CN117769672A - 具有无热化特性和像差校正特性的光学部件 - Google Patents

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CN117769672A CN202280050955.0A CN202280050955A CN117769672A CN 117769672 A CN117769672 A CN 117769672A CN 202280050955 A CN202280050955 A CN 202280050955A CN 117769672 A CN117769672 A CN 117769672A
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Abstract

根据示例，描述了一种用于设计光学元件来提供被动无热化和像差校正的系统。该系统可以包括处理器和存储器，该存储器存储指令。当执行这些指令时，该处理器可以使该系统基于接收的设计规格来选择将要被包括在该光学部件中的一个或多个光学元件，基于所选择的一个或多个光学元件来选择一个或多个光学元件配置，以及实施优化函数，以优化所选择的一个或多个光学元件配置。当执行这些指令时，该处理器然后可以确定该一个或多个光学元件配置是否满足一个或多个初始规格，能够对该一个或多个光学元件配置进行一种或多种调节，以及确定光学元件配置是否满足一个或多个附加规格。

Description

具有无热化特性和像差校正特性的光学部件
技术领域
本专利申请总体上涉及光学器件和光学部件，更具体地，本专利申请涉及用于设计光学部件的系统和方法，这些光学部件包括可以在整个视场(Field of View，FOV)上提供被动无热化和像差校正的多元件光学部件。
背景技术
增强现实(Augmented Reality，AR)设备、虚拟现实(Virtual Reality，VR)设备和混合现实(Mixed Reality，MR)设备的激增，对精细光学部件的需求不断增长。然而，可能会出现各种问题，这些问题可能会影响这些光学部件的性能。例如，热量波动或温度波动可能产生例如光学散焦的问题。光学散焦可能是由于环境温度的变化或其它与温度有关的原因造成的光学部件的位置偏移。这种位置变化可能影响光学部件的精度或可靠性。
通常遇到的另一个问题是消色差。消色差可以包括与光学部件相关联的色差可能影响图像质量的情况。在一些情况下，这些问题可能使图像变得模糊或失真。对于包括这种光学部件的光学设备的用户来说，这可能导致观看疲劳、头晕或其它不利情况。
根据本发明的一方面，提供了一种装置，该装置包括多个光学元件，该多个光学元件包括：第一光学元件，该第一光学元件具有至少一个凹面；第二光学元件，该第二光学元件具有至少一个凸面，其中，该第一光学元件比该第二光学元件更宽；第三光学元件，该第三光学元件具有至少一个凹面，其中，该第二光学元件比该第三光学元件更宽；第四光学元件，该第四光学元件具有至少一个凸面，其中，该第三光学元件比该第四光学元件更宽；第五光学元件，该第五光学元件具有至少一个凹面，其中，该第四光学元件比该第五光学元件更宽；以及第六光学元件，该第六光学元件具有至少一个基本方形的形状，其中，该第五光学元件比该第六光学元件更宽。
可选地，该多个光学元件的总长度近似为4.0毫米(mm)，该多个光学元件的总宽度近似为2.0毫米(mm)。
可选地，该多个光学元件中的每个元件之间的距离近似为0.2毫米至0.3毫米(mm)。
可选地，其中，第一光学元件由OKP-A1制成，第二光学元件由OKP4制成，第三光学元件由APF5514制成，第四光学元件由E48R制成，第五光学元件由EP7000制成，以及第六光学元件由EP8000制成。
可选地，第一光学元件由PMMA制成，第二光学元件由OKP4制成，第三光学元件由APF5514制成，第四光学元件由E48R制成，第五光学元件由EP7000制成，以及第六光学元件由EP8000制成。
根据本发明的另一方面，提供了一种用于设计光学部件来提供被动无热化和像差校正的方法，该方法包括：接收光学部件的一个或多个设计规格；基于该一个或多个设计规格，选择将要被包括在该光学部件中的一个或多个光学元件；使用该一个或多个光学元件生成一个或多个光学元件配置；以及实施优化函数，以优化该一个或多个光学元件配置。
可选地，该优化函数关于该光学部件的有效焦距(EFFL)来实施。
可选地，该优化函数被实施为计算该一个或多个光学元件中的每个光学元件的光焦度边缘光线高度hki和热折射能力γi，以满足多个光学区域中的每个光学区域的无热化要求。可选地，该多个光学区域中的区域k的无热化要求为：/>
可选地，该方法还包括：确定该一个或多个光学元件配置是否满足一个或多个初始规格；基于该一个或多个初始规格，能够对该一个或多个光学元件配置进行一种或多种调节；以及确定该一个或多个光学元件配置是否满足一个或多个附加规格。
可选地，该一个或多个初始规格包括与无热化和消色差相关联的规格。
可选地，选择该一个或多个光学元件配置包括关于多个温度设置来测试该一个或多个光学元件。
可选地，该多个温度设置包括0华氏度(0°F)、35华氏度(35°F)和65华氏度(65°F)。
可选地，该一个或多个光学元件中的第一光学元件是塑料的，该一个或多个光学元件中的第二光学元件是玻璃的。
根据本发明的又一方面，提供了一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质上存储有可执行指令，该可执行指令在被执行时指示处理器：接收光学部件的一个或多个设计规格；基于该一个或多个设计规格，选择将要包括在该光学部件中的一个或多个光学元件；使用该一个或多个光学元件生成一个或多个光学元件配置；实施优化函数，以优化该一个或多个光学元件配置；确定该一个或多个光学元件配置是否满足一个或多个初始规格；以及基于该一个或多个初始规格，能够对该一个或多个光学元件配置进行一种或多种调节。
