Meta专利提出空间定位自由曲面光学元件，为眼动提供图像失真补偿
提供失真补偿和图像清晰度增强
（映维网Nweon 2023年04月08日）现在VR头显可以纳入可以追踪用户眼睛的眼动追踪单元。但在使用过程中，眼动追踪单元可能会偏离并呈现为“离轴”，而离轴眼动追踪光学元件生成的图像可能会失真。
针对这个问题，Meta在名为“Compact imaging optics using spatially located, free form optical components for distortion compensation and image clarity enhancement”的专利申请中提出利用空间定位的自由曲面光学元件，通过紧凑的成像光学器件来提供失真补偿和图像清晰度增强。
空间定位的自由曲面光学元件可以用于调整不平衡的垂直和水平纵横比（如由离轴眼动追踪单元引起），并且可以能够对抗失真。在一个实施例中，空间定位的自由曲面光学元件可以利用曲率来实现相位轮廓中的相位变化，从而生成更清晰的图像，并允许光学摄像头更有效地追踪眼球。
空间定位的自由曲面光学组件可以位于光学系统内的多个位置中的一个或多个位置，以便实现特定的成像特性或满足特定的成像要求。空间定位的自由曲面光学组件可以同时实现反射和透射属性。
在一个实施例中，可以在第一位置提供空间定位的自由曲面光学组件，所述第一位置可以允许空间定位的自由曲面光学组件反射光线。在其他示例中，空间定位的自由曲面光学组件可以在第二位置实现，所述第二位置可以允许空间定位的自由曲面光学组件传输光线。
如上所述的空间定位自由曲面光学组件可以实现多个视图（即多视图），这可以支持摄像头能够从多个不同的方向追踪眼球。
例如，空间定位的自由曲面光学组件可以划分为具有特定衍射设计的多个区域，而多个区域中的每一个可以将入射光线衍射向光学摄像头的特定区域。以这种方式，光学摄像头将能够如同多个摄像头设置一样，从多个不同方向追踪眼球。
Meta指出，空间定位的自由曲面光学组件的又一优点是像差补偿。特别地，所描述的空间定位的自由曲面的光学组件可以对抗光学系统中固有的各种像差。另外，可以通过优化自由曲面光学组件的物理方面（例如曲率）和相位轮廓来实现最佳性能。事实上，与典型的光学系统相比，空间定位的自由曲面光学组件可以帮助相关光学系统实现更高的分辨率。
所以，通过提供在尺寸、厚度等方面可定制的空间定位自由曲面光学组件，厂商能够以一种灵活且低成本的方式来提高图像清晰度，而不会增加光学组件的尺寸、厚度和成本。
图4示出了包括空间定位自由曲面光学组件的系统图例。光学系统400可以包括光学摄像头401和空间定位的自由曲面光学组件402。
空间定位的自由曲面光学组件402可以是全息光学元件（HOE）。光学摄像头402可以向空间定位的自由曲面光学组件401发射光线，以向视窗403反射，从而生成反射图像404。在一个实施例中，反射图像404可以用于追踪眼球403等。
空间定位的自由曲面光学组件401可以独立于光学摄像头402，而在其他示例中，可以将空间定位的自由曲面光学组件401纳入至光学摄像头402。空间定位的自由曲面光学组件401除了具有特定的宽度和高度之外，它同时可以具有最小的厚度，使得空间定位的自由曲面的光学组件401能够定位在光学组件中。
通常，光学摄像头可以将光线传输到光学元件。光学摄像头在利用合并的光线时，可能仅从一个（合并的）方向追踪用户眼球，并且可能仅能够提供用户眼球的一个“视图”。
但如上所述，空间定位的自由曲面光学组件可以提供多个视图（即多视图），从而允许光学摄像头将能够如同多个摄像头设置一样，从多个不同方向追踪眼球。
图5A-5C示出了包括空间定位的自由曲面光学组件的光学设。
如图5A所示，光学系统500可以包括光学摄像头502。光学摄像头502可以向空间定位的自由曲面的光学组件501传输光线。光线可以从空间定位的自由曲面光学组件501反射向平面503，其中反射的光线可以被分析以追踪用户的眼球。
为了支持摄像头能够从多个不同方向追踪对象的多个视图，可以将空间定位的自由曲面光学组件501划分为多个区域。特别地，空间定位的自由曲面光学组件501的表面可以划分为具有特定衍射设计的多个区域。在一个示例中，多个区域的特定衍射设计中的每一个可以是唯一。
上述多个区域中的每一个可以以特定的“视角”衍射入射的光线，使得多个“聚集”的光线中的一个能够以特定视角从眼球平面（背面）反射并朝向光学摄像头502反射。
另外，多个光束簇中的每一个可以由光学摄像头502捕获。以这种方式，光学摄像头502可以从多个不同的方向追踪眼球，同时能够更准确地确定眼球的注视角度。
