角度补偿透镜和显示器

摘要

一种显示器包括显示像素阵列和光弯折组件。显示像素阵列被配置成产生显示光。光弯折组件设置在显示像素阵列上，以接收显示光并产生经补偿的显示光。光弯折组件基于显示光的给定光线入射到光弯折组件上的入射位置来弯折显示光的给定光线。

权利要求

1.一种头戴式显示器HMD，包括：

聚焦透镜，所述聚焦透镜被配置为针对所述HMD的用户的眼睛聚焦经补偿的显示光，其中所述聚焦透镜包括中心光轴；

显示器，所述显示器包括被配置为产生显示光的显示像素阵列；以及光弯折组件，所述光弯折组件耦合到显示器，使得所述光弯折组件设置在所述显示像素阵列上以接收所述显示光并为所述聚焦透镜产生所述经补偿的显示光，其中所述光弯折组件基于所述显示光的给定光线入射到所述光弯折组件上的入射位置来弯折所述显示光的给定光线，并且其中所述光弯折组件将所述给定光线弯折成对准其相对于所述聚焦透镜的主光线角度；并且其中所述光弯折组件包括光弯折透镜，所述光弯折透镜被配置为接收第一圆偏振取向的所述显示光，并将第二圆偏振取向赋予所述经补偿的显示光，并且其中所述显示光的第一圆偏振取向的旋转与所述第二圆偏振取向相反。

2.根据权利要求1所述的HMD，其中由所述光弯折组件赋予的弯折角度随着显示光的所述给定光线的入射位置远离所述光弯折组件的中心而增加，并且其中以相应主光线角度传播的所述经补偿的显示光的经补偿的光线具有基本相同的亮度值。

3.根据权利要求1所述的HMD，其中所述聚焦透镜的中心光轴与所述显示像素阵列的中心和所述光弯折组件的中心对准。

4.根据权利要求2所述的HMD，其中所述聚焦透镜的中心光轴与所述显示像素阵列的中心和所述光弯折组件的中心对准。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的HMD，其中所述光弯折透镜包括多个液晶单元，并且其中所述多个液晶单元的间距随着所述多个液晶单元中的液晶单元远离所述光弯折透镜的中心而减小。

6.根据权利要求5所述的HMD，其中由给定液晶单元赋予的弯折角度随着所述给定液晶单元的间距减小而增大。

7.根据权利要求5所述的HMD，其中所述光弯折组件向在所述光弯折组件的中心接收的显示光赋予大约0度的弯折角度，并且其中所述光弯折组件在所述光弯折组件的边缘赋予

15度至25度之间的弯折角度。

8.根据权利要求6所述的HMD，其中所述光弯折组件向在所述光弯折组件的中心接收的显示光赋予大约0度的弯折角度，并且其中所述光弯折组件在所述光弯折组件的边缘赋予

15度至25度之间的弯折角度。

9.根据权利要求1至4和6至8中任一项所述的HMD，还包括：设置在所述显示像素阵列和所述光弯折组件之间的圆偏振器，其中所述圆偏振器被配置为向所述显示光赋予圆偏振取向。

10.根据权利要求5所述的HMD，还包括：

设置在所述显示像素阵列和所述光弯折组件之间的圆偏振器，其中所述圆偏振器被配置为向所述显示光赋予圆偏振取向。

11.一种显示器，包括：

显示像素阵列，所述显示像素阵列被配置为产生显示光；和

光弯折组件，所述光弯折组件耦合到显示器，使得所述光弯折组件设置在所述显示像素阵列上以接收所述显示光并产生经补偿的显示光，其中所述光弯折组件基于所述显示光的给定光线入射到所述光弯折组件上的入射位置来弯折所述显示光的给定光线，并且其中由所述光弯折组件赋予的弯折角度随着所述显示光的给定光线的入射位置远离所述光弯折组件的中心而增加，并且其中所述光弯折组件包括光弯折透镜，所述光弯折透镜被配置为接收第一圆偏振取向的所述显示光，并将第二圆偏振取向赋予所述经补偿的显示光，并且其中所述显示光的第一圆偏振取向的旋转与所述第二圆偏振取向相反。

12.根据权利要求11所述的显示器，其中所述经补偿的显示光的经补偿的光线具有基本相同的亮度值。

13.根据权利要求11所述的显示器，其中所述显示像素阵列的中心与所述光弯折组件的中心对准。

14.根据权利要求12所述的显示器，其中所述显示像素阵列的中心与所述光弯折组件的中心对准。

15.根据权利要求11至14中任一项所述的显示器，其中所述光弯折透镜包括多个液晶单元，并且其中所述多个液晶单元的间距随着所述多个液晶单元中的液晶单元远离所述光弯折透镜的中心而减小。

