增强现实显示单元以及包括增强现实显示单元的增强现实头戴装置的改进或与之相关的改进

技术领域

本发明涉及一种增强现实显示单元，其包括前可变光焦度透镜和后可变光焦度透镜以及插入式透明波导显示器。本发明尤其涉及包括两个可变光焦度可压缩液体透镜的增强现实显示单元。本发明还涵盖包括根据本发明的至少一个增强现实显示模块的增强现实头戴装置。

背景技术

WO 99/061940 A1公开了一种压缩型可变光焦度液体透镜，其中具有由透明壁构件和可扩张薄膜形成的相对壁的封闭腔室填充有透明液体，且设置了用于改变透明壁构件与可扩张薄膜之间的间隔的装置，以用于改变腔室中的透明液体的压力。定焦刚性透镜布置在腔室的外部，与透明壁构件邻接。

WO2015/081313 A2公开了用于向用户呈现虚拟现实和增强现实体验的配置。系统可以包括：图像生成源，其以时间顺序的方式提供一帧或更多帧图像数据；光调制器，其配置为透射与一帧或更多帧图像数据相关联的光；衬底，其将图像信息引导到用户的眼睛；其中衬底容纳多个反射器，多个反射器中的第一反射器以第一角度将与图像数据的第一帧相关联的透射光反射到用户的眼睛，且第二反射器以第二角度将与图像数据的第二帧相关联的透射光反射到用户的眼睛。

同时，WO2017/112958 A1公开了一种视网膜光扫描引擎(retinal lightscanning engine，RLSE)，以将对应于图像的光写入用户的视网膜上。视网膜光扫描引擎的光源在任何单个、离散的时刻在视网膜上形成单个光点。为了形成完整的图像，RLSE使用图案在视网膜上进行扫描或写入，以在一个时间段内将光提供给对应于图像的数百万个此类点。RLSE通过同时控制不同光源的功率和光学扫描仪的移动来改变由图案绘制的点的强度和色彩，以根据图案在视网膜上显示所需内容。另外，可以优化用于在视网膜上写入图像的图案。此外，可以使用多个图案来增大或改进显示器的视场。

US 2013/0300635 A1公开了一种有助于对所显示信息执行聚焦校正的方法、装置以及计算机程序产品。在方法的背景中，确定用户的焦距。所述方法还可以基于焦距来确定确定用于显示器的一个或更多个动态聚焦光学组件的至少一个焦点设置。所述方法还可以使得一个或更多个动态聚焦光学组件的配置基于至少一个焦点设置，以在显示器上呈现数据的表示。动态聚焦光学组件可以使用例如液体学、电光学或任何其它动态聚焦技术的技术。例如，基于液体学的动态聚焦组件可以包括聚焦元件，其焦点设置或聚焦可以通过聚焦元件的液体注入或排出来改变。

可调节透镜的一种应用是平视显示器(HUD)和头盔式显示器的领域，例如在EP3091740 A1中所公开，其中双目显示装置包括供用户同时佩戴的两个眼用组件，每只眼睛处有一个相应的眼用组件，每个眼用组件包括：具有正屈光度的外光学部以及具有负屈光度的内光学部，所述外光学部布置为用于接收来自外部场景的外部光并将结果引导到装置的透明波导显示部，所述透明波导显示部布置为用于输出基本上准直的显示光；所述内光学部布置为用于接收外部光和来自波导显示部的基本上准直的显示光，并且使接收到的显示光发散，以生成每个眼用组件的基本上共用的虚焦点并输出结果以供显示，由此在使用中，在通过双目显示装置观看时，由显示光输送的图像叠加在外部场景上作为三维图像。所述装置包括控制器单元，其布置为控制两个发散透镜的屈光度，使得虚焦点基本上共用于每个眼用组件，且使其位置可以改变。

US 2017/0293145 A1公开了一种增强现实显示系统，其包括将波导堆叠夹在中间的一对可变聚焦透镜元件。透镜元件中的一个位于波导堆叠与用户的眼睛之间，以校正从波导堆叠投射到的那只眼睛的聚焦光的屈光不正。透镜元件还可以配置为提供适当的屈光度以将所显示的虚拟内容放置在所需的深度平面上。另一透镜元件在周围环境与波导堆叠之间，且配置为提供屈光度，以补偿最接近眼睛的透镜元件中透射过波导堆叠的环境光的像差。另外，眼睛跟踪系统会监测用户眼睛的聚散度，并基于那些眼睛的确定版本自动并连续地调节这对透镜元件的屈光度。在一些实施方案中，可变聚焦透镜元件可以是可调适的光学元件。在一些实施方案中，可调适的光学元件可以包括透射式光学元件，例如动态透镜(例如，液晶透镜、电活性透镜、具有移动元件的常规折射透镜、基于机械变形的透镜、电润湿透镜、弹性透镜或具有不同折射率的多种液体)。

对于包括两个或更多个可变光焦度透镜和插入式波导显示器的增强现实显示单元，其重要考虑因素包扩单元的大小和重量，以及其用于操作可变光焦度透镜的功率消耗。

本发明的目标是减少包括两个或更多个压缩型可变光焦度液体透镜和插入式波导显示器的增强现实显示单元的功率要求。

本发明的另一目标是减少包括两个或更多个压缩型可变光焦度液体透镜和插入式波导显示器的增强现实显示单元的大小和/或重量。

发明内容

因此，根据本发明的第一方面，提供一种用于增强现实头戴装置等的增强现实显示单元，其包括：前可变光焦度压缩液体透镜组件、后可变光焦度压缩液体透镜组件、透明波导显示器和可选择性操作的调节机构，所述前可变光焦度压缩液体透镜组件和后可变光焦度压缩液体透镜组件在光轴上相互光学对准；所述透明波导显示器介于前液体透镜组件与后液体透镜组件之间；所述可选择性操作的调节机构用于以相互相反的方式同时调节前压缩液体透镜组件和后压缩液体透镜组件的光焦度。前压缩液体透镜组件和后压缩液体透镜组件的每一个配置为随着绝对光焦度增大而储存弹性势能，且随着绝对光焦度减小而释放弹性势能。有利地，调节机构配置为将前压缩液体透镜组件和后压缩液体透镜组件的致动连接在一起，使得由压缩液体透镜组件中的一个在绝对光焦度减小时释放的弹性势能有助于驱动调节机构来增大另一个压缩液体透镜组件的绝对光焦度。

因此，在不存在摩擦的情况下，与单独地用于透镜组件中的一个的积极致动的等效单个调节机构相比，用于致动前透镜组件和后透镜组件的单个调节机构可能需要更少的功。首先且在不存在摩擦的情况下，根据本发明连接的一对液体透镜组件的准静态致动所需的功大约为致动单个液体透镜组件的一半。

增强现实显示单元的“光轴”在本文中是指穿过增强现实显示单元的在光线的方向上不引入净偏移(即不引入净棱镜)的线。通常，增强现实显示单元将配置为使得在使用中，用户将沿着光轴通过增强现实显示单元直视前方。前可变光焦度压缩液体透镜组件和后可变光焦度压缩液体透镜组件的每一个限定其自身的透镜光轴，光轴在每种情况下都为穿过透镜组件的在光线的方向上并不引入净偏移的线。如下文更详细地描述，在一些实施方案中，增强现实显示单元的光轴可以不同于前透镜组件和后透镜组件的透镜光轴。如在具有透镜的一副典型矫正眼镜或其它护目镜中，相比于使用中的与用户的镜腿并置定位的显示单元的第二镜腿区域，增强现实显示单元的光轴通常可以偏心地定位为更接近使用中的与用户的鼻子并置定位的显示单元的第一鼻区域。

合适地，前压缩液体透镜组件和后压缩液体透镜组件的每一个可以包括液体填充封装，所述液体填充封装具有由可扩张弹性薄膜形成的第一壁、由具有固定光焦度的透明板或硬质透镜的内表面形成或支撑在具有固定光焦度的透明板或硬质透镜的内表面上的第二基本上刚性的壁以及可收缩侧壁，所述可扩张弹性薄膜在其边缘周围通过薄膜保持结构保持在张力下。薄膜可以形成具有可变屈光度的光学表面。调节机构可以布置为使薄膜的边缘在平行于光轴的方向上朝向或远离第二壁移动，以用于改变封装内的液体的压力，从而使薄膜在平行于光轴的方向上扩张或收缩，以用于改变薄膜的光学表面的光焦度。前压缩液体透镜组件和后压缩液体透镜组件的每一个在薄膜的最大扩张点处限定光学中心，光学中心位于透镜组件的光轴上，如上文所陈述，透镜组件的光轴可以相同或不同于整个增强现实显示单元的光轴。

合适地，薄膜保持结构可以包括外周支撑环。

在一些实施方案中，支撑环可以是圆形的。合适地，支撑环可以是刚性的。

或者，支撑环可以是非圆形的。

在一些实施方案中，尤其在支撑环是非圆形的时，支撑环可以是可弹性弯曲的。

合适地，调节机构可以布置为使薄膜的边缘的一个或更多个区域(例如，由支撑环保持的位置)在平行于光轴的方向上朝向或远离第二壁移动。在薄膜保持结构包括可弯曲支撑环的情况下，这会使支撑环发生弯曲。具体来说，支撑环可以在基本上平行于光轴的方向上弯曲。更具体来说，支撑环可以在基本上平行于光轴且基本上平行于弯曲点处的支撑环的切线的平面上弯曲。

