CN108474959A - 动态聚焦头戴式显示器 - Google Patents

Abstract

常规头戴式显示器(HMD)可在固定焦点(例如无限远焦点)处显示虚拟图像。如果用户看比虚拟图像出现得更近的物体，则用户的眼睛的适应将使虚拟图像看起来模糊。本文公开的HMD包括动态电活性聚焦元件，其改变虚拟图像的焦点以解释用户的适应。这个动态电活性元件可包括安置在静止凹面反射镜和分束器或其它光学元件上的凸表面之间的电活性材料的弯曲层，例如向列型或双稳态(例如胆固醇晶态)液晶。改变电活性材料的折射率引起动态电活性聚焦元件的焦点，从而使得当用户的眼睛改变焦点时使虚拟图像的焦点移位成为可能。

Description

动态聚焦头戴式显示器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2015年12月22日提交且通过引用全部并入本文的美国申请号62/270,896的优先权利益。

背景

头戴式显示器(HMD)是戴在头上或周围用于使用户看到信息的设备。所看到的信息可以是覆盖在真实世界中观察到的图像上面的信息(有时称为增强现实)、不包括真实世界的图像的所显现的信息(有时称为虚拟现实)或这些信息的组合(有时称为虚拟/增强或混合现实)。

一般，在今天的HMD中显现的携带信息的图像被设置到单个聚焦点。最常见的聚焦点是无限远或“远距离”。这允许用户在增强现实应用的情况下看到与遥远真实世界物体同时在焦点上的信息图像，且在虚拟现实的情况下只看到在远距离处的信息。

当携带信息的图像在HMD中在无限远焦点处被显现给用户时，出现了几个问题。如果携带信息的图像(也称为虚拟图像)在使用增强现实时被设置到远距离焦点，则用户可能希望将他们的凝视移位到较近的物体，例如手持物品，这然后使虚拟图像出现在焦点外。如果用户看在正常阅读距离处的手持平板计算机，则可发生这种情况。如果用户的眼睛可适应，则它们将改变焦点以将平板计算机带到焦点上，但因为虚拟图像被设置到远距离焦点，虚拟图像将出现在焦点外，而平板计算机图像在焦点上。在这种情况下，如果虚拟图像可被重新聚焦到与平板计算机相同的距离使得虚拟图像和平板计算机同时在焦点上则是合乎需要的。

当用HMD显示携带信息的图像以观看虚拟现实时，类似的问题出现。为了创建现实三维虚拟图像，虚拟图像的焦点应改变，使得人眼动态地改变它的焦点，从而说服人脑图像更近或更远离。如果携带信息的图像只保持在远距离处且模仿变化的距离的其它手段被使用而不改变焦距，则效果不与如果焦距也改变一样现实。如果虚拟图像可动态地被重新聚焦到变化的距离以增强虚拟现实体验则将是合乎需要的。

概述

常规透镜可用于改变携带信息的图像的焦点。但常规透镜由相对重的玻璃和塑料构造。此外，常规透镜通常必须随着机电致动器(例如电动机)一起移动，以改变焦点。致动器增加额外的重量、体积和复杂度。它们也可能消耗相对高数量的电功率，这可增加电源的重量、体积和成本。

安置在眼睛和待观察的图像之间的电活性透镜(例如液晶透镜)也可用于改变眼睛的焦点。然而，由于当凝视改变时眼睛上下转换，因此电活性透镜应比眼睛的瞳孔大得多。例如，6mm瞳孔一般需要大约40mm宽的光学器件以在眼睛的前面提供足够的覆盖以允许一般凝视角变化出现。由于使用电活性透镜可实现的光程差(OPD)变化的限制，电活性透镜一般受到光学危害，例如层堆叠和相位缠绕，以在期望光学尺寸下实现所需光焦度(optical power)。这些光学危害通常增加功率消耗并需要较高的速度切换，这两者都转换成较大的尺寸、重量和成本。

当前技术的实施方案包括可与HMD合作地工作的紧凑、有效的光学系统以改变虚拟图像的焦点。在一些实现中，这个光学系统是重量轻的，提供足够的光焦度来补偿遍及广泛人口的适应范围(例如大约1屈光度到大约15屈光度)，并消耗非常小的功率。也可设想没有任何移动的零件。

例如，当前的技术可被实现为HMD装置，其包括显示器、与显示器进行光通信的分束器、与分束器进行光通信的凹反射表面和安置在分束器和凹反射表面之间的可调谐透镜。凹反射表面也可使用另一聚焦部件(例如渐变折射率(GRIN)透镜或菲涅尔结构)来加强或用所述另一聚焦部件替换。在操作中，分束器传输由显示器发射的光。(分束器也可将环境光传输到HMD装置的佩戴者)。凹反射表面接收由显示器发射并由分束器传输的光，并经由分束器将显示器的图像反射到佩戴者。而且可调谐透镜改变反射到佩戴者的显示器的图像的焦点。

在一些情况下，显示器发射沿着平行于电活性材料的光轴的轴偏振的光，电活性材料可包括向列型或双稳态液晶。由于显示器发射偏振光，因此电活性材料可被实现为仅仅单层向列型液晶层而不是常规设备所需的两个向列型液晶层。这减小设备的尺寸、重量、功率消耗、成本和复杂度。

分束器可界定凸表面，在这种情况下电活性材料安置在凸表面和凹反射表面之间。凹反射表面可形成与电活性材料电通信的接地平面的至少一部分。HMD装置也可包括安置在电活性材料和凸表面之间的多个电极，以将电压梯度施加到电活性材料，以便改变电活性材料的可变折射率。

