CN112673299A - 用于外部光管理的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种增强现实系统包括产生虚拟光束的光源，虚拟光束携带用于虚拟对象的信息。该系统还包括导光光学元件，该导光光学元件允许第一现实世界光束的第一部分在其中穿过，其中虚拟光束进入导光光学元件，并通过基本上全内反射(TIR)传播通过导光光学元件，并离开导光光学元件。该系统还包括设置在导光光学元件的表面附近并在其外部的透镜，该透镜包括光调制机构，以吸收现实世界光束的第二部分并允许现实世界光束的第一部分穿过透镜。

Description

用于外部光管理的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年9月14日提交的题为“SYSTEMS AND METHODS FOR EXTERNALLIGHT MANAGEMENT(用于外部光管理的系统和方法)”的美国临时专利申请序列号62/731,755的优先权，其内容通过引用其全部内容而明确且完全合并于此。本申请涉及于2017年4月5日提交的代理人案卷号为ML.20065.00题为“SYSTEM AND METHOD FOR AUGMENTEDREALITY(用于增强现实的系统和方法)”的美国实用新型专利申请序列号15/479,700，于2014年7月14日提交的代理人案卷号为ML.20020.00题为“PLANAR WAVEGUIDE APPARATUSWITH DIFFRACTION ELEMENT(S)AND SYSTEM EMPLOYING SAME(具有衍射元件的平面波导装置及其系统)”的美国实用新型专利申请序列号14/331,218，于2014年11月27日提交的代理人案卷号为ML20011.00题为“VIRTUAL AND AUGMENTED REALITY SYSTEMS AND METHODS(虚拟和增强现实系统和方法)”的美国实用新型专利申请序列号14/555,585，于2015年5月29日提交的代理人案卷号ML.20016.00题为“METHODS AND SYSTEMS FOR VIRTUAL ANDAUGMENTED REALITY(用于虚拟和增强现实的方法和系统)”的美国实用新型专利申请序列号14/726,424，于2015年5月29日提交的代理人案卷号ML.20017.00题为“METHODS ANDSYSTEMS FOR CREATING FOCAL PLANES IN VIRTUAL AND AUGMENTED REALITY(用于在虚拟和增强现实中创建焦平面的方法和系统)”的美国实用新型专利申请序列号14/726,429，于2015年5月29日提交的代理人案卷号为ML.20018.00题为“METHODS AND SYSTEMS FORDISPLAYING STEREOSCOPY WITH A FREEFORM OPTICAL SYSTEM WITH ADDRESSABLE FOCUSFOR VIRTUAL AND AUGMENTED REALITY(用于具有针对虚拟现实和增强现实的可寻址焦点的自由形式光学系统显示立体视觉的方法和系统)”的美国实用新型专利申请序列号14/726,396，于2018年7月23日提交的代理人案卷号为ML-0676USPRV题为“SYSTEMS ANDMETHODS FOR EXTERNAL LIGHT MANAGEMENT(用于外部光管理的系统和方法)”的美国临时专利申请序列号62/702,212，以及于2019年8月30日提交的代理人案卷号为ML-0607US题为“SPATIALLY-RESOLVED DYNAMIC DIMMING FOR AUGMENTED REALITY DEVICE(用于增强现实设备的空间分辨率动态调光)”的美国实用新型专利申请序列号16/557,706。前述专利申请的内容通过引用其全部内容而明确且完全合并于此。
背景技术
现代计算和显示技术已经促进了用于所谓的“增强现实”体验的系统的开发，其中，数字再现的图像或其部分以看起来或可能被感知为真实的方式呈现给用户。增强现实或“AR”场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现，作为对用户周围的现实世界的可视化的增强(即，对其他实际的现实世界的视觉输入透明)。因此，AR场景涉及对其他实际的现实世界的视觉输入具有透明度的数字或虚拟图像信息的呈现。人类的视觉感知系统非常复杂，因此，产生一种AR技术以促进舒适的感觉自然且丰富的虚拟图像元素以及其他虚拟或现实世界图像元素的呈现是具有挑战性的。
大脑的可视化中心从两只眼睛及其组件相对于彼此的运动中获得有价值的感知信息。两只眼睛相对于彼此的聚散(vergence)运动(即，瞳孔朝向彼此或远离彼此的滚动运动以汇聚(converge)眼睛的视线以固定在对象上)与眼睛的晶状体的聚焦(或“调节(accommodation)”)紧密相关。在正常情况下，在被称为“调节-聚散反射”的关系下，改变眼睛的晶状体的焦点或调节眼睛以聚焦在不同距离处的对象将自动导致到相同距离的聚散的匹配变化。同样，在正常情况下，聚散的变化也会触发调节的匹配变化。像大多数传统的立体AR配置一样，针对这种反射进行操作会导致用户眼睛疲劳、头痛或其他形式的不适。
立体可佩戴眼镜通常具有用于左眼和右眼的两个显示器，该两个显示器被配置为显示具有稍微不同的元素呈现的图像，使得人类视觉系统可以感知三维立体。已经发现，由于聚散和调节之间的不匹配(“聚散-调节冲突”)，这种配置对于许多用户而言是不舒服的，必须克服该不匹配才能感知三维图像。确实，一些AR用户无法忍受立体配置。因此，大多数传统的AR系统并非最适合以用户舒适和最大程度地使用的方式提供丰富的双目的且三维的体验，部分原因是现有系统无法解决人类感知系统的某些基本方面，包括聚散-调节冲突。
AR系统还必须能够在相对于用户的各种感知位置和距离处显示虚拟数字内容。AR系统的设计还提出了许多其他挑战，包括系统交付虚拟数字内容的速度，虚拟数字内容的质量，用户的眼睛舒缓(解决了聚散-调节冲突)，系统的尺寸和便携性，以及其他系统和光学挑战。
解决这些问题(包括聚散-调节冲突)的一种可能方法是将图像投影在多个深度平面上。为了实现这种类型的系统，一种方法是使用多个导光光学元件以将光引导到用户的眼睛处，使得该光看起来源自多个深度平面。导光光学元件被设计为将与数字或虚拟对象相对应的虚拟光进行入耦合，并通过全内反射(“TIR”)传播该虚拟光，然后将虚拟光出耦合，以将数字或虚拟对象显示到用户的眼睛。导光光学元件还被设计成对来自现实世界对象(例如，被现实世界对象反射回来)的光是透明的。
然而，一些现实世界光可以以不受控制的方式入耦合到导光光学元件中，并从导光光学元件出耦合，由于现实世界光被导光光学元件衍射，导致意外的彩虹(rainbow)伪像呈现给用户的眼睛。AR场景中意外的彩虹伪像的出现会破坏AR场景的预期效果。本文描述的系统和方法被配置为解决这些挑战。
发明内容
在一个实施例中，增强现实系统包括被配置为生成虚拟光束的光源，该虚拟光束携带用于虚拟对象的信息。该系统还包括导光光学元件，该导光光学元件对第一现实世界光束是透明的，其中虚拟光束进入该导光光学元件，并通过全内反射(TIR)传播通过该导光光学元件，并离开导光光学元件。另外，该系统还包括设置在导光光学元件的表面附近并在其外部的透镜，其中该透镜被配置有吸收一定量的现实世界光的着色，以使现实世界光的一部分透射通过导光光学元件。
在一个或多个实施例中，着色是梯度着色，其在透镜的世界侧顶部部分透射较少的现实世界光，而在透镜的世界侧底部部分透射较多的现实世界光，其中，由导光光学元件对头顶现实世界光的无意衍射所产生的彩虹伪像被最小化。
在一个或多个实施例中，梯度着色从透镜的世界侧顶部部分到透镜的世界侧底部部分逐渐地透射更多的现实世界光。透镜顶部边缘的第一透射平均值(Tavg)为5％，透镜中间部分的第二Tavg为28％，以及透镜底部部分的第三Tavg在底部部分始终为33％，其中透射通过具有梯度着色的透镜的现实世界光量被表示为Tavg。透镜为导光光学元件提供保护元件。
在一个或多个实施例中，透镜还包括与透镜相邻设置的转向器(diverter)，其中该转向器被配置为修改透镜的表面处的第二现实世界光束的光路，该第二现实世界光束从相对于世界侧顶部的头顶位置发出。
在一个或多个实施例中，透镜被配置有转向器和梯度着色，其中转向器和梯度着色的组合使由导光光学元件对第二现实世界光束的无意衍射所产生的彩虹效应最小化。
在一个或多个实施例中，转向器被配置为反射第二现实世界光束。
在一个或多个实施例中，转向器被配置为折射或衍射第二现实世界光束。
在一个或多个实施例中，透镜还包括定向标记，其中在组装期间使用定向标记以将透镜安装到眼镜框架上。定向标记包括特殊的墨水，使定向标记在组装期间在特殊照明下可见，而在常规使用期间对用户不可见。
在一个或多个实施例中，特殊墨水是红外墨水。
在一个或多个实施例中，特殊墨水是紫外墨水。
在一个或多个实施例中，在将透镜初始组装到眼镜框架上之后不去除特殊墨水，其中，在完成对透镜或眼镜框架的维护工作之后重新使用和重新组装透镜。
在另一个实施例中，增强现实系统包括透镜，该透镜具有基本垂直于框架的平坦外围表面。该系统还包括具有平坦表面的框架，该平坦表面用于将平坦外围表面安装到框架的平坦表面，透镜为增强现实系统的光学元件提供保护元件。
在一个或多个实施例中，透镜由Trivex制成。透镜的中心厚度为1.2mm+/-0.2mm。透镜的曲率半径为86.8mm+/-0.9mm。透镜包括梯度着色涂层、硬涂层、镜面涂层、防污涂层和/或防反射中的至少一种。
在又一个实施例中，增强现实系统包括用于产生虚拟光束的光源，该虚拟光束携带用于虚拟对象的信息。该系统还包括导光光学元件，该导光光学元件允许第一现实世界光束的第一部分从中通过，其中虚拟光束进入导光光学元件，并通过基本上全内反射(TIR)传播通过导光光学元件，并从导光光学元件离开。该系统进一步包括设置在导光光学元件的表面附近并在其外部的透镜，该透镜包括光调制机构，以衰减现实世界光束的第二部分并允许现实世界光的第一部分穿过透镜。
在一个或多个实施例中，光调制机构包括液晶层、被设置在液晶层附近并被设置在液晶层的相对侧上的第一电极和第二电极、分别被设置在第一电极和第二电极的附近并在其外部的第一补偿膜和第二补偿膜、以及分别被设置在第一补偿膜和第二补偿膜的附近并在其外部的第一偏振器和第二偏振器。第一偏振器和第二偏振器可各自包括多个区域，该多个区域被配置为对穿过其中的光施加不同的偏振度。液晶层可以被配置为响应于由第一电极和第二电极施加的电压而对穿过其中的光施加延迟度或偏振旋转度。由液晶层施加的偏振度可以与由第一电极和第二电极施加的电压成比例。
在一个或多个实施例中，第一电极和第二电极被配置为向液晶层施加沿着液晶层的方向变化的电压。方向可以是从液晶层的底部到液晶层的顶部。第一电极和第二电极可以被分开沿着液晶层的方向增加的距离。第一电极可以离开第二电极逐渐变细，使得该距离沿着液晶层的方向增加。第一电极可以包括多个分段，每个相邻的分段对具有在前分段，该在前分段被设置成与在该方向上的后续分段相比更远离第二电极。第一电极的厚度可以沿着该方向减小。
在一个或多个实施例中，第一电极包括沿该方向设置的第一分段、第二分段和第三分段，并且第一分段和第三分段具有低于第二分段的第二电阻的第一和第三电阻。第一分段和第三分段可以包括铟锡氧化物。第二分段可以包括石墨烯。该系统还可包括被电耦接到第一电极的第一分段和第三分段的第一电压源和第二电压源。
