CN112997106B - 用于光束整形的折反射式和折射式光学结构 - Google Patents

用于光束整形的折反射式和折射式光学结构 Download PDF

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Abstract

近眼光学元件包括一个或更多个红外光源和光学结构。一个或更多个红外光源发射红外光束。光学结构包括设置在红外光源的发射孔上的光学透明材料。该光学结构包括一个或更多个发散红外光束的刻面。

Description

用于光束整形的折反射式和折射式光学结构
背景信息
存在照明器(如垂直腔面发射激光器(VCSEL)和LED)被用作光源的各种应用。在一些应用中，可能希望对从照明器发射的光束进行整形。在一个特定的上下文中，为了对对象成像的目的，可以利用光源来照射对象。
概述
如下文将更详细描述的，本公开描述了用于光束整形(beam shaping)的折反射式(catadioptric)和折射式光学结构。
根据权利要求中的至少一项，本发明解决了上述问题。
根据本发明的一些实施方式，近眼光学系统包括：具有发射孔的不可见光源，其中所述不可见光源被配置为将不可见光束发射通过发射孔；以及包括设置在发射孔上的光学透明材料的光学结构，其中所述光学结构包括形成在所述光学透明材料中的第一刻面(facet)；以及在所述光学透明材料中形成的第二刻面，其中所述第一刻面被成角度以反射所述不可见光束，从而该不可见光束作为在朝向眼睛的方向(eye-ward direction)上传播的不可见出射光束从所述第二刻面出射。
根据本发明的一种可能的实施方式，反射层设置在所述第一刻面上，以将所述不可见光束朝向所述第二刻面反射。
根据本发明的一种可能的实施方式，所述第一刻面是凹刻面，其被配置为以反射方式来发散所述不可见光束，其中所述第二刻面是凹刻面，其被配置为以透射方式来发散所述不可见光束。
根据本发明的一种可能的实施方式，所述第一刻面和所述第二刻面一起被配置成发散所述不可见光束并在所述朝向眼睛的方向上倾斜所述不可见光束。
根据本发明的一种可能的实施方式，所述第二刻面包括在所述第二刻面的表面中形成的多个弯曲部分(curvature)，从而以透射方式来发散所述不可见光束。
根据本发明的一种可能的实施方式，所述第一刻面相对于入射在所述第一刻面上的所述不可见光束的角度允许所述第一刻面依靠全内反射将所述不可见光束反射到所述第二刻面。
根据本发明的一种可能的实施方式，光学透明材料中的空隙(void)的尺寸被设定为允许不可见光束照射眼睛，而在离开第二刻面之后不会遇到光学透明材料。
根据本发明的一种可能的实施方式，所述第一刻面或所述第二刻面中的至少一个是基本平坦的表面。
根据本发明的一种可能的实施方式，所述第一刻面或所述第二刻面中的至少一个是球形的。
根据本发明的一种可能的实施方式，不可见光束是近红外波长。
根据本发明的一种可能的实施方式，不可见光源包括垂直腔面发射激光器。
根据本发明的一个可能的实施方式，照相机被配置为对从眼睛反射的所述不可见光束的反射进行成像，以生成红外眼睛图像，其中所述照相机被配置为对所述不可见光束的近红外波长范围进行成像，并且拒绝所述近红外波长范围之外的光波长。
根据本发明的一种可能的实施方式，光学组合器被配置成将红外光束的反射引导到照相机。
根据本发明的一些实施方式，近眼光学元件包括多个近红外光源，该近红外光源被配置为将近红外光束发射到所述近红外光源的发射孔之外；连续透明光学层，其包括形成在所述连续透明光学层中的多个棱镜，其中所述棱镜在所述近红外光源的所述发射孔上对准，并且其中每个棱镜包括：形成在所述连续透明光学层中的第一刻面；以及形成在所述连续透明光学层中的第二刻面，其中所述第一刻面被成角度以反射所述近红外光束，从而该近红外光束作为近红外出射光束从所述第二刻面出射。
根据本发明的一种可能的实施方式，当所述多个棱镜中的特定棱镜越来越靠近所述连续透明光学层的外边界时，所述近红外出射光束的倾斜角增加。
根据本发明的一种可能的实施方式，所述多个棱镜中的所述棱镜被配置成产生所述近红外出射光束的不同光束发散角。
根据本发明的一种可能的实施方式，随着多个近红外光源中的给定的近红外光源越来越靠近连续透明光学层的外边界，该给定的近红外光源的光束发散角增加。
根据本发明的一些实施方式，近眼光学元件包括：具有发射孔的近红外光源，其中所述近红外光源被配置为将近红外光束发射通过所述发射孔；以及光学结构，该光学结构包括设置在所述发射孔上的光学透明材料，其中所述光学结构包括浸入所述光学透明材料中的反射层；以及在所述光学透明材料中形成的弯曲部分，其中所述反射层反射所述近红外光束，从而该近红外光束作为在朝向眼睛的方向上传播的近红外出射光束离开所述弯曲部分。
根据本发明的一个可能的实施方式，所述反射层包括配置成发散所述近红外光束的弯曲部分，并且其中所述反射层包括配置成在通过可见光的同时反射所述近红外光束的分色镜(dichroic mirror)。
根据本发明的一个可能的实施方式，在所述光学透明材料中形成的所述弯曲部分是用于将可见光聚焦到所述近眼光学元件的用户的眼睛的透镜的处方弯曲部分(prescription curvature)，其中所述处方弯曲部分还被配置成发散所述近红外光束。
