TW202321769A - 具有可變形反射器的可調式透鏡 - Google Patents
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Abstract
本發明揭示一種變焦目透鏡。該變焦目透鏡基於具有由兩個反射器，例如一個偏振選擇性反射器及一個部分反射器形成之一偏振摺疊光學路徑的一餅狀透鏡。藉由將該等反射器中之至少一者置放至一可撓性可變形膜上，該等反射器之形狀，例如曲率半徑及/或圓柱度可動態地改變以改變該目透鏡之焦距及/或散光。觀看者的視覺處方及眼球聚散度可動態地及/或靜態地由變焦透鏡調節。
Description
本發明係關於光學裝置，且特定言之係關於可調式光學元件及使用此等可調式光學元件之視覺顯示器裝置。
相關申請案之參考
本申請案主張2021年8月6日申請的標題為「具有可變形反射器的可調式透鏡（Lens with Deformable Reflector）」的美國臨時專利申請案第63/230,344號及2021年8月25日申請的美國非臨時申請案第17/411,647號的優先權，且以全文引用之方式併入本文中。
視覺顯示器用於向觀看者提供資訊，包括靜止影像、視訊、資料等。視覺顯示器在多樣化領域（包括娛樂、教育、工程、科學、專業訓練、廣告）中具有應用，僅舉幾個實例。一些視覺顯示器（諸如，電視機）向若干使用者顯示影像，且一些視覺顯示系統意欲用於個別使用者。直接或藉助於可包括光學擋板之特定眼鏡以及特定變焦透鏡觀看視覺顯示器。
人工實境系統通常包括經設置以向使用者呈現內容之近眼顯示器（例如，耳機或一副眼鏡）。近眼顯示器可顯示虛擬物件或組合真實物件與虛擬物件之影像，如在虛擬實境（VR）、擴增實境（AR）或混合實境（MR）應用中。舉例而言，在AR系統中，使用者可觀看疊加至周圍環境上之虛擬物件（例如，電腦產生之影像（CGI））之影像。在一些近眼顯示器中，使用者之每一眼球觀看顯示於小型顯示器面板上之影像。所述影像可經由目透鏡觀測到。
緊湊及高效的顯示系統對於頭戴式顯示器為所需的。由於HMD或NED之顯示器通常穿戴於使用者之頭部上，因此較大、大型、不平衡及/或較重顯示器裝置將為繁瑣的且使用者穿戴起來可能不舒適。緊湊的顯示器裝置需要緊密且高效的光源、擋板、顯示器面板、目透鏡等等。
本發明之一態樣為一種透鏡，其包含：相對的第一反射器及第二反射器；其中該第一反射器經設置以至少部分地透射穿過其之光束以照射至該第二反射器上；其中該第二反射器經設置以將經由該第一反射器傳播之該光束至少部分地反射回至該第一反射器；其中該第一反射器進一步經設置以將由該第二反射器反射之該光束至少部分地反射回至該第二反射器；其中該第二反射器進一步經設置以至少部分地透射由該第一反射器反射之該光束；且其中該第一反射器或該第二反射器中之至少一者可藉由施加控制信號而變形，以用於調諧該透鏡之光功率。
本發明之另一態樣為一種近眼顯示器（NED），其包含：顯示器面板，其用於提供一線性域中之影像；及可調式目透鏡，其用於在該NED之人眼窗口處將該線性域中之影像轉換成一角域中之影像，該可調式目透鏡包含相對的第一反射器及第二反射器；其中該第一反射器經設置以至少部分地透射穿過其之光束以照射至該第二反射器上；其中該第二反射器經設置以將經由該第一反射器傳播之該光束至少部分地反射回至該第一反射器；其中該第一反射器進一步經設置以將由該第二反射器反射之該光束至少部分地反射回至該第二反射器；其中該第二反射器進一步經設置以至少部分地透射由該第一反射器反射之該光束；且其中該第一反射器或該第二反射器中之至少一者可藉由施加控制信號而變形，以用於調諧該可調式目透鏡。
本發明之另一態樣為一種餅狀透鏡，其包含：部分反射器；線性反射偏振器；及四分之一波片，位於該部分反射器與線性反射偏振器之間的光學路徑中；其中該部分反射器或該線性反射偏振器中之至少一者為彎曲的；且其中該部分反射器或該線性反射偏振器中之至少一者包含可撓性膜，其可藉由施加控制信號而變形，以用於調諧該餅狀透鏡之光功率。
