CN108152955A - 用于近眼显示器的图像引导光学器件 - Google Patents

Abstract

一种图像处理引导件，其包括：由单片材料片构建成的实心主体，所述实心主体包括：多个表面，所述多个表面限定从输入表面到输出表面的光路，其中所述光路相继连接所述多个表面；其中所述多个表面包括至少一个弯曲镜面反射表面，所述反射表面被配置成接收来自所述光路的光和将光返回到所述光路；其中所述光信号没有聚焦到所述实心主体内的图像平面；其中沿着所述实心主体的最大广度的至少90％的所述实心主体的厚度与平均厚度偏差至多10％。

Description

用于近眼显示器的图像引导光学器件

技术领域

在一些实施例中，本发明涉及图像处理引导件，确切地说，但不排他地，涉及用于头戴式近眼显示器(HMNED)的图像处理引导件。

本发明涉及用于光学配置的方法和系统，确切地说，但不排他地，涉及一种用于成像或非成像(无焦或光线集中器)系统的具有小而薄尺寸的光学配置。

背景技术

近年来，对高性能紧凑型光学系统的需求有所增长。一些光学系统是将场景的图像传送到图像传感器的成像系统，诸如，基于互补金属氧化物半导体(CMOS)的传感器或基于电荷耦合装置(CCD)的传感器。其他光学系统(例如，头戴式显示器)传送来自诸如液晶显示器(LCD)或硅基液晶(LCOS)等图像源的数字图像，以通过将数字图像直接投射到眼睛来为眼睛创建虚拟图像。其他光学系统将来自图像源的数字图像传送到白板或屏幕，从而将数字图像投射在屏幕上。其他光学系统，诸如，双筒镜或望远镜，只是扩展或缩小用户的视野(FOV)。其他光学系统是用来收集光或将光集中到传感器中的非成像系统。

已经开发出多种解决方案，以便实现薄而小的光学系统。例如，第2009/097122号美国专利公开案公开“提供一种光学中继装置，所述装置用于在视野内以多个角度传输击打在该光学中继装置上的光。所述装置包括透光基底、输入光学元件和输出光学元件。所述输入元件使光衍射以经由全内反射在所述透光基底内传播，并且所述输出元件使光从基底衍射出去。所述输出元件的特征在于平面尺寸，所述平面尺寸经过选择而使得所述视野内的一个或多个最外面的光射线的至少一部分指向位于所述基底的预定距离处的二维区域。”

另一实例，第2009/097127号美国专利公开案公开“一种光学装置，其包括：光传输基底；用于通过全内反射将光耦合到所述基底中的光学构件；以及由所述基底携带的多个部分反射表面，其中所述部分反射表面彼此平行，而且不平行于所述基底的任一边缘。”

另一实例，第6,805,490号美国专利公开“一种平面基底，其具有第一衍射元件，所述第一衍射元件用于将不同颜色的光波耦合到所述基底中并且通过连续内反射来引导所述光波。设置在所述基底上的第二衍射元件导致引导的光波从基底中部分传输出去，其中光波碰到第二衍射元件。由于每种颜色的光波以不同的反射角反射，因此，反射角较小的光波比反射角较大的那些光波在更多的位置碰到第二衍射元件，从而导致从基底表面传输出去的光出现颜色不均匀。基底的表面之间设有一个或多个接口，以选择性地将具有较大反射角的光波朝向第二衍射元件反射，从而使得不同颜色的光波基本上在相同数量的位置碰到第二衍射元件。”

额外的背景技术包括第6,351,333号美国专利、第6,351,338号美国专利和第6,409,352号美国专利。

发明内容

根据本发明的一些实施例的一方面，提供一种图像处理引导件，其包括：

由单片材料片构建成的实心主体，所述实心主体包括：

多个表面，所述多个表面限定从输入表面到输出表面的光路，其中所述光路相继连接所述多个表面；

其中所述多个表面包括至少一个弯曲镜面反射表面，所述反射表面被配置成接收来自所述光路的光和将光返回到所述光路；

其中光信号没有聚焦到所述实心主体内的图像平面；

其中沿着所述实心主体的最大广度(maximal extent)的至少90％的所述实心主体的厚度与平均厚度偏差至多10％。

根据本发明的一些实施例，从限定所述光路的所有反射弯曲表面的焦距中选择的最短正焦距大于所述光路中从具有所述最短正焦距的所述弯曲表面到连续表面的距离。

根据本发明的一些实施例，从各个所述反射表面反射的边缘射线与主射线的角介于-60°与60°之间。

根据本发明的一些实施例，所述图像处理引导件的汇聚或发散长度大于在所述图像处理引导件的两个最长侧之间测量到的平均厚度乘以被配置成接收来自所述光路的光的弯曲镜面反射表面的数量。

根据本发明的一些实施例，所述实心主体包括第一侧，所述第一侧具有一个几何形状的形状和在所述形状中形成的凹面，其中所述凹面形成所述表面中的一个表面。

根据本发明的一些实施例，所述凹面是弯曲镜面反射表面。

根据本发明的一些实施例，所述引导件包括不止一个镜面反射表面，所述射表面被配置成接收来自所述光路的光和将光返回到所述光路。

根据本发明的一些实施例，所述引导件包括不止一个弯曲镜面反射表面，所述反射表面被配置成接收来自所述光路的光和将光返回到所述光路。

根据本发明的一些实施例，所述输入表面和所述输出表面的取向在至少一个方向上偏离至多30°。

根据本发明的一些实施例，所述输入表面和所述输出表面位于所述实心主体的第一侧上。

根据本发明的一些实施例，所述输入表面是折射表面，并且所述光信号通过折射输出表面离开所述引导件。

根据本发明的一些实施例，所述引导件是细长元件；

其中所述最大广度是所述引导件的所述厚度的至少5倍；

其中所述最大广度是所述引导件的高度的至少3倍；

其中所述光路的总体方向沿着所述最大广度的中心轴。

根据本发明的一些实施例，至少一个外部光学元件，其中各个所述外部光学元件包括限定光路的多个表面。

根据本发明的一些实施例，一种头戴式近眼显示器包括产生光信号的图像源；以及

光耦合到所述图像源的根据前述的图像处理引导件；

其中所述图像处理引导件将所述光信号传递到目标。

根据本发明的一些实施例，改变光信号的路径的最终弯曲表面是将环境光传递到所述目标的半反射表面。

根据本发明的一些实施例，所述头戴式近眼显示器包括位于用户眼睛前面的一个或多个场景校正折射元件；

其中所述一个或多个校正折射元件抵消来自所述引导件的场景光中的像差。

根据本发明的一些实施例的一方面，提供一种图像处理引导件，其包括：

实心主体，所述实心主体包括：

多个表面，所述多个表面限定从输入表面到输出表面的光路，其中所述光路相继连接所述多个表面；

其中所述多个表面包括至少一个弯曲反射表面，所述反射表面被配置成接收来自所述光路的光和将光返回到所述光路；

其中光信号没有聚焦到所述实心主体内的图像平面。

根据本发明的一些实施例，从限定所述光路的所有反射弯曲表面的焦距中选择的最短正焦距大于所述光路中从具有所述最短正焦距的所述弯曲表面到连续表面的距离。

根据本发明的一些实施例，从各个所述反射表面反射的边缘射线与主射线的角介于-60°与60°之间。

根据本发明的一些实施例，从各个反射表面反射的边缘射线与主射线的角介于-40°与40°之间。

根据本发明的一些实施例，所述图像处理引导件的汇聚或发散长度大于在所述图像处理引导件的两个最长侧之间测量到的平均厚度乘以被配置成接收来自所述光路的光的弯曲反射表面的数量。

根据本发明的一些实施例，所述光路在多个平面之间转移，其中至少一个平面的取向在两个维度上不同于至少另一平面。

根据本发明的一些实施例，所述输入表面是折射表面。

根据本发明的一些实施例，所述光信号通过折射输出表面离开所述引导件。

根据本发明的一些实施例，所述引导件是细长元件，包括最大广度；

其中所述最大广度是所述引导件的厚度的至少5倍；

其中所述最大广度是所述引导件的高度的至少3倍。

根据本发明的一些实施例，所述光路的总体方向沿着所述最大广度的中心轴。

根据本发明的一些实施例，所述最大广度的所述中心轴弯曲35°到55°。

根据本发明的一些实施例，所述图像处理引导件由单个材料片构建而成。

根据本发明的一些实施例，其包括衍射光学元件。

根据本发明的一些实施例，所述图像处理引导件包括自由形式的外部形状。

根据本发明的一些实施例，一种头戴式近眼显示器，其包括：

产生光信号的图像源；以及

光耦合到所述图像源的图像处理引导件；

其中所述图像处理引导件将所述光信号传递到目标。

根据本发明的一些实施例，改变所述光信号的路径的最终弯曲表面是半反射表面。

根据本发明的一些实施例，所述头戴式近眼显示器包括改变所述光信号的路径的最终弯曲表面，所述最终弯曲表面是选择性反射表面。

根据本发明的一些实施例，所述头戴式近眼显示器包括位于用户眼睛前面的一个或多个场景校正折射元件；

其中所述一个或多个校正折射元件抵消来自所述引导件的场景光中的像差。

根据本发明的一些实施例，所述头戴式近眼显示器包括一个或多个视力校正折射元件；

其中所述视力校正元件校正用户的视力。

根据一些实施例，所述源放置在头戴式近眼框架上，从而使得所述源在用户视野的外部。

根据一些实施例，所述输出表面和所述输入表面在至少一个维度上彼此分开45°。

根据一些实施例，传递到目标的光信号是由源投射的光信号，其中引导经历至多5％的几何失真。

根据一些实施例，传递到目标的光信号是由源投射的光信号，其中引导经历1％到10％的几何失真。

根据光信号的一些实施例，像素化图像包括平均像素广度；

其中传递到目标的光信号是由源投射的光信号，其中横向色像差小于平均像素广度。

除非另行规定，否则本文所用的所有技术和/或科学术语与本发明所属领域的一般技术人员通常理解的意义相同。尽管在实践或测试本发明的实施例时可以使用类似于或等于本文所述这些的方法和材料，但下文描述示例性方法和/或材料。在产生冲突的情况下，将以本专利说明书(包括定义)为准。此外，所述材料、方法和实例仅仅是说明性的，而不意图进行必要地限制。

本发明的实施例的方法和/或系统的实施方式可以涉及手动、自动或其组合地执行或完成所选择的任务。此外，根据本发明的方法和/或系统的实施例的实际仪器和设备，可以由硬件、软件或固件或者它们的组合使用操作系统实施若干选择的任务。

例如，用于根据本发明的实施例的执行所选择的任务的硬件可以实施为芯片或电路。至于软件，根据本发明的实施例的选择任务可以实施为由计算机使用任何合适的操作系统执行的多个软件指令。在本发明的一个示例性实施例中，根据如本文所述的方法和/或系统的示例性实施例的一个或多个任务由数据处理器执行，诸如，用于执行多个指令的计算平台。任选地，数据处理器包括用于存储指令和/或数据的易失性存储器，和/或用于存储指令和/或数据的非易失性存储设备，例如，磁性硬盘和/或可移动介质。任选地，也提供网络连接。任选地还提供显示器和/或用户输入装置，诸如，键盘或鼠标。

附图说明

本文中参考附图以实例的方式描述本发明的一些实施例。现在详细参考附图，应强调，通过实例的方式并且出于说明性地论述本发明的实施例的目的来示出细节。就这点而言，结合附图的描述使得所属领域的技术人员明白可以如何实践本发明的实施例。

在附图中，类似的部件一般用类似的编号表示，然而，应注意，在一些附图中，与先前的附图中表明的那些元件类似的元件被提供新的首个图号。例如，图2中标记200的部件通常与图1中标记100的部件是相同类型的部件。

