[发明专利]聚焦可调光学系统和多焦显示设备

说明书

本发明涉及一种包括复合透镜(101)的聚焦可调光学系统(100)，所述复合透镜(101)包括多个聚焦可调透镜(102)。此外，所述聚焦可调光学系统(100)包括控制器(103)，用于将所述复合透镜(101)的焦点从第一焦平面转移到第二焦平面。为此，所述控制器(103)用于向所述多个聚焦可调透镜(102)中的每个聚焦可调透镜(102)分别施加控制信号(104)，所述控制信号(104)具有所述第一焦平面的第一值和所述第二焦平面的第二值。

技术领域

本发明涉及一种聚焦可调光学系统，尤其适用于多焦显示(Multi-FocalDisplay，MFD)设备。本发明还涉及一种包括聚焦可调光学系统的MFD设备。本发明的MFD设备可以在近眼显示(Near Eye Display，NED)设备中、近眼式(Near-To-Eye，NTE)应用或设备中或者头戴式显示(Head Mounted Display，HMD)设备中使用。本发明还涉及一种用于控制聚焦可调光学系统的方法。本发明大体上涉及控制聚焦可调光学系统中包含的复合透镜的组合聚焦。

背景技术

MFD设备旨在提供个人观看体验，同时小巧便携。MFD设备可用于增强现实(Augmented Reality，AR)和虚拟现实(Virtual Reality，VR)领域。AR通常使用穿透式NED设备。VR通常使用浸入式NED设备。

图8示出了MFD设备(这里是NED设备)的一个示例。在渲染多个焦平面的帧的同时，快速切换单个2D显示器到用户眼睛的观看距离，从而创建感知的三维(three-dimensional，3D)图像。理想情况下，感知的3D图像无闪烁。

MFD设备包括高速焦点调制器元件，用于切换2D显示器的观看距离。焦点调制器元件可包括聚焦可调透镜，用于不断调整或调制透镜的焦距或光功率。例如，可使用电聚焦可调透镜或可变形薄膜镜面设备(deformable membrane mirror device，DMMD)作为聚焦可调透镜。

图8的MFD设备的示例还包括超高速显示元件，其包括例如数字微镜晶片(DigitalMicromirror Device，DMD)或硅基液晶(Liquid Crystal on Silicon，LCOS)，例如硅基铁电液晶(Ferroelectric LCOS，FCLOS)。显示元件用于以高于闪烁融合阈值的帧率相继显示彩色图像，例如，帧率至少为60Hz。MFD设备还可包括控制器，用于控制显示元件和焦点调制器元件的聚焦可调透镜。

可以控制聚焦可调透镜以限定一系列连续的离散焦平面。更具体地，聚焦可调透镜能够改变其焦距，以便选择性地聚焦于不同指标的多个焦平面中的一个。离散焦平面沿着视轴将3D场景体划分为多个区域。区域内的虚拟对象通过相应的一对相邻焦平面渲染，以便这些对象的2D透视图以近乎正确的焦距显示。焦距是透镜中心与焦平面之间的距离。因此，通过调节聚焦可调透镜的焦距，可以在任何一个选定焦平面上生成图像。

图9示出了可以随时间(x轴)控制多个焦平面(这里示出了索引为1至4的四个焦平面)的方案的示例。图9中(在y轴)标绘了聚焦可调透镜的光功率D。光功率D可以通过改变施加到透镜的控制信号的值来调整。例如，该信号可以是通过透镜驱动的电流。因此，可以通过改变电流的强度来改变焦平面(光功率)，透镜的每个光功率等级对应一个电流强度等级。因此，为了产生光功率阶跃(即，两个焦平面之间的跳跃)以在不同焦平面之间快速变换，可使用电流阶跃形式的控制信号。

所有使用的焦平面都可在例如1/60秒的帧周期内选择一次。当选择(或“激活”)给定的焦平面时，可传输颜色信息(这里通过“RGB”表示)。在有四个焦平面的示例中，这需要在4.2毫秒内以1/60秒的帧周期完成。