CN113302543A - 使用自适应透镜的多焦点*** - Google Patents

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CN113302543A CN201980087607.9A CN201980087607A CN113302543A CN 113302543 A CN113302543 A CN 113302543A CN 201980087607 A CN201980087607 A CN 201980087607A CN 113302543 A CN113302543 A CN 113302543A
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吕璐
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Abstract

提供了多焦点***及其方法。多焦点***包括第一自适应透镜组件，该第一自适应透镜组件包括以光学串联方式布置的多个透镜。多个透镜包括具有多个光学状态的至少一个有源液晶(LC)透镜，使得多个透镜提供光焦度的多个组合，并且光焦度的多个组合提供多焦点***的光焦度调整范围。

Description

使用自适应透镜的多焦点***
背景
虚拟现实(VR)头戴式设备可以用来模拟虚拟环境。例如，立体图像可以显示在头戴式设备内部的电子显示器上，以模拟深度错觉，并且头部跟踪传感器可以用于估计用户正在观看虚拟环境的哪个部分。然而，因为现有头戴式设备通常不能正确地呈现或以其他方式补偿视觉辐辏和调节的冲突，所以这种模拟会导致用户的视觉疲劳和恶心。
增强现实(AR)头戴式设备显示与真实世界图像重叠的虚拟图像。为了创造舒适的观看体验，由AR头戴式设备生成的虚拟图像需要在观看过程中实时针对真实世界图像的眼睛调节被显示在合适的距离。
公开内容的简要概述
本公开的一个方面提供了一种多焦点***。多焦点***包括第一自适应透镜组件，该第一自适应透镜组件包括以光学串联方式布置的多个透镜。多个透镜包括具有多个光学状态的至少一个有源液晶(LC)透镜，使得多个透镜提供光焦度的多个组合，并且光焦度的多个组合提供多焦点***的光焦度调整范围。
本公开的另一方面提供了一种用于多焦点***的方法。该方法包括：堆叠多个透镜以形成第一自适应透镜组件，其中，该多个透镜包括具有多个光学状态的至少一个有源液晶(LC)透镜；确定多焦点***的当前光学状态；根据至少一个有源LC透镜的多个光学状态，确定多焦点***所需的下一个光学状态；确定至少一个有源LC透镜的多个光学状态中的光学状态，以实现多焦点***的下一个光学状态；以及将至少一个有源LC透镜切换到所述光学状态以实现多焦点***的下一个光学状态，使得多个透镜一起为多焦点***提供从当前光学状态到下一个光学状态的调整范围。
在本发明的一个方面，提供了一种多焦点***，包括：
第一自适应透镜组件，第一自适应透镜组件包括以光学串联方式布置的多个透镜，其中，多个透镜包括具有多个光学状态的至少一个有源液晶(LC)透镜，使得多个透镜提供光焦度的多个组合，并且光焦度的多个组合提供多焦点***的光焦度调整范围。
在根据本发明的多焦点***的实施例中，多焦点***的光焦度调整范围可以是光焦度的一组离散值，并且光焦度的离散值的最小数量可以是2。
在根据本发明的多焦点***的另一个实施例中，多焦点***的光焦度调整范围可以是光焦度的一组离散值，并且光焦度的离散值的最小数量可以是2。第一自适应透镜组件可以包括以光学串联方式布置的两个透镜。两个透镜中的至少一个可以是线性偏振相关的有源LC透镜，线性偏振相关的有源LC透镜可以在具有非零光焦度的透镜开启状态和具有零光焦度的透镜关闭状态之间切换，并且第一自适应透镜组件可以被配置成提供光焦度的两个或三个离散值。
在根据本发明的多焦点***的另一个实施例中，多焦点***的光焦度调整范围可以是光焦度的一组离散值，并且光焦度的离散值的最小数量可以是2。第一自适应透镜组件可以包括以光学串联方式布置的两个透镜。两个透镜中的至少一个可以是圆偏振相关的有源LC透镜，圆偏振相关的有源LC透镜可以在具有非零光焦度的透镜开启状态和具有零光焦度的透镜关闭状态之间切换，并且第一自适应透镜组件可以被配置成提供光焦度的两个或三个离散值。
在根据本发明的多焦点***的另一个实施例中，多焦点***的光焦度调整范围可以是光焦度的一组离散值，并且光焦度的离散值的最小数量可以是2。第一自适应透镜组件可以包括以光学串联方式布置的两个透镜，两个透镜中的至少一个者可以是偏振无关的有源LC透镜，偏振无关的有源LC透镜可以在具有非零光焦度的透镜开启状态和具有零光焦度的透镜关闭状态之间切换，并且第一自适应透镜组件可以被配置成提供光焦度的两个或三个离散值。
在根据本发明的多焦点***的又一个实施例中，多焦点***的光焦度调整范围可以是光焦度的一组离散值，并且光焦度的离散值的最小数量可以是2。第一自适应透镜组件可以包括以光学串联方式布置的两个透镜。两个透镜中的至少一个可以是线性偏振相关的有源LC透镜，线性偏振相关的有源LC透镜可以在具有非零光焦度的透镜开启状态和具有零光焦度的透镜关闭状态之间切换，并且第一自适应透镜组件可以被配置成提供光焦度的两个或三个离散值。第一自适应透镜组件可以包括具有不可切换光焦度的无源透镜，无源透镜是传统透镜、线性偏振相关的LC透镜和偏振无关的LC透镜中的一个。
在根据本发明的多焦点***的另一个实施例中，多焦点***的光焦度调整范围可以是光焦度的一组离散值，并且光焦度的离散值的最小数量可以是2。第一自适应透镜组件可以包括以光学串联方式布置的两个透镜。两个透镜中的至少一个可以是圆偏振相关的有源LC透镜，圆偏振相关的有源LC透镜可以在具有非零光焦度的透镜开启状态和具有零光焦度的透镜关闭状态之间切换，并且第一自适应透镜组件可以被配置成提供光焦度的两个或三个离散值。第一自适应透镜组件可以包括具有不可切换光焦度的无源透镜，无源透镜可以是传统透镜和圆偏振相关的LC透镜中的一个。
在根据本发明的多焦点***的又一个实施例中，多焦点***的光焦度调整范围可以是光焦度的一组离散值，并且光焦度的离散值的最小数量可以是2。第一自适应透镜组件可以包括以光学串联方式布置的两个透镜，两个透镜中的至少一个可以是偏振无关的有源LC透镜，偏振无关的有源LC透镜可以在具有非零光焦度的透镜开启状态和具有零光焦度的透镜关闭状态之间切换，并且第一自适应透镜组件可以被配置成提供光焦度的两个或三个离散值。通过面内切换或面外切换，圆偏振相关的有源LC透镜可以被切换到透镜关闭状态。在通过面内切换被切换到透镜关闭状态之后，圆偏振相关的有源LC透镜可以充当半波片。
在根据本发明的多焦点***的另一个实施例中，多焦点***的光焦度调整范围可以是光焦度的一组离散值，并且光焦度的离散值的最小数量可以是2。第一自适应透镜组件可以包括以光学串联方式布置的两个透镜，两个透镜中的至少一个可以是偏振无关的有源LC透镜，偏振无关的有源LC透镜可以在具有非零光焦度的透镜开启状态和具有零光焦度的透镜关闭状态之间切换，并且第一自适应透镜组件可以被配置成提供光焦度的两个或三个离散值。第一自适应透镜组件可以包括具有不可切换光焦度的无源透镜，无源透镜可以是传统透镜和偏振无关的LC透镜中的一个。
在根据本发明的多焦点***的实施例中，多焦点***的光焦度调整范围可以是光焦度的一组离散值，并且光焦度的离散值的最小数量可以是2。第一自适应透镜组件可以包括以光学串联方式布置的三个透镜，三个透镜中的至少两个可以是线性偏振相关的有源LC透镜，线性偏振相关的有源LC透镜可以在具有非零光焦度的透镜开启状态和具有零光焦度的透镜关闭状态之间切换，并且第一自适应透镜组件可以被配置成提供光焦度的不多于七个离散值。
在根据本发明的多焦点***的实施例中，多焦点***的光焦度调整范围可以是光焦度的一组离散值，并且光焦度的离散值的最小数量可以是2。第一自适应透镜组件可以包括以光学串联方式布置的三个透镜，三个透镜中的至少两个透镜可以是圆偏振相关的有源LC透镜，其可以在具有非零光焦度的透镜开启状态和具有零光焦度的透镜关闭状态之间切换，并且第一自适应透镜组件可以被配置成提供光焦度的不多于七个离散值。
在根据本发明的多焦点***的实施例中，多焦点***的光焦度调整范围可以是光焦度的一组离散值，并且光焦度的离散值的最小数量可以是2。第一自适应透镜组件可以包括以光学串联方式布置的三个透镜，三个透镜中的至少两个可以是偏振无关的有源LC透镜，其可以在具有非零光焦度的透镜开启状态和具有零光焦度的透镜关闭状态之间切换，并且第一自适应透镜组件可以被配置成提供光焦度的不多于七个离散值。
在根据本发明的多焦点***的实施例中，多焦点***的光焦度调整范围可以是光焦度的一组离散值，并且光焦度的离散值的最小数量可以是2。第一自适应透镜组件可以包括以光学串联方式布置的三个透镜，三个透镜中的至少两个可以是线性偏振相关的有源LC透镜，其可以在具有非零光焦度的透镜开启状态和具有零光焦度的透镜关闭状态之间切换，并且第一自适应透镜组件可以被配置成提供光焦度的不多于七个离散值。第一自适应透镜组件可以包括具有不可切换光焦度的无源透镜，无源透镜是传统透镜、线性偏振相关的LC透镜和偏振无关的LC透镜中的一个。
在根据本发明的多焦点***的实施例中，多焦点***的光焦度调整范围可以是光焦度的一组离散值，并且光焦度的离散值的最小数量可以是2。第一自适应透镜组件可以包括以光学串联方式布置的三个透镜，三个透镜中的至少两个透镜可以是圆偏振相关的有源LC透镜，其可以在具有非零光焦度的透镜开启状态和具有零光焦度的透镜关闭状态之间切换，并且第一自适应透镜组件可以被配置成提供光焦度的不多于七个离散值。第一自适应透镜组件可以包括具有不可切换光焦度的无源透镜，无源透镜是传统透镜和圆偏振相关的LC透镜中的一个。
在根据本发明的多焦点***的实施例中，多焦点***的光焦度调整范围可以是光焦度的一组离散值，并且光焦度的离散值的最小数量可以是2。第一自适应透镜组件可以包括以光学串联方式布置的三个透镜，三个透镜中的至少两个可以是偏振无关的有源LC透镜，其可以在具有非零光焦度的透镜开启状态和具有零光焦度的透镜关闭状态之间切换，并且第一自适应透镜组件可以被配置成提供光焦度的不多于七个离散值。第一自适应透镜组件可以包括具有不可切换光焦度的无源透镜，无源透镜是传统透镜和偏振无关的LC透镜中的一个。
在根据本发明的多焦点***的另一个实施例中，该***包括第一自适应透镜组件，该第一自适应透镜组件包括以光学串联方式布置的多个透镜，其中，多个透镜包括具有多个光学状态的至少一个有源液晶(LC)透镜，使得多个透镜提供光焦度的多个组合，并且光焦度的多个组合提供多焦点***的光焦度调整范围，***还可以包括第二自适应透镜组件，其被配置成提供光焦度的多个组合，光焦度的多个组合与第一自适应透镜组件所提供的光焦度的多个组合相反，但是具有相同的绝对值。第二自适应透镜组件还可以包括与第一自适应透镜组件相同数量的透镜。第二自适应透镜组件中的多个透镜可以具有与第一自适应透镜组件中的多个透镜相同的偏振相关性。
