相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)要求2015年1月12日遞交的美國臨時(shí)申請(qǐng)62/102,491號(hào)和2015年6月19日遞交的美國專利申請(qǐng)14/744,641號(hào)的優(yōu)先權(quán)，這里通過引用并入這些申請(qǐng)的內(nèi)容。

本公開概括而言涉及光學(xué)系統(tǒng)，具體地但非唯一地，涉及用于可頭戴顯示器的光學(xué)系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

頭戴式顯示器(headmounteddisplay，“hmd”)或可頭戴顯示器是穿戴在頭上或頭周的顯示設(shè)備。hmd通常包含某種近眼光學(xué)系統(tǒng)來產(chǎn)生置于用戶前方一米左右(近)和光學(xué)無限遠(yuǎn)(遠(yuǎn))之間的放大虛擬圖像。單眼顯示器被稱為單眼hmd，而雙目顯示器被稱為雙目hmd。一些hmd只允許用戶看到顯示圖像(例如，計(jì)算機(jī)生成圖像、靜止圖像、視頻圖像等等)，而其他類型的hmd能夠?qū)@示圖像疊加在真實(shí)世界視圖上。顯示真實(shí)世界視圖與顯示圖像結(jié)合的該種類型的hmd通常包括某種形式的透視目鏡并且可充當(dāng)用于實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的硬件平臺(tái)。有了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，觀看者對(duì)世界的感知上添加了覆蓋的顯示圖像。這種類型的系統(tǒng)有時(shí)也被稱為抬頭顯示器(“hud”)。完全沉浸式顯示器(即，非透視)經(jīng)常被稱為虛擬現(xiàn)實(shí)(virtualreality，“vr”)顯示器。沉浸式hmd也可通過電子地組合來自查看用戶前方的世界的相機(jī)或其他傳感器的圖像與其他電子影像或信息的融合來提供增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。

hmd具有許多實(shí)際和娛樂應(yīng)用。航空應(yīng)用允許飛行員看到至關(guān)重要的飛行控制信息，而無需將其眼睛從飛行路線上轉(zhuǎn)開。公共安全應(yīng)用包括地圖的戰(zhàn)術(shù)性顯示和熱成像。其他應(yīng)用領(lǐng)域包括視頻游戲、交通運(yùn)輸和電信。隨著技術(shù)發(fā)展必定會(huì)有新發(fā)現(xiàn)的實(shí)際和娛樂應(yīng)用；然而，這些應(yīng)用中的許多由于用于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有hmd的傳統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的成本、大小、重量、視野和效率而受到限制。

附圖說明

參考以下附圖描述本發(fā)明的非限制性且非窮舉性的實(shí)施例，附圖中相似的標(biāo)號(hào)在各種視圖中始終指代相似的部件，除非另有指明。附圖不一定是按比例的，而重點(diǎn)是放在圖示所描述的原理。

圖1圖示了瞳孔間距(ipd)的概念。

圖2圖示了矢狀平面的概念。

圖3是在矢狀平面上沒有延伸(extent)的物體的雙目視圖的圖示。

圖4圖示了透鏡的邊緣如何漸暈或限制用戶的視野。

圖5圖示了良視距如何影響透鏡的漸暈的程度。

圖6a和6b根據(jù)本公開的第一實(shí)施例圖示了混合透鏡系統(tǒng)。

圖7根據(jù)本公開的第二實(shí)施例圖示了混合透鏡系統(tǒng)。

圖8根據(jù)本公開的第三實(shí)施例圖示了混合透鏡系統(tǒng)。

圖9a根據(jù)本公開的第四實(shí)施例圖示了混合透鏡系統(tǒng)。

圖9b根據(jù)本公開的第五實(shí)施例圖示了包括混合透鏡系統(tǒng)和彎曲顯示器的雙目可頭戴顯示器；

圖9c根據(jù)本公開的第六實(shí)施例圖示了包括具有彎曲部分的顯示器的可頭戴顯示器，該彎曲部分延伸超出混合透鏡系統(tǒng)以獲得極端周邊視覺。

圖10是根據(jù)本公開的實(shí)施例圖示出作為像素平面與透鏡之間的光路長(zhǎng)度的減小的函數(shù)的虛擬圖像距離的圖表。

圖11是根據(jù)本公開的實(shí)施例圖示出對(duì)于放置在距透鏡43.9mm處的顯示器的作為焦距的函數(shù)的圖像距離的圖表。

圖12根據(jù)本公開的實(shí)施例圖示了在鼻子方向上徑向改變光學(xué)功率的混合透鏡系統(tǒng)。

圖13根據(jù)本公開的實(shí)施例圖示了包括各自具有可變焦距的左右混合透鏡的雙目混合光學(xué)系統(tǒng)。

圖14根據(jù)本公開的實(shí)施例圖示了包括朝著鼻子向內(nèi)彎曲以去除輻輳與容適距離之間的沖突(conflictbetweenvergenceandaccommodationdistance)的柔性顯示器的雙目可頭戴顯示器。

