CN114325903A - 一种自由曲面棱镜组及使用其的近眼显示装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种具有平整外表面的自由曲面棱镜组，至少包括一主棱镜和一辅棱镜，其中主棱镜用以完成主要的光线折/反射功能，以使像源图像得到预设的放大率，辅棱镜用以贴合或者靠近主棱镜，以使主棱镜的光学面满足对光线折/反射的物理条件，辅棱镜与主棱镜相邻的表面无需单独设计，且最外侧表面为非自由曲面的面型，便于进行保护性处理和贴合额外的光控制层，可以有效的保护主棱镜，使主棱镜的光学性能稳定，整体棱镜组的耐用性提升。本发明还涉及一种包括上述自由曲面棱镜组的近眼显示装置。
Description
本申请是申请号为201780068826.3，申请日为2017年11月27日，发明名称为“一种自由曲面棱镜组及使用其的近眼显示装置”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种自由曲面棱镜组以及使用其的近眼显示装置，特别的涉及一种具有平整外表面的自由曲面棱镜组，只需要设计主棱镜，即可具备良好的光学性能并利于各种工艺处理。
背景技术
虚拟现实(virtual reality，VR)和增强现实(augmented reality，AR)的概念提出以来，基于VR或者AR模式的头戴式图像显示装置取得了长足的发展，近年来出现了消费级的产品，诸如Samsung gearVR，Sony PSVR，Epson BT300，Microsoft Hololens等等，由于这些头戴式显示装置在使用时需要佩戴于观察者头部，因此紧凑和轻量化一直是业内的不懈追求，以减轻观察者的负载，提高可使用性。
经过设计的自由曲面光学元件是实现VR或者AR应用的一种可行性光学方案，自由曲面的面型由于增加了更多的自由度，可以更好的控制像差并得到更好的像质，同时可以减轻光学元件的重量并缩小体积。在工艺方面，例如，可以采用注塑工艺制造诸如由PMMA等树脂材料的自由曲面棱镜，利于批量生产以降低成本。但是，树脂材料通常在耐磨性方面无法与玻璃相比，特别是适应普通消费者长期使用过程中或者在相对复杂的工业环境下，需要对光学元件进行必要的诸如硬化处理等措施以保护，从而提高元件的稳定性和耐磨度。
发明内容
本发明提供一种无需额外附加保护片，稳定性、耐磨性好的自由曲面棱镜组，以及使用其的近眼显示装置，包括主棱镜和两个辅棱镜，主棱镜用以实现主要的折/反射光线功能，辅棱镜用以补偿光路以及提供相对平整的表面，以便于提高稳定性和耐磨度等的工艺处理。
根据本发明的一种用于增强现实近眼显示的自由曲面棱镜组，包括主棱镜(10)，第一辅棱镜(20),第二辅棱镜(30)；其中，
所述主棱镜包括三个有效光学面，主棱镜以其第一光学面(101)为入射面接受来自微型显示器件的图像光透射进入主棱镜内，向其第二光学面(102)为出射面的方向传播，传播过程中至少一次经过其第三光学面(103)而被反射回主棱镜内，所述第一光学面与第三光学面为自由曲面的面型；
所述第一辅棱镜与主棱镜相邻设置且被配置为发自微型显示器件的图像光进入其中不被用于成像；
所述第二辅棱镜与所述主棱镜相邻设置且有预定间隙，主棱镜与第二辅棱镜的相邻表面具有一致的自由曲面面型且满足使第一次到达其的来自微型显示器件的图像光可实现全内反射，该第二辅棱镜在垂直于光轴方向上延伸覆盖从所述主棱镜出射而进入第二辅棱镜的光线的有效通光孔径范围以内；
所述主棱镜包括拓展的边缘区域，所述拓展的边缘区域的面型具有非自由曲面的面型，并且从自由曲面的面型到非自由曲面的面型之间通过平滑过渡实现。
优选地，所述棱镜组朝向环境一侧的表面和朝向出瞳一侧的表面形成为球面或非球面的面型，所述朝向环境一侧的表面和所述朝向出瞳一侧的表面以面型差异形成对使用者具有预定的视度。
优选地，所述第一辅棱镜与主棱镜的相邻表面通过胶合实现固定。
