CN110447082B - 动态视场可变聚焦显示系统 - Google Patents

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Abstract

一种增强现实(AR)装置被描述为具有显示系统，该显示系统被配置为调整AR装置的用户与AR装置呈现的虚拟内容之间的表观距离。AR装置包括第一可调谐透镜，该第一可调谐透镜改变形状以便影响虚拟内容的位置。由于对第一可调谐透镜所做的改变而导致的真实世界内容的变形被第二可调谐透镜防止，该第二可调谐透镜改变形状以保持与第一可调谐透镜的光学配置基本上互补。以这种方式，虚拟内容可以位于相对于用户的几乎任何距离处，而不会劣化外部世界的视图或者向AR装置增加大量的体积。增强现实装置还可以包括可调谐透镜，用于扩大增强现实装置的视场。

Description

动态视场可变聚焦显示系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年3月22日提交的名称为“Dynamic Field Of View VariableFocus Display System(动态视场可变聚焦显示系统)”的美国临时专利申请No.62/475,081的优先权。
背景技术
增强现实装置被设计为在真实世界上覆盖虚拟内容。将虚拟内容自然地与真实世界内容合并的一个挑战是将虚拟内容合并到允许虚拟内容与真实世界对象交互的表观深度。否则，虚拟内容更像是未真正集成到三维真实世界环境中的二维显示。不幸地，能够在不同深度处显示虚拟内容的增强现实系统太大或笨重而不能舒适地使用或者仅能够在距用户离散的距离处显示虚拟内容。向用户显示虚拟内容的另一个挑战是某些类型的显示器可能具有不能提供真正沉浸式虚拟内容的有限视场。由于这些原因，将需要一种能够将虚拟内容准确地定位在跨越沉浸式视场的任何期望距离处的小形状因子装置。
发明内容
本公开描述了涉及增强现实装置的各种实施例，该增强现实装置能够使用诸如可调谐透镜和/或棱镜的可调谐光学器件在相对于用户和用户视场内的其他真实世界对象的期望位置处准确地显示虚拟内容。本公开还讨论了使用可调谐透镜来扩大增强现实装置的有效视场。
为实现此，增强现实(AR)装置的每个显示器可以包括可调谐透镜，该可调谐透镜被配置为改变其光学配置以调整呈现给用户的虚拟内容的表观位置，而不会使用户对真实世界对象的视图变形。第一可调谐透镜可以位于用户与传递表示虚拟内容的光的波导之间。然后可以使第一可调谐透镜重新成形，以改变AR装置的用户与虚拟内容之间的表观距离。第二可调谐透镜位于用户与从真实世界对象进入用户眼睛的光之间。在AR装置的操作期间使第二可调谐透镜重新成形，并且该重新成形与第一可调谐透镜的重新成形同步，使得第二可调谐透镜可以抵消第一可调谐透镜所做的将会劣化用户对真实世界的对象的视图的任何改变。
采用一个或多个可调谐棱镜形式的光学操纵部件也可用于扩大增强现实装置的有效视场。用作二维光学操纵装置的可调谐棱镜可以被配置为在一系列不同方向上顺序地使穿过可调谐棱镜的光移位，以便扩大增强现实装置的有效视场。在一些实施例中，光学操纵装置可采用液晶棱镜的形式，该液晶棱镜能够根据施加到液晶棱镜的电信号动态地改变其相位分布。
公开了一种增强现实装置，其包括以下内容：第一可调谐透镜；第二可调谐透镜；位于第一可调谐透镜与第二可调谐透镜之间的波导，该波导被配置为将表示虚拟内容的光引导通过第一可调谐透镜并朝向增强现实装置的用户；以及处理器，其被配置为：引导第一可调谐透镜改变形状以更改虚拟内容与增强现实装置的用户之间的表观距离，以及引导第二可调谐透镜改变形状以维持真实世界对象与增强现实装置的用户之间的表观距离。
公开了一种增强现实装置，其包括以下内容：第一可调谐透镜；第二可调谐透镜；以及位于第一可调谐透镜与第二可调谐透镜之间的波导，该波导包括衍射光学器件，该衍射光学器件被配置为将表示虚拟内容的光引导通过第一可调谐透镜并朝向增强现实装置的用户。第一可调谐透镜和第二可调谐透镜协同地改变形状以调整增强现实装置的用户与虚拟内容之间的表观距离。
公开了一种可穿戴显示装置，其包括以下内容：第一可调谐棱镜；第二可调谐棱镜；光源，其被配置为发出表示虚拟内容的光；以及位于第一可调谐棱镜与第二可调谐棱镜之间的波导，该波导包括衍射光学器件，该衍射光学器件被配置为将从光源发出的光衍射通过第一可调谐棱镜并朝向可穿戴显示装置的用户。第一可调谐棱镜被配置为使从光源接收的并且通过第一可调谐棱镜的周边区域离开波导朝向用户的眼睛的光的至少一部分移位。
一种可穿戴显示装置包括：投影仪；以及包括一个或多个光学操纵部件的目镜。可穿戴显示装置还包括波导，该波导被配置为接收来自投影仪的光并将其引导通过一个或多个光学操纵部件朝向用户；眼睛注视跟踪器，其被配置为检测用户的一只或两只眼睛的运动；以及控制电路，其通信地耦接到一个或多个光学操纵部件和眼睛注视跟踪器，该控制电路被配置为根据检测到用户的一只或两只眼睛的运动来调整一个或多个光学操纵部件的光学操纵模式(pattern)。
通过以下结合附图的详细描述，本发明的其他方面和优点将变得显而易见，附图通过示例的方式示出了所描述的实施例的原理。
附图说明
通过以下结合附图的详细描述将容易理解本公开，其中相同的附图标记表示相同的结构元件，并且其中：
