提供像散补偿的变焦光学组件的制作方法

1.本公开一般涉及光学设备和与其相关联的方法，并且在特定实施例中，涉及被配置为提供像散补偿的变焦光学组件和包括变焦光学组件的头戴式显示器。本技术要求于2019年9月24日提交的美国临时申请号62/905,249的权益，其全部内容通过引用并入本文。


背景技术：

2.包括头戴式显示器设备的光学设备向用户提供视觉信息。例如，头戴式显示器用于虚拟现实和增强现实操作。头戴式显示器通常包括电子图像源和光学组件。
3.自动调焦(accommodation)是指一种视觉过程，其中人眼的睫状肌和悬韧带使得眼睛的晶状体膨胀或变平以将物体聚焦在视网膜上。如果眼睛的自动调焦不理想，则入射在晶状体上的平行光线可以会聚到视网膜后面的点(远视或远视眼)或视网膜前面的点(近视或近视眼)。为了校正这些视觉缺陷，焦距适当的会聚透镜放置在远视眼的前面，而焦距适当的发散透镜放置在近视眼的前面。放置在眼睛前面的透镜提供球面校正，其程度取决于正或负屈光度(d)的透镜的焦距。
4.像散是另一常见类型的屈光不正，其中眼睛不能将光均匀聚焦到视网膜上，并且当光依据其照射到角膜并穿过眼睛的晶状体的位置而以不同方式弯曲时发生。结果，眼睛不能将光线聚焦到单个点，并且视觉在任何距离处变得离焦。正常眼睛的角膜像篮球一样弯曲，其中所有区域中的曲率半径相同。具有像散的眼睛具有弯曲得更像橄榄球的角膜，其中一些区域比其他区域更陡或更圆(例如，曲率半径发生变化)。在其他情况下，眼睛内部的晶状体可能以不规则方式弯曲，或角膜和晶状体都可能以不规则方式弯曲。像散可能导致图像显得模糊和伸展，并且可能导致头痛、眼疲劳、斜视、以及视觉失真或视觉模糊。


技术实现要素：

5.通过引用整体并入本文的题为“具有变焦光学组件的显示器设备”的美国申请序列号16/355,612在相关部分中公开了放置在光学设备中的显示器与显示器观看者的一只或两只眼睛之间的光学组件。变焦光学组件包括多个可调级，该多个可调级可配置为具有可调光焦度；并且在一个示例中，可以用于诸如头戴式显示器之类的光学设备中，使得对象的显示图像以适当方式聚焦在显示器观看者的眼睛的视网膜上。在光学组件中，具有多个级的光学叠层的焦距可以通过改变光学级中的一个或多个光学级的相应状态来调整。例如，在第一状态下，光学级可以被配置为具有用于第一偏振的光的第一相应光焦度和用于与第一偏振正交的第二偏振的光的与第一相应光焦度不同的第二相应光焦度。在第二状态下，相应光学级可以被配置为具有用于第一偏振的光的第三光焦度和用于第二偏振的光的第四光焦度。光学叠层的焦距和变焦光学组件的总体光焦度(如上文所讨论的以 d或-d测量)可以通过配置组件的一个或多个连续光学级来改变，以提供球面校正并且增强观看者的自动调焦。
6.一般而言，本发明涉及一种变焦光学组件，该变焦光学组件提供像散补偿并且可
以用作显示器设备(例如，头戴式显示器设备)的光学系统的部件。该变焦光学组件包括光学叠层，该光学叠层可以被配置为通过提供像散和可选的球面校正来增强显示器观看者的一只或两只眼睛的自动调焦，以在使用该显示器设备的同时，增加观看者的整体舒适度和乐趣。
7.变焦光学组件包括像散透镜化光学组件，该像散透镜化光学组件可以在显示器与观看者的一只或两只眼睛之间形成光学叠层。像散透镜化光学组件可以被配置为校正垂直像散和倾斜像散两者，并且可以像校正眼镜镜片一样为每只眼睛提供 d或-d的柱面校正和在0
°
至180
°
的角度范围内的柱面轴线取向。像散透镜化光学组件薄而轻，从而降低了头戴式显示器(或任何光学设备)的总重量，并且提供了更优化的设备形状因数，这两者中的任一项或两项都可以增强观看者的观看体验。
8.在一些示例中，本发明描述了一种包括像散补偿光学组件的变焦光学组件。该像散补偿光学组件包括第一像散补偿光学模块，该第一像散补偿光学模块包括多个第一光学元件，该多个第一光学元件包括pancharatnam-berry相位(pbp)透镜、pbp光栅、偏振敏感全息图(psh)透镜、psh光栅、超材料或它们的组合。多个第一光学元件被配置为补偿第一轴上的像散，并且包括与泽尼克(zernike)多项式相关联的特性。该像散补偿光学组件还包括第二像散补偿光学模块，该第二像散补偿光学模块包括多个第二光学元件，该多个第二光学元件包括pbp透镜、pbp光栅、psh透镜、psh光栅、超材料或它们的组合。多个第二光学元件被配置为补偿第二轴上的像散，并且包括与泽尼克多项式相关联的特性。第一像散补偿光学模块和第二像散补偿模块中的每个模块可在多个光焦度之间配置，以提供多个柱面校正值和轴向校正值。
9.因此，一种根据本发明实施例的变焦光学组件包括：
10.像散补偿光学组件，包括：
11.第一像散补偿光学模块，包括多个第一光学元件，该多个第一光学元件包括pancharatnam-berry相位(pbp)透镜、pbp光栅、偏振敏感全息图(psh)透镜、psh光栅、超材料或它们的组合，其中多个第一光学元件被配置为补偿第一轴上的像散并且包括与泽尼克多项式相关联的特性；以及
12.第二像散补偿光学模块，包括多个第二光学元件，该多个第二光学元件包括pbp透镜、pbp光栅、psh透镜、psh光栅、超材料或它们的组合，其中多个第二光学元件被配置为补偿第二轴上的像散并且包括与泽尼克多项式相关联的特性，其中第一像散补偿光学模块和第二像散补偿模块中的每个模块可在多个光焦度之间配置以提供多个柱面校正值和轴向校正值。
13.在一些示例中，变焦光学组件还包括球面透镜化光学模块。在一些示例中，球面透镜化光学模块包括以下各项中的至少一项：液体透镜；多个可移动透镜；或多个第三光学元件，该多个第三光学元件包括pbp透镜、pbp光栅、psh透镜、psh光栅、超材料或它们的组合。
14.在一些示例中，多个第一光学元件和多个第二光学元件包括pbp透镜、pbp光栅、psh透镜、psh光栅或它们的组合，并且其中特性包括液晶指向矢图案。
15.在一些示例中，多个第一光学元件和多个第二光学元件中的每个光学元件包括pbp透镜。
16.在一些示例中，第一像散补偿光学模块和第二像散补偿光学模块中的每个像散补偿光学模块各自包括至少三个光学级，每个光学级包括至少一个光学元件，并且其中至少一些光学元件具有不同的光焦度。
17.在一些示例中，第一像散补偿光学模块和第二像散补偿光学模块中的每个像散补偿光学模块中的一个或多个光学级包括可切换延迟器和光学元件，该光学元件包括pbp透镜、pbp光栅、psh透镜或psh光栅，其中：
18.可切换延迟器可配置为处于“断开”状态或“接通”状态，其中，
19.在“断开”状态下，可切换光学延迟器被配置为将第一偏振的光或第二偏振的光分别转换为第二偏振的光或第一偏振的光；以及
20.在“接通”状态下，可切换光学延迟器透射入射光而不改变其偏振；
21.包括pbp透镜、pbp光栅、psh透镜或psh光栅的光学元件被配置为接收通过可切换延迟器透射的光，并且光焦度，该光焦度具有取决于通过第一类型的光学元件透射的光具有第一偏振还是第二偏振。
22.在一些示例中，第一像散补偿光学模块的光焦度和第二像散补偿光学模块的光焦度基于变焦光学组件的用户的像散来配置。
23.在一些示例中，变焦光学组件还包括至少一个附加光学元件，其中第一像散补偿光学模块的光焦度和第二像散补偿光学模块的光焦度被配置为补偿由至少一个附加光学元件引入的光学像差。
24.在一些示例中，每个光学元件具有约2的幂的光焦度。
25.在一些示例中，第一像散补偿光学模块和第二像散补偿光学模块的组合可配置为呈现-2屈光度与 2屈光度之间的多个柱面光焦度以及0度与180度之间的多个校正轴。
26.在一些示例中，本发明描述一种头戴式显示器，包括显示器，该显示器被配置为发射图像光；以及变焦光学组件，该变焦光学组件被配置为提供像散补偿。变焦光学组件包括像散补偿光学组件。该像散补偿光学组件包括第一像散补偿光学模块，该第一像散补偿光学模块包括多个第一光学元件，该多个第一光学元件包括pancharatnam-berry相位(pbp)透镜、pbp光栅、偏振敏感全息图(psh)透镜、psh光栅、超材料或它们的组合。多个第一光学元件被配置为补偿第一轴上的像散，并且包括与泽尼克多项式相关联的特性。该像散补偿光学组件还包括第二像散补偿光学模块，该第二像散补偿光学模块包括多个第二光学元件，该多个第二光学元件包括pbp透镜、pbp光栅、psh透镜、psh光栅、超材料或它们的组合。多个第二光学元件被配置为补偿第二轴上的像散，并且包括与泽尼克多项式相关联的特性。第一像散补偿光学模块和第二像散补偿模块中的每个模块可在多个光焦度之间配置，以提供多个柱面校正值和轴向校正值。
27.因此，一种根据本发明实施例的头戴式显示器包括：
28.显示器，被配置为发射图像光；以及
29.变焦光学组件，被配置为提供像散补偿，该变焦光学组件包括：
30.像散补偿光学组件，包括：
31.第一像散补偿光学模块，包括多个第一光学元件，该多个第一光学元件包括pbp透镜、pbp光栅、psh透镜、psh光栅、超材料或它们的组合，其中多个第一光学元件被配置为补
偿第一轴中的像散并且包括与泽尼克多项式相关联的特性；以及
32.第二像散补偿光学模块，包括多个第二光学元件，该多个第二光学元件包括pbp透镜、pbp光栅、psh透镜、psh光栅、超材料或它们的组合，其中多个第二光学元件被配置为补偿第二轴中的像散并且包括与泽尼克多项式相关联的特性，其中第一像散补偿光学模块和第二像散补偿模块中的每个模块可在多个光焦度之间配置，以提供多个柱面校正值和轴向校正值。
33.在头戴式显示器的一些示例中，变焦光学组件还包括球面透镜化光学模块。
34.在头戴式显示器的一些示例中，多个第一光学元件和多个第二光学元件包括pbp透镜、pbp光栅、psh透镜、psh光栅或它们的组合，并且其中特性包括液晶指向矢图案。
35.在头戴式显示器的一些示例中，第一像散补偿光学模块和第二像散补偿光学模块各自包括至少三个光学级，每个光学级包括至少一个光学元件，并且其中这些光学元件中的至少一些光学元件具有不同的光焦度。
36.在头戴式显示器的一些示例中，第一像散补偿光学模块的光焦度和第二像散补偿光学模块的光焦度基于变焦光学组件的用户的像散来配置。