可选地，该设计规格包括F#、数值孔径(NA)、工作光谱和轴上场中的一者或多者。
可选地，为了生成该一个或多个光学元件，所述可执行指令在被执行时进一步指示该处理器为该一个或多个光学元件中的每个光学元件选择材料。
可选地，一个或多个光学元件是基于无热化要求选择的。
可选地，为了选择该一个或多个光学元件配置，所述可执行指令在被执行时进一步指示该处理器关于多个温度设置来测试该一个或多个光学元件。
可选地，该优化函数包括为该一个或多个光学元件中的每个光学元件选择焦距半径。
附图说明
本公开的特征以示例的方式示出，并且不局限于以下附图，在附图中相同的附图标记指代相同的元件。本领域技术人员将容易地从下文认识到的是，在不脱离本文描述的原理的情况下，可以采用附图中示出的结构和方法的替代示例。
图1示出了根据示例的单透镜(singlet lens)的框图。
图2示出了根据示例的单透镜可以使用的规格的表格。
图3A示出了根据示例的筒体嵌套式透镜配置的框图。
图3B示出了根据示例的筒体嵌套式透镜配置的框图。
图4示出了双透镜的框图。
图5示出了根据示例的塑料双透镜(doublet)的焦移结果与塑料单透镜(singlet)的焦移结果的关系图。
图6A示出了根据示例的系统环境的框图，该系统环境包括可以被实施为设计光学部的系统，这些光学部件包括可以在整个视场(FOV)上提供被动无热化和像差校正的多元件光学部件。
图6B示出了根据示例的可以被实施为设计光学部件的系统的框图，这些光学部件包括可以在整个视场(FOV)上提供被动无热化和像差校正的多元件光学部件。
图7示出了根据示例的包括可以用于制造多元件光学部件的各种材料的表格。
图8示出了根据示例的包括可以用于制造多元件光学部件的各种材料的规格的表格。
图9A示出了根据示例的多元件光学部件在0度(0°)时的焦移与光学传递函数的关系图。
图9B示出了根据示例的多元件光学部件在35度(35°)时的焦移与光学传递函数的关系图。
图9C示出了根据示例的多元件光学部件在65度(65°)时的焦移与光学传递函数的关系图。
图10示出了根据示例的可以用于实施无热化要求的多个区域的示意图。
图11示出了根据示例的可以被包括在光学元件配置中的光学元件的布置的框图。
图12示出了根据示例的设计光学部件的方法，这些光学部件包括在整个视场(FOV)上提供可以被动无热化和像差校正的多元件光学部件。
具体实施方式
出于简化和说明性目的，通过主要参考本申请的示例来描述本申请。在以下描述中，阐述了许多具体细节，以提供对本申请的透彻理解。然而，将显而易见的是，本申请可以在不限于这些具体细节的情况下实践。在其它情况下，未对本领域普通技术人员容易理解的一些方法和结构进行详细描述，以免不必要地模糊本申请。如本文所使用的，术语“一”和“一个”旨在表示特定要素中的至少一个要素，术语“包括”意味着包括但不限于，术语“包含”意味着包括但不限于，以及术语“基于”意味着至少部分地基于。
如上所述，温度波动和消色差可能对光学部件造成不利影响。由热量或消色差引起的光学偏移和像差可以通过设计更耐温度变化的光学部件来减轻，这可以被称为“无热化”。应当理解的是，无热化可以是“主动的”或“被动的”。
可以通过物理方式来提供主动无热化，该物理方式可以被设计为抵消温度升高的影响。例如，可以使用物理设备或部件来调节第一光学元件(例如，传感器)和/或第二光学元件(例如，透镜)，以主动抵消温度升高的影响。一个这样的示例可以是音圈磁力马达(voice coil magnetism motor，VCM)，另一个示例可以是压电马达(piezoelectricmotor，PZT)。
然而，应当理解的是，这种主动无热化技术可能会呈现其自身的问题。在一些情况下，物理部件可以是增大光学设备的重量或尺寸的附加部件，这转而可能增大光学设备的笨重性、降低用户(其可能正佩戴具有这些部件的头戴式设备(headset))的舒适性或者使光学设备完全不可用。在其它情况下，该物理部件可能干扰其它部件的运行，并且可能限制、阻碍或降低性能。
可以通过将光学部件设计成固有地和/或自动地调节(即，抵消)温度升高的影响来提供被动无热化。例如，光学部件可以被设计为具有可以有助于实现一定程度的无热化的形状和/或使用可以有助于实现一定程度的无热化的材料制造。在另一个示例中，可以将光学部件设计为使得第一光学部件上的温度升高的影响可以调节/抵消第二光学部件上的温度升高的影响。
通常，光学部件可以由各种材料制成。应当理解的是，在设计过程期间对材料的选择可能显著地影响光学部件的性能。一种这样的材料可以是塑料，塑料由于在制造(即，模制)期间的成本效益而可能是可取的。然而，塑料也可能具有其它特性，这些特性可能不适合于抵消温度升高的影响。例如，塑料的折射率相对于一个或多个环境温度的变化可能具有很大的变化。在某些示例中，折射率(refractive index)(也称为折光率(refractionindex)或折光指数(index of refraction))可以指示光穿过材料可以有多快。可以将折射率关于温度变化的变化表示为“dnT/dT”。此外，塑料通常可能具有较大的热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion，CTE)。在一些示例中，热膨胀系数(CTE)可以指示对象的尺寸可以随温度变化如何变化。出于这些原因，在一些示例中，塑料可能比其它材料对温度更敏感。
