Facebook专利：多个可调节状态的自由形式变焦光学组件

小编刘卫华 | 分类：专利 | 发布日期 2021年8月4日

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变焦光学组件

（映维网 2021年08月04日）困扰现代VR/AR头显的一个重大挑战是视觉辐辏调节冲突。在现实世界中，人眼可以自然地对焦一个对象，而世界的其他元素则脱离焦点。VR/AR的问题是，无论你在数字世界中看向何方，你都只是盯着固定的屏幕，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，从而导致视觉辐辏调节冲突。

视觉辐辏调节冲突容易造成用户产生眼睛疲劳，恶心，头晕等问题。针对这种情况，行业厂商纷纷尝试的一个主要解决方案是能够相应地改变焦距或提供不同焦平面的变焦式头显。

Facebook已经就这一方向提交了多份专利申请，而美国专利商标局日前又公布了一份名为“Freeform varifocal optical assembly”的发明技术。

这份专利主要描述了一种包括可配置为具有可调节光学倍率的多个可调节状态的自由形式变焦光学组件。在所述光学组件中，可以通过改变一个或多个光学状态的各自状态来调整具有多个光学状态的光学堆栈的焦距。

例如，在第一状态下，光学状态可以配置为对于第一偏振的光具有第一相应的光学倍率，对于与第一偏振正交的第二偏振的光具有不同于第一相应的光学倍率的第二相应的光学倍率。在第二状态下，各个光学状态可配置为具有用于第一偏振光的第三光学倍率和用于第二偏振光的第四光学倍率。可以通过配置组件的一个或多个连续光学状态来改变光学堆叠的焦距和变焦光学组件的总光学倍率，从而提供波前校正和/或调整。

如专利图5所示，显示设备500包括发光组件阵列510和自由形式变焦光学系统530。发光组件阵列510向用户发射图像光。发光组件阵列510可以是led阵列、microled阵列、oled阵列或其组合。发光组件阵列510包括在可见光范围内发光的发光组件520。

在一个示例中，显示设备500包括发射强度阵列，所述发射强度阵列配置为选择性地衰减从发光阵列510发射的光。在一个示例中，发射强度阵列由多个液晶单元或像素、发光组件组或其组合组成。在一个示例中，液晶单元组可寻址为具有特定衰减水平。例如在给定时间，部分液晶单元可以设置为无衰减，而其他液晶单元可以设置为最大衰减。以这种方式，发射强度阵列可以控制从发光组件阵列510发射的图像光的哪一部分传递到自由形式变焦光学系统530。显示设备500使用发射强度阵列来促进向用户眼睛540的瞳孔550提供图像光，并最小化提供给视窗其他区域的图像光的量。

自由形式变焦光学系统530从发射强度阵列（或直接从发射装置阵列510）接收图像光（衰减光），并将图像光聚焦到瞳孔550的位置。其中，透镜342将图像光聚焦到视网膜344。当将图像光聚焦到瞳孔550的位置时，自由形式变焦光学系统530可提供球面、圆柱形和高阶透镜，以向用户提供像差补偿。

在一个示例中，显示设备500包括一个或多个宽带源（如一个或多个白色LED），所述宽带源与多个滤色器耦合，以作为发光组件阵列510的补充或替代。

自由形式变焦光学系统530包括多个偏振敏感透镜元件，例如由液晶形成的透镜。由液晶形成的偏振敏感透镜元件的示例包括PBP透镜和/或PSH透镜。合适的偏振敏感透镜元件的另一示例包括超材料或超表面。对于具有不同偏振的入射光，偏振敏感透镜元件可以表现出不同的光学倍率。通过控制入射到每个相应透镜的光的偏振和/或透镜的状态，可以控制光学系统以具有选定的总光学倍率。通过包括多个光学模块，每个与相应的透镜效应相关联的各自的光学模块，可以控制光学系统以具有与每个透镜效应相关联的选择总光学倍率。这样，光学系统可以是自由形式的变焦光学系统。

图6则是上述光学模块的一个示例性示意图。在图6中，光学模块以600表示，并可以是图5中的光学组件530的一部分，或者是图5中的光学系统205的一部分。

如图6所示，光学模块600包括多个连续光学状态602A、602B、…、602N，其配置为以各种光学倍率发射光（例如，光604A-604Q）。除了第一光学状态602A之外，连续光学状态的每个相应光学状态接收从前一状态输出的入射光。例如，第二光学状态602B接收从第一状态602A输出的光604C。在一个示例中，连续光学状态602的每个相应状态可配置为处于包括第一状态和第二状态的多个状态中的任何一个。在第一状态下，各光学状态具有用于第一偏振光的第一各光学倍率和用于第二偏振光的第二各光学倍率。在第二状态中，各光学状态具有用于第一偏振光的第三光学倍率和用于第二偏振光的第四光学倍率。结果，通过配置一个或多个连续光学状态602，光学模块600的总光学倍率是可变的。

每个光学状态602可包括至少一个光学元件。例如，光学状态可以包括一对光学元件。图7是包括与第一光学元件712光学串联的第一光学元件712和第二光学元件714的示例光学状态602示意图。

第一光学元件712可经由控制器716配置为处于第一光学元件状态或第二光学元件状态。控制器716是图5所示的处理器560的示例。第一光学元件712可以是可切换光学缓速器，如可切换半波片。在第一光学元件状态（“关”）下，第一光学元件712可配置为分别将第一或第二偏振的光转换为第二或第一偏振的光。第一偏振可以与第二偏振基本正交。在第二光学元件状态（“开”）下，第一光学元件712发射入射光而不改变光的偏振。例如，当控制器716将第一光学元件712设置为第一状态时（如通过不在第一光学元件712施加电压），入射到第一光学元件712上的左圆偏振光将被输出为右圆偏振光（RCP），反之亦然。相反，当控制器716将第一光学元件712设置为第二状态（如通过在第一光学元件712施加电压），入射到第一光学元件712上的光将在其偏振不改变的情况下被发射（如LCP光保持LCP，RCP光保持RCP）。