在其它情况下，可调谐透镜包括具有安置成与分束器进行光通信的可变形弯曲膜的液晶透镜。在这些情况下，柔性膜可界定凹反射表面，其在流体被抽运到至少部分地由凹反射表面界定的腔内并从腔抽运出时改变形状。

头戴式显示装置可包括可操作地耦接到可调谐透镜的控制器，以响应于来自佩戴者的输入而致动可调谐透镜。此外，控制器可响应于在显示器上的图像而致动可调谐透镜。

当前的技术也可被实现为在HMD上显示信息的方法。在一个示例中，HMD在被选择为匹配佩戴者的适应的焦点处向HMD的佩戴者显示携带信息的图像。HMD可在显示器处产生携带信息的图像、通过安置在分束器和凹反射表面之间的电活性材料来传输携带信息的图像，并经由凹反射表面和分束器将携带信息的图像反射到佩戴者。HMD可激活电活性材料，以便改变携带信息的图像的焦点。在一些情况下，HMD响应于来自佩戴者的命令和/或响应于在携带信息的图像中的信息而激活电活性材料。HMD也可响应于来自适应传感器的信号而激活电活性材料，适应传感器可测量瞳孔间距离以确定眼睛的会聚凝视点、感测入射光的波前、测量瞳孔直径和亮度级，等等。

当前技术的其它实施方案包括头戴式显示装置，其包括显示器、与显示器进行光通信的分束器、与分束器进行光通信的凹反射表面和安置在凸表面和凹反射表面之间的液晶层。在操作中，显示器发射偏振光。分束器传输由显示器发射的偏振光的一部分。凹反射表面接收由分束器传输的偏振光的该部分，并经由分束器将显示器的图像反射到头戴式显示装置的佩戴者。而且液晶层改变反射到佩戴者的显示器的图像的焦点。

当前技术的又一实施方案包括头戴式显示装置，其包括显示器、与显示器进行光通信的分束器、与分束器进行光通信的液体透镜和与液体透镜和分束器进行光通信的反射镜。在操作中，分束器传输由显示器发射的光。液体透镜提供可变光焦度。而且反射镜接收由显示器发射并经由液体透镜由分束器传输的光，并经由液体透镜将显示器的图像反射到头戴式显示装置的佩戴者。

应认识到，前述概念和在下面被更详细讨论的额外概念(假设这样的概念并非相互不一致)的所有组合被设想为本文公开的创造性主题的部分。特别是，出现在本公开的末尾处的所要求保护的主题的所有组合被设想为本文公开的创造性主题的部分。还应认识到，也可出现在通过引用并入的任何公开中的在本文明确使用的术语应符合与本文公开的特定概念最一致的含义。

附图简述

技术人员将理解，附图主要为了说明性目的，且并不意欲限制在本文所述的创造性主题的范围。附图不一定按比例绘制；在一些实例中，本文公开的创造性主题的各方面可在附图中被扩大或放大地显示以便于不同特征的理解。在附图中，相似的参考符号通常指相似的特征(例如在功能上类似和/或在结构上类似的元件)。

图1是头戴式显示器(HMD)的常规birdbath光学器件的剖视图。

图2是HMD的常规birdbath光学器件的剖视图。

图3A是具有弯曲电活性聚焦元件的可变焦点birdbath光学器件的分解图。

图3B是具有一对交叉电活性圆柱形透镜的可变焦点birdbath光学器件的截面图。

图3C是具有图3A所示的可变焦点birdbath光学器件的HMD的透视图。

图4示出被图案化以形成用于致动图3A所示的弯曲电活性聚焦元件的同心环形电极的导电和绝缘材料层。

图5示出图4所示的导电和绝缘材料层的另一视图。

图6示出在图3A所示的弯曲电活性聚焦元件中的焊盘和电极之间的电连接。

图7A和7B示出基于膜的动态聚焦birdbath光学器件。

图8A示出通过具有可变焦点birdbath光学器件的HMD的视图，其中佩戴者的焦点在远处物体上且虚拟图像被设置到无限远焦点。

图8B示出通过具有可变焦点birdbath光学器件的HMD的视图，其中佩戴者的焦点在近处物体上且虚拟图像被设置到无限远焦点。

图8C示出通过具有可变焦点birdbath光学器件的HMD的视图，其中佩戴者的焦点在近的物体上且虚拟图像的焦点与用户的适应匹配。

详细描述

具有动态聚焦元件(例如电活性透镜凹面反射镜)的birdbath允许虚拟图像的焦点的动态变化，用于补偿适应或增强深度的错觉。它也提供补偿用户的折射误差的能力，消除了用户在使用HMD时在HMD设备和眼睛之间佩戴校正透镜例如眼镜的需要。这样的birdbath系统允许由具有低功率消耗且没有移动的(机械)零件的HMD显示的虚拟图像的焦点的动态变化。

创造性HMD设备的应用包括但不限于：在驾驶时不必从道路转移目光的地图导航，当在同一视场内被提供生命体征数据时执行手术，利用具有覆盖在正被修理或维修的实际物体上面的虚拟指导图的修理和维修手册，通过允许额外的策略信息被提供给他们同时保持“眼睛在目标上”来提高军事和法律实施人员的情景意识，等等。

