CN113574443A

CN113574443A - 具有固定焦距透镜的变焦显示器

Info

Publication number: CN113574443A
Application number: CN202080020821.5A
Authority: CN
Inventors: O·C·阿卡雅; B·C·克雷斯; S·奥尔蒂斯·埃吉; A·D·鲁纳迪
Original assignee: Microsoft Technology Licensing LLC
Current assignee: Microsoft Technology Licensing LLC
Priority date: 2019-03-18
Filing date: 2020-03-10
Publication date: 2021-10-29
Also published as: WO2020190575A1; EP3942352A1; US20200301239A1

Abstract

一种近眼显示系统，该近眼显示系统包括：被配置为发出显示光的显示投影仪、光波导、固定焦距透镜、以及具有可变光焦度的可变焦距透镜。光波导被配置为接收显示光并且朝向观察者释放显示光。固定焦距透镜被布置为调整从光波导释放的显示光的聚散度。可变焦距透镜被与固定焦距透镜串联布置，并且被配置为响应于聚焦偏置而改变从光波导释放的显示光的聚散度。

Description

具有固定焦距透镜的变焦显示器

背景技术

近年来，近眼显示技术已经从小众地位转变为新兴的消费技术。近眼显示技术主要应用于头戴式显示设备，其支持3D立体视觉和虚拟现实(VR)演示。当使用透视光学技术实现时，它支持混合现实(MR)，其中VR元素被混合到用户的自然视野中。尽管有这些好处，近眼显示技术仍面临许多技术挑战。这些挑战包括准确刺激支持人类深度感知的动眼神经深度线索。

发明内容

一个实施例涉及一种近眼显示系统，该近眼显示系统包括：被配置为发出显示光的显示投影仪、光波导、固定焦距透镜、以及具有可变光焦度的可变焦距透镜。光波导被配置为接收显示光并且朝向观察者释放显示光。固定焦距透镜被布置为调整从光波导释放的显示光的聚散度。可变焦距透镜被与固定焦距透镜串联布置，并且被配置为响应于聚焦偏置而改变从光波导释放的显示光的聚散度。

提供本发明内容以简化形式介绍在下面的具体实施方式中进一步描述的概念的选择。本发明内容无意确定要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在用于限制要求保护的主题的范围。此外，要求保护的主题不限于解决在本公开的任何部分中指出的任何或所有缺点的实现。

附图说明

图1示出了用于近眼显示系统的示例实现环境的方面。

图2A和图2B示出了示例近眼显示系统的附加方面。

图3和图4图示了立体视差对近眼显示系统中的虚拟图像显示的影响。

图5、图6和图7示出了示例基于液晶的空间光调制器的方面。

图8和图9示出了其他示例近眼显示系统的方面。

图10示出了可与图9的近眼显示系统一起使用的示例光波导的方面。

图11图示了与近眼显示系统中的虚拟图像显示相关的用户的瞳孔位置的估计。

具体实施方式

为了显示栩栩如生的三维性虚拟影像，近眼显示系统必须刺激人类视觉系统的一个或多个深度线索。一些近眼显示系统将立体视差应用于聚焦在固定平面上的虚拟影像。这种方法只刺激双眼聚散深度线索，但不能刺激同样重要的调节线索，即观察者的晶状体改变形状以聚焦不同深度的影像。刺激一个深度线索而忽略其他可能会产生失调，导致观察者不适。

为了弥补这种影响，本文的公开内容提出了将立体视差应用于聚焦在可移动焦平面上的虚拟影像的近眼显示实现，从而刺激双目聚散度和调节深度线索两者。这些显示系统采用与固定倍率透镜串联排列的可调透镜，这使得可调透镜能够在有限的操作条件范围内使用，以提高性能。潜在的性能改进取决于实现方式，可以包括更大的光圈、更好的调制传递函数(MTF)和更低的功耗。在透视实现中，近眼显示系统包括固定倍率和可调透镜的互补对，使得外部影像未放大且未失真地传递给观察者。

图1示出了用于近眼显示系统10A的示例实现环境的方面。如本文所图示的，近眼显示系统是由用户14佩戴和操作的可穿戴电子设备12的组件。近眼显示系统被配置为在用户的视野中呈现虚拟影像。在一些实现中，可穿戴电子设备的用户输入组件可以使得用户能够与虚拟影像交互。在图1的示例中，可穿戴电子设备12采用眼镜的形式。在其他示例中，可穿戴电子设备可以采用护目镜、头盔或面罩的形式。在其他示例中，近眼显示系统可以是不可穿戴电子设备的组件。

近眼显示系统10A可以被配置为覆盖用户14的一只或两只眼睛并且可以适用于单目或双目图像显示。在近眼显示系统仅覆盖一只眼睛，但预期双目图像显示的示例中，可以在另一只眼睛上方布置互补的近眼显示系统。在近眼显示系统覆盖双眼并且预期双目图像显示的示例中，由近眼显示系统10A呈现的虚拟影像可以被分成分别指向右眼和左眼的右部分和左部分。在预期立体图像显示的场景中，来自左部分和右部分的虚拟影像，或互补的近眼显示系统，可以被配置适当的立体视差(见下文)，以便呈现三维的对象或场景。