37.在一些示例中，本发明描述一种方法，包括：使光透射穿过第一像散补偿光学模块，该第一像散补偿光学模块包括多个第一光学级，每个光学级包括来自多个第二光学元件的光学元件，该多个第二光学元件包括pbp透镜、pbp光栅、psh透镜、psh光栅、超材料或它们的组合。多个第一光学元件被配置为补偿第一轴上的像散并且包括与泽尼克多项式相关联的特性。多个第一光学级中的每个级可配置为处于包括第一状态和第二状态的多个状态中的任一状态。该方法还包括：通过改变多个第一光学级中的一个或多个光学级的相应状态来调整第一像散补偿光学模块的第一焦度。该方法还包括：使光透射穿过第二像散补偿光学模块，该第二像散补偿光学模块包括多个第二光学级，每个光学级包括来自多个第二光学元件的光学元件，该多个第二光学元件包括pbp透镜、pbp光栅、psh透镜、psh光栅、超材料或它们的组合。多个第二光学元件被配置为补偿第二轴上的像散并且包括与泽尼克多项式相关联的特性。多个第二光学级的每个级可被配置为处于包括第一状态和第二状态的多个状态中的任一状态。该方法还包括：通过改变多个第二光学级中的一个或多个光学级的相应状态来调整第二像散补偿光学模块的第二焦度。
38.因此，一种根据本发明的实施例的方法包括：
39.使光透射穿过第一像散补偿光学模块，该第一像散补偿光学模块包括多个第一光学级，每个光学级包括来自多个第二光学元件的光学元件，该多个第二光学元件包括pancharatnam-berry相位(pbp)透镜、pbp光栅、偏振敏感全息图(psh)透镜、psh光栅、超材料或它们的组合，其中该多个第一光学元件被配置为补偿第一轴上的像散并且包括与泽尼克多项式相关联的特性，其中该多个第一光学级中的每个级可被配置为处于包括第一状态和第二状态的多个状态中的任一状态；
40.通过改变多个第一光学级中的一个或多个光学级的相应状态来调整第一像散补偿光学模块的第一焦度；
41.使光透射穿过第二像散补偿光学模块，该第二像散补偿光学模块包括多个第二光
学级，每个光学级包括来自多个第二光学元件的光学元件，该多个第二光学元件包括pbp透镜、pbp光栅、psh透镜、psh光栅、超材料或它们的组合，其中多个第二光学元件被配置为补偿第一轴上的像散并且包括与泽尼克多项式相关联的特性，其中多个第二光学级的每个级可被配置为处于包括第一状态和第二状态的多个状态中的任一状态；以及
42.通过改变多个第二光学级中的一个或多个光学级的相应状态来调整第二像散补偿光学模块的第二焦度。
43.在一些示例中，该方法还包括：使光透射穿过球面透镜化光学模块，该球面透镜化光学模块包括多个第三光学级，每个光学级包括来自多个第三光学元件的光学元件，该多个第三光学元件包括pbp透镜、pbp光栅、psh透镜、psh光栅或它们的组合，其中多个第一光学元件包括与泽尼克多项式相关联的液晶指向矢图案，其中多个第一光学级的每个级可被配置为处于包括第一状态和第二状态的多个状态中的任一状态；以及通过改变多个第一光学级中的一个或多个光学级的相应状态来调整球面透镜化光学模块的球面焦度。
44.在一些示例中，第一像散补偿光学模块被配置为校正垂直于变焦光学组件的主轴的第一平面中的垂直像散。
45.在一些示例中，第二像散补偿光学组件被配置校正倾斜像散。
46.因此，所公开的实施例提供了具有可调光焦度的显示器设备，以减少眼睛疲劳并且提高用户对这种设备的舒适度和满意度。
附图说明
47.为了更好地理解各种所描述的实施例，应当结合以下附图参考以下对实施例的描述，在附图中，相同的附图标记始终是指对应的部分。除非另有说明，否则附图并非按比例绘制。
48.图1是描绘了根据本公开中所描述的技术的包括提供像散补偿的变焦光学组件的示例人工现实系统的图示。
49.图2a是描绘了根据本公开中所描述的技术的示例hmd和包括提供像散补偿的变焦光学组件的示例外围设备的图示。
50.图2b是描绘了根据本公开中所描述的技术的包括提供像散补偿的变焦光学组件的另一示例hmd的图示。
51.图3是示出了根据本公开中所描述的技术的图1的人工现实系统的控制台和hmd的示例实现方式的框图。
52.图4是描绘了根据本公开中所描述的技术的图1的人工现实系统的示例hmd的框图。
53.图5a是显示器设备的实施例的示意性透视图。
54.图5b和图5c是球面透镜化光学模块的示例的示意性横截面视图。
55.图6是示例球面透镜化光学模块的示意性横截面视图。
56.图7是根据本公开的一些示例的球面透镜化光学模块的示例光学级的概念图，该光学级包括第一光学元件以及与该第一光学元件光学串联的第二光学元件。
57.图8a至图8d是图示了用于球面透镜化光学模块的示例pancharatnam-berry相位
透镜的示意图。
58.图9a至图9d是图示了用于球面透镜化光学模块的示例偏振敏感全息图透镜的示意图。
59.图10a是示例球面透镜化光学模块的示意性横截面视图。
60.图10b和图10c示出了示例球面透镜化光学模块的不同配置的示例。
61.图11a是示出了透镜中的像散的垂直平面和倾斜平面的示意图。图11b是示出了图11a的像散透镜的垂直图像和倾斜图像的轨迹的示意图。
62.图12a是按径向度垂直排序并且按方位角度水平排序的前21个泽尼克多项式的图像。
63.图12b是由正交泽尼克多项式和形成的示意性单位圆。
64.图13a是pancharatnam-berry相位透镜内的液晶指向矢取向的示意图，pancharatnam-berry相位透镜用于与泽尼克多项式相关联的倾斜像散补偿光学模块。
65.图13b是pancharatnam-berry相位透镜内的液晶指向矢取向的示意图，pancharatnam-berry相位透镜用于与泽尼克多项式相关联的垂直像散补偿光学模块。
66.图14a是包括变焦光学组件的实施例的光学设备的示意性横截面视图，该变焦光学组件包括垂直像散补偿光学模块和倾斜像散补偿光学模块。
67.图14b是示例像散补偿光学模块的输出的曲线图。
68.附图中相同的符号表示相同的元件。
具体实施方式
69.本公开涉及一种提供像散补偿的变焦光学组件以及一种包括该变焦光学组件的显示器设备(例如，头戴式显示器设备)。变焦光学组件包括像散补偿光学组件和可选的球面透镜化光学模块。所公开的示例可以用于减少用户在使用显示器设备时可能经历的聚散度-适应性冲突，从而增加用户在使用显示器设备时的整体舒适度和乐趣。
70.图1是描绘了根据本公开中所描述的技术的包括提供像散补偿的变焦光学组件的示例人工现实系统的图示。在图1的示例中，人工现实系统100包括hmd 112、一个或多个控制器114a和114b(统称为“一个或多个控制器114”)，并且在一些示例中可以包括一个或多个外部传感器90和/或控制台106。
71.hmd 112通常由用户110佩戴，并且包括用于向用户110呈现人工现实内容122的电子显示器和光学组件。另外，hmd 112包括用于跟踪hmd 112的运动的一个或多个传感器(例如，加速度计)，并且可以包括用于捕获周围物理环境的图像数据的一个或多个图像捕获设备138(例如，相机、行扫描仪)。尽管被图示为头戴式显示器，但是ar系统100可以备选地或附加地包括用于向用户110呈现人工现实内容122的眼镜或其他显示器设备。
72.每个(多个)控制器114是用户110可以用来向控制台106、hmd 112或人工现实系统100的另一部件提供输入的输入设备。控制器114可以包括一个或多个存在敏感表面，用于通过检测在存在敏感表面的位置上触摸或悬停的一个或多个对象(例如，手指、触笔)的存在来检测用户输入。在一些示例中，(多个)控制器114可以包括输出显示器，该输出显示器可以是存在敏感显示器。在一些示例中，(多个)控制器114可以是智能电话、平板计算机、个
人数字助理(pda)或其他手持设备。在一些示例中，(多个)控制器114可以是智能手表、智能环或其他可穿戴式设备。(多个)控制器114也可以是信息亭或其他固定系统或移动系统的一部分。备选地或附加地，(多个)控制器114可以包括其他用户输入机构，诸如一个或多个按钮、触发器、操纵杆、d形键盘等，以使得用户能够与通过人工现实系统100呈现给用户110的人工现实内容122的各方面交互和/或对其进行控制。
73.在该示例中，控制台106被示为单个计算设备，诸如游戏控制台、工作站、台式计算机或膝上型计算机。在其他示例中，控制台106可以分布在诸如分布式计算网络、数据中心或云计算系统之类的多个计算设备上。如本示例所示，控制台106、hmd 112和传感器90可以经由网络104通信地耦合，网络104可以是有线网络或无线网络，诸如wi-fi、网状网络或短距离无线通信介质、或它们的组合。尽管hmd 112在该示例中被示为与控制台106通信，例如，系到控制台106或与控制台106无线通信，但是在一些实现方式中，hmd 112作为独立的移动人工现实系统来操作，并且人工现实系统100可以省略控制台106。
74.一般而言，人工现实系统100渲染人工现实内容122以在hmd 112处显示给用户110。在图1的示例中，用户110观看由在hmd 112和/或控制台106上执行的人工现实应用构造并渲染的人工现实内容122。在一些示例中，人工现实内容122可以是完全人工的，即，与用户110所处的环境无关的图像。在一些示例中，人工现实内容122可以包括真实世界图像(例如，用户110的手、(多个)控制器114、用户110附近的其他环境对象)和虚拟对象的混合，以产生混合现实和/或增强现实。在一些示例中，虚拟内容项目可以例如相对于真实世界图像映射(例如，钉(pinned)、锁定、放置)到人工现实内容122内的特定位置。例如，虚拟内容项的位置可以是固定的，如相对于墙壁或地球中的一个。例如，虚拟内容项目的位置可以是可变的，如相对于(多个)控制器114或用户。在一些示例中，虚拟内容项目在人工现实内容122内的特定位置与真实世界物理环境内的位置(例如，在物理对象的表面上)相关联。
75.在操作期间，人工现实应用通过跟踪并计算参考系的姿态信息(通常为hmd 112的观看视角)来构造用于显示给用户110的人工现实内容122。使用hmd 112作为参考系并且基于由hmd 112的当前估计姿态确定的当前视场，人工现实应用渲染3d人工现实内容，在一些示例中，该3d人工现实内容可以至少部分覆盖在用户110的真实世界3d物理环境上。在该过程期间，人工现实应用使用从hmd 112接收的感测数据(诸如运动信息和用户命令)，并且在一些示例中，使用来自任何外部传感器90(诸如外部相机)的数据来捕获现实世界物理环境内的3d信息(例如，用户110的运动和/或关于用户110的特征跟踪信息)。基于感测数据，人工现实应用确定hmd 112的参考系的当前姿态，并且根据当前姿态来渲染人工现实内容122。
