CN107209381B - 用于可头戴显示器的混合透镜系统 - Google Patents

Abstract

一种用于可头戴显示器的混合光学系统包括中心视觉透镜和周边视觉透镜。中心视觉透镜与用户的角膜近似对齐并且在用户直视前方时向用户的中心视觉提供透镜效应。周边视觉透镜与中心视觉透镜不同，在用户直视前方时向超出由中心视觉透镜提供透镜效应的中心视觉角状延伸的延伸视野提供透镜效应。周边视觉透镜被布置在中心视觉透镜周围。周边视觉透镜与中心视觉透镜具有一致的光学中心，但中心视觉透镜偏离周边视觉透镜的物理中心。

Description

用于可头戴显示器的混合透镜系统

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年1月12日递交的美国临时申请62/102,491号和2015年6月19日递交的美国专利申请14/744,641号的优先权，这里通过引用并入这些申请的内容。

技术领域

本公开概括而言涉及光学系统，具体地但非唯一地，涉及用于可头戴显示器的光学系统。

背景技术

头戴式显示器(head mounted display，“HMD”)或可头戴显示器是穿戴在头上或头周的显示设备。HMD通常包含某种近眼光学系统来产生置于用户前方一米左右(近)和光学无限远(远)之间的放大虚拟图像。单眼显示器被称为单眼HMD，而双目显示器被称为双目HMD。一些HMD只允许用户看到显示图像(例如，计算机生成图像、静止图像、视频图像等等)，而其他类型的HMD能够将显示图像叠加在真实世界视图上。显示真实世界视图与显示图像结合的该种类型的HMD通常包括某种形式的透视目镜并且可充当用于实现增强现实的硬件平台。有了增强现实，观看者对世界的感知上添加了覆盖的显示图像。这种类型的系统有时也被称为抬头显示器(“HUD”)。完全沉浸式显示器(即，非透视)经常被称为虚拟现实(virtual reality，“VR”)显示器。沉浸式HMD也可通过电子地组合来自查看用户前方的世界的相机或其他传感器的图像与其他电子影像或信息的融合来提供增强现实。

HMD具有许多实际和娱乐应用。航空应用允许飞行员看到至关重要的飞行控制信息，而无需将其眼睛从飞行路线上转开。公共安全应用包括地图的战术性显示和热成像。其他应用领域包括视频游戏、交通运输和电信。随着技术发展必定会有新发现的实际和娱乐应用；然而，这些应用中的许多由于用于实现现有HMD的传统光学系统的成本、大小、重量、视野和效率而受到限制。

附图说明

参考以下附图描述本发明的非限制性且非穷举性的实施例，附图中相似的标号在各种视图中始终指代相似的部件，除非另有指明。附图不一定是按比例的，而重点是放在图示所描述的原理。

图1图示了瞳孔间距(IPD)的概念。

图2图示了矢状平面的概念。

图3是在矢状平面上没有延伸(extent)的物体的双目视图的图示。

图4图示了透镜的边缘如何渐晕或限制用户的视野。

图5图示了良视距如何影响透镜的渐晕的程度。

图6A和6B根据本公开的第一实施例图示了混合透镜系统。

图7根据本公开的第二实施例图示了混合透镜系统。

图8根据本公开的第三实施例图示了混合透镜系统。

图9A根据本公开的第四实施例图示了混合透镜系统。

图9B根据本公开的第五实施例图示了包括混合透镜系统和弯曲显示器的双目可头戴显示器；

图9C根据本公开的第六实施例图示了包括具有弯曲部分的显示器的可头戴显示器，该弯曲部分延伸超出混合透镜系统以获得极端周边视觉。

图10是根据本公开的实施例图示出作为像素平面与透镜之间的光路长度的减小的函数的虚拟图像距离的图表。

图11是根据本公开的实施例图示出对于放置在距透镜43.9mm处的显示器的作为焦距的函数的图像距离的图表。

图12根据本公开的实施例图示了在鼻子方向上径向改变光学功率的混合透镜系统。

图13根据本公开的实施例图示了包括各自具有可变焦距的左右混合透镜的双目混合光学系统。

图14根据本公开的实施例图示了包括朝着鼻子向内弯曲以去除辐辏与容适距离之间的冲突(conflict between vergence and accommodation distance)的柔性显示器的双目可头戴显示器。

具体实施方式

本文描述了一种用于混合光学系统的装置、系统和操作方法，该混合光学系统对于中心凹感知使用非球面透镜并且对于周边视觉使用菲涅耳透镜来提供适合于可头戴显示器的宽视野。在以下描述中，记载了许多具体细节以提供对实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将会认识到，没有这些具体细节中的一个或多个或者利用其他方法、组件、材料等等也可实践本文描述的技术。在其他情况中，没有示出或详细描述公知的结构、材料或操作以避免模糊某些方面。

