CN113994249A - 偏振相关增强现实显示器 - Google Patents

Abstract

一种设备为增强现实视觉提供光。该设备包括显示器(101)，该显示器(101)向分束器(105)发出光(111)。分束器将来自显示器的光向偏振相关透镜(106)反射。分束器允许世界场景光(132)通过其到偏振相关透镜。该偏振相关透镜将显示器光和世界场景光向定位在偏振相关透镜的向眼睛侧(122)的非偏振相关透镜(107)引导。

Description

偏振相关增强现实显示器

背景技术

一些头戴式显示器(HMD)被实现以提供增强现实(AR)体验，其中生成的图形被叠加在来自真实世界的光上或者与来自真实世界的光组合。用于在真实世界光上提供显示器生成的光的这种叠加的各种技术能够利用偏振相关(PD)透镜来实现。这种透镜提供改进的通常将计算机生成的内容与真实世界视图组合的逼真效果。虚拟现实(VR)类型的显示器基于完全计算机生成的图像来提供视觉。虽然VR通常限于诸如游戏和VR的领域，但是AR可以被应用于真实世界中的各种环境。AR作为适合于许多环境的下一代显示技术已经吸引了关注。AR是真实世界与附加信息的混合被一起呈现给用户的混合现实(MR)的示例。

为了产生AR，一些技术结合显示器使用液晶(LC)透镜。LC透镜是一种能够基于入射光的偏振更改由显示器提供的光的可切换显示设备。在基于AR和VR的HMD中缩小各种组件的大小并且操作偏振相关组件仍然有挑战。

附图说明

通过参考附图，可以更好地理解本公开，并且其许多特征和优点对本领域的技术人员变得明显。在不同的附图中使用相同的附图标记指示类似或相同的项目。

图1是根据一些实施例的为HMD提供偏振相关(PD)透镜的系统的框图。

图2是根据一些实施例的为HMD提供PD透镜的系统的框图。

图3是根据一些实施例的为HMD提供PD透镜的系统的框图。

图4是根据一些实施例的具有PD增强现实显示器的设备的框图。

图5是根据一些实施例的PD透镜的示意图。

图6是根据一些实施例的用于在增强现实系统中利用PD透镜提供光的方法的框图。

具体实施方式

本文中描述的技术使用偏振相关(PD)透镜，诸如液晶(LC)透镜，这些PD透镜能够被用作能够更改由诸如头戴式显示器(HMD)的显示器提供的光的可切换显示设备。在LC设备中，相位分布是通过LC分子在外部电场或磁场下的重新定向来控制和确定的。LC透镜具有基于其LC层的对准方向和入射在LC透镜上的光的偏振来将光引导到期望位置的能力。通过使用PD透镜，能够通过改变从显示器发出的光的偏振条件和LC透镜的操作来向用户提供光。

图1-6图示根据一些实施例的用于由PD透镜提供的增强现实(AR)视觉的HMD设备中的组件的布置和针对该HMD设备的操作的方法。概括地，AR视觉由具有各种组件的AR设备提供。当光沿着HMD中的光路行进时，PD透镜控制或塑造光到用户的传递。处于第一电磁状态的PD透镜的实施例相对于具有第一偏振状态的入射光显示出第一正焦距，而对于具有第二偏振状态的入射光显示出第二负焦距。在第二电磁状态下，PD透镜相对于入射在其上的光显示出不同的行为。一般地，PD透镜显示出根据入射光的偏振而变化的焦距。第一电磁状态能够是第一电场或磁场的施加，并且第二电磁状态能够是对PD透镜的第一电场或磁场的撤回。通常，这些PD透镜状态通常与入射在其上的光的圆偏振光状态有关。在HMD中，PD透镜充当聚焦透镜(例如，凸透镜)，该聚焦透镜相对于具有第一光偏振状态的入射光具有正折射能力，其中第一光偏振状态可以是，例如，右旋圆偏振(RCP)状态，并且对于诸如左旋圆偏振(LCP)状态的第二偏振状态具有负折射能力。具有PD透镜的HMD向用户的眼睛提供显示器生成的光的一个或多个焦平面。非偏振相关(NPD)透镜具有恒定焦距，与其入射光的偏振无关。

