CN115039010A - 自由形式变焦光学组件 - Google Patents

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Abstract

自由形式变焦光学组件包括至少三个光学模块，该光学模块包括第一多个光学元件，该第一多个光学元件包括Pancharatnam‑Berry相位(PBP)透镜、偏振敏感全息图(PSH)透镜、超材料或其组合。每个光学模块的多个光学元件包括与Zernike多项式相关联的属性。第一和三个光学模块中的每个可配置在多个光功率之间。自由形式变焦光学组件可配置为响应于输入波前而输出预定波前。

Description

自由形式变焦光学组件
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年1月24日提交的美国临时申请No.62/965,455的权益，其内容通过引用整体并入。
技术领域
本公开总体上涉及在各种类型的电子系统和设备中实现的光学元件和光学系统。
背景技术
光学设备(包括头戴式显示设备)向用户提供视觉信息。例如，头戴式显示器用于虚拟现实和增强现实操作。头戴式显示器通常包括电子图像源和光学组件。
调节是指视觉过程，在该视觉过程中人眼的睫状肌和悬韧带使眼睛的晶状体凸出或变平以将物体聚焦在视网膜上。如果眼睛的调节不完善，入射到晶状体上的平行光线会会聚到视网膜后面的点(远视(hypermetropia)或远视眼(farsightedness))或视网膜前面的点(近视(myopia)或近视眼(nearsightedness))。为了矫正这些视觉缺陷，将适当焦距的会聚透镜放置在远视眼的前面，并且将适当焦距的发散透镜放置在近视眼的前面。放置在眼睛的前面的透镜可以提供球面校正，其程度取决于透镜焦距的正屈光度(D)或负屈光度。
诸如像散、彗差(coma)、三叶形(trefoil)、四叶形(quadrafoil)、次级像散(secondary astigmatism)等高阶像差会导致屈光不正，其中眼睛不能将光均匀地聚焦到视网膜上。像差会导致图像看起来模糊和被拉伸，并且可能导致头痛、眼睛疲劳、眯眼以及视力扭曲或模糊。
发明内容
一种可变焦光学组件包括多个可调节级，多个可调节级可配置为具有可调节光功率(optical power)，并且在一个示例中可以用于诸如头戴式显示器的光学设备中，使得对象的显示图像正确地被聚焦在显示器观察者的眼睛的视网膜上。在光学组件中，具有多个光学级的光学堆叠体(optical stack)的焦距可以通过改变一个或多个光学级的相应状态来调节。例如，在第一状态下，光学级可以被配置为对于第一偏振光具有第一相应光功率，并且对于第二偏振(即，正交于第一偏振)光具有与第一相应光功率不同的第二相应光功率。在第二状态下，相应光学级可以被配置为对于第一偏振光具有第三光功率，并且对于第二偏振光具有第四光功率。光学堆叠体的焦距和变焦光学组件的总光功率(以+或-D为单位测量，如上所述)可以通过配置组件的一个或多个连续的光学级来进行改变，以提供波前校正和/或调节并且加强观察者的适应能力。
一般而言，本公开涉及一种可以用作显示设备(例如，头戴式显示设备)的光学系统的部件的自由形式变焦光学组件。变焦光学组件包括光学堆叠体，该光学堆叠体可以被配置为通过提供焦点和高阶像差校正(focus and higher order aberrationcorrection)来增强显示器观察者的一只或两只眼睛的适应能力，从而在使用显示设备时增加观察者的整体舒适度和享受度。本公开还涉及一种自由形式变焦光学组件，该自由形式变焦光学组件可以用于独立于显示设备的光学系统，从任意输入波前输出预定波前。例如，自由形式变焦光学组件可以用作自适应光学元件，例如以补偿波前的失真。在一些示例中，自由形式变焦光学组件可以被配置为基于包括可变焦光学组件的光学模块的相应波前调节的不同组合，输出可变波前。
变焦光学组件包括透镜光学组件，该透镜光学组件可以在显示器与观察者的一只或两只眼睛之间形成光学堆叠体。透镜光学组件可以被配置为校正每只眼睛的低阶像差(像矫正眼镜透镜那样)、以及高阶像差。透镜光学组件轻薄，这减轻了头戴式显示器(或任何光学设备)的总重量，并且提供了更优化的设备外形尺寸，其中的一者或两者可以增强观察者的观看体验。
在一些示例中，本公开描述了一种包括至少三个光学模块的自由形式变焦透镜，每个光学模块包括对应的多个偏振敏感光学元件。每个光学模块与对应泽尼克(Zernike)多项式相关联，并且对于每个光学模块，对应的多个光学元件包括与对应Zernike多项式相关联的对应属性。与每个光学模块相关联的对应Zernike多项式可以是不同的。
在一些示例中，本公开描述了一种包括被配置为发射图像光的显示器的头戴式显示器。头戴式显示器还包括自由形式变焦光学组件，该自由形式变焦光学组件包括至少三个光学模块，每个光学模块包括对应的多个偏振敏感光学元件。每个光学模块与对应Zernike多项式相关联，并且对于每个光学模块，对应的多个光学元件包括与对应Zernike多项式相关联的对应属性。与每个光学模块相关联的对应Zernike多项式可以是不同的。
在一些示例中，本公开描述了一种方法，该方法包括使光透射通过至少三个光学模块，每个光学模块包括多个偏振敏感光学元件。每个光学模块与对应Zernike多项式相关联，并且对于每个光学模块，对应的多个光学元件包括与对应Zernike多项式相关联的对应属性。与每个光学模块相关联的对应Zernike多项式可以是不同的。该方法还包括通过改变至少三个光学模块中的一个或多个光学模块中的多个光学元件的一个或多个光学元件的相应状态，来调节至少三个光学模块中的一个或多个光学模块的光焦度(focal power)。
因此，所公开的实施例提供具有可调节光功率的显示设备以减少眼睛疲劳并且提高用户对这样的设备的舒适度和满意度，以及提供波前整形以从任意输入波前输出期望波前。
附图说明
图1是描绘根据本公开中描述的技术的、包括被配置为提供像差补偿的自由形式变焦光学组件的示例性人工现实系统的图示。
图2A是描绘根据本公开中描述的技术的、包括被配置为提供像差补偿的自由形式变焦光学组件的示例性HMD的图示。
图2B是描绘根据本公开中描述的技术的、包括被配置为提供像差补偿的变焦光学组件的另一示例性HMD的图示。
图3是示出根据本公开中描述的技术的图1的人工现实系统的控制台和HMD的示例性实施方式的框图。
图4是描绘根据本公开中描述的技术的图1的人工现实系统的示例性HMD的框图。
图5是示例性显示设备的示意性透视图。
图6是示例性球面透镜光学模块的示意性截面图。
图7是根据本公开的一些示例的球面透镜光学模块的示例性光学级的概念图，该光学级包括第一光学元件和与第一光学元件光学串联的第二光学元件。
图8A-图8D是示出用于球面透镜光学模块的示例性潘卡拉特南-贝里(Pancharatnam-Berry)相位透镜的示意图。
图9A-图9D是示出用于球面透镜光学模块的示例性偏振敏感全息透镜的示意图。
图10是示例性球面透镜光学模块的示意性截面图。
图11是前21个Zernike多项式的图像，垂直方向按径向度数排序，并且水平方向按方位角度数排序。
图12是由正交的Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000041
和
Figure BDA0003735695660000042
形成的示意性单位圆。
图13A是与Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000043
相关联的偏斜(oblique)像散补偿光学模块的Pancharatnam-Berry相位透镜内的液晶指向矢取向的示意图。
图13B是与Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000044
相关联的垂直像散补偿光学模块的Pancharatnam-Berry相位透镜内的液晶指向矢取向的示意图。
图13C是与Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000045
相关联的垂直三叶形补偿光学模块的Pancharatnam-Berry相位透镜内的液晶指向矢取向的示意图。
图13D是与Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000051
相关联的偏斜三叶形补偿光学模块的Pancharatnam-Berry相位透镜内的液晶指向矢取向的示意图。
图13E是与Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000052
相关联的垂直彗差补偿光学模块的Pancharatnam-Berry相位透镜内的液晶指向矢取向的示意图。
图13F是与Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000053
相关联的水平彗差补偿光学模块的Pancharatnam-Berry相位透镜内的液晶指向矢取向的示意图。
图13G是与Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000054
相关联的水平彗差补偿光学模块的Pancharatnam-Berry相位透镜内的液晶指向矢取向的示意图。
图14是包括变焦光学组件的实施例的光学设备的示意性截面图，该变焦光学组件包括垂直像散补偿光学模块和偏斜像散补偿光学模块。
图中相同的符号表示相同的要素。
具体实施方式
本公开涉及一种自由形式变焦光学组件，该自由形式变焦光学组件可以用作光学系统的部件，例如显示设备(例如，头戴式显示设备)的光学系统。变焦光学组件包括光学堆叠体，该光学堆叠体可以被配置为从任意输入波前输出预定波前。变焦光学组件可以包括多个光学模块。每个光学模块可以包括至少一个偏振敏感(polarization sensitive)或偏振选择(polarization-selective)透镜元件，并且可以与所选择的类型的透镜化(例如，所选择的类型的光学像差)相关联。通过包括多个光学模块，每个光学模块包括至少一个偏振敏感透镜元件并且控制入射到偏振敏感透镜元件的光的偏振，变焦光学组件可以被控制为从任意输入波前输出预定波前(或从预定输入波前输出任意输出波前)。
在一些示例中，变焦光学组件可以用于通过提供焦点和高阶像差校正来增强显示器观察者的一只或两只眼睛的适应能力，从而在使用显示设备(诸如头戴式显示设备)时增加观察者的整体舒适度和享受度。本公开还涉及一种自由形式变焦光学组件，该自由形式变焦光学组件可以用于独立于显示设备的光学系统从任意输入波前输出预定波前。例如，自由形式变焦光学组件可以用作自适应光学器件。
图1是描绘根据本公开中描述的技术的示例性人工现实系统的图示，该示例性人工现实系统包括可以用于从任意输入波前输出预定波前的变焦光学组件。在图1的示例中，人工现实系统100包括HMD 112、一个或多个控制器114A和114B(统称为“(一个或多个)控制器114”)，并且在一些示例中可以包括一个或多个外部传感器90和/或控制台106。
HMD 112通常由用户110佩戴并且包括用于向用户110呈现人工现实内容122的电子显示器和光学组件。此外，HMD 112包括用于跟踪HMD 112的运动的一个或多个传感器(例如，加速度计)，并且可以包括用于捕获周围物理环境的图像数据的一个或多个图像捕获设备138(例如，相机、线扫描仪)。尽管图示为头戴式显示器，但AR系统100可以替代地或另外地包括用于向用户110呈现人工现实内容122的眼镜或其他显示设备。
