CN117908254A - 具有虚拟图像距离调节和矫正透镜的显示系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及具有虚拟图像距离调节和矫正透镜的显示系统。头戴式设备可具有显示器，该显示器为用户显示计算机生成的内容。该头戴式设备可具有光学系统，其将该计算机生成的图像朝向眼箱引导以供用户查看。该光学系统可为透视光学系统，并允许该用户在接收该计算机生成的图像时透过该光学系统查看真实世界对象，或者该光学系统可包括不能够移除的透镜和能够移除的视力矫正透镜，可透过该能够移除的视力矫正透镜查看不透明显示器。该光学系统可包括能够移除的透镜，其可用作定制视力矫正透镜以矫正用户的视力缺陷。该光学系统可具有投影偏置透镜和对应的补偿偏置透镜，其将计算机生成的内容置于一个或多个期望的虚拟图像距离处。

Description

具有虚拟图像距离调节和矫正透镜的显示系统

本申请是申请日为2019年12月30日、申请号为201980088840.9、发明名称为“具有虚拟图像距离调节和矫正透镜的显示系统”的中国专利申请的分案申请。

本专利申请要求2019年12月13日提交的美国专利申请号16/713877以及2019年1月15日提交的美国临时专利申请号62/792730的优先权，这些专利申请据此全文以引用方式并入本文。

技术领域

本文整体涉及电子设备，并且更具体地，涉及可穿戴电子设备系统。

背景技术

电子设备有时被配置成由用户穿戴。例如，头戴式设备设置有允许设备被戴在用户头上的头戴结构。头戴式设备可包括具有透镜的光学系统。透镜允许设备中的显示器向用户呈现视觉内容。

头戴式设备的一些用户具有视觉缺陷，诸如近视、远视、散光或老花。确保头戴式设备中的光学系统令人满意地显示计算机生成的内容并且为具有视觉缺陷的用户提供可接受的查看体验可能是具有挑战性的。如果不小心，具有视觉缺陷的用户可能难以或不可能正确地聚焦在正被显示的内容上或者可能无法根据需要显示内容。

发明内容

一种头戴式设备可具有显示器，该显示器为用户显示计算机生成的内容。该头戴式设备可具有光学系统，该光学系统将计算机生成的内容朝向眼箱引导以供用户查看。

在一个例示性配置中，光学系统可包括不能够移除的透镜和能够移除的透镜，可透过该能够移除的透镜查看不透明显示器。能够移除的透镜可用作视力矫正透镜，并且可具有径向增大的透镜光焦度以补偿光学系统中的场曲率。

在另一例示性配置中，光学系统可为透视光学系统，该透视光学系统允许用户在接收计算机生成的图像时透过光学系统查看真实世界对象。这种类型的系统可具有波导，该波导具有输出耦合器，该输出耦合器插置在至少第一透镜和第二透镜之间。显示器可向波导提供图像。输出耦合器可通过第一透镜将图像从波导朝向眼箱耦合。第一透镜可为投影偏置透镜，其调节图像的虚拟图像距离。第二透镜可为对应的补偿偏置透镜，其补偿第一透镜并且允许用户正常查看真实世界对象。如果需要，光学系统中的第一透镜或能够移除的第三透镜可用作视力矫正透镜。

附图说明

图1是根据实施方案的例示性电子设备诸如头戴式显示设备的示意图。

图2是根据实施方案的例示性头戴式设备的顶视图。

图3是根据实施方案的例示性显示器和具有能够移除的透镜结构的相关联光学系统的图示。

图4是根据实施方案的用户的视野的图示，示出了可如何在不同的虚拟图像距离处为视野的不同部分提供虚拟图像内容。

图5、图6和图7是示出根据实施方案的透镜光焦度可如何作为光学系统中的透镜内的位置的函数而变化的曲线图。

图8、图9和图10是根据实施方案的例示性显示器和相关联光学系统的图示。

图11是根据实施方案的具有不透明(非透视)显示器和光学系统的例示性头戴式设备的侧视图。

图12是根据实施方案的用于图11的头戴式设备的例示性透镜的图示。

图13是根据实施方案的用于诸如图11的头戴式设备的设备的例示性显示器和光学系统的图示。

具体实施方式

电子设备可以包括用于向用户呈现内容的显示器和其他部件。电子设备可以是可穿戴电子设备。可穿戴电子设备诸如头戴式设备可以具有允许头戴式设备被戴在用户头上的头戴支承结构。

头戴式设备可包含显示器，该显示器由一个或多个显示设备形成，以用于向用户显示视觉内容。透镜系统可以被用于允许用户聚焦在显示器上并查看视觉内容。为了确保广泛的用户能够清楚地聚焦在显示器上并查看视觉内容，头戴式设备可以接收能够移除的补充透镜。补充透镜可以解决透镜系统否则没有解决的用户视觉缺陷。例如，具有散光的用户可设置有对散光进行矫正的可移除补充透镜。当这个用户希望以头戴式设备查看内容时，补充透镜可以被安装在头戴式设备内以帮助矫正用户的散光。对于一个例示性布置，补充透镜可使用将补充透镜置于与设备中的不能够移除的透镜对准的磁体或其他可移除紧固件而耦合到头戴式支撑结构。

图1中示出了可使用能够移除的透镜的例示性系统的示意图。如图1所示，系统8可以包括一个或多个电子设备诸如电子设备10。系统8的电子设备可以包括计算机、蜂窝电话、头戴式设备、腕表设备和其他电子设备。其中电子设备10是头戴式设备的配置有时在本文中作为示例进行描述。

如图1所示，电子设备诸如电子设备10可以具有控制电路12。控制电路12可以包括用于控制设备10的操作的存储和处理电路。电路12可以包括存储装置，诸如硬盘驱动器存储装置、非易失性存储器(例如，被配置为形成固态驱动器的电可编程只读存储器)、易失性存储器(例如，静态或动态随机存取存储器)等。控制电路12中的处理电路可以基于一个或多个微处理器、微控制器、数字信号处理器、基带处理器、功率管理单元、音频芯片、图形处理单元、专用集成电路以及其它集成电路。软件代码可存储在电路12中的存储装置上，并且在电路12中的处理电路上运行，以实现用于设备10的控制操作(例如，数据采集操作、涉及使用控制信号调节设备10的部件的操作等)。控制电路12可以包括有线和无线通信电路。例如，控制电路12可以包括射频收发器电路，诸如蜂窝电话收发器电路、无线局域网收发器电路、毫米波收发器电路、和/或其他无线通信电路。

