包括用于头戴式显示器的光导的光学设备制造技术

光学设备包括微型显示器(105)，所述微型显示器被配置成发出计算机生成图像(CGI)的光。所述光学设备还包括光导(101)，所述光导具有弯曲的第一表面和弯曲的第二表面，所述第一表面用于从所述微型显示器接收所述CGI，所述第二表面用于通过眼睛侧的第三表面将所述CGI反射到用户的眼睛。所述光学设备还包括头戴式框架(110)，所述头戴式框架支撑所述微型显示器和所述光导，其中，所述微型显示器位于所述头戴式框架的顶部处，并且其中，所述光导的所述第一弯曲表面在所述光导的顶侧处。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】包括用于头戴式显示器的光导的光学设备
本公开一般地涉及光导的设计、放置和使用，该光导可以被用作用于产生增强视觉的头戴式显示器(HMD)设备的一部分。
技术介绍
HMD设备通常包括近眼光学系统，以产生放置在用户前方一定距离的虚拟图像。单眼和双眼显示器分别被称为单眼HMD和双眼HMD。一些HMD设备仅显示计算机生成的图像(CGI)，而其它类型的HMD设备能够在真实视图上叠加CGI。后一种类型的HMD通常包括某种形式的透明目镜，并且能够用作用于实现增强现实(AR)的硬件平台。通过覆盖的CGI，增大了当透过透明眼镜观看时的世界的场景。这种装置也被称为平视显示器(HUD)。HMD具有实际应用和休闲应用。然而，由于用于实现现有HMD设备的光学系统的成本、尺寸、重量、厚度、视场以及效率，许多应用受到了限制。狭窄的视场特别受限制。使用常规组件会产生仅几度的宽度和几度的高度的CGI，从而导致较差的用户体验。先前的HMD设计已经试图通过采用弯曲的光导来解决这些问题，并且将微型显示器定位在类似于传统眼镜的头戴式框架的镜腿区域中。然而，基于这些设计的装置的特定几何形状和物理约束，光导将光路限制成在光导的眼睛侧包括至少两次反弹或反射，并且在光导的世界侧包括至少两次反射，由此限制结果可见图像的大小。另外，都放置HMD的组件的常规限制导致在用户视线内约10度等级对角线的低视场(FOV)显示器。附图说明通过参考附图，可以更好地理解本公开，并且本公开的许多特征和优点对于本领域技术人员变得显而易见。在不同的图中使用相同的参考符号表示相似或相同的项目。图1和图2示出了根据一些实施例的眼镜设备的透视图。图3示出了根据一些实施例的光导的分解透视图。图4示出了根据一些实施例的在图3中所示的光导的正视图。图5示出了根据一些实施例的沿图1的线1-1的光导、显示器和场镜的侧面截面图。图6示出了根据一些实施例的沿图1的线2-2的眼镜设备的侧面截面图。图7示出了根据一些实施例的就像位于如图1和2中所示的框架中一样的光导的俯视图。图8示出了根据一些实施例的表征弯曲的透明光导的两个表面的形状的一组示例系数。图9示出了根据一些实施例的表征弯曲的透明光导的表面的一组坐标值。具体实施方式先前的光导设计将微型显示器放置在头戴式显示器(HMD)设备或装置或透明的平视显示器(HUD)设备或装置的镜腿位置处。该位置可能导致光导长度比期望的更长。尤其是，镜腿位置处的微型显示器可能需要在光到达用户的眼睛之前，在光导的眼睛侧表面上具有两次或以上次反射并且在光导的世界侧表面上具有两次或以上次反射的光路。为了将微型显示器隐藏在镜腿位置，需要将光导倾斜大约18度，以便促进光导内的全内反射(TIR)。所有这些约束在从微型显示器发出的可视图像中产生了约近10度对角线的低视场(FOV)显示。本文描述的实施例涉及透明的HMD设备，诸如眼镜、头盔和挡风玻璃，其使得能够光学合并计算机生成的场景和现实场景以形成组合视图。为了改进先前的几何形状，根据某些实施例，将微型显示器(在下文中也被称为“显示器”)作为HMD设备的一部分被放置在弯曲的光导的顶部处，以提供双边光学对称性并将视场从几度扩展到在水平方向上大约40度和在垂直方向上大约14度。光导和微型显示器通常相对于彼此定位，以在眼睛侧提供全内反射的一次反射，并从光导的表面在世界侧提供一次反射。然后，来自微型显示器的投影可以在到达用户眼睛之前，通过光导的合成器区域与来自光导的世界侧(与眼睛侧相反)的光输出耦合。替代光导的各种特征(诸如具有光导的弯曲的眼睛侧表面和弯曲的世界侧表面)来支撑微型显示器放置在光导的顶部处。根据某些实施例，这些弯曲表面是球形的，并且这些弯曲表面中的每一个弯曲表面具有彼此相似或近似相同大小的特征尺寸(例如，球形尺寸、半径)。