向用于透视式头戴式显示器的目镜添加处方性修正的制作方法

本公开大体涉及光学领域，并且具体但是不排他地涉及用于可头戴式显示器的目镜。

背景技术：

头戴式显示器(“hmd”)或可头戴式显示器是一种佩戴在头上或者绕头佩戴的显示设备。hmd通常包括一些类型的近眼光学系统，以产生置于用户之前几米的放大虚像。单眼显示器被称为单目hmd，而双眼显示器被称为双目hmd。一些hmd仅显示计算机生成图像(“cgi”)，而其它类型的hmd能够在现实世界视野上叠加cgi。后一种类型的hmd通常包括一些形式的透视式目镜，并且能够用作实现增强现实的硬件平台。通过增强现实，查看者的世界图像通过重叠的cgi增强，也称为平视显示器(“hud”)。

hmd具有许多实用和休闲应用。航空应用允许飞行员看到至关重要的飞行控制信息，而不需要将他们的眼睛从飞行路径移开。公共安全应用包括地图和热成像的策略性显示。其它应用领域包括视频游戏、运输和电信。随着技术的演进，必定存在新发现的实用和休闲应用；然而，这些应用中的许多由于用于实现现有hmd的传统光学系统的成本、大小、重量、视场、和效率而受限。如果hmd能够有效地包括对具有不同处方性需求(prescriptiveneed)的各种各样的用户进行的处方性校正(prescriptivecorrection)，则hmd可能获得大众的更广泛采用。

附图说明

参考以下附图描述本发明的非限制性和非穷尽性实施例，其中除非另有说明，否则相似的附图标记指代各附图中的相似部分。附图不一定按比例绘制，而是着重说明所描述的原理。

图1图示根据本公开的第一实施例的，包括可头戴式显示器的处方层的目镜。

图2图示根据本公开的第二实施例的，包括可头戴式显示器的处方层的目镜。

图3图示根据本公开的第三实施例的，包括在一个或者多个表面上形成的处方性曲率以与可头戴式显示器一起使用的目镜。

图4a-4d图示根据本公开的实施例的，输入耦合器和输出耦合器的各个示例。

图5a-5b示出根据本公开的实施例的，包括透视式目镜的说明性单目可头戴式显示器。

图6示出根据本公开的实施例的，包括透视式目镜的说明性双目可头戴式显示器。

具体实施方式

在本文中描述了用于提供处方性透镜化(prescriptivelensing)的可头戴式显示器的目镜的系统和装置的实施例。在下文说明中阐述许多特定的细节以提供对实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，能够在没有一个或者多个特定细节的情况下，或者利用其它方法、部件、材料等等来实践本文所述的技术。在其它实例下，未详细地示出和描述众所周知的结构、材料或者操作从而避免模糊特定方面。

贯穿本说明书，涉及“一个实施例”或者“实施例”意指与该实施例结合所描述的特定特征、结构或者特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因而，贯穿本说明书，在各个位置出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”不是必然都指代相同实施例。此外，可在一个或者多个实施例中以任何合适的方式组合特定特征、结构或者特性。

图1图示根据本公开的第一实施例的，包括提供处方性透镜化的可头戴式显示器的目镜100。目镜100的所图示实施例包括弯曲光导部件105、弯曲透视式部件110、光导层115a和115b(统称115)、输入耦合器120、输出耦合器125、和处方层130。弯曲光导部件105的所图示实施例包括厚部分135、薄部分140、面向眼睛侧145以及面向外界侧150。弯曲透视式部件110的所图示实施例包括厚部分155和薄部分160。

目镜100非常适合与提供用户特定处方性透镜化的可头戴式显示器一起使用。当与可头戴式显示器集成时，目镜100接收由显示源170在位于查看区域175外围的输入区域(靠近输入耦合器120)处产生的显示光165，并且在查看区域175中沿向眼睛方向向用户的眼睛180发出显示光165。在输入耦合器120和输出耦合器125之间，显示光165在弯曲光导部件105内在光导层115之间被导向。

