CN112840261B - 基于偏振的动态聚焦器 - Google Patents

Abstract

用于近眼显示器的基于偏振的动态聚焦器包括第一偏振器，第一偏振器被配置为使入射在第一偏振器上的环境光偏振，使得穿过第一偏振器朝向用户眼睛的环境光具有第一极性。图像源被定位在用户眼睛和第一偏振器之间。图像源对环境光透明，并且被配置为朝向用户眼睛输出图像显示光，图像显示光中的至少一些图像显示光具有第二极性。动态透镜被定位在用户眼睛和图像源之间，并且被配置为将具有第二极性的入射光聚焦在朝向用户眼睛的可控制的虚拟距离处，其中动态透镜不影响具有第一极性的入射光。

Description

基于偏振的动态聚焦器

背景技术

近眼显示设备(NED)可以被用于通过向用户眼睛呈现虚拟图像，来提供增强现实(AR)体验和/或虚拟现实(VR)体验。虚拟图像可以采取一个或多个虚拟对象的形式，一个或多个虚拟对象被显示，使得其看起来就像是现实世界中的物理对象一样。

附图说明

图1示意性地示出了包括近眼显示器(NED)的示例头戴式显示设备。

图2A和图2B示意性地示出了可以被实施在图1的NED中的示例图像源。

图3A和图3B示意性地图示了环境光和图像显示光通过示例性的基于偏振的动态聚焦器的传播。

图4A和图4B示意性地图示了通过动态透镜对图像显示光的选择性聚焦。

图5示意性地描绘了另一个示例性的基于偏振的动态聚焦器。

图6A和图6B示意性地图示了偏振器的切换，以增加或减少穿过偏振器的光的量。

图7A和图7B示意性地描绘了包括基于偏振的矩阵显示器的、另一个示例性的基于偏振的动态聚焦器。

图8示意性地描绘了示例计算***。

具体实施方式

如上所述，头戴式显示设备(HMD)可以包括近眼显示器(NED)，以向穿戴者提供沉浸式图像。HMD可以在“混合”或“增强”现实配置(AR)中，将由NED生成的虚拟图像与周围物理环境的视图相结合，或者可以在“虚拟现实”配置(VR)中，利用NED输出代替穿戴者视场的至少一部分视场。NED可以采用使能其虚拟图像的输出的各种配置。

在NED的使用期间出现的一个常见问题被称为聚散调节失配。“聚散”是指眼睛的移动以聚焦在对象上。“调节”是指每个眼睛内的晶状体的形状的改变，以将来自外部世界的光聚焦在视网膜上。聚散和调节通常一起被执行-例如，当个体聚焦在现实世界对象上时，他们的眼睛会移动(聚散)以指向该对象，同时他们的晶状体会进行调整(调节)使得来自该对象的光聚焦。

然而，在AR和VR设置中，聚散和调节通常是解耦的。尽管通常的NED能够呈现立体地出现在不同深度处的虚拟图像，但这种NED通常只能在单个焦深处呈现虚拟对象。这个问题在AR设置中特别明显，在AR设置中，用户可能聚焦在相对靠近用户的面部的现实世界对象上，而虚拟对象在不同的焦深处被呈现。尽管动态聚焦元件可以被用来改变虚拟图像的表观聚焦深度，但这也将影响穿过NED的、来自现实世界的任何环境光。在NED的长时间使用期间，聚散与调节不匹配会导致定向障碍、头痛、恶心和其他不期望的副作用。

因此，本公开描述了一种用于近眼显示器的、基于偏振的动态聚焦器，其允许虚拟图像的表观虚拟距离被动态改变，而不显著影响到达的环境光的聚焦。具体地，基于偏振的动态聚焦器包括使环境光偏振以具有第一(例如，垂直)偏振的第一偏振器。图像源朝向用户眼睛发射图像显示光，图像显示光中的至少一些图像显示光具有第二(例如，水平)偏振。被定位在用户眼睛前面的动态透镜选择性地使具有第二偏振的入射光聚焦，而不影响具有第一偏振的光。此外，动态透镜的动态性质允许具有第二偏振的光被选择性地聚焦在可控制的虚拟距离处，而不会影响用户对外部环境的感知。

图1示出了包括NED 104的一对可穿戴眼镜102形式的示例HMD设备100。NED 104被配置作为增强现实显示器，其中虚拟对象被叠加在周围的现实世界环境的视图之上。作为示例，图1示出了在视场106中的、由NED 104呈现的虚拟图像108。图1还示出了现实世界对象110，该现实世界对象110在使用HMD 100期间对用户保持可见。

HMD设备100包括用于控制NED 104的控制器(图1中未示出)。在其他潜在操作中间，控制器可以驱动NED 104以控制虚拟图像的显示。控制器可以包括逻辑设备和/或存储设备，或者与逻辑设备和/或存储设备耦合或相关联，逻辑设备和/或存储设备的示例在下面参考图8被描述。在一些示例中，控制器可以与远离HMD设备的一个或多个设备通信。

控制器可以与在HMD设备100内的一个或多个传感器对接，或与远离HMD设备100提供的一个或多个传感器对接。(多个)传感器可以包括但不限于麦克风阵列、一个或多个朝外的图像传感器、一个或多个朝内的图像传感器(例如，眼睛/凝视追踪***)和惯性测量单元(IMU)。作为一个示例，控制器可以使用来自反映穿戴者的运动的IMU的输出来以如下方式调整来自NED 104的输出，即使得虚拟图像看起来物理上存在于周围环境中的方式。作为另一示例，控制器可以使得在NED 104上显示周围物理环境的视图，该视图经由立体布置的朝外的图像传感器捕获，这可以使能深度的确定。在该示例中，NED 104可以呈现混合现实环境，其中虚拟图像被叠加在所捕获的物理环境的视图之上。

本文描述的示例显示***也可以被实施在除HMD设备100之外的设备中。这种设备的示例可以包括其他HMD设备、其他可穿戴设备、移动式非穿戴设备和固定设备。

图2A示出了可以被实施在NED 104中的示例图像源200。图像源200包括微投影仪202和波导204。图像源200将光输出到聚焦元件206，聚焦元件206将光聚焦到用户眼睛208。

