CN109597201B - 用于眼睛跟踪系统中的光重定向的菲涅耳组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于眼睛跟踪系统中的光重定向的菲涅耳组件。一种头戴式设备(HMD)，包括显示元件、菲涅耳组件、照射源和相机组件。显示元件穿过显示面输出光的第一波段内的图像光。光学块将来自显示元件的光引导到目标区域(例如，包括用户的面部的一部分、眼睛等)。菲涅耳组件透射第一波段内的光，并且将与第一波段不同的第二波段内的光引导到第一位置。光源用第二波段内的光照射目标区域。相机位于第一位置，并且捕获与从目标区域反射的然后被菲涅耳组件反射向相机的光相对应的第二波段内的光。控制器可以使用捕获的光来确定用户面部区域(例如，眼睛)的跟踪信息。

Description

用于眼睛跟踪系统中的光重定向的菲涅耳组件
技术领域
本披露总体上涉及光重定向，并且具体地涉及用于眼睛跟踪系统中的光重定向的菲涅耳组件。
背景技术
眼睛跟踪是指检测用户注视方向的过程，其可以包括检测三维(3D)空间中的眼睛的定向。在例如虚拟现实和/或增强现实应用中使用的头戴式耳机的上下文中的眼睛跟踪可以是重要特征。传统的系统通常使用例如多个红外光源来照射眼睛光(目光)，并且相机用于对来自眼睛的光源的反射进行成像。传统上，眼睛跟踪系统使用分束器来将从眼睛反射的红外光重定向到相机。然而，分束器常常是大型的、笨重的并且不适合于在增强现实(AR)、混合现实(MR)和虚拟现实(VR)系统中使用的HMD。
发明内容
菲涅耳组件将第一波段内的光(例如，可见光)透射(例如，部分地或完全地透射)并将第二波段内的一些或所有光(例如，红外光)重定向到一个或多个位置。菲涅耳组件包括用于重定向第二波段内的光的多个表面。该多个表面可以涂覆有二向色材料，该二向色材料在该第一波段中是透射的并且在该第二波段中是反射的。在一些实施方式中，浸没层被包覆模制到菲涅耳组件上以形成浸没的菲涅耳组件。浸没层的折射率可以与菲涅耳组件的折射率匹配。另外，在一些实施方式中，浸没的菲涅耳组件的一个或多个表面可被成形(例如，凹的、凸的、非球面的、自由的形式等)以调整浸没的菲涅耳组件的光功率。菲涅耳组件可以集成到头戴式显示器(HMD)中。
在一些实施方式中，HMD包括显示元件、光学块、菲涅耳组件、照射源和相机组件。显示元件穿过显示元件的显示面输出光的第一波段(例如，可见光)内的图像光。光学块将来自显示元件的光引导到窥视窗(用户眼睛占据的空间内的区域)。菲涅耳组件透射在第一波段内的光，并且将与第一波段不同的第二波段(例如，红外光)内的光引导到第一位置。照射源(例如，跟踪系统的部件)用第二波段内的光照射目标区域(眼睛和/或脸部的部分)。相机(例如，眼睛和/或脸部跟踪系统的一部分)位于第一位置，并且被配置为捕获与从用户的目标区域反射的并且被菲涅耳组件反射的光对应的第二波段内的光。
在一些实施方式中，菲涅耳组件可以是非波长敏感的(例如，它可以是非浸没的、未涂覆的表面或者它可以具有部分反射的涂层并且被浸没)。它透射来自显示器的一部分光并且将其引导到窥视窗。其还将显示器的光的部分引导到窥视窗之外。该相机被定位成使得来自眼睛的光被反射离开菲涅尔组件并且被该相机捕获。另外，在一些实施方式中，HMD包括生成跟踪信息(例如，凝视位置和/或面部表情)的控制器(例如，跟踪系统的一部分)。
附图说明
图1是根据实施方式的HMD(未示出)的显示块的一部分的横截面图。
图2是根据实施方式的具有倾斜的菲涅耳组件的HMD(未示出)的显示块的一部分的横截面图。
图3是根据实施方式的具有浸没的菲涅耳组件的HMD(未示出)的显示块的一部分的横截面图。
图4是根据实施方式的浸没的菲涅耳组件410的一部分的横截面图。
图5是根据实施方式的捕获多个视角的浸没的菲涅耳组件的一部分的横截面图。
图6是根据实施方式的被配置为与多个位置交互的浸没的菲涅耳组件的一部分的横截面图。
图7A是一个实施方式中的HMD的示图。
图7B是在一个实施方式中的HMD的横截面图。
图8A是根据实施方式的电子显示元件上的子像素的示例阵列。
图8B是根据实施方式的由光学块调整的子像素的示例阵列的图像。
这些附图只为了说明的目的描述本公开的实施方式。本领域技术人员从下列描述中容易认识到，在不背离文中所描述的本披露的原理或优点情况下，可以采用本发明中所示出的结构和方法的替代实施方式。
具体实施方式
图1是根据实施方式的HMD(未示出)的显示块的一部分的横截面100的示图。如图1所示，显示块包括显示元件110、菲涅耳组件120和跟踪系统130。在一些实施方式中，显示块100还可以包括光学块140。