具體實(shí)施方式

本文描述了一種用于混合光學(xué)系統(tǒng)的裝置、系統(tǒng)和操作方法，該混合光學(xué)系統(tǒng)對(duì)于中心凹感知使用非球面透鏡并且對(duì)于周邊視覺使用菲涅耳透鏡來提供適合于可頭戴顯示器的寬視野。在以下描述中，記載了許多具體細(xì)節(jié)以提供對(duì)實(shí)施例的透徹理解。然而，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到，沒有這些具體細(xì)節(jié)中的一個(gè)或多個(gè)或者利用其他方法、組件、材料等等也可實(shí)踐本文描述的技術(shù)。在其他情況中，沒有示出或詳細(xì)描述公知的結(jié)構(gòu)、材料或操作以避免模糊某些方面。

本說明書中各處提及“一個(gè)實(shí)施例”或“一實(shí)施例”的意思是聯(lián)系該實(shí)施例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性被包括在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。從而，短語“在一個(gè)實(shí)施例中”或“在一實(shí)施例中”在本說明書各處的出現(xiàn)不一定全都指的同一實(shí)施例。另外，特定的特征、結(jié)構(gòu)或特性在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中可按任何適當(dāng)?shù)姆绞奖唤M合。

本公開被分成兩個(gè)部分。包括圖1-5在內(nèi)的部分1記載了與可頭戴顯示器的光學(xué)設(shè)計(jì)有關(guān)的各種術(shù)語以及一般概念。包括圖6-14在內(nèi)的部分2記載了適用于支持高質(zhì)量沉浸式視覺用戶體驗(yàn)的可頭戴顯示器的混合光學(xué)系統(tǒng)的各種實(shí)施例。一種示例高質(zhì)量視覺沉浸式用戶體驗(yàn)是這樣的一種體驗(yàn)：其生成真實(shí)的存在感，達(dá)到用戶暫停懷疑的水平。眾所周知，光學(xué)器件和相關(guān)的視覺體驗(yàn)不是暫停懷疑的唯一要求；然而，本公開主要關(guān)注由光學(xué)器件和顯示器提供的視覺體驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的光學(xué)系統(tǒng)的屬性可包括：用戶的主視野中的20:20視力(例如，每只眼睛60度的錐體)，接近180度的完全水平視野，和接近100度的垂直視野。下面在部分2中公開的實(shí)施例例示了這些屬性中的一些或全部可如何利用與人類視覺的要求良好匹配的混合光學(xué)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。

部分1：術(shù)語和設(shè)計(jì)概念

a.瞳孔間距考慮

人類瞳孔間距(inter-pupillarydistance，ipd)被定義為左眼和右眼的瞳孔的中心之間的距離(見圖1)。雙目顯示器的右透鏡和左透鏡也具有中心，并且透鏡中心之間的距離可被定義為光學(xué)系統(tǒng)的ipd。對(duì)顯示器和光學(xué)器件要求的分析可開始于對(duì)于系統(tǒng)是將具有可調(diào)節(jié)ipd還是固定ipd來匹配用戶的ipd的考慮?？烧{(diào)節(jié)系統(tǒng)ipd可提供良好的用戶適配，但通常是更昂貴的、更重的并且由于移動(dòng)部件更易發(fā)生未對(duì)準(zhǔn)的問題。固定ipd可能不能為每個(gè)用戶提供那么令人滿意的視覺體驗(yàn)，但通常是更舒適且更負(fù)擔(dān)得起的。系統(tǒng)也可銷售為多個(gè)sku，每個(gè)具在有限范圍上起作用的不同固定ipd值，以便用戶可選擇作為最佳適配的ipd。光學(xué)器件的細(xì)節(jié)決定了特定設(shè)計(jì)將會(huì)適配的ipd的范圍。

對(duì)于成年人群體的大多數(shù)，人類ipd的范圍是從52mm到75mm。因此，為了適配最窄的可能成年人ipd，我們?cè)谕缀驼惺笭铑~面之間有26mm(見圖2)。對(duì)于此范圍上的可調(diào)節(jié)系統(tǒng)ipd，這也將傳統(tǒng)圓形正透鏡的半徑設(shè)定到最大26mm。(如果透鏡靠近臉部，則透鏡對(duì)于鼻子可能需要一個(gè)切口。)稍后在論述中將變得明顯的是，這個(gè)半徑由于漸暈(vignetting)而限制了顯示器的水平視野(fieldofview，fov)。希望克服這個(gè)fov限制。

b.視敏度和像素大小

20:20的斯內(nèi)倫視敏度對(duì)應(yīng)于1角分(minuteofarc)的角分辨率。20:40的視敏度對(duì)應(yīng)于2分的弧的分辨率。對(duì)于具有正常視力(20:20)的人，視網(wǎng)膜不能區(qū)分對(duì)向1角分的發(fā)光物體和對(duì)向小于1角分的發(fā)光物體之間的區(qū)別。因此，對(duì)于具有20:20視力的人，對(duì)向小于1角分的像素(其是發(fā)光物體)的任何圖像卻將會(huì)被感知為對(duì)向1角分，這是因?yàn)橐暰W(wǎng)膜上的視錐的大小和間距。因此，如果對(duì)于20:20敏度進(jìn)行設(shè)計(jì)，則設(shè)計(jì)采用其圖像對(duì)向小于1角分的像素的系統(tǒng)的原因很少。