在根据本发明的多焦点***的另一个实施例中，多焦点***可以包括头戴式显示器。
在本发明的另一方面，提供了一种用于多焦点***的方法，该方法包括：
堆叠多个透镜以形成第一自适应透镜组件，其中，该多个透镜包括具有多个光学状态的至少一个有源液晶(LC)透镜；
确定多焦点***的当前光学状态；
根据至少一个有源LC透镜的多个光学状态，确定多焦点***所需的下一个光学状态；
确定至少一个有源LC透镜的多个光学状态中的光学状态，以实现多焦点***的下一个光学状态；以及
将至少一个有源LC透镜切换到所述光学状态以实现多焦点***的下一个光学状态，使得多个透镜一起为多焦点***提供从当前光学状态到下一个光学状态的调整范围。
在根据本发明的方法的另一个实施例中，多焦点***的调整范围可以是光焦度的一组离散值，并且光焦度的离散值的最小数量可以是2。该方法还可以包括堆叠多个透镜以形成第二自适应透镜组件，其中，第二自适应透镜组件可以提供的调整范围与第一自适应透镜组件提供的调整范围相反，但具有相同的绝对值。
根据本公开的说明书、权利要求和附图，本领域技术人员可以理解本公开的其他方面。
附图简述
根据各种公开的实施例，提供以下附图以用于说明目的，并且不旨在限制本公开的范围。
图1A示出本公开的在现实世界中视觉辐辏和调节之间的关系；
图1B示出了本公开的三维(3D)显示屏中视觉辐辏和调节之间的冲突；
图2A示出符合所公开的实施例的示例性头戴式显示器(HMD)的线图；
图2B示出符合所公开的实施例的图2A中的头戴式显示器的前刚性主体的横截面；
图2C示出了符合所公开的实施例的图2A中的头戴式显示器的示例性波导显示器的横截面；
图2D示出了符合所公开的实施例的使用自适应透镜的示例性多焦点块的图；
图3A-图3B示出了符合所公开的实施例的示例性线性偏振相关的液晶(LC)透镜；
图4A示出了符合所公开的实施例的示例性圆偏振相关的LC透镜；
图4B示出了符合所公开的实施例的图4A的LC透镜中的示例性LC取向；
图4C示出了符合所公开的实施例的沿着图4A的LC透镜中的y轴截取的示例性LC取向的截面；
图4D示出了符合所公开的实施例的图4A的LC透镜的示例性中性状态；
图4E示出了符合所公开的实施例的图4A的LC透镜的另一示例性中性状态；
图5示出了符合所公开的实施例的示例性偏振无关的LC透镜；
图6A示出了符合所公开的实施例的示例性多焦点块；
图6B-图6Q示出了符合所公开的实施例的图6A中多焦点块的示例性光焦度调整；
图7A示出了符合所公开的实施例的另一示例性多焦点块；
图7B-图7S示出了符合所公开的实施例的图7A中多焦点块的示例性光焦度调整；
图8示出了符合所公开的实施例的HMD在其中操作的示例性多焦点***；
图9示出了符合所公开的实施例的通过调整HMD的焦距来减轻视觉辐辏调节冲突的示例性过程；并且
图10示出了符合所公开的实施例的通过调整包括多焦点结构的多焦点块的焦距来减轻视觉辐辏调节冲突的示例性过程。
详细描述
多焦点***包括头戴式显示器(HMD)。HMD包括多焦点块。HMD通过电子显示器在焦距处向佩戴用户呈现内容。多焦点块根据来自HMD的指令调节焦距，以例如减轻佩戴用户的眼睛的视觉辐辏调节冲突。通过调整与多焦点块相关联的光焦度(特别是通过调整与多焦点块内的一个或更多个多焦点结构相关联的光焦度)来调整焦距。
在一些实施例中，虚拟对象呈现在作为多焦点***的一部分的HMD的电子显示器上。由HMD发射的光被配置成具有特定的焦距，使得虚拟场景在特定的图像平面上显现给用户。随着将要呈现的内容离用户越来越近/越来越远，HMD对应地指示多焦点块调整焦距，以减轻用户经历眼睛视觉辐辏和眼睛调节的冲突的可能性。另外，在一些实施例中，HMD可以跟踪用户的眼睛，使得多焦点***能够近似凝视线，并且确定包括视觉辐辏距离的凝视点(凝视线的估计交叉点)，以确定向用户提供的适当调节量。凝视点识别虚拟场景的特定帧的对象或焦平面，并且HMD调整多焦点块的距离，以使用户的眼睛随着视觉辐辏和调节的变化保持在舒适区域。
视觉辐辏调节冲突是许多虚拟现实***中的问题。视觉辐辏是两只眼睛在相反方向上的同时移动或旋转以获得或维持双眼单视(single binocular vision)，并且与眼睛的调节有关。在正常情况下，当人类眼睛看到与他们一直在看的对象不同距离处的新对象时，眼睛自动改变焦点(通过改变它们的形状)，以在新距离或新对象的视觉辐辏距离处提供调节。
图1A展示了在现实世界中人眼如何体验视觉辐辏和调节的示例。如图1A所示，用户正在看真实对象100(即，用户的眼睛会聚在真实对象100上，并且来自用户眼睛的凝视线在真实对象100处相交)。随着真实对象100移动得更靠近用户，如图1A中的箭头所示，每只眼睛102向内旋转(即会聚)以保持会聚在真实对象100上。随着真实对象100越来越近，眼睛102必须通过改变其形状以减小放大率或焦距来“适应”更近的距离。眼睛必须聚焦以产生清晰视网膜图像的距离是调节距离。因此，在真实世界的正常条件下，视觉辐辏距离(dv)等于调节距离(da)。
图1B展示了视觉辐辏和调节之间的示例冲突，这种冲突可以伴随一些三维显示器出现。如图1B所示，用户正在看电子屏幕104上显示的虚拟对象100B。然而，用户的眼睛会聚在虚拟对象100B处，并且来自用户眼睛的凝视线在虚拟对象100B处相交，虚拟对象100B离用户的眼睛比离电子屏幕104更远。当虚拟对象100B呈现在电子显示器104上以看起来更接近用户时，每只眼睛102再次向内旋转以保持会聚在虚拟对象100B上，但每只眼睛的放大率或焦距并未减小；因此，用户的眼睛不像图1A那样进行调节。因此，代替减小放大率或增加焦距以适应于较远的视觉辐辏距离，每只眼睛102使调节保持在与电子显示器104相关联的距离处。因此，对于显示在3D电子显示器上的对象，人眼的视觉辐辏距离(dv)常常不等于调节距离(da)。在视觉辐辏距离和调节距离之间的这个差异被称为“视觉辐辏调节冲突”。只经历视觉辐辏或调节(而不是经历两者)的用户最终将经历某种程度的疲劳或恶心，这对于虚拟现实***创建者来说是不希望的。
图2A示出符合所公开的实施例的示例性头戴式显示器(HMD)200的线图。如图2A所示，HMD 200可以包括前刚性主体205和带子210。前刚性主体205可以包括电子显示器(未示出)的一个或更多个电子显示元件、惯性测量单元(IMU)215、一个或更多个位置传感器220和***225。在图2A所示的实施例中，位置传感器220位于IMU 215内，并且IMU 215和位置传感器220可能对用户都不可见。以下可以参考图7详细讨论IMU 215、位置传感器220和***225。HMD 200充当虚拟现实(VR)设备、增强现实(AR)设备、混合现实(MR)设备或它们的某种组合。在一些实施例中，当HMD 200充当增强现实(AR)或混合现实(MR)设备的时候，HMD200的部分和其内部部件可以是至少部分透明的。
图2B是图2A所示的HMD 200的实施例的前刚性主体205的横截面250。如图2B所示，前刚性主体205可以包括电子显示器255和多焦点块260，它们一起向出射光瞳263提供图像光。出射光瞳263可以是前刚性主体205中用户眼睛265所处的定位。为了说明的目的，图2B展示了与单只眼睛265相关联的横截面250，但是与多焦点块260分离的另一个多焦点块260可以向用户的另一只眼睛提供改变的图像光。
另外，HMD 200可以包括眼睛跟踪***270。眼睛跟踪***270可以包括例如照亮用户的一只或两只眼睛的一个或更多个源，以及捕获用户的一只或两只眼睛的图像的一个或更多个照相机。HMD 200可以包括自适应调光***290，其包括调光元件。调光元件可以动态地调整通过HMD 280观看的真实世界对象的透射率，从而使HMD 200在VR设备和AR设备之间或者在VR设备和MR设备之间切换。在一些实施例中，随着在AR/MR设备和VR设备之间切换，调光元件可以用于AR设备中，以减轻真实对象和虚拟对象的亮度差异。
电子显示器255可以向用户显示图像。在各种实施例中，电子显示器255可以包括单个电子显示器或多个电子显示器(例如，用户的每只眼睛一个显示器)。电子显示器255的示例包括：液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)显示器、有源矩阵发光二极管显示器(AMOLED)、量子点有机发光二极管(QOLED)、量子点发光二极管(QLED)、某种其他显示器、或其某种组合。
在一些实施例中，电子显示器255可以包括一个或更多个波导显示器275的堆叠，包括但不限于堆叠式波导显示器。在一些实施例中，堆叠式波导显示器可以是通过对波导显示器进行堆叠而创建的多色显示器(例如，红绿蓝(RGB)显示器)，其图像光来自相应的具有不同颜色的单色源。在一些实施例中，堆叠式波导显示器可以是单色显示器。
图2C是符合所公开的实施例的图2A中的头戴式显示器的波导显示器275的横截面。如图2C所示，波导显示器275可以包括源组件271、输出波导272和源控制器273。源组件271包括源279和光学***281。源279可以是生成相干光或部分相干光的光源。源279可以包括例如激光二极管、垂直腔面发射激光器和/或发光二极管。光学***281可以包括一个或更多个光学部件，光学部件调节来自源279的光。调节来自源279的光可以包括例如根据来自源控制器273的指令来扩展、准直和/或调整取向。
源组件271可以生成图像光274并将图像光274输出到位于输出波导272的第一侧面272-1上的耦合元件276。输出波导272可以包括向用户的眼睛265输出经扩展的图像光274的光波导。输出波导272可以在位于第一侧面272-1上的一个或更多个耦合元件276处接收图像光274，并将接收到的图像光274引导至导向元件277。在一些实施例中，耦合元件276可以将来自源组件271的图像光274耦合到输出波导272中。
耦合元件276可以包括例如衍射光栅、全息光栅、一个或更多个级联反射器、一个或更多个棱柱面元件(prismatic surface element)和/或全息反射器阵列。在一些实施例中，耦合元件276可以是衍射光栅，并且可以将衍射光栅的间距选择成使得全内反射在输出波导282中发生，并且图像光274可以在输出波导272中朝向去耦元件278进行内部传播(例如，通过全内反射)。