显示元件110向用户显示图像。在不同实施方式中，显示元件110可以包括单个电子显示面板或多个电子显示面板(例如，用于用户的每只眼睛的显示器)。显示元件110的示例包括：液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)显示器、有源矩阵有机发光二极管显示器(AMOLED)、量子有机发光二极管(QOLED)显示器、量子发光二极管(QLED)显示器、透明有机发光二极管(TOLED)显示器、一些其他显示器或其某种组合。在一些实施方式中，显示元件110是波导显示器。显示元件110在第一光波段内(例如，在可见波段中)发射内容。
菲涅耳组件120透射在第一波段内的光并且反射在第二波段内的光。例如，菲涅耳组件120可透射可见波段内的光(例如，400-700纳米(nm))，且可反射红外(IR)波段内的光(例如，高于780nm)。菲涅耳组件120包括第一表面，该第一表面包括形成菲涅耳透镜的多个反射面，多个反射面的一部分145在图1中示出。在一些实施方式中，该多个反射面涂覆有二向色膜(dichroic film)，该二向色膜在第一波段中透射并且在第二波段中反射。在其他实施方式中，多个反射面涂覆有部分反射涂层。如以下关于例如图4-6详细讨论的，多个反射面可被配置为将第二波段内的光反射到不同位置和位置。菲涅耳组件120可部分地透射光且部分地反射任何感兴趣的波段的光。例如，在无涂层的情况下，菲涅耳组件120可通过菲涅耳反射弱反射光，并且透射剩余的光。相比之下，有涂层的情况下，可以调整透射/反射比。可替代地，菲涅耳组件120可透射具有一种偏振的光，并且反射具有正交偏振的光。这对于基于偏振的观察光学器件尤其是有用的，其中，光在一个单偏振中透射光。另外，虽然在图1中未示出，但在一些实施方式中，菲涅耳组件120直接耦接到显示元件的显示面。
菲涅耳组件120至少部分地透射第一波段内的光。在一些实施方式中，菲涅耳组件120可增加或减小来自显示元件110的第一波段内的光的光功率。另外，对于第一波段内的光，菲涅耳组件120可减小固定图案噪声(即，筛门效应)。如在图8A和图8B的描述中所描述的，菲涅耳组件120使从显示元件110中的各个像素发射的光模糊。这种模糊允许对各个颜色之间的暗斑点进行遮蔽。
光学块140将光引导至目标区域。目标区域包括用户面部的一部分。在一些实施方式中，目标区域包括用户的一只或两只眼睛(例如，眼睛155)。为了易于说明，图1中的目标区域被表示为窥视窗(eyebox，人眼窗口，眼眶)150。窥视窗150是由HMD的用户的眼睛155占据的空间区域。在实施方式中，光学块140包括一个或多个光学元件和/或不同光学元件的组合。例如，光学元件是光圈、菲涅耳透镜、凸透镜、凹透镜、滤光片或影响从显示元件110发射的图像光的任何其他合适的光学元件。在一些实施方式中，光学块140中的一个或多个光学元件可以具有一个或多个涂层，例如减反射涂层。
光学块140对图像光的放大允许显示元件110比较大显示器在物理上更小、重量更轻和功率消耗更少。另外，放大可增加所显示内容的视场。例如，所显示内容的视场使得所显示内容利用几乎全部(例如，110度对角线)的并且在一些情况下全部的用户视场被呈现。在一些实施方式中，光学块140被设计成使得其有效焦距大于到显示元件110的间距，从而光学块140放大了由显示元件110投影的图像光。另外，在一些实施方式中，通过添加或移除光学元件来调整放大量。
在一些实施方式中，光学块140被设计为校正一种或多种类型的光学误差。光学误差的示例包括：二维光学误差、三维光学误差或其某种组合。二维误差是在二维中出现的光学像差。二维误差的示例类型包括：-桶形失真、枕形失真、纵向色差、横向色差、或任何其他类型的二维光学误差。三维误差是三维中发生的光学误差。三维误差的示例类型包括球面像差、色差、场曲率、散光或任何其他类型的三维光学误差。在一些实施方式中，提供给显示元件110以显示的内容被预先失真，并且光学块140在其从电子显示元件110接收基于内容生成的图像光时校正该失真。
跟踪系统130跟踪目标区域的移动。跟踪系统130中的一些或全部可以或可以不在佩戴HMD的用户的视线中。跟踪系统130通常位于离轴之外以避免阻挡用户观看显示元件110，但是跟踪系统130可替代地放置在其他地方。此外，在一些实施方式中，存在用于用户面部的不同部位的至少一个跟踪系统130(例如，用于用户的左眼的跟踪系统和用于用户的右眼的第二跟踪系统)。在一些实施方式中，只有一个跟踪系统130可以跟踪多个目标区域。
