一种用于与头戴显示器一起使用的设备以及头戴显示器的制作方法

本申请大体涉及光学领域，且特别地，涉及头戴显示器。

背景技术：

安装在头部的显示器(“HMD”)或头戴显示器是安装在头部或绕头部佩戴的显示装置。HMD通常包含某种接近眼睛的光学系统，以产生位于用户前几米处的放大的虚拟图像。单眼显示器称为单目镜(monocular)HMD，而双眼显示器称为双目镜HMD。一些HMD仅显示计算机产生的图像(“CGI”)，而其他类型的HMD能够将CGI叠加在真实世界视图上。后一类型的HMD典型地包括一些形式的透视目镜，且可用作用于实现增强的现实的硬件平台。通过增强的现实，观察者的图像世界通过覆盖的CGI增强，还称为平视显示器。

HMD具有大量实际和休闲应用。宇宙空间应用允许飞行员看到重要的飞行控制信息，而没有将他们的眼睛带离飞行路径。公众安全应用包括地图和热成像的战术显示。其他应用领域包括视频游戏、交通和电信。随着技术的演变，势必有新发现的实际和休闲应用；但是，许多这些应用由于用于执行现有HMD的传统光学系统的成本、尺寸、重量、厚度、视野、效率和图像质量而受到限制。

技术实现要素：

一种用于与头戴显示器一起使用的设备，该设备包括：弯曲目镜，用于将通过从观察区域沿周围定位的输入表面处接收的显示光引导，并沿朝向眼睛的方向在观察区域中发射显示光，该弯曲目镜包括：弯曲光导，以经由全内反射将显示光从输入表面引导到观察区域；面朝眼睛的表面，其是凹的；面向外界的表面，其是凸的，且与面朝眼睛的表面相对；和光组合器，布置在观察区域处，以使显示光朝向面朝眼睛的方向转向，用于从弯曲光导输出，其中，光组合器对通过面向外界的表面入射的环境光是部分透射的，从而观察区域是透视的；以及棱镜，靠近输入表面布置，以在通过输入表面之前针对弯曲光导导致的横向色差对显示光进行预补偿。

该设备还包括：显示面板，用于产生显示光，且布置为靠近棱镜，以通过棱镜将该显示光朝向输入表面发射，其中，显示面板相对于弯曲光导对准，从而从显示面板上的给定像素输出的图像光的法向光线大体通过头戴显示器的眼睛框的中心指向。

输入表面在面朝眼睛的表面和面向外界的表面之间延伸，且与之相交接，其中，输入表面、面朝眼睛的表面和面向外界的表面全部是连续的表面，而在曲率上没有不连续性。

该设备还包括：框架组件，支撑弯曲目镜、显示面板和棱镜，用于佩戴在用户头部上，且观察区域定位在用户眼睛前方，其中，弯曲目镜旋转第一角度，以将显示面板定位在观察区域上方，其中，从输入表面延伸到光组合器的弯曲光导的中心线与第一角度对准。

显示面板旋转第二角度，该第二角度与第一角度互补，以抵消第一角度旋转在从弯曲目镜输出的显示光上的旋转作用。

该设备还包括：偏振旋转器，布置在显示面板和输入表面之间，以旋转显示光的线偏振，用于相对于弯曲光导的中心线的对准，以减小双折射导致的偏振状态的非对称性。

该设备还包括：偏振旋转器，布置在显示面板和输入表面之间，以旋转显示光的线偏振，用于相对于光组合器对准，从而显示光的线偏振在入射在光组合器上时基本仅具有s偏振。

该设备还包括：可调整安装件，用于相对于弯曲光导安装棱镜，其中，可调整安装件允许棱镜相对于输入表面横向地滑动，以调整在观察区域中从弯曲目镜输出的显示光的焦点。

弯曲目镜还包括：第一透镜本体，具有第一厚部分、第一薄部分以及在第一厚部分和第一薄部分之间的第一过渡表面；第二透镜本体，具有第二厚部分、第二薄部分以及在第二厚部分和第二薄部分之间的第二过渡表面；其中，第一厚部分匹配至第二薄部分，第一过渡表面匹配至第二过渡表面，其中，弯曲光导布置在第一厚部分内，并且其中，光组合器布置在第一和第二过渡表面之间。

