适应可调节的以及放大率校正的光学系统的制作方法

适应可调节的以及放大率校正的光学系统
1.本技术要求于2020年1月17日提交的美国临时专利申请第62/962,579号的权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
2.本公开总体上涉及人工现实系统，诸如增强现实、混合现实和/或虚拟现实系统。


背景技术：

3.人工现实系统具有在诸如计算机游戏、健康和安全、工业和教育等许多领域中的应用。作为一些示例，人工现实系统被结合到移动设备、游戏控制台、个人计算机、电影院和主题公园中。一般而言，人工现实是在呈现给用户之前已经以某种方式进行调节的现实形式，其可包括例如虚拟现实、增强现实、混合现实、混杂现实或其某种组合和/或衍生物。
4.典型的人工现实系统包括用于向用户绘制和显示内容的一个或多个设备。作为一个示例，人工现实系统可结合由用户佩戴并被配置为向用户输出人工现实内容的头戴式显示器(hmd)。人工现实内容可完全由系统生成的内容组成，或者可包括与现实世界内容相结合的所生成的内容(例如，穿过视图或所捕获的现实世界视频和/或用户物理环境的图像)。在操作期间，用户典型地与人工现实系统交互以选择内容、启动应用程序、配置系统，并且一般而言，体验人工现实环境。


技术实现要素：

5.一般而言，本公开涉及人工现实系统，具体而言，涉及允许用户观看表示用户的物理环境的现实世界内容并向用户呈现由系统生成的具有经减少的或不可感知的放大率的虚拟内容的系统。本公开尤其涉及用于增强现实系统和/或混合现实系统或者用户(例如，同时地)观看现实世界和虚拟内容的任何类型的人工现实系统中的光学显示组件。
6.根据本发明的第一方面，提供了一种光学系统，包括：虚拟图像内容输出设备；第一可调谐透镜，在虚拟图像内容输出设备的现实世界侧上；第二可调谐透镜，在虚拟图像内容输出设备的眼侧上；至少一个补偿透镜，其中至少一个补偿透镜被配置为随着第一可调谐透镜或第二可调谐透镜中的至少一个可调谐透镜的光焦度改变而基本上消除光学系统的现实世界端与光学系统的眼侧端之间的现实世界光的放大率变化。
7.优选地，至少一个补偿透镜与和虚拟图像内容输出设备相对的第一可调谐透镜邻近地设置。
8.优选地，至少一个补偿透镜与和虚拟图像内容输出设备相对的第二可调谐透镜邻近地设置。
9.优选地，至少一个补偿透镜设置在第一可调谐透镜和虚拟图像内容输出设备之间。
10.优选地，至少一个补偿透镜设置在第二可调谐透镜和虚拟图像内容输出设备之间。
11.优选地，至少一个补偿透镜还被配置为提供处方校正。
12.优选地，第一可调谐透镜或第二可调谐透镜中的至少一个可调谐透镜包括液体透镜。
13.优选地，第一可调谐透镜是会聚透镜，第二可调谐透镜是发散透镜，并且至少一个补偿透镜是会聚透镜。
14.优选地，该系统还包括耦合至第一可调谐透镜和第二可调谐透镜的控制器，其中控制器被配置为控制第二可调谐透镜的光焦度，以使虚拟图像内容出现在虚拟图像内容输出设备的现实世界侧上的虚拟图像内容输出设备后方的选定距离处。
15.优选地，控制器被配置为控制第一可调谐透镜，使得与补偿透镜相结合时，第二可调谐透镜的光焦度的变化使现实世界光的放大率基本上不变。
16.优选地，第一可调谐透镜、第二可调谐透镜、补偿透镜和虚拟图像内容输出设备被配置为使得：由虚拟图像内容输出设备发出的图像光在被用户沿光轴观看时形成虚拟内容图像；以及入射到第一可调谐透镜上的现实世界光被透射通过光学系统，并且在被用户沿光轴观看时形成现实世界图像，其中虚拟内容图像增强现实世界图像。
17.优选地，第二可调谐透镜在约3屈光度的范围内可调谐。
18.优选地，第二可调谐透镜在约2屈光度的范围内可调谐。
19.优选地，补偿透镜的表面与第一可调谐透镜的表面或第二可调谐透镜的表面接触。
20.优选地，虚拟图像内容输出设备包括光组合器、波导和输出耦合光栅、或透明显示面板中的至少一项。
21.优选地，该系统还包括头戴式显示器，其中头戴式显示器包括框架或壳体，并且其中虚拟图像内容输出设备、第一可调谐透镜、第二可调谐透镜和补偿透镜被耦合至框架或壳体。
22.根据本发明的另一方面，提供了一种方法，包括：由一个或多个处理器控制光学系统的第一可调谐透镜或第二可调谐透镜中的至少一个可调谐透镜的光焦度，其中第一可调谐透镜在虚拟图像内容输出设备的现实世界侧上，其中第二可调谐透镜在虚拟图像内容输出设备的眼侧上，并且其中光学系统包括至少一个补偿透镜，该至少一个补偿透镜被配置为随着第一可调谐透镜或第二可调谐透镜中的至少一个可调谐透镜的光焦度改变而基本上消除光学系统的现实世界端和光学系统的眼侧端之间的现实世界光的放大率变化。
23.优选地，该方法还包括由一个或多个处理器控制第二可调谐透镜的光焦度，以使虚拟图像内容出现在虚拟图像内容输出设备的现实世界侧上的虚拟图像内容输出设备后方的选定距离处。
24.优选地，该方法还包括由一个或多个处理器控制第一可调谐透镜，使得与补偿透镜相结合时，第二可调谐透镜的光焦度的现实世界光的放大率基本上不变。
25.优选地，第一可调谐透镜、第二可调谐透镜、补偿透镜和虚拟图像内容输出设备被配置为使得：由虚拟图像内容输出设备发出的图像光在被用户沿光轴观看时形成虚拟内容图像；以及入射到第一可调谐透镜上的现实世界光被透射通过光学系统，并且在被用户沿光轴观看时形成现实世界图像，其中虚拟内容图像增强现实世界图像。
26.示例光学设备组件包括虚拟图像内容输出设备以及光学元件的集合。光学元件的
集合被配置为当与虚拟图像内容输出设备结合使用时向用户提供现实世界和虚拟内容。光学元件的集合包括可调谐透镜，每个可调谐透镜被配置为根据电子指令传递期望的光焦度，以提供光焦度的调节范围。
27.本文所描述的光学显示组件可使得人工现实系统能够显示现实世界和虚拟内容两者，使得人工现实系统的用户可适应(accommodate)现实世界和虚拟内容，并且具有对现实世界和/或虚拟内容的放大率的变化的经减少或消除的感知。例如，示例光学显示组件可被包括在诸如hmd的人工现实设备中，以在距用户选定距离处显示虚拟内容，同时维持现实世界内容的有效聚焦。光学显示组件可使用两个或更多个可调谐透镜来操纵虚拟内容图像和现实世界图像。光学显示组件可响应于用户，使得当用户改变他或她的焦点时，可调谐透镜的光焦度就会改变。结果，用户可调节他或她对虚拟图像内容和现实世界内容两者的聚散度，而避免或减少由于用户固有的不能同时聚焦于虚拟图像和现实世界内容两者而引起的适应冲突。
28.除了减少这种适应冲突以外，示例光学显示组件可改变虚拟内容的焦点，同时减少或基本上消除以不期望的正或负放大率扭曲现实世界内容。例如，操纵现实世界和虚拟内容以减少或避免适应冲突可涉及使用第一可调谐透镜对现实世界光的会聚以及随后使用第二可调谐透镜对现实世界内容和虚拟内容两者的发散，使得第一和第二可调谐透镜的光焦度的变化可导致现实世界内容的放大率增大或减小。为了减小或基本上消除这种放大率变化，示例光学显示组件可使用附加透镜或透镜组来操纵现实世界图像和虚拟内容图像，以减小可能由第一和第二可调谐透镜的光焦度的变化引起的现实世界内容的放大率变化，使得用户可感知到经减少的或不存在的放大率变化。以这种方式，示例光学显示组件可显示虚拟和现实世界内容，使得用户可感知由光学显示组件提供的虚拟和现实世界内容两者，同时减少适应冲突和放大率变化。
29.在一个或多个示例方面，一种光学系统包括：虚拟图像内容输出设备、在虚拟图像内容输出设备的现实世界侧上的第一可调谐透镜、在虚拟图像内容输出设备的眼侧上的第二可调谐透镜，以及至少一个补偿透镜。至少一个补偿透镜被配置为随着第一可调谐透镜或第二可调谐透镜中的至少一个可调谐透镜的光焦度改变而基本上消除光学系统的现实世界端与光学系统的眼侧端之间的现实世界光的放大率变化。
