用于头戴式显示设备的光学系统

摘要

公开了一种用于提供头戴式显示器(HMD)中的光学系统的系统和方法，该系统和方法可用于修改虚拟图像光以校正用户眼睛的一个或多个视觉条件。光学系统包括用于左眼的左光学子系统和用于右眼的右光学系统。每个光学子系统包括第一校正部分和第二校正部分，每个校正部分具有透镜组件。第一透镜组件包括第一组透镜，第一组透镜具有第一透镜，可沿着横向于虚拟图像光的光路的第一轴线选择性地调节第一透镜。第二透镜组件包括第二组透镜，第二组透镜具有第二透镜，可选择性地围绕横向于第一轴线的第二轴线旋转第二透镜。选择性地调节第一透镜和第二透镜有助于校正用户眼睛的视觉条件。

权利要求

1.一种头戴式显示设备，包括：

框架，其包括腔；

虚拟图像显示设备，其联接至所述框架，并且被配置为生成虚拟图像光，以使用户感知可视内容；以及光学系统，其选择性地可移动地插入到所述框架的所述腔中，并且当插入所述腔时，所述光学系统沿着所述虚拟图像光的光线的光路定位，所述光学系统包括具有左光学子系统和右光学子系统的第一校正部分，所述第一校正部分的所述左光学子系统和所述右光学子系统中的每一个包括：一个或多个致动器；以及

第一组透镜，位于沿所述光路的第一位置处，并具有校正第一组视觉条件的第一光学特性，所述第一组透镜中的第一透镜和第二透镜中的至少一个能够相对于所述第一组透镜中的所述第一透镜和所述第二透镜中的另一个经由所述一个或多个致动器而沿着横向于所述光路的第一轴线选择性地调节，以改变所述第一光学特性；以及一个或多个电触点，所述一个或多个电触点暴露在所述光学系统的外表面上，所述一个或多个电触点的尺寸和形状适于与所述框架的所述腔中的相应电触点接合以建立电连接，信号和功率能够通过所述电连接传输到所述光学系统的所述一个或多个致动器。

2.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，其中，所述第一组视觉条件包括近视或远视中的至少一个。

3.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，

其中，所述一个或多个致动器可操作地联接至所述第一组透镜中的所述第一透镜和所述第二透镜中的至少一者，且被配置为选择性地调节所述第一透镜相对于所述第二透镜的沿所述第一轴线的相对位置。

4.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，其中，所述第一透镜能够沿着所述第一轴线相对于所述第二透镜选择性地调节，且所述第二透镜能够沿着横向于所述光路的第二轴线相对于所述第一透镜选择性地调节，以修改所述第一光学特性。

5.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，其中，所述第一校正部分的所述左光学子系统和所述右光学子系统中的每一者还包括第二组透镜，所述第二组透镜定位在沿着所述光路的第二位置处且具有校正第二组视觉条件的第二光学特性，所述第二组透镜中的第一透镜和第二透镜中的至少一者能够选择性地相对于所述第一透镜和所述第二透镜中的另一者经由所述一个或多个致动器而围绕横向于所述第一轴线的第二轴线旋转，以修改所述第二光学特性。

6.根据权利要求5所述的头戴式显示设备，其中，所述第二组视觉条件包括散光。

7.根据权利要求5所述的头戴式显示设备，其中，所述一个或多个致动器包括：

第一致动器，其可操作地联接至所述第一透镜组的所述第一透镜和所述第二透镜中的至少一个，并且被配置为选择性地调节所述第一透镜组的所述第一透镜和所述第二透镜中的至少一个相对于所述第一透镜组的所述第一透镜和所述第二透镜中的另一个的沿所述第一轴线的相对位置；以及第二致动器，其联接至所述第二组透镜中的所述第一透镜和所述第二透镜中的至少一个，并被配置为选择性地调节所述第二组透镜中的所述第一透镜和所述第二透镜中的至少一个相对于所述第二组透镜中的所述第一透镜和所述第二透镜中的另一个的围绕所述第二轴线的角位置。

8.根据权利要求7所述的头戴式显示设备，还包括：

通信接口，配置为接收用户输入；以及

控制器，电联接至所述第一致动器和所述第二致动器并被配置为控制所述第一致动器和所述第二致动器，以基于所述用户输入分别调节所述第一透镜组的所述第一透镜和所述第二透镜中的至少一个的位置和所述第二透镜组的所述第一透镜和所述第二透镜中的至少一个的角位置。

9.根据权利要求8所述的头戴式显示设备，其中，所述用户输入指定所述用户的光学处方。

10.根据权利要求8所述的头戴式显示设备，还包括：

存储数据的存储器，所述存储器存储分别指示所述第一致动器和所述第二致动器中的至少一个的状态的一组条目，其中，所述控制器还被配置为响应于接收到所述用户输入，基于在所述用户输入中指定的信息来访问所述一组条目中的条目，并且根据在所述条目中指示的所述状态来控制所述第一致动器或所述第二致动器。

11.根据权利要求5所述的头戴式显示设备，其中，所述第二组透镜中的所述第一透镜能够相对于所述第二组透镜中的所述第二透镜选择性地旋转，且所述第二组透镜中的所述第二透镜能够相对于所述第二组透镜中的所述第一透镜选择性地旋转。

12.根据权利要求5所述的头戴式显示设备，还包括：

第一用户输入装置，设置在所述框架的外部，能够由用户操作以选择性地调节所述第一透镜组的所述第一透镜和所述第二透镜中的至少一个沿所述第一轴线的位置；以及第二用户输入装置，设置在所述框架的外部，能够由所述用户操作以选择性地调节所述第二透镜组的所述第一透镜和所述第二透镜中的至少一个围绕所述第二轴线的角位置。

13.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，其中，所述光学系统包括可操作以向所述一个或多个致动器发送控制信号的控制器。

14.根据权利要求1所述的头戴式显示设备，其中，所述第一组透镜包括一个或多个Alvarez透镜。

15.一种光学系统，包括：

框架，其尺寸和形状适于选择性可拆卸地安装在相应的头戴式显示设备的腔中，所述框架包括连接部分，所述连接部分选择性地与所述头戴式显示设备的相应部分接合，以使所述框架安装在所述头戴式显示设备中；

