和/或波片透镜可以例如由基于液晶的波片形成，该基于液晶的波片具有在波片的平面中的定向为聚焦和/或改变通过其透射的光的偏振状态的液晶。

有效的光聚焦和偏振改变在设计例如用于虚拟/增强/混合显示应用的基于波导的透视显示器中存在挑战。对于这些和其它应用，需要具有由结构可被配置为优化各种光学特性的材料形成透镜和波片，该光学特性包括高效的光焦度和偏振改变。在下文中，描述了由例如胆甾型液晶的液晶形成的透镜和波片的各种实施例。

处于手性(向列)相或胆甾相的胆甾型液晶(CLC)层的液晶分子的特征在于：多个液晶分子被布置为具有连续的指向矢的方位角扭曲，该方位角扭曲取决于薄膜中的在液晶层的法线方向或深度方向上的位置。如本文所述，被布置为具有连续的方位角扭曲的液晶分子在本文中被统称为手性结构。如本文所述，方位角扭曲或旋转的角度(φ)被描述为相对于与层法线平行的方向的液晶分子的指向矢之间的角度。如上所述，手性结构的液晶分子的空间变化的指向矢可以被描述为形成螺旋图案，在该螺旋图案中螺距(p)被定义为指向矢旋转了360°的距离(例如，在液晶层的层法线方向上)。

在本文描述的一些实施例中，波片透镜和/或可切换波片包括胆甾型液晶(CLC)层，该胆甾型液晶(CLC)层包括多个手性结构，其中，每个手性结构包括在层深度方向上延伸至少一个螺距，并且在第一旋转方向上连续旋转的多个液晶分子。螺距是层深度方向上的长度，该长度对应于手性结构的液晶分子在第一旋转方向上旋转一整圈(fullrotation)的净旋转角。

关于图12A和图12B示出了基于液晶的波片透镜的一个示例。

图12A和图12B分别示出了波片透镜1200A和1200B的示例，每个波片透镜包括例如玻璃基板的透明基板1204，在透明基板1204上形成有液晶分子1208，这些液晶分子1208相对于与沿着基板1204的主表面的轴方向(例如，x方向或y方向)平行的方向，沿着不同的伸长方向伸长。即，液晶分子1208绕着与基板1204的主表面垂直的方向(例如，z方向)旋转不同的旋转角(φ)，其中，φ被描述为液晶分子的伸长方向相对于与层法线平行的方向(例如，x方向或y方向)的角度。

在所示的实施方式中，距中心轴C的给定半径处的液晶分子1208具有相同的旋转角(φ)。如所布置的，液晶分子1208被配置为将准直光束聚焦到焦距处的一点。不受任何理论的束缚，液晶分子1208的旋转角(φ)可以与+/-k₀r²/f、r²成比例，其中，r是距C的径向距离，而k₀＝2π/λ是将被衍射波片透镜聚焦的光的波数，1是光的波长，f是波片透镜1200A、1200B的焦距。+号和-号可对应于液晶分子1208相对于最接近波片透镜1200A、1200B的中心C的液晶分子1208的旋转方向。

应理解，波片透镜1200A和1200B的液晶分子1208的图案彼此表示对方的翻转图像。即，可以通过绕着轴方向(例如，x方向或y方向)将波片透镜1200B和1200B中的另一者旋转180度来获得波片透镜1200A和1200B中的一者。如所配置的，波片透镜1200A和1200B的焦距和光焦度的大小上相同但符号相反。

在一些实施方式中，波片透镜1200A和1200B中的每一者可以用作半波片透镜。当被配置为半波片透镜时，波片透镜1200A和1200B中的每一者将线性偏振光的平面相对于输入光束的偏振旋转角度2α，其中，α是输入偏振方向和波片轴之间的角度。对于圆偏振束，这种角度变化会转化为相移和偏振旋向性的反转。因此，可以在圆偏振束中生成±2α相移，其中该相移的符号取决于偏振旋向性。

图12C示出了根据一些实施例的波片透镜的示例，该波片透镜取决于光的偏振和光入射所在的侧来使传播通过其的光发散或会聚。当被配置为半波片透镜时，所示的波片透镜1200A可以被配置为使入射在第一侧上的右旋圆偏振(RHCP)光束1212发散为左旋圆偏振(LHCP)束1216。另一方面，波片透镜1200A可以被配置为将入射在与第一侧相反的第二侧上的RHCP光束1220会聚为左旋圆偏振(LHCP)束1224。

对于波片透镜1200B，情况相反。如图12D所示，当被配置为半波片时，波片透镜1200B可以被配置为将入射在第一侧上的LHCP光束1228会聚为RHCP束1232。另一方面，波片透镜1200B可以被配置为将入射在与第一侧相反的第二侧上的LHCP光束1236发散为RHCP束1240。

因此，通过控制液晶1208的旋转角的方向和径向分布，波片透镜可以被配置为使具有任一旋向性的圆偏振光会聚或发散。应理解，基于液晶的旋转角之间的关系，可以增加或减小光焦度。另外，在一些实施例中，可以通过施加电场来使液晶对准和不对准。因此，应理解，在光焦度接近零的极限中，波片透镜可以用作波片，例如可切换波片。

图13A示出了根据一些实施例的包括波片透镜和可切换波片的自适应透镜组件的示例。自适应透镜组件1300可以被配置为例如上文关于图10、图11A和图11B描述的可切换波片组件1004、1008对中的任一者。图13B示出了在停用图13A所示的自适应透镜组件1300的可切换波片时运行的可切换波片组件1300A，而图13C示出了在激活图13A所示的自适应透镜组件1300的可切换波片时运行的可切换组件1300B。自适应透镜组件1300被配置为通过其耦合并透射从波导组件1012(图10、图11A、图11B)耦出的光。自适应透镜组件1300包括例如第一半波片透镜的第一波片透镜(L1/HWP1)1304、例如第二半波片透镜的第二波片透镜(L2/HWP2)1308和例如可切换半波片的可切换波片(HWP3)1312。

在各种实施例中，L1/HWP1 1304和L2/HWP2 1308中的每一者被配置为用作透镜和半波片。如上面关于图12A和图12B所述，当被配置为半波片时，L1/HWP1 1304和L2/HWP21308中的每一者被配置为将具有第一旋向性(第一HCP)的圆偏振的光转换为具有第二旋向性(第二HCP)的圆偏振的光。即，L1/HWP1 1304和L2/HWP2 1308中的每一者被配置为将传播通过其的光分别从具有LHCP或RHCP的光转换为具有RHCP或LHCP的光。

在各种实施例中，L1/HWP1 1304和L2/HWP2 1308中的每一者被配置为用作透镜，对于给定偏振，这些透镜具有第一透镜效应或与第一透镜效应相反的第二透镜效应。即，L1/HWP1 1304和L2/HWP2 1308中的每一者被配置为使传播通过其的光会聚或发散。在各种实施例中，L1/HWP11304和L2/HWP2 1308中的每一者可以被配置为具有取决于入射光的偏振状态的相反的透镜效应。例如，L1/HWP1 1304和L2/HWP2 1308中的每一者可以被配置为聚焦入射在其上的具有第一HCP的光，同时被配置为使入射在其上的具有第二HCP的光散焦。

在一些实施例中，L1/HWP1 1304和L2/HWP2 1308被配置为对于具有给定HCP的光具有相同的透镜效应。即，L1/HWP1 1304和L2/HWP21308都可以被配置为聚焦具有LHCP的光，聚焦具有RHCP的光，使具有LHCP的光散焦或使具有RHCP的光散焦。

在一些实施例中，L1/HWP1 1304和L2/HWP2 1308中的每一者可以包括被伸长和旋转的液晶分子，以使得距相应波片透镜1304、1308的中心轴的给定半径处的液晶具有上面关于图12A和图12B所述的相同的旋转角(φ)。第一波片透镜1304和第二波片透镜1308中的每一者被配置为改变传播通过其的光的偏振状态，例如，反转偏振状态。可切换波片1312被配置为在被电激活时改变传播通过其的光的偏振状态，例如，反转偏振状态，同时被配置为在被停用时基本使光通过而不改变传播通过其的光的偏振状态。用于切换可切换波片1312的例如电流信号或电压信号的电信号，可以由与其电连接的开关电路1316提供。

在各种实施例中，当被激活时，例如，使用由开关电路1316提供的电压或电流信号进行电激活时，HWP3 1312B(图13C)用作半波片。即，当被激活时，HWP3 1312B(图13C)用作被配置为将传播通过其的光从具有LHCP或RHCP的光分别转换为具有RHCP或LHCP的光的半波片。因此，L1/HWP1 1304、L2/HWP2 1308和HWP3 1312B中的每一者在被激活时(图13C)被配置为将具有第一旋向性圆偏振(第一HCP)的光转换为具有第二旋向性圆偏振(第二HCP)的光。

在各种实施例中，当被停用时，例如，使用由开关电路1316例如通过去除电压或电流信号来提供的电压或电流信号进行电停用时，HWP31312A(图13B)用作光的传输介质，而不影响偏振或不提供任何透镜效应。

在一些实施例中，单个波片透镜1304和/或1308可以既用作波片透镜又用作可切换半波片。在这样的实施例中，可以省略专用可切换半波片1312。

图13B示出了根据一些实施例的在停用可切换波片的情况下运行的图13A的自适应透镜组件的示例。当停用可切换波片1312时，例如，当开关电路1316未向可切换波片1312施加电流或电压时，自适应透镜组件1300A可以被停用。自适应透镜组件1300A可对应于第一自适应透镜组件1004(位于世界侧)或第二自适应透镜组件1008(位于用户侧)。仅作为示例，将自适应透镜组件1300A描述为对应于第一自适应透镜组件1004或第二自适应透镜组件1008，作为显示设备1000(图10)的一部分，该显示设备正在显示真实世界的视图，而不显示虚拟图像。例如，显示设备1000(图10)可以用作普通眼镜或普通护目镜。L1/HWP1 1304和L2/HWP2 1308中的每一者可以被配置为对传播通过其的具有例如LHCP的第一HCP的光具有第一透镜效应，例如，发散效应。L1/HWP1 1304和L2/HWP2 1308中的每一者还可以被配置为对传播通过其的具有相反的HCP的例如具有RHCP的光具有与第一透镜效应相反的第二透镜效应，例如，会聚效应。

在所示实施例中，光束1320可以表示入射在第一自适应透镜组件1004(位于世界侧)或第二自适应透镜组件1008(位于用户侧)上的来自世界的光束，同时在不显示虚拟内容的情况下，显示设备1300A正被用作普通眼镜或护目镜。仅作为示例，具有例如LHCP的第一HCP的光束1320例如在正z方向上行进，直到光束1320照射在L1/HWP 1304上并将通过其透射。L1/HWP1 1304将具有LHCP的光束1320转换为具有RHCP的光束1324。由于L1/HWP11304也被配置为透镜，因此L1/HWP1 1304还根据L1/HWP1 1304的第一光焦度P1使光束1320发散。