图1示出了佩戴增强现实(AR)装置的示例性用户；
图2A示出了能够在相对于显示系统的用户的任何表观距离处显示投射的虚拟内容的显示系统；
图2B示出了根据所描述的实施例的能够调整到虚拟内容的表观距离而不影响真实世界内容的外观的显示系统；
图3示出了根据所描述的实施例的一种特定配置的顶视图，其中波导的衍射光学器件被布置成在可调谐透镜之间引导由投影仪发出的三种不同颜色的光然后将其引导朝向用户。
图4A-4B示出了根据所描述的实施例的显示第一虚拟内容和第二虚拟内容的AR装置的透明显示器；
图5A-5B示出了根据所描述的实施例的可调谐透镜的侧视图以及如何调整可调谐透镜以适应不同的虚拟内容位置。
图5C-5D示出了根据所描述的实施例的如何调整可调谐透镜以适应多个独立移动的虚拟对象的运动；
图6示出了描绘用于使用小形状因子AR装置在多个深度处显示虚拟内容的方法的流程图；
图7A-7B示出了被配置为将来自显示装置的光引导到用户眼睛中的各种实施例；
图8A-8C示出了可以由显示装置发出的用于扩大显示装置的视场的示例性扫描模式；
图9A-9C示出了图8A中所示的第一扫描模式如何能够围绕显示区域移位；
图10A-10E示出了用于光学操纵装置的各种配置；
图11A-11B示出了一种光学操纵装置，其可以包括在顶部彼此堆叠的透镜以垂直和水平地移位入射光；
图11C-11D分别示出了具有菲涅耳透镜配置的液晶透镜1140的横截面侧视图和顶视图；以及
图12A-12B示出了光学操纵装置如何合并到增强现实显示装置中；以及
图12C-12F示出了被配置为接收多个图像流的显示装置。
具体实施方式
在本节中描述了根据本申请的方法和装置的代表性应用。提供这些示例仅仅是为了增加背景并有助于理解所描述的实施例。因此，对于本领域技术人员来说显而易见的是，可以在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下实践所描述的实施例。在其他情况下，没有详细描述公知的工艺步骤，以避免不必要地模糊所描述的实施例。其他应用是可能的，使得以下示例不应被视为限制。
增强现实(AR)装置被配置为在真实世界上覆盖虚拟内容。虚拟内容可以包括与附近的真实世界对象或人有关的信息。在某些情况下，虚拟内容仅适用于一般区域，并且可能不需要与任何可观看的真实世界对象相关联。然而，在许多情况下，期望将虚拟内容与真实世界对象合并。例如，虚拟内容可以包括与用户和/或真实世界中的对象交互的字符。为了以更现实的方式进行虚拟内容的合并，可以以使虚拟内容看起来位于远离用户一定距离的方式显示虚拟内容，该距离与虚拟内容正在交互的真实世界对象对应。这种虚拟和真实世界内容的共址(co-location)可以帮助改善用户沉浸感。遗憾的是，许多AR装置仅被配置为在距用户的单个固定距离处显示内容，这可能影响虚拟内容被合并到真实世界环境中的真实程度。当虚拟内容直接朝向或远离用户行进时，该限制可能更明显，因为深度的明显变化可以限制对象看起来更大或更小。准确描绘深度信息的能力在虚拟现实(VR)环境的显示中也是有益的，其中虚拟内容隐藏用户对真实世界对象的视图。
在距AR装置的用户的可变距离处建立虚拟内容的一种解决方案是将可调谐透镜合并到AR装置的透明显示系统中。可调谐透镜可以被配置为配合以更改虚拟内容相对于用户的表观位置。可调谐透镜或变焦元件可以采用许多形式，包括例如液晶透镜、可调谐衍射透镜或可变形反射镜透镜。通常，可以应用能够被配置为改变形状或配置以便以改变AR装置的虚拟内容的表观深度的方式调整入射光的任何透镜。透镜或变焦元件的可调谐性质有利地允许虚拟内容看起来位于距AR装置的用户几乎任何距离处。
可调谐透镜可以位于透明或半透明显示系统的面向前和面向后的表面上。位于显示器的面向后或面向用户的侧面上的第一可调谐透镜可以被配置为更改由AR装置生成的入射光，以便使入射光显示看起来是距AR装置期望距离的虚拟内容。位于显示器的面向前的或面向世界的侧面上的第二可调谐透镜可以被配置为通过采用互补配置来与第一可调谐透镜配合，该互补配置抵消由第一可调谐透镜做的调整中的至少一些。以这种方式，在到达用户眼睛之前从真实世界对象反射回并穿过第一可调谐透镜和第二可调谐透镜的光基本上不会被第一可调谐透镜变形。
在一些实施例中，第二可调谐透镜可以允许由第一可调谐透镜做的一些改变应用于从真实世界对象到达的光。例如，可调谐透镜可以被配置为对受益于视觉校正的用户应用近视、远视和/或散光校正。这些类型的校正可以等同地应用于与虚拟内容和真实世界对象相关联的光。校正可以采用第一可调谐透镜与第二可调谐透镜之间的偏移的形式。在这样的配置中，第二可调谐透镜将不会与第一可调谐透镜完全互补，因为第一可调谐透镜改变中的一些也将应用于真实世界对象的视图。
在一些实施例中，第二可调谐透镜可以周期性地用于使真实世界视图变形，而不是仅抵消由第一可调谐透镜做的调整所产生的效果。以这种方式，可调谐透镜的组合可以提供增强的虚拟性、介导现实以及操纵真实和虚拟内容的其他类型的体验。