76.人工现实系统100可以基于用户110的当前视场130来触发虚拟内容项的生成和渲染，这可以通过用户的实时凝视跟踪或其他条件来确定。更具体地，hmd 112的图像捕获设备138捕获表示图像捕获设备138的视场130内的真实世界物理环境中的对象的图像数据。视场130通常对应于hmd 112的视角。在一些示例中，人工现实应用呈现包括混合现实和/或增强现实的人工现实内容122。人工现实应用可以渲染真实世界对象的图像，诸如用户110的外围设备136、手132和/或手臂134的各部分，这些图像在沿着虚拟对象的视场130内，诸如在人工现实内容122内。在其他示例中，人工现实应用可以在人工现实内容122内的视场130内渲染用户110的外围设备136、手132和/或手臂134的各部分的虚拟表示(例如，将真实
世界对象渲染为虚拟对象)。在任一示例中，用户110能够观看其手132、手臂134、外围设备136和/或人工现实内容122内的视场130内的任何其他真实世界对象的各部分。在其他示例中，人工现实应用可以不渲染用户110的手132或手臂134的表示。
77.为了为用户110提供舒适的观看体验，hmd 112可以包括透镜系统，用于将hmd 112的显示器设备输出的光聚焦在用户110的眼睛处。为了进一步增强用户舒适度并且减少用户110在使用hmd 112的同时可能经历的聚散度-自动调焦冲突，hmd 112的光学组件或系统可以包括变焦光学组件，该变焦光学组件通过改变聚焦状态来改变图像的视深度。虽然这可以减少聚散度-自动调焦冲突，但是用户110仍然需要佩戴处方(prescription)光学器件(诸如处方眼镜)来补偿像散。佩戴处方光学器件可能会干扰hmd 112的适配，从而降低用户110的舒适度。
78.根据本公开的技术，hmd 112包括变焦光学组件，该变焦光学组件提供像散补偿。变焦光学组件可以包括像散补偿光学组件，并且可选地包括球面透镜化光学模块。该像散补偿光学组件可以包括多个偏振敏感透镜化元件，诸如pancharatnam-berry相位(pbp；也称为几何相位)透镜、pbp光栅(也称为几何相位光栅)、偏振敏感全息图(psh)透镜、psh光栅、超材料(例如，超表面)和/或液晶光学相位阵列。通过控制入射到每个相应透镜元件上的光的偏振和/或透镜化元件的状态，可以控制变焦光学系统以具有选定的总光焦度。在一些示例中，球面透镜化光学模块还可以包括多个偏振敏感透镜化元件。附加地或备选地，球面透镜化光学模块可以包括一个或多个液体透镜、一个或多个可移动常规透镜、一个或多个扁平透镜或它们的组合。
79.另外，通过(例如，在制造偏振敏感透镜化元件期间)控制偏振敏感透镜化元件内的液晶(lc)分子的指向矢的取向，偏振敏感透镜化元件可以被配置为提供选定类型的透镜化。通过控制超材料的结构，可以实现类似效果。如此，可选的球面透镜化光学模块内的透镜或光栅可以具有以被配置为提供球面透镜化的图案定向的lc指向矢，而像散补偿光学组件内的透镜或光栅可以具有以被配置为沿选定轴提供柱面透镜化的图案定向的lc指向矢。例如，像散补偿光学组件可以包括第一像散补偿模块和第二像散补偿模块。第一像散补偿模块可以被配置为补偿第一轴上的像散(例如，垂直像散)，而第二像散补偿模块可以被配置为补偿第二轴上的像散(例如，倾斜像散)。通过在第一轴和第二轴(每个轴具有可控光焦度)中包括像散补偿，本文中所描述的变焦光学系统或组件可以提供选定焦度和轴的像散补偿，而无需用户110佩戴处方光学器件，从而增加了用户110的舒适度并且改善了用户110在使用hmd 112时的体验。
80.图2a是描绘了根据本公开中所描述的技术的包括提供像散补偿的变焦光学系统的示例hmd 112的图示。图2a的hmd 112可以为图1的hmd 112的示例。hmd 112可以是人工现实系统(诸如图1的人工现实系统100)的一部分，或可以作为被配置为实现本文中所描述的技术的独立的移动人工现实系统来操作。
81.在该示例中，hmd 112包括前刚性本体和将hmd 112稳固到用户的带。另外，hmd 112包括面向内部的电子显示器203，该面向内部的电子显示器203被配置为经由变焦光学系统205向用户呈现人工现实内容。电子显示器203可以是如上文所描述的任何合适的显示技术。在一些示例中，电子显示器是用于向用户的每只眼睛提供单独图像的立体显示器。在一些示例中，当跟踪hmd 112的位置和取向用于根据hmd 112和用户的当前观看视角来渲染
人工现实内容时，显示器203相对于hmd 112的前刚性本体的已知取向和位置用作参考系，该参考系也被称为本地原点。在其他示例中，hmd 112可以采用诸如眼镜或护目镜之类的其他可佩戴头戴式显示器的形式。
82.变焦光学系统205包括光学元件，该光学元件被配置为管理由电子显示器203输出的光以便由hmd 112的用户(例如，图1的用户110)观看。光学元件可以包括例如一个或多个透镜、一个或多个衍射光学元件、一个或多个反射光学元件、一个或多个波导等，其操纵(例如，聚焦、散焦、反射、折射、衍射等)由电子显示器203输出的光。例如，变焦光学系统205可以为本文中参考图1、图6、图7和图8所描述的变焦光学系统中的任一变焦光学系统。
83.还如图2a所示，在该示例中，hmd 112还包括一个或多个运动传感器206，诸如输出指示hmd 112的当前加速度的数据的一个或多个加速度计(也称为惯性测量单元或“imu”)，该一个或多个运动传感器206输出指示hmd 112的位置的数据；gps传感器，该gps传感器输出指示hmd 112的位置的数据；雷达或声纳，该雷达或声纳指示hmd 112与各种对象相距的距离的数据；或提供hmd 112或物理环境内的其他对象的位置或取向的指示的其他传感器。而且，hmd 112可以包括集成图像捕获设备138a和138b(统称为“图像捕获设备138”)，诸如摄像机、激光扫描仪、多普勒雷达扫描仪、深度扫描仪等，该集成图像捕获设备138a和138b被配置为输出表示物理环境的图像数据。更具体地，图像捕获设备138捕获表示物理环境中的对象(包括外围设备136和/或手132)的图像数据，这些对象位于图像捕获设备138的视场130a、130b内，该视场130a、130b通常对应于hmd 112的观看视角。hmd 112包括内部控制单元210，该内部控制单元210可以包括内部电源和一个或多个印刷电路板，该一个或多个印刷电路板具有一个或多个处理器、存储器和硬件以提供用于执行可编程操作的操作环境，以处理感测数据并且在显示器203上呈现人工现实内容。
84.图2b是描绘了根据本公开中所描述的技术的另一示例hmd 112的图示。如图2b所示，hmd 112可以采用眼镜的形式。图2a的hmd 112可以是图1的hmd 112的示例。hmd 112可以是人工现实系统(诸如图1的人工现实系统100)的一部分，或可以作为被配置为实现本文中所描述的技术的独立的移动人工现实系统来操作。
85.在该示例中，hmd 112是包括前框的眼镜，该前框包括允许hmd 112搁置在用户鼻子上的鼻梁架和在用户耳朵上延伸以将hmd 112稳固到用户的边撑(或“臂”)。另外，图2b的hmd 112包括被配置为向用户呈现人工现实内容的一个或多个面向内部的电子显示器203a和203b(统称为“电子显示器203”)和被配置为管理由面向内部的电子显示器203输出的光的一个或多个变焦光学系统205a和205b(统称为“变焦光学系统205”)。在一些示例中，当跟踪hmd 112的位置和取向以根据hmd 112和用户的当前观看视角来渲染人工现实内容时，显示器203相对于hmd 112的前框的已知取向和位置用作参考系，也被称为本地原点。
86.还如图2b所示，在该示例中，hmd 112还包括一个或多个运动传感器206、一个或多个集成图像捕获设备138a和138b(统称为“图像捕获设备138”)、内部控制单元210，该内部控制单元210可以包括内部电源和一个或多个印刷电路板，该一个或多个印刷电路板具有一个或多个处理器、存储器和硬件，以提供用于执行可编程操作以处理感测数据的操作环境并且在显示器203上呈现人工现实内容。
87.图3是示出了根据本公开中所描述的技术的包括控制台106和hmd 112的人工现实系统的示例实现方式的框图。在图3的示例中，控制台106基于感测数据(诸如从hmd 112和/
或外部传感器接收的运动数据和图像数据)来执行姿态跟踪、手势检测、以及hmd 112的用户接口生成和渲染。
88.在该示例中，hmd 112包括一个或多个处理器302和存储器304，在一些示例中，该一个或多个处理器302和存储器304提供用于执行操作系统305的计算机平台，该操作系统305可以比如为嵌入式实时多任务操作系统或其他类型的操作系统。操作系统305又提供用于执行包括应用引擎340的一个或多个软件部件307的多任务操作环境。如关于图2a和图2b的示例所讨论的，处理器302耦合到电子显示器203、运动传感器206、图像捕获设备138，以及在一些示例中，耦合到光学系统205。在一些示例中，处理器302和存储器304可以为单独分立部件。在其他示例中，存储器304可以为与处理器302共置在单个集成电路内的片上存储器。
89.一般而言，控制台106为处理从图像捕获设备138接收的图像和跟踪信息以执行hmd 112的手势检测和用户接口和/或虚拟内容生成的计算设备。在一些示例中，控制台106为单个计算设备，诸如工作站、台式计算机、膝上型计算机或游戏系统。在一些示例中，控制台106的至少一部分(诸如处理器312和/或存储器314)可以跨越云计算系统、跨越数据中心或跨越网络(诸如互联网、另一公共通信网络或专用通信网络(比如宽带、蜂窝、wi-fi和/或用于在计算系统、服务器和计算设备之间传输数据的其他类型的通信网络))分布。
90.在图3的示例中，控制台106包括一个或多个处理器312和存储器314，在一些示例中，处理器312和存储器314提供用于执行操作系统316的计算机平台，该操作系统316可以比如为嵌入式实时多任务操作系统或其他类型的操作系统。操作系统316又提供用于执行一个或多个软件部件317的多任务操作环境。处理器312耦合到一个或多个i/o接口315，该一个或多个i/o接口315提供用于与外部设备通信的一个或多个i/o接口，外部设备例如键盘、(多个)游戏控制器、(多个)显示器设备、(多个)图像捕获设备、(多个)hmd、(多个)外围设备等。而且，一个或多个i/o接口315可以包括用于与诸如网络104之类的网络通信的一个或多个有线或无线网络接口控制器(nic)。
91.控制台106的软件应用317操作为提供整个人工现实应用。在该示例中，软件应用317包括应用引擎320、渲染引擎322、手势检测器324、姿态跟踪器326、以及用户接口引擎328。