光学子系统，所述光学子系统由所述框架承载且具有接收部分、发射部分和视觉校正部分，所述接收部分在安装在所述头戴式显示设备中时接收虚拟图像光，所述发射部分从所述光学系统发射经修改的虚拟图像光，所述视觉校正部分位于所述接收部分和所述发射部分之间的所述虚拟图像光的光路中，所述视觉校正部分被配置为修改所述虚拟图像光以校正用户的视觉条件，并且具有包括左光学子系统和右光学子系统的第一校正部分，所述左光学子系统和所述右光学子系统中的每一个都包括：一个或多个致动器；以及

第一组透镜，位于沿所述光路的第一位置处，并具有校正第一组视觉条件的第一光学特性，所述第一组透镜中的第一透镜和第二透镜中的至少一个能够相对于所述第一组透镜中的所述第一透镜和所述第二透镜中的另一个经由所述一个或多个致动器而沿着横向于所述光路的第一轴线选择性地调节，以修改所述第一光学特性；以及一个或多个电触点，所述一个或多个电触点暴露在所述框架的外表面上，所述一个或多个电触点的尺寸和形状适于与所述相应的头戴式显示设备的所述腔中的相应电触点接合以建立电连接，信号和功率能够通过所述电连接传输到所述光学子系统的所述一个或多个致动器。

16.根据权利要求15所述的光学系统，其中，所述第一组视觉条件包括近视或远视中的至少一种。

17.根据权利要求15所述的光学系统，还包括：

控制器，其被配置为选择性地调节所述第一透镜组的所述第一透镜和所述第二透镜中的至少一个沿所述第一轴线的位置，以修改所述第一光学特性。

18.根据权利要求17所述的光学系统，其中，所述控制器被配置为响应于接收到用户输入，选择性地调节所述第一透镜组的所述第一透镜和所述第二透镜中的至少一个沿所述第一轴线的位置。

19.根据权利要求18所述的光学系统，还包括：

设置在所述框架的外部上的输入接口，所述输入接口被配置为与所述头戴式显示设备的相应接口接合，用于接收与用户输入相对应的输入信号，所述输入接口电联接至所述控制器，其中，所述控制器被配置为基于所接收的输入信号来选择性地调节所述第一透镜组的所述第一透镜和所述第二透镜中的至少一个的位置。

20.根据权利要求15所述的光学系统，其中，所述左光学子系统和所述右光学子系统中的每一个还包括：第二组透镜，位于沿所述光路的第二位置处，并具有校正第二组视觉条件的第二光学特性，所述第二组透镜中的第一透镜和第二透镜中的至少一个能够相对于所述第二组透镜中的所述第一透镜和所述第二透镜中的另一个围绕横向于所述第一轴线的第二轴线选择性地旋转，以改变所述第二光学特性。

21.根据权利要求15所述的光学系统，还包括：

第一用户输入装置，其设置在所述框架的外部上，所述第一用户输入装置能够由用户操作以选择性地调节所述第一透镜组的所述第一透镜和所述第二透镜中的至少一个沿所述第一轴线的位置。

22.根据权利要求15所述的光学系统，其中，所述第一透镜和所述第二透镜中的至少一个是Alvarez透镜。

说明书

用于头戴式显示设备的光学系统

技术领域

[0001] 本公开涉及用于头戴式显示设备的光学系统。

背景技术

[0002] 头戴式显示设备(HMD)是佩戴在用户头部上的显示设备，具有一个或多个用于向用户呈现视觉内容的显示单元。HMD正变得越来越普及以提供虚拟现实(VR)或增强现实(AR)体验，或促进视听媒体的游戏或呈现。显示单元通常是小型化的，例如可以包括CRT、LCD、硅基液晶(LCos)或OLED技术。一些HMD是双目的并且具有向每只眼睛显示不同图像的潜力。这种能力被用于显示立体图像以呈现更加沉浸式的用户体验。

[0003] 现有的HMD不考虑用户的视觉缺陷或不足。例如，散光、近视或远视(也称为老视)的人可以佩戴眼镜以校正这些情况中的一种或多种。然而，先前实现的HMD向用户显示视觉内容，而不调节虚拟图像光以校正这些情况。至少一些HMD在用户眼睛的前面或周围没有足够的空间以允许用户同时佩戴视力矫正眼镜和HMD。作为结果，对佩戴眼镜的视力有缺陷或不足的用户来说，视觉内容可能看起来不聚焦或不清楚，这降低了用户的整体体验。

发明内容

[0004] 头戴式显示器可以概括为包括虚拟图像显示单元和用于修改接收到的虚拟图像光以校正用户的一个或多个视觉条件的光学系统。该光学系统包括左光学子系统和右光学子系统，它们分别用于修改从虚拟图像显示器接收的虚拟图像光以校正左眼和右眼的视觉条件。左光学子系统和右光学子系统中的每一个包括第一校正部分和第二校正部分。可独立地和选择性地调节第一校正部分和第二校正部分以校正一个或多个视觉条件。选择性地调节第一校正部分以校正第一组视觉条件，并且选择性地调节第二校正部分以校正第二组视觉条件。

[0005] 可操作光学系统修改虚拟图像光以校正用户眼睛的近视、远视和散光。第一校正部分和第二校正部分中的一个包括沿着虚拟图像光的光路按顺序布置的第一组透镜。致动器分别物理地联接至第一组透镜中的各个透镜，并且被配置成沿着横向于光路的第一轴线移动各个透镜。可通过一个或多个致动器选择性地调节第一组透镜以校正第一组视觉条件(包括近视和远视)。第一校正部分和第二校正部分中的另一个包括沿着虚拟图像光的光路按顺序布置的第二组透镜。致动器分别物理地联接至第二组透镜中的各个透镜，并且被配置成围绕横向于第一轴线的第二轴线旋转各个透镜。可通过一个或多个致动器选择性地调节第二组透镜以校正第二组视觉条件(包括散光)。