图2A和图2B示出了示例近眼显示系统的方面。首先转向图2A，近眼显示系统10A包括被配置为发出显示光的显示投影仪16。图2A的显示投影仪包括由一个或多个光发射器20照明的高分辨率空间光调制器(SLM)18。例如，光发射器可以包括发光二极管(LED)或激光二极管，并且SLM可以包括硅基液晶(LCOS)或数字微镜阵列。SLM和显示投影仪的光发射器可操作地被耦合到显示控制器22。显示控制器控制SLM的独立光导向像素元件的矩阵，以便使SLM调制从光发射器接收的光，并且从而形成预期的显示图像。通过在时间上和空间上控制光调制，显示控制器可以使显示投影仪投影显示图像(即，视频)的同步序列。在图2A所示的示例中，显示图像是由来自SLM的反射形成的。在其他示例中，可以由通过适当配置的、透射的SLM的透射来形成显示图像。基于其他技术的显示投影仪也被设想了——有机LED阵列、光栅扫描激光束等。

近眼显示系统10A包括至少一个光波导24，光波导被配置为接收来自显示投影仪16的显示光并且朝向观察者O释放显示光。术语“观察者”在本文中是指安装有近眼显示系统的电子设备的用户14的光学有利点。在一些示例中，观察者O可以对应于用户的头部、眼睛或瞳孔位置。

在所图示的示例中，光波导24包括入射光栅26和出射光栅28。入射光栅26是被配置为接收显示光并且将显示光耦合到光波导中的衍射结构。在被耦合到光波导之后，显示光通过来自光波导的正面和背面30F和30B的全内反射(TIR)传播通过光波导。出射光栅28是被配置为在观察者O的方向中可控制地释放来自光波导的传播显示光的衍射结构。为此，出射光栅包括一系列不同强度的光提取特征。出射光栅的光提取特征可以在显示光通过光波导传播的方向中从弱到强布置，使得显示光在出射光栅的长度上以均匀的强度被释放。以这种方式，光波导24被配置为扩大显示投影仪16的出射瞳孔以填充或略微过度填充用户14的眼框。这种情况提供了预期的图像质量和用户舒适度。

在一些示例中，光波导24可以仅在一个方向中扩展显示投影仪16的出射瞳孔——例如，最显著的眼睛运动发生在其中的水平方向。在这里，显示投影仪本身可以提供足够大的出射瞳孔——本身或通过垂直预扩展阶段——因此不需要光波导内的垂直扩展。然而，在其他示例中，光波导24可以被配置为在水平和垂直方向中扩展显示投影仪的出射瞳孔。在这样的示例中，在光波导内沿第一方向传播的显示光可能遇到具有在第一方向中从弱到强布置的多个衍射特征的转向光栅(在图2A中未示出)。转向光栅可以被配置为使得由衍射特征衍射的光被反射90°以便在垂直的第二方向中传播，现在已经在第一方向上被扩展。然后，扩展的光的平行射线遇到出射光栅28并且如上所述从波导向外耦合。

继续，近眼显示系统10A形成的每个显示图像都是在观察者O前面预定距离Z₀处呈现的虚拟图像。距离Z₀也被称为显示图像的“焦平面深度”。在一些近眼显示配置中，Z₀的值是显示投影仪16、入射光栅26、出射光栅28和/或其他固定功能光学器件的设计参数的固定函数。基于这些结构的永久配置，焦平面可以位于预期的深度处——例如，无限远处、300厘米(cm)处或200cm处。

采用固定焦平面的立体近眼显示系统可以能够呈现被感知为位于固定焦平面前方或后方的受控制的可变距离处的虚拟显示影像。这种效果可以通过控制左右立体图像的对应像素的每对的水平视差来实现。这种效果还可以用于将三维性赋予虚拟显示图像，参考图3和图4将理解该方法。

图3示出了右图像帧32R和左图像帧32L，为了说明的目的而彼此重叠。右图像帧包围右显示图像34R，左图像帧包围左显示图像34L。通过立体近眼显示设备同时观看时，右显示图像和左显示图像对于观察者来说可以表现为虚拟影像。在图3的示例中，虚拟影像呈现单独渲染的轨迹的可视表面。

参考图图4，可视表面的每个轨迹i具有与右显示图像和左显示图像的每个像素(X_i,Y_i)相关联的深度坐标Z_i。可以如下模拟期望的深度坐标。首先，选择到立体近眼显示系统的焦平面F的距离Z₀。如上所述，立体近眼显示系统的光学部分可以被配置为在适合于选择的距离的聚散度处呈现每个显示图像。在一个示例中，Z₀可以被设置为“无限远”，使得每个光学系统以准直光线的形式呈现显示图像。在另一示例中，Z₀可以被设置为200cm，需要光学系统以发散光的形式呈现每个显示图像。在一些示例中，Z₀可以在设计时选择并且针对显示系统呈现的所有虚拟影像保持不变。备选地，光学系统可以被配置电子可调光焦度，以允许Z₀根据要呈现的虚拟影像的距离范围而动态地改变。

一旦建立了到焦平面的距离Z₀，就可以设置可视表面上每个轨迹i的深度坐标Z。这是通过调整与右显示图像和左显示图像中的轨迹i相对应的两个像素相对于它们各自的图像帧的位置差异来完成的。在图4中，右图像帧中与轨迹i对应的像素被表示为R_i,，左图像帧中对应的像素被表示为L_i。在图4中，位置视差是正的——即，R_i在重叠图像帧中位于L_i的右侧。正位置视差引起轨迹i出现在焦平面F后面。如果位置视差为负，则轨迹将出现在焦平面前方。最后，如果右显示图像和左显示图像重叠(无视差，R_i和L_i重合)，那么轨迹将看起来直接位于焦平面上。在不将本公开与任何特定理论联系起来的情况下，位置视差D可以与Z、Z₀以及观察者的瞳孔间距(IPD)相关：

