具有LC开关的多焦反射折射头戴式显示器的制作方法

具有lc开关的多焦反射折射头戴式显示器
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年2月6日提交的标题为“multi
‑
focal catadioptric with lc switch”的美国临时专利申请no.62/801,971的优先权，其全部内容以引用的方式并入本文。


背景技术：

3.典型头戴式显示器(hmd)具有聚焦在单个固定焦距处的显示平面。这种布置可能导致聚散调节冲突(vac)，并且由此在用户的眼睛改变其运动模式以聚焦在以3d显示的对象的位置上时引起用户不适。为了实现多焦和变焦显示，现有技术使用了各种方法。例如，一些hmd相对于某些部件轴向移动显示器以改变后焦距。其它hmd使用阿尔瓦雷斯透镜通过沿横向移动元件来改变焦距。


技术实现要素：

4.本发明涉及一种系统，包括：用于发光的显示器；分束器，用于接收从所述显示器发射的光，所述分束器包括：第一光学平面平行板(ppp)；偏振分束(pbs)膜；以及一个或多个反射镜涂层，用于利用不同光路生成两个不同(正交)偏振状态，从而在所述系统的朝向眼睛侧创建第一焦平面和第二焦平面；以及第一液晶(lc)开关，其被定向以在所述系统的所述显示器与所述朝向眼睛侧之间的光路中接收来自所述显示器的光。
5.该分束器可以包括第二光学ppp，其相对于所述第一光学ppp被定位以减少所述系统的所述朝向眼睛侧的光学像差。此外，所述分束器的所述反射镜涂层可以相对于所述分束器的所述pbs膜以非平行取向被定位，以调整从所述反射镜涂层反射的图像在所述系统的朝向眼睛侧的位置。
6.根据另一实施例，第一lc开关包括半波偏振器，其中该系统还可以包括第一线性偏振器，其在所述系统的所述显示器与所述朝向眼睛侧之间的光路中接近所述第一lc开关。
7.所述显示器可以在操作上与所述第一lc开关同步，以在所述系统的所述朝向眼睛侧显示所述第一焦平面处的第一内容和所述第二焦平面处的第二内容。
8.此外，所述反射镜涂层是部分反射镜涂层，其允许来自所述分束器的世界侧的光穿过所述分束器到达所述系统的所述朝向眼睛侧。此外，所述第一lc开关可以被定位在所述显示器与所述分束器之间的所述光路中。而且，该系统可以包括第二lc开关，其被定位在所述系统的所述分束器与所述朝向眼睛侧之间的所述光路中。第一lc开关可以被定位在所述系统的所述分束器与所述朝向眼睛侧之间的所述光路中。
9.根据另一实施例，分束器还包括线性偏振器，其中，所述系统还可以包括以下中的至少一个：第一线性偏振器，其被定位在所述系统的所述朝向眼睛侧的所述光路中；pbs膜，其被定位在所述系统的所述显示器与所述朝向眼睛侧之间的的所述光路中邻近所述第一线性偏振器；第一四分之一波片，其被定位在所述光路中邻近所述pbs膜；具有部分反射镜
表面的部分反射镜，所述部分反射镜被定位在所述光路中邻近所述第一四分之一波片；第二四分之一波片，其被定位在所述光路中邻近所述部分反射镜；以及第二线性偏振器，其被定位在所述光路中邻近所述第二四分之一波片。
10.显示器背光可以被配置为在所述lc开关的操作已经稳定之后通过占空比的在5％和25％百分比之间的量使所述显示器背光脉冲化。
11.该系统还可以包括几何相位(gp)透镜，其被定位在所述光路中以在所述系统的所述朝向眼睛侧创建附加焦平面，其中所述gp透镜的操作与所述第一lc开关的操作和所述显示器的操作协调。所述gp透镜可以是第一gp透镜并且可以与所述第一lc开关形成第一gp透镜和lc开关对。
12.此外，该系统还可以包括第二gp透镜，其被定位在所述系统的所述显示器与所述朝向眼睛侧之间的所述光路中；以及可选地，第二lc开关，其形成第二gp透镜和lc开关对，从而在所述系统的所述朝向眼睛侧提供第三焦平面和第四焦平面。
13.此外，所述分束器的所述反射镜涂层可以是部分反射镜涂层。此外，该系统还可以包括：几何相位(gp)透镜，其被定位在所述光路中以允许环境光到达所述系统的所述朝向眼睛侧。
14.根据本发明的系统可以形成头戴式显示器(hmd)系统，或者可以是头戴式显示器(hmd)系统的一部分。
15.本发明还涉及包括以下中的至少一个的头戴式显示器(hmd)系统：
16.显示器，其用于发射光从而在所述系统的第一侧和所述系统的相对第二侧之间创建光路；
17.第一四分之一波片，其被定位在所述系统的所述显示器和所述第二侧之间的所述光路中；
18.偏振分束器，其被定位在所述系统的所述显示器与所述第二侧之间的所述光路中；
19.部分反射镜，其被定位在所述系统的所述显示器与所述第二侧之间的所述光路中；
20.第一几何相位gp透镜，其被定位在所述系统的所述显示器与所述第二侧之间的所述光路中；
21.所述光路中的第一液晶lc开关，其被定位在所述系统的所述显示器与所述第二侧之间的所述光路中；
22.控制器，其可操作以协调所述第一lc开关、所述第一gp透镜以及所述显示器中的至少两个的操作，以在所述系统的所述第二侧产生至少两个焦平面。
23.根据本发明的头戴式显示系统可以由根据本发明的系统形成，或者可以是根据本发明的系统的一部分。特别地，根据本发明的头戴式显示系统可以包括上述特征结合根据本发明的系统。相反，根据本发明的系统可以包括根据本发明的头戴式显示系统的特征。
24.本发明还涉及一种生成焦平面的方法，尤其是使用根据本发明的系统来生成焦平面的方法，所述方法包括：
25.由显示器生成光；
26.通过操作以下中的至少一个的操作将由所述显示器生成的光分成不同长度的至
少两个光路：分束器、几何相位(gp)透镜和液晶(lc)开关；以及
27.通过所述gp透镜和所述lc开关中的至少一个选择光路。
28.所述显示器以及所述分束器、所述gp透镜和所述lc开关中的至少一个可以被安装在头戴式设备的框架中。此外，将所述光分成至少两个光路可以通过所述分束器执行，并且是所述gp透镜和所述lc开关中的至少一个的操作。
附图说明
29.通过参考所附附图，本公开可以被更好地理解，并且其许多特征和优点对于本领域技术人员来说是显而易见的。在不同附图中使用相同的附图标记表示相似或相同的部件。除非另有说明，否则部件和它们之间的关系不是按比例绘制的。
30.图1是根据一些实施例的反射折射头戴式显示器(hmd)的侧视图的简化图。
31.图2是根据一些实施例的通过图1的线1
‑
1的hmd的简化视图。
32.图3是根据一些实施例的在hmd中提供两个焦平面的固定焦点的反射折射系统的框图。
33.图4是根据一些实施例的在hmd中提供两个焦平面的固定焦点的反射折射系统的框图。
34.图5是根据一些实施例的在hmd中提供两个焦平面的固定焦点的反射折射系统的框图。
35.图6是根据一些实施例的在hmd中提供两个焦平面的固定焦点的反射折射系统的框图。
36.图7是根据一些实施例的在hmd中提供两个焦平面的固定焦点的反射折射系统的框图。
37.图8是根据一些实施例的在hmd中提供两个焦平面的固定焦点的反射折射系统的框图。
38.图9是根据一些实施例的在hmd中提供两个焦平面的固定焦点的反射折射系统的框图。
39.图10是根据一些实施例的在hmd中提供两个焦平面的固定焦点的反射折射系统的框图。
40.图11是根据一些实施例的在hmd中提供四个焦平面的固定焦点的反射折射系统的框图。
41.图12是根据一些实施例的在hmd中提供四个焦平面的固定焦点的反射折射系统的框图。
42.图13是根据一些实施例的在hmd中提供四个焦平面的固定焦点的反射折射系统的框图。
43.图14是根据一些实施例的在hmd中提供两个焦平面的固定焦点的反射折射系统的框图。
44.图15是根据一些实施例的在hmd中提供两个焦平面的固定焦点的反射折射系统的框图。
45.图16是根据一些实施例的在hmd中提供两个焦平面的固定焦点的反射折射系统的
框图。
46.图17是根据一些实施例的在hmd中提供多个焦平面的固定焦点的反射折射系统的框图。
47.图18是图示根据一些实施例的用于在hmd中提供多个焦平面的方法的框图。
48.图19是示出根据一些实施例的用于提供多个焦平面的设备的框图。
具体实施方式
49.多焦点显示器可以减少聚散调节冲突(vac)并且提高在长期使用期间的用户舒适度。所描述的实施例在用于虚拟现实(vr)和增强现实(ar)应用的反射折射头戴式显示器(hmd)中利用单个显示器在不同调节距离处生成两个或更多个虚拟图像。hmd的显示子系统生成两个虚拟图像，这两个虚拟图像可以具有正交偏振状态并且可以与hmd的液晶开关(例如，偏振器和半波液晶(lc)层、或者半波偏振层)时间复用。hmd还可以包括几何相位(gp)透镜以实现透视或两个附加虚像距离——总共四个调节距离。一些实施例实现专用分束器和/或gp透镜，以利用光学偏振来编码焦距。然后，具有线性偏振器的lc开关可以用于选择向用户显示哪个偏振状态。可以快速以时间方式复用焦平面以有效地向用户同时显示焦平面。在一些实施例中，作为另一选项，基于内容、或用户聚散、或内容和用户聚散两者来选择最优焦平面，并且仅在内容或聚散改变的情况下改变焦平面。反射折射系统在诸如hmd的单个光学设备中组合折射(透镜)和反射。