在一个实施例中，光导层115是在弯曲光导部件105和包括弯曲透视式部件110与处方层130的周围层之间形成保形粘合(conformalbond)的透明粘合剂层。这些粘合剂层具有低于弯曲光导部件105的折射率的一定折射率，以促进全内反射(“tir”)。在该实施例中，显示光165完全由tr从输入耦合器120导向至输出耦合器125。为了提高效率并且降低倏逝泄漏，低折射率粘合剂层应为几个显示光165波长厚，或者更大。作为示例，弯曲光导部件105可由具有折射率范围在1.5至1.7的光学级塑料制成，而光导层115可具有约1.3的折射率。在一个实施例中，光导层115可由光学级粘合剂制成，诸如以色列mypolymers公司提供的my-131。当然，可使用其它光学级粘合剂。

在又一实施例中，使用角度选择性涂层制作光导层115。可使用多层膜堆叠来实现角度选择性涂层，该多层膜堆叠基本反射以充分倾斜角度入射的显示光165，同时基本透射以近法角入射的显示光165。

在所图示实施例中，显示光165穿过面向眼睛侧145入射，并且被反射输入耦合器120经弯曲光导部件105朝向查看区域175重新导向。然而，在其它实施例中，输入耦合器120可省略，并且弯曲光导部件105的边缘表面121充当输入耦合器以将显示光165接收到弯曲光导部件105中。在该边缘输入实施例中，显示源170可被重新定位在边缘表面121前。在一些实施例中，边缘表面121可为随着显示光165被接收到弯曲光导部件105中而向显示光165施加透镜化功率(lensingpower)的弯曲表面(例如，自由形态面(freeformsurface))。在另外的其它实施例中(下文所述)，可使用各种其它结构(例如，反射表面、全息图、棱镜等)实现输入耦合器120，所述其他结构将显示光165沿致使tir传播的弯曲光导部件105内的轨迹经弯曲光导部件105朝向查看区域175重新导向。在一个实施例中，输入耦合器120为具有自由形态面的反射镜(例如，银涂层或者其它反射涂层)。由于光导层115，所以经由tir完全地或者角度选择性反射将显示光165从输入耦合器120导向至输出耦合器125，其中在查看区域175处经由最终反射出输出耦合器125将显示光165重新导向出弯曲光导部件105。

可使用沿向眼睛方向重新导向显示光165的多种不同结构来实现输出耦合器125。例如，输出耦合器125可为具有自由形态面的部分反射器或者分束器(例如，薄银涂层，多层介电薄膜，等等)。在一个实施例中，输出耦合器125对可见光的透射多于反射。例如，输出耦合器125可被实现为15％反射和85％透射。当然，可实现其它反射/透射比。因而，查看区域175对穿过面向外界面150入射的环境光部分透射，使得查看区域175为透视式。

在一个实施例中，弯曲透视式部件110被跨查看区域175布置以提供沿面向外界面185的互补曲率，从而抵消环境光遇到的面向眼睛面145的曲率的光功率(opticalpower)。此外，在一个实施例中，弯曲透视式部件110和弯曲光导部件105由相同透明材料或者具有基本相同折射率的透明材料制成。因而，目镜100充当光组合器，其将环境光190与沿进入眼睛180的向眼睛方向导向出查看区域175的显示光165组合。以这种方式，目镜100能够向眼睛180显示增强现实；然而，弯曲透视式部件110的面向外界面185和弯曲光导部件105的面向眼睛侧145的组合曲率彼此互补，并且随着环境光190在查看区域175中穿过目镜100，总体上不向环境光190施加透镜化功率。

在图1的所图示实施例中，经由处方层130向环境光190和显示光165两者提供处方透镜化。例如，处方性曲率在处方层130的面向眼睛侧195中形成。相对于面向外界侧185的曲率来指定处方性曲率。通过以具有基本与弯曲光导部件105匹配的折射率的材料制作处方层130，处方层130和弯曲光导部件105之间的界面对沿向眼睛方向离开目镜100的环境光190和显示光165具有很少或者无透镜化功率，光导层115b被布置在该界面中。

