CN107924057B - 用于增强现实的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明总体上提供了用头戴式设备来显示图像的方法和系统。总体来说，本发明涉及一种透视可调谐衍射反射镜、例如透视可调谐全息反射镜或透视可调谐LCD阵列反射镜的用途。此类反射镜有利地用于提供增强现实。

Description

用于增强现实的方法和系统

技术领域

本发明涉及用于增强现实的方法和系统。

本发明更具体地涉及计算机生成的图像的显示。

背景技术

具有多个显示特征的头戴式设备在本领域中是已知的。这样的设备包括所谓的‘智能眼镜’，这允许其配戴者看得见图像或文本从而增强现实。

WO 2015/032824和WO 2015/032828披露了包括用于显示计算机产生的全息图像的空间光调制器的头戴式设备。为了提高配戴者视觉舒适度，希望提供多种方法和系统，其中，以特别适配于配戴者和/或配戴设备的定制方式显示图像和文本。

另外，为了体验实际的增强现实，希望的是提供允许实现计算机生成的图像的可调谐可视化的方法和系统。具体而言，希望的是，可以用动态(例如延时)方式来定制被配戴者看得见的距离和/或方向。这将提供在不同注视方向上(换言之，在配戴者的视野的多个不同位置)的图像动态显示、和/或提供观察距离(焦点)动态调整。而且，希望的是，根据配戴者(无论是屈光不正的配戴者、还是屈光正常的配戴者)的视力来调整增强现实，从而能够考虑减小的调节力。还希望的是至少部分地矫正二级像差，如非球面化或场像差。

发明内容

本发明总体上提供了用头戴式设备来显示图像的方法和系统。

总体来说，本发明涉及一种透视可调谐衍射反射镜、例如透视可调谐全息反射镜或透视可调谐LCD阵列反射镜的用途。此类反射镜有利地用于提供增强现实。

发明设备

在一方面，本发明涉及一种旨在由配戴者配戴的头戴式设备(HMD)，其中，所述头戴式设备被配置成用于显示并使所述配戴者看得见计算机生成的图像；其中，所述头戴式设备(HMD)包括：图像源(IS)，位于所述配戴者的一只眼睛前方的透视可调谐衍射反射镜(M)，被配置成用于调谐所述反射镜(M)的控制器；其中，所述图像源(IS)被配置成用于朝向所述反射镜(M)发射光束，其中，所述发射的光束被反射到所述反射镜(M)上并且由此被引向所述配戴者的所述眼睛，从而使所述配戴者看得见计算机生成的图像。

在一些实施例中，所述反射镜(M)能够被调谐以便：至少部分地调整所述配戴者的视力以便看得见所述显示的计算机生成的图像；例如，所述反射镜(M)能够被调谐以便：调整所述配戴者看得见所述计算机生成的图像的距离，和/或调整所述配戴者看得见所述计算机生成的图像的注视方向，和/或调整所述配戴者看得见所述计算机生成的图像的表观大小，和/或根据所述配戴者的所述眼睛的位置来调整焦点以便看得见所述计算机生成的图像，和/或矫正所述配戴者看得见所述计算机生成的图像时的二级光学像差，如非球面化、场像差，和/或当所述配戴者屈光不正时，至少部分地矫正所述配戴者的屈光不正以便所述配戴者看得见所述计算机生成的图像，和/或使所述配戴者部分地或完全地看不见或看得见所述计算机生成的图像。

在一些实施例中，所述反射镜(M)包括一个或多个具有可调谐折射率的区域。

在一些实施例中，所述反射镜(M)包括可单独调谐像素阵列。

在一些实施例中，所述反射镜(M)包括可单独调谐的已记录全息像素的阵列；可选地，所述阵列是聚合物分散液晶(PDLC)阵列或全息聚合物分散液晶(H-PDLC)阵列。

在一些实施例中，所述反射镜(M)包括可调谐的透明液晶阵列，所述阵列是有源或无源的，并且可选地，所述阵列是透射式纯相位空间光调制器(SLM)。

在一些实施例中，所述头戴式设备(HMD)进一步包括选自以下各项的至少一个传感器：一个或多个场景相机；一个或多个照度传感器和光度传感器；以及一个或多个眼睛跟踪器。

在一些实施例中，所述头戴式设备(HMD)进一步包括眼科镜片，所述眼科镜片被配置成用于至少部分地矫正所述配戴者在自然视觉下的屈光不正，其中，所述眼科镜片是从单光镜片、如双焦点镜片等多焦点镜片、渐变多焦点镜片、以及半成品镜片毛坯中选择的。

本发明的用途和方法

在一方面，本发明涉及一种位于旨在由配戴者配戴的透视头戴式设备中的透视可调谐衍射反射镜(M)的用途，其中，所述头戴式设备包括图像源(IS)，并且其中，所述图像源(IS)被配置成用于朝向所述反射镜(M)发射光束，其中，所述发射的光束被反射到所述反射镜(M)上并且由此被引向所述配戴者的所述眼睛，从而使所述配戴者看得见所述计算机生成的图像，所述透视可调谐衍射反射镜用于：调整所述配戴者看得见所述计算机生成的图像的距离，和/或调整所述配戴者看得见所述计算机生成的图像的注视方向，和/或调整所述配戴者看得见所述计算机生成的图像的表观大小，和/或根据所述配戴者的所述眼睛的位置来调整焦点以便看得见所述计算机生成的图像，和/或矫正所述配戴者看得见所述计算机生成的图像时的二级光学像差，如非球面化、场像差，和/或当所述配戴者屈光不正时，至少部分地矫正所述配戴者的屈光不正以便所述配戴者看得见所述计算机生成的图像，和/或使所述配戴者部分地或完全地看不见或看得见所述计算机生成的图像。

在一方面，本发明涉及一种用于显示并可视化计算机生成的图像的方法，包括以下步骤：

(a)向配戴者提供本文中所描述的头戴式设备(HMD)，

(b)调谐所述反射镜(M)以便：调整所述配戴者看得见所述计算机生成的图像的距离，和/或调整所述配戴者看得见所述计算机生成的图像的注视方向，和/或调整所述配戴者看得见所述计算机生成的图像的表观大小，和/或根据所述配戴者的眼睛的位置来调整焦点以便看得见所述计算机生成的图像，和/或矫正所述配戴者看得见所述计算机生成的图像时的二级光学像差，如非球面化、场像差，和/或当所述配戴者屈光不正时，至少部分地矫正所述配戴者的屈光不正以便所述配戴者看得见所述计算机生成的图像，和/或使所述配戴者部分地或完全地看不见或看得见所述计算机生成的图像。

在一些实施例中，所述头戴式设备(HMD)进一步包括至少一个场景相机，并且步骤(b)包括以下步骤：

(i)基于从所述场景相机收集到的数据来确定所述配戴者看得见自然视野中的物体的距离和/或注视方向，并且可选地执行图像识别步骤；并且

(ii)调谐所述反射镜(M)以根据在步骤(i)所确定的距离和/或注视方向来调整所述配戴者看得见所述计算机生成的图像的距离和/或注视方向；并且

(iii)可选地，以延时方式重复步骤(i)和(ii)。

在一些实施例中，所述头戴式设备(HMD)进一步包括被定位在所述配戴者的所述眼睛前方的至少一个照度传感器或光度传感器以及可选地电致变色单元，并且步骤(b)包括以下步骤：

(i)基于从所述照度传感器或光度传感器收集到的数据来确定照度或光度的至少一个值，并且

(ii)调谐所述反射镜(M)以根据在步骤(i)所确定的值来调整所述配戴者看得见所述计算机生成的图像的注视方向，和/或可选地根据在步骤(i)所确定的值来控制所述电致变色单元，并且

(iii)可选地，以延时方式重复步骤(i)和(ii)。

在一些实施例中，所述头戴式设备(HMD)进一步包括至少一个眼睛跟踪器，并且步骤(b)包括以下步骤：

(i)基于从所述眼睛跟踪器收集到的数据来确定所述配戴者看得见自然视野中的物体的距离和/或注视方向，并且

(ii)调谐所述反射镜(M)以根据在步骤(i)所确定的值来调整所述配戴者看得见所述计算机生成的图像的距离和/或注视方向，并且

(iii)可选地，以延时方式重复步骤(i)和(ii)。

在本发明的用途或方法的一些实施例中，所述图像源(IS)被配置成用于至少部分地调整所述配戴者的视力以便看得见所述显示的计算机生成的图像；例如，当所述配戴者屈光不正时，所述图像源(IS)能够被配置成用于至少部分地矫正所述配戴者的屈光不正以便看得见所述显示的计算机生成的图像。

