CN117242390A - 头戴式显示器(hmd)中用于改善视场(fov)的波导构造 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于改善的视场(FOV)的头戴式显示器(HMD)。该头戴式显示器(HMD)可以包括显示元件，该显示元件提供显示光。该头戴式显示器(HMD)还可以包括透镜元件，该透镜元件向该头戴式显示器(HMD)的用户提供显示光。该头戴式显示器(HMD)还可以包括光学元件，该光学元件包括至少一个波导，该至少一个波导为该头戴式显示器(HMD)的用户提供改善的中心视场或外围视场(FOV)。在一些示例中，该波导可以是中心光学器件和/或外围光学器件的一部分。该波导可以具有平面波导型材或弯曲波导型材。在一些示例中，该波导可以是叠置式的，或者可以包括渐变折射率(GRIN)层。

Description

头戴式显示器(HMD)中用于改善视场(FOV)的波导构造

技术领域

本专利申请总体上涉及头戴式显示器(Head-Mounted Display，HMD)，更具体地，涉及头戴式显示器(HMD)中用于改善视场(Field of View，FOV)的各种波导构造(waveguide configuration)。

背景技术

头戴式显示器(HMD)可以是用于视频播放、玩游戏、或运动的头戴式设备(headset)或眼镜，并且可以用于各种环境和应用，例如，用于虚拟现实(Virtual Reality，VR)、增强现实(Augmented Reality，AR)或混合现实(Mixed Reality，MR)。头戴式显示器(HMD)可以向正在佩戴该头戴式设备的用户传输信息，或传输来自正在佩戴该头戴式设备的用户的信息。例如，当用户佩戴虚拟现实(VR)头戴式设备时，该虚拟现实头戴式设备可以用于呈现视觉信息，以模拟任何数量的虚拟环境。相同的虚拟现实(VR)头戴式设备还可以接收来自用户的眼动、头部/身体移动、声音、或用户提供的其他信号的信息。

然而，传统的头戴式显示器(HMD)依赖于通常大且笨重的光学构造。这些光学构造不仅增加了头戴式设备的尺寸和重量，而且还经常通过遮挡透视路径的区域或最小化用户的中心视场或外围视场(FOV)而限制头戴式显示器(HMD)的功能。试图减小传统头戴式设备的尺寸和笨重可以减小头戴式设备的其他内置特征(例如，有源眼睛追踪或面部识别部件)所需的空间量，由此制约或限制了头戴式设备满负荷运行的能力。此外，传统的头戴式显示器(HMD)可能会遇到与中心视场和外围视场(FOV)相关联的其他各种问题，例如，与分辨率或光学拼接(optical tiling)相关联的问题和视觉失真。

发明内容

根据本公开的第一方面，提供了一种头戴式显示器HMD，该头戴式显示器HMD包括：显示元件，该显示元件提供显示光；透镜元件，该透镜元件向该头戴式显示器的用户提供显示光；以及光学元件，该光学元件包括至少一个波导，该至少一个波导为该头戴式显示器的用户提供改善的中心视场或外围视场FOV。

在一些实施例中，该波导是中心光学器件的一部分，该波导包括平面波导型材或曲面波导型材中的至少一者。

在一些实施例中，该波导是外围光学器件的一部分，该波导是圆锥波导，该圆锥波导具有平面波导型材或曲面波导型材中的至少一者。

在一些实施例中，该头戴式显示器还包括中心光学器件，该中心光学器件包括至少菲涅耳元件、薄饼光学元件、或波导，该波导包括平面波导型材或曲面波导型材中的至少一者。

在一些实施例中，该至少一个波导处于叠置式波导构造。

在一些实施例中，该至少一个波导包括渐变折射率GRIN层。

在一些实施例中，该显示元件为平坦的、弯曲的或为阵列，该显示元件包括液晶显示器LCD、发光二极管LED显示器、有机发光二极管OLED显示器、有源矩阵有机发光二极管AMOLED显示器、或微型发光二极管micro-LED显示器中的至少一者。

在一些实施例中，该透镜元件包括准直元件，该透镜元件包括微透镜阵列MLA或微透镜条MLS中的至少一者。

在一些实施例中，该头戴式显示器用于虚拟现实VR环境、增强现实AR环境、或混合现实MR环境中的至少一者。

根据本公开的第二方面，提供了一种光学组件，该光学组件包括：波导构造，该波导构造用于中心光学器件或外围光学器件中的至少一者，该波导构造为头戴式显示器HMD的用户提供改善的中心视场或外围视场FOV。

在一些实施例中，该波导构造是中心光学器件的一部分，其中，该波导构造包括平面波导型材或曲面波导型材中的至少一者。

在一些实施例中，该波导构造是外围光学器件的一部分，其中，该波导构造包括具有平面波导型材的圆锥波导或具有曲面波导型材的圆锥波导中的至少一者。

在一些实施例中，该至少一个波导处于叠置式波导构造。

在一些实施例中，该至少一个波导包括渐变折射率GRIN层。

在一些实施例中，该光学组件还包括：显示元件，该显示元件提供显示光；以及透镜元件，该透镜元件经由该波导构造向头戴式显示器HMD的用户提供显示光。

在一些实施例中，该头戴式显示器HMD用于虚拟现实VR环境、增强现实AR环境、或混合现实MR环境中的至少一者。

根据本公开的第二方面，提供了一种头戴式显示器HMD，该头戴式显示器HMD包括：显示元件，该显示元件提供显示光；透镜元件，该透镜元件向该头戴式显示器HMD的用户提供显示光；以及光学元件，该光学元件包括至少一个波导，该至少一个波导为头戴式显示器HMD的用户提供改善的中心视场或外围视场FOV，其中，该波导是外围光学器件的一部分，该波导是圆锥波导，该圆锥波导具有平面波导型材或曲面波导型材中的至少一者。

在一些实施例中，该头戴式显示器HMD还包括中心光学器件，该中心光学器件包括至少菲涅耳元件、薄饼光学元件、或波导，该波导包括平面波导型材或曲面波导型材中的至少一者。

在一些实施例中，该至少一个波导包括渐变折射率GRIN层。

在一些实施例中，该头戴式显示器HMD用于虚拟现实VR环境、增强现实AR环境、或混合现实MR环境中的至少一者。

附图说明

本公开的特征以示例的方式示出，并且不局限于以下附图，在附图中，相同的附图标记指示相似的元件。本领域技术人员将容易地从以下认识到，在不脱离本文所描述的原理的情况下，可以采用附图示出的结构和方法的替代示例。

