CN115039018A - 使用空间变化偏振器的基于视域的光学校正 - Google Patents
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Abstract
提供了一种光学系统。该光学系统包括凝视跟踪器和校正部分，凝视跟踪器可操作以跟踪用户的凝视并输出表示该凝视的数据，校正部分包括多个空间变化偏振器。空间变化偏振器的第一偏振器具有第一控制输入，第一控制输入被配置为接收第一控制信号，第一控制信号指示第一偏振器是激活的还是非激活的。第一偏振器在激活时在与虚拟图像的第一区域相对应的位置处对穿过的光提供第一光学校正。光学系统包括被配置为接收表示凝视的数据的控制器，基于所述凝视确定是否对所述光执行第一光学校正，并且响应于确定对所述光执行所述第一光学校正，输出指示第一偏振器将要激活的第一控制信号。
Description
技术领域
本公开涉及一种使用空间变化偏振器来执行基于视域的光学校正的光学校正系统。
背景技术
头戴式显示设备(HMD)是佩戴在用户头部上的显示设备，具有一个或多个用于向用户呈现视觉内容的显示单元。HMDS正变得越来越普及以提供虚拟现实(VR)或增强现实(AR)体验，或促进视听媒体的游戏或呈现。显示单元通常是小型化的，例如可以包括CRT、LCD、硅基液晶(LCos)或OLED技术。一些HMD是双目的并且具有向每只眼睛显示不同图像的潜力。这种能力被用于显示立体图像以呈现更沉浸的用户体验。
传统的HMD不考虑用户的视角或视域。传统的HMD向用户显示视觉内容，而不使虚拟图像光适应用户的视角或视域。
发明内容
头戴式显示器可以概括为包括虚拟图像显示单元和用于修改虚拟图像光的光学系统。光学系统可以修改虚拟图像光以增强用户体验或观影，或提高虚拟图像光的角度分辨率。光学系统可以执行光学校正以修改虚拟图像光的焦距或锐化虚拟图像光。特别地，光学系统可以对准、修改或操作用户正在观看或查看的虚拟图像光的特定部分中的光。虚拟图像光的该部分可以落在用户的当前视域内。因此，光学校正可以被定位到虚拟图像光的该部分。
由光学系统执行的光学校正可以基于用户的凝视角度或方向或用户的视域。例如，可以通过头戴式显示器的凝视跟踪器来检测用户的凝视角度或方向或视域。光学系统可以包括左光学子系统和右光学子系统，它们分别可操作地修改从虚拟图像显示器接收的虚拟图像光以校正左眼和右眼观影。
光学系统包括一个或多个空间变化偏振器，每个偏振器基于控制器输入可操作地处于激活(接通)状态或非激活(关闭)状态。空间变化偏振器可以由多扭曲延迟器(MTR)形成，并且被定制为在单个薄膜中提供精确水平的延迟。空间变化偏振器可以被配置为用作校正光学器件，并使通过其中的光经历折射(根据折射率)或衍射(根据衍射图案)。空间变化偏振器可以形成为偏振定向的透镜，并且具有用于聚焦通过光的电可控焦距，并且可以对通过光执行准直。由于其空间变化的特性，多扭曲延迟器提供了可切换的局部化光学校正。局部化光学校正可以对落在用户的当前视域内的虚拟图像光的部分进行操作。局部化光学校正可以对不同于落在用户当前视域外的虚拟图像光的其它部分的、落在用户当前视域内的虚拟图像光的部分操作，从而实现当前视域内的光学校正的优化。
每个空间变化偏振器可以被形成为具有衍射图案特性、光准直特性、光聚焦特性或像差校正特性等，对通过空间变化偏振器的光进行操作。两个或更多个空间变化偏振器的子集可以组合地具有特定的衍射特性、光准直特性、光聚焦特性或像差校正特性等，对通过该子集的光进行操作。
空间变化偏振器可在接通和关闭状态之间切换。控制器可以切换单独的空间变化偏振器、空间变化偏振器的子集或所有可用的空间变化偏振器的接通或关闭，以实现和执行相应的光学校正。控制器可以在接通和关闭状态之间切换各种空间变化偏振器，以在用于虚拟图像的不同部分的不同可用光学校正之间切换。在观看期间，控制器从凝视跟踪器或从其它源接收用户凝视的指示。当用户凝视改变并且当用户凝视从一个区域改变到下一个区域时，控制器在空间变化偏振器之间切换，以实现对落在用户当前视域内的虚拟图像光的部分的局部化光学校正。
光学系统可以被概括为包括：凝视跟踪器，凝视跟踪器用于跟踪用户的凝视并输出表示该凝视的数据；校正部分，包括多个空间变化偏振器，多个空间变化偏振器中的第一空间变化偏振器具有第一控制输入，第一控制输入被配置为接收多个控制信号中的第一控制信号，第一控制信号指示第一空间变化偏振器是激活的还是非激活的，第一空间变化偏振器在激活时可操作以在对应于虚拟图像的多个区域中的第一区域的位置处对通过校正部分的光提供第一光学校正；以及控制器，被配置为接收表示用户的凝视的数据；基于凝视，确定是否在对应于第一区域的位置处对通过校正部分的光执行第一光学校正；以及响应于确定在对应于第一区域的位置处对通过校正部分的光执行第一光学校正，输出指示第一空间变化偏振器将要激活的第一控制信号。虚拟图像的多个区域的第一区域可以在用户的凝视的视域内。控制器可以被配置为基于表示用户的凝视的数据来确定凝视改变；以及确定通过多个空间变化偏振器中的第二空间变化偏振器在对应于虚拟图像的多个区域中的第二区域的位置处对通过校正部分的光进行第二光学校正。多个空间变化偏振器中的第二空间变化偏振器可以具有第二控制输入，第二控制输入被配置为接收多个控制信号中的第二控制信号，第二控制信号指示第二空间变化偏振器是激活的还是非激活的，并且其中控制器被配置为响应于确定在与第二区域相对应的位置处对通过校正部分的光执行第二光学校正，输出指示第二空间变化偏振器是激活的第二控制信号。控制器可以被配置为响应于确定在对应于第二区域的位置处对通过校正部分的光执行第二光学校正，输出指示第一空间变化偏振器将要非激活的第一控制信号。第一空间变化偏振器和第二空间变化偏振器可以是堆叠布置，使得通过校正部分的光在已经通过第一空间变化偏振器之后照射在第二空间变化偏振器上。提供第一光学校正可以包括：根据衍射图案、光准直、光聚焦、图像锐化、角分辨率修改、焦距修改或像差校正来执行衍射。多个空间变化偏振器中的空间变化偏振器可以包括多扭曲延迟器(MTR)。