在附图中：

图1A是根据本发明的一些实施例的图像传递的方法的流程图；

图1B是根据本发明的一些实施例的弯曲反射表面的主射线和边缘射线的简化示意图；

图1C是根据本发明的一些实施例的主汇聚射线和边缘汇聚射线的简化示意图；

图1D是根据本发明的一些实施例的主发散射线和边缘发散射线的简化示意图；

图1E是示出根据本发明的一些实施例的示例性图像处理引导件中的光信号路径的简化俯视示意图；

图2A是根据本发明的一些实施例的穿过图像处理引导件的光路的简化三维侧视示意图；

图2B是根据本发明的一些实施例的穿过图像处理引导件的光路的简化俯视示意图；

图2C是根据本发明的一些实施例的穿过图像处理引导件的光路的简化侧视示意图；

图3是根据本发明的一些实施例的有焦点-无焦点图像处理引导件的简化截面示意图；

图4是根据本发明的一些实施例的用户佩戴头戴式近眼显示器的简化正视示意图；

图5是根据本发明的一些实施例的由用户佩戴的头戴式光学装置的一部分的简化俯视示意图；

图6是根据本发明的一些实施例的头戴式近眼显示器系统600的简化框图；

图7是根据本发明的一些实施例的头戴式光学装置730的简化侧视示意图；

图8是根据本发明的一些实施例的包括不止一个材料类型的图像处理引导件的简化截面示意图；

图9是根据本发明的一些实施例的无焦点-有焦点图像处理引导件的简化截面示意图；

图10是根据本发明的一些实施例的包括不同材料的无焦点-有焦点图像处理引导件的简化截面示意图；

图11是根据本发明的一些实施例的包括间隙的无焦点-有焦点图像处理引导件的简化截面示意图；

图12是根据本发明的一些实施例的无焦点-无焦点图像处理引导件的简化截面示意图；

图13是根据本发明的一些实施例的图像处理引导件1330的简化俯视示意图；

图14是根据本发明的一些实施例的聚焦且变焦的图像处理引导件1430的简化俯视示意图；

图15A和图15B是根据本发明的一些实施例的包括不止一个移动部分的图像处理引导件的简化俯视示意图；

图16是根据本发明的一些实施例的头戴式近眼显示器1600的一部分的简化俯视图；

图17是根据本发明的一些实施例的头戴式近眼显示器1600的一部分的简化俯视图；

图18是根据本发明的一些实施例的包括弯曲部的图像处理引导件的简化俯视示意图；

图19是根据本发明的一些实施例的包括耦合元件的头戴式近眼显示器的一部分的简化俯视示意图；

图20是根据本发明的一些实施例的包括场景校正光学器件的图像处理引导件的简化俯视示意图；

图21是根据本发明的一些实施例的将光从物体传递到传感器的包括图像处理引导件的装置的简化截面示意图；

图22A是根据本发明的一些实施例的将光从不止一个FOV传递到不止一个传感器的包括图像处理引导件的手机的简化截面示意图；

图22B是根据本发明的一些实施例的将光从不止一个FOV传递到单个传感器的包括图像处理引导件的手机的简化截面示意图；

图23是根据本发明的一些实施例的包括安装在框架上的图像处理引导件的外科望远镜的简化示意图；

图24是根据本发明的一些实施例的包括嵌入安装和/或耦合到表面的图像处理引导件的外科望远镜的简化示意图；

图25是根据本发明的一些实施例的包括图像处理引导件的投影仪的简化侧视示意图；

图26是根据本发明的一些实施例的图像引导件的简化等距示意图；

图27是根据本发明的一些实施例的图像引导件的简化截面示意图；

图28是根据本发明的一些实施例的包括凹面的图像引导件的简化截面示意图；

图29是根据本发明的一些实施例的头戴式近眼显示器的一部分的简化俯视图；

图30是根据本发明的一些实施例的包括间隙的成像处理引导件的简化截面示意图；

图31是根据本发明的一些实施例的提供宽广视野的头戴式光学装置的简化侧视示意图；

图32是根据本发明的一些实施例的图像引导件的简化俯视示意图。

具体实施方式

在一些实施例中，本发明涉及图像处理引导件，确切地说，但不排他地，涉及用于头戴式近眼显示器的图像处理引导件。

概述

本发明的一些实施例的一个广泛方面涉及在执行信号处理的同时传递光信号(例如，图像)的图像处理引导件(本文中也称为“图像引导件”和“引导件”)。在一些实施例中，处理包括光信号路径中的至少一个反射(术语反射表面在此指代镜面反射和/或半反射表面)和/或折射改变。在一些实施例中，例如，处理包括信号的放大和/或聚焦和/或像差的减少(例如，几何和/或色像差)和/或颜色平衡和/或滤波的改变。在一些实施例中，引导件的形状和/或大小经设定以便佩戴(例如，用于头戴式显示器，例如，作为一副眼镜中的镜片)，例如，引导件较薄和/或其中引导件的主体的厚度变化至多10％。

本发明的一些实施例的一方面涉及图像处理引导件，其中经由输入表面输入的光信号射线在传递穿过引导件期间没有最大程度地汇聚(例如，以形成中间焦点和/或平面和/或区域)。其中最大汇聚是一个点，在此之后信号射线开始发散。例如，在一些实施例中，引导件内没有图像平面。

在一些实施例中，输入到图像引导件中的基本上平行和/或发散的光信号射线没有聚焦到引导件中的图像平面。在一些实施例中，图像引导件将输入的光信号射线聚焦到引导件外部的图像平面。

本发明的一些实施例的一个广泛方面涉及引导件，其中光信号的传递不是基于全内反射(TIR)。在一些实施例中，图像处理引导件包括多个表面，所述多个表面限定从输入表面到输出表面的光路。

例如，在一些实施例中，引导件内的光信号与一个或多个表面相互作用，所述相互作用不是TIR。例如，在一些实施例中，光信号被一个或多个表面反射(例如，至少部分反射)。例如，一旦光信号在引导件内，那么在一些实施例中，光信号便以小于表面的临界角的角撞击一个或不止一个表面。例如，在一些实施例中，光信号以小于临界角的角撞击至少一个或至少两个表面(例如，排除输入和输出表面)。

例如，在一些实施例中，所述表面中的至少一个表面是反射镜面表面(例如，全反射或部分反射镜面表面)。在一些实施例中，所述表面中的至少一个表面是弯曲(例如，不平坦和/或非平面)反射表面(例如，具有非零光学功率)，并且不是单个球面表面；例如，在一些实施例中，弯曲表面是，例如，非球面的、自由形式的形状(例如，其中所述表面在不同方向上具有不同形状)、双锥形、具有非球面环形区域。在一些实施例中，所述表面中的至少两个表面是镜面表面。在一些实施例中，所述表面中的至少两个表面是弯曲镜面表面。在本发明的一些实施例中，在表面之间、在表面中的一个或多个表面处或在表面中的不止一个表面处或者在所有表面处经过的光信号并不通过全内反射来传递。在一些实施例中，表面中的不止一个表面是弯曲的，其中弯曲表面不是单球面的。

在一些实施例中，图像引导件的大小和/或形状经设定以便佩戴，例如，作为一副眼镜中的镜片，例如，用于头戴式显示器。在一些实施例中，图像引导件不是楔形的，例如，从而为眼镜镜片提供美观宜人的形状。在一些实施例中，图像引导件较薄。在一些实施例中，图像引导件的截面在一个或两个方向上是细长的。

本发明的一些实施例的一方面涉及通过减小引导件内的射线的汇聚和/或发散的角来提供较少失真的图像，甚至在存在不完美光学器件时也可如此。在一些实施例中，这允许将实心板(例如，塑料)用于图像处理。

在一些实施例中，图像处理引导件的表面和它们的分离被配置成使得在信号聚焦的距离(例如，到达反射表面的焦点)之前，从反射表面反射的信号沿着光路与后续表面相互作用(例如，从而导致信号被反射和/或改变路径)。

在一个示例性实施例中，每个反射表面的焦距等于或小于零，具有负焦距或零焦距(例如，发散反射表面)，或者比在光路中到后续表面的光路距离更长或相同。在一些实施例中，表面的焦距是无限的(平面表面)。

例如，在一些实施例中，对于每个反射表面而言：

焦距≥D，或者焦距≤0，

其中D是从当前表面到下一表面的距离。

在一些实施例中，对于每个反射表面而言，边缘射线的角相对于主射线的角介于-60°与60°之间。

在一些实施例中，图像处理引导件包括引导件的总发散或汇聚长度，所述长度大于引导件的厚度乘以引导件内的反射的数量(K)。

例如，在一些实施例中，

|发散或汇聚长度|≥图像引导件厚度×K

在一些实施例中，根据本发明的实施例，图像引导件的整体发散或汇聚长度不受限制(例如，经过选择和/或设计以适合于应用)。在一些实施例中，图像处理引导件是有焦点-无焦点、或无焦点-无焦点、或无焦点-有焦点、无焦点-无焦点(例如，如下文更详细地描述)。

由于在一些实施例中，图像处理并不依赖于图像引导件内的光学元件的焦距，因此，在一些实施例中，图像处理引导件可能较薄，例如，而不降低输出信号的质量。

在一些实施例中，图像处理引导件包括沿着光路的多个反射表面，例如，2个、或3个、或4个、2个到10个，或者更少或更多或中间数量。在一些实施例中，多个反射表面中一定百分比的反射表面处理光信号，例如，20％、或40％、或60％、或80％、或100％，或者更少或更多或中间百分比。

在一些实施例中，改变引导信号穿过引导件的光信号的路径的反射和/或折射表面(例如，弯曲表面)汇聚和/或发散。在一些实施例中，图像处理引导件折射表面(例如，输入表面和/或输出表面)的焦距具有不受限制的焦距(例如，经过选择和/或设计以适合于应用)。

在一些实施例中，此类反射和/或折射表面是离轴偏转器。在一些实施例中，图像处理引导件不包括DOE。

在一些实施例中，图像引导件内缺少聚焦(例如，其中射线处于适中角度)具有以下潜在优点：在将光信号传递穿过引导件时信号的像差水平较低，例如，因为像差与射线弯曲的量有关。

在一些实施例中，图像引导件包括一个或多个反射(例如，镜面、半反射)和/或折射表面。

在一些实施例中，图像引导件包括具有不同折射率的部分。在一些实施例中，具有不同折射率的部分抵消色像差。例如，在一些实施例中，第一部分的材料在光信号穿过时引入色像差(例如，使光信号衍射)，并且由第一部分的材料引入的色像差被光信号随后穿过的第二部分材料抵消。

本发明的一些实施例的一方面涉及头戴式和/或可佩戴的近眼显示器，所述显示器包括一个或多个图像处理引导件(例如，如本文所述)。在一些实施例中，头戴式近眼显示器(HMNED)包括源(例如，图像源)，所述源位于用户的直接视线和/或正常视线的外部和/或位于用户的视野外部。图像处理引导件将光信号从源传递到用户的眼睛。在一个示例性实施例中，头戴式近眼显示器包括可佩戴框架(例如，眼镜框)，并且图像引导件形成固定在框架内的眼镜镜片的一部分和/或耦合到和/或附接到眼镜镜片。例如，在一些实施例中，图像源位于眼镜镜片边缘或臂处。

在一些实施例中，通过一个或多个弯曲反射表面对图像射线的反射，图像引导件将图像(例如，图像源产生的图像)放大。在一些实施例中，图像引导件包括多个弯曲反射表面，并且例如，随着图像被引导穿过图像引导件，图像因连续的反射而递增地增大。

在一些实施例中，连续(光信号的路径上的连续)弯曲反射表面被设计成校正像差，例如，弯曲表面抵消由(沿着光路的)先前弯曲表面引入的像差，例如，表面抵消由引导件的材料引入的像差(例如，图像处理引导件材料对光信号的衍射)。

在一些实施例中，图像引导件是包括最大广度的细长元件。在一些实施例中，最大广度包括弯曲中心轴。在一些实施例中，光路沿着最大元件中心轴的总体方向。在一些实施例中，最大广度是图像引导件的最小广度(其他地方称为“厚度”)的至少5倍、或至少10倍、或至少2.5倍。在一些实施例中，最大广度是图像引导件的高度的3倍或1.5倍或6倍，其中高度是垂直于最大和最小广度的维度。

