CN106662678A - 具有解耦非球面的球面镜 - Google Patents

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Abstract

本技术提供了将非球面光学元件从近眼显示器(NED)设备中的鸟浴光学元件解耦。一个或多个非球面透镜与球面鸟浴反射镜一起在NED设备的投影光引擎中被使用。投影光引擎借助球面鸟浴反射镜和至少一个非球面透镜向NED设备的近眼显示器提供图像光(或其它信息)。球面鸟浴反射镜准直化图像光并将图像光反射到在投影光引擎外的出射光瞳。将非球面光学元件从球面鸟浴反射镜解耦可实现投影光引擎的高调制传递函数(MTF)以及改善的制造性能。将非球面光学元件从鸟浴光学元件解耦的NED设备可由头戴式显示器(HMD)或平视显示器(HUD)中的支撑结构定位。

Description

具有解耦非球面的球面镜
背景
近眼显示器(NED)设备可由用户佩戴以得到诸如增强现实(AR)体验和虚拟现实(VR)体验之类的体验。NED设备可包括投影光引擎，该投影光引擎可在NED设备的近眼显示器中提供计算机生成的图像(CGI)或其它信息。在AR体验中，NED设备的近眼显示器可包括光学透视透镜来允许将CGI重叠在用户的现实世界视图上。
NED设备可被包括在头戴式显示器(HMD)或平视显示器(HUD)中。HMD可包括处于头盔、遮光罩、眼镜和护目镜中或者由一个或多个带来系附的NED设备。HMD可被至少用于航空、工程、科学、医疗、计算机游戏、视频、体育、训练、仿真和其它应用。HUD可被至少用于军事和商业航空、汽车、计算机游戏、和其它应用。
概述
本技术提供了将非球面光学元件从近眼显示器(NED)设备中的鸟浴光学元件解耦的实施例。例如，一个或多个非球面透镜与球面鸟浴反射镜一起在NED设备的投影光引擎中被使用。投影光引擎借助球面鸟浴反射镜和至少一个非球面光学元件向NED设备的近眼显示器提供图像光(或信息)。球面鸟浴反射镜准直化图像光并将图像光反射到在投影光引擎外的出射光瞳。将非球面光学元件从球面鸟浴反射镜解耦可实现投影光引擎的高调制传递函数(MTF)以及改善的制造性能。将非球面光学元件从鸟浴光学元件解耦的NED设备可由头戴式显示器(HMD)或平视显示器(HUD)的支撑结构放置。
本技术提供了NED设备的一个或多个实施例。投影光引擎实施例包括一种装置，该装置包括用于将图像光提供给分束器的显示器，该分束器将图像光分束。鸟浴光学元件接收来自分束器的图像光并且还反射以及准直化图像光。至少一个非球面光学元件被置于鸟浴光学元件和出射光瞳之间的光学路径中以纠正图像光中的像差(aberration)。
本技术提供了一种方法的一个或多个实施例，该方法包括将图像光沿第一光学路径引导到鸟浴反射镜。鸟浴反射镜准直化图像光并沿第二光学路径反射图像光到鸟浴反射镜的外壳外的出射光瞳。图像光在所述第一光学路径和所述第二光学路径中的至少一者中被偏振化。图像光的光学像差被沿第二光学路径放置的非球面光学元件纠正。
本技术还提供包括计算系统和具有近眼显示器的头戴式显示器的一个或多个实施例。一种装置包括一种提供表示图像数据的电子信号的计算机系统。头戴式显示器响应于该电子信号提供图像数据。头戴式显示器包括具有投影光引擎和近眼显示器的近眼显示器设备。投影光引擎响应于该电子信号提供图像数据。投影光引擎中的反射表面反射来自微显示器的图像数据。同样在投影光引擎中的偏振分束器随后偏振化来自反射表面的图像数据的光束并将其分束。球面鸟浴反射镜反射并准直化来自偏振分束器的图像数据到在投影光引擎外的出射光瞳。可在投影光引擎中的非球面凹凸透镜(meniscus lens)随后纠正图像数据。近眼显示器包括用于接收图像数据的波导。
提供本概述以便以简化的形式介绍以下在详细描述中进一步描述的一些概念。本概述并不旨在标识所要求保护主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护主题的范围。
附图简述
图1是描绘近眼显示器(NED)设备系统的一实施例的各示例组件的框图。
图2A是NED设备的控制电路系统中的示例硬件组件的框图。
图2B是与具有外部出射光瞳的投影光引擎耦合的近眼显示器的一实施例的俯视图。
图3A是使用鸟浴光学元件以及在鸟浴光学元件附近的非球面光学元件的投影光引擎的一实施例的框图。
图3B是使用鸟浴光学元件以及在分束器附近的非球面光学元件的投影光引擎的一实施例的框图。
图3C是使用鸟浴光学元件和至少两个非球面凹凸透镜的投影光引擎的一实施例的框图。
图3D是使用沉浸在高折射率玻璃中的鸟浴光学元件和非球面光学元件的投影光引擎的另一实施例的框图。
图3E是示出图3D中示出的波导示例的各层的俯视图的框图。
图3F是使用鸟浴光学元件、非球面消色差透镜和非球面凹凸透镜的投影光引擎的另一实施例的框图。
图3G是使用鸟浴光学元件和非球面凹凸双合透镜的投影光引擎的另一实施例的框图。
图4示出用于将具有用于使用镜框与NED设备中的近眼显示器光学耦合的外部出射光瞳的投影光引擎的外壳的一实施例。
图5是从用于由NED设备显示图像数据的软件角度来看的一系统的一实施例的框图。
图6A-B是用于操作NED设备和/或NED设备系统的方法的实施例的流程图。
图7是可用于实现网络可访问计算系统、NED设备的伴随处理模块或控制电路系统的计算机系统的一个实施例的框图。
详细描述
本技术提供了将非球面光学元件从近眼显示器(NED)设备中的鸟浴光学元件解耦的实施例。例如，一个或多个非球面透镜与球面鸟浴反射镜一起在投影光引擎中被使用。投影光引擎借助球面鸟浴反射镜和至少一个非球面光学元件将图像光(或信息)提供到NED设备的近眼显示器中。球面鸟浴反射镜准直化图像光并将图像光反射到在投影光引擎外的出射光瞳。将非球面光学元件从鸟浴光学元件解耦的NED设备可被包括在由HMD或HUD的支撑结构放置的投影光引擎中。
通常，球面鸟浴反射镜包括用于针对光学像差进行纠正以便反射镜可获得高MTF的非球面光学元件。然而，这些具有非球面光学元件的反射镜可能对可降级MTF的制造中的表面误差和/或组装容许误差敏感。对表面误差和组装容许误差的高敏感度可限制球面鸟浴反射镜的大量(高成品率)制造。对表面和组装容许误差的敏感度可通过从反射镜中移除非球面光学元件并在如本文所述的投影光引擎中的别处或在其它透镜上提供非球面光学元件来减小。
具有解耦的非球面光学元件和球面鸟浴反射镜的投影光引擎在用于更大视野(FOV)和更快速的NED设备系统中时可具有更高的MTF和减小的图像失真。其它优势可包括但不限于：1)使得具有更高性能和更高成品率的球面鸟浴反射镜能够被制造，因为它们不需要包括非球面元件；2)通过在透射光学路径中具有非球面光学元件而减少容许误差；以及3)将非球面光学元件移动到其它位置或表面可分散容许误差而有助于其它光学元件的敏感度。
