JP2023510479A - 自由形状可変焦点光学アセンブリ - Google Patents

Abstract

自由形状可変焦点光学アセンブリは、パンチャラトナムベリー位相（ＰＢＰ）レンズ、偏光感応性ホログラム（ＰＳＨ）レンズ、メタマテリアル、またはそれらの組合せを含む第１の複数の光学素子を含む少なくとも３つの光学モジュールを含む。各光学モジュールの複数の光学素子は、ゼルニケ多項式に関連付けられた特性を含む。第１および３つの光学モジュールの各々は、複数の光学パワーの間で構成可能である。自由形状可変焦点光学アセンブリは、入力波面に応答して所定の波面を出力するように構成可能である。【選択図】図１４

Description

本出願は、その内容全体が参照により組み込まれる、２０２０年１月２４日に出願された米国仮出願第６２／９６５，４５５号の利益を主張する。

本開示は、概して、様々なタイプの電子システムおよびデバイス中で実装される光学素子および光学システムに関する。

ヘッドマウントディスプレイデバイスを含む光学デバイスは、ユーザに視覚情報を提供する。たとえば、ヘッドマウントディスプレイは、仮想現実動作および拡張現実動作のために使用される。ヘッドマウントディスプレイは、しばしば、電子画像ソースと光学アセンブリとを含む。

調節（ａｃｃｏｍｍｏｄａｔｉｏｎ）は、人間の眼の毛様体筋および提靭帯が、オブジェクトを網膜上に集束させるために眼のレンズが膨らむことまたは平らになることを引き起こす視覚プロセスを指す。眼の調節が不完全である場合、レンズに入射した平行光線が、網膜の後ろの点に収束すること（遠視、または遠眼）あるいは網膜の前の点に収束すること（近視または近眼）がある。これらの視覚欠損を補正するために、適切な焦点距離の収束レンズが、遠視眼の前に配置され、適切な焦点距離の発散レンズが、近視眼の前に配置される。眼の前に配置されたレンズは、球面補正（ｓｐｈｅｒｉｃａｌ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）を提供し、この度合いは、正または負のジオプター（Ｄ）単位のレンズの焦点距離に依存する。

非点収差、コマ、トレフォイル（ｔｒｅｆｏｉｌ）、クアドラフォイル（ｑｕａｄｒａｆｏｉｌ）、二次非点収差など、より高次の収差は、眼が網膜上に均等に光を集束させない、屈折誤差を引き起こすことがある。収差は、画像がぼやけたように、および伸張されたように見えることを引き起こすことがあり、頭痛、眼精疲労、斜視、およびひずんだまたはぼやけた視覚を生じることがある。

可変焦点光学アセンブリは、調整可能な光学パワー（ｏｐｔｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ）を有するように構成可能な複数の調整可能な段を含み、一例では、オブジェクトの表示画像がディスプレイ観測者の眼の網膜に適切に集束されるように、ヘッドマウントディスプレイなどの光学デバイス中で使用され得る。光学アセンブリでは、複数の光学段を有する光学スタックの焦点距離は、光学段のうちの１つまたは複数のそれぞれの状態を変化させることによって調整され得る。たとえば、第１の状態では、光学段が、第１の偏光の光に対する第１のそれぞれの光学パワーと、第１の偏光に直交する第２の偏光の光に対する、第１のそれぞれの光学パワーとは異なる第２のそれぞれの光学パワーとを有するように構成され得る。第２の状態では、それぞれの光学段は、第１の偏光の光に対する第３の光学パワーと、第２の偏光の光に対する第４の光学パワーとを有するように構成され得る。光学スタックの焦点距離および可変焦点光学アセンブリの全体的光学パワー（上記で説明された＋Ｄまたは－Ｄ単位で測定される）は、波面補正および／または調整を提供し、観測者のための調節を向上させるようにアセンブリの１つまたは複数の連続する光学段を構成することによって、変動させられ得る。

概して、本開示は、ディスプレイデバイス（たとえば、ヘッドマウントディスプレイデバイス）の光学システムの構成要素として使用され得る、自由形状可変焦点光学アセンブリを対象とする。可変焦点光学アセンブリは、ディスプレイデバイスを使用する間のディスプレイ観測者の全体的快適さおよび楽しみを増加させるために焦点およびより高次の収差の補正を提供することによって、観測者の一方または両方の眼の調節を向上させるように構成され得る、光学スタックを含む。本開示はまた、ディスプレイデバイスの光学システムとは無関係に任意の入力波面から所定の波面を出力するために使用され得る、自由形状可変焦点光学アセンブリを対象とする。たとえば、自由形状可変焦点光学アセンブリは、たとえば、波面の歪みを補償するように適応光学素子として使用され得る。いくつかの例では、自由形状可変焦点光学アセンブリは、可変焦点光学アセンブリを備える光学モジュールのそれぞれの波面調整の異なる組合せに基づいて、可変波面を出力するように構成され得る。

可変焦点光学アセンブリは、ディスプレイと観測者の一方または両方の眼との間の光学スタックを形成することができる、レンジング（ｌｅｎｓｉｎｇ）光学アセンブリを含む。レンジング光学アセンブリは、補正スペクタクルレンズのように、各眼についてのより低次の収差を、ならびにより高次の収差を補正するように構成され得る。レンジング光学アセンブリは、薄くて軽量であり、これは、ヘッドマウントディスプレイ（または任意の光学デバイス）の全体的重みを低減し、より最適なデバイスフォームファクタを提供し、これらのいずれかまたは両方が、観測者にとっての観察エクスペリエンスを向上させることができる。

いくつかの例では、本開示は、少なくとも３つの光学モジュールであって、各光学モジュールが、対応する複数の偏光感応性光学素子を備える、少なくとも３つの光学モジュールを含む自由形状可変焦点レンズについて説明する。各光学モジュールは、対応するゼルニケ多項式に関連付けられ、各光学モジュールについて、対応する複数の光学素子は、対応するゼルニケ多項式に関連付けられた対応する特性を備える。各光学モジュールに関連付けられた対応するゼルニケ多項式は、異なり得る。

いくつかの例では、本開示は、画像光を放出するように構成されたディスプレイを含むヘッドマウントディスプレイについて説明する。ヘッドマウントディスプレイは、少なくとも３つの光学モジュールを含む自由形状可変焦点光学アセンブリをさらに含み、各光学モジュールは、対応する複数の偏光感応性光学素子を備える。各光学モジュールは、対応するゼルニケ多項式に関連付けられ、各光学モジュールについて、対応する複数の光学素子は、対応するゼルニケ多項式に関連付けられた対応する特性を備える。各光学モジュールに関連付けられた対応するゼルニケ多項式は、異なり得る。

いくつかの例では、本開示は、少なくとも３つの光学モジュールであって、各光学モジュールが、複数の偏光感応性光学素子を備える、少なくとも３つの光学モジュールを通して光を透過することを含む方法について説明する。各光学モジュールは、対応するゼルニケ多項式に関連付けられ、各光学モジュールについて、対応する複数の光学素子は、対応するゼルニケ多項式に関連付けられた対応する特性を備える。各光学モジュールに関連付けられた対応するゼルニケ多項式は、異なり得る。本方法は、少なくとも３つの光学モジュールのうちの１つまたは複数の焦点パワーを、少なくとも３つの光学モジュールのうちの１つまたは複数中の複数の光学素子のうちの１つまたは複数の光学素子のそれぞれの状態を変化させることによって調整することをさらに含む。

したがって、開示される実施形態は、調整可能な光学パワーをもつディスプレイデバイスを提供して、そのようなデバイスを用いて眼の疲れを減少させ、ユーザ快適さおよび満足を改善し、ならびに任意の入力波面から所望の波面を出力するための波面整形を提供する。

本開示で説明される技法による、収差補償を提供するように構成された自由形状可変焦点光学アセンブリを含む例示的な人工現実システムを示す図である。 本開示で説明される技法による、収差補償を提供するように構成された自由形状可変焦点光学アセンブリを含む例示的なＨＭＤを示す図である。 本開示で説明される技法による、収差補償を提供するように構成された可変焦点光学アセンブリを含む別の例示的なＨＭＤを示す図である。 本開示で説明される技法による、図１の人工現実システムのコンソールおよびＨＭＤの例示的な実装形態を示すブロック図である。 本開示で説明される技法による、図１の人工現実システムの例示的なＨＭＤを示すブロック図である。 例示的なディスプレイデバイスの概略斜視図である。 例示的な球面レンジング光学モジュールの概略断面図である。 本開示のいくつかの例による、球面レンジング光学モジュールであって、その光学段が第１の光学素子および第１の光学素子と光学直列の第２の光学素子を含む、球面レンジング光学モジュールの例示的な光学段の概念図である。 球面レンジング光学モジュールのための例示的なパンチャラトナムベリー位相レンズを示す概略図である。 球面レンジング光学モジュールのための例示的なパンチャラトナムベリー位相レンズを示す概略図である。 球面レンジング光学モジュールのための例示的なパンチャラトナムベリー位相レンズを示す概略図である。 球面レンジング光学モジュールのための例示的なパンチャラトナムベリー位相レンズを示す概略図である。 球面レンジング光学モジュールのための例示的な偏光感応性ホログラムレンズを示す概略図である。 球面レンジング光学モジュールのための例示的な偏光感応性ホログラムレンズを示す概略図である。 球面レンジング光学モジュールのための例示的な偏光感応性ホログラムレンズを示す概略図である。 球面レンジング光学モジュールのための例示的な偏光感応性ホログラムレンズを示す概略図である。 例示的な球面レンジング光学モジュールの概略断面図である。 半径方向に垂直に、方位角方向に水平に並べられた最初の２１個のゼルニケ多項式の画像の図である。 直交ゼルニケ多項式

および

によって形成された概略的単位円の図である。
ゼルニケ多項式

に関連付けられた斜め非点収差補償光学モジュールのためのパンチャラトナムベリー位相レンズ内の液晶ダイレクタ配向の概略図である。
ゼルニケ多項式

に関連付けられた垂直非点収差補償光学モジュールのためのパンチャラトナムベリー位相レンズ内の液晶ダイレクタ配向の概略図である。
ゼルニケ多項式

に関連付けられた垂直トレフォイル補償光学モジュールのためのパンチャラトナムベリー位相レンズ内の液晶ダイレクタ配向の概略図である。
ゼルニケ多項式

に関連付けられた斜めトレフォイル補償光学モジュールのためのパンチャラトナムベリー位相レンズ内の液晶ダイレクタ配向の概略図である。
ゼルニケ多項式

に関連付けられた垂直コマ補償光学モジュールのためのパンチャラトナムベリー位相レンズ内の液晶ダイレクタ配向の概略図である。
ゼルニケ多項式

に関連付けられた水平コマ補償光学モジュールのためのパンチャラトナムベリー位相レンズ内の液晶ダイレクタ配向の概略図である。
ゼルニケ多項式

に関連付けられた水平コマ補償光学モジュールのためのパンチャラトナムベリー位相レンズ内の液晶ダイレクタ配向の概略図である。
垂直非点収差補償光学モジュールと斜め非点収差補償光学モジュールとを含む可変焦点光学アセンブリの一実施形態を含む、光学デバイスの概略断面図である。

図面における同様のシンボルは、同様の要素を示す。

本開示は、ディスプレイデバイス（たとえば、ヘッドマウントディスプレイデバイス）の光学システムなど、光学システムの構成要素として使用され得る、自由形状可変焦点光学アセンブリを対象とする。可変焦点光学アセンブリは、任意の入力波面から所定の波面を出力するように構成され得る、光学スタックを含む。可変焦点光学アセンブリは、複数の光学モジュールを含み得る。各光学モジュールは、少なくとも１つの偏光感応性または偏光選択的レンジング素子を含み得、選択されたタイプのレンジング（たとえば、選択されたタイプの光学収差）に関連付けられ得る。複数の光学モジュールであって、各光学モジュールが、少なくとも１つの偏光感応性レンジング素子を含む、複数の光学モジュールを含めることと、偏光感応性レンジング素子に入射した光の偏光を制御することとによって、可変焦点光学アセンブリは、任意の入力波面から所定の波面を（または所定の入力波面から任意の出力波面を）出力するように制御され得る。

いくつかの例では、可変焦点光学アセンブリは、ヘッドマウントディスプレイデバイスなど、ディスプレイデバイスを使用する間のディスプレイ観測者の全体的快適さおよび楽しみを増加させるために焦点およびより高次の収差の補正を提供することによって、観測者の一方または両方の眼の調節を向上させるために使用され得る。本開示はまた、ディスプレイデバイスの光学システムとは無関係に任意の入力波面から所定の波面を出力するために使用され得る、自由形状可変焦点光学アセンブリを対象とする。たとえば、自由形状可変焦点光学アセンブリは、適応オプティックとして使用され得る。

図１は、本開示で説明される技法による、任意の入力波面から所定の波面を出力するために使用され得る、可変焦点光学アセンブリを含む例示的な人工現実システムを示す図である。図１の例では、人工現実システム１００は、ＨＭＤ１１２と、１つまたは複数のコントローラ１１４Ａおよび１１４Ｂ（まとめて、「（１つまたは複数の）コントローラ１１４」）とを含み、いくつかの例では、１つまたは複数の外部センサー９０および／またはコンソール１０６を含み得る。

ＨＭＤ１１２は、一般に、ユーザ１１０によって装着され、ユーザ１１０に人工現実コンテンツ１２２を提示するための電子ディスプレイと光学アセンブリとを含む。さらに、ＨＭＤ１１２は、ＨＭＤ１１２の動きを追跡するための１つまたは複数のセンサー（たとえば、加速度計）を含み、周囲の物理的環境の画像データをキャプチャするための１つまたは複数の画像キャプチャデバイス１３８（たとえば、カメラ、ラインスキャナ）を含み得る。ヘッドマウントディスプレイとして示されているが、ＡＲシステム１００は、代替または追加として、ユーザ１１０に人工現実コンテンツ１２２を提示するための眼鏡または他のディスプレイデバイスを含み得る。

（１つまたは複数の）各コントローラ１１４は、ユーザ１１０が、コンソール１０６、ＨＭＤ１１２、または人工現実システム１００の別の構成要素への入力を提供するために使用し得る、入力デバイスである。コントローラ１１４は、プレゼンスセンシティブ表面のロケーションにタッチするかまたはそのロケーション上をホバリングする１つまたは複数のオブジェクト（たとえば、フィンガー（ｆｉｎｇｅｒ）、スタイラス）の存在を検出することによってユーザ入力を検出するための１つまたは複数のプレゼンスセンシティブ表面を含み得る。いくつかの例では、（１つまたは複数の）コントローラ１１４は、プレゼンスセンシティブディスプレイであり得る出力ディスプレイを含み得る。いくつかの例では、（１つまたは複数の）コントローラ１１４は、スマートフォン、タブレットコンピュータ、携帯情報端末（ＰＤＡ）、または他のハンドヘルドデバイスであり得る。いくつかの例では、（１つまたは複数の）コントローラ１１４は、スマートウォッチ、スマートリング、または他のウェアラブルデバイスであり得る。（１つまたは複数の）コントローラ１１４は、キオスク、あるいは他の固定または移動システムの部分でもあり得る。代替または追加として、（１つまたは複数の）コントローラ１１４は、ユーザが、人工現実システム１００によってユーザ１１０に提示される人工現実コンテンツ１２２の態様と対話し、および／またはその態様を制御することを可能にするための、１つまたは複数のボタン、トリガ、ジョイスティック、Ｄパッドなど、他のユーザ入力機構を含み得る。