用于制造光学部件的另一种这样的材料可以是玻璃。玻璃通常可以表现出关于温度变化的较低的折射率变化(dnT/dT)和较低的热膨胀系数(CTE)。然而，在光学部件的设计中使用玻璃的缺点可能在于玻璃可能比例如塑料重。这可能意味着在光学器件中添加玻璃可能会使用户在使用期间更加不舒服。此外，使用玻璃的另一个缺点可能在于可能难以进行操纵(即，模制)。这可能限制玻璃在某些精确的情况下的适用性，在这些精确的情况下，光学部件可能需要特定形状或轮廓。
因此，应当理解的是，与光学部件相关联的材料选择和设计可能是复杂且相互关联的过程。以下将进一步论述光学部件的设计和制造的各方面。
提供了用于提供这样的光学部件的系统和方法：所述光学部件可以在整个视场(FOV)上提供被动无热化特性和像差校正特性。在一些示例中，光学部件可以由多个元件组成，每个元件具有其自己的物理特性。此外，在一些示例中，光学部件可以由各种材料组成，可以选择这些材料来被动地提供无热化特性和像差校正特性。
在一些示例中，并且如下面进一步论述的，为了选择和/或设计用于光学部件的多个光学元件，所描述的系统和方法可以将对象空间划分为多个子区域。此外，在一些示例中，系统和方法可以能够生成优化操作数，该优化操作数可以选择和/或设计多个光学元件中的一个或多个光学元件，以满足无热化和像差校正特性和/或需求。此外，在一些示例中，系统和方法可以通过基于光焦度特性选择多个光学元件并且优化多个子区域(例如，区域1、区域2、……区域n)中的每个子区域，以提供改进的无热化和像差校正设计。
在一些示例中，为了设计如所描述的具有多个元件的光学部件，可以根据各种标准来分析和选择多个元件中的每个元件。在一些示例中，标准可以与聚焦能力φ、无热化和/或消色差有关。在一些示例中，可以选择多个元件中的每个元件，以满足以下无热化特性：
在一些示例中，可以是区域处所需的整个透镜组光焦度，L可以是筒体长度，α可以是筒体热膨胀系数(CTE)，hk1可以是光学部件的多个元件中的第一元件在区域k处的边缘光线高度。在一些示例中，可以在对象空间的每个子区域处实施和满足上述无热化特性。
焦移
在一些情况下，当光学部件的环境温度可能随着一个或多个温度的范围变化时，光学部件中可能发生焦移(或“焦距偏移”)。特别地，在一些示例中，当与光学部件相关联的特定几何尺寸(例如，半径、厚度等)可能变化时，可能发生焦移。
在一些示例中，透镜关于温度T变化的焦距偏移(也称为“散焦”)Δf可以计算如下：
在一些示例中，f0可以是透镜的标称焦距，αlens可以是透镜的热膨胀系数(CTE)。在这些示例中，dnT/dT可以是折射率关于温度T的变化的变化(即，导数)，n0可以是透镜材料在标称温度下的折射率，ΔT可以是(环境)温度的变化。
此外，在这些示例中，透镜的热折射系数γ可以计算如下：
因此，与焦距关于温度的焦距偏移Δf(T)相关联的上式可以被重写如下：
Δf(T)＝f0*(1+γ*ΔT)。
在一些示例中，透镜筒体可以用来保持和/或支撑透镜。在这些情况下，透镜筒体的长度L(T)随温度的变化可以计算如下：
L(T)＝L0*(1+αbarrel*ΔT)。
在一些示例中，L0可以是在特定温度(例如，20度)下的标称筒体长度，并且αbarrel可以是筒体材料的热膨胀系数(CTE)。
此外，在一些示例中，关于温度的焦距偏移Δf(T)可以等于焦距与透镜筒体的长度的差，并且可以计算如下：
应当理解的是，在标称筒体长度L0可以接近或等于标称焦距f0的情况下，可以最小化散焦Δf(T)。在这些情况下，散焦Δf(T)公式可以被进一步简化(即，近似)如下：
此外，如果透镜筒体可以具有与透镜相同或相似的热膨胀系数(CTE)，则可以再次简化散焦Δf(T)的计算。在一些情况下，透镜的标称焦距可以在标称温度下近似等于透镜筒体长度。在这些情况下，“远摄比”(即，在标称温度下透镜的标称焦距和透镜筒体长度的比值)可以近似等于1。在远摄比可以近似等于1的情况下，可以将散焦Δf(T)简化如下：
根据上式，应当理解的是，散焦Δf(T)可以与透镜的标称焦距f0和折射率关于温度T的导数dnT/dT成正比。此外，还应当理解的是，Δf(T)可以与透镜材料在标称温度下的折射率n0成反比。因此，可以得出：为了设计对温度敏感度最小的透镜，可能期望使用具有小(更小)的焦距f0的透镜，该小(更小)的焦距的透镜由关于温度T的折射率的导数dnT/dT小(更小)且折射率n0大(更大)的材料制成。
塑料单透镜中的焦移特性
在一些示例中，可以分析简单的透镜或“单透镜”，以确定光学特性。图1示出了单透镜100的框图。图2示出了单透镜100可以使用的规格的表格。这些规格可以包括波长、焦距、F#(下面进一步描述)、透镜格式、透镜材料和透镜筒体材料。在一些示例中，单透镜100可以包括透镜筒体105。
因此，在这些示例中，可以观察到，随着温度从-25℃变化到85℃，如果透镜筒体材料的热膨胀系数(CTE)可以是285×10e-6(m/mK-1)，则单透镜100可以具有非常小的焦移(<1.0μm)。此外，在一些示例中，还可以观察到，当温度可以保持在(标称)20℃以上时，单透镜100的焦移可能超过透镜筒体105的膨胀。此外，在一些示例中，当温度可以降到(标称)20℃以下时，单透镜100的焦移可以(相反地)保持为比透镜筒体105的焦移更短。因此，在一些示例中，焦移Δf(T)作为温度T的函数可以计算如下：
应当理解的是，在这些示例中，单透镜100的焦移Δf(T)可以与折射率关于温度T的导数dnT/dT有关。