跟踪系统130可包含一个或一个以上照射源160、相机组件165和控制器170。跟踪系统130使用由相机组件165捕获的目标区域(例如，眼睛155)的数据(例如，图像)来确定跟踪信息。跟踪信息描述了用户面部的一部分的位置。跟踪信息可以包括例如面部表情、凝视角、眼睛方位、瞳孔间距离、聚散深度(vergence depth)、与跟踪眼睛相关联的某个其他度量、与跟踪用户面部的一部分相关联的某个其他度量、或其某种组合。跟踪单元的一些实施方式具有与图1中描述的部件不同的部件。
照射源160利用与来自显示元件110的内容相关联的第一波段不同的第二波段内的光(即，源光175)照射目标区域(例如，窥视窗150)。照射源160的示例可包括：激光(例如，可调谐激光器、连续波激光器、脉冲激光器、发射红外光的其他合适的激光器)、发光二极管(LED)、光纤光源、光导、发射在第二波段内的光的其他合适的光源、或其某种组合。在一些实施方式中，照射源可以在显示器的视场内，并且对显示光透明。例如，照射源可以是在顶部具有小的光提取特征的透明光导。在不同实施方式中，照射源160还可被配置为发射第一波段的光。在一些实施方式中，跟踪系统130可包括用于照射目标区域的一个或多个部分的多个照射源160。在一些实施方式中，从一个或多个照射源160发射的光为结构光图案。
来自目标区域(例如，眼睛155)的被照射部分的反射光180(包括散射光)是由目标区域朝向菲涅耳组件120反射的第二波段的光。反射光180由菲涅耳组件120朝向第一位置重定向，并且此重定向的光被称为重定向的光185。经重定向的光185中的一些或全部被位于第一位置处的相机组件165捕获。
相机组件165捕获目标区域(例如，窥视窗150中的眼睛155)的图像。相机组件165包括对至少第二波段内的光(即，由照射源160发射的光)敏感的一个或多个相机。在一些实施方式中，一个或多个相机也可对其他波段(例如，第一带)敏感。在一些实施方式中，相机可基于单点检测(例如，光电二极管、均衡/匹配的光电二极管或雪崩光电二极管)、或基于一个或二维检测器阵列(例如，线性光电二极管阵列、CCD阵列或CMOS阵列)。在一些实施方式中，在莎姆夫禄格(Scheimpflug)条件下，相机的传感器平面相对于相机的镜头倾斜，使得图像可以聚焦在整个传感器平面上。在一些实施方式中，相机组件165可包括多个相机以捕获从目标区域反射的光。相机组件165包括位于第一位置处的至少一个相机。因而，相机组件165使用重定向的光185来捕获目标区域(例如，眼睛155)的图像。
控制器170使用来自相机组件165的图像确定跟踪信息。例如，在一些实施方式中，控制器170在目标区域的图像中识别来自一个或多个照射源160的光的反射的位置。控制器170基于所识别的反射的形状和/或位置确定目标区域中的眼睛155和/或面部的部分的位置和定向。在以结构光图案照射目标区域的情况下，控制器170可检测投影到目标区域上的结构光图案的失真，并且可基于检测到的失真来估计眼睛155和/或面部的部分的位置和定向。控制器170还可以基于由相机155捕获的照射图案的图像来估计瞳孔轴、凝视角(例如，对应于中央凹轴线)、眼睛的平移、眼睛的扭转和眼睛155的当前形状。
注意，在所示实施方式中，反射光180在入射在菲涅耳组件120上之前，穿过光学块140。在替代实施方式(未示出)中，菲涅耳组件120比光学块140更靠近窥视窗150(即，光学块140与显示元件110之间的距离小于菲涅耳组件120与显示元件110之间的距离)，并且从眼睛155反射的第二波段的光被菲涅耳组件120引导至第一位置之前不穿过光学块140。
图2是根据实施方式的具有倾斜的菲涅耳组件210的HMD(未示出)的显示块的一部分的横截面200的示图。该部分的显示块包括显示元件110、倾斜的菲涅耳组件210、光学块140和跟踪系统130。倾斜的菲涅耳组件210与菲涅耳组件120基本相同，但它相对于光轴220倾斜并且定位在距显示元件110的第一距离230处除外。
光轴220穿过显示元件110、倾斜的菲涅耳组件210和光学块140。在一些实施方式中，光轴220平分显示元件110、倾斜的菲涅耳组件210、光学块140或其某种组合中的一个或多个。倾斜的菲涅耳组件210相对于光轴220以倾斜角度α进行定位。倾斜角度通过来自凿槽刻面(draft facets)的杂散光、需要相机如何正常(normal)观察眼睛、需要如何紧凑菲涅耳组件等之间的系统级折衷来确定。可合理的倾斜角度将小于30度。
在这个实施方式中，倾斜的菲涅耳组件210相比显示元件110，更大幅靠近光学块140。倾斜的菲涅耳组件210位于距显示元件110的第一距离230以及距光学块140的第二距离240。第一距离230远大于第二距离240。如果菲涅耳组件是倾斜的，则优选的是将其置于光学块140后面，并且距显示器有较大距离。如果它存在于眼睛与光学块140之间，则想要它接近非倾斜，使得它不会增加设计眼凹凸(design eye-relief)。当它被放置在光学块140后面时，通常更好的是将菲涅耳表面放置成远离显示器，使得眼睛不能聚焦在菲涅耳凹槽上或浸没的缺陷。如果菲涅耳/棱镜也用作纱门减少膜(screen-door-reduction film，纱门效应减少膜)，则它可能会被放置得非常靠近显示器。
