CN112236709A - 用于vr或ar显示器的基于菲涅耳的变焦透镜组件 - Google Patents

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Abstract

近眼显示系统(100)包括用于发出显示光(103)的显示面板(102)和沿光轴(108)设置的透镜组件(106)。该透镜组件包括第一相位掩模板(112)，该第一相位掩模板具有面向显示器的第一主表面(116)和与该第一主表面相对的第二主表面(118)，该第二主表面实现第一自由形式菲涅耳透镜结构(124)，并且进一步包括第二相位掩膜板(114)，该第二相位掩膜板(114)邻近且平行于第一相位掩膜板，并且具有面向第二主表面的第三主表面(122)和相对的第四主表面(120)，第三主表面实现第二自由形式菲涅耳透镜结构(126)。第一相位掩模板和第二相位掩模板中的至少一个相位掩模板相对于另一个相位掩模板的姿态被配置为被调整以调整光学倍率。

Description

用于VR或AR显示器的基于菲涅耳的变焦透镜组件
背景技术
沉浸式虚拟现实(VR)和增强现实(AR)系统通常利用头戴式显示器(HMD)设备或向用户呈现立体影像的其他近眼显示系统，从而在三维(3D)场景中提供临场感。这样的近眼显示设备通常采用至少一个显示面板来提供左眼显示器和右眼显示器，并且采用光学系统来将每个显示器的整体聚焦在对应的眼睛上。在常规的近眼显示系统中，光学系统被聚焦在单个固定的焦距上，导致了众所周知的聚散度调节冲突及其对用户舒适度的有害影响的问题。尽管已经开发了一些常规的光学系统来提供可变焦距以减轻聚散度调节冲突，但是这些方法通常太厚而无法在不会引起用户不适的情况下在HMD设备中实现，或者提供太小孔径而无法进行足够的焦点调节变化。
发明内容
给定为HMD和其他近眼显示系统优选的放大参数，焦距和光学倍率(opticalpower)之间的反比关系通常会导致相对“较厚”的光学系统。通常由这些光学系统提供的固定焦距也导致聚散度调节冲突。此外，许多潜在用户需要镜片透镜(即“眼镜”)，而这些矫正透镜很难在不需要大空腔的情况下并入到HMD中，这会对重量分布和因此用户舒适度产生负面影响。本文描述的是光学系统的示例，其可以为给定的焦距提供更紧凑的形状因数，同时还提供可变光学倍率，从而允许实现光学系统的近眼显示系统改变或“调节”光学系统的焦深，以减轻聚散度调节冲突或为用户的受影响视觉提供矫正效果。
根据本发明，提供了一种装置，包括：显示面板，被配置为发出表示显示图像的显示光；以及在显示面板和用户眼睛的预期位置之间沿光轴设置的透镜组件。透镜组件包括彼此邻近的两个(例如基本上透明的)相位掩模板：包括第一相位掩模板(例如“显示侧相位掩模板”)，具有面向显示面板的第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面，第二主表面实现第一自由形式菲涅耳透镜结构；第二相位掩模板(例如“眼睛侧相位掩模板”)，邻近且平行于第一相位掩模板，并且具有面向第二主表面的第三主表面以及相对的第四主表面，第三主表面实现第二自由形式菲涅耳透镜结构；以及其中，第一相位掩模板和第二相位掩模板中的至少一个相对于第一相位掩模板和第二相位掩模板中的另一个的姿态被配置为被调整以调整透镜组件的光学倍率。
面向彼此的相位掩模板的主表面可以被间隙分开，其中，由两个面向的主表面实现的自由形式菲涅耳透镜结构可以至少部分地限定相位掩模板之间的间隙。
利用这种配置，相位掩模板的菲涅耳透镜结构可以相对于从用户眼睛的预期位置延伸到显示面板的光轴被重叠。因此，由于两个重叠的相位掩模板的所得焦深取决于两个面向的菲涅耳透镜结构之间的相位关系，而该相位关系又是基于第一相位掩模板的菲涅耳透镜结构相对于第二相位掩膜板的菲涅耳透镜结构的定向和/或位置。因此，在至少一个实施例中，透镜组件进一步包括一个或多个致动器，以调整第一相位掩模板和第二相位掩模板相对于彼此的姿态(其中，术语“姿态”在本文中被用来单个地指代定向或位置，或定向和位置的组合)，并且因此调整相位关系，最终调整透镜组件的光学倍率。相对姿态的这种调整因此可以包括相位掩模板的至少一个的侧向平移、相位掩模板中的至少一个相对于光轴(或基本与其平行的轴)的旋转或其组合。在一些实施例中，相位掩模板相对于彼此的姿态的调整包括调整两个相位掩模板中的仅一个的物理位置或定向，而另一个相位掩模板保持在相对于光学系统的其他组件的固定位置和定向，以及在其他实施例中，两个相位掩模板可以在相反的方向上侧向平移或旋转，以实现两个相位掩模板之间的相对姿态的总目标变化。