30.在一个或多个示例方面，头戴式显示器包括框架或壳体以及耦合至框架或壳体的光学系统。该光学系统包括虚拟图像内容输出设备、在虚拟图像内容输出设备的现实世界侧上的第一可调谐透镜、在虚拟图像内容输出设备的眼侧上的第二可调谐透镜，以及至少一个补偿透镜。至少一个补偿透镜被配置为随着第一可调谐透镜或第二可调谐透镜中的至少一个可调谐透镜的光焦度改变而基本上消除光学系统的现实世界端与光学系统的眼侧端之间的现实世界光的放大率变化。
31.在一个或多个示例方面，一种方法包括由一个或多个处理器控制光学系统的第一可调谐透镜或第二可调谐透镜中的至少一个可调谐透镜的光焦度。第一可调谐透镜在虚拟图像内容输出设备的现实世界侧上，并且第二可调谐透镜在虚拟图像内容输出设备的眼侧上。该光学系统包括至少一个补偿透镜，该至少一个补偿透镜被配置为随着第一可调谐透镜或第二可调谐透镜中的至少一个可调谐透镜的光焦度改变而基本上消除光学系统的现实世界端和光学系统的眼侧端之间的现实世界光的放大率变化。
32.在附图和以下描述中阐述了一个或多个示例的细节。其他特征、目的和优点将从说明书和附图以及从权利要求书中显而易见。
附图说明
33.图1是描绘根据本公开中所描述的技术的包括适应可调节的以及放大率校正的光学系统的示例人工现实系统的图示。
34.图2是描绘根据本公开中所描述的技术的包括适应可调节的以及放大率校正的光学系统的示例hmd的图示。
35.图3是示出根据本公开中所描述的技术的图1的多设备人工现实系统的控制台和hmd的示例实施方式的框图。
36.图4是描绘根据本公开中所描述的技术由图1的人工现实系统的hmd执行的所有计算功能的示例的框图。
37.图5是根据本公开的一些示例的示例适应可调节的以及放大率校正的光学系统的等轴视图。
38.图6a是根据本公开的一些示例的将第一虚拟内容图像聚焦于第一距离处的示例适应可调节的以及放大率校正的光学系统的侧视图。
39.图6b是根据本公开的一些示例的将第二虚拟内容图像聚焦于第二距离处的示例适应可调节的以及放大率校正的光学系统的侧视图。
40.图7a是根据本公开的一些示例的示例适应可调节的以及放大率校正的光学系统的侧视图。
41.图7b是根据本公开的一些示例的示例适应可调节的以及放大率校正的光学系统的侧视图。
42.图7c是根据本公开的一些示例的示例适应可调节的以及放大率校正的光学系统的侧视图。
43.图8a是根据本公开的一些示例的具有会聚/发散/会聚配置的示例适应可调节的以及放大率校正的光学系统的侧视图。
44.图8b是根据本公开的一些示例的具有发散/会聚/发散配置的示例适应可调节的以及放大率校正的光学系统的侧视图。
45.图8c是根据本公开的一些示例的包括被配置用于光学校正的补偿透镜的示例适应可调节的以及放大率校正的校正光学系统的侧视图。
46.图9a是根据本公开的一些示例的示例适应可调节的以及放大率校正的光学系统的侧视图。
47.图9b是根据本公开的一些示例的示例适应可调节的以及放大率校正的光学系统的侧视图。
48.图10a是根据本公开的一些示例的在光学元件之间具有减小的距离的示例光学系统的侧视图。
49.图10b是根据本公开的一些示例的在光学元件之间具有减小的距离的示例光学系统的侧视图。
50.图10c是根据本公开的一些示例的在光学元件之间具有减小的距离的示例光学系
统的侧视图。
51.图10d是示出根据本公开的一些示例的图10b的光学系统中的视场上的角度变化的图表。
52.图10e是示出根据本公开的一些示例的图10b的光学系统中的视场上的角度变化的图表。
53.图11a是根据本公开的一些示例的示例光学系统的侧视图。
54.图11b是示出根据本公开的一些示例的图11a的光学系统中的视场上的角度变化的图表。
具体实施方式
55.图1是描绘根据本公开中所描述的技术的被配置为改变虚拟图像内容的焦点或视在原点(apparent origin)而不实质改变现实世界内容的放大率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“(多个)控制器114”)，并且在一些示例中可包括一个或多个外部传感器90和/或控制台106。
56.hmd 112典型地由用户110佩戴并包括用于向用户110呈现虚拟图像内容122的光学显示组件。hmd 112包括光学系统，该光学系统包括在图像内容输出设备的现实世界侧上的第一可调谐透镜、在图像内容输出设备的面向用户110的眼侧上的第二可调谐透镜，以及至少一个补偿透镜。第一和第二光学透镜被组合地配置为操纵由光学组件接收的现实世界光和从虚拟图像内容输出设备接收的图像光，以改变虚拟图像内容的焦点或视在原点，从而使得虚拟图像内容出现在虚拟图像内容设备后方的选定距离处，并且维持现实世界内容的焦点基本上不变。(多个)补偿透镜被配置为随着第一可调谐透镜或第二可调谐透镜中的至少一个的光焦度改变而减小或基本上消除光学系统的现实世界端与光学系统的眼侧端之间的现实世界光的放大率变化。以这种方式，光学系统205可改变虚拟图像内容的焦点或视在原点，而基本上不改变现实世界内容的放大率。此外，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、线扫描仪)。人工现实系统100可包括眼镜，或者hmd 112可包括用于向用户110呈现虚拟图像内容122的眼镜或其他显示设备。
57.控制器(多个)114中的每个是用户110可用来向控制台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可包括一个或多个存在敏感(presence-sensitive)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可包括输出显示器，其可为存在敏感显示器。在一些示例中，(多个)控制器114可为智能电话、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可为智能手表、智能环或其他可穿戴设备。(多个)控制器114也可为信息亭或其他固定或移动系统的一部分。另选地，或附加地，(多个)控制器114可包括其他用户输入机制，诸如一个或多个按钮、触发器、操纵杆、d-pad等，以使得用户能够与由人工现实系统100呈现给用户110的虚拟图像内容122的各方面进行交互和/或对其进行控制。
58.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可分布在诸如分布式计算网络、数据中心或云计算系统等多个计算设备上。如该示例所示，控制台106、hmd 112和传感器90可经由网络104通信地耦合，网络104可为有线或无线网络，诸如wi-fi
tm
、网状网络或短距离无线通信介质，或其组合。尽管hmd 112在该示例中被示为与控制台106进行通信，例如，被拴系到控制台106或与控制台106进行无线通信，但是在一些实施方式中，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可省略控制台106。
59.一般而言，人工现实系统100绘制虚拟图像内容122以供在hmd 112处显示给用户110，同时允许用户110观看现实世界，例如，使得虚拟图像内容看起来与现实世界重叠或以其他方式集成。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程序构建和绘制的虚拟图像内容122。在一些示例中，虚拟图像内容122内的项目可被映射(例如，钉住、锁定、放置)到现实世界内的特定位置，例如相对于现实世界内容。虚拟内容项目的位置可为固定的，例如相对于墙壁、桌子或地球中的一个。虚拟图像内容项目的位置可为可变的，例如相对于(多个)控制器114或用户。在一些示例中，虚拟图像内容122内的虚拟图像内容项120的特定位置与现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。