在操作期间，系统8中的设备的通信电路(例如，设备10的控制电路12的通信电路)可以被用于支持电子设备之间的通信。例如，一个电子设备可以将视频和/或音频数据传输给系统8中的另一电子设备。系统8中的电子设备可以使用有线和/或无线通信电路来通过一个或多个通信网络(例如，互联网、局域网等)进行通信。通信电路可以被用于允许设备10从外部装备(例如，拴系计算机、便携式设备诸如手持设备或膝上型计算机、在线计算装备诸如远程服务器或其他远程计算装备、或其他电气装备)接收数据和/或向外部装备提供数据。

设备10可以包括输入-输出设备22。输入-输出设备22可以被用于允许用户为设备10提供用户输入。输入-输出电路22可以也被用于采集有关设备10在其中操作的环境的信息。电路22中的输出部件可以允许设备10向用户提供输出，并且可以被用于与外部电气装备通信。

如图1所示，输入-输出电路22可以包括一个或多个显示器诸如显示器14。在一些配置中，设备10的显示器14包括左显示设备和右显示设备(例如，左部件和右部件，诸如左扫描镜显示设备和右扫描镜显示设备、硅基液晶显示设备、数字反射镜设备或其他反射型显示设备、基于发光二极管像素阵列的左显示面板和右显示面板(例如，有机发光显示面板、或基于由晶体半导体发光二极管管芯形成的像素阵列的显示设备)、液晶显示设备面板和/或分别与用户的左眼和右眼对准的其他左显示设备和右显示设备。在其他配置中，显示器14包括单个显示面板，该单个显示面板跨两只眼睛延伸或使用其中内容被设置有单个像素阵列的其他布置。

显示器14用于为设备10的用户显示视觉内容。在显示器14上呈现的内容可包括虚拟对象和由控制电路12提供给显示器14的其他内容，并且有时可被称为计算机生成的内容。计算机生成的内容可在不存在现实世界内容的情况下显示，或者可与现实世界内容组合。在一些配置中，真实世界图像可由相机(例如，前向相机)捕获，使得计算机生成的内容可以电子方式覆盖在该真实世界图像的部分上(例如，当设备10是具有不透明显示器的一副虚拟现实护目镜的情况下)。在其他配置中，光学耦合系统可用于允许计算机生成的内容光学覆盖在真实世界图像的顶部上。作为示例，设备10可具有透视显示系统，该透视显示系统通过分束器、棱镜、全息耦合器或其他光学耦合器向用户提供计算机生成的图像，同时允许用户通过光学耦合器查看真实世界对象。

输入-输出设备22可以包括传感器16。传感器16可以包括例如三维传感器(例如，三维图像传感器诸如发射光束并且使用二维数字图像传感器从在目标被所述光束照射时生成的光点采集用于三维图像的图像数据的结构化光传感器、利用双目成像布置中的两个或更多个相机采集三维图像的双目三维图像传感器、三维lidar(光探测及测距)传感器、三维射频传感器、或采集三维图像数据的其他传感器)、相机(例如，红外和/或可见光数字图像传感器)、视线跟踪传感器(例如，基于图像传感器、并且如果需要的话还基于光源的视线跟踪系统，所述光源发射一个或多个光束，所述光束在从用户的眼睛反射之后利用图像传感器进行跟踪)、触摸传感器、按钮、电容式接近传感器、基于光的(光学)接近传感器、其它接近传感器、力传感器、传感器诸如基于开关的接触传感器、气体传感器、压力传感器、湿度传感器、磁传感器、音频传感器(麦克风)、环境光传感器、用于采集语音命令和其他音频输入的麦克风、被配置为采集关于运动、位置和/或取向的信息的传感器(例如，加速度计、陀螺仪、罗盘、和/或包括所有这些传感器或者这些传感器中一者或两者的子组的惯性测量单元)、和/或其他传感器。

用户输入和其他信息可以利用传感器和输入-输出设备22中的其他输入设备来采集。如果需要，输入-输出设备22可以包括其他设备24诸如触觉输出设备(例如，振动部件)、发光二极管和其他光源、用于产生音频输出的扬声器诸如耳用扬声器、以及其他电子部件。设备10可以包括用于接收无线功率的电路、用于将功率无线地传输给其他设备的电路、电池和其他储能设备(例如，电容器)、操纵杆、按钮和/或其他部件。

电子设备10可以具有外壳结构(例如，外壳壁、条带等)，如图1的例示性支承结构26所示。在电子设备10是头戴式设备(例如，一副眼镜、护目镜、头盔、帽子等)的配置中，支承结构26可以包括头戴支承结构(例如，头盔外壳、头带、一副眼镜中的镜腿、护目镜外壳结构、和/或其他头戴结构)。头戴支承结构可以被构造为在设备10操作期间被戴在用户的头上，并且可以支承显示器14、传感器16、其他部件24、其他输入-输出设备22、和控制电路12。

图2是电子设备10是头戴式设备的例示性配置中电子设备10的顶视图。如图2所示，电子设备10可以包括支承结构(参见例如图1的支承结构26)，其中在容纳设备10的部件以及将设备10戴到用户头上中使用所述支承结构。这些支承结构可以包括例如形成主单元的外壳壁和其他结构的结构(例如，支承结构26-2)、以及帮助将主单元和主单元中的部件保持在用户面部上以使得用户的眼睛位于眼箱60内的诸如条带、镜腿之类的附加结构或其他补充支承结构(例如，支承结构26-1)。

显示器14可包括左显示器部分和右显示器部分(例如，有时称为左显示器和右显示器、左显示设备和右显示设备、左显示部件和右显示部件、或左像素阵列和右像素阵列)。用于设备10的光学系统可由耦合器84(有时称为输入耦合器)、波导86、光学耦合器(诸如输出耦合器88)以及透镜80和82形成。眼睛位于眼箱60中的用户可透过光学系统查看真实世界对象，同时从显示器14查看重叠的计算机生成的内容。

