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CN115244447A - 可穿戴显示器中光透射伪影的角度选择性衰减 - Google Patents

可穿戴显示器中光透射伪影的角度选择性衰减 Download PDF

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CN115244447A
CN115244447A CN202180018193.1A CN202180018193A CN115244447A CN 115244447 A CN115244447 A CN 115244447A CN 202180018193 A CN202180018193 A CN 202180018193A CN 115244447 A CN115244447 A CN 115244447A
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K·梅塞尔
J·N·哈多克
郑惠全
V·马瑟
C·卡尔里斯勒
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Magic Leap Inc
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Magic Leap Inc
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Abstract

一种可穿戴显示系统包括：目镜堆叠，其具有世界侧和与世界侧相对的用户侧。在使用期间，位于用户侧的用户观看由可穿戴显示系统经由目镜堆叠递送的显示图像，其增强用户对用户环境的视野。该系统还包括光学衰减器，其布置在目镜堆叠的世界侧，光学衰减器具有双折射材料的层，该双折射材料的层具有多个域，每个域具有在与其他域的方向不同的对应方向上取向的主光轴。对于相应的不同入射角范围，光学衰减器的每个域减少入射在光学衰减器上的可见光的透射。

Description

可穿戴显示器中光透射伪影的角度选择性衰减
技术领域
本公开涉及可穿戴显示器中光透射伪影的衰减。
相关申请的交叉引用
本申请要求2020年3月6日提交的美国临时申请号62/986,478的权益，其内容通过引用整体并入本文中。
背景技术
光学成像系统，诸如可穿戴显示系统(例如，可穿戴显示器耳机)可以包括向用户呈现投射图像的一个或多个目镜。目镜可以使用一种或多种高折射材料的薄层构成。作为示例，目镜可由一层或多层高折射玻璃、硅、金属或聚合物基板构成。
可以结合使用多个目镜来投射模拟的三维图像。例如，多个目镜——每个具有不同的图案——可以逐层叠加在一起，并且每个目镜可以投射立体图像的不同深度层。因此，目镜可以跨三个维度将体积图像共同呈现给用户。例如，这在向用户呈现“虚拟现实”环境时可能很有用。
可穿戴显示系统中的光学元件还可以与环境光相互作用，环境光是来自用户所处环境的光。例如，可穿戴显示系统中的衍射结构能够以高角度将入射在可穿戴显示器上的环境光(其通常不进入用户视野)衍射到视野中，从而产生降低用户体验的可见伪影。
发明内容
描述了可穿戴显示系统(例如，可用于增强现实(AR)应用)，其包括光学衰减器以减轻与以高入射角入射在显示器上的环境光相关的伪影。示例的光学衰减器可以根据入射角将不同程度的衰减赋予宽带光。光学衰减器通过改变衰减器中双折射介质的光轴在衰减器的域与域之间的对准来表征跨可穿戴显示器的通光孔径(clear aperture)的透射角范围的空间变化。例如，用作衰减器的双折射层的液晶材料的指向轴可以在空间上变化。与使用单域双折射层的解决方案相比，该光学衰减器可以进一步改善对与可穿戴显示器相关的伪影的抑制，并减少用户通过显示器看到的世界边缘的色移。
本发明的各个方面总结如下。
一般而言，在第一方面，本发明的特征在于一种可穿戴显示系统，包括：目镜堆叠，其具有世界侧和与世界侧相对的用户侧，其中，在使用期间，位于用户侧的用户观看由可穿戴显示系统经由目镜堆叠递送的显示图像，其增强用户对用户环境的视野；以及光学衰减器，其布置在目镜堆叠的世界侧，光学衰减器具有双折射材料的层，该双折射材料的层具有多个域，每个域具有在与其他域的方向不同的对应方向上取向的主光轴。对于相应的不同入射角范围，光学衰减器的每个域减少入射在光学衰减器上的可见光的透射。
可穿戴显示系统的实施例可以包括以下特征中的一个或多个。例如，对于与可穿戴显示器的眼盒对应的目镜堆叠的孔径，用世界侧的D65光源在用户侧通过显示器观看到的图像的白点跨定义眼盒的显示器的孔径针对40°或更小的入射角在CIELUV颜色空间变化0.01Δu'v'或更小。孔径可具有20mm或更大的直径(例如，25mm或更大、30mm或更大、35mm或更大、40mm或更大)。孔径可以具有50mm或更小的直径。
双折射材料可以是液晶材料，并且角度选择性膜还可以包括在液晶材料的相对侧上的一对取向层，其中，取向层中的至少一个取向层被配置为向角度选择性膜的不同域中的液晶材料提供不同的预倾角。与可穿戴显示器的视轴相交的域处的极预倾角可以是零度，并且远离视轴的至少一个域处的极预倾角大于零。具有非零极预倾角的至少两个域可以具有不同的方位角预倾角。
双折射材料的层可以是空间变化的o-板。
双折射材料的层可以包括以一维图案布置的域。替代地，双折射材料的层可以包括以二维图案布置的域。
双折射材料的层可以布置在一对线偏振器之间。两个线偏振器的通过轴可以交叉。双折射膜可以使偏振调整膜的世界侧的通过该对线偏振器中的第一线偏振器透射的光的偏振态旋转。偏振态的旋转量取决于通过该对线偏振器中的第一线偏振器透射的光的入射角而变化。具有大入射角的透射光可以比具有小入射角的透射光旋转得更小。光学衰减器可以包括一对四分之一波片，四分之一波片设置在双折射材料的层的相对侧。每个四分之一波片可以相对于线偏振器中的相应的一个线偏振器布置以形成圆偏振器。
在一些实施例中，光学衰减器包括双折射材料的第二层。光学衰减器还可以包括三个线偏振器，每个双折射层布置在三个线偏振器中的两个线偏振器之间。双折射材料的每个层可以是空间变化的o-板。光学衰减器可以包括多个四分之一波片，一对四分之一波片布置在双折射材料的每个层的相对侧上。
光学衰减器可以包括两个或更多个级，每个级具有布置在一对线偏振器之间的双折射材料的层。相邻级可以共享线偏振器。
双折射材料的层可以是具有可变光学特性的可切换元件。可切换元件可以包括一对电极层之间的液晶层。
在其他优点中，本发明的实施方式可以减少某些可穿戴显示器中的与杂散环境光相关的不希望的光学伪影(例如，彩虹效应)，杂散环境光与显示器中的光栅结构相互作用。例如，采用表面浮雕(relief)光栅的基于波导的可穿戴显示器(例如，用于AR/MR应用)可能将杂散环境光衍射到显示器的眼盒中，从而导致用户视野中出现不需要的伪影，从而降低用户体验。本发明的实施方式可以显着减少这种伪影，而不会显着影响用户的观看视野。
实施方式可以基于环境光在眼盒中的入射角和入射位置来衰减环境光的透射。例如，选择性地衰减大于用户视野的入射角的光的衰减器可以减轻由衍射近眼显示器产生的伪影的可见性，而不会牺牲用户的世界视图的透射。
在附图和以下描述中阐述一个或多个实施例的细节。从描述和附图以及从权利要求中，其他特征和优点将是明显的。
附图说明
图1示出了可穿戴显示系统的示例。
图2A示出了用于向用户模拟三维图像数据的传统显示系统。
图2B示出了用于使用多个深度平面来模拟三维图像数据的方法的方面。
图3A-3C示出了曲率半径和焦点半径之间的关系。
图4示出了AR目镜中用于将图像信息输出给用户的波导堆叠的示例。
图5和6示出了由波导输出的出射光束的示例。
图7A和7B是图示通过具有表面浮雕光栅的显示器组合器的光路的示意图。
图8A和8B是比较通过具有光学衰减器和不具有光学衰减器的显示器组合器的光透射的示意图。
图9A和9B是显示眼盒和相关世界透射角的图。
图10是示出世界透射和伪影生成分布的一系列图。
