TW202045982A - 餅乾透鏡組件和其光學系統 - Google Patents

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Abstract

提供了光學透鏡組件和光學系統。光學透鏡組件包括：第一光學元件，其包括部分反射器和四分之一波板；以及第二光學元件，其包括反射式偏振器。第一光學元件和第二光學元件形成空腔。餅乾透鏡組件還包括：具有可調式光學倍率的變焦透鏡，且變焦透鏡被設置在空腔之內或之外。

Description

餅乾透鏡組件和其光學系統
本發明涉及餅乾透鏡組件和其光學系統。 ＜相關申請案＞
本申請案主張於2019年5月3日提交的名稱為“ PANCAKE LENS ASSETBLY AND OPTICAL SYSTEM THEREOF”的美國非臨時申請案第16/403,140號的權益，其已轉讓給本受讓人，並且其整體通過引用合併於此。
頭戴式顯示器(HMD)已被廣泛地使用於例如視頻回放、遊戲和運動中。HMD的一項主要應用是實現虛擬實境(VR)、擴增實境(AR)或混合實境(MR)中的至少一種。HMD被高度期望需小型化且重量輕，並且具有高解析度、大視野(FOV)和小外形因子。HMD通常具有顯示器元件，該顯示器元件被配置為產生穿過透鏡系統到達用戶眼睛的影像光。透鏡系統包括多個光學元件，例如透鏡、波板、反射器等，用於將影像光聚焦到用戶眼睛。為了實現小型化尺寸和輕重量但保持良好的光學特性，HMD經常在透鏡系統中使用餅乾透鏡。
此外，當前的VR/AR/MR HMD經常具有所謂的視覺輻輳調節衝突(vergence-accommodation conflict)，其中一對立體影像驅使用戶的人類視覺系統的聚散狀態(vergence state)到任意距離，但是用戶眼睛的調節或聚焦狀態(focusing state)朝向固定距離光學驅動。在長時間的VR/AR/MR使用期間下，視覺輻輳調節衝突會導致眼睛疲勞或頭痛，從而嚴重降低用戶的視覺體驗。所揭示的餅乾透鏡組件及其光學系統旨在解決上述一或多個問題以及其他問題。
本揭示的一態樣提供了一種光學透鏡組件。光學透鏡組件包括：第一光學元件，其包括部分反射器和四分之一波板；以及第二光學元件，其包括反射式偏振器。第一光學元件和第二光學元件形成空腔。餅乾透鏡組件還包括：具有可調式光學倍率的變焦透鏡，且變焦透鏡被設置在空腔之內或之外。
本揭示的另一態樣提供了一種光學透鏡系統。光學透鏡組件包括：光源；第一光學元件，其包括部分反射器和四分之一波板；第二光學元件，其包括反射式偏振器；變焦透鏡，其具有可調式光學倍率；及偵測器。第一光學元件和第二光學元件形成空腔，並且變焦透鏡被設置在空腔之內或之外。第一光學元件、第二光學元件和變焦透鏡被配置以將來自光源的光引導至偵測器。
根據本揭示的說明書、請求項和圖式，本領域的技術人士可以理解本揭示的其他態樣。
在下文中，將參照圖式描述與本揭示一致的實施例，這些圖式僅是出於說明性目的之示例，而不欲限制本揭示的範圍。在圖式中，為了清楚起見，形狀和尺寸可能被放大、變形或簡化。在可能的情況下，將在所有圖式中使用相同的元件符號以指代相同或相似的部件，並且會省略其詳細描述。
此外，在本揭示中，可以在沒有衝突的條件下組合所揭示的實施例和所揭示的實施例的特徵。所描述的實施例是本揭示的一些但不是全部實施例。基於所揭示的實施例，本領域普通技術人員可以得出與本發明一致的其他實施例，所有這些實施例都在本發明的範圍內。
本揭示提供了餅乾透鏡組件，其能夠折疊光路並解決頭戴式顯示器(HMD)中的視覺輻輳調節衝突。餅乾透鏡組件可包括：第一光學元件，其包括部分反射器和四分之一波板；以及第二光學元件，其包括反射式偏振器。第一光學元件和第二光學元件可形成空腔。餅乾透鏡組件可進一步包括具有可調式光學倍率的變焦透鏡。在一些實施例中，變焦透鏡可設置在空腔之內。在一些實施例中，變焦透鏡可設置在空腔之外。變焦透鏡可以使餅乾鏡片組件成為可變餅乾鏡片組件。
圖1示出了根據本揭示的實施例的餅乾透鏡組件100的示意圖。餅乾透鏡組件100可以在光學系統中使用以折疊從光源到偵測器的光路。例如，餅乾透鏡組件100可以用於頭戴式顯示器(HMD)中，以折疊光路，從而減少HMD中的後焦距。如圖1所示，餅乾透鏡組件100可將從電子顯示器110的光190聚焦到位於出射光瞳170的眼動範圍(eye box)。在下文中，由電子顯示器110發射的用於形成影像的光190也稱為“影像光”。當用戶佩戴HMD時，出射光瞳170可以在眼睛180定位於眼動範圍區域中的位置處。
餅乾透鏡組件100可包括第一光學元件120、變焦透鏡130和第二光學元件140。第一光學元件120和第二光學元件140可形成空腔，並且變焦透鏡130可被設置在空腔之內或之外。為了說明性的目的，圖1示出了變焦透鏡130可設置在由第一光學元件120和第二光學元件140形成的空腔之內。在一些實施例中，第一光學元件120、變焦透鏡130和第二光學元件140可以通過黏合劑耦合在一起。第一光學元件120和/或第二光學元件140可包括一或多個光學透鏡。在一些實施例中，第一光學元件120可包括被配置為從電子顯示器110接收影像光的第一表面120-1和被配置為輸出經改變的影像光的相對的第二表面120-2。第一光學元件120可進一步包括反射鏡表面122和波板表面124，反射鏡表面122和波板表面124是接合到或形成在第一光學元件120上的單獨且分離的層或塗覆。在一些實施例中，波板表面124可接合到或形成在第一光學元件120的第二表面120-2上，並且反射鏡表面122可接合到或形成在第一光學元件120的第一表面120-1上。
反射鏡表面122可以包括部分反射器，部分反射器是部分反射的以反射一部分接收到的光。在一些實施例中，反射鏡表面122可以被配置為透射約50％的入射光並反射約50％的入射光。這種反射鏡表面通常稱為50/50反射鏡。在一些實施例中，波板表面124可以包括改變接收到的光的偏振的四分之一波板(QWP)。四分之一波板包括偏振軸，並且QWP的偏振軸可以相對於入射的線偏振光定向，以針對可見光譜和/或紅外光譜將線偏振光轉換為圓偏振光，反之亦然。在一些實施例中，對於消色差設計而言，四分之一波板可包括多層雙折射材料(例如，聚合物或液晶)，以在寬光譜範圍內產生四分之一波長的雙折射。在一些實施例中，對於簡單的單色設計而言，四分之一波板的偏振軸(即，快軸)與入射的線偏振光之間的角度大約是45度。
第二光學元件140可具有面向變焦透鏡130的第一表面140-1和相對的第二表面140-2。第二光學元件140可包括反射式偏振器表面142，反射式偏振器表面142是接合到或形成在第二光學元件140上的單獨且分離的層或塗覆。在一些實施例中，反射式偏振器表面142可以接合到或形成在第二光學元件140的第一表面140-1上。反射式偏振器表面142可包括部分反射鏡，所述部分反射鏡被配置為反射第一線性偏振的接收光並透射第二線性偏振的接收光。例如，反射式偏振器表面142可反射在阻擋方向(例如，x軸方向)上偏振的光，並且透射在正交方向(例如，y軸方向)上偏振的光。在所揭示的實施例中，阻擋方向指反射式偏振器表面142的阻擋軸的方向或阻擋軸方向，並且垂直方向指反射式偏振器表面142的透射軸的方向或透射軸方向。
變焦透鏡130可以具有可變的焦距，例如可調式光學倍率。變焦透鏡130可包括任何合適的透鏡，例如玻璃透鏡、聚合物透鏡、液體透鏡、液晶(LC)透鏡或其一些組合。變焦透鏡130可以調節從電子顯示器110發射的光的指向，使得從電子顯示器110發射的光出現在距用戶的特定焦距/像平面處。在一些實施例中，變焦透鏡130可包括LC透鏡130，其能夠足夠快地調節光學倍率以與眼睛調節(eye accommodation)(例如，在約300ms內發生調節)保持同步，從而在HMD中的視覺輻輳調節衝突可以解決。
圖1中所示的餅乾透鏡組件100僅是出於說明性目的。在一些實施例中，第一光學元件120的第一表面120-1和第二表面120-2以及第二光學元件140的第一表面140-1和第二表面140-2中的一或多個可以是彎曲的表面。在一些實施例中，與本揭示一致的餅乾透鏡組件100可具有一個光學元件或多於兩個光學元件。在一些實施例中，餅乾透鏡組件100可以進一步包括佈置在電子顯示器110和眼睛180之間的其他光學元件，例如線偏振器、四分之一波板，其不受本揭示的限制。