60.在操作期间，人工现实应用程序通过跟踪和计算参考帧(典型地为hmd 112的观看视角)的姿势信息来构建虚拟图像内容122以供显示给用户110。使用hmd 112作为参考帧，并且基于由hmd 112的当前估计姿势确定的当前视场，人工现实应用程序绘制3d虚拟图像内容，在一些示例中，3d虚拟图像内容可至少部分地覆盖在用户110的现实世界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(诸如移动信息和用户命令)，以及在一些示例中，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(诸如用户110的运动和/或关于用户110的特征跟踪信息)。基于所感测的数据，人工现实应用程序确定hmd 112的参考帧的当前姿势，并且根据当前姿势来绘制虚拟图像内容122。
61.人工现实系统100可基于用户110的当前视场来触发虚拟内容项的生成和绘制，这可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捕获图像数据，该图像数据表示图像捕获设备138的视场内的现实世界物理环境(即，现实世界内容)中的对象。视场典型地对应于hmd 112的观看视角。
62.根据本文所描述的技术，hmd 112可被配置为改变虚拟图像内容122的焦点或视在原点，而基本上不改变现实世界内容的放大率。hmd 112包括光学系统，该光学系统包括虚拟图像内容输出设备、在虚拟图像内容输出设备的现实世界侧上的第一可调谐透镜、在虚拟图像内容输出设备的面向用户110的眼侧上的第二可调谐透镜，以及至少一个补偿透镜。该光学系统被配置为控制第一可调谐透镜的光焦度以操纵现实世界光，并且控制第二可调谐透镜的光焦度以操纵从虚拟图像内容输出设备接收的图像光和现实世界光。(多个)补偿透镜被配置为随着第一可调谐透镜或第二可调谐透镜中的至少一个的光焦度改变而基本上消除光学系统的现实世界端与光学系统的眼侧端之间的现实世界光的放大率变化。
63.光学系统可被配置为发出虚拟图像内容和现实世界内容，使得用户110可同时聚焦于虚拟图像内容和现实世界内容两者上。例如，为了形成虚拟内容图像，虚拟图像内容输出设备可发出图像光，并且一个或多个处理器可控制第二可调谐透镜的光焦度来操纵由虚
拟图像内容输出设备发出的图像光，从而使得虚拟图像内容出现在虚拟图像内容输出设备的现实世界侧上的虚拟图像内容输出设备后方的选定距离处。第二可调谐透镜的光焦度还可使由光学系统接收的现实世界光失真。为了校正该失真并形成现实世界图像，一个或多个处理器可控制第一可调谐透镜的光焦度，以操纵在光学系统的现实世界侧端处接收的现实世界光，从而使得现实世界内容的有效聚焦看起来基本上不受光学系统的影响。结果，现实世界内容的有效聚焦基本上不受虚拟图像内容的聚焦的影响，并且用户110可将她或他的聚散度聚焦于虚拟图像内容和现实世界内容两者上。
64.为了发出虚拟图像内容和现实世界内容，使得用户110可在同一平面内感知虚拟图像内容和现实世界内容而不会感知放大率的实质改变，本文所论述的光学系统包括至少一个补偿透镜，该至少一个补偿透镜被配置为随着第一可调谐透镜或第二可调谐透镜中的至少一个的光焦度改变而基本上消除光学系统的现实世界端与光学系统的眼侧端之间的现实世界光的放大率变化。例如，仅具有两个可调谐透镜的光学系统通过会聚和随后发散(或反之亦然)现实世界光以基本上准直被发出到用户110的现实世界光可能引起现实世界内容的放大率变化。为了减小这种放大率变化，至少一个补偿透镜可提供一个或多个附加的折射点，使得从光学系统发出的现实世界光可基本上被准直，并且放大率没有或几乎没有变化。一个或多个处理器可控制第一可调谐透镜的光焦度，使得与(多个)补偿透镜相结合，第二可调谐透镜的光焦度的变化使现实世界光的放大率基本上不变。以这种方式，本文所描述的光学系统可改变虚拟图像内容的焦点或视在原点，而基本上不改变现实世界内容的放大率。
65.除了基本上消除现实世界内容的放大率变化之外，至少一个补偿透镜还可以提供对虚拟图像内容和现实世界内容的处方(prescription)校正和/或对第一或第二可调谐透镜的结构支撑。例如，至少一个补偿透镜的光焦度可被选择为调节用户110的校正强度，诸如人眼的近视、远视、散光或其他屈光不正。作为另一个示例，至少一个补偿透镜的表面可与第一或第二可调谐透镜中的至少一个的表面接触，以提供对第一或第二可调谐透镜的物理支撑或保护，并且在一些情况下，替换原本可能存在的保护透镜。
66.图2是描绘根据本公开中所描述的技术的被配置为改变虚拟图像内容的焦点或视在原点而基本上不改变现实世界内容的放大率的示例hmd 112的图示。图2的hmd 112可为图1的任何hmd 112的示例。hmd 112可为人工现实系统(诸如图1的人工现实系统100)的一部分，或者可作为被配置为实施本文所描述的技术的独立移动人工现实系统来操作。
67.在该示例中，hmd 112是包括前框的眼镜，该前框包括允许hmd 112搁在用户鼻子上的鼻梁架和在用户耳朵上方延伸以将hmd 112固定至用户的眼镜腿(或“臂”)。此外，图2的hmd 112包括：一个或多个面向内部的虚拟图像内容输出设备203a和203b(单独地称为“虚拟图像内容输出设备203”，并且统称为“虚拟图像内容输出设备203”)，其被配置为向用户呈现虚拟图像内容；以及一个或多个光学系统205a和205b(统称为“光学系统205”)，其被配置为管理由面向内部的虚拟图像内容输出设备203a和203b输出的光。虚拟图像内容输出设备203可为透明电子显示器(例如，透明oled)、传输现实世界光并将虚拟图像内容光从投影仪重定向到用户眼睛的光组合器、具有将虚拟图像内容光从投影仪引导到用户眼睛的输出耦合器的波导等。虚拟图像内容输出设备203可包括任何合适的显示技术，诸如液晶显示器(lcd)、量子点显示器、点阵显示器、发光二极管(led)显示器、有机发光二极管(oled)显
示器、阴极射线管(crt)显示器、电子墨水或单色、彩色或能够生成视觉输出的任何其他类型的显示器。在图2所示的示例中，虚拟图像内容输出设备203形成立体显示器，用于向用户的每只眼睛提供单独的图像。在一些示例中，当跟踪hmd 112的位置和取向以用于根据hmd 112和用户的当前观看视角来绘制人工现实内容时，显示器203相对于hmd 112的前框的已知取向和位置被用作参考帧，也被称为本地原点。在其他示例中，hmd 112可采取其他可佩戴头戴式显示器的形式，诸如可以为护目镜。
68.光学系统205包括被配置为管理由虚拟图像内容输出设备203输出的光以供hmd 112的用户(例如，图1的用户110)观看的光学元件。光学元件可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)由虚拟图像内容输出设备203输出的光。例如，光学系统205可为本文参考图1、5、6、7和8所描述的任何光学系统。
69.根据本文所描述的技术，光学系统205可被配置为改变虚拟图像内容的焦点或视在原点，而基本上不改变现实世界内容的放大率。光学系统205包括在每个虚拟图像内容输出设备203的现实世界侧上的第一可调谐透镜、在每个虚拟图像内容输出设备203面向用户的眼侧上的第二可调谐透镜，以及至少一个补偿透镜。光学系统205被配置为控制第一可调谐透镜的光焦度以操纵现实世界光，并且控制第二可调谐透镜的光焦度以操纵从相应的虚拟图像内容输出设备203接收的图像光和现实世界光。(多个)补偿透镜被配置为随着第一可调谐透镜或第二可调谐透镜中的至少一个可调谐透镜的光焦度改变而基本上消除光学系统205的现实世界端和光学系统205的眼侧端之间的现实世界光的放大率变化。例如，光学系统205可被配置为控制第二可调谐透镜的光焦度，以操纵由虚拟图像内容输出设备203发出的图像光，从而使得虚拟图像内容出现在虚拟图像内容输出设备203的现实世界侧上的虚拟图像内容输出设备203后方的选定距离处。光学系统205可被配置为控制第一可调谐透镜的光焦度，使得与(多个)补偿透镜相结合时，第二可调谐透镜的光焦度的变化使现实世界光的放大率基本上不变。以这种方式，光学系统205可改变虚拟图像内容的焦点或视在原点，而基本上不改变现实世界内容的放大率。