在至少一个实施例中，每个自由形式菲涅耳透镜结构表示三次相位函数(并且对基于旋转的实施方式，具有2*pi相位绕组(phase winding))，因此两个自由形式菲涅耳透镜结构的重叠引入了可变二次效应。相反，面向外的主表面(即，第一相位掩模板的面向显示器主表面和第二相位掩模板的面向眼睛的主表面)可以是平面表面，并因此自身引入零光学倍率，或者它们可以是凸表面或凹表面，以除了由面向菲涅耳透镜结构提供的可变光学倍率之外引入额外的固定的正或负光学倍率。利用这种配置，透镜组件可以将光学系统的总焦距调节为与显示光的图像内容中表示的一个或多个对象的深度更一致的焦深，从而更好地减轻了任何潜在的聚散度调节冲突，或提供与用户在使用常规HMD时否则可能需要的矫正透镜一致的矫正光学倍率。
本发明还涉及一种方法，该方法包括经由透镜组件从显示面板向用户眼睛发出表示显示图像的显示光，透镜组件包括第一相位掩模板，该第一相位掩模板具有面向显示面板的第一主表面和与第一主表面相对的第二主表面，第二主表面实现第一自由形式菲涅耳透镜结构；以及第二相位掩模板，该第二相位掩模板邻近且平行于第一相位掩模板，并且具有面向第二主表面的第三主表面以及相对的第四主表面，第三主表面实现第二自由形式菲涅耳透镜结构；以及调整第一相位掩模板和第二相位掩模板中的至少一个相对于第一相位掩模板和第二相位掩模板中的另一个的姿态以调整透镜组件的光学倍率以用于显示图像。可以类似地使用根据本发明的装置的实施例以提供该方法的实施例。
本发明还可以涉及包括根据本发明的装置的AR显示系统。此外，本发明还涉及增强现实(AR)显示系统，包括：显示面板，被配置为发出表示显示图像的显示光；面向显示面板的第一部分设置的第一光学系统和面向显示面板的第二部分设置的第二光学系统，其中，第一光学系统和第二光学系统中的每一个均包括具有菲涅耳透镜结构的两个平行相位掩模板，菲涅耳透镜结构限定两个相位掩模板之间的间隙，并且由此相位掩模板的至少一个的姿态是相对于另一个相位掩模板可调整的。AR显示系统可以包透镜括透镜控制模块，用于通过相位掩模板的姿态的调整来配置第一和第二光学系统的光学倍率，以供用户观看显示图像。可以类似地使用根据本发明的装置的实施例以提供AR显示系统的实施例。例如，AR显示系统包括根据本发明的装置，其中，该装置提供显示面板和两个相位掩模。
附图说明
通过参考附图，可以更好地理解本公开，以及其许多特征和优点对于本领域技术人员变得显而易见。在不同的图中使用相同的参考符号表示相似或相同的项目。
图1示出了根据一些实施例，采用基于菲涅耳的变焦透镜组件来提供焦点调节的光学系统的示例的侧向截面图。
图2示出根据一些实施例，经由调整相位掩膜板相对于另一相位掩膜板的姿态的基于菲涅耳的变焦透镜组件的焦点调节。
图3和4分别示出了根据一些实施例，图1的基于菲涅耳的变焦透镜组件的基于侧向平移的实施方式的显示侧相位掩模板和眼睛侧相位掩模板的示例性光学表面轮廓。
图5示出了根据一些实施例，针对为每毫米侧向平移提供0.5屈光度的焦点调整的配置的图3的光学表面轮廓的一部分的示例性放大图。
图6示出了根据一些实施例，针对为每毫米侧向平移提供2屈光度的焦点调整的配置的图3的光学表面轮廓的一部分的示例性放大图。
图7示出了根据一些实施例，由图3和4的显示侧相位掩模板和眼睛侧相位掩模板的重叠产生的示例性有效矢高图(sag map)。
图8示出了根据一些实施例，等效于图7的矢高图的凸透镜表面。
图9示出了根据一些实施例，实现线性倾斜项的替代的示例性显示侧相位掩模板。
图10和11分别示出了根据一些实施例，图1的基于菲涅耳的变焦透镜组件的基于旋转的实施方式的显示侧相位掩模板和眼睛侧相位掩模板的示例性矢高图。
图12示出了根据一些实施例，由图10和11的显示侧相位掩模板和眼睛侧相位掩模板的重叠产生的示例性有效矢高图。
图13示出了经由根据一些实施例，在具有基于菲涅耳的变焦透镜组件的光学系统中的示例性眼睛跟踪实施方式的侧向截面图。
图14示出了根据一些实施例，采用具有基于菲涅耳的变焦透镜组件的光学系统的对的近眼显示系统的俯视截面图。
