[发明专利]具有可变焦透镜元件的增强现实系统和方法

说明书

一种增强现实显示系统包括夹着波导堆叠的可变焦透镜元件对。透镜元件之一位于波导堆叠与用户眼睛之间以在将从波导堆叠投射的光聚焦于该眼睛时矫正屈光不正。透镜元件还可以被配置为提供适当的光焦度以将所显示的虚拟内容置于所需的深度平面上。另一透镜元件位于周围环境与波导堆叠之间，并且被配置为提供光焦度以补偿通过波导堆叠和最接近眼睛的透镜元件的环境光的传输中的像差。此外，眼睛跟踪系统监视用户眼睛的聚散，并且基于所确定的这些眼睛的聚散而自动、连续地调节该透镜元件对的光焦度。

优先权要求

本申请要求2016年4月8日提交的美国临时专利申请No.62/320,375的优先权，该临时专利申请通过引用整体被并入本文中。

通过引用的并入

本申请还通过引用并入有以下每个专利申请的全部内容：2014年11月27日提交的美国申请No.14/555,585；2015年4月18日提交的美国申请No.14/690,401；2014年3月14日提交的美国申请No.14/212,961；2014年7月14日提交的美国申请No.14/331,218；以及2016年3月16日提交的美国申请No.15/072,290。

技术领域

本公开涉及光学设备，其包括增强现实成像和可视化系统。

背景技术

现代计算和显示技术促进了用于所谓的“虚拟现实”或“增强现实”体验的系统的开发，其中，数字再现的图像或其部分以它们看起来是真实的或感觉为真实的方式被呈现给用户。虚拟现实或“VR”场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现而对其它实际的真实世界视觉输入不透明；增强现实或“AR”场景通常涉及将数字或虚拟图像信息呈现为对用户周围的实际世界的可视化的增强。混合现实或“MR”场景是“AR”类型的场景，并且通常涉及被整合到自然世界中且响应于自然世界的虚拟对象。例如，MR场景可以包括看起来被真实世界中的对象阻挡或者被感知为与真实世界中的对象交互的AR图像内容。

参考图1，描绘了增强现实场景10。AR技术的用户看到以人、树木、背景中的建筑物和混凝土平台30为特征的真实世界的公园状设置20。用户还感知他/她“看到”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行的卡通式的化身角色50。这些元素50、40是“虚拟的”，因为它们在真实世界中不存在。因为人类的视觉感知系统是复杂的，所以产生促进除其他虚拟或真实世界图像元素之外的虚拟图像元素的舒适的、感觉自然的、丰富的呈现的AR技术是具有挑战性的。

本文公开的系统和方法解决了关于AR和VR技术的各种挑战。

发明内容

在一些实施例中，提供了一种显示系统。所述显示系统包括头戴式显示器，其被配置为向观看者投射光以在一个或多个深度平面上显示图像信息。所述显示器包括一个或多个波导，其被配置为向所述观看者投射所述光。所述一个或多个波导进一步被配置为将来自周围环境中的对象的光透射给所述观看者。所述显示器还包括第一可变焦透镜元件，其位于所述一个或多个波导与所述观看者的第一眼睛之间；以及第二可变焦透镜元件，其位于所述一个或多个波导与所述周围环境之间。眼睛跟踪系统被配置为确定所述观看者的眼睛的聚散(vergence)。所述显示系统被配置为通过基于所确定的所述观看者的眼睛的聚散调节所述第一可变焦透镜元件和所述第二可变焦透镜元件的光焦度(optical power)来矫正所述用户的眼睛的屈光不正。