[0006] 在一些实施例中，光学系统是HMD的整体的、不可拆卸的部分。在一些实施例中，光学系统可选择性地安装在HMD的主体中并可从HMD的主体移除。HMD可以包括用于选择性地容纳光学系统的腔。HMD可以经由HMD自身上的输入设备或经由HMD的通信接口接收用户输入。在一些实施例中，HMD或光学系统的控制器可以向联接至第一组透镜的致动器和/或联接至第二组透镜的致动器发送控制信号，以使致动器将透镜移动或旋转到期望的位置以校正用户的视觉条件。在一些实施例中，经由HMD的机械输入设备的用户输入可以施加机械力，使得致动器移动或旋转透镜。

附图说明

[0007] 图1示出了根据一个或多个实施方式的具有光学系统的头戴式显示器的俯视图。

[0008] 图2示出了图1的头戴式显示器的光学系统的光学子系统的图。

[0009] 图3示出了图2的光学子系统的第一组透镜的俯视图。

[0010] 图4A示出了根据一个实施例的光学子系统的第二组透镜的俯视图。

[0011] 图4B示出了第二组透镜的透镜的正视图。

[0012] 图5A示出了根据一个实施例的光学子系统的第二组透镜的俯视图。

[0013] 图5B示出了图5A的第二组透镜的正视图。

[0014] 图6示出了图1的头戴式显示器的外部的俯视透视图。

[0015] 图7示出了头戴式显示器的示意性框图。

[0016] 图8示出了根据一个或多个实施例的具有可选择地安装的光学系统的头戴式显示器的底部透视图。

具体实施方式

[0017] 在以下描述中，阐述了某些特定细节，以提供对公开的各实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有这些具体细节中的一个或多个的情况下，或者在其它方法、组件、材料等的情况下实践实施例。在其它实例下，没有详细示出或描述与计算机系统、服务器计算机和/或通信网络相关联的公知结构，以避免不必要地模糊实施例的描述。

[0018] 除非上下文另有要求，否则在整个说明书和所附的权利要求书中，词语“包括”与“包含”同义，并且是包含性的或开放性的(即，不排除其他未列举的元件或方法动作)。除非另有说明或与上下文相矛盾，否则本文所用的术语“组”(例如，“一组项目”)应被解释为包括一个或多个成员或实例的非空集合。

[0019] 在整个说明书中，对“一个实施例”或“实施例”的引用意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，出现在说明书全文各处的短语“在一个实施方式中”或“在实施方式中”不一定都指的是相同的实施例。此外，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或多个实施例中。

[0020] 除非上下文另外明确规定，本说明书和所附权利要求书中使用的单数形式“一、”、“一个”和“所述”包括复数指示物。还应该注意的是，除非上下文另有明确规定，通常以包括“和/或”的意义使用术语“或”。

[0021] 本文提供的本公开的标题和摘要仅为方便起见，而不解释实施的范围或含义。

[0022] 图1示出了根据一个或多个实施例的头戴式显示设备(HMD)100的俯视平面图。HMD 100被配置为向用户104呈现虚拟现实(VR)，诸如以诸如每秒30帧(或图像)或每秒90帧的显示速率呈现的相应视频，而类似系统的其它实施例可以向用户104呈现增强现实显示。HMD 
100向用户104的左眼105l和右眼105r提供校正的虚拟图像光102。HMD 100包括安装在框架
108上或框架108内的一个或多个虚拟图像显示单元106。虚拟图像显示单元106生成虚拟图像光102，以使用户感知可视内容。HMD 100还可以包括设置在虚拟图像显示单元106的发射侧上的左透镜组107l和右透镜组107r。左和右透镜组107l和107r可以在虚拟图像光102从虚拟图像显示单元106发射之后聚焦、准直、或者修改虚拟图像光102。左和右透镜组107l和
107r可以包括例如折射或准直虚拟图像光102的菲涅耳透镜。

[0023] HMD 100还包括光学系统112，光学系统112具有选择性地可变的光学特性，以校正用户的一个或多个视觉条件。例如，光学系统112可选择性地调节以校正近视、远视和散光中的一个或多个。从虚拟图像显示单元106发射的虚拟图像光102沿着光路126行进通过光学系统112，光学系统112根据光学系统112的光学特性修改虚拟图像光102，并分别向用户的左眼105l和右眼105r发射校正的虚拟图像光114。

[0024] 框架108是用于将HMD 100支撑在用户104的头部上的安装结构。框架108包括主体116，主体116具有前部118和与前部118相对的观看部分120，观看部分120定位在用户眼睛
105l和105r的前面，用于观看所产生的视觉内容。HMD 100包括选择性地将HMD 100安装到用户头部的一个或多个支撑结构。例如，图1的HMD 100包括左眼镜腿122l和右眼镜腿122r，分别搁置在用户104的左耳124l和右耳124r上。在一些实施例中，HMD 100可以包括另一个支撑结构，例如连接到主体116的绑带，该绑带围绕用户104头部后部缠绕。HMD100的鼻部组件(未示出)可以将主体116支撑在用户104的鼻子上。框架108的形状和尺寸可以被设计成将光学系统112定位在用户眼睛105l和105r之一的前面。尽管为了说明的目的，以类似于眼镜的简化方式示出了框架108，但是应当理解，实际上可以使用更复杂的结构(例如，护目镜、集成头带、头盔、绑带等)来将HMD 100支撑和定位在用户104的头部上。