头戴式显示系统可以概括为包括：支撑结构；显示器；凝视跟踪器，用于跟踪用户的凝视并输出表示凝视的数据；光学系统，包括第一光学子系统和第二光学子系统，第一光学子系统和第二光学子系统中的每一个包括校正部分，校正部分包括多个空间变化偏振器，多个空间变化偏振器中的第一空间变化偏振器具有第一控制输入，第一控制输入被配置为接收多个控制信号中的第一控制信号，第一控制信号指示第一空间变化偏振器是激活的还是非激活的，第一空间变化偏振器在激活时可操作以在对应于虚拟图像的多个区域中的第一区域的位置处对通过校正部分的光提供第一光学校正；以及控制器，被配置为：对于第一光学子系统和第二光学子系统中的每一个，接收表示用户的凝视的数据；基于凝视，确定是否在对应于第一区域的位置处对通过校正部分的光执行第一光学校正；以及响应于确定在对应于第一区域的位置处对通过校正部分的光执行第一光学校正，输出指示第一空间变化偏振器将要激活的第一控制信号。对于第一光学子系统和第二光学子系统中的每一个，虚拟图像的多个区域的第一区域可以在用户的凝视的视域内。控制器可以被配置为，对于第一光学子系统和第二光学子系统中的每一个，基于表示凝视的数据，确定凝视改变；以及确定通过多个空间变化偏振器中的第二空间变化偏振器在对应于虚拟图像的多个区域中的第二区域的位置处对通过校正部分的光进行第二光学校正。对于第一光学子系统和第二光学子系统中的每一个，多个空间变化偏振器中的第二空间变化偏振器可以具有第二控制输入，第二控制输入被配置为接收多个控制信号中的第二控制信号，第二控制信号指示第二空间变化偏振器是激活的还是非激活的，并且其中，对于第一光学子系统和第二光学子系统中的每一个，控制器被配置为：响应于确定在对应于第二区域的位置处对通过校正部分的光执行第二光学校正。对于第一光学子系统和所述第二光学子系统中的每一个，控制器被配置为：输出指示第二空间变化偏振器将要激活的第二控制信号。控制器可以被配置为，对于第一光学子系统和第二光学子系统中的每一个，响应于确定在对应于第二区域的位置处对通过校正部分的光执行第二光学校正，输出指示第一空间变化偏振器将要非激活的第一控制信号。对于第一光学子系统和第二光学子系统中的每一个，第一空间变化偏振器和第二空间变化偏振器可以是堆叠布置的，使得通过校正部分的光在已经通过第一空间变化偏振器之后照射在第二空间变化偏振器上。对于第一光学子系统和第二光学子系统中的每一个，提供第一光学校正可以包括：根据衍射图案、光准直、光聚焦、图像锐化、角分辨率修改、焦距修改或像差校正来执行衍射。对于第一光学子系统和第二光学子系统中的每一个，多个空间变化偏振器中的空间变化偏振器可以包括多扭曲延迟器(MTR)。
附图说明
图1示出了根据一个或多个实施方式的具有光学系统的头戴式显示器的俯视平面图。
图2示出了图1的头戴式显示器的光学系统的光学子系统的图。
图3示出了图1的头戴式显示器的外部的俯视透视图。
图4示出了头戴式显示器的示意性框图。
图5示出了连接到参照图4描述的控制器的校正部分。
图6示出了由多个空间变化偏振器执行的基于视域的光学校正的示例。
图7是根据一个非限制性示出的实施例的用于空间变化偏振器的示例性表面相位图。
图8是根据一个非限制性示出的实施例的用于空间变化偏振器的另一个示例性表面相位图。
具体实施方式
在以下描述中，阐述某些特定细节以提供对各种所揭示实施方案的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有这些具体细节中的一个或多个的情况下，或者利用其它方法、组件、材料等来实践这些实施方式。在其它情况下，没有详细示出或描述与计算机系统、服务器计算机和/或通信网络相关联的公知结构，以避免不必要地模糊对实施方式的描述。
除非上下文另有要求，否则在整个说明书和随后的权利要求书中，词语“包括”与“包含”同义，并且是包含性的或开放式的(即，不排除其他未列举的元件或方法动作)。除非另有说明或与上下文相矛盾，否则如本文所用的术语“组”(例如，“条目组”)应被解释为包括一个或多个构件或实例的非空集合。
贯穿本说明书提及“一种实施方式”或“一个实施例”意味着结合该实施方式描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施方式中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一种实施方式中”或“在实施方式中”不一定都指相同的实施方式。此外，可以在一个或多个实施方式中以任何合适的方式来组合特定的特征、结构或特性。
本说明书和所附权利要求书中使用的单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括复数指示物，除非上下文另外明确规定。还应该注意的是，术语“或”通常以其包括“和/或”的意义使用，除非上下文另有明确规定。
本文提供的本公开的标题和摘要仅是为了方便，而不解释实施方式的范围或含义。
图1示出了根据一个或多个实施例的头戴式显示设备(HMD)100的俯视平面图。HMD100被配置为向用户104呈现虚拟现实(VR)，例如经由以诸如每秒30帧(或图像)或每秒90帧的显示速率呈现的相应视频，而类似系统的其它实施例可以向用户104呈现增强现实显示。HMD 100向用户104的左眼105l和右眼105r提供校正的虚拟图像光102。HMD 100包括安装在框架108上或框架108内的一个或多个虚拟图像显示单元106。虚拟图像显示单元106生成虚拟图像光102，用于使用户感知可视内容。HMD 100还可以包括设置在虚拟图像显示单元106的发射侧上的左和右透镜组107l和107r。左和右透镜组107l和107r可以在虚拟图像光102从虚拟图像显示单元106发射之后聚焦、准直、或者修改虚拟图像光102。左和右透镜组107l和107r可以包括例如折射或准直虚拟图像光102的菲涅耳透镜。