在一些實施例中，LC透鏡130可具有菲涅耳結構，即菲涅耳LC透鏡。菲涅耳LC透鏡可以包括任何適當類型的菲涅耳結構，例如：包括與相鄰區域具有半波相位差的區域的菲涅耳波帶片透鏡(Fresnel zone plate lens)；具有分段拋物線相位分佈的繞射式菲涅耳透鏡，其中分段是較小的並可能致使明顯的繞射；或具有分段拋物線分佈的折射式菲涅耳透鏡，其中分段足夠大以使繞射效應最小化。也可以使用其他結構。在一些實施例中，變焦透鏡130可包括具有分段拋物線分佈的折射菲涅耳LC透鏡，其中分段足夠大以使得繞射角小於人眼的角解析度，亦即不能通過人眼觀察到繞射效應。這種折射式菲涅耳LC透鏡被稱為分段相位分佈(SPP)LC透鏡。
圖2示出了根據本揭示的實施例的SPP LC透鏡200的示意圖。如圖2所示，SPP LC透鏡200的菲涅耳結構由半徑遞增的多個同心環形區域202所表示，其被稱為菲涅耳分段或菲涅耳重置。對正薄透鏡而言，光程差(OPD)是以麥克勞林級數近似為拋物線分佈，如公式(1)所示
Figure 02_image001
，                                                                        （1） 其中r是透鏡半徑(亦即，透鏡孔徑的一半)，且f是焦距。LC透鏡的OPD與槽的厚度d和LC材料的雙折射率Δn成正比，如公式（2）所示
Figure 02_image003
，                                                                        （2） 電控雙折射(ECB)LC槽的響應時間τ(這是材料需要恢復到其原始狀態的時間)是取決於槽的厚度d的二次方(
Figure 02_image005
)，如公式（3）所示
Figure 02_image007
，                                                                              （3） 其中γ和K11 分別是LC材料的旋轉黏著度和擴張彈性係數。公式(1)-(3)表明，孔徑大小和響應時間之間是具有取捨關係的，因此設計具有大孔徑和合理響應時間的LC透鏡是一項困難的任務。在所揭示的實施例中，儘管引入了具有拋物線相位分佈的相位重置，例如使用SPP LC透鏡，但是可允許LC透鏡有大孔徑尺寸而不損害響應時間。
圖3A示出了不包括任何相位重置的±0.375屈光度(D)之LC透鏡的期望相位分佈，其中OPD等於35λ。對於雙折射率Δn為0.27的LC材料，LC透鏡的孔徑為20 mm，且LC槽的厚度為約70 μm。為了減少LC槽的有效厚度，可以將多個重置或多個分段引入透鏡相位分佈。圖3B示出了包括5個重置的SPP LC透鏡200的2D相位圖，其中LC槽的厚度將減少多達5倍，並且相應地，響應時間將改善25倍。也就是說，通過在透鏡相位分佈中引入分段，可以將SPP LC透鏡200的光學倍率調整得足夠快以與眼睛適應(例如，在約300 ms內發生適應)保持同步，使得視覺輻輳調節衝突可以解決。
可以基於菲涅耳結構的特定配置和SPP LC透鏡200的需求，例如LC透鏡的期望光學倍率、透鏡孔徑、切換時間和影像品質，來決定重置的數量。為了精確表示相位分佈，可能需要在一個波長的OPD (即每個波長)內有大量的相位步階。同時，為了將SPP LC透鏡配置為具有可忽略的繞射角以用於近眼應用，對波長為543.5 nm的綠色光而言，SPP LC透鏡200的菲涅耳分段的最小寬度（亦即，最小菲涅耳分段寬度）期望大於約1 mm。
圖4A示出了根據本揭示的實施例的SPP LC透鏡400的示意圖。SPP LC透鏡400可以是圖2中的SPP LC透鏡200。如圖4A所示，SPP LC透鏡400可包括多個第一電極412、一或多個第二電極410、液晶(LC)層414和基板416。基板416可在可見光波段(約380 nm至750 nm)中是實質上透明的。在某些實施例中，基板416在紅外光(IR)波段(約750 nm至1 mm)中的一些或全部中也可以是透明的。基板層可以由例如SiO2 、塑料、藍寶石等所組成。第一電極412和第二電極410可以是設置在基板416上以產生電場的透明電極(例如，銦錫氧化物電極)，其使LC層414中的LC分子重新取向以形成具有期望相位分佈的透鏡。
在一些實施例中，第一電極412可以包括與SPP LC透鏡400中的菲涅耳結構相對應的離散的環形電極，並且環形電極可以是同心而具有相同的面積。在具有該電極幾何形狀的情況下，當相鄰的第一電極412之間的相位差相同時，可以獲得拋物線狀的相位分佈。如果相位與所施加的電壓成比例，則橫跨第一電極412的電壓的線性變化(任何兩個第一電極412之間的電壓差相同)可以產生期望的拋物線相位分佈。
在一些實施例中，第一電極412之間的間隙會引起散射並因此導致影像劣化。為了解決影像劣化，可以引入多個浮置電極。圖4B示出了根據本揭示的實施例的具有浮置電極的SPP LC透鏡450的示意圖。如圖4B所示，可以在具有第一電極412的基板416上設置多個浮置電極418。浮置電極418可包括離散和同心的環形電極，其不由歐姆連接所驅動，而是電容性地耦合至第一電極412。浮置電極418可被配置為覆蓋每個相鄰的第一電極412的一半面積。絕緣層420可設置在浮置電極418和第一電極412之間以實現電絕緣。
為了進一步改善SPP LC透鏡的響應時間，在一些實施例中，可以將多個SPP LC透鏡(例如，多個透鏡層)光學耦合以形成由SPP LC透鏡組成的堆疊(亦即，SPP LC透鏡堆疊)，從而在給定相同的可調控的光學倍率範圍的情況下，可以減少每個SPP LC透鏡的厚度，因此可以減少每個SPP LC透鏡的響應。圖5示出了根據本揭示的實施例的SPP LC透鏡500的示意圖。為了說明性的目的，圖5示出了一對SPP LC透鏡可以被光學耦合以形成SPP LC透鏡堆疊500。假設每個SPP LC透鏡在相位分佈中皆有5個重置，考慮到該對透鏡和菲涅耳重置的影響，則LC槽的厚度最多可以減少10倍(5個重置×2)，因此響應速度可以改善100倍。此外，兩個SPP LC透鏡可以在兩個SPP LC透鏡的相應LC表面上具有相反的對準方向(例如，摩擦方向)，以改善視角。也就是說，為了改善視角，可以將兩個具有相同構造但是相反的摩擦方向的SPP LC透鏡光學耦合。
此外，偏振不敏感度對用於AR應用的HMD也非常重要。大多數LC材料是雙折射性的，因此對偏振敏感。當沿平行於LC指向的方向傳播的光入射到LC槽上時，對於任何偏振態而言，該光將經歷LC材料的尋常折射率n0 。然而，當沿垂直於LC指向的方向傳播的光入射到LC槽上時，該光將經歷介於LC材料的尋常折射率n0 和非尋常折射率ne 之間的折射率，其取決於光的偏振態。
如Clarke等人在電致動透鏡(Electro-active lens)的美國公告第7728949B2號中所討論的，膽固醇LC材料可製成對偏振不敏感。在這種情況下，膽固醇LC的節距可製成在入射光的波長範圍內，因此當沒有電壓施加到LC槽時，光在任何光的偏振態下將經歷平均折射率
Figure 02_image009
。對於向列型LC，SPP LC透鏡可以配置為通過將正交偏振的槽光學耦合以使偏振不敏感，其中每個槽可以聚焦光的一個偏振狀態，例如一個槽聚焦s偏振，另一個槽聚焦p偏振。
圖6A示出了根據本揭示的實施例的不具有菲涅耳重置偏移的SPP LC透鏡堆疊600的示意圖。如圖6A所示，SPP LC透鏡堆疊600可包括沿z方向堆疊的多個SPP LC透鏡或SPP LC透鏡層610。每個SPP LC透鏡610可以具有菲涅耳結構，菲涅耳結構包括多個半徑遞增的同心環形區域。每個SPP LC透鏡610可以具有相同配置的同心環形區域或菲涅耳重置，例如，在SPP LC透鏡610中的相應環形區域的半徑可以相同。為了說明性的目的，圖6A示出了SPP LC透鏡堆疊600可以包括八個SPP LC透鏡610，且每個SPP LC透鏡610可以包括半徑遞增的三個同心環形區域：第一區域610-1、第二區域610-2和第三區域610-3。八個SPP LC透鏡610的第一區域610-1可以具有相同的半徑，八個SPP LC透鏡610的第二區域610-2可以具有相同的半徑，並且八個SPP LC透鏡的第三區域610-3透鏡610可以具有相同的半徑。