在一些实施方案中，薄膜的边缘可以在一个或更多个铰接点处与第二壁保持(例如，通过支撑环)固定距离。薄膜的边缘可以在铰接点之间变形。例如，支撑环可以在铰接点之间弯曲。

在一些实施方案中，致动机构在一个或更多个致动点处与薄膜保持结构(例如，支撑环)接合，使得致动机构的操作使薄膜保持结构在一个或更多个致动点处基本上平行于光轴地朝向或远离第二壁局部移动。

合适地，调节机构可包括可往复移动的部件，所述可往复移动的部件可操作地连接到前压缩液体透镜组件和后压缩液体透镜组件的薄膜保持结构(例如，支撑环)，以用于同时使薄膜保持结构在基本上平行于光轴的方向上且以相互相反的方式朝向或远离它们各自的第二壁移动，使得在压缩液体透镜组件中的一个的绝对光焦度增大时，另一个压缩液体透镜组件的绝对光焦度减小，反之亦然。

例如，在一些实施方案中，调节机构可以包括可往复移动的凸轮板，所述可往复移动的凸轮板具有一个或更多个第一凸轮表面以及一个或更多个第二凸轮表面，所述一个或更多个第一凸轮表面布置为在前压缩液体透镜组件的薄膜保持结构(例如，支撑环)上的一个或更多个致动点处与一个或更多个相应的凸轮从动件构件接合；所述一个或更多个第二凸轮表面布置为在后压缩液体透镜组件的薄膜保持结构(例如，支撑环)上的一个或更多个致动点处与一个或更多个相应的凸轮从动件构件接合。一个或更多个第一凸轮表面和一个或更多个第二凸轮表面可以配置为使凸轮板的移动使得以相互相反的方式同时使前压缩液体透镜组件和后压缩液体透镜组件的薄膜保持结构在它们各自的致动点处在基本上平行于光轴的方向上朝向或远离它们各自的第二壁移动。以此方式，随着压缩液体透镜组件中的一个的绝对光焦度增大，另一个压缩液体透镜组件的绝对光焦度可以减小，反之亦然。

合适地，可往复移动的部件可以包括套环，所述套环具有布置为完全或部分地围绕波导显示器的第一相对端和第二相对端。套环可以布置为用于在基本上平行于光轴的方向上在前液体压缩透镜组件与后液体压缩透镜组件之间往复移动。套环的第一端或与之连接的部件可以布置为与前压缩液体透镜组件的薄膜保持结构(例如，支撑环)接合。同时，套环的第二端或与之连接的部件可以布置为与后压缩液体透镜组件的薄膜保持结构(例如，支撑环)接合。

在一些实施方案中，前压缩液体透镜组件和后压缩液体透镜组件可以布置为使得它们各自的薄膜和薄膜保持结构(例如，支撑环)面向套环。

合适地，套环可以形成有至少一个孔，所述至少一个孔在套环处于前压缩液体透镜组件与后压缩液体透镜组件之间的所有位置处时都保持与波导显示器对准。

在一些实施方案中，前压缩液体透镜的第二壁可以由硬质透镜或板形成或支撑在硬质透镜或板上，所述硬质透镜或板具有光学外表面，所述光学外表面的光焦度在约-1.0到约0屈光度的范围内，合适地为0或-0.5屈光度。前压缩液体透镜的薄膜的光学表面的基线光焦度可以为约0到1.0屈光度，合适地为0或0.5屈光度，且可以通过约1.0到3.0屈光度的范围内的量，合适地为2.0或2.5屈光度的量进行调节。在一些实施方案中，可以在基础曲线上形成前压缩液体透镜的硬质透镜或板，且应相应地调节前压缩液体透镜的薄膜的基线光焦度。

类似地，后压缩液体透镜的第二壁可以由硬质透镜形成或支撑在硬质透镜上，所述硬质透镜具有光学外表面，所述光学外表面的光焦度在约-1.0到约-3.0屈光度的范围内，合适地为-2.0或-2.5屈光度。合适地，后压缩液体透镜的薄膜的光学表面的基线光焦度可以为约0到1.0屈光度，合适地为0或0.5屈光度，且可以通过约1.0到3.0屈光度的范围内的量，合适地为2.0或2.5屈光度的量进行调节。在一些实施方案中，后压缩液体透镜的硬质透镜的光学外表面的负光焦度的绝对值可以大于后液体透镜的薄膜的正光焦度的绝对值，使得增强现实显示单元始终具有恒定的净负光焦度以校正用户的屈光不正。从而，在一些实施方案中，后压缩透镜的硬质透镜的光学外表面的光焦度可以至多为约-9.0屈光度；更通常为至多约-6.0屈光度。

相应地，在一些实施方案中，增强显示单元的净光焦度可以在后压缩液体透镜的调节期间基本上保持为零。而在一些实施方案中，增强显示单元的净光焦度可以在后压缩液体透镜的调节期间保持为非零且基本上恒定。

在一些实施方案中，前压缩液体透镜的第二壁可以由透明板或硬质透镜形成或支撑在透明板或硬质透镜上，所述透明板或硬质透镜相对于增强现实显示单元的光轴以第一角度倾斜。透明板或硬质透镜的此倾斜可以将第一棱镜度引入穿过其中的光线。类似地，后压缩液体透镜的第二壁可以由透明板或硬质透镜形成或支撑在透明板或硬质透镜上，所述透明板或硬质透镜相对于光轴以第二角度倾斜，从而将第二棱镜度引入穿过其中的光线。第一棱镜度与第二棱镜度可以是基本上彼此相等且相反的。

因此，在本发明的第二方面中，提供一种用于增强现实头戴装置等的增强现实显示单元，其包括：前可变光焦度压缩液体透镜组件、后可变光焦度压缩液体透镜组件、透明波导显示器和可选择性操作的调节机构，所述前可变光焦度压缩液体透镜组件和后可变光焦度压缩液体透镜组件在光轴上相互光学对准；所述透明波导显示器介于前液体透镜组件与后液体透镜组件之间；所述可选择性操作的调节机构用于调节前压缩液体透镜组件和后压缩液体透镜组件的光焦度。前压缩液体透镜组件和后压缩液体透镜组件的每一个可以包括液体填充封装，所述液体填充封装具有由可扩张弹性薄膜形成的第一壁、由具有固定光焦度的透明板或硬质透镜的表面形成或支撑在具有固定光焦度的透明板或硬质透镜的表面上的第二基本上刚性的壁以及可收缩侧壁，所述可扩张弹性薄膜在其边缘周围通过外周薄膜保持结构保持在张力下。在前压缩液体透镜组件和后压缩液体透镜组件的每一个中，薄膜可以形成具有可变屈光度的光学表面。调节机构可以布置为使薄膜保持结构平行于光轴地朝向或远离第二壁移动，以用于改变封装内的液体的压力，从而使薄膜在平行于光轴的方向上扩张或收缩，以用于调节薄膜的光学表面的光焦度。前压缩液体透镜的第二壁可以由透明板或硬质透镜形成或支撑在透明板或硬质透镜上，所述透明板或硬质透镜相对于光轴以第一角度倾斜以将第一棱镜度引入穿过其中的光线。后压缩液体透镜的第二壁可以由透明板或硬质透镜形成或支撑在透明板或硬质透镜上，所述透明板或硬质透镜相对于光轴以第二角度倾斜以将第二棱镜度引入穿过其中的光线。合适地，第一棱镜度与第二棱镜度基本上彼此相等且相反。

如上文所描述，增强现实显示单元的光轴为用户通过增强现实显示单元直视前方的轴线。合适地，增强现实显示单元的光轴可以布置在每个薄膜的偏心位置处，即，与薄膜的边缘的其它区域相比，更接近薄膜的边缘的一个区域。例如，出于视场考虑，相比于使用中的与用户的镜腿并置定位的薄膜的边缘的镜腿区域，光轴通常可以布置为更接近使用中的与用户的鼻子并置定位的薄膜的边缘的鼻区域。

此外，前压缩液体透镜组件和后压缩液体透镜组件的每一个的光学中心在薄膜的最大扩张点处，所述光学中心位于透镜组件的透镜光轴上。如上文所提及，透镜光轴为穿过透镜组件的在光线的方向上并不引入净偏移的线，且如上文所陈述，透镜光轴可以相同或不同于整个增强现实显示单元的光轴。

在一些实施方案中，前压缩液体透镜组件可以配置为使得其处于最小扩张形状的薄膜的远离第二壁的曲率大于第二壁的曲率。同时，后压缩液体透镜组件可以配置为使得其处于最小扩张形状的薄膜的远离相应的第二壁的曲率小于第二壁的曲率。有利地，前压缩液体透镜组件的透明板或硬质透镜可以朝向相关联的薄膜的第一边缘区域倾斜。在增强现实显示单元的光轴相比于薄膜的边缘的其它区域更接近薄膜的第一边缘区域定位的情况下，这可以具有使前透镜组件的光学中心远离显示单元的光轴朝向薄膜的中心移动的效果，从而引入第一棱镜度。同时，后压缩液体透镜组件的硬质透镜可以向远离相关联的薄膜的第二边缘区域倾斜。这可以具有使后透镜组件的光学中心远离显示单元的光轴朝向薄膜的中心移动的效果，从而引入第二棱镜度。前压缩液体透镜组件和后压缩液体透镜组件的薄膜的第一边缘区域和第二边缘区域可以相互对准。合适地，第一棱镜度与第二棱镜度相等且相反，使得在光线在光轴的行进方向上不存在(或存在最小的)净变化。

