TW202323863A - 具有減少光學偽影的菲涅爾透鏡 - Google Patents

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高偉川
耿瑩
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Abstract

本發明揭示一種系統，其包括光輸出裝置，該光輸出裝置配置以輸出發散光。該系統亦包括透鏡，該透鏡配置以將自該透鏡之第一側入射於其上之該發散光轉換為實質上覆蓋位於該透鏡之第二側處之光接收區域的準直光，該透鏡包括形成在該透鏡之第一透鏡表面或第二透鏡表面中之至少一者上的複數個菲涅爾結構。各菲涅爾結構包括斜坡小面及拔模小面。所述拔模小面中之至少一者為第一類型之拔模小面，其配置以不與該發散光之不與所述拔模小面中之該至少一者平行之射線交互作用。

Description

具有減少光學偽影的菲涅爾透鏡
本揭示內容大體而言係關於光學透鏡，且更具體而言，係關於具有減少光學偽影（optical artifact）的菲涅爾透鏡。 相關申請案的交叉參考
本申請案主張於2021年11月08日提出申請之美國非臨時專利申請案第17/521446號之權益及優先權，該美國非臨時專利申請案出於所有目的以全文引用的方式併入本文中。
人工實境系統，諸如頭戴式顯示器（HMD）或抬頭顯示器（HUD）系統，通常包括近眼顯示器（「NED」）系統（呈頭戴式耳機或一副眼鏡的形式）且配置以在例如使用者之眼睛前約10至20 mm內經由電子或光學顯示器向使用者呈現內容。NED系統可顯示虛擬物件或將真實物件之影像與虛擬物件組合，如在擴增實境（「AR」）、虛擬實境（「VR」）及/或混合實境（「MR」）應用中。VR、AR、MR頭戴式顯示器在包括工程設計、醫療外科實踐及視訊遊戲的各種領域中具有廣泛應用。舉例而言，使用者在玩視訊遊戲時佩戴與音訊頭戴式耳機整合的VR頭戴式顯示器，以使得使用者可在沉浸式虛擬環境中獲得互動體驗。
與本揭示內容之一態樣一致，提供一種系統。該系統包括一光輸出裝置，其配置以輸出發散光。該系統亦包括一透鏡，該透鏡配置以將自該透鏡之一第一側入射於其上之該發散光轉換為實質上覆蓋位於該透鏡之一第二側處之一光接收區域的一準直光，該透鏡包括形成在該透鏡之一第一透鏡表面或一第二透鏡表面中之至少一者上的複數個菲涅爾結構。各菲涅爾結構包括一斜坡小面及一拔模小面。所述拔模小面中之至少一者為一第一類型之拔模小面，其配置以不與該發散光之不與所述拔模小面中之該至少一者平行之一射線交互作用。
與本揭示內容之另一態樣一致，提供一種系統。該系統包括一光輸出裝置，其配置以輸出發散光。該系統亦包括一透鏡，該透鏡配置以將自該透鏡之一第一側入射於其上之該發散光轉換為實質上覆蓋位於該透鏡之一第二側處之一光接收區域的一準直光，該透鏡包括形成在該透鏡之一第一透鏡表面或一第二透鏡表面中之至少一者上的複數個菲涅爾結構。各菲涅爾結構包括一斜坡小面及一拔模小面。拔模小面配置以將發散光偏轉至位於透鏡之第二側處且在光接收區域外部之區域。
與本揭示內容之另一態樣一致，提供一種系統。該系統包括一光輸出裝置，其配置以輸出發散光。該系統亦包括一透鏡，該透鏡配置以將自該透鏡之一第一側入射於其上之該發散光轉換為實質上覆蓋位於該透鏡之一第二側處之一光接收區域的一準直光，該透鏡包括形成在該透鏡之一第一透鏡表面或一第二透鏡表面中之至少一者上的複數個菲涅爾結構。各菲涅爾結構包括一斜坡小面及一拔模小面。拔模小面配置以將發散光偏轉至以下中之至少兩者：位於透鏡之第一側處且在光輸出裝置外部的第一區域、位於透鏡之第二側處且在光接收區域外部的第二區域，及透鏡之邊緣。
本揭示內容之其他態樣可由所屬技術領域中具有通常知識者根據本揭示內容之描述、申請專利範圍及圖式來理解。上述一般描述及以下詳細描述僅為例示性及解釋性的，且不限制申請專利範圍。
將參考附圖進行描述與本揭示內容一致的具體實例，所述具體實例出於說明目的僅為實例，並不旨在限制本揭示內容之範圍。在可能的情況下，在整個圖式中使用相同的參考編號來指代相同或相似的部件，且可省略其詳細描述。
此外，在本揭示內容中，可組合所揭示之具體實例及所揭示之具體實例之特徵。所描述之具體實例係本揭示內容之一些但非全部具體實例。基於所揭示之具體實例，所屬技術領域中具有通常知識者可導出與本揭示內容一致的其他具體實例。舉例而言，可基於所揭示之具體實例進行修改、調適、替代、添加或其他變化。所揭示之具體實例的此類變化仍在本揭示內容之範圍內。因此，本揭示內容不限於所揭示之具體實例。相反，本揭示內容之範圍由所附申請專利範圍界定。
如本文中所使用，術語「耦合（couple）」、「耦合（coupled）」、「耦合（coupling）」或其類似物可囊括光學耦合、機械耦合、電耦合、電磁耦合，或其任一組合。兩個光學元件之間的「光學耦合」係指兩個光學元件配置成光學系列的配置，且自一個光學元件輸出之光可直接或間接地被另一光學元件接收。光學系列係指光路徑中對複數個光學元件進行光學定位，使得自一個光學元件輸出之光可由其他光學元件中之一或多者傳輸、反射、繞射、轉換、修改或以其他方式處理或操縱。在一些具體實例中，其中複數個光學元件配置的順序可或可不影響複數個光學元件之整體輸出。耦合可為直接耦合或間接耦合（例如，藉由中間元件耦合）。
片語「A或B中之至少一者」可囊括A與B的所有組合，諸如僅A、僅B或A及B。同樣地，片語「A、B或C中之至少一者」可囊括A、B及C的所有組合，諸如僅A、僅B、僅C、A及B，A及C，B及C，或A及B及C。片語「A及/或B」可以相似於片語「A或B中之至少一者」的方式的方式解釋。舉例而言，片語「A及/或B」可囊括A與B的所有組合，諸如僅A、僅B或A及B。同樣地，片語「A、B及/或C」的意義相似於片語「A、B或C中之至少一者」的意義。舉例而言，片語「A、B及/或C」可囊括A、B及C的所有組合，諸如僅A、僅B、僅C、A及B，A及C，B及C，或A及B及C。
當第一元件經描述為「附接」、「設置」、「形成」、「附加」、「安裝」、「固定」、「連接」、「接合」、「記錄」或「安置」至第二元件、在第二元件上、在第二元件處或至少部分地在第二元件中時，第一元件可使用任何合適的機械或非機械方式（諸如安置、塗覆、蝕刻、接合、膠合、擰緊、壓合、卡扣、夾緊等）「附接」、「設置」、「形成」、「附加」、「安裝」、「固定」、「連接」、「接合」、「記錄」或「安置」至第二元件、在第二元件上、在第二元件處或至少部分在第二元件中。另外，第一元件可與第二元件直接接觸，或第一元件與第二元件之間可存在中間元件。第一元件可安置在第二元件之任一合適側處，諸如左、右、前、後、頂部或底部。