這樣的SPP LC透鏡堆疊600的問題在於，來自物體中的不同離軸點的主要射線(通過孔徑光闌的中心而來自物體中的離軸點的射線)在透射通過SPP LC透鏡堆疊600之後由於不匹配的菲涅耳重置會經歷不同的相位。例如，如圖6A所示，主要射線601可以傳播通過八個第二區域610-2、主要射線603可以傳播通過七個第二區域610-2和一個第一區域610-1、主要射線605可以傳播通過六個第二區域610-2和兩個第一區域610-1，依此類推，主要射線613可以傳播通過八個第一區域610-1。也就是說，主要射線601、603、605、607、609、611和613在透射通過SPP LC透鏡堆疊600之後由於不匹配的菲涅耳重置各自會經歷不同的相位。結果，當用不匹配的菲涅耳重置裁切光瞳時，每個滑道(slide)會有不同的相位。
據此，在所揭示的實施例中，SPP LC透鏡堆疊可被配置為具有菲涅耳重置偏移。圖6B示出了根據本揭示的實施例的具有菲涅耳重置偏移的SPP LC透鏡堆疊650的示意圖。為了說明性的目的，圖6B示出了SPP LC透鏡堆疊650可以包括八個SPP LC透鏡660，且每個SPP LC透鏡660可以包括半徑遞增的三個同心環形區域或菲涅耳重置：第一區域660-1、第二區域660-2和第三區域660-3。菲涅耳重置可以通過跟隨主要射線從標稱適眼距(nominal eye relief)偏移，以使得裁切的次數可以減少。例如，如圖6B所示，八個SPP LC透鏡660中的第一區域660-1可以通過跟隨主要射線607從標稱適眼距偏移，且八個SPP LC透鏡660中的第二區域660-2可以通過跟隨主光要射線601從標稱適眼距偏移。因此，主要射線601、603和605可以經歷相同的相位，並且主要射線607、609、611和613會經歷相同的相位。因此，可以減少光瞳中的裁切數量。例如，光瞳仍然可以在視場邊緣被裁切成1 mm的滑道。
圖7示出了根據本揭示的實施例的餅乾透鏡組件100中的光傳播700的示意圖。變焦透鏡130可以是所揭示的SPP LC透鏡或SPP LC透鏡堆疊中的任何一個。在圖7中，s表示s偏振光，p表示p偏振光，R表示右旋圓偏振光，且L表示左旋圓偏振光。在一個實施例中，如圖7所示，從電子顯示器110發射的光171可以是左旋圓偏振光(L)，並透射到反射鏡表面122。在左旋圓偏振光(L)171到達反射鏡表面122之後，光171的第一部分可以被反射鏡表面122反射，並且光171的第二部分可以被反射鏡表面122透射，變成往波板表面124傳播的左旋圓偏振光(L)172。波板表面124可以是四分之一波板，其將左旋圓偏振光(L)172轉換為s偏振光173，s偏振光173入射到LC透鏡130上，然後作為s偏振光174透射。
反射式偏振器表面142可反射在阻擋方向(例如，x軸方向)上偏振的光，並且透射在垂直方向(例如，y軸方向)上偏振的光。也就是說，反射式偏振器表面142可以透射p偏振光並反射s偏振光。因此，從LC透鏡130在正z方向上行進的s偏振光174可以被反射式偏振器表面142反射為在負z方向上傳播的s偏振光175。反射的s偏振光175可以第二次透射通過LC透鏡130成為s偏振光176，其第二次透射通過波板表面124並且被轉換為在負z方向上行進的左旋圓偏振光(L)177。沿負z方向行進的左旋圓偏振光(L)177可以被反射鏡表面122反射為右旋圓偏振光(R)178，然後透射通過波板表面124並轉換成為p偏振光179。p偏振光179可以第三次透射穿過LC透鏡130成為p偏振光180，其透射穿過反射式偏振器表面142成為p偏振光181。p偏振光181可以透射通過第二光學元件的第二表面140-2以入射到用戶眼睛中。
通過藉由偏振控制將來自電子顯示器110的光配置為透射通過LC透鏡130三次，藉由LC透鏡130被添加到餅乾透鏡組件100的光學倍率可以至少增加三倍。例如，假設第一光學元件120、第二光學元件140和LC透鏡130分別具有D1、D2和D3的光學倍率，則LC透鏡130可以添加至少三倍D3的光學倍率至餅乾鏡片組件100。也就是說，餅乾透鏡組件100的總光學倍率可以至少等於(D1+D2+3×D3)。
為了說明性的目的，圖7示出了從電子顯示器110發射的光171為左旋圓偏振光(L)。在一些實施例中，從電子顯示器110發射的光可以是右旋圓偏振光(R)。在一些實施例中，從電子顯示器110發射的光可以是線偏振光，並且四分之一波板可以佈置在電子顯示器110和反射鏡表面122之間，或者接合或形成在反射鏡表面122上以將線偏振光轉換為圓偏振光。在一些實施例中，從電子顯示器110發射的光可以是非偏振光，並且線偏振器和四分之一波板可以佈置在電子顯示器110和反射鏡表面122之間，或者接合或形成在反射鏡表面122。線偏振器可以將來自電子顯示器110的非偏振光轉換為線偏振光，並且四分之一波板可以相對於線偏振器定向，以將從線偏振器接收的線偏振光轉換為圓偏振光。
在一些實施例中，變焦透鏡130(例如，SPP LC透鏡130)可設置在由第一光學元件和第二光學元件形成的空腔之外。圖8示出了根據本揭示的實施例的餅乾透鏡組件800的示意圖。圖8和圖1之間的相似性未被加以解釋，而是僅解釋特定的不同處。如圖8所示，SPP LC透鏡130可設置在由第一光學元件120和第二光學元件140形成的空腔之外。在一些實施例中，SPP LC透鏡130可以設置在第一光學元件120和電子顯示器110之間，亦即以光學串聯的方式設置在第一光學元件120之前。
光學串聯是指相對定位多個光學元件，以使得對於多個光學元件中的每個光學元件而言，光在被多個光學元件中的另一個光學元件透射之前被該光學元件透射。此外，光學元件的排序無關緊要。例如，放置在光學元件B之前的光學元件A或放置在光學元件A之前的光學元件B兩者都是光學串聯的。與電路設計類似，光學串聯表示當以串聯的方式放置時光學元件的光學特性會有所混合。
餅乾透鏡組件800還可包括四分之一波板135，四分之一波板135設置在SPP LC透鏡130和第一光學元件120之間，並配置為接收來自SPP LC透鏡130的線偏振光。四分之一波板135的偏振軸可以相對於從SPP LC透鏡130接收的線偏振光的偏振方向定位，以將線偏振光轉換成圓偏振光以入射到第一光學元件120上。
在一些實施例中，當從電子顯示器110發射的光190是圓偏振光時，可以在SPP LC透鏡130和電子顯示器110之間設置四分之一波板，以將圓偏振光轉換為線偏振光，線偏振光入射到SPP LC透鏡130上。在一些實施例中，SPP LC透鏡130(例如，SPP LC透鏡130的對準方向)可以相對於線偏振的入射光的偏振方向定向以向餅乾透鏡組件800提供可調式光學倍率，從而實現變焦餅乾透鏡組件。在一些實施例中，當從電子顯示器110發射的光190是線偏振光時，SPP LC透鏡130(例如，SPP LC透鏡130的對準方向)可以相對於線偏振光的偏振方向定向以向餅乾透鏡組件800提供可調式光學倍率。在一些實施例中，當從電子顯示器110發射的光190是非偏振光時，可以在SPP LC透鏡130和電子顯示器110之間設置線偏振器，以將非偏振光轉換為線偏振光。
為了說明性的目的，圖8示出了SPP LC透鏡130設置在由第一光學元件120和第二光學元件140形成的空腔之外，並且設置在空腔的面對電子顯示器110的一側。在另一實施例中，SPP LC透鏡130可以設置在空腔的背對電子顯示器110的一側。例如，SPP LC透鏡130可以設置在第二光學元件140和眼睛180之間，以從第二光學元件140接收線偏振光。也就是說，SPP LC透鏡130可以光學串聯的方式被設置在第二光學元件140之後。在一些實施例中，SPP LC透鏡130(例如，SPP LC透鏡130的對準方向)可以相對於線偏振光的偏振方向定向以向餅乾透鏡組件800提供可調式光學倍率。
