具有可变面角的菲涅耳棱镜组件的制作方法

本公开通常涉及虚拟现实显示器，更具体地，涉及虚拟现实显示器中的光学透镜组件。

背景技术：

随着用于工作和娱乐的视觉媒体的利用增加，用户正在寻求逼真的视觉体验，特别是那些融入三维体验的体验。同样地，用户正在转向虚拟现实(vr)头戴式耳机和其他三维(3d)显示技术。然而，常规透镜技术的性质在视场中，特别是沿着用户视场的周边边缘，引入了畸变、失焦、不期望的放大或不希望的场曲。这种畸变和像差会降低vr或3d体验的质量，特别是会减损vr显示器的现实感。为了补偿畸变和像差，传统的3d显示系统利用复杂的电子畸变校正和色彩校正技术，从而导致图像显示的延迟增加。无论畸变、像差还是延迟，视觉体验都会降级。

附图说明

通过参考附图，可以更好地理解本公开，并且使其众多特征和优点对于本领域技术人员来说是显而易见的。

图1是根据一些实施例的采用具有菲涅耳表面的透镜组件的近眼显示系统的剖面视图。

图2是示出根据一些实施例的具有菲涅耳表面的透镜体的图。

图3a和3b是示出根据一些实施例的示例性透镜体的菲涅耳表面的图。

图4是示出根据一些实施例的具有菲涅耳表面的透镜体的图。

图5和图6是示出根据一些实施例的由透镜体的表面限定的菲涅耳棱镜的示例性取向的图。

图7是示出根据一些实施例的透镜体的正交剖面的中心线曲线的图。

图8和图9是示出根据一些实施例的在透镜体的表面中限定的菲涅耳表面构成在不同位置处的剖面视图的图。

图10是示出根据一些实施例的透镜体的中心线曲线的拟合曲率半径的变化的图。

图11是示出根据一些实施例的包括相对的菲涅耳表面的透镜体的图。

图12和图13是示出根据一些实施例的变形透镜体的图。

图14是示出根据本公开的至少一个实施例的实现透镜组件的头戴式显示器(hmd)设备的后视图的图。

在不同的附图中使用相同的附图标记表示相似或相同的项目。

具体实施方式

在具体的示例中，一种装置包括透镜组件，该透镜组件包括具有限定菲涅耳棱镜的表面的透镜体。有时被称为凹槽或段(segment)的菲涅耳棱镜可以具有随着沿菲涅耳棱镜的位置而改变的面角(facetangle)。例如，在沿着菲涅耳棱镜的第一位置处，菲涅耳棱镜可以具有第一面角，并且在沿着菲涅耳棱镜的第二位置处，菲涅耳棱镜可以具有不同于第一面角的第二面角。

在一个示例中，该透镜组件可以被结合到包括显示面板的平视显示器中。安装透镜组件以提供与显示面板相交的、透镜组件的光轴。该透镜组件可以包括变形x-y透镜体，其具有变形x-y菲涅耳棱镜(面角沿着(椭圆形)凹槽/段变化以实现局部控制)，或者薄的(椭圆形)菲涅耳棱镜堆，例如具有线性可变段角度(螺旋式)式菲涅耳棱镜的、x方向中和y方向中的菲涅耳棱镜堆。x和y方向是用户的视平面中的正交方向(例如左/右和上/下)。特别地，结合该透镜组件的装置提供了新颖构成，诸如透镜体的双轴曲率或者将平坦区域整合成为弯曲透镜体，这增强了用户体验并且提供更少畸变。

例如，如图1所示，一种装置包括具有透镜体102的透镜组件124，其位于显示面板104和眼睛节点106之间。透镜体102具有表面112和114。如所示，表面112限定菲涅耳棱镜108。从显示面板104发出的光，诸如光线116或118，通过菲涅耳棱镜108朝向眼睛节点106折射。当从图1表示的取向从右向左考虑时，光线116作为射入菲涅耳棱镜的最后光线相交，而光线118是射入相邻的菲涅耳棱镜的第一光线，并且这两者都指向眼睛节点106，以在眼睛节点106处看起来彼此相邻。

菲涅耳棱镜108包括将光从显示面板104折射到眼睛节点的光接收表面110(或面)。光接收表面可以是平坦表面或弯曲表面。如所示，折射表面110是非球表面。光接收表面110与非折射面120相交以形成脊122。

每个菲涅耳棱镜108具有面高度(fh)和面角(fa)，并且与相邻的菲涅耳棱镜分开面间距(fp)。面高度(fh)是从脊122到的、平行于透镜体102的中心线曲线的选定表面(例如被示为表面112)的高度。面角是相对于平行于透镜体102的中心线的曲线的切线的直线或表面112测量的、从脊到光接收表面110接触表面112或相邻菲涅耳棱镜的点、沿着折射表面110延伸的线的角度。间距(fp)是相邻的菲涅耳棱镜的脊之间的距离。