导向元件277可以将接收到的输入图像光274重定向到去耦元件278，使得接收到的输入图像光274经由去耦元件278从输出波导272去耦合。导向元件277可以是输出波导272的第一侧面272-1的一部分或固定到输出波导272的第一侧面272-1。去耦元件278可以是输出波导272的第二侧面272-2的一部分或固定到输出波导272的第二侧面272-2，使得导向元件277与去耦元件278相对。
在一些实施例中，导向元件277和/或去耦元件278可以在结构上类似。导向元件277和/或去耦元件278可以是例如，衍射光栅、全息光栅、一个或更多个级联反射器、一个或更多个棱柱面元件、和/或全息反射器阵列。在一些实施例中，导向元件277可以是衍射光栅，衍射光栅的间距被选择成使得入射图像光274以相对于去耦元件278的表面倾斜的角度离开输出波导272。
输出波导272可以由促进图像光274的全内反射的一种或更多种材料组成。输出波导272可以由例如硅、塑料、玻璃和/或聚合物组成。输出波导272可以具有相对较小的形状因子。例如，输出波导272可以沿x维度约50mm宽，沿y维度约30mm长，以及沿z维度约0.5-1mm厚。
源控制器273可以控制源组件271的扫描操作，并确定源组件271的扫描指令。在一些实施例中，输出波导272可以将经扩展的图像光274以大的视场(FOV)输出到用户的眼睛265。例如，可以将经扩展的图像光274以60度和/或更大和/或150度和/或更小的对角线FOV(在x和y方向)提供给用户的眼睛265。输出波导272可以被配置成提供视窗，其长度为20mm或更大和/或等于或小于50mm；和/或宽度为10mm或更大和/或等于或小于50mm。
在一些实施例中，波导显示器275可以包括多个源组件271和多个输出波导272。每个源组件271可以发射对应于原色(例如，红色、绿色或蓝色)的特定波长段的单色图像光。每个输出波导272可以以一定的间隔距离堆叠在一起，以输出多色的扩展的图像光274。使用波导显示器275，物理显示器和电子器件可以被移动到侧面(靠近用户的太阳穴)，并且可以获得真实世界的完全无障碍的视图，因此打开了真正AR体验的可能性。
图2D示出了符合所公开的实施例的使用自适应透镜的示例性多焦点块260。如图2B和图2D所示，多焦点块260可以包括采用光学串联方式的一个或更多个多焦点结构。多焦点结构是一种光学设备，其被配置成根据来自多焦点***的指令动态地调整其焦点。光学串联是指多个光学元件的相对定位，使得对于多个光学元件中的每个光学元件来说，光在被多个光学元件中的另一个光学元件透射之前被该光学元件透射。此外，光学元件的排序并不重要。例如，光学元件A放置在光学元件B之前，或者光学元件B放置在光学元件A之前，都是采用光学串联方式的。与电路设计类似，光学串联表示光学元件，当串联放置时，它们的光学属性是复合的。
多焦点块260可以包括第一自适应透镜组件280，其调整来自电子显示器255的图像呈现给HMD用户的焦距/所在的图像平面。第一自适应透镜组件280可以包括以光学串联方式布置的多个透镜282，其中至少一个透镜是具有多个光学状态(即，焦点状态)的有源透镜(active lens)，使得多个透镜282提供光焦度的多个组合，并且光焦度的多个组合为多焦点块260提供光焦度的调整范围。多焦点块260的光焦度的调整范围可以是光焦度的一组离散值，并且光焦度的离散值的最小数量是2。也就是说，多焦点块260可以生成多个(至少两个)图像平面。
在一些实施例中，有源透镜可以是有源的或可切换液晶(LC)透镜，其可在具有非零光焦度d的透镜开启状态与具有零光焦度的透镜关闭状态之间切换。在本文中，光焦度的单位是屈光度。应当注意，根据有源LC透镜的不同结构，有源LC透镜可以在施加电压的情况下提供光焦度d，而在没有施加电压的情况下提供零光焦度，反之亦然。有源LC透镜可以是偏振相关的(例如，线性或圆偏振相关的)或与偏振无关的。例如，有源LC透镜可以是线性偏振相关有源LC透镜、圆偏振相关有源LC透镜和偏振无关有源LC透镜中的一种。
在一些实施例中，第一自适应透镜组件280还可以包括至少一个无源透镜(passive lens)，具有不可切换的光焦度，即固定光焦度。在一些实施例中，无源透镜可以是由例如玻璃、塑料或聚合物制成的传统透镜。在一些实施例中，无源透镜可以是偏振相关的或偏振无关的LC透镜。
由第一自适应透镜组件280提供的光焦度的离散值或光焦度组合的最小数量可以是二，这可以通过使用一个有源透镜和一个无源透镜来实现。由第一自适应透镜组件280提供的光焦度的离散值或光焦度组合的最大数量在不考虑尺寸或其他光学属性因素的情况下可以是无限制的。当由第一自适应透镜组件280提供的光焦度的数量增加时，第一自适应透镜组件280的性能可以逐渐接近变焦透镜的性能。也就是说，多焦点块260的调整范围的大小可以随着第一自适应透镜组件280中所包括的有源透镜的数量而缩放。
在一些实施例中，为了提供一系列光焦度，线性偏振相关的有源LC透镜可以与其他线性偏振相关的有源LC透镜和/或无源透镜(诸如传统透镜、线性偏振相关的无源LC透镜或偏振无关的无源LC透镜)以光学串联的方式布置，并且入射光可以是线性偏振的。圆偏振相关的有源LC透镜可以与其他圆偏振相关的有源LC透镜和/或无源透镜(诸如传统透镜、圆偏振相关的无源LC透镜或偏振无关的无源LC透镜)以光学串联的方式布置，并且入射光可以是圆偏振的。偏振无关的有源LC透镜可以与其他有源和/或无源偏振无关的透镜(诸如传统透镜或与偏振无关的LC无源透镜)以光学串联的方式布置。
在一些实施例中，当HMD充当AR或MR设备时，多焦点块260可以进一步包括第二自适应透镜组件285，该第二自适应透镜组件285被配置成补偿由第一自适应透镜组件280引起的真实世界图像的失真，使得通过HMD观看的真实世界对象可以保持不变。第二自适应透镜组件285可以提供光焦度的多个组合，该光焦度的多个组合与第一自适应透镜组件280提供的光焦度的多个组合相反但是具有相同的绝对值。
在一些实施例中，第一自适应透镜组件280可以被配置成提供正光焦度，因此，第二自适应透镜组件285可以被配置成相同幅度的负光焦度，以补偿第一自适应透镜组件280。当HMD充当VR设备时，可以省略第二自适应透镜组件285。
类似于第一自适应透镜组件280，第二自适应透镜组件285也可以包括以光学串联方式布置的多个透镜284，并且多个透镜284中的至少一者可以是具有多个光学状态的有源透镜。第二自适应透镜组件285可以提供一系列光焦度，这些光焦度由多个透镜的光焦度的各种组合形成，这些组合又由有源透镜的多个光学状态实现。第二自适应透镜组件285可以包括与第一自适应透镜组件相同数量的透镜。
在一些实施例中，第二自适应透镜组件285中所包括的有源透镜可以是具有可切换光焦度的有源LC透镜，其特征可以类似于第一自适应透镜组件280中的有源LC透镜的特征。此外，第二自适应透镜组件285中的多个透镜284可以具有与第一自适应透镜组件280中的多个透镜282相同的偏振依赖性。例如，第一自适应透镜组件280和第二自适应透镜组件285中的有源LC透镜可以都是线性偏振相关的有源LC透镜、圆偏振相关的有源LC透镜或与偏振无关的有源LC透镜。在一些实施例中，第二自适应透镜组件285还可以包括至少一个具有不可切换光焦度的无源透镜，其特征可以类似于第一自适应透镜组件280中的无源透镜的特征。第二自适应透镜组件285中的无源透镜可以具有与第一自适应透镜组件280中的无源透镜相同的透镜类型或偏振相关性。第二自适应透镜组件285中所包括的有源LC透镜和无源透镜的细节在此不再重复。
此外，多焦点块260可以包括一个或更多个衬底层、线性偏振器、四分之一波片、半波片、圆偏振器或它们的某种组合。例如，线性偏振器可以光学耦合到第一自适应透镜组件，以确保入射到第一自适应透镜组件上的光是线性偏振光。线性偏振器和四分之一波片可以光学耦合到第一自适应透镜组件，以确保入射到第一自适应透镜组件上的光是圆偏振光。半波片可以将入射偏振光的偏振方向切换到正交方向。例如，半波片可以使入射圆偏振光的旋向性反转。在一些实施例中，半波片可以包括可切换半波片(SHWP)，其可以根据切换状态(即，激活或非激活)使入射圆偏振光的旋向性反转。圆偏振器和四分之一波片可以光学耦合到第一自适应透镜组件，以确保入射到第一自适应透镜组件上的光是线性偏振光。在一些实施例中，圆偏振器可以包括胆甾型圆偏振器。
衬底层是其他元件(例如，可切换半波片、液晶体等)可以形成在其上、耦合于其的层。衬底层在可见光波段(～380nm至750nm)基本上是透明的。在一些实施例中，衬底可以在一些或全部红外(IR)波段(～750nm至1mm)也是透明的。衬底层可以由例如SiO2、塑料、蓝宝石等组成。
另外，在一些实施例中，多焦点块260可以放大所接收的光，校正与图像光相关联的光学误差，并将校正后的图像光呈现给HMD 200的用户。多焦点块260可以另外包括采用光学串联方式的一个或更多个多光学元件。光学元件可以是光圈、菲涅尔透镜、凸透镜、凹透镜、滤光器或影响模糊的图像光的任何其他合适的光学元件。此外，多焦点块260可以包括不同光学元件的组合。在一些实施例中，多焦点块260中的一个或更多个光学元件可以具有一个或更多个涂层，诸如抗反射涂层。
图3A-图3B示出了符合所公开的实施例的示例性线性偏振相关的LC透镜300。如图3A-图3B所示，线性偏振相关的LC透镜300通常被称为GRIN(梯度折射率)透镜，这是具有折射率梯度的透镜。折射率梯度可以通过LC配向的梯度来获得。在一些实施例中，LC配向的梯度可以通过LC透镜300中生成的电场梯度来获得，电场梯度可以通过采用例如用不同电压单独寻址的一组离散环形图案化电极、孔图案化电极板或球形电极来实现。在一些实施例中，可以通过确定LC预倾角梯度的锚定梯度来获得LC配向的梯度。
在一个实施例中，如图3A所示，当向LC透镜300施加零电压(或者更一般地，低于某个最小值，该最小值太小以至于不能重新取向LC分子230)时，LC分子320可以在LC层中沿着x方向均匀配向。对于具有沿着LC分子320或LC层的配向方向的偏振方向(即，x方向)的入射光330，LC透镜300的光焦度可以为零。也就是说，不提供透镜效果。
当向LC透镜300施加一定幅度的电压(或者更一般地，高于某个阈值，该阈值大到足以重新取向LC分子320)时，LC分子320可以被重新取向以产生从LC层的中心到边缘的LC配向梯度。在一个实施例中，如图3A所示，从LC层的中心到边缘，LC配向可以从平行于LC透镜300的表面变为更接近于垂直于LC透镜300的表面。对于具有沿着LC分子320或LC层的配向方向的偏振方向(即，x方向)的入射光330，LC分子320的有效折射率可以从LC层的中心到边缘逐渐减小。然后可以获得正透镜轮廓310，并且可以聚焦具有沿着x方向的偏振方向330的入射光。也就是说，LC透镜330可以是提供正光焦度d的正LC透镜。
