CN112602005A - 具有视力矫正和增加的内容密度的透视计算机显示系统 - Google Patents

Abstract

本文提供了用于透视头戴式计算机显示器的具有抗冲击的玻璃波导配置的示例。在实施例中，配置包括视力矫正和通过电致变色和/或光致变色系统的内容密度控制。

Description

具有视力矫正和增加的内容密度的透视计算机显示系统

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年4月24日提交的美国临时申请No.62/661,720的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本发明涉及具有视力矫正和/或增加的内容密度的透视计算机显示系统。

背景技术

头戴式显示器(HMD)以及尤其是提供对环境的透视图的HMD是有价值的仪器。当试图确保用户体验被优化时，透视显示器中内容的呈现可能是复杂的操作。需要用于在透视显示器中呈现内容的改进的系统和方法，以改善用户体验。

发明内容

本发明的方面涉及用于具有波导的透视计算机显示系统的方法和系统，该波导包括视力矫正和通过减少场景光来增加的内容密度。

通过以下对优选实施例的详细描述和附图，本发明的这些和其他系统、方法、目的、特征和优点对于本领域技术人员将是显而易见的。本文提及的全部文件通过引用整体并入本文。

附图说明

参考以下附图描述实施例。

在整个附图中可以使用相同的标号来表示图中示出的相似特征和部件：

图1示出了根据本发明原理的头戴式计算机生态系统。

图2示出了根据本发明原理的具有光学系统的头戴式计算系统。

图3示出了根据本发明原理的示例性图像传递模块。

图4示出了根据本发明原理的具有视力矫正和通过受控的场景光传输而增加了的内容密度的波导构造。

虽然已结合某些优选实施例描述了本发明，但是本领域的普通技术人员将理解其他实施例并且将其包含在本文中。

具体实施方式

本发明的方面涉及头戴式计算(“HWC”)系统。在一些情况下，HWC涉及模仿头戴式眼镜或太阳镜的外观的系统。眼镜可以是完全开发的计算平台，例如包括位于眼镜的每个透镜中的被呈现给用户的眼睛的计算机显示器。在实施例中，透镜和显示器可以被配置为允许戴眼镜的人通过透镜看到环境，同时也看到数字图像，该数字图像形成重叠图像，该重叠图像被人感知为环境或增强现实(“AR”)的数字增强图像。

HWC涉及的不只是将计算系统放置在人的头部上。该系统可能需要被设计为轻巧、紧凑且功能齐全的计算机显示器，例如其中该计算机显示器包括高分辨率数字显示器，该高分辨率数字显示器提供由所显示的数字内容和环境周围的透视图组成的高水平呈现。可能需要与诸如笔记本电脑的更常规的那些不同的适合于HWC装置的用户接口和控制系统。为了使HWC和相关系统最有效，眼镜可以配备传感器来确定环境条件、地理位置、相对于其他兴趣点的相对定位、通过成像所识别的对象和用户或连接组中的其他用户的移动等。然后，HWC可以以通常称为上下文感知的HWC的方法来改变操作模式以与条件、位置、定位、移动等匹配。眼镜还可能需要被本地地或通过网络来无线地或以其他方式连接到其他系统。可以通过使用外部装置、自动地通过上下文收集的信息、通过由眼镜传感器捕获的用户手势等来实现对眼镜的控制。可以根据眼镜中使用的软件应用进一步完善每种技术。眼镜还可以用于控制与眼镜相关联的外部装置或与其协调。

参考图1，示出了HWC系统100的概况。如图所示，HWC系统100包括HWC 102，该HWC102在这种情况下被配置为具有传感器的被戴在头部上的眼镜，以使得HWC 102感知到环境114中的对象和状况。在这种情况下，HWC 102还接收并解释诸如手势和移动116的控制输入。HWC102可以与外部用户接口104通信。外部用户接口104可以提供物理用户接口以从HWC102的用户获取控制指令并且外部用户接口104和HWC102可以双向通信以影响用户的命令并向外部装置108提供反馈。HWC102还可以与外部控制或协调的本地装置108双向通信。例如，外部用户接口104可与HWC 102结合使用以控制外部控制或协调的本地装置108。外部控制或协调的本地装置108可以向HWC 102提供反馈，并且可以基于装置的类型或专门识别的装置108在HWC 102中呈现定制的GUI。HWC 102还可以通过网络连接110与远程装置和信息源112交互。同样地，以与当使用外部用户接口104来控制外部控制或协调的本地装置108或以其他方式与其交互时类似的方式，外部用户接口104可以与HWC 102结合使用以控制远程装置108和信息源112中的任何一者或多者或以其他方式与其交互。类似地，HWC 102可以解释手势116(例如，从诸如相机、测距仪、IR传感器等的面向前、面向下、面向上、面向后的传感器捕获的)或在环境114中感测到的环境状况来控制本地或远程装置108或112。

