具有空间变化延迟器光学器件的头戴式显示器(HMD)的制作方法

具有空间变化延迟器光学器件的头戴式显示器(hmd)
1.相关申请的交叉引用
2.本pct申请要求于2019年11月22日提交的名称为“head-mounted display(hmd)with spatially-varying retarder optics”的美国专利申请序列号16/692,823的优先权，该申请根据35u.s.c.
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120作为部分继续申请要求于2018年8月10日提交的名称为“head-mounted display(hmd)with spatially-varying retarder optics”的待审美国专利申请序列号16/101,333(现为美国专利号10,778,963)的优先权，所有这些申请的全文以引用方式并入本文。


背景技术：

3.作为虚拟现实(“vr”)或增强现实(“ar”)系统的一部分，近眼显示技术可用于向用户呈现信息和图像。此类近眼显示器可结合到头戴式显示器(“hmd”)设备或头戴式耳机中。尽管这些近眼信息显示器可被取向为直视，但通常这些信息显示器与hmd中的一个或多个透镜耦合。透镜系统可包括透镜、各种光学元件、孔径光阑和透镜壳体，以包含彼此光学对准的各种部件。尽管此类透镜可增强vr或ar体验，但透镜系统的性能部分地取决于该系统的每个元件的设计以及该系统的整体设计，这些设计阐明了这些元件之间的光学交互作用。
4.传统的信息显示器，诸如液晶显示器，通常在宽的角锥或视场上发射光。这些传统的显示器的角度发散范围可超出160度，甚至接近180度。当直接观看时，这种角度较宽的光线可能不会造成非期望的效果。然而，当在hmd中(诸如在vr或ar系统中)采用传统的信息显示器时，角度较宽的发射可能导致非期望的结果。当信息显示器发射的光以超出透镜成像能力入射的入射角照射hmd的透镜时，就是这种情况。此类光不能正确地成像到用户的眼睛，至少部分地归因于偏轴光表现出略微椭圆偏振这一事实。即，同轴光是线性偏振的，而偏轴光表现出一定程度的椭圆偏振。因此，超出hmd透镜聚焦能力的角度的光可能导致非期望的视觉效果，如泛光照明、重影、眩光、散射和其他杂散光效果。该杂散的非成像光可能导致vr或ar头戴式耳机的用户体验非期望的视觉伪影。
附图说明
5.参考附图描述了具体实施方式。在这些图中，参考标号的最左边数字标识首次出现该参考标号的图。不同图中相同的参考标号表示类似或相同的项目。
6.图1是示出可实施本文所述的技术和配置的用户和可穿戴设备的示意图。
7.图2是相对于用户的眼睛定位的示例性可穿戴设备的一部分的示意性截面图。
8.图3是根据一些实施方案的包括显示器和光学子系统的系统的示意性截面图，该光学子系统包括空间变化延迟器(svr)。
9.图4是根据一些实施方案的包括显示器和光学子系统的系统的示意性截面图，该光学子系统包括空间变化延迟器(svr)。
10.图5是根据一些实施方案的包括显示器和光学子系统的系统的示意性截面图，该
光学子系统包括空间变化延迟器(svr)。
11.图6是根据一些实施方案的示例性空间变化延迟器(svr)的示意图。
12.图7是根据一些实施方案的包括显示器和光学子系统的系统的示意性截面图，该光学子系统包括空间变化延迟器(svr)。
13.图8是根据一些示例性实施方案的示出用于向显示设备的用户的眼睛提供聚焦图像的过程的流程图。
14.图9是示出用于在空间变化延迟器(svr)的制造过程中应用校正因子以补偿模制透镜和/或偏振分束器中的已知或确定的制造误差的过程的流程图。
具体实施方式
15.在本文所述的各种示例中，技术和架构可用于产生聚焦到可穿戴设备的用户的眼睛(一只或两只)上的图像。可穿戴设备的示例可包括佩戴在用户的头上或作为头盔的一部分的显示设备，诸如头戴式显示器(“hmd”)设备或头戴式耳机，并且可包括位置传感器和/或运动传感器以测量该可穿戴设备的惯性位置或取向。该显示设备可包括在一只眼睛、每只眼睛或两只眼睛前面的显示器。仅举几个示例，该显示设备可包括液晶显示器(lcd)、有机发光二极管(oled)、硅上液晶(lcos)或阴极射线管(crt)。可穿戴设备可显示计算机生成的图像，称为虚拟图像。例如，如下所述，可穿戴设备的处理器可渲染和显示合成(虚拟)场景，使得观察者(可穿戴设备的穿戴者)将该场景感知为现实(或增强现实)。
16.在一些示例中，lcd显示设备包括多个部件。这些部件中的两个部件是显示矩阵和光源或背光，该显示矩阵以颗粒状或像素化方式阻挡光以创建图像。该光源通常位于显示矩阵的后面并且照亮图像。对于彩色显示器，该背光通常发射广谱光，诸如白光。