本文公开的实施例仅仅是示例，并且本公开的范围不限于它们。特定实施例可以包括本文公开的实施例的组件、元件、特征、功能、操作或步骤中的全部、一些，或不包括这些组件、元件、特征、功能、操作或步骤。根据本发明的实施例在所附权利要求中被具体公开，其中在一个权利要求类别中提到的任何特征，例如产品，也可以在例如系统或方法的另一个权利要求类别中要求保护。
在所附权利要求中的从属性或往回引用仅为了形式原因而被选择。然而，也可以要求保护由对任何先前权利要求的有意往回引用(特别是多个从属关系)而产生的任何主题，从而权利要求及其特征的任何组合被公开了并且可以被要求保护，而不管所附权利要求中选择的从属关系如何。可以被要求保护的主题不仅包括如在所附权利要求中阐述的特征的组合，而且还包括在权利要求中的特征的任何其他组合，其中，在权利要求中提到的每个特征可以与在权利要求中的任何其他特征或其他特征的组合相结合。此外，本文描述或描绘的实施例和特征中的任一个可以在单独的权利要求中和/或以与本文描述或描绘的任何实施例或特征的任何组合或以与所附权利要求的任何特征的任何组合被要求保护。
附图简述
参考以下附图描述了本发明的非限制性和非穷尽性实施例，其中除非另有说明，否则相同的附图标记在各个视图中指代相同的部件。
图1A-1B示出了根据本公开的各方面的示例头戴式显示器(HMD)，其包括沿视窗方向发射近红外光的VCSEL阵列。
图2示出了根据本公开的各方面的示例系统，该示例系统包括照亮视窗区域的VCSEL阵列的侧视图。
图3示出了根据本公开的各方面的示例场内(in-field)照明系统。
图4示出了根据本公开的各方面的示例近眼光学元件，该近眼光学元件包括用近红外光束照射视窗区域的多个近红外光源。
图5示出了根据本公开的各方面的包括棱镜的场内照明系统的一部分，该棱镜具有倾斜和扩展红外VCSEL的光束以照亮眼睛的刻面。
图6示出了根据本公开的各方面的由光学透明材料形成的示例棱镜结构。
图7-图8示出了根据本公开的各方面的示例棱镜结构，该棱镜结构具有限定刻面的表面的一个以上的曲率半径。
图9-图10示出了根据本公开的各方面的示例棱镜结构，其可以利用全内反射(TIR)来倾斜和扩展从VCSEL发射的近红外光束。
图11-图12示出了根据本公开的各方面的示例光学结构，其依赖于刻面相对于VCSEL的发射角的角度来倾斜和整形红外光束。
图13示出了根据本公开的各方面的示例光束整形光学结构，其包括浸没式分色镜。
详细描述
本文描述了用于发散和倾斜红外光的近眼光学结构的实施例。近眼光学元件可以包括折射式或折反射式(反射和折射)设计，以将红外光导向朝向眼睛的方向。在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，本文描述的技术可以在没有一个或更多个具体细节的情况下实施，或者利用其他方法、组件、材料等来实施。在其他情况下，没有详细示出或描述公知的结构、材料或操作，以避免模糊某些方面。
在整个这个说明书中对“一个实施例”或“实施例”的提及意指结合实施例所描述的特定的特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。因此，短语“在一个实施例中”或“在实施例中”在整个这个说明书的各种地方中的出现不一定都指同一实施例。此外，特定特征、结构、或特性可以以任何适当的方式在一个或更多个实施例中组合。
图1A示出了根据本公开的实施例的示例头戴式显示器(HMD)100，其包括沿视窗方向发射不可见光(例如近红外光)的VCSEL阵列。HMD100包括耦合到臂111A和111B的框架114。透镜121A和121B安装在框架114上。透镜121可以是与HMD的特定佩戴者匹配的处方透镜或非处方透镜。在一些实施例中，透镜121可以被认为是近眼光学元件。图示的HMD 100被配置成佩戴在HMD用户的头部上或围绕头部来佩戴。
在图1A中，每个透镜121包括波导160，用于将显示器130产生的图像光引导到视窗区域，以供HMD 100的佩戴者观看。显示器130可以包括LCD、有机发光二极管(OLED)显示器、微型LED显示器、量子点显示器、微型投影仪或硅上液晶(LCOS)显示器，用于将图像光导向HMD100的佩戴者。
HMD的框架114和臂111可以包括HMD 100的支撑硬件。HMD 100可以包括处理逻辑、用于发送和接收数据的有线和/或无线数据接口、图形处理器以及用于存储数据和计算机可执行指令的一个或更多个存储器中的任一种。在一个实施例中，HMD 100可以被配置成接收有线电力。在一个实施例中，HMD 100被配置成由一个或更多个电池供电。在一个实施例中，HMD 100可以被配置成经由有线通信信道接收包括视频数据的有线数据。在一个实施例中，HMD 100被配置成经由无线通信信道接收包括视频数据的无线数据。
透镜121对用户来说可以看起来是透明的，以促成增强现实或混合现实，其中用户可以观看来自他们周围的环境的场景光，同时还接收由波导160引导到他们眼睛的图像光。透镜121可以包括光学组合器170，用于将反射的近红外光(由红外光源150发射的近红外光)导向眼睛跟踪照相机(例如照相机190)。本领域技术人员理解，透明衬底上的红外光源150的阵列也可以有利地包括在VR头戴式装置中，其中光学结构的透明性质允许用户观看VR头戴式装置中的显示器。在图1A的一些实施例中，图像光仅被引导到HMD 100的佩戴者的一只眼睛中。在一个实施例中，显示器130A和130B都被包括来分别将图像光引导到波导160A和160B中。