具有第一折射率的透明粘结剂将第一厚部分粘结至第二薄部分以在第一和第二透镜本体之间建立全内反射界线，该第一折射率小于第一和第二透镜本体的第二折射率。

光组合器包括非偏振分束器涂层、半偏振分束器或取向为反射偏振显示光的偏振分束器涂层中的一个。

一种头戴显示器，该头戴显示器包括：显示面板，以在周围位置产生显示光；弯曲目镜，用于将显示光引导至从周围位置偏移的观察区域，并沿朝向眼睛的方向在观察区域中发射显示光，该弯曲目镜包括：弯曲光导，以经由全内部反射将显示光从输入表面引导到观察区域；面朝眼睛的表面，其是凹的；面向外界的表面，其是凸的，且与面朝眼睛的表面相对；和光组合器，布置在观察区域处，以使显示光朝向面朝眼睛的方向转向，用于从弯曲光导输出，其中，光组合器对通过面向外界的表面的环境光入射是部分透射的，从而观察区域是透视的；以及框架组件，支撑弯曲目镜和显示面板，用于佩戴在用户头部上，且观察区域定位在用户眼睛前方，其中，显示面板相对于弯曲光导对准，从而从显示面板上的给定像素输出的图像光的光线大体穿过头戴显示器的眼睛框的中心指向，所述光线在显示面板的法线的三度之内。

该头戴显示器还包括：棱镜，布置在显示面板和输入表面之间，以针对由弯曲光导导致的横向色差对显示光进行预补偿。

输入表面在面朝眼睛的表面和面向外界的表面之间延伸，且与之相交接，其中，输入表面、面朝眼睛的表面和面向外界的表面全部是连续的表面，而在曲率上没有不连续性。

弯曲目镜在框架组件内相对于水平线旋转第一角度，以将显示面板定位在观察区域上方，并且其中，从输入表面延伸到光组合器的弯曲光导的中心线与第一角度对准。

显示面板旋转第二角度，该第二角度与第一角度互补，以抵消第一角度的旋转在从弯曲目镜输出的显示光上的旋转作用。

该头戴显示器还包括：偏振旋转器，布置在显示面板和输入表面之间，以旋转显示光的线偏振，用于相对于弯曲光导的中心线的对准，以减小双折射的非对称性。

偏振旋转器包括半波片旋转器，其旋转第三角度，该第三角度等于第一角度的一半。

该头戴显示器还包括：可调整安装件，用于相对于弯曲光导安装棱镜，其中，可调整安装件允许棱镜相对于输入表面横向地滑动，以调整显示光的焦点。

弯曲目镜还包括：第一透镜本体，具有第一厚部分、第一薄部分以及在第一厚部分和第一薄部分之间的第一过渡表面；第二透镜本体，具有第二厚部分、第二薄部分以及在第二厚部分和第二薄部分之间的第二过渡表面；其中，第一厚部分匹配至第二薄部分，第一过渡表面匹配至第二过渡表面，其中，弯曲光导布置在第一厚部分内，并且其中，光组合器布置在第一和第二过渡表面之间。

具有第一折射率的透明粘结剂将第一厚部分粘结至第二薄部分以在第一和第二透镜本体之间建立全内反射界线，该第一折射率小于第一和第二透镜本体的第二折射率。

附图说明

本使用新型的非限制性和非排他实施例参考以下附图描述，其中，相同的附图标记贯穿各个视图指代相似的部件，除非特别指出。元件并不是所有时刻都必须被标记，以便在适当之处不会使附图混乱。附图不是必须按照比例，相反，重点在于其显示正被描述的原理。