この例では、コンソール１０６は、ゲーミングコンソール、ワークステーション、デスクトップコンピュータ、またはラップトップなど、単一のコンピューティングデバイスとして示されている。他の例では、コンソール１０６は、分散コンピューティングネットワーク、データセンター、またはクラウドコンピューティングシステムなど、複数のコンピューティングデバイスにわたって分散され得る。コンソール１０６、ＨＭＤ１１２、およびセンサー９０は、この例に示されているように、ネットワーク１０４を介して通信可能に結合され得、ネットワーク１０４は、Ｗｉ－Ｆｉ、メッシュネットワークまたは短距離ワイヤレス通信媒体、あるいはそれらの組合せなど、ワイヤードまたはワイヤレスネットワークであり得る。ＨＭＤ１１２は、この例では、コンソール１０６と通信しているものとして、たとえば、コンソール１０６にテザリングされるかまたはコンソール１０６とワイヤレス通信しているものとして示されているが、いくつかの実装形態では、ＨＭＤ１１２は、スタンドアロンモバイル人工現実システムとして動作し、人工現実システム１００はコンソール１０６を省略し得る。

概して、人工現実システム１００は、ＨＭＤ１１２においてユーザ１１０への表示のために人工現実コンテンツ１２２をレンダリングする。図１の例では、ユーザ１１０は、ＨＭＤ１１２および／またはコンソール１０６上で実行する人工現実アプリケーションによって、構築およびレンダリングされた人工現実コンテンツ１２２を観察する。いくつかの例では、人工現実コンテンツ１２２は、完全に人工的であり、すなわち、ユーザ１１０が位置する環境に関係しない画像であり得る。いくつかの例では、人工現実コンテンツ１２２は、複合現実および／または拡張現実を作り出すために、現実世界の像（たとえば、ユーザ１１０の手、（１つまたは複数の）コントローラ１１４、ユーザ１１０の近くの他の環境オブジェクト）と仮想オブジェクトとの混合物を備え得る。いくつかの例では、仮想コンテンツアイテムが、たとえば、現実世界の像に対する、人工現実コンテンツ１２２内の特定の位置にマッピング（たとえば、ピニング、ロック、配置）され得る。仮想コンテンツアイテムについての位置は、たとえば、壁または地面のうちの１つに対するものとして、固定され得る。仮想コンテンツアイテムについての位置は、たとえば、（１つまたは複数の）コントローラ１１４あるいはユーザに対するものとして可変であり得る。いくつかの例では、人工現実コンテンツ１２２内の仮想コンテンツアイテムの特定の位置は、現実世界の物理的環境内の（たとえば、物理的オブジェクトの表面上の）位置に関連付けられ得る。

動作中に、人工現実アプリケーションは、基準系、一般にＨＭＤ１１２の観察パースペクティブについてのポーズ情報を追跡および計算することによって、ユーザ１１０への表示のための人工現実コンテンツ１１２を構築する。基準系としてＨＭＤ１１２を使用して、およびＨＭＤ１１２の現在の推定されたポーズによって決定された現在の視野に基づいて、人工現実アプリケーションは３Ｄ人工現実コンテンツをレンダリングし、３Ｄ人工現実コンテンツは、いくつかの例では、少なくとも部分的に、ユーザ１１０の現実世界の３Ｄ物理的環境上にオーバーレイされ得る。このプロセス中、人工現実アプリケーションは、ユーザ１１０による動きおよび／またはユーザ１１０に関する特徴追跡情報など、現実世界の物理的環境内の３Ｄ情報をキャプチャするために、移動情報およびユーザコマンドなど、ＨＭＤ１１２から受信された検知されたデータと、いくつかの例では、外部カメラなど、任意の外部センサー９０からのデータとを使用する。検知されたデータに基づいて、人工現実アプリケーションは、ＨＭＤ１１２の基準系についての現在のポーズを決定し、現在のポーズに従って、人工現実コンテンツ１２２をレンダリングする。

人工現実システム１００は、ユーザ１１０のリアルタイム視線追跡によって決定され得るようなユーザ１１０の現在の視野１３０または他の条件に基づいて、仮想コンテンツアイテムの生成およびレンダリングをトリガし得る。より詳細には、ＨＭＤ１１２の画像キャプチャデバイス１３８は、画像キャプチャデバイス１３８の視野１３０内にある、現実世界の物理的環境中のオブジェクトを表す画像データをキャプチャする。視野１３０は、一般に、ＨＭＤ１１２の観察パースペクティブと対応する。いくつかの例では、人工現実アプリケーションは、複合現実および／または拡張現実を含む人工現実コンテンツ１２２を提示する。人工現実アプリケーションは、人工現実コンテンツ１２２内でなど、仮想オブジェクトに沿った視野１３０内にある、ユーザ１１０の周辺デバイス１３６、手１３２、および／または腕１３４の部分など、現実世界のオブジェクトの画像をレンダリングし得る。他の例では、人工現実アプリケーションは、人工現実コンテンツ１２２内で、視野１３０内にあるユーザ１１０の周辺デバイス１３６、手１３２、および／または腕１３４の部分の仮想表現をレンダリング（たとえば、現実世界のオブジェクトを仮想オブジェクトとしてレンダリング）し得る。いずれの例でも、ユーザ１１０は、人工現実コンテンツ１２２内で、視野１３０内にあるユーザの手１３２、腕１３４、周辺デバイス１３６の部分および／または任意の他の現実世界のオブジェクトを観察することが可能である。他の例では、人工現実アプリケーションは、ユーザ１１０の手１３２または腕１３４の表現をレンダリングしないことがある。

ユーザ１１０に快適な観察エクスペリエンスを提供するために、ＨＭＤ１１２は、ユーザ１１０の眼においてＨＭＤ１１２のディスプレイデバイスによって出力された光を集束させるためのレンズシステムを含み得る。ユーザ快適さをさらに向上させ、ユーザ１１０がＨＭＤ１１２を使用する間に経験し得る輻輳調節矛盾を低減するために、ＨＭＤ１１２の光学アセンブリまたはシステムは、焦点状態を変化させることによって画像の見掛けの深さを変化させる可変焦点光学アセンブリを含み得る。これは、輻輳調節矛盾を低減し得るが、ユーザ１１０は、依然として、非点収差および他のより高次の収差を補償するために（処方アイグラスなどの）処方オプティクスを装着する必要があり得る。処方オプティクスを装着することは、ＨＭＤ１１２のフィット性を妨害し、ユーザ１１０の快適さを低減し得る。

本開示の技法によれば、ＨＭＤ１１２は、焦点パワーおよびより高次の収差の補正を提供する、自由形状可変焦点光学アセンブリを含む。自由形状可変焦点光学アセンブリは、複数の光学モジュールを含み、各光学モジュールは、対応するゼルニケ多項式に関連付けられ得る。各光学モジュールは、パンチャラトナムベリー位相（ＰＢＰ、幾何学的位相とも呼ばれる）レンズ、偏光感応性ホログラム（ＰＳＨ）レンズ、および／またはメタマテリアル（たとえば、メタ表面）など、複数の偏光感応性レンジング素子を含み得る。各それぞれのレンジング素子に入射した光の偏光、および／またはレンジング素子の状態を制御することによって、自由形状可変焦点光学システムの光学モジュールは、対応するゼルニケ多項式に関連付けられた選択された光学パワーを有するように制御され得る。いくつかの例では、自由形状可変焦点光学アセンブリは、光学モジュールに加えて、１つまたは複数の液体レンズ、１つまたは複数の可動の従来のレンズ、１つまたは複数のパンケーキレンズ、あるいはそれらの組合せを含み得る。いくつかの例では、各光学モジュールは、単一のゼルニケ多項式に関連付けられる。いくつかの例では、各光学モジュールは、２つまたはそれ以上のゼルニケ多項式に関連付けられる。

さらに、（たとえば、偏光感応性レンジング素子の製造中に）偏光感応性レンジング素子内の液晶（ＬＣ）分子のダイレクタの配向を制御することによって、偏光感応性レンジング素子は、選択されたタイプのレンジングを提供するように構成され得る。同様の効果が、メタマテリアルの構造を制御することによって達成され得る。よって、自由形状可変焦点光学システム内のレンズは、球面レンジングを提供するように構成されたパターンで配向されたＬＣダイレクタを有し得、他のレンズは、非点収差を補償するために、選択された軸に沿って円柱レンジングを提供するように構成されたパターンで配向されたＬＣダイレクタを有し得、さらに他のレンズは、より高次の収差を補償するためのパターンで配向されたＬＣダイレクタを有し得る。複数の光学モジュールの各々について、制御可能光学パワーをもつ自由形状可変焦点光学システムを含めることによって、本明細書で説明される自由形状可変焦点光学システムまたはアセンブリは、ユーザ１１０が処方オプティクスを装着することを必要とすることなしに、選択された光学パワーの収差補償を提供し、したがって、ＨＭＤ１１２を使用するときにユーザ１１０の快適さを増加させ、ユーザ１１０のエクスペリエンスを改善し得る。代替的に、自由形状可変焦点光学システムは、入力波面に基づいて、選択された波面を出力するために、任意の選択された光学システム中で使用され得る。

図２Ａは、本開示で説明される技法による、収差補償を提供する自由形状可変焦点光学システムを含む例示的なＨＭＤ１１２を示す図である。図２ＡのＨＭＤ１１２は、図１のＨＭＤ１１２の一例であり得る。ＨＭＤ１１２は、図１の人工現実システム１００など、人工現実システムの部分であり得るか、または、本明細書で説明される技法を実装するように構成されたスタンドアロンモバイル人工現実システムとして動作し得る。

この例では、ＨＭＤ１１２は、ＨＭＤ１１２をユーザに固定するための前面剛体とバンドとを含む。さらに、ＨＭＤ１１２は、自由形状可変焦点光学システム２０５を介してユーザに人工現実コンテンツを提示するように構成された内向き（ｉｎｔｅｒｉｏｒ－ｆａｃｉｎｇ）電子ディスプレイ２０３を含む。電子ディスプレイ２０３は、上記で説明されたように、任意の好適なディスプレイ技術であり得る。いくつかの例では、電子ディスプレイは、ユーザの各眼に別個の画像を提供するための立体視ディスプレイである。いくつかの例では、ＨＭＤ１１２の前面剛体に対するディスプレイ２０３の知られている配向および位置は、ＨＭＤ１１２およびユーザの現在の観察パースペクティブに従って人工現実コンテンツをレンダリングするためにＨＭＤ１１２の位置および配向を追跡するとき、ローカル原点とも呼ばれる基準系として使用される。他の例では、ＨＭＤ１１２は、眼鏡またはゴーグルなど、他のウェアラブルヘッドマウントディスプレイの形態をとり得る。

自由形状可変焦点光学システム２０５は、ＨＭＤ１１２のユーザ（たとえば、図１のユーザ１１０）によって観察するための電子ディスプレイ２０３によって出力された光を管理するように構成された光学素子を含む。光学素子は、たとえば、電子ディスプレイ２０３によって出力された光を操作する（たとえば、集束させること、焦点をぼかすこと、反射すること、屈折させること、回折することなどを行う）、１つまたは複数のレンズ、１つまたは複数の回折光学素子、１つまたは複数の反射光学素子、１つまたは複数の導波路などを含み得る。たとえば、自由形状可変焦点光学システム２０５は、図１、図６、図７、および図８を参照しながら本明細書で説明される自由形状可変焦点光学システムのいずれかであり得る。

図２Ａにさらに示されているように、この例では、ＨＭＤ１１２は、ＨＭＤ１１２の現在の加速度を示すデータを出力する（慣性測定ユニットまたは「ＩＭＵ」とも呼ばれる）１つまたは複数の加速度計、ＨＭＤ１１２のロケーションを示すデータを出力するＧＰＳセンサー、様々なオブジェクトからのＨＭＤ１１２の距離を示すデータを出力するレーダーまたはソナー、あるいは、ＨＭＤ１１２または物理的環境内の他のオブジェクトのロケーションまたは配向の指示を提供する他のセンサーなど、１つまたは複数の動きセンサー２０６をさらに含む。その上、ＨＭＤ１１２は、物理的環境を表す画像データを出力するように構成された、ビデオカメラ、レーザースキャナ、ドップラーレーダースキャナ、深度スキャナなど、統合された画像キャプチャデバイス１３８Ａおよび１３８Ｂ（まとめて、「画像キャプチャデバイス１３８」）を含み得る。より詳細には、画像キャプチャデバイス１３８は、一般にＨＭＤ１１２の観察パースペクティブと対応する、画像キャプチャデバイス１３８の視野１３０Ａ、１３０Ｂ内にある、物理的環境中の（周辺デバイス１３６および／または手１３２を含む）オブジェクトを表す画像データをキャプチャする。ＨＭＤ１１２は、検知されたデータを処理し、ディスプレイ２０３上に人工現実コンテンツを提示するためのプログラム可能な動作を実行するための動作環境を提供するために、内部電源と、１つまたは複数のプロセッサ、メモリ、およびハードウェアを有する１つまたは複数のプリント回路基板とを含み得る、内部制御ユニット２１０を含む。

図２Ｂは、本開示で説明される技法による、別の例示的なＨＭＤ１１２を示す図である。図２Ｂに示されているように、ＨＭＤ１１２は、眼鏡の形態をとり得る。図２ＡのＨＭＤ１１２は、図１のＨＭＤ１１２の一例であり得る。ＨＭＤ１１２は、図１の人工現実システム１００など、人工現実システムの部分であり得るか、または、本明細書で説明される技法を実装するように構成されたスタンドアロンモバイル人工現実システムとして動作し得る。

この例では、ＨＭＤ１１２は、ＨＭＤ１１２がユーザの鼻に載っていることを可能にするブリッジと、ＨＭＤ１１２をユーザに固定するためにユーザの耳にわたって延びるテンプル（または「アーム」）とを含む前面フレームを備える眼鏡である。さらに、図２ＢのＨＭＤ１１２は、ユーザに人工現実コンテンツを提示するように構成された１つまたは複数の内向き電子ディスプレイ２０３Ａおよび２０３Ｂ（まとめて、「電子ディスプレイ２０３」）と、内向き電子ディスプレイ２０３によって出力された光を管理するように構成された１つまたは複数の自由形状可変焦点光学システム２０５Ａおよび２０５Ｂ（まとめて、「自由形状可変焦点光学システム２０５」）とを含む。いくつかの例では、ＨＭＤ１１２の前面フレームに対するディスプレイ２０３の知られている配向および位置は、ＨＭＤ１１２およびユーザの現在の観察パースペクティブに従って人工現実コンテンツをレンダリングするためにＨＭＤ１１２の位置および配向を追跡するとき、ローカル原点とも呼ばれる基準系として使用される。

図２Ｂにさらに示されているように、この例では、ＨＭＤ１１２は、１つまたは複数の動きセンサー２０６と、１つまたは複数の統合された画像キャプチャデバイス１３８Ａおよび１３８Ｂ（まとめて、「画像キャプチャデバイス１３８」）と、内部制御ユニット２１０とをさらに含み、内部制御ユニット２１０は、検知されたデータを処理し、ディスプレイ２０３上に人工現実コンテンツを提示するためにプログラム可能な動作を実行するための動作環境を提供するために、内部電源と、１つまたは複数のプロセッサ、メモリ、およびハードウェアを有する１つまたは複数のプリント回路基板とを含み得る。