因而，能够通过仅改变或者修改处方层130来提供用户特定处方，而弯曲光导部件105和弯曲透视式部件110跨所有用户保持通用。这种技术使得能够制造多种处方，同时维持仅用于处方层130的相对少的物料(skus)。例如，可制造少量的不同处方层130(例如，8个)，其均具有形成到面向眼睛侧195中的、与范围为-4diopter至+4diopter的基础屈光度相对应的基础曲率。可使用这种范围的基础屈光度制作和提供目镜100。当对特定用户的处方定制特定目镜100时，选择具有最接近匹配基础屈光度的目镜100，并且然后将其发送至眼科实验室以按用户的精确处方研磨处方层130的面向眼睛侧195。

目镜100能够被实现为具有低于8mm厚度的薄、弯曲的目镜。在一个实施例中，当由具有1.64折射率的透明材料(例如，okp4ht-l、ep5000、聚碳酸酯等等)制成时，仅弯曲光导部件105具有约3.5mm的厚度。折射率越高，目镜可以被设计得越薄。使用较高折射率材料的直接益处在于减小tir发生的角度。这有效地使得能够进行减小输出耦合器的角度的设计，这能够对于给定光导厚度提高眼格(eyebox)的大小，或者对于给定眼格大小降低总光导厚度。对目镜使用较高折射率材料也能够在用于将目镜100的部件粘合在一起的光学级粘合剂(例如，光导层115)的折射率中提供更大的灵活性。面向眼睛面145和面向外界面150两者的曲率都可被实现为球面。总体上，目镜100的曲率和精小性质提供需要处方性透镜化的用户能够喜爱的期望工业设计。目镜100不仅具有期望工业设计，而且也是有效率的，因为从输入耦合器120行进至输出耦合器125的显示光165的唯一有损反弹(lossybounce)是输出耦合器125自身进行的单次重新导向。这准许输出耦合器125基本更多地进行透射而非反射，由此提高目镜100在查看区域175中的透视式特性。

虽然面向外界侧150和面向眼睛侧145没有在环境光190上施加透镜化功率，并且面向眼睛侧145没有在显示光165在查看区域175中离开目镜100时对显示光165施加透镜化功率，但是这些表面在显示光165被从输入区域经目镜100向下导向至查看区域175时确实对显示光165施加透镜化功率。在一个实施例中，面向外界侧150和面向眼睛侧145连同输入耦合器120和输出耦合器125随着显示光165被从输入区域经目镜100向下导向至查看区域175时共同地对显示光165施加透镜化功率。这种透镜化功率用于放大显示光165，使得用户能够将近眼图像对焦。在一个实施例中，面向外界侧150和面向眼睛侧145具有球面曲率，而边缘表面121(应注意，在该实施例中，输入耦合器120被省略，并且边缘表面121充当上述输入耦合器)和输出耦合器125可具有自由形态面。弯曲光导部件105具有1.64折射率的一个实施例中，面向眼睛面145和面向外界面150分别具有-118.5mm和-120mm的球面半径。在该示例中，边缘表面121和输出耦合器125的自由形态面由下列等式定义：

其中c2,0＝x2，c1,1＝x1y1，c0,2＝y2，等等。在该实施例中，边缘表面121具有由等式1以系数值r＝22.39mm、y2＝3.12e-02、x3＝-1.5e-03、xy2＝-4.64e-03和y4＝-6.5e-04限定的自由形态形状。在该实施例中，输出耦合器125具有由等式1以系数值r＝-57.135mm、y2＝9.2e-04、x3＝7.96e-05、xy2＝7.14e-05以及32度的相对倾斜限定的自由形态形状。当然，可实现其它曲率、自由形态等式、系数项和/或值和尺寸。

