用于头戴式显示器的动态透镜的制作方法

用于头戴式显示器的动态透镜的制作方法
【专利摘要】一种头戴式显示器(“HMD”)包括显示模块、光组合器、控制电路和透镜。显示模块产生图像光，且光组合器用于将图像光与外部场景光组合。透镜被定位成接收图像光。透镜能够动态改变透镜的至少一个透镜特性。控制电路控制透镜以动态改变透镜的至少一个透镜特性。
【专利说明】
用于头戴式显示器的动态透镜
技术领域
[0001] 本公开总地涉及光学器件，并尤其但非排他地涉及头戴式显示器。
【背景技术】
[0002] 头戴式显示器(head mounted display，"HMD"）是佩戴在头部上或头部周围的显 示设备。HMD通常结合有某种近眼光学系统来形成位于观察者前方某处的虚拟图像。单个眼 睛的显示器被称为单眼HMD，而两个眼睛的显示器被称为双眼HMD。遮蔽式HMD，也称为沉浸 式HMD，将虚拟图像投射到黑色背景上(投射光学器件不是透视的）。透视式HMD也投射虚拟 图像，但是它们同时是透明的（或半透明的），并且投射光学器件被称为组合器光学器件，这 是因为它们将虚拟图像组合在现实上。增强现实是透视式HMD的一个方面，其中虚拟图像被 叠加到现实。
[0003] HMD具有多种实际和休闲应用。历史上，第一个应用存在于航空应用中，其在不使 他们的眼睛离开飞行路径的情况下准许飞行员看到重要飞行控制信息(它们被称为头盔式 显示器（Helmet Mounted Display)并通常用于旋翼飞行器）。平视显示器（Heads Up Display，" HUD"）通常用于非旋翼飞行器，如飞机或喷气式飞机中，其中组合器位于挡风玻 璃上而非头盔上。HUD也用于汽车中，其中光组合器可被集成在挡风玻璃中或靠近挡风玻 璃。公共安全应用包括地图的战术显示和热成像。其他应用领域包括视频游戏、运输和电 信。随着技术发展，一定会新发现的实用应用和休闲应用；然而，这些应用中的很多由于用 于实现现有HMD的传统光学系统的尺寸、重量、视野和效率而受到限制。
【附图说明】
[0004] 本发明的非限制性和非穷尽性实施例参照下面的附图描述，图中相同的参考标记 在各个视图中始终表示相同部件，除非另有所指。
[0005] 图IA描绘了包括显示模块、光中继、分束器和端部反射器的示例光组合器的顶部 横截面图。
[0006] 图IB示出了被引导到光组合器的用户的估计视野的向眼睛区域（^^&"_ r eg i on)中的计算机产生的图像。
[0007] 图2A示出了根据本公开的实施例的控制可调谐透镜的控制电路，该可调谐透镜接 收要被引导到向眼睛区域的图像光。
[0008] 图2B-2E示出了根据本公开的实施例的可用作图2A中的可调谐透镜的可调谐透镜 的示例。
[0009] 图2F示出了根据本公开的实施例的由可调谐透镜引导到相同向眼睛区域的不同 深度的计算机产生的图像。
[0010]图3A示出了根据本公开的实施例的控制叠置（stacked)可切换透镜的控制电路， 该叠置可切换透镜接收要被引导到不同向眼睛区域中的图像光。
[0011]图3B示出了根据本公开的实施例的显示模块和控制示例叠置可切换透镜的控制 电路，该叠置可切换透镜包括三个切换光学器件(switching optic)。
[0012]图3C示出了根据本公开的实施例的可以用在叠置可切换透镜内的示例切换光学 器件配置。
[0013]图3D示出了根据本公开的实施例的被引导到不同向眼睛区域中的被拼接到一起 的计算机产生的图像。
[0014]图3E示出了根据本公开的实施例的被引导到不同向眼睛区域的未被拼接到一起 的计算机产生的图像。
[0015]图4A示出了根据本公开的实施例的发出图像光的显示模块和控制电路，该控制电 路被耦合以控制可重配置透镜，该可重配置透镜被定位成将图像光引导到不同向眼睛区域 中。
[0016]图4B-4D示出了根据本公开的实施例的可以用在图4A中的可重配置透镜中的示例 可重配置光学器件配置。
[0017] 图5描绘了根据本公开的实施例的佩戴包括动态透镜的双眼头戴式显示器的用户 的顶视图。 具体实施例
[0018] 在此描述包括动态透镜的头戴式显示器的实施例。在下面的描述中，阐述了多个 特定细节，以提供对实施例的全面理解。然而，相关领域技术人员将认识到在此描述的技术 能够在没有这些特定细节中的一个或多个的情况下或者利用其它方法、部件、材料等实践。 在其它情况下，公知的结构、材料或操作没有被详细示出或描述，以避免使特定方面模糊不 清。
[0019] 在整个这个说明书中对"一个实施例"或"实施例"的提及意味着联系该实施例描 述的特定特征、结构或特点被包括在本发明的至少一个实施例中。从而，短语"在一个实施 例中"或"在实施例中"在整个这个说明书中的各个位置中的出现不一定都指代相同的实施 例。此外，特定的特征、结构或特点可以以任何适当的方式在一个或多个实施例中组合。