图11A和11B是具有单个O-板和空间变化O-板的目镜的示例。
图12A和12B是空间变化O-板的进一步示例。
图13是具有多个O-板的目镜的示例。
图14A-14D是针对三个波长计算的示例O-板的透射分布的图。
图15A-15C是示例O-板的计算的透射分布的强度图。
图16A-16T是光学彩虹伪影的计算的衰减的图像。
图17A-17D是计算的色偏的图像。
图18是可用于可穿戴显示系统的示例计算机系统的图。
在附图中，相同的标记表示相同的元件。
具体实施方式
图1示出了示例的可穿戴显示系统60，该可穿戴显示系统60包括显示器或目镜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被容纳在框架80中，该框架80可由显示系统用户90穿戴，并且被配置为将显示器70定位在用户90的眼睛前方。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并被定位在用户90的耳道附近。显示系统还可以包括一个或多个麦克风110以检测声音。麦克风110可以允许用户向系统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/或可以允许与其他人(例如，与相似显示系统的其他用户)进行音频通信。麦克风100还可以收集来自用户周围环境的音频数据(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，其可以与框架80分离并且被附接到用户90的身体(例如，头部、躯干、四肢等上)。在一些实施例中，外围传感器120a可以获取表征用户90的生理状态的数据。
显示器70通过通信链路130(例如，通过有线或无线连接)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，例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，或可移除地附接到用户90(例如，采取背包式配置或采取腰带耦接式配置)。类似地，传感器120a可通过通信链路120b(例如，通过有线引线或无线连接)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，例如非易失性存储器(例如，闪速存储器或硬盘驱动器)，这两者都可用于辅助处理、缓存和数据存储。这些数据可以包括1)通过传感器(其例如可以可操作地耦接到框架80或以其它方式附接到用户90)捕获的数据，这些传感器例如为图像捕获设备(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/或本文公开的其它传感器；和/或2)使用远程处理模块150和/或远程数据储存库160获取和/或处理的数据(包括关于虚拟内容的数据)，这些数据可能在被这样的处理或检索之后被传送到显示器70。本地处理和数据模块140可通过通信链路170、180(诸如经由有线或无线通信链路)可操作地耦接到远程处理模块150和远程数据储存库160，使得这些远程模块150、160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通信的独立装置。
远程处理模块150可以包括分析和处理数据(诸如图像或音频信息)的一个或多个处理器。在一些实施例中，远程数据储存库160可以是数字数据存储设施，该设施可通过因特网或“云”资源配置中的其它网络配置获得。在一些实施例中，远程数据储存库160可以包括一个或多个远程服务器，该一个或多个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)。在其它实施例中，所有数据都被存储，所有计算都在本地处理和数据模块中执行，允许从远程模块完全自主地使用。
可通过向用户的每只眼睛提供略微不同的图像呈现来实现将图像感知为“三维”或“3D”。图2A示出了用于向用户模拟三维图像数据的传统显示系统。向用户输出两个不同图像190、200，其中每个图像针对一只眼睛210、220。图像190、200沿着与用户视线平行的光轴或z轴而与眼睛210、220隔开一距离230。图像190、200是平坦的，眼睛210、220可通过假设单个调节状态而聚焦在图像上。这样的3D显示系统依赖于人类视觉系统来组合图像190、200以提供组合图像的深度和/或尺度感知。
然而，人类视觉系统很复杂，提供真实的深度感具有挑战性。例如，传统的“3D”显示系统的许多用户发现这样的系统不舒服或者根本无法感觉到深度感。由于辐辏(vergence)和调节(accommodation)的组合，对象可被感知为“三维的”。两只眼睛相对于彼此的辐辏运动(例如，使得瞳孔朝向彼此或远离彼此以使眼睛的相应视线会聚而注视一对象的眼睛旋转)与眼睛晶状体的聚焦(或“调节”)密切相关。在正常情况下，根据被称为“调节-辐辏反射”的关系以及瞳孔扩张或收缩，更改眼睛晶状体的焦点或调节眼睛以将焦点从一个对象转移到不同距离处的另一对象将自动导致到同一距离的辐辏匹配变化。同样，在正常情况下，辐辏的变化将引发晶状体形状和瞳孔大小的调节匹配变化。如本文所述，许多立体或“3D”显示系统使用略微不同的呈现(和因此略微不同的图像)向每只眼睛显示场景，使得人类视觉系统感知到三维透视。然而，这样的系统对于一些用户来说可能是不舒服的，因为它们仅在单个调节状态下提供图像信息，并且对“调节-辐辏反射”产生反作用。在调节与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图像数据模拟。
图2B示出了使用多个深度平面模拟三维图像数据的方法的各方面。参考图2B，眼睛210、220采取不同的调节状态以聚焦于z轴上的不同距离处的对象上。因此，可以认为特定的调节状态与所示的深度平面240中的特定一者(具有相关联的焦距)相关联，使得当眼睛针对特定深度平面处于调节状态时，该特定深度平面中的对象或对象的部分合焦(infocus)。在一些实施例中，可通过为每只眼睛210、220提供图像的不同呈现，并且还通过提供对应于多个深度平面的图像的不同呈现来模拟三维图像数据。尽管眼睛210、220的相应视野为了清楚地说明而被示出为分开的，但它们可以重叠，例如在沿z轴的距离增加时。此外，尽管为了便于说明而将深度平面示出为平坦的，但是应当理解，深度平面的轮廓可以在物理空间中弯曲，使得深度平面内的所有特征在眼睛处于特定调节状态时在焦点上。
对象与眼睛210或220之间的距离也可以改变来自该眼睛所看到的对象的光的发散量。图3A至3C示出了距离与光线发散之间的关系。对象与眼睛210之间的距离按照距离递减的次序由R1、R2和R3表示。如图3A至3C所示，随着到对象的距离的减小，光线变得更加发散。随着距离的增加，光线变得更加准直。换言之，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的距离的函数。随着对象与眼睛210之间的距离减小，曲率增加。因此，在不同的深度平面处，光线的发散程度也不同，发散程度随着深度平面与用户眼睛210之间的距离的减小而增加。尽管为了在图3A至3C和本文中的其它图中清楚地说明而仅示出单只眼睛210，但是应当理解，关于眼睛210的讨论可以应用于用户的双眼210和220。
可通过向眼睛提供与有限数量的深度平面中的每一者对应的图像的不同呈现来实现高度可信的感知深度模拟。不同的呈现可以由用户的眼睛单独聚焦，从而有助于基于使位于不同深度平面上的场景的不同图像特征合焦所需的眼睛调节量和/或基于观察到不同深度平面上的不同的图像特征失焦(out of focus)，为用户提供深度线索。
图4示出了AR目镜中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的波导组件260，波导组件260可被用于使用多个波导270、280、290、300、310向眼睛/大脑提供三维感知。在一些实施例中，显示系统250是图1的系统60，图4更详细地示意性地示出了该系统60的一些部分。例如，波导组件260可以是图1的显示器70的部分。应当理解，在一些实施例中，显示系统250可以被视为光场显示器。