现在，我们将更详细地描述图1所示的主要元素中的每一个；然而，这些描述旨在提供一般指导，不应被解释为限制性的。每个元素的附加描述也可以在本文中进一步描述。

HWC 102是旨在被戴在人的头部上的计算平台。HWC 102可以采取许多不同的形式以适应许多不同的功能要求。在一些情况下，HWC 102将被以常规眼镜的形式设计。眼镜可能具有或可能不具有激活的计算机图形显示器。在HWC 102具有集成的计算机显示器的情况下，显示器可以被配置为透视显示器，使得数字图像可以相对于用户对环境114的视图重叠。存在多个可以使用的透视光学设计，包括具有反射显示器(例如，LCoS、DLP)、发射显示器(例如，OLED、微型LED)、全息表面、TIR波导等的那些。在实施例中，与显示光学器件结合使用的照明系统可以是固态照明系统，例如LED、OLED、量子点、量子点LED等。此外，光学配置可以是单眼或双眼的。它还可以包括视力矫正光学部件。在其他实施例中，HWC 102可以是以下形式：具有透视护罩的头盔、太阳镜、安全眼镜、护目镜、面罩、具有透视护罩的消防头盔、具有透视护罩的警察头盔、具有透视护罩的部队头盔、针对特定工作任务(例如，库存控制、物流、维修、保养等)定制的实用形式等。

HWC 102还可以具有多个集成计算设施，诸如集成处理器、集成电源管理、通信结构(例如，蜂窝网、WiFi、蓝牙、局域网连接、网格连接、远程连接(例如，客户端服务器等))。HWC 102还可以具有多个位置感知传感器，诸如GPS、电子罗盘、高度计、倾斜传感器、IMU等。它还可以具有其他传感器，诸如相机、测距仪、超光谱相机、盖革(Geiger)计数器、麦克风、光谱照明检测器、温度传感器、化学传感器、生物传感器、湿度传感器、超声波传感器等。

HWC 102还可以具有集成控制技术。集成控制技术可以是基于上下文的控制、被动控制、主动控制、用户控制等。例如，HWC 102可以具有捕获用户手部或身体手势116的集成传感器(例如，相机)，使得集成处理系统可以解释手势并生成用于HWC 102的控制命令。在另一示例中，HWC 102可以具有检测移动(例如，点头、头部晃动等)的传感器，包括加速度计、陀螺仪和其他惯性测量，其中集成处理器可以解释移动并响应地生成控制命令。HWC102还可以基于测量或感知到的环境状况自动控制自身。例如，如果环境是明亮的，则HWC102可以增加所显示图像的亮度或对比度。在实施例中，可以将集成控制技术安装在HWC102上，使得用户可以直接与其交互。例如，HWC 102可以具有按钮、触摸电容界面等。

如本文所述，HWC 102可以与外部用户接口104通信。外部用户接口可以以许多不同的形式出现。例如，手机屏幕可以适合于接受用户输入以控制HWC 102的一个方面。外部用户接口可以是专用的UI，例如键盘、触摸表面、按钮、操纵杆等。在实施例中，外部控制器可以集成到例如戒指、手表、自行车汽车等的另一个装置中。在每种情况下，外部用户接口104可以包括传感器(例如，IMU、加速度计、罗盘、高度计等)，以提供用于控制HWD 104的附加输入。

如本文所述，HWC 102可以控制其他本地装置108或与其协调。外部装置108可以是音频装置、视觉装置、车辆、手机、计算机等。例如，本地外部装置108可以是另一个HWC 102，其中然后可以在单独的HWC108之间交换信息。

与HWC 102可以控制本地装置106或与其协调的方式类似地，HWC102可以控制远程装置112或与其协调，例如HWC 102通过网络110与远程装置112通信。同样地，远程装置112的形式可以具有许多形式。这些形式中包括另一个HWC 102。例如，每个HWC 102可以传达其GPS位置，使得全部HWC 102知道全部HWC 102所处的位置。