本说明书中各处提及“一个实施例”或“一实施例”的意思是联系该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。从而，短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”在本说明书各处的出现不一定全都指的同一实施例。另外，特定的特征、结构或特性在一个或多个实施例中可按任何适当的方式被组合。

本公开被分成两个部分。包括图1-5在内的部分1记载了与可头戴显示器的光学设计有关的各种术语以及一般概念。包括图6-14在内的部分2记载了适用于支持高质量沉浸式视觉用户体验的可头戴显示器的混合光学系统的各种实施例。一种示例高质量视觉沉浸式用户体验是这样的一种体验：其生成真实的存在感，达到用户暂停怀疑的水平。众所周知，光学器件和相关的视觉体验不是暂停怀疑的唯一要求；然而，本公开主要关注由光学器件和显示器提供的视觉体验。实现这一点的光学系统的属性可包括：用户的主视野中的20:20视力(例如，每只眼睛60度的锥体)，接近180度的完全水平视野，和接近100度的垂直视野。下面在部分2中公开的实施例例示了这些属性中的一些或全部可如何利用与人类视觉的要求良好匹配的混合光学系统来实现。

部分1：术语和设计概念

A.瞳孔间距考虑

人类瞳孔间距(inter-pupillary distance，IPD)被定义为左眼和右眼的瞳孔的中心之间的距离(见图1)。双目显示器的右透镜和左透镜也具有中心，并且透镜中心之间的距离可被定义为光学系统的IPD。对显示器和光学器件要求的分析可开始于对于系统是将具有可调节IPD还是固定IPD来匹配用户的IPD的考虑。可调节系统IPD可提供良好的用户适配，但通常是更昂贵的、更重的并且由于移动部件更易发生未对准的问题。固定IPD可能不能为每个用户提供那么令人满意的视觉体验，但通常是更舒适且更负担得起的。系统也可销售为多个SKU，每个具在有限范围上起作用的不同固定IPD值，以便用户可选择作为最佳适配的IPD。光学器件的细节决定了特定设计将会适配的IPD的范围。

对于成年人群体的大多数，人类IPD的范围是从52mm到75mm。因此，为了适配最窄的可能成年人IPD，我们在瞳孔和正中矢状额面之间有26mm(见图2)。对于此范围上的可调节系统IPD，这也将传统圆形正透镜的半径设定到最大26mm。(如果透镜靠近脸部，则透镜对于鼻子可能需要一个切口。)稍后在论述中将变得明显的是，这个半径由于渐晕(vignetting)而限制了显示器的水平视野(field of view，FOV)。希望克服这个FOV限制。

B.视敏度和像素大小

20:20的斯内伦视敏度对应于1角分(minute of arc)的角分辨率。20:40的视敏度对应于2分的弧的分辨率。对于具有正常视力(20:20)的人，视网膜不能区分对向1角分的发光物体和对向小于1角分的发光物体之间的区别。因此，对于具有20:20视力的人，对向小于1角分的像素(其是发光物体)的任何图像却将会被感知为对向1角分，这是因为视网膜上的视锥的大小和间距。因此，如果对于20:20敏度进行设计，则设计采用其图像对向小于1角分的像素的系统的原因很少。

与视敏度有关的第二个因素是光学系统的质量。为了产生实现20:20视力的系统，光学系统应当能够提供放大，而不会模糊仅相隔1角分的像素。然而，非常高性能的透镜经常直径非常窄，从而不是很适合宽FOV系统。在可头戴显示器中希望有宽FOV。

C.双目重叠

在双目显示器中，由左显示器和透镜以及右显示器和透镜为左眼和右眼产生个体虚拟图像。取决于光学器件的FOV，左虚拟图像和右虚拟图像可完全或部分重叠。双目重叠区域被定义为几何上重叠的左虚拟图像和右虚拟图像的区域。图2图示了二平分水平视野的正中矢状额状面(以下简称为矢状平面)。左眼、左光学器件和左显示器在矢状平面的左侧，并且右眼、右光学器件和右显示器在矢状平面的右侧。然而，由光学器件和显示器产生的两个虚拟图像一般穿过矢状平面。从而，当观看虚拟图像时，左眼或右眼凝视可能(并且经常确实)穿过矢状平面。

