近眼系统及其方法

摘要

一种近眼显示系统(100)，包括：显示组件(102)，其包括至少一个显示面板(110)；和显示驱动(120)，用于基于具有第一频率的帧时钟信号(124)以低留存模式显示帧的序列(121)。所述近眼显示系统进一步包括面对所述显示组件的一对液态膜镜头(112‑1,112‑2)；和耦合至所述液态膜镜头的镜头驱动(114)，所述镜头驱动生成具有第二频率的周期性的、连续可变的驱动信号(116)，其中所述第一频率是所述第二频率的整数倍。由于所述液态膜镜头与所述帧序列的低留存显示同步，每个显示帧通过所述液态膜镜头在不同的接近恒定的焦深被感知，因此为用户形成了所显示图像中的多个焦平面的感知。

权利要求

1.一种近眼显示系统，包括：

显示组件，所述显示组件包括至少一个显示面板；

显示驱动，用于驱动所述显示组件以基于具有第一频率的帧时钟信号来显示帧的序列；

面对所述显示组件的一对液态膜镜头；

镜头驱动，所述镜头驱动具有耦合至所述一对液态膜镜头中的每个液态膜镜头的输入的输出，所述镜头驱动用于在所述输出处生成具有第二频率的周期性的、连续可变的驱动信号，其中所述第一频率是所述第二频率的两倍；

渲染部件，用于对所述帧的序列进行渲染，使得所述帧的序列在针对第一焦距所渲染的帧和针对第二焦距所渲染的帧之间反复交替；以及其中，所述驱动信号控制所述驱动信号的幅度，从而致使每个液态膜镜头的光焦度以所述第二频率在最大光焦度和最小光焦度之间循环，使得针对所述第一焦距渲染的每个帧的显示与对应循环中的第一点同步，以及使得针对所述第二焦距渲染的每个帧的显示与对应循环中的第二点同步，所述液态膜镜头在所述第一点具有第一光焦度，所述液态膜镜头在所述第二点具有第二光焦度。

2.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其中：

所述第二频率实质上等于所述液态膜镜头的谐振频率或谐波频率。

3.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其中：

所述显示面板的用于所述帧的序列中的每一帧的像素在比所述帧时钟信号的周期的持续时间小的持续时间内被照亮；并且所述第一点和所述第二点与所述显示面板的用于对应帧的像素的照亮时序同步。

4.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其中：

所述第一光焦度实质上等于所述最大光焦度；以及

所述第二光焦度实质上等于所述最小光焦度。

5.根据权利要求1所述的近眼显示系统，其中，所述帧的序列表示用于立体显示的虚拟现实(VR)内容。

6.一种近眼显示系统，包括：

显示组件，所述显示组件包括至少一个显示面板；

显示驱动，用于驱动所述显示组件以基于具有第一频率的帧时钟信号来显示帧的序列；

面对所述显示组件的一对液态膜镜头；和

镜头驱动，所述镜头驱动具有耦合至所述一对液态膜镜头中的每个液态膜镜头的输入的输出，所述镜头驱动用于在所述输出处生成具有第二频率的周期性的、连续可变的驱动信号，其中所述第一频率是所述第二频率的整数倍；

渲染部件，用于对所述帧的序列进行渲染，使得所述帧的序列通过针对第一焦距所渲染的帧、针对第二焦距所渲染的帧、针对第三焦距所渲染的帧和针对第四焦距所渲染的帧反复序列；

其中，所述驱动信号控制所述驱动信号的幅度，从而致使所述液态膜镜头的光焦度以所述第二频率在总体最大光焦度、局部最小光焦度、局部最大光焦度和总体最小光焦度之间循环，使得针对所述第一焦距渲染的每个帧的显示与对应循环中的第一点同步，针对所述第二焦距渲染的每个帧的显示与对应循环中的第二点同步，针对所述第三焦距渲染的每个帧的显示与对应循环中的第三点同步，以及针对所述第四焦距渲染的每个帧的显示与对应循环中的第四点同步，所述液态膜镜头在所述第一点具有第一光焦度，所述液态膜镜头在所述第二点具有第二光焦度，所述液态膜镜头在所述第三点具有第三光焦度，所述液态膜镜头在所述第四点具有第四光焦度；以及其中，所述第一频率是所述第二频率的四倍。

7.根据权利要求6所述的近眼显示系统，其中：

所述第二频率实质上等于所述液态膜镜头的谐波频率。

8.根据权利要求6所述的近眼显示系统，其中，所述近眼显示系统是头戴式显示系统。

9.根据权利要求6所述的近眼显示系统，其中，所述帧的序列表示用于立体显示的虚拟现实(VR)内容。

10.一种在近眼显示系统中的方法，包括：

驱动显示面板以基于具有第一频率的帧时钟信号来显示帧的序列；

对面对所述显示面板的一对液态膜镜头进行调制，从而以第二频率连续且循环地改变每个所述液态膜镜头的光焦度，其中所述第一频率是所述第二频率的两倍；

对所述显示帧的序列进行渲染，使得所述帧的序列在针对第一焦距所渲染的帧和针对第二焦距所渲染的帧之间反复交替；以及其中，对所述一对液态膜镜头进行调制包括连续改变每个液态膜镜头的光焦度，使得每个液态膜镜头以所述第二频率在最大光焦度和最小光焦度之间循环，使得针对所述第一焦距渲染的每个帧的显示与对应循环中的第一点同步，以及使得针对所述第二焦距渲染的每个帧的显示与对应循环中的第二点同步，所述液态膜镜头在所述第一点具有第一光焦度，所述液态膜镜头在所述第二点具有第二光焦度。