在一些实施例中，曲率半径(例如，图像处理引导件中的“弯曲部”，如下文所述)是0.5到10cm或1到7cm，或者更小或更大或中间范围或值。在一些实施例中，主轴在一个或多个维度上弯曲10°、或20°、或45°、或60°，或者10°到60°、或35°到55°。

在一些实施例中，光信号在最大广度的第一边缘的5％、或10％、或20％、或30％内进入引导件，并且在最大广度的第二边缘的20％、或5％、或10％、或20％、或30％内离开引导件。在一些实施例中，例如，其中单个图像引导件将图像提供到两只眼睛，光信号在引导件的边缘的5％、或10％、或20％、或30％内进入引导件，并且在最大广度的中心点的5％、或10％、或20％、或30％内离开引导件。

在一些实施例中，图像引导件包括一个或多个弯曲反射表面(例如，非球面)。在一些实施例中，图像引导件包括一个或多个弯曲反射表面，其中镜面表面曲率的第二导数是5到20、或5到15、或5到10，或者更大或更小或中间范围或值。图像引导件包括一个或多个弯曲反射表面，其中镜面表面曲率的第二导数为负。在一些实施例中，图像引导件包括一个或多个弯曲反射表面，其中镜面表面曲率的第二导数接近于零。在一些实施例中，图像引导件包括一个或多个弯曲反射表面，其中镜面表面曲率的第二导数是0到3、或0.5到1.5、或接近1，或者更大或更小或中间范围或值。

使用弯曲反射表面将射线传递穿过图像引导件有可能促成具有最小失真的整体图像的统一放大。在一些实施例中，放大在传递穿过图像处理引导件的图像上是统一的，其中图像误差是0.1％到6％、或0.5％到5％、或0.5％或3％，或者更小或更大或中间范围或百分比。在一些实施例中，图像误差为负(桶形)和/或正(枕形)。在一些实施例中，图像误差较高(例如，达到10％到60％、20％到30％，接近50％)，其中例如，失真被校正(例如，被显示预先校正的图像的源校正)。

在一些实施例中，例如，使用高度弯曲的反射表面来传递射线会提供大图像眼盒(eye box)，例如，在一些实施例中，包括图像处理引导件(例如，如本文所述)的系统具有5×5到10×10mm、10×10到20×20mm、20×20到30×30mm，或者更小或更大或中间范围或面积的眼盒。在一些实施例中，眼盒不是正方形的，例如，是矩形的。大图像眼盒可能意味着HMNED的性能和/或公差对可见整个显示器的用户眼睛位置不敏感。

在一些实施例中，图像引导件包括折射表面，例如，在用户的视野(FOV)前面，所述折射表面通过全内反射来传递光。在一些实施例中，折射表面保持透明，以便通过引导件将场景光传递到用户的眼睛，例如，在一些实施例中，使得用户能够看到叠加在直观真实图像上的传递图像。

在一些实施例中，图像引导件包括半反射表面(例如，在用户眼睛的前面)，其中例如，所述表面在将场景光传输穿过引导件时反射在引导件内行进的光信号的一部分。

在一些实施例中，一个或多个表面包括选择性涂层，例如，所述选择性涂层可反射选择性波长的光(例如，多频带)并且传输其他波长的光。例如，在一些实施例中，表面(例如，在用户眼睛的前面)涂覆选择性涂层，从而可反射光信号波长(例如，LCD波长)但传输其他波长(例如，场景光)，例如，传输到用户的眼睛。

在一些实施例中，头戴式显示器包括一个或多个补偿元件，所述补偿元件针对图像引导件引入的失真来校正现实世界环境光/场景光。在一些实施例中，补偿元件是形成图像引导件的单个材料片的部分。或者，在一些实施例中，补偿元件是附接(例如，胶合)到例如引导件和/或HMNED的另一部分的单独元件。

在一些实施例中，头戴式显示器包括一个或多个视力校正元件，以校正用户的视力。在一些实施例中，视力校正元件是形成图像引导件的单个材料片的部分。或者，在一些实施例中，一个或多个视力校正元件是附接(例如，胶合)到例如引导件和/或HMNED的另一部分的单独元件。在一些实施例中，HMNED包括校正眼镜镜片。

在一些实施例中，图像引导件由单个材料片构建而成，其中所述材料，例如，经过成形以提供弯曲表面。在一些实施例中，涂层(例如，材料的外部涂层)提供反射表面。在一个实施例中，单个材料片包括具有不同折射率的区段。在一些实施例中，图像引导件由塑料构建而成。塑料的潜在益处包括采用注塑成型制造(例如，包括弯曲表面)、塑料是轻质的，以及塑料不易破碎。在一些实施例中，图像引导件包括不规则外部形状，例如，自由形式的形状(例如，使用塑料通过成型构建而成)。在一些实施例中，图像引导件包括参数化外部形状。

在一些实施例中，图像引导件水平传递光信号(例如，从用户的耳朵附近朝向用户的眼瞳传递)。作为补充或替代，在一些实施例中，图像引导件沿着包括竖直传递的路径将光信号传递到用户的眼睛(例如，图像源在用户眼瞳的竖直上方)。作为补充或替代，在一些实施例中，图像引导件围绕弯曲部(例如，眼镜拐角)传递光信号。

在一些实施例中，图像引导件较薄，例如，0.05到0.5mm厚、或0.2到0.5mm厚、0.5到5mm、5到10mm、10到50mm，或者接近0.3mm厚，或者更小或更大或中间范围或厚度。其中将图像处理引导件中包括光反射元件的两个最长侧之间的平均距离测量为厚度。

在一些实施例中，图像引导件较轻，例如，0.05到0.5g、或0.05到0.3g、0.3到1g、1到10g、10到20g，或者更轻或更重或中间范围或重量。在一些实施例中，图像处理引导件由塑料构建而成。

本发明的一些实施例的一方面涉及光信号的传递，其中在传递之后，光信号具有较大FOV。在一些实施例中，光信号的传递使用反射和/或折射表面来实现(例如，与使用透镜相反)，其中例如，光学图像尺寸通过每个反射和/或折射而递增地增加，从而增加所传递的信号的FOV。在一些实施例中，反射表面的使用被用来生成大FOV，而不增大装置(例如，头戴式近眼显示器)的尺寸。在一些实施例中，使用反射表面的光信号的传递导致不经受色像差的输出信号。

本发明的一些实施例的一方面涉及在不使图像失真和/或不对图像引入小失真的情况下放大图像，例如，图像上的统一放大。在一些实施例中，图像处理引导件包括弯曲非球面表面，所述表面在信号穿过引导件时在FOV内均匀放大光信号。潜在优点包括放大图像使之具有大FOV的能力。

本发明的一些实施例的一方面涉及用大眼盒(例如，由出射光瞳和FOV形成的区域)投射图像。在一些实施例中，图像处理引导件生成大眼盒，例如，因为图像引导件被设计以生成大出射光瞳5到10mm、10到15mm、15到40mm、40到100mm，和/或大FOV，例如，10°到20°或20°到40°，例如，通过使用弯曲反射和/或折射表面来实现。在一些实施例中，HMNED投射覆盖用户FOV的10％到90％或20％到40％的图像。

本发明的一些实施例的一方面涉及光信号从源传递穿过图像处理引导件的效率。在一些实施例中，例如，光信号的高传递效率与包括空气和光学元件之间的较小数量的传递的实施例有关，例如，少于5个、少于4个、少于3个。在一些实施例中，通过反射而传递穿过引导件会产生高传递效率，例如，超过80％、或超过90％、或超过95％，或者更小或更大或中间传递效率。在一些实施例中，源直接耦合到图像处理引导件，例如，在没有耦合光学器件的情况下进行耦合，从而可能减少源与图像处理引导件之间的耦合损耗的信号功率。

本发明的一些实施例的一方面涉及图像处理引导件的出射光瞳的竖向扩展。在一些实施例中，对称表面生成包括竖直分量的对称出射光瞳。在一些实施例总，图像处理引导件出射光瞳的竖向扩展与图像处理引导件的竖直尺寸相关。

本发明的一些实施例的一方面涉及用于头戴式近眼显示器的小尺寸和/或轻质光学部件。在一些实施例中，光信号直接从源耦合到图像处理引导件中。在一些实施例中，信号的光学处理由单个图像处理引导元件执行，例如，所述元件提供图像从源的传递(例如，传递到用户的眼睛和/或显示器)、图像的放大和图像校正中的一个或多个。

本发明的一些实施例的一方面涉及装置制造公差。在一些实施例中，例如，缺少耦合部件的HMNED和/或使用单个图像处理的图像传递可能导致具有高制造公差的装置，其中例如，装置的制造涉及较少部件的放置。在一些实施例中，使用单个元件的图像处理和/或传递意味着由引导件引入的失真是恒定的，并且例如，在一些实施例中，所述失真使用数字图像处理进行校正。任选地，在一些实施例中，HMNED包括存储器，所述存储器包括用于图像引导件(例如，HMNED中使用的特定引导件)的校准参数。

本发明的一些实施例的一方面涉及从图像处理引导件输出的光信号的聚焦和/或变焦(例如，投射和/或显示的图像)。在一些实施例中，图像处理引导件的位置移动，以使输出的光信号聚焦。作为补充或替代，一个或多个聚焦元件(例如，透镜)相对于图像处理引导件的位置改变。在一些实施例中，通过相对于图像处理引导件放置一个或多个变焦元件(例如，透镜)而同时相对于目标(例如，显示器、用户眼睛、传感器)放置图像引导设备，提供变焦和/或放大(在一些实施例中，放大是附加的)和/或聚焦。在一些实施例中，图像处理引导件的不同部分的位置相对于彼此改变，以便进行聚焦和/或变焦，例如，光路改变表面相对于彼此移动。

例如，本发明的实施例提供用于光学系统的光学配置的技术，所述光学系统较轻和/或较薄和/或并且尺寸较小和/或具有单个元件和/或对公差的敏感性较低，和/或在FOV上提供高光学质量和/或高吞吐量和/或均匀强度，和/或少量的像差。

在一些实施例中，图像处理元件包括多个区段。在一些实施例中，图像处理元件的一个或多个部分包括下列特征中的一个或多个：部分表面(球面或非球面)的曲率、表面的光学涂层、基底材料类型，以及区段内的衍射光学子元件的组合。在一些实施例中，图像处理引导件的每个区段的效应被配置成等效于由例如透镜和/或反射镜和/或棱镜构成的大容积系统中的元件。

例如，在一些实施例中，来自弯曲表面的反射具有与大容积系统中的光学透镜类似的功能。

图像处理引导件可能具有与大容积光学系统相同的性能，并且使用适当的配置可能具有此类系统的优点。

由本发明的一些实施例解决的问题包括光学装置占用的体积尺寸临界，以及很多应用对高性能紧凑型光学系统的需求逐渐增加，诸如：手机相机、笔记本电脑摄像头、个人数字助理(PDA)、数字静态相机、投影仪、机载光学系统、头戴式显示器(HMD)、抬头显示器(HUD)、可佩戴近眼显示器(NED)、空间光学系统，以及用于太阳能电池的集中器。

由本发明的一些实施例解决的问题包括用于成像和非成像应用的光学系统。

由本发明的一些实施例解决的问题包括：光学装置和/或元件笨重和/或占据大体积、具有很多光学元件和/或沉重和/或对公差敏感。

由本发明的一些实施例解决的问题包括：归因于像差和低吞吐量，光学装置和/或元件遭受低图像质量。

图像引导件表面的优化和设计可使用Zemax光学软件来实施。

本发明的一些实施例的一方面涉及图像处理引导件，其中所述引导件包括多个光学元件(例如，透镜)和多个镜面表面，其中通过与镜面表面和透镜的反射和折射相互作用而将光信号传递穿过引导件。在一些实施例中，透镜中的一个或多个具有覆盖透镜表面的一部分的镜面涂层。在一些实施例中，在透镜之间，引导件中存在一个或多个空隙，例如，气隙。

多个透镜元件的潜在优点是与信号相互作用的表面的数量较多，例如，在一些实施例中，一个或多个透镜三个表面，例如，每个透镜三个表面。例如，在一些实施例中，光信号进入透镜，在进入过程中折射，随后被镜面部分(例如，透镜上的涂层和/或与透镜接触的镜面)反射，然后当离开透镜时二次折射。被间隙分开的透镜(其中间隙采用与透镜不同的材料)的潜在优点是折射增加，因为光学表面在透镜材料与间隙材料之间移动。