當第一元件經示出或描述為經安置或配置在第二元件「上」時，術語「在...上」僅用於指示第一元件與第二元件之間的實例相對定向。描述可基於圖中所示之參考座標系，或可基於圖中所示之當前視圖或實例配置。舉例而言，當描述圖中所示之視圖時，第一元件可經描述為安置在第二元件「上」。應理解，術語「在...上」可不一定意味著第一元件在豎直引力方向上位於第二元件上方。舉例而言，當第一元件及第二元件組裝件轉動180度時，第一元件可在第二元件「下方」（或第二元件可在第一元件「上」）。因此，應理解，當圖示出第一元件在第二元件「上」時，該配置僅僅為說明性實例。第一元件可相對於第二元件安置或配置在任一合適定向上（例如，在第二元件上方或上面，在第二元件下面或下方，在第二元件左側，在第二元件右側，在第二元件下面，在第二元件前面，等）。
當第一元件經描述為安置在第二元件「上」時，第一元件可直接或間接地安置在第二元件上。直接安置在第二元件上之第一元件指示無額外元件安置在第一元件與第二元件之間。間接地安置在第二元件上之第一元件指示一或多個額外元件安置在第一元件與第二元件之間。
本文中所使用之術語「處理器」可囊括任一合適處理器，諸如中央處理單元（「CPU」）、圖形處理單元（「GPU」）、特殊應用積體電路（「ASIC」）、可程式化邏輯裝置（「PLD」）或其任一組合。亦可使用上文未列出的其他處理器。處理器可實施為軟體、硬體、韌體或其任一組合。
術語「控制器」可囊括任一合適電路、軟體或處理器，該電路、軟體或處理器配置以產生用於控制裝置、電路、光學元件等的控制信號。「控制器」可實施為軟體、硬體、韌體或其任一組合。舉例而言，控制器可包括處理器，或可包括作為處理器之一部分。
術語「非暫時性電腦可讀取媒體」可囊括用於儲存、傳送、通信、廣播或傳輸資料、信號或資訊的任一合適媒體。舉例而言，非暫時性電腦可讀取媒體可包括記憶體、硬碟、磁碟、光碟、磁帶等。記憶體可包括唯讀記憶體（「ROM」），隨機存取記憶體（「RAM」），快閃記憶體等。
術語「薄膜」、「層」、「塗層」或「板」可包括剛性或柔性、自支撐或獨立式薄膜、層、塗層或板，其可安置在支撐基板上或基板之間。術語「薄膜」、「層」、「塗層」及「板」可互換。
本揭示內容中提及之波長帶、光譜或頻帶係出於說明目的。所揭示之光學器件、系統、元件、組裝件及方法可應用於可見波長帶，以及其他波長帶，諸如紫外線（「UV」）波長帶、紅外線（「IR」）波長帶，或其組合。用於修飾描述光的處理的光學回應動作（諸如透射，反射，繞射，阻擋或其類似物）的術語「實質上」或「主要」意指透射、反射，繞射或阻擋等光之大部分，包括全部。多數部分可為整個光的預定百分比（大於50%），諸如100%、98%、90%、85%、80%等，其可基於特定應用需要來判定。
習用頭戴式顯示器大於且重於典型眼鏡，此係因為習用頭戴式顯示器通常包括一組複雜的光學器件，所述光學器件係龐大且笨重。使用者不容易習慣佩戴如此龐大且笨重的頭戴式顯示器。習用頭戴式顯示器的龐大大小及笨重重量限制其應用。菲涅爾透鏡已用於用一系列彼此偏移的同心環形部分取代習用光學透鏡之連續曲面（例如，對於圓形菲涅爾透鏡）。此等輪廓用作個別折射表面，以將平行射線彎曲至共同焦點。菲涅爾透鏡可提供與習用透鏡相當的光圈及焦距，具有較小厚度及重量。因此，菲涅爾透鏡可為習用連續表面光學器件的成本有效輕質替代品。如與包括習用透鏡之彼等顯示器相比，包括菲涅爾透鏡之頭戴式顯示器的大小及重量可減小。然而，菲涅爾透鏡可遭受繞射及其他與菲涅爾結構相關聯的雜散光偽影，其可限制其應用。
本揭示內容提供大小緊湊、輕質、光學偽影減少、菲涅爾結構可見性降低且影像品質改良的各種菲涅爾透鏡。所揭示之菲涅爾透鏡可實施於各種裝置或系統，例如抬頭顯示器（「HUD」）、頭戴式顯示器（「HMD」）、近眼顯示器（「NED」）、智慧型電話、膝上型電腦、電視、運載工具等，以增強虛擬實境（「VR」）、擴增實境（「AR」）及/或混合實境（「MR」）的使用者體驗。
圖1A說明根據本揭示內容之具體實例的系統100的示意圖。系統100可為配置用於AR、MR及/或VR應用的光學系統。在一些具體實例中，系統100可配置以穿戴在使用者之頭部上（例如，藉由具有目鏡或眼鏡的形式，如在圖1A中所示）或包括為由使用者佩戴的頭盔之一部分。在一些具體實例中，系統100可被稱為頭戴式顯示器。在一些具體實例中，系統100可配置用於置放接近於使用者之眼睛或雙眼在（雙）眼前方的固定位置處，而不安裝至使用者之頭部。舉例而言，系統100可安裝在運載工具（諸如汽車或飛機）中在使用者之眼睛或雙眼前方的位置處。
圖1B示意性地說明根據本揭示內容之具體實例的圖1A中所示之系統100的x-y剖視圖。系統100可包括顯示模組110、觀察光學模組120、物件追蹤系統130及控制器140。物件追蹤系統130可為眼動追蹤系統及/或面部追蹤系統。顯示模組110可向使用者顯示虛擬影像。在一些具體實例中，顯示模組110可包括單個電子顯示器或多個電子顯示器115。出於論述目的，圖1B分別示出用於使用者之左眼及右眼150的兩個電子顯示器115。電子顯示器115可包括顯示面板（亦被稱為115，出於論述目的），諸如液晶顯示器（「LCD」）面板、矽上液晶（「LCoS」）顯示面板、有機發光二極體（「OLED」）顯示面板、微型發光二極體（「微型LED」）顯示面板、數位光處理（「DLP」）顯示面板、雷射掃描顯示面板，或其組合。在一些具體實例中，顯示面板115可為自發光面板，諸如OLED顯示面板或微型LED顯示面板。在一些具體實例中，顯示面板115可為由外部源照明的顯示面板，諸如LCD面板、LCoS顯示面板，或DLP顯示面板。外部源之實例可包括雷射、LED、OLED或其組合。
觀察光學模組120可配置在顯示模組110與眼睛150之間，且可配置以導引影像光，以形成自顯示模組110輸出至眼動範圍區域160中之出射瞳孔157的虛擬影像。出射瞳孔157可為眼睛150之眼睛瞳孔155位於系統100之眼動範圍區域160中的位置。舉例而言，觀察光學模組120可包括一或多個光學元件，其配置以校正自顯示模組110輸出之影像光中之像差，放大自顯示模組110輸出之影像光，或對自顯示模組110輸出之影像光執行另一類型之光學調整。一或多個光學元件之實例可包括光圈、菲涅爾透鏡、凸透鏡、凹透鏡、濾光片或影響影像光之任一其他合適光學元件。出於論述目的，圖1B示出觀察光學模組120可包括兩個分別用於左眼及右眼150的透鏡組裝件125。在一些具體實例中，透鏡組裝件125可包括菲涅爾透鏡或菲涅爾透鏡陣列。
物件追蹤系統130可包括IR光源131，該IR光源配置以發射IR光以照明眼睛150及/或面部。物件追蹤系統130亦可包括光學感測器133，諸如相機，其配置以接收由各眼睛150反射的IR光並產生與眼睛150相關的追蹤信號，諸如眼睛150之影像。在一些具體實例中，物件追蹤系統130亦可包括IR偏轉元件（未示出），該IR偏轉元件配置以將由眼睛150反射之IR光偏轉朝向光學感測器133。
控制器140可與顯示模組110、觀察光學模組120及/或物件追蹤系統130通信耦合以控制其操作。控制器140可包括處理器或處理單元。處理器可由任何合適的處理器組成，諸如中央處理單元（「CPU」）、圖形處理單元（「GPU」）等。控制器140可包括儲存裝置。儲存裝置可為非暫時性電腦可讀取媒體，諸如記憶體、硬碟等。儲存裝置可配置以儲存資料或資訊，包括電腦可執行程式指令或程式碼，其可由處理器執行以執行本文中所揭示之方法或程序中所描述之各種控制或功能。