优选地，所述具有预定的间隙值不超过1mm。
优选地，所述朝向环境一侧的表面和所述朝向出瞳一侧的表面上均镀有硬化膜和增透膜。
优选地，所述主棱镜的第二光学面的面型是自由曲面。
优选地，所述主棱镜的第三光学面上具有预定透反比的分光层，所述边缘区域为超出具有分光层的自由曲面面型的区域，所述边缘区域相对于经过视轴的竖直平面对称设置。
作为一种适用于本发明的缩小厚度的方式，第一辅棱镜和第二辅棱镜的不与所述主棱镜相邻的表面(202，302)在沿光轴的方向上不超出主棱镜的外缘，从而使整个自由曲面棱镜组在光轴方向上的最大厚度由主棱镜在此方向上的最大外缘厚度决定。这样，最大厚度可不超过15mm，且使得所述自由曲面棱镜组对微型显示器件显示的图像进行放大可实现超过50度的视场角。
主棱镜还可以包括拓展的边缘区域，边缘区域被定义为超出具有分光层的自由曲面面型的区域，拓展的边缘区域的面型具有非自由曲面的面型，并且从自由曲面的面型到非自由曲面的面型之间通过平滑过渡实现。
本发明还涉及一种使用了本发明自由曲面棱镜组的近眼显示装置，进一步包括微型显示器件，微型显示器件置于主棱镜的第一光学表面上方，微型显示器件发出的图像光经由主棱镜的第一光学表面入射进入主棱镜。
不透明度滤光器可附接于所述自由曲面棱镜组的所述第一辅棱镜与主棱镜不相邻的相对表面，所述不透明度滤光器连接至控制器，与所述微型显示器件实现同步的控制。
根据发明的自由曲面棱镜组，主棱镜采用树脂材料以高精密度注塑成型，补偿用辅棱镜无需进行单独设计，减轻面型复杂度和设计难度；由于自由曲面棱镜组整体对外侧的两表面均保持平面或者近似于平面的面型，用作在近眼显示装置中的光学元件时，施加保护和附接外部器件时均具有良好的拓展性，附接的不透明度滤光器能够实现像素级的滤光控制，可以有效减少了环境光对增强显示图像的影响，使图像融合更加准确和真实。
附图说明
图1为根据本发明一实施例的自由曲面棱镜组截面图；
图2为图1所示自由曲面棱镜组中的主棱镜截面图；
图3为图1所示的自由曲面棱镜组的成像畸变示意图；
图4(a)和图4(b)为根据本发明一实施例的自由曲面棱镜组附加视度镜片后的截面图；
图4(c)为根据图1的自由曲面棱镜组拓展尺寸后沿光轴的水平截面图；
图5为本发明的变形例的自由曲面棱镜组截面图；
图6为图5所示的自由曲面棱镜组的成像畸变示意图；
图7为使用本发明各自由曲面棱镜组的近眼显示装置示意图。
具体实施方式
以下对本发明示例性实施例进行详细的描述以解释本发明，其示例表示在附图中，其中，相同的标号始终表示相同部件。除非有明确的表示，本领域技术人员应当理解的，第一、第二等词汇仅理解为区分不同的部件，而不包含顺序的限定性作用，并且，在不同的实施例中，同样被称为第一部分的部件结构也可以是不相同的。
根据本发明的一种实施方式，如图1所示，自由曲面棱镜组1至少需要包括成像用的自由曲面主棱镜10和补偿用的自由曲面辅棱镜20，每一自由曲面棱镜包括至少2个光学有效表面以及其他辅助表面以围成体形态。其中主棱镜至少具有三个光学有效表面，利用主棱镜的三个有效光学表面对光线的折射和/或反射作用，实现对图像的放大作用。
在本实施例中，如图2所示，主棱镜10的第一光学表面101具有自由曲面的面型，面对微型显示器件MD设置，由微型显示器件MD发出的图像光经由第一光学表面101折射进入主棱镜10内，在主棱镜10内向主棱镜10的第二光学表面102传播，第一次到达第二光学表面102时，图像光在主棱镜10的表面102上发生全内反射，反射光至主棱镜10的第三光学表面103上再次被反射，经主棱镜10的表面102透射，到达出瞳位置EPD；其中第二光学表面102和第三光学表面103也均为自由曲面的面型，第二光学表面102的面型需满足使第一次到达其的图像光实现全内反射的条件，而第三光学表面103上设置有分光层，例如半反半透膜或者其他透反射比的分光膜，使图像光入射到主棱镜10的表面103时能够被反射回主棱镜10的内部，分光膜的分光比可以根据微型显示器件的发光亮度进行选择，以确保微型显示器件MD的图像光尽可能被有效利用，并与外界环境光的强度达到平衡，以获得良好的增强现实图像对比度。