Meta AR/VR專利為視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突提出混合變焦設備

　　在現(xiàn)實世界中，你的眼睛可以自動對焦一個對象，而世界的其他元素則會脫離焦點。VR/AR的問題是，無論你在VR世界中看向何方，你都只是盯著屏幕，亦即看著相同的距離。

　　換句話說，視覺調(diào)節(jié)(彎曲眼睛晶狀體以聚焦不同距離的對象)永遠不會改變，但視覺輻輳(眼睛向內(nèi)旋轉(zhuǎn)以將每只眼睛的視圖重疊成一個對齊圖像)卻會出現(xiàn)，所以會導致視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突。

　　為解決這個問題，行業(yè)廠商一直在研究能夠提供多個焦平面的頭顯，亦即所謂的變焦頭顯。在名為“Hybrid varifocal device and system”的專利申請中，Meta又介紹了一種相關(guān)的混合變焦設備。

　　如圖2A所示，系統(tǒng)200可以包括電子顯示器115和變焦裝置225。變焦裝置225可以設置在電子顯示器115和視窗區(qū)域160之間。變焦裝置225可包括設置在光學系列中的第一透鏡組件201和第二透鏡組件203。第一透鏡組件201可設置在電子顯示器115和第二透鏡組件203之間，第二透鏡組件203可設置在視窗區(qū)域160和第一透鏡組件201之間。

　　在一個實施例中，第一透鏡組件201可以配置為提供固定折光率。第一透鏡組件201可以包括一個或多個固體透鏡、一個或多個液晶透鏡、一個或多個基于全息圖的透鏡或其組合等。一個或多個固體透鏡之間的距離可以通過合適的機制來調(diào)節(jié)，例如電機。

　　在一個實施例中，第二透鏡組件203可以配置為為從第一透鏡組件201輸出的圖像光204提供可變折光率。第二透鏡組件203可包括偏振開關(guān)205、PBP透鏡207和設置在光學系列中的可調(diào)透鏡209。如圖2A所示，PBP透鏡207可以設置在可調(diào)透鏡209和偏振開關(guān)205之間，偏振開關(guān)205可以設置在PBP透鏡207和第一透鏡組件201之間。

　　偏振開關(guān)205可以與PBP透鏡207光學耦合，并且可以將從第一透鏡組件201輸出的圖像光204作為圖像光206傳輸?shù)絇BP透鏡207。可將偏振開關(guān)205配置為控制入射到PBP透鏡207的圖像光206的手性。控制器140可與極化開關(guān)205通信耦合，以控制極化開關(guān)205的工作狀態(tài)。

　　控制器140可以控制極化開關(guān)205以在第一操作狀態(tài)和第二操作狀態(tài)之間切換。在第一工作狀態(tài)下工作的偏振開關(guān)205可將圖像光204作為具有第一手性的圖像光206傳輸。在第二操作狀態(tài)下工作的偏振開關(guān)205可以將圖像光204作為具有與第一手性相反的第二手性的圖像光206傳輸。

　　PBP透鏡207可以是偏振選擇性，并且可以在多個光學狀態(tài)下工作以提供多個離散的折光率。例如，PBP透鏡207可以在具有預定手性的圓偏振光輸入光的聚焦狀態(tài)下工作，并提供第一預定的正折光率。

　　PBP透鏡207對于具有與預定手性相反的手性的圓偏振輸入光可以在離焦狀態(tài)下工作，并提供第一預定的負折光率。在一個實施例中，PBP透鏡207可以在中性狀態(tài)下工作以提供零折光率，與圓偏振光輸入光的手性無關(guān)。

　　PBP透鏡207可以配置為提供第一折光率，第一折光率在第一步進分辨率的第一折光率調(diào)節(jié)范圍內(nèi)可變。第一折光率和第一步進分辨率可以部分地由PBP透鏡207的參數(shù)、材料和配置來確定。