70.如图2中进一步所示，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”)；gps传感器，其输出指示hmd 112的位置的数据；雷达或声纳，其输出指示hmd 112距各种对象的距离的数据；或其他传感器，其提供物理环境内的hmd 112或其他对象的位置或取向的指示。此外，hmd 112可包括集成的图像捕获设备138a和138b(统称为“图像捕获设备138”)，诸如相机、激光扫描仪、多普勒雷达扫描仪、深度扫描仪等，其被配置为输出表示物理环境的图像数据。更具体而言，图像捕获设备138捕获表示在图像捕获设备138的视场130a、130b内的物理环境中的对象(包括外围设备136和/或手132)的图像数据，该视场130a、130b典型地对应于hmd 112的观看视角。hmd 112包括内部控制单元210，内部控制单元210可包括内部电源和一个或多个具有一个或多个处理器、存储器和硬件的印刷电路板，以提供用于执行可编程操作的操作环境，从而处理所感测的数据并在显示器203上呈现人工现实内容。
71.图3是示出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施方式的框图。在图3的示例中，控制台106基于所感测的数据(诸如从hmd 112
和/或外部传感器接收的运动数据和图像数据)来为hmd 112执行姿势跟踪、手势检测和用户接口生成和绘制。
72.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可为(例如)嵌入式实时多任务操作系统或其他类型的操作系统。继而，操作系统305提供用于执行包括应用程序引擎340的一个或多个软件部件307的多任务操作环境。如关于图2的示例所论述的，处理器302耦合至虚拟图像内容输出设备203、运动传感器206、图像捕获设备138，并且在一些示例中，耦合至光学系统205。在一些示例中，处理器302和存储器304可为分离的分立部件。在其他示例中，存储器304可为与处理器302共置在单个集成电路内的片上存储器。
73.一般而言，控制台106是处理从hmd 112(图2)的相机图像捕获设备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是单个计算设备，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)可跨云计算系统、数据中心或跨网络(诸如因特网)、另一公共或专用通信网络(例如，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。
74.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，该一个或多个处理器312和存储器314提供用于执行操作系统316的计算机平台，操作系统316可为例如嵌入式实时多任务操作系统或其他类型的操作系统。继而，操作系统316提供用于执行一个或多个软件应用程序317的多任务操作环境。处理器312耦合至一个或多个i/o接口315，i/o接口315提供用于与诸如键盘、(多个)游戏控制器、(多个)显示设备、(多个)图像捕获设备、(多个)hmd、(多个)外围设备等外部设备通信的一个或多个i/o接口。此外，一个或多个i/o接口315可包括用于与诸如网络104的网络通信的一个或多个有线或无线网络接口控制器(nic)。
75.控制台106的软件应用程序317用于提供整个人工现实应用程序。在该示例中，软件应用程序317包括应用程序引擎320、绘制引擎322、手势检测器324、姿势跟踪器326和用户接口引擎328。
76.一般而言，应用程序引擎320包括提供和呈现人工现实应用程序(例如，电话会议应用程序、游戏应用程序、导航应用程序、教育应用程序、训练或模拟应用程序等)的功能性。应用程序引擎320可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上实施人工现实应用程序的应用程序接口(api)。响应于应用程序引擎320的控制，绘制引擎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。
77.应用程序引擎320和绘制引擎322根据如由姿势跟踪器326确定的参考帧(典型地为hmd 112的观看视角)的当前姿势信息来构建用于向用户110显示的人工内容。基于当前的观看视角，绘制引擎322构建3d人工现实内容，其在一些情况下可至少部分地覆盖在用户110的现实世界3d环境上。在该过程期间，姿势跟踪器326对从hmd 112接收的感测数据(例如，移动信息和用户命令)进行操作，并且在一些示例中，对来自任何外部传感器90(图1a、1b)(例如，外部相机)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)。基于所感测的数据，姿势跟踪器326确定hmd 112的
参考帧的当前姿势，并且根据当前姿势，构建用于经由一个或多个i/o接口315传送到hmd 112以显示给用户110的人工现实内容。
78.姿势跟踪器326可确定hmd 112的当前姿势，并且根据当前姿势触发与任何所绘制的虚拟内容相关联的某些功能性(例如，将虚拟内容项放置到虚拟表面上、操纵虚拟内容项目、生成并绘制一个或多个虚拟标记、生成并绘制激光指示器)。在一些示例中，姿势跟踪器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绘制。
79.用户接口引擎328被配置为生成用于在增强现实环境中绘制的虚拟用户接口。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件329，诸如虚拟绘图接口、可选菜单(例如，下拉菜单)、虚拟按钮、方向板、键盘或其他用户可选用户接口元件、字形、显示元件、内容、用户接口控件等。
80.控制台106可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。
81.基于来自图像捕获设备138或102或其他传感器设备中的任一个的所感测的数据，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/或手臂，并且跟踪(多个)控制器114、手和/或手臂相对于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可基于捕获到的图像数据来跟踪(多个)控制器114、手、手指和/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可接收由(多个)控制器114的(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。
82.图4是描绘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。
83.在此示例中，类似于图3，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，操作系统305可为(例如)嵌入式实时多任务操作系统或其他类型的操作系统。继而，操作系统305提供用于执行一个或多个软件部件417的多任务操作环境。此外，(多个)处理器302耦合至虚拟图像内容输出设备203、运动传感器206和图像捕获设备138。