图1是描绘近眼显示器(NED)设备系统8的一实施例的各示例组件的框图。在所示实施例中，NED设备系统8包括在头戴式显示器(HMD)设备2中的近眼显示器(NED)设备和伴随处理模块4。HMD 2通信地耦合至伴随处理模块4。在该示例中示出了无线通信，但也可实现经由伴随处理模块4和HMD 2之间的线的通信。在一实施例中，HMD 2包括具有投影光引擎120(在图2B和3A-D和F-G中示出)的NED设备和具有波导的近眼显示器14，如本文详细描述的。在替换实施例中，NED设备可被包括在平视显示器(HUD)中。
在该实施例中，HMD 2采用具有镜架115的眼镜的形状，其中每个显示器光学系统14l和14r被定位在HMD 2的前部以在被用户佩戴时由每一只眼睛通过其查看。每个显示器光学系统14l和14r也被称为显示器或近眼显示器14，且这两个显示器光学系统14l和14r还可共同被称为显示器或近眼显示器14。在这一实施例中，每一显示器光学系统14l和14r使用投影显示器，其中图像数据(或图像光)被投影到用户的眼睛中以生成图像数据的显示，从而使得该图像数据对于用户而言看上去位于用户前方的三维视野中的位置处。例如，用户可能正在他的起居室中以光学透视模式玩击落敌人直升机的游戏。如图2B中所示，直升机的图像对于用户而言看上去正飞过他起居室中的椅子的上方，但不在光学透镜116和118之间，因为用户无法聚焦于离人类眼睛很近的图像数据上。
在该实施例中，镜架115提供用于将HMD 2的各元件保持就位的方便的镜框以及用于电连接的管道。在一实施例中，镜架115为如本文所述的投影光引擎120和近眼显示器14提供支撑结构。NED设备支撑结构的一些其它示例是头盔、遮光罩框、护目镜支架或一个或多个带。镜架115包括鼻梁架104、顶端前部的覆盖部分117、针对HMD设备2的左侧外壳(130l)和右侧外壳(130r)中的每一者的相应投影光引擎外壳130以及被设计成停留在用户的每一耳朵上的左和右镜腿或侧臂102l和102r。在该实施例中，鼻梁架104包括具有用于记录声音并向控制电路系统136传送音频数据的话筒110。在侧外壳130l和130r的外部是相应的面向外的相机113l和113r，这些相机捕捉在用户前面的现实环境的图像数据以用于对在近眼显示器(NED)设备的视野内的事物进行绘图(mapping)。
在该示例中，虚线128是连接到控制电路系统136(其也用虚线示出)的一些电连接路径的说明性示例。一个虚线电连接被标记128以避免使附图过于拥挤。在该示例中，电连接和控制电路系统136在虚线中以指示它们在顶端前部的覆盖部分117下面。在用于其他组件的侧臂中还可存在包括电源总线的延伸的其他电连接(未示出)，其他组件的一些示例是包括附加相机的传感器单元、耳机或单元等音频输出设备以及可能为附加处理器和存储器。示出了可用于将框架的各个部分连接在一起的诸如螺钉等连接器129的一些示例。
伴随处理模块4可采取各种实施例。在一些实施例中，伴随处理模块4采用可被佩戴在用户的身体(例如手腕)上的便携式形式，或者是如移动设备(例如，智能电话、平板、膝上型计算机)之类的单独便携式计算机系统。伴随处理模块4可以通过一个或多个通信网络50使用线或无线地(例如WiFi、蓝牙、红外、红外个域网、RFID传输、无线通用串行总线(WUSB)、蜂窝、3G、4G或其他无线通信手段)与一个或多个网络可访问计算系统12(无论是位于附近还是远程位置)进行通信。在其他实施例中，伴随处理模块4的功能可被集成在HMD 2的软件和硬件组件中。图7中示出伴随处理模块4和网络可访问计算系统12的硬件组件的一些示例。
可以充分利用一个或多个网络可访问计算系统12来处理电力和远程数据访问。组件的复杂性和数目可以因网络可访问计算系统12和伴随处理模块4的不同实施例而显著变化。在图1中示出的一实施例中，NED设备系统1000可包括近眼显示器(NED)设备系统8(带或不带伴随处理模块4)、通信网络50和网络可访问计算系统12。在一实施例中，网络可访问计算系统12可位于远程或云操作环境中。
图像数据被标识以基于在控制电路系统136、伴随处理模块4和/或网络可访问计算系统12(或其组合)中的一个或多个处理器上执行的应用(例如，游戏或消息收发应用)显示以向近眼显示器14提供图像数据。
图2A是NED设备的控制电路系统内包括计算机系统在内的各示例硬件组件的框图。控制电路系统136提供支持HMD 2的其他组件的各种电子设备。在该示例中，HMD 2的控制电路系统136包括：处理单元210；处理单元210可访问的存储器244，该存储器244用于存储处理器可读指令和数据；通信地耦合到处理单元210的网络通信模块137，该网络通信模块137可充当用于将HMD 2连接到另一计算机系统的网络接口，另一计算机系统为诸如伴随处理模块4、另一NED设备的计算机系统或可通过因特网远程访问的计算机系统。电源239为控制电路系统136的各组件及HMD 2的其他组件(如捕捉设备113、话筒110、其他传感器单元)并为近眼显示器14上用于显示图像数据的电源汲取组件(诸如光源以及像投影光引擎中的微显示器等与图像源相关联的电子电路系统)提供电力。
处理单元210可包括一个或多个处理器(或核)，诸如包括中央处理单元(CPU)或核和图形处理单元(GPU)或核。在不带独立伴随处理模块4的实施例中，处理单元210可包含至少一个GPU。存储器244表示系统可使用的各种类型的存储器，诸如用于执行期间的应用使用的随机存取存储器(RAM)、用于传感器数据(包括捕捉到的图像数据和显示数据)的缓冲器、用于指令和系统数据的只读存储器(ROM)或闪存、用于存储例如应用和用户简档数据的其他类型的非易失性存储器。图2A示出数据总线270的电连接，其连接传感器单元257、显示驱动器246、处理单元210、存储器244和网络通信模块137。数据总线270还通过控制电路系统的所有被示出的元件都连接到以汲取电力的功率总线272从电源239得到电力。
控制电路系统136进一步包括显示驱动器246，该显示驱动器246用于选择数字控制数据(例如控制比特)来表示图像数据，该图像数据可由投影光引擎(例如图2B中的120)的微显示器电路系统259和不同的有源组件驱动器解码。微显示器(诸如图3D中示出的微显示器230)可以是有源透射、发射或反射设备。例如，微显示器可以是需要电力的硅上液晶(LCoS)设备或需要电力来移动各个体反射镜的基于微机电机器(MEMs)的设备。有源组件驱动器的一个示例是显示器照明驱动器247，其将数字控制数据转换成用于驱动照明单元222的模拟信号，照明单元222包括一个或多个光源，诸如一个或多个激光器或发光二极管(LED)等。在一些实施例中，显示单元可包括诸如波导之类的用于耦合投影光引擎中的出射光瞳处的图像光的一个或多个有源光栅253。任选的有源光栅控制器249将数字控制数据转换成用于改变一个或多个任选的有源光栅253的属性的信号。类似地，投影光引擎的一个或多个偏振器可以是有源偏振器255，其可由任选的(诸)有源偏振器控制器251驱动。控制器电路系统136可包括本文中没有示出但涉及HMD 2的其他功能(诸如提供音频输出、标识头部取向和位置信息)的其他控制单元。
图2B是与具有外部出射光瞳121的投影光引擎120耦合的近眼显示器141的一实施例的俯视图。为了示出显示器光学系统14(在该情况下是针对左眼的14l)的各个组件，顶部框架部分117覆盖近眼显示器14l的一部分以及投影光引擎120未被描绘。箭头142表示近眼显示器14l的光轴。