在一个或多个实施例中，第一电极包括沿该方向设置并通过对应的多个电阻器彼此电隔离的多个分段。该系统还可以包括电压源，该电压源在第一电极的沿着该方向的远端处被电耦接到多个分段中的第一分段。第一电极可以具有平坦的形状，并且多个电阻器可以沿着第一电极的边缘设置。多个分段可以通过多个电绝缘构件在物理上彼此分离。多个电阻器中的每一个可以物理地设置在多个分段的相应对之间。
在一个或多个实施例中，一种头戴式设备包括：框架，其被配置为佩戴在所述头戴式设备的用户的头部周围；可控调光组件，其以某种方式被物理地耦合到所述框架，以便在所述用户佩戴所述头戴式设备时定位在所述用户的眼睛与所述用户的环境之间，其中，所述可控调光组件被配置为显示出不透明度水平，所述不透明度水平根据所述可控调光组件上的位置从第一不透明度水平到第二不透明度水平变化；以及电耦接到所述可控调光组件的控制电路，其中，所述控制电路被配置为向所述可控调光组件施加一个或多个电信号，以调整所述第一不透明度水平和所述第二不透明度水平中的一个或两个。
在一些实施例中，所述可控调光组件被配置为(i)在所述可控调光组件上的第一位置显示出所述第一不透明度水平，以及(ii)根据距所述可控调光组件上的第一位置的距离而变化的不透明度水平。
在这些实施方式的一些中，所述可控调光组件被配置为在所述可控调光组件上的第二位置处显示出第二不透明度水平，所述第二位置与所述第一位置不同。
在一些这样的实施方式中，所述第一位置或所述第二位置对应于沿所述可控调光组件的外周的至少一部分的一组一个或多个点。
此外，在一些这样的实施方式中，所述第一位置对应于所述可控调光组件的内部区域内的位置。
在这些示例中，所述可控调光组件的所述内部区域内的所述位置对应于所述可控调光组件的中心。
在一些实施例中，所述第一不透明度水平表示全局最小的不透明度水平，以及所述第二不透明度水平表示全局最大的不透明度水平。
在一些实施方式中，所述可控调光组件被配置为显示出不透明度水平，所述不透明度水平根据所述可控调光组件上的位置而线性、指数或对数地变化。
在一些实施例中，所述可控调光组件被配置为使得所述第一不透明度水平和所述第二不透明度水平基于被施加为所述可控调光组件的输入的一个或多个电信号的电压水平而变化。
在一些实施方式中，所述可控调光组件被配置为使得所述第一不透明度水平和所述第二不透明度水平随着所述电压水平的变化而以不同的速率变化。
在一些实施例中，所述可控调光组件包括：第一偏振器和第二偏振器；被设置在所述第一偏振器和所述第二偏振器之间的第一电极组件和第二电极组件；以及被设置在所述第一电极组件和所述第二电极组件之间的液晶层。
在这些实施例的一些中，所述控制电路被电耦接到所述第一电极组件和所述第二电极组件，并且被配置为将一个或多个电信号施加到所述可控调光组件以在所述第一电极组件和所述第二电极组件之间产生电场。
此外，在一些这样的实施例中，所述第一偏振器和所述第二偏振器中的一个或两个被配置为向穿过其中的光施加空间变化的偏振度。
在这些实施例的至少一些中，为了在所述第一电极组件和所述第二电极组件之间产生电场，所述可控调光组件被配置为在所述第一电极组件和所述第二电极组件之间产生显示出空间变化的电场强度水平的电场。
在一些这样的实施例中，其中，所述第一电极组件和所述第二电极组件中的一个或二者被配置为使得其一个或多个特性在空间上是变化的。
在一些示例中，所述一个或多个特性包括厚度、电阻、电导率、取向、位置、组成或其组合。
在一些实施方式中，所述控制电路包括分压器网络、导体、处理器和电源中的一个或多个。
在一些实施例中，所述可控调光组件以如下方式被物理地耦合到所述框架：以便当所述用户佩戴所述头戴式设备时将其定位在所述用户的双眼与所述用户的环境之间。
在一些实施方式中，所述控制电路还被配置为接收来自一个或多个数据源的输入，并且其中将一个或多个电信号施加到所述可控调光组件以调整所述第一不透明度水平和所述第二不透明度水平中的一个或二者，所述控制电路被配置为基于从所述一个或多个数据源接收的输入，将一个或多个电信号施加到所述可控调光组件以调整所述第一不透明度水平和所述第二不透明度水平中的一个或二者。
在一些这样的实施方式中，所述一个或多个数据源包括一个或多个感测设备、用户接口部件、显示系统部件、网络可访问资源、或其组合。
附图说明
附图示出了本发明的各种实施例的设计和实用性。应当注意，附图未按比例绘制，并且在整个附图中，相似结构或功能的元件由相似的附图标记表示。为了更好地理解如何获得本发明的各个实施例的上述和其他优点和目的，将通过参考本发明的具体实施例来给出对以上简要描述的本发明的更详细的描述，这些具体实施例在附图中示出。理解这些附图仅描绘了本发明的典型实施例，因此不应认为是对本发明范围的限制，将通过使用附图以附加的特征和细节来描述和解释本发明，其中：
图1至图3是各种增强现实系统的详细示意图；
图4是描绘增强现实系统的焦平面的图；
图5是增强现实系统的导光光学元件的详细示意图；
图6是增强现实系统的现有技术的导光光学元件的侧视示意图；
图7是根据本公开的一些实施例的在增强现实系统的导光光学元件附近和外部设置的透镜的侧视示意图；
图8是根据本公开的一些实施例的增强现实系统的梯度着色(tinted)透镜的正视图；
图9示出了根据本公开的一些实施例的在增强现实系统的梯度着色透镜的边缘周围的平坦外围表面的多个视图；
图10是根据本公开的一些实施例的增强现实系统的梯度着色透镜的正视图；
图11是根据本公开的一些实施例的可形成增强现实系统的外部覆盖透镜的全部或一部分的可控调光组件的示意性侧视图；
图12A至图12D示出了根据本公开的一些实施例的各种调光图案；
图13A至图13D是根据本公开的一些实施例的被配置为产生调光图案的各种偏振器的正视图；
图14A至图14C是根据本公开的一些实施例的被配置为产生调光图案的电极组件的示意性侧视图；
图15是根据本公开的一些实施例的被配置为产生调光图案的电极组件的示意性透视图；
图16A至图16D是根据本公开的一些实施例的被配置为产生调光图案的各种电极组件的正视图；
图17A是根据本公开的一些实施例的被配置为产生调光图案的电极组件的示意性透视图；
图17B是根据本公开的一些实施例的在图17A中描绘的电极组件的电路图；以及
图18A至图18D是根据本公开的一些实施例的被配置为产生调光图案的各种电极组件的前视图。
具体实施方式
本发明的各个实施例涉及用于在单个实施例或多个实施例中实现光学系统的系统、方法和制造品。在详细描述、附图和权利要求中描述了本发明的其他目的、特征和优点。
现在将参考附图详细描述各种实施例，这些附图被提供作为本发明的说明性示例，以使得本领域技术人员能够实施本发明。值得注意的是，以下附图和实施例并不意味着限制本发明的范围。在可以使用已知组件(或方法或过程)部分或完全实现本发明的某些要素的情况下，将仅描述理解本发明所必需的那些已知组件(或方法或过程)的那些部分，并且将省略这些已知组件(或方法或过程)的其他部分的详细描述，以免模糊本发明。此外，各种实施例涵盖了通过示例的方式在本文中所指的组件的当前和将来的已知等同物。
光学系统可以独立于AR系统来实现，但是以下仅出于说明性目的而相对于AR系统描述了许多实施例。
问题和解决方案的概述
用于在允许现实世界光通过的同时在各种深度生成虚拟图像的一种类型的光学系统包括至少部分透明的导光光学元件(例如，包括衍射光学元件的棱镜)。但是，这些导光光学元件可能会意外入耦合来自现实世界光源的现实世界光。意外入耦合的现实世界光可以在导光光学元件内朝向用户的眼睛衍射。出耦合的现实世界光以衍射方式离开导光光学元件，从而在AR场景中生成伪像，例如“彩虹”图像或出现在用户的视场内和/或由导光光学元件显示的虚拟对象附近的伪像。彩虹伪像以不协调的图像破坏了AR场景的效果。
以下公开内容描述了用于通过使用多平面聚焦光学元件来创建3D感知的系统和方法的各种实施例，该多平面聚焦光学元件通过将外部覆盖透镜(“窗口”)包括在导光光学元件上来解决该问题。特别地，外部窗口具有梯度着色，以减少从用户上方进入导光光学元件的光(例如，日光、头顶光等)。例如，作为示例，梯度着色允许在透镜顶部的光透射率为5％，并逐渐允许向透镜底部的光透射率更高(例如，33％)。具有梯度着色的外部窗口是重要的组成部分，它通过减少进入AR系统的环境光量来改善虚拟内容的可靠性(solidity)，通过减少可能在AR系统内无意衍射以生成显示给用户的“彩虹”伪像的头顶光量来遮挡/减少彩虹伪像。梯度着色允许在遮挡明亮的头顶光以最大程度地减少出现在虚拟内容附近的彩虹伪像与允许通过AR系统允许用户仍然可以看到物理环境并与之交互的足够的环境光(例如，从现实世界对象反射回来)之间的照明来取得平衡。
由于无意地入耦合到导光光学元件中以及从导光光学元件中出耦合的环境光的减少而导致的感知虚拟内容可靠性的增加是可以类似于例如电影院的房屋照明和在电影院环境中的显示屏后面的光源。例如，随着电影院内部的房屋照明减少，显示在屏幕上的电影的图像质量看起来增强了。作为另一示例，如果不经意地将光源照射在显示屏后面，则在显示屏上显示的电影的图像质量可能看起来大大降低。图像质量的下降可能是由于屏幕后面的光源淹没了正在屏幕上显示的电影的图像。类似地，当用户佩戴增强现实显示系统时，就增强了向用户显示的虚拟对象而言，减少从头顶现实世界光源的照明类似于减少在剧院中的照明。此外，从剧院中的显示屏的后面发射的光源类似于被增强现实显示系统意外接收和显示的头顶光源。如果使头顶光最小化，则彩虹伪像的影响相应地减小，同时增强了向用户显示的虚拟对象的内容可靠性。
具有梯度着色的外部透镜减少了从用户上方进入导光光学元件的大部分光(例如，日光、头顶光等)，从而减少了无意的入耦合光的衍射，该无意的入耦合光在LOE内衍射并产生彩虹伪像。与透镜下部相比，梯度着色减少了透镜顶部更多的光，这是因为明亮的环境光通常来自通常位于增强现实系统的用户上方的光源。典型的头顶光源的示例包括日光、室内天花板灯、室外路灯等。换句话说，大多数用于照亮房间或物理环境的光源通常来自用户上方。这样，导光光学元件的外部窗口可以实质上减少来自用户上方的现实世界光，以最小化现实世界光无意地入耦到导光光学元件合以及与之相关联的彩虹伪像。同时，着色的梯度允许更多的光向中间部分(例如，视场)透射，并且在透镜的底部甚至更多的光透射，以允许来自物理环境的更多环境光进入增强现实系统，供用户与物理环境和由AR系统显示的虚拟对象进行交互。
本文公开的可控的梯度着色外部透镜允许AR系统响应外部光强度和方向的变化。当外部照明强度相对较高和/或外部光来自高角度(相对于与光轴平行)时，AR系统可以增加着色。对着色强度的控制允许AR系统减少意外入耦合的光和相应的伪像，同时对外部光透射的影响最小化以改善AR场景。
说明性增强现实系统
在描述导光光学元件的外部窗口的实施例的细节之前，本公开现在将提供说明性AR系统的简要描述。
实现AR系统的一种可能的方法是使用嵌入了深度平面信息的多个体积相位全息图、表面浮雕全息图或导光光学元件，以生成看起来源自相应的深度平面的图像。换句话说，衍射图案或衍射光学元件(“DOE”)可以嵌入导光光学元件(“LOE”；例如，平面波导)内或压印在导光光学元件(“LOE”；例如，平面波导)上，以使得例如准直光(具有大体上是平面波前的光束)沿着LOE基本上被全内反射，它在多个位置与衍射图案相交并朝向用户的眼睛出射。DOE被配置为使得从LOE穿过其中发射的光被趋向，以使其看起来源自特定的深度平面。准直光可以使用光学聚光透镜(“聚光器”)来生成。
例如，第一LOE可以被配置为将准直光传递到眼睛，该准直光看起来源自光学无限远深度平面(0屈光度)。另一个LOE可以被配置为传递看起来源自2米(1/2屈光度)距离的准直光。另一LOE可以被配置为传递看起来源自1米(1屈光度)距离的准直光。通过使用堆叠的LOE组件，可以理解的是，可以创建多个深度平面，其中每个LOE被配置为显示看起来源自特定深度平面的图像。应当理解，堆叠可以包括任何数量的LOE。但是，至少需要N个堆叠的LOE才能生成N个深度平面。此外，N、2N或3N个堆叠的LOE可以用于在N个深度平面处生成RGB彩色图像。
