具有视网膜分辨率和大视场的注视点近眼显示器的制作方法

具有视网膜分辨率和大视场的注视点近眼显示器
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2022年4月5日提交的、申请号为63/327,781的美国临时申请以及于2023年3月7日提交的、申请号为18/180,115的美国专利申请的优先权，该美国申请的内容均通过引用整体并入本文。
技术领域
3.本公开总体上涉及光学设备，更具体地，涉及具有视网膜分辨率和大视场的注视点近眼显示器。


背景技术：

4.人工现实是在呈现给用户之前已经以某种方式调整的现实形式，人工现实可以包括例如虚拟现实(virtual reality，“vr”)、增强现实(augmented reality，“ar”)、混合现实(mixed reality，“mr”)、混合现实(hybrid reality)或其种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括计算机生成的内容、或与真实世界所捕获的内容(例如，真实世界的照片)组合的计算机生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈或其某种组合，其中的任意一者可以在单个通道中或在多个通道(例如，向观看者产生三维(three-dimensional，3d)效果的立体视频)中呈现。人工现实可以与应用、产品、附件、服务或其某种组合相关联。应用程序、产品、附件、服务可以用于在人工现实中创建内容和/或可以用于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施，这些平台包括连接到主机计算机系统的头戴式显示器(head-mounted display，hmd)、独立hmd、移动设备或计算系统、或能够向一个或多个观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台。


技术实现要素：

5.本公开的一个方面提供了一种设备，该设备包括显示元件和透镜组件。该透镜组件包括：偏振非选择性部分反射器、设置在该偏振非选择性部分反射器的相对侧的偏振选择性反射器和偏振开关以及设置在该偏振开关和该偏振非选择性部分反射器之间的偏振选择性透射透镜。该设备还包括控制器，该控制器被配置为：在显示帧的第一子帧期间，控制该显示元件显示包括虚拟图像的第一部分的内容的第一虚拟子图像，并控制该偏振开关在切换状态下运行。该控制器还被配置为：在该显示帧的第二子帧期间，控制该显示元件显示包括该虚拟图像的第二部分的内容的第二虚拟子图像，并控制该偏振开关在非切换状态下运行。
6.本公开的另一方面提供了一种方法，该方法包括：在显示帧的第一子帧期间，控制器控制显示元件显示包括虚拟图像的第一部分的内容的第一虚拟子图像。该方法还包括：在该显示帧的该第一子帧期间，该控制器控制包括在透镜组件中的偏振开关以在切换状态下运行，该透镜组件包括偏振非选择性部分反射器、设置在该偏振非选择性部分反射器的
polarization hologram，lcph)元件的示意性三维(three-dimensional，3d)视图；
25.图6b和图6c示意性地示出了根据本公开的各种实施例的图6a所示的lcph元件中的光学各向异性分子的平面内取向；
26.图6d示意性地示出了根据本公开的实施例的图6a所示的lcph元件中的光学各向异性分子的平面外取向；
27.图6e示意性地示出了根据本公开的实施例的图6a所示的lcph元件中的光学各向异性分子的平面外取向；
28.图6f示意性地示出了根据本公开的实施例的图6d中所示的lcph元件的偏振选择性衍射和透射；
29.图6g示意性地示出了根据本公开的实施例的图6e中所示的lcph元件的偏振选择性会聚和发散。
具体实施方式
30.将参考附图描述与本公开一致的实施例，附图仅仅是用于说明目的的示例，并不旨在限制本公开的范围。在可能的情况下，在所有附图中使用相同的附图标记来表示相同或相似的部件，并且可以省略对这些部件的详细描述。
31.此外，在本公开中，所公开的实施例和所公开的实施例的特征可以进行组合。所描述的实施例是本公开的一些但不是全部实施例。基于所公开的实施例，本领域普通技术人员可以获得与本公开一致的其他实施例。例如，可以基于所公开的实施例进行修改、改编、替换、添加或其他变化。所公开的实施例的这种变化仍然在本公开的范围内。因此，本公开不限于所公开的实施例。相反，本公开的范围由所附权利要求限定。
32.如本文所使用的，术语“耦合”等可以包括光学耦合、机械耦合、电耦合、电磁耦合或其任何组合。两个光学元件之间的“光学耦合”是指两个光学元件以光学串联方式布置的配置，从一个光学元件输出的光可以直接或间接地被另一个光学元件接收。光学串联是指多个光学元件在光路中的光学定位，使得从一个光学元件输出的光可以被一个或多个其他光学元件透射、反射、衍射、转换、修改或以其他方式处理或操纵。在一些实施例中，多个光学元件的排列顺序可以影响或可以不影响多个光学元件的总输出。耦合可以是直接耦合或间接耦合(例如，通过中间元件耦合)。
33.短语“a或b中的至少一个”可以包括a和b的所有组合，例如，仅a、仅b、或a和b。同样，短语“a、b或c中的至少一个”可以包括a、b和c的所有组合，例如，仅a、仅b、仅c、a和b、a和c、b和c、或a和b和c。可以以类似于短语“a或b中的至少一个”的方式解释短语“a和/或b”。例如，短语“a和/或b”可以包括a和b的所有组合，例如，仅a、仅b、或a和b。同样，短语“a、b和/或c”具有类似于短语“a、b或c中的至少一个”的含义，例如，短语“a、b和/或c”可以包括a、b和c的所有组合，例如，仅a、仅b、仅c、a和b、a和c、b和c、或a和b和c。
34.当第一元件被描述为“附接”、“提供”、“形成”、“粘附”、“安装”、“固定”、“连接”、“结合”、“记录”或“设置”到第二元件、在第二元件上、在第二元件或至少部分地在第二元件中时，第一元件可以使用任何合适的机械或非机械方式(例如，沉积、涂覆、刻蚀、绑定、胶合、螺纹连接、压配合、卡扣配合、夹持等)“附接”、“提供”、“形成”、“粘附”、“安装”、“固定”、“连接”、“结合”、“记录”或“设置”到第二元件、在第二元件上、在第二元件或至少部分地在
第二元件中。此外，第一元件可以与第二元件直接接触，或者在第一元件和第二元件之间可以存在中间元件。第一元件可以设置在第二元件的任何合适的侧面，例如左侧、右侧、前侧、后侧、顶侧或底侧。
35.当第一元件被示出或描述为设置或布置在第二元件“上”时，术语“上”仅用于指示第一元件和第二元件之间的示例的相对取向。该描述可以基于图中所示的参考坐标系统，或者可以基于图中所示的当前视图或示例配置。例如，当描述图中所示的视图时，第一元件可以被描述为设置在第二元件“上”。应当理解的是，术语“上”可以不一定暗示第一元件在竖直、重力方向上在第二元件上。例如，当第一元件和第二元件的组件转动180度时，第一元件可以在第二元件“下”(或者第二元件可以在第一元件“上”)。因此，应当理解，当附图示出第一元件“在”第二元件“上”时，该配置仅仅是说明性示例。第一元件可以相对于第二元件以任何合适的取向设置或布置(例如，在第二元件上方或上面、在第二元件下方或下面、在第二元件左侧、在第二元件右侧、在第二元件后面、在第二元件前面等)。
36.当第一元件被描述为设置在第二元件“上”时，第一元件可以直接或间接地设置在第二元件上。第一元件直接设置在第二元件上表示在第一元件和第二元件之间没有设置附加元件。第一元件间接设置在第二元件上表示一个或多个附加元件设置在第一元件和第二元件之间。
37.本文所使用的术语“处理器”可以包括任何合适的处理器，例如中央处理单元(central processing unit，cpu)、图形处理单元(graphics processing unit，gpu)、专用集成电路(application-specific integrated circuit，asic)、可编程逻辑器件(programmable logic device，pld)、或其任何组合。也可以使用以上未列出的其他处理器。处理器可以被实施为软件、硬件、固件或其任何组合。
38.术语“控制器”可以包括被配置为生成用于控制设备、电路、光学元件等的控制信号的任何合适的电路、软件或处理器。“控制器”可以被实施为软件、硬件、固件或其任何组合。例如，控制器可以包括处理器，或者可以被包括作为处理器的一部分。
39.术语“非暂态计算机可读介质”可以包括用于存储、传送、通信、广播或发送数据、信号或信息的任何合适的介质。例如，非暂态计算机可读介质可以包括存储器、硬盘、磁盘、光盘、磁带等。存储器可以包括只读存储器(read-only memory，rom)、随机存取存储器(random-access memory，ram)、闪存等。
40.术语“膜”、“层”、“涂层”或“板”可包括刚性的或柔性的、自支承或自立式膜、层、涂层或板，其可以设置在支承基板上或基板之间。术语“膜”、“层”、“涂层”和“板”可以是可互换的。术语“膜平面”是指膜、层、涂层或板中的平面，该平面垂直于膜、层、涂层或板的厚度方向或表面的法线。膜平面可以是膜、层、涂层或板的体积中的平面，或者可以是膜、层、涂层或板的表面平面。例如，在“平面内取向”、“平面内方向”、“平面内间距”等中的术语“平面内(“in-plane)”是指取向、方向或间距在膜平面内。如在例如“平面外方向”、“平面外取向”或“平面外间距”等中的术语“平面外(“out-of-plane)”是指取向、方向或间距不在膜平面内(即，不与膜平面平行)。例如，方向、取向或间距可以沿着垂直于膜平面的线，或者相对于膜平面形成锐角或钝角的线。例如，“平面内”方向或取向可以指表面平面内的方向或取向，“平面外”方向或取向可以指与表面平面不平行(例如，垂直)的厚度方向或取向。在一些实施例中，“平面外”方向或取向可以相对于膜平面形成锐角或直角。
41.如在“正交偏振”中的术语“正交”或如在“正交地偏振”中的术语“正交地”意味着表示两个偏振的两个矢量的内积基本为零。例如，具有正交偏振的两束光或光束(或两个正交地偏振的光或光束)可以是具有两个正交偏振方向(例如，笛卡尔坐标系中的x轴方向和y轴方向)的两个线偏振光(或束)，或具有相反旋性的两个圆偏振光(例如，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光)。
42.本公开中提到的波长范围、光谱或波段是出于说明性目的。所公开的光学设备、系统、元件、组件和方法可应用于可见波长带以及其他波长带，例如，紫外(ultraviolet，uv)波长带、红外(infrared，ir)波长带或其组合。
43.术语“光轴”可以指晶体中的方向。在光轴方向上传播的光可以不经历双折射(或双重折射)。光轴可以是一个方向而不是单条线：平行于该方向的光可以不经历双折射。
44.用于修改光学响应功能(例如，描述光处理的透射、反射、衍射或阻挡等)的术语“基本上”或“主要”是指光的大部分(包括全部)被透射、反射、衍射或阻挡等。大部分可以是整个光的预定百分数(大于50％)，例如100％、95％、90％、85％、80％等，其可以基于特定应用需要来确定。
45.注视点近眼显示器(ned)可以用于传送混合现实的沉浸式体验。注视点ned在用户的眼睛注视方向上(或在视场(fov)的中心部分中)传送高分辨率图像，在fov的外围部分传送低分辨率外围图像，这允许显示器规范更灵活且实用。然而，设计既提供视网膜分辨率又提供大fov的紧凑光学系统是具有挑战性的。当前的显示技术不支持大fov内的高角度分辨率，例如
±
60
°
fov内1弧分的5k分辨率。鉴于常规技术中的限制，本公开提供了具有小形状要素、轻重量、高分辨率(例如，视网膜分辨率)和大fov的注视点ned。所公开的注视点ned可以以眼镜、护目镜、头盔、面甲或某种其他类型的眼镜的形式实施在人工现实系统中，以降低系统的形状要素并改善用户体验。