波导组件260还可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可被配置为以各种级别的波前曲率或光线发散度向眼睛发送图像信息。每个波导级别可以与特定深度平面相关联，并且可被配置为输出与该深度平面相对应的图像信息。图像注入装置360、370、380、390、400可以用作波导的光源，并且可以被用于将图像信息注入到波导270、280、290、300、310中，如本文所述，每个波导可以被配置为跨过每个相应的波导分布入射光，以朝向眼睛210输出。光从每个相应的图像注入装置360、370、380、390、400的输出表面410、420、430、440、450出射，并且被注入到相应的波导270、280、290、300、310的相应输入表面460、470、480、490、500中。在一些实施例中，输入表面460、470、480、490、500中的每一者可以是相应波导的边缘，或者可以是相应波导的主表面的一部分(即，直接面向世界510或用户的眼睛210的波导表面中的一者)。在一些实施例中，光束(例如准直光束)可以被注入到每个波导中并可以在波导中被复制(诸如，通过衍射而采样成子光束)，然后以对应于与该特定波导相关联的深度平面的光焦度量被引导到眼睛210。在一些实施例中，图像注入装置360、370、380、390、400中的单个图像注入装置可以与波导270、280、290、300、310中的多个(例如，三个)相关联并将光注入到这些波导中。
在一些实施例中，图像注入装置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到相应波导270、280、290、300、310中的图像信息。在一些其它实施例中，图像注入装置360、370、380、390、400是单个多路复用显示器的输出端，多路复用显示器可以经由一个或多个光学导管(诸如光纤光缆)将图像信息传输到图像注入装置360、370、380、390、400中的每一者。将理解，由图像注入装置360、370、380、390、400提供的图像信息可以包括不同波长或颜色的光。
在一些实施例中，注入到波导270、280、290、300、310中的光由光投射器系统520提供，光投射器系统520包括光模块530，光模块530可以包括诸如发光二极管(LED)之类的光源或光发射器。来自光模块530的光可以经由分束器(BS)550被引导到光调制器540(例如，空间光调制器)并由光调制器进行调制。光调制器540可以在空间上和/或时间上改变注入到波导270、280、290、300、310中的光的感知强度。空间光调制器的示例包括液晶显示器(LCD)和数字光处理(DLP)显示器，其中液晶显示器包括硅上液晶(LCOS)显示器。
在一些实施例中，光投射器系统520或其一个或多个部件可以被附接到框架80(图1)。例如，光投射器系统520可以是框架80的太阳穴部分(例如，耳柄82)的一部分，或者可以被设置在显示器70的边缘处。在一些实施例中，光模块530可以与BS 550和/或光调制器540分离。
在一些实施例中，显示系统250可以是扫描光纤显示器，扫描光纤显示器包括一个或多个扫描光纤，用于以各种图案(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，并且最终投射到用户的眼睛210中。在一些实施例中，所示的图像注入装置360、370、380、390、400可示意性地表示单个扫描光纤或扫描光纤束，单个扫描光纤或扫描光纤束被配置为将光注入一个或多个波导270、280、290、300、310中。在一些其他实施例中，所示的图像注入装置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，多个扫描光纤或多个扫描光纤束中的每一者被配置为将光注入到波导270、280、290、300、310中的关联波导中。一个或多个光纤可以将光从光模块530传输到一个或多个波导270、280、290、300和310。此外，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中间光学结构，以例如将从扫描光纤射出的光重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的操作，包括图像注入装置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)，该编程调节定时和向波导270、280、290、300、310提供图像信息。在一些实施例中，控制器可以是单个整体装置，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1)的一部分。
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种形状(例如，弯曲的)，具有顶部主表面和底部主表面以及在这些顶部主表面和底部主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(out-coupling)光学元件570、580、590、600、610，耦出光学元件570、580、590、600、610被配置为通过将在各自对应的波导内部传播的光重定向出波导来来从波导中提取光以将图像信息输出到眼睛210。所提取的光也可以被称为耦出光，而耦出光学元件光也可以被称为光提取光学元件。所提取的光束可以在波导中传播的光照射到光提取光学元件的位置处由波导输出。如本文进一步讨论的，耦出光学元件570、580、590、600、610可以例如是衍射光学特征，其中包括衍射光栅。尽管耦出光学元件570、580、590、600、610被示出为设置在波导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可以设置在顶部主表面和/或底部主表面处，和/或可以直接设置在波导270、280、290、300、310的体积中。在一些实施例中，耦出光学元件570、580、590、600、610可以被形成在附接到透明基板的材料层中，以形成波导270、280、290、300、310。在一些其他实施例中，波导270、280、290、300、310可以是单片材料，并且耦出光学元件570、580、590、600、610可以被形成在该片材料的表面上和/或内部中。
每个波导270、280、290、300、310可以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可以将准直光束传送到眼睛210。准直光束可以代表光学无限远焦平面。下一上行波导280可以输出在到达眼睛210之前传输通过第一透镜350(例如，负透镜)的准直光束。第一透镜350可以向准直光束添加微凸的波前曲率，使得眼睛/大脑将来自该波导280的光解释为源自从光学无限远向内更靠近眼睛210的第一焦平面。类似地，第三波导290使其输出光在到达眼睛210之前传输通过第一透镜350和第二透镜340。第一透镜350和第二透镜340的组合光焦度可以添加波前曲率的另一增量，使得眼睛/大脑将来自第三波导290的光解释为源自第二焦平面，第二焦平面比来自第二波导280的光从光学无限远向内进一步更靠近。
其他波导层300、310和透镜330、320被类似地配置，其中堆叠中的最高波导310将其输出发送通过其与眼睛之间的全部透镜，以获得代表距人最近焦平面的总光焦度。为了在观看/解释来自堆叠波导组件260的另一侧的世界510的光时补偿透镜320、330、340、350的堆叠，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的总光焦度。这种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，使用电活性特征，波导的耦出光学元件和透镜的聚焦方面中的一者或两者可以是动态的。