在玻璃(例如，BK7)的情况下，应当理解的是，在一些示例中，玻璃单透镜的焦移可以比塑料单透镜的焦移小得多。在这些示例中，这可能是因为玻璃单透镜的热膨胀系数(CTE)可以比透镜筒体材料的热膨胀系数更小，并且玻璃单透镜的折射率关于温度T的导数dnT/dT可以是小的(并且正的)。因此，在一些示例中，玻璃单透镜的焦移可以计算如下：
此外，在一些示例中，由于当温度可以升高时，玻璃单透镜的折射率关于温度T的导数dnT/dT可以为正，因此玻璃单透镜的焦移Δf(T)可以减小。在一些示例中，这可以意味着由热膨胀系数(CTE)造成的焦距偏移和由折射率关于温度T的导数dnT/dT造成的焦移可能是相反的，因此可以相互抵消。至少出于这个原因，玻璃单透镜中的焦移可以通常小于塑料单透镜中的焦移。
塑料透镜的无热化特性
可以利用塑料的各种性能来实现塑料透镜的无热化。例如，至少出于以上论述的原因，塑料透镜中的无热化可能需要比玻璃透镜的筒体更大(通常要大得多)的筒体。事实上，在一些示例中，可以观察到：用于透镜的塑料材料可能需要高于285×10-6/T-1的热膨胀系数(CTE)。也就是说，在一些情况下，塑料单透镜可能需要透镜筒体的热膨胀系数(CTE)大(更大)，以实现无热化。然而，不幸的是，在一些情况下，可能难以固定可能具有如此大的热膨胀系数(CTE)的塑料。
在一些示例中，用于补偿塑料透镜产生的大的焦移的一种方法可能是增大筒体长度。此外，在一些示例中，为了补偿由使用塑料透镜提供的大的焦移，可以使用具有不同热膨胀系数(CTE)的第二筒体。这些配置也可以被称为“筒体嵌套式”配置或“多筒式”配置。图3A中示出了筒体嵌套式配置305的第一示例，图3B中示出了第二筒体嵌套式配置310。在一些情况下，这种筒体嵌套式配置可以通过将图像传感器保持在正确的焦平面上的位置来补偿焦移。
在一些示例中，为了实现无热化，可以提供以下设计注意事项。首先，第一筒体可能需要更大的热膨胀系数(CTE)，第二筒体可能需要更小的热膨胀系数(CTE)。接下来，在第二筒体的热膨胀系数(CTE)可以为零的情况下，第一筒体的长度可能需要比由使用具有高热膨胀系数(CTE)的单个筒体所提供的焦距更长(例如，近似4至5倍的长度)。此外，在第二筒体可能呈现负膨胀(即，筒体可能随着温度可能的升高而收缩)的示例中，可以使第一筒体的长度更短。此外，如果远摄比可以小于1，则透镜筒体可能需要大的热膨胀系数(CTE)(例如，>285×10e-06)，并且可能不需要第二筒体。
玻璃透镜的无热化特性
在一些示例中，玻璃透镜也可以被配置用于无热化。与上述塑料单透镜的示例类似，玻璃透镜可以使用筒体嵌套式配置。此外，在一些示例中，筒体嵌套式配置的内筒体的材料可以选择具有小(更小)的热膨胀系数(CTE)。在这些示例中，筒体嵌套式配置的外筒体也可以选择具有小(更小)的热膨胀系数(CTE)材料。在其它示例中，筒体嵌套式配置的内筒体的材料可以选择具有大(更大)的热膨胀系数(CTE)。在这些示例中，筒体嵌套式配置的外筒体也可以选择具有大(更大)的热膨胀系数(CTE)材料。在一些示例中，这可能是因为如以上所论述的，玻璃的关于温度变化的焦移变化可以小(更小)。还应当理解的是，由于玻璃透镜可能对温度变化不敏感，所以可能更容易实现小于一的远摄比。此外，在一些示例中，由于玻璃通常可以具有小(更小)的热膨胀系数(CTE)以及折射率关于温度T的导数dnT/dT，所以玻璃单透镜的无热化可能更容易。实际上，在一些情况下，折射率关于温度T的导数dnT/dT的比值甚至可以是正的。
多元件部件的设计注意事项
如以下进一步论述的，具有多个元件(即，“多元件”)的光学部件的设计注意事项可以包括聚焦能力φ、无热化和消色差。在一些示例中，多元件光学部件(例如，多元件透镜)的聚焦能力可以计算如下：
以及
此外，多元件光学部件中的焦移与温度变化的比值可以计算如下：
在一些示例中，αh可以是透镜筒体的热膨胀系数(CTE)，L0可以是筒体长度，Vi可以是所选择的材料的阿贝数。此外，在一些示例中，阿贝数可以表示光学材料的色散，其中，高(更高)的阿贝数值可以表示更低的色散。
在一些示例中，双透镜可以提供更大的热稳定性。例如，如下面进一步论述的，在一些示例中，可以设计塑料和玻璃(即，混合材料)双透镜，以实现无热化。
与“附接的”多元件部件相关联的设计注意事项
在一些示例中，多元件部件可以是“附接的”，因为多个元件中的两个或多个元件可以物理地彼此附接。附接的多元件部件的一个示例可以是双透镜。在一些示例中，双透镜可以是由两个简单透镜配对在一起的一种透镜。
图4提供了双透镜400的图示。在双透镜配置中，可以计算聚焦能力、消色差和无热化的设计要求。在一些示例中，双透镜中的聚焦能力和焦移可以计算如下：
以及
此外，多元件光学部件中的焦移与温度变化的比值可以计算如下：
图5示出了塑料双透镜的焦移结果500与塑料单透镜的焦移结果的对比。在这种情况下，塑料双透镜和塑料单透镜二者都具有如图2所示的规格。
在一些示例中，可以观察到，与具有类似特性的塑料单透镜的焦移相比，塑料双透镜的焦移在-25℃时可以更小(例如，4微米(4μm)、更小)，并且在85℃时更小(例如，5.0微米(5μm)、更小)。在一些情况下，这可能是因为随着温度可能升高，第一元件的焦距减小可以抵消第二元件的焦距增大。因此，在一些示例中，塑料双透镜的“总”偏移可以小于塑料单透镜的偏移。
然而，应当理解的是，由于塑料双透镜的材料的热特性可能是类似的，因此无热化特性可能仍然无法令人满意。事实上，在某些情况下，塑料双透镜可能不符合无热化设计要求，因为可以使用的塑料材料的选择可能是有限的，并且这些塑料材料的热特性可能过于类似。另一方面，如下面进一步论述的，还可以观察到，一个或多个塑料元件和一个或多个玻璃元件组合的双透镜可以满足特定温度范围内的无热化要求。
与“单独的”多元件光学部件相关联的设计注意事项
