具有圖案化光學合路器的透視彎曲目鏡的制作方法

本公開總體上涉及光學器件領域，并且特別地，涉及一種透視可頭戴式顯示器。

背景技術：

安裝在頭部的顯示器(“hmd”)或可頭戴式顯示器是一種穿戴在頭部上或周圍的顯示裝置。hmd通常整合某種近眼光學系統，以產生置于用戶前方幾米的放大的虛像。單眼顯示器稱為單眼用hmd，而雙眼顯示器稱為雙眼用hmd。一些hmd僅顯示計算機生成圖像(“cgi”)，而其他類型的hmd能夠將cgi疊加在現實世界視野之上。后一種類型的hmd典型地包含某種形式的透視目鏡，并且可以充當用于實現增強現實的硬件平臺。憑借增強現實，用交疊的cgi增強觀看者的世界圖像也稱為抬頭顯示器(“hud”)。

hmd具有許多實際的和休閑的應用。航天航空應用允許飛行員在不將視線移開飛行路徑的情況下看到至關重要的飛行控制信息。公共安全應用包含地圖和熱成像的戰術顯示器。其他應用領域包含視頻游戲、交通及電信。隨著技術發展，必定有新發現的實際的和休閑的應用；然而，很多這些應用受限于用來實施現有hmd的常規光學系統的成本、尺寸、重量、厚度、視野、效率及成像質量。

技術實現要素：

本發明公開一種與可頭戴式顯示器一同使用的設備，設備包括：彎曲目鏡，引導在視野區域外圍設置的輸入表面處接收的顯示光，并且將顯示光沿著朝向眼睛的方向發射到視野區域中，彎曲目鏡包含：面向眼睛表面，為凹面；面對世界表面，為凸面，并且與面向眼睛表面相反；彎曲光導，設置在面向眼睛表面與面對世界表面之間，以經由全內反射將顯示光從輸入表面引導到視野區域；以及光學合路器，設置在視野區域的彎曲目鏡內，以將顯示光從彎曲光導重新引導向輸出的朝向眼睛的方向，其中光學合路器包含反射元件的圖案，反射元件由填隙區域分隔，其中反射元件反射顯示光，并且填隙區域使穿過面對世界表面入射的環境光通過，使得視野區域為部分透視。

附圖說明

參考下面的附圖描述了本發明非限制性和非窮舉的實施例，其中在各圖通篇中相同附圖標記指代相同部分，除非另有指明。在適當的情況下，并非元素的全部示例都需要標記，以免使附圖混亂。附圖不一定按比例，而是將重點放在圖示所描述的原理上。

圖1是根據本公開的實施例的與可頭戴式顯示器一同使用的光學系統的截面圖。

圖2是根據本公開的實施例的包含彎曲目鏡的可頭戴式顯示器的立體圖。

圖3是根據本公開的實施例的彎曲目鏡和顯示面板的立體圖。

圖4a、圖4b以及圖4c都示出根據本公開的實施例的匹配在一起以形成彎曲目鏡的第一透鏡體和第二透鏡體的不同透視圖。

圖5a、圖5b、圖5c及圖5d示出根據本公開的實施例的用于在彎曲目鏡內實施光學合路器的反射元件的不同圖案。

圖6提供根據本公開的實施例的下垂方程(sagequation)連同表征指示性彎曲光導的表面的示例系數。

具體實施方式

本文描述了用于具有圖案化光學合路器的彎曲目鏡的設備、系統和操作方法的實施例。下面的說明書中，提出了許多具體細節，以提供實施例的徹底理解。然而，相關領域的技術人員應認識到，可以在沒有一個或多個該具體細節的情況下或用其他方法、部件、材料等等的情況下實踐本文描述的技術。在其他情況下，未示出或詳細描述已知的結構、材料或操作，以避免使某些方面模糊。

此說明書通篇引用的“一個實施例”或“實施例”意指關于實施例描述的特定特征、結構、或特性包含在本發明的至少一個實施例中。因此，本說明書通篇中各處出現的短語“在一個實施例中”或“在實施例中”不一定指相同的實施例。此外，在一個或多個實施例中，特定特征、結構或特性能夠以任意適當形式組合。