46.图1示出了根据本公开的实施例的系统100的示意图。在一些实施例中，系统100可以是ned的一部分。如图1所示，系统100可以包括光源104。光源104可以是光输出设备(例如，显示元件)。出于论述目的，光源104还被称为显示元件104。系统100还可以包括设置在显示元件104和适眼框(eye-box)区域159之间的透镜组件102，用户的眼睛156可以位于适眼框区域159中。透镜组件102可以被配置为将由显示元件104发射的图像光引导到适眼框区域159。在一些实施例中，系统100还可以包括被配置为控制透镜组件102以及显示元件104的控制器116。控制器116可以包括处理器或处理单元119。处理器119可以是任何合适的处理器，例如中央处理单元(cpu)、图形处理单元(gpu)等。控制器116可以包括存储设备118。存储设备118可以是非暂态计算机可读介质，例如内存、硬盘等。存储设备118可以被配置为存储数据或信息，包括计算机可执行程序指令或代码，其可以由处理器119执行，以执行在本文公开的方法或过程中描述的各种控制或功能。
47.显示元件104可以被配置为输出图像光121，该图像光表示朝向透镜组件102传播的虚拟图像(或虚拟图像的一部分)。透镜组件102可以聚焦图像光121，以使图像光121通过适眼框区域159中的一个或多个出射光瞳157传播。在一些实施例中，显示元件104的每个光输出单元可以输出一束发散光线(即图像光121的一部分)，并且透镜组件102可以被配置为将该束发散光线转换成一束平行光线，该束平行光线通过适眼框区域159中的一个或多个出射光瞳157传播。在一些实施例中，该束平行光线可以基本上覆盖整个适眼框区域159。出
于说明的目的，图1示出了从位于显示元件104的上部分的光输出单元输出的单束图像光121。出射光瞳157可以是眼睛156的眼睛瞳孔158可以被定位在适眼框区域159中以感知虚拟图像(或虚拟图像的一部分)的空间区域。
48.出于说明的目的，图1示出了用于用户的单只眼睛156的单个显示元件104。在一些实施例中，系统100可以包括多个显示元件104(例如，用于用户的双眼的两个显示元件104)。显示元件104可以包括显示面板，例如液晶显示(liquid crystal display，lcd)面板、硅上液晶(liquid-crystal-on-silicon，lcos)显示面板、有机发光二极管(organic light-emitting diode，oled)显示面板、微型有机发光二极管(micro organic light-emitting diode，micro-oled)显示面板、微型发光二极管(micro light-emitting diode，micro-led)显示面板、迷你led(mini-led)显示器、数字光处理(digital light processing，dlp)显示面板、激光扫描显示面板或其组合。在一些实施例中，显示元件104可以包括自发光面板，例如oled显示面板、微型oled显示板、微型led显示板、迷你led显示板或激光扫描显示板等。在一些实施例中，显示元件104可以包括由外部光源照明的显示面板，例如lcd面板、lcos显示面板或dlp显示面板。外部光源的示例可以包括激光器、led、oled或其组合。
49.透镜组件102可以包括布置成光学串联的第一光学部件117、第二光学部件127和第三光学部件137，第三光学部件137设置在第一光学部件117和第二光学部件127之间。第一光学部件117可以以预定间隙与第二光学部件127间隔。在一些实施例中，第三光学部件137可以包括偏振非选择性反射器。偏振非选择性反射器可以与偏振无关地反射输入光。偏振非选择性反射器的一个示例是偏振非选择性部分反射器，偏振非选择性部分反射器被配置为部分透射一部分输入光，并且部分反射一部分输入光，而与输入光的偏振无关。在以下描述中，偏振非选择性反射器也可以简称为“部分反射器”。偏振非选择性部分反射器的示例可以包括体布拉格光栅(volume bragg grating，vbg)、50：50镜(透射50％和反射50％)等。偏振非选择性部分反射器可以被配置为具有或不具有光焦度(optical power)。对于偏振非选择性反射器，透射部分和反射部分的输入光的百分数可以是任何合适的百分数，例如10％/90％、20％/80％、30％/70％、40％/60％、50％/50％等。在图1所示的实施例中，第三光学部件137可以包括偏振非选择性(即，独立的)部分反射器，例如，50：50镜。因此，第三光学部件137也被称为镜137。
50.在一些实施例中，第一光学部件117可以被配置为具有透镜功能(即，被配置为具有光焦度)的反射和偏振选择性光学部件。例如，第一光学部件117可以包括具有透镜功能的单个反射和偏振选择性光学元件(例如，单个反射和偏振选择性透镜)，或者可以包括分别配置有偏振选择性透镜功能和偏振选择性反射功能的两个光学元件。在一些实施例中，第一光学部件117可以包括偏振选择性反射器115。偏振选择性反射器可以被配置为反射具有第一偏振(例如圆偏振或线偏振)的输入光，并透射具有不同于(例如正交于)第一偏振的第二偏振(例如正交圆偏振或正交线偏振)的输入光。偏振选择性反射器的示例可以包括线反射偏光片、圆反射偏光片等。偏振选择性反射器可以被配置为具有光焦度或可以不具有光焦度。当被配置为具有光焦度时，偏振选择性反射器还可以作为反射透镜，以向后发散或会聚具有第一偏振的输入光，并透射具有第二偏振的输入光，同时基本上保持输入光的传播方向。出于讨论的目的，被配置具有光焦度的偏振选择性反射器也可以称为反射偏振选
择性透镜。
51.基于自组织胆甾型液晶(cholesteric liquid crystal，clc)的反射偏振体全息(polarization volume hologram，pvh)元件是偏振选择性反射器的一个示例。具有光焦度的反射pvh元件(也称为pvh透镜)是反射偏振选择性透镜的一个示例。出于讨论的目的，反射pvh透镜也可以被称为倾斜的或图案化的clc透镜。反射pvh透镜可以是窄带的(例如，包括具有固定螺距的单个clc层)或宽带的(例如，包括具有梯度螺距的clc层，或具有不同螺距的多个clc层)。本文描述的反射性pvh元件可以基于各种方法(例如，全息干涉、激光直写、喷墨打印和各种其他形式的光刻)制造。因此，本文描述的“全息”不限于通过全息干涉或“全息术”产生。
52.在图1所示的实施例中，第一光学部件117可以包括偏振选择性反射器115。在一些实施例中，偏振选择性反射器115(也被称为偏振选择性反射透镜115)可以被配置为具有光焦度。例如，偏振选择性反射器115可以包括pvh透镜或clc透镜，pvh透镜或clc透镜被配置为基本上反射具有第一偏振的输入光(例如，右旋圆偏振(right-handed circularly polarized，rhcp)光)，并基本上透射具有第二偏振的输入光(例如，左旋圆偏振(left-handed circularly polarized，lhcp)光)，第二偏振可以与第一偏振正交。在一些实施例中，偏振选择性反射器115可以在反射输入光的同时会聚具有第一偏振的输入光(例如，rhcp光)，并在透射输入光的同时基本上保持具有第二偏振的输入光(例如，lhcp光)的传播方向。在一些实施例中，偏振选择性反射器115可以包括pvh元件或clc元件，pvh元件或clc元件被配置为对于具有第一偏振的输入光(例如，rhcp光)和具有第二偏振的输入光(例如，lhcp光)都具有零光焦度。
53.在一些实施例中，第一光学部件117还可以包括与偏振选择性反射器115耦合的第一偏光片113。第一偏光片113可以设置在偏振选择性反射器115和显示元件104之间(即，设置在偏振选择性反射器115的与面对镜137的一侧相反的一侧)。在一些实施例中，第一偏光片113可以是吸收偏光片，吸收偏光片被配置为透射具有第二偏振的输入光(例如，lhcp光)，并经由吸收阻挡具有第一偏振的输入光(例如，rhcp光)。在一些实施例中，显示元件104可以被配置为输出非偏振图像光或线偏振图像光121。第一偏光片113可以被配置为将图像光121转换成具有第二偏振的偏振图像光，例如，具有第二旋性的圆偏振图像光(例如，lhcp光)，其朝向偏振选择性反射器115传播。在一些实施例中，可以省略第一偏光片113。
54.第二光学部件127可以被配置为会聚从镜137接收的图像光。在一些实施例中，第二光学部件127可以包括以堆叠配置布置的第一透射透镜125、偏振开关129和第二透射透镜135。在一些实施例中，如图1所示，偏振开关129可以设置在第一透射透镜125和第二透射透镜135之间，第一透射透镜125可以设置在镜137和偏振开关129之间。
55.透射透镜可以在透射输入光的同时会聚或发散输入光。透射透镜可以是偏振选择性的或偏振非选择性的。在所公开的实施例中，第一透射透镜125可以是偏振选择性透射透镜。在一些实施例中，第一透射透镜125可以包括pancharatnam-berry相位(pbp)透镜，pbp透镜被配置为在透射具有预定偏振的输入光的同时聚焦或会聚该输入光，并在透射具有与预定偏振正交的偏振的输入光时散焦或发散该输入光。换句话说，第一透射透镜125可以向具有预定偏振的输入光提供正光焦度，并向具有与预定偏振正交的偏振的输入光提供负光焦度。在一些实施例中，第一透射透镜125可以在透射输入光的同时将输入光的偏振改变为
正交偏振。例如，第一透射透镜125可以被配置为将具有第二偏振的输入光(例如，lhcp光)会聚为具有第一偏振的输出光(例如，rhcp光)，并将具有第一偏振的输入光(例如，rhcp光)发散为具有第二偏振的输出光(例如，lhcp光)。换句话说，第一透射透镜125可以为lhcp光提供正光焦度，并为rhcp光提供负光焦度。所提供的正光焦度和负光焦度可以具有相同的绝对值。对于具有第一偏振的输入光或具有第二偏振的输入光，第一透射透镜125可以提供固定的光焦度或者可调节的光焦度。
56.在一些实施例中，控制器116可以与偏振开关129通信耦合以控制偏振开关129的运行状态。偏振开关129可以由控制器116在两个运行状态之间切换：切换状态和非切换状态。在切换状态下运行的偏振开关129可以将偏振光的偏振切换到正交偏振，例如，在透射输入光的同时将具有第一偏振的输入光(例如，rhcp光)转换为具有第二偏振的输出光(例如，lhcp光)，或者在透射输入光的同时将具有第二偏振的输入光(例如，lhcp光)转换为具有第一偏振的输出光(例如，rhcp光)。在非切换状态下运行的偏振开关129可以保持偏振光的偏振。偏振开关129可以被假定为保持偏振输入光的传播方向。
57.在一些实施例中，偏振开关129可以包括可切换半波片(switchable half-wave plate，shwp)。例如，shwp可以包括lc层和一个或多个电极。外部电场(例如电压)可以通过电极施加到lc层，以改变lc的取向，从而控制shwp以在切换状态或非切换状态下运行。例如，当施加的电压低于或等于预定电压值时，shwp可在切换状态下运行，或者当电压高于预定电压值(并且足够高)以沿着电场方向重新取向lc指向矢时，shwp可在非切换状态下运行。在一些实施例中，偏振开关129可以包括波片(例如，四分之一波片)和扭曲向列液晶(twisted-nematic liquid crystal，tnlc)单元，波片设置在tnlc单元和第一透射透镜125之间。
58.第二透射透镜135可以是合适的透射透镜，例如，其被配置为会聚从偏振开关129输出的图像光。第二透射透镜135可以是偏振选择性的或偏振非选择性的。第二透射透镜135的示例可以包括具有至少一个曲面(例如，玻璃透镜、聚合物透镜或树脂透镜等)的常规固体透镜、液体透镜、液晶透镜、菲涅耳透镜、超透镜(meta lens)、pbp透镜、衍射透镜、透射pvh透镜等。在一些实施例中，第二透射透镜135可以基于子波长结构、液晶、光折射全息材料或其组合。第二透射透镜135可以被配置为具有固定的光焦度或可调谐光焦度。出于讨论的目的，图1示出了第二透射透镜135具有平坦表面。在一些实施例中，第二透射透镜135可以包括至少一个弯曲表面。
59.在一些实施例中，第二光学部件127还可以包括设置在第二透射透镜135和偏振开关129之间的第二偏光片123。在一些实施例中，第二偏光片123可以是吸收偏光片，吸收偏光片被配置为透射具有第二偏振的输入光(例如，lhcp光)，并经由吸收阻挡具有第一偏振的输入光(例如，rhcp光)。第二偏光片123可以经由吸收阻挡具有预定的不期望的偏振的图像光(例如，rhcp图像光)，从而提高适眼框区域159处的图像质量。换句话说，第二偏光片123可以作为“清理”偏光片，第二偏光片123经由吸收去除具有预定的不期望偏振的图像光。在一些实施例中，可以省略第二偏光片123。