16.根据权利要求15所述的显示器，其中由给定液晶单元赋予的弯折角度随着所述给定液晶单元的间距减小而增大。

17.根据权利要求15所述的显示器，其中所述光弯折组件向在所述光弯折组件的中心接收的显示光赋予大约0度的弯折角度，并且其中所述光弯折组件在所述光弯折组件的边缘赋予15度至25度之间的弯折角度。

18.根据权利要求16所述的显示器，其中所述光弯折组件向在所述光弯折组件的中心接收的显示光赋予大约0度的弯折角度，并且其中所述光弯折组件在所述光弯折组件的边缘赋予15度至25度之间的弯折角度。

19.根据权利要求11至14和16至18中任一项所述的显示器，还包括：设置在所述显示像素阵列和所述光弯折组件之间的圆偏振器，其中所述圆偏振器被配置为向所述显示光赋予圆偏振取向。

20.根据权利要求15所述的显示器，还包括：

设置在所述显示像素阵列和所述光弯折组件之间的圆偏振器，其中所述圆偏振器被配置为向所述显示光赋予圆偏振取向。

21.一种光学系统，包括：

透镜，所述透镜被配置为接收经补偿的显示光；

显示器，所述显示器包括被配置为产生显示光的显示像素阵列；以及光弯折组件，所述光弯折组件耦合到显示器，使得所述光弯折组件设置在所述显示像素阵列上以接收所述显示光并为所述透镜产生所述经补偿的显示光，其中所述光弯折组件包括液晶分子，所述液晶分子被配置为根据所述显示光的给定光线在所述光弯折组件上的入射位置以不同角度弯折所述显示光，并且其中所述光弯折组件包括光弯折透镜，所述光弯折透镜被配置为接收第一圆偏振取向的所述显示光，并将第二圆偏振取向赋予所述经补偿的显示光，并且其中所述显示光的第一圆偏振取向的旋转与所述第二圆偏振取向相反。

22.根据权利要求21所述的光学系统，其中所述液晶分子被配置成改变所述显示光的给定光线的相位，以弯折所述显示光的给定光线。

23.根据权利要求21或22所述的光学系统，其中所述经补偿的显示光的经补偿的光线具有基本相同的亮度值。

说明书

角度补偿透镜和显示器

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请要求2018年12月14日提交的美国非临时申请第16/220,806号的优先权，该申请由此通过引用并入。

技术领域

[0003] 本公开大体上涉及光学器件，尤其涉及显示器。

[0004] 背景信息

[0005] 头戴式显示器(HMD)可以包括用于向HMD用户呈现图像的显示器。例如，所呈现的图像的质量可以增强用户体验，并且有助于用户在参与虚拟现实时体验的“在场”感。历史上，HMD中使用的显示器利用了为在移动电子设备(诸如智能电话)中使用而设计的小型显示器。然而，显示器的设计目标可能不同于移动电子设备的目标，例如在显示器可以通过透镜观看的情况下。

[0006] 特定实施例的概述

[0007] 根据本发明的实施例在所附权利要求中具体公开，权利要求涉及头戴式显示器(HMD)、显示器和光学系统方法，其中在一个权利要求类别(例如HMD)中提到的任何特征也可以在另一个权利要求类别(例如显示器、光学系统、系统、存储介质和计算机程序产品)中要求保护。在所附权利要求中的从属性或往回引用仅为了形式原因而被选择。然而，也可以要求保护由对任何前面的权利要求的有意往回引用(特别是多项引用)而产生的任何主题，使得权利要求及其特征的任何组合被公开并且可被要求保护，而不考虑在所附权利要求中选择的从属性。可以被要求保护的主题不仅包括如在所附权利要求中阐述的特征的组合，而且还包括在权利要求中的特征的任何其他组合，其中，在权利要求中提到的每个特征可以与在权利要求中的任何其他特征或其他特征的组合相结合。此外，本文描述或描绘的实施例和特征中的任一个可以在单独的权利要求中和/或以与本文描述或描绘的任何实施例或特征的任何组合或以与所附权利要求的任何特征的任何组合被要求保护。

[0008] 在实施例中，头戴式显示器(HMD)可以包括：

[0009] 聚焦透镜，其被配置为针对HMD的用户的眼睛聚焦经补偿的显示光，其中聚焦透镜包括中心光轴；

[0010] 显示器，其包括被配置为产生显示光的显示像素阵列；以及

[0011] 光弯折(light bending)组件，其设置在显示像素阵列上以接收显示光并为聚焦透镜产生经补偿的显示光，其中光弯折组件基于显示光的给定光线入射到光弯折组件上的入射位置来弯折显示光的给定光线，并且其中光弯折组件将给定光线弯折成对准其相对于聚焦透镜的主光线角度(chief ray angle)。

[0012] 由光弯折组件赋予的弯折角度可以随着显示光的给定光线的入射位置离光弯折组件的中心变得更远而增加，并且以相应主光线角度传播的经补偿的显示光的经补偿的光线可以具有基本相同的亮度值。