図３は、本開示で説明される技法による、コンソール１０６とＨＭＤ１１２とを含む人工現実システムの例示的な実装形態を示すブロック図である。図３の例では、コンソール１０６は、ＨＭＤ１１２および／または外部センサーから受信された動きデータおよび画像データなど、検知されたデータに基づいて、ＨＭＤ１１２のためのポーズ追跡と、ジェスチャー検出と、ユーザインターフェース生成およびレンダリングとを実施する。

この例では、ＨＭＤ１１２は、いくつかの例では、オペレーティングシステム３０５を実行するためのコンピュータプラットフォームを提供する１つまたは複数のプロセッサ３０２とメモリ３０４とを含み、オペレーティングシステム３０５は、たとえば埋込み型リアルタイムマルチタスキングオペレーティングシステム、または他のタイプのオペレーティングシステムであり得る。次に、オペレーティングシステム３０５は、アプリケーションエンジン３４０を含む１つまたは複数のソフトウェア構成要素３０７を実行するためのマルチタスキング動作環境を提供する。図２Ａおよび図２Ｂの例に関して説明されたように、プロセッサ３０２は、電子ディスプレイ２０３と、動きセンサー２０６と、画像キャプチャデバイス１３８と、いくつかの例では、光学システム２０５とに結合される。いくつかの例では、プロセッサ３０２とメモリ３０４とは、別個の、個別構成要素であり得る。他の例では、メモリ３０４は、単一の集積回路内にプロセッサ３０２とコロケートされるオンチップメモリであり得る。

概して、コンソール１０６は、ＨＭＤ１１２のためにジェスチャー検出とユーザインターフェースおよび／または仮想コンテンツ生成とを実施するために、画像キャプチャデバイス１３８から受信された画像および追跡情報を処理するコンピューティングデバイスである。いくつかの例では、コンソール１０６は、ワークステーション、デスクトップコンピュータ、ラップトップ、またはゲーミングシステムなど、単一のコンピューティングデバイスである。いくつかの例では、プロセッサ３１２および／またはメモリ３１４など、コンソール１０６の少なくとも一部分は、クラウドコンピューティングシステムにわたって、データセンターにわたって、あるいは、インターネット、別のパブリックまたはプライベート通信ネットワーク、たとえば、ブロードバンド、セルラー、Ｗｉ－Ｆｉ、および／または、コンピューティングシステムとサーバとコンピューティングデバイスとの間でデータを送信するための、他のタイプの通信ネットワークなど、ネットワークにわたって分散され得る。

図３の例では、コンソール１０６は、いくつかの例では、オペレーティングシステム３１６を実行するためのコンピュータプラットフォームを提供する１つまたは複数のプロセッサ３１２とメモリ３１４とを含み、オペレーティングシステム３１６は、たとえば埋込み型リアルタイムマルチタスキングオペレーティングシステム、または他のタイプのオペレーティングシステムであり得る。次に、オペレーティングシステム３１６は、１つまたは複数のソフトウェア構成要素３１７を実行するためのマルチタスキング動作環境を提供する。プロセッサ３１２は、１つまたは複数のＩ／Ｏインターフェース３１５に結合され、１つまたは複数のＩ／Ｏインターフェース３１５は、キーボード、（１つまたは複数の）ゲームコントローラ、（１つまたは複数の）ディスプレイデバイス、（１つまたは複数の）画像キャプチャデバイス、（１つまたは複数の）ＨＭＤ、（１つまたは複数の）周辺デバイスなど、外部デバイスと通信するための１つまたは複数のＩ／Ｏインターフェースを提供する。その上、１つまたは複数のＩ／Ｏインターフェース３１５は、ネットワーク１０４など、ネットワークと通信するための１つまたは複数のワイヤードまたはワイヤレスネットワークインターフェースコントローラ（ＮＩＣ）を含み得る。

コンソール１０６のソフトウェアアプリケーション３１７は、人工現実アプリケーション全体を提供するように動作する。この例では、ソフトウェアアプリケーション３１７は、アプリケーションエンジン３２０と、レンダリングエンジン３２２と、ジェスチャー検出器３２４と、ポーズトラッカー３２６と、ユーザインターフェースエンジン３２８とを含む。

概して、アプリケーションエンジン３２０は、人工現実アプリケーション、たとえば、遠隔会議アプリケーション、ゲーミングアプリケーション、ナビゲーションアプリケーション、教育アプリケーション、トレーニングまたはシミュレーションアプリケーションなどを提供および提示するための機能性を含む。アプリケーションエンジン３２０は、たとえば、１つまたは複数のソフトウェアパッケージ、ソフトウェアライブラリ、ハードウェアドライバ、および／またはコンソール１０６上に人工現実アプリケーションを実装するためのアプリケーションプログラムインターフェース（ＡＰＩ）を含み得る。アプリケーションエンジン３２０による制御に応答して、レンダリングエンジン３２２は、ＨＭＤ１１２のアプリケーションエンジン３４０によってユーザへの表示のための３Ｄ人工現実コンテンツを生成する。

アプリケーションエンジン３２０およびレンダリングエンジン３２２は、ポーズトラッカー３２６によって決定された基準系、一般にＨＭＤ１１２の観察パースペクティブについての現在のポーズ情報に従って、ユーザ１１０への表示のための人工コンテンツを構築する。現在の観察パースペクティブに基づいて、レンダリングエンジン３２２は、いくつかの場合には、少なくとも部分的に、ユーザ１１０の現実世界の３Ｄ環境上にオーバーレイされ得る３Ｄ人工現実コンテンツを構築する。このプロセス中、ポーズトラッカー３２６は、ユーザ１１０による動きおよび／またはユーザ１１０に関する特徴追跡情報など、現実世界の環境内の３Ｄ情報をキャプチャするために、移動情報およびユーザコマンドなど、ＨＭＤ１１２から受信された検知されたデータと、いくつかの例では、外部カメラなど、任意の外部センサー９０（図１）からのデータとに対して動作する。検知されたデータに基づいて、ポーズトラッカー３２６は、ＨＭＤ１１２の基準系についての現在のポーズを決定し、現在のポーズに従って、ユーザ１１０への表示のために、ＨＭＤ１１２への、１つまたは複数のＩ／Ｏインターフェース３１５を介した通信のための人工現実コンテンツを構築する。

ポーズトラッカー３２６は、ＨＭＤ１１２についての現在のポーズを決定し得、現在のポーズに従って、任意のレンダリングされた仮想コンテンツに関連付けられたある機能性をトリガする（たとえば、仮想コンテンツアイテムを仮想表面上に配置する、仮想コンテンツアイテムを操作する、１つまたは複数の仮想マーキングを生成およびレンダリングする、レーザーポインタを生成およびレンダリングする）。いくつかの例では、ポーズトラッカー３２６は、仮想コンテンツのレンダリングをトリガするために、ＨＭＤ１１２が仮想表面（たとえば、仮想ピンボード）に対応する物理的位置に近接しているかどうかを検出する。

ユーザインターフェースエンジン３２８は、人工現実環境におけるレンダリングのための仮想ユーザインターフェースを生成するように構成される。ユーザインターフェースエンジン３２８は、仮想描画インターフェース、選択可能なメニュー（たとえば、ドロップダウンメニュー）、仮想ボタン、方向パッド、キーボードなどの１つまたは複数の仮想ユーザインターフェース要素３２９、または他のユーザ選択可能なユーザインターフェース要素、グリフ、ディスプレイ要素、コンテンツ、ユーザインターフェース制御などを含むように仮想ユーザインターフェースを生成する。

コンソール１０６は、ＨＭＤ１１２における表示のために、通信チャネルを介して、この仮想ユーザインターフェースと他の人工現実コンテンツとをＨＭＤ１１２に出力し得る。

画像キャプチャデバイス１３８、あるいは他のセンサーデバイスのいずれかからの検知されたデータに基づいて、ジェスチャー検出器３２４は、ユーザ１１０によって実施された１つまたは複数のジェスチャーを識別するために、コントローラ１１４および／またはユーザ１１０のオブジェクト（たとえば、手、腕、手首、フィンガー、手のひら、親指）の追跡された動き、構成、位置、および／または配向を分析する。より詳細には、ジェスチャー検出器３２４は、ＨＭＤ１１２の画像キャプチャデバイス１３８ならびに／またはセンサー９０および外部カメラ１０２によってキャプチャされた画像データ内で認識されたオブジェクトを分析して、（１つまたは複数の）コントローラ１１４ならびに／あるいはユーザ１１０の手および／または腕を識別し、ＨＭＤ１１２に対する（１つまたは複数の）コントローラ１１４、手、および／または腕の移動を追跡して、ユーザ１１０によって実施されたジェスチャーを識別する。いくつかの例では、ジェスチャー検出器３２４は、キャプチャされた画像データに基づいて、（１つまたは複数の）コントローラ１１４、手、指、および／または腕の位置および配向の変化を含む移動を追跡し、オブジェクトの動きベクトルをジェスチャーライブラリ３３０中の１つまたは複数のエントリと比較して、ユーザ１１０によって実施されたジェスチャーまたはジェスチャーの組合せを検出し得る。いくつかの例では、ジェスチャー検出器３２４は、（１つまたは複数の）コントローラ１１４の（１つまたは複数の）プレゼンスセンシティブ表面によって検出されたユーザ入力を受信し、ユーザ入力を処理して、（１つまたは複数の）コントローラ１１４に関してユーザ１１０によって実施された１つまたは複数のジェスチャーを検出し得る。

本明細書で説明される技法によれば、自由形状可変焦点光学システム２０５は、視力補正および視覚システム収差補正をも提供するように構成され得る。たとえば、（１つまたは複数の）自由形状可変焦点光学システム２０５は、球面レンジング光学モジュールおよび収差補償光学アセンブリを含み得る。球面レンジング光学モジュールおよび収差補償光学モジュールは、本明細書で説明されるもののいずれかであり得る。（１つまたは複数の）自由形状可変焦点光学システム２０５は、たとえば、適応オプティックとして任意の入力波面から所定の波面をも提供するように構成され得る。

図４は、本開示で説明される技法による、ＨＭＤ１１２がスタンドアロン人工現実システムである一例を示すブロック図である。この例では、図３のように、ＨＭＤ１１２は、いくつかの例では、オペレーティングシステム３０５を実行するためのコンピュータプラットフォームを提供する１つまたは複数のプロセッサ３０２とメモリ３０４とを含み、オペレーティングシステム３０５は、たとえば埋込み型リアルタイムマルチタスキングオペレーティングシステム、または他のタイプのオペレーティングシステムであり得る。次に、オペレーティングシステム３０５は、１つまたは複数のソフトウェア構成要素４１７を実行するためのマルチタスキング動作環境を提供する。その上、（１つまたは複数の）プロセッサ３０２は、（１つまたは複数の）電子ディスプレイ２０３と、（１つまたは複数の）自由形状可変焦点光学システム２０５と、動きセンサー２０６と、画像キャプチャデバイス１３８とに結合される。

図４の例では、ソフトウェア構成要素４１７は、人工現実アプリケーション全体を提供するように動作する。この例では、ソフトウェアアプリケーション４１７は、アプリケーションエンジン４４０と、レンダリングエンジン４２２と、ジェスチャー検出器４２４と、ポーズトラッカー４２６と、ユーザインターフェースエンジン４２８とを含む。様々な例では、ソフトウェア構成要素４１７は、ユーザ１１０への表示のための人工コンテンツ上に、または人工コンテンツの部分としてオーバーレイされる仮想ユーザインターフェースを構築するために、図３のコンソール１０６のカウンターパート構成要素（たとえば、アプリケーションエンジン３２０、レンダリングエンジン３２２、ジェスチャー検出器３２４、ポーズトラッカー３２６、およびユーザインターフェースエンジン３２８）と同様に動作する。

図３に関して説明された例と同様に、画像キャプチャデバイス１３８または１０２、（１つまたは複数の）コントローラ１１４、あるいは他のセンサーデバイスのいずれかからの検知されたデータに基づいて、ジェスチャー検出器４２４は、ユーザ１１０によって実施された１つまたは複数のジェスチャーを識別するために、（１つまたは複数の）コントローラ１１４および／またはユーザのオブジェクト（たとえば、手、腕、手首、フィンガー、手のひら、親指）の追跡された動き、構成、位置、および／または配向を分析する。

図５は、図２Ａ～図４の（１つまたは複数の）ディスプレイ２０３および（１つまたは複数の）光学システム２０５の構成要素の例を含む、例示的なディスプレイデバイス５００の等角図である。いくつかの例では、ディスプレイデバイス５００は、光放出デバイスアレイ５１０と自由形状可変焦点光学システム５３０とを含む。光放出デバイスアレイ５１０は、観察ユーザのほうへ画像光を放出する。光放出デバイスアレイ５１０は、たとえば、ＬＥＤのアレイ、マイクロＬＥＤのアレイ、ＯＬＥＤのアレイ、またはそれらの何らかの組合せであり得る。光放出デバイスアレイ５１０は、可視範囲における光を放出する光放出デバイス５２０を含む。

いくつかの例では、ディスプレイデバイス５００は、光放出アレイ５１０から放出された光を選択的に減衰させるように構成された放出強度アレイを含む。いくつかの例では、放出強度アレイは、複数の液晶セルまたはピクセル、光放出デバイスのグループ、あるいはそれらの何らかの組合せからなる。液晶セルの各々、または、いくつかの例では、液晶セルのグループは、減衰の特定のレベルを有するようにアドレス指定可能である。たとえば、所与の時間において、液晶セルのうちのいくつかは減衰なしに設定され得、他の液晶セルは最大減衰に設定され得る。このようにして、放出強度アレイは、光放出デバイスアレイ５１０から放出された画像光のどの部分が自由形状可変焦点光学システム５３０に渡されるかを制御することができる。いくつかの例では、ディスプレイデバイス５００は、放出強度アレイを使用して、ユーザの眼５４０の瞳孔５５０のロケーションに画像光を提供することを可能にし、アイボックスにおける他のエリアに提供される画像光の量を最小限に抑える。

自由形状可変焦点光学システム５３０は、放出強度アレイから（または放出デバイスアレイ５１０から直接）画像光（たとえば、減衰された光）を受け取り、画像光を瞳孔５５０のロケーションに集束させ、ここで、画像光は、眼３４０のレンズ３４２によって網膜３４４上に集束させられる。画像光を瞳孔５５０のロケーションに集束させる間、自由形状可変焦点光学システム５３０は、ユーザに収差補償を提供するために、球面、円柱、およびより高次のレンジングを提供し得る。

いくつかの例では、ディスプレイデバイス５００は、光放出デバイスアレイ５１０に加えて、またはその代わりに、複数のカラーフィルタと結合された１つまたは複数の広帯域ソース（たとえば、１つまたは複数の白色ＬＥＤ）を含む。

