CN117555147A - 近焦矫正性ar眼镜 - Google Patents

Abstract

一种用于增强现实应用的头戴式显示器包括被布置在所述头戴式显示器的眼圈部分的孔内的图像光导，所述图像光导用于将对虚拟对象进行编码的角度相关的承载图像的光束朝向眼箱引导，以用于以距眼箱的超焦距离到近无穷大的聚焦距离来观看虚拟对象。在所述图像光导的一侧与眼箱之间的负焦度光学器件使所述承载图像的光束在眼箱之前发散，以用于以距眼箱更近的距离来观看虚拟对象，所述更近的距离小于所述超焦距离。在所述图像光导的相对侧上的正焦度光学器件补偿了所述负焦度光学器件的负焦度，以用于以真实世界对象距眼箱的实际距离来观看真实世界对象。位于所述图像光导与眼箱之间的矫正性光学器件减少了针对观看真实世界对象和虚拟对象两者的观看者像差。

Description

近焦矫正性AR眼镜

技术领域

本公开涉及增强现实系统，该系统包括可操作以通过显示器来显示叠加在真实世界视图上的虚拟图像的近眼显示器。

背景技术

头戴式显示器(HMD)越来越多地采取常规眼镜的形式，其具有不太突兀(obtrusive)的光学器件以用于显示虚拟图像内容、连同周围环境的较少遮挡的视图。可以沿着眼镜腿来支撑图像生成器，并且基本上透明的图像光导(light guide)将所生成的图像作为虚拟图像传送到佩戴者的眼睛，该虚拟图像被投影到通过图像光导可见的佩戴者的真实世界视图中。

图像内容可以作为角度相关光束(angularly related beam)的集合沿着图像光导被传送，其中每个光束在两个角度维度中的相对角度取向对应于所生成的图像内的不同位置(例如，像素)。通常，光束本身是准直的，就好像是对应于位于视场内的唯一角度位置处的远距离光点。因此，当准直光束被引导至共同眼箱(eyebox)内的重叠位置中时，佩戴者的眼睛会将来自眼箱的所生成图像视为位于接近无穷大的距离处的虚拟图像。然而，佩戴者感兴趣的真实世界对象可能位于近得多的位置，并且需要一些明显的眼睛调节(accommodation)来进行聚焦。在相同场景内观看需要不同的聚焦调节的虚拟对象和真实世界对象可能导致眼睛疲劳。

由诸如近视眼(近视)、远视眼(远视)以及散光之类的屈光不正(refractiveerror)所引起的佩戴者的视觉问题也可能对类似于常规眼镜的不显眼(low-profile)HMD提出挑战。如果包含矫正性透镜的佩戴者眼镜必须被移除以容纳不显眼HMD，则佩戴者通过HMD对真实世界对象和虚拟对象两者的观看可能会被损害。

发明内容

本公开的实施例的特征在于对HMD的改进，以管理呈现给HMD佩戴者的真实世界对象与虚拟对象之间的聚焦差异、以及影响佩戴者本身的聚焦能力的视觉问题中的任一个或两者。佩戴者的眼睛需要将虚拟图像转换成真实图像，并且本公开提供了减少对佩戴者的眼睛在相同视场内观看虚拟对象连同真实世界对象的需求。

根据本公开的一种HMD具有眼圈部分(eye rimsection)，眼圈部分具有孔(aperture)，通过所述孔，佩戴者可以观看周围环境内的真实世界对象。虽然许多HMD被布置成利用针对每只眼睛提供的眼圈部分来支持双目视觉，但是在理解了采用对称布置的第二眼圈部分可以用于支持双目或立体视觉的情况下，关于用于支持单目视觉的单个眼圈部分描述了各种改进。

被布置在所参考的头戴式显示器的眼圈部分的所述孔内的图像光导包括：具有平行于平面的内表面和外表面的透射平面波导、耦入光学器件(in-coupling optic)、以及耦出光学器件(out-coupling optic)。耦入光学器件将对虚拟对象进行编码的角度相关的承载图像的光束(image-bearing light beam)引导至所述波导中，以用于通过来自平行的内表面和外表面的内反射进行传播。耦出光学器件将正在传播的承载图像的光束从所述波导朝向眼箱引导，以用于以距眼箱的第一聚焦距离来观看虚拟对象。被形成为在所述孔内位于所述波导的内表面与眼箱之间的单个光学元件的多功能光学器件提供了如下两者：(a)负光焦度贡献(negative optical power contribution)，其用于使所述承载图像的光束在眼箱之前发散，以用于以距眼箱更近的第二聚焦距离来观看虚拟对象；以及(b)矫正性光学贡献，其用于减少与以所述更近的第二聚焦距离来观看真实世界对象和虚拟对象两者相关联的观看者光学像差(optical aberration)。在所述孔内位于所述波导的外表面与周围环境之间的正焦度(positive-power)光学器件补偿了所述多功能光学器件的负光焦度贡献，而不补偿所述多功能光学器件的矫正性光学贡献，以用于以经矫正的视觉、以真实世界对象距眼箱的实际距离来观看真实世界对象。

所述第一聚焦距离优选地是超焦距离到近无穷大的距离，并且所述更近的第二聚焦距离优选地小于超焦距离。例如，所述更近的第二聚焦距离可以在1.5米与4米之间、或者在0.05米与1.5米之间。优选地，将矫正性光学贡献设置成用于减少在所述更近的第二聚焦距离处的观看者光学像差。

所述多功能光学器件可以是多个多功能光学器件中的第一个，并且所述第一多功能光学器件可以是可移除的，并且可用所述多功能光学器件中的第二个来替换，以使所述显示器适配于不同的光学规定(opticalprescription)。所述正焦度光学器件也可以是多个正焦度光学器件中的第一个。所述第一多功能光学器件和所述第一正焦度光学器件可以是可共同移除的，并且可用所述多功能光学器件中的第二个和所述正焦度光学器件中的第二个来共同替换，以用于将所述更近的第二聚焦距离改变成不同的第三聚焦距离。所述第二多功能光学器件还可以提供矫正性光学贡献，以减少在所述不同的第三聚焦距离处的观看者光学像差。所述多功能光学器件和所述正焦度光学器件两者可以均形成为单个折射透镜元件。