[0013] 聚焦透镜的中心光轴可以与显示像素阵列的中心和光弯折组件的中心对准。

[0014] 光弯折组件可以包括光弯折透镜，该光弯折透镜被配置为接收第一圆偏振取向的显示光，并将第二圆偏振取向赋予经补偿的显示光，并且显示光的第一圆偏振取向的旋转可以与第二圆偏振取向相反。

[0015] 光弯折透镜可以包括多个液晶单元，并且随着多个液晶单元中的液晶单元离光弯折透镜的中心越来越远，多个液晶单元的间距(pitch)可以减小。

[0016] 由给定液晶单元赋予的弯折角度可以随着给定液晶单元的间距减小而增大。

[0017] 光弯折组件可以向光弯折组件的中心处接收的显示光赋予大约0度的弯折角度，并且光弯折组件可以在光弯折组件的边缘赋予15度至25度之间的弯折角度。

[0018] 在实施例中，HMD可以包括：设置在显示像素阵列和光弯折组件之间的圆偏振器，其中该圆偏振器被配置为向显示光赋予圆偏振取向。

[0019] 在实施例中，显示器可以包括：

[0020] 显示像素阵列，其被配置为产生显示光；和

[0021] 光弯折组件，其设置在显示像素阵列上以接收显示光并产生经补偿的显示光，其中光弯折组件基于显示光的给定光线入射到光弯折组件上的入射位置来弯折显示光的给定光线，并且其中由光弯折组件赋予的弯折角度随着显示光的给定光线的入射位置离光弯折组件的中心越远而增加。

[0022] 经补偿的显示光的经补偿的光线可以具有基本相同的亮度值。

[0023] 显示像素阵列的中心可以与光弯折组件的中心对准。

[0024] 光弯折组件可以包括光弯折透镜，该光弯折透镜被配置为接收第一圆偏振取向的显示光，并将第二圆偏振取向赋予经补偿的显示光，并且显示光的第一圆偏振取向的旋转可以与第二圆偏振取向相反。

[0025] 光弯折透镜可以包括多个液晶单元，并且随着多个液晶单元中的液晶单元离光弯折透镜的中心越来越远，多个液晶单元的间距可以减小。

[0026] 由给定液晶单元赋予的弯折角度可以随着给定液晶单元的间距减小而增大。

[0027] 光弯折组件可以向在光弯折组件的中心接收的显示光赋予大约0度的弯折角度，并且光弯折组件可以在光弯折组件的边缘赋予15度至25度之间的弯折角度。

[0028] 在实施例中，显示器可以包括：设置在显示像素阵列和光弯折组件之间的圆偏振器，其中该圆偏振器被配置为向显示光赋予圆偏振取向。

[0029] 在实施例中，一种光学系统可以包括：

[0030] 透镜，其被配置为接收经补偿的显示光；

[0031] 显示器，其包括被配置为产生显示光的显示像素阵列；以及

[0032] 光弯折组件，其设置在显示像素阵列上以接收显示光并为透镜产生经补偿的显示光，其中光弯折组件包括液晶分子，该液晶分子被配置为根据显示光的给定光线在光弯折组件上的入射位置以不同角度弯折显示光。

[0033] 液晶分子可以被配置为改变显示光的给定光线的相位，以弯折显示光的给定光线。

[0034] 光弯折组件可以被配置为接收第一圆偏振取向的显示光，并将第二圆偏振取向赋予经补偿的显示光，并且显示光的第一圆偏振取向的旋转可以与第二圆偏振取向相反。

[0035] 经补偿的显示光的经补偿的光线可以具有基本相同的亮度值。

[0036] 在本发明的另一实施例中，一个或更多个计算机可读非暂时性存储介质体现软件，该软件在被执行时可操作来在根据本发明或任何上面提到的实施例的系统中执行。

[0037] 在本发明的另一实施例中，计算机实现的方法使用根据本发明或任何上面提到的实施例的系统。

[0038] 在本发明的另一实施例中，优选地包括计算机可读非暂时性存储介质的计算机程序产品在根据本发明或任何上面提到的实施例的系统中被使用。

[0039] 附图简述

[0040] 参考以下附图描述了本发明的非限制性和非穷尽性实施例，其中除非另有说明，否则相同的附图标记在各个视图中指代相同的部件。

[0041] 图1示出了根据本公开的实施例的可包括一个或更多个角度补偿显示器的示例头戴式显示器(HMD)。

[0042] 图2A‑2C示出了包括显示器和相关亮度分布(brightness profile)的HMD。

[0043] 图3示出了根据本公开的实施例的包括显示器和光弯折组件的系统。

[0044] 图4示出了根据本公开的实施例的形状为正方形的示例光弯折组件的前视图。

[0045] 图5A‑5F示出了根据本公开的实施例的示例光弯折透镜以及相关示例特征曲线图。

[0046] 图6示出了根据本公开的实施例的改变接收光的偏振取向的液晶层。

[0047] 图7A‑7D示出了根据本公开的实施例的光弯折透镜和显示圆偏振光相对于入射位置的相位变化的曲线图。

[0048] 图8A‑8C示出了根据本公开的实施例，通过调制透明导电板两端的电压来改变液晶分子的倾斜角。

[0049] 详细描述

[0050] 本文描述了角度补偿透镜和显示器以及包括角度补偿显示器的头戴式显示器(HMD)的实施例。在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，本文描述的技术可以在没有一个或更多个具体细节的情况下实施，或者利用其他方法、部件、材料等来实施。在其他情况下，没有详细示出或描述公知的结构、材料或操作，以避免模糊某些方面。