60.出于说明的目的，包括在系统100中的各种元件在图1中示出为具有平坦表面。在一些实施例中，包括在系统100中的一个或多个元件可以具有弯曲表面。出于讨论的目的，图1示出了包括在第一光学部件117中的各种元件通过间隙彼此间隔开。在一些实施例中，
包括在第一光学部件117中的各种元件可以被堆叠而没有间隙(例如，通过直接接触)。出于讨论的目的，图1示出了包括在第二光学部件127中的各种元件通过间隙彼此间隔开。在一些实施例中，包括在第二光学部件127中的各种元件可以被堆叠而没有间隙(例如，通过直接接触)。出于讨论的目的，图1示出了第一光学部件117通过间隙与显示元件104间隔开。在一些实施例中，第一光学部件117可以与显示元件104堆叠而没有间隙(例如，通过直接接触)。出于讨论的目的，图1示出了第二光学部件127通过间隙与镜137间隔开。在一些实施例中，第二光学部件127可以与镜137堆叠而没有间隙(例如，通过直接接触)。在一些实施例中，透镜组件102可以包括图1中未示出的附加元件。例如，在一些实施例中，透镜组件102还可以包括设置在适眼框区域159和第二透射透镜135之间的第三偏光片(例如，圆偏光片)，以抑制来自眼睛156的反射。
61.在一些实施例中，透镜组件102中所包括的反射pvh或clc元件(例如，第一偏振选择性反射器115)和pbp透镜(例如，第一透射透镜125和第二透射透镜135)也可以被称为液晶偏振全息元件(liquid crystal polarization holograms，lcph)或lcph元件。lcph元件具有厚度小(约1μm)、重量轻、结构紧凑、孔径大、效率高、制造简单等特点。lcph元件以可基于液晶(liquid crystal，lc)材料或除lc之外的双折射光折射全息材料来制造。本文描述的lcph元件可以基于各种方法制造，例如全息干涉、激光直写、喷墨打印和各种其他形式的光刻。因此，本文描述的“全息”不限于通过全息干涉或“全息术”产生。可以包括在透镜组件102中的lcph元件的示例将结合图6a至图6g进行解释。
62.在所公开的实施例中，透镜组件102可以被配置为向从显示元件104朝向适眼框区域159输出的图像光提供两个不同的光路。两个光路可以包括用于提供具有相对大的fov和相对低的角分辨率的周围视图(periphery view)的第一光路，以及用于提供具有相对小的fov和相对高的角分辨率(例如，视网膜分辨率)的注视点/中央凹视图(foveal view)的第二光路。出于讨论的目的，第一光路和第二光路还可以分别被称为外围路径和注视点路径。透镜组件102可以经由控制器116在提供第一光路和提供第二光路之间切换。例如，控制器116可以被配置为通过控制偏振开关129以时间顺序的方式在切换状态和非切换状态之间切换，以控制透镜组件102以时间顺序方式在提供第一光路和提供第二光路之间切换。
63.图2a示出了根据本公开的实施例的从图1所示的系统100中的显示元件104输出的图像光的第一光路(或外围路径)的x-z截面图。在图2a中，为了提供第一光路，控制器116可以控制偏振开关129在切换状态下运行。图2b示出了根据本公开的实施例的从图1所示的系统100中的显示元件104输出的图像光的第二光路(或注视点路径)的x-z截面图。在图2b中，为了提供第二光路，控制器116可以控制偏振开关129在非切换状态下运行。在以下附图中，附在附图标记(例如，“229r”)后的字母“r”表示右旋圆偏振(rhcp)光，附在附图标记(例如，“221l”)后的字母“l”表示左旋圆偏振(lhcp)光。
64.出于讨论的目的，在图2a和图2b中，偏振选择性反射器115可以是被配置为反射和会聚rhcp光并透射lhcp光并同时保持lhcp光的传播方向的右旋pvh或clc透镜。出于讨论的目的，第一透射透镜125和第二透射透镜135中的每一个可以是被配置为会聚lhcp光并发散rhcp光的左旋pbp透镜。出于讨论的目的，显示元件104可输出lhcp图像光。出于讨论的目的，第一偏光片113和第二偏光片123中的每一个都可以透射lhcp光，并经由吸收阻挡rhcp光。
65.如图2a所示，显示元件104可以输出第一图像光221l(例如，表示由显示元件104显示的虚拟图像的第一部分)。第一偏光片113可以将图像光221l转换为朝向偏振选择性反射器115传播的图像光223l。偏振选择性反射器115可以基本上透射图像光223l作为朝向镜137传播的图像光225l。镜137可以将图像光225l的第一部分透射为朝向第一透射透镜125传播的图像光227l，并将图像光225l的第二部分反射回偏振选择性反射器115作为图像光226r。第一透射透镜125可以将图像光227l会聚为朝向偏振开关129传播的图像光229r。在切换状态下运行的偏振开关129可以将图像光229r透射为朝向第二偏光片123传播的图像光231l。第二偏光片123可以将图像光231l透射为朝向第二透射透镜135传播的图像光233l。第二透射透镜135可以将图像光233l会聚为朝向适眼框区域159传播的图像光235r。图像光235r的光强度可以是从显示元件104输出的图像光221l的光强度的大约一半(即，50％)。因此，位于适眼框区域159内的出射光瞳157处的眼睛156可以感知表示由显示元件104显示的虚拟图像的第一部分的图像光235r。
66.此外，偏振选择性反射器115可以将从镜137接收的图像光226r反射和会聚为朝向镜137传播的图像光228r。镜137可以将图像光228r的第一部分透射为朝向第一透射透镜125传播的图像光230r，并将图像光228r的第二部分反射回偏振选择性反射器115作为lhcp图像光(未示出)。第一透射透镜125可以将图像光230r发散为朝向偏振开关129传播的图像光232l。在切换状态下运行的偏振开关129可以将图像光232l透射为朝向第二偏光片123传播的图像光234r。第二偏光片123可以经由吸收阻挡图像光234r。因此，位于适眼框区域159内的出射光瞳157处的眼睛156可能不会感知到图像光234r，并因此，可能不会感知到由图像光234r形成的重影图像。
67.如图2b所示，显示元件104可以输出第二图像光262l(例如，表示由显示元件104显示的相同的虚拟图像的第二部分)。第一偏光片113可以将图像光262l转换为朝向偏振选择性反射器115传播的图像光263l。偏振选择性反射器115可以基本上将图像光263l透射为朝向镜137传播的图像光265l。镜137可以将图像光265l的第一部分透射为朝向第一透射透镜125传播的图像光267l，并将图像光265l的第二部分反射回偏振选择性反射器115作为图像光266r。
68.偏振选择性反射器115可以将图像光266r反射并会聚为朝向镜137传播的图像光268r。镜137可以将图像光268r的第一部分透射为朝向第一透射透镜125传播的图像光270r，并将图像光268r的第二部分反射回偏振选择性反射器115作为lhcp图像光(未示出)。第一透射透镜125可以将图像光270r发散为朝向偏振开关129传播的图像光272l。在非切换状态下运行的偏振开关129可以将图像光272l透射为朝向第二偏光片123传播的图像光274l。第二偏光片123可以将图像光274l透射为朝向第二透射透镜135传播的图像光276l。第二透射透镜135可以将图像光276l会聚为朝向适眼框区域159传播的图像光278r。图像光278r的光强度可以大约是从显示元件104输出的图像光262l的光强度的25％。因此，位于适眼框区域159内的出射光瞳157处的眼睛156可以感知表示由显示元件104显示的虚拟图像的第二部分的图像光278r。
69.此外，第一透射透镜125可以将从镜137接收的图像光267l会聚为向偏振开关129传播的图像光269r。在非切换状态下运行的偏振开关129可以将图像光269r透射为朝向第二偏光片123传播的图像光271r。第二偏光片123可以经由吸收阻挡图像光271r。因此，位于
适眼框区域159内的出射光瞳157处的眼睛156可能不会感知到图像光271r，并因此可能不会感知到由图像光271r形成的重影图像。
70.参考图2a和图2b，图像光262l的光路可以在镜137和偏振选择性反射器115之间折叠两次，从而增加图像光262l从显示元件104到适眼框区域159的光路长度，图2b所示的图像光262l的第二光路(或注视点路径)可以被配置为比图2a所示图像光221l的第一光路(或者外围路径)更长。由于视场(fov)取决于显示元件104的尺寸(例如，面板尺寸)和从显示元件104到适眼框区域159的光路的距离，当显示元件104的尺寸(例如，面板尺寸)固定时，从显示元件104到适眼框区域159的较长光路可能导致较小的fov。因此，图2a所示的图像光221l的第一光路(或外围路径)可以提供比图2b所示图像光262l的第二光路(或者注视点路径)更大的fov。
71.此外，偏振选择性反射器115、第一透射透镜125和第二透射透镜135的各自的光焦度可以被配置为，使得透镜组件102可以被配置为当偏振开关129在切换状态中运行时，向从显示元件104输出的图像光提供比当偏振开关129在非切换状态中运行时从显示元件104输出的图像光更大的光焦度。也就是说，透镜组件102可以被配置为向沿着第一光路(或外围路径)传播的图像光221l提供比向沿着第二光路(或注视点路径)传播的图像光262l更大的光焦度。例如，偏振选择性反射器115的光焦度可以被配置为对于rhcp光为+d1(单位：屈光度)，对于lhcp光为0，第一透射透镜125的光焦度可以被配置为对于rhcp光为-d2(单位：屈光度)，对于lhcp光为+d2(单位：屈光度)，第二透射透镜135的光焦度可以被配置为对于lhcp光为+d3(单位：屈光度)，其中，d1是大于或等于零的值，d2和d3是大于零的值。因此，透镜组件102可以向沿着外围路径传播的图像光221l提供(+d2+d3)的总光焦度，并向沿着注视点路径传播的图像光262l提供(+d1-d2+d3)的总光焦度。透镜组件102可以在预定图像平面处形成显示元件104的放大的直立虚拟图像，由透镜组件102提供的(+d2+d3)或(+d1-d2+d3)的总光焦度可以大于零。
72.当偏振选择性反射器115的光焦度d1等于零时，由透镜组件102提供给图像光221l的总光焦度(+d2+d3)大于由透镜组件102提供给图像光262l的总光焦度(-d2+d3)。当偏振选择性反射器115的光焦度d1大于零时，各自的光焦度d1、d2和d3可以被配置为，使得由透镜组件102提供给图像光221l的总光焦度(+d2+d3)大于由透镜组件102提供给图像光262l的总光焦度(+d1-d2+d3)。
73.由于角分辨率(单位：像素每度(pixel per degree，ppd))取决于像素间距和透镜组件102的有效焦距(或光焦度)，当像素间距固定时，更长的有效焦距(或更小的光焦度)可导致更高的分辨率。因此，图2b所示的图像光262l的第二光路(或注视点路径)可以提供比图2a所示图像光221l的第一光路(或者外围路径)更高的分辨率。
74.在一些实施例中，显示元件104可以被配置为在不同时间段期间(例如，分别在显示帧的第一子帧和第二子帧期间)输出图像光221l和图像光262l。相应地，偏振开关129可以在第一子帧期间以切换状态运行，并在第二子帧期间以非切换状态运行。在所公开的实施例中，可以配置包括在透镜组件102中的各种元件(例如，偏振选择性反射器115、第一透射透镜125和第二透射透镜135)之间的距离，并且可以配置偏振选择性反射器115、第一透射透镜125和第二透射透镜135各自的光焦度，使得透镜组件102可以在第一子帧和第二子帧期间将显示元件104成像到相同的预定图像平面。在一些实施例中，当包括在透镜组件
102中的各种元件之间的距离固定时，偏振选择性反射器115、第一透射透镜125和第二透射透镜135的各自的光焦度可以被配置为，使得透镜组件102可以被配置为在第一子帧和第二子帧期间将显示元件104成像到相同的预定图像平面。也就是说，无论偏振开关129在切换状态或非切换状态运行，透镜组件102可以将显示元件104成像到具有沿着光轴120到适眼框区域159的相同预定轴向距离的相同预定图像平面。