如图2所示，显示器14的左部分可用于为左手眼箱60创建图像(例如，用户左眼查看左手图像的位置)。显示器14的右部分可用于为右手眼箱60创建图像(例如，用户右眼查看右手图像的位置)。在图2的配置中，显示器14的左部分和右部分可由相应的左显示设备和右显示设备(例如，数字反射镜设备、硅上液晶设备、扫描微机电系统反射镜设备、其他反射型显示设备或其他显示器)形成。在其中显示器14为不透明的并且阻止用户直接查看真实世界图像的布置中，显示器14可为有机发光二极管显示器、液晶显示器或其他显示器，并且可省略由波导86和输出耦合器88形成的光学耦合器。

在图2的透视显示布置中，光学耦合器84(例如，棱镜、全息图等)可用于将相应的左图像和右图像从左显示部分和右显示部分耦合到相应的左波导和右波导86中。可根据全内反射的原理在波导86内引导图像。这样，左图像和右图像可以从设备10的左侧和右侧朝向设备10的中心中与左眼箱和右眼箱60对准的位置传输。波导86可设置有相应的左输出耦合器和右输出耦合器88，诸如形成在波导86的材料上或材料中的全息图。左输出耦合器和右输出耦合器88可分别将左图像和右图像从左波导和右波导86朝向左眼箱和右眼箱60耦合以供用户查看。

左透镜和右透镜80(有时称为外透镜、面向外的透镜或补偿偏置透镜)可向外面向外部对象(诸如真实世界对象90)并且远离眼箱60。相对的对应的左透镜和右透镜82(有时称为内透镜、面向内的透镜或投影偏置透镜)可向内面向眼箱60并且远离真实世界对象(诸如对象90)。左手波导86和输出耦合器88可插置在左透镜80和左透镜82之间，并且右手波导86和输出耦合器88可插置在右透镜80和右透镜82之间。透镜80和82以及插置的波导86和输出耦合器88是透明的，并且允许来自真实世界对象(诸如对象90)的真实世界图像光传递到眼箱60以供用户查看。同时，用户可查看与计算机生成的内容相关联的虚拟图像(左图像和右图像)，这些虚拟图像由输出耦合器88引导出波导86并且穿过透镜82引导到对应的眼箱60。

可选择透镜82的强度(有时称为光焦度或屈光度)以将虚拟图像(诸如例示性虚拟对象92)置于距设备10的期望距离D处。例如，可能期望的是将计算机生成的内容(诸如文本、图标、移动图像或其他内容)置于虚拟图像距离D处。将虚拟对象92置于距离D处可通过适当选择透镜82的强度来实现。透镜82可以是用于眼睛没有折射误差的用户的负透镜。因此，可选择透镜82的强度(较大的净负光焦度)以调节距离D。例如，在其中透镜82为-0.5屈光度透镜的场景中，虚拟对象92可被置于距设备10为2m的距离D处。又如，如果透镜82为-1.0屈光度透镜，则虚拟对象92可被置于距设备10为1m的距离处。

如果需要，透镜80可具有互补的光焦度值(例如，正光焦度，其量值与透镜82的负光焦度的量值匹配)。例如，如果透镜82具有-1.0屈光度的光焦度，则透镜80可具有+1.0屈光度的相等且相反的光焦度(作为示例)。在这种类型的布置中，透镜80的正光焦度抵消透镜82的负光焦度。因此，透镜80和82合在一起的总焦度将为0屈光度。这允许查看者在没有来自透镜80和82的光学影响的情况下查看真实世界对象(诸如对象90)。例如，位于远离设备10处(有效地在无穷远处)的真实世界对象可被视为好像透镜80和82不存在那样。

对于具有令人满意的未矫正视力的用户，这种类型的互补透镜布置因此允许将虚拟对象置于紧靠用户处(例如，在0.5-5m、至少0.1m、至少1m、至少2m、小于20m、小于10m、小于5m的虚拟图像距离D处或距设备10的其他合适的近中距离处)，同时允许用户查看真实世界对象而无需通过光学系统的光学部件进行修改。例如，位于距设备10为2m的距离处的真实世界对象(例如，在2m的虚拟图像距离处由虚拟文本标签标记的真实世界对象)将在光学上看起来位于距设备10为2m处。

一些用户可能需要视力矫正。可使用可调谐透镜和/或能够移除的透镜(有时称为补充透镜、视力矫正透镜、能够移除的透镜或夹式透镜)来提供视力矫正。例如，可通过向图1的显示系统添加能够移除的散光矫正透镜来为患有散光的用户提供视力矫正。如果需要，也可使用其他视力矫正透镜。一般来讲，视力矫正透镜可包括：矫正屈光不正(具有折射误差的眼睛)的透镜，诸如矫正近视眼(近视)的透镜、矫正远视眼(远视)的透镜和矫正散光的透镜；矫正偏斜视力的棱镜透镜；帮助适应眼睛所表现出的与年龄相关的调节范围的减小(有时称为老花眼)和/或其他视力障碍的透镜。

图3是用于设备10的例示性显示系统的顶视图。如图3所示，显示系统96可包括显示器14的一部分(例如，用于向位于眼箱60中的用户的眼睛中的给定一者提供图像的左显示设备或右显示设备)和相关联的光学系统。光学系统可用于将由显示器14输出的图像路由到眼箱60，同时允许用户查看真实世界对象(诸如真实世界对象90)，这些真实世界对象通过透镜80和82在方向98上向眼箱60提供真实世界图像(真实世界光)。

光学系统可包括：光学耦合器(诸如光学耦合器84)，该光学耦合器用于将所发射的图像光从显示设备(例如，图3的显示器14)耦合到波导86中；输出耦合器88，该输出耦合器用于将图像在方向100上耦合出波导86；和透镜。透镜可包括用于调节虚拟对象92的虚拟图像距离D的内透镜82。虚拟对象92是由显示器14发射的视觉元素(有时称为计算机生成的内容或计算机生成的图像)，该视觉元素通过光学耦合器84耦合到波导86中，通过输出耦合器88从波导86朝向眼箱60耦合出来，并且在方向100上穿过透镜82到达眼箱60以供用户查看。可调节透镜82的光焦度以使虚拟对象92更靠近设备10和用户，或将虚拟对象92置于距设备10和用户更远的距离处。透镜80可具有互补的光焦度(例如，在其中透镜82为负透镜的场景中，透镜80可为正透镜)或其他合适的光焦度，以允许眼睛在眼箱60中的用户查看真实世界对象(诸如对象90)。