具体实施方式
图1示出了根据一些实施例的具有可调节焦距的光学系统100。光学系统100包括显示面板102，显示面板102被配置为在光学系统100的用户的眼睛的预期位置104的方向上发出表示一个或多个显示图像的显示光103。光学系统100进一步包括沿着在显示面板102和用户的眼睛的预期位置104之间延伸的光轴108设置的透镜组件106。在所描绘的实施例中，透镜组件106包括沿着光轴108设置并且基本上彼此平行的两个透射相位掩模板112、114。可以使用光学塑料、光学玻璃或其他合适的透射光学材料来实现相位掩模板112、114。相位掩模板112(在本文中也被称为“显示侧相位掩模板”)包括两个相对的主表面：面向显示表面116和相对表面118。类似地，相位掩模板114(在本文中也被称为“眼睛侧相位掩膜板”)包括两个相对的主表面：面向眼睛表面120和相对表面122。相位掩膜板112、114沿着光轴108设置，使得相位掩模板112的表面118和相位掩模板114的面向表面122定义相位掩模板112、114之间的间隙125。该间隙125可以是空气间隙，或者在一些实施例中，透镜组件106可以被配置为保持相位掩膜板112、114之间的光学油或其他流体，使得间隙125是填充流体的间隙。该流体可以通过减小折射率跃迁来减少来自菲涅耳反射的重影图像伪影，并且进一步可以润滑或以其他方式促进相位掩模板112、114的快速振荡。
在至少一个实施例中，显示侧相位掩膜板112的表面118实现自由形式菲涅耳透镜结构124(即，具有从相位掩膜板112的本体延伸或延伸到相位掩膜板112的本体中的自由形式菲涅耳刻面(facet)的表面)以及眼睛侧相位掩模板114的表面122同样实现自由形式菲涅耳透镜结构126。如由图1所示，在一些实施例中，自由形式菲涅耳透镜结构128是自由形式菲涅耳透镜结构126的镜面互补，而在其他实施例中，自由形式菲涅耳透镜结构128不是自由形式菲涅耳透镜结构128的严格互补。自由形式菲涅耳透镜结构126、128中的每一个表示三次相位函数，由此两个自由形式菲涅耳透镜结构126的重叠沿光轴108(由此从用户的眼睛的角度)提供了二次相位效应。这样，变化相位掩膜板112相对于相位掩膜板114的姿态，从而变化菲涅耳透镜结构126相对于菲涅耳透镜结构126的姿态会引起作为三次表面轮廓的微分的相位变化，导致二次相位轮廓；即，变化透镜组件106的光学倍率，从而改变焦距。因此，在至少一个实施例中，透镜组件106被配置为经由一个或多个致动器(见图14)，调整或改变相位掩模板112相对于相位掩模板114的姿态，以将透镜组件的焦点调节到规定的光学倍率或焦距。该姿态的调整可以包括通过沿X-Y平面(平行于主表面116、120的平面)在一个或多个方向中一个或两个相位掩膜板的侧向平移130的相位掩膜板112、114中的一个或两个相对于彼此的相对位置中的调整、通过沿着光轴108(或平行于光轴的其他轴)的一个或两个相位掩膜板的旋转132的一个或两个相位掩膜板112、114相对于彼此的相对定向的调整、或侧向平移130和旋转132的组合。在下文中，参考图2-9，更详细地描述透镜组件106的基于平移的实施方式，而参考图10-12，更详细地描述透镜组件106的基于旋转的实施方式。
在图1的光学系统100中，相位掩膜板112的面向显示表面116和相位掩膜板114的面向眼睛表面120是平面，从而不引入额外的光学倍率。然而，在其他实施例中，表面116、120中的每个可以实现凸表面或凹表面以除了由以它们配置的相对姿态的菲涅耳透镜结构124、126的重叠所提供的光学倍率之外引入固定的正或负光学倍率。
图2示出了根据一些实施例的由透镜组件106提供的焦点调整过程的示例。在该示例中，相位掩模板114被保持在相对于光学系统100的其他部件的固定位置中，而相位掩模板112被配置为沿Y轴侧向平移，使得相位掩模板112的位置在X-Y平面中相对于相位掩模板114变化。但是，在其他实施例中，相位掩模板114替代地可以是“可移动的”相位掩模板，而相位掩模板112保持在固定位置，或者在相位掩膜板112的侧向平移时，可以在相反的方向上侧向平移相位掩膜板114，从而导致净侧向平移，其是相位掩膜板112、114中的每一个的侧向平移之和。