　　在一個實施例中，由于偏振開關(guān)205由控制器140控制，當與PBP透鏡207光學耦合的偏振開關(guān)205反轉(zhuǎn)輸入光的手性時，PBP透鏡207可以是無源PBP透鏡，其操作狀態(tài)可在聚焦狀態(tài)和散焦狀態(tài)之間切換。

　　因此，PBP透鏡207的折光率可以在兩個離散的折光率之間切換，例如第一預定的正折光率和第一預定的負折光率。因此，第一步進折光率可以在+M屈光度和-M屈光度之間變化，第一步進分辨率為2*M屈光度s。

　　例如當M = 1時，第一折光率調(diào)節(jié)范圍為+1屈光度到-1屈光度，第一步進分辨率為2屈光度時，第一折光率調(diào)節(jié)范圍為+1屈光度到-1屈光度。

　　在一個實施例中，PBP透鏡207可以是有源PBP透鏡，而通過控制與PBP透鏡207光學耦合的偏振開關(guān)205和與PBP透鏡207電耦合的電源，可在聚焦狀態(tài)、散焦狀態(tài)和中性狀態(tài)之間切換。

　　當來自電源的電壓供應關(guān)閉或小于第一預定閾值電壓時，當通過與PBP透鏡207光學耦合的偏振開關(guān)205反轉(zhuǎn)輸入光的手性時，PBP透鏡207可以在聚焦狀態(tài)和散焦狀態(tài)之間切換，因為偏振開關(guān)205由控制器140控制。

　　當來自電源的電壓供應開啟且大于預定的第二閾值電壓時，PBP透鏡207可在中性狀態(tài)下工作。因此，PBP透鏡207的折光率可以在三個分立的折光率之間切換。

　　在圖2A所示的實施例中，PBP透鏡207可以將圖像光206作為向可調(diào)諧透鏡209傳播的圖像光208對焦或離焦。可調(diào)透鏡209可將圖像光208轉(zhuǎn)換為向眼箱區(qū)域160傳播的圖像光210。可調(diào)透鏡209可配置至少一個可通過合適的機構(gòu)改變其形狀的自適應的、可變形的構(gòu)件。

　　可變形構(gòu)件可形成透鏡形狀。當所述可變形構(gòu)件的形狀發(fā)生變化時，所述可調(diào)透鏡209的折光率可相應發(fā)生變化。

　　2E-2G示出可調(diào)諧透鏡209的各種配置或結(jié)構(gòu)。

　　圖2E所示的可調(diào)透鏡209可稱為膜狀液體透鏡或充液透鏡，并可由各種致動器驅(qū)動，例如機械致動器、壓電(致動器或音圈致動器等。

　　如圖2E所示，PBP透鏡207可以與可調(diào)透鏡209堆疊。PBP透鏡207可包括雙折射膜224，其中透鏡相位輪廓可編碼為雙折射膜224的光軸的平面內(nèi)取向圖案。PBP透鏡207和可調(diào)透鏡209可共享襯底223。

　　由于可變形構(gòu)件221是彎曲的，當PBP透鏡207的雙折射膜224層壓在可變形構(gòu)件221的外表面時，PBP透鏡207彎曲以符合可變形構(gòu)件221的彎曲形狀。所述雙折射膜224的形狀可以隨所述可變形構(gòu)件221的形狀而改變。

　　當PBP透鏡207的雙折射膜224的形狀發(fā)生變化時，PBP透鏡207的面內(nèi)節(jié)距可以發(fā)生變化。因此，PBP透鏡207的折光率可以改變。例如，當PBP透鏡207的面內(nèi)螺距減小時，PBP透鏡207的折光率可能會增加。在

　　圖2F示出根另一實施例的可調(diào)透鏡209。如圖2F所示，可調(diào)透鏡209可以包括可變形構(gòu)件230，可變形構(gòu)件230在由合適的驅(qū)動機制驅(qū)動時可以改變其形狀。