附图说明

图1示出了本发明的HMD(部分视图)。

图2示出了记录全息反射镜的原理(左)以及通过在虚拟图像可视化中复原反射镜的光学功能来利用所述反射镜(右)。

图3示出了HPDLC(全息聚合物分散液晶)的原理。

图4示出了根据本发明用于将计算机生成的图像可视化的可能配置。

图5展示了通过本发明的HMD和方法可获得的延时增强现实。

图6示出了使用会聚度与注视方向来确定用于显示计算机生成的图像的焦距和这个图像的反射方向的原理。

图7示出了通过本发明的HMD和方法获得的可能的可视化(视区)。

图8示出了记录全息反射镜的原理(左)以及通过在虚拟图像可视化中复原反射镜的光学功能来利用所述反射镜(右)。

图9示出了用于记录全息反射镜的光学安排。

图10示出了记录全息反射镜的原理(左)以及通过在虚拟图像可视化中复原反射镜的光学功能来利用所述反射镜(右)。

图11示出了用于记录全息反射镜的光学安排。

图12示出了用于记录包括电致变色单元的镜片上的全息反射镜的光学安排。

图13示出了用于记录镜片上的具有扩展视野的全息反射镜的光学安排。

图14示出了根据本发明的用于记录全息反射镜的光学安排。

具体实施方式

定义

提供了以下定义来对本发明进行描述。

“计算机生成的图像”在本领域中是已知的。根据本发明，计算机生成的图像包括计算机生成的任何图像，如2D或3D衍射图像、计算机生成的2D或3D全息图像、任何振幅图像等。可以使用计算机生成的图像作为虚拟图像。在一些实施例中，可以计算图像(数据)以便至少部分地矫正光学像差、如显示器的固定像差(自然像差或与其在衍射反射镜前方的取向或位置相关)、以及与显示器的这个取向或位置一起使用的衍射反射镜的像差。

“全息图像”在本领域中是已知的。这类全息图像可以通过阅读(照射)全息图而被显示。计算机生成的全息图又被称为合成或数字全息图。计算机生成的全息图通常是通过选择2D或3D图像、并且以数字方式计算其全息图而获得的。全息图像可以通过光学重建(即，通过用合适的光束(全息图的参考光束)照射(读取)全息图)而被显示。全息图像可以是2D或3D的。

“透视衍射反射镜”(M)在本领域中是已知的。此类反射镜包括全息反射镜(HM)、透明LCD阵列(有源或无源)、半透明反射镜、二向色镜。对于HMD，这些反射镜可以具有特定的几何形状，以将可视化图像朝向配戴者的眼睛反射。优选的实例是全息反射镜，在经典的眼镜镜片曲面上记录所述全息反射镜的特定几何形状。

根据本发明，所述透视衍射反射镜是可调谐的。这方面在下文中进行了详细描述。

“全息反射镜”(HM)在本领域中是已知的。如果反射镜是使用全息过程进行记录的，则所述反射镜被定义为全息反射镜。但是根据本发明，所述全息反射镜用于可视化目的。这种反射镜用于反射图像源产生的光束，以便使配戴者看得见图像。所述全息反射镜不用于对所记录的全息图像进行重建(如传统全息图观看的情况)。由于所述记录，有利地根据本发明，反射镜被赋予光学功能，其在适用的情况下能够在反射到所述反射镜上时改变源自图像源的光束的波前。这样允许矫正配戴者的虚拟视觉，因为本发明的镜片(结合了反射镜)可以改变在配戴者的眼睛中产生图像的光束。

虚拟图像因而不一定是全息图像。它可以是任何虚拟图像，如2D或3D图像。图像的性质源于图像源的性质，而不是源于全息反射镜的全息性质。可以使用全息图像源作为图像源，在这种情况下，虚拟图像是全息图像。

下文中更详细地描述此类全息反射镜。

“头戴式显示设备”(HMD)在本领域中是已知的。这类设备要配戴在配戴者的头上或周围，包括头盔式显示器、光学头戴式显示器、头戴式显示器等等。它们包括用于显示图像以便配戴者看得见的光学安排。HMD可以提供计算机生成的图像和‘现实’视野的叠加可视化。HMD可以是单目的(单眼)或双目的(双眼)。本发明的HMD可以采取各种形式，包括眼镜、面具(如滑雪或潜水面具)、眼罩等。HMD可以包括一个或多个镜片。所述镜片可以选自眼科镜片，如处方镜片。在优选实施例中，HMD是一副配备有多个镜片的眼镜。

“图像源”IS在本领域中是已知的。图像源IS是可以发射适合(被安排成、被配置成)用于显示图像以便配戴者看得见的光束的任何光源。可视化发生在源自图像源的照明光束反射到透视反射镜上之后。关于全息图像的显示，所述光束包括全息图的参考光束。可以从图像数据(例如计算机生成的图像数据)来显示图像。

根据本发明，IS还可以具有多叠层结构。

根据本发明，IS可以是“偏离轴线”的，因为它可以被定位成靠近配戴者的颞侧，例如在HMD的颞侧部件(如眼镜的颞侧部件)上。

根据本发明，IS可以是被配置成用于显示虚拟图像(计算机生成的图像)的任何图像源。它可以是屏幕(例如OLED、LCD、LCOS等)、与其光源(例如激光器、二极管激光器等)结合使用的相位和/或振幅SLM(空间光调制器)、投影仪(如微型投影仪(可以使用LED、二极管激光器等的MEMS或DLP))、或任何其他来源。IS还可以包括任何其他图像源(计算机生成的图像源)和/或控制电子器件和/或电源和/或可选光学元件等。

“空间光调制器”(SLM)在本领域中是已知的。所述SLM可以是相位SLM、纯相位SLM、纯振幅SLM、或者相位振幅SLM。在存在的情况下，振幅调制优选地独立于相位调制，并且允许减少图像斑点，以便在灰度方面提高图像质量。

“配戴者眼科数据”或“眼科数据”(OD)在本领域中是已知的。配戴者眼科数据包括配戴者处方数据(PD)、配戴者眼睛灵敏度数据(SD)和配戴者眼科生物统计数据(BD)、以及一般地与任何配戴者视觉缺陷有关的数据，包括(例如)与色散、缺少眼晶状体(缺少晶状体)有关的数据等。

“处方数据”(PD)在本领域中是已知的。处方数据指的是为配戴者获得的并且为每只眼睛指示以下内容的一项或多项数据：处方视远平均屈光力P_FV、和/或处方散光值CYL_FV和/或处方散光轴线AXE_FV和/或适合于矫正每只眼睛的屈光不正和/或远视眼的处方下加光A。平均屈光力P_FV是通过将处方散光值CYL_FV的半值加到处方球镜值SPH_FV上获得的：P_FV＝SPH_FV+CYL_FV/2。然后，通过将处方下加光A加到针对同一只眼睛处方的视远平均屈光力P_FV上针对近距离视觉(视近)获得每只眼睛的平均屈光力：P_NV＝P_FV+A。在渐变镜片的处方的情况下，处方数据包括为每只眼睛指示SPH_FV、CYL_FV及A的值的配戴者数据。在优选实施例中，配戴者处方数据PD选自散光模数、散光轴位、焦度、棱镜和下加光、以及更概括地指示任何给定视觉缺陷的矫正的任何数据。这种缺陷可能是由部分视网膜脱落、视网膜或虹膜或角膜结构变形造成的，

“配戴者眼睛敏感性数据”(SD)在本领域中是已知的。配戴者眼睛灵敏度数据包括光谱灵敏度(针对一个或多个波长或光谱带)的数据、如亮度灵敏度等一般灵敏度(例如，针对户外亮度灵敏度)。这类数据对于优化配戴者的图像可视化对比度而言具有重要性。

“配戴者眼科生物统计数据”或“生物统计数据”(BD)在本领域中是已知的。生物统计数据包括与配戴者的形态有关的数据，并且通常包括以下各项中的一项或多项：单目瞳孔距离、瞳孔间距、眼睛的轴向长度、眼睛的转动中心的位置、眼远点、眼近点等。

可调谐反射镜

本发明涉及一种位于HMD中的透视可调谐衍射反射镜的用途。所述反射镜用于将计算机生成的图像可视化。

根据本发明使用的反射镜是可调谐的，因为可以针对所述反射镜的一个或多个部分或区域来调谐其一种或多种光学特性。这意味着所述一种或多种光学特性可以被调整、启用、停用、切换(切断或接通)、和/或与图像源进行同步等。

光学特性包括光学折射率值、相位、反射率(值、角度、波长、或光谱曲线)、透射率等。

本发明的头戴式设备

在一方面，本发明提供了一种头戴式设备，所述头戴式设备包括：图像源；透视可调谐衍射反射镜；被配置成用于调谐所述反射镜的控制器，其中，所述图像源被配置成用于朝向所述反射镜发射光束，其中，所述发射的光束被反射到所述反射镜上并且由此被引向所述配戴者的所述眼睛，从而使所述配戴者看得见所述计算机生成的图像。

所述反射镜被定位成相对于所述IS是偏离轴线的。这在图1中展示出，示出了反射镜M，如全息反射镜HM。图像源IS被定位在呈眼镜形式的HMD的颞侧上。IS还可以包括偏转器(例如，全息偏转器，H defl)。

M可以被设置在眼科镜片的前面、或后面上、或在本体中。所述镜片可以是任何类型的镜片、优选地处方镜片。

M还可以限定多个不同的视区，无论是就注视方向(例如，向上、向下、向左、向右)还是就视觉而言(视近、视远、视中、中央视觉、周边视觉)还是就观察距离而言。HM可以被配置为考虑配戴者的屈光不正或眼科数据，包括处方数据。有利的是，根据本发明，所述可调谐反射镜能够有差别地调谐一个或多个区(例如，相继地和/或根据处方数据；例如NV对比FV)。这还可以以延时方式来执行，例如仅激活区1、并且接着停用区1同时激活区2。因此能够选择性地(例如，相继地)调谐一个或多个区或者同时仅调谐一些区。参见图7。

