CN110168428A - 使用折叠显示器光学器件的紧凑的眼睛追踪 - Google Patents

使用折叠显示器光学器件的紧凑的眼睛追踪 Download PDF

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Abstract

描述了用于在虚拟和增强现实环境中使用的光学组件。光学组件可以包括透镜、滤光器层叠、相机、以及图像投影设备。例如，光学组件可以包括至少一个透镜、在至少一个透镜与图像投影设备之间的第一滤光器层叠、在第一滤光器层叠和图像投影设备之间的第二滤光器层叠以及被构造为通过所述至少一个透镜捕获光的红外反射的图像的相机。

Description

使用折叠显示器光学器件的紧凑的眼睛追踪
相关申请的交叉引用
本申请是2018年2月22日提交的美国申请No.15/902,811的延续并要求其优先权，该申请要求2017年2月23日提交的美国临时申请No.62/462,584的优先权，其公开内容通过引用它们的全文并入在本文中。
技术领域
本说明书总体上涉及一种在交互的头戴式显示器(HMD)设备中使用的光学眼睛追踪技术。
背景技术
设计出兼具造型优美并光学上高效的头戴式显示器(HMD)设备在许多挑战上可能受到局限。用于提供高质量内容和内容处理的光学部件能够是大规模的，导致了庞大的HMD设备。光学部件还能够增加HMD设备的重量，这能够使用户难以使用设备并且能够在用户佩戴设备时可能导致疲劳。这些问题可能导致用户停止使用HMD设备。
发明内容
在一个一般的方面，描述了一种包括头戴式显示器组件的系统。该头戴式显示器组件可以包括光学组件和可操作的用以向头戴式显示器组件中的至少一个目镜显示图像内容的图像投影设备。光学组件可以包括至少一个透镜和第一滤光器层叠(filterstack)，该第一滤光器层叠被设置在所述至少一个透镜与图像投射设备之间，第一滤光器层叠包括至少一个分束层。光学组件还可以包括第二滤光器层叠，该第二滤光器层叠在第一滤光器层叠与图像投射设备之间，第二滤光器层叠包括面向所述至少一个透镜的至少一个反射元件。
头戴式显示器组件还包括在头戴式显示器组件内放置的相机，相机被构造为捕获通过所述至少一个透镜的光的红外反射的图像。在一些实现方式中，将相机放置在所述至少一个透镜下方并且朝向图像投影设备定向，以捕获访问头戴式显示器组件的用户的眼睛的图像并且眼睛的图像从反射元件反射。在一些实现方式中，将相机放置在所述至少一个图像投影设备下方并且朝向所述至少一个透镜定向，以捕获访问头戴式显示器组件的用户的眼睛的图像。可以使用相机通过所述至少一个透镜、第一滤光器层叠、以及第二滤光器层叠来捕获眼睛的图像。
在一些实现方式中，所述至少一个透镜被构造为相对于容纳头戴式显示器组件的框架的底部平面横向地滑动。该滑动可以被构造为触发屈光度调节，以校正与访问头戴式显示器组件的用户相关联的视觉障碍。在一些实现方式中，反射元件是在图像投影设备的面向所述至少一个透镜的侧上的红外(IR)滤光器涂层。在一些实现方式中，反射元件是棱镜。
在一些实现方式中，多个光源被放置在围绕所述至少一个透镜的周边中。一个或多个光源可以被构造为将光直射到访问头戴式显示器组件的用户的眼睛。反射元件可以被构造为在反射元件处接收从眼睛反射的光的部分并且将该部分中的红外波长反射到相机。在一些实现方式中，所述多个光源包括多个发光二极管，所述多个发光二极管面向访问所述头戴式显示器组件的用户的眼睛放置并且在围绕所述至少一个透镜的周边中放置。
在一些实现方式中，第一滤光器层叠与第二滤光器层叠相邻并且被构造成在所述至少一个透镜和显示面板之间的层叠布置。在这样的实现方式中，第一滤光器层叠可以包括在显示面板和第一四分之一波片之间层叠的第一线偏振器，第一四分之一波片被层叠在第一线偏振器和分束器之间，并且第二滤光器层叠可以包括在第二四分之一波片和偏振分束器之间层叠的偏振分束器，所述第二四分之一波片在分数器之后层叠。偏振分束器可以在第二四分之一波片和第二线偏振器之间层叠，并且第二线偏振器可以包括在滤光器层叠中的、面向所述至少一个透镜的反射元件。该方面的其他实施例包括相对应的计算机系统、装置以及在一个或多个计算机存储设备上记录的计算机程序，计算机系统、装置和计算机程序各自被构造为使用系统执行动作。
在另一个通常方面，光学组件可以包括被构造为折叠透射通过其中的光的光学路径的滤光器层叠组件。滤光器层叠组件可以包括至少一个部分透射透镜、第一滤光器和第二滤光器，该第一滤光器包括联接到偏振分束器层的第一侧的至少一个红外滤光器层，偏振分束器层在偏振分束器层的第二侧上联接到第一四分之一波片层，并且该第二滤光器包括联接到线偏振器的第二四分之一波片，第二滤光器在第一侧弯曲以联接到弯曲透镜，并且第二滤光器具有联接到线偏振器的第二侧。所述至少一个红外滤光器层的第一侧可以包括所述至少一个部分透射透镜。光学组件还可以包括具有联接到滤光器层叠组件的顶部边缘的第一边缘的显示器组件以及被构造为捕获通过滤光器层叠组件接收的反射的图像的相机。
在一些实现方式中，光学组件还可以包括在从相机到滤光器层叠组件的视线中放置的至少一个圆偏振滤光器，并且所述至少一个圆偏振滤光器可以被构造为改进红外图像对比度以及最小化红外虚图像。在一些实现方式中，相机被定位在滤光器层叠组件下方并且为捕获图像而定向。
在一些实现方式中，显示器组件的第二边缘被联接到具有红外滤光器层的遮护板的顶部边缘。遮护板可以被设置平行于滤光器层叠组件并垂直于显示器组件。相机可以被构造为捕获通过滤光器层叠组件接收的以及从遮护板反射的反射的图像。
在一些实现方式中，光学组件被构造为显示增强现实内容。例如，为了显示增强现实内容，滤光器层叠组件可以是透明的并且相机可以被构造为捕获访问容纳光学组件的头戴式显示器的用户的眼睛的图像。所捕获的图像可以被提供给可通信地联接到光学组件的至少一个处理器，以通过滤光器层叠组件执行眼睛追踪。
在另一个通常方面，头戴式显示器系统可以包括至少一个处理器、被构造为折叠透射通过其中的光的光学路径的滤光器层叠组件、显示器设备，在所述显示器设备中显示器设备的第一边缘联接到滤光器层叠组件的顶部边缘并垂直于滤光器层叠组件，并且显示器设备的第二边缘联接到成角度的分束器滤光器的第一边缘，分束器滤光器的第一边缘与滤光器层叠组件成角度倾斜，分束器滤光器的第二边缘联接到滤光器层叠组件的底部边缘。头戴式显示器系统还可以包括被设置在显示器设备上方的头戴式显示器系统中的相机。
滤光器层叠组件可以包括至少一个部分透射透镜、第一滤光器、以及第二滤光器，该第一滤光器包括联接到偏振分束器层的第一侧的至少一个红外滤光器层，偏振分束器层在偏振分束器层的第二侧上联接到第一四分之一波片层，该第二滤光器包括联接到线偏振器的第二四分之一波片。第二滤光器可以在第一侧上弯曲以联接到弯曲透镜并且在第二侧上弯曲以联接到线偏振器。所述至少一个红外滤光器层的第一侧可以包括所述至少一个部分透射透镜。
在一些实现方式中，相机被构造为捕获通过滤光器层叠组件的、来自分束器滤光器并通过显示器设备接收的反射的图像。在一些实现方式中，相机向所述至少一个处理器提供图像，用于执行对访问头戴式显示器系统的用户的眼睛运动的追踪。在一些实现方式中，相机是捕获约40度的视场的红外相机。在一些实现方式中，分束器滤光器以约45度的角度与所述至少一个部分透射透镜的光轴倾斜。
该方面的其他实施例包括相对应的计算机系统、装置、和在一个或多个计算机存储设备上记录的计算机程序，每一个计算机系统、装置和计算机程序被构造为执行方法的动作。
在附图和以下描述中阐述了一个或多个实现的细节。根据说明书和附图以及权利要求，其他特征将是显而易见的。
附图说明
图1是用于渲染头戴式显示器(HMD)中的图像内容的示例系统的框图。
图2是描述示例光学组件的框图。
图3是描述行进通过图2中图示的光学组件的光的示例偏振路径的图。
图4是描述示例混合光学组件的框图。
图5是描述行进通过图4中图示的混合光学组件的光的示例偏振路径的图。
图6是可变倾斜光学组件的框图。
图7是另一个可变倾斜的光学组件的框图。
图8是被构造为提供眼睛追踪功能的示例光学组件的框图。
图9是被构造为提供眼睛追踪功能的另一个示例光学组件的框图。
图10是用于本文描述的光学组件的透射性能的图示。
图11是又一个示例光学组件的框图。
图12是容纳相机和至少一个部分透射的透镜的示例光学组件的框图。
图13是在相机的前方容纳相机和至少一个偏振滤光器的示例光学组件的框图。
图14是描述可选的相机放置位置的示例光学组件的框图。
图15是用于在增强现实环境中使用的示例光学组件的框图。
图16是包括用于在增强现实环境中使用的反射遮护板的示例光学组件的框图。
图17A-图17B是构造有在显示器的一侧上容纳的相机的示例光学组件的框图。
图18A-图18D是用于本文描述的光学组件的示例透射性能的图示。
图19A-图19C是利用可与本文描述的示例实施例一起使用的弯曲的滤光器层叠的光学组件的示例的框图。
各附图中的相同的附图标记指示相同的要素。
具体实施方式
访问虚拟现实(VR)内容通常包括让用户佩戴能够与被构造为提供沉浸式VR或增强现实(AR)环境(相应地，也可以称作VR空间或AR空间)的数个附件或计算设备一起操作的头戴式显示器(HMD)设备。这类HMD设备能够包括提供眼睛追踪、放大、偏振、滤光、视力校正、和/或图像处理的光学部件。本发明中描述的系统和方法可以包括使用用于提供减小在HMD设备中容纳的光学组件的尺寸同时提供精确的并且紧凑的眼睛追踪的优点的光学部件。使用放置在光学组件附近(或内部)的至少一个相机能够提供精确和紧凑的眼睛追踪。例如，相机能够直接或经由光学组件中的另一表面的反射来捕获用户的一只或两只眼睛的图像。所捕获的图像能够被用于在虚拟现实环境中以及增强现实环境中实现眼睛追踪。
在一些实现方式中，本发明中描述的系统和方法可以通过使用利用折叠的光学路径的光学组件来提供精确的眼睛追踪。能够使用一个或多个反射元件来实现折叠的光学路径，以辅助捕获眼睛的图像。一个示例反射元件包括在偏振器的平坦侧上、在显示面板上，与显示器设备相对、或者以其他方式放置在本文所述的光学组件内的红外(IR)滤光器。另一个示例反射元件包括在光学组件内放置的棱镜元件。在一些实现方式中，反射元件可以是部分反射的层，诸如在偏振器上放置的IR膜。这类反射元件能够与滤光器和/或在光学组件中的透镜下方放置的红外(IR)相机组合使用。
在一些实现方式中，IR相机可以通过透镜捕获眼睛的图像。这类光学组件构造能够提供减小其处相机正在捕获眼睛的图像的角度的优点。例如，与其中相同的相机可以直接从光学组件内的相同机械位置捕获眼睛的图像的示例相比，IR相机可以以更小的角度被放置。通过这些透镜观看眼睛图像的相机的放置的角度可以小于在其中相机不通过透镜观看眼睛的示例中的相机的放置的角度。这使得能够将相机放置在光学组件内而不是光学组件的外部，以作为光学组件的一部分捕获在HMD设备中集成的透镜的视场内的图像。
本公开中描述的系统和方法还能够提供可以部分地基于将光学组件(包括折叠的光学部件)集成到HMD设备中来减小在HMD设备中容纳的光学组件的尺寸的优点。特别地，减小光学组件的尺寸能够允许HMD设备内的显示空间的减小，从而减小在由用户佩戴HMD时的HMD设备的尺寸和重量。因为佩戴更轻的重量和/或更小的设备能够降低用户在访问虚拟现实环境时佩戴HMD设备的意识，所以HMD设备的所减小的尺寸和重量可以提供进一步使用户融入到虚拟现实环境中的优点。佩戴HMD设备的意识的降低能够鼓励VR空间中的真实的和沉浸式体验。
在一些实现方式中，IR相机能够与其中光学元件能够来回横向滑动的光学组件一起使用，以为访问HMD设备的用户提供屈光度调节。在该示例中，IR相机可以光学地联接到透镜的边缘(例如，使用相结合的棱镜元件)。通常，IR相机能够与IR滤光器组合地使用，以对访问HMD设备的用户执行精确的眼睛追踪和头部追踪，同时为用户提供虚拟内容的改进的视觉。