50.实施例中的部件的排列使得能够实现多焦点hmd而无需移动元件且支持大孔径大小。现有的解决方案不能同时实现这两个特征。本文描述的实施例和技术提供了低制造成本、在hmd的大眼箱方面的大孔径、快速图像更新以及小形状因子。具有像素化lc层的其他技术可以具有一些类似特性，但不能实现大孔径。图1
‑
19示出本文所述的反射折射hmd的各方面。
51.图1是根据本发明的一些实施例的反射折射hmd 100的侧视图的简化图。hmd 100的每个元件采取如本文进一步描述的各种可能实施例之一的形式。hmd100包括支撑显示子系统116的框架101。显示子系统116通常被定位在用户110和用户眼睛的前方。显示子系统116包括至少一个电子显示器102，其为用户110的一个或两个用户眼睛105产生光。框架101包括从用户110的前面延伸并且搁置在用户的头部的一侧上的一个或多个耳朵112上的一个或多个臂。在至少一些实施例中，框架101的一部分搁置在用户110的鼻梁113上。透镜103被定位在偏振滤光器104和电子显示器102的外部。在一些实施例中，镜片103是允许光穿过其中的组合器或将光引导到用户110的一个或多个眼睛105的光反射器。偏振滤光器104位于电子显示器102和一个或两个用户眼睛105的预期位置之间的光路中。如图所示，偏振滤光器104位于反射器103的朝向眼睛侧上。显示器102位于偏振滤光器104的面向世界侧或世界侧上。虽然示出单线结构，但是在许多实施例中偏振滤光器104是复合结构，并且偏振滤光器104还包括多个层，如本文进一步所述。
52.视觉和设备坐标系统109提供对图1和其它附图的参考。根据一些实施例，透镜103和偏振滤光器104中的每一个沿着标记为x的第一轴或维度106和沿着标记为y的第二轴107中的至少一个弯曲，第二轴107不同于第一方向轴106。沿着第一轴106的弯曲被称为沿着相对于hmd 100和用户110的一定数量的方位角度的水平弧。沿着第二轴107的弯曲被称为沿
着相对于hmd 100和用户110的一定数量的高度角度的垂直弧。第三轴108被标记为z，并且是相对于用户的眼睛105的光轴，并且用于hmd 100的光学元件。电子显示器102、透镜103和偏振滤光器104中的一个或多个被弯曲以便舒适或适应用户110的头部和眼睛105的几何形状。
53.图2是大致沿着图1所示的反射折射hmd 100的线1
‑
1的俯视剖视图200。框架101支撑电子显示器102、透镜103和偏振滤光器104。框架101至少搁置在用户110的耳朵112上。根据所示的实施例，电子显示器102、透镜103和偏振滤光器104中的每一个都沿着第一轴106弯曲。在一些实施例中，诸如在增强现实设备中，环境光201至少穿过透镜103和偏振滤光器104以到达用户110的眼睛。随后的附图至少示出电子显示器102和由偏振滤光器104表示的一个或多个层，如大致沿俯视截面图200的线2
‑
2所看到的。在一些实施例中，电子显示器102是以下之一：液晶显示器(lcd)、薄膜晶体管(tft)lcd显示器、发光二极管(led)显示器、有机led(oled)显示器、有源矩阵oled(amoled)显示器、等离子体显示器和电致发光显示器。
54.图3至图10示出部件的虚拟现实(vr)排列，并且在hmd中提供两个焦平面。图3是根据第一实施例的在hmd中提供两个焦平面的固定焦点的反射折射系统300的框图。系统300具有部件的虚拟现实(vr)排列并且示出偏振光路，其被称为所述hmd的第一侧322处的电子显示器320与所述hmd的朝向眼睛侧350之间的光路353。从左到右，系统300的部件包括：第一线性偏振器(lp
‑
1)301、偏振分束器(pbs)302、第一四分之一波片(qwp
‑
1)303、部分反射镜(pm)304、第二四分之一波片(qwp
‑
2)305、第二线性偏振器(lp
‑
2)306、液晶(lc)开关307，以及被示为分组在反射束或分束器330中的层。分束器330从下到上包括100％反射镜311、线性偏振器312和偏振分束膜313。为了简洁和清楚起见，偏振分束膜313在这里也被称为pbs膜313或仅称为pbs 313。类似的命名约定可以应用于入本领域理解的其它部件。例如，反射镜311采用包括以下的多种形式中的一种：应用于诸如基本透明的光学平面平行板(ppp)的基板的第一侧或第二侧的一个涂层(反射镜涂层)或者多个涂层，以及应用于诸如线性偏振层(例如，线性偏振器312)或膜(例如，pbs膜313)的系统中的另一膜或层的一个或多个涂层。为了清楚起见，从分束器330的图示中省略了一个或多个ppp，并且如本领域技术人员所理解的，一个或多个ppp是100％反射镜311、线性偏振器312和pbs膜313中的一个或多个的一部分。
55.非偏振光321由电子显示器320朝向分束器330发射。在一些实施例中，分束器330的每个部件中的一个或多个相对于入射显示光321以角度331(诸如45度角)被定位。虽然被示出为全部以相对于显示器320或lc开关307以大约相同角度排列的部件的平行排列，但是分束器330可以具有在两个或更多部件311
‑
313之间的楔角，以对准或重新对准两个焦平面351、352，以便用户在hmd的朝向眼睛侧350观察光。也就是说，分束器330的一个或多个部件311
‑
313相对于其它部件以非平行取向被定位。例如，线性偏振器312相对于pbs膜313以非平行取向被定位。
56.基于pbs膜313的性质，源自显示器320的光321被分成沿着从显示器320到hmd的所述朝向眼睛侧350的在长度上不同的两条相应光路的两种类型的光。第一路径和第二路径至少部分地基于pbs膜313，如分别在第一位置354和第二位置355处由第一光状态[y]和第二光状态[x]所指示。在一些实施例中，当pbs膜313上的一些入射光321朝向lc开关307被反
射时，第一光状态[y]沿y轴被线性偏振。到达pbs膜313的其它光穿过线性偏振器312，入射到100％反射镜311上，并且通过线性偏振器312反射回来，并且通过pbs膜313射出。两个光路沿正交轴线性偏振时，第二光状态[x]至少基于线性偏振器312而不同于第一光状态[y]。沿着光路353，光状态可以采取以下两种正交偏振状态之一的形式——诸如在右手圆偏振(rcp)状态下的第一偏振状态和在左手圆偏振(lcp)状态下的第二偏振状态。
[0057]
光在遇到部分反射镜304之前从分束器330继续通过lc开关307、lp
‑
2 306和qwp
‑
2 305。lc开关307包括至少能够主动旋转从其通过的光的偏振状态的液晶层。例如，lc开关307是半波延迟器。从显示器320输出的光321与lc开关307同步，以在hmd的朝向眼睛侧350生成两个焦平面351、352中的每一个处的内容。在一些实施例中，第二线性偏振器306在时间上与lc开关相邻307或者lc开关307的偏振层使得能够单独地选择每个偏振光状态。虽然未示出，但是在lc开关307稳定之后，显示器背光被脉冲化(例如，在占空比的10
‑
20％之间、在占空比的5
‑
25％之间、在占空比的1
‑
55％之间)。
[0058]
在lc开关307中施加电压的变化之后，lc分子需要时间(例如，毫秒量级)来旋转和稳定。显示光应当仅在lc分子已经稳定之后才被脉冲化，以便不引起图像伪像。部分反射镜304包括部分反射镜表面344。在一些实施例中，如图所示，部分反射镜表面344沿着弯曲被定向，沿着弯曲在每个特定位置处具有相对于显示器320与hmd的朝向眼睛侧350之间的光路353具有部分反射镜弯曲角341。弯曲的部分反射镜表面344基于从部分反射镜表面344反射而将光聚焦在hmd的朝向眼睛侧350。
[0059]
穿过部分反射镜304和第一四分之一波片303二者的一些光从偏振分束器302反射回部分反射镜304，然后随后在部分反射镜表面344处朝向hmd的朝向眼睛侧350反射。如图所示，该光在部分反射镜304和第一四分之一波片303之间以及第一四分之一波片303和偏振分束器302之间分别被标记为[rcp]和[y]。在部分反射镜表面344处反射时，光的[rcp]状态在穿过第一四分之一波片303时变成[x]状态之前变成[lcp]状态。
[0060]
图4是根据第二实施例的在hmd中提供两个焦平面的固定焦点的反射折射系统400的框图。系统400类似于图3的系统300。系统400具有部件的vr排列，并且示出hmd的第一侧322处的电子显示器320与hmd的朝向眼睛侧350之间的光路453。从左到右，系统400的部件包括第一线性偏振器(lp
