可调柱面透镜和包括该可调柱面透镜的头戴式显示器的制作方法

该公开涉及可调透镜，更具体地，涉及包括可调透镜以矫正用户的屈光误差的头戴式显示器。

背景技术：

1、用于增强现实的可穿戴显示系统可以包括一个或两个目镜，用户可以通过这些目镜观察世界，显示系统可以用这些目镜向用户投射数字图像。目镜通常使用高折射材料形成，并且通常被设计为考虑具有正视视力(即没有屈光误差)的用户。

2、对于具有非正视视力的用户，诸如短视力(近视)或远视力(远视)用户，可在可穿戴显示器中提供定制的插入物，其矫正用户的屈光误差，例如，根据其眼科处方(rx)。替代地，显示器的形状因子可以被设计为在佩戴者和显示器的目镜之间容纳眼镜。然而，头戴式视图器(headset)的定制既费时又昂贵，而且容纳眼镜的形状因子可能在便利性和美学上都没有吸引力。

技术实现思路

1、本公开的特点是，可以将可调透镜集成到头戴式显示器的目镜中，用于矫正非正视视力，特别是在虚拟现实头戴式显示器中。该目镜可以包括完全集成的、可现场配置的光学器件，其相对于用于向用户投射数字图像的波导布置，该光学器件能够为用户提供可调rx，包括可变球面屈光力(sph)、圆柱屈光力(cyl)和圆柱轴(axis)值。在某些配置中，每个可调目镜包括两个可变复合透镜：一个在波导的用户侧，具有可变球面、圆柱和轴；第二个在波导的世界侧，具有可变球面。总的来说，可变复合透镜可以矫正用户的屈光误差，包括散光，并且可以将数字图像定位在相对于环境和对应于用户固定深度的适当深度平面。

2、在一些实施例中，每个复合透镜包括多个(例如，两个或三个)可变柱面透镜。例如，每个可变柱面透镜可以包括与致动器集成的可变形折射元件。致动器对可变形折射元件施加力，以改变透镜的一个或两个表面的曲率，从而改变柱面透镜的屈光力(opticalpower)。其圆柱轴以直角取向的两个这样的可变柱面透镜的组件可用来提供具有可调节球面屈光力的复合透镜。其圆柱轴以60°间隔取向的三个可变柱面透镜的组件可用于提供具有可调节sph、cyl和axis的复合透镜。

3、在第一方面，本文公开了一种系统，包括：第一光学元件，其包括沿光轴布置的第一折射元件，以及第一致动器，其被布置为响应于第一控制信号来改变第一折射元件的圆柱折光力，该第一折射元件具有与第一折射元件相关的沿与光轴正交的第一径向方向的第一圆柱轴；第二光学元件，其包括沿光轴布置的第二折射元件，以及第二致动器，其被布置为响应于第二控制信号来改变第二折射元件的圆柱折光力，该第二折射元件具有与第二折射元件相关的沿与光轴正交的第二径向方向的第二圆柱轴；第三光学元件，其包括沿光轴布置的第三折射元件，以及第三致动器，其被布置为响应于第三控制信号沿与光轴正交的第三径向方向来改变第三折射元件的圆柱折光力，其中第一、第二和第三径向方向不同；以及与第一、第二和第三致动器通信的电子控制器，该电子控制器被配置为在操作期间分别向第一、第二和第三致动器提供第一、第二和第三控制信号，以使得第一、第二和第三折射元件根据处方(rx)共同形成具有整体球面折光力(sph)、圆柱折光力(cyl)和圆柱轴(axis)的光学元件。

4、在一些实施方式中，第一和第二径向方向之间的角度分离可以等于第二和第三径向方向之间的角度分离。对于与光轴正交的笛卡尔坐标系，第一径向方向可以是30°，第二径向方向可以是90°，并且第三径向方向可以是150°。第一圆柱折光力c30，第二圆柱折光力c90，第三圆柱折光力c150，以及s、c和a的值根据以下公式相关：