每个(一个或多个)控制器114是用户110可以用来向控制台106、HMD 112或人工现实系统100的另一部件提供输入的输入设备。控制器114可以包括一个或多个存在敏感表面，该存在敏感表面用于通过检测触摸或悬停在该存在敏感表面的位置之上的一个或多个对象(例如，手指、触控笔)的存在，来检测用户输入。在一些示例中，(一个或多个)控制器114可以包括输出显示器，输出显示器可以是存在敏感显示器。在一些示例中，(一个或多个)控制器114可以是智能手机、平板电脑、个人数据助理(PDA)或其他手持设备。在一些示例中，(一个或多个)控制器114可以是智能手表、智能环或其他可穿戴设备。(一个或多个)控制器114也可以是信息亭或其他固定或移动系统的一部分。替代地或另外地，(一个或多个)控制器114可以包括其他用户输入机制，例如一个或多个按钮、触发器、操纵杆、方向键等，以使得用户能够与由人工现实系统100呈现给用户110的人工现实内容122的各方面交互和/或控制由人工现实系统100呈现给用户110的人工现实内容122的各方面。
在该示例中，控制台106被示出为单个计算设备，例如游戏控制台、工作站、台式计算机或膝上型计算机。在其他示例中，控制台106可以分布在多个计算设备上，例如分布式计算网络、数据中心或云计算系统。如本示例所示，控制台106、HMD 112和传感器90可以经由网络104通信耦合，网络104可以是有线或无线网络，例如Wi-Fi、网状网络或短程无线通信介质、或其组合。尽管在该示例中HMD 112被示出为与控制台106通信，例如，连接到(tethered to)控制台106或与控制台106无线通信，但在一些实施方式中，HMD 112作为独立的、移动的人工现实系统操作，并且人工现实系统100可以省略控制台106。
通常，人工现实系统100渲染人工现实内容122以在HMD 112处显示给用户110。在图1的示例中，用户110观看由在HMD 112和/或控制台106上执行的人工现实应用进行构造和渲染的人工现实内容122。在一些示例中，人工现实内容122可以是完全人工的，即，与用户110所在的环境不相关的图像。在一些示例中，人工现实内容122可以包括真实世界图像(例如，用户110的手、(一个或多个)控制器114、用户110附近的其他环境对象)和虚拟对象的混合，以产生混合现实和/或增强现实。在一些示例中，虚拟内容项(item)可以被映射(例如，固定、锁定、放置)到人工现实内容122内的特定位置，例如，相对于真实世界图像。虚拟内容项的位置可以是固定的，例如相对于墙壁或地面中的一个。虚拟内容项的位置可以是可变的，例如相对于(一个或多个)控制器114或用户。在一些示例中，虚拟内容项在人工现实内容122内的特定位置与真实世界、物理环境内的位置(例如，在物理对象的表面上)相关联。
在操作期间，人工现实应用通过跟踪和计算参考系的姿势信息，来构造人工现实内容122以显示给用户110，参考系通常是HMD 112的观察视角。使用HMD 112作为参考系，并且基于通过HMD 112的当前估计姿势进行确定的当前视场，人工现实应用渲染3D人工现实内容，在一些示例中，该内容可以至少部分地覆盖在用户110的真实世界的3D物理环境上。在这个过程中，人工现实应用使用从HMD 112接收的感测数据，例如移动信息和用户命令，并且在一些示例中，使用来自任何外部传感器90(例如，外部相机)的数据，以捕获真实世界、物理环境内的3D信息，例如用户110的运动和/或关于用户110的特征跟踪信息。基于感测到的数据，人工现实应用确定HMD 112的参考系的当前姿势，并且根据当前姿势来渲染人工现实内容122。
人工现实系统100可以基于用户110的当前视场130触发虚拟内容项的生成和渲染，当前视场130可以通过用户的实时注视跟踪或其他条件来确定。更具体地，HMD 112的图像捕获设备138捕获表示在图像捕获设备138的视场130内的真实世界、物理环境中的对象的图像数据。视场130通常对应于HMD 112的观察视角。在一些示例中，人工现实应用呈现包括混合现实和/或增强现实的人工现实内容122。人工现实应用可以例如在人工现实内容122内渲染真实世界对象的图像，该真实世界对象例如在沿虚拟对象的视场130内的外围设备136、用户110的手132和/或手臂134的部分。在其他示例中，人工现实应用可以在人工现实内容122内渲染视场130内的外围设备136、用户110的手132和/或手臂134的部分的虚拟表示(例如，将真实世界对象渲染为虚拟对象)。在任一示例中，用户110能够在人工现实内容122内观看他们的手132、手臂134、外围设备136和/或在视场130内的任何其他真实世界对象的部分。在其他示例中，人工现实应用可以不渲染用户110的手132或手臂134的表示。
为了向用户110提供舒适的观看体验，HMD 112可以包括透镜系统，该透镜系统用于将由HMD 112的显示设备输出的光聚焦在用户110的眼睛处。为了进一步提高用户舒适度并且减少用户110在使用HMD 112时可能会体验到的聚散度适应冲突，HMD 112的光学组件或系统可以包括变焦光学组件，该变焦光学组件通过改变焦点状态来改变图像的表观深度。尽管这可以减少聚散度适应冲突，但用户110可能仍需要佩戴处方光学器件(例如，处方眼镜)以补偿像散和其他高阶像差。佩戴处方光学器件可能会干扰HMD 112的适配性，从而降低用户110的舒适度。
根据本公开的技术，HMD 112包括提供光焦度和高阶像差校正的自由形式变焦光学组件。自由形式变焦光学组件可以包括多个光学模块，每个光学模块与对应Zernike多项式相关联。每个光学模块可以包括多个偏振敏感透镜元件，例如Pancharatnam-Berry相位(PBP；也称为几何相位)透镜、偏振敏感全息图(PSH)透镜和/或超材料(例如，超表面)。通过控制入射在每个相应透镜元件上的光的偏振、和/或透镜元件的状态，自由形式变焦光学系统的光学模块可以被控制为具有与对应Zernike多项式相关联的、所选择的光功率。在一些示例中，除了光学模块之外，自由形式变焦光学组件可以包括一个或多个液体透镜、一个或多个可移动的传统透镜、一个或多个薄饼型透镜(pancake lens)、或其组合。在一些示例中，每个光学模块与单个Zernike多项式相关联。在一些示例中，每个光学模块与两个或更多个Zernike多项式相关联。
另外，通过控制偏振敏感透镜元件内的液晶(LC)分子的指向矢的取向(例如，在偏振敏感透镜元件的制造期间)，偏振敏感透镜元件可以被配置为提供所选择的类型的透镜化(lensing)。通过控制超材料的结构，可以实现类似的效果。因此，自由形式变焦光学系统内的透镜可以具有以被配置为提供球面透镜化的图案进行定向的LC指向矢，而其他透镜可以具有以被配置为沿所选择的轴提供柱面透镜化以补偿像散的图案进行定向的LC指向矢，还有一些透镜可以具有以用于补偿高阶像差的图案进行定向的LC指向矢。通过包括具有对于多个光学模块中的每个光学模块可控制的光功率的自由形式变焦光学系统，本文所述的自由形式变焦光学系统或组件可以提供所选择的光功率的像差补偿，而不需要用户110佩戴处方光学器件，从而在使用HMD 112时增加用户110的舒适度和改进用户110的体验。替代地，自由形式变焦光学系统可以用在任何所选择的光学系统中，以基于输入波前输出所选择的波前。
图2A是描绘根据本公开中描述的技术的、包括提供像差补偿的自由形式变焦光学系统的示例性HMD 112的图示。图2A的HMD 112可以是图1的HMD 112的示例。HMD 112可以是人工现实系统(例如图1的人工现实系统100)的一部分，或者可以作为被配置为实现本文所述的技术的独立的、移动的人工现实系统进行操作。
在该示例中，HMD 112包括前刚性体和用于将HMD 112固定到用户的带。此外，HMD112包括面向内部的电子显示器203，电子显示器203被配置为经由自由形式变焦光学系统205向用户呈现人工现实内容。电子显示器203可以是任何合适的显示技术，如上所述。在一些示例中，电子显示器是用于向用户的每只眼睛提供单独图像的立体显示器。在一些示例中，当跟踪HMD 112的位置和取向以根据HMD 112和用户的当前观看视角渲染人工现实内容时，显示器203相对于HMD 112的前刚体的已知取向和位置被用作参考系，也称为局部原点。在其他示例中，HMD 112可以采取其他可佩戴头戴式显示器的形式，例如眼镜或护目镜。
自由形式变焦光学系统205包括光学元件，该光学元件被配置为管理由电子显示器203输出的光以供HMD 112的用户(例如，图1的用户110)观看。例如，光学元件可以包括一个或多个透镜、一个或多个衍射光学元件、一个或多个反射光学元件、一个或多个波导等，其操纵(例如，聚焦、散焦、反射、折射、衍射等)由电子显示器203输出的光。例如，自由形式变焦光学系统205可以是本文参考图1、图6、图7和图8描述的任何自由形式变焦光学系统。
如图2A进一步所示，在该示例中，HMD 112还包括一个或多个运动传感器206，例如输出指示HMD 112的当前加速度的数据的一个或多个加速度计(也称为惯性测量单元或“IMU”)、输出指示HMD 112的位置的数据的GPS传感器、输出指示HMD 112与各种物体的距离的数据的雷达或声纳、或提供HMD 112或物理环境内的其他物体的位置或取向的指示的其他传感器。此外，HMD 112可以包括集成的图像捕获设备138A和138B(统称为“图像捕获设备138”)，例如摄像机、激光扫描仪、多普勒雷达扫描仪、深度扫描仪等，图像捕获设备138A和138B被配置为输出表示物理环境的图像数据。更具体地，图像捕获设备138捕获表示图像捕获设备138的视场130A、130B内的物理环境中的对象(包括外围设备136和/或手132)的图像数据，这通常与HMD 112的观察视角相对应。HMD 112包括内部控制单元210，内部控制单元210可以包括内部电源和一个或多个印刷电路板，该印刷电路板具有一个或多个处理器、存储器和硬件以提供用于执行可编程操作以处理感测数据并且在显示器203上呈现人工现实内容的操作环境。
图2B是描绘根据本公开中描述的技术的另一示例性HMD 112的图示。如图2B所示，HMD 112可以采取眼镜的形式。图2A的HMD 112可以是图1的HMD 112的示例。HMD 112可以是人工现实系统(例如图1的人工现实系统100)的一部分，或者可以作为被配置为实现本文所述的技术的独立的、移动的人工现实系统进行操作。
在该示例中，HMD 112是包括前框架的眼镜，该前框架包括允许HMD 112搁置在用户的鼻子上的鼻梁(bridge)和在用户的耳朵之上延伸以将HMD 112固定到用户的镜腿(或“臂”)。此外，图2B的HMD 112包括被配置为向用户呈现人工现实内容的一个或多个面向内部的电子显示器203A和203B(统称为“电子显示器203”)、以及被配置为管理由面向内部的电子显示器203输出的光的一个或多个自由形式变焦光学系统205A和205B(统称为“自由形式变焦光学系统”205)。在一些示例中，当跟踪HMD 112的位置和取向以根据HMD 112和用户的当前观看视角渲染人工现实内容时，显示器203相对于HMD 112的前框架的已知取向和位置被用作参考系，也称为局部原点。
