本申請要求于2014年5月30日提交的題為“METHODS AND SYSTEMS FOR DISPLAYING STEREOSCOPY WITH A FREEFORM OPTICAL SYSTEM WITH ADDRESSABLE FOCUS FOR VIRTUAL AND AUGMENTED REALITY”的美國臨時專利申請序列號62/005,865的權(quán)益。本申請與如下申請交叉相關(guān)：代理人案號為ML 30017.00的于2014年5月30日提交的并且題為“METHODS AND SYSTEM FOR CREATING FOCAL PLANES IN VIRTUAL AND AUGMENTED REALITY”的美國臨時專利申請序列號62/005,834；代理人案號為ML 30016.00的2014年5月30日提交的并且題為“METHODS AND SYSTEMS FOR VIRTUAL AND AUGMENTED REALITY”的美國專利申請序列號62/005,807；2011年12月22日提交的并且題為“ERGONOMIC HEAD MOUNTED DISPLAY AND OPTICAL SYSTEM”的美國專利申請序列號13/335,884，其要求2010年12月24日提交的美國臨時專利申請序列號61,427,162的優(yōu)先權(quán)；以及2011年12月22日提交的題為“An Ergonomic Head Mounted Display Device and Optical System”的國際申請?zhí)枮镻CT/US2011/067033的專利合作條約(PCT)下公布的國際申請，并且該國際申請要求2010年12月24日提交的美國臨時專利申請序列號61,427,162的優(yōu)先權(quán)。

背景技術(shù)：

頭戴式顯示器(HMD)長期以來被證明對于許多應(yīng)用是無價的，其跨越科學(xué)可視化、醫(yī)學(xué)和軍事訓(xùn)練、工程設(shè)計和原型設(shè)計、遠程操縱和遠程呈現(xiàn)以及個人娛樂系統(tǒng)的領(lǐng)域。在混合和增強現(xiàn)實系統(tǒng)中，光學(xué)透視HMD是將計算機生成的虛擬場景與真實世界場景的視圖組合的基本方法之一。通常通過光學(xué)組合器，光學(xué)透視頭戴式顯示器(OST-HMD)將計算機生成的圖像光學(xué)地覆蓋到真實世界視圖上，同時保持真實世界的直接的最小退化的視圖。OST-HMD呈現(xiàn)了產(chǎn)生移動顯示解決方案的巨大潛力，所述移動顯示解決方案提供比諸如智能電話和PDA(個人數(shù)字助理)之類的其它流行移動平臺更吸引人的圖像質(zhì)量和屏幕尺寸。存在著阻止該技術(shù)被廣泛采用的許多技術(shù)和實際困難。

現(xiàn)代計算和顯示技術(shù)已經(jīng)促進了用于所謂的“虛擬現(xiàn)實”或“增強現(xiàn)實”體驗的系統(tǒng)的開發(fā)，其中數(shù)字地再現(xiàn)的圖像或其部分以它們看起來是真實的或者可被認為是真實的方式呈現(xiàn)給用戶。虛擬現(xiàn)實或“VR”場景通常涉及數(shù)字或虛擬圖像信息的呈現(xiàn)，而對其它實際的真實世界視覺輸入不透明；增強現(xiàn)實或“AR”場景通常涉及將數(shù)字或虛擬圖像信息呈現(xiàn)為對用戶周圍的實際世界的可視化的增強。

當放置數(shù)字內(nèi)容(例如，為增強房間的真實世界視野而呈現(xiàn)的諸如虛擬枝形吊燈對象的3-D內(nèi)容，或者為增強房間的真實世界視野而呈現(xiàn)的諸如平面的/平的虛擬油畫對象的2-D內(nèi)容)時，可做出設(shè)計選擇以控制對象的行為。例如，2-D油畫對象可以是以頭部為中心的，在這種情況下，對象圍繞用戶的頭部移動(例如，如在谷歌眼鏡方法中)；或者，對象是以世界為中心，在這種情況下，它被呈現(xiàn)為仿佛它是真實世界坐標系統(tǒng)的一部分，使得用戶在不移動對象相對于真實世界的位置的情況下，移動他的頭部和眼睛。

結(jié)果，經(jīng)常出現(xiàn)問題或設(shè)計選擇是否應(yīng)該將對象呈現(xiàn)為：以世界為中心(即，虛擬對象保持在真實世界中的位置，以使得用戶可以圍繞它移動他的身體、頭部、眼睛而不改變其相對于圍繞它的真實世界對象的位置，諸如真實世界的墻)；以身體或軀干為中心，在這種情況下，虛擬元件可以相對于用戶的軀干固定，以使得用戶可以移動他的頭部或眼睛而不移動對象，但是這種移動從屬于軀干運動；以頭部為中心，在這種情況下，所顯示的對象(和/或顯示器本身)可以與頭部運動一起移動，如上面參考谷歌眼鏡所描述的；或以眼睛為中心，如在“視網(wǎng)膜凹式顯示(foveated display)”配置中，其中內(nèi)容根據(jù)眼睛位置進行轉(zhuǎn)換。

常規(guī)的立體顯示器提供雙眼視差，其支持在任何點上的會聚，但是僅允許觀察者在顯示表面上調(diào)節(jié)并且因此遭受調(diào)節(jié)-會聚沖突(accommodation–convergence conflict)。這些約定顯示通常將調(diào)節(jié)提示(accommodation cue)與會聚提示(convergence cue)解耦并將調(diào)節(jié)提示與固定距離相聯(lián)系。因此，存在對用于采用具有可尋址聚焦的自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)來顯示用于虛擬和/或增強現(xiàn)實的立體視覺的圖像的方法和系統(tǒng)的需要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

公開了一種用于視覺顯示的方法和系統(tǒng)，其非常適合于虛擬和增強現(xiàn)實應(yīng)用，以及其它應(yīng)用，諸如近眼顯示器、計算和顯示應(yīng)用、或甚至純文本顯示器。一些實施例涉及用于采用具有可尋址聚焦的自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)來顯示用于虛擬和/或增強現(xiàn)實的立體視覺的系統(tǒng)。在一些實施例中，系統(tǒng)可以包括圖像源，其將光線直接地(不用中間元件)或間接地(采用一個或多個中間元件)注入到用于用戶眼睛的一個或多個主自由形態(tài)光學(xué)元件中。在一些實施例中，主自由形態(tài)光學(xué)元件可以包括與折疊鏡和一個或多個中繼透鏡耦合的楔形自由形態(tài)光學(xué)元件。在一些其它實施例中，主自由形態(tài)光學(xué)元件可以包括自由形態(tài)波導(dǎo)。主自由形態(tài)光學(xué)元件包括一個或多個折射表面和一個或多個反射表面，以允許注入的光線在最終退出主自由形態(tài)光學(xué)元件之前在這些表面之間偏轉(zhuǎn)或反射，以形成虛擬顯示內(nèi)容。

這些一個或多個折射表面或一個或多個反射表面可以具有相同或不同的表面性質(zhì)，包括例如折射率、反射率、表面輪廓、表面涂層的材料和/或厚度、透射系數(shù)或彎曲(curve)、一個或多個濾波系數(shù)或其任何組合。該系統(tǒng)可以進一步包括一個或多個次級自由形態(tài)光學(xué)元件，其操作性地耦合到一個或多個主自由形態(tài)光學(xué)元件以形成擴展水平視場(FOV)和/或豎直視場的平鋪(tiled)自由形態(tài)光學(xué)顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)同樣可以包括操作性地耦合到圖像源、一個或多個主自由形態(tài)光學(xué)元件和/或一個或多個次級自由形態(tài)光學(xué)元件的光學(xué)耦合透鏡或光學(xué)耦合透鏡組，以中繼或耦合光線以及校正或改善從圖像源注入的光線以及來自真實世界場景的穿過一個或多個主和/或次級自由形態(tài)光學(xué)元件的光線的某些特性。

在一些實施例中，自由形態(tài)光學(xué)顯示系統(tǒng)可以包括自由形態(tài)光學(xué)元件。自由形態(tài)光學(xué)元件可以包括具有一個或多個折射表面和一個或多個反射表面的波導(dǎo)，以允許注入的光線在最終退出主自由形態(tài)光學(xué)元件之前在這些表面之間偏轉(zhuǎn)或反射，以形成虛擬顯示內(nèi)容。這些一個或多個折射表面或一個或多個反射表面可以具有相同或不同的表面性質(zhì)，包括例如折射率、反射率、表面輪廓、表面涂層的材料和/或厚度、透射率系數(shù)或彎曲、一個或多個濾波系數(shù)或其任何組合。

系統(tǒng)同樣可以包括圖像源，以將光線注入到自由形態(tài)光學(xué)元件中，用于呈現(xiàn)虛擬顯示內(nèi)容。在這些實施例中的一些中，系統(tǒng)可以包括可變聚焦系統(tǒng)，其改變單個焦平面的焦距，虛擬顯示內(nèi)容的至少一部分將聚焦地呈現(xiàn)在該單個焦平面上。在一些其它實施例中，系統(tǒng)可以包括以無閃爍速率在多個焦平面之間切換的可變聚焦系統(tǒng)，以使虛擬顯示內(nèi)容的至少一部分將被聚焦地呈現(xiàn)。系統(tǒng)可以將虛擬顯示內(nèi)容或其相應(yīng)部分并行地呈現(xiàn)在多個焦平面的若干焦平面上。

該系統(tǒng)利用可變聚焦系統(tǒng)來對改變的焦距尋址調(diào)節(jié)提示和會聚提示，而不將調(diào)節(jié)提示或會聚提示與固定的距離值相聯(lián)系，以解決調(diào)節(jié)會聚沖突。在另一些其它實施例中，系統(tǒng)可以包括可變聚焦系統(tǒng)，其改變多個焦平面的相應(yīng)焦距，虛擬顯示內(nèi)容的至少一部分將聚焦地呈現(xiàn)到該多個焦平面上。

在一些實施例中，自由形態(tài)光學(xué)顯示系統(tǒng)包括計算裝置，其確定來自于從對象反射或為對象人工產(chǎn)生的并且被記錄用于采用自由形態(tài)光學(xué)顯示系統(tǒng)來再現(xiàn)對象的虛擬內(nèi)容顯示的光樣本的適當光線。自由形態(tài)光學(xué)顯示系統(tǒng)可以從光線中提取輻射和/或深度信息，并且使用所提取的信息來確定要將光線透射到哪里，哪個或哪些圖像投影儀將被用于投射相應(yīng)的光線，以及圖像投影儀在哪里投射相應(yīng)的光線以呈現(xiàn)光場。然后，自由形態(tài)光學(xué)顯示系統(tǒng)可以采用它們相應(yīng)的圖像投影儀投射各種光線以合成光場。

一些實施例涉及一種用于采用以平鋪布置的自由形態(tài)光學(xué)顯示系統(tǒng)來生成立體圖像的方法。該方法可以識別限定主豎直視場的主顯示裝置，并且可選地增加或最大化主顯示裝置的主豎直視場。主顯示裝置可以包括一個或多個自由形態(tài)光學(xué)元件。另外或可替代地，該方法可以進一步可選地配置或設(shè)計次級顯示裝置以具有增加的或最大化的次級水平視場。

一個或多個次級自由形態(tài)光學(xué)元件可以以平鋪布置被識別并附接到主顯示裝置，以形成在水平觀察方向、豎直觀察方向或在兩個方向中提供擴展的視場的平鋪自由形態(tài)顯示裝置。該方法可以進一步通過在自由形態(tài)光學(xué)顯示系統(tǒng)中使用可變聚焦系統(tǒng)來調(diào)節(jié)一個或多個焦平面的焦距。在一些實施例中，該方法可以調(diào)節(jié)或?qū)ぶ吩谄渖铣尸F(xiàn)虛擬顯示內(nèi)容的單個焦平面的焦距。在一些其它實施例中，該方法可以使用可變聚焦系統(tǒng)在具有相應(yīng)焦距的多個焦平面之間切換，以根據(jù)虛擬顯示內(nèi)容的聚焦要求來尋址或調(diào)節(jié)焦距。在另一些其它實施例中，系統(tǒng)可以包括可變聚焦系統(tǒng)，其改變或?qū)ぶ诽摂M顯示內(nèi)容的至少一部分將聚焦地呈現(xiàn)在其上的多個焦平面的相應(yīng)焦距。

一些實施例涉及一種用于采用可變聚焦自由形態(tài)光學(xué)顯示系統(tǒng)生成立體圖像的方法。該方法可以在光學(xué)系統(tǒng)處從圖像源接收第一光信號，以聚焦地呈現(xiàn)虛擬顯示內(nèi)容的一部分，并且確定用于呈現(xiàn)虛擬顯示內(nèi)容的該部分的第一焦平面的第一焦距。該方法可以進一步通過第一焦距尋址調(diào)節(jié)提示和會聚提示，而不將調(diào)節(jié)提示或會聚提示聯(lián)系到到固定焦距，并且使用至少自由形態(tài)光學(xué)顯示裝置和第一焦距來采用第一光信號呈現(xiàn)虛擬顯示內(nèi)容。

在這些實施例中的一些中，該方法可以進一步通過使用可變聚焦自由形態(tài)光學(xué)顯示系統(tǒng)的可變聚焦系統(tǒng)來尋址第一焦距。尋址第一焦距可包括在一些實施例中改變光學(xué)系統(tǒng)中的可尋址可變聚焦元件的光焦度以改變用于呈現(xiàn)虛擬顯示內(nèi)容的第一焦距的動作，或者在一些其它實施例中至少部分地基于用于采用第一光信號顯示虛擬顯示內(nèi)容的第一焦距而從多個平面識別第一焦平面的動作。

一些實施例涉及一種用于采用自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)生成光場顯示的方法。該方法可以識別要用于呈現(xiàn)虛擬顯示內(nèi)容中的虛擬對象的第一光線，將第一光線從圖像源束發(fā)送到自由形態(tài)光學(xué)顯示裝置。該方法可以進一步合成與虛擬對象對應(yīng)的光場，并通過使用自由形態(tài)光學(xué)顯示裝置呈現(xiàn)用于虛擬對象的虛擬顯示內(nèi)容。在這些實施例中的一些中，該方法同樣可以識別要由第一光線呈現(xiàn)的虛擬對象，并識別或確定用于呈現(xiàn)在虛擬顯示內(nèi)容中的虛擬對象的一個或多個參數(shù)。

在一些實施例中，該方法識別要用于呈現(xiàn)虛擬對象的第一光線是至少部分地基于調(diào)節(jié)范圍來執(zhí)行的。另外或可替代地，該方法可以合成與與虛擬對象對應(yīng)的光場是至少部分地基于用戶的視覺系統(tǒng)的無輔助的(unaided)調(diào)節(jié)范圍來執(zhí)行的。因此，該方法可以尋址與在不同距離處出現(xiàn)的虛擬顯示內(nèi)容相關(guān)聯(lián)的調(diào)節(jié)提示和會聚提示。

一些第一實施例涉及一種平鋪自由形態(tài)光學(xué)顯示系統(tǒng)，其包括將光線注入主自由形態(tài)光學(xué)元件中的圖像源；以第一平鋪布置附接到主自由形態(tài)光學(xué)元件的次級自由形態(tài)光學(xué)元件，以形成用于采用來自圖像源的光線顯示虛擬顯示內(nèi)容的平鋪自由形態(tài)光學(xué)顯示裝置；以及操作性地耦合到圖像源和平鋪自由形態(tài)光學(xué)顯示裝置的可變聚焦元件，以改變虛擬顯示內(nèi)容的至少一部分呈現(xiàn)在其上的焦平面的焦距。

