CN110426847A - 头戴式显示器、用于头戴式显示器的透镜及其配置方法 - Google Patents

Abstract

提供了头戴式显示器、用于头戴式显示器的透镜及其配置方法。用于头戴式显示器的透镜被配置用于将来自电子显示器的像素的图像光引导和准直到用户眼睛的瞳孔以减轻瞳孔游移效果。一种配置透镜以将来自电子显示器的图像光引导和准直到用户眼睛的瞳孔的方法包括配置透镜以减小以用户眼睛的不同注视角度观察到的电子显示器显示的图像的失真之间的差。

Description

头戴式显示器、用于头戴式显示器的透镜及其配置方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年4月6日提交的题为“用于头戴式显示器的瞳孔游移(pupilswim)校正透镜”的美国临时申请No.62/654,231的优先权，并且其全部内容结合于此。

技术领域

本申请涉及光学组件和设备，并且具体而言涉及用于头戴式显示器的光学器件。

背景技术

头戴式显示器(HMD)用于向用户提供虚拟场景，或者用附加信息或附加虚拟物体来增强真实场景。可显示立体图像，例如通过向用户的每只眼睛提供单独的图像。在一些HMD系统中，跟踪用户的头部或眼睛位置和方向中的至少一个，并且根据用户的头部方向和注视方向实时调整所显示的3D场景，以提供沉浸在模拟或增强的三维场景中的用户的幻觉。

模拟场景可能具有三维视角、焦点异常、时间延迟、闪烁等的不期望的失真，这可能导致观看者的恶心和视觉疲劳。

发明内容

提供了一种用于头戴式显示器的透镜，其中，所述透镜被配置为将来自所述头戴式显示器的电子显示器的图像光引导到用户眼睛的瞳孔，以减小由所述电子显示器显示的并通过所述透镜以所述用户眼睛的第一注视角度观察到的图像的第一失真与由所述电子显示器显示的并通过所述透镜以所述用户眼睛的不同的第二注视角度观察到的图像的第二失真之间的差(difference)。

附图说明

现在将结合附图描述示例性实施例，其中：

图1是头戴式显示器(HMD)的示意图，该头戴式显示器包括用于向用户的眼睛提供图像的透镜。

图2A是可用于图1的HMD的饼干透镜的示意图；

图2B是传播通过图2A的饼干透镜的光束的偏振图；

图3A至3D是根据一个实例的处于不同注视角度的饼干透镜的光线-回溯线侧视图；

图4A至4C是不同注视角度的HMD的示意性光线-回溯线视图，示出了瞳孔游移效果；

图5A和5B分别是显示前向失真和注视失真的饼干透镜的光线-回溯线侧视图；

图6A和6B是饼干透镜的叠加光线-回溯线(trace)侧视图，示出了非优化的(图6A)和优化的(图6B)瞳孔游移，其被定义为前向失真和注视失真之间的差；

图7A和7B是优化的大视场(FOV)的饼干透镜的光线-回溯线侧视图，其在分开的透镜元件上具有波片和偏振反射器；

图8是可用在图1的HMD中的菲涅耳透镜的光线-回溯线侧视图，示出了直视时的透镜性能；

图9A至9D是根据一个实例的处于不同注视角度的菲涅耳透镜的光线-回溯线侧视图；

图10A和10B是菲涅耳透镜在两个不同注视角度下的光线-回溯线侧视图，示出了聚焦性能和瞳孔游移之间的差；

图11A和11B分别是显示前向和注视失真的菲涅耳透镜的光线-回溯线侧视图；

图12A和12B是菲涅耳透镜的叠加光线-回溯线侧视图，示出了非优化(图12A)和优化(图12B)的瞳孔游移，其定义为前向和注视失真之间的差；

图13是根据本公开的用于配置头戴式显示器的透镜的方法的流程图；

图14是头戴式显示器(HMD)的等距视图；

图15A是眼镜形状因子近眼AR/VR显示器的等距视图；和

图15B是图15A的近眼AR/VR显示器的侧剖视图。

具体实施方式

头戴式显示器透镜可能具有在观看者改变注视方向时中心或外围视图的变化失真的缺点，导致外围显示的物体在改变用户眼睛的注视角度时弯曲和移位。在某些情况下，这种失真可能引起不适、视觉疲劳甚至恶心。