为了适应具有视力缺陷的用户，系统96中的一个或多个透镜可为能够移除的(并且因此可为每个用户定制)和/或可为可调谐的。可调谐透镜(诸如可调谐液晶透镜)可由控制电路12动态地调节(例如，以表现出矫正给定用户的视力的期望光焦度)。可在系统96中使用的透镜的示例(例如，透镜80和/或透镜82)包括由玻璃、聚合物或其他材料形成的固定光焦度透镜(例如，可永久性地安装在系统96中和/或可暂时安装在系统96中的透镜)、液晶透镜、液膜透镜、几何相位透镜、菲涅耳透镜、变焦透镜、折反射透镜、单元件透镜、多元件透镜和/或其他透镜。

设备10中的支撑结构26可包括磁体、夹具和/或与透镜(诸如图3的例示性透镜80和82)配合的其他结构。这些支撑结构可包括有助于将透镜80和/或82永久性地保持在设备10的外壳中的适当位置(例如，永久性地耦合到支撑结构26)的永久性安装结构(例如，粘合剂、螺钉、焊接件等)，并且可包括耦合到能够移除的透镜上的对应临时安装结构的临时安装结构(诸如磁体)。如图3的示例所示，透镜80和/或透镜82可以是能够移除的。例如，透镜80可具有磁体80M，这些磁体与耦合到设备10中的其他支撑结构26的对应磁体26M配合。透镜82还可具有磁体82M，这些磁体与对应磁体26M配合。

如果需要，透镜80和/或透镜82可永久性地附接到支撑结构26。例如，透镜80可永久性地安装到支撑结构26，并且透镜82可使用磁体82M来将透镜82暂时耦合到对应磁体26M。当期望为给定用户(例如，患有散光的用户)定制设备10中的光学系统时，可将矫正给定用户的散光的透镜82临时耦合到磁体26M，从而临时安装在设备10内。当用户具有不同处方(例如，近视用户无散光)时，可将不同的定制透镜82可移除地安装在系统96内以矫正该用户的视力缺陷。透镜82可包括视力矫正分量(例如，矫正用户的近视眼的负透镜分量)和虚拟图像距离调节分量(例如，将虚拟对象置于距设备10的期望虚拟图像距离D处的负透镜分量)两者。透镜80可具有补偿虚拟图像距离调节分量的光焦度(例如，透镜80可为正透镜，其与和虚拟图像距离调节相关联的负透镜分量互补)。尽管被示出为可能包括固定的和/或能够移除的两个透镜80和82，但系统96一般可包括任何合适数量的固定透镜和/或能够移除的透镜(例如：至少两个透镜，其中一个透镜是能够移除的；至少两个透镜，其中两个透镜是能够移除的；至少三个透镜，其中一个透镜是能够移除的或两个透镜是能够移除的；等等)。系统96中的透镜可包括单元件透镜和/或多元件透镜、反射型透镜和/或其他透镜结构。

系统96中的透镜可包括强度不同的区域。例如，透镜82可为双焦点透镜、三焦点透镜、渐进式透镜或在不同区域中具有多种强度的其他透镜。作为示例，考虑使用双焦点透镜来实现透镜82。用户透过系统96的视野可由图4的图示表示。如图4所示，视野102可被分成上部部分(诸如上半部102-1)和下部部分(诸如下半部102-2)。为了确保具有正常视力的用户令人满意地查看真实世界对象，透镜82和透镜80可具有互补的双焦点布置，如图5的曲线图所示，其中曲线104表示作为跨透镜82的增大的竖直距离Y的函数的透镜82的透镜光焦度，并且其中曲线104'表示作为跨透镜80的增大的竖直距离Y的函数的透镜80的对应的互补透镜光焦度。通过如图5所示背对背地放置互补透镜82和80，系统96中的透视光学系统的有效透镜光焦度将为0屈光度(无阻挡视力没有发生变化)。

同时，透镜82的双焦点性质允许在距设备10的两个不同虚拟距离D处显示计算机生成的内容。如图5所示，透镜82的下部部分104-2(其覆盖视野102的下半部102-2(图4))具有较大的净负光焦度DH，而透镜82的上部部分104-1(其覆盖视野102的上半部102-1)具有较小的净负光焦度DL。对于这种布置，与下半部102-2中的虚拟对象相比，上半部102-1中的虚拟对象将位于距设备10更远的虚拟图像距离D处。这允许控制电路12在距用户的多个不同距离D处显示虚拟对象。

作为示例，考虑其中由显示器14提供的计算机生成的内容包括文本标签的场景。作为示例，控制电路12可使用下半部102-2中的虚拟对象为附近的真实世界对象(诸如杯子)创建第一标签(例如，“杯子”)，并且可使用上半部102-1中的虚拟对象为更远的真实世界对象(诸如汽车)创建第二标签(例如，“汽车”)。由于对于下半部分102-2中的虚拟对象，与上半部分102-1中的虚拟对象相比，虚拟图像距离D更小，因此虚拟对象看起来与它们所标记的真实世界对象距设备10大约相同的距离。在该示例中，标签“杯子”的虚拟图像距离将看起来与距真实世界杯的距离相同，并且标签“汽车”的虚拟图像距离将看起来与距真实世界汽车的距离相同。

尽管图4和图5的示例对于透镜82使用两个不同的透镜光焦度区域(并且对于透镜80使用两个互补的透镜光焦度区域)，但可存在任何合适数量的光焦度不同的不同区域。例如，透镜80和82可为三焦点透镜(参见例如：图6的曲线104，其表示三焦点示例中的透镜82的透镜光焦度；和图6的曲线104'，其表示透镜80的互补透镜光焦度)和/或可为渐进式透镜(参见例如：图7的曲线104，其表示用于渐进式透镜示例的透镜82的透镜光焦度，其中透镜光焦度单调且连续地变化而不由于透镜光焦度的阶跃而中断；和图7的曲线104'，其表示透镜80的互补透镜光焦度)。如果需要，也可使用透镜82和透镜80的透镜光焦度的其他变化(例如，透镜82的水平维度上的横向变化、具有四个或更多个具有不同的相应透镜光焦度的不同区域的配置等)。