圖1是根據本公開的實施例的與可頭戴式顯示器一同使用的光學系統100的截面圖。光學系統100的圖示實施例包含顯示面板105、偏振旋轉器110、棱鏡115及彎曲目鏡120。彎曲目鏡120的圖示實施例包含其中設置彎曲光導127的第一透鏡體125、第二透鏡體130、光學合路器135、輸入表面140、凸面的面對世界表面145及凹面的面向眼睛表面150。

光學系統100非常適用于與具有近眼配置的可頭戴式顯示器一同使用。當與可頭戴式顯示器集成時，彎曲目鏡120通過視野區域160外圍設置的輸入表面140接收由顯示面板105產生的顯示光155，并且沿著朝向眼睛的方向將顯示光155發射到視野區域160中，視野區域160朝向眼盒(eyebox)170內的用戶的眼睛165。在一個實施例中，通過輸入表面140與光學合路器135之間的全內反射，將顯示光155在彎曲光導127內引導。在其他實施例中，可以施加角度選擇性反射涂層(例如，多層二向色性薄膜堆疊體)，以促進彎曲光導127內具有足夠傾斜度的反射，同時透射接近法向的角度。在圖示的實施例中，彎曲目鏡120為透視的，允許用戶看見穿過面對世界表面145入射的環境光。

操作期間，顯示面板105產生顯示光155，以形成顯示圖像(例如，計算機生成圖像)。可以使用各種顯示技術來實施顯示面板105，包含液晶(“lc”)顯示器、發光二極管(“led”)顯示器、有機led(“oled”)顯示器、硅上lc(“lcos”)顯示器，或其他微顯示器技術。

在圖示的實施例中，將顯示光155可選地導向穿過偏振旋轉器110。偏振旋轉器110取向為將顯示光155的線偏振與彎曲光導127的中心線對準，以降低雙折射中的不對稱度。中心線沿著彎曲光導127中心的對稱軸。在一個實施例中，偏振旋轉器110為半波板旋轉器，其關于顯示面板105的發射表面的法向量(軸106)具有角度旋轉β。偏振旋轉器110可以用于顯示面板105為偏振顯示器(例如，lcos、微lcd)的情況下的實施例中。

在進入彎曲光導127中之前，還將顯示光155導向穿過棱鏡115。棱鏡115設置為接近輸入表面140，以對于由彎曲光導127內的反射(例如，全內反射)造成的橫向色像差預補償顯示光155。橫向色像差導致彩色圖像的色彩分量橫向地分離或偏移，其有損圖像質量。棱鏡115設計為對于此色分離預補償。

在圖示的實施例中，相對于彎曲目鏡120來取向顯示面板105和棱鏡115，使得從顯示面板105的像素輸出的顯示光155的主光線175被引導穿過彎曲光導127，并且導向為實質上穿過眼盒170的中心。顯示面板105的每個像素具有其自身的主光線，其理想地為從給定的顯示器像素投射出的中心法向光線。理想地，設計彎曲目鏡120，使得來自每個像素的主光線穿過眼盒170的中心，由于每個像素的在顯示面板105上的不同位置，每個主光線以不同角度穿過中心。換而言之，將顯示面板105上的像素位置解譯為眼盒170處的光線角度。此理想情況提供眼盒170上亮度均勻度的改善。然而，實踐中理想目標可能無法實現。相應地，本文中我們將給定像素的主光線175定義為對于該給定像素從顯示面板105發射的在某圓錐內的光線，該圓錐具有距法向(如從顯示面板105的發射表面測量的)3度的弧度。此“主光線”對于實際實施方式足夠接近于法向。通過相對于彎曲光導127來取向顯示面板105和棱鏡115，并且將彎曲光導127設計為具有適當的幾何結構，當從眼盒170觀看、當主光線175實質上穿過眼盒170的中心時，顯示圖像感知為具有高度均勻的亮度。包含棱鏡115有助于縮小輸入表面140的尺寸，同時有助于像素和橫向色像差的補償。相比之下，可以通過將顯示面板105傾斜為相對于輸入表面140較大的傾角，省略棱鏡115；然而，這樣做導致較大的輸入表面140，其改變彎曲目鏡120接近輸入表面140的端部形狀，并且降低圖像亮度。