如图2B进一步所示，在该示例中，HMD 112还包括一个或多个运动传感器206、一个或多个集成图像捕获设备138A和138B(统称为“图像捕获设备138”)、可以包括内部电源和一个或多个印刷电路板的内部控制单元210、该印刷电路板具有一个或多个处理器、存储器和硬件以提供用于执行可编程操作以处理感测数据并且在显示器203上呈现人工现实内容的操作环境。
图3是示出根据本公开中描述的技术的、包括控制台106和HMD 112的人工现实系统的示例性实施方式的框图。在图3的示例中，控制台106基于从HMD 112和/或外部传感器接收的、诸如运动数据和图像数据的感测数据，为HMD 112执行姿势跟踪、手势检测以及用户界面生成和渲染。
在该示例中，HMD 112包括一个或多个处理器302和存储器304，在一些示例中，处理器302和存储器304提供用于执行操作系统305的计算机平台，操作系统305例如可以是嵌入式实时多任务操作系统或其他类型的操作系统。进而，操作系统305提供用于执行一个或多个软件部件(software component)307的多任务操作环境，包括应用引擎340。如图2A和图2B所示，处理器302耦合到电子显示器203、运动传感器206、图像捕获设备138，并且在一些示例中，还耦合到光学系统205。在一些示例中，处理器302和存储器304可以是分离的、分立的部件。在其他示例中，存储器304可以是与处理器302并置在单个集成电路内的片上存储器。
通常，控制台106是计算设备，该计算设备处理从图像捕获设备138接收的图像和跟踪信息，以为HMD 112执行手势检测和用户界面和/或虚拟内容生成。在一些示例中，控制台106是单个计算设备，例如工作站、台式计算机、膝上型计算机或游戏系统。在一些示例中，控制台106的至少一部分(诸如处理器312和/或存储器314)可以分布在云计算系统、数据中心上、或网络上，例如互联网、另一公共或私人通信网络，例如宽带、蜂窝、Wi-Fi和/或其他类型的通信网络，以在计算系统、服务器与计算设备之间传输数据。
在图3的示例中，控制台106包括一个或多个处理器312和存储器314，在一些示例中，处理器312和存储器314提供用于执行操作系统316的计算机平台，操作系统316例如可以是嵌入式实时多任务操作系统或其他类型的操作系统。进而，操作系统316提供用于执行一个或多个软件部件317的多任务操作环境。处理器312耦合到一个或多个I/O接口315，I/O接口315提供用于与外部设备通信的一个或多个I/O接口，诸如键盘、(一个或多个)游戏控制器、(一个或多个)显示设备、(一个或多个)图像捕获设备、(一个或多个)HMD、(一个或多个)外围设备等。此外，一个或多个I/O接口315可以包括用于与诸如网络104的网络通信的一个或多个有线或无线网络接口控制器(NIC)。
控制台106的软件应用317操作以提供整体人工现实应用。在该示例中，软件应用317包括应用引擎320、渲染引擎322、手势检测器324、姿势跟踪器326和用户界面引擎328。
通常，应用引擎320包括提供和呈现人工现实应用的功能，例如电话会议应用、游戏应用、导航应用、教育应用、培训或模拟应用等。应用引擎320可以包括例如用于在控制台106上实现人工现实应用的一个或多个软件包、软件库、硬件驱动器和/或应用程序接口(API)。响应于应用引擎320的控制，渲染引擎322生成3D人工现实内容以由HMD 112的应用引擎340显示给用户。
应用引擎320和渲染引擎322根据参考系的当前姿势信息构造人工内容以显示给用户110，参考系通常是由姿势跟踪器326确定的HMD 112的观察视角。基于当前观察视角，渲染引擎322构造3D人工现实内容，在某些情况下，该内容可以至少部分地覆盖在用户110的真实世界3D环境上。在这个过程中，姿势跟踪器326对从HMD 112接收的、诸如运动信息和用户命令的感测数据进行操作，并且在一些示例中，对来自诸如外部相机的任何外部传感器90(图1)的数据进行操作，外部传感器90用于捕获真实世界环境内的3D信息，例如用户110的运动和/或关于用户110的特征跟踪信息。基于感测到的数据，姿势跟踪器326确定HMD112的参考系的当前姿势，并且根据当前姿势，构造用于经由一个或多个I/O接口315与HMD112通信以显示给用户110的人工现实内容。
姿势跟踪器326可以确定HMD 112的当前姿势，并且根据当前姿势，触发与任何渲染的虚拟内容相关联的某些功能(例如，将虚拟内容项放置到虚拟表面(virtualsuraface)上，操纵虚拟内容项，生成和渲染一个或多个虚拟标记，生成和渲染激光指示符(laser pointer))。在一些示例中，姿势跟踪器326检测HMD 112是否接近与虚拟表面(例如，虚拟钉板)相对应的物理位置，以触发虚拟内容的渲染。
用户界面引擎328被配置为生成用于在人工现实环境中渲染的虚拟用户界面。用户界面引擎328生成虚拟用户界面以包括一个或多个虚拟用户界面要素329，例如虚拟绘图界面、可选择的菜单(例如，下拉菜单)、虚拟按钮、方向键、键盘或其他用户可选择的用户界面要素、字形、显示要素、内容、用户界面控件等。
控制台106可以经由通信信道将该虚拟用户界面和其他人工现实内容输出到HMD112以在HMD 112处显示。
基于来自任何图像捕获设备138或其他传感器设备的感测数据，手势检测器324分析控制器114和/或用户110的对象(例如，手、手臂、手腕、手指、手掌、拇指)的跟踪运动、配置、位置和/或取向，以标识有用户110执行的一个或多个手势。更具体地，手势检测器324分析在由HMD 112的图像捕获设备138和/或传感器90和外部相机102捕获的图像数据内识别的对象，以标识(一个或多个)控制器114和/或用户110的手和/或手臂，并且跟踪(一个或多个)控制器114、手和/或手臂相对于HMD 112的运动，以标识由用户110执行的手势。在一些示例中，手势检测器324可以基于捕获的图像数据来跟踪(一个或多个)控制器114、手、手指和/或手臂的运动，包括位置和取向的改变，并且比较对象的运动矢量与手势库330中的一个或多个条目，以检测由用户110执行的手势或手势组合。在一些示例中，手势检测器324可以接收由(一个或多个)控制器114的(一个或多个)存在敏感表面检测到的用户输入并且处理用户输入，以检测由用户110相对于(一个或多个)控制器114执行的一个或多个手势。
根据本文所述的技术，(一个或多个)自由形式变焦光学系统205可以被配置为还提供视力校正和视觉系统像差校正。例如，(一个或多个)自由形式变焦光学系统205可以包括球面透镜光学模块和像差补偿光学组件。球面透镜模块和像差补偿光学模块可以是本文所述的那些中的任何一个。(一个或多个)自由形式变焦光学系统205可以被配置为还从任意输入波前提供预定波前，例如，作为自适应光学器件。
图4是描绘根据本公开中描述的技术的其中HMD 112是独立的人工现实系统的示例的框图。在该示例中，像图3那样，HMD 112包括一个或多个处理器302和存储器304，在一些示例中，处理器302和存储器304提供用于执行操作系统305的计算机平台，操作系统305例如可以是嵌入式实时多任务操作系统或其他类型的操作系统。进而，操作系统305提供用于执行一个或多个软件部件417的多任务操作环境。此外，(一个或多个)处理器302耦合到(一个或多个)电子显示器203、(一个或多个)自由形式变焦光学系统205、运动传感器206、和图像捕获设备138。
在图4的示例中，软件部件417操作以提供整体人工现实应用。在该示例中，软件应用417包括应用引擎440、渲染引擎422、手势检测器424、姿势跟踪器426和用户界面引擎428。在各种示例中，软件部件417类似于图3的控制台106的配对部件(例如，应用引擎320、渲染引擎322、手势检测器324、姿势跟踪器326和用户界面引擎328)进行操作，以构造覆盖在人工内容上或作为人工内容的一部分以显示给用户110的虚拟用户界面。
类似于关于图3描述的示例，基于来自图像捕获设备138或102、(一个或多个)控制器114或其他传感器设备中的任何一个的感测数据，手势检测器424分析用户的(一个或多个)控制器114和/或对象(例如，手、手臂、手腕、手指、手掌、拇指)的跟踪运动、配置、位置和/或取向以标识用户110执行的一个或多个手势。
图5是示例性显示设备500的等距视图，显示设备500包括图2A-图4的(一个或多个)显示器203和(一个或多个)光学系统205的部件的示例。在一些示例中，显示设备500包括发光器件阵列510和自由形式变焦光学系统530。发光器件阵列510向观看用户发射图像光。发光器件阵列510可以是例如LED阵列、微型LED阵列、OLED阵列或其某种组合。发光器件阵列510包括发射可见范围内的光的发光器件520。
在一些示例中，显示设备500包括发射强度阵列，该发射强度阵列被配置为使从发光阵列510发射的光选择性地衰减。在一些示例中，发射强度阵列由多个液晶单元或像素、发光器件组或其某种组合组成。液晶单元中的每个液晶单元是、或者在一些示例中液晶单元组是可寻址的以具有特定水平的衰减。例如，在给定时间，一些液晶单元可以被设置为无衰减，而其他液晶单元可以被设置为最大衰减。以这种方式，发射强度阵列可以控制从发光器件阵列510发射的图像光的哪一部分被传递到自由形式变焦光学系统530。在一些示例中，显示设备500使用发射强度阵列来促进将图像光提供给用户眼睛540的瞳孔550的位置，并且使提供给眼盒(eyebox)中其他区域的图像光量。
自由形式变焦光学系统530从发射强度阵列(或直接从发射器件阵列510)接收图像光(例如，衰减的光)，并且将图像光聚焦到瞳孔550的位置，图像光在该位置处被眼睛340的晶状体342聚焦到视网膜344上。在将图像光聚焦到瞳孔550的位置的同时，自由形式变焦光学系统530可以提供球面、柱面和高阶的透镜化，以为用户提供像差补偿。
在一些示例中，显示设备500包括与多个滤色器耦合的一个或多个宽带源(例如，一个或多个白色LED)，作为发光器件阵列510的补充或替代。
自由形式变焦光学系统530包括多个偏振敏感透镜元件，例如由液晶形成的透镜。由液晶形成的偏振敏感透镜元件的示例包括PBP透镜(也称为几何相位透镜)和/或PSH透镜。合适的偏振敏感透镜元件的另一示例包括超材料或超表面。偏振敏感透镜元件对于具有不同偏振的入射光可以表现出不同的光功率。通过控制入射在每个相应透镜上的光的偏振、和/或透镜的状态，光学系统可以被控制为具有所选择的总光功率。通过包括多个光学模块，每个相应光学模块与对应透镜化效应相关联，光学系统可以被控制为具有与每个透镜化效应(例如，倾斜(tilt)、球面(spherical)、柱面(cylindrical)、彗差、三叶形、四叶形、次级像散等)相关联的、所选择的总光功率。以这种方式，光学系统可以是自由形式变焦光学系统。
如上面关于图1所述，自由形式变焦光学系统530可以包括像差补偿光学组件和球面透镜光学模块。像差补偿光学组件可以包括多个像差补偿光学模块。每个像差补偿光学模块可以包括至少一个偏振敏感透镜元件。在像差补偿光学组件中，偏振敏感透镜元件可以被配置(例如，基于透镜内的液晶指向矢的图案)以呈现沿所选择的轴的像差补偿透镜化。例如，一些偏振敏感透镜元件可以被配置为补偿第一轴上的特定像差(例如，垂直像散、垂直三叶形、垂直彗差等)，并且一些偏振敏感透镜元件可以被配置为补偿第二轴上的特定像差(例如，偏斜像散、偏斜三叶形、偏斜彗差等)。至少一些偏振敏感透镜元件可以被配置有不同的光功率，例如，通过选择液晶指向矢的图案。例如，偏振敏感透镜元件可以具有大约为2的幂的光功率(例如，20＝1屈光度、2-1＝0.5屈光度和2-2＝0.25屈光度)。