在第一實施例的一些中，平鋪自由形態(tài)光學(xué)顯示系統(tǒng)可以進一步包括附接到主自由形態(tài)光學(xué)元件和/或次級自由形態(tài)光學(xué)元件的至少一部分的補償透鏡，以改善通過主自由形態(tài)光學(xué)元件和/或次級自由形態(tài)光學(xué)元件的至少一部分的從真實世界場景發(fā)射的光線的質(zhì)量。另外或可替代地，主自由形態(tài)光學(xué)元件包括操作性地耦合到一個或多個中繼透鏡的自由形態(tài)楔形物。在緊接前述實施例的一些中，主自由形態(tài)光學(xué)元件進一步耦合到接收來自可變聚焦元件的第一光線的折疊反射器。

可變聚焦元件同樣可以可選地包括形成中間光瞳的液體透鏡。在第一實施例的一些中，可變聚焦元件包括形成中間光瞳的可變形膜鏡。在這些緊接前述實施例中的一些中，可變聚焦元件包括操作性地耦合到可變形膜鏡的兩個或更多個分束器、耦合透鏡組。在第一實施例的一些中，主自由形態(tài)顯示元件和次級自由形態(tài)顯示元件呈現(xiàn)相同的兩個視場。

另外或可替代地，主自由形態(tài)顯示元件限定增加的或最大化的主豎直視場；次級自由形態(tài)顯示元件部分地基于增加的或最大化的主豎直視場來限定次級豎直視場；并且平鋪自由形態(tài)光學(xué)顯示裝置至少部分地基于增加的或最大化的主豎直視場和視場的預(yù)定寬高比來限定視場。在第一實施例的一些中，主自由形態(tài)顯示元件限定增加的或最大化的主豎直視場；次級自由形態(tài)顯示元件限定增加的或最大化的次級水平視場；并且平鋪自由形態(tài)光學(xué)顯示裝置至少部分地基于增加的或最大化的主豎直視場和增加的或最大化的次級水平視場來限定視場。

一些第二實施例涉及一種自由形態(tài)光場顯示系統(tǒng)，其包括計算裝置，以確定來自于從對象反射的并且被記錄用于采用自由形態(tài)光場顯示系統(tǒng)來再現(xiàn)對象的虛擬內(nèi)容顯示的光樣本的光線；包括投影儀束的圖像源，以將光線注入到自由形態(tài)光學(xué)元件中，其中計算裝置進一步從所述光線確定一條或多條光線，以呈現(xiàn)用于顯示用于對象的虛擬內(nèi)容顯示的光場的一部分；以及位于圖像源和自由形態(tài)光學(xué)元件之間并且操作性地耦合到圖像源和自由形態(tài)光學(xué)元件以產(chǎn)生中間光瞳的耦合透鏡組。在第二實施例的一些中，自由形態(tài)光場顯示系統(tǒng)通過使用至少中間光瞳和由自由形態(tài)光學(xué)元件限定的出射光瞳來合成光場。

一些第三實施例涉及一種用于采用以平鋪布置的自由形態(tài)光學(xué)顯示機構(gòu)生成立體圖像的方法。在這些實施例中，可以識別包括主自由形態(tài)光學(xué)元件并且限定主視場的主顯示裝置；同樣可以識別限定次級視場并且包括次級自由形態(tài)光學(xué)元件的次級顯示裝置；以及擴展主顯示裝置的主視場的平鋪顯示裝置可以至少通過將次級顯示裝置集成到主顯示裝置來設(shè)計。

在這些第三實施例的一些中，次級顯示裝置和主顯示裝置集成到第一平鋪布置中，以形成擴展主顯示裝置的太陽穴(temple)水平視場的平鋪顯示裝置。另外或可替代地，可以通過使用自由形態(tài)光學(xué)顯示機構(gòu)中的可變聚焦機構(gòu)來調(diào)節(jié)一個或多個焦平面的焦距。在這些緊接前述實施例中的一些中，可以通過改變自由形態(tài)光學(xué)顯示機構(gòu)的可變聚焦機構(gòu)中的可變形鏡的光焦度來改變一個或多個焦平面的焦距。另外或可替代地，自由形態(tài)光學(xué)顯示機構(gòu)的一個或多個焦平面的一個或多個焦距可以采用可變聚焦機構(gòu)改變。

在第三實施例的一些中，主顯示裝置和/或次級顯示裝置可以至少通過控制用于由自由形態(tài)光學(xué)顯示器機構(gòu)產(chǎn)生的立體圖像的焦平面的焦距而被設(shè)計或配置有可尋址聚焦功能。另外或可替代地，主顯示裝置和/或次級顯示裝置可以至少通過在用于由自由形態(tài)光學(xué)顯示機構(gòu)產(chǎn)生的立體圖像的多個焦平面之間切換而被設(shè)計或配置有可尋址聚焦功能。在這些緊接前述實施例的一些中，可以采用可變聚焦機構(gòu)來尋址多個焦平面的相應(yīng)焦距。

在第三實施例的一些中，至少通過將至少一個補償透鏡與主顯示裝置的至少一部分集成可以改善觀察周圍環(huán)境的質(zhì)量。另外或可替代地，至少一個補償透鏡覆蓋自由形態(tài)光學(xué)顯示機構(gòu)的主顯示裝置的至少一部分。在第三實施例的一些中，次級顯示裝置的次級水平視場可以被增加或最大化。另外或可替代地，用于主顯示裝置和次級顯示裝置的第一布置可以部分地或全部地基于主視場和/或次級視場來確定。

在緊接前述實施例的一些中，可以采用將主顯示裝置和次級顯示裝置彼此相鄰地布置的第一布置來擴展自由形態(tài)光學(xué)顯示機構(gòu)的水平視場或?qū)且晥?。在第三實施例的一些中，用于主顯示裝置和次級顯示裝置的第二布置部分地或全部地基于主視場和/或次級視場。

在這些緊接前述實施例的一些中，可以采用第二布置來擴展自由形態(tài)光學(xué)顯示機構(gòu)的豎直視場或?qū)且晥觯摰诙贾脤⒅黠@示裝置布置在次級顯示裝置頂上或?qū)⒋渭夛@示裝置布置在主顯示裝置頂上。在第三實施例的一些中，用于主顯示裝置和次級顯示裝置的第三布置可以部分地或全部地基于主視場和/或次級視場來確定。在這些緊接前述實施例的一些中，具有第三布置的自由形態(tài)光學(xué)顯示機構(gòu)可以至少通過近似地或精確地將次級顯示裝置的次級視場與主顯示裝置的主視場匹配來設(shè)計。

在第三實施例的一些中，可以通過增加或最大化主顯示裝置的主豎直視場來設(shè)計主顯示裝置；并且次級顯示裝置的次級豎直視場可以與已經(jīng)增加或最大化的主豎直視場精確地或近似地匹配。在第三實施例的一些中，可以通過增加或最大化次級顯示裝置的次級水平視場來設(shè)計次級顯示裝置。另外或可替代地，主顯示裝置經(jīng)由第一光學(xué)耦合機構(gòu)與第一圖像源操作性地耦合，并且第一光學(xué)耦合機構(gòu)包括可變聚焦機構(gòu)。

在第三實施例的一些中，一個或多個其它次級顯示裝置可以與主顯示裝置集成以設(shè)計進一步擴展自由形態(tài)光學(xué)顯示機構(gòu)的視場的平鋪顯示裝置。可選地，可以通過使用補償透鏡的一個或多個自由形態(tài)折射表面特性來減小或最小化由真實世界場景發(fā)射的光線引入到立體圖像的偏移和/或失真。另外或可替代地，至少通過將主顯示裝置和一個或多個圖像源與光耦合光學(xué)機構(gòu)耦合，可以通過自由形態(tài)光學(xué)顯示機構(gòu)來改善所產(chǎn)生的立體圖像的質(zhì)量。

一些第四實施例涉及一種用于采用可變聚焦自由形態(tài)光學(xué)顯示系統(tǒng)來生成用于虛擬或增強現(xiàn)實的立體圖像的方法。在這些實施例中，輸入光束可以在光學(xué)系統(tǒng)處從圖像源接收；用于輸入光束的可變聚焦機構(gòu)的焦距可以部分地或全部地基于用于立體圖像的至少一個焦平面的定位來改變；輸入光束可以通過使用具有改變焦距的可變聚焦機構(gòu)而在可變聚焦自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)的至少一部分內(nèi)傳播到自由形態(tài)光學(xué)機構(gòu)；并且可以采用自由形態(tài)光學(xué)機構(gòu)在用于虛擬或增強現(xiàn)實呈現(xiàn)的至少一個焦平面上生成立體圖像。

在這些第四實施例的一些中，輸入光束可以通過第一光學(xué)器件傳播到一個或多個分束器；并且輸入光束可以通過一個或多個分束器重定向到可變聚焦機構(gòu)。另外或可替代地，部分地或全部地基于用于立體圖像的一個或多個焦平面，通過改變可變聚焦機構(gòu)的光焦度來改變可變聚焦機構(gòu)的焦距?？蛇x地，可以采用具有改變的焦距的可變聚焦機構(gòu)將輸入光束重定向返回到一個或多個分束器；并且輸入光束可以從一個或多個分束器傳播到自由形態(tài)光學(xué)機構(gòu)。

在第四實施例的一些中，可以對由自由形態(tài)光學(xué)顯示機構(gòu)產(chǎn)生的立體圖像識別用于改變焦平面的要求；可以提供一個或多個控制以部分地或全部地基于該要求來改變可變聚焦機構(gòu)的焦距；并且可變聚焦機構(gòu)的焦距可以采用一個或多個控制改變?yōu)楦淖兊慕咕?。在這些緊接前述實施例的一些中，輸入光束可以從具有改變的焦距的可變聚焦機構(gòu)傳播到自由形態(tài)光學(xué)機構(gòu)；并且可以采用自由形態(tài)光學(xué)機構(gòu)在用于虛擬或增強現(xiàn)實呈現(xiàn)的一個或多個焦平面上生成立體圖像。

在第四實施例的一些中，可以確定用于聚焦地呈現(xiàn)立體圖像的至少一部分的第一焦平面的第一焦距；可以采用第一焦距來尋址調(diào)節(jié)提示和會聚提示，而不將調(diào)節(jié)提示或會聚提示聯(lián)系到固定焦距；并且可以使用至少自由形態(tài)光學(xué)機構(gòu)和第一焦距采用輸入光束呈現(xiàn)立體圖像的至少一部分。在這些實施例的一些中，可以通過使用自由形態(tài)光學(xué)顯示機構(gòu)的可變聚焦機構(gòu)來尋址第一焦距。在這些緊接前述實施例的一些中，可變聚焦機構(gòu)中的可尋址可變聚焦元件的光焦度可以改變，以改變用于呈現(xiàn)立體圖像的至少一部分的第一焦距。在第四實施例的一些中，來自多個焦平面的第一焦平面可以部分地或全部地基于用于采用輸入光束顯示立體圖像的至少一部分的第一焦距被識別，以尋址第一焦距。

一些第五實施例涉及一種用于采用自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)生成光場顯示的方法。在這些實施例中，可以從圖像源接收光線束以產(chǎn)生用于在光線束中的虛擬對象的虛擬顯示內(nèi)容；可以從光線束中提取用于虛擬對象的信息；可以部分地或全部地基于從光線束提取的信息生成調(diào)制的光線束；并且用于虛擬對象的虛擬顯示內(nèi)容可以采用調(diào)制的光線束和自由形態(tài)光學(xué)顯示裝置來呈現(xiàn)。

在這些實施例的一些中，可以識別在光線束中要呈現(xiàn)的虛擬對象；并且然后可以識別或確定用于顯示虛擬對象的一個或多個參數(shù)。在這些緊接前述實施例的一些中，用于合成與虛擬對象對應(yīng)的光場的第一光線可以部分地或全部地基于調(diào)節(jié)范圍來識別或確定；并且光線束可以從圖像源傳播到自由形態(tài)光學(xué)顯示裝置。在這些緊接前述實施例的一些中，與虛擬對象對應(yīng)的光場可以部分地或全部地基于無輔助的調(diào)節(jié)范圍來合成，以采用第一焦距來尋址調(diào)節(jié)提示和會聚提示；并且可以采用至少自由形態(tài)光學(xué)顯示裝置來產(chǎn)生虛擬顯示內(nèi)容，其中呈現(xiàn)給人類觀察者的虛擬顯示內(nèi)容的虛擬圖像距離等于第一焦距。

在這些實施例的一些中，至少部分地基于用戶的視覺系統(tǒng)的無輔助的調(diào)節(jié)范圍來執(zhí)行合成光場的動作。另外或可替代地，與虛擬顯示內(nèi)容相關(guān)聯(lián)的調(diào)節(jié)提示和會聚提示可以用可變焦距來尋址，其中可變焦距通過確定單個焦平面的距離值或通過在具有不同焦距值的多個焦平面之間切換來改變。在第五實施例的一些中，可以部分地或全部地基于從光線束提取的信息來將光線束調(diào)制成調(diào)制的光線束。

另外或可替代地，信息包括光線束的一種或多種顏色、光線束的一個或多個輻射、光線束的一項或多項深度信息或其任何組合中的至少一種?？梢赃M行一個或多個確定。這些一個或多個確定包括以下中的至少一個：部分地或全部地基于從光線束提取的信息將調(diào)制的光線束投射到哪里的第一確定；要使用哪個圖像投影儀投射調(diào)制的光線束以呈現(xiàn)虛擬顯示內(nèi)容的第二確定，或第一確定和第二確定的組合。

在一些實施例中，可以識別或確定用于呈現(xiàn)虛擬對象的一個或多個參數(shù)。在這些緊接前述實施例的一些中，一個或多個參數(shù)包括一個或多個折射表面參數(shù)、一個或多個反射表面參數(shù)，或一個或多個折射表面參數(shù)的至少一個折射表面參數(shù)與一個或多個反射表面參數(shù)的至少一個反射表面參數(shù)的組合。另外或可替代地，調(diào)制的光線束可傳播到耦合光學(xué)組件以生成中間光瞳?？蛇x地或另外地，調(diào)制的光束可以從耦合光學(xué)組件中繼到自由形態(tài)光學(xué)顯示裝置；并且調(diào)制的光線束可以部分地或全部地基于一個或多個參數(shù)經(jīng)由在自由形態(tài)光學(xué)顯示裝置中的折射和/或反射來傳播。

一些第六實施例涉及一種用于生成立體圖像的自由形態(tài)光學(xué)顯示機構(gòu)，其包括：主顯示裝置，其包括主自由形態(tài)光學(xué)元件并且限定主視場；次級顯示裝置，其限定次級視場并且包括次級自由形態(tài)光學(xué)元件；以及平鋪顯示裝置，其包括主顯示裝置和擴展主視場的次級顯示裝置。次級顯示裝置和主顯示裝置可以可選地集成到第一平鋪布置中，以形成擴展主顯示裝置的太陽穴水平視場的平鋪顯示裝置。