本文中描述的各种实施例提供某些益处，包括电力节约以及提供具有与常规技术相比增加的亮度和大小的显示器生成的光。例如，与常规HMD相比，能够在HMD中使用较小的显示器。使用至少PD透镜，源自显示器的光被显示器与用户眼睛之间的光路中的一个或多个组件放大。在某些实施例中，从世界场景接收的光未被放大并且基本上未经修改地通过HMD传递到眼睛。各种实施例能够基于源自显示器的光以光学高效方式传递光。在某些实施例中，光学效率对偏振光来说是大约100％，而对具有相对少或没有透视(see-through)失真的非偏振显示器光来说是50％。此外，各种实施例为用户提供紧凑且重量轻的HMD。

图1是根据一些实施例的为HMD实现PD透镜106的系统100的截面视图。系统100包括沿着系统100的在面向世界侧121与向眼睛侧122之间的光路110的各种组件，诸如显示器101、分束器105、PD透镜106和NPD透镜107。分束器105包括一个或多个层或组件以使入射到PD透镜106上的光适应。如图所示，在至少一个实施例中，分束器105包括四分之一波片(QWP)102、偏振分束器(PBS)103和线性偏振器(LP)104。在一些实施例中，分束器105的组件采取具有某些光更改性质的一个或多个无源材料层(例如，膜、涂层、透镜)的形式。PD透镜106总体上平面的并且如PD透镜106的轴线136所指示的那样在光路110中以大体上垂直的定向而被定向。PD透镜106是电光偏振元件的示例。在一些实施例中，NPD透镜107也总体上平面的并且如NPD透镜107的轴线137所指示的那样在光路110中以大体上垂直的定向而被定向。

分束器105相对于在光路110的向眼睛侧122的用户眼睛140以例如大约5度、10度、12度、15度、20度、25度、30度、35度、40度、45度或一些其他度数的入射角139而被定向。在一些实施例中，分束器105被固定在适当的位置并且相对于显示器101以一定角度而被定向。在一些实施例中，显示器101被定向为近似地垂直于PD透镜106和NPD透镜107中的一个或多个。在其他实施例中，显示器101以如入射在分束器105上的显示器光所测量的相对于分束器105的第一角度而被定向，并且PD透镜106和NPD透镜107中的一个或多个以如从其接收的光所测量的相对于分束器105的相同或不同的第二角度而被定向，其中，第一角度和第二角度在0度与90度之间。

在面向世界侧121，面向世界场景130向系统100提供光132。作为分束器105的结果，左旋圆偏振(LCP)光133离开分束器105并且入射在PD透镜106上。根据一些实施例，面向世界组件131存在于分束器105与面向世界场景130之间以更改来自面向世界场景130的去往用户眼睛140的光。面向世界组件131包括一个或多个层，这些层在面向世界场景光132到达分束器105之前更改面向世界场景光132的一个或多个参数。例如，面向世界组件131更改聚焦距离(例如，用于矫正不良视力的规定的透镜)或偏振方向或偏振状态。

在向眼睛侧122来自系统100的输出包括相对于用户眼睛140的至少两个焦平面115、135。由这些焦平面115、135表示的光在组合视野中重叠以支持AR视觉。第一焦平面115基于从显示器101发出的显示器光111。来自显示器101的光111可以是非偏振光(非线性或非圆偏振光)或者可以是偏振光(线性或圆偏振光)。在一些实施例中，显示器101包括诸如LP和QWP的一个或多个组件127，其处于更改从显示器101的发光元件(未图示)发出的光的一个或多个层的形式。右旋圆偏振(RCP)光或LCP光中的一者或两者从显示器101入射在分束器105上。RCP光112从分束器105被反射并被引导到PD透镜106的第二表面124。基于PD透镜106的第一状态(例如，基于向PD透镜106提供电流)，来自PD透镜106的第一表面123的LCP光被引导到NPD透镜107的第二表面126上。

基于PD透镜106的第一状态，来自PD透镜106的第一表面123的RCP光被引导到NPD透镜107的第二表面126上。即，入射在PD透镜106上的RCP光和LCP光随着该光通过PD透镜106而被PD透镜106不同地处理。例如，PD透镜对RCP光具有负光功率(焦距)并且PD透镜对LCP光具有正光功率(焦距)。基于NPD透镜107的一种或多种性质，LCP光113和RCP光134分别在系统100的向眼睛侧122被形成到第一焦平面115和第二焦平面135中。至少部分地基于PD透镜106与NPD透镜107之间的距离109，第一焦平面115和第二焦平面135被设置到或聚焦于在系统的向眼睛侧122的距离116。