图1A是根据本申请实施例的用于与头戴显示器一起使用的光学系统的横截面图。

图1B是根据本申请的实施例的用于补偿横向色差的用在光学系统内的棱镜的透视图。

图2A是根据本申请实施例的包括弯曲目镜的头戴显示器的透视图。

图2B是根据本申请实施例的头戴显示器的侧视图，显示了嵌入式弯曲光导的中心线如何成角度以将显示面板定位在观察区域上方。

图3A是根据本申请实施例的弯曲目镜和显示面板的透视图。

图3B是根据本申请实施例的弯曲目镜的输入表面和显示面板的近景图示，显示了显示面板如何旋转补偿角度，以抵消弯曲目镜旋转在显示光上的旋转作用。

图4A和4B显示根据本申请实施例的第一和第二透镜本体，其匹配到一起以形成弯曲目镜。

图5提供根据本申请实施例的与示例系数一起的弛垂方程式，该系数用于将证实性弯曲光导的表面特征化。

具体实施方式

在此描述了用于具有颜色校正的弯曲目镜的设备、系统和操作方法的实施例。在以下说明书中，阐述多个特定细节，以提供实施例的透彻理解。但是，本领域的技术人员将意识到，在此描述的技术可被实施而没有一个或多个特定细节，或通过其他方法、部件、材料等。在其他情况中，已知的结构、材料或操作没有详细显示或描述，以避免掩盖特定方面。

贯穿本说明书称为“一个实施例”或“实施例”是指，与该实施例一起描述的特定特征、结构或特性包含在本使用新型的至少一个实施例中。由此，贯穿本说明书，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”在各个位置的出现不是必须指代同一实施例。此外，特定特征、结构或特性可以任何适当的方式在一个或多个实施例中组合。

图1A是根据本申请实施例的用于与头戴显示器一起使用的光学系统100的横截面图。光学系统100的所示实施例包括显示面板105、偏振旋转器110、棱镜115、可调整安装件117和弯曲目镜120。弯曲目镜120的所示实施例包括第一透镜本体125、第二透镜本体130、光组合器135、输入表面140、面向外界的表面145和面朝眼睛的表面150，在该第一透镜本体125中布置有弯曲光导127。

光学系统100良好地适于与具有接近眼睛的构造的头戴显示器一起使用。当与头戴显示器结合时，弯曲目镜120通过从观察区域160沿周围定位的输入表面140接收显示面板105产生的显示光155，并沿朝向眼睛的方向在观察区域160中朝向在眼睛框170内的用户的眼睛165发射显示光155。在一个实施例中，显示光155在弯曲光导127内通过输入表面140和光组合器135之间的全内反射而被引导。在其他实施例中，成角度选择性反射涂层(例如，多层二色膜叠件)可被应用，以促进在具有充足倾度的弯曲光导127内的反射，同时接近法向的角度发射。在所示实施例中，弯曲目镜120是透视的，允许用户看到通过面向外界的表面145入射的环境光。

在操作期间，显示面板105产生显示光155，以形成显示图像(例如，计算机产生的图像)。显示面板105可利用各种显示技术实施，包括液晶(“LC”)显示器、发光二极管(“LED”)显示器、有机LED(“OLED”)显示器、LC附硅(“LCoS”)显示器，或其他微显示技术。

在所示实施例中，显示光155通过偏振旋转器110被可选地指向。偏振旋转器110被取向为将显示光155的线偏振与弯曲光导127的中心线对齐，以减小双折射的不对称性(以下更详细讨论)。在一个实施例中，偏振旋转器110是半波片旋转器，其具有绕显示面板105的发射表面的法向矢量(轴线106)的特定的角旋转。偏振旋转器110的角旋转结合图2B和3B在以下讨论。在一个实施例中，偏振旋转器110包括透明粘结剂，其遍及两侧布置以将棱镜115粘结至显示面板105。

在进入弯曲光导127之前，显示光155还通过棱镜115指向。棱镜115布置为靠近输入表面140，以预补偿显示光155横向色差，其由进入和离开弯曲光导的折射导致。横向色差对图像质量是有害的，因为其导致有色图像的颜色成分横向地分离或偏移。棱镜115被设计为预补偿这种色分离。在一个证实性实施例中，棱镜115具有以下特性和尺寸：折射率＝1.8、abbe数＝29.9、A＝5.6±0.1mm、B＝5.0±0.1mm、C＝0.91±0.1mm、α＝19.5°±0.15°。当然，可以实施其他尺寸和特性。