在一些实施例中，所述反射镜是全息反射镜HM。这个HM可以是如在此所描述的那样。所述HM可以被配置成用于至少部分地矫正配戴者的视力。这包括可能的视力缺陷，如屈光不正和/或缺乏调节力储备。具体而言，所述HM可以被配置为考虑配戴者的眼科数据OD、例如处方数据PD。

因此，有利的是，根据本发明，所述透视反射镜和/或图像源被配置成用于至少部分地调整配戴者的视力以便看得见所述显示的计算机生成的图像。值得注意的是，当配戴者存在屈光不正时，所述透视反射镜和/或图像源可以被配置成用于至少部分地矫正配戴者的屈光不正以便看得见所述显示的计算机生成的图像。在一些实施例中，矫正视力包括矫正屈光不正和/或将调节最小化。在一些实施例中，矫正视力是通过配置所述透视反射镜和/或配置所述图像源和/或图像计算(输入到图像源中的计算机生成的图像数据)来实现的。参见WO 2015/032828。

根据本发明，所述反射镜(M)能够被调谐以至少部分地调整所述配戴者的视力从而看得见所述显示的计算机生成的图像。所述反射镜可以例如被调谐用于：

-调整所述配戴者看得见所述计算机生成的图像的距离，和/或

-调整所述配戴者看得见所述计算机生成的图像的注视方向，和/或

-调整所述配戴者看得见所述计算机生成的图像的表观大小，和/或

-根据所述配戴者的所述眼睛的位置来调整焦点以便看得见所述计算机生成的图像，和/或

-矫正所述配戴者看得见所述计算机生成的图像时的二级光学像差，如非球面化、场像差，和/或

-当所述配戴者屈光不正时，至少部分地矫正所述配戴者的屈光不正以便所述配戴者看得见所述计算机生成的图像，和/或

-使所述配戴者部分地或完全地看不见或看得见所述计算机生成的图像。

在一些实施例中，所述反射镜(M)可以包括一个或多个具有可调谐光学特性(如一个或多个折射率的值、相位、反射率(值、角度、波长、或光谱曲线)、透射率等)的区域。如果所述反射镜包括一个具有可调谐光学特性的区域，则这个区域可以是整个反射镜或其子区域。所述反射镜还可以包括多个可调谐区域。所述区域可以有利地被配置成是可单独(分开、彼此独立)调谐的。在一些实施例中，所述反射镜的所述一个或多个区域可以对应于一个或多个给定的视区。所述视区可以在注视方向(例如，向上、向下、向左、向右)方面、在视觉(视近NV、视远FV、视中IV、中央视觉、周边视觉)方面、或在观察距离方面进行限定。如上所述，有利的是，根据本发明，所述可调谐反射镜使得能够有差别地调谐其一个或多个区/区域。

在一些实施例中，所述反射镜(M)包括可单独调谐像素阵列。在一些实施例中，所述像素中的一个或多个或所有像素被记录(固定功能)、但可以被开启或关掉。

在一些实施例中，反射镜像素可以被分组成像素子集，以限定反射镜区域。所述区域可以对应于如上所述的视区。

在一些实施例中，能够堆叠多个反射镜层。这是有利的，因为这提供了在反射镜的给定区域上叠加不同功能的可能性。这些层(和/或其子区域)可以被配置成是可单独(分开、彼此独立)调谐的。

在一些实施例中，反射镜(M)可以包括一个或多个全息反射镜(HM)和/或一个或多个LCD阵列。

在一些实施例中，所述反射镜(M)包括可单独调谐的已记录全息像素的阵列。例如，所述阵列可以是聚合物分散液晶(PDLC)阵列或全息聚合物分散液晶(H-PDLC)阵列。在此类实施例中，像素大小可以为至少50μm。

在一些实施例中，所述反射镜(M)包括可调谐的透明液晶阵列。所述阵列是有源或无源的。例如，所述阵列可以是透射式纯相位空间光调制器(SLM)。在此类实施例中，像素大小可以为<5μm。这些像素不一定是相同的和/或具有规则的形式或图案。这些图案和/或形状可以是随机的和/或有规则的(正方形、六边形等)。一个或多个或所有像素可以是使用控制器可控制的。

在一些实施例中，HMD可以包括至少一个智能传感器。例如，它可以包括从场景相机、照度传感器和光度(光、亮度)传感器、以及眼睛跟踪器中选择的至少一个传感器。

本发明的HMD可以包括一个或多个智能传感器。

在一些实施例中，本发明的HMD可以包括一个或多个场景相机，例如光场相机、鱼眼相机、或标准相机。所述相机可以具有广视野光圈；它可以是全光相机。

在HMD包括相机的情况下，能够检测场景中的物品(包括确定观察现实生活物品的距离和/或注视方向)；并且接着在相同或不同的注视方向上和/或在相同或不同的观察距离处显示一个或多个计算机生成的图像。例如，当配戴者在博物馆中查看照片时，所述相机检测观察照片(现实生活)时的距离和注视方向，并且相应地提供信息以便在照片的正下方、并且在相同(或不同)的观察距离处(例如，对应于上述视区)显示关于所述照片的信息。所显示的信息可以包括标签、信息、照片、画家的姓名(增强现实)。

在一些实施例中，本发明的HMD可以包括一个或多个照度传感器和/或光度传感器(亮度传感器)，例如ALS＝环境光传感器、光电二极管、或广视野光圈、或全光相机等。

在HMD包括照度传感器和/或光度传感器的情况下，能够检测比其他区更暗的视区。这使得能够选择在M、HM的例如与上述视区相对应的较暗区域中显示信息(计算机生成的图像)。由于对比度提高，这有利地增强了视觉。还可能的是，使用亮度传感器来检测计算机生成的图像显示被完全关掉的情形(例如，亮度非常高的情形)。

在一些实施例中，本发明的HMD可以包括一个或多个眼睛跟踪器，例如IR跟踪器或(IR)反射镜或相机。

在HMD包括一个或多个眼睛跟踪器的情况下，能够检测配戴者正在使用的视区(检测注视方向)。这使得能够选择在M、HM的例如与上述视区相对应的给定区域中或之外显示信息(计算机生成的图像)。在这样的情况下，本发明的HMD可以进一步包括电致变色单元(EC)。EC单元可以存在于HMD的镜片中或其上。EC单元可以有利地用于使透镜变暗，以增强视觉对比度并改进配戴者对计算机生成的图像的可视化。

在一些实施例中，HMD可以包括一个或两个眼科镜片。所述眼科镜片可以被配置成用于至少部分地矫正所述配戴者在自然视觉下的屈光不正，其中，所述眼科镜片是从单光镜片、如双焦点镜片等多焦点镜片、渐变多焦点镜片、以及半成品镜片毛坯中选择的。所述眼科镜片可以是处方镜片。

在这样的情况下，所述反射镜可以被设置在镜片的前面、或后面上、或本体内。有利的是，根据本发明，所述反射镜是透视型的并且因此不显著影响自然视觉(不实质影响眼科镜片的光学功能)，与所述反射镜的调谐状态无关。

本发明的用途和方法

根据本发明，所述透视可调谐衍射反射镜可以用于：

-调整所述配戴者看得见所述计算机生成的图像的距离，和/或

-调整所述配戴者看得见所述计算机生成的图像的注视方向，和/或

-调整所述配戴者看得见所述计算机生成的图像的表观大小，和/或

-根据所述配戴者的所述眼睛的位置来调整焦点以便看得见所述计算机生成的图像，和/或

-矫正所述配戴者看得见所述计算机生成的图像时的二级光学像差，如非球面化、场像差，和/或

-当所述配戴者屈光不正时，至少部分地矫正所述配戴者的屈光不正以便所述配戴者看得见所述计算机生成的图像，和/或

-使所述配戴者部分地或完全地看不见或看得见所述计算机生成的图像。

在一方面，本发明提供了一种用于显示并可视化计算机生成的图像的方法，包括以下步骤：

(a)向配戴者提供本文中所描述的头戴式设备(HMD)，

(b)调谐所述反射镜(M)以便：

-调整所述配戴者看得见所述计算机生成的图像的距离，和/或

-调整所述配戴者看得见所述计算机生成的图像的注视方向，和/或

-调整所述配戴者看得见所述计算机生成的图像的表观大小，和/或

-根据所述配戴者的眼睛的位置来调整焦点以便看得见所述计算机生成的图像，和/或

-矫正所述配戴者看得见所述计算机生成的图像时的二级光学像差，如非球面化、场像差，和/或

-当所述配戴者屈光不正时，至少部分地矫正所述配戴者的屈光不正以便所述配戴者看得见所述计算机生成的图像，和/或

-使所述配戴者部分地或完全地看不见或看得见所述计算机生成的图像。

在一些实施例中，所述头戴式设备(HMD)进一步包括至少一个场景相机，并且步骤(b)包括以下步骤：

(i)基于从所述场景相机收集到的数据来确定所述配戴者看得见自然视野中的物体的距离和/或注视方向，并且可选地执行图像识别步骤；并且

(ii)调谐所述反射镜(M)以根据在步骤(i)所确定的距离和/或注视方向来调整所述配戴者看得见所述计算机生成的图像的距离和/或注视方向；并且

(iii)可选地，以延时方式重复步骤(i)和(ii)。

在步骤(ii)中，所述配戴者看得见所述计算机生成的图像时的距离和/或注视方向可以分别与步骤(i)中所述配戴者看得见自然视野中的物体的距离和/或注视方向相同或不同。步骤(iii)提供了加强的增强现实体验，因为例如如果配戴者改变注视方向和/或转动头部、和/或自然视野中的物体正在移动，可以延时收集信息，以根据时间来更新显示。