在所图示实施例中，弯曲光导部件105包括厚部分135和薄部分140，同时弯曲透视式部件110包括厚部分155和薄部分160。输出耦合器125沿厚和薄部分之间的过渡区域布置。这种构造允许目镜100不仅跨整个目镜不具有可见接缝，而且特别是在查看区域175中没有接缝。

在一个实施例中，使用光学级塑料来使用注入模制技术制作弯曲光导部件105和弯曲透视式部件110。一旦使用低折射率光学级粘合剂(例如，光导层115)将部件粘合在一起，则两个部件能够变薄以实现外表面上的最终厚度和精确曲率。能够使用各种研磨、铣削、金刚石车削或者其它技术来实现薄化。也可使用注入模制技术随后通过各种研磨、铣削、金刚石车削、或者其它技术实现面向眼睛侧195的处方曲率。

图2图示了根据本公开的另一实施例的，包括可头戴式显示器的处方层的目镜200。目镜200与目镜100类似，并且除了弯曲光导部件205不包括薄部分之外都以类似方式操作。制作无薄部分的弯曲光导部件205能够降低制作成本，但是这样做的代价在于将可见接缝210引入查看区域175。可经由仔细制造而在处方层130、弯曲光导部件205和弯曲透视式部件110之间形成紧密接缝210来减小接缝210的外观，然而使用低折射率的透明粘合剂实现光导层215a和215b仍可能导致接缝210可见。

图3图示根据本公开的另一实施例的，包括在一个或者多个表面上形成的处方性曲率的目镜300。目镜300与目镜100类似，并且除了省略了130并作为代替直接在弯曲透视式部件310的面向外界面385中并且可选地在弯曲光导部件305的面向眼睛侧345中形成处方性透镜化之外，以类似方式操作。在弯曲光导部件305的外部表面和/或弯曲透视式部件310中直接地形成处方性曲率能够提高工业设计特性(例如，保持目镜300更薄，以较少的夹层提高清晰度，等等)；然而，这样做的代价在于必须对每个用户定制弯曲透视式部件310和可选地定制弯曲光导部件305。在一个实施例中，面向外界面385和面向眼睛侧345的非互补曲率提供处方性透镜化；然而，显示光165遇到的弯曲光导部件305的表面总和不提供处方性透镜化。在该实施例中，环境光190而非显示光165被校正。因而，这种方案可能非常适合轻微处方或者近视处方的用户，在这种情况下，输入耦合器320、弯曲光导部件305和输出耦合器125的透镜化功率可被选择为将显示光165的虚像置于典型的近视用户能够在无处方性透镜化的情况下对焦的距离处。

图4a-4d图示根据本公开的实施例的，能够结合上述目镜设计(例如，目镜100、200或300)使用的输入耦合器和输出耦合器的各个替选示例。所图示示例不意图表示输入耦合和输出耦合方案的详尽列举，而是为例示性列举。

例如，图4a图示其中输入耦合器410形成为在弯曲光导部件415的一端中模制成型而形成的目镜405。即，显示光165不通过面向眼睛面输入，而是通过接近显示源170的端面输入。

图4b图示其中输出耦合器形成为沿面向外界面430布置在查看区域中的棱镜结构425的阵列的目镜420。棱镜结构425可作为小角度倾斜的部分反射表面的阵列实现。在图4b的所图示实施例中，多个透视式楔435在每个反射面后方粘合至弯曲波导部件440。虽然未图示，但是在一些实施例中，目镜420还可在输入区域中包括作为输入耦合器的棱镜结构阵列。

图4c图示其中输出耦合器形成为被沿面向外界面460布置在查看区域中的全息图455的目镜450。图4c图示包括作为输入耦合器的反射全息图457，以对输出全息图455所导致的色差提供颜色校正。

