CN113767318A - 具有pancharatnam berry相位透镜的消色差光学透镜组件 - Google Patents

Abstract

一种光学透镜组件，其包括光学透镜和耦合到光学透镜的Pancharatnam Berry相位(“PBP”)元件。PBP元件被配置成为光学透镜提供色差校正。PBP元件的阿贝数和光学透镜的阿贝数具有相反的符号。

Description

具有PANCHARATNAM BERRY相位透镜的消色差光学透镜组件

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年4月29日提交的第62/840,164号美国申请和2020 年4月21日提交的第16/854,851号美国申请的优先权。第62/840,164号美国申请和第16/854,851号美国申请的内容通过引用以其整体并入本文以用于所有目的。

技术领域

本公开总体上涉及光学器件，并且更具体地说，涉及一种具有PancharatnamBerry相位(“PBP”)透镜的消色差光学透镜组件。

背景

被配置成实现虚拟现实(“VR”)、增强现实(“AR”)和/或混合现实 (“MR”)的光学器件已经被广泛用于各种各样的应用，例如航空、工程、科学、医学、计算机游戏、视频、体育、训练、模拟等。通常希望使这种光学器件紧凑且重量轻，并且具有高分辨率、大视场(“FOV”)和小形状因子。这种光学器件通常包括显示元件，该显示元件被配置成生成通过透镜系统传播以到达用户眼睛的图像光。透镜系统通常包括多个光学元件 (例如透镜、波片、反射器等中的一个或更多个)以用于将图像光聚焦到眼睛。

概述

本公开的一个方面提供了一种光学透镜组件。该光学透镜组件包括光学透镜和耦合到光学透镜的Pancharatnam Berry相位(“PBP”)元件。PBP 元件被配置成为光学透镜提供色差校正。PBP元件的阿贝数(Abbe number) 和光学透镜的阿贝数具有相反的符号。

本公开的另一方面提供了一种光学系统。该光学系统包括被配置成生成图像光的电子显示器。该光学系统还包括光学透镜组件，该光学透镜组件与电子显示器光学耦合，并被配置成将图像光引导至视窗。光学透镜组件包括光学透镜和耦合到光学透镜并被配置成为光学透镜提供色差校正的Pancharatnam Berry相位(“PBP”)元件。PBP元件的阿贝数和光学透镜的阿贝数具有相反的符号。

鉴于本公开的描述、权利要求和附图，本领域技术人员可以理解本公开的其他方面。前面的总体描述和下面的详细描述仅仅是示例性和解释性的，而不是对权利要求的限制。

附图简述

根据多个公开的实施例，提供以下附图以用于说明目的，并且这些附图并不旨在限制本公开的范围。在附图中：

图1根据本公开实施例示出了薄饼透镜组件(pancake lens assembly) 的示意图；

图2A-图2D根据本公开实施例示出了Pancharatnam Berry相位(“PBP”) 透镜的示意图；

图3根据本公开实施例示出了光学系统的示意图；

图4根据本公开实施例示意性地示出了图3所示光学系统中的光传播路径；

图5A示意性地示出了由不具有PBP透镜的传统薄饼透镜组件生成的图像；

图5B根据本公开实施例示意性地示出了由具有PBP透镜的薄饼透镜组件生成的图像；

图6A根据本公开的另一实施例示出了光学系统的示意图；

图6B根据本公开的另一实施例示意性地示出了图6A所示的光学系统中的光传播路径；

图7根据本公开实施例示出了系统的示意框图；

图8A根据本公开实施例示出了图7中示出的近眼显示器(“NED”) 的示意图；

图8B根据本公开实施例示出了图8A所示NED的前主体的示意性剖视图。

详细描述

将参照附图描述与本公开一致的实施例，附图仅仅是用于说明性目的的示例，并不意欲限制本公开的范围。只要可能，相同的参考数字就在所有附图中用于指相同或相似的部分，而其详细描述可以被省略。

此外，在本公开中，所公开的实施例和所公开的实施例的特征可以组合。所描述的实施例是本公开的一些但不是全部实施例。基于所公开的实施例，本领域中的普通技术人员可以得到与本公开一致的其他实施例。例如，可以基于所公开的实施例来做出修改、改编、替换、添加或其他变化。所公开的实施例的这样的变化仍然在本公开的范围内。因此，本公开不限于所公开的实施例。替代地，本公开的范围由所附权利要求限定。

如在本文所使用的，术语“耦合”、“被耦合”、“耦合的”或诸如此类可以包含光学耦合、机械耦合、电耦合、电磁耦合或它们的组合。在两个光学元件之间的“光学耦合”指以下配置：两个光学元件布置在一个光学系列中，以及来自一个光学元件的光输出可以被另一个光学元件直接或间接地接收。光学系列指多个光学元件在光路中的光学定位，使得从一个光学元件输出的光可以被其他光学元件中的一个或更多个透射、反射、衍射、转换、修改或以其他方式处理或操纵。在一些实施例中，多个光学元件被布置的顺序可以影响或可以不影响多个光学元件的总输出。耦合可以是直接耦合或间接耦合(例如，通过中间元件耦合)。

短语“A或B中的至少一个”可以包含A和B的所有组合，例如仅A、仅B、或A和B。同样，短语“A、B或C中的至少一个”可以包含A、 B和C的所有组合，例如仅A、仅B、仅C、A和B、A和C、B和C、或A和B和C。短语“A和/或B”可以以类似于对短语“A或B中的至少一个”解释的方式进行解释。例如，短语“A和/或B”可以包含A和B 的所有组合，例如仅A、仅B、或A和B。同样，短语“A、B和/或C”具有与短语“A、B或C中的至少一个”的含义相似的含义。例如，短语“A、B和/或C”可以包含A、B和C的所有组合，例如仅A、仅B、仅 C、A和B、A和C、B和C、或A和B和C。

当第一元件被描述为被“附着(attached)”、“提供(provided)”、“形成(formed)”、“粘附(affixed)”、“安装(mounted)”、“固定(secured)”、“连接(connected)”、“键合(bonded)”、“记录(recorded)”或“设置 (disposed)”到第二元件、在第二元件上、在第二元件处、或至少部分地在第二元件中时，第一元件可以使用任何合适的机械或非机械方式(例如沉积、涂覆、蚀刻、键合、胶合、旋拧(screwing)、压配合、搭扣配合、夹紧等)被“附着”、“提供”、“形成”、“粘附”、“安装”、“固定”、“连接”、“键合”、“记录”或“设置”到第二元件、在第二元件上、在第二元件处、或至少部分地在第二元件中。此外，第一元件可以与第二元件直接接触，或者在第一元件和第二元件之间可以有中间元件。第一元件可以布置在第二元件的任何合适的侧(例如左边、右边、正面、背面、顶部或底部)处。

当第一元件被示出或描述为设置或布置在第二元件“上”时，术语“在……上”仅用于指示在第一元件和第二元件之间的示例相对定向。该描述可以基于在图中所示的参考坐标系，或者可以基于在附图中所示的当前视图或示例配置。例如，当在图中所示的视图被描述时，第一元件可以被描述为设置在第二元件“上”。应当理解，术语“在……上”可能不一定暗示第一元件在垂直重力方向上在第二元件的上方。例如，当第一元件和第二元件的组件旋转180度时，第一元件可以在第二元件“下方”(或者第二元件可以在第一元件“上”)。因此，应当理解，当附图显示第一元件在第二元件“上”时，该配置仅仅是说明性示例。第一元件可以相对于第二元件以任何合适的定向进行设置或布置(例如，在第二元件之上或上方、在第二元件之下或下方、在第二元件左侧、在第二元件右侧、在第二元件后面、在第二元件前面等)。

本公开中提到的波长范围、光谱或波段是为了说明目的。所公开的光学器件、系统、元件、组件和方法可以应用于可见光波长范围以及其他波长范围，例如紫外(“UV”)波长范围、红外波长范围或它们的组合。