透镜121B包括作为红外光源150的以示例性5×5阵列排列的VCSEL阵列。在一些实施例中，阵列中的VCSEL 150可以不均匀间隔。尽管在整个公开中引用了VCSEL和近红外光，但是应当理解，VCSEL可以用其他光源代替，并且引用的近红外光是不可见光的示例波长，并且也可以使用其他不可见光的波长。VCSEL 150可以是近红外光源，将它们发射的近红外光沿朝向眼睛的方向导向HMD 100的佩戴者的视窗区域。例如，VCSEL150可以发射波长为850nm或940nm的近红外光。非常小的金属迹线或透明导电层(例如氧化铟锡)可以延伸穿过透镜121B，以促成每个VCSEL150的选择性照明。透镜121A可以类似于所示的透镜121B来配置。
在本公开的方面，可见光可以被定义为具有大约380nm-700nm的波长范围。不可见光可以被定义为波长在可见光范围之外的光，例如紫外光和红外光。波长范围约为700nm-1mm的红外光包括近红外光。在本公开的方面，近红外光可以被定义为具有大约700nm-1.4μm的波长范围。
虽然VCSEL 150可能将遮挡引入HMD 100中包括的光学系统，但是VCSEL 150和相应的路由可以小到对于HMD的佩戴者来说不引人注意或者在光学上不明显。此外，来自VCSEL 150的任何遮挡都将被放置得离眼睛如此之近，以至于人眼无法聚焦，因此有助于VCSEL 150不被注意到。除了HMD 100的佩戴者不注意到VCSEL 150之外，HMD 100的外部观察者最好不要注意VCSEL 150。
图1B示出了根据本公开的实施例的VCSEL的覆盖区。在一些实施例中，每个VCSEL150具有“x”尺寸小于200微米且“y”尺寸小于200微米的覆盖区。在一些实施例中，每个VCSEL 150具有“x”尺寸小于100微米且“y”尺寸小于100微米的覆盖区。在一些实施例中，每个VCSEL 150具有“x”尺寸小于75微米且“y”尺寸小于75微米的覆盖区。在这些尺寸，VCSEL150不仅对HMD 100的佩戴者不明显，而且VCSEL 150对HMD 100的外部观察者也不明显。
图2示出了根据本公开的实施例的近眼光学系统200，该近眼光学系统200包括照亮视窗区域的VCSEL 250的阵列的侧视图。在所示实施例中，VCSEL 250的阵列包括VCSEL250A、250B、250C、250D和250E。VCSEL250C用近红外光束261照亮眼睛202。VCSEL 250A、250B、250D和250E也可以用近红外光束(未示出)照亮眼睛202。由VCSEL 250C发射的近红外光沿着光路271传播，并且作为沿着光路272传播的反射近红外光从眼睛202反射。沿着光路272传播的反射近红外光行进穿过容纳VCSEL250的透明衬底，并遇到光学组合器230。组合器230沿着光路273将近红外光导向照相机210。因此，系统200示出了VCSEL 250可如何用近红外光照射眼睛202，以及照相机210可如何通过对反射的近红外光成像来捕获眼睛202的近红外眼睛图像。在一些实施例中，照相机210可以配置有带通滤波器，该带通滤波器接受与VCSEL 250发射的窄带相同的窄带红外光，而该滤波器拒绝其他波长。例如，VCSEL 250可以发射以940nm为中心的窄带红外光，同时照相机210可以包括接受940nm左右的红外光而拒绝其他光波长的滤波器。
倾斜和整形由VCSEL阵列发射的红外光束以便它们以期望的覆盖范围和/或角度照亮眼睛，可能是有利的。因此，根据一组设计约束来倾斜和/或整形VCSEL的近红外光束可能是优选的。透镜121B边缘上的VCSEL可能需要较大的倾斜角来照亮眼睛，而透镜121B中间附近的VCSEL可能需要非常小(或零)的倾斜角来照亮视窗区域。在一个实施例中，“倾斜角”由垂直于眼睛202的瞳孔平面203的矢量204和由特定红外光源(例如VCSEL 250E)发射的红外锥/束的中心光线281之间的角度207来定义。例如，图2示出了VCSEL 250E的倾斜角可以比VCSEL 250C的倾斜角大得多。
还可以为透镜121B上不同位置的VCSEL调整光束形状和/或光束发散角，使得VCSEL的光束具有眼睛所需的照明覆盖范围。在一个实施例中，光束发散角随着VCSEL位置越来越靠近透镜121B的外边界而增加，其中透镜121B的外边界是最靠近框架114的透镜121B的边界。
头戴式显示技术，例如虚拟和增强现实，可以包括跟踪眼睛运动，以便将适当的图像投射到眼睛上。眼睛跟踪方案的硬件实现可以包括两个子系统：眼睛照明和光收集。本公开涉及场内眼睛照明，其可以使用如图3所示的用户视野中的光源(例如，VCSEL)来确定凝视的方向，并因此有效地将图像传递给眼睛。为了提高效率，可以使用垂直腔面发射激光器(VCSEL)。VCSEL的小尺寸不一定会妨碍增强现实头戴式显示器的透视(see-through)图像质量，因为它很小和/或位于眼睛的聚焦范围之外。与一些LED相比，VCSEL通常被配置成发射窄光锥，该窄光锥可被更好地导向眼睛。