虽然透镜体102被示为具有限定菲涅耳棱镜108的单个表面112，但是在可替选的示例中，第二表面114也可以限定菲涅耳棱镜。此外，限定菲涅耳棱镜的表面112被示为面向显示面板104并且与面向眼睛节点106的表面相对。在可替选的示例中，作为由表面112限定的菲涅耳棱镜的替选或者除了该菲涅耳棱镜外，表面114也可以限定菲涅耳棱镜。

为了示例，透镜体102可以由光学塑料或玻璃构成，并且当制造透镜组件时，作为模制过程的一个部分形成菲涅耳表面112。替选地，菲涅耳表面112可以经由例如压花、激光烧蚀或其它加工技术在塑料或玻璃透镜坯料中形成。可替选地，眼睛节点106可以通过连接各自具有菲涅耳表面的两个单独的菲涅耳透镜形成。对于下文描述的弯曲透镜体，可以制造弯曲透镜组件106以维持弯曲轮廓(例如，通过使用刚性材料模制透镜体102以刚性地维持弯曲轮廓)，或者可以将透镜体102形成为柔性的，由此透镜体102可以被安装在弯曲的位置中，以便提供期望的弯曲轮廓。

特别地，当在沿着透镜体102的不同位置处的剖面(如所示，延伸到页面中)中观察时，与菲涅耳棱镜相关联的面角可以从一个剖面到另一个剖面改变。这种改变的面角允许透镜体的可替选的结构构成。

在图2所示的另一个示例中，透镜体200包括菲涅耳棱镜202。当在不同的剖面处，诸如剖面a-a或剖面b-b处，沿着菲涅耳棱镜穿过时，给定菲涅耳棱镜的面角是不同的。在图2所示的示例中，与当在剖面a-a中观察时的菲涅耳棱镜的面角相比，当在剖面b-b中观察时的菲涅耳棱镜的面角更小。在特定示例中，菲涅耳棱镜具有线性可变的面角。

例如，如图3a所示，剖面a-a中的菲涅耳棱镜可以具有面角(faa)，并且剖面b-b中的菲涅耳棱镜可以具有不同的面角(fab)。在示例中，面角faa大于面角fab。可选地，相邻的菲涅耳棱镜之间的间距(fp)可以是恒定的。例如，对选定的菲涅耳棱镜，包括选定的菲涅耳棱镜的相邻菲涅耳棱镜对可以具有近似相等的间距(fp)。如本文所使用的，术语“近似相等”是指在制造公差范围内相等。可替选地，间距可以改变。

如图3a所示，面高度可以由于改变面角而改变。例如，在剖面a-a中，面高度(fha)大于剖面b-b中的面高度(fhb)。可替选地，如图3b所示，当面角从faa改变到fab时，相对于平行于透镜体的中心线的表面的面高度(fh)可以保持恒定。该平行表面可以是例如平行于透镜体的中心线并且例如在呈现最大面角的剖面处穿过在相邻的菲涅耳棱镜之间的最低点的表面。在这样的示例中，间距被示为在相邻的菲涅耳棱镜对之间是恒定的或近似相等的。可替选地，间距在透镜体的不同位置和剖面处是不同的。

特别地，通过利用具有随着位置而改变的面角的菲涅耳棱镜，可以利用可替选几何形状的透镜体，使得畸变更小或者不会太降低用户体验。例如，如图4所示，透镜体400包括菲涅耳棱镜402。菲涅耳棱镜402可以被形成为具有形成连续环的脊，在该连续环中，菲涅耳棱镜402的一菲涅耳棱镜的脊环回到其自身以形成连续的脊。在示例中，菲涅耳棱镜402的脊可以是同心的和圆形的。例如，如图5所示，一组菲涅耳棱镜500包括圆形的并且绕中心轴线504同心的菲涅耳棱镜502。在图6所示的另一示例中，透镜体600包括具有本质上是椭圆形的脊的菲涅耳棱镜602。该椭圆可以具有与轴线604对齐的焦点。可替选地，脊可以以从俯视图观察时以不规则的连续曲线形成。

返回图4，透镜400可以进一步呈现当在每一对正交剖面(例如，沿正交方向404的剖面)的两个剖面中观察时透镜体弯曲的轴线曲率。这些剖面与透镜体的厚度平行。例如，如图7所示，当在第一剖面中观察时，透镜体呈现曲率702。延伸通过透镜体的中心线弯曲，而不是平坦的。当观察正交剖面时，透镜体也是弯曲的(见剖面704)，而不是平坦的，但是弯曲至与第一剖面呈现的曲率不同的程度。当在正交剖面中观察时，曲线(702或704)可以是相同的或不同的。特别地，剖面的曲率可以是不同的。