本文使用的术语“光学器件”应该广义地解释为包括所有类型的光学元件、光学膜、光学涂层、光学层、光学装置、光学系统、光学组件等。

光学器件，例如被配置成实现VR、AR和/或MR的近眼显示器 (“NED”)，已广泛用于各种应用，例如航空、工程、科学、医学、计算机游戏、视频、体育、培训等。为了实现紧凑的尺寸和轻重量同时保持良好的光学特性，NED通常在透镜系统中包括薄饼透镜来折叠光路，从而减小NED中的后焦距(back focal distance)。然而，薄饼透镜的焦点可能是强色的(strongly chromatic)，即，从透镜系统输出的光可能具有色差特征，这可能降低使用薄饼透镜和发射多波长或颜色通道的光的光源的成像设备中的图像质量。此外，薄饼透镜通常比传统透镜包括更多反射器或部分反射器。在具有薄饼透镜的透镜系统中可能出现多种问题，例如重影。

本公开提供了一种光学透镜组件，其在预定光谱(或波长范围)内，例如在可见光谱内，具有消色差属性。光学透镜组件可以包括光学透镜和光学耦合到光学透镜的Pancharatnam Berry相位(“PBP”)元件。PBP元件可以被配置成为光学透镜提供色差校正。光学透镜可以是展现一定量的色差的任何合适的透镜。在下面的讨论中，薄饼透镜被用作示例。PBP元件可以具有符号与光学透镜的阿贝数的符号相反的阿贝数。在一些实施例中，光学透镜可以是薄饼透镜或可能展现色差的任何其他合适的透镜。在下面的讨论中，薄饼透镜被用作光学透镜的示例。薄饼透镜可以包括第一光学元件，该第一光学元件具有被配置成接收光的第一表面和被配置成输出光的相对的第二表面，其中光的至少一个属性被改变。薄饼透镜还可以包括耦合到第一光学元件的第二光学元件，以进一步改变从第一光学元件接收的光的一个或更多个属性。第二光学元件的第一表面或相对的第二表面中的至少一个可以被配置成将从第一光学元件接收的具有第一偏振的光反射回第一光学元件，并且透射从第一光学元件接收的具有第二偏振的光。第二偏振可以不同于第一偏振(例如，与第一偏振正交或与第一偏振相反)。在一些实施例中，PBP元件可以被设置在薄饼透镜的第一光学元件和第二光学元件之间。在一些实施例中，第二光学元件可以被设置在PBP 元件和第一光学元件之间。

在一些实施例中，本公开提供了包括上述光学透镜组件的光学系统。例如，该光学系统可以是用于VR、AR和/或MR应用的NED。光学系统可以包括被配置成生成图像光的电子显示器。光学系统还可以包括光学透镜组件，该光学透镜组件与电子显示器光学耦合，并且被配置成将图像光引导到视窗。光学透镜组件可以是本文公开的任何实施例。

图1根据本公开实施例示出了光学系统100的示意图。如图1所示，光学系统100可以包括光学透镜组件105。光学透镜组件105可以包括薄饼透镜110和光学耦合到薄饼透镜110的Pancharatnam Berry相位(“PBP”) 元件130。光学系统100可以包括电子显示器150。电子显示器150可以被配置成朝向薄饼透镜110发射光140。在一些实施例中，所公开的薄饼透镜110可以是单片光学元件(例如，透镜)。薄饼透镜组件105可以被配置成将来自电子显示器150的光140引导到位于出射光瞳160处的视窗，并进一步引导到光学系统100的用户的眼睛170。在下文中，由电子显示器150发射的用于在眼睛170处形成图像的光也可以被称为“图像光”。在一些实施例中，电子显示器150可以是单色显示器，其包括窄带单色光源(例如，30nm带宽的光源)。在一些实施例中，电子显示器150可以是多色显示器(例如，红绿蓝(“RGB”)显示器)，其包括宽带多色光源(例如，覆盖可见光波长范围的300nm带宽的光源)。在一些实施例中，电子显示器150可以是通过堆叠多个单色显示器而创建的多色显示器(例如， RGB显示器)，该多个单色显示器可以分别包括对应的窄带单色光源。

在薄饼透镜中，当图像光传播通过薄饼透镜时，可能发生色散。色散可能会导致色差。尽管在传统技术中，具有不同色散量的光学元件已经被用于通过形成消色差双合透镜(achromatic doublet)来校正玻璃透镜的色差，但是这种方法经常遭受诸如高成本和难以制造大孔径尺寸的光学元件的问题。

在本公开提供的技术方案中，使用PBP元件来校正光学透镜(例如薄饼透镜)的色差。在一些实施例中，PBP元件130可以是包括液晶(“LC”) 的薄膜。LC的光轴可以被操纵以实现特定的光学功能。PBP元件130可以配置有符号与薄饼透镜110的阿贝数的符号相反的阿贝数，从而为薄饼透镜110提供色差校正。在一些实施例中，PBP元件130可以是透镜(因此，PBP元件130可以被称为PBP透镜130)。利用被配置成校正薄饼透镜的色差的PBP元件，光学系统可以被制造得紧凑并且重量轻。可以减少与光学系统的制造相关的工艺和成本。

在光学器件和透镜设计中，阿贝数，也称为透明材料的V数或倒色散系数(constringence)，是材料的色散的量度(例如，折射率相对于波长的变化)。较高的V数值表示较低的色散，而较低的V数值表示较高的色散。材料的阿贝数V_D可以被定义为：

其中，n_D、n_F和n_C表示材料在夫琅禾费(Fraunhofer)D、F和C谱线的波长(分别对应于589.3nm、486.1nm和656.3nm)处的折射率。在一些实施例中，PBP透镜130可以具有负阿贝数，而薄饼透镜110可以具有正阿贝数。在一些实施例中，PBP透镜130的阿贝数可以比单片光学元件(例如，薄饼透镜110)的材料的阿贝数低一个数量级。例如，典型的衍射光学元件的阿贝数约为–3，而由SCHOTT公司制造的材料“Schott BK7”的阿贝数约为64.2。因此，PBP透镜130可以被配置成具有小的光焦度，以校正由相对于PBP透镜具有大的光焦度的薄饼透镜110引起的色差，这可以简化PBP透镜130的制造工艺并降低制造成本。

此外，PBP透镜已经被示出具有高光学效率和定义明确的抛物线相位剖面。PBP透镜的厚度可以主要由基板的厚度决定，因为被设置在基板上的LC层要薄得多(例如，大约2μm)。因此，基于LC层的PBP透镜可以做得紧凑。在一些实施例中，PBP透镜130可以具有小体积的扁平或弯曲结构。与包括多个透镜的消色差双合透镜相比，作为衍射透镜的PBP透镜 130可以具有减小的形状因子。因此，使用PBP透镜130来校正薄饼透镜110的色差可以减小光学系统100的形状因子。在一些实施例中，PBP透镜130可以具有一个或更多个扁平表面。在一些实施例中，PBP透镜130 可以在至少一个维度上是弯曲的。例如，PBP透镜130可以具有在一个维度上弯曲的一个或更多个表面(例如，柱面)，或者PBP透镜130可以具有在两个维度上弯曲的一个或更多个表面(例如，球面、非球面、自由曲面等)。

在一些实施例中，PBP透镜130的基板可以被设置在独立光学元件(例如，薄饼透镜110)的光学表面处，使得PBP透镜130可以直接耦合到该独立光学元件。例如，PBP透镜130的基板可以被设置在薄饼透镜110的另一个光学元件的表面处。在一些实施例中，PBP透镜130的基板可以是另一光学元件或器件的一部分，或者是另一光电元件或器件的一部分。例如，PBP透镜130的基板可以是实心(solid)光学透镜或是实心光学透镜的一部分。在一些实施例中，PBP透镜130的基板可以是功能器件(例如显示屏)的一部分。在一些实施例中，PBP透镜130的基板可用于制造、存储或运输PBP透镜130。在一些实施例中，在PBP透镜130的剩余部分被制造或运输到另一个地方或器件之后，PBP透镜130的基板可以从PBP 透镜130的剩余部分拆卸或移除。在这样的实施例中，可以减少光学系统 100中的独立光学元件的数量。在一些实施例中，PBP透镜130可以被设置成与薄饼透镜110隔开一定间隙。