通常，图像源200可操作以朝向用户眼睛投射图像显示光，并且提供眼动范围，在该眼动范围中由图像源输出的虚拟图像可见。图像源200可以对应于单个眼睛，并且在一些情况中，可以在NED和/或HMD内与第二、类似的图像源配对，第二、类似的图像源用于向第二个眼睛显示图像。应当理解，图2A示意性地示出了示例图像源并且未按比例绘制。在备选示例中，不同的图像源或图像形成技术可以被使用，包括光学组合器(例如，波导组合器、自由空间组合器)。如本文所使用的，“图像源”是指适于将图像显示光朝向用户眼睛引导的任何硬件。图2B-图8本质上类似地是示意性的。

图像源200包括被配置为将光输出到波导204中的微投影仪202。尽管图2A中未描绘，但内耦合元件可以被提供，以促进将光内耦合到波导204中。微投影仪202可以输出准直的光，在一些示例中，准直的光可以在空间上被调制以产生图像。作为微投影仪202的补充或备选，图像源200可以包括用于输出光的任何合适的光学器件，以用于创建和投影图像。微投影仪202还可以包括图像产生光学器件，诸如用于创建图像的空间光调制器。然而，通常，无论光是否对图像进行编码，任何合适的光源都可以被用于将光输出到NED中的其他组件。

一旦在波导内，在到达外耦合元件之前，光就可以经由全内反射传播。在所示的示例中，随着图像显示光离开微投影仪传播，波导复制图像显示光的出射光瞳。这用于增加图像显示光在其中可见的眼动范围的大小。各种合适的外耦合元件可以被使用。例如，图像源可以包括具有表面浮雕光栅的波导，以用于将图像显示光从波导耦出。备选地，波导可以包括用于将图像显示光耦出的全息光学元件。这种全息光学元件可以包括合适的厚或薄全息元件，诸如衍射光学元件、开诺全息照片(kinoform)、体布拉格光栅、可切换的布拉格光栅、超材料结构和/或可以用作薄或厚全息元件的其他静态或动态技术。

此外，尽管图像源200包括波导，但应当理解，其他合适的光学元件可以被使用。例如，备选的图像源可以利用直视显示器、扫描镜/扫描光纤设备等，只要图像显示光被适当地朝向用户眼睛引导。

在所示的示例中，图像源200朝向用户眼睛发射准直的光线。因此，在离开波导204时，图像显示光可以说具有无限的虚拟距离，当用户直接察看时，图像显示光将与看起来距用户很大距离(例如，大于三米)的虚拟图像相对应。聚焦元件206被用于在光线到达用户眼睛之前聚焦光线，从而改变图像显示光的虚拟距离。任何合适的聚焦元件可以被使用，包括固定或动态(例如，可切换或可调)透镜。作为一个示例，动态透镜可以被使用，动态透镜可控制以修改图像显示光的虚拟距离。在其他合适的技术中间，动态透镜可以被实现为液晶透镜或阿尔瓦雷斯(Alvarez)透镜。此外，在图2A中，在波导和聚焦元件之间示出了间隙。应当理解，这仅出于说明的目的而被示出，并且取决于实施方式，在图像源与聚焦元件之间可以存在任何合适的间隔，包括没有任何间隙。

通过聚焦元件206聚焦的光进入用户眼睛208并且撞击用户的视网膜，使光被用户感知为图像。虽然图2A描绘了聚焦在人眼瞳孔外部的点处的光，但这仅出于说明的目的。在实际使用中，光可以朝向具有任何合适位置的焦点会聚。进入眼睛瞳孔的光可以被眼睛晶状体聚焦，以进一步修改光的虚拟距离，例如以将光聚焦在视网膜上。

如上面关于图1所说明的，撞击眼睛视网膜的光可以被穿戴者感知为图像，诸如虚拟图像108。当光一次朝向穿戴者的两个眼睛视网膜立体地投射时，虚拟图像可以被感知为似乎存在于穿戴者环境内的三维位置处的三维对象。

这在图2B中被示出，图2B示出了使用NED的穿戴者的俯视图。如所示的，NED包括两个图像源，包括被定位在穿戴者左眼208L前面的第一图像源200L，以及被定位在右眼208R前面的第二图像源200R。应当理解，图2A中所示的图像源可以是图像源200L和200R中的任一个。类似地，图2A中所示的人眼208可以是图2B中所示的眼睛208L和208R中的任一个。虚拟图像216作为存在于距穿戴者一定距离的三维位置处的虚拟对象，而对穿戴者可见。如上所述，这种图像可以经由由图像源200L和200R发射的、进入人眼208L和208R的光形成。

返回图2A，来自图像源200的光可以是基本单色的或多色的(例如，红色、绿色、蓝色)。换句话说，图像显示光可以包括一个或多个窄波长带，例如，一个或多个窄波长带对应于白光、离散的红色、绿色和蓝色通道等。在利用多色光的一些示例中，微投影仪202可以执行色域顺序显示。对于其中像差校正组件被用于校正出射光瞳中的任何像差(例如，由出射光瞳的转向引起)的实施方式，这种组件可以针对每个颜色通道被独立控制，以提供适于每个颜色通道的像差校正。这种校正组件的一个示例可以包括相位调制显示面板，诸如透射型液晶面板或硅上反射液晶(LCOS)显示器。作为示例，其他校正元件可以包括液晶透镜、微镜阵列和可变形镜。

在一些示例中，微投影仪202可以由控制器210控制以形成虚拟图像。控制器210可以被实现为任何合适的处理组件，包括例如下面关于图8描述的逻辑机802。此外，在一些实施方式中，控制器210可以被配置为执行软件应用212，并且可以基于从软件应用接收的指令来控制由微投影仪202形成的图像。换句话说，图像显示光可以描绘由软件应用212呈现的虚拟图像。软件应用212的非限制性示例可以包括设备操作***、***实用程序、设备固件/驱动器、预安装的应用、用户可安装的应用(例如游戏、工具、互动体验)等。