雖然結合各種具體實例及實例描述本教示，但並不意欲本教示限於此類具體實例。相反，如所屬領域中具有通常知識者將瞭解，本教示涵蓋各種替代方案及等效物。本文中敍述本發明之原理、態樣及具體實例以及其特定實例之所有陳述意欲涵蓋其結構等效物及功能等效物兩者。另外，希望此類等效物包括當前已知等效物以及未來開發的等效物兩者，亦即，無論結構如何，所開發的執行相同功能的任何元件。
如本文所使用，術語「第一」、「第二」等並不意欲暗示順序次序，而是除非明確陳述，否則意欲區分一個元件與另一元件。類似地，方法步驟之順序次序並不暗示其執行之順序次序，除非明確陳述。
向近眼顯示器之使用者呈現模擬或擴增景物可導致視覺疲勞及噁心，此係由於現有耳機之能力無法恰當地補償眼球聚散度與眼球聚焦之間的差異以調節視覺距離，該問題稱為聚散調節衝突。聚散調節衝突由於取決於使用者正在觀看的虛擬物件而改變使用者之眼球聚散度而出現，而眼球之調節（亦即，聚焦）通常為固定的且藉由產生虛擬影像之電子顯示器與將影像投影至使用者眼球中的透鏡系統之間的距離設定。
基於經由目透鏡觀看之小型顯示器面板之近眼顯示器系統中的聚散調節衝突問題之一個解決方案為根據由顯示器面板顯示的物件之聚散角度來回移動顯示器面板。顯示器面板之實體移動引起速度及可靠性問題。另一解決方案為使目透鏡變焦，如眼球晶狀體自身，亦即動態地調諧或改變目透鏡之光功率（亦即，聚焦或散焦功率）以適應眼球聚散度的改變。
舉例而言，本文中所描述之解決方案提供不僅能夠改變光功率而且能夠視情況適應潛在使用者之眼球處方要求（諸如，散光）的緊湊變焦透鏡。本發明之變焦透鏡可基於所謂的餅狀透鏡，其包括在藉由偏振摺疊之光學路徑中的折射及反射光學元件。餅狀透鏡可包括兩個反射器，一個偏振選擇性反射器及一個部分反射器。藉由將此等反射器中之至少一者置放至可撓性可變形膜上，反射器之形狀可視需要動態地改變。舉例而言，形狀可經改變以包括改變焦點之可變球面或拋物線分量，及改變散光之圓柱形分量。亦可設想各種其他形狀。
根據本發明，提供一種透鏡，其包含相對之第一反射器及第二反射器。第一反射器經設置以至少部分地透射穿過第一反射器之光束以照射至第二反射器上。第二反射器經設置以將經由第一反射器傳播之光束至少部分地反射回至第一反射器。第一反射器進一步經設置以將由第二反射器反射之光束至少部分地反射回至第二反射器。第二反射器進一步經設置以至少部分地透射由第一反射器反射之光束。第一反射器或第二反射器中之至少一者可藉由施加控制信號而變形以用於調諧透鏡之光功率（亦即，聚焦或散焦功率）。
在一些具體實例中，第一反射器包含部分反射鏡，例如50/50鏡。在第二反射器包括反射偏振器之具體實例中，透鏡可進一步包括在第一反射器與第二反射器之間的四分之一波片，用於在光束穿過四分之一波片之雙程傳播後將光束之偏振狀態自第一偏振狀態轉換成第二正交偏振狀態。反射偏振器可為例如線性反射偏振器。
在一些具體實例中，第一反射器或第二反射器中之至少一者包含可撓性膜，其可藉由將徑向力施加至可撓性膜的周邊而變形。在透鏡包括安置為與可撓性膜同心地接觸之支撐環的具體實例中，支撐環具有小於可撓性膜之直徑的直徑，可撓性膜可藉由將力分量施加至可撓性膜之周邊以將可撓性膜壓靠在支撐環上而變形，使得力分量平行於透鏡之光軸。
在可撓性膜包含電活性材料層之具體實例中，第一反射器或第二反射器中之至少一者可進一步包括透明電極層及導電反射層，且電活性材料層可安置於透明電極層與導電反射層之間。
在一些具體實例中，第一反射器及第二反射器兩者可藉由施加控制信號而變形以用於調諧透鏡之光功率。至少一個折射透鏡元件可安置於第一反射器與第二反射器之間。
根據本發明，提供一種近眼顯示器（NED），其包含：顯示器面板，其用於在線性域中提供影像；及可調式目透鏡，其用於在NED之人眼窗口處將線性域中之影像轉換成角域中之影像，可調式目透鏡包括本文中所揭示的可調式透鏡中的任一者。在第一反射器包含部分反射鏡且第二反射器包含線性反射偏振器之具體實例中，可調式目透鏡可進一步包括在第一反射器與第二反射器之間的四分之一波片，用於在光束穿過四分之一波片之雙程傳播後將光束之偏振狀態自第一偏振狀態轉換成第二正交偏振狀態。
在第一反射器或第二反射器中之至少一者包含可撓性膜之具體實例中，可撓性膜可藉由以下操作而變形：將徑向力施加至可撓性膜之周邊，及/或藉由將力分量施加至可撓性膜之周邊以將可撓性膜壓靠在上文所提及之支撐環上，使得力分量平行於可調式目透鏡之光軸。