在一些具體實例中，透鏡組裝件125可配置有可調光功率，以解決系統100中之調節聚散衝突。舉例而言，透鏡組裝件125可配置有用於大視野（諸如65度及20 mm的適眼距距離）的大孔徑大小（諸如50 mm），用於適應人眼聚散調節（諸如±2.0屈光度）的大光功率，用於適應人眼之聚散調節的毫秒級或數十毫秒級的快速切換速度，及用於滿足人眼敏銳度的高影像品質。
舉例而言，各電子顯示器115可顯示虛擬影像或虛擬影像之一部分。基於由眼動追蹤模組130提供的眼動追蹤資訊，控制器140可判定虛擬影像內眼睛150當前正在觀看的虛擬物件118。控制器140可基於由物件追蹤系統130判定的凝視點或凝視線119的估計交點來判定使用者之凝視的聚散深度（ d v ）。如在圖1B中所示，凝視線119可在距離 d v 處收斂或相交，虛擬物件118定位之位置。控制器140可控制透鏡組裝件125以調整光功率，以提供與相關聯於眼睛150當前正觀看的虛擬物件118相關聯的聚散深度（ d v ），從而減少系統100中之調節聚散衝突。舉例而言，控制器140可控制透鏡組裝件125以在期望操作狀態下操作以提供對應於焦平面或影像平面的與聚散深度（ d v ）匹配的光功率。
圖2A說明習用菲涅爾透鏡200之x-z段。如在圖2A中所示，習用菲涅爾透鏡200可被視為將習用光學透鏡250之連續凸面「縮退」或「壓縮」至平面255上。以此方式，可減少透鏡厚度。圖2A中所示之習用菲涅爾透鏡200可為球形菲涅爾透鏡，包括複數個菲涅爾透鏡202-1、202-2、202-3及202-4。菲涅爾結構可為徑向對稱的同心圓錐區段4。各菲涅爾結構202-1、202-2、202-3或202-4可包括斜坡小面205，且與斜坡小面205毗鄰的拔模小面（draft facet）207，如在例示性菲涅爾結構202-3的放大圖中所示。相鄰斜坡小面205可由拔模小面207分離。在此描述中，拔模小面亦被稱為拔模。
斜坡小面205可為用於近似習用光學透鏡250之曲率並以規定或設計的方式折射射線的實際表面。斜坡小面205的特徵可在於相對於參考軸（諸如圖2A中所示之x軸，或菲涅爾透鏡200之平面255）的傾斜角209。舉例而言，自菲涅爾透鏡200之中心區域至周邊區域，菲涅爾結構202-1、202-2、202-3及202-4之傾斜角209可逐漸增加。
拔模小面207可連接毗鄰斜坡小面，且可表示斜坡小面205之間的不連續性，以將表面輪廓「返回至平面」。拔模小面207的特徵可在於相對於參考軸（諸如圖2A中所示之z軸，或菲涅爾透鏡200之光軸），或相對於菲涅爾透鏡200之平面255之法線的拔模角211。在習用菲涅爾透鏡200中，菲涅爾結構262-1、262-2、262-3及262-4之拔模角211可實質上相同。拔模角211可相對於菲涅爾透鏡200之平面255之法線數度。小拔模角211可便於在製作程序中脫模。習用菲涅爾透鏡200可遭受由自拔模小面207輸出之雜散光引起的光學偽影。光學偽影可在影像平面處觀察，例如，以弧形，彩虹或鬼影的形式。各別菲涅爾結構262-1、262-2、262-3及262-4之拔模角211可並非經專門或有意配置，以減少此類光學偽影。
舉例而言，在VR顯示裝置中，如在圖2B中所示，菲涅爾透鏡200可安置在眼睛150與電子顯示器215之間。菲涅爾透鏡200可將自顯示面板215上各點發射的影像光變換為一束平行射線或實質上覆蓋眼動範圍260的準直光。圖2B及圖2C說明自眼動範圍260至顯示面板215的反向追蹤射線，其中其間安置有菲涅爾透鏡200。圖2B及圖2C示出，入射光與菲涅爾結構202-1、202-2、202-3或202-4之拔模小面207之間的交互作用可增加雜散光，從而增加光學偽影並降低影像品質。
如在圖2B中所示，眼動範圍260經假定輸出朝向菲涅爾透鏡200之周邊部分傳播的一束平行射線或準直光231。參考圖2B中之菲涅爾透鏡200之周邊部分的放大視圖，光231可被菲涅爾結構202-1、202-2、202-3或202-4之斜坡小面205折射為在空氣中傳播的光233。光233之第一部分233-1可實質上聚焦至顯示面板215上之第一區域237。光233之第二部分233-2可入射至拔模小面207之外表面上，並由拔模小面207之外表面反射為光235，該光被稱為雜散光。由拔模小面207之外表面進行的此類反射在本文中被稱為「外模式」。光235可朝向顯示面板215之與第一區域237不同的第二區域239傳播。聚焦至顯示面板215之第一區域237的光233與傳播至顯示面板215之第二區域239的雜散光235之間的分離可導致光學偽影。
由於光路徑係可逆的，當顯示面板215上之第一區域237朝向菲涅爾透鏡200之周邊部分輸出一束發散射線或發散影像光時，菲涅爾透鏡200可將發散影像光之第一部分變換為朝向眼動範圍260之第一區域傳播的準直光，且將發散影像光之第二部分變換為朝向與眼動範圍260之第一區域不同的眼動範圍260之第二區域傳播的未準直光，導致光學偽影，所述偽影可被置放在眼動範圍260內的眼睛所感知。
如在圖2C中所示，眼動範圍260經假定輸出朝向菲涅爾透鏡200之中心部分的一束平行射線或準直光251。參考圖2C中之菲涅爾透鏡200之中心部分的放大視圖，光251之第一部分可入射至斜坡小面205上，並由斜坡小面205折射為光253。光253可實質上聚焦至顯示面板215之第一區域257。光251之第二部分可入射至拔模小面207之內表面上，被拔模小面207之內表面反射，例如，經由全內反射，朝向斜坡小面205，然後由斜坡小面205折射為光255，該光被稱為雜散光。由拔模小面207之內表面進行的此類反射在本文中稱為「內部模式」。光255可朝向顯示面板215之與第一區域257不同的第二區域259傳播。聚焦至顯示面板215之第一區域257的光253與傳播至顯示面板215之第二區域259的雜散光255之間的分離可導致光學偽影。
由於光路徑係可逆的，因此當顯示面板215之第一區域257朝向菲涅爾透鏡200之中心部分輸出一束發散射線或發散影像光時，菲涅爾透鏡200可將發散影像光之第一部分變換為朝向眼動範圍260之第一區域傳播的準直光，並將發散影像光之第二部分變換為朝向眼動範圍260之第二區域傳播的未準直光。眼動範圍260之第二區域可與眼動範圍260之第一區域不同。兩個區域處之兩個光之間的分離可導致光學偽影，所述偽影可被置放在眼動範圍260內的眼睛所感知。