在所示实施例中，显示面板105和棱镜115相对于弯曲目镜120取向，从而从显示面板105的像素输出的显示光155的主光线175被引导通过弯曲光导127，并大体通过眼睛框170的中心指向。显示面板105的每个像素具有其自己的主光线，其理想地，是从给定显示器像素向外射出的中心法向光线。理想地，弯曲目镜120被设计为使得，来自每个像素的主光线通过眼睛框170的中心，每个主光线以不同的角度通过该中心，这是由于每个像素在显示面板105上的不同位置。换句话说，在显示面板105上的像素位置在眼睛框170处转换为光线角。该理想情景提供了遍及眼睛框170的改进的光照均匀度。但是，理想目标实际中可能不会实现。相应地，在此，将给定像素的主光线175定义为在距该给定像素的法线具有三度弧(arc)的锥形内的从显示面板105发出的光线(如从显示面板105的发射表面测量的)。对于实际实施方案，该“主光线”足够接近法线。通过使显示面板105和棱镜115相对于弯曲光导127取向且设计具有适当几何的弯曲光导127，当主光线175大体通过眼睛框170的中心时，当从眼睛框170观察时感知显示图像具有高度均匀的照度。棱镜115的包含有助于减小输入表面140的尺寸以及补偿轴向和横向色差。相比之下，棱镜115可通过使显示面板105倾斜至相对于输入表面140的一更倾斜角度而被省略；但是，这样做导致更大的输入表面140，这改变靠近输入表面140的弯曲目镜120的端部形状，并减小图像亮度。

在所示实施例中，棱镜115利用可调整安装件117被定位。可调整安装件117允许棱镜115相对于弯曲目镜120的输入表面140横向地滑动。调整棱镜115改变显示光155经历的光学路径的长度，由此提供可调节焦点。可调整安装件117可被实施为一次聚焦设备，用于初始工厂标定。例如，可调整安装件117可以是雪橇形件或轨道，棱镜115在其上物理地滑动。当达到聚焦位置时，透明的粘结剂可被施加，且通过UV曝光而硬化。替换地，可调整安装件117可允许经由机械或电机械调整而进行终端用户焦点调整。例如，可调整安装件117可以被实施为微机电系统(“MEMS”)、压电促动器，或各种纯机械促动器(例如，螺纹螺钉调整等)。

随着显示光155从输入表面140被引导通过弯曲光导127至观察区域160，弯曲光导127的曲率通过每次反射或折射赋予光焦度(optical power)。弯曲目镜120在输入表面140处、在显示光155从面朝眼睛的表面150发射出来时赋予折射光焦度。弯曲目镜120经由四个总内反射交互和光组合器135的一个反射离开而赋予反射光焦度。光焦度交互一起用于增大显示图像，并使虚拟图像移位，从而用户可在接近眼睛的构造中将图像聚焦。

图5显示了具有示例系数值的弛垂方程式，该系数值用于规定弯曲光导127的表面的示例曲率，包括：面朝眼睛的表面150(S1)、光组合器表面135(S2)、面向外的表面(S3)和输入表面140(S4)。表面S1-S4全部位于透镜本体125上，且限定弯曲光导127。图5还显示用于定位表面S1至S4的示例坐标。当然，可实施其他曲率、平表面和坐标。特别地，尽管表面S1和S3的所示实施例被描述为球面表面，在其他实施例中，这些表面的一个或多个可被描述为自由形式表面、旋转对称非球面表面、变形非球面表面、环形表面、泽尔尼克多项式表面、径向基函数表面、x-y多项式表面、非均匀有理B样条曲面，或其他。

回到图1A，光组合器135可利用将显示光155沿朝向眼睛的方向转向的各种不同结构实施。例如，光组合器135可以是部分反射器、分束器(例如，薄的银涂层、多层介电薄膜等)、偏振敏感分束器(“PBS”)、半偏振分束器，或其他。在一个实施例中，与反射相比，光组合器135对可见光更透射。例如，光组合器135可被实施为15％的反射和85％的透射。当然，可以实施其他反射/透射比。相应地，观察区域160对通过面向外界的表面145的环境光入射是部分透射的，从而观察区域160是透视的。