在该实施例中，近眼显示器14l和14r是光学透视显示器。在其他实施例中，它们可以是视频观看显示器。每一显示器都包括显示单元112，该显示单元112被示为在两个可选的透视透镜116和118之间并包括波导123。可选的透镜116和118是显示单元的保护罩。这些透镜中的一者或两者也可用于实现用户的眼镜处方(prescription)。在该示例中，当HMD 2被佩戴时，眼睛空间140近似用户眼睛的位置。波导将来自投影光引擎120的图像光形式的图像数据引导向用户眼睛空间140，同时还允许来自现实世界的光通过朝着用户的眼睛空间，由此允许用户除了观看来自投影光引擎120的虚拟特征的图像外，还具有在HMD 2的前方的空间的实际的直接视图。
在该俯视图中，投影光引擎120包括被示为弯曲表面的鸟浴光学元件234。该弯曲表面将光功率提供给它反射的图像光束235(也被描述为图像光235)，由此也使这些光束准直化。仅一个光束被标记以防止使附图过度拥挤。在一些实施例中，鸟浴光学元件的曲率半径为至少-38毫米(mm)。这些光束被准直化，但来自不同的角度，因为这些光束是从弯曲表面的不同点反射出的。因此，这些光束将在其自身的最小截面处交叉并并形成出射光瞳121。
在一些实施例中，波导123可以是衍射波导。附加地，在一些示例中，波导123是表面起伏光栅(SRG)波导。输入光栅119耦合来自投影光引擎120的图像光。此外，波导具有使得图像光以用户眼睛空间140的方向退出波导的多个出射光栅125。一个出射光栅125被标记以避免使附图过度拥挤。在该示例中，最外的输入光栅119足够宽，并被定位成在退出投影光引擎的光已抵达其出射光瞳121之前捕捉退出投影光引擎120的光。在该示例中，光学地耦合的图像光在波导的中央部分形成其出射光瞳。参见图3E以得到更详细的示例。本文描述的图3A提供使出射光瞳处的图像光与定位在该出射光瞳处的输入光栅耦合的波导的示例。
出射光瞳121包括正被显示的完整图像的光，由此耦合出射光瞳121处表示图像的光一次捕捉整个图像，并由此非常高效，并在近眼显示器14中向用户提供完整图像的视图。输入光栅119能够耦合出射光瞳121的图像光，因为出射光瞳121在投影光引擎120的外部。在一实施例中，出射光瞳121在投影光引擎120或投影光引擎的外壳外0.5mm。在其它实施例中，出射光瞳121被投影在投影光引擎120或投影光引擎的外壳外5mm。
在图2B的所示的实施例中，投影光引擎120在左侧外壳130l中包括图像源(例如微显示器)以及投影光学系统，该图像源产生图像光，并且该投影光学系统折叠图像光的光学路径以在投影光引擎120的外部形成出射光瞳121。该投影光引擎120的形状是适应左侧外壳130l的示例的形状的说明性示例，在图1中该形状符合框架115的角落的边界从而减少了体积。该形状可被改变为适应例如归因于被实现的不同图像源技术的投影光引擎120的不同布置。
存在可用于实现图像源(诸如本文描述的图像源223)的不同图像生成技术。例如，可使用透射投影技术来实现微显示器。在这样的技术的一个示例中，光源被光学活性材料调制并且用白光从背后照亮。这些技术通常是使用具有强大背光和高光能量密度的LCD类型的显示器来实现的。其他微显示器使用用于使自照明单元的光被光学活性材料反射和调制的反射技术。取决于该技术，照明可以是白光源或RGB源。数字光处理(DLP)、数字微反射镜设备(DMD)、LcOS以及来自Qualcomm有限公司的显示技术全部都是高效的反射技术的示例(因为大多数能量从已调制结构反射离开)并且可被显示器使用。附加地，微显示器可使用其中光由该显示器生成的发射或自发射技术来实现。发射或自发射技术的一示例是有机发光二极管(OLED)技术。
图2B示出HMD 2的一半。针对所示实施例，完整的HMD 2可以包括具有另一组任选的透视透镜116和118、另一波导123的另一显示器光学系统14，并包括另一投影光引擎120以及另一面朝外的捕捉设备113。在一些实施例中，可能存在由两只眼睛来查看的连续显示、而不是针对每只眼睛的显示光学系统。在一些实施例中，单个投影光引擎120可以在光学上耦合至由两个眼睛查看到的连续显示或者在光学上耦合至针对各眼睛的分开的显示。在2010年10月15日提交的题为“Fusing Virtual Content Into Real Content(将虚拟内容融合到现实内容中)”的美国专利申请序列号12/905952中示出头戴式个人A/V装置的附加细节。
图3A是使用鸟浴光学元件234以及非球面光学元件351的投影光引擎120的一实施例的框图。在一实施例中，鸟浴光学元件234和非球面光学元件351被沉浸在高折射率玻璃区域225中，这有助于折叠光学路径以提供在投影光引擎外部的出射光瞳121。高折射率玻璃的一些示例是燧石玻璃和具有至少1.65的折射率的玻璃。侧视图示出了与鸟浴投影光学系统相关联的一些示例性基础元件。在图3A和其它附图中示出的实施例的各版本中可存在其它的光学元件。图像源223生成传播到高折射率玻璃区域225中的图像光，该高折射率玻璃区域225包括光学引导元件232、具有弯曲的反射表面238的鸟浴光学元件234、非球面光学元件351以及偏振器240所表示的一个或多个偏振光学元件。
在一实施例中，鸟浴光学元件234是球面鸟浴反射镜而非球面光学元件351是Schmidt纠正器透镜或者沿光学引导元件232和鸟浴光学元件234之间的光学路径放置的至少一个非球面透镜。非球面光学元件351被用来纠正从弯曲反射表面238反射的图像光中的光学像差。将非球面光学元件从鸟浴光学元件234解耦可提供本文描述的许多优势。在实施例中，图3A和3C中示出的投影光学引擎120可提供低图像失真。
光学引导元件232将来自图像源223的图像光引导到鸟浴光学元件234(例如球面鸟浴反射镜)的反射表面238并允许从弯曲表面238反射出的图像光通过并行进通过偏振器240。光学引导元件232的示例是分束器，并且分束器还可充当偏振器以使得鸟浴光学元件234接收被一个或多个偏振光学元件240再次偏振的偏振光。一个或多个偏振光学元件240的一些实现示例可以是无源光学元件，如红色旋转波片或四分之一波片等。有源偏振器可在如本文所述的一些实施例中使用。
图像光被偏振以实现到一个或多个输入光栅(诸如衍射波导的一个或多个输入光栅)的更高效的耦合。在一些示例中，波导可具有多层，并且入射图像光的偏振可用于将入射光过滤到波导的不同层。每一层具有其自己的输入光栅和退出光栅。某一层的输入光栅将特定偏振的光耦合到其层。其他偏振的光通过输入光栅以及层本身，以使得下一层的输入光栅基于其偏振而耦合接收到的光或使接收到的光通过。在一些实现中，不同的波长带(诸如不同的色彩)可被引导到不同的波导层以用于增强图像的亮度。不同波长带中的光可被偏振化以用于耦合到每一波长带的相应层中。例如见Nguyen等人的提交日为2012年8月31日题为“NED Polarization System for Wavelength Pass-Through(供波长通过的NED偏振系统)”的美国专利申请no.13/601,727。