[0020] 图IA描绘了示例光组合器100的顶部横截面图，该光组合器100包括显示模块105、 光中继（light relay) 165、分束器131和端部反射器(end ref lector) 183。光组合器100可 以集成在头部装备中以形成头戴式显示器（"HMD"）。显示模块105投射计算机产生的图像 ("CGI"）。显示模块105可以通过发光二极管（"LED"）阵列、有机LED( "0LED"）阵列、量子点阵 列、激光扫描仪等实现。显示模块105也可以通过给LED显示器提供背光的光源(例如，激光 器、LED或灯泡)或者反射光源的硅上液晶（"LC0S"）面板来实现。显示模块105可以被认为是 "微型显示器"。端部反射器183具有凹反射镜。
[0021] 在操作中，显示模块105沿着前向路径180朝向端部反射器183发出显示光(其可以 是CGI光）。光中继165可以具有透明的结构，以准许显示光的大多数或大部分沿着前向路径 180穿过。光中继165可以由实心（solid)透明材料(例如，玻璃、石英、丙烯酸塑料、透明塑 料、PMMA、ZE0NEX-E48R等）制造，或者可以实现为具有内部空气间隙的固体壳体，显示光可 以穿过该内部空气间隙。光中继165可以操作以保护光路径，但是不必使用全内反射 ("TIR"）来以导引或限制显示光。
[0022] 沿着前向路径180,显示光遇到分束器131。分束器131将显示光的第一部分朝向光 组合器100的外部场景侧反射并使显示光的第二部分通过。分束器131可以是45度50/50非 偏振分束器，这意味着其反射百分之五十的光且使另外百分之五十的光通过。通过分束器 131的显示光继续沿着前向路径180,且端部反射器183将显示光沿着反向路径185反射回 来。沿着反向路径185的显示光遇到分束器131，该分束器131将显示光的一部分沿着反向路 径185朝向光组合器100的向眼睛侧(eye-ward side)反射。图1所示的实施例允许显示模块 105所发出的显示光被投射到用户的眼睛160中，这是计算机产生的图像被引导到向眼睛区 域176中的方式。除了将图像引导到向眼睛区域176中，光组合器100也可以允许外部场景光 155的至少一部分到达眼睛160(在一部分被分束器131反射之后）。
[0023] 图IB示出了被引导到向眼睛区域176中的计算机产生的图像，向眼睛区域176在光 组合器100的用户的估计视野(field of view，"F0V"）190中。在图IB中，FOV 190和向眼睛 区域176被定义在x-y平面内。HMD的典型用户可以具有水平近乎180°的自然视野（"F0V"）。 来自光组合器100的在向眼睛区域176内呈现的图像可以仅在用户的总FOV的15° (水平）内 并且仅在x-y平面内呈现给用户。在特定情境中，在FOV 190的不同深度(z轴)和在大于用户 的总FOV的15° (水平）内将图像和信息呈现给用户会是有利的。
[0024] 图2A示出了根据本公开的实施例的控制电路250,该控制电路250控制可调谐透镜 233，该可调谐透镜233接收要被引导到向眼睛区域276中的图像光207。显示模块205产生图 像光207，该图像光207传播通过可调谐透镜233，且组合器230包括反射元件235，该反射元 件235将图像光207引导到向眼睛区域276。在一些实施例中，反射元件235是平面50/50反射 镜，其反射百分之五十的入射光并使剩余百分之五十的入射光通过。组合器230可作为目镜 集成在单眼或双眼HMD中。组合器230可以总体上是透明的并由实心透明材料(例如，玻璃、 石英、丙烯酸塑料、透明塑料、PMMA、ZE0NEX-E48R等）制造。组合器230的总体透明度允许外 部场景光155传播到眼睛160,以允许用户在组合器230位于用户的眼睛160前方时观察其环 境。如果反射元件235也是部分透明的（例如，使百分之五十的入射光通过），则其也将允许 一些外部场景光155传播到眼睛160。显示模块205可以通过发光二极管（"LED"）阵列、有机 LED ("0LED"）阵列、量子点阵列、激光扫描仪等实现。显示模块205也可以通过给IXD显示器 提供背光的光源（例如，激光器、LED或灯泡）或者反射光源的硅上液晶（"LC0S"）面板来实 现。显示模块105可以被认为是"微型显示器"。