图2A和图2B根据本公开的实施例示出了处于不同光学状态的PBP 元件200(或PBP透镜200)的示意图。PBP透镜200可以是图1所示的 PBP透镜130的实施例。PBP透镜200可以是对圆偏振入射光的旋向性 (handedness)敏感的衍射透镜。如图2A所示，PBP透镜200可以包括液晶(“LC”)薄膜(或LC膜)，并且可以通过液晶(“LC”)分子的面内定向(方位角θ)产生透镜剖面。当LC膜的厚度对应于半波片(寻常偏振 (ordinary polarization)和非寻常偏振(extraordinary polarization)之间的相位差为π)时，光束剖面上两点之间的相位差T可以等于光轴的相对旋转的两倍，即T＝2θ。

图2C示出了图2A所示的PBP透镜200中的LC定向210。如图2C 所示，在PBP透镜200中，LC分子212的方位角(θ)可以从PBP透镜 200的透镜中心214到透镜边缘216以变化的间距Λ连续变化。间距Λ被定义为LC的方位角从初始状态旋转180°的距离。

图2D示出了在图2A所示的PBP透镜200中沿着y轴截取的LC定向的截面220。如图2D所示，间距变化的速率可以是距透镜中心214的距离的函数。透镜中心214处的间距(Λ₀)可能最大，而边缘216处的间距 (Λ_r)可能最小，即Λ₀>Λ₁>...>Λ_r。参考图2A-图2D，在x-y平面中，为了获得具有透镜半径(r)和透镜光焦度(+/–f)的PBP透镜，方位角θ可以满足：

其中，λ是入射光的波长。

回到图2A和图2B，PBP透镜200可以用作有源元件或无源元件。有源PBP透镜可以具有三个离散的焦点状态(也称为光学状态)。这三种光学状态可以是聚焦(或会聚)状态、中性状态和散焦(或发散)状态。特别地，聚焦状态下的有源PBP透镜可以对圆偏振入射光进行聚焦(或会聚) (例如，具有正焦距“f”)，并且散焦状态下的有源PBP透镜可以对圆偏振入射光进行散焦(或发散)(例如，具有负焦距“-f”)。当不处于中性状态时(例如，当处于聚焦或散焦状态时)，除了对入射光进行聚焦或散焦之外，有源PBP透镜还可以反转穿过有源PBP透镜的圆偏振光的旋向性。当处于中性状态时，有源PBP透镜可能不会聚或发散圆偏振入射光，并且可以影响或不影响透射通过有源PBP透镜的光的偏振。

有源PBP透镜的状态可以由圆偏振入射光的偏振的旋向性、有源PBP 透镜中LC指向矢(director)的旋转的旋向性以及施加到PBP透镜的电压来确定。在一些实施例中，如图2A所示，有源PBP透镜(例如，PBP透镜200)可以响应于右旋圆偏振(“RHCP”)光和零施加电压(或低于有源PBP透镜中LC膜的预定阈值的电压)而在聚焦状态下操作。在一些实施例中，如图2A所示，有源PBP透镜(例如，PBP透镜200)可以响应于左旋圆偏振(“LHCP”)光和零施加电压(或低于有源PBP透镜中LC膜的预定阈值的电压)而在散焦状态下操作。尽管未示出，但是在一些实施例中，有源PBP透镜可以响应于LHCP光而在聚焦状态下操作，并且响应于RHCP光而在散焦状态下操作。除了聚焦状态和散焦状态，当LC分子在电场中被一致对齐时，有源PBP透镜也可以在中性状态下操作。中性状态下的有源PBP透镜可以既不聚焦圆偏振光也不对其进行散焦，这与圆偏振光入射光的旋向性无关。根据电场下LC分子的重新定向，穿过处于中性状态的有源PBP透镜的圆偏振光的旋向性可能受到影响或被保持(例如，不受影响)。

无源PBP透镜可以具有两种光学状态：聚焦状态(或会聚状态)和散焦状态(或发散状态)。无源PBP透镜的状态可以由入射到无源PBP透镜上的圆偏振光的旋向性和无源PBP透镜中LC指向矢的旋转的旋向性来确定。在一些实施例中，如图2A所示，无源PBP透镜(例如，PBP透镜200) 可以响应于RHCP光在聚焦状态下操作。在一些实施例中，如图2B所示，无源PBP透镜(例如，PBP透镜200)可以响应于LHCP光在散焦状态下操作。无源PBP透镜可以输出具有与输入到无源PBP透镜的圆偏振光的旋向性相反的旋向性的圆偏振光。尽管未示出，但是在一些实施例中，无源PBP透镜可以响应于LHCP光而在聚焦状态下操作，并且响应于RHCP光而在散焦状态下操作。

图3根据本公开实施例示出了光学系统300的示意图。光学系统300 可以包括与光学系统100中包括的元件相似或相同的元件。在一些实施例中，光学系统300可以是光学系统100的更详细的实施例。如图3所示，光学系统300可以包括薄饼透镜组件105。薄饼透镜组件105可以包括薄饼透镜110和PBP元件130。

在一些实施例中，薄饼透镜110可以是单片弯曲光学元件。薄饼透镜 110的至少一个表面可以是弯曲表面。薄饼透镜110可以包括布置在光学系列中的第一光学元件111和第二光学元件112。第一光学元件111可以包括面向电子显示器150的第一表面111-1和面向眼睛170的第二表面111-2。第二光学元件112可以包括面向第一光学元件111的第一表面112-1 和面向眼睛170的第二表面112-2。在一些实施例中，第一光学元件111 和第二光学元件112可以通过粘合剂103耦合在一起。第一光学元件111 和第二光学元件112中的每一个可以包括一个或更多个光学透镜，该一个或更多个光学透镜被配置成对光进行聚焦和/或散焦。

在一些实施例中，薄饼透镜110还可以包括被设置(例如，沉积、附着、键合、涂覆等)在第一光学元件111的面向电子显示器150的第一表面111-1处的反射镜113。在一些实施例中，薄饼透镜110可以包括被设置 (例如，沉积、附着、键合、涂覆等)在第一光学元件111的面向眼睛170 的第二表面111-2处的波片114。

反射镜113可以是部分反射器，其被配置成是部分反射性的，以反射接收的光的一部分。在一些实施例中，反射镜113可以被配置成透射大约 50％的入射光并反射大约50％的入射光。反射镜113可以被称为50/50反射镜。

在一些实施例中，波片114可以是被配置成改变接收的光的偏振的四分之一波片(“QWP”)。四分之一波片包括偏振轴，偏振轴可以相对于线偏振入射光来定向，以对于可见光谱和/或红外光谱，将线偏振入射光转换成圆偏振光。在一些实施例中，QWP可以被配置成对于可见光谱和/或红外光谱，将圆偏振光转换成线偏振光。在一些实施例中，对于消色差设计 (例如，与波长无关的设计)，四分之一波片可以包括多层双折射材料(例如，聚合物或液晶)，以在宽光谱范围(例如，宽波长范围)上产生四分之一波双折射。在一些实施例中，对于单色设计，四分之一波片的偏振轴 (例如，快轴)与线偏振入射光之间的角度可以大约是45度。尽管图3 示出了反射镜113和波片114位于第一光学元件111的不同表面处，但是在一些实施例中，反射镜113和波片114可以位于第一光学元件111的相同表面处(例如，二者都位于第一表面111-1或第二表面111-2)。