透射保护性外罩(outercover)可以在所述孔内位于所述正焦度光学器件与周围环境之间。替代地，所述正焦度光学器件可以形成为具有凸形外表面的透镜，所述凸形外表面面向周围环境并且用保护性涂层来处理。

根据本公开的一种增强现实虚拟图像显示系统提供了管理观看者对共同视场内的虚拟对象和真实世界对象的观看，特别是在意图作为小于需要显著眼睛调节的超焦距离来观看真实世界对象的情况下。所述图像光导将对虚拟对象进行编码的角度相关的承载图像的光束朝向眼箱引导，以用于以距眼箱的第一聚焦距离来观看虚拟对象。被形成为位于所述图像光导的内侧与眼箱之间的单个光学元件的多功能光学器件提供了如下两者：(a)负光焦度贡献，其用于使所述承载图像的光束在眼箱之前发散，以用于以距眼箱更近的第二聚焦距离来观看虚拟对象；以及(b)矫正性光学贡献，其用于减少与以所述更近的第二聚焦距离来观看真实世界对象和虚拟对象两者相关联的观看者光学像差。所述图像光导的外侧上的正焦度光学器件补偿了所述多功能光学器件的负光焦度贡献，而不补偿所述多功能光学器件的矫正性光学贡献，以用于以经矫正的视觉、以真实世界对象距眼箱的实际距离来观看真实世界对象。

所述多功能光学器件优选地是单个折射透镜元件。所述第一聚焦距离优选地是超焦距离到近无穷大的距离，并且所述更近的第二聚焦距离小于超焦距离，诸如在1.5米与4米之间、或者在0.05米与1.5米之间。优选地，将矫正性光学贡献设置成用于减少在所述更近的第二聚焦距离处的观看者光学像差。

所述多功能光学器件可以是多个多功能光学器件中的第一个，并且所述第一多功能光学器件可以是可移除的，并且可用所述多功能光学器件中的第二个来替换，以使所述显示系统适配于不同的光学规定。所述第二多功能光学器件的负焦度贡献可以与所述第一多功能光学器件的负焦度贡献相同，但是所述第二多功能光学器件的矫正性光学贡献不同于所述第一多功能光学器件的矫正性光学贡献。

所述多功能光学器件可以是多个多功能光学器件中的第一个，并且所述正焦度光学器件可以是多个正焦度光学器件中的第一个。由此，所述第一多功能光学器件和所述第一正焦度光学器件优选地是可共同移除的，并且可用所述多功能光学器件中的第二个和所述正焦度光学器件中的第二个来共同替换，以用于将所述更近的第二聚焦距离改变成不同的第三聚焦距离。所述第二多功能光学器件优选地提供矫正性光学贡献，以用于减少在所述不同的第三聚焦距离处的观看者光学像差。

透射保护性外罩可以位于所述正焦度光学器件与从其中观看真实世界对象的周围环境之间。替代地，所述正焦度光学器件可以被布置为具有凸形外表面的透镜，所述凸形外表面面向周围环境并且用保护性涂层来处理。

所述图像光导可以包括透射平面波导、耦入光学器件、以及耦出光学器件，透射平面波导具有平行于平面的内表面和外表面，耦入光学器件用于将所述角度相关的承载图像的光束从图像源引导至所述波导中，以用于通过来自所述内表面和外表面的内反射进行传播，耦出光学器件用于将正在传播的承载图像的光束从所述波导朝向眼箱引导。

附图说明

附图作为本说明书的一部分并入本文中。本文中描述的附图图示了当前公开的主题的实施例，并且说明了本公开的所选原理和教导。然而，附图没有图示当前公开的主题的所有可能实现方式，并且不旨在以任何方式限制本公开的范围。

图1是根据本公开的实施例的虚拟图像显示系统的图像光导的顶部边缘视图，其示出了来自图像源的光沿着图像光导至眼箱的传播，在眼箱内，可以观看虚拟图像。

图2是根据本公开的实施例的虚拟图像显示系统的图像光导的透视图，该虚拟图像显示系统包括耦入衍射光学器件、中间转向衍射光学器件、以及耦出衍射光学器件以用于管理承载图像的光束的传播。

图3是根据本公开的实施例的被布置成用于增强现实应用的HMD的眼圈(eye rim)部分的示意性顶视图，该眼圈部分包含用于支持相同视场内的真实世界对象和虚拟对象的视图的图像光导和外部保护性罩。

图4是基于图3的眼圈部分并且添加了矫正性光学器件的HMD的眼圈部分的示意性顶视图。

图5是基于图3的眼圈部分并且添加了负焦度光学器件和正焦度光学器件两者的HMD的眼圈部分的示意性顶视图。

图6是基于图5的眼圈部分并且添加了图4的矫正性光学器件的HMD的眼圈部分的示意性顶视图。

图7是根据本公开的实施例的被布置成用于增强现实应用的HMD的包含外部保护性罩和图像光导的眼圈部分、连同右镜腿部分和鼻梁部分的顶部截面图。

图8是基于图7的HMD并且添加了负焦度光学器件和正焦度光学器件两者的HMD的包含图像光导的眼圈部分、连同右镜腿部分和鼻梁部分的顶部截面图。

图9是基于图8的HMD并且添加了矫正性光学器件的HMD的包含图像光导的眼圈部分、连同右镜腿部分和鼻梁部分的顶部截面图。

图10是基于图9的HMD但是用多功能光学器件替换了负焦度光学器件和矫正性光学器件两者以用于在单个光学元件中执行两个功能的HMD的包含图像光导的眼圈部分、连同右镜腿部分和鼻梁部分的顶部截面图。

图11A是根据本公开的实施例的替换模块的前视图，该替换模块用于以用于在HMD的眼圈部分内用一组光学器件替换另一组光学器件的方式来容纳正焦度光学器件和多功能光学器件两者。