17.作为虚拟现实(“vr”)或增强现实(“ar”)系统的一部分，近眼显示技术可被用于向用户呈现信息和图像，该近眼显示技术可以是诸如上文所述的可穿戴设备的形式。vr或ar hmd可使用一个或多个透镜将与在一个或多个信息显示器(例如，像素化lcd显示设备)上显示的图像相关联的光引导至用户的眼睛。除了别的以外，透镜还用于弯曲来自该信息显示器的光，以使该信息显示器对用户来说看起来比实际距离更远。这在虚拟环境中向用户提供了更大的景深，并且允许用户更轻松地聚焦在显示的图像上。透镜还可用于vr或ar头戴式耳机来为用户增加信息显示器的视场。更大的视场可增强vr或ar系统的沉浸式效果。透镜还可用于vr或ar头戴式耳机中，以使来自单个显示器的光成形，使得由用户接收的光针对用户的左眼和右眼单独定制。例如，为每只眼睛使用单独定制的图像可使用户感知到立体图像或三维图像。透镜进一步被设计在近眼环境中，约束条件是用户的眼睛相对靠近信息显示器。
18.在各种示例中，可穿戴设备的光学系统结合了空间变化延迟器(svr)。除了别的以外，还包括信息显示器的系统允许近眼应用，其涉及将图像聚焦到相对靠近该信息显示器的用户的眼睛上。svr用于将由信息显示器产生的图像的光的相位修改对于svr的不同部分不同的量。因此，svr向变化的入射角提供了适当水平的延迟，这减轻了非期望的视觉效果，如泛光照明、重影、眩光、散射和存在于常规光学系统设计中的其他杂散光效果。如下所述，通过svr进行的此类相位修改与光学系统中的各种光学元件协同工作。
19.本文还描述了可用校正因子来制造以校正可能在本文所述的系统的部件中发生
的制造误差的空间变化延迟器(svr)。可在本文所述的svr的制造过程中校正的一个示例性制造误差是模制透镜中的应力双折射，该应力双折射可以是在制造过程中模制该透镜的副产物。可在本文所述的svr的制造过程中校正的另一个示例性制造误差是偏振分束器(本文有时称为“反射偏振器”或“反射膜”)上的偏振变化。在示例性过程中，可确定模制透镜或偏振分束器中的至少一者中的制造误差的程度。至少部分地基于该制造误差的程度，可确定空间变化延迟器(svr)的校正因子。然后可通过在svr的制造过程中应用校正因子来形成svr，以便补偿(或校正)制造误差。本文还描述了一种系统，该系统包括使用校正因子制造的svr，以补偿如本文所述的模制透镜或偏振分束器中的至少一者中的制造误差。当在svr的制造过程中应用该校正因子时，可改善光学系统的整体性能。例如，包括svr的光学子系统可进一步减轻可能由该光学子系统的其他组成部件中的制造缺陷导致的非期望的视觉效果。
20.本领域的普通技术人员将认识到，以下描述仅是例示性的而不以任何方式进行限制。受益于本公开，这些技术人员将容易地想到其他实施方案。现在将详细地参考如附图中所示的具体实施。在整个附图和以下描述中将使用相同的参考标号来指代相同或相似的部件。
21.图1是根据一些实施方案的示出用户102和可穿戴设备104的示意图。与可穿戴设备104相关联的计算设备可向可穿戴设备104提供与各个虚拟内容项相关联的渲染数据，并且使得各个虚拟内容项呈现在与可穿戴设备104相关联的显示器上。渲染数据可包括用于经由该设备的显示器来渲染虚拟内容项的图形表示的指令。例如，该渲染数据可包括描述与虚拟内容项相关联的几何形状、视点、纹理、照明、阴影等的指令。在一个例示性示例中，可将这些虚拟内容项呈现在可穿戴设备104的显示器上，作为用户102可使用可穿戴设备104玩的游戏的一部分。
22.在一些示例中，计算设备可位于网络(诸如互联网)中远离可穿戴设备104的位置。在其他实施方案中，可将计算设备与可穿戴设备104协同定位(例如，嵌入可穿戴设备104中)。此外，可穿戴设备104可以任何方式通信地耦接到网络，诸如通过全球或本地有线或无线连接(例如，局域网(lan)、内联网、蓝牙等)。该网络可促进计算设备和与一个或多个用户(诸如用户102)相关联的可穿戴设备104之间的通信。
23.图2是相对于用户的眼睛206定位的可穿戴设备204的一部分202的示意性截面图。例如，可穿戴设备204可与可穿戴设备104相同或类似。在某些实施方案中，可穿戴设备204可被配置为显示将由用户的左眼和右眼两者看到的图像。这可使用单独的左lcd显示器和右lcd显示器来实现，或者可使用单个lcd显示器来实现。类似地，可穿戴设备204(例如，以vr或ar头戴式耳机的形式)可包括单个透镜组件，或者该可穿戴设备可使用单独的左透镜组件和右透镜组件。
24.示例性光线208和210示出了光从可穿戴设备204到眼睛206的角膜212的可能路径。角膜212可被视为具有基本上球形的形状。可穿戴设备204可包括近眼显示器，使得光线208和210的路径相对短，诸如提供约20毫米的眼距。在这种情况下，可穿戴设备204的光学器件被配置为将光聚焦到相对靠近该可穿戴设备的表面(例如，角膜212)上。此类配置可涉及具有相对薄的轮廓的薄饼光学系统，该轮廓使该薄饼光学系统能够装配到可穿戴设备204中，同时允许与用户的眼睛206的物理间隙。
25.图3是根据一些实施方案的包括显示器和光学子系统的系统300的示意性截面图，该光学子系统包括空间变化延迟器(svr)。系统300可结合在头戴式设备中，诸如可穿戴设备104/204。然而，应当理解，系统300可结合在其他类型的设备中，包括但不限于相机、双筒望远镜、办公装备、科学仪器等。系统300可包括像素化显示设备302(有时称为信息显示器302)、背光组件304和光学子系统306。还示出了用户的眼睛308的示意图。此类元件沿着光轴310对准。