图1示出了根据示例的与头戴式显示器(HMD)105相关联的系统的示意框图。

图2示出了根据示例的头戴式显示器(HMD)105。

图3示出了根据示例的使用拼接光学器件的简化版本(version)的头戴式显示器(HMD)300的剖视图。

图4A至图4B示出了根据示例的头戴式显示器(HMD)中用于扩展的FOV的波导型材。

图5A至图5C示出了根据示例的平面波导的各种视图。

图6A至图6B示出了根据示例的用于改善中心视场(FOV)的平面波导构造的示意框图600A至600B。

图7A至图7C示出了根据示例的使用用于改善的外围视场(FOV)的平面波导型材的圆锥波导构造的各种视图。

图8示出了根据示例的使用图7A至图7C的圆锥波导构造表示中心视场和外围视场(FOV)的示意图。

图9A至图9B示出了根据示例的叠置式波导构造。

图10A至图10B示出了根据示例的使用图9的叠置式波导构造表示的中心视场和外围视场(FOV)的示意图。

具体实施方式

出于简化和说明性目的，通过主要参考本申请的示例来描述本申请。在以下描述中，阐述了许多具体细节，以提供对本申请的透彻理解。然而，显而易见的是，本申请可以在不限于这些具体细节的情况下实践。在其他情况下，没有详细描述本领域普通技术人员容易理解的一些方法和结构，以免不必要地模糊本申请。如本文所使用的，术语“一”和“一个”旨在表示特定要素中的至少一个，术语“包括(includes)”意味着包括但不限于，术语“包含(including)”意味着包括但不限于，以及术语“基于”意味着至少部分地基于。

如上所述，传统的头戴式显示器(HMD)可能包括大且笨重的光学构造。这些构造不仅增加了尺寸和重量，而且还可能在视觉上遮挡透视路径的区域、或最小化用户的中心视场或外围视场(FOV)。然而，试图减小尺寸和笨重还限制了头戴式设备的其他内置特征(例如，有源眼睛追踪或面部识别部件)所需的空间量。由于空间有限，这些部件可能无法满负荷运行。此外，传统的头戴式显示器(HMD)也可能缺乏解决与中心视场和外围视场(FOV)相关联的问题的能力。因此，可能期望具有不会限制功能但会增加中心视场和外围视场(FOV)的较小形状要素的头戴式显示器(HMD)。

本文描述的系统和方法可以提供一种使用一个或多个波导构造来减小总体重量和尺寸的头戴式显示器(HMD)。本文描述的一个或多个波导构造可以通过不遮挡各种光学部件使透视路径最大化，同时使其他头戴式设备特征(例如，头部/眼睛追踪部件)正常运行，从而它们可以以更满的负荷运行。本文描述的波导构造还可以改善用户的中心视场和/或外围视场(FOV)。本文将更详细地描述这些示例和其他示例。

还应理解的是，本文描述的系统和方法可以特别适合于虚拟现实(VR)环境、增强现实(AR)环境、和/或混合现实(MR)环境，但是也可以适用于可以利用光波导的许多其他系统或环境。例如，这些可以包括摄像头或传感器、网络、通讯、全息术或其他光学系统。因此，可以在这些示例或其他示例中的任何一个示例中使用本文描述的波导构造。在本文提供的描述中，这些优点和其他优点将是显而易见的。

系统概述

参考图1和图2。图1示出了根据示例的与头戴式显示器(HMD)105相关联的系统100的示意框图。系统100可以用作虚拟现实(VR)系统、增强现实(AR)系统、混合现实(MR)系统或它们的组合，或者一些其他相关的系统。应理解的是，系统100和头戴式显示器(HMD)105可以是示例性说明。因此，系统100和/或头戴式显示器(HMD)105可以包括或不包括附加特征，并且在不脱离本文概述的系统100和/或头戴式显示器(HMD)105的范围的情况下，可以移除和/或修改本文描述的多个特征中的一些特征。

在一些示例中，系统100可以包括头戴式显示器(HMD)105、成像设备110和输入/输出(Input/Output，I/O)接口115，它们中的每者都可以通信耦接到控制台120或其他类似设备。

虽然图1示出了单个头戴式显示器(HMD)105、单个成像设备110和I/O接口115，但是应理解的是，系统100中可以包括任何数量的这些部件。例如，可以有多个头戴式显示器(HMD)105，每个头戴式显示器具有相关联的输入接口115并且由一个或多个成像设备110监测，其中，每个头戴式显示器(HMD)105、I/O接口115和成像设备110与控制台120通信。在替代配置中，系统100中还可以包括不同的和/或附加的部件。如本文所述，头戴式显示器(HMD)105可以作为虚拟现实(VR)头戴式显示器(HMD)、增强现实(AR)头戴式显示器(HMD)、和/或混合现实(MR)头戴式显示器(HMD)。例如，混合现实(MR)头戴式显示器(HMD)和/或增强现实(AR)头戴式显示器(HMD)可以用计算机生成的要素(例如，图像、视频、声音等)来增强物理的、真实世界环境的视图。

头戴式显示器(HMD)105可以向正在佩戴该头戴式设备的用户传输信息，或传输来自正在佩戴该头戴式设备的用户的信息。在一些示例中，头戴式显示器(HMD)105可以向用户提供内容，该内容可以包括但不限于图像、视频、音频、或它们的一些组合。在一些示例中，音频内容可以经由头戴式显示器(HMD)105外部的单独的设备(例如，扬声器和/或头戴式耳机)来呈现，该设备接收来自头戴式显示器(HMD)105、控制台120、或头戴式显示器和控制台这二者的音频信息。在一些示例中，头戴式显示器(HMD)105还可以接收来自用户的信息。这个信息可以包括眼动期(eye moment)、头部/身体运动、语音(例如，使用集成式的或单独的麦克风设备)、或用户提供的其他内容。

头戴式显示器(HMD)105可以包括任何数量的部件，该部件例如为电子显示器155、眼睛追踪单元160、光学模块(optics block)165、一个或多个定位器170、惯性测量单元(Inertial Measurement Unit，IMU)175、一个或头部/身体追踪传感器180、场景渲染单元185、以及辐辏(vergence)处理单元190。

虽然图1中描述的头戴式显示器(HMD)105通常在VR情境中作为VR系统环境的一部分，但是头戴式显示器(HMD)105也可以是其他HMD系统(例如，AR系统环境)的一部分。在描述AR系统或MR系统环境的示例中，头戴式显示器(HMD)105可以用计算机生成的要素(例如，图像、视频、声音等)来增强物理的、真实世界环境的视图。

下面结合图2进一步描述头戴式显示器(HMD)105的示例。头戴式显示器(HMD)105可以包括一个或多个刚性本体，这些刚性本体可以彼此刚性地或非刚性地耦接在一起。各刚性本体之间的刚性耦接使得耦接后的这些刚性本体作为单个刚性实体。相比之下，各刚性本体之间的非刚性耦接允许各刚性本体相对于彼此移动。

电子显示器155可以包括向用户呈现视觉数据的显示设备。例如，这个视觉数据可以从控制台120发送。在一些示例中，电子显示器155还可以呈现用于追踪用户的眼动的追踪光。应理解的是，电子显示器155可以包括任何数量的电子显示元件(例如，每个用户使用一个显示器)。可以在电子显示器155中使用的显示设备的示例可以包括但不限于，液晶显示器(Liquid Crystal Display，LCD)、发光二极管(Light Emitting Diode，LED)、有机发光二极管(Organic Light Emitting Diode，OLED)显示器、有源矩阵有机发光二极管(Active-Matrix Organic Light-Emitting Diode，AMOLED)显示器、微型发光二极管(Micro-LED)显示器、一些其他显示器、或它们的某种组合。

光学模块165可以基于或响应于接收到的来自控制台120或其他部件的指令来调节其焦距。在一些示例中，光学模块165可以包括一个或多个多焦点模块，以调节光学模块165的焦距(调节光焦度)。