薄饼透镜110可以包括反射偏振器115，反射偏振器115被设置(例如，沉积、附着、键合、涂覆等)在第二光学元件112的面向第一光学元件111的第一表面112-1处。在一些实施例中，反射偏振器115可以被设置(例如，沉积、附着、键合、涂覆等)在第二光学元件112的第二表面 112-2处。反射偏振器115可以是部分反射的反射镜，其被配置成反射具有第一线偏振的接收光并透射具有不同于第一偏振(例如，与第一偏振正交或相反)的第二线偏振的接收光。例如，反射偏振器115可以被配置成反射在阻挡方向(例如，x轴方向)上偏振的光，并且透射在垂直方向(例如，y轴方向)上偏振的光。在所公开的实施例中，阻挡方向可以被称为反射偏振器115的阻挡轴的方向或阻挡轴方向，并且垂直方向可以被称为反射偏振器115的透射轴的方向或透射轴方向。

在一些实施例中，薄饼透镜110还可以包括抗那喀索斯(anti-narcissus) 膜120，抗那喀索斯膜120被设置(例如，沉积、附着、键合、涂覆等) 在第二光学元件112的面向PBP透镜130的第二表面112-2处。在一些实施例中，抗那喀索斯膜120可以是与第二光学元件112分隔开布置的单个膜，而不是被设置在第二光学元件112的表面处。在包括薄饼透镜组件105 的近眼显示器(“NED”)中，入射到图像检测器(例如，用户的眼睛)上的环境光可以被用户的眼睛散射，然后从显示器反射到眼睛。结果，用户可以看到眼睛的图像。这种现象被称为那喀索斯(narcissus)现象。抗那喀索斯膜120可以被配置成抑制那喀索斯现象，使得眼睛的图像对于用户可以是不可见的。尽管图3示出了反射偏振器115和抗那喀索斯膜120位于第二光学元件112的不同表面处，但是在一些实施例中，反射偏振器115 和抗那喀索斯膜120可以位于第二光学元件112的相同表面处(例如，二者都位于第一表面112-1或第二表面112-2处)。

在一些实施例中，抗那喀索斯膜120可以包括布置在光学系列中的线偏振器121和四分之一波片122。例如，线偏振器121可以被设置在四分之一波片122和第二光学元件112之间。线偏振器121的透射轴可以被定向成基本上平行于反射偏振器115的透射轴。四分之一波片122的偏振轴可以相对于线偏振器121的透射轴定向，以对于可见光谱和/或红外光谱将线偏振光转换成圆偏振光，反之亦然。抗那喀索斯膜120的操作原理和光学系统300内部的光传播路径将在图4中详细进行解释。

图3所示的薄饼透镜110是为了说明的目的。在一些实施例中，第一光学元件111、第二光学元件112、反射镜113、波片114、反射偏振器115、线偏振器121和四分之一波片122中的一个或更多个可以包括一个或更多个弯曲表面。在一些实施例中，第一光学元件111和第二光学元件112的一个或更多个表面可以是扁平表面，并且反射镜113、波片114、反射偏振器115、线偏振器121和四分之一波片122可以包括一个或更多个扁平表面。此外，反射镜113、波片114、反射偏振器115、线偏振器121和四分之一波片122的位置可以不同于图3所示的那些位置。这些元件可以以任何其他合适的顺序被布置在任何其他合适的位置处。此外，在一些实施例中，可以省略这些元件中的一个或更多个。在一些实施例中，PBP元件130 可以与薄饼透镜110分隔开设置。在一些实施例中，PBP元件130可以被设置在薄饼透镜110的表面处，例如在如四分之一波片122的表面处，或者当省略了抗那喀索斯膜120时被设置在第二光学元件112的表面处。尽管PBP元件130被示出为具有扁平表面，但是PBP元件130可以包括一个或更多个弯曲表面。例如，当PBP元件130被设置在第二光学元件120 的弯曲表面或四分之一波片122的弯曲表面处时，PBP元件130可以包括弯曲表面。

在一些实施例中，第一光学元件111和第二光学元件112可以形成单片弯曲薄饼透镜110。在一些实施例中，符合本公开的薄饼透镜110可以仅具有一个光学透镜(例如，第一光学元件111和第二光学元件112形成集成光学元件)，或者具有多于两个的光学透镜(例如，具有第三光学透镜)。在一些实施例中，除了第一光学元件111和第二光学元件112之外，薄饼透镜110还可以包括其他光学元件，例如线偏振器、四分之一波片，这不受本公开的限制。

为了将薄饼透镜组件105配置为消色差的或者具有低/减小的色差， PBP透镜130和薄饼透镜110可以被配置成基本上满足以下等式(3)：

其中，D_p、D_m和D_PBP分别是薄饼透镜110、反射镜113和PBP透镜130 的光焦度。薄饼透镜110的光焦度可以被计算为

其中，f_p是薄饼透镜110的焦距。当薄饼透镜110是空气中的薄透镜时，薄饼透镜110的光焦度可以通过以下等式被计算出：

其中，n₁₁₁和n₁₁₂分别是第一光学元件111和第二光学元件112的折射率； R_{111_1}、R_{111_2}、R_{112_1}和R_{112_2}分别是第一表面111-1、第二表面111-2、第一表面112-1和第二表面112-2的曲率半径。反射镜113的光焦度可以被计算为

其中，f_m是反射镜113的焦距，并且r是反射镜113的曲率半径。在计算了D_p、D_m、V_D-p和V_D-PBP之后，可以根据等式(3)计算PBP透镜130的光焦度。V_D-p和V_D-PBP分别是薄饼透镜110和PBP透镜130的阿贝数，它们可以根据等式(1)被计算出。满足等式(3)的阿贝数V_D-p和V_D-PBP具有相反的符号(一个是正的，另一个是负的)。对于薄饼透镜110，可以计算第一比率，该第一比率是薄饼透镜110和反射镜113的光焦度之差与薄饼透镜110的阿贝数之间的比率。换句话说，第一比率是薄饼透镜110的除反射镜113之外的其余部分的光焦度与薄饼透镜110的阿贝数之间的比率。对于PBP透镜130，可以计算出第二比率，该第二比率是PBP透镜 130的光焦度与PBP透镜130的阿贝数之间的比率。根据等式(3)，第一比率和第二比率的总和在一个或更多个设计波长(例如以下波长中的至少一个：红色波长范围(例如，从635nm到700nm)内的红光设计波长、绿色波长范围(例如，从520nm到560nm)内的绿光设计波长或蓝色波长范围(例如，从450nm到490nm)内的蓝光设计波长)处可以基本为零。在一些实施例中，第一比率和第二比率的总和在以下波长中的每一个处可以基本为零：红色波长范围(例如，从635nm到700nm)内的红光设计波长、绿色波长范围(例如，从520nm到560nm)内的绿光设计波长和蓝色波长范围(例如，从450nm到490nm)内的蓝光设计波长。在一些实施例中，第一比率和第二比率的总和在整个光谱(例如，整个可见光光谱)上可以基本上不为零。尽管等式(3)示出了第一比率和第二比率的总和为0，但是应当理解，在一些实施例中，总和可以不完全为0，并且可以基本上为 0。当总和小于预定阈值(或者总和的绝对值小于预定值)时，总和可以被认为基本上为0。预定阈值可以基于实际应用来确定。例如，在一些实施例中，预定阈值可以是10^-4、10^-3、10^-2、10^-1等数量级。从等式(3)，可以推导出：

该等式表明第一比率和第二比率具有基本相同的绝对值，但符号不同。应当理解的是，在一些实施例中，第一比率和第二比率可以不具有完全相同的绝对值。第一比率和第二比率的绝对值之差可以在合适的预定小范围内，这可以基于特定应用来确定。

