采用可调谐柱面透镜的光学器件和头戴式显示器的制作方法

本公开涉及包括可调谐透镜的光学器件，并且更具体地，涉及包含平面内切换模式液晶可调谐透镜的光学器件和头戴式显示器。

背景技术：

1、用于增强现实的可穿戴显示系统可以包括一个或两个目镜，用户可以通过该目镜观看世界，并且显示系统可以用该目镜向用户投射数字影像。目镜常常使用高折射材料形成，并且通常被设计为考虑具有正视视觉的用户，即没有折射误差的用户。

2、对于具有非正视视觉的用户，诸如近视(近视的)或远视(远视的)用户，可在可穿戴显示器中提供定制插件，其例如根据他们的眼科处方(rx)来校正用户的折射误差。可替代地，显示器的形状因子可以被设计为在穿戴者与显示器的目镜之间容纳眼镜。然而，耳机的定制可能既耗时又昂贵，而且容纳眼镜的形状因子可能既笨重又在美学上无吸引力。

技术实现思路

1、本公开的特征在于平面内切换(ips)模式液晶(lc)几何相位(gp)可调谐透镜，其可以被集成到头戴式显示器的目镜中，用于校正非正视视觉，特别是在虚拟现实、增强现实、或混合现实中的头戴式显示器中。目镜可包括相对于用于向用户投射数字图像的波导布置的完全集成的、场可配置的光学器件，该光学器件能够为用户提供包括可变球面屈光力(sph)、柱面屈光力(cyl)和柱面轴(axis)值的可调谐rx。在某些配置中，每个可调谐目镜包括两个可变复合透镜：一个在波导的具有可变球面、柱面和轴的用户侧；以及第二个在波导的具有可变球面的世界侧。共同地，可变复合透镜可以校正用户的折射误差，包括散光，并且可以将数字图像定位在相对于环境的并且与用户注视深度相对应的适当深度平面处。

2、在一些实施例中，每个复合透镜包括一个或多个(例如，两个或三个)由ips模式lc器件形成的可变柱面透镜。两个这样的可变柱面透镜的组件，其柱面轴成直角取向，可用于提供具有可调整球面屈光力的复合透镜。三个可变柱面透镜的组件，其柱面轴以60°间隔取向，可用于提供具有可调整sph、cyl和axis的复合透镜。

3、通常，在第一方面中，本公开的特征在于一种系统，所述系统包括：第一平面内切换ips模式液晶lc元件，其沿着光轴布置；第二ips模式lc元件，其沿着所述光轴布置；第三ips模式lc元件，其沿着所述光轴布置；以及电子控制器，其所述第一ips模式lc元件、所述第二ips模式lc元件、和所述第三ips模式lc元件通信。所述电子控制器被配置为在操作期间向所述第一ips模式lc元件、所述第二ips模式lc元件、和所述第三ips模式lc元件分别提供驱动信号，以使得所述第一ips模式lc元件、所述第二ips模式lc元件、和所述第三ips模式lc元件根据处方(rx)共同形成具有总体非零球面屈光力(sph)、非零柱面屈光力(cyl)、和柱面轴(axis)的光学元件。

4、该系统的实施方式可包括以下特征和/或其他方面的特征中的一个或多个。例如，在所述系统的操作期间，每个ips模式lc元件可以是几何相位(gp)柱面透镜。每个gp柱面透镜的柱面轴可以对准不同方向。

5、每个ips模式lc元件可以包括在两个衬底之间的lc材料层。所述lc材料可以是向列相lc材料。每个ips模式lc元件可包括由所述两个衬底中的一个支撑的电极层。每个电极层可以包括二维像素电极阵列。所述电子控制器可以被编程为驱动像素电极沿着在所述ips模式lc元件的平面内的第一方向均匀地对准所述lc材料，并且沿着在所述平面内的与所述第一方向正交的第二方向改变所述lc材料的对准。沿着所述第二方向的所述lc材料的所述对准可包括所述lc材料的向列相指向矢的多个2π旋转。所述2π旋转的空间波长可以跨第二方向上的所述ips模式lc元件变化。在所述第二方向上的所述2π旋转的空间波长可以从所述ips模式lc元件的中心朝向所述ips模式lc元件的边缘增加。在一些实施例中，所述电子控制器被编程为在不同的时间驱动像素电极的不同子集，并且以比所述lc材料的弛豫时间更短的周期在不同子集之间来回切换。

