CN110082914A - 包括用于校正差分失真的光学组件的光投影*** - Google Patents

Abstract

本申请涉及包括用于校正差分失真的光学组件的光投影***，光投影***包括被配置为发射图像光的光源和被配置为向图像光提供正光焦度并光学校正图像光的光学组件。光学组件包括被配置为在阈值量内校正视场(FOV)内的与图像光相关的差分失真的多个光学元件。差分失真部分地基于多个光学元件相对于由多个光学元件共享的光轴的不对称来校正。

Description

包括用于校正差分失真的光学组件的光投影***

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年1月25日提交的美国临时申请第62/621,946号、于2018年1月25日提交的美国临时申请第62/622,066号和于2019年1月8日提交的美国申请第16/242,974号的权益，将其全部内容通过引用结合于本文中。

技术领域

本公开总体上涉及光学准直器，并且具体地涉及包括用于校正差分失真的光学组件的光投影***。

背景技术

人工现实应用中的头戴设备典型地经由某种形式的显示器来显示图像内容。对于人工现实应用，期望具有小型的轻型头戴设备。但是，为这种头戴设备设计显示器是很困难的。尤其是在头戴设备类似于一副眼镜的情况下。可以通过将用于发射图像光的条形光源与用于扫描观看者扫描场从而为观看者构建场景的扫描镜耦接，来实现轻型头戴设备。然而，基于耦接到扫描镜的条形光源的投影***，由于扫描处理而跨视场引入图像失真。

发明内容

本公开的实施方式涉及一种光投影***，该光投影***包括被配置为发射图像光的光源和被配置为向图像光提供正光焦度(positive optical power)并光学校正图像光的光学组件。光学组件包括多个光学元件，这些光学元件被配置为基于多个光学元件相对于由多个光学元件共享的光轴的不对称，来在阈值量内校正横跨(across)视场(FOV)的与图像光相关的差分失真。

表示近眼式显示器(NED)的眼镜型平台可以集成光投影***。NED进一步包括耦接到光投影***的扫描镜。NED可以是人工现实***的一部分。NED的扫描镜被配置为在FOV的至少一个维度上扫描经光学校正的图像光，并将经扫描的图像光引导到NED的与用户眼睛的位置对应的窥视窗。

附图说明

图1A是根据一个或多个实施方式的近眼式显示器(NED)的示图。

图1B是根据一个或多个实施方式的图1A中所示的NED的眼镜的横截面。

图2示出了根据一个或多个实施方式的可以是图1A中的NED的一部分的用于校正差分失真的光投影***。

图3A示出了根据一个或多个实施方式的观看者扫描场。

图3B示出了根据一个或多个实施方式的在扫描期间沿着视场(FOV)的行方向的差分失真和沿着FOV的列方向的差分失真。

图4A示出了根据一个或多个实施方式的图2中的光投影***的示例光学组件，光学组件包括相对于光轴不对称的多个光学元件。

图4B示出了根据一个或多个实施方式的图4A中的光学组件的替代视图。

图4C示出了根据一个或多个实施方式的图2中的光投影***的示例光学组件，光学组件包括多个光学元件，这些光学元件通过使用光学元件的离轴场段(off-axis fieldsegment)传播图像光来实现相对于光轴的不对称。

图4D示出了根据一个或多个实施方式的图2中的光投影***的示例光学组件，光学组件包括多个光学元件，这些光学元件基于至少一个光学元件相对于光轴的倾斜而相对于光轴具有不对称。

图5是根据一个或多个实施方式的包括图1A中所示的NED的***环境的框图。

附图仅出于说明的目的描绘了各种实施方式。本领域技术人员将从以下讨论中容易地认识到，在不背离本文中描述的原理的情况下，可以采用本文中所示的结构和方法的替代实施方式。

具体实施方式

本公开的实施方式可以包括人工现实***或者与人工现实***结合实施。人工现实是在呈现给用户之前已经通过某种方式调整的现实形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR，mixed reality)、混和式现实(hybrid reality)、或其一些组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或与捕获的(例如，真实世界)内容相结合的生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈或其一些组合，并且其中的任何一个可以在单个频道或多个频道中呈现(诸如向观看者产生三维效果的立体视频)。另外，在一些实施方式中，人工现实还可以与应用、产品、附件、服务或其一些组合相关联，后者用于例如在人工现实中创建内容和/或以其他方式在人工现实中使用(例如，执行活动)。提供人工现实内容的人工现实***可以在各种平台上实现，包括连接到主计算机***的头戴式显示器(HMD)、独立HMD、近眼式显示器(NED)、移动设备或计算***、或者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。

本文中提出了一种用于校正差分失真的紧凑型光投影***。光投影***包括一个或多个光源以及光学组件。一个或多个光源被配置为发射图像光。在一些实施方式中，一个或多个光源是条形光源。光学组件包括多个光学元件(例如，透镜)，这些光学元件成直线(例如，与离轴相对)排列。在一些实施方式中，光学元件是轴对称的但具有偏心。例如，可以通过允许一个或多个旋转对称元件偏心来调整对称。在一些实施方式中，可以通过使用一个或多个非旋转对称光学元件来破坏***对称。在一些其他的实施方式中，可以通过使用偏心的非旋转对称光学元件来破坏***对称。