在详细说明本发明的至少一个实施例之前，应理解，本发明不必将其应用限制于以下具体实施方式中列出和/或附图和/或实例中示出的结构细节和部件和/或方法的布置。本发明能够用于其他实施例，或者能用各种方式实践或执行。

示例性光学信号传递方法

在一些实施例中，光耦合到图像处理引导件中并且从中离开，而且通过与引导件的表面相互作用(例如，从中反射)而被传递穿过引导件内的路径。

图1A是根据本发明的一些实施例的图像传递的方法的流程图。

在100处，将光信号耦合到图像处理引导件中。例如，在一些实施例中，通过引导件的折射表面(例如，折射外表面)将光信号耦合到引导件中。

在102处，沿至少一个方向将光信号传递穿过引导件，其中光信号没有在引导件内聚焦(例如，聚焦到焦点和/或图像平面)。在一些实施例中，在没有明显引入色像差的情况下和/或在没有明显引入几何像差(例如，几何失真、球面像差)的情况下传递信号。

在一些实施例中，图像处理引导件将图像从图像源传递穿过引导件，而没有引入明显的色像差。例如，在图像源包括像素阵列的投影的情况下，在一些实施例中，横向色像差小于RGB像素广度或2个RGB像素广度(例如，具体取决于所需的分辨率)。在一些实施例中，每个颜色具有基本上相同的轴向分辨率(例如，颜色之间具有至多20％、或至多10％、或至多5％、或至多1％的分辨率差异)。

例如，在图像源包括像素阵列的投影的情况下，在一些实施例中，穿过引导件的传递会将每个像素颜色改变至多50nm、或至多100nm、或至多200nm，或者更小或更大或中间波长，或者改变至多1％、或至多5％、或至多10％，或者更小或更大或中间百分比。

在一些实施例中，图像处理引导件在没有明显引入几何像差(例如，使图像失真)的情况下传递光信号。例如，在图像源包括像素阵列的投影的情况下，失真(例如，枕形和/或桶形)将图像的每个部分(例如，每个图像像素)移动至多10％、或至多5％、或至多4％，或者图像尺寸的更小或更大或中间百分比。

在一些实施例中，光信号传递穿过装置是基于全内反射(TIR)和/或镜面反射(例如，引导件的一个或多个部分包括镜面涂层)通过从表面反射来实现的。

任选地，在一些实施例中，在光信号的传递期间，信号被校正。在一些实施例中，信号被校正，而且沿着光路通过表面传递。在一些实施例中，光信号与一个或多个表面的相互作用(例如，反射)校正由先前和/或将来的相互作用引入的像差(例如，与光路中先前和/或将来的表面的相互作用和/或校正因过渡到引导件的材料而产生的像差)。

在104处，将光信号从图像处理引导件中投射出去，例如，投射到用户的眼睛中和/或投射到显示器和/或传感器上。

示例性信号路径类型

根据本发明的方面的图像处理引导件包括图像源，所述图像源从有焦或无焦光源中产生有焦点光(例如，射线聚焦于一点)或无焦点光(例如，射线是单向的)。

例如，在一些实施例中，图像处理引导件从有焦点输入中生成无焦点输出。此类引导件适于，例如，近眼显示器。

例如，在一些实施例中，图像处理引导件从无焦点输入中生成有焦点输出，其中例如，光射线(例如，来自物体)聚焦于图像平面(例如，传感器平面)。此类引导件适于，例如，相机、收集器、集中器、紧凑型手机相机、望远镜。

例如，在一些实施例中，图像处理引导件从有焦点输入中生成有焦点输出。例如，从小区域(例如，诸如显示器等物体)发出的光射线聚焦于图像平面(传感器平面)。此类引导件适于，例如，投影仪、显示器系统。

例如，在一些实施例中，图像处理引导件从无焦点输入中生成无焦点输出(例如，来自遥远位置的平行射线被转换成不同宽度的平行射线，大于或小于输入射束)。此类引导件适于，例如，放大(例如，望远镜)、射束扩展器。

示例性图像引导件

示例性结构和材料

在一些实施例中，图像处理引导件由单个大块材料片构建而成。

示例性图像处理引导件材料包括塑料，例如，聚碳酸酯、环烯烃共聚物，例如，(例如，E48R、F52R、EP5000、OKP4)。

在一些实施例中，图像处理引导件由不止一片和/或一种材料构建而成。在一些实施例中，多片和/或材料使用例如胶水和/或注塑成型和/或光学耦合进行组合(例如，以形成单片元件)。在一些实施例中，图像处理引导件包括具有不同材料特性(例如，不同折射率)的不同部分。

在一些实施例中，图像处理引导件由玻璃和/或塑料和/或聚合物和/或光学行业中使用的其他材料构建而成(例如，形成引导件的大块材料和/或多片)。

在一些实施例中，大块材料的一个或多个部分经过处理，例如，涂覆和/或热处理和/或加上图案。

作为替代或补充，在一些实施例中，图像处理引导件被构建成其中由较小或不同材料构成的反射和/或折射元件(例如，一个或多个光学透镜和/或反射表面和/或DOE)被空间或间隙分开(例如，气隙、真空、至少部分填充有流体的腔)。

在一些实施例中，图像处理引导件包括一个或多个平面和/或球面和/或非球面和/或衍射和/或折射和/或自由形式和/或全息和/或菲涅耳和/或微型元件阵列(透镜、棱镜)表面。

在一些实施例中，图像处理引导件包括一个或多个弯曲外表面。弯曲表面的潜在益处是：相对于平面表面而言，相对容易制造(例如，使用注塑成型)。

在一些实施例中，图像处理引导件表面包括一个或多个反射、传输、半反射/半传输或吸收(例如，壳体)表面(例如，弯曲和/或平面表面)。

在一些实施例中，图像处理引导件和/或本文所述的其他光学元件的制造包括抛光和/或成型和/或注塑成型和/或光刻法和/或晶片级冲压和/或晶片级光学器件的示例性技术。

示例性图像引导件

图1E是示出根据本发明的一些实施例的示例性图像处理引导件130中的光信号路径144的简化俯视示意图。

在一些实施例中，图像处理引导件130形成头戴式近眼显示器(HMNED)的部分，其中引导件130将由源146投射的光信号引导到目标(例如，用户的眼睛150)。

一些实施例的特定特征如图1A、图3、图9、图10、图11、图12、图21和图25所示，参考图1A，光信号路径144没有聚焦于图像引导件130内的图像(例如，表面158a、158b和160的焦距被配置成将光信号从源146引导到输出168，而中间焦点和/或引导件130内没有图像平面)。

在一些实施例中，图像处理引导件使输入的光聚焦(例如，引导件包括有焦点输入)，然而，引导件的主体内没有中间焦点和/或图像平面。

在一些实施例中，主射线310c与边缘射线310m之间的角介于-60°与60°之间。

在一些实施例中，对于每个反射表面而言，主射线与边缘射线之间的角介于之间，主射线与边缘射线之间的最大角α小于80°、或小于70°、或小于60°，或者更大或更小或中间角度。

在一些实施例中，HMNED包括出射光瞳170(例如，如上文所述)。

在一些实施例中，来自图像源146的光学射线直接耦合到图像处理引导件130中(例如，没有额外的耦合元件)，并且通过在表面158a、158b、160处的反射和/或折射而被引导穿过引导件130。

在一些实施例中，光信号传递穿过引导件130并不基于全内反射(TIR)。

在一些实施例中，光信号路径144以一定角撞击在一个或多个表面上，该角小于引导件的材料与引导件外部的材料(例如，空气)之间的临界角。例如，在一些实施例中，光信号路径以小于临界角的角撞击在第二表面158a和/或第三表面158b上。

示例性表面

示例性表面形状

在一些实施例中，将光信号传递穿过图像处理引导件的一个或多个表面是弯曲的。在一些实施例中，表面的形状在至少一个维度上是非球面的，例如，圆锥形、蝴蝶翅膀形状。

在一些实施例中，一个或多个表面围绕至少一个轴旋转对称。

在一些实施例中，一个或多个弯曲表面旋转不对称，例如，自由形式，例如在一些实施例中，表面在一个方向上弯曲并且在另一方向上是平面(例如，槽形)。

在一些实施例中，一个或多个表面是平面的。

在一些实施例中，一个或多个表面是自由形式的形状。

在一些实施例中，图像处理引导件的外表面(例如，整个外表面)是自由形式的形状。

在一些实施例中，图像处理引导件包括不止一个反射表面。在一些实施例中，图像处理引导件包括不止一个弯曲(例如，具有非零光学功率)反射表面，例如，如图1E所示，其中在一些实施例中，表面158a和158b都是反射表面。在一些实施例中，并非输入表面(例如，光路中按顺序在输入表面之后的第三表面)是反射表面，例如，弯曲反射表面。例如，与朝向目标传递信号相关联的表面是反射表面，例如，该表面与初始表面(例如，输入表面和/或紧接在输入表面之后的第二表面)相对。例如，在一些实施例中，表面158b是反射表面。

参考图1E，表面(例如，反射表面)的形状的示例性实施例包括非球面、自由形式(例如，其中表面在不同方向上具有不同形状)、双锥形、带有非球面环形区域、菲涅耳透镜。在一些实施例中，图像引导件包括不止一个弯曲反射表面。在一些实施例中，不同的反射表面具有相同形状或具有不同形状。

传递光信号的示例性表面

在一些实施例中，图像处理引导件130包括一个或多个反射表面158a、158b。在一些实施例中，反射表面158a、158b中的一个或多个包括弯曲部分(例如，球面、非球面)。

在一些实施例中，光通过反射表面处的一系列反射而至少部分被传递穿过图像处理引导件。

在一些实施例中，一个或多个反射表面包括衍射结构或DOE(例如，由表面上的脊部和/或纹理形成)。

在一些实施例中，一个或多个反射表面是平滑的，或者包括平滑部分。

在一些实施例中，一个或多个反射表面是平面的，或者包括平面部分。

在一些实施例中，一个或多个反射表面由镜面形成，例如，通过涂覆图像处理引导件130的一部分。在一个示例性实施例中，反射表面158a、158b由涂层形成(例如，使用较少数量的层，例如，少于10个、或少于5个、或少于3个涂层)，其中例如，塑料形成图像处理引导件130的大部分。

在一些实施例中，反射表面158a、158b效率很高，从而反射85％或更多、或95％或更多、或98％或更多的入射光，或者更低或更高或中间百分比的入射光。

在一些实施例中，光学元件的引导件130的一个或多个表面具有与一个或多个其他表面不同的特性(例如，尺寸、曲率、反射机制)。

在一些实施例中，图像处理引导件包括一个或多个半反射和/或选择性反射和/或折射表面。在一些实施例中，一个或多个表面包括使用偏振涂层。

在一些实施例中，光信号的最终传递(例如，角改变)在用户眼睛的前面发生，例如，表面160将光信号传递到用户眼睛150。在一些实施例中，用户眼睛前面的表面(任选地，执行最终传递的表面)允许场景光从图像处理引导件的外部(例如，在用户的前面)传送到用户眼睛。

例如，在实施例中，表面160是半反射表面，例如，50％反射50％传输。

例如，在一些实施例中，表面160包括选择性涂层，例如，所述选择性涂层可反射选择性波长的光(例如，多频带)并且传输其他波长的光。例如，在一些实施例中，表面(例如，在用户眼睛的前面)涂覆选择性涂层，从而可反射光信号波长(例如，LCD波长)但传输其他波长(例如，场景光)，例如，传输到用户的眼睛。