自由形状可変焦点光学システム５３０は、液晶から形成されたレンズなど、複数の偏光感応性レンジング素子を含む。液晶から形成された偏光感応性レンジング素子の例は、（幾何学的位相レンズとも呼ばれる）ＰＢＰレンズ、および／またはＰＳＨレンズを含む。好適な偏光感応性レンジング素子の別の例は、メタマテリアルまたはメタ表面を含む。偏光感応性レンジング素子は、異なる偏光を有する入射光に対して異なる光学パワーを呈し得る。各それぞれのレンズに入射した光の偏光、および／またはレンズの状態を制御することによって、光学システムは、選択された総光学パワーを有するように制御され得る。複数の光学モジュールであって、各それぞれの光学モジュールが、対応するレンジング効果に関連付けられた、複数の光学モジュールを含めることによって、光学システムは、各レンジング効果（たとえば、チルト、球面、円柱、コマ、トレフォイル、クアドラフォイル、二次非点収差など）に関連付けられた選択された総光学パワーを有するように制御され得る。このようにして、光学システムは、自由形状可変焦点光学システムであり得る。

図１に関して上述のように、自由形状可変焦点光学システム５３０は、収差補償光学アセンブリおよび球面レンジング光学モジュールを含み得る。収差補償光学アセンブリは、複数の収差補償光学モジュールを含み得る。各収差補償光学モジュールは、少なくとも１つの偏光感応性レンジング素子を含み得る。収差補償光学アセンブリにおいて、偏光感応性レンジング素子は、選択された軸に沿って収差補償レンジングを呈するように（たとえば、レンズ内の液晶ダイレクタのパターンに基づいて）構成され得る。たとえば、偏光感応性レンジング素子のうちのいくつかは、第１の軸における特定の収差（たとえば、垂直非点収差、垂直トレフォイル、垂直コマなど）を補償するように構成され得、偏光感応性レンジング素子のうちのいくつかは、第２の軸における特定の収差（たとえば、斜め非点収差、斜めトレフォイル、斜めコマなど）を補償するように構成され得る。偏光感応性レンジング素子のうちの少なくともいくつかは、たとえば、液晶ダイレクタのパターンを選択することによって、異なる光学パワーで構成され得る。たとえば、偏光感応性レンジング素子は、約２のべき乗である光学パワー（たとえば、２^０＝１ジオプター、２^－１＝０．５ジオプター、および２^－２＝０．２５ジオプター）を有し得る。

いくつかの例では、自由形状可変焦点光学システム５３０は、ディスプレイデバイス５００の射出瞳をステアリングするよう構成され得る。たとえば、自由形状可変焦点光学システム５３０は、図１１に関して以下で説明されるように、１次チルトおよびチップゼルニケ多項式に関連付けられた収差補償光学モジュールを含み得る。よって、自由形状可変焦点光学システム５３０は、チルトを介して垂直方向に、およびシフトを介して水平方向に画像点をシフトし得る。そのような画像点は、光放出デバイスアレイ５１０の画像を含み得、ディスプレイデバイス５００のストップ、言い換えれば、ディスプレイデバイス５００の射出瞳の画像をも含み得る。さらに、自由形状可変焦点光学システム５３０は、図１１に関して以下で説明されるように、焦点ぼけなど、２次ゼルニケ多項式に関連付けられた収差補償モジュールを含み得る。よって、自由形状可変焦点光学システム５３０は、画像点の軸ロケーションをシフトし得る。そのような画像点は、ディスプレイデバイス５００のストップ、たとえば、ディスプレイデバイス５００の射出瞳の画像を含み得る。少なくとも１次および２次ゼルニケ多項式に関連付けられた収差補償を含む自由形状可変焦点光学システム５３０について、自由形状可変焦点光学システム５３０は、垂直方向におよび／または水平方向に射出瞳をシフトするように構成され得、たとえば、自由形状可変焦点光学システム５３０は、ユーザの眼の移動に従ってディスプレイデバイス５００の射出瞳をステアリングするよう構成され得、自由形状可変焦点光学システム５３０はまた、瞳孔ステアリングの眼レリーフ変化をカバーするように構成され得、ここで、焦点ぼけは、軸方向の眼レリーフ変化に従い得る。

さらに、いくつかの例では、自由形状可変焦点光学システム５３０は、瞳孔ステアリングによって誘起された収差を補正し、たとえば、瞳孔ステアリングのときの射出瞳形状の変化によるけられを回避または低減するように構成され得る。たとえば、可変焦点光学システム５３０は、図１１に関して以下で説明されるように、より高次の収差、たとえば、３次、４次、５次などに関連付けられた収差補償モジュールを含み得る。よって、可変焦点光学システム５３０は、瞳孔ステアリングによって誘起された収差を補正し得る。

光学モジュールは、随意に、切替え可能リターダなど、複数の切替え可能偏光制御光学構成要素をも含み得る。たとえば、切替え可能１／２波長板が、対応する偏光感応性レンジング素子に入射した光の偏光を制御するために、対応する偏光感応性レンジング素子の前に配置され得る。切替え可能１／２波長板の状態を制御することによって、対応するレンズに入射した光の偏光は制御され得、したがって、第１の偏光（たとえば、右円偏光）の光に対する第１のパワーと第２の偏光（たとえば、左円偏光）の光に対する第２の異なるパワー（たとえば、第１のパワーの負）との間で、対応するレンズの光学パワーを制御する。異なる光学パワーを有する複数の偏光感応性レンジング素子を含めることと、複数の切替え可能偏光制御光学構成要素、および随意に、偏光感応性レンジング素子を制御することとによって、焦点パワーおよび収差補償を提供する自由形状可変焦点光学システム５３０が作り出され得る。

ディスプレイデバイス５００は、１つまたは複数のプロセッサ５６０に結合される。（１つまたは複数の）プロセッサ５６０は、画像を表示するように光放出デバイスアレイ５１０を制御するように構成され、自由形状可変焦点光学システム５３０の焦点距離を設定するように自由形状可変焦点光学システム５３０を制御するように構成される。（１つまたは複数の）プロセッサ５６０は、図３および図４に示されているプロセッサ３０２および３１２を含む、本明細書で説明されるプロセッサのいずれかを表し得る。（１つまたは複数の）プロセッサ５６０は、特定用途向けまたは他の制御回路、命令を実行するための処理コア、個別論理、あるいは他のハードウェア要素を含み得る。

上記で説明されたように、可変焦点光学アセンブリは、収差補償アセンブリと少なくとも１つの球面レンジングモジュールとを含み得る。少なくとも１つの球面レンジングモジュールは、たとえば、１つまたは複数の液体レンズ、１つまたは複数の可動の従来のレンズ、および／あるいは、ＰＢＰレンズ、ＰＳＨレンズ、メタマテリアル、メタ表面、またはそれらの組合せを備える複数の光学素子を含み得る。

図６は、図５の光学アセンブリ５３０の部分であるか、または、図２Ａ～図４中の（１つまたは複数の）光学システム２０５の部分であり得る、例示的な光学モジュール６００の動作を示す。光学モジュール６００は、チルト、チップ（水平チルト）、焦点／焦点ぼけ、円柱焦点（非点収差）、トレフォイル、コマ、クアドラフォイル、二次非点収差など、任意の選択された収差または対応するレンジング効果に関連付けられ得、対応する偏光感応性レンジング素子を含み得る。図６に示されている例は、単に参照の容易さのために球面レンジングを参照しながら説明され、同様の概念が、他のタイプの収差およびレンジングに適用され得る。図６に示されているように、光学モジュール６００は、様々な光学パワーにおいて光（たとえば、光６０４Ａ～６０４Ｑ）を透過するように構成された（本明細書では「光学段６０２」とも呼ばれる）複数の連続する光学段６０２Ａ、６０２Ｂ、．．．、６０２Ｎを含む。第１の光学段６０２Ａを除いて、連続する光学段の各それぞれの光学段は、前の段から出力された入射光を受け取る。たとえば、示されているように、第２の光学段６０２Ｂは、第１の段６０２Ａから出力された光６０４Ｃを受け取る。いくつかの例では、連続する光学段６０２の各それぞれの段は、第１の状態と第２の状態とを含む複数の状態のいずれかにあるように構成可能である。第１の状態では、それぞれの光学段は、第１の偏光の光に対する第１のそれぞれの光学パワーと、第１の偏光に直交する第２の偏光の光に対する、第１のそれぞれの光学パワーとは異なる第２のそれぞれの光学パワーとを有する。第２の状態では、それぞれの光学段は、第１の偏光の光に対する第３の光学パワーと、第２の偏光の光に対する第４の光学パワーとを有する。その結果、光学モジュール６００の全体的光学パワーは、連続する光学段６０２のうちの１つまたは複数を構成することによって可変である。

光学モジュール６００は、２つの光学段（たとえば、ｎ＝２である）の場合、光学パワーの少なくとも２つの異なるレベルのいずれかにあり得る、全体的光学パワーを有するように構成され得る。全体的光学パワーは、より多くの光学段を追加することによって、より多数の異なるレベルの光学パワーを有することができる。いくつかの例では、光学モジュール６００は、第１の光学段の前の１つまたは複数の光学素子６０６、および／または最後の光学段６０２Ｎの後の１つまたは複数の光学素子６０８をさらに含み得る。

各光学段６０２は、少なくとも１つの光学素子を含み得る。たとえば、光学段は、光学素子のペアを含み得る。図７は、第１の光学素子７１２および第１の光学素子７１２と光学直列の第２の光学素子７１４を含む、例示的な光学段６０２の概念図である。

第１の光学素子７１２は、第１の光学素子状態または第２の光学素子状態にあるように、コントローラ７１６を介して構成可能である。コントローラ７１６は、図５に示されている（１つまたは複数の）プロセッサ５６０の一例である。第１の光学素子７１２は、切替え可能１／２波長板など、切替え可能光学リターダであり得る。第１の光学素子状態（たとえば、「オフ」状態）では、第１の光学素子７１２は、第１の偏光の光または第２の偏光の光を、それぞれ、第２の偏光の光または第１の偏光の光に変換するように構成され得る。第１の偏光は、第２の偏光に実質的に直交（たとえば、直交またはほぼ直交）し得る。第２の光学素子状態（たとえば、「オン」状態）では、第１の光学素子７１２は、入射光を、光の偏光を変化させることなしに透過する。たとえば、コントローラ７１６が、（たとえば、第１の光学素子７１２にわたって電圧を印加しないことによって）第１の光学素子７１２を第１の状態に設定するとき、第１の光学素子７１２に入射した左円偏光された（ＬＣＰ：ｌｅｆｔ ｃｉｒｃｕｌａｒｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ）光は、右円偏光された（ＲＣＰ：ｒｉｇｈｔ ｃｉｒｃｕｌａｒｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ）光として出力されることになり、その逆も同様である。対照的に、コントローラ７１６が、（たとえば、第１の光学素子７１２にわたって電圧を印加することによって）第１の光学素子７１２を第２の状態に設定するとき、第１の光学素子７１２に入射した光は、その偏光の変化なしに透過されることになる（たとえば、ＬＣＰ光はＬＣＰのままであり、ＲＣＰ光はＲＣＰのままである）。

第１の光学素子７１２は、ネマチック液晶（ＬＣ）セル、キラルドーパントをもつネマチックＬＣセル、キラルＬＣセル、一様配向らせん（ＵＬＨ：ｕｎｉｆｏｒｍ ｌｙｉｎｇ ｈｅｌｉｘ）ＬＣセル、強誘電性ＬＣセル、ｐｉセルなど、ＬＣセルを含み得る。他の例では、ＬＣセルは、電気的に駆動可能な複屈折材料を含む。

第２の光学素子７１４は、第１の光学素子７１２を通して透過された光を受け取るように構成される。第２の光学素子７１４は、レンジング光学素子（たとえば、レンズまたはメタマテリアル／メタ表面）であり得る。いくつかの例では、第２の光学素子７１４は、偏光感応性光学素子、または偏光選択的光学素子である。たとえば、第２の光学素子７１４は、（幾何学的位相レンズとも呼ばれる）ＰＢＰレンズ、ＰＳＨレンズ（たとえば、偏光体積ホログラム（ＰＶＨ）レンズ）、メタマテリアルレンズ、またはメタ表面レンズのうちの１つまたは複数を含み得る。ＰＢＰレンズおよびＰＳＨレンズに関する詳細は、それぞれ、図８Ａ～図８Ｄおよび図９Ａ～図９Ｄに関して以下で提供される。

第２の光学素子７１４は、受動である（たとえば、第２の光学素子７１４の特性を変化させるために第２の光学素子７１４に選択的に電圧を印加するように構成されたコントローラ７１８に接続されない）か、または能動であり得る（たとえば、第２の光学素子７１４の特性を変化させるために第２の光学素子７１４に選択的に電圧を印加するように構成されたコントローラ７１８に接続される）。第２の光学素子７１４が受動である例では、第２の光学素子７１４は、第１の偏光の光に対する第１の光学パワーと、第２の偏光の光に対する、第１の光学パワーとは異なる第２の光学パワーとを有する。いくつかの例では、第２のそれぞれの光学パワーは、第１のそれぞれの光学パワーよりも小さい。たとえば、第２のそれぞれの光学パワーは、０であり得る。たとえば、第２の光学素子７１４は、ＲＣＰ光に対して非０である第１の光学パワーを呈し、ＲＣＰ光を（第１の光学パワーに応じて）収束させるかまたは発散しながらＲＣＰ光をＬＣＰ光に変換するように構成され得る。第２の光学素子７１４は、ＬＣＰ光を集束させるまたはＬＣＰ光の偏光を変化させることなしに、ＬＣＰ光を透過するように構成され得る。

他の例では、第２のそれぞれの光学パワーは、大きさが第１のそれぞれの光学パワーにほぼ等しいが、第１のそれぞれの光学パワーとは符号（効果）が反対である。たとえば、第２の光学素子７１４は、ＲＣＰである入射光に対して＋０．５ジオプターの光学パワーを有する正レンズとして働き得、ＬＣＰである入射光に対して－０．５ジオプターの光学パワーを有する負レンズとして働き得る。したがって、第２の光学素子７１４の光学パワー、したがって光学段６０２の光学パワーは、第１の光学素子７１２の状態と光学段６０２に入射した光の偏光とに基づき得る。

いくつかの例では、第２の光学素子７１４は、コントローラ７１８を介して第３の光学素子状態（たとえば、「オフ」状態）または第４の光学素子状態（たとえば、「オン」状態）にあるように構成可能である能動光学素子である。コントローラ７１８は、図５に示されている（１つまたは複数の）プロセッサ５６０の一例であり得る。第３の光学素子状態では、能動第２の光学素子７１４は、第２の光学素子７１４が受動である例に関して上記で説明されたように、第１の偏光を有する入射光に対する第１のそれぞれの光学パワーと、第２の偏光を有する入射光に対する第２のそれぞれの光学パワーとを有するように構成される。第４の光学素子状態では、能動第２の光学素子７１４は、０光学パワーを有するように構成され、入射光の偏光にかかわらず光学パワーを作用させることなしに入射光を透過するように構成される。その結果、第１の光学素子７１２および能動第２の光学素子７１４を含む光学段６０２は、第１の光学素子７１２および能動第２の光学素子７１４の状態、たとえば、入射光を集束させるための加法的状態と、入射光の焦点をぼかすための減法的状態と、入射光の偏光にかかわらず光学パワーを働かせることがないニュートラル状態とに応じて、３つ以上の異なる状態を呈することができる。

