本公开一般地涉及虚拟现实显示器，并且更具体地，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。因此，用户正在转向虚拟现实(VR)头戴机(headset)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。
技术实现要素：
根据本申请的一个方面，公开了一种显示设备，包括：透镜组件，所述透镜组件包括具有界定多个菲涅耳棱镜的第一表面的透镜体；并且其中，所述多个菲涅耳棱镜中的菲涅耳棱镜当在第一横截面中观察时具有第一小面角，并且当在平行于所述第一横截面的第二横截面中观察时具有第二小面角，所述第一小面角不同于所述第二小面角。
在上述显示设备中，所述菲涅耳棱镜在所述第一横截面和所述第二横截面中可以具有相等的小面高度；所述多个菲涅耳棱镜中与所述菲涅耳棱镜相邻的一个或多个菲涅耳棱镜可以具有与所述菲涅耳棱镜相等的小面高度；在包括所述菲涅耳棱镜的相邻菲涅耳棱镜对之间的间距可以是相等的；所述菲涅耳棱镜可以呈环形地延伸；所述菲涅耳棱镜可以呈圆形地延伸；所述菲涅耳棱镜可以呈椭圆形地延伸；所述透镜体可以在在所述透镜体内的位置处相交的每一对正交横截面中弯曲；所述透镜体在所述第一横截面中可以具有第一拟合曲率半径，并且在所述第二横截面中可以具有第二拟合曲率半径，所述第一拟合半径小于所述第二拟合半径；所述第一拟合半径与所述第二拟合半径的半径比可以不大于0.1；所述半径比可以不大于0.05；所述透镜体可以是变形的；所述透镜体可以进一步包括由与所述第一表面相对的第二表面界定的多个第二菲涅耳棱镜；所述多个第二菲涅耳棱镜的第二菲涅耳棱镜当在第三横截面中观察时可以具有第三小面角，并且当在与所述第三横截面平行的第四横截面中观察时可以具有第四小面角，所述第三小面角不同于所述第四小面角；所述菲涅耳棱镜可以具有线性可变化的小面角。
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横截面视图。
图2是示意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是示意根据一些实施例的示例性透镜体的菲涅耳表面的图。
图4是示意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是示意根据一些实施例的由透镜体的表面界定的菲涅耳棱镜的示例性取向的图。
图7是示意根据一些实施例的透镜体的正交截面的中心线曲线的图。
图8和图9是示意根据一些实施例的在不同位置处在透镜体的表面中界定的菲涅耳表面配置的横截面视图的图。
图10是示意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是示意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是示意根据一些实施例的变形透镜体的图。
图14是示意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)装置的后视图的图。
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
在一个具体示例中，一种设备包括透镜组件，该透镜组件包括具有界定菲涅耳棱镜的表面的透镜体。有时被称为凹槽或段(segment) 的菲涅耳棱镜能够具有随着沿菲涅耳棱镜的位置而改变的小面角 (facet angle)。例如，在沿着菲涅耳棱镜的第一位置处，菲涅耳棱镜能够具有第一小面角，并且在沿着菲涅耳棱镜的第二位置处，菲涅耳棱镜能够具有不同于第一小面角的第二小面角。
在一个实例中，该透镜组件能够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。该透镜组件能够包括变形X-Y透镜体，其具有变形(anamorphic)X-Y 菲涅耳棱镜(小面角沿着(椭圆形)凹槽/段变化以实现局部控制)，或者例如带有线性可变化段角度(螺旋式)式菲涅耳棱镜的、一个沿着X方向并且一个沿着Y方向的(椭圆形)菲涅耳棱镜的薄堆叠体。 X和Y方向是在用户的视平面中的正交方向(例如左/右和上/下)。特别地，结合该透镜组件的设备提供了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的新颖结构，这增强了用户体验并使得畸变较小。
例如，如图1所示意的，一种设备包括具有透镜体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。如所示意的，表面112界定菲涅耳棱镜108。从显示面板104散发出的光，诸如射线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，射线116作为最后的射线相交以射入菲涅耳棱镜，而射线118是射入相邻的菲涅耳棱镜的第一射线，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包括将来自显示面板104的光折射到眼睛节点的光接收表面110(或小面)。光接收表面能够是平坦表面或弯曲表面。如所示意的，折射表面110是非球表面。光接收表面110与非折射面 120相交以形成突脊122。
每个菲涅耳棱镜108具有小面高度(fh)和小面角(fa)，并且被以小面间距(fp)从相邻的菲涅耳棱镜分离。小面高度(fh)是从突脊 122到例如被示意为表面112的、平行于透镜体102的中心线曲线的选定表面的高度。小面角是相对于平行于透镜体102或表面112的中心线的曲线的切线的直线测量的、从突脊到光接收表面110在此处接触表面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)是在相邻的菲涅耳棱镜的突脊之间的距离。