如插图108所图示，NPD透镜107的第一表面125和第二表面126能够采取特定形式或者能够被塑造成适合系统100中的其他组件的一个或多个几何形状，使得第一焦平面115和第二焦平面135在系统100的向眼睛侧122处清晰且在聚焦。例如，NPD透镜107能够采取具有凸的第一表面145和总体上平面的第二表面146的折射透镜141的形式。在某些实施例中，第一表面145是沿着第一表面145的工作部分或工作表面的连续凸表面。作为另一示例，NPD透镜107采取具有总体上平面的第一表面147和在第二表面148上从棱镜到棱镜尺寸变化的棱镜153的菲涅耳(Fresnel)透镜142的形式。例如，一个或多个棱镜的第一高度与菲涅耳透镜142的一个或多个其他棱镜的第二高度不同。在另一示例中，一个或多个棱镜的第一宽度与菲涅耳透镜142的一个或多个其他棱镜的第二宽度不同。

作为又一示例，NPD透镜107采取具有总体上平面的第一表面149和在第二表面150上从棱镜到棱镜尺寸总体上均匀的棱镜154的衍射透镜143的形式。在又一示例中，NPD透镜107采取具有总体上平面的第一表面151和第二表面152的平面透镜144的形式。

至少基于NPD透镜107的特性或PD透镜106的特性或操作以及这两个组件之间的距离109，第一焦平面115相对于由其他基于AR的系统提供的光被放大。通常，焦平面115的大小大于显示器101的大小。系统100然后能够使用相对小的显示器并且仍然提供来自显示器101的基于AR的光111的大体上大的第一焦平面115和大的视场(FOV)。具有较小的显示器101允许系统100与常规基于AR的系统相比节省电力并且提供宽FOV。

图2是根据一些实施例的具有用于HMD的PD透镜的系统200的截面视图。系统200包括沿着系统200的在面向世界侧121与向眼睛侧122之间的光路210的各种组件。框图是系统200中的光的侧视图。从右到左，系统200包括至少具有发光元件的显示器201、分束器205、四分之一波片(QWP)206、PD透镜106和NPD透镜107。分束器205包括一个或多个层或组件以使入射到PD透镜106上的光适应。分束器205包括第一表面223和第二表面224。在组件方面，如图所示，分束器205包括PBS 203和LP 204。在一些实施例中，分束器205的组件采取具有某些光更改性质的一个或多个无源层的形式。如图所示，分束器205相对于在光路210的向眼睛侧122的用户眼睛140以大约45度的入射角(未标记)被定向。分束器205相对于光路210中的一个或多个组件被定位在非零角度。

显示器201向分束器205提供标记了[X]的第一质量的(显示)光211。在某些实施例中，显示器201包括与其接近、相邻或邻接的材料(例如，膜、涂层、透镜)的一个或多个层202，该材料更改从显示器201发出的光的一种或多种质量。作为示例，这些层202中的一个是线性偏振器(LP)或线性偏振膜并且第一光质量[X]是沿第一轴线(例如，x轴线)的线性偏振。入射在PBS 203上的处于[X]线性偏振状态的所有显示器光211都被反射向QWP 206的第二表面208。基于QWP 206，RCP光离开QWP 206的第一表面207并且入射在PD透镜106的第二表面124上。在一些实施例中，QWP 206被定位到PD透镜106上或者与PD透镜106相邻，使得QWP 206的第一表面207与PD透镜106的第二表面124相邻。基于PD透镜106的性质，RCP光在离开PD透镜106的第一表面123时被改变为LCP光。LCP光然后在从PD透镜106的第一表面123起行进距离109之后入射在NPD透镜107的第二表面126上。LCP光213离开NPD透镜107的第一表面125并且被设置于在系统200的向眼睛侧122的距离116处。

从系统200的面向世界侧121开始，第二光路被用于将来自面向世界场景130的光引导到用户眼睛140。根据一些实施例，面向世界组件231被布置在分束器205与面向世界场景130之间以更改来自面向世界场景130的去往用户眼睛140的光。基于面向世界组件231，光232具有第二质量[Y]。作为示例，第二光质量[Y]沿着与第一轴线正交的第二轴线(例如，y轴线)被线性地偏振。具有第二质量的光232通过分束器205并且光233入射在QWP 206上。基于QWP 206，并且由于光233的第二光质量[Y]，LCP光离开QWP 206的第一表面207并且入射在PD透镜106的第二表面124上。处于RCP状态的光234离开NPD透镜107的第一表面。

在向眼睛侧122来自系统200的输出包括相对于用户眼睛140的至少两个焦平面215、235。第一焦平面215基于从显示器201发出的光211。基于PD透镜106的第一状态，来自PD透镜106的第一表面123的LCP光被设置到NPD透镜107的第二表面126。

