头戴式装置的光学系统制造方法及图纸

本发明专利技术有关一种头戴式装置的光学系统。该光学系统包括用于发射复数个第一光信号的第一光发射器，该第一光发射器在第一维度的第一空间维度极限与第二空间维度极限之间改变投射方向；第一光改向器；及第二光改向器。配置第一光改向器的几何形状，使第一光发射器在接近第一空间维度极限处从第一光发射器到观看者眼睛所发射的光信号的总光程长度大致上等于第一光发射器在接近第二空间维度极限处从第一光发射器到观看者眼睛所发射的另一个光信号的总光程长度。号的总光程长度。号的总光程长度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】头戴式装置的光学系统
[0001]相关申请
[0002]本申请要求主张于2021年6月29日提交的美国临时案专利申请号63/215,995，其专利名称为“激光束扫描光学引擎及其装置”(LASER BEAM SCANNING OPTICAL ENGINE AND DEVICE THEREOF)及2022年4月1日提交的美国专利申请号63/326,281，其专利名称为“可穿戴显示设备的系统和机械”(SYSTEM AND MECHANISM FOR WEARABLE DISPLAY DEVICES)的优先权，其申请的全部内容通过引用纳入本文中。


[0003]本专利技术有关一种头戴式显示装置的光学系统；更具体而言，有关一种用于校正头戴式显示装置影像失真和色差的影像显示系统。本专利技术进一步有关一种用于改善头戴式显示装置的适眼距、视野和外形尺寸的系统。

技术介绍

[0004]对于采用波导来传输光源的光以显示影像的头戴式装置而言，在没有影像校正机构的情况下，由于通过波导传输过程中的光散射而导致影像失真。对于采用视网膜扫描显示的头戴式装置而言，它们仰赖光合成器将光发射器发出的光引导到观看者的眼睛。调整光合成器的表面曲率来控制光的方向，进而使光可以聚焦并为观看者呈现影像。然而，光合成器表面的几何形状直接影响所生成影像帧的最终形状。举例而言，在某些情况下，使用矩形影像帧来显示虚拟影像可能较佳。然而，影像帧的形状通常不是完全的矩形(也就是已经变形)。在现有技艺中，影像帧的形状可用数字方式进行调整；然而，这可能需要额外的电路系统来执行此类任务，这会增加头戴式装置的整体硬件体积。此外，数字失真校正通常会进行框修整，移除小部分的影像帧(特别是失真部分)以获得影像帧的适当形状；但是，这可能会导致不理想的分辨率或影像信息遗失。此外，光学仪器的“适眼距”是指观看者的眼睛到该光学仪器最近的目镜或光学元件的距离。此距离直接影响头戴式装置的外形尺寸，以及观看者可以看到的最大视野和影像质量。现有头戴式装置的适眼距通常比传统眼镜大得多，这导致传统眼镜体积庞大。此外，现有头戴式装置的视野通常不足以提供更高质量的影像显色。因此，需要一种用于强化外形尺寸的头戴式装置的新型光学系统，该光学系统可以保留影像帧的理想形状。