[0025] 虚拟图像显示单元106产生虚拟图像光102，该光线通过光学系统112透射并由光学系统112选择性地修改。虚拟图像显示单元106包括产生呈现给左眼105l的图像光的左显示单元106l和产生呈现给右眼105r的图像光的右显示单元106r。虚拟图像显示单元106可以包括液晶显示器(LCD)、发光二极管(LED)、阴极射线管(CRT)、硅上液晶(LCOS)、或产生虚拟图像光102的其它发光技术。图1所示的实施例的虚拟图像显示单元106位于HMD 100的前部，并向用户104的眼睛以向后的方向发射光。在一些实施例中，虚拟图像显示单元106可以包括将虚拟图像光102导向(例如，反射、折射)眼睛105l或105r的波导，使得虚拟图像显示单元106的发光元件不需要直接在眼睛105l和105r的前面以使用户104感知视觉内容。在一些实施例中，主体116的前部118可以是至少部分透明的，使得用户104可以感知外部内容，以提供增强现实体验。虽然这里未示出，但是HMD 100的一些实施例可以包括各种附加的内部和/或外部传感器，例如，以对每只眼睛105l和105r分别执行瞳孔跟踪、以跟踪头部位置和方向(例如，作为头部跟踪的一部分)、以跟踪用户身体的各种其它类型的运动和位置，以记录外部图像(例如，环境)的照相机等。

[0026] 虽然在一些实施例中，所描述的技术可以与类似于图1所示的显示系统的显示系统一起使用，但是在其它实施例中，也可以使用包括单个光学透镜和显示设备、或者多个此类光学透镜和显示设备的其它类型的显示系统。其它此类设备的非排它性示例包括相机、望远镜、显微镜、双筒望远镜、探视镜、测量镜等。此外，所描述的技术可以与发光以形成图像的各种显示面板或其它显示设备一起使用，一个或多个用户通过一个或多个光学透镜观看该图像。在其它实施例中，用户可以通过一个或多个光学透镜观看以不同于经由显示面板的方式(例如在部分或全部地反射来自另一光源的光的表面上)产生的一个或多个图像。

[0027] 虚拟图像光102可以包括多条光线，这些光线沿着光路126从每个虚拟图像显示单元106通过光学系统112向观察部分120行进。光学系统112修改多个光线中的一些或全部，以提供经校正的虚拟图像光114。光学系统112包括多个光学子系统130，多个光学子系统130包括修改左眼105l的虚拟图像光102的左光学子系统130l和修改右眼105r的虚拟图像光102的右光学子系统130r。左光学子系统130l和右光学子系统130r中的每一个可以独立地调节，以分别校正左眼105l和右眼105r中的视觉缺陷或不足。

[0028] 图2示出了根据一个或多个实施例的图1的光学子系统130(例如，光学子系统130l或130r)的图200。光学子系统130包括接收部分202和发射部分206，接收部分202用于接收对应于单个眼睛的虚拟图像光102的初始虚拟图像光204，发射部分206用于发射经校正的虚拟图像光114。光学子系统130还包括第一校正部分210和第二校正部分212，第一校正部分210位于沿多条光线204的光路126(图1)的第一位置处，第二校正部分212位于第一位置下游的沿光路126的第二位置处。第一校正部分210和第二校正部分212中的每一个都包括一组透镜，可操作其来校正用户104视觉中的缺陷或不足。第一校正部分210可以针对与第二校正部分212不同的一组视觉条件进行校正。例如，第一校正部分210和第二校正部分212中的一个可以校正近视或远视，而第一校正部分210和第二校正部分212中的另一个可以校正散光。如下面进一步详细描述的，第一校正部分210和/或第二校正部分212的光学特性可以通过接收到激励而被调节，例如电信号或机械力的施加。尽管参照图2描述了两个校正部分210和212，但是在一些实施例中，光学系统112可以包括单个校正部分。例如，光学系统112可以包括用于校正近视和/或远视的第一校正部分210和第二校正部分212中的一个，并且可以省略第一校正部分210和第二校正部分212中的另一个。作为另一个示例，光学系统
112可以包括第一校正部分210和第二校正部分212中的一个以校正散光，并省略第一校正部分210和第二校正部分212中的另一个。

[0029] 第一校正部分210用于对初始虚拟图像光204应用第一校正，以校正用户104的第一组视觉条件。初始虚拟图像光204可以包括多条光线205，每条光线具有用于使用户104感知视觉内容的一组特定属性(例如，颜色、方向、亮度)。在操作中，第一校正部分210可以接收第一激励214，第一激励214使得第一校正部分210的第一光学特性改变，或将初始图像光204修改为对第一组视觉条件的校正。然后，第一校正部分210可以发射中间虚拟图像光
216，该中间虚拟图像光216由第二校正部分212接收。中间虚拟图像光216包括多条光线
217，其中至少一些光线217对应于多条光线205。在用户不具有第一组视觉条件的情况下，中间虚拟图像光216可以基本上等于初始虚拟图像光204。也就是说，如果第一校正部分210接收到使得第一校正部分210通过初始虚拟光而不作实质性修改的第一激励214，则中间虚拟图像光216可以具有与接收到的初始虚拟图像光204相同的属性，这是因为用户不需要针对第一组视觉条件进行校正。

[0030] 第二校正部分212用于对中间虚拟图像光216(或者在不存在第一校正部分210的实施例中，对初始虚拟图像光204)应用第二校正，以校正用户104的第二组视觉条件。第二校正部分212可以接收第二激励218，第二激励218使得第二校正部分212的第二光学特性改变，以修改中间虚拟图像光216作为对第二组视觉条件的校正，第二组视觉条件可以与第一组视觉条件不同。然后，第二校正部分212可以发射经校正的虚拟图像光208，经校正的虚拟图像光208包括多条光线，其中至少一些光线对应于光线216。如同使用第一校正部分210一样，如果用户104没有患有任何第二组视觉条件，则经校正的虚拟图像光208相对于中间虚拟图像光216可以是基本未修改的。也就是说，如果第二激励218使得第二校正部分不校正第二组视觉条件中的任何一个或多个，则第二校正部分212可以不修改中间虚拟图像光216。