此布置有利地允许前液体透镜组件的硬质透镜或板移动为更接近相关联的薄膜、至少与第一边缘区域并置，以减小前液体透镜组件的厚度。类似地，此布置可以允许后液体透镜组件的硬质透镜移动为更接近相关联的薄膜，从而减小后液体透镜组件的厚度。在前透镜组件和后透镜组件两者中，使硬质透镜或板倾斜允许透镜组件的光学中心移动到薄膜的几何中心或更接近薄膜的几何中心。在一些实施方案中，前透镜组件和后透镜组件塑形成使得薄膜的每一个限定基本上垂直于光轴定向的两个相互正交轴线；即第一长轴和第二短轴，其中长轴长于短轴。通常，透镜组件可以配置为使得在使用中长轴基本上水平地延伸，而短轴基本上竖直地延伸，但将了解，这取决于由透镜组件限定的眼睛形状。

从而，在前压缩液体透镜组件如上文所描述般配置而使得处于最小扩张形状的薄膜的远离第二壁的曲率大于第二壁的曲率的情况下，此布置允许在长轴相对端的薄膜的边缘区域中在平行于光轴的方向上将薄膜压缩基本上相同量，由于在此长轴的末端处获得前透镜组件的最小空隙状况，这继而允许前透镜组件制成为在光轴上尽可能薄。

此外，在后压缩液体透镜组件如上文所描述般配置而使得处于最小扩张形状的薄膜的远离第二壁的曲率大于第二壁的曲率的情况下，此布置允许在长轴相对端的薄膜的边缘区域中在光轴上使薄膜延伸基本上相同量，这继而允许后透镜组件制成为在光轴上尽可能薄。这是由于在两个相对端之间的长轴的中心处获得了前透镜组件的最小空隙状况。应理解，此考虑和前一段落的考虑涉及球形薄膜形状，但类似考虑也适用于椭圆形(球柱形)表面。

尽管第一棱镜度与第二棱镜度合适地基本上彼此相等且相反，使得引入到穿过前透镜组件和后透镜组件两者的光线的净棱镜为零或几乎为零，但应理解，由波导显示部发射的光仅穿过后透镜组件。因此，合适地，波导显示器可以配置为输出具有等于第一棱镜度的棱镜度的光。

如同本发明的第一方面的增强现实显示单元，根据此第二方面的增强现实显示单元的薄膜保持结构还可以包括薄膜支撑环，例如可弯曲的支撑环。更一般地说，关于本发明的第一或第二方面中的一个或另一个描述的增强现实显示单元的特征适用于两方面，且应理解为这样除非指示为相反的情况。

在本发明的另一方面中，提供一种用于用户的增强现实头戴装置，其包括至少一个根据本发明的第一和/或第二方面的增强现实显示单元和至少一个投射器。增强现实显示单元可以布置在头戴装置上或头戴装置中，使得在用户佩戴头戴装置时，增强现实显示单元位于用户眼睛的前方。投射器具有可以连接到波导显示器的输出。

合适地，增强现实头戴装置可以包括两个根据本发明的第一和/或第二方面的增强现实显示单元。合适地，增强现实显示单元的每一个可以位于头戴装置中或头戴装置上，使得在用户佩戴头戴装置时，增强现实显示单元位于用户眼睛中的相应一个的前方。

附图说明

以下内容是参考本发明的各个方面的实施方案的附图仅通过示例的方式给出的描述。

在附图中：

图1A到图1D为包括前可变光焦度可压缩液体透镜组件、后可变光焦度可压缩液体透镜组件和插入式波导显示器的增强现实显示单元的一系列示意性表示。以截面示出增强现实显示单元，以说明前可压缩液体透镜组件和后可压缩液体透镜组件的调节具有共轭对，使得其净光焦度为零。在图1A到图1D的每一幅图中，根据后可压缩液体透镜组件的光焦度，在不同的虚像面中示出虚像(蜜蜂)，而在实像面中示出实像(毛地黄花)。

图2为根据本发明的第一实施方案的增强现实显示单元的平面图。增强现实显示单元包括前可变光焦度可压缩液体透镜组件和后可变光焦度可压缩液体透镜组件，所述组件的每一个具有圆形的前光学外表面和后光学外表面，前光学外表面和后光学外表面中的一个具有由硬质透镜的表面提供的固定光焦度，且前光学外表面和后光学外表面中的另一个具有由可扩张薄膜的表面提供的可变光焦度。增强显示单元还包括插入式波导显示器。前可压缩液体透镜组件和后可压缩液体透镜组件的前光学外表面和后光学外表面以及波导显示器都以虚线指示。

图3为图2的增强现实显示单元的前视图。

图4为沿着图3的线B-B以截面所示的图2和图3的增强现实显示单元的从前部到一侧的透视图。

图5A到图5C为沿着图3的线A-A的图2到图4的增强现实显示单元的一系列截面图。在图5A到图5C的每一幅图中，示出了处于不同致动状态的前可压缩液体透镜组件和后可压缩液体透镜组件的可扩张薄膜，所述状态组合以产生相同的净光焦度。

图6为包括在图2到图5的增强现实显示单元中的前可压缩液体透镜组件类型的示意性表示，其中光轴中心地定位。

图7为包括在图2到图5的增强现实显示单元中的后可压缩液体透镜组件类型的示意性表示，其中光轴中心地定位。

图8为用于本发明的增强现实显示单元中的前可压缩液体透镜组件的示意性表示，其中光轴是偏心的且硬质透镜相对于光轴倾斜。

图9A到图9C为用于本发明的增强现实显示单元中的后可压缩液体透镜组件的一系列示意性表示，其中光轴是偏心的。在图9A中，后可压缩液体透镜组件的硬质透镜示出为处于未倾斜位置；在图9B中，后可压缩液体透镜组件的硬质透镜相对于光轴倾斜；在图9C中，后可压缩液体透镜组件的硬质透镜相对于光轴倾斜且移动为更接近可扩张薄膜。

图10为根据本发明的增强现实显示单元的示意图，其中前可压缩液体透镜组件和后可压缩液体透镜组件的硬质透镜相对于光轴倾斜，使得由每一硬质透镜引入的棱镜度相等且相反，且波导显示器配置为将与通过倾斜后可压缩液体透镜组件的硬质透镜所引入的棱镜度相等且相反的棱镜度赋予从波导显示器输出的光。

图11为根据本发明的第二实施方案的如由用户佩戴的增强现实头戴装置的示意性透视图。

图12A为根据本发明的包括在图11的增强现实头戴装置中的左侧非圆形增强现实显示单元的前视图。左侧增强现实显示单元包括调节机构，其在图12A中示出为处于第一位置。

图12B为图12A的增强现实显示单元的另一前视图，其中调节机构示出为处于第二位置。

图13A为图12A和图12B的增强现实显示单元的左侧视图，其中调节机构示出为处于第一位置。

图13B为图12A、图12B以及图13A的增强现实显示单元的另一左侧视图，其中调节机构示出为处于第二位置。

图14A为沿着图12A所示的线A-A的图12A、图12B、图13A以及图13B的增强现实显示单元的截面图。图14A示出形成增强现实显示单元的部分的前可压缩液体透镜组件和后可压缩液体透镜组件以及插入式波导显示器。

图14B为沿着图12B所示的线B-B的图12A、图12B、图13A、图13B以及图14A的增强现实显示单元的截面图。

图15A为在沿着图12A的线C-C的截面中的图12A、图12B、图13A、图13B、图14A以及图14B的增强现实显示单元的部分的从前方到右侧的透视图，其示出处于第一位置的调节机构。

图15B为在沿着图12B的线D-D的截面中的图12A、图12B、图13A、图13B、图14A、图14B以及图15A的增强现实显示单元的部分的从前方到右侧的透视图，其示出处于第二位置的调节机构。

图16为从具有外部齿条部分的凸轮板的左侧后方的透视图，所述凸轮板形成图12A、图12B、图13A、图13B、图14A、图14B、图15A以及图15B的左侧增强现实显示单元的调节机构的部分。

图17为图16的凸轮板和也形成调节机构的部分的电机的仰视图，其示出齿条部分与布置为由电机驱动的小齿轮的互相啮合。

图18为图17所示的电机的透视图。

图19为图16的凸轮板的左侧视图，其包括示出两个自动扶梯式凸轮轨道的凸轮板的部分的放大图。

图20为用于根据本发明的增强现实显示单元的调节机构中的替代凸轮板的侧视图。

图21为从图20的凸轮板的左侧后方的分解透视图，其示出凸轮板与增强现实显示模块的前可压缩液体透镜组件和后可压缩液体透镜组件上呈辊形式的凸轮从动件的接合。

具体实施方式

增强现实显示单元的背景描述

图1A到图1D包括增强现实显示单元10的一系列示意性表示，所述增强现实显示单元10包括：前可变光焦度可压缩液体透镜组件20、后可变光焦度可压缩液体透镜组件30以及布置在前可压缩液体透镜组件20与后可压缩液体透镜组件30中间的透明波导显示器40。