在一些实施例中，所述头戴式设备(HMD)进一步包括被定位在所述配戴者的所述眼睛前方的至少一个照度传感器或光度传感器以及可选地电致变色单元，并且步骤(b)包括以下步骤：

(i)基于从所述照度传感器或光度传感器收集到的数据来确定照度或光度的至少一个值，并且

(ii)调谐所述反射镜(M)以根据在步骤(i)所确定的值来调整所述配戴者看得见所述计算机生成的图像的注视方向，和/或可选地根据在步骤(i)所确定的值来控制所述电致变色单元，并且

(iii)可选地，以延时方式重复步骤(i)和(ii)。

步骤(ii)允许控制(调谐/调整)对比度以便所述配戴者看得见所述计算机生成的图像。步骤(iii)提供了加强的增强现实体验，因为可以延时收集信息，以根据环境光度的变化来更新显示。

在一些实施例中，所述头戴式设备(HMD)进一步包括至少一个眼睛跟踪器，并且步骤(b)包括以下步骤：

(i)基于从所述眼睛跟踪器收集到的数据来确定所述配戴者看得见自然视野中的物体的距离和/或注视方向，并且

(ii)调谐所述反射镜(M)以根据在步骤(i)所确定的值来调整所述配戴者看得见所述计算机生成的图像的距离和/或注视方向，并且

(iii)可选地，以延时方式重复步骤(i)和(ii)。

这使得能够选择并使用如上所述的不同的视区。

在一些实施例中，图像源可以被配置成使得所述图像源用于调整可视化距离，而反射镜用于调整可视化的注视方向。

在一些实施例中，所述图像源(IS)被配置成用于至少部分地调整所述配戴者的视力以便看得见所述显示的计算机生成的图像，例如，当所述配戴者屈光不正时，所述图像源(IS)能够被配置成用于至少部分地矫正所述配戴者的屈光不正以便看得见所述显示的计算机生成的图像。

根据本发明实现的全息反射镜

全息反射镜的光学特性

全息技术在本领域中是已知的。它们通常首先包括在合适的介质(如全息支撑件)上进行记录的步骤、和然后重建全息图像的步骤。记录通常包括用参考光束RB和照明光束IB对介质的双重照明。可以通过用参考光束RB照射记录的介质来重建全息图像。

广义而言，为了提供全息反射镜HM，本发明实现了记录步骤，但是不包括如上所述的重建步骤。总体上参见图2、8和图10所描绘的实例。

反射镜的原理如下(这是为了展示配戴者是正视眼并且可视化图像位于无限远处的情况)。参见图2左侧，使用常规全息记录设置(光学安排)来记录反射镜。所述反射镜反射在屏幕(图像源)上显示的图像。这个屏幕相对靠近玻璃并且与之形成一定角度。它是用屏幕的实际距离和实际倾斜产生的发散波(波束)来模拟。待显示的图像位于无限远处、在与镜片垂直的方向上。第二干涉光束是在垂直于镜片的方向上的平面波。当屏幕定位时，图像将将被显示在无限远处并且是配戴者可见的，如图2右侧所示(全息图恢复)。两条光束之间的干涉条纹以折射率光栅的形式被记录在光敏材料中。折射率光栅反映了待实现的光学功能。

折射率光栅还可以用除了光敏材料之外的材料来实现。众所周知，液晶具有使得折射率值不同的取向和相位。因此能够通过液晶矩阵(阵列)来实现这种折射率光栅，如针对数字全息术所执行的。所述功能被激活，并且接着通过使用光学显示源读取而可见。

根据情况和/或针对延伸(实时)应用，可能有兴趣改变以下参数中的一个或多个：

-反射镜上反射图像源光束的区域，所述区域对应于显示图像的区域，

-焦距(可能考虑配戴者的眼科数据)，

-图像的反射角度，以便根据眼睛的取向轴线提供注视方向，

还能够整体地或局部地修改单元特征(最通用)。还能够用不同焦距值或不同的反射角度(注视方向)来限定单独的区域(例如，VP、VL)。

全息反射镜的记录

为了获得根据本发明实现的HM，使用记录步骤来将光学功能记录(赋予)在全息材料的膜F中。所得到的结果(记录膜)是用于反射来自图像源的光束的反射镜，以便使配戴者看得见虚拟图像。

图8和图10展示了这一点，其中，全息介质是全息反射镜：左侧部分示出了介质记录，并且右侧部分示出了配戴者看得见虚拟图像(来自图像源)。图像源IS提供照射全息反射镜的光束。将来自IS的光束反射到朝向受试者的眼睛的反射镜上。在图8中，将要进行可视化的虚拟图像位于配戴者的无限远(或非常大)的距离处。图10展示了在瞳孔共轭的情况下的虚拟图像的可视化。在眼睛瞳孔上形成虚拟图像。

在一些实施例中，HM可以被配置成用于提供多个视区和/或至少部分地矫正配戴者的视力。具体而言，在配戴者存在屈光不正的情况下，HM可以被配置成用于至少部分地矫正配戴者的视力。

可以如2015年4月3日提交的EP 15305504.1中所描述的获得此类HM，所述文献的全部内容通过援引并入本文。另见下文。

用于制备有源全息反射镜的材料；全息材料膜

这种反射镜可以从特定材料获得，如重铬酸盐明胶或感光聚合物。感光聚合物可以处于任何物理状态(液态、固态、糊状等)，并在标准条件下包括那些固态和那些液态。将镜像功能全息记录在特定的材料中。

感光聚合物制剂通常含有一种或多种单体或低聚物，其呈现至少一种烯属不饱和光可聚合部分以及与至少一种对于照明波长敏感的组分聚合的光引发体系。它们可以包含允许增大可见光的光谱灵敏度的范围的光引发剂和光敏剂的组合。这些感光聚合物制剂可以包含各种添加剂，如非穷举列表中的聚合物、溶剂、增塑剂、转移剂、表面活性剂、抗氧化剂、热稳定剂、防沫剂、增稠剂、匀染剂、催化剂等等。感光聚合物的实例包括商用感光聚合物，如OmniDex(内穆尔E.I.杜邦公司(EP 0377182 A2))、Bayfol HX(拜耳公司)、Darol(Polygrama)或SM-TR感光聚合物(Polygrama)。

取决于它们的组成，特别是取决于溶剂存与否及其粘度，可以设想不同类型的处理。感光聚合物层的厚度可以是从1μm至100μm、优选从4μm至50μm。

包含溶剂的制剂可以以不同的方式进行加工，例如通过旋涂、浸涂、喷涂或棒涂(矿物或有机)玻璃平面基材，或通过旋涂、浸涂或喷涂在弯曲的(矿物或有机)玻璃基材上，以便获得希望的厚度。在涂布之后，通常必需溶剂蒸发步骤以获得准备好要记录的感光聚合物层。

当配方不含溶剂时，在它们的粘度不太高时能以相同的方式使用它们。在这种情况下，蒸发步骤不是必需的。尽管如此，优选的方法包括将感光聚合物直接封装在具有平面或弯曲形状的两个(矿物或有机)玻璃片之间。

在这种情况下可以使用两种方法。在第一种方法中，将厚度从5μm至50μm(取决于感光聚合物)所需的液体量沉积在玻璃片上。所述液体包含适配于最终期望的厚度的、直径为从5μm至50μm的、由玻璃或聚合物制成的间隔物。将第二块玻璃片放置在液滴上。其允许铺展和限制感光聚合物。在曝光和聚合之后，感光聚合物成为固体(或至少凝胶化)，并且它将两块玻璃片附接在一起。然后进行周边密封，以保护感光聚合物的边缘不与可能会随时间将其损坏的液体或大气相接触。

在第二种方法中，单元与两块(平面的或弯曲的)玻璃片组装并且沿着周边对除了允许用液体感光聚合物对单元进行填充的孔以外的所有地方进行密封。可以通过将单元置于低压下或真空下并将其插入感光聚合物中来进行填充。然后用有机胶(例如在UV下或热处理下进行聚合的胶)对孔进行密封。