光导的首先从微型显示器接收光的第一表面是弯曲的，并且根据某些实施例，该表面是自由形式的，以便校正关于微型显示器的像散(如果有的话)。光导的另一个表面和最终表面(提供从微型显示器朝向用户眼睛的光的最终反射)也是以自由形式弯曲的。该最终表面在本文中被称为合成器或合成器表面。从其反射的图像被称为光场。在其它实施例中，光导的最终表面是旋转对称的非球面形状的表面、变形的非球面形状的表面、环形形状的表面、泽尔尼克多项式形状的表面、径向基函数形状的表面、x-y多项式形状的表面或非均匀有理b样条形状的表面。为第一(左)用户眼睛提供第一光导，并且为第二(右)用户眼睛提供第二光导。在一个实施例中，第一光导和第二光导中的每一个光导都被缠绕成与视轴成大约五度。根据一些实施例，包角相对于视轴为至少两度。框架使光导的表面维持约四度的倾斜。以至少两度定向光轴。例如，还以在水平轴下方，低于八度(例如以约四度)定向光轴。从而为用户眼睛提供至少两度(例如约八度)的整体或组合的全景倾斜。光导的厚度为约5毫米或更小。根据某些实施例，厚度为四毫米或更小。光导的球形表面的球形曲率半径被设计成使得其光焦度总和为零(即，每个光导为零功率壳)。透明外壳与光导维持较小的距离，从而导致了美观的HMD设备，其相对于传统的HMD设备和HMD图像查看系统提供了显著放大的图像。图1示出了根据一些实施例的眼镜设备100的透视图。设备100包括安装在框架110中的一对光导101。框架110将光导101固定在其顶侧114和底侧120之间。框架110被成形为类似于普通眼镜的形式。通常，每个光导101是透明的。每个光导101都包括介电反射镜涂层102，该介电反射镜涂层用作合成器，其反射来自相应微型显示器105的光103，并且允许来自世界侧113的环境光104穿到光导101的朝向眼睛一侧115和介电反射镜涂层102。每个微型显示器105被安装在框架110的顶侧114处。框架110包括两个臂111，所述两个臂从框架110的镜腿位置朝向用户的耳朵(未示出)并在用户的耳朵上方延伸。每个臂111容纳用于相应微型显示器105的软绳112。每个微型显示器105通过其相应的软绳112，从计算设备(未示出)接收电力和显示信号，并且被配置成发出计算机生成图像(CGI)的光。图2示出了根据一些实施例的首先在图1中示出的眼镜设备100的另一透视图。框架110支撑用于相应微型显示器105的显示器壳体106。每个显示器壳体106包围其微型显示器105的一部分。显示光103离开每个微型显示器105，并从框架110的顶侧114进入相应的光导101。根据一些实施例，显示光103通过全内反射(TIR)，在光导101的表面的内部和光导101的表面之间，在光导101的第一表面处反射一次并且在第二表面处反射一次，随后，显示光103从介电反射镜涂层102反射。然后，源自微型显示器105的光103离开光导101，朝向框架110的朝向眼睛一侧115行进，以供用户(未示出)观察。臂111从框架110的两个镜腿位置117中的每个镜腿位置延伸。来自世界侧113的环境光穿过光导101到达框架110的朝向眼睛一侧115。鼻托本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学设备，包括：/n微型显示器(105)，所述微型显示器被配置成发出计算机生成图像(CGI)的光；/n光导(101)，所述光导具有弯曲的第一表面和弯曲的第二表面，所述弯曲的第一表面用于从所述微型显示器接收所述CGI，所述弯曲的第二表面用于通过眼睛侧的第三表面将所述CGI反射到用户眼睛；以及/n头戴式框架(110)，所述头戴式框架支撑所述微型显示器和所述光导，其中，所述微型显示器位于所述头戴式框架的顶部处，并且其中，所述光导的所述弯曲的第一表面在所述光导的顶侧处。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181026 US 62/751,008;20190128 US 16/259,1921.一种光学设备，包括：
微型显示器(105)，所述微型显示器被配置成发出计算机生成图像(CGI)的光；
光导(101)，所述光导具有弯曲的第一表面和弯曲的第二表面，所述弯曲的第一表面用于从所述微型显示器接收所述CGI，所述弯曲的第二表面用于通过眼睛侧的第三表面将所述CGI反射到用户眼睛；以及
头戴式框架(110)，所述头戴式框架支撑所述微型显示器和所述光导，其中，所述微型显示器位于所述头戴式框架的顶部处，并且其中，所述光导的所述弯曲的第一表面在所述光导的顶侧处。