基于各种组件及其性质，在系统200中，LCP光213和RCP光234分别在系统200的向眼睛侧122被形成到第一焦平面215和第二焦平面235中。至少部分地基于PD透镜106与NPD透镜107之间的距离109，第一焦平面215和第二焦平面235被设置于在系统200的向眼睛侧122的距离116处。

在至少一个实施例中，PD透镜106根据入射在其上的光(例如，入射光)的特性显示出不同的折射能力。例如，PD透镜106根据入射光的偏振方向显示出不同的折射能力。PD透镜106因此可以被称为入射光相关透镜单元或偏振相关透镜或透镜单元。PD透镜106可以具有相对于产生第一焦平面215的第一光路光正的第一折射能力，并且可以具有相对于产生第二焦平面235的第二光路光与第一折射能力不同的第二折射能力。例如，第二折射能力具有与第一折射能力相同的幅度但相反的符号，并且PD透镜106和NPD透镜堆叠对于第二光路具有零光功率。因此，PD透镜106充当具有相对于第一光路光正(+)折射能力的透镜，并且充当相对于第二光路的平板(透明介质)。

图3是根据一些实施例的具有用于HMD的PD透镜的系统300的截面视图。系统300包括沿着系统300的在面向世界侧121与向眼睛侧122之间的光路310的各种组件。框图是系统300中的光的侧视图。从右到左，系统300包括至少具有发光元件的显示器301，其中显示器301位于将光引导向分束器305的波导314的近侧。来自显示器301的光311(“显示器光”)总体上被垂直地引导远离显示器301的顶面。波导314的轴线341大体上与波导314的至少一个表面316平行或与波导314的中心轴线317平行延伸，其中如本文中所使用的中心轴线是相对于光通过其进入波导314的平面中的点，光在波导314中通过反射被引导所沿着的方向。光311在到达分束器305之前被从波导314的一个或多个表面被反射一次或多次。分束器305相对于轴线341以第一角度339被定向，并且显示器301相对于轴线341以第二角度340被定向。在一些实施例中，第一角度339基本上等于第二角度340。在其他实施例中，这些角度339、340彼此不同。

系统300包括位于在波导314的远侧342的位置处的分束器305。系统300还按所示顺序包括四分之一波片(QWP)306、PD透镜106和NPD透镜107，其中NPD透镜107在系统300的向眼睛侧122。分束器305包括一个或多个层或组件以更改光并且将光引导到PD透镜106上。如图所示，分束器305包括PBS 303和LP 304。在一些实施例中，分束器305的组件采取具有某些光更改性质的一个或多个无源层的形式。分束器305相对于在光路310的向眼睛侧122的用户眼睛140以大约45度的入射角(未标记)被定向。

在波导314的近侧，与显示器301相邻的一个或多个层302(例如，膜、涂层、透镜)更改从显示器301发出的光。波导314通过全内反射(TIR)将显示器光311从波导314的近侧引导到远侧。当系统300被组装时，几乎没有世界光泄漏，因此在穿戴系统300的用户前面的人们将看不到从波导314反射的光。显示器301向分束器305提供标记了[X]的第一质量的光311。相邻的一个或多个材料层302促进向从显示器301发出的光提供第一质量[X]。作为示例，第一光质量[X]沿着第一轴线(例如，x轴线)被线性地偏振。入射在PBS 303上的光311中的至少一些被反射向QWP 306。基于QWP 306，RCP光离开QWP306并且入射在PD透镜106上。在一些实施例中，当被组装时，QWP306被定位到PD透镜106上或者与PD透镜106相邻，使得QWP306的表面与PD透镜106的表面相邻。基于PD透镜106的性质，RCP光在离开PD透镜106时被改变为LCP光。LCP光然后在从PD透镜106起行进距离109之后入射在NPD透镜107上。LCP光113离开NPD透镜107并且被引导到且聚焦于在系统300的向眼睛侧122的距离116。

从系统300的面向世界侧121开始，到用户眼睛140的第二光路涉及来自面向世界场景130的光。面向世界组件331存在于分束器305与面向世界场景130之间以更改来自面向世界场景130的去往用户眼睛140的光。基于面向世界组件331，光332具有第二质量[Y]。作为示例，第二光质量[Y]沿着与第一轴线正交的第二轴线(例如，y轴线)被线性地偏振。具有第二质量的光332通过分束器305并且光333入射在QWP 306上。基于QWP 306，并且由于光333的第二光质量[Y]，LCP光离开QWP 306并且入射到PD透镜106上。处于RCP状态的光334离开NPD透镜107。