图11B是根据本公开的实施例的替换模块的顶部截面图，其示出了安装在共同透镜壳体内的正焦度光学器件和多功能光学器件。

图11C是根据本公开的实施例的包含图像光导的眼圈部分的顶部截面图，其中替换模块可滑动地安装在HMD的右镜腿部分与鼻梁部分之间。

图11D是图11C的HMD的顶部截面图，其中移除了替换模块。

具体实施方式

要理解的是，本发明可以假定各种替代的取向和步骤顺序，除非其中明确相反地指定。还要理解的是，在附图中图示并且在以下说明书中描述的特定组装件和系统仅仅是本文中定义的创造性概念的示例性实施例。因此，与所公开的实施例相关的特定尺寸、方向或其他物理特性不应被认为是限制性的，除非另行明确声明。而且，在本申请的该部分中，本文中描述的各种实施例中的相似元件可以用相似的附图标记来共同指代，尽管它们可能不是相似的。

图1是示出了图像光导10的一个常规配置的简化截面图的示意图，图像光导10包括平面波导12、耦入衍射光学器件IDO、以及耦出衍射光学器件ODO。平面波导12包括可以由光学玻璃或塑料制成的透明基底S，该透明基底S具有平行于平面的内表面和外表面14和16。在该示例中，耦入衍射光学器件IDO被示出为布置在平面波导12的内表面14上的透射类型衍射光栅。然而，耦入衍射光学器件IDO可以替代地是反射类型衍射光栅、或将入射的承载图像的光WI衍射到平面波导12中的其他类型的衍射光学器件(诸如，体积全息图或其他全息衍射元件)。耦入衍射光学器件IDO可以位于平面波导12的内表面或外表面14或16上，并且可以属于透射类型或反射类型的组合，这取决于承载图像的光WI从其逼近平面波导12的方向。

当被用作虚拟图像显示系统的一部分时，耦入衍射光学器件IDO将来自真实、虚拟或混合图像源18的承载图像的光WI耦合到平面波导12的基底S中。由图像源18形成的任何真实图像或图像尺寸首先被转换(例如，朝向焦点会聚)成对虚拟图像内的不同位置进行编码的重叠的角度相关光束的阵列，以用于呈现给耦入衍射光学器件IDO。典型地，形成角度相关光束之一的每个束(bundle)内的射线平行地延伸，但是角度相关光束通过可以在对应于该图像的线性维度的两个角度维度中定义的角度而彼此相对倾斜。

承载图像的光WI被衍射(通常通过第一衍射级)，并且由此通过耦入衍射光学器件IDO被重新导向(redirect)至平面波导12中作为承载图像的光WG，以用于通过来自平行于平面的内表面和外表面14和16的全内反射(TIR)沿着平面波导12的长度维度X进一步传播。尽管按照由TIR设置的边界被衍射成角度相关光束的不同组合，但是承载图像的光WG以角度编码的形式保留了可从耦入衍射光学器件IDO的参数中导出的图像信息。耦出衍射光学器件ODO接收经编码的承载图像的光WG，并且将承载图像的光WG衍射出(通常也通过第一衍射级)平面波导12，作为朝向被称为眼箱E的空间的附近区域的承载图像的光WO，在眼箱E内，观看者的眼睛可以看到所传输的虚拟图像。耦出衍射光学器件ODO可以关于耦入衍射光学器件IDO对称地设计，以恢复承载图像的光WO的所输出的角度相关光束当中的承载图像的光WI的原始角度关系。另外，耦出衍射光学器件ODO可以修改原始场点(field point)的位置角度关系，从而在有限的聚焦距离处产生输出虚拟图像。

然而，为了在填充眼箱E——眼箱E定义了在其中可以看到虚拟图像的区域的大小——的角度相关光束当中增加一个重叠维度，耦出衍射光学器件ODO与平面波导12的有限厚度T被一起布置，以便多次与承载图像的光WG相遇(encounter)，并且在每次相遇时仅衍射承载图像的光WG的一部分。沿着耦出衍射光学器件ODO的长度的多次相遇具有如下效果：扩大了承载图像的光WO的每一个角度相关光束的一个维度，从而扩展了光束在其中重叠的眼箱E的一个维度。经扩展的眼箱E降低了对于观看虚拟图像而言对观看者眼睛位置的敏感度。

耦出衍射光学器件ODO被示出为布置在平面波导12的内表面14上的透射类型衍射光栅。然而，与耦入衍射光学器件IDO相似，耦出衍射光学器件ODO也可以位于平面波导12的内表面或外表面14或16上，并且可以属于透射类型或反射类型的组合，这取决于承载图像的光WG意图通过其离开平面波导12的方向。另外，耦出衍射光学器件可以形成为另一种类型的衍射光学器件(诸如，体积全息图或其他全息衍射元件)，该衍射光学器件将来自平面波导12的正在传播的承载图像的光WG衍射为朝向眼箱E传播的承载图像的光WO。

图2的透视图示出了图像光导20，图像光导20被布置成用于在两个维度中(即，沿着预期图像的x轴和y轴)扩展眼箱E。为了实现光束扩展的第二维度，耦入衍射光学器件IDO被定向成：关于光栅矢量k1沿着平面波导22朝向中间转向光学器件TO来衍射承载图像的光WG，中间转向光学器件TO的光栅矢量k2被定向成：以反射模式沿着平面波导22朝向耦出衍射光学器件ODO来衍射承载图像的光WG。承载图像的光WG的仅一部分通过与中间转向光学器件TO的多次相遇中的每一次相遇而被衍射，从而横向扩展了正在逼近耦出衍射光学器件ODO的承载图像的光WG的每一个角度相关光束。中间转向光学器件TO将承载图像的光WG重新导向成与耦出衍射光学器件ODO的光栅矢量k3至少近似对准，以用于在作为承载图像的光WO离开平面波导22之前在第二维度中纵向扩展承载图像的光WG的角度相关光束。光栅矢量(诸如，所描绘的光栅矢量k1、k2和k3)在垂直于衍射光学器件的衍射特征(例如，凹槽、线、或划线(rulings))的相应方向上在平面波导12的平行平面内延伸，并且具有与衍射光学器件IDO、TO和ODO的周期或节距d(即，衍射特征之间的中心距离)成反比的相应量值。