自由形態(tài)光學(xué)顯示機構(gòu)同樣可以可選地包括與自由形態(tài)光學(xué)顯示機構(gòu)的主顯示裝置光學(xué)耦合的可變聚焦機構(gòu)，以調(diào)節(jié)一個或多個焦平面的焦距。另外或可替代地，自由形態(tài)光學(xué)顯示機構(gòu)可包括與在自由形態(tài)光學(xué)顯示機構(gòu)的可變聚焦機構(gòu)中的可變形鏡操作性地耦合的光焦度控制，以改變一個或多個焦平面的焦距。在這些第六實施例的一些中，可變聚焦機構(gòu)調(diào)節(jié)自由形態(tài)光學(xué)顯示機構(gòu)的一個或多個焦平面的一個或多個焦距。主顯示裝置和/或次級顯示裝置可以可選地包括可尋址聚焦功能，以控制用于由自由形態(tài)光學(xué)顯示機構(gòu)產(chǎn)生的立體圖像的焦平面的焦距。另外或可替代地，主顯示裝置和/或次級顯示裝置包括可尋址聚焦功能，以在用于由自由形態(tài)光學(xué)顯示機構(gòu)產(chǎn)生的立體圖像的多個焦平面之間切換。

在這些第六實施例的一些中，自由形態(tài)光學(xué)顯示機構(gòu)可以包括與主顯示裝置的至少一部分耦合的至少一個補償透鏡，其中至少一個補償透鏡覆蓋自由形態(tài)光學(xué)顯示機構(gòu)的主顯示裝置的至少一部分。主顯示裝置和次級顯示裝置可以以包括第一布置、第二布置、第三布置或其任何組合的一個或多個布置來布置。第一布置將主顯示裝置和次級顯示裝置彼此相鄰地布置，以擴展自由形態(tài)光學(xué)顯示機構(gòu)的水平視場或?qū)且晥觥?/p>

第二布置將主顯示裝置布置在次級顯示裝置頂上或?qū)⒋渭夛@示裝置布置在主顯示裝置頂上，以擴展自由形態(tài)光學(xué)顯示機構(gòu)的豎直視場或?qū)且晥?。第三布置使次級顯示裝置的次級視場與主顯示裝置的主視場近似或精確匹配，擴展了自由形態(tài)光學(xué)顯示機構(gòu)的豎直視場或?qū)且晥?。在第六實施例的一些中，自由形態(tài)光學(xué)顯示機構(gòu)同樣可以包括與主顯示裝置操作性地耦合的一個或多個其它次顯示裝置，以進一步擴展自由形態(tài)光學(xué)顯示機構(gòu)的視場。另外或可替代地，自由形態(tài)光學(xué)顯示機構(gòu)可包括與主顯示裝置和一個或多個圖像源操作性地耦合的光耦合光學(xué)機構(gòu)，以改善由自由形態(tài)光學(xué)顯示機構(gòu)產(chǎn)生的立體圖像的質(zhì)量。

一些第七實施例涉及一種用于生成用于虛擬或增強現(xiàn)實的立體圖像的可變聚焦自由形態(tài)光學(xué)顯示系統(tǒng)，包括：圖像源，其將輸入光束發(fā)射到光學(xué)系統(tǒng)中；可變聚焦機構(gòu)，其具有如下焦距，該焦距部分地或全部地基于用于立體圖像的至少一個焦平面的定位被改變?yōu)楦淖兊慕咕?；以及自由形態(tài)光學(xué)機構(gòu)，用于接收由具有改變的焦距的可變聚焦機構(gòu)引導(dǎo)的輸入光束，以采用自由形態(tài)光學(xué)機構(gòu)在用于虛擬或增強現(xiàn)實呈現(xiàn)的至少一個焦平面上生成立體圖像。

在這些實施例的一些中，可變聚焦自由形態(tài)光學(xué)顯示系統(tǒng)同樣可包括一個或多個分束器，以接收通過第一光學(xué)器件從圖像源傳播的輸入光束，以將輸入光束重定向到可變聚焦機構(gòu)。另外或可替代地，可變聚焦自由形態(tài)光學(xué)顯示系統(tǒng)可包括光焦度控制機構(gòu)，以部分地或全部地基于用于立體圖像的一個或多個焦平面的定位來改變可變聚焦機構(gòu)的光焦度。

在一些實施例中，一個或多個分束器將輸入光束重定向回到具有改變的焦距的可變聚焦機構(gòu)，并且輸入光束將從一個或多個分束器傳播到自由形態(tài)光學(xué)機構(gòu)。可選地，可變聚焦自由形態(tài)光學(xué)顯示系統(tǒng)可以包括控制機構(gòu)，以提供一個或多個控制來部分地或全部地基于用于改變用于由自由形態(tài)顯示機構(gòu)產(chǎn)生的立體圖像的焦平面的要求來改變可變聚焦機構(gòu)的焦距。

在這些緊接前述實施例的一些中，可變聚焦機構(gòu)與自由形態(tài)光學(xué)機構(gòu)操作性地耦合，以將具有改變的焦距的可變聚焦機構(gòu)的輸入光束傳播到自由形態(tài)光學(xué)機構(gòu)，并且自由形態(tài)光學(xué)機構(gòu)在一個或多個焦平面上生成立體圖像，用于虛擬或增強現(xiàn)實呈現(xiàn)。在這些第七實施例的一些實施例中，可變聚焦自由形態(tài)光學(xué)顯示系統(tǒng)可以包括確定機構(gòu)，以確定用于聚焦地呈現(xiàn)立體圖像的至少一部分的第一焦平面的第一焦距；以及可變聚焦機構(gòu)，用于采用第一焦距來尋址調(diào)節(jié)提示和會聚提示，而不將調(diào)節(jié)提示或會聚提示聯(lián)系到固定焦距，其中使用自由形態(tài)光學(xué)機構(gòu)采用輸入光束和第一焦距來呈現(xiàn)立體圖像的至少一部分。

一些第八實施例涉及一種用于生成光場顯示的自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)，包括：圖像源，其發(fā)射光線束以產(chǎn)生用于光線束中的虛擬對象的虛擬顯示內(nèi)容；提取機構(gòu)，其從所述光線束提取用于虛擬對象的信息；調(diào)制機構(gòu)，其部分地或全部地基于從光線束提取的信息來生成調(diào)制的光線束；以及自由形態(tài)光學(xué)顯示裝置，其采用調(diào)制的光線束呈現(xiàn)用于虛擬對象的虛擬顯示內(nèi)容。

在一些實施例中，自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)可以進一步包括計算系統(tǒng)，以識別在光線束中的要呈現(xiàn)的虛擬對象，以及識別或確定用于顯示虛擬對象的一個或多個參數(shù)。在這些實施例的一些中，一個或多個參數(shù)被識別或確定用于呈現(xiàn)虛擬對象，并且一個或多個參數(shù)包括一個或多個折射表面參數(shù)、一個或多個反射表面參數(shù)、或一個或多個折射表面參數(shù)的至少一個折射表面參數(shù)和一個或多個反射表面參數(shù)的至少一個反射表面參數(shù)的組合。

在這些實施例的一些中，計算系統(tǒng)進一步部分地或全部地基于調(diào)節(jié)范圍來識別或確定用于合成與虛擬對象對應(yīng)的光場的第一光線。另外或可替代地，計算系統(tǒng)進一步部分地或全部地基于無輔助的調(diào)節(jié)范圍來合成與虛擬對象對應(yīng)的光場，以采用用于自由形態(tài)光學(xué)顯示裝置的第一焦距來尋址調(diào)節(jié)提示和會聚提示，以采用至少自由形態(tài)光學(xué)顯示裝置來產(chǎn)生虛擬顯示內(nèi)容，并且呈獻給人類觀察者的虛擬顯示內(nèi)容的虛擬圖像距離等于第一焦距。

可選地，至少部分地基于用戶的視覺系統(tǒng)的無輔助的調(diào)節(jié)范圍來合成光場。在這些第八實施例的一些中，自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)可以包括尋址機構(gòu)，以采用可變焦距來尋址與虛擬顯示內(nèi)容相關(guān)聯(lián)的調(diào)節(jié)提示和會聚提示，其中通過確定單個焦平面的距離值或通過在具有不同焦距值的多個焦平面之間切換來改變可變焦距?？蛇x地，調(diào)制機構(gòu)部分地或全部地基于從光線束提取的信息將光線束調(diào)制成調(diào)制的光線束。

另外或可替代地，信息包括光線束的一種或多種顏色、光線束的一個或多個輻射、光線束的一項或多項深度信息或其任何組合中的至少一種。在這些第八實施例的一些中，自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)同樣可以包括確定機構(gòu)，以確定部分地或全部地基于從光線束提取的信息將調(diào)制的光線束投射到哪里。另外地或可替代地，自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)可以包括確定機構(gòu)，以確定哪個圖像投影儀將用于投射調(diào)制的光線束以呈現(xiàn)虛擬顯示內(nèi)容。自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)同樣可以可選地包括接收調(diào)制的光束的耦合光學(xué)組件，以經(jīng)由折射和/或反射將調(diào)制的光線束傳播到自由形態(tài)光學(xué)顯示裝置，以生成中間光瞳。

用于采用具有可尋址聚焦的自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)來顯示用于虛擬和/或增強現(xiàn)實的立體視覺的方法和系統(tǒng)的附加細節(jié)在下面的具體實施方式部分中參考圖1-14D進行描述。

附圖說明

附圖示出了本發(fā)明的各種實施例的設(shè)計和實用性。應(yīng)當注意，附圖不是按比例繪制的，并且在所有附圖中，類似的結(jié)構(gòu)或功能的元件由相同的參考標記表示。為了更好地理解如何獲得本發(fā)明的各種實施例的上述和其它優(yōu)點和目的，將通過參考在附圖中示出的其特定實施例來呈現(xiàn)上面簡要描述的本發(fā)明的更詳細的描述。應(yīng)當理解，這些附圖僅描繪了本發(fā)明的典型實施例，因此不應(yīng)被認為是對其范圍的限制，將通過使用附圖以額外的特征和細節(jié)來描述和解釋本發(fā)明，在附圖中：

圖1示出在一些實施例中用于采用具有可尋址聚焦的自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)來顯示用于虛擬和/或增強現(xiàn)實的立體視覺的環(huán)繞系統(tǒng)的示意圖。

圖2示出在一些實施例中用于采用具有可尋址聚焦的自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)來顯示用于虛擬和/或增強現(xiàn)實的立體視覺的水平安裝系統(tǒng)的局部示意圖。

圖3示出在一些實施例中用于采用具有可尋址聚焦的自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)來顯示用于虛擬和/或增強現(xiàn)實的立體視覺的豎直安裝系統(tǒng)的局部示意圖。

圖4A-B示出在一些實施例中用于采用補償透鏡元件來顯示用于虛擬和/或增強現(xiàn)實的立體視覺的系統(tǒng)的自由形態(tài)光學(xué)元件的局部示意圖。

圖5示出在一些實施例中以平鋪布置的一些自由形態(tài)光學(xué)元件的水平視場(FOV)的示意性表示。

圖6示出在一些實施例中以水平平鋪布置的兩個自由形態(tài)光學(xué)元件的豎直和水平視場(FOV)的示意性表示。

圖7示出在一些實施例中以水平平鋪布置的兩個自由形態(tài)光學(xué)元件的豎直和水平視場(FOV)的另一示意性表示。

圖8示出在一些實施例中以水平平鋪布置的兩個自由形態(tài)光學(xué)元件的豎直和水平視場(FOV)的另一示意性表示。

圖9A示出在一些實施例中在自由形態(tài)光學(xué)元件的平鋪布置中的主顯示裝置的簡化示意性表示。

圖9B示出在一些實施例中在自由形態(tài)光學(xué)元件的平鋪布置中的主顯示裝置的另一簡化示意性表示。

圖9C示出在一些實施例中在自由形態(tài)光學(xué)元件的平鋪布置中的主顯示裝置的另一簡化示意性表示。

圖10A示出在一些實施例中具有自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)的可變聚焦顯示系統(tǒng)的簡化示意性表示。

圖10B示出在一些實施例中具有自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)的另一可變聚焦顯示系統(tǒng)的另一簡化示意性表示。

圖11A示出在一些實施例中與傳統(tǒng)二維顯示對比的光場顯示的簡化表示。

圖11B示出在一些實施例中采用自由形態(tài)光學(xué)器件的光場顯示的簡化示意性表示，該光場顯示提供對聚集的光線束的控制并且調(diào)制作為光線方向的函數(shù)的光線的輻射和顏色。

圖11C示出在一些實施例中用于圖11B中的光場顯示的顯示源的簡化示意性表示。

圖11D示出在一些實施例中采用自由形態(tài)光學(xué)器件的光場顯示的另一簡化示意性表示，該光場顯示提供對聚集的光線束的控制并且調(diào)制作為光線方向的函數(shù)的光線的輻射和顏色。

圖12A示出在一些實施例中用于采用以平鋪布置的自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)生成立體圖像的方法的高級流程圖。

圖12B-E共同示出在一些實施例中用于采用以平鋪布置的自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)生成立體圖像的方法的更詳細的流程圖。

圖13A示出在一些實施例中用于采用以平鋪布置的可變聚焦自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)生成立體圖像的方法的高級流程圖。

圖13B示出在一些實施例中用于采用以平鋪布置的可變聚焦自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)生成立體圖像的方法的更詳細的流程圖。

圖13C-D共同示出在一些實施例中用于采用以平鋪布置的可變聚焦自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)生成立體圖像的過程的流程圖。

圖14A示出在一些實施例中用于采用自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)生成光場顯示的方法的高級流程圖。

圖14B示出在一些實施例中用于采用自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)生成光場顯示的方法的更詳細的流程圖。

圖14C-D共同示出在一些實施例中用于采用自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)生成光場顯示的方法的另一更詳細的流程圖。

具體實施方式

本發(fā)明的各種實施例涉及用于在單個實施例或一些實施例中采用具有可尋址聚焦的自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)顯示用于虛擬和/或增強現(xiàn)實的立體視覺的方法、系統(tǒng)和制品。在詳細描述、附圖和權(quán)利要求中描述了本發(fā)明的其它目的、特征和優(yōu)點。

公開了一種用于視覺顯示的方法和系統(tǒng)，其非常適合于虛擬和增強現(xiàn)實應(yīng)用，以及其它應(yīng)用，諸如近眼顯示、計算和顯示應(yīng)用、或甚至純文本顯示。一些實施例涉及用于采用具有可尋址聚焦的自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)來顯示用于虛擬和/或增強現(xiàn)實的立體視覺的系統(tǒng)。在一些實施例中，系統(tǒng)可以包括圖像源，其將光線直接地(沒有中間元件)或間接地(采用一個或多個中間元件)注入到用于用戶眼睛的一個或多個主自由形態(tài)光學(xué)元件中。在一些實施例中，主自由形態(tài)光學(xué)元件可以包括與折疊鏡和一個或多個中繼透鏡耦合的楔形自由形態(tài)光學(xué)元件。在一些其它實施例中，主自由形態(tài)光學(xué)元件可以包括自由形態(tài)波導(dǎo)。主自由形態(tài)光學(xué)元件包括一個或多個折射表面和一個或多個反射表面，以允許注入的光線在最終退出主自由形態(tài)光學(xué)元件之前在這些表面之間偏轉(zhuǎn)或反射，以形成虛擬顯示內(nèi)容。

這些一個或多個折射表面或一個或多個反射表面可以具有相同或不同的表面性質(zhì)，包括例如折射率、反射率、表面輪廓、表面涂層的材料和/或厚度、透射系數(shù)或彎曲、一個或多個濾波系數(shù)或其任何組合。該系統(tǒng)可以進一步包括一個或多個次級自由形態(tài)光學(xué)元件，其操作性地耦合到一個或多個主自由形態(tài)光學(xué)元件以形成擴展水平視場(FOV)和/或豎直視場的平鋪自由形態(tài)光學(xué)顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)同樣可以包括操作性地耦合到圖像源、一個或多個主自由形態(tài)光學(xué)元件和/或一個或多個次級自由形態(tài)光學(xué)元件的光學(xué)耦合透鏡或光學(xué)耦合透鏡組，以中繼或耦合光線以及校正或改善從圖像源注入的光線以及來自真實世界場景的穿過一個或多個主和/或次級自由形態(tài)光學(xué)元件的光線的某些特性。

