Meta AR/VR专利为视觉辐辏调节冲突提出混合变焦设备

　　在现实世界中，你的眼睛可以自动对焦一个对象，而世界的其他元素则会脱离焦点。VR/AR的问题是，无论你在VR世界中看向何方，你都只是盯着屏幕，亦即看着相同的距离。

　　换句话说，视觉调节(弯曲眼睛晶状体以聚焦不同距离的对象)永远不会改变，但视觉辐辏(眼睛向内旋转以将每只眼睛的视图重叠成一个对齐图像)却会出现，所以会导致视觉辐辏调节冲突。

　　为解决这个问题，行业厂商一直在研究能够提供多个焦平面的头显，亦即所谓的变焦头显。在名为“Hybrid varifocal device and system”的专利申请中，Meta又介绍了一种相关的混合变焦设备。

　　如图2A所示，系统200可以包括电子显示器115和变焦装置225。变焦装置225可以设置在电子显示器115和视窗区域160之间。变焦装置225可包括设置在光学系列中的第一透镜组件201和第二透镜组件203。第一透镜组件201可设置在电子显示器115和第二透镜组件203之间，第二透镜组件203可设置在视窗区域160和第一透镜组件201之间。

　　在一个实施例中，第一透镜组件201可以配置为提供固定折光率。第一透镜组件201可以包括一个或多个固体透镜、一个或多个液晶透镜、一个或多个基于全息图的透镜或其组合等。一个或多个固体透镜之间的距离可以通过合适的机制来调节，例如电机。

　　在一个实施例中，第二透镜组件203可以配置为为从第一透镜组件201输出的图像光204提供可变折光率。第二透镜组件203可包括偏振开关205、PBP透镜207和设置在光学系列中的可调透镜209。如图2A所示，PBP透镜207可以设置在可调透镜209和偏振开关205之间，偏振开关205可以设置在PBP透镜207和第一透镜组件201之间。

　　偏振开关205可以与PBP透镜207光学耦合，并且可以将从第一透镜组件201输出的图像光204作为图像光206传输到PBP透镜207。可将偏振开关205配置为控制入射到PBP透镜207的图像光206的手性。控制器140可与极化开关205通信耦合，以控制极化开关205的工作状态。

　　控制器140可以控制极化开关205以在第一操作状态和第二操作状态之间切换。在第一工作状态下工作的偏振开关205可将图像光204作为具有第一手性的图像光206传输。在第二操作状态下工作的偏振开关205可以将图像光204作为具有与第一手性相反的第二手性的图像光206传输。

　　PBP透镜207可以是偏振选择性，并且可以在多个光学状态下工作以提供多个离散的折光率。例如，PBP透镜207可以在具有预定手性的圆偏振光输入光的聚焦状态下工作，并提供第一预定的正折光率。

　　PBP透镜207对于具有与预定手性相反的手性的圆偏振输入光可以在离焦状态下工作，并提供第一预定的负折光率。在一个实施例中，PBP透镜207可以在中性状态下工作以提供零折光率，与圆偏振光输入光的手性无关。

　　PBP透镜207可以配置为提供第一折光率，第一折光率在第一步进分辨率的第一折光率调节范围内可变。第一折光率和第一步进分辨率可以部分地由PBP透镜207的参数、材料和配置来确定。

　　在一个实施例中，由于偏振开关205由控制器140控制，当与PBP透镜207光学耦合的偏振开关205反转输入光的手性时，PBP透镜207可以是无源PBP透镜，其操作状态可在聚焦状态和散焦状态之间切换。

　　因此，PBP透镜207的折光率可以在两个离散的折光率之间切换，例如第一预定的正折光率和第一预定的负折光率。因此，第一步进折光率可以在+M屈光度和-M屈光度之间变化，第一步进分辨率为2*M屈光度s。