眼睛追踪单元160可以追踪头戴式显示器(HMD)105的用户的眼睛位置和眼动。头戴式显示器(HMD)105内的摄像头或其他光学传感器可以采集用户眼睛的图像信息，眼睛追踪单元160可以使用采集的信息来确定瞳距、眼距(interocular distance)、每只眼睛相对于头戴式显示器(HMD)105的三维(three-dimensional，3D)位置(例如，出于失真调节目的)，包括每只眼睛的扭转和转动(即，翻滚、俯仰和偏转)的大小和凝视方向。用户眼睛的位置和取向的信息可以用于确定由头戴式显示器(HMD)105呈现的虚拟场景中用户正在观看的凝视点(gaze point)。

辐辏(vergence)处理单元190可以确定用户凝视的辐辏深度。在一些示例中，这可以基于由眼睛追踪单元160确定的凝视点或凝视线的估计交点。辐辏是指双眼同时朝相反方向移动或转动，以保持单个双眼视觉，这是由人眼自然地和/或自动执行的。因此，用户眼睛趋向的位置可以指用户正在观看的位置，并且通常也可以是用户眼睛聚焦的位置。例如，辐辏处理单元190可以对凝视线进行三角测量，以估计与凝视线的交叉点相关联的距用户的距离或深度。然后，与凝视线的交叉点相关联的深度可以用作调节距离的近似值，该调节距离可以识别距用户的、用户双眼指向的距离。因此，辐辏距离允许确定用户双眼将会聚焦的位置。

一个或多个定位器170可以是位于头戴式显示器(HMD)105上相对于彼此且相对于头戴式显示器(HMD)105上的特定参考点的特定位置上的一个或多个对象。在一些示例中，定位器170可以是发光二极管(LED)、角立方反射器、反射型标记、和/或与头戴式显示器(HMD)105运行的环境形成对比的一类光源、或它们的一些组合。有源定位器170(例如，发光二极管或其他类型的发光设备)可以发射可见波段(～380nm至850nm)中的光、红外(infrared，IR)波段(～850nm至1mm)中的光、紫外线波段(10nm至380nm)中的光、电磁光谱的一些其他部分中的光、或它们的一些组合。

一个或多个定位器170可以位于头戴式显示器(HMD)105的外表面的下方，该外表面对于由定位器170发射或反射的波长的光可以是透明的，或者该外表面可以足够薄以基本上不会使由定位器170发射或反射的光的波长衰减。此外，头戴式显示器(HMD)105的外表面或其他部分在可见波段的波长的光中可能是不透明的。因此，当一个或多个定位器位于头戴式显示器(HMD)105的外表面的下方时，该一个或多个定位器170可以发射IR波段中的光，该头戴式显示器在IR波段中可以是透明的，但是在可见光波段中是不透明的。

惯性测量单元(IMU)175可以是一种电子设备，除其他外，该电子设备基于或响应于接收到的来自多个头部/身体追踪传感器180中的一个或多个头部/身体追踪传感器的测量信号生成快速校准数据的，该一个或多个头部/身体追踪传感器可以响应于头戴式显示器(HMD)105的运动生成一个或多个测量信号。头部/身体追踪传感器180的示例可以包括但不限于，加速计、陀螺仪、磁力计、摄像头、适合于检测运动、校正与惯性测量单元(IMU)175相关联的误差的其他传感器、或它们的某种组合。头部/身体追踪传感器180可以位于惯性测量单元(IMU)175的外部、惯性测量单元(IMU)175的内部、或它们的某种组合。

基于或响应于来自头部/身体追踪传感器180的测量信号，惯性测量单元(IMU)175可以生成快速校准数据，该快速校准数据指示头戴式显示器(HMD)105相对于头戴式显示器(HMD)105的初始位置的估计位置。例如，头部/身体追踪传感器180可以包括测量平移运动(前/后、上/下、左/右)的多个加速度计和测量旋转运动(例如，俯仰、偏转和翻滚)的多个陀螺仪。例如，惯性测量单元(IMU)175然后可以快速采样测量信号和/或从采样的数据计算头戴式显示器(HMD)105的估计位置。例如，惯性测量单元(IMU)175可以随时间对接收到的来自加速度计的测量信号进行积分来估计速度向量，并且随时间对速度向量进行积分来确定头戴式显示器(HMD)105上的参考点的估计位置。应理解的是，参考点可以是可以用于描述头戴式显示器(HMD)105的位置的点。虽然通常可以将参考点限定为空间中的点，但在各种示例或场景中，如本文使用的参考点可以被限定为头戴式显示器(HMD)105内的点(例如，惯性测量单元(IMU)175的中心)。替代地或附加地，惯性测量单元(IMU)175可以将采样的测量信号提供给控制台120，该控制台可以确定快速校准数据或其他类似的或相关的数据。

惯性测量单元(IMU)175可以附加地接收来自控制台120的一个或多个校准参数。如本文所述，一个或多个校准参数可以用于保持对头戴式显示器(HMD)105的追踪。基于所接收的校准参数，惯性测量单元(IMU)175可以调节多个IMU参数(例如，采样率(samplerate))中的一个或多个IMU参数。在一些示例中，某些校准参数可以使得惯性测量单元(IMU)175更新参考点的初始位置，以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确定估计位置相关联的累积误差。累积误差(也称为漂移误差)可以使得参考点的估计位置随时间而“漂移”远离参考点的实际位置。

场景渲染单元185可以接收来自VR引擎145的用于虚拟场景的内容，并且可以提供用于在电子显示器155上显示的内容。附加地或替代地，场景渲染单元185可以基于来自惯性测量单元(IMU)175、辐辏处理单元830、和/或头部/身体追踪传感器180的信息来对该内容进行调节。场景渲染单元185可以至少部分地基于追踪单元140、头部/身体追踪传感器180、和/或惯性测量单元(IMU)175中的一者或多者来确定待在电子显示器155上显示的内容的一部分。

成像设备110可以根据接收到的来自控制台120的校准参数来生成慢速校准数据。慢速校准数据可以包括显示定位器125的观察位置的一幅或多幅图像，该观察位置能够由成像设备110检测。成像设备110可以包括一个或多个摄像头、一个或多个摄影机、能够采集包括一个或多个定位器170的图像的其他设备、或它们的某种组合。此外，成像设备110可以包括一个或多个过滤器(例如，用于提高信噪比)。成像设备110可以被配置为检测从成像设备110的视场中的一个或多个定位器170发射或反射的光。在定位器170包括一个或多个无源元件(例如，回射器)的示例中，成像设备110可以包括照射多个定位器170中的一些定位器或全部定位器的光源，这些定位器可以将光朝向成像设备110中的光源回射。慢速校准数据可以被从成像设备110传输到控制台120，并且成像设备110可以接收来自控制台120的一个或多个校准参数，以调整一个或多个成像参数(例如，焦距、焦点、帧率、ISO、传感器温度、快门速度、光圈等)。