在向眼睛侧122来自系统300的输出包括相对于用户眼睛140的至少两个焦平面315、335。第一焦平面315基于从显示器301发出的光311。基于PD透镜106的第一状态，来自PD透镜106的LCP光被引导到NPD透镜107。基于各种组件及其性质，在系统300中，LCP光313和RCP光334分别被形成到在系统300的向眼睛侧122的第一焦平面315和第二焦平面335中。至少部分地基于PD透镜106与NPD透镜107之间的距离109，第一焦平面315和第二焦平面335被设置于在系统300的向眼睛侧122的距离116处的焦点上。

图4是根据一些实施例的具有偏振相关增强现实显示器的系统400的框图。为了图示的方便起见，省略了系统400的某些组件。系统400包括HMD 420和用于HMD 420的控制器404。HMD 420包括多个电子组件，包括PD透镜402和显示器401。HMD 420还包括NPD透镜403。HMD 420还包括用于显示器401的第一控制器411。第一控制器411是被耦合到显示器401并操作显示器401的显示控制器(DC)。在一些实施例中，显示器401的第一表面413根据曲率半径被弯曲。该曲率可以与系统400中的另一组件的曲率相匹配，诸如PD透镜402的表面和NPD透镜403的表面。HMD 420提供从在第一侧423的显示器401到系统400的在NPD透镜403的远侧的第二侧424的光路430。系统400中的显示控制器411和任何其他控制器的操作被协调以便在系统400的第二侧424提供至少两个焦平面。

虽然控制器404被图示为与HMD 420相邻，但是在某些实施例中，两个组件—HMD420和控制器404—物理上彼此分离并且经由一根或多根线缆或经由无线电波通过无线电或无线协议以无线方式彼此通信。在至少一些实施例中，至少HMD 420的组件被安装到靠近用户的眼睛的结构(未图示)。

如图4所示，控制器404包括一个或多个处理器集合，诸如所图示的图形处理单元(GPU)405和中央处理单元(CPU)406。控制器404还包括一个或多个存储组件，诸如存储器407，以存储由处理器405、406访问和执行以便操纵处理器405、406中的一个或多个来执行如本文中所描述的各种任务的软件程序或其他可执行指令。这种软件程序包括，例如，包括有用于向显示器401提供内容的可执行指令的渲染程序408。

在操作时，控制器404从本地或远程内容源410接收渲染信息409(例如，显示内容)，其中渲染信息409表示图形数据、视频数据、或表示作为要在HMD 420处被渲染和被显示的光的主体的物体或场景的其他数据。HMD 420使用显示器401来向PD透镜402提供第一光421。HMD 420是至少部分半透明的，由此HMD 420允许来自面向世界场景130的光422在HMD 420的第一侧423进入并且通过其到第二侧424以到达用户眼睛。

通过执行渲染程序408，CPU 406使用渲染信息409来通过用于显示器401的操作的控制信号的方式向GPU 405或直接向HMD 420发送指令。作为此渲染过程的一部分，CPU 406可以从惯性管理单元(IMU)(未图示)接收姿态信息，由此姿态信息表示HMD 420的姿态并且控制由显示器401对光的发出，以及在某些实施例中生成光场数据以在显示器401上根据姿态反映物体或场景的视点。姿态信息包括至少空间中的位置和相对于该位置的定向，从而提供视觉数据的六个方面。

当接收到时，HMD 420通过向控制器411提供指令来向显示器401和PD透镜402提供指令。例如，显示器401提供圆偏振光421，诸如如图所示的右旋圆偏振光(RCP)。基于指令，控制器411和PD透镜402为用户在系统400的第二侧424的焦平面433、434处引导光通过NPD透镜403。在一些实施例中，两个焦平面433、434基于如图所示的各个光路。通过提供两个或更多个焦平面433、434，用户(未图示)然后在系统400的第二侧424自由地观察光和物体，包括基于在各位置或平面433、434处提供的光来选取要在哪里聚焦和适应视觉。