11.根据权利要求10所述的方法，其中：

所述第二频率实质上等于所述一对液态膜镜头的谐振频率或谐波频率。

12.根据权利要求10所述的方法，其中：

驱动所述显示面板包括驱动所述显示面板以显示所述序列中的每一帧，使得所述显示面板的用于所述帧的像素的照亮具有比所述帧时钟信号的周期的持续时间小的持续时间；

并且

所述第一点和所述第二点与所述显示面板的用于对应帧的像素的照亮时序同步。

13.根据权利要求10所述的方法，其中：

所述第一光焦度实质上等于所述最大光焦度；以及

所述第二光焦度实质上等于所述最小光焦度。

14.一种在近眼显示系统中的方法，包括：

驱动显示面板以基于具有第一频率的帧时钟信号来显示帧的序列；

对面对所述显示面板的一对液态膜镜头进行调制，从而以第二频率连续且循环地改变每个所述液态膜镜头的光焦度，其中所述第一频率是所述第二频率的整数倍；

对所述帧的序列进行渲染，使得所述帧的序列通过针对第一焦距所渲染的帧、针对第二焦距所渲染的帧、针对第三焦距所渲染的帧和针对第四焦距所渲染的帧反复序列；

其中，对所述一对液态膜镜头进行调制包括连续改变每个液态膜镜头的光焦度，使得每个液态膜镜头以所述第二频率在总体最大光焦度、局部最小光焦度、局部最大光焦度和总体最小光焦度之间循环，使得针对所述第一焦距渲染的每个帧的显示与对应循环中的第一点同步，针对所述第二焦距渲染的每个帧的显示与对应循环中的第二点同步，针对所述第三焦距渲染的每个帧的显示与对应循环中的第三点同步，以及针对所述第四焦距渲染的每个帧的显示与对应循环中的第四点同步，所述液态膜镜头在所述第一点具有第一光焦度，所述液态膜镜头在所述第二点具有第二光焦度，所述液态膜镜头在所述第三点具有第三光焦度，所述液态膜镜头在所述第四点具有第四光焦度；以及其中，所述第一频率是所述第二频率的四倍。

15.根据权利要求14所述的方法，其中：

所述第二频率实质上等于所述液态膜镜头的谐振频率或谐波频率。

16.一种在近眼显示系统中的方法，包括：

渲染显示帧的序列，每个显示帧针对离散焦距集合中的对应焦距被渲染；

在具有低留存的显示面板显示所述显示帧的序列；

同步面对所述显示面板的一对液态膜镜头的调制，使得在所述序列中的每个显示帧的显示期间，每个液态膜镜头所表现出的光焦度关联于以其渲染所述显示帧的焦距；

显示所述显示帧的序列包括以第一频率显示所述显示帧的序列；并且同步所述一对液态膜镜头的调制包括：以第二频率连续且循环地改变每个所述液态膜镜头的光焦度，所述第一频率是所述第二频率的N倍，其中N表示所述离散焦距集合中的离散焦距的数量。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述显示帧的序列表示用于立体显示的虚拟现实(VR)内容。

18.根据权利要求16所述的方法，其中，N为2。

19.根据权利要求16所述的方法，其中，N为4。

说明书

近眼系统及其方法

技术领域

[0001] 本公开总体上涉及立体近眼显示器，并且更具体的，涉及提供视觉提示用于立体近眼显示器中的深度感知。

背景技术

[0002] 在常规的立体近眼虚拟现实(VR)显示系统中，二维(2D)VR图像在距用户眼睛的固定深度处聚焦，而该2D VR图像中的对象的深度则可以有所变化。这导致了人类视觉系统所采用的聚散提示(vergence cue)和调整提示(accommodation cue)之间的冲突信息。常常被称作“调整-聚散冲突”的这种冲突进场会导致眼睛疲劳、头痛或者其他的用户不适。此外，该2D VR图像通常仅在一个固定的焦平面被渲染，并且因此用户通常无法像该用户在实际3D环境中所能够的那样来选择在不同焦平面上进行调整。这种无法利用适当的对应视觉显示改变焦平面对于用户在VR图像所表示的虚拟环境中的沉浸感具有负面影响。

附图说明

[0003] 通过参考附图，本公开可以更好地被理解并且其许多特征和优势对于本领域技术人员而言将是清楚明白的。在不同附图中使用相同的附图标记来指示相似或相同的事项。