一个或多个偏振光学元件在高折射率玻璃区域225内的布置可基于多个因素，包括波导123中的多个层、光栅的类型(例如表面起伏光栅)和用于在各层之中分发图像光的预定标准。光束235在从鸟浴弯曲反射表面238反射出时被准直化，但每一部分由于该弯曲表面而从不同的角度反射。(见图3E关于出射光瞳处具有其最小截面的多个光束的俯视图的示例。)在该实施例中，波导123的输入光栅119将反射光束耦合在出射光瞳位置121附近。在该实施例中，波导123可以是单层波导。在图3D-E中示出的其他实施例中，可在近眼显示器14中实现多层波导。
图3B是具有图3A示出的类似组件的投影光引擎120的另一实施例的框图。然而，图3B示出了一实施例，其中至少一个非球面光学元件352被沿投影光引擎120中的光学引导元件232和偏振器240之间的光学路径放置。在一实施例中，非球面光学元件352可以是至少一个非球面凹凸透镜。
图3C是具有图3A-B中示出的类似组件的投影光引擎120的另一实施例的框图。然而，图3C示出了一实施例，其中在投影光引擎120外部并沿鸟浴光学元件234和出射光瞳121之间的光学路径放置非球面光学元件353a-b。在一实施例中，非球面光学元件353a-b是一组非球面凹凸透镜。在另一实施例中，使用单个非球面光学元件353a。在一实施例中，场纠正器280被置于图像源223和光学引导元件232之间。类似地，图3A-C中示出的实施例还可包括被置于图像源223和光学引导元件232之间的双合透镜(诸如图3D中示出的双合透镜226)。在又一实施例中，预偏振器可被置于图像源223和双合透镜之间。
在替换实施例中，如图3A-D和F-G中示出的光投影引擎120可具有置于光学引导元件232下方(而不是如图3A-D和F-G那样在光学引导元件232的右侧)的鸟浴光学元件234。在这样的实施例中，非球面光学元件351将同样被置于光学引导元件232下方。
图3D是使用沉浸在高折射率玻璃中的鸟浴光学元件234和非球面光学元件351的投影光引擎120的另一实施例的框图。在该示例中，使用具有在1.7和1.8之间的折射率的高折射率玻璃。在该实施例中，投影光引擎120包括图像源和投影光学系统220。图像源被具体化为具有伴随补偿器光学元件228的反射性硅上液晶LCoS微显示器230。在该实施例中，微显示器230具有反射来自照明单元222的用于表示要显示的图像数据的光的LCoS表面231。LCoS表面231使它反射的光偏振；然而，可存在偏振误差。补偿器或光学元件228是其补偿参数可在LCoS的制造期间被确定用以补偿在制造期间为LCoS表面测量的偏振误差的偏振光学元件。
在该实施例中，投影光学系统220包括在高折射率玻璃区域225之外的双合透镜(doublet)226以及在高折射率玻璃区域225之内的多个光学组件。双合透镜226校正彩色像差并且还向反射离开LcoS表面231的图像光提供某种准直程度。在一实施例中，双合透镜226可以是球面双合透镜。这些光学元件包括被具体化为偏振照明分束器224的照明光学引导元件、被具体化为偏振分束器232的另一光学引导元件、四分之一波片236、具有弯曲反射表面238的鸟浴光学元件234、非球面元件351和被具体化为包括红色旋转波片240的另一代表性偏振器240。在其他实施例中，如在使用包括其自己的照明单元222的透射性或发射性图像源的各实施例中，除了省略双合透镜以外，还可将照明分束器224从投影光学系统220中省略。
接着讨论光通过这些元件的光学路径。照明光和图像光的不同部分用不同的标号来标记以便于讨论对光的处理。为了避免使附图过于拥挤，在路径的每一阶段仅标记光束的一表示光线。由照明单元222生成的光229被引导到偏振照明分束器224，偏振照明分束器224以LCoS表面231的方向引导光233。在行进到表面231时，照明光通过双合透镜226和补偿器光学元件228。照明单元222可包括的照明源的一些示例是发光二极管(LED)和激光器。在一些实施例中，可存在分开的红色、绿色和蓝色(RGB)照明源，而在其他实施例中，可存在白光源和用于表示不同色彩的滤光器。
在该实施例中，在照明单元222中使用色序LED设备。色序设备包括红色、蓝色和绿色LED，这些LED在关于LCoS的定时中按顺序方式打开以产生全色彩图像。在其他示例中，可使用激光器而非LED。LCoS表面231上的各个体显示元件被微显示器电路系统259控制以反射或吸收红色、绿色和蓝色光，以表示针对图像数据的色彩或由显示驱动器246所指示的灰度图的灰度阴影。
图像光237被偏振化并从LCoS表面231反射出，补偿器228由于其弯曲表面而被双合透镜226准直化或增加光功率。图像光237进入高折射率玻璃区域225、通过照明分束器224并截取偏振分束器232，偏振分束器232再次将经偏振的反射光241引导通过四分之一波片236(四分之一波片236再次被动地更改反射光的偏振状态)至鸟浴光学元件234的弯曲反射表面238，弯曲反射表面238对图像光进行准直化并将图像光反射回去通过非球面光学元件351和四分之一波片236以得到另一偏振状态更改。四分之一波片提供圆偏振，而偏振分束器224、232一般充当线性偏振器。被鸟浴光学元件反射并两次被四分之一波片转变方向后，图像光243通过非球面光学元件351、分束器232并且偏振状态又一次被红色旋转板240更改。红色旋转波片使红波长的偏振状态旋转九十(90)度。图像光235随后退出投影光引擎120以实现到波导123中的光学耦合。
图3F是使用鸟浴光学元件、非球面不分光透镜和非球面凹凸透镜的投影光引擎的另一实施例的框图。特别而言，图3B是具有图3A-C中示出的类似组件的投影光引擎120的另一实施例的框图。然而，图3F示出了一实施例，其中非球面光学元件(诸如非球面不分光透镜401)被置于图像源223和光学引导元件232之间。在所示实施例中，非球面光学元件351(诸如非球面凹凸透镜)也被置于光学引导元件232和外部出射光瞳121之间。在一实施例中，非球面光学元件351是非球面凹凸透镜。图像光235的光学像差可通过非球面光学元件351和/或非球面不分光透镜401纠正。
在实施例中，光学引导元件232是从由立方体、板、线格偏振器以及是内部折射的组成的组中选择的一种类型的分束器。例如，光学引导元件232可以是立方体分束器、板分束器、线格偏振器分束器或内部折射的分束器。
图3G是使用鸟浴光学元件和非球面凹凸双合透镜的投影光引擎120的另一实施例的框图。在一实施例中，图像源223提供图像光235至光学引导元件402。在一实施例中，光学引导元件402引导图像光235通过偏振器403和不分光双合透镜404至光学引导元件232。在一实施例中，光学引导元件232和402是如本文所述的分束器。光学引导元件232引导图像光通过四分之一波阻滞器405和双合透镜406至鸟浴光学元件234(例如，球面鸟浴反射镜)的反射表面238。鸟浴光学元件234的反射表面238随后反射图像光235以穿过并通过双合透镜406、四分之一波阻滞器405、光学引导元件232、偏振器407、颜色选择器408和非球面凹凸双合透镜409行进至外部出射光瞳121。图像光235的光学像差可通过非球面凹凸双合透镜409纠正。在一实施例中，偏振器403和407可包括如本文所述的偏振器。在实施例中，图3F-G中示出的投影光引擎120包括如本文所述的高折射率玻璃。