在另一示例中，当观察平行的剖面(例如，图4的剖面a-a和剖面b-b)时，透镜曲率或面角可以改变。例如，当观察透镜体的剖面时，可以确定拟合曲率半径。在图8所示的示例中，当在剖面a-a中观察时，透镜400具有曲率半径(ra)。具有面菲涅耳棱镜802的透镜体可以被拟合于具有拟合曲率半径ra的圆804。在图9所示的透镜400的不同的剖面b-b处，透镜可以具有具有不同的面角的菲涅耳棱镜902。在剖面b-b中，可以为具有曲率半径rb的透镜400的曲率找到拟合圆904。如所示，半径rb大于半径ra。可以定义在不同位置处的半径的半径比率。例如，可以在具有最小半径的剖面中为透镜确定半径，并且可以在具有最大半径的平行剖面处为透镜确定半径。半径比可以被定义为最小半径与最大半径的比。在示例中，给定透镜结构的半径比可以不大于0.1，诸如不大于0.05或甚至不大于0.01。拟合到平坦部分的曲率半径将接近无穷大。在特定的示例中，当透镜体在具有最大曲率半径的剖面内是平坦的时，半径比接近零。

在图10所示的另一示例中，当从与剖面a-a和b-b正交的剖面观察透镜时，透镜1000可以呈现拟合于具有小曲率半径的圆1006的弯曲区域1002，而拟合于圆1008的、沿着剖面1004的其它区域可以呈现大曲率半径并且可以是近似平坦的。当与显示面板协同使用时，这种几何形状可以进一步增强三维体验，例如，当使用虚拟现实头戴式耳机时。

虽然上述透镜体被示为具有限定菲涅耳棱镜的单个表面，但是透镜体可以可替选地具有各自限定菲涅耳棱镜的两个表面。例如，如图11所示，透镜组件1100包括具有中心线1108的透镜体1102。一个主表面1104限定菲涅耳棱镜。类似地，相对表面1106可以限定菲涅耳棱镜。在一个或两个表面上的菲涅耳棱镜可以在不同的剖面中呈现不同的面角。此外，当从中心线1108观察时，透镜1102被示意为是直的。可替选地，当观察另一个剖面时，中心线1108可以是弯曲的。如所示，菲涅耳棱镜在中心轴线1110的相对侧上是菲涅耳棱镜的面角的结构反射。换句话说，在中心轴线1110的第一侧上的菲涅耳棱镜与在中心轴线1110的第二侧上的菲涅耳棱镜对称；一个菲涅耳棱镜具有与另一个菲涅耳棱镜大致相同的面角，而面向相反的方向。可替选地，面角相对于中心轴线1110是不对称的。在进一步的替代方案中，两个透镜体可以结合使用以限定具有正面棱镜的两个相对表面。

在特定示例中，一个表面可以限定具有延伸通过椭圆的焦点的第一轴线的椭圆形菲涅耳棱镜，并且在同一透镜体上或者独立的透镜体上形成的第二表面可以限定具有延伸通过由第二表面限定的椭圆形菲涅耳棱镜的焦点的第二轴线的椭圆形菲涅耳棱镜。第一轴线和第二轴线可以是正交的。例如，从观察者的视角，第一轴线可以向左/向右延伸，并且第二轴线可以向上/向下延伸。

在另一示例中，如图12和图13所示，透镜体1200可以包括形成环回到其自身的连续脊的多个菲涅耳棱镜1202。这样的透镜1200可以具有双轴曲率，其中当在每对正交剖面中观察时，透镜体呈现一定曲率(例如，非平坦)。可替选地，这样的透镜体可以沿着透镜体在特定点处呈现多轴曲率，而沿着至少一个正交剖面呈现单轴曲率或者无任何曲率的平坦区域。在特定示例中，可以将透镜体1200形成为变形透镜，其包括在沿着菲涅耳棱镜延伸的不同位置处、具有不同面角的面棱镜。在示例中，菲涅耳棱镜可以在第一和第二位置中均具有大致相等的面高度。相邻的菲涅耳棱镜对可以具有大致相等的面间距。

在特定示例中，菲涅耳棱镜1202具有在0°至80°的范围，诸如10°至80°的范围、20°至70°的范围、或25°至70°的范围内的面角(fa)。在进一步的示例中，菲涅耳棱镜1202具有在100微米至3毫米范围，诸如500微米至2mm的范围、或500微米至1mm的范围内的间距(fp)。菲涅耳棱镜1202可以具有在-20°至60°的范围中的拔模角(在从峰值延伸到透镜中的垂直线和非折射面之间限定的角度)。