通常，本文描述的系统和方法可以包括使用光学组件和光学方法以减少HMD设备厚度，同时利用了与移动计算设备显示器良好交互和集成的透镜系统和眼睛追踪系统。在一些实现方式中，光学组件和方法能够(针对至少一个目镜或针对左目镜和右目镜中的每个)采用至少两个偏振滤光器层叠，以折叠长焦距放大透镜和显示面板之间的光学路径。
以这种方式减小透镜显示空间能够用作使HMD设备的重心移动到更靠近佩戴设备的用户的头部，从而减小用户的惯性矩。另外，所减小的透镜显示空间能够附加地提供美观上的优点，从而产生具有精确的眼睛追踪的流线型的、低轮廓的HMD设备。
在一些实现方式中，本发明中描述的系统和方法可以利用混合光学组件和光学方法，以(例如，在HMD设备内)实现紧凑的近眼显示器以及用于虚拟现实系统的眼睛追踪技术。混合光学组件能够包括采用具有两个或更多个滤光器层叠的附加光学元件的内联结构，所述附加光学元件包括但不限于偏振器、照相机、棱镜、透镜等。
参考图1，虚拟现实(VR)系统和/或增强现实(AR)系统可以包括例如在用户的头部上由用户103佩戴HMD设备102或类似设备，以生成要由用户体验的沉浸式虚拟世界环境。HMD设备102可以表示虚拟现实耳机、眼镜、一个或多个目镜、或能够显示VR内容的其他可佩戴设备。在操作中，HMD设备102能够执行能够向用户回放接收到的和/或处理过的图像的VR应用(未示出)。
图1是图示出用户与移动计算设备104上的内容交互的系统100的图。在图1示出的示例中，用户可以正在经由移动计算设备104访问到HMD设备102的内容(例如，图像、音频、视频，流媒体内容等)。在一些实现方式中，一个或多个内容服务器(例如，服务器106)和一个或多个计算机可读存储设备能够使用网络110与移动计算设备104通信，以向可以向HMD设备102馈送内容的移动计算设备104提供内容。内容能够被存储在移动计算设备104或另一个计算设备上。
在图1示出的示例实现方式中，用户103佩戴着HMD设备102并握持移动计算设备104。使用移动计算设备104上的传感器和软件可以将用户在真实世界环境中的运动转换成虚拟世界环境中的相对应的运动。在一些实现方式中，移动计算设备能够接口连接到/连接到HMD设备102。在一些实现方式中，移动计算设备104能够执行VR和/或AR应用。
移动计算设备104可以与VR和/或AR环境中的计算机生成的3D环境接口连接。在这些实现方式中，HMD设备102包括屏幕105、至少一个显示面板107、以及至少一个光学组件111，所述光学组件111包括至少一个透镜112、滤光器层叠114、滤光器层叠116、和相机118a(或118b或118c)。透镜112可以被提供以改变由屏幕105提供的图像，使得佩戴HMD设备的用户可以正确地观看内容。例如，透镜112可以被构造为改变其中通过透镜向佩戴HMD设备的用户的眼睛提供光的位置。透镜112能够修改和/或校正在透镜处接收到的并且从这些透镜提供给用户的眼睛的光的角度，使得眼睛能够正确地观看图像。例如，透镜112能够将光聚焦到用户的眼睛的后部的单个点，以保持特定的图像是焦点对准的。
滤光器层叠114和116可以被提供以折叠在滤光器层叠114处接收的来自显示器设备(例如，外壳屏幕105)的光的光学路径。所折叠的光学路径可以提供使用于捕获用户的眼睛的图像的相机以一个角度放置的优点，相机能够以该角度捕获透镜112的视场内的眼镜的图像的角度。
如本文所述，相应的滤光器层叠114和116可以被包括在HMD设备102中的每个目镜的光学组件中。在一些实现方式中，滤光器层叠114和116可以被组合成单个滤光器层叠。在一些实现方式中，其他光学元件可以被设置在滤光器层叠114和/或滤光器层叠116之间、涂覆在滤光器层叠114和/或滤光器层叠116之上、层压在滤光器层叠114和/或滤光器层叠116之上，或以其他方式联接或固定到滤光器层叠114和/或滤光器层叠116。
本文描述的各种实现方式利用在特定光学组件内的不同位置处放置的相机。因此，可以变化相机118a的放置以包括由相机118b或相机118c示出的放置。其他相机放置位置是可能的，相机放置位置中的一些位置在本文描述的多种其他附图中被描绘。
如图1所示，可以将至少一个相机118a(或118b或118c)作为设备102中的光学组件111的部分被放置。相机118a可以是例如对红外光敏感的IR相机，并且被构造为捕获访问HMD设备102的用户的一只或两只眼睛的IR视图。特别地，能够放置相机118a以捕获(例如，由线120示出的)眼睛的反射的图像，其中形成由相机118a捕获的图像的光穿过透镜112并且反射离开滤光器层叠116。因此，如箭头122所示，IR相机118a能够对虚拟现实透镜112的实际视场内的用户的眼睛成像。
移动计算设备104可以是便携式电子设备，诸如例如可以经由例如有线连接、或诸如例如Wi-Fi或蓝牙连接的无线连接，与HMD设备102配对、或与HMD设备102可操作地联接、以及与HMD设备102通信的智能手机或其他便携式手持电子设备。该配对或可操作地联接可以提供用于移动计算设备104和HMD设备102之间的数据的交换和通信。可替选地，服务器设备106或本地计算机108(或可由用户访问的其他设备)可以用作经由网络110控制HMD设备102。
在一些实现方式中，HMD设备102能够使用一个或多个高速有线和/或无线通信协议(例如，Wi-Fi、蓝牙、低功耗蓝牙(LE)、通用串行总线(USB)、USB 3.0、USB Type-C等)连接到移动计算设备104(或其他设备106、108等)/与移动计算设备104(或其他设备106、108等)通信。附加地或替选地，HMD设备102能够使用诸如高清多媒体接口(HDMI)的音频/视频接口连接到移动计算设备/与移动计算设备通信。在一些实现方式中，在HMD设备102中包括的屏幕上向用户显示的内容还可以显示在设备106和/或设备108中包括的显示器设备上。这允许其他人看到用户在VR和/或AR空间中可能正在与什么进行交互。
在示例系统100中，设备104、106和108可以包括膝上型计算机、台式计算机、移动计算设备、或游戏控制台。在一些实现方式中，设备104能够是能够被设置(例如，放置/位于)在HMD设备102内的移动计算设备。例如，移动计算设备104能够包括能够被使用能够为用于HMD设备102的屏幕105的显示器设备。设备102、104、106和108能够包括用于执行VR和/或AR应用的硬件和/或软件。另外，当这些设备被放置在与HMD设备102相关的位置的范围之前或保持在与HMD设备102相关的位置的范围内时，设备102、104、106和108能够包括能够识别、监测、和追踪HMD设备102的3D运动的硬件和/或软件。在一些实现方式中，设备104、106和108能够通过网络110向HMD设备102提供附加内容。在一些实现方式中，设备102、104、106和108能够与彼此配对的或通过网络110彼此连接中的一个或多个连接/接口连接。连接能够是有线的或无线的。
在一些实现方式中，网络110能够是公共通信网络(例如，互联网、蜂窝数据网络、电话网络上的调制解调器等)或专用通信网络(例如，专用LAN、租用线路等)。在一些实现方式中，移动计算设备104能够使用一个或多个高速有线和/或无线通信协议(例如，802.11变体、Wi-Fi、蓝牙、传输控制协议/互联网协议(TCP/IP)、以太网、IEEE 802.3等)与网络110通信。
系统100可以包括电子存储设备。电子存储设备能够包括以电子方式存储信息的非暂时性存储介质。电子存储设备可以被构造为存储捕获的图像、获取的图像、预处理的图像、后续处理的图像等。
图2是描述示例光学组件200的框图。可以将光学组件200安装为旨在访问VR和/或AR内容的HMD设备的部分。如图2所示，用户的眼睛202被模拟在光学组件200的左侧，并且显示面板204被示出在光学组件200的右侧。在一些实现方式中，可以包括光学组件200用于左目镜和右目镜中的每一个。在一些实现方式中，光学组件200可以被包括在单个目镜中。
光学组件200包括显示面板204、包括分束器(未示出)的第一滤光器层叠206、第二滤光器层叠208、和透镜210。光学组件200能够用作折叠由显示面板204呈现的(例如，来自屏幕105的)光的光学路径。例如，通过滤光器层叠206和208透射的光的光学路径在两个滤光器层叠206和208之间折叠两次或更多次。在该示例中，滤光器层叠208可以包括位于滤光器层叠中的线偏振器的一侧上的红外(IR)滤光器215。滤光器215能够用作折叠通过滤光器层叠和透镜并且到达眼睛的光的光学路径。例如，本文中描述的系统能够使用具有滤光器层叠(例如，滤光器层叠208)上的IR滤光器(例如，滤光器215)的折叠光学路径来提供眼睛追踪。在一个示例中，滤光器215可以被涂覆在层叠208内的偏振器的面向透镜210的侧上。
光学组件200还可以包括放置在透镜下方或旁边的相机212，使得相机能够通过透镜捕获用户眼睛202的图像。在贯穿本公开描述的所述的示例中，相机可以是被放置以捕获透镜的视场内的用户的眼睛的IR图像的IR相机。相机212的放置可以确保在HMD设备能够相对于典型的HMD设备以减少的占地面积被制作的同时保持准确的眼睛追踪能力。减少的占地面积能够通过将相机212放置在透镜的下方(例如，与透镜的底部平面相邻)来实现，使得相机212捕获眼睛的图像的反射。在不需要考虑遮蔽相机视图的情况下且在不需要考虑将相机放置在对用户可见的位置中的情况下，这可以允许组件200内的其他光学部件被安置在较小的横向的占地面积中。
IR滤光器215可以是在滤光器层叠208的一侧上的包括数个薄沉积的膜层的光学滤光器。IR滤光器215可以是操作的用以反射光，用于衰减或增强图像。例如，滤光器215能够反射光以使相机212能够捕获用户的眼睛的增强的图像。在一个示例中，IR滤光器215的材料可以包括例如在硒化锌(ZnSe)的基板上涂覆的镍(或其他反射材料)的组合。
光学组件200的一个示例可以包括与透镜210的底部平面相邻放置的相机212。尽管将相机212图示在透镜210的下方且略微左侧，但是其他相机位置也是可能的。例如，相机212能够被放置在一个位置中的透镜210的下方，在该位置中相机能够从IR滤光器215捕获眼睛202的图像的反射。在示例中，相机能够被放置以捕获反射并且能够以约零度至约45度的角度从透镜210的光轴倾斜或成角度。如路径220所示，角度214示出了其中相机212能够通过透镜210从滤光器215捕获眼睛202的图像的反射的一个示例。例如，能够选择(在从透镜210的顶部222到底部224限定的)相机212的垂直位置，使得眼睛202的图像的反射能够从(例如，在滤光器层叠208上涂覆的)IR滤光器215反射。
在一些实现方式中，透镜210可以具有约7毫米至约11毫米的厚度216。在一些实现方式中，透镜210可以具有约9毫米至约10毫米的厚度216。在一些实现方式中，透镜210可以具有约35毫米至约45毫米的直径。在一些实现方式中，透镜210可以具有约40毫米至约50毫米的直径。在一些实现方式中，眼睛间隙(relief)距离218可以为约15毫米至约17毫米。在一些实现方式中，眼睛间隙距离218可以为约13毫米至约18毫米。在一些实现方式中，眼睛间隙距离218可以为约12毫米至约14毫米。在一些实现方式中，眼睛间隙距离218可以为约17毫米至约21毫米。在一些实现方式中，透镜210的非球面规格可以包括约为98.1毫米的r1值以及为3.69的k1值。透镜210还可以具有约为41.7毫米的r2值和约为-4.8的k值。透镜210还可以具有约为1.1×10-5的r4值和约为4.5×10-9的r6值。其他规格是可能的。通常，r值(例如，r1、r2、r4和r6)表示用于透镜210的示例径向坐标值。可以通过垂直地测量距透镜210的光轴的距离来获取这些值。k值(例如，k1)可以表示用于透镜210的圆锥常数。