[0031] 图3是示出根据一个或多个实施例的校正部分的一组透镜302的俯视平面图的图300。特别地，透镜组302是图2的第一校正部分210和第二校正部分212之一的透镜。透镜组
302包括沿着虚拟图像光102的光路126连续布置的第一透镜304和第二透镜306。透镜组302中的每一个可以具有比厚度T长的宽度W。在一些实施例中，例如，当从沿着光路126的角度观察时，透镜302可以具有基本上矩形的形状。沿着光路126行进的虚拟图像光102的光线
308入射并通过第一透镜304的至少一部分和第二透镜306的至少一部分。可在横向于光路
126的方向上选择性地调节第一透镜304和第二透镜306中的至少一个，以便修改光线308的属性。例如，透镜组302可以是可调节的，以设置光学系统112的光学功率或焦点，从而校正用户104的视觉缺陷或不足。第一透镜304可以选择性地沿着横向于光路126的轴310移动，第二透镜也可以选择性地沿着横向于光路126的轴312移动，轴312沿着光路126与第一轴线
310间隔开。在一些实施例中，第一透镜304和第二透镜306中的仅一个可以相对于第一透镜
304和第二透镜306中的另一个移动。在一些实施例中，第一透镜304和第二透镜306中的每一个可相对于第一透镜304和第二透镜306中的另一个移动。

[0032] 第一透镜304和第二透镜306分别具有沿第一轴线310和第二轴线312延伸的宽度W。第一透镜304可以在沿第一透镜304的宽度W的不同部分处具有不同的特性。第一透镜304的第一部分304a可以具有与第二部分304b的厚度和/或曲率不同的厚度和表面曲率。第一部分304a例如可以具有凸透镜表面并且在厚度方向T上具有第一厚度，而第二部分304b可以具有凹透镜表面并且具有不同于第一厚度的第二厚度。第一透镜304的第一表面314可以具有与第一透镜304的第二表面316不同的形状‑例如，第一表面314可以沿着宽度W是平的，而第二表面316可以沿着宽度W是弯曲的(例如，凸的、凹的、蛇形的)。在一些实施例中，第一透镜304可以具有沿着其整个长度弯曲的表面。在一些实施例中，第一透镜304可以具有在一个部分中弯曲但在另一个部分中平坦的表面。平坦部分可以用作不修改虚拟图像光102以校正视觉条件的非校正部分。

[0033] 第二透镜306也可以在沿第二透镜306的宽度W的不同部分处具有不同的特性。第二透镜306的第一部分306a可以具有与第二部分306b的厚度和/或曲率不同的厚度和表面曲率。第一部分306a可以例如具有凹透镜表面并且在厚度方向T上具有第一厚度，而第二部分306b可以具有凸透镜表面并且具有不同于第一厚度的第二厚度。第二透镜306的第一部分306a可以具有与第一透镜304的第一部分304a不同的特性。第二透镜306的第一表面318可以具有与第二透镜306的第二表面320不同的形状‑例如，第一表面320可以沿着宽度W弯曲，而第二表面322可以沿着宽度W平坦。在一些实施例中，第二透镜306可以具有沿着其整个长度弯曲的表面。在一些实施例中，第二透镜306可具有在一个部分中弯曲但在另一部分中平坦的表面。平坦部分可以用作不修改虚拟图像光102以校正视觉条件的非校正部分。在一些实施例中，第一透镜304和第二透镜306可以是Alvarez透镜或Lohmann透镜，其具有相对的互补折射表面(例如，具有采用立方函数的轮廓)和相背的平坦表面。例如，第一透镜304和第二透镜306的相背表面(背向彼此的表面)可以具有基本上平的表面，而第一透镜
304和第二透镜306的相对表面(面向彼此的表面)可以具有彼此相反的互补弯曲轮廓。

[0034] 第一透镜304和/或第二透镜306可以分别沿着轴310和312选择性地移动，以校正可能包括近视和远视的第一组视觉条件。透镜组302可以包括第一致动器322，其物理地联接至第一透镜304并且被配置为沿着轴310移动第一透镜304。第一致动器322可以基于以上关于图2描述的第一激励214的结果而移动，例如，基于施加到表盘、按钮、旋钮等的机械力的结果而移动，或者基于光学系统112接收的使第一致动器322移动的电信号而移动。透镜组302还可以包括第二致动器324，其物理地联接至第二透镜306并且被配置为沿着轴312移动第二透镜306。第二致动器324可以基于激励以类似于第一致动器322和第一激励214的关系的方式移动。第一致动器322和第二致动器324可以彼此独立地移动。因此，第一致动器322可以相对于第二透镜306移动第一透镜304，并且第二致动器324可以相对于第一透镜
304移动第二透镜306。第一透镜304和第二透镜306可以相对于彼此移动，以提供校正视觉条件的光学特性。在一些实施例中，第一透镜304和第二透镜306中的一个可以是固定的，而第一透镜304和第二透镜306中的另一个可以相对于固定透镜进行调节。

[0035] 可以沿着虚拟图像光102的光路126对准第一透镜304和第二透镜306，以校正第一组视觉条件中的一个或多个。例如，第一透镜304的第一部分304a可以与第二透镜306的第一部分306a对准以校正近视。作为另一个示例，第一透镜304的第二部分304b可以与第二透镜306的第二部分306b对准，以校正远视。在一些实施例中，可以对准第一透镜304和第二透镜306的其它部分以将透镜组302转变为非校正状态。在某些情况下，可以沿着光路126对准第一透镜304和第二透镜306的部分，以满足用户104的光学处方。例如，第一透镜304和第二透镜可以相对于彼此定位以调节透镜组302的光学功率(即，屈光度)。在一些实施例中，透镜组302可以提供对应于光学处方的“球形”或折射部分的校正。尽管仅将两个透镜描绘和描述为包括透镜组302，但是透镜组302可以包括附加透镜而不脱离本公开的范围。

[0036] 图4A示出了根据一个或多个实施例的校正部分的一组透镜402的布置400。特别地，透镜组402是第一校正部分210和第二校正部分212中除了透镜组302之外的另一个的透镜。透镜组402包括第一透镜404和第二透镜406，它们在透镜组302之前或之后沿着虚拟图像光102的光路126连续排列。例如，当从平行于光路126的方向观察时，第一透镜404和第二透镜406可以具有基本上圆形的形状。沿着光路126行进的虚拟图像光102的光线408入射并通过第一透镜404和第二透镜406的至少一部分。