在截面图201中，透镜组件106被配置为使得相位掩模板112被定位在相对于被固定在相对于光轴108的位置中的相位掩模板114的位置A。在该配置中，相位掩模板112、114的组合提供了视图201中表示的光学轮廓，并因此提供了对应的光学倍率和焦距204。如由视图203所示，然后，相位掩膜板112相对于相位掩膜板114和光轴108，被侧向平移了量202到位置B。在该修改配置中，相位掩模板112、114的相对姿态提供了在视图203中表示的修改的光学轮廓，并因此提供了对应的调整的光学倍率和调整的焦距206。由此，通过控制相位掩模板112的侧向平移的量202，光学系统100可以将透镜组件的焦距调节为更适合于在显示面板102处显示的显示图像的深度特性的焦距或光学倍率。可以通过具有合适的菲涅耳透镜结构的相位掩模板112、114中的一个或两个的旋转，实现类似的效果，如下文参考图9-12详细所述。
图3和4示出了根据一些实施例，用于图1和2的透镜组件106的基于平移的实施方式的示例性光学表面轮廓(例如，“矢高图”)。图3的光学表面轮廓300表示由相位掩模板112实现的自由形式菲涅耳透镜结构124的示例性实施方式，以及图4的光学表面轮廓400表示由相位掩模板114实现的对应的自由形式菲涅耳透镜结构126。在这些实施例中，菲涅耳透镜结构124、126实现了三次相位函数，表示如下：
Figure BDA0002822484190000081
其中，φideal(x，y)表示点(x,y)处的表面矢高，h表示以毫米为单位的两个相位掩膜板112、114之间的平面内侧向位移，以及A为设计参数，单位为屈光度/毫米(D/mm)并且确定光学倍率随侧向位移的变化而变化的快速程度。此外，项2Ah(x2+y2)表示每单位的沿轴301的侧向平移的光学倍率变化率(即，每毫米侧向平移的屈光度或D/mm)，而项
Figure BDA0002822484190000082
表示与x或y位置无关的恒定相位偏移。
为了说明，图5和6分别示出了对于不同屈光度变化率，相位掩模板112的菲涅耳透镜结构124的图3的光学表面轮廓300的区域302的放大视图500和600，其中菲涅耳透镜结构126具有对应的光学表面轮廓。放大视图500表示对于约0.5D/mm的屈光度变化率(即，对两个相位掩膜板之间的每毫米侧向平移，由相位掩模板112、114的重叠所提供的光学倍率中的0.5屈光度变化)的光学表面轮廓300的实现。放大视图600表示用于约2D/mm的屈光度变化率的光学表面轮廓300的实现。因此，虽然由放大视图600表示的光学表面轮廓300的实现对于给定的侧向平移量提供了光学倍率的更快速变化，但是这是以小得多的特征尺寸(例如，菲涅耳刻面之间的约200微米间距)为代价的，因此以可接受的质量标准进行制造可能更加困难且昂贵。
图7示出了当相位掩膜板112、114处于其默认位置(即，相对侧向平移为零)时，利用放大视图500中示出的结构(提供0.5D/mm的光学倍率变化率)，由分别具有光学表面轮廓300、400的菲涅耳透镜结构124、126的重叠所产生的、由透镜组件106呈现给用户的眼睛的有效光学表面轮廓700(相位轮廓模2*Pi)。如所示，具有光学表面轮廓300、400的三次相位函数的光学表面轮廓300、400的重叠导致具有展现二次相位函数的经典环形菲涅耳透镜结构的光学表面轮廓700，并且该经典环形菲涅耳透镜结构基于两个相位掩模板112、114的特定的侧向平移或者相对位置变化是变焦的。图8示出了示例性凸自由形式表面800，其对应于自由形式菲涅耳光学表面轮廓700的展开相位轮廓(即，去除了2*Pi相位跳变)。在一些实施例中，线性“倾斜”项可被用在表示菲涅耳透镜结构124、126的光学轮廓的三次相位函数中，以便在将所得的光学表面转换为对应的菲涅耳透镜结构时，减少透镜矢高和区数目。在这种情况下，相位轮廓可以用以下表达式表示：phi_linear＝B*x+C*y，其中，B和C表示设计者选择的系数，以减小由相位掩模板的边缘附近的三次项引起的厚度。
图9示出了实现该线性倾斜项的菲涅耳透镜结构124的示例性光学表面轮廓900。将类似地配置菲涅耳透镜结构124的光学表面轮廓。此外，在一些实施例中，菲涅耳透镜结构124、126的光学表面轮廓可以实现更高阶多项式项，以补偿由透镜组件106或光学系统100的其他光学组件引入的像差。