VCSEL的一个潜在优势是发射窄锥的可能性。然而，对于眼睛照明，扩展和倾斜窄锥以照亮眼睛可能是有利的。本公开的实施例可以倾斜和整形光束，这可以包括扩展光束。本公开的实施例可以是有效的，并且可以如图4中那样从所有方向均匀地照亮眼睛，从而提高眼睛跟踪精度。图4示出了根据本公开的各方面的近眼光学元件400，其包括多个近红外光源450，近红外光源450用近红外光束照射视窗区域475。在本公开的一些实施方式中，术语“近眼”可以被定义为包括被配置为在使用近眼设备时放置在用户眼睛50mm内的元件。因此，“近眼光学元件”或“近眼系统”将包括一个或更多个被配置为放置在用户眼睛50mm范围内的元件。
从被照亮的眼睛反射的光然后被另一个系统收集，该系统可以包括组合器和照相机，如图2中所公开的。捕获的眼睛图像可用于构建角膜模型，该角膜模型确定凝视以用于眼睛跟踪目的。
尽管本公开在某些实施例中可能涉及VCSEL，但是在一些实施例中，准直LED和/或激光二极管可以代替图示或描述的VCSEL。在一些实施例中，红外光源具有小于50度(例如40度或30度)的半峰全宽(FWHM)发射角。
图5示出了根据本公开的方面的包括棱镜533的场内照明系统500的一部分，棱镜533具有倾斜和扩展红外VCSEL的光束的刻面。系统500可以包括在近眼光学系统中。红外VCSEL 550A和550B设置在VCSEL“板”510上，板510可以包括打开和关闭VCSEL的迹线。VCSEL板510可以由透明材料制成，并且电连接VCSEL的迹线可以是小金属迹线或者由透明导电材料(例如氧化铟锡(“ITO”)制成。通过使用所公开的棱镜533，大范围的倾斜角是可能的，并且光束扩展/聚焦是可能的。此外，利用全内反射(TIR)原理可以减少或消除对部件上特殊光学涂层的需要。可替代地，金属或电介质材料的反射涂层也可以与棱镜结合使用。这可以简化制造，从而可以导致更高的制造产量和更低的制造成本。
在图5中，红外光源550A将红外光束561A发射通过其发射孔，红外光源550B将红外光束561B发射通过其发射孔。设置在红外光源的发射孔上的光学结构(例如棱镜533)可以包括第一刻面和第二刻面，第一刻面和第二刻面被配置为倾斜和/或整形红外光束561以在朝向眼睛的方向上传播到视窗区域。在图5中，视窗区域可以由眼睛502周围的尺寸591和592限定。在一个实施例中，尺寸591约为30mm，尺寸592约为20mm。在图5的示例性图示中，红外光束561A至少部分地与红外光束561B重叠。光学结构533可以利用图6-图13中公开的任何光学结构/棱镜的设计。
图6示出了根据本公开的方面的由光学透明材料601形成的示例棱镜结构633。在图6中，当角度足够陡以满足TIR条件时，VCSEL 650的红外发射光束661将被曲率半径为R1的刻面A反射。该角度可以由尺寸D1和高度H1的比率来定义。曲率(图示实施例中的半径R1)决定了反射光束的发散/会聚。凹刻面A可以产生发散光束，而凸刻面A(未示出)可以产生会聚光束。半径R2的曲率和刻面B的角度(由尺寸D3和高度H2定义)决定了光束将是发散还是会聚。凹刻面B可以产生发散光束，而凸刻面B可以产生会聚光束(未示出)。将尺寸D2设计得尽可能短可能是有利的。尺寸D4需要足够大以在光学透明材料601中产生空隙607，从而不会晕映(vignette)或切断出射光束661。在一个实施例中，高度H1可以是大约200微米，高度H2可以是大约150微米，半径R1可以是大约500微米，半径R2可以是大约10000微米，尺寸D1可以是大约60微米，尺寸D2可以是大约10微米，尺寸D3可以是大约65微米，尺寸D4可以是大约415微米，尺寸D5可以是大约14微米。
图7和图8示出了棱镜结构733/833，其中刻面B包括限定刻面B表面的一个以上的曲率半径。这可以提高发射的近红外光束861的均匀性。在图8中，刻面B包括具有尺寸D6的半径R2、具有尺寸D7的半径R3和具有尺寸D8的半径R4。图7示出了根据本公开的各方面的具有示例尺寸的示例棱镜结构733。虽然在图7和图8中关于刻面B示出了多个曲率半径，但是在一些实施例中，刻面A也可以包括沿着其表面的多个曲率半径。在一些实施例中，相对于刻面A和B描述的曲率半径可以改为非球面或自由形式表面。
用于制造棱镜结构633/733/833的技术和本公开的其他实施例可以包括直接金刚石车削光学透明材料601，以在减材工艺中形成刻面。在一个实施例中，在光源(例如VCSEL)上形成封装层，并且金刚石车削工艺在封装材料中形成刻面。封装材料可能需要在金刚石车削过程之前固化。
在一个实施例中，使用金刚石车削工具切割独立的刚性结构层(例如PMMA)以形成刻面。一旦独立刚性结构中形成有多个刻面，独立刚性结构就与包括光源阵列(例如，VCSEL)的衬底对准，并且刚性独立结构可以结合到包括光源的衬底，其中刚性独立结构的刻面与光源的发射孔对准。
在一个实施例中，阴模(negative mold)(例如黄铜、镍、玻璃、树脂等)被金刚石车削，且该阴模用于冲压或压印具有刻面形状的封装层。当阴模压印在封装层上时，封装层可以通过例如UV固化。阴模可以涂有剥离层或防粘层，以帮助压印的封装层与阴模分离。在一些实施例中，灰度光刻和/或蚀刻技术可用于形成本文公开的棱镜结构。
图9示出了根据本公开的方面的示例棱镜结构933，其可以利用TIR来倾斜和扩展从VCSEL发射的近红外光束。可选地，反射层923(例如，金属或多层电介质)可以设置在刻面A上，以实现光束961的反射。在一些实施例中，棱镜结构933的刻面A可以是基本平坦的表面。在一些实施例中，棱镜结构933的刻面B可以是基本平坦的表面。