具体地，被开启的LC透镜300的光焦度d可以通过d＝8δn*L/D2来计算，其中L是LC层的厚度，D是LC透镜300的孔径大小，δn是LC透镜300的中心和边缘之间的折射率差。只要孔径大小(D)和厚度(L)是固定的，就可以由在中心和边缘之间的折射率差(δn)来确定LC透镜300的光焦度d。δn总是小于或等于Δn，其中Δn是LC层的LC材料的双折射率。
如图3B所示，对于具有垂直于LC分子320或LC层的配向方向的偏振方向(即y方向)的入射光340，不管施加的电压如何，LC透镜300可以表现为没有折射率梯度的透明板。也就是说，LC透镜300可以不对在y方向偏振的入射光340提供透镜效应。
应该注意的是，图3A-图3B所示的LC分子取向仅仅是为了说明的目的，并不旨在限制本公开的范围。LC透镜300可以具有利用极角(或倾斜角)的变化来产生透镜轮廓的任何合适的结构，并且LC透镜300的光焦度可以在某个值d(例如，在透镜开启状态)和0(例如，在透镜关闭状态)之间切换，诸如基于光衍射的菲涅耳LC透镜。在一些实施例中，LC透镜300可以是提供负光焦度的负透镜。在一些实施例中，LC透镜300可以是混合透镜，其光焦度可以从某个负值变为零、变为某个正值。
图4A示出了符合所公开的实施例的示例性圆偏振相关的LC透镜400。在一些实施例中，圆偏振相关的LC透镜400可以是潘查拉特南贝里相位(Pancharatnam Berry Phase，PBP)LC透镜，其通过LC分子的面内(in-plane)取向(θ，方位角)产生透镜轮廓。PBP LC透镜的相位差可以计算为T＝2θ。
图4B示出了图4A的LC透镜中的示例性LC取向410。如图4B所示，在PBP LC透镜400中，LC分子406的方位角(θ)可以从PBP LC透镜400的中心402向边缘404连续变化，具有变化的间距Λ。以LC的方位角从初始状态旋转180°的方式定义间距。图4C示出了沿着图4A的LC透镜中的y轴截取的示例性LC取向的一部分420。如图4C所示，间距变化率可以是距离透镜中心402的距离的函数。间距变化率可能随着距镜头中心的距离而增加。例如，在透镜中心402处的间距(Λ0)可能是最高的或者间距变化是最慢的，在边缘404处的间距(Λr)可能是最小的或者间距变化是最快的，即Λ0>Λ1>...>Λr。
参考图4A-图4C，在x-y平面中，为了获得具有透镜半径(r)和透镜焦度(+/–f)的PBP LC透镜，方位角θ可以满足：2θ＝π*r2/(f*λ)，其中λ是入射光的波长。另外，沿着光传播方向z方向，双扭曲或多扭曲结构层在PBP LC透镜400中在效率上提供消色差性能。沿着z方向，非扭曲结构比扭曲结构更容易制造，但是对于单色光是优化的。
用于VR、AR或MR应用的HMD的设计规格通常要求大范围的光焦度以适应人眼的视觉辐辏调节(例如，～±2屈光度或更高)、快速的切换速度(例如，<20ms)和良好质量的图像。PBP LC透镜400能够使用具有相对低折射率的LC材料来满足设计规格，此外，PBP LC透镜400可以具有大的孔径尺寸、薄的厚度(例如，单个LC层可以是～2μm)和使透镜电源开启/关闭的高切换速度(例如，<20ms)。
回到图4A，在一些实施例中，PBP LC透镜400可以是有源PBP LC透镜，其具有三个离散的焦点状态(也称为光学状态)。这三种光学状态是加性状态、中性状态和减性状态。具体地，加性状态可以增加***的光焦度(即，具有正焦点‘f’)，而减性状态可以从***中减去光焦度(即，具有负焦点‘-f’)。当不处于中性状态时，除了聚焦/散焦入射光之外，PBP LC透镜400还可以反转穿过PBP LC透镜400的圆偏振光的旋向性。中性状态可能不影响***的光焦度，然而，穿过PBP LC透镜400的圆偏振光的旋向性可能不变或改变。
PBP LC透镜400的光学状态可以由入射在PBP LC透镜上的圆偏振光的旋向性和施加的电压来确定。在一些实施例中，如图4A所示，PBP LC透镜400可以以加性状态操作、以减性状态操作以及以中性状态(不考虑偏振)操作，该加性状态响应于具有右旋圆偏振的入射光和施加的零电压(或更一般地低于某个最小值)而向***增加光焦度，该减性状态响应于具有左旋圆偏振的入射光和施加的零电压(或更一般地低于某个最小值)从***移除光焦度，该中性状态响应于所施加的电压大于使LC沿着电场配向的阈值电压而不影响***的光焦度。
通过翻转PBP LC透镜400，对于具有相同旋向性的圆偏振入射光，可以反转PBP LC透镜400的加性状态和减性状态。例如，在翻转图4A中的PBP LC透镜400之后，被翻转的PBPLC透镜(在图4A的右侧)可以以加性状态操作、以减性状态操作以及以中性状态(不考虑偏振)操作，该加性状态响应于具有左旋圆偏振的入射光和施加的零电压(或更一般地低于某个最小值)而向***增加光焦度，该减性状态响应于具有右旋圆偏振的入射光和施加的零电压(或更一般地低于某个最小值)从***移除光焦度，该中性状态响应于所施加的电压大于使LC沿着电场配向的阈值电压而不影响***的光焦度。
尽管PBP LC透镜400在中性状态不提供任何透镜光焦度，但是透射通过PBP LC透镜400的光的偏振旋向性可以改变或不变。图4D示出了BPB LC透镜400的示例性中性状态430，其不改变透射光的偏振旋向性。如图4D所示，当产生的电场垂直于LC层时(例如，跨LC层施加的垂直电场)，具有正介电各向异性的LC分子406可以沿着垂直电场的方向重新取向为垂直于LC层，即，面外切换。也就是说，具有正介电各向异性的LC分子406的取向可以处于垂直配向状态，因此，LC层可以充当垂直入射光的各向同性介质。当BPB LC透镜400的光焦度被面外关闭时，透射通过PBP LC透镜400的光的偏振旋向性可能不受影响。
图4E示出了BPB LC透镜400的示例性中性状态440，其反转被透射的透射光的偏振旋向性。如图4E所示，当产生的电场平行于LC层时(例如，施加在LC层平面中的水平电场)，具有正介电各向异性的LC分子406可以沿着水平电场的方向重新取向为平行于LC层(即，面内切换)，并且具有正介电各向异性的LC分子406的取向可以处于均匀状态。也就是说，给予BPB LC透镜400光焦度的图案化LC配向结构可以转变为充当半波片的均匀单轴平面结构。当BPB LC透镜400的光焦度被面内关闭时，对于圆偏振入射光，透射通过PBP LC透镜400的光的偏振旋向性可以被反转。
出于说明的目的，图4D-图4E仅示出了具有正介电各向异性的LC分子406在所产生的电场下的取向。在一些实施例中，LC分子可以具有负介电各向异性，则所产生的垂直电场可以使LC分子406朝向平行于LC层的方向重新取向，这导致透射通过PBP LC透镜400的光的反转的偏振旋向性。水平电场可以使LC分子406朝向垂直于LC层的方向重新取向，并且透射通过PBP LC透镜400的光的偏振旋向性可以不受影响。
在一些实施例中，PBP LC透镜400也可以是无源透镜，其具有两种光学状态：加性状态和减性状态。无源PBP LC透镜400的状态可以由圆偏振入射光的旋向性确定。在一些实施例中，无源PBP LC透镜可以以加性状态操作和以减性状态操作，该加性状态响应于具有右旋圆偏振的入射光向***增加光焦度，该减性状态响应于具有左旋圆偏振的入射光从***移除光焦度。
图5示出了符合所公开的实施例的示例性偏振无关LC透镜500。如图5所示，偏振无关LC透镜500可以是菲涅耳透镜500，其包括在夹在第一透明电极504和第二透明电极506之间的LC层中形成的多个区域502。特别地，菲涅耳透镜500可以具有在相邻区域502中正交交替的混合配向。第一配向层508可以设置在第一透明电极504的内表面上，以提供LC分子512的垂直配向，第二配向层510可以设置在第二透明电极506的内表面上，以提供LC分子512的均匀配向。
同时，第二配向层510可以向相邻区域中的LC分子512提供正交的配向方向。例如，如图5所示，从菲涅耳透镜500的中心到边缘，第二配向层510可以向奇数区域(例如502-1、502-3)中的LC分子512提供x方向的均匀配向，同时向偶数区域(例如502-2、502-4)中的LC分子512提供y方向的均匀配向。在交替混合配置中，两个相邻区域502中的光轴之间的正交性可以直接导致菲涅耳透镜500的偏振不敏感特性，而不管入射光的偏振状态如何。
当菲涅尔透镜500是二元型菲涅尔透镜时，在没有施加任何电压的情况下，根据f＝R1 2/λ计算菲涅尔透镜的焦距f，其中λ是入射光的波长，R1是最内部区域的半径。利用足够高的施加电压，LC分子512可以沿着所产生的电场的方向重新取向，以垂直于菲涅耳透镜500的表面配向，并且可以消除透镜效应。
下面讨论多焦点结构的各种设计。重要的是要注意，这些设计仅仅是说明性的，并且多焦点结构的其他设计可以使用本文描述的原理来产生。在一些实施例中，多焦点块内的多焦点结构可以被设计成满足HMD(例如，上述HMD)的要求。设计要求可以包括，例如，用于大视场(例如，FOV，～90度，并且20mm的眼睛离隙距离)的大孔径尺寸(例如，2.4cm)、用于适应人眼视觉辐辏调节的大光焦度(例如，±2.0屈光度)、用于适应人眼视觉辐辏调节的快切换速度(<20ms)以及用于满足人眼敏锐度的良好图像质量。在某些其他实施例中，多焦点结构可以包括采用光学串联方式的其他光学元件。
图6A示出了符合所公开的实施例的示例性多焦点块600。如图6A所示，多焦点块600可以包括第一自适应透镜组件610，其被配置成调整将来自电子显示器的图像呈现给HMD用户的焦距。第一自适应透镜组件610可以包括采用光学串联方式布置的第一透镜611和第二透镜612。第一透镜611和第二透镜612中的至少一者可以是有源LC透镜，其可以在具有非零光焦度的透镜开启状态和具有零光焦度的透镜关闭状态之间切换。因此，第一自适应透镜组件610可以为多焦点块600提供光焦度的两个或三个离散值。
在一些实施例中，对于AR/MR HMD应用，多焦点块600可以进一步包括补偿第一自适应透镜组件610的第二自适应透镜组件620，使得通过HMD观看的真实世界对象可以保持不变。第二自适应透镜组件620可以包括以光学串联方式布置的第一透镜621和第二透镜622，并且第一透镜621和第二透镜622中的至少一个可以是有源LC透镜，其可以在具有非零光焦度的透镜开启状态和具有零光焦度的透镜关闭状态之间切换。因此，第二自适应透镜组件620可以提供光焦度的两个或三个离散值，这与第一自适应透镜组件610提供的光焦度的两个或三个离散值相反，但是具有相同的绝对值。
图6B-图6Q示出了图6A中的多焦点块600的示例性光学调整，其中“开启”表示具有一定光焦度的透镜开启状态，“关闭”表示具有零光焦度的透镜关闭状态。在每个自适应透镜组件中，d1和d2(d1>0,d2>0)分别表示第一透镜和第二透镜的光焦度的绝对值，而d表示自适应透镜组件的堆叠/总/组合光焦度。