在一些實施例中，自由形態(tài)光學(xué)顯示系統(tǒng)可以包括自由形態(tài)光學(xué)元件。自由形態(tài)光學(xué)元件可以包括具有一個或多個折射表面和一個或多個反射表面的波導(dǎo)，以允許注入的光線在最終退出主自由形態(tài)光學(xué)元件之前在這些表面之間偏轉(zhuǎn)或反射，以形成虛擬顯示內(nèi)容。這些一個或多個折射表面或一個或多個反射表面可以具有相同或不同的表面性質(zhì)，包括例如折射率、反射率、表面輪廓、表面涂層的材料和/或厚度、透射率系數(shù)或彎曲、一個或多個濾波系數(shù)或其任何組合。

系統(tǒng)同樣可以包括圖像源，以將光線注入到自由形態(tài)光學(xué)元件中，用于呈現(xiàn)虛擬顯示內(nèi)容。在這些實施例的一些中，系統(tǒng)可以包括可變聚焦系統(tǒng)，其改變單個焦平面的焦距，虛擬顯示內(nèi)容的至少一部分將聚焦地呈現(xiàn)到該單個焦平面上。在一些其它實施例中，系統(tǒng)可以包括以無閃爍速率在多個焦平面之間切換的可變聚焦系統(tǒng)，以呈現(xiàn)將被聚焦地呈現(xiàn)的虛擬顯示內(nèi)容的至少一部分。系統(tǒng)可以將虛擬顯示內(nèi)容或其相應(yīng)部分并行地呈現(xiàn)在多個焦平面的若干焦平面上。

該系統(tǒng)采用可變聚焦系統(tǒng)來對改變的焦距尋址調(diào)節(jié)提示和會聚提示，而不將調(diào)節(jié)提示或會聚提示聯(lián)系到固定的距離值，以解決調(diào)節(jié)-會聚沖突。在另一些其它實施例中，系統(tǒng)可以包括可變聚焦系統(tǒng)，其改變多個焦平面的相應(yīng)焦距，虛擬顯示內(nèi)容的至少一部分將聚焦地呈現(xiàn)到該多個焦平面上。

在一些實施例中，自由形態(tài)光學(xué)顯示系統(tǒng)包括計算裝置，其確定來自于從對象反射或為對象人工產(chǎn)生的并且被記錄用于采用自由形態(tài)光學(xué)顯示系統(tǒng)來再現(xiàn)對象的虛擬內(nèi)容顯示的光樣本的適當光線。自由形態(tài)光學(xué)顯示系統(tǒng)可以從光線中提取輻射和/或深度信息，并且使用提取的信息來確定要將光線投射到哪里，哪個或哪些圖像投影儀將用于投射相應(yīng)的光線，以及圖像投影儀在哪里投射相應(yīng)的光線以呈現(xiàn)光場。然后，自由形態(tài)光學(xué)顯示系統(tǒng)可以采用其相應(yīng)的圖像投影儀來投射各種光線以合成光場。

自由形態(tài)顯示系統(tǒng)可以包括主自由形態(tài)光學(xué)元件和一個或多個次級自由形態(tài)光學(xué)元件，以擴展自由形態(tài)顯示系統(tǒng)的水平視場(FOV)或豎直視場，用于顯示用于虛擬或增強現(xiàn)實的虛擬內(nèi)容。主自由形態(tài)和一個或多個次級自由形態(tài)光學(xué)元件可以以平鋪布置來布置。自由形態(tài)顯示系統(tǒng)可以進一步包括產(chǎn)生中間光瞳的可變聚焦系統(tǒng)。在一些實施例中，可變聚焦系統(tǒng)可以改變單個焦平面的焦距，或者在一些其它實施例中，可以在用于聚焦地呈現(xiàn)對象的多個焦平面之間切換，同時解決調(diào)節(jié)-會聚沖突。在一些實施例中，自由形態(tài)顯示系統(tǒng)可以將光樣本映射到物理空間中的適當光線，并且使用投影儀群投射映射的光線以產(chǎn)生虛擬顯示內(nèi)容的光場。同樣公開了用于制作或使用自由形態(tài)光學(xué)顯示系統(tǒng)的方法以及用于采用可變聚焦自由形態(tài)光學(xué)器件產(chǎn)生虛擬內(nèi)容并呈現(xiàn)光場的方法。

自由形態(tài)顯示系統(tǒng)可以包括主自由形態(tài)光學(xué)元件和一個或多個次級自由形態(tài)光學(xué)元件，以擴展自由形態(tài)顯示系統(tǒng)的水平視場(FOV)或豎直視場，用于顯示用于虛擬或增強現(xiàn)實的虛擬內(nèi)容。主自由形態(tài)和一個或多個次級自由形態(tài)光學(xué)元件可以以平鋪布置來布置。自由形態(tài)顯示系統(tǒng)可以進一步包括產(chǎn)生中間光瞳的可變聚焦系統(tǒng)。在一些實施例中，可變聚焦系統(tǒng)可以改變單個焦平面的焦距，或者在一些其它實施例中，可以在用于聚焦地呈現(xiàn)對象的多個焦平面之間切換，同時解決調(diào)節(jié)-會聚沖突。在一些實施例中，自由形態(tài)顯示系統(tǒng)可以將光樣本映射到物理空間中的適當光線，并且使用投影儀群投射映射的光線以產(chǎn)生虛擬顯示內(nèi)容的光場。同樣公開了用于制作或使用自由形態(tài)光學(xué)顯示系統(tǒng)的方法以及用于采用可變聚焦自由形態(tài)光學(xué)器件產(chǎn)生虛擬內(nèi)容并呈現(xiàn)光場的方法。

現(xiàn)在將參考附圖詳細描述各種實施例，其被提供作為本發(fā)明的說明性示例，以便使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠?qū)嵤┍景l(fā)明。值得注意的是，下面的附圖和示例并不意味著限制本發(fā)明的范圍。在本發(fā)明的某些元件可以使用已知組件(或方法或過程)而部分或完全實施的情況下，將僅描述這些已知組件(或方法或過程)的對于理解本發(fā)明所必需的那些部分，并且將省略這些已知組件(或方法或過程)的其它部分的詳細描述，以免模糊本發(fā)明。此外，各種實施例涵蓋在此通過說明而指代的組件的當前和將來已知的等效物。

公開了用于采用具有可尋址聚焦的自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)來顯示用于虛擬和/或增強現(xiàn)實的立體視覺的方法和系統(tǒng)。圖1示出在一些實施例中用于采用具有可尋址聚焦的自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)來顯示用于虛擬和/或增強現(xiàn)實的立體視覺的環(huán)繞顯示系統(tǒng)的示意圖。在圖1所示的這些實施例中，環(huán)繞顯示系統(tǒng)可以包括安裝在頭部或面部輪廓102周圍的單眼或雙眼人類可佩戴顯示眼鏡、頭戴式顯示器或近眼顯示器。如在圖1中所示的顯示系統(tǒng)的雙眼版本可以包括一對光引導(dǎo)裝置104(以下稱為自由形態(tài)波導(dǎo)棱鏡或自由形態(tài)光學(xué)元件)，每一個光引導(dǎo)裝置包括一個或多個自由形態(tài)折射表面和一個或多個反射表面。

自由形態(tài)光學(xué)元件104的靠近用戶眼睛的內(nèi)部物理表面和遠離用戶眼睛的外部物理表面包括兩個連續(xù)的光滑表面，該兩個連續(xù)的光滑表面在任一表面上沒有不連續(xù)性。這兩個物理表面中的每一個由一組自由形態(tài)表面參數(shù)描述。自由形態(tài)光學(xué)元件104可以包括一個或多個折射表面，其不是內(nèi)表面的一部分的并且可以由一個或多個不同組的表面參數(shù)來描述。自由形態(tài)光學(xué)元件104可進一步包括一個或多個反射表面，其可以是或可以不是內(nèi)表面或外表面的一部分并且可以由相同的或一個或多個不同組的表面參數(shù)來描述。在一些實施例中，顯示系統(tǒng)可以包括以平鋪布置來布置的多個自由形態(tài)光學(xué)元件，以擴展水平視場、豎直視場或二者。

多個自由形態(tài)光學(xué)元件可以布置在具有自由形態(tài)光學(xué)元件的一個或多個水平行的陣列中，每一個水平行具有以水平布置的一個或多個自由形態(tài)光學(xué)元件，并且彼此結(jié)合地工作以擴展水平視場(以及因此擴展對角視場)。在陣列包括以豎直布置來布置的多個行的一些實施例中，以豎直布置的自由形態(tài)光學(xué)元件同樣彼此結(jié)合地起作用以擴展豎直視場(以及因此擴展對角視場)。在一些實施例中，這些多個自由形態(tài)光學(xué)元件可以包括一個或多個主自由形態(tài)光學(xué)元件和一個或多個次級自由形態(tài)光學(xué)元件。在一些實施例中，主自由形態(tài)光學(xué)元件可以包括以豎直布置(例如，圖3中所示的豎直布置)或以水平布置(例如，圖2中所示的布置)的自由形態(tài)波導(dǎo)。在一些其它實施例中，主自由形態(tài)光學(xué)元件可包括以折疊布置的自由形態(tài)楔形物和一個或多個中繼透鏡(例如，圖9A-B中所示的自由形態(tài)楔形物和中繼透鏡)。在一些實施例中，多個自由形態(tài)光學(xué)元件同樣可以包括一個或多個次級自由形態(tài)光學(xué)元件，其可以包括自由形態(tài)波導(dǎo)或自由形態(tài)楔形物。

顯示系統(tǒng)同樣可以包括適當?shù)貙碜詧D像源110(例如，投影儀束)的光注入到波導(dǎo)棱鏡104中的一個或多個附加的耦合光學(xué)元件(例如，耦合透鏡108、聚焦元件106和/或一個或多個中繼透鏡等)。自由形態(tài)波導(dǎo)棱鏡和耦合光學(xué)器件的表面的位置和幾何輪廓可以被設(shè)計為使得觀察者能夠看到清晰放大的來自圖像源110的顯示內(nèi)容。圖像源110可以包括微顯示面板和用于實現(xiàn)微顯示器表面處的光的遠心(tele-centricity)的場透鏡。

微顯示面板可以是反射型微顯示器(例如：LCoS或硅上液晶、FLCoS或硅上鐵電液晶，或DMD或數(shù)字微鏡器件面板)或透射型微顯示器(例如：LCD或液晶顯示面板)或自發(fā)射型微顯示器(例如：OLED或有機發(fā)光二極管面板)。在使用反射型微顯示面板的一些實施例中，可以在場透鏡之后使用一個或多個分束器(未示出)以引入照明路徑(未示出)。在圖像源110和自由形態(tài)光學(xué)元件104之間，顯示系統(tǒng)可以進一步包括耦合透鏡108，以校正光學(xué)像差并改善圖像質(zhì)量。在一些實施例中，聚焦元件106可以是包括液體透鏡的多焦點元件。

聚焦元件106(例如，液體透鏡)同樣可以集成到可包括一個或多個耦合透鏡的耦合透鏡組108。在一些其它實施例中，聚焦元件106可以包括可變形膜鏡(DMM)和耦合到耦合透鏡組(例如，耦合透鏡組108)的分束裝置，以從圖像源110接收顯示內(nèi)容并將顯示內(nèi)容傳遞給自由形態(tài)元件。關(guān)于聚焦元件的更多細節(jié)將在隨后的段落中參考圖10A-10B進行描述。

在一些實施例中，次級顯示器可以具有或不具有可尋址聚焦功能。在可能不需要或不期望可尋址聚焦功能的這些實施例的一些中，可以有利于更大的整體視場(FOV)、更輕的重量和/或更緊湊的尺寸來實施次級顯示器。

在圖1中所示的這些實施例中，源自圖像源110的光線通過折射表面112進入自由形態(tài)光學(xué)元件104、由自由形態(tài)光學(xué)元件104的內(nèi)表面和外表面反射三次、然后透射通過折射表面120、并到達出射光瞳122。在這些實施例中，在三次反射中，來自表面114和116的反射可以滿足TIR條件，并且來自外表面上的表面118的反射可不滿足TIR條件。為了增加來自表面118的反射的反射效率，可能需要或期望將半透明涂層施加到外表面118。為了保持來自表面114的反射的TIR條件，在一些實施例中，可以將介電涂層施加到表面114。為了確保眼鏡形狀因子，在一些實施例中，自由形態(tài)光學(xué)元件的內(nèi)表面可以被約束為接近預(yù)定曲線。

在自由形態(tài)光學(xué)元件包括透視光學(xué)元件的一些實施例中，頭戴式顯示裝置的透視路徑包括自由形態(tài)光學(xué)元件104和可以分離地或不可分離地附接到自由形態(tài)光學(xué)元件104的外表面的透視補償透鏡(例如，圖4的參考標記408)。包括一個或多個自由形態(tài)的折射表面的透視補償透鏡可以提供橫跨非常寬的透視視場的周圍環(huán)境的適當觀察。自由形態(tài)光學(xué)元件104和透視補償透鏡同樣可以適當?shù)卦O(shè)計成在人體工程學(xué)上與人頭部的人體工程學(xué)因素(例如，頭部或面部輪廓102)匹配，使得能夠?qū)崿F(xiàn)輕重量、低輪廓、緊湊和透視的顯示系統(tǒng)的環(huán)繞設(shè)計，其可以具有眼鏡形式或頭盔形式的外觀、寬的透視視場和優(yōu)異的光學(xué)性能。

包括一個或多個自由形態(tài)折射表面的補償透鏡提供橫跨非常寬的視場的周圍環(huán)境的適當觀察。補償透鏡的表面可以被增強或優(yōu)化以在補償透鏡與自由形態(tài)光學(xué)元件(例如，圖1的104)組合時最小化或減小引入到來自真實世界場景的光線的偏移和失真。在自由形態(tài)光學(xué)元件104的附接表面上的反射沿著自由形態(tài)光學(xué)元件104內(nèi)的虛擬圖像顯示路徑滿足TIR(全內(nèi)反射)條件的一些實施例中，可能需要或期望在自由形態(tài)光學(xué)元件104和補償透鏡之間保持小的氣隙。

一些實施例在顯示系統(tǒng)中提供透視能力，并且允許用戶通過觀察光學(xué)器件(例如，自由形態(tài)光學(xué)元件104和自由形態(tài)透視補償透鏡)以及在顯示裝置上顯示的內(nèi)容來觀察他們的周圍環(huán)境。在這些實施例的一些中，顯示系統(tǒng)提供可以基本上大于虛擬視圖的FOV的透視視場(FOV)(例如，在水平、豎直或?qū)荈OV中大于15度)。該基本上較大的FOV可以由若干機構(gòu)提供，包括例如將圖像源110移動更接近頭部的側(cè)面以擴展自由形態(tài)光學(xué)元件104的清晰光學(xué)孔徑；控制自由形態(tài)光學(xué)元件104以及補償透鏡上的表面，以校正光線偏移和失真；和/或確保在大的FOV上的高透視性能。