图10示出了利用TIR倾斜和扩展从VCSEL 650发射的近红外光束1061的示例棱镜结构1033。在一些实施例中，棱镜结构1033的刻面A具有曲率半径R1，而棱镜结构1033的刻面B可以是基本平坦的表面。
图11示出了示例棱镜结构1133，其不利用TIR，而是依赖于刻面A相对于VCSEL 650的发射角的角度以及材料601和空气(或第二材料)的折射率之间的差异来倾斜和整形(例如扩展)VCSEL的近红外光束1161。
图12示出了不利用TIR的另一个示例棱镜结构1233。棱镜结构1233利用刻面A的曲率(其可以是球面、非球面或自由曲面)和刻面B的曲率来倾斜和整形(例如扩展)VCSEL 650的近红外光束1261。
图13示出了根据本公开的实施例的示例光束整形光学结构1300，其包括浸没式分色镜。在图13中，红外VCSEL发射近红外光束1361(由虚线表示)。近红外光束1361遇到设置在弯曲部分上的分色镜1305。如图所示，分色镜1305可以浸入封装材料(encapsulant)中。分色镜可以是“热镜(hot mirror)”，因为它反射近红外光，同时使可见光通过。因此，如果光学结构1300在用户眼睛的FOV内，分色镜1305将不会显著影响向眼睛传播的可见光。分色镜1305也可以非常小，小到眼睛注意不到。
分色镜1305被示出为设置在用于(以反射方式)扩展由红外VCSEL发射的近红外光束的弯曲部分上。在一些实施例中，分色镜1305可以设置在平坦表面上，该平坦表面被成角度以扩展近红外光束。分色镜1305采取的形状可以包括例如图6、图7、图8、图9和图10所示的刻面A的特性。
在近红外光束1361被分色镜1305反射之后，它传播通过封装材料1301，直到它遇到处方(RX)弯曲部分。RX弯曲部分可以为AR HMD的用户提供规定的光焦度。在图示的实施例中，RX弯曲部分是凹的。光学结构1300通过使用RX弯曲部分作为进一步扩展近红外光束的方式来利用RX弯曲部分(凹RX弯曲部分结合折射率的变化充当发散透镜)。此外，利用凹的RX弯曲部分，还有例如减少可与平坦表面相关的TIR的额外的好处。RX弯曲部分的表面轮廓可以稍微粗糙一些，以进一步抑制TIR。因此，光学结构1300利用RX弯曲部分作为扩展光束的第二刻面。当VCSEL位于眼镜透镜边缘或靠近眼镜边沿时，这种方法可能特别有效。利用RX弯曲部分作为第二刻面来扩展近红外光束也可以应用于本公开的其他实施例。
封装材料可以是例如折射率为1.5至1.7的光学级透明材料。当近红外光束1361逸出封装材料时，它可遇到折射率为1的空气或折射率不同于封装材料(例如，较低的折射率)的不同透明材料。
本公开的实施例可以进一步包括照明系统，该照明系统具有透明电路板、棱镜和至少一个具有至少一个发射孔的VCSEL。VCSEL可以安装在透明电路板上。棱镜可以包括至少三个刻面。由至少一个VCSEL发射的红外光通过入射刻面进入，反射刻面向出射刻面反射光，光束在出射刻面折射并离开棱镜。棱镜安装在VCSEL的发射孔上。
在一个实施例中，第二刻面使光束偏转一定角度，该角度由图9的刻面A的切向分量(斜率)(H1/D1比)确定。反射或者基于全内反射(TIR)，或者通过第二刻面(刻面A)上的反射涂层来实现。
在一个实施例中，刻面B的切向分量(斜率)(H2/D1比)决定了该界面处的光束偏转。
在一个实施例中，至少一个刻面具有弯曲部分，以充当光束整形设备来会聚或发散(聚焦或散焦)光束，正如图10中一样。
在一个实施例中，至少一个刻面由多个段组成，每个段具有一定的曲率半径，从而有助于在离开棱镜时更均匀地分布光能，正如图8。
在一个实施例中，棱镜浸没在折射率低于棱镜折射率的材料中。
在一个实施例中，制造的棱镜使用诸如聚合物、玻璃等材料，该材料以表面突起或者以表面凹陷的形式。
在一个实施例中，棱镜通过在诸如聚合物、玻璃等材料中产生凹陷来制造，并且图8中的D4足够大，不会切断或晕映或干扰出射光束。
在一个实施例中，第一刻面(例如，图11和图12中的刻面A)不垂直于进入棱镜1133/1233的入射光束1161/1261，由此第一刻面的斜率(H1/D1比)决定了光束在刻面处由于折射而产生的倾斜或偏转，正如图11。第二刻面(例如图11和图12中的刻面B)可以通过折射进一步偏转光束1161/1261，刻面的斜率(图12中的H2/(D1+D2))确定光束偏转/倾斜。在本公开的实施例中，刻面A可以被配置成发散红外光束，刻面B可以被配置成在朝向眼睛的方向上倾斜近红外光束。刻面B也可以被配置成进一步发散近红外光束。
在例如图12的实施例中，入射刻面(例如刻面A)和出射刻面(例如刻面B)中的一个或两个是弯曲的，以便使光束整形，从而使近红外光束1261聚焦或散焦。
在一个实施例中，入射刻面和出射刻面中的一个或两个由一个以上的段组成，每个段具有一定的曲率半径，以便更均匀地照亮眼睛。