HMD 100还包括光学系统112，该光学系统112具有选择性地可变的光学特性，用于校正用户的一个或多个视觉状况。例如，光学系统112可选择性地调整以局部校正光线。从虚拟图像显示单元106发射的虚拟图像光102沿着光路126行进通过光学系统112，光学系统112根据光学系统112的光学特性修改虚拟图像光102，并分别向用户的左眼105l和右眼105r发射校正的虚拟图像光114。
框架108是用于将HMD 100支撑在用户104的头部上的安装结构。框架108包括主体116，主体116具有前部118和与前部118相对的观看部分120，观看部分120用于定位在用户眼睛105l和105r的前面，以观看所产生的视觉内容。HMD 100包括用于选择性地将HMD 100安装到用户头部的一个或多个支撑结构。例如，图1的HMD 100包括左和右眼镜腿122l和122r，用于分别搁置在用户104的左耳和右耳124l和124r上。在一些实施例中，HMD 100可以包括另一个支撑结构，例如连接到主体116的绑带，该绑带缠绕在用户104的头部的后部周围。HMD 100的鼻子组件(未示出)可以将主体116支撑在用户104的鼻子上。框架108的形状和尺寸可以被设计成将光学系统112定位在用户眼睛105l和105r之一的前面。尽管为了说明的目的，以类似于眼镜的简化方式示出了框架108，但是应当理解，实际上可以使用更复杂的结构(例如，护目镜、集成头带、头盔、绑带等)来将HMD 100支撑和定位在用户104的头部上。
虚拟图像显示单元106产生通过光学系统112透射并由光学系统112选择性地修改的虚拟图像光102。虚拟图像显示单元106包括用于产生呈现给左眼105l的图像光的左显示单元106l和用于产生呈现给右眼105r的图像光的右显示单元106r。虚拟图像显示单元106可以包括液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)、阴极射线管(CRT)、硅上液晶(LCOS)、或产生虚拟图像光102的其它发光技术。图1所示的实施例的虚拟图像显示单元106位于HMD 100的前部，并朝用户104的眼睛向后发射光。在一些实施例中，虚拟图像显示单元106可以包括波导，其将虚拟图像光102导向(例如，反射、折射)眼睛105l或105r，使得虚拟图像显示单元106的发光元件不直接在眼睛105l和105r的前面，以便用户104感知视觉内容。在一些实施例中，主体116的前部118可以是至少部分透明的，使得用户104可以感知用于提供增强现实体验的外部内容。
HMD 100包括凝视跟踪器127，其被配置为跟踪用户104或用户眼睛105l、105r的凝视(或其方向)。尽管将凝视跟踪器127示为HMD 100的内部元件，但是在可选实施例中，凝视跟踪器127可以是外部传感器。此外，凝视跟踪器127可以为每个眼睛105l和105r分别执行凝视或瞳孔跟踪，或者跟踪用户104的头部的位置或方向(例如，作为头部跟踪的一部分)。此外，凝视跟踪器127可以跟踪用户身体的各种其它类型的运动和位置。
凝视跟踪器127可以输出表示用户104的凝视的数据。该数据可以在观看部分120上指示用户104正在引导其凝视的部分(位置或区域)。该部分(位置或区域)可以是观察部分120的中心、观察部分120的象限或观察部分120的任何其它区域。表示用户104的凝视的数据可以是用户凝视所指向的角度或坐标(笛卡尔或极坐标)。
虽然所描述的技术可以在一些实施例中与类似于图1所示的显示系统一起使用，但是在其它实施例中也可以使用其它类型的显示系统，包括与单个光学透镜和显示设备一起使用，或者与多个这样的光学透镜和显示设备一起使用。其它这样的设备的非排他性实例包括照相机、望远镜、显微镜、双目镜、点样镜、测绘镜等。此外，所描述的技术可以与发射光以形成一个或多个用户通过一个或多个光学透镜观看的图像的各种显示面板或其它显示设备一起使用。在其它实施例中，用户可以通过一个或多个光学透镜观看一个或多个图像，该图像以不同于通过显示面板的方式产生，例如在部分或全部反射来自另一光源的光的表面上。
虚拟图像光102可以包括多条光线，这些光线沿着光路126从每个虚拟图像显示单元106传播通过光学系统112并朝向观察部分120。光学系统112修改多条光线中的一些或全部，以提供校正的虚拟图像光114。光学系统112包括用于修改虚拟图像光102的一个或多个光学子系统130。尽管多个光学子系统130包括用于修改针对左眼105l的虚拟图像光102的左光学子系统130l和用于修改针对右眼105r的虚拟图像光102的右光学子系统130r，但一个光学子系统130可用于共同修改针对双眼105l、105r的虚拟图像光102。左和右光学子系统130l和130r中的每一个可以独立地调整，以增强用户104的观看体验，或者分别校正左眼105l和右眼105r中的视觉缺陷或瑕疵。
图2示出了根据一个或多个实施例的图1的光学子系统130(例如，光学子系统1301或130r)的图200。光学子系统130包括接收部分202和发射部分206，接收部分202用于接收对应于单个眼睛的虚拟图像光102的初始虚拟图像光204，发射部分206用于发射校正的虚拟图像光208。初始虚拟图像光204可以包括多条光线205，每条光线具有用于使用户104感知视觉内容的特定属性(例如，颜色、方向、亮度)集合。多条光线205中的光线205对应于初始虚拟图像(由初始虚拟图像光204表示)上的位置。光线205(或光)可以在与初始虚拟图像上的位置一致或对应的位置处照射在接收部分202上。