技术实现思路

[0005]根据本专利技术实施例的头戴式装置(head wearable devices，后文简称HWD)的光学系统包括第一光发射器、第一光改向器、第二光改向器及第三光改向器。第一光发射器用以发出复数个第一光信号。投射方向至少在一维上变化。第一光改向器、第二光改向器和第三光改向器接收复数个第一光信号并改变复数个第一光信号的分别的方向。第一光改向器接收复数个第一光信号并将复数个第一光信号导向第三光改向器，第三光改向器将从第一光改向器接收的复数个第一光信号导向第二光改向器，第二光改向器将从第三光改向器接收
的复数个第一光信号导向观看者的眼睛，使观看者看到影像帧。
[0006]在某些实施例中，第一光改向器和第二光改向器可以分别具有至少一个焦点。第一光改向器或第二光改向器可以具有两个或两个以上的焦点。
[0007]复数个第一光信号中的每个光信号具有不同的光程。不是第一光发射器在接近第一空间维度极限或接近第二空间维度极限处所发射的复数个第一光信号的某个第一光信号从第一光发射器到观看者眼睛的总光程长度大致上等于第一光发射器在接近第一空间维度极限和接近第二空间维度极限处所发射的光信号的总光程长度。
[0008]在本专利技术的一实施例中，第三光改向器位于邻近(或接近)第一光改向器的第一焦点和第二光改向器的第一焦点处。第一光改向器接收从第一光发射器发射的复数个第一光信号，并将所有第一光信号导向第一光改向器的第一焦点，具有不同光程的复数个第一光信号聚焦于该第一焦点处。光发射器可设置在邻近第一光改向器的第二焦点处。在这种配置中，投射方向的变化幅度可以最大化，并确保所有光信号都可以被第一光改向器接收。观看者的眼睛位于邻近(或接近)第二光改向器的第二焦点处。
[0009]在某些实施例中，第一光改向器包括位于第一光改向器同一侧的两个焦点。第三光改向器位于邻近第一光改向器的第一焦点和第二光改向器的第一焦点处。第一光发射器可位于邻近第一光改向器的第二焦点处。在本专利技术某些变化例中，第二光改向器包括位于第二光改向器和观看者眼睛之间的空间中的两个焦点。观看者的眼睛位于邻近第二光改向器的第二焦点处。在现有技术中很容易见到关于具有这类配置的优点的描述。
[0010]在本专利技术的一替代实施例中，头戴式装置的光学系统包括第一光发射器、第一光改向器及第二光改向器。本实施例省略了上一个实施例中的第三光改向器。第一光改向器接收复数个第一光信号并改变复数个第一光信号的分别的方向。第二光改向器将从第一光改向器接收的复数个第一光信号导向观看者的眼睛，使观看者看到影像帧。配置第一光改向器和第二光改向器使第一光改向器的第一焦点和第二光改向器的第一焦点在相同的空间位置处。第一光改向器可配置在比第二光改向器高的垂直位置处。在此实施例中，亦配置第一光改向器的几何形状，使第一光发射器在接近第一空间维度极限处所发射的光信号从第一光发射器到观看者眼睛的总光程长度大致上等于第一光发射器在接近第二空间维度极限处所发射的另一个光信号从第一光发射器到观看者眼睛的总光程长度。
[0011]在本专利技术的另一替代实施例中，HWD光学系统包括第一光发射器、合成器及校正组件。校正组件可包括第一过渡镜、第二过渡镜及第一抛物面反射器。第一过渡镜和第二过渡镜均位于第一抛物面反射器和合成器之间。合成器可以是抛物面反射器。第一光发射器所产生的光信号最初是由校正组件的第一抛物面反射器反射至过渡镜。在某些实施例中，可在第一过渡镜和第二过渡镜之间设置第三过渡镜，以增加光的光程长度。第一抛物面反射器旨在为合成器提供辅助的光分布。第一过渡镜和第二过渡镜之间的光信号也相互平行。这是因为第一过渡镜和第二过渡镜之间的光程长度可基于外形尺寸根据需要来进行调整所得到的优点。
[0012]本专利技术的HWD光学系统可进一步包括用于发射复数个第二光信号的第二光发射器。观看者的眼睛可以看到复数个第一光信号的每个光信号和对应的第二光信号，通过人类视觉融合形成双眼的光信号；观看者只能看到由单个第一光信号和对应的第二光信号组成的单个双眼光信号。该光学系统进一步包括第四光改向器和第五光改向器，用于接收复