图3是根据实施方式的具有浸没的菲涅耳组件310的HMD(未示出)的显示块的一部分的横截面300的示图。该部分的显示块包括显示元件110、浸没的菲涅耳组件310和跟踪系统130。
浸没的菲涅耳组件310是用浸没层320包覆模制的菲涅耳组件120。浸没的菲涅耳组件310耦接到显示元件110。在一些实施方式中，浸没的菲涅耳组件310直接耦接到显示元件110的显示面。在替代实施方式中，浸没的菲涅耳组件310和显示元件110由一个或多个中间层(例如，光学膜)分开。浸没的菲涅耳组件310可以位于显示元件110与眼睛155之间的任何位置中。
浸没层320的折射率与构成菲涅耳组件120的材料相匹配。由于浸没层320与菲涅耳组件120的折射率匹配，所以来自显示元件110的第一波段内的光不受菲涅耳组件120影响。例如，由于基本上匹配的折射率，第一波段内的光在浸没层320与菲涅耳组件120之间的界面处不被多个表面(例如，表面330)折射。而是第一波段内的光与作为单个折射率的材料块的浸没的菲涅耳组件310相互作用。该浸没层可以是一种与菲涅尔(Fresnel)具有类似折射率的胶或UV可固化材料。或者，不同的处理可以是，两个匹配的菲涅尔可以被夹在一起，其中折射率匹配的胶处于其间。在一些实施方式中，这两个匹配的菲涅尔是相同的材料(如UV可固化的材料)，并且其间不需要折射率匹配的胶。
浸没的菲涅耳组件310包括外表面340(例如，衬底)。在本实施方式中，外表面340是平坦的。在替代实施方式中，外表面340成形为对由浸没的菲涅耳组件310透射的光的光功率提供一些调节。例如，输出表面可以是凹的、凸的、非球面的、球面的、自由形状的表面、平坦的、或一些其他形状。在一些实施方式中，菲涅耳组件120耦接到不平坦的衬底(例如，弯曲或一些其他形状)。
在这个实施方式中，菲涅耳组件120的多个表面具有二向色涂层，该二向色涂层在第一波段(例如，可见光)中是透射的，但是在第二波段(例如，IR光)中是反射的。在一些实施方式中，这些涂层可以被溅射到这些表面中的一个或多个表面上、层压到这些表面中的一个或多个表面上等等上。因此，如以下关于图4-6所讨论的，入射到这些表面上的第二波段内的光被反射(例如，朝向相机组件155)。在一些实施方式中，涂层可以是部分反射涂层。在其他实施方式中，涂层可以是偏振分束器涂层。此外，在一些实施方式中，菲涅耳组件120的表面之间的一个或多个结部的可被缓和(即，平滑由两个相交表面形成的尖锐边缘具有曲率半径v。)。结部的缓和(Softening)可促进涂层层压到菲涅耳结构的多个表面上。
图4是根据实施方式的浸没的菲涅耳组件410的一部分的横截面400的示图。浸没的菲涅耳组件410的部分包括一部分菲涅耳组件120和耦接到菲涅耳组件120的一部分浸没层320。
第二波段内的光430入射到菲涅耳组件120的多个表面的表面420上。在这个实施方式中，该多个表面具有二向色涂层，该二向色涂层在该第一波段中是透射的并且在该第二波段中是反射的。因而，光430被反射向第一位置(例如，相机组件165的相机所占据的位置)。菲涅耳组件120的一些或所有表面可被优化以减少杂散光。例如，可以将凿槽刻面440的斜率成形为使得其与进入相机的入射光瞳的主光线角的出射光线成直线。注意，光可能在以其到达菲涅耳的光路上以及在其被菲涅耳反射之后的两种场景中撞击错误的菲涅耳刻面。在一些实施方式中，其中眼睛155的视野(view)接近正常并且光线以接近法线(normal)的方式撞击菲涅耳组件120，并且很少在光路中撞击错误的菲涅耳刻面，因此更好的是调准主光线，使得主光线将避免在到相机组件165的进出光路中撞击错误的菲涅耳刻面。在其他实施方式中，可进行一些折衷以使得可考虑两种场景来最小化杂散光。去除杂散光的一种替代方法是使“未使用”菲涅尔刻面不起作用，从而使得它不会反射并且产生杂散光。在一些实施方式中，只有“有用的”刻面被涂覆以反射光，并且凿槽刻面不被涂覆(这可以通过定向涂覆技术完成)或涂漆黑色。注意，在到达相机组件165的相机之前，在浸没的菲涅耳组件410中，光430在外表面340处被折射。因此，通过使用高折射率材料(例如，2.5)用于浸没层320和菲涅耳组件120，光430可以相对于低折射率材料(例如，1.3)以更大的角度弯曲。并且，光430的较大弯曲在减小HMD的形状因子方面会是有用的。