隨著將顯示光155從輸入表面140通過彎曲光導127引導到視野區域160，彎曲光導127的曲率賦予每次反射或折射屈光度。彎曲目鏡120在輸入表面140處賦予折射屈光度，并且一經顯示光155發射到面向眼睛表面150外賦予折射屈光度。彎曲目鏡120的圖示的實施例經由四次全內反射相互作用以及一次反射離開光學合路器135來賦予反射屈光度。屈光度相互作用整體地用于放大顯示圖像，并將虛像移置，使得用戶可以在近眼配置中將圖像帶到焦點。應當理解，彎曲目鏡120可以實施為具有其他次數的反射跳躍，來將顯示光155從外圍輸入區域傳輸到光學合路器135。

圖6表現具有示例性系數值的下垂方程，系數值指定彎曲光導127的表面的示例性曲率，表面包含：面向眼睛表面150(s1)、光學合路器表面135(s2)、朝外面對表面(s3)及輸入表面140(s4)。表面s1-表面s4全部位于透鏡體125上，并且限定彎曲光導127。圖6還表現用于定位表面s1至s4的示例性坐標。當然，可以實施其他曲率、平坦表面及坐標。特別地，盡管將表面s1和表面s3的圖示的實施例描述為球形表面，在其他實施例中，可以將一個或多個這些表面描述為自由形態表面、旋轉對稱非球形表面、變形非球形表面、圓環表面、澤爾尼克多項式表面、徑向基函數表面、x-y多項式表面，非均勻有理b-樣條表面，或不同表面。

回到圖1，使用反射元件的圖案來實施光學合路器135，圖案由填隙區域分隔。反射元件反射顯示光155，同時填隙區域使穿過面對世界表面145入射的環境光156通過，使得視野區域160(和光學合路器135)為部分透視。在一個實施例中，填隙區域為相鄰反射元件之間的間隙。

圖5a-圖5d圖示了由填隙區域分隔的反射元件的示例性圖案。圖5a-圖5d圖示了光學合路器135的示例性實施方式。圖5a圖示了由填隙區域515分隔的反射元件510的示例性網格圖案505。在圖5a中，反射元件510為矩形元件。圖5b圖示了由填隙區域530分隔的反射元件525的示例性網格圖案520。在圖5b中，反射元件525為圓形或橢圓形元件。圖5c示出了由填隙區域545分隔的反射元件540的示例性網格圖案535。在圖5c中，反射元件540為六邊形形狀的元件。圖5d示出了由填隙區域555分隔的反射元件550的示例性徑向圖案545。在圖5d中，反射元件550為圓形或橢圓形的元件。應當理解，可以將反射元件實施為具有其他幾何形狀，并且設置為其他分布圖案。例如，反射元件可以具有貝塞爾形，或可以經由多項式分布、偽隨機分布圖案或不同的分布模式來描述分布圖案。此外，分布圖案和元件形狀的組合不限于圖5a-圖5d中所示的論證性組合。

在一個實施例中，反射元件實施為不透明反射體。示例性不透明反射體包含足夠厚的金屬層(例如，鋁、銀，等等)，其實質上反射入射到給定反射元件的表面上的全部可見光。可以使用其他不透明反射材料。在其他實施例中，反射元件可以為部分反射體或分束器(例如，薄銀涂層，多層電介質薄膜，等等)。在任一實施例中，將部分反射體對填隙元件的總表面積填充系數選擇為使得光學合路器135總體上透射性大于反射性。在一個實施例中，光學合路器135為總體上對于入射可見光小于30％的反射性。在反射元件為不透明反射體的情況下的實施例中，反射元件對填隙區域(例如，間隙)的總表面積填充系數小于30％由反射元件覆蓋，以實現總體上小于30％的反射度。相應地，通過調整反射元件的填充系數，可以調整光學合路器135的總體反射度。在一個實施例中，光學合路器135為總體15％反射性和85％透射性。當然，可以實施其他反射性/透射性比例，以實現對穿過面對世界表面145入射的環境光156部分透射的視野區域160，使得視野區域160為透視的。