本文中提出的光投影***可以是作为人工现实***的一部分的NED的一部分，人工现实***被配置为经由NED向用户呈现内容。

图1A是根据一个或多个实施方式的NED 100的示图。在一些实施方式中，NED 100可以被称为HMD。NED 100向用户呈现媒体。由NED 100呈现的媒体的实例包括一个或多个图像、视频、音频或其一些组合。在一些实施方式中，音频经由外部设备(例如，扬声器和/或耳机)呈现，该外部设备从NED 100、控制台(未示出)或两者接收音频信息并基于音频信息呈现音频数据。NED 100可以是人工现实***(未示出)的一部分。NED 100总体上被配置为操作为人工现实NED。在一些实施方式中，NED 100可以利用计算机生成的元素(例如，图像、视频、声音等)来增强物理的真实世界环境的视图。

图1A中所示的NED 100包括框架105和显示器110。框架105耦接到一个或多个光学元件，这些光学元件一起向用户显示媒体。在一些实施方式中，框架105可以表示眼镜框架。显示器110被配置为供用户观看由NED 100呈现的内容。如下所述，显示器110包括用于将一个或多个图像光引导到用户眼睛的至少一个显示组件(未示出)。显示组件包括本文中提出的用于校正差分失真的光投影***。

图1B是根据一个或多个实施方式的图1A中所示的NED 100的横截面150。横截面150包括集成到显示器110中的至少一个显示组件160以及窥视窗(eyebox，人眼窗口，眼眶)170。窥视窗170是当用户佩戴NED 100时眼睛180所在的位置。出于说明的目的，图1B示出了与单个眼睛180和单个显示组件160相关联的横截面150，但是在未示出的替代实施方式中，与图1B中所示的显示组件160分开的另一个显示组件向用户的另一个眼睛180提供图像光。

显示组件160被配置为通过窥视窗170将图像光引导至眼睛180。在一些实施方式中，当NED 100被配置为AR NED时，显示组件160还通过窥视窗170将来自NED 100周围的局部区域的光引导至眼睛180。

显示组件160可以由有效地使NED 100的重量最小化并且加宽NED 100的视场(FOV)的具有一种或多种折射率的一种或多种材料(例如，塑料、玻璃等)构成。显示组件160包括具有多个光学元件的光学组件。这些光学元件可以用于例如校正从显示组件160发射的图像光的像差、放大从显示组件160发射的图像光、对从显示组件160发射的图像光进行一些其他的光学调整、或其一些组合。光学元件的实例可以包括光圈、菲涅耳透镜、凸透镜、凹透镜、液晶透镜、衍射元件、波导、滤光器、偏振器、扩散器、纤维光椎、一个或多个反射表面、偏振反射表面、双折射元件或者影响从显示组件160发射的图像光的任何其他合适的光学元件。结合图2和图4A至图4C提供关于显示组件160的光学组件的结构和操作的更多细节。

图2示出了根据一个或多个实施方式的用于校正差分失真的光投影***200。在一些实施方式中，光投影***200是图1A中的NED 100的部件。例如，光投影***200可以是图1B的显示组件160的一部分。在替代实施方式中，光投影***200是一些其他的NED或将显示图像光引导到特定位置的其他***的一部分。

光投影***200被配置为校正图像光的失真。光投影***200包括光源210、光学组件220和耦接到光源210的控制器225。光投影***200可以例如经由控制器225耦接到扫描镜230。出于说明的目的，图2示出了与单个眼睛240相关联的光投影***200，但是在一些实施方式中，与光投影***200分开(或部分分开)的另一个光投影***，将图像光提供给用户的另一个眼睛。在部分分开的***中，可以在各个眼睛的光投影***之间共享一个或多个部件。

光源210生成图像光并将其输出到光学组件220。光源210可以实现为一个或多个条形光源。条形光源可以实现为发射相同或不同波长的光的光发射器的矩形阵列。光发射器可以是例如发光二极管(LED)、微LED、激光二极管、一些其他发射光的装置或其某种组合。条形光源可以实现为一维阵列的光发射器(例如，1x 1000个光发射器或像素)或者实现为二维阵列的光发射器(例如，10x 1000个光发射器或像素)。在一些实施方式中，光源210是单色的。在其他实施方式中，光源210是多色的。例如，在一些实施方式中，光源210中的条形光源可以包括发射不同颜色(例如，红色、绿色和蓝色)的光的子像素。光源210可以发射一个或多个波段的图像光，其可以包括例如可见光和/或红外光。在一些实施方式中，光源210包括一个或多个微透镜，微透镜被定位为调节由光源210发射的光的取向。在一些实施方式中，光源210的每个光发射器具有对应的微透镜。在其他实施方式中，单个微透镜可以引导来自光源210的多个光发射器的光。在一些实施方式中，集成到光源210中的条形光源被实现为微发光二极管的线性阵列、垂直腔发射激光器的线性阵列、光发射器的一些其他阵列、或其组合。在一些实施方式中，基于来自控制器225的发射指令来控制光从光源210中的光发射器的发射。