具有RHCP的光束1324顺序地入射在在停用状态下的HWP3 1312A上。由于HWP31312A被停用，因此具有RHCP的光束1324透射通过HWP3 1312A，而基本不受偏振或透镜效应方面的影响，作为具有RHCP的光束1328A入射在H2/HWP2 1308上。如上所述，当被配置为用户侧上的自适应透镜组件(例如，图10中的第二自适应透镜组件1004)时，L2/HWP2 1308在所示实施例中被类似于L1/HWP1 1304配置，即，为转换偏振并在使具有RHCP的光会聚的同时使具有LHCP的光发散。因此，具有RHCP的光束1328A被转换回具有LHCP的光束1332。因此，当HWP3 1312A被停用时，L1/HWP1 1304和L2/HWP2 1304透射具有相反偏振的光束，以使得L1/HWP1 1304和L2/HWP2 1308对传播通过其的光具有相反的透镜效应。即，由于入射在L2/HWP2 1304上的光束1328A具有RHCP，因此与从L1/HWP1 1304出射的根据第一光焦度P1发散的光束1324不同，从L2/HWP2 1308出射的光束1332A根据第二光焦度P2会聚。此后，当从在停用状态下的自适应透镜组件1300A出射时，光束1332A可以被眼睛观看到。

在一些实施例中，当HWP3 1312A被停用时，L1/HWP1 1304的可以是负的(即，发散的)第一光焦度P1和L2/HWP2 1308的可以是正的(即，会聚的)第二光焦度P2可以具有基本相同或匹配的大小。在这些实施例中，由于L1/HWP1 1304和L2/HWP2 1308的透镜效应补偿，自适应透镜组件1300A的可以近似为P1+P2的净光焦度Pnet可以基本为零。然而，实施例不限于此，并且第一光焦度P1和第二光焦度P2可以具有不同的大小，以使得净光焦度Pnet可以具有非零值。例如，在一些实施例中，非零Pnet可以等于用户的眼镜处方(prescription)，从而允许对用户的眼睛的聚焦误差(例如，透射聚焦误差)进行校正。

应理解，尽管在所示实施例中，入射光束1320具有LHCP，但是当入射光束1320具有RHCP时，将产生相似的结果。即，当光束1320具有RHCP时，光束1324和1328A具有LHCP，并且与所示实施例不同，光束1324和1328A相对于光束1320会聚。同样，L2/HWP2 1308使由L1/HWP1 1304会聚的光束1328A发散，以使得净光焦度Pnet可以基本为零。

应理解，上面关于图13B描述的L1/HWP1 1304和L2/HWP2 1308的透镜效应以及透镜效应对入射光束的偏振状态的选择性仅是一个示例，并且其它配置也是可能的。例如，尽管在图13B中，L1/HWP1 1304和L2/HWP2 1308被配置为使具有LHCP的光发散，同时使具有RHCP的光会聚，但是在其它实施例中，L1/HWP1 1304和L2/HWP2 1308可被配置为使具有LHCP的光会聚，同时使具有RHCP的光发散。

总之，在一些实施例中，当自适应透镜组件1300A的HWP3 1312A在停用状态下，出射光束1332A具有与入射光束1320相同的HCP，并且可以在透镜效应方面与入射光束1320基本匹配，这是因为L1/HWP1 1304的P1和L2/HWP2 1308的P2之间存在透镜效应补偿。因此，当用户不观看虚拟内容时，世界的视图相对不受自适应透镜组件(图10、图11A、图11B中的1004、1008)的存在的影响。

图13C示出了根据一些实施例的在激活可切换波片的情况下运行的图13A的自适应透镜组件的示例。当激活可切换波片1312B时，例如，当开关电路1316向可切换波片1312B施加电流或电压时，自适应透镜组件1300B可以被激活。自适应透镜组件1300B例如可以对应于第一自适应透镜组件1004(位于世界侧)或第二自适应透镜组件1008(位于用户侧)。在下文中，作为示例，首先将自适应透镜组件1300B描述为被配置为用户侧上的第二自适应透镜组件1008，作为显示设备(例如，图11A中的显示设备1100A)的一部分，该显示设备正在向用户输出虚拟图像。顺序地，将自适应透镜组件1300B描述为被配置为世界侧上的第一自适应透镜组件1004，作为显示设备1100B(图11B)的一部分，该显示设备在传输真实世界的视图的同时向用户输出虚拟图像，从而减少或基本消除由于第二自适应透镜组件1008的透镜效应导致的真实世界的视图的失真。

当被配置为用户侧上的第二自适应透镜组件1008时(图11A)，L1/HWP1 1304和L2/HWP2 1308中的每一者可以被配置为使传播通过其的具有HCP之一的例如LHCP的光发散。L1/HWP1 1304和L2/HWP21308中的每一者还可以被配置为使传播通过其的具有另一HCP例如RHCP的光会聚。

如上面关于图11A所述，在波导组件1012内例如通过全内反射在x方向上传播的光中的一些可以在z方向上重新定向或耦出。从波导组件1012(图11A)耦出的光可以作为具有LHCP的圆偏振光束1320入射在可切换透镜组件1300B上。光束1320例如在正z方向上行进，直到光束1320照射在L1/HWP 1304上以通过其透射。L1/HWP1 1304将具有LHCP的光束1320转换为具有RHCP的光束1324。由于L1/HWP1 1304被配置为使具有LHCP的光发散，因此光束1324也根据L1/HWP1 1304的第一光焦度P1发散。

具有RHCP的光束1324顺序地入射在在激活状态下的HWP3 1312B上。与上面关于图13B所示的停用的HWP 1312A不同，由于HWP3 1312B被激活，因此透射通过HWP3 1312B的具有RHCP的光束1324被转换为具有LCHP的光束1328B。顺序地，具有LHCP的光束1328B入射在L2/HWP2 1308上。由于与上面关于图13B所示的光束1328A不同，入射在L2/HWP2 1308上的光束1328B具有LHCP，因此L2/HWP2 1308进一步根据第二光焦度P2将光束1328B发散为具有RHCP的光束1332B。即，与关于图13B所示的HWP 1312A的停用状态不同，由于HWP 1312B被激活，因此L1/HWP1 1304和L2/HWP1 1304被配置为透射具有相同偏振LHCP的光束。因此，与关于图13B所示的具有补偿效应的L1/HWP1 1304和L2/HWP2 1308不同，图13C中的L1/HWP11304和L2/HWP2 1308对传播通过其的光具有附加的透镜效应。即，由于入射在L1/HWP1上的光束1320和入射在L2/HWP2 1304上的光束1328B都具有LHCP，因此从L2/HWP2 1308出射的光束1332B除了被L1/HWP1 1304发散之外，还将被进一步发散。此后，当从在激活状态下的自适应透镜组件1300B出射时，光束1332A便可被眼睛观看到。

在一些实施例中，L1/HWP1 1304的第一光焦度P1和L2/HWP2 1308的第二光焦度P2均可以是负的(即，发散的)，并且可以具有基本相同或匹配的大小。在这些实施例中，由于L1/HWP1 1304和L2/HWP2 1308的组合的附加透镜效应，因此自适应透镜组件1300B的可以近似为P1+P2的净光焦度Pnet可以基本为P1或P2的两倍。然而，实施例不限于此，且第一光焦度P1和第二光焦度P2可以具有不同的大小。

应理解，尽管在所示实施例中，入射光束1320具有LHCP，但是当入射光束1320具有RHCP时，将产生同样的结果。即，当光束1320具有RHCP时，与所示实施例不同，所产生的光束1332B具有LHCP并且根据净光焦度Pnet由L1/HWP1 1304和L2/HWP2 1308会聚，该净光焦度具有约为第一光焦度P1和第二光焦度P2的大小之和的大小。

应理解，上面关于图13C所述的L1/HWP1 1304和L2/HWP2 1308的透镜效应以及透镜效应对入射光束的偏振状态的依赖性仅作为一个示例，其它配置也是可能的。例如，尽管在图13B中，L1/HWP1 1304和L2/HWP21308被配置为使具有LHCP的光发散，同时使具有RHCP的光会聚，但是在其它实施例中，L1/HWP1 1304和L2/HWP2 1308可以被相反地配置为使具有LHCP的光发散，同时使具有RHCP的光会聚。

因此，在一些实施例中，当自适应透镜组件1300B的可切换半波片1312B在激活状态下时，出射光束1332B相对于入射光束1320具有相反的HCP，并且可以根据L1/HWP1 1304的附加光焦度P1和L2/HWP2 1308的附加光焦度P2之和而被发散。因此，当用户正观看虚拟内容时，虚拟内容根据值近似为Pnet＝P1+P2的净光焦度聚焦到眼睛210中。

在上文中，在透镜组件在上文关于图11A所述的显示设备1100A中被配置为用户侧上的第二自适应透镜组件1008时，已经描述了在激活状态下的自适应透镜组件1300B。然而，如上文关于图11B所述，激活第二自适应透镜组件1008以在没有任何补偿效应的情况下将虚拟内容显示给用户的眼睛210可能导致真实世界的视图的失焦或失真，这不是所期望的。因此，期望地将世界侧上的第一自适应透镜组件1004配置为在被激活以显示虚拟内容时，至少部分地补偿或抵消第二自适应透镜组件1008的透镜效应。

返回参考图13C，当被配置为世界侧上的第一自适应透镜组件1004(图11B)以抵消用户侧上的第二自适应透镜组件1008(图11B)的透镜效应时，自适应透镜组件1300B的部件可以如上文关于图11B所述的进行类似地配置。即，当从世界510传输到眼睛210的光遍历(traverse)第一自适应透镜组件1004和第二自适应透镜组件1008时，每个透镜组件如上面关于图13C所述的自适应透镜组件1300B所述进行配置。在操作中，如上所述，从世界透射通过第一自适应透镜组件1004的光的偏振从第一偏振状态转换为第二偏振状态，例如从RHCP转换为LHCP。顺序地，透射通过第二自适应透镜组件1008的光的偏振从第二偏振状态转换回第一偏振状态，例如从LHCP转换为RHCP。此外，如上面关于图11B所述，从世界透射通过第一自适应透镜组件1004的光根据具有例如正号的第一符号的第一净光焦度Pnet1＝P1+P2经历第一透镜效应，例如，会聚效应。顺序地，透射通过第二自适应透镜组件1008的光根据具有例如负号的第二符号的第二净光焦度Pnet2＝P1'+P2'经历与第一透镜效应相反的第二透镜效应，例如，发散效应，因为入射在第二自适应透镜组件1008上的光具有与入射在第一自适应透镜组件1004上的光相反的偏振。当Pnet1和Pnet2具有基本相似的大小时，近似为P＝Pnet1+Pnet2的总透镜效应可以基本为零。因此，当用户通过激活第二透镜组件1008来观看虚拟内容以及观看周围世界中的真实对象时，世界的视图相对不受第一透镜组件1004的补偿效应影响。

