使用VR显示器中的菲涅耳透镜的光场曲率的优化制造技术

一种透镜组件(106)具有两个相对的表面(110、112)，每一表面在与相对表面所引入的场曲率方向相反的方向上引入场曲率，且因此所述两个表面引入的场曲率至少部分彼此抵消，从而产生提供基本平坦像平面或提供具有指定曲率的像平面的净场曲率。所述透镜组件可以被实现为具有两个相对菲涅耳表面的透镜，使得在菲涅耳表面中的一者所引入的一个方向上的场曲率被在相对菲涅耳表面所引入的相反方向上的场曲率至少部分抵消。替选地，所述透镜组件可以被实现为透镜(706)，其具有面对用户的眼睛的正连续非球面表面(712)和面对显示面板(102)的相对菲涅耳表面(710)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用VR显示器中的菲涅耳透镜的光场曲率的优化
本公开大体上涉及虚拟现实显示器，且更具体涉及虚拟现实显示器中的光学透镜组件。
技术介绍
场曲率(也称为“佩兹伐(Petzval)场曲率”)(其表现为弯曲的物/像平面)是成像系统中最主导的像差之一，且尤其是在虚拟现实(VR)系统中，因为它们通常具有大的视场(FOV)。在近眼显示系统中，场曲率现象特别成问题，其中对于给定的注视方向，小的眼睛的瞳孔大小导致小的数值孔径(例如，大约0.05)，且因此较低阶的像差(诸如上述场曲率)占主导地位。头戴式显示器(HMD)装置和其他近眼显示系统通常利用正非球面透镜，其使得图像显示平面朝向透镜弯曲，而不管透镜的哪一侧具有非球面曲率。常规地，通过在正非球面透镜的设计中强制非球面参数来使像平面平坦化或者使用附加的负焦度(negativepower)光学元件来抵消由正非球面透镜引入的场曲率，实现由这样的透镜引入的场曲率的减小。任一方法都导致图像分辨率的不期望的折衷，且补偿性负焦度光学元件的使用导致较厚和较重的光学系统，这在HMD装置中实现时可能增加用户的不适感。附图说明通过参考附图，本公开可以被更好地理解，且其众多特征和优点对于本领域技术人员变得显而易见。相同附图标记在不同附图中的使用指示类似或相同的项目。此外，出于说明的目的，附图中各种特征的尺寸可以相对于其他特征的尺寸而放大。图1是根据一些实施例的采用具有相对菲涅耳表面的透镜组件以提供平衡场曲率的近眼显示系统的横截面视图。图2是示出根据一些实施例的使用具有相对的菲涅耳表面的透镜组件提供平衡场曲率的横截面视图。图3是示出根据一些实施例的用于调整透镜组件的相对菲涅耳表面的设计参数以实现期望的净场曲率的过程的图。图4是示出根据一些实施例的图1的透镜组件的各种实施方式的横截面视图。图5是示出根据一些实施例的用于制造具有相对菲涅耳表面的透镜组件的示例方法的横截面视图。图6是根据一些实施例的采用正连续非球面表面和相对菲涅耳表面用于平衡场曲率的透镜组件的横截面视图。图7是根据一些实施例的采用正连续非球面表面和具有狭长棱镜的相对菲涅耳表面的透镜组件的横截面视图，所述棱镜提供全内反射(TIR)效应。图8是根据本公开的至少一个实施例的实现具有平衡场曲率的透镜组件的头戴式显示器(HMD)装置的后视图的图。具体实施方式正非菲涅耳非球面透镜总是在透镜的方向上(即，朝向透镜)引入场曲率。因此，无论这样的透镜被定向为非球面表面朝向用户的眼睛还是朝向显示面板，通过透镜呈现的像平面都朝向眼睛弯曲。然而，呈现影像的显示面板通常是平坦的，且显示面板轮廓与弯曲像平面之间的这种差异导致离焦像差和其他与场曲率相关的像差。然而，专利技术人已发现正非球面菲涅耳透镜(即，具有非零非球面项的菲涅耳表面)由于局部曲率随着这样的透镜的孔径位置而变化的事实而以不同的方式操作。当非球面菲涅耳透镜的菲涅耳棱镜在面对用户眼睛的侧上时，所得像平面朝向用户的眼睛弯曲，而当菲涅耳棱镜在面对显示面板的侧上时，所得像平面朝向显示面板弯曲。即，菲涅耳透镜的场曲率的方向是取决于在菲涅耳棱镜所在的侧。因此，本文更详细描述，可以充分利用菲涅耳棱镜侧/定向与引入的场曲率的方向之间的这种关系来采用具有两个相对表面的透镜组件，每一表面在与由相对表面引入的场曲率相反的方向上引入场曲率，且因此两个表面所引入的场曲率至少部分彼此抵消，从而产生了提供基本上平坦的像平面的净场曲率，或者在一些实施例中，可以定制所述关系以提供具有指定曲率(例如，与近眼显示系统中采用的弯曲显示面板的曲率匹配的曲率)的像平面。这个所得的净场曲率在本文称作“平衡”场曲率，因为它可以与期望的像平面曲率紧密对准。在一些实施例中，此透镜组件被实现为具有两个相对菲涅耳表面的透镜组件，使得在菲涅耳表面中的一者所引入的一个方向上的场曲率被在相对菲涅耳表面所引入的相反方向上的场曲率至少部分抵消。此外，透镜组件并不限于两个相对的菲涅耳表面，而作为替代可以用多于两个相对的菲涅耳表面实现，每一菲涅耳表面引入对应的场曲率，且透镜组件的净场曲率由菲涅耳表面中的每一者的场曲率的有效“相加”而产生。在其他实施例中，此透镜组件被实现为具有面对用户眼睛的正连续(即，非菲涅耳)非球面表面和面对显示面板的相对菲涅耳表面的透镜主体。图1示出根据一些实施例的利用提供平衡场曲率的透镜组件的近眼显示系统100的横截面图。近眼显示系统100可以包含例如HMD装置、抬头显示器等等。