另一种用来避免的假象是菲涅耳对观察的眼睛的可见性。如果“未使用”凿槽刻面将大量可见光反射到观看者的眼睛中，则菲涅耳刻面会是可见的。在一些实施方式中，涂层和菲涅耳凿槽倾角的最佳共设计缓解了这种假象。在替代实施方式中，凿槽刻面是未涂覆的，且对于透视透射路径变得不可见。在其他实施方式中，菲涅耳间距较小(小于400微米)，使得眼睛难以分辨各个刻面。
注意，在替代实施方式中，第一位置也被照射源165占据。在这些实施方式中，照射源160利用第二波段内的光照射菲涅耳组件120，并且菲涅耳组件120将超向窥视窗的光重定向。为了进一步抑制杂散光进入相机，在一些实施方式中，使用正交的偏振器或其他偏振分集方法来阻挡不想要的照射光撞击(hit，照射)相机。
图5是根据实施方式的捕获多个视角的浸没的菲涅耳组件505的一部分的横截面500的示图。浸没的菲涅耳组件505的该部分包括菲涅耳组件510的一部分和耦接到菲涅耳组件510的浸没层320的一部分。菲涅耳组件510基本上类似于菲涅耳组件120，除了例如多个表面被配置成将来自不同角度的第二波段内的光引导到相机组件165之外。以此方式，相机组件165能够使用单个相机在单个图像帧中来捕获目标区域(例如，眼睛、面部的部分或两者)的多个视角。在一些实施方式中，相机组件165可以捕获描述眼睛155的一部分的三维(3D)信息。
在本实施方式中，菲涅耳组件510包括多个表面。该多个表面具有二向色涂层，该二向色涂层在该第一波段中透射并且在该第二波段中反射。第二波段内的光515以第一角度入射到浸没层320的外表面340上。光515在外表面340处朝向菲涅耳组件510的多个表面的表面520折射。表面520将光朝向多个表面的表面525反射，并且表面525将光515朝向浸没层320的外表面340反射。光515在折射点530处折射并且向由相机(例如，相机组件165的相机)占据的第一位置传播。注意，在替代实施方式中，光可能不遵循相同的路径，但是在那些情况下，来自不同路径的光也可允许眼睛155的多个视图，或允许可插入照射器的路径。
与光515同时地，第二波段内的光535以不同于第一角度的第二角度入射到浸没层320的外表面340上。光535在外表面340处朝向菲涅耳组件510的多个表面的表面540被折射。表面540以一定角度将光535反射回到外表面340的一部分，使得在TIR点545处发生全内反射。光535被朝向多个表面中的表面550反射，并且表面550将光535朝浸没层320的外表面340反射。光535在折射点555处折射并且向由相机(例如，相机组件165的相机)占据的第一位置传播。
注意，光515和光535表示由相机成像的目标区域(例如，眼睛和/或脸部的部分)的不同视角。并且相机能够在单个图像帧中捕获眼睛的两个视角。跟踪系统130可使用所俘获图像来产生跟踪信息。
在替代实施方式中，第一组表面用于一个视野(观察)，而另一组表面用于不同视野。例如，第一组的表面可被成形为具体地针对特定视野捕获光，并且第二组的表面可被成形为具体地针对不同视野捕获光。在本实施方式中，第一组的表面和第二组的表面可在整个菲涅耳组件510上交错地等定位在菲涅耳组件510的单独部分中。另外，在一些实施方式中，表面可被成形和/或涂覆，使得不同偏振的光和/或波长的光对应于由相机捕获的不同视角。
图6是根据实施方式的被配置为与多个位置交互的浸没的菲涅耳组件605的一部分的横截面600的示图。浸没的菲涅耳组件605的部分包括菲涅耳组件610的一部分和耦接到菲涅耳组件610的浸没层320的一部分。菲涅耳组件610基本上类似于菲涅耳组件120，除了例如，多个表面包括与第一位置615相关联的第一组表面和与不同于第一位置615的第二位置620相关联的第二组表面。第一位置615在光轴220的第一侧上，并且第二位置615在光轴220的第二侧上。在替代实施方式中，第一位置615和第二位置620相对于光轴220对称。
第一位置615被第一设备625占据，而第二位置620被第二设备630占据。第一设备625和第二设备630可为相机(例如，相机组件165的)、照射源160、显示面板或其某种组合。照射源或显示面板可以是LED、微型LED、微型OLED、示出任意图案(例如，点或正弦图案)的显示面板、一些其他合适的照射器或其某种组合。然而，第一位置615或第二位置620中的至少一者包含相机。如图6所示，第一设备625是相机，并且第二设备630可以是相机或照射源160。在替代实施方式中，第一位置615和第二位置620两者都包括相机组件165的相机。在替代实施方式中，第一位置615包括相机组件165的相机，并且第二位置620包括照射源160。