在一些實施例中，變焦透鏡130可包括幾何相位(Pancharatnam Berry Phase，PBP)LC透鏡堆疊。圖9A示出了根據本揭示的實施例的餅乾透鏡組件900的示意圖。圖9A和圖1之間的相似性未被加以解釋，而是僅解釋特定的不同處。如圖9A所示，變焦透鏡130可包括幾何相位(PBP)LC透鏡堆疊150，其被設置在由第一光學元件120和第二光學元件140形成的空腔之外。PBP LC透鏡堆疊150可以設置在空腔的面對電子顯示器110的一側，例如，在第一光學元件120和電子顯示器110之間。也就是說，PBP LC透鏡堆疊150可以光學串聯的方式被設置在第一光學元件120之前。PBP LC透鏡堆疊150可以提供多個離散的聚焦狀態(或光學狀態)。
圖10示出了根據本揭示的實施例的幾何相位(PBP)LC透鏡堆疊1000的示意圖。如圖10所示，PBP LC透鏡堆疊1000可包括多個PBP LC透鏡和多個可切換半波板(SHWP)。PBP LC透鏡和SHWP可以交替佈置。為了說明性的目的，圖10示出了PBP LC透鏡堆疊1000可包括交替佈置的SHWP 1010、1030、1050和PBP LC透鏡1020、1040、1060。SHWP 1010、1030、1050可以是根據SHWP的切換狀態使特定旋向性的偏振光透射的半波板。PBP LC透鏡1020、1040、1060可以根據入射在PBP LC透鏡1020、1040、1060上的圓偏振光的旋向性來提供光學倍率。
圖11示出了根據本揭示的實施例的PBP LC透鏡1100的示意圖。如圖11所示，PBP LC透鏡1100可以經由液晶(LC)分子的平面內的指向(θ，方位角)產生透鏡分佈。PBP LC透鏡1100的相位差可被計算為T=2θ。圖12A示出了圖11中示出的PBP LC透鏡1100中的LC指向1200。如圖12A所示，在PBP LC透鏡1100中，LC分子1212的方位角(θ)可以依據變化的節距Ʌ從PBP LC透鏡1100的中心12114連續變化到邊緣1216。節距是以LC的方位角從初始狀態旋轉180°來定義。圖12B示出了圖11中示出的PBP LC透鏡1100中沿著y軸截取的LC指向1250的截面。如圖12B所示，節距變化的速率可以是距透鏡中心1214的距離的函數。節距變化的速率可隨著距透鏡中心的距離的增加而增加。例如，在透鏡中心1214的節距(Ʌ0 )可以是最慢的，並且在邊緣1216的節距(Ʌr )可以是最快的，即，Ʌ0 ＞ Ʌ1 ＞ ... ＞ Ʌr 。
返回圖11，在xy平面上，為了獲得具有透鏡半徑(r )和透鏡倍率(+/–f )的PBP LC透鏡，方位角θ可以滿足：
Figure 02_image011
，                                                                                 （2） 其中λ是入射光的波長。PBP LC透鏡1100可以是主動的(也稱為主動元件)或被動的(也稱為被動元件)。主動PBP LC透鏡可具有三個離散的聚焦狀態(也稱為光學狀態)。這三個光學狀態是加法性狀態、中性狀態和減法性狀態。特定而言，加法性狀態可以向系統增加光學倍率(即，具有正聚焦的“f”)，而減法性狀態可以從系統中減去光學倍率(即，具有負聚焦的“-f”)。當不在中性狀態時，除了使入射光聚焦/散焦之外，主動PBP LC透鏡可以使通過主動PBP LC透鏡的圓偏振光的旋向性反轉。當在中性狀態時，主動PBP LC透鏡可以不影響系統的光學倍率，但可以或可以不影響透射通過主動PBP LC透鏡的光的偏振。
主動PBP LC透鏡的狀態可以由入射在主動PBP LC透鏡上的光的偏振的旋向性和施加的電壓決定。在一些實施例中，如圖11所示，主動PBP LC透鏡可以在加法性狀態下操作，該加法性狀態響應於具有右旋圓偏振的入射光和零施加的電壓(或更一般而言低於某個最小值)而向系統增加光學倍率；主動PBP LC透鏡可以在減法性狀態下操作，該減法性狀態響應於具有左旋圓偏振的入射光和零施加的電壓(或更一般而言低於某個最小值)而從系統移除光學倍率；以及主動PBP LC透鏡可以在中性狀態下操作(不論偏振如何)，該中性狀態響應於大於使LC對齊電場的閾值電壓的施加的電壓而不影響系統的光學倍率。
相對而言，被動PBP LC透鏡可具有兩個光學狀態：加法性狀態和減法性狀態。被動PBP LC透鏡的狀態可以由入射在被動PBP LC透鏡上的圓偏振光的旋向性決定。在一些實施例中，參照圖11，被動PBP LC透鏡可以在加法性狀態下操作，該加法性狀態響應於具有右旋圓偏振的入射光而向系統增加光學倍率；以及被動PBP LC透鏡可以在減法性狀態下操作，該減法性狀態響應於具有左旋圓偏振的入射光而從系統移除光學倍率。被動PBP LC透鏡可輸出具有與輸入到被動PBP LC透鏡的光的旋向性相反的旋向性的光。
返回圖10，PBP LC透鏡堆疊1000可以根據SHWP的切換狀態來控制入射到PBP LC透鏡上的圓偏振光的旋向性。SHWP的切換狀態可為主動的或非主動的。當處於主動狀態時，SHWP可以使偏振光的旋向性反轉，而處於非主動狀態時，SHWP可使圓偏振光透射而不影響旋向性。如上面所述，在一些實施例中，PBP LC透鏡在接收右旋圓偏振(RCP)光時以加法性狀態作用，而相對地如果在接收左旋圓偏振(LCP)光時以減法性狀態作用。因此，以光學串聯的方式放置在PBP LC透鏡之前的SHWP可以能夠通過控制入射到PBP LC透鏡上的圓偏振光的旋向性來控制PBP LC透鏡是處於加法性還是減法性狀態。
如圖10所示，輸入光1005可以是左旋圓偏振(LCP)光或右旋圓偏振(RCP)光。SHWP 1010、1030、1050的狀態可決定從SHWP 1010、1030、1050輸出的光的旋向性。當不在中性狀態時，除了使入射光聚焦/散焦之外，主動PBP LC透鏡可以使圓偏振光的旋向性反轉。因此，當輸入光1005是左旋圓偏振(LCP)光並且SHWP 1010處於主動狀態時，PBP LC透鏡1020可以接收右旋圓偏振(RCP)光並輸出增加的光學倍率R的左旋圓偏振(LCP)光。當輸入光1005是右旋圓偏振(RCP)光並且SHWP 1010處於主動狀態時，PBP LC透鏡1020可以接收左旋圓偏振(LCP)光並輸出降低的光學倍率-R的右旋圓偏振(RCP)光。當處於非主動狀態時，SHWP 1010可以使輸入光1005透射而不會影響旋向性。SHWP 1030、1050和PBP LC透鏡1040、1060的操作原理可參考SHWP 1010和PBP LC透鏡1020的操作原理，在此不再贅述。圖10所示的PBP LC透鏡堆疊的設計僅出於說明性的目的，並且可以根據各種應用場景使用其他PBP LC透鏡堆疊的設計。
參考圖10和圖9A，用於VR、AR或MR應用的HMD的設計規格通常需要大範圍的光學倍率，以適應人眼的視覺輻輳調節衝突(例如，約±2屈光度或更高)、快速切換速度(約300 ms)和高品質的影像。PBP LC透鏡能夠使用具有相對較高折射率的LC材料來滿足這些設計規格。PBP LC透鏡堆疊150可以提供從兩個聚焦平面到多於兩個聚焦平面的任何數量的聚焦平面。此外，通過增加PBP LC透鏡堆疊150中的PBP LC透鏡和SHWP的數量，可以增加焦平面的數量，並且可以減少焦距間隔(亦即，PBP LC透鏡堆疊的解析度步階)，從而僅通過PBP LC透鏡堆疊150提供連續的變焦光學倍率。換句話說，可以實現變焦餅乾透鏡組件。此外，PBP LC透鏡堆疊150的響應時間會受到SHWP的響應的限制，SHWP的響應使用鐵電SHWP時會小於1 ms。使用扭曲向列型(TN)SHWP時，SHWP的最大響應時間可小於15 ms。
在一些實施例中，PBP LC透鏡堆疊150可以設置在空腔的背對電子顯示器110的一側。圖9B示出了根據本揭示的實施例的餅乾透鏡組件950的示意圖。圖9B和圖1之間的相似性未被加以解釋，而是僅解釋特定的不同處。如圖9B所示，PBP LC透鏡堆疊150可以設置在第二光學元件140和眼睛180之間。也就是說，PBP LC透鏡堆疊150可以光學串聯的方式被設置在第二光學元件140之後。
第二光學元件140可進一步包括除了反射式偏振器表面142的波板表面144，波板表面144是接合到或形成在第二光學元件140上的單獨的層或塗層。在一些實施例中，波板表面144可接合到或形成在第二光學元件140的第二表面140-2上，並且反射式偏振器表面142可接合到或形成在第二光學元件140的第一表面140-1上。在一些實施例中，波板表面144可包括與第一光學元件120的波板表面124相似的四分之一波板(QWP)。波板表面144可以將從反射式偏振器表面142接收的線偏振光轉換為圓偏振光，圓偏振光入射到PBP LC透鏡堆疊150上。