近眼显示系统100包含至少一个显示面板102和设置在显示面板102与用户眼睛104之间的透镜组件106，使得用户通过透镜组件106来查看显示面板102。因而，由透镜组件106引入的与显示面板102呈现的像平面不匹配的任何场曲率通常表现为从显示面板102的中心(或从透镜组件106的光轴109与显示面板102相交的点)向外越来越失焦。为了抵消此场曲率效应，透镜组件106采用具有两个相对表面110、112的透镜主体108，其中表面110面对用户的眼睛且表面112面对显示面板102。如图1中描绘，表面110具有设置在其上且以朝向眼睛104的方向定向(即，从透镜主体108向外朝向用户的眼睛104)的正非球面菲涅耳棱镜。同样地，表面112具有形成在其上且定向在相反方向，即朝向显示面板102的方向(即，从透镜主体108向外朝向显示面板102)上的正非球面菲涅耳棱镜。如本文所使用，术语“菲涅耳表面”指代在其上形成或以其他方式设置有正非球面菲涅耳棱镜(也经常被称作菲涅耳“小平面(facet)”)的透镜的表面或其他层，且因此表面110、112在本文称作“菲涅耳表面110、112”。透镜组件106可以使用多种制造技术中的任一者来如此形成。为了说明，透镜主体108可以由光学塑料或玻璃构成，且菲涅耳表面110、112在制造透镜组件106时作为模制过程的一部分形成。替选地，菲涅耳表面110、112可以经由例如压印(embossing)、激光烧蚀或其他加工技术形成在塑料或玻璃透镜坯料中。此外，如下文参考图6详细描述，透镜组件106可以通过接合两个独立的菲涅耳透镜来形成，每一透镜具有菲涅耳表面和相对的平表面。如上所述，因为菲涅耳表面110、112是相对的菲涅耳表面，且因此，在相反方向上引入场曲率，所引入的场曲率至少部分地抵消并因此产生更好地匹配意图的像平面曲率的净场曲率。图2更详细示出此平衡的场曲率效应。如横截面图201所描绘，具有定向朝向眼睛104(如瞳孔200所表示)的菲涅耳棱镜的菲涅耳表面110引入在眼睛104的方向上的场曲率，且因此产生朝向眼睛104弯曲的像平面204。相反地，如横截面图202示出，具有定向朝向显示面板102的菲涅耳棱镜的菲涅耳表面112引入在远离眼睛104的方向上的场曲率，且因此产生远离眼睛104弯曲的像平面206。因此，如横截面图203所示，当菲涅耳表面110、112两者被实现为透镜组件106中的相对透镜表面时，菲涅耳表面110、112所引入的场曲率至少部分彼此抵消(因为它们在相反方向上)，且透镜组件106的净场曲率产生具有较不严重曲率的像平面208，且因此展现出减少或消除的聚焦像差。图3示出根据一些实施例的用于设计透镜组件106的相应菲涅耳表面110、112以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种设备(100)，包括：透镜组件(106)，包括具有相对的第一表面(110)和第二表面(112)的透镜主体(108)；其中，所述第一表面包括定向在第一方向的菲涅耳棱镜；以及其中，所述第二表面包括定向在与所述第一方向相反的第二方向上的菲涅耳棱镜。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.05.18 US 15/157,6281.一种设备(100)，包括：透镜组件(106)，包括具有相对的第一表面(110)和第二表面(112)的透镜主体(108)；其中，所述第一表面包括定向在第一方向的菲涅耳棱镜；以及其中，所述第二表面包括定向在与所述第一方向相反的第二方向上的菲涅耳棱镜。2.根据权利要求1所述的设备，其中：所述第一方向和所述第二方向从所述透镜主体向外延伸。3.根据权利要求1所述的设备，其中：所述第一方向和所述第二方向延伸到所述透镜主体中。4.根据权利要求1所述的设备，其中：所述第一表面的菲涅耳棱镜引入在所述第一方向上的场曲率；以及所述第二表面的菲涅耳棱镜引入在所述第二方向上的场曲率。5.根据权利要求4所述的设备，其中，所述第一方向上的场曲率是以下中的一个：基本等于所述第二方向上的场曲率；或大于所述第二方向上的场曲率。6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述透镜主体包括：第一平面菲涅耳透镜(501)，包括所述第一表面的菲涅耳棱镜；以及第二平面菲涅耳透镜(502)，包括所述第二表面的菲涅耳棱镜；以及光学粘合剂(504)，所述光学粘合剂将所述第一平面菲涅耳透镜的表面接合到所述第二平面菲涅耳透镜的表面。7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述透镜主体具有以下中的一个：弯曲轮廓或平面轮廓。8.根据权利要求1所述的设备，进一步包括：其中，所述透镜组件包括基本平行于所述第一表面和所述第二表面的第三表面，所述第三表面包括定向在所述第一...

【专利技术属性】
技术研发人员：约翰·D·佩罗特，胡昕达，秦怡，塞吉·比尔胡伊森，
申请(专利权)人：谷歌有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US