如上所述，在一些情况中，聚焦元件206可以是动态透镜，其可控制以动态地设置图像显示光的表观虚拟距离。在一些示例中，动态透镜可以由控制器210控制。取决于聚焦元件206和控制器210如何被实现，这种控制可以采取任何合适的形式。在通常的示例中，被施加到动态透镜的信号(例如，电压或电流)将以可预测的方式改变动态透镜的形状，从而改变透镜的聚焦性质。在一些情况中，可以根据由软件应用212提供的指令来进行对聚焦元件的控制。

图2A还包括被配置为追踪人眼的当前位置的眼睛追踪***214。从眼睛的位置(例如，瞳孔位置)，眼睛追踪***可以推断眼睛的凝视矢量，凝视矢量可以被用于推断用户的注意力在现实或虚拟场景中的指向位置。在一些示例中，眼睛追踪***214可以包括光源和图像传感器，该光源将光投射到眼睛上的，该图像传感器捕获从角膜反射的光，利用所反射的光，闪烁和/或其他特征可以被标识以确定瞳孔位置。由眼睛追踪***214标识的眼睛位置可以被提供给控制器210，控制器210可以被配置为基于当前眼睛位置来修改图像显示光和/或控制聚焦元件。例如，如果眼睛凝视矢量指示用户正在观看相对靠近用户的现实或虚拟对象，则控制器可以调整动态透镜，使得图像显示光具有更近的虚拟距离。

应当理解，图2A中所示的组件和布置是出于示例的目的而被呈现，而不是限制。图2A中描绘的任何或所有组件在备选实施方式中可以被省略、修改或替换，只要图像显示光仍然被适当地朝向用户眼睛引导。

图3A和图3B示意性地描绘了示例性的基于偏振的动态聚焦器300，其包括第一偏振器302、图像源304和动态透镜306。基于偏振的动态聚焦器300被定位在用户眼睛308的前面。图像源304被定位在第一偏振器和用户眼睛之间，而动态透镜306被定位在图像源和用户眼睛之间。尽管在基于偏振的动态聚焦器300中的各个组件之间示出了间隙，但是应当理解，这仅是出于说明的目的。在第一偏振器、图像源和动态透镜之间可以存在任何合适的间隔，包括没有任何间隙。

在3A中，来自外部环境的环境光EL穿过基于偏振的动态聚焦器300以到达用户眼睛308，从而允许用户看到外部环境。在图3B中，图像源304朝向用户眼睛发射图像显示光IDL，其被动态透镜306聚焦以具有特定的虚拟距离。应当理解，在通常使用中，环境光EL和图像显示光IDL可以同时穿过基于偏振的动态聚焦器。环境光和图像显示光仅为了视觉清晰而在图3A和图3B中被分离地示出。

如图3A中所示，环境光EL包括两个极性的光。第一极性以实线示出，而第二极性以虚线示出。在一个示例中，第一极性对应于垂直偏振，而第二极性对应于水平偏振。但是，应当理解，第一极性和第二极性可以对应于在环境光内发现的光的任何极性，包括水平极性、垂直极性和圆形(例如，顺时针和逆时针)极性。

第一偏振器302被配置为使入射在第一偏振器上的环境光偏振，使得朝向用户眼睛穿过第一偏振器的环境光具有第一极性。在一些示例中，第一偏振器可以是宽带偏振器，其被配置为使入射在宽带偏振器上的基本所有可见波长的环境光偏振，以具有第一极性。这在图3A中被图示，其中具有第一极性的所有环境光线穿过第一偏振器，而具有第二极性的所有光线未能穿过第一偏振器。然而，备选地，第一偏振器可以具有一定程度的波长选择性，这意味着具有第二极性的一些波长的光能够穿过第一偏振器。

第一偏振器可以利用任何静态或动态偏振光学器件来实现环境光的偏振。例如，具有第二极性的光可以被第一偏振器吸收、反射、以使光远离用户眼睛的角度被衍射等。此外，第一偏振器的偏振性质可以跨偏振器的表面变化。换句话说，第一偏振器的一些区域(例如，中心)可以使环境光偏振以具有第一极性，而第一偏振器的其他区域(例如，边缘)可以使光偏振以具有第二极性，或者可能根本不使光偏振。如将在下面关于图6A和图6B说明的，在一些情况中，第一偏振可以是动态可切换的，以选择性地增加或减少穿过第一偏振器朝向用户眼睛的环境光的量。

继续图3A，在穿过第一偏振器之后，具有第一极性的环境光EL继续通过基于偏振的动态聚焦器，朝向用户眼睛传播。图像源304对环境光透明，允许环境光不受影响地穿过图像源到达用户眼睛。此外，如所示的，动态透镜306不影响具有第一极性的入射光。换句话说，具有第一极性的环境光EL在基本不受穿过图像源和动态透镜影响的情况下，到达用户眼睛。这允许用户具有对外部世界的基本不受影响的视图(例如，焦点没有被动态透镜306修改)，除了与通过第一偏振器对环境光的偏振相关联的亮度降低之外。

现在转向图3B，图像源304朝向用户眼睛输出图像显示光IDL。图像源304可以被实现为光学元件的任何组合，该光学元件的任何组合发射图像显示光同时对环境光保持基本透明。作为一个示例，图像源304可以被实现为上面关于图2A描述的图像源200。

通常，对于图像源来说，发射具有与穿过第一偏振器的环境光相反极性的图像显示光是有利的。因此，当环境光被偏振为具有第一极性时，图像显示光中的至少一些图像显示光应当具有第二极性。例如，图像源可以发射非偏振图像显示光，这意味着图像显示光中的一些但不是所有图像光具有第一极性(例如，第一极性和第二极性可以被相等地表示)。在这种情况中，第二偏振器可以被使用，如将在下面关于图5更详细描述的。然而，理想地，如图3B中所示，由图像源输出的图像显示光中的基本所有图像显示光将具有第二极性。