图4根据本公开实施例示出了图3所示的光学系统300中的光传播路径400的示意图。在光传播路径400中，示出了光的偏振变化。因此，为了简化说明，省略了第一光学元件111和第二光学元件112，它们被假定为是不影响光的偏振的透镜。在图4中，“s”表示s偏振光，“p”表示p 偏振光，“R”表示右旋圆偏振(“RHCP”)光，以及“L”表示左旋圆偏振 (“LHCP”)光。在一个实施例中，如图4所示，从电子显示器150发射的光181可以是LHCP光181L。光181L可以朝向反射镜113传播。在LHCP 光(181L)到达反射镜113后，光181L的第一部分可以被反射镜113反射，而光181L的第二部分可以被反射镜133透射作为朝向波片114传播的光182L。透射通过反射镜113的光182L可以是LHCP光。波片114可以是四分之一波片，其被配置成将LHCP光182L转换成s偏振光183s。

s偏振光183s可以入射到反射偏振器115上，反射偏振器115可以被配置成反射在阻挡方向(例如，x轴方向)上偏振的光，并且透射在垂直方向(例如，y轴方向)上偏振的光。也就是说，反射偏振器115可以透射p偏振光并反射s偏振光。因此，来自波片114的在正z方向上行进的 s偏振光183s可以被反射偏振器115反射作为在负z方向上行进的s偏振光184s。被反射的s偏振光184s可以第二次透射通过波片114，并被转换成在负z方向上行进的LHCP光185L。在负z方向上行进的LHCP光185L 可以被反射镜113反射作为RHCP光186R。RHCP光186R可以透射通过波片114并转换成p偏振光187p，p偏振光187p可以透射通过反射偏振器 115，作为入射到抗那喀索斯膜120上的p偏振光188p。

抗那喀索斯膜120可以包括布置在光学系列中的线偏振器121和四分之一波片122。线偏振器121可以被布置在反射偏振器115和四分之一波片122之间。四分之一波片122可以被布置在线偏振器121和PBP透镜 130之间。在一个实施例中，线偏振器121可以透射p偏振光并阻挡s偏振光。因此，p偏振光188p可以透射通过线偏振器121作为朝向四分之一波片122传播的p偏振光189p。四分之一波片122可以将p偏振光189p 转换成RHCP光190R。如上所述，当处于聚焦或散焦状态时，除了对入射光进行聚焦或散焦之外，PBP透镜130还可以反转穿过PBP透镜130的圆偏振光的旋向性。因此，PBP透镜130可以将RHCP光190R转换成LHCP光191L，该LHCP光191L随后被聚焦到眼睛170上。

LHCP光191L可以被眼睛170反射成为在负z方向上行进的RHCP 光192R。PBP透镜130可以将RHCP光192R转换成LHCP光193L，该 LHCP光193L可以被四分之一波片122转换成s偏振光194s。因为线偏振器121透射p偏振光并阻挡s偏振光，所以s偏振光194s可以被线偏振器 121阻挡。因此，那喀索斯现象可以被抑制，并且眼睛170的图像对于用户可以是不可见的。

为了说明的目的，图4示出了从电子显示器150发射的光181可以是 LHCP光(L)。在一些实施例中，从电子显示器150发射的光181可以是 RHCP光(R)。在一些实施例中，从电子显示器150发射的光181可以是线偏振光，并且四分之一波片可以被布置在电子显示器150和反射镜113 之间，或者被设置在反射镜的表面处，以将线偏振光转换成圆偏振光。

图5A是由传统薄饼透镜组件形成的图像，该传统薄饼透镜组件包括的透镜不是PBP透镜。如图5A所示，由于传统透镜不能将所有(或基本上所有)颜色聚焦到同一点，由传统薄饼透镜组件形成的图像朝向图像的边缘具有大量色差，如虚线椭圆505、510和515所示。图5B是由所公开的包括薄饼透镜110和PBP透镜130的薄饼透镜组件105形成的图像。PBP透镜130的光焦度大约是1.8屈光度，这是根据等式(3)确定的。如图 5B所示，因为薄饼透镜110的色散由PBP透镜130的色散补偿，所以由所公开的薄饼透镜组件105形成的图像可以显著降低或抑制色差。

在一些实施例中，PBP透镜可以被设置在薄饼透镜组件中的其他位置处。图6A根据本公开实施例示出了光学系统600的示意图。光学系统600 可以包括与光学系统100或300中包括的元件相似或相同的元件。与光学系统300中使用的附图标记相同的附图标记用于指代相同或相似的光学元件。对图6A所示的相似或相同元件的描述可以参考结合图3给出的上述描述。

如图6A所示，光学系统600可以包括薄饼透镜组件605。薄饼透镜组件605可以包括薄饼透镜610、PBP透镜130和抗那喀索斯膜120。薄饼透镜610可以包括布置在光学系列中的第一光学元件111和第二光学元件 112。在一些实施例中，抗那喀索斯膜120也可以是薄饼透镜610的一部分。 PBP透镜130可以被设置在第一光学元件111和第二光学元件112之间。尽管PBP透镜130被示出为与第一光学元件111和第二光学元件112分隔开设置，但是在一些实施例中，PBP透镜130可以与第一光学元件111或第二光学元件112或两者一体地设置。尽管PBP透镜130被示为具有弯曲表面，但是在一些实施例中，PBP透镜130可以具有一个或两个扁平表面。同样，尽管抗那喀索斯膜120被示为与第二光学元件112分隔开设置，但是在一些实施例中，抗那喀索斯膜120可以设置在第二光学元件112的第二表面112-2处。在一些实施例中，抗那喀索斯膜120、第二光学元件112、 PBP透镜130和第一光学元件111可以堆叠在一起(而不是彼此分开设置) 以形成单个整体件。尽管第一光学元件111、PBP透镜130和第二光学元件112被示为具有弯曲表面，但是在一些实施例中，第一光学元件111的表面(111-1和111-2)中的一个或两个可以具有扁平表面，第二光学元件 112的表面(112-1和112-2)中的一个或两个可以具有扁平表面，和/或PBP 透镜130的表面中的一个或两个可以具有扁平表面。光学系列中的元件111、 112、120和130的顺序和位置是为了说明的目的。元件111、112、120和 130可以以不同于图6A所示的其他顺序或位置进行布置。

反射镜113可以被设置(例如，沉积、附着、键合、涂覆等)在第一光学元件111的第一表面111-1处。波片114(例如，四分之一波片)可以被设置(例如，沉积、附着、键合、涂覆等)在第二光学元件112的第一表面112-1处。反射偏振器115可以被设置(例如，沉积、附着、键合、涂覆等)在第二光学元件112的第二表面112-2处。抗那喀索斯膜120可以被设置在第二光学元件112和眼睛170之间。PBP透镜130可以被设置在第一光学元件111和波片114之间。

图6B示意性地示出了图6A所示的光学系统600中的光传播路径650。在光传播路径650中，示出了光的偏振变化。因此，为了简化说明，省略了第一光学元件111和第二光学元件112，它们被假定为是不影响光的偏振的透镜。如图6B所示，从电子显示器150发射的光281可以是RHCP 光281R。RHCP光281R可以朝向反射镜113传播。在RHCP光281R到达反射镜113之后，光281R的第一部分可以被反射镜113反射，而光281R 的第二部分可以被反射镜113透射作为朝向PBP透镜130传播的RHCP光 282R。PBP透镜130可以将RHCP光282R转换成朝向波片114传播的 LHCP光283L。波片114可以是将LHCP光283L转换成s偏振光284s的四分之一波片。

s偏振光284s可以入射到反射偏振器115上，反射偏振器115可以被配置成透射p偏振光并反射s偏振光。因此，s偏振光284s可以被反射偏振器115反射作为在负z方向上行进的s偏振光285s。被反射的s偏振光 285s可以第二次透射通过波片114，并且被转换成在负z方向上朝向PBP 透镜130行进的LHCP光286L。PBP透镜130可以将LHCP光286L转换成RHCP光287R，该RHCP光287R可以被反射镜113反射作为朝向PBP 透镜130传播的LHCP光288L。PBP透镜130可以将LHCP光288L转换成RHCP光289R。波片114可以透射RHCP光289R作为p偏振光290p。 p偏振光290p可以被反射偏振器115透射，作为入射到抗那喀索斯膜120 上的p偏振光291p。