在一些實施例中，餅乾透鏡組件可包括LC透鏡(例如，SPP LC透鏡)和PBP LC透鏡堆疊。PBP LC透鏡堆疊可以在第一步階解析度下提供多個離散的聚焦狀態，並且SPP LC透鏡可以在第二步階解析度下提供視覺上連續可變的聚焦狀態(即，連續範圍的光學倍率調節)。第一步解析度可以被配置為小於第二步解析度，使得當PBP LC透鏡堆疊在兩個離散光學狀態之間切換時，LC透鏡可以提供在兩個離散光學狀態之間的連續調節的光學倍率。PBP LC透鏡堆疊和變焦透鏡可共同為系統(例如，HMD)提供連續調節的光學倍率。
圖13示出了根據本揭示的實施例的具有混合式透鏡的餅乾透鏡組件1300的示意圖。圖13和圖1之間的相似性未被加以解釋，而是僅解釋特定的不同處。如圖13所示，第二光學元件140可進一步包括除了反射式偏振器表面142的波板表面144，波板表面144是接合到或形成在第二光學元件140上的單獨的層或塗層。在一些實施例中，波板表面144可接合到或形成在第二光學元件140的第二表面140-2上，並且反射式偏振器表面142可接合到或形成在第二光學元件140的第一表面140-1上。在一些實施例中，波板表面144可包括與第一光學元件120的波板表面124相似的四分之一波板(QWP)。SPP LC透鏡130可以佈置在第一光學元件120和第二光學元件140之間，且PBP LC透鏡堆疊150可以佈置在第二光學元件140和眼睛180之間。
在一些實施例中，PBP LC透鏡堆疊150可以設置在第一光學元件120和電子顯示器110之間。PBP LC透鏡堆疊150可被配置以在相對較大的步階解析度下提供多個離散的聚焦狀態。SPP LC透鏡130可以配置為具有等於或大於PBP LC透鏡堆疊150的步階解析度的連續調節範圍的光學倍率。在此處，SPP LC透鏡130的連續調節範圍的光學倍率是指從SPP LC透鏡130的最小光學倍率到最大光學倍率的範圍。此外，SPP LC透鏡130可以被配置為當在PBP LC透鏡堆疊150的離散聚焦狀態之間切換時以相對較小的步階解析度提供連續調節範圍的光學倍率。例如，由於SPP LC透鏡130的步階解析度通常太小而不能被人眼察覺，因此SPP LC透鏡130的步階解析度可能小於PBP LC透鏡堆疊的第二步階解析度的1/10，PBP LC透鏡堆疊150和SPP LC透鏡130可共同為系統提供連續可變的聚焦狀態(即，連續調節範圍的光學倍率)。因此，當在PBP LC透鏡堆疊150的離散聚焦狀態之間切換時，可以抑制由PBP LC透鏡堆疊150的大步階解析度引起的影像失真，並且人眼可以感知到在不同聚焦狀態之間的較平滑轉變。PBP透鏡組件800的連續調節範圍的光學倍率可以由PBP LC透鏡堆疊150的光學倍率決定，例如，從PBP LC透鏡堆疊150的最大光學倍率到最小光學倍率的範圍。
圖14示出了圖13中的餅乾透鏡組件1300中的光傳播1400的示意圖。圖14和圖7之間的相似性未被加以解釋，而是僅解釋特定的不同處。如圖14所示，當波板表面144是四分之一波板時，p偏振181可以在透射通過波板表面144之後轉換為右旋圓偏振光(R)182。右旋圓偏振光(R)182可以入射在PBP LC透鏡堆疊150上。通過控制PBP LC透鏡堆疊150中的SWHP的切換狀態，餅乾透鏡組件800可以向系統提供連續調節的光學倍率。
在一些實施例中，PBP LC透鏡堆疊和SPP LC透鏡可以設置在空腔之外並且設置在空腔的不同側。圖15A示出了根據本揭示的實施例的餅乾透鏡組件1500的示意圖。圖13和圖8之間的相似性未被加以解釋，而是僅解釋特定的不同處。如圖15A所示，在餅乾透鏡組件1500中，SPP LC透鏡130可以設置在第一光學元件120和電子顯示器110之間，並且四分之一波板135可以設置在第一光學元件120和SPP LC透鏡130之間。第二光學元件140可以進一步包括反射式偏振器表面144，並且PBP LC透鏡堆疊150可以設置在第二光學元件140和眼睛180之間。詳細的細節可以參考圖8和圖9b的描述，這裡不再贅述。
圖15B示出了根據本揭示的實施例的餅乾透鏡組件1550的示意圖。圖15B和圖9A之間的相似性未被加以解釋，而是僅解釋特定的不同處。如圖15B所示，在餅乾透鏡組件1550中，PBP LC透鏡堆疊150可以設置在第一光學元件120和電子顯示器110之間，且SPP LC透鏡130可以設置在第二光學元件140和眼睛180之間。
在一些實施例中，SPP LC透鏡130和PBP LC透鏡堆疊150可以設置在空腔之外並且設置在空腔的相同側。圖16A示出了根據本揭示的實施例的餅乾透鏡組件1600的示意圖。圖16A和圖9B之間的相似性未被加以解釋，而是僅解釋特定的不同處。如圖16A所示，在餅乾透鏡組件1600中，SPP LC透鏡130和PBP LC透鏡堆疊150可以設置在第二光學元件140和眼睛180之間。SPP LC透鏡130可設置在PBP LC透鏡堆疊150和眼睛180之間。此外，四分之一波板145可以設置在PBP LC透鏡堆疊150和SPP LC透鏡130之間，以將從PBP LC透鏡堆疊150接收的圓偏振光轉換為線偏振光，線偏振光入射到SPP LC透鏡130。在一些實施例中，SPP LC透鏡130(例如，SPP LC透鏡130的對準方向)可以相對於線偏振的入射光的偏振方向定向以提供可調式光學倍率。
圖16B示出了根據本揭示的實施例的餅乾透鏡組件1650的示意圖。圖16B和圖16A之間的相似性未被加以解釋，而是僅解釋特定的不同處。如圖16B所示，在餅乾透鏡組件1650中，SPP LC透鏡130和PBP LC透鏡堆疊150可以設置在第二光學元件140和眼睛180之間，且PBP LC透鏡堆疊150可以設置在SPP LC透鏡130和眼睛180之間。四分之一波板145可以設置在PBP LC透鏡堆疊150和SPP LC透鏡130之間，且四分之一波板145的偏振軸可以相對於從SPP LC透鏡130接收的線偏振光的偏振方向定向，以將線偏振光轉換為圓偏振光，圓偏振光入射到PBP LC透鏡堆疊150上。
圖17A示出了根據本揭示的實施例的餅乾透鏡組件1700的示意圖。圖17A和圖8之間的相似性未被加以解釋，而是僅解釋特定的不同處。如圖17A所示，在餅乾透鏡組件1700中，SPP LC透鏡130和PBP LC透鏡堆疊150可以設置在第一光學元件120和電子顯示器110之間，且PBP LC透鏡堆疊150可以設置在第一光學元件120和SPP LC透鏡130之間。此外，四分之一波板155可設置在SPP LC透鏡130和PBP LC透鏡堆疊150之間。四分之一波板155可以將從PBP LC透鏡堆疊150接收的圓偏振光轉換為線偏振光，線偏振光入射到SPP LC透鏡130上。
圖17B示出了根據本揭示的實施例的餅乾透鏡組件1750的示意圖。圖17B和圖8之間的相似性未被加以解釋，而是僅解釋特定的不同處。如圖17B所示，在餅乾透鏡組件1750中，PBP LC透鏡堆疊150可以設置在第一光學元件120和SPP LC透鏡130之間，且四分之一波板135可以設置在SPP LC透鏡130和PBP LC透鏡堆疊150之間。假設從電子顯示器110發射的光190是圓偏振光時，可以在SPP LC透鏡130和電子顯示器110之間設置四分之一波板165，以將圓偏振光轉換成線偏振光，線偏振光入射到SPP LC透鏡130上。設置在PBP LC透鏡堆疊150和SPP LC透鏡130之間的四分之一波板135可以將從SPP LC透鏡130接收的線偏振光轉換為圓偏振光，圓偏振光入射到PBP LC透鏡堆疊150上。