另一种方法包括：

-将感光聚合物沉积在柔性基材上，例如像聚合物膜、聚酯等，

-通过蒸发或加热来去除最终的溶剂，

-使用公知的转移方法将涂有所述感光聚合物的膜转移到具有平面或弯曲形状的(矿物或有机物)基材上，并使它们适配于所使用的材料(膜和感光聚合物)(例如ESSILOR专利申请WO 2007144308 A1、WO 2010010275 A2)。在这种情况下，感光聚合物可以位于转移后的膜的表面或与基材相接触。

在沉积感光聚合物之后且在其曝光之前，需要将其静置通常15分钟至2小时。在此期间与沉积过程相关的应力消失。在记录全息反射镜之后，在UV下进行后曝光以使残留单体聚合。

可以用吸收一部分可见光的光敏剂对感光聚合物层进行着色。优选地选择这些光敏剂在曝光于可见光下之后完全失去其颜色。在UV下或白光下的后曝光减少了残留吸收。

可以根据所使用的材料来实现热处理以提高全息图的折射率调制及其衍射效率。

在一些实施例中，所述全息反射镜HM(相应地所述未记录的全息介质的膜F)设置在眼科镜片的前表面上、眼科镜片的后表面上、或者在眼科镜片的前表面与后表面之间。所述眼科镜片可以选自单光镜片、如双焦点镜片等多焦点镜片、以及渐变多焦点镜片、和半成品镜片毛坯。

可调谐反射镜的可能材料和结构

根据本发明，能够使用可调谐反射镜的不同结构。这些结构还可以彼此组合和/或与无源(不可调谐)反射镜组合。

可调谐全息反射镜

在一方面，反射镜由其中记载了全息图的一个或多个区形成，其中所述全息图可以被调谐(例如，停用)。这些区的范围可以从整个反射镜表面到一个或多个小像素。记录在像素中的条纹的数量应使得反射镜功能有效。例如，基于一百个条纹，可以使用50微米或更大的像素大小。每个像素的功能被记录、但可以被调谐或不调谐。设置了所述单独功能，但是可以使用对应于“微观”全息功能组的像素组合(组)来实现不同的“宏观”功能。除了这些组合之外，例如如果区较大，则能够使若干个区具有存储(记录)在每个区域中的不同功能，这些区可以被配置为单独地调谐。还能够实现多个层以在同一区域上叠加多个特征，其中每个层可以被分开调谐。

在一方面，本发明可以依赖于PDLC(聚合物分散液晶)的原理。反应性单体与分子混合而形成液晶相。当所述混合物被照射时，这些单体发生聚合并捕获液晶液滴。通常在UV波长内进行曝光。所述层变得光漫射性非常大，因为液晶在聚合物内以多个方向定向。由此，在聚合物基体与液晶畴(由于其双折射率)之间提供了折射率差异。当施加电场时，液晶垂直于导电基材定向。在这种配置中，垂直于液晶的入射光可以使其折射率与聚合物的折射率匹配(相等)，使得系统看起来是透明的。PDLC因此使得能够在漫射系统的状态与透明系统的状态之间切换。

在全息术(HPDLC)的情况下，原理是相同的，其中，单体在其被照射的激光波长下发生反应。激光器提供两条干涉光束，并且所产生的干涉被存储在记录的全息反射镜中。因此，经聚合的单体在干涉是有建设性的区域中被发现。这提供了高浓度聚合物区域和其他高浓度液晶区域。因此，由于其折射率差异而形成全息图。当接着施加电场时，液晶被定向并且折射率差异变为零，使得所述系统变得透明(参见图3：ITO c：ITO导体：如铟锡氧化物(ITO)等透明导电涂层；g：玻璃；W：白光；G：绿光；V：电压；Fi(左侧框)：向H-PDLC施加电场，系统处于透明状态；0Fi(右侧框)：施加零电场，系统处于布拉格(Bragg)反射状态；n_p：聚合物的折射率；n_e、n_o：液晶的折射率)。

用于制造这些HPDLC的材料可以是与液晶配制剂混合的丙烯酸酯单体。可以将液晶选择成使得它们具有高双折射率以获得增大的对比度。还可以选择液晶的介电各向异性以允许以值较低的电场激活。光引发剂可以具有可见光吸收光谱以响应标准激光波长。可以添加表面活性剂以改善液晶取向并且减小用于将其定向的有用电场。用于切换HPDLC的电压可以是20至150V，这取决于材料的类型、层的厚度(例如，在5与20微米之间)。折射率变化量可以是△n/3。例如，对于一些液晶，△n可以在0.2至0.5的范围内，例如其可以是约0.4。

以下是说明性的组成实例：

作为主要单体的三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)，

作为键合单体的N-乙烯基吡咯烷酮(NVP)，

作为光引发剂的孟加拉玫瑰红(RB)，

作为共引发剂的N-苯基甘氨酸(NPG)

作为表面活性剂的S-271POE脱水山梨糖醇单油酸酯

液晶E7。

一方面，能够以“反向”模式制备HPDLC。如果聚合物与处于OFF状态的液晶“匹配”，则当施加电压(电场)时，所述液晶被定向，并且根据这种定向，其折射率不同于聚合物的折射率，使得全息图可以被显示。在这种情况下，可以例如使用聚合物液晶(例如，从默克公司(Merck)可获得的RM 252)和折射率与之相对应的具有正介电各向异性的向列型液晶。还可以使用不具有液晶相的聚合物，并且在这种情况下使用具有负介电各向异性的向列型液晶(开始时垂面排列)。在专利US 6,133,971中描述了这些实施例。

还可以使用硫醇烯和环氧树脂来代替丙烯酸酯单体。具有高双折射率的液晶是优选的，例如：Merck公司的BLO37-双折射率＝0.282

可调谐LCD阵列

在一方面，反射镜是可以是有源或无源的液晶矩阵(阵列)。这种矩阵类似于用于制作SLM的矩阵，除了它可能不一定是有源矩阵之外。无源矩阵可以用于简单功能、具有对称轴线或对称中心。有源矩阵提供更多不同的应用和反射镜管理(控制、调谐)。折射率矩阵的显示类似于透射式SLM。例如参见US 5,548,301、US 7,742,215、US 7,154,654)。

由于反射镜是透视型的，因此LC阵列是透明的。优选的是具有小于5微米的像素大小以改善视觉舒适度。还能够使用其他方法(包括使用随机图案来代替规则图案)来使所述矩阵是透视型的。还能够使用LC单一单元，因此被壁非像素地分隔，并且能够在空间上管理为了激活液晶的取向而施加的电场。

记录全息反射镜

可以根据光学安排进行反射镜的记录。在图9上示出了示例性光学安排。在这个图上，所述记录实现了激光器。偏振分束器PBS允许将光束‘分开’。附图标记PMF是保偏光纤。光束的分离提供了两条光束：照射全息记录介质的一侧的参考光束RB、以及照射全息介质的另一侧的照明光束IB。这样允许记录全息反射镜HM。一旦设定了光学安排(例如，几何形状、光束大小等)，就可以通过改变一个或多个参数来修改全息反射镜的特征，所述参数包括两条光束之间的功率比(影响条纹对比度和衍射效率)、曝光时间(影响衍射和漫射效率)、以及可能使用可旋转支撑件用于光纤端部(影响光束在离开PMF光纤时的偏振)。在实例4中提供了用于光学安排与记录的参数的实例。

设置在眼科镜片上的全息反射镜；屈光不正矫正

在一些实施例中，HMD包括一个或多个眼科镜片，并且HM被设置在所述镜片中的一个或多个镜片中/上。在此类实施例中，可以根据以下方法来获得HM(总体上参照图11至14所描绘的非限制性实例)：

(1)提供具有前表面和后表面的眼科镜片，其中，所述眼科镜片包括未记录的全息介质的膜F，其中，所述眼科镜片可选地进一步包括振幅调制单元，所述振幅调制单元例如选自电致变色单元、偏振单元和光致变色单元，

(2)通过在参考光束(RB)与照明光束(IB)之间产生干涉来进行所述全息介质的全息记录，以便提供包括全息反射镜(HM)的眼科镜片，其中，所述全息记录在至少将HMD的镜架的(空间)配置考虑在内的光学安排中进行，以及

(3)可选地对从步骤(2)获得的所述镜片进行切割。

有利地，根据步骤(2)，RB的配置相对于装配到镜架中的镜片中的HM来模仿(模拟)镜架上的IS的配置。具体地，RB的空间配置反映了一旦将镜片装配到镜架上即可实施用于记录反射镜的空间配置(取向、距离、宽度(投影在镜片上的区的形状和大小)等)。内置的图像源IS在镜架上的实际位置因此可以进一步限定对应的二次(重新成像的)图像源。因此，IB的配置可以反映物理图像源IS或二次(重新成像的)图像源的发射。

有利地，步骤(2)的光学安排允许提供产生所希望的光学功能的全息反射镜，即通过步骤(2)获得的全息反射镜被‘自动地’配置成用于提供适合用于通过镜片至少部分地矫正配戴者的对于虚拟视觉的屈光不正的光学功能。