主棱镜10作为本发明的自由曲面棱镜组1中对微型显示器件MD成像(放大虚像)的主要光学元件，利用主棱镜10的第二光学表面和第三光学表面的曲率，对微型显示器件MD上显示的图像进行放大，从第三光学表面103透出的图像光将不再进入人眼，作为光能损失，对成像无贡献。即，微型显示器件MD的图像光通过主棱镜10被重聚焦，使人眼处看到的来自微型显示器件MD的图像看上去像是从离眼睛几英尺远的地方发出的而不是从约一英寸远的地方(该微型显示器件MD实际所在的位置)发出的。
本领域技术人员可以理解的，图2所示的采用三自由曲面的面型围绕而构成主棱镜10提高了主棱镜的放大能力和对图像像差的矫正能力，是优选方式，但不限于此的，主棱镜的三个有效光学表面也可以分别形成为不同的面型类型，例如，仅保留第三光学表面103为自由曲面的面型，而在第一光学表面和第二光学表面选择其他的利于制造的面型，如在第一光学表面或第二光学表面使用球面或者非球面的面型，只要第二光学表面102的面型需满足使第一次到达其的图像光实现全内反射的条件即可。球面或者非球面的面型有利于制造并降低成本，但球面或非球面对图像光放大时的像差矫正能力显著的低于自由曲面的表面，因此，保持第三光学表面103为自由曲面的表面类型尤为重要。
基于主棱镜的各有效光学表面的聚焦性作用以及主棱镜上下厚度的不一致性，环境光直接透过主棱镜进入人眼会造成环境光成像的变形，因此需要设置辅棱镜。辅棱镜20置于主棱镜10的一侧，在本实施方式中，如图1所示的，辅棱镜20置于主棱镜10的外侧，即靠近环境的一侧，辅棱镜20与主棱镜10相邻的第一表面201为光学表面，具有与主棱镜的第三光学表面103一致的面型，且与主棱镜的第三光学表面103紧密贴合，例如，通过胶合方式固定在一起。辅棱镜20面向环境的第二表面202也为光学表面，用以透射环境光进入辅棱镜20以及主棱镜10。第二表面202由于面向环境一侧，优选的，第二表面为平面，以便于进行保护性的工艺处理，例如涂覆保护性膜层，而且，由于微型显示器件MD发出的图像光进入辅棱镜20并不被用于成像，因此，辅棱镜20的材料可以与主棱镜不相同，诸如，辅棱镜可以不使用利于减小光学像差的专用材料，以减小制造难度，并有效降低成本，但辅棱镜与主棱镜使用同样的材料也是可行的。为便于安装和定位，主棱镜10上可以设置诸如定位槽之类的定位结构，定位结构可以与辅棱镜20的外形相配合，或者与辅棱镜20的第一表面201上的定位结构相配合，从而方便的确定辅棱镜20和主棱镜10的相对位置，使完成胶合后的主棱镜10和辅棱镜20表面对准精度高，对环境光可以具备良好的成像质量。
进一步的，本发明的上述实施方式中还可以包括另外的辅棱镜30，如图1和图2所示，辅棱镜30置于主棱镜10的另外一侧，即辅棱镜30和辅棱镜20分置于主棱镜10的两侧，辅棱镜30作为进一步对光路的另一侧补偿。辅棱镜30靠近主棱镜10的第一表面301为光学表面，具有与主棱镜的第二光学表面102一致的面型，且与主棱镜的第二光学表面102之间具有预定的间隔，间隔值可以在不大于1mm的范围内。作为一种便于实现的结构，间隙值依靠预定厚度的隔圈来确定，或者，以具有固定长度的卡和柱和与之配合位置的卡和槽确定，卡和柱可以设置在辅棱镜30或者主棱镜10上，相应的，卡和槽设置在主棱镜10或者辅棱镜30上。卡和柱和卡和槽可以制造棱镜时一体形成，也可以采用附加的方式，例如粘合，附接至棱镜表面。