在一个示例中，光学组件200能够被安装在包括由用户(例如，用户103)佩戴的交互式HMD设备(例如，设备102)的系统中。交互式HMD设备可以适于容纳图像投影设备(例如，设备104)和光学组件(例如，200)。在一些实现方式中，图像投影设备包括移动计算设备上的显示器。在一些实现方式中，显示器可以是有机发光显示器(OLED)。在其他实现方式中，显示器可以是液晶显示器(LCD)。在又一其他实现方式中，显示器可以是包括硅上液晶(LCOS)显示器的反射式显示器。如下面详细描述的，可以使用其他显示技术。
光学组件200可以包括至少一个折射透镜210。在一些实现方式中，由于两个滤光器层叠206和208的光学折叠，至少一个折射透镜210可以具有约30毫米至约50毫米的焦距，同时透镜与显示器之间的距离可以为约13毫米至约20毫米。在一些实现方式中，光学组件200可以包括多个折射透镜或透镜阵列。
在一个示例中，光学组件200能够是构造为被安装在HMD设备中的头戴式显示器组件。组件200可以包括可操作用以向HMD设备中的至少一个目镜显示图像内容的图像投影设备(例如，显示面板204)。例如，组件200能够被安装用于HMD设备102的一个或两个目镜。光学组件200可以包括：包括涂覆有分束层的至少一个表面的第一滤光器层叠206、包括涂覆有反射元件的至少一个表面的第二滤光器层叠208、至少一个可滑动的(或固定的)透镜210、以及构造为通过至少一个可移动的(或固定的)透镜210捕获反射图像的相机214。
在一些实现方式中，组件200可以包括容纳相机、反射元件(例如，IR滤光器215)或棱镜814、以及至少一个透镜的框架(如HMD设备102上所示)。框架可以能够沿第一轴线(例如，x-y平面中的水平x轴)成直线地滑动，并且关于第一轴线上的点圆周地滑动(例如，关于轴线上的点的弧形运动)。在一些实现方式中，反射元件是红外(IR)滤光器涂层(例如，如在215、316、412、609、和711处所示)。在一些实现方式中，反射元件能够包括棱镜(例如，如在814处所示)。
在一些实现方式中，如图11中所示，一个或多个发光二极管能够被放置在围绕所述至少一个透镜的周边中。一个或多个发光二极管可以被构造为将光直射到访问组件200的用户的眼睛(例如，眼睛202)。反射元件可以被构造为在反射元件处接收来自眼睛的光的一部分并且向相机212反射该部分的一个波长。
在一个示例中，第一滤光器层叠206能够与第二滤光器层叠208相邻并且能够被构造成在透镜210和显示面板204之间的层叠布置。在一些实现方式中，第一滤光器层叠206包括在显示面板204和第一四分之一波片304之间层叠的第一线偏振器302。第一四分之一波片可以被层叠在第一线偏振器302和分束器306之间。在相同示例中，第二滤光器层叠208能够包括在第二四分之一波片308之间层叠的偏振分束器310，所述第二四分之一波片308层叠在分束器306之后。偏振分束器310可以被层叠在第二四分之一波片308和第二线偏振器312之间。第二线偏振器312可以被涂覆有面向透镜210的反射元件316。
第一滤光器层叠206的示例组件可以包括第一线偏振器和用作为用于组件内的第一四分之一波片的涂层的分束器层(参考图3详细示出)。第一滤光器层叠206可以可操作的用以过滤(例如，基于偏振选择性地透射光)从图像投影设备接收到的光。在一些实现方式中，能够将四分之一波片设计为在宽带中正常工作，以提供与使用的光的波长无关的恒定位移。可以通过使用两种不同的双折射晶体材料来实现该波长独立性。能够在所使用的两种材料之间平衡在波长范围上的延迟中的相对位移(即，色散)。第二滤光器层叠208可以包括组件内的四分之一波片、偏振分束器(例如，偏振敏感分束器)、以及线偏振器(参考图3详细示出)。第二滤光器层叠208可以是操作的用以使用红外滤光器316来折叠光学路径。
在一些实现方式中，光学组件200还包括适于从图像投影设备(例如，移动计算设备104)接收图像内容的显示面板。在一些实现方式中，光学组件200还包括用于处理图像内容以在图像投影设备上显示的至少一个处理器。特别地，如上面参考图1所述，图像内容能够由一个或多个处理器、计算机、或其他资源提供，并且能够使用图像投影设备(例如，移动计算设备104等)来显示、存储、和/或修改。另外，一个或多个处理器能够是用于捕获、上传、下载、发送和/或接收与相机212相关联的(例如，由相机212捕获的)图像内容的板载光学组件200。
图3是描述透射通过图2中图示的光学组件200的光的示例偏振路径300的图。这里，滤光器层叠206和208被示出为设置在显示面板204和透镜210之间。将相机212示出在透镜210下方以通过透镜210捕获用户的眼睛的反射的图像(未在透镜210的左侧示出)。
在一个非限制性示例中，第一滤光器层叠206联接到第二滤光器层叠208并且被构造成与其他部件的层叠布置。层叠布置的一个这种示例可以包括与显示面板204相邻的并且与第一四分之一波片304相邻地层叠的第一线偏振器302。第一四分之一波片304被层叠或涂覆有分束器层306，所述分束器层306被层叠在第二四分之一波片308旁边在波片308的第一侧上。第二四分之一波片308的第二侧被层叠在偏振分束器310旁边，所述偏振分束器310被层叠在第二线偏振器312旁边。第二线偏振器312与至少一个折射透镜210相邻。
在一些实现方式中，分束器层306包括第一滤光器层叠206上部分镜面涂层。分束器层306可以可操作的用以以约为50％的分束比将光束/光线分离。在一些实现方式中，分束器层306可以以约50％的分束比执行，并且如果显示器是线偏振的，则分束器层306能够具有约25％的最大透射率，或者如果显示器是非偏振的，则分束器层306能够具有约12.5％的最大透射率。在一些实现方式中，分束器层306未被包括在第一滤光器层叠206中并且被替代为位于滤光器层叠206与滤光器层叠208之间的独立设备。
在一些实现方式中，在图像投影设备包括诸如LCD显示器的非发光显示器的事件下，第二滤光器层叠206被构造为不具有线偏振器302。例如，因为LCD显示器通常提供了线偏振输出，所以可以排除线偏振器302。在其他实现方式中，线偏振器312被包括并在线偏振器312的侧(例如，图3中的LP-II的左手侧)上被涂覆有IR滤光器316。
在一些实现方式中，滤光器层叠208中的线偏振器312是所包括的可选组件，使得来自用户的脸部(即，由显示器光照射的)的散射光不会被偏振分束器310直接反射。这类反射可能负面地影响观看体验，并因此包括阻止这类反射的、为用户提供改进的观看体验的元件。
在光被引入到图2和图3中示出的部件中的一个或多个时，图2和图3中示出的部件可以提供任何数目的可能的偏振路径。一个示例偏振路径300可以包括(从移动计算设备104)接收要由线偏振器302线偏振的发射光的显示面板204。在穿过可以以45度角放置的四分之一波片304之后，光可以成为圆偏振。例如，第一四分之一波片可以以离与第一滤光器层叠206的纵向边缘相对应的垂直线约成45度来设置。然后光由分束器306部分地反射，这改变了光的圆偏振的旋向性(handnessed)。光可以传递到将圆偏振光旋转回线偏振的四分之一波片308。
与偏振分束器310的穿过状态正交的线偏振光能够被反射并且在返回穿过四分之一波片308之后再次变为圆偏振。在第三次(在点314处)穿过四分之一波片308之后，光变为能够与偏振分束器310的穿过状态平行的线偏振。在穿过另一个可选的线偏振器312之后，透射光能够被透镜/透镜的组210折射，以形成要呈现给HMD设备的目镜和用户的眼睛的虚拟图像。
在一些实现方式中，头戴式显示器组件中的光学元件能够包括或容纳可操作用以向头戴式显示器组件中的至少一个目镜显示图像内容的图像投影设备。光学组件可以包括至少一个透镜、在至少一个透镜和图像投射设备之间的第一滤光器层叠。第一滤光器层叠可以包括涂覆有分束层的至少一个表面。光学组件还可以包括在第一滤光器层叠和图像投影设备之间的第二滤光器层叠。第二滤光器层叠可以包括涂覆有反射元件的、面向所述至少一个透镜的至少一个表面。光学组件还可以包括或联接到放置在至少一个透镜下方的相机，所述相机被构造为通过至少一个透镜来捕获反射的图像。
作为非限制性示例，滤光器层叠208可以是独立件或可以结合到前折射透镜(或透镜的组)。类似地，滤光器层叠206可以是独立件或显示面板204的集成层。在一些实现方式中，滤光器层叠构造包括正在正交的线偏振器302和线偏振器312的轴。类似地，第一四分之一波片304和第二四分之一波片308的轴可以是正交的。能够向滤光器层叠206和/或滤光器层叠208添加或从滤光器层叠206和/或滤光器层叠208移除任何数目的层、偏振器、分束器、或波片。
图4是描述示例混合光学组件400的框图。混合光学组件400可以包括位于两个滤光器层叠406和滤光器层叠410之间的一个或多个光学元件。另外，混合光学组件400可以将光束分离层放置在插入在两个滤光器层叠406和滤光器层叠410之间的透镜的弯曲的表面上。使用混合光学组件400的一个优点可以包括提供来自所包括的光学元件的很少的光学像差以及使用正镜面，这能够允许观察者分辨较小的显示像素。
在一些实现方式中，容纳混合光学组件400的HMD设备内的显示空间在显示面板轴向位移时可以提供允许改进的焦点调节的远心度。在该构造中，在针对焦点调节而轴向移动显示面板中的一个或多个时，图像放大率和失真可以保持恒定。
这类组件400能够显著减小HMD设备内的透镜显示空间。例如，透镜显示空间能够被减少多达约60％到约70％的、由基于移动计算设备的HMD设备所使用的典型透镜显示空间。在一个非限制性示例中，透镜显示空间可以从约39毫米减小至约13毫米。在其他示例中，透镜显示空间可以从约39毫米减小至约13.5毫米。在另一个非限制性示例中，透镜显示空间可以从约39毫米减小至约12.48毫米。在另一个非限制性示例中，透镜显示空间可以从约45毫米减小至约15.75毫米。在另一个非限制性示例中，透镜显示空间可以从约40毫米减小至约16毫米。在另一个非限制性示例中，透镜显示空间可以从约40毫米减小至约13毫米。
如图4所示，将用户的眼睛402模拟到光学组件400的左侧，同时显示面板404被示出到光学组件400的右侧。光学组件400包括第一滤光器层叠406、包括内置的分束器层(未示出)的弯曲的透镜408、具有IR滤光器涂层412的第二滤光器层叠410以及透镜414。
在一些实现方式中，透镜414可以被包括在用于左目镜和右目镜中的每个的光学组件中。透镜414可以与滤光器层叠410相邻地被设置在HMD设备中并且适于接收源自图像投影设备/移动计算设备并且朝向滤光器层叠410通过光学组件的图像内容。
光学组件400能够用作折叠由显示面板404呈现的并且通过滤光器层叠406和410的光的光学路径。在该示例中，由路径416示出示例折叠的光学路径。在所描述的示例中，弯曲的透镜408可以包括分束器涂层，所述分束器涂层包括构造为分辨显示像素的正镜面。可以设置透镜408，使得凹侧面向滤光器层叠410并且凸侧面向滤光器层叠406。在一些实现方式中，在显示器表面上的光线束的平均角度接近于垂直时，光学组件400可以为远心的。
相机418被示出通过IR滤光器412捕获用户的眼睛的反射图像。相机418能够沿着线420被放置在任何位置。如示例路径422所示，相机418能够捕获用户的眼睛402的图像。
图5是描述透射通过图4中图示的混合光学组件400的光的示例偏振路径500的图。这里，滤光器层叠406和410被设置在显示面板404和透镜414之间。
在一个示例中，第一滤光器层叠包括具有面向透镜414的IR滤光器层412的线偏振器。可以由相机418利用IR滤光器层412来(例如，通过透镜414)捕获用户视场中的用户的眼睛的反射的图像。