26.发射光的背光组件304可包括光源，诸如一个或多个发光二极管(led)、一个或多个oled、一个或多个冷阴极荧光灯管(ccfl)、一个或多个激光器、一个或多个量子点或这些示例性光源的任何组合。背光组件304中的光源可发射跨广谱的光(例如，白光)，使得信息显示器302可产生跨可见光谱的彩色图像。背光组件304可在例如约160度至180度的范围内跨其整个正面均匀地发射光。
27.信息显示器302与背光组件304协同工作，可在至多约180度的角度范围内发射光(只是避开平行于背光组件304的面的光)。该发射角度的范围有时称为背光组件304的视场或背光组件304的光锥。在一些实施方案中，信息显示器302可以是包括一个或多个偏振层、液晶层和薄膜晶体管层的lcd矩阵。该lcd矩阵通过以像素化方式模糊背光的部分来创建图像。当光312从背光组件304发射并且穿过信息显示器302(例如，lcd矩阵)时，显示图像。为清楚起见，图3示出了背光组件304和信息显示器302之间的间距。然而，这两个部件可夹置在一起，在它们之间具有很小的空间(如果有的话)。
28.光学子系统306可包括透镜组件，以引导来自信息显示器302的光朝向用户的眼睛308。例如，光学子系统306可具有薄饼构型。在这种情况下，如下所述，光学子系统306可包括光学元件的组件，该光学元件的组件被配置为使用至少部分地基于光的偏振的同轴光学折叠以引导来自信息显示器302的光朝向用户的眼睛308。在一些实施方案中，光学子系统306的透镜组件包括除透镜之外的各种光学元件。例如，光学子系统306可包括至少一个偏振分束器338和空间变化延迟器(svr)316。偏振分束器338可位于光学子系统306的svr 316和出射表面(或侧面)314之间。svr 316被配置为将穿过svr 316的光的相位修改对于svr 316的不同部分不同的量。例如，从显示器的周边朝向用户的眼睛发射的光可以相对大的入射角进入光学子系统306。svr 316如果被配置用于跨svr 316进行不同程度的相位修改，则可向来自任何和所有角度的光提供适当水平的延迟，以便减轻非期望的视觉效果(例如，去除不想要的杂散光以免到达用户的眼睛308)。
29.偏振分束器338可表示仅让线性偏振光穿过它的分束器，从而反射所有其他非线性偏振的光。偏振分束器338可被认为是线性偏振器反射器或反射线性偏振器。即，偏振分束器338可将线性偏振器和分束器的功能组合到单个元件中。
30.在一些实施方案中，偏振分束器338可用部分反光镜(例如，50/50镜)代替。即，根据一些实施方案，光学子系统306可包括位于光学子系统306的svr 316和出射表面(或侧面)314之间的至少一个部分反光镜(例如，该部分反光镜可在图3中的参考标号338的位置处)。
31.图3示出了由信息显示器302生成的图像的光的示例性光线路径318。为简单起见，光学子系统306被示意性地示出为包括至少一个透镜形元件。然而，光学子系统306可包括不需要是透镜的多种类型的光学元件中的任一种光学元件。现在描述光学子系统306的特
定示例。
32.光学子系统306可包括具有正面322和背面324的第一四分之一波片326。正面322可被认为是光进入光学子系统306的光学子系统306(例如，透镜组件)的入射侧面。第一四分之一波片326的正面322可设置在信息显示器302上。如本文所用，“设置在
……
上”可意指“与
……
接触”或“与
……
相邻”，使得在设置在另一层上的层之间可存在空间。因此，第一四分之一波片326可与信息显示器302接触，或与信息显示302间隔一定距离，但插置在该信息显示器和透镜330之间。还应当理解，“设置在
……
上”可意指直接设置在
……
上，或间接设置在
……
上(例如，具有一个或多个中间层)。透镜330可插置在第一四分之一波片326和svr 316之间。svr 316可设置在偏振分束器338上(或者，在另选的方案中，svr 316可设置在部分反光镜上，该部分反光镜在图3中的参考标号338的位置处)。
33.在一个示例中，svr 316可以是第二四分之一波片的一部分。这样，第二四分之一波片(插置在透镜330和偏振分束器338(或部分反光镜)之间)可包括材料、特征或另一种合适的机构，以将穿过svr 316的光的相位修改对于svr 316的不同部分不同的量。尽管图3中将svr 316示出和描述为插置在透镜330和偏振分束器338(或部分反光镜)之间，但应当理解，另选地，svr 316可以替代地是第一四分之一波片326的一部分。在该另选的实施方案中，图3中所示的svr 316可用标准的四分之一波片(即，不带svr的四分之一波片)代替。即，光学子系统306可包括两个四分之一波片(一个在326的位置处，并且一个在316的位置处)，其中svr可以是这两个四分之一波片中的任一者的一部分。在一些实施方案中，当光学子系统306包括两个四分之一波片(一个在326的位置处，并且一个在316的位置处)时，svr可以是两个四分之一波片的一部分。