图2示出了具有光学系统的HWC 102，该光学系统包括图像产生模块202和图像传递光学模块204。虽然通常将模块202和204描述为单独的模块，但是应该理解，这是仅用于说明，并且本发明包括其他物理配置，例如当两个模块被组合成单个模块时或者当构成两个模块的元件被配置为两个以上模块时的那些配置。在实施例中，图像产生模块202包括计算机控制的显示器(例如，LCoS、DLP、OLED、微型LED等)并且被布置为将图像光传输或投射到图像传递光学模块204。在实施例中，图像传递光学模块204包括眼睛传送光学器件，该眼睛传送光学器件被配置为接收图像光并将图像光传送到HWC的穿戴者的眼睛。传递光学模块可以包括反射、折射、全息、TIR等表面。应当注意的是，尽管在HWC的一侧示出了光学模块202和204以使得图像光可以被传送到穿戴者的一只眼睛，但是本发明设想了实施例将包含两个图像光传送系统，每只眼睛一个。还应该注意的是，尽管在图2中将图像产生模块202描绘在图像传递模块204上方，但是发明人也设想了其他配置。可以从顶侧、从底侧、在角落、从后方、从前方等将图像投射到图像传递模块204。这些配置可以取决于模块中包括的光学器件。

图3示出了特定类型的图像传递模块204。它示出了具有图像光方向表面302的波导，该图像光方向表面302在波导内引导图像光。存在具有图像光方向表面的许多不同类型的波导：全息的、单层全息的、多层全息的、厚膜全息的、外表面全息的、棱镜、表面浮雕、有源全息的等。参考https://uploadvr.com/waveguides-smartglasses/并将其合并于此，以提供具有方向表面的波导的一些示例。在图3所示的示例中，图像产生模块202将光投射到波导302的区域中，该区域包括输入表面304，该输入表面304适于通过全内反射(TIR)在内部将图像光重定向到折叠表面308，该折叠表面将波导302内的图像光重定向到输出表面310，该输出表面310适于使光从波导302重定向出来并朝向用户的眼睛。在实施例中，输入表面和输出表面被进一步设计成扩展图像光，使得一旦光被重定向出波导302，它就为用户形成大的视场。表面304、308和310中的每一个可以是棱镜、全息的、有源的、无源的、多层的、单层的、在波导内部的、在波导外部的等。图3中提供的示例本质上仅是示例性的以帮助读者理解到，存在各种类型的具有定向表面的波导来管理图像光。进一步地，尽管所示出的配置示出了图像产生模块、波导和各种表面的特定布置和取向，但是应当理解，发明人设想了存在起作用的其他配置并且配置通常取决于成品的要求。

图4示出了根据本发明原理的具有视力矫正和通过受控的场景光传输而增加了的内容密度的波导构造。发明人发现，尽管波导对于智能玻璃是有用的并且是非常好的形状因子，但是由于它们由玻璃制成，因此它们是易碎的。它们也很昂贵，因此损坏一副眼镜是不利的。另外，由于它们是玻璃，所以任何破损都可能对用户造成眼睛伤害。图4所示的实施例使波导硬化，从而使其不易被破损和/或冲击。另外，图4中的实施例提供了一种波导透视增强现实解决方案，其具有矫正视觉元件并且具有由于对场景照明的控制而增加了的内容密度，其中对场景照明的控制为通过波导提供的内容提供背部照明。

一旦在图示中添加了其他组件，图4的波导302就是组件的一部分。如图所示，多个部件堆叠在一起以形成图像传递模块204的示例的至少一部分。堆叠包括具有内保护层(例如，聚碳酸酯、保护板等)402的波导302，该内保护层402位于堆叠的用户眼睛414侧。堆叠还包括位于波导302的相反侧上的外保护层(例如，聚碳酸酯、保护板等)404。在实施例中，气隙412被保持在波导302的每一侧上，使得波导适当地操作。也就是，光学元件的堆叠包括位于波导的两侧上的气隙，使得波导的内部反射的全内反射特性不会被破坏。气隙412保留了材料波导302与到下一材料的过渡之间的基本折射率差。