透镜80和82用于在用户的视野上施加透镜光焦度偏置，并且因此有时可被称为偏置透镜。透镜82用于偏置来自输出耦合器88和波导86的投影的计算机生成的图像，并且因此有时可被称为投影偏置透镜或投影透镜，而透镜80用于提供补偿偏置并且因此有时可被称为补偿偏置透镜或补偿透镜。

如果需要，可向系统96添加单独的能够移除的视力矫正透镜。例如，如图8所示，视力矫正透镜106可具有磁体106M或可用于将透镜106临时耦合到附接到支撑结构26的配合耦合结构(诸如配合磁体26M)的其他能够移除的透镜临时耦合结构。视力矫正透镜106可被配置为匹配用户的正常眼镜处方。例如，透镜106可为矫正用户的远视眼的正透镜、矫正用户的近视眼的负透镜，可为矫正用户的散光的非对称透镜，可为用于患有老花眼的用户的渐进式透镜等。

在图8的例示性布置中，透镜106、透镜82和透镜80为能够移除的透镜。在这种类型的布置中，透镜106可为根据具体情况选择以矫正每个用户的视力的视力矫正透镜，如图9所示，并且可不时替换透镜80和82以调节呈现给用户的虚拟对象的虚拟图像距离行为。例如，在透镜80和82的第一配置中，透镜80和82可分别具有1.5屈光度和-1.5屈光度的透镜光焦度(以将所有虚拟图像置于距设备10的给定虚拟图像距离D处)。在透镜80和82的第二配置中，透镜80和82均为如结合图4和图5所述的双焦点透镜。在透镜80和82的第三配置中，透镜80和82可为三焦点透镜。在用于透镜80和82的第四配置中，透镜80和82可为互补渐进式透镜，如结合图7所述。

如果需要，透镜80和82可为固定透镜，并且透镜106可为能够移除的视力矫正透镜，如图9所示。这种类型的布置可简化设备10的构造，同时仍然允许每个不同的用户使用不同的透镜106来为每个用户定制系统96的光学属性(例如，以矫正每个不同的用户的视力缺陷)。透镜80和82可具有任何合适的互补配置(例如，单光焦度、双焦点、三焦点、渐进式等)。例如，透镜82可为如图7所示的渐进式透镜，并且透镜80可为互补的渐进式透镜。患有老花眼的用户可使用渐进式眼镜处方，因此，如果需要，视力矫正透镜106可为渐进式透镜和/或可具有与散光矫正透镜分量和/或近视眼或远视眼矫正分量组合的渐进式透镜光焦度。一般来讲，任何合适的视力矫正透镜属性都可组合到单个能够移除的视力矫正透镜(诸如透镜106)中。

如果需要，可通过将视力矫正透镜106的透镜特性组合到透镜82中来减少系统96中的透镜元件的数量，从而形成组合的能够移除的透镜(诸如图10的透镜108)，该组合的能够移除的透镜具有磁体108M或与设备10的支撑结构26中的对应磁体26M配合的其他能够移除的透镜耦合结构。在这种类型的布置中，透镜108可结合有图8的透镜106的所有视力矫正透镜功能(例如，矫正远视眼的正透镜光焦度分量、用于散光矫正的非对称透镜光焦度分量、用于近视眼矫正的负透镜光焦度分量、有助于老花眼的渐进式处方等)以及透镜82的投影偏置透镜功能(例如，双焦点、三焦点、渐进式或其他类型的投影偏置透镜)。透镜80可被配置为补偿组合的能够移除的透镜108的投影透镜分量的透镜光焦度。由于透镜108可用作投影偏置透镜和视力矫正透镜两者，因此透镜108有时可被称为能够移除的视力矫正和投影偏置(vision-correction-and-projection-bias)透镜。

如果需要，通过使系统96的透镜元件中的一个或多个透镜元件可移除而提供的可调节性可根据需要使用可调谐透镜部件(例如，可调谐液晶透镜)来实现。其中透镜元件可被移除并用不同透镜元件替换以便为不同用户定制系统96的布置有时可在本文作为示例来描述。

在图11的例示性布置中，设备10的显示器14是不透明的。如果需要，图11的设备10可包括用于捕获真实世界内容的图像以呈现在显示器14上的相机，或者可任选地省略相机。设备10可具有支撑结构26。显示系统114可由支撑结构26-2支撑，并且支撑结构26-1可用于将设备10保持在用户的头部上。显示系统114可包括用于显示计算机生成的图像的不透明显示器，诸如图11的显示器14(例如，并非透视显示系统的一部分的显示器)。显示器14可跨越用户的左眼和右眼，并且可针对用户的左眼和右眼复制显示器14或图11的其他部件。

如图11所示，透镜110可用于允许眼睛位于眼箱60中的用户查看计算机生成的图像。透镜110可为例如折反射透镜、菲涅耳透镜或其他合适的透镜(例如，不能够移除的固定光焦度透镜)。为了适应具有不同眼力特征的用户，设备10可具有能够移除的透镜，诸如能够移除的视力矫正透镜112。透镜112可使用磁体112M可移除地安装在支撑结构26中，这些磁体与支撑结构26中的对应磁体26M暂时耦合。

为了在用户查看显示器14上的图像时帮助改善设备10的光学性能，透镜112可具有有助于补偿场曲率的透镜光焦度分量(作为用于视力矫正的透镜光焦度分量的补充或替代)。具体地，透镜112可包括具有不同光焦度的不同区域。透镜112的光焦度可例如随着距透镜112的中心的径向距离的增大而增大。这种类型的径向渐进式透镜设计可在空间上弯曲患有老花眼的用户的有限调节，以补偿系统114中的场曲率。