在這些實施例的一些中，透視FOV可以在水平方向上擴展大至120度，并在豎直方向上擴展大至80度。在一些實施例中，顯示裝置的透視FOV可以被擴展以匹配人眼的視場。在一些實施例中，來自圖像源上的相同點的光線可以在自由形態(tài)光學(xué)元件104內(nèi)至少一次交叉。雖然在自由形態(tài)光學(xué)元件104內(nèi)，交叉光線形成虛擬顯示的中間圖像或中間光瞳，但是由于自由形態(tài)光學(xué)元件104內(nèi)的光路的復(fù)雜性，光線交叉點可能不能很好地形成。

在一些實施例中，顯示裝置的虛擬圖像路徑可以包括用于提供顯示內(nèi)容的圖像源110(例如，投影儀束、微陣列顯示器、LCoS或硅上液晶或DLP或數(shù)字光處理等)和人體工程學(xué)成形的顯示觀察光學(xué)器件，用戶通過該顯示觀察光學(xué)器件觀察顯示內(nèi)容的放大圖像。顯示觀察光學(xué)器件可以包括一個或多個自由形態(tài)光學(xué)元件，其包括一個或多個自由形態(tài)的折射表面和一個或多個反射表面；并且顯示觀察光學(xué)器件同樣可以包括附加的耦合光學(xué)器件。波導(dǎo)棱鏡可以用作放大圖像以供用戶感知的近眼觀察光學(xué)器件。

從圖像源110發(fā)射的光線經(jīng)由自由形態(tài)光學(xué)元件104的第一折射表面注入到自由形態(tài)光學(xué)元件104中。光線可以直接從圖像源110或通過一組耦合透鏡(例如，耦合透鏡108、聚焦元件106和/或一個或多個中繼透鏡等)注入到棱鏡。注入的光線經(jīng)由反射(通常為三次或更多次反射)傳播通過自由形態(tài)光學(xué)元件104，并且然后經(jīng)由自由形態(tài)光學(xué)元件104的第二折射表面耦合出自由形態(tài)光學(xué)元件104。出射光線繼續(xù)傳播并到達系統(tǒng)的出射光瞳，在該出射光瞳處，用戶將她/他的眼睛放置以觀察虛擬顯示內(nèi)容。

當光傳播通過自由形態(tài)光學(xué)元件104時，如果滿足在反射表面上的全內(nèi)反射(TIR)條件，則可以減少或最小化通過反射的光損失。因此，期望(但不是嚴格要求)在這些所示實施例的一些中所有或大多數(shù)反射滿足TIR條件。盡管如此，在一些實施例中，同樣可期望通過折衷一些反射表面上的TIR條件來實現(xiàn)波導(dǎo)棱鏡的薄設(shè)計。對于不滿足TIR條件的位于裝置的指定透視FOV內(nèi)部的反射表面，可以將半透明涂層施加到這些表面，以便確保來自圖像源110單元的足夠的光到達出射光瞳并產(chǎn)生足夠亮的圖像，同時促進光學(xué)透視能力。

對于在顯示裝置的透視FOV之外的反射表面，如果不滿足TIR條件，則可以將高反射涂層施加到自由形態(tài)光學(xué)元件104的外表面的至少一些，以減少或最小化光損失。在一些實施例中，圖像源110可以包括可以用作圖像源的任何類型的自發(fā)射或照明像素陣列，包括但不限于硅上液晶(LCoS)顯示裝置、液晶顯示器(LCD)面板、有機發(fā)光顯示器(OLED)、硅上鐵電液晶(FLCoS)裝置、數(shù)字鏡裝置(DMD)、基于前述這些的微投影儀或微型投影儀、諸如激光投影儀或光纖掃描器束的投影儀束，或任何其它合適類型的微顯示裝置。

在一些實施例中，自由形態(tài)光學(xué)元件104可以包括自由形態(tài)光學(xué)元件104內(nèi)的長光路，其允許將圖像源110偏移遠離顯示FOV。圖像源110遠離顯示FOV的這種偏移可以將圖像源放置在用戶的前額上或在用戶頭部的側(cè)面處，這可以通過例如減小HMD系統(tǒng)的前部重量來實現(xiàn)更好的重量平衡并且因此改善系統(tǒng)的人體工程學(xué)配合。圖像源110遠離顯示FOV的這種偏移可以通過將耦合透鏡和顯示器移動遠離人的天然視場來增加系統(tǒng)總體可實現(xiàn)的透視FOV。

另外或可替代地，自由形態(tài)光學(xué)元件104的形狀可設(shè)計成接近人頭部的天然曲線或輪廓(例如，頭部或面部曲線或輪廓102)，以獲得更好的最優(yōu)人體工程學(xué)配合。例如，在一些實施例中，自由形態(tài)光學(xué)元件104的形狀可以彎曲以接近一對8基曲線眼鏡的曲率；并且在一些其它實施例中，自由形態(tài)光學(xué)元件104的形狀可以大致遵循一對4基曲線眼鏡的形狀因子。此外，可以控制自由形態(tài)光學(xué)元件104在觀察方向上的總厚度和補償透鏡的總厚度，以實現(xiàn)更薄的光學(xué)輪廓(例如，小于30mm)，以實現(xiàn)光學(xué)透視顯示系統(tǒng)的環(huán)繞設(shè)計，其提供更好的人體工程學(xué)配合和更吸引人的眼鏡狀樣式。

在一些實施例中，顯示系統(tǒng)可以包括圖像源束，并且通過將每一個光樣本映射到物理空間中的適當光線并且從適當?shù)墓饩€提取包括輻射和/或深度的信息來合成光場，以呈現(xiàn)立體圖像。

圖2示出在一些實施例中用于采用具有可尋址聚焦的自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)來顯示用于虛擬和/或增強現(xiàn)實的立體視覺的水平安裝系統(tǒng)的局部示意圖。在這些實施例中，顯示系統(tǒng)可以水平地安裝以將重量分布偏移到更接近用戶頭部的側(cè)面。更特別地，顯示系統(tǒng)包括自由形態(tài)光學(xué)元件202、聚焦系統(tǒng)204、耦合透鏡系統(tǒng)206以及圖像源208。如圖2所示，聚焦系統(tǒng)204、耦合透鏡系統(tǒng)206以及圖像源208被偏移到用戶頭部的側(cè)面，以防止這些系統(tǒng)阻擋視場并且同樣將顯示系統(tǒng)的重量分布偏移到后側(cè)來防止前側(cè)重量配置，用于更好的舒適性。

在該說明性配置中，圖像源208(例如，投影儀束、微陣列顯示器、LCoS或硅上液晶或DLP或數(shù)字光處理等)將顯示內(nèi)容的光線注入到耦合透鏡系統(tǒng)206，其可校正光線偏移和失真，和/或確保橫跨大FOV的高性能。耦合透鏡系統(tǒng)206操作性地耦合到聚焦系統(tǒng)204，該聚焦系統(tǒng)204可通過調(diào)節(jié)單個焦平面的虛擬顯示內(nèi)容的焦距或通過在多個焦平面(例如，六到二十個)之間切換來改變顯示內(nèi)容的焦距。在另一些其它實施例中，系統(tǒng)可以包括可變聚焦系統(tǒng)，其改變多個焦平面的相應(yīng)焦距，虛擬顯示內(nèi)容的至少一部分將聚焦地呈現(xiàn)到該多個焦平面上。系統(tǒng)可以在這些實施例的一些中單獨地呈現(xiàn)這些多個焦平面，或者在一些其它實施例中并行地呈現(xiàn)這些焦平面中的至少兩個。

也就是說，通過提供單個焦平面的焦距的動態(tài)可尋址性，或以無閃爍速率在多個焦平面上并行地呈現(xiàn)虛擬顯示內(nèi)容中的虛擬對象，聚焦系統(tǒng)204可以耦合而不是解耦合調(diào)節(jié)提示和會聚提示，而不會強制調(diào)節(jié)提示，不將調(diào)節(jié)提示聯(lián)系到固定焦距。在顯示系統(tǒng)在多個焦平面上并行地呈現(xiàn)虛擬顯示內(nèi)容的一些實施例中，兩個直接相鄰焦平面之間的間隔是1/7屈光度。自由形態(tài)光學(xué)元件202基本上類似于或等同于圖1的參考標記104，并且補償透鏡在圖1中同樣未示出。在一些實施例中，聚焦系統(tǒng)204可以包括液體鏡或可變形膜鏡(DMD)。

存在產(chǎn)生可變深度的感知的兩種主要方式：多平面聚焦系統(tǒng)和可變聚焦系統(tǒng)。在多平面聚焦系統(tǒng)中，系統(tǒng)能夠在z方向上在固定深度平面上投射圖像。在可變焦距系統(tǒng)中，系統(tǒng)投射有限數(shù)量的深度平面，但在空間中移動深度平面以產(chǎn)生3D感知。在一些實施例中，虛擬或增強現(xiàn)實系統(tǒng)可以包括至少一個圖像生成處理器、至少一個空間光調(diào)制器、多個透鏡/光學(xué)元件、一個或多個分束器以及一個或多個可變聚焦元件。

圖像生成處理器負責(zé)生成最終向用戶顯示的虛擬內(nèi)容。圖像生成處理器可以將與虛擬內(nèi)容相關(guān)聯(lián)的圖像或視頻轉(zhuǎn)換為可以在三維空間中投射到用戶的格式。例如，在生成3D內(nèi)容中，虛擬內(nèi)容可能需要被格式化，以使得特定圖像的一部分在特定深度平面上顯示，而其它部分在其它深度平面處顯示?；蛘撸梢栽谔囟ㄉ疃绕矫嫣幧伤袌D像。或者，圖像生成處理器可以被編程以向左右眼饋送略微不同的圖像，以使得當一起觀察時，虛擬內(nèi)容對用戶的眼睛來說看起來是連貫和舒適的。

圖像生成處理器可以進一步包括存儲器、CPU(中央處理單元)、GPU(圖形處理單元)以及用于圖像生成和處理的其它電路。圖像生成處理器可以被編程有待向虛擬或增強現(xiàn)實系統(tǒng)的用戶呈現(xiàn)的期望的虛擬內(nèi)容。應(yīng)當理解，在一些實施例中，圖像生成處理器可以容納在可佩戴的虛擬或增強現(xiàn)實系統(tǒng)中。在其它實施例中，圖像生成處理器和其它電路可以容納在耦合到可穿戴式光學(xué)器件的帶包中。

聚焦元件(106和204)包括可變聚焦元件(VFE)，其被配置用于將從空間光調(diào)制器生成的投射光聚焦到期望的深度平面上。應(yīng)當理解，VFE可以用在多聚焦和可變聚焦系統(tǒng)中。因此，與多個透鏡和反射鏡相結(jié)合，VFE可以被配置成用于將與虛擬對象相關(guān)聯(lián)的光投射在期望的深度平面處，以使得其對用戶眼睛被感知為三維對象。

可變聚焦透鏡元件可以是折射元件，諸如液晶透鏡、電活性透鏡、具有移動元件的常規(guī)折射透鏡、基于機械變形的透鏡(諸如流體填充的膜透鏡，或類似于人類晶狀體的透鏡，其中柔性元件可以通過一個或多個致動器彎曲和松弛)、電潤濕透鏡或具有不同折射率的多種流體?？勺兙劢乖瑯涌梢园汕袚Q衍射光學(xué)元件(諸如以聚合物分散液晶方法為特征的光學(xué)元件，其中諸如聚合物材料的主介質(zhì)具有分散在材料內(nèi)的液晶微滴；當施加電壓時，分子重新取向使得它們的折射率不再與主介質(zhì)的折射率匹配，從而產(chǎn)生高頻可切換衍射圖案)。

一個實施例包括主介質(zhì)，其中基于克爾效應(yīng)的電活性材料(諸如鈮酸鋰)的微滴分散在主介質(zhì)中，使得當與掃描光顯示器(諸如光纖掃描顯示器或基于掃描鏡的顯示器)耦合時，圖像信息能夠逐像素或逐線地重新聚焦。在使用液晶、鈮酸鋰或其它技術(shù)來呈現(xiàn)圖案的可變聚焦元件配置中，圖案間隔可以被調(diào)制，以不僅改變可變聚焦透鏡元件的焦度，而且改變整個光學(xué)系統(tǒng)的焦度，用于變焦鏡頭類型的功能。

在一個實施例中，多個透鏡可以是遠心的，因為顯示圖像的焦點可以在保持放大率恒定的同時被改變，這與拍攝變焦透鏡可以被配置為將焦點從變焦位置解耦的方式相同。在另一個實施例中，透鏡可以是非遠心的，以使得焦點改變同樣將引起變焦改變。采用這種配置，這種放大率改變可以在軟件中采用來自圖形系統(tǒng)的輸出與焦點改變同步的動態(tài)縮放來補償。

在一些實施例中，各種類型的光柵可用于實現(xiàn)各種聚焦元件。例如，在代理人案號為ML30016.00的于2014年5月30日提交并且題為“METHODS AND SYSTEMS FOR VIRTUAL AND AUGMENTED REALITY”的美國臨時專利申請序列號62/005,807中描述的OPE(正交光瞳擴展器)光柵和EPE(出射光瞳擴展器)光柵可用于實現(xiàn)VFE。更具體地，在一些實施例中，OPE光柵和EPE光柵可以以折疊或重疊的方式布置在層的兩側(cè)上。在一些其它實施例中，OPE光柵和EPE光柵可以被布置并記錄在單個整體的空間上重合層中，以形成具有OPE光柵的功能和EPE光柵的功能的多路復(fù)用層。上述多個這種層可以在彼此頂部上層疊以形成多平面配置，其中每一層可以主控與其相應(yīng)焦距相關(guān)聯(lián)的其相應(yīng)的焦平面。

應(yīng)當注意，盡管術(shù)語“光柵”的使用并不暗含或暗示“光柵”中的衍射結(jié)構(gòu)僅包括線性衍射元件或結(jié)構(gòu)。相反，光柵(例如，EPE光柵、OPE衍射元件等)可以包括線性衍射結(jié)構(gòu)、圓形衍射結(jié)構(gòu)、徑向?qū)ΨQ衍射結(jié)構(gòu)或其任何組合。OPE衍射元件和EPE衍射元件可以包括線性光柵結(jié)構(gòu)和圓形或徑向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，以偏轉(zhuǎn)并聚焦光束。

多平面配置可以提供更大的焦距范圍，并且在多平面配置中的每一層可以動態(tài)地開啟和關(guān)閉，以呈現(xiàn)對于觀察者而言表現(xiàn)為在不同焦距處的圖像。關(guān)于可變聚焦元件或系統(tǒng)的更多細節(jié)在2014年5月30日提交并且題為“METHODS AND SYSTEM FOR CREATING FOCAL PLANES IN VIRTUAL AND AUGMENTED REALITY”的美國臨時專利申請?zhí)?2/005,834以及代理人案號為ML30016.00的于2014年5月30日提交并且題為“METHODS AND SYSTEMS FOR VIRTUAL AND AUGMENTED REALITY”的美國臨時專利申請序列號62/005,807中描述。

圖3示出在一些實施例中用于采用具有可尋址聚焦的自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)來顯示用于虛擬和/或增強現(xiàn)實的立體視覺的豎直安裝系統(tǒng)的局部示意圖。在這些實施例中，顯示系統(tǒng)可以豎直安裝并圍繞用戶的頭部適配。更特別地，顯示系統(tǒng)包括自由形態(tài)光學(xué)元件308、聚焦系統(tǒng)306、耦合透鏡系統(tǒng)304以及圖像源302。在該說明性配置中，圖像源302(例如，投影儀束、微陣列顯示器、LCoS或硅上液晶，或基于LCD的DLP或數(shù)字光處理等)將顯示內(nèi)容的光線注入耦合透鏡系統(tǒng)304中，該耦合透鏡系統(tǒng)304可校正光線偏移和失真，和/或確保橫跨大FOV的高性能。