如上所述，将各光学元件沉浸在高折射率玻璃中使光学路径长度延伸成足以允许使出射光瞳投影到在投影光引擎120外部的点的折叠。耦合波导内的出射光瞳处的光显著地增加了光耦合的效率，由此降低了功率。
图3D中示出了波导123的截面侧视图。波导123与眼睛区域140大致平行地延伸进入页面并进入近眼显示器14，并使小得多的量延伸到页面之外。在该实施例中，波导123是多层的，在该示例中具有四个示例性层256、258、262和264以及一中央波片260。线122指示投影光引擎120(或投影光引擎外壳)和波导123之间的距离。图3D不是按比例绘制的，但投影光引擎120和波导123之间的这样的距离的示例为约0.5mm。在中央波片260中的是要投影的出射光瞳的目标位置。在该实施例中，再次不是按比例绘制的，出射光瞳被投影在从投影光引擎120之外到波导的中央波片260为约5mm之处。此外，在该示例中，波导123具有约1.7的折射率，该折射率在高折射率玻璃的范围内。
在该实施例中，透视玻璃的外保护罩252包围图像光235通过的波导123。波导123被定位在外壳130内，以便将出射光瞳121的图像光光学耦合在中央波片260中。四层中的每一层都具有其自己的输入光栅。输入光栅的示例是被制造成波导123中的每一层的表面的一部分的表面起伏光栅。层256首先接收已退出投影光引擎120的图像光235，并通过其光学输入光栅119a耦合该光。类似地，层258通过其光学输入光栅119b耦合图像光235。中央波片层260耦合并改变其已接收到的图像光235(包括出射光瞳)的偏振状态。在图像光235的截面扩张时，层262经由光学输入光栅119c耦合图像光235，并且当图像光235的截面继续扩张时，层264使图像光235与其光学光栅119d耦合。
图3E是示出例如在图3D中参考鸟浴光学元件234示出的波导123实施例的四层和中央波板的俯视图的框图(未按比例绘制)。中间元素没有被示出以更容易示出光束273、275和277。三种光线(例如，273a、273b和273c)的每一集合表示光束(例如，273)。每一光束可包括表示多个色彩的光。如本文所述，每一光束被准直化。随着这些光束从弯曲表面上的不同位置反射出，这些光束的不同部分(在本文中被示为光线)交叉，并且光束的最窄截面发生在出射光瞳121处。在一些示例中，出射光瞳的直径为约3.0mm(再次没有按比例绘制)。
本文所述的光学元件可由玻璃或塑料材料制成。光学元件可通过模塑、研磨和/或抛光制造。在实施例中，光学元件可以或可以不彼此接合。本文所述的光学元件可以是非球面的。在实施例中，单透镜光学元件可被分拆为多透镜元件。通过用多透镜光学元件来取代单透镜光学元件以便更多透镜被使用实现了更好的图像质量，并且因此更多属性可用于被改变以实现特定的图像质量。
图4示出用于将具有外部出射光瞳的投影光引擎120的一实施例定位成供使用眼镜架与NED设备中的近眼显示器光学耦合的左侧外壳1301的一实施例。左侧外壳130l也被称为投影光引擎的外壳。该视图示出了如何使投影光引擎组件可适合放在左侧外壳130l中的示例。在替换实施例中，投影光引擎组件可被置于不同布置和/或取向中以便适合不同大小的外壳。移除保护罩以查看示例性布置。
左侧外壳130l连接至并相邻于镜架顶部部分117和左侧臂102l以及围绕左侧显示单元112的镜架115的部分。在该示例中，电源馈源291被定位在左侧外壳130l内部的左上侧，以从电源239为各组件提供电力。遍及左侧外壳130l的都是用于向各组件提供电力以及表示指令和值的数据的各示例性电连接228(228a、228b、228c、228d和228e)。电连接的一示例是与控制电路系统136对接的柔性电缆228b，其可在框架顶部部分117的内部(如图1所示)或在其他地方，诸如在侧臂102之上或之内。
左下方开始是外壳结构222h，其包围由表示外壳结构222h的虚线围绕的三维空间内的组件。外壳结构222h为照明单元222的组件(诸如该单元222的一个或多个光源)和至少显示器照明驱动器247提供支撑和保护性覆盖。显示器照明驱动器247将数字指令转换为模拟信号以驱动构成照明单元222的一个或多个光源，如激光器或LED。柔性电缆228c也提供电连接。在该实施例中，照明被引导到诸如反射镜的光学引导元件227(被表示为虚线)，该光学引导元件227在光学系统外壳220h之内。后面是在光学系统外壳220h之内的光学引导元件227和照明分束器224(也被表示为虚线)之间的附加元件(如另一偏振器)。
光学系统外壳220h包括投影光学系统220的各组件，诸如本文讨论的各实施例。在该实施例中，光学系统外壳220h在虚线290下方延伸到箭头294，并包括如箭头298所指示的略微在虚线290上方延伸以及如箭头296所指示的在左边延伸的其部分，该光学系统外壳220h使各组件沉浸在高折射率玻璃中。在光学系统外壳220h的该视图中，从光学引导元件227反射出的照明被引导到照明分束器224，照明分束器224将光引导通过双合透镜外壳226h中的双合透镜226至由被置于双合透镜226上方的芯片外壳230h来定位的LCoS芯片230。从LCoS芯片230反射的光(如在由图3D示出的实施例中)被偏振化并反射到鸟浴光学元件234(在图4中被示出为虚线圆)。鸟浴光学元件234的弯曲反射表面238的背面从该视图的页面向外朝向。通过非球面光学元件351(在图4中被示为实线圆且不是按比例绘制的)反射的图像光被反射到页面中，其中波导123的具有一个或多个输入光栅的一部分(未示出)在该视图中延伸到显示单元112的左边和光学系统外壳220h的后面，以便耦合外部出射光瞳121(未示出)的图像光。
在一些实施例中，从芯片外壳230h的顶部到光学系统外壳220h的由箭头294所指示的垂直底部的距离在20毫米之内。在一实施例中，该距离为约17mm。被布置在这样的实施例中的组件包括LCoS 230、补偿器228、双合透镜226、照明分束器224、偏振分束器232、鸟浴光学元件234、非球面光学元件351及偏振器236和240(如图3D的实施例中所布置的那样)。此外，在一实施例中，光学系统外壳220h从其最左侧296到箭头292处的右侧延伸在约30毫米之内。
在替换实施例中，图4中示出(或本文描述)的电子元件和光学元件可被置于具有一个或多个不同或组合的支撑外壳和/或结构的替换取向或布置中。在替换实施例中，如本文所述和/或在图3A-D和3F-G中示出的其它非球面元件和/或非球面凹凸透镜可被置于左侧外壳130l中和/或左侧外壳130l外。
图5是从用于由近眼显示器设备显示图像数据或光(诸如计算机生成的图像(CGI))的软件角度来看的一系统的一实施例的框图。图5示出了从软件角度来看的计算环境54的一实施例，该计算环境可由如NED系统8之类的系统、与一个或多个NED系统通信的网络可访问计算系统12或其组合来实现。此外，NED系统可与其他NED系统通信以共享数据和处理资源。