图10-12一起示出了根据一些实施例，基于两个相位掩模板112、114的旋转以进行焦点调节的透镜组件106的示例性实现。图10和11分别示出了根据一些实施例，用于图1的透镜组件106的这种基于旋转的实施方式的示例性光学表面轮廓1000、1100。图10的光学表面轮廓1000表示由相位掩模板112实现的自由形式菲涅耳透镜结构124的示例性实现，以及图11的光学表面轮廓1100表示由相位掩模板114实现的对应自由形式菲涅耳透镜结构126。在这些实施例中，菲涅耳透镜结构124、126实现具有2*pi相位绕组的二次相位函数，这继而导致基于相位掩膜板112、114中的一个或两个沿旋转轴1002相对于另一相位掩膜板旋转的可变二次效应。图12示出了当相位掩膜板112、114处于其默认位置(即相对定向调整为零)时，由分别具有光学表面轮廓1000、1100的菲涅耳透镜结构124、126的重叠所产生的、由透镜组件106向用户的眼睛呈现的有效光学表面轮廓1200。如所示，具有2*pi绕组的光学表面轮廓1000、1100的二次相位函数的光学表面轮廓1000、1100的重叠导致具有展现二次相位函数的经典环形菲涅耳透镜结构的光学表面轮廓1200，并且该经典环形菲涅耳透镜结构是基于两个相位掩膜板112、114的特定相对旋转或相对定向的变化变焦的。特别地，可以将用于光学表面轮廓1000、1100和所得的有效光学表面轮廓1200的相位图表示为：
Figure BDA0002822484190000101
Figure BDA0002822484190000102
Tjoint＝exp[iarZθ]
其中，T1表示光学表面轮廓1000的相位图，T2表示光学表面轮廓1100的相位图，Tjoint表示由沿光轴108(图1)的光学表面轮廓1000、1100的重叠产生的光学表面轮廓1200的有效相位图。此外，i表示虚数sqrt(-1)，r是相位掩模的径向坐标，
Figure BDA0002822484190000103
是极角，以及θ表示两个相位掩模板之间的相对旋转角。此外，如上类似提到的，用于光学表面轮廓1100、1200的相位图可以实现更高阶多项式项，以预补偿由透镜组件106或光学系统100的其他光学组件引入的像差。
图13示出了根据一些实施例，用于与具有可调节焦点的光学系统一起使用的注视跟踪配置。HMD和其他近眼显示系统经常使用注视跟踪系统来跟踪用户的一个或两个眼睛的注视方向。所跟踪的注视方向可以被用于例如基于从注视方向识别的显示区域来偏向(foveate)视图，或者以其他方式控制显示图像渲染操作。这样的注视跟踪系统通常包括红外光源或其他光源，用于照亮用户的眼睛；相机，用于捕获被照亮的眼睛的影像；以及处理组件，用于处理所捕获的影像以确定当前的注视方向。如由图13的配置1300所示，采用本文描述的光学系统(使用光学系统100为例)的系统可以将注视跟踪相机1302定位在透镜组件106和显示面板102之间的外围处，其中注视跟踪相机1302通过透镜组件106被聚焦在用户的眼睛1310上，使得注视跟踪相机1302捕获从用户的眼睛反射的光。可替代地，在一些实施例中，注视跟踪相机1302设置在透镜组件106和用户的眼睛1310之间，以便直接捕获从用户的眼睛100反射的光。在这种情况下，使用设置在例如所示出的透镜组件的外径周围并且对准用户的眼睛1310的一个或多个IR发光二极管(LED)，IR光可以被引导向眼睛。
图14示出了根据一些实施例，被配置为提供虚拟现实、增强现实或混合现实功能的近眼显示系统1400的俯视截面图。系统1400可以被实现为便携式用户设备，诸如HMD、平板计算机、计算使能的蜂窝电话(例如“智能电话”)、笔记本计算机、个人数字助理(PDA)、游戏控制台系统等。在其他实施例中，系统1400可以包括固定装置，诸如医学成像设备、安全成像传感器系统、工业机器人控制系统、无人机控制系统等。为了便于说明，系统1400在本文中通常在HMD设备的示例性上下文中进行描述，因此也被称为“HMD 1400”。然而，系统1400不限于这些示例性实施方式。