I/O接口115可以是允许用户向控制台120发送动作请求的设备。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是启动应用程序或结束应用程序、或者在应用程序内执行特定动作。I/O接口115可以包括一个或多个输入设备。示例输入设备可以包括键盘、鼠标、手持式控制器、手套控制器(glove controller)、和/或用于接收动作请求并且将接收到的动作请求传输到控制台120的任何其他合适的设备。由I/O接口115接收的动作请求可以被传输到控制台120，该控制台可以执行与动作请求相对应的动作。在一些示例中，I/O接口115可以根据接收到的来自控制台120的指令，向用户提供触觉反馈。例如，当动作请求被接收时，可以由I/O接口1150提供触觉反馈；或者控制台120可以将指令传输到I/O接口115，使得I/O接口115在控制台120执行动作时生成触觉反馈。

控制台120可以根据接收到的来自成像设备110、头戴式显示器(HMD)105、或I/O接口115的信息，将内容提供给头戴式显示器(HMD)105，以供呈现给用户。控制台120包括应用程序库150、追踪单元140和VR引擎145。控制台120的一些示例具有与结合图1描述的单元不同的或附加的单元。类似的，下文进一步描述的功能可以以与本文描述的方式不同的方式分布在控制台120的各部件之间。

应用程序库150可以存储用于供控制台120执行的一个或多个应用程序、以及其他各种应用程序相关数据。如本文使用的应用程序可以指一组指令，这组指令在被处理器执行时，生成用于呈现给用户的内容。由应用程序生成的内容可以响应于经由头戴式显示器(HMD)105或I/O接口115的移动而接收到的来自用户的输入。应用程序的示例可以包括游戏应用程序、会议应用程序、视频播放应用程序或其他应用程序。

追踪单元140可以对系统100进行校准。这个校准可以通过使用一个或多个校准参数来实现，并且可以调节一个或多个校准参数，以减小在确定头戴式显示器(HMD)105的位置时的误差。例如，追踪单元140可以调节成像设备110的焦点，以获得观察到的定位器170在头戴式显示器(HMD)105上的更准确的位置。此外，由追踪单元140执行的校准也可以考虑接收到的来自惯性测量单元(IMU)175的信息。此外，如果失去了对头戴式显示器(HMD)105的追踪(例如，成像设备110失去了至少阈值数量的定位器170的视线)，则追踪单元140可以对系统100的一些部件或全部部件进行重新校准。

此外，追踪单元140可以使用来自成像设备110的慢速校准信息来追踪头戴式显示器(HMD)105的移动，并且可以使用来自慢速校准信息的所观察的定位器和头戴式显示器(HMD)105的模型，来确定头戴式显示器(HMD)105上的参考点的位置。追踪单元140还可以使用来自头戴式显示器(HMD)105上的惯性测量单元(IMU)175的快速校准信息的位置信息，来确定头戴式显示器(HMD)105上的参考点的位置。此外，追踪单元160可以使用快速校准信息的一部分、慢速校准信息的一部分或它们的某种组合，来预测可以提供给VR引擎145的头戴式显示器(HMD)105的未来位置。

VR引擎145可以在系统100内执行应用程序，并且可以接收来自追踪单元140或其他部件的、对于头戴式显示器(HMD)105的位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置、其他信息或它们的某种组合。VR引擎145基于接收到的信息或响应于接收到的信息，可以确定待提供给头戴式显示器(HMD)105以供呈现给用户的内容。这个内容可以包括但不限于虚拟场景、待覆盖到真实世界场景上的一个或多个虚拟对象等。

在一些示例中，VR引擎145可以保持光学模块165的聚焦能力信息。如本文使用的聚焦能力信息可以指描述什么焦距可用于光学模块165的信息。聚焦能力信息可以包括例如光学模块165能够适应的焦点范围(例如，0至4屈光度)、聚焦分辨率(例如，0.25屈光度)、多个焦平面、对于映射到特定焦平面的可切换半波片(Switchable Half Wave Plate，SHWP)(例如，有源的或无源的)的设置的组合、对于映射到特定焦平面的SHWPS和有源液晶透镜的设置的组合、或它们的某种组合。

VR引擎145可以为光学模块165生成指令。这些指令可以使光学模块165将其焦距调节到特定位置。VR引擎145可以基于聚焦能力信息(focal capability information)以及例如来自辐辏处理单元190、惯性测量单元(IMU)175、和/或头部/身体追踪传感器180的信息来生成指令。VR引擎145可以使用来自辐辏处理单元190、惯性测量单元(IMU)175、以及头部/身体追踪传感器180、其他源或它们的某种组合的信息，来选择向用户呈现内容的理想焦平面。VR引擎145然后可以使用聚焦能力信息，来选择最接近理想焦平面的焦平面。VR引擎145可以使用聚焦信息，来确定对于与所选择的焦平面相关联的光学模块176内的一个或多个SHWP、一个或多个有源液晶透镜、或它们的某种组合的设置。VR引擎145可以基于所确定的设置来生成指令，并且可以将指令提供给光学模块165。

VR引擎145可以响应于接收到的来自I/O接口115的动作请求，在控制台120上执行的应用程序内执行任意数量的动作，并且可以向用户提供动作已被执行的反馈。所提供的反馈可以是经由头戴式显示器(HMD)105的视觉或听觉反馈、或经由I/O接口115的触觉反馈。

图2示出了根据示例的头戴式显示器(HMD)105。头戴式显示器(HMD)105可以包括前部刚性本体205和带210。如本文所述，前部刚性本体205可以包括电子显示器(未示出)、惯性测量单元(IMU)175、一个或多个位置传感器(例如，头部/身体追踪传感器180)、以及一个或多个定位器170。在一些示例中，可以通过使用惯性测量单元(IMU)175、位置传感器(例如，头部/身体追踪传感器180)、和/或一个或多个定位器170来检测用户移动，并且可以基于检测到的用户移动或响应于检测到的用户移动，通过电子显示器向用户呈现图像。在一些示例中，头戴式显示器(HMD)105可以用于呈现虚拟现实环境、增强现实环境或混合现实环境。

至少一个位置传感器(例如，关于图1描述的头部/身体追踪传感器180)可以响应于头戴式显示器(HMD)105的运动，生成一个或多个测量信号。位置传感器的示例可以包括：一个或多个加速度计、一个或多个陀螺仪、一个或多个磁力计、检测运动的其它合适类型的传感器、用于惯性测量单元(IMU)175的误差校正的一类传感器、或它们的某种组合。位置传感器可以位于惯性测量单元(IMU)175的外部、惯性测量单元(IMU)175的内部、或它们的某种组合。在图2中，位置传感器可以位于惯性测量单元(IMU)175内，并且惯性测量单元(IMU)175和位置传感器(例如，头部/身体追踪传感器180)对用户来说可以是可见的或者可能不一定是可见的。

基于来自一个或多个位置传感器的一个或多个测量信号，惯性测量单元(IMU)175可以生成校准数据，该校准数据指示头戴式显示器(HMD)相对于头戴式显示器(HMD)105的初始位置的估计位置。在一些示例中，惯性测量单元(IMU)175可以快速地对测量信号进行采样，并且根据采样的数据来计算HMD 100的估计位置。例如，惯性测量单元(IMU)175可以随时间对接收到的来自一个或多个加速度计(或其他位置传感器)的测量信号进行积分来估计速度向量，并且随时间对速度向量进行积分，以确定头戴式显示器(HMD)105上的参考点的估计位置。替代地或附加地，惯性测量单元(IMU)175可以将采样的测量信号提供给控制台(例如，计算机)，该控制台可以确定校准数据。参考点可以是可以用于描述头戴式显示器(HMD)105的位置的点。虽然通常可以将参考点限定为空间中的点，但是在实践中，参考点可以被限定为头戴式显示器(HMD)105内的点(例如，惯性测量单元(IMU)175的中心)。