與視敏度有關(guān)的第二個(gè)因素是光學(xué)系統(tǒng)的質(zhì)量。為了產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)20:20視力的系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)能夠提供放大，而不會(huì)模糊僅相隔1角分的像素。然而，非常高性能的透鏡經(jīng)常直徑非常窄，從而不是很適合寬fov系統(tǒng)。在可頭戴顯示器中希望有寬fov。

c.雙目重疊

在雙目顯示器中，由左顯示器和透鏡以及右顯示器和透鏡為左眼和右眼產(chǎn)生個(gè)體虛擬圖像。取決于光學(xué)器件的fov，左虛擬圖像和右虛擬圖像可完全或部分重疊。雙目重疊區(qū)域被定義為幾何上重疊的左虛擬圖像和右虛擬圖像的區(qū)域。圖2圖示了二平分水平視野的正中矢狀額狀面(以下簡(jiǎn)稱為矢狀平面)。左眼、左光學(xué)器件和左顯示器在矢狀平面的左側(cè)，并且右眼、右光學(xué)器件和右顯示器在矢狀平面的右側(cè)。然而，由光學(xué)器件和顯示器產(chǎn)生的兩個(gè)虛擬圖像一般穿過矢狀平面。從而，當(dāng)觀看虛擬圖像時(shí)，左眼或右眼凝視可能(并且經(jīng)常確實(shí))穿過矢狀平面。

雙目重疊區(qū)域在左側(cè)由穿過矢狀平面向左看的右眼所感知到的虛擬圖像的邊緣所限制，并且在右側(cè)由穿過矢狀平面向右看的左眼所感知到的虛擬圖像的邊緣所限制。圖3圖示了觀看右視野中點(diǎn)a處的物體的兩只眼睛的示例。左眼轉(zhuǎn)到角度θ以觀看點(diǎn)a。如果點(diǎn)a由左眼顯示器上的最右像素產(chǎn)生，則表示雙目重疊區(qū)域的邊緣的半角是θ，并且按照對(duì)稱，雙目重疊區(qū)域的視野是兩倍的θ。換言之，點(diǎn)a位于由左眼顯示器產(chǎn)生的虛擬圖像的右邊緣上。-θ處的相應(yīng)點(diǎn)位于由右眼顯示器產(chǎn)生的虛擬圖像的左邊緣上。因此，雙目重疊是2θ。

眼睛在任何方向上0到15度的范圍上舒適地轉(zhuǎn)動(dòng)?？紤]到關(guān)于中心凹區(qū)域的一半的另2.5度，θ的可接受下限值是大約18度。然而，18度對(duì)于建立令人滿意的存在度來說可能太窄。為了允許眼睛更進(jìn)一步運(yùn)動(dòng)到不舒適但有用的范圍中，θ的更合乎需要的值是30度，并且有用的上限值可能是大約45度(其對(duì)于不同的人可能不同)。

一旦選擇了θ的值，20:20敏度所需要的半角區(qū)域中的像素的數(shù)目就可通過將半角除以像素對(duì)邊來確定。例如，如果半角是30度，則半角中的像素的數(shù)目是1800。對(duì)于雙目重疊區(qū)域中的完整60度fov，在顯示器中應(yīng)當(dāng)有3600個(gè)像素列。對(duì)于45度的θ，2700個(gè)像素列應(yīng)當(dāng)在眼睛和矢狀平面之間以填充半角區(qū)域，而對(duì)于90度雙目重疊區(qū)域需要5400。

另一個(gè)設(shè)計(jì)考慮是完整雙目重疊區(qū)域是否要具有20:20視敏度。這看起來是合乎需要的，但可能不是必要的。從而，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)被設(shè)計(jì)有90度的雙目重疊，但僅在60度重疊子區(qū)域上具有20:20的視敏度。從而，在雙目重疊區(qū)域的中心區(qū)域上提供高敏度并且在此中心區(qū)域外的角度處提供較低敏度的光學(xué)系統(tǒng)可能是合乎需要的。

具有頭部跟蹤的hmd使得眼睛不必轉(zhuǎn)到超出舒適范圍來觀看不在中心視野中的物體。頭部和眼睛從而可轉(zhuǎn)動(dòng)來將感興趣的物體的圖像放置在中心凹上。由于視網(wǎng)膜隨著與中心凹的距離增大而具有逐漸減小的視錐密度，所以打算用于vr的hmd系統(tǒng)不需要在所有視場(chǎng)角都提供高分辨率。通過以這種方式考慮到人類視覺系統(tǒng)，hmd系統(tǒng)可被簡(jiǎn)化(以將要示出的方式)，而不會(huì)嚴(yán)重?fù)p失存在感。

d.焦距

另一個(gè)設(shè)計(jì)因素是光學(xué)系統(tǒng)的焦距，其決定放大率。暫時(shí)忽略可限制fov的漸暈，圖像的水平fov(h-fov)近似滿足以下式子：

h-fov＝2*arctan(圖像寬度/2f)，

其中f是焦距，或者

f＝(圖像寬度/2)/tan(h-fov/2).