75.例如，当偏振开关129在第一子帧期间在切换状态下运行时，透镜组件102可以形成显示元件104的第一放大图像(具有第一放大率)，该显示元件104在相同的预定图像平面处输出沿着外围路径传播的图像光221l。当偏振开关129在第二子帧期间在非切换状态下运行时，透镜组件102可以形成显示元件104的第二放大图像(具有第二放大率)，该显示元件104输出在相同的预定图像平面处沿着注视点路径传播的图像光262l。放大率可以被计算为放大图像的尺寸除以显示元件104的尺寸(例如，面板尺寸)。第一放大率和第二放大率之间的差值可以部分地由偏振选择性反射器115、第一透射透镜125和第二透射透镜135之间的光焦度分布确定。在一些实施例中，第一放大率可以被配置为大于第二放大率。
76.在一些实施例中，尽管未示出，在显示元件104输出沿着外围路径传播的图像光221l时，偏振开关129可以在非切换状态下运行，并在显示元件104输出沿着注视点路径传播的图像光262l时在切换状态下运行。第二偏光片123可以被配置为透射具有第一偏振的输入光(例如，rhcp光)，并经由吸收阻挡具有第二偏振的输入光(例如，lhcp光)。
77.图3a至图3i示出了在显示帧期间在适眼框区域159内的出射光瞳157处呈现高分辨率和大fov的放大虚拟图像的系统100的运行。图3a示出了根据本公开的实施例的存储在图1所示的存储设备118中的虚拟图像305(即，原始虚拟图像)，虚拟图像305的内容将在显示元件104的显示帧期间由系统100在适眼框区域159处呈现。控制器116(图1所示)可以检索和处理原始虚拟图像305的图像数据302。在一些实施例中，控制器116可以将原始虚拟图像305的图像数据302分割为第一图像数据部分302-1和第二图像数据部分302-2。第一图像数据部分302-1可以对应于原始虚拟图像305的第一部分(或外围部分)305-1(或表示原始虚拟图像305的第一部分305-1的内容)。第二图像数据部分302-2可以对应于原始虚拟图像305的第二部分(或注视点部分)305-2(或表示原始虚拟图像305的第二部分305-2的内容)，第二部分305-2被第一部分305-1围绕。第二部分(或注视点部分)305-2的纵横比(即图像的宽度和高度之间的比例关系)可以被配置为与原始虚拟图像305的纵横比大体上相同。
78.图3a所示的原始虚拟图像305被示出用于使图像数据302的分区可视化，并且原始虚拟图像305实际上未被显示在显示元件104上。相反，显示元件104可以显示如由控制器116修改的原始虚拟图像305的修改版本。在控制器116将原始虚拟图像305的图像数据302分割成两个图像数据部分302-1和302-2之后，控制器116可以将图像数据的多个部分提供给显示元件104，以用于在不同的时间段(例如，显示帧的子帧)期间显示原始虚拟图像305的外围部分305-1的内容和注视点部分305-2的内容。
79.例如，在一些实施例中，显示元件104的显示帧可以被划分为第一子帧和与之接续的第二子帧。控制器116可以控制显示元件104在第一子帧中仅显示外围部分305-1的内容，并在第二子帧中仅显示注视点部分305-2的内容，或者，在第二子帧中仅显示外围部分305-1的内容，并在第一子帧中仅显示注视点部分305-2的内容。在一些实施例中，控制器116可以在第一子帧期间将第一图像数据部分302-1提供到显示元件104，并在第二子帧期间将第
二图像数据部分302-2提供到显示元件104。
80.图3b示出了根据本公开实施例的在第一子帧期间由显示元件104(例如，在显示面板上)显示的第一虚拟子图像315。如图3b所示，由显示元件104显示的第一虚拟子图像315可以仅包括原始虚拟图像305的外围部分305-1的内容。第一虚拟子图像315可以包括第一部分(或外围部分)315-1和由第一部分315-1围绕的第二部分(或注视点部分)315-2。第一虚拟子图像315的外围部分315-1可以包括图3a所示的原始虚拟图像305的外围部分305-1的内容，而第一虚拟子图像315的注视点部分315-2可以不包括图3a所示的原始虚拟图像305的注视点部分305-2的任何内容，并且可以不包括原始虚拟图像305的任何内容。出于说明的目的，第一虚拟子图像315的整个注视点部分315-2在图3b中示出为黑色(或暗色)部分。例如，可以关闭对应于注视点部分315-2的显示元件104的像素或显示单元。在一些实施例中，对应于注视点部分315-2的显示元件104的像素或显示单元可以被控制以显示除了黑色之外的颜色。
81.第一虚拟子图像315、外围部分315-1以及注视点部分315-2的尺寸(或面积)可以被分别指定为s1、s
11
和s
12
，其中，s1＝s
11
+s
12
。在图3b所示的实施例中，第一虚拟子图像315的尺寸(或面积)s1可以与显示元件104的整个显示区域(例如，整个显示面板)的尺寸(或面积)a0基本上相同。例如，显示元件104的整个显示区域(例如，整个显示面板)可具有宽度w1和高度h1。因此，第一虚拟子图像315可以具有宽度w1和高度h1。第一虚拟子图像315的尺寸可以是s1＝w1
×
h1。第一虚拟子图像315的纵横比(即图像的宽度和高度之间的比例关系)可以是w1/h1。注视点部分315-2可以具有宽度w2和高度h2。注视点部分315-2的尺寸可以是s
12
＝w2
×
h2，注视点部分315-2的纵横比可以是w2/h2。在一些实施例中，注视点部分315-2的纵横比w2/h2可以与第一虚拟子图像315的纵横比w1/h1基本上相同。
82.图3c示出了根据本公开实施例的在显示元件104的显示帧的第二子帧期间，由显示元件104(例如，在显示面板上)显示的第二虚拟子图像325。如图3c所示，在第二子帧期间，由显示元件104显示的第二虚拟子图像325可以包括图3a所示的原始虚拟图像305的注视点(或中心)部分305-2的内容，并且可以不包括图3a所示的原始虚拟图像305的外围部分305-1的任何内容。图3c示出了第二虚拟子图像325由显示元件104的整个显示单元或像素显示(例如，第二虚拟子图像325基本上占据整个显示面板或显示区域)。第二虚拟子图像325可以具有宽度w1和高度h1。第二虚拟子图像325的尺寸(或面积)可以是s2＝w1
×
h1，第二虚拟子图像325的纵横比可以是w1/h1，第二虚拟子图像325的纵横比可以与图3b所示的第一虚拟子图像315的纵横比相同。第二虚拟子图像325的尺寸s2可以与第一虚拟子图像315的尺寸s1相同，第一虚拟子图像315的尺寸s1基本上与显示元件104的整个显示区域(例如，整个显示面板)的尺寸(或面积)a0相同。
83.图3d示出了根据本公开的实施例的在显示帧的第一子帧期间，表示图3b所示的第一虚拟图像315的图像光221l的光路。图3e示出了根据本公开的实施例的在显示帧的第二子帧期间，表示图3c所示的第二虚拟子图像325的图像光262l的光路。出于说明的目的，图3d和图3e示出了包括在第二光学部件127中的各种元件被无间隙地堆叠(例如，通过直接接触)，第二光学部件127和镜137被无间隙地堆叠(例如，通过直接接触)，尽管在其他实施例中这些元件之间可以存在间隙。出于说明的目的，图3d和图3e示出了包括在第一光学部件117中的各种元件被无间隙地堆叠(例如，通过直接接触)，第一光学部件117和显示元件104
被无间隙地堆叠(例如，通过直接接触)，尽管在其他实施例中这些元件之间可以存在间隙。出于说明的目的，图3d和图3e示出了偏振选择性反射器115的光焦度d1等于零。
84.图3d所示的图像光221l的光路可以类似于图2a所示的图像光221l的光路。出于说明的目的，图3d仅示出从显示元件104的下侧外围输出的单束图像光221l。如图3d所示，在第一子帧期间，控制器116(未示出)可以控制显示元件104输出表示图3b所示的第一虚拟子图像315(其具有与图3a所示的虚拟图像305的外围部分305-1相同的内容)的图像光221l。此外，控制器116可以控制偏振开关129在切换状态下运行。图像光223l可以沿着第一光路(或外围路径)朝向适眼框区域159传播，并且可以由透镜组件102聚焦为图像光235r，图像光235r穿过适眼框区域159内的出射光瞳157传播。透镜组件102可以在预定图像平面360处形成显示元件104的第一放大图像370，该预定图像平面360具有至适眼框区域159的预定轴向距离d，或者至显示元件104的预定轴向距离d，其中显示元件104显示第一虚拟子图像315。在一些实施例中，预定轴向距离d可以远大于适眼框区域159和显示元件104之间的距离，预定图像平面360可以被认为位于相对于适眼框区域159的无限距离处。在一些实施例中，预定图像平面360可以被认为位于相对于适眼框区域159的有限距离处。
85.图3g示出了根据本公开的实施例的在显示帧的第一子帧期间在预定图像平面360处形成的显示元件104的第一放大图像370，显示元件104显示了图3b所示的第一虚拟子图像315。在显示帧的第一子帧期间，控制器116可以控制透镜组件102以提供第一光焦度和第一光路，使得由透镜组件102形成在预定图像平面360处的第一放大图像370以第一放大率放大。因此，在显示元件104显示图3b所示的第一虚拟子图像315的情况下，第一放大图像370是第一虚拟子图像315的具有第一放大率的放大图像。第一放大率可以被计算为第一放大图像370的尺寸除以显示元件104的尺寸(例如，面板尺寸)。第一放大图像370可以包括第一部分(或外围部分)370-1和由第一部分370-1围绕的第二部分(或注视点部分)370-2。图3g所示的第一放大图像370的外围部分370-1和注视点部分370-2可以分别是图3b所示的第一虚拟子图像315的外围部分315-1和注视点部分315-2的放大图像。
86.因此，在第一子帧期间，透镜组件102可以以第一放大率在预定图像平面360处形成包括图3a所示的原始虚拟图像305的外围部分305-1的内容的图像。透镜组件102可以在第一子帧期间提供相对大的fov和相对低的角分辨率。“相对”大的fov和“相对”低的角分辨率是相对于在第二子帧期间由透镜组件102提供的fov和角分辨率而言的。因此，第一放大图像370可以以相对大的fov和相对低的角分辨率呈现图3a所示的原始虚拟图像305的外围部分305-1的内容。因此，在第一子帧期间，位于适眼框区域159内的出射光瞳157处的眼睛156可以感知到第一放大图像370，该第一放大图像370以相对大的fov和相对低的角分辨率呈现原始虚拟图像305的外围部分305-1的内容。
87.参考图3e，图3e所示的图像光262l的光路可以类似于图2b所示的图像光262l的光路。出于说明的目的，图3e仅示出了从显示元件104的上侧外围输出单束图像光262l。如图3e所示，在第二子帧期间，控制器116可以控制显示元件104输出表示图3c所示的第二虚拟子图像325(其包括与图3a所示的虚拟图像305的注视点部分305-2相同的内容)的图像光262l。此外，控制器116可以控制偏振开关129在非切换状态下运行。图像光262l可以沿第二光路(或注视点路径)朝向适眼框区域159传播，并且可以由透镜组件102聚焦为图像光278r，图像光278r穿过适眼框区域159内的相同的出射光瞳157传播。透镜组件102可以在相
同的预定图像平面360处形成显示元件104的第二放大图像380。
88.图3h示出了根据本公开的实施例的在显示帧的第二子帧期间在预定图像平面360处形成的显示元件104的第二放大图像380，显示元件104显示图3c所示的第二虚拟子图像325。在显示帧的第二子帧期间，控制器116可以控制透镜组件102以提供第二光焦度和第二光路，使得由透镜组件102形成在图像平面360处的第二放大图像380以第二放大率放大。因此，在显示元件104显示第二虚拟子图像325(如图3c所示)的情况下，第二放大图像380可以是具有第二放大率的第二虚拟子图像325的放大图像。第二放大率可以被计算为第二放大图像380的尺寸除以显示元件104的尺寸(例如，面板尺寸)。图3g所示的第一放大图像370的第一放大率可以被配置为大于图3h所示的第二放大图像380的第二放大率。
89.参考图3g和图3h，在第二子帧期间形成的第二放大图像380在预定图像平面360处的位置可以与在第一子帧期间形成的第一放大图像370的注视点部分370-2在图像平面360处的位置基本匹配。在图像平面360处形成的第二放大图像380的尺寸(如图3h所示)可以与形成在图像平面360处的第一放大图像370的注视点部分370-2的尺寸基本相同(如图3g所示)。注意，图3b、3c、3g和3h所示的图像的尺寸没有按照放大率缩放。图3g和图3h所示的图像分别是经由透镜组件102形成的图3b和图3c中所示图像的放大版本。