光学组件220为从光源210发射的图像光提供正光焦度(positive opticalpower)，并光学校正所发射的图像光。光学组件220包括多个光学元件，例如，透镜。基于多个光学元件相对于由多个光学元件共享的光轴的不对称，光学组件220的多个光学元件被配置为校正跨视场(FOV)的阈值量内的差分失真。光学元件可以包括例如一个或多个凹透镜、一个或多个凸透镜、菲涅耳透镜、衍射透镜、元透镜、变形表面、自由表面、泽尼克多项式表面、契比雪夫多项式表面、一些其他形式的不对称表面、一些其他形式的对称表面、或其一些组合。不对称表面可以与一个或多个对称表面结合使用。光学组件220中的光学元件可以包括旋转不对称表面和旋转对称表面。在一个实施方式中，光学组件220中的光学元件包括一个或多个反射镜和一个或多个折射表面。

光学组件220可以校正沿着长轴(例如，由条形光源设置的x轴)和/或短轴(例如，y轴)的差分失真。在一些实施方式中，光学组件220的光学元件被设计为使用具有适度偏心的旋转对称元件来校正差分失真，这可以简化制造。由光学组件220实现的校正，不同于典型的光学失真校正。代替校正差分失真，光学组件220控制扫描场(例如，在x-z平面的部分上)的差分失真的变化率。例如，光学组件220沿着扫描镜230的扫描方向减小梯形失真，并限制正交于扫描方向的行之间的变化率。在一些实施方式中，除了控制跨扫描场的差分失真的变化率之外，光学组件220还被配置为校正色差、一些其他失真、一些其他像差、或其一些组合。结合图4A至图4C提供关于光学组件220的结构和操作的更多细节。

控制器225可以生成发射指令并将发射指令提供给光源的一个或多个光发射器，以控制光从光源210的发射。另外，控制器225可以例如经由一个或多个***(图2中未示出)耦接到扫描镜230，以用于控制扫描镜230的位置并且横跨眼睛240的FOV移动扫描场。

扫描镜230定位成耦接由光学组件220光学校正的图像光，并将经光学校正的图像光反射到用户眼睛240的窥视窗250。例如基于来自控制器225的指令，扫描镜230在用户的FOV的至少一个方向上扫描经光学校正的图像光，并且将经光学校正的图像光提供给用户的视场的特定部分。扫描镜230可以实现为具有特定反射效率的反射表面。扫描镜230可以涂覆有金属或二向色涂层，以反射特定波长或波长范围的图像光。扫描镜230可以在一个或多个维度上进行扫描以利用来自光投影***200的光填充扫描场(例如，在x-z平面的部分上)。扫描镜230可以操作为将从光源210中的不同行的光发射器发射的光顺序地反射到扫描场上。

图3A示出了根据一个或多个实施方式的跨FOV 320移动的观看者扫描场310。通过基于来自图2中的控制器225的指令，适当地定位扫描镜230，可以在例如扫描方向315上移动扫描场310。扫描场310的每个点(像素)表示正交扫描线(例如，水平和垂直扫描线)的交叉点，并且对应于到达用户眼睛(例如，图2中的眼睛240)的光束的FOV位置。扫描场310可以是对形成了x-y网格的多个像素扫描的多线操作的一部分。图3A中所示的移动扫描场310包括三条水平线，但不限于此。例如，移动扫描场310可以具有多于三条线以用于更长的停留。

图3A中所示的扫描场310可以根据扫描方向315(例如，沿y轴)，例如通过基于来自控制器225的指令适当地定位图2中的扫描镜230而移动，以扫描整个用户的FOV 320。为了改善***亮度，由扫描镜230提供的本文中提出的扫描，允许在扫描期间在用户的FOV 320的每个角视场更长的停留。在这种情况下，一行像素在特定时刻逐渐进入扫描场310并显示新场景以呈现给用户。扫描场310的这种渐进在图3A中以三个不同的时刻示出。

在第一时刻(例如，t＝0)，随着扫描场310在扫描方向315上沿y轴移动，对应于扫描场角θ₀的像素325的行323，进入扫描场310。在第二时刻(例如，t＝1)，随着扫描场310继续在扫描方向315上沿y轴移动，对应于扫描场角θ₁的像素330的行327，进入扫描场330。如图3A中所示，行323现在变为扫描场310中的中间行。在第三时刻(例如，t＝2)，随着扫描场310继续在扫描方向315上沿y轴移动，对应于扫描场角θ₂的像素333的行331进入扫描场310。如图3A中所示，行323现在变为扫描场310中的顶行，并且行327变为扫描场310中的中间行。通过在多个时刻保持扫描场310中的每行像素，实现了在每个角视场的更长的停留，从而提供了改善的***亮度。

图3B示出了根据一个或多个实施方式的在扫描期间沿着观看者FOV的行方向(例如，沿着y方向)的差分失真以及沿着观看者FOV的列方向(例如，沿着x维度)的差分失真。差分失真是沿着从光源210发射并从扫描镜230的反射区域(像素)反射的图像光束的至少一个空间维度的改变量。观看者将差分失真体验为沿着特定维度(例如，x维度和/或y维度)的模糊图像光。图3A至图3B中所示的扫描场310可以对应于用户的理想投射视图。图3B中所示的扫描场340示出了沿x轴具有差分失真的用户视图。由于沿x轴(列)的扫描线的失真，相同角视场的像素在多个时刻不能完美对准(align，成一直线)。相反，相同角视场的像素仅部分重叠。如图3B中所示，相同扫描场角的像素345和350仅部分重叠。因此，不是由于较长的停留而看到增加的亮度，而是用户看到逐渐变宽的列，其显示为模糊图像(有效像素也可能看起来更暗)。在扫描期间发生的这种特定失真可以称为差分失真，例如沿x轴。

