自由形式变焦光学组件制造技术

自由形式变焦光学组件包括至少三个光学模块，该光学模块包括第一多个光学元件，该第一多个光学元件包括Pancharatnam

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】自由形式变焦光学组件
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年1月24日提交的美国临时申请No.62/965,455的权益，其内容通过引用整体并入。


[0003]本公开总体上涉及在各种类型的电子系统和设备中实现的光学元件和光学系统。

技术介绍

[0004]光学设备(包括头戴式显示设备)向用户提供视觉信息。例如，头戴式显示器用于虚拟现实和增强现实操作。头戴式显示器通常包括电子图像源和光学组件。
[0005]调节是指视觉过程，在该视觉过程中人眼的睫状肌和悬韧带使眼睛的晶状体凸出或变平以将物体聚焦在视网膜上。如果眼睛的调节不完善，入射到晶状体上的平行光线会会聚到视网膜后面的点(远视(hypermetropia)或远视眼(farsightedness))或视网膜前面的点(近视(myopia)或近视眼(nearsightedness))。为了矫正这些视觉缺陷，将适当焦距的会聚透镜放置在远视眼的前面，并且将适当焦距的发散透镜放置在近视眼的前面。放置在眼睛的前面的透镜可以提供球面校正，其程度取决于透镜焦距的正屈光度(D)或负屈光度。
[0006]诸如像散、彗差(coma)、三叶形(trefoil)、四叶形(quadrafoil)、次级像散(secondary astigmatism)等高阶像差会导致屈光不正，其中眼睛不能将光均匀地聚焦到视网膜上。像差会导致图像看起来模糊和被拉伸，并且可能导致头痛、眼睛疲劳、眯眼以及视力扭曲或模糊。