双目重叠区域在左侧由穿过矢状平面向左看的右眼所感知到的虚拟图像的边缘所限制，并且在右侧由穿过矢状平面向右看的左眼所感知到的虚拟图像的边缘所限制。图3图示了观看右视野中点A处的物体的两只眼睛的示例。左眼转到角度θ以观看点A。如果点A由左眼显示器上的最右像素产生，则表示双目重叠区域的边缘的半角是θ，并且按照对称，双目重叠区域的视野是两倍的θ。换言之，点A位于由左眼显示器产生的虚拟图像的右边缘上。-θ处的相应点位于由右眼显示器产生的虚拟图像的左边缘上。因此，双目重叠是2θ。

眼睛在任何方向上0到15度的范围上舒适地转动。考虑到关于中心凹区域的一半的另2.5度，θ的可接受下限值是大约18度。然而，18度对于建立令人满意的存在度来说可能太窄。为了允许眼睛更进一步运动到不舒适但有用的范围中，θ的更合乎需要的值是30度，并且有用的上限值可能是大约45度(其对于不同的人可能不同)。

一旦选择了θ的值，20:20敏度所需要的半角区域中的像素的数目就可通过将半角除以像素对边来确定。例如，如果半角是30度，则半角中的像素的数目是1800。对于双目重叠区域中的完整60度FOV，在显示器中应当有3600个像素列。对于45度的θ，2700个像素列应当在眼睛和矢状平面之间以填充半角区域，而对于90度双目重叠区域需要5400。

另一个设计考虑是完整双目重叠区域是否要具有20:20视敏度。这看起来是合乎需要的，但可能不是必要的。从而，系统应当被设计有90度的双目重叠，但仅在60度重叠子区域上具有20:20的视敏度。从而，在双目重叠区域的中心区域上提供高敏度并且在此中心区域外的角度处提供较低敏度的光学系统可能是合乎需要的。

具有头部跟踪的HMD使得眼睛不必转到超出舒适范围来观看不在中心视野中的物体。头部和眼睛从而可转动来将感兴趣的物体的图像放置在中心凹上。由于视网膜随着与中心凹的距离增大而具有逐渐减小的视锥密度，所以打算用于VR的HMD系统不需要在所有视场角都提供高分辨率。通过以这种方式考虑到人类视觉系统，HMD系统可被简化(以将要示出的方式)，而不会严重损失存在感。

D.焦距

另一个设计因素是光学系统的焦距，其决定放大率。暂时忽略可限制FOV的渐晕，图像的水平FOV(H-FOV)近似满足以下式子：

H-FOV＝2*arctan(图像宽度/2F)，

其中F是焦距，或者

F＝(图像宽度/2)/tan(H-FOV/2).

对于具有20:20敏度和1分的像素对边的系统，此式子定义了像素大小和焦距之间的关系。由于tan(0.5分)＝0.000145，

F＝像素宽度/0.00029。

因此一个10微米像素要求34mm的焦距以便10微米像素对向1角分。

E.渐晕

虽然图像的FOV是由焦距和显示大小设定的，但显示器可被光学系统渐晕。图4图示了视图可如何被透镜的边缘所限制(渐晕)。透过构成光圈(aperture)的透镜观看图像，并且如果使显示器充分地大，则透过透镜将看不到显示器的边缘，并且图像的外部部分不能被看到，如图4中所示。当作为中心凹的渐晕的一部分考虑眼睛旋转时，应当考虑眼睛的半径(因为瞳孔在眼睛旋转期间移动)。当使用眼睛的半径来确定渐晕角度时，可作出如下的简化假设：眼睛的中心也是眼睛旋转的中心。虽然不是严格正确的，但这个假设对于渐晕的准确估计是足够接近的。

用于确定透镜的渐晕的程度的关键距离是从眼睛到透镜的距离(称为“良视距”(eye relief))加上眼睛半径(通常是13mm)。一个接近的实际良视距是约15mm，从而总和是28mm。图5示出了63mm的中值IPD的暗示。从眼睛到矢状平面的距离是31.5mm。从而透镜的最大半径对于中值情况是31.5mm，并且假定我们对于透镜支撑环需要1mm，则最大半径是30.5mm。角度由arctan(30.5/28)给出或者是47度。如果良视距更大(例如，如果系统被设计为重做处方眼镜)，则此角度可被减小。对于30mm的良视距，角度是35度。允许眼睛转动到超过其舒适范围而不会遭受严重渐晕的光学系统是合乎需要的。

部分2：具有宽FOV的混合透镜系统的实施例

典型的HMD设计是基于每只眼睛单个传统透镜的，其中直径近似等于或小于焦距(这是传统的平凸和双凸透镜典型的)。如前所述，由于渐晕，透镜的边缘限制图像的FOV。通过消除由透镜施加的渐晕，可增大FOV。本文公开的实施例使用包括菲涅耳透镜和折射性球面或非球面透镜的混合透镜系统。