在一些实施例中，在第一自适应透镜组件610和第二自适应透镜组件620中的每个透镜可以是线性偏振相关的或偏振无关的有源LC透镜。在光透射通过线性偏振相关的LC透镜后，光的偏振通常不会改变，因此很容易堆叠多个偏振不变的透镜。此外，每个自适应透镜组件的总光焦度可以是透镜的光焦度的总和。在图6B-图6D中展示了自适应透镜组件的示例性光学调整。
如图6B-图6D所示，第一自适应透镜组件610中的两个有源LC透镜的堆叠可以最大限度地给出三个正堆叠光焦度加上一个零堆叠光焦度(在本申请中不使用零光焦度)：d1+d2、d1或d2。具体地，在第一透镜611和第二透镜612都切换到透镜开启状态“开启”(在以下描述中简称为“开启状态”)之后，第一透镜611的正光焦度d1和第二透镜612的正光焦度d2可以组合，使得第一自适应透镜组件610可以提供堆叠光焦度(d1+d2)。当第一透镜611和第二透镜612交替处于开启状态时，第一自适应透镜组件610可以分别提供与第一透镜611和第二透镜612相关联的堆叠光焦度(即，d1或d2)。
因此，在第二自适应透镜组件620中，可以使用具有相反光焦度(即–d1和–d2)的有源LC透镜，并且第二自适应透镜组件620的相应堆叠光焦度可以是–(d1+d2)、–d1或–d2。特别地，在第一自适应透镜组件610中的一个或更多个透镜处于开启状态以提供正光焦度之后，第二自适应透镜组件620中的一个或更多个透镜也可以被配置成处于开启状态，从而提供相应的负堆叠光焦度以补偿第一自适应透镜组件610的正堆叠光焦度。
例如，如图6B所示，在第一自适应透镜组件610中具有光焦度d1的第一透镜611和具有光焦度d2的第二透镜612都切换到开启状态之后，第二自适应透镜组件620中具有光焦度–d1的第一透镜621和具有光焦度–d2的第二透镜622也可以都切换到开启状态。如图6C-6D所示，当第一自适应透镜组件610中具有光焦度d2的第二透镜612和具有光焦度d1的第一透镜611交替切换到开启状态时，第二自适应透镜组件620中具有光焦度–d2的第二透镜622和具有光焦度–d1的第一透镜621也可以交替切换到开启状态。
在一些实施例中，第一自适应透镜组件610可以包括有源LC透镜，该有源LC透镜可以在负光焦度的发散透镜和零光焦度的发散透镜之间切换。然而，当发散透镜的光焦度绝对值小于另一个会聚透镜的光焦度绝对值时，第一自适应透镜组件610仍可提供两个正光焦度。例如，第一自适应透镜组件610可以包括光焦度为d1的会聚透镜和光焦度为-d2的发散透镜(d1>d2)，并且堆叠的光焦度可以在(d1-d2)和d1之间切换。因此，第二自适应透镜组件620可以被配置成包括光焦度为d2的会聚透镜和光焦度为-d1的发散透镜，从而提供负堆叠光焦度(-d1+d2)或–d1。
在一些实施例中，每个自适应透镜组件可以包括具有不可切换光焦度的无源透镜。在图6E-图6F中展示了这种自适应透镜组件的示例性光焦度调整。如图6E-图6F所示，第一自适应透镜组件610中的第二透镜612可以是具有正光焦度d2的无源透镜(P)，而第二自适应透镜组件620中的第二透镜622可以是具有负光焦度-d2的无源透镜(P)。无源透镜(P)可以是传统的透镜，或者是偏振相关的或偏振无关的LC透镜。
在一些实施例中，在第一自适应透镜组件610中，第一透镜611(有源透镜)和第二透镜612(无源透镜P)可以分别是光焦度为d1的会聚透镜和光焦度为d2的会聚透镜，使得堆叠的光焦度可以在(d1+d2)和d2之间切换。对应地，在第二自适应透镜组件620中，第一透镜621(有源透镜)和第二透镜622(无源透镜P)可以分别是光焦度为–d1的发散透镜和光焦度为–d2的发散透镜，使得堆叠的光焦度可以在(–d1–d2)和-d2之间切换。
在一些实施例中，在第一自适应透镜组件610中，第一透镜611(有源透镜)和第二透镜612(无源透镜P)可以分别是光焦度为-d1的发散透镜和光焦度为d2的会聚透镜，使得堆叠的光焦度可以在(-d1+d2)和d2(d2>d1)之间切换。对应地，在第二自适应透镜组件620中，第一透镜621(有源透镜)和第二透镜622(无源透镜P)可以分别是光焦度为d1的会聚透镜和光焦度为-d2的发散透镜，使得堆叠的光焦度可以在(d1-d2)和-d2之间切换。出于说明的目的，图6E-图6F仅示出了第一自适应透镜组件610的光焦度在d1+d2和d2之间切换。
在一些实施例中，自适应透镜组件中的每个透镜可以是圆偏振相关的有源PBP LC透镜。每个自适应透镜组件的堆叠光焦度可以通过交替地将不同的有源PBP LC透镜切换到透镜关闭状态“关闭”(在以下描述中简称为“关闭状态”)来切换。特别地，有源PBP LC透镜可以通过面外切换(如图4D所示)或面内切换(如图4E所示)被切换到关闭状态。在图6G-图6H中展示了自适应透镜组件的示例性光学调整。
如图6G-6H所示，在每个自适应透镜组件中的两个有源PBP LC透镜通过面外切换被交替切换到关闭状态之后，可以分别实现与第一透镜和第二透镜相关联的两个堆叠光焦度。注意，光在透射通过每个自适应透镜组件后改变旋向性，并且透射光的旋向性对于两种光焦度来说是相同的，这可以简化自适应透镜组件的设计。例如，第一自适应透镜组件610和第二自适应透镜组件620可以被配置成具有相同的设计。假设第一自适应透镜组件610和第二自适应透镜组件620中的每个透镜是响应于右圆偏振(RCP)光的会聚透镜(即，处于加性状态)和响应于左圆偏振(LCP)光的发散透镜(即，处于减性状态)，则第二自适应透镜组件620可以交替地提供负的堆叠光焦度(即，–d1或–d2)，同时，将透射光的旋向性从LCP光反转成RCP光。由于旋向性反转，与第二自适应透镜组件620的透镜相同的第一自适应透镜组件610的透镜可以呈现对应的正光焦度(即，d1或d2)。因此，第一自适应透镜组件610和第二自适应透镜组件620可以针对真实世界图像进行相互补偿。
在一些实施例中，如图6I所示，假设第二自适应透镜组件620中的每个透镜是用于LCP光的发散透镜和用于RCP光的会聚透镜，那么在第一透镜621和第二透镜622都切换到开启状态之后，第二自适应透镜组件620的堆叠光焦度对于入射LCP光可以是–d1+d2(d1>d2)。同时，透射通过第二自适应透镜组件620并入射到第一自适应透镜组件610的第一透镜611上的光也可以是LCP光。为了针对真实世界图像补偿第二自适应透镜组件620，在一些实施例中，第一自适应透镜组件610中的每个透镜可以被配置在第二自适应透镜组件620中的对应透镜的翻转位置。例如，第一自适应透镜组件610中的第一透镜611和第二透镜612可以分别配置在第二自适应透镜组件620中的第一透镜621和第二透镜622的翻转位置。那么第一自适应透镜组件610中的每个透镜可以是用于LCP光的会聚透镜和用于RCP光的发散透镜。因此，对于入射LCP光，第一自适应透镜组件610的堆叠光焦度可以是(d1–d2)。
在一些实施例中，如图6J所述，为了针对真实世界图像而补偿第二自适应透镜组件620，第一自适应透镜组件610和第二自适应透镜组件620仍然可以被配置成具有相同的设计。然而，能够反转透射光的旋向性的半波片630可以设置在第一自适应透镜组件610和第二自适应透镜组件620之间。因此，假设第一自适应透镜组件610和第二自适应透镜组件620中的每个透镜是用于LCP光的发散透镜和用于RCP光的会聚透镜，那么第一自适应透镜组件610的堆叠光焦度可以是(d1–d2)。
在一些实施例中，每个自适应透镜组件可以包括无源透镜，该无源透镜是不改变透射光的旋向性的传统的透镜。在图6K-图6L中展示了自适应透镜组件的示例性光焦度调整。如图6K-图6L所示，在第一自适应透镜组件610中，第一透镜611可以是具有固定正光焦度d1的传统无源透镜(P)，而第二透镜612(有源透镜)可以具有光焦度±d2(光焦度的符号取决于入射光的旋向性，d1>d2)。第一自适应透镜组件610的堆叠光焦度可以在d1±d2和d1之间切换。出于说明的目的，图6K-图6L仅示出了第一自适应透镜组件610的堆叠光焦度在d1+d2和d1之间切换。
同时，在第二自适应透镜组件620中，第一透镜622可以是具有固定负光焦度-d1的传统无源透镜(P)，而第二透镜622(有源透镜)可以具有光焦度±d2(光焦度的符号取决于入射光的旋向性，d1>d2)。第二自适应透镜组件620的堆叠光焦度可以在–(d1±d2)和–d1之间切换。出于说明的目的，图6K-图6L仅示出了第二自适应透镜组件620的堆叠光焦度在–(d1+d2)和–d1之间切换。
在一些实施例中，每个自适应透镜组件可以包括无源透镜，该无源透镜是能够改变透射光的旋向性的无源PBP LC透镜。在图6M-图6N中展示了自适应透镜组件的示例性光焦度调整。如图6M-图6N所示，在第一自适应透镜组件610中，第一透镜611可以是具有固定光焦度±d1的无源透镜(P)，而第二透镜612(有源透镜)可以具有光焦度±d2(光焦度d1和d2的符号取决于入射光的旋向性和PBP LC透镜中LC取向的旋向性)。假设d1>d2，那么第一自适应透镜组件610的堆叠光焦度可以在d1±d2和d1之间切换。出于说明的目的，图6M-图6N仅示出了第一自适应透镜组件610的堆叠光焦度在d1–d2和d1之间切换。
同时，在第二自适应透镜组件620中，第一透镜622可以是具有固定光焦度±d1的无源透镜(P)，而第二透镜622可以具有光焦度±d2(光焦度d1和d2的符号取决于入射光的旋向性和PBP LC透镜中LC取向的旋向性)。假设d1>d2，那么第二自适应透镜组件620的堆叠光焦度可以在–(d1±d2)和–d1之间切换。出于说明的目的，图6M-图6N仅示出了第二自适应透镜组件620的光焦度在–d1+d2和–d1之间切换。
在一些实施例中，自适应透镜组件中的每个有源PBP LC透镜可以通过面内切换被切换到关闭状态，使得圆偏振光在透射通过处于关闭状态的每个有源PBP LC透镜之后其旋向性可以被反转。图6O-图6Q中展示了示例性光学调整。如图6O-图6Q所示，在透射通过每个自适应透镜组件后，圆偏振光的旋向性可以保持相同。因此，可以通过使用第一自适应透镜组件610中的会聚透镜和第二自适应透镜组件620中的发散透镜来获得第一自适应透镜组件610和第二自适应透镜组件620的相互补偿。例如，第一自适应透镜组件610和第二自适应透镜组件620可以使用相同的透镜，然而，与第一自适应透镜组件610中的透镜相比，第二自适应透镜组件620中的透镜可以被设置在翻转位置。
图7A示出了根据本公开实施例的另一示例性多焦点块700。在图6A和图7A之间的相似性在此不再重复，而进一步解释某些差异。如图7A所示，多焦点块700可以包括以光学串联方式布置的第一自适应透镜组件710和第二自适应透镜组件720。第一自适应透镜组件710可以包括以光学串联方式布置的第一透镜711、第二透镜712和第三透镜713，其中的至少一个透镜可以是具有多个光学状态的有源LC透镜。第二自适应透镜组件720可以包括以光学串联方式布置的第一透镜721、第二透镜722和第三透镜723，其中的至少一个透镜可以是具有多个光学状态的有源LC透镜。
