[发明专利]具有可变聚焦的增强现实显示系统

说明书

可用于增强现实应用和设备的近眼光学显示系统包括具有衍射光学元件(DOE)的衍射波导，该光学元件被配置用于输入耦合、出射光瞳扩展和输出耦合。电调制可调谐液晶(LC)透镜位于衍射光栅和用户的眼睛之间。偏振滤波器位于衍射光栅的另一侧，使得来自现实世界的光以特定偏振态(例如TM偏振)进入系统。可调谐LC透镜被配置成将可变聚焦施加在具有相反偏振态(例如TE偏振)的光上。光学显示系统被布置成是偏振敏感的，使得来自成像器的虚拟图像以TE偏振从衍射波导输出耦合。由于透镜对TE偏振的敏感性，可调谐LC透镜可因此将可变聚焦施加在该虚拟图像上。

背景

诸如头戴式显示(HMD)系统和手持式移动设备(例如，智能电话、平板电脑，等等)之类的增强现实计算设备可被配置成向用户显示关于在用户的视野中和/或设备的相机的视野中的虚拟或现实对象的信息。例如，HMD设备可被配置成使用透视显示系统来显示其中混合有现实世界对象的虚拟环境或者其中混合有虚拟对象的现实世界环境。类似地，移动设备可使用相机取景器窗口来显示这样的信息。

概述

可用于增强现实应用和设备的近眼光学显示系统包括具有光学元件的波导，该光学元件被配置用于输入耦合、出射光瞳扩展和输出耦合。电调制可调谐液晶(LC)透镜位于波导和用户的眼睛之间。偏振滤波器位于波导的另一侧，使得来自现实世界的光以特定偏振态(例如TM偏振)进入系统。可调谐LC透镜被配置成将可变聚焦施加在具有相反偏振态(例如TE偏振)的光上。光学显示系统被布置成是偏振敏感的，使得来自成像器的虚拟图像以TE偏振从波导输出耦合。由于透镜对TE偏振的敏感性，可调谐LC透镜可因此将可变聚焦施加在该虚拟图像上。然而，因为现实世界图像是TM偏振的，所以现实世界图像不遭受被可调谐LC透镜的聚焦并且不受影响地到达用户的眼睛。偏振滤波器、偏振敏感的输出耦合和偏振敏感的可调谐LC透镜的组合为虚拟图像提供了可变聚焦，同时消除了在传统可变聚焦解决方案中可能会被利用的附加的补偿透镜的需要。

在说明性实施例中，波导被布置成衍射波导，该衍射波导包括用于输入耦合、出射光瞳扩展和输出耦合的一个或多个衍射光学元件(DOE)。在替换实现中，可使用折射波导、反射波导、偏振波导、全息波导或棱镜波导中的一者或多者来配置波导，并且可使用二向色反射镜、偏振选择的涂层或材料、或以折射或反射操作的棱镜结构中的一者或多者来执行输入耦合和输出耦合。

提供本概述以便以简化的形式介绍以下在详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并非旨在标识出要求保护的主题的关键特征或必要特征，亦非旨在用作辅助确定要求保护的主题的范围。此外，所要求保护的主题不限于解决在本公开的任一部分中所提及的任何或所有缺点的实现。

附图描述

图1示出一个说明性的增强现实环境，该增强现实环境的一部分被呈现在头戴式显示(HMD)设备的用户的视野内；

图2示出了可在增强现实环境中为虚拟图像提供可变聚焦的说明性近眼显示系统的框图；

图3示出了光在波导中通过全内反射的传播；

图4示出了说明性出射光瞳扩展器的视图；

图5示出了其中出射光瞳沿两个方向被扩展的说明性出射光瞳扩展器的视图；

图6示出了用于使用用于改变虚拟图像的图像平面的透镜和补偿透镜来实现可变聚焦的说明性布置；

图7示出了用于使用消除补偿透镜的需要的可调谐液晶(LC)透镜来实现可变聚焦的说明性布置；

图8示出了被配置成用于输入耦合、出射光瞳扩展、和输出耦合的三个DOE的说明性布置，其中使用偏振敏感光栅来实现输出耦合DOE；

图9示出了具有直光栅的说明性衍射光栅的一部分的轮廓；