具有多焦矫正的近焦光学系统的制作方法

本公开通常涉及增强现实系统，其中包括近眼显示器，可操作地通过显示器显示叠加在真实世界视图上的虚拟图像。

背景技术：

1、头戴式显示器(head-mounted displays，hmds)越来越多地采用传统眼镜的形式，具有不太突兀的光学器件以用于传送虚拟图像内容连同周围环境的较少遮挡的视图。可以沿着眼镜镜架支撑图像生成器，并且基本上透明的图像光导将生成的图像作为虚拟图像传送到佩戴者的眼睛，虚拟图像通过图像光导投影到佩戴者看到的真实世界视图中。

2、虚拟图像内容可以作为角度相关光束的集合沿着图像光导传送，其中每个光束在两个角度维度中的相对角度取向对应于生成的图像中的不同位置(例如，像素)。通常情况下，光束本身是准直的，就好像对应于位于视场中唯一角度位置的远距离点源。因此，当准直光束被引导到共同眼箱(eyebox)内的重叠位置时，佩戴者的眼睛将来自眼箱的所生成图像视为位于接近无穷远处的虚拟图像。然而，佩戴者感兴趣的真实世界对象可能位于更近的地方，并且需要一些明显的眼睛调节才能聚焦。在同一场景中观看需要不同聚焦调节的虚拟对象和真实世界对象会导致眼睛疲劳。

3、由屈光不正引起的佩戴者眼睛内的视力问题，诸如近视(近视)、远视(远视)和散光，也对类似传统眼镜的不显眼的hmd构成挑战。如果佩戴者的传统眼镜(含有矫正镜片)必须被移除以容纳不显眼的hmd，则佩戴者通过hmd观看真实世界和虚拟对象的视野都会受到影响。

技术实现思路

1、本公开涉及图像光导系统的一个或多个示例性实施例，该系统管理呈现给观看者的真实世界对象和虚拟对象之间的聚焦差异，并管理影响特定观看者聚焦能力的视觉问题，以及降低观看者眼睛在同一视场内同时观看虚拟对象与真实世界对象的要求。图像光导系统包括负焦度光学元件和正焦度光学元件，被布置为关于眼箱以小于光学无穷远的距离聚焦虚拟对象，同时确保同一视场中的真实世界对象的聚焦距离保持不变。图像光导系统还包括一个或多个光学元件，光学元件提供一个或多个矫正光学贡献，以矫正观看者的特定光学像差。

2、通过以下对实施例和所附权利要求的详细描述，以及参考附图，可以更清楚地了解和理解本公开的这些方面和其他方面、对象、特征和优点。在示例性实施例中，本公开提供了用于在共同视场中查看虚拟对象和真实世界对象的图像光导系统。图像光导系统包括具有内表面和外表面的图像光导，图像光导被布置为将虚拟对象的承载图像的光束朝向眼箱引导，用于以观看距眼箱第一聚焦距离处(例如，在光学无穷远处)的虚拟对象。图像光导系统还包括设置在图像光导和眼箱之间的负焦度光学元件，负焦度光学元件被布置为在眼箱之前发散承载图像的光束，以便以小于第一聚焦距离的第二聚焦距离(例如，比光学无穷远更近)观看虚拟对象。图像光导系统还包括非可变矫正光学元件和正焦度光学元件。矫正光学元件被布置在图像光导和真实世界对象之间，并被布置为减少观看者与在第二聚焦距离观看真实世界对象相关的光学像差；以及正焦度光学元件被布置在图像光导和真实世界对象之间，其中正焦度光学元件被配置为补偿负焦度光学元件的负光焦度贡献而不补偿矫正光学元件的矫正光学贡献。

3、在另一个示例性实施例中，本公开提供用于在共同视场内观看虚拟对象和真实世界对象的图像光导。图像光导，包括内表面和外表面，被布置为将虚拟对象的承载图像的光束朝向在第一聚焦距离的眼箱引导。第一超材料，具有负光焦度贡献，被配置为将承载图像的光束在眼箱之前以小于第一聚焦距离的第二聚焦距离发散。第二超材料，被布置为提供正光焦度贡献以抵消第一超材料的负光焦度贡献。