在被图像源输出之后，图像显示光在到达用户眼睛308的途中穿过动态透镜306。动态透镜被配置为将具有第二极性的入射光选择性地聚焦在朝向用户眼睛的可控制的虚拟距离。这在图3B中被图示，穿过动态透镜的图像显示光从准直改变为稍微发散。类似于上述聚焦元件206，动态透镜306可以被实现为双折射(即，极性选择性)的任何合适的动态可控制聚焦元件。作为示例，动态透镜可以被实现为液晶透镜、偏振全息元件或偏振选择性阿尔瓦雷斯透镜。

图4A和图4B示意性地图示了将图像显示光动态聚焦到可控制虚拟距离。图4A再次示出了被定位在用户眼睛308前面的基于偏振的动态聚焦器300。由图像源304发射的图像显示光IDL由动态透镜306聚焦，以创建更靠近用户眼睛308前面的虚拟图像。同时，环境光EL的单个光线被示为穿过基于偏振的动态聚焦器，以说明用户在察看虚拟图像的同时仍可以看到外部环境，并且说明具有第一极性的入射光不被动态透镜影响。

然而，在图4B中，动态透镜已经被关闭，以便不改变图像显示光的虚拟距离。如所示的，图像显示光保持准直以呈现位于光学无限远处的虚拟图像。因此，图4B中所示的图像显示光的虚拟距离与来自现实世界对象的光一致，该现实世界对象距用户很远，而与来自图4B的图像显示光相比，图4A中所示的图像显示光与相对更近的现实世界对象一致。

对于一些类型的动态透镜元件，动态透镜306的物理形状以及因此图像显示光的当前虚拟距离由控制器400控制。与控制器210一样，控制器400可以经由任何适当的处理技术来被实现，包括下面关于图8描述的逻辑机802。在一些情况中，控制器400还可以控制图像源以形成虚拟图像，或者可以针对该目的使用另一个控制器。如上所述，可以使用任何合适的控制信号来控制动态透镜。在通常示例中，控制器将输出电信号(例如，电压或电流的改变)，该电信号导致动态透镜的形状以可预测的方式改变，从而影响图像显示光的虚拟距离。

通常，图像显示光的虚拟距离将基于用户的注意力当前指向的位置而改变。例如，如果用户聚焦在相对靠近用户的现实世界对象上，则图像显示光应当具有大致匹配用户和现实世界对象之间的现实世界距离的虚拟距离。因此，在用户观看现实世界对象时，呈现给用户的虚拟图像应当看起来在焦点上，这有助于减轻聚散调节失配的情况。类似地，当用户的注意力指向更远的点或对象时，图像显示光的焦平面应当类似地远离用户。

在一个示例中，可以基于用户眼睛的当前凝视矢量来设置动态透镜的可控制虚拟距离。如上面关于图2A所说明的，眼睛追踪***可以被使用，以确定用户眼睛的当前位置(例如，瞳孔位置)，从中可以推断用户眼睛的凝视矢量。当用户聚焦在相对较近的点或对象上时，他们的眼睛凝视矢量将收敛在用户面部前面的一个点处。相反，当用户聚焦在更远的点或对象上时，眼睛凝视矢量将大致平行。在图4B中，眼睛凝视矢量402从用户的面部近似笔直地延伸，这意味着用户可能聚焦在相对较远的点处。因此，图像显示光被准直，与远处的对象一致。在图4A中，眼睛凝视矢量与用户聚焦在相对较近的点上一致，并且图像显示光略微发散，与较近的对象一致。

附加地或备选地，可以基于由软件应用提供的用户聚焦的指示，来设置动态透镜的可控制虚拟距离。例如，在HMD上运行的虚拟现实应用(例如，软件应用212)可以使得虚拟图像被呈现，该虚拟图像在立体上看起来相对靠近用户地被定位，并且虚拟现实应用可以指示用户与虚拟图像交互。例如，用户可以导航菜单、玩游戏、操纵虚拟工具等。基于该信息，控制器400可以控制动态透镜，以聚焦与相对附近的虚拟对象一致的图像显示光。换句话说，对动态透镜的控制可以取决于当前由NED呈现的虚拟内容。类似地，当软件应用指示用户正在操纵或观察相对较远的虚拟对象(例如，虚拟电视屏幕)时，图像显示光可以与远处的现实世界对象一致地被聚焦。然而，通常，可以以任何合适的方式并且根据任何合适的标准来控制动态透镜。

如上所述，对于图像源来说，理想的是发射如下图像显示光：该图像显示光被偏振为具有与穿过第一偏振器的环境光相反的极性。换句话说，当环境光具有第一极性时，图像显示光中的基本所有图像显示光具有第二极性是有利的。这是由于以下事实：具有第一极性的任何图像显示光将不会被动态透镜聚焦，这可以使用户感知到双重、偏移或模糊的虚拟图像。然而，使图像显示光完全偏振并不总是可能甚至是不实际的。换句话说，在实际的实现中，一些但不是全部的图像显示光可以具有第一极性。

这在图5中被示意性地图示，图5示出了另一个示例性的基于偏振的动态聚焦器500，其再次包括被定位在用户眼睛510前面的第一偏振器502、图像源504和动态透镜508。然而，与基于偏振的动态聚焦器300不同，聚焦器500包括第二偏振器506，第二偏振器506被定位在动态透镜和图像源之间。第二偏振器被配置为使一个或多个波长的入射光偏振以具有第二极性。换句话说，具有第一极性的任何图像显示光将无法穿过第二偏振器，并且因此永远不会到达用户眼睛。在图5中，由图像源504输出的图像显示光IDL包括第一极性的光和第二极性的光两者。但是，具有第一极性的光不会穿过第二偏振器506。