辅棱镜30具有另外的光学表面302，在主棱镜10的相对侧，靠近该自由曲面棱镜组的出瞳EPD(人眼位置)，要实现对环境光不引入视度的自由曲面棱镜组，辅棱镜30的光学表面302具有与辅棱镜20面向环境侧的光学表面202具有一致的面型，在本实施例中，辅棱镜30的光学表面302也为平面。由于微型显示器件MD发出的图像光在透出主棱镜10后进一步透射通过辅棱镜30，辅棱镜30可以作为进一步用于矫正像差，其优选的采用可以与主棱镜一致的光学材料，并且，辅棱镜30可以在垂直于光轴方向上不延伸覆盖所有光学表面202的高度，而只覆盖出射光线的有效通光孔径范围以内。由于光学表面202的面型在远离光轴的位置倾向于具有向EPD位置的倾斜，采用部分覆盖方式的辅棱镜30能够有效减轻自由曲面棱镜组1的整体厚度和体积。作为保护性的示例，所述辅棱镜20的表面202与所述辅棱镜30的表面302上均镀有硬化膜和增透膜。
作为一种可以达到最小化厚度的优选方式，如图1所示的，辅棱镜20和辅棱镜30的表面202、表面302的面型在沿光轴的方向上，不超出经过设计的主棱镜10的外缘，从而使整个自由曲面棱镜组1在光轴方向上的最大厚度由主棱镜在此方向上的最大外缘厚度决定，根据主棱镜10适配不同尺寸的微型显示器件MD，主棱镜10的最大外外缘厚度将随之发生变化，例如，适配较小尺寸的微型显示器件MD时，主棱镜在沿光轴方向上的最大外缘厚度可以被有效控制，而当适配稍大尺寸的微型显示器件MD时，主棱镜在沿光轴方向上的最大外缘厚度可以适当扩展，即主棱镜在沿光轴方向上的最大外缘厚度与其需要适配的微型显示器件MD想适配，对微型显示器件MD而言，有效的最大外缘厚度与微型显示器件MD的尺寸成正比。
根据本发明的上述实施例，各自由曲面表面可以通过XY多项式曲面(XYpolynomial，简称XYP)来表述，描述方程如下：
其中c为曲面曲率半径，k为圆锥常数，Ci为多项式系数。
根据本发明的第一实施例，从环境一侧到人眼一侧，依次排列着第一辅棱镜20、主棱镜10和第二辅棱镜30，各自由曲面棱镜使用高精密度光学树脂模压成型，其中第一辅助棱镜
20与主棱镜通过胶合粘结构成一体，第二辅助棱镜30与主棱镜10具有0.5mm的空气间隔,整个棱镜组具有不超过15mm的厚度,整体视场角FOV可以达到50度以上。由于表面201与表面301具有与主棱镜的表面103、102一致的面型，表面202和表面302位平面，表1中所示的本发明第一实施例的各表面面型中将省略对表面201,202,301,302的描述，相应的，对于微型显示器件MD提供的图像光，使用本发明第一实施例的自由曲面棱镜组1在EPD上的图像畸变参考如图3所示。
表1
| 表面 | 曲率半径 |
| 302,202 | 平面(∞) |
| 102，301 | -130.534623433003 |
| 103，201 | -44.9621213993141 |
| 101 | -18.4176668625078 |
| MD | 平面 |
表2
根据本发明的第一实施例，自由曲面棱镜组1由于朝向环境一侧的表面和朝向出瞳一侧的表面均为平面，对透射的环境光无视度矫正作用，对于需要矫正视力的用户而言，需要附接普通用于矫正视力的镜片，如图4(a)所示。将用于矫正视力的镜片40置于第二辅棱镜30的一侧，靠近出瞳EPD的位置，与主棱镜10相对侧。矫正视力的镜片40可以通过额外的固定装置，诸如镜框和镜腿(未图示)，以使矫正视力的镜片40可以稳定置于用户眼前，或者，矫正视力的镜片40(通常需要两片针对左右眼)可以形成为像偏光夹片的外形，通过夹片两侧的卡合扣附接在已经组装成一整体的自由曲面棱镜组1上。
如果矫正视力的镜片40的一侧表面可以形成为平面，则具备通过胶合附接至第二辅棱镜的第二光学表面302的可能，从而实现更加稳定的固定。但胶合后适配的灵活度将下降，不利于不同视度的用户使用，也引入工艺步骤的复杂，因此本领域技术人员可以理解的，根据本发明的上述实施例，矫正视力的镜片40和辅棱镜30可以整体形成，如图4(b)所示，从而使具有视度调节作用的辅棱镜30与主棱镜10之间以预定的间隔可拆卸的装配，此时辅棱镜30的表面302具有与辅棱镜20的表面202不一致的面型，从而使辅棱镜具备额外的视度矫正功能，满足不同视度的用户的需求。