前可压缩液体透镜组件20包括平凸硬质后透镜22，所述平凸硬质后透镜22具有平面后光学表面23和凸面前表面24。后透镜22的前表面24形成液体填充封装25的后壁，所述封装25具有由光学透明的可扩张薄膜26形成的前壁，所述可扩张薄膜26在其边缘周围处由充当薄膜保持结构的外周支撑环21保持在张力下。封装进一步包括可收缩侧壁27(在图1C和图1D中最佳示出)，所述可收缩侧壁27在后透镜22的外周支撑环与前表面24之间延伸，且填充有折射率相同于或接近于后透镜22的折射率的光学透明的折射液体28。

从而，前可压缩液体透镜组件20形成一体式可变光焦度透镜，其具有由可扩张薄膜26提供的前光学表面和由后透镜22的后表面23提供的后光学表面。前可压缩液体透镜组件20的光焦度由后透镜22的后表面23的光焦度(由于其后表面23是平坦的，在此示例中光焦度为零)和薄膜26的可变光焦度来确定。在本示例中，薄膜26的光焦度可在0至+2.5屈光度之间变化，使得前可压缩液体透镜组件也具有在0到+2.5屈光度范围内的可变光焦度，但此范围仅出于说明的目的而给出，且在其它示例中可以更宽或更窄。

设置了合适的调节机构(未示出)，用于将在薄膜26的边缘周围处保持薄膜26的外周支撑环朝向后透镜22的前表面24移动。可收缩的侧壁27允许支撑环朝向后透镜22移动，以增大封装25内的折射液体28的压力，从而使薄膜26向前扩张，增大薄膜26的光焦度。在图1A中示出薄膜26处于其最大扩张状态。

在薄膜26处于其最大扩张状态且封装25中的液体压力增大的情况下，前可压缩液体透镜组件20以相对高的势能状态存在。操作调节机构以使得或允许支撑环向前移动远离后透镜22的前表面24减少了封装25内的液体28的压力，且允许膜26松弛下来并变得如图1B到图1D中所示般较小扩张，在图1B到图1D中薄膜26的光焦度逐渐减小。由于薄膜26变得较小扩张且封装25内的液体压力减小，前可压缩液体透镜组件20释放势能。在图1D中，示出薄膜26处于几乎平坦的较小扩张状态，使得前可压缩液体透镜组件20具有例如约+0.5屈光度的较小正光焦度。在其最小的扩张状态下，前可压缩液体透镜组件20处于相对低的势能状态。

后可压缩液体透镜组件30的构造类似于前可压缩液体透镜组件20之处在于，后透镜组件30包括硬质后透镜32、预张紧式光学透明的可扩张薄膜36和可收缩侧壁37。薄膜36和可收缩侧壁37与后透镜32的凸面前表面34形成液体填充封装35。类似于前透镜组件20，后透镜组件30的封装35填充有折射率相同于或基本上相同于后透镜32的折射率的折射液体。

如图1A到图1D所示，透明波导显示器40连接到投射器，如下文较详细地描述。

不同于前透镜组件20的后透镜22，后透镜组件30的后透镜32具有凹面后表面33，凹面后表面33具有负光焦度。在本示例中，后表面33具有-2.5屈光度的光焦度。类似于前透镜组件20，后透镜组件的薄膜36在其边缘周围处由外周支撑环31保持，所述支撑环31可以由调节机构朝向并远离后透镜32移动，以改变薄膜36的光焦度。在其最小扩张状态下，如图1A所示，后透镜组件30的薄膜36由于它基本上是平坦的而具有零光焦度，而在其最大扩张状态下，薄膜36具有约+2.5屈光度的屈光度。因此，类似于前透镜组件20，后透镜组件30也形成一体式可变光焦度透镜，所述可变光焦度透镜的净光焦度由薄膜36的可变光焦度和后透镜32的后表面33的固定光焦度来确定。因此，后透镜组件30的光焦度可在-2.5到零屈光度的范围内调节，但同样，在其它示例中，此范围可以取决于后透镜组件30的配置而更宽或更窄，类似地，后透镜32的后表面33的光焦度可以改变。

然而，如将从下文显而易见，后透镜组件30应能够在包括零的负屈光度范围内进行调节，而前透镜组件20应能够在包括零的共轭的正屈光度范围内进行调节。

如上文所提及，透明波导显示器40连接到投射器(未示出)，用于接收输送要显示给用户的图像的光。光沿着波导透射，且以虚拟和增强现实显示装置领域的技术人员已知的方式发射为朝向用户眼睛的准直光，用户的眼睛在图1A到图1D中由字母E指示。由于通过波导显示器40发射的光是准直的，因此由光输送的图像可以被无限远处的用户感知。为了在比无限远更近的像面处创建虚像，可以将后透镜组件30的光焦度调节为负屈光度。后透镜组件30的(负)光焦度越大，虚像将看起来越接近用户。图1A到图1D示出，随着通过逐渐地增大薄膜36的曲率使后透镜组件30的光焦度从约-2.5屈光度增大到约-0.5屈光度，蜜蜂(由字母V指示)的虚像出现在与用户的距离逐渐变大的像面中。

为了使用户在其视野中看到的实像(例如在图1A到图1D中由字母R指示的毛地黄花)不受后透镜组件30的光焦度的影响，以相反的方式调节前透镜组件20的光焦度。随着后透镜组件30的光焦度变得更负，以相等或基本上相等且相反的程度使前透镜组件30的光焦度变得更正。因此，在图1A中，后透镜组件30具有约-2.5屈光度的净光焦度，且前透镜组件20具有约+2.5屈光度的净光焦度，其中薄膜26处于如上文所描述的其最大扩张状态。同时，在后透镜组件30的净光焦度减小，例如如图1D所示的约-0.5屈光度时，前透镜组件20的净光焦度基本上保持相等且相反，例如约+0.5屈光度，其中薄膜26处于较小扩张状态。以此方式，可以视需要调节由从波导显示器40发射的光输送的虚拟蜜蜂V或其它图像的像面，同时用户继续在其实际距离处感知到其视野中的真实的毛地黄花R以及任何其它实像。

调节机构配置为用于同时以相反的方式操作前透镜组件20和后透镜组件30，使得不论后透镜组件30的光焦度如何，前透镜组件20和后透镜组件30的光焦度基本上保持相等且相反。这在以双目方式使用图1A到图1D所示类型的两个增强现实显示单元以形成立体图像时尤其有用，在立体图像中以对应于与用户的虚拟距离的视差程度来显示虚像。为了避免聚散度调节冲突(vergence-accommodation conflict，VAC)，可以使用两个增强现实显示单元来操纵虚像的像面，以使其与虚像的视差程度一致，以使得用户能看到并适应同一像面。

示例1：增强现实显示单元

图2到图4示出根据本发明的第一实施方案的增强现实显示单元100。广义地说，增强现实显示单元100具有与上文参考图1A到图1D所描述的增强现实显示单元类似的布置，类似之处在于，其包括前可变光焦度可压缩液体透镜组件120、后可变光焦度可压缩液体透镜组件130以及中间的透明波导显示器140。

从图4的检查能立即看出，与图1A到图1D的增强现实显示单元的差异在于，在本实施方案的增强现实显示单元100中，前可压缩液体透镜组件120布置为与图1A到图1D的前可压缩液体透镜组件20相反，即前可压缩液体透镜组件120的可扩张薄膜126布置在光学透明的硬质前板122后方的，使得薄膜126面向透明波导显示器140，而在图1A到图1D中，薄膜26布置在硬质后透镜22的前方且背对透明波导显示器40。然而，前(或后)可压缩液体透镜组件120(或130)的定向并非本发明的必要特征，且本领域的技术人员将能够容易地调节增强现实显示单元100的组件及其布置，以根据显示单元100的最终使用视需要定向前可压缩液体透镜组件120和后可压缩液体透镜组件130。重要的是，前可压缩液体透镜组件120和后可压缩液体透镜组件130应操作为如上文关于图1A到图1D且下文更详细地描述的共轭可变光焦度透镜。

因此，如图4中最佳示出，增强现实显示单元100包括分别具有平面后表面123和平面前表面124的圆形光学透明的硬质前板122，使得硬质前板122基本上不具有本征光焦度，但在其它实施方案中，硬质前板122可以由具有至多约+4.0屈光度(通常至多约+1.0屈光度或+2.0屈光度)的固定光焦度的硬质前透镜替换。前板122的后表面123形成液体填充封装125的硬质前壁，所述封装125填充有明显不可压缩的、光学透明的折射液体128。

具有环形截面的可收缩侧壁127围绕封装125周向地延伸，如图4所示，且在前端处或朝向前端接合到前板122的后表面123。可收缩侧壁127还在后端处或朝向后端围绕薄膜126的外周接合到圆形可扩张薄膜126的前表面。薄膜126的后表面接合到振荡圆柱形套环150的环状前端152，所述套环150从前可压缩液体透镜组件120向后延伸。从而，薄膜126被夹在可收缩侧壁127与圆柱形套环150之间，且被预张紧到如WO 2017/055787 A2中所描述的至少180N/m的线张力，WO 2017/055787 A2的内容以引用的方式并入本文中。