在一些实施例中，波导270、280、290、300、310中的两个或更多个可具有相同的关联深度平面。例如，多个波导270、280、290、300、310可以将图像集输出到相同深度平面，或者波导270、280、290、300、310中的多个子集可以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。这可以为形成平铺图像(tiled image)提供优势，以在那些深度平面处提供扩展的视场。
耦出光学元件570、580、590、600、610可以被配置为既将光重定向到它们相应的波导之外，也为与波导相关联的特定深度平面输出具有适当的发散量或准直量的该光。结果，具有不同的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，不同配置的耦出光学元件570、580、590、600、610根据关联的深度平面输出具有不同发散量的光。在一些实施例中，光提取光学元件570、580、590、600、610可以是体积特征或表面特征，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可以是体积全息、表面全息和/或衍射光栅。在一些实施例中，特征320、330、340、350可以不是透镜；而是，它们可以简单地是间隔物(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是具有足够低的衍射效率的衍射特征，使得在每次相互作用时，只有一部分功率的光束被重定向到眼睛210，而其余部分继续经由TIR移动通过波导。因此，跨整个波导复制光模块530的出射光瞳，以产生携带来自光源530的图像信息的多个输出光束，从而有效地扩展眼睛210可以解释复制光源出射光瞳的位置的数量。这些衍射特征也可以具有跨其几何形状可变的衍射效率，以提高由波导输出的光的均匀性。
在一些实施例中，一个或多个衍射特征可以在它们活跃地衍射的“开启”状态和它们不显著衍射的“关闭”状态之间可切换。例如，可切换的衍射元件可以包括聚合物分散液晶层，其中，微滴形成处于主体介质中的衍射图案，并且微滴的折射率可以被切换为基本匹配主体材料的折射率(在这种情况下，图案不会显著地衍射入射光)或者微滴可以被切换为与主体介质的折射率失配的折射率(在这种情况下，图案活跃地衍射入射光)。
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、眼睛210的部分、或眼睛210周围组织的至少一部分的图像，以例如检测用户输入，从眼睛提取生物识别信息，估计和跟踪眼睛的注视方向，以监视用户的生理状态等。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，红外或近红外光)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，光源包括发射红外或近红外光的发光二极管(“LED”)。在一些实施例中，相机组件630可以被附接到框架80(图1)并且可以与处理模块140或150电气通信，处理模块140和/或150可以处理来自相机组件630的图像信息以做出关于例如用户的生理状态、穿戴者的注视方向、虹膜识别等的各种确定。在一些实施例中，可以针对每只眼睛使用一个相机组件630以分别监视每只眼睛。
图5示出了由波导输出的出射光束的示例。(以透视图)示出了一个波导，但是波导组件260(图4)中的其它波导也可以类似地起作用。光640在波导270的输入表面460处被注入到波导270中，并且通过TIR在波导270内传播。通过与衍射特征的相互作用，光作为出射光束650从波导出射。出射光束650复制来自将图像投射到波导中的投射器装置的出射光瞳。出射光束650中的任一者包括输入光640的总能量的子部分。在相当高效的系统中，所有出射光束650的能量总和等于输入光640的能量。在图6中，出射光束650被示为基本平行，但是，如本文所讨论的，取决于与波导270相关联的深度平面，可以赋予某个光焦度量。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离眼睛210的远距离(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更加发散的出射光束图案，如图6所示，这将要求眼睛210适应更近的距离以使更加发散的出射光束图案聚焦在视网膜上并且将被大脑解释为来自比光学无限远更靠近眼睛210的距离处的光。
关于可穿戴显示系统(例如，包括在可穿戴显示系统中使用的光学元件)的附加信息可以在2018年12月14日提交的、题为“用于增强现实显示系统的目镜”(“EYEPIECES FORAUGMENTED REALITY DISPLAY SYSTEM”)的美国专利公开号US 2019/0187474A1中找到，其内容通过引用整体并入。
如上所述，可穿戴显示系统60包括一个或多个光学元件，该一个或多个光学元件具有增强可穿戴显示系统的光学性能的一个或多个光栅结构。例如，参考图7A和7B，衍射浮雕结构光栅710与近眼显示器组合器700(例如，如上所述的堆叠波导组件)一起用作出射光瞳扩展器(EPE)，增加了可穿戴显示系统的出射光瞳的尺寸。如图7A所示，组合器700包括波导720(例如，玻璃或聚合物基板)，其沿其长度经由全内反射(TIR)引导边缘耦合光，同时光栅710衍射入射的引导光，使得至少一些光从波导720向显示系统的用户提取。
具体参照图7B，来自用户环境的环境光也从“世界”侧入射到显示器组合器700上。该光与光栅710相互作用，并且该光中的至少一些可以被衍射到用户的视野中。当用户通过EPE观看时，从世界衍射的光可能会表现为不希望的图像伪影。在用户视野中产生伪影的入射角通常取决于显示器组合器的设计。对于基于衍射波导的显示器组合器，大入射角通常会导致距用户世界视野中心最近的杂散光路。
这种效果在图8A中进一步说明，图8A示出了显示器组合器800。环境光以入射角θinc入射在显示器组合器800的前表面上。如图所示，至少一些入射光透射通过光栅和组合器。然而，显示器组合器800支撑将至少一些入射光向用户衍射的光栅(未示出)。这种被标记为杂散光的光以角度θstray衍射。
参考图8B，可以将光学衰减器(例如膜810)应用于(例如层压到)显示器组合器800以减少与环境光相关的杂散光伪影。通常，光通过膜810的透射取决于光在膜上的入射角。如图所示，膜810减少(例如，阻挡)具有相对高的入射角θinc(例如，30°或更大、35°或更大、40°或更大、45°或更大，例如，诸如用户会在室内环境中从头顶照明中体验到)的光的透射，但透射具有较低入射角θa的光(例如，穿戴者在装置的核心视野中看到的“世界光”)，膜810可以在很宽的波长范围内执行此功能，例如在显示系统的操作波长范围内，诸如从420nm到680nm。
入射光的透射效率通常根据入射角从相对高的透射效率(例如，40％或更多、45％或更多)变化到相对低的透射效率(例如，小于1％、小于0.5％)。透射效率是指在特定波长下透射的光的相对强度。在一些实施例中，以在35°和65°之间的入射角入射光学衰减器的波长在420nm到680nm范围内的非偏振光具有小于0.5％的透射效率。在某些实施例中，以在-32°和+32°之间的入射角入射光学衰减器的波长在420nm到680nm范围内的非偏振光具有大于45％的透射效率。
光学衰减器还可以对通过膜观看的图像的颜色具有相对较小的影响。例如，对于D65源，光学衰减器对于入射角在-32°和+32°之间的非偏振光可以使(0.33,0.33)CIE 1931白点跨显示器的整个孔径偏移小于(+/-0.02,+/-0.02)(例如(+/-0.01,+/-0.01)或更小)。