光学子系统130还包括校正部分210，校正部分210包括一个或多个如本文所述的空间变化偏振器211。校正部分210校正初始虚拟图像光204并发射校正后的虚拟图像光208。在任何一个时刻，校正部分210可以校正初始虚拟图像光204的一部分。校正部分210可以不同地校正初始虚拟图像光204的不同部分。校正部分210可以校正初始虚拟图像光204的一个或多个部分，但是可以不对初始虚拟图像光204的一个或多个其它部分应用光学校正。
注意，尽管在图2中示出了三个空间变化偏振器211(第一、第二和第三空间变化偏振器211a、211b、211c)，但是光学子系统130可以包括任意数量的空间变化偏振器211。
每个空间变化偏振器211a、211b、211c具有各自的输入端212a、212b、212c，可操作用于接收表示空间变化偏振器211a、211b、211c是接通还是断开的相应控制信号。控制信号可以具有第一状态和第二状态，第一状态指示空间变化偏振器211将被接通，第二状态指示空间变化偏振器211将被断开。输入212可以连接到这里描述的控制器(图2中未示出)，并且可以从控制器接收控制信号。
空间变化偏振器211可以由多扭曲延迟器(MTR)形成，MTR是波片状延迟膜，其在单个薄膜中提供精确和定制水平的宽带、窄带或多频带延迟。更具体地，MTR包括在单个衬底上的两个或更多个扭曲液晶(LC)层，并且具有单个对准层。随后的LC层通过现有的层直接对准，允许简单的制造，实现自动的层对准，并产生具有连续变化光轴的单片膜。
由于其空间变化的特性，多扭曲延迟器提供了局部化光学校正。局部化光学校正可以对落在用户的当前视域内的部分虚拟图像光(例如，初始虚拟图像光)进行操作。局部化光学校正可以对不同于落在用户的当前视域外的虚拟图像光的其它部分的、落在用户的当前视域内的虚拟图像光的部分进行操作。
空间变化偏振器211可以包括由双折射材料形成的波延迟器。双折射是具有取决于光的偏振和传播方向的折射率的材料的性质。波延迟器改变通过波延迟器传播的光的偏振状态或相位。波延迟器可以具有慢轴(或非寻常轴)和快轴(寻常轴)。当偏振光行进通过波延迟器时，沿着快轴的光比沿着慢轴的光行进更快。
空间变化偏振器211可以被配置为用作校正光学器件。空间变化偏振器211的双折射材料可以被配置为使通过其中的光经历折射(例如，根据折射率)。每个空间变化偏振器211可以具有衍射图案。空间变化偏振器211可以形成为偏振定向的透镜并且具有电可控的焦距。此外，空间变化偏振器211可以对通过的光执行准直。
这里使用的光学校正包括对通过或通过校正部分210的光进行光学改变或修改。这里使用的关于光学修改的校正并不意味着对光、图像、或光或图像的缺陷进行预校正。光学校正可用于增强或改善特定环境集合的图像可视化，或满足某些用户体验标准或度量。
校正部分210的一个或多个空间变化偏振器211可以单独地、共同地或以子集的方式作为电控校正光学器件工作。每个空间变化偏振器211可以被形成为具有衍射图案特性、光准直特性、光聚焦特性或像差校正特性等，对通过空间变化偏振器211的光进行操作。此外，可用的空间变化偏振器211中的两个或更多个空间变化偏振器211的子集可以组合地具有特定的衍射特性、光准直特性、光聚焦特性或像差校正特性等，对通过该子集的光进行操作。当子集被激活(或接通)并且其它可用的空间变化偏振器211被去激活(或断开)时，子集可以根据子集的特定特性对通过其中的光进行操作。
可以形成每个空间变化偏振器211a、211b、211c以作为光学器件执行特定的光学校正。作为附加或作为替代，可以形成两个或更多个空间变化偏振器211，以作为光学元件的组合来执行特定的光学校正。空间变化偏振器211a、211b、211c可以是分层的或堆叠的，其中多条光线205从第一空间变化偏振器211a传递到第二空间变化偏振器211b，然后传递到第三空间变化偏振器211c。第一空间变化偏振器211a和第二空间变化偏振器211b各自被形成为共同执行期望的光学校正。第一空间变化偏振器211a可以被形成为对照射到第一空间变化偏振器211a上的光205执行第一光学校正。第二空间变化偏振器211b可以被形成为对照射在第二空间变化偏振器211b上的光(在已经通过第一光学校正进行了校正之后)执行第二光学校正。第一和第二光学校正的组合共同实现所需的光学校正。
继续该示例，可以关闭第三空间变化偏振器211c，使得其不妨碍或干扰由第一空间变化偏振器和第二空间变化偏振器211a、211b执行的期望的光学校正。当关闭时，第三空间变化偏振器211c可能不执行其自身的光学校正。或者，当关闭时，第三空间变化偏振器211c可以执行第三光学校正。在这种情况下，可以调整第一和第二光学校正，以便补偿第三光学校正(并逆转第三光学校正的效果)，从而实现所寻求的光学校正。
可以以非空间均匀的方式对初始虚拟图像光204执行光学校正。非空间均匀包括对初始虚拟图像光204的不同部分不同地或不均匀地应用光学校正。非空间均匀还包括对初始虚拟图像光204的不同部分或初始虚拟图像光204的不同位置执行不同类型的光学校正。例如，第一空间变化偏振器211a的第一光学校正可以聚焦初始虚拟图像光204的第一部分(例如，中心)和散焦初始虚拟图像光204的第二部分(例如，外周边或边缘)。应当理解，术语“散焦的”或“模糊的”可以是相对的术语，这意味着这种部分中的焦点可能不是相对于“聚焦的”部分优化的。继续该示例，第二空间变化偏振器211a的第二光学校正可以按照用户的处方对初始虚拟图像光204的中心进行光学校正，并且可以不按照用户的处方在初始虚拟图像光204的外围或边缘上执行光学校正。光学校正可以对初始虚拟图像光204的一部分执行锐化，并且禁止对初始虚拟图像光204的另一部分执行锐化。