图3B中所示的扫描场360示出了沿y轴(沿行方向)具有差分失真的用户视图。由于沿y轴(行)的扫描线的失真，相同角视场的像素在多个时刻不能完美对准。相反，相同角视场的像素仅部分重叠。如图3B中所示，相同扫描场角的像素365和370仅部分重叠。因此，不是由于较长的停留而看到增加的亮度，而是用户看到逐渐变宽的行，其显示为模糊图像。在扫描期间发生的这种特定失真可以称为差分失真，例如沿y轴。

差分失真可能导致条形光源(例如，光源210)处的线映射为扫描场中的曲线，这进而降低了调制传递函数(MTF)，因为像素错过条形光源而导致模糊。如上所述，模糊可能涉及沿扫描方向(例如沿y轴)的失真。而且，模糊可能涉及沿正交于扫描方向(例如沿y轴)的方向的失真。另外，可以观察到像素调光，其为未校正的差分失真的函数。此外，由于差分失真，图像中可能存在某些视觉伪像(例如，条纹)。

图4A示出了根据一个或多个实施方式的示例光学组件400。光学组件400可以是图2中的光投影***200的光学组件220的实施方式。光学组件400包括串联放置的多个光学元件405(例如，透镜)。光学元件405光学校正从光源(图4A中未示出)发射的图像光410，并向引导至用户眼睛(图4A中未示出)的图像光410提供正光焦度。多个光学元件405被配置为校正FOV的长轴(例如，x轴)和短轴(例如，y轴)中的至少一者上的与图像光410相关的差分失真。在一些实施方式中，如图4A中所示，多个光学元件405包括多个凸透镜和多个凹透镜。在一些其他的实施方式中(图4A中未示出)，多个光学元件405包括至少一个凸透镜和至少一个凹透镜。在图4A所示的实例中，光学元件405的厚度的范围为0.2mm至2.5mm，并且每个光学元件405之间的间隔的范围为0.2mm至5mm。光学元件405可以由硫化锌膜、EP5000材料、高透明热塑性树脂K26R、其他光学透明材料或其一些组合构成。K26R是具有相对低的折射率和低色散的特定类型的塑料(例如，被称为“冠(crown)”)。EP5000是具有相对高折射率和高色散的玻璃材料(例如，被称为“燧石(flint)”)。“冠”和“燧石”的组合可以适用于校正色差。在一些实施方式中，光学元件430由EP5000、或者K26R和EP5000的组合构成。硫化锌膜具有高折射率。在一些实施方式中，非旋转对称光学元件425由硫化锌膜构成。在一些其他实施方式中，非旋转对称光学元件425由具有限制光学元件405的弯曲量的高折射率的一些其他的塑料材料构成。

光学组件400的多个光学元件405被配置为基于多个光学元件405相对于由多个光学元件405共享的光轴415的不对称，来在阈值量内校正跨FOV的与图像光410相关的差分失真。在一些实施方式中，相对于光轴415具有不对称的多个光学元件405包括多个旋转对称光学元件420，其中，旋转对称元件420中的至少一个元件相对于光轴415是偏心的。在一些其他的实施方式中，相对于光轴415具有不对称的多个光学元件405包括一个或多个非旋转对称光学元件，诸如，非旋转对称元件425。在实施方式中，非旋转对称光学元件425可以相对于光轴415偏心，以破坏光学元件405的光学对称。在一个或多个实施方式中，非旋转对称光学元件425被实现为变形表面，其破坏多个光学元件405的光学对称。在一个实施方式中，非旋转对称光学元件425可以是相对于光轴415偏心的变形表面。在图4A的说明性实施方式中，非旋转对称光学元件425耦接到旋转对称光学元件420的外部旋转对称光学元件430。在替代实施方式中，非旋转对称光学元件425可以放置在旋转对称光学元件420内的任何其他位置。

图4B示出了根据一个或多个实施方式的图4A中的光学组件400的替代视图。上面参考图4A详细描述了光学组件400。

图4C示出了根据一个或多个实施方式的示例光学组件435。光学组件435可以是图2中的光投影***200的光学组件220的实施方式。光学组件435包括多个旋转对称光学元件440，例如，串联设置的透镜。在图4C所示的实例中，光学元件440的厚度的范围在1.5mm至4.0mm之间，并且每个光学元件440之间的间隔的范围为0.1mm至0.5mm。光学元件440可以由E48R材料、EP5000材料、其他光学透明材料或其一些组合构成。光学元件440光学校正从光源(图4C中未示出)发射的图像光445，并向引导至用户眼睛(图4C中未示出)的图像光445提供正光焦度。旋转对称光学元件440可以包括至少一个凹透镜和至少一个凸透镜。在一些实施方式中，通过使用旋转对称光学元件440的离轴场段455传播图像光445来实现相对于由旋转对称光学元件440共享的光轴450的不对称。离轴场段455是位于光轴450之外并且相对于光轴450不对称的一段光学元件440。直线段具有相对于光轴450的位移。应注意，由旋转对称***产生的失真场关于光轴对称。通过使用离轴场段455，选择对称场的一个区段，其中区段本身不是完全对称的，例如，可以具有左右对称但不具有上下对称。以这种方式，基于所实现的光学不对称，可以在阈值量内校正跨FOV的长轴(例如，x轴)和短轴(例如，y轴)中的至少一者的差分失真。

