具有更改深度平面的多元件自适应透镜的增强现实显示器的制作方法

本公开涉及显示系统，更具体地，涉及增强和虚拟现实显示系统。

背景技术：

1、现代计算和显示技术已经促进了用于所谓的“虚拟现实”或“增强现实”体验的系统的开发，其中，数字再现图像或其部分以看起来真实或可以被感知为真实的方式呈现给用户。虚拟现实或“vr”场景通常涉及以对其它实际的真实世界视觉输入不透明的方式呈现数字或虚拟图像信息；增强现实或“ar”场景通常涉及呈现数字或虚拟图像信息作为对用户周围真实世界的可视化的增强。混合现实或“mr”场景是一种ar场景，并且通常涉及集成到自然世界中并响应于自然世界的虚拟对象。例如，在mr场景中，ar图像内容可以被真实世界中的对象阻挡或者被感知为与该对象交互。

2、参考图1，描绘了增强现实场景10，其中ar技术的用户看到真实世界的公园式设置20，该设置以人、树、位于背景中的建筑物以及混凝土平台30为特征。除了这些项目之外，ar技术的用户还感知到他“看到”“虚拟内容”，诸如站在真实世界平台30上的机器人雕像40，以及看起来是大黄蜂的化身的正在飞舞的卡通式化身角色50，看，即使这些元素40、50在真实世界中不存在。由于人类视觉感知系统复杂，因此产生促进在其它虚拟或真实世界图像元素当中舒适、感知自然、丰富地呈现虚拟图像元素的ar技术极具挑战性。

3、本文公开的系统和方法解决了与ar和vr技术相关的各种挑战。

技术实现思路

1、本说明书中描述的主题的一种或多种实施方式的细节在附图和下面的描述中阐述。根据描述、附图和权利要求，其它特征、方面和优点将变得显而易见。本技术实现要素：或下面的具体实施方式均不旨在限定或限制本发明主题的范围。

2、在一方面，一种增强现实系统可以包括至少一个波导，所述至少一个波导被配置为接收光并朝向用户重新定向所述光，并被进一步配置为允许来自所述用户的环境的环境光朝向所述用户传播通过所述环境。所述增强现实系统还可以包括：第一自适应透镜组件，其被定位在所述至少一个波导和所述环境之间；第二自适应透镜组件，其被定位在所述至少一个波导和所述用户之间；以及至少一个处理器，其被可操作地耦合到所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件。所述第一自适应透镜组件能够在以下状态之间选择性地切换：所述第一自适应透镜组件被配置为将第一光焦度赋予传播通过所述第一自适应透镜组件的光的状态；以及所述第一自适应透镜组件被配置为将不同于所述第一光焦度的光焦度赋予传播通过所述第一自适应透镜组件的光的至少一个其它状态。所述第二自适应透镜组件可能够在以下状态之间选择性地切换：所述第二自适应透镜组件被配置为将不同于传播通过所述第二自适应透镜组件的光的状态；以及所述第二自适应透镜组件被配置为将不同于所述第二光焦度的光焦度赋予传播通过所述第二自适应透镜组件的光的至少一个其它状态。所述至少一个处理器可被配置为以使得所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件将基本恒定的净光焦度赋予传播通过其的来自所述环境的环境光的方式，使所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件在不同状态之间同步切换。

3、在一些实施例中，所述增强现实系统可进一步包括微型显示器。在这样的实施例中，所述至少一个波导可以被配置为接收来自所述微型显示器的光并将朝向所述用户重新定向所述光。

4、在一些示例中，所述第一光焦度和所述第二光焦度的符号可以相反。在这些示例的至少一些中，所述第一光焦度和所述第二光焦度的大小可以基本相等。

5、在一些实施例中，所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件中的每一者可以被配置为接收一个或多个控制信号作为输入，并且响应于此，在此后不到400毫秒的时间段内从一个状态切换到另一状态。例如，所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件中的每一者被配置为可以在200毫秒至400毫秒之间，在100毫秒至200毫秒之间，或者不到100毫秒的时间段内从一个状态切换到另一状态。

6、在一些示例中，所述至少一个波导可以包括输出区域，所述至少一个波导被配置为通过所述输出区域朝向所述用户重新定向光，并且允许来自所述用户的所述环境的环境光朝向所述用户传播通过所述输出区域。所述至少一个波导的所述输出区域可被定位在在所述第一自适应透镜组件的一部分和所述第二自适应透镜组件的一部分之间，在所述第一自适应透镜组件的所述一部分中形成所述第一自适应透镜组件的通光孔径，在所述第二自适应透镜组件的所述一部分中形成所述第二自适应透镜组件的通光孔径。在这些示例的至少一些中，分别形成所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件的通光孔径的所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件的部分中的每一者在尺寸上大于所述至少一个波导的所述输出区域。