在图5B中示出了包括具有特定衍射设计的多个区域的空间定位自由曲面光学组件504。空间定位的自由曲面光学组件504可以包括具有特定衍射设计的多个区域504a–d。
第一区域504a可以设计为衍射红色光线（即红色簇），第二区域504b可以设计成衍射黄色光线（即黄色簇），第三区域504c可以设计用于衍射绿色光线（即绿色簇），以及第四区域504d可以设计用来衍射蓝色光线（即蓝色簇）。
如图5C所示，多个区域的特定衍射设计可以以不同（即唯一）的特定视角衍射红色光束簇、黄色光束簇、绿色光束簇和蓝色光束簇。
光学摄像头511可以接收来自红光簇、黄光簇、绿光簇和蓝光簇的每一个，以从多个方向追踪对象。在一个示例中，如上所述的多视图特征可以用于减轻睫毛遮挡的影响。
图6示出了包括空间定位的自由曲面光学组件的光学元件示意图。光学系统600可以包括光学摄像头601、空间定位的自由曲面光学组件602、第一光学元件604和第二光学元件605。光学摄像头601可以向空间定位的自由曲面光学组件602发射光线。空间定位的自由曲面光学组件602可以是全息光学元件（HOE）。
空间定位的自由曲面光学组件601可以位于第一位置602a（即透射位置），并用作透射元件。特别地，当位于第一位置602a时，空间定位的自由曲面光学组件602可以令透射的光线穿过并朝向平面603行进。所以，空间定位的自由曲面光学组件602可以用于增强现实，以修改或增强图像。
空间定位的自由曲面光学组件602可以位于第二位置602b（即反射位置），并用作反射器元件。当位于第二位置602b时，空间定位的自由曲面光学组件602可以使得透射的光线经由平面603追踪眼球。所以，空间定位的自由曲面光学组件602可以用于虚拟现实环境。
在实现多视图配置的示例中，当光学组件602位于第一位置602a和第二位置602b时，可以将其划分为多个段，所述多个段可以收集处于多个视角的光束簇，使得处于一个视角的每个光束簇可以到达光学摄像头601传感器的对应部分。此
如上所述，空间定位的自由曲面光学组件可以是“自由曲面”，因为它可以采取各种物理形式。
空间定位的自由曲面光学组件的形式（例如曲率）与特定的相位轮廓相关联。空间定位的自由曲面光学组件可以根据特定的相位轮廓反射光线。
在一个实施例中，空间定位的自由曲面光学组件可以实现可以提供渐进相位变化的相位轮廓。逐渐的相位变化可以是线性相位变化。
图7A-7C示出了用于HOE的相变轮廓的各方面。
线性相变轮廓可能导致光学元件传递失真的图像。如图7C所示，当可以投影具有矩形形状的图像701时，图像702的失真版本可以看起来具有梯形形状。因此，渐进或线性相位变化的实现可能导致Keystone失真。
另一方面，空间定位的自由曲面光学组件可以实现球面、圆柱形、非球面或无曲率。换句话说，空间定位的自由曲面光学组件可以实现为具有非线性（即弯曲）表面。
图8A-8C示出了用于弯曲全息光学元件（HOE）的相变轮廓。
具有弯曲相位轮廓的空间定位自由曲面光学组件可以使投影图像与实际图像更加一致，从而克服上述问题。
具体地，如图8C所示，空间定位自由曲面光学组件可以具有和/或实现曲率，具有矩形形状的图像801可以投影到同样可以具有（类似）矩形形状的投影图像802。
应该意识到，可以选择与空间定位自由曲面光学组件相关联的弯曲度，以优化光学设备的图像生成。所以，在光学设备中实现的空间定位自由曲面光学组件可以提供增加的图像分辨率，并且可以通过平衡所生成图像的垂直和水平平面的纵横比来校正失真。
事实上，通过利用具有曲率的空间定位自由曲面光学组件来实现优化的相位轮廓，可以显著提高整体失真性能，例如图像失真可以从-16.7%降低到~4.4%。
图9示出了用于在光学设备中实现空间定位自由曲面光学组件的方法流程图，
在方框910，可以提供空间定位的自由曲面光学组件，包括将自由曲面光学组件的表面划分成具有特定衍射设计的多个区域。
在方框920，可以提供空间定位的自由曲面光学组件，而空间定位的自由曲面光学组件可以实现为具有非线性（即弯曲）表面。所以，空间定位的自由曲面光学组件可以实现非线性相变。
在方框930，空间定位的自由曲面光学组件可以空间定位在光学设备内。在一个实施例中，空间定位的自由曲面光学组件可以位于第一位置，并用作透射元件。在其他示例中，空间定位的自由曲面光学组件可以位于第二位置，并用作反射器元件。
名为“Compact imaging optics using spatially located, free form optical components for distortion compensation and image clarity enhancement”的Meta专利申请最初在 提交，并在日前由美国专利商标局公布。