鉴于第一实施例中的自由曲面棱镜组1具有平坦的外表面202和302，这样的自由曲面棱镜组具有良好的尺寸拓展性，例如，主棱镜10因其需要满足对MD显示的图像进行有效且无畸变的放大的要求，要求其具有弯曲的前后表面102,103，具有曲率的前后表面102,103将影响主棱镜的外形不能过大拓展至希望的范围(例如受与MD尺寸相匹配的限制，不容易拓展到大致等于普通矫正眼镜片的尺寸，约70mm直径)，因为沿曲率拓展边缘将导致对MD显示的图像的放大产生变形，以及拓展的边缘将影响补偿用辅棱镜的面型和能够被填充以实现补偿的主棱镜外的空间。当自由曲面棱镜组1如第一实施例一般具有平坦的外表面202和302时，参考图4c的沿光轴的水平截面图，主棱镜10在中央进行图像放大有效部分可以具有如上述描述的自由曲面面型(FFS区)，并在此面型范围内在面103上施加分光层，而在超出此的边缘区域，则可以进行方便的拓展，对称设置的，例如主棱镜10在拓展区域的面型变为具有非自由曲面的面型，例如球面、非球面或者平面(S/AS/FL)，从自由曲面的面型到非自由曲面的面型之间优选的通过平滑过渡实现(平滑过渡面SS区)，相应的，辅棱镜20和30与主棱镜相邻的表面可以与主棱镜10的前后表面102,103的面型变化保持匹配一致，从而使整体自由曲面棱镜组1依然保有平坦的外表面202,302，环境光通过自由曲面棱镜组1不会发生传播方向的折转，人眼透过自由曲面棱镜组1可以正常对环境光成像(相当于佩戴了具有一定厚度平光眼镜片)。此时，自由曲面棱镜组1可以具有良好的尺寸拓展性，例如，可以方便的拓展到希望的尺寸范围，而不受MD尺寸的约束，自由曲面棱镜组的尺寸得到拓展后可以方便的切割成为用户希望的外形，例如，类似普通矫正视力的镜片。
[变形例]
如图5所示，根据本发明的另一种实施方式，自由曲面棱镜组1A至少需要包括成像用的自由曲面主棱镜10A和补偿用的自由曲面辅棱镜20A，每一自由曲面棱镜包括至少2个光学有效表面以及其他辅助表面以围成体形态。其中主棱镜上至少具有三个光学有效表面101A-103A，利用主棱镜的三个有效光学表面对光线的折射和/或反射作用，实现对图像的放大作用；辅棱镜20A与主棱镜10A相邻的表面201A具有与主棱镜10A的相邻表面103A一致的面型。与第一实施方式不同的，辅棱镜20A朝向环境侧的光学表面202A形成为非球面，或者曲率半径大于100mm的球面。
与第一实施例类似的，自由曲面棱镜组1A还包括了另外的辅棱镜30A，辅棱镜30A置于主棱镜10A的另外一侧，即辅棱镜30A和辅棱镜20A分置于主棱镜10A的两侧，以进一步对光路进行补偿，对环境光实现更好的成像质量。辅棱镜20A与主棱镜10A的相邻表面201A，103A具有一致的自由曲面面型并通过胶合粘结在一起；辅棱镜30A与主棱镜10A的相邻表面301A，102A同样具有一致的自由曲面面型，并以预定间隔实现可拆卸的装配。
由于光学表面202A已经形成为球面或者非球面，对于本变形例的自由曲面棱镜组1A而言，为适应不同视度用户的需求，优选的，不限定辅棱镜30A的第二光学表面302A的面型，从而便于在确定用户视度需求后，对第二光学表面302A进行进一步的加工，从而实现客制化的辅棱镜30A，以作为满足用户视度需求的自由曲面棱镜组1A；对于视度正常的用户，第二光学表面302A与光学表面202A具有一致的面型，对于具有确定视度的用户，通过第二光学表面302A的面型与光学表面202A的面型差异实现上述确定的视度，以使整个自由曲面棱镜组1A符合上述确定的视度。由于辅棱镜30A的可拆卸性，当用户视度改变或者辅棱镜30A出现使用不当的表面磨损时，更换辅棱镜30A即可，降低了自由曲面棱镜组1A适配不同视度用户的成本和便捷性，延长了使用寿命。