在一些类型的显示装置中，某些光学部件的折射率可以限制显示装置生成足够大的视场以向用户提供沉浸式增强现实体验的能力。该问题的一个解决方案是为显示装置配备可调谐透镜。可调谐透镜可以通过使透镜成形以使沿着装置周边发出的光移位朝向用户的眼睛而用作光学操纵装置。以这种方式，可调谐透镜可以显著增加有效视角。在一些实施例中，光从显示装置出射的位置可以以重复扫描模式顺序地移位以产生合成图像。光学操纵装置可以顺序地重新成形，以关于扫描模式中的每个位置优化光学操纵装置。例如，扫描模式中的第一位置可以位于显示装置的最右侧，而扫描模式中的另一位置可以位于显示装置的底部附近。通过从在第一位置使光向左移位到在第二位置使光向上移位来改变光学操纵装置，用户可以享受更宽的视场。通过根据扫描模式的当前位置继续更新光学操纵装置，否则将要落在用户视场之外的光的部分变得可见。
下面参考图1-12F讨论这些和其他实施例；然而，本领域技术人员将容易理解，本文关于这些附图给出的详细描述仅用于说明目的，而不应被解释为限制。
图1示出了佩戴增强现实(AR)装置100的示例性用户。AR装置100可以被配置为显示看起来位于跨房间102的各个位置的虚拟内容。例如，虚拟内容104可以覆盖在壁挂对象106上。壁挂对象106可采用安装在房间102的墙壁上的图片或电视的形式。以这样的方式，壁挂对象106的外观可由虚拟内容104更改。类似地，AR装置100可以被配置为以产生对象或人在沙发上休息的印象的方式在沙发110上投射虚拟内容108。然而，为了真实地描绘与房间102中的其他对象相关的虚拟内容，在距用户可比较(comparable)距离处建立虚拟内容也是重要的。深度检测传感器可用于表征各种对象距用户的距离。然后，由深度传感器检索的信息可用于建立与邻近虚拟内容的对象相关联的虚拟内容的距离。当虚拟对象改变距AR装置100的距离时，这变得更加复杂。例如，虚拟内容112可以采取沿运动路径的行走的人的形式，该运动路径将人带到桌子114周围。当虚拟内容112从位置112-1移动到位置112-2时，由AR装置100的深度传感器检索的数据可以用于限定避开桌子114的运动路径。为了准确地描绘虚拟内容112在其整个运动路径上的位置，应该不断地减少AR装置100与虚拟内容112之间的感知距离。
图2A示出了能够在任何距离显示投射内容的显示系统200。投影仪202可以在可调谐透镜204上显示虚拟内容。然后，可调谐透镜204可以改变其光学配置以调整被显示的投射内容处的深度。可调谐透镜204可以利用(leverage)许多技术中的任何技术，包括例如液晶透镜。当可调谐透镜204是液晶透镜时，透镜可以被配置为根据施加到液晶透镜的电压量来改变其相位分布。虽然这种配置很好地起作用以调整虚拟内容的深度，但是来自真实世界对象206和208到达的光将被不期望地变形。例如，如双头箭头所示，真实世界对象206和208的表观位置可以更靠近或更远离用户。因此，因为增强现实的一个目的是使用户能够维持对大多数真实世界的视线，则由于来自真实世界对象的光的不期望的变形，使用具有AR装置的显示系统200可能是有问题的。
图2B示出了能够调整到虚拟内容的表观距离而不影响真实世界内容的外观的显示系统250。这是通过在可调谐透镜254与256之间利用波导258投射虚拟数据来实现的，波导258在可调谐透镜254与256之间将来自投影仪252的光重定向，然后使其通过可调谐透镜254并朝向用户的眼睛。以这种方式，投影仪252发出的光可以通过可调谐透镜254调整。可调谐透镜256可以被配置为以与可调谐透镜254相反的方式调整。这样的效果是源自真实世界对象206或208的任何光可以基本上不受影响地穿过深度显示系统250。以这种方式，来自投影仪252的虚拟内容可以是经历聚焦移位的唯一内容，导致表观位置上的移位限于投影仪发出的虚拟内容。
虽然可调谐透镜256可以被配置为防止可调谐透镜254所做的任何改变被应用于对真实世界对象的感知，但是在一些实施例中，可调谐透镜256可以被配置为与可调谐透镜254配合以例如校正用户的视觉。视觉校正可以导致由可调谐透镜256施加的多屈光度变化，由于可调谐透镜256不能完全抵消可调谐透镜254的影响，因此该多屈光度变化可以等同地应用于真实世界对象206和208。例如，可调谐透镜254可以被重新配置以应用+2屈光度调整。然后，可调谐透镜256可以根本不应用屈光度调整，使得虚拟内容210和真实世界对象都经历+2屈光度变化，从而允许通常需要+2屈光度视觉校正的用户佩戴显示系统250而不需要任何额外的视觉校正。利用这样的视觉校正方案，虚拟内容210的移动可以涉及将可调谐透镜254的屈光度调整改变为+3并且将可调谐透镜256的屈光度调整改变为-1，以便维持+2屈光度移位以用于视觉校正。类似地，可调谐透镜254可以被配置为应用散光调整，该散光调整未被可调谐透镜256抵消。
图2B所示的配置可以以允许可调谐透镜应用不同效果的其他方式操作。在一些实施例中，可调谐透镜可被配置为有目的地使真实世界的对象离焦(out of focus)，以允许用户聚焦于虚拟内容210-1。例如，可能期望软件开发者在受控游戏或娱乐环境中将用户的注意力集中在消息上或者甚至进入更沉浸式的虚拟环境。通过使真实世界对象离焦，系统将允许系统掩盖任何分散注意力的真实世界刺激，而不必生成光来阻挡跨整个显示器的视场。以这种方式，可调谐光学器件可用于使增强现实体验成形。