いくつかの例では、第２の光学素子７１４は、第１の光学素子７１２の表面に接合されたまたはその上に形成された薄膜である。

第２の光学素子７１４は、他の光学段６０２中の第２の光学素子と同じまたはそれとは異なり得る、関連付けられた光学パワー（または複数の関連付けられた光学パワー）を有する。いくつかの例では、第２の光学素子７１４の光学パワーの（１つまたは複数の）大きさは、２．０ジオプターよりも大きくない（たとえば、光学パワーは、－２ジオプターまたは＋２ジオプターよりも強くない）。いくつかの例では、第２の光学素子７１４の光学パワーの（１つまたは複数の）大きさは、２のべき乗（たとえば、２^１＝２ジオプター、２^０＝１ジオプター、２^－１＝０．５ジオプター、２^－２＝０．２５ジオプター、２^－３＝０．１２５ジオプターなど）である。

いくつかの例では、連続する光学段６０２（図６）の光学段は、第１の光学素子７１２および能動第２の光学素子７１４のうちの１つのみを含む。たとえば、連続する光学段７０２の光学段は、第１の光学素子７１２を含むことなしに能動第２の光学素子７１４を含み得る。

したがって、（図５の（１つまたは複数の）プロセッサ５６０の例である）コントローラ７１６および７１８は、図７に関して説明されるように、光学モジュール６００の光学段６０２のそれぞれの状態を制御することによって、可変焦点光学アセンブリ５３０（図５）の１つまたは複数のタイプの収差補償のために全体的光学パワーを制御し得る。

図８Ａ～図８Ｄは、いくつかの例による、球面レンジングを呈するように構成されたパンチャラトナムベリー位相（ＰＢＰ）レンズ８００を示す概略図である。いくつかの例では、図６および図７に関して上記で説明された、自由形状可変焦点光学アセンブリ６００中の光学段６０２の第２の光学素子７１４は、ＰＢＰレンズ８００を含む。いくつかの例では、ＰＢＰレンズ８００は、液晶の層を含む液晶光学素子である。いくつかの例では、ＰＢＰレンズ８００は、他のタイプのサブ構造の層、たとえば、高屈折率材料から構成されたナノピラーを含む。

ＰＢＰレンズ８００は、入射光の偏光に部分的に基づいて、球面光学パワーを追加または除去する。たとえば、ＲＣＰ光がＰＢＰレンズ８００に入射した場合、ＰＢＰレンズ８００は正レンズとして働く（すなわち、ＰＢＰレンズ８００は光を収束させる）。ＬＣＰ光がＰＢＰレンズ８００に入射した場合、ＰＢＰレンズ８００は負レンズとして働く（すなわち、ＰＢＰレンズ８００光を発散させる）。また、ＰＢＰレンズ８００は、光の掌性（ｈａｎｄｅｄｎｅｓｓ）を直交掌性に変化させる（たとえば、ＬＣＰをＲＣＰに、またはＲＣＰをＬＣＰに変化させる）。ＰＢＰレンズはまた、波長選択的である。入射光が、設計された波長にある場合、ＬＣＰ光はＲＣＰ光に変換され、その逆も同様である。対照的に、入射光が、設計された波長範囲の外部にある波長を有する場合、光の少なくとも一部分は、その偏光の変化なしに、および集束または収束することなしに透過される。ＰＢＰレンズは、大きい開口サイズを有し得、極めて薄い液晶層で作られ得る。ＰＢＰレンズの光学特性（たとえば、集束パワーまたは回折パワー）は、液晶分子の方位角（θ）の変動に基づく。たとえば、ＰＢＰレンズでは、液晶分子の方位角θは、式（１）、すなわち、

に基づいて決定され、ここで、ｒは、液晶分子とＰＢＰレンズの光学中心との間の半径方向距離を示し、ｆは、焦点距離を示し、λは、ＰＢＰレンズがそれに対して設計された光の波長を示す。いくつかの例では、ｘ－ｙ平面における液晶分子の方位角は、ＰＢＰレンズの光学中心からエッジまで増加する。液晶ダイレクタパターン（たとえば、液晶の方位角のパターン）は、以下でより詳細に説明されるように、第１のゼルニケ多項式

に関連付けられ得る。いくつかの例では、式（１）によって表されるように、近隣の液晶分子間の方位角の増加のレートはまた、ＰＢＰレンズ８００の光学中心からの距離とともに増加する。ＰＢＰレンズ８００は、図８Ａのｘ－ｙ平面における液晶分子の配向（すなわち、方位角θ）に基づいて、それぞれのレンズプロファイルを作成する。対照的に、（非ＰＢＰ）液晶レンズは、（液晶分子がｘ－ｙ平面外に、たとえば、ｘ－ｙ平面から非０傾斜角に配向された）複屈折特性と液晶層の厚さとを介して、レンズプロファイルを作成する。

図８Ａは、入射光８０４がｚ軸に沿ってレンズに入る、ＰＢＰレンズ８００の３次元ビューを示す。

図８Ｂは、様々な配向をもつ複数の液晶（たとえば、液晶８０２Ａおよび８０２Ｂ）をもつＰＢＰレンズ８００のｘ－ｙ平面図を示す。液晶の配向（すなわち、方位角θ）は、ＡとＡ’との間の基準線に沿ってＰＢＰレンズ８００の中心からＰＢＰレンズ８００の周辺のほうへ変動する。

図８Ｃは、ＰＢＰレンズ８００のｘ－ｚ断面図を示す。図８Ｃに示されているように、液晶（たとえば、液晶８０２Ａおよび８０２Ｂ）の配向は、ｚ方向に沿って一定にとどまる。図８Ｃは、ｚ軸に沿った一定の配向と、理想的には設計された波長の１／２である、複屈折の厚さ（Δｎ×ｔ）とを有する、ＰＢＰ構造の一例を示し、ここで、Δｎは液晶材料の複屈折であり、ｔはＰＢＰレンズ８００の液晶材料の物理的厚さである。

いくつかの例では、ＰＢＰ光学素子（たとえば、レンズ、格子）が、図８Ｃに示されているものとは異なる液晶構造を有し得る。たとえば、ＰＢＰ光学素子は、ｚ方向に沿った二重ねじれ液晶構造を含み得る。別の例では、ＰＢＰ光学素子は、広いスペクトル範囲にわたってアクロマティック応答（ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ）を提供するために、ｚ方向に沿った３層交互構造を含み得る。

図８Ｄは、図８Ｂに示されているＡとＡ’との間の基準線に沿った液晶の詳細な平面図を示す。ピッチ８０６は、液晶の方位角θが１８０度回転した、ｘ軸に沿った距離として定義される。いくつかの例では、ピッチ８０６は、ＰＢＰレンズ８００の中心からの距離の関数として変動する。球面レンズの場合、液晶の方位角θは、上記に示された式（１）に従って変動する。そのような場合、レンズの中心におけるピッチが最も長く、レンズのエッジにおけるピッチが最も短い。

図９Ａ～図９Ｄは、いくつかの例による、球面レンジングを呈するように構成された偏光感応性ホログラム（ＰＳＨ）レンズを示す概略図である。いくつかの例では、図６および図７に関して上記で説明された、自由形状可変焦点光学システム６００中の光学段６０２の第２の光学素子７１４は、ＰＳＨレンズ９００を含む。ＰＳＨレンズ９００は、らせん構造において配列された液晶の層（たとえば、コレステリック液晶から形成された液晶）を含む液晶ＰＳＨレンズである。（図８Ａ～図８Ｄに関して上記で説明された）ＰＢＰレンズのように、ＰＳＨレンズ９００は、入射光の偏光に部分的に基づいて、球面光学パワーを追加または除去する。ただし、ＰＳＨレンズ９００は、光の円偏光に関して選択的である。円偏光された光の状態（掌性）が、液晶層のらせんねじれと同じであるとき、ＰＳＨレンズ９００は、円偏光された光と相互作用し、それにより光の方向を変化させる（たとえば、光を回折する）。同時に、光を回折しながら、ＰＳＨレンズ９００は、光の偏光をも変化させる。対照的に、ＰＳＨレンズ９００は、反対の円偏光をもつ光を、その方向または偏光を変化させることなしに透過する。たとえば、ＰＳＨレンズ９００は、ＲＣＰ光の偏光をＬＣＰ光に変化させ、同時に、ＬＣＰ光を、その偏光または方向を変化させることなしに透過しながら、光を集束させるかまたは光の焦点をぼかし得る。ＰＳＨレンズ９００の光学特性（たとえば、集束パワーまたは回折パワー）は、液晶分子の方位角の変動に基づく。さらに、ＰＳＨの光学特性は、液晶のらせん軸および／またはらせんピッチに基づく。

図９Ａは、入射光９０４がｚ軸に沿ってレンズに入る、ＰＳＨレンズ８００の３次元ビューを示す。図９Ｂは、様々な配向をもつ複数の液晶（たとえば、液晶９０２Ａおよび９０２Ｂ）をもつＰＳＨレンズ９００のｘ－ｙ平面図を示す。液晶の配向（すなわち、方位角θ）は、ＢとＢ’との間の基準線に沿ってＰＳＨレンズ９００の中心からＰＳＨレンズ９００の周辺のほうへ変動する。

図９Ｃは、ＰＳＨレンズ９００のｘ－ｚ断面図を示す。図９Ｃに示されているように、図８Ｃに関して説明されたＰＢＰレンズ８００とは対照的に、ＰＳＨレンズ９００の液晶（たとえば、図９Ｂ中の液晶９０２Ａおよび９０２Ｂ）は、らせん構造９１８で配列される。らせん構造９１８は、ｚ軸に平行に整列されたらせん軸を有する。ｘ－ｙ平面上のそれぞれの液晶の方位角が変動するにつれて、らせん構造は、サイクロイドパターンを形成する複数の回折平面（たとえば、平面９２０Ａおよび９２０Ｂ）で体積格子を作成する。ＰＳＨレンズ９００の体積において定義される回折平面（たとえば、ブラッグ回折平面（Ｂｒａｇｇ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｐｌａｎｅ））は、周期的に変化する屈折率の結果である。らせん構造またはらせんねじれ９１８は、ＰＳＨレンズ９００の偏光選択性を、らせんねじれに対応する円偏光掌性をもつ光は回折され、反対の掌性をもつ円偏光をもつ光は回折されないように、定義する。らせん構造９１８はまた、ＰＳＨレンズ９００の波長選択性を、ＰＳＨレンズ９００によってどの（１つまたは複数の）波長が回折されるか（他の波長をもつ光が回折されないか）をらせんピッチ９２２が決定するように定義する。たとえば、ＰＳＨレンズでは、ＰＳＨレンズがそれのために光を回折することになる設計された波長は、式（２）、すなわち、
λ＝２ｎ_ｅｆｆＰ_ｚ （２）
に基づいて決定される。

ここで、λは、ＰＳＨレンズ９００がそれのために設計された光の波長を示し、Ｐ_ｚは、らせんピッチ９２２の距離であり、ｎ_ｅｆｆは、複屈折媒体である液晶媒体の実効屈折率である。らせんピッチは、らせんがらせん軸（たとえば、図９Ｃ中のｚ軸）に沿って１８０度回転を行ったときの距離を指す。複屈折液晶媒体の実効屈折率は、式（３）、すなわち、

に基づいて決定される。

ここで、ｎ_０は複屈折媒体の正常屈折率であり、ｎ_ｅは複屈折媒体の異常屈折率である。

図９Ｄは、図９Ｂ中のＢとＢ’との間の基準線に沿った液晶の詳細な平面図を示す。ピッチ９０６は、液晶の方位角が初期配向から１８０度回転した、ｘ軸に沿った距離として定義される。いくつかの実施形態では、ピッチ９０６は、ＰＳＨレンズ９００の中心からの距離の関数として変動する。球面レンズの場合、液晶の方位角は、上記に示された式（１）に従って変動する。そのような場合、レンズの中心におけるピッチが最も長く、レンズのエッジにおけるピッチが最も短い。

図１０は、図６および図７において上記で説明された光学モジュール６００の一例である、球面レンジング光学モジュール１０００を通して透過された光の光学経路を示す。図示のように、この例では、球面レンジング光学モジュール１０００は、光学段１０２０Ａ、１０２０Ｂ、および１０２０Ｃを有する３段光学スタックを含む。

第１の光学段１０２０Ａは、第１の発散を有する第１の光１０２１を受け取るように構成される。第１の光１０２１は、光学スタックを通して透過され、第１の発散とは異なる第２の発散を有する第２の光１０２２として最後の光学段１０２０Ｃから出力される。いくつかの例では、第２の発散は、第１の発散よりも小さい（たとえば、第２の光は、第１の光よりもコリメートされる）。

図１０の例では、第１のコントローラ１０１４Ａが、第１の光学段１０２０Ａの第１の光学素子１０１０Ａを第１の状態（「オフ」状態）に設定する。したがって、第１の光学素子１０１０Ａは、左円偏光（ＬＣＰ：ｌｅｆｔ－ｃｉｒｃｕｌａｒ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）を有する第１の光１０２１を受け取り、ＬＣＰ第１の光１０２１を、右円偏光（ＲＣＰ：ｒｉｇｈｔ－ｃｉｒｃｕｌａｒ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）を有する光１０２２に変換する。第１の光学段１０２０Ａの第２の光学素子１０１２Ａは、第１の発散を有するＲＣＰ光１０２２を受け取り、ＲＣＰ光１０２２をＬＣＰを有する第３の光１０２３に変換し、それを集束させ、第１の発散よりも小さい第３の発散を有する第３の光１０２３を生じる（たとえば、第２の光学素子１０１２Ａは、収束レンズとして働き、したがって、ＲＣＰ光１０２２は、より収束されたＬＣＰ第３の光１０２３に変換される）。

図１０の例では、第２のコントローラ１０１４Ｂは、第２の光学段１０２０Ｂの第１の光学素子１０１０Ｂを第２の状態（「オン」状態）に設定した。したがって、第２の光学素子１０１０Ｂは、第１の光学段１０２０Ａから出力されたＬＣＰ第３の光１０２３を受け取り、ＬＣＰ第３の光１０２３を、偏光を変化させることなしにＬＣＰ光１０２４として透過する。第２の光学段１０２０Ｂの第２の光学素子１０１２Ｂは、第３の発散を有するＬＣＰ光１０２４を受け取り、ＬＣＰ光１０２４をＲＣＰ第４の光１０２５に変換し、それを発散し、第３の発散よりも大きい第４の発散を有する第４の光１０２５を生じる（たとえば、第２の光学素子１０１２Ｂは、発散レンズとして働き、したがって、光１０２４は、より発散するＲＣＰ第４の光１０２５に変換される）。

図１０の例では、第３のコントローラ１０１４Ｃは、第３および最後の光学段１０２０Ｃの第１の光学素子１０１０Ｃを第２の状態（「オン」状態）に設定した。したがって、第１の光学素子１０１０Ｃは、第２の光学段１０２０Ｂから出力されたＲＣＰ第４の光１０２５を受け取り、ＲＣＰ第４の光１０２５を、ＲＣＰ光１０２６として透過する。第２の光学素子１０１２Ｃは、第４の発散を有するＲＣＰ光１０２６を受け取り、ＲＣＰ光１０２６をＬＣＰ第５の光１０２７に変換し、それを収束させ、第４の発散よりも小さい第５の発散を有するＬＣＰ第５の光１０２７を生じる（たとえば、第２の光学素子１０１２Ｃは、収束レンズとして働き、したがって、ＲＣＰ光１０２６は、より収束されたＬＣＰ第５の光１０２７に変換される）。第３の光学段が、光学スタックにおける最後の光学段であるので、第５の発散を有する第５の光１０２７は、上記で説明されたように、出力端部から出力される光に対応する（たとえば、出力端部から出力される光と同じである）。