图3示出了根据一个或多个实施例的HMD 100的外部300。HMD 100包括连接到主体116的一组绑带302。该组绑带302可用于选择性地和可靠地将HMD 100安装到用户104的头部以观看视觉内容。主体116可以包括用于控制HMD 100的各个方面的控制面板304。控制面板304可以包括用于控制光学系统112的光学特性以校正视觉内容的一个或多个输入设备。可以校正视觉内容以改善用户104的体验和/或用户104的视觉状况(例如，近视、远视、散光)。
输入设备可以是电连接到控制器并且被配置为命令该控制器以配置由校正部分210及其一个或多个空间变化偏振器211执行的光学校正的电气设备。作为一个例子，输入设备可以响应于用户104的交互，使电信号被发送到控制器，作为响应，控制器将一个或多个控制信号发送到相应的空间变化偏振器211a、211b、211c，以调整由校正部分210执行的光学校正。控制面板304的电输入设备的非限制性示例包括具有用于提供字母数字输入或导航菜单的一组键的小键盘，或者电连接到控制器的刻度盘或旋钮。外部300可以包括显示器306，用于显示关于HMD 100的信息，例如光学系统112的当前光学设置。在一些实施例中，显示器306可以是用户104可以与之交互以控制光学系统112的触摸屏输入设备。
在一些实施例中，用户可以结合虚拟图像显示单元106呈现的视觉内容来调整光学系统112的光学设置。例如，佩戴HMD 100的用户可以根据由虚拟图像显示单元106显示的菜单或其他视觉内容与控制面板304或其他输入设备(例如，手持控制器、鼠标、键盘)交互以调整光学设置。作为一个示例，用户可以通过控制面板304或其它输入设备来导航菜单，并提供用户输入，该用户输入使得光学系统112的光学设置作为响应而改变。作为另一个例子，HMD 100可以响应于关于用户104感知到的视觉内容的用户输入而实时地调整光学系统112的光学设置。用户可以启动对HMD 100的视觉测试，使得虚拟图像显示单元106显示视觉内容，例如测试模式，并提示用户提供关于视觉内容的清晰度的输入。作为接收输入的结果，HMD 100可以自动调整光学系统112的光学设置，以改善视觉内容的清晰度，从而改善用户104的体验。
图4是示出根据一个或多个实施例的HMD 100的各个部分的互连的框图400。HMD100包括控制器402，控制器402包括一个或多个处理器404和存储器406，存储器406存储一组指令，作为由一个或多个处理器404执行的结果，该组指令使HMD 100执行这里描述的一个或多个操作。作为非限制性示例，存储器406可以包括只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)，并且可以是固态存储器或硬盘驱动器的形式。HMD 100还包括电连接到控制器402的通信接口408，用于发送和接收与外部设备的通信。通信接口408可以包括一个或多个无线收发器，诸如Wi-Fi收发器、蜂窝收发器，BluetoothTM收发器等，其向外部设备(诸如网络路由器或计算设备(例如，膝上型计算机、台式计算机、平板计算机、移动设备))无线地发送通信并从外部设备(诸如网络路由器或计算设备)无线地接收通信。通信接口408可以包括有线通信端口，例如通用串行总线端口、网络接口端口等，用于与外部设备进行有线通信。
HMD 100可以包括电连接到控制器402的一组输入设备410，用于向HMD 100提供用户输入。可以在HMD 100的外部300上提供一组输入设备410中的一个或多个，例如，作为控制面板304的一部分。控制器402还可以电连接到虚拟图像显示单元106和/或显示器306(如果包括的话)并且被配置为控制虚拟图像显示单元106和/或显示器306。在一些实施例中，控制器402可以包括一个或多个图形处理单元，用于经由虚拟图像显示单元106生成虚拟图像光102。
控制器402电连接到光学系统112并被配置为控制光学系统112以调节其光学特性，如本文所述。特别地，控制器402电连接到左光学子系统1301的校正部分412和右光学子系统130r的校正部分416并配置成控制左光学子系统1301的校正部分412和右光学子系统130r的校正部分416。
每个校正部分412、416可以如参考图2所描述的那样进行配置。控制器402电连接到校正部分412、416以控制其相应的空间变化偏振器211。具体地，控制器402向校正部分412、416发送信号(例如，控制信号)，使得相应的校正部分412、416通过接通和断开其空间变化偏振器211来执行光学校正。如上所述，可以控制校正部分412、416以修改其光学特性。控制器402可以响应于接收到输入而发送信号。例如，控制器402可以响应于从输入设备410接收输入而调整光学特性。作为另一个例子，控制器402可以响应于经由通信接口408接收输入来调整光学特性。
由控制器402接收的输入可以具有特定的格式。输入可以指示右眼的处方和/或左眼的处方。对于每个相应的眼睛，输入可以指示屈光力或球面光焦度(有时表示为SPH或S)、柱面光焦度(有时表示为CYL或C)、和/或轴(通常在0和180之间)。输入可以包括针对左光学子系统1301和右光学子系统130r的输入。
在至少一些实施方式中，HMD 100包括被配置为跟踪用户104或用户眼睛105l、105r的凝视(或其方向)的凝视跟踪器127。凝视跟踪器127可以分别为每个眼睛105l和105r执行凝视或瞳孔跟踪，或者跟踪用户104的头部的位置或方向(例如，作为头部跟踪的一部分)。此外，凝视跟踪器127可以跟踪用户身体的各种其它类型的运动和位置。凝视跟踪器127可以输出表示用户104的凝视的数据。该数据可以在显示器306或观看部分120上指示用户104正在引导其凝视的部分(位置或区域)。该部分(位置或区域)可以是中心、象限或任何其它区域。表示用户104的凝视的数据可以是用户凝视所指向的角度或坐标(笛卡尔或极坐标)。