光学衰减器的透射也可以通过衰减来表征，该衰减对于相对高的入射角可能较高(例如，10dB或更大、15dB或更大、20dB或更大、25dB或更大、30dB或更大)。较低入射角的光，诸如25°或更小(例如，20°或更小、15°或更小、10°或更小)可能经历非常低水平的衰减(例如，2dB或更小、1dB或更小)。
通常，膜810可以相对薄。例如，膜810可以具有从500微米到2,000微米的范围内的总厚度。因此，可以在不显着增加可穿戴显示系统的体积的情况下实现使用光学衰减器的益处。
在一些实施例中，膜810是包括布置在一对偏振器膜(例如，线偏振器)之间的偏振调整膜(例如，包括一个或多个双折射层)的膜堆叠。偏振器膜和偏振调整膜显着降低了以大入射角入射在膜810上的可见光的透射，而没有显着降低以小入射角入射在光学衰减器上的光的透射。
通常，两个偏振器和偏振调整膜的配置可以改变以在感兴趣的角入射范围(例如，从-75°到+75°)上提供期望水平的透射变化。在一些实施例中，偏振器是线偏振器并且两个线偏振器的通过轴可以交叉(例如，以90°)。
通常，偏振调整膜包括一个或多个双折射层，该一个或多个双折射层被设计为旋转从世界侧入射的由该对线偏振器中的第一线偏振器透射的光的偏振态。双折射层可以包括A-板，其中双折射材料的异常轴平行于该层的平面(例如，四分之一波片(QW))，和/或C-板，其中双折射材料的异常轴垂直于该层的平面，示例布置如下所示。更一般地，双折射层可以包括单轴双折射材料(例如，作为A-板或C-板)或双轴双折射材料。
通常，偏振调整层使偏振态旋转的量取决于偏振调整层的配置并且取决于由该对线偏振器中的第一线偏振器透射的光的入射角而变化。在一些实施例中，具有大入射角(例如，35°或更大)的透射光比具有小入射角(例如，小于35°)的透射光旋转得更小。例如，在偏振器是交叉的线偏振器的情况下，旋转量越大，高达90°，则膜的透射效率就越高。在这种情况下，与较大入射角的光相比，轴上光的更大旋转是希望的。相反地，在一些实施例中，偏振器轴是平行的，并且与较大入射角的光相比，偏振调整膜使轴上光旋转更少。
通常，光学衰减器的尺寸被适当地确定为覆盖可穿戴显示系统的目镜的至少一部分。例如，在一些实施例中，光学衰减器可以具有大于50mm×50mm的面积。
通常，由均匀光栅衍射到用户眼盒中的环境光将取决于显示器的通光孔径中光入射到的位置。这种效果在图9A和9B示出，图9A和图9B分别描绘了净目镜和包括光栅元件的目镜的入射平面。眼盒920是指由显示器形成的有效可视图像所处的空间体积。眼盒的尺寸通常取决于瞳孔尺寸和适眼距940。在图9A中，针对用户眼睛910的眼盒的垂直尺寸表示为920。通常，该尺寸可以在从大约5mm到大约25mm的范围内。适眼距距离940是指眼睛910距目镜930的偏移距离并且通常可以在距垂直中心点950从10mm到40mm的范围内。如图9A中针对垂直入射平面所示出的，由目镜930透射到眼盒920中的光的入射角取决于光入射到目镜上的位置。特别地，这图示了三个不同的点950、951和952。光在点950处透射的入射角范围表示为α。这个范围对于每个点都是不同的。
参考图9B，每个点950、951和952处的光栅还将入射环境光衍射到眼盒920中。对于每种情况，环境光被衍射到眼盒中的入射角范围将不同。例如，在点950处，目镜930将第一角度范围β和第二角度范围γ内的入射光衍射到眼盒920中。另外的点951和952将使各自角度范围内的入射光衍射到眼盒中。
衍射的入射光的这种位置依赖性由图10中的图进一步说明，图10示出了一系列模拟图，每个图表示目镜在相应垂直位置处的透射和衍射特性。特别是，入射到世界侧的透射光的入射角范围以黑色提供，并且在特定波长处产生彩虹伪影的衍射光的入射角范围分别以红色(625nm)、绿色(525nm)和蓝色(460nm)提供。
左侧的图是基于图10的右侧所示的入射平面计算的，图10的右侧包括通光孔径和眼盒1002。基于18mm的眼盒1002垂直尺寸、20mm的适眼距1004、36.3mm的通光孔径1006垂直尺寸来计算(例如，模拟)每个图。通光孔径1006被模拟为包括具有391nm光栅周期的光栅元件，其中，栅线在水平方向(例如，垂直于页面平面)上延伸。位于每个图上方的每个图的标题表示计算透射和伪影窗口的垂直位置，以距中心点1020的垂直高度1010给出，以毫米表示，正值位于中心点1020上方，负值位于下方。每个图表的垂直轴是标准化值(例如从0到1)，表示高透射率(黑色)或高衍射伪影生成(红色、蓝色、绿色)。每个图表的水平轴表示环境光(θi)相对于垂直于通光孔径的面的射线1030的入射角，其中θi的正值是从法线1030顺时针测量的。例如，阴影区域1040是在中心点1020上方16.6mm处计算的世界透射窗口，并且对应于～-16°到-55°的范围，如最顶部的图表所示出的。
因此，在这种情况下，可能需要使用取决于光入射到目镜上的位置来衰减来自世界侧的不同角度范围的入射光的光学衰减器。这可以改善跨整个目镜的衍射光伪影的减少，而不会显着减少容纳到眼盒的入射世界光的透射。
现在转向这种光学衰减器的特定示例并参考图11A，用于可穿戴显示系统的目镜1100包括显示器组合器800和用作光学衰减器的膜堆叠1110。堆叠1110包括一对线偏振器1120a和1120b。在线偏振器之间，堆叠1110包括位于多域双折射膜1140两侧的一对四分之一波片(QW)1130a和1130b。
波片1130a和1130b的快轴分别以与线偏振器1120a和1120b的通过轴成大约45°取向，使得线偏振器1120b和QW 1130b的组合将从世界侧入射的非偏振光转换成基本上圆偏振光(即，该组合表现为圆偏振器)。QW 1130a和线偏振器1120a的组合表现类似。注意，每个圆偏振器的旋向性相同。
多域双折射膜1140包括不同区域，在这些不同的区域中，构成该膜的双折射材料的主光轴被不同地取向，使得膜堆叠1110的透射特性因域而异。例如，在一些实施例中，双折射膜1140是由向列液晶材料的域组成的液晶双折射膜，在向列液晶材料的域中，指向矢因域而异。参考图11B，这种膜的示例是膜1141，其具有三个域1142、1143和1144，每个域都有自己独特的指向轴，使得θc1≠θc2≠θc3，其中θ是从法线到膜平面测量的方位角差。一个或多个空间区域的指向轴以径向角差φ变化的取向也是可能的(例如，θc、φc)。更一般地，具有与膜平面不垂直和不平行取向的光轴的双折射膜通常被称为O-板并且具有多个域的O-板，诸如膜1141，可以被认为是空间变化的O-板。
膜中向列指向矢的取向可以通过多种技术来实现。例如，对准通常受预倾角(指向矢在膜表面处的角度)和/或外场(诸如电场)的施加影响。可以通过多种方式设置预倾斜(例如机械抛光、暴露于线偏振光)，以实现方位和径向预倾方向(例如，θc、φc)的范围。方位角取向θc的范围可以在距O-板的法向轴-90°到90°的范围内，径向取向φc的范围可以在距x-轴-180°到180°的范围内。这些技术可以应用于O-板上的不同空间域，使得每个域具有不同的预倾斜。
通常，空间域可以采取任何形式或尺寸，或者具有任何数量。空间区域的指向轴可以在空间区域之间径向地、同心地、定向地或它们的任何组合对准。图12A和12B示出了这种实施例的示例。图12A示出了具有由虚线分隔的九个不同空间域1220a-1220i的示例性空间变化的O-板1210，每个空间域具有唯一的指向轴，其轴向方向由(θc，φc)值定义。八个指向轴1220a-1220h被布置成围绕中心轴线径向处理，该中心轴垂直于空间变化的O-板1210的面，并且一个指向轴1220i垂直于空间变化的O-板1210的面对准，等效于C-板。空间区域1220a-1220h的八个指向轴共享15°的共同方位角取向θc并且径向取向φc从x方向以45°的增量从0°到180°(例如，0°、±45°、±90°、±135°、180°)双边分布。