值得注意的是，第二偏振器可以被配置为仅使一个或多个窄波长带偏振，这通常将排除穿过第一偏振器的环境光的许多波长。这在图5中被示出。在图5中，具有第一极性的环境光EL的光线不受影响地穿过第二偏振器。例如，如上所述，图像源可以发射具有离散的红色通道、绿色通道和蓝色通道的多色光。因此，第二偏振器可以被实现为窄带偏振器，其仅影响与由图像源使用的红色、绿色和蓝色通道相对应的光的波长。这将轻微影响恰好与第二偏振器被配置为偏振的波长匹配的环境光，但这不会显著影响用户对外部环境的视图。换句话说，第二偏振器被配置为使图像显示光中存在的一个或多个窄波长带偏振以具有第二极性，而不显著影响窄波长带之外的入射光。

与上述第一偏振器302一样，第二偏振器506可以利用任何静态或动态偏振光学器件来实现图像显示光的偏振。例如，具有合适波长的第一极性的入射光可以被第二偏振器吸收、反射、以使光远离用户眼睛的角度被衍射等。此外，第二偏振器的偏振性质可以跨偏振器的表面变化。换句话说，第二偏振器的一些区域(例如，中心)可以使光偏振以具有第二极性，而第二偏振器的其他区域(例如，边缘)可以使光偏振以具有第一极性，或者可以根本不使光偏振。

如上所述，在一些情况中，第一偏振器可以是动态可切换的，以选择性地增加或减少穿过第一偏振器朝向用户眼睛的环境光的量。这可以使用可以动态切换的任何合适的偏振光学器件来实现。在NED的使用期间，这允许用户对外部环境的视图被选择性地调暗，或者甚至完全被遮挡。此外，如上所述，从用户的角度来看，第一偏振器对环境光的偏振可以降低外部环境的表观亮度。这可以通过选择性增加穿过第一偏振器的光的量来克服，例如在图像源关闭时。

这在图6A和图6B中被示意性地图示，图6A和图6B再次示出了基于偏振的动态聚焦器300。在图6A中，第一偏振器302已经被动态地切换以允许环境光EL中的基本所有环境光穿过第一偏振器并且到达用户眼睛308，包括具有第一极性的光和第二极性的光两者。这可以在NED的使用期间的任何时间进行。

然而，当图像源304开启并且用户正在察看虚拟图像时，增加穿过第一偏振器的环境光的量可能使用户更难以看见虚拟图像。因此，当图像源不输出图像显示光时，第一偏振器可以被切换以增加穿过第一偏振器的环境光的量。此外，动态透镜306仍可以选择性地聚焦具有第二极性的光。因此，在图6A中，图像源304关闭，并且动态透镜已经被控制，使得它不显著影响具有任一极性的光。以该方式，当用户在没有虚拟图像被显示的情况下穿戴NED(例如，设备断电)时，用户可以具有外部环境的如下视图，该视图基本不受第一偏振器以及基于偏振的动态聚焦器的其他光学组件影响。

相反，在图6B中，第一偏振器已经被动态切换以阻挡具有第二极性的环境光EL穿过基于偏振的动态聚焦器300。图像源304开启并且朝向用户眼睛输出图像显示光IDL。因此，用户可以查看虚拟图像，同时到达眼睛的环境光的量被减少，从而使虚拟图像更容易看到。

图6A示出了穿过第一偏振器的所有环境光，而图6B示出了穿过该偏振器的第一极性的环境光。然而，应当理解，这些是极端的示例。在备选示例中，第一偏振器可以被动态切换，以允许环境光的任何部分到达用户眼睛，从而允许用户对外部环境的视图根据需要被选择性地调暗或调亮。例如，当第一偏振器由合适的超材料技术构造时，可以实现第一偏振器的切换。在备选实施方式中，可以使用可切换波片(被定位在两个偏振器之间)或液晶显示器来实现类似的效果-例如，允许环境光被完全遮挡而不是被选择性地偏振。

此外，可以以任何合适的方式来实现对第一偏振器的控制。在一些示例中，第一偏振器可以由图6A和图6B未示出的控制器(例如，控制器210、控制器400或逻辑机802)控制。

图7A和图7B示出了另一个示例性的基于偏振的动态聚焦器700。与聚焦器300一样，聚焦器700包括第一偏振器704、图像源706、动态透镜708和用户眼睛710。然而，聚焦器700还包括基于偏振的矩阵显示器702，其被配置为选择性地防止环境光中的一些或所有环境光到达第一偏振器。基于偏振的矩阵显示器可以使用任何合适的技术(诸如液晶)来被实现，并且可以具有任何合适的分辨率。此外，可以以任何合适的方式来控制基于偏振的矩阵显示器，例如通过未在图7A和图7B中示出的控制器。尽管基于偏振的矩阵显示器被示为在第一偏振器702的前面，但是应当理解，基于偏振的矩阵显示器相对于基于偏振的动态聚焦器的其他组件可以具有任何合适的位置。

在图7A中，基于偏振的矩阵显示器702被关闭并且允许环境光中的基本所有环境光到达第一偏振器。从这里，具有第一极性的环境光继续通过基于偏振的动态聚焦器以到达用户眼睛。在图7A中未示出任何图像显示光。但是，这样做仅是为了视觉清晰。应当理解，不管基于偏振的矩阵显示器的当前状态如何，都可以朝向用户眼睛输出图像显示光。

在图7B中，基于偏振的矩阵显示器阻挡所有环境光到达第一偏振器。因此，在察看虚拟图像时，用户对外部环境的视图可以完全被遮挡，带来了完全的虚拟现实体验。应当理解，基于偏振的矩阵显示器可以被控制，以允许环境光的任何量到达第一偏振器，这又允许用户对外部环境的视图根据需要被选择性地调暗。此外，基于偏振的矩阵显示器可以被配置为允许环境光通过显示器的一些部分，而阻挡光穿过显示器的其他部分。以该方式，用户对外部环境的视图可以在空间上变化，例如，这允许用户视图的一些部分与其他部分不同地被调暗。例如，这可以被用于通过在空间上变化到达第一偏振器的环境光的量来提供一种假象来提供如下错觉，即：由图像显示光所形成的虚拟图像遮挡外部环境中的现实世界的对象。

在一些实施例中，本文描述的方法和过程可以与一个或多个计算设备的计算***联系在一起。特别地，这种方法和过程可以被实现为计算机应用程序或服务、应用编程接口(API)、库和/或其他计算机程序产品。

