CN113678051A - 具有多焦点模块的头戴式显示器 - Google Patents
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Abstract
一种HMD采用具有一个或多个压控光学元件(318、642)的多焦点模块(204)。通过改变施加到一个或多个光学元件的电压，HMD可以改变由微显示器生成的图像(207、208)的焦距。多焦点模块可以包括胆甾型液晶(CLC)元件和偏振器开关(316)。通过控制施加到CLC元件和偏振器开关中的每一个的电压，HMD可以改变通过多焦点模块的图像的焦距。因而，HMD可以改变由微显示器生成的任何图像的焦距。
Description
背景技术
头戴式显示器(HMD)系统提供了一种让用户在视觉上沉浸于虚拟现实(VR)或增强现实(AR)环境中的方式，或者以便捷的方式向用户显示其它的内容。一些HMD系统包括经由光线集合来发射图像的微显示器。光线耦合到HMD的光导中，并在进入用户眼睛之前反复从光导的世界侧表面反弹。然而，常规的HMD系统具有可能对观看者体验产生负面影响的局限性。例如，一些HMD系统只能显示具有单焦平面的图像，限制了所显示图像的沉浸感和灵活性。其它HMD系统包括在诸如多个微显示器的不同焦平面处生成图像的机制、机械调整HMD部分的机制等，但这些系统具有其它局限性，包括大形状因数和高成本。
发明内容
本公开涉及通过采用具有一个或多个压控光学元件的多焦点模块从HMD的单个微显示器提供不同焦距的图像的系统和技术。通过改变施加到一个或多个光学元件的电压，HMD可以改变由微显示器生成的图像的焦距。例如，多焦点模块可以胆甾型液晶(CLC)元件和偏振器开关。通过控制施加到CLC元件和偏振器开关中的每一个的电压，HMD可以改变通过多焦点模块的图像的焦距。因而，HMD可以改变由微显示器生成的任何图像的焦距。
可以采用不同焦距的图像场来支持各种用途和应用。例如，在一些实施例中，可以使用不同焦距的图像在不同的图像平面显示对象，增强VR和AR内容的沉浸感。另外，多焦点模块可以由具有小形状因数的光学元件构成，诸如CLC元件，从而允许在各种HMD系统中使用多焦点。
根据一个方面，提出了一种头戴式显示器系统，包括：微显示器，该微显示器用于发射显示光；以及多焦点模块，该多焦点模块耦合到微显示器并包括压控光学元件，该多焦点模块基于显示光生成多个图像，该多个图像中的每一个具有不同的焦距。多焦点模块因此可以被配置为基于显示光生成图像，其中，所生成的图像的焦距以及由此所生成的图像的假想平面可以是基于施加到多焦点模块的电压。
在一示例性实施例中，多焦点模块可以包括压控胆甾型液晶(CLC)元件。压控偏振器开关可以耦合到CLC元件。多焦点模块可以包括胆甾型液晶(CLC)元件和偏振器开关。通过控制施加到CLC元件和偏振器开关中的每一个的电压，HMD可以改变通过多焦点模块的图像的焦距。因而，HMD可以改变由微显示器生成的任何图像的焦距。
例如，可选地，偏振器可以是液晶显示器(LCD)单元。附加地或替代地，多焦点模块可以包括耦合到偏振器开关的平面平行板。
在一示例性实施例中，多焦点模块可以包括液晶(LC)移相器、液晶合路器和耦合到多焦点模块的滤光器叠层中的至少一个。在一实施例中，滤光器叠层可以包括第一四分之一波片，分束器耦合到该第一四分之一波片。第二四分之一波片可以耦合到分束器。
附图说明
通过参照附图，本领域技术人员可以更好地理解本公开并使得本公开的许多特征和优势清楚明了。不同图中使用相同的附图标记指示相似或相同的项目。
图1是根据一些实施例的包括多焦点模块的HMD系统的示图，该多焦点模块具有至少一个压控光学元件，以从普通微显示器生成具有不同焦距的图像。
图2是示出根据一些实施例的图1中的包括多焦点模块的HMD的一部分的框图。
图3是示出根据一些实施例的具有胆甾型液晶元件的多焦点模块的示图。
图4是示出根据一些实施例的图3中的多焦点模块的操作的示图。
图5是示出根据一些实施例的图3中的多焦点模块连同附加光学元件的示图。
图6是示出根据一些实施例的具有液晶移相器的多焦点模块的示图。
图7是根据一些实施例的图1中的HMD的框图，其中该HMD包括用于经由多个视场来显示内容的显示器系统。
具体实施方式
