CN115053167B - 使用空间变化偏振器的可变光学校正 - Google Patents

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Abstract

提供了一种光学系统，该光学系统包括校正部分，该校正部分包括一个或多个空间变化偏振器。一个或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，该第一控制输入被配置为接收第一控制信号，该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。当激活时，第一空间变化偏振器操作来对穿过校正部分的光提供第一光学校正。光学系统包括控制器，该控制器被配置为确定是否对穿过校正部分的光执行第一光学校正，并且响应于对穿过校正部分的光执行第一光学校正而输出第一控制信号，该第一控制信号指示第一空间变化偏振器将激活。可以控制额外的空间变化偏振器以提供额外的或替代的光学校正。

Description

使用空间变化偏振器的可变光学校正
技术领域
本公开涉及一种使用空间变化偏振器执行可变光学校正的光学校正系统。
背景技术
头戴式显示设备(HMD)是佩戴在用户头上的显示设备，具有用于向用户呈现视觉内容的一个或多个显示单元。HMD变得越来越受欢迎，以提供虚拟现实(VR)或增强现实(AR)体验，或者促进游戏或视听媒体的呈现。显示单元通常是小型化的并且可以包括例如CRT、LCD、硅上液晶(LCos)或OLED技术。一些HMD是双目的，并且具有可以向每只眼睛显示不同的图像的可能。这种能力用于显示立体图像，以呈现更加身临其境的用户体验。
现有的HMD没有考虑到用户的视力缺陷或不足。例如，散光、近视或远视(也称为老花眼)的人可能会戴眼镜来矫正其中一种或多种情况。然而，先前实现的HMD向用户显示视觉内容，而不需要调整虚拟图像光来纠正这些条件。至少一些HMD在用户的眼睛前面或周围没有足够的空间来允许用户佩戴视力矫正眼镜和HMD。因此，视觉内容可能对于患有视力缺陷或不足的戴眼镜的用户来说显得不集中或不清楚，从而有损用户的整体体验。
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看或校正用户的一种或多种视觉状况，包括近视、远视和散光。光学系统可以包括左光学子系统和右光学子系统，它们分别可操作以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看。
光学系统包括一个或多个空间变化偏振器，每个偏振器可基于控制器输入来在激活(开启)状态或非激活(关闭)状态下操作。空间变化偏振器可以由多扭曲延迟器(MTR)形成并且被定制以在单个薄膜中提供精确的延迟水平。空间变化偏振器可以被配置为操作为校正光学器件并且使穿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透镜并且具有用于聚焦通过光的电控焦距并且可以对通过光执行准直。
每个空间变化偏振器可以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，其对穿过空间变化偏振器的光起作用。两个或更多个空间变化偏振器的子集可以组合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，其对穿过该子集的光起作用。
控制器可以打开或关闭各个空间变化偏振器、空间变化偏振器的子集或所有可用的空间变化偏振器，以实现和执行相应的光学校正。控制器可以在开启和关闭状态之间切换各种空间变化偏振器，以在不同的可用光学校正之间切换。
一种光学系统可以概括为包括：校正部分，该校正部分包括一个或多个空间变化偏振器，一个或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，该第一控制输入被配置为接收第一控制信号，该第一控制信号指示第一空间变化偏振器是激活还是非激活，该第一空间变化偏振器在激活时操作来对穿过校正部分的光提供第一光学校正；以及控制器，该控制器被配置为：确定是否对穿过校正部分的光执行第一光学校正；并且响应于确定对穿过校正部分的光执行第一光学校正而输出第一控制信号，该第一控制信号指示第一空间变化偏振器将激活。