圖18示出了根據本揭示的實施例的系統環境1800的方塊圖。如圖18所示，系統環境1800可以包括HMD 1805、控制台1810、成像裝置1835和輸入/輸出介面1840。HMD 1805、成像裝置1835和輸入/輸出介面1840可以耦合到控制台1810。雖然圖18示出了包括一個HMD 1805、一個成像裝置1835和一個輸入介面1840的示例系統1800，但是在一些其他實施例中，系統環境1800可以包括任何數量的這些構件。例如，系統環境1800可以包括多個HMD 1805，每個HMD具有相關聯的輸入介面1840並且被一或多個成像裝置1835監測，並且每個HMD 1805、輸入介面1840和成像裝置1835可以與控制台1810通信。在一些實施例中，不同和/或附加的構件可以被包括在系統環境1800中。系統環境1800可以在VR系統環境、AR系統環境、MR系統環境或其一些組合中操作。
HMD 1805可以是將媒體呈現給用戶的頭戴式顯示器。由HMD呈現的媒體的示例包括一或多個影像、視頻、音頻或其一些組合。在一些實施例中，可以經由外部裝置(例如，揚聲器和/或耳機)呈現音頻，該外部設備從HMD 1805、控制台1810或兩者接收音頻信息，並基於音頻信息呈現音頻數據。HMD 1805的示例會在下面結合圖19A和圖19B進一步描述。
HMD 1805可以包括一或多個剛性體，其可以彼此剛性或非剛性地耦合。剛性體之間的剛性耦合可以致使耦合的剛性體作為單一個剛性整體。相對而言，剛性體之間的非剛性耦合可允許剛性體相對於彼此移動。在一些實施例中，HMD 1805可以向用戶呈現VR、AR、MR或其一些組合。在VR、AR和/或MR的實施例中，HMD 1805可以利用電腦產生的元素(例如，影像、視頻、聲音等)來增強實體、真實世界環境的影像。
如圖18所示，HMD 1805可以包括電子顯示器方塊1815、餅乾透鏡組件1817、一或多個定位物1820、一或多個位置感測器1825以及慣性量測單元(IMU)1830。電子顯示器方塊1815可以根據從控制台1810所接收的數據向用戶顯示影像。在一些實施例中，電子顯示器方塊1815可以包括電子顯示器和光學方塊。電子顯示器可以產生影像光。在一些實施例中，電子顯示器可以包括單一個電子顯示器或多個電子顯示器(例如，針對用戶每隻眼睛的顯示器)。電子顯示器的示例可以包括：液晶顯示器(LCD)、有機發光二極體(OLED)顯示器、主動矩陣有機發光二極體顯示器(AMOLED)、透明有機發光二極體顯示器(TOLED)、一些其他顯示器、投影機或其組合。
光學方塊可以包括不同光學元件的組合。光學元件可以是孔徑、菲涅耳透鏡、凸透鏡、凹透鏡、濾光器或影響從電子顯示器發射的影像光的任何其他合適的光學元件。在一些實施例中，光學方塊中的一或多個光學元件可以具有一或多個塗層，例如抗反射塗層。光學方塊對於圖像光的放大可以使電子顯示器的元件與較大的顯示器相比在實體上更小、重量更輕且消耗功率更少。另外，放大可以增加所顯示的媒體的視野。例如，所顯示的媒體的視野可以變寬，使得所顯示的媒體可以使用幾乎全部的用戶視野(例如，110度的對角視野(diagonal))來呈現，且在某些情況下使用全部的用戶視野來呈現。在一些實施例中，可以將光學方塊設計成有效焦距大於到電子顯示器的間距，從而放大由電子顯示器投射的影像光。另外，在一些實施例中，可以通過增加或移除光學元件來調節放大量。
餅乾透鏡組件1817可以是所揭示的餅乾透鏡組件中的任何一種，其由於PBP LC透鏡的補償而是消色差的。在一些實施例中，餅乾透鏡組件1817可以被配置為整體式餅乾透鏡組件，而餅乾透鏡組件的光學元件之間沒有任何空氣間隙。餅乾透鏡組件1817還可以放大從電子顯示器所接收的光，從而校正與影像光相關的光學像差，且可以將校正後的影像光呈現給HMD 1805的用戶。
定位物1820可以是彼此相對並相對於HMD 1805上的特定參考點設置於HMD 1805上多個位置的物體。定位物1820可以是發光二極體(LED)、直角反射器(corner cube reflector)、反射標誌、與HMD 1805操作的環境形成對比的一種類型的光源或是其組合。在一些實施例中，當定位物1820是主動式元件(即，LED或其他類型的發光裝置)時，定位物1820可以發出的光是在可見光波段(約380 nm至1850 nm)、紅外光(IR)波段(約1850 nm至1 mm)、紫外光波段(約10 nm至約380 nm)、電磁光譜的其他部分波段或是是其組合中。
在一些實施例中，定位物1820可以位於HMD 1805的外表面下方，其對於定位物1820所發射或反射的光的波長可以是透明的，或者可以足夠薄以至於實質上不衰減定位物1820所發射或反射的光的波長。在一些實施例中，HMD 1805的外表面或其他部分在光的可見波長波段中可以是不透明的。因此，定位物1820可以在外表面下發射在IR波段中的光，其在IR波段是透明的而在可見光波段是不透明的。
IMU 1830可以是電子裝置，其基於從一或多個位置感測器1825所接收的量測信號來產成快速校正數據。位置感測器1825可響應於HMD 1805的運動而產生一或多個量測信號。位置感測器1825的示例可以包括：一或多個加速度計、一或多個陀螺儀、一或多個磁力計、偵測運動的另一種合適類型的感測器、用於IMU 1830的錯誤校正的傳感器類型或是是其一或多個組合。位置感測器1825可位於IMU 1830外部、IMU 1830內部或是其組合。
基於來自一或多個位置感測器1825的一或多個量測信號，IMU 1830可以產生指示HMD 1805相對於HMD 1805的初始位置的估計位置的快速校準數據。例如，位置感測器1825可以包括用於量測平移運動(向前/向後、向上/向下、向左/向右)的多個加速度計和用於量測旋轉運動(例如，俯仰、偏航、側傾)的多個陀螺儀。在一些實施例中，IMU 1830可以快速採樣量測信號並從採樣的數據計算HMD 1805的估計位置。例如，IMU 1830可以隨時間整合從加速度計接收的量測信號以估計速度向量，並且隨時間整合速度向量以決定HMD 1805上參考點的估計位置。在一些實施例中，IMU 1830可以將採樣的量測信號提供給控制台1810，其決定快速校準數據。參考點可以是可用於描述HMD 1805的位置的點。雖然參考點通常可以定義為在空間中的一點；然而實際上，參考點可以被定義為HMD 1805內的一點(例如，IMU 1830的中心)。
IMU 1830可以從控制台1810接收一或多個校準參數。如以下進一步討論的，一或多個校準參數可以用於維持對於HMD 1805的追蹤。基於接收到的校準參數，IMU 1830可以調整一或多個IMU參數(例如，採樣率)。在一些實施例中，某些校準參數可以使IMU 1830更新參考點的初始位置，因此它對應於參考點的下一個校準位置。將參考點的初始位置更新為參考點的下一個校準位置可以幫助減少與所決定的估計位置相關的累積誤差。累積誤差(也稱為漂移誤差)可能導致參考點的估計位置隨著時間“漂移”而遠離參考點的實際位置。
成像裝置1835可以根據從控制台1810所接收的校準參數來產生慢速校準數據。慢速校準數據可以包括一或多個影像，其示出了定位物1820可以被成像裝置1835偵測到的觀察位置。成像裝置1835可以包括一或多個照相機、一或多個視頻照相機、能夠捕獲影像的包括一或多個定位物1820的任何其他裝置或是其一些組合。另外，成像裝置1835可以包括一或多個濾波器(例如，用於增加信噪比)。成像裝置1835可以被配置為在成像裝置1835的視野中偵測從定位物1820發射或反射的光。
在一些實施例中，當定位物1820包括被動元件(例如，後向反射器)時，成像裝置1835可以包括照明一些或全部定位物1820的光源，其在成像裝置1835中將光往光源後向反射。慢速校準數據可以從成像裝置1835傳送到控制台1810，且成像裝置183可以從控制台1810接收一或多個校準參數以調整一或多個成像參數(例如，焦距、焦點、幀速率、ISO、感測器溫度、快門速度、孔徑等)。
輸入介面1840可以是允許用戶向控制台1810發送動作請求的裝置。動作請求可以是執行特定動作的請求。例如，動作請求可以用來啟動或結束應用程式或在應用程式內執行特定動作。輸入介面1840可以包括一或多個輸入裝置。示例輸入裝置可以包括：鍵盤、滑鼠、遊戲控制器或用以接收動作請求的任何其他合適的裝置，並將接收到的動作請求傳送到控制台1810。輸入介面1840所接收的動作請求可以被傳送到控制台1810，其執行與該動作請求對應的動作。在一些實施例中，輸入介面1840可以根據從控制台1810所接收的指令向用戶提供觸覺反饋。例如，當接收到動作請求時可以提供觸覺反饋，或者當控制台1810執行動作時控制台1810可以將指令傳達到輸入介面1840，使得輸入介面1840產生觸覺反饋。