图12中示出了用于透镜112的例示性配置。在图12的示例中，存在四个不同区域112-1、112-2、112-3和112-4(例如，围绕圆形区域的三个完整或截短的环形区域)，每个区域具有不同的对应透镜光焦度。该例示性布置具有逐步递增的透镜光焦度，但如果需要，可使用无级配置(例如，逐渐增大透镜光焦度布置，其中透镜光焦度在距中心透镜区域112-1的增大的径向距离处单调且连续地改变)。中心透镜区域112-1可位于透镜112的中间和/或可横向偏移(例如，水平偏移并朝向用户的视野的下部部分偏移)以帮助透镜112令人满意地覆盖用户的视力(例如，透镜区域112-1的中心可从玻璃构件或形成透镜112的其他元件的几何中心偏移)。视力矫正透镜属性(例如，用于矫正远视眼、散光矫正等的正透镜分量)可结合场曲率补偿特征结合到透镜112中，和/或透镜112可仅用作视力矫正透镜或仅用作场曲率补偿透镜。

图13是用于图11的设备10的例示性透镜系统的横截面侧视图。如图13所示，能够移除的透镜112可具有凸形前透镜表面。透镜110可为折反射透镜，并且可具有凹形内表面(诸如面向眼箱60的凹表面120)。气隙(诸如气隙116)可将透镜110的凹表面120与能够移除的透镜112的凸形前透镜表面118分开。气隙116的尺寸可以是适度的(例如，小于4mm、小于3mm、小于2mm、小于1mm、小于0.5mm、至少0.05mm或其他合适的量)以帮助减小系统114的总体尺寸。通过允许后表面122(例如，透镜112的面向眼箱60的表面)具有增强的曲率，适度尺寸的气隙116还可有助于扩展系统114的视野。如果需要，表面122和/或表面118可为非球面，以减少透镜散光和畸变。

以下术语有时可用于描述设备10和系统8的操作。

物理环境

物理环境是指人们在没有电子系统帮助的情况下能够感测和/或交互的物理世界。物理环境诸如物理公园包括物理物品，诸如物理树木、物理建筑物和物理人。人们能够诸如通过视觉、触觉、听觉、味觉和嗅觉来直接感测物理环境和/或与物理环境交互。

计算机生成的现实

相反，计算机生成现实(CGR)环境是指人们经由电子系统感知和/或交互的完全或部分模拟的环境。在CGR中，跟踪人的物理运动的一个子集或其表示，并且作为响应，以符合至少一个物理定律的方式调节在CGR环境中模拟的一个或多个虚拟对象的一个或多个特征。例如，CGR系统可以检测人的头部转动，并且作为响应，以与此类视图和声音在物理环境中变化的方式类似的方式调节呈现给人的图形内容和声场。在一些情况下(例如，出于可达性原因)，对CGR环境中虚拟对象的特征的调节可以响应于物理运动的表示(例如，声音命令)来进行。

人可以利用其感觉中的任一者来感测CGR对象和/或与CGR对象交互，包括视觉、听觉、触觉、味觉和嗅觉。例如，人可以感测音频对象和/或与音频对象交互，该音频对象创建3D或空间音频环境，该3D或空间音频环境提供3D空间中点音频源的感知。又如，音频对象可以使能音频透明度，该音频透明度在有或者没有计算机生成的音频的情况下选择性地引入来自物理环境的环境声音。在某些CGR环境中，人可以感测和/或只与音频对象交互。

CGR的示例包括虚拟现实和混合现实。

虚拟现实

虚拟现实(VR)环境是指被设计成对于一个或多个感觉完全基于计算机生成的感官输入的模拟环境。VR环境包括人可以感测和/或交互的多个虚拟对象。例如，树木、建筑物和代表人的化身的计算机生成的图像是虚拟对象的示例。人可以通过在计算机生成的环境内人的存在的模拟和/或通过在计算机生成的环境内人的物理移动的一个子组的模拟来感测和/或与VR环境中的虚拟对象交互。

混合现实

与被设计成完全基于计算机生成的感官输入的VR环境相比，混合现实(MR)环境是指被设计成除了包括计算机生成的感官输入(例如，虚拟对象)之外还引入来自物理环境的感官输入或其表示的模拟环境。在虚拟连续体上，混合现实环境是完全物理环境作为一端和虚拟现实环境作为另一端之间的任何状况，但不包括这两端。

在一些MR环境中，计算机生成的感官输入可以对来自物理环境的感官输入的变化进行响应。另外，用于呈现MR环境的一些电子系统可以跟踪相对于物理环境的位置和/或取向，以使虚拟对象能够与真实对象(即，来自物理环境的物理物品或其表示)交互。例如，系统可以导致移动使得虚拟树木相对于物理地面看起来是静止的。

混合现实的示例包括增强现实和增强虚拟。

增强现实

增强现实(AR)环境是指其中一个或多个虚拟对象叠加在物理环境或其表示之上的模拟环境。例如，用于呈现AR环境的电子系统可具有透明或半透明显示器，人可以透过该显示器直接查看物理环境。该系统可以被配置为在透明或半透明显示器上呈现虚拟对象，使得人利用该系统感知叠加在物理环境之上的虚拟对象。另选地，系统可以具有不透明显示器和一个或多个成像传感器，该成像传感器捕获物理环境的图像或视频，这些图像或视频是物理环境的表示。系统将图像或视频与虚拟对象组合，并在不透明显示器上呈现组合物。人利用系统经由物理环境的图像或视频而间接地查看物理环境，并且感知叠加在物理环境之上的虚拟对象。如本文所用，在不透明显示器上显示的物理环境的视频被称为“透传视频”，意味着系统使用一个或多个图像传感器捕获物理环境的图像，并且在不透明显示器上呈现AR环境时使用那些图像。进一步另选地，系统可以具有投影系统，该投影系统将虚拟对象投射到物理环境中，例如作为全息图或者在物理表面上，使得人利用该系统感知叠加在物理环境之上的虚拟对象。

增强现实环境也是指其中物理环境的表示被计算机生成的感官信息进行转换的模拟环境。例如，在提供透传视频中，系统可以对一个或多个传感器图像进行转换以施加与成像传感器所捕获的视角不同的选择视角(例如，视点)。又如，物理环境的表示可以通过图形地修改(例如，放大)其部分而进行转换，使得经修改部分可以是原始捕获图像的代表性的但不是真实的版本。再如，物理环境的表示可以通过以图形方式消除其部分或将其部分进行模糊处理而进行转换。