　　例如当M = 1时，第一折光率调节范围为+1屈光度到-1屈光度，第一步进分辨率为2屈光度时，第一折光率调节范围为+1屈光度到-1屈光度。

　　在一个实施例中，PBP透镜207可以是有源PBP透镜，而通过控制与PBP透镜207光学耦合的偏振开关205和与PBP透镜207电耦合的电源，可在聚焦状态、散焦状态和中性状态之间切换。

　　当来自电源的电压供应关闭或小于第一预定阈值电压时，当通过与PBP透镜207光学耦合的偏振开关205反转输入光的手性时，PBP透镜207可以在聚焦状态和散焦状态之间切换，因为偏振开关205由控制器140控制。

　　当来自电源的电压供应开启且大于预定的第二阈值电压时，PBP透镜207可在中性状态下工作。因此，PBP透镜207的折光率可以在三个分立的折光率之间切换。

　　在图2A所示的实施例中，PBP透镜207可以将图像光206作为向可调谐透镜209传播的图像光208对焦或离焦。可调透镜209可将图像光208转换为向眼箱区域160传播的图像光210。可调透镜209可配置至少一个可通过合适的机构改变其形状的自适应的、可变形的构件。

　　可变形构件可形成透镜形状。当所述可变形构件的形状发生变化时，所述可调透镜209的折光率可相应发生变化。

　　2E-2G示出可调谐透镜209的各种配置或结构。

　　图2E所示的可调透镜209可称为膜状液体透镜或充液透镜，并可由各种致动器驱动，例如机械致动器、压电(致动器或音圈致动器等。

　　如图2E所示，PBP透镜207可以与可调透镜209堆叠。PBP透镜207可包括双折射膜224，其中透镜相位轮廓可编码为双折射膜224的光轴的平面内取向图案。PBP透镜207和可调透镜209可共享衬底223。

　　由于可变形构件221是弯曲的，当PBP透镜207的双折射膜224层压在可变形构件221的外表面时，PBP透镜207弯曲以符合可变形构件221的弯曲形状。所述双折射膜224的形状可以随所述可变形构件221的形状而改变。

　　当PBP透镜207的双折射膜224的形状发生变化时，PBP透镜207的面内节距可以发生变化。因此，PBP透镜207的折光率可以改变。例如，当PBP透镜207的面内螺距减小时，PBP透镜207的折光率可能会增加。在

　　图2F示出根另一实施例的可调透镜209。如图2F所示，可调透镜209可以包括可变形构件230，可变形构件230在由合适的驱动机制驱动时可以改变其形状。

　　如图2F所示，PBP透镜207的双折射膜244可以布置在可变形构件230(可变形构件230的任一表面。因此，PBP透镜207的双折射膜244的形状可以随着可变形构件230的形状而改变。当PBP透镜207的双折射膜224的形状发生变化时，PBP透镜207的面内节距可以发生变化。因此，PBP透镜207的折光率可以改变。例如，当PBP透镜207的面内螺距减小时，PBP透镜207的折光率会增加。

　　图2G示出另一实施例的可调透镜20。如图2G所示，可调透镜209可以包括外壳245，其中封装了两种光学流体241和243。在两种光学流体241和243之间可以形成液-液界面242。光学流体241和243可以配置为具有基本相同的密度。可调透镜209同时可包括用于向光学流体241和243施加电压的电极，以通过适当的机制改变光学流体241和243之间的液-液界面242的形状。

　　液-液界面242可作为可调透镜209的可变形构件或可变形光学界面。例如，可调透镜209可以是可由电压驱动的电润湿透镜或电介质液体透镜。当由电压驱动时，液-液界面242的形状可以改变，从而改变可调透镜209的折光率。

　　在描述的实施例中，PBP透镜207的第一步进分辨率可以配置为等于或大于0.5屈光度且小于或等于1.0屈光度，并且可调透镜209的第二步进分辨率可以配置为小于PBP透镜207的第一步进分辨率。

　　换句话说，可调透镜209可以配置为在第二步进分辨率中提供更精细的折光率调节，并且PBP透镜207可以配置为在第一步进分辨率中提供更粗糙的折光率调节。可调谐透镜209的第二折光率调节范围可以配置为大于或等于PBP透镜207的第一步进分辨率。

