具有可调节透镜的波导式显示系统技术方案

本公开涉及具有可调节透镜的波导式显示系统。本公开提供了一种电子设备，该电子设备可以具有向波导提供图像光的显示器。第一液晶透镜和第二液晶透镜可以安装到波导的相对表面。耦合器可以通过第一透镜将图像光耦合出波导。第二透镜可以将世界光传送到第一透镜。控制电路可以控制第一透镜以将第一光焦度施加到图像光和世界光，并且可以控制第二透镜以将第二光焦度施加到世界光，该第二光焦度抵消第一光焦度。每个透镜可以包括具有反平行预倾角的两个液晶分子层。第一透镜的预倾角和摩擦方向可以反平行于第二透镜关于波导的对应预倾角和摩擦方向。

Waveguide display system with adjustable lens

【技术实现步骤摘要】
具有可调节透镜的波导式显示系统本专利申请要求2019年7月24日提交的美国专利申请16/520,718以及2018年8月10日提交的美国临时专利申请62/717,628的优先权，这些专利申请据此全文以引用方式并入本文。
技术介绍
本公开整体涉及电子设备，更具体地讲，涉及具有显示器的电子设备。具有显示器的电子设备可以用于为用户显示内容。如果稍有不慎，在电子设备中的用于为用户显示内容的部件可能是难看且笨重的，并且可能未表现出期望的光学性能水平。
技术实现思路
电子设备可以具有经由输入耦合器向波导提供图像光的显示器。图像光可以在全内反射原理下传播通过波导。第一液晶透镜可以安装到波导的第一表面并且第二液晶透镜可以安装到波导的第二表面。输出耦合器可以将图像光耦合出波导并通过第一液晶透镜。第二液晶透镜可以通过波导将来自电子设备外部的物体的世界光(worldlight)传送到第一液晶透镜。控制电路可以控制第一液晶透镜以表现出将第一光焦度(opticalpower)施加到图像光和世界光的第一折射率分布。控制电路可以控制第二液晶透镜以表现出将第二光焦度施加到世界光的第二折射率分布，其至少部分地抵消第一光焦度。线性偏振器可以插置在波导与第一液晶透镜之间以确保线性偏振与液晶透镜的摩擦方向对准。如果需要，第三液晶透镜可以安装到第一液晶透镜，并且第四液晶透镜可以安装到第二液晶透镜。如果采用第三液晶透镜和第四液晶透镜，则可以省略线性偏振器，并且可以使用来自世界光和图像光的两种偏振状态。第一液晶透镜和第二液晶透镜可以包括具有对准的摩擦方向的透明衬底。每个液晶透镜可以包括具有反平行预倾角的两个液晶分子层。第一液晶透镜的预倾角和摩擦方向可以反平行于第二液晶透镜关于波导的对应预倾角和摩擦方向。附图说明图1是根据一个实施方案的例示性头戴式设备的示意图。图2是根据一个实施方案的用于单眼的例示性头戴式设备的图示。图3是根据一个实施方案的具有波导和液晶透镜的头戴式设备的例示性显示系统的顶视图。图4是根据一个实施方案的图3所示类型的例示性液晶透镜的顶视图。图5和图6是示出根据一个实施方案的如何调整例示性液晶透镜以使得它们的折射率随位置变化以产生期望的透镜分布的曲线图。图7是根据一个实施方案的具有波导和用于覆盖多个偏振的多对液晶透镜的头戴式设备的例示性显示系统的顶视图。图8和图9是根据一个实施方案的图7所示类型的例示性液晶透镜的顶视图。具体实施方式电子设备诸如头戴式设备以及其他设备可以用于增强现实和虚拟现实系统。这些设备可包括便携式消费电子设备(例如，便携式电子设备，诸如平板电脑、蜂窝电话、眼镜、其他可穿戴装置)、在驾驶舱、车辆等中的头顶显示器、以及基于显示器的装置(电视机、投影仪等)。诸如这些设备的设备可包括显示器和其他光学部件。将其中虚拟现实和/或增强现实内容提供给具有头戴式显示器设备的用户的设备配置在本文中作为示例描述。然而，这仅为例示性的。任何合适的装置都可用于向用户提供虚拟现实和/或增强现实内容。佩戴在用户头部的头戴式设备诸如增强现实眼镜可用于向用户提供覆盖在真实世界内容顶部的计算机生成的内容。真实世界内容可由用户通过光学系统的透明部分直接查看。光学系统可用于将图像从显示系统中的一个或多个像素阵列或扫描设备路由至观察者的眼睛。光学系统中可包括波导诸如由透明材料(诸如玻璃或塑料)的一个或多个片形成的薄平面波导或其他光导，以将来自像素阵列的图像光传送至观察者。照明系统可以包括为显示器供应照明的光源。照亮的显示器产生图像光。输入光学耦合器可以用于将来自光源的光耦合到照明系统中的波导中。