图5是根据一些实施例的用于与偏振相关增强现实显示系统500一起使用的PD透镜501的示意图。PD透镜501具有第一表面123和第二表面124。PD透镜501被用在诸如所图示且如在系统100中一样的光路110的光路中。当PD透镜501处于诸如第一PD状态的特定状态时，在PD透镜501的第二侧124入射的LCP光503是发散的。当准直的LCP光入射在PD透镜501上时，输出光变得发散，因为PD透镜501具有对于LCP光503负光功率。LCP光503随着该光通过PD透镜501而被改变为RCP光504并且在第一侧123出现。基于第一PD状态，当PD透镜501处于诸如第一PD状态的特定状态时，在PD透镜501的第二侧124入射的RCP光505在位于特定距离的焦平面502处被引导。RCP光505随着该光通过PD透镜501而被转换为LCP光504并且在第一侧123出现。以这种方式，PD透镜501有效地用在诸如先前描述的系统100、200、300的增强现实显示系统中。

在一些实施例中，PD透镜501的主体具有如插图506中的实施例中指示的曲率。即，PD透镜501的第一侧123、第二侧124或第一侧123和第二侧124两者相对于参考平面515具有相应的曲率半径514。例如，PD透镜501具有凸形式511或一个或多个凸表面、凹形式512或一个或多个凹表面、或其中一个或多个表面为平面的平面形式513。

图6是根据一些实施例的用于在AR系统中用PD透镜提供光的方法600的框图。方法600可以在如例如图4所图示的HMD 420所图示的那样配置并且如诸如在图1-4中的系统100、200、300和400所图示的那样实现透镜系统的HMD中被实现。在框601，方法600包括由诸如显示器101的显示器发出光。在框602，面向世界场景光被接收到具有PD透镜的设备中。在框603，将圆偏振光引导到PD透镜或到PD透镜上。取决于组件的布置，方法600包括用于创建多个光路的至少两个替代方案。在框604，方法600包括通过至少PD透镜的操作以及NPD透镜和诸如分束器105的分束器的存在来对光进行分束。在框605，方法600可替代地包括通过至少PD透镜的操作以及NPD透镜、诸如QWP 206的QWP和诸如分束器205的分束器的存在来对光进行分束。在框606，利用NPD透镜向用户眼睛提供光。

概括地，方法600包括由显示器发出光并且将面向世界场景光接收到AR系统中。这两个光源入射到分束器上或者在分束器处被接收。来自显示器的光被分束器反射向偏振相关透镜。在一些实施例中，入射在分束器上的光是圆偏振光或线性偏振光。入射在偏振相关透镜上的光基于面向世界场景光和由显示器生成的光。偏振相关透镜将偏振光引导到并通过在AR系统的向眼睛侧的非偏振相关透镜。在AR系统的组件的一些布置中，引导到偏振相关透镜的光通过四分之一波片以创建入射在偏振相关透镜上的圆偏振光。

虽然本文中描述的组件的许多实施例被图示为具有平坦表面，但是本文中图示的HMD和设备的一个或多个组件可以在一些实施例中具有弯曲的一个或多个表面。例如，曲率可以沿着第一轴线并且被称为沿着相对于系统100、200、300、400和如图示为用户眼睛140的用户成一定度数的方位角的水平弧。沿着第二轴线的曲率可以被称为沿着一定度数的高度的垂直弧。第三轴线是相对于用户眼睛140并且用于所描述和图示的系统和设备的光学元件的光轴。

通常，在这些系统和设备中，可以将未图示的涂层或多个涂层施加到诸如大体上透明的光学平面平行板(PPP)的基板或图示组件的第一表面或第二表面，并且涂层或多个涂层被施加到系统中的另一层，诸如线性偏振器层或另一层(例如，膜、涂层、PBS 103)以更改通过系统的光的特性。为了清楚起见，一个或多个PPP被从图示中省略并且是如本领域的技术人员所理解的系统的一个或多个组件的部分。在这些系统和设备中，虽然在其中的所有位置处未图示，但是其中的光可以在一个或多个位置处于第一光状态[Y]或第二光状态[X]。在一些实施例中，第一光状态[Y]沿着称为y轴线的第一轴线被线性地偏振。第二光状态[X]至少部分地基于其相应的线性偏振状态与第一光状态[Y]不同，因为这两个状态[X]、[Y]沿着相对于彼此的正交轴线线性地偏振。处于这两个状态[X]、[Y]的光在系统和设备中被转换成RCP状态或LCP状态。电光偏振元件或子系统产生圆偏振光，并且其圆偏振的旋向能够在左旋向与右旋向之间被切换或者通过施加到偏振元件的电偏置源的操作而被引导。