[0004] 图1是图示根据一些实施例的采用经调制的变焦液态膜镜头的近眼显示系统的示图，所述经调制的变焦液态膜镜头与对焦选软的图像的显示同步，以在所显示的VR图像中提供所感知的多个并发焦平面的感觉。

[0005] 图2是图示表示根据一些实施例的图1中的近眼显示系统的双焦深实施方式的示例波形。

[0006] 图3是图示根据一些实施例的由图2的实施方式所获得的两个所感知焦距的示图。

[0007] 图4是图示表示根据一些实施例的图1中的近眼显示系统的四焦深实施方式的示例波形。

[0008] 图5是图示根据一些实施例的由图4的实施方式所获得的四个所感知焦距的示图。

[0009] 图6是图示根据一些实施例的图1的近眼显示系统的硬件实施方式的示图。

[0010] 图7是图示根据一些实施例的用于变焦液态膜镜头组件的同步调制以提供多个并发的所感知焦平面的方法的框图。

具体实施方式

[0011] 图1-7图示了用于通过一对液态膜镜头的调制而解决立体近眼VR显示器中经常出现的调整-聚散冲突的技术，用户通过所述一对液态膜镜头观看在近眼显示器组件上显示的VR图像内容。这对液态膜镜头被调制从而周期性地且连续地改变该液态膜镜头所表现出的光焦度。另外，在一些实施例中，表示VR图像内容的显示帧的序列被对焦渲染，而使得该序列在针对焦距集合中的不同离散焦距所渲染的帧之间有所交替或重复。该液态膜镜头的调制可以与用来控制该序列的显示帧的显示时序的显示帧时钟信号同步。因此，采用该液态膜镜头的镜头系统的变化的焦距与针对其渲染对应帧的焦平面或焦距同步。由于帧可以以大于视觉留存阈值的速率显示，所以针对不同焦距所渲染的多个帧被用户感知为在所产生的3D VR内容中具有多个并发焦平面的单个图像。这些多个焦平面为用户的眼睛提供了更为有效的焦点提示，并且因此促成了VR场景中有所提升的沉浸感。

[0012] 图1图示了根据至少一个实施例的示例近眼显示系统100，其采用与关联对焦渲染的显示帧的显示同步的变焦液态膜镜头组件的同步调制。近眼显示系统100包括安装在用户头部106上或者附近的显示组件102和镜头组件104(例如，作为头戴式显示器(HMD))。显示组件102包括一个或多个显示面板，其中每个显示面板距用户的眼睛108以对应固定距离被安装。在所图示的实施例中，显示组件102包括单个显示面板110，它在逻辑上被划分为单独的左侧和右侧分区，其中左侧分区用来为用户左眼显示VR图像，并且右侧分区被用来为用户右眼显示VR图像。在其他实施例中，显示组件102可以包括两个显示面板110，每个眼睛108有一个。在再其他的实施方式中，显示组件102可以使用多于两个的显示面板110来实施。

[0013] 镜头组件104包括用于用户的每个眼睛108的镜头或其他光学元件的集合。每个镜头或其他光学元件的集合包括布置在显示组件102和用户的对应眼睛108之间并且因此面对显示面板110的液态膜镜头112。该集合进一步可以包括与液态膜镜头112对齐的一个或多个固定光焦度镜头，其中该一个或多个固定光焦度镜头提供该集合的大多数光焦度，而液态膜镜头112则以相对小的量(例如，大约1至2个屈光度)对焦点进行调制。虽然图1为了便于图示而仅图示用于一个眼睛108的一个液态膜镜头112，但是应当意识到的是，另一个液态膜镜头112将被提供用于其他的眼睛108并且将以本文所描述的相同方式来实施和操作。

[0014] 顾名思义，液态膜镜头采用在镜头的光圈处包含一种或多种液体(流体)的薄膜，并且该薄膜的形状、大小或其他物理特性通过电流或电压的应用而被修改。针对该薄膜或者其中所包含的(一种或多种)流体的这种修改导致液态膜镜头的光焦度的对应变化。这种变化可以使用光电方法来实施，其中该薄膜包含具有不同折射系数的两种流体(例如，油和水)，并且因此形成屈光度，并且这两种流体之间的弯液面的曲率半径通过静电场的施加而有所改变，由此导致了镜头中的对应焦距变化。在光电实施方式中，电流被施加到环绕该薄膜的环，这导致该环基于电流的大小收缩或扩张，这进而使得该薄膜变形并因此导致光焦度的变化。可替换地，响应于电流或电压的施加，可以使用声筒(voice bobbin)压贴薄膜的外周，并且导致薄膜变形从而修改镜头的光焦度。

