[发明专利]具有阵列光学器件的近眼显示器

说明书

透明有机发光二极管(OLED)可用作用于增强现实应用的近眼显示器中的发光像素。来自这些像素的光可利用可调光束引导和聚焦元件以可切换方式调整和/或引导，所述可调光束引导和聚焦元件也被称为可调微透镜。这些可调微透镜布置成阵列并且例如通过嵌入眼镜片中而与像素阵列配对。所述可调微透镜使用快速切换半波片来选择性地聚焦和/或倾斜来自所述像素的光。通过以比闪变融合阈值更快的速率(例如，60Hz)在可分辨定位/角度之间切换来自所述像素的所述光，所述可调微透镜可高效地使所述近眼显示器的表观分辨率翻一番。并且通过以相同速率在聚焦状态与非聚焦状态之间切换，所述可调微透镜可高效地将来自所述像素的虚拟图像叠加到通过所述像素可见的真实世界图像上。

相关申请的交叉引用

本申请要求根据《美国法典》第35卷第119(e)条，于2019年12月19日提交的第62/950,707号美国申请和于2019年12月11日提交的第62/946,498号美国申请的优先权权益。这些申请中的每一个以全文引用的方式并入本文中。

背景技术

典型的近眼显示器包含用于产生图像的图像生成器、用于组合图像与环境光的光合路器，以及用于使图像对于使用近眼显示器的人员聚焦的成像光学器件。图像生成器可具有反射光的像素(例如，硅装置上的液晶)或发射光的像素(例如，有机发光二极管(OLED)阵列)。在任一情况下，图像生成器通常不在人员的视线内。替代地，它可能会在人员的视野之外，并且投射与人员的视线成一定角度的光束。

光合路器将来自图像生成器的光带入人员的视线内。例如，光合路器可以是立方体分束器，其一个面或端口垂直于人员的视线并面向人员的眼睛。来自图像生成器的光进入分束器的其它端口之一，并且通过面向人员的眼睛的端口重新定向。如果近眼显示器是增强现实显示器，则光合路器将来自图像生成器的光与来自外部世界的光组合，并将组合光投射到人员的眼睛。

成像光学器件使图像生成器生成的图像聚焦。成像光学器件可以是光瞳形成或非光瞳形成的。光瞳形成的光学系统在图像生成器与眼睛之间的某一点产生中间图像。这一图像应形成于离眼睛足够远的位置处，以便眼睛关于所述图像聚焦非光瞳形成的光学系统不会产生中间图像。替代地，它们通常将图像聚焦在无限远的位置处，因此当眼睛放松时(即，聚焦在远距离处)图像就会变清晰。近眼显示器中的成像光学器件的参数包含：(1)眼睛间隙(eye clearance)，即最后一个光学器件的边缘与出瞳之间的距离，通常为20mm；(2)眼睛视距(eye relief)，即最后一个光学器件的顶点与出瞳之间的距离；(3)眼动范围(eyebox，通常等同于出瞳)，包含角度和橫向眼睛定位的范围，在眼睛视距距离处，从这一距离可看到显示器产生的整个图像；(4)景深(depth of field)；以及(5)视场。

发明内容

近年来，透视图像生成器已变得可以透明OLED阵列的形式供使用。具有透明OLED阵列的近眼显示器或其它透视显示器不需要光合路器；相反，透视显示器可直接放置在人的视线内并经调制以产生变化的虚拟图像。透视显示器与人员的眼睛之间的光学器件有助于使虚拟图像聚焦。

本发明的技术利用透视显示器并将其耦合到动态、可切换光学器件，以使虚拟图像对于使用者来说聚焦。这种技术可实施为近眼显示器，其可非常接近眼睛(例如，类似于眼镜)，并且可用作增强现实装置。这种近眼显示器包含光学器件，其可使用不具有移动部分的电子致动组件聚焦光。这使得近眼显示器可根据每个人的验光处方进行调节和聚焦。它还允许光学器件用于使近眼显示器中的虚拟图像源聚焦并根据需要接通和关闭，因此可在不存在虚拟图像的情况下观察到真实世界。还可快速关闭和接通光学器件以将虚拟图像与真实世界图像组合，以使得观察者感知虚拟图像和真实世界图像，就像它们同时被观察到一样。另外，光学器件可快速转变或重新定位使虚拟图像聚焦的透镜的焦点。此快速转变可用于增加可见像素的表观数目，从而提高/增加分辨率。