如本文所述，执行应用确定要显示哪些图像数据，其一些示例为本文、电子邮件、虚拟书或游戏相关图像。在此实施例中，应用162可正在NED系统8的一个或多个处理器上执行，并且与操作系统190和图像和音频处理引擎191通信。在所例示的实施例中，网络可访问计算系统12也可正在执行该应用的版本162N以及其他NED系统8，网络可访问计算系统12与所述其他NED系统8通信以增强体验。
在一实施例中，应用162包括游戏。在实施例中，游戏可被存储在远程服务器上并从控制台、计算机或智能电话购买。游戏可整体或部分在服务器、控制台、计算机、智能电话上或在其任何组合上执行。在实施例中，多个用户可使用标准控制器、计算机、智能电话、或伴随设备来与游戏交互并使用空中姿势、触摸、语音或按钮来与游戏通信。
一个或多个应用的应用数据329也可被存储在一个或多个网络可访问的位置中。应用数据329的一些示例可以是针对以下各项的一个或多个规则的数据存储：将动作响应链接到用户输入数据的规则、用于确定响应于用户输入数据要显示哪些图像数据的规则、可向姿势识别引擎193注册的自然用户输入(如与应用相关联的一个或多个姿势)的参考数据、一个或多个姿势的执行准则、可向声音识别引擎194注册的语音用户输入命令、可向图像和音频处理引擎191的可选物理引擎(未示出)注册的与应用相关的虚拟对象的物理模型、以及场景中的虚拟对象和虚拟图像的对象属性(如色彩、形状、面部特征、着装等)。
如图5中所示，计算环境54的软件组件包括与操作系统190通信的图像和音频处理引擎191。图像和音频处理引擎191的所示实施例包括对象识别引擎192、姿势识别引擎193、显示数据引擎195、声音识别引擎194、以及场景绘图引擎(scene mapping engine)306。各个体引擎和数据存储通过发送标识要处理的数据的请求以及接收数据更新的通知来提供对应用162可利用来实现其一个或多个功能的数据和任务的支持平台。操作系统190促进各个引擎和应用之间的通信。操作系统190使得以下对各个应用可用：对象识别引擎192已标识的对象、姿势识别引擎193已标识的姿势、声音识别引擎194已标识的语言或声音、以及来自场景绘图引擎306的对象(现实对象或虚拟对象)的位置。
计算环境54还将数据存储在(诸)图像和音频数据缓冲器199中，图像和音频数据缓冲器199提供用于可从各种源捕捉或接收的图像数据和音频数据的存储器以及用于要被显示的图像数据的存储器空间。缓冲区可存在于NED(例如，作为总存储器244的一部分)上并且还可以存在于伴随处理模块4上。
在许多应用中，将显示与现实环境中的现实对象相关的虚拟数据(或虚拟图像)。图像和音频处理引擎191的对象识别引擎192基于来自面向外的图像捕捉设备113的捕捉到的图像数据以及捕捉到的深度数据(如果可用)、或根据由捕捉设备113捕捉到的现实环境的图像数据通过立体观测确定的深度位置，来检测和标识出显示器视野中的现实对象、它们的朝向以及它们的位置。对象识别引擎192通过标记对象边界(例如使用边缘检测)并且将对象边界与结构化数据200进行比较来将现实对象彼此区分开。除了标识出对象的类型以外，可以基于与所存储的结构数据200的比较来检测所标识出的对象的朝向。可通过一个或多个通信网络50访问的结构数据200可以存储要比较的结构化信息(诸如结构化模式)以及作为模式识别的基准的图像数据。基准图像数据和结构化模式也可在存储在基于云的存储本地或可在基于云的存储中访问的用户简档数据197中得到。
场景绘图引擎306追踪现实和虚拟对象在显示器视野的3D绘图中的三维(3D)位置、取向、和移动。基于与对象识别引擎192的通信或导致图像数据被显示的一个或多个执行中的应用162，图像数据将被显示在用户的视野中或围绕用户的体空间的3D绘图中。
应用162针对由图像数据所表示的且由应用控制的对象来标识显示器视野的3D绘图中的目标3D空间位置。例如，直升机击落应用基于击落虚拟直升机的用户的动作来标识直升机的位置和对象属性的改变。显示数据引擎195执行转换、旋转和缩放操作以用于以正确的大小和视角显示图像数据。显示数据引擎195将显示器视野中的目标3D空间位置与显示器单元112的显示坐标进行相关。例如，显示数据引擎可存储每一可分开寻址的显示位置或区域的图像数据(例如，像素，在Z缓冲区和分开的色彩缓冲区中)。显示驱动器246将每一显示区域的图像数据转换成对微显示器电路系统259或显示器照明驱动器247或两者的数字控制数据指令以供图像源控制图像数据的显示。
本文描述技术可以用其他具体形式或环境来实施而不背离其精神或实质特性。同样，对于模块、引擎例程、应用、特征、属性、方法和其他方面的特定命名和划分并非是强制性的，且实现本技术或其特征的机制可具有不同的名称、划分和/或格式。
本文描述的技术可用各种操作环境来具体化。例如，NED系统8和/或网络可访问计算系统12可被包括在物联网(IoT)实施例中。IoT实施例可包括可具有经由传感器捕捉信息的能力的设备的网络。而且，这些设备可以能够追踪、解释和传递所收集的信息。这些设备可根据用户偏好和隐私设置行动以传送信息并与其它设备合作地工作。信息可在各个设备中直接传递或经由网络(诸如局域网(LAN)、广域网(WAN)、互联的LAN或WAN的“云”或跨整个互联网)传递。这些设备可被集成到计算机、电器、智能电话、可穿戴设备、可植入设备、车辆(例如，汽车、飞机、和火车)、玩具、建筑物和其它对象中。
本文描述的技术还可具体化在大数据或云操作环境中。在云操作环境中，包括本文描述的数据、图像、引擎、操作系统和/或应用的信息可经由互联网从远程存储设备访问。在一实施例中，模块化的租赁私有云可被用来远程访问信息。在大数据操作实施例中，数据集具有超出通常使用的用于在可容忍的流逝时间内捕捉、创建、管理、和处理数据的软件工具的能力的大小。在一实施例中，图像数据可远程存储在大数据操作实施例中。
图6A-B是用于操作NED设备和/或系统的方法的实施例的流程图。图6A-B中示出的步骤可由光学元件、硬件组件和软件组件单个地或组合地执行。出于说明性目的，下面的方法实施例是在上述系统和装置实施例的上下文中描述的。然而，该方法实施例不限于在本文描述的系统实施例中操作，而是可以在其他系统实施例中实现。此外，方法实施例可以在NED系统处于操作中并且适用的应用正在执行的同时连续执行。
方法600的步骤601开始于引导图像光沿第一光学路径到达鸟浴反射镜。在一实施例中，图像光被引导至鸟浴光学元件234，如在图3A-E和F-G中所示。如在图3A-G中所示的实施例中，分束器可在执行步骤601的至少一部分时使用。
步骤602示出了通过鸟浴反射镜准直化图像光并沿第二光学路径反射图像光到鸟浴反射镜的外壳外的出射光瞳。在一实施例中，鸟浴光学元件234执行步骤602的至少一部分。
步骤603示出了在第一光学路径和第二光学路径中的至少一者中将图像光偏振化。在一实施例中，图3A-GD中示出的或本文描述的偏振器中的至少一者执行步骤603。