HMD 1400被描绘为安装在用户的头部1402上。如所示，HMD 1400包括壳体1404，该壳体1404包括显示面板1408，该显示面板1408被配置为发出表示图像的显示光以呈现给用户，并且是显示面板102的一个实施例。显示面板1408提供左显示器1410和右显示器1411，其被用于向用户的对应左眼和右眼显示立体图像。在其他实施例中，单独的显示面板被用来提供左眼和右眼显示器1410、1411中的每一个。
HMD 1400进一步包括目镜光学系统1413、1415，其分别被布置在壳体1404的面向用户的表面中的对应孔或其他开口中，分别用于用户的左眼和右眼。光学系统1413、1415各自实现利用变焦的基于菲涅耳的透镜组件的光学系统，诸如图1-13的光学系统100的实施例。为此，HMD 1400进一步包括分别用于光学系统1413、1415的致动器1418、1419，其被配置为以下中的一个或两个：侧向平移对应的透镜组件的相位掩模板(例如，相位掩模板112、114)中的一个或两个；或绕对应的透镜组件的光轴旋转相位掩膜板中的一个或两个，以调节对应的光学系统的焦点。致动器1418、1419可以包括例如马达伺服器、电磁致动器、基于螺杆驱动的致动器、音圈致动器等。此外，HMD 1400可以包括一个或多个注视追踪相机，诸如分别用于左眼和右眼的注视追踪相机1420、1421。
HMD 1400进一步包括电子子系统1430，或者与之有线或无线通信，该电子子系统1430提供用于在显示面板808上显示的显示影像，并且以其他方式控制HMD 1400的操作。在所描绘的示例中，电子子系统1430包括：存储一个或多个软件应用1434的系统存储器1432、执行一个或多个软件应用1434的一个或多个处理器(诸如中央处理单元(CPU)1438和图形处理单元(GPU)1436)、控制显示面板1408的显示控制器1440、控制致动器1418、1419的透镜控制模块1442，以及跟踪用户的眼睛的注视方向的注视跟踪模块1444。模块1442、1444每个可以被实现为由CPU 1438或GPU 1436中的一个或两个执行的软件(例如，作为软件应用1434的一部分)、实现为硬编码逻辑(例如，专用集成电路(ASIC))、可编程逻辑(例如，现场可编程门阵列(FPGA))或其组合。
在操作中，CPU 1438和GPU 1436通过执行一个或多个软件应用1434进行协调，以渲染经由显示控制器1440提供的一系列显示图像1446的对，以在显示面板1408的左眼和右眼显示器1410、1411上显示，以便向用户呈现立体VR或AR显示内容。为此，CPU 1438或GPU1436可以从注视跟踪模块844获得当前的注视方向信息1448(使用各种公知技术中的任何一种，从经由相机1420、1421捕获的眼睛影像来确定注视方向)，并且使用该注视方向信息1448来控制一个或多个对应的显示图像1446的对的渲染。
此外，在至少一个实施例中，对于由GPU 1436渲染的每个显示图像1446，GPU 1436确定用于显示图像1446的焦深参数1450或其他深度信息。焦深参数1450可以表示例如各种形式的深度信息，诸如整个显示图像1446中的对象的平均深度(例如，通过平均与显示图像1446相关联的Z缓冲或深度缓冲中的所有像素深度值或几何图元深度值)、中心场深度，作为当前注视点的目标或焦点的图像区域的平均深度，显示图像1446中的突出对象的深度等。更一般地，在一些实施例中，焦深参数1450表示当观看对应的显示图像1446的对时，光学系统1413、1415的理想焦深，以便减少或消除聚散度调节冲突的可能性和/或提供矫正光学倍率，以补偿用户视力的缺陷。此外，当机械致动、帧速率(帧/秒或fps)和渲染足够快时，可以快速连续地显示多个深度平面以实现多焦点显示系统。因此，透镜控制模块1442利用该焦深参数1450来确定光学系统1413、1415的基于菲涅耳的变焦透镜组件的可移动透镜元件的对应的侧向平移量，其将足以改变基于菲涅耳的变焦透镜组件的光学倍率以为光学系统1413、1415提供相称的焦距。然后，透镜控制模块1442生成信令1452，该信令触发致动器1418、1419使可移动相位掩膜板侧向平移、旋转或侧向平移和旋转的组合所识别的量(在操纵两个板的姿态时，利用相反方向的侧向平移和相反方向的旋转)，从而配置光学系统1413、1415以便光学倍率和焦距更好地调节到在该点处显示的显示图像1446的对。然后可以对每个显示图像1446的对、每个X个显示图像1446的集合(X>1)等重复该过程。此外，在一些实施例中，存储器1432可以存储一个或多个扭曲图1435，该扭曲图可以由GPU 1436在渲染过程期间应用于每个显示图像1446，以翘曲正在渲染的图像，以便预补偿作为焦点调节过程的结果由变焦透镜组件引起的放大率变化。