したがって、追加の光学段１０２０Ｂは、前の光学段１０２０Ａから光を受け取り、追加の光学段から出力された光が、その光学段によって受け取られた光の発散とは異なる発散を有するように、光を次の光学段に透過するように構成される。透過された光の発散は、受け取られた光の発散と、受け取られた光の偏光と、追加の光学段の第１の光学素子の状態とに基づいて決定される。

いくつかの例では、球面レンジング光学モジュール１０００は、光学スタックの入力側において第１の偏光子１０１４をも含み得る。いくつかの例では、第１の偏光子１０１４は、円偏光された光を出力するように構成された円偏光子である。いくつかの例では、第１の偏光子１０１４は、直線偏光子であり、４分の１波長板が、第１の偏光子１０１４から出力された直線偏光された光を、第１の光学状態１０２０Ａの上に入射するように、円偏光された光に変換するために、第１の偏光子１０１４に結合される。いくつかの例では、モジュール１０００は、光学スタックの出力側において、コントローラ１０１７に電気的に結合された切替え可能リターダ１０１６と、第２の偏光子１０１８とをも含む。切替え可能リターダ１０１６は、図７を参照しながら上記で説明された第１の光学素子７１２の光学特性と同様（または同じ）である光学特性を有し、したがって、簡潔のためにここで繰り返されない。いくつかの例では、切替え可能リターダ１０１６は、切替え可能１／２波長板である。いくつかの例では、切替え可能リターダ１０１６および第２の偏光子１０１８は、球面レンジング光学モジュール１０００から出力された所望の光１０２９の掌性と比較して反対の掌性を有する光漏れを低減するかまたはなくすように構成される。

光学収差は、理想的な画像と、光学システムを通して処理された実際の画像との間の差として定義され得る。光学収差は、理想と比較して画像のサイズおよび形状を変化させることによる画像品質に対する悪影響を有し、理想的な画像にぼけを追加することもあり、知覚された画像の解像度を低減する。光学収差はまた、それが光学システムを通して伝搬するときの、オブジェクト点を画像面中の理想的な画像点にマッピングする理想的な波面と、実際の波面との間の差として定義され得る。ディスプレイ観察者の眼の角膜表面の光学特性と屈折誤差から生じる角膜収差とは、眼球収差（ｏｃｕｌａｒ ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）の数学的青写真として使用されるゼルニケ多項式の和で説明され得る。本明細書でモードと呼ばれる各ゼルニケ多項式またはゼルニケ項（Ｚｅｒｎｉｋｅ ｔｅｒｍ）は、あるタイプの形状、ある３次元表面について説明する。２次ゼルニケ項（ｓｅｃｏｎｄ－ｏｒｄｅｒ Ｚｅｒｎｉｋｅ ｔｅｒｍ）は、従来の角膜収差、たとえば、焦点ぼけ（球面補正）および非点収差を表す。

図１１は、半径方向に垂直に、方位角方向に水平に並べられた最初の２１個のゼルニケ多項式を示す。１次ゼルニケ多項式１１０２は、ゼルニケ多項式

（チルト、たとえば、画像点の垂直シフト）と、ゼルニケ多項式

（チップ、たとえば、画像点の水平シフト）とを含む。２次ゼルニケ多項式１１０２は、ゼルニケ多項式

（焦点ぼけ）と、

（θ＝４５°およびθ＝＋２２５°の最大値ならびにθ＝１３５°およびθ＝３１５°の最小値をもつ斜め非点収差）と、ゼルニケ多項式

（θ＝０°およびθ＝１８０°の最大値ならびにθ＝９０°およびθ＝２７０°の最小値をもつ垂直非点収差）とを含む。図１２に示されているように、直交ゼルニケ多項式

および

の単位円ベースの展開は、一方の線に沿った値の変化が他方の線に沿った値に影響を及ぼさない２つの直交する線として表され、軸ロケーションθにおける非点パワーｒの値を提供し得る。よって、ＰＢＰレンズおよび／またはＰＳＨレンズなど、レンズは、斜めおよび垂直非点収差補償の異なる光学パワーを組み合わせることによって、選択された角度および選択された光学パワーにおいて可変焦点光学アセンブリ中で非点収差補償を提供するために、ゼルニケ多項式

および

に関連付けられたＬＣ分子ダイレクタ配向パターンを用いて設計され得る。たとえば、異なる光学パワーをもつ斜め非点収差補償を提供する３つの光学段と、異なる光学パワーをもつ垂直非点収差補償を提供する３つの光学段とを含めることによって、非点収差補償光学モジュールは、合計６４個の可能な非点収差補償値（たとえば、円柱光学パワーと補正軸とのペア）を提供するように構成され得る。

３次ゼルニケ多項式１１０４は、ゼルニケ多項式

（θ＝９０°、２１０°および２４０°の最大値ならびにθ＝４５°、１２０°の最小値をもつ垂直トレフォイル）と、ゼルニケ多項式

（垂直コマ）と、ゼルニケ多項式

（水平コマ）と、ゼルニケ多項式

（θ＝０°、１２０°、２４０°の最大値ならびにθ＝６０°、１８０°、および３００°の最小値をもつ斜めトレフォイル）とを含む。上記で説明された２次ゼルニケ多項式の場合と同様に、直交ゼルニケ多項式

および

は、一方の線に沿った値の変化が他方の線に沿った値に影響を及ぼさない２つの直交する線として表され得る。よって、ＰＢＰレンズおよび／またはＰＳＨレンズなど、レンズは、斜めおよび垂直トレフォイル補償ならびに水平および垂直コマ補償の異なる光学パワーを組み合わせることによって、選択された角度および選択された光学パワーにおいて可変焦点光学アセンブリ中で、それぞれ、トレフォイルおよびコマ補償を提供するように、

および

に関連付けられたＬＣ分子ダイレクタ配向パターンを用いて設計され得る。

同じやり方で、ＰＢＰレンズおよび／またはＰＳＨレンズなど、レンズは、それぞれの斜め、垂直、および水平のより高次の収差ならびに同様により高次の球面収差（たとえば、

ここで、ｎは正の整数である）の異なる光学パワーを組み合わせる自由形状可変焦点光学アセンブリ中で補償を提供するように、より高次の収差に関連付けられたＬＣ分子ダイレクタ配向パターンを用いて設計され得る。

図１３Ａは、斜め非点収差補償を提供するように構成された例示的なＰＢＰレンズ１３００のｘ－ｙ平面図を示す。ＰＢＰレンズ１３００は、図１３Ａのｘ－ｙ平面における液晶分子の配向（すなわち、方位角θ）に基づいて、レンズプロファイルを作成する。ＰＢＰレンズ１３００は、関数ｓｉｎ２θによって規定された最大値および最小値を有するゼルニケ多項式

に関連付けられた（たとえば、そこから導出された）パターンで配列されたダイレクタ配向を有する、複数の液晶１３０２を含む。液晶１３０２は、斜め非点収差を補償するために光をレンジングするように配列される。ｚ軸に沿った液晶１３０２の配向は、図８Ｃに示されているものと同様または実質的に同じであり得る。

図１３Ｂは、垂直非点収差補償を提供するように構成された例示的なＰＢＰレンズ１３５０のｘ－ｙ平面図を示す。ＰＢＰレンズ１３５０は、図１３Ｂのｘ－ｙ平面における液晶分子の配向（すなわち、方位角θ）に基づいて、レンズプロファイルを作成する。ＰＢＰレンズ１３５０は、関数ｃｏｓ２θによって規定された最大値および最小値を有するゼルニケ多項式

に関連付けられた（たとえば、そこから導出された）パターンで配列されたダイレクタ配向を有する、複数の液晶１３５２を含む。液晶１３５２は、垂直非点収差を補償するために光をレンジングするように配列される。ｚ軸に沿った液晶１３５２の配向は、図８Ｃに示されているものと同様または実質的に同じであり得る。

図１３Ｃは、垂直トレフォイル補償を提供するように構成された例示的なＰＢＰレンズ１５００のｘ－ｙ平面図を示す。ＰＢＰレンズ１５００は、図１３Ｃのｘ－ｙ平面における液晶分子の配向（すなわち、方位角θ）に基づいて、レンズプロファイルを作成する。ＰＢＰレンズ１５００は、関数ｓｉｎ３θによって規定された最大値および最小値を有するゼルニケ多項式

に関連付けられた（たとえば、そこから導出された）パターンで配列されたダイレクタ配向を有する、複数の液晶１５０２を含む。液晶１５０２は、垂直トレフォイルを補償するために光をレンジングするように配列される。ｚ軸に沿った液晶１５０２の配向は、図８Ｃに示されているものと同様または実質的に同じであり得る。

図１３Ｄは、斜めトレフォイル補償を提供するように構成された例示的なＰＢＰレンズ１６００のｘ－ｙ平面図を示す。ＰＢＰレンズ１６００は、図１３Ｄのｘ－ｙ平面における液晶分子の配向（すなわち、方位角θ）に基づいて、レンズプロファイルを作成する。ＰＢＰレンズ１６００は、関数ｃｏｓ３θによって規定された最大値および最小値を有するゼルニケ多項式

に関連付けられた（たとえば、そこから導出された）パターンで配列されたダイレクタ配向を有する、複数の液晶１６０２を含む。液晶１６０２は、斜めトレフォイルを補償するために光をレンジングするように配列される。ｚ軸に沿った液晶１６０２の配向は、図８Ｃに示されているものと同様または実質的に同じであり得る。

図１３Ｅは、垂直コマ補償を提供するように構成された例示的なＰＢＰレンズ１７００のｘ－ｙ平面図を示す。ＰＢＰレンズ１７００は、図１３Ｅのｘ－ｙ平面における液晶分子の配向（すなわち、方位角θ）に基づいて、レンズプロファイルを作成する。ＰＢＰレンズ１７００は、関数ｓｉｎθによって規定された最大値および最小値を有するゼルニケ多項式

に関連付けられた（たとえば、そこから導出された）パターンで配列されたダイレクタ配向を有する、複数の液晶１７０２を含む。液晶１７０２は、垂直コマを補償するために光をレンジングするように配列される。ｚ軸に沿った液晶１７０２の配向は、図８Ｃに示されているものと同様または実質的に同じであり得る。

図１３Ｆは、水平コマ補償を提供するように構成された例示的なＰＢＰレンズ１８００のｘ－ｙ平面図を示す。ＰＢＰレンズ１８００は、図１３Ｆのｘ－ｙ平面における液晶分子の配向（すなわち、方位角θ）に基づいて、レンズプロファイルを作成する。ＰＢＰレンズ１８００は、関数ｃｏｓθによって規定された最大値および最小値を有するゼルニケ多項式

に関連付けられた（たとえば、そこから導出された）パターンで配列されたダイレクタ配向を有する、複数の液晶１８０２を含む。液晶１８０２は、水平コマを補償するために光をレンジングするように配列される。ｚ軸に沿った液晶１８０２の配向は、図８Ｃに示されているものと同様または実質的に同じであり得る。

図１３Ｇは、焦点ぼけ補償を提供するように構成された例示的なＰＢＰレンズ１９００のｘ－ｙ平面図を示す。ＰＢＰレンズ１９００は、図１３Ｇのｘ－ｙ平面における液晶分子の配向（すなわち、方位角θ）に基づいて、レンズプロファイルを作成する。ＰＢＰレンズ１９００は、ゼルニケ多項式

に関連付けられた（たとえば、そこから導出された）パターンで配列されたダイレクタ配向を有する、複数の液晶１９０２を含む。液晶１９０２は、水平コマを補償するために光をレンジングするように配列される。ｚ軸に沿った液晶１９０２の配向は、図８Ｃに示されているものと同様または実質的に同じであり得る。

いくつかの例では、１３００～１９００など、ＰＢＰレンズは、たとえば、任意のゼルニケ多項式

に関連付けられた、さらなる収差の補償を提供するように構成され得、ここで、ｍは任意の整数であり、ｎは任意の正の整数である。

図１４は、収差補償を提供する自由形状可変焦点光学アセンブリを形成するための、例示的な収差補償光学アセンブリ１４０４を通って透過された光の光学経路を示す。第２の光学素子１４１２Ａ～１４１２Ｆの各第２の光学素子は、選択された軸に沿った収差補償レンジングを作り出すように構成されたＬＣダイレクタのパターンを有するＰＢＰレンズまたはＰＳＨレンズ、あるいは、選択された軸に沿った収差補償レンジングを作り出すように構成された構造を有するメタマテリアルまたはメタ表面レンズである。たとえば、収差補償光学アセンブリ１４０４は、３つの光学段１４５０Ａ、１４５０Ｂ、および１４５０Ｃを含む垂直非点収差補償モジュール１４５０を含む。収差補償光学アセンブリ１４０４は、３つの光学段１４６０Ａ、１４６０Ｂ、および１４６０Ｃを含む斜め非点収差補償モジュール１４６０をさらに含む。垂直非点収差補償モジュール１４５０および斜め非点収差補償モジュール１４６０の各々は、図１４の例では３つの光学段を含むが、他の例では、垂直非点収差補償モジュール１４５０および斜め非点収差補償モジュール１４６０は、異なる数の段を含み得る（概して、各々は少なくとも２つの光学段を含み得る）。さらに、垂直非点収差補償モジュール１４５０および斜め非点収差補償モジュール１４６０は、同じ数の光学段または異なる数の光学段を含み得る。所与のモジュールにおける追加の光学段は、モジュールに対して増加された数の有効光学パワーを可能にし得る。収差補償光学アセンブリ１４０４は、垂直非点収差補償モジュール１４５０および斜め非点収差補償モジュール１４６０を含むが、収差補償光学アセンブリ１４０４は、異なる数のモジュールであって、各々が１つまたは複数の光学段を有する、異なる数のモジュールを含み、たとえば、さらなるモジュールは、チルト、垂直および斜めトレフォイル、垂直および水平コマ、１次球面、二次非点収差、クアドラフォイルなどを補償することができる。

非点収差補償光学アセンブリ１４０４中の各第２の光学素子１４１２、１４２２は、ジオプター単位で表された選択された光学パワーを有し得る。いくつかの例では、垂直非点収差補償モジュール１４５０中の各第２の光学素子１４１２Ａ～１４１２Ｃは異なる光学パワーを有し、斜め非点収差補償モジュール１４６０中の各第２の光学素子１４２２Ａ～１４２２Ｃは異なる光学パワーを有する。いくつかの例では、光学パワーは、２のべき乗（たとえば、２１＝２ジオプター、２０＝１ジオプター、２－１＝０．５ジオプター、２－２＝０．２５ジオプター、２３＝０．１２５ジオプターなど）であり得る。これは、各々、それぞれの第１および第２の光学素子１４１０、１４１２、１４２２の制御に基づいて、垂直非点収差補償光学モジュール１４５０が、垂直非点収差を補正するための複数の光学パワーを達成すること、斜め非点収差補償光学モジュール１４５０が、斜め非点収差を補正するための複数の光学パワーを達成することを可能にし得る。