對(duì)于具有20:20敏度和1分的像素對(duì)邊的系統(tǒng)，此式子定義了像素大小和焦距之間的關(guān)系。由于tan(0.5分)＝0.000145，

f＝像素寬度/0.00029。

因此一個(gè)10微米像素要求34mm的焦距以便10微米像素對(duì)向1角分。

e.漸暈

雖然圖像的fov是由焦距和顯示大小設(shè)定的，但顯示器可被光學(xué)系統(tǒng)漸暈。圖4圖示了視圖可如何被透鏡的邊緣所限制(漸暈)。透過構(gòu)成光圈(aperture)的透鏡觀看圖像，并且如果使顯示器充分地大，則透過透鏡將看不到顯示器的邊緣，并且圖像的外部部分不能被看到，如圖4中所示。當(dāng)作為中心凹的漸暈的一部分考慮眼睛旋轉(zhuǎn)時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮眼睛的半徑(因?yàn)橥自谘劬πD(zhuǎn)期間移動(dòng))。當(dāng)使用眼睛的半徑來確定漸暈角度時(shí)，可作出如下的簡(jiǎn)化假設(shè)：眼睛的中心也是眼睛旋轉(zhuǎn)的中心。雖然不是嚴(yán)格正確的，但這個(gè)假設(shè)對(duì)于漸暈的準(zhǔn)確估計(jì)是足夠接近的。

用于確定透鏡的漸暈的程度的關(guān)鍵距離是從眼睛到透鏡的距離(稱為“良視距”(eyerelief))加上眼睛半徑(通常是13mm)。一個(gè)接近的實(shí)際良視距是約15mm，從而總和是28mm。圖5示出了63mm的中值ipd的暗示。從眼睛到矢狀平面的距離是31.5mm。從而透鏡的最大半徑對(duì)于中值情況是31.5mm，并且假定我們對(duì)于透鏡支撐環(huán)需要1mm，則最大半徑是30.5mm。角度由arctan(30.5/28)給出或者是47度。如果良視距更大(例如，如果系統(tǒng)被設(shè)計(jì)為重做處方眼鏡)，則此角度可被減小。對(duì)于30mm的良視距，角度是35度。允許眼睛轉(zhuǎn)動(dòng)到超過其舒適范圍而不會(huì)遭受嚴(yán)重漸暈的光學(xué)系統(tǒng)是合乎需要的。

部分2：具有寬fov的混合透鏡系統(tǒng)的實(shí)施例

典型的hmd設(shè)計(jì)是基于每只眼睛單個(gè)傳統(tǒng)透鏡的，其中直徑近似等于或小于焦距(這是傳統(tǒng)的平凸和雙凸透鏡典型的)。如前所述，由于漸暈，透鏡的邊緣限制圖像的fov。通過消除由透鏡施加的漸暈，可增大fov。本文公開的實(shí)施例使用包括菲涅耳透鏡和折射性球面或非球面透鏡的混合透鏡系統(tǒng)。

圖6a和6b根據(jù)本公開的實(shí)施例圖示了混合透鏡系統(tǒng)600。圖6a是頂部截面圖示，而圖6b是正面圖示。圖示的混合透鏡系統(tǒng)600的實(shí)施例包括在菲涅耳透鏡610(例如，非球面菲涅耳透鏡)的光學(xué)中心處形成的單透鏡605(例如，球面或非球面透鏡)。換言之，單透鏡605的光學(xué)中心與菲涅耳透鏡610的光學(xué)中心一致。在圖示的實(shí)施例中，透鏡的光學(xué)中心被放置在用戶的瞳孔/角膜前面(當(dāng)眼睛凝視正前方時(shí))。在圖示的實(shí)施例中，中心視覺透鏡(例如，單透鏡605)被實(shí)現(xiàn)為具有兩個(gè)彎曲表面的折射性透鏡；然而，也可實(shí)現(xiàn)只具有單個(gè)彎曲表面的折射性透鏡。另外，中心視覺透鏡可實(shí)現(xiàn)為漸變透鏡、消色差透鏡、衍射光學(xué)元件、全息圖或者甚至是混合折射-衍射透鏡。

由于打算用于左眼或右眼的光學(xué)系統(tǒng)不應(yīng)當(dāng)穿過矢狀平面，所以菲涅耳透鏡610在鼻子側(cè)被截短并且菲涅耳透鏡610的物理中心及其光學(xué)中心不在同一位置(例如，參見圖6a和6b)。換言之，混合透鏡系統(tǒng)600從光學(xué)中心非對(duì)稱延伸，在太陽穴方向上比在鼻子方向上延伸得更遠(yuǎn)。混合透鏡系統(tǒng)600的垂直延伸也可以是非對(duì)稱的。如果菲涅耳透鏡610和單透鏡605具有相同的焦距，則用戶將從兩個(gè)透鏡看到相同的放大率。