34.为了示出光学子系统306的工作原理，光线路径318进入第一四分之一波片326，在第一四分之一波片326的正面322处被偏振(例如，线性偏振到一个取向，p)。从第一四分之一波片326的背面324出射的光可以是圆偏振的。该光穿过透镜330。然后，从透镜330射出的光穿过svr 316，并且从偏振分束器338反射(或者，在另选的方案中，穿过svr 316的光从在图3中的参考标号338的位置处的部分反光镜反射)。该反射光沿相反方向穿过svr 316，使得该光改变其旋向性，同时保持圆偏振并且以45度取向。沿相反方向穿过svr 316的光被透镜330再次反射，以使该光沿正向(即，朝向用户的眼睛308)第三次穿过svr 316。该反射光穿过偏振分束器338(或者，在另选的方案中，该光穿过在图3中的参考标号338的位置处的部分反光镜)，以从光学子系统306的出射侧面314(或表面)射出。
35.svr 316根据svr 316上入射光入射到svr 316上的位置，以适当水平的延迟修改穿过svr 316的光的相位。这样，从svr 316射出的光是水平偏振的。因为偏振分束器338允许水平偏振光穿过到达用户的眼睛308，并且以其他方式阻挡竖直偏振光，所以svr 316进行后期相位修改以允许该光穿过偏振分束器338。在图3的示例中，因为示例性光线路径318是偏轴的，所以进入svr 316的光线路径318是椭圆偏振的，并且svr 316上光线路径318入射到svr 316上的位置包括将光的相位修改适当的量以使入射的椭圆偏振光作为水平偏振光射出的材料(例如，双折射材料)和/或特征。这可通过以等于零的入射角入射到光学子系统306上的同轴光线路径(未示出)来进行对比。此类同轴光线路径不会被svr 316改变其偏振态，因为该相位修改的量跨svr 316的区域进行变化，而在svr 316的中心处几乎没有相位修改。然而，对于偏轴更远的入射光，svr 316被配置为根据入射角以及因此根据svr 316
上的位置以适当的量修改偏轴入射光的相位。尽管该示例描述了偏振分束器338允许水平偏振光穿过到达用户的眼睛308，并且以其他方式反射所有其他非水平偏振光的光，但应当理解，偏振分束器338可允许竖直偏振光穿过到达用户的眼睛308，并且以其他方式反射所有其他非竖直偏振的光。
36.图4是根据一些实施方案的包括显示器和光学子系统的系统400的示意性截面图，该光学子系统包括空间变化延迟器(svr)。系统400可结合在头戴式设备中，诸如可穿戴设备104/204。然而，应当理解，系统400可结合在其他类型的设备中，包括但不限于相机、双筒望远镜、办公装备、科学仪器等。该系统400可包括像素化显示设备402(有时称为信息显示器402)、背光组件404和光学子系统406。还示出了用户的眼睛408的示意图。此类元件沿着光轴410对准。
37.发射光的背光组件404可包括光源，诸如一个或多个发光二极管(led)、一个或多个oled、一个或多个冷阴极荧光灯管(ccfl)、一个或多个激光器、一个或多个量子点或这些示例性光源的任何组合。背光组件404中的光源可发射跨广谱的光(例如，白光)，使得信息显示器402可产生跨可见光谱的彩色图像。背光组件404可在例如约160度至180度的范围内跨其整个正面均匀地发射光。
38.信息显示器402与背光组件404协同工作，可在至多约180度的角度范围内发射光(只是避开平行于背光组件404的面的光)。该发射角度的范围有时称为背光组件404的视场或背光组件404的光锥。在一些实施方案中，信息显示器402可以是包括一个或多个偏振层、液晶层和薄膜晶体管层的lcd矩阵。该lcd矩阵通过以像素化方式模糊背光的部分来创建图像。当光412从背光组件404发射并且穿过信息显示器402(例如，lcd矩阵)时，显示图像。为清楚起见，图4示出了背光组件404和信息显示器402之间的间距。然而，这两个部件可夹置在一起，在它们之间具有很小的空间(如果有的话)。
39.光学子系统406可包括透镜组件，以引导来自信息显示器402的光朝向用户的眼睛408。例如，光学子系统406可具有薄饼构型。在这种情况下，如下所述，光学子系统406可包括光学元件的组件，该光学元件的组件被配置为使用至少部分地基于光的偏振的同轴光学折叠以引导来自信息显示器402的光朝向用户的眼睛408。在一些实施方案中，光学子系统406的透镜组件包括除透镜之外的各种光学元件。例如，光学子系统406可包括至少一个线性偏振器438和空间变化延迟器(svr)416。线性偏振器438可位于光学子系统406的svr 416和出射表面414之间。svr 416被配置为将穿过svr 416的光的相位修改对于svr 416的不同部分不同的量。例如，从显示器的周边朝向用户的眼睛发射的光可以相对大的入射角进入光学子系统406。svr 416如果被配置用于跨svr 416进行不同程度的相位修改，则可向来自任何和所有角度的光提供适当水平的延迟，以便减轻非期望的视觉效果(例如，去除不想要的杂散光以免到达用户的眼睛408)。
40.图4示出了由信息显示器402生成的图像的光的示例性光线路径418。为简单起见，光学子系统406被示意性地示出为包括至少一个透镜形元件。然而，光学子系统406可包括不需要是透镜的多种类型的光学元件中的任一种光学元件。现在描述光学子系统406的特定示例。