在一些具體實例中，第一反射器或第二反射器中之至少一者包括可撓性膜，該可撓性膜以堆疊設置包含：透明電極層；電活性材料層；及導電反射層。電活性材料層可安置於透明電極層與導電反射層之間。
根據本發明，進一步提供一種餅狀透鏡。餅狀透鏡包括部分反射器、線性反射偏振器及在部分反射器與線性反射偏振器之間的光學路徑中之四分之一波片。部分反射器或線性反射偏振器中之至少一者可為彎曲的。部分反射器或線性反射偏振器中之至少一者可包括可撓性膜，其可藉由施加控制信號而變形以用於調諧餅狀透鏡之光功率。可撓性膜可藉由以下操作而變形：將徑向力施加至可撓性膜之周邊；及/或將力分量施加至可撓性膜之周邊以將可撓性膜壓靠在上文所提及之支撐環上；力分量平行於餅狀透鏡之光軸。
可撓性膜可以堆疊設置包括：透明電極層；電活性材料層；及導電反射層。電活性材料層可安置於透明電極層與導電反射層之間。
現參考圖1A，透鏡100包括相對的第一反射器111及第二反射器112，及在第一反射器111與第二反射器112之間串聯安置的視情況選用之第一折射透鏡元件101及第二折射透鏡元件102。透鏡100可充當藉由在眼球瞳孔110處將線性域中之影像轉換成角域中之影像來在短距離處觀看由小型顯示器面板106顯示之線性域中的影像的可調式目透鏡。在本文中且貫穿本說明書之其餘部分，術語「線性域中之影像」指示影像之個別像素由像素線性座標，亦即顯示器面板的列數目及行數目表示的影像，且術語「角域中之影像」係指影像之個別像素由準直光束之在眼球瞳孔110處之角度表示的影像。
第一反射器111經設置以至少部分地透射穿過第一反射器111之光束104以照射至第二反射器112上。第二反射器112經設置以將經由第一反射器111傳播之光束104至少部分地反射回至第一反射器111。第一反射器111進一步經設置以將由第二反射器112反射之光束104至少部分地反射回至第二反射器112。第二反射器112進一步經設置以將由第一反射器111反射之光束104至少部分地透射至眼球瞳孔110。
透鏡100歸因於存在具有光功率之元件而具有光功率。舉例而言，第一反射器111可為彎曲的，如圖1A中所示。視情況選用之第一折射透鏡元件101及第二折射透鏡元件102亦可為透鏡100提供光功率。個別光學元件之曲率可經選擇以便偏移或減小總體光學像差。第一反射器111或第二反射器112中之至少一者或兩者可藉由施加呈電信號、機械壓力或力等形式之控制信號而變形以用於調諧透鏡100，亦即以可控制方式改變透鏡之光功率。
現將考慮第一反射器111及第二反射器112之特定例示性設置。第一反射器111可為部分反射鏡，諸如50/50鏡，其在其透射時反射相同量之光；亦即，每單位時間透射光及反射光之光能量相同。第二反射器112可為反射偏振器，例如線性反射偏振器。透鏡100可進一步包括安置於第一反射器111與第二反射器112之間的四分之一波片（QWP）108，用於在光束穿過QWP 108之雙程傳播後將光束104之偏振狀態自第一偏振狀態轉換成第二正交偏振狀態。在圖1A中，將QWP 108展示為層壓至第一折射透鏡元件101上，作為非限制性實例。
圖1B提供使用反射偏振器、QWP及部分反射器來摺疊光束104之光學路徑的圖示。顯示器面板106可包括耦接至顯示器側QWP 122之線性透射偏振器120。由顯示器面板106發射之光束104在傳播穿過顯示器側QWP 122後為左圓偏振（LCP）。
LCP光束104傳播穿過第一反射器111，亦即，此具體實例中之50/50個反射器，且照射至QWP 108上，該QWP 108將偏振狀態轉換成45度的線性偏振狀態。第二反射器112（亦即，此具體實例中之線性反射偏振器）經設置以反射45度線性偏振光，因此光束104自第二反射器112反射以傳播回穿過QWP 108，QWP 108將偏振狀態轉換回至LCP。在自第一反射器111反射後，LCP光束104變為右圓偏振（RCP），此係因為光束104之傳播方向改變。RCP光束104傳播穿過QWP 108，變為135度線性偏振，且由反射偏振器透射至眼球瞳孔110。應注意，偏振狀態及線性偏振之角度僅意謂作為實例，且用於按偏振摺疊光束路徑之其他設置係可能的。