用單透鏡605替換菲涅耳透鏡610的中心區(qū)域的一個(gè)原因如下：對(duì)于具有非常小像素間距的顯示器，單透鏡可提供對(duì)高空間頻率的更好的放大，在這里其在舒適凝視角度的有限范圍上在眼睛前方最直接地至關(guān)重要。這樣，通過利用單透鏡605在眼睛的凝視范圍上保留了解析對(duì)向1角分的物體的能力，并且也呈現(xiàn)了場(chǎng)景的剩余部分，雖然是按菲涅耳透鏡610允許的分辨率呈現(xiàn)的，菲涅耳透鏡610的分辨率可小于單透鏡605。換個(gè)說法，菲涅耳透鏡610可能不具有像單透鏡605那么令人滿意的調(diào)制傳遞函數(shù)(modulationtransferfunction，mtf)，但由于菲涅耳透鏡610主要在中心凹的中心凝視范圍之外作用，所以減小的mtf可能不會(huì)引出嚴(yán)重后果。從而，當(dāng)用戶直視前方時(shí)，單透鏡605充當(dāng)中心視覺透鏡，而菲涅耳透鏡810充當(dāng)周邊視覺透鏡。

再次參考圖6，凝視方向a表示用戶的眼睛透過單透鏡605的光學(xué)中心直視前方。凝視b示出了如下的眼睛旋轉(zhuǎn)角度(為了簡(jiǎn)單，沒有示出旋轉(zhuǎn)后的瞳孔位置)：在該處凝視是透過單透鏡605和菲涅耳透鏡610的槽狀表面之間的過渡區(qū)域的。該過渡區(qū)域在一些實(shí)施例中是在相對(duì)于正前方30至45度的范圍中。凝視方向c是透過菲涅耳透鏡610的。大的凝視角度是可能的。從而，此方法克服了傳統(tǒng)透鏡的漸暈，同時(shí)對(duì)于大多數(shù)重要凝視方向保留了傳統(tǒng)透鏡的質(zhì)量。

值得注意的是，菲涅耳透鏡610(及其所產(chǎn)生的較低的敏度)被用在主凝視場(chǎng)外，這是可接受的，因?yàn)楫?dāng)用戶透過單透鏡605看(單透鏡605的圖像在中心凹上)時(shí)，向超出中心凹外的視網(wǎng)膜的區(qū)域提供菲涅耳圖像，而從該區(qū)域用戶通常不能感知到高分辨率。從而，向用戶呈現(xiàn)了可接受的寬fov。

第二個(gè)罕見的情況發(fā)生在眼睛轉(zhuǎn)到使得用戶能夠透過菲涅耳透鏡610沿著方向c凝視時(shí)，在此情況下向中心凹提供較低敏度的圖像。然而，這也是可接受的，因?yàn)檠劬苌俎D(zhuǎn)到高角度，而在沒有不適的情況下維持高角度的(例如，>30度)的眼睛旋轉(zhuǎn)是更加少見的。反而，頭部通常轉(zhuǎn)動(dòng)來觀看物體以便眼睛保持在舒適的凝視范圍中。當(dāng)可頭戴顯示器(例如，vr顯示器或增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示器)包括頭部跟蹤時(shí)，頭部也將會(huì)被轉(zhuǎn)動(dòng)來在高初始角度觀看物體，從而凝視c方向?qū)⒔?jīng)由頭部運(yùn)動(dòng)被轉(zhuǎn)換成凝視a方向。由于這些原因，預(yù)期用戶對(duì)于高眼睛旋轉(zhuǎn)角度處的低敏度的不滿意將是罕見的。

圖6圖示了在菲涅耳透鏡610的光學(xué)中心處整體形成(例如通過注塑或壓縮成型)的單球面或非球面透鏡605?？商鎿Q地，可在菲涅耳透鏡610中提供空腔或孔洞并且可通過本領(lǐng)域中已知的光學(xué)技術(shù)來插入并粘合單透鏡605。在其他實(shí)施例中，菲涅耳透鏡610也可利用被稱為嵌入成型的技術(shù)被成型在不同材料(諸如例如玻璃)的單透鏡605周圍。

菲涅耳透鏡610朝著鼻子延伸超出單透鏡605提供了比單透鏡605單獨(dú)獲得的更多的雙目重疊的能力。例如，單透鏡605可在60度fov上提供高視敏度，而在鼻子方向上延伸的菲涅耳透鏡610的存在可提供額外量的雙目重疊，但具有較低的敏度。類似地，也可延伸雙目重疊的垂直視野。

雖然圖6a圖示了菲涅耳透鏡610具有面向眼睛的平坦表面，并且菲涅耳的槽狀表面向外(例如，朝著顯示面板)，但這些表面可被顛倒。此外，與菲涅耳溝槽表面相反的表面可能不是平坦的并且可具有非球面或其他矯正或厚度變化以為諸如凝視方向c之類的凝視方向改善光學(xué)性能?；旌贤哥R系統(tǒng)600的設(shè)計(jì)也可被優(yōu)化來減小或消除來自菲涅耳透鏡610和單透鏡605之間的過渡區(qū)域的偽像，例如通過使菲涅耳透鏡溝槽的拔模角的方向與凝視方向b平行。在其他實(shí)施例中，菲涅耳溝槽可存在于兩個(gè)相反表面上。