头戴式显示器(HMD)的常规Birdbath

图1示出用在头戴式显示器(HMD)上的常规“birdbath”光学器件100。其包括微型显示器或其它显示源5、光学块10、分束器25和凹面反射镜35。来自微型显示器或其它显示源5的携带信息的图像进入光学块10内(在这种情况下，它是实心的，但可以是空气)，并遇到分束器25。分束器25远离眼睛引导光的一部分并允许光的一部分继续它的行程到反射镜35。在这个示例中，反射镜35是在一角度下反射入射光线40的弯曲凹面反射镜，使光线40会聚到焦点。光线40再次遇到分束器25，所述分束器朝着眼睛50反射会聚光线45。

由于反射镜35是凹面的，因此接近眼睛的波前也是凹面的或“预先聚焦的”，从而允许眼睛的光学器件(即角膜和晶状体)在眼睛相当接近设备的情况下将图像聚焦在视网膜上。如果反射镜35是扁平的，则校正光学器件需要在眼睛的前面以帮助眼睛将图像带到焦点上，但反射镜35的曲率消除了对校正透镜的需要。然而，眼睛应在离设备的预定距离处，以便使图像开始聚焦而没有适应。一般预定距离是11–15mm。在这些距离处，人对在他们眼睛前面的设备感到舒适。

图2示出类似于图1中的设备100的birdbath光学器件200，只是其包括具有比图1所示的凹面反射镜35更短的曲率半径的凹面反射镜65。反射镜的较短的曲率半径导致眼睛50必须较接近设备200，以便在没有适应或校正光学器件的情况下使图像进入焦点内。也就是说，图2示出改变在birdbath 200中的凹面反射镜35的曲率通过改变光线55和60的会聚角来改变由birdbath 200提供的虚拟图像的焦点。

HMD的液晶动态聚焦反射镜Birdbath

动态焦点birdbath包括与反射镜组合并集成在birdbath系统内部的可调谐透镜，例如电活性透镜或液体透镜。将具有可调节焦距的透镜放置在显示器和birdbath中的凹面反射镜之间(例如在图1中的反射镜35或图2中的反射镜65之上)使在没有移动的部件的情况下改变凹面反射镜的焦度和虚拟图像的焦点变得可能。这至少对整个系统带来以下改进。

首先通过组合反射镜与可调谐透镜，用户通过动态焦点birdbath光学器件看到的携带信息的图像的焦点可被调节，而不影响用户也通过动态焦点birdbath光学器件看到的真实世界图像的焦点。这可能对具有在他们的眼睛中剩余的调节的人是非常有帮助的。

其次，由于可调谐透镜与反射镜一起工作，使得光在朝着反射镜的路上穿过透镜且接着再次在它被反射之后，透镜将光减速两次，从而实际上将它的光焦度范围加倍。这减小了功率消耗、设备复杂度和光散射。

第三，当被实现为与在birdbath光学器件内部的凹面反射镜组合并与发射偏振输出的显示引擎一起使用的液晶光学器件时，仅需要单层向列型液晶或其它偏振敏感材料，从而减小了复杂度、成本、功率消耗和光损耗。相反，如果动态补偿液晶光学器件布置在单程几何结构中，则每个补偿元件可能需要两个液晶层(针对每个偏振态有一层)，这是因为入射环境光不一定是偏振的。具有两个单独的补偿透镜的设备具有多达四个液晶层，其中每个补偿透镜具有向列型液晶的两个正交配向的层。每个补偿透镜具有两个正交配向的液晶层，这是因为向列型液晶可一次改变一个偏振态。为了作用于非偏振光，分束器或在补偿透镜中的一对偏振器将非偏振光解析成正交偏振态，所述正交偏振态可由向列型液晶层调制。这确保在两个偏振态中的两束所述光同时改变。相反，具有电活性凹面反射镜的birdbath光学器件可被实现有单液晶层，其聚焦来自显示引擎的偏振光且不需要聚焦来自真实世界的非偏振光。

图3A在截面中示出具有基于液晶的动态可调节凹面反射镜310的可变焦点birdbath光学器件300的示例性结构。与图1和2所示的birdbath一样，图3A中的birdbath光学器件包括显示器5和光学块10，其限定分束器25和透明凸表面70。然而与常规birdbath光学器件不同，birdbath光学器件300包括夹在透明凸表面70和凹反射层100之间的几层。这些层一起形成基于液晶的动态可调节凹面反射镜310。

如图3A所示，透明凸表面70被涂覆有(实质上)透明导电材料层75，例如40nm厚的一层氧化铟锡(ITO)层。层80是配向层，例如摩擦聚酰亚胺层。层85是液晶材料层，例如15微米厚的一层Merck MLC-2140。层90是另一配向层，其也可以是摩擦聚酰亚胺层。

层95包括被图案化以形成用于激活液晶材料的电极的导电和绝缘材料。例如，层95可被图案化成一系列同心导电环，例如，如在下面关于图4-6更详细描述的。层95还可包括被图案化在不同形状中的电极，包括正交地定位和堆叠的线性电极，其单独地产生柱光焦度并组合地产生球光焦度。层95还可被图案化以形成单独可寻址的像素化区域(像素)，其中每个像素化区域单独地起作用来产生仅活塞式减速。这些像素可被共同激活以产生球形、圆柱形或任意波前形状。

凹反射层100形成反射表面，并可由铝或另一适当的反射材料制成或包括铝或另一适当的反射材料。表面105是俘获在表面105和70之间的层75到100的端盖。在每个层的外围处，上面所述的是密封材料(未示出)，例如Norland 65或另一粘合剂，以防止液晶逸出或泄漏。