41.光学子系统406可包括反射和折射元件430(有时称为“元件430”)。反射和折射元件430可包括50/50镜，该镜允许约50％的入射光穿过元件430，同时约50％的该入射光被元
件430反射离开。光学子系统406还可包括具有正面422和背面424的第一四分之一波片426。第一四分之一波片426可设置在分束器436上，该分束器具有与第一四分之一波片426的背面424相邻的正面，以及背面428。分束器436可设置在svr 416上。svr 416可设置在线性偏振器438上。应当理解，“设置在
……
上”可意指直接设置在
……
上，或间接设置在
……
上(例如，具有一个或多个中间层)。此外，应当理解，“设置在
……
上”可意指“与
……
接触”或“与
……
相邻”，使得在设置在另一层上的层之间可存在空间。
42.在一个示例中，svr 416可以是第二四分之一波片的一部分。这样，第二四分之一波片(插置在分束器436和线性偏振器438之间)可包括材料、特征或另一种合适的机构，以将穿过svr 416的光的相位修改对于svr416的不同部分不同的量。尽管图4中将svr 416示出和描述为插置在分束器436和线性偏振器438之间，但应当理解，另选地，svr 416可以是第一四分之一波片426的一部分。在该另选的实施方案中，图4中所示的svr 416可用标准的四分之一波片代替。即，光学子系统406可包括两个四分之一波片(一个在426的位置处，并且一个在416的位置处)，其中svr可以是这两个四分之一波片中的任一者的一部分。在一些实施方案中，当光学子系统406包括两个四分之一波片(一个在426的位置处，并且一个在416的位置处)时，svr可以是两个四分之一波片的一部分。
43.为了示出光学子系统406的工作原理，光线路径418进入光学子系统406，在光学子系统406的入射侧面(或表面)(例如，在元件430的入射侧面)处被偏振(例如，线性偏振到一个取向，p)。光的一部分穿过反射和折射元件430，同时该光的其余部分被元件430反射离开。从元件430的出射侧面射出的光线路径418表示穿过元件430的那部分光。然后，从元件430射出的光穿过第一四分之一波片426并且变为圆偏振的。该圆偏振光从分束器436反射并且沿相反方向穿过第一四分之一波片426，使得该光改变其旋向性，同时保持圆偏振并且以45度取向。在一些实施方案中，分束器436包括另一个50/50镜。沿相反方向穿过第一四分之一波片426的光被再次反射，以使该光沿正向(即，朝向用户的眼睛408)第三次穿过第一四分之一波片426。该反射光穿过分束器436，然后穿过svr 416(例如，包括svr 416的第二四分之一波片)，并且随后穿过线性偏振器438以从光学子系统406的出射侧面414(或表面)射出。
44.svr 416根据svr 416上的入射光入射到svr 416上的位置，以适当水平的延迟修改穿过svr 416的光的相位。这样，从svr 416射出的光是水平偏振的。因为线性偏振器438允许水平偏振光穿过到达用户的眼睛408，并且以其他方式阻挡竖直偏振光，所以svr 416进行后期相位修改以允许该光穿过线性偏振器438。在图4的示例中，因为示例性光线路径418是偏轴的，所以进入svr 416的光线路径418是椭圆偏振的，并且svr 416上光线路径418入射到svr 416上的位置包括将光的相位修改适当的量以使入射的椭圆偏振光作为水平偏振光射出的材料(例如，双折射材料)和/或特征。这可通过以等于零的入射角入射到光学子系统406上的同轴光线路径(未示出)来进行对比。此类同轴光线路径不会被svr 416改变其偏振态，因为该相位修改的量跨svr 416的区域进行变化，而在svr 416的中心处几乎没有相位修改。然而，对于偏轴更远的入射光，svr 416被配置为根据入射角以及因此根据svr 416上的位置以适当的量修改偏轴入射光的相位。
45.图5是根据一些实施方案的包括显示器和光学子系统的系统500的示意性截面图。系统500可结合在头戴式设备中，诸如可穿戴设备104/204。然而，应当理解，系统500可结合
在其他类型的设备中，包括但不限于相机、双筒望远镜、办公装备、科学仪器等。系统500可包括像素化显示设备502(有时称为信息显示器502)、背光组件504和光学子系统506。还示出了用户的眼睛508的示意图。此类元件沿着光轴510对准。
46.发射光的背光组件504可包括光源，诸如一个或多个发光二极管(led)、一个或多个oled、一个或多个冷阴极荧光灯管(ccfl)、一个或多个激光器、一个或多个量子点或这些示例性光源的任何组合。背光组件504中的光源可以发射跨广谱的光(例如，白光)，使得信息显示器502可产生跨可见光谱的彩色图像。背光组件504可在例如约160度至180度的范围内跨其整个正面均匀地发射光。