图6A和6B根据本公开的实施例图示了混合透镜系统600。图6A是顶部截面图示，而图6B是正面图示。图示的混合透镜系统600的实施例包括在菲涅耳透镜610(例如，非球面菲涅耳透镜)的光学中心处形成的单透镜605(例如，球面或非球面透镜)。换言之，单透镜605的光学中心与菲涅耳透镜610的光学中心一致。在图示的实施例中，透镜的光学中心被放置在用户的瞳孔/角膜前面(当眼睛凝视正前方时)。在图示的实施例中，中心视觉透镜(例如，单透镜605)被实现为具有两个弯曲表面的折射性透镜；然而，也可实现只具有单个弯曲表面的折射性透镜。另外，中心视觉透镜可实现为渐变透镜、消色差透镜、衍射光学元件、全息图或者甚至是混合折射-衍射透镜。

由于打算用于左眼或右眼的光学系统不应当穿过矢状平面，所以菲涅耳透镜610在鼻子侧被截短并且菲涅耳透镜610的物理中心及其光学中心不在同一位置(例如，参见图6A和6B)。换言之，混合透镜系统600从光学中心非对称延伸，在太阳穴方向上比在鼻子方向上延伸得更远。混合透镜系统600的垂直延伸也可以是非对称的。如果菲涅耳透镜610和单透镜605具有相同的焦距，则用户将从两个透镜看到相同的放大率。

用单透镜605替换菲涅耳透镜610的中心区域的一个原因如下：对于具有非常小像素间距的显示器，单透镜可提供对高空间频率的更好的放大，在这里其在舒适凝视角度的有限范围上在眼睛前方最直接地至关重要。这样，通过利用单透镜605在眼睛的凝视范围上保留了解析对向1角分的物体的能力，并且也呈现了场景的剩余部分，虽然是按菲涅耳透镜610允许的分辨率呈现的，菲涅耳透镜610的分辨率可小于单透镜605。换个说法，菲涅耳透镜610可能不具有像单透镜605那么令人满意的调制传递函数(modulation transferfunction，MTF)，但由于菲涅耳透镜610主要在中心凹的中心凝视范围之外作用，所以减小的MTF可能不会引出严重后果。从而，当用户直视前方时，单透镜605充当中心视觉透镜，而菲涅耳透镜810充当周边视觉透镜。

再次参考图6，凝视方向A表示用户的眼睛透过单透镜605的光学中心直视前方。凝视B示出了如下的眼睛旋转角度(为了简单，没有示出旋转后的瞳孔位置)：在该处凝视是透过单透镜605和菲涅耳透镜610的槽状表面之间的过渡区域的。该过渡区域在一些实施例中是在相对于正前方30至45度的范围中。凝视方向C是透过菲涅耳透镜610的。大的凝视角度是可能的。从而，此方法克服了传统透镜的渐晕，同时对于大多数重要凝视方向保留了传统透镜的质量。

值得注意的是，菲涅耳透镜610(及其所产生的较低的敏度)被用在主凝视场外，这是可接受的，因为当用户透过单透镜605看(单透镜605的图像在中心凹上)时，向超出中心凹外的视网膜的区域提供菲涅耳图像，而从该区域用户通常不能感知到高分辨率。从而，向用户呈现了可接受的宽FOV。

第二个罕见的情况发生在眼睛转到使得用户能够透过菲涅耳透镜610沿着方向C凝视时，在此情况下向中心凹提供较低敏度的图像。然而，这也是可接受的，因为眼睛很少转到高角度，而在没有不适的情况下维持高角度的(例如，>30度)的眼睛旋转是更加少见的。反而，头部通常转动来观看物体以便眼睛保持在舒适的凝视范围中。当可头戴显示器(例如，VR显示器或增强现实显示器)包括头部跟踪时，头部也将会被转动来在高初始角度观看物体，从而凝视C方向将经由头部运动被转换成凝视A方向。由于这些原因，预期用户对于高眼睛旋转角度处的低敏度的不满意将是罕见的。

图6图示了在菲涅耳透镜610的光学中心处整体形成(例如通过注塑或压缩成型)的单球面或非球面透镜605。可替换地，可在菲涅耳透镜610中提供空腔或孔洞并且可通过本领域中已知的光学技术来插入并粘合单透镜605。在其他实施例中，菲涅耳透镜610也可利用被称为嵌入成型的技术被成型在不同材料(诸如例如玻璃)的单透镜605周围。

菲涅耳透镜610朝着鼻子延伸超出单透镜605提供了比单透镜605单独获得的更多的双目重叠的能力。例如，单透镜605可在60度FOV上提供高视敏度，而在鼻子方向上延伸的菲涅耳透镜610的存在可提供额外量的双目重叠，但具有较低的敏度。类似地，也可延伸双目重叠的垂直视野。