输出光学耦合器可以用于将显示照明耦合出波导。输入耦合器和输出耦合器还可以用于将来自显示器的图像光耦合到光学系统中的波导中，并且将图像光耦合出波导以供观察者观看。头戴式设备的输入耦合器和输出耦合器可以形成结构，诸如布拉格光栅、棱镜、成角度的透明结构、和/或将光耦合到波导中并将光耦合出波导的透镜。输入和输出光学耦合器可以由衍射耦合器形成，诸如体全息图、其他全息耦合元件或其他衍射耦合结构。输入耦合器和输出耦合器可以例如由薄的或厚的光聚合物层和/或其中使用激光来记录全息图案的其他光学耦合器结构形成。在一些配置中，光学耦合器可以可动态调节的设备形成，诸如液晶部件(例如，可调液晶光栅、聚合物分散的液晶设备)或其他可调节的光学耦合器。在图1中示出了例示性头戴式设备的示意图。如图1所示，头戴式设备10可以具有控制电路12。控制电路12可包括用于控制头戴式显示器10的操作的存储和处理电路。电路12可以包括存储设备，诸如硬盘驱动器存储设备、非易失性存储器(例如，被配置为形成固态驱动器的电可编程只读存储器)、易失性存储器(例如，静态或动态随机存取存储器)等。控制电路12中的处理电路可以基于一个或多个微处理器、微控制器、数字信号处理器、基带处理器、电源管理单元、音频芯片、图形处理单元、专用集成电路以及其他集成电路。软件代码可存储在电路12中的存储器上，并且在电路12中的处理电路上运行，以实现用于头戴式显示器10的操作(例如，数据采集操作、涉及使用控制信号调节部件的操作、产生图像内容以向用户显示的图像呈现操作等)。头戴式设备10可包括输入-输出电路14。输入-输出电路14可用于允许由头戴式显示器10从外部装置(例如，拴系计算机、便携式设备(诸如手持设备或膝上型计算机)或其他电气装置)接收数据，并且允许用户向头戴式设备10提供用户输入。输入-输出电路14还可用于收集有关在其中操作头戴式设备10的环境的信息。电路14中的输出部件可允许头戴式设备10向用户提供输出，并且可用于与外部电气装置通信。如图1所示，输入-输出电路14可包括一个或多个显示器，诸如显示器18。显示器18可用于为头戴式设备10的用户显示图像。显示器18具有像素阵列或激光扫描图案以生成通过光学系统呈现给用户的图像。如果需要，光学系统可以具有透明部分，用户(观察者)可以通过该透明部分观察现实世界物体，同时计算机生成的内容通过在显示器18上产生计算机生成的图像而覆盖在现实世界物体顶上。光学部件16可以用于形成向用户呈现图像的光学系统。部件16可以包括静态部件，诸如波导、静态光学耦合器和固定透镜。部件16还可以包括可调节的光学部件，诸如可调节偏振器、可调透镜(例如，液晶可调透镜、基于电光材料的可调透镜、可调液体透镜、微机电系统(MEMS)可调透镜、或其他可调透镜)、可动态调节耦合器(例如，可调节MEM光栅或其他耦合器)、可调节液晶全息耦合器(诸如可调节液晶布拉格光栅耦合器)，可调节全息耦合器(例如，诸如可调布拉格光栅耦合器、聚合物分散的液晶设备的电光设备)、耦合器、透镜和由电光材料(例如，铌酸锂或其他具有电光效应的材料)形成的其他光学设备，或其他静态和/或可调光学部件。部件16可以用于向显示器18提供光以照亮显示器18，并且可以用于将来自显示器18的图像提供给用户以供观看。在一些配置中，可以堆叠部件16中的一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电子设备，所述电子设备包括：/n波导，所述波导具有相对的第一表面和第二表面；/n显示器，所述显示器被配置为将图像光发射到所述波导中；/n第一液晶透镜，所述第一液晶透镜位于所述波导的所述第一表面处；/n第二液晶透镜，所述第二液晶透镜位于所述波导的所述第二表面处，其中所述第二液晶透镜被配置为将来自所述电子设备的外部的世界光通过所述波导传送到所述第一液晶透镜；/n输出耦合器，所述输出耦合器被配置为将所述图像光耦合出所述波导并通过所述第一液晶透镜；以及/n控制电路，所述控制电路耦合到所述第一液晶透镜和所述第二液晶透镜，其中所述控制电路被配置为控制所述第一液晶透镜以将第一光焦度施加到所述图像光和所述世界光，并且其中所述控制电路被配置为控制所述第二液晶透镜以将第二光焦度施加到所述世界光，所述第二光焦度至少部分地抵消所述第一光焦度。/n