5、

6、

7、

8、折射元件中的至少一个可以包括可变形光学材料。可变形光学材料可以是固体光学材料。固体光学材料可以是弹性材料。弹性材料可以是硅橡胶。折射元件中的至少一个可以包括邻近可变形光学材料的可变形透明膜，至少一个折射元件的致动器被布置为使可变形透明膜的形状变形以改变至少一个折射元件的圆柱折光力。致动器使膜围绕至少一个折射元件的圆柱轴弯曲，以改变至少一个折射元件的圆柱折光力。折射元件中的至少一个可以包括邻近可变形光学材料的在折射元件的与可变形光学材料相对的一侧的刚性透明基板。折射元件中的至少一个的光学元件可以包括在可变形光学材料边缘的刚性垫圈，当被致动器作用时，可变形透明膜在刚性垫圈上枢转。第一、第二和第三光学元件中的每一者的圆柱折光力可以通过从-5d到+5d的范围内变化。该光学元件的孔径具有1cm2或更大的面积。(例如，5cm2或更大，10cm2或更大，16cm2或更大)。每个折射元件沿光轴的厚度为10mm或更少。(例如，6mm或更少，4mm或更少，3mm或更少，2mm或更少，1mm或更少)。

9、每个光学元件可以包括一对折射元件，这些对中的每个折射元件具有沿光学元件的径向方向的轴取向的三次轮廓，相应光学元件的致动器被布置为在与光轴正交的相反方向上滑动该对折射元件。

10、在第二方面，本文中公开了一种头戴式显示系统，包括：具有可变球面折光力(sph)的第一光学元件；具有可变sph、可变圆柱折光力(cyl)和可变圆柱轴(axis)的第二光学元件；布置在第一光学元件和第二光学元件之间的透视显示器；以及与第一光学元件、第二光学元件和透视显示器通信的电子控制器，该电子控制器被编程为根据头戴式显示器的个人用户的处方(rx)调整第一光学元件的sph和第二光学元件的sph、cyl和axis。

11、头戴式显示器可以进一步包括框架，用于将第一光学元件、第二光学元件和透视显示器相对于彼此安装，并在使用期间相对于头戴式显示器的用户安装。在使用头戴式显示器期间，第二光学元件可以被布置在透视显示器和用户之间。第一光学元件可以包括两个可变柱面透镜，它们相应的圆柱轴相互正交。头戴式显示器可以进一步包括眼追踪模块，电子控制器被编程为基于关于来自眼跟踪模块的、头戴式显示器的用户可能正在看向的位置的信息来改变第二光学元件的处方。电子控制器可以被编程为根据用户可能正在看的位置，将第二光学元件的sph、cyl和axis从近视处方变为远视处方。头戴式显示器可以进一步包括生物识别模块，电子控制器被编程为基于来自生物识别模块的信息识别用户并基于用户的身份调整第二光学元件的处方。该生物识别模块可以是虹膜识别模块。

12、除其他优点外，可调目镜可以矫正用户独特的光学处方，包括散光，同时最小化电力消耗和电子机械开销。可调目镜可以减少为每个用户制造定制的刚性目镜的需要，并增加具有非正视视力的混合现实产品用户的可用性。所包括的生物识别模块可以基于用户独特的虹膜图案识别用户，并调整可调目镜以适应现场多个用户的处方。

13、其他优点从描述、附图和权利要求书中将是明显的。

技术特征：

1.一种系统，包括：

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一径向方向和所述第二径向方向之间的角度分离等于所述第二径向方向和所述第三径向方向之间的角度分离。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其中，对于与所述光轴正交的笛卡尔坐标系，所述第一径向方向为30°，所述第二径向方向为90°，并且所述第三径向方向为150°。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述第一圆柱折光力c30、所述第二圆柱折光力c90、和所述第三圆柱折光力c150，以及s、c和a的值根据以下公式相关：