圖7根據(jù)本公開的實(shí)施例圖示了混合透鏡系統(tǒng)700?；旌贤哥R系統(tǒng)700包括第二折射透鏡705和/或第三折射透鏡710，它們被添加在鄰近單透鏡605處以矯正色差、畸變或解決其他像差。雖然圖7將透鏡705和710圖示為新月形透鏡，但單透鏡605的正側(cè)或背側(cè)上的這些額外的透鏡效應(yīng)層取決于光學(xué)設(shè)計(jì)的要求可以是正透鏡或負(fù)透鏡。從而，完整的中心視覺透鏡可以是單一、雙合、三合或其他結(jié)構(gòu)，其包括可以是球面、非球面或者甚至漸變的正表面或負(fù)表面(稍后將論述)。圖示的周邊視覺透鏡是菲涅耳透鏡610。

圖8根據(jù)本公開的實(shí)施例圖示了混合透鏡系統(tǒng)800?；旌贤哥R系統(tǒng)800是利用嵌入成型技術(shù)形成的，其中塑料材料(例如，聚甲基丙烯酸甲酯)被形成在光學(xué)嵌入物805周圍，例如玻璃單透鏡、雙合透鏡或三合透鏡，或者其他。從而，光學(xué)嵌入物805(中心視覺透鏡)是用與菲涅耳透鏡810(周邊視覺透鏡)不同的材料形成的。注意，菲涅耳透鏡810或諸如開諾全息圖或衍射光學(xué)元件之類的微結(jié)構(gòu)可形成在包封光學(xué)嵌入物805的外表面815上。

打算用于非常高視野的系統(tǒng)中的光學(xué)系統(tǒng)也可從混合透鏡系統(tǒng)形成。改善周邊視覺的一種方式是如圖9a中所示在太陽穴附近采用彎曲。通過使菲涅耳透鏡910彎曲，例如由顯示面板920上的點(diǎn)a處的像素發(fā)出的光線可被混合光學(xué)系統(tǒng)900收集并被轉(zhuǎn)播到眼睛。在圖9a中，眼睛被轉(zhuǎn)動(dòng)到高角度，但周邊光線可在無需眼睛旋轉(zhuǎn)的情況下在周邊視覺中由視網(wǎng)膜看到，如果顯示器和透鏡產(chǎn)生在周邊產(chǎn)生虛擬圖像的光線的話。雖然我們示出了一個(gè)軸上的彎曲，但菲涅耳透鏡910可沿著多個(gè)軸彎曲。在一個(gè)實(shí)施例中，菲涅耳透鏡910形成于在一個(gè)或多個(gè)軸彎曲的彎曲基底上。在圖示的實(shí)施例中，菲涅耳透鏡910在中心視覺透鏡的鼻子側(cè)是平面的，但沿著中心視覺透鏡的太陽穴側(cè)的一部分是彎曲的。

另一個(gè)可選的特征在圖9a中圖示，其中菲涅耳透鏡910的焦距(例如，f1、f2、f3)隨著與菲涅耳透鏡910的光學(xué)中心的徑向距離而緩慢變化。在一個(gè)實(shí)施例中，焦距變化由周邊視覺透鏡(例如，菲涅耳透鏡910)的菲涅耳溝槽的斜率的輕微變化實(shí)現(xiàn)?？拷颇哥R910的中心，焦距是f1。隨著半徑增大，焦距緩慢且連續(xù)地增大到f2，然后增大到f3。如果焦距的變化是逐漸的，則焦距的梯度對(duì)于中心凹上的圖像(意思是對(duì)于對(duì)圖像的感知)將具有最低限度影響，但整體效果將是使得圖像能夠保持焦距對(duì)準(zhǔn)，盡管混合光學(xué)系統(tǒng)9000和顯示面板920之間的距離增大了。從而，在一個(gè)實(shí)施例中，增大菲涅耳透鏡910的焦距對(duì)于菲涅耳透鏡910在太陽穴側(cè)的向內(nèi)彎曲進(jìn)行了補(bǔ)償，該向內(nèi)彎曲導(dǎo)致了混合光學(xué)系統(tǒng)900與平面顯示面板920之間的分隔距離的增大。當(dāng)焦距逐漸改變時(shí)發(fā)生的放大率的變化可通過對(duì)圖像進(jìn)行電子的重映射和預(yù)畸變來減小，從而放大率變化被近似抵消。然而，如果變化發(fā)生在充分遠(yuǎn)離光學(xué)中心處，則放大率的變化可能是不可感知的。

圖6、圖7、圖8和圖9中所示的方法的許多變體是可能的。例如，中心視覺透鏡可包括衍射光學(xué)元件或全息圖。嵌入成型步驟的任何組合可用于形成整體混合透鏡系統(tǒng)。雖然圖9a示出了一個(gè)軸上的彎曲，但混合透鏡也可形成在球面、非球面或環(huán)面基底形狀上。在這種情況下，菲涅耳溝槽結(jié)構(gòu)被相應(yīng)地修改。例如，菲涅耳溝槽可形成在菲涅耳透鏡910的向眼表面上。當(dāng)在二維彎曲表面上形成時(shí)，也可在混合透鏡的周邊視覺部分中采用焦距的變化。

以上描述的混合透鏡系統(tǒng)也可結(jié)合彎曲顯示器使用?；旌贤哥R的曲率可被設(shè)計(jì)為匹配顯示器的曲率以使得圖像中的高空間保真度可得以維持，即使在周邊也可以。這樣，可以制作非常高雙目fov的系統(tǒng)(在水平視野中>180度)，其在整個(gè)水平和垂直視野或整個(gè)視野的任何子集上具有匹配視網(wǎng)膜的敏度。圖9b根據(jù)本公開的另一實(shí)施例圖示了包括混合透鏡系統(tǒng)和彎曲顯示器的雙目可頭戴顯示器930。