　　在一个实施例中，用于调整可调透镜209的折光率的第二步进分辨率可以足够小，使得折光率的微调可以视为折光率的连续调整。在一个实施例中，用于调整PBP透镜207的折光率的第一步进分辨率可以足够大，使得折光率的粗略调整可以视为折光率的离散调整。

　　在第二透镜组件203的操作过程中，PBP透镜207可以配置为在多个离散光学状态下操作以提供对折光率的离散调节，并且可调谐透镜209可以配置为在多个连续光学状态下操作以提供对折光率的连续调节。

　　在PBP透镜207和可调透镜209的操作过程中，当控制PBP透镜207从提供第一步进分辨率的第一离散折光率变为提供第一步进分辨率的第二离散折光率时，可以控制可调透镜209以连续方式从提供第二步进分辨率的第三折光率变为提供第四折光率。第三折光率和第四折光率之间的差值可以配置为等于或大于第一步进分辨率。

　　包括PBP透镜207和可调透镜209的第二透镜组件203可称为混合透镜组件，并且变焦装置225可称为混合变焦装置。

　　通过配置可调透镜209和PBP透镜207的步进分辨率和驱动方案，可以将第二透镜组件203配置为在不降低图像质量的情况下，以第二步进分辨率连续地提供宽折光率调节范围。

　　所以，可将变焦装置225配置为在不降低图像质量的情况下以第二步进分辨率，并以连续方式提供广泛的折光率调节范围。

　　图2D显示了的变焦装置225的驱动方案和折光率调整。

　　参考图2B和图2D，在变焦装置225的操作过程中，在时间实例t1，偏振开关205在切换状态下工作，PBP透镜207提供- 1屈光度的折光率，可调透镜209提供- 1屈光度的折光率。因此，第二透镜组件203提供- 2屈光度的总折光率。变焦装置225提供了- 4屈光度的总折光率。

　　从时间实例t1到时间实例t2，偏振开关205在开关状态下工作，PBP透镜207不断提供-1屈光度的折光率，控制可调透镜209从提供-1屈光度的折光率变化到提供第二步进分辨率的0屈光度的折光率。因此，第二透镜组件203的总折光率在第二步进分辨率下从- 2屈光度变为- 1屈光度，变焦装置225的总折光率在第二步进分辨率下从- 4屈光度变为- 3屈光度。

　　在时间实例t2时，偏振开关205处于开关状态，PBP透镜207提供的折光率为-1屈光度，可调透镜209提供的折光率为0屈光度。因此，第二透镜组件203提供- 1屈光度的总折光率，变焦装置225提供- 3屈光度的总折光率。

　　从时间实例t2到时间实例t3，偏振开关205处于开关状态，PBP透镜207不断提供-1屈光度的折光率，控制可调透镜209在第二步进分辨率下从提供0屈光度的折光率变为提供+ 1屈光度的折光率。因此，第二透镜组件203的总折光率在第二步进分辨率下从- 1屈光度变为0屈光度，变焦装置225的总折光率在第二步进分辨率下从- 3屈光度s变为- 2屈光度。

　　在时间实例t3时，偏振开关205工作在开关状态，PBP透镜207可提供-1屈光度的折光率，可调透镜209可提供+1屈光度的折光率。因此，第二透镜组件203可提供0屈光度的总折光率，变焦装置225可提供- 2屈光度的总折光率。

　　参考图2C和图2D，从时间实例t3到时间实例t4，控制偏振开关205从工作在切换状态变为工作在非切换状态，控制可调透镜209从提供第二步进分辨率的+1屈光度的折光率变为提供-1屈光度的折光率。从时间实例t3到时间实例t4的持续时间可由偏振开关205的切换速度和可调透镜209的切换速度确定。从时间实例t3到时间实例t4的持续时间可以配置为相当短。