‑
1)301、偏振分束器(pbs)302、第一四分之一波片(qwp
‑
1)303、部分反射镜(pm)304、第二四分之一波片(qwp
‑
2)305、第二线性偏振器(lp
‑
2)306、液晶(lc)开关307和分束器401。非偏振光321由电子显示器320朝向分束器401发射。
[0061]
当与单体分束器330相比，分束器401被分成两部分。分束器401包括第一部件402和具有100％反射镜411的第二部件403。第一部件402包括线性偏振器412和pbs膜413。第一部件402与第二部件403分离了分隔距离404，如在第一部件402和第二部件403的相应第一位置处(例如在第一部件402和第二部件403的每个部件的第一端处)所测量。部件402、403之间的距离404促进在系统400的第一位置454和第二位置455处分别由第一光状态[y]和第二光状态[x]指示的两个光路的长度的差。在一些实施例中，第一部件402包括第一光学ppp，并且第二部件403包括第二光学ppp以在结构上支撑其上的一个或多个薄膜或涂层411
‑
413。
[0062]
第一部件402相对于来自hmd的第一侧322处的显示器320的入射显示光321以第一角度405被定向。第二部件403相对于入射显示光321以第二角度406被定向。取决于特定实
施例，第一角度405和第二角度406相对于彼此是相同角度或不同角度。在一些实施例中，第一角度405和第二角度406相对于入射显示光321是相等的。在其它实施例中，这些角度405、406彼此不同。具有不同角度405、406允许两个虚拟图像被重新对准。第一部件402和第二部件403的分离允许每个部件402,403在物理上更薄，这可以减小光学像差。在一些实施例中，将部件411
‑
413中的一个或多个安装到基本透明介质上。在某些实施例中，透明介质的相对侧相对于彼此成楔形的角度，其中角度405、406之间的差足以聚焦hmd的朝向眼睛侧350的焦平面451、452。角度405、405提供了两个分束器部件(例如分束器401的pbs膜413和100％反射镜411)中的两个之间的倾斜。
[0063]
从系统400中的显示器320输出的光321与lc开关307同步，以在hmd的朝向眼睛侧350处生成两个焦平面451、452中的每一个处的内容。在一些实施例中，第一部件402和第二部件403例如通过调节角度405、406和距离404中的一个或多个来相对于彼此进行调节，以便将两个焦平面451、452对准在hmd的朝向眼睛侧350。
[0064]
图5是根据第三实施例的在hmd中提供两个焦平面的固定焦点的反射折射系统500的框图。系统500类似于图3的系统300。系统500具有部件的vr排列，并且示出hmd的第一侧322处的电子显示器520与hmd的朝向眼睛侧350之间的光路553。从左到右，系统500的部件包括第一线性偏振器(lp
‑
1)301、偏振分束器(pbs)302，第一四分之一波片(qwp
‑
1)303、部分反射镜(pm)304、第二四分之一波片(qwp
‑
2)305，第二线性偏振器(lp
‑
2)306、第一液晶(lc)开关507、分束器330、和第二液晶(lc)开关523。分束器330从下到上包括100％反射镜311、线性偏振器312和pbs膜313。
[0065]
在该实施例中，第一lc开关507和第二lc开关523是相应的液晶层，其每个都能够主动地旋转通过其的光的偏振状态。例如，第一lc开关507和第二lc开关523每个都是半波延迟器。当hmd操作以在hmd的朝向眼睛侧350处的两个焦平面551、552处提供光，显示器520、第一lc开关507和第二lc开关523彼此电子同步。显示器520朝向系统500中的第二lc开关523发射具有第一光状态[x]的偏振光521。在一些实施例中，虽然未示出，但偏振521由偏振层产生，该偏振层被定位在非偏振发光显示器的表面上或至少被定位在这种显示器和光路553中的下一个部件之间。穿过第二lc开关523的光522到达分束器330。在一些实施例中，分束器330的每个部件中的一个或多个相对于入射显示光321以一定角度被定位。虽然示出为全部以相同角度排列的部件的平行排列，但是分束器330可以具有两个或者更多个部件311
‑
313之间的微小楔角以对准或重新对准在hmd的朝向眼睛侧350处的两个焦平面551、552。
[0066]
基于pbs膜313的性质，到达分束器330的光522被分成沿着从显示器520到hmd的所述朝向眼睛侧350的在长度上不同的两条相应光路的两种类型的光。第一路径和第二路径至少部分地基于pbs膜313，如分别在第一位置554和第二位置555处由第一光状态[y]和第二光状态[x]所指示。在一些实施例中，当pbs膜313上的一些入射光522朝向第一lc开关被反射时，第一光状态[y]沿y轴被线性偏振507。到达pbs膜313的其它光穿过到达线性偏振器312，入射到100％反射镜311上，并通过线性偏振器312反射回来，并且通过pbs膜313朝向第一lc开关507射出。第二光状态[x]至少基于pbs膜313和线性偏振器312而不同于第一光状态[y]。沿着光路553，光状态可以采取以下两种正交偏振状态——诸如在右手圆偏振(rcp)状态下的第一偏振状态和在左手圆偏振(lcp)状态下的第二偏振状态——之一的形式。
[0067]
光在遇到部分反射镜304之前从分束器330继续通过第一lc开关507、lp
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2 306和qwp
‑
2 305。通过部分反射镜304和第一四分之一波片303二者的一些光从偏振分束器302反射回部分反射镜304，然后随后在部分反射镜304的部分反射镜表面处朝向hmd的朝向眼睛侧350反射。如图所示，该光在部分反射镜304和第一四分之一波片303之间以及第一四分之一波片303和偏振分束器302之间分别被标记为rcp和[y]。在部分反射镜表面处反射时，光的[rcp]状态在穿过第一四分之一波片303时变成[x]状态之前变成[lcp]状态。
[0068]
图6是根据第四实施例的在hmd中提供两个焦平面的固定焦点的反射折射系统600的框图。系统600类似于系统400。系统600具有部件的vr排列，并且示出hmd的第一侧322处的电子显示器620与hmd的朝向眼睛侧350之间的光路653。从左到右，系统600的部件包括第一线性偏振器(lp
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1)301、偏振分束器(pbs)302、第一四分之一波片(qwp
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1)303、部分反射镜(pm)304、第二四分之一波片(qwp
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2)305、第二线性偏振器(lp
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2)306、第一液晶(lc)开关607、分束器401和第二液晶(lc)开关623。
[0069]
当与单体分束器330相比，分束器401被分成两部分。分束器401包括第一部件402和具有100％反射镜411的第二部件403。第一部件402包括线性偏振器412和pbs膜413。第一部件402与第二部件403分离了分隔距离404，如在第一部件402和第二部件403的相应第一位置处(例如在第一部件402和第二部件403中的每个部件的第一端处)所测量。部件402、403之间的距离404促进在系统600的第一位置654和第二位置655处分别由第一光状态[y]和第二光状态[x]指示的两个光路的长度的差。第一部件402相对于来自显示器320的、已经通过hmd的第一侧322处的第二lc开关623的入射显示光622以第一角度405被定向。第二部件403相对于入射光622以第二角度406被定向。取决于特定实施例，第一角度405和第二角度406相对于彼此是相同角度或不同角度。具有不同角度405、406以及第一部件402和第二部件403之间的距离404促进减小在光到达系统600的hmd的朝向眼睛侧350的辅x偏振路径上施加的像差。
[0070]
在该实施例中，第一lc开关607和第二lc开关623是相应的液晶层，其每个能够主动地旋转通过其的光的偏振状态。例如，第一lc开关607和第二lc开关623每个都是半波延迟器。当hmd操作以在操作以在hmd的朝向眼睛侧350处的两个焦平面651、652处提供光，显示器620、第一lc开关607和第二lc开关623彼此电子同步。显示器620向系统600中的第二lc开关623发射具有第一光状态[x]的偏振光621。穿过第二lc开关623的光622到达分束器401。