7、在一些实施例中，所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件可以各自包括至少一个光学元件，所述光学元件可在两个状态之间进行单极切换。在这些实施例的至少一些中，所述至少一个光学元件能够在以下状态之间进行单极切换：第一状态，在所述第一状态下，所述至少一个光学元件被配置为将第一偏振状态赋予朝向所述用户传播通过所述至少一个光学元件的光；以及第二状态，在所述第二状态下，所述至少一个光学元件被配置为将不同于所述第一偏振状态的第二偏振状态赋予传播通过所述至少一个光学元件的光。此外，在一个或多个这样的实施例中，所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件可以各自包括至少一个波片透镜，所述至少一个波片透镜被定位在所述至少一个光学元件和所述用户之间。所述至少一个波片透镜可以被配置为将一个光焦度赋予传播通过所述至少一个波片透镜的所述第一偏振状态的光，并且将另一不同的光焦度赋予传播通过所述至少一个波片透镜的所述第二偏振状态的光。

8、在这些实施例的至少一些中，所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件可以各自包括一定数量的光学元件，所述光学元件能够在两个状态之间进行单极切换。在所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件中的每一者中包括的光学元件的数量可以等于第一值。所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件可以各自在一定数量的不同状态中的状态之间选择性地切换。所述不同状态的数量可以等于在指数上取决于所述第一值的第二值。例如，所述第二值可以等于以一指数对2取幂，所述指数等于所述第一值。在这样的实施例的一者或多者中，所述至少一个波导可以被配置为接收表示虚拟内容的光并朝向所述用户重新定向所述光，并且所述至少一个处理器可以被配置为使所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件在所述一定数量的不同状态中的不同状态之间同步切换，以离开所述用户的距离，在所述距离处由传播通过所述距离的光表示的虚拟内容将由所述用户感知。此外，在上面刚描述的一个或多个实施例中，离开所述用户的所述距离能够选择性地切换到一定数量的不同距离中的任一距离，在所述距离处由传播通过所述距离的光表示的虚拟内容将由所述用户感知。所述不同距离的数量可以等于所述第二值。

9、在另一方面，一种显示设备可以包括波导组件，所述波导组件可包括波导，所述波导被配置为沿着所述波导的输出表面输出耦出光。所述显示设备可以附加地包括第一自适应透镜组件，所述第一自适应透镜组件具有面向所述输出表面的第一主表面。所述第一自适应透镜组件可以包括：第一波片透镜；第二波片透镜；以及第一可切换波片，其被插在所述第一波片透镜和所述第二波片透镜之间。所述可切换波片可在以下状态之间选择性地切换：第一状态，其被配置为在不改变所述耦出光的偏振状态的情况下传播所述耦出光；以及第二状态，其被配置为改变传播通过所述可切换波片的所述耦出光的偏振状态。所述显示设备可以进一步包括第二自适应透镜组件，所述第二自适应透镜组件具有与所述输出表面相对的面向外部场景的第二主表面。所述第二自适应透镜组件可以包括：第三波片透镜；第四波片透镜；以及第二可切换波片，其被插在所述第三波片透镜和所述第四波片透镜之间。所述第二可切换波片可以下状态之间选择性地切换：第三状态，其被配置为在不改变来自所述外部场景的光的偏振状态的情况下传播来自所述外部场景的光；以及第四状态，其被配置为改变传播通过所述第二可切换波片的来自所述外部场景的光的偏振状态。

10、在一些实施例中，所述第一波片透镜和所述第二波片透镜中的每一者可以被配置为改变传播通过其的所述耦出光的偏振状态，并且被配置为使所述耦出光会聚或发散。在这些实施例的至少一些中，所述第三波片透镜和所述第四波片透镜中的每一者被配置为改变传播通过其的来自所述外部场景的光的偏振状态，并且被配置为使所述耦出光会聚或发散。

11、在另一方面，一种显示设备可以包括位于光路中的成对的自适应透镜组件。所述自适应透镜组件中的每一者可以进一步包括对应的可切换波片，所述对应的可切换波片被配置为在第一状态和第二状态之间切换以选择性地改变传播通过所述对应的可切换波片的光的偏振状态。所述自适应透镜组件可以具有符号相反的光焦度。

12、在一些实施例中，所述自适应透镜组件中的每一者可具有相应的光焦度，所述相应的光焦度基于所述自适应透镜组件的可切换波片的状态可调整。在这些实施例的至少一些中，所述显示设备可以进一步包括控制器，所述控制器被配置为使得：在所述成对的自适应透镜组件中的所述第一自适应透镜组件的第一光焦度为第一值时，所述成对的自适应透镜组件中的所述第二自适应透镜组件的第二光焦度被对应地调整到第二值。在这样的实施例中的一者或多者中，来自所述成对的自适应透镜组件中的所述第一自适应透镜组件与所述成对的自适应透镜组件中的所述第二自适应透镜组件的组合的净光焦度保持在恒定值附近。例如，所述恒定值可约为0m-1。