本发明的实施例可以包括人工现实系统或者结合人工现实系统来实现。人工现实是一种在呈现给用户之前已经以某种方式进行了调整的现实形式，其可以包括例如虚拟现实(VR)、增强现实(AR)、混合现实(MR)、混杂现实或其某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或者与捕获的(例如，真实世界的)内容相结合的生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈或它们的某种组合，并且它们中的任何一个都可以在单个通道或多个通道中呈现(例如向观看者产生三维效果的立体视频)。此外，在一些实施例中，人工现实还可以与应用、产品、附件、服务或其某种组合相关联，这些应用、产品、附件、服务或其某种组合用于例如在人工现实中创建内容和/或在人工现实中以其他方式使用(例如在人工现实中执行活动)。提供人工现实内容的人工现实系统可以在各种平台上实现，这些平台包括连接到主计算机系统的头戴式显示器(HMD)、独立的HMD、移动设备或计算系统、或者能够向一个或更多个观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台。
本公开中的术语“处理逻辑”可以包括一个或更多个处理器、微处理器、多核处理器、专用集成电路(ASIC)和/或现场可编程门阵列(FPGA)，以执行本文公开的操作。在一些实施例中，存储器(未示出)被集成到处理逻辑中，以存储指令来执行操作和/或存储数据。根据本公开的实施例，处理逻辑还可以包括模拟或数字电路来执行操作。
本公开中描述的“存储器”可以包括一个或更多个易失性或非易失性存储器架构。“存储器”可以是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何方法或技术实现的可移动和不可移动介质。示例存储器技术可以包括RAM、ROM、EEPROM、闪存、CD-ROM、数字多功能盘(DVD)、高清晰度多媒体/数据存储盘或其他光存储设备、盒式磁带、磁带、磁盘存储设备或其他磁存储设备，或者可以用于存储信息以供计算设备访问的任何其他非传输介质。
包括摘要中描述的内容在内的本发明的所示实施例的上述描述并不旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。虽然本文出于说明的目的描述了本发明的具体实施例和示例，但是相关领域的技术人员将会认识到，在本发明的范围内各种修改是可能的。
根据以上详细描述，可以对本发明进行这些修改。在所附权利要求中使用的术语不应被解释为将本发明限制于说明书中公开的特定实施例。更确切地，本发明的范围完全由所附权利要求来确定，这些权利要求将根据权利要求解释的既定原则来解释。

Claims (12)

1.一种近眼光学元件，包括：
供用户观看的视窗区域；
多个近红外光源，其被配置为将近红外光束从所述近红外光源的发射孔发射出来；
连续透明光学层，其包括在所述连续透明光学层中形成的多个棱镜，其中所述棱镜在所述近红外光源的所述发射孔上对准，并且其中每个棱镜包括：
形成在所述连续透明光学层中的第一刻面；和
形成在所述连续透明光学层中的第二刻面，
其中，所述第一刻面被成角度以反射所述近红外光束，从而该近红外光束作为在所述视窗区域中传播的近红外出射光束从所述第二刻面出射；并且
其中所述近红外出射光束的倾斜角随着所述多个棱镜中的特定棱镜越来越靠近所述连续透明光学层的外边界而增大。
2.根据权利要求1所述的近眼光学元件，其中反射层设置在所述第一刻面上，以朝向所述第二刻面反射所述近红外光束。
3.根据权利要求1所述的近眼光学元件，其中所述第一刻面是被配置为以反射方式发散所述近红外光束的凹刻面，其中所述第二刻面是被配置为以透射方式发散所述近红外光束的凹刻面。
4.根据权利要求1所述的近眼光学元件，其中所述第一刻面和所述第二刻面一起被配置成发散所述近红外光束并在朝向眼睛的方向上倾斜所述近红外光束。
5.根据权利要求1所述的近眼光学元件，其中所述第二刻面包括在所述第二刻面的表面中形成的多个弯曲部分，从而以透射方式发散所述近红外光束。
6.根据权利要求1所述的近眼光学元件，其中所述第一刻面相对于入射在所述第一刻面上的所述近红外光束的角度允许所述第一刻面依靠全内反射(TIR)将所述近红外光束反射到所述第二刻面。
7.根据权利要求1所述的近眼光学元件，其中所述第一刻面或所述第二刻面中的至少一个是球形或基本平坦的表面。
8.根据权利要求1所述的近眼光学元件，还包括：
照相机，其被配置为对从眼睛反射的所述近红外光束的反射进行成像，以生成红外眼睛图像，其中所述照相机被配置为对所述近红外光束的近红外波长范围进行成像，并且拒绝所述近红外波长范围之外的光波长。
9.一种近眼光学系统，包括：
根据权利要求1至7中任一项所述的近眼光学元件，所述近眼光学系统还包括：
照相机，其被配置为对从用户的眼睛反射的所述近红外光束的反射进行成像，以生成红外眼睛图像，所述红外眼睛图像用于确定用户的凝视方向，
显示器，用于基于所确定的用户凝视方向来将图像光生成到所述视窗区域。
10.根据权利要求9所述的近眼光学系统，其中所述多个棱镜中的所述棱镜被配置成产生所述近红外出射光束的不同光束发散角。
11.一种近眼光学系统，包括：
根据权利要求8所述的近眼光学元件，所述近眼光学系统还包括：
显示器，用于基于所确定的用户凝视方向来将图像光生成到所述视窗区域；
其中，所述红外眼睛图像用于确定用户的凝视方向。
12.根据权利要求11所述的近眼光学系统，其中所述多个棱镜中的所述棱镜被配置成产生所述近红外出射光束的不同光束发散角。