[0071]
基于pbs膜413的性质，到达分束器401的光622被分成沿着从显示器620到hmd的所述朝向眼睛侧350的在长度上不同的两条相应光路的两种类型的光。第一路径和第二路径至少部分地基于pbs膜413，如分别在第一位置654和第二位置655处由第一光状态[y]和第二光状态[x]所指示。在一些实施例中，第一光状态[y]是部分平面偏振质量，因为pbs膜413上的一些入射光622朝向第一lc开关607被反射。到达pbs膜413的其它光穿过到达线性偏振器412，入射到100％反射镜411上，并通过线性偏振器412反射回来，并且通过pbs膜413朝向第一lc开关607射出。第二光状态[x]至少基于线性偏振器412而不同于第一光状态[y]。沿着光路653，光状态可以采取以下两种正交偏振状态——诸如如图所示的右手圆偏振(rcp)状态下的第一偏振状态和左手圆偏振(lcp)状态下的第二偏振状态——之一的形式。
[0072]
光在遇到部分反射镜304之前从分束器401继续通过第一lc开关607、lp
‑
2 306和
qwp
‑
2 305。通过部分反射镜304和第一四分之一波片303两者的一些光从偏振分束器302反射回部分反射镜304，然后随后在部分反射镜304的部分反射镜表面处朝向hmd的朝向眼睛侧350反射。如图所示，该光在部分反射镜304和第一四分之一波片303之间以及在第一四分之一波片303和偏振分束器302之间分别被标记为[rcp]和[y]。在部分反射镜表面处反射时，光的[rcp]状态在穿过第一四分之一波片303时变成[x]状态之前变成[lcp]状态。
[0073]
图7是根据第五实施例的在hmd中提供两个焦平面的固定焦点的反射折射系统700的框图。除了代替第二lc开关523而定位第三四分之一波片723之外，系统700类似于系统500。第三四分之一波片723从线性偏振电子显示器720产生圆偏振光722。系统700具有部件的vr排列，并且示出hmd的第一侧322处发射线性偏振光721的显示器720与hmd的朝向眼睛侧350之间的光路753。当hmd操作以通过在第一位置754和第二位置755处分别由第一光状态[y]和第二光状态[x]指示的第一路径和第二路径在hmd的朝向眼睛侧350处的两个焦点平面751、752处提供光时，显示器720和第一lc开关507彼此电子同步。第一路径和第二路径至少部分地基于pbs膜313。该系统700使得能够在分束器330处或通过分束器330采样x偏振分量和y偏振分量。在一些实施例中，系统700及其部件的排列比系统500的能量效率低，但是系统700具有少了一个有源驱动的部件，因为该系统700使用有源驱动的显示器720和有源驱动的lc开关507。
[0074]
图8是根据第六实施例的在hmd中提供两个焦平面的固定焦点的反射折射系统800的框图。系统800类似于系统600，除了第三四分之一波片723代替第二lc开关523被定位之外。除了分离的分束器401代替分束器330被定位之外，系统800也类似于系统700。第三四分之一波片723从线性偏振电子显示器720产生圆偏振光722。系统800具有部件的vr排列，并且示出hmd的第一侧322处发射线性偏振光721的显示器720与hmd的朝向眼睛侧350之间的光路853。当hmd操作以通过在第一位置854和第二位置855处分别由第一光状态[y]和第二光状态[x]指示的第一路径和第二路径在hmd的朝向眼睛侧350处的两个焦点平面851、852处提供光时，显示器720和第一lc开关507彼此电子同步。当与单体分束器330相比，系统800的分束器401被分成两部分。分束器401包括第一部件402和具有100％反射镜411的第二部件403。第一部件402包括线性偏振器412和pbs膜413。第一路径和第二路径至少部分地基于分束器401的pbs膜413以及第一部件402和第二部件403之间的距离。该系统800使得能够在分束器401处或通过分束器401采样x偏振分量和y偏振分量。在一些实施例中，系统800及其部件的排列比系统600的能量效率低，但是系统800具有少了一个有源驱动的部件，因为该系统800使用有源驱动的显示器720和有源驱动的lc开关507，而不是如在其它实施例中那样驱动三个部件。
[0075]
图9是根据第七实施例的在hmd中提供两个焦平面的固定焦点的反射折射系统900的框图。某些部件沿着在系统900的第一侧322处的电子显示器920与hmd的朝向眼睛侧350之间的光路913被定位。从左到右，系统900的部件包括：第一线性偏振器(lp
‑
1)301、偏振分束器(pbs)302、第一四分之一波片(qwp
‑
1)303、部分反射镜(pm)304、第二四分之一波片(qwp
‑
2)305、第一液晶(lc)开关907以及被示为在分束器330中分组的层。分束器330从下到上包括100％反射镜311、线性偏振器312和pbs膜313。系统900还包括在显示器920和分束器330之间的层或部件的堆叠930。堆叠930从上到下包括第二液晶(lc)开关921、第三四分之一波片922、几何相位(gp)透镜923和第四四分之一波片924。gp透镜923是具有取决于输入
偏振状态而具有+/
‑
光焦度的衍射元件。即，利用右手圆偏振光，gp透镜923产生第一焦距，而左手圆偏振光则呈现具有相反符号的焦距。非偏振光同时产生正焦距和负焦距。在某些实施例中，输出(光波)二者都是圆偏振的并且彼此正交。
[0076]
电子显示器920朝向第二lc开关921发射线性偏振光925。该光925在到达第二lc开关921之前处于第一光状态[x]。基于第二lc开关921的操作，通过其中的光保持在第一光状态[x]或被置于沿着y轴线性偏振的第二光状态[y]。光926从第二lc开关921通过到达并且通过第三四分之一波片922、gp透镜923和第四四分之一波片924。在堆叠930中，源自显示器920的光925穿过各种光状态，包括如堆叠930的部件之间所示出的第一和第二光状态[x,y]、[rcp]状态和[lcp]状态。离开第四四分之一波片924的光929处于第二或第一光状态[y,x]，然后入射在分束器330上。当hmd操作以在第一位置954和第二位置955处分别由第二光状态[y]和第一光状态[x]指示的光路913内的第一路径和第二路径上在hmd的朝向眼睛侧350处的两个焦平面951,952处提供光时，显示器920、第一lc开关907和第二lc开关921彼此电子同步。也就是说，电子操作的部件在操作中被协调以在系统900中产生不同光路和不同光状态。第一路径和第二路径至少部分地基于分束器330的pbs膜313和堆叠930的部件。
[0077]
在一些实施例中，分束器330的每个部件中的一个或多个相对于源自显示器920的入射光929以角度331(诸如37度角或45度角)被定位。虽然示出为分束器330中的部件的平行排列，所有部件都以相同角度排列，但是系统900的分束器330可以具有两个或更多个部件311
‑
313之间的微小楔角以对准或重新对准两个焦平面951、952。至少基于pbs膜313和堆叠930的性质，源自显示器920的光925被分成沿着从显示器920到hmd的朝向眼睛侧350的在长度上不同的两个相应路径的两种类型的光。在一些实施例中，当pbs膜313上的一些入射光929朝向第一lc开关907被反射时，第二光状态[y]沿y轴被线性偏振。到达pbs膜313的其它光穿过到达线性偏振器312，入射到100％反射镜311上，并且通过线性偏振器312反射回来，并且通过pbs膜313射出。第二位置955处的第一光状态[x]至少基于线性偏振器312和堆叠930的部件而不同于第一位置954处的第一光状态[y]。沿着光路913，光状态可以采取以下两种正交偏振状态——例如在右手圆偏振(rcp)状态下的第一偏振状态和在左手圆偏振(lcp)状态下的第二偏振状态——之一的形式。rcp和[lcp]状态被示出为第三四分之一波片922和gp透镜923之间的光927、被示出为gp透镜923和第四四分之一波片924之间的光928并且被示出为部分反射镜304和四分之一波片303、305之间的光。
[0078]
光在遇到部分反射镜304之前从分束器330继续通过第一lc开关907和第二四分之一波片305。第一lc开关907和第二lc开关921每一个都是能够主动旋转从其通过的光的偏振状态的液晶层。例如，第一lc开关907和第二lc开关921中的每一个是半波延迟器。从显示器920输出的光925与第一lc开关907和第二lc开关921的操作同步，以在hmd的朝向眼睛侧350处的两个焦平面951、952中的每一个处生成内容。虽然未示出，但是在第一lc开关907和第二lc开关921中的每一个被稳定之后，背光被脉冲化(例如，在占空比的10