一个或多个空间变化偏振器可以包括与第一空间变化偏振器堆叠布置的第二空间变化偏振器，使得穿过校正部分的光在已穿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。第二空间变化偏振器可以具有第二控制输入，该第二控制输入被配置为接收第二控制信号，该第二控制信号指示第二空间变化偏振器是激活还是非激活，并且其中第二空间变化偏振器在激活时可以操作以对穿过校正部分的光提供第二光学校正。控制器可以被配置为：确定对穿过校正部分的光执行第二光学校正；并且响应于确定对穿过校正部分的光执行第二光学校正而输出第一控制信号，该第一控制信号指示第一空间变化偏振器非激活；并且输出第二控制信号，该第二控制信号指示第二空间变化偏振器将激活。一个或多个空间变化偏振器可以包括与第一空间变化偏振器和第二空间变化偏振器堆叠布置的第三空间变化偏振器，使得穿过校正部分的光在穿过第一空间变化偏振器和第二空间变化偏振器之后照射在第三空间变化偏振器上。第三空间变化偏振器可以具有第三控制输入，该第三控制输入被配置为接收第三控制信号，该第三控制信号指示第三空间变化偏振器是激活还是非激活，并且其中第三空间变化偏振器在激活时可以操作以对穿过校正部分的光提供第三光学校正。控制器可以被配置为：确定对穿过校正部分的光执行第三光学校正；并且响应于确定穿过校正部分的光执行第三光学校正而输出第一控制信号，该第一控制信号指示第一空间变化偏振器将非激活；输出第二控制信号，该第二控制信号指示第二空间变化偏振器将非激活；并且输出第三控制信号，该第三控制信号指示第三空间变化偏振器将激活。对穿过校正部分的光提供第一光学校正可以包括根据衍射图案执行衍射、光准直、光聚焦或像差校正。一个或多个空间变化偏振器可以包括多扭曲延迟器(MTR)。
一种头戴式显示系统可以概括为包括：支撑结构；显示器；光学系统，该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，该校正部分包括一个或多个空间变化偏振器，一个或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，该第一控制输入被配置为接收第一控制信号，该第一控制信号指示第一空间变化偏振器是激活还是非激活，该第一空间变化偏振器在激活时操作来对穿过校正部分的光提供第一光学校正；以及控制器，该控制器被配置为针对第一光学子系统和第二光学子系统中的每一个：确定是否对穿过校正部分的光执行第一光学校正；并且响应于确定对穿过校正部分的光执行第一光学校正而输出第一控制信号，该第一控制信号指示第一空间变化偏振器将激活。
针对第一光学子系统和第二光学子系统中的每一个，一个或多个空间变化偏振器可以包括与第一空间变化偏振器堆叠布置的第二空间变化偏振器，使得穿过校正部分的光在已穿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。针对第一光学子系统和第二光学子系统中的每一个，第二空间变化偏振器可以具有第二控制输入，该第二控制输入被配置为接收第二控制信号，该第二控制信号指示第二空间变化偏振器是激活还是非激活，并且其中第二空间变化偏振器在激活时可以操作以对穿过校正部分的光提供第二光学校正。针对第一光学子系统和第二光学子系统中的每一个，控制器可以被配置为：确定对穿过校正部分的光执行第二光学校正；并且响应于确定对穿过校正部分的光执行第二光学校正而输出第一控制信号，该第一控制信号指示第一空间变化偏振器非激活；并且输出第二控制信号，该第二控制信号指示第二空间变化偏振器将激活。
针对第一光学子系统和第二光学子系统中的每一个，一个或多个空间变化偏振器可以包括与第一空间变化偏振器和第二空间变化偏振器堆叠布置的第三空间变化偏振器，使得穿过校正部分的光在穿过第一空间变化偏振器和第二空间变化偏振器之后可以照射在第三空间变化偏振器上。针对第一光学子系统和第二光学子系统中的每一个，第三空间变化偏振器可以具有第三控制输入，该第三控制输入被配置为接收第三控制信号，该第三控制信号指示第三空间变化偏振器是激活还是非激活，并且其中第三空间变化偏振器在激活时可以操作以对穿过校正部分的光提供第三光学校正。针对第一光学子系统和第二光学子系统中的每一个，控制器可以被配置为：确定对穿过校正部分的光执行第三光学校正；并且响应于确定穿过校正部分的光执行第三光学校正而输出第一控制信号，该第一控制信号指示第一空间变化偏振器将非激活；输出第二控制信号，该第二控制信号指示第二空间变化偏振器将非激活；并且输出第三控制信号，该第三控制信号指示第三空间变化偏振器将激活。针对第一光学子系统和第二光学子系统中的每一个，对穿过校正部分的光提供第一光学校正可以包括根据衍射图案执行衍射、光准直、光聚焦或像差校正。针对第一光学子系统和第二光学子系统中的每一个，一个或多个空间变化偏振器可以包括多扭曲延迟器(MTR)。
附图说明
图1示出了根据一种或多种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示出了联接到参考图4描述的控制器的校正部分；
图6是根据一种非限制性说明性实施方式的空间变化偏振器的示例性表面相位图；
图7是根据一种非限制性说明性实施方式的空间变化偏振器的另一示例性表面相位图。
具体实施方式
在以下描述中，陈述某些具体细节以便提供各种公开的实施方式的全面理解。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，或者利用其他方法、部件、材料等来实践实施方式。在其他情况下，还未详细地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众所周知的结构，以避免不必要地模糊对实施方式的描述。