5.根据权利要求1-4中任一项所述的系统，其中，所述折射元件中的至少一个折射元件包括可变形光学材料。

6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述可变形光学材料是固体光学材料。

7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述固体光学材料是弹性材料。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述弹性材料是硅橡胶。

9.根据权利要求5-8中任一项所述的系统，其中，所述折射元件中的至少一个折射元件包括邻近所述可变形光学材料的可变形透明膜，所述至少一个折射元件的致动器被布置为使所述可变形透明膜的形状变形以改变所述至少一个折射元件的圆柱折光力。

10.根据权利要求9所述的系统，其中，所述致动器使所述膜围绕所述至少一个折射元件的所述圆柱轴弯曲，以改变所述至少一个折射元件的所述圆柱折光力。

11.根据权利要求9或权利要求10所述的系统，其中，所述折射元件中的所述至少一个折射元件包括刚性透明基板，所述刚性透明基板邻近所述可变形光学材料并位于所述折射元件的与所述可变形光学材料相对的一侧。

12.根据权利要求9-11中任一项所述的系统，其中，所述折射元件中的所述至少一个折射元件的光学元件包括位于所述可变形光学材料的边缘的刚性垫圈，并且当被所述致动器作用时，所述可变形透明膜在所述刚性垫圈上枢转。

13.根据权利要求1-12中任一项所述的系统，其中，所述第一光学元件、所述第二光学元件和所述第三光学元件中的每个光学元件的圆柱折光力在从-5d到+5d的范围内可变。

14.根据权利要求1-13中任一项所述的系统，其中，所述光学元件具有面积为1cm2或更大的孔。

15.根据权利要求1-14中任一项所述的系统，其中，每个折射元件的沿所述光轴的厚度为10mm或更小。

16.根据权利要求1-15中任一项所述的系统，其中，每个光学元件包括一对折射元件，成对折射元件中的每个折射元件具有沿所述光学元件的径向方向上的轴取向的三次轮廓，相应光学元件的致动器被布置为使所述一对折射元件在与所述光轴正交的相反方向上滑动。

17.一种头戴式显示系统，包括：

18.根据权利要求17所述的头戴式显示器，进一步包括框架，所述框架用于使所述第一光学元件、所述第二光学元件和所述透视显示器相对于彼此安装，并在使用期间相对于所述头戴式显示器的用户安装。

19.根据权利要求17或权利要求18所述的头戴式显示器，其中，所述第二光学元件在使用所述头戴式显示器期间被布置在所述透视显示器和所述用户之间。

20.根据权利要求17-19中任一项所述的头戴式显示器，其中，所述第一光学元件包括两个可变柱面透镜，其各自的圆柱轴相互正交。

21.根据权利要求17-20中任一项所述的头戴式显示器，进一步包括眼追踪模块，所述电子控制器被编程为基于来自所述眼追踪模块的关于所述头戴式显示器的用户所看向的位置的信息改变所述第二光学元件的所述处方。

22.根据权利要求21所述的头戴式显示器，其中，所述电子控制器被编程为取决于所述用户所看向的位置，将所述第二光学元件的sph、cyl和axis从近视处方改变为远视处方。

23.根据权利要求17-22中任一项所述的头戴式显示器，进一步包括生物识别模块，所述电子控制器被编程为基于来自所述生物识别模块的信息识别用户并基于用户的身份调整所述第二光学元件的处方。

24.根据权利要求23所述的头戴式显示器，其中，所述生物识别模块是虹膜识别模块。

技术总结
系统包括沿光轴布置的三个光学元件，每个光学元件具有不同的圆柱轴和可变圆柱折光力。这三个元件共同构成复合光学元件，其具有可以根据处方(Rx)来改变的整体球面折光力(SPH)、圆柱折光力(CYL)和圆柱轴(Axis)。

技术研发人员：A·I·拉塞尔,J·N·哈多克
受保护的技术使用者：奇跃公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12