与第一实施例类似的，根据本发明变形例的各自由曲面表面也可以通过XY多项式曲面(XY polynomial，简称XYP)来表述，如表3所示出的(以适应视度正常的用户为例)，其中，第二辅助棱镜30A与主棱镜10A之间具有0.4mm的空气间隔。自由曲面棱镜组具有不超过15mm的厚度(沿环境光入射的光轴计算，从第一辅棱镜的最外侧表面到第二辅棱镜的最内侧表面)，视场角FOV达到50度以上。相应的，对于微型显示器件MD提供的图像光，使用本发明变形例的自由曲面棱镜组1在EPD上的图像畸变图参考如图6所示。
与第一实施例类似，变形例中的自由曲面棱镜组也可以实现类似的尺寸拓展，只是在棱镜组的外表面维持为非球面，或者曲率半径大于100mm的球面。
表3
表4
[近眼显示装置]
根据本发明另一方面，第一实施例和变形例中所示的自由曲面棱镜组1/1A均可用作近眼显示装置的光学元件。如图7所示，一种典型的应用方式为用作透视式近眼显示装置，诸如头戴式显示器(HMD)，该HMD可包括本发明第一实施例或者变形例的自由曲面棱镜组1/1A和微型显示器件MD，其中自由曲面棱镜组1/1A放置于用户眼睛的前方，通常，提供一对自由曲面棱镜组，每只眼睛一个。由于自由曲面棱镜组1/1A中分光层的作用，来自现实世界场景120的光(即环境光)，比如光线114，与来自微型显示器件MD的光，如光线116，在用户眼睛处融合，从而使用户看到图像132。在图像132中，可以看到现实场景120的一部分，比如一个小树林，以及来自微型显示器件的用于增强现实的图像104，比如此时并不存在于树林中的飞鸟。在这个面向娱乐的示例中，可以叠加与现实场景不相关的图像，比如以海豚代替飞鸟，从而使用户看到海豚飞跃了树木的奇特图像。在面向广告的示例中，该增强现实的图像可以显现为希望展示给用户的影像，比如在桌面上的一罐汽水，以及，还可以拓展至许多其他的应用。
一般而言，用户希望能够在任何地方佩戴HMD设备，包括在户内和户外。可以得到各种信息片断以确定什么类型的增强现实图像是恰当的以及它应当被提供在整体图像上的什么地方。例如，用户的位置、用户在看的方向、以及地板、墙壁、或许还有家具(当用户在室内时)的位置可用于决定将该增强现实图像放在现实世界场景中的恰当位置的何处。可以通过使用运动跟踪技术和依附于用户头部的惯性测量单元(比如经由增强现实眼镜)的结合来跟踪用户的头部的位置，可以确定用户在看的方向。运动跟踪技术使用深度传感相机来获得用户的3D模型。类似地，可以使用深度传感相机来获得地板、墙壁和用户环境的其他方面的位置。现有技术中的各种相应的传感器和控制器均可构成用于传感本发明上述近眼显示装置所需的得到的各项数据，控制器可以是通用的数据处理和控制器件，比如中央处理器CPU或者其他微处理器等，置于靠近传感器的位置以利于信号传输和处理或者通过线缆连接在略远离自由曲面棱镜组和各传感器的位置。
本质上，由于微型显示器件MD只能对透过自由曲面棱镜组1/1A的环境光进行增加，而不能除去光，受微型显示器件MD的亮度和显示原理等影响，这意味着不能显示更深的色彩，特别是，可能难以实现纯黑像素的增强显示图像，当暗色的增强现实图像被希望叠加至环境光时，在人眼处依然可以感觉到环境光透过(translucent)或造成重影(ghosted)感。对于强烈的增强现实或其他混合现实情形，期望具有从视图中除去环境光的能力，从而增强显示的影像可以表示全范围的色彩和亮度，同时使得影像看上去更实在或真实。为了实现这个目标，HMD可进一步包括有不透明度滤光器，作为一种现有技术中简单的方式，整体上减少环境光的进入可以在强光环境下提高图像的对比度。例如使用在普通镜片上成熟使用的光致变色的膜层来削减过于强烈的环境光，同时也具有保护视力的作用。但是整体的去除是不够精确的，难以适应更为广泛的应用，选择性的去除环境光的能力是需要的。