虽然透镜体102被示意为具有界定菲涅耳棱镜108的单个表面 112，但是在可替代实例中，第二表面114也能够界定菲涅耳棱镜。此外，界定菲涅耳棱镜的表面112被示意为面向显示面板104并且与面向眼睛节点106的表面相对。在可替代实例中，作为由表面112界定的菲涅耳棱镜的替代或者补充，表面114能够界定菲涅耳棱镜。
为了示意，透镜体102能够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。可替代地，菲涅耳表面112能够通过例如压花、激光烧蚀或其它加工技术在塑料或玻璃透镜坯料中形成。可替代地，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。对于下面描述的弯曲透镜体，能够制造弯曲透镜组件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)，或者能够将透镜体102形成为是柔性的，并且因此透镜体102能够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(延伸到如所示意的页面中)的不同位置处的横截面中观察时，与菲涅耳棱镜相关联的小面角能够从一个到另一个横截面改变。这种改变的小面角允许透镜体的可替代的结构配置。
在图2所示意的另一个实例中，透镜体200包括菲涅耳棱镜202。当在不同的横截面处，诸如横截面A-A或横截面B-B处，沿着菲涅耳棱镜横穿时，给定菲涅耳棱镜的小面角是不同的。在图2所示意的实例中，与当在横截面A-A中观察时菲涅耳棱镜的小面角相比，当在横截面B-B中观察时菲涅耳棱镜的小面角更小。在特定实例中，菲涅耳棱镜具有线性可变化的小面角。
例如，如图3A所示意的，在横截面A-A中菲涅耳棱镜能够具有小面角(faA)，并且在横截面B-B中菲涅耳棱镜能够具有不同的小面角(faB)。在一个实例中，小面角faA大于小面角faB。可选地，在相邻的菲涅耳棱镜之间的间距(fp)能够是恒定的。例如，对于选定的菲涅耳棱镜，包括选定的菲涅耳棱镜的菲涅耳棱镜的相邻对能够具有近似相等的间距(fp)。如本文所使用的，术语“近似相等”意味着在制造公差范围内相等。可替代地，间距能够改变。
如图3A所示意的，小面高度能够由于改变的小面角而改变。例如，在横截面A-A中，小面高度(fhA)大于横截面B-B中的小面高度(fhB)。可替代地，如图3B所示意的，当小面角从faA改变到faB时，相对于平行于透镜体的中心线的表面的小面高度(fh)能够保持恒定。该平行表面能够是例如平行于透镜体的中心线并且例如在呈现最大小面角的横截面处穿过在相邻的菲涅耳棱镜之间的最低点的表面。在这样一个实例中，间距被示意为在菲涅耳棱镜的相邻对之间是恒定的或近似相等的。可替代地，间距在透镜体的不同位置和横截面处是不同的。
特别地，通过利用具有随着位置而改变的小面角的菲涅耳棱镜，能够利用可替代几何形状的透镜体，使得畸变或者用户体验的降级更轻。例如，如图4示意的，透镜体400包括菲涅耳棱镜402。菲涅耳棱镜402能够被形成为具有形成连续环的突脊，其中菲涅耳棱镜402的菲涅耳棱镜的突脊环回到其自身以形成连续的突脊。在一个实例中，菲涅耳棱镜402的突脊能够是同心的和圆形的。例如，如图5所示意的，一组菲涅耳棱镜500包括围绕中心轴线504的、圆形的并且同心的菲涅耳棱镜502。在图6所示意的另一个实例中，透镜体600包括具有本质上是椭圆形的突脊的菲涅耳棱镜602。该椭圆能够具有与轴线 604对准的焦点。可替代地，突脊能够形成为从顶视图观察时为不规则的连续曲线。
返回图4，透镜400能够进一步呈现当在每一对正交横截面(例如，沿正交方向404的横截面)的两个横截面中观察时透镜体弯曲的轴线曲率。这些横截面与透镜体的厚度平行。例如，如图7所示意的，当在第一横截面中观察时，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。当观察正交横截面时，透镜体也是弯曲的 (见横截面704)，而不是平坦的，但是弯曲至与第一横截面呈现的曲率不同的程度。当在正交横截面中观察时，曲线(702或704)能够是相同的或不同的。特别地，横截面的曲率能够是不同的。
在另一示例中，当观察平行的横截面(例如，图4的横截面A-A 和横截面B-B)时，透镜曲率或小面角能够改变。例如，当观察透镜体的横截面时，能够确定拟合曲率半径。在图8示意的实例中，当在横截面A-A中观察时，透镜400具有曲率半径(rA)。具有小面菲涅耳棱镜802的透镜体能够被拟合到具有拟合曲率半径rA的圆804。在图9 所示意的透镜400的不同的横截面B-B处，透镜能够具有具有不同的小面角的菲涅耳棱镜902。在横截面B-B中，能够为具有曲率半径rB的透镜400的曲率找到拟合圆904。如所示意的，半径rB大于半径rA。能够定义在不同位置处的半径的半径比率。例如，能够在具有最小半径的横截面中为透镜确定半径，并且能够在具有最大半径的平行横截面处为透镜确定半径。半径比能够被定义为最小半径与最大半径的比。在一个实例中，给定透镜构型的半径比能够不大于0.1，例如不大于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。在特定的实例中，当透镜体在具有最大曲率半径的横截面内是平坦的时，半径比接近零。
在图10所示意的另一个实例中，当从与横截面A-A和B-B正交的横截面观察透镜时，透镜1000能够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、沿着横截面1004的其它区域能够呈现大曲率半径并且能够是近似平坦的。当与显示面板协同使用时，这种几何形状能够进一步增强三维体验，例如，当使用虚拟现实头戴机时。