振荡套环150被安装用于在增强现实显示单元100的光轴O上前后振荡，如图5A到图5C所示，且主要由环绕并限定增强现实显示单元100内的圆柱形凹部155的圆柱形壁151组成。圆柱形壁151具有附接有部件(未示出)的外部表面157，所述部件配置为接合用于在前透镜组件120与后透镜组件130之间沿着光轴O前后驱动套环150的可选择性操作的线性致动器。例如，所述部件可以包括配置为与对应的小齿轮接合的齿条，所述小齿轮布置为由电机等(未示出)驱动。

透明波导显示器140在前可压缩液体透镜组件120后方容纳在圆柱形凹部155内。圆柱形壁151具有窗口158，如图2和图4中最佳示出，所述窗口158用于将波导显示器140连接到160处示意性地指示的投射器。如图2所示，波导显示器140布置为基本上垂直于光轴O。

套环150的后端153接合到后可压缩液体透镜组件130的可扩张薄膜136的前表面，其中后透镜组件130布置在波导显示器140后方。可扩张薄膜136形成液体填充封装135的前壁，所述液体填充封装135填充有明显不可压缩的、光学透明的折射液体138。封装135由具有环形截面的可收缩侧壁137环绕，所述可收缩侧壁137在前端处或朝向前端接合到薄膜136的后表面，使得可扩张薄膜136被夹在套环150的后端153与可收缩侧壁137的前端之间，且在后端处或朝向后端接合到硬质后透镜132的前表面134，所述硬质后透镜132还具有后表面133。

不同于平面的硬质前板122，硬质后透镜132为凹凸透镜，其中前表面134是凸面的且后表面133是凹面的，使得后表面133具有约-2.0屈光度的固定负光焦度。本领域的技术人员将了解，如图2、图4以及图5A到图5C所示的后透镜132的后表面133的曲率比-2.0屈光度大得多(更负)，那些附图中的后表面133的曲率已出于说明的目的被夸大。类似地，如附图所示的薄膜126和136的曲率是示意性的。在其它实施方案中，后透镜132的后表面133的光焦度可以处于约-1.0到约-3.0屈光度的范围内。

前板122和后透镜132可以由相同或不同的材料制成，但通常由常用于制造眼透镜类型的硬质光学透明材料制成形成。

前液体透镜组件120的可收缩侧壁127和后液体透镜组件130的可收缩侧壁137也可以由相同或不同的材料制成。在本实施方案中，它们都由光学透明的柔性热塑性聚氨酯(例如，可购自英国格洛斯特的Messrs.Permali Gloucester有限公司的

前透镜组件120的薄膜126和后透镜组件130的薄膜136可以由相同或不同的材料制成，但在本实施方案中，它们都由厚度约为220μm的热塑性聚氨酯片材(例如，可购自Messrs.BASF的

可收缩侧壁127、137分别使用光可固化粘着剂(例如，

用于填充前液体透镜组件120和后液体透镜组件130的封装125和135的折射液体128和138可以分别相同或彼此不同。便利地，折射液体128、138可以彼此相同，尤其在使用同一材料形成前液体透镜组件120和后液体透镜组件130的可扩张薄膜126和136的情况下更是如此。

折射液体128、138应是无色的并具有至少约1.5的折射率。合适地，每种折射液体128、138的折射率应与相应的薄膜126、136匹配，以使得用户基本上感知不到薄膜126、136与相关联的液体128、138之间的界面。折射液体应具有低毒性和低挥发性；它们应该是惰性的且在高于约-10℃或低于约100℃下不展现相变。液体128、138在至少约80℃的高温下应是稳定的且展现低微生物生长。在一些实施方案中，液体128、138可以具有约1g/cm

在本发明的实施方案中，薄膜126、136都由聚醚聚胺酯(例如，

增强现实显示单元100设计成安装于合适的框架或其它结构中，所述其它结构将前板122和后透镜132保持为彼此隔开固定距离，同时允许套环150在图5A所示的状态a与图5C所示的状态c之间沿光轴O在前板122与后透镜132之间振荡。将了解，当套环150沿光轴O向前移动时，前可压缩液体透镜组件120的可收缩侧壁127在套环150与前板122之间被逐渐压缩，所述前板122由如上文所提及的框架或其它结构保持固定，如图5B和图5C所示。前透镜组件120的液体填充封装125的此压缩使封装125内的液体128的压力增大，结果为随着封装125内的压力增大，可扩张薄膜126向后扩张使曲率增大。由于薄膜126是圆形的，因此其球形地或几乎球形地扩张以形成光学透镜表面。

以类似方式，当套环150沿光轴O向后移动时，后液体透镜组件130的可收缩侧壁137在套环150与硬质后透镜132之间被压缩，如上文所提及，所述硬质后透镜132也在框架或其它结构内保持固定，从而随着后透镜组件130的液体填充封装135内的压力增大，后透镜组件130的薄膜136向前扩张使曲率增大，如图5B和图5A所示。如同前透镜组件120的薄膜126，圆形的薄膜136也球形地或几乎球形地扩张以形成光学透镜表面。

还应了解，在套环150向前移动时，后透镜组件130的可收缩侧壁137延伸，从而使后透镜组件130的薄膜136松弛下来并减小封装135内的压力，如图5B和图5C所示，而向后移动套环150使得前透镜组件122的薄膜126松弛下来并减小封装125内的压力，如图5B和图5A所示。

以此方式，通过振荡套环150连接了前可压缩液体透镜组件120和后可压缩液体透镜组件130的致动，使得随着前液体透镜组件120的薄膜126的曲率逐渐增大，后液体透镜组件130的薄膜136的曲率逐渐减小，反之亦然。相应地，当储存在前可压缩液体透镜组件120中的势能增大时，储存在后可压缩液体透镜组件130中的势能被释放，反之亦然。

如上文所提及，前透镜组件120和后透镜组件130的薄膜126和136分别被预张紧到至少约180N/m的线张力。当振荡套环150以中间状态(状态b)布置在前透镜组件120与后透镜组件130之间时，如图2、图4以及图5B所示，前薄膜126和后薄膜136各自具有约+1.0屈光度的曲率，其中薄膜126和136都向内朝向波导显示器140扩张。由于前板122没有或几乎没有光焦度，虽然后透镜132的后表面133具有约-2.0屈光度的光焦度，增强现实显示单元100的净光焦度仍为零或基本上为零。然而，约-1.0屈光度的净光焦度被施加到从波导显示器140向后发射的仅穿过后透镜组件130的光。以此方式，后透镜组件130的光焦度可以用于改变由从波导显示器140发射的光输送的图像的视焦平面，如上文关于图1A到图1D所描述。

如果需要使由从波导显示器140发射的光输送的图像的视焦平面更接近用户，则可以如图5C所示向前驱动套环150，以减小后透镜组件130的薄膜136的曲率，直到薄膜136为平面或几乎平面为止，使得后透镜组件130的净光焦度为约-2.0屈光度(状态c)。如上文所描述，沿光轴O向前移动套环150使前透镜组件120的薄膜126的曲率增大，且在最大扩张状态c下，如图5C所示，前透镜组件120的薄膜126具有约+2.0屈光度的光焦度，使得增强现实显示单元100的净光焦度保持为零或几乎为零，因此从外部穿过整个单元100的光基本上不受前透镜组件120和后透镜组件130的影响。

从图5C还注意到，前薄膜126的最大光焦度受前板的后表面123与套环150的前端152之间的空隙限制，而后透镜组件130的最小厚度受后薄膜136与沿光轴O(即在后透镜132的光学中心处)的硬质后透镜132的前表面134之间的空隙限制。

在本发明的实施方案中，前薄膜126和后薄膜136的每一个具有约0屈光度的基线光焦度和约+2.0屈光度的最大光焦度。然而，应理解，在其它实施方案中，前薄膜126和后薄膜136的每一个可以(独立地)具有至多约+1.0屈光度的基线光焦度，且可以在约1.0到约3.0屈光度的范围内进行调节。

如果需要使由波导显示器140发射的光输送的图像的视焦平面朝向无限远远离用户移动，则可以如图5A所示向后移动振荡套环150，以压缩后透镜组件130的可收缩侧壁137，从而将薄膜136的光焦度增大到约+2.0屈光度的最大光焦度(状态a)，从而抵消了后透镜132的后表面133的负光焦度。由于沿着光轴O向后移动套环150，前透镜组件120的可收缩侧壁127延伸，从而减小了前透镜组件的薄膜126的曲率并将其光焦度减小到状态a的约0屈光度的最小光焦度，使得增强现实显示单元100的净光焦度保持为约0屈光度。

增强现实显示单元100的包括套环150的组件的尺寸为使得波导显示器140与前薄膜126和后薄膜136之间的间隔分别足以容纳处于如图5A和图5C所示的完全扩张状态a和c的薄膜126和130，而不会碰到波导显示器140。此外，如上文所描述的单元100的组件配置且布置为使得前薄膜126和后薄膜136操作为共轭对，不论套环150在前组件120与后组件130之间的实际位置如何，前薄膜126和后薄膜136各自的光焦度加在一起始终为约+2.0屈光度的总光焦度，以抵消硬质后透镜132的后表面133的-2.0屈光度的固定光焦度。