在上述方法中，试图在右显示图像和左显示图像的对应像素之间引入的位置视差是“水平”视差——viz.，视差平行于观察者的瞳孔间轴。水平视差部分模仿了真实物体深度对人类视觉系统的影响，其中右眼和左眼接收的真实物体的图像自然地平行于瞳孔间轴偏移。

在一种实现中，显示控制器22中的逻辑在固定到近眼显示系统10A的参考系中维持观察者前方的笛卡尔空间模型。观察者的瞳孔位置被映射到该空间上，图像帧32R和图像帧32L也是如此，每个都位于预定深度Z₀处。然后，构建虚拟影像36，影像的可视表面的每个轨迹i在公共参考系中具有坐标X_i、Y_i、和Z_i。针对可视表面的每个轨迹，构建了两条线段——观察者右眼瞳孔位置的第一线段和观察者左眼瞳孔位置的第二线段。对应于轨迹i的右显示图像的像素R_i被取为右图像帧32R中第一线段的交点。同样地，左显示图像的像素L_i被取为左图像帧32L中的第二线段的交点。该过程自动提供适当的移动和缩放以正确渲染可视表面，将每个轨迹i放置在距观察者所需的距离处。在一些示例中，可以通过实时估计观察者的瞳孔位置来促进上述方法。该变体参考图11在下文中描述。在不尝试瞳孔估计的示例中，可以替代地使用瞳孔位置的合适替代物，诸如瞳孔位置的旋转中心或眼球位置。

现在返回到图2A，控制局限于固定焦平面的图像的立体视差适合呈现三维效果，但不太适合在观察者的视野中来回移动整个显示图像。其原因与人类感知深度的机制有关。为了解析复杂场景中的深度，除了双目聚散度和晶状体调节的神经耦合的动眼神经线索之外，人类视觉皮层还解释了多种视觉线索(例如，遮挡和运动视差)。立体视差正确刺激双目聚散度线索，但不刺激调节线索。相反，无论立体视差指示的深度值如何，观察者的晶状体都保持聚焦在固定焦平面上。当视差发生变化，但焦平面不移动时，会在两个动眼神经线索之间感知到不协调。被称为聚散度调节冲突(VAC)，这种不协调可以导致用户不适。

为了解决这个问题，图2A的近眼显示系统10A被配置为改变呈现虚拟显示影像的焦平面以减少VAC的体验。为此，近眼显示系统包括具有可变光焦度的可变焦距透镜38。可变焦距透镜被配置为响应聚焦偏置而改变从光波导24释放的显示光的聚散度。显示控制器22被配置为控制聚焦偏置，使得显示光被成像到位于距观察者O的可控制的可变的距离处的焦平面上。在立体近眼显示系统中，可以结合立体视差的适当控制来制定该控制特征，如上所述。

可变焦距透镜38可以包括可操作地被耦合到显示控制器22的透射液晶SLM——即LCSLM。图5以横截面示出了与本公开一致的示例LCSLM配置的方面。LCSLM 40包括夹在透明电极涂层44A和44B之间的向列液晶(LC)薄层42。每个透明电极涂层可以包括布置在透明介电衬底46上的高度掺杂的半导体材料(例如，氧化铟锡)。电极涂层44A可跨越其衬底，但电极涂层44B可以被分割，以形成单独的微电极48，其可以由显示控制器22独立寻址。

通过可控制地改变施加到每个微电极48的偏置，显示控制器22可以控制每个微电极和电极涂层44A之间的电场矢量。每个独立控制的微电极处的电场矢量影响该微电极和电极涂层44A之间的空间中的LC分子的取向，进而影响通过其发射的光的延迟。以此方式，可以根据需要对LCSLM 40的整个物理光圈上的延迟分布进行编程和重新编程。延迟分布可以被编程以模拟例如基本折射透镜或菲涅耳透镜的光学功能。除了对预期应用的适用性之外，电极涂层44B的微电极结构的密度和拓扑均不受任何限制。在一些示例中，LCSLM可以具有矩形、像素化的微电极单元结构，如图6中的LCSLM 40A的微电极46A所示。在其他示例中，微电极可以采用窄带或窄的同心环的形式，如图7中LCSLM 40B的微电极46B所示。

在其他示例中，可变焦距透镜38可以基于备选技术。作为非限制性示例，可以使用电润湿、弹性膜或机械致动透镜代替上述基于LC的可变焦距透镜。

现在返回图2A，在一些示例中，配置显示投影仪16、入射光栅26和出射光栅28以便从光波导24释放准直的显示图像是方便的。如果没有应用任何外部聚焦，这样的显示图像在观察者O看来似乎起源于无限远处。将显示图像移动到33厘米的近焦平面将需要大约–3屈光度(D)的光焦度。尽管可变焦距透镜38可以被用于赋予这种光焦度，但是将可变焦距透镜用于该特定操作存在缺点。