图12B示出了空间变化的O-板1211的另一示例，该空间变化的O-板1211具有由虚线分隔的三个不同的空间域1221a-1221c。空间域1221a-1221c水平对准，没有径向分布。空间区域1221a和1221c的指向轴共享15°的共同方位角倾斜θc，而径向角φc沿极相反方向以-90°和90°平行于空间变化的O-板1211的面对准。中间空间区域1221b的指向轴垂直于空间变化的O-板1210的面对准。
图12A和12B是可以在用于光学衰减器膜堆叠1110的空间变化的O-板1140中实现的空间区域布置的具体示例，尽管它们不是进一步实施例的限制性示例。更一般地，可以采用其他一维和二维域布置。一般来说，强环境光源更频繁地出现在头顶，并且其从下方的反射，以及12B的简化设计可能是用于衰减头顶伪影的优选实施例。然而，12A的径向设计可用于衰减由来自用户视野内的任何锥形角的光源产生的伪影。
虽然图11A示出了包括在两个线偏振器1120之间的空间变化的O-板1140的光学衰减器的示例，具有附加层的实施方式是可能的。例如，图13示出了包括应用于显示器组合器800的世界侧的膜堆叠1310的目镜1300。膜堆叠1310包括三个线偏振器1320a、1320b和1320c。第一偏振调整堆叠布置在偏振器1320a和1320b之间。该堆叠包括位于空间变化的O-板1340a的两侧的一对QW 1330a和130b。第二偏振调整堆叠布置在偏振器1320b和1320c之间。该堆叠包括在空间变化的O-板1340b两侧的QW1330c和1330d。实际上，堆叠1310的性能类似于堆叠在一起的两个堆叠1110。
堆叠1110可以被认为是单级布置，而堆叠1310是双级。通常，可以添加额外的级。
现在转向单级和双级光学衰减器的性能，通常，用双级膜堆叠1310实现的透射分布可以实现对由高入射角环境光产生的伪影的更显着衰减。图14A-14D是入射在通光孔径上的环境光的三种不同波长(例如630nm、525nm、460nm)的计算的透射分布图。这些图比较了光的归一化对数透射与入射角θi。图14A和图14B示出了单级膜堆叠(诸如堆叠1110)的计算的透射分布，其中双折射膜具有550nm的延迟(dΔn)。图14A是使用具有0°方位角取向θc的单级膜堆叠(即，C-板)计算的，并且示出了关于在0°入射角θi处的峰值透射的双边对称性。针对具有630nm(红色)、525nm(绿色)和460nm(蓝色)的相应波长的光的三个计算的透射分布单调减小，直到入射角θi约为±60°，其中460nm的透射分布以最高相对速率减小。在呈指数下降至±90°的入射角θi之前，取决于波长，透射分布然后在±60°到±80°的入射角θi范围之间呈现反转(例如，525nm、460nm)或肩峰(630nm)。
相反，图14B示出了针对具有15°方位角取向θc的单级膜堆叠1110的计算的透射分布。针对具有630nm(红色)、525nm(绿色)和460nm(蓝色)的相应波长的光的三个计算的透射分布不再对称，并且峰值透射已偏移到以入射角θi约20°为中心的±20°的窗口。对于大于约20°的入射角θi，透射分布到90°的入射角θi指数下降到零。然而，随着入射角θi的减小，透射分布取决于它们的波长而下降(例如，460nm以最高的相对速率减小)，直到在约-40°和-50°之间的入射角θi窗口。在约-40°和-70°之间的入射角θi处，透射分布以约102(630nm)和103(460nm)之间的对数因子增加到次级峰值。该次级峰值接近针对460nm波长透射分布计算的主峰值。在约-70°之后，透射分布到-90°的入射角θi下降到零。
在14A和14B中透射分布增加的这些入射角θi范围，分别为约±60°到±80°和约-40°到-70°，可能会导致用户视野中出现不希望的色移，其中波长透射分布之间存在显着变化。例如，在图14B中的约-40°的入射角θi处，与630nm的光相比，460nm(蓝色)的光的透射分布显示透射降低>100倍。这对用户可能表现出明显的红色色调偏移，这是另一种不期望的光学伪影。为了在世界透射所需范围之外的所有角度上实现光的强烈衰减，使用双级膜堆叠可能是有益的。
图14C和14D示出了使用双级膜堆叠(诸如1310)的目镜的计算的透射分布。图14C是使用双级膜堆叠计算的，其中在指向轴方位角取向θc为0°的情况下两级都具有480nm的延迟(d1Δn,d2Δn)，并且显示了关于在0°入射角θi处的峰值透射的双边对称性，很像图14A的单级膜堆叠1110。然而，在±60°至±80°的双边入射角θi范围内，图14A中所示的次级峰不再那么明显，以约10(630nm)和102(460nm)之间的额外对数因子减小。另外，在单级膜堆叠1110和双级膜堆叠1310之间的约±20°的入射角θi范围内的峰值透射窗口保持相同。
14D是使用具有双折射膜的双级膜堆叠计算的，具有d1Δn 380nm和d2Δn 270nm的延迟和15°的指向轴方位角取向θc。在以20°的入射角θi为中心的约±20°的入射角θi范围处，峰值透射窗口与图14B保持相同。尽管如图15C所示，在约-40°和-70°之间的入射角θi处看到的次级峰值以大于102的对数因子显着衰减。
计算的图14C和14D的透射分布证明了使用双级膜堆叠相对于单级膜堆叠可以有利地衰减在期望的角度世界透射范围之外产生的次级峰值，特别是在指向轴倾斜时。此外，在高入射角下色移的宽变化(导致双折射彩虹伪影)也显着衰减。图14A和14C可以是在中心定位的空间变化的O-板区域(诸如1220i)中使用的指向轴取向的优选实施例，其中通过通光孔径的视角减小到约±20°，其对应于图14A和14C的特定世界透射窗口。图14C和14D可以是在空间变化的O-板区域(诸如1220a-1220h)中的指向轴取向的实施例，因为这些区域中的世界透射窗口将处于大于0°并且可能小于50°的入射角θi。
图15A到15C是可以通过具有方位角和径向取向的指向轴的O-板实现的透射分布的示例。这些图是使用O-板在任意y轴范围和相等的任意x轴范围内计算的通过通光孔径的总透射率的归一化热图表示。每个图都是使用O-板的指向轴的方位角和径向取向(例如，θc、φc)的不同组合计算的。在图15C的左侧是包括角θ和φ的取向的参考坐标系。在图15A中，方位角取向θc垂直于O-板，并且径向取向φc为0。计算的透射分布显示径向对称的透射图案，在波数ky＝kx＝0处具有峰值1410，在该峰值处，透射最大。透射根据径向距离减小，直到在径向距离为1时达到0。
图15B示出了O-板的计算的透射分布，该O-板的指向轴具有15°的方位角取向θc和x轴的逆时针方向45°的径向取向φc。计算的透射分布不再是径向对称的，而是围绕在(x,y)平面中将计算的透射分布从(-1,-1)到(1,1)平分的线双边对称的。计算的透射分布的峰值1411在(～0.3,0.3)附近，允许光在图的第一象限中的优选透射。
图15C示出了O-板的计算的透射分布，该O-板的指向轴具有15°的方位角取向θc和x轴的顺时针方向45°的径向取向φc。计算的透射分布是围绕在(x,y)平面中将计算的透射分布从(-1,1)到(1,-1)平分的线双边对称的。计算的透射分布的峰值1412在(～0.3，-0.3)附近，允许光在图的第四象限中的优选透射。
通常，虽然前述示例示出了针对特定O-板布置的计算，但它们仅是说明性的。更一般地，膜的延迟、域的数量和形状、每个区域内的导向矢对准可以根据眼盒尺寸和光栅结构进行选择，以提供对不希望的衍射环境光的期望衰减。
图16A-T进一步图示了使用单级、双级和空间变化的双级O-板光学衰减器可能的衰减量。当环境光源以高入射角入射到目镜上时，这些图像图示了不期望的光学伪影(例如，光学彩虹)。如图7B所示，当来自附近源的白色环境光从高入射角与显示器组合器700中的光栅710结构相互作用时，光变得衍射。衍射的量取决于入射光的波长和光栅710的节距或间距。白光由许多波长组成，并且向用户衍射的入射环境光的每个波长被衍射到不同的角度。这导致白光看起来被散布成像用户看到的那样的彩虹，从而导致不期望的光学伪影(例如，光学彩虹)。