[0051] 在整个这个说明书中对“一个实施例”或“实施例”的提及意指结合实施例所描述的特定的特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”在整个这个说明书的各种地方中的出现不一定都指同一实施例。此外，特定特征、结构、或特性可以以任何适当的方式在一个或更多个实施例中组合。

[0052] 本公开中描述的角度补偿显示器、光弯折组件和HMD可以向HMD的用户提供基本均匀亮度的图像光。当HMD包括用于为用户聚焦显示光的透镜时，在透镜中心接收的显示光通常近似垂直于显示器的二维像素平面，而在透镜边缘接收的显示光通常是成角度的显示光。因此，从显示器边缘接收的显示光相比从显示器中心接收的显示光具有更低的亮度值。例如，在透镜中心接收的显示光可以比在透镜边缘接收的成角度的显示光亮大约15‑25％。
这种显示光亮度差异可能导致呈现给用户的图像向图像外部越来越暗，从而对观看体验的质量产生负面影响。

[0053] 在本公开的实施例中，设置在显示器上的光弯折组件通过在显示光远离光弯折组件的中心时，随着显示光的入射位置逐渐增加显示光的弯折角度来产生经补偿的显示光。光弯折组件的中心和显示器的中心可以在HMD中聚焦透镜的中心光轴上轴向对准。通过逐渐增加显示光的弯折角度，聚焦透镜接收的经补偿的显示光可以具有基本相同的亮度值，使得呈现给用户的图像具有基本均匀的亮度。在一个实施例中，光弯折组件包括多个具有不同间距的液晶单元。随着液晶单元远离包括液晶单元的光弯折透镜的中心，液晶单元的间距可以减小。下面参照图1‑9描述这些和其他实施例。

[0054] 图1示出了根据本公开的实施例的可包括一个或更多个角度补偿显示器的示例头戴式显示器(HMD)100。示例头戴式显示器(HMD)100包括顶部结构141、后部固定结构143和侧部结构142，侧部结构142与具有前刚性主体144的观看结构140连接。图示的HMD 100被配置成佩戴在HMD用户的头上。在一个实施例中，顶部结构141包括可包括弹性的织物带。侧部结构142和后部固定结构143可以包括用于将HMD固定到用户头部的织物以及刚性结构(例如塑料)。HMD 100可以可选地包括耳机120，其被配置为向HMD 100的佩戴者的耳朵传递音频。

[0055] 在所示实施例中，观看结构140包括用于接触HMD 100佩戴者面部的界面膜118。界面膜118可用于阻挡部分或全部环境光到达HMD 100的佩戴者的眼睛。

[0056] 示例HMD 100还包括用于支撑HMD 100的观看结构140的硬件的机架。观看结构140的硬件可以包括任何处理逻辑、用于发送和接收数据的有线和/或无线数据接口、图形处理器以及用于存储数据和计算机可执行指令的一个或更多个存储器。在一个实施例中，观看结构140可以被配置成接收有线电力。在一个实施例中，观看结构140被配置成由一个或更多个电池供电。在一个实施例中，观看结构140可以被配置成接收包括视频数据的有线数据。在一个实施例中，观看结构140被配置成接收包括视频数据的无线数据。

[0057] 观看结构140可以包括角度补偿显示器，用于将图像光导向HMD 100的佩戴者。该显示器可以包括液晶显示器(LCD)，例如，它有按行和列排列的液晶像素的二维显示像素阵列。显示器可以包括有机发光二极管(OLED)显示器、微型LED显示器、量子点显示器、微型投影仪或硅上液晶(LCOS)显示器，用于将图像光引导到HMD 100的佩戴者。

[0058] 图2A示出了HMD 100的剖视图，其包括显示器210和透镜组件230，该透镜组件230被配置成将显示光211引导至视窗区域。在一些实施例中，显示器210可以被成形为矩形或正方形。显示器210可以包括液晶显示器(LCD)，其具有例如以行和列排列的液晶像素的二维显示像素阵列。显示器210可以包括有机发光二极管(OLED)显示器、微型LED显示器或量子点显示器。透镜组件230被定位成接收显示光211并将显示光211作为图像光213引导至眼睛202。透镜组件230可以被配置成允许HMD 100的佩戴者的眼睛202聚焦在显示器210显示的虚拟图像上。在一个实施例中，透镜组件230是由诸如玻璃或塑料的折射材料形成的双弯月形透镜(double‑meniscus lens)。尽管图2A仅示出了一只眼睛202，但是HMD可以具有用于HMD用户的每只眼睛的显示器210(或共享显示器的一部分)和透镜组件230。