虽然图6A图示了菲涅耳透镜610具有面向眼睛的平坦表面，并且菲涅耳的槽状表面向外(例如，朝着显示面板)，但这些表面可被颠倒。此外，与菲涅耳沟槽表面相反的表面可能不是平坦的并且可具有非球面或其他矫正或厚度变化以为诸如凝视方向C之类的凝视方向改善光学性能。混合透镜系统600的设计也可被优化来减小或消除来自菲涅耳透镜610和单透镜605之间的过渡区域的伪像，例如通过使菲涅耳透镜沟槽的拔模角的方向与凝视方向B平行。在其他实施例中，菲涅耳沟槽可存在于两个相反表面上。

图7根据本公开的实施例图示了混合透镜系统700。混合透镜系统700包括第二折射透镜705和/或第三折射透镜710，它们被添加在邻近单透镜605处以矫正色差、畸变或解决其他像差。虽然图7将透镜705和710图示为新月形透镜，但单透镜605的正侧或背侧上的这些额外的透镜效应层取决于光学设计的要求可以是正透镜或负透镜。从而，完整的中心视觉透镜可以是单一、双合、三合或其他结构，其包括可以是球面、非球面或者甚至渐变的正表面或负表面(稍后将论述)。图示的周边视觉透镜是菲涅耳透镜610。

图8根据本公开的实施例图示了混合透镜系统800。混合透镜系统800是利用嵌入成型技术形成的，其中塑料材料(例如，聚甲基丙烯酸甲酯)被形成在光学嵌入物805周围，例如玻璃单透镜、双合透镜或三合透镜，或者其他。从而，光学嵌入物805(中心视觉透镜)是用与菲涅耳透镜810(周边视觉透镜)不同的材料形成的。注意，菲涅耳透镜810或诸如开诺全息图或衍射光学元件之类的微结构可形成在包封光学嵌入物805的外表面815上。

打算用于非常高视野的系统中的光学系统也可从混合透镜系统形成。改善周边视觉的一种方式是如图9A中所示在太阳穴附近采用弯曲。通过使菲涅耳透镜910弯曲，例如由显示面板920上的点A处的像素发出的光线可被混合光学系统900收集并被转播到眼睛。在图9A中，眼睛被转动到高角度，但周边光线可在无需眼睛旋转的情况下在周边视觉中由视网膜看到，如果显示器和透镜产生在周边产生虚拟图像的光线的话。虽然我们示出了一个轴上的弯曲，但菲涅耳透镜910可沿着多个轴弯曲。在一个实施例中，菲涅耳透镜910形成于在一个或多个轴弯曲的弯曲基底上。在图示的实施例中，菲涅耳透镜910在中心视觉透镜的鼻子侧是平面的，但沿着中心视觉透镜的太阳穴侧的一部分是弯曲的。

另一个可选的特征在图9A中图示，其中菲涅耳透镜910的焦距(例如，F1、F2、F3)随着与菲涅耳透镜910的光学中心的径向距离而缓慢变化。在一个实施例中，焦距变化由周边视觉透镜(例如，菲涅耳透镜910)的菲涅耳沟槽的斜率的轻微变化实现。靠近菲涅耳透镜910的中心，焦距是F1。随着半径增大，焦距缓慢且连续地增大到F2，然后增大到F3。如果焦距的变化是逐渐的，则焦距的梯度对于中心凹上的图像(意思是对于对图像的感知)将具有最低限度影响，但整体效果将是使得图像能够保持焦距对准，尽管混合光学系统9000和显示面板920之间的距离增大了。从而，在一个实施例中，增大菲涅耳透镜910的焦距对于菲涅耳透镜910在太阳穴侧的向内弯曲进行了补偿，该向内弯曲导致了混合光学系统900与平面显示面板920之间的分隔距离的增大。当焦距逐渐改变时发生的放大率的变化可通过对图像进行电子的重映射和预畸变来减小，从而放大率变化被近似抵消。然而，如果变化发生在充分远离光学中心处，则放大率的变化可能是不可感知的。

图6、图7、图8和图9中所示的方法的许多变体是可能的。例如，中心视觉透镜可包括衍射光学元件或全息图。嵌入成型步骤的任何组合可用于形成整体混合透镜系统。虽然图9A示出了一个轴上的弯曲，但混合透镜也可形成在球面、非球面或环面基底形状上。在这种情况下，菲涅耳沟槽结构被相应地修改。例如，菲涅耳沟槽可形成在菲涅耳透镜910的向眼表面上。当在二维弯曲表面上形成时，也可在混合透镜的周边视觉部分中采用焦距的变化。