92.一般而言，应用引擎320包括提供并呈现人工现实应用(例如，电话会议应用、游戏应用、导航应用、教育应用、训练或模拟应用等)的功能。应用引擎320可以包括例如一个或多个软件包、软件库、硬件驱动器和/或用于在控制台106上实现人工现实应用的应用程序接口(api)。响应于应用程序引擎320的控制，渲染引擎322生成3d人工现实内容，以供hmd 112的应用程序引擎340显示给用户。
93.应用引擎320和渲染引擎322根据如由姿态跟踪器326确定的参考系(通常为hmd 112的观看视角)的当前姿态信息来构造用于向用户110显示的人工内容。基于当前观看视角，渲染引擎322构造3d人工现实内容，该人工现实内容在一些情况下可以至少部分覆盖在用户110的真实世界3d环境上。在该过程期间，姿态跟踪器326对从hmd 112接收的感测数据(诸如运动信息和用户命令，以及在一些示例中，来自诸如外部相机之类的任何外部传感器90(图1)的数据)进行操作，以捕获现实世界环境内的3d信息(诸如用户110的运动和/或关于用户110的特征跟踪信息)。基于感测数据，姿态跟踪器326确定hmd 112的参考系的当前
姿态，并且根据当前姿态构造人工现实内容，用于经由一个或多个i/o接口315传达到hmd 112以供显示给用户110。
94.姿态跟踪器326可以确定hmd 112的当前姿态，并且根据当前姿态触发与任何渲染的虚拟内容相关联的某些功能(例如，将虚拟内容项放置到虚拟表面上、操纵虚拟内容项、生成并渲染一个或多个虚拟标记、生成并渲染激光指示器)。在一些示例中，姿态跟踪器326检测hmd 112是否接近对应于虚拟表面(例如，虚拟插接板)的物理位置，以触发对虚拟内容的渲染。
95.用户接口引擎328被配置为生成用于在人工现实环境中渲染的虚拟用户接口。用户接口引擎328生成虚拟用户接口以包括一个或多个虚拟用户接口元素329，诸如虚拟绘图接口、可选择菜单(例如，下拉菜单)、虚拟按钮、方向板、键盘或其他用户可选择用户接口元素、字形、显示元素、内容、用户接口控件等。
96.控制台106可以经由通信信道将该虚拟用户接口和其他人工现实内容输出到hmd 112以供在hmd 112处显示。
97.基于来自图像捕获设备138或其他传感器设备中的任一项的感测数据，手势检测器324分析控制器114和/或用户110的对象(例如，手、手臂、手腕、手指、手掌、拇指)的所跟踪的运动、配置、位置和/或取向以标识由用户110执行的一个或多个手势。更具体地，手势检测器324分析在由hmd 112的图像捕获设备138和/或传感器90和外部相机102捕获的图像数据内识别的对象，以标识(多个)控制器114和/或用户110的手和/或臂，并且跟踪(多个)控制器114、手和/或臂相对于hmd 112的移动，以标识由用户110执行的手势。在一些示例中，手势检测器324可以基于所捕获的图像数据来跟踪(多个)控制器114、手、足趾和/或手臂的移动(包括位置和取向的改变)，并且将对象的运动矢量与手势库330中的一个或多个条目进行比较以检测由用户110执行的手势或手势的组合。在一些示例中，手势检测器324可以接收由(多个)控制器114的一个或多个存在敏感表面检测到的用户输入，并且处理用户输入以检测用户110相对于(多个)控制器114执行的一个或多个手势。
98.根据本文中所描述的技术，(多个)变焦光学系统205可以被配置为还提供像散补偿。例如，(多个)变焦光学系统205可以包括球面透镜化光学模块和像散补偿光学组件(例如，至少一个像散补偿光学模块)。球面透镜化光学模块和至少一个像散补偿光学模块可以是本文中所描述的球面透镜化光学模块和像散补偿光学模块中的任一种。
99.图4是描绘了根据本公开中所描述的技术的hmd 112是独立人工现实系统的示例的框图。在该示例中，与图3类似，hmd 112包括一个或多个处理器302和存储器304，在一些示例中，该一个或多个处理器302和存储器304提供用于执行操作系统305的计算机平台，该操作系统305可以比如为嵌入式实时多任务操作系统或其他类型的操作系统。操作系统305又提供用于执行一个或多个软件部件417的多任务操作环境。而且，(多个)处理器302耦合到(多个)电子显示器203、(多个)变焦光学系统205、运动传感器206、以及图像捕获设备138。
100.在图4的示例中，软件部件417操作以提供整个人工现实应用。在该示例中，软件应用417包括应用引擎440、渲染引擎422、手势检测器424、姿态跟踪器426、以及用户接口引擎428。在各种示例中，软件部件417类似于图3的控制台106的对置部件(例如，应用引擎320、渲染引擎322、手势检测器324、姿态跟踪器326、以及用户接口引擎328)来操作，以构造重叠
在人工内容上或作为该人工内容的一部分的虚拟用户接口，以供显示给用户110。
101.类似于关于图3所描述的示例，基于来自图像捕获设备138或102、(多个)控制器114或其他传感器设备中的任一个的感测数据，手势检测器424分析(多个)控制器114和/或用户的对象(例如，手、手臂、手腕、手指、手掌、拇指)的所跟踪的运动、配置、位置和/或取向，以标识由用户110执行的一个或多个手势。
102.图5a是示例显示器设备500的等距视图，该显示器设备500包括图2a至图4的(多个)显示器203和(多个)光学系统205的部件。在一些示例中，显示器设备500包括发光设备阵列510和提供像散补偿的变焦光学系统530。发光设备阵列510向观看用户发射图像光。发光设备阵列510可以比如为led阵列、微led阵列、oled阵列或它们的某个组合。发光设备阵列510包括发射可见范围内的光的发光设备520。
103.在一些示例中，显示器设备500包括发射强度阵列，该发射强度阵列被配置为选择性地衰减从发光阵列510发射的光。在一些示例中，发射强度阵列由多个液晶单元或像素、发光设备组或它们的某个组合组成。液晶单元中的每个液晶单元可寻址以具有特定衰减水平，或者在一些示例中，液晶单元组可寻址以具有特定衰减水平。例如，在给定时间，液晶单元中的一些液晶单元可以设置为没有衰减，而其他液晶单元可以设置为最大衰减。以这种方式，发射强度阵列可以控制从发光设备阵列510发射的图像光的什么部分被传递到变焦光学系统530。在一些示例中，显示器设备500使用发射强度阵列以促进将图像光提供给用户的眼睛540的瞳孔550的位置，并且使提供给眼箱中的其他区域的图像光的量最小。
104.变焦光学系统530从发射强度阵列(或直接从发射设备阵列510)接收图像光(例如，衰减光)，并且将图像光聚焦到瞳孔550的位置，在该瞳孔550处，图像光通过眼睛340的晶状体342聚焦到视网膜344上。当将图像光聚焦到瞳孔550的位置时，变焦光学系统530可以提供球面透镜化和柱面透镜化，以为用户提供像散补偿。
105.在一些示例中，除发光设备阵列510之外或代替发光设备阵列510，显示器设备500包括与多个滤色器耦合的一个或多个宽波段源(例如，一个或多个白色led)。
106.变焦光学系统530包括多个偏振敏感透镜化元件，诸如由液晶形成的透镜或光栅。由液晶形成的偏振敏感透镜化元件的示例包括pbp透镜(也称为几何相位透镜)、pbp光栅(也称为几何相位光栅)、psh透镜、psh光栅和/或液晶光学相位阵列。对于具有不同偏振的入射光，偏振敏感透镜化元件可以表现出不同的光焦度。通过控制入射在每个相应透镜或光栅上的光的偏振和/或透镜或光栅的状态，可以控制光学系统具有选定的总光焦度。这样，光学系统可以是变焦光学系统。
107.如上文关于图1所提及的，变焦光学系统530可以包括像散补偿光学组件和可选的球面透镜化光学模块。像散补偿光学组件可以包括多个像散补偿光学模块。每个光学模块可以包括多个偏振敏感透镜化元件。在像散补偿光学组件中，偏振敏感透镜化元件可以被配置为(例如，基于透镜或光栅内的液晶指向矢的图案)沿着选定轴表现像散补偿透镜化。例如，偏振敏感透镜化元件中的一些偏振敏感透镜化元件可以被配置为补偿第一轴上的像散(例如，垂直像散)，而偏振敏感透镜化元件中的一些偏振敏感透镜化元件可以被配置为补偿第二轴上的像散(例如，倾斜像散)。偏振敏感透镜化元件中的至少一些偏振敏感透镜化元件可以配置有不同的光焦度(例如，通过选择液晶指向矢的图案)。例如，偏振敏感透镜化元件的光焦度可能约为2的幂(例如，20＝1屈光度，2-1
＝0.5屈光度，以及2-2
＝0.25屈光
度)。
108.光学模块还可选地可以包括多个可切换偏振控制光学部件，诸如可切换半波片。例如，可切换半波片可以位于对应透镜或光栅之前，以控制入射在对应透镜或光栅上的光的偏振。通过控制可切换半波片的状态，可以控制入射在对应透镜或光栅上的光的偏振，从而将对应透镜或光栅的光焦度控制在用于第一偏振(例如，右旋圆偏振)的光的第一焦度与用于第二偏振(例如，左旋圆偏振)的光的不同的第二焦度(例如，第一焦度的负数)之间。通过包括具有不同光学焦度的多个透镜或光栅并且控制多个可切换偏振控制光学部件以及可选地控制透镜或光栅，可以产生提供像散补偿的变焦光学系统530。
109.显示器设备500耦合到一个或多个处理器560。(多个)处理器560被配置为控制发光设备阵列510以显示图像，并且被配置为控制变焦光学系统530以设置变焦光学系统530的焦距。(多个)处理器560可以表示本文中所描述的处理器中的任一处理器，包括图3和图4所示的处理器302和312。(多个)处理器560可以包括专用电路系统或其他控制电路系统、用于执行指令的处理核、分立逻辑或其他硬件元件。
110.图5b和图5c图示了包括显示器560、透镜组件562和变焦光学组件564的显示器设备502，该显示器设备502可以被配置为提供像散补偿和/或改变显示器560与显示器观看者相距的视距，以减少自动调焦-会聚冲突。参考图5b，变焦光学组件564被配置为具有第一光焦度，使得由显示器560显示的对象被用户的眼睛540感知为位于第一图像平面566处，该第一图像平面566位于显示器560后面的第一距离561处。相比之下，图5c示出了被配置为具有不同于(在这种情况下，大于)第一光焦度的第二光焦度的变焦光学组件564。因此，由显示器560显示的对象被用户的眼睛540感知为位于第二图像平面568，该第二图像平面568位于显示器560后面的第二距离563处，第二距离563比第一距离561更远。尽管图5b和图5c示出了位于显示器560与变焦光学组件564之间的透镜组件562，但是在一些实施例中，变焦光学组件564也可以位于显示器560与透镜组件562之间。