为了向用户呈现3D虚拟内容，增强现实(AR)系统将虚拟内容的图像投影到用户的眼睛中，以便它们看起来源自Z方向上的各个深度平面(即，垂直地远离用户的眼睛)。换句话说，虚拟内容不仅可以在X和Y方向上(即，在与用户眼睛的中心视轴正交的2D平面中)变化，而且还可以在Z方向上变化，以使用户可能会感觉到对象非常接近或处于无限远距离或两者之间的任何距离。在其他实施例中，用户可以在不同的深度平面上同时感知多个对象。例如，用户可能会看到一条虚拟的巨龙从无限处出现并向用户奔跑。或者，用户可以同时看到距离用户3米远的虚拟鸟和距用户臂长(大约1米)的虚拟咖啡杯。
多平面聚焦系统通过将图像投影在Z方向上距离用户的眼睛的相应的固定距离处的多个深度平面中的一些或全部上，来创建可变深度的感知。现在参考图4，应当理解，多平面聚焦系统通常在固定深度平面202(例如，图4所示的六个深度平面202)上显示帧。尽管AR系统可以包括任意数量的深度平面202，但是一个示例性的多平面聚焦系统在Z方向上具有六个固定的深度平面202。在六个深度平面202中的一个或多个上生成虚拟内容时，3D感知被创建，以使用户感知到距用户眼睛不同距离处的一个或多个虚拟对象。假设人眼对距离更近的对象比看起来较远的对象更敏感，则生成更靠近眼睛的深度平面202，如图4所示。在其他实施例中，深度平面202可以彼此等距放置。
深度平面位置202通常以屈光度来测量，其是光焦度的单位，其等于以米为单位测量的焦距的倒数。例如，在一个实施例中，深度平面1可以相距1/3屈光度，深度平面2可以相距0.3屈光度，深度平面3可以相距0.2屈光度，深度平面4可以相距0.15屈光度，深度平面5可以相距0.1屈光度，并且深度平面6可以表示无限远(即，相距0屈光度)。应当理解，其他实施例可以以其他距离/屈光度生成深度平面202。因此，在策略上放置的深度平面202处生成虚拟内容时，用户能够感知三维的虚拟对象。例如，当在深度平面1中显示时，用户可能会感知到第一虚拟对象正在靠近他，而另一个虚拟对象在深度平面6中出现在无限远处。可替代地，虚拟对象可以首先显示在深度平面6中，然后显示在深度平面5等等，直到虚拟对象看起来非常靠近用户为止。应当理解，出于说明目的，上述示例被显著简化。在另一个实施例中，所有六个深度平面可以集中在远离用户的特定焦距上。例如，如果要显示的虚拟内容是距用户半米的咖啡杯，则可以在咖啡杯的各种横截面处生成所有六个深度平面，从而为用户提供咖啡杯的高度颗粒化的3D视图。
在一个实施例中，AR系统可以用作多平面聚焦系统。换句话说，所有六个LOE可能会同时被照亮，从而使看起来源自六个固定深度平面的图像快速连续地生成，并且光源会快速将图像信息传递到LOE 1，然后LOE 2，然后LOE 3等。例如，可以在时间1注入包括光学无限远处的天空的图像的期望图像的一部分，并且可以利用保持光的准直的LOE 190(例如，图4的深度平面6)。然后，可以在时间2注入更近的树枝的图像，并且可以利用LOE 190，该LOE 190被配置为创建看起来源自10米远的深度平面(例如，图4中的深度平面5)的图像；然后可以在时间3注入笔的图像，并且可以利用LOE 190，该LOE 190被配置为创建看起来源自1米远的深度平面的图像。可以以快速的时间顺序(例如，以360Hz的频率)重复这种类型的范例，以便用户的眼睛和大脑(例如，视觉皮层)将输入感知为同一图像的所有部分。
AR系统需要投影看起来源自沿Z轴的各个位置(即，深度平面)的图像(即，通过发散或会聚光束)，以生成用于3D体验的图像。如在本申请中使用的，光束包括但不限于从光源辐射的光能(包括可见光和不可见光能)的定向投射。生成看起来源自各种深度平面的图像，符合用户的眼睛对该图像的聚散和调节，并最小化或消除聚散-调节冲突。
图1描绘了用于在单个深度平面上投影图像的基本光学系统100。系统100包括光源120和LOE 190，LOE 190具有衍射光学元件(未示出)和与其相关的入耦合光栅192(ICG)。衍射光学元件可以是任何类型，包括体积或表面浮雕。在一个实施例中，ICG 192是LOE 190的反射模式镀铝部分。在另一实施例中，ICG 192是LOE 190的透射衍射部分。当使用系统100时，来自光源120的光束通过ICG 192进入LOE 190，并通过基本上全内反射(“TIR”)沿LOE 190传播，以显示给用户的眼睛。应当理解，尽管在图1中仅示出了一个光束，但是多个光束可以从宽范围的角度通过同一ICG 192进入LOE 190。“进入”或被“允许”进入LOE的光束包括但不限于与LOE相互作用从而通过基本上TIR沿着LOE传播的光束。图1中描绘的系统100可以包括各种光源120(例如，LED、OLED、激光器和被掩蔽的广域/宽带发射器)。在其他实施例中，来自光源120的光可以经由光纤电缆(未示出)被传递到LOE 190。
图2描绘了另一个光学系统100'，其包括光源120、三个LOE 190和三个相应的入耦合光栅192。光学系统100'还包括三个分束器或二向色镜162(用于将光引导至相应的LOE)和三个LC快门164(以控制LOE何时被照亮)。当系统100'在使用中时，来自光源120的光束被三光束分束器162分成三个子光束/子光束。三个分束器还将子光束重定向到相应的入耦合光栅192。在子光束通过相应的入耦合光栅192进入LOE 190之后，子光束通过基本上TIR沿LOE 190传播，在其中它们与其他光学结构相互作用，从而向用户的眼睛显示。可以在光路的远侧上的入耦合光栅192的表面涂覆不透明材料(例如，铝)，以防止光穿过入耦合光栅192到达下一个LOE 190。在一个实施例中，分束器162可以与波长过滤器组合以产生红色、绿色和蓝色子光束。在这样的实施例中，需要三个LOE 190以在单个深度平面上显示彩色图像。在另一个实施例中，LOE 190每个可以呈现较大的单个深度平面图像区域的一部分，该较大的单个深度平面图像区域在用户的视场内横向地成角度地移位，或者是相同的颜色，或者是不同的颜色(“图块(tile)视场”)。
图3描绘了又一个光学系统100”，其具有六个分束器162、六个LC快门164和六个LOE 190，每个都具有相应的ICG 192。如上所述，在图2的讨论中，需要三个LOE 190以在单个深度平面上显示彩色图像。因此，该系统100”的六个LOE 190能够在两个深度平面上显示彩色图像。
图5描绘了具有ICG 192、正交光瞳扩展器194(“OPE”)和出射光瞳扩展器196(“EPE”)的LOE 190。
如图1至图4所示，随着生成的深度平面、场图块或颜色的数量增加(例如，随着AR场景质量的提高)，LOE 190和ICG 192的数量增加。例如，单个RGB颜色深度平面需要具有三个ICG 192的至少三个LOE 190。结果，在这些光学元件上意外入耦合现实世界光的机会也增加了。此外，现实世界光可以沿着LOE 190一直被入耦合，包括在出耦合光栅(未示出)处耦合。因此，产生可接受的AR场景所需的光学元件数量的增加加剧了来自入耦合现实世界光的彩虹伪像的问题。
光瞳扩展器
上面讨论的LOE 190可以另外用作出射光瞳扩展器196(“EPE”)，以增加光源120的数值孔径，从而提高系统100的分辨率。由于光源120产生小直径/斑点尺寸的光，所以EPE196扩大了从LOE 190射出的光的光瞳的表观(apparent)尺寸，以增加系统分辨率。在AR系统100的其他实施例中，该系统除了EPE 196之外还可以包括正交光瞳扩展器194(“OPE”)，以在X和Y方向上扩展光。在上面引用的美国实用新型专利申请序列号14/555,585和美国实用新型专利申请序列号14/726,424中描述了关于EPE 196和OPE 194的更多细节，其内容先前已通过引用结合到本文中。
图5描绘了具有ICG 192、OPE 194和EPE 196的LOE 190。图5从俯视图描绘了LOE190，该俯视图类似于用户眼睛的视图。ICG 192、OPE 194和EPE 196可以是任何类型的DOE，包括体积浮雕或表面浮雕。
ICG 192是DOE(例如，线性光栅)，其被配置为允许来自光源120的光通过TIR传播。在图5所示的实施例中，光源120设置在LOE 190的一侧。
OPE 194是在侧向平面(即，垂直于光路)中倾斜的DOE(例如，线性光栅)，使得传播通过系统100的光束将被横向地偏转90度。OPE 194也沿光路部分透明并且部分反射，从而光束部分地穿过OPE 194以形成多个(例如，11个)子光束。在一个实施例中，光路沿着X轴，并且OPE 194被配置为将子光束弯曲到Y轴。
EPE 196是在轴向平面(即，平行于光路或Y方向)上倾斜的DOE(例如，线性光栅)，使得传播通过系统100的子光束将被轴向地偏转90度。EPE 196也沿光路(Y轴)部分透明并且部分反射，使得子光束部分地穿过EPE 196以形成多个(例如，7个)子光束。EPE 196还沿Z方向倾斜，使传播的子光束的部分朝向用户的眼睛。
OPE 194和EPE 196沿Z轴也至少部分透明，以允许现实世界光(例如，被现实世界对象反射回来)穿过Z方向上的OPE 194和EPE 196到达用户眼睛。在一些实施例中，ICG 192沿着Z轴是至少部分透明的，也沿着Z轴是至少部分透明的，以允许现实世界光进入。但是，当ICG 192、OPE 194或EPE 196是LOE 190的透射衍射部分时，它们可能意外将现实世界光入耦合到LOE 190中。如上所述，这种意外入耦合的现实世界光可能会出耦合到用户的眼睛中，从而形成彩虹伪像。
彩虹伪像问题
图6是具有LOE 190的现有技术AR系统100的侧视示意图。LOE 190与图5所示的类似，但是图6仅示出了ICG 192和EPE 196，为清楚起见，图6中省略了OPE 194。示出了来自各种源的几个示例性光束以证明上述彩虹伪像问题。由光源120产生的虚拟光束302由ICG192入耦合到LOE 190中。虚拟光束302携带有由AR系统100生成的虚拟对象338(例如，虚拟机器人)的信息。
虚拟光束302通过TIR传播通过LOE 190，并在每次入射到EPE 196时部分地出射。在图6中，虚拟光束302入射在EPE 196上的两个位置。出射的虚拟光子光束302'以AR系统100确定的角度对准用户的眼睛304。图6中描绘的虚拟光子光束302'基本上彼此平行。因此，虚拟光子光束302'将渲染看起来起源于接近无限远的图像(例如，虚拟机器人的虚拟对象338)。虚拟光子光束302'可以以相对于彼此的宽角度范围对准用户的眼睛304，以渲染看起来源自距用户眼睛的较大距离范围的图像。
LOE 190对于现实世界光束306也是透明的，例如被现实世界对象308(例如，远处的树)反射回来的光束。因为图6中描绘的树308远离用户的眼睛304，所以现实世界光束302基本上彼此平行。现实世界光束306穿过LOE 190，因为LOE 190对光是透明的。距离用户的眼睛302更近的现实世界对象308将彼此发散，但仍会基本上穿过LOE 190。
问题在于，该现有技术的LOE 190还从用户上方入耦合(通过折射)头顶现实世界光束312a(例如，头顶光源，诸如日光、吸顶灯、路灯等)，该现实世界光束312a在LOE 190的顶部处寻址LOE 190。LOE 190的顶部对应于世界侧的顶部，例如当头戴式耳机按设计佩戴并且用户站立或坐直时的头戴式耳机的顶部。例如，图6所示的用户上方的头顶现实世界光源314(例如，太阳)位于相对于LOE 190的头顶位置。虽然太阳314被描述为在LOE 190的右侧，太阳314可以并且通常位于LOE 190上方的天空中较高处。由于来自太阳的日光通常位于用户上方，因此，日光将从世界侧的顶部进入头戴式耳机，而来自用户物理环境中的物理对象大部分光束更多地在头戴式耳机的视场部分(假设用户正在看物理对象)进入头戴式耳机，而不是头顶光源正穿过的头戴式耳机的世界侧的顶部。