根据本发明，提供了一种用于头戴式显示器的透镜。透镜可被配置为将来自头戴式显示器的电子显示器的图像光引导到用户眼睛的瞳孔，以便减小由所述电子显示器显示的并通过所述透镜以所述用户眼睛的第一注视角度观察到的图像的第一失真与由所述电子显示器显示的并通过所述透镜以所述用户眼睛的不同的第二注视角度观察到的图像的第二失真之间的差。第一注视角度可对应于瞳孔的中心位置，并且第二注视角度可对应于瞳孔的偏心位置。所述第一失真可以是当所述第一等角光线扇的光线从所述瞳孔的中心传播回所述电子显示器时，由第一等角光线扇与所述电子显示器的交叉点之间的一组距离限定的前向失真(forward distortion)。所述第二失真可以是当所述第二等角光线扇的光线从所述眼睛中心传播并返回所述电子显示器时，第二等角光线扇与所述电子显示器的拦截点之间的一组距离所限定的注视失真(gaze distortion)。第一扇的光线可从瞳孔中心传播，并且第二扇的光线可从眼睛的中心传播。

在一个实施例中，在所述用户眼睛的第二注视角度在-30和30度之间的范围内、FOV在-5到5度，并且所述瞳孔直径为5mm时，所述第一失真和第二失真之间的差小于15弧分。在一个实施例中，在用户眼睛的第二注视角度大于+/-30度但小于+/-75度，并且瞳孔的直径为5mm时，第一失真和第二失真之间的差小于40弧分。第一失真和第二失真之间的差可小于30弧分。

根据本公开，透镜可包括饼干透镜。饼干透镜可包括由平坦或略微弯曲的表面支撑的反射线性偏振器，和/或由平坦表面支撑的四分之一波波片。饼干透镜还可包括具有正光学功率的部分反射光学表面。在一个实施例中，饼干透镜包括彼此间隔开的第一元件和第二元件，其中，第一元件包括四分之一波波片，并且其中，第二元件包括反射线性偏振器。反射偏振器和四分之一波波片可彼此面对。反射偏振器和四分之一波波片可以是平坦的。

根据本公开，透镜可包括菲涅耳透镜。菲涅耳透镜可包括至少一个背离眼睛的菲涅耳表面，或者均背离眼睛的多个菲涅耳表面。菲涅耳透镜可不存在面向眼睛的菲涅耳表面。透镜还可包括规则的，即平滑的透镜。

在一些实施例中，上面定义的透镜具有不大于30mm的厚度，和/或大于45mm的直径。透镜可包括第一透镜元件和第二透镜元件，其中，第一元件和第二元件中的每一个包括以下中的至少一个：菲涅耳透镜、平滑透镜或部分菲涅耳/平滑透镜。透镜可具有大于120度但小于140度的单目FOV，和/或大于130度但小于170度的双目水平FOV。透镜可配置成适应眼睛和透镜之间的距离变化，最多10mm。

根据本发明，还提供了一种头戴式显示器，包括上面定义的任何透镜和光学耦合到透镜的电子显示器；例如，电子显示器的对角线长度可在1.5英寸和3英寸之间。例如，在用户眼睛的第二注视角度在-30度至30度的范围内、视场(FOV)在-5至5度、并且瞳孔的直径为5mm时，上述第一失真和第二失真之间的差可小于电子显示器的像素间距的4倍。在用户眼睛的第二注视角度大于+/-30度但小于+/-75度并且瞳孔直径为5mm时，第一失真和第二失真之间的差也可小于电子显示器的像素间距的10倍。在一些实施例中，第一和第二失真之间的差小于电子显示器的像素间距的10倍。

根据本公开，还提供了一种配置头戴式显示器透镜的方法，该显示器透镜用于将来自头戴式显示器的电子显示器的图像光引导到用户眼睛的瞳孔。该方法可包括配置透镜以便减小由所述电子显示器显示的并通过所述透镜以所述用户眼睛的第一注视角度观察到的图像的第一失真与由所述电子显示器显示的并通过所述透镜以所述用户眼睛的不同的第二注视角度观察到的图像的第二失真之间的差。第一注视角度可对应于瞳孔的中心位置，第二注视角度可对应于瞳孔的偏心位置。所述第一失真可以是：当所述第一等角光线扇的光线从所述瞳孔的中心传播回所述电子显示器时，由第一等角光线扇与所述电子显示器的交叉点之间的一组距离限定的前向失真，并且所述第二失真可以是：当所述第二等角光线扇的光线从所述眼睛中心传播并返回所述电子显示器时，由第二等角光线扇与所述电子显示器的拦截点之间的一组距离所限定的注视失真。在一些实施例中，用户眼睛的第二注视角度在-30度至30度的范围内、视场(FOV)在-5至5度、并且瞳孔的直径为5mm时，第一失真和第二失真之间的差可小于电子显示器的像素间距的4倍。在一些实施例中，用户眼睛的第二注视角度大于+/-30度但小于+/-75度，并且瞳孔直径为5mm时，第一失真和第二失真之间的差也可小于电子显示器的像素间距的10倍。配置可包括在光学设计软件中选择评价函数以减小第一失真和第二失真之间的差。