步骤604示出通过沿第二光学路径放置的非球面光学元件纠正图像光的光学像差。在一实施例中，一个或多个非球面光学元件351-352和/或一个或多个非球面光学透镜353a-b可执行步骤604。在一实施例中，步骤601-604由NED设备的投影光引擎(诸如投影光引擎120)执行。
步骤605示出在衍射波导的输入处接收来自第一光学路径的图像光。在一实施例中，步骤605由NED设备的近眼显示器(诸如近眼显示器14)执行。
在一实施例中，图6B的方法650示出图6A中示出的步骤601的实施例。特别而言，步骤651示出了纠正来自微显示器的图像光的场。在一实施例中，如本文所述的场纠正器执行步骤651的至少一部分。
步骤652示出将图像光反射到预偏振器。在一实施例中，如本文所述的预偏振器执行步骤653的至少一部分。
步骤653示出通过预偏振器预偏振图像光。在一实施例中，如本文所述的预偏振器执行步骤653的至少一部分。
步骤654示出通过球面双合透镜接收来自预偏振器的图像光。在一实施例中，双合透镜226执行步骤654。
步骤655示出通过球面双合透镜将图像光输出至偏振分束器。
图7是可用于实现网络可访问计算系统12、伴随处理模块4或HMD 2的控制电路系统136的另一实施例的示例性计算机系统900的一个实施例的框图。计算机系统900可主存计算环境54的软件组件中的至少一些。在一实施例中，计算机系统900可包括云服务器、服务器、客户端、对等体、台式计算机、膝上型计算机、手持处理设备、平板、智能电话、和/或可穿戴计算/处理设备。
在其最基本配置中，计算机系统900通常包括一个或多个处理单元(或核)902或一个或多个中央处理单元(CPU)和一个或多个图形处理单元(GPU)。计算机系统900还包括存储器904。取决于计算机系统的确切配置和类型，存储器904可以包括易失性存储器905(如RAM)、非易失性存储器907(如ROM、闪存等)或是其某种组合。该最基本配置在图7中由虚线906来例示出。
另外，计算机系统900还可具有附加特征/功能。例如，计算机系统900还可包括附加存储(可移动和/或不可移动)，包括但不限于磁盘或光盘或磁带。这样的附加存储在图7中由可移动存储908和不可移动存储910来例示出。
作为处理单元902的替换或附加，本文描述的功能可以至少部分由一个或多个其它硬件逻辑组件来执行或实现。例如，并且但不仅限于，可以使用的硬件逻辑组件的说明性类型包括现场可编程门阵列(FPGA)、程序专用集成电路(ASIC)、程序专用标准产品(ASSP)、片上系统(SOC)、复杂可编程逻辑器件(CPLD)，及其他类似类型的硬件逻辑组件。
计算机系统900还可包含允许该设备与其他计算机系统通信的(诸)通信模块912，包括一个或多个网络接口和收发机。计算机系统900还可具有输入设备914，诸如键盘、鼠标、笔、话筒、触摸输入设备、姿势识别设备、面部识别设备、追踪设备或类似的输入设备。也可包括输出设备916，诸如显示器、扬声器、打印机或类似的输出设备。
用于与用户对接的用户界面(UI)软件组件可被存储在计算机系统900中并由计算机系统900执行。在一实施例中，计算机系统900存储并执行自然语言用户界面(NUI)和/或3D UI。NUI的示例包括使用语音识别、触摸和触笔识别、屏上及邻近屏的姿势识别、空中姿势、头部和眼部跟踪、说话和语音、视觉、触摸、悬浮、姿势以及机器智能。NUI技术的具体类别可包括例如触敏显示、话音和语音识别、意图和目的理解、使用深度相机(如立体或飞行时间相机系统、红外相机系统、RGB相机系统、以及这些的组合)的运动姿势检测、使用加速度计/陀螺仪的运动姿势检测、面部识别、3D显示、头部、眼睛和注视跟踪、沉浸式增强现实和虚拟现实系统，所有这些都可提供更自然的接口，以及用于使用电场传感电极(EEG和相关方法)的传感大脑活动的技术。
UI(包括NUI)软件组件可至少部分在本地计算机、平板、智能电话、NED设备系统上执行和/或存储。在一替换实施例中，UI可至少部分在服务器上执行和/或存储并被发送至客户端。UI可被生成为服务的一部分并且它可以与诸如社交网络服务等其它服务集成。
附图中例示出的示例计算机系统包括计算机可读存储设备的示例。计算机可读存储设备也是处理器可读存储设备。这样的设备包括以用于存储诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据等信息的任意方法或技术来实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动存储器设备。处理器或计算机可读存储设备的一些示例是RAM、ROM、EEPROM、高速缓存、闪存或其他存储器技术、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)或其他光盘存储、记忆棒或卡、磁带盒、磁带、媒体驱动器、硬盘、磁盘存储或其他磁性存储设备、或能用于存储信息且可由计算机访问的任何其他设备。
某些实施例的方面
一个或多个实施例包括一种装置，该装置包括用于将图像光提供给分束器的显示器，该分束器将图像光分束。鸟浴光学元件接收来自分束器的图像光并且还反射以及准直化图像光。至少一个非球面光学元件被置于鸟浴光学元件和出射光瞳之间的光学路径中以纠正图像光中的像差(aberration)。
在一装置实施例中，该鸟浴光学元件是将图像光准直化到外部光瞳的鸟浴球面镜。该非球面光学元件包括被置于所述球面鸟浴镜和所述外部出射光瞳之间的第一和第二非球面凹凸透镜。在另一实施例中，该非球面光学元件是被置于分束器和鸟浴球面镜之间的非球面凹凸透镜。
在一实施例中，该装置进一步包括被置于该鸟浴光学元件和该分束器之间的四分之一波阻滞器以及被置于该分束器和该外部出射光瞳之间的颜色选择过滤器。该非球面光学元件包括非球面凹凸双合透镜且该鸟浴光学元件可以是球面鸟浴镜。双合透镜被置于所述鸟浴光学元件和所述分束器之间。所述显示器包括微显示器。所述分束器是从由立方体、板、线格偏振器和内部折射分束器构成的组中选择的一种类型的分束器。所述非球面凹凸双合透镜被置于分束器和所述外部出射光瞳之间。
在一实施例中，该装置进一步包括包括至少一个光源的照明单元。所述微显示器通过反射来自所述至少一个光源的光来输出所述图像光。在一替换实施例中，该装置进一步包括微显示器，该微显示器是自发射微显示器。
在一实施例中，该装置进一步包括用于偏振化所述图像光的至少一个偏振器。在一实施例中，该至少一个偏振器与该分束器一起被包括。
在一实施例中，该装置进一步包括用于将来自微显示器的图像光反射至该分束器的反射表面，被置于该反射表面和该分束器之间的球面双合透镜，被置于该球面双合透镜和该反射表面之间的预偏振器，以及被置于该微显示器和该反射表面之间的场纠正器。
在一实施例中，该装置被包括在近眼显示器设备的投影光引擎中。该近眼显示器设备包括该投影光引擎和包括波导的近眼显示器。在一实施例中，该投影光引擎被包括在外壳中。该投影光引擎在出射光瞳处输出该图像光，该出射光瞳在该外壳外。
一个或多个实施例包括一种方法，该方法包括将图像光沿第一光学路径引导到鸟浴反射镜。鸟浴反射镜准直化图像光并沿第二光学路径反射图像光到鸟浴反射镜的外壳外的出射光瞳。图像光在所述第一光学路径和所述第二光学路径中的至少一者中被偏振化。图像光的光学像差被沿第二光学路径放置的非球面光学元件纠正。