可以基于表示用户104的凝视的数据和/或通过由用户104提供的反馈来实时地调整光学子系统112的光学设置的调整。控制器402可以启动测试以确定对光学系统112的光学设置进行的调整。测试可以包括使虚拟图像显示单元106显示特定的可视内容，例如测试模式或详细的可视图像，并提示用户经由输入设备410或控制面板304提供反馈。用户104可以提供指示视觉内容的各方面(例如，文本、图像)看起来不清楚的反馈。控制器402可以调整光学系统112的光学设置，并询问用户104该调整是否提高了视觉内容的各方面的清晰度。该过程可以是迭代的和重复的，直到用户104满意视觉内容的清晰度。可以响应于经由输入设备410或控制面板304从用户104接收用户输入来执行测试。控制器402可以指导用户104改变他或她的凝视，应用局部化光学校正并提示用户经由输入设备410或控制面板304提供反馈。
通过通信接口408的输入可以由设备(例如，膝上型计算机、台式计算机、移动设备、控制器)作为用户交互的结果来提供。计算设备可以包括一组指令(例如，应用和程序)。用户可以与之交互以使得计算设备发送包括指示或表示用于修改虚拟图像光102的光学特性(例如，以校正用户104的视觉条件)的信息的通信。如上所述，用户可以将输入输入到输入设备410或计算设备中作为医务人员提供的处方，并且可以具有预定的格式。
控制器402可以响应于从输入设备410或通信接口408接收输入，确定要发送到校正部分412、416的信号。例如，处理器404中的一个或多个可以访问存储在存储器406中的数据结构，该数据结构指示要被发送到相应的校正部分412、416的控制信号。数据结构可以是阵列、查找表或其它参考结构，其中输入数据与要发送的相应输出(即，控制信号)相关联。在一些实施方式中，控制器402可以将指示光学系统112的当前状态的信息存储在存储器406中，控制器402可以从当前状态确定满足所接收的输入的调整。
在一个实施例中，空间变化偏振器211可以由用户104或HMD 100的一组潜在用户的处方或医疗状况的高级知识形成，并且可以为用户104或潜在用户组定制。在这种情况下，可以为用户104或潜在用户组定制HMD 100，潜在用户可以是用户的朋友或用户家庭的成员。例如，可以形成每个空间变化偏振器211，以对潜在用户组的特定用户进行光学校正。在使用期间，控制器402可以根据HMD 100的用户的身份切换到特定的空间变化偏振器211。
可以形成空间变化偏振器211以在用户当前处方的范围内提供光学校正。如果用户的视力随时间改变或降低，则为用户104定制的HMD 100的控制器402可以在该范围内调整光学校正以微调光学校正并提供更适合用户的经修改处方的光学校正。由这里描述的校正部分412、416提供的光学校正的可变性使得能够使光学校正适应新的、预见的或可预测的光学校正需要。例如，可以基于用户的当前处方和预见的或可预测的处方改变来执行局部或基于区域的光学聚焦。
在一些实施例中，HMD 100可以被配置为检测用户眼睛105l和105r的视觉条件，并且作为检测的结果自动调整光学系统112。在这样的实施例中，HMD 100可以包括一个或多个传感器424，其检测关于用户眼睛105l和105r的信息，并向控制器402提供测量，控制器402相应地调整光学系统112。HMD 100还可以包括连接到控制器402的一个或多个发光元件426，用于与传感器424结合使用以获得信息。发光元件426可以以一定角度发射光，并具有某些特性(例如，频率、强度)，使得光被传感器424反射和接收。传感器424可以基于从用户眼睛检测到的光来确定关于用户眼睛的信息。作为所确定的关于用户104眼睛的信息的结果，控制器402可以相应地调整光学系统112的光学特性。
图5示出了连接到参照图4描述的控制器402的校正部分210。控制器402具有分别连接到相应的多个空间变化偏振器211a、211b、211c的多个输入212a、212b、212c的多个输出214a、214b、214c。在所示的例子中，为了说明的目的，示出了三层空间变化偏振器，但是在应用中，可以根据需要使用更少的层(例如，1层、2层)或更多的层(例如，5层、10层、20层等)。控制器402通过每个输出214发送控制信号，该控制信号用于使空间变化偏振器211变为激活的或非激活的。
控制器402具有连接到凝视跟踪器127的输出的输入。控制器402从凝视跟踪器127接收表示用户凝视的数据，并基于该数据在接通和关闭状态之间切换多个空间变化偏振器211。控制器402可以操作多个空间变化偏振器211以对用户104引导他或她的凝视的区域和/或用户凝视之外的区域执行光学校正。当用户的凝视在观看会话期间随时间变化时，控制器402可以以时间复用方式操作多个空间变化偏振器211以改变执行光学校正的位置，使得光学校正跟随用户的凝视。
从前在用户凝视之外的、并且当前由用户104凝视的虚拟图像的区域可以经历在其上执行的光学校正的改变，或者已经去除或应用了光学校正。类似地，从前由用户凝视的、并且当前在用户凝视之外的虚拟图像区域也可能经历在其上执行的光学校正的变化，或者已经去除或应用了光学校正。
当非激活时，空间变化偏振器211可以是光学透明的，或者可以仅执行与空间变化偏振器211的材料成分相关的固有光学校正。各种类型的材料具有光学特性并且可操作以改变光。如本文所述，空间变化偏振器211可以由两个或更多个扭曲的液晶层形成。当关闭时，空间变化偏振器211的液晶层仍然可以执行固有的光学校正。当接通时，空间变化偏振器211执行其已经被设计来执行的光学校正。