耦合透鏡系統(tǒng)304可以進一步操作性地耦合到聚焦系統(tǒng)306，該聚焦系統(tǒng)306可以通過調(diào)節(jié)單個焦平面的焦距或通過在不同焦距處的多個焦平面之間切換并在不同焦距處的多個焦平面上呈現(xiàn)虛擬顯示內(nèi)容來尋址顯示內(nèi)容的焦距。在又一些其它實施例中，系統(tǒng)可以包括可變聚焦系統(tǒng)，其改變多個焦平面的相應(yīng)焦距，虛擬顯示內(nèi)容的至少一部分將聚焦地呈現(xiàn)到該焦平面上，其中系統(tǒng)可以在一些實施例中將虛擬內(nèi)容單獨地呈現(xiàn)到這些多個焦平面上或在一些其它實施例中并行地地呈現(xiàn)到這些焦平面中的至少兩個焦平面上。自由形態(tài)光學(xué)元件308可以以使得輸出光線的出射光瞳310覆蓋用戶的眼睛的方式來設(shè)計。在一個特定實施例中，采用基本上類似于圖3中所示的配置，出射光瞳直徑可為10mm；對角視場可以是50度；水平視場可以是44.23度；并且豎直視場可以是25.75度。

圖9A示出在一些實施例中具有自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)的可變聚焦顯示系統(tǒng)的簡化示意性表示。在這些實施例中，顯示系統(tǒng)可以如在圖9A中所示豎直地安裝并且適配在用戶的頭部周圍，或如在圖2中所示水平安裝。更特別地，顯示系統(tǒng)包括主自由形態(tài)光學(xué)元件908、聚焦系統(tǒng)906、耦合透鏡系統(tǒng)904以及圖像源902。在這些所示實施例中，圖像源902(例如，投影儀束、微陣列顯示器、LCoS或硅上液晶，或DLP或數(shù)字光處理等)將顯示內(nèi)容的光線注入耦合透鏡系統(tǒng)904中，該耦合透鏡系統(tǒng)904可校正光線偏移和失真，和/或確保橫跨大FOV的高性能。

耦合透鏡系統(tǒng)904可以進一步操作性地耦合到聚焦系統(tǒng)906，該聚焦系統(tǒng)906可以通過調(diào)節(jié)單個焦平面的焦距或通過在不同焦距處的多個焦平面之間切換并在不同焦距處的多個焦平面上呈現(xiàn)虛擬顯示內(nèi)容來尋址顯示內(nèi)容的焦距。在一些實施例中，系統(tǒng)可以包括可變聚焦系統(tǒng)，其改變或?qū)ぶ范鄠€焦平面的相應(yīng)焦距，虛擬顯示內(nèi)容的至少一部分將聚焦地呈現(xiàn)在該焦平面上。主自由形態(tài)光學(xué)元件908可以以輸出光線的出射光瞳910覆蓋用戶的眼睛的方式設(shè)計。

圖9B示出在一些實施例中具有自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)的可變聚焦顯示系統(tǒng)的另一簡化示意性表示。在圖9B中所示的這些實施例中，顯示系統(tǒng)可以包括將光線注入第一中繼透鏡934中的圖像源932(例如，投影儀束、微陣列顯示器、LCoS或硅上液晶，或DLP或數(shù)字光處理等)。第一中繼透鏡934操作性地耦合到可變聚焦系統(tǒng)936，該可變聚焦系統(tǒng)936調(diào)節(jié)虛擬顯示內(nèi)容的焦距。

可變聚焦系統(tǒng)936可以調(diào)節(jié)用于單個焦平面的虛擬顯示內(nèi)容的焦距或者在不同焦距處的多個焦平面(例如，六個到二十個)之間切換并將虛擬內(nèi)容呈現(xiàn)到在不同焦距處的多個焦平面上。因此，通過提供單個焦平面的焦距的動態(tài)可尋址性或者以無閃爍速率在多個焦平面上并行地呈現(xiàn)虛擬顯示內(nèi)容中的虛擬對象，可變聚焦系統(tǒng)936可以耦合而不是解耦調(diào)節(jié)提示和會聚提示，而不會強制調(diào)節(jié)提示，不將調(diào)節(jié)提示聯(lián)系到固定焦距的情況下強制適應(yīng)提示。在顯示系統(tǒng)將虛擬顯示內(nèi)容并行地呈現(xiàn)在多個焦平面上的一些實施例中，兩個直接相鄰焦平面之間的間隔是1/7屈光度。

可變聚焦系統(tǒng)936進一步操作性地耦合到第二中繼透鏡938以將光線發(fā)送到反射器940上，該反射器進一步將光線耦合到自由形態(tài)楔形物或自由形態(tài)楔形光學(xué)元件942(下面統(tǒng)稱自由形態(tài)楔形物)。在一些實施例中，反射器940可以包括折疊鏡組件。自由形態(tài)楔形物942以基本上類似于對于以上自由形態(tài)光學(xué)元件所描述的那些的方式起作用。光線在自由形態(tài)楔形物942內(nèi)在一個或多個折射表面與一個或多個反射表面之間傳播。

自由形態(tài)楔形物942可以設(shè)計有用于這些一個或多個折射表面和一個或多個反射表面的適當表面參數(shù)，以產(chǎn)生出射光瞳942。第一中繼透鏡934和中繼透鏡938中的每一個可以包括單個中繼透鏡或一組透鏡以反轉(zhuǎn)圖像。中繼透鏡因此可以包括一個或多個常規(guī)透鏡、消色差雙合透鏡或圓柱形折射率漸變透鏡。第一和第二中繼透鏡934和938可以用于產(chǎn)生用于顯示系統(tǒng)的中間焦平面。

圖9C示出在一些實施例中具有自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)的可變聚焦顯示系統(tǒng)的另一簡化示意性表示。在這些實施例中，圖像源932可以通過第一中繼透鏡934注入光線，該第一中繼透鏡934操作性地耦合到改變虛擬顯示內(nèi)容的焦距的可變聚焦系統(tǒng)936。

可變聚焦系統(tǒng)936可以改變用于單個焦平面的虛擬顯示內(nèi)容的焦距或者在不同焦距處的多個焦平面(例如，六個到二十個)之間切換并將虛擬內(nèi)容呈現(xiàn)到在不同焦距處的多個焦平面上，以用于虛擬顯示內(nèi)容的立體視覺。光線進一步傳輸?shù)降诙欣^透鏡938，該第二中繼透鏡938操作性地耦合到反射器940(例如，折疊鏡組件)，該反射器940將光線反射并耦合到自由形態(tài)楔形物942中。反射器940將光路沿著眉毛從前額到頭部的側(cè)面折疊或偏轉(zhuǎn)，有利于護目鏡或眼鏡狀的外觀。自由形態(tài)楔形物942以基本上類似于以上對自由形態(tài)光學(xué)元件所描述的那些的方式起作用。

另外或可替代地，補償透鏡元件946可附接到自由形態(tài)楔形物942，以提供橫跨非常寬的透視視場的周圍環(huán)境的適當觀察和/或當補償透鏡與自由形態(tài)光學(xué)元件(例如，自由形態(tài)楔形物942)組合時最小化或減小引入到來自真實世界場景的光線的偏移和失真。光線在自由形態(tài)楔形物942內(nèi)的一個或多個折射表面與一個或多個反射表面之間傳播。自由形態(tài)楔形物942可以設(shè)計有用于這些一個或多個折射表面和一個或多個反射表面的合適的表面參數(shù)，以產(chǎn)生出射光瞳942。

圖10A示出在一些實施例中具有自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)的可變聚焦顯示系統(tǒng)的簡化示意性表示。在這些實施例中，可變聚焦顯示系統(tǒng)可以包括圖像源1002，該圖像源1002可以包括投影儀束(例如，微型投影儀、激光投影儀等)、微陣列顯示器、LCoS或硅上液晶或基于LCD的DLP或數(shù)字光處理等中的一個或多個。圖像源1002通過耦合透鏡組1004注入光線，該耦合透鏡組1004可被設(shè)計為包括耦合透鏡組1004中的液體透鏡，以形成中間光瞳或中間焦平面1010。

可變聚焦顯示系統(tǒng)可以改變耦合透鏡組1004中的液體透鏡的光焦度，以改變液體透鏡的焦距。液體透鏡的變化的焦距有效地移動中間焦平面1010。顯示系統(tǒng)可以進一步驅(qū)動液體透鏡以產(chǎn)生快速和連續(xù)的聚焦控制，以例如產(chǎn)生具有快速且連續(xù)變化的焦平面的虛擬顯示內(nèi)容。光線然后中繼到自由形態(tài)光學(xué)元件1006中，并且在一個或多個自由形態(tài)折射表面和一個或多個自由形態(tài)反射表面之間傳播，以在共軛出射光瞳1008處產(chǎn)生虛擬顯示內(nèi)容。

圖10B示出在一些實施例中具有自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)的另一可變聚焦顯示系統(tǒng)的另一簡化示意性表示。在這些實施例中，可變聚焦顯示系統(tǒng)包括在出射光瞳1008處產(chǎn)生虛擬顯示內(nèi)容的相同或基本上相似的自由形態(tài)光學(xué)元件1006。

來自微顯示器的光線傳播到一對偏振分束器1026(例如，X立方體分束器)中。分束器1026首先通過可變聚焦機構(gòu)中的光學(xué)器件1022接收來自圖像源1028的光線，并將光線引導(dǎo)到可變形膜鏡或可變形鏡1024；可變形鏡1024將光線反射回分束器1026；分束器1026然后將光線中繼到自由形態(tài)光學(xué)元件1006中?？勺冃午R1024具有可以被變形以實現(xiàn)波前控制和其它光學(xué)功能(例如，校正光學(xué)像差等)的表面(未示出)。可變聚焦顯示系統(tǒng)可以改變可變形鏡1024的光焦度以改變可變形鏡1024的焦距。

可變形鏡1024的變化的焦距有效地移動中間焦平面。顯示系統(tǒng)可以進一步驅(qū)動可變形鏡以產(chǎn)生快速且連續(xù)的聚焦控制，以例如產(chǎn)生具有快速且連續(xù)變化的焦平面的虛擬顯示內(nèi)容。光線中繼到自由形態(tài)光學(xué)元件1006中，并且在一個或多個自由形態(tài)折射表面和一個或多個自由形態(tài)反射表面之間傳播。光線在自由形態(tài)光學(xué)元件1006中反射并偏轉(zhuǎn)，并且最終在共軛出射光瞳1008處產(chǎn)生虛擬顯示內(nèi)容。

圖11A示出在一些實施例中與傳統(tǒng)二維顯示相比的光場顯示的簡化表示。與各向同性地發(fā)射光的常規(guī)二維顯示1002不同，光場顯示將不同顏色和輻射的光樣本映射到物理空間中適當?shù)墓饩€(例如，分別用于紅色、橙色、黃色、綠色、藍色、靛藍以及紫色光線的1106R、1106O、1106Y、1106G、1106B、1106I、1106P)，如在1104中示意性所示的。

圖11B示出在一些實施例中具有自由形態(tài)光學(xué)器件的光場顯示系統(tǒng)的簡化示意性表示，該光場顯示系統(tǒng)提供對聚集的光線束的控制并且調(diào)制作為光線方向的函數(shù)的光線的顏色和輻射。圖11B中所示的光場顯示提供對聚集的光線束的控制，并且調(diào)制它們的作為方向的函數(shù)的輻射和/或顏色。在圖11B中所示的這些實施例中，光場顯示系統(tǒng)處理具有調(diào)制的輻射和/或顏色的光線束1108、1110和1112，光線束1108、1110和1112從一個或多個圖像源1150發(fā)射并且傳播到具有一個或多個耦合透鏡1103的耦合透鏡組1107，以校正光學(xué)像差并改善圖像質(zhì)量和/或產(chǎn)生中間光瞳1111。

光線然后中繼到自由形態(tài)光學(xué)元件1113中，以在具有各種表面參數(shù)的一個或多個折射表面和一個或多個反射表面之間反射并偏轉(zhuǎn)，以在共軛出射光瞳1109處產(chǎn)生虛擬顯示內(nèi)容。在圖11B中所示的光場顯示同樣可以解決調(diào)節(jié)-會聚沖突，而不必將調(diào)節(jié)提示聯(lián)系到固定焦距，用于顯示適當光場內(nèi)容。

在光場顯示系統(tǒng)實施為頭戴式顯示器或人可佩戴顯示器的一些實施例中，光場顯示系統(tǒng)解決了調(diào)節(jié)-會聚沖突，提供寬的視場(特別是通過如上文參照圖2-10B所描述的自由形態(tài)光學(xué)元件的平鋪布置)，并且在人眼的自然調(diào)節(jié)范圍內(nèi)生成聚焦的虛擬顯示內(nèi)容圖像，盡管光場顯示非常接近眼睛。

圖像源1150是能夠發(fā)射調(diào)制光線的微顯示器或顯示系統(tǒng)。圖11C示出這種圖像源的一個示例。更具體地，圖11C示出圖像源1150C的一個示例，圖像源1150C映射并注入具有不同顏色和輻射的不同光樣本，其采用圖像投影儀(1108C、1110C和1112C)束將虛擬顯示內(nèi)容中的一個或多個對象表示為物理空間中的適當光線。從圖像投影儀(1108C、1110C和1112C)束發(fā)射的光線通過一對場透鏡組有效地混合在一起，并通過耦合透鏡1103(在圖11B中)和中間光瞳1111C注入到自由形態(tài)元件中。在光場顯示系統(tǒng)實施為頭戴式顯示器或人可佩戴顯示器的一些實施例中，光場顯示系統(tǒng)將虛擬顯示內(nèi)容顯示給用戶的眼睛而不需要屏幕。

圖11D示出了在一些實施例中具有自由形態(tài)光學(xué)器件的光場顯示系統(tǒng)的另一個簡化示意性表示，其提供對聚集的光線束的控制并且調(diào)制作為聚集光線束的位置和/或方向的函數(shù)的聚集光線束的輻射和/或顏色。在圖11D中所示的這些實施例中，光場顯示系統(tǒng)包括計算系統(tǒng)(未示出)，以將在虛擬顯示內(nèi)容中的發(fā)射這些光樣本的一個或多個虛擬對象的不同顏色、輻射和/或深度的光樣本映射到適當?shù)墓饩€。光場顯示系統(tǒng)可以進一步使用由計算系統(tǒng)控制的圖像投影儀(例如，1108D、1110D和1112D)束，以通過中間光瞳1111D將這些映射的光線發(fā)射到自由形態(tài)光學(xué)元件1114D中，以最終在出射光瞳1117D處產(chǎn)生虛擬顯示內(nèi)容，而不使用聚焦系統(tǒng)或元件。

在一些實施例中，可以至少部分地基于所需或期望的分辨率、人眼的角分辨率或任何其它適當?shù)囊蜃觼泶_定圖像投影儀束中的投影儀的數(shù)量。也就是說，光場顯示系統(tǒng)可以通過在記錄或產(chǎn)生隨后用于在虛擬顯示內(nèi)容中再現(xiàn)虛擬對象的光線時，調(diào)制或映射發(fā)射第一光線的虛擬對象的不同顏色、輻射和/或深度的光樣本來確定或識別第一光線。當提供有這種記錄的信息時，光場顯示系統(tǒng)可以從光線提取輻射和/或深度信息，并且使用提取的信息來確定光線投射到哪里，哪個或哪些圖像投影儀用于投射相應(yīng)的光線，以及圖像投影儀正在哪里投射相應(yīng)的光線以呈現(xiàn)光場。