图7A示出在一个实施方式中作为近眼显示器700的HMD的示图。在本实施方式中，HMD是一对增强现实眼镜。HMD700向用户呈现计算机生成的媒体，并且利用计算机生成的媒体扩充物理、真实世界环境的视图。由HMD700呈现的计算机产生的媒体的示例包括一个或多个图像、视频、音频或其某种组合。在一些实施方式中，经由从HMD700、控制台(未示出)或两者接收音频信息并且基于音频信息呈现音频数据的外部设备(例如，扬声器和头戴式耳机)来呈现音频。在一些实施方式中，也可以修改HMD700以作为虚拟现实(VR)HMD、混合现实(MR)HMD或其某种组合来操作。HMD700包括框架710和显示组件720。在本实施方式中，框架710将近眼显示器700安装到用户的头部。显示器720向用户提供图像光。
图7B示出了近眼显示器700的横截面视图730。该视图包括框架710、显示组件720、显示块740和眼睛155。显示组件720向眼睛155提供图像光。显示组件720容纳显示块740。为了说明的目的，图7B示出了与单个显示块740和单个眼睛155相关联的横截面730，但是在未示出的替换实施方式中，与图7B中示出的显示块730分开的另一显示块向用户的另一只眼睛提供图像光。
如以下在图7B中示出的，显示块740被配置为将来自局部区域的光与来自计算机生成的图像的光组合以形成增强景象。显示块740还被配置为将增强的场景提供给与用户的眼睛155的位置相对应的窥视窗150。窥视窗150是在用户佩戴HMD700时将包含用户的眼睛的空间区域。显示块740可包括例如波导显示器、聚焦组件、补偿组件或其某种组合。显示块740是以上关于图1-3讨论的显示块的实施方式。另外，显示块720可包括如上面关于图4-6所讨论的浸没的菲涅耳组件。
HMD700可以包括显示块740与眼睛155之间的一个或多个其他光学元件。光学元件可用于例如校正从显示块740发射的图像光的像差、放大从显示块740发射的图像光、对从显示块740发射的图像光的一些其他光学调节、或其某种组合。光学元件的示例可包括光圈、菲涅耳透镜、凸透镜、凹透镜、滤光片、光栅、波导元件或影响图像光的任何其他合适的光学元件。显示块740可以由具有一种或多种折射率的一种或多种材料(例如，塑料、玻璃等)构成，这些折射率有效地最小化HMD700的重量和加宽视场。
图8A是显示元件110上的子像素的示例阵列800。图8A中所示的示例阵列800包括红色子像素810、蓝色子像素820和绿色子像素830。例如，阵列800是
Figure GDA0001908593140000151
显示器的一部分。在其他实施方式中，阵列800可处于一些其他配置(例如，RGB)。
暗空间840将每个子像素与一个或多个相邻子像素分开。暗空间840是阵列800的不发光的部分，并且在某些情况下(例如，放大)对用户可能变得可见，导致了降低图像质量的纱门效应。如以上结合图1所讨论的，菲涅耳组件120可用于减小固定图案噪声，因此子像素之间的暗空间840对用户不可见(例如，通过模糊每个子像素，产生与图像中的每个子像素相关联的模糊斑点)。模糊斑点足够大，因此相邻模糊斑点遮蔽了相邻全像素之间的暗空间840。换言之，对于任何显示面板，如果在所有子像素之间不存在间隙，则最大像素填充率是100％。然而，为了完全清除在面板侧上的纱门伪影，像素填充比可能大得多(例如，300％)，使得不同颜色的子像素重叠。这样，例如，当仅仅绿色像素发光时，当用理想的观看光学器件观看时，在子像素之间将不存在间隙。这对于OLED和/或LCD显示面板是困难的，但是其对诸如菲涅耳组件120等衍射元件是可行的。
图8B是示出了菲涅耳组件120调整图8A的阵列800的图像数据的示例。如图8B所示，每个子像素具有相关联的模糊斑点。具体地，红色子像素810具有相应的红色模糊斑点860，蓝色子像素820具有相应的蓝色模糊点870，并且绿色子像素830具有相应的绿色模糊斑点880。模糊斑点是填充有模糊的子像素的图像的区域。只要模糊斑点不与由相同颜色的子像素产生的相邻模糊斑点的最大强度点重叠，则两个模糊斑点可解析为两个相邻像素。在一些实施方式中，三个子像素全部重叠并且创建白色像素。模糊斑点的形状不一定是圆形，而是包括子像素的模糊图像的区域。图1的菲涅耳组件120可以被配置为模糊每个子像素，从而模糊斑点遮蔽相邻像素之间的暗空间940。
附加配置信息
本披露实施方式的上述描述仅出于说明的目而呈现；且不旨在穷尽的本公开内容或者将本公开内容局限于所公开的精确形式。本领域的技术人员可根据以上公开的内容理解许多修改形式和变型形式。