图3示出了一种特定配置的顶视图，其中波导的衍射光学器件被布置成在可调谐透镜之间引导由投影仪发出的三种不同颜色的光然后引导该光朝向用户。在一些实施例中，波导302可以包括用于例如红、绿和蓝的不同颜色光的三个离散光路304-1、304-2和304-3。光路304中的每一个可以利用衍射光学器件在可调谐透镜308与310之间引导来自投影仪306的光，然后将该光通过可调谐透镜310引导出而朝向用户的眼睛。当可调谐透镜310不对来自波导302的光施加任何改变时，波导302可以以使所得到的虚拟内容看起来位于无限远的方式布置。在这样的配置中，通过基于虚拟内容相对于用户和其他真实世界对象的期望位置来改变量，可调谐透镜310可以被配置为减小用户与通过衍射光学器件投射的虚拟内容之间的表观距离。如图所示，来自真实世界对象的光基本上不受可调谐透镜308和310的影响，而穿过波导302的光受可调谐透镜310的影响。
图4A-4B示出了显示第一虚拟内容404和第二虚拟内容406的AR装置400的透明显示器402。图4A描绘了示出虚拟内容404和406如何在特定时间段内跨透明显示器402移动的箭头。在该移动期间，虚拟内容404远离AR装置400行进并且虚拟内容406更靠近AR装置400行进。因为透明显示器402包括用于调整虚拟内容的表观深度的可调谐透镜，所以透明显示器402的上部区域408可以被光学地配置为显示远离AR装置400移动的虚拟内容404，并且透明显示器402的下部区域410可以被配置为显示更靠近AR装置400移动的虚拟内容406。过渡区域412可以采取区域的形式，在该区域中，可调谐透镜的形状被逐渐地调整以适应不同的光学配置并防止在上部区域408与下部区域410之间出现视觉接缝。依赖于区域408与410之间的差的量，过渡区域412可以更大或更小。尽管真实世界对象414位于过渡区域412内，应当理解，当透明显示器402包括配合以防止真实世界对象的变形的两个可调谐透镜时，甚至是过渡区域412也对真实世界对象414的外观几乎没有影响。因此，当确定如何改变用于独立移动虚拟内容的光学配置时，AR装置400的试图为上部区域408和下部区域410确定显示器402的合适的区域的处理器将仅需要考虑虚拟内容的运动路径。
图4B示出了虚拟内容454处于运动中并且虚拟内容456保持静止的示例性实施例。在这样的配置中，运动区域458可占据透明显示器402的可视区域的大部分，而静止区域460可占据主要限于虚拟内容456的小得多的区域。此外，运动区域458可更改AR装置400与虚拟内容454之间的表观距离，而静止区域460可以维持到虚拟内容456的表观距离。在用户的头部移动被认为不太可能或者虚拟内容在透明显示器402内的位置不受用户的头部移动来控制的情况下，这个狭窄的静止区域460可以甚至更加方便。例如，虚拟内容456可以采取状态信息的形式，例如，一天中的时间、电池电量或导航信息。如果这种类型的信息还与用户正在交互的任何其他虚拟内容一起移动，则这种类型的信息可能会分散注意力。还应再次注意，真实世界内容464保持不受表观深度变化的影响，该表观深度变化受透明显示器402的可调谐透镜影响。
图5A-5B示出了可调谐透镜502的侧视图以及如何调整可调谐透镜502以适应不同的虚拟内容位置。图5A示出可调谐透镜502如何可以是基本上矩形的形状并且在矩形体积内形成透镜元件504。透镜元件504可以被配置为对从波导发出的光重新成形，以便在距AR装置的用户的期望距离处建立虚拟内容。当可调谐透镜502采用液晶透镜的形式时，透镜元件504可以响应于施加到可调谐透镜502的电压而将形状改变为透镜元件506。与透镜元件504相比，透镜元件506的增加的深度和曲率可导致虚拟内容看起来更靠近AR装置。以这样的方式，可调谐透镜可以被配置为改变到从AR装置观看的虚拟内容的表观距离。
图5C-5D示出了如何调整可调谐透镜502以适应由虚拟内容表示的多个独立移动对象的运动。特别地，图5C和5D可以示出可调谐透镜502将如何移动以适应图4A-4B中所示的虚拟内容运动。图5C可以对应于虚拟内容404和406在距AR装置相同距离处开始的情况。图5D示出了可调谐透镜502如何从形成透镜元件508过渡到透镜元件510。透镜元件510的与上部区域512对应的部分可以具有更薄的有效形状和更小的有效曲率，以给出更远离AR装置移动的虚拟内容404的外观，而透镜元件510的与下部区域514对应的部分可具有更厚的有效形状和更大的有效曲率，以给出更靠近AR装置移动的虚拟内容406的外观。过渡区域516包括梯度，该梯度平滑地改变透镜元件510的有效厚度而不产生影响通过可调谐透镜502的真实世界视图的可见线。
图6示出了描绘用于使用小形状因子AR装置在多个深度处显示虚拟内容的方法的流程图。在602处，AR装置的深度传感器通过确定用户与真实世界对象之间的距离来表征AR装置的用户的视场内的真实世界对象。在604处，AR装置的处理器被配置为确定用于第一虚拟内容相对于所表征的真实世界对象的位置或运动路径。在606处，AR装置的第一可调谐透镜的光学配置被配置用于初始显示第一虚拟内容。在608处，AR装置的第二可调谐透镜的光学配置被配置为防止第一可调谐透镜不利地影响真实世界对象的视图。这通过第二可调谐透镜的光学配置来实现，该第二可调谐透镜的光学配置抵消由第一可调谐透镜施加的用于真实世界对象的光学效果的至少一部分。应当注意，在一些情况下，第二可调谐透镜可以与第一可调谐透镜互补，以抵消第一可调谐透镜对真实世界对象的外观的影响。在一些实施例中，可以通过使第一可调谐透镜做的一些调整保持不变来应用某些视觉增强。在一些实施例中，在期望显示第二虚拟内容的情况下，AR装置可以被配置为检查第一虚拟内容和第二虚拟内容是否应该距用户相同的距离。在612处，AR装置可以通过继续调整可调谐透镜以跟踪第一虚拟内容和第二虚拟内容的位置来维持光学配置。