如图11的右侧部分所示，对于膜F位于镜片L的前侧的第一种情况，来自图像源IS的光束穿过镜片L并被反射在全息反射镜HM上。被反射的波前WF与照明光束IB的波前相同，意味着虚拟图像似乎从无限远处而来，即如自然图像一样。镜片因而同时矫正自然视觉和虚拟图像的视觉两者。当膜F位于镜片L的后侧时，横穿镜片L之后的照明光束的波前在膜F上是发散的。因此，图像源IS的光束以与透过镜片L看到的现实图像相同的波前进行反射，并且虚拟图像似乎是源自与此现实图像相同的地方。为了实现这一点，镜片可以具有与配戴者的处方数据PD相同或接近的焦度值。

在一些实施例中，步骤(2)的光学记录进一步考虑到：

-所述配戴者戴着所述镜架时看得见所述显示的虚拟图像的距离(D)和/或

-所述配戴者戴着所述镜架时看得见所述显示的虚拟图像的方向和/或

-所述全息反射镜的、用于使所述配戴者在戴着所述镜架时看得见所述显示的虚拟图像的区域的数量。

在一些实施例中，所述配戴者存在屈光不正，步骤(1)的所述眼科镜片被配置成用于矫正所述配戴者的对于自然视觉的屈光不正，并且选自单光镜片、多焦点镜片(如选自双焦点镜片)、以及渐变多焦点镜片。

在一些实施例中，步骤(2)的所述光学安排使得以以下各项对所述照明光束(IB)在空间上进行配置：

-选自单焦点镜片，如双焦点镜片等多焦点镜片、以及渐变多焦点镜片、或镜片矩阵(LM)、或具有相位调制的有源镜片中的一个或多个记录镜片(RL，RL1，RL2)以及

可选地，不透明遮罩(OM)。

在一些实施例中，步骤(2)的所述光学安排使得：

-所述参考光束(RB)模拟用于照射所述全息反射镜的内置图像源的光束，以便使所述配戴者在戴着所述镜架时看得见所述虚拟图像的显示，并且

-照明光束IB被配置成用于限定

·所述显示的虚拟图像被戴着所述镜架时的配戴者看得见的距离(D)和/或

·所述显示的虚拟图像被戴着所述镜架时的配戴者看得见的方向和/或

·所述全息反射镜的、用于使所述配戴者在戴着所述镜架时看得见所述显示的虚拟图像的区域的数量。

在一些实施例中，步骤(2)的所述光学安排使得所述照明光束(IB)被配置成用于在所述未记录的全息介质的膜(F)上有差别地记录多个区域(A1，A2，NV，FV)，可选地，其中，每个区域(A1，A2；NV，FV)对应于所述配戴者看得见所述显示的虚拟图像的距离(D；D_nv，D_fv)的相同或不同值，和/或对应于所述配戴者看得见所述显示的虚拟图像的相同或不同方向。

在一些实施例中，步骤(2)的所述光学安排使得根据艾格玛函数(ergorama)对照明光束IB进行配置，其中，所述艾格玛函数根据在戴着镜架时的注视方向来限定配戴者看得见所述显示的虚拟图像的距离(D)和/或方向。

在一些实施例中，所述配戴者存在屈光不正，并且所述方法是一种用于提供渐变多焦点镜片(相应地多焦点镜片，如双焦点眼镜片，相应地单光镜片)的方法，其中，步骤(1)的所述眼科镜片是渐变多焦点镜片(相应地多焦点镜片，如双焦点眼镜片，相应地单光镜片)，并且其中，执行步骤(2)的所述全息记录，使得所述全息反射镜(HM)至少包括与所述配戴者看得见所显示的虚拟图像的距离的不同值(D_nv，D_fv)相对应的、用于视近(NV)的区域和用于视远(FV)的区域。

在一些实施例中，所述配戴者存在屈光不正，并且所述方法是一种用于提供具有HM的单光镜片的方法，其中，步骤(1)的所述眼科镜片是半成品镜片毛坯，其中，步骤(2)的所述光学安排包括辅助单光镜片(AL)的实现，所述辅助单光镜片的光焦度考虑到为了矫正所述配戴者的屈光不正所需的光焦度以及所述半成品镜片毛坯的光焦度，并且其中，所述辅助单光镜片(AL)用于在空间上配置所述参考光束(RB)或所述照明光束(IB)。

在一些实施例中，所述方法是一种用于提供具有HM的渐变多焦点镜片(相应地多焦点镜片，如双焦点眼镜片，相应地单光镜片)的方法，其中，步骤(1)的所述眼科镜片是渐变多焦点镜片(相应地多焦点镜片，如双焦点眼镜片，相应地单光镜片)，并且其中，执行步骤(2)的所述全息记录，使得所述全息反射镜HM至少包括与所述配戴者看得见所显示的虚拟图像的距离的不同值D_nv，D_fv相对应的、用于视近NV的区域和用于视远FV的区域。例如参见图14。

有利地，上述方法在提供双重虚拟视觉的镜片(例如，单焦点镜片、如双焦点镜片等多焦点镜片、渐变多焦点镜片)上设置全息反射镜，其中，HM反射镜被具体地配置成包括用于虚拟视近的至少一个区域和用于虚拟视远的至少一个区域。

在一些实施例中，所述方法提供了包括如本文中描述的振幅调制单元(如电致变色单元EC)的、具有HM的镜片。例如参见图12中的说明性光学安排。

作为实现辅助镜片(AL)的替代方案，可以使用具有调制相位的有源镜片、例如使用自适应光学技术的变焦镜片来直接改变来自IB或RB的波前。在一些实施例中，IB使得其覆盖镜片上的扩展视野。例如参见图13。

使用配置

根据本发明，不同类型的成像图案是可能的。

在一方面，来自图像源IS的光束被发送至无限远或希望的距离处(图4左侧)。在反射到反射镜M上之后，眼睛运动框(EMB)可以非常宽，这简化了虚拟图像的可视化。

在一方面，来自图像源的光束在反射到反射镜M(图4右侧)上之后会聚在瞳孔或眼睛的转动中心(CRE)上。在这种情况下，EMB小，但是图像的亮度高。

根据配戴者调整可调谐反射镜

在图4右侧中反射镜包括液晶阵列的情况下，从图像源发射的光束在反射到反射镜上之后朝向配戴者的瞳孔(或者朝向眼睛的转动中心)会聚。这种配置允许配戴者看得见宽的视野，因为图像源的整个视野被同时显示在视网膜上。

然而，眼睛的定位(CRE)因配戴者而异。于是，使用可调谐反射镜能够执行焦点调整。

根据本发明，能够在三个维度上‘配适’HMD(将HMD针对配戴者进行定制)：可以通过改变可调谐反射镜的编程(控制)来调整X和Y方向上(反射镜平面中的水平/竖直轴线)的设置，例如以增加当量的水平或竖直光学棱镜度。例如，在包含可控(可编程)的相位像素矩阵的可调谐反射镜的情况下，水平(相应地竖直)棱镜度可以通过创建相位[相位(x，y)]而被模拟，所述相位沿水平(相应地竖直)轴线线性地增大/减小：

相位(x,y)＝α_x*x。

于是能够调整(调谐)棱镜度的振幅，以将光束的焦点定位成与瞳孔或CRO相同的值X。焦点的X/Y变化可能导致图像可视化的注视方向发生偏移。在棱镜度添加之后，可以透过反射镜以角度α_x在方向(θX＝α_x，θY＝0°)上看到在某个方向(θX＝0°，θY＝0°)上看到的虚拟点。然后能够考虑显示器中的图像的正确位置(在此为X)和形状(梯形等)以补偿这种移动，使得注视方向保持相同并且几何形状保持‘不变’，而无论可调谐反射镜提供的棱镜度值如何。

对于Z轴(对应于视轴：注视方向)，能够通过调整可调谐反射镜产生的曲率来调整焦点的位置：如果曲率增大，则焦点移动更靠近反射镜(反之亦然)。所述曲率例如可以通过应用相位分布来修改，例如：相位偏差(x,y)＝β(x²+y²)。然后可以使用这种相位分布来确定可调谐反射镜的像素值(参见上文)。

在一些实施例中，反射镜调谐可以以动态的方式执行：当配戴者移动其眼睛来扫视区域时，眼睛瞳孔与对焦点不再对齐，从而可能导致至少部分地看不到所显示的图像。接着用眼睛跟踪器来追踪眼睛(瞳孔)的位置，并且将焦点‘束缚’到这个位置，以确保配戴者无论查看方向如何都能看到虚拟图像。这样的跟踪还可以用于根据HMD相对于配戴者头部的位置偏移(在鼻子上滑动等)来进一步调整图像显示。

通过以下非限制性实例来对本发明进行说明。

实例

实例1：考虑配戴者的眼科数据，如处方数据

在反射镜包括HPDLC的情况下，可以使用如上所述的适合的记录步骤来考虑处方。

在反射镜包括液晶矩阵的情况下，能够根据处方数据来计算图像数据。可以通过考虑处方数据来计算焦距和/或注视方向，并且进一步可以实时计算。这种计算还可以考虑配戴者处方数据的变化(例如，在拜访眼科护理专家之后)，例如通过在HMD处理器(控制器)中更新的参数。为了调整可视化距离或者考虑配戴者处方数据，在反射到可调谐反射镜上之后，光束应具有与图2右侧的情况相比被修改的曲率(正视眼配戴者和无限远图像的情形)。通过举例方式，在近视配戴者-1D(或者在1m处显示图像)的情况下，可调谐反射镜可以被编程用于在光线反射到反射镜上之后将光线曲率增大一个值-1D(与正视眼情形相比)。通过举例方式，在散光配戴者的情况下，这个曲率可以在不同的矢状轴线和/或切向轴线上被有差别地修改。更一般地，整个功能都可以由可调谐反射镜来管理。