现在参考图1，本公开的头戴式显示器(HMD)100包括电子显示器102和安装在主体106内的透镜104。透镜104被配置为将来自电子显示器102的像素103的图像光110引导到用户眼睛108的瞳孔107。更具体地，来自每个像素103的光被准直成平行或近似平行于(例如，稍微发散)进入用户眼睛108的瞳孔107的光束。可为用户的每只眼睛提供单独的电子显示器和透镜；为简洁起见，只显示了一只眼睛。HMD 100可进一步配备有各种传感器以确定其在三维空间中的位置和取向，并且利用传感器来检测用户的每只眼睛的位置和取向以确定注视方向。

虽然可将各种透镜类型用于透镜104，但是具有相对短的焦距和小的重量的透镜是优选的，以减轻重量动量(weight momentum)和相关的应力和用户颈部的疲劳。这种透镜的一个实例，在此称为“饼干透镜(pancake lens)”，在图2A中示出。饼干透镜200包括透镜元件201和偏振选择反射器202。饼干透镜200具有折叠的光学配置。为了折叠光路，使用光的偏振特性。在图2A中，图像光110传播通过透镜元件201传播并照射到偏振选择反射器202上，偏振选择反射器202将图像光110反射回透镜元件201。具有正的光学(聚焦)功率(power)的透镜元件201的部分反射远端表面204反射图像光110的一部分以通过偏振选择反射器202朝向用户眼睛108传播回来。饼干透镜200的折叠光路配置可允许HMD 100的重量和尺寸减小。

图2A的饼干透镜200的偏振性能在图2B中说明。图像光110传播通过线性偏振器210和第一四分之一波波片212。线性偏振器210可直接安装在电子显示器102上以节省空间，或者可以是电子显示器102的一部分，例如液晶显示器，其包括在一对线性偏振器之间的像素化液晶单元。第一四分之一波波片212可直接安装在线性偏振器210上。第一四分之一波波片212的光轴相对于线性偏振器210的偏振轴取向成45度，使得图像光110当传播通过第一四分之一波波片212时被左旋圆偏振，如“L+”所示。这里，符号“+”涉及传播方向，其在图2A和2B中从右到左的情况下被假定为正，而在从左到右的情况下被假定为负(“-”)。图像光110照射在透镜元件201的部分反射远端表面204上，并且该光的一部分，通常为50％，传播通过透镜元件201，照射在偏振选择反射器202上。在图2B所示的实施例中，偏振选择反射器202包括相对于第一四分之一波波片212的光轴取向成90度的第二四分之一波波片214，以及具有相对于第二四分之一波波片214的光轴取向为135度的透射轴和取向为45度的反射轴的反射线性偏振器/分束器216。结果，在传播通过第二四分之一波波片214之后，在“+”方向上具有45度偏振的图像光110被反射以通过第二四分之一波波片214和透镜元件201(图2A)传播回来。然后，部分反射远端表面204将图像光110的一部分朝向用户眼睛108反射。偏振选择反射器202阻挡直接照射光，从而抑制第一次通过的不需要的光进入用户眼睛108的瞳孔107并且形成重像(ghost image)。

现在参考图3A至3D，其示出了在0度(图3A)、10度(图3B)、20度(图3C)和30度(图3D)的注视角度下用于饼干透镜200的光线回溯模拟。在图3A至3D中，偏振选择反射器202包括在线性反射偏振器216上的第二四分之一波波片214，其由平坦的基板表面302支撑，即四分之一波波片214和线性反射偏振器216都是平面。为了为饼干透镜200的光学设计提供更大的自由度，基板表面302也可以是稍微弯曲的，在这种情况下，第二四分之一波波片214和线性反射偏振器216类似地弯曲。为方便起见，光线从瞳孔107回溯到电子显示器102，使得可通过电子显示器102的表面上的光斑300的尺寸和位置来判断透镜性能。已经回溯了五个平行光束，每个都形成电子显示器102上的一个光斑300。饼干透镜200的性能已针对+/-30度的注视角度范围进行了优化，因为即使在极端+/-30度角度下光束也会聚到电子显示器上的紧密光斑上。

转到图4A至4C，等角度光线已经被从眼睛108的视网膜400回溯到电子显示器102上的等间隔位置(以眼睛108的三个不同注视角度)，眼睛108包括眼睛晶状体402和角膜404。为了清楚起见仅回溯了主要光线。在从图4A至图4B至图4C的情况下，当眼睛108旋转时，穿过点406的光线“漂浮”或“游移(swim)”穿过眼睛晶状体402，这可能导致饼干透镜200的出射光瞳在不同的注视角度移动或“游移”。当眼睛的注视角度改变时，该效果可导致可见图像失真的改变，这可能导致在改变注视方向时眼睛疲劳和由于周边物体的明显移动而引起的不适。