47.信息显示器502与背光组件504协同工作，可在至多约180度的角度范围内发射光(只是避开平行于背光组件504的面的光)。该发射角度的范围有时称为背光组件504的视场或背光组件504的光锥。在一些实施方案中，信息显示器502可以是包括一个或多个偏振层、液晶层和薄膜晶体管层的lcd矩阵。该lcd矩阵通过以像素化方式模糊背光的部分来创建图像。当光512从背光组件504发射并且穿过信息显示器502(例如，lcd矩阵)时，显示图像。为清楚起见，图5示出了背光组件504和信息显示器502之间的间距。然而，这两个部件可夹置在一起，在它们之间具有很小的空间(如果有的话)。
48.光学子系统506可包括透镜组件，以引导来自信息显示器502的光朝向用户的眼睛508。例如，光学子系统506可具有薄饼构型。在这种情况下，如下所述，光学子系统506可包括光学元件的组件，该光学元件的组件被配置为使用至少部分地基于光的偏振的同轴光学折叠以引导来自信息显示器502的光朝向用户的眼睛508。在一些实施方案中，光学子系统506的透镜组件包括除透镜之外的各种光学元件。例如，光学子系统506可包括至少一个线性偏振器538和空间变化延迟器(svr)516。线性偏振器538可位于光学子系统506的svr 516和出射表面514之间。svr 516被配置为将穿过svr 516的光的相位修改对于svr 516的不同部分不同的量。例如，如果背光/显示器以变化的角度发射光，则从显示器的周边朝向用户的眼睛发射的光可以相对大的入射角进入光学子系统506。svr 516如果被配置用于跨svr 516进行不同程度的相位修改，则可向来自任何和所有角度的光提供适当水平的延迟，以便减轻非期望的视觉效果(例如，去除不想要的杂散光以免到达用户的眼睛508)。
49.图5示出了由信息显示器502生成的图像的光的示例性光线路径518。为简单起见，光学子系统506被示意性地示出为包括至少一个透镜形元件的框。然而，光学子系统506可包括不需要是透镜的多种类型的光学元件中的任一种光学元件。现在描述光学子系统506的特定示例。
50.光学子系统506可包括具有正面522和背面524的线性偏振器520。线性偏振器520可设置在四分之一波片526上，该四分之一波片具有与线性偏振器520的背面524相邻的正面，以及背面528。四分之一波片526可设置在双合透镜530上。在一个示例中，双合透镜530可包括具有平坦面532和凹表面534的平凹单透镜。凹表面534的曲率可建立光学子系统506的焦距。可包括光学涂层(例如，金属薄膜或多层介电膜)的第一反射偏振分束器可位于(例如，设置在
……
上)双合透镜530的凹表面534处。双合透镜530可设置在svr 516上。svr 516可设置在第二反射偏振分束器536上。第二反射偏振分束器536可设置在任选的第二线性偏振器538上。应当理解，“设置在
……
上”可意指直接设置在
……
上，或间接设置在
……
上(例如，具有一个或多个中间层)。此外，应当理解，“设置在
……
上”可意指“与
……
接触”或“与
……
相邻”，使得在设置在另一层上的层之间可存在空间。
51.为了示出光学子系统506的工作原理，光线路径518在光学子系统506的入射侧面(或表面)处非偏振地进入光学子系统506，并且光线路径518由线性偏振器520偏振到一个取向，例如p。在穿过四分之一波片526之后，该光被右旋圆偏振。在穿过双合透镜530并且随后穿过svr 516之后，所得的s偏振光从第二反射偏振分束器536反射，沿相反方向穿过svr 516，在双合透镜530的凹表面534处从第一反射偏振分束器再次反射，并且第三次穿过svr 516，以作为p偏振光从光学子系统506的出射侧面514(或表面)射出。可通过任选的第二线性偏振器538去除任何杂散s偏振光，使得纯p偏振光到达眼睛508。
52.图6是根据一些实施方案的示例性空间变化延迟器(svr)600的示意图。例如，svr 600可与图3/图4/图5中所示的svr 316/416/516相同或类似。
53.在一些示例中，svr 600可以是具有基板602、配向层604以及液晶元件的m个扭曲双折射层606a、606b、...、606m的单片结构，其中m是2或更大的整数。此类层可包括可聚合液晶。图6中的圆柱体与光轴(和向列指向矢场)相对应。随后的扭曲双折射层606与先前的扭曲双折射层606对准。椭圆608和610分别示意性地表示入射光612和出射光614的偏振。
54.svr 600提供了许多益处，诸如对宽带偏振转换的有效控制。因为svr600包括了直接与先前的层对准的随后的液晶层，所以svr 600的制造相对简单，从而实现了自动层对准，并且产生了具有连续变化的光轴的单片膜。svr 600通常非常适合用于图案化消色差延迟器，并且可在可见波长到红外波长的范围内实现大带宽和/或低延迟变化。例如，svr 600可跨450纳米(nm)-650nm和400nm-800nm的带宽以相对高的消色差性工作。