图1至图7示出通过采用具有一个或多个压控光学元件的多焦点模块从HMD的单个微显示器提供不同焦距的图像的系统和技术。
图1示出根据一些实施例的HMD 100。在所描绘的示例中，HMD100具有眼镜形状因数并包括两个透视目镜102和103，这些目镜102和103各自在观看区(例如观看区104)中向用户提供图像光连同周围环境的视图。图像光可以是提供周围环境中一个或多个对象的信息的增强现实数据。附加地，图像光向用户提供其它信息，诸如文本消息、电子邮件消息、电话呼叫信息等。
HMD 100包括用于将图像光投射到用户的电子器件和微显示器(图1中未示出)。电子器件耦合到提供用于生成图像光的数据的次级电子设备，诸如计算机或蜂窝电话，或者电子器件包括允许经由诸如蓝牙、Wi-Fi或蜂窝的无线网络接收信息的无线通信技术。在一些实施例中，每个目镜包括光导或其它元件，该其它元件提供用于使图像光从微显示器传播到图像光观看区104的光学路径，其中该图像光观看区104布置成与用户眼睛对准。光导依赖于全内反射(TIR)将图像光从输入耦合器传播到输出耦合器，该输出耦合器将光从HMD100重定向出去，并且朝向图像光观看区中的用户眼睛重定向。目镜可以附加地包括用于用户的视力矫正透镜作用或吸光太阳镜涂层。
如下文进一步描述，在微显示器与光学路径之间，HMD 100可以包括多焦点模块，该多焦点模块可以改变在微显示器处所生成的图像的焦距。多焦点模块包括一个或多个压控光学元件。通过改变施加到光学元件的电压(例如，通过改变CLC元件的状态)，HMD改变图像的焦距。
图2示出根据一些实施例的HMD 100的一些部分的框图。在所描绘的示例中，HMD100包括微显示器202、多焦点模块204、光路206和控制器209。微显示器一般被配置为基于从图形处理单元(GPU)或其它图像帧生成器(未示出)接收到的图像帧来生成图像光205。光路206包括一个或多个光学元件，诸如光导，用于将由多焦点模块204生成的图像光传播到用户眼睛。
多焦点模块204包括一个或多个压控光学元件，该一个或多个压控光学元件可以基于图像光205设定图像的焦距，如本文进一步描述。例如，在一些实施例中，多焦点模块204包括CLC元件和偏振器开关，每一个均能够由被控制器209生成的相关联的控制信号来控制。取决于控制信号的状态，改变通过多焦点模块的光学元件的光路，如下文进一步描述，由此改变与图像光205相关联的图像的焦距。在其它实施例中，多焦点模块204包括压控调相器。控制器209可以生成控制调相器的电压以改变与图像光205相关联的图像的焦距，如下文进一步描述的。因此，多焦点模块204被配置为生成表示图像(例如，图像207和图像208)的光，其中，与每个图像相关联的焦距是基于由控制器209生成的控制信号。因此，例如，基于由控制器209生成的控制信号，图像207和208具有不同的焦距(指配为FL1和FL2)。
图3示出根据一些实施例的多焦点模块204的框图。在所描绘的示例中，多焦点模块204包括右旋偏振器312(right-handed polarizer312)、具有50/50分束涂层313的平面平行板314、偏振器开关316和胆甾型液晶(CLC)元件318。右旋偏振器312和平面平行板314一起使基于图像光205的右旋圆偏振光通过。偏振器开关316一般被配置为基于接收到的控制信号(未示出)的状态使特定偏振的光通过。因此，例如，响应于具有第一状态的控制信号，偏振器开关316使右旋(R)偏振光通过，并响应于具有第二状态的控制信号，偏振器开关316将R偏振光切换到左旋(L)偏振光。在一些实施例中，偏振器开关316是液晶显示器(LCD)单元，并且控制信号是由控制器209提供的电压。
CLC元件318是取决于所施加的电压对特定偏振的光透明或反射的元件。当无电压施加到CLC元件318时，液晶分子具有螺旋结构，其螺距导致布拉格反射。当入射的非偏振光击中胆甾型液晶(左旋)时，左旋圆偏振光将被反射。当CLC元件318被电场切换时，CLC分子被旋开，使得所有分子沿着电场对齐。因此，螺旋结构消失，故布拉格反射消失。因而，它们对任何偏振光变得透明。
在操作中，控制器209控制施加到偏振器开关316和CLC元件318的电压以交替改变图像光205通过多焦点模块204的元件的光路。特别地，控制器209使相对较短的光路与相对较长的光路交替，由此改变与图像光相关联的焦距。参照图4可以更好地理解这一点。