除非上下文另外要求，否则在整个说明书和随后的权利要求书中，单词“包含”与“包括”同义，并且是包含性的或开放性的(即，不排除另外的、未引用的元件或方法动作)。除非另有说明或与上下文相矛盾，否则对在此使用的术语“集合”(例如，“一组项目”)的引用将被解释为包括一个或多个成员或实例的非空集合。
贯穿本说明书对“一个实施方式”或“实施方式”的引用意味着结合所述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，贯穿本说明书在各个地方出现的短语“在一个实施方式中”或“在实施方式中”不一定都指代相同的实施方式。此外，所描述的特征、结构或特性可以任何合适的方式在一个或多个实施方式中进行组合。
除非内容另外明确指出，如本说明书和所附权利要求书所用，单数形式“一个”、“一种”和“所述”都包括复数指代物。还应注意的是，除非内容另外明确指出，否则术语“或”一般是在其包括“和/或”的意义上采用的。
本文提供的本公开的标题和摘要仅是为了方便起见，并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被配置为诸如经由以诸如每秒30帧(或图像)或每秒90帧的显示速率呈现的相应视频向用户104呈现虚拟现实(VR)，而类似系统的其他实施例可以向用户104呈现增强现实显示。HMD 100向用户104的左眼105l和右眼105r提供经校正的虚拟图像光102。HMD100包括一个或多个虚拟图像显示单元106，其安装到框架108或框架内。虚拟图像显示单元106产生用于使用户感知视觉内容的虚拟图像光102。HMD 100还可以包括设置在虚拟图像显示单元106的发射侧上的左组透镜107l和右组透镜107r。左组透镜107l和右组透镜107r可以在虚拟图像光102从虚拟图像显示单元106发射之后对该虚拟图像光进行聚焦、准直或以其他方式修改。左组透镜107l和右组透镜107r可以包括例如使虚拟图像光102折射或准直的菲涅耳透镜。
HMD 100还包括光学系统112，该光学系统具有选择性可变的光学特性，以用于校正用户的一种或多种视觉状况。例如，光学系统112可选择性地调节以校正近视、远视和散光等中的一种或多种。从虚拟图像显示单元106发出的虚拟图像光102沿光路径126行进通过光学系统112，该光学系统根据光学系统112的光学特性对虚拟图像光102进行修改，并且分别向用户的左眼105l和右眼105r发射经校正的虚拟图像光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，该主体具有前部部分118和与前部部分118相反以用于定位在用户的眼睛105l和105r的前方来观察所产生的视觉内容的观察部分120。HMD 100包括一个或多个支撑结构，以用于选择性地将HMD 100安装到用户的头部。例如，图1的HMD 100包括用于分别搁置在用户104的左耳124l和右耳124r上的左镜腿122l和和右镜腿122r。在一些实施例中，HMD 100可以包括另一个支撑结构，诸如连接到主体116的绑带，该绑带围绕用户104的脑袋后部卷绕。HMD 100的鼻部组件(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置成将光学系统112定位在用户的眼睛105l和105r之一的前方。尽管出于解释的目的以类似于眼镜的简化方式示出了框架108，但应当理解，在实践中可以使用更复杂的结构(例如，护目镜、一体式头带、头盔、绑带等)来将HMD 100支撑和定位在用户104的头上。
虚拟图像显示单元106产生虚拟图像光102，该虚拟图像光透射通过光学系统112并被光学系统选择性地修改。虚拟图像显示单元106包括用于生成向左眼105l呈现的图像光的左显示单元106l和用于生成向右眼105r呈现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的其他发光技术。图1所示的实施例的虚拟图像显示单元106位于HMD 100的前部部分中，并且在向后方向上朝向用户104的眼睛发射光。在一些实施例中，虚拟图像显示单元106可以包括将虚拟图像光102朝向眼睛105l或105r引导(例如，反射、折射)的波导，使得虚拟图像显示单元106的发光元件不位于眼睛105l或105r的正前方来供用户104感知视觉内容。在一些实施例中，主体116的前部部分118可以是至少部分透明的，使得用户104可以感知外部内容来提供增强现实体验。
HMD 100包括凝视跟踪器127，该凝视跟踪器被配置为跟踪用户104或用户的眼睛105l、105r的凝视(或凝视方向)。尽管凝视跟踪器127被示出为HMD 100的内部元件，但凝视跟踪器127在替代实施例中可以是外部传感器。此外，凝视跟踪器127可以分别为每只眼睛105l和105r执行凝视或瞳孔跟踪或者跟踪用户104的头部的位置或取向(例如，作为头部跟踪的一部分)。此外，凝视跟踪器127可以跟踪用户的身体的各种其他类型的移动和位置。