在各种实施例中，当被激活时，第一自适应透镜组件1004和第二自适应透镜组件1008中的每一者可以提供在以下范围内的净光焦度(正或负)：约±5.0屈光度至0屈光度之间的范围、约±4.0屈光度至0屈光度之间的范围、约±3.0屈光度至0屈光度之间的范围、约±2.0屈光度至0屈光度之间的范围、约±1.0屈光度至0屈光度之间的范围、由这些值定义的任何范围，例如，±1.5屈光度。

包括具有可切换半波片和波片透镜的自适应透镜组件的显示设备

图14A和图14B示出了示例显示设备1400A/1400B，每个显示设备包括插入第一自适应透镜组件1004和第二自适应透镜组件1008之间的波导组件1012。显示设备1400A与上面关于图11A/11B所述的显示设备1100A/1100B相似，其中第一自适应透镜组件1004和第二自适应透镜组件1008中的每一者包括例如第一半波片透镜的第一波片透镜(L1/HWP1)1304、例如第二半波片透镜的第二波片透镜(L2/HWP2)1308和例如可切换半波片的可切换波片(HWP3)1312。

参考图14A，描述了在停用上面关于图13A所述的第一自适应透镜组件1004和第二自适应透镜组件1008的情况下运行的显示设备1400A。当停用可切换波片1312(图13A)时，例如，当开关电路1316、1316’未向可切换波片1312施加电流或电压时，第一自适应透镜组件1004和第二自适应透镜组件1008可以被停用。如所配置的，显示设备1400A可以被配置为例如向用户显示真实世界视图，而不显示虚拟图像。例如，显示设备1400A可以被配置为用作普通眼镜或普通护目镜，如关于图13B详细描述的。与图13A类似，第一自适应透镜组件1004和第二自适应透镜组件1008中的每一者包括例如第一半波片透镜的第一波片透镜(L1/HWP1)1304、例如第二半波片透镜的第二波片透镜(L2/HWP2)1308和例如可切换半波片的可切换波片(HWP3)1312。如关于图13A所述，L1/HWP1 1304和L2/HWP2 1308中的每一者可以被配置为对传播通过其的具有例如LHCP的第一HCP的光具有第一透镜效应，例如，发散效应。另外，L1/HWP1 1304和L2/HWP2 1308中的每一者还可以被配置为对传播通过其的具有相反的HCP的例如具有RHCP的光具有与第一透镜效应相反的第二透镜效应，例如，会聚效应。当被激活时，例如，使用由开关电路1316、1316’提供的电压或电流信号进行电激活时，HWP3 1312B(图13C)用作波片，例如，半波片。如上面关于图13C所述，当被激活时，HWP31312B(图13C)用作被配置为将传播通过其的光从具有LHCP或RHCP的光分别转换为具有RHCP或LHCP的光的半波片。另一方面，当被停用时，例如，使用由开关电路1316、1316’例如通过去除电压或电流信号来提供的电压或电流信号进行电停用时，HWP3 1312A(图13B)用作光的传输介质，而不影响偏振。上面已经关于图13A和图13B提供了包括L1/HWP1 1304、L2/HWP2 1308和HWP3 1312A的第一自适应透镜组件1004和第二自适应透镜组件1008的详细操作原理，因此在此省略。

基于关于图13A和图13B详细描述的操作原理，当第一自适应透镜组件1004和第二自适应透镜组件1008在停用状态下时，从第一自适应透镜组件1004和第二自适应透镜组件1008中的每一者出射的光束(例如，图13B中的1332A)与入射在其上的光束(例如，图13B中的1320)具有相同的HCP。另外，如上面关于图13B所述，由于第一透镜组件1004和第二透镜组件1008的净光焦度补偿，入射光束1320和出射光束1332A的在透镜光焦度的大小方面基本匹配。

图14B示出了根据一些实施例的在激活可切换波片的情况下运行的图14A的显示设备的示例。第一自适应透镜组件1004和第二自适应透镜组件1008通过激活相应的可切换波片1312(图13A)，例如，通过使用开关电路1316、1316’向可切换波片1312施加电流或电压来实现。在下文中，描述了显示设备1400B的操作，显示设备1400B向用户输出虚拟图像，同时还在减小或基本上消除由自适应透镜组件1004、1008的透镜效应导致的失真的情况下透射来自真实世界中的对象的光。

当显示虚拟图像时，如上面关于图11A和图13C所述，在波导组件1012中的波导内在x方向上传播的光中的一些可以在z方向上重新定向或耦出。光束1320例如在正z方向上行进，直到光束1320照射在第二自适应透镜组件1008的L1/HWP 1304上。基于上面关于图13C所述的第二自适应透镜组件1008的操作原理，当第二自适应透镜组件1008在激活状态下时，出射光束(例如，图13C中的1332B)具有与入射光束(例如，图13C中的1320)相反的HCP，并且根据第二净光焦度Pnet2发散，用于在对应的虚拟深度平面处显示虚拟内容。

在各种实施例中，当被激活时，第一自适应透镜组件1004和第二自适应透镜组件1008中的每一者可以提供在以下范围内的净光焦度(正或负)：约±5.0屈光度至0屈光度之间的范围、约±4.0屈光度至0屈光度之间的范围、约±3.0屈光度至0屈光度之间的范围、约±2.0屈光度至0屈光度之间的范围、约±1.0屈光度至0屈光度之间的范围、由这些值定义的任何范围，例如，±1.5屈光度。在一些实施例中，在波导组件1012和世界之间的第一自适应透镜组件1004可以具有正光焦度，而在波导组件1012和用户之间的第二自适应透镜组件1008可以具有负光焦度，以使得在观看世界时，第一可切换组件1004和第二可切换组件1008的光焦度相互补偿。

因此，仍然参考图14A和14B，显示设备1400A/1400B包括在世界510和眼睛210之间的光路中的自适应透镜组件1004、1008对，其中，自适应透镜组件1004、1008对中的每一者包括可切换波片(例如，图13A/13B中的1312A/1312B)，可切换波片被配置为在被电激活时改变传播通过其的光的偏振状态。当被电激活时，成对的自适应透镜组件具有符号相反的净光焦度(Pnet1、Pnet2)，以使得传播通过成对的自适应透镜组件的光根据组合光焦度会聚或发散，该组合光焦度具有大小约为该成对的自适应透镜组件的光焦度的大小之差。用户可以根据可以为负的Pnet2在深度平面处观看虚拟内容，而世界的视图相对不受Pnet2影响，Pnet2至少部分地由可以为正的Pnet补偿。

在一些实施例中，成对的自适应透镜组件中的每一者具有相应的净光焦度(Pnet1、Pnet2)，可以使用开关电路1316、1316’将该净光焦度电调整或调谐到多个值之一。如上所述，当由波导组件1012耦出的光产生的虚拟对象的图像在3D内移动时，在用户侧上的第二自适应透镜组件1008的第二净光焦度(Pnet2)被调整以适应虚拟深度平面的变化深度。同时，根据实施例，使用开关电路1316、1316’对应地调整第一自适应透镜组件1004的第一净光焦度(Pnet1)，以使得真实世界的视图不会出现不期望的失焦或失真。为了满足这种和其它需求，在一些实施例中，显示设备1400A/1400B包括控制器，该控制器1404被配置为使得当成对的自适应透镜组件1004、1008中的第一自适应透镜组件的第一净光焦度(Pnet1)被电调整时，对应地调整该成对的自适应透镜组件中的第二自适应透镜组件的第二光焦度(Pnet2)，以使得组合光焦度(Pnet1+Pnet2)保持在恒定值附近，例如零附近。控制器电路和可切换波片1312被配置为使得如本文所述的切换第一净光焦度Pnet和第二净光焦度Pnet2的时间，在使用第二自适应透镜组件1008调整虚拟深度平面的时间，以及使用第一自适应透镜组件1004补偿真实世界视图的时间小于约100毫秒，小于约50毫秒，小于约10毫秒，小于约5毫秒，小于约1毫秒，或者小于任何这些值定义的范围内的值。如上面关于图13B所提到的，在一些实施例中，单个波片透镜既可以用作波片透镜又可以用作可切换半波片。例如，单个集成光学元件可以被配置为将选择性地可切换偏振赋予传播通过其的光，并且进一步根据波片透镜功能将光焦度赋予传播通过其的光。类似地，在一些实施例中，图14A和图14B的第一自适应透镜组件1004和第二自适应透镜组件1008可以各自采用单个光学元件、集成光学元件的形式，该光学元件提供第一波片透镜1304和/或第二波片透镜1308以及可切换波片1312的功能。

仍然参考图14A和图14B，如上面关于图10所讨论的，可以由第一自适应透镜组件1004和第二自适应透镜组件1008中的每一者调整的光学特性可以包括偏振和偏振选择性以及其它特性。在一些实施方式中，第一自适应透镜组件1004和第二自适应透镜组件1008中的一者或全部两者可以包括至少一个偏振选择性转向元件(例如，偏振器)或临近其定位，以阻挡或以其它方式滤除来自世界510以及可选地来自波导组件1012的朝向眼睛210传播通过自适应透镜组件的光的某些不需要的组分。例如，在这些实施方式中，显示设备1400A/1400B可以包括插在波导组件1012和第二自适应透镜组件1008的第一波片透镜(L1/HWP1)1304之间的偏振选择性转向元件和/或插在第二自适应透镜组件1008的第二波片透镜(L2/HWP2)1308和眼睛210之间的偏振选择性转向元件。此外，替代地或附加地，在一些这样的实施方式中，显示设备1400A可以包括插在波导组件1012和第一自适应透镜组件1004的第二波片透镜(L2/HWP2)1308之间的偏振选择性转向元件和/或插在第一自适应透镜组件1004的第一波片透镜(L1/HWP1)1304和世界510之间的偏振选择性转向元件。偏振选择性转向元件包括一个或多个偏振光栅、衍射光学元件和/或全息光学元件，并且可以包括诸如液晶偏振光栅之类的液晶结构。在一些实施例中，波导组件1012可以被配置为耦出偏振光。

图15示出了根据一些实施例的显示设备的示例，该显示设备包括成对的自适应透镜组件，每个自适应透镜组件包括交替堆叠的波片透镜和可切换波片。显示设备1500A与上面关于图14A和图14B所述的显示设备1400A/1400B类似，除了第一自适应透镜组件1504和第二自适应透镜组件1508中的每一者包括多个波片透镜，例如，第一波片透镜至第四波片透镜1308-1、1308-2、1308-3、1308-4，这些波片透镜中的每一者可以是半波片透镜，该半波片透镜与多个可切换波片，例如，第一可切换波片至第三可切换波片1312-1、1312-2、1312-3，交替地堆叠，这些可切换波片中的每一者都可以是可切换半波片。在一些实施方式中，波导组件1012可以包括波导1012a、1012b和1012c的堆叠，这些波导可以对应于被配置为通过以任何合适的排序分别耦入并顺序地耦出例如红光、绿光和蓝光来提供组分颜色图像的波导。多个可切换波片1312中的每一者可以使用开关电路1316、1316’(图14A/14B)而被单独激活。电激活可切换波片中的不同可切换波片将根据不同的净光焦度使传播通过自适应透镜组件的光发散或会聚，该净光焦度的大小约为插有可切换波片中的不同可切换波片的紧邻的波片透镜的光焦度的大小之和。