通常，可变焦距透镜38预期在其整个可调范围内实现抛物线相位分布，并且在其整个角度范围内实现低失真和色差。可变焦距透镜还应表现出高光透射率和最小散射、高的斯特列尔(Strehl)比率和近衍射极限调制传递函数(MTF)。在这些特征中，抛物线相位分布可能是最难实现的。决定LC透镜相位分布的折射率分布是由其中LC分子的取向建立的。分子取向的调制是通过控制应用于离散微电极的模拟电压分布来实现的——例如，用于可重构相位元件的像素电极、用于旋转对称透镜的环形电极或用于柱面透镜的线性电极。尽管可以在与微电极相邻的区域中很好地定义电场，但微电极之间的区域可以表现出相位变化，从而降低透镜的衍射极限性能。

由于相邻区域之间的相位差与施加的电压成正比，因此保持任意两个微电极之间的电压差相同将产生接近抛物线的相位分布。例如，可以通过使用电阻器作为分压器来实现微电极之间的线性压降。然而，在高光功率下，电压会在较少数目的微电极上降至零，从而减小透镜的光圈。换句话说，在更高的光焦度水平下，有源光圈更小。在近眼显示器应用中，这成为一个限制，因为希望出射瞳孔足够大以支持眼睛的旋转和移动并且提供舒适的用户体验。

另一问题是在理想电压下可以通过典型的LC层压印的有限相位延迟，这与使用薄LC层可以实现的有限双折射有关。该因素还限制了可以在可调LC层中实现的任何透镜(纯折射、菲涅耳式或衍射)的光圈。

综上所述，预期将可变焦距透镜38的绝对光焦度(即光焦度的绝对值)限制在可行的最低值，从而保证最大的光圈和最佳的光学质量。本文的解决方案是进一步移动被施加到显示图像的光焦度一个固定量，该固定量与可变焦距透镜的可变光焦度相加结合。因此，图2A的近眼显示系统10A包括与可变焦距透镜38串联的固定焦距透镜50，并且被布置为调整从光波导24释放的显示光的聚散度。在一些示例中，固定焦距透镜可以是具有相对大光圈的基本折射透镜或菲涅耳透镜。在一些示例中，固定焦距透镜是聚合的LC透镜，其可以在厚度减小的光学堆叠中直接被耦合到基于LC的可变焦距透镜38。

在图2A的配置中，固定焦距透镜50位于可变焦距透镜38和光波导24之间。在图2B的配置中，可变焦距透镜可以位于固定焦距透镜和光波导之间，而不影响工作原理。在一些示例中，光波导的平面30B和可变焦距透镜的平面之间的直接耦合可以在制造中提供优势并且可以减小光学堆叠的整体厚度。

在一些示例中，固定焦距透镜50可以对从光波导24释放的显示图像赋予实质上的发散，从而在没有由可变焦距透镜38贡献的任何光焦度的情况下，显示图像被呈现在近焦平面(例如，33厘米)。因此，对于人类视觉最苛刻状态下的图像质量可以主要由固定焦距透镜决定，该透镜可以表现出接近衍射极限的光学性能，并且具有最小的像差、散射等。此外，固定焦距透镜的通光(clear)光圈不受其光焦度的限制，可变焦距透镜也是如此。相反，固定焦距透镜支持大出射瞳孔，可以适应眼睛的大运动和旋转。此外，这种布置在预期的典型使用场景——viz.中降低了功耗，显示图像的深度约为一臂长——因为可变焦距透镜在该区域将处于非活动状态。

在该配置中，当显示图像要被呈现在较远的焦平面上时——例如，无限远处，可变焦距透镜38可以被通电以偏移或倒转由固定焦距透镜50影响的发散。尽管高能可变焦距透镜可能会出现光圈大小缩小等问题，但在观察远处图像时，各种不理想情况将不太明显。例如，可变焦距透镜可能需要+3D的光焦度才能将焦平面移回无限远。由于高绝对光焦度，这对于可变焦距透镜来说可能是具有挑战性的光学状态。然而，假设眼睛的角分辨率(例如，大约1弧分)与距离无关，解析空间特征的能力自然会随着距离的增加而降低。此外，在高绝对光焦度下可调透镜的小光圈是可以接受的，因为预计在该区域中眼睛的运动和旋转是最低的。

因此，可变焦距透镜38可以被配置成使得其光焦度在非发散的、非负屈光度的范围内作为聚焦偏置的函数而改变。例如，可变焦距透镜的光焦度可以在0到+3D之间改变。针对该光焦度范围配置的可变焦距透镜可以与–3D的固定焦距透镜50串联布置。更一般地，在非负屈光度范围的最大值处的可变焦距透镜的光焦度可以与固定焦距透镜的光焦度相反并且实质上倒转，以实现在无限远处的聚焦。术语“实质上”在本文中被用于承认设计为提供相等和相反的光焦度的组件中不可避免的制造公差。

在其他示例中，可变焦距透镜的最大光焦度可能无法完全倒转固定焦距透镜的静态焦度偏移，因此只能实现有限的远场聚焦。换句话说，组合光焦度不需要在0D(焦平面在无限远)处开始或停止，而是在近眼显示系统10A的优选的光焦度处开始或停止。例如，优选的光焦度可以是–0.5D，这样远场图像位于200厘米而不是无限远，以便更舒适地观看。实现这一结果的一种方法是将固定焦距透镜的光焦度保持在–3D，但在0到+2.5D的范围内操作可变焦距透镜。