‑
20％之间)。
[0079]
图10是根据第八实施例的在hmd中提供两个焦平面1011、1012的固定焦点的反射折射系统1000的框图。某些部件沿着系统1000的第一侧322处的电子显示器1020与hmd的朝向眼睛侧350之间的光路1013被定位。从左到右，系统1000的部件包括：几何相位(gp)透镜1001、第一四分之一波片(qwp
‑
1)1002、lc开关1003、线性偏振器(lp)1004、偏振分束器(pbs)1005、第二四分之一波片(qwp
‑
2)1006、部分反射镜(pm)1007、第三四分之一波片
(qwp
‑
3)1008和电子显示器1020。这些部件从朝向眼睛侧350向hmd的第一侧1022定位。
[0080]
线性偏振光1021在到达pbs 1005之前在穿过第三四分之一波片1008、pm 1007和第二四分之一波片1006之前以沿着y轴线性偏振的第一光状态[y]由电子显示器1020朝向第三四分之一波片1008发射。在pbs 1005，光朝向第二四分之一波片1006被反射回来，并且穿过它到达pm 1007。pm 1007将处于[lcp]状态的光反射到第二四分之一波片1006。已通过第二四分之一波片1006的光处于第二光状态[x]，其然后在到达gp透镜1001之前通过pbs 1005、lp 1004以及lc开关1003和第一四分之一波片1002。
[0081]
基于lc开关1003的操作，光穿过其中并且被变换成第一光状态[x]或第二光状态[y]，并且然后穿过第一四分之一波片1002和gp透镜1001，以在hmd的朝向眼睛侧350上分别形成第一焦平面1011和第二焦平面1012。在这个特定实施例，没有使用分束器。相反，系统1000采用gp透镜1001和lc开关1002来生成两个焦平面1011、1012。通常，焦平面1011、1012的数量为2
n
，其中n是gp透镜、qwp和lc开关对的数量，诸如gp透镜1001和lc开关1002作为第一这样的对。gp透镜和lc开关之间的qwp将光转换回线性极化，从而允许lc开关如所期望的那样操作。在系统1000中，lc开关1002在操作上与发射线性偏振光的电子显示器1020同步。
[0082]
图11是根据一些实施例的在hmd中提供四个焦平面1151
‑
1154的固定焦点的反射折射系统1100的框图。某些部件沿着在系统1100的第一侧322处的电子显示器1120与hmd的朝向眼睛侧350之间的光路1157被定位。从左到右，系统1100的部件包括：第一线性偏振器(lp
‑
1)301、偏振分束器(pbs)302、第一四分之一波片(qwp
‑
1)303、部分反射镜(pm)304、第二四分之一波片(qwp
‑
2)305、第二线性偏振器(lp
‑
2)306、第一液晶(lc)开关1107、被示为在分束器330中分组的层以及在显示器1120与分束器330之间的层或部件的堆叠1130。分束器330从下到上包括100％反射镜311、线性偏振器312和pbs膜313。堆叠1130从上到下包括第二液晶(lc)开关1121、第三四分之一波片1122和几何相位(gp)透镜1123。gp透镜1123是具有取决于输入偏振状态而具有+/
‑
光焦度的衍射元件。
[0083]
系统1100使用gp透镜1123利用不同焦距来生成处于lcp和[rcp]状态的光1128。然后，分束器330将这些中的每一个分成具有不同光路长度的x和y偏振状态。第一lc开关1107和第二lc开关1121然后用于选择四个显示平面1150中的哪一个在系统1100的朝向眼睛侧350处示出。
[0084]
逐步地进行，电子显示器1120朝向第二lc开关1121发射线性偏振光1125。该光1125在到达第二lc开关1121之前处于第一光状态[x]。基于第二lc开关1121的操作，穿过其中的光1126保持在沿着x轴线性偏振的第一光状态[x]，或者被置于沿着y轴线性偏振的第二光状态[y]。光1126然后从第二lc开关1121传送到并且通过第三四分之一波片1122和gp透镜1123。在堆叠1130中，源自显示器1120的光1125穿过各种光状态，包括第一和第二光状态[x，y]、[rcp]状态和[lcp]状态，如在堆叠1130的部件之间所示。离开gp透镜1123的光1128处于[rcp]或[lcp]状态，然后入射在分束器330上。当hmd操作以通过pbs膜313附近的第二位置1155和第一位置1156处分别由第二光状态[y]和第一光状态[x]指示的光路1157内的相应路径在hmd的朝向眼睛侧350处的四个焦平面1151、1152、1153、1154处提供光时，显示器1120、第一lc开关1107和第二lc开关1121彼此电子同步。这四个路径至少部分地基于分束器330的pbs膜313、gp透镜1123以及第一lc开关1107和第二lc开关1121。
[0085]
图12是根据一些实施例的在hmd中提供四个焦平面1251
‑
1254的固定焦点的反射
折射系统1200的框图。某些部件沿着系统1200的第一侧322处的电子显示器1220与hmd的朝向眼睛侧350之间的光路1257被定位。从左到右，系统1200的部件包括：第一线性偏振器(lp
‑
1)301、偏振分束器(pbs)302、第一四分之一波片(qwp
‑
1)303、部分反射镜(pm)304、第二四分之一波片(qwp
‑
2)305、第二线性偏振器(lp
‑
2)306、第一液晶(lc)开关1207、第三四分之一波片(qwp
‑
2)1222、几何相位(gp)透镜1223、被示为在分束器330中分组的层以及第二lc开关1221。分束器330从下到上包括100％反射镜311、线性偏振器312和pbs膜313。
[0086]
在操作中，系统1200在显示器1220处生成线性偏振光。当光从显示器1220传递到hmd的朝向眼睛侧350时，系统1220使用第一lc开关1207和第二lc开关1221和gp透镜1223与分束器330和部分反射镜304结合来生成不同焦距的光。分束器330将以x和y偏振状态中的每一个离开第二lc开关1221的光1226进行分离，使得光具有基于行进进入和穿过分束器330的两个不同光路长度以及基于部分反射镜304的两个附加的且不同的光路长度。第一lc开关1207和第二lc开关1221以及gp透镜1223用于选择在hmd 100的朝向眼睛侧350处示出四个显示平面1251
‑
1254中的哪一个。四个显示平面1251
‑
1254被示出为显示平面的群组1250。在第三四分之一波片1222和gp透镜1223之间，系统1200使用gp透镜来生成lcp和[rcp]状态的光。
[0087]
逐步地进行，电子显示器1220朝向第二lc开关1221发射线性偏振光1225。该光1225在到达第二lc开关1221之前处于第一光状态[x]。基于第二lc开关1221的操作，穿过其中的光1126保持在第一光状态[x]或者被置于第二光状态[y]。光1226然后从第二lc开关1221传递到分束器330。在光束路径1257中，源自显示器1120的光1125穿过各种光状态，包括第一和第二光状态[x，y]、[rcp]状态和[lcp]状态，如系统1200的部件之间所示。离开gp透镜1223的光处于[rcp]或[lcp]状态，并且然后入射在第一lc开关1207上。当hmd操作以通过pbs膜313附近的第二位置1255和第一位置1256处分别由第二光状态[y]和第一光状态[x]指示的光路1257内的相应路径在hmd的朝向眼睛侧350处的四个焦平面1251、1252、1253、1254处提供光时，显示器1220、第一lc开关1207和第二lc开关1221彼此电子同步。这四个路径至少部分地基于分束器330的pbs膜313、gp透镜1223以及第一lc开关1207和第二lc开关1221。
[0088]
图13是根据一些实施例的在hmd中提供四个焦平面1331
‑
1334的固定焦点的反射折射系统1300的框图。某些部件沿系统1300的第一侧1322处的电子显示器1320和hmd的朝向眼睛侧350之间的光路1330被定位。从左到右，系统1300的部件包括：第一gp透镜(gpl
‑
1)1301、第一四分之一波片(qwp
‑
1)1302、第一lc开关(lcs
‑
1)1303、第二四分之一波片(qwp
‑
2)1304、第二gp透镜(gpl
‑
2)1305、第三四分之一波片(qwp
‑
3)1306、第二lc开关(lcs
‑
2)1307、线性偏振器(lp)1308、偏振光束分光器(pbs)1309、第四四分之一波片(qwp
‑
4)1310、部分反射镜(pm)1311、第五四分之一波片(qwp
‑
5)1312和电子显示器1320。这些部件从hmd的朝向眼睛侧350到第一侧1322被定位。