图4的光学堆叠进一步包括视力矫正光学器件410(例如，通过表面粘附力粘到内保护层402的模制弹性体、粘附到保护性内部层402的玻璃的或塑料的视力矫正光学器件等)。视力矫正光学器件旨在以与其他处方透镜相同的方式来矫正用户的视力，但是在该实施例中，它被放置在内保护层402上，因此它将不仅矫正用户对周围环境的视图，而且还矫正用户对通过波导302呈现的内容的视图。在实施例中，视力矫正光学器件410是通过表面粘附力粘到内保护层402的模制弹性体。这允许快速且容易地施加专门为用户制造的视力矫正光学器件410。眼科医生或矫正透镜的其他开处方者可以制造和出售矫正器，然后用户可以通过将光学器件基本上粘到内保护层402的外表面上来施加矫正器。当然，在不需要开处方者的情况下，用户可以简单地购买矫正器(例如，用于增大放大倍数的“阅读器”光学器件)并将其施加到内保护层402。在实施例中，重要的是具有用于视力矫正光学器件410的位于用户眼睛的前方的垂直和平面的波导302和/或垂直和平面的(例如，至少位于要安装视力矫正光学器件410的表面之上是平面的)内保护层402以使得适当地工作。当波导302被基本垂直定位时，图像光从波导以大致90度从波导表面朝向用户的眼睛发射。这是因为典型的视力矫正光学器件410被光学地设计为当它们垂直定位时可以被透视。这避免了需要在视力矫正光学器件410上做出非常复杂的处方以补偿用户将通过其观看的角度。在可选实施例中，如果波导302与垂直成一个角度，则内保护层402可以在其外表面(即，最靠近眼睛414)上包括一个角度或者相对于波导302成一定角度安装，使得当附接视力矫正光学器件时，它相对于用户的眼睛414是垂直的。在实施例中，内保护层402可以包括一个或多个标记，或者可以提供模板，以帮助用户对准视力矫正光学器件410。

在实施例中，内保护层402本身可包括视力矫正部分。内保护层可以由聚碳酸酯或其他合适的材料形成并被成形为用于用户的矫正处方。然后，可以将视力矫正的内保护层附到波导302，使得保留气隙412。这将消除对将单独的材料施加到内保护层402的需要。当然，此配置可能需要更多的涉及制造或用户的过程来安装视力矫正的内保护层402。

如图4所示，在实施例中，堆叠可包括外保护层404，该外保护层404被定位为提供位于外保护层404与波导302之间的气隙412，以当波导在头戴式透视计算机显示器中向用户的眼睛传送计算机内容时保留波导的适当的全内反射。该堆叠还可以包括电致变色层408，该电致变色层408可以由头戴式计算机102中的处理器控制。该电致变色层可以被计算机控制以快速减少或增加到达波导302的场景光的量。由于波导302的透视性质，场景光形成用于在波导302中呈现的计算机图像的背景光。在波导302的外侧(即，与用户的眼睛相反的一侧)具有高透射率的情况下，在波导中呈现的计算机内容302可以是透明的和/或要求用于内容的高亮度以克服场景光。在电致变色层408被激活以提供场景光的调暗的情况下，计算机内容可能不那么透明和/或内容的亮度可能降低，因为没有太多的场景光需要克服。在实施例中，电致变色层408被直接施加到外保护层404。在其他实施例中，电致变色层408被施加到中间层。

发明人发现，当将电致变色表面应用到玻璃样式时，存在很大的困难。电致变色表面倾向于不适用于复杂形状，该复杂形状包括诸如标准矫正玻璃透镜或太阳镜透镜的复合半径。将表面应用于表面中的单个曲线会变得更加容易。当将其应用到平坦的平面上时，它最简单并产生最佳结果。在实施例中，本文描述的气隙设计可以与任何成形的电致变色表面结合使用。

在实施例中，外保护层404可以包括光致变色材料。这将基于场景光的强度来提供场景光的自动调光。可以在外保护层的任一侧上的单独层中提供光致变色层。通常，光致变色层要比电致变色层定位得离用户的眼睛更远，使得电致变色层不具有影响光致变色层的性能得效果。

在实施例中，抗反射涂层可以被施加到结合图4示出的光学堆叠的任何或所有表面，该抗反射涂层在最终组件中暴露于空气以防止在使用头戴式计算机102期间的反射，以防止反射分散注意力。

在实施例中，可以通过使用与用于波导302的材料的折射率基本上匹配用于保护层的材料，来将内和外保护层402和408施加到波导302而不会留下气隙412。通过使用折射率匹配材料，波导的全内反射可以使用保护层的外表面。在这样的配置中，可以在内保护层402与矫正光学器件410之间设置气隙。此外，在这样的配置中，可以在外保护层404与电致变色层408之间设置气隙。