本说明书的一些部分从信息运算的算法和符号表示的角度描述了本披露的一些实施方式。这些算法描述和表示通常由数据处理领域中的技术人员使用以将他们工作的实质有效地传达给本领域其他技术人员。这些运算，当被描述为功能性的、计算性的或逻辑性的时，被理解为由计算机程序或其他等同电路、微码等实施。此外，有时，把这些运算的安排称为模块也是方便的，并且不失其一般性。运算及其关联模块可具体化为软件、固件、硬件或以上设备的任意组合。
本文的任何步骤、操作或流程可被一个或多个硬件或软件模块单独或与其他设备组合执行或实施。在一个实施方式中，软件模块可被计算机程序产品实施，该计算机程序产品包括包含计算机程序代码的计算机可读介质，该程序代码可被用于执行任何或所有步骤、操作或流程的计算机处理器执行。
本披露的实施方式还可涉及一种用于执行本文中的操作的装置。这种装置可能是为所需的目的特别建造的，并且/或者该装置可包括由储存在计算机中的计算机程序选择性启动或重新配置的通用计算设备。计算机程序可存储在非易失性的有形计算机可读存储介质中或者适用于存储电子指令的耦合至计算机系统总线的任何类型的介质中。此外，本说明所指的任何计算系统可包括单个处理器或者可以是使用多个处理器设计以增强计算能力的体系结构。
本披露的实施方式还可以涉及由本文中所描述的计算过程所制造的产品。这样的产品可包括来自计算过程的信息，其中，信息储存在永久性非易失性的、有形的计算机可读存储介质中，并且可包括本文所述的计算机程序产品或其他数据组合的任何实施方式。
最后，原则上出于可读性和说明性之目的来选择本说明书中使用的语言，并且所使用的语言并不被选择来划定或者限制本发明的主题。因此，本披露的范围并不旨在由具体实施方式来限定，而是由基于具体实施方式的本申请所发布的任何权利要求来限定。因此，实施方式的公开内容旨在用于说明，而非限制在所附权利要求中阐述的本公开的范围。
附图标记说明：
110 显示元件
120 菲涅耳组件
130 跟踪系统
140 光学块
145 部分
150 窥视窗
155 眼睛
160 照射源
165 相机组件
170 控制器
175 光源光
180 反射光
185 重定向光
210 倾斜的菲涅耳组件
220 光轴
310 浸没的菲涅耳组件
320 浸没层
330 表面
340 外表面
410 浸没的菲涅耳组件
420 表面
430 光
440 凿槽刻面
505 浸没的菲涅耳组件
510 菲涅耳组件
515 光
520 表面
525 表面
530 折射点
535 光
540 表面
545 全内反射点
550 表面
610 菲涅耳组件
615 第一位置
620 第二位置
625 第一设备
630 第二设备
700 近眼显示器
710 框架
720 显示组件
730 横截面
740 显示块
810 红色子像素
820 蓝色子像素
820 绿色子像素
840 黑暗空间
860 红色模糊支柱
870 蓝色模糊点
880 绿色模糊点。

Claims (16)

1.一种头戴式显示器(HMD)，包括：
显示元件，被配置为穿过显示面来输出光的第一波段内的图像光；
光学块，被配置为将光从所述显示元件引导至窥视窗，并且所述窥视窗是由用户的眼睛所占据的空间中的区域；
浸没层；
菲涅耳组件，所述菲涅耳组件耦接到所述浸没层，所述菲涅耳组件包括形成菲涅耳透镜的多个表面，所述多个表面一起跨越所述菲涅耳组件的直径，所述多个表面被配置为透射所述第一波段内的光并且将与所述第一波段不同的第二波段内的光引导到第一位置，其中，所述第二波段内的光在所述浸没层的外表面处被折射；
眼睛跟踪系统，被配置为生成眼睛跟踪信息，所述眼睛跟踪系统包括：
照射源，被配置为利用所述第二波段内的光照射所述窥视窗的部分，
相机，位于所述第一位置，所述相机被配置为捕获与从所述用户的眼睛反射的、穿过所述光学块并且被所述菲涅耳组件反射的光对应的所述第二波段内的光，以及
控制器，被配置为使用所捕获的所述第二波段内的光确定眼睛跟踪信息，以及
其中，所述头戴式显示器被配置为基于所述眼睛跟踪信息调整所述图像光；
其中，所述菲涅耳组件包含多个反射面，并且在第一角度范围内入射在所述浸没层处的光从所述多个反射面中的多个反射面中经至多两次反射之后被重定向到所述第一位置；
其中，在第二角度范围内入射在所述浸没层处的光在从所述多个反射面中的多个反射面中经至多两次反射并且从浸没层-空气界面经至多单次全内反射之后被重定向到所述第一位置，并且所述第一角度范围不同于所述第二角度范围。
2.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其中，所述显示元件被配置为经由多个子像素输出图像光，子像素经由暗空间彼此分开，并且所述菲涅耳组件被配置为在所述图像光中产生遮蔽相邻子像素之间的所述暗空间的模糊斑点，其中每一模糊斑点对应于所述图像光中的子像素的模糊图像。