夹在透明凸表面70和凹反射层100之间的每层可具有一致的厚度或随着离基于液晶的动态可调节凹面反射镜310的光轴的距离而改变的厚度。换句话说，透明凸表面70和凹反射层100可具有相同的曲率半径或不同的曲率半径。在具有为正光焦度配置的单电极的动态可调节凹面反射镜310中，例如液晶层85可以在动态可调节凹面反射镜310的中心处较厚，而在动态可调节凹面反射镜310的边缘处较薄。液晶层85可包括向列型、胆固醇晶态或其它双稳态液晶材料。在这种情况下，凹反射层100具有比透明凸表面70更小的曲率半径。对于具有负光焦度的透镜，情况将是相反的，即液晶层85在中心处较薄而在边缘处较厚。

在具有多个电极的动态可调节凹面反射镜310中，液晶层85可以在动态可调节凹面反射镜310的中心处较厚，而在动态可调节凹面反射镜310的边缘处较薄，以将光焦度偏置到具有更多的正光焦度。例如，不是能够在无限的步骤中从零调节到3个屈光度，它可接着设计成在一个分立的跳跃中从零调节到1个屈光度，然后在无限的步骤中从1调节到4个屈光度。在这种情况下，凹反射层100具有比透明凸表面70更小的曲率半径。这个配置的反转——即在中心比边缘更薄的电活性元件的情况下——将透镜偏置为具有更负的光焦度。

凹反射层100和透明凸表面70的曲率半径也取决于动态可调节凹面反射镜310的期望焦距。如在光学器件领域中充分理解，凹面反射镜的焦距由下式给出：

其中s₀是离反射镜的物距、s₁是离反射镜的像距、R是反射镜的曲率半径并且f是反射镜的焦距。一般来说，可根据这个公式来选择凹反射层100和透镜凸表面70的曲率半径，使得物距可以是约2mm至无限大，且像距可以是约2mm至无限大。当将动态液晶透镜添加到曲面反射镜时，可通过加上或减去因而产生的焦距、液晶对朝着和远离反射镜的光线行程的影响来计算曲面反射镜的新的经调节的焦距。例如，如果固定反射镜产生光焦度的10个屈光度(即100mm的焦距)且液晶透镜加上正光焦度的两个屈光度(即500mm的焦距)，则新的焦距是12个屈光度(即83.3mm的焦距)。

图3B示出birdbath光学器件301——沿着正交轴提供可变柱焦度的一对交叉液晶透镜311a和311b(共同地，液晶透镜311)。每个液晶透镜311包括夹在相应的一对配向层380a/380b和390a/390b之间的相应的液晶层385a/385b。而且每个液晶层385a/385b可包括向列型液晶材料或胆固醇晶态或其它双稳态液晶材料。公共接地平面395安置在配向层390a/390b之间。每个液晶透镜311还包括一组线性电极375a/375b。如图3B所示，这些组线性电极375a/375b是交叉的。在这个示例中，线性电极375a平行于y轴而排列，而线性电极375b平行于z轴而排列。通常，线性电极可在垂直于birdbath光学器件的光轴(在图3B中的x轴)的平面中排列在任何正交方向对中。

交叉的动态可调节透镜311一起提供可通过将适当的波形施加到电极来独立地调节的柱光焦度。可选择光焦度以将适当的波形施加到电极。可选择光焦度以产生净球光焦度或产生期望数量的像散，例如以补偿在用户的眼睛或光具组中的其它地方中的像散。

本领域中技术人员将容易认识到，birdbath光学器件300可包括更多或更少的部件。例如，基于液晶的动态可调节凹面反射镜310可包括更多或更少的层，包括额外的液晶层和电极层。所述层还可以按不同的顺序布置。而且birdbath光学器件300的入口和出口窗可以被涂覆有减小炫光的偏振滤波器、抗反射涂层和/或抗刮擦涂层。

本领域中技术人员也将认识到，替代地或除了其它类型的设备以外，还可提供由图3A和3B所示的电活性透镜提供的可变光焦度。例如，电活性透镜可包括反射菲涅尔透镜，例如，如在通过引用被全部并入本文的美国专利号9,329,309中公开的。同样，每个电活性透镜的液晶部分可被实现为渐变折射率(GRIN)液晶透镜、衍射液晶透镜、具有浮动电极的液晶透镜、可变液晶厚度透镜、改变的配向层强度液晶透镜、改变的聚合物网络密度液晶透镜或改变的光取向曝光液晶透镜。如果被实现为GRIN透镜，则电活性透镜可具有远离液晶可变地间隔开的供电电极、高介电常数绝缘层和孔图案化电极、厚绝缘层和孔图案化电极、高电阻导电层或基于孔和环的电极。电活性层也可被实现为蓝相偏振不敏感透镜、暗砾岩相偏振不敏感透镜、基于扭曲向列(TN)相液晶传输的菲涅耳波带片或空间光调制器(SLM)自适应光学系统。

动态可调节凹面反射镜的控制

图3A所示的birdbath光学器件300还包括常规birdbath显示器缺少的其它元件，即，具有控制器315和光学天线320的电子组件325。这个电子组件325可安装在壳体335内部，壳体335(在图3C中被示为HMD 302的部分)还可包含显示源5以及电源和任何其它电子设备。例如，壳体335还可容纳检测环境亮度级、运动、范围或可用于致动birdbath光学器件300和/或显示源5的任何其它参数的传感器340。

在操作中，控制器315通过经由电极(下面关于图4-6所述的)改变施加到液晶层85的电压来控制携带信息的图像(虚拟图像)的焦点。变化可以是二元的(例如近或远)，跨过一定的位置范围(例如无限远焦点、在2米处的焦点、在1米处的焦点、在50cm处的焦点、在25cm处的焦点等)或在特定的范围(例如无限远焦点到25cm)上是可连续变化的，这取决于电极、控制器315和用于控制焦点的用户界面。