在实施例中，波导302或其部分可以由化学处理的玻璃制成以增加波导强度(例如，Gorilla玻璃)。

在一个实施例中，头戴式透视计算机显示器可以包括具有第一内表面的玻璃波导，该第一内表面具有至少位于从玻璃波导朝向用户的眼睛投射图像光的区域中的平面区域，玻璃波导进一步被配置为使得图像光相对于第一内表面以大约90度从玻璃波导发射。该头戴式透视计算机显示器可以包括位于玻璃波导与用户的眼睛之间的保护性内层，其中该保护性内层进一步被定位为提供位于玻璃波导与保护性内层之间的第一气隙。并且该头戴式透视计算机显示器可以包括被安装在保护性内层上并位于保护性内层与用户的眼睛之间的视力矫正光学器件。玻璃波导可以包括至少一个全息表面。该至少一个全息表面包括多个全息表面。玻璃波导可以被垂直地定位在用户的眼睛前方。保护性内层可以具有其上安装有视力矫正光学器件的外表面，并且该外表面可以被垂直地定位在用户的眼睛前方。头戴式透视计算机显示器可进一步包括位于与保护性内层相反的波导侧的保护性外层，其中保护性外层可进一步被定位为提供位于保护性外层与玻璃波导之间的第二气隙。头戴式透视计算机显示器可进一步包括由处理器控制的电致变色表面，以可控地阻挡场景光的至少一部分到达玻璃波导。电致变色表面可以位于保护性外层与玻璃波导之间。可以将电致变色表面施加到保护性外层上，并且第二气隙可以位于电致变色表面与玻璃波导之间。保护性外层可以是光致变色的。视力矫正光学器件可以包括弹性体光学器件，该弹性体光学器件以表面张力附到保护性内层。

尽管已经用专用于特征、系统、计算机过程和/或方法的语言描述了HWC的实施例，但是所附权利要求书不一定限于所描述的特定特征、系统、计算机过程和/或方法。此外，将特定特征、系统、计算机过程和/或方法公开为HWC的非限制性示例实施方式。本文引用的全部文件均通过引用并入本文。

Claims (22)

1.一种光学堆叠，包括：

波导；

设置在所述波导的第一侧上的第一保护层；

设置在所述波导的第二侧上的第二保护层；

设置在所述波导的所述第一侧上的视力矫正光学器件；以及

设置在所述波导的所述第二侧上的电致变色层。

2.根据权利要求1所述的光学堆叠，其中，所述第一保护层包括聚碳酸酯。

3.根据权利要求1所述的光学堆叠，其中，所述第一保护层包括保护板。

4.根据权利要求1所述的光学堆叠，其中，所述视力矫正光学器件设置在用户的眼睛与所述第一保护层之间。

5.根据权利要求1所述的光学堆叠，其中，所述视力矫正光学器件包括弹性体。

6.根据权利要求1所述的光学堆叠，其中，所述视力矫正光学器件经由表面粘附力耦接至所述第一保护层。

7.根据权利要求1所述的光学堆叠，其中，所述第一保护层包括所述视力矫正光学器件。

8.根据权利要求1所述的光学堆叠，还包括：

设置在所述波导与所述第一保护层之间的第一气隙；以及

设置在所述波导与所述第二保护层之间的第二气隙。

9.根据权利要求1所述的光学堆叠，其中，所述电致变色层设置在所述波导与所述第二保护层之间。

10.根据权利要求9所述的光学堆叠，其中，所述电致变色层直接耦接至所述第二保护层。

11.根据权利要求9所述的光学堆叠，还包括设置在所述电致变色层与所述第二保护层之间的衬底层，其中所述电致变色层直接耦接至所述衬底层。

12.根据权利要求1所述的光学堆叠，其中，所述波导、所述第一保护层和所述第二保护层具有基本相同的折射率。

13.根据权利要求1所述的光学堆叠，其中，所述波导包括全息表面。

14.根据权利要求1所述的光学堆叠，其中：

所述光学堆叠被配置为向用户呈现图像光和场景光，

所述场景光的源设置在所述波导的所述第二侧，以及

所述波导的所述第一侧被配置为面向所述用户。

15.根据权利要求14所述的光学堆叠，其中，向所述用户呈现图像光包括经由所述波导的全内反射呈现所述图像光。

16.根据权利要求14所述的光学堆叠，还包括光致变色层，所述光致变色层被配置为基于场景光的强度水平来调整呈现给所述用户的所述场景光的量。

17.根据权利要求16所述的光学堆叠，其中，所述第二保护层包括所述光致变色层。

18.根据权利要求16所述的光学堆叠，其中，所述光致变色层设置在所述第二保护层的第一侧上，所述第二保护层的所述第一侧面向所述用户。

19.根据权利要求16所述的光学堆叠，其中，所述光致变色层设置在所述第二保护层的第二侧上，所述第二保护层的所述第二侧与所述用户相反。

20.根据权利要求14所述的光学堆叠，其中，所述电致变色层被配置为基于控制信号来调整呈现给所述用户的场景光的量。

21.根据权利要求20所述的光学堆叠，其中，所述控制信号由可穿戴的头部装置的一个或多个处理器提供。

22.根据权利要求1所述的光学堆叠，其中，所述光学堆叠被耦接至可穿戴的头部装置。

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