图2A和2B是根据本申请实施例的包括光学系统100的左边和右边情况的头戴显示器200。图2A是头戴显示器200的透视图，而图2B是其侧视图。

头戴显示器200的所示实施例包括弯曲目镜120的左边和右边情况。弯曲目镜120被安装至框架组件，该框架包括鼻桥205、左耳臂210和右耳臂215。在左耳臂210和右耳臂215内的内部腔室220和225可容纳各个电子器件，其包括微处理器、接口、一个或多个无线收发器、电池、扬声器、控制器等。在一个实施例中，耳臂210、215的面向前方的角部或鼻桥205的任一个可容纳摄像模块，用于捕获用户眼睛(一个或多个)的面向后部的图像或外部情景的的面向前方的图像。尽管图2A和2B示出双目镜实施例，头戴显示器200可还实施为单目镜显示器，具有仅一个弯曲目镜120，在佩戴时，其只与单个用户眼睛对准。

弯曲目镜120的边缘被设置为顺应框架组件的形状，且固定到眼镜布置中，所以头戴显示器可被佩戴在用户的头部上。左和右耳臂210和215搁置在用户耳朵上，同时鼻桥205搁置在用户鼻子上。框架组件的形状和尺寸被设置为，将观察区域160(包括光组合器135)定位在用户眼睛前方。在一个实施例中，光组合器135相对于用户的眼睛定位，从而用户略微向下看(例如，7度)和向右或左(例如，15度)以看到显示图像。可实施其他角度，且可使用具有其他形状的其他框架组件(例如，单个毗邻耳机(headset)构件、头带、护目镜类型目镜(goggles type eyewear)等)。在观察区域160内的光组合器135操作以将显示光155转向到每个眼睛，同时允许环境光230通过，由此为用户提供真实世界的增强视图。

图2B示出根据本申请实施例弯曲目镜120如何旋转角度β(例如，18度)以使嵌入式弯曲光导127(通过中心线235示出)成角度，并使显示面板105定位在观察区域160上方。使弯曲光导127成角度以使显示光155沿向下轨迹朝向观察区域160指向使显示面板105能够在耳臂210或215内定位在用户的上太阳穴区域中，从工业设计角度看这可以是有利的。但是，当弯曲目镜120相对于水平线旋转角β时，显示图像也旋转β，且因此不是水平的。为了使显示图像反向旋转，显示面板105也绕轴线106旋转β补偿旋转(见图1和3A)，这抵消了旋转弯曲光导127的旋转作用，如中心线235所示。

图3A是根据本申请实施例的弯曲目镜120和显示面板105的透视图。图3B是根据本申请实施例的近景图示，其显示了显示面板105如何旋转补偿角β，以抵消弯曲目镜120旋转β在显示光上的旋转作用。如所示，在图3B中，显示面板105的反向旋转导致水平的显示图像。

在一个实施例中，偏振旋转器110(见图1A)在显示面板105和输入表面140之间的光学路径布置。偏振旋转器110操作为使显示光155的线偏振与弯曲光导127的中心线235对准。中心线235代表在弯曲光导127的中心下方的对称轴线。通过将显示光155的线偏振与该对称轴线对准，由双折射导致的偏振状态的非对称性减小，由此进一步改善系统的光学性能。偏振旋转器110可还用于对准显示光155的线偏振，用于光组合器135的改进的反射离开效率。例如，偏振旋转器110可被取向为使得，显示光155在光组合器135上大体仅以s偏振入射。s偏振是线性偏振光，其具有垂直于光组合器135的入射平面振荡的电场。与大体通过偏振分束器的p偏振相比，s偏振光是大体反射离开偏振分束器的偏振。在一个实施例中，偏振旋转器110是半波片旋转器，其绕轴线106相对于图1A的图示平面旋转等于β的一半的角度。在一个实施例中，偏振旋转器110是四分之一波片，其将线偏振光转换为圆偏振光，该圆偏振光具有大体相等量的带有90度相偏移的两个线偏振。其他旋转和偏振旋转器可被选择，以达到期望的对准，以在沿弯曲光导127传播时减小在显示光155上的双折射效果，和/或改进从光组合器135的反射离开效率。在显示面板105没有输出偏振光且光组合器135不是偏振敏感的实施例中，偏振旋转器110可被省略。但是，当前可行的非偏振显示面板倾向于太大或没有足够明亮。类似地，大约仅15％反射的非偏振光组合器倾向于更加难以制造。