111.如上文所描述的，变焦光学组件可以包括像散补偿组件和可选的至少一个球面透镜化模块。该至少一个球面透镜化模块可以包括例如一个或多个液体透镜；一个或多个可移动常规透镜、和/或多个光学元件，该多个光学元件包括pbp透镜、pbp光栅、psh透镜、psh光栅、超材料或它们的组合。图6图示了示例球面透镜化光学模块600的操作，该示例球面透镜化光学模块600可以是图5a的光学组件530的一部分或是图2a至图4中的(多个)光学系统205的一部分。如图6所示，球面透镜化光学模块600包括多个连续光学级602a、602b、
……
、602n(本文中也称为“光学级602”)，该多个连续光学级被配置为以各种光焦度传输光(例如，光604a至604q)。除了第一光学级602a之外，连续光学级的每个相应光学级接收从前一级输出的入射光。例如，如所示出的，第二光学级602b接收从第一级602a输出的光604c。在一些示例中，连续光学级602的每个相应级可以被配置为处于包括第一状态和第二状态的多个状态中的任一状态。在第一状态下，相应光学级具有用于第一偏振的光的第一相应光焦度和用于与第一偏振正交的第二偏振的光的与第一相应光焦度不同的第二相应光焦度。在第二状态下，相应光学级具有用于第一偏振的光的第三光焦度和用于第二偏振的光的第四光焦度。结果，通过配置连续光学级602中的一个或多个连续光学级602，球面透镜化光学模块600的总光焦度可变。
112.球面透镜化光学模块600可以被配置为具有总光焦度，该总光焦度可以处于用于
两个光学级(例如，n＝2)的至少三个不同光焦度水平中的任一光焦度水平。通过增加更多级或通过包括一个或多个级(每个级具有光焦度在一定范围内连续可调谐的有源液晶光学相位阵列可调透镜)，总光焦度可以具有大量不同的光焦度水平。在一些示例中，球面透镜化光学模块600还可以包括第一光学级之前的一个或多个光学元件606和/或最后光学级602n之后的一个或多个光学元件608。
113.每个光学级602可以包括至少一个光学元件。例如，光学级可以包括一对光学元件。图7是包括第一光学元件712和与第一光学元件712光学串联的第二光学元件714的示例光学级602的概念图。
114.第一光学元件712可以经由控制器716配置为处于第一光学元件状态或第二光学元件状态。控制器716是图5所示的(多个)处理器560的示例。第一光学元件712可以是可切换光学延迟器，诸如可切换半波片。在第一光学元件状态(例如，“断开”状态)下，第一光学元件712可以被配置为将第一偏振或第二偏振的光分别转换为第二偏振或第一偏振的光。第一偏振可以与第二偏振基本正交(例如，正交或近似正交)。在第二光学元件状态下，第一光学元件712透射入射光而不改变光的偏振。例如，当控制器716将第一光学元件712设置为第一状态时(例如，通过不在第一光学元件712的两端施加电压)，入射到第一光学元件712上的左旋圆偏振(lcp)光将作为右旋圆偏振(rcp)光输出，反之亦然。相比之下，当控制器716将第一光学元件712设置为第二状态(例如，通过在第一光学元件712两端施加电压)时，入射到第一光学元件712上的光被透射而不改变其偏振(例如，lcp光保持lcp，而rcp光保持rcp)。
115.第一光学元件712可以包括液晶(lc)单元，诸如向列lc单元、具有手性掺杂剂的向列lc单元、手性lc单元、均匀横躺螺旋(ulh)lc单元、铁电lc单元等。在其他示例中，lc单元包括电驱动双折射材料。
116.第二光学元件714被配置为接收透射穿过第一光学元件712的光。第二光学元件714可以是聚焦光学元件(例如，透镜、光栅或超材料/超表面)。在一些示例中，第二光学元件714是偏振敏感光学元件。例如，第二光学元件714可以包括以下各项中的一项或多项：pbp透镜(也称为几何相位透镜)、pbp光栅(也称为几何相位光栅)、psh透镜、psh光栅或液晶光学相位阵列。下文关于图8a至图8d和图9a至图9d分别提供关于pbp透镜和psh透镜的细节。
117.第二光学元件714可以是无源的(例如，不连接到被配置为选择性地向第二光学元件714施加电压以改变第二光学元件714的特性的控制器718)或有源的(例如，连接到被配置为选择性地向第二光学元件714施加电压以改变第二光学元件714的特性的控制器718)。在第二光学元件714是无源的示例中，第二光学元件714具有用于第一偏振的光的第一光焦度和用于第二偏振的光的与第一光焦度不同的第二光焦度。在一些示例中，第二相应光焦度小于第一相应光焦度。例如，第二相应光焦度可以为零。例如，第二光学元件714可以表现对于rcp光非零的第一光焦度，并且被配置为将rcp光转换为lcp光，同时会聚或发散(取决于第一光焦度)rcp光。第二光学元件714可以被配置为透射lcp光而不聚焦或改变lcp光的偏振。
118.在其他示例中，第二相应光焦度在幅度上大约等于第一相应光焦度，但在符号(效果)上与第一相应光焦度相反。例如，第二光学元件714可以充当对于作为rcp的入射光具有
0.5屈光度的光焦度的正透镜，并且可以充当对于作为lcp的入射光具有-0.5屈光度的光焦度的负透镜。因此，第二光学元件714的光焦度以及光学级602的光焦度可以基于第一光学元件712的状态和入射到光学级602的光的偏振。
119.在一些示例中，第二光学元件714是可经由控制器718配置为处于第三光学元件状态(例如，“断开”状态)或第四光学元件状态(例如，“接通”状态)的有源光学元件。控制器718可以是图5所示的(多个)处理器560的示例。在第三光学元件状态下，有源第二光学元件714被配置为具有用于具有第一偏振的入射光的第一相应光焦度和用于具有第二偏振的入射光的第二相应光焦度，如上文关于第二光学元件714是无源的示例所描述的。在第四光学元件状态下，有源第二光学元件714被配置为具有零光焦度，并且被配置为不管入射光的偏振如何都透射入射光而不施加光焦度。结果，依据第一光学元件712和有源第二光学元件714的状态，包括第一光学元件712和有源第二光学元件714的光学级602可以表现两个以上的不同状态。
120.在一些示例中，第二光学元件714是第一光学元件712的表面上的薄膜。
121.第二光学元件714具有相关联的光焦度(或多个相关联的光焦度)，该光焦度可以与其他光学级602中的第二光学元件相同或不同。在一些示例中，第二光学元件714的光焦度的(多个)幅度不大于2.0屈光度(例如，光焦度不强于-2屈光度或 2屈光度)。在一些示例中，第二光学元件714的光焦度的(多个)幅度是2的幂(例如，21＝2屈光度，20＝1屈光度，2-1
＝0.5屈光度，2-2
＝0.25屈光度，23＝0.125屈光度等)。
122.在一些示例中，连续光学级602(图6)的光学级仅包括第一光学元件712和有源第二光学元件714中的一个光学元件。例如，连续光学级702的光学级可以包括有源第二光学元件714，而不包括第一光学元件712。
123.因此，控制器716和718(其为图5的(多个)处理器560的示例)可以通过控制球面透镜化光学模块600的光学级602的相应状态来控制变焦光学组件530(图5)的总球面光焦度，如关于图7所描述的。
124.图8a至图8d是图示了根据一些示例的被配置为表现球面透镜化的pancharatnam-berry相位(pbp)透镜800的示意图。在一些示例中，变焦光学组件600中的光学级602的第二光学元件714包括pbp透镜800，如上文关于图6和图7所描述的。在一些示例中，pbp透镜800是包括液晶层的液晶光学元件。在一些示例中，pbp透镜800包括其他类型子结构(例如，由高折射率材料构成的纳米柱)的层。
125.pbp透镜800部分基于入射光的偏振来添加或移除球面光焦度。例如，如果rcp光入射在pbp透镜800上，则pbp透镜800充当正透镜(即，其导致光会聚)。如果lcp光入射在pbp透镜800上，则pbp透镜800充当负透镜(即，其导致光发散)。pbp透镜800还将光的旋向性改变为正交旋向性(例如，将lcp改变为rcp或反之亦然)。pbp透镜也具有波长选择性。如果入射光处于设计波长，则lcp光被转换为rcp光，反之亦然。相比之下，如果入射光具有在设计波长范围之外的波长，则光的至少一部分透射而不改变其偏振并且不聚焦或会聚。pbp透镜可以具有大孔径尺寸并且可以由非常薄的液晶层制成。pbp透镜的光学特性(例如，聚焦能力或衍射能力)基于液晶分子的取向角(θ)的变化。例如，对于pbp透镜，基于等式(1)来确定液晶分子的取向角θ：
[0126][0127]
其中r表示液晶分子与pbp透镜的光学中心之间的径向距离，f表示焦距，并且λ表示pbp透镜针对其进行设计的光的波长。在一些示例中，液晶分子在x-y平面中的取向角从光学中心到pbp透镜的边缘增加。液晶指向矢图案(例如，指向矢的取向角的图案)可以与第一泽尼克多项式相关联，如下文所更详细地描述的。在一些示例中，如等式(1)所表达的，相邻液晶分子之间的取向角的增加率也随着与pbp透镜800的光学中心相距的距离而增加。pbp透镜800基于液晶分子在图8a的x-y平面中的取向(即，取向角θ)来产生相应透镜轮廓。相比之下，(非pbp)液晶透镜经由双折射特性(其中液晶分子在x-y平面之外取向，例如，从x-y平面的非零倾斜角)和液晶层的厚度产生透镜轮廓。
[0128]
图8a图示了pbp透镜800的三维视图，其中入射光804沿着z轴进入透镜。
[0129]
图8b图示了具有多个具有各种取向的液晶(例如，液晶802a和802b)的pbp透镜800的x-y平面视图。液晶的取向(即，取向角θ)沿着a与a'之间的基准线从pbp透镜800的中心朝向pbp透镜800的周边变化。
[0130]
图8c图示了pbp透镜800的x-z横截面视图。如图8c所示，液晶(例如，液晶802a和802b)的取向沿着z方向保持恒定。图8c图示了pbp结构的示例，该pbp结构具有沿着z轴的恒定取向和双折射厚度(δn
×
t)，理想情况下，该双折射厚度(δn
×
t)为设计波长的一半，其中δn是液晶材料的双折射，t是板的物理厚度。
[0131]
在一些示例中，pbp光学元件(例如，透镜、光栅)可以具有与图8c所示的液晶结构不同的液晶结构。例如，pbp光学元件可以包括沿着z方向的双扭曲液晶结构。在另一示例中，pbp光学元件可以包括沿着z方向的三层交替结构，以便跨越宽光谱范围提供消色差响应。
[0132]