图4D示出了根据一个或多个实施方式的示例光学组件460。光学组件460可以是图2中的光投影***200的光学组件220的实施方式。光学组件460包括多个旋转对称光学元件465，例如，串联设置(连续设置)的透镜。在图4D所示的实例中，光学元件465的厚度和各个光学元件465之间的间隔基本上类似于图4C的光学元件440的厚度和间隔。在一些其他的实施方式中，光学组件460包括五个旋转对称光学元件(图4D中未示出)，其中光学元件的厚度的范围为1mm至2mm，并且各个光学元件之间的间隔的范围为0.1mm至0.5mm。光学元件465可以由EP5000材料、高透明热塑性树脂K26R、其他光学透明材料或其一些组合构成。光学元件465光学校正从光源(图4D中未示出)发射的图像光470，并向引导至用户眼睛(图4D中未示出)的图像光470提供正光焦度。旋转对称光学元件465可以包括至少一个凹透镜和至少一个凸透镜。在一些实施方式中，基于使光学元件465中的至少一个光学元件相对于光轴475倾斜，实现相对于由多个旋转对称光学元件465共享的光轴475的不对称。在图4D的说明性实施方式中，每个旋转对称光学元件465相对于光轴475沿z轴倾斜。在另一实施方式中(图4D中未示出)，只有一个旋转对称光学元件465沿z轴倾斜，以实现相对于光轴475的光学不对称。在又一实施方式中(图4D中未示出)，两个或更多个旋转对称光学元件465沿z轴倾斜，以实现相对于光轴475的光学不对称。在又一实施方式中，为了实现相对于光轴475的光学不对称，至少一个旋转对称光学元件465沿z轴倾斜，并且一个或多个旋转对称光学元件465相对于光轴475偏心。以这种方式，基于所实现的光学不对称，可以在阈值量内校正跨FOV的长轴(例如，x轴)和短轴(例如，y轴)中的至少一者的差分失真。

***环境

图5是控制台510在其中操作的NED***500的一个实施方式的框图。NED***500可以在人工现实***环境中操作，例如，VR***环境、AR***环境、MR***环境或其一些组合。图5所示的NED***500包括NED 505以及耦接到控制台510的输入/输出(I/O)接口515。虽然图5示出了示例NED***500包括一个NED 505以及一个I/O接口515，但在其他实施方式中，NED***500中可以包括任何数量的这些部件。例如，可以存在多个NED 505，这些NED均具有相关联的I/O接口515，其中每个NED 505和I/O接口515与控制台510通信。在替代配置中，NED***500中可以包括不同的和/或附加的部件。另外，结合图5中所示的一个或多个部件描述的功能，在一些实施方式中可以以与结合图5描述的方式不同的方式分布在这些部件中。例如，控制台510的一些或所有的功能由NED 505提供。

NED 505是近眼式显示器或头戴式显示器，其向用户呈现包括具有计算机生成的元素(例如，二维或三维图像、二维或三维视频、声音等)的物理真实世界环境的虚拟和/或增强视图的内容。在一些实施方式中，所呈现的内容包括经由从NED 505、控制台510或两者接收音频信息并且基于音频信息呈现音频数据的外部设备(例如，扬声器和/或耳机)呈现的音频。NED 505可以包括可以刚性地或非刚性地连接在一起的一个或多个刚性体。刚性体之间的刚性耦接导致耦接后的刚性体充当单个刚性实体。相比之下，刚性体之间的非刚性耦接允许刚性体相对于彼此移动。NED 505的实施方式是上面结合图1A描述的NED 100。

NED 505可以包括光投影***525、扫描***530、一个或多个位置传感器535、IMU540、可选的眼睛跟踪***545和可选的变焦模块550。NED 505的一些实施方式具有与结合图5描述的部件不同的部件。另外，由结合图5描述的各种部件提供的功能在其他实施方式中可以不同地分布在NED 505的部件中。

光投影***525包括发射图像光的光源和向图像光提供正光焦度并光学校正图像光的光学组件。光投影***525的光学组件包括多个光学元件，这些光学元件基于多个光学元件相对于由多个光学元件共享的光轴的不对称来在阈值量内校正跨FOV的与图像光相关的差分失真。光投影***525的实施方式是上面结合图2描述的光投影***200。光投影***525的光学组件的实施方式可以是上面结合图4A至图4C描述的光学组件400、光学组件435和/或光学组件460。

光投影***525的光学组件可以进一步放大从光投影***525的光源接收的图像光、校正与图像光相关联的光学误差、并将经校正的图像光呈现给NED 505的用户。光投影***525的光学组件包括多个光学元件。在光学组件中包括的示例光学元件包括光圈、菲涅耳透镜、凸透镜、凹透镜、滤光器、反射表面、或者影响图像光的任何其他合适的光学元件。此外，光投影***525的光学组件可以包括不同光学元件的组合。在一些实施方式中，光学组件中的一个或多个光学元件可以具有一个或多个涂层，诸如，部分反射涂层或抗反射涂层。