在图2的示例中，一个或多个定位器170或定位器170的一部分可以位于前部刚性本体205的前侧240A、顶侧240B、底侧240C、右侧240D和左侧240E上。一个或多个定位器170可以相对于彼此以及相对于参考点215位于固定位置。在图2中，例如，参考点215可以位于惯性测量单元(IMU)175的中心。一个或多个定位器170中的每个定位器可以发射可以由成像设备(例如，摄像头或图像传感器)检测到的光。

尽管在图1中描绘为单独的部件，但是应理解的是，头戴式显示器(HMD)105、成像设备110、I/O接口115、以及控制台120可以集成到单个设备或可穿戴头戴式设备中。例如，这个单个设备或可穿戴头戴式设备可以在单个独立头戴式设备内包括图1的系统100的所有性能能力。此外，在一些示例中，追踪可以使用“由内而外”的方法而不是“由外而内”的方法来实现。在“由内而外”的方法中，可能不需要或不向系统100提供外部的成像设备110或定位器170。此外，尽管头戴式显示器(HMD)105被描绘为并且被描述为“头戴式设备”，但是应理解的是，头戴式显示器(HMD)105也可以作为眼镜或其他可穿戴设备(在头部或其他身体部位上)来设置。根据用途或应用，还可以提供其他各种示例。此外，一些头戴式显示器(HMD)可以提供扩展的视场，以获得更沉浸的用户体验。

改善视场

配备有宽视场(FOV)的头戴式设备可以提高用户在任何数量的虚拟环境中执行一些任务时的沉浸感、临场感和性能。传统的头戴式显示器(HMD)通常具有有限的视场(FOV)(～80°x90°)。由于人的自然视场(FOV)相当大(～210°x135°)，最近的技术进步一直在探寻改善头戴式设备整体视场(FOV)的方法。

应理解的是，在头戴式显示器(HMD)中增大视场(FOV)存在许多相关挑战。例如，为了提供宽视场(FOV)，可能需要头戴式显示器(HMD)将所有可用像素分布在更宽的角度上。然而，在这样做时，可能会不利地降低像素的空间分辨率。此外，可能还会导致其他视觉失真和不利影响。这些可以包括但不限于，与瞳孔尺寸、瞳孔游移、延迟、重量、价格等相关的问题。

为了解决其中的一些问题，一些头戴式显示器(HMD)可以使用拼接显示器，以合并各种光学部件(例如，透镜和微型显示器)，以在不牺牲分辨率的情况下增大视场(FOV)。如本文所述，与传统系统相比，该系统和方法可以在头戴式显示器(HMD)中以更无缝的方式使用各种波导构造，以改善和扩展视场(FOV)。更具体地，如本文所述的，使用光波导构造可以改善中心视场和外围视场(FOV)，同时保持高分辨率、和/或最小化或消除视觉失真。此外，本文描述的系统和方法可以降低头戴式显示器(HMD)的整体形状要素，减少或消除由传统头戴式设备中的拼接光学器件产生的任何黑缝(black seam)效应，避免任何被遮挡的透视路径，并且允许头戴式设备的其他内置特征的更大功能(例如，眼睛追踪)。

用于改善的视场的拼接光学器件

图3示出了根据示例的使用拼接光学器件的简化版本的头戴式显示器(HMD)300的剖视图。头戴式显示器(HMD)300的剖视图可以包括容纳各种拼接光学部件310(例如，透镜、微显示器、光波导等)的刚性本体305。拼接光学部件310可以提供更大的或扩展的视场(FOV)，以改善用户沉浸的体验。在一些示例中，如所示出的，头戴式显示器(HMD)300可以包括主光学轴线315和拼接光学轴线320，该主光学轴线和该拼接光学轴线用对称平面325来划分开。对于用户的眼睛330，主光学轴线315可以提供中心视场(FOV)，拼接光学轴线320可以提供外围视场(FOV)。应理解的是，在一些示例中，这些拼接光学部件310可以是电子显示器155和/或光学模块165的一部分、或包括在该电子显示器和/或该光学模块内，如关于图1所描述的。因此，这些部件可以包括但不限于如上所述的任何数量的显示设备和/或光学部件。通过将这些光学部件拼接在一起并且使用用于中心视场(FOV)的主光学轴线315和用于外围视场(FOV)的拼接光学轴线320，可以在通常不牺牲分辨率的情况下改善和扩展整体的FOV。

用于改善的视场的波导光学器件

如本文所述，一个或多个光波导可以有助于在具有拼接光学器件的头戴式设备中提供扩展的和改善的视场(FOV)。图4A至图4B示出了根据示例的头戴式显示器(HMD)中用于扩展的FOV的波导型材400A至400B。图4A示出了平面波导型材400A。如所示出的，平面波导型材400A可以包括微型显示器405、一个或多个准直器光学器件415和平面波导415A。微型显示器405可以向用户提供视觉内容，但是该视觉内容可以首先穿过一个或多个准直器光学器件415，穿过平面光波导415A，然后到达眼睛瞳孔420(或适眼框)。在一些示例中，微型显示器405可以包括任何平坦的面板显示器或弯曲的面板显示器、扫描引擎、和/或提供视觉数据或信息的任何其他源。例如，微型显示器405可以包括任何类型的显示器，例如，液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)显示器、有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示器、微型发光二极管(Micro-LED)显示器、一些其他显示器、或它们的某种组合。一个或多个准直器光学器件415可以包括任何种类的准直器光学器件，例如，用于准直视觉数据或信息的微透镜(microlens)或元件。

应理解的是，在这个平面波导型材400A中，微型显示器405和一个或多个准直器光学器件415可以定位于平面光波导415A的边缘附近。因此，这个平面波导型材400A的布置可以使视场(FOV)最大化，并且防止眼睛瞳孔420沿着透视路径基本上被微型显示器405和/或一个或多个准直器光学器件415遮挡。

图4B示出了根据示例的头戴式显示器(HMD)的弯曲波导型材400B。此处，如图4A所示，弯曲波导型材400B可以使用弯曲光波导415B而不是平面光波导415A。在这个示例中，微型显示器405可以提供视觉内容，该视频内容首先穿过一个或多个准直器光学器件415，可以在弯曲光波导415B内反射，然后到达眼睛瞳孔420。

与型材400A类似，型材400B的微型显示器405和一个或多个准直器光学器件415也可以定位于平面光波导415A的边缘附近，从而实现与图400A的平面波导型材400A类似的优点。

应理解的是，在一些示例中，平面波导415A和弯曲光波导415B的厚度可以在0.3毫米至7.0毫米(mm)的范围内。也就是说，根据不同的波导应用，还可以提供其他各种尺寸(更大的或更小的)。本文将更详细地描述这些波导、波导构造、以及它们对于改善和/或扩展视场(FOV)的用途中的每者的细节。