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Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2484713A (en) 2010-10-21 2012-04-25 Optovate Ltd Illumination apparatus
GB201718307D0 (en) 2017-11-05 2017-12-20 Optovate Ltd Display apparatus
GB201800574D0 (en) * 2018-01-14 2018-02-28 Optovate Ltd Illumination apparatus
US11415808B1 (en) 2019-02-08 2022-08-16 Facebook Technologies, Llc Illumination device with encapsulated lens
US11650403B2 (en) 2019-02-08 2023-05-16 Meta Platforms Technologies, Llc Optical elements for beam-shaping and illumination
TW202102883A (zh) 2019-07-02 2021-01-16 美商瑞爾Ｄ斯帕克有限責任公司 定向顯示設備
US12025771B2 (en) 2021-03-30 2024-07-02 Meta Platforms Technologies, Llc Dynamic beam steering with metasurface
US20230100656A1 (en) * 2021-09-30 2023-03-30 Microsoft Technology Licensing, Llc Eye tracking head mounted display device
US11867908B2 (en) * 2021-12-17 2024-01-09 Bae Systems Information And Electronic Systems Integration Inc. Folded optic augmented reality display
US11579444B1 (en) 2022-06-02 2023-02-14 Microsoft Technology Licensing, Llc Infrared microled based invisible illumination for eye tracking
US20240210696A1 (en) * 2022-12-26 2024-06-27 Canon Kabushiki Kaisha Line-of-sight detection device and head mounted display device

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6239915B1 (en) * 1998-08-26 2001-05-29 Mixed Reality Systems Laboratory Inc. Composite display apparatus
WO2002033472A2 (de) * 2000-10-07 2002-04-25 Physoptics Opto-Electronic Gmbh Informationssystem und verfahren zum zurverfügungstellen von informationen unter verwendung eines holographischen elements
CN101359089A (zh) * 2008-10-08 2009-02-04 北京理工大学 轻小型大视场自由曲面棱镜头盔显示器光学系统
WO2015017291A1 (en) * 2013-07-30 2015-02-05 Microsoft Corporation Near-eye optic positioning in display devices
CN106164745A (zh) * 2014-04-09 2016-11-23 3M创新有限公司 头戴式显示器和低醒目性瞳孔照明器

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020097505A1 (en) 2000-11-30 2002-07-25 Delong James A. Single-element catadioptric condenser lens
US6909554B2 (en) * 2000-12-27 2005-06-21 Finisar Corporation Wafer integration of micro-optics
US7762665B2 (en) * 2003-03-21 2010-07-27 Queen's University At Kingston Method and apparatus for communication between humans and devices
US20100149073A1 (en) * 2008-11-02 2010-06-17 David Chaum Near to Eye Display System and Appliance