在614处，当第一虚拟内容和第二虚拟内容距用户不同距离处时，处理器可以被配置为使用可调谐透镜将不同的光学配置应用于AR装置显示器的不同区域。以这种方式，可以向用户呈现距用户不同距离处的虚拟内容。在一些实施例中，当用户的注意力集中在第一虚拟内容上时，可以有目的地使第二虚拟内容离焦。例如，一旦用户期望与第二虚拟内容的交互或者由AR装置执行的一段软件排队到与第二虚拟内容的交互，聚焦就可以过渡到第二虚拟内容。在一些实施例中，可以通过眼睛跟踪传感器对距离用户不同距离处的虚拟内容之间的聚焦过渡进行排队，该眼睛跟踪传感器被配置为确定用户是否聚焦于特定虚拟对象。在其他实施例中，用户可以手动选择用于交互的虚拟内容，此时可以调整聚焦以适当地描绘所选择的虚拟对象与用户之间的距离。成像软件可用于将模糊效果应用于由AR装置投射的位于当前深度平面之外的任何虚拟内容，以避免全部虚拟内容距用户的距离相同的任何印象。
图7A-7B示出了被配置为将来自显示装置的光引导到用户眼睛中的各种实施例。图7A示出了显示装置700的顶视图，该显示装置700包括光投影仪702和波导704，波导704被配置为将由投影仪702发出的光706重定向朝向用户的眼睛708。虽然波导706可以被配置为从数千甚至数百万个位置发出图像，图7A示出了从五个示例性位置发出的光，从该五个位置描绘了五个输出锥体710-1至710-5。输出锥体710中的每一个表示从每个位置发出的跨角度712上展开的光，该角度712可以被称为服务角度。如图所示，每个输出锥体的有限尺寸防止沿输出锥体710-1和710-5离开波导704的光到达用户的眼睛708。在一些实施例中，通过显示技术的某些特性将角度712限制在期望阈值以下，该某些特性例如波导706的材料折射率。关于光场和基于波导的显示装置的其他细节在名称为“HIGH RESOLUTION HIGHFIELD OF VIEW DISPLAY(高分辨率高视场显示器)”美国临时专利申请No.62/539,934中提供。
图7B示出了显示装置700如何合并一个或多个光学操纵部件，例如光学操纵装置714，其被配置为在不同方向上顺序地使离开波导704的光706移位以使有效观看角度712扩大至角度716，如图所示。以这种方式，由于通过在不同方向上使输出锥体710-1-710-5移位而产生的较大有效角度716，用户的眼睛708能够观看更宽的视场。如图所示，扩大的有效角度716允许来自输出锥体710-1和710-5的至少一些光到达用户的眼睛708。在一些实施例中，光学操纵部件714可以采取一个或多个可调谐棱镜的形式，该可调谐棱镜能够采取多种不同光学配置(例如，具有可重新配置的相位分布的液晶透镜)。每个光学配置可以被配置为在不同方向上移位输出锥体710的方向。虽然图7B仅示出了沿两个不同方向操纵的光706，应当理解，光706可以在许多其他不同方向上被操纵。此外，应当理解，除了可调谐棱镜之外，其他光学元件也可以被配置为将光重定向朝向用户的眼睛，并且示例性棱镜实施例不应该被解释为限制本公开的范围。
在美国专利申请No.14/555,585中进一步详细描述了其他这种光学元件(例如，时变光栅)的示例。在一些示例中，聚合物分散的液晶光栅或其他可调谐光栅可以实现为光学操纵部件并且用于通过修改TIR波导光的角度、通过波导704的耦出光学元件使光耦出的角度或其组合来操纵输出锥体710-1-710-5。在一些实施例中，一个或多个超表面(例如，由超材料制成)可以实现为光学操纵部件。可以在美国专利公开No.15/588,350、美国专利公开No.15/182,528和美国专利公开No.15/182,511中找到关于可以用作本公开的各种实施例中的光学操纵部件的超表面和超材料的进一步信息。因此，应当理解，光学操纵部件可以是可切换的或以其他方式可控制的，以在离散数量的不同操纵状态下操作，并且示例性可调谐光学操纵装置不应被解释为限制本公开的范围。
图8A-8C示出了可以由合适的显示装置生成的并且有助于扩大显示装置的视场的示例性扫描模式。图8A示出了包括四个不同图像位置802、804、806和808的第一扫描模式。所描绘的图像位置中的每一个可以表示在特定时间点从显示装置发出的光的聚合。在一些实施例中，光可以按数字顺序传递到位置802-808。然后可以使用光学操纵装置根据激活的图像位置将光线移位回用户的眼睛。例如，当图像位置808是激活的时，光学操纵装置可以被配置为朝向用户的眼睛向下移位光。当显示装置呈现视频源时，与每个图像位置对应的视频帧的部分可以在用于视频的每个帧的四个位置的每一个处顺序显示。例如，当视频源具有1/30秒的帧速率时，视频帧的对应部分可以在每个位置处显示1/120秒。以这种方式，可以在不降低帧速率的情况下实现扩大的视场。以这种方式，由扫描模式创建的所得到的图像维持流动(fluid)帧速率并且还生成合成图像，该合成图像具有比使用单个静止图像位置可能的空间分辨率显著高的空间分辨率。例如，仅能够显示480行垂直分辨率的图像投影仪可以使用上述扫描技术再现具有超过480行分辨率的图像或视频源。在美国专利申请No.14/555,585中提供了关于扫描模式、平铺(tiling)功能和平铺显示配置的其他细节。