抗那喀索斯膜120可以包括线偏振器121和被布置在线偏振器121和眼睛170之间的四分之一波片122。线偏振器121可以被设置在反射偏振器115和四分之一波片122之间。线偏振器121可以被配置成透射p偏振光并阻挡s偏振光。因此，p偏振光291p可以被透射通过线偏振器121作为朝向四分之一波片122传播的p偏振光292p。四分之一波片122可以将 p偏振光292p转换成聚焦到眼睛170的RHCP光293R。

RHCP光293R可以被眼睛170反射作为在负z方向上行进的LHCP 光294L。四分之一波片122可以将LHCP光294L透射作为s偏振光295s。因为线偏振器121被配置成透射p偏振光并阻挡s偏振光，所以s偏振光 295s可以被线偏振器121阻挡。因此，那喀索斯现象可以被抑制，并且眼睛170的图像可以对用户不可见。

图7根据本公开实施例示出了系统700的框图。如图7所示，系统700 可以包括近眼显示器(“NED”)705、控制台710、成像设备735和输入 /输出接口740。NED 705、成像设备735和输出/输出接口740可以耦合到控制台710。虽然图7示出了包括一个NED 705、一个成像设备735和一个输入/输出接口740的示例系统700，但是在一些其他的实施例中，在系统700中可以包括任何数量的这些部件。例如，系统700可以包括多个NED 705，每个NED 705具有相关联的输入/输出接口740和一个或更多个成像设备735。NED 705、输入/输出接口740和成像设备735中的每一者可以与控制台710通信。在一些实施例中，系统700中可以包括不同的和/或附加的部件。系统700可以在VR系统环境、AR系统环境、MR系统环境或它们的某种组合中操作。

NED 705可以是向用户呈现媒体内容的头戴式显示器。NED所呈现的媒体内容的示例可以包括一个或更多个图像、视频、音频或其某种组合。在一些实施例中，可以经由外部设备(例如，扬声器和/或头戴式耳机)来呈现音频，该外部设备从NED 705、控制台710或两者接收音频信息并且可以基于音频信息向用户来呈现音频数据。下面结合图8A和图8B进一步描述NED 705的示例。

NED 705可以包括可以刚性或非刚性地彼此耦合的一个或更多个主体。刚性主体之间的刚性耦合可以使所耦合的刚性主体以单个刚性实体移动。相反，在刚性主体之间的非刚性耦合可以允许刚性主体相对于彼此移动。在一些实施例中，NED 705可以向用户呈现VR内容、AR内容、MR内容或它们的某种组合。在VR、AR和/或MR应用中，NED 705可以用计算机生成的元素(例如，图像、视频、声音等)来增强物理真实世界环境的视图。

如图7所示，NED 705可以包括电子显示器块715、薄饼透镜组件717、一个或更多个定位器720、一个或更多个位置传感器725和惯性测量单元 (IMU)730。电子显示器块715可以根据从控制台710接收的数据向用户显示图像。在一些实施例中，电子显示器块715可以包括电子显示器和光学块。电子显示器可以生成图像光。在一些实施例中，电子显示器可以包括单个电子显示器或多个电子显示器(例如，用于用户的每只眼睛的显示器)。电子显示器的示例可以包括：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)、透明有机发光二极管显示器(TOLED)、某种其他显示器、投影仪或它们的组合。

光学块可以包括不同光学元件的组合。光学元件可以是光圈、菲涅耳透镜、凸透镜、凹透镜、滤光器或可以被配置成影响从电子显示器发射的图像光的任何其他合适的光学元件。在一些实施例中，被包括在光学块中的一个或更多个光学元件可以包括一个或更多个涂层(例如抗反射涂层)。光学块对图像光的放大可以允许电子显示器的元件相比于更大的显示器在物理上更小、重量更轻和功耗更少。此外，放大可以增加所显示的媒体内容的视场。例如，所显示的媒体内容的视场可以被加宽，使得可以使用用户的视场的大部分(例如，150度对角线)来呈现所显示的媒体内容。在一些实施例中，光学块可以被配置成具有大于到电子显示器的间距的有效焦距，从而放大由电子显示器投射的图像光。此外，在一些实施例中，可以通过添加或移除光学元件来调整放大倍数。

薄饼透镜组件717可以是所公开的薄饼透镜组件的实施例，其由于 PBP透镜的补偿是消色差的。在一些实施例中，薄饼透镜组件717可以被配置成单片薄饼透镜组件，在薄饼透镜组件的光学元件之间没有任何气隙。薄饼透镜组件717可以被配置成放大从电子显示器接收的图像光，校正与图像光相关联的光学像差。光学像差被校正的图像光可以被呈现给NED 705的用户。

定位器720可以是相对于彼此以及相对于在NED 705上的或在NED 705中的特定参考点位于在NED 705上或在NED 705中的各个位置处的对象。定位器720可以是发光二极管(LED)、角立方体反射器、反光标记、与NED 705的操作环境形成对比的一类光源、或它们的组合。在一些实施例中，定位器720可以是有源元件(即，LED或其他类型的发光设备)。定位器720可以发射在可见光波段(如从约380nm至约750nm)中、在红外(IR)波段(如约750nm至约1mm)中、在紫外波段(如约10nm 至约380nm)中、电磁波谱的其他部分或它们的某种组合的光。

在一些实施例中，定位器720可定位于NED 705的外表面之下，该外表面对于由定位器720发射或反射的光的波长是透明的。在一些实施例中，定位器720可以足够薄到基本上不减弱由定位器720发射或反射的光的波长。在一些实施例中，NED 705的外表面或其他部分可以在可见光波段中是不透明的。因此，定位器720可以在外表面下发射在IR波段中的光，该外表面在IR波段中可以是透光的，但在可见光波段中可以是不透光的。

IMU 730可以是被配置成基于从一个或更多个位置传感器725接收的测量信号生成快速校准数据的电子设备。位置传感器725可以被配置成响应于NED 705的运动而生成一个或更多个测量信号。位置传感器725的示例可以包括：一个或更多个加速度计、一个或更多个陀螺仪、一个或更多个磁力计、检测运动的另一种合适类型的传感器、被配置用于IMU730的误差校正的传感器或者它们的一种或更多种组合。位置传感器725可以位于IMU 730的外部、IMU 730的内部或者这两种位置的组合。

基于来自一个或更多个位置传感器725的一个或更多个测量信号， IMU 730可以生成快速校准数据，该快速校准数据指示NED 705相对于 NED 705的初始位置的估计位置。例如，位置传感器725可以包括测量平移运动(向前/向后、向上/向下、向左/向右)的多个加速度计和测量旋转运动(例如，俯仰、偏航、横滚)的多个陀螺仪。在一些实施例中，IMU 730可以对测量信号进行快速采样，并根据采样的数据计算NED 705的估计位置。例如，IMU 730可以对从加速度计接收的测量信号在时间上求积分以估计速度矢量，并对速度矢量在时间上求积分以确定NED 705上的参考点的估计位置。在一些实施例中，IMU 730可以向控制台710提供采样的测量信号，控制台可以确定快速校准数据。参考点可以是可以用来描述NED705的位置的点。尽管参考点通常可以被定义为空间中的点；然而，在一些实施例中，参考点可以被定义为NED 705内的点(例如，IMU 730的中心)。

IMU 730可以从控制台710接收一个或更多个校准参数。还如下面讨论的，一个或更多个校准参数可用于保持对NED 705的跟踪。基于接收到的校准参数，IMU 730可以调整一个或更多个IMU参数(例如，采样率)。在一些实施例中，特定的校准参数可以使得IMU 730更新参考点的初始位置，使得初始位置对应于参考点的下一个校准位置。将参考点的初始位置更新为参考点的下一个校准位置可以有助于减少与所确定的估计位置相关联的累积误差。累积误差(还称为漂移误差)可能导致参考点的估计位置随着时间的推移“漂移”离开参考点的实际位置。