90.因此，在第二子帧期间，透镜组件102可以形成显示预定图像平面360处的原始虚拟图像305的注视点部分305-2的内容的图像。透镜组件102可以在第二子帧期间提供相对小的fov和相对高的角分辨率。因此，第二放大图像380可以以相对小的fov和相对高的角分辨率呈现图3a所示的原始虚拟图像305的注视点部分305-2的内容。因此，在第二子帧期间，位于适眼框区域159内的出射光瞳157处的眼睛156可以感知到第二放大图像380，该第二放大图像380以相对小的fov和相对高的角分辨率呈现原始虚拟图像305的注视点部分305-2的内容。在包括第一子帧和第二子帧的整个显示帧期间，眼睛156可感知到第一放大图像370和第二放大图像380的组合图像(或叠加图像)，该组合图像包括与原始虚拟图像305相同的内容。
91.图3f既示出了在图3d所示的第一子帧期间从显示元件104输出的图像光221l的光路，又示出了在图3e所示的第二子帧期间从显示元件104输出的图像光262l的光路。图像光221l可以表示图3b所示的第一虚拟子图像315，第一虚拟子图像315包括(仅)与图3a所示的虚拟图像305的外围部分305-1相同的内容。图像光262l可以表示图3c所示的第二虚拟子图像325，第二虚拟子图像325包括(仅)与图3a所示的虚拟图像305的注视点部分305-2相同的内容。如图3f所示，在显示元件104的整个显示帧(包括第一子帧和第二子帧)期间，透镜组件102可以在预定图像平面360处形成显示元件104的叠加的(或最终的)放大图像390，显示元件104分别在第一子帧和第二子帧中单独地显示第一虚拟子图像315和第二虚拟子图像325。
92.图3i示出了根据本发明实施例的在整个显示帧期间显示元件104在预定图像平面360处的叠加的放大图像390。如图3i所示，在预定图像平面360处，在显示帧期间形成的叠加的放大图像390可以是在第一子帧期间形成的第一放大图像370和在第二子帧期间形成的第二放大图像380的组合(或重叠、叠加)图像。
93.具体地，叠加的放大图像390可以包括外围部分390-1和由外围部分390-1围绕的注视点部分390-2。外围部分390-1可以对应于第一放大图像370(或可由第一放大图像370
形成)，第一放大图像370呈现与原始虚拟图像305的外围部分305-1相同的内容(也是与第一虚拟子图像315的外围部分315-1相同的内容)。注视点部分390-2可以对应于第二放大图像380(或可由第二放大图像380形成)，第二放大图像380呈现与原始虚拟图像305的注视点部分305-2相同的内容(也是与第二虚拟子图像325相同的内容)。注视点部分390-2可以对应于在第一放大图像370的注视点部分370-2的相同位置处形成的第二放大图像380。由于显示元件104和透镜组件102被同步，以在第一子帧期间提供相对大的fov和相对低的角分辨率，并在第二子帧期间提供相对小的fov和相对高的角分辨率，系统100可以呈现具有相对大的fov和相对低的角分辨率的叠加的放大图像390的外围部分390-1，并呈现具有相对小的fov和相对高的角分辨率的叠加的放大图像390的注视点部分390-2。因此，在整个显示帧期间，位于适眼框区域159内的出射光瞳157处的眼睛156可以感知具有相对大的fov和相对低的角分辨率的原始虚拟图像305的外围部分305-1的内容，以及具有相对小的fov和相对高的角分辨率的原始虚拟图像305的注视点部分305-2的内容。
94.例如，参考图3d至图3i，在一些实施例中，系统100的总系统长度(即，从显示元件104到适眼框区域159的轴向距离)可以被配置为30mm，并且显示元件104可以被配置为包括具有24μm的间距尺寸(pitch size)的2.1英寸的lcd面板。在第一子帧期间，系统100的有效焦距可以是约28.6mm，位于适眼框区域159内的出射光瞳157处的眼睛156可以感知显示元件104的第一放大图像370，显示元件104显示虚拟图像305的外围部分305-1的内容。外围部分305-1的内容可以以相对大的fov(例如，
±
40
°
)和相对低的角分辨率(例如，2.88弧分)呈现给眼睛156。在第二子帧期间，系统100的有效焦距可以是约86.4mm，位于适眼框区域159内的出射光瞳157处的眼睛156可以感知显示元件104的第二放大图像380，整个显示元件104基本上仅显示虚拟图像305的注视点部分305-2的内容。虚拟图像305的注视点部分305-2的内容可以以相对小的fov(例如，
±
13
°
)和相对高的角分辨率(例如，0.95弧分)呈现给眼睛。因此，在整个显示帧期间，位于适眼框区域159内的出射光瞳157处的眼睛156可以感知叠加的放大图像390，该叠加的放大图像390呈现具有相对大的fov(例如，
±
40
°
)和相对低的角分辨率(例如，2.88弧分)的虚拟图像305的外围部分305-1的内容，以及具有相对小的fov(例如，
±
13
°
)和相对高的角分辨率(例如，0.95弧分)的虚拟图像305的注视点部分305-2的内容。
95.在系统100的运行期间，控制器116可以控制显示元件104以预定频率或预定帧速率在显示图3b所示的第一虚拟子图像315和显示图3c所示的第二虚拟子图像325之间切换。在一些实施例中，根据人类视觉的帧速率，预定频率可以是至少60hz。此外，在系统100的运行期间，控制器116可以控制偏振开关129与显示元件104同步，并且控制器116可以控制偏振开关129以相同的预定频率(例如，60hz)在运行于切换状态和非切换状态之间切换。换句话说，偏振开关129在运行于切换状态和非切换状态之间的切换可以与显示元件104以预定帧速率在显示图3b所示的第一虚拟子图像315和显示图3c所示的第二虚拟子图像325之间的切换同步。
96.出于讨论的目的，图3a至图3i示出了显示元件104被控制为在同一显示帧的第一子帧和第二子帧期间分别显示图3b所示的第一虚拟子图像315和和图3c所示的第二虚拟子图像325。在一些实施例中，尽管未示出，但是显示元件104可以被控制为在同一显示帧的第一子帧和第二子帧期间分别显示图3c所示的第二虚拟子图像325和图3b所示的第一虚拟子
图像315。
97.参考图3a至图3c，出于说明和讨论的目的，在上述描述中，假设第一虚拟子图像315的面积或尺寸s1和第二虚拟子图像325的面积或尺寸s2是相同的(例如，s1＝s2)，并且第一虚拟子图像315的面积或尺寸s1或第二虚拟子图像325的面积或尺寸s2可以与显示元件104的整个显示区域(a0)基本上相同(即，s1＝s2＝a0)。应理解的是，在一些实施例中，第一虚拟子图像315的尺寸s1或第二虚拟子图像325的尺寸s2可以小于显示元件104的整个显示区域a0。在一些实施例中，第一虚拟子图像315的尺寸s1和第二虚拟子图像325的尺寸s2可以彼此不同。例如，第二虚拟子图像325的尺寸s2可以大于第一虚拟子图像315的注视点部分315-2的尺寸s
12
，并小于第一虚拟子图像315的尺寸s1。第二虚拟子图像325的纵横比可以与第一虚拟子图像315的纵横比(或第一虚拟子图像315的注视点部分315-2的纵横比)相同。
98.图4为示出了根据本公开的实施例的用于为显示系统提供视网膜分辨率和大fov的方法400的流程图。如图4所示，方法400可以包括，在显示帧的第一子帧期间，控制器控制显示元件显示第一虚拟子图像，并控制包括在透镜组件中的偏振开关在切换状态下运行(步骤410)。第一虚拟子图像可以包括存储在存储设备118中的虚拟图像(该虚拟图像可以被称为原始虚拟图像)的第一部分的内容。透镜组件可以包括部分反射器、设置在部分反射器的第一侧的偏振选择性反射器、设置在部分反射器的第二侧的偏振开关以及设置在偏振开关和部分反射器之间的偏振选择性透射透镜。方法400还可以包括，在显示帧的第一子帧期间，透镜组件在预定图像平面处形成显示第一虚拟子图像的显示元件的第一放大图像(步骤420)。
99.方法400还可以包括，在显示帧的第二子帧期间，控制器控制显示元件显示第二虚拟子图像，并控制包括在透镜组件中的偏振开关在非切换状态下运行(步骤430)。第二虚拟子图像可以包括存储在存储设备118中的虚拟图像的第二部分的内容。方法400可以包括，在显示帧的第二子帧期间，透镜组件在预定图像平面处形成显示第二虚拟子图像的显示元件的第二放大图像(步骤440)。显示元件的第一放大图像和第二放大图像可以分别具有第一放大率和第二放大率。第一放大率可以与第二放大率不同。
100.在一些实施例中，方法400可以包括从存储设备118检索虚拟图像的图像数据，并将图像数据分割为第一图像数据部分和第二图像数据部分。第一图像数据部分可以对应于虚拟图像的第一部分(或表示虚拟图像的第一部分的内容)。第二图像数据部分可以对应于由第一部分围绕的虚拟图像的第二部分(或表示虚拟图像的第二部分的内容)。
101.在一些实施例中，虚拟图像的第一部分和第二部分中的一个可以是虚拟图像的外围部分，虚拟图像的第一部分和第二部分中的另一个可以是由外围部分围绕的注视点部分。在一些实施例中，步骤410可以包括，在显示帧的第一子帧期间，控制器控制显示元件输出形成第一虚拟子图像的第一图像光，第一虚拟子图像包括虚拟图像的外围部分的内容。在一些实施例中，步骤420可以包括透镜组件向从显示元件传播到适眼框区域的第一图像光提供第一光焦度和第一光路。在一些实施例中，步骤430可以包括，在显示帧的第二子帧期间，控制器控制显示元件输出形成第二虚拟子图像的第二图像光，第二虚拟子图像包括虚拟图像的注视点部分的内容。在一些实施例中，步骤440可包括透镜组件向从显示元件传播到适眼框区域的第二图像光提供第二光焦度和第二光路。在一些实施例中，第一光焦度可以大于第二光焦度，第一光路可以短于第二光路。
102.在一些实施例中，方法400可以包括，控制器控制显示元件以预定频率在显示第一虚拟子图像和第二虚拟子图像之间切换。在一些实施例中，方法400可以包括，控制器控制偏振开关以预定频率在运行于切换状态和非切换状态之间切换。在一些实施例中，该预定频率至少为60hz。在一些实施例中，偏振选择性透射透镜是第一透射透镜，透镜组件还可以包括第二透射透镜，以及设置在第一透射透镜和第二透射透镜之间的偏光片。第一透射透镜和第二透射透镜可以设置在偏振开关的相对侧。在一些实施例中，步骤410可以包括，在第一子帧期间，控制器控制显示元件向偏振选择性反射器输出形成第一虚拟子图像的第一图像光，该第一虚拟子图像包括虚拟图像的第一部分的内容。在一些实施例中，步骤420可以包括，在第一子帧期间，偏振选择性反射器将具有第一偏振的第一图像光朝向部分反射器透射。在一些实施例中，步骤420可以包括，在第一子帧期间，部分反射器将第一图像光的第一部分朝向第一透射透镜透射。在一些实施例中，步骤420可以包括，在第一子帧期间，第一透射透镜将第一图像光的第一部分朝向偏振开关会聚，以作为具有与第一偏振正交的第二偏振的第二图像光。在一些实施例中，步骤420可以包括，在第一子帧期间，控制器控制偏振开关在切换状态中运行，以将第二图像光转换成具有朝向偏光片的第一偏振的第三图像光。在一些实施例中，步骤420可以包括，在第一子帧期间，偏光片将第三图像光朝向第二透射透镜透射，第二透射透镜会聚第三图像光。
103.在一些实施例中，步骤430可以包括，在第二子帧期间，控制器控制显示元件以向偏振选择性反射器输出形成第二虚拟子图像的第四图像光，该第二虚拟子图像包括虚拟图像的第二部分的内容。在一些实施例中，步骤440可以包括，在第二子帧期间，偏振选择性反射器将具有第一偏振的第四图像光朝向部分反射器透射。在一些实施例中，步骤440可以包括，在第二子帧期间，部分反射器将第四图像光的一部分反射回偏振选择性反射器，以作为具有第二偏振的第五图像光。在一些实施例中，步骤440可以包括，在第二子帧期间，偏振选择性反射器将第五图像反射回部分反射器，以作为具有第二偏振的第六图像光。在一些实施例中，步骤440可以包括，在第二子帧期间，部分反射器将第六图像光的一部分朝向第一透射透镜透射。在一些实施例中，步骤440可以包括，在第二子帧期间，第一透射透镜将第六图像光的一部分朝向偏振开关发散，以作为具有第一偏振的第七图像光。在一些实施例中，步骤440可以包括，在第二子帧期间，控制器控制偏振开关在非切换状态下运行，以朝向偏光片透射第七图像光。在一些实施例中，步骤440可以包括，在第二子帧期间，偏光片将第七图像光朝向第二透射透镜透射，第二透射透镜会聚第七图像光。偏振选择性反射器、部分反射器、第一透射透镜、第二透射透镜、偏振开关和偏光片的详细描述和示例可以参考结合图1至图3f提供的上述描述。