图3A还示出弯曲目镜120如何由两个匹配到一起的透镜本体125和130形成。图4A示出仅透镜本体130的分解视图，而图4B示出仅透镜本体125的分解视图。如所示，透镜本体130包括薄部分405、厚部分410和过渡表面415，该过渡表面布置在薄部分405和厚部分410之间的过渡部处。类似地，透镜本体125的所示实施例包括薄部分420、厚部分425和过渡表面430，该过渡表面布置在薄部分420和厚部分425之间的过渡部处。在一个实施例中，透镜本体125利用透明粘结剂匹配至透镜本体130，该透明粘结剂具有的折射率小于透镜本体125和130的折射率。低折射率透明粘结剂在两个透镜本体125和130之间形成全内反射界线，其在透镜本体125的厚部分425内限定弯曲光导127的内部界线。可还使用其他涂层，诸如角度敏感多层二色涂层。弯曲光导127的观察区域160通过光组合器135限定，当透镜本体130和125匹配在一起时，该光组合器135布置在过渡表面415和430之间的结合处。光组合器135可实施为部分反射层。在一个实施例中，局部反射层是非偏振分束器涂层。在一个实施例中，局部反射层是取向为反射偏振显示光155的偏振分束器涂层。

弯曲目镜120实施为薄的弯曲目镜，其具有小于8mm的厚度，且在一个实施例中为4.0mm厚。在一个实施例中，透镜本体125和130由透明光学级塑料(例如，聚碳酸酯等)形成，其具有1.64的折射率。但是，折射率越高，可设计越薄的弯曲目镜。利用较高折射率材料的直接益处是减小TIR发生的角度。这有效地实现减小输出耦合器的角度的设计，其可针对给定光导厚度增加眼睛框的尺寸，或针对给定眼睛框尺寸减小光导的总厚度。利用用于弯曲目镜的较高折射率材料可还提供用于将透镜本体125和130粘结到一起的光学级粘结剂的折射率的更大灵活性。面朝眼睛的表面150和面向外界的表面145二者的曲率可实施为球面表面。共同地，弯曲目镜120的曲率和纤细本质提供了期望的工业设计。弯曲目镜120不仅具有期望的工业设计，且还是高效的，因为理想地，对于从输入表面140行进至光组合器135的显示光155，仅有损反弹被光组合器135本身唯一转向。这允许光组合器135和观察区域160与反射相比相当多地更透射，由此改善观察区域160中的弯曲目镜120的透视特性。

在所示实施例中，面向外界的表面145提供了互补曲率，以抵消环境光230经历的面朝眼睛的表面150的曲率的光焦度。此外，在一个实施例中，透镜本体125和130由相同的透明材料或具有大体相同的折射率的透明材料制造。由此，弯曲目镜120操作为透视显示器，其将环境光230与显示光155组合，该显示光155从观察区域160沿朝向眼睛的方向引导到眼睛165中。以该方式，弯曲目镜120能够向眼睛165显示增强的现实；但是，弯曲目镜120的面向外界的表面145和面朝眼睛的表面150的组合曲率彼此互补，且随着环境光230在观察区域160通过弯曲目镜120而共同地没有将透镜效应焦度(lensing power)赋予环境光230。在其他实施例中，面向外界的表面145和面朝眼睛的表面150的曲率可以是不平衡的，以将指定的透镜效应(lensing)赋予环境光230。

本使用新型的所示实施例的上述说明——包括摘要中所描述的——不意图是排他的或将本使用新型限制为所披露的准确形式。虽然本使用新型的特定实施例和用于本使用新型的示例在此出于阐释性目的被描述，各个变型在本使用新型的范围内是可行的，如本领域的技术人员将意识到的。

根据上述详细说明，可对本使用新型做出这些变型。在以下权利要求中使用的术语不应视为将本使用新型限制到说明书中披露的特定实施例。但是，本使用新型的范围完全通过以下权利要求确定，它们将根据所建立的权利要求解释原则被解译。