[0059] 图2B示出了显示器的显示像素的示例亮度分布259。在图2B中，当显示像素的视角251为零时，亮度分布259的亮度值处于其最高值(例如，亮度值为100)。换句话说，给定的显示像素沿着与显示像素阵列的二维像素平面近似正交的发射轴发射最高亮度值的显示光。
当以接近90°或‑90°的视角观看同一显示像素时，亮度值处于其最低(接近零)。本领域技术人员理解，亮度分布259仅仅是一个示例，并且理解亮度分布随显示像素技术而变化，并且可能取决于附加因素，例如设置在给定显示像素阵列上的滤光器堆叠。

[0060] 图2C示出了覆盖显示光211的各种光线的示例亮度分布259。在图2C中，显示光线211C从显示器210的中心发出，并且具有基线亮度值或接近基线亮度值的亮度值。透镜230可以被设置成在与透镜230的中心光轴相对应的透镜中心接收显示光线211C。显示光线
211A和211E的亮度值明显小于基线亮度值(例如，小15‑25％)，因为透镜230可以接收与发射出光线211A和211E的显示像素的正交轴220成微小角度的光线211A和211E。图2C示出了与显示器210的显示像素阵列的像素平面正交的示例正交轴220。值得注意的是，显示光线
211A从正交轴220偏移角度221，因此，到达透镜230的光线211A的亮度值明显小于光线211C的基线亮度值(例如，亮度值100)。虽然发射出光线211A的显示像素也可以沿着正交轴220发射具有光线211C的基线亮度值的显示光，但是沿着正交轴220发射的显示光的这个光线没有被透镜230接收，因此没有针对HMD用户的眼睛202被聚焦。显示光线211E以与显示光线
211A相似的角度221发射，因此具有相似的亮度值。

[0061] 显示光线211B和211D可以具有在光线211C的基线亮度值和光线211A或211E的亮度值之间的亮度值，因为光线211B和211D以小于角度221的角度发射。鉴于发射的显示光的亮度值通常随着偏移角221的增大而减小，则由透镜230聚焦的显示光211的亮度会随着给定显示像素的位置离显示器210的中心的距离增大而减小。这可能导致(在图2A中示出的)呈现给眼睛202的图像光213随着离图像中心的距离增加而逐渐变暗。

[0062] 图3示出了根据本公开的实施例的包括显示器310和光弯折组件333的系统300。系统300还包括聚焦透镜230。图3可以是系统300的侧视图或俯视图。显示器310包括显示像素阵列，该显示像素阵列被配置成生成显示光301，该显示光301可以包括呈现给眼睛202的图像。在一些实施例中，光弯折组件333可以耦合到显示器310，尽管为了说明的目的，它在图3中是偏离显示器的。光弯折组件333与显示器310的使用形成角度补偿显示器。光弯折组件333被配置成接收显示光301并产生由经补偿的显示光线311A、311B、311C、311D和311E表示的经补偿的显示光311。

[0063] 在操作中，显示器310发射包括显示光线301A、301B、301C、301D和301E的显示光310。显示光线301C可以从显示器310的中心发出，而显示光线310A和310E可以从显示器310的边缘发出。显示光线301C可以从显示器310的二维显示像素阵列的中心发射，并传播通过光弯折组件333的中心，并在入射到眼睛202上之前进一步沿着聚焦透镜230的中心光轴传播(通过聚焦透镜230的中心)。在该实施例中，聚焦透镜230的中心光轴可以与显示像素阵列的中心和光弯折组件333的中心对准。

[0064] 光弯折组件333基于显示光301的给定光线入射到光弯折组件333上的入射位置来弯折显示光301的给定光线。例如，光弯折组件333将弯折角度321A赋予显示光线301A以产生经补偿的显示光线311A。将弯折角度321A赋予光线301A以产生光线311A可以将光线311A对准其相对于包括聚焦透镜230的系统300的主光线角度。光线311B、311C、311D和311E中的每一条也可以对准它们各自相对于系统300的主光线角度。弯折角度321A是相对于正交轴320A测量的，该正交轴320A与显示器310的显示像素阵列中的显示像素正交。在图3中，覆盖光线311A的亮度分布259被示为倾斜的，以考虑光弯折组件333的弯折特性，并且光线311A穿过最高亮度值，以指示光线311A具有亮度分布259的基线亮度值(例如，亮度值100)，这是由于光弯折组件333赋予弯折角度321A。