图8A还示出了在一些实施例中相邻图像位置的部分如何能够重叠，如图8A中的散列(hash)区域所示。这导致图像位置内的内容重叠。重叠可用于进一步改善由显示装置生成的合成图像的某些方面。例如，可以通过应用一种或多种超分辨率技术来实现中心区域810内的分辨率的增加。特别地，每个图像帧的重叠部分可以被子采样并略微偏移，从而允许像素密度的增加来代替使像素在其顶部彼此堆叠。这在显示器的具有重叠区域的部分中产生超分辨率效果。例如，在显示处理器能够生成4K分辨率图像(即，2160行垂直分辨率)的实施例中，4K分辨率图像可以用于通过在扫描模式的重叠区域内分布像素且使用通常仅能够生成显著更低的分辨率的图像源来实现超分辨率效果。此外，当正在显示高帧率视频文件时，每个顺序显示的帧可以与视频的不同帧相关联。例如，当回放每秒120帧的视频源时，显示器的中心区域810内的部分可以享受每秒120帧的全帧速率，而非重叠区域仅以每秒30帧的速率更新。依赖于特定区域中重叠位置的数量，中心区域810附近的重叠区域可以以每秒60或90帧的速率刷新。
图8B示出了具有大中心区域810的第二扫描模式。该第二扫描模式导致总图像的九分之一被图像位置802-808中的每一个重叠。以这种方式，中心区域810内的分辨率或帧速率可以基本上大于非重叠区域。所描绘的扫描模式可以实现高达四倍的分辨率或帧速率增加，这通常对应于重叠帧的数量。当感兴趣的内容位于显示器的中心区域时，这种类型的扫描模式可能特别有益。在一些实施例中，在显示器的周边区域中呈现较少虚拟内容的情况下，可以改变扫描模式以产生增加的重叠量。
图8C示出了位于图像位置802-808的每一个中的图像如何协同地生成合成图像812，如图所示，该合成图像采用灯的形式。除了创建比图像位置802-808中的任何一个更大的合成图像812之外，在图像位置802-808的每一个处的图像的顺序显示允许根据图像位置802-808中的哪一个在给定扫描期间当前是激活的而改变显示器的光学特性。例如，当在图像位置804处显示图像时，可以调整光学特性以将表示灯812的基部的光向上移位朝向用户的眼睛。在一些实施例中，扫描模式的位置可以位于显示器的将诸如灯812的虚拟图像放置在扫描模式的中心区域内的位置。这允许在更多数量的图像位置显示图像的中心和/或重要特征。
图9A-9C示出了图8A中所示的第一扫描模式如何能够在显示区域900内移位。图9A示出了在时间t0处位于显示区域900的左上角的第一扫描模式。图9B示出了在时间t1处朝向显示区域900的右上角移位的第一扫描模式。在一些实施例中，显示装置可以包括眼睛注视跟踪器。由眼睛注视跟踪器提供的传感器数据可用于将扫描模式移位到显示区域900内的与用户的当前聚焦点对应的位置。在一些实施例中，该传感器数据可以帮助将中心区域810保持在覆盖用户的中央凹视觉(即，用户视觉的具有最高视敏度的那部分)的位置。通过以这种方式连续调整扫描模式，可以改善用户对沉浸的印象。当突出的内容频繁地远离显示区域900的中心部分移位时，该方法可以特别有效。用于执行中央凹跟踪、渲染凹的(foveated)虚拟内容以及向用户显示凹的虚拟内容的示例性系统和技术在名称为“HIGHRESOLUTION HIGH FIELD OF VIEW DISPLAY(高分辨率高视场显示器)”的美国临时专利申请No.62/539,934中被进一步详细描述。
图9C示出了再次朝向显示区域900的下部移位的第一扫描模式。图9A-9C还示出了图像位置802-808如何根据第一扫描模式的位置而改变和/或更好地表示提供给用户的内容。例如，可以减小第一扫描模式延伸的区域，以便更好地表示远小于标准扫描模式尺寸的虚拟图像。在一些实施例中，改变扫描模式可以帮助优化用于虚拟内容的特定表示的扫描模式的重叠区域。
图10A-10E示出了与光学操纵装置714类似的光学操纵装置的各种相位分布。具体地，图10A示出了以用于垂直移位光的第一光学配置1004的示例性光学操纵装置1002的正视图。图10B示出了根据截面线A-A的光学操纵装置1002的横截面侧视图。光学操纵装置1002可以采用液晶透镜的形式，该液晶透镜能够根据施加到液晶透镜的电压的量而改变其相位分布。更具体地，光学操纵装置1002可以包括两个导电层，该导电层具有能够响应于向其施加电压而产生电场的结构。以这种方式，光学操纵装置1002可以在多个不同的光学配置之间切换。第一光学配置1004可以在光学操纵装置1002内具有多个折射率的相位分布。在一些示例中，光学操纵装置1002的局部折射率可以被定制以满足棱镜功能或另一个期望的光学功能。在这些示例中的至少一些中，光学操纵装置1002可以展现相对大的相位梯度(例如，～πrad/m)。特别地，折射率可以根据锯齿形分布而变化，如图所示，齿中的每一个可以被配置为接收光1006的一部分并沿不同方向发出光1008。可以调整齿的尺寸和/或间距以减小或增加穿过光学操纵装置1002的光的角度的变化。例如，当楔形的模式接近显示器的中心区域时，每个楔的角度可以逐渐减小。该第一光学配置1004可用于移位位于显示器的下部中心区域中的扫描模式的帧。