例如，在一些实施例中，表面160是折射表面，通过全内反射来传递光信号。

在一些实施例中，一个或多个耦合表面是折射表面。例如，输入耦合表面166和/或输出耦合表面168。

在一些实施例中，耦合表面166、168中的一个或两个是弯曲的(例如，非球面)。例如，在如图1A所示的一个示例性实施例中，表面168是非球面的蝴蝶翅膀形状。

在一些实施例中，耦合表面166、168中的一个或两个是平面的。

在一些实施例中，耦合表面166、168中的一个或多个包括DOE(例如，由表面上的脊部和/或纹理形成)和/或是平滑的。在一些实施例中，DOE有助于以高角度(例如，超过45°、或超过90°、或超过120°、或超过150°、或超过170°，或者更高或更低或中间角度)将光射线反射和/或耦合到图像处理引导件，例如，具有最小像差(例如，色像差)和/或高效率。在一些实施例中，DOE校正色像差。

示例性图像引导件形状

图26是根据本发明的一些实施例的图像引导件2630的简化等距示意图。

在一些实施例中，图像引导件(例如，如本文档所述，例如，图1E的引导件130)的大小和/或形状经过设定以便用作一副眼镜的镜片，例如，用于头戴式显示器。例如，在一些实施例中，引导件具有弯曲外部形状和/或弯曲内部形状和/或较薄和/或不是楔形。

在一些实施例中，图像引导件2630具有弯曲内部形状，其中图像引导件的第一侧2684是凹面的。在一些实施例中，图像引导件具有弯曲外部形状，例如，面向第一侧的图像引导件2686的第二侧是凸面的。在一些实施例中，第一侧2684和第二侧2686具有形状，从而使得(例如，相同的曲率)和形状的取向(例如，弯曲取向成使得)引导件的厚度T是均匀的。例如，在一些实施例中，图像引导件的厚度T沿着图像引导件(例如，沿着引导件的宽度和/或高度)变化1％到30％。例如，在一些实施例中，图像引导件不是楔形的，例如，不具有楔形截面，其中引导件的截面形状具有从截面的一端到截面的另一端逐渐减少的形状。

在一些实施例中，图像引导件2630在至少一个方向上较薄。例如，其中图像引导件的厚度T较薄，例如，测量出0.1到10mm或0.1到5mm，或者更小或更大或中间范围或厚度。例如，与图像引导件的高度H和/或宽度W相比。在一些实施例中，引导件的最大厚度(和/或平均厚度)是图像引导件的高度和/或宽度的1.5到100倍或2到50倍，或者更小或更大或中间倍数。

在一些实施例中，图像引导件不是楔形的，例如，在一个方向上得到的图像引导件的截面不是楔形的，例如，在任何方向上得到的截面不是楔形的。

例如，在一些实施例中，针对引导件(例如，引导件的长度)的至少70％到90％、或至少90％，或者更小或更大或中间百分比或范围，引导件的厚度变化至多2％或至多5％或至多10％或至多20％。

例如，在一些实施例中，图像引导件的一端的厚度T1与图像引导件的另一端的厚度T2之间的差异是0到20％、或0到10％、或0到5％，或者更小或更大或中间范围或百分比。在一些实施例中，图像引导件2730的端部部分的平均厚度与引导件的另一端的端部部分的平均厚度相差0到20％、或0到10％、或0到5％，或者更小或更大或中间范围或百分比，其中端部部分是，例如，图像引导件的截面的长轴长度的5％到20％，例如，长度的截面和/或百分比如图27所示。在一些实施例中，针对引导件的一部分，例如，引导件的70％到99％、70％到95％、70％到90％来限定引导件的端部，例如，其中该部分是中心部分，例如，其中该部分从引导件的一侧得到。

在一些实施例中，图像引导件的中心部分的平均厚度比两个端部的厚度(和/或截面的端部部分的平均厚度)厚10％到50％。其中例如，中心部分包括图像引导件的截面的长轴长度的中心10％到80％，其中例如，截面和/或长度的百分比如图27所示。

在一些实施例中，图像引导件具有一定形状，如本文所述，但其中该形状在该形状的边缘处偏离所述形状(例如，边缘是形状的至多10％)，其中边缘的至少一部分包括圆形和/或锥形形状。

在一些实施例中，图像引导件在一个或多个方向上是细长元件。在一些实施例中，图像引导件在两个方向上具有细长形状。在一些实施例中，图像引导件在两个方向上具有细长形状并且在第三方向上具有非细长形状。例如，参考图26，顶部表面2688的形状和/或平行于顶部表面2688的图像引导件2630的截面是细长的。例如，端部表面2890的形状和/或垂直于顶部表面的长轴得到的图像引导件的截面是细长的。

在一些实施例中，例如，如图26所示，图像源2646和目标2650(例如，用户眼睛)中的一个或两个放置成面向第一侧2684(例如，面向引导件的相同侧)。

图27是根据本发明的一些实施例的图像引导件2730的简化截面示意图。

在一些实施例中，图像引导件包括具有平面几何形状的一个或多个区段(例如，图1E的部分164)。例如，在表面上的任何点处都平坦的部分，例如，其中平坦区域与平面的变化为0到0.5mm、或0.001到0.1mm，或者更小或更大或中间范围或值。

在一些实施例中，平面部分是图像引导件的截面的圆周的5％到50％、或5％到30％，或者更小或更大或中间百分比或范围，和/或图像引导件的外表面的总面积的5％到50％、或5％到30％，或者更小或更大或中间百分比或范围。

在一些实施例中，图像引导件包括凹面。例如，在一些实施例中，引导件具有一个几何体的总体形状，并且所述形状具有在总体形状内形成的一个或多个凹面。

图28是根据本发明的一些实施例的包括凹面2858b的图像引导件2830的简化截面示意图。在一些实施例中，光信号2844通过输入表面2866进入图像引导件2830、被反射表面2858a、2858b反射，随后被反射表面2860反射，通过输出表面2868离开引导件2830，之后到达目标2850。

在一些实施例中，图像引导件包括具有总体形状的第一侧2884。在一些实施例中，这个几何形状是平面几何形状，例如，图28中示为直线(其中用虚线示出该线的部分)。在一些实施例中，这个几何形状是弯曲形状，例如，如上文所述，例如，眼镜透镜的形状。

在一些实施例中，总体形状具有总体形状内的凹处或凹面，例如，凹面2866和/或凹面2858b和/或表面2868的凹面。在一些实施例中，凹面中的一个或多个凹面形成表面中的一个表面，例如，凹面是反射或折射表面。在一个示例性实施例中，凹面2858b是反射镜面表面。

在一些实施例中，图像引导件具有第一侧2884上的一个或多个凹面。作为补充或替代，在一些实施例中，图像引导件具有第一侧上的一个或多个凸出或凸面，凸出中的一个或多个凸出形成反射或折射表面。在一些实施例中，图像引导件2886的第二侧28886包括一个或多个凹面或凸面，并且凹面和/或凸面中的一个或多个形成反射和/或折射表面。

在一些实施例中，图形引导件的一个或多个侧具有非连续形状。例如，在一些实施例中，一个或多个凹面和/或凸面在图像引导件的外部形状上形成陡变。例如，一个或多个侧的外部形状具有一个或多个不连续处，其中不连续处是，例如，侧的两个部分之间的角是5°到160°或30°到160°或者更小或更大或中间范围或值的地方。

在一些实施例中，图像引导件的一个或多个侧具有位于折射和/或反射表面之间的一个或多个空间。例如，在一些实施例中，部分2892是输入表面2866与反射表面2858之间的非反射非折射表面。

图29是根据本发明的一些实施例的头戴式近眼显示器2900的一部分的简化俯视图。图29示出图像引导件2930包括凹面2858b的实施例，所述凹面是将光信号2944从源2946传递到目标2950的反射表面。

示例性图像引导件尺寸

在一些实施例中，图像引导件最大、最小和/或平均高度(例如，高度H，图26)是1到6cm、或2到5cm，或者更小或更大或中间大小或范围。在一些实施例中，图像引导件最大、最小和/或平均厚度(例如，厚度T，图26)是0.1到10mm、或0.1到5mm、或0.1到3mm，或者更小或更大或中间大小或范围。在一些实施例中，图像引导件最大、最小和/或平均宽度(例如，宽度W，图26)是1到10cm、或1到6、或2到5cm，或者更小或更大或中间大小或范围。

示例性应用，用于近眼显示器的图像处理引导件

参考图1E，在一些实施例中，例如，图像处理引导件形成头戴式显示器的部分，并且射线离开引导件并行进到用户眼睛150，从而促使用户观看到虚拟图像162(虚拟射线144a组成虚拟图像162)。在一些实施例中，虚拟图像162是由图像源146投射的图像的放大副本。在一些实施例中，例如，如图1E所示，虚拟图像是由图像源146投射的图像的镜像。例如，在一些实施例中，根据反射的数量，虚拟图像是镜像，例如，N形引导件(例如，如本文所述)产生镜像虚拟图像。在一些实施例中，虚拟图像是由镜像和/或颠倒和/或倾斜和/或翻转的源投射的图像。

在一些实施例中，图像处理引导件包括一个或多个壳体164。在一些实施例中，壳体吸收来自引导件130内的光射线和/或引导件130外部的光射线。

示例性源

例如，适合于HMNED的示例性源146包括微型LCD、微型OLED、LCOS、激光器、扫描镜、DMD。激光源的潜在益处是减少与源信号的窄带宽相关联的色像差。

图像处理引导件内的示例性光路

在一些实施例中，将光信号传递穿过图像处理引导件的一系列表面取向成使得穿过装置的光信号路径是平面的。

或者，在一些实施例中，光信号路径是非平面的。

图2A是根据本发明的一些实施例的穿过图像处理引导件230的光路280的简化三维侧视示意图。

图2B是根据本发明的一些实施例的穿过图像处理引导件230的光路280的简化俯视示意图。

图2C是根据本发明的一些实施例的穿过图像处理引导件230的光路280的简化侧视示意图。

在一些实施例中，光路的每个阶段(例如，介于光路方向改变的反射和/或折射之间)是矢量，其中例如，对应于不同和/或连续阶段的矢量在一个或多个平面中具有不同方向。

图2A到图2C示出穿过图像处理引导件230的示例性光路280，其中不同光路阶段方向包括不同的x和/或y和/或z分量。

在一些实施例中，光路在平面之间行进，其中连续平面在至少两个维度上具有不同取向。其中在每个维度上，不同取向相差10°到90°、或10°到70°、或10°、或20°、或30°、或40°、或50°、或60°、或70°。

在一些实施例中，图像处理引导件内的光射线的光路被配置成在引导件的相同侧具有输入和输出(例如，耦合)，例如，其中引导件的输入与输出之间具有接近零度的角，这在本文中称为“M形”引导件。在一些实施例中，光路被配置成在不同侧具有输入输出，例如，其中输入与输出之间接近180°，这在本文中称为“N形”引导件和/或路径。

在一些实施例中，头戴式显示器包括放置在图像引导件的相同侧上和/或在相同总体方向上取向的源和目标。在一些实施例中，输入表面和输出表面一般在相同方向上取向，例如，其中输入和输出表面的中心光轴之间的角是0.1°到50°、或0.1°到30°、或0.5°到20°、或至多10°、或至多20°、或至多30°，或者更小或更大或中间范围或角度。

在一些实施例中，图像引导件经过成形，从而使得引导件的输入表面和输出表面是平行平面，或者平面之间的角是0.1°到50°、或0.1°到30°、或0.5°到20°、或至多10°、或至多20°、或至多30°、或至多50°，或者更小或更大或中间范围或角度。例如，当图像引导件用在头戴式显示器中时，在一些实施例中，图像引导件的尺寸和/或形状经过设定而使得图像源与目标(例如，用户的眼睛)位于相同侧上。

在一些实施例中，例如，当表面弯曲时，表面的平面被限定为垂直于表面的中心光轴的平面。

在一些实施例中，例如，当表面弯曲时，表面的平面被限定为切向平面，从而使得切向平面与表面之间的空间至少在一个维度上对称。在一些实施例中，表面的平面被限定为切向，其中切向平面与表面之间的空间具有最小体积。

在一些实施例中，输入表面和输出表面都位于图像引导件的相同侧上，例如，参考回到图26，其中源2646和目标2650面向第一侧2684。例如，参考图27，其中输入表面2866和输出表面2869位于图像引导件的相同侧上。