成像设备735可以根据从控制台710接收的校准参数来生成慢速校准数据。慢速校准数据可以包括由成像设备735可检测到的显示定位器720 的被观察的位置的一个或更多个图像。成像设备735可以包括一个或更多个照相机、一个或更多个摄像机、能够捕获图像的任何其他设备(包括一个或更多个定位器720)、或者其某种组合。另外，成像设备735可以包括一个或更多个滤波器(例如，用于增大信噪比)。成像设备735可以被配置成检测从成像设备735的视场中的定位器720发射或反射的光。

在一些实施例中，当定位器720包括无源元件(例如，回射器 (retroreflector))时，成像设备735可以包括照亮一些或所有定位器720 的光源，定位器720将光回射到成像设备735中的光源。慢速校准数据可从成像设备735传送到控制台710。成像设备735可以从控制台710接收一个或更多个校准参数，以调整一个或更多个成像参数(例如，焦距、焦点、帧速率、ISO、传感器温度、快门速度、光圈等)。

输入接口740可以是配置为从用户接收输入(诸如对控制台710或从控制台710接收的输出数据的动作请求)的设备。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束应用，或者是在应用内执行特定动作。输入/输出接口740可以包括一个或更多个输入设备和/或输出设备。示例输入设备可以包括：键盘、鼠标、游戏控制器、或者用于接收动作请求并将接收的动作请求传送到控制台710的任何其他合适的设备。输出设备可以包括数据传输端口、显示器、视频/音频播放器等。由输入/输出接口740接收的动作请求可以被传送到控制台710，控制台可以执行对应于动作请求的动作。在一些实施例中，输入/输出接口740可以根据从控制台710接收的指令来向用户提供触觉反馈。例如，当接收到动作请求时可以提供触觉反馈，或控制台710可以向输入/输出接口740传送指令，使得输入/输出接口740在控制台710执行动作时生成触觉反馈。

控制台710可以根据从成像设备735、NED 705和输入/输出接口740 中的一个或更多个接收到的信息来向NED 705提供媒体内容以用于呈现给用户。在一些实施例中，如图7所示，控制台710可以包括应用储存器 745、跟踪模块750和虚拟现实(VR)引擎755。在一些实施例中，控制台710可以包括不同于图7中所示出的模块的模块。下面进一步描述的功能可以以不同于这里描述的方式分布在控制台710的部件当中。

应用储存器745可以存储用于由控制台710执行的一个或更多个应用。应用可以是一组指令，该组指令在由处理器执行时可以生成用于呈现给用户的内容。可以由应用响应于经由NED 705的移动或输入/输出接口740 而从用户接收的输入来生成内容。应用的示例可以包括：游戏应用、会议应用、视频回放应用或其他合适的应用。

跟踪模块750可以使用一个或更多个校准参数来校准系统700，并且可以调整一个或更多个校准参数以减少在NED 705的位置的确定中的误差。例如，跟踪模块750可以调整成像设备735的焦点以获得在NED 705 上的观察到的定位器的更准确的位置。此外，由跟踪模块750执行的校准也可以考虑从IMU 730接收的信息。另外，当失去了对NED 705的跟踪时(例如，当成像设备735失去至少阈值数量的定位器720的视线时)，跟踪模块750可以重新校准系统700的部分或其全部。

跟踪模块750可以使用来自成像设备735的慢速校准数据或信息来跟踪NED 705的移动。跟踪模块750可以使用根据慢速校准信息的观察到的定位器和NED 705的模型来确定NED 705的参考点的位置。跟踪模块750 还可以使用来自快速校准信息的位置信息来确定NED 705的参考点的位置。此外，在一些实施例中，跟踪模块750可以使用快速校准信息、慢速校准信息或其某种组合的部分来预测NED 705的未来位置。跟踪模块750 可以向引擎755提供NED 705的估计或预测的未来位置。

引擎755可以执行在系统700内的应用，并从跟踪模块750接收NED 705的位置信息、加速度信息、速度信息、所预测的未来位置或其某种组合。基于接收到的信息，引擎755可以确定要提供给NED 705以用于呈现给用户的内容。例如，当接收到的信息指示用户已经向左看时，引擎755 可以为NED 705生成反映用户在虚拟环境中的移动的内容。另外，引擎755可以响应于从输入/输出接口740接收的动作请求来执行在控制台710 上执行的应用内的动作，并且向用户提供动作被执行的反馈。所提供的反馈可以是经由NED 705的视觉或听觉反馈或者经由输入/输出接口740的触觉反馈。

图8A示出了图7中的NED 705的图示。参考图8A和图7，NED 705 可以包括前主体805和带810。前主体805可以包括电子显示器和光学块 (图8A中未示出)的一个或更多个电子显示元件、IMU 730、一个或更多个位置传感器725和定位器720。在图8A所示的示例中，位置传感器725 可以位于IMU 730内，且IMU 730和位置传感器725都对用户来说是不可见的。

定位器720可以相对于彼此并相对于参考点815位于前主体805上的固定位置。在图8A所示的实施例中，参考点815可以位于IMU 730的中心。定位器720中的每一个可以发射由成像设备735可检测到的光。定位器720或定位器720中的部分可以位于前主体805的前侧820A、顶侧820B、底侧820C、右侧820D和左侧820E上。

图8B示出了图8A中所示的NED 705的前主体805的剖视图。如图 8B所示，前主体805可以包括电子显示器828和向出射光瞳835提供改变的图像光的薄饼透镜组件717。出射光瞳835可以处于前主体805的眼睛 840可能所处的位置。出于说明的目的，图8B示出了与单只眼睛840相关联的前主体805的横截面。在一些实施例中，与电子显示器828分离的另一个类似的电子显示器可以向用户的另一只眼睛提供由光学块改变的图像光。

本文使用的术语“处理器”可以包括任何合适的处理器，例如中央处理单元(“CPU”)、图形处理单元(“GPU”)、专用集成电路(“ASIC”)、可编程逻辑器件(“PLD”)或它们的组合。也可以使用上面没有列出的其他处理器。处理器可以被实现为软件、硬件、固件或它们的组合。

术语“控制器”可以包括被配置成生成用于控制设备、电路、光学元件等的控制信号的任何合适的电路、软件或处理器。“控制器”可以被实现为软件、硬件、固件或它们的组合。例如，控制器可以包括处理器，或者可以被包括作为处理器的一部分。

术语“非暂时性计算机可读介质”可以包括用于存储、传递、通信、广播或传输数据、信号或信息的任何合适的介质。例如，非暂时性计算机可读介质可以包括存储器、硬盘、磁盘、光盘、磁带等。存储器可以包括只读存储器(“ROM”)、随机存取存储器(“ROM”)、闪存等。

术语“单元”、“子单元”或“模块”可以包括硬件组件、软件组件或它们的组合。例如，“单元”、“子单元”或“模块”可以包括外壳、设备、传感器、处理器、算法、电路、电连接器或机械连接器等。

本描述的一些部分可以从对信息的操作的算法和符号表示方面描述本公开的实施例。这些操作虽然在功能上、计算上或逻辑上进行了描述，但这些操作可以由计算机程序或等效电路、微代码等来实现。此外，将操作的这些布置称为模块有时候也被证明是方便的而不失一般性。所描述的操作和它们的相关模块可以体现在软件、固件、硬件或它们的任何组合中。

可以利用一个或更多个硬件或软件模块单独地或与其他设备组合地来执行或实现本文描述的任何步骤、操作或过程。在一个实施例中，利用包括包含计算机程序代码的计算机可读介质的计算机程序产品来实现软件模块，该计算机程序代码可以由计算机处理器执行，以用于执行所描述的任何步骤、操作或过程或全部步骤、操作或过程。在一些实施例中，硬件模块可以包括硬件组件，例如设备、系统、光学元件、控制器、电路、逻辑门等。