实例2：用于显示和可视化多个区的HMD及方法

图7示出了配戴者看得见的可能图像。可调谐反射镜提供了使用不同视区的可能性。此类区1、2、3、4、5是根据不断变化的注视方向来限定的。例如(图7左侧)，区5对应于中央视觉，而区1-4是周边视觉。此类区还可以在计算机生成的图像的可视化距离的方面上来限定。

有利的是，根据本发明，所述可调谐反射镜能够有差别地调谐一个或多个区(例如，相继地和/或根据处方数据；例如NV对比FV)。这还可以以延时方式来执行，例如仅激活区1、并且接着停用区1同时激活区2。

实例3：用智能传感器进行显示和可视化的HMD及方法

根据本发明，HMD可以包括一个或多个智能传感器。每个传感器可以用于分析配戴者的环境(现实生活环境和配戴者)，使得可以针对给定情形来定制显示。所述显示可以有利地延时执行，以便根据‘实时’情形来调整。

实例3.1：使用场景相机作为智能传感器进行显示和可视化的HMD及方法

对于增强现实方面的应用，有利的是具有用于将虚拟物体(计算机生成的图像)‘整合’到现实世界中的场景相机。

这个相机可以是常规相机。为了使相机具有人眼的视野类似的视野，能够使用例如鱼眼型广角透镜。然而，常规相机通常不允许精确确定所观察到的场景的深度。一种方法是使用可变焦镜片、并且通过相继测量焦距来重建(重新创建)距离。接着能够可视化3D场景的图像并且测量到物体的距离。第二种方法是使用多个相机。第三种方法是使用配戴者的恒定移动。在这种情况下，已知相机的位置(例如，加速度计)，能够追溯物体的距离和位置。事实上，图像分析允许确定来自场景的光束的方向、并且因此确定物体相对于相机的位置。

还能够使用全光相机(光场相机，LFC)。提供了一种能够以足够大的立体角(sr 2π)来测量场景的低分辨率图像的传感器。为此，将微透镜阵列放置在高分辨率传感器矩阵的前方。每个微透镜对应于像素组(子集)。来自场景的光束根据其方向以及物体在场景中的距离被每个微透镜分布到这些像素组上。接着能够获得包含(真实)物体的位置、距离、和方向的图像。适当的图像处理可以使用所收集的数据来显示虚拟物体，并且可以使所显示的计算机图像在现实生活场景中‘演变’。这可以在这个现实物体在配戴者环境中上固定的时进行(图5顶部：艾菲尔铁塔在现实生活场景中是固定的，但配戴者移动头部：计算机生成的图像的显示(例如，关于艾菲尔铁塔的注释)可以根据配戴者的头部移动而‘跟随’配戴者的注视方向并跟随环境的可视化)，或者当其正在移动时(图5底部：配戴者头部不移动，但自行车在现实生活场景中移动(m))。接着能够例如确定真实物体的位置，以显示处于相同位置、具体而言相同距离处的虚拟图像。这允许配戴者在与相同的可视化距离处(无论其位置如何)清楚且同时看见现实图像/虚拟图像。

在一些方面，可以通过将场景相机与形状和/或图像识别软件相关联来执行对周围环境的监视。接着能够提供信息(图像)的选择性显示。如果经由数据库(纪念碑、书、行人等)标识出可识别的物体，则能够显示适当的对应信息。这种途径使虚拟图像与配戴者的注视脱离。相机可以配备有自动对焦功能，在这种情况下，能够检测到物体的距离并且因此确定针对待显示的图像的焦距。

如果物体是固定的，像书或建筑物，则所显示的图像可以‘附着’至这个物体、并且因此可以不在配戴者的眼睛前方被永久显示(图5顶部)。例如，如果所显示的图像是书中词语的定义，则配戴者可能未必希望在他/她查找时这个定义留在查看视野中。于是存在若干种可能性：

-所显示的图像可以留在原来的位置(例如，NV时的给定注视方向)，或

-使用可调谐反射镜，能够保持将图像叠加到物体上(保持其附接)，只要它在反射镜场内即可，并且接着在物体出来时将反射镜关掉。参见图5顶部。

如果现实物体正在移动，则所显示的图像可以透过HMD跟随视野中的物体，无论配戴者是否注视所述物体。通过举例方式，在驾驶情形下，如果骑行者被识别，则可能被‘标记’，使得它可以更容易被交通流中的配戴者标识并跟随。在这种情况下，目标物体正在移动，显示(例如，骑行者提醒)可以跟随视野中的这个物体(骑行者)移动(图5底部；骑行者根据移动m而移动)。使用可调谐反射镜，所显示的图像(提醒)仅在与目标物体的方向相对应的方向和角度上被反射。参见图5底部。

在上述两种情况下，使用可调谐反射镜是有利的，因为它不需要图像源的机械移动，并且不需要选择性地使用图像源的仅一部分。因此，在所有情况下，都可以保留图像源的整体分辨率。

实例3.2：用照度或光度传感器作为智能传感器进行显示和可视化的HMD及方法

本发明的HMD可以包括光(亮度)传感器，如照度传感器或光度传感器。为了提高配戴者的视觉舒适度，有利的是优化虚拟图像的亮度和/或对比度并且使将其与其将嵌入的现实世界相适配。

本发明的HMD可以包括单一传感器、多个单独的传感器、或传感器阵列(例如，CCD、CMOS)以确定反射镜上的亮区位置。尤其有利的是，传感器阵列装配有与人的视角相似或相同的广角光学系统(镜片)。

能够使用场景相机来执行对环境亮度的测量。的确，通过校准光传感器，可以获得视野中的4D场(空间位置和亮度)。这样的系统有利地是紧凑的。这提供了场景的亮度的映射。

这个4D场于是可以用作用于瞳孔照明(或在眼睛模型的情况下为视网膜)的光线追踪计算的扩展源。这种计算可以进一步考虑配戴者的眼科数据，包括处方数据和/或眼睛相对于HMD/镜架和矢量光源的位置。根据对场景的分析(存在高亮度值区域、可用于虚拟图像的“载体”等)，能够选择在黑暗区域中显示图像以便可视化、或者使所显示的图像移离非常明亮的区域、或者在必要时改变屏幕的亮度等。

如果HMD配备有电致变色玻璃(例如，具有结合了EC单元的镜片的眼镜)，则亮度测量可以使EC透视与环境条件自动适配；如果镜片/眼镜片是像素化的，则这是局部的，或者如果不是，则这是整体的。在这两种情况下，例如，使用考虑了心理物理学测量结果(例如，眼科数据，包括处方数据或眼睛敏感度数据等)的算法，可以使用经由景场相机获得的4D照明矩阵来计算镜片/眼镜片的变暗，如中央视觉时的照明、周边照明等。这可以使用待确定的加权函数来执行。如果镜片/眼镜是像素化的，则可能能够使区域(例如，在虚拟图像区域中的区、在非常明亮的区域中的区、在中央或周边视觉的区等)变暗。图像显示与由相机执行的环境分析的这种关联还可以用于控制电致变色玻璃，以例如在不需要或不适当或危险时仅使有用点变暗，以使HMD/眼镜完全黑暗。

实例3.3：用眼睛跟踪器作为智能传感器进行显示和可视化的HMD及方法

使用IR全息反射镜的眼睛跟踪

为了跟随注视方向及其会聚，并且因此在配戴者已经看向的距离和注视方向上显示计算机生成的图像，可以添加眼睛跟踪系统。红外(IR)LED可以照射配戴者的眼睛(考虑到眼睛的安全性)。相机可以捕捉眼睛并跟随其移动和注视方向。经典地，这个相机可以指向眼睛。

IR全息反射镜

对于紧凑性问题，可以在镜片中使用IR全息反射镜，来将眼睛跟踪器IR LED的红外反射转向HMD/眼镜颞侧。

这个反射镜可以是有源(可调谐)或无源的。这个反射镜可以用与图像反射反射镜相同的方式来获得，不同之处在于可能不需要考虑配戴者的处方数据。因此它可以非常简单地实现。在反射红外线的情况下，它不妨碍可见光谱中的视觉和显示、并且对配戴者完全透明。

视线会聚

视线会聚测量可以提供焦距(图6)。接着能够适配虚拟图像，使得它看似来自与配戴者在现实生活中已经查看到的点相同的点。这有利地能够减少或完全避免在看得见计算机生成的(虚拟)图像与可看见现实物体之间进行的调节力度。视觉将更舒适，并且偶尔的眼疲劳更少。