[0089]
线性偏振光1321在到达pbs 1309之前在穿过第五四分之一波片1312、pm 1311和第四四分之一波片1310之前以沿着y轴线性偏振的第一光状态[y]由电子显示器1320朝向第五四分之一波片1312发射。在pbs 1309处，以第一光状态[y]入射到其上的光被反射回到第四四分之一波片1310，并且穿过其到达部分反射镜1311。pm 1311将[lcp]状态的光反射到第四四分之一波片1310。已经穿过第四四分之一波片1310的光处于第二光状态[x]，其然
后在到达第二lc开关1307之前穿过pbs 1309和lp 1308。基于第二lc开关1307的操作，处于[rcp]状态的光作为处于[rcp]状态或[lcp]状态的光离开，并且如两个光路所示被导向第三四分之一波片1306。在通过第三四分之一波片1306之后，第二gp透镜1305将光的[rcp]状态改变为[lcp]状态，反之亦然。通过第二四分之一波片1304将处于[rcp]和[lcp]状态的光分别改变为[y]和[x]状态。基于第一lc开关1303的操作，入射到第一lc开关1303上的处于[y]状态的光作为处于[y]状态或[x]状态的光离开第一lc开关1303。以类似的方式，入射在第一lc开关1303上的处于[x]状态的光作为处于[x]状态或[y]状态的光离开第一lc开关1303，从而创建从第一lc开关1303开始并且导向系统1300的朝向眼睛侧350的四个路径。光接下来通过第一四分之一波片1302，然后通过第一gp透镜1301。第一四分之一波片1302将光从[y]和[x]状态分别变换为[lcp]和[rcp]状态。在系统1300的朝向眼睛侧350上，由部件1301
‑
1312进行的变换的结果是一组四个焦平面1331
‑
1334。特别地，基于第一lc开关1303的操作，在第一lc开关1303之前以[y]状态开始的光以[y]或[x]状态穿过其中，从而导致第一焦平面1331和第二焦平面1332。并且，基于第一lc开关1303的操作，在第一lc开关1303之前的以[x]状态开始的光以[x]或[y]状态穿过其中，从而导致hmd的朝向眼睛侧350处的第三焦平面1333和第四焦平面1334。
[0090]
在光路1330中不使用分束器。相反，系统1300采用串联的第一gp透镜1301和第二gp透镜1305以及第一lc开关1303和第二lc开关1307来生成四个焦平面1331
‑
1334。通常，诸如四个焦平面1331
‑
1334的焦平面的数量为2
n
，其中n是gp透镜和lc开关对的数量，诸如第一gp透镜1301和第一lc开关1303作为第一对并且第二gp透镜1305和第二lc开关1307作为第二对。在操作中，至少第一lc开关1303和第二lc开关1307与发射线性偏振光的电子显示器1320同步。
[0091]
图14是根据一些实施例的在用于增强现实(ar)应用的hmd中提供两个焦平面1451、1452的固定焦点的反射折射系统1400的框图。某些部件沿着系统1400的第一侧322处的电子显示器1420与hmd的朝向眼睛侧350之间的光路1457被定位。从左到右，系统1400的部件包括：第一线性偏振器(lp
‑
1)301、偏振分束器(pbs)302、第一四分之一波片(qwp
‑
1)303、部分反射镜(pm)304、第二四分之一波片(qwp
‑
2)305，被示为在分束器1431中分组的层、以及在显示器1420和分束器1431之间的层或部件的堆叠1430。分束器330从下到上包括线性偏振器312和pbs膜313。堆叠1430从上到下包括几何相位(gp)透镜1421、第三四分之一波片1422和液晶(lc)开关1423。
[0092]
系统1400使用gp透镜1421基于来自显示器1425的非偏振光1425利用不同焦距来生成lcp和[rcp]状态的光1426。第三四分之一波片1422基于处于lcp和[rcp]状态的光1426将来自gp透镜1421的光1426转换为具有第一状态[x]或第二状态[y]的光1427。lc开关1423促进处于第二状态[y]的光穿过其并且撞击分束器1431。然后，分束器1431将入射光1428反射到包括具有[y]偏振状态1455并且被导向第二四分之一波片305的光1453的至少一个路径中。反射到pbs膜313中的任何光都将进入系统1400的远离分束器1431并且远离hmd的朝向眼睛侧350的世界侧。来自世界1458的光1459进入并且穿过分束器1431的线性偏振器312和pbs膜313，并且沿着第二光路以[x]状态1456作为光1454从其射出。因此，基于从显示器1420发射的光1425的光1453和基于来自世界1458的光1454入射在第二四分之一波片305上，并且是沿着两个不同光路行进到达hmd的朝向眼睛侧350的光的开始。
[0093]
处于rcp和[lcp]状态的光在朝向系统1400的朝向眼睛侧350行进时从第二四分之一波片305离开并且进入并穿过部分反射镜304。处于[lcp]状态的光穿过部分反射镜304、第一四分之一波片303、pbs膜302和线性偏振器301而没有在作为第二平面焦平面1452的光到达朝向眼睛侧350之前被部分反射镜304反射。处于[rcp]状态的光穿过部分反射镜304和第一四分之一波片303，但是被pbs膜302反射回部分反射镜304。部分反射镜304被构造为将处于[rcp]状态的光朝向hmd的朝向眼睛侧350反射。从pbs膜302行进的处于[rcp]状态的光在穿过第一四分之一波片303后被部分反射镜304反射成[lcp]状态，然后在作为第一平面焦平面1451的光到达朝向眼睛侧350之前再次穿过第一四分之一波片303、pbs膜302和线性偏振器301。光从而基于来自显示器1420和世界1458两者的光在光行进到朝向眼睛侧350时基于不同光路长度的光路在两个不同的焦平面1451、1452处以[x]状态到达hmd的朝向眼睛侧350。
[0094]
图15是根据一些实施例的在用于ar应用的hmd中提供两个焦平面1551、1552的固定焦点的反射折射系统1500的框图。某些部件沿着系统1500的第一侧322处的电子显示器1520和hmd的朝向眼睛侧350之间的光路1557被定位。从左到右，系统1500的部件包括：第一线性偏振器(lp
‑
1)301、偏振分束器(pbs)302、第一四分之一波片(qwp
‑
1)303、部分反射镜(pm)304、第二四分之一波片(qwp
‑
2)305、被示为在分束器1531中分组的层、以及在显示器1520和分束器1531之间的部件的堆叠1530。分束器330从下到上包括线性偏振器312和pbs膜313。堆叠1530从上到下包括第三四分之一波片1521、第一液晶(lc)开关1522、几何相位(gp)透镜1523、第四四分之一波片1524和第二液晶开关1525。
[0095]
显示器1520生成处于第一光状态[x]的线性偏振光1540，并且将光1540引向第三四分之一波片1521。离开第三四分之一波片1521的光1541被引向第一lc开关1522。穿过其中的光被第一lc开关1522转换为处于rcp和[lcp]状态的光1542。gp透镜1523将穿过其中的光分别转换成lcp和[rcp]状态的光1543。第四四分之一波片1524产生分别第二偏振状态[y]和第一光状态[x]的光1544。
[0096]
第二lc开关1525产生处于第二状态[y]的光1545，并且将该光1545引向分束器1531。分束器1531的pbs膜313将入射光1545反射到包括具有第二[y]偏振状态1555的光1553的至少一个路径中，并且该光1553被导向第二四分之一波片305。被反射到pbs膜313中的任何光将进入系统1500的远离分束器1531并且远离hmd的朝向眼睛侧350的世界侧。来自世界1558的光1559进入并且穿过分束器1531的线性偏振器312和pbs膜313，并且从其沿着第二光路作为处于[x]态1556的光1554离开。因此，基于从显示器1520发射的光1540的光1553和基于来自世界1558的光1559的光1554入射在第二四分之一波片305上，并且分别处于[y]和[x]状态的这两个光源1553、1554是沿着两个不同光路行进到达hmd的朝向眼睛侧350的光的开始。
[0097]
分别处于rcp和[lcp]状态的光从第二四分之一波片305离开，并且穿过部分反射镜304，朝向系统1500的朝向眼睛侧350行进。处于[lcp]状态的光穿过部分反射镜304、第一四分之一波片303、pbs膜302和线性偏振器301而没有作为第二平面焦平面1552的光在到达朝向眼睛侧350之前被部分反射镜304反射。处于[rcp]状态的光穿过部分反射镜304和第一四分之一波片303，但是被pbs膜302反射回部分反射镜304。部分反射镜304被构造为将处于[rcp]状态的光朝向hmd的朝向眼睛侧350反射。从pbs膜302行进的处于[rcp]状态的光在穿