【技术特征摘要】
20180810 US 62/717,628;20190724 US 16/520,7181.一种电子设备，所述电子设备包括：
波导，所述波导具有相对的第一表面和第二表面；
显示器，所述显示器被配置为将图像光发射到所述波导中；
第一液晶透镜，所述第一液晶透镜位于所述波导的所述第一表面处；
第二液晶透镜，所述第二液晶透镜位于所述波导的所述第二表面处，其中所述第二液晶透镜被配置为将来自所述电子设备的外部的世界光通过所述波导传送到所述第一液晶透镜；
输出耦合器，所述输出耦合器被配置为将所述图像光耦合出所述波导并通过所述第一液晶透镜；以及
控制电路，所述控制电路耦合到所述第一液晶透镜和所述第二液晶透镜，其中所述控制电路被配置为控制所述第一液晶透镜以将第一光焦度施加到所述图像光和所述世界光，并且其中所述控制电路被配置为控制所述第二液晶透镜以将第二光焦度施加到所述世界光，所述第二光焦度至少部分地抵消所述第一光焦度。


2.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述第一液晶透镜包括具有第一液晶分子的第一液晶层，所述第一液晶层具有第一预倾角，并且其中所述第二液晶透镜包括具有第二液晶分子的第二液晶层，所述第二液晶层具有第二预倾角，所述第二预倾角与所述第一预倾角相反。


3.根据权利要求2所述的电子设备，其中所述第一液晶透镜包括具有第三液晶分子的第三液晶层，所述第三液晶分子具有第三预倾角，所述第三预倾角与所述第一预倾角相反，并且其中所述第二液晶透镜包括具有第四液晶分子的第四液晶层，所述第四液晶分子具有第四预倾角，所述第四预倾角与所述第二预倾角相反。