凝视跟踪器127可以输出表示用户104的凝视的数据。数据可以指示用户104正在引导他的注视的观察部分120上的位置(或区域)。该位置(或区域)可以是观察部分120的中心、观察部分120的象限或者观察部分120的任何其他区域。
虽然所描述的技术可以用于具有类似于图1所示的显示系统的一些实施例中，但是在其他实施例中可以使用其他类型的显示系统，包括单个光学透镜和显示设备，或者多个这种光学透镜和显示设备。其他此类设备的非排他性示例包括相机、望远镜、显微镜、双筒望远镜、瞄准镜、测量镜等。此外，所描述的技术可以与发射光以形成图像的多种显示面板或其他显示设备一起使用，一个或多个用户通过一个或多个光学透镜观察这些图像。在其他实施例中，用户可以通过一个或多个光学透镜观察一个或多个图像，这些光学透镜以不同于经由显示面板的方式产生，诸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可以包括从每个虚拟图像显示单元106沿光路径126穿过光学系统112并朝向观察部分120行进的多条光线。光学系统112修改多个光线中的一些或全部以提供经校正的虚拟图像光114。光学系统112包括一个或多个光学子系统130，以用于修改虚拟图像光102。尽管多个光学子系统130包括用于修改用于左眼105l的虚拟图像光102的左光学子系统130l和用于修改用于右眼105r的虚拟图像光102的右光学子系统130r，但是一个光学子系统130可以用于共同修改用于双眼105l、105r的虚拟图像光102。左光学子系统130l和右光学子系统130r中的每一个都可以独立地调节以增强用户104的观察体验或者分别校正左眼105l和右眼105r中的视觉缺陷或不足。
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130l或130r)的图200。光学子系统130包括用于接收对应于用于单眼的虚拟图像光102的初始虚拟图像光204的接收部分202以及用于发射经校正的虚拟图像光208的发射部分206。初始虚拟图像光204可以包括多个光线205，每个光线具有用于使用户104感知视觉内容的特定组属性(例如，颜色、方向、亮度)。如本文所述，光学子系统130还包括校正部分210，该校正部分包括一个或多个空间变化偏振器211。校正部分210对初始虚拟图像光204进行校正，并且发射经校正的虚拟图像光208。
尽管图2中示出了三个空间变化偏振器211(第一空间变化偏振器211a、第二空间变化偏振器211b和第三空间变化偏振器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具有相应的输入212a、212b、212c，该输入可操作用于接收指示空间变化偏振器211a、211b、211c是打开还是关闭的相应控制信号。控制信号可以具有指示空间变化偏振器211将被打开的第一状态和指示空间变化偏振器211将被关闭的第二状态。输入212可以耦合到本文所述的控制器(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，该多扭曲延迟器是波片状延迟膜，其在单个薄膜中提供了精确和定制水平的宽带、窄带或多带延迟。更具体地，MTR包括在单个基板上的两个或更多个扭曲液晶(LC)层并且具有单个对齐层。随后的LC层直接由先前的层对齐，从而允许简单的制造，从而实现自动层配准，并且产生具有连续变化的光轴的单片薄膜。
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。双折射是材料的特性，其折射率取决于光的偏振和传播方向。波延迟器改变行进通过波延迟器的光的偏振态或相位。波延迟器可以具有慢轴(或异常轴)和快轴(普通轴)。当偏振光行进通过波延迟器时，沿快轴的光比沿慢轴的光更快地行进。
空间变化偏振器211可以被配置为操作为校正光学器件。空间变化偏振器211的双折射材料可以被配置为使穿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透镜并且具有电可控焦距。此外，空间变化偏振器211可以对通过的光执行准直。
校正部分210的一个或多个空间变化偏振器211可以单独地、共同地或在子集中操作为电控校正光学器件。每个空间变化偏振器211可以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，其对穿过空间变化偏振器211的光起作用。此外，可用空间变化偏振器211的两个或更多个空间变化偏振器211的子集可以组合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，其对穿过该子集的光起作用。当子集被激活(或打开)并且其他可用的空间变化偏振器211被停用(或关闭)时，子集可以根据子集的特定特性对穿过其中的光进行操作。