84.在图4的示例中，软件部件417用于提供整个人工现实应用程序。在该示例中，软件应用程序417包括应用程序引擎440、绘制引擎422、手势检测器424、姿势跟踪器426和用户接口引擎428。在各种示例中，软件部件417类似于图3的控制台106的对应部件(例如，应用程序引擎320、绘制引擎322、手势检测器324、姿势跟踪器326和用户接口引擎328)来操作，以构建覆盖在人工内容上或作为人工内容的一部分的虚拟用户接口，用于显示给用户110。
85.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所感测的数据，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。
86.图5是根据本公开的一些示例的示例适应可调节的以及放大率校正的光学系统500的等轴视图。在一些示例中，光学系统500包括虚拟图像内容输出设备510、第一可调谐透镜520、第二可调谐透镜530和补偿透镜540。
87.虚拟图像内容输出设备510向正在观看的用户的眼睛550发出图像光。在一些示例中，虚拟内容输出设备510可为例如光操纵元件，诸如光组合器或波导和输出耦合光栅，其被配置为接收由诸如投影仪或led阵列的光源生成的图像光，并且重定向该图像光。在一些示例中，虚拟图像内容输出设备510可为例如被配置为生成和发出图像光的光源，诸如透明显示面板。在一些示例中，虚拟图像内容输出设备510可被配置为至少部分地透射入射在虚拟内容输出设备510上的现实世界光。例如，虚拟内容输出设备510可被配置为将入射到虚拟内容输出设备510的现实世界侧上的现实世界光的至少一部分透射出虚拟内容输出设备510的眼侧。
88.光学系统500至少包括第一可调谐透镜520和第二可调谐透镜530。尽管作为单个透镜示出，但是在其他示例中，第一可调谐透镜520和第二可调谐透镜530可包括任何数目的透镜。第一可调谐透镜520和第二可调谐透镜530均可通信地耦合至一个或多个处理器或控制器560。第一可调谐透镜520和第二可调谐透镜530中的每一个可包括被配置为具有可调节的光焦度的任何合适的透镜或透镜元件。例如，第一可调谐透镜520和第二可调谐透镜530中的每一个可包括一个或多个元件，诸如致动器，其被配置为从处理器560接收控制信号，并且响应于接收到控制信号来控制相应的第一可调谐透镜520和第二可调谐透镜530的光焦度。
89.在一些示例中，第一可调谐透镜520和/或第二可调谐透镜530可为液体透镜。在一些示例中，液体透镜可为膜型液体透镜。例如，液体透镜可包括夹在光学透明柔性膜和刚性衬底之间或者夹在两个光学透明柔性膜之间的一种或多种液体。一个或两个光学透明柔性膜的曲率可通过施加由一个或多个致动器(诸如静电或电磁致动器)提供的能量来改变。在一些示例中，液体透镜可为无膜型液体透镜。例如，液体透镜可包括形成可变形表面的具有不同折射率的两种不混溶的光学透明液体。在一些示例中，液体透镜可为电润湿透镜，其中可在导电液体和非导电表面之间施加电势差以改变导电液体的接触角。
90.光学系统500包括至少一个补偿透镜540(为了简化说明，称为“补偿透镜540”)。如将在下面进一步描述的，补偿透镜540被配置为随着第一可调谐透镜520或第二可调谐透镜530中的至少一个的光焦度改变而基本上消除光学系统500的现实世界端502与光学系统500的眼侧端504之间的现实世界光570的放大率变化。
91.在一些示例中，补偿透镜540可为被配置为提供单个固定焦度的不可调谐透镜。例如，补偿透镜540可为例如凸透镜，诸如双凸、平凸或正弯月透镜；凹透镜，诸如双凹、平凹或负弯月透镜；任何形状的扁平透镜；菲涅耳透镜；等等。在一些示例中，补偿透镜540可为涂层。例如，补偿透镜540可为第一可调谐透镜520和第二可调谐透镜530中的至少一个可调谐透镜上的涂层。在一些示例中，补偿透镜540可为可调谐透镜，该可调谐透镜包括一个或多个致动器，该一个或多个致动器被配置为诸如从处理器560接收控制信号，并且响应于接收到这些控制信号来控制补偿透镜540的光焦度，诸如以上针对第一可调谐透镜520和第二可调谐透镜530所描述的。在一些示例中，补偿透镜540可被配置为提供处方校正，如将在以下
图8c中进一步描述的。
92.在一些示例中，光学系统500可包括被配置为控制第一可调谐透镜520的光焦度和第二可调谐透镜530的光焦度的一个或多个处理器或控制器560。处理器或控制器560可包括例如图3和4的处理器302或312。在一些示例中，光学系统500可被配置为从光学系统500外部的一个或多个处理器接收控制信号。
93.在图5的示例中，光学系统500可被配置为在光学系统500的现实世界端502处接收现实世界光570a，并且从光学系统500的眼侧端504发出现实世界光和虚拟图像光590(被称为“组合光590”)。第一可调谐透镜520设置在虚拟图像内容输出设备510的现实世界侧上，并且被配置为从环境接收现实世界光570，并且以选定的光焦度发出现实世界光570。第二可调谐透镜530设置在虚拟图像内容输出设备510的眼侧上，并且被配置为接收现实世界光570和虚拟图像光580，并且以选定的光焦度发出现实世界光570和虚拟图像光580。补偿透镜540可设置在第二可调谐透镜530的眼侧上，并且被配置为接收现实世界光570和虚拟图像光580并发出组合光590。在图5的示例中，第一可调谐透镜520和补偿透镜540形成现实世界端502和眼侧端504；然而，在其他示例中，光学系统500的其他透镜或其他光学元件可形成现实世界端502和/或眼侧端504，如以下图7的示例中所示。
94.光学系统500可被配置为改变虚拟图像内容(例如，由第二可调谐透镜530接收并由补偿透镜540发出的虚拟图像光580)的焦点或视在原点，而基本上不改变现实世界内容(例如，由第一可调谐透镜520接收并由补偿透镜540发出的现实世界光570)的放大率。在图5的示例中，处理器560可被配置为控制第一可调谐透镜520的光焦度以操纵现实世界光570，并且控制第二可调谐透镜530的光焦度以操纵从虚拟图像内容输出设备510接收的图像光580和现实世界光570。补偿透镜540可被配置为与第一可调谐透镜和第二可调谐透镜530相结合，随着第一可调谐透镜520或第二可调谐透镜530中的至少一个的光焦度改变而基本上消除光学系统500的现实世界端502与光学系统500的眼侧端504之间的现实世界光570的放大率变化。
95.如上关于图1所述，用户可只在相同的感知距离处聚焦于现实世界和虚拟图像内容。光学系统500可被配置为发出虚拟图像内容和现实世界内容(例如，组合光590)，使得用户可同时聚焦虚拟图像内容和现实世界内容两者(例如，使得虚拟图像内容看起来起源于距用户正聚焦的现实世界的位置基本上类似的距离处)。为了形成虚拟内容图像，处理器560可被配置为控制第二可调谐透镜530的光焦度，以操纵图像光580，从而使得虚拟图像内容出现在虚拟图像内容输出设备510的现实世界侧上的虚拟图像内容输出设备510后方的选定距离处。例如，处理器560可向第二可调谐透镜530发送控制信号，第二可调谐透镜530被配置为使得第二可调谐透镜530以特定的光焦度发出光。控制信号可被配置为考虑补偿透镜540的光焦度。例如，处理器560可发送控制信号以用于虚拟图像内容以有效光焦度的有效聚焦，有效光焦度包括补偿透镜540的光焦度和第二可调谐透镜530的光焦度。在一些示例中，第二可调谐透镜530在约3屈光度的范围内可调谐。在一些示例中，第二可调谐透镜530在约2屈光度的范围内可调谐。
96.处理器560可被配置为控制第一可调谐透镜520和第二可调谐透镜530的光焦度，使得光学系统500对于现实世界光570是无焦点的(即，无净会聚或发散)。在聚焦虚拟图像光580时，第二可调谐透镜530的光焦度还可能折射现实世界光570，使得如果现实世界光