图4d图示其中输出耦合器形成为被布置在弯曲波导部件485内的一对部分反射镜段475和480的目镜470。部分反射镜段475和480用作进一步扩展能够通过其从目镜470查看显示光165的眼格。即，镜段475和480以在查看区域处将每个反射镜段475和480反射的图像拼接在一起的方式反射从单个像素输出的显示光，从而扩展能够通过其查看单个像素的眼格。部分反射镜段480被布置在部分反射镜段475之后，使得显示光165在到达部分反射镜段480之前必须首先穿过部分反射镜片段475。在所示实施例中，部分反射镜段475和480两者都为弯曲的自由形态面，同时面向外界面490和面向眼睛面495为球面。在一个实施例中，面向外界面490为半径为90mm的球面，并且面向眼睛面495为半径为92.5的球面。在一个实施例中，部分反射镜段475具有由下列等式2和3，以系数值x²＝0.0035，y²＝0.0045，相对倾斜-23.25度以及半径-54.72限定的自由形态形状；部分反射镜段480具有由下列等式2和3，以系数值x²＝0.0046，y²＝0.0053，相对倾斜-26度以及半径-51.42限定的自由形态形状；并且输入耦合器497具有由下列等式2和3，以系数值x²＝-0.0053，y²＝-0.0027，x³＝7.14e-005，x²y＝-6.07e-6，xy²＝5.22e-5，(x,y,z)＝(-28.5,0,-3)，相对倾斜度42.98度以及半径-62.43限定的自由形态形状。当然，可实现其它系数值和尺寸。

图5a和5b图示根据本公开的实施例的，使用目镜501的单目可头戴式显示器500。图5a是可头戴式显示器500的透视图，而图5b是其顶视图。可通过上述目镜100、200或300的实施例(或其组合)实现目镜501。目镜501被安装至包括鼻架505、左耳臂510和右耳臂515的框架组件。壳体520和525可包含各种电子装置，包括微处理器、接口、一个或者多个无线收发器、电池、相机、扬声器、显示源等等。虽然图5a和5b图示单目实施例，但是可头戴式显示器500也可被实现为具有两个目镜501的双目显示器，在用户佩戴显示器500时，每个目镜501与用户的相应眼睛对准。

透视式目镜501被固定到眼镜布置中，使得可头戴式显示器能够被佩戴在用户的头部上。左耳臂510和右耳臂515架在用户的耳朵上，而鼻架505架在用户的鼻子上。框架组件形状和大小被确定以将查看区域175定位在用户眼睛的前方。可使用具有其它形状的其它框架组件(例如，传统的眼镜框、单贯通头戴式送受话器构件、头带、护目镜式眼镜等等)。

如上所述，图5a和5b图示出具有仅覆盖用户视场的一部分的紧凑透视式目镜的单目实施例。在其它实施例中，透视式目镜的面向眼睛面和面向外界面能够延伸以在双目框架中形成完整眼镜透镜。图6示出包括被集成到框架中的两个透视式目镜601，并且目镜跨用户视场的大部分延伸的双眼可头戴式显示器600。每个目镜601的弯曲透视式部件(例如，图1中的弯曲透视式部件110)可被设计成跨整个目镜延伸，使得不在目镜的中间部分中形成接缝。显示光165可在外围太阳穴部位区域发射到目镜601中，并且如上所述使用tir或角度选择性反射来经由光导层115朝向输出耦合器125导向。在一个实施例中，可头戴式显示器600可实现为单目设计，其中仅一个目镜充当光学组合器，而另一个目镜为相同材料和厚度的常规透镜。

本发明的所说明实施例的以上描述，包括摘要中所述的说明不意图为详尽地或者将本发明限于所公开的确切形式。虽然为了示例在本文中描述了本发明的特定实施例和示例，但是本领域技术人员应明白，在本发明的范围内可能存在各种变型。

能够根据上述详细说明对本发明做出这些修改。所附权利要求书中所使用的术语不应被理解为将本发明限于说明书中所公开的特定实施例。相反，本发明的范围完全由所述权利要求书确定，应根据确定的权利要求解释的教义解释本发明。