[0025] 控制电路250可以包括处理器、现场可编程门阵列（"FPGA"）或其他处理逻辑。控制 电路250可以包括缓冲器和/或存储器，以存储指令、设置、图像和其他数据。图2A中，控制电 路250被耦合到透射型可调谐透镜233并被配置成调节可调谐透镜233的焦距，以将图像光 207中包括的（一个或多个）图像聚焦在变化的聚焦深度处。控制电路250将聚焦信号254发 送到可调谐透镜233,以调节可调谐透镜233的焦距。聚焦信号254可以是数字的或者模拟 的。可调谐透镜233的焦距可以响应于聚焦信号254连续可变。在一个实施例中，可调谐透镜 233具有其可响应于聚焦信号254在其间切换的限定的分立焦距位置，。
[0026] 例如，可调谐透镜可以从法国的VariOptic购买。由瑞士的Optotune开发的径向可 拉伸对称膜(未示出）也可以用作可调谐透镜233。
[0027]图2B-2E示出了根据本公开的实施例的可被用作可调谐透镜233的可调谐透镜的 示例。图2B示出了液晶（"LC"）可调谐透镜248，其包括液晶249。液晶249设置在两个电极247 之间的区域245和244中。两个电极247中的第一电极是平面的并在可调谐透镜248的接收侧 上，而第二电极是弯曲的。可调谐透镜248的离开侧（S偏振的显示光在此离开）与可调谐透 镜248的接收侧相对并平行于接收侧。当可调谐透镜248未被切换时(没有电压被施加在电 极247两端），被透镜接收的S偏振光遇到相同折射率，因为在两个区域244和245中的液晶 249类似地取向。因此，可调谐透镜248基本上是透明的并基本上对接收到的S偏振光不提供 光焦度，这是因为接收侧和离开侧平行且在接收侧与离开侧之间的区域244和245中的折射 率相同。然而，当可调谐透镜248被切换时（电压被施加在电极247两端），在区域244中的液 晶249的取向改变，这影响S偏振显示光所遇到的折射率。由于在电压被施加到电极247两端 时区域244的形状像透镜并具有与区域245不同的折射率，因此区域244的形状作用为透镜 并且将S偏振显示光聚焦在焦距262处。在一些实施例中，聚焦信号254是施加在电极247两 端的电压。
[0028] 图2C示出了可调谐透镜253,该可调谐透镜253利用与可调谐透镜248类似的概念 操作。然而，在图2C中，可调谐透镜253即使在其被未切换时也保持针对S偏振显示光的光焦 度，这是因为也作为不平行于可调谐透镜253的接收侧的可调谐透镜253的离开侧的第二电 极257的曲线（curve)。当可调谐透镜253被切换时，液晶259的取向改变，这改变了 S偏振显 示光所遇到的折射率。不同的折射率将可调谐透镜253的焦距改变焦距变量272(以及改变 相应的光焦度）。
[0029]图2D和2E示出了根据本公开的实施例的可用作可调谐透镜233的可调谐透镜263。 图2D示出了当电压被施加到电极266时的可调谐液体透镜263。利用疏水原理，电极266上的 电压产生静电压力278,该静电压力278使在可调谐液体透镜263中的所示出的水和油之间 的交界弯曲。在图2D中，静电压力278赋予可调谐液体透镜263正(会聚)光焦度。在图2E中， 没有电压被施加到电极266,这放松(relax) 了静电压力，且可调谐透镜263具有负（发散)光 焦度。
[0030] 回来参照图2A，控制电路250可以被耦合以控制显示模块205在图像光207中包括 不同图像。在一个实施例中，控制电路250被配置成控制显示模块205以在图像光207中包括 第一图像、第二图像和第三图像，同时也控制可调谐透镜233,以在显示第一图像时将可调 谐透镜233调节到第一焦距241，在显示第二图像时将可调谐透镜233调节到第二焦距242， 而在显示第三图像时将可调谐透镜233调节到第三焦距243。虽然焦距241、242和243在图2A 中仅从反射元件235示出，但是可调谐透镜233的焦距241、242和243是沿着从可调谐透镜 233到给定焦点的光学路径测量的。选择不同焦距(例如，241、242、243)的效果允许光学系 统200在相同向眼睛区域276中呈现具有相关联的深度的三个图像。来自每个焦距的焦点 (示为黑色填充圆圈）可以在眼睛160的后方，以便产生观察者的眼睛160可以聚焦于其上的 虚拟图像。本领域技术人员将理解到，即使各焦距的焦点被示为在眼睛160后方，眼睛160中 的晶体仍将进一步把图像光207中的图像聚焦到眼睛的后部上，使得它们对于用户而言是 焦点对准的。