太阳314是头顶现实世界光源314，由于它也是明亮的，因此可以产生彩虹伪像316a。可以产生彩虹伪像316a的其他对象314包括碰巧从用户上方入射在LOE 190上的头顶光源(例如，天花板灯、路灯等)。头顶现实世界光源的亮度可能会导致LOE 190内发生衍射，从而在由光源302生成的虚拟对象338附近生成彩虹伪像。衍射是光波分解成暗带和亮带或分解成频谱颜色的过程。以下是衍射的一个示例：光穿过百叶窗(blind)的狭窄开口，导致明亮和暗的阴影和图案落在地板上。
如图6所示，头顶现实世界光束312a可以在LOE 190的外表面310处被入耦合到LOE190中。由于制造LOE 190的材料的折射率，入耦合的头顶现实世界光束312a'改变了头顶现实世界光束312a的轨迹。最终，当入耦合的头顶现实世界光束312a'撞击在EPE 196上时，其以进一步改变的轨迹作为出射的头顶现实世界光束312a”离开LOE 190。如图6中所示，出射的头顶现实世界光束312a”在虚拟对象338附近的视场中渲染彩虹图像/伪像316a。在图6中，彩虹图像/伪像316a看起来源自虚拟对象338附近的位置。虚拟对象338与意外彩虹图像/伪像316a的并置可以破坏AR场景的预期效果。
因为AR系统100需要对现实世界光束306一定程度的透明度，所以它们的LOE 190出现了意外地入耦合头顶现实世界光束312a，以及当入耦合的头顶现实世界光束312a”离开LOE 190时所产生的彩虹伪像的问题。尽管在图6中描绘了单个光束和子光束，但是应当理解，这是为了清楚起见。图6中描绘的每个单个光束或子光束表示携带相关信息并且具有相似轨迹的多个光束或子光束。尽管此处描述的实施例是关于减少彩虹伪像的，但是这些实施例还可以减少由于外部光的无意入耦合而导致的其他光学伪像。
对导光光学元件的外部覆盖透镜
图7是根据本公开的一些实施例的在增强现实系统的导光光学元件附近和外部设置的透镜的边缘示意图。LOE 190具有ICG 192、OPE(未示出)、EPE 196和透镜350。透镜350被设置在LOE 190的表面310附近并在其外部。透镜350可被配置为包括着色以经由着色吸收现实世界光，从而减少了透射通过着色透镜以透射通过照明导光光学元件(例如，LOE190)的现实世界光的量。着色透镜也可以配置为梯度着色透镜，以在透镜的世界侧顶部吸收更多的现实世界光(例如，减少更多的光/透射更少的光)，以最大程度地减少明亮的头顶光源所产生的“彩虹”伪像并在透镜的世界侧底部吸收较少的现实世界光(例如，减少较少的光/透射更多的光)以允许足够的光透射通过LOE 190。透射通过梯度透镜的现实世界光的量可以表示为透射平均值(“Tavg”)，使得透射通过透镜的光的5％表示为Tavg＝5％，透射通过透镜的光的33％表示为Tavg＝33％。
例如，在图7中，太阳314在增强现实系统的用户头顶/上方。现实世界头顶光源314(例如，太阳)发射头顶的现实世界光束312b。当头顶的现实世界光束在梯度着色透镜的顶部(例如，如图7的右侧所示)进入透镜350时，大部分头顶现实世界光束312b被吸收在透镜350的着色内，使得减少的现实世界光束312b'(如虚线所示)透射通过透镜350以透射通过透明LOE 190。例如，如果透镜350的顶部具有梯度着色在具有5％的Tavg的情况下，则仅5％的头顶的现实世界光束312b(例如，减少的现实世界光束312b')透射通过透镜350以透射通过LOE 190。
当减少的现实世界光束312b'离开LOE 190时，减少的现实世界光束312b'仍然可以被LOE 190内的元件衍射，使得衍射的光束312b”可以进入用户的眼睛304，从而减少了AR系统的用户感知到的虹彩伪像316b。注意，图6中的彩虹伪像316a看起来比图7中的减少的彩虹伪像316b明显更亮，因为在图6中，头顶现实世界光束312a以其全部强度进入LOE 190(例如，没有如图7所示的具有吸收一部分光312b的梯度着色的透镜350，或者用于吸收头顶光的任何部分的任何着色的透镜350)。在全强度下，光束312a”到眼睛的衍射要强烈得多和明亮得多，因此提供了比图7中的减少的彩虹伪像316b更被用户感知为更亮的彩虹效应的彩虹伪像316a，图7与图6相比使彩虹效应最小化。由于减少的现实世界光束312b'的强度小于现实世界光束312a'的强度，所以减少的现实世界光束312b'的强度和亮度产生亮度较低且强度较小的彩虹伪像316b。
如上所述，在应允许多少光通过透镜350来保持以足够照明用户的物理环境所显示的虚拟内容的增强现实感与应有多少光被透镜350阻挡以最小化彩虹伪像之间存在平衡。
图8是根据本公开的一些实施例的AR系统的梯度着色透镜的前视图。注意，图8中描绘的虚线仅示出了跨过透镜的y轴的具有均匀/固定的着色度的假想线。透镜350具有可变的着色，使得着色的变化是几何形状的函数。相对于透镜350的y轴，任何给定位置的着色度都是固定的。着色的透射百分比(例如，Tavg)可以通过以下来确定：平衡用户对虚拟内容的不透明度的感知(例如，不透明度随着更少外部光透射而改善)，减少的彩虹伪影(例如，随着更少外部光透射而改善)，以及允许为用户提供足够的外部光透射使其能够清楚地看到现实世界/与现实世界交互(随着更多外部光线透射而改善)。在EPE的各个点上测得的透射率(例如，Tavg)如图8所示，并且在各个点上定义了规格(specs)。在一些实施例中，“最佳点”透射百分比梯度(例如，图8中所示)以可接受的不透明度提供基本上无彩虹的内容，同时允许用户看到足够的世界光以与用户通过现实世界的AR系统看到的物理对象进行交互。
如上所述，梯度着色控制(a)通过透镜组件的彩虹伪像的环境光效果，以及(b)淹没或增强虚拟内容感知的亮度。透镜350相对于透镜的y轴具有各种Tavg值。如图8所示，在一些实施例中，梯度着色透镜可包括透镜的顶部边缘810，其中，在顶部边缘810处的着色可具有例如5％的Tavg。例如，在相对于透镜的y轴的位置820处，着色可以具有18％的Tavg。透镜350的具有梯度着色的区域(例如，在顶部边缘810和位置820之间)在本公开中在本文中可以被称为梯度着色透镜的顶部。
例如，在相对于透镜的y轴的位置830处，着色可以具有28％的Tavg，其吸收进入位置830和位置840(33％的Tavg)处的更少的光。如图8所示，梯度着色可以在位置840处以33％的Tavg结束，使得在本公开中，在位置840到透镜的底部边缘850之间的透镜350的区域在本文中可以被称为梯度着色透镜的底部。在其他实施例中，基于附加的优化测试，Tavg和不同位置(例如，820、830和840)可以不同。
梯度是中性密度，使得每个波长的光被均等地吸收，从而使得透射穿过窗口的外部光在温度和色调方面对用户而言是中性的；梯度是真正的灰度。在一些实施例中，Tavg以线性方式逐渐增加，从在顶部边缘810处的Tavg为5％到在透镜350的位置840处的Tavg为33％。本领域普通技术人员可以理解在本公开中公开的透镜的各个y轴处的Tavgs的实际值仅是示例性配置，以在控制彩虹伪像的环境光效果和淹没虚拟内容的感知的亮度之间取得平衡。
再次参考图7，在一些实施例中，增强现实系统还可以包括选择性反射涂层320(例如，转向器(diverter))，以反射无意中被入耦合到LOE190的头顶光源。选择性反射涂层可以是角度选择性的，使得被涂覆的光学元件对于具有低入射角(“AOI”；例如，与光学元件的表面成近90度)的现实世界光基本上是透明的。同时，涂层使被涂覆的光学元件对具有高AOI(例如，几乎平行于光学元件的表面；大约170度)的倾斜的现实世界光具有高反射性。
梯度着色透镜和选择性反射涂层320两者的组合可以极大地减少由于例如头顶照明(诸如日光和/或天花板照明等)导致的彩虹伪像。因为日光和/或天花板光可以以相对较高的AOI入射到反射涂层320上，光束312b可以如反射光束313所示进行反射，从而进一步减少了进入LOE 190的头顶光的量。选择性反射涂层320可以被配置为设置在LOE 190的外部表面310上。选择性反射涂层320可以被配置为反射具有各种特性的光，这取决于涂层320如何被“调整(tune)”。在一个实施例中，涂层被调整以选择性地反射以相对高的AOI入射在涂层320上的光，同时允许以相对低的AOI入射在涂层320上的光穿过涂层。涂层320还被调整以允许相对低的AOI光从中通过而不会明显改变其轨迹角。在上面引用的美国实用新型专利申请序列号15/479,700中描述了关于涂层320(例如，转向器)的更多细节，其内容先前已通过引用结合到本文中。
替代地或附加地，诸如美国实用新型专利申请序列号15/479,700中所描述的那样的反射涂层320(例如，转向器)可以被结合到透镜350的涂层中以反射头顶光并由此进一步减少了可以透射通过透镜350以透射通过LOE 190的头顶光的量。
尽管在图6和图7中描绘了单个光束和子光束，但是应当理解，这是为了清楚起见。图6和图7中描绘的每个单个光束或子光束表示携带相关信息并且具有相似轨迹的多个光束或子光束。
虽然具有梯度着色的透镜350可以通过减少现实世界头顶光来减小视场，但是减少或最小化彩虹伪像的好处可能超过减少用户视场照明的成本。此外，可以调整透镜350的梯度着色以减少彩虹伪像，同时保持可接受的视场。实际上，如上所述，减少头顶光改善了显示在视场内的虚拟对象的内容可靠性。
虽然本文描述的实施例包括梯度着色透镜，但是本领域普通技术人员可以理解，梯度着色透镜可以包括具有施加到透镜350的表面上的梯度着色涂层的透镜350。在一些实施例中，可以将光学涂层施加到透镜的表面，该光学涂层可以包括梯度着色涂层、抗反射涂层、硬涂层、镜面涂层、防污涂层和/或定向标记。定向标记提供了在组装期间对齐梯度的标记。在一些实施例中，梯度着色透镜是椭圆形的，不是圆形的。本领域普通技术人员可以理解，梯度着色透镜的形状可以是椭圆形或圆形以外的其他形状，并且透镜的形状可以是解决某些问题的用例的函数。定向标记在下面进一步公开。
在一些实施例中，梯度着色可以是附接至保护透镜的梯度膜。在一些实施例中，可以将梯度着色直接制造到透镜本身中。在一些实施例中，可以将梯度着色涂覆在LOE 190的表面310上，使得外部透镜可以不用作光吸收结构，而是用作保护结构。
在一些实施例中，可以通过吸收一些外部光(梯度着色)和反射一些外部光(例如，诸如反射和/或镜面涂层的转向器)的组合来完成阻挡外部头顶光的透射。
在一些实施例中，透镜材料可以是例如Trivex材料，其厚度为大约1mm，这可以(a)承受下降规范；(b)施加于透射穿过外部窗口的外部光的最小畸变/光焦度(理想为零)；(c)折射率＝1.58，与波导玻璃的折射率大致相同。在其他实施例中，透镜材料可以是例如聚碳酸酯。在其他实施例中，透镜材料例如可以是塑料和/或玻璃。
在一些实施例中，相对于眼箱而不是EPE 196对透镜350进行地理调制。眼箱可以是提供以特定方式观看或观察的手段的眼箱。眼箱可以是一定体积的空间，在其中可以通过透镜系统或视觉显示器(例如，增强现实系统)形成有效可观看的图像，代表出射光瞳尺寸和良视距(eye relief distance)的组合。
图9示出了根据本公开的一些实施例的围绕增强现实系统的透镜350的边缘的平坦外围表面的多个视图。透镜350可包括面向外的表面910、面向内的表面920，具有平坦表面宽度950的第一平坦外围表面930、以及具有平坦表面高度960的第二平坦外围表面940。第一平坦外围表面930第二平坦外围表面940被配置为围绕梯度透镜的边缘，以允许与底座、眼镜框架和/或AR头戴式耳机进行接口和/或密封，以下全部称为“底座”。