在其他示例中，可变焦距透镜38的可变光焦度可以作为聚焦偏置的函数从发散的负屈光度值改变到收敛的正屈光度值。与–1.5D的固定焦距透镜串联，在–1.5至+1.5D之间操作的可变焦距透镜将提供–3至0D的组合可调范围。与–1.75D的固定焦距透镜串联，在–1.25至+1.25D之间操作的可变焦距透镜将提供–3.0至–0.5D的组合可调范围。举例来说，这些变体之所以有吸引力，部分是因为LC透镜的光圈(基本折射或菲涅耳)同样受到相同量级的正光焦度和负光焦度的影响。因此，在组合系统的最大发散焦度下所体验的非理想性可能不会比在组合光焦度的一半下操作的可变焦距透镜更糟。此外，在最小分歧下所体验的非理想性将大大减少。

因此，可变焦距透镜38的最大绝对光焦度可能不会完全偏移定焦透镜50的光焦度的移动，但可以接近较低的绝对水平，使得可变焦距透镜在对称或非对称光焦度范围内工作，以达到所需的组合光焦度范围。

在一些示例中，可穿戴电子设备12是不透明的，使得用户14只能看到通过近眼显示系统10A提供的虚拟影像。在其他示例中，近眼显示系统可以用在还允许外部影像到达用户的设备或环境中。这种环境可以被称为“增强现实”(AR)或“混合现实”(MR)环境。应用在这样的环境中，近眼显示系统10A的可变焦距透镜38和/或固定焦距透镜50将改变从观察者对面接收的外部光的聚散度(即，从环境中的真实世界物体反射的外部光，通过近眼显示系统，并且到达观察者的眼睛)。一般而言，在AR或VR环境中操作时，任何将光功率应用于用户感知的影像的近眼显示系统都可以对外部影像应用补偿光焦度。否则外部影像会被放大。

为了解决AR和VR环境中的这个问题，近眼显示系统可以在波导面向世界的一侧并入固定和/或可调透镜，以补偿由面向观察者一侧的固定和/或可调透镜引入的焦度。在这里，面向观察者的透镜影响的光焦度通过面向世界的透镜的光焦度的同步变化来补偿。该配置提供叠加在所需放大率的虚拟影像上的真实世界影像的未放大和未失真查看。

在图2A中，相应地，其中光波导24被配置为从观察者O对面接收外部光并且朝向观察者释放外部光，近眼显示系统10A还包括具有可变光焦度的可变补偿透镜52。可变补偿透镜被配置为响应于来自显示控制器22的补偿偏置，改变接收进光波导内的外部光的聚散度。在一些示例中，可变焦距透镜的最大光焦度与固定焦距透镜的光焦度相反并且大致倒转，并且可变补偿透镜的最小光焦度与固定补偿透镜的光焦度相反并且大致倒转。

当控制聚焦偏置使得显示光被成像到位于距观察者O可控制的可变距离处的焦平面上时，显示控制器22也可以同步控制补偿偏置，使得来自观察者对面的外部光以不变的聚散度从光波导24被释放——即与接收的聚散度相同。在一些示例中，显示控制器被配置为控制聚焦偏置和补偿偏置，使得外部光的聚散度通过可变焦距透镜38和可变补偿透镜52以实质上相等和相反的量改变。

可变补偿透镜52可以在各个方面类似于可变焦距透镜38，包括结构、操作和非理想性(例如，光圈大小对光焦度的依赖性)。因此，近眼显示系统10A还可以包括固定补偿透镜54，其与可变补偿透镜52串联布置并且被配置为调整接收进光波导24内的外部光的聚散度。

在图2A的配置中，为了便于制造，可变补偿透镜52位于固定补偿透镜54和光波导24之间。在其他示例中，固定补偿透镜可以位于可变补偿透镜和光波导之间。在一些示例中，固定补偿透镜54的固定光焦度可以与固定焦距透镜50的固定光焦度相反并且实质上倒转。

在一些示例中，固定补偿透镜54的光焦度可以以与针对固定焦距透镜50和可变焦距透镜38所指示的相同方式与可变补偿透镜52的光焦度范围相关。例如，在可变焦距透镜的可变光焦度在非发散的、非负屈光度范围内作为聚焦偏置的函数而改变的示例中，可变补偿透镜的可变光焦度可以在非收敛的、非正屈光度范围内作为补偿偏置的函数而改变。在非负屈光度范围最大值处可变焦距透镜的光焦度与固定焦距透镜的光焦度相反的示例中，在非正屈光度范围的(代数)最小值处的可变补偿透镜的光焦度可以倒转固定补偿透镜的光焦度。在可变焦距透镜的可变光焦度作为聚焦偏置的函数从发散负屈光度值改变到收敛正屈光度值的示例中，作为补偿偏置的函数，可变补偿透镜的可变光焦度可以从收敛的正屈光度值改变到发散的负屈光度值。进一步地，正如固定焦距透镜可以是聚合液晶透镜一样，固定焦距透镜也可以是聚合液晶透镜。

尽管近眼显示系统10A的聚焦和补偿阶段具有直接互补的优点，但也可以设想其他配置。图8示出了示例近眼显示系统10'的方面，其通过将显示器和外部光强制进入正交偏振通道来消除可变补偿透镜52。