在一些实施例中，引导件的输入和输出表面位于引导件的不同侧上，例如，输入和输出表面(例如，图17的输入表面1766和输出表面1768)位于引导件的不同侧上。在一些实施例中，(例如，当输入和输出表面位于引导件的不同侧上时)引导件的输入和输出表面的取向在至少一个方向上偏离至多0.1°到50°、或0.1°到30°、或0.5°到20°、或至多10°、或至多20°，或至多30°。

在一些实施例中，图像处理引导件具有介于光路的输入和输出方向之间的不同角。在一些实施例中，图像处理引导件包括单个输入和输出表面，所述路径将光信号返回到输入的区域。

如先前所述，在一些实施例中，图像处理引导件通过一系列的反射来中继和引导光学射线。在一些实施例中，存在单个反射。在一些实施例中，存在多个反射。

包括偶数个反射的图像处理引导件被称为N形图像处理引导件，其中具有2个反射的图像处理引导件被称为N形，并且在K个反射(K＝2、4、6、8…)的情况下，图像引导件被称为成形到K阶的N形。

包括奇数个反射的图像处理引导件被称为M形图像处理引导件，其中具有3个反射的图像处理引导件被称为M形，并且在K个反射(K＝3、5、7…)的情况下，图像引导件被称为成形到K阶的M形。

在一些实施例中，输入表面与输出表面不在相同侧上，但存在偶数个反射，例如，当图像引导件弯曲时。例如，参考图17，其中光信号1744通过引导件的端部进入引导件并且通过不同侧离开，存在与光信号1744接触的3个表面(例如，光信号的3个反射)。

基于系统需求将使用M形或N形图像引导件。

在一些实施例中，图像引导件包括M和N形路径。在一些实施例中，图像引导件同时将不止一个光信号传送到一个或多个位置，其中不同信号沿着不同路径穿过装置(例如，第一信号沿着M形路径并且第二信号沿着相同图像处理引导件内的N形路径)。

示例性主射线和边缘射线

在一些实施例中，对于每个反射表面而言，主射线与边缘射线之间的最大角α小于80°、或小于70°、或小于60°，或者更大或更小或中间角度。

图1B是根据本发明的一些实施例的弯曲反射表面101的主射线107和边缘射线109、111的简化示意图。在一些实施例中，主射线与边缘射线之间的角α1和α2介于-60°与60°之间，其中例如，负角对应于发散表面并且正角对应于汇聚表面。

图1C是根据本发明的一些实施例的主汇聚射线107和边缘汇聚射线109的简化示意图。

图1D是根据本发明的一些实施例的主发散射线107和边缘发散射线109的简化示意图。

其中α是主射线与边缘射线之间的角，对于汇聚射线而言，α为正，对于发散射线而言，α为负。在一些实施例中，α的范围是-80°<α<80°、或-70°<α<70°、或-60°<α<60°、或-40°<α<40°、或-20°<α<20°，或者更小或更大或中间范围或角度。

示例性有焦点-无焦点图像处理引导件

在一些实施例中，图像处理引导件将从小型源和/或物体(例如，显示器)发出的光射线转换成平行射线。图3是根据本发明的一些实施例的有焦点-无焦点图像处理引导件330的简化截面示意图。

在一些实施例中，图像处理引导件330由单个元件形成。在一些实施例中，图像处理引导件330较薄，例如，具有如上所述的示例性尺寸。

在一些实施例中，来自图像源312的光射线310通过DOE 314而耦合到引导件330中。在一些实施例中，光射线310在引导件330内沿着的光路包括弯曲折射表面316，并且在一些实施例中，包括平面反射表面318。光射线310通过弯曲折射表面320从元件中耦合出去，并且投射到观看者的眼睛或图像屏幕322。

在一些实施例中，一个或多个图像处理引导件330形成头戴式近眼显示器的部分(例如，如上文所述和/或如图1E、图4、图5、图7、图16到图20所示)，其中例如，图像源310是LCD屏和/或光射线312投射到用户的眼睛322。

示例性头戴式装置

图4是根据本发明的一些实施例的用户佩戴头戴式近眼显示器400的简化正视示意图。

在一些实施例中，近眼显示器包括具有有焦点-无焦点光路的图像处理引导件。

在一些实施例中，头戴式近眼显示器400包括表面432，当头戴式近眼显示器400被戴上时，该表面覆盖用户眼睛434。在一些实施例中，表面432包括至少一部分，即，图像处理引导件，其中引导件将光信号引导到用户的眼瞳中。

在一些实施例中，光信号从图像源传递，所述图像源至少定位在用户周边视觉中，并且在一些实施例中，定位成使得它不为用户直接可见。在一个示例性实施例中，头戴式近眼显示器是一副眼镜或护目镜。在一些实施例中，图像源定位在眼镜框438内和/或在眼镜臂440内。

在一些实施例中，头戴式近眼显示器400被直接戴在用户脸上，其中例如，在一些实施例中，表面432包括处方眼镜晶镜片。或者，在一些实施例中，头戴式近眼显示器400被戴在用户的眼镜和/或太阳镜之上。

在一些实施例中，头戴式近眼显示器400包括第二表面436。在一些实施例中，第二表面436包括将第二光信号(例如，来自第二图像源)传递到用户的第二只眼睛434a的第二图像处理引导件。例如，在一些实施例中，传递到第一只用户眼睛的第一光信号和传递到第二只用户眼睛的第二光信号生成由用户观看的三维虚拟图像。在一些实施例中，例如，交替的帧投射到不同的眼睛。在一些实施例中，第一和第二光信号用来将扩展显示提供给用户。作为替代和/或补充，在一些实施例中，相同的图像投射到两只眼睛。

图5是根据本发明的一些实施例的由用户佩戴的头戴式光学装置500的一部分的简化俯视示意图。

图5示出光信号544从源546(例如，图像源)穿过图像处理引导件530传递到用户眼睛550。在一些实施例中，源546位于眼镜臂540中。

在一些实施例中，头戴式近眼显示器500由从一个或多个臂540提供的支撑佩戴，其中例如，臂540由用户的耳朵支撑(例如，适配在耳朵552与用户头部554之间)。作为替代或补充，在一些实施例中，头戴式近眼显示器500由眼镜桥554提供的支撑佩戴。

在一些实施例中，图像处理引导件530是弯曲的，例如，沿着眼镜镜片的曲线，例如，从而使得图像处理引导件能够成为眼镜镜片的部分。

在一些实施例中，例如，如图5所示，图像源546放置成与臂540的轴成一定角。

本发明设想替代的图像处理引导件形状以及图像源相对于图像处理引导件的放置，并且下文有所描述。

示例性头戴式近眼显示器系统

图6是根据本发明的一些实施例的头戴式近眼显示器系统600的简化框图。

例如，如本文档中其他地方所述，在一些实施例中，源646光耦合到图像处理引导件630，其中光信号从源646传递到用户眼睛。

在一些实施例中，处理器608将待显示的光信号传送到源646。处理器接收，例如，来自存储器618和/或来自外部输入装置602的光信号，所述外部输入装置通过通信电路604将数据发送到处理器608。

在一些实施例中，输入装置602是，例如，个人电子装置(例如，手机)。在一些实施例中，输入装置602是个人计算机和/或带有显示器的任何电子装置(例如，电视、测量设备、诸如成像器等医疗设备)。

在一些实施例中，通信电路包括远程通信电路(例如，输入装置602和头戴式显示器600无线连接)。作为替代或补充，在一些实施例中，输入装置602和头戴式显示器600通过电线或电缆进行连接。

在一些实施例中，HMNED 600包括一个或多个控制元件，例如，一个或多个按钮和/或转盘和/或输入装置(例如，触摸屏)，以供用户控制和/或将指令发送到处理器608和/或源646和/或图像处理引导件630。

例如，在一些实施例中，控制元件606包括光强度和/或焦点控制元件，其中用户直接控制源646和/或图像处理引导件630，或者间接控制它们，例如，通过将指令发送到处理器608进行控制。

在一些实施例中，用户通过，例如，控制元件606和/或直接与输入装置602交互来控制和/或选择显示的内容。

任选地，在一些实施例中，HMNED 600包括移动装置技术，并且例如，不包括输入装置602。

在一些实施例中，HMNED 600包括一个或多个输出装置616，例如，耦合到装置的一个或多个扬声器，例如，将声音提供到用户耳朵的耳机。在一些实施例中，输出装置包括例如由控制元件606控制的麦克风和/或相机。

光信号的示例性竖直传递

图7是根据本发明的一些实施例的头戴式光学装置730的简化侧视示意图。

在一些实施例中，图像处理引导件742将光信号744从源746(例如，图像源)传递穿过路径，例如，所述路径包括竖直传递748，以及水平传递(例如，从眼镜臂到用户眼睛)。在一些实施例中，竖直传递748由表面794对光信号的反射来实现，其中表面794具有包括垂直于所述竖直的分量的曲率。

在一些实施例中，当头戴式近眼显示器730被戴上时，源746位于用户眼睛750的竖直上方。例如，当头戴式近眼显示器730是一副眼镜时，其中源746位于眼镜臂740内并且臂740位于用户眼睛750的上方(例如，因为臂740位于用户耳朵752与头部之间)。例如，在一些实施例中，光信号744的传递只沿竖直方向。

在一些实施例中，源放置在用户眼睛下方，并且竖直传递是向上的。

在一些实施例中，将光信号从源传递穿过包括竖直传递的路径的头戴式装置使得输出能够具有宽广视野，例如，同时引导件的大小和/或形状经过设定以便佩戴，例如，作为一副眼镜中的镜片。例如，参考回到图1E，在一些实施例中，为了让引导件130针对目标150产生具有宽广视野(FOV)的输出，在一些实施例中，表面160具有较大广度和/或大小。

图31是根据本发明的一些实施例的提供宽广视野的头戴式光学装置3130的简化侧视示意图。在一些实施例中，图像处理引导件3142的表面3194具有较大面积，例如，5到70mm²、或5到50mm²，或者更小或更大或中间面积或范围。在一些实施例中，表面3194的较大表面面积实现到达目标3150(和来源于源3146)的光信号的宽广视野。在一些实施例中，竖直传递实现表面3194的较大面积，例如，同时引导件3142的大小和/或形状经过设定以便佩戴，例如，作为一副眼镜的镜片。

图32是根据本发明的一些实施例的图像引导件的最终光学元件3294的简化俯视示意图。在一些实施例中，最终光学元件3294示出图31中示出的图像引导件3130的最终光学元件3194的俯视图。

在一些实施例中，图32示出宽广FOV，如光路A、B和C所示。在所示实施例中，FOV足够宽广，从而使得用户3150通过引导件在所有方向上接收光信号。在一些实施例中，光学元件3294具有椭圆形状。

包括不同材料的示例性图像处理引导件

图8是根据本发明的一些实施例的包括不止一个材料类型的图像处理引导件830的简化截面示意图。在一些实施例中，不同材料类型具有不同折射率。

在一个示例性实施例中，图像处理引导件830包括第一材料872和第二材料874。

在一些实施例中，图像处理引导件内的不同材料之间的边界经过成形，例如，第一材料872与第二材料874之间的边界876经过成形(例如，非平面)。在一些实施例中，成形边界876用来改变图像处理引导件内的光信号路径。在一些实施例中，不同材料之间的边界表面876是平面和/或包括平面部分。在一些实施例中，边界表面876是弯曲的和/或包括弯曲部分。

在一些实施例中，图像处理引导件包括具有不同折射率的多个不同部分，例如，包括与相邻部分具有不同折射率的部分的三维结构。

在一些实施例中，图像处理引导件包括具有渐变折射率的一个或多个部分。

在一些实施例中，通过使单个材料片的不同部分经受不同处理(例如，溅射和/或局部热处理)来构建具有不同材料的图像处理引导件。作为替代或补充，在一些实施例中，不同类型的单独材料片进行附接，以形成图像处理引导件。

示例性结构/制造/组件

在一些实施例中，图像引导设备由单个材料片形成，例如，单片材料，例如，同类材料片。在一些实施例中，材料片进行表面处理，例如，涂覆，例如，部分涂覆。在一些实施例中，图像引导件由塑料组成。