在下文中，將解釋根據本揭示內容之具體實例的具有經具體配置的拔模小面之各種菲涅爾透鏡（例如，拔模角、拔模小面之表面輪廓等）。所揭示之菲涅爾透鏡可具有減少的光學偽影，降低的菲涅爾結構可見性，及改良的影像品質。所揭示之菲涅爾透鏡可實施至各種系統及裝置中，例如，用於AR，VR及/或MR應用。舉例而言，所揭示之菲涅爾透鏡可實施包括在圖1B中所示之系統100之觀察光學模組120中之透鏡組裝件125中。在以下描述中，以球面菲涅爾透鏡為實例，解釋減少光學偽影並降低菲涅爾結構可見性以及提高影像品質的設計原理。所揭示之菲涅爾透鏡的設計原理亦可應用於其他菲涅爾透鏡，諸如圓柱形菲涅爾透鏡。
本揭示內容之菲涅爾透鏡可包括與第一透鏡表面相對的第一透鏡表面及第二透鏡表面。第一透鏡表面或第二透鏡表面中之至少一者可包括複數個菲涅爾結構，例如，複數個徑向對稱的同心圓錐區段。各菲涅爾結構可具有斜坡小面及經安置毗鄰於斜坡小面的拔模小面。兩個相鄰斜坡小面可由拔模小面分開或連接。斜坡小面可配置有傾斜角。在一些具體實例中，自菲涅爾透鏡之中心區域至周邊區域，菲涅爾結構之傾斜角可逐漸增加。拔模小面可配置有拔模角。拔模小面之配置，諸如拔模角、拔模小面之表面輪廓等，可專門設計為減少由雜散光引起的光學偽影，降低菲涅爾結構之可見性，及提高菲涅爾透鏡之影像品質。
在一些具體實例中，本揭示內容之菲涅爾透鏡可安置在電子顯示器115與眼動範圍160之間，其中第一透鏡表面面向電子顯示器115且第二透鏡表面面向眼動範圍160。自電子顯示器115輸出之影像光可首先入射至菲涅爾透鏡之第一透鏡表面上。菲涅爾透鏡之光圈大小、眼動範圍160之大小、電子顯示器115之顯示面板之大小、菲涅爾透鏡與眼動範圍160之間的距離及菲涅爾透鏡與電子顯示器115之間的距離可根據包括菲涅爾透鏡及電子顯示器115之顯示系統的各種要求來判定。在下文中，以位於第一透鏡表面之菲涅爾結構之拔模小面為例，解釋減少光學偽影，降低菲涅爾結構之可見性及提高影像品質的設計原理。若第二透鏡表面包括任何菲涅爾結構，則所揭示之拔模小面之設計原理亦可應用於位於第二透鏡表面處之菲涅爾結構之拔模小面。
圖3A說明根據本揭示內容之具體實例的系統301的x-z剖視圖。系統301可包括電子顯示器115及配置有「完美拔模」的菲涅爾透鏡300。在一些具體實例中，菲涅爾透鏡300可包括所有完美拔模。術語「完美拔模」用於指不產生雜散光的第一類型之拔模小面（亦被稱為拔模）。完美拔模可不會與（自電子顯示器115輸出）入射至菲涅爾透鏡300上之影像光交互作用。入射至菲涅爾透鏡300上之影像光不被完美拔模之外表面或內表面偏轉（例如，反射）。電子顯示器115可包括顯示面板（出於論述目的亦被稱為115）。菲涅爾透鏡300可包括光學透明基板，其具有面向顯示面板115之第一透鏡表面310-1及面向眼動範圍160之第二透鏡表面310-2。菲涅爾透鏡300可配置以將自顯示面板115上之各點發射之影像光（諸如發散影像光）變換為一束平行射線或實質上覆蓋眼動範圍160的準直光。當使用者之眼睛置放在眼動範圍160內時，使用者可觀察在顯示面板115上顯示的影像。
菲涅爾透鏡300可包括位於第一透鏡表面310-1或第二透鏡表面310-2中之至少一者處或其上的複數個菲涅爾結構。圖3A示出菲涅爾結構形成在第一透鏡表面310-1上。圖3A亦說明根據本揭示內容之具體實例的菲涅爾透鏡300之菲涅爾結構302的放大視圖。如在圖3A中所示，菲涅爾結構302可包括特徵在於傾斜角之斜坡小面305及特徵在於拔模角311之拔模小面或拔模307。拔模角311可為在拔模小面307與平行於菲涅爾透鏡300之光軸325的方向之間形成的角度。各別拔模小面307之拔模角311可經專門配置，使得當顯示面板115上之各點向菲涅爾透鏡300輸出影像光（諸如發散影像光）時，影像光可僅入射至斜坡小面305上，且然後由斜坡小面305折射朝向眼動範圍160，而不與拔模小面307交互作用。因此，拔模小面307亦被稱為完美拔模。
自顯示面板115輸出之影像光可不入射至拔模小面307之外表面上，且可在拔模小面307之外表面處未被反射。因此，影像光之「外模式」反射可減少。由斜坡小面305折射的影像光可包括與拔模小面307平行的射線，及與拔模小面307不平行的射線。拔模小面307之拔模角311可配置使得甚至與拔模小面307不平行的射線不會與拔模小面307交互作用，亦即不被拔模小面307之內表面或外表面反射。由斜坡小面305折射之影像光可不入射至拔模小面307之內表面上，且可在拔模小面307之內表面處未被反射。因此，影像光之「內部模式」反射可減少。因此，自顯示面板115輸出之影像光可在拔模小面307之內表面及外表面處不被反射為雜散光。因此，雜散光可顯著減少。因此，由雜散光引起的光學偽影可顯著減少。位於眼動範圍160內之眼睛不能感知雜散光，且不能感知由雜散光引起的光學偽影。
在一些具體實例中，具有完美拔模307的菲涅爾透鏡300、所有拔模小面307之拔模角311可實質上相同。在一些具體實例中，至少兩個拔模小面307之拔模角311可為不同的。在一些具體實例中，所有拔模小面307之拔模角311可彼此不同，例如，可基於各別菲涅爾結構302距光軸325的距離。
圖3A說明自眼動範圍160至顯示面板115的反向追蹤的射線，其間安置有菲涅爾透鏡300。如在圖3A中所示，眼動範圍160假定在菲涅爾透鏡300之第一透鏡表面310-1處朝向相同預定區域320輸出三束平行射線或三個準直光331-1、331-2及331-3。預定區域320可包括位於例如菲涅爾透鏡300之周邊部分處之至少一個菲涅爾結構302。三個準直光331-1、331-2及331-3可分別自眼動範圍160之上邊緣、中心及下邊緣輸出。
圖3B至圖3D分別說明用於三個準直光331-3、331-2及331-1的菲涅爾透鏡300之預定區域320之一部分處的反向追蹤射線的放大視圖。如在圖3B中所示，完美拔模307可連接兩個相鄰斜坡小面305-1及305-2。斜坡小面305-2可包括在具有完美拔模307的菲涅爾結構302中，且斜坡小面305-1可屬於前導菲涅爾結構。完美拔模307可與兩個相鄰斜坡小面305-1及305-2形成銳角β1及銳角β2。如在圖3B中所示，完美拔模307可位於由入射至菲涅爾透鏡300上的準直光331-3之兩個最近射線（366-1及366-2）形成的區內。射線366-1可為被斜坡小面305-1折射的射線，且最接近於完美拔模307。射線366-1可在菲涅爾透鏡300之外部環境（例如，空氣）中傳播。射線366-2可為在菲涅爾透鏡300之本體內傳播的射線，以被斜坡小面305-2折射且最接近於完美拔模307。由兩個最近射線366-1及366-2形成的區可為由角度θ3表示的三角形區，且在斜坡小面305-1與拔模小面307之間的交叉點周圍開始。在一些具體實例中，角度θ3可在5°至10°、10°至20°、20°至30°、30°至40°等範圍內。
如在圖3B中所示，拔模角311可相對於光軸325及成對的斜坡小面305-2進行配置，使得與拔模小面307不平行的（準直光331-3之）射線不與拔模小面307交互作用。亦即，與拔模小面307不平行的射線（諸如射線366-1及366-2）不被拔模小面307（其為完美拔模）之內表面或外表面反射。