在一个示例中，将第一滤光器层叠406联接到第二滤光器层叠410并且与其他部件被构造成层叠布置。层叠布置的一个这样的示例可以包括与显示面板404相邻并且紧邻第一四分之一波片504的第一线偏振器502。第一四分之一波片504与弯曲的透镜408相邻地层叠，所述弯曲的透镜408与第二四分之一波片506相邻地层叠。第二四分之一波片506与偏振分束器508相邻地层叠，所述偏振分束器508与第二线偏振器510相邻地层叠。第二线偏振器510与至少一个透镜414相邻。
通常，透镜408和414可以是非旋转对称的。只要系统不再旋转对称时，非旋转对称透镜408和414能够是有益的。例如，在显示器在两个正交子午线(例如，圆柱形，鞍形等)中不同地弯曲时，系统可能不再是旋转对称的。在一些实现方式中，使用非旋转对称透镜能够提供成功平衡像差以跨整个视场实现均匀的图像质量的优点。在一些实现方式中，透镜414可以是折射透镜。在一些实现方式中，多个透镜或透镜阵列可以代替透镜414。
图4和图5中示出的部件可以提供透射通过这些部件的光的任何数目的可能的偏振路径。一个示例偏振路径500可以包括发射将要由线偏振器502线偏振的光的显示面板404。光在穿过可以以45度角放置的四分之一波片504之后可以变为圆偏振。例如，四分之一波片504可以以离与第一滤光器层叠406的纵向边缘相对应的垂直线成约45度设置。光可以由弯曲的透镜408部分地反射，这能够从右向左地改变其光圆偏振的旋向性。光能够传递到将圆偏振光旋转回到线偏振的四分之一波片506。
可以与偏振分束器508的穿过状态正交的线偏振光可以被反射并且在返回穿过四分之一波片506之后再次变为圆偏振。在第三次(在位置512处)穿过四分之一波片506之后，光可以变为与偏振分束器508的穿过状态平行的线偏振。在透射光穿过另一个可选的线偏振器510之后，透射光可以被透镜/透镜组412折射并且可以形成要呈现给HMD设备的目镜和用户的眼睛的虚拟图像。相机418能够捕获从线偏振器510反射的用户的眼睛的图像。所捕获的图像能够用于眼睛追踪，以向用户的眼睛提供这类内容的特定内容或构造。
图6是可变倾斜光学组件600的框图。可变倾斜可以指的是倾斜或重新定向光学组件600内的滤光器层叠中的一个或多个。可替选地，该倾斜可以指的是正能够倾斜在光学组件600内的滤光器层叠的附近容纳的显示面板。在一些实现方式中，该倾斜可以是基于一个或多个滤光器层叠到显示面板和/或到透镜之间的角度关系。
如图6所示，将用户的眼睛602模拟到光学组件600的左侧并且将显示面板604被示出到光学组件600的右侧。光学组件600包括显示面板604和包括分束器(未示出)的第一滤光器层叠606、第二滤光器层叠608。光学组件600还包括与滤光器层叠608相邻的透镜610。光学组件600能够用作折叠由显示器面板604呈现的并且通过滤光器层叠606和滤光器层叠608的光的光学路径。在该示例中，由路径612、614、616、618和620示出示例折叠的光学路径。
光学组件600可以包括参考图2和图3描述的部件。因此，光学组件600可以提供关于可倾斜光学组件200的示例。在该示例中，通过使显示面板604以角度622相对于透镜610的光轴倾斜，能够在前偏振滤光器层叠(例如，滤光器层叠608)的表面与在过滤层叠606上涂覆的分光表面之间产生可变空间。在操作中，能够倾斜左显示区域和右显示区域中的每一个的显示面板，使得显示面板的拐角或边缘被进一步向外，这可以提供在不需要制造定制形状的HMD显示器的情况下显著增加鼻部间隙的优点。另外，倾斜还可以具有平移效果，这增加了两个显示面板(针对每只眼睛)之间的中心间隙。在一些实现方式中，倾斜两个显示器还能够帮助使HMD设备到用户的脸部更好地形成，最终产生紧凑并看起来更有吸引力的工业设计。
如图所示，还可以调节(即，倾斜)两个滤光器层叠606和/或608以形成角度624，其中能够移动显示面板604以匹配这样的角度。在一些实现方式中，可以调节滤光器层叠606以形成其中显示器面板604能够被移动以匹配这样的角度的角度626。
滤光器层叠606和608可以是用于HMD设备的近眼显示系统组件的部分。例如，层叠606和层叠608以及透镜610和显示面板604能够被容纳在由用户佩戴的头戴式显示器设备中。滤光器层叠606和608可以是能够向HMD设备中的左目镜和右目镜中的每一个提供图像内容的一个或多个光学组件的件。滤光器层叠606可以是操作的用以在第一方向上定向(例如，朝向HMD设备中的目镜从0至约12.5度)。滤光器层叠606可以包括涂覆有分束层的至少一个表面。该分束层可以背离显示面板604并且朝向滤光器层叠608。滤光器层叠608可以是操作的用以在第二方向上定向(例如，朝向HMD设备中的目镜从0到约12.5度)。
在一些实现方式中，滤光器层叠606可以直接地结合到显示器面板604以提供零度滤光器角度。在一些实现方式中，滤光器层叠608可以被直接结合到显示器面板604，以提供零度滤光器角度。如图所示，滤光器层叠608包括类似于上述IR滤光器的IR滤光器层609。
在一些实现方式中，滤光器层叠606可以适于在第一方向上从法线方向到沿显示面板604的表面的平面以从约0度到约12.5度的角度定向。滤光器层叠608可以适于在第二方向上从法线方向到显示面板的平面以从约0度到约12.5度的角度倾斜。响应于将显示面板从法线方向到HMD设备的底部边缘的平面(未示出)以约0度到约25度倾斜，可以发生一个或两个重定向/倾斜，使得显示面板垂直于近眼显示系统的光轴被设置。
所选择的第一角度和第二角度可以彼此相关并且可以基于显示面板是倾斜的角度来选择。在一个示例中，显示器604以由用户选择的角度倾斜并被容纳在HMD设备中。例如，显示面板可以适于在第二方向上定向。
通常，倾斜显示面板604可以包括将显示面板604安置在HMD设备的基座内并垂直于HMD设备的基座，并且使显示面板604的顶部边缘朝向与左目镜和右目镜中的每一个相对应的光学组件成角度(即，朝向滤光器层叠606和608中的一个或二者)。通常，光学组件包括用于左目镜和右目镜中的每一个的至少一个固定透镜。在一些实现方式中，用于左目镜和右目镜中的每一个的至少一个固定透镜与滤光器层叠608相邻地被设置在HMD设备中并且适于接收源自图像投影设备并且朝向滤光器层叠608通过光学组件的图像内容。
在一些实现方式中，倾斜显示面板604可以导致通过将图像伪影移动到视场的外侧来修改近眼显示系统的视场。这种修改能够用作确保由光学组件内的杂散光产生的、使图像虚的光能够方便地从佩戴HMD设备的用户的视线离开。另外，显示面板604可以被倾斜以保持佩戴HMD设备的用户的图像平面聚焦。
在一些实现方式中，滤光器层叠406和410适于维持彼此的关系，以便维持垂直于物平面的光轴以保持光学系统在轴线上。例如，在组件400中，显示面板的倾斜角可以是两个滤光器之间的相对倾斜角的两倍。在一个非限制性示例中，响应于将从约0度到约25度倾斜显示面板604，滤光器层叠406和410可以适于从零到约12.5度倾斜。
在一些示例中，组件600可以包括相机628。相机628可以是适于与IR涂层609一起运行的红外相机。相机628能够捕获反弹离开涂层609的反射的IR图像。图像可以是来自涂层609的、指示用户眼睛运动或用户的眼睛的位置变化的反射。在一些实现方式中，相机628还能够捕获在用户的脸部表情上的变化的图像。
例如，从保持光学组件600的HMD设备的基座位置到高达透镜610的底部边缘相机628能够被放置。如角度630所示，相机628可以从与(例如，由光学组件600的底部边缘指示的)水平成约零度至与水平成约45度倾斜。角度630可以根据一个或两个滤光器层叠606和608的移动而变化。例如，如果滤光器层叠608(替代了如图所示朝向眼睛602而)远离眼睛602倾斜，则相机628能够以约45度至约60度的较大角度被放置，以捕获从IR滤光器609反射的图像。
图7是另一个可变倾斜光学组件700的框图。光学组件700可以包括参考图4和5描述的组件。因此，光学组件700可以提供与可倾斜光学组件400有关的示例。
如图7所示，将用户的眼睛702模拟到光学组件700的左侧，而同时显示器704被示出到光学组件700的右侧。光学组件700包括第一滤光器层叠706、弯曲的透镜708、第二滤光器层叠710和透镜712。
光学组件700能够用作折叠由显示器704呈现的并且通过滤光器层叠706和滤光器层叠710以及弯曲的透镜708的光的光学路径。在该示例中，示例折叠光学路径由路径714、716、718、720、722、724和726示出。在一些实现方式中，在显示器表面上的光线束的平均角度接近于垂直时，光学组件700可以是远心的。如示出的，滤光器层叠710还包括类似于上述IR滤光器的IR滤光器涂层711。
光学组件700与这里描述的混合光学组件相关。这些组件可包括倾斜图像的变体。弯曲的透镜708可以由塑料构成并涂覆有分束器层。光学组件700可以被容纳在HMD设备中。HMD设备可以包括至少一个光学组件700。光学组件700能够例如包括在第一滤光器层叠和第二滤光器层叠之间设置的弯曲的分束器设备。光学组件还可以包括适于在HMD设备内以多个不同的角度设置的可移除的图像投影设备。在一些实现方式中，响应于倾斜第一滤光器层叠或第二滤光器层叠，可以在HMD设备内以多个不同角度布置在图像投影设备和第一滤光器层叠之间设置的显示面板。
在一些实现方式中，光学组件700可以是可构造的用以响应于倾斜第一滤光器层叠或第二滤光器层叠而平衡曲率场。在组件700中，滤光器层叠之间可能不存在特定的设置关系。倾斜关系可以取决于变量，包括但不限于具有分束器涂层的表面的曲率、分束器的位置、分束器层叠的位置等。
在示例中，至少一个显示面板可以被设置在基于与第一滤光器层叠或第二滤光器层叠相关联的定向选择的角度处。该定向可以包括从透镜的光轴垂直偏移大于约5度且小于约25度的倾斜。在一些实现方式中，倾斜第一滤光器层叠或第二滤光器层叠导致修改与头戴式显示器外壳相关联的视场，所述修改包括将图像伪影移动到视场之外。
在一些实现方式中，HMD设备可以包括两个光学组件，两个光学组件各自被构造为向与HMD设备相关联的相对应的左目镜和右目镜中的透镜提供图像内容。例如，每个光学组件可以被构造为通过单独的左眼透镜和右眼透镜提供图像内容。在一些实现方式中，透镜适于响应于检测到这些光学组件中的至少一个的移动而维持图像放大和聚焦。例如，如果移动光学组件中的一个或两个层叠，则与这类层叠相关联的透镜能够在不需要损失图像放大率和聚焦水平的情况下而适应移动。在一些实现方式中，光学组件700包括在第一滤光器层叠和第二滤光器层叠之间设置的数个光学元件。该光学元件可以被构造为减少光学像差。
在一些示例中，组件700可以包括相机728。相机728可以是适于与IR涂层711一起运行的红外相机。相机728能够捕获反弹离开涂层711的反射的IR图像。图像可以是来自涂层711的、指示用户眼睛运动或用户的眼睛的位置变化的反射。在一些实现方式中，相机728还能够捕获用户的脸部表情的变化的图像。
例如，在从保持光学组件700的HMD设备的基座位置到高达透镜712的底部边缘相机728能够被放置。如由角度730所指示的，相机728可以从与(例如，由光学组件700的底部边缘729指示的)水平成约0度至与水平成约45度倾斜。角度730可以根据一个或两个滤光器层叠706和708的移动而变化。例如，如果滤光器层叠710(替代了如图所示朝向眼睛702而)远离眼睛702倾斜，则相机728能够以约45度至约60度的较大角度被放置，以捕获从IR滤光器711反射的图像。
图8是示例光学组件800的框图。光学组件800可以被安装为旨在访问虚拟现实内容的HMD设备的部分。如图8所示，将用户的眼睛802模拟到光学组件800的左侧并且显示面板804被示出到光学组件800的右侧。在一些实现方式中，可以包括光学组件800用于HMD设备的左目镜和右目镜中的每一个。在一些实现方式中，光学组件800可以被包括在单个目镜中。