　　从时间实例t4到时间实例t5，偏振开关205工作在非开关状态，PBP透镜207持续提供+ 1屈光度的折光率，控制可调透镜209在第二步进分辨率下从提供- 1屈光度的折光率变化到提供0屈光度的折光率。因此，第二透镜组件203的总折光率在第二步进分辨率下由0屈光度变为+ 1屈光度，变焦装置225的总折光率在第二步进分辨率下由- 2屈光度s变为- 1屈光度。

　　在时间实例t5时，偏振开关205工作在非开关状态，PBP透镜207提供的折光率为+1屈光度，可调透镜209提供的折光率为0屈光度。因此，第二透镜组件203提供的总折光率为+ 1屈光度，变焦装置225提供的总折光率为-1屈光度。

　　从时间实例t5到时间实例t6，偏振开关205工作在非开关状态，PBP透镜207持续提供+ 1屈光度的折光率，控制可调透镜209在第二步进分辨率中从提供0屈光度的折光率变为提供+ 1屈光度的折光率。因此，第二透镜组件203的总折光率在第二步进分辨率下由+ 1屈光度变为+ 2屈光度，变焦装置225的总折光率在第二步进分辨率下由- 1屈光度变为0屈光度。

　　在时间实例t6时，偏振开关205工作在非开关状态，PBP透镜207提供+ 1屈光度的折光率，可调透镜209提供+ 1屈光度的折光率。因此，第二透镜组件203提供+ 2屈光度的总折光率，并且变焦装置225提供0屈光度的总折光率。

　　与可调透镜209的折光率调节范围(例如从-1屈光度到+ 1屈光度)相比，第二透镜组件203可配置为提供放大的折光率调节范围(例如从- 2屈光度到+2屈光度)。因此，第二透镜组件203可以提供改进视觉辐辏调节。

　　换句话说，变焦装置225可以减轻视觉辐辏调节冲突。另外，当第二透镜组件203的折光率在较细的第二步进分辨率下连续地在- 4屈光度到0屈光度之间调整时，图像质量可以得到改善。因此，可改善变焦装置225的整体图像质量。

　　图6A示出了包括变焦装置225的第一透镜组件201。如图6A所示，第一透镜组件201可以包括以堆叠形式设置的第一光学透镜605和第二光学透镜610。

　　第一透镜组件201可以配置为Pancake透镜组件，Pancake透镜组件中包括的光学元件之间没有任何气隙。

　　第一光学透镜605可包括面向电子显示器115的第一表面605 – 1和相对的面向第二光学透镜610的第二表面605 – 2。所述第一光学透镜605可配置为在所述第一表面605 – 1处接收来自所述电子显示器115的图像光202，并在所述第二表面605 – 2处输出具有改变性质的图像光。

　　在一个实施例中，第一透镜组件201同时可以包括排列在光学系列中的线性偏振片602、波片604和反射镜606，其中每一个都可以是设置在第一光学透镜605处的单独层。

　　图6B示出根据在图6A所示的第一透镜组件201中传播的光的光路680。光的传播路径680显示了光的偏振变化。

　　如图6B所示，电子显示器115可以产生覆盖预定光谱的非偏振像光202。所述非偏振像光202可由线性偏振器602作为s偏振像光623传输，所述s偏振像光623可由波片604作为LHCP像光625传输。

　　LHCP像光625的第一部分可作为RHCP像光627由镜面606向波片604反射，并且LHCP像光625的第二部分可作为LHCP像光628向反射偏振器608传输。

　　入射到反射偏振器608上的LHCP图像光628可以具有与反射偏振器608的螺旋扭曲结构相同的旋向性。LHCP象光628可由反射偏振器608作为LHCP象光629向反射镜606反射。所述LHCP象光629可作为RHCP象光631被反射镜606反射，所述RHCP象光631可作为RHCP象光633通过反射偏振器608向第二透镜610传输。

　　第二透镜610可以将RHCP图像光633转换为向图2A所示的第二透镜组件203传播的图像光204。

　　名为“Hybrid varifocal device and system”的Meta专利申请最初在2022年3月提交，并在日前由美国专利商标局公布。