在一些示例中，自由形式变焦光学系统530可以被配置为使显示设备500的出射光瞳转向。例如，自由形式变焦光学系统530可以包括与一阶倾斜(tilt)和倾侧(tip)Zernike多项式相关联的像差补偿光学模块，如下文关于图11所述。因此，自由形式变焦光学系统530可以经由倾斜垂直地移动图像点，并且经由移动水平地移动图像点。这样的图像点可以包括发光器件阵列510的图像，并且还可以包括显示设备500的光阑(换言之，显示设备500的出射光瞳)的图像。此外，自由形式变焦光学系统530可以包括与二阶Zernike多项式相关联的像差补偿模块，例如散焦，如下面关于图11所述。如此，自由形式变焦光学系统530可以移动图像点的轴向位置。这样的图像点可以包括显示设备500的光阑(例如，显示设备500的出射光瞳)的图像。对于包括与至少一阶和二阶Zernike多项式相关联的像差补偿的自由形式变焦光学系统530，自由形式变焦光学系统530可以被配置为垂直地和/或水平地移动出射光瞳，例如，自由形式变焦光学系统530可以被配置为根据用户眼睛的运动，来使显示设备500的出射光瞳转向，并且自由形式变焦光学系统530还可以被配置为覆盖光瞳转向的出瞳距离(eye-relief)变化，其中散焦可以根据轴向方向上的出瞳距离变化。
此外，在一些示例中，自由形式变焦光学系统530可以被配置为校正由光瞳转向引起的像差并且避免或减少例如由于在光瞳转向时出射光瞳形状的变化而引起的渐晕。例如，变焦光学系统530可以包括与高阶(例如第三、第四、第五等等)像差相关联的像差补偿模块，如下面关于图11所述。因此，变焦光学系统530可以校正由光瞳转向引起的像差。
光学模块还可选地可以包括多个可切换偏振控制光学部件，例如可切换延迟器。例如，可切换半波片可以被定位在对应偏振敏感透镜元件之前，以控制入射在对应偏振敏感透镜元件上的光的偏振。通过控制可切换半波片的状态，可以控制入射在对应透镜上的光的偏振，从而将对应透镜的光功率控制在第一偏振(例如，右圆偏振)光的第一功率与第二偏振(例如，左圆偏振)光的第二、不同功率(例如，第一功率的负值)之间。通过包括具有不同光功率的多个偏振敏感透镜元件并且控制多个可切换偏振控制光学部件，并且可选地控制偏振敏感透镜元件，可以产生提供光焦度和像差补偿的自由形式变焦光学系统530。
显示设备500耦合到一个或多个处理器560。(一个或多个)处理器560被配置为控制发光器件阵列510显示图像，并且被配置为控制自由形式变焦光学系统530设置自由形式变焦光学系统530的焦距。(一个或多个)处理器560可以表示本文中描述的任何处理器，包括图3和图4所示的处理器302和312。(一个或多个)处理器560可以包括专用或其他控制电路、用于执行指令的处理核心、分立逻辑或其他硬件元件。
如上所述，变焦光学组件可以包括像差补偿组件和至少一个球面透镜模块。至少一个球面透镜模块可以包括例如一个或多个液体透镜；一个或多个可移动的常规透镜、和/或多个光学元件，包括PBP透镜、PSH透镜、超材料、超表面或其组合。
图6示出了示例性光学模块600的操作，光学模块600可以是图5的光学组件530的一部分，或者是图2A-图4中的(一个或多个)光学系统205的一部分。光学模块600可以与任何所选择的像差或对应透镜化效应相关联，例如倾斜、倾侧(水平倾斜)、聚焦/散焦、柱面聚焦(像散)、三叶形、彗差、四叶形、次级像散等，并且可以包括对应偏振敏感透镜元件。仅为了便于参考，参考球面透镜化描述图6所示的示例，并且类似的概念可以应用于其他类型的像差和透镜化。如图6所示，光学模块600包括被配置为以各种光功率透射光(例如，光604A-604Q)的多个连续的光学级602A、602B、……、602N(在本文中也称为“光学级602”)。除去第一光学级602A，连续的光学级中的每个相应光学级接收从前一级输出的入射光。例如，如图所示，第二光学级602B接收从第一级602A输出的光604C。在一些示例中，连续的光学级602中的每个相应级可配置为处于包括第一状态和第二状态在内的多个状态中的任何一个状态。在第一状态下，相应光学级对于第一偏振光具有第一相应光功率，并且对于与第一偏振正交的第二偏振光具有第二相应光功率，第二相应光功率与第一相应光功率不同。在第二状态下，相应光学级对于第一偏振光具有第三光功率，并且对于第二偏振光具有第四光功率。结果，光学模块600的总光功率通过配置连续的光学级602中的一个或多个而可变。
光学模块600可以被配置为具有对于两个光学级(例如，n＝2)可以处于至少两个不同光功率水平中的任何水平的总光功率。通过增加更多的光学级，总光功率可以有更大数量的不同的光功率水平。在一些示例中，光学模块600还可以包括在第一光学级之前的一个或多个光学元件606和/或在最后的光学级602N之后的一个或多个光学元件608。
每个光学级602可以包括至少一个光学元件。例如，光学级可以包括一对光学元件。图7是示例性光学级602的概念图，光学级602包括第一光学元件712和与第一光学元件712光学串联的第二光学元件714。
第一光学元件712经由控制器716可配置为处于第一光学元件状态或第二光学元件状态。控制器716是图5所示的(一个或多个)处理器560的示例。第一光学元件712可以是可切换的光学延迟器，例如可切换的半波片。在第一光学元件状态(例如，“关闭”状态)下，第一光学元件712可以被配置为将第一偏振光或第二偏振光分别转换为第二偏振光或第一偏振光。第一偏振可以与第二偏振基本正交(例如，正交或几乎正交)。在第二光学元件状态(例如，“开启”状态)下，第一光学元件712透射入射光而不改变光的偏振。例如，当控制器716将第一光学元件712设置为处于第一状态时(例如，通过不施加跨第一光学元件712的电压)，入射到第一光学元件712上的左旋圆偏振(LCP)光将作为右旋圆偏振(RCP)光被输出，反之亦然。相反，当控制器716将第一光学元件712设置为处于第二状态(例如，通过施加跨第一光学元件712的电压)时，入射到第一光学元件712上的光将被透射而不改变其偏振(例如，LCP光保持LCP和RCP光保持RCP)。
第一光学元件712可以包括液晶(LC)单元，例如向列LC单元、具有手性掺杂剂(chiral dopant)的向列LC单元、手性(chiral)LC单元、均匀螺旋(ULH)、LC单元、铁电LC单元、pi单元等。在其他示例中，LC单元包括电驱动双折射材料。
第二光学元件714被配置为接收被透射通过第一光学元件712的光。第二光学元件714可以是透镜光学元件(例如，透镜或超材料/超表面)。在一些示例中，第二光学元件714是偏振敏感光学元件或偏振选择光学元件。例如，第二光学元件714可以包括PBP透镜(也称为几何相位透镜)、PSH透镜(例如，偏振体全息(PVH)透镜)、超材料透镜或超表面透镜中的一种或多种。关于PBP透镜和PSH透镜的细节将在下面参考图8A-图8D和图9A-图9D提供。
第二光学元件714可以是无源的(例如，未连接到被配置为选择性地向第二光学元件714施加电压以改变第二光学元件714的属性的控制器718)或有源的(例如，连接到被配置为选择性地向第二光学元件714施加电压以改变第二光学元件714的属性的控制器718)。在第二光学元件714是无源的示例中，第二光学元件714对于第一偏振光具有第一光功率，并且对于第二偏振光的具有不同于第一光功率的第二光功率。在一些示例中，第二相应光功率小于第一相应光功率。例如，第二相应光功率可以为零。例如，第二光学元件714可以对于RCP光表现出非零的第一光功率，并且被配置为将RCP光转换为LCP光，同时会聚或发散(取决于第一光功率)RCP光。第二光学元件714可以被配置为透射LCP光而不聚焦或改变LCP光的偏振。
在其他示例中，第二相应光功率在量值上与第一相应光功率大约相等，但与第一相应光功率在符号(效果)上相反。例如，第二光学元件714可以用作对于作为RCP的入射光具有+0.5屈光度的光功率的正透镜，并且可以用作对于作为LCP的入射光具有-0.5屈光度的光功率的负透镜。因此，第二光学元件714的光功率以及因此光学级602的光功率可以基于第一光学元件712的状态和入射到光学级602的光的偏振。
在一些示例中，第二光学元件714是有源光学元件，该有源光学元件经由控制器718可配置为处于第三光学元件状态(例如，“关闭”状态)或第四光学元件状态(例如，“开启”状态)。控制器718可以是图5所示的(一个或多个)处理器560的示例。在第三光学元件状态下，有源第二光学元件714被配置为对于具有第一偏振的入射光具有第一相应光功率，并且对于具有第二偏振的入射光具有第二相应光功率，如上文关于第二光学元件714是无源的示例所述。在第四光学元件状态下，有源第二光学元件714被配置为具有零光功率，并且被配置为透射入射光而不施加光功率，与入射光的偏振无关。结果，包括第一光学元件712和有源第二光学元件714的光学级602可以根据第一光学元件712和有源第二光学元件714的状态呈现多于两种不同的状态，例如，用于聚焦入射光的加法状态(additive state)、用于散焦入射光的减法状态(subtractive state)、以及不施加光功率的中性状态，而与入射光的偏振无关。
在一些示例中，第二光学元件714是接合到或形成在第一光学元件712的表面上的薄膜。
第二光学元件714具有相关联的光功率(或多个相关联的光功率)，该相关联的光功率可以与其他光学级602中的第二光学元件相同或不同。在一些示例中，第二光学元件714的光功率的(一个或多个)量值不大于2.0屈光度(例如，光功率不大于-2屈光度或+2屈光度)。在一些示例中，第二光学元件714的光功率的(一个或多个)量值是2的幂(例如，21＝2屈光度，20＝1屈光度，2-1＝0.5屈光度，2-2＝0.25屈光度，2-3＝0.125屈光度等)。
在一些示例中，连续的光学级602(图6)中的光学级仅包括第一光学元件712和有源第二光学元件714中的一个。例如，连续的光学级702中的光学级可以包括有源第二光学元件714而不包括第一光学元件712。
因此，控制器716和718(它们是图5的(一个或多个)处理器560的示例)可以通过控制光学模块600的光学级602的相应状态，来控制用于变焦光学组件530(图5)的一种或多种类型的像差补偿的总光功率，如关于图7所述。
图8A-图8D是示出根据一些示例的、被配置为呈现球面透镜化的Pancharatnam-Berry相位(PBP)透镜800的示意图。在一些示例中，如上文关于图6和图7所述，自由形式变焦光学组件600中的光学级602的第二光学元件714包括PBP透镜800。在一些示例中，PBP透镜800是包括液晶层的液晶光学元件。在一些示例中，PBP透镜800包括其他类型的子结构的层，该子结构例如由高折射率材料组成的纳米柱。
PBP透镜800部分地基于入射光的偏振来增加或去除球面光功率。例如，如果RCP光入射在PBP透镜800上，则PBP透镜800用作正透镜(即，它使光会聚)。如果LCP光入射在PBP透镜800上，则PBP透镜800用作负透镜(即，它使光发散)。PBP透镜800还将光的旋向性(handedness)改变为正交旋向性(例如，将LCP改变为RCP，反之亦然)。PBP透镜也是波长选择性的。如果入射光处于被设计波长，则LCP光被转换为RCP光，反之亦然。相反，如果入射光具有在被设计波长范围之外的波长，则光的至少一部分被透射而没有偏振改变并且没有聚焦或会聚。PBP透镜可能具有较大的孔径尺寸并且可以用非常薄的液晶层制成。PBP透镜的光学属性(例如，聚焦能力或衍射能力)基于液晶分子的方位角(θ)的变化。例如，对于PBP透镜，液晶分子的方位角θ基于等式(1)确定：