图4示出根据一些实施例的多焦点模块204的两种不同状态，指配为状态420和421。状态420表示当控制器209已经施加控制信号(电压)使偏振器开关316和CLC元件318置于“关断”状态时的状态。相应地，在状态421，偏振器开关使R偏振光通过而不改变光的偏振，并且CLC元件318使所有偏振光通过。因此，在所示的示例中，非偏振光线422被转换为R偏振光，并且该光通过其余的光学元件。
状态421表示当控制器209已经施加控制信号使偏振器开关316和CLC元件318置于“接通”状态时的状态。因此，在状态421，偏振器开关316将R偏振光转换为L偏振光，并将R偏振光转换为L偏振光，并且CLC元件318反射L偏振光并使R偏振光通过。由光线423示出在状态412中通过多焦点模块204的光学元件的光路。在所描绘的示例中，R偏振光被指配为标签“R”，并且L偏振光被指配为标签“L”。
如图所示，光线423首先通过偏振器312，因此变为R偏振光。由于偏振器开关316处于接通状态，光线423从R偏振光转换为L偏振光，并且由于CLC元件318处于接通状态，L偏振光被反射。相应地，光线423通过偏振器开关316返回并被转换为R偏振光。然后，光线423通过平面平行板314，其将光线423反射为L偏振光。然后，光线423被偏振器开关316转换为R偏振光，并且该R偏振光通过CLC元件318。
如本领域所理解的，在光线423和423通过CLC元件318之后，与多焦点模块204的输出处的光线423和423相关联的焦距部分地由每条光线所通过的光学元件的厚度来管控。通过增长光线423相较于光线423的光路长度，与光线423相比，多焦点模块改变了光线423的焦距。因此，通过交替状态420和421(通过交替施加到偏振器开关316和CLC元件318的电压)，控制器209能够改变与从图像光205所生成的图像相关联的焦距。
在一些实施例中，多焦点模块204耦合到附加的光学元件，这些附加的光学元件形成光路206的至少一部分以将光引导到用户眼睛。这些附加的光学元件也可以改变与由多焦点模块204提供的每个图像相关联的焦距和图像平面，以便向用户呈现令人满意的视觉体验。根据一些实施例，在图5中示出这些光学元件的示例。在所描绘的示例中，多焦点模块204设置在微显示器202与以下滤光器叠层之间，其中该滤光器叠层由四分之一波片530、分束器532、四分之一波片534、偏振分束器536和线性偏振器538形成。
在操作中，多焦点模块204基于由微显示器202提供的图像光生成不同焦距的图像。然后，由多焦点模块204生成的图像的光通过滤光器叠层并被引导到用户眼睛。特别地，光通过生成L偏振光的四分之一波片530。然后，L偏振光通过分束器532并被四分之一波片534转换为线性偏振光(其偏振被指配为x偏振)。x偏振光被偏振分束器536反射。反射的x偏振光被四分之一波片534转换为L偏振光。然后，这个反射的L偏振光再被分束器532反射为R偏振光。R偏振光被转换为线性偏振光，其偏振被指配为与x偏振正交的y偏振。y偏振光通过偏振分束器536和线性偏振器538并被引导向用户眼睛。
图5所示的滤光器叠层可以用相对较小的光学元件来制造，使得滤光器叠层连同多焦点模块的整体形状因数也很小。小形状因数允许将所描绘的实施例轻松置于各种HMD形状因数中，同时生成与不同焦距相关联的图像，因而具有不同的图像平面，并增强整体用户体验。
图6示出多焦点模块204的另一实施例。在所示的实施例中，多焦点模块204是平面平行板，其具有设置于两个玻璃板640和641之间的液晶(LC)移相器642。LC移相器642具有一个或多个液晶层，该一个或多个液晶层设置成当跨这些层施加电压时使得这些层的折射率改变。因此，LC移相器642的折射率由被控制器(诸如控制器209(图2))供应的电压控制。另外，通过LC移相器642的光的焦平面取决于液晶层的折射率。因此，通过改变施加到LC移相器642的电压，控制器209可以改变多焦点模块204输出处的光的焦平面，由此生成具有不同图像平面的图像。例如，在一些实施例中，控制器209将施加到LC移相器642的电压在第一电压与不同的第二电压之间交替，由此基于相同的微显示器202生成具有两个不同图像平面的图像。在一些实施例中，使用LC移相器642作为图5的实施例中的多焦点模块，其具有所示的滤光器叠层。