透鏡100為可用作近眼顯示器之目透鏡的餅狀透鏡之具體實例。餅狀透鏡之偏振光束摺疊實現極其緊湊的整體NED設置。此餅狀透鏡包括：部分反射器（第一反射器111）；線性反射偏振器（第二反射器112）；及四分之一波片（QWP 108），其位於部分反射器與線性反射偏振器之間的光學路徑中。部分反射器或線性反射偏振器中之至少一者可為彎曲的以提供用於餅狀透鏡之光功率；且部分反射器或線性反射偏振器中之至少一者可包括可撓性膜，其可藉由施加控制信號而變形以用於調諧餅狀透鏡之光功率。
圖1C說明透鏡100之「偏移至角度」功能。顯示器面板106之像素106A至106E之座標轉換成由對應像素106A至106E發射至觀看者的眼瞳瞳孔110上之影像光束104A至104E的入射角，從而在觀看者的眼球瞳孔110處將由顯示器面板106顯示之線性域中之影像轉換成角域中之影像。
轉向用於與圖1C進行比較的圖1D，第一反射器111可包括支撐反射偏振器之可撓性膜。在圖1C中，可撓性膜為彎曲的，從而使透鏡100之焦距增加。此藉由相較於圖1C，在圖1D中間隔開得更遠的像素106A至106E在影像光束104A至104E之類似輸出角度下證明。在圖1C及圖1D中，為了說明方便起見，影像光束104A至104E自觀看者的眼球瞳孔110追蹤回至顯示器面板106。第一反射器111或第二反射器112中之至少一者可包括可藉由施加外部信號而改變其曲率半徑及相關聯光功率的可撓性膜。
現將考慮基於可撓性膜之可變形反射器之若干非限制性實例。首先參考圖2A，可變形反射器200包括支撐反射層204之可撓性膜202，諸如部分反射器或反射偏振器。可撓性膜202可安裝於環206中。當將徑向力（亦即，垂直於可變形反射器200之光軸210）施加至環206，如圖2B中由箭頭208所說明時，可撓性膜202將其形狀自幾乎平坦改變成彎曲形狀。反射層204之散光可藉由將非均勻徑向擠壓力208提供至可撓性膜202之周邊而引入。可撓性膜202可在初始狀態下稍微預彎曲以破壞對稱性且定義可撓性膜202在施加徑向力208之後將彎曲的方向。
轉向圖3A，可變形反射器300為圖1A至圖1D之透鏡100之第一反射器111及/或第二反射器112的具體實例。圖3A之可變形反射器300包括支撐反射層304之可撓性膜302，例如部分反射器或反射偏振器。支撐環306安置為與可撓性膜302同心地接觸。支撐環306具有小於可撓性膜302之直徑的直徑。可撓性膜302可藉由將用箭頭308指示之力分量施加至可撓性膜302之周邊以將可撓性膜302壓靠在支撐環306上而變形。在箭頭308之方向上的力分量平行於可調式透鏡300之光軸310，從而使可撓性膜302彎曲，如由虛線302*所指示。
在圖3B中，以平面圖展示可變形反射器300。力分量308-1至308-8之強度可變化以致使可變形膜302及反射層304採用非對稱形狀以用於補償如由眼球晶狀體處方，諸如散光所定義的各種眼球瑕疵。力分量308-1至308-5之施加可導致在豎直平面312中具有光功率（亦即，聚焦散焦功率）的近似圓柱形之透鏡形成，力分量308-3及308-7之施加可導致在水平平面314中具有光焦度的近似圓柱形之透鏡形成等等。
參考圖4，可變形反射器400為圖1A至圖1D之透鏡100之第一反射器111及/或第二反射器112的具體實例。圖4的可變形反射器400包括電活性材料（諸如，聚偏二氟乙烯（PVDF））層402，其可由結合至電活性材料層402之背層403支撐。反射層404可由背層403支撐。合適之背層材料包括：聚合物，諸如聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或環狀聚烯烴；玻璃；陶瓷，諸如藍寶石；及其組合。背層403之楊氏模量可大於電活性材料層402之楊氏模量，以提供可變形反射器400之較大彈力。環狀彈簧406可圍繞可變形反射器400之周邊支撐可變形反射器400。環狀彈簧406可圍繞可變形反射器400之周邊具有空間變化剛性(stiffness)。可例如藉由變化彈簧材料之模數、彈簧406之形狀或兩者之組合而提供預定剛性。