图8示意性地示出了可以实施上述方法和过程中的一个或多个的计算***800的非限制性实施例。计算***800以简化形式被示出。计算***800可以采取以下形式：一个或多个个人计算机、服务器计算机、平板计算机、家庭娱乐计算机、网络计算设备、游戏设备、移动计算设备、移动通信设备(例如，智能电话)和/或其他计算设备。

计算***800包括逻辑机802和存储机804。计算***800可以可选地包括显示子***806、输入子***808、通信子***810和/或未在图8中示出的其他组件。

逻辑机802包括被配置为执行指令的一个或多个物理设备。例如，逻辑机可以被配置为执行作为一个或多个应用、服务、程序、例程、库、对象、组件、数据结构或其他逻辑构造的一部分的指令。这种指令可以被实施以执行任务，实现数据类型，变换一个或多个组件的状态，达到技术效果或以其他方式达到期望的结果。

逻辑机可以包括被配置为执行软件指令的一个或多个处理器。附加地或备选地，逻辑机可以包括被配置为执行硬件或固件指令的一个或多个硬件或固件逻辑机。逻辑机的处理器可以是单核或多核，并且在其上执行的指令可以被配置为用于顺序处理、并行处理和/或分布式处理。逻辑机的个体组件可选地可以分布在两个以上的分离设备中间，该两个以上的分离设备可以被远程定位和/或被配置为用于协调处理。逻辑机的方面可以由可远程访问的联网计算设备而被虚拟化和执行，该可远程访问的联网计算设备被配置在云计算配置中。

存储机804包括一个或多个物理设备，其被配置为保持可由逻辑机执行，以实现本文所述的方法和过程的指令。当这种方法和过程被实现时，存储机804的状态可以被变换，例如以保存不同的数据。

存储机804可以包括可移动和/或内置设备。存储机804可以包括光学存储器(例如，CD、DVD、HD-DVD、蓝光光盘等)、半导体存储器(例如，RAM、EPROM、EEPROM等)和/或磁存储器(例如，硬盘驱动器、软盘驱动器、磁带驱动器、MRAM等)。存储机804可以包括易失性、非易失性、动态、静态、读/写、只读、随机访问、顺序访问、位置可寻址、文件可寻址和/或内容可寻址的设备。

应当理解，存储机804包括一个或多个物理设备。然而，备选地，本文描述的指令的方面可以由物理设备未在有限的持续时间内保持的通信介质(例如，电磁信号、光学信号等)传播。

逻辑机802和存储机804的方面可以被集成在一起成为一个或多个硬件逻辑组件。这种硬件逻辑组件可以包括现场可编程门阵列(FPGA)、程序和专用集成电路(PASIC/ASIC)、程序和专用标准产品(PSSP/ASSP)、片上***(SOC)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)。

术语“模块”、“程序”和“引擎”可以被用来描述被实现为执行特定功能的计算***800的方面。在一些情况中，模块、程序或引擎可以经由逻辑机802执行由存储机804保持的指令来实例化。应当理解，可以从相同的应用、服务、代码块、对象、库、例程、API、函数等来实例化不同的模块、程序和/或引擎。同样，相同的模块、程序和/或引擎可以由不同的应用、服务、代码块、对象、例程、API、函数等实例化。术语“模块”、“程序”和“引擎”可以涵盖可执行文件、数据文件、库、驱动器、脚本、数据库记录等的个体或组。

应当理解，如本文所使用的，“服务”是跨多个用户会话可执行的应用程序。服务可能可用于一个或多个***组件、程序和/或其他服务。在一些实施方式中，服务可以在一个或多个服务器计算设备上运行。

当显示子***806被包括时，显示子***806可以用于呈现由存储机804保存的数据的视觉表示。该视觉表示可以采用图形用户界面(GUI)的形式。当本文描述的方法和过程改变了由存储机保存的数据，并且因此转换了存储机的状态时，显示子***806的状态同样可以被转换以可视地表示底层数据中的改变。显示子***806可以包括实际上利用任何类型的技术的一个或多个显示设备。这种显示设备可以在共享的外壳中与逻辑机802和/或存储机804组合，或者这种显示设备可以是***显示设备。

当输入子***808被包括时，输入子***808可以包括一个或多个用户输入设备或与其对接，诸如键盘、鼠标、触摸屏或游戏控制器。在一些实施例中，输入子***可以包括选择的自然用户输入(NUI)组件或与其对接。这种组件可以是集成的或***的，并且输入行动的转导和/或处理可以在板上或板外被处理。示例NUI组件可以包括用于语音和/或声音识别的麦克风；用于机器视觉和/或手势识别的红外、彩色、立体和/或深度相机；用于运动检测和/或意图识别的头部追踪器、眼睛追踪器、加速度计和/或陀螺仪；以及用于评估大脑活动的电场感测组件。

当通信子***810被包括时，通信子***810可以被配置为将计算***800与一个或多个其他计算设备通信地耦合。通信子***810可以包括与一种或多种不同的通信协议兼容的有线和/或无线通信设备。作为非限制性示例，通信子***可以被配置为用于经由无线电话网络或者有线或无线局域网或广域网的通信。在一些实施例中，通信子***可以允许计算***800经由诸如因特网的网络，向其他设备发送消息和/或从其他设备接收消息。