13、在一些示例中，所述显示设备可进一步包括波导组件，所述波导组件被插在所述成对的自适应透镜组件之间。在这些示例中，所述波导组件可包括波导，所述波导被配置为将在其中传播的所述光耦出到所述自适应透镜组件中的一者内。在这些示例的至少一些中，所述自适应透镜组件中的每一者可包括多个波片透镜和多个可切换波片。所述波片透镜和所述可切换波片可以交替堆叠。此外，所述可切换波片和波片透镜中的不同者可以具有不同的光焦度。

14、在一些实施例中，所述自适应透镜组件中的每一者可以包括第一波片透镜和第二波片透镜，所述第一波片透镜和所述第二波片透镜被插在所述透镜组件的对应的可切换拨片之间。在这些实施例中，所述波片透镜中的每一者可以被配置为改变传播通过其的光的偏振状态。

15、在又一方面，一种自适应透镜组件可包括在光路中对准的一个或多个波片透镜和一个或多个可切换波片。所述一个或多个波片透镜中的每一者可被配置为改变传播通过其的光的偏振状态，并为具有第一偏振的光提供第一光焦度，并为具有第二偏振的光提供第二光焦度。所述一个或多个可切换波片中的每一者可在以下状态之间选择性地切换：第一状态，其被配置为在不改变所述光的偏振状态的情况下使所述光传播通过所述可切换波片；以及第二状态，其被配置改变传播通过所述可切换波片的所述光的偏振状态。

16、在一些实施例中，所述波片透镜和所述可切换波片中的一者或全部两者可包括液晶。附加地或替代地，在一些实施例中在所述第二状态下，所述一个或多个可切换波片中的每一者可以是半波片，所述半波片被配置为使圆偏振光的旋向性反转。

17、在一些示例中，所述可切换波片中的每一者被插在所述一个或多个波片透镜的对之间。在这些实施例的至少一些中，所述自适应透镜组件可包括多个所述波片透镜和多个所述可切换波片。所述波片透镜和所述可切换波片可以交替堆叠。

18、在又一方面，一种可穿戴增强现实头戴式显示系统可包括，所述光调制系统被配置为输出光以形成图像。所述系统还可包括头戴式框架。一个或多个波导可被附接到所述框架，并被配置为接收来自所述光调制系统的光。所述系统可附加地包括成对的自适应透镜组件，其中，所述一个或多个波导被设置在所述自适应透镜组件之间。所述自适应透镜组件中的每一者进而包括一个或多个波片透镜，所述一个或多个波片透镜被配置为，为具有第一偏振的光提供第一光焦度，并为具有第二偏振的光提供第二光焦度。所述自适应透镜组件中的每一者可附加地包括位于所述光路中的一个或多个可切换波片，其中，所述一个或多个可切换波片中的每一者被配置为选择性地改变传播通过其的光的偏振状态。所述自适应透镜组件可附加地被配置为提供相应的光焦度，所述相应的光焦度在施加相应的电信号时可调整。

19、在又一方面，一种增强现实系统可包括第一自适应透镜组件，以及第二自适应透镜组件，所述第二自适应透镜组件被定位在所述第一自适应透镜组件和用户之间。所述自适应透镜组件中的每一者可包括至少一个可切换光学元件，所述至少一个可切换光学元件能够在至少以下状态之间选择性地切换：(i)第一状态，在所述第一状态下，所述至少一个可切换光学元件配置为将第一偏振状态赋予朝向所述用户传播通过所述至少一个所述可切换光学元件的光，以及(i)第二状态，在所述第二状态下，的所述至少一个可切换光学元件被配置为将第二偏振状态赋予朝向所述用户传播通过所述至少一个所述可切换光学元件的光。所述自适应透镜组件中的每一者可进一步包括至少一个波片透镜，所述至少一个波片透镜被定位在所述至少一个可切换光学元件和所述用户之间。所述至少一个波片透镜可以被配置为将第一相应的光焦度朝向所述用户传播通过所述至少一个波片透镜的所述第一偏振状态的光，并将第二相应的光焦度赋予朝向所述用户传播通过所述至少一个波片透镜的所述第二偏振状态的光。所述自适应透镜组件中的每一者可进一步包括至少一个波导，所述至少一个波导被定位在所述第一自适应透镜组件和所述第二自适应透镜组件之间。所述至少一个波导可被配置为通过所述第二透镜组件并朝向所述用户来引导表示虚拟内容的光。