參考圖5A及圖5B，可變形反射器500為圖1A至圖1D之透鏡100之第一反射器111及/或第二反射器112的具體實例。圖5A及圖5B之可變形反射器500包括安裝於環515上之可撓性膜520。可撓性膜520包括以下層之堆疊（圖5B）：組合電極及可撓性反射器之功能的第一電極層502、第一材料504、第二電極層506、第二材料508及反射電極層510。當藉助於第一電極層502、第二電極層506及反射電極層510將電場施加至第一材料504及/或第二材料508時，可撓性膜520變形，致使反射電極層510之光功率（亦即，聚焦或散焦功率）變化。可提供至少一個透明電極層及導電反射層，及安置於透明電極層與導電反射層之間的電活性材料層。
第一材料504可為例如壓電材料或電致伸縮聚合物。第一電極層502及第二電極層506可為但不限於透明導電氧化物，諸如氧化銦錫（ITO）或氧化銦鎵鋅（IGZO）；或奈米線電極；石墨烯或碳奈米管電極；金屬電極（包括鋁或銀）或例如ITO及銀薄膜之多層光學堆疊。電致伸縮材料可為丙烯酸酯彈性體、聚矽氧、PVDF-TrFE-CTF及類似者。壓電材料可為PVDF、PVDF-TrFE聚合物或陶瓷，諸如PMN-PT、PZT、LiNbO
3及類似者。對於單晶膜，第一材料504或第二材料508中之任一者可為無源材料，諸如聚合物、玻璃或陶瓷，或其組合。環515之剛性可為空間變化的。
轉向圖6，近眼顯示器（NED）600可包括本文所揭示之可調式透鏡中的任一者。NED 600包括耦接至圖1A至圖1D之透鏡100或本文中考慮之鏡片100之任何變體的顯示器面板106。顯示器面板106經設置以提供線性域中之影像，亦即，影像之個別像素由顯示器面板106之個別像素的列數目及行數目表示的影像。圖6中展示三個此類顯示器面板像素，第一像素601、第二像素602及第三像素603。第二像素602為同軸像素，亦即，第二像素602安置於透鏡100之光軸613上，而第一像素601及第三像素603為遠離光軸613安置之離軸像素。
透鏡100經設置以在NED 600之人眼窗口612處將線性域中之影像轉換成角域中之影像以供使用者眼球（圖中未示）在人眼窗口612處直接觀測。術語「角域中之影像」係指影像之個別像素由準直光束之在人眼窗口612處之角度表示的影像。舉例而言，第一像素601發射藉由透鏡100準直成第一準直光束671之第一發散光錐661，該第一準直光束在NED 600之安置於人眼窗口612中之出射瞳孔650處具有傾斜入射角。第二像素602發射藉由透鏡100準直成第二準直光束672之第二發散光錐662，該第二準直光束在出射瞳孔650處具有零（或正常）入射角。最後，第三像素603發射藉由透鏡100準直成第三準直光束673之第三發散光錐663，該第三準直光束在出射瞳孔650處具有與第一準直光束671相反的符號之傾斜入射角。換言之，透鏡100作為將透鏡100上游之發散光束的偏移轉換成透鏡100下游之經準直光束的角度的偏移至角度元件操作。
參考圖7，近眼顯示器700包括具有一副眼鏡之外觀尺寸的框架701。框架701針對每一眼球支撐：電子顯示器面板708、光學耦接至電子顯示器面板708之目透鏡710、眼球追蹤攝影機704及複數個照明器706。目透鏡710可包括本文中所揭示之可調式透鏡中之任一者。照明器706可由目透鏡710支撐以照明人眼窗口712。電子顯示器面板708提供線性域中之影像，該影像由目透鏡710轉換成角域中之影像以供使用者眼球觀測。
眼球追蹤攝影機704之目的為判定使用者之兩個眼球之位置及/或位向。一旦已知使用者眼球之位置及位向，即可判定凝視會聚距離及方向。可動態地調整由顯示器面板708所顯示之影像以考慮使用者之凝視，以用於使用者浸沒於所顯示擴增實境景物中之較佳保真度，及/或提供與擴增實境交互之特定功能。目透鏡710之焦距可經調諧以減輕聚散調節衝突，減少近眼顯示器700之使用者的疲勞及頭痛。在操作中，照明器706在對應人眼窗口712處照明眼球，以使得眼球追蹤攝影機704能夠獲得眼球之影像，以及提供參考反射，亦即閃光。閃光可充當擷取眼球影像中之參考點，從而藉由判定眼球瞳孔影像相對於閃光影像之位置來促進眼球凝視方向判定。為了避免利用照明光使得使用者分散注意力，後者可製成對使用者不可見。舉例而言，紅外光可用於照明人眼窗口712。