过第一四分之一波片303后被部分反射镜304反射成[lcp]状态，然后在作为第一平面焦平面1551的光到达朝向眼睛侧350之前再次穿过第一四分之一波片303、pbs膜302和线性偏振器301。光从而基于来自显示器1520和世界1558两者的光在光行进到朝向眼睛侧350时基于相应不同光路长度的光路在两个不同的焦平面1551、1552处以[x]状态到达hmd的朝向眼睛侧350。
[0098]
图16是根据其他实施例的在用于ar应用的hmd中提供两个焦平面1551、1552的固定焦点的反射折射系统1500的框图。某些部件沿着系统1600的第一侧322处的电子显示器1520和hmd的朝向眼睛侧350之间的光路1657被定位。从左到右，系统1600的部件包括：第一线性偏振器(lp
‑
1)301、偏振分束器(pbs)302、第一四分之一波片(qwp
‑
1)303、部分反射镜(pm)304、第二四分之一波片(qwp
‑
2)305、被示为在分束器1531中分组的层、以及在显示器1520与分束器1531之间的部件的堆叠1630。分束器330从下到上包括线性偏振器312和pbs膜313。堆叠1630类似于系统1500的堆叠1530，除了两个部件在位置上被切换。特别地，第一lc开关1622在所述hmd的第一侧322上直接定位在显示器1520之后。堆叠1630从上到下包括第一lc开关1622、第三四分之一波片1621、gp透镜1523、第四四分之一波片1524和第二lc开关1525。显示器1520生成处于第一光状态[x]的线性偏振光1540，并且将光1540引向第一lc开关1622。来自第一lc开关1622的光1641通过到第三四分之一波片1621。穿过其中的光被改变为处于rcp和[lcp]状态的光1542。gp透镜1523将穿过其中的光分别转换成lcp和[rcp]状态的光1543。第四四分之一波片1524分别产生第二偏振状态[y]和第一光态[x]的光1544。
[0099]
系统1600的第二lc开关1525产生处于第二状态[y]的光1545并且将该光1545导向分束器1531。分束器1531的pbs膜313将入射光1545反射到包括具有第二[y]偏振状态1555并且被引向第二四分之一波片305的光1553的至少一个路径中。来自世界1558的光1559进入并且穿过分束器1531的线性偏振器312和pbs膜313，并且从其沿着第二光路作为处于[x]状态1556的光1554离开。因此，基于从显示器1520发射的光1540的光1553和基于来自世界1558的光1559的光1554入射在第二四分之一波片305上，并且分别处于[y]和[x]状态的这两个光源1553、1554是沿着两个不同光路行进到达hmd的朝向眼睛侧350的光的开始。
[0100]
分别处于rcp和[lcp]状态的光从第二四分之一波片305离开，并且穿过部分反射镜304，朝向系统1600的朝向眼睛侧350行进。处于[lcp]状态的光穿过部分反射镜304、第一四分之一波片303、pbs膜302和线性偏振器301而没有作为第二平面焦平面1652的光到达朝向眼睛侧350之前被部分反射镜304反射。处于[rcp]状态的光穿过部分反射镜304和第一四分之一波片303，但是被pbs膜302反射回部分反射镜304。部分反射镜304被构造为将处于[rcp]状态的光朝向hmd的朝向眼睛侧350反射。从pbs膜302行进的处于[rcp]状态的光在穿过第一四分之一波片303之后被部分反射镜304反射成[lcp]状态，然后在作为第一平面焦平面1651的光到达朝向眼睛侧350之前再次穿过第一四分之一波片303、pbs膜302和线性偏振器301。光从而基于来自系统1600的显示器1520和世界1558两者的光在光行进到朝向眼睛侧350时基于相应不同光路长度的光路在两个不同的焦平面1651、1652处以[x]状态到达hmd的朝向眼睛侧350。
[0101]
图17是根据一些实施例的在用于ar应用的hmd中提供至少四个焦平面的固定焦点的反射折射系统1700的框图。某些部件沿着系统1700的第一侧322的电子显示器1720和hmd
的第二朝向眼睛侧350之间的光路1750被定位。从左到右，系统1700的部件包括：第一线性偏振器(lp
‑
1)301、偏振分束器(pbs)302、第一四分之一波片(qwp
‑
1)303、部分反射镜(pm)304、第二四分之一波片(qwp
‑
2)305、第一lc开关1706、第二线性偏振器1707、第二lc开关1708、被示为在分束器1709中分组的层、以及在显示器1720和分束器1709之间的部件的堆叠1730。分束器1709从下到上包括50％的反射镜1743、第三线性偏振器312和pbs膜313。堆叠1730从上到下包括第三lc开关1721、第三四分之一波片1722和几何相位(gp)透镜1723。该系统还包括第四lc开关1741和第四线性偏振器1742。
[0102]
显示器1720生成处于第一光状态[x]的线性偏振光1724，并且将光1724引向第三lc开关1721。离开第三lc开关1721的光1725被引向第三四分之一波片1722，并且光1725处于第一光状态[x]或第二光状态[y]。穿过第三四分之一波片1722的光被第三四分之一波片1722转换为成为rcp和[lcp]状态的光1726。gp透镜1723将通过其的光分别转换成lcp和[rcp]状态的光1727。gp透镜1723将这种光1727引向分束器1709。分束器1709的pbs膜313将至少一些入射光1727反射到至少两个路径：第一路径，其包括具有第二[y]偏振状态1718的光1716，并且该光1716被引向第二lc开关1708；以及包括反射到分束器1709中的光的第二路径。该第二路径包括第三线性偏振器312和50％的反射镜1743。入射在50％的反射镜1743上的一些光被反射回来穿过第三线性偏振器312并且通过pbs膜313射出，并被引导为具有第一偏振状态[x]1719的光1717。该光1717入射在第二lc开关1708上。
[0103]
系统1700还包括来自世界1740的光1701，其分别进入并且穿过第四线性偏振器1742和第四lc开关1741，且然后穿过分束器1709的50％反射镜1743、线性偏振器312和pbs膜313。离开分束器1709并且源自世界1740的光1702处于第一光状态[x]1703，并且入射在第二lc开关1708上。入射在第二lc开关1708上的处于第一光状态[x]且源自世界1740的光1702取决于第一lc开关1706和第二lc开关1708的操作而穿过其中且穿过部分反射镜304、第一四分之一波片303、pbs膜302、和第一线性偏振器301，以到达系统1700的朝向眼睛侧350作为第五光路1715。虽然未示出，但是基于第一lc开关1706和第二lc开关1708中的一个或多个的操作，源自世界1740的光1702被转换成第二光状态[y]，并且然后通过较长的路径，如入射在第二四分之一波片305上处于第二光状态[y]的光所指示。
[0104]
基于至少第一、第二和第三lc开关1706、1708、1721的操作，源自显示器1720的光1724被引导到在hmd的朝向眼睛侧350处指示的四个光路1710中的一个光路中。这些路径中的每一个基于分束器1709、部分反射镜304以及第一、第二和第三lc开关1706、1708、1721中的至少一些的操作而具有不同的光路长度。例如，第一焦平面1711基于来自光1727从pbs膜313反射的处于第二光状态[y]1718的入射光1716。入射光1716穿过第二四分之一波片305，然后最终从部分反射镜304的反射表面反射，并且通过第一四分之一波片303、第一pbs膜302和第一线性偏振器301穿出。第二焦平面1712基于入射在第二lc开关1708上的处于第一光状态[x]1719的光1717。基于第一和第二lc开关1706、1708中的一个或多个的操作，从50％的反射镜1743反射的光被变换为第二光状态[y]且最终从部分反射镜304的反射表面反射，并且以与第一焦平面1711类似的方式穿过第一四分之一波片303、第一pbs膜302和第一线性偏振器301。第三焦平面1713基于入射在第二lc开关1708上的处于第一光状态[x]1719的光1717，当入射到第二四分之一波片305时，该光穿过第一和第二lc开关1706、1708而不变换成另一状态。第四焦平面1714基于入射到第二lc开关1708上的处于第二光状态
1718的光1716。
[0105]