平面光波导的示例

根据示例，图5A至图5C示出了图4A中描述的平面波导415A的各种示图500A至500C。图5A示出了根据示例的平面波导515的剖视图500A。如所示出的，平面波导515可以在平面波导515的衬底内包括离散的椭圆反射镜阵列(elliptical mirror array)525。在一些示例中，平面波导515可以具有近似1mm至10mm范围内的厚度(t)，其中，离散椭圆反射镜阵列525的每个反射镜可以具有近似3mm的直径和近似15mm的出瞳距离(Eye ReliefDistance，ERF)。此外，平面波导515可以具有入射面，该入射面具有60°的角(β)。

图5B示出了根据示例的平面波导515的俯视图或平面图500B。如所示出的，离散椭圆反射镜阵列525可以以至少两种尺寸放置在平面波导515的衬底内。例如，离散椭圆反射镜阵列525可以包括具有四行的反射镜栅格(grid)，对于总计50个离散椭圆反射镜，每行(例如，以交替方式)具有13个或12个离散椭圆反射镜，其中，在各离散椭圆反射镜之间可以有近似4mm的间隔，并且在离散椭圆反射镜的相邻行之间可以有近似2mm的剪切距离(shearing distance)。此外，从入射面的边缘到平面波导515的中心的长度(l)可以为近似27mm。应理解的是，根据各种应用和场景，还可以提供其他各种尺寸。

图5C示出了根据示例的平面波导515的平面图500C。如平面图500C所示，在各种示例中，平面波导515可以潜在地用作用于改善或扩展视场(FOV)的中心光学器件。尽管本文提供了特定的大小和尺寸，但是应理解的是，根据各种应用和场景，也可以提供其他各种尺寸。

尽管图5A至图5C描绘了平面波导515，但是应理解的是，在各种示例中，也可以使用具有与关于图4B描述的型材类似的型材的弯曲波导，并且可以相对互换地作为用于改善或扩展视场(FOV)的中心光学器件(如上述图5A至图5C的平面波导515那样)。

在一些示例中，应理解的是，本文描述的平面波导或弯曲波导可以是衍射型、几何型(geometrical type)或混合型。本文描述的平面波导或弯曲波导也可以用作波导耦合器，例如，棱镜或衍射耦入器(例如，表面浮雕光栅(Surface Relief Grating，SRG)、体布拉格光栅(Volume Bragg Grating，VBG)、全息光学元件(Holographic Optical Element，HOE)等)，和/或具有反射镜、分束器或衍射耦出器。此外，波导可以是1D或2D瞳孔扩展(1至2个耦合器面积)。应理解的是，图5A至图5C中示出的示例可以包括波导耦合器(例如，棱镜耦入器)，并且瞳孔的1D扩展可以利用以多个平面行(其可以是平行的)布置的离散的椭圆反射镜耦出器(elliptical mirror out-coupler)来实现。替代地，耦出器可以是连续的部分反射的平面小面(partially-mirrored planar facet)，该部分反射的平面小面的功能类似于威尼斯式百叶窗(Venetian-type blind)。还应理解的是，瞳孔扩展可以是具有单独的1D几何扩展的2D。此外，利用衍射耦入和耦出，可以通过在波导两侧使一个或多个光栅取向为在较大面积上划分瞳孔来实现瞳孔的2D扩展。

用于改善的中心视场的波导光学器件

在一些示例中，可以使用本文描述的平面波导或曲面波导来改善头戴式设备的中心光学器件。图6A至图6B示出了根据示例的用于改善中心视场(FOV)的平面波导构造的示意框图600A至600B。如所示出的，示意框图600A可以示出不透明模块608A、眼睛追踪元件612、波导光学器件615(例如，平面的波导或弯曲的波导)和眼睛瞳孔620。此处，波导光学器件615可以与关于图4A至图4B以及图5A至图5C描述的示例类似地运行。结果，波导光学器件615可以是透明的，并且没有光焦度，该波导光学器件的部件通常遮挡视觉。波导光学器件615不仅允许透视路径不那么碍眼(obtrusive)，还为眼睛追踪元件612或其他元件创造附加的空间以舒适地安放，从而以更满的负荷运行。

应理解的是，在一些示例中，可以设置可切换的透明或不透明元件，例如，薄膜快门。例如，图6B示出了没有眼睛追踪光学器件的示例的示意框图600B。此处，可以设置薄膜快门208B，该薄膜快门可以是可切换的，因此可用在虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、和/或混合现实(MR)环境中。在传统的头戴式设备和系统的情况下，这种灵活性可能不那么容易实现。

用于改善的外围视场的波导光学器件

本文描述的波导光学器件也可以用于改善头戴式设备中的外围视场(FOV)。例如，波导光学器件还可以与中心光学器件拼接，以为改善的外围视场(FOV)提供更好的整形。例如，这可以通过使用本文描述的波导型材并且围绕中心光学器件设置圆锥(或类似形状的)波导构造来实现。

图7A至图7C示出了根据示例的使用用于改善的外围视场(FOV)的平面波导型材的圆锥波导构造的各种视图700A至700C。可以设置圆锥波导构造715，该圆锥波导构造的横截面具有与图4A的平面波导型材类似的平面波导型材或与图4B的弯曲波导型材类似的弯曲波导型材。如所示出的，圆锥波导构造715的横截面可以具有与图4A的平面波导型材类似的平面波导型材。圆锥波导构造715可以包括呈圆形(circular)布置的多个离散椭圆反射镜725。弯曲的显示器或阵列显示器705也可以围绕圆锥波导构造的边缘设置。尽管在视图700A至图700C中未明确示出，但是可以在显示器705与圆锥波导构造715之间设置微透镜条(Microlens Strip，MLS)。微透镜条(MLS)可以用于对从弯曲的显示器或阵列显示器705传输到圆锥波导构造715的视觉数据或信息进行准直，或具有其他相关功能。尽管在这些视图700A至图700C中将中心光学器件760描绘为薄饼光学器件，但是应理解的是，其他类型的光学部件(例如，波导光学器件(例如，本文描述的那些波导光学器件)、菲涅耳光学器件等)也可用于中心光学器件。

应理解的是，如本文所示的圆锥波导构造715可以设置在与光瞳扩展方向正交的方向上。以这样的方式使用这种圆锥波导构造715的益处和优点是不仅可以提供相对于传统头戴式设备更紧凑的形状要素(例如，小于近似10mm)，而且圆锥波导构造715还可以与中心光学器件更无缝，并且移除了通常与其他传统系统和头戴式设备的拼接光学器件相关联的不期望的接缝线。此外，圆锥波导构造715可以是部分的或完整的。在完整构造中，圆锥波导构造715，如图700C中所示的那样，可以旋转360°，从而提供更大的视场(FOV)。

人类视场(FOV)的形状相当大，并且形状独特。虽然人类外围视场(FOV)通常可以被描述为月牙形，但是它并不恰好具有那个形状。在一些示例中，本文描述的圆锥波导构造715可以能够提供拼接光学器件，该拼接光学器件提供相对接近人类外围视场(FOV)的外围视场(FOV)。

图8示出了根据示例的使用图7A至图7C的圆锥波导构造表示中心视场和外围视场(FOV)的示意图800。如所示出的，人类右眼和左眼的视场(FOV)分别由点线和虚线表示。中心光学器件可以提供中心视场(FOV)875，具有平面波导型材(部分版本(partialversion))的圆锥波导构造715可以提供外围视场(FOV)880。如所示出的，由具有平面波导型材的圆锥波导构造715提供的外围视场(FOV)880可以提供基本上接近人类左眼的外围视场(FOV)的视觉覆盖。具有平面波导型材的完整圆锥波导构造715将对右眼以及其他区域提供外围视场(FOV)覆盖，并且减少使用拼接光学器件的传统系统中发现的黑缝或使该黑缝最小化。