轉向圖8，HMD 800為AR/VR穿戴顯示系統之實例，為了較大程度浸沒於AR/VR環境中，該AR/VR穿戴顯示系統圍封使用者之面部。HMD 800之功能可為產生全部虛擬3D影像。HMD 800可包括前主體802及帶804。前主體802經設置用於以可靠且舒適方式置放於使用者之眼球的前方，且帶804可經拉伸以將前主體802固定於使用者頭部上。顯示系統880可安置於前主體802中以向使用者呈現AR/VR影像。顯示系統880可包括本文所揭示之可調式透鏡中之任一者。前主體802之側面806可為不透明或透明的。
在一些具體實例中，前主體802包括用於HMD 800之追蹤加速度之定位器808及慣性量測單元（IMU）810，及用於追蹤HMD 800之位置之位置感測器812。IMU 810為基於自位置感測器812中之一或多者接收到之量測信號而產生指示HMD 800之位置之資料的電子裝置，該等位置感測器回應於HMD 800之移動而產生一或多個量測信號。位置感測器812之實例包括：一或多個加速度計、一或多個陀螺儀、一或多個磁力計、偵測移動之另一合適類型的感測器、用於IMU 810之錯誤校正的一種類型之感測器，或其某一組合。位置感測器812可位於IMU 810外部、IMU 810內部，或其某一組合。
定位器808由虛擬實境系統之外部成像裝置追蹤，使得虛擬實境系統可追蹤整個HMD 800之位置及位向。由IMU 810及位置感測器812產生之資訊可與藉由追蹤定位器808獲得之位置及位向進行比較，以用於改良HMD 800之位置及位向之追蹤準確度。當使用者在3D空間中移動及轉動時，準確位置及位向對於向使用者呈現適當虛擬景物為至關重要的。
HMD 800可進一步包括深度攝影機總成（DCA）811，其擷取描述環繞HMD 800中之一些或所有之局部區域之深度資訊的資料。為了在3D空間中判定HMD 800之位置及位向之較佳準確度，深度資訊可與來自IMU 810之資訊進行比較。
HMD 800可進一步包括用於即時判定使用者眼球之位向及位置的眼球追蹤系統814。眼球之所獲得位置及位向亦允許HMD 800判定使用者之凝視方向且相應地調整由顯示系統880所產生之影像。在一個具體實例中，判定聚散度，亦即使用者眼球凝視之會聚角。經判定凝視方向及聚散度角度可用於調整顯示系統880之透鏡的焦距以減少聚散調節衝突。方向及聚散度亦可用於取決於視角及眼球位置而實時補償視覺假影。此外，經判定聚散度及凝視角度可用於與使用者交互、突出物體、將物體帶到前景、產生額外物體或指標等。音訊系統亦可提供包括例如建置於前主體802中之較小揚聲器集。
本發明之具體實例可包括人工實境系統，或可結合人工實境系統實施。人工實境系統在向使用者展示之前以某一方式調整經由感測獲得之關於外部世界之感官資訊，諸如視覺資訊、音訊、接觸（體感）資訊、加速度、平衡等。藉助於非限制性實例，人工實境可包括虛擬實境（VR）、擴增實境（AR）、混合實境（MR）、混合實境或其某一組合及/或衍生物。人工實境內容可包括完全生成內容或與所擷取（例如，真實世界）內容組合之生成內容。人工實境內容可包括視訊、音訊、軀體或觸覺反饋或其某一組合。此內容中之任一者可在單一通道中或在多個通道中呈現，諸如在對觀看者產生三維效應之立體視訊中。此外，在一些具體實例中，人工實境亦可與用於例如在人工實境中創建內容及/或以其他方式用於人工實境中（例如，在人工實境中執行活動）之應用、產品、配件、服務或其某一組合相關聯。提供人工實境內容之人工實境系統可實施於各種平台上，包括穿戴式顯示器，諸如連接至主機電腦系統之HMD、獨立式HMD、具有眼鏡之外觀尺寸的近眼顯示器、行動裝置或計算系統，或能夠向一或多個觀看者提供人工實境內容之任何其他硬體平台。
本發明之範圍不受本文所描述之特定具體實例限制。實際上，其他各種具體實例及修改，除本文中所描述之彼等之外，將自前述描述及隨附圖式對於所屬領域中具通常知識者將顯而易見。因此，此類其他具體實例及修改意欲屬於本發明之範圍內。另外，儘管本文中已出於特定目的在特定環境中之特定實施方式之上下文中描述本發明，但所屬領域中具有通常知識者將認識到，其有效性不限於此，且本發明可出於任何數目個目的有益地實施於任何數目個環境中。因此，下文所闡述之申請專利範圍應鑒於如本文中所描述之本發明之全部範圍及精神來解釋。