每个空间变化偏振器211a、211b、211c可以形成为作为光学器件执行特定的光学校正。另外或作为替代，可以形成两个或更多个空间变化偏振器211以作为光学器件的组合来执行特定的光学校正。空间变化偏振器211a、211b、211c可以层叠或堆叠，其中多个光线205从第一空间变化偏振器211a穿过到第二空间变化偏振器211b，然后到达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各自形成为共同执行期望的光学校正。可以形成第一空间变化偏振器211a以对照射在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可以形成为对照射在第二空间变化偏振器211b上的光执行第二光学校正(在已经通过第一光学校正进行校正之后)。第一光学校正和第二光学校正的组合共同实现了期望的光学校正。
继续该示例，可以关闭第三空间变化偏振器211c，使得它不会阻碍或干扰由第一空间变化偏振器211a和第二空间变化偏振器211b执行的期望光学校正。当关闭时，第三空间变化偏振器211c可以不执行其自身的光学校正。替代性地，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，可以调整第一光学校正和第二光学校正以便补偿第三光学校正(并且反转第三光学校正的效果)，以便实现所寻求的光学校正。
图3示出了根据一个或多个实施例的HMD 100的外部300。HMD 100包括附接到主体116的一组绑带302。该组绑带302可用于选择性且牢固地将HMD 100安装到用户104的头部以便观察视觉内容。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可以包括一个或多个输入设备，以用于控制光学系统112的光学特征以校正视觉内容。可以校正视觉内容以改善用户104的体验和/或针对用户104的视力状况(例如，近视、远视、散光)。
输入设备可以是电耦合到控制器并被配置为命令控制器来配置由校正部分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子设备。作为示例，输入设备可以响应于用户104的交互，导致将电信号发送到控制器，该控制器作为响应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耦合到控制器的转盘或旋钮。外部300可以包括显示器306，以用于显示关于HMD 100的信息，诸如光学系统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，用户可以结合由虚拟图像显示单元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，用户可以经由控制面板304或其他输入设备来导航菜单，并且提供导致光学系统112的光学设置响应地改变的用户输入。作为另一个示例，HMD100可以响应于关于用户104感知的视觉内容的用户输入来实时地调整光学系统112的光学设置。用户可以在HMD100上发起视觉测试，从而使虚拟图像显示单元106显示视觉内容，诸如测试模式，并且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，HMD100可以自动调整光学系统112的光学设置以便提高视觉内容的清晰度，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，该控制器包括一个或多个处理器404和存储一组指令的存储器406，作为由一个或多个处理器404执行的结果，这些指令使HMD 100执行本文所述的一个或多个操作。作为非限制性说明性示例，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还包括电耦合到控制器402的通信接口408，以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、蓝牙TM收发器等，它们往返于诸如网络路由器或计算设备的外部设备(例如，膝上型计算机、台式计算机、平板计算机、移动设备)无线发送和接收通信。通信接口408可以包括有线通信端口，诸如通用串行总线端口、网络接口端口等，以用于与外部设备进行有线通信。
HMD 100可以包括一组输入设备410，其电耦合到控制器402，以用于向HMD 100提供用户输入。该组输入设备410中的一个或多个可以设置在HMD 100的外部300上，例如作为控制面板304的一部分。控制器402还可以电耦合到虚拟图像显示单元106和/或显示器306(如果包括)并且被配置为对其进行控制。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，以用于经由虚拟图像显示单元106产生虚拟图像光102。
如本文所述，控制器402电耦合到光学系统112并且被配置为控制光学系统112以便调整其光学特征。具体地，控制器402电耦合到左光学子系统130l的校正部分412和右光学子系统130r的校正部分416并且被配置对其进行控制。