[0065] 在图3中，由光弯折组件333赋予的弯折角度321随着显示光301的给定光线的入射位置离光弯折组件333的中心越来越远而增加，并且经补偿的显示光311的经补偿的光线(例如311A、311B、311C、311D和311E)可以具有基本相同的亮度值。在所示实施例中，弯折角度321A大于弯折角度321B，因为光线301A的入射位置比光线301B的入射位置更远离光弯折组件333的中心。类似地，弯折角度321E大于弯折角度321D，因为光线301E的入射位置比光线301D的入射位置更远离光弯折组件333的中心。弯折角度321B相对于发射光线301B的显示像素的正交轴320B测量，弯折角度321D相对于发射光线301D的显示像素的正交轴320D测量，弯折角度321E相对于发射光线301E的显示像素的正交轴320E测量。

[0066] 图3中的亮度分布259已经倾斜，以考虑光弯折组件333的弯折特性，从而保持光线301的基线亮度值，并沿着相对于系统300和聚焦透镜230的主光线角度重定向该高基线亮度值光线。因此，光线311A的亮度值可以与光线301A相同或相似，光线311B的亮度值可以与光线301B相同或相似，光线311C的亮度值可以与光线301C相同或相似，光线311D的亮度值可以与光线301D相同或相似，光线311E的亮度值可以与光线301E相同或相似。因此，光线
311A、311B、311C、311D和311E的亮度值可以基本相同，使得由系统300呈现给眼睛202的图像的亮度基本均匀。相比之下，当给定光线离显示器210的中心越来越远时，图2A的示例光线211A、211B、211C、211D和211E变得越来越暗。

[0067] 图4示出了根据本公开的实施例的形状为正方形的示例光弯折组件433的前视图。在一些实施例中，光弯折组件433可以成形为例如矩形、六边形或八边形。在一些实施例中，光弯折组件333可以被配置为光弯折组件433的特征。光弯折组件433可以放置在具有形状为正方形的二维像素阵列的显示器上。光弯折组件433可以在平行平面上耦合到由二维显示像素阵列定义的像素平面，该像素平面可以由显示像素的行的高度和显示像素的列的宽度来定义。光弯折组件433包括边缘419A、419B、419C和419D以及中心421。图4示出了示例入射位置423A、423B、423C、423D、423E和423F。示例光弯折组件433包括梯度箭头478，其中入射位置离中心421越远，由光弯折组件433赋予的弯折角度将越大。梯度箭头478的梯度也由中心421附近的较暗阴影表示，随着距中心421的距离增加，该阴影逐渐变亮，以表示弯折角度随着距中心421的距离增加而逐渐变大。因此，赋予给入射在入射位置423D处的显示光
301的光线的弯折角度将大于赋予给入射在入射位置423C处的显示光301的光线的弯折角度。

[0068] 图4示出了在入射位置423A、423B和423C处入射的显示光301的光线都(沿着限定所示白色虚线圆的相同半径)距中心421相等的距离。因此，赋予给在入射位置423A、423B和423C入射的显示光301的给定光线的弯折角度可以具有相同的弯折角度。类似地，在入射位置423D、423E和423F处入射的显示光301的光线离中心421的距离也相等，并且可以具有相同的弯折角度。当然，光弯折组件433在入射位置423D赋予的弯折角度将大于在入射位置
423A赋予的弯折角度。在一个实施例中，光弯折组件433向在入射位置423A‑423C处入射的显示光301的光线赋予弯折角度321B，并向在入射位置423D‑423F处入射的显示光301的光线赋予弯折角度321A。光弯折组件433可以向在光弯折组件433的中心421处接收的显示光赋予大约0度的弯折角度，并在光弯折组件433的边缘419处赋予15度至25度的弯折角度。边缘处的弯折角度可以取决于聚焦透镜230与包括光弯折组件333的角度补偿显示器的间隔。

[0069] 图5A示出了根据本公开的实施例的示例光弯折透镜533的前视图，该光弯折透镜533可以包括在诸如光弯折组件333的光弯折组件中。光弯折透镜533包括具有不同间距的多个液晶单元。随着多个液晶单元中的液晶单元离光弯折透镜533的中心变远，多个液晶单元的间距减小。图示的光弯折组件533包括螺旋图案，其中随着螺旋从光弯折透镜533的中间移动到光弯折透镜533的外部边界，液晶单元的间距逐渐减小。

[0070] 图5B示出了根据本公开的实施例，当光弯折透镜533的位置向外移动时，代表光弯折透镜533的间距减小的尺寸。尺寸561表示入射在入射位置523A的光线所遇到的液晶单元的近似间距尺寸，尺寸562表示入射在入射位置523B的光线所遇到的液晶单元的近似间距尺寸，尺寸563表示入射在入射位置523C的光线所遇到的液晶单元的近似间距尺寸，尺寸564表示入射在入射位置523D的光线所遇到的液晶单元的近似间距尺寸。因此，随着螺旋从光弯折透镜533的中间519移出，间距逐渐减小，因为间距尺寸561大于间距尺寸562，间距尺寸562大于间距尺寸563，间距尺寸563大于间距尺寸564。