在一些示例中，对于单独的多元件光学部件，初始设计要求可以计算如下：
在一些示例中，包括在单独的多元件光学部件中的每个元件的有效焦度可以计算如下：
此外，在一些示例中，包括在单独的多元件光学部件中的每个元件的阿贝数和热膨胀系数(CTE)可以计算如下：
以及
此外，对于单独的多元件光学部件，为了满足聚焦能力φ、无热化和消色差的要求，可以提供设计要求如下：
以及
现在参考图6A至图6B。图6A示出了系统环境的框图，该系统环境包括可以被实施为设计光学部件的系统，这些光学部件包括可以在整个视场(FOV)上提供被动无热化和像差校正的多元件光学部件。图6B示出了可以被实施为设计光学部件的系统的框图，这些光学部件包括可以在整个视场(FOV)上提供被动无热化和像差校正的多元件光学部件。
如将在以下示例中描述的，图6A至图6B中示出的系统600、外部系统610和系统环境6000中的一者或多者可以由服务提供商操作，以制造和/或实施光学设备。应当理解的是，可以提供图6A至图6B中描绘的系统600、外部系统610和系统环境6000中的一者或多者作为示例。
虽然图6A至图6B中所示的服务器、系统、子系统和/或其它计算设备可以被示出为单个部件或元件，但是应当理解的是，本领域普通技术人员将认识到，这些单个部件或元件可以表示多个部件或元件，并且这些部件或元件可以经由一个或多个网络连接。中间件可以包括由一个或多个服务器主控的软件。
在一些示例中，外部系统610可以包括存储将要由系统600和/或系统环境6000中的其它网络元件(未示出)访问的数据的任何数量的服务器、主机、系统和/或数据库。此外，在一些示例中，外部系统610的服务器、主机、系统和/或数据库可以包括存储任何数据的一个或多个存储介质。
系统环境6000还可以包括网络620。在运行中，系统600和外部系统610中的一者或多者可以经由网络620与其它设备中的一者或多者通信。网络620可以是局域网(LocalArea Network，LAN)、广域网(Wide Area Network，WAN)、互联网、蜂窝网络、有线网络、卫星网络或便于通信的其它网络。
应当理解的是，在一些示例中，如下面将要进一步论述的，系统600可以被配置为使用各种技术和机构来设计光学部件，这些光学部件包括在整个视场(FOV)上提供可以被动无热化和像差校正的多元件光学部件。以下将更详细地描述系统600及其在系统环境6000内的运行的细节。
如图6A至图6B所示，系统600可以包括处理器601和存储器602。在一些示例中，处理器601可以被配置为执行存储在存储器602中的机器可读指令。应当理解的是，处理器601可以是基于半导体的微处理器、中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)和/或其它合适的硬件设备。
在一些示例中，存储器602可以具有在其上存储的、处理器601可以执行的机器可读指令(该机器可读指令也可以被称为计算机可读指令)。存储器602可以是包含或存储可执行指令的电、磁、光或其它物理存储设备。存储器602可以是例如随机存取存储器(RandomAccess memory，RAM)、电可擦可编程只读存储器(Electrically Erasable ProgrammableRead-Only Memory，EEPROM)、存储设备、光盘等。
也可以被称为计算机可读存储介质的存储器602可以是非暂态机器可读存储介质，其中，术语“非暂态”不包括暂态传播信号。应当理解的是，可以提供图6A至图6B中描绘的存储器602作为示例。因此，存储器602可以包括或可以不包括附加特征，并且在不脱离本文概述的存储器602的范围的情况下，可以移除和/或修改本文描述的多个特征中的一些特征。应当理解的是，如以下进一步描述的，可以部分地或全部地借助于其它信息和数据执行经由存储器602上的指令执行的程序，或者可以不执行经由存储器上的指令执行的程序。
如本文所使用的，“光学部件”可以包括可以用于操纵(例如，聚焦、色散等)光束的任何器件或部件。在一些示例中，光学部件可以包括一个或多个透镜的布置。在一个示例中，光学部件可以包括在光学设备(例如，虚拟现实(VR)头戴式设备)中并且在该光学设备中使用。
在一些示例中，如以下进一步论述的，光学部件可以包括一个或多个元件。也就是说，如本文所使用的，“元件”或“光学元件”可以包括任何物品，该任何物品可以包括在光学部件中。在一个示例中，光学元件可以由单个透镜元件组成，该单个透镜元件可以是将要包括在透镜部件中的多个透镜元件中的一个透镜元件。
此外，如本文所使用的，“光学元件配置”可以包括一个或多个光学元件的布置或设置。因此，在一个示例中，可以选择或布置多个光学元件(例如，透镜元件)来构成光学部件。如以下进一步论述的，在一些示例中，可以关于一个或多个要求(例如，无热化要求和/或消色差要求)来选择和/或布置光学元件配置。
在一些示例中，存储器602可以存储指令，当这些指令由处理器601执行时，这些指令可以使处理器：接收603光学部件的设计规格；能够604选择和/或生成将要被包括在光学元件配置中的一个或多个光学元件；能够605选择和/或生成一个或多个光学元件配置；实施606优化函数，以优化光学元件配置；确定607光学元件配置是否可以满足一个或多个初始规格；能够608对光学元件配置进行一种或多种调节；以及确定609光学元件配置是否可以满足一个或多个附加规格。