每个校正部分412、416可以如这里参考图2所描述的那样配置。控制器402电耦合到校正部分412、416以控制其各自的空间变化偏振器211。具体地，控制器402将信号(例如，控制信号)发送到校正部分412、416，使得各个校正部分412、416通过打开和关闭其空间变化偏振器211来执行光学校正。如上所述，可以控制校正部分412、416以修改其光学特征。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接收到输入而使光学特征被调整。作为另一个示例，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征。
由控制器402接收的输入可以具有特定格式。该输入可以指示用于右眼的处方和/或用于左眼的处方。对于每只相应的眼睛，输入可以指示屈光度或球面光焦度(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)。该输入可以包括用于左光学子系统130l和右光学子系统130r的输入。
光学子系统112的光学设置的调整可以通过用户104提供的反馈来实时调整。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显示特定的视觉内容，诸如测试图案或详细的视觉图像，并且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方面(例如，文本、图像)显得不清楚的反馈。控制器402可以调整光学系统112的光学设置并且询问用户104这些调整是否提高了视觉内容的各方面的清晰度。这个过程可以是迭代和重复的，直到用户104对视觉内容的清晰度感到满意为止。可以响应于经由输入设备410或控制面板304从用户104接收到用户输入来执行测试。
作为用户交互的结果，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)提供。计算设备可以包括一组指令(例如，应用程序、程序)，用户可以与之交互以使计算设备发送包括指示或表示用于修改虚拟图像光102以校正用户的104视力状况的光学特征的信息的通信。如上所述，用户可以将输入作为由医疗专业人员提供的处方输入到输入设备410或计算设备中，并且可以具有预定格式。
控制器402可以响应于从输入设备410或通信接口408接收到输入来确定要发送到校正部分412、416的信号。例如，一个或多个处理器404可以访问存储在存储器406中的数据结构，该数据结构指示要发送到对应校正部分412、416的控制信号。数据结构可以是数组、查找表或其他参考结构，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可以将信息存储在存储器406中，该信息指示光学系统112的当前状态，控制器402可以从该状态确定调整以满足接收的输入。
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，并且可以针对用户104或该组潜在用户定制。在这种情况下，可以为用户104或该组潜在用户定制HMD 100，潜在用户可以是用户的朋友或用户家庭的成员。例如，每个空间变化偏振器211可以形成为对潜在组用户中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。
空间变化偏振器211可以被形成为在用户的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退化，则为用户104定制的HMD100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且提供更适合用户的改变的处方的光学校正。由本文描述的校正部分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、可预见的或可预测的光学校正需求。
在一些实施例中，HMD 100可以被配置为检测用户眼睛105l和105r的视觉状况并且作为检测的结果自动调整光学系统112。在这种实施例中，HMD 100可以包括一个或多个传感器424，该一个或多个传感器检测关于用户的眼睛105l和105r的信息并向控制器402提供测量结果，该控制器相应地调整光学系统112。HMD 100还可以包括耦合到控制器402的一个或多个照明元件426，以用于与传感器424结合使用来获得信息。发光元件426可以以一定角度发射光并且具有某些特征(例如频率、强度)，使得光被传感器424反射和接收。传感器424可以基于从用户的眼睛检测到的光来确定关于用户的眼睛的信息。作为关于用户104的眼睛确定的信息的结果，控制器402可以相应地调整光学系统112的光学特征。
图5示出了耦合到参考图4描述的控制器402的校正部分210。控制器402具有多个输出214a、214b、214c，它们分别耦合到相应的多个空间变化偏振器211a、211b、211c的多个输入212a、212b、212c。在所示示例中，出于解释目的，示出了三层空间变化偏振器，但在应用中，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在每个输出214上发送控制信号，该控制信号可操作以使空间变化偏振器211变为激活或非激活。