[0037] 第一透镜404和第二透镜406可绕平行于光路126的轴选择性地旋转。第一透镜404可绕横向于轴310和轴312的第一轴线410旋转。第二透镜406也可绕横向于轴310和轴312的第二轴线412旋转。在当前实施例中，第一轴线410与第二轴线412同轴。在一些实施例中，第一透镜404和第二透镜406中的仅一个可以相对于第一透镜404和第二透镜406中的另一个旋转。在这种情况下，第一透镜404和第二透镜406中的另一个可以是不可旋转的。在一些实施例中，第一透镜404和第二透镜406中的每一个可相对于彼此旋转。

[0038] 第一致动器414物理地联接至第一透镜404并选择性地围绕第一轴线410旋转第一透镜404。第二致动器416物理地联接至第二透镜406并选择性地围绕第二轴线412旋转第二透镜406。作为一个示例，第一和第二致动器414和416可以分别联接至与第一透镜404和第二透镜406相关联的齿轮或齿，以使透镜响应于致动器施加的力而旋转。第一和第二致动器414和416分别使第一透镜404和第二透镜406的特定部分位于光路126内以修改光线408的属性。例如，透镜组402可被选择性地调节以校正用户104视觉中的光学像差，例如散光。透镜组402可以是可调节的，以提供对光学处方的“柱面”和“轴”部分的校正。而在一些实施例中，透镜组402可以是可调节的，以提供对光学处方的“球形”或折射部分的校正。

[0039] 第一透镜404和第二透镜406可以是Alvarez或Lohmann透镜(有时称为Alvarez‑Lohmann透镜)。在一些实施例中，当从Alvarez或Lohmann透镜的光学表面观察时，Alvarez或Lohmann透镜具有圆形形状。在一些实施例中，当从Alvarez透镜的光学表面观察时，Alvarez透镜具有矩形形状。如本文所述，控制器操作第一致动器414和第二致动器416，以将第一透镜404和第二透镜406的部分定位在光路126中，以修改光线408的属性。例如，在第一透镜404和第二透镜406中的一个或两个是Alvarez透镜的实施例中，可以调节第一透镜404和第二透镜406的相对位置，以提供引起光线408中相位变化的轮廓(例如，圆形轮廓、圆柱形轮廓、椭圆形轮廓)，其校正用户104的视觉条件。

[0040] 图4B示出了沿图4A的线A‑A截取的第一透镜404的正视图。第一透镜404可以在围绕第一轴线410的不同角位置或角区域处具有不同的特性。第一透镜404的第二表面418可以沿着第一透镜404的宽度W变化，以形成在围绕轴410的不同角位置处提供不同光学像差校正的曲面。例如，第二表面418可以沿着围绕轴线410的不同角位置不对称。如图4B所示，例如，第一透镜404可以具有多个区域420，每个区域以围绕轴410的不同角位置θ为中心。每个区域420可以具有不同的光学特性，以对用户104的眼睛或视觉中的光学像差应用不同的校正，例如用于校正散光。例如，第一区域420a以角位置θ1为中心，第二区域420b以角位置θ2为中心，等等，直到N个区域。在图4B中每个区域420被示为不包括其它区域420，然而，这仅仅是为了便于说明而非为了限制。在至少一些实施例中，区域420a、420b、420c、……420n可以彼此重叠。

[0041] 在图4B中，第一透镜404的角位置处于θ1，使得虚拟图像光的光线408的光路126通过第一区域420a。因此，至少部分地根据第一区域420a的光学像差校正特性来修改光线408的属性。第一致动器414可以选择性地旋转第一透镜404，使得光线408的光路126通过与第一区域420a不同的区域，以提供不同的光学像差校正。每个区域420可以使虚拟图像光102的光线408以不同于光线408在其它区域420处折射的角度折射。与第二表面418相对的第一透镜404的第一表面422可以具有与第二表面418不同的形状‑例如，第一表面422可以是水平的或平坦的，使得进入第一透镜404的光线408不被折射。

[0042] 当从平行于光路126的方向观察时，第二透镜406可以具有与第一透镜404类似或相同的圆形形状。第二透镜406可以具有接收从第一透镜404发射的光线408的第一表面424和发射光线408的第二表面426。第一表面424可以与第一透镜404的第二表面418相似或相同。也就是说，第一表面424可以沿着第二透镜406的宽度W变化，以形成弯曲表面，该弯曲表面在围绕轴412的不同角位置处提供不同的光学像差校正，从而以类似于关于第一透镜404所描述的方式折射虚拟图像光102的光线408。在一些实施例中，第二透镜406的第一表面424可以与第二表面418互补，使得第一表面418和424可以彼此接触，而在它们之间不存在空间。在一些实施例中，第二透镜406的第二表面426可以具有不折射所入射的虚拟图像光
102的光线408的水平的或平坦的形状。如上文关于第一透镜404所述，第二致动器416可以选择性地旋转第二透镜406，以使光轴126与对应于特定角位置的第一表面424的区域对准，从而校正用户104视觉的光学像差。

[0043] 第一致动器414和第二致动器416可以彼此合作地分别旋转第一透镜404和第二透镜406，以实现针对用户104视觉的期望的光学像差校正。可以调节第一透镜404的角位置θ和第二透镜406的角位置θ，以在虚拟图像光102中提供补偿用户104视觉散光的光学校正。光学校正可以对应于指示用户104的眼睛的球面光学功率、柱面光学功率和轴的光学处方。
可以合作操作第一透镜404和第二透镜406以满足除散光校正之外的其他光学校正指示。此外，可以调节第一透镜404和第二透镜406的角位置θ，使得透镜组402不提供对诸如散光的视觉条件的光学校正。

[0044] 在一些实施例中，透镜组402可以包括多于两个的透镜。例如，透镜组可以包括位于第一透镜404和第二透镜406之间的一个或多个附加透镜。一个或多个附加透镜可以各自具有一个或两个具有沿透镜的宽度W变化的曲率的光学表面。作为另一个示例，可以在透镜404和406之前或之后沿着光路126提供与第一透镜404和第二透镜406类似或相同的透镜对。附加的一个或多个透镜可以具有与其相关联的致动器，用于选择性地旋转透镜以调节光路延伸穿过的透镜区域。