圖9c根據(jù)本公開的實(shí)施例圖示了包括具有彎曲部分947的混合透鏡系統(tǒng)945和具有彎曲部分955的顯示器950的可頭戴顯示器940。圖示的顯示器950包括平面部分960和彎曲部分955，彎曲部分955延伸超出混合透鏡系統(tǒng)945的彎曲部分947，使得顯示器950可在沒有任何透鏡的情況下被直接觀看，或者透過透明塑料觀看。在這種實(shí)施例中，顯示器950被延伸到fov的周邊區(qū)域，在這里眼睛具有如此小的周邊分辨率以至于只檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)和對(duì)光的意識(shí)。在這個(gè)極端周邊區(qū)域中，可能是不需要透鏡效應(yīng)的。這與當(dāng)朝超出透鏡的外邊緣處看時(shí)處方眼鏡呈現(xiàn)的圖像類似。在這種情況下，周邊圖像是焦點(diǎn)沒對(duì)準(zhǔn)的，但其沒有減損存在感。

大腦根據(jù)若干個(gè)線索來感知物體的深度。一個(gè)線索被稱為容適距離——即眼睛聚焦的距離。大腦能夠解讀獲得此焦點(diǎn)需要的睫狀肌線索并且形成對(duì)與源自于眼睛處的這些聚焦線索的距離的估計(jì)。第二個(gè)線索是通過解讀轉(zhuǎn)動(dòng)眼睛以使得兩只眼睛的凝視會(huì)聚在物體上以便整合左眼和右眼的感知圖像所需要的眼外肌運(yùn)動(dòng)來獲得的。這第二個(gè)距離線索是基于如下角度的：眼睛必須轉(zhuǎn)動(dòng)這個(gè)角度以將感興趣的物體放在中心凹上，并且這個(gè)感知的距離被稱為輻輳距離。

傳統(tǒng)的立體/3dvr系統(tǒng)中的已知問題之一是輻輳和容適距離之間的差別。例如，一些傳統(tǒng)3d系統(tǒng)將圖像平面放置在無窮遠(yuǎn)處并且通過輻輳來提供深度線索。這可導(dǎo)致用戶的不舒適。減小或消除容適輻輳沖突的一種方式是通過調(diào)節(jié)vr系統(tǒng)透鏡的功率，這改變圖像距離?？勺兦舛韧哥R是已知的。如果從眼睛跟蹤知道了眼睛凝視方向或者可基于vr場(chǎng)景和感興趣的物體估計(jì)眼睛凝視方向，則可以確定或估計(jì)輻輳距離?？烧{(diào)節(jié)功率透鏡隨后可被設(shè)定到使得容適距離等于輻輳距離的焦距，這樣消除了容適-輻輳差異。

指明物體距離s1、圖像距離s2和焦距f之間的關(guān)系的式子是：

1/f＝1/s1+1/s2。

采用適合于這里論述的類型的放大鏡系統(tǒng)的符號(hào)法則得到：

1/f＝1/|s1|-1/|s2|，或

|s2|＝1/{-1/f+1/|s1|}。

如果焦距是固定的，則圖像距離可改為通過調(diào)節(jié)透鏡與顯示器像素平面之間的光學(xué)距離來改變。說到光學(xué)距離od，我們指的是針對(duì)透鏡與像素平面(例如，一層玻璃)之間的介質(zhì)的折射指數(shù)n進(jìn)行了矯正的物理距離pd。

od＝n·pd。

這個(gè)距離也被稱為光路長(zhǎng)度。我們可通過至少以下三種選項(xiàng)來改變此距離：(1)移動(dòng)顯示器，(2)插入具有可變折射指數(shù)的光學(xué)材料(例如液晶)，或者(3)插入具有可變物理厚度的光學(xué)材料。

眼睛跟蹤可用于確定會(huì)聚角度并且根據(jù)這些角度和ipd確定會(huì)聚距離。一旦知道了會(huì)聚距離，就可調(diào)節(jié)容適距離以匹配。例如，如果透鏡系統(tǒng)的焦距固定在44mm，并且像素平面與透鏡之間的初始光學(xué)距離是43.95mm，則圖像距離將是38.7m。圖10包括圖示出作為像素平面與透鏡之間的光路長(zhǎng)度的減小的函數(shù)的虛擬圖像距離的圖表。如果光路長(zhǎng)度減小2mm，則圖像從38.7m移動(dòng)到1m。4mm的減小將圖像的距離減小到40cm。這種系統(tǒng)可使用顯示器的大約10mm的平移來將圖像從38.8m移動(dòng)到10cm。已開發(fā)出了柔性顯示器，其將會(huì)允許顯示器的僅一部分被移動(dòng)。從而，可通過將最靠近鼻子的顯示器的邊緣移動(dòng)幾毫米來調(diào)節(jié)圖像距離。