在一些示例中，指令603可以接收光学部件的设计规格。在一些示例中，可以经由指令603接收的光学部件的设计规格可以涉及F#或F/#、数值孔径(Numerical Aperture，NA)、工作光谱和轴上场(on-axis field)。如本文所使用的，F/#可以是透镜焦距与入射时的瞳孔的直径的比。在某些情况下，F/#可以表示透镜的光子收集的效率。同样如本文所使用的，数值孔径(NA)可以指可以由聚焦透镜制成的光锥。在一些情况下，数值孔径(NA)可以指透镜可以接收光的角度范围，因此可以被定义为NA＝nsin(α)，其中，n表示折射率，α表示透镜收集角。换句话说，数值孔径(NA)可以描述透镜的聚光能力，在一些示例中，可以表示透镜可以接收光的角度范围。在一些示例中，工作光谱可以包括工作波长的范围。此外，在一些示例中，轴上场可以指居中的视场。应当理解的是，在一些示例中，设计规格可以包括设计限制。
在一些示例中，指令604可以能够选择和/或生成一个或多个光学元件。在一些示例中，如以下进一步论述的，一个或多个光学元件可以包括在光学元件配置中。特别地，指令604可以能够为将要被包括在光学元件配置中的一个或多个光学元件中的每个光学元件选择材料。图7示出了包括可以用于制造多元件光学部件的各种材料的表格。在一些示例中，指令604可以选择塑料材料(例如，EP5000、EP7000等)或玻璃材料(例如，MP-FCD500-20、L-LAL15等)。在一些示例中，指令604可以基于一个或多个相关联的规格来选择材料。图8示出了包括可以用于制造/选择一个或多个光学元件的各种材料的规格的表格。
在一些示例中，指令604可以关于无热化要求来选择一个或多个光学元件中的每个光学元件。特别地，为了将材料分配给该一个或多个光学元件中的每个光学元件，指令604可以能够选择具有特定热折射系数的材料。在一些示例中，指令604可以能够为正向元件(即，可以生成会聚光的光学元件)选择折射率相对于温度T的小(更小)的绝对导数dnT/dT，并且为负向元件(即，可以生成发散光的光学元件)选择折射率相对于温度T的大(更大)的导数dnT/dT。此外，在一些示例中，对于轴向颜色校正，指令604可以能够为正向元件和负向元件选择大阿贝数的材料。
在一些示例中，指令605可以能够生成一个或多个光学元件配置。在一些示例中，指令605可以使用一个或多个光学元件(例如，如经由指令604选择和/或生成的)来填充一个或多个光学元件配置。此外，在一些示例中，指令605还可以能够关于无热化要求来选择一个或多个光学元件。应当理解的是，在一些示例中，光学元件配置中的一个或多个光学元件中的第一光学元件和第二光学元件可以被布置为附接的(如以上所论述的)，而在其它示例中，光学元件配置中的一个或多个光学元件中的第一光学元件和第二光学元件可以被布置为单独的(如以上所论述的)。
此外，在一些示例中，指令605可以能够关于多个温度设置来测试光学元件配置中的一个或多个光学元件。在一些示例中，该多个温度设置可以反映光学部件在运行期间可能经受的温度范围。在一个示例中，该多个温度设置可以包括0华氏度(0°)、35华氏度(35°)和65华氏度(65°)。图9A示出了多元件光学部件在0度(0°)时的焦移与光学传递函数的关系图。图9B示出了多元件光学部件在35度(35°)时的焦移与光学传递函数的关系图。图9C示出了多元件光学部件在65度(65°)时的焦移与光学传递函数的关系图。
在一些示例中，指令606可以实施优化函数，以优化光学元件配置。如本文所使用的，“优化函数”可以包括可以被实施为选择一个或多个光学元件以被包括在光学元件配置中的任何功能。
因此，在一些示例中，指令606可以实施满足一个或多个无热化要求的优化函数。因此，在一些示例中，优化函数的实施可以包括为每个元件选择焦距半径。此外，在一些示例中，指令606可以实施优化函数，以计算每个元件的光焦度边缘光线高度hki和热折射能力γi，从而满足一个或多个无热化要求。此外，在一些示例中，指令606可以实施关于光学部件的有效焦距(Effective Focal Length，EFFL)的优化函数。应当理解的是，在一些示例中，为了满足一个或多个无热化要求，优化函数可以能够优化光学元件配置中的每个光学元件。在一些示例中，还可以实施优化函数，以要求光学元件配置中的每个光学元件满足消色差要求。在一个示例中，消色差要求可以被计算为：
ΔfFC＝0
在一些示例中，为了实施优化函数，指令606可以能够将对象平面AB划分成n个段，将该n个段称为“光学区域”或“区域”(即，区域1、区域2……区域n)。图10示出了多个区域，这些区域包括区域1、区域2、区域k至区域n，这些区域可以用于(例如，由指令606)实现无热化要求。在图10所示的示例中，AB可以是对象，A'B'可以是图像。
在一些示例中，指令606可以实施优化函数，以计算并且分配每个光学元件的光焦度边缘光线高度hki和热折射能力γi，以满足(给定的)区域k的无热化要求。在一些示例中，无热化要求可以计算为：
在一些示例中，可以是区域k处的所有光学元件的光焦度，L可以是光学元件配置的透镜筒体长度，α可以是筒体热膨胀系数(CTE)，hk1可以是第一元件在区域k处的边缘光线高度。此外，在一些示例中，指令606可以计算透镜的热膨胀系数(CTE)如下：
在一些示例中，n0可以是透镜的折射率，dnT/dT可以是折射率关于温度T的导数。此外，在一些示例中，透镜筒体可以由聚碳酸酯变体制成。
在一些示例中，指令606可以能够对区域1、区域2、区域k……区域n(即，至所有区域结束)关于无热化进行优化。因此，在一些示例中，指令606可以实施优化函数，以计算区域1的无热化特性，随后计算区域2的无热化特性，随后计算区域k的无热化特性，进一步随后计算区域n的无热化。在一些示例中，在满足区域1、区域2、区域k……区域n中的每个区域的一个或多个无热化要求时，指令606可以确定可以满足光学元件配置的无热化要求。