增强虚拟

增强虚拟(AV)环境是指其中虚拟或计算机生成的环境结合来自物理环境的一个或多个感官输入的模拟环境。感官输入可以是物理环境的一个或多个特性的表示。例如，AV公园可以具有虚拟树木和虚拟建筑物，但人的脸部是从对物理人拍摄的图像逼真再现的。又如，虚拟对象可以采用一个或多个成像传感器所成像的物理物品的形状或颜色。再如，虚拟对象可以采用符合太阳在物理环境中的定位的阴影。

硬件

有许多不同类型的电子系统使人能够感测和/或与各种CGR环境交互。示例包括头戴式系统、基于投影的系统、平视显示器(HUD)、集成有显示能力的车辆挡风玻璃、集成有显示能力的窗户、被形成为被设计用于放置在人眼睛上的透镜的显示器(例如，类似于隐形眼镜)、耳机/听筒、扬声器阵列、输入系统(例如，具有或没有触觉反馈的可穿戴或手持控制器)、智能电话、平板电脑、和台式/膝上型计算机。头戴式系统可以具有一个或多个扬声器和集成的不透明显示器。另选地，头戴式系统可以被配置成接受外部不透明显示器(例如，智能电话)。头戴式系统可以结合用于捕获物理环境的图像或视频的一个或多个成像传感器、和/或用于捕获物理环境的音频的一个或多个麦克风。头戴式系统可以具有透明或半透明显示器，而不是不透明显示器。透明或半透明显示器可以具有媒介，代表图像的光通过该媒介被引导到人的眼睛。显示器可以利用数字光投影、有机发光二极管(OLED)、LED、微LED、硅基液晶、激光扫描光源或这些技术的任意组合。媒介可以是光学波导、全息图媒介、光学组合器、光学反射器、或它们的任意组合。在一个实施方案中，透明或半透明显示器可被配置为选择性地变得不透明。基于投影的系统可以采用将图形图像投影到人的视网膜上的视网膜投影技术。投影系统也可以被配置为将虚拟对象投影到物理环境中，例如作为全息图或在物理表面上。

如上所述，本发明技术的一个方面是采集和使用信息诸如传感器信息。本公开构想，在一些情况下，可采集包括唯一地识别或可用于联系或定位特定人员的个人信息的数据。此类个人信息数据可包括人口统计数据、基于位置的数据、电话号码、电子邮件地址、twitter ID、家庭地址、与用户的健康或健身等级相关的数据或记录(例如，生命信号测量结果、药物信息、锻炼信息)、出生日期、用户名、口令、生物识别信息、或任何其他识别信息或个人信息。

本公开认识到在本公开技术中使用此类个人信息可以用于使用户受益。例如，该个人信息数据可用于递送用户较感兴趣的目标内容。因此，使用此类个人信息数据使得用户能够对所递送的内容进行有计划的控制。此外，本公开还预期个人信息数据有益于用户的其他用途。例如，健康和健身数据可用于向用户的总体健康状况提供见解，或者可用作使用技术来追求健康目标的个人的积极反馈。

本公开设想负责采集、分析、公开、传输、存储或其他使用此类个人信息数据的实体将遵守既定的隐私政策和/或隐私实践。具体地，此类实体应当实行并坚持使用被公认为满足或超出对维护个人信息数据的隐私性和安全性的行业或政府要求的隐私政策和实践。此类政策应该能被用户方便地访问，并应随着数据的采集和/或使用变化而被更新。来自用户的个人信息应当被收集用于实体的合法且合理的用途，并且不在这些合法使用之外共享或出售。此外，应在收到用户知情同意后进行此类采集/共享。此外，此类实体应考虑采取任何必要步骤，保卫和保障对此类个人信息数据的访问，并确保有权访问个人信息数据的其他人遵守其隐私政策和流程。另外，这种实体可使其本身经受第三方评估以证明其遵守广泛接受的隐私政策和实践。此外，应当调整政策和实践，以便采集和/或访问的特定类型的个人信息数据，并适用于包括管辖范围的具体考虑的适用法律和标准。例如，在美国，某些健康数据的收集或访问可能受联邦和/或州法律诸如健康保险及责任法案(HIPAA)的管辖，而其他国家中的健康数据可能受其他法规和政策约束并且应当相应地加以处理。因此，在每个国家应为不同的个人数据类型保持不同的隐私实践。

不管前述情况如何，本公开还预期用户选择性地阻止使用或访问个人信息数据的实施方案。即本公开预期可提供硬件元件和/或软件元件，以防止或阻止对此类个人信息数据的访问。例如，本技术可被配置为允许用户在注册服务期间或其后随时选择参与采集个人信息数据的“选择加入”或“选择退出”。又如，用户可以选择不提供特定类型的用户数据。再如，用户可以选择限制特定于用户的数据被保持的时间长度。除了提供“选择加入”和“选择退出”选项外，本公开设想提供与访问或使用个人信息相关的通知。例如，用户可以在下载应用程序(“应用”)时被告知其个人信息数据将被访问，然后就在个人信息数据被应用访问之前再次提醒用户。

此外，本公开的目的是应管理和处理个人信息数据以最小化无意或未经授权访问或使用的风险。一旦不再需要数据，通过限制数据收集和删除数据可最小化风险。此外，并且当适用时，包括在某些健康相关应用程序中，数据去标识可用于保护用户的隐私。在适当的情况下，可以通过移除特定标识符(例如，出生日期等)、控制存储的数据的量或特征(例如，在城市级而非地址级收集位置数据)、控制数据的存储方式(例如，在用户之间聚合数据)和/或其它方法来促进去标识。

因此，虽然本公开广泛地覆盖了使用可包括个人信息数据的信息来实现一个或多个各种所公开的实施方案，但本公开还预期各种实施方案也可在无需访问个人信息数据的情况下被实现。即，本发明技术的各种实施方案不会由于缺少此类个人信息数据的全部或一部分而无法正常进行。