在图16A-16T中，对于以70°(图16A-16D)、60°(图16E-16H)和50°(图16I-16L)、40°(图16M-16P)和30°(图16Q-16T)的入射角从上方入射到目镜上的具有5700K黑体光谱的白光源，示出光学彩虹伪影。使用391nm的光栅710节距来计算伪影的衍射角。每个图像中的黑色圆圈对应于从用户通过如图16A-T的右侧所示的4毫米的眼盒、20毫米的适眼距和36.3毫米的通光孔径高度看到的±42°的视角。图像的第一列1610显示了不存在滤光器的情况下用户看到的计算出的光学彩虹伪影。图像的第二列1611显示了使用单级膜堆叠1110的情况下用户看到的计算出的光学彩虹伪影。图像的第三列1612显示了使用双级膜堆叠1310的情况下用户看到的计算出的光学彩虹伪影。用于计算第二列1611和第三列1612的O-板的指向轴没有方位角取向或径向取向(例如，θc＝φc＝0°)。图像的第四列1613显示了在使用双级空间变化的O-板膜堆叠的情况下用户看到的计算出的光学彩虹伪影。用于计算第四列1613的双级空间变化的O-板具有图12B中所示的设计。
使用列1610中的图像作为参考，在较大的入射角(例如，60°、70°)下看到最大和最亮的光学彩虹伪影。在较大的入射角(例如，60°、70°)下，单级1611(图16B和16F)和双级1612(图16C和16G)对这些光学彩虹伪影的衰减具有显着影响，并且使用双级空间变化的O-板1613(图16D和16H)对衰减的影响比单级1611或双级1612膜堆叠更大。这对于所有其他图像和图16中示出的其余图像中的入射角仍然适用。单级1611和双级1612膜堆叠对明显的光学彩虹伪影的衰减有显着影响，而使用空间变化的O-板的双级1613膜堆叠具有最大的影响。
使用空间变化的O-板的光学衰减器可以进一步有利于减少可能由光学衰减器的使用导致的空间颜色变化。图17A-17D示出了当使用无滤光器(图17A)、单级膜堆叠(图17B)、双级膜堆叠(图17C)和使用空间变化的O-板的双级膜堆叠(图17D)通过±45°视角看白光时用户感知的色移。视野中的蓝色圆圈代表15°的增量。用于计算图17A-17D的白色偏移的膜堆叠是用于计算图16中的第一至第四列(1610、1611、1612、1613)的相同膜堆叠(例如，没有滤光器、没有指向轴取向、图12B所示设计的空间变化的O-板)。在某些实施例中，白点偏移可以在±40°的入射角在至少一个方向上(例如，在40°或更小的入射角的整个范围内)上距D65白点0.01u'v'或更小(例如，0.005或更小、0.002或更小、0.001或更小、0.0005或更小)。
虽然使用单级和双级膜堆叠可以提供明显的光学彩虹伪影的显着衰减，如图16所示的第1611和1612列，但是它们还在45°视角内产生可察觉的色移。在图17B中，在±30°和±45°的视角之间(例如，在第二个蓝色环和视野的边缘之间)存在向红色频率的可察觉的偏移。该相同的效应可以在图14A中看到。在±45°的入射角θi处，630nm透射分布高于480nm透射分布。更长的波长与更多的红色有关，并且由于这些波长处的透射率更高，因此感知到的颜色会向红色色调偏移。
在图17C中看到相同的效果，但程度更大。在图14C中，在±45°的入射角θi处，630nm透射分布仍然高于480nm透射分布，并且两个透射分布在±45°处的值低于图14A中的值。这是使用双级膜堆叠1310时在±45°视角下总透射损失和与的630nm相比，进一步减小的480nm透射分布的组合效果。
图17D表示与用户通过使用空间变化的O-板的双级膜堆叠感知的相同的色移。除了在接近±45°的极端视角下的红移较低外，整个观察窗口的整体透射率更高。这可归因于图12B中的三个空间变化的区域。上部区域1221a的指向轴具有15°的方位角取向θc和90°的径向取向φc(正垂直)，中间区域1221b的指向轴具有垂直于O-板的面的方位角和径向取向，并且下部区域1221c具有15°的方位角取向θc和-90°的径向取向φc(负垂直)。这些指向轴取向允许每个区域1221a-c的峰值世界透射窗口与观察窗口的环境光入射角重叠。来自14C(±20°)、14D(20°±20°)和具有相反径向取向φc(-20°±20°)的14D的世界透射窗口的组合允许约±40°的总近峰世界透射窗口，如图17D中看到的。
通常，各种合适的不同材料可用于光学衰减器中的每一层。例如，线偏振器可以由已用发色团(例如，碘)染色的拉伸聚合物材料(例如，PVA)形成。可以使用市售的线偏振器，诸如可从Sanritz Co.(日本)或Nitto Denko(日本)获得的那些。例如，QW可以由拉伸聚合物膜或液晶聚合物膜制成。O-板可以是液晶材料，包括聚合物液晶材料。
通常，膜堆叠可以包括除以上描述那些之外的附加层。例如，堆叠可以包括额外的层以提供机械功能，而不是光学功能。可以包括粘合剂层和/或用于机械强度和/或环境保护的层。这样的层可以是光学各向同性的，以便不会显着影响透射光的偏振。在一些实施例中，堆叠包括位于最外面的线偏振器的世界侧的一个或多个层。
例如，可以包括抗反射膜和/或硬涂层。尽管光学衰减器的前述示例包括光学无源元件，但更一般地，实施方式也可以以光学有源元件为特征。这样的元件可以改变它们的光学特性，从而响应于电信号或一些其他物理刺激而改变光学衰减器的透射特性。例如，O-板域可以是电光可调的。例如，O-板可以形成为液晶单元，可以对该液晶单元施加电场以在两个或更多个不同状态之间改变LC指向矢取向，从而改变每个域的透射特性。
本说明书中描述的一些实施方式可以被实施为数字电子电路、计算机软件、固件或硬件或者它们中的一种或多种的组合的一组或多组或模块。尽管可以使用不同的模块，但每个模块不需要不同，并且可以在相同的数字电子电路、计算机软件、固件或硬件或其组合上实现多个模块。
本说明书中描述的一些实施方式可以实施为一个或多个计算机程序，即，一个或多个计算机程序指令模块，其编码在计算机存储介质上以供数据处理装置执行或控制数据处理装置的操作。计算机存储介质可以是计算机可读存储装置、计算机可读存储基板、随机或串行存取存储器阵列或装置、或它们中的一个或多个的组合或可以包含在计算机可读存储装置、计算机可读存储基板、随机或串行存取存储器阵列或装置、或它们中的一个或多个的组合中。此外，虽然计算机存储介质不是传播信号，但计算机存储介质可以是编码在人工生成的传播信号中的计算机程序指令的源或目的地。计算机存储介质也可以是在一个或多个单独的物理组件或介质(例如，多个CD、磁盘或其他存储装置)或包含在一个或多个单独的物理组件或介质中。
术语“数据处理装置”涵盖用于处理数据的所有种类的设备、装置和机器，包括例如可编程处理器、计算机、片上系统、或以上的多个或组合。该设备可以包括专用逻辑电路，例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路)。除了硬件之外，该设备还可以包括为所讨论的计算机程序创建执行环境的代码，例如，构成处理器固件、协议栈、数据库管理系统、操作系统、跨平台运行时的代码环境、虚拟机或其中一个或多个的组合的代码。该设备和执行环境可以实现各种不同的计算模型基础设施，例如网络服务、分布式计算和网格计算基础设施。
计算机程序(也称为程序、软件、软件应用、脚本或代码)可以任何形式的编程语言编写，包括编译或解释语言、声明性或过程性语言。计算机程序可以但不必对应于文件系统中的文件。程序可以存储在支持其他程序或数据的文件的一部分中(例如，存储在标记语言文档中的一个或多个脚本)、专用于所讨论程序的单个文件中，或多个协调文件中(例如，存储一个或多个模块、子程序或部分代码的文件)。可以部署计算机程序以在一台计算机或位于一个站点或分布在多个站点并通过通信网络互连的多台计算机上执行。
本说明书中描述的一些过程和逻辑流可以由一个或多个可编程处理器执行，该处理器执行一个或多个计算机程序以通过对输入数据进行操作并生成输出来执行动作。过程和逻辑流程也可以由专用逻辑电路(例如FPGA(现场可编程门阵列)或ASIC(专用集成电路))执行，并且设备也可以实现为专用逻辑电路。