在一些示例中，指令607可以确定光学元件配置是否可以满足(即，符合)一个或多个初始规格。在一些示例中，初始规格可以包括无热化和消色差规格。此外，在一些示例中，如果指令607可以确定光学元件配置可能不满足无热化和消色差规格，则指令607可以返回过程(例如，到指令604)以继续选择和/或生成光学元件。
在一些示例中，指令608可以能够对光学元件配置进行一种或多种调节。在一些示例中，指令608可以能够基于与分辨率、失真和视场(FOV)等相关的要求进行调节。此外，在一些示例中，指令608可以能够对球面像差、彗形像差、散光、场曲、失真、横向和轴向颜色和/或其它类似条件进行校正。
在一些示例中，指令609可以确定光学元件配置是否可以满足一个或多个附加规格。在一些示例中，附加规格可以包括一个或多个设计规格(例如，如经由指令603接收的)。在一些示例中，一个或多个附加规格可以包括调制传递函数(Modulation TransferFunction，MTF)、点列图和失真的生成和/或确定。如本文所使用的，如果对象是光斑，则点列图可以表示由光学系统生成的图像。在一些示例中，一个或多个附加规格的实施和/或满足可能需要多次迭代。在一些示例中，如果指令609可以确定光学元件配置可能不满足附加规格，则指令609可以返回处理(例如，到指令604)以继续选择和/或生成光学元件。另一方面，在一些示例中，如果指令609可以确定光学元件配置可以满足设计规格，则处理可以结束。
图11示出了光学元件配置1100的示例。在一些示例中，光学元件配置1100可以包括第一光学元件1110、第二光学元件1115、第三光学元件1120、第四光学元件1125、第五光学元件1130和第六光学元件1135(统称为“元件”)。在一些示例中，第一光学元件1110可以包括至少一个凹面，第二光学元件1115可以包括至少一个凸面，第三光学元件1120可以包括至少一个凹面，第四光学元件1125可以包括至少一个凸面，第五光学元件1130可以包括至少一个凹面，第六光学元件1135可以基本是方形形状的。在一些示例中，第一光学元件1110可以比第二光学元件1115更宽，第二光学元件1115可以比第三光学元件1120更宽，第三光学元件1120可以比第四光学元件1125更宽，第四光学元件1125可以比第五光学元件1130更宽，第五光学元件1130可以比第六光学元件1135更宽。
在一些示例中，光学元件的(总)长度可以近似为4.0毫米(mm)。此外，在一些示例中，光学元件的(总)宽度可以近似为2.0毫米(mm)。此外，在一些示例中，每个元件之间的距离可以近似为0.2毫米至0.3毫米(mm)。
在一些示例中，第一光学元件1110可以由OKP-A1制成，第二光学元件1115可以由OKP4制成，第三光学元件1120可以由APF5514制成，第四光学元件1125可以由E48R制成，第五光学元件1130可以由EP7000制成，第六光学元件1135可以由EP8000制成。在其它示例中，第一光学元件1110可以由PMMA制成，第二光学元件1115可以由OKP4制成，第三光学元件1120可以由APF5514制成，第四光学元件1125可以由E48R制成，第五光学元件1130可以由EP7000制成，第六光学元件1135可以由EP8000制成。
图12示出了根据示例的设计光学部件的方法，该光学部件包括在整个视场(FOV)上提供可以被动无热化和像差校正的多元件光学部件。方法1200是以示例的方式提供的，但是可以有各种方式来执行本文描述的方法。图12中示出的每个框可以进一步表示一个或多个过程、方法或子例程，并且这些框中的一个或多个框可以包括机器可读指令，这些机器可读指令存储在非暂态计算机可读介质上并且由处理器或其它类型的处理电路执行，以执行本文描述的一个或多个操作。尽管方法1200主要被描述为由如图6A至图6B所示的系统600来执行，但是方法1200可以由其它系统或这些其它系统的组合执行或以其它方式执行。
现在参考图12。在1210处，处理器601可以接收光学部件的设计规格。在一些示例中，设计规格可以涉及F#或F/#、数值孔径(NA)、工作光谱和轴上场。
在1220处，处理器601可以选择和/或生成将要被包括在光学元件配置中的一个或多个光学元件。在一些示例中，处理器601可以关于无热化要求选择一个或多个光学元件中的每个光学元件，和/或生成一个或多个光学元件中的每个光学元件。在一些示例中，处理器601可以选择和/或生成塑料材料(例如，EP5000、EP7000等)或玻璃材料(例如，MP-FCD500-20、L-LAL15等)。
在1230处，处理器601可以选择和/或生成一个或多个光学元件配置。此外，在一些示例中，处理器601可以能够关于多个温度设置来测试光学元件配置中的一个或多个光学元件。在一个示例中，多个温度设置可以包括0华氏度(0°)、35华氏度(35°)和65华氏度(65°)。
在1240处，处理器601可以实施优化函数，以优化光学元件配置。在一些示例中，处理器601可以实施满足一个或多个无热化要求的优化函数。在一些示例中，为了实施优化函数，处理器601可以能够将对象平面AB划分成n个段，将该n个段称为“区域”(即，区域1、区域2……区域n)。
在1250处，处理器601可以确定光学元件配置是否可以满足一个或多个初始规格。在一些示例中，初始规格可以包括无热化和消色差规格。
在1260处，处理器601能够对光学元件配置进行一种或多种调节。在一些示例中，处理器601可以能够进行与分辨率、失真和视场(FOV)相关的调节。