近眼显示系统10’包括被配置为发出偏振显示光的显示投影仪16’、保偏光波导24’，以及偏振选择性可变焦距透镜38’。在该配置中，显示光从在给定取向中偏振的光波导被释放。可变焦距透镜被配置为选择性地仅改变在给定取向上偏振的光的聚散度，但保持与给定取向垂直(即，横向)偏振的光的聚散度。近眼显示系统10'包括偏振滤光器56，其被布置为从观察者对面发射与给定取向垂直偏振的外部光。在该配置中，光波导24’接收来自偏振滤光器的外部光并且朝向观察者释放外部光。在光波导的下游，如果这样的透镜被包括，则外部光的聚散度仅通过固定焦距透镜50改变。当固定焦距透镜被包括时，其对外部光的聚散度的影响可以通过固定补偿透镜54来补偿(例如，倒转)。

图9示出了示例近眼显示系统10”的方面，其中固定焦距透镜50的光焦度被并入光波导2”。在该配置中，固定补偿透镜54被消除。

近视眼显示系统10”的光学波导24”包括入射光栅26”和显示光从其释放的出射光栅28”。如图10的平面图所示，光波导还包括转向光栅58”。在该示例中，固定焦距透镜50采取在出射光栅上形成二元衍射菲涅尔透镜的形式。在最先进的光波导出射光栅中，光栅的取向和间距是固定的，蚀刻深度被调制以实现出射瞳孔的均匀光强度。然而，通过调制出射光栅28”的光栅取向和间距，可以将二元衍射菲涅尔透镜的离轴部分印在出射光栅上，以取代固定补偿透镜54。在这种配置下，光学系统的所有层可以平放。

在图9和图10的示例中，如同在先前的配置中一样，可变焦距透镜38被配置为响应聚焦偏置改变显示光和从光波导24释放的外部光的聚散度；具有可变光焦度的可变补偿透镜52被配置为响应补偿偏置改变接收进光波导内的外部光的聚散度。然而，在波导的出射光栅内形成的固定焦距透镜50仅作用于通过光波导传播的光(通过TIR)而不作用于通过它发射的光，因此不需要固定补偿透镜54。换言之，仅需要补偿由可变焦距透镜38赋予的光焦度。

在近眼显示系统10”，显示光耦合到光波导24”的角度由入射光栅26”的配置确定，并且显示光耦合出光波导的角度由出射光栅光栅28”的配置确定。由于这两个角度都是波长的敏感函数，因此例如入射和出射光栅的间距中的任何不匹配都可以导致不需要的光谱色散和横向像素拖尾。即使从无动力的出射光栅也能观察到这些色差。然而，当出射光栅被配置为衍射菲涅耳透镜时，其结构无法与入射光栅的结构匹配，因此会加剧色差。

克服这个问题的一种方法是确保光波导24”承载基本单色的显示光。因此，近眼显示系统10”的显示投影仪16可以包括一个或多个二极管激光器代替LED发射器，以限制耦合到波导中的显示光的波长杂质。在预期多色显示的示例中，光波导可以包括多个入射光栅(例如，每个被配置为衍射红光、绿光和蓝光中的一个颜色)和对应的多个出射光栅。在其他示例中，近眼显示系统可以包括一堆叠光波导，每个光波导仅接收和释放一种颜色的显示光。

在其他示例中，可以使用折衷方法来将彩色显示实现中的色差限制到可接受的(例如，实质上不明显的)水平，但不需要三个独立的光波导。特别地，第一光波导可以被用于承载较长的(例如，红到绿)波长，而第二光波导可以被用于承载较短的(例如，绿到蓝)波长。对于每个光波导，射出光栅28”所施加的光焦度会受到一些波长色散的影响，但由于波长范围受到限制，因此波长色散也会受到限制。在一个非限制性示例中，第一光波导可以遭受从红色到绿色的0.1D的色散，并且第二光波导可以遭受0.1D的从绿色到蓝色的色散。如果第一光波导和第二光波导的出射光栅被配置为向绿光提供实质上相同的–2.4D焦度偏移，那么蓝光将进一步发散至–2.5D，而红光将仅偏移–2.3D。观察者不太可能注意到这种低水平的色差。

前述附图或描述的任何方面均不应被解释为限制性的，因为还设想了许多变化、扩展和省略。例如，光波导24在上面被描述为具有通过其接收显示光的入射光栅和通过其释放显示光的出射光栅。单独地，每个光栅结构可以提供对窄波长带显示光的预期的衍射耦合，与单色近眼显示应用一致。对于多色(即，彩色)显示应用，入射和出射光栅可以仔细匹配以限制色差，如上所述。备选地，可以经由与彩色显示兼容的非衍射(例如，折射、反射和/或散射)光学特征来提供对光波导的输入耦合和输出耦合。在预期多色显示的其他示例中，光波导可以包括多个入射光栅(例如，每个被配置为衍射红光、绿光和蓝光中的一个颜色)和对应的多个出射光栅。在其他示例中，近眼显示系统可以包括一堆叠光波导，每个光波导仅接收和释放一种颜色的显示光。

提供图11是为了稍微示意性地说明在近眼显示系统10A中可以如何感测观察者的瞳孔位置。这种方法可以被用于预期最准确的3D渲染的实现中，或者针对不同的用户的范围提供近眼显示系统的自动校准，或者补偿将可穿戴电子设备12定位在用户头上的错误。