2.根据权利要求1所述的光学设备，进一步包括：
场镜(307)，所述场镜位于所述微型显示器和所述光导之间，所述场镜包括：
第一表面，所述第一表面朝向所述微型显示器定向；以及
第二表面，所述第二表面朝向所述光导的所述弯曲的第一表面定向。


3.根据权利要求2所述的光学设备，其中，所述场镜由塑料材料形成。


4.根据权利要求2或3所述的光学设备，其中，所述光导的所述弯曲的第二表面是自由形式的。


5.根据权利要求2至4中的一项所述的光学设备，其中，所述场镜的所述第二表面是球形的。


6.根据权利要求2至5中的一项所述的光学设备，其中，所述场镜、所述光导或所述场镜和所述光导两者的表面被成形为：当所述光从所述微型显示器朝向所述光导的所述弯曲的第二表面前进时，校正在第一维度和第二维度中的至少一个维度中来自所述微型显示器的所述光的CGI的像散。


7.根据任一前述权利要求所述的光学设备，其中，所述光导的所述第三表面是球形的，所述球形的球形尺寸在80毫米至100毫米的曲率之间。


8.根据任一前述权利要求所述的光学设备，其中，所述光导的第四表面是球形的，所述球形的球形尺寸在80毫米至100毫米的曲率之间，并且其中，所述光导的所述第四表面的曲率中心和所述第三表面的曲率中心相对于所述光导大致位于相同的位置处。


9.根据任一前述权利要求所述的光学设备，其中，所述光导的所述第三表面被以相对于所述用户眼睛至少2度的全景倾斜定向。


10.根据权利要求9所述的光学设备，其中，所述第三表面被配置为用于提供光轴，当用户穿戴所述光学设备时，所述光轴相对于所述用户眼睛在水平轴下方倾斜至少2度。


11.根据任一前述权利要求所述的光学设备，其中，所述光导被以相对于光轴和所述用户眼睛至少2度的包角定向。


12.根据任一前述权利要求所述的光学设备，其中，所述光导的所述弯曲的第二表面是所述CGI的合成器，所述光学设备的所述第三表面和第四表面形成透明的平视显示器(HUD)，所述CGI和世界视图形成所述用户眼睛的组合视图。


13.根据任一前述权利要求所述的光学设备，其中，所述光导由第一材料制成，并且所述场镜由第二材料制成，以便为所述CGI的光提供颜色校正。


14.根据任一前述权利要求所述的光学设备，其中，所述光导由合成树脂材料形成。


15.根据任一前述权利要求所述的光学设备，进一步包括：
具有第一表面的填充件，所述第一表面被成形为符合所述光导的世界侧第四表面，并且被成形为配合到所述光导的凹槽中，其中，所述填充件具有第二表面，所述第二表面被成形为符合所述光导的所述弯曲的第二表面。


16.根据任一前述权利要求所述的光学设备，其中，所述弯曲的第一表面是透明的并且位于所述光导的眼睛侧；所述弯曲的第二表面是透明的并且位于所述光导的世界侧，并且所述第三表面...

【专利技术属性】
技术研发人员：厄赞·恰克马克彻，
申请(专利权)人：谷歌有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国;US