根据实施方案，提供了一种系统，该系统包括：头戴式支撑结构；显示器，该显示器耦合到头戴式支撑结构，该显示器被配置为提供包含计算机生成的内容的图像；和光学系统，该光学系统将图像提供给眼箱，同时允许透过光学系统从眼箱查看真实世界对象，该光学系统包括第一透镜和第二透镜以及光学耦合器，可透过该光学耦合器从眼箱查看真实世界对象，该光学系统包括波导，该波导将图像供应到输出耦合器，该输出耦合器将图像通过第一透镜供应到眼箱，并且第一透镜包括能够移除的透镜。

根据另一实施方案，第一透镜为视力矫正和投影偏置透镜，其具有视力矫正分量和投影偏置分量，并且第二透镜为补偿偏置透镜，其与投影偏置分量互补并且补偿投影偏置分量。

根据另一实施方案，第二透镜为渐进式透镜。

根据另一实施方案，第二透镜为双焦点透镜。

根据另一实施方案，第二透镜具有多个区域，该多个区域具有多个对应的透镜光焦度，并且投影偏置分量具有多个相关区域，该多个相关区域具有对应的互补透镜光焦度。

根据另一实施方案，视力矫正分量为渐进式透镜分量。

根据另一实施方案，投影偏置分量为正透镜分量，其被配置为矫正远视眼。

根据另一实施方案，视力矫正分量为非对称分量，其被配置为矫正散光。

根据另一实施方案，支撑结构包括支撑结构磁体，并且第一透镜包括配合磁体。

根据另一实施方案，第二透镜包括不能够移除的透镜，该不能够移除的透镜永久性地耦合到头戴式支撑结构。

根据另一实施方案，光学耦合器和波导插置在第一透镜和第二透镜之间，并且第一透镜至少具有透镜光焦度不同的第一区域和第二区域。

根据另一实施方案，当支撑结构被佩戴时，第一区域在第二区域的垂直上方，并且第二区域具有比第一区域更大的透镜光焦度。

根据实施方案，提供了一种系统，该系统包括：头戴式支撑结构；显示器，该显示器耦合到头戴式支撑结构，该显示器被配置为提供包含计算机生成的内容的图像；和光学系统，该光学系统将图像提供给眼箱，该光学系统包括不能够移除的透镜和能够移除的透镜，并且能够移除的透镜具有面向不能够移除的透镜的凸透镜表面并且通过气隙与不能够移除的透镜分开。

根据另一实施方案，能够移除的透镜具有与凸表面相对的凹表面并且凹表面面向眼箱，能够移除的透镜进一步包括能够移除的透镜耦合结构，该能够移除的透镜耦合结构被配置为将能够移除的透镜可移除地耦合到头戴式支撑结构。

根据另一实施方案，能够移除的透镜具有透镜光焦度不同的环形区域以补偿场曲率。

根据实施方案，提供了一种系统，该系统包括：头戴式支撑结构；显示器，该显示器耦合到头戴式支撑结构，该显示器被配置为提供包含计算机生成的内容的图像；和光学系统，该光学系统将图像提供给眼箱，同时允许透过光学系统从眼箱查看真实世界对象，该光学系统包括接收图像的波导并且包括将图像朝向眼箱耦合出波导的输出耦合器，该光学系统进一步包括第一透镜、第二透镜和第三透镜，该输出耦合器将图像通过第二透镜和第三透镜供应到眼箱，并且第三透镜包括能够移除的透镜。

根据另一实施方案，第二透镜包括投影偏置透镜，并且第一透镜包括互补补偿偏置透镜。

根据另一实施方案，第二透镜至少具有透镜光焦度不同的第一区域和第二区域。

根据另一实施方案，第三透镜包括视力矫正透镜。

根据另一实施方案，第二透镜具有负透镜光焦度，并且第一透镜具有互补的正透镜光焦度。

前述内容仅为示例性的并且可对所述实施方案作出各种修改。前述实施方案可独立实施或可以任意组合实施。

Claims (10)

1.一种显示系统，所述系统包括：

头戴式支撑结构；

显示器，所述显示器耦合到所述头戴式支撑结构，所述显示器被配置为提供包含计算机生成的内容的图像；和

光学系统，所述光学系统将所述图像提供给眼箱，同时允许真实世界对象从所述眼箱通过所述光学系统被查看，其中所述光学系统包括第一透镜和第二透镜以及输出耦合器，其中所述真实世界对象能够从所述眼箱通过所述输出耦合器被查看，其中所述光学系统包括波导，所述波导将所述图像供应到所述输出耦合器，其中所述输出耦合器将所述图像通过所述第一透镜供应到所述眼箱，其中所述波导插置在所述第一透镜和所述第二透镜之间，其中所述第一透镜至少具有透镜光焦度不同的第一区域和第二区域，其中当所述头戴式支撑结构被佩戴时，所述第一区域在所述第二区域的垂直上方，并且其中所述第二区域具有比所述第一区域更大的透镜光焦度。

2.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述第二透镜为渐进式透镜。

3.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述第二透镜为双焦点透镜。

4.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述第二透镜具有多个区域，所述多个区域具有多个对应的透镜光焦度，并且其中所述投影偏置分量具有多个相关区域，所述多个相关区域具有对应的互补的透镜光焦度。

5.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述视力矫正分量为渐进式透镜分量。

6.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述投影偏置分量为被配置为矫正远视眼的正透镜分量。

7.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述视力矫正分量为被配置为矫正散光的非对称分量。

8.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述头戴式支撑结构包括支撑结构磁体，并且其中所述第一透镜包括配合磁体。

9.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述第二透镜包括不能够移除的透镜，所述不能够移除的透镜永久性地耦合到所述头戴式支撑结构。

10.根据权利要求1所述的显示系统，其中所述第一透镜包括能够移除的透镜，其中所述第一透镜为视力矫正和投影偏置透镜，所述视力矫正和投影偏置透镜具有视力矫正分量和投影偏置分量，并且其中所述第二透镜为补偿偏置透镜，所述补偿偏置透镜与所述投影偏置分量互补并且补偿所述投影偏置分量，其中所述输出耦合器插置在所述第一透镜和所述第二透镜之间。