图8d图示了沿着图8b所示的a与a'之间的基准线的液晶的详细平面视图。节距806被定义为液晶的取向角θ旋转180度时沿着x轴的距离。在一些示例中，节距806根据与pbp透镜800的中心相距的距离而变化。在球面透镜的情况下，液晶的取向角θ根据上文所示出的等式(1)而变化。在这种情况下，透镜的中心处的节距最长，而透镜的边缘处的节距最短。
[0133]
图9a至图9d是图示了根据一些示例的被配置为表现球面透镜化的偏振敏感全息图(psh)透镜的示意图。在一些示例中，上文关于图6和图7所描述的变焦光学系统600中的光学级602的第二光学元件714包括psh透镜900。psh透镜900是液晶psh透镜，该液晶psh透镜包括以螺旋结构布置的液晶层(例如，由胆甾型(cholesteric)液晶形成的液晶)。类似于pbp透镜(上文关于图8a至图8d所描述的)，psh透镜900部分基于入射光的偏振来增加或移除球面光焦度。然而，psh透镜900关于光的圆偏振具有选择性。当圆偏振光的状态(旋向性)沿着液晶的螺旋轴时，psh透镜900与圆偏振光相互作用，从而改变光的方向(例如，折射或衍射光)。同时，在透射光的同时，psh透镜900也改变光的偏振。相比之下，psh透镜900透射具有相反圆偏振的光而不改变其方向或偏振。例如，psh透镜900可以将rcp光的偏振改变为lcp光，并且在透射lcp光而不改变其偏振或方向的同时，对光进行聚焦或散焦。psh透镜900的光学特性(例如，衍射能力的聚焦能力)基于液晶分子的取向角的变化。另外，psh的光学特性基于液晶的螺旋轴和/或螺旋节距。
[0134]
图9a图示了psh透镜800的三维视图，其中入射光904沿着z轴进入透镜。图9b图示了其中的多个液晶(例如，液晶902a和902b)具有各种取向的psh透镜900的x-y平面视图。液晶的取向(即，取向角θ)沿着b与b
′
之间的基准线从psh透镜900的中心朝向psh透镜900的周边变化。
[0135]
图9c图示了psh透镜900的x-z横截面视图。如图9c所示，与关于图8c所描述的pbp透镜800相比，psh透镜900的液晶(例如，图9b中的液晶902a和902b)布置成螺旋结构918。螺旋结构918具有平行于z轴对准的螺旋轴。随着相应液晶在x-y平面上的取向角变化，螺旋结构产生具有形成摆线图案的多个衍射平面(例如，平面920a和920b)的体积光栅。在psh透镜900的体积中限定的衍射平面(例如，布拉格衍射平面)是周期性改变折射率的结果。由于具有对应于螺旋轴的圆偏振旋向性的光被衍射，而具有相反旋向性的圆偏振的光不被衍射，所以螺旋结构918限定psh透镜900的偏振选择性。由于螺旋节距922确定psh透镜900衍射哪个或哪些波长(具有其他波长的光不被衍射)，所以螺旋结构918还限定了psh透镜900的波长选择性。例如，对于psh透镜，psh透镜衍射光的设计波长基于等式(2)来确定：
[0136]
λ＝2n
eff
pzꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0137]
其中入表示psh透镜900针对其进行设计的光的波长，pz是螺旋节距922的距离，并且n
eff
是作为双折射介质的液晶介质的有效折射率。螺旋节距是指当螺旋沿着螺旋轴(例如，图9c中的z轴)转动180度时的距离。双折射液晶介质的有效折射率基于等式(3)来确定：
[0138][0139]
其中n0是双折射介质的寻常折射率，而ne是双折射介质的非寻常折射率。
[0140]
图9d图示了沿着图9b中的b和b'之间的参考线的液晶的详细平面视图。节距906被定义为液晶的取向角从初始取向旋转180度时沿着x轴的距离。在一些实施例中，节距906根据与psh透镜900的中心相距的距离而变化。在球面透镜的情况下，液晶的取向角根据上文所示出的等式(1)变化。在这种情况下，透镜中心处的节距最长，透镜的边缘处的节距最短。图10a图示了透射穿过球面透镜化光学模块1000的光的光学路径，该球面透镜化光学模块1000对应于上文在图6和图7中所描述的球面透镜化光学模块600的示例。如所示出的，在该示例中，球面透镜化光学模块1000包括具有光学级1020a、1020b和1020c的三级光学叠层。
[0141]
第一光学级1020a被配置为接收具有第一发散度的第一光1021。第一光透射穿过光学叠层，并且从最后光学级1020c输出，作为具有与第一发散度不同的第二发散度的第二光1027。在一些示例中，第二发散度小于第一发散度(例如，第二光比第一光更为准直)。
[0142]
在图10a的示例中，第一控制器1014a将第一光学级1020a的第一光学元件1010a设置在第一状态(“断开”状态)。因此，第一光学元件1010a接收具有左旋圆偏振(lcp)的第一光1021，并且将lcp第一光1021转换为具有右旋圆偏振(rcp)的光1022。第一光学级1020a的第二光学元件1012a接收具有第一发散度的rcp光1022，并且将rcp光1022转换为具有lcp的第三光1023，同时将其聚焦，从而产生具有小于第一发散度的第三发散度的第三光1023(例如，第二光学元件1012a充当会聚透镜，因此rcp光1022转换为更为会聚的lcp第三光1023)。
[0143]
在图10a的示例中，第二控制器1014b已将第二光学级1020b的第一光学元件1010b设置在第二状态(“接通”状态)。因此，第二光学元件1010b接收从第一光学级1020a输出的lcp第三光1023，并且在不改变偏振的情况下，透射lcp第三光1023作为lcp光1024。第二光
学级1020b的第二光学元件1012b接收具有第三发散度的lcp光1024，并且在使lcp光1024发散的同时，将该lcp光1024转换为rcp第四光1025，从而产生具有大于第三发散度的第四发散度的第四光1025(例如，第二光学元件1012b充当发散透镜，因此光1024转换为更为发散的rcp第四光1025)。
[0144]
在图10a的示例中，第三控制器1014c已经将第三及最后光学级1020c的第一光学元件1010c设置在第二状态(“接通”状态)。因此，第一光学元件1010c接收从第二光学级1020b输出的rcp第四光1025，并且透射rcp第四光1025作为rcp光1026。第二光学元件1012c接收具有第四发散度的lcp光1026，并且在使rcp光1026会聚的同时，将该rcp光1026转换为lcp第五光1027，从而产生具有小于第四发散度的第五发散度的第五光1027(例如，第二光学元件1012c充当会聚透镜，因此光1026转换为更为会聚的lcp第五光1027)。因为第三光学级是光学叠层中的最后一个光学级，所以具有第五发散度的第五光1027与(如上文所描述的)从光学叠层的输出端输出的具有第二发散度的第二光1027相对应(相同)。
[0145]
因此，附加光学级1020b被配置为从前一光学级1020a接收光并且将光透射到下一光学级，使得从附加光学级输出的光具有与由光学级接收的光的发散度不同的发散度。所透射的光的发散度基于所接收的光的发散度、所接收的光的偏振以及附加光学级的第一光学元件的状态来确定。
[0146]
在一些示例中，球面透镜化光学模块1000还可以包括位于光学叠层的输入侧处的第一偏振器1014。在一些示例中，模块1000还在光学叠层的输出侧处包括电耦合到控制器1017的可切换延迟器1016、以及第二偏振器1018。可切换延迟器1016具有与上文参考图7所描述的第一光学元件712的光学特性相似(或相同)的光学特性，因此这些光学特性为了简洁起见，本文中不再重复。在一些示例中，可切换延迟器1016是可切换半波片。
[0147]
图10b和图10c图示了球面透镜化光学模块1000的示例的不同设置的示例。图10b和图10c示出了透射穿过光学叠层的光在每个光学级处将获取的光焦度以及每个光学级的相应第一光学元件1010的状态。图10b示出了入射在光学叠层上的rcp光的行进，而图10c示出了入射在光学叠层上的lcp光的行进。如所示出的，不同的所得光焦度(参见列1070和1090)可以通过调整光学叠层中的相应第一光学元件1010的状态和入射在球面透镜化光学模块1000的第一光学级上的光的偏振来实现。尽管本文中提供了特定数值作为示例，但是本领域的普通技术人员应当理解，在不改变本文中所描述的原理和方法的情况下，可以使用并实现不同的光焦度。
[0148]
本文中所描述的变焦光学组件被配置为提供像散补偿或校正。图11a图示了由透镜1102沿着主轴1110并且落在焦平面1112上形成像散图像的透视图。来自包含在垂直平面或切向平面1104中的扇形中的点物体q的射线在t处交叉，而水平平面或矢状平面1106中的扇形射线在s处交叉。切向平面1104和矢状平面1106分别在rs和jk处与透镜1102相交。选择这两个平面中的光线是因为它们定位由通过透镜1102行进的所有光线形成的焦线t和s。如果t和s图像的所有位置均针对大范围的远物点而确定，则它们的轨迹将形成抛物面t表面1116和s表面1118，它们的截面在图11b中示出。任何射线束的像散量或像散差由表面1116、1118之间的距离δ给出。如图11b所示，当t表面1116位于s表面1118的左侧时，像散是正的。对于表面1116、1118上的给定点，可以在(r、θ)处确定距离δ。
[0149]
光学像差可以定义为理想图像与通过光学系统处理的实际图像之间的差异。与理
想图像相比较，光学像差通过改变图像的尺寸和形状而对图像质量具有负面影响，并且还可能增加理想图像的模糊，从而降低所感知的图像的分辨率。显示器观看者的眼睛的角膜表面的光学特性和由折射误差产生的角膜像差可以使用泽尼克多项式的和来描述，这些泽尼克多项式用作眼睛像差的数学模板。本文中被称为模式的每个泽尼克多项式描述某一类型的形状、某一三维表面。二阶泽尼克项表示常规角膜像差、散焦(球面校正)和像散。
[0150]
图12a图示了按径向度垂直排序且按方位角度水平排序的前21个泽尼克多项式。二阶泽尼克多项式1202包括(散焦)、(在θ＝45
°
和θ＝ 225
°
处具有最大值并且在θ＝135
°
和θ＝315
°
处具有最小值的倾斜像散)、以及(在θ＝0
°
和θ＝180
°
处具有最大值并且在θ＝90
°
和θ＝270
°