传统的透镜设计通常包括透镜的弯曲或圆形的外围表面以促进简单的卡扣(snap-on)/脱扣(snap-off)配置以及将透镜组装到其相应的底座。然而，本公开包括围绕透镜350的边缘的平坦的外围表面930和940，以促进与底座的接合和/或密封。例如，一些实施例可以依赖于透镜的平坦的外围表面，因为透镜350是保护性覆盖透镜，其设置在导光光学元件的表面附近并在导光光学元件的表面外部，以保护导光光学元件免于与用户物理环境中的外部对象的物理接触。具有与用户的物理环境中的外部对象接触时可能从底座弹出的圆形边缘透镜可能无法达到保护导光光学元件的目的。因此，在一些实施例中，透镜350可以包括平坦的外围表面，以允许与底座的接合/密封。
平坦表面宽度950和平坦表面高度960的测量可以取决于用于附接的底座的平坦表面区域。在一些实施例中，底座的平坦表面区域可以取决于平坦表面的宽度950和平坦表面高度960，因为平坦外围表面(例如，950和960)的测量可以取决于透镜350的厚度、透镜350的曲率或其组合。
在一些实施例中，透镜350的形状可以包括围绕边缘的平坦部分，在将外部窗口(例如，透镜350)组装到镁制底座/框架期间，在该平坦部分上施加粘合剂。太阳镜透镜通常包括倒角的斜面，该倒角的斜面允许透镜卡入底座/框架中，其中底座/框架可以具有一定的弹性。然而，在包括镁制底座//框架的一些实施例中，没有这样的弹性。因此，必须将透镜粘上。
在一些实施例中，透镜350可以包括至少一个或多个涂层，例如梯度着色涂层、硬涂层、镜面涂层、防污涂层和/或防反射涂层。透镜350可以具有1.20+/-.2mm的中心厚度。透镜350可具有86.8+/-.9mm的曲率半径。
图10是根据本公开的一些实施例的增强现实系统的透镜350的正视图。外部透镜/窗口(例如，透镜350)的尺寸和形状(例如，椭圆形、圆形、正方形等)可能不均匀。透镜350具有梯度着色并且不是正圆。在组装期间可以使用对准/定向标记1010，以确保透镜在其底座中正确定向。如图10所示，可以将定向标记放置在相对于透镜350的东、北和西位置。在传统的实施例中，在透镜组装到其底座被完成之后，将用于对准标记1010的墨水(ink)擦掉，以使得用户看不到定向标记。因为对准/定向标记1010被去除，所以例如一旦从底座上去除对准/定向标记1010以用于AR系统的维护就不能将外部窗口(例如，透镜350)重新附接到其底座。
在一些实施例中，可以将特殊类型的墨水用作对准/定向标记1010。在工厂或维修设施中的某些种类的光下可以看到该特殊类型的墨水。但是，在常规使用AR系统期间，用户不会看到这种特殊类型的墨水。在将透镜初始组装到眼镜框架之后，可以将特殊类型的墨水留在外部透镜上，以便在完成对透镜或眼镜框架的维护工作后可以重新使用和重新组装透镜。在一些实施例中，特殊类型的墨水可以是红外(IR)墨水或紫外(UV)荧光墨水。在一些实施例中，标记材料和/或标记过程可以例如通过
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开发。
可控制的外部覆盖透镜系统
图11示出了根据本公开的一些实施例的可控调光组件，其可形成系统(例如，增强现实系统)的外部覆盖透镜的全部或一部分。更具体地，图11描绘了可控调光组件，其包括夹在外部电极1106A和内部电极1106B之间的液晶层1108，该液晶层1108又被夹在外部偏振器1102A和内部偏振器1102B之间。在一些示例中，可控调光组件可以进一步包括位于外部偏振器1102A与外部电极1106A之间的外部补偿膜层1104A(或波片)、位于内部偏振器1102B与内部电极1106B之间的内部补偿膜层1104B(或波片)、或两者。
在操作中，外部偏振器1102A可以施加第一偏振态(例如，垂直偏振)给通过其朝向用户的眼睛传播的环境光。接下来，包含在液晶层1108中的液晶分子可以根据施加在外部电极1106A和内部电极1106B之间的一个或多个电场来进一步旋转/偏振被偏振的环境光。因此，由一对电极1106A、1106B和液晶层1108施加的偏振旋转可以用来有效地改变穿过其中的环境光的偏振态。在一些示例中，可以通过外部和/或内部补偿膜层1104A、1104B来施加延迟和/或附加的偏振旋转。最后，内部偏振器1102B可以施加不同的第二偏振态(例如，水平偏振)给通过其朝向用户的眼睛传播的环境光。第二偏振态可以被配置为与通过外部偏振器1102A、液晶层1108、以及可选的外部补偿膜层1104A和/或内部补偿膜层1104B的组合效应施加在环境光上的累积偏振态几乎正交。因此，内部偏振器1102B可以使处于第二偏振态的环境光的一部分不受影响地穿过其中，并且可以使处于不同于第二偏振态的偏振态的环境光的一部分衰减。
在一些实施方案中，图11的可控调光组件可被配置为以类似于透镜350的方式(见图7)产生梯度或以其他方式非均匀着色/调光图案以衰减入射在其上的环境光。图11的可控调光组件可以被配置为在外部电极1106A和内部电极1106B上施加一个或多个电场/电压时产生梯度。这种图案的示例在图12A-12D中示出。另外，图11的可控调光组件所属的系统可以基于多种不同因素中的任一种，随着时间的流逝而对这种空间变化的调光图案的总体不透明度进行调整。在一些示例中，可控调光组件可以被配置为通过其至少一个部件(例如，外部偏振器1102A、内部偏振器1102B、外部补偿膜层1104A、内部补偿膜层1104B、外部电极1106A、内部电极1106B，电耦接到外部电极1106A和/或内部电极1106B的电路、与液晶层1108、外部电极1106A和/或内部电极1106B相邻设置的基板材料等)根据梯度着色/调光图案来衰减穿过其中的环境光，至少一个部件被配置为施加偏振态，该偏振态基于环境光入射到这种部件的位置和/或角度而变化。
如下面进一步详细描述的，外部偏振器1102A和内部偏振器1102B之一或两者可以被配置为以空间变化或其他方式非均匀方式偏振穿过其中的环境光。例如，外部偏振器1102A可以被配置为向入射到其一个部(portion)/部分(section)上的环境光施加特定的偏振态，而向入射到其其他部分/部的环境光施加其他不同的偏振态。
另外，在其中可控调光组件包括至少一个补偿膜层(例如，外部补偿膜层1104A和内部补偿膜层1104B之一或两者)的一些实施方式中，这样的补偿膜层1104A、1104B可以被配置为以根据环境光入射补偿膜层1104A、1104B的位置和/或角度而变化的方式使穿过其中的环境光偏振/旋转/延迟。在一些实施方式中，补偿膜层1104A、1104B可以被配置为以与涂层320类似的方式与入射在其上的光相互作用，如上面参考图7所描述的以及在美国实用新型专利申请序列号中15/479,700更详细地描述的那样，其全部内容通过引用合并于此。例如，外部补偿膜层1104A可以被配置为使入射到其一部分/部的环境光偏振/旋转/延迟特定量，但是使入射到其另一部分/部的环境光偏振/旋转/延迟其他不同量。在另一个示例中，外部补偿膜层1104A可以被配置为使以特定角度入射到其表面的环境光偏振/旋转/延迟特定量，但是使以其他角度入射到其所述表面的环境光偏振/旋转/延迟其他不同量。
此外，在一些示例中，外部电极1106A和内部电极1106B中的一个或多个可以配置为在其之间产生空间变化或其他非均匀电场，这反过来又可能在液晶层1108中产生液晶相不均匀，使得液晶层1108以所述空间变化或其他非均匀方式偏振/旋转/延迟穿过其中的环境光。例如，外部电极1106A可以被配置为在其一端产生相对强的电场，但是在其另一不同端产生相对弱的电场。一端和另一端可以沿着外部电极1106A上的方向是相对的端部。该方向可以对应于从液晶层1108的底部到顶部。在各个实施例中，液晶层1108可以采用液晶技术，例如染料掺杂或宾主液晶、扭曲向列(TN)或垂直对准(VA)液晶或铁电液晶。在一些实施方案中，液晶层1108可采用电控制双折射(ECB)技术，例如ECB单元。
非常类似于上面参考图8-10所述的外部覆盖透镜，在一些实施方式中，图11的可控调光组件的几何形状可以具有一个或多个圆形或弯曲的边缘和/或表面的特征。在一些实施例中，图11的可控调光组件的几何形状可被成形为遵循可控调光组件被物理地耦合到的框架的轮廓。在这些实施例中的一些实施例中，框架可以被配置为佩戴在用户的头部周围。这样，在一些实施例中，一对可控调光组件可以被物理地耦合到框架，两个可控调光组件分别以与一对目镜相似的方式位于用户的两只眼睛前面/与用户的两只眼睛对齐。在其他实施例中，单个相对较宽的可控调光组件可以被物理地耦合到框架，使得当用户佩戴框架时，可控调光组件以类似于遮阳板、面罩或护罩的方式位于用户两只眼睛的前面。
图12A至图12D示出了根据本公开的一些实施例的示例性调光图案。图12A示出了径向梯度调光图案G1，其中，不透明度/透明度根据距相应点P1的欧几里得距离而变化。更具体地，径向梯度调光图案G1在点P1处显示出很少或没有不透明，或者随着距点P1的欧几里德距离的增加而显示出增加量的不透明度。如图12A中所示，点P1可以表示径向梯度调光图案G1中的点，在该点处显示出全局最小不透明度水平。并且，由此得出，径向梯度调光图案G1中距点P1最远的点可以表示调光图案G1中显示出全局最大不透明度水平的点。图12B示出了径向梯度调光图案G2，其中不透明度/透明度根据距相应点P2的欧几里得距离而变化。如图12B所示，径向梯度调光图案G2在点P2处显示出高的不透明度水平，并且随着距点P2的欧几里德距离的增加而显示出减少量的不透明度。如图12B所示，点P2可以表示径向梯度调光图案G2中的点，该点显示全局最大的不透明度水平，而径向梯度调光图案G2中距离点P2最远的点可以表示调光图案G2中的点，在该点处显示出全局最小的不透明度水平。图12C示出了线性梯度调光图案G3，其中，不透明度/透明度以与透镜350的梯度着色图案相似的方式从一端到另一端线性地变化。非常类似于调光图案G1和G2，在线性梯度调光图案G3的一端处的一组一个或多个点可以表示在调光图案G3中显示出全局最小的不透明度水平的点，而在线性梯度调光图案G3的另一端处的一组一个或多个点可以表示点在调光图案G3中显示出全局最大的不透明度水平的点。图12D示出了径向梯度调光图案G4，其中，不透明度/透明度根据距其中心的欧几里得距离而变化。如图12D中所示，径向梯度调光图案G4在其中心处显示出很少或没有不透明度，并且随着距中心的欧几里德距离的增加显示出增加量的不透明度。类似于调光图案G1-G3，径向梯度调光图案G4的中心处的一组一个或多个点可以表示调光图案G4中显示出全局最小的不透明度水平的点，而沿调光图案G4的外周的多个点可以表示调光图案G4中显示出全局最大的不透明度水平的点。
在一些实施方案中，随着相对于给定调光图案中显示出全局最小或最大的不透明度水平的一组一个或多个点的位置的不透明度的变化可以是线性、指数、对数或者本质上是多项式。此外，在一些示例中，与给定调光图案相关联的所有梯度矢量可以具有相同的大小和方向。在一些实施例中，例如其中采用了径向梯度调光图案的那些实施例，与给定的调光图案相关联的梯度矢量可能不都具有相同的方向。在一些实施方式中，图11的可控调光组件所属的系统可以随时间通过对全局最小和最大的不透明度水平之一或两者进行调整来调整调光图案的全局不透明度水平。如上所述，在一些示例中，可以基于多种不同因素中的任何一种来对全局不透明度水平进行调整，其中一些因素在下面进一步详细描述。