数个第二光信号及改变复数个第二光信号的分别的方向。与第一和第二光改向器类似，第四光改向器接收复数个第二光信号并将复数个第二光信号导向第五光改向器，第五光改向器将从第四光改向器接收的复数个第二光信号导向观看者的另一只眼睛，使复数个第二光信号投射到观看者的另一个视网膜。使观看者在眼睛所在的第二光改向器一侧的对面侧看到由复数个第一光信号组成的第一虚拟影像；同样地，使观看者在眼睛所在的第五光改向器一侧的对面侧看到由复数个第二光信号组成的另一虚拟影像。该光学系统可进一步包括第六光改向器，用于接收复数个第二光信号及改变复数个第二光信号本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种头戴式装置的光学系统，包括：一第一光发射器，用于发射复数个第一光信号，该第一光发射器在一第一维度的一第一空间维度极限与一第二空间维度极限之间改变投射方向；及一第一光改向器和一第二光改向器，用于接收该复数个第一光信号及改变该复数个第一光信号的分别的方向；其中该第一光改向器接收该复数个第一光信号并将该复数个第一光信号导向该第二光改向器，该第二光改向器将从该第一光改向器接收的该复数个第一光信号导向观看者的眼睛，使该观看者看到由该复数个第一光信号组成的一第一影像帧，其中配置该第一光改向器的几何形状，使该第一光发射器在接近该第一空间维度极限处所发射的光信号的从该第一光发射器到该观看者眼睛的总光程长度大致上等于该第一光发射器在接近该第二空间维度极限处所发射的另一个光信号的从该第一光发射器到该观看者眼睛的总光程长度。2.如权利要求1的头戴式装置的光学系统，其中不是在接近该第一空间维度极限或该第二空间维度极限处所发射的复数个第一光信号的从该第一光发射器到该观看者眼睛的一第一光信号的总光程长度大致上等于该第一光发射器在接近该第一空间维度极限和接近该第二空间维度极限处所发射的光信号的总光程长度。3.如权利要求1的头戴式装置的光学系统，其中配置该第一光改向器和该第二光改向器使该第一光改向器的一第一焦点和该第二光改向器的一第一焦点在相同的空间位置处。4.如权利要求1的头戴式装置的光学系统，进一步包括邻近该第一光改向器的一第一焦点和该第二光改向器的一第一焦点处的一第三光改向器。5.如权利要求4的头戴式装置的光学系统，其中该第一光改向器接收该复数个第一光信号并将该复数个第一光信号导向该第三光改向器，该第三光改向器将从该第一光改向器接收的该复数个第一光信号导向该第二光改向器，该第二光改向器将从该第三光改向器接收的该复数个第一光信号导向该观看者的眼睛。6.如权利要求1的头戴式装置的光学系统，其中该第一光发射器位于邻近该第一光改向器的一第二焦点处。7.如权利要求1的头戴式装置的光学系统，其中该观看者的眼睛位于邻近该第二光改向器的一第二焦点处。8.如权利要求1的头戴式装置的光学系统，其中该第一光改向器包括位于该第一光改向器同一侧的两个焦点。9.如权利要求1的头戴式装置的光学系统，其中该第二光改向器包括位于该第二光改向器同一侧的两个焦点。10.如权利要求4的头戴式装置的光学系统，其中该复数个第一光信号从该第二光改向器行进到该观看者眼睛时的一会聚角与该第一影像帧对该观看者眼睛的视野相关。11.如权利要求10的头戴式装置的光学系统，其中该观看者眼睛所看到的该第一影像帧视野通过下列任何一种方法来调整，所述方法包括改变该第二光改向器相对于该观看者眼睛的方向、改变该第三光改向器的反射角，以及改变该第三光改向器的曲率。12.如权利要求1的头戴式装置的光学系统，其中该第一光改向器的几何形状包括该第一光改向器的表面曲率，以及该第一光改向器的一第一焦点位置和该第一光改向器的第二
焦点位置。13.如权利要求1的头戴式装置的光学系统，其中用于接收该第一光改向器的该复数个第一光信号的表面或用于接收该第二光改向器的该复数个第一光信号的表面为椭圆曲线。14.如权利要求1的头戴式装置的光学系统，其中用于接收该第一光改向器的该复数个第一光信号的表面或用于接收该第二光改向器的该复数个第一光信号的表面为非球形曲线或自由形式曲线。15.如权利要求1的头戴式装置的光学系统，其中该第一光改向器和该第二光改向器为一体成型。16.如权利要求4的头戴式装置的光学系统，其中该第三光改向器为反射镜。17.如权利要求1的头戴式装置的光学系统，该第一光改向器或该第二光改向器至少部分容许环境光穿透进入该观看者的眼睛。18.如权利要求1的头戴式装置的光学系统，其中该第一光...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑肯羽，陈国轩，叶逢春，
申请(专利权)人：海思智财控股有限公司，
类型：发明
国别省市：