由于本发明的自由曲面棱镜组1/1A在靠近环境一侧的表面202/202A具有平面或者大致平面的面型外观，使添加不透明度滤光器成为可能，不透明度滤光器50附接在表面202/202A上，可以是透视的LCD面板、电致变色膜(electrochromic film)或能够充当不透明度滤光器的其他设备。通过从传统LCD中除去基板、背光和漫射器的各层，可以得到这种透视LCD面板。LCD面板可包括一个或更多个透光LCD芯片，透光LCD芯片允许光受控的穿过液晶。例如，在LCD投影仪中使用了这种芯片。上述各种不透明度滤光器均可包括致密的像素网格，其中每个像素的透光率能够在最小和最大透光率之间被单独控制。尽管0-100％的透光率受控范围是理想的，然而有限的范围也是可以接受的。作为示例，具有不超过两个偏振滤光器的单色LCD面板足以提供每像素约50％-80％或90％的不透光度范围，最高分辨率与该LCD的分辨率相当。在50％的最小值处，不透明度滤光器可能将具有稍带色彩的外观，这是可以容忍的。100％的透光率代表理想的状态。在实际控制中，可以从0-100％中限定一个“alpha”尺度，其中0％是最低透光率(最不透明)而100％是最高透光率(最透明)。通过不透明度滤光器控制电路可以针对每个像素设定该值“alpha”。
当为增强现实显示而渲染场景时，需要注意哪些现实世界物体在哪些增强现实物体前面。如果增强现实物体在现实世界物体前面，那么对于该增强现实物体的覆盖区域不透明应当是开启的，即遮挡现实世界的物体从而使增强显示的物体无杂光的呈现在用户面前。如果增强现实物体(虚拟地)在现实世界物体后面，那么不透明应当是关闭的，那个像素的任何色彩也应当是关闭的，以使现实世界的物体光线正常进入。由于覆盖可以实现以每个像素为基础，因此，可处理增强现实物体的一部分在现实世界物体之前、增强现实物体的一部分在现实世界物体后面以及增强现实物体的一部分与现实世界物体相重合的情况。为了使得该增强现实图像看上去更稳定，该不透明度滤光器的不透光度增加的像素和该增强现实图像的对准或对齐被保持。像素的对准性例如，不透明度滤光器的像素与微型显示器件MD的像素分布匹配，具体的，可以实现为不透明度滤光器贴合在表面上时，每个像素具有与微型显示器件MD的图像在等效位置上一致的大小，以及，不透明度滤光器与微型显示器件MD被同步的驱动。
不透明度滤光器的滤光度还可以接受暴露于近眼显示装置外壳的环境光传感器的反馈性控制，当环境光传感器过强时，对于即使根据微型显示器件MD上的当前增强现实图像无需减弱的相应像素透光度值，也可以设置减小。不透明度滤光器控制电路可以例如是近眼显示装置的CPU或者其他微处理器，也可以是额外的控制电路，并与近眼显示装置的主CPU实现通信。
进一步的，不透明度滤光器的滤光度还可以接受其他传感器的反馈性控制，例如，眼动追踪传感器，置于近眼显示装置外壳内的跟踪相机可用作眼动追踪传感器，并且追踪相机的位置可用于标识用户的眼睛相对于安装HMD设备的框架的位置。一般而言，眼睛跟踪涉及获得眼睛的图像以及使用计算机视觉技术来确定瞳孔在眼眶内的位置。其他眼睛跟踪技术可以使用光电检测器和LED的阵列。使用跟踪相机在框架上的已知安装位置，可以确定眼睛相对于相对框架固定的任何其他位置(比如不透光滤光器和自由曲面棱镜组)的位置。通常，跟踪用户双眼之一的位置就足够了，因为双眼一致地移动。然而，分开跟踪每个眼睛并且针对相关联的透视透镜使用每个眼睛的位置来确定该增强现实图像的位置也是可能的。
增强显示图像控制器同样可以使用环境光传感器的反馈性信息和眼动追踪传感器的反馈性信息，并用于对增强显示图像的控制，例如，驱动微型显示器件MD的亮度根据上述反馈性信息进行调整。
在没有增强现实图像的情况下，该不透明度滤光器被设置于透明状态，以提供环境光透射的显示。并且当该不透明度滤光器也可以与微型显示器件MD不同步的驱动，例如，被设置程全部阻挡光进入自由曲面棱镜组1/1A时，只利用微型显示器件MD的图像光，本发明的近眼显示装置实现了非透射式的HMD，即虚拟显示用HMD。