有利地，通过选择性地激活可切换波片1312-1、1312-2、1312-3中的一者或多者，可以分别选择子堆叠1504-1、1504-2、1504-3中的一者或多者以用作一个或多个自适应透镜子组件，其中每个子叠堆包括可切换波片1312-1、1312-2、1312-3中的一者和紧邻的成对的波片透镜。例如，以与上面关于图13C所述类似的方式，当第一可切换波片1312-1被激活时，包括第一波片透镜1308-1和第二波片透镜1308-2以及第一波片透镜1312-1的第一子堆叠1504-1用作自适应透镜子组件。另外，如上面关于图13B所述，当可切换波片(图13B中的1312A)被停用时，包括插有可切换波片1312A的第一波片1304和第二波片1308的对应的自适应透镜组件1300A可以被配置为基本上使光通过而不提供净会聚、发散或偏振改变。因此，当可切换波片1312-1、1312-2、1312-3中的一者或多者被激活时，子堆叠1504-1、1504-2、1504-3中的对应一者或多者用作自适应透镜子组件，而子堆叠1504-1、1504-2、1504-3中的其它者基本不影响传播通过其的光。此外，通过激活第一自适应透镜组件1504和第二自适应透镜组件1508中的波导组件1012的相反侧上的可切换波片1312-1、1312-2、1312-3中的对应一者，可以以上面关于图14A和图14B所述类似的方式补偿第一自适应透镜组件1504和第二自适应透镜组件1508的第一净光焦度和第二净光焦度。例如，可以配置控制器，以使得当第一自适应透镜组件1504中的可切换波片1312-1、1312-2、1312-3中的一者被激活时，使得第一自适应透镜组件1004具有第一净光焦度(Pnet1)时，第二自适应透镜组件1508中的可切换波片1312-1、1312-2、1312-3中的对应一者也被激活，使得第二自适应透镜组件1008具有第一净光焦度(Pnet2)，其中组合光焦度(Pnet1+Pnet2)保持在恒定值附近，例如零附近。

有利地，通过选择第二自适应透镜组件1508中的子堆叠1508-1、1508-2、1508-3中的一者或多者中的不同者，可以向用户显示不同深度平面处的虚拟图像，并且通过附加地选择第一自适应透镜组件1504中的对应的子堆叠1504-1、1504-2、1504-3对，可以补偿或减少可由子堆叠1508-1、1508-2、1508-3的光焦度导致的真实世界图像的失焦或失真。如以上参考图14A和图14B所提到的，在一些实施例中，单个波片透镜既可以用作波片透镜，以及可以用作可切换半波片。类似地，在一些实施例中，子堆叠1504-1、1504-2、1504-3、1508-1、1508-2和1508-3中的一者或多者可以各自采用单个光学元件、集成光学元件的形式，该光学元件提供相应的第一波片透镜和/或第二波片透镜以及相应的可切换波片的功能。

仍参考图15，以与以上参考图14A和图14B讨论的类似方式，在一些实施方式中，第一自适应透镜组件1504和第二自适应透镜组件1508中的一者或全部两者可以包括至少一个偏振选择性转向元件(例如，偏振器)或临近其定位，以阻挡或以其它方式滤除来自世界510的以及可选地还来自波导组件1012朝向眼睛210的传播通过自适应透镜组件的光的某些不需要的组分。例如，在这样的实施方式中，显示设备1500可以包括插在波导组件1012和第二自适应透镜组件1508的第四波片透镜(L1/HWP1)1308-4之间的偏振选择性转向元件和/或插在第二自适应透镜组件1508的第一波片透镜1308-1和眼睛210之间的偏振选择性转向元件。此外，替代地或附加地，显示设备1500可以包括插在波导组件1012和第一自适应透镜组件1504的第一波片透镜1308-1之间的偏振选择性转向元件和/或插在第一自适应透镜组件1204的第四波片透镜1308-4和世界510之间的偏振选择性转向元件。偏振选择性转向元件可以包括一个或多个偏振光栅、衍射光学元件和/或全息光学元件，并且可以包括诸如液晶偏振光栅之类的液晶结构。在一些实施例中，波导组件1012可以被配置为耦出偏振光。

图16示意性地示出了可以通过选择以上关于图15所示的显示设备的第二自适应透镜组件1508中的子堆叠1508-1、1508-2、1508-3中的一者或多者，可为用户1604选择的图像的默认虚拟深度fs0和第一虚拟图像深度至第六虚拟图像深度fs1至fs6的示例，如以下关于图17A至图17H详细描述的。另外，第二自适应透镜组件1508中的子堆叠1508-1、1508-2、1508-3中的选定一者与第一自适应透镜组件1504中的子堆叠1504-1、1504-2、1504-3中的对应子堆叠配对，以使得减少或最小化真实世界的视图的不期望的失焦或失真。

图17A示出了图15所示的显示设备1500的第零状态1500A的示例，其中未在第一自适应透镜组件1504和第二自适应透镜组件1508的任一者中选择子堆叠。在此状态时，子叠堆1508-1、1508-2、1508-3中没有一者使从波导组件1012耦出的光在聚焦到眼睛中之前基本会聚或发散。可以在图像的默认深度fs0处显示虚拟图像。在一些示例中，在图像的默认深度fs0处显示图像可以等同于在具有无限值或接近无限值的焦距处显示图像(例如，fs0可以是光学无限远，通过允许在不需要激活第一自适应透镜组件1504和第二自适应透镜组件1508的可切换波片的情况下将显示被光学无限远包含的视野的大部分中的内容，这有利于节省资源)。

图17B示出了图15所示的显示设备1500的第一状态1500B的示例，其中通过激活第一子堆叠1508-1的第一可切换波片1312-1，在第二自适应透镜组件1508中选择第一子堆叠1508-1，以使得通过聚焦从波导组件1012耦出的光而生成的虚拟图像显示给眼睛210在比默认图像深度fs0更靠近眼睛210的第一图像深度fs1处，这是由于第一子堆叠1508-1的负光焦度所致。为了补偿由此产生的真实世界图像的失焦，通过激活第一子堆叠1504-1的第一可切换波片1312-1，在第一自适应透镜组件1508中选择对应的第一子堆叠1504-1，以使得根据补偿的第一自适应透镜组件1504和第二自适应透镜组件1508的净光焦度差来减少或最小化真实世界视图的不期望的失焦。

图17C示出了图15所示的显示设备1500的第二状态1500C的示例，其中，通过激活第二子堆叠1508-2的第二可切换波片1312-2，在第二自适应透镜组件1508中选择第二子堆叠1508-2，以使得通过聚焦从波导组件1012耦出的光而生成的虚拟图像在比第一图像深度fs1更靠近眼睛210的第二图像深度fs2处显示给眼睛210，这是由于第二子堆叠1508-2的负光焦度所致。为了补偿由此产生的真实世界图像的失焦，通过激活第一子堆叠1504-1的第二可切换波片1312-2，在第一自适应透镜组件1508中选择对应的第二子堆叠1504-2，以使得根据第一自适应透镜组件1504和第二自适应透镜组件1508的净光焦度差来减少或最小化真实世界视图的不期望的失焦。

图17D示出了图15所示的显示设备1500的第三状态1500D的示例，其中通过激活第一子堆叠1508-1和第二子堆叠1508-2的第一可切换波片1312-1和第二可切换波片11312-2，在第二自适应透镜组件1508中选择多个子堆叠，即第一子堆叠1508-1和第二子堆叠1508-2，以使得通过聚焦从波导组件1012耦出的光而生成的虚拟图像在比第二图像深度fs2更靠近眼睛210的第三图像深度fs3处显示给眼睛210，这是由于第一子堆叠1508-1和第二子堆叠1508-2的组合负光焦度所致。为了补偿由此产生的真实世界图像的失焦，通过激活第一子堆叠1504-1和第二子堆叠1504-2的第一可切换波片1312-1和第二可切换波片1312-2，在第一自适应透镜组件1508中选择对应点的第一子堆叠1504-1和第二子堆叠1504-2，以使得根据第一自适应透镜组件1504和第二自适应透镜组件1508的补偿净光焦度差来减少或最小化真实世界图像的不期望的失焦。

图17E示出了图15所示的显示设备1500的第四状态1500E的示例，其中，通过激活第二子堆叠1508-2的第三可切换波片1312-3，在第二自适应透镜组件1508中选择第三子堆叠1508-3，以使得通过聚焦从波导组件1012耦出的光而生成的虚拟图像在比第三图像深度fs3更靠近眼睛210的第四图像深度fs4处显示给眼睛210，这是由于第三子堆叠1508-3的负光焦度所致。为了补偿由此产生的真实世界图像的失焦，通过激活第三子堆叠1504-3的第三可切换波片1312-2，在第一自适应透镜组件1508中选择对应的第三子堆叠1504-3，以使得根据第一自适应透镜组件1504和第二自适应透镜组件1508的净光焦度差来减少或最小化真实世界图像的不期望的失焦。

图17F示出了图15所示的显示设备1500的第五状态1500E的示例，其中，通过激活第一子堆叠1508-1和第三子堆叠1508-3的第一可切换波片1312-1和第三可切换波片1312-3，在第二自适应透镜组件1508中选择多个子堆，即第一子堆叠1508-1和第三子堆叠1508-3，以使得通过聚焦从波导组件1012耦出的光而生成的虚拟图像在比第四图像深度fs4更靠近眼睛210的第五图像深度fs5处显示给眼睛210，这是由于第一子堆叠1508-1和第三子堆叠1508-3的负光焦度所致。为了补偿由此产生的真实世界图像的失焦，通过激活第一子堆叠1504-1和第三子堆叠1504-3的第一可切换波片1312-1和第三可切换波片1312-3，在第一自适应透镜组件1508中选择对应的第一子堆叠1504-1和第三子堆叠1504-3，以使得根据第一自适应透镜组件1504和第二自适应透镜组件1508的净光焦度差来减少或最小化真实世界图像的不期望的失焦。

图17G示出了图15所示的显示设备1500的第六状态1500F的示例，其中，通过激活第二子堆叠1508-2和第三子堆叠1508-3的第二可切换波片1312-2和第三可切换波片1312-3，在第二自适应透镜组件1508中选择多个子堆，即第二子堆叠1508-2和第三子堆叠1508-3，以使得通过聚焦从波导组件1012耦出的光而生成的虚拟图像在比第五图像深度fs5更靠近眼睛210的第六图像深度fs6处显示给眼睛210，这是由于第二子堆叠1508-2和第三子堆叠1508-3的负光焦度所致。为了补偿由此产生的真实世界图像的失焦，通过激活第二子堆叠1504-2和第三子堆叠1504-3的第二可切换波片1312-2和第三可切换波片1312-3，在第一自适应透镜组件1508中选择对应的第二子堆叠1504-2和第三子堆叠1504-3，以使得根据第一自适应透镜组件1504和第二自适应透镜组件1508的净光焦度差来减少或最小化真实世界图像的不期望的失焦。