虽然上述透镜体被示意为具有界定菲涅耳棱镜的单个表面，但是透镜体能够可替代地具有各自界定菲涅耳棱镜的两个表面。例如，如图11所示意的，透镜组件1100包括具有中心线1108的透镜体1102。一个主表面1104界定菲涅耳棱镜。类似地，相对表面1106能够界定菲涅耳棱镜。在一个或两个表面上的菲涅耳棱镜能够在不同的横截面中呈现不同的小面角。此外，当从中心线1108观察时，透镜1102被示意为是直的。可替代地，当观察另一个横截面时，中心线1108能够是弯曲的。如所示意的，菲涅耳棱镜是在中心轴线1110的相对侧上菲涅耳棱镜的小面角的结构反射。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小面角，而面向相反的方向。可替代地，小面角关于中心轴线1110是不对称的。在进一步的替代方案中，两个透镜体能够结合使用以界定具有正面棱镜的两个相对表面。
在特定实例中，一个表面能够界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，并且在或者同一透镜体上或者独立的透镜体上形成的第二表面能够界定具有延伸通过由第二表面界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能够是正交的。例如，从观察者的视角，第一轴线能够向左/向右延伸，并且第二轴线能够向上/向下延伸。
在另一个实例中，如图12和图13所示意的，透镜体1200能够包括形成环回到其自身的连续突脊的多个菲涅耳棱镜1202。这样的透镜 1200能够具有双轴曲率，其中当在每对正交横截面中观察时，透镜体呈现一定曲率(例如，非平坦)。可替代地，这样的透镜体能够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横截面呈现单轴曲率或者无任何曲率的平坦区域。在特定实例中，能够将透镜体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小面角的小面棱镜。在一个实例中，菲涅耳棱镜能够在第一和第二这两个位置中具有大致相等的小面高度。相邻的菲涅耳棱镜对能够具有大致相等的小面间距。
在特定实例中，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°的范围内的小面角(fa)。在进一步的实例中，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能够具有在-20°至60°的范围中的拔模角(在从峰部延伸到透镜中的垂直线和非折射面之间界定的角度)。
图14示意了根据至少一个实施例的被配置为实现近眼显示系统100的实例头戴式显示器(HMD)装置1400。通过使用捆绑到或以其他方式安放在用户的头部上的设备，将HMD装置1400安放到用户的头部，使得HMD装置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，用户可能将平板计算机或其他手持式装置保持至用户的面部，并且约束手持式装置的移动，使得即使用户的头部移动，手持式装置相对于用户的头部的取向仍是相对固定地。在这种情况下，以这种方式操作的手持式装置也能够被认为是HMD装置1400的一种实现，即使它不是通过物理附件“安放”到用户的头部的。
HMD装置1400包括具有表面1404的外罩1402，和面垫(face gasket)1406以及一组带子或线束(为了清楚起见，从图14中省略) 以将外罩1402安放在用户的头部上，使得用户面对外罩1402的表面 1404。在所描绘的实施例中，HMD装置1400是双目HMD，并且因此具有置放在表面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能够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)。外罩1402进一步包括与左眼显示面板1408对准的目镜透镜组件1412和与右眼显示面板 1410对准的目镜透镜组件1414。可替代地，在一些实施例中，HMD 装置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。在一个实例中，如图14所示意的，透镜组件能够在结构上是跨越被垂直地界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可以呈现与能够是基本平坦的、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的表面界定。相应地，HMD装置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实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，列出活动的顺序不必要是执行活动的顺序。
在前面的说明书中，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能够理解，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，能够进行各种修改和改变。相应地，说明书和附图被认为是示意性的而不是限制性的，并且所有这些修改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理解，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能够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能够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。