由光投影***525的光学组件放大和聚焦的图像光允许投影***525比更大的投影***或显示器在物理上更小、重量更轻并且消耗更少的功率。另外，放大可以增加投影***525呈现的内容的视场。例如，所显示内容的视场使得使用几乎所有(例如，大约110度对角线)的用户视场、并且在一些情况下所有的用户视场来呈现所显示的内容。另外，在一些实施方式中，可以通过添加或移除光学元件来调整放大量。

在一些实施方式中，投影***525的光学组件可以被设计为校正一种或多种类型的光学误差。光学误差的实例包括桶形失真或枕形失真、纵向色差、或者横向色差。其他类型的光学误差可以进一步包括由于透镜场曲率、像散或任何其他类型的光学误差引起的球面像差、色差或误差。

扫描***530包括扫描镜，扫描镜在FOV的至少一个维度上扫描经光学校正的图像光，并将经扫描的图像光引导到与用户眼睛的位置对应的NED的窥视窗。可以部分地基于来自NED 505(例如，NED 505的控制器)的指令来调整扫描***530的扫描镜的位置。扫描***530的实施方式是上面结合图2描述的扫描镜230。

IMU 540是基于从一个或多个位置传感器535接收的测量信号生成指示NED 505的位置的数据的电子设备。指示NED 505的位置的测量信号还可以包括从集成到NED 505的框架(图5中未示出)的深度相机组件(DCA)或者从NED 505外部的一些其他成像设备(相机)接收的深度信息。NED 505的DCA或外部相机可以捕获描述围绕NED 505的一部分或全部的局部区域的深度信息的数据。DCA(或外部相机)也可以确定深度信息。替代性地，DCA(或外部相机)将捕获的数据发送到另一设备，诸如可以使用来自DCA(或外部相机)的捕获数据来确定深度信息的控制台510。位置传感器535响应于NED 505的运动，生成一个或多个测量信号。位置传感器535的实例包括：一个或多个加速度计、一个或多个陀螺仪、一个或多个磁力计、检测运动的其他合适类型的传感器、用于IMU 540的误差校正的一种类型的传感器、或其一些组合。位置传感器535可以位于IMU 540的外部、IMU 540的内部、或其一些组合。

基于来自一个或多个位置传感器535的一个或多个测量信号，IMU 540生成指示NED 505相对于NED 505的初始位置的当前估计位置的数据。例如，位置传感器535包括多个加速度计以测量平移运动(前/后、上/下、左/右)和多个陀螺仪以测量旋转运动(例如，俯仰、偏转、滚动)。在一些实施方式中，IMU 540对测量信号进行快速采样并根据采样数据计算NED 505的当前估计位置。例如，IMU 540在时间上对从加速度计接收的测量信号进行积分以估计速度矢量，并且在时间上对速度矢量进行积分以确定NED 505上的参考点的当前估计位置。替代性地，IMU 540将采样的测量信号提供给控制台510，控制台解释数据以减少错误。参考点是可以用于描述NED 505的位置的点。参考点通常可以被定义为与NED 505的取向和位置相关的空间点或位置。

IMU 540从控制台510接收一个或多个参数。一个或多个参数用于维持NED 505的跟踪。基于接收到的参数，IMU 540可以调整一个或多个IMU参数(例如，采样率)。在一些实施方式中，某些参数使IMU 540更新参考点的初始位置，从而使其对应于参考点的下一位置。将参考点的初始位置更新为参考点的下一校准位置有助于减少与估计的IMU 540的当前位置相关联的累积误差。累积误差(也称为漂移误差)使得参考点的估计位置随时间“漂移”远离参考点的实际位置。在NED 505的一些实施方式中，IMU 540可以是专用硬件部件。在其他实施方式中，IMU 540可以是在一个或多个处理器中实现的软件部件。

在一些实施方式中，眼睛跟踪***545被集成到NED 505中。眼睛跟踪***545确定与佩戴NED 505的用户眼睛相关联的眼睛跟踪信息。由眼睛跟踪***545确定的眼睛跟踪信息可以包括关于用户眼睛的位置的信息，即，关于眼睛注视的角度的信息。眼睛跟踪***545可以包括一个或多个照明源和成像设备(相机)。

在一些实施方式中，变焦模块550进一步集成到NED 505中。变焦模块550可以耦接到眼睛跟踪***545，以获得由眼睛跟踪***545确定的眼睛跟踪信息。变焦模块550可以被配置为基于从眼睛跟踪***545获得的所确定的眼睛跟踪信息来调整NED 505的图像平面的位置(使内容看起来位于NED 505的佩戴者处的位置)。以这种方式，变焦模块550可以减轻与图像光相关的辐辏调节冲突(vergence-accommodation conflict)。变焦模块550可以与光投影***525的光学组件的至少一个光学元件(例如，机械地或电气地)接口连接。然后，变焦模块550可以被配置为调整图像平面的位置。变焦模块550可以通过例如调整光投影***525内和/或外部的一个或多个光学元件的位置、调整光投影***525内和/或外部的一个或多个光学元件(例如，液体透镜、液晶透镜、Pancharatnam Berry相位液晶透镜等)的光焦度或其一些组合来调整图像平面的位置。