在一些情况下，控制器315响应于由天线320从例如由佩戴者使用来控制birdbath光学器件300的单独设备接收的信号来改变携带信息的图像的焦点。例如，佩戴者可将无线控制信号(例如蓝牙或Wifi信号)从智能电话、智能手表、钥匙链型控制器或其它适当的设备传输到控制器315。

佩戴者也可通过按下按钮或扫过在头戴式显示器302的镜腿或框架上的区域345来调节携带信息的图像的焦点，birdbath光学器件300附接到头戴式显示器302。触摸按钮一次或在第一方向上扫过区域345可使焦点更靠近，以及触摸按钮两次或在第二方向上扫过所述区域可将焦点移动得更远。

控制器315也可基于携带信息的图像本身来改变携带信息的图像的焦点。在这些情况下，控制器315也可以可操作地耦接到显示器5并控制显示器5和/或可操作地耦接到处理器(未示出)并从处理器接收控制显示器5的控制信号。如果显示器5显示预期在近焦点处看到的信息，例如关于在杂货店中的搁架上的产品的信息，则控制器315可自动使携带信息的图像出现在近焦点处。类似地，如果显示器5显示预期在无限远焦点处看到的信息，例如关于在高速公路上的下一出口的信息，则控制器315可自动使携带信息的图像出现在无限远焦点处。注意，佩戴者可通过经由birdbath光学器件300观看不同类型的信息来间接地控制携带信息的图像的焦点。

控制器315也可对解剖触发做出响应。例如，它可基于来自光电检测器(例如图3C中的传感器340)的信号来感测适应，光电检测器感测环境亮度级和/或瞳孔直径。它也可基于来自加速计和/或陀螺仪的信号来感测佩戴者的头的位置或定向。如果控制器315基于加速计和/或陀螺仪信号感测到佩戴者正向下看，则它可将携带信息的图像带到焦点附近。而且如果控制器315基于加速计和/或陀螺仪信号感测到佩戴者正向上看，则它可将携带信息的图像带到无限远焦点。控制器315也可配置成基于神经脉冲或脑波的电气检测来改变携带信息的图像的焦点。

动态可调节凹透镜的电极

图4和5更详细地示出电极层95。图4示出层95的端视图，因为它可位于反射层100上，反射层100位于端盖105上。图4所示的角度是将端盖察看到它的凹表面内的角度。包括电极层95的部分，由导电但光学透明的材料制成的一系列同心电极110被图案化到层100上。在电极110的顶部上的是覆盖电极和所述电极之间的间隙的电绝缘层(未示出)。被图案化到绝缘层上的孔115暴露每个电极110的小区域，如图5所示。绝缘层可以是二氧化硅，其一般是240nm厚，或可使用电子设备光刻法来处理的任何其它电绝缘的实质上透明的材料。

图6示出将七个孔115(被标记在图5中)连接到七个电连接焊盘125的一系列七个总线120。使用这个配置，电功率可施加到每个焊盘125，且电流流到相应的电极110而没有短路，因为总线120在其它电极110的顶部之上穿过。总线120和焊盘125可由例如被溅射到大约120nm的厚度的镍或另一适当的导电材料形成。

为了改变电活性凹面反射镜的焦点，电压电势以梯度方式施加到每个电极，电路的相对侧连接到接地平面(层75)。示例性电压分布从中心到外部电极分别可以是0.6、0.7、0.8、0.95、1.2、1.55和1.9伏。这个电压分布将光焦度加到反射表面。反转电压的顺序(例如从中心到外部电极分别是1.9、1.55、1.2、0.95、0.8、0.7和0.6伏)减小了透镜的总光焦度。这允许用户使虚拟图像出现得更靠近(使用正光焦度)或更远离(使用负光焦度)。

在这个示例性实施方案中，图案化电极在层95处，且接地平面是层75。然而，通过反转这两者使得接地平面在层95处，层95可与反射层100组合并用作光学反射表面和电气接地平面，从而降低复杂度和成本。

在这个示例性实施方案中，有七个电极。根据设计，使用更多的电极可产生更高质量的光学结果。例如，一般高质量设计可利用在具有10mm横向的直径的透镜中的一百或更多个电极。同样，图4-6示出圆形电极，但可使用其它形状，包括配置成产生正交于彼此放置的两个圆柱形透镜的线性电极以提供具有可变像散的球光焦度。

图3-6所示的动态可调节凹面反射镜310包括可产生在液晶层的折射率中的梯度的多个电极。这个梯度使入射在液晶层上的光聚焦。本领域中技术人员将容易认识到，其它技术可用于改变凹面反射镜的光焦度。例如，动态可调节凹面反射镜可包括一层电光聚合物或晶体，其折射率响应于所施加的应力、张力或电磁场而改变。

HMD的液晶透镜动态聚焦反射镜Birdbath

替代地，反射表面可在柔性膜上形成，柔性膜与birdbath地凸表面一起界定密封腔。将折射率匹配的流体抽运到密封腔内使膜膨胀，改变动态可调节凹面反射镜的焦距。将流体从腔抽出减轻了膨胀，使焦距返回到它的原始值。也可以静电地、压电-机械地、用热的方法或使用任何其它适当的技术来致动柔性膜。