100:透鏡
101:第一折射透鏡元件
102:第二折射透鏡元件
104:光束
104A:影像光束
104E:影像光束
106:顯示器面板
106A:像素
106E:像素
108:四分之一波片
110:眼球瞳孔
111:第一反射器
112:第二反射器
120:線性透射偏振器
122:顯示器側QWP
200:可變形反射器
202:可撓性膜
204:反射層
206:環
208:箭頭
210:光軸
300:可變形反射器
302:可撓性膜
302*:虛線
304:反射層
306:環
308:箭頭
308-1:力分量
308-3:力分量
308-5:力分量
308-7:力分量
308-8:力分量
310:光軸
312:豎直平面
314:水平平面
400:可變形反射器
402:電活性材料層
403:背層
404:反射層
406:環狀彈簧
500:可變形反射器
502:第一電極層
504:第一材料
506:第二電極層
508:第二材料
510:反射電極層
515:環
520:可撓性膜
600:近眼顯示器
601:第一像素
602:第二像素
603:第三像素
612:人眼窗口
613:光軸
650:出射瞳孔
661:第一發散光錐
662:第二發散光錐
663:第三發散光錐
671:第一準直光束
672:第二準直光束
673:第三準直光束
700:近眼顯示器
701:框架
704:眼球追蹤攝影機
706:照明器
708:電子顯示器面板
710:目透鏡
712:人眼窗口
800:HMD
802:前主體
804:帶
806:側面
808:定位器
810:慣性量測單元
811:深度攝影機總成
812:位置感測器
814:眼球追蹤系統
880:顯示系統
將結合圖式描述例示性具體實例，其中：
[圖1A]為本發明之可調式透鏡的側橫截面圖；
[圖1B]為圖1A之可調式透鏡的偏振圖；
[圖1C]為具有非彎曲的可變形反射偏振器之圖1A之可調式透鏡的光線追蹤圖；
[圖1D]為具有彎曲的可變形反射偏振器之圖1A之可調式透鏡的光線追蹤圖；
[圖2A]為根據具體實例的呈未變形狀態之可變形反射器之側橫截面圖；
[圖2B]為藉由施加徑向壓力而變形的圖2A之可變形反射器之側橫截面圖；
[圖3A]根據具體實例的為呈未變形狀態之可變形反射器之側橫截面圖；
[圖3B]為藉由施加平行於光軸之壓力而變形的圖3A之可變形反射器之側橫截面圖；
[圖4]為具有電活性材料層之可變形反射器之側橫截面圖；
[圖5A]為具有兩個電活性層之可變形反射器之三維切口圖；
[圖5B]為圖5A之放大圖；
[圖6]為包括用作近眼顯示器之目透鏡之圖1A至圖1D之可調式透鏡的近眼顯示器之示意圖；
[圖7]為具有一副眼鏡之外觀尺寸的本發明之近眼顯示器的俯視圖；且
[圖8]為本發明之頭戴式顯示器的三維圖。
100:透鏡
101:第一折射透鏡元件
102:第二折射透鏡元件
104:光束
106:顯示器面板
108:四分之一波片
110:眼球瞳孔
111:第一反射器
112:第二反射器
Claims (20)
- 一種透鏡，其包含： 相對的第一反射器及第二反射器； 其中該第一反射器經設置以至少部分地透射穿過其之光束以照射至該第二反射器上； 其中該第二反射器經設置以將經由該第一反射器傳播之該光束至少部分地反射回至該第一反射器； 其中該第一反射器進一步經設置以將由該第二反射器反射之該光束至少部分地反射回至該第二反射器； 其中該第二反射器進一步經設置以至少部分地透射由該第一反射器反射之該光束；且 其中該第一反射器或該第二反射器中之至少一者可藉由施加控制信號而變形，以用於調諧該透鏡之光功率。
- 如請求項1之透鏡，其中該第一反射器包含部分反射鏡。
- 如請求項2之透鏡，其中該部分反射鏡為50/50鏡。
- 如請求項2之透鏡，其中該第二反射器包含反射偏振器，該透鏡進一步包含位於該第一反射器與該第二反射器之間的四分之一波片，用於在該光束穿過該四分之一波片之雙程傳播後將該光束之偏振狀態自第一偏振狀態轉換成第二正交偏振狀態。