光學合路器135的單個反射元件的尺寸調整為避免顯示光155在反射時的衍射。相應地，反射元件的表面積和周界形狀可以選擇為具有在可見波長處實質上不引起衍射的最小化尺寸和形狀。例如，反射元件可以具有大于100μm的直徑或寬度(或大于7,850μm²的表面積)。在各種實施例中，反射元件具有在100μm至500μm之間的直徑或寬度。當然，可以使用其他(更小或更大)的幾何尺寸，只要特征尺寸不小到在反射中引起多度的衍射(實質上損害圖像質量)，并且不大到在環境光156中引入可視遮擋。然而，值得注意的是，預期500μm特征尺寸(例如，500μm直徑或寬度)為足夠小而對近眼配置中的用戶不可見。

圖2為根據本公開的實施例的可頭戴式顯示器200的透視圖，其合并了具有彎曲目鏡120的左實例和右實例的光學系統100的左實例和右實例。彎曲目鏡120安裝到框架組件，其包含鼻梁205、左耳臂210，以及右耳臂215。左耳臂210和右耳臂215內的內部腔220和225可以含有各種電子器件，包含微處理器、接口、一個或多個無線收發器、電池、揚聲器、控制器等等。在一個實施例中，鼻梁205或耳臂的面向前方的角部210、215中的任一個可以包含拍照模塊，其用于捕捉外部場景的面向前方的圖像或用戶的(一個或兩個)眼睛的面向后方的圖像。盡管圖2示出了雙眼用實施例，可頭戴式顯示器200也可以實施為單眼用顯示器，其僅具有當配戴時僅與用戶的一只眼睛對準的一個彎曲目鏡120。

在圖示的實施例中，將彎曲目鏡120修邊，以符合框架組件的形狀并固定到眼鏡布置中，以能夠將可頭戴式顯示器200佩戴在用戶的頭上。左耳臂210和右耳臂215置于用戶的耳朵上，而鼻梁205置于用戶的鼻子上。將框架組件造型并尺寸化為將視野區域160(包含光學合路器135)設置在用戶的眼睛前方。在一個實施例中，相對于用戶的眼睛設置光學合路器135，使得用戶稍微向下看(例如，7度)，并且向左或向右(例如，15度)來觀看顯示圖像。可以實施其他角度，并且可以采用具有其他形狀的其他框架組件(例如，單個連續耳機構件、頭帶、護目鏡型的眼睛，等等)。操作視野區域160內的光學合路器135，以將顯示光155重新導向到每只眼睛，同時允許環境光156穿過，從而為用戶提供現實世界的擴增視野。

圖3是根據本公開的實施例的彎曲目鏡120和顯示面板105的透視圖。如圖所示，彎曲光導127引導顯示光155從顯示面板105輸出，并且穿過輸入表面140接收到光學合路器135。圖3還示出了如何從匹配在一起的兩個透鏡體125和130形成彎曲目鏡120。在圖示的實施例中，彎曲光導127完全設置在透鏡體125內，而透鏡體130完成整體目鏡，以在不扭曲環境光156和干凈的工業設計的情況下提供透視鏡片。