[0031] 控制电路250可以被配置成以人眼160不可察觉的频率（例如，240Hz)交织 (interlace)图像。在一个示例中，在可调谐透镜233处于第一焦距241的同时第一图像被显 示10ms，在可调谐透镜被调节到第二焦距242的同时没有图像被显示持续lms，然后在可调 谐透镜233处于第二焦距242的同时第二图像被显示10ms，在可调谐透镜233被调节到第三 焦距243的同时没有图像被显示持续lms，且然后在可调谐透镜233处于第三焦距243的同时 第三图像被显示l〇ms。没有图像被显示的Ims的时间段确保在可调谐透镜233在焦距之间转 变的同时没有图像被显示。
[0032]图2F示出了根据本公开的实施例的计算机产生的图像，该计算机产生的图像被可 调谐透镜233引导到相同向眼睛区域276的不同深度。在图2F中，第一图像被示为字母"A"， 并且被以第一聚焦深度291提供给眼睛160。第二图像被示为在第二聚焦深度292处的字母 "B"。第三图像被示为在第三聚焦深度293处的字母"C"。第一、第二和第三图像聚焦在向眼 睛区域276的相同x-y坐标上，但是它们具有不同的深度(z轴）。取决于可调谐透镜233的多 大焦距在呈现图像，图像光207中的虚拟图像(例如，第一、第二和第三图像)可以位于观察 者眼睛160前方若干米的范围内。在一个示例中，第一图像被呈现在一米处，第二图像被呈 现在两米处，而第三图像被呈现在三米处。由于第一、第二和第三图像的不同的深度，用户 可以察觉到它们的叠加组合。
[0033]图3A示出了根据本公开的实施例的控制电路350,该控制电路350控制叠置的可切 换透镜340,该可切换透镜340接收要被引导到不同向眼睛区域内的图像光207。显示模块 305产生传播通过叠置的可切换透镜340的图像光207，且组合器330包括反射元件235，该反 射元件235将图像光207引导到向眼睛区域375、376和377。显示模块305可以基本上类似于 显示模块205,且组合器330可以基本上类似于组合器230。控制电路350可以包括处理器、现 场可编程门阵列（"FPGA"）或者其他处理逻辑。控制电路350可以包括缓冲器和/或存储器， 以存储指令、设置、图像和其他数据。
[0034]在所示的实施例中，叠置的可切换透镜340是透射型叠置可切换透镜340。图3B示 出了控制电路350,该控制电路340被耦合以选择性触发第一切换光学器件341、第二切换光 学器件342和第三切换光学器件343。每个切换光学器件在被触发时都具有静态规格 (prescription)。用于不同切换光学器件的规格可以在离轴量和/或焦距方面有所不同。当 切换光学器件未被触发时，其没有规格并且是基本上透明的。
[0035] 在图3B中，当控制电路350触发切换光学器件341 (且切换光学器件342和343没有 被触发并且是基本上透明的）时，图像光207被在方向361上引导，这是因为切换光学器件 341的规格包括离轴透镜化（Iensing)特性。当控制电路350触发切换光学器件342(且切换 光学器件341和343没有被触发并且是基本上透明的）时，图像光207被在方向362上引导。在 所示的实施例中，切换光学器件342可不必包括离轴透镜化特性。在其他实施例中，切换光 学器件342包括离轴特性。当控制电路350触发切换光学器件343(且切换光学器件341和342 未被触发并且是基本上透明的）时，图像光207被在方向363上引导。
[0036]在图3B中，控制电路350也被耦合到显示模块305。控制电路350可以被配置成在触 发切换光学器件341 (且不触发切换光学器件342和343)的同时控制显示模块305在图像光 207中包括第一图像，使得第一图像被在方向361上引导。然后，控制电路可以在指示显示模 块305在图像光207中包括第二图像的同时停用切换光学器件341并触发切换光学器件342， 使得第二图像将被在方向362上引导。然后在触发切换光学器件343(同时切换光学器件341 和342被停用）的同时，显示模块305可以在图像光207中包括第三图像(在控制电路350的指 示下），使得第三图像被在方向363上引导。图像可以以高到足以使人眼不可察觉（由于图像 在眼睛160上的暂留）的频率交织。换言之，显示模块305可以将显示的图像循环快到足以使 用户不能注意到（用户将察觉到第一、第二和第三图像被同时显示）（由于光在眼睛160上的 暂留）。
[0037] 在图3B中，控制电路350可以连接到网络以接收和发送信息。在所示的实施例中， 控制电路350在利用到远程设备325的通信链路320(例如，有线或无线连接），该远程设备 325可以是服务器。控制电路350可以从远程设备325接收数据，并配置数据以用于利用显示 模块305显示。远程设备325可以是任何类型的计算设备或发送器，其包括膝上型电脑、移动 电话或平板计算设备等，其被配置成向控制电路350发送数据。远程设备325和控制电路可 以包含实现通信链路320的硬件，诸如处理器、发送器、接收器、天线等。此外，远程设备325 可以采取计算系统的形式或实现为计算系统，该计算系统与客户端设备通信并且被配置成 代表该客户设备执行功能，所述客户端设备诸如HMD。