图7A和7B示出具有基于膜的动态聚焦反射镜710的birdbath700。基于膜的动态聚焦反射镜710包括与透明刚性壁725相对地安置的可变形弯曲膜720。弯曲膜720是反射的或在反射涂层中被涂覆以朝着透明刚性壁725反射入射光。弯曲膜720和透明刚性壁725一起界定腔721，其经由孔730和流控通道709与流体储器705流体连通。基于膜的动态聚焦反射镜710还包括耦接到流体储器705(并可以替代地耦接到流体路径的另一部分)的泵706。而且birdbath 700包括控制泵706的控制器715。

在操作中，控制器715响应于来自天线320、传感器340、开关(例如用户启动的区域)345等的信号而致动泵706。泵706通过在流体储器705和腔721之间抽运透明流体707来对来自控制器715的致动信号做出响应。例如，泵706可迫使流体707进入腔721内，从而使弯曲膜720远离透明刚性壁725移动，如图7A所示。这减小聚焦反射镜的曲率半径并增加它的光焦度。类似地，泵706也可迫使流体707从腔721出来，从而使弯曲膜720远离透明刚性壁725移动，如图7B所示。这增加了聚焦反射镜的曲率半径并增加它的光焦度。光焦度的确切变化取决于在腔721中的流体的数量和压力，并可以用连续(模拟)或阶梯性(数字)方式由控制器715控制。

本领域中技术人员将容易认识到，除了图7A和7B中所示的基于泵的流控设备以外，还可使用许多类型的基于液晶的透镜来实现可聚焦以补偿适应的birdbath光学器件。例如，它可使用电润湿透镜来实现，电润湿透镜使用油、生理盐水和/或其它流体来提供可变光焦度。而且它可使用电子地控制的形状失真胶囊透镜来实现。

通过动态可调节凹面反射镜观看虚拟图像

图8A-8C通过具有包括动态可调节凹面反射镜如在图3A、7A和7B中所示的动态可调节凹面反射镜的birdbath光学器件的头戴式显示器来示出如由佩戴者看到的真实和虚拟图像，佩戴者的眼睛适应。图8A示出佩戴者在通过birdbath光学器件看在无限远焦点处或附近的物体805a时看到的东西的视图。在无限远焦点处的物体805a清晰地出现在焦点上，而更近的物体例如在左下部处的葡萄酒瓶801a看起来是模糊的或不清楚的。因为佩戴者的眼睛聚焦在远处物体805a上，动态可调节凹面反射镜被设置成在无限远焦点处产生虚拟图像803a(本文中，物体标签)，其也清晰地出现在焦点上。

图8B示出在没有在虚拟图像的焦点中的变化的情况下当通过birdbath光学器件看近的物体时佩戴者看到的东西的视图。在这种情况下，葡萄酒瓶801b和在前景中的其它物体清晰地出现在焦点上，而在背景中的物体805b看起来是模糊的或在焦点外。因为佩戴者的眼睛适应，在无限远焦点处的任何携带信息的图像803b也看起来是模糊的或在焦点外。(如上面提到的，常规birdbath光学器件不能解释适应，所以它显示的携带信息的图像对其焦点改变的佩戴者可以看起来在焦点外。)

图8C示出在有在虚拟图像的焦点中的变化的情况下当通过birdbath光学器件看近的物体时佩戴者看到的东西的视图。再次，葡萄酒瓶801c和在前景中的其它物体清晰地出现在焦点上，而在背景中的物体805c看起来是模糊的或在焦点外。然而在这种情况下，选择birdbath光学器件焦点以在近焦点处产生携带信息的图像803c，使得它们也可清晰地出现在焦点上。这个选择可由用户经由在birdbath光学器件或遥控器例如智能电话、智能手表或专用设备上的或耦接到birdbath光学器件或遥控器例如智能电话、智能手表或专用设备的致动器来做出。birdbath光学器件也可响应于来自显示控制器的信号可能基于正被显示的信息或响应于解剖线索例如在缺乏环境亮度级的变化的情况下瞳孔直径的变化的检测来自动调节焦点。

结论

虽然在本文描述和示出几个创造性实施方案，本领域中普通技术人员将容易设想用于执行功能和/或得到结果和/或本文所述的一个或多个优点的各种其它装置和/或结构，以及每个这样的变化和/或修改被认为在本文所述的创造性实施方案的范围内。更一般地，本领域中技术人员将容易认识到，本文所述的所有参数、尺寸、材料和配置照理应当是示例性的，以及实际参数、尺寸、材料和/或配置将取决于创造性教导所用于的特定应用。本领域中技术人员将认识到或能够使用仅仅常规实验来确定对本文所述的特定创造性实施方案的许多等效形式。因此应理解，前述实施方案仅作为示例被提出，以及在所附权利要求书及对其的等效形式的范围内，创造性实施方案可以与如特别所述和所示的不同地被实践。本公开的创造性实施方案目的在于本文所述的每个单独的特征、系统、物品、材料、成套工具和/或方法。此外，如果特征、系统、物品、材料、成套工具和/或方法不是相互不一致的，两个或两个以上这样的特征、系统、物品、材料、成套工具和/或方法的任何组合被包括在本公开的创造性范围内。

可以用多种方式中的任一种实现上面所述的实施方案。例如，可使用硬件、软件或其组合来实现设计和制造本文公开的技术的实施方案。当在软件中实现时，软件代码可在任何适当的处理器或处理器的集合上执行，而不管被提供在单个计算机中还是分布在多个计算机当中。

此外，应认识到，计算机可体现在许多形式中的任一个中，例如安装在机架上的计算机、桌上型计算机、膝上型计算机或平板计算机。此外，计算机可嵌在通常不被视为计算机但具有适当的处理能力的设备中，包括个人数字助理(PDA)、智能电话或任何其它适当的便携式或固定电子设备。