图17H示出了图15所示的显示设备1500的第七状态1500G的示例，其中，通过激活第一子堆叠1508-1、第二子堆叠1508-2和第三子堆叠1508-3的第一可切换波片1312-1、第二可切换波片1312-2和第三可切换波片1312-3，在第二自适应透镜组件1508中选择多个子堆叠，即第一子堆叠1508-1、第二子堆叠1508-2和第三子堆叠1508-3，以使得通过聚焦从波导组件1012耦出的光而生成的虚拟图像在比第六图像深度fs6更靠近眼睛210的第七图像深度fs7处显示给眼睛210，这是由于第一子堆叠1508-1、第二子堆叠1508-2和第三子堆叠1508-3的负光焦度所致。为了补偿由此产生的真实世界图像的失焦，通过激活第一子堆叠1508-1、第二子堆叠1508-2和第三子堆叠1508-3的第一可切换波片1312-1、第二可切换波片1312-2和第三可切换波片1312-3，在第一自适应透镜组件1504中选择对应的第一子堆叠1504-1、第二子堆叠1504-2和第三子堆叠1504-3，以使得根据第一自适应透镜组件1504和第二自适应透镜组件1508的净光焦度差来减少或最小化真实世界图像的不期望的失焦。

参考图17A至图17H，在一些实施例中，第一自适应透镜组件1504和第二自适应透镜组件1508的激活或停用的可切换波片对的分隔距离基本相等，例如，具有大小基本相等的光焦度的可切换波片对的分隔距离基本相等。例如，参考图17D，具有光焦度+/-f_c的停用子堆叠对中的子堆叠之间的距离(在堆叠的自适应透镜子堆叠的厚度方向(z轴)上)等于具有光焦度+/-f_a的停用的子堆叠对中的子堆叠之间的在厚度方向上的距离，进而又等于具有光焦度+/-f_c的停用子堆叠对中的子堆叠之间的在厚度方向上的距离。

应理解，尽管在所示实施例中，为了说明的目的，第一自适应透镜组件1504和第二自适应透镜组件1508中的每一者包括三个子堆叠，但是实施例不限于此。即，在其它实施例中，第一自适应透镜组件1504和第二自适应透镜组件1508可以分别包括第一子堆叠至第n子堆叠1504-1、1504-2、…1504-n和1508-1、1508-2、…1508-n，其中，n是用于传递对应数量的图像深度fs1、fs2、…fsn的适当数字。

在一些实施例中，可以选择子堆叠中的每一者的光焦度，以使得图像深度fs1至fs7中的一些或全部在屈光度空间中以相等或基本相等的距离彼此间隔开。在一些实施例中，在屈光度空间中，图像深度fs1至fs7可以彼此间隔约0.5屈光度。例如，图像深度fs1至fs7可以分别对应于0.5、1、1.5、2、2.5、3和3.5屈光度。

包括自适应透镜组件和定焦透镜的显示设备

在上述包括自适应透镜组件的示例显示设备中，自适应透镜组件包括波片透镜和可切换波片，这些波片透镜和可切换波片除其它优点外，还减少了波导的数量，进而减少了整个设备的重量和厚度。在一些实施例中，可以将附加的定焦透镜堆叠在一个或多个自适应透镜组件上。有利地，附加的透镜提供各种可能的益处。例如，在一些情况下，可以提供这样的透镜以增加附加的光焦度。另外，使用根据一些实施例的可穿戴显示设备的，诸如，使用关于图10所述的可穿戴设备1000的，一些用户的眼睛具有阻止光正确地聚焦在他们的眼睛视的网膜上的屈光误差。在一些实施例中，附加的透镜元件可以被配置为提供特定的处方光焦度，以允许用户清楚地看到来自真实世界的由显示器投射的和/或通过显示器传输的图像信息。另外，附加的透镜可以提供具有曲率的表面，以使设备更好地与用户的面部轮廓相符，更好地与普通眼镜框架集成和/或为显示设备提供更美观的外观。

图18A和图18B示出了根据一些实施例的包括成对的自适应透镜组件和成对的定焦透镜的显示设备。如上所述，显示设备1800A/1800B包括成对的自适应透镜组件(例如，图14A/14B中的1004、1008，图15中1504、1508)和插在该成对的自适应透镜组件之间的波导组件1012，其中，波导组件包括波导，该波导被配置为在全内反射下传播光并将光耦出到该成对的自适应透镜组件中的一者中，以在多个虚拟深度平面处显示虚拟内容。该成对的自适应透镜组件中的每一者包括可切换波片，该可切换波片被配置为在被电激活时改变传播通过其的光的偏振状态。如上所述，在一些情况下，需要添加附加的定焦透镜，例如，修正透镜，以使用户看得更清楚。在一些实施例中，可以在波导组件1012和观看者的眼睛210之间提供第一定焦透镜元件1808。第一定焦透镜元件的添加可以提供适当的调整，以调整从波导组件1012耦出的光以对于观看者眼睛210正确地聚焦，该光可以包括虚拟内容。然而，第一定焦透镜元件1808也处于从世界510向观看者眼睛210传播的光的路径中。因此，第一透镜元件可能会修改来自周围环境的光，从而在观看者的世界视图中引起像差。为了校正这种像差，可以在波导组件1012的与第一变焦距透镜元件1808相对的一侧上设置第二定焦透镜元件1804。第二定焦透镜元件1804可以被配置为补偿由第一定焦透镜元件1808引起的像差。

在一些实施例中，第二定焦透镜元件1804的焦点可以与第一定焦透镜元件1808的焦点相反或相对。例如，如果第一定焦透镜元件1808具有正光焦度，则第二定焦透镜元件1804可以具有负光焦度，反之亦然，在一些实施例中，其可以具有相似的大小。

在一些实施例中，不具有定焦透镜元件1804、1808的显示设备1800A/1800B可能不具有足够的光焦度，并且第一变焦距透镜元件可以被配置为向光提供适当的附加发散量，以便观看者将图像信息解释为位于特定深度平面上。

应当理解，可以为观看者的一只眼睛提供第一定焦透镜元件1804和第二定焦透镜元件1808，并且可以为观看者的另一只眼睛提供分别类似于第一定焦透镜元件和第二定焦透镜元件的第三定焦透镜元件和第四定焦透镜元件(未示出)。

在各种实施例中，第一定焦透镜元件和第二定焦透镜元件中的每一者可以提供在以下范围内的净光焦度(正或负)：约±5.0屈光度至0屈光度之间的范围、约±4.0屈光度至0屈光度之间的范围、约±3.0屈光度至0屈光度之间的范围、约±2.0屈光度至0屈光度之间的范围、约±1.0屈光度至0屈光度之间的范围、由这些值定义的任何范围，例如，±1.5屈光度。

在一些实施例中，诸如在图18A和图18B中的实施例中，例如可以是凹透镜或平凹透镜的第一定焦透镜元件1804的光焦度具有正值，例如可以是凸透镜或平凸透镜的第二定焦透镜元件1808的光焦度具有负值，以使得第一聚焦透镜元件1804和第二聚焦透镜元件1808的光焦度相互补偿。然而，在一些其它实施例中，第二定焦透镜元件1808的光焦度可以具有正值，第一定焦透镜元件1804的光焦度可以具有负值，以使得第一定焦透镜元件1804和第二聚焦透镜元件1808的光焦度相互补偿。

图19示出了根据一些其它实施例的显示设备1900。类似于以上关于图18A、图18B所述的显示设备1800A/1800B，显示设备1900包括成对的自适应透镜组件(例如，图14A/14B中的1004、1008，图15中1504、1508)和插在该成对的自适应透镜组件之间的波导组件1012。然而，与图18A、图18B的显示设备1800A/1800B不同，为了调整从波导组件1012耦出的光以使其对于观看者的眼睛210正确地聚焦，该光可以包括虚拟内容，波导组件1012可以被配置为具有内置光焦度，而不是在波导组件1012和观看者的眼睛210之间具有第一定焦透镜元件1808。类似于上述显示设备1800A/1800B，波导组件1012中的内置光焦度可以修改来自周围环境的光的波前，并从而在观看者的世界视图中引起像差。为了修正这种像差，可以在世界和波导组件1012之间设置与以上关于图18A、图18B所述的第二定焦透镜元件1804类似的定焦透镜元件1804。定焦透镜元件1804可以被配置为补偿由波导组件1012中的内置光焦度引起的像差，这与以上关于图18A、图18B所述的补偿机制类似。在一些实施例中，波导组件1012中的内置光焦度可以具有负值，并且定焦透镜元件1804的光焦度可以具有正值，以使得波导组件和定焦透镜元件的光焦度相互补偿。定焦透镜元件1804的各种特征类似于以上关于图18A、图18B所述的那些类似。

应理解，在图19所示的实施例中，尽管将定焦透镜元件1804设置在世界510和波导组件1012之间，但是其它实施例也是可能的。例如，与以上关于图18A、图18B所述的第一定焦透镜元件1808类似，定焦透镜元件1808可以被设置在眼睛210和波导组件1012之间。在这些实施例中，波导组件1012中的内置光焦度可以具有正值，定焦透镜元件1808的光学焦度可以具有负值，以使得波导组件和定焦透镜元件的光焦度相互补偿。

返回参考关于图18A/18B所示的显示设备1800A/1800B和关于图19所示的显示设备1900，以与以上参考图14A和图14B所述讨论的类似方法，在一些实施方式中，第一自适应透镜组件和第二自适应透镜组件中的一者或全部两者可以包括至少一个偏振选择性转向元件(例如，偏振器)或临近其定位，以阻挡或以其它方式滤除从世界510以及可选地还从波导组件1012朝向眼睛210的传播通过自适应透镜组件的光的某些不需要的组分。例如，在这样的实施方式中，显示设备1800A/1800B(图18A/18B)和/或显示设备1900(图19)可以包括插在波导组件1012和在用户侧上与之邻近的波片透镜之间的偏振选择性转向元件和/或插在用户(眼睛210)和与之邻近的波片透镜之间的偏振选择性转向元件。此外，替代地或附加地，显示设备(显示设备1800A/1800B(图18A/18B)和/或显示设备1900(图19))可以包括插在波导组件1012和在世界侧上与之邻近的波片透镜之间的偏振选择性转向元件和/或插在世界510和与之邻近的波片透镜之间的偏振选择性转向元件。偏振选择性转向元件可以包括一个或多个偏振光栅、衍射光学元件和/或全息光学元件，并且可以包括诸如液晶偏振光栅之类的液晶结构。在一些实施例中，波导组件1012可以被配置为耦出偏振光。