在一实施例中，该方法进一步包括在衍射波导的输入处接收来自第一光学路径的图像光。
在一实施例中，偏振化该图像光至少部分通过偏振分束器执行。该非球面光学元件包括沿偏振分束器和出射光瞳之间第二光学路径放置的第一非球面透镜和第二非球面透镜。
在一实施例中，偏振化该图像光至少部分通过偏振分束器执行。该非球面光学元件是被置于鸟浴反射镜和偏振分束器之间的第二光学路径之间的非球面透镜。
在一实施例中，引导图像光沿第一光学路径至鸟浴反射镜包括纠正来自微显示器的图像光的场，将图像光反射到预偏振器并通过预偏振器预偏振图像光。
在一实施例中，引导图像光沿第一光学路径至鸟浴反射镜包括通过球面双合透镜从预偏振器接收图像光并通过球面双合透镜输出图像光至偏振分束器。
一个或多个装置实施例包括计算系统和具有近眼显示器的头戴式显示器。一种装置包括一种提供表示图像数据的电子信号的计算机系统。头戴式显示器响应于该电子信号提供图像数据。头戴式显示器包括具有投影光引擎和近眼显示器的近眼显示器设备。投影光引擎响应于该电子信号提供图像数据。投影光引擎中的反射表面反射来自微显示器的图像数据。同样在投影光引擎中的偏振分束器随后偏振化来自反射表面的图像数据的光束并将其分束。球面鸟浴反射镜将来自偏振分束器的图像数据反射到在投影光引擎外的出射光瞳并将其准直化。可在投影光引擎中的非球面凹凸透镜(meniscus lens)随后纠正图像数据。近眼显示器包括用于接收图像数据的波导。
在一装置实施例中，非球面凹凸透镜被置于球面鸟浴镜和偏振分束器之间的光学路径上。
在另一装置实施例中，该非球面凹凸透镜是被置于偏振分束器和近眼显示器之间的光学路径上的两个非球面透镜之一。
在一装置实施例中，近眼显示器的波导是衍射波导。
在一装置实施例中，近眼显示器的波导是表面起伏光栅波导。
在前面的段落中描述的实施例可以与专门描述的替换实施例中的一者或多者相组合。
尽管用结构特征和/或动作专用的语言描述了本主题，但可以理解，所附权利要求书中定义的主题不必限于上述具体特征或动作。相反，上述特定特征和动作是作为实现权利要求书的示例而公开的，并且本领域的技术人员将认识到其他等价特征和动作旨在处于权利要求书的范围内。

Claims (15)

1.一种装置，包括：
用于提供图像光的显示器；
用于将所述图像光进行分束的分束器；
用于从所述分束器接收所述图像光的光学元件，所述光学元件反射并准直化所述图像光；以及
用于纠正所述图像光中的像差的非球面光学元件。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述非球面光学元件包括第一和第二非球面凹凸透镜，
其中所述光学元件是球面镜，
其中所述显示器是微显示器，
其中所述球面镜反射并准直化所述图像光至外部出射光瞳，以及
其中所述第一和第二非球面凹凸透镜被置于所述球面镜和所述外部出射光瞳之间。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述非球面光学元件包括非球面凹凸透镜，
其中所述光学元件是球面镜；
其中所述显示器包括微显示器，以及
其中所述非球面凹凸透镜被置于所述球面镜和所述分束器之间。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，进一步包括：
置于所述光学元件和所述分束器之间的四分之一波阻滞器；
置于所述光学元件和所述分束器之间的双合透镜；以及
置于所述分束器和外部出射光瞳之间的颜色选择过滤器，
其中所述非球面光学元件包括置于所述分束器和所述外部出射光瞳之间的非球面凹凸双合透镜，
其中所述光学元件是球面镜；
其中所述显示器包括微显示器，
其中所述分束器是从由立方体、板、线格偏振器和内部折射分束器构成的组中选择的一种类型的分束器。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于，包括：
包括至少一个光源的照明单元，
其中所述微显示器通过反射来自所述至少一个光源的光来输出所述图像光。
6.如权利要求4所述的装置，其特征在于，进一步包括用于偏振化所述图像光的至少一个偏振器，
其中所述微显示器是自发射微显示器。
7.如权利要求3所述的装置，其特征在于，包括：
用于将来自所述微显示器的图像光反射到所述分束器的反射表面；
置于所述反射表面和所述分束器之间的球面双合透镜；
置于所述球面双合透镜和所述反射表面之间的预偏振器；以及
置于所述微显示器和所述反射表面之间的场纠正器。
8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，所述装置被包括在近眼显示器设备的投影光引擎中，所述近眼显示器设备包括所述投影光引擎和包括波导的近眼显示器。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，所述投影光引擎被包括在外壳中，其中所述投影光引擎在所述外壳外部的出射光瞳处输出所述图像光。
10.一种方法，包括：
将图像光沿第一光学路径引导至反射镜；
通过所述反射镜准直化所述图像光并沿第二光学路径反射所述图像光到所述反射镜的外壳外的出射光瞳；
在所述第一光学路径和所述第二光学路径中的至少一者中将所述图像光偏振化；以及
通过沿第二光学路径放置的非球面光学元件纠正所述图像光的光学像差。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，包括：
在衍射波导的输入处接收来自所述第一光学路径的图像光。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，偏振化所述图像光至少部分通过偏振分束器执行，
其中所述非球面光学元件包括第一非球面透镜和第二非球面透镜，以及
其中所述第一非球面透镜和所述第二非球面透镜沿所述偏振分束器和所述出射光瞳之间的第二光学路径放置。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，偏振化所述图像光至少部分通过偏振分束器执行，
其中所述非球面光学元件是非球面透镜，以及
其中所述非球面透镜沿所述反射镜和所述偏振分束器之间的第二光学路径放置。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，引导图像光沿所述第一光学路径至所述反射镜包括：
纠正来自微显示器的所述图像光的场；
将所述图像光反射至预偏振器；以及
通过所述预偏振器预偏振所述图像光。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，引导图像光沿所述第一光学路径至所述反射镜包括：
通过球面双合透镜接收来自所述预偏振器的图像光；以及
通过所述球面双合透镜将所述图像光输出至所述偏振分束器。
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