在1270处，处理器601可以确定光学元件配置是否可以满足一个或多个附加规格。在一些示例中，如果处理器601可以确定光学元件配置可能不满足附加规格，则处理器601可以返回处理，以继续选择和/或生成光学元件。另一方面，在一些示例中，如果处理器601可以确定光学元件配置可以满足设计规格，则处理可以结束。
本文已经描述和示出的是本公开的示例以及一些变型。本文中使用的术语、描述和附图仅以说明的方式进行阐述，并不意味着进行限制。在本公开的范围内可能有许多变型，本公开的范围旨在由以下权利要求及其等同物来限定，其中，除非另有说明，否则所有术语都是指它们的最宽泛的合理意义。

Claims (15)

1.一种装置，包括：
多个光学元件，所述多个光学元件包括：
第一光学元件，所述第一光学元件具有至少一个凹面；
第二光学元件，所述第二光学元件具有至少一个凸面，其中，所述第一光学元件比所述第二光学元件更宽；
第三光学元件，所述第三光学元件具有至少一个凹面，其中，所述第二光学元件比所述第三光学元件更宽；
第四光学元件，所述第四光学元件具有至少一个凸面，其中，所述第三光学元件比所述第四光学元件更宽；
第五光学元件，所述第五光学元件具有至少一个凹面，其中，所述第四光学元件比所述第五光学元件更宽；以及
第六光学元件，所述第六光学元件具有至少一个基本方形的形状，其中，所述第五光学元件比所述第六光学元件更宽。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个光学元件的总长度近似为4.0毫米(mm)，所述多个光学元件的总宽度近似为2.0毫米(mm)。
3.根据权利要求1所述的系统，其中，所述多个光学元件中的每个元件之间的距离近似为0.2毫米至0.3毫米(mm)。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一光学元件由OKP-A1制成，所述第二光学元件由OKP4制成，所述第三光学元件由APF5514制成，所述第四光学元件由E48R制成，所述第五光学元件由EP7000制成，以及第六光学元件由EP8000制成。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一光学元件由PMMA制成，所述第二光学元件由OKP4制成，所述第三光学元件由APF5514制成，所述第四光学元件由E48R制成，所述第五光学元件由EP7000制成，以及第六光学元件由EP8000制成。
6.一种用于设计光学部件来提供被动无热化和像差校正的方法，包括：
接收光学部件的一个或多个设计规格；
基于所述一个或多个设计规格，选择将要被包括在所述光学部件中的一个或多个光学元件；
使用所述一个或多个光学元件生成一个或多个光学元件配置；以及
实施优化函数，以优化所述一个或多个光学元件配置。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述优化函数关于所述光学部件的有效焦距(EFFL)来实施。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述优化函数被实施为计算所述一个或多个光学元件中的每个光学元件的光焦度边缘光线高度hki和热折射能力γi，以满足多个光学区域中的每个光学区域的无热化要求。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述多个光学区域中的区域k的无热化要求为：
10.根据权利要求6所述的方法，还包括：
确定所述一个或多个光学元件配置是否满足一个或多个初始规格；
基于所述一个或多个初始规格，能够对所述一个或多个光学元件配置进行一种或多种调节；以及
确定所述一个或多个光学元件配置是否满足一个或多个附加规格。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述一个或多个初始规格包括与无热化和消色差相关联的规格。
12.根据权利要求6所述的方法，其中，选择所述一个或多个光学元件配置包括：关于多个温度设置来测试所述一个或多个光学元件，在这种情况下，可选地，其中，所述多个温度设置包括0华氏度(0°F)、35华氏度(35°F)和65华氏度(65°F)。
13.根据权利要求6所述的方法，其中，所述一个或多个光学元件中的第一光学元件是塑料的，所述一个或多个光学元件中的第二光学元件是玻璃的。
14.一种非暂态计算机可读存储介质，所述非暂态计算机可读存储介质上存储有可执行指令，所述可执行指令在被执行时指示处理器：
接收光学部件的一个或多个设计规格；
基于所述一个或多个设计规格，选择将要被包括在所述光学部件中的一个或多个光学元件；
使用所述一个或多个光学元件生成一个或多个光学元件配置；
实施优化函数，以优化所述一个或多个光学元件配置；
确定所述一个或多个光学元件配置是否满足一个或多个初始规格；以及
基于所述一个或多个初始规格，能够对所述一个或多个光学元件配置进行一种或多种调节。
15.根据权利要求14所述的非暂态计算机可读存储介质，存在以下中任一者：
a)其中，所述设计规格包括F#、数值孔径(NA)、工作光谱和轴上场中的一者或多者；或
b)其中，为了生成所述一个或多个光学元件，所述可执行指令在被执行时进一步指示所述处理器为所述一个或多个光学元件中的每个光学元件选择材料；或
c)其中，一个或多个光学元件是基于无热化要求选择的；或
d)其中，为了选择所述一个或多个光学元件配置，所述可执行指令在被执行时进一步指示所述处理器关于多个温度设置来测试所述一个或多个光学元件；或
e)其中，所述优化函数包括为所述一个或多个光学元件中的每个光学元件选择焦距半径。
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