控制台1810可以根據以下中的一或多個接收的信息向HMD 1805提供媒體以呈現給用戶：成像裝置1835、HMD 1805和輸入介面1840。在一些實施例中，如圖18所示，控制台1810可以包括：應用程式商店1845、追蹤模組1850和虛擬實境(VR)引擎1855。在一些實施例中，控制台1810可以包括與結合圖18描述的模組不同的模組。類似而言，下面進一步描述的功能可以用與這裡描述的不同的方式分佈在控制台1810的各個構件之間。
應用程式商店1845可以存儲一或多個應用程式，以供控制台1810執行。應用程式可以是一組指令，當該組指令由處理器執行時可以產生內容以呈現給用戶。應用程式所產生的內容可以響應於從用戶經由HMD 1805的移動或輸入介面1840所接收的輸入。應用程式的示例可以包括遊戲應用程式、會議應用程式、視頻回放應用程式或其他合適的應用程式。
追蹤模組1850可以使用一或多個校準參數來校準系統1800，並且可以調整一或多個校準參數以減少決定HMD 1805位置的誤差。例如，追蹤模組1850可以調整成像裝置1835的焦點以獲得HMD 1805上所觀察到的定位物的更準確的位置。此外，由追蹤模組1850執行的校準也可以考慮到從IMU 1830所接收的信息。另外，當可能丟失對HMD 1805的追蹤時(例如，成像裝置1835失去了至少一閾值數量的定位物1820的視線)，追蹤模組1850可以重新校準一些或全部系統環境1800。
追蹤模組1850可以使用來自成像裝置1835的慢速校准信息來追蹤HMD 1805的運動。追蹤模組1850可以使用觀察到的定位物根據慢速校准信息和HMD 1805的模型來決定HMD 1805的參考點的位置。追蹤模組1850也可以使用來自快速校准信息的位置信息來決定HMD 1805的參考點的位置。另外，在一些實施例中，追蹤模組1850可以使用快速校准信息、慢速校准信息或其一些組合中的部分來預測HMD 1805的未來位置。追蹤模組1850可以將HMD 1805的估計或預測的未來位置提供給引擎1855。
引擎1855可以在系統環境1800內執行應用程式，並且從追蹤模組1850接收HMD 1805的位置信息、加速度信息、速度信息、預測的未來位置或是其一些組合。基於所接收的信息，引擎1855可以決定要提供給HMD 1805以呈現給用戶的內容。例如，當接收到的信息指示用戶已經向左看時，引擎1855可以為HMD 1805產生反映用戶在虛擬環境中的運動的內容。另外，引擎1855可以響應於從輸入介面1840所接收到的動作請求而在控制台1810上所執行的應用程式內執行動作，並且向用戶提供執行該動作的反饋。所提供的反饋可以是經由HMD 1805的視覺或聽覺反饋或經由輸入介面1840的觸覺反饋。
圖19A示出了圖18中的HMD 1805的示意圖。參考圖19A和圖18，HMD 1805可以包括前剛性體1905和帶1910。前剛性體1905可以包括電子顯示器和光學方塊(未在圖19A中示出)、IMU 1830、一或多個位置感測器1825以及定位物1820中的一或多個電子顯示器元件。在圖19A所示的實施例中，位置感測器1825可以位於IMU 1830內，並且IMU 1830和位置感測器1825都對用戶而言皆不可見。
定位物1820可以相對於彼此並且相對於參考點1915位於前剛性體1905上的固定位置。在圖19A所示的實施例中，參考點1915可以位於IMU 1830的中心。定位物1820中的每一個可以發射可被成像裝置1835偵測到的光。定位物1820或一些定位物1820可以位於前剛性體1905的前側1920A、頂側1920B、底側1920C、右側1920D和左側1920E上。
圖19B示出了圖19A中所示的HMD 1805的前剛性體1905的示意圖。如圖19B所示，前剛性體1905可以包括電子顯示器1928和將經改變的影像光提供給出射光瞳1935的餅乾透鏡組件1817。出射光瞳1935可以位於前剛性體1905的可以放置用戶的眼睛1940的位置處。為了說明性的目的，圖19B示出了與單一眼睛1940相關聯的前剛性體1905的橫截面，而與電子顯示器1928分開的另一電子顯示器可以將由光學方塊改變的影像光提供給用戶的另一隻眼睛。
為了說明性的目的已經呈現前面關於本揭示的實施例的實施方式。並不傾向於窮舉或將本揭示限制在所揭露的精確形式。相關領域的技術人員可以理解按照上述揭露，許多修改和變化皆有可能。
本實施方式的一些部分基於資訊操作的演算法和符號表示的方面描述本揭示的實施例。這些演算法的描述和表示通常由資料處理領域的技術人員使用，以將他們的工作的本質有效地傳達給該領域其他技術人員。這些操作雖然從功能層面、計算層面或邏輯層面去描述，但應理解為由電腦程式或等效的電路、微代碼或其相似物實現。此外，有時也證明將這些操作的安排稱為模組係方便而不失一般性。所描述的操作及其相關模組可以具體化在軟體、韌體及/或硬體上。
所描述的步驟、操作或過程可以用一或多個硬體或軟體模組獨自或結合其他裝置而被執行或實現。在一些實施例中，軟體模組由一電腦程式產品實現，此電腦程式產品包括包含電腦程式碼的電腦可讀媒體，此電腦程式碼可被電腦處理器執行以實現所描述的任何或所有的步驟、操作或過程。
本揭示的實施例也可以涉及用於執行本文中的操作的裝置。該裝置可以為了所需目的而特別建構，且/或包括藉由儲存在電腦內的電腦程式選擇性地啟用或重新配置的通用目的計算裝置。這樣的電腦程式可儲存在非暫態，具體的電腦可讀取儲存媒體，或任何適合儲存電子指令的可耦合到電腦系統匯流排的媒體。此外，任何在說明書中提及的電腦系統可包含單一處理器或採用多處理器設計以增加運算能力的架構。
本揭示的實施例也可以涉及藉由本文描述的計算過程產生的產品。這樣的產品可以包括由計算過程產生的資訊，其中資訊儲存在非暫態，具體的電腦可讀取儲存媒體，而且可以包含電腦程式產品的任何實施例或本文描述的其他資料組合。
最後，說明書中使用的語言主要是出於可讀性和指導目的而選擇，而且不會被選擇去描述或限制發明專利標的。因此傾向於本發明的範圍不受此實施方式的限制，而是受基於此處的申請所發布的的任何請求項的限制。因此，實施例的揭露旨在說明而非限制在以下請求項中闡述的申請專利範圍。
100:餅乾透鏡組件 110:電子顯示器 120:第一光學元件 120-1:第一表面 120-2:第二表面 122:反射鏡表面 124:波板表面 130:LC透鏡/SPP LC透鏡/變焦透鏡 135:四分之一波板 140:第二光學元件 140-1:第一表面 140-2:第二表面 142:反射式偏振器表面 144:波板表面/反射式偏振器表面 145:四分之一波板 150:LC透鏡堆疊/PBP LC透鏡堆疊 155:四分之一波板 165:四分之一波板 170:出射光瞳 171L:左旋圓偏振光 173s:s偏振光 174s:s偏振光 175s:s偏振光 176s:s偏振光 177L:左旋圓偏振光 178R:右旋圓偏振光 179p:p偏振光 180:眼睛 181p:p偏振光 182p:p偏振光 182R:右旋圓偏振光 190:光 200:SPP LC透鏡 202:同心環形區域 216:邊緣 400:SPP LC透鏡 410:第二電極 412:第一電極 414:液晶層/LC層 416:基板 418:浮置電極 420:絕緣層 450:SPP LC透鏡 500:SPP LC透鏡堆疊 600:SPP LC透鏡堆疊 601:主要射線 603:主要射線 605:主要射線 607:主要射線 609:主要射線 610:SPP LC透鏡 610-1:第一區域 610-2:第二區域 610-3:第三區域 611:主要射線 613:主要射線 660:SPP LC透鏡 660-1:第一區域 660-2:第二區域 660-3:第三區域 700:光傳播 800:餅乾透鏡組件 900:餅乾透鏡組件 950:餅乾透鏡組件 1000:幾何相位LC透鏡堆疊/PBP LC透鏡堆疊 1005:輸入光 1010:可切換半波板/SHWP 1020:PBP LC透鏡 1030:可切換半波板/SHWP 1040:PBP LC透鏡 1050:可切換半波板/SHWP 1100:PBP LC透鏡 1200:LC指向 1212:LC分子 1214:透鏡中心 1216:邊緣 1250:LC指向 1300:餅乾透鏡組件 1400:光傳播 1500:餅乾透鏡組件 1550:餅乾透鏡組件 1600:餅乾透鏡組件 1650:餅乾透鏡組件 1700:餅乾透鏡組件 1750:餅乾透鏡組件 1800:系統環境 1805:HMD 1810:控制台 1815:電子顯示器方塊 1817:餅乾透鏡組件 1820:定位物 1825:位置感測器 1830:IMU 1835:成像裝置 1840:輸入介面 1845:應用程式商店 1850:追蹤模組 1855:引擎 1905:前剛性體 1910:帶 1915:參考點 1920A:前側 1920B:頂側 1920C:底側 1920D:右側 1920E:左側 1928:電子顯示器 1935:出射光瞳 1940:眼睛