570在被第二可调谐透镜530接收之前未被预处理，则组合光590的现实世界光可能为失焦的(即散焦的)。为了预处理现实世界光570并形成现实世界图像，处理器560可被配置为控制第一可调谐透镜520的光焦度以操纵在光学系统500的现实世界端502处接收的现实世界光570，从而使得现实世界内容的有效聚焦看起来不受光学系统500的影响(即，光学系统500对于现实世界光570是无焦点的)。例如，处理器560可被配置为控制第一可调谐透镜520的光焦度，使得组合光590基本上被准直。结果，现实世界内容的有效聚焦位置(即，现实世界端502和眼侧端504之间的聚焦)基本上不受第二可调谐透镜530对虚拟图像内容的聚焦的影响，并且用户可将她或他的聚散度聚焦于虚拟图像内容和现实世界内容两者。在一些示例中，光学系统500可被配置为在约0屈光度到约3屈光度的范围内改变虚拟图像内容的焦点或视在原点，而基本上不改变现实世界内容的放大率。在一些示例中，光学系统500可被配置为聚焦于虚拟图像内容而不会感知地散焦现实世界内容。例如，用户可能无法感知到小于0.3屈光度的现实世界光的散焦。在一些示例中，光学系统500可维持现实世界光570的散焦小于0.3屈光度。
97.在一些示例中，处理器560可被配置为控制第一可调谐透镜520和第二可调谐透镜530的光焦度，使得光学系统500对于现实世界光570和虚拟图像光580具有特定的焦点。例如，如下文将进一步描述的，用户可具有针对其视力的特定校正指标。处理器560可被配置为控制第一可调谐透镜520和第二可调谐透镜530的光焦度，使得光学系统500具有对应于特定校正指数的有效光焦度。
98.处理器560可被配置为控制第一可调谐透镜520和第二可调谐透镜530的光焦度，使得现实世界光570的放大率不会随着第一可调谐透镜520和/或第二可调谐透镜530的光焦度改变而显著改变。为了使光学系统500能够发出虚拟图像内容和现实世界内容，使得用户可感知虚拟图像内容和现实世界内容而不会感知放大率的显著变化，光学系统500包括补偿透镜540。处理器560可被配置为控制第一可调谐透镜520和第二可调谐透镜530的光焦度，以随着第一可调谐透镜520和第二可调谐透镜530中的至少一个的光焦度改变而基本上消除现实世界端502与眼侧端504之间的现实世界光570的放大率变化。
99.例如，仅具有两个可调谐透镜的光学系统通过会聚和随后发散(或反之亦然)现实世界光来基本上准直被发出到用户的现实世界光可能引起现实世界内容的放大率变化。为了减少这种放大率变化，补偿透镜540可提供一个或多个附加的折射平面，使得从光学系统500发出的现实世界光可具有特定的光焦度(例如，基本上准直的)，而放大率没有变化。处理器560可控制第一可调谐透镜520的光焦度，使得与补偿透镜540相结合时，第二可调谐透镜530的光焦度的变化使通过光学系统500的现实世界光570的放大率基本上不变。以这种方式，光学系统500可改变虚拟图像内容的焦点或视在原点，而基本上不改变现实世界内容的放大率。
100.在不限于任何特定理论的情况下，放大率的变化可由以下等式近似(对于无限薄透镜)：
101.m＝1+l1d1+l2d2ꢀꢀꢀ
[等式1]
[0102]
在上述等式1中，m表示光学系统500的放大率，l1表示第一可调谐透镜520和第二可调谐透镜530之间的距离506，d1表示第一可调谐透镜520的光焦度，l2表示第二可调谐透镜530和补偿透镜540之间的距离508，并且d2表示第二可调谐透镜530的光焦度。一个或多
个处理器可选择第二可调谐透镜530的光焦度以聚焦于虚拟图像上，并且选择第一可调谐透镜520的光焦度，使得光学系统500的放大率大约为1。
[0103]
图6a和6b是根据本公开的一些示例的示例适应可调节的以及放大率校正的光学系统500的侧视图。光学系统500包括沿光轴602布置的第一可调谐透镜520、第二可调谐透镜530、补偿透镜540和虚拟图像内容输出设备510。第一可调谐透镜520、第二可调谐透镜530、补偿透镜540和虚拟图像内容输出设备510被配置为使得由虚拟图像内容输出设备510发出的图像光580在被用户沿光轴602观看时形成虚拟内容图像610、630，并且入射在第一可调谐透镜520上的现实世界光570被透射通过光学系统500，并且在被沿光轴602观看时形成现实世界图像620，使得虚拟内容图像610、630增强现实世界图像620。
[0104]
图6a是聚焦于第一虚拟内容图像610上的光学系统500的侧视图。为了形成虚拟内容图像610，一个或多个处理器可控制第二可调谐透镜530的光焦度，以使得虚拟内容图像610出现在虚拟图像内容输出设备510的现实世界侧上的虚拟图像内容输出设备510后方的第一距离614处。该第一距离614可对应于第一虚拟焦点612。虚拟图像内容输出设备510可发出图像光580，并且第二可调谐透镜530可根据所选择的光焦度折射图像光580。补偿透镜540可折射图像光580以产生具有第一虚拟焦点612的聚焦图像光582，使得用户可在第一距离614处感知第一虚拟内容图像610。以这种方式，一个或多个处理器可基于补偿透镜540的光焦度来控制第二可调谐透镜530，诸如在图像光580被补偿透镜540折射的示例中。
[0105]
为了形成现实世界的图像620，一个或多个处理器可控制第一可调谐透镜520的光焦度，使得与补偿透镜540相结合时，第二可调谐透镜530聚焦于虚拟内容图像610上的光焦度的变化使现实世界光570的放大率基本上不变，并且因此使现实世界图像620的放大率基本上不变。第一可调谐透镜520可接收具有初始光束直径622的现实世界光570。第一可调谐透镜520可根据所选择的光焦度折射现实世界光570。第二可调谐透镜530可根据所选择的用于聚焦于虚拟内容图像610上的光焦度来折射现实世界光570。补偿透镜540可折射现实世界光570以产生具有第一光束直径624的现实世界光572。由此，一个或多个处理器可基于所选择的第二可调谐透镜530的光焦度和补偿透镜540的光焦度来控制第一可调谐透镜520。
[0106]
图6b是聚焦于第二虚拟内容图像630上的光学系统500的侧视图。例如，用户可选择聚焦于第二虚拟内容图像630，而不是第一虚拟内容图像610。为了形成虚拟内容图像630，一个或多个处理器可控制第二可调谐透镜530的光焦度，以使虚拟内容图像630出现在虚拟图像内容输出设备510的现实世界侧上的虚拟图像内容输出设备510后方的第二距离634处。该第二距离634可对应于第二虚拟焦点632，并且在图6b的示例中，第二距离634是比图6a的第一距离614更近的距离。虚拟图像内容输出设备510可发出图像光580，并且第二可调谐透镜530可根据所选择的光焦度折射图像光580。补偿透镜540可折射图像光580以产生具有第二虚拟焦点632的聚焦图像光582，使得用户可在第二距离634处感知第二虚拟内容图像630。
[0107]
为了形成现实世界图像620，该一个或多个处理器可控制第一可调谐透镜520的光焦度，使得与补偿透镜540相结合时，用于使第二可调谐透镜530聚焦于第二虚拟内容图像630上而不是第一虚拟内容图像610上的光焦度的变化使现实世界光570的放大率基本上不变，并且因此使现实世界图像620也基本上不变。第一可调谐透镜520可根据所选择的光焦
度折射现实世界光570。第二可调谐透镜530可根据所选择的用于聚焦于第二虚拟内容图像630上的光焦度来折射现实世界光570。补偿透镜540可折射现实世界光570以产生具有第二光束直径626的现实世界光572。图6a的现实世界光572的第一光束直径624可与图6b的现实世界光572的第二光束直径626基本上相同，使得用户不会感知到聚焦于第一虚拟内容图像610和第二虚拟内容图像630之间的放大率变化。
[0108]