处具有最小值的垂直像散)。如图12b所示，正交泽尼克多项式和的基于单位圆的展开可以表示为两个正交线，对于这两个正交线，沿着一个线的值的改变不会影响沿着另一个线的值，从而提供像散焦度r在轴向位置θ处的值。如此，透镜或光栅(诸如pbp透镜或光栅和/或psh透镜或光栅)可以设计有与和相关联的lc分子指向矢取向图案，以通过组合倾斜像散补偿和垂直像散补偿的不同光焦度而以选定角度和选定光焦度在变焦光学组件中提供像散补偿。例如，通过包括提供具有不同光焦度的倾斜像散补偿的三个光学级和提供具有不同光焦度的垂直像散补偿的三个光学级，像散补偿光学模块可以被配置为提供总共64个可能的像散补偿值(柱面光焦度和校正轴的对；参见图14b)。
[0151]
图13a图示了被配置为提供倾斜像散补偿的示例pbp透镜1300的x-y平面视图。pbp透镜1300基于液晶分子在图13a的x-y平面中的取向(即，取向角θ)产生透镜轮廓。pbp透镜1300包括多个液晶1302，该多个液晶1302具有以与泽尼克多项式相关联(例如，从泽尼克多项式导出)的图案布置的指向矢取向，该泽尼克多项式具有由函数sin2θ指示的最大值和最小值。液晶1302被布置为对光进行透镜化以补偿倾斜像散。液晶130沿着z轴的取向可以与图8c所示的取向相似或基本相同。
[0152]
图13b图示了被配置为提供垂直像散补偿的示例pbp透镜1400的x-y平面视图。pbp透镜1400基于液晶分子在图13a的x-y平面中的取向(即，取向角θ)来产生透镜轮廓。pbp透镜1400包括多个液晶1402，该多个液晶1402具有以与泽尼克多项式相关联(例如，从泽尼克多项式导出)的图案布置的指向矢取向，该泽尼克多项式具有由函数cos2θ表示的最大值和最小值。液晶1402被布置为对光进行透镜化以补偿垂直像散。液晶130沿着z轴的取向可以与图8c所示的取向相似或基本相同。
[0153]
图14a图示了透射穿过示例像散补偿光学组件1400以形成提供像散补偿的变焦光学组件的光的光学路径。第二光学元件1412a至1412f中的每个第二光学元件为pbp透镜、pbp光栅、psh透镜或psh光栅，该psh光栅具有被配置为沿着选定轴产生像散补偿透镜化的lc指向矢图案或是具有被配置为沿着选定轴产生像散补偿透镜化的结构的超材料或超表面。例如，像散补偿光学组件1400包括垂直像散补偿模块1450，该垂直像散补偿模块1450包括三个光学级1450a、1450b和1450c。像散补偿光学组件1400还包括倾斜像散补偿模块1460，该模块包括三个光学级1460a、1460b和1460c。尽管在图14a的示例中，垂直像散补偿模块1450和倾斜像散补偿模块1460中的每个像散补偿模块包括三个光学级，但是在其他示
例中，垂直像散补偿模块1450和倾斜像散补偿模块1460可以包括不同数目的级(通常，每个级可以包括至少两个光学级)。附加地，垂直像散补偿模块1450和倾斜像散补偿模块1460可以包括相同数目的光学级或不同数目的光学级。给定模块中的附加光学级可以允许增加模块的有效光焦度的数目。
[0154]
像散补偿光学组件1400中的每个第二光学元件1412、1422可以具有以屈光度表达的选定光焦度。在一些示例中，垂直像散补偿模块1450中的每个第二光学元件1412a至1412c具有不同的光焦度，并且倾斜像散补偿模块1460中的每个第二光学元件1422a至1422c具有不同的光焦度。在一些示例中，光焦度可以为2的幂(例如，21＝2屈光度，20＝1屈光度，2-1
＝0.5屈光度，2-2
＝0.25屈光度，23＝0.125屈光度等)。这可以使得垂直像散补偿光学模块1450能够实现用于校正垂直像散的多个光焦度，并且使得倾斜像散补偿光学模块1450能够实现用于校正倾斜像散的多个光焦度，每个都基于相应的第一光学元件和第二光学元件1410、1412、1422的控制。
[0155]
垂直像散补偿模块1450的第一光学级1450a被配置为接收具有第一发散度的第一光1421。第一光1421透射穿过光学叠层，并且从垂直像散补偿模块1450的最后光学级(第三光学级1450c)输出，作为具有与第一发散度不同的第二发散度的第二光1427。在一些示例中，第二发散度小于第一发散度(例如，第二光1427比第一光1421更为准直)。
[0156]
在该示例中，第一控制器1414a控制第一光学级1450a的第一光学元件1410a处于第一(“断开”)状态。因此，第一光学元件1410a接收具有左旋圆偏振(lcp)的第一光1421，并且将lcp第一光1421转换为具有右旋圆偏振(rcp)的光1422。具有图13a所示的液晶指向矢图案的第一光学级1450a的第二光学元件1412a接收具有第一发散度的rcp光1422，并且在使rcp光1422聚焦的同时，将该rcp光1422转换为具有左旋圆偏振(lcp)的第三光1423，从而产生具有小于第一发散度的第三发散度的第三光1423(例如，第二光学元件1412a充当用于rcp光的会聚透镜，因此rcp光1422转换为更为会聚的lcp第三光1423)。
[0157]
在该示例中，第二控制器1414b控制第二光学级1450b的第一光学元件1410b处于第二(“接通”)状态。因此，第二光学元件1410b接收从第一光学级1450a输出的lcp第三光1423，并且在不改变偏振的情况下，透射lcp第三光1423作为lcp光1424。第二光学级1450b的第二光学元件1412b接收具有第三发散度的lcp光1424，并且在使lcp光1424发散的同时，将该lcp光1424转换为rcp第四光1425，从而产生具有大于第三发散度的第四发散度的第四光1425(例如，第二光学元件1412b充当lcp光的发散透镜，因此将lcp光1424转换为更为发散的rcp第四光1425)。
[0158]
在该示例中，第三控制器1414c控制第三光学级1450c的第一光学元件1410c处于第二(“断开”)状态。因此，第一光学元件1410c接收从第二光学级1450b输出的rcp第四光1425，并且在不改变其偏振的情况下，透射rcp第四光1425作为rcp光1426。第二光学元件1412c接收具有第四发散度的rcp光1426，并且在使rcp光1426会聚的同时，将该rcp光1426转换为lcp第五光1427，从而产生具有小于第四发散度的第五发散度的第五光1427(例如，第二光学元件1412c充当rcp光的会聚透镜，因此将rcp光1426转换为更为会聚的lcp第五光1427)。由于第三光学级1450c是垂直像散补偿模块1450中的最后光学级，所以具有第五发散度的第五光1427与(如上文所描述的)从垂直像散补偿模块1450的输出端输出的具有第二发散度的第二光1427相对应(例如，相同)。
[0159]
因此，给定光学级被配置为接收来自前一光学级的光并且将该光透射到下一光学级，使得从附加光学级输出的光可以具有与由第一光学级接收的光的发散度不同的发散度。所透射的光的发散度基于所接收的光的发散度、所接收到的光的偏振、以及附加光学级的第一光学元件的状态来确定。
[0160]
在其他示例中，第二光学元件中的每个第二光学元件(例如，透镜或光栅)可以是有源光学元件，使得第二光学元件可以在两个状态之间进行控制，如参考图7所描述的。在一些示例中，当第二光学元件被控制为处于电压施加到第二光学元件的“接通”状态时，第二光学元件可能对至少一些光(例如，对特定偏振的光)没有表现出透镜化效应，使得第二光学元件可以透射光而不使光透镜化或改变光的偏振。
[0161]
在图14a的示例中，从垂直像散补偿模块1450输出的光1427入射到倾斜像散补偿模块1460。倾斜象散补偿模块1460中的第一光学级1460a被配置为接收从垂直象散补偿模块1450输出的具有第一发散度的lcp第五光1427。光1427透射穿过倾斜像散补偿模块1460，并且从倾斜像散补偿模块1460的最后光学级(第三光学级1460c)输出，作为具有与第一发散度不同的第二发散度的光1439。在一些示例中，第二发散度小于第一发散度(例如，第二光比第一光更为准直)。
[0162]
在图14a的示例中，第一光学级1460a被配置为接收lcp第五光1427。在该示例中，第四控制器1414d控制第一光学级1460a的第一光学元件1410a处于第二(“接通”)状态。因此，第一光学元件1410a接收具有左旋圆偏振(lcp)的lcp第五光1427，并且透射lcp第五光1427作为具有左旋圆偏振(lcp)的lcp光1429。第一光学级1460a的第二光学元件1422a(其具有图9b所示的液晶指向矢图案)接收具有第一发散度的lcp光1429，并且在使lcp光1429发散的同时，将该lcp光1429转换为具有右旋圆偏振(rcp)的第三光1431(例如，第二光学元件1422a充当lcp光的发散透镜，因此将lcp光1429转换为更为发散的rcp光1431)。
[0163]
第五控制器1414e控制第二光学级1460b的第一光学元件1410e处于第二(“接通”)状态。因此，第二光学元件1410e接收从第一光学级1460a输出的rcp第三光1431，并且在不改变偏振的情况下，透射rcp第三光1431作为rcp光1433。第二光学级1460b的第二光学元件1422b接收具有第三发散度的rcp光1433，并且在使rcp光1433会聚的同时，将该rcp光1433转换为lcp光1435，从而产生具有小于前一发散度的发散度的lcp光1435(例如，第二光学元件1422b充当rcp光的会聚透镜，因此将rcp光1433转换为更为会聚的lcp第四光1435)。
[0164]
第六控制器1414f控制第三光学级1460的第一光学元件1410f处于第二(“接通”)状态。因此，第一光学元件1410f接收从第二光学级1460b输出的lcp光1435，并且在不改变其偏振的情况下，透射lcp光1435作为lcp光1437。第三光学元件1422c接收lcp光1437，并且在使lcp光1437发散的同时，将该lcp光1437转换为rcp光1439，从而产生具有大于前一发散度的发散度的rcp光1439(例如，第三光学元件1422c充当lcp光的发散透镜，因此将lcp光1437转换为更为发散的rcp光1439)。由于第三光学级1460c是倾斜像散补偿模块1460中的最后光学级，所以具有第五发散度的rcp光1439与(如上文所描述的)从倾斜像散补偿模块1460的输出端输出的具有第二发散度的第二光1439相对应(例如，相同)。
[0165]
在一些示例中，像散补偿光学组件1400还可以在输入侧处包括第一偏振器1470。在一些示例中，组件1400在输出侧处还包括电耦合到控制器1477的可切换延迟器1476以及第二偏振器1478。可切换延迟器1476具有与关于光学级1450和1460所描述的第一光学元件