以上描述的混合透镜系统也可结合弯曲显示器使用。混合透镜的曲率可被设计为匹配显示器的曲率以使得图像中的高空间保真度可得以维持，即使在周边也可以。这样，可以制作非常高双目FOV的系统(在水平视野中>180度)，其在整个水平和垂直视野或整个视野的任何子集上具有匹配视网膜的敏度。图9B根据本公开的另一实施例图示了包括混合透镜系统和弯曲显示器的双目可头戴显示器930。

图9C根据本公开的实施例图示了包括具有弯曲部分947的混合透镜系统945和具有弯曲部分955的显示器950的可头戴显示器940。图示的显示器950包括平面部分960和弯曲部分955，弯曲部分955延伸超出混合透镜系统945的弯曲部分947，使得显示器950可在没有任何透镜的情况下被直接观看，或者透过透明塑料观看。在这种实施例中，显示器950被延伸到FOV的周边区域，在这里眼睛具有如此小的周边分辨率以至于只检测到运动和对光的意识。在这个极端周边区域中，可能是不需要透镜效应的。这与当朝超出透镜的外边缘处看时处方眼镜呈现的图像类似。在这种情况下，周边图像是焦点没对准的，但其没有减损存在感。

大脑根据若干个线索来感知物体的深度。一个线索被称为容适距离——即眼睛聚焦的距离。大脑能够解读获得此焦点需要的睫状肌线索并且形成对与源自于眼睛处的这些聚焦线索的距离的估计。第二个线索是通过解读转动眼睛以使得两只眼睛的凝视会聚在物体上以便整合左眼和右眼的感知图像所需要的眼外肌运动来获得的。这第二个距离线索是基于如下角度的：眼睛必须转动这个角度以将感兴趣的物体放在中心凹上，并且这个感知的距离被称为辐辏距离。

传统的立体/3D VR系统中的已知问题之一是辐辏和容适距离之间的差别。例如，一些传统3D系统将图像平面放置在无穷远处并且通过辐辏来提供深度线索。这可导致用户的不舒适。减小或消除容适辐辏冲突的一种方式是通过调节VR系统透镜的功率，这改变图像距离。可变屈光度透镜是已知的。如果从眼睛跟踪知道了眼睛凝视方向或者可基于VR场景和感兴趣的物体估计眼睛凝视方向，则可以确定或估计辐辏距离。可调节功率透镜随后可被设定到使得容适距离等于辐辏距离的焦距，这样消除了容适-辐辏差异。

指明物体距离s₁、图像距离s₂和焦距f之间的关系的式子是：

1/f＝1/s₁+1/s₂。

采用适合于这里论述的类型的放大镜系统的符号法则得到：

1/f＝1/|s₁|-1/|s₂|，或

|s₂|＝1/{-1/f+1/|s₁|}。

如果焦距是固定的，则图像距离可改为通过调节透镜与显示器像素平面之间的光学距离来改变。说到光学距离OD，我们指的是针对透镜与像素平面(例如，一层玻璃)之间的介质的折射指数n进行了矫正的物理距离PD。

OD＝n·PD。

这个距离也被称为光路长度。我们可通过至少以下三种选项来改变此距离：(1)移动显示器，(2)插入具有可变折射指数的光学材料(例如液晶)，或者(3)插入具有可变物理厚度的光学材料。

眼睛跟踪可用于确定会聚角度并且根据这些角度和IPD确定会聚距离。一旦知道了会聚距离，就可调节容适距离以匹配。例如，如果透镜系统的焦距固定在44mm，并且像素平面与透镜之间的初始光学距离是43.95mm，则图像距离将是38.7m。图10包括图示出作为像素平面与透镜之间的光路长度的减小的函数的虚拟图像距离的图表。如果光路长度减小2mm，则图像从38.7m移动到1m。4mm的减小将图像的距离减小到40cm。这种系统可使用显示器的大约10mm的平移来将图像从38.8m移动到10cm。已开发出了柔性显示器，其将会允许显示器的仅一部分被移动。从而，可通过将最靠近鼻子的显示器的边缘移动几毫米来调节图像距离。

减小容适-辐辏冲突的另一种方法是基于调节透镜的焦距。这种可调节透镜是已知的并且可与上文描述的混合透镜系统相结合来形成具有可调节功率的透镜。从眼睛跟踪确定辐辏距离，并且调节透镜的焦距以获得适当的容适距离。图11包括对于放置在距透镜43.9mm处的显示器图示出作为焦距的函数的图像距离的图表。随着焦距被从44mm增大到50mm，图像被从19m移动到0.36m。这是通过可调节透镜的曲率半径的增大来获得的。