参见图5A，第一等角光线扇502A通过饼干透镜500被从用户眼睛108的瞳孔107的中心回溯到电子显示器102。图5A和5B的饼干透镜类似于图2A的饼干透镜200，仅在饼干透镜500中，偏振选择反射器202设置在透镜“半部”(halves)511和512之间的平坦边界处。“前向失真”在本文中定义为：当第一等角光线扇502A的光线从眼睛108的瞳孔107的中心510A传播或回溯到电子显示器102时，第一等角光线扇502A与电子显示器102的拦截点504A之间的一组距离。图5A的配置对应于当用户利用视网膜的小窝(fovea)和周边视网膜观察由电子显示器102显示的场景时，眼睛108的注视线直接在电子显示器102的中心506处。可看出，饼干透镜500针对前向失真进行了很好的优化，因为拦截点504A之间的距离几乎相等。

转到图5B，通过饼干透镜500，第二等角光线扇502B被从用户眼睛108的中心回溯(trace)到电子显示器102。“注视失真”在此定义为：当第二等角光线扇502B的光线从眼睛108的中心510B传播回电子显示器102时，第二等角光线扇502B与电子显示器102的拦截点504B之间的一组距离。第二扇502B的每条光线以对应于瞳孔的不同位置的不同注视角度，通过瞳孔(未示出)的中心传播。随着注视角度改变，瞳孔的中心移动以匹配注视方向和视场。瞳孔的中心沿着线508移动，线508粗略地重复眼睛108的轮廓。这就是为什么在瞳孔的不同位置处穿过瞳孔中心的主光线在眼睛108的中心处交叉，眼睛108的中心约离眼睛瞳孔12mm。图5B的配置因此对应于当用户使用它们的视网膜小窝视线来观察由电子显示器102显示的图像的不同部分时不同的注视角度。通过比较图5B的拦截点504B之间的距离与图5A中的拦截点504A之间的距离，可看出注视失真与前向失真不同。

在图6A中直接比较拦截点之间的距离，其示出了叠加用于比较的图5A的光线扇502A和图5B的光线扇502B。如果前向失真和注视失真相等，则光线扇502A和502B的相应光线将在相同位置与电子显示器102相交，因此相应的交叉点之间的距离对于前向失真和注视失真将是相同的，即直视和侧视。然而，如在电子显示器102的侧面602A处清楚地看到的，交叉点不在相同的位置。这导致在瞳孔107的中心位置处的图像的前向失真，即当用户直视电子显示器102的中心506时，与瞳孔107的偏心位置处的图像的注视失真，即当用户看着电子显示器102的一侧时，例如，侧面602A，之间的在视觉上可察觉的差，导致当用户环视虚拟场景时物体的失真和弯曲。值得注意的是，即使在不同视角下针对光斑尺寸进行了优化的饼干透镜时，也可能出现瞳孔游移和所产生的失真。

根据本公开的实施例，可另外约束用于饼干透镜500或用于任何透镜的评价函数，以用于光学设计软件中的透镜优化，以减小第一光线扇502A的拦截点504A和第二光线扇502B的拦截点504B之间的差，从而减少图像失真和相关的瞳孔游移之间的差。在一个实施例中，透镜评价函数被配置为使得以用户眼睛的不同的第一注视角度和第二注视角度的电子显示器显示的图像的失真之间的差减小。例如，第一位置可以是与图像的前向失真相对应的瞳孔的中心位置，并且第二位置可以是与图像的注视失真相对应的瞳孔的偏心位置。当第一等角光线扇502A的光线从眼睛108的瞳孔107回溯到电子显示器102时，可由第一等角光线扇502A与电子显示器102的拦截点之间的一组距离来定义，并且当第二等角光线扇502B的光线从眼睛108内回溯并返回电子显示器102时，注视失真可由第二等角光线扇502B与电子显示器102的拦截点之间的一组距离来定义。应注意，对于两个不同注视角度中的每一个或两者，可在眼睛的不同视觉适应距离处优化评价函数。作为非限制性实例，可针对2米或更大的视觉适应距离优化评价函数，其中电子显示器102仅设置在距饼干透镜500几厘米处。

评价函数的其他功能等同的定义是可能的。此外，虽然特定的评价函数定义可能取决于被优化的透镜的类型，例如，折射“平滑”透镜、饼干透镜或菲涅耳(Fresnel)透镜等，等效前向失真和注视失真的评价函数的操作数(operands)由发射位置和角度以及着陆光线位置和角度限定，因此对于不同类型的透镜可是类似的。透镜优化还可解释出瞳距离(eye relief distance)的变化。作为非限制性实例，透镜可被配置为适应眼睛和透镜之间的距离的变化，最多10mm。透镜优化还可解释不同用户之间的瞳孔间距离(IPD)的变化。例如，透镜可被配置为适应瞳孔和透镜中心之间的横向偏移的变化，最多10mm。