其它示例

在第1示例中，一种增强现实系统包括至少一个波导，所述至少一个波导被配置为接收光并朝向用户重新定向所述光，其中，所述至少一个波导被进一步配置为允许来自所述用户的环境的环境光朝向所述用户传播通过所述环境。所述系统附加地包括第一自适应透镜组件，所述第一自适应透镜组件被定位在所述至少一个波导和所述环境之间，其中，所述第一自适应透镜组件能够在以下状态之间选择性地切换：所述第一自适应透镜组件被配置为将第一光焦度赋予传播通过所述第一自适应透镜组件的光的状态；以及所述第一自适应透镜组件被配置为将不同于所述第一光焦度的光焦度赋予传播通过所述第一自适应透镜组件的光的至少一个其它状态。所述系统附加地包括第二自适应透镜组件，所述第二自适应透镜组件被定位在所述至少一个波导和所述用户之间，其中，所述第二自适应透镜组件能够在以下状态之间选择性地切换：所述第二自适应透镜组件被配置为将不同于所述第一光焦度的第二光焦度赋予传播通过所述第二自适应透镜组件的光的状态；以及所述第二自适应透镜组件被配置为将不同于所述第二光焦度的光焦度赋予传播通过所述第二自适应透镜组件的光的至少一个其它状态。所述系统附加地包括至少一个处理器，所述至少一个处理器被可操作地耦合到所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件，其中，所述至少一个处理器被配置为以使得所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件将基本恒定的净光焦度赋予传播通过其的来自所述环境的环境光的方式，使所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件在不同状态之间同步切换。

在第2示例中，根据第1示例所述的增强现实系统进一步包括微型显示器，其中，所述至少一个波导被配置为接收来自所述微型显示器的光并朝向所述用户重新定向所述光。

在第3示例中，在根据第1示例至第2示例中任一项所述的增强现实系统中，所述第一光焦度和所述第二光焦度的符号相反。

在第4示例中，在根据第1示例至第3示例中任一项所述的增强现实系统中，所述第一光焦度和所述第二光焦度的大小基本相等。

在第5示例中，在根据第1示例至第4示例中任一项所述的增强现实系统中，所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件中的每一者被配置为从所述至少一个处理器接收一个或多个控制信号作为输入，并且响应于此，在此后不到400毫秒的时间段内从一个状态切换到另一状态。

在第6示例中，在根据第5示例所述的增强现实系统中，所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件中的每一者被配置为在不到200毫秒时间段内从一个状态切换到另一状态。

在第7示例中，在根据第6示例所述的增强现实系统中，所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件中的每一者被配置为在不到100毫秒时间段内从一个状态切换到另一状态。

在第8示例中，在根据第1示例至第7示例中任一项所述的增强现实系统中，所述至少一个波导包括输出区域，所述至少一个波导被配置为通过所述输出区域朝向所述用户重新定向光，并且允许来自所述用户的所述环境的环境光朝向所述用户传播通过所述输出区域。所述至少一个波导的所述输出区域被定位在所述第一自适应透镜组件的一部分和所述第二自适应透镜组件的一部分之间，在所述第一自适应透镜组件的所述一部分中形成所述第一自适应透镜组件的通光孔径，在所述第二自适应透镜组件的所述一部分中形成所述第二自适应透镜组件的通光孔径。

在第9示例中，在根据第8示例所述的增强现实系统中，分别在其中形成所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件的通光孔径的所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件的部分中的每一者在尺寸上大于所述至少一个波导的所述输出区域。

在第10示例中，在根据第1示例至第9示例中任一项所述的增强现实系统中，所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件中的每一者包括至少一个光学元件，所述至少一个光学元件能够在两个状态之间进行单极切换。

在第11示例中，在根据第10示例所述的增强现实系统中，所述至少一个光学元件能够在以下状态之间进行单极切换：第一状态，在所述第一状态下，所述至少一个光学元件被配置为将第一偏振状态赋予朝向所述用户传播通过所述至少一个光学元件的光；以及第二状态，在所述第二状态下，所述至少一个光学元件被配置为将不同于所述第一偏振状态的第二偏振状态赋予传播通过所述至少一个光学元件的光。

在第12示例中，在根据第1示例至第11示例中任一项所述的增强现实系统中，所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件中的每一者包括至少一个波片透镜，所述至少一个波片透镜被定位在所述至少一个光学元件和所述用户之间，其中，所述至少一个波片透镜被配置为将一个光焦度赋予传播通过所述至少一个波片透镜的所述第一偏振状态的光，并且将另一不同的光焦度赋予传播通过所述至少一个波片透镜的所述第二偏振状态的光。

在第13示例中，在根据第1示例至第12示例中任一项所述的增强现实系统中，所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件中的每一者包括一定数量的光学元件，所述光学元件能够在两个状态之间进行单极切换，其中，在所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件中的每一者中包括的光学元件的数量等于第一值，以及其中，所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件中的每一者能够在一定数量的不同状态中的状态之间选择性地切换，所述不同状态的数量等于在指数上取决于所述第一值的第二值。

在第14示例中，在根据第13示例所述的增强现实系统中，所述第二值等于以一指数对2取幂，所述指数等于所述第一值。。

在第15示例中，在根据第1示例至第14示例中任一项所述的增强现实系统中，所述至少一个波导被配置为接收表示虚拟内容的光并朝向所述用户重新定向所述光，其中，所述至少一个处理器被配置为使所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件在所述一定数量的不同状态中的不同状态之间同步切换，以调整离开所述用户的距离，在所述距离处由传播通过所述距离的光表示的虚拟内容将由所述用户感知。

在第16示例中，在根据第15示例所述的增强现实系统中，离开所述用户的所述距离能够选择性地切换到一定数量的不同距离中的任一距离，在所述距离处由传播通过所述距离的光表示的虚拟内容将由所述用户感知，所述不同距离的数量等于所述第二值。

在第17示例中，一种显示设备包括波导组件，所述波导组件包括波导，所述波导被配置为沿着所述波导的输出表面输出耦出光。所述显示设备附加地包括第一自适应透镜组件，所述第一自适应透镜组件具有面向所述输出表面的第一主表面，其中，所述第一自适应透镜组件包括：第一波片透镜；第二波片透镜；以及第一可切换波片，其被插在所述第一波片透镜和所述第二波片透镜之间，其中，所述可切换波片能够在以下状态之间选择性地切换：第一状态，其被配置为在不改变所述耦出光的偏振状态的情况下传播所述耦出光；以及第二状态，其被配置为改变传播通过所述第一可切换波片的所述耦出光的偏振状态。所述显示设备附加地包括第二自适应透镜组件，所述第二自适应透镜组件具有与所述输出表面相对的面向外部场景的第二主表面以及面向所述第一主表面的第二副表面，其中，所述第二自适应透镜组件包括：第三波片透镜；第四波片透镜；以及第二可切换波片，其被插在所述第三波片透镜和所述第四波片透镜之间，其中，所述第二可切换波片能够在以下状态之间选择性地切换：第三状态，其被配置为在不改变来自所述外部场景的光的偏振状态的情况下传播来自所述外部场景的光；以及第四状态，其被配置为改变传播通过所述第二可切换波片的来自所述外部场景的光的偏振状态。

在第18示例中，在根据第17示例所述的显示设备中，所述第一波片透镜和所述第二波片透镜中的每一者被配置为改变传播通过其的所述耦出光的偏振状态，并且被配置为使所述耦出光会聚或发散。

在第19示例中，在根据第17示例和第18示例中任一项所述的显示设备中，所述第三波片透镜和所述第四波片透镜中的每一者被配置为改变传播通过其的来自所述外部场景的光的偏振状态，并且被配置为使所述耦出光会聚或发散。

在第20示例中，一种显示设备包括位于光路中的成对的自适应透镜组件，其中，所述自适应透镜组件中的每一者包括：对应的可切换波片，其被配置为在第一状态和第二状态之间切换以选择性地改变传播通过所述对应的可切换波片的光的偏振状态，其中，所述自适应透镜组件具有符号相反的光焦度。

在第21示例中，在根据第20示例所述的显示设备中，所述自适应透镜组件中的每一者具有相应的光焦度，所述相应的光焦度基于所述自适应透镜组件的可切换波片的状态可调整。

在第22示例中，根据第20示例至第21示例中任一项所述的显示设备进一步包括控制器，所述控制器被配置为使得：在所述成对的自适应透镜组件中的第一自适应透镜组件的第一光焦度为第一值时，所述成对的自适应透镜组件中的第二自适应透镜组件的第二光焦度被对应地调整到第二值。

在第23示例中，在根据第20示例至第22示例中任一项所述的显示设备中，来自所述成对的自适应透镜组件中的所述第一自适应透镜组件与所述成对的自适应透镜组件中的所述第二自适应透镜组件的组合的净光焦度保持在恒定值附近。

在第24示例中，在根据第23示例所述的显示设备中，所述恒定值约为0m^-1。

在第25示例中，在根据第20示例至第24示例中任一项所述的显示设备中，所述自适应透镜组件中的每一者包括第一波片透镜和第二波片透镜，其中，所述自适应透镜组件中的每一者的对应的可切换波片被插在所述第一波片透镜和所述第二波片透镜之间，其中，所述波片透镜中的每一者被配置为改变传播通过其的光的偏振状态。

在第26示例中，根据第20示例至第25示例中任一项所述的显示设备进一步包括波导组件，所述波导组件被插在所述成对的自适应透镜组件之间，其中，所述波导组件包括波导，所述波导被配置为将在其中传播的所述光耦出到所述自适应透镜组件中的一者内。

在第27示例中，在根据第20示例和第26示例中任一项所述的显示设备中，所述自适应透镜组件中的每一者包括多个波片透镜和多个可切换波片，其中，所述波片透镜和所述可切换波片交替堆叠。

在第28示例中，在根据第20示例和第27示例中任一项所述的显示设备中，所述可切换波片和波片透镜中的不同者具有不同的光焦度。

在第29示例中，一种自适应透镜组件包括在光路中对准的一个或多个波片透镜和一个或多个可切换波片，其中，所述一个或多个波片透镜中的每一者被配置为改变传播通过其的光的偏振状态，为具有第一偏振的光提供第一光焦度，以及为具有第二偏振的光提供第二光焦度。所述一个或多个可切换波片中的每一者能够在以下状态之间选择性地切换：第一状态，其被配置为在不改变所述光的偏振状态的情况下使所述光传播通过所述可切换波片；以及第二状态，其被配置为改变传播通过所述可切换波片的所述光的偏振状态。

在第30示例中，在根据第29示例所述的自适应透镜组件中，所述波片透镜和所述可切换波片中的一者或全部两者包括液晶。

在第31示例中，在根据第29示例和第30示例中任一项所述的透镜组件中，在所述第二状态时，所述一个或多个可切换波片中的每一者是可切换半波片，所述可切换半波片被配置为在被激活时使圆偏振光的旋向性反转。

在第32示例中，在根据第29示例至第31示例中任一项所述的自适应透镜组件中，所述可切换波片中的每一者被插在所述一个或多个波片透镜的对之间。

在第33示例中，在根据第29示例至第32示例中任一项所述的自适应透镜组件中，所述自适应透镜组件包括多个所述波片透镜和多个所述可切换波片，其中，所述波片透镜和所述可切换波片交替堆叠。