图7B-图7Q示出了图7A中的多焦点块的示例性光焦度调整，其中“开启”表示具有一定光焦度的透镜开启状态，并且“关闭”表示具有零光焦度的透镜关闭状态。在每个自适应透镜组件中，d1、d2和d3(d1>0,d2>0,d3>0)分别表示第一透镜、第二透镜和第三透镜的光焦度的绝对值，并且d表示自适应透镜组件的堆叠/总/组合光焦度。
在一些实施例中，每个自适应透镜组件中的三个透镜中的至少两个透镜可以是有源LC透镜，其可以在具有非零光焦度的透镜开启状态和具有零光焦度的透镜关闭状态之间切换，并且每个自适应透镜组件可以被配置成提供光焦度的不多于七个离散值。
在一些实施例中，自适应透镜组件中的每个透镜可以是线性偏振相关的或偏振无关的有源LC透镜，并且每个自适应透镜组件的堆叠光焦度可以是透镜的光焦度的总和。在图7B-图7H中展示了自适应透镜组件的示例性光学调整。如图7B-图7H所示，通过切换第一自适应透镜组件710中的三个有源LC透镜711-713，第一自适应透镜组件710可以最大限度地提供七个堆叠的正光焦度加上一个零光焦度(在本申请中不使用零光焦度)：d1+d2+d3、d1+d2、d1+d3、d2+d3、d1、d2或d3(d1>0,d2>0,d3>0)。相应地，第二自适应透镜组件720中的三个有源LC透镜721-722可以被配置成提供对应的负堆叠光焦度：–(d1+d2+d3)、–(d1+d2)、–(d1+d3)、–(d2+d3)、–d1、–d2或–d3，由此补偿由AR/MR HMD中的第一自适应透镜组件710导致的真实世界图像的失真。
在一些实施例中，第一自适应透镜组件710和第二自适应透镜组件720中的每个透镜可以是有源PBP LC透镜，并且每个自适应透镜组件中的堆叠光焦度可以通过交替地关闭不同的有源PBP LC透镜来切换。在一些实施例中，有源PBP LC透镜可以通过面外切换(如图4D所示)被切换到关闭状态。在图7I-图7L中展示了自适应透镜组件的示例性光学调整。出于说明的目的，图7I-图7L仅展示了自适应透镜组件的某些堆叠光焦度，其中每个有源BPBLC透镜被配置成响应于RCP光而提供正光焦度，响应于LCP光而提供负光焦度。取决于入射圆偏振光的旋向性和每个自适应透镜组件中的有源PBP LC透镜中的LC取向的旋向性，可以获得其他堆叠光焦度。
如图7I-7L所示，在第一自适应透镜组件710中，在三个有源PBP LC透镜711-713都切换到开启状态之后，第一自适应透镜组件710的堆叠光焦度可以是(d1–d2+d3)(d1+d3>d2)。在通过面外切换将三个有源PBP LC透镜711-713交替切换到关闭状态之后，可以分别提供与第一BPB有源LC透镜711至第三BPB有源LC透镜713相关联的三个堆叠光焦度，即，d1、d2或d3。因此，在第二自适应透镜组件720中，三个有源PBP LC透镜721-723可以被配置成提供对应的负堆叠光焦度(–d1+d2–d3)、–d1、–d2或–d3，从而补偿由AR/MR HMD中的第一自适应透镜组件710导致的真实世界图像的失真。
在一些实施例中，有源PBP LC透镜可以通过面内切换(如图4E所示)被切换到关闭状态。在图7M-图7S中展示了自适应透镜组件的示例性光学调整。出于说明的目的，图7M-图7S仅展示了自适应透镜组件的某些示例性堆叠光焦度，其中每个自适应透镜组件中的第一BPB有源LC透镜和第三BPB有源LC透镜被配置成响应于RCP光而提供正光焦度，响应于LCP光而提供负光焦度，同时每个自适应透镜组件中的第二BPB有源LC透镜被配置成响应于LCP光而提供正光焦度，响应于RCP光而提供负光焦度。取决于入射圆偏振光的旋向性和每个自适应透镜组件中的有源PBP LC透镜中的LC取向的旋向性，可以获得自适应透镜组件的其他堆叠光焦度。
如图7M-图7S所示，第一自适应透镜组件710可以最大限度地提供七个正堆叠光焦度。特别地，在第一自适应透镜组件710中，在三个有源PBP LC透镜711-713都切换到开启状态之后，第一自适应透镜组件710的堆叠光焦度可以是(d1+d2+d3)。在三个有源PBP LC透镜711-713中只有一个透镜被切换到开启状态，而其他两个透镜通过面内切换被切换到关闭状态之后，可以实现分别与第一BPB有源LC透镜711到第三BPB有源LC透镜713相关联的三个堆叠光焦度，即d1、d2或d3。在三个有源PBP LC透镜711-713中的两个透镜被切换到开启状态而另一个透镜通过面内切换被切换到关闭状态之后，可以实现分别与第一BPB有源LC透镜711至第三BPB有源LC透镜713相关联的三个堆叠光焦度，即，d1+d2、d2+d3或d1+d3。相应地，在第二自适应透镜组件720中，三个有源PBP LC透镜721-723可以被配置成提供对应的负堆叠光焦度：(–d1–d2–d3)、–d1、–d2、–d3、–(d1+d2)、–(d2+d3)或–(d1+d3)，由此补偿由AR/MR HMD中的第一自适应透镜组件710导致的真实世界图像的失真。
图8是HMD 805在其中操作的多焦点***800。多焦点***800可以用作虚拟现实(VR)***、增强现实(AR)***、混合现实(MR)***或它们的某种组合。如图8所示，多焦点***800可以包括HMD 805、成像设备810和输入接口815，它们各自耦合到控制台820。尽管图8示出了单个HMD 805、单个成像设备810和单个输入接口115，然而在其他实施例中，***中可以包括任意数量的这些部件。例如，可以有多个HMD805，每个HMD 805具有相关联的输入接口815，并且由一个或更多个成像设备460监控，并且每个HMD 805、输入接口815和成像设备460都与控制台820通信。在替代配置中，多焦点***800中也可以包括不同的和/或附加的部件。HMD 805可以充当VR、AR和/或MR HMD。
HMD 805可以向用户呈现内容。在一些实施例中，HMD 805可以是上面参考图2A和图2B描述的HMD 200的实施例。示例内容包括图像、视频、音频、或它们的某种组合。音频内容可以经由HMD 805外部的单独的设备(例如，扬声器和/或头戴式耳机)呈现，该单独的设备从HMD 805、控制台820或两者接收音频信息。HMD 805可以包括电子显示器255(如上参考图2B所述)、多焦点块260(如上参考图2B所述)、眼睛跟踪***270、自适应调光***290、视觉辐辏处理模块830、一个或更多个***225、惯性测量单元(IMU)215、头部跟踪传感器835和场景渲染模块840。
多焦点块260可以通过调整一个或更多个多焦点结构的焦距来调整其焦距。如上面参考图6A-图7S所述，对于VR HMD应用，多焦点块260可以通过在第一自适应透镜组件中开启或关闭有源LC透镜、调整入射到PBP LC透镜上的光的旋向性、调整PBP LC透镜中LC取向的旋向性、或调整PBP LC透镜的关闭模式或它们的某种组合来调整其焦距。多焦点块260可以响应于来自控制台820的指令而调整其焦距。注意，多焦点结构的变焦调谐速度受到有源LC透镜的调谐速度的限制。对于AR/MR HMD应用，如上面参考图6A-图7S所述，多焦点块260可以通过在第二自适应透镜组件中开启或关闭有源LC透镜、调整入射到PBP LC透镜上的光的旋向性、调整PBP LC透镜中LC取向的旋向性、或调整PBP LC透镜的关闭模式或它们的某种组合来进一步调整其焦距，使得通过AR/MR HMD805观看的真实世界对象可以保持不变。
眼睛跟踪模块270可以跟踪HMD 805用户的眼睛位置和眼睛移动。HMD 805内部(作为眼睛跟踪***270的一部分的)的照相机或其他光学传感器可以捕获用户眼睛的图像信息，并且眼睛跟踪***270可以使用捕获的信息来确定瞳孔间距离(interpupillarydistance)、眼睛间距离(interocular distance)、每只眼睛相对于HMD 805的三维(3D)位置(例如，用于失真调整的目的)(包括扭转和旋转(即，横滚(roll)、俯仰(pitch)和偏航(yaw))的幅度)、以及每只眼睛的凝视方向。在一个示例中，红外光可以在HMD 805内发射并从每只眼睛反射。反射光可以被照相机接收或检测，并且被分析以从每只眼睛反射的红外光的变化中提取眼睛旋转。眼睛跟踪***270可以使用用于跟踪用户眼睛的许多方法。相应地，眼睛跟踪***270可以跟踪每只眼睛的多达六个自由度(即，3D位置、横滚、俯仰和偏航)，并且可以从用户的两只眼睛组合被跟踪量的至少一个子集，以估计凝视点(即，用户正在看的虚拟场景中的3D定位或位置)。例如，眼睛跟踪***270可以整合来自过去测量的信息、识别用户头部位置的测量、以及描述由电子显示器255呈现的场景的3D信息。因此，用户眼睛的位置和取向信息用于确定用户正在看的由HMD 805呈现的虚拟场景中的凝视点。
自适应调光***290可以包括调光元件。调光元件可以动态地调整通过HMD 805观看的真实世界对象的透射率，从而使HMD 805在VR设备和AR设备之间或者在VR设备和MR设备之间切换。在一些实施例中，随着在AR/MR设备和VR设备之间切换，调光元件可以用于AR设备中，以减轻真实对象和虚拟对象的亮度差异。
视觉辐辏处理模块830可以基于由眼睛跟踪***270确定的凝视点或所估计的凝视线的交点(intersection)来确定用户凝视的视觉辐辏距离。视觉辐辏是双眼在相反方向上的同时移动或旋转，以保持两眼单视，这是由人眼自然且自动完成的。因此，用户眼睛会聚的位置是用户当前正在观看的位置，并且通常也是用户当前眼睛所聚焦的位置。例如，视觉辐辏处理模块830可对凝视线进行三角测量，以估计距与凝视线的交点相关联的用户的距离或深度。然后，与凝视线的交点相关联的深度可以用作调节距离的近似值，其标识用户眼睛所指向的位置距用户的距离。因此，视觉辐辏距离可以允许确定用户眼睛应当聚焦的位置。