在其它实施例中，多焦点模块是将显示光与入射光合并以显示给用户的液晶合路器。反射式自由曲面液晶(LC)光学元件反射入射光，并且通过施加电压将入射平面波转换为任意波前。LC光学元件可以呈平面，或呈曲面，这取决于基板。当向LC元件施加电压时，LC分子的取向由所施加的电场操纵，然后入射光在光传播通过LC光学元件时以不同的速度传播。波前调制是由光传播通过LC分子时光速的变化所引起的。可以通过应用所施加电场的分布来实现特定的波前。这种波前随着施加到LC光学元件的电场而变化。LC光学元件可以设计为光学各向同性或光学各向异性的。
图7示出根据一些实施例的图1中的HMD 100的框图，其中该HMD 100包括用于经由多个图像平面显示内容的显示器系统。为了支持显示具有不同图像平面的图像，HMD 100包括显示控制模块750、图形处理单元(GPU)752和多焦点模块。GPU 752一般被配置为基于从另一个处理器(未示出)(诸如外部设备(例如，计算机或蜂窝电话)的中央处理单元(GPU))或HMD 100的CPU接收到的命令来生成用于在HMD100处显示的帧。显示控制模块750一般被配置为控制多焦点模块204的操作以时分复用向用户提供不同焦距的光。在一些实施例中，显示控制模块750控制从GPU 752向微显示器202提供帧，并且使在微显示器202处提供和显示帧与多焦点模块204的控制同步，使得不同的帧与不同的焦平面相关联并与不同的图像平面一起显示。
通过经由不同的图像平面显示不同的帧，HMD 100支持向用户灵活且具沉浸感地显示信息。例如，在一些实施例中，显示控制模块750选择待在特定图像平面处显示的帧以创建用户看来具有深度的整体图像，从而创建更具沉浸感的VR或AR环境。在一些实施例中，不同帧的图像平面是基于用户设置758的集合。用户可以调整用户设置758(例如，经由图形用户界面(GUI)或其它界面)，使得显示控制模块在不同的图像平面处显示与不同的应用或不同类型的信息相关联的帧。例如，在一些实施例中，用户可以调整用户设置758，使得在一个图像平面处显示视频并经由不同的图像平面显示通知信息(例如，电子邮件或聊天通知)。
在一些实施例中，上述技术的某些方面可以由执行软件的处理系统的一个或多个处理器来实现。软件包括存储或以其它方式有形地体现在非暂时性计算机可读存储介质上的一个或多个可执行指令集。软件可以包括指令和某些数据，这些指令和数据当被所述一个或多个处理器执行时操纵所述一个或多个处理器执行上述技术的一个或多个方面。非暂时性计算机可读存储介质可以例如包括磁盘或光盘存储设备、固态存储设备，诸如闪存器、高速缓存器、随机存取存储器(RAM)或者一个或多个其它非易失性存储设备等。存储在非暂时性计算机可读存储介质上的可执行指令可以是源代码、汇编语言代码、目标代码或者由一个或多个处理器解释或以其它方式执行的其它指令格式。
计算机可读存储介质可以包括在使用期间能够由计算机系统访问以向计算机系统提供指令和/或数据的任何存储介质或存储介质组合。这样的存储介质可以包括但不限于光学介质(例如，致密盘(CD)、数字多功能盘(DVD)、蓝光盘)、磁介质(例如，软盘、磁带或磁硬盘驱动器)、易失性存储器(例如，随机存取存储器(RAM)或高速缓存器)、非易失性存储器(例如，只读存储器(ROM)或闪存器)或者基于微机电系统(MEMS)的存储介质。计算机可读存储介质可以嵌入计算系统中(例如，系统RAM或ROM)、固定地附接到计算系统(例如，磁硬盘驱动器)、可移除地附接到计算系统(例如，光盘或基于通用串行总线(USB)的闪存器)或者经由有线或无线网络(例如，网络可访问存储(NAS))耦合到计算机系统。
应当指出，一般描述中的上述所有活动或要素并非都为必需，可能不需要具体活动或设备的一部分，且除了这些所描述的以外，可能执行一个或多个另外的活动，或者可能包括一个或多个另外的要素。再者，所列活动的次序不必是它们执行的次序。而且，构思是结合具体实施例来描述。然而，本领域普通技术人员应当领会，在不背离所附权利要求书中所阐述的本公开范围的前提下，可以作出各种修改和更改。相应地，说明书和附图应视为说明性而非限制性意义，且所有这样的修改皆旨在涵属于本公开范围之内。