在第34示例中，一种可穿戴增强现实头戴式显示系统包括：光调制系统，其被配置为输出光以形成图像；头戴式框架；一个或多个波导，其被附接到所述框架并被配置为接收来自所述光调制系统的图像并将所述图像重新定向到所述头戴式框架的外部；以及成对的自适应透镜组件，其中，所述一个或多个波导被设置在所述成对的自适应透镜组件之间。所述成对的自适应透镜组件中的每一者包括：位于光路中的一个或多个波片透镜，其中，所述一个或多个波片透镜中的每一者被配置为，为具有第一偏振的光提供第一光焦度，并为具有第二偏振的光提供第二光焦度。所述成对的自适应透镜组件中的每一者附加地包括位于所述光路中的一个或多个可切换波片，其中，所述一个或多个可切换波片中的每一者被配置为选择性地改变传播通过其的光的偏振状态。所述成对的自适应透镜组件中的每一者被配置为提供相应的光焦度，所述相应的光焦度在相应的电信号被施加到所述一个或多个可切换波片中的相应一者上时可调整。

在第35示例中，根据第34示例所述的可穿戴增强现实头戴式显示系统进一步包括至少一个处理器，所述至少一个处理器被可操作地耦合到所述成对的自适应透镜组件，其中，所述至少一个处理器被配置为以使得所述成对的自适应透镜组件将基本恒定的净光焦度赋予传播通过所述成对的自适应透镜组件的来自环境的环境光的方式，使所述成对的自适应透镜组件在不同状态之间同步切换。

在第36示例中，根据第34示例和第35示例中任一项所述的可穿戴增强现实头戴式显示系统进一步包括微型显示器，其中，所述一个或多个波导被配置为接收来自所述微型显示器的光并朝向用户重新定向所述光。

在第37示例中，在根据第34示例至第36示例中任一项所述的可穿戴增强现实头戴式显示系统中，所述成对的自适应透镜组件被配置为提供符号相反的光焦度。

在第38示例中，在根据第37示例所述的可穿戴增强现实头戴式显示系统中，所述符号相反的光焦度的大小基本相等。

在第39示例中，在根据第35示例至第38示例中任一项所述的可穿戴增强现实头戴式显示系统中，所述成对的自适应透镜组件中的每一者被配置为接收来自所述至少一个处理器的一个或多个控制信号作为输入，并且响应于此，在此后不到400毫秒的时间段内从一个状态切换到另一状态。

在第40示例中，在根据第34示例至第39示例中任一项所述的可穿戴增强现实头戴式显示系统中，所述一个或多个波导被配置为接收表示虚拟内容的图像并朝向用户重新定向所述图像，其中，所述至少一个处理器被配置为使所述成对的自适应透镜组件在一定数量的不同状态中的不同状态之间同步切换，以调整离开所述用户的距离，在所述距离处所述用户感知到由传播通过所述距离的光表示的虚拟内容。

在第41示例中，在根据第40示例所述的可穿戴增强现实头戴式显示系统中，离开所述用户的所述距离能够在多个不同距离之间选择性地切换，在离开所述用户的所述距离处所述用户感知到所述虚拟内容。

在第42示例中，一种增强现实系统包括第一自适应透镜组件和第二自适应透镜组件，其中，所述第二自适应透镜组件被定位在所述第一自适应透镜组件和用户之间。所述自适应透镜组件中的每一者包括至少一个可切换光学元件，所述至少一个可切换光学元件能够在至少以下状态之间选择性地切换：(i)第一状态，在所述第一状态时，所述至少一个可切换光学元件被配置为将第一偏振状态赋予朝向所述用户传播通过所述至少一个所述可切换光学元件的光，以及(i)第二状态，在所述第二状态时，所述至少一个可切换光学元件被配置为将第二偏振状态赋予朝向所述用户传播通过所述至少一个所述可切换光学元件的光。所述自适应透镜组件中的每一者附加地包括至少一个波片透镜，其被定位在所述至少一个可切换光学元件和所述用户之间，其中，所述至少一个波片透镜被配置为将第一相应的光焦度赋予传播通过其中朝向所述用户传播的所述第一偏振状态的光，并将第二相应的光焦度赋予朝向所述用户传播通过所述至少一个波片透镜的所述第二偏振状态的光。所述系统进一步包括至少一个波导，所述至少一个波导被定位在所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件之间，其中，所述至少一个波导被配置为通过所述第二透镜组件并朝向所述用户来引导表示虚拟内容的光。

在第43示例中，根据第42示例所述的增强现实系统进一步包括至少一个处理器，所述至少一个处理器被可操作地耦合到所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件，其中，所述至少一个处理器被配置为以使得所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件将基本恒定的净光焦度赋予传播通过其的来自环境的环境光的方式，使所述所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件在不同状态之间同步切换。

在第44示例中，根据第42示例至第43示例中任一项所述的增强现实系统进一步包括微型显示器，其中，所述至少一个波导被配置为接收来自所述微型显示器的光并朝向所述用户重新定向所述光。

在第45示例中，在根据第42示例至第44示例中任一项所述的增强现实系统中，所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件被配置为提供符号相反的光焦度。

在第46示例中，在根据第45示例所述的增强现实系统中，符号相反的所述光焦度的大小基本相等。

在第47示例中，在根据第42示例至第46示例中任一项所述的增强现实系统中，所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件中的每一者被配置为接收来自所述至少一个处理器的一个或多个控制信号作为输入，并且响应于此，在此后不到400毫秒的时间段内从一个状态切换到另一状态。

在第48示例中，在根据第42示例至第47示例中任一项所述的增强现实系统中，所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件中的每一者包括一定数量的光学元件，所述光学元件能够在两个状态之间进行单极切换。在所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件中包括的每一者中的光学元件的数量等于第一值。所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件中的每一者能够在一定数量的不同状态中的状态之间选择性地切换，所述不同状态的数量等于在指数上取决于所述第一值的第二值。

在第49示例中，在根据第48示例所述的增强现实系统中，所述第二值等于以一指数对2取幂，所述指数等于所述第一值。

在第50示例中，在根据第43示例至第49示例中任一项所述的增强现实系统中，所述一个或多个波导被配置为接收表示虚拟内容的光并朝向所述用户重新定向所述光，其中，所述至少一个处理器被配置为使所述成对的自适应透镜组件在所述一定数量的不同状态中的不同状态之间同步切换，以调整离开所述用户的距离，在所述距离处所述用户感知到由传播通过所述距离的光表示的虚拟内容。

在第51示例中，在根据第50示例所述的增强现实系统中，离开所述用户的所述距离能够选择性地切换到一定数量的不同距离中的任一距离，在所述距离处所述用户感知到虚拟内容，所述不同距离的数量等于所述第二值。

在第52示例中，一种显示设备包括波导组件，所述波导组件包括波导，所述波导被配置为沿着所述波导的输出表面输出耦出光。所述显示设备附加地包括自适应透镜组件，所述自适应透镜组件具有面向所述输出表面的主表面。所述自适应透镜组件包括：第一波片透镜；第二波片透镜；以及可切换波片，其被插在所述第一波片透镜和所述第二波片透镜之间。所述可切换波片能在以下状态之间选择性地切换：第一状态，其被配置为在不改变所述耦出光的偏振状态的情况下传播所述耦出光；以及第二状态，其被配置为改变传播通过所述可切换波片的所述耦出光的偏振状态。

在第53示例中，在根据第52示例所述的显示设备中，所述第一波片透镜和所述第二波片透镜中的每一者被配置为改变传播通过其的所述耦出光的偏振状态，并使所述耦出光会聚或发散。

在第54示例中，在根据第52示例或第53示例所述的显示设备中，所述耦出光是具有偏振旋向性的圆偏振光，其中，所述第一波片透镜和所述第二波片透镜以及在所述第二状态下的所述可切换波片中的每一者是半波片，所述半波片被配置为使传播通过所述半波片的所述耦出光的旋向性反转。

在第55示例中，在根据第52示例至第54示例中任一项所述的显示设备中，所述第一波片透镜和所述第二波片透镜中的每一者被配置为，为具有第一旋向性的光提供第一光焦度，并为具有与所述第一旋向性相反的第二旋向性的光提供第二光焦度。

在第56示例中，在根据第52示例至第55示例中任一项所述的显示设备中，当所述可切换波片在所述第二状态下时，入射在所述第一波片透镜上的所述耦出光具有与入射在所述第二波片上的所述耦出光相同的旋向性，而当所述可切换波片在所述第一状态下时，入射在所述第一波片透镜上的所述耦出光具有与入射在所述第二波片上的所述耦出光相反的旋向性。

在第57示例中，在根据第52示例至第56示例中任一项所述的显示设备中，当所述可切换波片在所述第二状态下时，所述第一波片透镜和所述第二波片透镜均使传播通过其的所述耦出光发散，而当所述可切换波片在所述第一状态下时，所述第一波片透镜和所述第二波片透镜中的一者使传播通过其的所述耦出光会聚，而所述第一波片透镜和所述第二波片透镜中的另一者使传播通过其的所述耦出光发散。

在第58示例中，在根据第52示例至第57示例中任一项所述的显示设备中，当所述可切换波片在所述第二状态下时，所述自适应透镜组件具有大小约为所述第一波片透镜和所述第二波片透镜的光焦度的大小之和的净光焦度，而当所述可切换波片在所述第一状态下时，所述自适应透镜组件具有大小约为所述第一波片透镜和所述第二波片透镜的光焦度的大小之差的净光焦度。

在第59示例中，在根据第52示例至第58示例中任一项所述的显示设备中，所述第一波片透镜和所述第二波片透镜具有大小大约相同的光焦度，以使得当所述可切换波片被电停用时，所述净光焦度大约为零。

在第60示例中，在根据第52示例至第59示例中任一项所述的显示设备中，所述第一波片透镜和所述第二波片透镜以及所述可切换波片中的每一者包括在不同伸长方向上伸长并且具有不同旋转角的伸长的液晶分子。

在第61示例中，在根据第52示例至第60示例中任一项所述的显示设备中，所述第一波片透镜和所述第二波片透镜中的每一者包括液晶分子，所述液晶分子的旋转角与从所述自适应透镜组件的光轴到所述液晶分子的径向距离成比例。

在第62示例中，在根据第52示例至第61示例中任一项所述的显示设备中，在所述第二状态下，所述可切换波片包括胆甾型液晶(CLC)层，所述胆甾型液晶(CLC)层包括多个手性结构，其中，每个手性结构包括在层深度方向上延伸至少一个螺距并且在第一旋转方向上连续旋转的多个液晶分子，并且其中，所述螺距是所述层深度方向上的长度，所述长度对应于所述手性结构的液晶分子在所述第一旋转方向上旋转一整圈的净旋转角。