减小容适-辐辏差异的一种被动方法是通过使用在远视眼矫正的眼科中已经使用的渐变透镜的修改来获得。眼科渐变透镜具有随着眼睛从透镜的中心朝着透镜的底部并且朝着鼻子旋转而变化的焦距。通过随着会聚增大而添加光学功率，使得更近的物体焦距对准(brought into focus)。这个原理可被修改来减小容适-辐辏冲突。

图12图示了一种混合透镜系统1200，其中周边视觉透镜的光学功率在由D指示的鼻子方向上被径向改变。回忆起虚拟图像的位置由下式给出：

|s₂|＝-1/{1/f-1/|s₁|}，

其中s₁是从显示器到透镜的距离，并且s₂是从图像到透镜的距离。假定s₁是固定的，如果透过透镜的f小于中心的部分观看物体，则s₂更小，意思是使图像更近。再次参考图12，如果焦距随着从混合透镜系统1200的中心朝着鼻子的距离D而减小，则随着用户更多在鼻子方向上看，图像被带得更近。

图13根据本公开的实施例图示了分别包括左混合透镜1301和右混合透镜1302的双目混合光学系统1300。当用户看着远处物体A时，两只眼睛的凝视角度是平行的并且方向透过中心视觉透镜。如果中心视觉透镜的光学中心的焦距大致是到显示器的距离，则用户在光学无穷远的容适距离处看到图像，这与零会聚角度一致。当用户看着点C处的物体时，用户的凝视必定在点1处透过中心视觉透镜。如果点1处的焦距大于中心的，则容适距离从无穷远移动到点C，虽然显示位置没有改变。如果透镜被设计成使得透过点2看具有甚至更高的焦距，则物体的容适距离被移动到点B。这样，使得会聚距离和容适距离相对应。

对于通过朝着太阳穴转动一只眼睛来观看的物体，差异仍将存在：朝着鼻子转动的眼睛将具有比朝着太阳穴转动的眼睛更近的容适距离。然而，如果头部随后被转动来使得图像在矢状平面上居中(这是观看物体的自然方式)，则该差异将不存在。因此，由于使感兴趣的物体在双目视野中居中是观看图像的自然方式，所以此技术对于观看近处物体的最自然方式祛除了该差异。

图14根据本公开的实施例图示了包括柔性显示器1401和1402的双目可头戴显示器1400。使用固定渐变焦距的混合透镜系统的一种替换方式是使用柔性显示器1401和1402并且使得显示器1401和1402略微朝着鼻子弯曲，如图14中所示。由于间距D2小于间距D1，所以所得到的图像距离随着凝视的方向朝着鼻子移动而减小。显示器1401和1402的曲率可被匹配来去除辐辏距离和容适距离之间的冲突。

以上对本发明的图示实施例的描述，包括摘要中描述的那些，并不打算是详尽无遗的或者将本发明限制到公开的精确形式。虽然出于例示目的在本文中描述了本发明的具体实施例及其示例，但正如相关领域的技术人员将会认识到的，在本发明的范围内各种修改是可能的。

这些修改可按照以上详细描述对本发明做出。所附权利要求中使用的术语不应当被解释为将本发明限制到说明书中公开的具体实施例。更确切地说，本发明的范围完全由所附权利要求来确定，这些权利要求要根据所确立的权利要求解读准则来解释。

Claims (23)

1.一种用于可头戴显示器的混合光学系统，包括：

中心视觉透镜，与用户的角膜近似对齐并且在用户直视前方时向用户的中心视觉提供透镜效应；以及

周边视觉透镜，其与所述中心视觉透镜不同，在用户直视前方时向超出由所述中心视觉透镜提供透镜效应的中心视觉角状延伸的延伸视野(“FOV”)提供透镜效应，

其中，所述周边视觉透镜被布置在所述中心视觉透镜周围，

其中，所述周边视觉透镜与所述中心视觉透镜具有一致的光学中心，但所述中心视觉透镜偏离所述周边视觉透镜的物理中心，

其中，所述中心视觉透镜包括具有均为弯曲表面的两个相对侧的折射性透镜，并且所述两个相对侧与所述周边视觉透镜被成型为单片塑料。

2.如权利要求1所述的混合光学系统，其中，所述周边视觉透镜包括菲涅耳透镜。

3.如权利要求1所述的混合光学系统，其中，所述中心视觉透镜包括单透镜。

4.如权利要求3所述的混合光学系统，其中，所述中心视觉透镜还包括布置在所述单透镜的正侧或背侧的至少一个额外透镜效应层。

5.如权利要求1所述的混合光学系统，其中，所述中心视觉透镜和所述周边视觉透镜被成型为单片塑料。

6.如权利要求1所述的混合光学系统，其中，所述中心视觉透镜包括布置在所述周边视觉透镜的一部分内的光学嵌入物，其中所述光学嵌入物是由与所述周边视觉透镜不同的材料制造的。