- 如請求項4之透鏡，其中該反射偏振器為線性反射偏振器。
- 如請求項1之透鏡，其中該第一反射器或該第二反射器中之該至少一者包含可撓性膜。
- 如請求項6之透鏡，其中該可撓性膜可藉由將徑向力施加至該可撓性膜之周邊而變形。
- 如請求項6之透鏡，其進一步包含支撐環，該支撐環安置為與該可撓性膜同心地接觸，該支撐環具有一直徑，該直徑小於該可撓性膜之直徑，其中該可撓性膜可藉由將一力分量施加至該可撓性膜之周邊以將該可撓性膜壓靠在該支撐環上而變形，其中該力分量平行於該透鏡之光軸。
- 如請求項6之透鏡，其中該可撓性膜包含電活性材料層。
- 如請求項9之透鏡，其中該第一反射器或該第二反射器中之該至少一者進一步包含透明電極層及導電反射層，其中該電活性材料層安置於該透明電極層與該導電反射層之間。
- 如請求項1之透鏡，其中該第一反射器及該第二反射器均可藉由施加控制信號而變形，以用於調諧該透鏡之該光功率。
- 如請求項1之透鏡，其進一步包含位於該第一反射器與該第二反射器之間的第一折射透鏡元件。
- 如請求項12之透鏡，其進一步包含第二折射透鏡元件，該第二折射透鏡元件串聯耦接至該第一折射透鏡元件的位於該第一反射器與該第二反射器之間。
- 一種近眼顯示器（NED），其包含： 顯示器面板，其用於提供一線性域中之影像；及 可調式目透鏡，其用於在該NED之人眼窗口處將該線性域中之影像轉換成一角域中之影像，該可調式目透鏡包含相對的第一反射器及第二反射器； 其中該第一反射器經設置以至少部分地透射穿過其之光束以照射至該第二反射器上； 其中該第二反射器經設置以將經由該第一反射器傳播之該光束至少部分地反射回至該第一反射器； 其中該第一反射器進一步經設置以將由該第二反射器反射之該光束至少部分地反射回至該第二反射器； 其中該第二反射器進一步經設置以至少部分地透射由該第一反射器反射之該光束；且 其中該第一反射器或該第二反射器中之至少一者可藉由施加控制信號而變形，以用於調諧該可調式目透鏡。
- 如請求項14之近眼顯示器，其中該第一反射器包含部分反射鏡，且其中該第二反射器包含線性反射偏振器，該可調式目透鏡進一步包含位於該第一反射器與該第二反射器之間的四分之一波片，用於在該光束穿過該四分之一波片之雙程傳播後將該光束之偏振狀態自第一偏振狀態轉換成第二正交偏振狀態。
- 如請求項14之近眼顯示器，其中該第一反射器或該第二反射器中之該至少一者包含可撓性膜，其中如下列中之至少一者： 該可撓性膜可藉由將徑向力施加至該可撓性膜之周邊而變形；或 該可調式目透鏡進一步包含安置為與該可撓性膜同心地接觸之支撐環，該支撐環具有一直徑，該直徑小於該可撓性膜之直徑，其中該可撓性膜可藉由將一力分量施加至該可撓性膜之周邊以將該可撓性膜壓靠在該支撐環上而變形，其中該力分量平行於該可調式目透鏡之光軸。
- 如請求項14之近眼顯示器，其中該第一反射器或該第二反射器中之該至少一者包含可撓性膜，該可撓性膜以堆疊方式設置，包含： 透明電極層； 電活性材料層；及 導電反射層； 其中該電活性材料層安置於該透明電極層與該導電反射層之間。
- 一種餅狀透鏡，其包含： 部分反射器； 線性反射偏振器；及 四分之一波片，位於該部分反射器與線性反射偏振器之間的光學路徑中； 其中該部分反射器或該線性反射偏振器中之至少一者為彎曲的；且 其中該部分反射器或該線性反射偏振器中之至少一者包含可撓性膜，其可藉由施加控制信號而變形，以用於調諧該餅狀透鏡之光功率。
- 如請求項18之餅狀透鏡，其中如下列中之至少一者： 該可撓性膜可藉由將徑向力施加至該可撓性膜之周邊而變形；或 該餅狀透鏡進一步包含安置為與該可撓性膜同心地接觸之支撐環，該支撐環具有直徑，該直徑小於該可撓性膜之直徑，其中該可撓性膜可藉由將一力分量施加至該可撓性膜之周邊以將該可撓性膜壓靠在該支撐環上而變形，其中該力分量平行於該餅狀透鏡之光軸。
- 如請求項18之餅狀透鏡，其中該可撓性膜以堆疊方式設置，包含： 透明電極層； 電活性材料層；及 導電反射層； 其中該電活性材料層安置於該透明電極層與該導電反射層之間。
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