图10C示出了以第二光学配置1010的光学操纵装置1002的正视图。图10D示出了根据截面线B-B的以第二光学配置的光学控制装置1002的横截面顶视图。在第二光学配置中，光学操纵装置1002被配置为横向移位光1012。如图所示，光学操纵装置1002接收光1012并输出横向移位的光1014。虽然第一和第二所示的光学配置都移位光的方向，但它们仅垂直或水平地这样做。应当理解，在一些实施例中，两个光学操纵装置可以彼此在顶部上层置，以垂直和水平地移位所接收的光。
图10E示出了如何通过跨光学操纵装置1002对角地定向一系列齿状脊，通过单个光学操纵装置1002能够垂直和水平地移位光。图10E还示出了所描绘的对角线配置如何能够实现将要另外地利用一维光学操纵装置1016和1018的光的移位。所描绘的配置可以由光学操纵装置1002在其中光通过显示区域的右下区域离开波导的扫描模式的帧期间采用。应当注意，虽然已经描绘了多个光学配置，但是光学操纵装置1002可以以未描绘的许多其他配置重新布置。
图11A-11B示出了光学操纵装置如何能够包括在其顶部彼此堆叠的透镜以垂直和水平地移位入射光。图11A示出了光学操纵装置1100的相位移位的透视图，该光学操纵装置包括水平移位透镜1102和垂直移位透镜1104。两个透镜可以在其顶部彼此堆叠，以便重定向入射到透镜的光。这种光学配置允许入射光被垂直和水平移位。图11B示出了通过使用多个透镜的阵列实现的具有减小的厚度的光学操纵装置1120。在一些实施例中，液晶透镜可用于形成等同于多个水平移位透镜1102和垂直移位透镜1104的光学配置，如图11B所示。
图11C-11D分别示出了具有菲涅耳透镜配置的液晶透镜1140的横截面侧视图和顶视图。菲涅耳透镜配置可以采用光学操纵装置的形式，以便放大或解除放大选择的虚拟内容。具体地，图11C描绘了菲涅耳透镜配置，其被配置为改变穿过液晶透镜1140的横向移位的光的放大倍数。这种类型的配置可以合并到本文所述的任何光学操纵装置中。在一些实施例中，用户可以请求放大屏幕的特定区域。作为响应，光学操纵装置可以被配置为在特定区域之上形成菲涅耳透镜配置，以便放大内容而不必改变或更新产生用户正在观看的特定图像流的光。
图12A-12B示出了光学操纵装置可以合并到增强现实显示装置中的不同方式。在一些实施例中，光学操纵装置可以采用液晶透镜的形式，液晶透镜能够选择性地改变折射率以便改变入射在其上的光的方向、透视和/或放大倍数。图12A示出了显示装置1200的横截面顶视图。光学操纵装置1202和1204位于显示装置1200的波导1206的相对侧上。波导1206可以包括一个或多个离散路径，用于将不同颜色的光传送到显示装置1200的用户的眼睛1208。光学操纵装置1202和1204可以具有基本上互补的配置，其允许从真实世界对象反射的光1210穿过两个光学操纵装置以基本上未变形的方式到达眼睛1208。然后，由波导1206承载的光1212可以被配置为通过根据一个或多个扫描模式经历光束操纵来可视化虚拟内容，而不会不利地使光1210变形。前面描述的扫描模式和顺序光束操纵增加了显示器装置1200的有效视场。图12B示出了显示装置1220以及光学操纵装置1202和1204如何与变焦透镜1209合并使得动态聚焦移位和视场扩大都可以应用于光1212。
图12C-12F示出了被配置为接收多个图像流的显示装置。图12C示出了包括波导1206和波导1244的显示装置1240的顶部横截面图。波导1244可以被配置为承载光1246，该光1246形成宽视场、低分辨率图像流。如图所示，光1246在到达眼睛1208之前不经历任何扫描模式。波导1206可以被配置为承载光1212，该光1212形成窄视场、高分辨率图像流。进入波导1244的光1212可以被配置为在传感器指示用户的眼睛被聚焦的区域中离开显示装置1240。以这种方式，可以实现窄视场的动态中央凹(foveation)、高分辨率的图像流，从而导致给予用户全部显示装置1240正在发出高分辨率图像的印象。可以跨显示装置的表面投射光1212，并且光学操纵装置1202可以以增加用户的有效视场的扫描模式动态地操纵光1212。即使当用户正聚焦于显示装置的显示区域的边缘附近的内容时，由于扫描模式导致的由光1212生成的图像流的最终放大可以帮助能够辨别高分辨率的用户视场的区域被光1212完全覆盖。以这种方式，因为显示器1240不需要跨用户的整个视场中显示高分辨率图像，能够实现硬件成本和处理能力的显著节省。
图12D示出了显示装置1240的前视图以及当光1212和1246投射到用户眼睛1208的视网膜上时用户所感知的图像的表示。图12D示出了波导1244的能够发出光的部分和波导1244的发出光1212的区域。光1212被示出产生以扫描模式移位的窄视场图像流。光1246提供保持静止的宽视场。在一些实施例中，光1246延伸的区域表示最大可视区域，在没有光学操纵装置的情况下通过该区域可观看到光。如图所示，由于光1212受益于使光1212移位朝向眼睛1208的光学操纵装置1202，光1212的一部分可以在被光1246覆盖的区域之外延伸。