***225可以是相对于彼此并且相对于HMD 805上的特定参考点位于HMD 805上特定位置的对象。***225可以是发光二极管(LED)、角立方体反射器、反光标记、与HMD805的操作环境形成对比的一类光源、或它们的某种组合。有源***225(即，LED或其他类型的发光设备)可以发射在可见光波段(～380nm至850nm)中的光、在红外(IR)波段(～750nm至1mm)中的光、在紫外波段(～10nm至380nm)中的光、在电磁波谱的某个其他部分中的光、或在它们的某种组合中的光。
***225可以位于HMD 805的外表面下方，该外表面对于由***225发射或反射的光的波长是透明的，或者足够薄而基本上不会减弱由***225发射或反射的光的波长。此外，HMD 805的外表面或其他部分在可见光波长波段中可以是不透明(opaque)的。因此，***225当处于HMD 805的外表面下方时可以发射IR波段中的光，HMD 805的外表面在IR波段中是透明的，但在可见光波段中是不透明的。
IMU 215可以是一种电子设备，其基于从一个或更多个头部跟踪传感器835接收的测量信号生成快速校准数据，头部跟踪传感器835响应于HMD 805的运动生成一个或更多个测量信号。头部跟踪传感器835的示例包括加速度计、陀螺仪、磁力计、适于检测运动、校正与IMU 215相关联的误差的其他传感器、或它们的某种组合。头部跟踪传感器835可以位于IMU 215的外部、IMU 215的内部、或它们的某种组合。
基于来自头部跟踪传感器835的测量信号，IMU 215可生成快速校准数据，其指示HMD 805相对于HMD 805的初始位置的估计位置。例如，头部跟踪传感器835可包括测量平移运动(向前/向后、向上/向下、向左/向右)的多个加速度计和测量旋转运动(例如，俯仰、偏航、和横滚)的多个陀螺仪。例如，IMU 215可对测量信号进行快速采样，并根据采样的数据计算HMD 805的估计位置。例如，IMU 215可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向量，并在时间上对速度向量进行积分以确定HMD 805上参考点的估计位置。参考点可以是可用来描述HMD 805的位置的点。尽管参考点通常可以被定义为空间中的点，但是在各种实施例中，参考点被定义为HMD 805内的点(例如，IMU 630的中心)。替代地，IMU215可向控制台820提供采样的测量信号，控制台820确定快速校准数据。
另外，IMU 215可以从控制台820接收一个或更多个校准参数。如下面进一步讨论的，一个或更多个校准参数可用于保持跟踪HMD 805。基于接收到的校准参数，IMU 215可以调整一个或更多个IMU参数(例如，采样率)。在一些实施例中，某些校准参数可使得IMU 215将参考点的初始位置更新为对应于参考点的下一个校准位置。将参考点的初始位置更新为参考点的下一个所校准的位置可有助于减少与确定估计位置相关联的累积误差。累积误差(也称为漂移误差(drift error))可导致参考点的估计位置随着时间的推移“漂移”离开参考点的实际位置。
场景渲染模块840可以从VR引擎845接收虚拟场景的内容，并提供该内容用于在电子显示器255上显示。另外，场景渲染模块840可以基于来自视觉辐辏处理模块830、IMU 215和头部跟踪传感器835的信息来调整内容。场景渲染模块840可基于跟踪模块855、头部跟踪传感器835或IMU 215中的一个或更多个来确定将要在电子显示器255上显示的内容的一部分，如下面进一步描述的。
成像设备810可根据从控制台820接收的校准参数来生成慢速校准数据。慢速校准数据可包括展示***225的被观察位置的一个或更多个图像，***225的被观察位置可由成像设备810检测。成像设备810可以包括一个或更多个照相机、一个或更多个摄像机、能够捕获包括一个或更多个***225的图像的其他设备、或它们的某种组合。另外，成像设备810可以包括一个或更多个滤波器(例如，用于增加信噪比)。成像设备810可被配置成检测在成像设备810视场中从***225发射或反射的光。在***225包括无源元件(例如，后向反射器)的实施例中，成像设备810可以包括照亮一些或所有***225的光源，***225朝着成像设备810中的光源后向反射光。慢速校准数据可以从成像设备810传送到控制台820，并且成像设备810可以从控制台820接收一个或更多个校准参数，以调整一个或更多个成像参数(例如，焦距、焦点、帧速率、ISO、传感器温度、快门速度、光圈等)。
输入接口815可以是允许用户向控制台820发送动作请求的设备。动作请求可以是执行特定动作的请求。例如，动作请求可以是开始或结束应用，或者是在应用内执行特定动作。输入接口815可以包括一个或更多个输入设备。示例输入设备包括键盘、鼠标、游戏控制器、或者用于接收动作请求并将接收的动作请求传送到控制台820的任何其他合适的设备。由输入接口815接收的动作请求可以被传送到控制台820，控制台820执行对应于动作请求的动作。在一些实施例中，输入接口815可以根据从控制台820接收的指令来向用户提供触觉反馈。例如，当动作请求被接收到时，可以由输入接口815提供触觉反馈，或者控制台820可以向输入接口815传送指令使输入接口815在控制台820执行动作时生成触觉反馈。
控制台820可以根据从成像设备810、HMD 805或输入接口815接收的信息向HMD805提供内容以呈现给用户。在一个实施例中，如图8所示，控制台820可以包括应用储存器850、跟踪模块855和VR引擎845。控制台820的一些实施例具有与结合图8描述的控制台不同的或附加的模块。类似地，下面进一步描述的功能可以以不同于这里描述的方式分布在控制台820的部件当中。
应用储存器850可以存储用于由控制台820执行的一个或更多个应用。应用可以是一组指令，这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HMD 805的移动或输入接口815而从用户接收的输入。应用的示例包括游戏应用、会议应用、视频回放应用或其他合适的应用。
跟踪模块855可以使用一个或更多个校准参数来校准多焦点***800，并且可以调整一个或更多个校准参数以减少在确定HMD 805的位置时的误差。例如，跟踪模块855可以调整成像设备810的焦点，以获得观察到的HMD 805上的***225的更精确的位置。此外，由跟踪模块855执行的校准也可以考虑从IMU 215接收的信息。另外，当对HMD 805的跟踪丢失(例如，成像设备810丢失至少阈值数量的***225的视线)的时候，跟踪模块855可以重新校准多焦点***800的部件中的一些或全部。
另外，跟踪模块855可以使用来自成像设备810的慢速校准信息来跟踪HMD 805的移动，并且使用根据慢速校准信息的观察到的***和HMD 805的模式来确定HMD 805上参考点的位置。跟踪模块855也可以使用来自HMD 805上的IMU 215的快速校准信息的位置信息来确定HMD805上参考点的位置。另外，跟踪模块855可以使用快速校准信息、慢速校准信息、或它们的某种组合的部分，以预测被提供给VR引擎845的HMD805的未来定位。
VR引擎845可以执行多焦点***800内的应用，并从跟踪模块855接收HMD 805的位置信息、加速度信息、速度信息、所预测的未来位置、或它们的某种组合。基于接收到的信息，VR引擎845可以确定要提供给HMD 805以呈现给用户的内容，诸如虚拟场景、要叠加在真实世界场景上的一个或更多个虚拟对象等。
在一些实施例中，VR引擎845可以维护多焦点块260的焦点能力信息。焦点能力信息是描述多焦点块260可获得的焦距的信息。焦点能力信息可以包括，例如，多焦点块260能够调节的焦点范围(例如，0至4屈光度)、映射到特定焦平面的每个有源LC透镜和/或无源透镜的设置的组合；或者它们的某种组合。
VR引擎845可以生成用于多焦点块260的指令，这些指令使得多焦点块260将其焦距调整到特定位置。VR引擎845可以基于焦点能力信息和例如来自视觉辐辏处理模块830、IMU 215和头部跟踪传感器835的信息来生成指令。VR引擎845可以使用来自视觉辐辏处理模块830、IMU 215和头部跟踪传感器835或它们的某种组合的信息来选择向用户呈现内容的焦平面。随后VR引擎845可以使用焦点能力信息来确定在与所选择的焦平面相关联的多焦点块260内，在每个自适应透镜组件中的每个有源LC透镜和/或无源透镜的设置或其某种组合。VR引擎845可以基于所确定的设置来生成指令，并将指令提供给多焦点块260。
另外，VR引擎845可以响应于从输入接口815接收的动作请求来执行在控制台820上执行的应用内的动作，并且向用户提供动作被执行的反馈。所提供的反馈可以是经由HMD805的视觉或听觉反馈或者经由VR输入接口815的触觉反馈。
图9是根据实施例的用于通过调整HMD 805的焦距来减轻视觉辐辏调节冲突的过程900。在一些实施例中，过程900可以由多焦点***800执行。可替代地，其他部件可以执行过程900的一些或全部步骤。例如，在一些实施例中，HMD 805和/或控制台(例如，控制台820)可以执行过程900的一些步骤。另外，过程900在一些实施例中可以包括与结合图9描述的步骤不同的步骤或附加的步骤，或者可以以与结合图9描述的顺序不同的顺序来执行步骤。另外，过程900在一些实施例中可以包括与结合图9描述的步骤不同的步骤或附加的步骤，或者可以以与结合图9描述的顺序不同的顺序来执行步骤。
如以上在图8中所讨论的，多焦点***800可以通过调整第一自适应透镜组件来动态地改变其焦点，以使呈现给佩戴HMD 805的用户的图像集中在焦点上，这使得用户的眼睛在视觉辐辏和调节变化时保持在舒适区域。另外，与多焦点***800的可变焦点相组合的眼睛跟踪可以允许在由HMD 805呈现的图像中引入模糊作为深度线索。另外，当HMD 805充当AR设备或MR设备时，多焦点***800可以调整第二自适应透镜组件以补偿第一自适应透镜组件，使得通过HMD 805观看的真实世界对象可以保持不变。
如图9所示，多焦点***800可以确定HMD 805的位置、取向和/或移动(步骤910)。可以由以上结合图8所描述的***225、IMU 215、头部跟踪传感器835、成像设备810和跟踪模块855的组合来确定位置。
多焦点***800基于所确定的HMD 805的位置和取向来确定虚拟场景的一部分(步骤920)。多焦点***800可以将由HMD 805呈现的虚拟场景映射到HMD 805的各种位置和取向。因此，基于HMD 805的位置、取向和移动，可以确定用户当前观看的虚拟场景的一部分。
多焦点***800可以在HMD 805的电子显示器(例如，电子显示器255)上显示所确定的虚拟场景的一部分(步骤930)。在一些实施例中，这一部分可以通过失真校正被显示，以校正可能由穿过多焦点块260的图像光导致的光学误差。此外，多焦点块260可以在第一自适应透镜组件中开启/关闭有源LC透镜，调整入射到PBP LC透镜上的光的旋向性，调整PBP LC透镜中LC取向的旋向性，调整PBP LC透镜的关闭模式或它们的某种组合，以向用户眼睛会聚的虚拟场景部分中的位置提供聚焦和调节。