在一些示例中，现实世界光570的初始光束直径622可与第一光束直径624和/或第二光束直径626基本上相同，使得用户不会通过光学系统500感知到现实世界光570的任何放大。例如，尽管光学系统500可被配置为减少或消除由于第一可调谐透镜520或第二可调谐透镜530的光焦度的变化而引起的放大率变化，但是与没有光学系统500时感知的现实世界对象相比，现实世界图像仍然可按增大或减小的放大率出现。一些显示系统(诸如图2的头戴式显示器112)可仅部分地覆盖用户的视场，使得现实世界光可以在不通过光学系统500操纵的情况下被观看。为了减小通过光学系统500的放大率，一个或多个处理器可被配置为控制第一可调谐透镜520的光焦度，以使初始光束直径等于最终光束直径(例如，第一光束直径624或第二光束直径626)。以这种方式，光学系统500可被集成到可仅部分地覆盖用户的视场的系统中，使得可减小在没有通过光学系统500操纵的情况下由用户接收的现实世界光570与在通过光学系统500操纵之后由用户接收的现实世界光572之间的失真。
[0109]
在图5、6a和6b的示例光学系统500中，至少一个补偿透镜540与和虚拟图像内容输出设备510相对的第二可调谐透镜530邻近地设置。然而，在其他光学系统配置中，补偿透镜540可设置在光学系统内的其他位置处。
[0110]
图7a是根据本公开的一些示例的示例适应可调节的以及放大率校正的光学系统700的侧视图。在图7a的示例中，补偿透镜540设置在第二可调谐透镜530和虚拟图像内容输出设备510之间。第一可调谐透镜520设置在虚拟图像内容输出设备510的现实世界侧上，并且被配置为从环境接收现实世界光570并以选定的光焦度发出现实世界光570。补偿透镜540被配置为接收现实世界光570和虚拟图像光580并向第二可调谐透镜530发出光。第二可调谐透镜530设置在虚拟图像内容输出设备510的眼侧上，并且被配置为接收现实世界光570和虚拟图像光580，并且以选定的光焦度将现实世界光570和虚拟图像光580作为组合光590发出。
[0111]
图7b是根据本公开的一些示例的示例适应可调节的以及放大率校正的光学系统710的侧视图。在图7b的示例中，补偿透镜540设置在第一可调谐透镜520和虚拟图像内容输出设备510之间。第一可调谐透镜520设置在虚拟图像内容输出设备510的现实世界侧上，并且被配置为从环境接收现实世界光570并以选定的光焦度发出现实世界光570。补偿透镜540被配置为从第一可调谐透镜520接收现实世界光570并向虚拟图像内容输出设备510发出光。第二可调谐透镜530设置在虚拟图像内容输出设备510的眼侧上，并且被配置为接收现实世界光570和虚拟图像光580，并且以选定的光焦度将现实世界光570和虚拟图像光580作为组合光590发出。
[0112]
图7c是根据本公开的一些示例的示例适应可调节的以及放大率校正的光学系统720的侧视图。在图7c的示例中，补偿透镜540与和虚拟图像内容输出设备510相对的第一可调谐透镜520邻近地设置。补偿透镜540被配置为接收现实世界光570并向第一可调谐透镜520发出光。第一可调谐透镜520设置在虚拟图像内容输出设备510的现实世界侧上，并且被
配置为从补偿透镜540接收现实世界光570并以选定的光焦度发出现实世界光570。第二可调谐透镜530设置在虚拟图像内容输出设备510的眼侧上，并且被配置为接收现实世界光570和虚拟图像光580，并且以选定的光焦度将现实世界光570和虚拟图像光580作为组合光590发出。如下面进一步描述的，但是在光学系统720的一端并入补偿透镜540，补偿透镜540可进一步为第一可调谐透镜520提供保护。
[0113]
本文所论述的光学系统可使用各种不同的折射透镜布置。在一些示例中，本文所论述的光学系统可首先会聚现实世界光，随后使现实世界光和(可选地)图像光发散，并且再次会聚现实世界光和图像光以聚焦图像光并且使现实世界光的放大率基本上不变。图8a是根据本公开的一些示例的示例适应可调节的以及放大率校正的光学系统800的侧视图。在图8a的示例中，第一可调谐透镜520是会聚透镜，第二可调谐透镜530是发散透镜，并且补偿透镜540是会聚透镜。第一可调谐透镜520可从环境接收现实世界光802，并且以会聚的光焦度发出会聚的现实世界光804。第二可调谐透镜530可接收会聚的现实世界光804和虚拟图像光，并且以发散的光焦度发出发散的现实世界光和虚拟图像光806。补偿透镜540可接收发散的现实世界光和虚拟图像光806，并且以会聚的光焦度发出准直的组合光808。通过首先会聚现实世界光802以产生会聚的现实世界光804，与未会聚的现实世界光相比，现实世界光804可入射到虚拟图像内容输出设备510的相对小的区域上。结果，虚拟图像内容输出设备510可从相对较小的区域发出虚拟图像光，从而减小虚拟图像内容输出设备510的大小和/或功率。
[0114]
在一些示例中，本文所论述的光学系统可首先发散现实世界光，随后会聚现实世界光以及可选地会聚图像光，并且再次发散现实世界光和图像光以聚焦图像光并且使现实世界光的放大率基本上不变。图8b是根据本公开的一些示例的示例适应可调节的以及放大率校正的光学系统810的侧视图。在图8b的示例中，第一可调谐透镜520是发散透镜，第二可调谐透镜530是会聚透镜，并且补偿透镜540是发散透镜。第一可调谐透镜520可从环境接收现实世界光812，并且以发散的光焦度发出发散的现实世界光814。第二可调谐透镜530可接收发散的现实世界光814和虚拟图像光，并且以会聚的光焦度发出会聚的现实世界光和虚拟图像光816。补偿透镜540可接收会聚的现实世界光和虚拟图像光816，并且以发散的光焦度发出准直的组合光818。通过首先发散现实世界光812以产生发散的现实世界光814，与没有被发散的现实世界光相比，现实世界光814可入射到虚拟图像内容输出设备510的相对大的区域上。结果，虚拟图像内容输出设备510可从相对较大的区域发出虚拟图像光，从而增加虚拟图像内容输出设备510的感知分辨率。
[0115]
尽管补偿透镜540在图8a和8b中被示为与和虚拟图像内容输出设备510相对的第二可调谐透镜530邻近地设置，但是在其他系统中，补偿透镜540可设置在光学系统700、710、720内的各种位置处，诸如在图7a-7c中所示的。
[0116]
在一些示例中，本文所论述的光学系统可被配置为向用户提供光学校正。例如，用户可佩戴校正镜片以提供对一种或多种视觉障碍的光学校正，该视觉障碍诸如是近视、远视、散光或以人眼的屈光不正为特征的其他状况。在将光学系统并入头戴式显示器中并佩戴在用户头部上的示例中，头戴式显示器在与校正镜片一起佩戴时可能不舒适(例如，眼镜上的压力或隐形眼镜的干燥度)。本文所论述的光学系统可提供校正透镜的光学校正，使得用户可更舒适地佩戴头戴式显示器。图8c是根据本公开的一些示例的示例适应可调节的以
及放大率校正的光学系统820的侧视图。在图8c的示例中，除了基本上消除现实世界光的放大率变化之外，补偿透镜540可提供处方校正，该处方校正可以其他方式由校正透镜提供。如图8c所示，现实世界和图像光824作为发散光以光学系统820的光焦度朝向近视的用户发出。光学系统820的光焦度可等于提供近视校正的用户的处方透镜的光焦度。以这种方式，光学系统820可将光学校正结合到头戴式显示器或其他系统中，而不修改对第一和/或第二可调谐透镜520和530的控制。
[0117]