参见图6B，示出了优化的饼干透镜600的性能。在图6B中，光线扇502A和502B的相应光线在相同位置与电子显示器102相交，因此交叉点之间的距离在任何地方都相同，包括电子显示器102的侧面602B。因此，在瞳孔107的中心位置处的图像的前向失真与在瞳孔107的偏心位置处的图像的注视失真之间存在很小的差或不存在差，从而在用户环顾虚拟场景时，减少物体的明显失真和弯曲。

图7A和7B示出了使用上述失真均衡评价函数针对瞳孔游移(图7A)和光斑尺寸(图7B)优化的饼干透镜700的另一实例。饼干透镜700包括彼此间隔开的第一元件711和第二元件712。在所示的实施例中，第一元件711包括四分之一波波片714，第二元件包括反射线性偏振器716，其可如图所示彼此面对。四分之一波波片714具有与图2B的第二四分之一波波片214相同的功能，并且反射线性偏振器716具有与图2B的反射线性偏振器216相同的功能。由于技术原因，将四分之一波波片714和反射线性偏振器716设置在不同的透镜元件711和712上是有利的，因为它为两个偏振元件提供了单独的基板。此外，尽管不是必需的，但是使四分之一波波片714和反射线性偏振器716平坦是更直接的。如果需要，四分之一波波片714和反射线性偏振器716也可设置在适度弯曲的表面上。可针对具有1.5英寸和3英寸之间的对角线长度的电子显示器优化透镜。透镜可具有至少45mm的直径和/或不大于30mm的厚度。应当理解，具有减少的瞳孔游移的饼干透镜的各种其他实施方式是可能的，具有各种电子显示器类型。

其他类型的透镜也可用于图1的HMD 100中。作为非限制性实例，可使用菲涅耳透镜。菲涅耳透镜具有薄且轻的优点，同时具有相当大的视场(FOV)。参考图8，对于中心瞳孔位置，菲涅耳透镜800针对超过100度的总FOV的光斑尺寸进行了优化。从用户眼睛108的瞳孔107回溯到电子显示器102的光线被聚焦到电子显示器102上的紧密点上。图9A至9D示出了在0度(图9A)、20度(图9B)、30度(图9C)和40度(图9D)的注视角度下相同菲涅耳透镜800的光斑尺寸性能。可看出，尽管菲涅耳透镜800的窄视角性能良好，但是在较大的注视角度下性能开始下降，特别是在离轴30度和40度时。因此，不仅在瞳孔的中心位置而且在对应于倾斜(即非直线)注视角度的侧面位置处优化菲涅耳透镜800可能是有利的。

参见图10A，示出了用于离轴注视角度的菲涅耳透镜800性能，在电子显示器102上的区域1004A中具有紧密点。在图10B中，注视角度进一步增加，并且光线通过菲涅耳透镜800的相同侧面区域1002回溯。可看出，相应位置1004B处的光斑性能显著降低，这也会导致瞳孔游移。

图11A和11B是与以上参照饼干透镜500讨论的图5A和5B类似的菲涅耳透镜光线回溯图。在图11A中，通过菲涅耳透镜800，第一等角光线扇502A被从用户眼睛108的瞳孔107的中心510A回溯到电子显示器102。图11A的配置对应于当用户用视网膜的小窝和周边视网膜两者观看由电子显示器102显示的场景时，眼睛108的注视线直接在电子显示器102的中心506处。可看出菲涅耳透镜800针对前向失真进行了很好的优化，因为拦截点504之间的距离几乎相等。

在图11B中，通过菲涅耳透镜800，第二等角光线扇502B被从用户眼睛108的中心回溯到电子显示器102。如现在示出的，第二扇502B的每条光线以与瞳孔的不同位置对应的不同注视角度传播通过瞳孔的中心。随着注视角度改变，瞳孔的中心移动以匹配注视方向和视场。瞳孔的中心沿着线508移动，线508粗略地重复眼睛108的轮廓。这就是为什么在瞳孔的不同位置处穿过瞳孔中心的主光线在眼睛108的中心510B处相交。图11B的配置对应于当用户使用它们的视网膜小窝视线聚焦在由电子显示器102显示的图像的不同部分上时不同的注视角度。通过比较图11B中的拦截点504B之间的距离与图11A中的拦截点504A之间的距离，可看出注视失真与前向失真不同。

