近距離從1cm(年輕人)到50cm(老人)。當(dāng)肌肉放松時(shí)，眼睛拉長(zhǎng)且眼鏡“聚焦在無窮遠(yuǎn)處”。當(dāng)光發(fā)表距離(即，在所生成的圖像和用戶的眼睛之間的距離)是大約兩英尺時(shí)，人眼通常聚焦在無窮遠(yuǎn)處。與聚焦在附近的物體時(shí)相比，聚焦在無窮遠(yuǎn)處時(shí)普通的人眼舒適地多，且對(duì)附近物體的延長(zhǎng)聚焦通常使得眼睛疲勞。對(duì)這些和其它原因，傳統(tǒng)的顯示技術(shù)和圖像生成技術(shù)不適合在諸如靠近眼睛(例如，小于幾英寸)佩帶的眼鏡之類的近眼顯示器中使用。
[0025]圖1A-1C示出了配置成靠近人眼產(chǎn)生電子圖像的一對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡100的各個(gè)組件。圖1A示出了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡100可以包括幀102、兩個(gè)光學(xué)透鏡106、處理器114、存儲(chǔ)器116和投影儀108。投影儀108可以嵌入到幀102的臂部104并配置成將圖像投影到光線透鏡106上。
[0026]圖1B示出了可以被嵌入到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡100的臂部104的典型的投影儀108的示例性組件。投影儀108可以包括用于向處理器114發(fā)送信息和/或從處理器114接收信息通信電路130、發(fā)光二極管(LED)模塊132、光隧道134、均質(zhì)化透鏡136、光顯示器138、折疊鏡140、以及一般在現(xiàn)有技術(shù)的投影儀中包括的其它公知組件。簡(jiǎn)略地，在偏向光顯示器138之前，LED模塊132生成旅行通過光隧道134和均質(zhì)化透鏡136的一束光。光顯不器138將所接收的光束與其它光束(例如，其它顏色)進(jìn)行組合以生成圖像。所生成的圖像可以被折疊鏡140反射通過準(zhǔn)直器和/或替續(xù)成像系統(tǒng)，并到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡100的光學(xué)透鏡106上。
[0027]由于光學(xué)透鏡106與用戶的目鏡之間相對(duì)較短的距離，中繼成像系統(tǒng)必須擴(kuò)展所生成的圖像和用戶的眼鏡(即，光發(fā)表距離)之間的距離至大于50cm，使得所有年齡的用戶可以聚焦在所生成的圖像上。
[0028]圖1C示出了適合在現(xiàn)有技術(shù)的增強(qiáng)顯示眼鏡的光學(xué)透鏡106上顯示圖像的中繼成像系統(tǒng)160的組件。中繼成像系統(tǒng)160擴(kuò)展了所生成的圖像與用戶的眼睛之間的距離，使得用戶可以聚焦在所生成的圖像上。在圖1C中所示出的示例中，中繼成像系統(tǒng)160包括具有第一透鏡164、第二透鏡166和波導(dǎo)168的復(fù)合光學(xué)透鏡。波導(dǎo)168包括多個(gè)反射部170和透射部172。來自光學(xué)顯示器138的光束通過使光束變窄并聚焦到波導(dǎo)168的反射部170上的準(zhǔn)直器進(jìn)入復(fù)合透鏡162。光束從反射部170彈開直到其到達(dá)波導(dǎo)168的透射部172。光束穿過透射部172，通過第一透鏡到目鏡180上，且其聚焦在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡100的用戶的視網(wǎng)膜182上。