圖5示出在一些實施例中以平鋪布置的一些自由形態(tài)光學(xué)元件的水平視場(FOV)的示意性表示。更具體地，圖5示出主自由形態(tài)光學(xué)元件502和次級自由形態(tài)光學(xué)元件504的水平布置。主自由形態(tài)光學(xué)元件502是具有可尋址聚焦能力并且以用戶眼睛為中心的自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)。次級自由形態(tài)光學(xué)元件504同樣是具有或不具有可尋址聚焦能力的自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)，并且放置在主顯示器502的側(cè)面處。

主自由形態(tài)光學(xué)元件502和次級自由形態(tài)光學(xué)元件504共同提供擴展的水平視場506，其包括來自主自由形態(tài)光學(xué)元件502的水平視場508和次級自由形態(tài)光學(xué)元件504的水平視場510的貢獻。在一個實施例中，主自由形態(tài)光學(xué)元件502和次級自由形態(tài)光學(xué)元件504的平鋪水平視場落在60至120度的范圍內(nèi)。

圖6示出在一些實施例中以單眼水平平鋪布置的兩個自由形態(tài)光學(xué)元件的豎直和水平視場(FOV)的示意性表示。示意性表示包括由主自由形態(tài)光學(xué)元件提供的主視場614和由次級自由形態(tài)光學(xué)元件提供的次級視場616。在該示意性表示中，主自由形態(tài)光學(xué)元件布置在用戶的鼻側(cè)602附近，并且次級自由形態(tài)光學(xué)元件布置在用戶的太陽穴側(cè)(temple side)606附近。

在該特定表示中，主自由形態(tài)光學(xué)元件和次級自由形態(tài)光學(xué)元件具有相同的視場和寬高比。在這些實施例中，主自由形態(tài)光學(xué)元件和次級自由形態(tài)光學(xué)元件都具有豎直視場604，其也是主自由形態(tài)光學(xué)元件和次級自由形態(tài)光學(xué)元件的平鋪布置的豎直視場。如由人眼自然感知的，該平鋪布置的合計的水平視場612可以包括鼻水平視場608和太陽穴水平視場610。兩個水平平鋪自由形態(tài)光學(xué)元件共同提供如在圖6中所示的對角視場618。

圖7示出在一些實施例中以單眼水平平鋪布置的兩個自由形態(tài)光學(xué)元件的豎直和水平視場(FOV)的另一示意性表示。更具體地，圖7示出主自由形態(tài)光學(xué)元件和次級自由形態(tài)光學(xué)元件的另一平鋪布置的視場。主自由形態(tài)光學(xué)元件布置成更接近鼻側(cè)702并且提供具有豎直視場704的主視場714。次級自由形態(tài)光學(xué)元件布置成更接近太陽穴側(cè)并且提供同樣具有豎直視場704的次級視場716。在這些實施例中，以增加或最大化豎直視場的方式設(shè)計主自由形態(tài)光學(xué)元件。

次級自由形態(tài)光學(xué)元件設(shè)計為提供與主自由形態(tài)光學(xué)元件相同的豎直視場704，并且以增加或最大化水平視場的方式設(shè)計。取決于寬高比以及因此由主自由形態(tài)光學(xué)元件提供的水平視場，在一些實施例中次級自由形態(tài)光學(xué)元件也可以被設(shè)計為將由主自由形態(tài)光學(xué)元件提供的水平視場擴展到期望或所需的寬高比。次級自由形態(tài)光學(xué)元件可提供具有不同于主視場的不同寬高比的視場。因此，主自由形態(tài)光學(xué)元件和次級自由形態(tài)光學(xué)元件的平鋪布置的視場提供了如在圖7中所示的對角視場718。如由人眼天然感知的，合計的水平視場712可以包括鼻水平視場708和太陽穴水平視場710。

圖8示出在一些實施例中以水平平鋪單眼布置的兩個自由形態(tài)光學(xué)元件的豎直和水平視場(FOV)的另一示意性表示。更具體地，圖8示出主自由形態(tài)光學(xué)元件和次級自由形態(tài)光學(xué)元件的另一個平鋪布置的視場。主自由形態(tài)光學(xué)元件被布置為更接近鼻側(cè)802并且提供具有豎直視場804的主視場814。次級自由形態(tài)光學(xué)元件被布置成更接近太陽穴側(cè)并且提供也具有豎直視場820的次級視場816。在這些實施例中，以增加或最大化豎直視場804(例如，增加到大約135度)的方式設(shè)計主自由形態(tài)光學(xué)元件。

以增加或最大化水平視場的方式設(shè)計次級自由形態(tài)光學(xué)元件。次級自由形態(tài)光學(xué)元件提供具有豎直視場806的次級視場816，其可以匹配或可以不匹配豎直FOV 804。第二自由形態(tài)光學(xué)元件可以產(chǎn)生或可以不產(chǎn)生與由主自由形態(tài)光學(xué)元件產(chǎn)生的視場具有相同寬高比的視場。然而，主自由形態(tài)光學(xué)元件和次級自由形態(tài)光學(xué)元件的平鋪布置的對角視場818由主自由形態(tài)光學(xué)元件的豎直視場804和合計的水平視場812來限定。如人眼所天然感知的，合計的水平視場812可以包括鼻水平視場808和太陽穴水平視場810。

圖4A示出在一些實施例中具有補償透鏡的主顯示裝置的簡化示意性表示。在這些實施例中，包括一個或多個自由形態(tài)折射表面的補償透鏡402可以提供橫跨非常寬的透視視場的周圍環(huán)境的適當觀察。補償透鏡402的表面可以增強或優(yōu)化以在補償透鏡元件402結(jié)合自由形態(tài)光學(xué)元件(例如，自由形態(tài)楔形物414)起作用時最小化或減小引入到來自真實世界場景的光線的偏移和失真。

圖4B示出在一些實施例中的主顯示元件、次級顯示元件和補償透鏡元件的另一簡化示意性表示。更具體地，圖4B示出主自由形態(tài)顯示元件404B和次級自由形態(tài)顯示元件406B的平鋪布置。簡化的示意性表示進一步包括補償透鏡元件408B，該補償透鏡元件408B附接到并覆蓋主顯示自由形態(tài)元件404B和次級自由形態(tài)顯示元件406B的至少一部分。補償透鏡元件408B可以與兩個自由形態(tài)顯示元件結(jié)合起作用，以提供橫跨非常寬的透視視場的周圍環(huán)境的適當觀察。另外或可替代地，補償透鏡408B的表面可以在補償透鏡元件408B結(jié)合自由形態(tài)光學(xué)元件起作用時增強或優(yōu)化以最小化或減小引入到來自真實世界場景的光線的偏移和失真。

圖12A示出在一些實施例中用于采用以平鋪布置的自由形態(tài)光學(xué)顯示系統(tǒng)生成立體圖像的方法的高級流程圖。在圖12A中所示的這些實施例中，該方法可以包括在1202A處識別主顯示裝置。在這些實施例的一些中，主顯示裝置限定主豎直視場。主視場可以包括主水平視場、主豎直視場或主水平視場和主豎直視場的組合中的至少一個。另外或可替代地，主顯示裝置可包括第一自由形態(tài)光學(xué)元件，諸如圖9A的自由形態(tài)光學(xué)元件908或圖9B的940。在這些所示實施例的一些中，主顯示裝置經(jīng)由包括可變聚焦元件的第一耦合光學(xué)系統(tǒng)耦合到第一圖像源(例如，圖9A的圖像源902或圖9B的932)。

在這些所示實施例的一些中，第一耦合光學(xué)系統(tǒng)被設(shè)計為校正光學(xué)像差并且改善由自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)呈現(xiàn)的虛擬顯示內(nèi)容的圖像質(zhì)量。主顯示裝置的主豎直視場可以可選地增加或最大化。在一些實施例中，在1204A處，可以設(shè)計(如果尚未設(shè)計)或識別(如果已經(jīng)存在)次級顯示裝置。次級顯示裝置包括第二自由形態(tài)光學(xué)元件，諸如圖9A的自由形態(tài)光學(xué)元件908或圖9B的940。另外地或可替代地，次級顯示裝置可以具有增加的或最大化的次級水平視場。在一些實施例中，次級顯示裝置的次級豎直視場可以精確地或近似地匹配第一顯示裝置的主豎直視場。在這些實施例的一些中，在1204A處識別的次級顯示裝置包括第二自由形態(tài)光學(xué)元件。

可以通過以平鋪布置將次級顯示裝置附接到主裝置以形成平鋪顯示裝置來設(shè)計(如果已經(jīng)存在)或識別(如果尚未存在)平鋪顯示裝置。在圖12A中的1206A處所示的這些實施例的一些中，次級顯示裝置可以以擴展主顯示裝置的水平視場的平鋪布置附接到主裝置。在一些實施例中，平鋪布置包括水平布置，其中次級顯示裝置和主顯示裝置彼此相鄰布置。在一些其它實施例中，平鋪布置包括豎直布置，其中次級顯示裝置設(shè)置在主顯示裝置頂上，或主顯示裝置設(shè)置在次級顯示裝置頂上。

另外或可替代地，一個或多個其它次級顯示裝置可以以用于平鋪顯示裝置的第一平鋪布置附接或集成到主顯示裝置。在這些實施例的一些中，第一平鋪布置包括將一個或多個其它次級顯示裝置中的至少一些附接到平鋪顯示裝置的水平側(cè)。在一些其它實施例中，第一平鋪布置包括將一個或多個其它次級顯示裝置中的至少一些附接到平鋪顯示裝置的豎直側(cè)。在其它實施例中，第一平鋪布置包括將一個或多個其它次級顯示裝置中的至少一些附接到平鋪顯示裝置的水平側(cè)和豎直側(cè)。在圖12A中所示的一些實施例中，平鋪顯示裝置的視場限定滿足所需或期望的寬高比的合計的水平視場和合計的豎直視場。在一個實施例中，所需或期望的寬度與高度的寬高比為16:9。在另一個實施例中，所需或期望的寬度與高度的寬高比為4:3。在另一個實施例中，所需或期望的寬度與高度的寬高比為2.35:1。

圖12B-E共同示出在一些實施例中用于采用以平鋪布置的自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)生成立體圖像的方法的更詳細的流程圖。在圖12B-E中示出的這些實施例中，限定主視場并且包括第一自由形態(tài)光學(xué)元件的主顯示裝置可以在1202B處被識別(如果已經(jīng)存在)或設(shè)計(如果還沒有存在)。主顯示裝置也可以耦合到第一圖像源，諸如投影儀束、一個或多個微型投影儀、一個或多個微投影儀等。在這些實施例的一些中，主顯示裝置可以包括用于自由形態(tài)顯示設(shè)備的可變聚焦機構(gòu)。

在1204B處，可以可選地增加或最大化主顯示裝置的主視場。在一些實施例中，主視場可以包括主水平視場、主豎直視場或主水平視場和主豎直視場的組合中的至少一個。在1206B處，可以識別(如果已經(jīng)存在)或設(shè)計(如果還沒有存在)次級顯示裝置。次級顯示裝置限定次級視場，并且包括第二自由形態(tài)光學(xué)元件。

在圖12B中所示的這些實施例的一些中，次級視場可以精確地或近似地匹配主視場。在一些實施例中，次級視場可以包括次級水平視場、次級豎直視場或次級水平視場和次級豎直視場的組合中的至少一個。在圖12B中所示的這些實施例的一些中，在1208B處，可以可選地增加或最大化次級顯示裝置的次級水平視場。參考標記1210B示出生成可用于集成主顯示裝置和次級顯示裝置的三個布置的三個不同過程。

在圖12B-E中描述的自由形態(tài)顯示裝置可以包括這三種布置的一種或多種。在一些實施例中，部分地或全部地基于主視場和/或次級視場，可以在1212B處確定用于主顯示裝置和次級顯示裝置的第一布置。在一些實施例中，第一布置包括水平布置。

在1214B處，可以采用將主顯示裝置和次級顯示裝置彼此相鄰地布置的第一布置來擴展自由形態(tài)顯示設(shè)備的水平或?qū)且晥?。另外或可替代地，部分地或全部地基于主視場?或次視場，可在1216B處確定用于主顯示裝置和次級顯示裝置的第二布置。在一些實施例中，第二布置可以包括豎直布置?？梢栽?218B處通過第二布置來擴展自由形態(tài)顯示設(shè)備的豎直和/或?qū)且晥觥?/p>

在一些實施例中，主顯示裝置可以放置在次級顯示裝置頂上。在一些其它實施例中，次級顯示裝置可以放置在主顯示裝置頂上。另外或可替代地，部分地或全部地基于主視場和/或次視場，可在1220B處確定用于自由形態(tài)顯示設(shè)備的第三布置。至少通過精確地或近似地將次顯示裝置的次級視場(例如，次級豎直視場)與主視場(例如，主豎直視場)匹配，可以在1222B處采用第三布置來設(shè)計自由形態(tài)顯示設(shè)備。

在一些實施例中，采用用于平鋪顯示裝置的集成的主顯示裝置和第二顯示裝置，一個或多個其它次級顯示裝置可以在1224B處附接到主顯示裝置或平鋪顯示裝置或者與主顯示裝置或與平鋪顯示裝置集成，以進一步擴展自由形態(tài)顯示裝置的視場。在一些實施例中，主顯示裝置可以具有可尋址聚焦能力。次級顯示裝置在一些實施例中也可以具有可尋址聚焦能力，或者在一些其它實施例中可以不具有可尋址聚焦能力。下面將描述關(guān)于可尋址聚焦能力的更多細節(jié)。

至少通過將主顯示裝置和/或一個或多個圖像源與光耦合光學(xué)機構(gòu)耦合，可以可選地在1226B處改善由自由形態(tài)顯示裝置產(chǎn)生的立體圖像的質(zhì)量。例如，在一些實施例中，在1226B處，耦合裝置(例如，耦合透鏡108)可以與主顯示裝置耦合以校正光學(xué)像差。作為另一示例，在一些實施例中，主顯示裝置可以包括具有一個或多個自由形態(tài)折射表面的補償透鏡或與具有一個或多個自由形態(tài)折射表面的補償透鏡集成，以最小化或減少引入到來自真實世界場景的光線的偏移和失真，和/或提供周圍環(huán)境的觀察。

在這些實施例中，在此所述的自由形態(tài)顯示裝置提供透視視場。在這些實施例的一些中，補償透鏡可以覆蓋主顯示裝置或主顯示裝置的自由形態(tài)光學(xué)元件的至少一部分。通過改變可變聚焦機構(gòu)的光焦度同樣可以在1227B處可選地改變焦距。在可變聚焦機構(gòu)包括可變形鏡或可變形膜鏡的一些實施例中，同樣可以在1227B處通過改變可變聚焦機構(gòu)的可變形鏡或可變形膜鏡的光焦度來可選地改變焦距。

在1228B處，可以可選地采用可變聚焦機構(gòu)調(diào)節(jié)自由形態(tài)顯示裝置的一個或多個焦平面的一個或多個焦距。在一些實施例中，至少通過控制和改變單個焦平面的焦距，可以可選地在1230B處設(shè)計具有可尋址聚焦功能的主顯示裝置和/或次級顯示裝置。在一些其它實施例中，至少通過在多個焦平面之間切換，主顯示裝置和/或次級顯示裝置同樣可以可選地在1232B處被設(shè)計為具有可尋址聚焦功能。