[0045] 图5A和5B示出了根据一个或多个实施例的第一透镜404和第二透镜406的布置500。除了第一透镜404的轴410与第二透镜406的轴412不同轴，布置500的第一透镜404和第二透镜406具有与布置400相同的尺寸和形状。在一些实施例中，第一透镜404和第二透镜
406中的一个或两个可以沿着横向于光路126的轴移动，以调节光学像差校正的属性。

[0046] 图6示出了根据一个或多个实施例的HMD 100的外部600。HMD100包括连接到主体116的一组绑带602。绑带组602可用于选择性地和可靠地将HMD 100安装到用户104的头部以观看视觉内容。主体116可以包括用于控制HMD 100的各个方面的控制面板604。控制面板
604可以包括用于控制光学系统112的光学特性的一个或多个输入设备，以针对用户104的视觉条件(例如近视、远视、散光)来校正视觉内容。输入设备可以联接至第一致动器322和第二致动器324，以分别控制第一透镜304和第二透镜306沿第一轴线310和第二轴线312的位置。输入设备可以联接至第一致动器414和第二致动器416，以分别控制第一透镜404和第二透镜406围绕第一轴线410和第二轴线412的角位置。

[0047] 输入设备可以是机械联接至相应透镜并配置为控制相应透镜的机械设备。例如，输入设备可以是旋钮或表盘，其通过例如齿轮和轴机械地连接到相应透镜的致动器。用户104对机械输入装置的交互可以使机械力施加到相应的致动器以调节透镜的位置。输入设备可以是电联接至相应透镜并配置为控制相应透镜的电气设备。作为一个示例，输入设备可以响应于用户104的交互而将电信号发送到控制器，作为响应，该控制器而向相应的致动器发送控制信号以调节透镜的位置。控制面板604的电输入设备的非限制性示例包括具有一组键的小键盘，用于提供字母数字输入或用于导航菜单，或者电联接至操作一个或多个致动器的控制器的表盘或旋钮。外部600可以包括显示器606，用于显示关于HMD 100的信息，例如光学系统112的当前光学设置。在一些实施例中，显示器606可以是用户104可以与之交互以控制光学系统112的触摸屏输入设备。

[0048] 在一些实施例中，用户可以结合虚拟图像显示单元106呈现的视觉内容来调节光学系统112的光学设置。例如，佩戴HMD 100的用户可以根据由虚拟图像显示单元106显示的菜单或其他视觉内容与控制面板604或其他输入设备(例如，手持控制器、鼠标、键盘)交互以调节光学设置。作为一个示例，用户可以通过控制面板604或其他输入设备导航菜单，并提供用户输入，该用户输入使得作为响应，光学系统112的光学设置改变。作为另一个示例，HMD 100可以响应于关于用户104感知到的视觉内容的用户输入而实时地调节光学系统112的光学设置。用户可以启动对HMD 100的视觉测试，使得虚拟图像显示单元106显示视觉内容(例如测试模式)，并提示用户提供关于视觉内容的清晰度的输入。基于接收输入，HMD 100可以自动调节光学系统112的光学设置，以改善视觉内容的清晰度，从而改善用户104的体验。

[0049] 图7是示出根据一个或多个实施例的HMD 100的各个部分的互连的框图700。HMD 100包括控制器702，控制器702包括一个或多个处理器704和存储器706，存储器706存储一组指令，基于由一个或多个处理器704执行指令组，使HMD 100执行本文描述的一个或多个操作。作为非限制性示例，存储器706可以包括只读存储器(ROM)和随机存取存储器(RAM)，并且可以是固态存储器或硬盘驱动器的形式。HMD 100还包括电联接至控制器702的通信接口708，用于发送和接收与外部设备的通信。通信接口708可以包括一个或多个诸如Wi‑Fi收发器、蜂窝收发器、BluetoothTM收发器等的无线收发器，其向外部设备(诸如网络路由器或计算设备(例如，膝上型计算机、台式计算机、平板计算机、移动设备))无线地发送通信和从外部设备(诸如网络路由器或计算设备)无线地接收通信。通信接口708可以包括用于与外部设备进行有线通信的有线通信端口，例如通用串行总线端口、网络接口端口等。

[0050] HMD 100可以包括电联接至控制器702的一组输入设备710，用于向HMD 100提供用户输入。例如，作为控制面板604的一部分，输入设备组710中的一个或多个可以设置在HMD 100的外部600。控制器702还可以电联接至虚拟图像显示单元106和/或显示器606(如果包括的话)并且被配置为控制虚拟图像显示单元106和/或显示器606。在一些实施例中，控制器702可以包括一个或多个图形处理单元，用于经由虚拟图像显示单元106生成虚拟图像光
102。

[0051] 如本文所述，控制器702电联接至光学系统112并被配置为控制光学系统112以调节其光学特性。特别地，控制器702电联接至左光学子系统130l的第一校正部分712、左光学子系统130l的第二校正部分714、右光学子系统130r的第一校正部分716和右光学子系统130r的第二校正部分718，并被配置为控制左光学子系统130l的第一校正部分712、左光学子系统130l的第二校正部分714、右光学子系统130r的第一校正部分716和右光学子系统
130r的第二校正部分718。第一校正部分712和716包括透镜组302和透镜组402中的一个，第二校正部分714和718包括透镜组302和透镜组402中的另一个。

[0052] 控制器702电联接至校正部分712、714、716和718的致动器720以控制光学系统112的透镜722的位置。具体地，控制器702向致动器720发送信号(例如，控制信号)，使得致动器720移动或旋转与其联接的透镜722。如上所述，可以控制透镜722的位置(例如，横向偏移、角位置θ)以修改第一校正部分712和716和/或第二校正部分714和718的光学特性。控制器
702可以响应于接收输入而发送信号以控制光学子系统112。例如，控制器702可以响应于接收到经由输入设备710提供的输入来调节光学系统112的光学特性。作为另一个示例，控制器702可以响应于经由通信接口708接收到输入来调节光学系统112的光学特性。