[0015] 在液态膜镜头的常规应用中，施加到镜头的电流以相对大的离散步幅被改变从而将该镜头的光焦度从一个焦距分步改变为另一个焦距。然而，当液态镜头薄膜发生该离散变化时，其物理属性由此使得该液态镜头薄膜表现出阻尼或沉降效应，而这通常导致该液态镜头薄膜具有通常不适用于VR应用的相对长的切换时间(例如，16毫秒(ms))。然而，当液态膜镜头经由正弦信号或者其他类似的连续变化的波形的施加而被控制以连续改变焦距时(也就是说，没有大的分步变化)，虽然阻尼效应仍然存在，但是液态膜镜头112利用具有相同频率并且在时间上相比驱动信号具有相移的焦点调制而作出响应。这样，这通过对用于液态膜镜头112的驱动信号进行相移以使液态膜镜头112和显示渲染被适当同步而轻易地得到补偿。特别地，液态膜镜头的薄膜/流体配置导致该液态膜镜头表现出谐振频率，并且在以该谐振频率被调制时，液态膜镜头在改变其光焦度的方面特别有效。为了说明，能够从Optotune Switzerland AG获得的EL-16-40-TC液态膜镜头在-50毫安(mA)和+50mA之间循环的驱动信号下表现出大约400赫兹的谐振频率，并且在以该谐振频率被驱动时，表现出在1.3ms内改变焦点状态的能力。这种能力结合低留存显示系统——其中相比于液态膜镜头112的变焦调制周期，每一帧的像素仅在短时间内被照亮——的使用，使得能够针对所渲染并显示的每一帧创建并感知近似恒定的焦平面。

[0016] 近眼显示系统100利用了液态膜镜头112在被调制时所表现出的这种快速光焦度切换而使得镜头组件104能够循环地改变镜头组件104的整体光焦度，同时提供了与光焦度变化同步的对焦渲染图像。为此，系统100包括镜头驱动114以生成驱动信号116(在本文也被表示为“驱动信号S”)，其包括具有至少一个非零频率分量的连续变化的循环/周期性信号。该驱动信号116被输入至每个液态膜镜头112，其进而使得每个液态膜镜头112相应地改变其光焦度。典型地，在驱动信号116的安培数和液态膜镜头112所表现出的光焦度之间存在近似线性的关系，并且因此液态膜镜头112的光焦度近似地遵循驱动信号116的安培数。

[0017] 与此同时，渲染部件118针对用户的每个眼睛渲染显示帧的对应序列121，以便由显示组件102经由系统100的显示驱动122进行显示，其中显示帧的序列121包括所要显示的3D VR图像内容。渲染部件118采用基于焦点的渲染，使得每个所渲染的帧是针对指定焦距的集合中的对应焦距所渲染，并且使得显示帧的序列121通过该焦距集合循环排序。针对序列121中的每个显示帧，显示驱动122根据为显示组件102设置帧率的帧时钟信号124来控制显示组件102以显示该显示帧。如本文更详细描述的，驱动信号116与帧时钟信号124同步，使得帧时钟信号124具有作为驱动信号116的频率的整数倍的频率，从而在这两个信号之间存在固定的相位关系，并且因此在显示针对特定焦平面所渲染的显示帧时，液态膜镜头112表现出关联于该时刻的该焦平面的光焦度。作为结果，液态膜镜头112的瞬时光焦度与显示组件102处的VR图像的渲染和显示是同步的，使得在显示组件102处所显示的显示帧得以被渲染为通过不同焦平面/焦距的集合来循环，并且镜头组件104的液态膜镜头112被调制为在每个显示帧的显示时提供关联于针对其渲染该显示帧的焦平面/焦距的光焦度。

[0018] 图2图示了焦平面渲染的显示帧与近眼显示系统的液态膜镜头112的光焦度的周期性调制之间的这种同步操作的示例。图2特别示出了一组波形，包括变焦度波形201、帧显示波形202、和感知深度波形203。变焦度波形201表示液态膜镜头112随时间的光焦度。在该示例中，镜头驱动114所输出的驱动信号116由具有频率f1的正弦信号构成，并且由于驱动信号116和液态膜镜头112的光焦度响应之间的近似线性关系，所产生的对液态膜镜头112的光焦度的调制具有频率为f1的正弦形式。也就是说，液态膜镜头112所表现出的变焦度波形201的幅度和频率基本上跟踪输入到液态膜镜头112的驱动信号116的幅度和频率。如以上所提到的，液态膜镜头通常在以其谐振频率或者其谐波(也就是说谐振频率的整数倍)调制时明显更为有效地进行工作。因此，为了节省功耗，在至少一个实施例中，具有处于或接近频率f1的谐波频率的液态膜镜头可以被选择或制造以便用作液态膜镜头112。为了说明，在液态膜镜头或其他振动圆形薄膜的薄膜属性和几何形状与基本谐振频率之间存在相对简单的关系，如以下表达式中所表示的：

[0019]

[0020] 其中fr表示基本谐振频率，T表示以牛顿/米为单位的薄膜的张力，σ表示以千克每平方米为单位的薄膜的密度，并且D表示以米为单位的薄膜的直径。基于该表达式，可以选择或制造具有适当的张力、直径、和密度的液态膜镜头，以提供接近或等于液态膜镜头112的预期调制频率的谐振频率。