光学组件800包括(或邻近于)显示面板804。如示出的，光学组件800包括第一滤光器层叠806、第二滤光器层叠808、透镜810、透镜812、和棱镜814。光学组件800能够用作折叠由显示面板804呈现的并且通过滤光器层叠806和滤光器层叠808的光的光学路径。在该示例中，棱镜814可以从眼睛802引导(或反射)红光通过透镜并且进入到相机818。相机818能够使用光的这种反射来捕获眼睛的图像。例如，本文描述的系统能够使用具有在滤光器层叠806和滤光器层叠808之间放置的棱镜818的折叠光学路径来提供眼睛追踪。如图8所示，棱镜814是三角形的，但是其他形状也是可能的，包括但不限于正方形、矩形、球形等。在一些实现方式中，棱镜814在尺寸上可以适合于滤光器层叠806和滤光器层叠808之间的空间的部分。例如，棱镜814可以被刚性地附接到滤光器层叠806并且从滤光器层叠806延伸到过滤层叠806和过滤层叠808之间示出的空间的约50％到约75％。在一些实现方式中，棱镜814在尺寸上可以被设计为连接到滤光器806的底部边缘和滤光器808的底部边缘。例如，棱镜814可以在两个滤光器层叠下方并且在透镜810下方刚性地附接到滤光器层叠806和滤光器层叠808。
光学组件800还可以包括相机818。相机818可以被放置在光学组件800的下方，使得相机能够使用棱镜814以将来自眼睛802的光从透镜810反弹到相机818来捕获用户眼睛的图像。如果相机被放置在相同的机械位置中，但不通过透镜和滤光器层叠捕获内容，则与通过直接面向用户的眼睛放置以捕获图像的相机相比，将相机818放置在这种位置处能够提供减小其处相机818捕捉眼睛图像的角度的优点。相机818的放置可以确保维持精确的眼睛追踪能力，而同时HMD设备相对于典型的HMD设备能够以减小的占地面积的方式制成。
棱镜814可以用作阻挡和/或分离光源的光束中的特定波长。例如，能够从显示器804朝向眼睛802通过光学组件800提供光束(或许多光束)。棱镜814能够分离光例如以提供从眼睛802反射的红外光。该反射能够允许相机818捕获眼睛的图像，以追踪与用户相关联的眼睛和/或头部运动(例如，眼睛802)。棱镜814可以由任何透明材料构成，包括但不限于玻璃、丙烯酸、液体填充玻璃或丙烯酸、萤石、二氧化硅、石英等。
光学组件800的一个示例可以包括在透镜810下方放置的相机818。尽管相机818被示出在透镜810的下方并略微向右，但是其他相机位置也是可能的。例如，相机818能够被放置在透镜810下方在其中相机818能够经由棱镜814捕获来自IR滤光器816的眼睛818的图像的反射的位置中。在示例中，相机818能够被放置以捕获反射并且能够根据透镜810的从左侧到右侧的放置以约零度至约45度的角度倾斜或成角度。
在一些实现方式中，透镜810可以具有约7毫米至约11毫米的厚度216。在一些实现方式中，透镜810可以具有约9毫米至约10毫米的厚度216。在一些实现方式中，透镜810可以具有约35毫米至约45毫米的直径。在一些实现方式中，透镜810可以具有约40毫米至约50毫米的直径。在一些实现方式中，眼睛间隙距离218可以为约15毫米至约17毫米。在一些实现方式中，眼睛间隙距离218可以为约13毫米至约18毫米。在一些实现方式中，眼睛间隙距离218可以为约12毫米至约14毫米。在一些实现方式中，眼睛间隙距离218可以为约17毫米至约21毫米。在一些实现方式中，透镜810的非球面规格可以包括约为98.1毫米的r1值以及为3.69的k1值。透镜810还可以具有约41.7毫米的r2值和约-4.8的k值。透镜810还可以具有约1.1x10-5的r4值和约4.5x10-9的r6值。其他规格是可能的。
在一些实现方式中，透镜810和812可以滑入和滑出以针对眼睛802聚焦特定内容。例如，透镜810和812可以适于相对于HMD设备的框架外壳横向地前后滑动。该滑动能够调节用于透镜810和/或透镜812的屈光度。在一些实现方式中，相对于HMD设备的框架外壳横向地滑动透镜810和透镜812二者可以校正向具有视力障碍的用户显示的内容。透镜810和/或812可以固定到移动机构，使得两个透镜在相同平面中一起旋转和/或一起滑动。在一些实现方式中，约3毫米(负或正)的移动可以提供约正4到约负6的屈光度调节范围的调节。
在一些实现方式中，如图8所示，可以移动作为其中所有部件被刚性地固定的单元的相机818和棱镜814、透镜810和透镜812以及滤光器层叠806和滤光器层叠808。在一些实现方式中，旋转或滑动移动能够包括整个光学组件800的旋转(或滑动)。
第一滤光器层叠806的示例组件可以包括第一线偏振器和用作为用于组件内的第一四分之一波片的涂层的分束器层(参考图3详细示出)。第一滤光器层叠806可以是操作的用以过滤和分离从图像投影设备接收的光。在一些实现方式中，四分之一波片能够被设计为在宽带中正常工作，以提供与使用的光的波长无关的恒定位移。可以通过使用两种不同的双折射晶体材料来实现该波长独立性。能够在所使用的两种材料之间平衡在波长范围上的延迟中的相对位移(即，色散)。第二滤光器层叠808可以包括组件内的四分之一波片、偏振分束器、以及线偏振器(参考图3详细示出)。第二滤光器层叠808可以是操作的用以折叠在至少一个折射透镜810与图像投影设备(例如，移动计算设备104)之间的光学路径。
在一些实现方式中，光学组件800还包括适于从图像投影设备(例如，图1中示出的移动计算设备104)接收图像内容的显示面板804。在一些实现方式中，光学组件800还包括用于处理图像内容以在图像投影设备上显示的至少一个处理器。特别地，如上面参考图1所述，图像内容能够由一个或多个处理器、计算机、或其他资源提供，并且能够使用图像投影设备(例如，移动计算设备104等)来显示、存储、和/或修改。另外，一个或多个处理器能够是用于捕获、上传、下载、发送和/或接收与相机818相关联(例如，由相机捕获的)的图像内容的板载光学组件800。
在操作中，在HMD设备中显示器804可以向(例如，由眼睛802示出的)用户提供内容。如图11中的示例所示，HMD显示器设备能够包括例如围绕每个目镜的发光二极管(LED)的环。LED能够发光并将光直射到眼睛802。相机818能够捕获眼睛802的运动(例如，出于眼睛追踪目的而捕获图像)。如路径820所示，能够反射直射到眼睛802的光。光的反射能够透射通过透镜810和滤光器层叠808，并且能够由相机818捕获为图像。如路径822所示，反射能够通过透镜810提供到棱镜814中并且反弹离开IR滤光器816并且返回通过棱镜814以由相机818捕获。
在一些实现方式中，显示器为发光显示器且包括有机发光二极管(OLED)显示器。在一些实现方式中，显示器是非发光显示器并且包括液晶显示器(LCD)显示器。
在一些实现方式中，贯穿本发明所描述的HMD设备可以适于包括或容纳发光显示器，诸如阴极射线管(CRT)、场发射显示器(FED)、表面传导电子发射器显示器(SED)、真空荧光显示器(VFD)、电致发光显示器(ELD)、发光二极管显示器(LED)、等离子显示器面板(PDP)、电化学显示器(ECD)、硅上液晶(LCOS)、或有机发光二极管(OLED)。在一些实现方式中，HMD设备102可以适于包括非发光显示器，其包括具有RGB、LED或白色LED的光源的LCD设备。
在特定的实现方式中，本文中所描述的系统和方法能够包括一个或多个光学组件，所述光学组件的在宽度和长度上均为约5.08厘米至约7.62厘米并且在深度上为约2.54厘米至约7.62厘米。其他变化是可能的。
示例滤光器层叠组件
如下所示示例滤光器层叠组件。尽管提供了特定的尺寸和层，但是这种尺寸的其他变化是可能的。通常，本文描述的滤光器层叠足够薄，使得发生非常小的图像劣化。另外，基于提供可倾斜组件的版本中的不同倾斜水平，在不需要重新设计或重新调节的情况下放大透镜可以是足够的。
第一示例滤光器层叠在下面示出为示例滤光器层叠I。示例滤光器层叠包括可以包括固定分束器或独立分束器的基板/覆盖玻璃层。在一些实现方式中，分束器可以是四分之一波片上的涂层。示例滤光器层叠还包括用压敏粘合剂粘附到线偏振器的四分之一波片，所述四分之一波片能够粘附到基板或覆盖玻璃层。下面针对具有1.243毫米的组装厚度的最终第一滤光器层叠(例如，滤光器层叠206)的每个部件示出示例厚度。在一些实现方式中，滤光器层叠206包括具有分束器涂层的基板/覆盖玻璃(下面的第1行)以及具有抗反射涂层的第二基板/覆盖玻璃(下面的第7行)。
示例滤光器层叠I
第二示例滤光器层叠在下面示出为示例滤光器层叠II。示例滤光器层叠包括基板/覆盖玻璃层，所述基板/覆盖玻璃层可以包括用压敏粘合剂粘附到线栅偏振分束膜的线偏振膜。分束膜可以以相同的方式粘附到四分之一波片膜上。四分之一波片可以粘附到线偏振器，所述线偏振器能够粘附到基板或覆盖玻璃层。下面针对具有1.403毫米至1.472毫米厚度的最终第二滤光器层叠(例如，滤光器层叠208)的每个部件示出示例厚度。在一些实现方式中，滤光器层叠208包括具有抗反射涂层的基板/覆盖玻璃层(即，在下面的行1和行9中)。
示例滤光器层叠II
第三示例滤光器层叠在下面示出为示例滤光器层叠III。示例滤光器层叠可以被层叠在弯曲的分束器和/或透镜附近或邻近。也就是说，弯曲的分束器可以是独立式分束器。滤光器层叠可以包括粘附到线偏振膜的四分之一波片膜，所述线偏振膜粘附在基板/覆盖玻璃层的相对侧上。这些层可以用压敏粘合剂粘合或通过其他方法粘合。下面针对具有1.848毫米的组装厚度的最终第一滤光器层叠(例如，滤光器层叠406)的每个部件示出示例厚度。在一些实施方案中，滤光器层叠406包括具有抗反射涂层的基板/覆盖玻璃层(即，在下面的行1和7中)。
示例滤光器层叠III
第四示例滤光器层叠在下面示出为示例滤光器层叠IV。示例滤光器层叠包括基板/覆盖玻璃层，该基板/盖玻璃层可以包括用压敏粘合剂粘附到线栅偏振分束膜的线偏振膜。分束膜可以以相同的方式粘附到四分之一波片膜上。四分之一波片可以粘附到线偏振器，所述线偏振器能够粘附到基板或覆盖玻璃层。可以在示例滤光器层叠III和示例滤光器层叠IV之间插入分束器(例如，透镜408)。下面针对具有1.403毫米至1.472毫米厚度的最终第二滤光器层叠(例如，滤光器层叠410)的每个部件示出示例厚度。在某些实现方式中，滤光器层叠410包括具有抗反射涂层的基板/覆盖玻璃层(即，在下面的行1和9中)。
示例滤光器层叠IV
在本文所述的任何滤光器层叠中，偏振器层/膜(例如，LP)可以在滤光器层叠之外。例如，偏振器层可以被层压在显示模块上或显示模块内。例如，如果显示器包括偏振器层(即，如在预偏振显示器中)，则不需要偏振器层。
如本文所使用的，并且除非上下文另有指示，否则关于相对于本公开中描述的部件的倾斜、定向或方向的任何讨论通常例如关于将所述部件从法线方向移动到HMD设备中的垂直放置的部件的平面。即，以这种方式移动描述的部件可以关于相对于组件中使用的特定透镜的光轴移动所述部件。
如本文所使用的，并且除非上下文另有指示，否则术语“联接到”旨在包括直接联接(其中彼此联接的两个元件彼此接触)和间接联接(其中至少一个附加元件(包括气隙)位于两个元件之间)。