在第63示例中，在根据第52示例至第62示例中任一项所述的显示设备中，当被激活时，所述可切换波片包括潘查拉奥德姆-贝里(Pancharatnam-Berry)(PB)光学元件(PBOE)。

在第64示例中，根据第17示例至第19示例中任一项所述的增强现实系统进一步包括一个或多个偏振选择性转向元件，所述偏振选择性转向元件被设置在所述波导组件和用户之间，其中，所述第一波片透镜比所述第二波片透镜更靠近所述用户。

在第65示例中，在根据第64示例所述的增强现实系统中，第一偏振选择性转向元件设被置在所述用户和所述第一波片透镜之间。

在第66示例中，在根据第64示例或第65示例所述的增强现实系统中，第二偏振选择性转向元件被设置在所述波导组件和所述第二波片透镜之间。

在第67示例中，在根据第64示例至第66示例中任一项所述的增强现实系统中，所述一个或多个偏振选择性转向元件包括偏振光栅、衍射光学元件和/或全息光学元件中的一者或多者。

在第68示例中，根据第17示例至第19示例以及第64示例至第67示例中任一项所述的增强现实系统包括一个或多个偏振选择性转向元件，所述一个或多个偏振选择性转向元件被设置在所述波导组件和所述外部场景之间，其中，所述第三波片透镜比所述第四波片透镜更靠近所述外部场景。

在第69示例中，根据第17示例至第19示例以及第64示例至第68示例中任一项所述的增强现实系统进一步包括第三偏振选择性转向元件，所述第三偏振选择性转向元件被设置在所述外部场景和所述第三波片透镜之间。

在第70示例中，根据第17示例至第19示例以及第64示例至第69示例中任一项所述的增强现实系统进一步包括第四偏振选择性转向元件，所述第四偏振选择性转向元件被设置在所述波导组件和所述第四波片透镜之间。

在第71示例中，在根据第17示例至第19示例以及第64示例至第70示例中任一项所述的增强现实系统中，所述一个或多个偏振选择性转向元件包括偏振光栅、衍射光学元件和/或全息光学元件中的一者或多者。

其它考虑事项

在上述说明书中，已经参考本发明的特定实施例对本发明进行了描述。但是显而易见的是，在不偏离本发明的较广泛的精神和范围的情况下，可以对本发明做出各种修改和更改。因此，说明书和附图应该被视为出于说明性含义而非限制性还以。

实际上，将理解，本公开的系统和方法各自具有若干创新性方面，其中没有单个方面单独地负责本文公开的所需属性，或是本文公开的所需属性必需的。上述各种特征和过程可以彼此独立地使用，或者可以以各种方式进行组合。所有可能的组合和子组合均旨在落入本公开的范围内。例如，参考图15，将理解，一个或多个自适应透镜组件1504-1至1504-3可以被设置在波导1012a、1012b和/或1012c中的各个波导之间。

本说明书中在分开的实施例的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合地实现。相反地，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施例中单独实施，或以任何合适的子组合实施。此外，尽管特征可以像上文描述的那样以某些组合起作用，甚至最初如此要求保护，但是来自所要求保护的组合的一个或多个特征在某些情况下可以从该组合中剔除，并且所要求保护的组合可以涉及子组合或子组合的变体。对于每个实施例而言，没有单个特征或特征组是必需的或不可或缺的。

将理解，除非另有明确说明，或者在所使用的上下文中以其它方式理解，否则在此使用的诸如“能”、“能够”、“可能”、“可”、“例如”等之类的条件语通常旨在表达某些实施例包括，而其它实施例不包括某些特征、元素和/或步骤。因此，这种条件语言通常不旨在暗示特征、元素和/或步骤以任何方式是一个或多个实施例所必需的，也不旨在暗示在有或者没有作者输入或提示的情况下，一个或多个实施例必然包括用于决定是否包括这些特征、元素和/或步骤或否是将在任何特定实施例中执行这些特征、元素和/或步骤的逻辑。术语“包括”、“包含”、“具有”等是同义词，并且以开放的方式包含性地使用，并且不排除附加元素、特征、动作、操作等。此外，术语“或”以其包含性含义(而非排他性含义)使用，以使得当用于例如连接元素列表时，术语“或”意味着一个、一些或全部列表中的元素。另外，除非另有说明，否则在本申请和所附权利要求书中使用的冠词“一”、“一个”和“所述”应被解释为意味着“一个或多个”或“至少一个”。类似地，尽管操作在附图中以特定排序描绘，但应认识到，这些操作不需要以所示的特定排序或按顺序执行，或者执行所有示出的操作以实现所需的结果。此外，附图可以以流程图的形式示意性地描绘一个或多个示例过程。然而，其它未示出的操作可以并入示意性说明的示例方法和过程中。例如，一个或多个附加操作可以在任何所示的操作之前、之后、同步或者之间执行。另外，在其它实施例中，操作可以被重新布置或重新排序。在某些情况下，多任务和并行处理可能是有利的。此外，上述实施例中的各种系统部件的分离不应该被理解为在所有实施例中都需要这种分离，并且应当理解，所描述的程序部件和系统通常可以一起集成在单个软件产品中或者封装到多个软件产品中。另外，其它实施例在以下权利要求的范围内。在一些情况下，权利要求中列出的动作可以以不同的排序执行并且仍能实现所需的结果。

因此，权利要求并非旨在限于此处所示的实施例，而是与符合本公开、在此公开的原理和新颖特征的最宽范围相一致。

Claims (16)

1.一种增强现实系统，包括：

至少一个波导，其被配置为接收光并朝向用户重新定向所述光，其中，所述至少一个波导被进一步配置为允许来自所述用户的环境的环境光通过其朝向所述用户传播；

第一自适应透镜组件，其被定位在所述至少一个波导和所述环境之间，其中，所述第一自适应透镜组件能够在以下状态之间选择性地切换：

一个状态，在所述状态下所述第一自适应透镜组件被配置为将第一光焦度赋予传播通过所述第一自适应透镜组件的光；以及

至少一个其它状态，在所述至少一个其它状态下所述第一自适应透镜组件被配置为将不同于所述第一光焦度的光焦度赋予传播通过所述第一自适应透镜组件的光；

第二自适应透镜组件，其被定位为使得在所述用户穿戴所述增强现实系统时，所述第二自适应透镜组件处于所述至少一个波导和所述用户之间，其中，所述第二自适应透镜组件能够在以下状态之间选择性地切换：

一个状态，在所述状态下，所述第二自适应透镜组件被配置为将不同于所述第一光焦度的第二光焦度赋予传播通过所述第二自适应透镜组件的光；以及

至少一个其它状态，在所述至少一个其它状态下，所述第二自适应透镜组件被配置为将不同于所述第二光焦度的光焦度赋予传播通过所述第二自适应透镜组件的光；以及

至少一个处理器，其被可操作地耦合到所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件，其中，所述至少一个处理器被配置为使所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件通过以下这样的方式在不同状态之间同步切换，该方式使得所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件将基本恒定的净光焦度赋予传播通过其的来自所述环境的环境光。

2.根据权利要求1所述的增强现实系统，进一步包括微型显示器，其中，所述至少一个波导被配置为接收来自所述微型显示器的光并朝向所述用户重新定向所述光。

3.根据权利要求1所述的增强现实系统，其中，所述第一光焦度和所述第二光焦度的符号相反。

4.根据权利要求3所述的增强现实系统，其中，所述第一光焦度和所述第二光焦度的大小基本相等。

5.根据权利要求1所述的增强现实系统，其中，所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件中的每一者被配置为从所述至少一个处理器接收一个或多个控制信号作为输入，并且响应于此，在此后不到400毫秒的时间段内从一个状态切换到另一状态。

6.根据权利要求5所述的增强现实系统，其中，所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件中的每一者被配置为在不到200毫秒的时间段内从一个状态切换到另一状态。

7.根据权利要求6所述的增强现实系统，其中，所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件中的每一者被配置为在不到100毫秒的时间段内从一个状态切换到另一状态。

8.根据权利要求1所述的增强现实系统，其中，所述至少一个波导包括输出区域，所述至少一个波导被配置为通过所述输出区域朝向所述用户重新定向光，并且允许来自所述用户的所述环境的环境光通过所述输出区域朝向所述用户传播，所述至少一个波导的所述输出区域被定位在所述第一自适应透镜组件的一部分和所述第二自适应透镜组件的一部分之间，在所述第一自适应透镜组件的所述一部分中形成所述第一自适应透镜组件的通光孔径，在所述第二自适应透镜组件的所述一部分中形成所述第二自适应透镜组件的通光孔径。

9.根据权利要求8所述的增强现实系统，其中，分别在其中形成所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件的通光孔径的所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件的部分中的每一者在尺寸上大于所述至少一个波导的所述输出区域。

10.根据权利要求1所述的增强现实系统，其中，所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件中的每一者包括至少一个光学元件，所述至少一个光学元件能够在两个状态之间进行单极切换。

11.根据权利要求10所述的增强现实系统，其中，所述至少一个光学元件能够在以下状态之间进行单极切换：

第一状态，在所述第一状态下，所述至少一个光学元件被配置为将第一偏振状态赋予通过所述至少一个光学元件朝向所述用户传播的光；以及

第二状态，在所述第二状态下，所述至少一个光学元件被配置为将不同于所述第一偏振状态的第二偏振状态赋予传播通过所述至少一个光学元件的光。

12.根据权利要求11所述的增强现实系统，其中，所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件中的每一者包括至少一个波片透镜，所述至少一个波片透镜被定位为使得在所述用户穿戴所述增强现实系统时，所述至少一个波片透镜处于所述至少一个光学元件和所述用户之间，

其中，所述至少一个波片透镜被配置为将一个光焦度赋予传播通过所述至少一个波片透镜的所述第一偏振状态的光，并且将另一不同的光焦度赋予传播通过所述至少一个波片透镜的所述第二偏振状态的光。

13.根据权利要求10所述的增强现实系统，其中，所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件中的每一者包括一定数量的光学元件，所述光学元件能够在两个状态之间进行单极切换，在所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件中的每一者中包括的光学元件的数量等于第一值，以及

其中，所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件中的每一者能够在一定数量的不同状态中的状态之间选择性地切换，所述不同状态的数量等于在指数上取决于所述第一值的第二值。

14.根据权利要求13所述的增强现实系统，其中，所述第二值等于以一指数对2取幂，所述指数等于所述第一值。

15.根据权利要求13所述的增强现实系统，其中，所述至少一个波导被配置为接收表示虚拟内容的光并朝向所述用户重新定向所述光，

其中，所述至少一个处理器被配置为使所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件在所述一定数量的不同状态中的不同状态之间同步切换，以调整离开所述用户的距离，在所述距离处由传播通过所述距离的光表示的虚拟内容将由所述用户感知。

16.根据权利要求15所述的增强现实系统，其中，离开所述用户的所述距离能够选择性地切换到一定数量的不同距离中的任何距离，在所述距离处由传播通过所述距离的光表示的虚拟内容将由所述用户感知，所述不同距离的数量等于所述第二值。