[0038] 在图3B中，通信链路320被示为无线连接;然而，也可以使用有线连接。例如，通信 链路320可以是有线的串行总线，如通用串行总线或并行总线。有线连接同样可以是专用连 接。通信链路320也可以是利用例如蓝牙妒无线电技术、在IEEE 802.11(包括任何IEEE 802.11版本）中描述的通信协议、蜂窝技术(如631、00嫩^1^乂、或^^、或紫蜂@技术等等 的无线连接。远程设备325可以经由互联网可访问，并可以包括与特定网络服务(例如，社交 网络、照片分享、地址簿等)相关联的计算集群。
[0039] 图3C示出了根据本公开的实施例的可用在叠置可切换透镜340内的切换光学器件 配置的示例。图3C示出了被称为全息聚合物分散液晶（holographic polymer-dispersed liquid crystals，"HPDLC"）的可切换全息光技术。在HPDLC被触发(开启）时，其根据在全息 介质中记录的全息光学器件的法则影响光。然而，在可切换全息图被停用(关闭）时，可切换 全息光学器件可以显现为对遇到可切换全息光学器件的光基本上透明，并作用为单纯的透 明窗口。当可切换全息光学器件被关闭时，其可以稍微影响遇到其的光，这是因为与全息介 质相关联的折射率改变。作为简要概述，HPDLC技术使用电激励来对齐液晶（与光敏全息介 质混合），以形成衍射光栅。电激励然后可以旋转液晶图案以显示为对特定偏振大体上 (essentialIy)透明，使得液晶不再形成衍射光栅。HPDLC技术可以例如以50us或更快地从 开切换到关。HDPLC技术可以从加利福尼亚州森尼韦尔的SGB Labs购得。
[0040] 在图3C中，液晶被设置在被蚀刻为衍射光栅的蚀刻表面的两侧上。当没有电压被 施加到HDPLC透镜344的ITO电极(未被切换)时，S偏振光所遇到的折射率相同，且HDPLC透镜 344大体上对入射的S偏振光透明。然而，当电压被施加到HDPLC透镜344的ITO电极(被切换） 时，ITO电极之间的折射率变化，并且由于其中一个ITO电极被成形为衍射光栅，因此在两个 不同折射率之间的交界处的衍射光栅对进入的S偏振"起作用"。在所示的实施例中，衍射光 栅具有正光焦度并且将S偏振光聚焦在一焦距处。当切换光学器件342不包括离轴透镜化特 性时，图3C中所示的HDPLC透镜344可以用作切换光学器件342。当切换光学器件（例如，341 和343)包括离轴透镜化特性时，离轴透镜化特性可以被写入到HDPLC透镜的全息图中。
[0041 ]在一个实施例中，每个切换光学器件（例如，341-343)被调谐，以基于来自显示模 块305的图像光将遇到切换光学器件的角度来对特定光波长起作用（利用布拉格选择性原 理）。每个切换光学器件可以仅具有一个对一个特定谱（谱带宽）或者一个特定角度（角带 宽）的布拉格选择性，并且那些全息光学器件可以被称为具有"单一选择性"。每个切换光学 器件也可以被配置成包括多于一个布拉格选择性，因为有可能将多于一个的布拉格选择性 "记录"到给定全息介质中。于是，当被触发时，切换光学器件341、342和343中的每一个都可 以被配置成将图像光207的多个特定谱(例如，红、绿和蓝)朝向眼睛160引导。在一个实施例 中，每个切换光学器件具有三个布拉格选择性波长，且显著量的图像光207以三个布拉格选 择性波长为中心。被配置成在多于一个特定谱上操作(具有多于一个布拉格选择性)的切换 光学器件可以被称为具有"多个选择性"。
[0042]图3D示出了根据本公开的实施例的被引导到不同的向眼睛区域375、376和377的 被拼接到一起的计算机产生的图像。向眼睛区域375、376、377在用户的FOV 390之内。第一 切换光学器件341在被触发时将图像光207引导到第一向眼睛区域375。在图3D中，在向眼睛 区域375中的第一图像被示为信封。第二切换光学器件342在被触发时将图像光207引导到 第二向眼睛区域376。在向眼睛区域376中的第二图像被示为月历。第三切换光学器件343在 被触发时将图像光207引导到第三向眼睛区域377。在向眼睛区域377中的第三图像被示为 词"社交"。