此外，计算机可具有一个或多个输入和输出设备。这些设备除了别的以外还可用于显现用户界面。可用于提供用户界面的输出设备的示例包括打印机或用于输出的视觉显现的显示屏和扬声器或用于输出的听觉显现的其它声音产生设备。可用于用户界面的输出设备的示例包括键盘和指示设备，例如鼠标、触控板和数字化板。作为另一示例，计算机可通过语音识别或以其它可听见的格式接收输入信息。

这样的计算机可由以任何适当形式的一个或多个网络互连，包括局域网或广域网例如企业网和智能网(IN)或互联网。这样的网络可基于任何适当的技术，并可根据任何适当的协议来操作，且可包括无线网络、有线网络或光纤网络。

在本文概述的(例如上面公开的设计和制造技术的)各种方法或过程可被编码为在使用各种操作系统或平台中的任一种的一个或多个处理器上可执行的软件。此外，这样的软件可使用多种适当的编程语言和/或编程或脚本工具中的任一种来被编写，并可被编译为在框架或虚拟机上执行的可执行机器语言代码或中间代码。

在这个方面，各种创造性概念可被体现为使用一个或多个程序来编码的计算机可读存储介质(或多个计算机可读存储介质)(例如计算机存储器、一个或多个软盘、光盘、光学盘、磁带、闪存、在现场可编程门阵列或其它半导体设备中的电路配置或其它非暂时性介质或有形计算机存储器介质)，当程序在一个或多个计算机或其它处理器上执行时执行实现上面讨论的发明的各种实施方案的方法。一个或多个计算机可读介质可以是可运输的，使得存储在其上的程序或多个程序可被加载到一个或多个不同的计算机或其它处理器上以实现如上面讨论的本发明的各方面。

术语“程序”或“软件”在本文在一般意义上用于指任何类型的计算机代码或一组计算机可执行指令，其可用于对计算机或其它处理器编程以实现如上面讨论的本发明的各方面。此外，应认识到，根据一个方面，当被执行时执行本发明的方法的一个或多个计算机程序不需要存在于单个计算机或处理器上，但可以用模块化方式分布在多个不同的计算机或处理器当中以实现本发明的各方面。

计算机可执行指令可以是以由一个或多个计算机或其它设备执行的许多形式，例如程序模块。通常，程序模块包括执行特定的任务或实现特定的抽象数据类型的例程、程序、对象、部件、数据结构等。一般，程序模块的功能可如按各种实施方案中的需要进行组合或分布。

此外，数据结构可以任何适当的形式存储在计算机可读介质中。为了说明的简单，数据结构可被示为具有通过在数据结构中的位置相关的字段。同样，可通过为具有在计算机可读介质中的传达字段间关系的位置的字段分配存储来实现这样的关系。然而，可使用任何适当的机制来建立在数据结构的字段中的信息之间的关系，包括通过使用打印机、标签或建立数据元素之间的关系的其它机制。

此外，各种创造性概念可被体现为一种或多种方法，已经提供了所述方法的示例。作为方法的部分来执行的动作可以用任何适当的方式排序。因此，可构造其中以与所示不同的顺序执动作作的实施方案，其可包括同时执行一些动作，即使在说明性实施方案中被示为连续的动作。

如在本文定义和使用的所有定义都应被理解为受控于字典定义、在通过引用并入的文档中的定义和/或所定义的术语的普通含义。

如在本文说明书中和在权利要求书中使用的不定冠词“a”和“an”应被理解为意指“至少一个”，除非清楚地指示相反的情况。

如在本文说明书中和在权利要求书中使用的短语“和/或”应被理解为意指这样连接的元件中的“任一个或两个”，即在一些情况下共同存在而在其它情况下分开地存在的元件。用“和/或”列出的多个元件应以相同的方式被解释，即这样连接的元件中的“一个或多个”。除了由“和/或”子句特别标识的元件以外的其它元件可以可选地存在，而不管与特别标识的那些元件有关还是无关。因此，作为非限制性示例，当与开放式语言例如“包括”结合来使用时，对“A和/或B”的提及在一个实施方案中可以仅指A(可选地包括除了B以外的元件)；在另一实施方案中仅指B(可选地包括除了A以外的元件)；在又一实施方案中指A和B两者(可选地包括其它元件)；等等。

如在本文说明书中和在权利要求书中使用的“或”应被理解为具有与如上定义的“和/或”相同的含义。例如，当将列表中的项目分开时，“或”或“和/或”应被理解为包括端点的，即包括至少一个，但也包括多个元件或元件列表中的多于一个以及可选地额外的未列出的项目。只有清楚地指示相反的情况的术语，例如“...中的仅仅一个”或“...中的确切一个”或当在权利要求书中使用时，“由…组成”将指多个元件或元件列表中的确切一个元件的包括。通常，如在本文使用的术语“或”当前面是排斥性的术语例如“任一个”、“之一”、“...中的仅仅一个”、“...中的确切一个”时应仅被解释为指示排他的替代项(即“一个或多个另一但不是两个”)。“基本上由…组成”当在权利要求书中使用时应具有如在专利法领域中使用的普通含义。