注意，并非要求在一般性描述中描述的所有活动或元件，可以不要求特定活动或设备的一部分，以及可以执行一个或多个其他活动或包括除了所述的那些元件外的元件。更进一步，列出活动的顺序不一定是执行它们的顺序。而且，已经参考具体实施例描述了这些概念。然而，本领域的普通技术人员认识到，在不脱离如在下述权利要求书中阐述的本公开的范围的情况下，可以进行各种改进和改变。因此，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的，并且所有这样的改进旨在被包括在本公开的范围内。
在上文中，参考具体实施例描述了益处、其他优点和问题的解决方案。然而，益处、优点或问题的解决方案以及会导致任何益处、优点或解决方案发生或变得更明显的任何特征都不应当被解释为任何或所有权利要求的关键、必需或基本特征。此外，上文公开的具体实施例仅仅是示例性的，因为可以以受益于本文的教导，对本领域的技术人员显而易见的不同但等效的方式改进和实施所公开的主题。除了在下文的权利要求书中所述的以外，不旨在对本文所示的构造或设计的细节限制。因此，很明显，可以变更或修改上文公开的具体实施例，并且所有这些变型被认为在所公开的主题的范围内。因此，本文寻求的保护如在下文的权利要求中阐述。

Claims (24)

1.一种装置，包括：
显示面板，所述显示面板被配置为发出表示显示图像的显示光；以及
在所述显示面板和用户眼睛的预期位置之间沿光轴设置的透镜组件，所述透镜组件包括：
第一相位掩模板，所述第一相位掩模板具有面向所述显示面板的第一主表面和与所述第一主表面相对的第二主表面，所述第二主表面实现第一自由形式菲涅耳透镜结构；
第二相位掩模板，所述第二相位掩模板邻近且平行于所述第一相位掩模板，并且具有面向所述第二主表面的第三主表面以及相对的第四主表面，所述第三主表面实现第二自由形式菲涅耳透镜结构；以及
其中，所述第一相位掩模板和所述第二相位掩模板中的至少一个相对于所述第一相位掩模板和所述第二相位掩模板中的另一个的姿态被配置为调整成用于调整所述透镜组件的光学倍率。
2.如权利要求1所述的装置，其中，所述姿态被配置为通过所述第一相位掩模板和所述第二相位掩模板中的一个相对于所述第一相位掩模板和所述第二相位掩模板中的另一个的侧向平移来进行调整。
3.如权利要求2所述的装置，其中：
所述第一自由形式菲涅耳透镜结构和所述第二自由形式菲涅耳透镜结构中的每一个表示三次相位函数；以及
沿着所述光轴的所述第一自由形式菲涅耳透镜结构和所述第二自由形式菲涅耳透镜结构的重叠导致响应于所述侧向平移而可变的二次相位效应。
4.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其中，所述姿态被配置为通过所述第一相位掩模板和所述第二相位掩模板中的一个相对于所述第一相位掩模板和所述第二相位掩模板中的另一个的旋转来进行调整。
5.如前述权利要求中的任一项所述的装置，其中：
所述第一自由形式菲涅耳透镜结构和所述第二自由形式菲涅耳透镜结构中的每一个表示具有2*pi相位绕组的二次相位函数；以及
沿着所述光轴的所述第一自由形式菲涅耳透镜结构和所述第二自由形式菲涅耳透镜结构的重叠导致响应于所述旋转而可变的二次相位效应。
6.如前述权利要求中的任一项所述的装置，进一步包括：
致动器，所述致动器被配置为调整所述第一相位掩模板和所述第二相位掩模板中的至少一个相对于所述第一相位掩模板和所述第二相位掩模板中的另一个的所述姿态；以及
透镜控制模块，所述透镜控制模块被配置为基于与所述显示图像相关联的深度信息来操纵由所述致动器进行的所述姿态的调整量。
7.如权利要求6所述的装置，其中：
所述深度信息是基于下述中的至少一个来确定：中心场深度；与所述显示图像相关联的深度缓冲的深度值的平均；所述用户的眼睛的注视点；以及所述用户的眼睛的聚散度。
8.如权利要求7所述的装置，进一步包括：
注视跟踪相机，所述注视跟踪相机被配置为通过所述透镜组件捕获所述用户眼睛的影像以进行注视跟踪。
9.如前述权利要求中的任一项所述的装置，进一步包括：