由於光路徑係可逆的，因此當拔模小面307配置以位於由上文所描述之（準直光331-3之）兩個毗鄰射線366-1及366-2形成的三角形區內時，拔模小面307可為不與自顯示面板115輸出之影像光交互作用的完美拔模。因此，當自顯示面板115輸出之影像光入射於其上時，完美拔模307可不產生雜散光。
如在圖3C中所示，完美拔模307可位於由入射至菲涅爾透鏡300上的準直光331-2之兩個最近射線（367-1及367-2）形成的區內。射線367-1可為已由斜坡小面305-1折射之射線，且最接近於完美拔模307。射線367-1可在菲涅爾透鏡300之外部環境（例如，空氣）中傳播。射線367-2可為在菲涅爾透鏡300之本體內傳播的射線，以被斜坡小面305-2折射且最接近於完美拔模307。由兩個最近射線367-1及367-2形成的區可為由角度θ2表示的三角形區，且在斜坡小面305-1與拔模小面307之間的交叉點周圍開始。在一些具體實例中，角度θ2可在5°至10°、10°至20°、20°至30°、30°至40°等範圍內。
如在圖3D中所示，完美拔模307可位於由入射至菲涅爾透鏡300上的準直光331-1之兩個最近射線（368-1及368-2）形成的區內。射線368-1可為已由斜坡小面305-1折射的射線，且最接近於完美拔模307。射線368-1可在菲涅爾透鏡300之外部環境（例如，空氣）中傳播。射線368-2可為在菲涅爾透鏡300之本體內傳播的射線，以被斜坡小面305-2折射且最接近於完美拔模307。由兩個最近射線368-1及368-2形成的區可為由角度θ1表示的三角形區，且在斜坡小面305-1與拔模小面307之間的交叉點周圍開始。在一些具體實例中，角度θ1可在5°至10°、10°至20°、20°至30°、30°至40°等範圍內。
對於可分別自眼動範圍160之上邊緣、中心及下邊緣輸出的三個準直光331-3、331-2及331-1，圖3B、圖3C及圖3D示出，拔模小面307（完美拔模）可相對於最接近於拔模小面307之菲涅爾透鏡300之本體內傳播的射線366-2、367-2、368-2形成不同角度。拔模小面307（完美拔模）可配置以分別位於由角度θ3、角度θ2及角度θ1表示的各別三角形區內。
在一些具體實例中，拔模角311之配置可為基於系統301之參數，諸如菲涅爾透鏡300之大小、菲涅爾透鏡300之光功率、眼動範圍160之大小、電子顯示器115之顯示面板之大小、菲涅爾透鏡300與眼動範圍160之間的距離，菲涅爾透鏡300與電子顯示器115之間的距離，菲涅爾透鏡300的材料，及菲涅爾透鏡300的外部環境等。拔模角311可配置在預定角度範圍內，使得自眼動範圍160輸出之射線331-1、331-2及331-3可僅與斜坡小面305交互作用，且可不與拔模小面307交互作用。完美拔模307之拔模角311可經設計成，使得完美拔模307與在菲涅爾透鏡300之本體內傳播的射線366-2之間的夾角在0與角度θ之間。在一些具體實例中，角度可為0或θ。在一些具體實例中，角度可大於0且小於角度θ。應注意，在設計完美拔模時，不考慮與完美拔模平行的射線，此係因為此等射線不與完美拔模交互作用。設計原理側重於其中射線與拔模小面307不平行的情況。
如在圖3A中所示，射線331-1、331-2及331-3可入射至斜坡小面305上，並分別折射為射線335-1、335-2及335-3。由斜坡小面305折射之射線335-1、335-2及335-3可包括平行於拔模小面307之射線及與拔模小面307不平行之射線。射線335-1、335-2及335-3可分別聚焦至顯示面板115上之點A、B及C。如在圖3B至圖3D中所示，自眼動範圍160輸出之準直光331-1、331-2及331-3可不入射至拔模小面307之內表面上。由斜坡小面305折射之準直光335-1、335-2及335-3可不入射至拔模小面307之內表面上。因此，拔模小面307可不將自眼動範圍160輸出之射線331-1、331-2及331-3變換為雜散光。因此，使用者之眼睛不會感知由雜散光形成之光學偽影。
對於完美拔模之拔模角311的預定角度範圍可藉由射線追蹤來判定。圖3E說明根據本揭示內容之具體實例的用於判定完美拔模之拔模角311的射線追蹤的圖。在射線追蹤中，系統301之參數（諸如菲涅爾透鏡300之大小、眼動範圍160之大小、電子顯示器115之顯示面板之大小、菲涅爾透鏡300與眼動範圍160之間的距離，菲涅爾透鏡300與電子顯示器115之間的距離，菲涅爾透鏡300的材料，及菲涅爾透鏡300的外部環境）經假定為固定。在射線追蹤中，各別拔模小面307之間距經假定為無限小。各別拔模小面307之拔模角311可實質上相同。
第一透鏡表面310-1可相對於菲涅爾透鏡300之光軸325軸對稱。舉例而言，第一透鏡表面310-1可劃分為第一半部（例如，圖3E中所示之上半部）及第二半部（例如，圖3E中所示之下半部）。前半部及後半部係相對於菲涅爾透鏡300之光軸325對稱的。由於第一透鏡表面310-1相對於菲涅爾透鏡300之光軸325係軸對稱的，因此自眼動範圍160至顯示面板115的射線追蹤可僅對第一透鏡表面310-1之一半執行，以判定完美拔模之拔模角311。舉例而言，第一透鏡表面310-1之上半部可劃分為複數個區域。各區域可包括至少一個菲涅爾結構302。第一透鏡表面310-1之上半部可藉由自眼動範圍160輸出之第一射線361-1及第二射線361-2沿自第一透鏡表面310-1之中心部分至第一透鏡表面310-1之周邊部分的方向進行「掃描」。出於說明目的，方向由箭頭340表示。
第一射線361-1可自眼動範圍160之上邊緣輸出朝向各別區域。第二射線361-2可自眼動範圍160之下邊緣輸出朝向各別區域。第一射線361-1及第二射線361-2可自面向眼動範圍160之第二透鏡表面310-2進入菲涅爾透鏡300。第一射線361-1及第二射線361-2可自第二透鏡表面310-2傳播至上半部之各別區域，並自面向顯示面板115之第一透鏡表面310-1出射菲涅爾透鏡300。出於說明目的，圖3E示出在第一射線361-1及第二射線361-3沿自第一透鏡表面310-1之中心部分至第一透鏡表面之周邊部分310-1之方向340掃描第一透鏡表面310-1之上半部時，第一射線361-1及第二射線361-3在第一時間時刻入射至上半部之第一區域上，且在第二時間時刻入射到上半部之不同於第一區域的第二區域上。
當沿方向340掃描第一透鏡表面310-1之上半部時，第一射線361-1及第二射線361-3中之各者可在菲涅爾透鏡300中以入射角入射至第一透鏡表面310-1之上半部之各別區域上，並在外部環境（諸如空氣）中以折射角由上半部之各別區域折射。在射線追蹤中，射線在菲涅爾透鏡300中之入射角可定義為射線與光軸325之間的角度。射線在外部環境（例如，空氣）中之折射角可定義為光線與光軸325之間的角度。