图14示出根据至少一个实施例的被配置为实现近眼显示系统100的示例性头戴式显示器(hmd)设备1400。通过使用捆绑到或以其他方式装配在用户的头部上的设备，将hmd设备1400装配到用户的头部，使得hmd设备1400被固定地定位在用户面部附近，并且因此随着用户的运动而移动。然而，在某些情况下，用户可能将平板电脑或其他手持设备保持至用户的面部，并且约束手持设备的移动，使得即使用户的头部移动，手持设备相对于用户的头部的方位仍是相对固定的。在这种情况下，以这种方式操作的手持设备也可以被认为是hmd设备1400的一种实现，即使它不是经由物理配件“装配”到用户的头部的。

hmd设备1400包括具有表面1404的壳体1402，和面垫(facegasket)1406以及一组带子或线束(为了清楚起见，从图14中省略)以将壳体1402装配到用户的头部上，使得用户面对壳体1402的表面1404。在所图示的实施例中，hmd设备1400是双目hmd，由此具有位于表面1404处的左眼显示面板1408和右眼显示面板1410(显示面板1408、1410共同地或单独地代表图1的显示面板104的实施例)。显示面板1408、1410可以被实现为分立的显示面板(即由分立的显示驱动硬件元件所驱动的独立显示阵列)，或者显示面板1408、1410可以被实现为单个显示面板的逻辑上分立的区域(例如，在逻辑上被划分为左“半部”和右“半部”的单个显示阵列)。壳体1402进一步包括与左眼显示面板1408对齐的目镜透镜组件1412和与右眼显示面板1410对齐的目镜透镜组件1414。可替选地，在一些实施例中，hmd设备1400可以被实现为单目hmd，即，或者通过左右目镜透镜组件1412、1414或者直接地没有居间透镜地，将单个图像呈现给用户的双眼。透镜组件1412、1414各自可以实现本文公开的任何透镜组件，诸如透镜组件124、200、400、1100、1200或其组合。在示例中，如图14所示，透镜组件可以在结构上是跨越被垂直地限定并延伸到纸中的平面1416的彼此的反射。换句话说，透镜组件具有是相对于平面1416的彼此的反射的结构。因此，透镜组件1412、1414可以呈现与可以是基本平坦的、弯曲的或其组合的显示面板1408、1410良好匹配的净场曲率。特别地，菲涅耳棱镜由面向显示面板1408或1410的透镜组件1412或1414的表面限定。相应地，hmd设备1400可以呈现减小的聚焦像差和其他可能存在于利用常规透镜实现的hmd中的像差或畸变。

注意，不一定要求以上在一般说明或示例中描述的所有活动，可能不要求部分特定活动，并且除了描述的那些之外可能执行一个或多个进一步的活动。此外，列出活动的顺序不一定是执行活动的顺序。

在前述的说明书中，已经参考具体实施例描述了概念。然而，本领域普通技术人员将意识到，在不脱离如以下权利要求书所阐述的本申请的范围的情况下，可以进行各种改进和改变。相应地，说明书和附图被认为是示意性的而不是限制性的，并且所有这些改进旨在被包括在本申请的范围内。

如本文所使用地，术语“包括”、“包括有”、“包含”、“含有”、“具有”、“持有”或其任何其它变体旨在涵盖非排他性包含。例如，包括一系列特征的过程、方法、制品或设备不必要仅限于这些特征，而是可以包括未明确列出的或其它这些过程、方法、制品或设备所固有的特征。此外，除非另有明确说明，否则“或”是指包容性的或，而不是排他性的或。例如，以下任何一项均满足条件a或b：a为真(或存在)并且b为假(或不存在)、a为假(或不存在)并且b为真(或存在)、和a和b这两者都为真(或存在)。

另外，使用“一”或“一个”来描述本文所述的元件和构件。这只是为了方便起见并且给出本申请的范围的一般意义。该描述应该被解读为包括一个或至少一个，并且单数形式也包括复数形式，除非显而易见这意味着其它的含义。

上面已经针对特定实施例描述了益处、其他优点和问题的解决方案。然而，可能导致任何益处、优点或解决方案发生或变得更加显著的益处、优点、问题的解决方案以及任何特征都不应被解释为是任何或所有的权利要求的关键的、要求的或必须的特征。

在阅读说明书之后，本领域技术人员将会意识到，为了清楚起见，在单独实施例的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施例中组合提供。相反，为了简洁起见，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可以单独地或以任何子组合的形式提供。此外，对范围中所述的值的引用包括该范围内的每个值。