Figure BDA0003735695660000231
其中r表示液晶分子与PBP透镜的光学中心之间的径向距离，f表示焦距，并且λ表示PBP透镜被设计用于的光的波长。在一些示例中，液晶分子在x-y平面中的方位角从光学中心到PBP透镜的边缘增加。液晶指向矢图案(例如，液晶方位角的图案)可以与第一Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000232
相关联，如下文更详细描述的。在一些示例中，如等式(1)所表示的，相邻液晶分子之间的方位角的增加速率也随着距PBP透镜800的光学中心的距离而增大。PBP透镜800基于图8A的x-y平面中液晶分子的取向(即，方位角θ)，创建相应透镜轮廓。相比之下，(非PBP)液晶透镜经由双折射属性(液晶分子离开x-y平面而定向，例如，与x-y平面的非零倾斜角)和液晶层的厚度，创建透镜轮廓。
图8A示出了PBP透镜800的三维视图，其中入射光804沿z轴进入透镜。
图8B示出了PBP透镜800的x-y平面图，PBP透镜800具有各种取向的多个液晶(例如，液晶802A和802B)。液晶的取向(即，方位角θ)沿A与A'之间的参考线从PBP透镜800的中心朝向PBP透镜800的外围变化。
图8C示出了PBP透镜800的x-z截面图。如图8C所示，液晶(例如，液晶802A和802B)的取向沿z方向保持恒定。图8C示出了具有沿z轴的恒定取向和双折射厚度(Δn×t)的PBP结构的示例，该双折射厚度在理想情况下是被设计波长的一半，其中Δn是液晶材料的双折射率，并且t是PBP透镜800的液晶材料的物理厚度。
在一些示例中，PBP光学元件(例如，透镜、光栅)可以具有不同于图8C所示的液晶结构的液晶结构。例如，PBP光学元件可以包括沿z方向的双扭曲液晶结构。在另一示例中，PBP光学元件可以包括沿z方向的三层交替结构，以便在宽光谱范围内提供消色差响应。
图8D示出了液晶沿图8B所示的A与A'之间的参考线的详细平面图。间距806定义为沿x轴、在其处液晶的方位角θ旋转了180度的距离。在一些示例中，间距806根据距PBP透镜800的中心的距离而变化。在球面透镜的情况下，液晶的方位角θ根据上面所示的等式(1)而变化。在这种情况下，透镜中心处的间距最长，而透镜边缘处的间距最短。
图9A-图9D是示出根据一些示例的、被配置为呈现球面透镜化的偏振敏感全息图(PSH)透镜的示意图。在一些示例中，如上文关于图6和图7所述，自由形式变焦光学系统600中的光学级602的第二光学元件714包括PSH透镜900。PSH透镜900是液晶PSH透镜，该液晶PSH透镜包括被布置成螺旋结构的液晶层(例如，由胆甾相液晶形成的液晶)。像PBP透镜(以上关于图8A-图8D描述的)那样，PSH透镜900部分地基于入射光的偏振来增加或去除球面光功率。然而，PSH透镜900对于光的圆偏振是选择性的。当圆偏振光的状态(旋向性)与液晶层的螺旋扭曲相同时，PSH透镜900与圆偏振光相互作用，并且从而改变光的方向(例如，衍射光)。同时，在衍射光的同时，PSH透镜900也改变光的偏振。相反，PSH透镜900透射具有相反圆偏振的光而不改变其方向或偏振。例如，PSH透镜900可以将RCP光的偏振改变为LCP光，同时在透射LCP光的同时使光聚焦或散焦而不改变其偏振或方向。PSH透镜900的光学属性(例如，聚焦能力或衍射能力)基于液晶分子方位角的变化。此外，PSH的光学属性基于液晶的螺旋轴和/或螺旋间距。
图9A示出了PSH透镜800的三维视图，其中入射光904沿z轴进入透镜。图9B示出了PSH透镜900的x-y平面图，PSH透镜900具有各种取向的多个液晶(例如，液晶902A和902B)。液晶的取向(即，方位角θ)沿B与B'之间的参考线从PSH透镜900的中心朝向PSH透镜900的外围变化。
图9C示出了PSH透镜900的x-z截面图。如图9C所示，与关于图8C描述的PBP透镜800形成对比，PSH透镜900的液晶(例如，图9B中的液晶902A和902B)被布置成螺旋结构918。螺旋结构918具有平行于z轴对齐的螺旋轴。随着相应液晶在x-y平面上的方位角变化，螺旋结构创建具有形成摆线图案的多个衍射平面(例如，平面920A和920B)的体光栅。在PSH透镜900的体积中定义的衍射平面(例如，布拉格衍射平面)是周期性变化的折射率的结果。螺旋结构或螺旋扭曲918定义了PSH透镜900的偏振选择性，因为具有与螺旋扭曲相对应的圆偏振旋向性的光被衍射，而具有相反旋向性的圆偏振光不被衍射。螺旋结构918还定义了PSH透镜900的波长选择性，因为螺距922确定哪个(或哪些)波长被PSH透镜900衍射(具有其他波长的光不被衍射)。例如，对于PSH透镜，PSH透镜将衍射的光的被设计波长基于等式(2)确定：
λ＝2neffPz (2)
其中λ表示PSH透镜900被设计用于的光的波长，Pz是螺距922的距离，并且neff是作为双折射介质的液晶介质的有效折射率。螺距是指当螺旋状物沿螺旋轴(例如，图9C中的z轴)转180度时的距离。双折射液晶介质的有效折射率基于等式(3)确定：
Figure BDA0003735695660000251
其中n0是双折射介质的常折射率(ordinary refractive index)，并且ne是双折射介质的非常折射率(extraordinary refractive index)。
图9D示出了液晶沿图9B中的B与B'之间的参考线的详细平面图。间距906定义为沿x轴在其处液晶的方位角从初始取向旋转了180度的距离。在一些实施例中，间距906根据距PSH透镜900中心的距离而变化。在球面透镜的情况下，液晶的方位角根据上面所示的等式(1)而变化。在这种情况下，透镜中心处的间距最长，而透镜边缘处的间距最短。
图10示出了透射通过球面透镜光学模块1000的光的光学路径，球面透镜光学模块1000是以上在图6和图7中描述的光学模块600的示例。如图所示，在该示例中，球面透镜光学模块1000包括具有光学级1020A、1020B和1020C的三级光学堆叠体。
第一光学级1020A被配置为接收具有第一发散度的第一光1021。第一光1021透射通过光学堆叠体并且从最后的光学级1020C作为具有不同于第一发散度的第二发散度的第二光1022被输出。在一些示例中，第二发散度小于第一发散度(例如，第二光比第一光更准直)。
在图10的示例中，第一控制器1014A将第一光学级1020A的第一光学元件1010A设置为处于第一状态(“关闭”状态)。因此，第一光学元件1010A接收具有左旋圆偏振(LCP)的第一光1021并且将LCP第一光1021转换为具有右旋圆偏振(RCP)的光1022。第一光学级1020A的第二光学元件1012A接收具有第一发散度的RCP光1022并且将RCP光1022转换为具有LCP的第三光1023，同时聚焦它，从而得到具有小于第一发散度的第三发散度的第三光1023(例如，第二光学元件1012A用作会聚透镜，并且因此RCP光1022被转换为更会聚的LCP第三光1023)。
在图10的示例中，第二控制器1014B已经将第二光学级1020B的第一光学元件1010B设置为处于第二状态(“开启”状态)。因此，第二光学元件1010B接收从第一光学级1020A输出的LCP第三光1023，并且将LCP第三光1023作为LCP光1024透射而不改变偏振。第二光学级1020B的第二光学元件1012B接收具有第三发散度的LCP光1024并且将LCP光1024转换为RCP第四光1025，同时发散它，从而得到具有大于第三发散度的第四发散度的第四光1025(例如，第二光学元件1012B用作发散透镜，并且因此光1024被转换为更发散的RCP第四光1025)。
在图10的示例中，第三控制器1014C已经将第三和最后的光学级1020C的第一光学元件1010C设置为处于第二状态(“开启”状态)。因此，第一光学元件1010C接收从第二光学级1020B输出的RCP第四光1025，并且将RCP第四光1025作为RCP光1026透射。第二光学元件1012C接收具有第四发散度的RCP光1026并且将RCP光1026转换为LCP第五光1027，同时会聚它，从而得到具有小于第四发散度的第五发散度的LCP第五光1027(例如，第二光学元件1012C用作会聚透镜，并且因此RCP光1026被转换为更会聚的LCP第五光1027)。由于第三光学级是光学堆叠体中的最后的光学级，因此具有第五发散度的第五光1027对应于(例如，相同于)从输出端输出的光，如上所述。
因此，附加光学级1020B被配置为从前一光学级1020A接收光并且将该光透射到下一光学级，使得从附加光学级输出的光具有与由该光学级接收的光的发散度不同的发散度。被透射光的发散度基于被接收光的发散度、被接收光的偏振、以及附加光学级的第一光学元件的状态来确定。
在一些示例中，球面透镜光学模块1000还可以在光学堆叠体的输入侧处包括第一偏振器1014。在一些示例中，第一偏振器1014是被配置为输出圆偏振光的圆偏振器。在一些示例中，第一偏振器1014是线性偏振器，并且四分之一波片耦合到第一偏振器1014以将从第一偏振器1014输出的线性偏振光转换为待入射到第一光学状态1020A上的圆偏振光。在一些示例中，模块1000在光学堆叠体的输出侧处还包括电耦合到控制器1017和第二偏振器1018的可切换延迟器1016。可切换延迟器1016具有与上面参考图7描述的第一光学元件712的光学属性相同(或相似)的光学属性，为简洁起见，此处不再赘述。在一些示例中，可切换延迟器1016是可切换半波片。在一些示例中，可切换延迟器1016和第二偏振器1018被配置为减少或消除与从球面透镜光学模块1000输出的期望光1029的旋向性相比具有相反旋向性的光泄漏。
光学像差可以定义为理想图像与通过光学系统处理的实际图像之间的差异。与理想图像相比，光学像差通过改变图像的大小和形状对图像质量产生负面影响，并且还可能使理想图像变得模糊，从而降低感知图像的分辨率。光学像差也可以定义为将物点映射到像平面中的理想像点的理想波前与其通过光学系统传播时的实际波前之间的差异。显示器观察者眼睛的角膜表面的光学属性和由折射误差导致的角膜像差可以用Zernike多项式的总和来描述，这些多项式被用作眼睛像差的数学蓝图。每个Zernike多项式或Zernike项(在本文中称为模式)描述了某种类型的形状、某个3D表面。二阶Zernike项表示常规角膜像差，例如散焦(球面校正)和像散。
图11说明了前21个Zernike多项式，垂直方向按径向度数排序，水平方向按方位角度数排序。一阶Zernike多项式1102包括Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000281
(倾斜，例如图像点的垂直移动)和Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000282
(倾侧，例如图像点的水平移动)。二阶Zernike多项式1102包括Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000283
(散焦)、
Figure BDA0003735695660000284