在图12A中直接比较拦截点之间的距离，图12A类似于图6A。图12A示出了叠加的图11A的光线扇502A和图11B的光线扇502B。如果前向失真和注视失真相等，则光线扇502A和502B的相应光线将在相同位置与电子显示器102相交，因此交叉点之间的距离将是相同的。然而，如在电子显示器102A的侧面1202A处清楚地看到的，交叉点不在相同的位置。这导致在瞳孔107的中心位置处的图像的前向失真，即当用户直视电子显示器102的中心506时，与瞳孔107的离心位置处的图像的注视失真，即当用户看着电子显示器102的一侧例如，侧面1202A时，之间的在视觉上可察觉的差异，导致当用户环视虚拟场景时物体的失真和弯曲。值得注意的是，即使对于在不同视角下针对光斑尺寸进行优化的菲涅耳透镜，也可能出现瞳孔游移和所产生的失真。

参见图12B，示出了优化的菲涅耳透镜1200的性能。与上面的饼干透镜600的情况一样，菲涅耳透镜1200的优化基于评价函数，该评价函数被约束以减小第一光线扇502A的拦截点504A和第二光线扇502B的拦截点504B之间的差，从而减少由瞳孔游移造成的图像失真。在图12B中，光线扇502A和502B的相应光线在相同位置与电子显示器102相交，因此交叉点之间的距离在任何地方都相同，包括侧面1202B。因此，在瞳孔107的中心位置处的图像的前向失真与在瞳孔107的偏心位置处的图像的注视失真之间存在很小的差或没有差，从而当用户环顾虚拟场景时减小了物体的失真和弯曲。值得注意的是，一旦使前向失真/注视失真相等以减轻透镜的瞳孔游移，可用软件补偿图像的任何剩余失真，由于抑制瞳孔游移，补偿与注视方向无关。

用于HMD应用的菲涅耳透镜可以以几种方式实现。在一个实施例中，透镜可包括第一和第二透镜元件。第一和第二元件中的每一个可包括以下中的至少一个：菲涅耳透镜、平滑或“透明”透镜，或部分菲涅耳/平滑透镜。为了更好的可靠性，菲涅耳透镜表面或几个这样的表面可被配置为背离眼睛。在一个实施例中，没有菲涅耳透镜表面面向眼睛。完全平滑的透镜也可被优化以减少如本文所定义的瞳孔游移。

可采用各种标准来确保HMD透镜的可接受的瞳孔游移性能，包括平滑透镜、菲涅耳透镜、饼干透镜、另一种类型透镜或其组合。通过从用户的眼睛回溯光线并确定光线落在电子显示器表面上的何处，可方便地测量电子显示器的像素间距中的图像失真。可优化透镜，以减小以用户眼睛的不同的第一注视角度和第二注视角度的电子显示器显示的图像(以像素间距单位测量的)的失真之间的差。作为非限制性实例，一个标准可以是：在瞳孔直径为5mm、-30和30度之间的范围内的用户眼睛的任何注视角度、-5到5度的视场(FOV)时，瞳孔游移(被定义为直视角度处和注视角度处的失真之间的差)小于电子显示器的像素间距的4倍。根据另一实例标准，在瞳孔直径为5mm并且用户眼睛的注视角度大于+/-30度但是小于例如75度时，失真之间的差应小于电子显示器的像素的间距的10倍。对于两个标准，第一注视角度可对应于眼睛直视电子显示器中心的注视线，第二注视角度可对应于电子显示器偏心的注视线。可在显示器的中心、边缘、或中心和边缘两者处减小图像失真。还可使用更直接的瞳孔游移标准，其小于10个像素间距值。

瞳孔游移的限制条件还可在眼睛的瞳孔位置处以角度单位表示，使其独立于选择用于HMD的电子显示器的间距。例如，在瞳孔直径为5mm、-30和30度之间的范围内的用户眼睛的任何注视角度，并且-5到5度的视场(FOV)时，瞳孔游移可小于15弧分。在另一实例中，在瞳孔直径为5mm、并且用户眼睛的注视角度大于+/-30度但小于+/-75度时，瞳孔游移小于40弧分。根据应用和所需的虚拟体验质量，对于所有观察条件和注视角度，也可采用对瞳孔游移的简单的角度限制，例如小于30弧分。FOV要求也可能不同。在一个实例中，透镜具有大于120度但小于140度的单目FOV。在另一实例中，透镜具有大于130度但小于170度的双眼水平FOV。