有利地，根据本发明，通过振荡套环150将前可压缩液体透镜组件120和后可压缩液体透镜组件130连接在一起，使得在透镜组件120、130中的一个被压缩以增大其薄膜126、136的光焦度时，透镜组件130、120中的另一个扩张以减小其薄膜136、126的光焦度，使得前透镜组件120和后透镜组件130操作为共轭对。从套环150被移动时扩张的透镜组件120、130中的一个释放的势能在驱动套环150以压缩被压缩的另一透镜组件130、120时通过作功耗尽。因此，使用套环150将前可压缩液体透镜组件120与后可压缩液体透镜组件130连接在一起有助于在前透镜组件120与后透镜组件130之间前后移动套环150，从而降低用于主动地驱动套环150的上文所提及类型的致动器对电源的能量要求。以此方式，并入根据本发明的一个或更多个增强现实显示单元100的增强现实头戴装置或其它装置可以利用更小的电源而制成为更小和/或更轻。

在图2到图4所示的增强现实显示单元100中，光轴O穿过前透镜组件120和后透镜组件130的每一个的几何中心。然而，在一些增强现实显示单元中，光轴O可以相对于前透镜组件120和后透镜组件130非中心地定位。众所周知，眼透镜的光轴通常位于透镜的偏心位置，以确保透镜对于给定的用户正确地居中，即，使得透镜的光学中心与用户的中心点正确对准。有利地，根据本发明的具有前可压缩液体透镜组件和后可压缩液体透镜组件的增强现实显示单元可以配置为优化单元的厚度和重量，尤其在光轴相对于前透镜组件和后透镜组件偏心地定位的情况下，如下文所描述。

图6示意性地说明用于根据本发明的增强现实显示单元的前可压缩液体透镜组件220。前透镜组件220具有固定光焦度的硬质板或透镜222、可收缩侧壁227以及在边缘229周围保持在张力下的可扩张薄膜226，所述硬质板或透镜222、可收缩侧壁227以及可扩张薄膜226限定填充有折射液体228的封装225。可在如图6所示的状态A与B之间压缩可收缩侧壁227，其中薄膜226分别远离硬质板或透镜222最大限度地扩张和最小限度地扩张。硬质板或透镜222具有朝向腔225内部的第一表面223，和朝向腔外部的第二表面224。增强现实显示单元具有相对于透镜组件220中心地定位的光轴O。如上文关于图5C的描述，薄膜226的最大扩张状态(状态A)受硬质透镜或板222的第一表面223与薄膜226的边缘229之间的空隙限制。

图7示意性地示出用于与根据本发明的增强现实显示单元的前透镜组件220一起使用的后可压缩液体透镜组件230。后透镜组件230包括硬质透镜232、可收缩侧壁237以及在边缘239周围保持在张力下的可扩张薄膜236。硬质透镜232具有第一内部表面233和第二外部表面234，所述第二外部表面234是凹面的，使得第二表面234具有负固定光焦度。硬质透镜232的第一表面233与薄膜236和可收缩侧壁237限定填充有折射液体238的封装235。如同前透镜组件220的可收缩侧壁227，可在如图7所示的状态A与B之间压缩后透镜组件230的可收缩侧壁237。在状态A中，薄膜236最大限度地扩张，从而具有基本上对应于硬质透镜232的第二表面234的曲率的曲率，使得后透镜组件230的净光焦度大约为零。在最小扩张状态B中，薄膜236基本上不具有光焦度，使得后透镜组件230的净光焦度基本上等于硬质透镜232的第二表面234的光焦度。如上文关于图5C的描述，在状态B中，后透镜组件230的最小厚度由薄膜236与沿光轴O的硬质透镜232的第一表面233之间的最小空隙状况控制。在图7中，增强现实显示单元的光轴O穿过后透镜组件230的中心。

如图8所示，通过将光轴O朝向薄膜226的边缘的第一区域R1偏心地布置来修改增强现实显示单元。根据本发明，通过将硬质板或透镜222相对于光轴O朝向薄膜226的边缘的第一区域R1倾斜，可以减小前透镜组件220的厚度。以此方式，硬质板或透镜222布置为更接近与第一区域R1邻近的薄膜的边缘229，而不会不利地影响薄膜226的边缘229与硬质透镜或板222的第一表面223之间的最小空隙状况。继而，这使得前透镜组件220填充的折射液体228的量减少。

如上文所描述的相对于光轴O倾斜硬质透镜或板222的效果为将一定棱镜度引入到穿过前透镜组件220的光线。这可以通过如图9A到图9C所示的将基本上相等且相反的棱镜度引入到后可压缩液体透镜组件230来基本上抵消。图9A中示出修改为增强现实显示单元的光轴O是偏心的后透镜组件230。相比边缘239的其它区，光轴O更接近薄膜236的边缘239的域区R2。后透镜组件230的薄膜236的边缘的区域R2与前透镜组件220的薄膜226的边缘229的区域R1对应且对准。

在图9B中，相对于光轴O倾斜硬质透镜232，以使硬质透镜232移动远离薄膜236的边缘239的区域R2。硬质透镜232的倾斜量基本上与前透镜组件220的硬质透镜或板222的倾斜量相等且相反，从而将一定棱镜度引入到后透镜组件230，引入到后透镜组件230棱镜度基本上与前透镜组件220中由倾斜前透镜组件的硬质透镜或板222引起的棱镜度相等且相反。由于后透镜组件230的最小厚度由沿光轴O的薄膜236与硬质透镜232的第一表面233之间的最小空隙状况控制，如上文所描述，通过使硬质透镜232远离薄膜236倾斜，相比于如图9C所示的未修改的透镜组件，可以减小硬质透镜232与薄膜236之间的间隔，从而进一步减小增强现实显示单元的厚度和填充后透镜组件230的封装235所需的液体238的量。

应理解，虽然穿过前透镜组件220和后透镜组件230两者的光将具有零或基本上为零的净棱镜(但光轴是“弯折的”)，如图10所示，但由插入于前透镜组件220与后透镜组件230之间的波导显示器240发射的光将仅受后透镜组件230的影响。因此，需要配置波导显示器240(或布置为将光输入到波导显示器240的投射器)，以将一定棱镜度赋予从波导显示器240朝向用户发射的光，该棱镜度基本上与由倾斜后透镜组件230的硬质透镜232引起的棱镜度相等且相反。

在本示例的增强现实显示单元100的变型中，可以以本领域的技术人员众所周知的方式在基础曲线上制造包括硬质前板122、硬质后透镜132以及波导显示器140的光学组件的一个或更多个。在用这样的光学元件替换硬质前板122的情况下，应相应地调节可扩张薄膜126的曲率范围。例如，在一些实施方案中，硬质前板122可以由这样的硬质前透镜替换，其具有为零或几乎为零的本征光焦度，但在正基础曲线上制造，使得硬质前透镜的前表面具有例如约+1屈光度的正曲率，而硬质前透镜的后表面具有相反且基本上相等的负曲率，例如约-1屈光度。在此情况下，前薄膜126的光焦度范围应处于约-1屈光度到约+1屈光度，而非0到+2屈光度。

示例2：增强现实头戴装置

图11说明用户的增强现实头戴装置30。头戴装置30类似于具有框架32的一副眼镜，所述框架32分别具有左眼线部分33和右眼线部分34、鼻梁部35以及左镜腿36和右镜腿37。左眼镜框部分33和右眼镜框部分34的每一个限定非圆形孔38、39，所述孔38、39的形状和尺寸设定成容纳根据本发明的相应的增强现实显示单元300。用于左眼镜框部分33和右眼镜框部分34的显示单元300彼此类似，但具有关于用户的矢状平面的反射对称性。图12A、图12B、图13A、图13B、图14A、图14B以及图15A、图15B说明左侧显示单元300的作用部件，但下文描述同样适用于右侧显示单元300。在其它实施方案中，增强现实头戴装置可以以护目镜或眼罩的形式实施，所述形式可以任选地与平视显示器或头盔式显示器形式的头盔集成在一起。如下文详细描述，并入于头戴装置30中的增强现实显示单元300体现如上文关于示例1所描述的相同发明概念的一个或更多个。

如图14A和图14B中最佳可见，增强现实显示单元300包括前可变光焦度可压缩液体透镜组件320、后可变光焦度可压缩液体透镜组件330以及插入式光学透明的波导显示器340。因此，显示单元300具有类似于上文所描述的显示单元10和100的架构且以基本上相同方式操作。本示例的显示单元300与示例1的显示单元100之间的显著差异通过图12A和图12B最显而易见的在于，在本实施方案中，前透镜组件320和后透镜组件330的每一个具有非圆形的光学表面。非圆形的可压缩液体透镜组件在WO 2013/144533 A2、WO 2013/144592A1、WO 2013/143630 A1、WO 2014/125262 A2、WO 2015/044260 A1、英国专利申请No.1800933.2以及英国专利申请No.1801905.9中有描述，上述专利申请的内容以引用的方式并入本文中。