上文已就具体实施例描述了益处、其它优势和技术问题解决方案。然而，上述益处、优势、技术问题解决方案以及可能使得任何益处、优势或解决方案出现或变得更加显著的任何特征皆不应解释为任何或所有权利要求的关键、必需或必要特征。此外，上文公开的具体实施例仅为说明性，因为可能以不同但等效的方式修改和实践所公开的主题，这对于得益于本文教导的本领域技术人员而言显而易见。除了所附权利要求中所描述的以外，并不旨在限制本文所显示的构型或设计的细节。故不言而喻，上文公开的具体实施例可以被更改或修改，并且所有这样的变化皆认为是在所公开主题的范围之内。相应地，本文要求的保护如所附权利要求中所阐述。
Claims (20)
1.一种头戴式显示器HMD系统，包括：
微显示器[202]，所述微显示器[202]用于发射显示光[205]；以及
多焦点模块[204]，所述多焦点模块[204]耦合到所述微显示器并包括压控光学元件[318、642]，所述多焦点模块用于基于所述显示光来生成多个图像[207、208]，所述多个图像中的每一个具有不同的焦距。
2.根据权利要求1所述的HMD系统，其中，所述多焦点模块包括：
压控胆甾型液晶CLC元件。
3.根据权利要求2所述的HMD系统，其中，所述多焦点模块包括：
压控偏振器开关[316]，所述压控偏振器开关[316]耦合到所述CLC元件。
4.根据权利要求3所述的HMD系统，其中，所述偏振器开关是液晶显示器LCD单元。
5.根据权利要求3或4所述的HMD系统，其中，所述多焦点模块包括：
平面平行板[314]，所述平面平行板[314]耦合到所述偏振器开关。
6.根据权利要求1所述的HMD系统，其中，所述多焦点模块包括：
液晶LC移相器。
7.根据权利要求1所述的HMD系统，其中，所述多焦点模块包括：
液晶合路器。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的HMD系统，进一步包括：
滤光器叠层，所述滤光器叠层耦合到所述多焦点模块。
9.根据权利要求8所述的HMD系统，其中，所述滤光器叠层包括：
第一四分之一波片[530]；
分束器[532]，所述分束器[532]耦合到所述第一四分之一波片；以及
第二四分之一波片[534]，所述第二四分之一波片[534]耦合到所述分束器。
10.一种显示器系统，包括：
微显示器[202]，所述微显示器[202]用于发射显示光[205]；
控制器[209]，所述控制器[209]用于控制至少一个电压；以及
多焦点模块[204]，所述多焦点模块[204]耦合到所述控制器并包括光学元件[318、642]以用于基于所述至少一个电压来生成不同图像平面的图像[207、208]。
11.根据权利要求10所述的显示器系统，其中，所述多焦点模块包括：
压控胆甾型液晶CLC元件。
12.根据权利要求11所述的显示器系统，其中，所述多焦点模块包括：
压控偏振器开关[316]，所述压控偏振器开关[316]耦合到所述CLC元件。
13.根据权利要求12所述的显示器系统，其中，所述偏振器开关是液晶显示器LCD单元。
14.根据权利要求13所述的显示器系统，其中，所述多焦点模块包括：
平面平行板[314]，所述平面平行板[314]耦合到所述偏振器开关。
15.根据权利要求10所述的显示器系统，其中，所述多焦点模块包括：
液晶LC移相器。
16.根据权利要求10所述的显示器系统，其中，所述多焦点模块包括：
液晶合路器。
17.根据权利要求10至16中的任一项所述的显示器系统，进一步包括：
滤光器叠层，所述滤光器叠层耦合到所述多焦点模块。
18.一种方法，包括：
在微显示器[202]处生成显示光[205]；以及
控制施加到多焦点模块[209]的电压，以基于所述显示光生成多个图像[207、208]，所述多个图像中的每一个基于所述电压而具有不同的焦距。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述多焦点模块包括：
压控胆甾型液晶CLC元件[318]。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，所述多焦点模块包括：
液晶LC移相器[642]。
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