图11所示的配置对于每个近眼显示系统或其右部分/左部分包括照相机60、同轴灯61A和离轴灯61B。每个灯可以包括例如发光二极管(LED)或二极管激光器，其在相机的高灵敏度波段中发出红外(IR)或近红外(NIR)照明。

术语“同轴”和“离轴”是指眼睛相对于相机60的光轴A的照明方向。如图11所示，离轴照明可以产生从观察者的角膜64反射的镜面闪光62。离轴照明也可以被用于照亮眼睛以获得“暗瞳孔”效果，其中瞳孔66看起来比周围的虹膜68更暗。相比之下，来自IR或NIR源的同轴照明可以被用于创建“明亮的瞳孔”效果，其中瞳孔看起来比周围的虹膜更亮。更具体地，来自同轴灯61A的IR或NIR照明可以照亮视网膜70的回射组织，其将照明反射回通过瞳孔，形成瞳孔的明亮图像72。来自照相机的图像数据被传送到显示控制器22的相关联的逻辑。在那里，图像数据可以被处理以解析诸如来自角膜的一个或多个闪光或瞳孔轮廓的特征。图像数据中这种特征的位置可以被用作模型(例如，多项式模型)中的输入参数，该模型将特征位置与瞳孔的表象中心联系起来。

以上描述不应被理解为任何意义上的限制，因为可以以各种其他方式确定、估计或预测瞳孔位置。在一个示例中，可以采用眼电传感器。在其他示例中，确定观察者的眼睛或头部的位置可能就足够了——例如，通过骨骼跟踪，如上所述。

本公开是通过示例并参考上述附图来呈现的。在一个或多个图中可能基本相同的组件、工艺步骤和其他元素被协调地标识并且以最少的重复进行描述。然而，将注意到，协调标识的元素也可能在某种程度上不同。还要注意的是，这些图是示意性的，通常不是按比例绘制的。相反，图中所示的各种绘图比例、纵横比和组件数目可以被故意扭曲以使某些特征或关系更容易看到。

本公开的一个方面涉及一种近眼显示系统，包括：被配置为发出显示光的显示投影仪、光波导、固定焦距透镜、以及具有可变光焦度的可变焦距透镜。光波导被配置为接收显示光并且朝向观察者释放显示光。固定焦距透镜被布置为调整从光波导释放的显示光的聚散度。可变焦距透镜被与固定焦距透镜串联布置，并且被配置为响应于聚焦偏置而改变从光波导释放的显示光的聚散度。

在一些实现中，近眼显示系统还包括：控制器，控制器被配置为控制聚焦偏置，使得显示光被成像到位于距观察者可控制的、可变的距离处的焦平面上。在一些实现中，光波导还被配置为接收来自观察者对面的外部光并且朝向观察者释放外部光，近眼显示系统还包括：具有可变光焦度的可变补偿透镜，可变补偿透镜被配置为响应于来自控制器的补偿偏置而改变接收进光波导内的外部光的聚散度。在一些实现中，控制器被配置为控制聚焦偏置和补偿偏置，使得外部光的聚散度通过可变焦距透镜和可变补偿透镜以实质上相等和相反的量改变。在一些实现中，固定焦距透镜被布置为调整从观察者对面接收的外部光的聚散度。在一些实现中，近眼显示系统还包括固定补偿透镜，固定补偿透镜被与可变补偿透镜串联布置，并且被配置为调整接收进光波导内的外部光的聚散度。在一些实现中，固定补偿透镜的光焦度反对并且实质上倒转固定焦距透镜的光焦度。在一些实现中，光波导包括出射光栅，显示光从出射光栅被释放，并且其中固定焦距透镜是形成在出射光栅上的衍射菲涅耳透镜。在一些实现中，可变焦距透镜的可变光焦度在非发散的、非负屈光度的范围内作为聚焦偏置的函数而改变。在一些实现中，非负屈光度的范围的最大值处，可变焦距透镜的光焦度反对并且实质上倒转固定焦距透镜的光焦度。在一些实现中，可变焦距透镜的可变光焦度作为聚焦偏置的函数而从发散的、负屈光度值改变到收敛的、正屈光度值。在一些实现中，可变焦距透镜位于固定焦距透镜与光波导之间。在一些实现中，固定焦距透镜是聚合液晶透镜。在一些实现中，显示光从在给定取向中偏振的光波导被释放，并且其中可变焦距透镜被配置为选择性地改变在给定取向中偏振的光的聚散度，近眼显示系统还包括：偏振滤光器，偏振滤波器被布置为从观察者对面发射垂直于给定取向偏振的外部光，光波导还被配置为接收来自偏振滤光器的外部光并且朝向观察者释放外部光。

本公开的另一方面涉及一种近眼显示系统，包括被配置为发出显示光的显示投影仪、光波导、固定焦距透镜、具有可变光焦度的可变焦距透镜、固定补偿透镜、以及具有可变光焦度的可变补偿透镜。光波导被配置为接收来自显示投影仪的显示光，向观察者释放显示光，接收来自观察者对面的外部光，以及向观察者释放外部光。固定焦距透镜被布置为调整显示光和从光波导释放的外部光的聚散度。可变焦距透镜与固定焦距透镜串联布置，并且被配置为响应聚焦偏置改变显示光的聚散度和从光波导释放的外部光的聚散度。固定补偿透镜被布置为调整接收进光波导内的外部光的聚散度。可变补偿透镜与固定补偿透镜串联布置并且被配置为响应补偿偏置改变接收进光波导内的外部光的聚散度。