图9是另一示例光学组件900的框图。如图所示，组件900包括具有折叠光学路径902的光学构造。透镜904被放置在光学路径902内。透镜904使用偏振光学器件和至少一个50/50透射反射的(例如，部分透射的并且部分反射的)滤光器层叠906，以提供紧凑的光学构造。能够放置IR相机908，以使用光学路径912a、912b、912c、912d、和912e捕获用户的眼睛910的图像，例如，通过透射反射的(例如，部分透射的和部分反射的)光学器件(例如，滤光器层叠906、滤光器层叠914和透镜904)。例如，与透镜904组合的一个或多个滤光器层叠(例如，906和910)可以是透明的，以使相机908能够通过光学元件执行眼睛追踪图像捕获，所述光学元件至少包括滤光器层叠906、滤光器层叠914、和一个或多个透明的透镜904或透明涂层(未示出)。在一些实现方式中，滤光器层叠914可以是显示面板916上的涂层。在一些实现方式中，滤光器层叠914可以被放置在光学路径902内的两个或更多透镜之间。在一些实现方式中，滤光器层叠可以被放置在眼睛910以及相机场908中的一个或二者的视场之外。
在一些实现方式中，显示器916可以是可操作以向容纳组件900的头戴式显示器组件中的至少一个目镜显示图像内容的图像投影设备。这种光学组件900可以包括至少一个透镜904。在一些实现方式中，透镜904是固定的。在一些实现方式中，透镜904被布置为滑动(例如，沿透镜904的光轴平移)。
第一滤光器层叠906可以被设置在至少一个透镜和显示器916之间。第一滤光器层叠906可以具有涂覆有分束层的至少一个表面。光学组件900还可以包括在第一滤光器层叠和显示器916之间的第二滤光器层叠914。第二滤光器层叠914可以包括面向至少一个透镜的、涂覆有反射元件的至少一个表面。在一些实现方式中，反射元件是在图像投影设备的面向至少一个透镜的侧上的红外(IR)滤光器涂层。在一些实现方式中，反射元件是棱镜，例如，如图8中在棱镜814处所示。
在一些实现方式中，第一滤光器层叠与第二滤光器层叠相邻并且被构造为在至少一个透镜和显示面板916之间的层叠布置中。在一些实现方式中，第二滤光器层叠914能够包括与图5中的元件类似的元件。例如，第一滤光器层叠包括在显示面板916和第一四分之一波片504之间层叠的第一线偏振器502。在另一示例中，滤光器层叠914可以包括在第一线偏振器和分束器(例如，诸如图4中的分束器408)之间层叠的第一四分之一波片504。在一些实现方式中，第二滤光器层叠914能够包括在第二四分之一波片506与偏振分束器508之间层叠的偏振分束器508，所述第二四分之一波片506层叠在分束器408之后。在一些实现方式中，偏振分束器508可以在第二四分之一波片506与第二线偏振器510之间进一步层叠。在一些实现方式中，第二线偏振器510被涂覆有面向所述至少一个透镜904的反射元件412。
光学组件900还可以包括在头戴式显示器组件内放置的相机。该相机可以被构造为通过至少一个透镜捕获光的红外反射的图像。在一些实现方式中，相机被放置在至少一个透镜下方并且朝向图像投影设备定向，以捕获访问头戴式显示器组件的用户的眼睛的图像。在这种示例中，眼睛的图像可以从反射元件反射。
在一些实现方式中，相机被放置在至少一个图像投影设备下方并且朝向至少一个透镜定向，以捕获访问头戴式显示器组件的用户的眼睛的图像。可以通过至少一个透镜、通过第一滤光器层叠以及通过第二滤光器层叠来捕获眼睛的图像。该图像捕获过程可以是迭代的，以收集眼睛的若干连续图像，并且因此能够出于眼睛追踪的目的。
在一些实现方式中，透镜被构造为相对于容纳HMD组件的框架的底部平面横向滑动。该滑动距离可以被构造为触发屈光度调节，以校正与访问头戴式显示器组件的用户相关联的视觉障碍。
在一些实现方式中，多个光源被放置在围绕至少一个透镜的周边中。这种光源可以被构造为将光直射到访问头戴式显示器组件的用户的眼睛。在一些实现方式中，反射元件被构造为在反射元件处接收从眼睛反射的光的部分并且将所述部分中的红外波长反射到相机。该红外波长能够用于帮助头戴式显示器组件的用户的眼睛追踪。在一些实现方式中，多个光源包括面向访问头戴式显示器组件的用户的眼睛放置的并且在围绕所述至少一个透镜的周边中放置的若干发光二极管。
图10是具有与贯穿本公开描述的50/50涂层组合的本文中描述的多个多层偏振膜的光学组件的透射性能的图示1000。50/50涂层可以透射50％的光并且可以反射50％的光。如1002所示，这种光学组件可以优化偏振膜(吸收类型的膜以及反射偏振膜二者)和50/50涂层中的多个层以使偏振层(例如，膜)能够对可见光光谱(例如，约400纳米至约700纳米)高度透射，并且对IR波长1004(例如，约700纳米至约1000纳米)高度透射。如图10所示，用于IR波长1004的透射率明显高于用于可见光1002的区域的透射率。在约980纳米处发生约80％的峰值1006透射率。
图11是HMD设备1102的示例光学组件1100的框图。如图所示，红外LED灯被放置在光学组件1100内，使得光通过透镜1104直射。
光学组件1100能够提供在组件内提供处方(prescription)矫正透镜的放置(以校正各个处方透镜变化)的优点。可以放置处方透镜(例如，透镜1104)，使得来自LED的光透射通过矫正透镜1104。在一些实现方式中，透镜1104在尺寸上可以为足够大的，以考虑到LED环以使光朝向并通过透镜直射。在一些实现方式中，透镜1104可以相对于头戴式显示器组件的框架外壳横向滑动。以这种方式滑动透镜1104可以接合(例如，触发)屈光度调节，以校正与访问头戴式显示器组件的用户相关联的视觉障碍。
在一些实现方式中，一个或多个发光二极管(LED)被放置在围绕每个透镜/滤光器组件的周边中，如示例LED 1106、1108、1110、1112、1114和1116所示。一个或多个发光二极管可以被构造为将光直射到访问HMD设备1102的用户的眼睛。反射元件可以被构造为在反射元件处接收来自眼睛的光的部分并且将该部分的一个波长反射到相机。LED可以对称地放置或不对称地放置在每个透镜/滤光器组件周围。在操作中，LED可以向用户的眼睛提供能够从眼睛的前表面反弹的IR光(或近IR光)。本文描述的相机能够检测(例如，捕获)所反弹的IR光(或接近IR光)，以追踪其中用户正在观看的方向和/或角度。这能够确保在单次反弹之后，将IR光直射通过50/50偏振器/透镜/滤光器层叠组合。
图12是具有至少一个部分透射透镜1202和相机1204的示例光学组件1200的框图。组件1200还可以包括能够向用户的眼睛(例如，模拟的眼睛1208)提供图像内容的LCD面板1206。
图12中示出的相机1204被放置在显示器面板1206的稍微下方并且位于用户的可见光学路径之外。然而，将相机放置在视场之外的这种位置提供了在不需要具有用户能够观看相机1204的情况下能够在用户观看图像内容的同时捕获用户眼睛移动的优点。
光学组件1200还可以包括一个或多个滤光器层叠1210，所述滤光器层叠1210可以是在部分透射透镜1202上放置的涂层。组装在一起的滤光器层叠1210和透镜1202可以具有平凸形状。图12中的滤光器层叠可以包括本文中描述的任何的过滤层叠和/或涂层。在一些实现方式中，滤光器层叠1210包括数个涂层以表示第一透镜元件(例如，诸如图4中的元件414)、第二透镜元件(例如，诸如图4中的元件408)。这种涂层能够用作替换如元件414和408示出的全尺寸透镜。在一些实现方式中，滤光器层叠1210包括了IR滤光器、第一透镜、和第二透镜，所有这些都被涂覆在层叠1210上。这提供了能够收缩可以在其中安装组件1200的HMD设备的优点。
在操作中，光学组件1200能够被用于检测和追踪访问容纳组件1200的HMD设备的用户的眼睛运动。这种光学组件1200可以优化偏振膜(吸收类型膜以及反射偏振器膜)的多个层并且50/50涂层用于反射由光学路径1212a、1212b、1212c、1212d、和1212e示出的可见光(例如，约400纳米至约700纳米)并对由光学路径1214示出的IR波长(例如，约850纳米至约900纳米)高透射。特别地，涂层可以允许光的一半穿过所组合的透射反射透镜/滤光器层叠1202和1210并且光的一半从透镜反射。通常，可见光学路径1212a-1212e具有与IR光学路径1214不同的波长、光学路径、和效率。
使用IR波长和光学路径可以使光学组件1200能够提供几乎直线地穿过光束的优点，在光学组件1200中透镜不需要与可见波长和光学路径的强度一样。这是因为可见波长利用在特定光学组件中的元件之间来回反弹光的折叠光学器件以适当地到达用户的眼睛。在具有IR波长的情况下，光学路径可以直接穿过透镜到达眼睛。
在一些实现方式中，面板1206可以由约12.8克的玻璃材料制成。在一些实现方式中，面板1206可以由约6克的塑料材料制成。在一些实现方式中，面板1206可以包括约5.0平方厘米的LCD或OLED面板。
图13是将相机1302和在相机前面容纳至少一个偏振滤光器1304的示例光学组件1300的框图。至少一个偏振滤光器1304可以适于用于眼睛追踪相机1302的圆偏振光以改进IR图像对比度，这使得能够改善图像捕获以及用户的捕获的眼睛图像的分辨率。另外，至少一个偏振滤光器1304可以改善由相机1302捕获的IR虚(ghost)图像/路径。
在一些实现方式中，来自面板1310的光(或在组件1308内或附近放置的光源)可以被照射到用户的眼睛1306上。例如，相机1302能够通过透镜组件1308捕获光的反弹，并且例如使用滤光器1304捕获访问HMD设备的用户的眼睛1306的图像。在该示例中，透镜组件1308包括至少第一透镜、壳透镜、以及至少一个偏振器滤光器层叠。
图14是描述可选的相机放置位置的示例光学组件1400的框图。在描述的示例中，除了显示面板1406之外还示出了透射反射(例如，部分透射的和部分反射的)透镜组件1404。类似于本文描述的其他图，光可以从显示面板1406穿过组件1404并且到达用户的一个眼睛。
此外，三个相机以替选的入射角度示出用于捕获眼睛图像以实现眼睛追踪。第一示例相机1402a被示出以50度入射角到访问容纳组件1400的HMD设备的用户的眼睛1403的表面。第二示例相机1402b被示出以20度入射角到访问容纳组件1400的HMD设备的用户的眼睛的表面。第三示例相机1402c被示出以30度入射角到访问容纳组件1400的HMD设备的用户的眼睛的表面。通常，在组件1400内利用单个相机。三个相机1402a、1402b和1402c被示为在组件1400内的用于IR相机的示例放置。
在利用相机1402a的示例中，如示例光线1408示出的，相机1402a被放置在组件1404下方并且捕获眼睛1403。在该示例中，捕获到眼睛的直接视线并且没有透镜正在遮蔽视图。
在利用相机1402b的示例中，如由示例光线1410a和1410b示出的，相机1402b被放置在组件1404和面板1406之间并成角度以捕获来自面板1406的反射。在这样的示例中，IR反射膜或涂层可以被放置在面板1406上，以仅反射来自眼睛1403的通过组件1404并到相机1402b的IR光。
在利用相机1402c的示例中，相机1402c被放置在面板1406下方。如由示例光线1412示出的，这里，相机1402c能够捕获来自眼睛1403的通过组件1404的反射光。
图15是用于在增强现实环境中使用的示例光学组件1500的框图。在该示例中，相机(例如，相机1504或相机1506)可以被放置组件1500的在组合透镜/滤光器层叠组件1508上方的顶部中。在相机1504或1506旁边提供显示面板1510。在用户的眼睛1502的视线中描述的光学元件是透明的，使得能够由用户看到HMD设备周围的物理环境。
为了允许观察显示器和物理世界二者，组件1500包括分束器1512。分束器1512以第一偏振方向透射光，同时以另一偏振方向反射光。在该示例中，分束器1512使得能够观看外部光(例如，来自物理世界的光)同时还提供显示面板1510的视图。
在该示例中，容纳组件1500的HMD设备的用户可以查看物理世界内容以及描述内容的显示面板1510二者。分束器1512允许将反射光用于查看两个选项。在操作中，使用相机1504或相机1506的眼睛追踪可以通过接收从眼睛1502通过组件1508的光学器件反射并且反射离开偏振分束器1512并到相机1504或相机1506的IR光来执行。