3.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其中，所述第一波段内的光为可见光谱，且所述第二波段内的光为红外光谱。
4.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其中，所述第一波段内的光为一种偏振，且所述第二波段内的光为正交偏振。
5.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其中，所述浸没层具有的折射率与形成所述菲涅耳组件的材料的折射率相同。
6.根据权利要求5所述的头戴式显示器，其中，所述菲涅耳组件直接耦接到所述显示元件的所述显示面。
7.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其中，所述菲涅耳组件包括第一组反射面和第二组反射面，并且所述头戴式显示器进一步包括：
第二相机，位于第二位置，并且入射在所述第一组反射面上的所述第二波段内的光被朝向所述第一位置反射，并且入射在所述第二组反射面上的所述第二波段内的光被朝向所述第二位置反射。
8.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其中，所述菲涅耳组件包含第一组反射面和第二组反射面，并且所述照射源定位在第二位置处，使得由所述照射源发射的所述第二波段内的光被所述第二组反射面朝向所述窥视窗反射，并且入射到所述第一组反射面上的所述第二波段内的光朝向所述第一位置反射。
9.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其中，所述菲涅耳组件包括多个反射面，所述多个反射面涂覆有二向色膜，所述二向色膜在所述第二波段内是反射的并且在所述第一波段内是透射的。
10.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其中，所述菲涅耳组件与所述光学块之间的沿着光轴的距离与从所述光学块到所述显示元件的距离相比，所述菲涅耳组件更靠近所述光学块，并且所述菲涅耳组件以相对于所述光轴的第一角度定位，使得所述菲涅耳组件被倾斜以便将光引导到所述第一位置。
11.一种头戴式显示器(HMD)，包括：
显示元件，被配置为穿过显示面来输出光的第一波段内的图像光；
光学块，被配置为将光从所述显示元件引导至窥视窗，并且所述窥视窗是由用户的眼睛所占据的空间内的区域；
浸没层；
菲涅耳组件，所述菲涅耳组件耦接到所述浸没层，所述菲涅耳组件包括形成菲涅耳透镜的多个表面，所述多个表面一起跨越所述菲涅耳组件的直径，所述多个表面被配置为透射所述第一波段内的光并且将与所述第一波段不同的第二波段内的光引导到第一位置，其中，所述第二波段内的光在所述浸没层的外表面处被折射；
照射源，被配置为利用所述第二波段内的光照射所述窥视窗的部分；以及
相机，位于所述第一位置，所述相机被配置为捕获与从所述用户的眼睛反射的并且被所述菲涅耳组件反射的光相对应的所述第二波段内的光；
其中，所述菲涅耳组件包含多个反射面，并且在第一角度范围内入射在所述浸没层处的光从所述多个反射面中的多个反射面中经至多两次反射之后被重定向到所述第一位置；
其中，在第二角度范围内入射在所述浸没层处的光在从所述多个反射面中的多个反射面中经至多两次反射并且从浸没层-空气界面经至多单次全内反射之后被重定向到所述第一位置，并且所述第一角度范围不同于所述第二角度范围。
12.根据权利要求11所述的头戴式显示器，其中，所述光学块与所述显示元件之间的距离小于所述菲涅耳组件与所述显示元件之间的距离。
13.根据权利要求11所述的头戴式显示器，其中，所述浸没层具有的折射率与形成所述菲涅耳组件的材料的折射率相同。
14.根据权利要求13所述的头戴式显示器，其中，所述菲涅耳组件直接耦接到所述显示元件的所述显示面。
15.根据权利要求11所述的头戴式显示器，其中，所述菲涅耳组件包括第一组反射面和第二组反射面，并且所述头戴式显示器进一步包括：
第二相机，位于第二位置，并且入射在所述第一组反射面上的所述第二波段内的光被朝向所述第一位置反射，并且入射在所述第二组反射面上的所述第二波段内的光被朝向所述第二位置反射。
16.根据权利要求11所述的头戴式显示器，其中，所述菲涅耳组件包含第一组反射面和第二组反射面，并且所述照射源定位在第二位置处，使得由所述照射源发射的所述第二波段内的光被所述第二组反射面朝向所述眼睛反射，并且入射到所述第一组反射面上的所述第二波段内的光朝向所述第一位置反射。
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