FR2945434B1 (fr) * 2009-05-12 2012-12-14 Essilor Int Paire de lunettes ophtalmiques adaptee pour caracteriser une convergence des yeux d'un porteur.
WO2011156195A2 (en) * 2010-06-09 2011-12-15 Dynavox Systems Llc Speech generation device with a head mounted display unit
US8503087B1 (en) * 2010-11-02 2013-08-06 Google Inc. Structured optical surface
CA2822978C (en) * 2010-12-24 2019-02-19 Hong Hua An ergonomic head mounted display device and optical system
EP2499964B1 (en) 2011-03-18 2015-04-15 SensoMotoric Instruments Gesellschaft für innovative Sensorik mbH Optical measuring device and system
US8810600B2 (en) 2012-01-23 2014-08-19 Microsoft Corporation Wearable display device calibration
EP3270194B1 (en) 2012-01-24 2020-10-14 The Arizona Board of Regents on behalf of The University of Arizona Compact eye-tracked head-mounted display
US9658453B1 (en) * 2013-04-29 2017-05-23 Google Inc. Head-mounted display including diffractive combiner to integrate a display and a sensor
US11737666B2 (en) * 2014-01-21 2023-08-29 Mentor Acquisition One, Llc Eye imaging in head worn computing
US10571696B2 (en) * 2014-12-26 2020-02-25 Cy Vision Inc. Near-to-eye display device
WO2017096241A1 (en) * 2015-12-02 2017-06-08 Augmenteum, Inc. System for and method of projecting augmentation imagery in a head-mounted display
US10445896B1 (en) * 2016-09-23 2019-10-15 Apple Inc. Systems and methods for determining object range
US10877556B2 (en) 2016-10-21 2020-12-29 Apple Inc. Eye tracking system
WO2020040390A1 (ko) * 2018-08-23 2020-02-27 엘지전자 주식회사 3차원 영상 생성 장치 및 방법

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6239915B1 (en) * 1998-08-26 2001-05-29 Mixed Reality Systems Laboratory Inc. Composite display apparatus
WO2002033472A2 (de) * 2000-10-07 2002-04-25 Physoptics Opto-Electronic Gmbh Informationssystem und verfahren zum zurverfügungstellen von informationen unter verwendung eines holographischen elements
CN101359089A (zh) * 2008-10-08 2009-02-04 北京理工大学 轻小型大视场自由曲面棱镜头盔显示器光学系统
WO2015017291A1 (en) * 2013-07-30 2015-02-05 Microsoft Corporation Near-eye optic positioning in display devices
CN106164745A (zh) * 2014-04-09 2016-11-23 3M创新有限公司 头戴式显示器和低醒目性瞳孔照明器

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