[0021] 帧显示波形202表示以频率f2(例如，60赫兹(Hz)、120Hz、240Hz等)的显示帧的序列121的显示时序。在至少一个实施例中，显示组件102采用提供显示帧的低留存显示的一个或多个显示面板110。在这样的低留存显示面板中，显示面板针对特定显示帧发光的时段明显小于显示帧之间的整体周期。为了说明，针对120Hz的帧率，显示帧每隔8.3ms被显示；然而，不同于在8.3ms时段中的大部分或全部时间内对显示帧进行显示，在低留存显示面板中，显示帧可以仅在8.3ms时段的一部分内被显示，作为示例，诸如仅在4.0ms内被显示。对帧的显示进行控制的方式取决于显示面板的特定技术。在诸如基于液晶显示器(LCD)和基于发光二极管(LED)的显示面板的背光显示面板中，帧的显示的实际时段由被用来为显示面板的像素提供光源的背光的激励所控制。在基于有机LED(OLED)的显示面板中，每个像素充当其自己的单独光源，并且因此帧的显示时段由像素自身的激励所控制。在图2的特定示例中，帧显示波形202表示显示面板110的背光的激励状态，使得在波形202“高”或者处于状态1时，背光被激励并且因此帧被显示，并且当其“低”或者处于状态“0”时，背光被去激励并且因此帧不被显示。对于显示面板110的基于OLED的实施方式中的每个显示帧，将针对像素的激励而表现出相似的波形。如以上所提到的，与液态膜镜头112在其如波形201所示被调制时的光焦度的循环周期或时段相比，这种针对所显示的任何给定帧的像素的照明的低留存导致帧被照亮较短时间，导致液态膜镜头112的光焦度针对帧的显示的持续时间接近恒定，并且因此在该帧的显示时段内为镜头组件104提供了有效恒定的整体光焦度。

[0022] 在至少一个实施例中，显示帧率(即，帧显示波形202的频率f2)是变焦度波形201的频率f1的整数倍(也就是说，f2＝N×f1，其中N是大于1的整数)，并且因此在波形201、202之间存在固定的相位关系。该固定的相位关系实际上使液态膜镜头112的瞬时光焦度与显示帧的显示时序同步，而使得显示帧在每个周期中以相同的(一个或多个)瞬时光焦度进行显示。为了说明，在所描绘的示例中，波形201和202被同步，使得每个显示帧在周期中液态膜镜头112的光焦度处于其最大光焦度(该示例中为+2屈光度)的点或者在周期中光焦度处于其最小光焦度(该示例中为-2屈光度)的点被主动显示。因此，如果以1开始从左至右将波形202中的每个所显示帧进行编号，帧1、3、5、7和9在变焦度波形201的最大峰值被主动显示，而帧2、4、6、8和10则在变焦度波形201的最小峰值被主动显示。应当意识到的是，虽然该特定配置提供了要在变焦度波形201中的转换点或零导数点期间被主动显示的显示帧，但是由于在这些点针处存在用于时序误差的较大余量，所以不要求这种特定的相位关系。为了说明，波形201、202之间的相位关系可以被配置为使得帧1、3、5、7和9在变焦度波形处于+1屈光度时被主动显示，而帧2、4、6、8和10则在变焦度波形处于-1屈光度时被主动显示。

[0023] 这种同步对于用户的影响由感知深度波形203所表示，其图示了用户在通过液态膜镜头112观看时针对每个显示帧所感知到的焦距。如所示出的，针对帧1、3、5、7和9，感知焦距为+2屈光度，而针对帧2、4、6、8和10，感知焦距则为-2屈光度。因此，渲染部件118将该交替的感知焦距加以权衡，从而针对关联于在帧通过液态膜镜头112显示并且由用户通过其观看时将会出现的感知焦距的焦平面渲染序列121中的每个帧。为了说明，假设液态膜镜头112是仅有的影响焦距的镜头，帧1、3、5、7和9基于对应于+2屈光度的感知焦距的焦平面“A”而被渲染，而帧2、4、6、8和10则基于对应于-2屈光度的感知焦距的焦平面“B”而被渲染。作为结果，帧的序列121在针对焦平面“A”所选择如的帧和针对焦平面“B”所渲染的帧之间反复交替。因此，由于人类视觉系统的视觉留存效应，用户将同时感知到具有对应的适当焦点提示的两个不同焦平面，并且因此与仅提供单个感知焦平面的常规近眼显示系统相比，提供了有所改善的沉浸式体验。

[0024] 图3更为全面地描绘了这种所感知的并发双焦距结果，其示出了实施由图2的波形201-203所表示的配置的近眼显示系统100的镜头组件104和显示面板110的侧视图。在该示例中，镜头组件104包括与液态膜镜头112一致的固定光焦度镜头302，其中该固定光焦度镜头302提供镜头组件104的总体对焦能力中的大部分从而使得畸变最小化。如图3所示，显示面板110处于距眼睛108的固定距离，并且因此在液态膜镜头112并未被调制时被用户感知为处于固定焦平面(图3中的指定焦平面“O”)。然而，当液态膜镜头112如变焦度波形201中所示被调制并且帧的序列121在如参考帧显示波形202所示的视觉留存阈值以内被对焦渲染并显示时，用户感知到两个并发的焦距或焦平面。为了说明，如以上所提到的，序列121的帧1基于焦平面A(其也代表镜头302的固定光焦度)被渲染，而该序列的帧2则基于焦平面B被渲染。因此，当帧1被显示时，液态膜镜头112表现出关联于焦平面A的光焦度，并且当帧2随后被显示时，液态膜镜头112表现出关联于焦平面B的光焦度。然而，由于视觉留存，帧1和
2被感知为有效地并发显示，并且由于每一个是在不同焦平面被渲染和感知，所以用户实际上感知到具有A和B两个焦平面的所显示图像。