在本揭示內容中，射線或光相對於菲涅爾透鏡之光軸的角度可定義為正角或負角，此取決於射線之傳播方向與菲涅爾透鏡之光軸之間的角度關係。舉例而言，當射線之傳播方向係自菲涅爾透鏡之光軸順時針時，射線之角度可定義為負角，且當射線之傳播方向係自菲涅爾透鏡之光軸逆時針時，射線之角度可定義為正角。
在沿方向340掃描第一透鏡表面310-1之上半部時，對於已經掃描或射線追蹤的第一透鏡表面310-1之上半部的各區域，可得到第一射線361-1在外部環境中之折射角θ 1與菲涅爾透鏡300中之第二射線361-2之入射角θ 2並進行比較。當對於第一時間發現空氣中第一射線361-1之折射角θ 1之絕對值小於菲涅爾透鏡300中第二射線361-2之入射角θ 2的絕對值（亦即，|θ 1|＜|θ 2|）時，第一透鏡表面310-1之彼區域之光功率可被認為足以在外部環境中以角度方式分離射線束及菲涅爾透鏡300（例如，玻璃）中之射線束。對於完美拔模之拔模角311的預定角度範圍可判定為自|θ 1|至|θ 2（包括θ 1及θ 2）。|θ 1|與|θ 2|之間的任一合適角度可用作完美拔模之拔模角311。在一些具體實例中，完美拔模之拔模角311可選擇為(|θ 1| + |θ 2|)/2。位於菲涅爾透鏡300之第一透鏡表面310-1之不同區域處的拔模小面307之拔模角311可配置為實質上相同的，例如，(|θ 1| + |θ 2|)/2。當第一透鏡表面310-1之下半部經選擇為由自眼動範圍160輸出之第一射線361-1及第二射線361-2沿自第一透鏡表面310-1之中心部分至第一透鏡表面310-1之周邊部分的方向進行「掃描」時，條件|θ 1|＜|θ 2|亦可對於判定完美拔模之拔模角有效。應注意，θ 1與θ 2之間的差值係圖3B中所指示之角度θ。
圖4A說明根據本揭示內容之具體實例的系統401的x-z剖視圖。系統401可包括提供有無效拔模的菲涅爾透鏡400。術語「無效拔模」係指產生雜散光之拔模類型，該雜散光朝向位於菲涅爾透鏡之面向眼動範圍之一側處且在眼動範圍外部的區域傳播。在一些具體實例中，無效拔模可將自第一側入射至菲涅爾透鏡上之光轉換為朝向與第一側相對的菲涅爾透鏡之第二側傳播的雜散光。在一些具體實例中，包括在菲涅爾透鏡400中之所有拔模可為無效拔模。
如在圖4A中所示，自電子顯示器115輸出之影像光可由無效拔模之內表面反射為雜散光，該雜散光可朝向位於菲涅爾透鏡之面向眼動範圍之一側處且在眼動範圍外部的區域傳播。電子顯示器115可包括顯示面板（出於論述目的亦被稱為115）。菲涅爾透鏡400可具有面向顯示面板115之第一透鏡表面410-1及面向眼動範圍160之第二透鏡表面410-2。菲涅爾透鏡400可配置以將自顯示面板115上之各點發射之影像光（諸如發散影像光）變換為一束平行射線或實質上覆蓋眼動範圍160的準直光。當使用者之眼睛置放在眼動範圍160內時，使用者可觀察在顯示面板115上顯示的影像。
菲涅爾透鏡400可包括位於例如第一透鏡表面410-1處的複數個菲涅爾結構402。圖4A說明根據本揭示內容之具體實例的菲涅爾透鏡400之菲涅爾結構402的放大視圖。如在圖4A中所示，菲涅爾結構402可包括特徵在於傾斜角之斜坡小面405及特徵在於拔模角411之拔模小面407。拔模角411可為在拔模小面407與平行於菲涅爾透鏡400之光軸425的方向之間形成的角度。各別拔模小面407之拔模角411可經專門配置，使得當顯示面板115上之各點向菲涅爾透鏡400輸出影像光（例如，發散影像光）時，拔模小面407可在雜散光傳播朝向位於菲涅爾透鏡400之一側處面向眼動範圍160並位於眼動範圍160外部的區域時偏轉入射於其上之影像光。舉例而言，來自顯示面板115之影像光可入射至第一透鏡表面410-1處的拔模小面407之內表面上，由拔模小面407之內表面反射為自第二透鏡表面410-2輸出朝向眼動範圍160外部之區域的雜散光。因此，位於眼動範圍160內之眼睛不能感知雜散光，且不能感知由雜散光引起的光學偽影。
在一些具體實例中，位於第一透鏡表面410-1之不同區域處之拔模小面407之拔模角411可單獨配置，使得各拔模小面407可將入射於其上之影像光偏轉朝向眼動範圍160外部的區域。在一些具體實例中，第一透鏡表面410-1可相對於光軸425軸對稱。舉例而言，第一透鏡表面410-1可包括第一半部（例如，圖4A中所示之上半部）及第二半部（例如，圖4A中所示之下半部）。上半部及下半部可相對於光軸425對稱。位於上半部處之拔模小面407及位於上半部處之拔模小面407可相對於光軸425對稱。相對於光軸425對稱的拔模小面407之拔模角411可實質上相同。在一些具體實例中，位於上半部或下半部之不同區域處的拔模小面411之拔模角407可彼此不同。在一些具體實例中，位於第一透鏡表面410-1之不同區域處之拔模小面411之拔模角407可基於與菲涅爾透鏡400之中心的各別菲涅爾結構402之距離來配置。
圖4A說明自眼動範圍160至顯示面板115的反向追蹤的射線，其間安置有菲涅爾透鏡400。如在圖4A中所示，眼動範圍160假定朝向第一透鏡表面410-1處之預定區域420輸出一束平行射線或準直光431。預定區域420可包括位於例如菲涅爾透鏡400之周邊部分處之至少一個菲涅爾結構402。在圖4A中所示之具體實例中，準直光431可自眼動範圍160之中心部分輸出。
圖4B說明菲涅爾透鏡400之預定區域420之部分中之反向追蹤射線的放大視圖。如在圖4B中所示，無效拔模（或拔模小面）407可連接兩個斜坡小面405（405-1及405-2）。無效拔模407可在斜坡小面405-1與405-2之間形成鈍角β1及β2。亦即，與圖3B中所示之完美拔模307相比，無效拔模407以較大拔模角411相對「扁平化」。無效拔模可形成具有兩個相鄰斜坡小面的鈍角，並將來自顯示面板105之影像光反射為雜散光，該雜散光朝向位於菲涅爾透鏡400之面向眼動範圍160之一側處且在眼動範圍160外部的區域傳播。
如在圖4A及圖4B中所示，無效拔模407之內表面可截獲入射至菲涅爾透鏡400上之光431之射線，且可將射線反射為光433之射線，該光可為雜散光，傳播至位於電子顯示器115外部之區域422。
包括在菲涅爾透鏡400中之拔模小面407之拔模角411可為不同的。在一些具體實例中，所有拔模小面407之拔模角411可為不同的。在一些具體實例中，至少兩個拔模角411可為不同的。在一些具體實例中，第一複數個拔模角411可為相同的第一角，且可不同於第二複數個拔模角411，該第二複數個拔模角可為相同的第二角。在一些具體實例中，拔模角411可配置，使得由無效拔模407產生的所有雜散光定向至菲涅爾透鏡之同一側，該側不同於菲涅爾透鏡之光輸入側。舉例而言，對於自電子顯示器115發射之影像光，無效拔模407可將雜散光引導至眼動範圍160所定位於之另一側。雜散光經引導至區域可位於眼動範圍160外部。