图13A至图13D示出了根据本公开的一些实施方式的被配置为产生调光图案的示例性偏振器。在一些实施方式中，图13A至图13D的一个或多个示例性偏振器可以以类似于以上参考图11所述的外部偏振器1102A和/或内部偏振器1102B的方式以可控调光组件来实现。在一些示例中，图13A-13D所示的每个示例性偏振器可包括一个或多个线性线栅偏振器部件。替代地或附加地，在一些实施方式中，图13A-13D所示的每个示例性偏振器可以包括多个薄膜微偏振器部件。此外，图13A-13D所示的每个示例性偏振器可包括多个不同的偏振器区域/部分R1-R4，每个偏振器区域/部分被配置为向通过其传播的环境光施加不同的偏振态。例如，传播通过可控调光系统的给定示例性偏振器的不同偏振器区域/部分R1的环境光可以随后经受几乎没有衰减的影响，而传播通过这样示例性偏振器的不同偏振器区域/部分R4的环境光随后可以经受相对大量的衰减(例如，10度或45度)。在该示例中，穿过不同偏振器区域/部分R2的环境光可以被衰减的程度大于穿过不同偏振器区域/部分R1的环境光的衰减程度并且小于穿过不同偏振器区域/部分R4的环境光的衰减程度。因此，在该示例中，穿过不同偏振器区域/部分R3的环境光的衰减程度大于穿过不同偏振器区域/部分R2的环境光的衰减程度，并且小于穿过不同偏振器区域/部分R4的环境光的衰减程度。
图13A示出了可控调光系统的示例性偏振器1102-G1，其被配置为以使可控调光组件根据图12A的径向梯度调光图案G1衰减环境光的方式来偏振穿过其的环境光。图13B示出了可控调光系统的示例性偏振器1102-G2，其被配置为以使可控调光组件根据图12B的径向梯度调光图案G2衰减环境光的方式来偏振穿过其的环境光。图13C示出了可控调光系统的示例性偏振器1102-G3，其被配置为以使可控调光组件根据图12C的线性梯度调光图案G3衰减环境光的方式来偏振穿过其的环境光。图13D示出了可控调光系统的示例性偏振器1102-G4，其被配置为以使可控调光组件根据图12D的径向梯度调光图案G4来衰减环境光的方式偏振穿过其的环境光。
如上所述，在一些实施例中，可控调光组件可以包括至少一个补偿膜层(例如，外部补偿膜层1104A和内部补偿膜层1104B之一或两者)，其被配置为以基于环境光入射到其上的角度而变化的方式与穿过其中的环境光相互作用。可以用作或包括为至少一个补偿膜层的一部分的组件的示例包括一个或多个涂层(例如上述的涂层320)，和/或一个或多个延迟膜或可被配置为以与上述涂层320类似的方式与入射在其上的光相互作用的其他光学补偿膜，例如单轴延迟膜(例如，聚碳酸酯树脂膜，例如
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等)、双轴延迟膜(例如，三乙酰纤维素(“TAC”)膜、环烯烃聚合物(“COP”)膜等)、以及液晶膜(例如，宽视角(“WV”)膜、扭曲向列膜、混合向列膜、垂直膜等)等等。在其中至少一个补偿膜包括一个或多个延迟膜或其他光学补偿膜的实施方式中，可以使用多种技术中的任何一种(例如，定向的“拉伸”和/或“摩擦”处理等)来调整或以其他方式制造这样的膜，以使得可控调光系统被配置为衰减相对大量的具有较高AOI的倾斜环境光，并衰减相对少量的具有较低AOI的环境光。在美国实用新型专利申请序列号15/479,700中提供了在实现上述至少一个补偿膜层中可以利用的材料、构造、技术和操作原理的其他示例，其全部内容通过引用合并于此。
如上所述，在一些实施例中，可控调光组件可以包括至少一个补偿膜层(例如，外部补偿膜层1104A和内部补偿膜层1104B之一或两者)，其被配置为以基于环境光入射到其上的位置而变化的方式与穿过其中的环境光相互作用。在这样的实施例中可以用作或被包括为至少一个补偿膜层的一部分的组件的示例可以包括延迟器和波片，这些延迟器和波片在空间上变化或以与在此参考图13A-13D描述的一个或多个示例性偏振器相似的方式被图案化。换句话说，这样的部件可以包括不同的部分/区域，每个部分/区域被配置为以不同的方式延迟或旋转穿过其中的光。例如，这样的部件可以被配置为使入射到其上部/部分(类似于图13A-13D中的部分/区域R4)的环境光延迟或旋转特定量，但是使入射到其其它下部/部分(类似于图13A-13D中的部分/区域R1、R2和R3中的一个或多个)的环境光偏振/旋转/延迟其它较少量。在一些实施方式中，这样的部件可以包括使用多种技术中的任何一种来调整或以其他方式制造的一个或多个液晶层，诸如在美国实用新型专利申请序列号15/815,449和/或美国实用新型专利申请序列号15/795,067中描述的那些中的一种或多种，通过引用将其全部内容并入本文。
图14A至图14C示出了根据本公开的一些实施例的被配置为产生调光图案的示例性电极组件。在一些实施方式中，图14A至图14C的示例性电极组件中的一个或多个可以以类似于以上参考图11描述的外部电极1106A和/或内部电极1106B的方式在可控调光组件中实现。更具体地，图14A至图14C示出了示例性电极组件，每个电极组件各自包括嵌入在衬底材料1107中和/或设置在衬底材料1107上的至少一个电极部件1106。在一些示例中，在图14A-14C的示例性电极组件中的一个或多个示例性电极组件中示出的至少一个电极部件1106可以是透明导电膜，例如铟锡氧化物(“ITO”)膜。每个示例性电极组件可以以类似于上面参考图11描述的内部电极1106A或外部电极1106B的方式在可控调光组件中实现。这样，每个示例性电极组件可以平行于另一个电极定位，而电极部件1106不一定与另一电极平行。在一些示例中，这样的另一电极组件可以包括ITO或其他透明导电膜的单个平面层。可以在每对电极组件之间设置与以上参考图11所述的液晶层1108相似的液晶分子层。
图14A示出了包括倾斜的平面电极部件1106的示例性电极组件。例如，图14A的示例性电极组件可以在与另一电极组件平行的可控调光组件中实现，该另一电极组件包括ITO的单个平面层。也就是说，衬底材料1107的表面可以平行于另一电极组件中的ITO的单个平面层的表面来定位。这样，图14A的示例性电极组件的电极部件1106的表面可以倾斜或以其他方式不平行于另一电极组件中的ITO的单个平面层的表面，而示例性电极组件和其他电极组件可以平行堆叠(例如，在液晶层的任一侧上)。这样，图14A的示例性电极组件的电极部件1106的表面与另一电极组件中的ITO的单个平面层的表面之间的距离可能是非均匀。以此方式，在操作中，在图14A的示例性电极组件与另一电极组件之间会产生非均匀电场。非均匀电场可导致液晶层的不均匀偏振，这又可导致穿过其中的光的不均匀或梯度衰减。因为图14A中的电极组件的电极部件1106的表面与另一个电极组件之间的距离从电极组件的底部到顶部增加，所以电场和所产生的偏振在电极组件的顶部都更强，并且与底部相比，在液晶层顶部的光衰减更大。
图14B示出了示例性电极组件，其包括多个平面电极部件/分段1106，每个平面电极部件/分段1106距其平面表面的距离不同。图14B的示例性电极组件可以例如在与另一电极组件平行的可控调光组件中实现，该另一电极组件包括ITO的单个平面层。与图14A的示例性电极组件非常相似，图14B的示例性电极组件中的衬底材料1107的表面可以平行于另一电极组件中的ITO的单个平面层的表面来定位。由于平面电极部件/分段1106彼此之间的相对位置，因此图14B的电极组件中的每个平面电极部件/分段1106的表面与另一个电极组件中的ITO的单个平面层的表面之间的距离有所不同。即，从电极组件的底部到顶部的距离增加。这样，在操作中，可能在图14B的示例性电极组件与另一电极组件之间产生不均匀(即，从底部到顶部增加)的电场。如上所述，与底部相比，增加的电场在液晶层的顶部导致更大的光衰减。
图14C示出了包括电极部件1106的示例性电极组件，该电极部件1106具有(1)远离或不平行于衬底材料1107的表面倾斜的表面，以及(2)从电极组件的底部到顶部减小的厚度。例如，图14C的示例性电极组件可以在与另一电极组件平行的可控调光组件中实现，该另一电极组件包括ITO的单个平面层。非常类似于图14A和14B的示例性电极组件，图14C的示例性电极组件中的衬底材料1107的表面可以平行于另一电极组件中的ITO的单个平面层的表面来定位。图14C的电极组件中的电极部件1106的一个表面与另一电极组件中的ITO的单个平面层的表面之间的距离是变化的。即，从电极组件的底部到顶部的距离增加。另外，电极部件1106的厚度从电极组件的底部到顶部减小。由于给定电导体的电阻与导体的截面积成反比，因此，由于电极部件1106的厚度的变化，电极部件1106的电阻可能会从电极组件的底部到顶部发生变化。在操作中，图14C所示的电极部件1106的这种特征在图14C的示例性电极组件与其他电极组件之间产生不均匀(即，从底部到顶部增加)的电场。如上所述，与底部相比，增加的电场在液晶层的顶部导致更大的光衰减。
图15示出了根据本公开的一些实施例的示例性电极组件，其包括非均匀、多截面的、平面的第一电极1106A和均匀的平面的第二电极1106B。在一些实施方式中，图15的示例性电极组件可以以类似于上面参考图11所述的外部电极1106A和内部电极1106B的方式在可控调光组件中实现。均匀的平面的第二电极1106B可以包括ITO的单个平面层。第一电极1106A和第二电极1106B可以彼此平行并且设置在液晶层的任一侧上。第一电极1106A可以包括在第一电极1106A的表面上彼此相邻设置的三个部分/部1116、1117、1118。第一部分1116设置在第一电极1106A的顶部，第三部分1118设置在第一电极1106A的底部，第二部分1117设置在第一部分1116和第三部分1118之间。第一部分1116和第三部分1118可以由导电性相对较高的透明材料(诸如ITO或其他透明导电氧化物(“TCO”)的层)形成，并且中间的第二部分1117可以由导电性相对较低的透明材料(诸如包括或包括石墨烯、氧化石墨烯和/或碳纳米管(“CNT”)的层)形成。示例性电极组件还包括电耦接到第一部分1116的第一电压源1126和电耦接到第二电极1106B的接地电极。示例性电极组件还包括电耦接到第三部分1118的可选第二电压源1128。
在操作中，当第一和第二电压(经由第一和第二电压源1126、1128)施加到第一电极1106A时，在第一电极1106A和第二电极1106B之间产生非均匀电场。具体地，当较强的电压被施加到第一电压源1126而较弱的电压被施加到第二电压源1128时，产生非均匀电场，该电场从第一电极1106A的底部到顶部大约增加。在没有第二电压源1128的实施例中，将电压施加到第一电压源可以产生类似的非均匀电场。非均匀电场可导致液晶层的不均匀偏振，这又可导致穿过其中的光的不均匀或梯度衰减。因为非均匀电场从第一电极1106A的底部到顶部大约增加，所以电场和所产生的偏振在电极组件的顶部都更强，并且与底部相比，在液晶层的顶部光衰减更大。在一些实施例中，在本文中参考图15和图16A-16D描述的一个或多个示例性电极组件可以仅包括部分1116和1117，而不包括部分1118。在这些实施例中，部分1117可以直接电耦接到相应的电路。
图16A示出了可控调光系统的示例性第一电极1106-G1，其被配置为以使可控调光组件根据图12A的径向梯度调光图案G1衰减环境光的方式偏振穿过其的环境光。示例性第一电极1106-G1具有三个部分/部1116、1117、1118，其设置和成形与图15所示的第一电极1106A相似。图16B示出了可控调光系统的示例性第一电极1106-G2，其被配置为以使可控调光组件根据图12B的径向梯度调光图案G2衰减环境光的方式偏振穿过其的环境光。示例性的第一电极1106-G2具有与图15所示的第一电极1106A类似的三个部分/部1116、1117、1118，但是这三个部分/部1116、1117、1118的形状与图15中描绘的第一电极1106A中的相应部分的形状不同。图16C示出了可控调光系统的示例性第一电极1106-G3，其被配置为以使可控调光组件根据图12C的线性梯度调光图案G3衰减环境光的方式偏振穿过其的环境光。示例性第一电极1106-G3具有三个部分/部1116、1117、1118，类似于图15中描绘的第一电极1106A，但是这三个部分/部1116、1117、1118的形状与图15中描绘的第一电极1106A中的相应部分的形状不同。图16D示出了可控调光系统的示例性第一电极1106-G4，其被配置为以使可控调光组件根据图12D的径向梯度调光图案G4衰减环境光的方式偏振穿过其的环境光。示例性第一电极1106-G3具有三个部分/部1116、1117、1118，类似于图15中描绘的第一电极1106A，但是这三个部分/部1116、1117、1118的形状和设置与图15所示的第一电极1106A中的相应部分的不同。