空间变化偏振器211，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的材料成分相关联的固有光学校正。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液晶层形成。空间变化偏振器211的液晶层在关闭时仍然可以执行固有的光学校正。当开启时，空间变化偏振器211执行其已被设计来执行的光学校正。
形成第一空间变化偏振器211a、第二空间变化偏振器211b和第三空间变化偏振器211c以执行第一光学校正、第二光学校正和第三光学校正。在操作中，控制器402向空间变化偏振器211a、211b、211c发送控制信号以在激活与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和去激活第二光学校正和第三光学校正，控制器402向第一空间变化偏振器211a发送控制信号，该控制信号激活第一空间变化偏振器211a并且向第二空间变化偏振器211b和第三空间变化偏振器211c发送相应的控制信号，该控制信号分别去激活第二空间变化偏振器211b和第三空间变化偏振器211c。第一光学校正可以是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空间变化偏振器211b和第三空间变化偏振器211c执行的固有光学校正。因此，离开第一空间变化偏振器211a并穿过去激活的第二空间变化偏振器211b和第三空间变化偏振器211c的光被预先补偿，以用于由去激活的第二空间变化偏振器211b和第三空间变化偏振器211c执行的固有光学校正。
在另一个示例中，控制器402可以向第一空间变化偏振器211a发送控制信号，该控制信号去激活第一空间变化偏振器211a，并且可以向第二空间变化偏振器211b和第三空间变化偏振器211c发送相应的控制信号以激活第二空间变化偏振器211b和第三空间变化偏振器211c。由第二空间变化偏振器211b和第三空间变化偏振器211c提供的第一光学校正是第二光学校正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。
本公开的空间变化偏振器可以提供由表面相位图或通过复用在一起的两个或更多个表面相位图的组合定义的空间变化偏振。更一般地，可以使用任何线性或非线性函数来定义本发明的空间变化偏振器中的一个或多个的表面以提供期望的功能。图6和图7示出了空间变化偏振器的表面相位图的两个非限制性示例。在图6的示例性表面图600中，相位在-0.433波长到+0.433波长之间从光学器件的中心向外围同心地变化。在图7的示例性表面图700中，相位从光学器件底部(如图所示)的-1.25E+004到光学器件顶部(如图所示)的+1.25E+004线性变化，其中单位是每个2π弧度的周期。在应用中，两个或更多个空间变化偏振器可以堆叠在一起。例如，同心表面相位图600可以与线性相位图700等复用。应注意，尽管为了简单起见，表面图600和700的相位变化被示出为离散的步骤，但实际上相位可以在整个光学器件表面上连续可变。此外，表面相位图600和700中的特定相位值是作为示例提供的，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位图可以被设计为抵消或补偿由显示系统的至少一个其他部件(诸如显示源、透镜等)引起的不期望的偏振。在这种实施方式中，可以首先确定光学系统(例如，透镜、或透镜和显示源)的相位分布或相位图。然后可以将确定的相位图反转并应用于空间变化偏振器，使得空间变化偏振器抵消或补偿由光学系统的其他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另外的实施例。可以根据上述描述对实施例做出这些和其他改变。通常，在以下权利要求书中，所使用的术语不应解释为将权利要求限制为说明书和权利要求书中所公开的特定实施例，而应解释为包括所有可能的实施例以及此类权利要求是有权的全部等同范围。因此，权利要求不受公开内容的限制。

Claims (14)

1.一种光学系统，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包括：
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操作来对穿过所述校正部分的光提供第一光学校正；以及
第二空间变化偏振器，与所述第一空间变化偏振器堆叠布置，所述第二空间变化偏振器具有被配置为接收第二控制信号的第二控制输入，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，所述第二空间变化偏振器在激活时操作以对穿过所述校正部分的所述光提供与所述第一光学校正不同的第二光学校正；以及