　　如圖2F所示，PBP透鏡207的雙折射膜244可以布置在可變形構(gòu)件230(可變形構(gòu)件230的任一表面。因此，PBP透鏡207的雙折射膜244的形狀可以隨著可變形構(gòu)件230的形狀而改變。當PBP透鏡207的雙折射膜224的形狀發(fā)生變化時，PBP透鏡207的面內(nèi)節(jié)距可以發(fā)生變化。因此，PBP透鏡207的折光率可以改變。例如，當PBP透鏡207的面內(nèi)螺距減小時，PBP透鏡207的折光率會增加。

　　圖2G示出另一實施例的可調(diào)透鏡20。如圖2G所示，可調(diào)透鏡209可以包括外殼245，其中封裝了兩種光學流體241和243。在兩種光學流體241和243之間可以形成液-液界面242。光學流體241和243可以配置為具有基本相同的密度。可調(diào)透鏡209同時可包括用于向光學流體241和243施加電壓的電極，以通過適當?shù)臋C制改變光學流體241和243之間的液-液界面242的形狀。

　　液-液界面242可作為可調(diào)透鏡209的可變形構(gòu)件或可變形光學界面。例如，可調(diào)透鏡209可以是可由電壓驅(qū)動的電潤濕透鏡或電介質(zhì)液體透鏡。當由電壓驅(qū)動時，液-液界面242的形狀可以改變，從而改變可調(diào)透鏡209的折光率。

　　在描述的實施例中，PBP透鏡207的第一步進分辨率可以配置為等于或大于0.5屈光度且小于或等于1.0屈光度，并且可調(diào)透鏡209的第二步進分辨率可以配置為小于PBP透鏡207的第一步進分辨率。

　　換句話說，可調(diào)透鏡209可以配置為在第二步進分辨率中提供更精細的折光率調(diào)節(jié)，并且PBP透鏡207可以配置為在第一步進分辨率中提供更粗糙的折光率調(diào)節(jié)。可調(diào)諧透鏡209的第二折光率調(diào)節(jié)范圍可以配置為大于或等于PBP透鏡207的第一步進分辨率。

　　在一個實施例中，用于調(diào)整可調(diào)透鏡209的折光率的第二步進分辨率可以足夠小，使得折光率的微調(diào)可以視為折光率的連續(xù)調(diào)整。在一個實施例中，用于調(diào)整PBP透鏡207的折光率的第一步進分辨率可以足夠大，使得折光率的粗略調(diào)整可以視為折光率的離散調(diào)整。

　　在第二透鏡組件203的操作過程中，PBP透鏡207可以配置為在多個離散光學狀態(tài)下操作以提供對折光率的離散調(diào)節(jié)，并且可調(diào)諧透鏡209可以配置為在多個連續(xù)光學狀態(tài)下操作以提供對折光率的連續(xù)調(diào)節(jié)。

　　在PBP透鏡207和可調(diào)透鏡209的操作過程中，當控制PBP透鏡207從提供第一步進分辨率的第一離散折光率變?yōu)樘峁┑谝徊竭M分辨率的第二離散折光率時，可以控制可調(diào)透鏡209以連續(xù)方式從提供第二步進分辨率的第三折光率變?yōu)樘峁┑谒恼酃饴省５谌酃饴屎偷谒恼酃饴手g的差值可以配置為等于或大于第一步進分辨率。

　　包括PBP透鏡207和可調(diào)透鏡209的第二透鏡組件203可稱為混合透鏡組件，并且變焦裝置225可稱為混合變焦裝置。

　　通過配置可調(diào)透鏡209和PBP透鏡207的步進分辨率和驅(qū)動方案，可以將第二透鏡組件203配置為在不降低圖像質(zhì)量的情況下，以第二步進分辨率連續(xù)地提供寬折光率調(diào)節(jié)范圍。