[0025] 虽然图2和3图示了示例实施方式，由此液态膜镜头112和显示帧的对焦渲染序列121的对应同步显示导致了两个并发焦平面的用户感知，但是可以使用类似技术来提供多于两个的并发焦平面。为了说明，图4和5描绘了提供四个所感知的并发焦平面的示例实施方式。虽然本文所描述的原则可以被用来提供多于四个的焦平面，但是人眼具有0-4个屈光度的典型调整范围以及1个屈光度的焦深(DOF)，因此2-4个离散的并发焦平面应当足以产生真实的变焦显示。

[0026] 图4描绘了一组波形，包括变焦度波形401、帧显示波形402、和感知焦深波形403。如同图2的波形201，变焦度波形401表示液态膜镜头112随时间循环且连续变化的光焦度。
在该示例中，镜头驱动114所输出的驱动信号116由不同幅度和不同频率(例如，在该示例中为f1和2*f1)的两个正弦信号构成，所产生的这两个正弦信号的组合对液态膜镜头112进行调制以具有所产生波形的每个周期的绝对最大光焦度404、绝对最小光焦度406、局部最大光焦度408、和局部最小光焦度410。如以上所提到的，液态膜镜头112可以被选择或设计为使得频率f1处于或接近于该液态膜镜头或者其谐波的谐振频率。帧显示波形202表示显示帧的序列121以频率f2的显示时序，该频率f2在该示例中为频率f1的四倍(f2＝4×f1,N＝
4)并且具有所图示的固定相位关系。

[0027] 作为结果，波形401和402被同步从而具有固定的相位关系，从而序列121中的每个显示帧在液态膜镜头112的循环光焦度的最大值或最小值之一处被主动显示。在该特定示例中，如果以1开始从左向右对波形402中的每个所显示帧进行编号，则帧1、5、9、13和17在它们在波形402的相应周期的绝对最大光焦度404处被主动显示，帧2、6、10、14和18在它们在波形402的相应周期的绝对局部最小光焦度410处被主动显示，帧3、7、11、15和19在它们在波形402的相应周期的局部最大光焦度408处被主动显示，并且帧4、8、12、16和20在它们在波形402的相应周期的绝对最小光焦度406处被主动显示。如上文类似提到的，虽然图4的示例提供了要在变焦度波形401中的转换点或零导数点期间被主动显示的显示帧，但是不要求这种特定的相位关系。

[0028] 如感知焦距波形403所示，作为该同步的结果，用户通过液态膜镜头112所感知的光焦度随着显示帧的序列121的进行而从大约+3屈光度至-1屈光度、至+1屈光度、至-1屈光度进行循环。相应地，渲染部件118基于四个不同焦平面中所选择的一个来渲染序列121中的显示帧，其中为显示帧所选择的特定焦平面对应于在该帧要被显示时的所感知焦平面。为了说明，假设液态膜镜头112是仅有的影响焦距的镜头，帧1、5、9、13和17基于对应于+3屈光度的所感知焦距的焦平面“A”被渲染，帧4、8、12、16和20基于对应于-1屈光度的所感知焦距的焦平面“B”被渲染，帧3、7、11、15和19基于对应于+1屈光度的所感知焦距的焦平面“C”被渲染，并且帧4、8、12、16和20基于对应于-3屈光度的所感知焦距的焦平面“D”被渲染。作为结果，帧的序列121在针对焦平面“A”渲染的帧、针对焦平面“B”渲染的帧、针对焦平面“C”渲染的帧和针对焦平面“D”渲染的帧之间反复排序。如果每个序列中的这四个帧在人类视觉系统的留存阈值内被显示，则用户将同时感知到具有对应的适当焦点提示的四个不同焦平面，由此具有有所改善的沉浸式体验。

[0029] 图5更为详细地示出了这种所感知的并发四焦平面的部署形式。特别地，图5示出了实施由图4的波形401-403所表示的配置的近眼显示系统100的镜头组件104和显示面板110的侧视图。在该示例中，镜头组件104包括与液态膜镜头112一致的固定光焦度镜头502。
虽然显示面板110处于距眼睛108的固定距离(即，处于焦平面“O”)，但是当液态膜镜头112如变焦度波形401中所示被调制并且帧的序列121在如参考帧显示波形402所示的被对焦渲染并显示时，用户感知到四个并发的焦距或焦平面。为了说明，如以上所提到的，序列121的帧1基于焦平面A被渲染，帧2则基于焦平面B被渲染，帧3则基于焦平面C被渲染，并且帧4则基于焦平面D被渲染。因此，当帧1-4被顺序显示时，在液态膜镜头112在每个帧显示时提供关联光焦度的情况下，帧1-4有效地被用户感知为同时显示，并且在它们各自的焦距进行显示，因此用户将帧1-4感知为具有四个离散焦平面A、B、C和D的单个图像。