在一个示例中，一种用于近眼显示器的基于偏振的动态聚焦器包括：第一偏振器，被配置为使入射在第一偏振器上的环境光偏振，使得穿过第一偏振器朝向用户眼睛的环境光具有第一极性；图像源，被定位在用户眼睛和第一偏振器之间，图像源对环境光实质上透明，并且图像源被配置为朝向用户眼睛输出图像显示光，图像显示光中的至少一些图像显示光具有第二极性；以及动态透镜，被定位在用户眼睛和图像源之间，动态透镜被配置为：将具有第二极性的入射光聚焦在朝向用户眼睛的、可控制的虚拟距离处，其中动态透镜不影响具有第一极性的入射光。在该示例或任何其他示例中，由图像源输出的图像显示光中的实质上所有图像显示光具有第二极性。在该示例或任何其他示例中，由图像源输出的图像显示光中的一些但不是所有图像显示光具有第一极性，并且基于偏振的动态聚焦器还包括第二偏振器，第二偏振器被定位在动态透镜和图像源之间，第二偏振器被配置为使一个或多个波长的入射光偏振以具有第二极性。在该示例或任何其他示例中，图像显示光包括一个或多个窄波长带，并且第二偏振器是窄带偏振器，窄带偏振器被配置为：使一个或多个窄波长带的图像显示光偏振以具有第二极性，而不影响一个或多个窄波长带之外的入射光。在该示例或任何其他示例中，第一偏振器是宽带偏振器，宽带偏振器被配置为：使入射在宽带偏振器上的基本所有可见波长的环境光偏振以具有第一极性。在该示例或任何其他示例中，图像源包括具有表面浮雕光栅的波导，以用于使图像显示光从波导耦出。在该示例或任何其他示例中，图像源还包括微投影仪，微投影仪被配置为将图像显示光引入到波导中，并且波导复制图像显示光的出射光瞳。在该示例或任何其他示例中，基于偏振的动态聚焦器还包括眼睛追踪器，眼睛追踪器被配置为追踪用户眼睛的当前凝视矢量，并且基于当前凝视矢量来设置动态透镜的可控制虚拟距离。在该示例或任何其他示例中，图像显示光描绘由软件应用呈现的虚拟图像，并且基于由软件应用提供的用户聚焦的指示来设置动态透镜的可控制虚拟距离。在该示例或任何其他示例中，第一偏振器是可切换的，以选择性地增加或减少穿过第一偏振器朝向用户眼睛的环境光的量。在该示例或任何其他示例中，当图像源不输出图像显示光时，第一偏振器被切换以增加穿过第一偏振器的环境光的量。在该示例或任何其他示例中，基于偏振的动态聚焦器还包括基于偏振的矩阵显示器，基于偏振的矩阵显示器被配置为选择性地防止环境光中的一些或所有环境光到达第一偏振器。在该示例或任何其他示例中，基于偏振的矩阵显示器还被配置为通过在空间上变化到达第一偏振器的环境光的量来提供如下错觉，即：由图像显示光所形成的虚拟图像遮挡外部环境中的现实世界的对象。在该示例或任何其他示例中，图像源朝向用户眼睛发射准直的光线。

在一个示例中，用于近眼显示器的基于偏振的动态聚焦器包括：第一偏振器，被配置为使入射在第一偏振器上的环境光偏振，使得穿过第一偏振器朝向用户眼睛的环境光具有第一极性；波导，被定位在用户眼睛和第一偏振器之间，波导对环境光实质上透明，并且波导被配置为朝向用户眼睛输出图像显示光，使得图像显示光中的至少一些图像显示光具有第二极性；以及液晶透镜，被定位在用户眼睛和图像源之间，液晶透镜被配置为：将具有第二极性的入射光聚焦在朝向用户眼睛的、可控制的虚拟距离处，其中液晶透镜不影响具有第一极性的入射光。在该示例或任何其他示例中，由波导输出的图像显示光中的一些但不是所有图像显示光具有第一极性，并且基于偏振的动态聚焦器还包括第二偏振器，第二偏振器被定位在液晶透镜和波导之间，第二偏振器被配置为使一个或多个波长的入射光偏振以具有第二极性。在该示例或任何其他示例中，基于偏振的动态聚焦器还包括眼睛追踪器，眼睛追踪器被配置为追踪用户眼睛的当前凝视矢量，并且基于当前凝视矢量来设置液晶透镜的可控制虚拟距离。在该示例或任何其他示例中，图像显示光描绘由软件应用呈现的虚拟图像，并且基于由软件应用提供的用户焦点的指示来设置液晶透镜的可控制虚拟距离。在该示例或任何其他示例中，第一偏振器是可切换的，以选择性地增加或减少穿过第一偏振器朝向用户眼睛的环境光的量。

在一个示例中，用于近眼显示器的基于偏振的动态聚焦器包括：宽带偏振器，被配置为使入射在宽带偏振器上的基本所有可见波长的环境光偏振，使得穿过宽带偏振器朝向用户眼睛的环境光具有第一极性；图像源，被定位在用户眼睛和宽带偏振器之间，图像源对环境光实质上透明，并且图像源被配置为朝向用户眼睛输出包括一个或多个窄波长带的图像显示光，图像显示光具有第一极性和第二极性两者；窄带偏振器，被定位在图像源和用户眼睛之间，窄带偏振器被配置为使一个或多个窄波长带的图像显示光偏振以具有第二极性，而不影响一个或多个窄波长带之外的入射光；以及动态透镜，被定位在用户眼睛和窄带偏振器之间，动态透镜被配置为：将具有第二极性的入射光聚焦在朝向用户眼睛的、可控制的虚拟距离处，其中动态透镜不影响具有第一极性的入射光。

应当理解，本文描述的配置和/或方法本质上是示例的，并且这些特定的实施例或示例不应当被认为是限制性的，因为许多变化是可能的。本文描述的特定例程或方法可以表示任何数目的处理策略中的一个或多个。如此，可以以所图示和/或所描述的顺序、以其他顺序、并行地或省略地执行所图示和/或所描述的各种动作。同样，上述过程的顺序可以被改变。

本公开的主题包括本文公开的各种过程、***和配置以及其他特征、功能、动作和/或性质及其任何或所有等价物的所有新颖和非明显的组合和子组合。

Claims (17)

1.一种用于近眼显示器的基于偏振的动态聚焦器，包括：

第一偏振器，被配置为使入射在所述第一偏振器上的环境光偏振，使得穿过所述第一偏振器朝向用户眼睛的环境光具有第一极性；

图像源，包括波导，所述波导被定位在所述用户眼睛和所述第一偏振器之间，所述波导对所述环境光透明，并且所述波导被配置为朝向所述用户眼睛输出图像显示光，所述图像显示光中的至少一些图像显示光具有所述第一极性并且所述图像显示光中的至少一些图像显示光具有第二极性；