減小容適-輻輳沖突的另一種方法是基于調(diào)節(jié)透鏡的焦距。這種可調(diào)節(jié)透鏡是已知的并且可與上文描述的混合透鏡系統(tǒng)相結(jié)合來形成具有可調(diào)節(jié)功率的透鏡。從眼睛跟蹤確定輻輳距離，并且調(diào)節(jié)透鏡的焦距以獲得適當(dāng)?shù)娜葸m距離。圖11包括對(duì)于放置在距透鏡43.9mm處的顯示器圖示出作為焦距的函數(shù)的圖像距離的圖表。隨著焦距被從44mm增大到50mm，圖像被從19m移動(dòng)到0.36m。這是通過可調(diào)節(jié)透鏡的曲率半徑的增大來獲得的。

減小容適-輻輳差異的一種被動(dòng)方法是通過使用在遠(yuǎn)視眼矯正的眼科中已經(jīng)使用的漸變透鏡的修改來獲得。眼科漸變透鏡具有隨著眼睛從透鏡的中心朝著透鏡的底部并且朝著鼻子旋轉(zhuǎn)而變化的焦距。通過隨著會(huì)聚增大而添加光學(xué)功率，使得更近的物體焦距對(duì)準(zhǔn)(broughtintofocus)。這個(gè)原理可被修改來減小容適-輻輳沖突。

圖12圖示了一種混合透鏡系統(tǒng)1200，其中周邊視覺透鏡的光學(xué)功率在由d指示的鼻子方向上被徑向改變。回憶起虛擬圖像的位置由下式給出：

|s2|＝-1/{1/f-1/|s1|}，

其中s1是從顯示器到透鏡的距離，并且s2是從圖像到透鏡的距離。假定s1是固定的，如果透過透鏡的f小于中心的部分觀看物體，則s2更小，意思是使圖像更近。再次參考圖12，如果焦距隨著從混合透鏡系統(tǒng)1200的中心朝著鼻子的距離d而減小，則隨著用戶更多在鼻子方向上看，圖像被帶得更近。

圖13根據(jù)本公開的實(shí)施例圖示了分別包括左混合透鏡1301和右混合透鏡1302的雙目混合光學(xué)系統(tǒng)1300。當(dāng)用戶看著遠(yuǎn)處物體a時(shí)，兩只眼睛的凝視角度是平行的并且方向透過中心視覺透鏡。如果中心視覺透鏡的光學(xué)中心的焦距大致是到顯示器的距離，則用戶在光學(xué)無窮遠(yuǎn)的容適距離處看到圖像，這與零會(huì)聚角度一致。當(dāng)用戶看著點(diǎn)c處的物體時(shí)，用戶的凝視必定在點(diǎn)1處透過中心視覺透鏡。如果點(diǎn)1處的焦距大于中心的，則容適距離從無窮遠(yuǎn)移動(dòng)到點(diǎn)c，雖然顯示位置沒有改變。如果透鏡被設(shè)計(jì)成使得透過點(diǎn)2看具有甚至更高的焦距，則物體的容適距離被移動(dòng)到點(diǎn)b。這樣，使得會(huì)聚距離和容適距離相對(duì)應(yīng)。

對(duì)于通過朝著太陽穴轉(zhuǎn)動(dòng)一只眼睛來觀看的物體，差異仍將存在：朝著鼻子轉(zhuǎn)動(dòng)的眼睛將具有比朝著太陽穴轉(zhuǎn)動(dòng)的眼睛更近的容適距離。然而，如果頭部隨后被轉(zhuǎn)動(dòng)來使得圖像在矢狀平面上居中(這是觀看物體的自然方式)，則該差異將不存在。因此，由于使感興趣的物體在雙目視野中居中是觀看圖像的自然方式，所以此技術(shù)對(duì)于觀看近處物體的最自然方式祛除了該差異。

圖14根據(jù)本公開的實(shí)施例圖示了包括柔性顯示器1401和1402的雙目可頭戴顯示器1400。使用固定漸變焦距的混合透鏡系統(tǒng)的一種替換方式是使用柔性顯示器1401和1402并且使得顯示器1401和1402略微朝著鼻子彎曲，如圖14中所示。由于間距d2小于間距d1，所以所得到的圖像距離隨著凝視的方向朝著鼻子移動(dòng)而減小。顯示器1401和1402的曲率可被匹配來去除輻輳距離和容適距離之間的沖突。

以上對(duì)本發(fā)明的圖示實(shí)施例的描述，包括摘要中描述的那些，并不打算是詳盡無遺的或者將本發(fā)明限制到公開的精確形式。雖然出于例示目的在本文中描述了本發(fā)明的具體實(shí)施例及其示例，但正如相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將會(huì)認(rèn)識(shí)到的，在本發(fā)明的范圍內(nèi)各種修改是可能的。

這些修改可按照以上詳細(xì)描述對(duì)本發(fā)明做出。所附權(quán)利要求中使用的術(shù)語不應(yīng)當(dāng)被解釋為將本發(fā)明限制到說明書中公開的具體實(shí)施例。更確切地說，本發(fā)明的范圍完全由所附權(quán)利要求來確定，這些權(quán)利要求要根據(jù)所確立的權(quán)利要求解讀準(zhǔn)則來解釋。