[0030] 图6图示了根据至少一个实施例的近眼显示系统100的示例硬件配置600。硬件配置600包括显示组件102、镜头组件104、镜头驱动114、显示驱动122、应用处理器602、图形处理单元(GPU)604、和系统存储器606。镜头组件104包括用于左眼的液态膜镜头(被表示为“液态膜镜头112-1”)和用于右眼的液态膜镜头(被表示为“液态膜镜头112-2”)，以及用于每只眼睛的一个或多个固定光焦度镜头(未示出)。在该示例中，显示组件102包括用来同时显示左眼图像和右眼图像的单个显示面板110。

[0031] 作为整体的操作概述，应用处理器602执行VR/AR应用608(例如，存储在系统存储器606中)以便为用户提供VR/AR功能。作为该处理的一部分，GPU 604执行对焦渲染例程610(其可以是VR/AR应用608的一部分或者是单独例程)以针对每只眼睛对焦渲染在显示面板110所显示的显示帧(例如，序列121，图1)，其中成对的图像序列在用户通过液态膜镜头
112-1、112-2观看时表示3D VR或AR场景。显示驱动122操作为以低留存模式显示序列中的左右成对的显示帧，使得显示帧的每个左右对仅在帧率周期的相对小的部分内被显示。

[0032] 并行地，镜头驱动114使用驱动信号116驱动液态膜镜头112-1、112-2，使得与成对帧序列的显示同步地连续且循环地调制液态膜镜头112-1、112-2的光焦度，使得镜头112-1、112-2在显示帧的左右对被显示时所表现出的瞬时光焦度关联于显示帧的该左右对针对其进行渲染的焦平面。为此，镜头驱动114包括用于接收用于在显示面板110处的显示帧的显示进行定时的、由显示驱动112使用的帧时钟124的输入，用于接收控制信息612的输入，以及用于提供驱动信号116的输出。控制信息612包括有关用于生成驱动信号116的参数的信息，诸如要被整合到驱动信号116中的每个正弦分量的频率，每个正弦分量的幅度，要在这些正弦分量之间实施的相位偏移量，或者要在帧时钟124和驱动信号116之间实施的相位偏移量，等等。

[0033] 在所描绘的示例中，镜头驱动114进一步包括频率控制部件614，诸如信号生成器616、618、和620的多个信号生成器，信号合成器622，以及偏移量部件624。如上文所解释的，驱动信号116可以由频率为f1的一个或多个正弦曲线构成，并且在这样的实例中，信号生成器可以包括可以使用帧时钟124作为馈送或基准信号的正弦波生成器。在驱动信号116仅由单个正弦曲线构成的情况下，频率控制部件614控制单独的一个信号生成器——例如信号生成器616——以生成具有频率f1和所期望幅度的正弦波信号(在图6中表示为信号“S”)。
该单个正弦波信号被送至偏移量部件624，其将该正弦波信号延迟频率控制部件614所指定的特定延迟时段，从而在该正弦波信号和帧时钟124之间引入所期望的相位关系，并且所产生的延迟正弦信号作为驱动信号116被输出。

[0034] 在驱动信号116由频率为f1但是具有不同相位偏移量的多个正弦曲线构成的情况下，频率控制部件614控制数量等于驱动信号中的正弦曲线数量的信号生成器来生成具有频率f1、所指示幅度以及所指示相位偏移量的对应正弦波信号，并且所产生的正弦波信号被信号合成器622进行合成，并且所产生的信号(在图6中被表示为S)被输入到偏移量部件624，其将适当延迟引入到该信号中，从而在驱动信号116和帧时钟124之间实施预期的相位关系。所产生的相位偏移信号随后作为驱动信号116被输出。

[0035] 图7图示了根据至少一个实施例的用于显示帧的对焦渲染以及液态膜镜头的同步调制以便为了有所改善的用户沉浸而提供具有明显多个并发焦平面的VR图像的示例方法700。为了便于说明，方法700在图6的硬件配置600的示例环境中进行描述。方法700在框702开始，其中VR/AR应用608确定要针对近眼显示系统100所实施的所感知并发焦平面的数量N。该数量可以是固定的，或者可以基于各种考虑来选择，诸如GPU 215的处理功率、所要渲染的VR世界的复杂度、镜头组件104的光焦度范围，等等。如上文所讨论的，两个至四个焦平面(N＝2、3或4)通常足以提供真实的沉浸。初始化进一步包括将时间变量X设置为1。