除了附图中所示的部件之外，增强现实显示单元300还包括用以容纳并保持作用部件的合适壳体(未示出)，如下文所描述。

前液体透镜组件320和后液体透镜组件330的每一个包括具有固定光焦度的各自通常为矩形的硬质后透镜322、332。在本实施方案中，前透镜322和后透镜332的每一个包括具有凹面后表面323、333和凸面前表面324、334的凹凸透镜，所述凹凸透镜由本领域中已知用于制造眼透镜的任何合适的光学透明的硬质材料制造。前透镜322和后透镜332具有彼此类似的非圆形形状且相互对准，其中它们的光学中心布置在显示单元300的光轴z上。前透镜322和后透镜332各自安装于单元300的壳体内的固定位置。尽管在本实施方案中，透镜322、332通常为矩形，但本发明可以扩展到用于常规眼镜的众多其它眼睛形状类型，例如飞行员眼镜形、蝶形、猫眼形、平顶形、枕形矩形、矩形、正方形或旅行者眼镜形。

波导显示器340也在单元300的壳体内安装于前透镜组件320与后透镜组件330之间的固定位置。

从图14A和图14B将观察到，后透镜332的后表面333具有比前透镜322的后表面323更大的曲率。在本实施方案中，后透镜332的后表面333具有约-2.5屈光度的光焦度，而前透镜322的后表面323具有约-0.5屈光度的光焦度。更一般地说，后透镜332的后表面333的光焦度可以在约-1.0到约-3.0屈光度的范围内，而后透镜322的后表面323的光焦度可以在约0到约-1.0屈光度的范围内。

前透镜322和后透镜332的每一个的前表面324、334承载盘形容器370、380(或“袋”)，所述盘形容器370、380包括：形状对应于各个透镜322、332的前表面324、334的形状的后壁372、382，以及从后壁372、382向前延伸且终止于外周唇缘375、385的一体式可收缩外周侧壁373、383。在本实施方案中，盘形容器370、380的每一个由光学透明的柔性热塑性聚氨酯(例如，可购自英国格洛斯特的Messrs.Permali Gloucester有限公司的

每个盘形容器370、380的后壁372、382通过透明的压敏粘着剂(pressure-sensitive adhesive，PSA)(例如

每个盘形容器370、380的外周唇缘375、385接合到相应的可扩张薄膜326、336，所述可扩张薄膜326、336具有类似于前透镜322和后透镜332的形状的非圆形形状。每个薄膜326、336由热塑性聚氨酯片材(例如，可购自Messrs.BASF的

薄膜326、336的每一个在其外周周围处由相应的可弹性弯曲的支撑环377、387保持在张力下。如下文更详细地描述，薄膜326、336的每一个形成相应的液体透镜组件320、330的前光学表面，其中每个透镜组件320、330的净有效光焦度由薄膜326、336的曲率以及相关联的硬质透镜322、332的后表面323、333的固定光焦度来确定。

支撑环377、387的每一个由不锈钢片材制造，且具有约0.55mm的厚度，但更一般地说，每个环的厚度可以在约0.50到0.60mm的范围内，或者可以包括两个或更多个环形元件的堆叠而非单个环。每个薄膜326、336利用光可固化粘着剂(例如，

每个盘形容器370、380的外周唇缘375、385使用合适的粘着剂(例如，

支撑环377、387的每一个可以朝向或远离相应的硬质透镜322、332移动，其中相关联的盘形容器370、380的侧壁373、383折叠到其自身上或分别延伸以允许此移动。

在本发明的其它实施方案中，可以将多于一个支撑环377、387用于前透镜组件320和后透镜组件330中的一个或两个。例如，薄膜326、336可以被夹在两个类似支撑环之间，例如WO 2013/144533 A1中所描述。在本实施方案中，为简单起见，仅示出一个支撑环。

支撑环377、387的每一个形成有多个一体式的、沿外周间隔开的向外突出突片，所述突片包括如下文更详细地描述的主动突片378、388和被动突片379、389。在图12A和图12B中，仅可见前透镜组件320的支撑环377的主动突片378和被动突片379。

前透镜组件320和后透镜组件330的主动突片379和389接合在拱形凸轮板390中所形成的相应的自动扶梯式轨道中，所述凸轮板390朝向单元300的相对短的左镜腿侧301(在右侧显示单元300中在右镜腿侧)安装在壳体内。凸轮板390被约束在壳体内以沿着与光轴z正交的弯曲路径y滑动，且在如图12A、图13A、图14A以及图15A所示的第一位置与如图12B、图13B、图14B以及图15B所示的第二位置之间追踪前透镜组件320和后透镜组件330的邻近区的曲率，如图12A和图12B中最佳可见。前透镜组件320的主动突片379接合前一系列自动扶梯式轨道391，而后透镜组件330的主动突片389接合后一系列自动扶梯式轨道392。如图13A、图13B以及图19中最佳可见，前一系列自动扶梯式轨道391和后一系列自动扶梯式轨道392配置为关于与光轴z正交的平面彼此成镜像，且在前一系列自动扶梯式轨道391与后一系列自动扶梯式轨道392之间平分凸轮板390，使得凸轮板沿着路径y的往复移动使前透镜组件320的主动突片379和后透镜组件330的主动突片389在平行于z轴的相反方向上移动。

前透镜组件320的主动突片379和后透镜组件330的主动突片389的数目和位置取决于透镜组件320、330的形状以及用于将薄膜326、336塑形成球形光学表面所需的精准度。在本实施方案中，在透镜组件320、330的镜腿侧，前透镜组件320和后透镜组件330的每一个具有三个主动突片379、389。在其它实施方案中，视需要可以具有更多或更少的突片379、389。

如图12A和图12B中最佳示出，前透镜组件320和后透镜组件330的被动突片378和388在每个支撑环377、387的相对的相对较长的上侧302和下侧303以及在与上文提及的镜腿侧301相对的相对较短的鼻侧304，以间隔开的位置布置。被动突片378、388连接到显示单元300的壳体(未示出)，以将支撑环377、387保持在相对于壳体处于固定位置处的被动突片378、388处。支撑环377、387的每一个通过其被动突片378、388与关联的硬质透镜322、332的前表面324、334保持与z轴平行的固定距离。由于支撑环377、387是可弯曲的，它们在被动突片378、388之间朝向或远离硬质透镜322、332自由弯曲。如下文更详细地描述，被动突片378、388在每个支撑环377、387上位于或接近支撑环377、387上的相应点处，在所述点处，以薄膜326、336的光学中心OC为中心的中性圆NC穿过薄膜326、336的边缘。在本实施方案中，被动突片378、388因此与光学中心基本上等距。在本实施方案中，已选择眼睛形状用于说明的良性示例。具体来说，每个支撑环377、387的镜腿侧304在距光学中心OC的一定半径处，使得每个支撑环377、387的整个镜腿侧304在所有致动状态下基本上保持平面，如下文所描述。

每个盘形容器370、380的后壁372、382和侧壁373、383从而与相关联的薄膜326、336形成具有内部腔325、335的各自的封装。每个封装的腔325、335填充有明显不可压缩的、光学透明的折射液体328、338。液体328、338应是无色的并具有至少约1.5的折射率。合适地，每个薄膜326、336与相关联的液体328、338的折射率应匹配，使得用户基本上感知不到薄膜326、336与对应的液体328、338之间的界面。液体328、338应具有低毒性和低挥发性；其应是惰性的且在高于约-10℃或低于约100℃下不展现相变。液体328、338在至少约80℃的高温下应是稳定的且展现低微生物生长。在一些实施方案中，液体328、338可以具有约1g/cm

在本实施方案中，薄膜326、336的每一个由聚醚聚胺酯(例如，

WO 2017/055787 A2中公开了用于组装前透镜组件320和后透镜组件330的合适方法，其中薄膜326、336如上所述处于张力下。

在本实施方案中，前透镜组件320和后透镜组件330的内部腔325和335填充有折射液体328、338，使得前薄膜326和后薄膜336的每一个具有约0.5屈光度的最小曲率。在其它实施方案中，腔325、335可以填充为使得薄膜326、336具有其它基线曲率。合适的基线曲率处于约0到1.0屈光度的范围内。前薄膜326和后薄膜336的基线曲率可以彼此相同或不同。

如上文所描述，凸轮板390可操作用于在壳体内将支撑环377、387上的主动突片378、388分别远离和朝向它们各自的硬质透镜322、332前后移动。如图16和图17中最佳示出，凸轮板390的外表面承载短齿条395，所述短齿条395与布置为由双向电机400通过齿轮箱402驱动的小齿轮401接合。在本实施方案中，还设置了旋转位置编码器403，以将关于凸轮板390在如上文所描述的其第一位置与第二位置之间的位置的输入信号提供给控制电子件(未示出)。操作电机400从而使齿条390沿着如上文所描述的弯曲路径移动。

在如图12A、图13A、图14A以及图15A所示的第一位置中，前透镜组件320的薄膜326布置为最小扩张状态下，其中曲率如上文所提及约为0.5屈光度，如图14A中最佳示出。前透镜组件320的支撑环377上的主动突片378布置为朝向前一系列自动扶梯式轨道391的前端，如图13A中最佳示出。内部腔325内的液体328的压力处于最小状态，且前透镜组件320处于最小势能状况。由于薄膜326的约为+0.5屈光度的光焦度抵消了硬质透镜322的后表面323的约为-0.5屈光度的光焦度，因此，前透镜组件320的净光焦度约为零屈光度。