多焦点***800可以使用眼睛跟踪***确定用户每只眼睛的眼睛位置(步骤940)。多焦点***800可以确定用户正在看的所确定的部分内的定位或对象，以对应地调整该定位或对象的焦点。为了确定用户正在看的虚拟场景的所确定的部分内的定位或对象，HMD805可以使用来自眼睛跟踪***(例如，眼睛跟踪***270)的图像信息来跟踪用户眼睛的位置和定位。例如，HMD 805可以跟踪每只眼睛的3D位置、横滚、俯仰和偏航的至少一个子集，并使用这些量来估计每只眼睛的3D凝视点。
多焦点***800可以基于凝视线的估计交点来确定视觉辐辏距离(步骤950)。例如，图10展示了HMD 805的一个实施例的横截面，该实施例包括用于跟踪每只眼睛265的位置的照相机1002、电子显示器255和如参考图2B所描述的包括两个多焦点结构的多焦点块260。如图10所示，照相机1002可以捕获正看着图像对象1008的用户眼睛的图像，并且眼睛跟踪***270基于所捕获的图像来确定每只眼睛265的输出和对应于用户正在看的凝视点或定位的凝视线1006。对应地，可以基于凝视线1006的估计交点来确定850图像对象1008(也是用户的凝视点)的视觉辐辏距离(dv)。如图10所示，凝视线1006可以会聚或相交于图像对象1008所位于的距离dv处。在一些实施例中，来自过去眼睛位置的信息、描述用户头部位置的信息以及描述呈现给用户的场景的信息也可以用于在各种实施例中估计眼睛的3D凝视点。
回到图9，基于所确定的视觉辐辏距离，多焦点***800可以调整HMD805的光焦度(步骤960)。在一些实施例中，当HMD充当VR设备时，多焦点***800可以通过调整多焦点块260中的第一自适应透镜组件的堆叠光焦度来调整HMD 805的光焦度。特别地，多焦点***800可以通过在第一自适应透镜组件中开启/关闭有源LC透镜、调整入射到PBP LC透镜上的光的旋向性、调整PBP LC透镜中LC取向的旋向性、调整PBP LC透镜的关闭模式或其某种组合来选择与视觉辐辏距离匹配的图像平面。如上所述，多焦点块260中第一自适应透镜组件的堆叠光焦度可以被调整，以改变HMD 805的焦距，以提供针对所确定的视觉辐辏距离的调整，这个所确定的视觉辐辏距离对应于用户当前正在看的虚拟场景的所显示部分中的位置或内容。
在一些实施例中，当HMD 805充当AR设备或MR设备时，除了调整第一自适应透镜组件的堆叠光焦度之外，多焦点***800还可以根据第一自适应透镜组件的堆叠光焦度来调整第二自适应透镜组件的堆叠光焦度，使得由第一自适应透镜组件导致的真实世界图像的失真可以得到补偿，并且通过HMD 805观看的真实世界对象可以保持不变。第二自适应透镜组件的堆叠光焦度可以被调整为与第一自适应透镜组件所提供的堆叠光焦度相反但具有相同的绝对值。类似地，可以通过在第二自适应透镜组件中开启/关闭有源LC透镜、调整入射到PBP LC透镜上的光的旋向性、调整PBP LC透镜中LC取向的旋向性、调整PBP LC透镜的关闭模式或其某种组合来调整多焦点块260中的第二自适应透镜组件的堆叠光焦度。
出于说明的目的，已经呈现了本公开的实施例的前述描述。并不旨在穷举或将本公开限制到所公开的精确形式。相关领域的技术人员可以理解，根据上述公开，许多修改和变化是可能的。
本说明书的一些部分根据信息操作的算法和符号表示来描述本公开的实施例。数据处理领域的技术人员通常使用这些算法描述和表示来向本领域的其他技术人员有效地传达他们工作的实质。这些操作虽然在功能上、计算上或逻辑上进行了描述，但应理解为将由计算机程序或等效电路、微代码等来实现。此外，在不失一般性的情况下，将这些操作安排称为模块有时也被证明是方便的。所描述的操作和它们的相关模块可以体现在软件、固件、硬件或其任何组合中。
可以利用一个或更多个硬件或软件模块单独地或与其他设备组合地来执行或实现本文描述的任何步骤、操作或过程。在一个实施例中，利用包括包含计算机程序代码的计算机可读介质的计算机程序产品来实现软件模块，计算机程序代码可以由计算机处理器执行，用于执行所描述的任何或全部步骤、操作或过程。
本公开的实施例也可以涉及用于执行本文的操作的装置。该装置可以被特别构造成用于所需的目的，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。这种计算机程序可以存储在非暂时性的有形的计算机可读存储介质中，或者在任何类型的适于存储电子指令的介质中，这些介质可以耦合到计算机***总线。此外，说明书中提到的任何计算***可以包括单个处理器，或者可以是采用多处理器设计来提高计算能力的架构。
本公开的实施例也可以涉及由本文所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，其中信息被存储在非暂时性的、有形的计算机可读介质上且可以包括计算机程序产品或本文所述的其他数据组合的任何实施例。
最后，在说明书中使用的语言主要为了可读性和指导目的而被选择，并且它可以不被选择来描绘或限制创造性主题。因此，意图是本公开的范围不被该详细描述所限制，而是被基于此的申请发布的任何权利要求所限制。因此，实施例的公开旨在说明而非限制本公开的范围，本公开的范围在所附权利要求中阐述。

Claims (15)

1.一种多焦点***，包括：
第一自适应透镜组件，所述第一自适应透镜组件包括以光学串联方式布置的多个透镜，
其中，所述多个透镜包括具有多个光学状态的至少一个有源液晶(LC)透镜，使得所述多个透镜提供光焦度的多个组合，并且所述光焦度的多个组合提供所述多焦点***的光焦度调整范围。
2.根据权利要求1所述的多焦点***，其中：
所述多焦点***的光焦度调整范围是光焦度的一组离散值，并且
所述光焦度的离散值的最小数量是2。
3.根据权利要求2所述的多焦点***，其中：
所述第一自适应透镜组件包括以光学串联方式布置的两个透镜，
所述两个透镜中的至少一个是线性偏振相关的有源LC透镜，所述线性偏振相关的有源LC透镜能够在具有非零光焦度的透镜开启状态和具有零光焦度的透镜关闭状态之间切换，并且
所述第一自适应透镜组件被配置成提供光焦度的两个或三个离散值。
4.根据权利要求2所述的多焦点***，其中：
所述第一自适应透镜组件包括以光学串联方式布置的两个透镜，
所述两个透镜中的至少一个是圆偏振相关的有源LC透镜，所述圆偏振相关的有源LC透镜能够在具有非零光焦度的透镜开启状态和具有零光焦度的透镜关闭状态之间切换，并且
所述第一自适应透镜组件被配置成提供光焦度的两个或三个离散值。
5.根据权利要求2所述的多焦点***，其中：
所述第一自适应透镜组件包括以光学串联方式布置的两个透镜，
所述两个透镜中的至少一个是偏振无关的有源LC透镜，所述偏振无关的有源LC透镜能够在具有非零光焦度的透镜开启状态和具有零光焦度的透镜关闭状态之间切换，并且
所述第一自适应透镜组件被配置成提供光焦度的两个或三个离散值，并且可选地，
其中，所述第一自适应透镜组件包括具有不可切换光焦度的无源透镜，所述无源透镜是传统透镜和偏振无关的LC透镜中的一个。
6.根据权利要求3所述的多焦点***，其中：
所述第一自适应透镜组件包括具有不可切换光焦度的无源透镜，所述无源透镜是传统透镜、线性偏振相关的LC透镜和偏振无关的LC透镜中的一个。
7.根据权利要求4所述的多焦点***，其中：
所述第一自适应透镜组件包括具有不可切换光焦度的无源透镜，所述无源透镜是传统透镜和圆偏振相关的LC透镜中的一个；或者其中：
通过面内切换或面外切换，所述圆偏振相关的有源LC透镜能够切换到所述透镜关闭状态，并且可选地，其中：
在通过所述面内切换被切换到所述透镜关闭状态之后，所述圆偏振相关的有源LC透镜充当半波片。
8.根据权利要求2所述的多焦点***，其中：
所述第一自适应透镜组件包括以光学串联方式布置的三个透镜，
所述三个透镜中的至少两个是线性偏振相关的有源LC透镜，所述线性偏振相关的有源LC透镜能够在具有非零光焦度的透镜开启状态和具有零光焦度的透镜关闭状态之间切换，并且
所述第一自适应透镜组件被配置成提供光焦度的不多于七个离散值，并且可选地，
其中，所述第一自适应透镜组件包括具有不可切换光焦度的无源透镜，所述无源透镜是传统透镜、线性偏振相关的LC透镜和偏振无关的LC透镜中的一个。
9.根据权利要求2所述的多焦点***，其中：
所述第一自适应透镜组件包括以光学串联方式布置的三个透镜，
所述三个透镜中的至少两个是圆偏振相关的有源LC透镜，所述圆偏振相关的有源LC透镜能够在具有非零光焦度的透镜开启状态和具有零光焦度的透镜关闭状态之间切换，并且
所述第一自适应透镜组件被配置成提供光焦度的不多于七个离散值，并且可选地，
所述第一自适应透镜组件包括具有不可切换光焦度的无源透镜，所述无源透镜是传统透镜和圆偏振相关的LC透镜中的一个。
10.根据权利要求2所述的多焦点***，其中：
所述第一自适应透镜组件包括以光学串联方式布置的三个透镜，
所述三个透镜中的至少两个是偏振无关的有源LC透镜，所述偏振无关的有源LC透镜能够在具有非零光焦度的透镜开启状态和具有零光焦度的透镜关闭状态之间切换，并且
所述第一自适应透镜组件被配置成提供光焦度的不多于七个离散值，并且可选地，
其中，所述第一自适应透镜组件包括具有不可切换光焦度的无源透镜，所述无源透镜是传统透镜和偏振无关的LC透镜中的一个。
11.根据权利要求1所述的多焦点***，还包括：
第二自适应透镜组件，所述第二自适应透镜组件被配置成提供光焦度的多个组合，所述光焦度的多个组合与由所述第一自适应透镜组件提供的光焦度的多个组合相反，但是具有相同的绝对值。
12.根据权利要求11所述的多焦点***，其中：
所述第二自适应透镜组件包括与所述第一自适应透镜组件相同数量的透镜，并且可选地，其中：
所述第二自适应透镜组件中的所述多个透镜具有与所述第一自适应透镜组件中的所述多个透镜相同的偏振相关性。
13.根据权利要求1所述的多焦点***，其中：
所述多焦点***包括头戴式显示器。
14.一种用于多焦点***的方法，包括：
堆叠多个透镜以形成第一自适应透镜组件，其中，所述多个透镜包括具有多个光学状态的至少一个有源液晶(LC)透镜；
确定所述多焦点***的当前光学状态；
根据所述至少一个有源LC透镜的多个光学状态，确定所述多焦点***所需的下一个光学状态；
确定所述至少一个有源LC透镜的多个光学状态中的光学状态，以实现所述多焦点***的所述下一个光学状态；和
将所述至少一个有源LC透镜切换到所述光学状态，以实现所述多焦点***的所述下一个光学状态，使得所述多个透镜一起为所述多焦点***提供从所述当前光学状态到所述下一个光学状态的调整范围。
15.根据权利要求14所述的方法，其中：
所述多焦点***的调整范围是光焦度的一组离散值，并且
所述光焦度的离散值的最小数量是2，所述方法可选地还包括：
堆叠多个透镜以形成第二自适应透镜组件，
其中，所述第二自适应透镜组件提供的调整范围与所述第一自适应透镜组件提供的调整范围相反，但具有相同的绝对值。
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