在一个示例性实施例中，使用注塑来制造图像处理引导件，例如，注塑成型(例如，使用塑料)。在一些实施例中，注塑的塑料基底部分涂覆有反射和/或半反射涂层。在一些实施例中，注塑的塑料基底的一个或多个部分进行蚀刻(例如，使用光刻)，以形成DOE。或者，在一些实施例中，DOE由中断的光吸收(例如，不透明)部分(例如，条带)构建而成。注塑和/或涂层的潜在益处包括无需组合部件来构建图像处理引导件(例如，通过胶合)，和/或无需切割元件，和/或无需对基底进行抛光。

在一些实施例中，另外或替代地使用金刚石车削和/或抛光。

在一个示例性实施例中，使用晶片级光学器件技术(例如，冲压)来制造图像处理引导件。

额外的示例性图像处理引导件

示例性无焦点-有焦点图像处理引导件

图9是根据本发明的一些实施例的无焦点-有焦点图像处理引导件924的简化截面示意图。

在一个示例性实施例中，图像处理引导件924是单个材料片。在一些实施例中，图像处理引导件924较薄，例如，具有如上所述的示例性尺寸。

在一些实施例中，光射线980通过衍射图像处理引导件(DOE)982而耦合到元件中。DOE 982的潜在用途是防止像色差，例如，因为DOE针对一定范围的波长线性起作用，而例如，折射表面呈现出与波长成反比的行为。

在一些实施例中，光射线980沿着路径穿过图像处理引导件924，所述射线遇到弯曲折射表面984和平面折射表面986。

在一些实施例中，光射线通过弯曲折射表面988从图像处理引导件924中耦合出去。

在一个示例性实施例中，射线从图像处理引导件耦合到检测器990的阵列上，例如，其中图像处理引导件924形成相机(例如，手机相机)的部分。

示例性无焦点-有焦点图像处理引导件，不同材料

图10是根据本发明的一些实施例的包括不同材料的无焦点-有焦点图像处理导引装置的简化截面示意图。

图10中示出的图像处理引导件类似于图9所示，除了在一些实施例中，第一材料1072具有折射率n₁且第二部分1074具有折射率n₂。如图10所示，在一些实施例中，光信号1080在每个通路处通过两种材料之间的边界874而改变方向(例如，折射)。在一些实施例中，不同的折射率校正色像差，例如，如上文所述。

示例性气隙图像处理引导件

如先前所述，在一些实施例中，图像处理引导件包括被间隙(例如，气隙)隔开的光学元件。图11示出此类图像处理引导件的一个示例性实施例，其中路径是无焦点-有焦点的。

图11是根据本发明的一些实施例的包括间隙1192的无焦点-有焦点图像处理引导件的简化截面示意图。在一些实施例中，光学元件被间隙1192分开。

在一些实施例中，光射线1180通过光学透镜1182耦合到图像处理引导件中。在一些实施例中，射线1180沿着的光路包括弯曲折射表面1184和平面折射表面1186。在一些实施例中，光通过光学透镜1188从图像处理引导件耦合到检测器1190的阵列上。

在一些实施例中，如本文所述的其他图像处理引导件(例如，无焦点-无焦点、无焦点-有焦点、有焦点-有焦点)使用被间隙(例如，气隙)分开的光学元件进行实施。在一些实施例中，所述间隙是真空。在一些实施例中，气体被液体填充。在一些实施例中，图像处理引导件是包括空心(例如，填充空气和/或液体)的单个材料片(例如，注塑的塑料)。

图30是根据本发明的一些实施例的包括间隙3092的成像处理引导件3030的简化截面示意图。在一些实施例中，包括间隙的图像处理引导件3030具有一个或多个光学元件，其中光学元件中的一个或多个是，例如，透镜。在一些实施例中，图像处理引导件包括多个透镜光学元件，透镜3091、3093、3095。

在一些实施例中，透镜3091、3093、3095耦合到图像引导件外壳3097，在一些实施例中，所述外壳将透镜固持在适当位置，例如，从而维持间隙3092的几何形状。

在一些实施例中，光信号3044从源3046通过与透镜3091、3093、3095的反射和/或折射相互作用而传递到目标3050。在一些实施例中，透镜3091、3093、3095中的一个或多个是球面和/或非球面和/或自由形式和/或菲涅耳透镜。在一些实施例中，透镜3091、3093、3095中的一个或多个是楔形的和/或具有至少在一个方向上是非对称形状的形状。

在一些实施例中，透镜3091、3093、3095中的一个或多个具有折射表面和反射表面。在一些实施例中，透镜3091、3093、3095中的每个具有折射表面和反射表面。例如，在一些实施例中，透镜的外部部分是反射表面(例如，具有镜面涂层)，例如，其中外部部分是距间隙3092更远的部分，例如，外部部分3099。在一些实施例中，透镜3091、3093、3095中的每个具有反射外表面，反射表面由图30上的虚线示出。

在一些实施例中，外壳3097的一个或多个部分具有反射性(例如，镜面涂覆)。例如，在一个示例性实施例中，外壳的内表面3097a的部分是镜面涂覆的。例如，外壳3097的一部分邻近透镜。例如，外壳3097的部分邻近每个透镜，例如，如图30中的虚线所示。

在一些实施例中，图像引导件包括影响光路3044的折射和反射表面，折射表面由透镜3091、3093、3095提供并且反射表面由外壳3097的反射部分提供，一个或多个透镜包括两个折射表面。

图像处理引导件3030包括细长截面。然而，在其他实施例中实现不同的几何形状，例如，通过改变外壳3097的几何形状和/或透镜的取向来实现。

在一些实施例中，不具有气隙的图像处理引导件(例如，如本文档所述)进一步包括一个或多个透镜，例如，其中光路先穿过包括一个或多个透镜和间隙的图像处理引导件(例如，如上文所述，例如，参考图3)，之后再穿过单片图像引导件，例如，如本文档的其他地方所述。

在一些实施例中，外壳3097与透镜3091、3093、3095中的一个或多个透镜之间的配合表面(例如，沿着配合表面的透镜和外壳接触)是弯曲的，例如，在至少一个方向上弯曲。例如，一个或多个配合表面不是平面，例如，如图30所示。在一些实施例中，一个或多个配合表面的大小和/或形状经过设定以增加外壳3097与透镜3091、3093、3095中的一个或多个透镜之间的接触(例如，具有曲率，即，与透镜的一部分相同的曲率)。

在一些实施例中，引导件3030具有1到10个光学元件、或2到5个，或者更小或更大或中间范围或数量的光学元件。

示例性无焦点-无焦点图像处理引导件

图12是根据本发明的一些实施例的无焦点-无焦点图像处理引导件1230的简化截面示意图。

在一些实施例中，光射线1200通过具有弯曲形状的折射表面1202而耦合到引导件1230中。在一些实施例中，光路包括弯曲折射表面1204和平面折射表面1206。在一些实施例中，光通过弯曲折射表面1208从元件中耦合出去。

在一些实施例中，输出光束的宽度Wo/p与输入光束Wi/p相比有所放大，从而图像处理引导件充当望远镜。

示例性聚焦和变焦

图13、图14和图15A到图15B示出通过图像处理引导件传递的光信号的聚焦和/或变焦的示例性实施例。

图13是根据本发明的一些实施例的图像处理引导件1330的简化俯视示意图。在一些实施例中，光信号1380通过图像处理引导件1330从源1346传递到目标1350(例如，在HMNED的情况下，目标是用户的眼睛)。在一些实施例中，通过相对于源1346和/或目标1350来放置1396图像处理引导件，使光信号1380(例如，图像)聚焦。

图14是根据本发明的一些实施例的聚焦且变焦的图像处理引导件1430的简化俯视示意图。在一些实施例中，光信号1480通过图像处理引导件1430从源1446传递到目标1450(例如，在HMNED的情况下，目标是用户的眼睛)。在一些实施例中，通过相对于源1446和/或目标1450来放置1496图像处理引导件，使光信号1480(例如，图像)聚焦。在一些实施例中，通过相对于源1446和/或图像引导件1430和/或目标1450来放置1496b变焦元件1498(例如，透镜)，执行光信号(例如，图像)的变焦(例如，放大，在一些实施例中是额外放大)。变焦元件1498在图14中示为放置在源与图像处理引导件之间，然而，本发明设想并涵盖其他位置，例如，介于图像引导件与目标之间。

图15A和图15B是根据本发明的一些实施例的包括不止一个移动部分的图像处理引导件1530的简化俯视示意图。在一些实施例中，通过使图像处理引导件的不同部分1530a、1530b相对于彼此移动来实现光信号的聚焦和/或变焦，例如，如图15A与图15B之间的图像处理引导件部分1530a、1530b的位置改变所示。

在一些实施例中，通过相对于图像引导件的一部分(包括反射和/或折射表面)移动图像引导件的另一部分来产生聚焦和/或变焦。随着控制信号路径的表面(例如，反射表面和/或折射表面)相对于彼此的相对位置和/或取向已改变，穿过装置的光路改变，例如，从而产生聚焦和/或变焦。

示例性HMNED

源的示例性放置

图16是根据本发明的一些实施例的头戴式近眼显示器1600的一部分的简化俯视图。

在一些实施例中，图像处理引导件1630经过成形以使得源1646接近引导件的边缘放置(例如，与接近引导件的一侧的源的放置相对，例如，如图5所示)。

图17是根据本发明的一些实施例的头戴式近眼显示器1700的一部分的简化俯视图。图17示出源1746相对于图像处理引导件1730的放置的另一实例，以及将光信号从源1746传递到目标1750(例如，用户眼睛)的引导件的对应形状和/或设计。

包括弯曲部的示例性图像处理引导件

在一些实施例中，图像处理引导件包括弯曲部，其中例如，引导件的一个或多个表面弯曲超过45°，例如，45°到150°、或45°到110°，或者更小或更大或中间角度。在一些实施例中，图像处理引导件包括不止一个弯曲部。

图18是根据本发明的一些实施例的包括弯曲部1831的图像处理引导件1830的简化俯视示意图。在一些实施例中，图像处理引导件经过设计(例如，反射和/或折射表面的放置和/或数量和/或角度)，从而使得光信号路径1844横穿引导件中的弯曲部。

在一些实施例中，图像处理引导件1830是存在弯曲部1831的HMNED1800的一部分。包括弯曲部的图像处理引导件的潜在益处是相对于输出来灵活地放置源。

包括辅助光学器件的示例性装置

在一些实施例中，包括图像处理引导件的装置(例如，HMNED和/或其他应用，例如，如本文所述)包括一个或多个额外的光学元件。在一些实施例中，装置包括用于使输出的光信号聚焦和/或变焦的一个或多个额外光学元件，例如，如关于图14所述。

在一些实施例中，一个或多个光学元件(例如，透镜)将光信号耦合到图像处理引导件中，和/或一个或多个光学元件将光信号从图像处理引导件中耦合出去。

图19是根据本发明的一些实施例的包括耦合元件1947的头戴式近眼显示器1900的一部分的简化俯视示意图。在一些实施例中，耦合元件1947包括透镜，例如，用于使源1946发出的光信号聚焦到图像处理引导件1930中。

在一些实施例中，元件1947校正像差。在一些实施例中，光学元件位于输出表面与目标之间(例如，以将从图像处理引导件中输出的光聚焦到用户的眼睛中)。

在一些实施例中，装置包括一个或多个光学元件，以校正引入到外部光(并非来自通过图像处理装置传递的信号的光)中的失真。

图20是根据本发明的一些实施例的包括场景校正光学元件2031的图像处理引导件2030的简化俯视示意图。

在一些实施例中，校正光学元件2231校正外部和/或场景光2081的失真，例如，因曲率和/或图像引导件2030产生的失真。在一些实施例中，校正光学元件2231位于用户眼睛的前面，在图像处理引导件2230(例如，如图22所示)和/或图像处理引导件2230的眼睛侧的外部。

示例性应用

这部分将描述可以使用图像引导件的若干应用，例如：近眼显示器、手机相机、微型投影仪、外科望远镜。这些实例说明能够将图像处理引导件用于广泛范围的应用，例如，有限-有限(有焦点-有焦点：相机、投影仪)、有限-无限(有焦点-无焦点：NED)、无限-无限(无焦点-无焦点：外科望远镜)。