(偏斜像散，在θ＝45°和θ＝+225°处具有最大值并且在θ＝135°和θ＝315°处具有最小值)、和Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000285
(垂直像散，在θ＝0°和θ＝180°处具有最大值并且在θ＝90°和θ＝270°处具有最小值)。如图12所示，正交Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000286
和
Figure BDA0003735695660000287
的基于单位圆的展开可以表示为两条正交线，其中沿一条线的值的变化不会影响沿另一条线的值，从而提供轴向位置θ处的像散度数r的值。如此，诸如PBP透镜和/或PSH透镜的透镜可以被设计为具有与Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000288
和
Figure BDA0003735695660000289
相关联的LC分子指向矢取向图案，以通过组合偏斜和垂直像散补偿的不同光功率，来在所选择的角度和所选择的光功率下在变焦光学组件中提供像散补偿。例如，通过包括提供具有不同光功率的偏斜像散补偿的三个光学级和提供具有不同光功率的垂直像散补偿的三个光学级，像散补偿光学模块可以被配置为提供总共64个可能的像散补偿值(例如，各对柱面光功率和校正轴)。
三阶Zernike多项式1104包括Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000291
(垂直三叶形，在θ＝90°、210°和240°处具有最大值并且在θ＝45°、120°处具有最小值)、Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000292
(垂直彗差)、Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000293
(水平彗差)和Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000294
(偏斜三叶形，在θ＝0°、120°和240°处具有最大值并且在θ＝60°、180°和300°处具有最小值)。与上述二阶Zernike多项式一样，正交Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000295
和
Figure BDA0003735695660000296
可以表示为两条正交线，其中沿一条线的值的变化不会影响沿另一条线的值。如此，诸如PBP透镜和/或PSH透镜等透镜可以被设计为具有与
Figure BDA0003735695660000297
和
Figure BDA0003735695660000298
相关联的LC分子指向矢取向图案，以通过组合偏斜和垂直三叶形补偿、以及水平和垂直彗差补偿的不同光功率，来在所选择的角度和所选择的光功率下在变焦光学组件中分别提供三叶形和彗差补偿。
以同样的方式，诸如PBP透镜和/或PSH透镜的透镜可以被设计为具有与高阶像差相关联的LC分子指向矢取向图案，以在结合了相应偏斜、垂直和水平高阶像差以及高阶球面像差(例如，
Figure BDA0003735695660000299
其中n是正整数)的不同光学能力的自由形式变焦光学组件中提供补偿。
图13A示出了被配置为提供偏斜像散补偿的示例性PBP透镜1300的x-y平面图。PBP透镜1300基于液晶分子在图13A的x-y平面中的取向(即，方位角θ)创建透镜轮廓。PBP透镜1300包括多个液晶1302，液晶1302具有被布置成与Zernike多项式
Figure BDA00037356956600002910
相关联(例如，源自其)的图案的指向矢取向，Zernike多项式
Figure BDA00037356956600002911
具有由函数sin2θ指示的最大值和最小值。液晶1302被布置成透镜光以补偿偏斜像散。液晶1302沿z轴的取向可以与图8C所示的取向相似或基本相同。
图13B示出了被配置为提供垂直像散补偿的示例性PBP透镜1350的x-y平面图。PBP透镜1350基于液晶分子在图13B的x-y平面中的取向(即，方位角θ)创建透镜轮廓。PBP透镜1350包括多个液晶1352，液晶1352具有被布置成与Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000301
相关联(例如，源自其)的图案的指向矢取向，Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000302
具有由函数cos2θ指示的最大值和最小值。液晶1352被布置成透镜光以补偿垂直像散。液晶1352沿z轴的取向可以与图8C所示的取向相似或基本相同。
图13C示出了被配置为提供垂直三叶形补偿的示例性PBP透镜1500的x-y平面图。PBP透镜1500基于液晶分子在图13C的x-y平面中的取向(即，方位角θ)创建透镜轮廓。PBP透镜1500包括多个液晶1502，液晶1502具有被布置成与Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000303
相关联(例如，源自其)的图案的指向矢取向，Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000304
具有由函数sin3θ指示的最大值和最小值。液晶1502被布置成透镜光以补偿垂直三叶形。液晶1502沿z轴的取向可以与图8C所示的取向相似或基本相同。
图13D示出了被配置为提供偏斜三叶形补偿的示例性PBP透镜1600的x-y平面图。PBP透镜1600基于液晶分子在图13D的x-y平面中的取向(即，方位角θ)创建透镜轮廓。PBP透镜1600包括多个液晶1602，液晶1602具有被布置成与Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000305
相关联的(例如，源自其)的图案的指向矢取向，Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000306
具有由函数cos3θ指示的最大值和最小值。液晶1602被布置成透镜光以补偿偏斜三叶形。液晶1602沿z轴的取向可以与图8C所示的取向相似或基本相同。
图13E示出了被配置为提供垂直彗差补偿的示例性PBP透镜1700的x-y平面图。PBP透镜1700基于液晶分子在图13E的x-y平面中的取向(即，方位角θ)创建透镜轮廓。PBP透镜1700包括多个液晶1702，液晶1702具有被布置成与Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000307
相关联(例如，源自其)的图案的指向矢取向，Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000308
具有由函数sinθ指示的最大值和最小值。液晶1702被布置成透镜光以补偿垂直彗差。液晶1702沿z轴的取向可以与图8C所示的取向相似或基本相同。
图13F示出了被配置为提供水平彗差补偿的示例性PBP透镜1800的x-y平面图。PBP透镜1800基于液晶分子在图13F的x-y平面中的取向(即，方位角θ)创建透镜轮廓。PBP透镜1800包括多个液晶1802，液晶1802具有被布置成与Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000311
相关联的(例如，源自其)的图案的指向矢取向，Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000312
具有由函数cosθ指示的最大值和最小值。液晶1802被布置成透镜光以补偿水平彗差。液晶1802沿z轴的取向可以与图8C所示的取向相似或基本相同。
图13G示出了被配置为提供散焦补偿的示例性PBP透镜1900的x-y平面图。PBP透镜1900基于液晶分子在图13G的x-y平面中的取向(即，方位角θ)创建透镜轮廓。PBP透镜1900包括多个液晶1902，液晶1902具有被布置成与Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000313
相关联(例如，源自其)的图案的指向矢取向。液晶1902被布置成透镜光以补偿水平彗差。液晶1902沿z轴的取向可以与图8C所示的取向相似或基本相同。
在一些示例中，诸如1300-1900等PBP透镜可以被配置为对另外的像差提供补偿，例如与任何Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000314
相关联，其中m是任何整数，并且n是任何正整数。
图14示出了透射通过示例性像差补偿光学组件1404的光学路径，以形成提供像差补偿的自由形式变焦光学组件。第二光学元件1412A-1412F中的每个第二光学元件是具有被配置为沿所选择的轴产生像差补偿透镜化的LC指向矢图案的PBP透镜或PSH透镜，或者是具有被配置为沿所选择的轴产生像差补偿透镜化的结构的超材料或超表面透镜。例如，像差补偿光学组件1404包括垂直像散补偿模块1450，垂直像散补偿模块1450包括三个光学级1450A、1450B和1450C。像差补偿光学组件1404还包括偏斜像散补偿模块1460，偏斜像散补偿模块1460包括三个光学级1460A、1460B和1460C。尽管在图14的示例中垂直像散补偿模块1450和偏斜像散补偿模块1460中的每个包括三个光学级，但是在其他示例中，垂直像散补偿模块1450和偏斜像散补偿模块1460可以包括不同数目的级(通常，每个可以包括至少两个光学级)。此外，垂直像散补偿模块1450和偏斜像散补偿模块1460可以包括相同数目的光学级或不同数目的光学级。给定模块中的附加光学级可以允许模块的有效光功率数目增加。尽管像差补偿光学组件1404包括垂直像散补偿模块1450和偏斜像散补偿模块1460，但是像差补偿光学组件1404可以包括不同数目的模块，每个模块具有一个或多个光学级，例如，另外的模块补偿倾斜、垂直和偏斜三叶形、垂直和水平彗差、初级球面(primaryspherical)、次级像散、四叶形等。
像散补偿光学组件1404中的每个第二光学元件1412、1422可以具有以屈光度表示的所选择的光功率。在一些示例中，垂直像散补偿模块1450中的每个第二光学元件1412A-1412C具有不同光功率，并且偏斜像散补偿模块1460中的每个第二光学元件1422A-1422C具有不同光功率。在一些示例中，光功率可以是2的幂(例如，21＝2屈光度，20＝1屈光度，2-1＝0.5屈光度，2-2＝0.25屈光度，23＝0.125屈光度等)。这可以使得垂直像散补偿光学模块1450能够实现用于校正垂直像散的多个光功率，并且使得偏斜像散补偿光学模块1450能够实现用于校正偏斜像散的多个光功率，均基于对相应第一光学元件和第二光学元件1410、1412、1422的控制。
垂直像散补偿模块1450的第一光学级1450A被配置为接收具有第一发散度的第一光1421。第一光1421透射通过光学堆叠体并且从垂直像散补偿模块1450的最后光学级(第三光学级1450C)作为具有不同于第一发散度的第二发散度的第二光1427被输出。在一些示例中，第二发散度小于第一发散度(例如，第二光1427比第一光1421更准直)。