[0029]如上文所提及的，當(dāng)光發(fā)表距離為大約兩英尺時(shí)，人眼通常聚焦在無窮遠(yuǎn)處。使用替續(xù)光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)此距離經(jīng)常需要龐大的透鏡，其可能使得眼鏡佩戴不舒適、顯眼的、不美的、笨重的、等對(duì)消費(fèi)者而言沒有吸引力的。此外，替續(xù)光學(xué)系統(tǒng)典型地阻擋了來自真實(shí)世界場(chǎng)景的大量射入光，其可能減小用戶的周邊視野和/或?qū)⒂脩魪乃?她的自然環(huán)境隔離。此外，通過阻擋來自真實(shí)世界場(chǎng)景的大量射入光，現(xiàn)有的增強(qiáng)顯示解決方案在所生成的圖像和真實(shí)世界場(chǎng)景之間不提供無縫集成。
[0030]用于將所投影的圖像與真實(shí)世界場(chǎng)景集成的另一已知技術(shù)是平視顯示器。圖2示出了用于在傳統(tǒng)的平視顯示器上電子地顯示所生成的圖像的示例性成像系統(tǒng)200，上述傳統(tǒng)的平視顯示器配置成向用戶呈現(xiàn)信息而無需用戶偏離他或她通常的視角。圖2示出了從投影儀108發(fā)出的光202可以被光學(xué)透鏡或擋風(fēng)玻璃206的一個(gè)或多個(gè)鏡面的或半透明的部分204發(fā)射到用戶/用戶的目鏡180上。來自真實(shí)世界場(chǎng)景的光210可以穿過光學(xué)透鏡/擋風(fēng)玻璃206的非鏡面部分以到達(dá)用戶的目鏡180。
[0031]當(dāng)成像系統(tǒng)200在傳統(tǒng)的平視顯示系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)時(shí)，例如在汽車和飛機(jī)中所使用的哪些，在投影儀108上顯示的圖像必須位于離用戶的眼睛相當(dāng)遠(yuǎn)的距離(例如，二或更多英尺)，使得用戶能夠聚焦在所生成的圖像上(例如，用戶的眼睛可以維持聚焦在無窮遠(yuǎn)處)。從而，現(xiàn)有的平視顯示器解決方案和技術(shù)不適合在近眼顯示器中實(shí)現(xiàn)，例如眼鏡和隱形眼鏡，其靠近用戶的眼鏡佩帶。
[0032]在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡的情況下，將所生成的圖像直接投影在光學(xué)透鏡的玻璃表面上將不在視網(wǎng)膜上形成圖像，且使用再成像透鏡將導(dǎo)致真實(shí)世界場(chǎng)景變得被透鏡扭曲。如果所生成的圖像被投影在玻璃的側(cè)面，則來自真實(shí)世界場(chǎng)景的光210和來自投影儀的光202在用戶的視網(wǎng)膜上不重疊。此外，當(dāng)他/她的眼睛聚焦在真實(shí)世界場(chǎng)景上時(shí)，來自投影儀的圖像可能不在用戶眼睛的視野中，且反之亦然。對(duì)于這些和其它原因，在近眼顯示器中實(shí)現(xiàn)成像系統(tǒng)200在真實(shí)世界場(chǎng)景和所生成的圖像之間不提供無縫集成。
[0033]除了上文提及的現(xiàn)有解決方案的限制，上文所討論的替續(xù)成像系統(tǒng)需要投影儀108位于光學(xué)透鏡/擋風(fēng)玻璃162的內(nèi)部或之內(nèi)，使得從投影儀108發(fā)出的光202可以被光學(xué)透鏡/擋風(fēng)玻璃162、206的反射部分170、204反射。在增強(qiáng)顯示眼鏡的情況下，這通常通過將投影儀180設(shè)置在框架102之內(nèi)來實(shí)現(xiàn)，這需要框架102由消費(fèi)者可能發(fā)現(xiàn)不舒適、顯眼、不美的、重的等沒有吸引力的厚的、重的、和/或龐大的材料制成。對(duì)于這些和其它的原因，現(xiàn)有的虛擬/增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和近眼顯示解決方案不適合在近眼顯示器中使用和/或?qū)οM(fèi)者沒有吸引力。