在图2的图像光导20中，耦入衍射光学器件IDO接收包含角度相关光束集合的入射的承载图像的光WI，这些角度相关光束对应于由图像源18(诸如，投影器)生成的图像内的个体像素或等效位置。用于产生虚拟图像的全范围的角度编码光束可以由与聚焦光学器件一起的真实显示器、由用于更直接地设置光束角度的光束扫描器、或者由诸如与扫描器一起使用的一维真实显示器之类的组合来生成。图像光导20通过提供承载图像的光WG与中间转向光学器件TO和耦出衍射光学器件ODO两者在不同取向中的多次相遇，从而在该图像的两个维度中输出角度相关光束的扩展集合。在平面波导22的所描绘的取向中，中间转向光学器件TO提供了在y轴方向上的光束扩展，并且耦出衍射光学器件ODO提供了在x轴方向上的类似光束扩展。耦入、中间转向和耦出衍射光学器件IDO、TO和ODO的衍射特征的相对取向和相应周期d提供了两个维度中的光束扩展，同时保留了承载图像的光WI的角度相关光束当中的预期关系，该承载图像的光WI的角度相关光束从图像光导20中被输出作为承载图像的光WO。

也就是说，虽然输入到图像光导20中的承载图像的光WI通过耦入衍射光学器件IDO被编码成角度相关光束的不同集合，但是通过计及耦入衍射光学器件IDO的系统性效应，保留了重建该图像所需的信息。位于耦入与耦出衍射光学器件IDO与ODO之间的中间位置处的中间转向光学器件TO可以被布置成使得它不会引起对承载图像的光WG的编码的显著改变。由此，耦出衍射光学器件ODO可以关于耦入衍射光学器件IDO以对称的方式来布置，例如包括共享相同周期的衍射特征。类似地，中间转向光学器件TO的周期也可以与耦入和耦出衍射光学器件IDO和ODO的共同周期相匹配。尽管中间转向光学器件TO的光栅矢量k2被示出为相对于其他光栅矢量以45度定向(这仍然是可能的取向)，但是中间转向光学器件TO的光栅矢量k2可以以如下这种方式关于耦入和耦出衍射光学器件IDO和ODO的光栅矢量k1和k3以60度定向，使得承载图像的光WG被转向120度。通过使中间转向光学器件TO的光栅矢量k2相对于耦入和耦出衍射光学器件IDO和ODO的光栅矢量k1和k3以60度定向，耦入和耦出衍射光学器件IDO和ODO的光栅矢量k1和k3也相对于彼此以60度定向。使光栅矢量量值基于由耦入、中间转向和耦出衍射光学器件IDO、TO和ODO共享的共同节距，三个光栅矢量k1、k2和k3(作为引导线段)形成等边三角形，并且求和为零矢量量值，这避免了可能引入不想要的像差(包括色散)的不对称效应。这种不对称效应也可以通过在如下相对取向中的具有不相等的量值的光栅矢量k1、k2和k3来避免：在该相对取向下，这三个光栅矢量k1、k2和k3求和为零矢量量值。

在更宽泛的意义上，被引导至平面波导22中的承载图像的光WI由耦入光学器件有效地编码，无论该耦入光学器件是使用光栅、全息图、棱镜、反射镜还是一些其他机构。发生在输入处的光的任何反射、折射和/或衍射都必须由输出相应地解码，以重新形成被呈现给观看者的虚拟图像。无论是否在中间转向光学器件TO以及耦入和耦出衍射光学器件IDO和ODO当中维持了任何对称性、或者无论是否沿着平面波导12发生了对承载图像的光WI的角度相关光束的编码的任何改变，中间转向光学器件TO以及耦入和耦出衍射光学器件IDO和ODO都可以是相关的，使得从平面波导22中输出的承载图像的光WO保留或以其他方式维持承载图像的光WI的原始或期望形式，以用于产生预期的虚拟图像。

字母“R”表示虚拟图像的取向，该虚拟图像对于其眼睛位于眼箱E中的观看者是可见的。如所示出的，所表示的虚拟图像中的字母“R”的取向与由承载图像的光WI所编码的字母“R”的取向相匹配。入射的承载图像的光WI相对于x-y平面围绕z轴的旋转或者角度取向中的改变会导致来自耦出衍射光学器件(ODO)的出射光的旋转或角度取向中的对应对称改变。从图像取向的方面来看，中间转向光学器件TO仅仅充当一种类型的光学中继，该光学中继提供了承载图像的光WG的角度编码光束沿着该图像的一个轴(例如，沿着y轴)的扩展。耦出衍射光学器件ODO进一步沿着该图像的另一个轴(例如，沿着x轴)来扩展承载图像的光WG的角度编码光束，同时维持由承载图像的光WI所编码的虚拟图像的原始取向。中间转向光学器件TO通常是倾斜或方形光栅，或者替换地可以是闪耀光栅(blazedgrating)，并且通常被布置在平面波导22的平行于平面的内表面和外表面中的一个上。

耦入、转向和耦出衍射光学器件IDO、TO和ODO一起优选地在图像光导20进行从偏移位置到观看者的近眼位置的传送时保留定义了虚拟图像的不同波长的光束当中的角度关系。在这样做的同时，耦入、转向和耦出衍射光学器件IDO、TO和ODO可以以不同的方式相对地定位和定向，以控制平面波导22的总体形状、以及角度相关光束可以以其被引导至平面波导22中以及从平面波导22中引导出的总体取向。

如上所描述的图像光导10和20被呈现为适合于在针对增强现实(AR)应用而设计的头戴式显示器(HMD)中使用的图像光导的示例，在该增强现实应用中，虚拟图像内容被叠加在通过透明平面波导12或22所看到的真实世界视图上。尽管虚拟图像显示系统被描绘为具有单个平面波导，但是显示系统还可以包括采用堆叠格式的多个平面波导，以用于分离地传送不同颜色中的图像或图像的不同部分。在更一般的意义上，本文中考虑的图像光导——通过该图像光导，虚拟图像可以被引导至佩戴者的眼睛——可以采取各种形式，并且可以包括用于将光耦入到波导中以及从波导中耦出的各种方式，同时仍然支持通过该波导的周围环境的视图。也就是说，耦出光学器件和波导本身两者都应当被构造成不过度干扰佩戴者通过波导对周围环境的观看。由图像光导传送的虚拟对象和通过图像光导看到的真实世界对象两者对于佩戴者应当是清晰可见的，以支持佩戴者与周围环境的进一步交互，诸如可以通过叠加的虚拟内容来通知。