104.图5a示出了根据本公开的实施例的ned 500的示意图。ned 500可以是被配置为用于vr、ar和/或mr应用的系统。在一些实施例中，ned 500可以被穿戴在用户的头部(例如，通过具有眼镜(spectacles或eyeglasses)的形式，如图5a所示)，或者，被包括为用户可穿戴的头盔的一部分。在一些实施例中，ned 500可以被安装到用户的头部，称为头戴式显示器。在一些实施例中，ned 500可以被配置为放置在用户的一只或两只眼睛附近的眼睛前方的固定位置处，而不是安装到用户的头部。
105.图5b示意性地示出了根据本公开的实施例的图5a所示的ned 500的x-y截面图。ned 500可以包括显示设备510、观看光学组件520、物体跟踪系统530和控制器540(例如，与
图1所示的控制器116类似的控制器)。控制器540可以与显示设备510、观看光学组件520和/或物体跟踪系统530通信耦合，以控制显示设备510、观看光学组件520和/或物体跟踪系统530的运行。
106.物体跟踪系统530可以是眼睛跟踪系统和/或面部跟踪系统。物体跟踪系统530可以包括被配置为发射ir光以照亮眼睛156和/或面部的红外(infrared，ir)光源531。物体跟踪系统530还可以包括光学传感器533(例如，摄像头)，光学传感器533被配置为接收由每只眼睛156反射的ir光，并生成与眼睛156有关的跟踪信号(例如，眼睛156的图像)。在一些实施例中，物体跟踪系统530还可以包括ir偏转元件(未示出)，ir偏转元件被配置为使由眼睛156反射的ir光朝向光学传感器533偏转。
107.显示设备510可以向用户显示虚拟(即，计算机生成的)图像。在一些实施例中，显示设备510可以包括单个或多个显示元件104。在一些实施例中，显示元件104可以是电子显示器。出于讨论的目的，图5b示出了分别用于用户的左眼156和右眼156的两个电子显示器。电子显示器可以包括显示面板(出于讨论的目的也被称为104)。观看光学组件520可以被布置在显示设备510和眼睛156之间，并且可以被配置为将从显示设备510输出的图像光引导到适眼框区域159内的出射光瞳157。观看光学组件520可以包括分别用于左眼156和右眼156的两个透镜组件525。透镜组件525可以是本文公开的透镜组件的一个实施例(例如，图1至图2b和图3d至图3e所示的透镜组件102)。显示元件104和透镜组件525的运行可以参考以上结合图1至图3f所提供的描述。在显示元件104的整个显示帧期间，位于适眼框区域159内的出射光瞳157处的眼睛156可以感知放大图像518，放大图像包括外围部分和由外围部分环绕的注视点部分。显示元件104和透镜组件525可以同步，以为放大图像518的外围部分提供相对大的fov(例如，
±
40
°
)和相对低的角分辨率(例如，2.88弧分)，并为放大图像518的注视点部分提供相对小的fov(例如，
±
13
°
)和相对高的角分辨率(例如，0.95弧分)。
108.图6a示出了根据本公开实施例的lcph元件600的示意三维(3d)图，光线602沿a-z轴入射到lcph元件600上。在一些实施例中，lcph元件600可以是包括在图1至图2b和图3d至图3f所示的透镜组件102中的第一偏振选择性反射器115、第一透射透镜125和/或第二透射透镜135的实施例。如图6a所示，尽管lcph元件600出于说明的目的被示出为矩形板状，但是lcph元件600可以具有合适的形状(例如，圆形)。在一些实施例中，沿着光线602的光传播路径的一个或两个表面可以具有弯曲形状。在一些实施例中，lcph元件600可以基于双折射介质(例如，液晶(lc)材料)制造，该双折射介质可以具有光学各向异性分子的固有取向顺序，该光学各向异性分子可以在制造过程中被局部控制。在一些实施例中，lcph元件600可以基于除lc之外的双折射光折射全息材料制造。在一些实施例中，lcph元件600可以基于子波长结构制造。
109.在一些实施例中，lcph元件600可以包括层形式的双折射介质(例如，lc材料)，层形式的双折射介质可以被称为双折射介质层615。双折射介质层615可以具有第一表面615-1和相对的第二表面615-2。第一表面615-1和第二表面615-2可以是沿着入射光线602的光传播路径的表面。双折射介质层615可以包括光学各向异性分子(例如，lc分子)，光学各向异性分子被配置为具有3d取向图案，以提供与预定光学响应相关联的预定相位分布(phase profile)。
110.图6b和图6c示意性地示出了根据本公开的实施例的图6a所示的lcph元件600的一
部分的x-y截面图，其示出了lcph元件600中的光学各向异性分子612的平面内取向。出于说明的目的，lcph元件600中光学各向异性分子612的平面内取向如图6b和图6c所示。在一些实施例中，在lcph元件600中的光学各向异性分子612可以具有其他平面内取向图案，这使得lcph元件600能够作为合适的反射性pvh元件或clc元件或pbp元件，例如，反射性pvh球面透镜或pbp球面透镜、反射性pvh非球面透镜或pbp非球面透镜、反射性pvh柱面透镜或pbp柱面透镜、或反射性pvh自由形态透镜或pbp自由形态透镜等。
111.出于讨论的目的，使用棒状lc分子612作为光学各向异性分子612的示例。棒状lc分子612可以具有纵轴(或长度方向上的轴)和横轴(或宽度方向上的轴)。lc分子612的纵轴可以被称为lc分子612的指向矢或lc指向矢。lc指向矢的取向可以确定局部光轴取向、或在双折射介质层615的局部点处的光轴取向。术语“光轴”可以指晶体中的方向。在光轴方向上传播的光可以不经历双折射(或双重折射)。光轴可以是一个方向而不是一条线：平行于该方向的光可以不经历双折射。局部光轴可以指在晶体的预定区域内的光轴。
112.图6b示意性地示出了lcph元件600的一部分的x-y截面图，以及lcph元件600的中心部分的放大图。该放大图示出了定位于紧密靠近双折射介质层615的表面(第一表面615-1或第二表面615-2)的lc分子612的lc指向矢的取向的平面内取向图案。
113.图6b示出了lcph元件600具有圆形形状。定位于紧密靠近双折射介质层615的表面(第一表面615-1或第二表面615-2)的lc分子612的取向可以被配置为具有平面内取向图案，该平面内取向图案在从透镜中心(o)650到相对的透镜外围655的至少两个相对的平面内方向上具有变化的间距。例如，定位于紧密靠近双折射介质层615的表面的lc分子612的lc指向矢的取向可以表现出，在从透镜中心650到相反的透镜外围655的至少两个相反的平面内方向(例如，多个相反的径向方向)上以变化的间距连续旋转。从透镜中心650到相对的透镜外围655的lc指向矢的取向可以表现出沿相同旋转方向(例如，顺时针或逆时针)的旋转。平面内取向图案的间距λ可以定义为平面内方向(例如，径向方向)上的距离，在该平面内方向上，lc指向矢的取向(或lc分子612的方位角φ)从预定初始状态改变了预定角度(例如，180
°
)。
114.如图6b的放大图所示，根据沿x轴方向的lc指向矢场，间距λ可以是距透镜中心650的距离的函数。间距λ可在x-y平面中的至少两个相反的平面内方向(例如，两个相反的径向方向)上从透镜中心650到透镜外围655单调减小，例如λ0＞λ1＞
……
＞λr。λ0是透镜图案的中心区域的间距，其可以是最大的。间距λr是在透镜图案的外围区域(例如，外围655)处的间距，其可以是最小的。在一些实施例中，lc分子612的方位角φ可以与从透镜中心650到lc分子612所在的双折射介质层615的局部点的距离成比例地改变。在一些实施例中，图6b和图6c所示的lc指向矢的取向的平面内取向图案也可以被称为透镜图案(例如，球面透镜图案)。
115.如图6b所示，作为轴上聚焦球面透镜(on-axis focusing spherical lens)的lcph元件600的透镜图案中心(o
l
)和几何中心(og)(例如，透镜光圈的中心)可在透镜中心(o)650处基本上彼此重叠。透镜图案中心(o
l
)可以是用作轴上聚焦球面透镜的lcph元件600的透镜图案的中心，也可以是透镜图案的对称中心。几何中心(og)可以被定义为用作轴上聚焦球面透镜的lcph元件600的有效光接收区域(即光圈)的形状中心。
116.图6c示意性地示出了lcph元件600的一部分的x-y截面图，示出了定位于紧密靠近
双折射介质层615的表面的lc分子612的lc指向矢(由图6c中的箭头688指示)的取向的周期性平面内取向图案。图6c示出的lc指向矢的平面内取向图案也可以被称为光栅图案。因此，lcph元件600可用作具有零光焦度的偏振选择性光栅(例如，pvh光栅或pbp光栅)。
117.如图6c所示，定位于紧密靠近双折射介质层615表面的lc分子612可以被配置为，具有沿表面在预定方向(例如，x轴方向)连续改变(例如，旋转)的lc指向矢的取向。lc指向矢的取向的连续旋转可以形成具有均匀(例如，相同)平面内间距p
in
的周期性旋转图案。预定方向可以是沿着双折射介质层615的表面的任何合适的方向。出于说明的目的，图6c示出了预定方向是x轴方向。预定方向可以被称为平面内方向，沿平面内方向的间距p
in
可以被称为平面内间距或水平间距。平面内间距p
in
被定义为沿平面内方向(例如，x轴方向)的距离，在沿平面内方向上，lc指向矢的取向表现出预定值(例如，180
°
)的旋转。
118.此外，定位于紧密靠近双折射介质层615表面的lc分子612的指向矢的取向可以表现出在预定旋转方向(例如，顺时针方向或逆时针方向)上的旋转。因此，定位于紧密靠近双折射介质层615的表面的lc分子612的指向矢的取向的旋转可以表现出旋性，例如，右旋或左旋。在图6c所示的实施例中，定位于紧密靠近双折射介质层615表面的lc分子612的指向矢的取向可以表现出顺时针方向的旋转。因此，定位于紧密靠近双折射介质层615的表面的lc分子612的指向矢的取向的旋转可以表现出左旋。
119.尽管未示出，在一些实施例中，定位于紧密靠近双折射介质层615的表面的lc分子612的指向矢的取向可以表现出逆时针方向的旋转。因此，定位于紧密靠近双折射介质层615的表面的lc分子612的指向矢的取向的旋转可以表现出右旋。尽管未示出，在一些实施例中，在双折射介质层615的表面内，lc分子612的指向矢的取向表现出顺时针方向旋转的域(称为域dl)和lc分子612的指向矢的取向表现出逆时针方向旋转的域(称为域dr)可以在至少一个平面内方向(例如，在x轴和y轴方向上)上交替地布置。
120.图6d示意性地示出了lcph元件600的一部分的y-z截面图，示出了lcph元件600中lc分子612的lc指向矢的平面外取向。在一些实施例中，平面外方向可以是lcph元件600的厚度方向。如图6d所示，在双折射介质层615的体积内，lc分子612可以被布置在具有多个螺旋轴618和沿多个螺旋轴618的螺旋间距ph的多个螺旋结构617中。沿单个螺旋结构617布置的lc分子612的方位角可以在预定旋转方向(例如，顺时针方向或逆时针方向)上围绕螺旋轴618连续变化。换句话说，沿单个螺旋结构617布置的lc分子612的lc指向矢的取向可以表现出在预定旋转方向上围绕螺旋轴618连续旋转。也就是说，与lc指向矢相关联的方位角可以在预定旋转方向上围绕螺旋轴表现出连续变化。因此，螺旋结构617可以表现旋性，例如右旋或左旋。螺旋间距ph可以被定义为沿着螺旋轴618，lc指向矢的取向表现出围绕螺旋轴618旋转360
°
时的距离，或者lc分子的方位角变化360
°
时的距离。
121.如图6d所示，螺旋结构617的螺旋轴618可以相对于双折射介质层615的第一表面615-1和/或第二表面615-2(或者相对于双折射介质层615的厚度方向)倾斜。例如，螺旋结构617的螺旋轴618可以相对于双折射介质层615的第一表面615-1和/或第二表面615-2成锐角或钝角。在一些实施例中，lc分子612的lc指向矢可以基本上正交于螺旋轴618(即，倾斜角可以基本上为零度)。在一些实施例中，lc分子612的lc指向矢可以相对于螺旋轴618以锐角倾斜。