隨附圖式是根據各種揭示的實施例提供以用於說明性的目的，並且不意圖限制本揭示的範圍。
[圖1]示出了根據本揭示的實施例的餅乾透鏡組件的示意圖。
[圖2]示出了根據本揭示的實施例的分段相位分佈(SPP)液晶(LC)透鏡的示意圖。
[圖3A]示出了不包括任何相位重置(reset)的LC透鏡的相位分佈。
[圖3B]示出了根據本揭示的實施例的SPP LC透鏡的相位分佈。
[圖4A]示出了根據本揭示的實施例的SPP LC透鏡的示意圖。
[圖4B]示出了根據本揭示的實施例的具有浮置電極的SPP LC透鏡的示意圖。
[圖5]示出了根據本揭示的實施例的SPP LC透鏡堆疊的示意圖。
[圖6A]示出了根據本揭示的實施例的不具有菲涅耳重置偏移的SPP LC透鏡堆疊的示意圖。
[圖6B]示出了根據本揭示的實施例的具有菲涅耳重置偏移的SPP LC透鏡堆疊的示意圖。
[圖7]示出了根據本揭示的實施例的餅乾透鏡組件中的光傳播的示意圖。
[圖8]示出了根據本揭示的實施例的餅乾透鏡組件的示意圖。
[圖9A]和[圖9B]示出了根據本揭示的實施例的餅乾透鏡組件的示意圖。
[圖10]示出了根據本揭示的實施例的幾何相位(Pancharatnam Berry Phase，PBP)LC透鏡堆疊的示意圖。
[圖11]示出了根據本揭示的實施例的PBP LC透鏡的示意圖。
[圖12A]示出了圖11中的PBP LC透鏡中的LC指向。
[圖12B]示出了圖11中的PBP LC透鏡中沿著y軸截取的LC指向的截面。
[圖13]示出了根據本揭示的實施例的餅乾透鏡組件的示意圖。
[圖14]示出了根據本揭示的實施例的餅乾透鏡組件中的光傳播的示意圖。
[圖15A]和[圖15B]示出了根據本揭示的實施例的餅乾透鏡組件的示意圖。
[圖16A]和[圖16B]示出了根據本揭示的實施例的餅乾透鏡組件的示意圖。
[圖17A]和[圖17B]示出了根據本揭示的實施例的餅乾透鏡組件的示意圖。
[圖18]示出了根據本揭示的實施例的系統環境的方塊圖。
[圖19A]示出了圖18中所示的頭戴式顯示器(HMD)的示意圖。
[圖19B]示出了圖19A中所示的HMD的前剛性體的示意圖。
100:餅乾透鏡組件
110:電子顯示器
120:第一光學元件
120-1:第一表面
120-2:第二表面
122:反射鏡表面
124:波板表面
130:LC透鏡/SPP LC透鏡/變焦透鏡
140:第二光學元件
140-1:第一表面
140-2:第二表面
142:反射式偏振器表面
170:出射光瞳
180:眼睛
190:光

Claims (20)

  1. 一種光學透鏡組件，其包括： 第一光學元件，其包括部分反射器和四分之一波板； 第二光學元件，其包括反射式偏振器；及 變焦透鏡，其具有可調式光學倍率， 其中，所述第一光學元件和所述第二光學元件形成空腔，以及 所述變焦透鏡被設置在所述空腔之內或之外。
  2. 如請求項1所述的光學透鏡組件，其中： 所述變焦透鏡包括液晶(liquid crystal，LC)透鏡。
  3. 如請求項2所述的光學透鏡組件，其中： 所述液晶透鏡包括分段相位分佈(segmented phase profile，SPP)液晶透鏡。
  4. 如請求項2所述的光學透鏡組件，其中： 所述液晶透鏡包括堆疊在一起的多個分段相位分佈液晶透鏡。
  5. 如請求項3所述的光學透鏡組件，其進一步包括： 幾何相位(Pancharatnam Berry Phase，PBP)液晶透鏡堆疊，其被設置在所述空腔之外， 其中，所述分段相位分佈液晶透鏡以第一步階解析度提供連續可變的光學狀態，所述幾何相位液晶透鏡堆疊以第二步階解析度提供多個離散的光學狀態，並且所述第一步階解析度小於所述第二步解析度， 當所述幾何相位液晶透鏡堆疊在兩個光學狀態之間切換時，所述分段相位分佈液晶透鏡在所述兩個光學狀態之間提供連續調節的光學倍率，以及 所述分段相位分佈液晶透鏡結構和所述幾何相位液晶透鏡堆疊共同為所述光學透鏡組件提供了連續調節的光學倍率。
  6. 如請求項5所述的光學透鏡組件，其中： 所述幾何相位液晶透鏡堆疊包括交替佈置的多個幾何相位液晶透鏡和多個可切換半波板。
  7. 如請求項5所述的光學透鏡組件，其中： 所述四分之一波板是第一四分之一波板， 所述幾何相位液晶透鏡堆疊以光學串聯的方式被設置在所述第二光學元件之後， 所述光學透鏡組件還包括第二四分之一波板，所述第二四分之一波板被設置在所述反射式偏振器和所述幾何相位液晶透鏡堆疊之間。
  8. 如請求項4所述的光學透鏡組件，其中： 所述多個分段相位分佈液晶透鏡包括彼此相鄰堆疊的兩個分段相位分佈液晶透鏡，其具有相同的配置但是對準方向相反。
  9. 如請求項4所述的光學透鏡組件，其中： 每個分段相位分佈液晶透鏡皆具有菲涅耳結構，所述菲涅耳結構包括多個菲涅耳重置(reset)，所述多個菲涅耳重置是半徑遞增的同心環形區域。
  10. 如請求項9所述的光學透鏡組件，其中： 所述多個分段相位分佈液晶透鏡的所述菲涅耳重置通過跟隨主要射線而偏移。
  11. 一種光學系統，其包括： 光源； 第一光學元件，其包括部分反射器和四分之一波板； 第二光學元件，其包括反射式偏振器； 變焦透鏡，其具有可調式光學倍率；及 偵測器； 其中，所述第一光學元件和所述第二光學元件形成空腔， 所述變焦透鏡被設置在所述空腔之內或之外，及 所述第一光學元件、所述第二光學元件和所述變焦透鏡被配置以將來自所述光源的光引導至所述偵測器。
  12. 如請求項11所述的光學系統，其中： 所述變焦透鏡包括液晶透鏡。
  13. 如請求項12所述的光學系統，其中： 所述液晶透鏡包括分段相位分佈液晶透鏡。
  14. 如請求項12所述的光學系統，其中： 所述液晶透鏡包括堆疊在一起的多個分段相位分佈液晶透鏡。
  15. 如請求項13所述的光學系統，其進一步包括： 幾何相位液晶透鏡堆疊，其被設置在所述空腔之外， 其中，所述分段相位分佈液晶透鏡以第一步階解析度提供連續可變的光學狀態，所述幾何相位液晶透鏡堆疊以第二步階解析度提供多個離散的光學狀態，並且所述第一步階解析度小於所述第二步解析度， 當所述幾何相位液晶透鏡堆疊在兩個光學狀態之間切換時，所述分段相位分佈液晶透鏡在所述兩個光學狀態之間提供連續調節的光學倍率，以及 所述分段相位分佈液晶透鏡結構和所述幾何相位液晶透鏡堆疊共同為所述光學系統提供了連續調節的光學倍率。
  16. 如請求項15所述的光學系統，其中： 所述幾何相位液晶透鏡堆疊包括交替佈置的多個幾何相位液晶透鏡和多個可切換半波板。
  17. 如請求項15所述的光學系統，其中： 所述四分之一波板是第一四分之一波板， 所述幾何相位液晶透鏡堆疊被設置在所述第二光學元件和眼睛之間， 所述光學系統還包括第二四分之一波板，所述第二四分之一波板被設置在所述反射式偏振器和所述幾何相位液晶透鏡堆疊之間。
  18. 如請求項14所述的光學系統，其中： 所述多個分段相位分佈液晶透鏡包括彼此相鄰堆疊的兩個分段相位分佈液晶透鏡，其具有相同的配置但是對準方向相反。
  19. 如請求項14所述的光學系統，其中： 每個分段相位分佈液晶透鏡皆具有菲涅耳結構，所述菲涅耳結構包括多個菲涅耳重置，所述多個菲涅耳重置是半徑遞增的同心環形區域。
  20. 如請求項19所述的光學系統，其中： 所述多個分段相位分佈液晶透鏡的所述菲涅耳重置通過跟隨主要射線而偏移。
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