垂直非点収差補償モジュール１４５０の第１の光学段１４５０Ａは、第１の発散を有する第１の光１４２１を受け取るように構成される。第１の光１４２１は、光学スタックを通して透過され、第１の発散とは異なる第２の発散を有する第２の光１４２７として、垂直非点収差補償モジュール１４５０の最後の光学段（第３の光学段１４５０Ｃ）から出力される。いくつかの例では、第２の発散は、第１の発散よりも小さい（たとえば、第２の光１４２７は、第１の光１４２１よりもコリメートされる）。

この例では、第１のコントローラ１４１４Ａは、第１の光学段１４５０Ａの第１の光学素子１４１０Ａを第１の（「オフ」）状態にあるように制御する。したがって、第１の光学素子１４１０Ａは、左円偏光（ＬＣＰ）を有する第１の光１４２１を受け取り、ＬＣＰ第１の光１４２１を、右円偏光（ＲＣＰ）を有する光１４２２に変換する。図１３Ａに示されている液晶ダイレクタのパターンを有する、第１の光学段１４５０Ａの第２の光学素子１４１２Ａは、第１の発散を有するＲＣＰ光１４２２を受け取り、ＲＣＰ光１４２２を、左円偏光（ＬＣＰ）を有する第３の光１４２３に変換し、それを集束させ、第１の発散よりも小さい第３の発散を有する第３の光１４２３を生じる（たとえば、第２の光学素子１４１２Ａは、ＲＣＰ光に対して収束レンズとして働き、したがって、ＲＣＰ光１４２２は、より収束されたＬＣＰ第３の光１４２３に変換される）。

この例では、第２のコントローラ１４１４Ｂは、第２の光学段１４５０Ｂの第１の光学素子１４１０Ｂを第２の（「オン」）状態にあるように制御する。したがって、第２の光学素子１４１０Ｂは、第１の光学段１４５０Ａから出力されたＬＣＰ第３の光１４２３を受け取り、ＬＣＰ第３の光１４２３を、偏光を変化させることなしにＬＣＰ光１４２４として透過する。第２の光学段１４５０Ｂの第２の光学素子１４１２Ｂは、第３の発散を有するＬＣＰ光１４２４を受け取り、ＬＣＰ光１４２４をＲＣＰ第４の光１４２５に変換し、それを発散し、第３の発散よりも大きい第４の発散を有する第４の光１４２５を生じる（たとえば、第２の光学素子１４１２Ｂは、ＬＣＰ光に対して発散レンズとして働き、したがって、ＬＣＰ光１４２４は、より発散するＲＣＰ第４の光１４２５に変換される）。

この例では、第３のコントローラ１４１４Ｃは、第３の光学段１４５０Ｃの第１の光学素子１４１０Ｃを第２の（「オフ」）状態にあるように制御する。したがって、第１の光学素子１４１０Ｃは、第２の光学段１４５０Ｂから出力されたＲＣＰ第４の光１４２５を受け取り、ＲＣＰ第４の光１４２５を、その偏光を変化させることなしにＲＣＰ光１４２６として透過する。第２の光学素子１４１２Ｃは、第４の発散を有するＲＣＰ光１４２６を受け取り、ＲＣＰ光１４２６をＬＣＰ第５の光１４２７に変換し、それを収束させ、第４の発散よりも小さい第５の発散を有する第５の光１４２７を生じる（たとえば、第２の光学素子１４１２Ｃは、ＲＣＰ光に対して収束レンズとして働き、したがって、ＲＣＰ光１４２６は、より収束されたＬＣＰ第５の光１４２７に変換される）。第３の光学段１４５０Ｃが、垂直非点収差補償モジュール１４５０における最後の光学段であるので、第５の発散を有する第５の光１４２７は、上記で説明された出力端部から出力される光に対応する（たとえば、出力端部から出力される光と同じである）。

したがって、所与の光学段は、前の光学段から光を受け取り、追加の光学段から出力された光が、第１の光学段によって受け取られた光の発散とは異なる発散を有し得るように、光を次の光学段に透過するように構成される。透過された光の発散は、受け取られた光の発散と、受け取られた光の偏光と、追加の光学段の第１の光学素子の状態とに基づいて決定される。

他の例では、第２の光学素子（たとえば、レンズまたは格子）の各々は、図７を参照しながら説明されたように、第２の光学素子が２つの状態の間で制御され得るような能動光学素子であり得る。いくつかの例では、第２の光学素子が、電圧が第２の光学素子に印加される「オン」状態にあるように制御されるとき、第２の光学素子が、光をレンジングすることまたは光の偏光を変化させることなしに光を透過し得るように、第２の光学素子は、少なくともある光に対して（たとえば、ある偏光の光に対して）レンジング効果を呈しないことがある。

図１４の例では、垂直非点収差補償モジュール１４５０から出力された光１４２７が、斜め非点収差補償モジュール１４６０に入射する。斜め非点収差補償モジュール１４６０中の第１の光学段１４６０Ａは、第１の発散を有する、垂直非点収差補償モジュール１４５０から出力されたＬＣＰ第５の光１４２７を受け取るように構成される。光１４２７は、斜め非点収差補償モジュール１４６０を通して透過され、第１の発散とは異なる第２の発散を有する光１４３９として、斜め非点収差補償モジュール１４６０の最後の光学段（第３の光学段１４６０Ｃ）から出力される。いくつかの例では、第２の発散は、第１の発散よりも小さい（たとえば、第２の光は、第１の光よりもコリメートされる）。

図１４の例では、第１の光学段１４６０Ａは、ＬＣＰ第５の光１４２７を受け取るように構成される。この例では、第４のコントローラ１４１４Ｄは、第１の光学段１４６０Ａの第１の光学素子１４１０Ａを第２の（「オン」）状態にあるように制御する。したがって、第１の光学素子１４１０Ａは、左円偏光（ＬＣＰ）を有するＬＣＰ第５の光１４２７を受け取り、ＬＣＰ第５の光１４２７を、左円偏光（ＬＣＰ）を有するＬＣＰ光１４２９として透過する。図９Ｂに示されている液晶ダイレクタのパターンを有する、第１の光学段１４６０Ａの第２の光学素子１４２２Ａは、第１の発散を有するＬＣＰ光１４２９を受け取り、ＬＣＰ光１４２９を、右円偏光（ＲＣＰ）を有する第３の光１４３１に変換し、それを発散する（たとえば、第２の光学素子１４２２Ａは、ＬＣＰ光に対して発散レンズとして働き、したがって、ＬＣＰ光１４２９は、より発散されたＲＣＰ光１４３１に変換される）。

第５のコントローラ１４１４Ｅは、第２の光学段１４６０Ｂの第１の光学素子１４１０Ｅを第２の（「オン」）状態にあるように制御する。したがって、第２の光学素子１４１０Ｅは、第１の光学段１４６０Ａから出力されたＲＣＰ第３の光１４３１を受け取り、ＲＣＰ第３の光１４３１を、偏光を変化させることなしにＲＣＰ光１４３３として透過する。第２の光学段１４６０Ｂの第２の光学素子１４２２Ｂは、第３の発散を有するＲＣＰ光１４３３を受け取り、ＲＣＰ光１４３３をＬＣＰ光１４３５に変換し、それを収束させ、前の発散よりも小さい発散を有するＬＣＰ光１４３５を生じる（たとえば、第２の光学素子１４２２Ｂは、ＲＣＰ光に対して収束レンズとして働き、したがって、ＲＣＰ光１４３３は、より収束するＬＣＰ第４の光１４３５に変換される）。

第６のコントローラ１４１４Ｆは、第３の光学段１４６０の第１の光学素子１４１０Ｆを第２の（「オン」）状態にあるように制御する。したがって、第１の光学素子１４１０Ｆは、第２の光学段１４６０Ｂから出力されたＬＣＰ光１４３５を受け取り、ＬＣＰ光１４３５を、その偏光を変化させることなしにＬＣＰ光１４３７として透過する。第３の光学素子１４２２Ｃは、ＬＣＰ光１４３７を受け取り、ＬＣＰ光１４３７をＲＣＰ光１４３９に変換し、それを発散し、前の発散よりも大きい発散を有するＲＣＰ光１４３９を生じる（たとえば、第３の光学素子１４２２Ｃは、ＬＣＰ光に対して発散レンズとして働き、したがって、ＬＣＰ光１４３７は、より発散されたＲＣＰ光１４３９に変換される）。第３の光学段１４６０Ｃが、斜め非点収差補償モジュール１４６０における最後の光学段であるので、第５の発散を有するＲＣＰ光１４３９は、上記で説明されたように、出力端部から出力される光に対応する（たとえば、出力端部から出力される光と同じである）。

いくつかの例では、収差補償光学アセンブリ１４０４は、入力側において第１の偏光子１４７０をも含み得る。いくつかの例では、アセンブリ１４０４は、出力側において、コントローラ１４７７に電気的に結合された切替え可能リターダ１４７６と、第２の偏光子１４７８とをも含む。切替え可能リターダ１４７６は、光学段１４５０および１４６０に関して説明された第１の光学素子の光学特性と同様（または同じ）である光学特性を有する。いくつかの例では、切替え可能リターダ１４７６は、切替え可能１／２波長板である。収差補償光学アセンブリ１４０４の各光学段の動作は、光学段に入射した光の偏光、第１の光学素子の状態、および随意に、第２の光学素子が能動光学素子である例では、第２の光学素子の状態に依存する。

上記で説明され、図１０に示されている、球面レンジング光学モジュール１０００の場合と同様に、垂直非点収差補償モジュール１４５０および斜め非点収差補償モジュール１４６０の全体的円柱光学パワーは、それらの中の複数の光学段１４５０Ａ～１４５０Ｃ、１４６０Ａ～１４６０Ｃ中の第１の光学素子１４１０（および随意に第２の光学素子１４１２、１４２２）のそれぞれの状態を調整することまたは変化させることによって、調整され得る。非点収差補償光学モジュール１４５０、１４６０の円柱光学パワーは、光学段中の光学素子の状態を切り替え、それにより、光学段の光学パワーを変化させることによって変化させられ得る。組み合わせた連続する光学段の光学パワーは、非点収差補償光学モジュール１４５０、１４６０の得られた総光学パワーを決定する。

さらに、非点収差補償光学モジュール１４５０、１４６０の相対光学パワーは、収差補償光学アセンブリ１４０４についての補正の有効軸に寄与する。

収差補償光学アセンブリ１４０４は、単独でまたは他の光学素子と組み合わせて使用され得る。たとえば、収差補償光学アセンブリ１４０４は、球面レンジング光学モジュール１０００、ならびに焦点およびより高次の収差の補償の両方を提供する自由形状可変焦点収差補償光学アセンブリを形成するために、任意のゼルニケ多項式

の収差補償を提供するように構成された任意の他の光学アセンブリまたは補償モジュールのいずれかとともに使用され得る。収差補償光学アセンブリ１４０４および１０００はまた、たとえば、光学システムにおける適応オプティックとして、波面整形を提供する自由形状可変焦点収差補償光学アセンブリを形成するために、任意の他のゼルニケ多項式に対応する任意の他の収差補償光学アセンブリとともに使用され得る。たとえば、収差補償光学アセンブリ１４０４および１０００は、（たとえば、０次ゼルニケ多項式に関連付けられた）ピストンと、（たとえば、１次ゼルニケ多項式に関連付けられた）チルト、チップと、（たとえば、２次ゼルニケ多項式に関連付けられた）焦点／焦点ぼけ、円柱焦点／非点収差と、（たとえば、３次ゼルニケ多項式に関連付けられた）トレフォイル、コマと、（たとえば、４次ゼルニケ多項式に関連付けられた）クアドラフォイル、二次非点収差、１次球面と、より高次の収差のうちの任意のその他の収差補償を提供するように構成された任意の収差補償光学アセンブリとともに使用され得る。

一例では、ユーザが、収差補償を提供する自由形状可変焦点光学アセンブリ（たとえば、少なくとも１つの球面レンジング光学モジュール１０００と、垂直非点収差補償モジュール１４５０および斜め非点収差補償モジュール１４６０などの少なくとも１つの収差補償光学モジュールとの組合せ）を調整するためにＵＩ要素と対話し得る。これは、ユーザが、ユーザの特定の眼のための改善された表示画像を見つけるために、球面、円柱、および軸の値を微調整する（ｆｉｎｅ－ｔｕｎｅ）ことを可能にし得る。ＵＩ要素は、（１つまたは複数の）電子ディスプレイ２０３によって出力された仮想現実コンテンツの部分として提示されたＵＩ要素３２９のうちの１つであり得るか、あるいは、たとえば、好適なダイヤル、サムホイール、またはスライダー、または他の機械的ユーザ入力機構を含み得る。別の例では、ユーザは、ＵＩ要素３２９を使用して、一方または両方の眼のための選択された処方を入力することができ、（１つまたは複数の）プロセッサ３０２は、その処方に対応する光学補正を提供するように光学段を構成し得る。このようにして、第１および第２の非点収差補償光学モジュールの円柱光学パワー（たとえば、第１の非点収差補償光学モジュールの光学パワーおよび第２の非点収差補償光学モジュールの光学パワー）は、可変焦点光学アセンブリのユーザの非点収差に基づいて構成される。

さらに、本明細書は、主に、ユーザの非点収差に対処するものとして説明されたが、本明細書で説明される非点収差補償光学モジュールは、非点収差補償光学モジュールが使用される光学システム内の他の光学素子によって導入される光学収差を補償するために使用され得る。

さらに、非点収差補償光学アセンブリ１４０４は、垂直非点収差補償に関係するすべての光学段が連続する段であり、斜め非点収差補償に関係するすべての光学段が連続する段であることに関して説明されたが、垂直非点収差補償に関係する光学段は、斜め非点収差補償に関係する２つの光学段の間に、または他の高次収差（たとえば、垂直および斜めトレフォイル、垂直および水平コマなど）に関係する他の光学段の間にあり得、逆もまた同様である。同様に、球面レンジング光学モジュール１０００の光学段は、収差補償光学アセンブリ１４０４とは別個の連続する光学段であるものとして説明されたが、球面レンジング光学モジュール１０００の光学段は、収差補償光学アセンブリ１４０４の段と交互配置され得る。いくつかの例では、最も大きい光学パワーの大きさをもつ光学段が、ユーザまたは観察者の眼に最も近くに位置する。

本開示は、ディスプレイの観測者に視覚補正を提供する方法をさらに対象とする。本方法は、第１の複数の光学段を含む第１の収差補償光学モジュールを通して光を透過することを含む。各光学段は、パンチャラトナムベリー位相（ＰＢＰ）レンズ、偏光感応性ホログラム（ＰＳＨ）レンズ、メタマテリアル、またはそれらの組合せを備える第１の複数の光学素子からの光学素子を含み得る。第１の複数の光学素子は、第１のゼルニケ多項式

に関連付けられた特性を含み、ここで、ｍは任意の整数であり、ｎは任意の正の整数である。第１の複数の光学段の各段は、第１の状態と第２の状態とを含む複数の状態のいずれかにあるように構成可能である。

本方法は、第１の複数の光学段のうちの１つまたは複数の光学段のそれぞれの状態を変化させることによって、第１の収差補償光学モジュールの第１の焦点パワーを調整することをも含む。

本方法は、第２の複数の光学段を含む第２の収差補償光学モジュールを通して光を透過することをさらに含み得る。各光学段は、ＰＢＰレンズ、ＰＳＨレンズ、メタマテリアル、またはそれらの組合せを備える第２の複数の光学素子からの光学素子を含み得る。第２の複数の光学素子は、第１のゼルニケ多項式とは異なる第２のゼルニケ多項式