基于第一和第二lc开关1706、1708中的一个或多个的操作，光1716被转换成处于第一光状态[x]的光且以非反射方式穿过第二四分之一波片305、部分反射镜304、第一四分之一波片303、pbs膜302和第一线性偏振器301以到达系统1700的朝向眼睛侧350。除了由50％反射镜1743反射以及第一和第二液晶开关1706、1708中的一个或多个的操作之外，第三聚焦平面1713和第四聚焦平面1714的路径是类似的。光基于来自显示器1720和世界1740两者的光1724，1701在光行进到朝向眼睛侧350时基于相应不同光路长度的光路在多个不同的焦平面1711
‑
1715处以[x]状态到达hmd的朝向眼睛侧350。
[0106]
图18是示出根据一些实施例的用于在hmd系统中提供多个焦平面的方法1800的框图。在框1801，hmd系统通过诸如显示器102的电子显示器提供光。在框1802处，hmd系统通过如关于图1、2、10和13所示出和描述的分束器、lc开关、gp透镜和部分反射镜中的至少一个将至少来自电子显示器的光分成至少两个不同长度或不同光状态的光路，可替换地，在框1803，hmd系统通过如关于图1
‑
9、11、12和14
‑
17所示出和描述的至少一个分束器以及lc开关、gp透镜和部分反射镜中的至少一个将至少来自电子显示器的光分成至少两个不同长度或不同状态的光路。在框1804处，hmd系统通过lc开关和gp透镜中的至少一个来选择光路，以在特定时间产生hmd系统的朝向眼睛侧的焦平面。在操作中，hmd系统提供基本上同时到达用户的眼睛的多个光路。
[0107]
图19是示出根据一些实施例的用于提供多个焦平面的设备1900的框图。为了便于说明，省略了设备1900的某些部件。设备1900包括诸如hmd的子系统116的显示子系统1920、以及用于显示子系统1920的控制器。显示子系统1920包括多个电子部件，其包括gp透镜1901、lc开关1902和显示器1903。显示子系统1920还包括三个控制器1911
‑
1913，每一个分别用于gp透镜1901、lc开关1902和显示器1903中的每一个。gp透镜控制器(gplc)1911操作或控制gp透镜1901。lc开关控制器(gpls)1912操作lc开关1902，并且显示控制器(dc)1913操作显示器1903。显示子系统1920提供从在gp透镜1901的远侧处的设备1900的第一侧322处的显示器1903到第二侧350的光路1930。gp透镜控制器1911、lc开关控制器1912和显示控制器1913的操作被协调以便提供在设备1900的第二侧处的至少两个焦平面1931、1932。虽然控制器1904被示出为与显示子系统1920相邻，但是在某些实施例中，这两个部件彼此物理地分离并且经由一个或多个有线或无线地彼此通信。在至少一些实施例中，至少显示子系统1920的部件被安装到头戴式设备的结构，以将显示子系统1920放置在用户(未示出)的眼睛附近。
[0108]
如图19所示，控制器1904包括一组一个或多个处理器，例如所示的图形处理单元(gpu)1905和中央处理单元(cpu)1906。控制器1904还包括一个或多个存储部件，例如存储器1907，以存储软件程序或其它可执行指令，所述软件程序或其它可执行指令是由所述处理器1905、1906访问和执行，以便操纵所述处理器1905、1906中的一个或多个处理器执行如本文所述的各种任务。这样的软件程序包括例如渲染程序1908，其包括用于向显示器1903提供内容的可执行指令。
[0109]
在操作中，控制器1904从本地或远程内容源1910接收渲染信息1909(例如，显示内容)，其中渲染信息1909表示图形数据、视频数据或表示作为要在显示子系统1920上渲染和显示的影像的主题的对象或场景的其它数据。通过执行渲染程序1908，cpu 1906使用渲染
信息1909向gpu 1905或直接向显示子系统1920发送指令。作为该渲染过程的一部分，cpu 1906可以从惯性管理单元(imu)(未示出)接收姿态信息，由此姿态信息表示显示子系统1920的姿态，并且控制在显示器1903处对一个或多个光场帧的渲染，以在显示面板1903上反映来自姿态的对象或场景的视点。姿态信息包括至少一个空间位置和相对于该位置的取向，从而提供视觉数据的六个方面。
[0110]
当被接收时，显示子系统1920通过向显示器1903、lc开关1902和gp透镜1901相应的控制器1913、1912、1911提供指令来向它们提供指令。例如，显示器1903发射第一状态[x]和第二状态[y]的线性偏振光1933以用于该光被引向焦平面1931、1932。基于指令，控制器1911
‑
1913在其操作方面被协调并且为用户提供在设备1900的第二侧350处的两个或更多个焦平面1931、1932。在一些实施例中，两个焦平面1931、1932基于如其他附图中所示的不同长度的相应光路。通过提供两个或更多个焦平面1931、1932，用户(未示出)然后自由地观察设备1900的第二侧350处的光和对象，包括基于聚焦在相应的焦平面1931、1932处的光来选择聚焦和调节视觉。
[0111]
虽然本文所述的部件的许多实施例被示出为具有平坦表面，但是在至少一些实施例中可以弯曲本文所示的hmd的一个或多个部件。例如，弯曲可以沿着第一轴并且被称为沿着相对于hmd 100和用户110的一定数量的方位角的水平弧。沿第二轴线的弯曲可以被称为沿着相对于hmd 100和用户110的一定数量的高度角的垂直弧。第三轴是相对于用户的眼睛105并且用于hmd 100的光学元件的光轴。图3至图17中所示的实施例相对于图2中的线2
‑
2示出。
[0112]
如本领域技术人员所理解的，为了清楚起见，部件没有按比例绘制并且在分解图中示出。位置和角度的变化是这可能取决于包括每个部件的组成的一种或多种因素。在一些实施例中，上述技术的某些方面可以由处理系统的一个或多个处理器来实现，所述处理系统执行软件并且被提供为用于控制本文所述的部件的一个或多个方面的指令。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。软件可以包括指令和某些数据，当由一个或多个处理器执行时，所述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。非暂态计算机可读介质存储介质可以包括例如磁盘或光盘存储设备、诸如闪存的固态存储设备、高速缓存、随机存取存储器(ram)或其他非易失性存储器设备等。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、目标代码或其他指令格式的，其由一个或多个处理器解释或以其他方式执行。
[0113]
计算机可读存储介质可以包括在使用期间由计算机系统可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。这种存储介质可以包括但不限于光学介质(例如，光盘(cd)，数字通用光盘(dvd)，蓝光光盘)，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)或闪存)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嵌入在计算系统(例如，系统ram或rom)中，固定地附接到计算系统(例如，磁硬盘驱动器)，可移除地附连到计算系统(例如，光盘或基于通用串行总线(usb)的闪存)，或经由有线或无线网络(例如，网络可访问存储(nas))耦合到计算机系统。
[0114]
注意，并非以上在一般描述中描述的所有活动或元件是需要的，可能不需要特定
活动或设备的一部分，以及除了所描述的那些之外，还可以执行一个或多个其他活动，或者可以包括元件或部件。更进一步地，列出活动的顺序不一定是执行它们的顺序。此外，已经参考具体实施例描述了这些概念。然而，本领域技术人员理解，在不背离如所附权利要求中阐述的本公开的范围的情况下，可以进行各种修改和改变。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的，并且所有这样的修改旨在被包括在本公开的范围内。
[0115]
益处、其他优点和问题的解决方案已经在上面关于具体实施例进行了描述。然而，益处、优点、问题的解决方案以及可以使任何益处、优点或解决方案出现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的、必需的或基本的特征。此外，特定实施例的公开仅是说明性的，因为对于受益于本文教导的本领域技术人员来说，可以以不同但等效的方式来修改和实践所公开的主题。除了以下权利要求书中所描述的之外，不希望对本文所示的构造或设计的细节进行限制。因此，显然可改变或修改以上公开的特定实施例修改和所有这些变化都被认为在所公开的主题的范围内。因此，在此寻求的保护如在以下权利要求中阐述的。