[0043]在图3D中，第一、第二和第三图像被拼接到一起作为具有45° FOV的相接 (contigous)图像，这增大了图IB中所示的15°F0V。此外，FOV被增大，而不必要求显示模块 305的尺寸增大或者缩短光组合器的焦距，由于组合器透镜的曲率要求，这倾向于产生"虫 目艮"美学（"bug eye"aesthetic)。代之，在第一、第二（如果有的话）和第三切换光学器件 34U342和343的每一个中的离轴量被设计为产生具有45° FOV的相接图像。要理解的是，在 一些实施例中，用户的眼睛160可以笔直看前方，以观察向眼睛区域376中的第二图像，稍向 左以观察向眼睛区域375,并稍向右以观察向眼睛区域377。在所示的实施例中，第一、第二 和第三图像全部都在大约相同的深度(z轴)处，这是因为它们相应的切换光学器件具有相 同的焦距。然而，要理解的是，调节第一、第二和第三切换光学器件341、342和343的焦距将 在FOV 390中的图像深度上具有相对应的变化。在一个实施例中，离轴透镜化特性被写入到 切换光学器件341和343中，但切换光学器件342不包括离轴透镜化特性。
[0044]图3E示出了根据本公开的实施例的被引导到不同向眼睛区域375、376和377中的 未被拼接到一起的计算机产生的图像。类似于图3D，向眼睛区域375、376和377在用户的FOV 390内。然而，在图3E中，第一、第二和第三图像没有被拼接到一起作为相接图像。然而，用户 的FOV仍相比于图IB中所示的15°FOV被更进一步地扩展。在图3E中，在第一、第二和第三切 换光学器件的每一个中的离轴量被设计成产生非相接图像。要理解的是，调节不同切换光 学器件的离轴量能够按需要在用户FOV 390内移动第一、第二和第三图像。在所示的实施例 中，第一、第二和第三图像全部都在相同深度(z轴)处，因为它们的相对应切换光学器件具 有大约相同的焦距。然而，要理解的是，调节第一、第二和第三切换光学器件的焦距是有可 能的，并且该调节将在FOV 390中的图像的聚焦深度上具有相对应的变化。
[0045] 在图3D和3F中所示的两个实施例中，控制电路350可以使得显示模块305将第一、 第二和第三图像交织到图像光207中。控制电路350然后可以在第一图像被包括在图像光 207中时触发第一切换光学器件341(以将第一图像引导到向眼睛区域375)，在第二图像被 包括在图像光207中时触发第二切换光学器件342(以将第二图像引导到向眼睛区域376)， 而在第三图像被包括在图像光207中时触发第三切换光学器件343(以将第三图像引导到向 眼睛区域377)。控制电路250可以以在眼睛160上产生暂留图像的刷新率(例如240Hz)编排 图像的交织。
[0046]图4A示出了根据本公开的实施例的发出图像光207的显示模块405和控制电路 450,该控制电路被耦合以控制可重配置透镜433,该可重配置透镜433被定位成将图像光 207引导到不同的向眼睛区域375、376和377中。显示模块405产生图像光207,且可重配置透 镜433接收图像光207并依据可重配置透镜433的透镜状态将图像光207引导到向眼睛区域 375、376和377。显示模块405可以基本上类似于显示模块205，且组合器430可以基本上类似 于组合器230。控制电路450可以包括处理器、现场可编程门阵列（"FPGA"）或其他处理逻辑。 控制电路450可以包括缓冲器和/或存储器，以存储指令、设置、图像和其他数据。
[0047] 在图4A中，控制电路450被耦合到可重配置透镜433,且可重配置透镜433响应于透 镜配置信号451可被重配置到不同透镜状态。透镜配置信号451可以是数字的或模拟的。可 重配置透镜433的每个透镜状态的光焦度和离轴特性可以在可重配置透镜433的约束之内 配置。可重配置透镜433可以被实时、（在其约束之内）任意地调谐到不同的透镜状态。控制 电路450可以使得显示模块405将第一、第二和第三图像交织到图像光207中。控制电路450 然后在第一图像被包括在图像光207中时将透镜433重配置到第一透镜状态以将第一图像 引导到向眼睛区域375,在第二图像被包括在图像光207中时将透镜433重配置到第二透镜 状态以将第二图像引导到向眼睛区域376,而在第三图像被包括在图像光207中时将透镜 433重配置到第三透镜状态以将第三图像引导到向眼睛区域377。控制电路450可以以在眼 睛160上产生暂留图像的刷新率(例如，120Hz)编排图像的交织。与利用显示模块405产生图 像相一致地重配置可重配置透镜433到不同透镜状态(每个具有其自己的光焦度和离轴特 性)能够实现第一、第二和第三图像作为一个相接暂留图像的布置，如图3D中所示。类似地， 光学系统400能够实现第一、第二和第三图像的布置，如图3E中所示。