叠置式波导的示例

图9A至图9B示出了根据示例的叠置式波导构造900。图9A示出了根据示例的叠置式波导构造900的侧视图。如所示出的，第一平面光波导915A可以被第二平面光波导915B叠置，以形成叠置式波导构造900。叠置式波导构造900可以包括显示器905和一个或多个准直器光学器件915，并且平面光波导915A和915B中的每个平面光波导可以各自包括离散的椭圆反射镜阵列925A和925B。与图4A类似，显示器405可以向用户提供视觉内容，但是该视觉内容可以首先穿过一个或多个准直器光学器件915，穿过平面光波导915A和915B的叠置式波导构造900，然后到达眼睛瞳孔(或适眼框)(未示出)。在一些示例中，显示器405可以包括任何平坦的面板显示器或弯曲的面板显示器、扫描引擎、和/或提供视觉数据或信息的任何其他源。显示器905可以是简单的显示器或多个显示器。一个或多个准直器光学器件415可以包括任何种类的准直器光学器件，例如，用于准直视觉数据或信息的微透镜或元件(例如，微透镜条(MLS)或微透镜阵列(Microlens Array，MLA))。

尽管叠置式波导构造900被示出为仅具有两个平面光波导915A和915B，但是应理解的是，可以叠置任何数量的类似形状的(平面的、弯曲的、或其他的)波导。应理解的是，此处描述的叠置式波导构造可以支持不同的视场(FOV)和/或各种适眼框区域。此外，叠置式构造的各个波导可以一体地提供不同的偏振和/或时分复用。例如，可以使用如本文描述的叠置式波导构造来实现偏振多路复用和波长多路复用。在几何波导中使用多路复用(PBS)例如可以有助于以及提高效率和均匀性，更不用说减少鬼影(ghost)了。例如，如果离散的椭圆反射镜是偏振选择性的(即，反射型偏振器)，则被配置为出射正交偏振态的两个波导就可以做到互不干扰(例如，不使用耦出器阻挡来自下部波导的出射)。类似地，耦出器可以被配置为反射窄波带。此外，OLED可以是单色的。为了使全RGB颜色可行，可以使用二向色镜和/或分束器来提供全RGB色谱。因此，与单个衬底或单个(非叠置式)波导相比，本文描述的叠置式波导构造可以以更高的效率和更少的鬼影来支持更大的视场(FOV)或适眼框。通过将每个部分划分为若干不同的衬底并且单独设计每个叠置式波导，或者通过对于每个部分具有混合的耦入器或耦出器组，但将该混合的耦入器或耦出器组集成到单个叠置式波导构造中，可以实现这些益处和优点。

图9B示出了根据示例的叠置式波导构造900的俯视图。虽然可以以各种配置示出偏振多路复用，但是在这幅图中可以示出偏振多路复用的示例。在一些示例中，可以存在具有发射正交偏振光的上部区域/底部区域的一个显示器，或者具有不同偏振输出的两个微型显示器。然后，光偏振态可以通过两组单独的耦出器耦出，如所示出的，这两组单独的耦出器可以具有不同的偏振选择反射部件(例如，正交反射偏振器)。因此，这种构造可以确保来自显示器底部的光线只能通过更靠近耦入器的离散椭圆反射镜阵列925B耦出，而来自显示器顶部的光线只能通过第二离散椭圆反射镜阵列925A耦出。这可以有助于避免从偏振区域930A到耦合通过离散椭圆反射镜阵列925A的潜在的“鬼影”路径，同时避免偏振区域930B的光损失，如果光在到达离散椭圆反射镜阵列925A之前到达离散椭圆反射镜阵列925B，则该偏振区域中的光将更早地被耦出。

尽管本文以叠置式构造示出了偏振多路复用，但是应理解的是，这种技术也可以以其他构造来使用。例如，在一些示例中，离散椭圆反射镜阵列可以仅设置在叠置式波导中的一个波导中，并且利用偏振技术来减少或消除离散椭圆反射镜阵列的两个部分之间的串扰，就好像这两个部分位于两个单独的衬底中一样。以这样的方式，偏振可以有助于营造一种“不可见”的感觉，并使其功能如同两个独立的衬底。

图10A至图10B示出了根据示例的使用图9A至图9B的叠置式波导构造900表示中心视场和外围视场(FOV)的示意图1000A至1000B。应理解的是，离散椭圆反射镜925A可以离视线的中心线(center line of sight)更远，而离散椭圆反射镜925B的中心可以与眼睛的视线对准。显示器905可以是一体的，或者可以是与耦入器成不同角度的两个单独的件，或者对于两个波导915A和915B的耦入器楔角(wedge angle)、离散椭圆反射镜角可以不同，从而当来自显示器905的图像分别耦入到波导中时，两个波导915A和915B可以支持不同的视场(FOV)。这种构造不仅通过拼接两个衬底来支持更大的视场(FOV)，而且还可以提供附加的益处。例如，由于波导915A和915B中的每个波导可以支持整体视场(FOV)的一部分，所以可以减小或减少每个部分的“鬼影”路径或光损失。应理解的是，如图10A至图10B中描述和示出的，反射镜位置可以不按比例绘制，并且可以例如朝向视线的中心线调节或配置，以支持视场(FOV)。

渐变折射率(GRIN)

应理解的是，在一些示例中，特别是对于弯曲的或圆锥的波导构造，可以将渐变折射率(Graded Index，GRIN)型材作为外壳光导添加到这种波导的表面。由于由同种(homogeneous)材料制成的球面波导或弯曲波导例如可能不一定是保持光的条件(例如，混合光信号)的理想波导，因此添加渐变折射率(GRIN)型材或层可以有助于更好地折射光，从而保存光学数据和信息。

附加信息

本文描述的波导确认的益处和优点，除其他外，可以包括更小的形状要素、最大化的透视路径、减少或消除与拼接光学器件相关联的黑缝、以及在虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、和/或混合现实(MR)环境中使用的头戴式设备中改善中心视场和外围视场(FOV)。

如上所述，可以有多种方式来配置、提供、制造或定位上述示例的各种光学部件或元件、电子部件或元件、和/或机械部件或元件。尽管本文描述的示例涉及如所示出的某些构造，但是应理解的是，本文描述或提及的任何部件都可以根据应用或使用情况在尺寸、形状和数量或材料方面进行更改、改变、替换或修改，并且针对期望的分辨率或最佳结果进行调节。以这样的方式，还可以获得其他电子、热学、机械、和/或设计方面的优点。

应理解的是，本文描述的设备、系统和方法可以促进更期望的头戴式设备或视觉结果。还应理解的是，如本文描述的装置、系统和方法还可以包括未示出的其他部件或与其他部件通信。例如，这些可以包括外部处理器、计数器、分析器、计算设备、以及其他测量设备或系统。在一些示例中，这也可以包括中间件(未示出)。中间件可以包括由一个或多个服务器或设备主控的软件。此外，应理解的是，可能需要或可能不需要一些中间件或服务器来实现功能。还可以在后端(back-end)提供未示出的其他类型的服务器、中间件、系统、平台和应用，以促进头戴式设备的特征和功能。