4.根据权利要求3所述的电子设备，其中所述第二液晶层置于所述第四液晶层与所述波导之间，并且其中所述第一液晶层置于所述第三液晶层与所述波导之间。


5.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述第一液晶透镜包括安装在所述波导处的第一透明衬底层、在所述第一透明衬底层上的第一液晶层、以及在所述第一液晶层上的第二透明衬底层，其中所述第二液晶透镜包括安装在所述波导处的第三透明衬底层、在所述第三透明衬底层上的第二液晶层、以及在所述第二液晶层上的第四透明衬底层，其中所述第一透明衬底层和所述第三透明衬底层具有第一摩擦方向，并且其中所述第二透明衬底层和所述第四透明衬底层具有反平行于所述第一摩擦方向的第二摩擦方向。


6.根据权利要求5所述的电子设备，其中所述第一液晶透镜包括在所述第二透明衬底层上的第五透明衬底层、在所述第五透明衬底层上的第三液晶层、以及在所述第三液晶层上的第六透明衬底层，其中所述第二液晶透镜包括在所述第四透明衬底层上的第七透明衬底层、在所述第七透明衬底层上的第四液晶层、以及在所述第四液晶层上的第八透明衬底层，其中所述第七透明衬底层和所述第五透明衬底层具有所述第二摩擦方向，并且其中所述第八透明衬底层和所述第六透明衬底层具有所述第一摩擦方向。


7.根据权利要求5所述的电子设备，其中所述第一液晶透镜包括在所述第一透明衬底层上的第一电极层和在所述第二透明衬底层上的第二电极层，其中所述第二液晶透镜包括在所述第三透明衬底层上的第三电极层和在所述第四透明衬底层上的第四电极层，其中所述控制电路被配置为在所述第一电极层与所述第二电极层之间提供第一电压，所述第一电压将所述第一液晶层配置为表现出第一折射率分布，并且其中所述控制电路被配置为在所述第三电极层与所述第四电极层之间提供第二电压，所述第二电压将所述第二液晶层配置为表现出第二折射率分布，所述第二折射率分布是所述第一折射率分布的倒转。


8.根据权利要求1所述的电子设备，还包括：
线性偏振器，所述线性偏振器置于所述第一液晶透镜与所述波导的所述第一表面之间。


9.根据权利要求8所述的电子设备，其中所述线性偏振器具有透射轴，其中所述第一液晶透镜包括具有第一摩擦方向的第一多个堆叠透明衬底，其中所述第二液晶透镜包括具有第二摩擦方向的第二多个堆叠透明衬底，并且其中所述第一摩擦方向和所述第二摩擦方向与所述透射轴对准。


10.根据权利要求1所述的电子设备，还包括：
第三液晶透镜，所述第三液晶透镜安装到所述第一液晶透镜并与所述第一液晶透镜和所述第二液晶透镜对准；和
第四液晶透镜，所述第四液晶透镜安装到所述第二液晶透镜并与所述第一液晶透镜、所述第二液晶透镜和所述第三液晶透镜对准，其中所述控制电路被配置为控制所述第三液晶透镜以将第三光焦度施加到所述世界光和所述图像光，并且其中所述控制电路被配置为控制所述第四液晶透镜以将第四光焦度施加到所述世界光，所述第四光焦度至少部分地抵消所述第三光焦度。


11.根据权利要求10所述的电子设备，其中所述第一液晶透镜和所述第二液晶透镜具有第一摩擦方向，并且所述第三液晶透镜和所述第四液晶透镜具有与所述第一摩擦方向正交的第二摩擦方向。


12.根据权利要求1所述的电子设备，其中所述输出耦合器包括嵌入所述波导内的衍射光栅。


13.一种光学系统，所述光学系统被配置为将来自显示器的图像光和外部光传送到眼箱，所述光学系统包括：
波导，所述波导具有相对的第一表面和...

【专利技术属性】
技术研发人员：严谨，杨英哲，I·斯塔梅诺夫，S·M·德拉普，F·艾塔，B·C·斯蒂尔，E·多吉戈托夫，吴世百，
申请(专利权)人：苹果公司，
类型：发明
国别省市：美国;US