处理器，所述处理器被配置为渲染所述显示图像以用于在所述显示面板上显示。
10.如权利要求9所述的装置，其中：
所述处理器被配置为在所述显示图像的渲染期间应用扭曲图，以预补偿由所述透镜组件引入的一个或多个放大率变化。
11.一种特别是通过根据前述权利要求中的任一项所要求保护的装置执行的方法，所述方法包括：
经由透镜组件从显示面板向用户眼睛发出表示显示图像的显示光，所述透镜组件包括：第一相位掩模板，所述第一相位掩模板具有面向所述显示面板的第一主表面和与所述第一主表面相对的第二主表面，所述第二主表面实现第一自由形式菲涅耳透镜结构；以及，第二相位掩模板，所述第二相位掩模板邻近且平行于所述第一相位掩模板并且具有面向所述第二主表面的第三主表面以及相对的第四主表面，所述第三主表面实现第二自由形式菲涅耳透镜结构；以及
调整所述第一相位掩模板和所述第二相位掩模板中的至少一个相对于所述第一相位掩模板和所述第二相位掩模板中的另一个的姿态，以调整所述透镜组件的光学倍率以用于所述显示图像。
12.如权利要求11所述的方法，其中，调整所述姿态包括所述第一相位掩模板和所述第二相位掩模板中的一个相对于所述第一相位掩模板和所述第二相位掩模板中的另一个的侧向平移。
13.如权利要求12所述的方法，其中：
所述第一自由形式菲涅耳透镜结构和所述第二自由形式菲涅耳透镜结构中的每一个表示三次相位函数；以及
沿着所述光轴的所述第一自由形式菲涅耳透镜结构和所述第二自由形式菲涅耳透镜结构的重叠导致响应于所述侧向平移而可变的二次相位效应。
14.如权利要求11至13中的任一项所述的方法，其中，调整所述姿态包括所述第一相位掩模板和所述第二相位掩模板中的一个相对于所述第一相位掩模板和所述第二相位掩模板中的另一个的旋转。
15.如权利要求14所述的方法，其中：
所述第一自由形式菲涅耳透镜结构和所述第二自由形式菲涅耳透镜结构中的每一个表示具有2*pi相位绕组的二次相位函数；以及
沿着所述光轴的所述第一自由形式菲涅耳透镜结构和所述第二自由形式菲涅耳透镜结构的重叠导致响应于所述旋转而可变的二次相位效应。
16.如权利要求11-15中的任一项所述的方法，进一步包括：
基于与所述显示图像相关联的深度信息来确定所述姿态的调整量。
17.如权利要求16所述的方法，进一步包括：
基于下述中的至少一个来确定所述深度信息：中心场深度；与所述显示图像相关联的深度缓冲的深度值的平均；所述用户的眼睛的注视点；以及所述用户的眼睛的聚散度。
18.如权利要求11-17中的任一项所述的方法，进一步包括：
基于通过所述透镜组件捕获的所述用户眼睛的影像来跟踪所述用户眼睛的注视。
19.如权利要求11至18中的任一项所述的方法，进一步包括：
基于所跟踪的注视来渲染所述显示图像以用于在所述显示面板处显示。
20.如权利要求19所述的方法，其中，渲染所述显示图像包括：应用扭曲图，以预补偿由所述透镜组件引入的一个或多个放大率变化。
21.一种增强现实AR显示系统，包括：
显示面板，所述显示面板被配置为发出表示显示图像的显示光；
面向所述显示面板的第一部分设置的第一光学系统和面向所述显示面板的第二部分设置的第二光学系统，其中，所述第一光学系统和所述第二光学系统中的每一个包括具有菲涅耳透镜结构的两个平行相位掩模板，所述菲涅耳透镜结构限定所述两个相位掩模板之间的间隙，并且由此所述相位掩模板中的至少一个相对于另一个相位掩模板的姿态是能够调整的；以及
透镜控制模块，所述透镜控制模块用于通过所述相位掩模板的姿态的调整来配置所述第一光学系统和所述第二光学系统的光学倍率，以供用户观看所述显示图像。
22.如权利要求21所述的AR显示系统，其中，所述相位掩膜板的姿态的调整包括下述中的至少一个：所述相位掩膜板的侧向平移；以及所述相位掩膜板的旋转。
23.如权利要求21或22所述的AR显示系统，其中，所述透镜控制模块用于基于下述中的至少一个来配置所述第一光学系统和所述第二光学系统的光学倍率：所述显示图像的深度信息；以及用户的至少一个眼睛的眼睛跟踪信息。
24.如权利要求21至23中的任一项所述的AR显示系统，包括如权利要求1至10中的任一项所要求保护的装置，其中，所述装置提供所述显示面板和所述两个相位掩模。
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