另外，如本领域的技术人员所理解的，为了清楚起见，组件未按比例绘制并被图示在分解视图中。取决于包括每个组件的组成的一个或多个因素，位置和角度的变化是可能的。在一些实施例中，上述技术的某些方面可以由执行软件的处理系统的一个或多个处理器来实现并且作为用于控制本文中描述的组件的一个或多个方面的指令被提供。软件包括存储或以其他方式有形地体现在非暂时性计算机可读存储介质上的一组或多组可执行指令。软件能够包括指令和某些数据，当由一个或多个处理器执行时，这些指令和某些数据操纵一个或多个处理器以执行上述技术的一个或多个方面。非暂时性计算机可读存储介质能够包括，例如，磁盘或光盘存储设备、诸如闪速存储器的固态存储设备、高速缓存、随机存取存储器(RAM)或一个或多个其他非易失性存储设备等。存储在非暂时性计算机可读存储介质上的可执行指令可以是源代码、汇编语言代码、目标代码或由一个或多个处理器解释或以其他方式可执行的其他指令格式。

计算机可读存储介质可以包括在使用期间可由计算机系统访问以向计算机系统提供指令和/或数据的任何存储介质或存储介质的组合。这种存储介质能够包括但不限于光学介质(例如，光盘(CD)、数字通用盘(DVD)、蓝光盘)、磁介质(例如，软盘、磁带或磁硬盘驱动器)、易失性存储器(例如，随机存取存储器(RAM)或高速缓存)、非易失性存储器(例如，只读存储器(ROM)或闪速存储器)或基于微机电系统(MEMS)的存储介质。计算机可读存储介质可以被嵌入在计算系统(例如，系统RAM或ROM)中、固定地附连到计算系统(例如，磁硬盘驱动器)、可移除地附连到计算系统(例如，基于光盘或通用串行总线(USB)的闪速存储器)、或者经由有线或无线网络耦合到计算机系统(例如，网络可访问存储装置(NAS))。

注意，上面在一般描述中描述的所有活动或元件并非都是必需的，特定活动或设备的一部分可能不是必需的，并且可以执行一个或多个另外的活动，或者包括除了所描述的元件或组件之外的元件或组件。更进一步地，列举活动的顺序不一定是它们被执行的顺序。另外，已参考特定实施例描述了构思。然而，本领域的普通技术人员领会，在不脱离如以下权利要求中所阐述的本公开的范围的情况下，能够做出各种修改和变化。因此，本说明书和图将在说明性而不是限制性意义上被考虑，并且所有这种修改都旨在被包括在本公开的范围内。

已经在上面关于特定实施例描述了益处、其他优点和问题的解决方案。然而，益处、优点、问题的解决方案以及可以使任何益处、优点或解决方案发生或变得更加显著的任何特征不应被解释为任何或所有权利要求的关键、必需或必要的特征。此外，上面公开的特定实施例仅是说明性的，因为可以以对受益于本文中教导的本领域的技术人员而言明显的不同但等效的方式修改和实践所公开的主题。除在下面的权利要求中描述的以外，不旨在限制本文中示出的构造或设计的细节。因此显然，可以更改或修改上面公开的特定实施例，并且所有这种变化都被认为在所公开的主题的范围内。因此，本文中寻求的保护如下面的权利要求中所阐述的。

Claims (24)

1.一种增强现实设备，包括：

分束器(105)，所述分束器(105)用于在所述分束器的第一表面(223)处接收来自显示器(101)的显示器光(111)并且在所述分束器的第二表面(224)处接收面向世界场景光；

偏振相关透镜(106)，所述偏振相关透镜(106)用于：

从所述分束器接收来自所述显示器的反射的显示器光(112)，以及

接收已经通过所述分束器的面向世界场景光(132)，其中，处于第一电磁状态的所述偏振相关透镜具有相对于第一偏振状态的光的第一正焦距，并且其中，处于所述第一电磁状态的所述偏振相关透镜具有对于处于第二偏振状态的入射光的负焦距；以及

非偏振相关透镜，所述非偏振相关透镜定位在所述偏振相关透镜的向眼睛侧以在所述设备的向眼睛侧引导入射在其上的所述显示器光和所述面向世界场景光。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，入射在所述偏振相关透镜上的所述显示器光处于第一偏振状态，并且其中，入射在所述偏振相关透镜上的所述面向世界场景光处于与所述第一偏振状态不同的第二偏振状态。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述第一偏振状态是右旋圆偏振(RCP)状态，并且其中，所述第二偏振状态是左旋圆偏振(LCP)状态。

4.根据权利要求1至3中的任一项所述的设备，还包括：

四分之一波片(206)，所述四分之一波片(206)定位在所述分束器与所述偏振相关透镜之间。

5.根据权利要求1至3中的任一项所述的设备，其中，所述分束器包括四分之一波片(102)。

6.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述非偏振相关透镜是具有凸的第一表面(145)和第二表面(146)的折射透镜，所述折射透镜接收来自所述偏振相关透镜的光。