在一些实现方式中，相机可以正捕获相对于于眼睛的平面的法线从约-45度到约45度的IR光。在该示例中，光学路径中不需要45度IR折叠镜。能够仍使用相机1504或相机1506来完成眼睛追踪。
组件1500还包括反射遮护板1514。例如，反射遮护板1514可以用于反射可见光(如光学路径1516示出的)，以使周围物理环境中的环境光变亮或变暗。
图16是利用用于在增强现实环境中使用的反射遮护板1602的示例光学组件1600的框图。在该示例中，显示面板1604垂直于透镜/滤光器层叠组件1606示出。透镜/滤光器层叠组件1606可以包括至少一个滤光器层叠、至少一个透镜、以及分束层。在一些实现方式中，所述至少一个透镜可以是滤光器层叠的部分。在一些实现方式中，所述至少一个透镜可以被插入在两个滤光器层叠之间。
在一些实现方式中，组件1606可以被包括在用于左目镜和右目镜中的每个的光学组件中。组件1606可以垂直于反射遮护板1602被设置在HMD设备中。反射遮护板1602可以用于从分束器1610反射源于来自用户的眼睛1612通过组件1606的反射的IR光(如由IR光学路径1608所示)。能够由IR相机1614捕获并成像所反射的光，以辅助眼睛追踪。在该示例中，IR相机1614被示出通过组件1606(一个或多个透镜以及一个或多个滤光器层叠)捕获用户的眼睛1612的反射图像。
相机1606被安装在眼睛1612下方并且在透镜/滤光器组件1606的有效区域下方。在一些实现方式中，眼睛视角可以是大约-11度，而同时相机视场大约是25度。
在一些实现方式中，光学组件1600包括滤光器层叠组件1614，滤光器层叠组件1614被构造为折叠透射通过其中的光的光学路径。滤光器层叠组件1606可以包括至少一个透射反射(例如，部分透射的和部分反射的)透镜。这些透镜可以被放置在滤光器层叠组件1606内或涂覆在组件1606上。第一滤光器可以包括联接到偏振分束器层的第一侧的至少一个红外滤光器层。如图5所示，偏振分束器层可以在偏振分束器层的第二侧上联接到第一四分之一波片层。
光学组件1600还可以包括第二滤光器，所述第二滤光器包括联接到线偏振器的第二四分之一波片。第二滤光器可以在第一侧上弯曲以联接到弯曲的透镜，并且第二滤光器可以在第二侧上弯曲以联接到线偏振器。所述至少一个红外滤光层的第一侧被涂覆有所述至少一个透镜。
光学组件1600还可以包括显示器组件，所述显示器组件具有联接到滤光器层叠组件的顶部边缘的第一边缘和联接到具有红外涂层的遮护板1602的顶部边缘的显示器组件的第二边缘。遮护板1602可以平行于滤光器层叠组件并垂直于显示器组件来设置。
组件1600还可以包括相机1614，相机1614被构造为捕获通过滤光器层叠组件接收的并且从遮护板1602反射的反射的图像。相机1614可以被定位在滤光器层叠组件下方，目的在于捕获图像。
光学组件1600还可以包括在从相机到滤光器层叠组件的视线中放置的至少一个圆偏振滤光器1304。至少一个圆偏振滤光器1304可以被构造为改进红外图像对比度并最小化红外虚图像。
在一些实现方式中，光学组件1600被构造为安装在头戴式显示器设备的框架中，用于在虚拟现实环境和增强现实环境中的任一者或二者中使用。
在一些实现方式中，滤光器层叠组件1600是透明的以提供用于增强现实体验。在该示例中，相机1614被构造为捕获访问容纳光学组件的头戴式显示器的用户的眼睛的图像。所捕获的图像可以被提供给可通信地联接到光学组件的至少一个处理器，以通过滤光器层叠组件执行眼睛追踪。
图17A-图17B是构造有在显示器一侧上容纳的相机的示例光学组件的框图。在示例构造中，用户可以查看显示器上的虚拟内容和容纳光学组件1700的HMD设备周围的物理空间。图17A是用于在增强现实和虚拟现实环境中使用的示例光学组件1700。组件1700包括垂直于组合的滤光器层叠/透镜组件1704安装的显示器1702。如以上图2-图16中所限定和描述的，组件1704可以包括光学元件。
在一些实现方式中，组件1700可以包括涂覆有IR反射涂层的偏振分束器1706。如示例光学路径1712所示，分束器1706可以将从用户的眼睛(如眼睛区域1708示出的)捕获的光反弹(例如，反射)到越过显示器1702的IR相机1710。这里，光源可以被放置在组件1704上或附近，以在眼睛区域1708上照射。用户的眼睛上的光的反射可以朝向分束器1706、通过显示器1702并且进入相机1710(例如，路径1712)而反射。所捕获的反射和任何附加的捕获的反射能够被用于实现用于容纳组件1700的HMD设备的眼睛追踪。分束器1706可以被设计为通过显示器1702将IR波长(或接近IR波长)反射到相机1710。
在组件1700的一个示例中，眼睛视角可以在y轴方向上约为-5度并且在x轴方向上约为24度。与相机1710相关联的相机视场可以是约40度。这些度量可以相当于约(25度，-5度，57度)的等效相机位置(x，y，z)。
在一些实现方式中，组件1700被容纳在头戴式显示器系统中。该头戴式显示器系统可以包括处理器、滤光器层叠组件1704、显示器设备1702、以及相机1710。滤光器层叠组件1704可以被构造为折叠透射通过其中的光的光学路径。如图5所示，在一些实现方式中，滤光器层叠组件包括至少一个透镜、第一滤光器、以及第二滤光器。
第一滤光器可以包括联接到偏振分束器层的第一侧的至少一个红外滤光器层。偏振分束器层可以在偏振分束器层的第二侧上联接到第一四分之一波片层。
第二滤光器可以包括联接到线偏振器的第二四分之一波片。第二滤光器可以在第一侧上弯曲以联接到弯曲的透镜，并且第二滤光器可以在第二侧上弯曲以联接到线偏振器。在一些实现方式中，所述至少一个红外滤光器层的第一侧被涂覆有所述至少一个透镜。
显示器设备1702被安装在组件1700中，其中显示器设备的第一边缘1716联接到滤光器层叠组件1704的顶部边缘并且垂直于滤光器层叠组件1704，并且显示器设备的第二边缘1718联接到成角度的分束器滤光器1706的第一边缘，所述分束器滤光器的第一边缘与滤光器层叠组件成角度1720倾斜。分束器滤光器的第二边缘1722联接到滤光器层叠组件1704的底部边缘。例如，分束器滤光器1706可以以与组件1704中的所述至少一个透射反射(例如，部分透射的和部分反射的)透镜的光轴约45度的角度倾斜。
相机1710可以被设置在显示器设备1702上方的头戴式显示器系统中。在一些实现方式中，相机1710被构造为捕获通过滤光器层叠组件1704的、来自分束器滤光器1706并且通过显示器设备1702接收的反射的图像。在一些实现方式中，相机向至少一个处理器提供图像以用于执行访问头戴式显示器系统的用户的眼睛运动的追踪。在一些实现方式中，相机1710是捕获约40度至约45度的视场的红外相机。
图17B是图17A的光学组件1700的俯视图。在该示例中，显示器1702贯穿HMD设备的顶部。第一边缘适于连接到组件1704或与组件1704相邻。可以在观看物理世界的同时观看显示器1702以针对用户使能够增强现实交互。
在一些实现方式中，眼睛区域1708可以为约32毫米乘24毫米。组件1704的目视间隙可以为约17毫米。眼睛成像区域可以包括在x方向上正25度或负25度以及在y方向上约正20度或约负20度的旋转。眼睛图像区域可以在x方向上约正5毫米或负5毫米处以及在y方向上约正2.5毫米或负2.5毫米处偏心。
图18A-图18D是本文描述的光学组件的示例透射性能的图示。在图18A-图18D的示例中，以光的不同的入射角测试透射反射(例如，部分透射的和部分反射的)透镜(例如，透镜1202)上的涂层。在一些实现方式中，该涂层在约400纳米至约700纳米的可见范围内是50％透射并且50％反射，并且在约780纳米至约2500纳米的近红外范围内是高度透射的。
图18A描述了图示针对零度的入射角的透射率对波长的测量的百分比的曲线图1802。由曲线1804示出平均偏振度，其中在约850纳米处示出峰值1806透射率。
图18B描述了图示针对30度的入射角的透射率对波长的测量的百分比的曲线图1808。由曲线1810示出平均偏振度，其中在约840纳米处示出峰值1812透射率。由曲线1814示出p偏振。由曲线1816示出s偏振。
图18C描述了图示针对10度的入射角的透射率对波长的测量的百分比的曲线图1820。由曲线1822示出平均偏振度，其中在约850纳米处示出峰值1824透射率。由曲线1826示出p偏振。由曲线1828示出s偏振。
图18D描述了图示针对20度的入射角的透射率对波长的测量的百分比的曲线图1830。由曲线1832示出平均偏振度，其中在约850纳米处示出峰值1834透射率。由曲线1836示出p偏振。由曲线1838示出s偏振。
图19A是可以在HMD设备中容纳的示例光学组件1902的框图。HMD设备可以包括用于HMD设备中的两个目镜中的每一个的光学组件1902中的至少一个。光学组件1902可以包括弯曲的滤光器层叠组件1904。所弯曲的滤光器层叠组件1904在形状上为双凸的。滤光器层叠组件1904的形状可以被选择，以实现光学组件1902的改进的光学性能，从而例如增加用于容纳组件1902和组件1904二者的HMD设备的图像对比度和/或分辨率。在一些实现方式中，滤光器层叠组合件1904可以包括涂覆到或以其他方式固定到一个或多个滤光器层叠1908的凹(例如，弯曲的)透镜1906。
如图19A所示，将用户的眼睛1910模拟到光学组件1902的左侧，同时将显示器1912示出到光学组件1902的右侧。显示器1912可以是可操作的用以向容纳光学组件1902的HMD中的至少一个目镜显示图像内容的图像投影设备。
光学组件1902还包括与弯曲的弯月形透镜1916相邻的第一滤光器层叠1914以及显示器面板1915。弯曲透镜1916可以具有在形状上与滤光器层叠1904的表面1918互补的凹面形状。在一些实现方式中，弯曲透镜1916可以由塑料构成并且被涂覆有分束器层。
光学组件1902能够用作折叠由显示器1912呈现的并且通过滤光器层叠1904、弯曲的透镜1916、以及滤光器层叠1914的光的光学路径。在该示例中，在箭头1922处示出了数个示例折叠的光学路径。滤光器层叠1904还可以包括表面1906上的、与上述IR滤光器相似的IR滤光器涂层。
图19B是可以被容纳在HMD设备中的示例光学组件1930的框图。HMD设备可以包括用于HMD设备中的两个目镜中的每一个的至少一个光学组件1930。光学组件1930可以包括弯曲的滤光器层叠组件1932。该示例中的弯曲的滤光器层叠组件1932具有与弯曲的透镜1936的表面1934互补的凹形弯月面形状。滤光器层叠组件1932的形状可以被选择，以实现光学组件1930的改进的光学性能，从而例如增加容纳组件1930和1932的HMD设备的图像对比度和/或分辨率。
在一些实现方式中，透镜1936可以被涂覆到或以其他方式固定到一个或多个弯曲的滤光器层叠1932。滤光器层叠组件1932包括在滤光器层叠1952的第一侧上的透镜涂层1933和在第二侧1937上的一个或多个附加的滤光器层。
如图19B所示，将用户的眼睛1910模拟到光学组件1930的左侧，同时将显示器1912示出到光学组件1930的右侧。显示器1912可以是可操作的用以向容纳光学组件1930的HMD中的至少一个目镜显示图像内容的图像投影设备。
光学组件1930还包括与透镜1936相邻的第一滤光器层叠1914和显示器面板1915。在一些实现方式中，透镜1936可由塑料构成并且被涂覆有分束器层。
光学组件1930能够用作折叠由显示器1912呈现的并且通过滤光器层叠1914、透镜1936、以及滤光器层叠1932光的光学路径。在该示例中，在箭头1940处示出了数个示例折叠光学路径。滤光器层叠1904还可以包括表面1906上的、与上述IR滤光器类似的IR滤光器涂层。