图3是HMD的眼圈部分30的示意性描绘，眼圈部分30被布置成用于增强现实应用并且包含图像光导40(诸如，先前描述的图像光导10和20)，图像光导40用于将虚拟图像传送到佩戴者的眼睛32，同时提供通过图像光导40的真实世界视图。以这种方式，在通过图像光导40可见的真实世界对象36当中，可以将虚拟对象34呈现给佩戴者的眼睛32。从图像源(未示出)生成的承载图像的光束通常作为相应的准直光束沿着图像光导并且从图像光导而传播，这些准直光束彼此角度相关以用于形成虚拟图像。作为如上所描述的虚拟图像显示系统的一部分，从图像光导40发射的承载图像的光束42看起来好像是源自于在距佩戴者眼睛32的超焦距离到近无穷大的聚焦距离(例如，从6米到7米到近无穷大)处的经由承载虚拟图像的光束44的虚拟对象34。在这种情境下，佩戴者的眼睛32的瞳孔位于眼箱38中，在眼箱38内，虚拟图像可以被佩戴者看到，并且超焦距离设置了距正常眼睛或经矫正的眼睛的最短对象距离，超过该最短对象距离，就可以在不需要调节(即，眼睛焦距中的改变)的情况下观看对象。

与直接发射到佩戴者的眼睛32中的承载图像的光束42形成对照，来自真实世界对象36的光束46在到达佩戴者的眼睛32之前会透射通过透射保护性外罩48和图像光导40两者。因此，透射保护性外罩48可以提供过滤或其他光学功能，该过滤或其他光学功能会影响佩戴者对真实世界对象36的观看，而不会类似地影响佩戴者对虚拟对象34的观看。

图4是HMD的眼圈部分50的示意性描绘，如在眼圈部分30中那样，眼圈部分50具有作为虚拟图像显示系统的一部分的图像光导40、以及透射保护性外罩48两者。HMD的一些佩戴者可能难以聚焦观看远处的对象，这是一种被称为近视眼或近视的状况。该状况会影响佩戴者清晰地聚焦距佩戴者给定距离之外的真实对象和看起来位于距佩戴者给定距离之外的虚拟对象两者的能力。

可替换且可定制的矫正性光学器件52被定位在佩戴者的眼睛32与图像光导40的一个或多个波导之间。矫正性光学器件52——其可以利用折射或衍射机制来重新编排(reformat)所传输的光——被可移除地安装在HMD的眼圈部分50内，以用于提供期望的光学矫正(例如，负聚焦焦度)，诸如可以通过光学规定来估计的光学矫正，以用于使佩戴者的远距离视觉(long-distance vision)正常化。

来自远处的真实世界对象36的光束46在与具有期望的光焦度量的矫正性光学器件52相遇之前透射通过透射保护性外罩48和图像光导40两者，该矫正性光学器件52将光束46重新定向或以其他方式重新布置成光束54，使得佩戴者的眼睛32可以更清晰地聚焦真实世界对象36而没有显著的像差。类似地，从图像光导40发射的承载图像的光束42——该光束42模仿来自远处虚拟对象34的承载虚拟图像的光束44——与矫正性光学器件52相遇，该矫正性光学器件52将承载光图像的光束42重新定向或以其他方式重新布置成承载图像的光束56，使得佩戴者的眼睛32可以更清晰地聚焦远处的虚拟对象34而没有显著的像差。矫正性光学器件52优选地既可附接到眼圈部分50又可从眼圈部分50中拆卸。虽然矫正性光学器件52尤其适合用于矫正近视眼，但是也可以矫正包括散光的其他类型的系统性像差。例如，矫正性光学器件可以被布置为多焦点或双焦点光学器件以用于矫正不同距离处的像差。

图5是HMD的眼圈部分60的示意性描绘，眼圈部分60被适配成允许虚拟对象34看起来近得多，该虚拟对象34是由虚拟图像显示系统在超焦距离到近无穷大的聚焦距离处生成的。例如，在其中HMD的佩戴者通常观看需要给定眼睛调节的范围内的真实世界对象的情形下，相同场景内的在显著更大的聚焦距离处的虚拟对象由于需要显著更少的眼睛调节而可能更加难以感知。HMD的佩戴者可能会在观看虚拟对象和真实世界对象所需的不同调节量之间(例如，在很少或没有调节与涉及眼睛焦距中的显著改变的可感知调节之间)经历眼睛疲劳切换。

眼圈部分60包括负焦度或发散光学器件62，该负焦度或发散光学器件62作用于从图像光导40发射的承载图像的光束42，以用于将承载图像的光束42转换成发散的承载图像的光束72，该发散的承载图像的光束72具有虚拟对象34看起来更近的效果，该虚拟对象34具有由承载虚拟图像的光束44所跟踪的表观焦点位置。然而，类似地缩短距真实世界对象36的聚焦距离将不会解决虚拟对象与真实世界对象34与36之间的发散聚焦距离的问题。另外，真实世界对象36将不会出现在周围环境内的其真实位置中。

为了恢复通过眼圈部分60的期望真实世界视图，眼圈部分60还包括位于图像光导40与透射保护性外罩48之间的正焦度或会聚光学器件64。与影响虚拟对象和真实世界对象34和36两者的视图的负焦度光学器件62形成对照，正焦度光学器件64仅影响真实世界对象36的视图。来自真实世界对象46的光束46首先由正焦度光学器件64会聚成光束76，并且然后由负焦度光学器件62发散成光束78，在光束78处，光束46的原始配置被恢复。

正焦度光学器件64可以被定义为具有与负焦度光学器件62的光焦度相同的光焦度量值(即，绝对值)但是具有相反的符号。例如，正焦度光学器件64的光焦度可以被表示为针对正n屈光度光焦度的+nD。负焦度光学器件62的光焦度可以被表示为针对负m屈光度光焦度的-mD。在作用于来自真实世界对象36的光束46上的情况下，这两个光学器件62和64具有(n-m)D的组合光焦度。其中“n”和“m”被设置为相等，组合光焦度可以为零。也就是说，(n-m)D＝0D屈光度。尽管对于观看真实对象36而言，可以抵消负焦度光学器件62的效果，但是负焦度光学器件62保留了用于以更近的距离来观看虚拟对象34的焦度。