图17A示出了根据本公开的一些实施例的示例性电极组件，该示例性电极组件包括非均匀的、多截面的、平面的第一电极1106A和第二电极1106B。在一些实施方式中，图17的示例性电极组件可以以类似于上面参考图11描述的外部电极1106A和内部电极1106B的方式在可控调光组件中实现。第一电极1106A和第二电极1106B可以彼此平行并且设置在液晶层的任一侧上。第一电极1106A可以包括在第一电极1106A的表面上彼此相邻但彼此电绝缘地设置的四个部分/部S1、S2、S3、S4。绝缘体可以设置在部分S1和S2、S2和S3、以及S3和S4之间，以使部分S1、S2、S3、S4彼此绝缘。第一部分S1设置在第一电极1106A的顶部，第二部分S2设置在第一电极1106A的更下方，第三部分S3设置在第一电极1106A的更下方，第四部分S4设置在第一电极1106A的底部。部分S1、S2、S3、S4可以由导电性相对较高的透明材料(例如ITO层)形成。第二电极1106B可以包括在第二电极1106B的表面上彼此相邻设置的四个部分/部S1'、S2'、S3'、S4'。第一部分S1'设置在第二电极1106B的顶部，第二部分S2'设置在第二电极1106B的更下方，第三部分S3'设置在第二电极1106B的更下方，第四部分S4'设置在第二电极1106B的底部。部分S1'、S2'、S3'、S4'可以由导电性相对较高的透明材料(例如ITO层)形成。在一些实施方式中，图17A的示例性电极组件可以至少部分地由分压器网络驱动，诸如以下参考图17B描述的电路或等效电路。例如，部分S1、S2、S3和S4可以分别在点A、B、C和D处电耦接到下面参考图17B描述的电路。类似地，在这样的示例中，部分S1'、S2'、S3'和S4'可以分别在点B，C，D和E处电耦接到图17B的电路。在操作中，第一电极1106A的部分和第二电极1106B的部分由于其与图17B的电路的电连接而可以分别用作阳极和阴极。图17B是图17A所示的示例性电极组件的电路图。特别地，图17B描绘了用于驱动以上参考图17A描述的示例性电极组件中的每个电极部分的示例性分压器电路。应当理解，可以代替图17B的电路或结合图17B的电路来实现其他电路和/或计算电路和部件。如图17B所示，这样的分压器电路可以至少包括电耦接到串联的多个电阻器的电压源。在一些实施方式中，电压源可以由电耦接到其上的一个或多个硬件部件(例如处理器、电源、逻辑门等)可变、可切换或以其他方式控制。存在于图17A所示的示例性电极组件中的每个阳极-阴极对可以与多个电阻器中的一个不同或多个电阻器的不同组合并联地电耦接。在图17A和图17B的示例中，S1-S1'电极对与第一电阻器R1并联地电耦接，S2-S2'电极对与第二电阻器R2并联地电耦接，S3-S3'电极对与第三电阻器R3并联地电耦接，以及S4-S4'电极对与第四电阻器R4并联地电耦接。此外，在该示例中，第四电阻器R4的电阻大于第三电阻器R3的电阻，第三电阻器R3的电阻大于第二电阻器R2的电阻，第二电阻器R2的电阻大于第一电阻器R4的电阻。在一些实施例中，多个电阻器(例如，R1、R2、R3、R4)中的一个或多个可以沿着电极组件中的一个电极(例如，第一电极1106A)的边缘设置。在其他实施例中，多个电阻器(例如，R1、R2、R3、R4)中的一个或多个可以设置在电极组件中的一个电极(例如，第一电极1106A)的相应的部分之间(例如，S1、S2、S3、S4)的表面上。
在操作中，当将电压施加到第一电极1106A和第二电极1106B时，在第一电极1106A和第二电极1106B之间产生非均匀电场。特别地，当通过电压源向第一电极1106A的第一部分A施加电压时，利用每个串联耦合的电阻器R1、R2、R3、R4降低电压，从而有效地将较低的电压施加至第一电极1106A的每个后续部分S2、S3、S4。结果，产生从第一电极1106A的底部到顶部大约增加的非均匀电场。非均匀电场可导致液晶层的不均匀偏振，这又可导致穿过其中的光的不均匀或梯度衰减。因为非均匀电场从第一电极1106A的底部到顶部大约增加，所以电场和所产生的偏振在电极组件的顶部都更强，并且与底部相比，在液晶层的顶部光衰减更大。在一些实施方式中，部分S1'、S2'和S3'中的每一个可以不分别在点B，C和D处电耦接到图17B的电路，而是可以在E点处与部分S4'大致相同的方式全部都电耦接到图17B的电路。以此方式，第二电极1106B的每个部分可以电耦接到公共接地，使得存在于图17A所示的示例性电极组件中的每个阳极-阴极对可以与多个电阻的不同组合并联地电耦接。例如，再次参考图17A和17B的示例，在这些实施方式中，S1-S1'电极对将与电阻器R1-R4并联地电耦接，S2-S2'电极对将与电阻器R2-R4并联地电耦接，S3-S3'电极对与电阻器R3-R4并联地电耦接，以及S4-S4'电极对与第四电阻器R4并联地电耦接。在这样的实施方式中，多个电阻器R1-R4的值之间的定量关系可能不一定要符合上面已经描述并且在图17B中描绘的关系(即，其中R4>R3>R2>R1的关系)。例如，在一些实施例中，多个电阻器R1-R4中的一些或全部可以具有基本相等的电阻器值。在一些示例中，多个电阻器中的一个或多个电阻器可以具有比从其串联下游的一个或多个电阻器更高的电阻值。
图18A示出了可控调光系统的示例性第一电极1106-G1，其被配置为以使可控调光组件根据图12A的径向梯度调光图案G1衰减环境光的方式偏振穿过其的环境光。示例性第一电极1106-G1具有四个部分/部S1、S2、S3、S4，其设置和成形与图17所示的第一电极1106A相似。图18B示出了可控调光系统的示例性第一电极1106-G2，其被配置为以使可控调光组件根据图12B的径向梯度调光图案G2衰减环境光的方式偏振穿过其的环境光。示例性第一电极1106-G2具有四个部分/部S1、S2、S3、S4，类似于图17中描绘的第一电极1106A，但是这四个部分/部S1、S2、S3、S4的形状不同于在图17中描绘的第一电极1106A的相应部分。图18C示出了可控调光系统的示例性第一电极1106-G3，其被配置为以使可控调光组件根据图12C的线性梯度调光图案G3衰减环境光的方式偏振穿过其的环境光。示例性第一电极1106-G3具有四个部分/部S1、S2、S3、S4，类似于图17中描绘的第一电极1106A，但是这四个部分/部S1、S2、S3、S4的形状不同于图17中描绘的第一电极1106A的相应部分。图18D示出了可控调光系统的示例性第一电极1106-G4，其被配置为以使可控调光组件根据图12D的径向梯度调光图案G4衰减环境光的方式偏振穿过其的环境光。示例性第一电极1106-G3具有四个部分/部S1、S2、S3、S4，类似于图17所描绘的第一电极1106A，但是，这四个部分/部S1、S2、S3、S4的形状和设置与图17所描绘的第一电极1106A中的对应部分不同。
尽管上述可控调光组件及其各种部件包括具有特定形状的特定数量的部分/部，但是这些数量和形状仅是示例性的。该部分/部的数量和形状可以变化，同时保持在本公开的范围内。尽管上面独立地描述了用于可控调光的各种机制，但是本公开的范围包括组合和子组合上述机制。例如，图13A至13D中描绘的偏振器可以与图14、15和17A所示的电极进行组合。上述可控调光组件允许施加一些电压(例如，一个或两个)以执行穿过可控调光组件的光的梯度衰减。这种简单的激活机制简化了AR系统的光衰减，可以响应于检测到的外部光的强度和/或方向来激活光衰减梯度的光衰减。
如以上参考图11所述，在一些示例中，可控调光系统可以如下方式驱动调光组件：以便基于多种不同因素中的任何一种来实现空间变化的调光图案(例如，梯度调光图案)随时间变化的全局不透明度水平的调整。在一些实施方式中，这样的因素可以包括从一个或多个数据源接收的输入。即，在一些实施方式中，可控调光系统可以基于从一个或多个数据源接收的输入来驱动或以其他方式调整施加到调光组件的电压量。这样的一个或多个数据源的示例可以包括感测设备、用户接口部件、显示系统部件、网络可访问资源等。
例如，在一些实施例中，可控调光系统可以包括被配置为测量入射在其上的环境光的强度的一个或多个环境光传感器(例如，光电二极管、成像传感器等)，并且可以实时根据从一个或多个环境光传感器接收到的数据，调整施加到调光组件上的电压量。在一些示例中，可控调光系统可以包括一个或多个用户接口部件(例如，手持式控制器、按钮、转盘、触摸板、麦克风、相机以及可以通过其提供用户输入的其他部件)，并且可以根据从这样一个或多个用户接口部件接收到的数据，调整施加到调光组件上的电压量。以此方式，用户可能能够与这样的一个或多个用户接口部件交互(例如，通过触摸输入、语音输入、手势输入等)，以根据他们的偏好来调整调光组件。在一些实施例中，可控调光系统可以基于从一个或多个显示系统部件(例如被配置为生成、渲染和呈现虚拟内容的一个或多个处理单元)接收的数据，来调整施加到调光组件的电压量。在一些实施方式中，可控调光系统可以基于通过一个或多个通信网络(例如，网站、云计算系统、远程计算和/或感测装置等)从一个或多个资源接收的数据，来调整施加到调光组件的电压量。
在一些实施例中，可控调光系统可以基于从多个数据源(包括一个或多个感测设备、一个或多个用户接口部件、一个或多个显示系统部件、一个或多个网络可访问资源或其组合)接收的输入，来调节施加到调光组件的电压量。在美国实用新型专利申请序列号16/557,706中进一步详细描述了这种数据源和调光组件控制方案的另外的示例，其全部内容在此引为参考。在一些实施方式中，可以在本文描述的一种或多种系统和技术中采用一种或多种前述数据源和/或调光系统控制方案。
提供上述AR系统作为各种光学系统的示例，其可以受益于更选择性和可控地透射的光学元件。因此，本文描述的光学系统的使用不限于所公开的AR系统，而是适用于任何光学系统。实际上，尽管主要在AR和VR显示系统的上下文中进行了描述，但是应当理解，本文所述的一种或多种系统和技术也可以在多种其他范例和设置中加以利用。例如，在一些实施方式中，本文描述的系统或技术中的一个或多个可以用于多种其他类型的眼镜中的任何一种，例如处方眼镜、太阳镜、安全眼镜、游泳镜等，以及各种其他类型的可穿戴设备中的任何一种，可能包括护目镜、面罩和/或防护罩，例如头盔(例如，橄榄球头盔、冰球头盔、摩托车头盔等)，滑雪板(ski)和滑雪板(snowboard)护目镜，彩弹射击面具等。例如，在一些实施例中，在上述类型的眼镜之一中可以采用两个可控调光组件，并且被配置为使得当用户佩戴上眼镜时，两个可控调光组件分别位于用户的两只眼睛前面/与用户的两只眼睛对齐，非常像一对目镜。此外，在其他实施例中，可以在前述类型的可穿戴设备之一中采用单个相对较宽的可控调光组件，并且将其配置为使得当用户佩戴可穿戴设备时，可控调光组件被定位在用户的两只眼睛的前面，与遮阳板、面罩或防护罩的方式相似。在这些实施例中，可控调光组件可以有效地用作可穿戴设备的遮阳板、面罩或防护罩，或者可以物理地耦合到可穿戴设备的遮阳板、面罩或防护罩。
下面提供实施例的附加示例。