在一些实现中，近眼显示系统还包括控制器，该控制器被配置为控制聚焦偏置，使得显示光被成像到位于距观察者可控制的、可变的距离处的焦平面上，并且并且同步控制补偿偏置，使得来自观察者对面的外部光以不变的聚散度从光波导中被释放。在一些实现中，可变焦距透镜位于固定焦距透镜与光波导之间。在一些实现中，可变焦距透镜的最大光焦度与固定焦距透镜的光焦度相反并且实质上倒转，而可变补偿透镜的最小光焦度与固定焦距透镜的光焦度相反并且实质上倒转。

本公开的另一方面涉及一种近眼显示系统，包括被配置为发出显示光的显示投影仪、光波导、具有可变光焦度的可变焦距透镜和具有可变光焦度的可变补偿透镜。光波导包括结合有衍射菲涅耳透镜的出射光栅，并且被配置为接收来自显示投影仪的显示光，通过出射光栅向观察者释放显示光，接收来自观察者对面的外部光，以及向观察者释放外部光。可变焦距透镜被配置为响应于聚焦偏置而改变显示光和从光波导释放的外部光的聚散度。可变补偿透镜被配置为响应于补偿偏置而改变接收进光波导内的外部光的聚散度。在一些实现中，显示投影仪包括至少一个激光器。

应当理解，本文描述的配置和/或方法本质上是示例性的，并且这些特定实施例或示例不应被视为限制性的，因为许多变化是可能的。本文描述的特定程序或方法可以代表任何数目的处理策略中的一种或多种。因此，所示和/或描述的各种动作可以按照所示和/或描述的顺序、以其他顺序、并行或省略来执行。同样，上述过程的顺序可以改变。

本公开的主题包括本文公开的各种过程、系统和配置以及其他特征、功能、行为和/或特性，以及它们的任何和所有等效物的所有新颖和非明显的组合和子组合。

Claims

1.一种近眼显示系统，所述系统包括：

显示投影仪，所述显示投影仪被配置为发出显示光；

光波导，所述光波导被配置为接收所述显示光并且朝向观察者释放所述显示光；

固定焦距透镜，所述固定焦距透镜被布置为调整从所述光波导释放的所述显示光的聚散度；以及

具有可变光焦度的可变焦距透镜，所述可变焦距透镜被与所述固定焦距透镜串联布置，并且所述可变焦距透镜被配置为响应于聚焦偏置而改变从所述光波导释放的所述显示光的所述聚散度。

2.根据权利要求1所述的近眼显示系统，还包括：控制器，所述控制器被配置为控制所述聚焦偏置，使得所述显示光被成像到位于距所述观察者的受控制的、可变的距离处的焦平面上。

3.根据权利要求2所述的近眼显示系统，其中所述光波导还被配置为接收来自所述观察者对面的外部光并且朝向所述观察者释放所述外部光，所述近眼显示系统还包括：具有可变光焦度的可变补偿透镜，所述可变补偿透镜被配置为响应于来自所述控制器的补偿偏置而改变接收进所述光波导内的所述外部光的所述聚散度。

4.根据权利要求3所述的近眼显示系统，其中所述控制器被配置为控制所述聚焦偏置和所述补偿偏置，使得所述外部光的所述聚散度通过所述可变焦距透镜和所述可变补偿透镜以实质上相等和相反的量被改变。

5.根据权利要求3所述的近眼显示系统，其中所述固定焦距透镜被布置为调整从所述观察者对面接收的所述外部光的所述聚散度。

6.根据权利要求3所述的近眼显示系统，还包括固定补偿透镜，所述固定补偿透镜被与所述可变补偿透镜串联布置，并且所述固定补偿透镜被配置为调整被接收进所述光波导内的所述外部光的所述聚散度。

7.根据权利要求3所述的近眼显示系统，其中所述固定补偿透镜的光焦度反对并且实质上倒转所述固定焦距透镜的光焦度。

8.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其中所述光波导包括出射光栅，所述显示光从所述出射光栅被释放，并且其中所述固定焦距透镜是形成在所述出射光栅上的衍射菲涅耳透镜。

9.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其中所述可变焦距透镜的所述可变光焦度在非发散的、非负屈光度的范围内作为所述聚焦偏置的函数而改变。

10.根据权利要求9所述的近眼显示系统，其中在所述非负屈光度的范围的最大值处，所述可变焦距透镜的所述光焦度反对并且实质上倒转所述固定焦距透镜的所述光焦度。

11.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其中所述可变焦距透镜的所述可变光焦度作为所述聚焦偏置的函数而从发散的、负屈光度值改变到收敛的、正屈光度值。

12.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其中所述可变焦距透镜位于所述固定焦距透镜与所述光波导之间。

13.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其中所述固定焦距透镜是聚合液晶透镜。

14.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其中所述显示光从在给定取向中偏振的所述光波导被释放，并且其中所述可变焦距透镜被配置为选择性地改变在所述给定取向中偏振的光的所述聚散度，所述近眼显示系统还包括：偏振滤光器，所述偏振滤波器被布置为从所述观察者对面发射垂直于所述给定取向偏振的外部光，所述光波导还被配置为接收来自所述偏振滤光器的所述外部光并且朝向所述观察者释放所述外部光。