　　所以，可將變焦裝置225配置為在不降低圖像質(zhì)量的情況下以第二步進分辨率，并以連續(xù)方式提供廣泛的折光率調(diào)節(jié)范圍。

　　圖2D顯示了的變焦裝置225的驅(qū)動方案和折光率調(diào)整。

　　參考圖2B和圖2D，在變焦裝置225的操作過程中，在時間實例t1，偏振開關(guān)205在切換狀態(tài)下工作，PBP透鏡207提供- 1屈光度的折光率，可調(diào)透鏡209提供- 1屈光度的折光率。因此，第二透鏡組件203提供- 2屈光度的總折光率。變焦裝置225提供了- 4屈光度的總折光率。

　　從時間實例t1到時間實例t2，偏振開關(guān)205在開關(guān)狀態(tài)下工作，PBP透鏡207不斷提供-1屈光度的折光率，控制可調(diào)透鏡209從提供-1屈光度的折光率變化到提供第二步進分辨率的0屈光度的折光率。因此，第二透鏡組件203的總折光率在第二步進分辨率下從- 2屈光度變?yōu)? 1屈光度，變焦裝置225的總折光率在第二步進分辨率下從- 4屈光度變?yōu)? 3屈光度。

　　在時間實例t2時，偏振開關(guān)205處于開關(guān)狀態(tài)，PBP透鏡207提供的折光率為-1屈光度，可調(diào)透鏡209提供的折光率為0屈光度。因此，第二透鏡組件203提供- 1屈光度的總折光率，變焦裝置225提供- 3屈光度的總折光率。

　　從時間實例t2到時間實例t3，偏振開關(guān)205處于開關(guān)狀態(tài)，PBP透鏡207不斷提供-1屈光度的折光率，控制可調(diào)透鏡209在第二步進分辨率下從提供0屈光度的折光率變?yōu)樘峁? 1屈光度的折光率。因此，第二透鏡組件203的總折光率在第二步進分辨率下從- 1屈光度變?yōu)?屈光度，變焦裝置225的總折光率在第二步進分辨率下從- 3屈光度s變?yōu)? 2屈光度。

　　在時間實例t3時，偏振開關(guān)205工作在開關(guān)狀態(tài)，PBP透鏡207可提供-1屈光度的折光率，可調(diào)透鏡209可提供+1屈光度的折光率。因此，第二透鏡組件203可提供0屈光度的總折光率，變焦裝置225可提供- 2屈光度的總折光率。

　　參考圖2C和圖2D，從時間實例t3到時間實例t4，控制偏振開關(guān)205從工作在切換狀態(tài)變?yōu)楣ぷ髟诜乔袚Q狀態(tài)，控制可調(diào)透鏡209從提供第二步進分辨率的+1屈光度的折光率變?yōu)樘峁?1屈光度的折光率。從時間實例t3到時間實例t4的持續(xù)時間可由偏振開關(guān)205的切換速度和可調(diào)透鏡209的切換速度確定。從時間實例t3到時間實例t4的持續(xù)時間可以配置為相當短。

　　從時間實例t4到時間實例t5，偏振開關(guān)205工作在非開關(guān)狀態(tài)，PBP透鏡207持續(xù)提供+ 1屈光度的折光率，控制可調(diào)透鏡209在第二步進分辨率下從提供- 1屈光度的折光率變化到提供0屈光度的折光率。因此，第二透鏡組件203的總折光率在第二步進分辨率下由0屈光度變?yōu)? 1屈光度，變焦裝置225的總折光率在第二步進分辨率下由- 2屈光度s變?yōu)? 1屈光度。

　　在時間實例t5時，偏振開關(guān)205工作在非開關(guān)狀態(tài)，PBP透鏡207提供的折光率為+1屈光度，可調(diào)透鏡209提供的折光率為0屈光度。因此，第二透鏡組件203提供的總折光率為+ 1屈光度，變焦裝置225提供的總折光率為-1屈光度。