此外，本文描述的单个部件可以作为多个部件来提供，反之亦然，以执行上述功能和特征。应理解的是，本文描述的设备或系统的部件可以在部分负荷或满负荷下运行，或者可以完全被移除。还应理解的是，本文描述的关于波导构造的分析和处理技术例如也可以由整个系统或设备的这些或其他各种部件来部分地或全部地执行。

应理解的是，也可以为本文描述的装置、系统和方法提供数据存储器(store)，数据存储器可以包括可以存储数据和包括机器可读指令的软件或固件的易失性和/或非易失性数据存储设备(storage)。软件或固件可以包括执行测量系统的功能和/或运行利用来自测量或其他通信耦合系统的数据的一个或多个应用的子例程或应用。

各种部件、电路、元件、组件、和/或接口可以是任意数量的光学部件、机械部件、电子部件、硬件部件、网络部件、或软件部件、电路、元件、以及接口，这些用于促进任意数量或组合的设备、协议层或应用之间的通信、交换和分析数据。例如，本文描述的多个部件中的一些部件可以各自包括网络或通信接口，以经由网络或其他通信协议与其他服务器、设备、部件或网络元件通信。

尽管示例涉及头戴式显示器(HMD)，但是应理解的是，本文描述的装置、系统和方法也可以用于其他各种系统和其他实施方式。例如，这些可以包括任何数量的虚拟现实(VR)环境、增强现实(AR)环境、和/或混合现实(MR)环境中的其他各种头戴式系统、眼镜、可穿戴设备等。事实上，在各种光通信场景中可能有许多应用。

应理解的是，本文描述的装置、系统和方法还可以用于帮助直接或间接地提供对距离、角度、旋转、速度、位置、波长、透射率、和/或其他相关光学测量的测量。例如，本文描述的系统和方法可以允许使用高效且成本效益高的设计概念来实现更高分辨率的光学分辨率。本文描述的装置、系统和方法还具有附加优点，包括更高的分辨率、更少数量的光学元件、更高效的处理技术、成本效益高的构造、以及更小或更紧凑的外形要素，本文描述的装置、系统和方法在许多原始设备制造商(Original Equipment Manufacturer，OEM)应用中可能是有益处的，其中，本文描述的装置、系统和方法可以容易地集成到各种现有的设备、系统、仪器或其他系统和方法中。本文描述的装置、系统和方法可以提供机械简易性和对小型或大型头戴式设备的适应性。最终，本文描述的装置、系统和方法可以提高分辨率，使传统系统的不利影响最小化，并且提高视觉效率。

本文已经描述和示出的是本公开的示例以及一些变型。本文中使用的术语、描述和附图仅以说明的方式进行阐述，并不意味着进行限制。在本公开的范围内可能有许多变型，本公开的范围旨在由以下权利要求及其等同物来限定，其中，除非另有说明，否则所有术语都是指它们的最宽泛的合理意义。

Claims (15)

1.一种头戴式显示器(HMD)，包括：

显示元件，所述显示元件提供显示光；

透镜元件，所述透镜元件向所述头戴式显示器(HMD)的用户提供显示光；以及

光学元件，所述光学元件包括至少一个波导，所述至少一个波导为所述头戴式显示器(HMD)的所述用户提供改善的中心视场或外围视场(FOV)。

2.根据权利要求1所述的头戴式显示器(HMD)，其中，所述波导是中心光学器件的一部分，所述波导包括平面波导型材或曲面波导型材中的至少一者。

3.根据权利要求1或2所述的头戴式显示器(HMD)，其中，所述波导是外围光学器件的一部分，所述波导是圆锥波导，所述圆锥波导具有平面波导型材或曲面波导型材中的至少一者。

4.根据权利要求3所述的头戴式显示器(HMD)，还包括中心光学器件，所述中心光学器件包括至少菲涅耳元件、薄饼光学元件或波导，所述波导包括平面波导型材或曲面波导型材中的至少一者。

5.根据前述权利要求中任一项所述的头戴式显示器(HMD)，其中，所述至少一个波导处于叠置式波导构造。

6.根据前述权利要求中任一项所述的头戴式显示器(HMD)，其中，所述至少一个波导包括渐变折射率(GRIN)层。

7.根据前述权利要求中任一项所述的头戴式显示器(HMD)，其中，所述显示元件为平坦的、弯曲的或为阵列，所述显示元件包括液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)显示器、有机发光二极管(OLED)显示器、有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)显示器或微型发光二极管(micro-LED)显示器中的至少一者。

8.根据前述权利要求中任一项所述的头戴式显示器(HMD)，其中，所述透镜元件包括准直元件，所述透镜元件包括微透镜阵列(MLA)或微透镜条(MLS)中的至少一者；和/或，优选地，其中，所述头戴式显示器(HMD)用于虚拟现实(VR)环境、增强现实(AR)环境或混合现实(MR)环境中的至少一者。

9.一种光学组件，包括：

波导构造，所述波导构造用于中心光学器件或外围光学器件中的至少一者，所述波导构造为头戴式显示器(HMD)的用户提供改善的中心视场或外围视场(FOV)。

10.根据权利要求9所述的光学组件，其中，所述波导构造是中心光学器件的一部分，其中，所述波导构造包括平面波导型材或曲面波导型材中的至少一者；和/或，优选地，其中，所述波导构造是外围光学器件的一部分，其中，所述波导构造包括具有平面波导型材的圆锥波导或具有曲面波导型材的圆锥波导中的至少一者。

11.根据权利要求9或10所述的光学组件，其中，所述至少一个波导处于叠置式波导构造；和/或，优选地，其中，所述至少一个波导包括渐变折射率(GRIN)层。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的光学组件，还包括：

显示元件，所述显示元件提供显示光；以及

透镜元件，所述透镜元件经由所述波导构造向头戴式显示器(HMD)的用户提供显示光。

13.根据权利要求12所述的光学元件，其中，所述头戴式显示器(HMD)用于虚拟现实(VR)环境、增强现实(AR)环境或混合现实(MR)环境中的至少一者。

14.一种头戴式显示器(HMD)，包括：

显示元件，所述显示元件提供显示光；

透镜元件，所述透镜元件向所述头戴式显示器(HMD)的用户提供显示光；以及

光学元件，所述光学元件包括：

至少一个波导，所述至少一个波导为头戴式显示器(HMD)的所述用户提供改善的中心视场或外围视场(FOV)，其中：

所述波导是外围光学器件的一部分，所述波导是圆锥波导，所述圆锥波导具有平面波导型材或曲面波导型材中的至少一者。

15.根据权利要求14所述的头戴式显示器(HMD)，还包括中心光学器件，所述中心光学器件包括至少菲涅耳元件、薄饼光学元件或波导，所述波导包括平面波导型材或曲面波导型材中的至少一者；和/或，优选地，其中，所述至少一个波导包括渐变折射率(GRIN)层；和/或，优选地，其中，所述头戴显示器(HMD)用于虚拟现实(VR)环境、增强现实(AR)环境或混合现实(MR)环境中的至少一者。