示例1：一种头戴式设备，包括：框架，其被配置为佩戴在所述头戴式设备的用户的头部周围；可控调光组件，其以某种方式被物理地耦合到所述框架，以便在所述用户佩戴所述头戴式设备时定位在所述用户的眼睛与所述用户的环境之间，其中，所述可控调光组件被配置为显示出不透明度水平，所述不透明度水平根据所述可控调光组件上的位置从第一不透明度水平到第二不透明度水平变化；以及电耦接到所述可控调光组件的控制电路，其中，所述控制电路被配置为向所述可控调光组件施加一个或多个电信号，以调整所述第一不透明度水平和所述第二不透明度水平中的一个或两个。
示例2：根据示例1所述的头戴式设备，其中，所述可控调光组件被配置为(i)在所述可控调光组件上的第一位置显示出所述第一不透明度水平，以及(ii)根据距所述可控调光组件上的第一位置的距离而变化的不透明度水平。
示例3：根据示例2所述的头戴式设备，其中，所述可控调光组件被配置为在所述可控调光组件上的第二位置处显示出第二不透明度水平，所述第二位置与所述第一位置不同。
示例4：根据示例2所述的头戴式设备，其中，所述第一位置或所述第二位置对应于沿所述可控调光组件的外周的至少一部分的一组一个或多个点。
示例5：根据示例2所述的头戴式设备，其中，所述第一位置对应于所述可控调光组件的内部区域内的位置。
示例6：根据示例2所述的头戴式设备，其中，所述可控调光组件的所述内部区域内的所述位置对应于所述可控调光组件的中心。
示例7：根据示例1所述的头戴式设备，其中，所述第一不透明度水平表示全局最小的不透明度水平，以及所述第二不透明度水平表示全局最大的不透明度水平。
示例8：根据示例1所述的头戴式设备，其中，所述可控调光组件被配置为显示出不透明度水平，所述不透明度水平根据所述可控调光组件上的位置而线性、指数或对数地变化。
示例9：根据示例1所述的头戴式设备，其中，所述可控调光组件被配置为使得所述第一不透明度水平和所述第二不透明度水平基于被施加为所述可控调光组件的输入的一个或多个电信号的电压水平而变化。
示例10：根据示例9所述的头戴式设备，其中，所述可控调光组件被配置为使得所述第一不透明度水平和所述第二不透明度水平随着所述电压水平的变化而以不同的速率变化。
示例11：根据示例1所述的头戴式设备，其中，所述可控调光组件包括：第一偏振器和第二偏振器；被设置在所述第一偏振器和所述第二偏振器之间的第一电极组件和第二电极组件；以及被设置在所述第一电极组件和所述第二电极组件之间的液晶层。
示例12：根据示例11所述的头戴式设备，其中，所述第一偏振器和所述第二偏振器中的一个或两个被配置为向穿过其中的光施加空间变化的偏振度。
示例13：根据示例11所述的头戴式设备，其中，所述控制电路被电耦接到所述第一电极组件和所述第二电极组件，并且被配置为将一个或多个电信号施加到所述可控调光组件以在所述第一电极组件和所述第二电极组件之间产生电场。
示例14：根据示例13所述的头戴式设备，其中，为了在所述第一电极组件和所述第二电极组件之间产生电场，所述可控调光组件被配置为在所述第一电极组件和所述第二电极组件之间产生显示出空间变化的电场强度水平的电场。
示例15：根据示例13所述的头戴式设备，其中，所述第一电极组件和所述第二电极组件中的一个或二者被配置为使得其一个或多个特性在空间上是变化的。
示例16：根据示例15所述的头戴式设备，其中，所述一个或多个特性包括厚度、电阻、电导率、取向、位置、组成或其组合。
示例17：示例1所述的头戴式设备，其中，所述控制电路包括分压器网络、导体、处理器和电源中的一个或多个。
示例18：根据示例1所述的头戴式设备，其中，所述可控调光组件以如下方式被物理地耦合到所述框架：以便当所述用户佩戴所述头戴式设备时将其定位在所述用户的双眼与所述用户的环境之间。
示例19：根据示例1所述的头戴式设备，其中，所述控制电路还被配置为接收来自一个或多个数据源的输入，并且其中将一个或多个电信号施加到所述可控调光组件以调整所述第一不透明度水平和所述第二不透明度水平中的一个或二者，所述控制电路被配置为基于从所述一个或多个数据源接收的输入，将一个或多个电信号施加到所述可控调光组件以调整所述第一不透明度水平和所述第二不透明度水平中的一个或二者。
示例20：根据示例19所述的头戴式设备，其中，所述一个或多个数据源包括一个或多个感测设备、用户接口部件、显示系统部件、网络可访问资源、或其组合。
本文描述了本发明的各种示例性实施例。在非限制性意义上参考这些示例。提供它们是为了说明本发明的更广泛适用的方面。在不脱离本发明的真实精神和范围的情况下，可以对所描述的本发明进行各种改变，并且可以替换等同方案。另外，可以做出许多修改以使特定情况、材料、物质组成、过程、过程动作或步骤适应本发明的目的、精神或范围。此外，如本领域技术人员将理解的是，本文描述和示出的每个单独变体具有离散的部件和特征，其可以容易地与其他几个实施例中的任何一个的特征分离或组合，而不脱离本发明的范围或精神。所有这些修改旨在落入与本公开相关联的权利要求的范围内。
本发明包括可以使用主题设备执行的方法。该方法可以包括提供这种合适的设备的动作。这样的提供可以由终端用户执行。换句话说，“提供”动作仅要求终端用户获得、访问、接近、定位、设置、激活、加电或以其他方式提供以提供本主题方法中的必要设备。可以以逻辑上可能的所叙述事件的任何顺序以及所叙述事件的顺序来执行本文所叙述的方法。
上面已经阐述了本发明的示例性方面以及有关材料选择和制造的细节。至于本发明的其他细节，可以结合以上引用的专利和出版物以及本领域技术人员通常已知或理解的这些来理解。就本发明的基于方法的方面而言，就通常或逻辑上采用的附加动作而言，这同样适用。
此外，尽管已经参考可选地结合了各种特征的几个示例描述了本发明，但是本发明不限于关于本发明的每个变型所描述或指示的内容。在不脱离本发明的真实精神和范围的情况下，可以对所描述的本发明进行各种改变，并且可以替换等同物(无论是在本文中引用还是为了简洁起见不包括在内)。另外，在提供值的范围的情况下，应理解，在该范围的上限和下限与该范围内的任何其他所述值或中间值之间的每个中间值都包括在本发明内。
同样，可以预期的是，可以独立地或与在此描述的特征中的任何一个或多个相结合地阐述和要求保护所描述的发明变型的任何可选特征。提及单个项目，包括存在多个相同项目的可能性。更具体地，如本文和在其相关联的权利要求中所使用的，单数形式“一个”、“一”、“所述”和“该”包括复数指示物，除非另有具体说明。换句话说，冠词的使用允许以上描述以及与本公开相关联的权利要求中的主题项目的“至少一个”。还应注意，可以将这样的权利要求草拟为排除任何可选要素。这样，该陈述旨在作为与权利要求要素的叙述相关联地使用诸如“单独地”、“仅”等排他性术语的先行基础，或使用“否定”限制。
在不使用这种排他性术语的情况下，与本公开内容相关联的权利要求中的术语“包括”应允许包括任何附加要素，而不管这种权利要求中列举了给定数量的要素，还是增加的特征可以被认为是改变了这种权利要求中提出的元件的性质。除本文中明确定义外，在保持权利要求有效性的同时，本文中使用的所有技术和科学术语应尽可能广泛地施加通常理解的含义。
本发明的范围不限于所提供的示例和/或本说明书，而是仅限于与本公开相关的权利要求语言的范围。
在前述说明书中，已经参照本发明的具体实施例描述了本发明。然而，将显而易见的是，在不脱离本发明的更广泛精神和范围的情况下，可以对其进行各种修改和改变。例如，参考处理动作的特定顺序来描述上述处理流程。然而，在不影响本发明的范围或操作的情况下，可以改变许多所描述的处理动作的顺序。因此，说明书和附图应被认为是说明性而非限制性的。

Claims (20)

1.一种增强现实系统，包括：
用于产生虚拟光束的光源，所述虚拟光束携带用于虚拟对象的信息；
导光光学元件，所述导光光学元件允许第一现实世界光束的第一部分在其中穿过，其中，所述虚拟光束进入所述导光光学元件，通过基本上全内反射TIR来传播通过所述导光光学元件，并离开所述导光光学元件；以及
被设置在所述导光光学元件的表面附近并在其外部的透镜，所述透镜包括光调制机构，以衰减所述现实世界光束的第二部分并允许所述现实世界光束的所述第一部分穿过所述透镜。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光调制机构包括：
液晶层；
第一电极和第二电极，其被设置在所述液晶层附近并被设置在所述液晶层的相对侧上；
第一补偿膜和第二补偿膜，其分别被设置在所述第一电极和所述第二电极的附近并在其外部；以及
第一偏振器和第二偏振器，其分别被设置在所述第一补偿膜和所述第二补偿膜的附近并在其外部。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一偏振器和所述第二偏振器各自包括多个区域，所述多个区域被配置为对穿过其中的光施加不同的偏振度。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述液晶层被配置为响应于由所述第一电极和第二电极施加的电压，对穿过其中的光施加延迟度或偏振旋转度。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，由所述液晶层施加的偏振度与由所述第一电极和所述第二电极施加的所述电压成比例。
6.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一电极和所述第二电极被配置为向所述液晶层施加沿着所述液晶层的方向变化的电压。
7.根据权利要求6所述的系统，其中，所述方向是从所述液晶层的底部到所述液晶层的顶部。
8.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第一电极和所述第二电极被分开沿着所述液晶层的方向增加的距离。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述第一电极离开所述第二电极而逐渐变细，以使得所述距离沿着所述液晶层的方向增加。
10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述第一电极包括多个分段，每个相邻的分段对具有在前分段，所述在前分段被设置成与在所述方向上的后续分段相比更远离所述第二电极。
11.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第一电极的厚度沿着所述方向减小。
12.根据权利要求6所述的系统，其中，所述第一电极包括沿着所述方向设置的第一分段、第二分段和第三分段，
其中，所述第一分段和所述第三分段具有低于所述第二分段的第二电阻的第一电阻和第三电阻。
13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述第一分段和所述第三分段包括铟锡氧化物。
14.根据权利要求12所述的系统，其中，所述第二分段包括石墨烯。
15.根据权利要求12所述的系统，还包括被电耦接到所述第一电极的所述第一分段和所述第三分段的第一电压源和第二电压源。
16.根据权利要求2所述的系统，其中，所述第一电极包括沿着所述方向设置并且被对应的多个电阻器彼此电隔离的多个分段。
17.根据权利要求16所述的系统，还包括电压源，所述电压源在所述第一电极的沿所述方向的远端处被电耦接到所述多个分段中的第一分段。
18.根据权利要求16所述的系统，其中，所述第一电极具有平坦的形状，以及
其中，所述多个电阻器沿着所述第一电极的边缘设置。
19.根据权利要求18所述的系统，其中，所述多个分段被多个电绝缘构件在物理上彼此隔离。
20.根据权利要求16所述的系统，其中，所述多个电阻器中的每个电阻器被物理地设置在所述多个分段的相应对之间。
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