优选地，图像光导40的波导不赋予任何显著的光焦度，该显著的光焦度将显著地更改距真实世界对象36的焦距。例如，为了避免赋予任何折射焦度，一个或多个透射波导可以在眼圈部分的观看孔内形成有平坦表面。另外，一个或多个耦出光学器件优选地被布置成以在超焦距离到近无穷大的聚焦距离处呈现虚拟对象34的形式来输出承载图像的光束。

在折射能力方面，负焦度光学器件62可以形成为例如平凹透镜、双凹透镜或负弯月透镜，并且正焦度光学器件64可以形成为例如平凸透镜、双凸透镜或正弯月透镜。替代地，负焦度和正焦度光学器件62和64中的一个或两者可以形成为全息光学元件(HOE)。正焦度光学器件64的凸形外表面可以替换透射保护性外罩48。出于如过滤或其他保护之类的这种目的，可以向该凸形外表面应用涂层。

图6是眼圈部分80的示意性描绘，眼圈部分80并入了图5的眼圈部分60的特征，包括自相抵消的负焦度和正焦度光学器件62和64，同时还并入了图4的矫正性光学器件52。负焦度光学器件62将虚拟对象34的聚焦距离移动得更靠近佩戴者的眼睛32，并且正焦度光学器件64针对通过眼圈部分80可见的真实世界对象36抵消了该效果。位于负焦度光学器件62与佩戴者的眼睛32之间的可替换且可定制的矫正性光学器件52提供了期望的光学矫正，诸如可以通过光学规定来估计的光学矫正，以用于使佩戴者的视觉(诸如，远距离视觉)正常化。还可以矫正如上面针对矫正性光学器件52描述的其他类型的像差。

矫正性光学器件52将经恢复的光束78重新定向或以其他方式重新布置成光束84，使得佩戴者的眼睛32可以更清晰地聚焦真实世界对象36而没有显著的像差。另外，矫正性光学器件52将承载图像的光束72——通过该承载图像的光束72，虚拟对象34在更近的聚焦距离处出现——重新定向或以其他方式重新布置成承载图像的光束86，使得佩戴者的眼睛32可以更清晰地聚焦更近距离的虚拟对象34而没有显著的像差。

与负焦度和正焦度光学器件62和64相似，矫正性光学器件52可以形成为折射透镜、衍射光栅、全息光学元件(HOE)或其组合。负焦度光学器件62和矫正性光学器件52也可以以折射或衍射形式或其组合的方式被组合成单个光学元件。由此，执行矫正性光学器件52和负焦度光学器件62的功能的单个光学元件优选地可附接到眼圈部分80和可从眼圈部分80中拆卸。正焦度光学器件64——特别是当其具有凸形外表面时——可以替换透射保护性外罩48。出于如过滤或其他保护之类的这种目的，可以向该凸形外表面应用涂层。

优选地，用于影响真实世界对象36的视图的光焦度由矫正性光学器件52结合负焦度光学器件62和正焦度光学器件64的自相抵消效应来提供，而不是从图像光导40来提供。通过以基本上准直的形式传送每一个承载图像的光束，可以简化图像光导的构造，该基本上准直的形式在超焦距离到近无穷大的聚焦距离处呈现虚拟对象34。负焦度光学器件62可以与矫正性光学器件52被一起布置以缩短聚焦距离，在该聚焦距离处，虚拟对象34在真实世界对象36当中被呈现给佩戴者的眼睛32。

图7是如意图相对于佩戴者的眼睛32而定向的HMD的眼圈部分100、连同右镜腿部分102和鼻梁部分104的顶视图。眼圈部分100在内端处与HMD的鼻梁部分104合并，并且在外端处与右镜腿部分102合并。

如先前所描述的图像光导40提供了将虚拟图像传送到佩戴者的眼睛32，同时提供通过图像光导40的真实世界视图。图像光导40被固定在眼圈部分100内，但是接收来自投影器106并且通过耦合机构108的其承载图像的光束，投影器106作为图像源被安装在右镜腿部分102中，耦合机构108包括如上所描述的耦入光学器件。

眼圈部分100还定义了孔110，孔110由透射保护性外罩112所覆盖或至少基本上由透射保护性外罩112所覆盖，透射保护性外罩112可以被制成可移除且可替换的。虽然图像光导40被描绘为具有单个透明平面波导，但是眼圈部分100可以被布置成容纳多个平面波导，诸如采用堆叠(重叠)配置的多个平面波导。

图8是与图7的HMD相似的HMD的眼圈部分120、连同右镜腿部分102和鼻梁部分104的顶视图。右镜腿部分102包括与图7中使用的投影器和耦合机构相同的投影器106和耦合机构108，以将角度相关的承载图像的光束引导至图像光导40的平面波导中。同样与图7的眼圈部分100相似，眼圈部分120包括透射保护性外罩112，透射保护性外罩112可以被制成可附接到其余眼圈部分120或可从其余眼圈部分120中拆卸。

与图5的眼圈部分60相似，眼圈部分120还包括负焦度光学器件122和正焦度光学器件124两者。负焦度光学器件122将从承载图像的光导40以超焦距离到近无穷大的聚焦距离发射的承载图像的光束转换成发散的承载图像的光束，通过该发散的承载图像的光束，虚拟对象看起来更靠近佩戴者的眼睛32。正焦度光学器件124抵消了负焦度光学器件对来自周围环境的传递通过孔110的光束的影响，使得佩戴者看到处于其实际位置中的真实世界对象。与图5的眼圈部分60相似，可以使用具有适当涂层的正焦度光学器件124的凸形表面来代替透射保护性外罩112。

图9是HMD的眼圈部分130、连同右镜腿部分102和鼻梁部分104的顶视图，该HMD并入了图8的眼圈部分120以及对应的右镜腿和鼻梁部分102和104的所有特征。然而，与图6的眼圈部分80相似，眼圈部分130包括可替换且可定制的矫正性光学器件132，该矫正性光学器件132位于负焦度透镜122与佩戴者的眼睛32之间。