122.双折射介质层615还可以具有垂直周期(或间距)pv，垂直周期(或间距)pv可以被定
义为沿双折射介质层615的厚度方向的距离，在沿双折射介质层615的厚度方向上，lc分子612的lc指向矢的取向表现出围绕螺旋轴618旋转180
°
(或lc指向矢的方位角改变180
°
)。
123.来自多个螺旋结构617的具有第一相同取向(例如，相同的倾斜角和方位角)的lc分子612可以形成周期性地分布在双折射介质层615的体积内的第一系列平行折射率平面614。尽管未被标记，具有与第一相同取向不同的第二相同取向(例如，相同的倾斜角和方位角)的lc分子612可以形成周期性地分布在双折射介质层615的体积内的第二系列平行折射率平面。不同系列的平行折射率平面可以由具有不同取向的lc分子形成。在相同系列的平行且周期性分布的折射率平面614中，lc分子612可以具有相同的取向，并且折射率可以相同。不同系列的折射率平面614可对应于不同的折射率。当折射率平面614的数量(或双折射介质层的厚度)增加到足够的值时，可以根据体光栅的原理建立布拉格衍射。因此，周期性分布的折射率平面614也可以被称为布拉格平面614。折射率平面614可以相对于第一表面615-1或第二表面615-2倾斜。在双折射介质层615内，可以存在不同系列的布拉格平面。相同系列的相邻布拉格平面614之间的距离(或周期)可以被称为布拉格周期pb。在双折射介质层615的体积内形成的不同系列的布拉格平面可以产生变化的折射率分布(refractive index profile)，该变化的折射率分布周期性地分布在双折射介质层615的体积中。双折射介质层615可以通过布拉格衍射来衍射满足布拉格条件的输入光。
124.双折射介质层615还可以包括在双折射介质层615的体积内彼此平行布置的多个lc分子指向矢平面(或分子指向矢平面)616。lc分子指向矢平面(或lc指向矢平面)616可以是由lc分子612的lc指向矢形成的平面或包括lc分子的lc指向矢的平面。在图6d所示的示例中，lc指向矢平面616和布拉格平面614之间的角度θ(未示出)可以基本上为0
°
或180
°
。也就是说，lc指向矢平面616可以基本上平行于布拉格平面614。
125.在图6e所示的实施例中，在双折射介质层615的体积中，沿着双折射介质层615的厚度方向(例如，z轴方向)，lc分子612的指向矢(或方位角)可以保持在从双折射介质层615的第一表面615-1到第二表面615-2的相同取向(或相同的角度值)。在一些实施例中，双折射介质层615的厚度可以被配置为d＝λ/(2
×
δn)，其中，λ是设计波长，δn是双折射介质层615的lc材料的双折射率，并且δn＝n
e-no，其中，ne和no分别是lc材料的异常折射率和寻常折射率。
126.图6f示意性地示出了根据本公开的实施例的图6a所示的lcph元件600的偏振选择性衍射和透射。lcph元件600可以具有图6b所示的lc分子612的lc指向矢的平面内取向和图6d所示的lc分子612的lc指向矢的平面外取向。lcph元件600可以用作反射pvh透镜(出于讨论的目的也称为反射pvh透镜600)。反射pvh透镜600可以被配置为将具有第一旋性(例如，与图6d中所示的螺旋结构的旋性相同的旋性)的圆偏振光或椭圆偏振光基本上向后衍射为衍射光线(例如，第一衍射光线)，并基本上将具有与第一旋性相反的第二旋性的圆偏振光透射(例如，以可忽略的衍射或零衍射)为透射光线。在一些实施例中，反射pvh透镜600可以被配置为基本上保持由其衍射的圆偏振光线的旋性以及由其透射的圆偏振光线的旋性。例如，衍射光线可以是具有第一旋性的圆偏振光线，透射光线可以是基本上具有第二旋性的圆偏振光线。出于讨论的目的，图6e示出了反射pvh透镜600为右旋反射pvh，该右旋反射pvh被配置为经由衍射将rhcp光线630基本上反射和会聚为rhcp光线660，并基本上将lhcp光线635透射(例如，具有可忽略的衍射)为lhcp光线665。在一些实施例中，反射pvh透镜600可以
是左旋反射pvh，其该左旋反射pvh被配置为经由衍射将lhcp光线基本上反射和会聚为lhcp光线，并基本上透射(例如，具有可忽略的衍射)rhcp光线为rhcp光线。
127.图6g示意性地示出了根据本公开的实施例的图6a所示的lcph元件600的偏振选择性衍射和透射。lcph元件600可以具有图6b所示的lc分子612的lc指向矢的平面内取向和图6e所示的lc分子612的lc指向矢的平面外取向。lcph元件600可以用作pbp透镜(出于讨论的目的也称为pbp透镜600)。pbp透镜600可以被配置为会聚具有第一旋性(例如，第一旋性与图6b所示的定位于紧密靠近双折射介质层615的表面的lc分子612的指向矢的取向的旋转旋性相同的旋性)的圆偏振光线或椭圆偏振光线，并发散具有与第一旋性相反的第二旋性的圆偏振光线或椭圆偏振光线。在一些实施例中，pbp透镜600可以被配置为在会聚或发散圆偏振光线的同时反转圆偏振光线的旋性。出于讨论的目的，图6g示出了pbp透镜600被配置为将rhcp光线630基本会聚为lhcp光线670，并将lhcp光线635发散为lhcp光线675。
128.在一些实施例中，本公开提供了一种设备。该设备包括显示元件和透镜组件。该透镜组件包括：偏振非选择性部分反射器、设置在该偏振非选择性部分反射器的相对侧的偏振选择性反射器和偏振开关、和设置在该偏振开关和该偏振非选择性部分反射器之间的偏振选择性透射透镜。该设备还包括控制器，该控制器被配置为：在显示帧的第一子帧期间，控制该显示元件显示包括虚拟图像的第一部分的内容的第一虚拟子图像，并控制该偏振开关在切换状态下运行。该控制器还被配置为：在该显示帧的第二子帧期间，控制该显示元件显示包括该虚拟图像的第二部分的内容的第二虚拟子图像，并控制该偏振开关在非切换状态下运行。
129.在一些实施例中，该控制器还被配置为检索该虚拟图像的图像数据，并将该图像数据分割为第一图像数据部分和第二图像数据部分，该第一图像数据部分表示该虚拟图像的第一部分的内容，该第二图像数据部分表示该虚拟图像的第二部分的内容。
130.在一些实施例中，该偏振选择性反射器包括反射偏振全息体元件或胆甾型液晶元件。在一些实施例中，该偏振选择性透射透镜包括pancharatnam-berry相位透镜。在一些实施例中，该偏振开关包括可切换半波片。
131.在一些实施例中，该控制器被配置为控制该透镜组件在预定图像平面处形成在该第一子帧期间显示该第一虚拟子图像的该显示元件的第一放大图像，并在该预定图像平面处形成在该第二子帧期间显示该第二虚拟子图像的该显示元件的第二放大图像。该第一放大图像具有第一放大率，该第二放大图像具有不同于第一放大率的第二放大率。在该显示帧期间，形成在该预定图像平面处的叠加的放大图像是在该第一子帧期间形成的该第一放大图像和在该第二子帧期间形成的该第二放大图像的组合。
132.在一些实施例中，该虚拟图像的该第一部分是该虚拟图像的外围部分，该虚拟图像的该第二部分是由该外围部分围绕的该虚拟图像的注视点部分。
133.在一些实施例中，该第一放大图像的第一放大率大于该第二放大图像的第二放大率。
134.在一些实施例中，该控制器被配置为控制该显示元件输出表示该虚拟图像的该外围部分的内容的第一图像光和表示该虚拟图像的该注视点部分的内容的第二图像光。该控制器被配置为控制该透镜组件向从该显示元件传播到该适眼框区域的该第一图像光提供第一光焦度，并向从该显示元件传播到该适眼框区域的该第二图像光提供第二光焦度，该
第一光焦度大于该第二光焦度。
135.在一些实施例中，该控制器被配置为，在该第一子帧和该第二子帧期间，控制该透镜组件的该偏振开关，以在该第一子帧期间向从该显示元件传播到该适眼框区域的该第一图像光提供第一光路，并在该第二子帧期间向从该显示元件传播到该适眼框区域的该第二图像光提供第二光路，该第一光路短于该第二光路。
136.在一些实施例中，该控制器被配置为：控制该显示元件以预定频率在显示该第一虚拟子图像和显示该第二虚拟子图像之间切换，并控制该偏振开关以该预定频率在运行于该切换状态和该非切换状态之间切换。在一些实施例中，该预定频率为至少60hz。
137.在一些实施例中，该偏振选择性反射器被配置为透射具有第一偏振的光，并反射具有与该第一偏振正交的第二偏振的光。该第一偏振和该第二偏振是具有相反旋性的圆偏振。
138.在一些实施例中，该偏振选择性透射透镜被配置为会聚具有该第一偏振的光，并发散具有该第二偏振的光。在一些实施例中，该偏振选择性透射透镜是第一透射透镜。该透镜组件还包括：第二透射透镜和偏光片，该第一透射透镜和该第二透射透镜设置在该偏振开关的相对侧；该偏光片设置在该第一透射透镜和该第二透射透镜之间。
139.在一些实施例中，该偏光片被配置为透射具有该第二偏振和该第一偏振中的一者的光，并阻挡具有该第二偏振和该第一偏振中的另一者的光。
140.在一些实施例中，在该第一子帧期间，该控制器被配置为控制该显示元件向该偏振选择性反射器输出形成该第一虚拟子图像的第一图像光；该偏振选择性反射器被配置为将具有该第一偏振的该第一图像光朝向该偏振非选择性部分反射器透射；该偏振非选择性部分反射器被配置为朝向该第一透射透镜透射该第一图像光的第一部分；该第一透射透镜被配置为将该第一图像光的该第一部分朝向该偏振开关会聚，作为具有该第二偏振的第二图像光；该控制器被配置为控制该偏振开关在该切换状态下运行，以将该第二图像光转换成具有朝向该偏光片的该第一偏振的第三图像光；该偏光片被配置为朝向该第二透射透镜透射该第三图像光；该第二透射透镜被配置为会聚该第三图像光。
141.在一些实施例中，在该第二子帧期间，该控制器被配置为控制该显示元件向该偏振选择性反射器输出形成该第二虚拟子图像的第四图像光；该偏振选择性反射器被配置为将具有该第一偏振的该第四图像光朝向该偏振非选择性部分反射器透射；该偏振非选择性部分反射器被配置为将该第四图像光的一部分反射回该偏振选择性反射器，作为具有该第二偏振的第五图像光，该偏振选择性反射器被配置为将该第五图像反射回该偏振非选择性部分反射器，作为具有该第二偏振的第六图像光；该偏振非选择性部分反射器被配置为朝向该第一透射透镜透射该第六图像光的一部分；该第一透射透镜被配置为将该第六图像光的该部分朝向该偏振开关发散，作为具有该第一偏振的第七图像光；该控制器被配置为控制该偏振开关在该非切换状态下运行，以将该第七图像光透射到该偏光片；该偏光片被配置为朝向该第二透射透镜透射该第七图像光；该第二透射透镜被配置为会聚第七图像光。
142.在一些实施例中，本公开提供了一种方法。该方法包括：在显示帧的第一子帧期间，控制器控制显示元件显示包括虚拟图像的第一部分的内容的第一虚拟子图像；该控制器控制包括在透镜组件中的偏振开关在切换状态下运行，该透镜组件包括偏振非选择性部分反射器、设置在该偏振非选择性部分反射器的相对侧的偏振选择性反射器和该偏振开关
以及设置在该偏振开关和该偏振非选择性部分反射器之间的偏振选择性透射透镜。该方法还包括：在该显示帧的第二子帧期间，该控制器控制该显示元件显示包括该虚拟图像的第二部分的内容的第二虚拟子图像；以及该控制器控制该偏振开关在非切换状态下运行。
143.在一些实施例中，该方法还包括：该控制器检索该虚拟图像的图像数据；以及该控制器将该图像数据分割为表示该虚拟图像的第一部分的内容的第一图像数据部分和表示该虚拟图像的第二部分的内容的第二图像数据部分。
144.在一些实施例中，该方法还包括：在该第一子帧期间，该透镜组件在预定图像平面处形成显示该第一虚拟子图像的该显示元件的第一放大图像；以及在该第二子帧期间，该透镜组件在该预定图像平面处形成显示该第二虚拟子图像的该显示元件的第二放大图像。在该显示帧期间，形成在该预定图像平面处的叠加的放大图像是在该第一子帧期间形成的该第一放大图像和在该第二子帧期间形成的该第二放大图像的组合。该第一放大图像具有第一放大率，该第二放大图像具有不同于第一放大率的第二放大率。
145.在一些实施例中，该虚拟图像的第一部分是该虚拟图像的外围部分，该虚拟图像的第二部分是由该外围部分围绕的该虚拟图像的注视点部分。在一些实施例中，该第一放大图像的该第一放大率小于该第二放大图像的该第二放大率。