[0034]各個(gè)實(shí)施例提供了能將真實(shí)世界場(chǎng)景(即，在沒有顯示器的情況下用戶將看見的)與電子或計(jì)算機(jī)生成的圖像組合的近眼顯示器，使得用戶在真實(shí)世界場(chǎng)景的背景下看所生成的圖像，而不導(dǎo)致顯著的眼睛疲勞或阻擋周邊視野。各個(gè)實(shí)施例提供了在無需現(xiàn)有技術(shù)的解決方案中所需的龐大的替續(xù)光學(xué)系統(tǒng)的情況下、通過替續(xù)所生成的圖像允許人眼同時(shí)聚焦在真實(shí)世界和所生成的圖像上的近眼顯示系統(tǒng)。各個(gè)實(shí)施例以不造成眼睛疲勞或?qū)е掠脩舴稚⒆⒁饬?隔離的方式無縫地集成真實(shí)世界場(chǎng)景和所生成的圖像。
[0035]圖3A以一對(duì)眼鏡片306的形式示出了一實(shí)施例的近眼顯示系統(tǒng)300的組件。眼鏡306可以是無邊的、線框的、塑料架的、木框架的、牛角架的、眉線的、夾鼻眼鏡、安全眼鏡、太陽鏡、或當(dāng)前可獲得的或未來可能發(fā)展的任何其它類型的護(hù)目鏡或眼鏡。在圖3A中所示出的示例中，眼鏡306包括用于在用戶的眼睛前支持光學(xué)透鏡304的框架?？蚣?04可以由適合在用戶的眼睛前面支持光學(xué)透鏡304的重量輕的材料(例如，聚合物、合金、金屬、木頭等)構(gòu)成。光學(xué)透鏡304可以是醫(yī)學(xué)透鏡、非醫(yī)學(xué)透鏡、矯正視力透鏡、放大透鏡、偏振透鏡、黑透鏡、光致變色透鏡、或者僅僅是一塊透明的玻璃或塑料襯底，或當(dāng)前可獲得的或在未來可能發(fā)展的任何其它類型的眼鏡透鏡。
[0036]光學(xué)透鏡304可以包括近眼顯示器302。近眼顯示器302可以包括透射型顯示器308和衍射型微透鏡陣列310。在一個(gè)實(shí)施例中，該近眼顯示器302可以被嵌入到或附著到光學(xué)透鏡304，使得來自真實(shí)世界的場(chǎng)景的進(jìn)入光在到達(dá)用戶的眼睛透鏡180之前，穿過透射型顯示器308和微透鏡陣列310。
[0037]在各個(gè)實(shí)施例中，近眼顯示器302可以包括位于透射型顯示器308與衍射微鏡頭陣列310之間的兩個(gè)襯底層314和/或間隔物312。襯底層314可以是玻璃、塑料、或本領(lǐng)域已知的任何其它適當(dāng)?shù)耐该骰虬胪该饕r底。間隔物312可以是固體間隔物(例如，玻璃、塑料等)、液體間隔物(例如，液體水晶等)、或氣體間隔物(例如，空氣、氧化鈦等)。
[0038]在各個(gè)實(shí)施例中，可以制作近眼顯示器302使得間隔物312具有兩百(200)微米、一百(100)微米、十(10)微米等的厚度。在一實(shí)施例中，可以將近眼顯示器302制作成具有大約I毫米或更少的總厚度。在一實(shí)施例中，可以制作近眼顯示器302使得透射型顯示器308與衍射型微透鏡陣列310之間的距離大約等于衍射型微透鏡陣列310的焦距。在一實(shí)施例中，可以制作近眼顯示器302使得微透鏡陣列310中的每一微透鏡大約與像素大小相同。
[0039]微透鏡陣列310可以是具有相分別和衍射效率的部分衍射和部分透明的衍射光學(xué)器件(DOE)。在一實(shí)施例中，微透鏡陣列310可以被制作成具有大約50%的衍射效率。在一實(shí)施例中，微透鏡陣列310可以被制作使得來自真實(shí)世界場(chǎng)景的大約50%的光不被微透鏡影響且其它的大約50%的光被聚焦以在離用戶的目鏡大約250mm或更多的距離處形成透射型顯示器308的虛擬圖像。在一實(shí)施例中，微透鏡陣列310的衍射效率可以與微透鏡陣列310的相分布成正比。
[0040]透射型顯示器308可以是透明或半透明和/或使用環(huán)境光作為照明源的任何電子視覺顯示器。透射型顯示器308可以包括或使用各種市場(chǎng)上