に関連付けられた特性を含む。第２の複数の光学段の各段は、第１の状態と第２の状態とを含む複数の状態のいずれかにあるように構成可能である。本方法は、第２の複数の光学段のうちの１つまたは複数の光学段のそれぞれの状態を変化させることによって、第２の収差補償光学モジュールの第２の焦点パワーを調整することをさらに含む。

本方法は、第３の複数の光学段を備える第３の収差補償光学モジュールを通して光を透過することをも随意に含み得る。各光学段は、ＰＢＰレンズ、ＰＳＨレンズ、またはそれらの組合せを備える第３の複数の光学素子からの光学素子を含み得る。第３の複数の光学素子は、第１および第２のゼルニケ多項式の両方とは異なる第３のゼルニケ多項式

に関連付けられた特性を含む。第３の複数の光学段の各段は、第１の状態と第２の状態とを含む複数の状態のいずれかにあるように構成可能である。本方法は、第３の複数の光学段のうちの１つまたは複数の光学段のそれぞれの状態を変化させることによって、収差補償光学モジュールの第３の焦点パワーを調整することをも含み得る。

本明細書の様々な例として説明されたように、本開示の技法は、人工現実システムを含むか、または人工現実システムとともに実装され得る。説明されたように、人工現実は、ユーザへの提示の前に何らかの様式で調整された形式の現実であり、これは、たとえば、仮想現実（ＶＲ）、拡張現実（ＡＲ）、複合現実（ＭＲ）、ハイブリッド現実、あるいはそれらの何らかの組合せおよび／または派生物を含み得る。人工現実コンテンツは、完全に生成されたコンテンツ、またはキャプチャされたコンテンツ（たとえば、現実世界の写真またはビデオ）と組み合わせられた生成されたコンテンツを含み得る。人工現実コンテンツは、ビデオ、オーディオ、触覚フィードバック、またはそれらの何らかの組合せを含み得、それらのいずれも、（観察者に３次元効果をもたらすステレオビデオなどの）単一のチャネルまたは複数のチャネルにおいて提示され得る。さらに、いくつかの実施形態では、人工現実は、たとえば、人工現実におけるコンテンツを作成するために使用される、および／または人工現実において使用される（たとえば、人工現実におけるアクティビティを実施する）アプリケーション、製品、アクセサリ、サービス、またはそれらの何らかの組合せに関連付けられ得る。人工現実コンテンツを提供する人工現実システムは、ホストコンピュータシステムに接続されたヘッドマウントデバイス（ＨＭＤ）、スタンドアロンＨＭＤ、モバイルデバイスまたはコンピューティングシステム、あるいは、１人または複数の観察者に人工現実コンテンツを提供することが可能な任意の他のハードウェアプラットフォームを含む、様々なプラットフォーム上に実装され得る。

本開示で説明される技法は、少なくとも部分的に、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェアまたはそれらの任意の組合せで実装され得る。たとえば、説明される技法の様々な態様が、１つまたは複数のマイクロプロセッサ、ＤＳＰ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、あるいは任意の他の等価な集積論理回路または個別論理回路、ならびにそのような構成要素の任意の組合せを含む、１つまたは複数のプロセッサ内で実装され得る。「プロセッサ」または「処理回路」という用語は、概して、単独でまたは他の論理回路と組み合わせて、上記の論理回路のいずれか、あるいは任意の他の等価な回路を指し得る。ハードウェアを備える制御ユニットも、本開示の技法のうちの１つまたは複数を実施し得る。

そのようなハードウェア、ソフトウェア、およびファームウェアは、本開示で説明される様々な動作および機能をサポートするために、同じデバイス内にまたは別個のデバイス内に実装され得る。さらに、説明されるユニット、モジュール、または構成要素のいずれかは、一緒に、または個別の、ただし相互運用可能な論理デバイスとして別個に、実装され得る。モジュールまたはユニットとしての異なる特徴の図は、異なる機能的態様を強調することが意図され、そのようなモジュールまたはユニットが別個のハードウェアまたはソフトウェア構成要素によって実現されなければならないことを必ずしも暗示するとは限らない。むしろ、１つまたは複数のモジュールまたはユニットに関連付けられた機能性は、別個のハードウェアまたはソフトウェア構成要素によって実施されるか、あるいは共通のまたは別個のハードウェアまたはソフトウェア構成要素内に組み込まれ得る。

本開示で説明される技法はまた、命令を含んでいる、コンピュータ可読記憶媒体など、コンピュータ可読媒体において具現されるかまたは符号化され得る。コンピュータ可読記憶媒体において埋め込まれるかまたは符号化される命令は、たとえば、命令が実行されるとき、プログラマブルプロセッサ、または他のプロセッサに方法を実施させ得る。コンピュータ可読記憶媒体は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）、プログラマブル読取り専用メモリ（ＰＲＯＭ）、消去可能プログラマブル読取り専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、電子的消去可能プログラマブル読取り専用メモリ（ＥＥＰＲＯＭ）、フラッシュメモリ、ハードディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、フロッピーディスク、カセット、磁気媒体、光媒体、または他のコンピュータ可読媒体を含み得る。

本明細書の様々な例として説明されたように、本開示の技法は、人工現実システムを含むか、または人工現実システムとともに実装され得る。説明されたように、人工現実は、ユーザへの提示の前に何らかの様式で調整された形式の現実であり、これは、たとえば、仮想現実（ＶＲ）、拡張現実（ＡＲ）、複合現実（ＭＲ）、ハイブリッド現実、あるいはそれらの何らかの組合せおよび／または派生物を含み得る。人工現実コンテンツは、完全に生成されたコンテンツ、またはキャプチャされたコンテンツ（たとえば、現実世界の写真）と組み合わせられた生成されたコンテンツを含み得る。人工現実コンテンツは、ビデオ、オーディオ、触覚フィードバック、またはそれらの何らかの組合せを含み得、それらのいずれも、（観察者に３次元効果をもたらすステレオビデオなどの）単一のチャネルまたは複数のチャネルにおいて提示され得る。さらに、いくつかの実施形態では、人工現実は、たとえば、人工現実におけるコンテンツを作成するために使用される、および／または人工現実において使用される（たとえば、人工現実におけるアクティビティを実施する）アプリケーション、製品、アクセサリ、サービス、またはそれらの何らかの組合せに関連付けられ得る。人工現実コンテンツを提供する人工現実システムは、ホストコンピュータシステムに接続されたヘッドマウントデバイス（ＨＭＤ）、スタンドアロンＨＭＤ、モバイルデバイスまたはコンピューティングシステム、あるいは、１人または複数の観察者に人工現実コンテンツを提供することが可能な任意の他のハードウェアプラットフォームを含む、様々なプラットフォーム上に実装され得る。

Claims (21)

1. 少なくとも３つの光学モジュールであって、各光学モジュールが、対応する複数の偏光感応性光学素子を備え、各光学モジュールが、対応するゼルニケ多項式に関連付けられ、各光学モジュールについて、前記対応する複数の偏光選択的光学素子が、前記対応するゼルニケ多項式に関連付けられた対応する特性を備え、各光学モジュールに関連付けられた前記対応するゼルニケ多項式が異なる、少なくとも３つの光学モジュール
   を備える自由形状可変焦点レンズ。
2. 前記対応する複数の偏光感応性光学素子が、パンチャラトナムベリー位相（ＰＢＰ）レンズ、偏光感応性ホログラム（ＰＳＨ）レンズ、メタマテリアル、またはそれらの組合せを含む、請求項１に記載の自由形状可変焦点レンズ。
3. 各光学モジュールが、１つまたは複数の光学段を備え、各光学段が、少なくとも１つの光学素子を備え、各光学モジュール内の前記光学素子のうちの少なくともいくつかが、異なる光学パワーを有する、請求項１に記載の自由形状可変焦点レンズ。
4. 各光学モジュール中の１つまたは複数の光学段が、切替え可能光学リターダと、ＰＢＰレンズまたはＰＳＨレンズを含む光学素子とを備え、
   前記切替え可能光学リターダが、「オフ」状態または「オン」状態にあるように構成可能であり、
   前記「オフ」状態では、前記切替え可能光学リターダが、第１の偏光または第２の偏光の光を、それぞれ、前記第２の偏光の光または前記第１の偏光の光に変換するように構成され、
   前記「オン」状態では、前記切替え可能光学リターダが、光を、前記光の偏光を変化させることなしに透過し、
   前記ＰＢＰレンズまたは前記ＰＳＨレンズを含む前記光学素子は、前記切替え可能光学リターダを通して透過された光を受け取るように構成され、前記切替え可能光学リターダを通して透過された前記光が前記第１の偏光を有するのか前記第２の偏光を有するのかに依存する光学パワーを有する、
   請求項２に記載の自由形状可変焦点レンズ。
5. 各光学モジュールが、前記対応するゼルニケ多項式に関連付けられた波面調整を入射波面に提供するように構成された、請求項１に記載の自由形状可変焦点レンズ。
6. 前記少なくとも３つの光学モジュールが、それぞれの波面調整の異なる組合せに基づいて可変波面を出力するように構成された、請求項１に記載の自由形状可変焦点レンズ。
7. 前記対応する複数の光学素子の各光学素子が、ＰＢＰレンズを含み、前記特性が、液晶ダイレクタパターンを含む、請求項１に記載の自由形状可変焦点レンズ。
8. 円偏光子または直線偏光子のうちの少なくとも１つをさらに備える、請求項１に記載の自由形状可変焦点レンズ。
9. 第１の光学モジュールの前記対応するゼルニケ多項式が、第１の方向におけるチルトに関連付けられ、第２の光学モジュールの前記対応するゼルニケ多項式が、第２の方向におけるチルトに関連付けられ、第３の光学モジュールの前記対応するゼルニケ多項式が、焦点に関連付けられ、第４の光学モジュールの前記対応するゼルニケ多項式が、斜め非点収差に関連付けられ、第５の光学モジュールの前記対応するゼルニケ多項式が、垂直非点収差に関連付けられた、請求項１に記載の自由形状可変焦点レンズ。
10. 少なくとも１つの光学モジュールが、トレフォイル、コマ、クアドラフォイル、または二次非点収差に関連付けられた、請求項１に記載の自由形状可変焦点レンズ。
11. 画像光を放出するように構成された光源と、
    光学デバイスのアイボックスに前記画像光を導くように構成された自由形状可変焦点光学アセンブリとを備えるディスプレイであって、前記自由形状可変焦点光学アセンブリは、
    少なくとも３つの光学モジュールであって、各光学モジュールが、対応する複数の偏光感応性光学素子を備え、各光学モジュールが、対応するゼルニケ多項式に関連付けられ、各光学モジュールについて、前記対応する複数の光学素子が、前記対応するゼルニケ多項式に関連付けられた対応する特性を備え、各光学モジュールに関連付けられた前記対応するゼルニケ多項式が異なる、少なくとも３つの光学モジュールを備える、
    ディスプレイ。
12. 前記対応する複数の偏光感応性光学素子が、パンチャラトナムベリー位相（ＰＢＰ）レンズ、偏光感応性ホログラム（ＰＳＨ）レンズ、メタマテリアル、またはそれらの組合せを含む、請求項１１に記載のディスプレイ。
13. 各光学モジュールが、１つまたは複数の光学段を備え、各光学段が、少なくとも１つの光学素子を備え、各光学モジュール内の前記光学素子のうちの少なくともいくつかが、異なる光学パワーを有する、請求項１１に記載のディスプレイ。
14. 各光学モジュール中の１つまたは複数の光学段が、切替え可能リターダと、ＰＢＰレンズまたはＰＳＨレンズを含む光学素子とを備え、
    前記切替え可能リターダが、「オフ」状態または「オン」状態にあるように構成可能であり、
    前記「オフ」状態では、前記切替え可能光学リターダが、第１の偏光または第２の偏光の光を、それぞれ、前記第２の偏光の光または前記第１の偏光の光に変換するように構成され、
    前記「オン」状態では、前記切替え可能光学リターダが、入射光を、前記入射光の偏光を変化させることなしに透過し、
    前記ＰＢＰレンズまたは前記ＰＳＨレンズを含む前記光学素子は、前記切替え可能リターダを通して透過された光を受け取るように構成され、切替え可能リターダを通して透過された前記光が前記第１の偏光を有するのか前記第２の偏光を有するのかに依存する光学パワーを有する、
    請求項１２に記載のディスプレイ。
15. 各光学モジュールが、前記対応するゼルニケ多項式に関連付けられた波面調整を入射波面に提供するように構成された、請求項１１に記載のディスプレイ。
16. 前記少なくとも３つの光学モジュールが、それぞれの波面調整の異なる組合せに基づいて可変波面を出力するように構成された、請求項１１に記載のディスプレイ。
17. 前記自由形状光学アセンブリが、ヘッドマウントディスプレイの射出瞳をステアリングするよう構成され、前記自由形状光学アセンブリが、前記ヘッドマウントディスプレイの前記射出瞳の収差を補償するようにさらに構成された、請求項１１に記載のディスプレイ。
18. 前記ディスプレイが、ヘッドマウントディスプレイを含む、請求項１１に記載のディスプレイ。
19. 少なくとも３つの光学モジュールを通して光を透過することであって、各光学モジュールが、複数の偏光感応性光学素子を備え、各光学モジュールが、対応するゼルニケ多項式に関連付けられ、各光学モジュールについて、前記対応する複数の光学素子が、前記対応するゼルニケ多項式に関連付けられた対応する特性を備え、各光学モジュールに関連付けられた前記対応するゼルニケ多項式が異なる、光を透過することと、
    前記少なくとも３つの光学モジュールのうちの１つまたは複数の焦点パワーを、前記少なくとも３つの光学モジュールのうちの前記１つまたは複数中の前記複数の光学素子のうちの１つまたは複数の光学素子のそれぞれの状態を変化させることによって調整することと
    を含む方法。
20. 前記対応する複数の偏光感応性光学素子が、パンチャラトナムベリー位相（ＰＢＰ）レンズ、偏光感応性ホログラム（ＰＳＨ）レンズ、メタマテリアル、またはそれらの組合せを含む、請求項１９に記載の方法。
21. 前記少なくとも３つのモジュールの各々中の１つまたは複数の光学素子が、切替え可能リターダと、ＰＢＰレンズまたはＰＳＨレンズを含む光学素子とを備え、
    前記切替え可能リターダが、「オフ」状態または「オン」状態にあるように構成可能であり、
    前記「オフ」状態では、前記切替え可能光学リターダが、第１の偏光または第２の偏光の光を、それぞれ、前記第２の偏光の光または前記第１の偏光の光に変換するように構成され、
    前記「オン」状態では、前記切替え可能光学リターダが、入射光を、前記入射光の偏光を変化させることなしに透過し、
    前記ＰＢＰレンズまたは前記ＰＳＨレンズを含む前記光学素子は、前記切替え可能リターダを通して透過された光を受け取るように構成され、第１のタイプの前記光学素子を通して透過された前記光が前記第１の偏光を有するのか前記第２の偏光を有するのかに依存する光学パワーを有し、
    それぞれの前記焦点パワーを調整することが、前記切替え可能光学リターダの前記状態を制御することを含む、
    請求項１８に記載の方法。

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