在一些示例中，至少一个补偿透镜540的表面与第一可调谐透镜520的表面或第二可调谐透镜530的表面接触。例如，可调谐透镜可包括相对易碎的膜或其他结构。为了保护这些易碎结构，可在光学系统500的现实世界端502和眼侧端504上设置保护表面。在一些示例中，补偿透镜540的表面可用作第一可调谐透镜520和/或第二可调谐透镜530中的任一个或两者的保护表面。例如，如上所述，补偿透镜540可为由具有比可调谐透镜520和530更大的耐刮擦、刺穿和/或变形性的材料制成的静态透镜。图9a是根据本公开的一些示例的示例适应可调节的以及放大率校正的光学系统的侧视图。在图9a的示例中，补偿透镜540的现实世界侧表面与第二可调谐透镜530的眼侧表面接触，使得补偿透镜540的眼侧表面形成暴露于光学系统500的环境的光学系统500的眼侧端504。图9b是根据本公开的一些示例的示例适应可调节的以及放大率校正的光学系统的侧视图。在图9a的示例中，补偿透镜540的眼侧表面与第一可调谐透镜520的现实世界侧表面接触，使得补偿透镜540的现实世界侧表面形成暴露于光学系统500的环境的光学系统500的现实世界端502。以这种方式，补偿透镜540可为第一可调谐透镜520或第二可调谐透镜530提供物理支撑或保护，和/或代替可能以其他方式存在的保护透镜。
[0118]
在一些示例中，本文所论述的光学系统可被配置为改变虚拟图像内容的焦点或视在原点，同时通过减小邻近光学元件之间的距离来减小现实世界内容的放大率变化。如以上等式1所述，两个透镜之间的放大率可与两个透镜之间的距离相关。图10a是根据本公开的一些示例的示例光学系统的侧视图。光学系统1000包括虚拟图像内容输出设备1002、第一可调谐透镜1004和第二可调谐透镜1006。光学系统1000接收具有初始光束直径1016的现实世界光1008，使用第一可调谐透镜1004会聚现实世界光以形成会聚的现实世界光1010，并且使用第二可调谐透镜1006发散现实世界光1010以形成具有最终光束直径1018的准直的现实世界光1012。随着第一可调谐透镜1004与第二可调谐透镜1006之间的距离1014减小，初始光束直径1016与最终光束直径1018之间的差可减小，使得光学系统1000的放大率减小，并且因此随着第二可调谐透镜1006的光焦度改变的光学系统1000的放大率变化可减小。
[0119]
图10b是根据本公开的一些示例的示例光学系统1020的侧视图。光学系统1020包括凸可调谐透镜1024、虚拟图像内容输出设备1022和凹透镜1026。图10c是根据本公开的一些示例的示例光学系统1030的侧视图。光学系统1030包括凸可调谐透镜1034、虚拟图像内容输出设备1032和凹透镜1036。如图10b和10c所示，尽管光学系统1020和1030仍可保持一些放大率，但与光学元件间隔相对较宽的光学系统相比，此类放大率可相对较小。图10d是示出根据本公开的一些示例的图10b的光学系统中的视场上的角度变化的图表。如图10d所示，视场的中心具有小的角度变化(其可表示放大率)，该角度变化朝向视场的边缘增加。图10e是示出根据本公开的一些示例的图10b的光学系统中的视场上的角度变化的图表。如图
10e所示，与图10d相比，视场的中心具有相对较大的角度变化，但是在视场的边缘处具有相对较小的角度变化。
[0120]
在一些示例中，本文所论述的光学系统可被配置为改变虚拟图像内容的焦点或视在原点，同时通过允许低于阈值的散焦来消除针对小视场的现实世界内容的放大率变化。如上所述，少量的散焦对于用户可能是不可感知的。由此，本文所论述的光学系统可平衡散焦量和放大率变化量，以减少用户对失真的可感知性。图11a是根据本公开的一些示例的示例光学系统的侧视图。光学系统1100包括第一可调谐透镜1120、虚拟图像内容输出设备1110和第二可调谐透镜1130。光学系统1100被配置为接收现实世界光1102并以少量散焦发出现实世界光1104，使得现实世界光1104入射到用户眼睛时现实世界光1104的放大率大约为1。在一些示例中，光学系统1100可将散焦维持在散焦阈值以下，同时基本上消除了随着第二可调谐透镜1130的光焦度改变的放大率变化。在一些示例中，散焦阈值小于约0.7屈光度，诸如小于0.3屈光度。图11b是示出根据本公开的一些示例的图11a的光学系统中的视场上的角度变化的图表。如图11b所示，与图10d和10e的示例相比，角度变化可相对较小。
[0121]
如本文中通过各种示例所描述，本公开的技术可包括人工现实系统或结合人工现实系统来实施。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调节的现实的形式，其可包括例如虚拟现实(vr)、增强现实(ar)、混合现实(mr)、混杂现实或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可包括完全生成的内容或与捕获到的内容(例如，现实世界照片)相结合的生成的内容。人工现实内容可包括视频、音频、触觉反馈或其某种组合，并且它们中的任何一种均可呈现在单个信道或多个信道中(诸如对观看者产生三维效果的立体视频)。另外，在一些实施例中，人工现实可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)的应用程序、产品、附件、服务或其某种组合相关联。提供人工现实内容的人工现实系统可在各种平台上实施，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。
[0122]
本公开中所描述的技术可至少部分地以硬件、软件、固件或其任何组合来实施。例如，所描述的技术的各个方面可在一个或多个处理器内实施，该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)或任何其他等效集成或分立逻辑电路系统，以及此类部件的任何组合。术语“处理器”或“处理电路系统”一般可指上述逻辑电路系统中的任一个，单独地或与其他逻辑电路系统相结合，或任何其他等效电路系统。包括硬件的控制单元也可执行本公开的一种或多种技术。
[0123]
此类硬件、软件和固件可在同一设备内或在单独设备内实施以支持本公开中所描述的各种操作和功能。此外，所描述的单元、模块或部件中的任一个可一起或单独地实施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不同的功能性方面，并且不一定暗指这些模块或单元必须由单独的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性可由单独的硬件或软件部件来执行，或者集成在公共或单独的硬件或软件部件内。
[0124]
本公开中所描述的技术还可体现或编码于含有指令的计算机可读媒体(诸如计算机可读存储媒体)中。嵌入或编码于计算机可读存储介质中的指令可使得可编程处理器或其他处理器例如在执行该指令时执行该方法。计算机可读存储介质可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、磁带、磁介质、光介质或其他计算机可读介质。
[0125]
如本文中通过各种示例所描述，本公开的技术可包括人工现实系统或结合人工现实系统来实施。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调节的现实的形式，其可包括例如虚拟现实(vr)、增强现实(ar)、混合现实(mr)、混杂现实或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可包括完全生成的内容或与捕获到的内容(例如，现实世界照片)相结合的生成的内容。人工现实内容可包括视频、音频、触觉反馈或其某种组合，并且它们中的任何一种均可呈现在单个信道或多个信道中(诸如对观看者产生三维效果的立体视频)。另外，在一些实施例中，人工现实可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)的应用程序、产品、附件、服务或其某种组合相关联。提供人工现实内容的人工现实系统可在各种平台上实施，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。