图19C是可以被容纳在HMD设备中的示例光学组件1950的框图。HMD设备可以包括用于HMD设备中的两个目镜中的每个的至少一个光学组件1950。光学组件1950可以包括弯曲的滤光器层叠组件1952。该示例中的弯曲的滤光器层叠组件1952在表面1954上具有与弯曲的透镜1958的表面1956互补的双凸面形状。滤光器层叠组件1952的形状可以被选择，以实现光学组件1950的改进的光学性能从而例如增加用于容纳组件1950和组件1952二者的HMD设备的图像对比度和/或分辨率。
在一些实现方式中，透镜1958可以被涂覆到或以其他方式固定到一个或多个弯曲的滤光器层叠1952。滤光器层叠组件1952包括组件1952上的透镜涂层(在表面1960上)以及表面1954上的一个或多个附加的滤光器层。
如图19C所示，将用户的眼睛1910模拟到光学组件1950的左侧，同时将显示器1912示出到光学组件1950的右侧。显示器1912可以是可操作的用以向容纳光学组件1950的HMD中的至少一个目镜件显示图像内容的图像投影设备。
光学组件1950还包括与透镜1958相邻的第一滤光器层叠1914和显示器面板1915。在一些实现方式中，透镜1958可由塑料构成并涂覆有分束器层。
光学组件1950能够用作折叠由显示器1912呈现的并且通过滤光器层叠1914、透镜1958、和滤光器层叠1952光的光学路径。在该示例中，在箭头1962处示出了数个示例折叠的光学路径。滤光器层叠1952还可以包括表面1960上的、与上述IR滤光器类似的IR滤光器涂层。
如参照图7-图9以及图13-图16所述，尽管未描述，但是诸如照相机、遮护板、附加的透镜、和/或涂层以及滤光器的元件可以与图19A-图19D中描述的组件一起使用。在一些实现方式中，图19A-图19C中描述的滤光器层叠可以是非弯曲的(例如，平的)。
尽管贯穿本公开描述的组件可以被示出和/或描述为封装/连接到其他部件，但是每一个部件能够粘合地结合到相邻部件。可替选的，每个部件能够机械连接或摩擦地结合到相邻的部件。在其他实现方式中，没有部件被结合或连接，但是可以一起用作为在组件中容纳的单元。在一些实现方式中，可以将部件的部分涂覆，而其他部分保持未涂覆。贯穿本公开示出的透镜设备可以是独立的或集成到制成组件中的。另外，尽管在特定图中仅示出了一个透镜，但是能够替换为多个透镜。另外，在描述一个光学组件时，附加的光学组件可以被包括在HMD设备中。例如，对于HMD设备光学组件能够是重复的，以为每一个目镜提供一个光学组件。
这里描述的系统和技术的各种实现方式能够在数字电子电路、集成电路、专门设计的ASIC(专用集成电路)、计算机硬件、固件、软件、和/或其组合中实现。这些各种实现方式能够包括在包括至少一个可编程处理器的可编程系统上是可执行和/或是可解释的一个或多个计算机程序中的实现方式，所述可编程处理器可以是专用的或通用的，所述可编程处理器被联接以从存储系统、至少一个输入设备、以及至少一个输出设备接收数据和指令并且向存储系统、至少一个输入设备、以及至少一个输出设备传输数据和指令。
这些计算机程序(也称为程序、软件、软件应用或代码)包括用于可编程处理器的机器指令，并且能够以高级程序和/或面向对象的编程语言和/或以汇编/机器语言实现。如这里所使用的，术语“机器可读介质”或“计算机可读介质”指的是用于向可编程处理器提供机器指令和/或数据的任何计算机程序产品、装置和/或设备(例如，磁盘、光盘、存储器、可编程逻辑设备(PLD))，包括接收机器指令作为机器可读信号的机器可读介质。术语“机器可读信号”指的是用于向可编程处理器提供机器指令和/或数据的任何信号。
为了提供与用户的交互，这里描述的系统和技术能够在具有显示器设备(例如，CRT(阴极射线管)或LCD(液晶显示器)监视器)的计算机上实现用于向用户显示信息，以及用户可以通过其向计算机提供输入的键盘以及定点设备(例如，鼠标或轨迹球)。其他类型的设备还能够用于提供用于与用户的交互。例如，提供给用户的反馈能够是任何形式的感觉反馈(例如，视觉反馈、听觉反馈、或触觉反馈)；并且能够以任何形式接收来自用户的输入，包括声学、语音或触觉输入。
这里描述的系统和技术能够在计算系统中实现，所述计算机系统包括后端部件(例如，作为数据服务器)或者包括中间件部件(例如，作为应用服务器)或者包括前端部件(例如，具有图形用户界面或Web浏览器的、用户能够通过其与这里描述的系统和技术的实现方式进行交互的客户端计算机)，或者这种后端、中间件或前端部件的任何组合。系统的组件能够通过数字数据通信的任何形式或介质(例如，通信网络)互连。通信网络的示例包括局域网(“LAN”)、广域网(“WAN”)以及互联网。
计算系统能够包括客户端和服务器。客户端和服务器通常彼此远离并且通常通过通信网络交互。客户端和服务器的关系利用在相应的计算机上运行的并且彼此具有客户端-服务器关系的计算机程序而产生。
已经描述了多个实施例。然而，应当理解的是，在不脱离本说明书的精神和范围的情况下可以进行各种修改。
另外，图中描述的逻辑流程不需要示出的特定顺序或顺序次序来实现期望的结果。另外，可以从描述的流程中提供其他步骤或者消除步骤，并且可以向描述的系统添加或移除其他部件。因此，其他实施例在以下权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种头戴式显示器组件，包括：
图像投影设备，所述图像投影设备可操作的用以向所述头戴式显示器组件中的至少一个目镜显示图像内容；以及
光学组件，包括：
至少一个透镜；
第一滤光器层叠，所述第一滤光器层叠被设置在所述至少一个透镜和所述图像投影设备之间，所述第一滤光器层叠包括至少一个分光层；以及
第二滤光器层叠，所述第二滤光器层叠在所述第一滤光器层叠和所述图像投影设备之间，所述第二滤光器层叠包括面向所述至少一个透镜的至少一个反射元件；以及
相机，所述相机被放置在所述头戴式显示器组件内，所述相机被构造为捕获通过所述至少一个透镜的光的红外反射的图像。
2.根据权利要求1所述的组件，其中，所述相机被放置在所述至少一个透镜下方并且朝向所述图像投影设备定向，以捕获访问所述头戴式显示器组件的用户的眼睛的图像，所述眼睛的所述图像是从所述反射元件反射的。
3.根据权利要求1所述的组件，其中，所述相机被放置在所述至少一个图像投影设备下方并且朝向所述至少一个透镜定向，以捕获访问所述头戴式显示器组件的用户的眼睛的图像，所述眼睛的图像是通过所述至少一个透镜、所述第一滤光器层叠、以及所述第二滤光器层叠来捕获的。
4.根据权利要求1所述的组件，其中，所述至少一个透镜被构造为相对于容纳所述头戴式显示器组件的框架的底部平面横向滑动，所述滑动被构造为触发屈光度调节，以校正与访问所述头戴式显示器组件的用户相关联的视觉障碍。
5.根据权利要求1所述的组件，其中，所述反射元件是在所述图像投影设备的面向所述至少一个透镜的侧上的红外(IR)滤光器涂层。
6.根据权利要求1所述的组件，其中，所述反射元件是棱镜。
7.根据权利要求1所述的组件，其中，多个光源被放置在围绕所述至少一个透镜的周边中，所述一个或多个光源被构造为将光直射到访问所述头戴式显示器组件的用户的眼睛，其中，所述反射元件被构造为在所述反射元件处接收从所述眼睛反射的所述光的部分并且将所述部分中的红外波长反射到所述相机。
8.根据权利要求7所述的组件，其中，所述多个光源包括面向访问所述头戴式显示器组件的用户的眼睛放置的并且在围绕所述至少一个透镜的周边中放置的多个发光二极管。
9.根据权利要求1所述的组件，其中，所述第一滤光器层叠与所述第二滤光器层叠相邻并且被构造成在所述至少一个透镜和显示面板之间的层叠布置，并且其中：
所述第一滤光器层叠包括在所述显示面板和第一四分之一波片之间层叠的第一线偏振器，所述第一四分之一波片被层叠在所述第一线偏振器和分束器之间；以及
所述第二滤光器层叠包括在第二四分之一波片和偏振分束器之间层叠的偏振分束器，所述第二四分之一波片层叠在所述分束器之后，所述偏振分束器在所述第二四分之一波片和第二线偏振器之间层叠，其中，所述第二线偏振器包括滤光器层叠中的、面向所述至少一个透镜的所述反射元件。
10.一种光学组件，包括：
滤光器层叠组件，所述滤光器层叠组件被构造为折叠透射通过其中的光的光学路径，所述滤光器层叠组件包括：
至少一个部分透射的透镜，
第一滤光器，所述第一滤光器包括联接到偏振分束器层的第一侧的至少一个红外滤光器层，所述偏振分束器层在所述偏振分束器层的第二侧上联接到第一四分之一波片层，
第二滤光器，所述第二滤光器包括联接到线偏振器的第二四分之一波片，所述第二滤光器在第一侧上弯曲以联接到弯曲的透镜，并且所述第二滤光器具有联接到所述线偏振器的第二侧，其中，所述至少一个红外滤光器层的第一侧包括所述至少一个部分透射的透镜，以及
显示器组件，所述显示器组件具有联接到所述滤光器层叠组件的顶部边缘的第一边缘；以及
相机，所述相机被构造为捕获通过所述滤光器层叠组件接收的反射的图像。
11.根据权利要求10所述的组件，进一步包括在从所述相机到所述滤光器层叠组件的视线中放置的至少一个圆偏振滤光器，所述至少一个圆偏振滤光器被构造为改进红外图像对比度并且最小化红外虚图像。
12.根据权利要求10所述的组件，其中，所述相机被定位在所述滤光器层叠组件下方并且为捕获所述图像而定向。
13.根据权利要求10所述的组件，其中，所述显示器组件的第二边缘被联接到具有红外滤光层的遮护板的顶部边缘，所述遮护板被设置平行于所述滤光器层叠组件并且垂直于所述显示器组件，并且其中，所述相机被构造为捕获通过所述滤光器层叠组件接收的并且从所述遮护板反射的反射图像。
14.根据权利要求10所述的组件，其中，所述光学组件被构造为显示增强现实内容。
15.根据权利要求10所述的组件，其中，所述滤光器层叠组件是透明的，并且其中，所述相机被构造为捕获访问容纳所述光学组件的头戴式显示器的用户的眼睛的图像，所捕获的图像被提供给可通信地联接到所述光学组件的至少一个处理器，以通过所述滤光器层叠组件执行眼睛追踪。
16.一种头戴式显示器系统，包括：
至少一个处理器；
滤光器层叠组件，所述滤光器层叠组件被构造为折叠透射通过其中的光的光学路径，所述滤光器层叠组件包括：
至少一个部分透射的透镜，
第一滤光器，所述第一滤光器包括联接到偏振分束器层的第一侧的至少一个红外滤光器层，所述偏振分束器层在所述偏振分束器层的第二侧上联接到第一四分之一波片层，
第二滤光器，所述第二滤光器包括联接到线偏振器的第二四分之一波片，所述第二滤光器在第一侧上弯曲以联接到弯曲的透镜并且所述第二滤光器在第二侧上联接到所述线偏振器，其中，所述至少一个红外滤光器层的第一侧包括所述至少一个部分透射的透镜，以及
显示器设备，其中，所述显示器设备的第一边缘联接到所述滤光器层叠组件的顶部边缘并垂直于所述滤光器层叠组件，并且所述显示器设备的第二边缘联接到成角度的分束器滤光器的第一边缘，所述分束器滤光器的所述第一边缘与所述滤光器层叠组件成角度倾斜，所述分束器滤光器的所述第二边缘联接到所述滤光器层叠组件的底部边缘；以及
相机，所述相机在所述头戴式显示器系统中被设置在所述显示器设备上方。
17.根据权利要求16所述的系统，其中，所述相机被构造为捕获通过所述滤光器层叠组件的、来自所述分束器滤光器并且通过所述显示器设备接收的反射的图像。
18.根据权利要求16所述的系统，其中，所述相机向所述至少一个处理器提供图像，用于执行对访问所述头戴式显示器系统的用户的眼睛运动的追踪。
19.根据权利要求16所述的系统，其中，所述相机是捕获40度的视场的红外相机。
20.根据权利要求16所述的系统，其中，所述分束器滤光器以45度角与所述至少一个部分透射的透镜的光轴倾斜。
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