6、第一径向方向与第二径向方向之间的角间距可以等于第二径向方向与第三径向方向之间的角间距。

7、对于与所述光轴正交的笛卡尔坐标系，所述第一径向方向可以在30°处，所述第二径向方向可以在90°处，并且所述第三径向方向可以在150°处。第一柱面屈光力c30、第二柱面屈光力c90、和第三柱面屈光力c150以及用于s、c和a的值可根据以下公式相关：

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11、第一光学元件、第二光学元件、和第三光学元件中的每一者的柱面屈光力可以是在从-5d到+5d的范围内可变。

12、所述光学元件可以具有面积是1cm2或更大(例如，5cm2或更大、10cm2或更大、16cm2或更大)的孔。

13、折射元件中的每一者沿着所述光轴的厚度可以是可以10mm或更小(例如，6mm或更小、4mm或更小、3mm或更小、2mm或更小、1mm或更小)。

14、通常，在另一方面中，本公开的特征在于一种头戴式显示系统，包括：第一光学元件，其具有可变球面屈光力(sph)；第二光学元件，其具有可变sph、可变柱面屈光力(cyl)和可变柱面轴(axis)，所述第二光学元件具有至少一个平面内切换(ips)模式液晶(lc)元件；透视显示器，其被布置在所述第一光学元件与所述第二光学元件之间；以及电子控制器，其与所述第一光学元件、所述第二光学元件、和所述透视显示器通信。所述电子控制器被编程为根据所述头戴式显示器的单独用户的处方(rx)，调整所述第一光学元件的sph和所述第二光学元件的sph、cyl、和axis。

15、头戴式显示器的实施方式可包括以下特征和/或其他方面的特征中的一个或多个。例如，所述头戴式显示器可以包括框架，用于相对于彼此并且在使用期间相对于头戴式显示器的用户安装所述第一光学元件、所述第二光学元件、和所述透视显示器。在所述头戴式显示器的使用期间，所述第二光学元件可以被布置在所述透视显示器与所述用户之间。

16、所述第一光学元件可包括两个可变柱面透镜，它们的相应柱面轴彼此正交。

17、所述头戴式显示器可包括眼睛跟踪模块，所述电子控制器被编程为基于来自所述眼睛跟踪模块的关于所述头戴式显示器的用户正在看的位置的信息，改变所述第二光学元件的处方。在一些实施例中，所述电子控制器被编程为取决于所述用户正在看的位置，将所述第二光学元件的sph、cyl、和axis从近视处方改变为远视处方。

18、所述头戴式显示器可包括生物特征识别模块，所述电子控制器被编程为基于来自所述生物特征识别模块的信息，识别用户，并且基于所述用户的身份，调整所述第二光学元件的处方。所述生物特征识别模块可以是虹膜识别模块。

19、在其他优点中，可调谐目镜可以校正用户的唯一光学处方，包括散光，同时最小化电功率消耗和机电开销。可调谐目镜可以减轻为每个用户制造定制刚性目镜的需求，并且增加具有非正视视觉的混合现实产品用户的可用性。所包括的生物特征模块可以基于它们的唯一虹膜图案来识别用户，并且调整可调谐目镜以调整到场中的多个用户的处方。

20、如本文所使用的，头戴式显示器也可以被描述为头戴式显示器，因为该显示器被配置为穿戴、携带或以其他方式安装在用户的头部。注意，本文所描述的实施例不必限于显示器当前安装在用户的头部的情况。

21、本技术的其他特征和优点将从说明书、附图、和权利要求中显而易见。