根据本发明的自由曲面棱镜组和使用其的近眼显示装置，完成主棱镜的有效光学表面设计后无需再对补偿棱镜进行单独设计，对减轻面型设计难度，由于自由曲面棱镜组整体对外侧的两表面均保持平面或者近似于平面的面型，在施加保护和附接外部器件时可以具有良好的拓展性，并不增加自由曲面棱镜组的整体厚度，利于整体棱镜组的安全性和耐用性。在近眼显示装置中的不透明度滤光器能够实现像素级的滤光控制，可以有效减少了环境光对增强显示图像的影响，使图像融合更加准确和真实。
前面的对本技术的详细描述只是为了说明和描述。它不是为了详尽的解释或将本技术限制在所公开的准确的形式。鉴于上述教导，许多修改和变型都是可能的。所描述的实施例只是为了最好地说明本技术的原理以及其实际应用，从而使精通本技术的其他人在各种实施例中最佳地利用本技术，适合于特定用途的各种修改也是可以的。本技术的范围由所附的权利要求进行定义。
Claims (10)
1.一种用于增强现实近眼显示的自由曲面棱镜组，包括主棱镜(10)，第一辅棱镜(20),第二辅棱镜(30)；其中，
所述主棱镜包括三个有效光学面，主棱镜以其第一光学面(101)为入射面接受来自微型显示器件的图像光透射进入主棱镜内，向其第二光学面(102)为出射面的方向传播，传播过程中至少一次经过其第三光学面(103)而被反射回主棱镜内，所述第一光学面与第三光学面为自由曲面的面型；
所述第一辅棱镜与主棱镜相邻设置且被配置为发自微型显示器件的图像光进入其中不被用于成像；
所述第二辅棱镜与所述主棱镜相邻设置且有预定间隙，主棱镜与第二辅棱镜的相邻表面具有一致的自由曲面面型且满足使第一次到达其的来自微型显示器件的图像光可实现全内反射，该第二辅棱镜在垂直于光轴方向上延伸覆盖从所述主棱镜出射而进入第二辅棱镜的光线的有效通光孔径范围以内；
所述主棱镜包括拓展的边缘区域，所述拓展的边缘区域的面型具有非自由曲面的面型，并且从自由曲面的面型到非自由曲面的面型之间通过平滑过渡实现。
2.一种如权利要求1所述的自由曲面棱镜组，其特征在于，
所述棱镜组朝向环境一侧的表面和朝向出瞳一侧的表面形成为球面或非球面的面型，所述朝向环境一侧的表面和所述朝向出瞳一侧的表面以面型差异形成对使用者具有预定的视度。
3.一种如权利要求1所述的自由曲面棱镜组，其特征在于，所述第一辅棱镜与主棱镜的相邻表面通过胶合实现固定。
4.一种如权利要求1所述的自由曲面棱镜组，其特征在于，所述具有预定的间隙值不超过1mm。
5.一种如权利要求2所述的自由曲面棱镜组，其特征在于，所述朝向环境一侧的表面和所述朝向出瞳一侧的表面上均镀有硬化膜和增透膜。
6.一种如权利要求1所述的自由曲面棱镜组，其特征在于，所述主棱镜的第二光学面的面型是自由曲面。
7.一种如权利要求1所述的自由曲面棱镜组，其特征在于，所述主棱镜的第三光学面上具有预定透反比的分光层，所述边缘区域为超出具有分光层的自由曲面面型的区域，所述边缘区域相对于经过视轴的竖直平面对称设置。
8.一种如权利要求1所述的自由曲面棱镜组，其特征在于，所述第一辅棱镜和第二辅棱镜的不与所述主棱镜相邻的表面(202，302)在沿光轴的方向上不超出主棱镜的外缘，从而使整个自由曲面棱镜组在光轴方向上的最大厚度由主棱镜在此方向上的最大外缘厚度决定，该最大厚度不超过15mm，且使得所述自由曲面棱镜组对微型显示器件显示的图像进行放大可实现超过50度的视场角。
9.一种使用如权利要求1-8任一自由曲面棱镜组的近眼显示装置，进一步包括微型显示器件，微型显示器件置于主棱镜的第一光学面上方，微型显示器件发出的图像光经由主棱镜的第一光学面入射进入主棱镜。
10.如权利要求9所述的近眼显示装置，其特征在于，进一步包括控制器和不透明度滤光器，所述不透明度滤光器附接于所述自由曲面棱镜组的所述第一辅棱镜与主棱镜不相邻的相对表面(202)，所述不透明度滤光器连接至控制器，与所述微型显示器件实现同步的控制。
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