7.如权利要求1所述的混合光学系统，其中，所述中心视觉透镜包括球面透镜、非球面透镜、渐变透镜、消色差透镜或衍射性光学元件中的至少一者。

8.如权利要求1所述的混合光学系统，所述周边视觉透镜包括鼻子侧和太阳穴侧，其中所述周边视觉透镜沿着太阳穴侧向内弯曲。

9.如权利要求8所述的混合光学系统，其中，所述周边视觉透镜具有随着从所述中心视觉透镜朝着太阳穴侧的偏离距离增大的焦距。

10.如权利要求8所述的混合光学系统，其中，所述周边视觉透镜在所述中心视觉透镜的鼻子侧是平面的。

11.如权利要求8所述的混合光学系统，其中，所述周边视觉透镜沿着鼻子侧向内弯曲。

12.如权利要求1所述的混合光学系统，其中，所述周边视觉透镜具有随着从所述中心视觉透镜的光学中心朝着鼻子方向的径向距离减小的焦距。

13.如权利要求1所述的混合光学系统，其中，所述混合光学系统是非对称的，其中所述中心视觉透镜位置更接近所述周边视觉透镜的鼻子侧，而不是所述周边视觉透镜的太阳穴侧。

14.如权利要求1所述的混合光学系统，其中，所述中心视觉透镜比所述周边视觉透镜提供更高的光学敏度。

15.一种可头戴显示器，包括：

显示面板；以及

沿着所述显示面板的向眼侧布置的混合光学透镜系统，该混合光学透镜系统包括：

中心视觉透镜，与用户的角膜近似对齐并且在用户直视前方时向用户的中心视觉提供透镜效应；以及

周边视觉透镜，其与所述中心视觉透镜不同，在用户直视前方时向超出由所述中心视觉透镜提供透镜效应的中心视觉角状延伸的延伸视野(“FOV”)提供透镜效应，

其中，所述周边视觉透镜被布置在所述中心视觉透镜周围，

其中，所述周边视觉透镜与所述中心视觉透镜具有一致的光学中心，但所述中心视觉透镜偏离所述周边视觉透镜的物理中心，

其中，所述中心视觉透镜包括具有均为弯曲表面的两个相对侧的折射性透镜，并且所述两个相对侧与所述周边视觉透镜被成型为单片塑料。

16.如权利要求15所述的可头戴显示器，其中，所述显示面板包括弯曲显示面板，以及其中所述周边视觉透镜是沿着弯曲基底布置的。

17.如权利要求16所述的可头戴显示器，其中，所述弯曲显示面板具有沿着太阳穴侧的第一弯曲部分，该第一弯曲部分延伸超出所述周边视觉透镜的第二弯曲部分以使得所述可头戴显示器的穿戴者能够直接观看所述弯曲显示面板的第一弯曲部分，而无需透过所述混合光学透镜系统观看。

18.如权利要求16所述的可头戴显示器，其中，所述显示面板包括布置在所述中心视觉透镜前方的平面部分和布置在所述周边视觉透镜前方的弯曲部分，所述弯曲部分在所述中心视觉透镜的太阳穴侧。

19.如权利要求18所述的可头戴显示器，其中，所述周边视觉透镜沿着具有第一部分和第二部分的基底布置，其中所述第一部分邻近所述中心视觉透镜并且所述第二部分在所述中心视觉透镜的太阳穴侧弯曲。

20.如权利要求15所述的可头戴显示器，其中，所述显示面板是平面状的，以及其中所述周边视觉透镜具有布置在所述中心视觉透镜的太阳穴侧的弯曲部分。

21.如权利要求20所述的可头戴显示器，其中，所述周边视觉透镜的弯曲部分具有随着与所述中心视觉透镜的中心的径向距离增大的焦距。

22.如权利要求15所述的可头戴显示器，其中，所述可头戴显示器包括双目可头戴显示器，该双目可头戴显示器包括一对显示面板和一对混合光学透镜系统。

23.如权利要求15所述的可头戴显示器，其中，所述混合光学透镜系统通过所述中心视觉透镜的光学中心的第一焦距对应于所述混合光学透镜系统与所述显示面板之间的分隔距离，而所述混合光学透镜系统通过所述混合光学透镜系统在所述光学中心与所述混合光学透镜系统的鼻子侧之间的区域的第二焦距具有比所述第一焦距更长的第二焦距以针对容适和辐辏之间的差异进行补偿。

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