与图6的矫正性光学器件52相似，矫正性光学器件132使得佩戴者能够更清晰地聚焦通过孔110可见的真实世界对象、以及更清晰地聚焦由投影器生成的、由图像光导40传送的、以及通过负焦度光学器件122在距佩戴者眼睛32更近的聚焦距离处呈现的虚拟对象。

如上所描述，与负光焦度和正焦度光学器件122和124相似，矫正性光学器件132可以形成为折射透镜、衍射光栅、全息光学元件(HOE)或其组合。负焦度光学器件122和矫正性光学器件132也可以组合成以双透镜物镜(lens doublet)134的形式示出的单个光学元件。其他折射或衍射形式或其组合也可以用作所考虑的单个元件。执行矫正性光学器件132和负焦度透镜122的功能的双透镜物镜134或另一种形式的单个光学元件优选地可附接到其余眼圈部分130或可从其余眼圈部分130中拆卸。同样如上所描述，正焦度光学器件124的经适当处理的凸形外表面可以替换透射保护性外罩112。

作为其中矫正性光学器件132与负焦度光学器件122被组合在复合光学元件(诸如，双透镜物镜134)中的示例，假设距佩戴者眼睛32最远的正焦度光学器件122贡献了光焦度的+1屈光度。进一步假设佩戴者需要光焦度的-2屈光度的规定矫正以用于期望观看距离处的矫正，则该复合光学元件(诸如，双透镜物镜134)可以被布置成贡献光焦度的-3屈光度。光焦度的-3屈光度补偿了光焦度的+1屈光度，否则会影响真实世界对象的视图，光焦度的-3屈光度保留了在更近的聚焦距离处呈现所生成的虚拟对象所需的光焦度的-1屈光度，并且在期望观看距离处矫正佩戴者对真实世界对象和虚拟对象两者的视觉。在更一般的意义上，该规定的光焦度“c”减去正焦度光学器件124的光焦度“p”等于该复合光学元件(诸如，双透镜物镜134)的光焦度“s”(即，s＝c-p)，以实现这些结果。

图10是类似于图9的眼圈部分130的眼圈部分140的顶视图，其中相同的数字指代相同的元件。然而，在眼圈部分140中，作为复合光学器件示例的双透镜物镜134被采用简单透镜144形式的多功能光学器件142所替换，该多功能光学器件142作为用于执行负焦度光学器件122和矫正性光学器件132两者的功能的单个光学元件的示例。作为单个光学元件的多功能光学器件142可以形成为折射透镜、衍射光栅、全息光学元件(HOE)或其组合。

多功能光学器件142既可替换又可定制，以适应佩戴者眼睛32的不同光学规定，以用于减少与以负焦度所提供的更近的聚焦距离来观看虚拟对象相关联的佩戴者光学像差，该负焦度也被并入多功能光学器件142中。另外，多功能光学器件142可以是可定制的，以还改变被并入多功能光学器件142中的负焦度的量，从而更改虚拟对象在其处被呈现给佩戴者眼睛的聚焦距离。优选地，多功能光学器件142的矫正性贡献被设置成减少与以经更改的聚焦距离来观看真实世界对象和虚拟对象两者相关联的佩戴者光学像差。另外，多功能光学器件142的负焦度中的任何改变优选地与正焦度光学器件124的正焦度中的对应改变相匹配，该正焦度光学器件124被类似地制成可替换且可定制的，以抵消多功能光学器件142所贡献的负焦度对来自周围环境的传递通过孔110的光束的影响，使得佩戴者看到处于其实际位置中的真实世界对象。

图11A-11D的特征在于复合透镜支架150，该复合透镜支架150提供了支撑并共同替换HMD的接受性眼圈部分160内的正焦度光学器件124和多功能光学器件142两者。在图11A中，复合透镜支架150被示出为具有定义了孔154的圈状壳体152，以用于维持通过被支撑的正焦度光学器件124和多功能光学器件142的周围环境的清晰视图。

在图11B的顶部截面图中，壳体152接合正焦度光学器件124和多功能光学器件142的外周，以维持这两个光学器件124与142之间的期望光学对准。壳体152进一步包括槽(slot)156，该槽156提供了用于容纳图像光导的间隙(clearance)，该图像光导诸如图11C中所示的更永久地安装在HMD的所描绘的眼圈部分160中的图像光导40。

类似于前述附图，如图11C的顶部截面图中所示的HMD包括右镜腿部分172和鼻梁部分174。右镜腿部分172中的投影器106和耦合机构108将承载图像的光束递送到图像光导40中，图像光导40也被支撑在右镜腿部分172中。然而，右镜腿部分172和鼻梁部分174两者被适配成具有相应的槽162和164，以便以将复合透镜支架150的孔154与眼圈部分160的孔110对准的方式，来可滑动地容纳复合透镜支架150，以用于类似地调节来自周围环境和图像光导40两者的光朝向佩戴者眼睛32的通路(passage)。优选地，复合透镜支架150连同正焦度光学器件124和多功能光学器件142可以被滑动到右镜腿部分172与鼻梁部分174之间的适当位置，而不干扰图像光导40在眼圈部分160内的预定位。出于该目的，槽156优选地提供间隙。

图11D是包含图像光导40的眼圈部分160的顶部截面图，其中移除了复合透镜支架150。在这里，右镜腿部分172和鼻梁部分174中的相应槽162和164更清晰可见，以用于将复合透镜支架150容纳在眼圈部分160内。包含定制的正焦度和多功能光学器件124和142的复合透镜支架150可以以各种方式紧固到眼圈部分160，诸如通过使用进入右镜腿和/或鼻梁部分102和104中的紧定螺钉(未示出)或者柔性橡胶垫圈(未示出)。

可以利用可以可替换地定位在眼圈部分160内的正焦度和多功能光学器件124和142的定制组合来预先布置多个复合透镜支架150。也可以在个别复合透镜支架150内可移除地替换可定制的正焦度和多功能光学器件124和142。