本公开的实施例也可以涉及用于执行本文的操作的装置。该装置可以被特别构造成用于特定的目的，和/或它可以包括由存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置的通用计算设备。这种计算机程序可以存储在非暂时性的、有形的计算机可读存储介质中，或者可以耦合到计算机系统总线的任何类型的适于存储电子指令的介质中。非暂时性计算机可读存储介质可以是能够存储程序代码的任何介质，例如，磁盘、光盘、只读存储器(“ROM”)或随机存取存储器(“RAM”)、电可编程只读存储器 (“EPROM”)、电可擦除可编程只读存储器(“EEPROM”)、寄存器、硬盘、固态盘驱动器、智能媒体卡(“SMC”)、安全数字卡(“SD”)、闪存卡等。此外，说明书中描述的任何计算系统可以包括单个处理器，或者可以是采用多个处理器来提高计算能力的架构。处理器可以是中央处理单元 (“CPU”)、图形处理单元(“GPU”)或被配置成处理数据和/或基于数据执行计算的任何处理设备。处理器可以包括软件和硬件组件。例如，处理器可以包括硬件组件，例如专用集成电路(“ASIC”)、可编程逻辑器件 (“PLD”)或它们的组合。PLD可以是复杂可编程逻辑器件(“CPLD”)、现场可编程门阵列(“FPGA”)等。

本公开的实施例也可以涉及由本文所述的计算过程产生的产品。这样的产品可以包括从计算过程获得的信息，其中信息被存储在非暂时性的、有形的计算机可读存储介质上并且可以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例。

此外，当在附图中示出的实施例显示单个元件时，应当理解，该实施例可以包括多个这样的元件。同样，当在附图中示出的实施例显示多个这样的元件时，应当理解，该实施例可以仅包括一个这样的元件。在附图中示出的元件的数量仅用于说明目的，且不应被解释为限制实施例的范围。此外，除非另有说明，在附图中所示的实施例并不是相互排斥的，并且它们可以以任何合适的方式被组合。例如，在一个实施例中但不在另一个实施例中示出的元件仍然可以被包括在另一个实施例中。不同附图中所示的不同特征的这种组合也在本公开的范围内。

已经描述了各种实施例以说明示例性实现。基于所公开的实施例，本领域中的普通技术人员可以做出各种其他改变、修改、重新布置和替换而不偏离本公开的范围。因此，尽管参考上述实施例详细描述了本公开，但是本公开不限于上述实施例。本公开可以被体现在其他等效形式中而不偏离本公开的范围。本公开的范围在所附权利要求中被限定。

Claims (20)

1.一种光学透镜组件，包括：

光学透镜；以及

Pancharatnam Berry相位(“PBP”)元件，所述PBP元件耦合到所述光学透镜并被配置成为所述光学透镜提供色差校正，

其中，所述PBP元件的阿贝数和所述光学透镜的阿贝数具有相反的符号。

2.根据权利要求1所述的光学透镜组件，其中，所述PBP透镜的阿贝数为负，并且所述光学透镜的阿贝数为正。

3.根据权利要求1所述的光学透镜组件，其中，

所述光学透镜包括反射镜，

所述光学透镜与所述光学透镜的光焦度和所述反射镜的光焦度之差与所述光学透镜的阿贝数之间的第一比率相关联，

所述PBP元件与所述PBP元件的光焦度和所述PBP元件的阿贝数之间的第二比率相关联，并且

所述第一比率和所述第二比率的总和在设计波长处基本为零。

4.根据权利要求1所述的光学透镜组件，其中，所述光学透镜包括：

第一光学元件；

第二光学元件，所述第二光学元件与所述第一光学元件耦合；以及

反射镜，所述反射镜被设置在所述第一光学元件的第一表面。

5.根据权利要求4所述的光学透镜组件，其中，所述光学透镜还包括：

四分之一波片，所述四分之一波片被设置在所述第一光学元件的第一表面或第二表面处；以及

反射偏振器，所述反射偏振器被设置在所述第二光学元件的第一表面或第二表面处。

6.根据权利要求1所述的光学透镜组件，其中，所述PBP元件是PBP透镜。

7.根据权利要求1所述的光学透镜组件，其中，光学透镜是单片弯曲光学元件。

8.根据权利要求1所述的光学透镜组件，其中，所述光学透镜还包括：

第一光学元件；

第二光学元件，所述第二光学元件耦合到所述第一光学元件；

线偏振器，所述线偏振器被设置在所述第二光学元件的表面处；以及

四分之一波片，所述四分之一波片光学耦合到所述线偏振器，

其中，所述线偏振器被设置在所述第二光学元件和所述四分之一波片之间，并且所述四分之一波片被设置在所述线偏振器和所述PBP元件之间。

9.根据权利要求1所述的光学透镜组件，其中，

所述光学透镜包括第一光学元件和耦合到所述第一光学元件的第二光学元件，并且

所述第二光学元件被设置在所述PBP元件和所述第一光学元件之间。

10.根据权利要求9所述的光学透镜组件，其中：

所述光学透镜包括被设置在所述第一光学元件的第一表面处的反射镜和被设置在所述第一光学元件的第二表面处的波片，并且

所述光学透镜包括被设置在所述第二光学元件的第一表面或第二表面处的反射偏振器。

11.根据权利要求1所述的光学透镜组件，其中，

所述光学透镜包括第一光学元件和耦合到所述第一光学元件的第二光学元件，并且

所述PBP元件被设置在所述第二光学元件和所述第一光学元件之间。

12.根据权利要求11所述的光学透镜组件，还包括：

线偏振器和耦合到所述线偏振器的四分之一波片的组合，

其中，所述第二光学元件被设置在所述线偏振器和所述四分之一波片的所述组合与所述PBP元件之间。

13.一种光学系统，包括：

电子显示器，其被配置成生成图像光；以及

光学透镜组件，其与所述电子显示器光学耦合，并被配置成将所述图像光引导至视窗，所述光学透镜组件包括：

光学透镜；以及

Pancharatnam Berry相位(“PBP”)元件，所述PBP元件耦合到所述光学透镜并被配置成为所述光学透镜提供色差校正，

其中，所述PBP元件的阿贝数和所述光学透镜的阿贝数具有相反的符号。

14.根据权利要求13所述的光学系统，其中，所述PBP透镜的阿贝数为负，并且所述光学透镜的阿贝数为正。

15.根据权利要求13所述的光学系统，其中：

所述光学透镜包括反射镜，

所述光学透镜与所述光学透镜的光焦度和所述反射镜的光焦度之差与所述光学透镜的阿贝数之间的第一比率相关联，

所述PBP元件与所述PBP元件的光焦度和所述PBP元件的阿贝数之间的第二比率相关联，并且

所述第一比率和所述第二比率的总和在设计波长处基本为零。

16.根据权利要求13所述的光学系统，其中，所述光学透镜包括：

第一光学元件；

第二光学元件，所述第二光学元件与所述第一光学元件耦合；以及

反射镜，所述反射镜被设置在所述第一光学元件的第一表面处。

17.根据权利要求16所述的光学系统，其中，所述光学透镜还包括：

四分之一波片，所述四分之一波片被设置在所述第一光学元件的第二表面处；以及

反射偏振器，所述反射偏振器被设置在所述第二光学元件的第一表面或第二表面处。

18.根据权利要求13所述的光学系统，其中，所述光学透镜还包括：

第一光学元件；

第二光学元件，所述第二光学元件耦合到所述第一光学元件；

线偏振器，所述线偏振器被设置在所述第二光学元件表面处；以及

四分之一波片，所述四分之一波片光学耦合到所述线偏振器，

其中，所述线偏振器被设置在所述第二光学元件和所述四分之一波片之间，并且所述四分之一波片被设置在所述线偏振器和所述PBP元件之间。

19.根据权利要求13所述的光学系统，其中：

所述光学透镜包括第一光学元件和耦合到所述第一光学元件的第二光学元件，并且

所述第二光学元件被设置在所述PBP元件和所述第一光学元件之间。

20.根据权利要求13所述的光学系统，其中：

所述光学透镜包括第一光学元件和耦合到所述第一光学元件的第二光学元件，并且

所述PBP元件被设置在所述第二光学元件和所述第一光学元件之间。

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