图12E示出了将光学操纵装置1262和1264添加到图12C中所示的配置的显示装置1260。在该实施例中，生成窄视场、高分辨率图像的光1212可以被引导通过波导1244以及生成宽视场、低分辨率图像的光1246可以被引导通过波导1206。光学操纵装置1262被配置为独立地操纵光1212。光学操纵装置1264被配置为防止光1210和光1246被光学操纵装置1262的操纵而变形。光学操纵装置1264可以维持与光学操纵装置1262的相位分布基本上互补的相位分布。以这种方式，由光1246和1212生成的虚拟内容可以跨扩大的视场延伸，从而进一步改善用于显示装置1260的用户的沉浸式体验。应当注意，在一些实施例中，光学操纵装置1202和1264的功能可以组合成能够呈现相位分布的单个光学操纵装置，该相位分布以期望的扫描模式移位光1246并且预先补偿由光学操纵装置1262生成的任何干扰。
在一些实施例中，由显示装置1260的一个或多个投影仪生成的光1246和1212可以被配置为以基本相同的空间分辨率显示图像流。然后，光学操纵装置1202和1262可以被配置为独立地起作用以将扫描模式应用于光1212和1246，以便使显示装置1260的有效视场最大化。波导1206与1244之间的间隔可以被配置为生成用户与由光1212和1246生成的虚拟内容之间的不同的表观距离。以这种方式，可以在没有变焦透镜的组的情况下调整深度感知距离，如图12B所示。应当注意，在一些实施例中，可以组合使用不同距离处的波导和变焦距透镜以同时在距眼睛1208的多个不同表观距离处显示虚拟内容。然后可以使用变焦透镜来改变眼睛1208与先前描述的虚拟内容之间的表观距离。
图12F示出了显示装置1260的正视图以及当光1212和1246投射到用户眼睛1208的视网膜上时由用户感知到的图像的表示。具体地，图12F示出了光1212如何具有以第一扫描模式移位的窄视场以及光1246如何能够提供以不同于第一扫描模式的第二扫描模式移位的宽视场。在一些实施例中，扫描模式可以具有相同的尺寸和/或分辨率。这样的配置可以具有改变用户与虚拟内容之间的表观距离的益处。
所描述的实施例的各个方面、实施例、实现或特征可以单独使用或以任何组合使用。所描述的实施例的各个方面可以通过软件、硬件或硬件和软件的组合来实现。所描述的实施例还可以体现为用于控制制造操作的计算机可读介质上的计算机可读代码或者体现为用于控制制造线的计算机可读介质上的计算机可读代码。计算机可读介质是可以存储之后可以由计算机系统读取的数据的任何数据存储装置。计算机可读介质的示例包括只读存储器、随机存取存储器、CD-ROM、HDD、DVD、磁带和光学数据存储装置。计算机可读介质还可以分布在网络耦合的计算机系统上，使得计算机可读代码以分布式方式存储和执行。
出于说明的目的，前述描述使用特定的术语来提供对所描述的实施例的透彻理解。然而，对于本领域技术人员来说显而易见的是，为了实践所描述的实施例，不需要具体细节。因此，出于说明和描述的目的给出了具体实施例的前述描述。它们并非旨在穷举或将所描述的实施例限制为所公开的精确形式。对于本领域普通技术人员显而易见的是，鉴于上述教导，许多变型和变化是可能的。

Claims (8)

1.一种可穿戴显示装置，包括：
波导；
定位在所述波导的面向用户的一侧的第一光学操纵部件；
定位在所述波导的面向世界的一侧的第二光学操纵部件；
光源，其被配置为将表示虚拟内容的光发射到所述波导中，所述波导包括衍射光学器件，所述衍射光学器件被配置为将从所述光源发出的所述光衍射通过所述第一光学操纵部件并朝向所述可穿戴显示装置的用户，其中，所述光源被配置为根据扫描模式发射所述光，所述扫描模式导致所述光被发射通过所述第一光学操纵部件的不同周边区域；
其中，所述第一光学操纵部件被配置为使从所述光源接收的在所述第一光学操纵部件的所述不同周边区域中的一个或多个处的所述光的至少一部分朝向所述不同周边区域之间的中心区域移位。
2.根据权利要求1所述的可穿戴显示装置，还包括眼睛跟踪传感器，其中，所述中心区域基于所述眼睛跟踪传感器指示所述用户的眼睛所聚焦的位置来确定。
3.根据权利要求1所述的可穿戴显示装置，其中，所述第一光学操纵部件包括可调谐棱镜阵列，所述可调谐棱镜阵列被配置为改变离开所述不同周边区域中的一个的所述光的方向基本上大于离开所述第一光学操纵部件的中心部分的所述光。
4.根据权利要求1所述的可穿戴显示装置，其中，所述第二光学操纵部件被配置为防止所述第一光学操纵部件使通过所述波导可见的真实世界对象的外观变形。
5.根据权利要求1所述的可穿戴显示装置，还包括：
定位在所述波导的所述面向用户的一侧的第一透镜；以及
定位在所述波导的所述面向世界的一侧的第二透镜。
6.根据权利要求5所述的可穿戴显示装置，其中，所述第一透镜被配置为改变其相位分布以调整所述可穿戴显示装置的用户与所述可穿戴显示装置显示的所述虚拟内容之间的表观距离。
7.根据权利要求1所述的可穿戴显示装置，其中，所述可穿戴显示装置是增强现实装置，并且其中来自周围环境的光穿过所述第一光学操纵部件和所述第二光学操纵部件。
8.根据权利要求7所述的可穿戴显示装置，其中，所述第二光学操纵部件保持与所述第一光学操纵部件的第二光学配置互补的第一光学配置，使得穿过所述第一光学操纵部件和所述第二光学操纵部件的来自所述周围环境的光对于所述可穿戴显示装置的用户是不变形的。
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