形成第一、第二和第三空间变化偏振器211a、211b、211c以执行第一、第二和第三光学校正。在操作中，控制器402向空间变化偏振器211a、211b、211c发送控制信号，以便在激活和非激活状态之间操作空间变化偏振器211a、211b、211c。例如，为了激活第一光学校正并去激活第二和第三光学校正，控制器402向第一空间变化偏振器211a发送控制信号，其激活第一空间变化偏振器211a，并向第二和第三空间变化偏振器211b、211c发送各自的控制信号，其分别去激活第二和第三空间变化偏振器211b、211c。第一光学校正可以是所寻求的光学校正和光学补偿的组合。光学补偿可以补偿由去激活的第二和第三空间变化偏振器211b、211c执行的固有光学校正。因此，针对由去激活的第二和第三空间变化偏振器211b、211c执行的固有光学校正，离开第一空间变化偏振器211a并穿过去激活的第二和第三空间变化偏振器211b、211c的光被预补偿。
在另一个例子中，控制器402可以向第一空间变化偏振器211a发送控制信号，该控制信号使第一空间变化偏振器211a去激活，并且可以向第二和第三空间变化偏振器211b、211c发送相应的控制信号，以激活第二和第三空间变化偏振器211b、211c。由第二和第三空间变化偏振器211b、211c提供的第一光学校正是第二和第三光学校正的组合。控制器402可以选择性地在激活和非激活的状态之间切换空间变化偏振器211，以使校正部分210提供光学校正。
图6示出了由多个空间变化偏振器211a-1执行的基于视域的光学校正的示例。在图6的例子中，第一空间变化偏振器211a通过同时使图像(或显示器)的中心区域(或部分)聚焦和使图像的左上、右上、左下和右下的周边区域(或部分)散焦来执行光学校正。由第一空间变化偏振器211a在五个区域上执行的光学校正可以分别由第二空间变化偏振器211b、第三空间变化偏振器211c、第四空间变化偏振器211d、第五空间变化偏振器211e和第六空间变化偏振器211f单独执行。第二空间变化偏振器211b使图像(或显示器)的中心区域聚焦，而不对左上、右上、左下和右下区域进行光学校正。第三空间变化偏振器211c使左上区域散焦，而不使中心区域聚焦或不使其余外围部分散焦。第四空间变化偏振器211d使右上部分散焦，而不使中心部分聚焦或不使其余外围部分散焦。第五空间变化偏振器211e使左下部分散焦，而不使中心部分聚焦或不使其余外围部分散焦。第六空间变化偏振器211f使右下部分散焦，而不使中心部分聚焦或不使其余外围部分散焦。
代替聚焦，第七、第八、第九、第十和第十一空间变化偏振器211g、211h、211i、211j、211k通过锐化由第二、第三、第四、第五和第六空间变化偏振器211b、211c、211d、211e、211f光学校正的区域来执行光学校正。第十二空间变化偏振器211l通过改变在中心部分的图像的角分辨率来光学校正中心部分。图6的示例中的第十二空间变化偏振器211l不对图像的其它区域进行光学校正。
空间变化偏振器211可以对图像的不同区域执行一种或多种不同类型的光学校正或相同的光学校正。控制器402切换空间变化偏振器211以实现各种光学效果。例如，当用户的凝视改变时，控制器402可以相应地打开空间变化偏振器211(并且关闭其它空间变化偏振器211)，以保持用户凝视内的区域聚焦，同时使凝视之外的其它区域散焦。控制器402可以操作空间变化偏振器211以保持用户的视线内的区域锐化或改变它们的角分辨率或焦距。
本公开的空间变化偏振器可以提供由表面相位图、或者由复用在一起的两个或更多个表面相位图的组合限定的空间变化偏振。更一般地，可以使用任何线性或非线性函数来限定本公开的一个或多个空间变化偏振器的表面，以提供期望的功能。图7和8示出了用于空间变化偏振器的表面相位图的两个非限制性示例。在图7的示例性表面图700中，相位在-0.433波长到+0.433波长之间从光学器件的中心朝向外周边同心地变化。在图8的示例性表面图800中，相位从光学器件的底部(如图所示)的-1.25E+004线性变化到光学器件的顶部(如图所示)的+1.25E+004，其中，单位是每个2π弧度的周期。在应用中，可以将两个或更多个空间变化偏振器堆叠在一起。例如，同心表面相位图700可以与线性相位图800等多路复用。注意，尽管为简单起见，表面图700和800的相位变化被示为离散的步骤，但是实际上，该相位可以在光学器件的整个表面上连续地变化。此外，表面相位图700和800中的特定相位值被提供作为示例，并且不应被认为是限制性的。
在至少一些实施方式中，空间变化偏振器的表面相图可以被设计成抵消或补偿由显示系统的至少一个其它部件(例如显示源、透镜等)引起的不希望的偏振。在这样的实施方式中，可以首先确定光学系统(例如，透镜、或透镜和显示源)的相位分布或图。然后，所确定的相位图可以被反转并应用于空间变化偏振器，使得空间变化偏振器偏移或补偿由光学系统的其它部件引起的不希望的影响。
可以组合上述各种实施例以提供进一步的实施例。根据以上详细描述，可以对实施例进行上述和其它改变。通常，在以下权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制于说明书和权利要求中所公开的具体实施例，而应被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求所授予的等同物的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。
Claims (16)
1.一种光学系统，包括：
凝视跟踪器，可操作以跟踪用户的凝视并输出表示所述凝视的数据；
校正部分，包括多个空间变化偏振器，所述多个空间变化偏振器中的第一空间变化偏振器具有第一控制输入，所述第一控制输入被配置为接收多个控制信号中的第一控制信号，所述第一控制信号指示所述第一空间变化偏振器是激活的还是非激活的，所述第一空间变化偏振器在激活时可操作以在与虚拟图像的多个区域中的第一区域相对应的位置处对穿过所述校正部分的光提供第一光学校正；以及