注视方向可以提供可以调谐反射镜以反射图像的角度(图6)。这使得能够显示正确地以眼睛为中心的图像。

因此，可调谐反射镜允许所显示的图像时刻跟随配戴者的视线，从而优化所显示的图像的位置。这样的技术效果不能通过不可调谐的(设置)反射镜获得。图6：GTC：视线跟踪相机；GD：注视方向；I：所显示的图像；CV：会聚区。

视线跟踪与场景测量(环境监视)的关联和脱离

在一些实施例中，眼动跟踪功能可以与环境监测(场景相机)脱离。这在一些情形下可能是有利的。在一些实施例中，能够将这两个功能配对(关联)：眼睛跟踪和环境监视。这允许告知眼睛跟踪。例如，可以跟随视远FV的视线，而对视近NV不感兴趣，这取决于所显示的信息(图像)的性质。然而，鉴于所显示的图像的性质，可能对NV有一定兴趣。在这种情况下，对于NV，可以将所显示的图像可以保留在设定的位置上、或者在与现实生活的物体附接的受控注视位置上。所显示的图像同样可以跟随恢复到FV时的视线。

实例4：用于显示和可视化的HMD和方法的全息反射镜HM

图8示出了记录全息反射镜的实例，所述图描绘了用于记录镜片(镜片未示出)上的全息反射镜的示例性光学安排。在这个实例中，激光器在532nm(100mW)下发射。PMF是一种保偏光纤(460-HP Nufern)：熊猫光纤，纤芯直径2.5μm，ON 0.13，模场直径：3.5μm@515nm。偏振分束器PBS旁边的准直镜片为f＝8mm。照明光束IB为1mW/cm²。参考光束RB为0.5mW/cm²。产生RB的镜片为f＝4mm。产生IB的镜片(参考镜片，RL)为f＝400mm。

HM形成在其上的镜片未示出。这种镜片如下：焦度-3δ，前表面半径87mm，眼镜镜片形状40×50mm或圆直径70mm。膜F形成在两个玻璃层之间并且被定位在镜片的前侧上。膜F如下：直径70mm，曲率半径87mm，玻璃层厚度850μm，感光聚合物F厚度5至50μm(例如40μm)(由于间隔物)，总堆叠厚度：1.65mm，取决于感光聚合物的性质，曝光时间：30秒至10分钟。

对于直径为70mm的镜片，对膜F进行沉积：

-在玻璃层上沉积50μL液滴(间隔物：5-50μm，玻璃层：厚度500μm；曲率半径87mm，圆直径70mm；减反射处理或涂布，特别地是532nm)，

-对第二玻璃层进行定位；紧固，

-在照明支撑构件上停留20分钟。

根据光束强度、感光聚合物的性质和厚度，照射30秒至6分钟

-通过曝光于可见光下15分钟(例如卤素灯，50W至75W)进行漂白。

-必要时用胶水进行密封。

在照明期间：

-保护不受物理干扰(空气移动、机械振动、灰尘等)

-稳定化的温度(避免空气对流)

-黑色房间(暗室：例如用于记录绿光的非光化性照明)

-涂布(减反射)到玻璃上(避免寄生反射)。

表征：

-光谱(反射波长和反射镜效率)

-定性光学特性(观察OLED屏幕)

-定量光学性质(波前分析)。

可以与EC单元组合。

Claims (16)

1.一种旨在由配戴者配戴的头戴式设备，

其中，所述头戴式设备被配置成用于显示并使所述配戴者看得见计算机生成的图像，

其中，所述头戴式设备包括：

-图像源，

-位于所述配戴者的一只眼睛前方的透视可调谐衍射反射镜，

-被配置成用于调谐所述反射镜的控制器，以及

-至少一个场景相机，

其中，所述图像源被配置成用于朝向所述反射镜发射光束，其中，所述发射的光束被反射到所述反射镜上并且由此被引向所述配戴者的所述眼睛，从而使所述配戴者看得见计算机生成的图像，

其中，所述反射镜被调谐以调整所述配戴者看得见的显示的计算机生成的图像的表观大小，并且其中，当所述配戴者屈光不正时，至少部分地矫正所述配戴者的屈光不正以便所述配戴者看得见所述计算机生成的图像，并且

其中，所述头戴式设备被配置为：

(i)基于从所述至少一个场景相机收集到的数据来确定所述配戴者看得见自然视野中的物体的距离和/或注视方向，以及

(ii)调谐所述反射镜以根据在步骤(i)所确定的距离和/或注视方向来调整所述配戴者看得见所述计算机生成的图像的距离和/或注视方向。

2.根据权利要求1所述的头戴式设备，

其中，所述反射镜还被调谐用于以下至少一个：

-根据所述配戴者的所述眼睛的位置来调整焦点以便看得见所述计算机生成的图像，

-矫正所述配戴者看得见所述计算机生成的图像时的二级光学像差，以及

-使所述配戴者部分地或完全地看得见所述计算机生成的图像。

3.根据权利要求2所述的头戴式设备，

其中，二级光学像差包括非球面化或场像差。

4.根据权利要求1所述的头戴式设备，

其中，所述反射镜包括一个或多个具有可调谐折射率的区域。

5.根据权利要求1所述的头戴式设备，

其中，所述反射镜包括可单独调谐像素阵列。

6.根据权利要求1所述的头戴式设备，

其中，所述反射镜包括可单独调谐的已录全息像素的阵列，

所述阵列是聚合物分散液晶阵列。

7.根据权利要求6所述的头戴式设备，

其中，所述阵列是全息聚合物分散液晶阵列。

8.根据权利要求1所述的头戴式设备，

其中，所述反射镜包括可调谐的透明液晶阵列，

其中，所述阵列是有源或无源的，

所述阵列是透射式纯相位空间光调制器。

9.根据权利要求1所述的头戴式设备，

进一步包括选自以下各项的至少一个传感器：

-一个或多个照度传感器，

-一个或多个亮度传感器，以及

-一个或多个眼睛跟踪器。

10.根据权利要求1所述的头戴式设备，

进一步包括眼科镜片，所述眼科镜片被配置成用于至少部分地矫正所述配戴者在自然视觉下的屈光不正，其中，所述眼科镜片是从单光镜片、双焦点镜片以及多焦点渐变镜片中选择的。

11.一种透视可调谐衍射反射镜的用途，

所述透视可调谐衍射反射镜位于旨在由配戴者配戴的透视头戴式设备中，

其中，所述头戴式设备包括图像源和至少一个场景相机，并且其中，所述图像源被配置成用于朝向所述反射镜发射光束，其中，所述发射的光束被反射到所述反射镜上并且由此被引向所述配戴者的眼睛，从而使所述配戴者看得见计算机生成的图像，

所述透视可调谐衍射反射镜用于基于所述场景相机收集到的数据，根据所述配戴者看得见自然视野中的物体的确定的距离和/或注视方向，从而调整所述配戴者看得见所述计算机生成的图像的距离和/或注视方向，并且当所述配戴者屈光不正时，至少部分地矫正所述配戴者的屈光不正以便所述配戴者看得见所述计算机生成的图像。

12.根据权利要求11所述的用途，

其中，所述图像源被配置成用于至少部分地调整所述配戴者的视力以便看得见所述计算机生成的图像，

并且其中，当所述配戴者屈光不正时，所述图像源被配置成用于至少部分地矫正所述配戴者的屈光不正以便看得见所述计算机生成的图像。

13.一种用于显示并可视化计算机生成的图像的方法，包括以下步骤：

(a)为配戴者提供根据权利要求1至10中任一项所述的头戴式设备，

(b)调谐所述反射镜用于基于所述场景相机收集到的数据，根据所述配戴者看得见自然视野中的物体的确定的距离和/或注视方向，从而调整所述配戴者看得见所述计算机生成的图像的距离和/或注视方向，并且当所述配戴者屈光不正时，至少部分地矫正所述配戴者的屈光不正以便所述配戴者看得见所述计算机生成的图像。

14.根据权利要求13所述的方法，

其中，步骤(b)包括以下步骤：

(i)基于从所述场景相机收集到的所述数据来确定所述配戴者看得见自然视野中的物体的所述距离和/或注视方向，

(ii)调谐所述反射镜以根据在步骤(i)所确定的距离和/或注视方向来调整所述配戴者看得见所述计算机生成的图像的距离和/或注视方向；并且

(iii)以延时方式重复步骤(i)和(ii)。

15.根据权利要求13所述的方法，

其中，所述头戴式设备进一步包括被定位在所述配戴者的所述眼睛前方的至少一个照度传感器或亮度传感器以及电致变色单元，并且

其中，步骤(b)包括以下步骤：

(i)基于从所述照度传感器或亮度传感器收集到的数据来确定照度或亮度的至少一个值，并且

(ii)调谐所述反射镜以根据在步骤(i)所确定的值来调整所述配戴者看得见所述计算机生成的图像的注视方向，和/或根据在步骤(i)所确定的值来控制所述电致变色单元，并且

(iii)以延时方式重复步骤(i)和(ii)。

16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，

其中，所述图像源被配置成用于至少部分地调整所述配戴者的视力以便看得见所述显示的计算机生成的图像，

并且其中，当所述配戴者屈光不正时，所述图像源被配置成用于至少部分地矫正所述配戴者的屈光不正以便看得见所述显示的计算机生成的图像。

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