适合于执行计算机程序的处理器包括，例如，通用和专用微处理器，以及任何种类的数字计算机的处理器。通常，处理器将从只读存储器或随机存取存储器或两者接收指令和数据。计算机包括用于根据指令执行动作的处理器以及用于存储指令和数据的一个或多个存储器装置。计算机还可以包括一个或多个用于存储数据的大容量存储装置(例如，磁、磁光盘或光盘)或可操作地耦合以从该大容量存储装置接收数据或向其传输数据或两者。然而，计算机不必须有这样的装置。适用于存储计算机程序指令和数据的转至包括所有形式的非易失性存储器、介质和存储装置，例如包括半导体存储装置(例如，EPROM、EEPROM、闪存装置等)、磁盘(例如，内部硬盘、可移动磁盘等)、磁光盘以及CD ROM和DVD-ROM磁盘。处理器和存储器可以由专用逻辑电路补充或结合在专用逻辑电路中。
为了提供与用户的交互，可以在具有用于向用户显示信息的显示装置(例如，监视器或另一种类型的显示装置)以及用户可以通过其向计算机提供输入的键盘和指点装置(例如，鼠标、轨迹球、平板电脑、触敏屏或其他类型的指点装置)的计算机上实现操作。也可以使用其他类型的装置来提供与用户的交互；例如，提供给用户的反馈可以是任何形式的感官反馈，例如视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈；可以以任何形式接收来自用户的输入，包括声音、语音或触觉输入。此外，计算机可以通过向用户使用的设备发送文档和从其接收文档来与用户交互；例如，通过响应于从网络浏览器接收到的请求，将网页发送到用户客户端设备上的网络浏览器。
计算机系统可以包括单个计算装置，或在附近或通常彼此远离地操作并且通常通过通信网络进行交互的多个计算机。通信网络的示例包括局域网(“LAN”)和广域网(“WAN”)、互联网络(例如，互联网)、包括卫星链路的网络和对等网络(例如，ad hoc对等网络)。客户端和服务器的关系可以通过在各个计算机上运行并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序而产生。
图18示出了包括处理器1810、存储器1820、存储装置1830和输入/输出装置1840的示例计算机系统1800。组件1810、1820、1830和1840中的每一者可以例如通过系统总线1850互连。处理器1810能够处理用于在系统1800内执行的指令。在一些实施方式中，处理器1810是单线程处理器、多线程处理器或其他类型的处理器。处理器1810能够处理存储在存储器1820或存储装置1830上的指令。存储器1820和存储装置1830可以在系统1800内存储信息。
输入/输出装置1840为系统1800提供输入/输出操作。在一些实施方式中，输入/输出装置1840可以包括网络接口装置(例如，以太网卡)、串行通信装置(例如，RS-232端口)和/或无线接口装置(例如，802.11卡)、3G无线调制解调器、4G无线调制解调器等中的一种或多种。在一些实施方式中，输入/输出装置可以包括驱动器装置，其被配置为接收输入数据并将输出数据发送到其他输入/输出装置，例如，可穿戴显示系统1860。在一些实施方式中，可以使用移动计算装置、移动通信装置和其他装置。
尽管本说明书包含许多细节，但这些不应被解释为对可要求保护的范围的限制，而是对特定示例的特定特征的描述。也可以组合在本说明书中在单独实施方式的上下文中描述的某些特征。相反，在单个实施方式的上下文中描述的各种特征也可以在多个实施例中单独或以任何合适的子组合来实现。
已经描述了许多实施方式。然而，应当理解，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种修改。因此，其他实施方式在所附权利要求的范围内。

Claims (25)

1.一种可穿戴显示系统，包括：
目镜堆叠，其具有世界侧和与所述世界侧相对的用户侧，其中，在使用期间，位于所述用户侧的用户观看由所述可穿戴显示系统经由所述目镜堆叠递送的显示图像，其增强用户对用户环境的视野；以及
光学衰减器，其布置在所述目镜堆叠的所述世界侧，所述光学衰减器包括具有多个域的双折射材料的层，每个域具有在与其他域的方向不同的对应方向上取向的主光轴，
其中，对于相应的不同入射角范围，所述光学衰减器的每个域减少入射在所述光学衰减器上的可见光的透射。
2.根据权利要求1所述的可穿戴显示器，其中，对于与所述可穿戴显示器的眼盒对应的所述目镜堆叠的孔径，用世界侧的D65光源在用户侧通过显示器观看到的图像的白点跨定义所述眼盒的所述显示器的孔径针对40°或更小的入射角在CIELUV颜色空间变化0.01Δu'v'或更小。
3.根据权利要求1或2所述的可穿戴显示器，其中，所述孔径具有20mm或更大的直径。
4.根据前述权利要求中任一项所述的可穿戴显示器，其中，所述孔径具有50mm或更小的直径。
5.根据前述权利要求中任一项所述的可穿戴显示器，其中，所述双折射材料是液晶材料并且所述光学衰减器还包括在所述液晶材料的相对侧的一对取向层，其中，所述取向层中的至少一个取向层被配置为向所述光学衰减器的不同域中的所述液晶材料提供不同的预倾角。
6.根据权利要求5所述的可穿戴显示器，其中，在与所述可穿戴显示器的视轴相交的域处的极预倾角是零度，并且远离所述视轴至少一个域处的极预倾角是更大的非零。
7.根据权利要求5或6所述的可穿戴显示器，其中，具有非零极预倾角的至少两个域具有不同的方位角预倾角。
8.根据前述权利要求中任一项所述的可穿戴显示器，其中，所述双折射材料的层是空间变化的o-板。
9.根据前述权利要求中任一项所述的可穿戴显示器，其中，所述双折射材料的层包括以一维图案布置的域。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的可穿戴显示器，其中，所述双折射材料的层包括以二维图案布置的域。
11.根据前述权利要求中任一项所述的可穿戴显示系统，其中，所述双折射材料的层布置在一对线偏振器之间。
12.根据权利要求11所述的可穿戴显示系统，其中，所述一对线偏振器的相应通过轴交叉。
13.根据权利要求1-11中任一项所述的可穿戴显示系统，其中，所述双折射材料的层旋转入射到所述光学衰减器的所述世界侧的由所述一对线偏振器中的第一线偏振器透射的光的偏振态。
14.根据权利要求13所述的可穿戴显示系统，其中，所述偏振态的旋转量取决于由所述一对线偏振器中的所述第一线偏振器透射的光的入射角而变化。
15.根据权利要求14所述的可穿戴显示系统，其中，具有大入射角的透射光比具有小入射角的透射光旋转得更小。
16.根据权利要求1-11中任一项所述的可穿戴显示系统，其中，所述光学衰减器包括一对四分之一波片，所述四分之一波片设置在所述双折射材料的层的相对侧上。
17.根据权利要求16所述的可穿戴显示系统，其中，每个四分之一波片相对于所述线偏振器中的相应一个线偏振器布置以形成圆偏振器。
18.根据前述权利要求中任一项所述的可穿戴显示系统，其中，所述光学衰减器包括双折射材料的第二层。
19.根据权利要求18所述的可穿戴显示系统，其中，所述光学衰减器还包括三个线偏振器，每个双折射层布置在所述三个线偏振器中的两个线偏振器之间。
20.根据权利要求18所述的可穿戴显示器，其中双折射材料的每个层是空间变化的o-板。
21.根据权利要求20所述的可穿戴显示系统，其中，所述光学衰减器包括多个四分之一波片，一对四分之一波片布置在双折射材料的所述每个层的相对侧上。
22.根据权利要求1-17中任一项所述的可穿戴显示系统，其中，所述光学衰减器包括两个或更多个级，每个级包括布置在一对线偏振器之间的所述双折射材料的层。
23.根据权利要求22所述的可穿戴显示系统，其中，相邻级共享线偏振器。
24.根据权利要求1所述的可穿戴显示系统，其中，所述双折射材料层是具有可变光学特性的可切换元件。
25.根据权利要求24所述的可穿戴显示系统，其中，所述可切换元件包括位于一对电极层之间的液晶层。
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