I/O接口515是允许用户发送动作请求并从控制台510接收响应的设备。动作请求是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束图像或视频数据的捕获的指令、或者是在应用内执行特定动作的指令。I/O接口515可以包括一个或多个输入设备。示例输入设备包括：键盘、鼠标、游戏控制器、或用于接收动作请求并将动作请求传送到控制台510的任何其他合适的设备。由I/O接口515接收的动作请求被传送到控制台510，控制台执行与动作请求相对应的动作。在一些实施方式中，I/O接口515包括IMU 540，IMU捕获指示I/O接口515相对于I/O接口515的初始位置的估计位置的校准数据。在一些实施方式中，I/O接口515可以根据从控制台510接收的指令向用户提供触觉反馈。例如，在接收到动作请求时提供触觉反馈，或者控制台510将指令传送到I/O接口515，使得I/O接口515在控制台510执行动作时生成触觉反馈。

控制台510根据从NED 505和I/O接口515中的一者或多者接收的信息向NED 505提供内容以进行处理。在图5中所示的实例中，控制台510包括应用存储器555、跟踪模块560和引擎565。控制台510的一些实施方式具有与结合图5描述的模块或部件不同的模块或部件。类似地，下面进一步描述的功能可以以与结合图5描述的方式不同的方式分布在控制台510的部件中。

应用存储器555存储一个或多个应用以供控制台510执行。应用是一组指令，当由处理器执行时，生成用于呈现给用户的内容。由应用生成的内容可以响应于经由NED 505或I/O接口515的移动从用户接收的输入。应用的实例包括：游戏应用、会议应用、视频回放应用或其他合适的应用。

跟踪模块560使用一个或多个校准参数来校准NED***500，并且可以调整一个或多个校准参数以减少确定NED 505或I/O接口515的位置时的误差。由跟踪模块560执行的校准还考虑从NED 505中的IMU 540和/或I/O接口515中包括的IMU 540接收的信息。另外，如果丢失了对NED 505的跟踪，则跟踪模块560可以重新校准NED***500中的一部分或全部。

跟踪模块560使用来自一个或多个位置传感器535、IMU 540、NED 505的DCA、一些其他的外部成像设备或其一些组合的信息来跟踪NED 505或I/O接口515的移动。例如，跟踪模块560基于来自NED 505的信息确定NED 505的参考点在局部区域的映射中的位置。跟踪模块560还可以分别使用来自IMU 540的指示NED 505的位置的数据或使用包括在I/O接口515中的来自IMU 540的指示I/O接口515的位置的数据来确定NED 505的参考点或I/O接口515的参考点的位置。另外，在一些实施方式中，跟踪模块560可以使用来自IMU 540的指示NED 505的位置的部分数据来预测NED 505的未来位置。跟踪模块560将估计或预测的NED505或I/O接口515的未来位置提供给引擎565。

引擎565基于从NED 505接收的信息生成NED 505周围的区域(即，“局部区域”)的三维映射。在一些实施方式中，引擎565基于从NED 505接收的与在计算深度中使用的技术相关的信息来确定用于局部区域的三维映射的深度信息。引擎565在计算从NED 505检测到的反射光的部分的深度时可以使用一种或多种技术来计算深度信息，诸如，基于立体的技术、结构光照明技术和飞行时间技术。在各种实施方式中，引擎565使用深度信息来例如更新局部区域的模型，并且部分地基于更新的模型生成内容。

引擎565还执行NED***500内的应用，并从跟踪模块560接收NED 505的位置信息、加速度信息、速度信息、预测的未来位置或其一些组合。基于接收到的信息，引擎565确定要提供给NED 505以便呈现给用户的内容。例如，如果接收到的信息指示用户已向左看，则引擎565生成用于NED 505的内容，该内容反映用户在虚拟环境中或在用附加内容增强本地区域的环境中的移动。另外，引擎565响应于从I/O接口515接收的动作请求，在控制台510上运行的应用内执行动作，并向用户提供动作已被执行的反馈。所提供的反馈可以是经由NED505的视觉或听觉反馈、或经由I/O接口515的触觉反馈。

其他配置信息

已经出于说明的目的呈现了对实施方式的前述描述；不旨在穷举或将专利权限制于所公开的确切形式。相关领域的技术人员可以理解，根据以上公开内容，可以有许多修改和变化。

本说明书的一些部分从信息运算的算法和符号表示法的角度描述了实施方式。这些算法描述和表示通常由数据处理领域的技术人员使用，以便将他们的工作实质有效传达给本领域的其他技术人员。这些运算，当被描述为功能性的、计算性的或逻辑性的时，被理解为由计算机程序或其他等同电路、微码等实现。此外，有时，把这些运算的安排称为模块也是方便的，并且不失其一般性。描述的运算及其相关联的模块可以在软件、固件、硬件或其任意组合中体现。

本文中描述的任何步骤、运算或过程可以单独地或与其他设备组合地用一个或多个硬件或软件模块来执行或实现。在一个实施方式中，软件模块用计算机程序产品实现，计算机程序产品包括包含计算机程序代码的计算机可读介质，程序代码可以被用于执行任何或所有步骤、运算或过程的计算机处理器执行。