现在参考图13，用于配置头戴式显示器的透镜的方法1300可包括确定(1302)第一注视角度下的图像失真，例如确定前向角度的图像失真，对应于头戴式显示器的电子显示器的中心。如上所述，在眼睛直视电子显示器时，前向图像失真可限定如下：当第一等角光线扇的光线从瞳孔传播回电子显示器时，第一等角光线扇与电子显示器的交叉点之间的一组距离。然后，可在第二不同注视角度处确定(1304)失真，例如在电子显示器的角处的倾斜注视角度。第二失真是：当第二等角光线扇的光线从眼睛传播并返回电子显示器时，由第二等角光线扇与电子显示器的拦截点之间的一组距离所定义的注视失真。然后，可优化(1306)透镜，以减少这些失真之间的差。可肯定的是，第一扇的光线可从瞳孔的中心传播，并且第二扇的光线可从眼睛的中心传播，尽管其他等同的定义也是可能的。为了减少失真之间的差，光学设计软件的评价函数可包括表示第一和第二失真之间的差的操作数，并且可运行光学设计软件以减少该操作数、以及包括在例如不同的注视角度处的光斑尺寸的其他操作数。用于实现可接受的瞳孔游移性能的标准可包括用于上述第一和第二失真之间的差的任何标准。作为非限制性实例，在用户眼睛的第二注视角度在-30和30度之间的范围内，FOV在-5至5度，并且瞳孔直径为5mm时，失真之间的差可小于电子显示器的间距的4倍，或者，在用户眼睛的第二注视角度大于+/-30度但小于+/-75度，并且瞳孔直径为5mm时，小于电子显示器的间距的10倍。

现在转到图14，头戴式显示器(HMD)1400可包括上述任何瞳孔游移优化透镜。HMD1400可向用户提供内容作为人工现实系统的一部分。HMD 1400可利用计算机生成的图像来增强物理的真实世界环境的视图和/或生成完全虚拟的3D图像。HMD1400可包括前部主体1402和头部带1404。前部主体1402被配置为放置在用户的眼睛前方，并且头部带1404可被拉伸以将前部主体1402固定在用户的头部上。包括这里描述的透镜的显示模块1416可设置在前部主体1402中，用于向用户呈现图像。前部主体1402的侧面1406可以是不透明的或透明的。

在一些实施例中，前部主体1402包括定位器1408、用于跟踪HMD 1400的加速度的惯性测量单元(IMU)1410以及用于跟踪HMD 1400的位置的位置传感器1412。定位器1408由虚拟现实系统的外部成像装置回溯，使得虚拟现实系统可跟踪整个HMD 1400的位置和取向。可将IMU和位置传感器1412生成的信息与通过跟踪定位器1408获得的位置和取向进行比较，用于改进对HMD的位置和取向的跟踪。准确的位置和方向对于向用户呈现适当的虚拟场景非常重要，因为后者在3D空间中移动和转动。

HMD 1400还可包括眼睛跟踪系统1414，其实时地确定用户眼睛的取向和位置。所获得的眼睛的位置和取向允许HMD 1400确定用户的注视方向并相应地调整由显示模块1416生成的图像。在一个实施例中，确定聚散度，即用户眼睛的各个注视方向的会聚角度。可根据聚散度调节透镜的光学功率，以降低或减少聚散-适应(vergence-accommodation)冲突。在一个实施例中，主要的准直和重定向功能由专用的、不可调节的透镜执行，并且可变或可切换的透镜用于精细调焦。

参见图15A和15B，近眼AR/VR显示器1500是头戴式显示器的实施例。近眼AR/VR显示器1500具有呈一副眼镜形式的框架1502，以及包括显示组件1506的显示器1504。显示组件1506(图15)将图像光1508提供给眼动范围(eyebox)1510，其被定义为可向用户眼睛1512呈现高质量图像的几何区域。显示组件1506可包括用于每只眼睛的单独的VR/AR显示模块，或者用于双目的一个显示模块。作为非限制性实例，有源(即可切换)光栅可耦合到单个电子显示器，用于以时间顺序的方式将图像引导到用户的左眼和右眼，一帧用于左眼，一帧用于右眼。近眼AR/VR显示器1500和HMD 1400的电子显示器可包括但不限于液晶显示器(LCD)、有机发光显示器(OLED)、无机发光显示器(ILED)、有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示器、透明有机发光二极管(TOLED)显示器、投影仪或其组合。近眼AR/VR显示器1500还可包括眼睛跟踪系统1514，用于实时确定用户眼睛1512的注视方向和/或聚散度。

已经出于说明和描述的目的呈现了本发明的一个或多个实施例的前述描述。其并非旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。鉴于上述教导，许多修改和变化都是可能的。意图是本发明的范围不受该详细描述的限制，而是受所附权利要求的限制。

Claims (20)

1.一种用于头戴式显示器的透镜，其中，所述透镜被配置为将来自所述头戴式显示器的电子显示器的图像光引导到用户眼睛的瞳孔，以减小由所述电子显示器显示的并通过所述透镜以所述用户眼睛的第一注视角度观察到的图像的第一失真与由所述电子显示器显示的并通过所述透镜以所述用户眼睛的不同的第二注视角度观察到的图像的第二失真之间的差。