146.在一些实施例中，该方法还包括：该控制器控制该显示元件以预定频率在显示该第一虚拟子图像和显示该第二虚拟子图像之间切换；以及该控制器控制该偏振开关以该预定频率在运行于该切换状态和该非切换状态之间切换。该预定频率至少为60hz。
147.已经出于说明的目的呈现了本公开的实施例的前述描述。其不旨在穷举或限制本公开于所公开的精确形式。相关领域的技术人员可以理解，根据以上公开内容，许多修改和变化是可能的。
148.本说明书的一些部分可以根据对信息的操作的算法和符号表示来描述本公开的实施例。虽然在功能上、计算上或逻辑上描述了这些操作，但是这些操作可以由计算机程序或等效电路、微代码等实施。此外，有时还证明将这些操作布置称为模块是方便的，而不失一般性。所描述的操作及其相关联的模块可以以软件、固件、硬件、或其任何组合体现。
149.本文描述的任何步骤、操作或过程可以单独地或与其他设备结合地使用一个或多个硬件和/或软件模块执行或实施。在一个实施例中，用计算机程序产品实施软件模块，该计算机程序产品包括包含计算机程序代码的计算机可读介质，该计算机程序代码可由计算机处理器执行以用于执行所描述的步骤、操作、或过程中的任何一个或全部。在一些实施例中，硬件模块可以包括硬件部件，例如设备、系统、光学元件、控制器、电路、逻辑门等。
150.本公开的实施例还可以涉及用于执行本文中的操作的装置。该装置可以为所需目的而专门构造，和/或该装置可以包括由存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置的通用计算设备。这种计算机程序可以存储在可耦合到计算机系统总线的非暂态、有形计算机可读存储介质、或适合于存储电子指令的任何类型的介质中。非暂态计算机可读存储介质可以是能够存储程序代码的合适的介质，例如，磁盘、光盘、只读存储器(read-only memory，rom)或随机存取存储器(random access memory，ram)、电可编程只读存储器(electrically programmable read only memory，eprom)、电可擦除可编程只读存储器(electrically erasable programmable read only memory，eeprom)、寄存器、硬盘、固态盘驱动器、智能媒体卡(smart media card，smc)、安全数码卡(secure digital，sd)、闪存
卡等。此外，说明书中描述的计算系统可以包括单个处理器，或者可以是采用多个处理器以提高计算能力的架构。该处理器可以是中央处理单元(central processing unit，cpu)、图形处理单元(graphics processing unit，gpu)或被配置为基于数据来处理数据和/或执行计算的另一合适的处理设备。该处理器可以包括软件部件和硬件部件这二者。例如，该处理器可以包括硬件部件，例如，专用集成电路(application-specific integrated circuit，asic)、可编程逻辑装置(programmable logic device，pld)或它们的组合。pld可以是复杂可编程逻辑装置(complex programmable logic device，cpld)、现场可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)等。
151.本公开的实施例还可以涉及一种由本文描述的计算过程产生的产品。这种产品可以包括由计算过程产生的信息，其中，该信息存储在非暂态、有形计算机可读存储介质上，并且可以包括本文描述的计算机程序产品或其他数据组合的任何实施例。
152.此外，当附图中示出的实施例示出单个元件时，应当理解的是，实施例或未在附图中示出但在本公开的范围内的实施例可以包括多个这种元件。同样地，当附中示出的实施例示出了多个这种元件时，应当理解，实施例或未在附图中示出但在本公开的范围内的实施例可以仅包括一个这种元件。附图中示出的元件的数量仅用于说明目的，不应当被解释为限制实施例的范围。此外，除非另外指出，否则附图中示出的实施例不是相互排斥的，并且这些实施例可以以任何合适的方式组合。例如，在一个附图/实施例中示出、但在另一个附图/实施例中未示出的元件仍然可以被包括在另一个附图/实施例中。在本文所公开的包括一个或多个光学层、膜、板或元件的光学设备中，附图中所示的层、膜、板或元件的数目仅用于说明性目的。在附图中未示出的仍在本公开的范围内的其他实施例中，在相同或不同附图/实施例中示出的相同或不同的层、膜、板或元件可以以各种方式组合或重复以形成堆叠。
153.已经描述了各种实施例，以示出示例性实施方式。基于所公开的实施例，本领域普通技术人员可以在不脱离本公开的范围的情况下，做出各种其他改变、修改、重新布置和替换。因此，尽管已经参考以上实施例详细描述了本公开，但是本公开不限于以上实施例。在不脱离本公开的范围的情况下，本公开可以以其他等同形式来体现。本公开的范围在所附权利要求中限定。

技术特征：
1.一种设备，所述设备包括：显示元件；透镜组件，所述透镜组件包括：偏振非选择性部分反射器；偏振选择性反射器和偏振开关，所述偏振选择性反射器和所述偏振开关设置在所述偏振非选择性部分反射器的相对侧；以及偏振选择性透射透镜，所述偏振选择性透射透镜设置在所述偏振开关和所述偏振非选择性部分反射器之间；以及控制器，所述控制器被配置为：在显示帧的第一子帧期间，控制所述显示元件显示包括虚拟图像的第一部分的内容的第一虚拟子图像，并控制所述偏振开关在切换状态下运行，以及在所述显示帧的第二子帧期间，控制所述显示元件显示包括所述虚拟图像的第二部分的内容的第二虚拟子图像，并控制所述偏振开关在非切换状态下运行。2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述控制器还被配置为检索所述虚拟图像的图像数据，并将所述图像数据分割为第一图像数据部分和第二图像数据部分，所述第一图像数据部分表示所述虚拟图像的所述第一部分的内容，所述第二图像数据部分表示所述虚拟图像的所述第二部分的内容。3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述偏振选择性反射器包括反射偏振全息体元件或胆甾型液晶元件。4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述偏振选择性透射透镜包括pbp透镜。5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述偏振开关包括可切换半波片。6.根据权利要求1所述的设备，其中：所述控制器被配置为控制所述透镜组件在预定图像平面处形成在所述第一子帧期间显示所述第一虚拟子图像的所述显示元件的第一放大图像，并在所述预定图像平面处形成在所述第二子帧期间显示所述第二虚拟子图像的所述显示元件的第二放大图像，所述第一放大图像具有第一放大率，所述第二放大图像具有不同于所述第一放大率的第二放大率，以及在所述显示帧期间形成在所述预定图像平面处的叠加的放大图像是在所述第一子帧期间形成的所述第一放大图像和在所述第二子帧期间形成的所述第二放大图像的组合。7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述虚拟图像的所述第一部分是所述虚拟图像的外围部分，所述虚拟图像的所述第二部分是由所述外围部分围绕的所述虚拟图像的注视点部分。8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述第一放大图像的第一放大率大于所述第二放大图像的第二放大率。9.根据权利要求7所述的设备，其中：所述控制器被配置为控制所述显示元件输出表示所述虚拟图像的所述外围部分的内容的第一图像光和表示所述虚拟图像的所述注视点部分的内容的第二图像光，以及所述控制器被配置为控制所述透镜组件向从所述显示元件传播到适眼框区域的所述第一图像光提供第一光焦度，并向从所述显示元件传播到所述适眼框区域的所述第二图像
光提供第二光焦度，所述第一光焦度大于所述第二光焦度。10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述控制器被配置为，在所述第一子帧和所述第二子帧期间，控制所述透镜组件的所述偏振开关，以在所述第一子帧期间向从所述显示元件传播到所述适眼框区域的所述第一图像光提供第一光路，并在所述第二子帧期间向从所述显示元件传播到所述适眼框区域的所述第二图像光提供第二光路，所述第一光路短于所述第二光路。11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述控制器被配置为：控制所述显示元件以预定频率在显示所述第一虚拟子图像和显示所述第二虚拟子图像之间切换，以及控制所述偏振开关以所述预定频率在运行于所述切换状态和所述非切换状态之间切换。12.根据权利要求11所述的设备，其中，所述预定频率为至少60hz。13.根据权利要求1所述的设备，其中：所述偏振选择性反射器被配置为透射具有第一偏振的光，并反射具有与所述第一偏振正交的第二偏振的光，以及所述第一偏振和所述第二偏振是具有相反旋性的圆偏振。14.根据权利要求13所述的设备，其中，所述偏振选择性透射透镜被配置为会聚具有所述第一偏振的光，并发散具有所述第二偏振的光。15.一种方法，所述方法包括：在显示帧的第一子帧期间，控制器控制显示元件显示包括虚拟图像的第一部分的内容的第一虚拟子图像；以及所述控制器控制包括在透镜组件中的偏振开关以在切换状态下运行，所述透镜组件包括偏振非选择性部分反射器、设置在所述偏振非选择性部分反射器的相对侧的偏振选择性反射器和所述偏振开关以及设置在所述偏振开关和所述偏振非选择性部分反射器之间的偏振选择性透射透镜；以及在所述显示帧的第二子帧期间，所述控制器控制所述显示元件显示包括所述虚拟图像的第二部分的内容的第二虚拟子图像；以及所述控制器控制所述偏振开关在非切换状态下运行。16.根据权利要求15所述的方法，所述方法还包括：所述控制器检索所述虚拟图像的图像数据；以及所述控制器将所述图像数据分割为表示所述虚拟图像的所述第一部分的内容的第一图像数据部分和表示所述虚拟图像的所述第二部分的内容的第二图像数据部分。17.根据权利要求15所述的方法，所述方法还包括：在所述第一子帧期间，所述透镜组件在预定图像平面处形成显示所述第一虚拟子图像的所述显示元件的第一放大图像；以及在所述第二子帧期间，所述透镜组件在所述预定图像平面处形成显示所述第二虚拟子图像的所述显示元件的第二放大图像，其中，在所述显示帧期间，形成在所述预定图像平面处的叠加的放大图像是在所述第一子帧期间形成的所述第一放大图像和所述在第二子帧期间形成的所述第二放大图像的
组合，以及其中，所述第一放大图像具有第一放大率，所述第二放大图像具有不同于所述第一放大率的第二放大率。18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述虚拟图像的所述第一部分是所述虚拟图像的外围部分，所述虚拟图像的所述第二部分是由所述外围部分围绕的所述虚拟图像的注视点部分。19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第一放大图像的所述第一放大率小于所述第二放大图像的所述第二放大率。20.根据权利要求15所述的方法，所述方法还包括：所述控制器控制所述显示元件以预定频率在显示所述第一虚拟子图像和显示所述第二虚拟子图像之间切换；以及所述控制器控制所述偏振开关以所述预定频率在运行于所述切换状态和所述非切换状态之间切换，其中，所述预定频率至少为60hz。

技术总结
一种设备包括显示元件和透镜组件。该透镜组件包括：偏振非选择性部分反射器、设置在该偏振非选择性部分反射器的相对侧的偏振选择性反射器和偏振开关以及设置在该偏振开关和该偏振非选择性部分反射器之间的偏振选择性透射透镜。该设备还包括控制器，该控制器被配置为：在显示帧的第一子帧期间，控制该显示元件显示包括虚拟图像的第一部分的内容的第一虚拟子图像，并控制该偏振开关在切换状态下运行。该控制器还被配置为：在该显示帧的第二子帧期间，控制该显示元件显示包括该虚拟图像的第二部分的内容的第二虚拟子图像，并控制该偏振开关在非切换状态下运行。振开关在非切换状态下运行。振开关在非切换状态下运行。


技术研发人员：程贤辉 吕璐 王宣
受保护的技术使用者：元平台技术有限公司
技术研发日：2023.04.06
技术公布日：2023/10/19