55.应当理解，图6中所示的示例性svr 600只是适用于在本文所述的技术和系统中实施的svr 416/516的一种示例性类型。在一些实施方案中，示例性svr 416/516可包括一个或多个双折射材料层(诸如聚合物)，该一个或多个双折射材料层充当改变以对于svr的不同部分不同的量穿过svr的光的偏振态的机构。在一些实施方案中，示例性svr 416/516可包括薄膜二色性材料(例如，堆叠)，该薄膜二色性材料充当改变以对于svr的不同部分不同的量穿过svr的光的偏振态的机构。在一些实施方案中，示例性svr 416/516可包括具有纳米特征的基板，该基板充当改变以对于svr的不同部分不同的量穿过svr的光的偏振态的机构。在这些示例性构型中的任一种构型中，svr 416/516根据svr 416/516上的位置以不同程度/量来改变偏振(例如，朝向svr 416/516的周边以较大的量改变偏振态，以及朝向svr 416/516的中心以较小的量改变偏振态)。
56.图7是根据一些实施方案的包括显示器和光学子系统的系统700的示意性截面图。系统700可结合在头戴式设备中，诸如可穿戴设备104/204。系统700可包括信息显示器702、背光组件704和光学子系统706。还示出了用户的眼睛708的示意图。此类元件沿着光轴710对准。
57.系统700可类似于图5中所示的系统500，增加了设置在光学子系统706的入射侧面714(或表面)上的菲涅耳透镜712或设置在光学子系统706的出射侧面718(或表面)上的菲涅耳透镜716。例如，如参考图4所述，菲涅耳透镜712可设置在第一四分之一波片426的正面422上，或者如参考图5所述，设置在线性偏振器520的正面522上。另选地，偏振分束器338、第二反射偏振分束器536或线性偏振器438/538(如参考图3/图4/图5所述)可设置在菲涅耳透镜716上。尽管图7示出了作为光学子系统706的一部分的菲涅耳透镜716和718两者，但应
当理解，光学子系统706可包括菲涅耳透镜712而没有菲涅耳透镜716，或者光学子系统706可包括菲涅耳透镜716而没有菲涅耳透镜712。菲涅耳透镜(712或716)对光学子系统706的此类添加可用于修改从光学子系统706出射的光的焦距。其他类型的透镜可除此之外或另选地用在光学子系统706的侧面714和/或侧面718上
58.图8是根据一些示例性实施方案的示出用于向显示设备的用户的眼睛提供聚焦图像的过程800的流程图。例如，此类显示设备可包括在与可穿戴设备104相同或类似的hmd中。在框802中，显示设备可使用像素化显示设备(诸如lcd显示器)生成图像。例如，此类生成可与照明背光协同工作。在框804处，显示设备可将图像的光引导至透镜组件，诸如光学子系统506，以将图像的焦距修改为修改后的焦距。例如，透镜组件可包括空间变化延迟器(svr)316/416/516/600，该svr 316/416/516/600被配置为将穿过svr 316/416/516/600的光的相位修改对于svr 316/416/516/600的不同部分不同的量。在框806处，显示设备可将具有修改后的焦距的图像投射到用户的眼睛上。
59.在一些实施方案中，本文所述的空间变化延迟器(svr)316/416/516/600可用校正因子来制造，以校正可能在本文所述的系统的部件中发生的制造误差。可在本文所述的svr 316/416/516/600的制造过程中校正的一个示例性制造误差是模制透镜中的应力双折射，该应力双折射可以是在制造过程中模制该透镜的副产物。举例说明，当各向同性材料受到应力或变形(即，拉伸或弯曲)时，会产生应力双折射，从而导致物理各向同性的损失，并且因此导致材料的介电常数张量中各向同性的损失。因此，当透镜被模制时，这可能产生模制透镜中的应力双折射。例如，参考图3，光学子系统306可包括插置在第一四分之一波片326和svr 316之间的透镜330。透镜330可以是使用模制技术制造的模制透镜，其中透镜330的材料受到应力或变形以产生成品部件的期望特性(例如，形状)。作为该制造过程的结果，如本文所解释的，所制造的透镜330可表现出应力双折射。模制透镜330中的这种应力双折射可在本文所述的svr 316的制造过程中得到补偿，这可有效地将从透镜330射出的光的偏振恢复到如果模制透镜330中不存在应力双折射时将处于的状态。换句话说，包括应力双折射(作为制造透镜330的结果)的模制透镜330可能以非期望的方式使穿过其中的光偏振，并且这些非期望的偏振效果可通过制造具有补偿这些非期望的偏振效果的校正因子的svr 316而被有效地“消除”。例如，在svr 316的制造过程中(例如，布置用于svr 316的材料片的制造过程)，可将校正因子应用于svr 316以考虑所制造的或将制造的模制透镜330中的已知或确定的应力双折射量。该校正因子可包括但不限于对用于制造svr 316的双折射材料的类型的调整、对将包括在svr 316中的双折射层606(参见图6)的数量m的调整、对将包括在svr 316中的特征(例如，纳米特征)的调整(例如，通过改变特征的类型、数量和/或密度)等。在一些实施方案中，如果应力双折射是局部化的，则可在svr 316上的与模制透镜330中的局部应力双折射相对应的位置处将校正因子应用于svr316。在一些实施方案中，svr 316可被应用为具有校正因子的膜，以校正或补偿模制透镜330中的制造误差。因此，所制造的svr 316可根据模制透镜330中的制造缺陷的程度和/或位置提供适当水平的延迟。