如在本文说明书中和在权利要求书中使用的，关于一个或多个元件的列表的短语“至少一个”应被理解为意指从元件的列表中的任一个或多个元件中选择的至少一个元件，但不一定包括在元件的列表中特别列出的每个元件中的至少一个且不排除在元件的列表中的元件的任何组合。该定义还允许除了在短语“至少一个”所指的元件的列表内特别标识的元件以外的元件可以可选地存在，而不管与特别标识的那些元件有关还是无关。因此，作为非限制性示例，“A和B中的至少一个”(或等效地，“A或B中的至少一个”或等效地“A和/或B中的至少一个”)可以在一个实施方案中指至少一个，可选地包括多于一个A，而B不存在(以及可选地包括除了B以外的元件)；在另一实施方案中指至少一个，可选地包括多于一个B，而A不存在(以及可选地包括除了A以外的元件)；在又一实施方案中指至少一个，可选地包括多于一个A，以及至少一个，可选地包括多于一个B(以及可选地包括其它元件)；等等。

在权利要求书中以及在上面的说明书中，例如“包括(comprising)”、“包括(including)”、“携带”、“具有”、“包含”、“涉及”、“保持”、“由…构成”等所有过渡短语都应被理解为开放式的，即意指包括但不限于。只有过渡短语“由…组成”和“基本上由…组成”应分别是封闭或半封闭过渡短语，如在美国专利局专利审查程序手册第2111.03章中阐述的。

Claims (21)

1.一种头戴式显示装置，其包括：

显示器；

分束器，其与所述显示器进行光通信，以传输由所述显示器发射的光；

凹反射表面，其与所述分束器进行光通信，以接收由所述显示器发射并由所述分束器传输的光，并经由所述分束器将所述显示器的图像反射到所述头戴式显示装置的佩戴者；以及

可调谐透镜，其安置在所述分束器和所述凹反射表面之间并具有可变光焦度，以改变反射到所述佩戴者的所述显示器的所述图像的焦点。

2.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其中所述显示器配置成发射沿着与所述可调谐透镜的光轴垂直的轴偏振的光。

3.如权利要求2所述的头戴式显示装置，其中所述可调谐透镜包括安置在所述分束器和所述凹反射表面之间的向列型液晶材料层。

4.如权利要求2所述的头戴式显示装置，其中所述可调谐透镜包括安置在所述分束器和所述凹反射表面之间的双稳态液晶材料层。

5.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其中所述分束器配置成将环境光传输到所述佩戴者。

6.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其中：

所述分束器界定凸表面，以及

所述可调谐透镜包括安置在所述凸表面和所述凹反射表面之间的电活性材料。

7.如权利要求6所述的头戴式显示装置，其中所述凹反射表面形成与所述电活性材料电通信的接地平面的至少一部分。

8.如权利要求6所述的头戴式显示装置，其还包括：

多个电极，其安置在所述电活性材料和所述凸表面之间，以将电压梯度施加到所述电活性材料，以便改变所述电活性材料的折射率。

9.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其中所述可调谐透镜包括具有安置成与所述分束器进行光通信的可变形弯曲膜的液体透镜。

10.如权利要求9所述的头戴式显示装置，其中所述柔性膜界定所述凹反射表面。

11.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其还包括：

控制器，其可操作地耦接到所述可调谐透镜，以响应于来自所述佩戴者的输入而致动所述可调谐透镜。

12.如权利要求1所述的头戴式显示装置，其还包括：

控制器，其可操作地耦接到所述可调谐透镜和所述显示器，以响应于在所述显示器上的图像而致动所述可调谐透镜。

13.一种在头戴式显示装置上显示信息的方法，所述方法包括：

经由所述头戴式显示装置在被选择为匹配佩戴者的适应的焦点处向所述头戴式显示装置的所述佩戴者显示携带信息的图像。

14.如权利要求13所述的方法，其中显示所述携带信息的图像包括：

在所述头戴式显示装置的显示器处产生所述携带信息的图像；

通过安置在分束器和凹反射表面之间的可调谐透镜传输所述携带信息的图像；以及

经由所述凹反射表面和所述分束器将所述携带信息的图像反射到所述佩戴者。

15.如权利要求13所述的方法，其还包括：

致动所述可调谐透镜，以便改变所述携带信息的图像的所述焦点。

16.如权利要求15所述的方法，其中致动所述可调谐透镜包括响应于来自所述佩戴者的命令而激活所述电活性材料。

17.如权利要求15所述的方法，其中致动所述可调谐透镜包括响应于在所述携带信息的图像中的信息而致动所述可调谐透镜。

18.如权利要求15所述的方法，其中致动所述可调谐透镜包括改变施加到液晶材料的电压。

19.如权利要求15所述的方法，其中致动所述可调谐透镜包括在液体透镜和流体储器之间抽运流体。

20.一种头戴式显示装置，其包括：

显示器，其发射偏振光；

分束器，其与所述显示器进行光通信，以传输由所述显示器发射的所述偏振光的一部分，所述分束器界定凸表面；

凹反射表面，其与所述分束器进行光通信，以接收由所述分束器传输的所述偏振光的所述部分，并经由所述分束器将所述显示器的图像反射到所述头戴式显示装置的佩戴者；

液晶层，其安置在所述凸表面和所述凹反射表面之间，以改变反射到所述佩戴者的所述显示器的所述图像的焦点。

21.一种头戴式显示装置，其包括：

显示器；

分束器，其与所述显示器进行光通信，以传输由所述显示器发射的光；

液体透镜，其与所述分束器进行光通信，以提供可变光焦度；以及

反射镜，其与所述液体透镜和所述分束器进行光通信，以接收由所述显示器发射并经由所述液体透镜由所述分束器传输的光，并经由所述液体透镜将所述显示器的图像反射到所述头戴式显示装置的佩戴者。