在该示例中，第一控制器1414A将第一光学级1450A的第一光学元件1410A控制为处于第一(“关闭”)状态。因此，第一光学元件1410A接收具有左圆偏振(LCP)的第一光1421并且将LCP第一光1421转换为具有右圆偏振(RCP)的光1422。第一光学级1450A的第二光学元件1412A(其具有图13A所示的液晶指向矢图案)接收具有第一发散度的RCP光1422并且将RCP光1422转换为具有左旋圆偏振(LCP)的第三光1423，同时聚焦它，从而得到具有小于第一发散度的第三发散度的第三光1423(例如，第二光学元件1412A用作RCP光的会聚透镜，并且因此RCP光1422被转换为更会聚的LCP第三光1423)。
在该示例中，第二控制器1414B将第二光学级1450B的第一光学元件1410B控制为处于第二(“开启”)状态。因此，第二光学元件1410B接收从第一光学级1450A输出的LCP第三光1423，并且将LCP第三光1423作为LCP光1424透射而不改变偏振。第二光学级1450B的第二光学元件1412B接收具有第三发散度的LCP光1424并且将LCP光1424转换为RCP第四光1425，同时发散它，从而得到具有大于第三发散度的第四发散度的第四光1425(例如，第二光学元件1412B用作LCP光的发散透镜，并且因此LCP光1424被转换为更发散的RCP第四光1425)。
在该示例中，第三控制器1414C将第三光学级1450C的第一光学元件1410C控制为处于第二(“关闭”)状态。因此，第一光学元件1410C接收从第二光学级1450B输出的RCP第四光1425，并且将RCP第四光1425作为RCP光1426透射而不改变其偏振。第二光学元件1412C接收具有第四发散度的RCP光1426并且将RCP光1426转换为LCP第五光1427，同时会聚它，从而得到具有小于第四发散度的第五发散度的第五光1427(例如，第二光学元件1412C用作RCP光的会聚透镜，并且因此RCP光1426被转换为更会聚的LCP第五光1427)。由于第三光学级1450C是垂直像散补偿模块1450中的最后的光学级，因此具有第五发散度的第五光1427对应于(例如，相同于)从上述输出端输出的光。
因此，给定光学级被配置为从前一光学级接收光并且将该光透射到下一光学级，使得从附加光学级输出的光可以具有与第一光学级接收的光的发散度不同的发散度。被透射光的发散度基于被接收光的发散度、被接收光的偏振、以及附加光学级的第一光学元件的状态来确定。
在其他示例中，第二光学元件(例如，透镜或光栅)中的每个可以是有源光学元件，使得第二光学元件可以在两个状态之间被控制，如参考图7所述。在一些示例中，当第二光学元件被控制为处于向第二光学元件施加电压的“开启”状态时，第二光学元件可能对于至少一些光(例如，对于特定偏振的光)不呈现透镜化效应，使得第二光学元件可以在不使光透镜化或不改变光的偏振的情况下透射光。
在图14的示例中，从垂直像散补偿模块1450输出的光1427入射到偏斜像散补偿模块1460。偏斜像散补偿模块1460中的第一光学级1460A被配置为接收从垂直像散补偿模块1450输出的、具有第一发散度的LCP第五光1427。光1427透射通过偏斜像散补偿模块1460，并且从偏斜像散补偿模块1460的最后的光学级(第三光学级1460C)作为具有不同于第一发散度的第二发散度的光1439被输出。在一些示例中，第二发散小于第一发散(例如，第二光比第一光更准直)。
在图14的示例中，第一光学级1460A被配置为接收LCP第五光1427。在该示例中，第四控制器1414D将第一光学级1460A的第一光学元件1410A控制为处于第二(“开启”)状态。因此，第一光学元件1410A接收具有左旋圆偏振(LCP)的LCP第五光1427并且将LCP第五光1427作为具有左旋圆偏振(LCP)的LCP光1429透射。第一光学级1460A的第二光学元件1422A(其具有图9B所示的液晶指向矢图案)接收具有第一发散度的LCP光1429并且将LCP光1429转换为具有右圆偏振(RCP)的第三光1431，同时发散它(例如，第二光学元件1422A用作LCP光的发散透镜，并且因此LCP光1429被转换为更发散的RCP光1431)。
第五控制器1414E将第二光学级1460B的第一光学元件1410E控制为处于第二(“开启”)状态。因此，第二光学元件1410E接收从第一光学级1460A输出的RCP第三光1431，并且将RCP第三光1431作为RCP光1433透射而不改变偏振。第二光学级1460B的第二光学元件1422B接收具有第三发散度的RCP光1433并且将RCP光1433转换为LCP光1435，同时会聚它，从而得到具有小于先前发散度的发散度的LCP光1435(例如，第二光学元件1422B用作RCP光的会聚透镜，并且因此RCP光1433被转换为更会聚的LCP第四光1435)。
第六控制器1414F将第三光学级1460的第一光学元件1410F控制为处于第二(“开启”)状态。因此，第一光学元件1410F接收从第二光学级1460B输出的LCP光1435，并且将LCP光1435作为LCP光1437透射而不改变其偏振。第三光学元件1422C接收LCP光1437并且将LCP光1437转换为RCP光1439，同时发散它，从而得到具有大于先前发散度的发散度的RCP光1439(例如，第三光学元件1422C用作LCP的发散透镜光，并且因此LCP光1437被转换为更发散的RCP光1439)。由于第三光学级1460C是偏斜像散补偿模块1460中的最后的光学级，因此具有第五发散度的RCP光1439对应于(例如，相同于)从输出端输出的光，如上所述。
在一些示例中，像差补偿光学组件1404还可以在输入侧处包括第一偏振器1470。在一些示例中，组件1404在输出侧处还包括电耦合到控制器1477和第二偏振器1478的可切换延迟器1476。可切换延迟器1476具有与关于光学级1450和1460描述的第一光学元件的光学属性相同(或相似)的光学属性。在一些示例中，可切换延迟器1476是可切换半波片。像差补偿光学组件1404的每个光学级的操作取决于入射在光学级上的光的偏振、第一光学元件的状态，并且可选地，在第二光学元件是有源光学元件的示例中，取决于第二光学元件的状态。
与上面描述和图10所示的球面透镜光学模块1000一样，垂直像散补偿模块1450和偏斜像散补偿模块1460的总柱面光功率可以通过调节或改变其中的多个光学级1450A-1450C、1460A-1460C中的第一光学元件1410(以及可选的第二光学元件1412、1422)的相应状态来调节。像散补偿光学模块1450、1460的柱面光功率可以通过切换任何光学级中的光学元件的状态来改变，从而改变光学级的光功率。连续的光学级的光功率组合确定像散补偿光学模块1450、1460的合成总光功率(resultant total optical power)。
此外，像散补偿光学模块1450、1460的相对光功率有助于像差补偿光学组件1404的有效校正轴。
像差补偿光学组件1404可以单独使用或与其他光学元件组合使用。例如，像差补偿光学组件1404可以与球面透镜光学模块1000中的任何一个、以及被配置为提供针对任何Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000361
的像差补偿的任何其他光学组件或补偿模块一起使用，以形成提供焦点和高阶像差补偿两者的自由形式变焦像差补偿光学组件。像差补偿光学组件1404和1000也可以与对应于任何其他Zernike多项式的任何其他像差补偿光学组件一起使用，以形成提供波前整形的自由形式变焦像差补偿光学组件，例如作为光学系统中的自适应光学器件。例如，像差补偿光学组件1404和1000可以与被配置为针对以下像差提供像差补偿的任何像差补偿光学组件一起使用：平移(piston)(例如，与零阶Zernike多项式相关联)；倾斜、倾侧(例如，与一阶Zernike多项式相关联)；聚焦/散焦、柱面聚焦/像散(例如，与二阶Zernike多项式相关联)；三叶形、彗差(例如，与三阶Zernike多项式相关联)；四叶形、次级像散、初级球面(例如，与四阶Zernike多项式相关联)；以及任何其他高阶像差。
在一个示例中，用户可以与UI要素交互以调节提供像差补偿的自由形式变焦光学组件(例如，至少一个球面透镜光学模块1000和至少一个像差补偿光学模块的组合，例如垂直像散补偿模块1450和斜像散补偿模块1460)。这可以允许用户微调球面值、柱面值和轴值，以便为用户的特定眼睛找到改进的显示图像。UI要素可以是作为由(一个或多个)电子显示器203输出的虚拟现实内容的一部分而呈现的UI要素329中的一个，或者可以包括例如合适的转盘、拇指轮或滑块或其他机械用户输入机制。在另一示例中，用户可以使用UI要素329为一只或两只眼睛输入所选择的处方，并且(一个或多个)处理器302可以将光学级配置为提供与该处方相对应的光学校正。以这种方式，第一像散补偿光学模块和第二像散补偿光学模块的柱面光功率(例如，第一像散补偿光学模块的光功率和第二像散补偿光学模块的光功率)是基于变焦光学组件的用户的像散度来配置的。
此外，虽然本说明书主要描述为解决用户的像散，但本文中描述的像散补偿光学模块可以用于补偿由在其中使用像散补偿光学模块的光学系统内的其他光学元件引入的光学像差。
此外，尽管已经描述了像散补偿光学组件1404，其中与垂直像散补偿相关的所有光学级是连续的级，并且与偏斜像散补偿相关的所有光学级是连续的级，但与垂直像散补偿相关的光学级可以在与偏斜像散补偿相关的两个光学级之间，或在与其他高阶像差相关的其他光学级之间(例如，垂直和偏斜三叶形、垂直和水平彗差等)，和/或反之亦然。类似地，虽然球面透镜光学模块1000的光学级已经被描述为是与像差补偿光学组件1404分开的连续的光学级，但球面透镜光学模块1000的光学级可以与像差补偿光学组件1404的级交错。在一些例如，具有最大光功率量值的光学级位于最靠近用户或观看者的眼睛的位置。
本公开还涉及一种为显示器的观察者提供视觉校正的方法。该方法包括使光透射通过包括第一多个光学级的第一像差补偿光学模块。每个光学级可以包括来自第一多个光学元件的光学元件，该第一多个光学元件包括Pancharatnam-Berry-phase(PBP)透镜、偏振敏感全息图(PSH)透镜、超材料或其组合。第一多个光学元件包括与第一Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000371
相关联的属性，其中m是任何整数并且n是任何正整数。第一多个光学级中的每个级可配置为处于包括第一状态和第二状态的多个状态中的任何一个状态。
该方法还包括通过改变第一多个光学级中的一个或多个光学级的相应状态，来调节第一像差补偿光学模块的第一光焦度。
该方法还可以包括使光透射通过包括第二多个光学级的第二像差补偿光学模块。每个光学级可以包括来自第二多个光学元件的光学元件，该第二多个光学元件包括PBP透镜、PSH透镜、超材料或其组合。第二多个光学元件包括与不同于第一Zernike多项式的第二Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000381
相关联的属性。第二多个光学级中的每个级可配置为处于包括第一状态和第二状态的多个状态中的任何一个状态。该方法还包括通过改变第二多个光学级中的一个或多个光学级的相应状态，来调节第二像差补偿光学模块的第二光焦度。