[0036] 在系统被初始化的情况下，硬件配置600并行地执行两个处理：显示帧的成对序列的基于焦平面的渲染；以及液态膜镜头112-1、112-2的同步调制。针对对焦渲染处理而言，在框704，VR/AR应用608指示对焦渲染例程610对显示帧进行渲染以表示所指定的VR或AR图像内容，并且作为响应，对焦渲染例程610操控GPU 604以使用任意各种对焦渲染技术基于焦平面X来渲染显示帧，其中X是在框702被初始化的时间变量并且表示由系统100所实施的N个焦平面的集合中的对应一个的指标。框704的处理针对每次迭代被重复两次，针对每只眼睛一次，从而生成显示帧的立体配对。在框706，显示驱动122驱动显示面板110以使用帧时钟124所提供的时序同时显示该显示帧配对。如上文所提到的，显示驱动122可以实施低留存显示，从而显示帧仅在帧时钟124的对应周期的一部分内被主动显示，因此支持视觉留存效应。变量X随后变为N个焦平面的集合中的下一个焦平面的索引(例如，X＝X MOD N)，并且针对下一个焦平面重复框704和706的处理。框704和706的迭代结果是经N个不同焦平面反复循环的显示帧的序列。

[0037] 并行地，在708，镜头驱动114生成循环的、连续变化的驱动信号116，其具有作为帧时钟124的帧率的整数因子的频率并且与帧时钟124具有固定的相位关系，使得在液态膜镜头112-1、112-2被驱动信号116所驱动时，液态膜镜头112-1、112-2表现出与对焦渲染的显示帧的显示同步的连续调制的光焦度，使得在显示帧的每个立体配对被显示时，镜头112-1、112-2表现出与该显示帧配对针对其渲染的焦平面相关联的光焦度。这种与视觉留存效应相结合的特定于焦平面的渲染使得用户将顺序显示的两个或更多显示帧感知为作为具有多个焦平面的单个图像被显示，并且当该效果贯穿表示3D VR场景的VR图像的显示帧序列被一再重复时，由于由被该用户感知为出现在所显示图像中的多个并发焦平面所提供的有所改善的焦点提示，该用户更加完全地沉浸在该VR场景之中。

[0038] 在一些实施例中，上文所描述的技术的某些方面可以由执行软件的处理系统的一个或多个处理器来实施。软件包括存储在非瞬态计算机可读存储介质上或者以其他方式在其上有形体现的一个或多个可执行指令集合。软件可以包括指令和某些数据，当被一个或多个处理器所执行时，其对该一个或多个处理器进行操控以执行以上所描述的技术的一个或多个方面。例如，非瞬态计算机可读存储介质可以包括但并不局限于磁盘或光盘存储设备、诸如闪存的固态存储设备、高速缓存、随机访问存储器(RAM)，或者一种或多种其他非易失性存储器，等等。存储在非瞬态计算机可读存储介质上的可执行指令可以为源代码、汇编语言代码、目标代码，或者由一个或多个处理器所解释或者能够以其他方式执行的其他指令格式。

[0039] 计算机可读存储介质可以包括能够由计算机系统在使用期间所访问以向计算机系统提供指令和/或数据的任意存储介质或者存储介质的组合。这样的存储介质可以包括但不局限于光学媒体(例如，紧致盘(CD)、数字多功能盘(DVD)、蓝光盘)、磁性媒体(例如，软盘、磁带或磁性硬盘)、易失性存储器(例如，随机访问存储器(RAM)或高速缓存)、非易失性存储器(例如，只读存储器(ROM)或闪存)，或者基于微电机械(MEMS)的存储媒体。计算机可读存储介质可以嵌入在计算系统之中(例如，系统RAM或ROM)，灵活地接合至计算系统(例如，磁性硬盘)，可移动地接合至计算系统(例如，光盘或基于通用串行总线(USB)的闪存)，或者经由有线或无线网络耦合至计算机系统(例如，网络可访问存储(NAS))。

[0040] 注意到，并非以上在总体描述中所描述的所有动作或要素都被需要，具体动作或设备的一部分可能并不需要，并且可以执行一种或多种另外的动作，或者包括除所描述那些以外的要素。再进一步，动作被列出的顺序并非必然是它们被执行的顺序。而且，已经参考具体实施例对概念进行了描述。然而，本领域技术人员意识到，能够进行各种修改和变化而并不背离如权利要求所给出的本公开的范围。因此，说明书和附图要以说明性而非限制性的含义来理解，并且所有这样的修改都意在被包括在本公开的范围之内。

[0041] 以上已经关于具体实施例对益处、其他优势和解决方案进行了描述。然而，益处、优势、针对问题的解决方案以及可能导致益处、优势、解决方案发生或变得更为突出的任意(一个或多个)特征不被理解为任意或全部权利要求的关键、必需或必要特征。此外，以上所公开的特定实施例仅是说明性的，因为所公开的主题可以以已经从本文的教导获益的本领域技术人员所显而易见的不同但等同的方式进行修改和实践。除了以下权利要求中的描述之外，对于本文所给出的构造或设计的细节无刻意限制。因此，以上所公开的特定实施例显然可以有所改变或修改并且所有这样的变化都被认为处于所公开主题的范围之内。因此，本文所请求的保护在权利要求中被给出。