技术实现思路

[0007]一种可变焦光学组件包括多个可调节级，多个可调节级可配置为具有可调节光功率(optical power)，并且在一个示例中可以用于诸如头戴式显示器的光学设备中，使得对象的显示图像正确地被聚焦在显示器观察者的眼睛的视网膜上。在光学组件中，具有多个光学级的光学堆叠体(optical stack)的焦距可以通过改变一个或多个光学级的相应状态来调节。例如，在第一状态下，光学级可以被配置为对于第一偏振光具有第一相应光功率，并且对于第二偏振(即，正交于第一偏振)光具有与第一相应光功率不同的第二相应光功率。在第二状态下，相应光学级可以被配置为对于第一偏振光具有第三光功率，并且对于第二偏振光具有第四光功率。光学堆叠体的焦距和变焦光学组件的总光功率(以+或
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D为单位测量，如上所述)可以通过配置组件的一个或多个连续的光学级来进行改变，以提供波前校正和/或调节并且加强观察者的适应能力。
[0008]一般而言，本公开涉及一种可以用作显示设备(例如，头戴式显示设备)的光学系统的部件的自由形式变焦光学组件。变焦光学组件包括光学堆叠体，该光学堆叠体可以被配置为通过提供焦点和高阶像差校正(focus and higher order aberration correction)来增强显示器观察者的一只或两只眼睛的适应能力，从而在使用显示设备时
增加观察者的整体舒适度和享受度。本公开还涉及一种自由形式变焦光学组件，该自由形式变焦光学组件可以用于独立于显示设备的光学系统，从任意输入波前输出预定波前。例如，自由形式变焦光学组件可以用作自适应光学元件，例如以补偿波前的失真。在一些示例中，自由形式变焦光学组件可以被配置为基于包括可变焦光学组件的光学模块的相应波前调节的不同组合，输出可变波前。
[0009]变焦光学组件包括透镜光学组件，该透镜光学组件可以在显示器与观察者的一只或两只眼睛之间形成光学堆叠体。透镜光学组件可以被配置为校正每只眼睛的低阶像差(像矫正眼镜透镜那样)、以及高阶像差。透镜光学组件轻薄，这减轻了头戴式显示器(或任何光学设备)的总重量，并且提供了更优化的设备外形尺寸，其中的一者或两者可以增强观察者的观看体验。
[0010]在一些示例中，本公开描述了一种包括至少三个光学模块的自由形式变焦透镜，每个光学模块包括对应的多个偏振敏感光学元件。每个光学模块与对应泽尼克(Zernike)多项式相关联，并且对于每个光学模块，对应的多个光学元件包括与对应Zernike多项式相关联的对应属性。与每个光学模块相关联的对应Zernike多项式可以是不同的。
[0011]在一些示例中，本公开描述了一种包括被配置为发射图像光的显示器的头戴式显示器。头戴式显示器还包括自由形式变焦光学组件，该自由形式变焦光学组件包括至少三个光学模块，每个光学模块包括对应的多个偏振敏感光学元件。每个光学模块与对应Zernike多项式相关联，并且对于每个光学模块，对应的多个光学元件包括与对应Zernike多项式相关联的对应属性。与每个光学模块相关联的对应Zernike多项式可以是不同的。
[0012]在一些示例中，本公开描述了一种方法，该方法包括使光透射通过至少三个光学模块，每个光学模块包括多个偏振敏感光学元件。每个光学模块与对应Zernike多项式相关联，并且对于每个光学模块，对应的多个光学元件包括与对应Zernike多项式相关联的对应属性。与每个光学模块相关联的对应Zernike多项式可以是不同的。该方法还包括通过改变至少三个光学模块中的一个或多个光学模块中的多个光学元件的一个或多个光学元件的相应状态，来调节至少三个光学模块中的一个或多个光学模块的光焦度(focal power)。
[0013]因此，所公开的实施例提供具有可调节光功率的显示设备以减少眼睛疲劳并且提高用户对这样的设备的舒适度和满意度，以及提供波前整形以从任意输入波前输出期望波前。
附图说明
[0014]图1是描绘根据本公开中描述的技术的、包括被配置为提供像差补偿的自由形式变焦光学组件的示例性人工现实系统的图示。
[0015]图2A是描绘根据本公开中描述的技术的、包括被配置为提供像差补偿的自由形式变焦光学组件的示例性HMD的图示。
[0016]图2B是描绘根据本公开中描述的技术的、包括被配置为提供像差补偿的变焦光学组件的另一示例性HMD的图示。
[0017]图3是示出根据本公开中描述的技术的图1的人工现实系统的控制台和HMD的示例性实施方式的框图。
[0018]图4是描绘根据本公开中描述的技术的图1的人工现实系统的示例性HMD的框图。
[0019]图5是示例性显示设备的示意性透视图。
[0020]图6是示例性球面透镜光学模块的示意性截面图。
[0021]图7是根据本公开的一些示例的球面透镜光学模块的示例性光学级的概念图，该光学级包括第一光学元件和与第一光学元件光学串联的第二光学元件。
[0022]图8A
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图8D是示出用于球面透镜光学模块的示例性潘卡拉特南
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贝里(Pancharatnam
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Berry)相位透镜的示意图。
[0023]图9A
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图9D是示出用于球面透镜光学模块的示例性偏振敏感全息透镜的示意图。
[0024]图10是示例性球面透镜光学模块的示意性截面图。
[0025]图11是前21个Z本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种自由形式变焦透镜，包括：至少三个光学模块，每个光学模块包括对应的多个偏振敏感光学元件，其中每个光学模块与对应泽尼克多项式相关联，其中对于每个光学模块，对应的多个偏振选择光学元件包括与所述对应泽尼克多项式相关联的对应属性，并且其中与每个光学模块相关联的所述对应泽尼克多项式是不同的。2.根据权利要求1所述的自由形式变焦透镜，其中所述对应的多个偏振敏感光学元件包括潘卡拉特南
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贝里相位(PBP)透镜、偏振敏感全息图(PSH)透镜、超材料或其组合。3.根据权利要求1所述的自由形式变焦透镜，其中每个光学模块包括一个或多个光学级，每个光学级包括至少一个光学元件，并且其中每个光学模块内的所述光学元件中的至少一些光学元件具有不同光功率。4.根据权利要求2所述的自由形式变焦透镜，其中每个光学模块中的一个或多个光学级包括可切换光学延迟器和光学元件，所述光学元件包括PBP透镜或PSH透镜，其中：所述可切换光学延迟器可配置为处于“关闭”状态或“开启”状态，其中：在所述“关闭”状态下，所述可切换光学延迟器被配置为将第一偏振光或第二偏振光分别转换为所述第二偏振光或所述第一偏振光；以及在所述“开启”状态下，所述可切换光学延迟器透射入射光而不改变所述入射光的偏振；包括所述PBP透镜或所述PSH透镜的所述光学元件被配置为接收透射通过所述可切换光学延迟器的光，并且所述光学元件具有取决于透射通过所述可切换光学延迟器的所述光是具有所述第一偏振还是所述第二偏振的光功率。5.根据权利要求1所述的自由形式变焦透镜，其中每个光学模块被配置为对入射波前提供与所述对应泽尼克多项式相关联的波前调节。6.根据权利要求1所述的自由形式变焦透镜，其中所述至少三个光学模块被配置为基于相应波前调节的不同组合，输出可变波前。7.根据权利要求1所述的自由形式变焦透镜，其中对应的多个光学元件中的每个光学元件包括PBP透镜，并且其中所述属性包括液晶指向矢图案。8.根据权利要求1所述的自由形式变焦透镜，还包括圆偏振器或线性偏振器中的至少一种。9.根据权利要求1所述的自由形式变焦透镜，其中第一光学模块的所述对应泽尼克多项式与第一方向上的倾斜相关联，第二光学模块的所述对应泽尼克多项式与第二方向上的倾斜相关联，第三光学模块的所述对应泽尼克多项式与聚焦相关联，第四光学模块的所述对应泽尼克多项式与偏斜像散相关联，并且第五光学模块的所述对应泽尼克多项式与垂直像散相关联。10.根据权利要求1所述的自由形式变焦透镜，其中至少一个光学模块与三叶形、彗差、四叶形或次级像散相关联。11.一种显示器，包括：光源，被配置为发射图像光；以及自由形式变焦光学组件，被配置为将所述图像光引导到所述光学设备的眼盒，所述自由形式变焦光学组件包括：
至少三个光学模块，每个光学模块包括对应的多个偏振敏感光学元件，其中每个光学模块与对应泽尼克多项式相关联，其中对于每个光学模块，对应的多个光学元件包括与所述对应泽尼克多项式相关联的对应属性，并且其中与每个光学模块相关联的所述对应泽尼克多项式是不同的。12.根据权利要求11所述的显示器，其中所述对应的多个偏振敏感光学元件包括潘卡拉特南

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：元平台技术有限公司，
类型：发明
国别省市：