动态透镜，被定位在所述用户眼睛和所述波导之间，所述动态透镜被配置为：将具有所述第二极性的入射光选择性地聚焦在朝向所述用户眼睛的可控虚拟距离处，其中所述动态透镜不影响具有所述第一极性的入射光；以及

第二偏振器，所述第二偏振器被定位在所述动态透镜和所述波导之间，所述第二偏振器被配置为使一个或多个波长的入射光偏振以具有所述第二极性。

2.根据权利要求1所述的基于偏振的动态聚焦器，其中所述图像显示光包括一个或多个窄波长带，并且所述第二偏振器是窄带偏振器，所述窄带偏振器被配置为：使所述一个或多个窄波长带的所述图像显示光偏振以具有所述第二极性，而不影响所述一个或多个窄波长带之外的入射光。

3.根据权利要求1所述的基于偏振的动态聚焦器，其中所述第一偏振器是宽带偏振器，所述宽带偏振器被配置为：使入射在所述宽带偏振器上的所有可见波长的环境光偏振以具有所述第一极性。

4.根据权利要求1所述的基于偏振的动态聚焦器，其中所述波导包括表面浮雕光栅，以用于使图像显示光从所述波导耦出。

5.根据权利要求4所述的基于偏振的动态聚焦器，其中所述图像源还包括微投影仪，所述微投影仪被配置为将图像显示光引入到所述波导中，并且所述波导复制所述图像显示光的出射光瞳。

6.根据权利要求1所述的基于偏振的动态聚焦器，还包括眼睛追踪器，所述眼睛追踪器被配置为追踪所述用户眼睛的当前凝视矢量，并且其中所述动态透镜的所述可控虚拟距离基于所述当前凝视矢量而被设置。

7.根据权利要求1所述的基于偏振的动态聚焦器，其中所述图像显示光描绘由软件应用呈现的虚拟图像，并且其中所述动态透镜的所述可控虚拟距离基于由所述软件应用提供的用户聚焦的指示而被设置。

8.根据权利要求1所述的基于偏振的动态聚焦器，其中所述第一偏振器是能够切换的，以选择性地增加或减少穿过所述第一偏振器朝向所述用户眼睛的环境光的量。

9.根据权利要求8所述的基于偏振的动态聚焦器，其中当所述图像源不输出图像显示光时，所述第一偏振器被切换以增加穿过所述第一偏振器的环境光的所述量。

10.根据权利要求1所述的基于偏振的动态聚焦器，还包括基于偏振的矩阵显示器，所述基于偏振的矩阵显示器被配置为选择性地防止所述环境光中的一些或所有环境光到达所述第一偏振器。

11.根据权利要求10所述的基于偏振的动态聚焦器，其中所述基于偏振的矩阵显示器还被配置为通过在空间上变化到达所述第一偏振器的环境光的量来提供如下错觉，即：所述图像显示光所形成的虚拟 图像遮挡外部环境中的现实世界的对象。

12.根据权利要求1所述的基于偏振的动态聚焦器，其中所述图像源朝向所述用户眼睛发射准直的光线。

13.一种用于近眼显示器的基于偏振的动态聚焦器，包括：

第一偏振器，被配置为使入射在所述第一偏振器上的环境光偏振，使得穿过所述第一偏振器朝向用户眼睛的环境光具有第一极性；

波导，被定位在所述用户眼睛和所述第一偏振器之间，所述波导对所述环境光透明，并且所述波导被配置为朝向所述用户眼睛输出图像显示光，使得所述图像显示光中的至少一些图像显示光具有所述第一极性并且所述图像显示光中的至少一些图像显示光具有第二极性；

液晶透镜，被定位在所述用户眼睛和所述波导之间，所述液晶透镜被配置为：将具有所述第二极性的入射光选择性地聚焦在朝向所述用户眼睛的可控虚拟距离处，其中所述液晶透镜不影响具有所述第一极性的入射光；以及

第二偏振器，被定位在所述液晶透镜和所述波导之间，所述第二偏振器被配置为使一个或多个波长的入射光偏振以具有所述第二极性。

14.根据权利要求13所述的基于偏振的动态聚焦器，还包括眼睛追踪器，所述眼睛追踪器被配置为追踪所述用户眼睛的当前凝视矢量，并且其中所述液晶透镜的所述可控虚拟距离基于所述当前凝视矢量而被设置。

15.根据权利要求13所述的基于偏振的动态聚焦器，其中所述图像显示光描绘由软件应用呈现的虚拟图像，并且其中所述液晶透镜的所述可控虚拟距离基于由所述软件应用提供的用户聚焦的指示而被设置。

16.根据权利要求13所述的基于偏振的动态聚焦器，其中所述第一偏振器是能够切换的，以选择性地增加或减少穿过所述第一偏振器朝向所述用户眼睛的环境光的量。

17.一种用于近眼显示器的基于偏振的动态聚焦器，包括：

宽带偏振器，被配置为使入射在所述宽带偏振器上的所有可见波长的环境光偏振，使得穿过所述宽带偏振器朝向用户眼睛的环境光具有第一极性；

图像源，包括波导，所述波导被定位在所述用户眼睛和所述宽带偏振器之间，所述波导对所述环境光透明，并且所述波导被配置为朝向所述用户眼睛输出图像显示光，所述图像显示光包括一个或多个窄波长带，所述图像显示光具有所述第一极性和第二极性两者；

窄带偏振器，被定位在所述图像源和所述用户眼睛之间，所述窄带偏振器被配置为使所述一个或多个窄波长带的所述图像显示光偏振以具有所述第二极性，而不影响所述一个或多个窄波长带之外的入射光；以及

动态透镜，被定位在所述用户眼睛和所述窄带偏振器之间，所述动态透镜被配置为：将具有所述第二极性的入射光选择性地聚焦在朝向所述用户眼睛的可控虚拟距离处，其中所述动态透镜不影响具有所述第一极性的入射光。

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