技术特征：

1.一种用于在共同视场内观看虚拟对象和真实世界对象的图像光导系统，包括：

2.如权利要求1所述的图像光导系统，其中正焦度光学元件形成为被布置在图像光导和真实世界对象之间的覆盖窗的至少一部分。

3.如权利要求2所述的图像光导系统，其中覆盖窗被布置在矫正光学元件与真实世界对象之间。

4.如权利要求1所述的图像光导系统，其中正焦度光学元件和矫正光学元件形成为单个多功能光学元件，其中单个多功能光学元件选自(i)双透镜或(ii)单透镜，以及其中双透镜或单透镜都提供负光焦度贡献和矫正光学贡献。

5.如系统1的图像光导，其中负焦度光学元件、正焦度光学元件和矫正光学元件中的一个或多个包括超材料。

6.如权利要求1所述的图像光导系统，其中第一聚焦距离为超聚焦到近无穷远聚焦距离。

7.如权利要求1所述的图像光导系统，其中第二聚焦距离在0.05米和4米之间。

8.如权利要求1所述的图像光导系统，其中矫正光学元件包括多个矫正部分，其中多个矫正部分包括被布置为将一个或多个真实世界对象聚焦在第一矫正聚焦距离的第一矫正部分和被布置为将一个或多个真实世界对象聚焦在第二矫正聚焦距离的第二矫正部分，以及其中第一矫正聚焦距离和第二矫正聚焦距离不同。

9.如权利要求8所述的图像光导系统，其中多个矫正部分进一步包括第三矫正部分，被布置为将一个或多个真实世界对象聚焦在不同于第一聚焦距离和第二聚焦距离的第三聚焦距离。

10.如权利要求9所述的图像光导系统，其中多个矫正部分被布置以逐步聚焦一个或多个真实世界对象。

11.如权利要求1所述的图像光导系统，其中正焦度光学元件是具有凸形外表面的透镜，其中凸形外表面经过保护涂层处理。

12.一种用于在共同视场内观看虚拟对象和真实世界对象的图像光导，包括：

13.如权利要求12所述的图像光导，其中第一超材料和第二超材料中的至少一种作为矫正光学元件来提供矫正光学贡献。

14.如权利要求13所述的图像光导，其中矫正光学元件包括多个矫正部分，其中多个矫正部分包括被布置为将一个或多个真实世界对象聚焦在第一矫正聚焦距离的第一矫正部分和被布置为将一个或多个真实世界对象聚焦在第二矫正聚焦距离的第二矫正部分，其中第一矫正聚焦距离与第二矫正聚焦距离不同。

15.如权利要求12所述的图像光导，其中第一超材料位于图像光导的内表面上或嵌入图像光导的内表面内。

16.如权利要求15所述的图像光导，其中第二超材料位于图像光导的外表面上或嵌入图像光导的外表面内。

17.如权利要求12所述的图像光导，其中第一超材料和第二超材料中的至少一种位于覆盖窗的一个或多个表面上或嵌入覆盖窗的一个或多个表面内。

18.如权利要求12所述的图像光导，其中第一超材料和第二超材料中的至少一种包括线性衍射光栅。

19.如权利要求12所述的图像光导，其中第一超材料和第二超材料中的至少一种包括全息光学元件。

技术总结
一种图像光导系统，管理呈现给观看者的真实世界和虚拟对象之间的聚焦差异，并且管理影响特定观看者的聚焦能力的视觉问题，以及降低观看者在同一视场内观看虚拟对象与真实世界对象对眼睛的要求。图像光导系统包括负焦度光学元件和正焦度光学元件，被布置为相对于眼箱以小于光学无穷远的距离聚焦虚拟对象，同时确保同一视场中的真实世界对象的聚焦距离保持不变。图像光导系统还包括一个或多个光学元件，光学元件提供一个或多个矫正光学贡献，以矫正观看者的特定光学像差。

技术研发人员：罗伯特·J·舒尔茨,罗伯特·W·格雷
受保护的技术使用者：伊奎蒂公司
技术研发日：
技术公布日：2024/11/11