參考圖4A及圖4B，各拔模小面407之拔模角411可配置為無效拔模，使得準直光431之第一部分可由斜坡小面405折射為聚焦至顯示面板115上之點A'的光435，且光431之第二部分可由拔模小面407之內表面反射（例如經由全內反射）為光434，該光可為雜散光，在菲涅爾透鏡400內部傳播朝向斜坡小面405。該光434可由斜坡小面405折射為雜散光433，該雜散光朝向位於菲涅爾透鏡400之面向顯示面板115之一側處且在顯示面板115外部之區域422傳播。因此，在菲涅爾透鏡400由無效拔模形成的具體實例中，位於眼動範圍160內之眼睛可無法感知到雜散光及由雜散光引起的光學偽影。
在一些具體實例中，對於無效拔模的拔模角411可藉由射線追蹤來判定。圖4C說明根據本揭示內容之具體實例的用於判定用於判定無效拔模之各別拔模角411的射線追蹤的圖。在射線追蹤中，系統401之參數（例如，菲涅爾透鏡400之大小、眼動範圍160之大小、電子顯示器115之顯示面板之大小、菲涅爾透鏡400與眼動範圍160之間的距離，菲涅爾透鏡400與電子顯示器115之間的距離，菲涅爾透鏡400的材料，及菲涅爾透鏡400的外部環境）經假定為固定。在射線追蹤中，各別拔模小面407之間距經假定為無限小。
由於第一透鏡表面410-1相對於光軸425係軸對稱的，因此眼動範圍160與顯示面板115之間的射線追蹤可僅對第一透鏡表面410-1之一半執行以判定用於無效拔模之各別拔模角411。舉例而言，第一透鏡表面410-1之上半部可劃分為複數個區域。各區域可包括至少一個菲涅爾結構402。第一透鏡表面410-1之上半部可藉由自眼動範圍160輸出之第一射線461-1及第二射線461-2，以及自顯示面板115輸出之第三射線463，沿第一透鏡表面410-1之徑向方向（例如，自第一透鏡表面410-1之中心部分至周邊部分或自第一透鏡表面410-1之周邊部分至中心部分）上進行「掃描」。
第一射線461-1可自眼動範圍160之上邊緣輸出朝向各別區域。第二射線461-2可自眼動範圍160之下邊緣輸出朝向各別區域。第一射線461-1及第二射線461-2可自面向眼動範圍160之第二透鏡表面410-2進入菲涅爾透鏡400。第一射線461-1及第二射線461-2可自第二透鏡表面410-2傳播至上半部之各別區域，並自面向顯示面板115之第一透鏡表面410-1出射菲涅爾透鏡400。第三射線463可自顯示面板115之邊緣輸出，例如，在掃描第一透鏡表面410-1之上半部時，圖4C中所示之顯示面板115之上邊緣。第三射線463可自第一透鏡表面410-1進入菲涅爾透鏡400，自第一透鏡表面410-1傳播至第二透鏡表面410-2，及自第二透鏡表面410-2出射菲涅爾透鏡400。
出於說明目的，圖4C示出第一透鏡表面410-1之上半部可藉由第一射線461-1、第二射線461-2及第三射線463在自第一透鏡表面410-1之中心部分至周邊部分的徑向方向上進行「掃描」。出於說明目的，圖4C示出第一射線461-1、第二射線461-3及第三射線463在第一時間時刻入射至上半部之第一區域上，且在第二時間時刻入射至上半部之不同於第一區域的第二區域。
當沿第一透鏡表面410-1之徑向方向上掃描第一透鏡表面410-1之上半部時，第一射線461-1及第二射線461-2中之各者可在菲涅爾透鏡400（例如，玻璃）中以入射角入射至第一透鏡表面410-1之上半部之各別區域上，且在外部環境（例如，空氣）中以折射角由第一透鏡表面410-1之上半部之各別區域折射。在射線追蹤中，射線在菲涅爾透鏡400中之入射角可定義為菲涅爾透鏡400中之射線與光軸425之間的角度。射線在外部環境（例如，空氣）中之折射角可定義為外部環境中之射線與光軸425之間的角度。第三射線463可在外部環境中以入射角入射至第一透鏡表面410-1之上半部之各別區域上，且菲涅爾透鏡400中以折射角由第一透鏡表面310-1之上半部之各別區域折射。在射線追蹤中，第三射線463在外部環境中之折射角可為在外部環境中之第三射線463與光軸425之間的角度。菲涅爾透鏡400中之第三射線463之折射角可為菲涅爾透鏡400中之第三射線463與光軸425之間的角度。
在沿第一透鏡表面410-1之徑向方向掃描第一透鏡表面410-1之上半部時，對於已經掃描或射線追蹤的第一透鏡表面410-1之上半部的各區域，可經由射線追蹤得到第二射線461-2在外部環境中之折射角θ 1、菲涅爾透鏡400中之第一射線461-1之入射角θ 2及菲涅爾透鏡400中之第三射線463之折射角θ 3。在一些具體實例中，用於無效拔模之拔模角411可配置為足夠大，使得外部模式反射可被抑制，且內部模式反射可經偏轉朝向在顯示面板115外部之區域。在一些具體實例中，對於無效拔模之拔模角411可配置以在外部環境中大於第二射線461-2之折射角θ 1的絕對值，亦即大於|θ 1|，用於抑制外模反射，且大於菲涅爾透鏡400中第一射線461-1之入射角θ 2的絕對值與菲涅爾透鏡400中第三射線之折射角θ 3的絕對值的總和的一半（例如，大於(|θ 2| + |θ 3|)/2），用於偏轉內部模式反射朝向顯示面板115外部的區域。在一些具體實例中，第一透鏡表面410-1之上半部的各別區域的|θ 1|及(|θ 2| + |θ 3|)/2中之較大者可經選擇為位於對應區域內的拔模小面之拔模角411。
圖5A說明根據本揭示內容之具體實例的包括混合拔模之菲涅爾透鏡500的x-z剖視圖。術語「混合拔模」係指在菲涅爾透鏡中包括完美拔模（或第一類型之拔模）及無效拔模（或第二類型之拔模）兩者的配置。菲涅爾透鏡500可包括與圖3A至圖3D中所示之菲涅爾透鏡300及圖4A及圖4B中所示之菲涅爾透鏡400中包括的彼等元件、結構及/或功能相同或相似的元件、結構及/或功能。相同或相似元件、結構及/或功能的詳細說明可係指上文結合圖3A至圖3D及圖4A及圖4B呈現的描述。
如在圖5A中所示，菲涅爾透鏡500可具有第一透鏡表面502-1及第二透鏡表面502-2。第一透鏡表面502-1或第二透鏡表面502-2中之至少一者可包括複數個菲涅爾結構。舉例而言，菲涅爾透鏡500之第一透鏡表面502-1可包括中心部分507及環繞中心部分507之周邊部分505。
在一些具體實例中，位於第一透鏡表面502-1之周邊部分505處之菲涅爾結構可包括係完美拔模的拔模小面。在一些具體實例中，完美拔模之拔模角可實質上相同。在一些具體實例中，至少兩個完美拔模之拔模角可基於各別菲涅爾結構502距第一透鏡表面510-1之中心的距離而以不同方式配置。
位於中心部分507處之菲涅爾結構可包括無效拔模，且可不包括完美拔模。在一些具體實例中，至少兩個無效拔模之拔模角可基於各別菲涅爾結構距第一透鏡表面510-1之中心的距離而以不同方式配置。
在一些具體實例中，第一及第二透鏡表面兩者可包括菲涅爾結構。圖5B說明根據本揭示內容之具體實例的具有包括混合拔模之兩個透鏡表面的菲涅爾透鏡520的x-z剖視圖。菲涅爾透鏡520可包括與圖3A至圖3D中所示之菲涅爾透鏡300、圖4A及圖4B中所示之菲涅爾透鏡400，或圖5A中所示之菲涅爾透鏡500中包括的彼等元件、結構及/或功能相同或相似的元件、結構及/或功能。相同或相似元件、結構及/或功能的詳細說明可係指上文結合圖3A至圖3D、圖4A及圖4B及圖5A呈現的描述。