圖4a、圖4b及圖4c示出了根據本公開的實施例的透鏡體125和130的不同分解圖。圖4b和圖4c圖示了僅透鏡體125的分解圖(各自從不同角度)，而圖4a示出了僅透鏡體130的分解圖。如圖所示，透鏡體130包含薄部分405、厚部分410及過渡表面415，過渡表面415設置在薄部分405與厚部分410之間的過渡處。相似地，透鏡體125的圖示的實施例包含薄部分420、厚部分425及過渡表面430，過渡表面430設置在薄部分420與厚部分425之間的過渡處。在一個實施例中，使用透明粘合劑將透鏡體125匹配到透鏡體130，透明粘合劑的折射率小于透鏡體125和130的折射率。低折射率透明粘合劑形成兩個透鏡體125與130之間的全內反射(“tir”)邊界，其限定透鏡體125的厚部分425內的彎曲光導127的內部邊界。在圖示的實施例中，可以將低折射率透明粘合劑施加到表面416(圖4a)和/或表面417(圖4b)，以形成tir邊界。當然，也可以施加相同的粘合劑，以接合透鏡體125與透鏡體130之間的其他界面表面。也可以使用其他涂層(比如角度敏感多層二向色性涂層)來形成內部反射邊界。

彎曲光導127的視野區域160由光學合路器135限定，光學合路器135設置在當透鏡體130與125匹配到一起時過渡表面415與430之間的交點或界面處。在各種實施例中，光學合路器135可以形成在過渡表面415或430中的一個或兩者上。如圖所示，光學合路器135不需覆蓋過渡表面415或430的整個范圍，而可以僅覆蓋其一部分。光學合路器135的反射元件符合過渡表面415和430的曲率。從而，此曲率在反射中對顯示光155引入屈光度，同時實質上對穿過反射元件之間的填隙區域的環境光156透明。

彎曲目鏡120實施為薄的，彎曲目鏡具有小于8mm的厚度，并且在一個實施例中大約為4.0mm厚。透鏡體125和130可以由透明光學級塑料(例如，聚碳酸酯，等等)形成，透明光學級塑料具有1.64的折射率。然而，折射率越高，彎曲目鏡可以設計得越薄。使用較高折射率的材料的直接優點是減小發生tir的角度。這有效地允許減小輸出耦合器的角度的設計，其或者對于給定彎曲光導厚度可以增大眼盒的尺寸，或者對于給定的眼盒尺寸可以減小彎曲眼鏡的總體厚度。將較高折射率材料用于彎曲目鏡還可以提供光學級粘合劑的折射率的較大靈活度，光學級粘合劑用于將透鏡體125和130接合到一起。

面向眼睛表面150和面對世界表面145兩者的曲率可以實施為球形表面。整體上，彎曲目鏡120的曲率和纖薄特性提供了所期望的工業設計。彎曲目鏡120不僅具有所期望的工業設計，也是有效率的，因為從輸入表面140行進到光學合路器135的顯示光155的僅有損失反彈理想地為由光學合路器135自身的單次重新定向。這允許光學合路器135和視野區域160為實質上透射性大于反射性，從而改善彎曲目鏡120在視野區域160中的透視特性。

在圖示的實施例中，面對世界表面145提供補充曲率，以抵消由環境光156遇到的面向眼睛表面150的曲率的屈光度。此外，在一個實施例中，透鏡體125和130由相同透明材料制成，或由具有實質上相同折射率的透明材料制成。從而，彎曲目鏡120運行為透視顯示器，其將環境光156與顯示光155組合，顯示光155被導向到視野區域160外，沿著朝向眼睛的方向進入眼睛165。以此方式，彎曲目鏡120能夠向眼睛165顯示增強現實；然而，彎曲目鏡120的面對世界表面145和面向眼睛表面150的組合曲率彼此補償，并且隨著環境光156在視野區域160中穿過彎曲目鏡120整體地不賦予其光焦度。在其他實施例中，面對世界表面145和面向眼睛表面150的曲率可以不平衡，以賦予環境光156規定的光焦度。

本發明闡述的實施例的上述描述(包含在摘要中描述的內容)不意圖窮舉或限制本發明為所公開的精確形式。本文描述本發明的實施例及其示例僅為闡述性目的，相關領域技術人員應該認識到，在本發明的范圍內可以進行各種修改。

鑒于以上詳細說明，可以對本發明進行這些修改。下面的權利要求中所用的術語不應理解為將本發明限制為說明書公開的具體實施例。反之，本發明的范圍完全由下面的權利要求限定，其應根據權利要求解釋的建立的教義來理解。