[0071] 图5C示出了示例曲线图560，该曲线图示出了光栅间距随示例光弯折透镜533上的位置变化的示例关系。曲线图560的水平轴示出了光弯折透镜533的y位置，其中y位置的原点(y值为零)在光弯折透镜533的中间519。如曲线图560所示，间距从光弯折透镜533的中间的大约425μm下降，并且在光弯折透镜533的外部边界处，间距小于10μm。

[0072] 图5D示出了示例曲线图580，曲线图示出了光弯折透镜533的y位置和对应于光弯折透镜533的y位置的弧度相位变化之间的示例关系。随着光弯折透镜的y位置增加，相位变化增加，因此随着y位置离光弯折透镜533的中间519越远，由光弯折透镜赋予的弯折角度增加。

[0073] 制造光弯折透镜533可以包括旋涂配向层(alignment layer)和液晶单体层。然后，可以利用紫外线(UV)固化步骤将液晶单体固化成具有上述光学性质的构造的液晶聚合物。在不同的实施例中，两个透明基板可以涂有液晶配向层。液晶填充在两个透明基板之间。如果透明基板涂覆有透明导电层，例如氧化铟锡，则该部件可以用作有源部件，其被电子切换以在弯折光和不弯折光之间进行调制。

[0074] 图5E示出了根据本公开的实施例的通过图5B中的剖面线A‑A’的光弯折透镜533的示例侧视图。图5E还示出了发射出光521(包括光线521A‑521D)的显示像素阵列503，该光可以是偏振的或非偏振的。圆偏振器507接收光521并产生圆偏振的显示光501。图5E示出了光弯折透镜533可以被配置为接收第一圆偏振取向的显示光，并且将第二圆偏振取向赋予经补偿的显示光，其中显示光的第一圆偏振取向的旋转与第二圆偏振取向相反。在所示实施例中，显示光501被定向为左旋圆偏振(LCP)显示光501，经补偿的显示光511被定向为右旋圆偏振(RCP)显示光511。圆偏振器507可以包括线性偏振器和四分之一波片，以产生RCP经补偿的显示光511。这里，同样，出于说明的目的，元件503、507和533在图5B中被示为间隔开的，但是在一些实施例中可以结合在一起。

[0075] 一起参考图5B和图5E，光线501A可以在具有间距561的单元541中的入射位置523A入射到光弯折透镜533上，光线501B可以在具有间距562的单元542中的入射位置523B入射到光弯折透镜533上，光线501C可以在具有间距563的单元543中的入射位置523C入射到光弯折透镜533上，并且光线501D可以在具有间距564的单元544中的入射位置523D处入射到光弯折透镜533上。图5E示出了由给定液晶单元赋予的弯折角度随着给定液晶单元的间距减小而增大。例如，由单元541赋予的弯折角度可以是零度，而由单元542赋予的弯折角度大于零度，因为单元542的间距562小于单元541的间距561。在图5E中，由单元543赋予的弯折角度大于由单元542赋予的弯折角度，并且由单元544赋予的弯折角度大于由单元543赋予的弯折角度。

[0076] 图5F示出了根据本公开的实施例的包括多个液晶分子597的液晶单元599的示例图示的俯视图。液晶单元599具有尺寸568，该尺寸限定了液晶597的取向，用于实现经补偿的显示光线572的设计弯折角度。尺寸568是液晶单元599的间距。在所示实施例中，液晶单元599接收LHP显示光线571，并通过向接收的显示光线571赋予弯折角度来产生RCP经补偿的显示光线572。

[0077] 虽然图5A‑5F通常将用于弯折光的光弯折透镜适用至球面透镜，但是也可以产生光弯折透镜的其他构造。图7A示出了示例光弯折透镜733，其具有恒定的间距738，因此入射光可以具有跨光弯折透镜733恒定的弯折角度。例如，光弯折透镜733可以配置有相位分布，用于产生指向光栅的经补偿的显示光。图7B示出了根据本公开的实施例的曲线图740，其示出了圆偏振光相对于光弯折透镜733中圆偏振光传播通过的位置的相位变化。曲线图740的垂直轴示出了对应于曲线图740的水平轴所示的光弯折透镜733中的x位置的圆偏振光的相位变化741。LCP光的相变用实线表示，而RCP光的相变用虚线表示。曲线图740的水平轴示出了光弯折透镜733的x位置，其中x位置的原点(x值为零)在光弯折透镜733的中间。

[0078] 图7C示出了为球面透镜配置的示例光弯折透镜763，其中液晶间距根据位置而变化。因此，入射光的弯折角度将随着光弯折透镜763上的入射位置而变化。图7D示出了根据本公开的实施例的曲线图780，其示出了圆偏振光相对于光弯折透镜763中圆偏振光传播通过的位置的相位变化。LCP光的相变用实线表示，而RCP光的相变用虚线表示。曲线图780的垂直轴示出了对应于光弯折透镜763的x位置的圆偏振光的相位变化791，其中x位置的原点(x值为零)位于光弯折透镜763的中间。