控制器，被配置为：
接收表示所述用户的所述凝视的所述数据；
基于所述凝视，确定是否在与所述第一区域相对应的位置处对穿过所述校正部分的所述光执行所述第一光学校正；以及
响应于确定在与所述第一区域相对应的位置处对穿过所述校正部分的所述光执行所述第一光学校正，输出指示所述第一空间变化偏振器将要激活的所述第一控制信号。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述虚拟图像的所述多个区域中的所述第一区域位于所述用户的所述凝视的视域内。
3.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述控制器被配置为：
基于表示所述用户的所述凝视的所述数据，确定所述凝视发生了改变；以及
确定通过所述多个空间变化偏振器中的第二空间变化偏振器在与所述虚拟图像的所述多个区域中的第二区域相对应的位置处对穿过所述校正部分的所述光执行第二光学校正。
4.根据权利要求3所述的光学系统，其中，所述多个空间变化偏振器中的所述第二空间变化偏振器具有第二控制输入，所述第二控制输入被配置为接收所述多个控制信号中的第二控制信号，所述第二控制信号指示所述第二空间变化偏振器是激活的还是非激活的，并且其中所述控制器被配置为：
响应于确定在与所述第二区域相对应的位置处对穿过所述校正部分的所述光执行所述第二光学校正，输出指示所述第二空间变化偏振器将要激活的所述第二控制信号。
5.根据权利要求4所述的光学系统，其中，所述控制器被配置为：
响应于确定在与所述第二区域相对应的位置处对穿过所述校正部分的所述光执行所述第二光学校正，输出指示所述第一空间变化偏振器将要非激活的所述第一控制信号。
6.根据权利要求3所述的光学系统，其中，所述第一空间变化偏振器和所述第二空间变化偏振器是堆叠布置的，使得穿过所述校正部分的所述光在穿过所述第一空间变化偏振器之后照射在所述第二空间变化偏振器上。
7.根据权利要求1所述的光学系统，其中，提供所述第一光学校正包括：根据衍射图案、光准直、光聚焦、图像锐化、角分辨率修改、焦距修改或像差校正来执行衍射。
8.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述多个空间变化偏振器中的空间变化偏振器包括多扭曲延迟器(MTR)。
9.一种头戴式显示系统，包括：
支撑结构；
显示器；
凝视跟踪器，可操作以跟踪用户的凝视并输出表示所述凝视的数据；
光学系统，包括第一光学子系统和第二光学子系统，所述第一光学子系统和所述第二光学子系统中的每一个包括：
校正部分，包括多个空间变化偏振器，所述多个空间变化偏振器中的第一空间变化偏振器具有第一控制输入，所述第一控制输入被配置为接收多个控制信号中的第一控制信号，所述第一控制信号指示所述第一空间变化偏振器是激活的还是非激活的，所述第一空间变化偏振器在激活时可操作以在与虚拟图像的多个区域中的第一区域相对应的位置处对穿过所述校正部分的光提供第一光学校正；以及
控制器，对于所述第一光学子系统和所述第二光学子系统中的每一个，所述控制器被配置为：
接收表示所述用户的所述凝视的所述数据；
基于所述凝视，确定是否在与所述第一区域相对应的位置处对穿过所述校正部分的所述光执行所述第一光学校正；以及
响应于确定在与所述第一区域相对应的位置处对穿过所述校正部分的所述光执行所述第一光学校正，输出指示所述第一空间变化偏振器将要激活的所述第一控制信号。
10.根据权利要求9所述的头戴式显示系统，其中，对于所述第一光学子系统和所述第二光学子系统中的每一个，所述虚拟图像的所述多个区域中的所述第一区域位于所述用户的所述凝视的视域内。
11.根据权利要求9所述的头戴式显示系统，其中，对于所述第一光学子系统和所述第二光学子系统中的每一个，所述控制器被配置为：
基于表示所述凝视的所述数据，确定所述凝视发生了改变；以及
确定通过所述多个空间变化偏振器中的第二空间变化偏振器在与所述虚拟图像的所述多个区域中的第二区域相对应的位置处对穿过所述校正部分的所述光执行第二光学校正。
12.根据权利要求11所述的头戴式显示系统，其中，对于所述第一光学子系统和所述第二光学子系统中的每一个，所述多个空间变化偏振器中的所述第二空间变化偏振器具有第二控制输入，所述第二控制输入被配置为接收所述多个控制信号中的第二控制信号，所述第二控制信号指示所述第二空间变化偏振器是激活的还是非激活的，并且其中所述控制器被配置为：
响应于确定在与所述第二区域相对应的位置处对穿过所述校正部分的所述光执行所述第二光学校正，输出指示所述第二空间变化偏振器将要激活的所述第二控制信号。
13.根据权利要求12所述的头戴式显示系统，其中，对于所述第一光学子系统和所述第二光学子系统中的每一个，所述控制器被配置为：
响应于确定在与所述第二区域相对应的位置处对穿过所述校正部分的所述光执行所述第二光学校正，输出指示所述第一空间变化偏振器将要非激活的所述第一控制信号。
14.根据权利要求11所述的头戴式显示系统，其中，对于所述第一光学子系统和所述第二光学子系统中的每一个，所述第一空间变化偏振器和所述第二空间变化偏振器是堆叠布置的，使得穿过所述校正部分的所述光在穿过所述第一空间变化偏振器之后照射在所述第二空间变化偏振器上。
15.根据权利要求9所述的头戴式显示系统，其中，对于所述第一光学子系统和所述第二光学子系统中的每一个，提供所述第一光学校正包括：根据衍射图案、光准直、光聚焦、图像锐化、角分辨率修改、焦距修改或像差校正来执行衍射。
16.根据权利要求9所述的头戴式显示系统，其中，对于所述第一光学子系统和所述第二光学子系统中的每一个，所述多个空间变化偏振器中的空间变化偏振器包括多扭曲延迟器(MTR)。
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