　　從時間實例t5到時間實例t6，偏振開關(guān)205工作在非開關(guān)狀態(tài)，PBP透鏡207持續(xù)提供+ 1屈光度的折光率，控制可調(diào)透鏡209在第二步進分辨率中從提供0屈光度的折光率變?yōu)樘峁? 1屈光度的折光率。因此，第二透鏡組件203的總折光率在第二步進分辨率下由+ 1屈光度變?yōu)? 2屈光度，變焦裝置225的總折光率在第二步進分辨率下由- 1屈光度變?yōu)?屈光度。

　　在時間實例t6時，偏振開關(guān)205工作在非開關(guān)狀態(tài)，PBP透鏡207提供+ 1屈光度的折光率，可調(diào)透鏡209提供+ 1屈光度的折光率。因此，第二透鏡組件203提供+ 2屈光度的總折光率，并且變焦裝置225提供0屈光度的總折光率。

　　與可調(diào)透鏡209的折光率調(diào)節(jié)范圍(例如從-1屈光度到+ 1屈光度)相比，第二透鏡組件203可配置為提供放大的折光率調(diào)節(jié)范圍(例如從- 2屈光度到+2屈光度)。因此，第二透鏡組件203可以提供改進視覺輻輳調(diào)節(jié)。

　　換句話說，變焦裝置225可以減輕視覺輻輳調(diào)節(jié)沖突。另外，當?shù)诙哥R組件203的折光率在較細的第二步進分辨率下連續(xù)地在- 4屈光度到0屈光度之間調(diào)整時，圖像質(zhì)量可以得到改善。因此，可改善變焦裝置225的整體圖像質(zhì)量。

　　圖6A示出了包括變焦裝置225的第一透鏡組件201。如圖6A所示，第一透鏡組件201可以包括以堆疊形式設置的第一光學透鏡605和第二光學透鏡610。

　　第一透鏡組件201可以配置為Pancake透鏡組件，Pancake透鏡組件中包括的光學元件之間沒有任何氣隙。

　　第一光學透鏡605可包括面向電子顯示器115的第一表面605 – 1和相對的面向第二光學透鏡610的第二表面605 – 2。所述第一光學透鏡605可配置為在所述第一表面605 – 1處接收來自所述電子顯示器115的圖像光202，并在所述第二表面605 – 2處輸出具有改變性質(zhì)的圖像光。

　　在一個實施例中，第一透鏡組件201同時可以包括排列在光學系列中的線性偏振片602、波片604和反射鏡606，其中每一個都可以是設置在第一光學透鏡605處的單獨層。

　　圖6B示出根據(jù)在圖6A所示的第一透鏡組件201中傳播的光的光路680。光的傳播路徑680顯示了光的偏振變化。

　　如圖6B所示，電子顯示器115可以產(chǎn)生覆蓋預定光譜的非偏振像光202。所述非偏振像光202可由線性偏振器602作為s偏振像光623傳輸，所述s偏振像光623可由波片604作為LHCP像光625傳輸。

　　LHCP像光625的第一部分可作為RHCP像光627由鏡面606向波片604反射，并且LHCP像光625的第二部分可作為LHCP像光628向反射偏振器608傳輸。

　　入射到反射偏振器608上的LHCP圖像光628可以具有與反射偏振器608的螺旋扭曲結(jié)構(gòu)相同的旋向性。LHCP象光628可由反射偏振器608作為LHCP象光629向反射鏡606反射。所述LHCP象光629可作為RHCP象光631被反射鏡606反射，所述RHCP象光631可作為RHCP象光633通過反射偏振器608向第二透鏡610傳輸。

　　第二透鏡610可以將RHCP圖像光633轉(zhuǎn)換為向圖2A所示的第二透鏡組件203傳播的圖像光204。

　　名為“Hybrid varifocal device and system”的Meta專利申請最初在2022年3月提交，并在日前由美國專利商標局公布。