60.可在本文所述的svr 316/416/516/600的制造过程中校正的另一个示例性制造误差是偏振分束器(本文有时称为“反射偏振器”或“反射膜”)上的偏振变化。举例说明，可使用辊对辊工艺来制造偏振分束器。在此类制造过程中，可将用于偏振分束器的材料辊平(例如，成片)，在材料被辊平时拉伸该材料，并且随后可将一层薄膜应用于该辊平的材料以制
得成品部件。再次参考图3，以举例的方式，光学子系统306可包括位于光学子系统306的svr 316和出射表面(或侧面)314之间的偏振分束器338。偏振分束器338可使用如本文所述的辊对辊技术进行制造，其中偏振分束器338的材料被拉伸或变形以产生成品部件。作为该制造过程的结果，所制造的偏振分束器338可具有制造误差，这些制造误差可包括偏振分束器338上的非期望偏振变化。偏振分束器338中的这些制造误差也可在形成本文所述的svr 316时得到补偿。例如，在svr 316的制造过程中(例如，布置用于svr 316的材料片的制造过程)，可将校正因子应用于svr 316以考虑在所制造的或将制造的偏振分束器338中的已知或确定的偏振变化量。该校正因子可包括但不限于对用于制造svr 316的双折射材料的类型的调整、对将包括在svr 316中的双折射层606(参见图6)的数量m的调整、对将包括在svr 316中的特征(例如，纳米特征)的调整(例如，通过改变特征的类型、数量和/或密度)等。在一些实施方案中，如果偏振分束器338中的非期望偏振是局部化的，则可在svr 316上的与偏振分束器338中的局部非期望偏振相对应的位置处将校正因子应用于svr 316。在一些实施方案中，svr 316可作为具有校正因子的膜应用于偏振分束器338，以便校正或补偿偏振分束器338中的已知或确定的制造误差。在一些实施方案中，该校正因子(在形成svr 316时应用的)可在制造过程中直接应用于偏振分束器338，这可有助于偏振分束器338的整体性能，并且从而有助于包括如本文所述的这些部件的系统的整体性能。
61.尽管上文单独地讨论了模制透镜330中的第一制造误差和偏振分束器338中的第二制造误差，但应当理解，可用校正因子来制造svr316/416/516/600，以校正或补偿如本文所述的模制透镜330和偏振分束器338两者中的制造误差。即，在svr 316/416/516/600的制造过程中，应用于svr 316/416/516/600的校正因子可基于模制透镜330中的第一制造误差和偏振分束器338中的第二制造误差两者。这样，svr 316/416/516/600可以补偿两种制造误差的方式进行制造。
62.图9是示出用于在空间变化延迟器(svr)316/416/516/600的制造过程中应用校正因子以补偿模制透镜和/或偏振分束器中的已知或确定的制造误差的过程900的流程图。过程900可在将包括在hmd中的显示系统的光学子系统的制造过程中实施，诸如与可穿戴设备104相同或类似的hmd。
63.在框902中，可确定光学子系统的制造部件中的制造误差的程度。例如，在子框904处，可确定模制透镜中的应力双折射量。这可使用偏振技术来测量，诸如通过测量穿过模制透镜材料的光的偏振变化。在一些实施方案中，可测量模制透镜材料内的部件的折射率的差值，以确定应力双折射量。在一些实施方案中，如果模制透镜中的应力双折射不均匀，则可在子框904处确定模制透镜上表现出应力双折射的位置。又如，在子框906处，可确定偏振分束器中的偏振变化。这可根据消光比、激光诱导损伤阈值(lidt)、波长范围和/或整个偏振分束器的厚度来测量。在一些实施方案中，如果偏振分束器中的非期望/不想要的偏振是局部化的，则可在子框906处确定偏振分束器上表现出非期望偏振的位置。
64.在框908中，可确定将在空间变化延迟器(svr)316/416/516/600的制造过程中(例如，在形成或制造时)应用的校正因子。在框908处确定的校正因子被配置为补偿在框902处确定的制造误差。例如，可确定校正因子以校正模制透镜的第一制造误差、校正偏振分束器的第二制造误差或校正模制透镜和偏振分束器两者的制造误差。在一些实施方案中，该校正因子是根据对用于制造svr 316/416/516/600的双折射材料的类型的调整、对将包括在
svr 316/416/516/600中的双折射层606(参见图6)的数量m的调整、对将包括在svr 316/416/516/600中的特征(例如，纳米特征)的调整(例如，通过改变特征的类型、数量和/或密度)等的校正因子。在一些实施方案中，如果在有缺陷的部件中被校正的制造缺陷是局部化的，则可在svr 316/416/516/600上的与有缺陷的部件中的局部化制造缺陷相对应的位置处将校正因子应用于svr 316/416/516/600。
65.在框910中，可在框908处通过应用确定的校正因子来制造(例如，形成)svr 316/416/516/600。可对上述示例进行许多变化和修改，这些示例中的元素将被理解为在其他可接受的示例中。所有此类修改和变化旨在被包括在本公开的范围内。