7.根据权利要求1至5中的任一项所述的设备，其中，所述非偏振相关透镜是在第二表面上的具有从棱镜到棱镜尺寸变化的棱镜(153)的菲涅耳透镜(142)。

8.根据权利要求1至5中的任一项所述的设备，其中，所述非偏振相关透镜是具有总体上平面的第一表面和在第二表面上的从棱镜到棱镜尺寸总体上均匀的棱镜(154)的衍射透镜。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的设备，其中，所述显示器被定向为近似地垂直于所述偏振相关透镜和所述非偏振相关透镜中的一个或多个。

10.一种头戴式显示器(HMD)(420)，包括根据权利要求1至9中的任一项所述的增强现实设备，所述分束器接收来自所述HMD的显示器光，并且所述偏振相关透镜从所述分束器接收来自所述HMD的反射的显示器光。

11.一种头戴式显示器(HMD)设备，包括：

分束器(105)，所述分束器(105)相对于所述HMD设备的显示器(101)以一角度(139)定向以在所述分束器的第一侧接收来自所述显示器的显示器光(111)并且在所述分束器的第二侧接收面向世界场景光；

偏振相关透镜(106)，所述偏振相关透镜(106)定位在所述分束器的向眼睛侧(122)；以及

非偏振相关透镜(107)，所述非偏振相关透镜(107)定位在所述偏振相关透镜的向眼睛侧(122)以在所述HMD的向眼睛侧引导入射在其上的所述显示器光和所述面向世界场景光。

12.根据权利要求11所述的HMD设备，还包括：

线性偏振器(104)，所述线性偏振器(104)定位在所述显示器与所述分束器之间。

13.根据权利要求11所述的HMD设备，还包括：

四分之一波片(206)，所述四分之一波片(206)定位在所述分束器与所述偏振相关透镜之间。

14.根据权利要求10所述的HMD设备，还包括：

四分之一波片，所述四分之一波片定位在所述显示器与所述分束器之间的所述分束器的第一侧上。

15.根据权利要求11至14中的任一项所述的HMD设备，其中，所述非偏振相关透镜是具有连续凸表面(145)的折射透镜。

16.根据权利要求11至14中的任一项所述的HMD设备，其中，所述非偏振相关透镜是具有总体上平面的第一表面和在第二表面上的尺寸总体上均匀的棱镜(154)的折射透镜。

17.根据权利要求11至16中的任一项所述的HMD设备，还包括：

波导(314)，所述波导(314)定位在所述显示器与所述分束器之间，使得来自所述显示器的显示器光从所述波导的一个或多个表面向所述分束器反射。

18.根据权利要求17所述的HMD设备，其中，所述分束器相对于所述波导的轴线(341)以第一非零角度(339)被定向。

19.根据权利要求18所述的HMD设备，其中，所述显示器相对于所述波导的所述轴线以第二非零角度(340)被定向。

20.根据权利要求19所述的HMD设备，其中，所述第二角度与所述第一角度不同。

21.一种用于在增强现实(AR)系统中提供光的方法，所述方法包括：

由显示器(101)发出显示器光(111)；

将面向世界场景光(132)接收到所述AR系统中并且在分束器(105)处接收所述显示器光；

基于所述面向世界场景光和由所述显示器生成的所述显示器光将来自所述分束器的圆偏振光引导到偏振相关透镜(106)；以及

引导偏振光通过在所述AR系统的向眼睛侧(122)的非偏振相关透镜(107)。

22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述偏振相关透镜被操作以使从所述显示器发出的显示器光和面向世界场景光穿过四分之一波片(206)。

23.根据权利要求21或22所述的方法，其中

已经穿过所述分束器的所述面向世界场景光被所述偏振相关透镜接收，其中，处于第一电磁状态的所述偏振相关透镜具有相对于第一偏振状态的光的第一正焦距，并且其中，处于所述第一电磁状态的所述偏振相关透镜具有对于处于第二偏振状态的入射光的负焦距；以及

所述非偏振相关透镜被定位在所述偏振相关透镜的向眼睛侧以在所述设备的向眼睛侧引导入射在其上的所述显示器光和所述面向世界场景光。

24.根据权利要求21至23中的任一项所述的方法，其中，所述AR系统包括根据权利要求1至10中的任一项所述的AR设备或根据权利要求11至20中的任一项所述的HMD设备。

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