[0053] 由控制器702接收的输入可以具有特定的格式。输入可以指示右眼的处方和/或左眼的处方。对于相应的每只眼睛，输入可以指示屈光力或球面光学功率(有时表示为SPH或S)、柱面光学功率(有时表示为CYL或C)、和/或轴(通常在0和180之间)。输入可以包括用于左光学子系统130l和右光学子系统130r的输入。

[0054] 可以通过用户104提供的反馈来实时调节光学子系统112的光学设置。控制器702可以启动测试以确定要对光学系统112的光学设置进行的调节。测试可以包括使虚拟图像显示单元106显示特定的可视内容(例如测试模式或详细的可视图像)，并提示用户经由输入设备710或控制面板604提供反馈。用户104可以提供指示视觉内容的各方面(例如，文本、图像)看起来不清楚的反馈。控制器702可以调节光学系统112的光学设置，并询问用户104该调节是否提高了视觉内容的各方面的清晰度。可以重复该过程，直到用户104对视觉内容的清晰度满意为止。可以响应于经由输入设备710或控制面板604从用户104接收到用户输入来执行测试。

[0055] 作为用户交互的结果，可以由设备(例如，膝上型计算机、台式计算机、移动设备、控制器)通过通信接口708提供输入。计算设备可以包括一组指令(例如，应用、程序)，用户可以与该组指令交互，使得计算设备发送包括指示或表示用于修改虚拟图像光102以校正用户104的视觉条件的光学特性的信息的通信。如上所述，作为医务人员提供的处方，用户可以将输入输入到输入设备710或计算设备中，并且输入具有预定的格式。

[0056] 控制器702可以响应于从输入设备710或通信接口708接收到输入，确定要发送到致动器720的信号。例如，一个或多个处理器704可以访问存储在存储器706中的数据结构，该数据结构指示要被发送到相应的致动器720的控制信号。数据结构可以是阵列、查找表或其它参考结构，其中，输入数据与要发送到特定致动器720的相应输出(即，控制信号)相关联。在一些实施方式中，控制器702可以将指示光学系统112的当前状态(例如，致动器720的当前状态)的信息存储在存储器706中，控制器702可以根据该信息来确定对致动器720的调节，以满足所接收的输入。

[0057] 在一些实施例中，HMD 100可以被配置为检测用户眼睛105l和105r的视觉条件，并且基于检测自动调节光学系统112。在这样的实施例中，HMD 100可以包括一个或多个传感器724，其检测关于用户眼睛105l和105r的信息，并向控制器702提供测量结果，控制器702相应地调节光学系统112。HMD 100还可以包括用于与传感器724结合使用以获得信息的联接至控制器726的一个或多个照明元件726。发光元件726可以以一定角度发射具有某些特性(例如，频率、强度)的光，使得光反射和被传感器724接收。传感器724可以基于从用户眼睛检测到的光来确定关于用户眼睛的信息。基于所确定的关于用户104眼睛的信息，控制器702可以相应地调节光学系统112的光学特性。这种信息可以包括指示角膜结构的信息，控制器702可以处理该信息以确定要发送到致动器720的用于调节光学系统112的控制信号，使得用户104可以将虚拟图像光102解析为清晰的视觉内容。

[0058] 图8示出了具有光学子系统802的HMD 800的实施例，光学子系统802可选择性地安装在HMD 800中并可从HMD 800移除。特别地，HMD 800具有设置在前部806和观察部分808之间的腔804，腔804的尺寸和形状适于容纳光学子系统802。光学系统802具有尺寸和形状适于紧密配合在腔804内的主体810。光学系统802包含左光学子系统130l和右光学子系统130r(图1)，每个子系统包括本文描述的第一校正部分210和第二校正部分212中的一个或两个。HMD 800被构造成在主体810插入其中时牢固地并选择性地保持光学系统802。主体
810可以例如具有紧固件或其它特征812，其与腔804内的相应特征接合，使得在光学子系统
112插入腔804中时保持光学子系统112。在一些实施方式中，HMD 800可以具有一组门814，打开则允许插入光学系统804，而保持关闭则防止灰尘和碎屑进入HMD 800。

[0059] 如上所述，主体810的前侧816包括用于从虚拟图像显示单元106接收虚拟图像光102的接收部分202。主体810的后侧818包括用于发射经校正的虚拟图像光114的左发射部分206l和右发射部分206r，以供用户104观看。光学子系统812可具有暴露在外表面上的一个或多个电触点820，其尺寸和形状适于与腔804内的相应电触点接合以建立电连接，信号和功率可通过该电连接传输到光学系统802的致动器。

[0060] 在一些实施例中，光学系统802可以包括用于向致动器720发送控制信号的、独立于控制器702的控制器。光学系统802的独立控制器可以从控制器702或通信接口708接收信号或信息，并且根据所接收的信号或信息来调节左光学子系统130l和右光学子系统130r的光学特性。如以上关于控制面板604所描述的，在一些情况下，用户104可以与设置在HMD 800的外部上的输入设备822交互以调节光学特性。

[0061] 在一些实施例中，光学子系统812可以代替电触点820或者除了电触点820之外包括机械接口(例如，表盘、旋钮)，以选择性地调节左光学子系统130l和右光学子系统130r的光学设置。可以由用户操作该机械接口以调节光学设置。在一些实施例中，机械接口可以与腔804内的相应机械接口接合。用户可以与控制面板604交互，这可以使腔内的相应机械接口与光学系统802的机械接口交互，从而调节光学设置。

[0062] 可以组合上述各种实施例以提供进一步的实施例。在本说明书中提及和/或在申请数据表中列出的所有美国专利、美国专利申请公开、美国专利申请、外国专利、外国专利申请和非专利出版物通过引用整体并入本文。如果需要，可以修改实施例的各方面，以采用各种专利、申请和出版物的概念来提供进一步的实施例。

[0063] 可以根据以上详细描述对实施例进行这些和其它改变。通常，在所附权利要求中，所使用的术语不应被解释为将权利要求限制于说明书和权利要求中所公开的具体实施例，而应被解释为包括所有可能的实施例以及这些权利要求所享有的等同的全部范围。因此，权利要求不受本公开的限制。