[0079] 用示例光弯折透镜733或763来使光弯折包括创建相位相对于位置的分布。改变光的相位是由LC分子的轴和有效双折射率决定的。为了实现设计的相位相对于位置的分布，液晶分子的方位角(面内角(in plane angle))可以随光弯折透镜中的位置而变化。这种方法适用于圆偏振光。

[0080] 图6示出了根据本公开的实施例，改变接收光601的取向的液晶层634。与曲线图740和780相关联，图6示出了液晶层634中的液晶单元可以根据接收到的光的取向将接收到的LHP显示光601A的取向改变为RHP显示光611A，或者将接收到的RHP显示光601B的取向改变为LHP显示光611B。值得注意的是，取决于入射显示光601的取向，出射的经补偿的显示光线611A和611B在相反方向弯折。

[0081] 虽然图6示出了弯折圆偏振光，但是也可以通过改变液晶分子的倾斜角使得有效双折射率随位置而变化，来弯折线性偏振光。图8A‑8C示出了通过调制透明导电板两端的电压来改变液晶分子的倾斜角。图8A示出了设置在透明导电基板(例如，ITO)811和812之间的液晶分子819。驱动器电路改变透明基板811和812两端的电压817，这改变了液晶分子819的倾斜角和入射线性偏振光807遇到的双折射。图8B示出了当施加第一电压817时，液晶分子819的倾斜角改变以产生经补偿的光831，而图8C示出了当施加第二电压817时，液晶分子
819的倾斜角改变以产生经补偿的光832。因此，不同的施加电压817为经补偿的光832产生不同的弯折角度。

[0082] 包括结合图5A‑8C描述的液晶单元的光弯折透镜的实施例可用于实现图3和图4中描述的光弯折组件的特性。通过将接收到的显示光弯折到诸如系统300的光学系统的主光线角度，呈现给眼睛的图像光可以被调整为在整个图像上基本均匀，而不是像传统设计中那样朝向边缘逐渐变暗。所公开的使用液晶间距来创建写入光弯折透镜的相位相对于位置的分布的原理可以应用于系统300之外的光学系统。一些光学系统可以包括非球面透镜或反射器，以将显示光导向眼睛。所公开的原理可用于产生与非球面透镜或反射器匹配的光弯折透镜，使得光弯折透镜以适当的角度弯折显示光，以将显示光导向非球面透镜或反射器。所公开的原理可以用于包括LCD、OLED和微型LED像素阵列的显示器。对于LCD架构，光弯折透镜可以位于液晶像素阵列的前面或者液晶像素阵列的后面，以用已经被光弯折透镜以不同角度弯折的光照射液晶像素阵列。

[0083] 在本公开的一些实施例中，可以使用三层光弯折透镜，其中不同的层被设计成对于特定的光谱和角度产生特定的双折射。三层光弯折透镜的第一层可以被设计用于红光，第二层可以被设计用于绿光，第三层可以被设计用于蓝光。通过为红色光、绿色光或蓝色光设计每个层，可以改善与不同光谱光相关联的多焦点问题，因为每个层的聚焦能力可以针对不同颜色的显示光被调节。每层可以使用具有不同双折射率的不同液晶分子。

[0084] 本发明的实施例可以包括人工现实系统或结合人工现实系统来被实现。人工现实是一种在呈现给用户之前已经以某种方式进行了调整的现实形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(mixed reality，MR)、混杂现实(hybrid reality)或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或者与所捕获的(例如，真实世界)内容组合地生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈或它们的某种组合，并且它们中的任何一个都可以在单个通道或多个通道中呈现(例如向观看者产生三维效果的立体视频)。此外，在一些实施例中，人工现实还可以与应用、产品、附件、服务或其某种组合相关联，这些应用、产品、附件、服务或其某种组合用于例如在人工现实中创建内容和/或在人工现实中以其他方式被使用(例如在人工现实中执行活动)。提供人工现实内容的人工现实系统可以在各种平台上实现，这些平台包括连接到主计算机系统的头戴式显示器(HMD)、独立的HMD、移动设备或计算系统、或者能够向一个或更多个观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台。

[0085] 包括摘要中描述的内容在内的本发明的所示实施例的上述描述并不旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。虽然本文出于说明的目的描述了本发明的具体实施例和示例，但是相关领域的技术人员将会认识到，在本发明的范围内各种修改是可能的。

[0086] 根据以上详细描述，可以对本发明进行这些修改。在所附权利要求中使用的术语不应被解释为将本发明限制于说明书中公开的特定实施例。更确切地，本发明的范围完全由所附权利要求来确定，这些权利要求将根据权利要求解释的既定原则来解释。