该方法还可以可选地包括使光透射通过包括第三多个光学级的第三像差补偿光学模块。每个光学级可以包括来自第三多个光学元件的光学元件，该第三多个光学元件包括PBP透镜、PSH透镜或其组合。第三多个光学元件包括与不同于第一Zernike多项式和第二Zernike多项式的第三Zernike多项式
Figure BDA0003735695660000382
相关联的属性。第三多个光学级中的每个级可配置为处于包括第一状态和第二状态的多个状态中的任何一个状态。该方法还可以包括通过改变第三多个光学级中的一个或多个光学级的相应状态，来调节像差补偿光学模块的第三光焦度。
如本文通过各种示例所描述的，本公开的技术可以包括人工现实系统或结合人工现实系统来实现。如上所述，人工现实是一种在呈现给用户之前已经以某种方式被调节的现实形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(mixed reality)(MR)、杂合现实(hybrid reality)、或其某种组合和/或派生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或与捕获内容(例如，真实世界的照片或视频)进行组合生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈或其某种组合，并且其中的任何一个可以在单个通道或多个通道中被呈现(例如，向观看者产生三维效果的立体视频)。此外，在一些实施例中，人工现实可以与应用、产品、配件、服务或其某种组合相关联，例如，该应用、产品、配件、服务或其某种组合用于在人工现实中创建内容和/或用在人工现实中(例如，在其中执行活动)。提供人工现实内容的人工现实系统可以在各种平台上实现，包括连接到主机计算机系统的头戴式设备(HMD)、独立的HMD、移动设备或计算系统、或能够向一位或多位观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台。
本公开中描述的技术可以至少部分地以硬件、软件、固件或其任何组合来实现。例如，所描述技术的各个方面可以在一个或多个处理器内实现，包括一个或多个微处理器、DSP、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、或任何其他等效的集成或分立逻辑电路、以及这样的部件的任何组合。术语“处理器”或“处理电路”通常可以单独地或与其他逻辑电路或任何其他等效电路组合地指代任何前述逻辑电路。包括硬件的控制单元也可以执行本公开的技术中的一种或多种技术。
这样的硬件、软件和固件可以被实施在相同的设备内或在单独的设备内，以支持本公开中描述的各种操作和功能。此外，任何所描述的单元、模块或部件可以一起被实施或单独被实施为分立但可互操作的逻辑设备。将不同的特征描述为模块或单元旨在突出不同的功能方面，并不一定表示这样的模块或单元必须由单独的硬件或软件部件来实施。相反，与一个或多个模块或单元相关联的功能可以由单独的硬件或软件部件进行执行或被集成在公共的或单独的硬件或软件部件内。
本公开中描述的技术还可以在包含指令的计算机可读介质(例如计算机可读存储介质)中被实现或被编码。被嵌入在或被编码在计算机可读存储介质中的指令可以使可编程处理器或其他处理器执行该方法，例如，当指令被执行时。计算机可读存储介质可以包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪存存储器、硬盘、CD-ROM、软盘、磁带、磁性介质、光学介质或其他计算机可读介质。
如本文中通过各种示例所述，本公开的技术可以包括人工现实系统或结合人工现实系统来实现。如上所述，人工现实是一种在呈现给用户之前已经以某种方式被调节的现实形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(mixed reality)(MR)、杂合现实(hybrid reality)、或其某种组合和/或派生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或与捕获内容(例如，真实世界的照片)进行组合生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈或其某种组合，并且其中的任何一个可以在单个通道或多个通道中被呈现(例如，向观看者产生三维效果的立体视频)。此外，在一些实施例中，人工现实可以与应用、产品、配件、服务或其某种组合相关联，例如，该应用、产品、配件、服务或其某种组合用于在人工现实中创建内容和/或用在人工现实中(例如，在其中执行活动)。提供人工现实内容的人工现实系统可以在各种平台上实现，包括连接到主机计算机系统的头戴式设备(HMD)、独立的HMD、移动设备或计算系统、或能够向一位或多位观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台。

Claims (21)

1.一种自由形式变焦透镜，包括：
至少三个光学模块，每个光学模块包括对应的多个偏振敏感光学元件，其中每个光学模块与对应泽尼克多项式相关联，其中对于每个光学模块，对应的多个偏振选择光学元件包括与所述对应泽尼克多项式相关联的对应属性，并且其中与每个光学模块相关联的所述对应泽尼克多项式是不同的。
2.根据权利要求1所述的自由形式变焦透镜，其中所述对应的多个偏振敏感光学元件包括潘卡拉特南-贝里相位(PBP)透镜、偏振敏感全息图(PSH)透镜、超材料或其组合。
3.根据权利要求1所述的自由形式变焦透镜，其中每个光学模块包括一个或多个光学级，每个光学级包括至少一个光学元件，并且其中每个光学模块内的所述光学元件中的至少一些光学元件具有不同光功率。
4.根据权利要求2所述的自由形式变焦透镜，其中每个光学模块中的一个或多个光学级包括可切换光学延迟器和光学元件，所述光学元件包括PBP透镜或PSH透镜，其中：
所述可切换光学延迟器可配置为处于“关闭”状态或“开启”状态，其中：
在所述“关闭”状态下，所述可切换光学延迟器被配置为将第一偏振光或第二偏振光分别转换为所述第二偏振光或所述第一偏振光；以及
在所述“开启”状态下，所述可切换光学延迟器透射入射光而不改变所述入射光的偏振；
包括所述PBP透镜或所述PSH透镜的所述光学元件被配置为接收透射通过所述可切换光学延迟器的光，并且所述光学元件具有取决于透射通过所述可切换光学延迟器的所述光是具有所述第一偏振还是所述第二偏振的光功率。
5.根据权利要求1所述的自由形式变焦透镜，其中每个光学模块被配置为对入射波前提供与所述对应泽尼克多项式相关联的波前调节。
6.根据权利要求1所述的自由形式变焦透镜，其中所述至少三个光学模块被配置为基于相应波前调节的不同组合，输出可变波前。
7.根据权利要求1所述的自由形式变焦透镜，其中对应的多个光学元件中的每个光学元件包括PBP透镜，并且其中所述属性包括液晶指向矢图案。
8.根据权利要求1所述的自由形式变焦透镜，还包括圆偏振器或线性偏振器中的至少一种。
9.根据权利要求1所述的自由形式变焦透镜，其中第一光学模块的所述对应泽尼克多项式与第一方向上的倾斜相关联，第二光学模块的所述对应泽尼克多项式与第二方向上的倾斜相关联，第三光学模块的所述对应泽尼克多项式与聚焦相关联，第四光学模块的所述对应泽尼克多项式与偏斜像散相关联，并且第五光学模块的所述对应泽尼克多项式与垂直像散相关联。
10.根据权利要求1所述的自由形式变焦透镜，其中至少一个光学模块与三叶形、彗差、四叶形或次级像散相关联。
11.一种显示器，包括：
光源，被配置为发射图像光；以及
自由形式变焦光学组件，被配置为将所述图像光引导到所述光学设备的眼盒，所述自由形式变焦光学组件包括：
至少三个光学模块，每个光学模块包括对应的多个偏振敏感光学元件，其中每个光学模块与对应泽尼克多项式相关联，其中
对于每个光学模块，对应的多个光学元件包括与所述对应泽尼克多项式相关联的对应属性，并且其中与每个光学模块相关联的所述对应泽尼克多项式是不同的。
12.根据权利要求11所述的显示器，其中所述对应的多个偏振敏感光学元件包括潘卡拉特南-贝里相位(PBP)透镜、偏振敏感全息图(PSH)透镜、超材料或其组合。
13.根据权利要求11所述的显示器，其中每个光学模块包括一个或多个光学级，每个光学级包括至少一个光学元件，并且其中每个光学模块内的所述光学元件中的至少一些光学元件具有不同光功率。
14.根据权利要求12所述的显示器，其中每个光学模块中的一个或多个光学级包括可切换延迟器和光学元件，所述光学元件包括PBP透镜或PSH透镜，其中：
所述可切换延迟器可配置为处于“关闭”状态或“开启”状态，其中：
在所述“关闭”状态下，所述可切换光学延迟器被配置为将第一偏振光或第二偏振光分别转换为所述第二偏振光或所述第一偏振光；以及
在所述“开启”状态下，所述可切换光学延迟器透射入射光而不改变所述入射光的偏振；
包括所述PBP透镜或所述PSH透镜的所述光学元件被配置为接收透射通过所述可切换延迟器的光，并且所述光学元件具有取决于透射通过所述可切换延迟器的所述光是具有所述第一偏振还是所述第二偏振的光功率。
15.根据权利要求11所述的显示器，其中每个光学模块被配置为对入射波前提供与对应泽尼克多项式相关联的波前调节。
16.根据权利要求11所述的显示器，其中所述至少三个光学模块被配置为基于相应波前调节的不同组合，输出可变波前。
17.根据权利要求11所述的显示器，其中所述自由形式光学组件被配置为使头戴式显示器的出射光瞳转向，并且其中所述自由形式光学组件还被配置为补偿所述头戴式显示器的所述出射光瞳的像差。
18.根据权利要求11所述的显示器，其中所述显示器包括头戴式显示器。
19.一种方法，包括：
使光透射通过至少三个光学模块，每个光学模块包括多个偏振敏感光学元件，其中每个光学模块与对应泽尼克多项式相关联，其中对于每个光学模块，对应的多个光学元件包括与所述对应泽尼克多项式相关联的对应属性，并且其中与每个光学模块相关联的所述对应泽尼克多项式是不同的；以及
通过改变所述至少三个光学模块中的一个或多个光学模块中的所述多个光学元件中的一个或多个光学元件的相应状态来调节所述至少三个光学模块中的所述一个或多个光学模块的光焦度。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述对应的多个偏振敏感光学元件包括潘卡拉特南-贝里相位(PBP)透镜、偏振敏感全息图(PSH)透镜、超材料或其组合。
21.根据权利要求18所述的方法，其中所述至少三个模块中的每个模块中的一个或多个光学元件包括可切换延迟器和光学元件，所述光学元件包括PBP透镜或PSH透镜，其中：
所述可切换延迟器可配置为处于“关闭”状态或“开启”状态，其中
在所述“关闭”状态下，所述可切换光学延迟器被配置为将第一偏振光或第二偏振光分别转换为所述第二偏振光或所述第一偏振光；以及
在所述“开启”状态下，所述可切换光学延迟器透射入射光而不改变所述入射光的偏振；
包括所述PBP透镜或所述PSH透镜的所述光学元件被配置为接收透射通过所述可切换延迟器的光，并且所述光学元件具有取决于透射通过第一类型的所述光学元件的光是具有所述第一偏振还是所述第二偏振的光功率；以及
调节相应光焦度包括控制所述可切换光学延迟器的所述状态。
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