在這些后面的實施例中，多個焦平面中的每一個具有固定的焦距，并且可尋址聚焦功能使得自由形態(tài)顯示設(shè)備能夠在投射立體圖像時在多個焦平面之間切換。在這些實施例的一些中，多個焦平面的相應(yīng)焦距可以在1234B處采用可變聚焦機構(gòu)來尋址。至少通過至少一個補償透鏡和主顯示裝置的至少一部分，在1236B處可以可選地改善觀察周圍環(huán)境的質(zhì)量。補償透鏡用于補償由于真實世界場景和觀察者的單眼(采用單眼自由形態(tài)顯示設(shè)備)或雙眼(采用雙眼自由形態(tài)顯示設(shè)備)之間的自由形態(tài)顯示設(shè)備的存在而引起的觀察質(zhì)量的降低，并且可包括一個或多個折射表面，以最小化或減小引入到來自真實世界場景的光線的偏移和失真，以便補償主顯示裝置、次級顯示裝置和/或一個或多個其它次級顯示裝置來提供周圍環(huán)境的適當觀察。

圖13A示出在一些實施例中用于采用在用于自由形態(tài)顯示設(shè)備的平鋪布置中的可變聚焦機構(gòu)來生成立體圖像的方法的高級流程圖。在這些實施例中，輸入光束可在1302A處從圖像源接收。圖像源可以包括投影儀束(例如，微型投影儀、激光投影儀等)、微陣列顯示器、LCoS或硅上液晶或基于LCD的DLP或數(shù)字光處理等中的一個或多個。在1304A處，輸入光束的焦距可以部分地或全部地基于至少一個焦平面的定位采用可變聚焦機構(gòu)來改變，該至少一個焦平面用于由自由形態(tài)顯示設(shè)備產(chǎn)生的并由觀察者的單眼(采用單眼自由形態(tài)顯示設(shè)備)或雙眼(采用雙眼自由形態(tài)顯示設(shè)備)觀察的立體圖像。

在1306A處，具有改變的焦距的輸入光束可以傳播到自由形態(tài)光學(xué)機構(gòu)。然后可以在1308A處通過自由形態(tài)光學(xué)機構(gòu)在用于向人類觀察者呈現(xiàn)虛擬或增強現(xiàn)實的至少一個焦平面上生成或投射立體圖像。關(guān)于圖13A中示出的在用于自由形態(tài)顯示設(shè)備的平鋪布置中采用可變聚焦機構(gòu)生成立體圖像的方法的更多細節(jié)在下面的部分中參考圖13B-D來提供。

圖13B示出在一些實施例中采用可變聚焦自由形態(tài)光學(xué)顯示系統(tǒng)來生成立體圖像的方法的流程圖。在圖13B中所示的這些實施例中，在1302B處，可以在光學(xué)系統(tǒng)處從圖像源接收第一光信號。在這些實施例的一些中，圖像源包括投影儀束、硅上液晶微陣列顯示器或數(shù)字光處理微陣列顯示系統(tǒng)中的一個或多個。另外或可替代地，在一些實施例中，光學(xué)系統(tǒng)可包括可變聚焦系統(tǒng)，諸如圖9B的可變聚焦系統(tǒng)936或者圖10A的可變聚焦系統(tǒng)。在一些實施例中，光學(xué)系統(tǒng)可以進一步包括圖像源，并且可變聚焦機構(gòu)可以包括進一步耦合到一個或多個中繼透鏡的液體透鏡或可變形膜鏡。

在1304B處，可以對來自圖像源的第一光信號確定第一焦距。在一些實施例中，第一焦距包括由觀察由可變聚焦自由形態(tài)光學(xué)顯示系統(tǒng)呈現(xiàn)的虛擬顯示內(nèi)容的用戶感知的焦平面的距離，好像聚焦地呈現(xiàn)的虛擬顯示內(nèi)容的一部分位于距用戶的該距離處。在這些實施例的一些中，光學(xué)系統(tǒng)中的可尋址可變聚焦機構(gòu)的光焦度可以在1306B處被改變以尋址用于第一光信號的第一焦距。在這些實施例中，光學(xué)系統(tǒng)包括單個焦平面并且改變單個焦平面的焦距以將調(diào)節(jié)提示和會聚提示耦合到改變的焦距。

在這些實施例的一些中，可尋址可變聚焦元件包括液體透鏡。在一些其它實施例中，可尋址可變聚焦元件可以包括進一步耦合到一個或多個中繼透鏡的可變形膜鏡?？商娲兀?308B處，可以從多個焦平面識別用于顯示第一光信號的第一圖像的第一焦平面，以尋址第一光信號的第一焦距。在這些實施例中，光學(xué)系統(tǒng)可以包括多個焦平面，并且將虛擬顯示內(nèi)容并行地呈現(xiàn)在多個焦平面中的至少兩個上，以將調(diào)節(jié)提示和會聚提示耦合到改變的焦距。

在1310B處，會聚提示和調(diào)節(jié)提示都可以被尋址、記錄或與在多個焦平面之間變化的第一焦距相關(guān)聯(lián)(共同被尋址)。在一些實施例中，可以通過將會聚提示和調(diào)節(jié)提示與第一焦距耦合來尋址會聚提示和調(diào)節(jié)提示，而不將調(diào)節(jié)提示或會聚提示聯(lián)系到固定焦距。在1312B處，可以使用自由形態(tài)光學(xué)顯示裝置采用第一光信號生成或呈現(xiàn)二維第一圖像，用于通過使用至少第一焦距來觀察。

圖13C-D共同示出在一些實施例中用于采用可變聚焦自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)來生成立體圖像的過程的流程圖。在這些實施例中，可以以與對1302B或1302A所描述的方式相同或基本上類似的方式在1302C處從圖像源接收輸入光束。在1304C處，接收的輸入光束可以通過可變聚焦機構(gòu)中的第一光學(xué)器件傳播到一個或多個分束器。

在一些實施例中，第一光學(xué)器件可以包括雙凸透鏡，以將接收的輸入光束轉(zhuǎn)換成平行光束。在通過第一光學(xué)器件之后，輸入光束可以在1306C處通過一個或多個分束器重定向到可變聚焦機構(gòu)中的第二光學(xué)器件。在一些實施例中，第二光學(xué)器件包括可變形鏡、可變形膜鏡或提供可變聚焦能力或功能的任何其它合適的光學(xué)器件。在1308C處，部分地或全部地基于一個或多個焦平面的定位，可以通過改變可變聚焦機構(gòu)的光焦度來改變可變聚焦機構(gòu)的焦距，立體圖像將由自由形態(tài)顯示設(shè)備呈現(xiàn)在該一個或多個焦平面上。

在輸入光束已經(jīng)由具有改變的焦距的可變聚焦機構(gòu)處理之后，輸入光束可在1310C處重定向回到一個或多個分束器。可以在1312C處識別改變焦平面的要求。在一些實施例中，所述要求可以包括例如焦平面或焦距多快地改變(在空間上，時間上，或在空間上和時間上)、焦平面或焦距是否連續(xù)或周期性地改變、或與改變焦平面或焦距相關(guān)聯(lián)的任何其它要求。

在一些實施例中，在1312C處識別的要求也可以用于確定如何控制光焦度。部分地或全部地基于在1312C處識別的要求，可以在1314C處提供一個或多個控制來改變可變聚焦機構(gòu)的焦距。部分地或全部地基于改變的焦距，可變聚焦機構(gòu)的焦距可以在1316C處采用一個或多個控制來改變。采用改變的焦距，可以在1318C處將輸入光束傳播到自由形態(tài)光學(xué)機構(gòu)，并且采用自由形態(tài)光學(xué)機構(gòu)可以在1320C處在一個或多個焦平面上生成或投射立體圖像，用于對一個或多個人類觀察者的虛擬或增強現(xiàn)實呈現(xiàn)。

圖14A示出在一些實施例中用于采用自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)生成光場顯示的方法的高級流程圖。在這些實施例中，可以在1402A處從圖像裝置接收光線束，以產(chǎn)生用于光線束中的虛擬對象的虛擬顯示內(nèi)容?？梢栽?404A處從光線束提取虛擬對象的信息。例如，可以在1404A處從隨后用于在虛擬顯示內(nèi)容中再現(xiàn)虛擬對象的光線束的記錄提取發(fā)射第一光線的虛擬對象的顏色、輻射和/或深度。部分地或全部地基于從光線束提取的信息，在1406A處可生成調(diào)制的光線束。然后可以在1408A處采用調(diào)制的光線束和自由形態(tài)光學(xué)顯示裝置來呈現(xiàn)虛擬顯示內(nèi)容。關(guān)于圖14A中所示的用于采用自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)來生成光場顯示的方法的更多細節(jié)將在下面參考圖14B-D來提供。

圖14B示出在一些實施例中用于采用自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)生成光場顯示的方法的流程圖。在圖14B中所示的這些實施例中，該方法可以在1402B處識別在第一光線中表示的虛擬對象，并且在1404B處識別或確定用于在自由形態(tài)顯示系統(tǒng)中采用第一光線來顯示虛擬對象的一個或多個參數(shù)。在一些實施例中，用于第一光線的一個或多個參數(shù)可以包括在呈現(xiàn)虛擬對象中的第一光線的輻射率、由自由形態(tài)顯示系統(tǒng)呈現(xiàn)的虛擬內(nèi)容顯示中的虛擬對象的虛擬深度、用于由第一光線呈現(xiàn)的虛擬對象的部分(例如，一個或多個像素)的第一光線的部分的位置、所需或期望的分辨率、自由形態(tài)顯示裝置的視場、一個或多個人體工程學(xué)參數(shù)、自由形態(tài)顯示裝置的一個或多個形狀因子、或其任何組合。

在1406B處，該方法可以至少部分地基于用戶的視覺系統(tǒng)的調(diào)節(jié)范圍來確定用于合成與虛擬對象對應(yīng)的光場的第一光線。在這些實施例的一些中，該方法可以通過在記錄或產(chǎn)生可隨后用于在虛擬顯示內(nèi)容中再現(xiàn)虛擬對象時調(diào)制或映射不同顏色、輻射和/或發(fā)射第一光線的虛擬對象的光樣本來確定第一光線。該方法可以從光線中提取輻射和/或深度信息，并且使用所提取的信息來確定將光線投射到哪里，哪個圖像投影儀用于投射相應(yīng)的光線，以及圖像投影儀在哪里投射相應(yīng)的光線。在1408B處，該方法可以將來自圖像源束的第一光線發(fā)送到自由形態(tài)光學(xué)顯示裝置。

在這些實施例的一些中，圖像源束包括多個投影儀，每一個投影儀注入一條或多條光線以合成虛擬顯示內(nèi)容的光場。在1410B處，該方法可以至少部分地基于無輔助的調(diào)節(jié)范圍來合成與識別的虛擬對象對應(yīng)的光場。在這些實施例的一些中，該方法可以合成光場以在一定調(diào)節(jié)范圍處尋址調(diào)節(jié)提示和會聚提示。另外或可替代地，該方法可通過使用從映射虛擬對象的光樣本而確定的第一光線來合成用于虛擬對象的光場，以呈現(xiàn)覆蓋在由用戶使用自由形態(tài)光學(xué)顯示裝置感知的真實世界視圖上的立體視圖。在1412B處，該方法可以進一步采用自由形態(tài)光學(xué)顯示裝置呈現(xiàn)用于虛擬對象的第一虛擬顯示內(nèi)容。在一些實施例中，該方法可以在等于在1410B中識別或確定的第一焦距的虛擬圖像距離處呈現(xiàn)虛擬顯示內(nèi)容。

圖14C-D共同示出在一些實施例中用于采用自由形態(tài)光學(xué)系統(tǒng)生成光場顯示的方法的另一更詳細的流程圖。在這些實施例中，可以在1402C處從圖像源接收光線束，以產(chǎn)生用于光線束中的虛擬對象的虛擬顯示內(nèi)容。在一些實施例中，圖像源包括多個投影儀。在這些實施例的一些中，圖像源中的投影儀的數(shù)量可以部分地或全部地基于虛擬顯示內(nèi)容的期望或所需分辨率、人眼的角分辨率、其組合或任何其它合適因子來確定。

在1404C處可以識別光線束中的虛擬對象，并且可以在1406C處從光線束提取虛擬對象的信息。在這些實施例的一些中，提取的信息可以包括要在虛擬顯示內(nèi)容中呈現(xiàn)的虛擬對象的顏色、輻射和/或深度信息。在一些實施例中，光線束可以在1408C處部分地或全部地基于從光線束提取的信息來調(diào)制。

在一些實施例中，調(diào)制光線束可以由計算系統(tǒng)來執(zhí)行，該計算系統(tǒng)將虛擬對象的不同顏色、輻射和/或深度的光樣本映射成調(diào)制的光樣本或調(diào)制的光線束。在1410C處，可以部分地或全部地基于從光線束提取的信息來確定調(diào)制的光線束要被投射的到哪里。在1412C處，可以確定哪個圖像投影儀將用于投射調(diào)制的光線或調(diào)制的光線束。

在1414C處，在一些實施例中，也可以確定圖像投影儀將在哪里投射調(diào)制的光線或調(diào)制的光線束以呈現(xiàn)光場。然后部分地或全部地基于調(diào)節(jié)范圍，可以在1416C處生成調(diào)制的光線束，用于合成與虛擬對象對應(yīng)的光場。在一些實施例中，計算系統(tǒng)可以生成具有作為一個或多個光線束的方向的函數(shù)的調(diào)制顏色、輻射和/或深度的調(diào)制光束。可以在1418C處確定用于呈現(xiàn)在虛擬內(nèi)容顯示中的虛擬對象的一個或多個參數(shù)。

在一些實施例中，一個或多個參數(shù)包括例如一個或多個折射特性的一個或多個特性、一個或多個反射表面的一個或多個特性、或一個或多個光學(xué)表面的任何其它合適的參數(shù)。調(diào)制的光線束然后可在1422C處傳播到耦合光學(xué)組件以形成中間光瞳和/或以改善圖像質(zhì)量。調(diào)制的光線束可以在1424C處被中繼到自由形態(tài)光學(xué)顯示裝置，并且可以部分地或全部地基于在1418C處識別或確定的一個或多個參數(shù)而在1426C處在自由形態(tài)光學(xué)顯示裝置內(nèi)反射和/或折射。與虛擬對象對應(yīng)的光場可以在1428C處部分地或全部地基于無輔助的調(diào)節(jié)范圍來合成，以采用焦距來尋址調(diào)節(jié)提示和會聚提示。然后可以在1430C處采用自由形態(tài)光學(xué)顯示裝置呈現(xiàn)用于虛擬對象的虛擬顯示內(nèi)容。在這些實施例的一些中，虛擬顯示內(nèi)容的虛擬圖像距離等于焦距。

在前述說明書中，已經(jīng)參考本發(fā)明的具體實施例描述了本發(fā)明。然而，將顯而易見的是，在不脫離本發(fā)明的更廣泛的精神和范圍的情況下可以對其進行各種修改和改變。例如，參考過程動作的特定順序來描述上述過程流程。然而，可以改變許多所描述的過程動作的順序，而不影響本發(fā)明的范圍或操作。因此，說明書和附圖被認為是說明性的而不是限制性的。