尽管这些附图仅图示了HMD的一部分，其具有针对仅一只眼睛的眼圈部分，如可能适用于单目HMD的那样，但是针对佩戴者的另一只眼睛可以包括采用对称布置的第二眼圈部分，作为用于在佩戴者视场内提供虚拟对象和真实世界对象两者的双目或立体视图的全HMD设备的一部分。

本文中描述的实施例的一个或多个特征可以被组合以创建未描绘的附加实施例。虽然上面已经详细描述了各种实施例，但是应当理解的是，它们是以示例而非限制的方式呈现的。对于相关领域的技术人员明显的是，所公开的主题可以在不脱离其范围、精神或基本特性的情况下以其他特定形式、变型和修改来体现。因此，上面描述的实施例在所有方面都被认为是说明性的，而不是限制性的。本发明的范围由所附权利要求来指示，并且落入其等同物的含义和范围内的所有改变都意图被包含在其中。

Claims (16)

1.一种增强现实虚拟图像显示系统，包括：

图像光导，其被布置为在第一聚焦距离处将虚拟对象的角度相关的承载图像的光束朝向眼箱引导；

多功能光学器件，其位于所述图像光导和所述眼箱之间，其中所述多功能光学器件被形成为单个光学元件，所述单个光学元件被配置为提供：

(a)负光焦度贡献，其可操作为使所述承载图像的光束在眼箱之前发散，其中以第二聚焦距离来观看所述虚拟对象，以及所述第二聚焦距离比所述第一聚焦距离更近，以及

(b)矫正性光学贡献，其可操作为减少与以所述第二聚焦距离来观看真实世界对象和虚拟对象两者相关联的光学像差；以及

正焦度光学器件，其被配置为补偿所述多功能光学器件的负光焦度贡献，而不补偿所述多功能光学器件的矫正性光学贡献，其中以真实世界对象距眼箱的实际距离来观看真实世界对象；

其中所述矫正性光学贡献包括多焦点或双焦点光学贡献。

2.根据权利要求1所述的增强现实虚拟图像显示系统，其中所述多功能光学器件是单个折射透镜元件、衍射光栅或全息光学元件。

3.根据权利要求1所述的增强现实虚拟图像显示系统，其中所述第一聚焦距离是超焦距离到近无穷大的距离，并且所述更近的第二聚焦距离小于所述超焦距离。

4.根据权利要求3所述的增强现实虚拟图像显示系统，其中所述更近的第二聚焦距离在1.5米和4米之间。

5.根据权利要求3所述的增强现实虚拟图像显示系统，其中所述更近的第二聚焦距离在0.05米和1.5米之间。

6.根据权利要求3所述的增强现实虚拟图像显示系统，其中矫正性光学贡献被设置成用于减少在所述更近的第二聚焦距离处的光学像差。

7.根据权利要求1所述的增强现实虚拟图像显示系统，其中所述多功能光学器件是多个多功能光学器件中的第一个，并且所述第一多功能光学器件是可移除的，并且可用所述多功能光学器件中的第二个来替换，以使所述显示系统适配于不同的光学规定。

8.根据权利要求7所述的增强现实虚拟图像显示系统，其中所述第二多功能光学器件的负焦度贡献与所述第一多功能光学器件的负焦度贡献相同，并且所述第二多功能光学器件的矫正性光学贡献不同于所述第一多功能光学器件的矫正性光学贡献。

9.根据权利要求1所述的增强现实虚拟图像显示系统，其中所述多功能光学器件是多个多功能光学器件中的第一个，所述正焦度光学器件是多个正焦度光学器件中的第一个，并且所述第一多功能光学器件和所述第一正焦度光学器件是可共同移除的，并且可用所述多功能光学器件中的第二个和所述正焦度光学器件中的第二个来共同替换，以用于将所述更近的第二聚焦距离改变成不同的第三聚焦距离。

10.根据权利要求9所述的增强现实虚拟图像显示系统，其中所述第二多功能光学器件提供矫正性光学贡献，以减少在所述不同的第三聚焦距离处的光学像差。

11.根据权利要求1所述的增强现实虚拟图像显示系统，进一步包括位于所述正焦度光学器件与从其中观看真实世界对象的周围环境之间的透射保护性外罩。

12.根据权利要求1所述的增强现实虚拟图像显示系统，其中所述正焦度光学器件是具有凸形外表面的透镜，所述凸形外表面面向从其中观看真实世界对象的周围环境并且用保护性涂层来处理。

13.根据权利要求1所述的增强现实虚拟图像显示系统，其中所述图像光导包括透射平面波导、耦入光学器件、以及耦出光学器件，所述透射平面波导具有平行于平面的内表面和外表面，所述耦入光学器件用于将所述角度相关的承载图像的光束从图像源引导至所述波导中，以用于通过来自所述内表面和外表面的内反射进行传播，所述耦出光学器件用于将正在传播的承载图像的光束从所述波导朝向眼箱引导。

14.一种增强现实虚拟图像显示系统，包括：

图像光导，其被布置为在第一聚焦距离处将虚拟对象的承载图像的光束朝向眼箱引导；

多功能光学器件，其被布置在所述图像光导和所述眼箱之间，其中所述多功能光学器件被形成为单个光学元件，所述单个光学元件被配置为提供：

(a)负光焦度贡献，其可操作为使所述承载图像的光束在眼箱之前发散，其中以距所述眼箱的第二聚焦距离来观看所述虚拟对象，以及所述第二聚焦距离比所述第一聚焦距离更近，以及

(b)矫正性光学贡献，其可操作为减少与以所述第二聚焦距离来观看真实世界对象和虚拟对象两者相关联的光学像差；以及

正焦度光学器件，其被配置为补偿所述多功能光学器件的负光焦度贡献，而不补偿所述多功能光学器件的矫正性光学贡献，其中以真实世界对象距眼箱的实际距离来观看真实世界对象；以及

多焦点或双焦点光学贡献，其被配置为减少与以不同距离观看真实世界对象相关联的光学像差。

15.根据权利要求14所述的增强现实虚拟图像显示系统，其中所述矫正性光学贡献包括多焦点或双焦点光学贡献。

16.根据权利要求14所述的增强现实虚拟图像显示系统，其中所述正焦度光学器件包括多焦点或双焦点光学贡献。