实施方式还可以涉及用于执行本文中的运算的装置。该装置可以为所需目的而专门构造，和/或它可以包括由存储在计算机中的计算机程序选择性地激活或重新配置的通用计算设备。这样的计算机程序可以存储在非暂时性有形计算机可读存储介质或可以耦接到计算机***总线的适合于存储电子指令的任何类型的介质中。此外，本说明书中提到的任何计算***可以包括单个处理器，或者可以是采用多个处理器设计以提高计算能力的架构。

实施方式还可以涉及通过本文中描述的计算过程产生的产品。这样的产品可以包括由计算过程产生的信息，其中信息存储在非暂时性有形计算机可读存储介质上，并且可以包括计算机程序产品的任何实施方式或本文中描述的其他数据组合。

最后，本说明书中使用的语言主要是出于可读性和教学目的而选择的，并且可以不选择它来描述或限制专利权。因此，专利权的范围不受该详细描述的限制，而是受基于此处的申请上发布的任何权利要求的限制。因此，实施方案的公开内容旨在用于说明，而非限制在所附权利要求中阐述的专利权的范围。

Claims (20)

1.一种光投影***，包括：

光源，被配置为发射图像光；以及

光学组件，被配置为向所述图像光提供正光焦度并且光学校正所述图像光，所述光学组件包括多个光学元件，所述多个光学元件被配置为基于所述多个光学元件相对于由所述多个光学元件共享的光轴的不对称，来在阈值量内校正横跨视场(FOV)的与所述图像光相关的差分失真。

2.根据权利要求1所述的光投影***，其中，所述光投影***是近眼式显示器(NED)的一部分。

3.根据权利要求1所述的光投影***，其中，所述光源是条形光源。

4.根据权利要求3所述的光投影***，其中，所述条形光源选自于由微发光二极管的线性阵列和垂直腔发射激光器的线性阵列组成的组。

5.根据权利要求1所述的光投影***，进一步包括扫描镜，所述扫描镜被配置为在所述视场的至少一个维度上扫描经光学校正的所述图像光。

6.根据权利要求1所述的光投影***，其中，相对于所述光轴不对称的所述多个光学元件包括多个旋转对称元件，其中，所述旋转对称元件中的至少一个相对于所述光轴是偏心的。

7.根据权利要求1所述的光投影***，其中，相对于所述光轴不对称的所述多个光学元件包括一个或多个非旋转对称元件。

8.根据权利要求7所述的光投影***，其中，所述一个或多个非旋转对称元件包括至少一个变形表面。

9.根据权利要求1所述的光投影***，其中，相对于所述光轴不对称的所述多个光学元件包括相对于所述光轴偏心的一个或多个非旋转对称元件。

10.根据权利要求1所述的光投影***，其中，相对于所述光轴不对称的所述多个光学元件包括多个旋转对称元件，其中，所述旋转对称元件中的至少一个相对于所述光轴是倾斜的。

11.根据权利要求1所述的光投影***，其中，所述光学组件被配置为基于所述多个光学元件的不对称，通过使用所述多个光学元件的离轴场段传播所述图像光来校正所述差分失真。

12.根据权利要求1所述的光投影***，其中，相对于所述光轴不对称的所述多个光学元件被配置为横过所述视场的长轴和短轴中的至少一者来校正所述差分失真。

13.根据权利要求1所述的光投影***，其中，所述多个光学元件包括至少一个凸透镜和至少一个凹透镜。

14.一种近眼式显示器(NED)，包括：

光源，被配置为发射图像光；

光学组件，被配置为向所述图像光提供正光焦度并且光学校正所述图像光，所述光学组件包括多个光学元件，所述多个光学元件被配置为基于所述多个光学元件相对于由所述多个光学元件共享的光轴的不对称，来在阈值量内校正横跨视场(FOV)的与所述图像光相关的差分失真；以及

扫描镜，被配置为在所述视场的至少一个维度上扫描经光学校正的所述图像光，并且将经扫描的所述图像光引导到所述近眼式显示器的与用户眼睛的位置对应的窥视窗。

15.根据权利要求14所述的近眼式显示器，其中，相对于所述光轴不对称的所述多个光学元件包括多个旋转对称元件，其中，所述旋转对称元件中的至少一个相对于所述光轴是偏心的。

16.根据权利要求14所述的近眼式显示器，其中，相对于所述光轴不对称的所述多个光学元件包括一个或多个非旋转对称元件。

17.根据权利要求16所述的近眼式显示器，其中，所述一个或多个非旋转对称元件包括至少一个变形表面。

18.根据权利要求14所述的近眼式显示器，其中，相对于所述光轴不对称的所述多个光学元件包括相对于所述光轴偏心的一个或多个非旋转对称元件。

19.根据权利要求14所述的近眼式显示器，其中，相对于所述光轴不对称的所述多个光学元件包括多个旋转对称元件，其中，所述旋转对称元件中的至少一个元件相对于所述光轴是倾斜的。

20.根据权利要求14所述的近眼式显示器，其中，所述光学组件被配置为基于所述多个光学元件的不对称，通过使用所述多个光学元件的离轴场段传播所述图像光来校正所述差分失真。