[0048]图4B-4D示出了根据本公开的实施例的可以用在图4A中的可重配置透镜433中的 示例可重配置光学器件配置。更具体地说，图4B-4D示出了可重配置反射透镜，其可被集成 到可变形透镜或微机电系统中。图4B示出了多样效率光栅(efficiency grating)，图4C示 出了闪耀光栅(blazed grating)，而图4D示出了衍射透镜。在图4B和4C中，Δ表示可重配置 反射透镜的（一个或多个)动态元件所产生的光栅周期，而S表示可重配置反射透镜的单个 元件的尺寸。可切换衍射透镜可源自于德国的Holo-eye，以及源自英国的Light Blue Optics。在这些可重配置透镜中，离轴和焦距可以被实时、任意地(经由透镜配置信号451) 调谐。
[0049] 图5描绘了根据本公开的实施例的佩戴双眼头戴式显示器的用户的顶视图，该双 眼头戴式显示器包括动态透镜。每个光组合器530可以利用光组合器230、330或430的实施 例来实现。元件532可以是反射元件235或者可重配置透镜433,这取决于利用的实施例。虽 然未示出，但可调谐透镜233或叠置的可切换透镜340可以设置在元件532(其可以是反射元 件235)之间以分别实现图2A和3A的实施例。显示模块505可以利用显示模块205/305/405来 实现。
[0050] 光组合器530被安装到框架组件，该框架组件包括鼻梁部506、左耳臂510和右耳臂 515。虽然图5示出了双眼实施例，但HMD 500也可以实现为单眼HMD。两个光组合器530被固 定到可以佩戴在用户的头部上的眼镜布置中。左耳臂510和右耳臂515搁置在用户的耳朵 上，而鼻梁部506搁置在用户的鼻子上。框架组件被成形及大小调整为将每个光组合器530 定位在用户的相应眼睛160的前方。当然，可以使用具有其他形状的其他框架组件(例如，具 有耳臂和鼻梁支撑件的帽舌、单个相接耳机构件、头带、护目镜型眼镜等）。
[0051] 所示的HMD 500的实施例能够向用户显示增强现实。每个光组合器530允许用户经 由外部场景光155看到真实世界图像。左右(双眼实施例）图像光207可以通过安装到左耳臂 510和右耳臂515的显示模块505产生。图像光207(在被元件532反射后）作为按照增强现实 叠加在真实世界上的虚拟图像被用户看到。
[0052] 上面解释的过程就计算机软件和硬件而言进行了描述。所描述的技术可以构成在 有形或非暂态机器(例如，计算机)可读存储介质内具体实现的机器可执行指令，所述机器 可执行指令在被机器执行时将使得机器执行所描述的操作。另外，过程可以在硬件内，如专 用集成电路(ASIC)内或以其他方式具体实现。
[0053] 有形非暂态机器可读存储介质包括以机器(例如，计算机、网络设备、个人数字助 理、制造工具、具有一个或多个处理器的集合的任何设备等)可访问的形式提供（即，存储） 信息的任何机制。例如，机器可读存储介质包括可记录/不可记录介质（例如，只读存储器 (ROM)、随机访问存储器(RAM)、磁盘存储介质、光存储介质、闪存设备等）。
[0054] 上面对本发明所示出实施例的描述，包括在摘要中所描述的，并不意在是穷尽性 的，或者将本发明限制于所公开的精确形式。虽然为了说明性目的在此描述了本发明的特 定实施例和示例，但如本领域技术人员将认识到的，在本发明的范围内，各种修改都是有可 能的。
[0055] 这些修改可以鉴于上面的详细描述而对本发明做出。在所附权利要求中使用的术 语不应当被诠释为将本发明限制于在本说明书中公开的特定实施例。而是，本发明的范围 完全由所附权利要求确定，权利要求要根据权利要求解释的已建立的法律原则来诠释。
【主权项】
1. 一种头戴式显示器（"HMD"），包括： 显示模块，用于产生图像光； 光组合器，用于将图像光与外部场景光组合，其中所述光组合器包括反射元件，所述反 射元件被耦合以接收图像光并在向眼睛方向上引导图像光； 可调谐透镜，所述可调谐透镜被定位成接收图像光并被配置成调节可调谐透镜的焦 距，以将图像光聚焦在变化的聚焦深度处；以及 控制电路，所述控制电路被配置成输出聚焦信号，以控制调节可调谐透镜的焦距。2. 如权利要求1所述的HMD，其中，所述控制电路被配置成控制显示模块以在图像光中 包括至少第一图像和第二图像，并且其中，所述控制电路被配置成当第一图像被包括在图 像光中时选择可调谐透镜的第一焦距，以及被配置成当第二图像被包括在图像光中时选择 可调谐透镜的第二焦距，第一焦距不同于第二焦距。3. 如权利要求2所述的HMD，其中，第一图像和第二图像以高到足以使人眼不可察觉的 频率交织在图像光中。4. 如权利要求2所述的HMD，其中，所述控制电路被配置成控制显示模块以在图像光中 包括第三图像，并且其中，当第三图像被包括在图像光中时，控制电路被配置成选择可调谐 透镜的第三焦距，第三焦距不同于第一焦距和第二焦距。