示例性手机相机

在一些实施例中，例如如本文所述的图像处理引导件用在手机相机内。用图像处理引导件替换手机相机内的传统光学器件可能减小相机的尺寸，并且放松制造公差(例如，因为多个光学元件不需要相对于彼此准确放置)。

图21是根据本发明的一些实施例的将光从物体2149传递到传感器2151的包括图像处理引导件2139的装置的简化截面示意图。

在一些实施例中，图像处理引导件2139较薄和/或较轻(例如，如先前量化)，这是手机相机应用的潜在优点。

在一些实施例中，包括图像处理引导件(例如，图像处理引导件2139)的相机(例如，手机相机)的聚焦由关于图13和/或图14和/或图15A到图15B描述的技术实现，其中源1346、1446、1546是将要拍摄的物体，并且目标1350、1450、1550是传感器。

在一些实施例中，使用由传感器2151接收的光信号的图像处理来校正任何光学像差(例如，因缺少图像处理引导件的对称性)。在一些实施例中，在手机和/或相机ISP(图像信号处理器)上执行图像校正处理，其中软件任选地经调整以适合图像处理引导件。

在一些实施例中，单个图像引导件用来将两个收集的图像传递(例如，同时传递)到一个或两个传感器，例如，如上文在标题为“示例性光路，单个图像处理引导件中的多个路径”的节中描述。在一个示例性实施例中，第一图像从手机的第一侧传递，并且第二图像从手机的第二侧传递。此类系统可能减小手机相机尺寸和复杂性。

图22A是根据本发明的一些实施例的将光从不止一个FOV 2203、2205传递到不止一个传感器2207、2209的包括图像处理引导件2230的手机2201a的简化截面示意图。

图22B是根据本发明的一些实施例的将光从不止一个FOV 2203、2205传递到单个传感器2207的包括图像处理引导件2230的手机2201b的简化截面示意图。

在图22A和图22B中，FOV 2203和2205位于手机的任一侧上。在一些实施例中，从手机的顶部2201t或底部将FOV收集到图像处理引导件2230中。

在一些实施例中，FOV的收集与传感器分开一定距离(例如，超过0.5cm、或超过1cm、或超过5cm，或者更小或更大或中间值)，引导件将图像传递到传感器。

在一些实施例中，图像引导件的入射光瞳较宽，从而可能增加到传感器的光收集。例如，在一些实施例中，入射光瞳f数是F/2到F/1、或F/2到F/1.6，或者更小或更大或中间值或范围。

示例性外科望远镜

在一些实施例中，图像处理引导件(例如，如本文所述)用在头戴式放大装置中，例如，外科望远镜(也称为双筒放大镜/医疗放大镜)。

图23是根据本发明的一些实施例的包括安装在框架2340上的图像处理引导件2330的外科望远镜2301的简化示意图。

在一些实施例中，框架包括由用户的脸和/或头支撑的结构。在一些实施例中，可佩戴框架是自支撑的(例如，使用诸如由弹性部分供应的压力支撑)。

图24是根据本发明的一些实施例的包括嵌入和/或耦合到表面2432、2436的图像处理引导件2430的外科望远镜2401的简化示意图。

在一些实施例中，光射线2381、2481经由穿过(例如，反射)图像处理引导件2330、2430而放大，并且传递到用户眼睛中。使用图像处理引导件来执行放大有可能减小外科望远镜的重量、尺寸和复杂性。

在一些实施例中，一个或多个图像处理引导件用来将环境光传递并且任选地放大到用户眼睛。例如，在一个示例性实施例中，一个或多个图像处理引导件用来将图像和/或场景光传递到用户眼睛的选择(例如，健康)部分，从而可能帮助遭受眼盲的用户视力和/或受损视网膜部分(例如，归因于黄斑变性)。

示例性微型/显微投影仪

在一些实施例中，图像处理引导件(例如，如本文所述)用在投影仪中，例如，投影仪、微型投影仪、显微投影仪。

图25是根据本发明的一些实施例的包括图像处理引导件2530的投影仪的简化侧视示意图。

在一些实施例中，由源2546产生的光信号(例如，图像)被传递穿过图像处理引导件2530，并且通过沿着穿过引导件2530的光路进行反射而放大，之后从引导件2530中投射到显示屏2560上。

在一些实施例中，源2546包括自发射微型显示器(OLED、LED)和/或反射LCOS和/或透射LCOS和/或扫描激光源(未示出)。

包括图像处理引导件的投影仪可能足够小，以便合并到便携式装置中。

在一些实施例中，图像引导件用来按几何学传递光信号，以及放大该信号。

在一些实施例中，图像引导件收集来自若干图像源的光(并且任选地，投射)。

在一些实施例中，图像引导件的入射光瞳较宽，从而可能增加来自源的光收集。例如，在一些实施例中，入射光瞳f数是F/2到F/3、或F/1到F/2，或者更小或更大或中间值或范围。

在一些实施例中，光信号穿过图像处理引导件的传递会改变信号的角，其中例如，图像源处于X-Y平面中，而图像被投射到不同平面。

示例性可佩戴手机

在一些实施例中，图像处理引导件(例如，如本文所述)用在可佩戴(例如，头戴式)手机中(例如，包括手机功能的眼镜)。在一些实施例中，头戴式手机包括用于显示手机数据和内容的近眼显示器。在一些实施例中，头戴式手机包括/或相机，例如，以用于图像捕获(例如，2D和/或3D和/或包括深度)和/或用于检测手和手指移动，例如，用于手势识别。在一些实施例中，捕获的移动(例如，手和手指移动)用于控制电话功能，例如，内容的操纵。在一些实施例中，头戴式手机包括用于连接到移动网络的GSM(或类似)接收器和收发器和/或连接到其他装置的蓝牙和/或用于无线互联网和/或连接到其他装置的无线Wi-Fi。

示例性光学集中器

在一些实施例中，图像引导件收集来自区域的光射线，并且将射线集中(例如，聚焦)到较小区域。例如，在一个示例性实施例中，一个或多个图像处理引导件(例如，如本文所述)用来将光集中到太阳能电池，从而可能增加电池的收集效率。在另一示例性实施例中，包括图像处理引导件(例如，如本文所述)的光学集中器用来将光集中到用于加热水的太阳能板的水管。在一些实施例中，光学集中器包括具有单个表面的图像处理引导件，所述单个表面改变穿过引导件的光的光路。

综述

本文中使用的术语“约”是指±20％。

术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们的各种形式都是指“包括但不限于”。

术语“由……组成”是指“包括并且限于”。

术语“基本上由……组成”是指组分、方法或结构可包括额外的成分、步骤和/或零件，但只有所述额外的成分、步骤和/或零件实质上不改变所主张的组分、方法或结构的基础和新颖特征才行。

除非上下文以其他方式明确指出，否则本文中所用的单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括复数形式。例如，术语“一种复合物”或“至少一种复合物”可包括多个复合物，包括它的混合物。

在本申请中，本发明的各种实施例可能以范围形式给出。应理解，以范围格式的描述仅仅是为了方便和简明，并且不应解释为对本发明的范围的不灵活限制。因此，范围的描述应被视作具体公开了所有可能的子范围以及该范围内的单独数值。例如，诸如从1到6的范围描述应被视作具体公开了诸如从1到3、从1到4、从1到5、从2到4、从2到6、从3到6等子范围，以及该范围内的单独数字，例如，1、2、3、4、5和6。无论范围的宽度如何，这都适用。

无论本文中何时指明数字范围，它都是指包括所指明的范围内的任何引用的数字(分数或整数)。本文中使用的术语在第一指示数字与第二指示数字“之间的范围内”以及从第一指示数字到第二指示数字“的范围内”可互换，并且意图包括第一和第二指示数字以及它们之前所有的分数和整数数字。

应了解，为清楚起见，在单独实施例的上下文中描述的本发明的某些特征也可在单个实施例中以组合的方式提供。相反，为简洁起见，在单个实施例的上下文中描述的本发明的各个特征也可单独提供或以任何合适的子组合提供，或者作为本发明的任何其他所述实施例提供。在各实施例的上下文中描述的某些特征不应视作这些实施例的必要特征，除非没有这些元素所述实施例就不工作。

尽管结合具体实施例描述了本发明，但显然，所属领域的技术人员将明白许多替代、更改和变形。因此，意图涵盖所附权利要求书的精神和广泛范围内的所有此类替代、更改和变形。

本说明书中提及的所有公开、专利和专利申请都以引用的方式全文并入本说明书中，如同每个单独的申请、专利或专利申请具体并个别地指明以引用的方式并入本文中。此外，本申请中的任何参考的引用或确定不应解释为承认这种引用可用作本发明的现有技术。在使用段落标题的程度上，它们不应解释为必要地限制。

Claims (16)

1.一种图像处理引导件，其包括：

由单片材料片构建成的实心主体，所述实心主体包括：

多个表面，所述多个表面限定从输入表面到输出表面的光路，其中所述光路相继连接所述多个表面；

其中所述多个表面包括至少一个弯曲镜面反射表面，所述反射表面被配置用于接收来自所述光路的光和将光返回到所述光路；

其中所述光信号没有聚焦到所述实心主体内的图像平面；

其中沿着所述实心主体的最大广度的至少90％，所述实心主体的厚度与平均厚度偏差至多10％。

2.根据权利要求1所述的图像处理引导件，

其中从限定所述光路的所有反射弯曲表面的焦距中选择的最短正焦距大于所述光路中从具有所述最短正焦距的所述弯曲表面到相继表面的距离。

3.根据权利要求1所述的图像处理引导件，其中从各个所述反射表面反射的边缘射线与主射线的角介于-60°与60°之间。

4.根据权利要求1所述的图像处理引导件，其中所述图像处理引导件的汇聚或发散长度大于在所述图像处理引导件的两个最长侧之间测量到的所述平均厚度乘以被配置成接收来自所述光路的光的弯曲镜面反射表面的数量。

5.根据权利要求1所述的图像处理引导件，其中所述实心主体包括第一侧，所述第一侧具有一个几何状的形状和在所述形状中形成的凹面，其中所述凹面形成所述表面中的一个表面。

6.根据权利要求5所述的图像处理引导件，其中所述凹面是所述弯曲镜面反射表面。

7.根据权利要求1到6中任一项所述的图像处理引导件，其包括被配置用于接收来自所述光路的光和将光返回到所述光路的多于一个镜面反射表面。

8.根据权利要求1到6中任一项所述的图像处理引导件，其包括被配置用于接收来自所述光路的光和将光返回到所述光路的多于一个弯曲镜面反射表面。

9.根据权利要求8所述的图像处理引导件，其中所述输入表面和所述输出表面的取向在至少一个方向上偏离至多30°。

10.根据权利要求8所述的图像处理引导件，其中所述输入表面和所述输出表面位于所述实心主体的第一侧上。

11.根据权利要求1所述的图像处理引导件，其中所述输入表面是折射表面，并且所述光信号通过折射输出表面离开所述引导件。

12.根据权利要求1所述的图像处理引导件，其中所述引导件是细长元件；

其中所述最大广度是所述引导件的所述厚度的至少5倍；

其中所述最大广度是所述引导件的高度的至少3倍；

其中所述光路的总体方向沿着所述最大广度的中心轴。

13.根据权利要求1所述的图像处理引导件，其包括至少一个外部光学元件，其中各个所述外部光学元件包括限定所述光路的多个表面。

14.一种头戴式近眼显示器，其包括：

产生光信号的图像源；以及

光耦合到所述图像源的根据权利要求1所述的图像处理引导件；

其中所述图像处理引导件将所述光信号传递到目标。

15.根据权利要求14所述的头戴式近眼显示器，其中改变所述光信号的路径的最终弯曲表面是将环境光传递到所述目标的半反射表面。

16.根据权利要求14所述的头戴式近眼显示器，其包括位于用户眼睛前面的一个或多个场景校正折射元件；

其中所述一个或多个校正折射元件抵消来自所述引导件的场景光中的像差。