控制器，被配置为：
接收指示对穿过所述校正部分的所述光执行所述第一光学校正或所述第二光学校正的输入；
响应于接收到指示对穿过所述校正部分的所述光执行所述第一光学校正的输入，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；以及
响应于接收到指示对穿过所述校正部分的所述光执行所述第二光学校正的输入，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。
2.如权利要求1所述的光学系统，其中所述第一光学校正包括近视、远视、散光中的一种，并且所述第二光学校正包括近视、远视、散光中的另一种。
3.如权利要求1所述的光学系统，其中所述多个空间变化偏振器包括第三空间变化偏振器，所述第三空间变化偏振器与所述第一空间变化偏振器和所述第二空间变化偏振器堆叠布置，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和所述第二空间变化偏振器之后照射在所述第三空间变化偏振器上。
4.如权利要求3所述的光学系统，其中所述第三空间变化偏振器具有被配置为接收第三控制信号的第三控制输入，所述第三控制信号指示所述第三空间变化偏振器是激活的还是非激活的，并且其中所述第三空间变化偏振器在激活时操作以对穿过所述校正部分的所述光提供第三光学校正。
5.如权利要求4所述的光学系统，其中所述第三光学校正包括近视、远视、散光。
6.如权利要求1所述的光学系统，其中对穿过所述校正部分的所述光提供所述第一光学校正包括根据衍射图案执行衍射、光准直、光聚焦或像差校正。
7.如权利要求1所述的光学系统，其中所述多个空间变化偏振器包括多扭曲延迟器。
8.一种头戴式显示系统，包括：
支撑结构；
显示器；
光学系统，所述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：
包括多个空间变化偏振器的校正部分，所述多个空间变化偏振器包括：
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操作来对穿过所述校正部分的光提供第一光学校正；以及
第二空间变化偏振器，与所述第一空间变化偏振器堆叠布置，所述第二空间变化偏振器具有被配置为接收第二控制信号的第二控制输入，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，所述第二空间变化偏振器在激活时操作以对穿过所述校正部分的所述光提供与所述第一光学校正不同的第二光学校正；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：
接收指示对穿过所述校正部分的光执行所述第一光学校正或所述第二光学校正的输入；
响应于接收到指示对穿过所述校正部分的所述光执行所述第一光学校正的输入，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；以及
响应于接收到指示对穿过所述校正部分的所述光执行所述第二光学校正的输入，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。
9.如权利要求8所述的头戴式显示系统，其中所述第一光学校正包括近视、远视、散光中的一种，并且所述第二光学校正包括近视、远视、散光中的另一种。
10.如权利要求8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包括第三空间变化偏振器，所述第三空间变化偏振器与所述第一空间变化偏振器和所述第二空间变化偏振器堆叠布置，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和所述第二空间变化偏振器之后照射在所述第三空间变化偏振器上。
11.如权利要求10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，所述第三空间变化偏振器具有被配置为接收第三控制信号的第三控制输入，所述第三控制信号指示所述第三空间变化偏振器是激活的还是非激活的，并且其中所述第三空间变化偏振器在激活时操作以对穿过所述校正部分的所述光提供第三光学校正。
12.如权利要求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，所述第三光学校正包括近视、远视、散光。
13.如权利要求8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，对穿过所述校正部分的所述光提供所述第一光学校正包括根据衍射图案执行衍射、光准直、光聚焦或像差校正。
14.如权利要求8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包括多扭曲延迟器。
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