5. 如权利要求2所述的HMD，其中，第一图像和第二图像被呈现在相同向眼睛区域内的 不同聚焦深度处。6. 如权利要求1所述的HMD，其中，所述可调谐透镜被设置在显示模块与反射元件之间。7. 如权利要求1所述的HMD，其中，所述可调谐透镜包括设置在两个电极之间的液晶，且 所述液晶被配置成响应于从控制电路接收到的聚焦信号而改变取向，并且其中，改变液晶 的取向调节可调谐透镜的焦距。8. 如权利要求1所述的HMD，其中，所述可调谐透镜包括可调谐液体透镜，所述可调谐液 体透镜改变液体中的静电压力以响应从控制电路接收到的聚焦信号，其中，改变静电压力 调节可调谐透镜的焦距。9. 一种头戴式显示器（"HMD"），包括： 显示模块，用于产生图像光； 光组合器，用于将图像光与外部场景光组合，其中所述光组合器包括反射元件，所述反 射元件被耦合以接收图像光并在向眼睛方向上引导图像光； 叠置的可切换透镜，所述叠置的可切换透镜被光学耦合以接收图像光，其中所述叠置 的可切换透镜包括至少第一切换光学器件和第二切换光学器件；以及 控制电路，所述控制电路被配置成选择性触发第一切换光学器件和第二切换光学器 件，其中第一切换光学器件被配置成在被控制电路触发时将图像光朝向第一向眼睛区域引 导，并且其中，第二切换光学器件被配置成在被控制电路触发时将图像光朝向第二向眼睛 区域引导，第一向眼睛区域不同于第二向眼睛区域。10. 如权利要求9所述的HMD，其中，所述控制电路被配置成控制显示模块，以将至少第 一图像和第二图像包括在图像光中，并且其中所述控制电路被配置成当第一图像被包括在 图像光中时触发第一切换光学器件，以及被配置成当第二图像被包括在图像光中时触发第 二切换光学器件。11. 如权利要求10所述的HMD，其中，第一图像和第二图像以高到足以使人眼不可察觉 的频率交织在图像光中。12. 如权利要求10所述的HMD，其中，所述叠置的可切换透镜包括第三切换光学器件，所 述第三切换光学器件被配置成当被控制电路触发时将图像光朝向第三向眼睛区域引导，并 且其中所述控制电路被配置成当触发第三切换光学器件时，控制显示模块以将第三图像包 括在图像光中，第三向眼睛区域不同于第一向眼睛区域和第二向眼睛区域。13. 如权利要求10所述的HMD，其中，第一切换光学器件具有比第二切换光学器件更短 的焦距，并且其中第一图像在比第二图像更短的聚焦深度处呈现。14. 如权利要求9所述的HMD，其中，第一切换光学器件具有与第二切换光学器件相同的 焦距。15. 如权利要求9所述的HMD，其中，所述叠置的可切换透镜被设置在显示模块与反射元 件之间，以经由反射元件将图像光向给定的向眼睛区域引导。16. 如权利要求9所述的HMD，其中，第一切换光学器件包括第一全息聚合物分散液晶 ("H-PDLC")，并且第二切换光学器件包括第二H-PDLC。17. 如权利要求9所述的HMD，其中，第一切换光学器件在被触发时向图像光赋予离轴透 镜化，并且其中，第一切换光学器件在未被触发时是基本上透明的并且向图像光赋予基本 上为零的透镜化。18. -种头戴式显示器（"HMD"），包括： 显示模块，用于产生图像光； 控制电路，所述控制电路被耦合以控制显示模块来在所述图像光中包括至少第一图像 和第二图像；以及 可重配置透镜，所述可重配置透镜被光学耦合以接收图像光并响应于控制电路产生的 透镜配置信号而动态地重配置，其中所述控制电路被配置成当第一图像被包括在所述图像 光中时选择可重配置透镜的第一透镜状态以将第一图像向第一向眼睛区域引导，并被配置 成当第二图像被包括在图像光中时选择可重配置透镜的第二透镜状态以将第二图像向第 二向眼睛区域引导，并且其中第一图像和第二图像以高到足以使人眼不可察觉的频率交织 在图像光中。19. 如权利要求18所述的HMD，其中，所述控制电路被配置成控制显示模块以在图像光 中交织第三图像，并且其中，所述控制电路被配置成当第三图像被包括在图像光中时选择 可重配置透镜的第三透镜状态，第三透镜状态将第三图像向第三向眼睛区域引导，第三向 眼睛区域不同于第一向眼睛区域和第二向眼睛区域。20. 如权利要求18所述的HMD，其中，第一透镜状态具有比第二透镜状态更短的焦距，并 且其中，第一图像在比第二图像更短的聚焦深度处呈现。21. 如权利要求18所述的HMD，其中，第一透镜状态具有与第二透镜状态相同的焦距。22. 如权利要求18所述的HMD，其中，第二透镜状态包括离轴特性。
【文档编号】G02B27/01GK105940337SQ201580006638
【公开日】2016年9月14日
【申请日】2015年1月7日
【发明人】B.C.克雷斯, G.E.普里斯特-多曼
【申请人】谷歌公司