2.根据权利要求1所述的透镜，其中，所述第一注视角度对应于所述瞳孔的中心位置，并且所述第二注视角度对应于所述瞳孔的偏心位置。

3.根据权利要求2所述的透镜，其中，所述第一失真是前向失真，所述前向失真是当第一等角光线扇的光线从所述瞳孔的中心传播回所述电子显示器时，由所述第一等角光线扇与所述电子显示器的交叉的点之间的一组距离所限定的，并且其中，所述第二失真是注视失真，所述注视失真是当第二等角光线扇的光线从所述眼睛的中心传播并返回所述电子显示器时，由所述第二等角光线扇与所述电子显示器的拦截点之间的一组距离所限定的。

4.根据权利要求3所述的透镜，其中，在所述用户眼睛的第二注视角度在-30和30度之间的范围内、FOV在-5到5度、并且所述瞳孔的直径为5mm时，所述第一失真和所述第二失真之间的差小于15弧分。

5.根据权利要求2所述的透镜，其中，所述第一失真和所述第二失真之间的差小于30弧分。

6.根据权利要求1所述的透镜，其中，所述透镜包括饼干透镜。

7.根据权利要求6所述的透镜，其中，所述饼干透镜包括由平坦或稍微弯曲的表面支撑的反射线性偏振器。

8.根据权利要求6所述的透镜，其中，所述饼干透镜包括彼此间隔开的第一元件和第二元件，其中，所述第一元件包括四分之一波波片，并且其中，所述第二元件包括反射线性偏振器。

9.根据权利要求1所述的透镜，其中，所述透镜包括菲涅耳透镜。

10.根据权利要求9所述的透镜，其中，所述菲涅耳透镜包括背离所述眼睛的菲涅耳表面。

11.根据权利要求1所述的透镜，包括第一透镜元件和第二透镜元件，其中，第一元件和第二元件中的每一个包括至少以下之一：菲涅耳透镜、平滑透镜、或部分菲涅耳透镜/平滑透镜。

12.根据权利要求1所述的透镜，其中，至少以下之一：所述透镜具有不大于30mm的厚度；以及所述透镜具有大于45mm的直径。

13.根据权利要求1所述的透镜，其中，至少以下之一：所述透镜具有大于120度但小于140度的单目FOV，以及所述透镜具有大于130度但小于170度的双目水平FOV。

14.一种头戴式显示器，包括根据权利要求1所述的透镜和与所述透镜光学耦合的电子显示器。

15.根据权利要求14所述的头戴式显示器，其中，在所述用户眼睛的第二注视角度大于+/-30度但小于+/-75度并且所述瞳孔的直径为5mm时，所述第一失真和第二失真之间的差小于所述电子显示器的像素间距的10倍。

16.根据权利要求14所述的头戴式显示器，其中，所述第一失真和所述第二失真之间的差小于所述电子显示器的像素间距的10倍。

17.一种配置头戴式显示器透镜的方法，所述透镜用于将来自所述头戴式显示器的电子显示器的图像光引导到用户眼睛的瞳孔，所述方法包括配置所述透镜以减小由所述电子显示器显示的并通过所述透镜以所述用户眼睛的第一注视角度观察到的图像的第一失真与由所述电子显示器显示的并通过所述透镜以所述用户眼睛的第二注视角度观察到的图像的第二失真之间的差。

18.根据权利要求17所述的方法，其中：

所述第一注视角度对应于所述瞳孔的中心位置，并且所述第二注视角度对应于所述瞳孔的偏心位置；并且

所述第一失真是前向失真，所述前向失真是当第一等角光线扇的光线从所述瞳孔的中心传播回所述电子显示器时，由所述第一等角光线扇与所述电子显示器的交叉的点之间的一组距离限定的，并且其中，所述第二失真是注视失真，所述注视失真是当第二等角光线扇的光线从所述眼睛的中心传播并返回所述电子显示器时，由所述第二等角光线扇与所述电子显示器的拦截点之间的一组距离所限定的。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，至少以下之一：

在所述用户眼睛的第二注视角度在-30和30度之间的范围内、视场(FOV)在-5到5度、并且所述瞳孔的直径为5mm时，所述第一失真和所述第二失真之间的差小于所述电子显示器的像素间距的4倍；或者

在所述用户眼睛的第二注视角度大于+/-30度但小于+/-75度、并且所述瞳孔的直径为5mm时，所述第一失真和第二失真之间的差小于所述电子显示器的像素间距的10倍。

20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述配置包括在光学设计软件中选择评价函数，以减小所述第一失真和第二失真之间的差。