同时，后透镜组件330的支撑环387上的主动突片388位于后一系列自动扶梯式轨道392的后端，使得后透镜组件330的液体填充封装被压缩，尤其在朝向镜腿侧301的区域中。后透镜组件330的盘形容器380的可压缩侧壁383通过折叠到其自身上而收缩，如图14A中最佳可见，以使支撑环387朝向硬质透镜332的前表面334移动，尤其在镜腿侧301。后透镜组件330的内部腔335内的液体338的压力处于最大状况，且薄膜336处于约+2.5屈光度的最大曲率状态。在此状态下，后透镜组件330处于最大势能状况。类似于前透镜组件320，后透镜组件330的净光焦度也约为零屈光度，其中薄膜336的+2.5屈光度的光焦度抵消了硬质透镜332的后表面333的约为-2.5屈光度的光焦度。

因此，在凸轮板390处于其第一位置的情况下，前透镜组件320和后透镜组件330两者的净光焦度都约为零屈光度，且整个显示单元300的组合光焦度也约为零屈光度。

在操作电机400以朝向如图12B、图13B、图14B以及图15B所示的第二位置驱动凸轮板390时，第一系列自动扶梯式轨道391和第二系列自动扶梯式轨道392在前支撑环377和后支撑环387的主动突片378和388上移动，以朝向对应的硬质透镜322向后驱动前透镜组件320的主动突片378，而使得或允许后支撑环387上的主动突片388远离相应的硬质透镜332向前移动。从而，随着凸轮板390从其第一位置朝向其第二位置逐渐移动，前透镜组件320的液体填充封装被压缩，尤其在朝向镜腿侧301，而后透镜组件330的液体填充封装被解压。前透镜组件320的压缩使内部腔328内的液体压力增大，从而使膜326向前扩张，其中曲率逐渐增大，直到凸轮板390处于第二位置时，曲率达到约+2.5屈光度的最大曲率，如图14B中最佳示出。同时，后透镜组件330的解压使后透镜组件330的腔335中的液体338的压力减小，从而使得或允许后透镜组件330的薄膜336朝向+0.5屈光度的最小扩张状态松弛下来。

在此位置中，前支撑环377上的主动突片378布置在第一系列自动扶梯式轨道391的后端，而后支撑环387上的主动突片388布置在第二系列自动扶梯式轨道392的前端；然后前透镜组件320处于相对高的势能状况，而后透镜组件330处于相对低的势能状况。

在此位置中，前透镜组件320的净光焦度约为+2屈光度，而后透镜组件330的净光焦度约为-2屈光度。因此，整个显示单元300的复合光焦度保持为约零屈光度，但从波导显示器340发射的仅穿过后透镜组件330的光受到约-2屈光度的光焦度，从而使由从波导显示器340发射的光所承载的图像的虚焦面朝向用户移动，如上文关于图1A到图1D所描述。

将了解，当凸轮板390布置于其第一位置与第二位置之间的中间位置时，前薄膜326和后薄膜336各自具有介于0.5到2.5屈光度之间的曲率。前透镜组件320和后透镜组件330配置为使得在凸轮板390的每个位置，前薄膜326和后薄膜336的组合光焦度大约始终等于硬质透镜322、332的后表面323、333的组合光焦度的相反值。以此方式，前透镜组件320和后透镜组件330配置为操作为共轭对，使得整个显示单元300的净光焦度保持大约为零，同时使得施加到由波导显示器340发射的光的后透镜组件330的净光焦度在0到-2屈光度之间逐渐变化。

因此，在本示例中，随着到虚像面的距离从约50cm到无限远逐渐变化，显示单元300的净光焦度保持大约为零。虽然这适于具有理想视力的用户，但本领域的技术人员将了解，对于具有屈光不正的用户，可能需要具有恒定非零净光焦度的显示单元。例如，近视用户可能需要如下显示单元300：后硬质透镜332的后表面333具有约-4.75D的光焦度，且前硬质透镜322的后表面323具有-0.5D的光焦度，而每个薄膜326、336的光焦度在约+0.5D到约+2.5D之间变化，如上文所描述，使得显示单元300的净复合光焦度将保持为大约-2.25D。本领域的技术人员还将显而易见包括像散校正的其它要求。应注意，应在后透镜组件330上进行任何屈光不正的校正，从而将误差校正应用于虚像以及真实世界视野两者。

如上文所提及，在本实施方案中，前薄膜326和后薄膜336应球形地或几乎球形地扩张。本领域的技术人员将了解，在以上文所描述的方式压缩前透镜组件320和后透镜组件330的每一个时，每个组件320、330将存在“中性圆”NC。

图12A和图12B中指示前透镜组件320的中性圆NC，但类似考虑也适用于后透镜组件330。对于给定体积的折射液体328，不论薄膜326的扩张程度和透镜组件320的对应光焦度如何，中性圆NC都具有恒定直径且与接合到硬质透镜322的盘形容器270的后壁272的距离恒定。中性圆由平面与薄膜326的相交部限定，使得由平面和薄膜326限界的液体328的体积在平面上方和下方相等。换句话说，随着薄膜326如上文所描述般向前扩张，从而使凸轮板390朝向其第二位置移动，从中性圆NC外部的腔325的外周区域351(如图12A和图12B所示)移动的液体328的体积等于移动到中性圆NC内的腔325的内部区域352的液体的体积。

由此得出，在致动前透镜组件320和后透镜组件330的每一个以使薄膜326、336球形地或几乎球形地变形时，薄膜326、336的边缘与对应的盘形容器370、380的后壁372、382的距离应基本上保持恒定。相应地，前支撑环377和后支撑环387上的被动突片379和389应放置在支撑环377、387周围的位置处或附近，在所述位置，中性圆NC与薄膜326、336的边缘相交，如上文所提及。

合适地，凸轮板390由例如钢的坚固刚性材料制造。如图19所示，自动扶梯式轨道391、392的每一个有利地具备衬里393，所述衬里393由例如PTFE的低摩擦材料制成，以有助于主动突片378、388在自动扶梯式轨道390、392内滑动。或者，整个凸轮390可以涂覆有此低摩擦材料。或者另外，主动突片378、388可以涂覆有此低摩擦材料。在另一实施方案中，前支撑环377和后支撑环387上的主动突片378和388可以分别由从支撑环377、387向外突出的短轴478、488替换，如图21所示。每个短轴378、488承载容纳在自动扶梯式轨道391、392中的相应一个内的小型滚轮479、489，如图20所示。小型滚轮379、389也用以有助于它们在自动扶梯式轨道391、392内的移动。

如上文所提及，在凸轮板390布置在其第一位置时，前透镜组件320的薄膜326布置在相对低的能态中，而后透镜组件330的薄膜336布置在相对高的能态中。随着凸轮板390在操作电机400时朝向其第二位置移动，前薄膜326逐渐更大地扩张，从而储存更多势能，而后薄膜336逐渐松弛，从而释放势能。将了解，通过凸轮板390、前透镜组件320和后透镜组件330的链接操作，储存在后透镜组件330中的势能以功的形式释放，以有助于电机400朝向第二位置驱动凸轮板，在第二位置中更多势能逐渐储存在前薄膜326中。

从而，当凸轮板390布置在其第二位置时，前透镜组件320的薄膜326布置在相对高的能态中，而后透镜组件330的薄膜336布置在相对低的能态中。随着凸轮板390在操作电机400时以相反方向移动，前薄膜326松弛下来，从而释放势能，而后薄膜336逐渐更大地扩张，从而储存势能，且以功的形式从前透镜组件320释放能量以有助于电机400将凸轮板390驱动回第一位置，在第一位置中更多势能储存在后薄膜336中。

首先，在不存在摩擦的情况下，前透镜组件320和后透镜组件330的准静态致动所需的功是分别地致动前透镜组件320或后透镜组件330中的任意一个的一半。根据本发明，在主动突片378、388或轴轮组件478、479；488、489上使用低摩擦材料可以用于减少凸轮板390的自动扶梯式轨道中的摩擦，以使得在透镜组件320、330中的一个松弛时从其释放的尽可能多的能量通过作功消耗，以有助于在透镜组件330、320中的另一个扩张时致动该另一透镜组件。

图19示出处于第一位置与第二位置之间的中间位置的凸轮板390。如所示，主动突片378、388 10在凸轮板319上向前推动，致动器在平行于z轴的方向上进行追踪。N1和N2分别示出主动突片378、388在凸轮板390上施加的法向力，而箭头Y1和Y2为主动突片378、388在y方向上的合力。将了解，只要主动突片378、388与自动扶梯式轨道391、392之间的摩擦较小，在凸轮板390的任一移动方向上，第一系列自动扶梯式轨道391或第二系列自动扶梯式轨道392中的一个的主动突片378、388将有助于凸轮板390的移动，而第二系列自动扶梯式轨道392或第一系列自动扶梯式轨道391中的另一个的主动突片388、378将阻碍此移动。在不存在摩擦的情况下，与用于单个透镜的积极致动的等效单个凸轮相比，用于致动前透镜组件320和后透镜组件330两者的单个凸轮板390需要更少的功。对于从第一位置移动到第二位置的凸轮板390，在解除致动后透镜组件330时释放的示例弹性势能有助于致动前透镜组件320。