的光学特性相似(或相同)的光学特性。在一些示例中，可切换延迟器1476是可切换半波片。像散补偿光学组件1400的每个光学级的操作取决于入射在光学级上的光的偏振，第一光学元件的状态，以及可选地，在第二光学元件是有源光学元件的示例中的第二光学元件的状态。
[0166]
与上文所描述的和图10a所示的球面透镜化光学模块1000一样，垂直像散补偿模块1450和倾斜像散补偿模块1260的总柱面光焦度可以通过调整或改变其中的多个光学级1450a至1450c、1460a至1460c中的第一光学元件1410(以及可选地第二光学元件1412、1422)的相应状态来调整。像散补偿光学模块1450、1460的柱面光焦度可以通过切换任何光学级中的光学元件的状态来改变，从而改变光学级的光焦度。组合的连续光学级的光焦度确定像散补偿光学模块1450、1460的最终总光焦度。
[0167]
进一步地，像散补偿光学模块1450、1460的相对光焦度有助于像散补偿光学组件1400的有效校正轴。
[0168]
像散补偿光学组件1400可以单独使用或与其他光学元件结合使用。例如，像散补偿光学组件1400可以与球面透镜化光学模块1000一起使用，以形成提供聚焦补偿和像散补偿的变焦像散补偿光学组件。
[0169]
由于光学元件1412和1422被布置为分别提供垂直像散校正和倾斜像散校正，所以模块1450和1460(像散补偿光学组件1400)的最终输出可以在极坐标系中表示为包括径向分量(柱面校正焦度)和轴向校正分量(校正轴)，如图14b所示。在图14b的示例中，垂直像散补偿光学模块1450和倾斜像散光学模块1460中的每个像散光学模块包括三个级，每个级展现相应光焦度(例如，用于rcp的正光焦度和用于lcp的负光焦度)。这可以实现垂直像散补偿的8个状态和倾斜像散补偿的8个状态。组合起来，这可以实现柱面校正的64个状态，如图14b所示。例如，图14a所示的结构可以为0度至180度之间的选定角度在选定值介于0屈光度与2屈光度之间提供柱面光焦度。例如，在图14b中，一个具体柱面校正为约 0.7d，并且轴向校正值为约 25
°
。这样，垂直像散补偿光学模块1450和倾斜像散光学模块1460的组合可以被配置为产生具有潜在柱面校正值和轴向校正值的广泛多种增量的输出，包括除纯垂直轴或纯倾斜轴之外的轴。柱面校正值和轴向校正值的分辨率可以取决于球面透镜化光学模块1000、垂直像散平面补偿模块1450和倾斜像散平面补偿模块1460中的光学级的数目以及每个光学级的光焦度。例如，给定光学模块中的附加光级和/或与给定光学模块中的光学级相关联的更大范围的光焦度可以增加分辨率。
[0170]
在一个示例中，用户可以与ui元件交互以调整提供像散补偿的变焦光学组件(例如，至少一个球面透镜化光学模块1000和诸如垂直像散补偿模块1450和倾斜像散补偿模块1460之类的至少一个像散补偿光学模块的组合)。这可以允许用户微调球面值、柱面值和轴值，以找到用于用户的特定眼睛的改进的显示图像。ui元件可以是作为由(多个)电子显示器203输出的虚拟现实内容的一部分呈现的ui元件329中的一个元件，或可以包括例如合适的拨号盘、拇指轮、或滑块、或其他机械用户输入机构。在另一示例中，用户可以使用ui元件329输入针对一只或两只眼睛的选定处方，并且(多个)处理器302可以配置光学级以提供与该处方相对应的光学校正。这样，第一像散补偿光学模块和第二像散补偿光学模块的柱面光焦度(例如，第一像散补偿光学模块的光焦度和第二像散补偿光学模块的光焦度)基于变焦光学组件的用户的像散来配置。
[0171]
附加地，尽管本说明书主要被描述为解决用户的像散，但是本文中所描述的像散补偿光学模块可以用于补偿由其中使用像散补偿光学模块的光学系统内的其他光学元件引入的光学像差。
[0172]
进一步地，虽然已经描述了像散补偿光学组件，其中与垂直像散补偿有关的所有光学级都是连续级，并且与倾斜像散补偿有关的所有光学级都是连续级，但是与垂直像散补偿有关的光学级可以介于与倾斜像散补偿有关的两个光学级之间，和/或反之亦然。同样，尽管球面透镜化光学模块1000的光学级已经被描述为与像散补偿光学组件1400分离的连续光学级，但是球面透镜化光学模块1000的光学级可以与像散补偿光学组件1400的级交错。在一些示例中，具有最大光焦度幅度的光学级位于最靠近用户或观看者的眼睛处。
[0173]
本公开还涉及一种为显示器的观看者提供视觉校正的方法。该方法包括：使光透射穿过包括多个第一光学级的第一像散补偿光学模块。每个光学级可以包括来自多个第二光学元件的光学元件，该多个第二光学元件包括pancharatnam-berry相位(pbp)透镜、pbp光栅、偏振敏感全息图(psh)透镜、psh光栅、超材料或它们的组合。多个第一光学元件包括与泽尼克多项式相关联的特性。多个第一光学级中的每个级可以被配置为处于包括第一状态和第二状态的多个状态中的任一状态。
[0174]
该方法还包括：通过改变多个第一光学级中的一个或多个光学级的相应状态来调整第一像散补偿光学模块的第一焦度。
[0175]
该方法还可以包括：使光透射穿过包括多个第二光学级的第二像散补偿光学模块。每个光学级可以包括来自多个第二光学元件的光学元件，该多个第二光学元件包括pbp透镜、pbp光栅、psh透镜、psh光栅、超材料或它们的组合。多个第二光学元件包括与泽尼克多项式相关联的特性。多个第二光学级的每个级可以被配置为处于包括第一状态和第二状态的多个状态中的任一状态。该方法还包括：通过改变多个第二光学级中的一个或多个光学级的相应状态来调整第二像散补偿光学模块的第二焦度。
[0176]
该方法还可以可选地包括：使光透射穿过球面透镜化光学模块，该球面透镜化光学模块包括多个第三光学级。每个光学级可以包括来自多个第三光学元件的光学元件，该多个第三光学元件包括pbp透镜、pbp光栅、psh透镜、psh光栅或它们的组合。多个第三光学元件包括与泽尼克多项式相关联的特性。多个第三光学级中的每个级可以被配置为处于包括第一状态和第二状态的多个状态中的任一状态。该方法还可以包括：通过改变多个第三光学级中的一个或多个光学级的相应状态来调整球面透镜化光学模块的球面焦度。
[0177]
如本文中通过各种示例所描述的，本公开的技术可以包括人工现实系统或结合人工现实系统来实现。如所描述的，人工现实是在呈现给用户之前已经以某种方式进行了调整的现实的形式，这种现实可以包括例如虚拟现实(vr)、增强现实(ar)、混合现实(mr)、复合现实、或它们的某个组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或与所捕获的内容(例如，真实世界照片或视频)组合的所生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈或它们的某个组合，并且可以在单个通道或多个通道中呈现它们中的任一个(诸如对观看者产生三维效果的立体视频)。附加地，在一些实施例中，人工现实可以与例如用于在人工现实中创建内容和/或在人工现实中使用(例如，在人工现实中执行活动)的应用、产品、附件、服务或它们的某个组合相关联。提供人工现实内容的人工现实系统可以
在各种平台上实现，这些平台包括连接到主机计算机系统的头戴式设备(hmd)、独立hmd、移动设备或计算系统、或能够向一个或多个观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台。
[0178]
本公开中所描述的技术可以至少部分以硬件、软件、固件或其任何组合来实现。例如，可以在一个或多个处理器内实现所描述的技术的各种方面，该一个或多个处理器包括一个或多个微处理器、dsp、专用集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)或任何其他等同集成或分立逻辑电路系统、以及这样的部件的任何组合。术语“处理器”或“处理电路系统”通常可以是指上述逻辑电路系统中的任一逻辑电路系统，单独或与其他逻辑电路系统组合、或任何其他等同电路系统。包括硬件的控制单元也可以执行本公开的技术中的一种或多种技术。
[0179]
这种硬件、软件和固件可以在同一设备内或在单独设备内实现以支持本公开中所描述的各种操作和功能。另外，所描述的单元、模块或部件中的任一单元、模块或部件可以一起或单独实现为分立但可互操作的逻辑设备。将不同特征描绘为模块或单元旨在突出显示不同的功能方面，并且不一定暗示这些模块或单元必须由单独硬件或软件部件来实现。相反，与一个或多个模块或单元相关联的功能可以由单独硬件或软件部件来执行，或集成在公共或单独硬件或软件部件内。
[0180]
本公开中所描述的技术还可以实现或编码在包含指令的计算机可读介质(诸如计算机可读存储介质)中。嵌入或编码在计算机可读存储介质中的指令可以使得可编程处理器或其他处理器例如当执行指令时执行该方法。计算机可读存储介质可以包括随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、可编程只读存储器(prom)、可擦除可编程只读存储器(eprom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、闪存、硬盘、cd-rom、软盘、盒式磁带、磁介质、光学介质、或其他计算机可读介质。
[0181]
如本文中通过各种示例所描述的，本公开的技术可以包括人工现实系统或与该人工现实系统结合实现。如所描述的，人工现实是在呈现给用户之前已经以某种方式进行了调整的现实的形式，这些现实可以包括例如虚拟现实(vr)、增强现实(ar)、混合现实(mr)、复合现实或它们的某个组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或与所捕获的内容(例如，真实世界照片)组合的所生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈或它们的某个组合，并且可以在单个通道或多个通道中呈现它们中的任一个(诸如对观看者产生三维效果的立体视频)。附加地，在一些实施例中，人工现实可以与例如用于在人工现实中创建内容和/或在人工现实中使用(例如，在人工现实中执行活动)的应用、产品、附件、服务或它们的某个组合相关联。提供人工现实内容的人工现实系统可以在各种平台上实现，这些平台包括连接到主机系统的头戴式设备(hmd)、独立hmd、移动设备或计算系统、或能够向一个或多个观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台。