如在圖5B中所示，菲涅爾透鏡520可具有第一透鏡表面522-1及第二透鏡表面522-2。第一透鏡表面522-1及第二透鏡表面522-2兩者可包括複數個菲涅爾結構。第一透鏡表面522-1及第二透鏡表面522-2中之各者可包括包括係無效拔模的拔模小面之中心部分，及包括係完美拔模的拔模小面之周邊部分。
舉例而言，菲涅爾透鏡520之第一透鏡表面522-1可包括中心部分527及環繞中心部分527之周邊部分525。在一些具體實例中，位於周邊部分525處之菲涅爾結構可包括係完美拔模的拔模小面。在一些具體實例中，完美拔模之拔模角可實質上相同。在一些具體實例中，至少兩個完美拔模之拔模角可基於各別菲涅爾結構距第一透鏡表面522-1之中心的距離而以不同方式配置。
位於第一透鏡表面522-1之中心部分527處之菲涅爾結構可包括無效拔模，且可不包括完美拔模。舉例而言，對於位於第一透鏡表面522-1之中心部分527處的菲涅爾結構，可不滿足完美拔模的條件|θ 1|＜ |θ 2|。在一些具體實例中，至少兩個無效拔模之拔模角可基於各別菲涅爾結構距第一透鏡表面522-1之中心的距離而以不同方式配置。
菲涅爾透鏡520之第二透鏡表面522-2可包括中心部分537及周邊部分535。在一些具體實例中，位於第二透鏡表面522-2之周邊部分535處的菲涅爾結構可包括完美拔模。在一些具體實例中，完美拔模之拔模角可實質上相同。在一些具體實例中，至少兩個完美拔模之拔模角可基於各別菲涅爾結構距第二透鏡表面522-2之中心的距離而以不同方式配置。
位於第二透鏡表面522-2之中心部分537處之菲涅爾結構可包括無效拔模，且可不包括完美拔模。舉例而言，對於位於第二透鏡表面522-2之中心部分537處的菲涅爾結構，可不滿足完美拔模的條件|θ 1|＜ |θ 2|。在一些具體實例中，至少兩個無效拔模之拔模角可基於各別菲涅爾結構距第二透鏡表面522-2之中心的距離而以不同方式配置。
在一些具體實例中，第二透鏡表面522-2之中心部分537及周邊部分535可分別與第一透鏡表面522-1之中心部分527及周邊部分525對準。在一些具體實例中，第二透鏡表面522-2之中心部分537及周邊部分535可分別不與第一透鏡表面522-1之中心部分527及周邊部分525對準。
圖3A至圖5B中所示之所揭示菲涅爾透鏡可為折射率相對較低的菲涅爾透鏡，出於論述目的被稱為低折射率菲涅爾透鏡。在一些具體實例中，低折射率菲涅爾透鏡可包括由具有小於1.9（諸如1.85、1.8、1.75、1.7、1.65、1.6、1.55、1.5、1.45、1.4、1.35、1.3、1.25、1.2）之折射率（其可被視為低折射率）的材料製成的複數個菲涅爾結構。本揭示內容亦提供具有減少光學偽影的各種高折射率菲涅爾透鏡。高折射率菲涅爾透鏡可包括由具有大於或等於1.9（諸如1.9、1.95、2.0、2.05、2.1、2.15、2.2、2.25、2.3、2.35、2.4、2.45、2.5、2.55、2.6、2.65等等）之折射率的高折射率材料製成的複數個菲涅爾結構。
高折射率材料可允許菲涅爾結構具有較小的傾斜角以獲得折射，該折射原本對於用低折射率材料製成的菲涅爾結構以大傾斜角才可獲得。小傾斜角可允許菲涅爾結構具有較大寬度，此係在菲涅爾透鏡之徑向方向上量測。包括寬菲涅爾結構之菲涅爾透鏡可具有小的點擴散函數（「PSF」），而包括窄菲涅爾結構之菲涅爾透鏡可具有較大PSF，此係歸因於由窄菲涅爾結構引起的繞射。因此，高折射率材料可減少由窄菲涅爾結構引起的繞射，此繼而增加由對應菲涅爾透鏡形成之影像的解析度。另外，低傾斜角可允許菲涅爾結構具有低深度，其係沿垂直於由菲涅爾透鏡界定之平面的方向量測。菲涅爾結構之低深度可降低菲涅爾結構之邊界的可見性，從而增強由菲涅爾透鏡形成之影像之品質。
在一些具體實例中，例如，對於具有在40 mm與60 mm之間的直徑及在20 mm與30 mm之間的焦距的高折射率菲涅爾透鏡，各菲涅爾結構可具有大於0.5 mm、0.6 mm、0.7 mm、0.8 mm、0.9 mm、1.0 mm、1.1 mm、1.2 mm、1.3 mm、1.4 mm或1.5 mm的寬度。在一些具體實例中，菲涅爾結構之寬度可為不同的。舉例而言，菲涅爾透鏡可包括具有第一寬度之第一菲涅爾結構及具有與第一寬度不同的第二寬度之第二菲涅爾結構。在一些具體實例中，對於高折射率菲涅爾透鏡，各菲涅爾結構可具有小於0.5 mm、0.45 mm、0.4 mm、0.35 mm、0.3 mm、0.25 mm、0.2 mm、0.15 mm或0.1 mm的深度。
在一些具體實例中，高折射率材料可例如在450 nm、500 nm、550 nm、600 nm、650 nm、700 nm或750 nm處具有大於或等於1.9（諸如1.9、2.0、2.1、2.2、2.3、2.4或2.5）的折射率。在一些具體實例中，高折射率材料可包括二氧化鈦（n=2.6）、五氧化二鉭（n=2.15）、鈦酸鍶（n=2.4）、二氧化鋯（亦被稱為立方氧化鋯，n=2.15）、氧化鋅（n=2.0）、硫化鋅（n=2.37）、金剛石（n=2.4）、或碳化矽（n=2.64）等。在一些具體實例中，高折射率材料可包括具有大於或等於1.9（諸如1.9、1.95、2.0、2.05、2.1、2.15、2.2、2.25、2.3、2.35、2.4、2.45、2.5、2.55、2.6、2.65等）之折射率的鑭。在一些具體實例中，高折射率材料在400 nm與2000 nm之間的波長範圍內可具有至少50%、60%、70%、80%或90%的透射率。在一些具體實例中，高折射率材料可在450 nm與800 nm之間的波長範圍內具有至少50%、60%、70%、80%或90%的透射率。
一般而言，高折射率材料亦可具有高色散，其特徵在於低阿貝數。舉例而言，在一些具體實例中，高折射率材料可具有小於或等於30、25、20、19、18、17或16的阿貝數（例如，在15與16之間）。舉例而言，二氧化鈦的阿貝數約為9.87，氧化鋅的阿貝數約為2.42，硫化鋅的阿貝數約為15.43，氧化鋯的阿貝數約為33.54，且碳化矽的阿貝數約為25.96。在一些具體實例中，高折射率菲涅爾透鏡可光學耦合至盤查拉特納姆－貝瑞相位（「PBP」）元件，例如，PBP透鏡。PBP元件可配置以補償由高折射率菲涅爾透鏡引起的色差。PBP元件與菲涅爾透鏡的阿貝數可具有相反符號。
圖6A說明根據本揭示內容之具體實例的系統601的x-z剖視圖。系統601可包括電子顯示器115及配置有無效加（「null+」）拔模的菲涅爾透鏡600。術語「無效加拔模」係指產生向以下三區域中之一者傳播的雜散光的一類型之拔模：位於菲涅爾透鏡之面向眼動範圍之一側處且在眼動範圍外部的區域、位於菲涅爾透鏡之面向電子顯示器之一側處且在電子顯示器外部的區域，或菲涅爾透鏡之邊緣以被菲涅爾透鏡之邊緣吸收。在菲涅爾透鏡600中，無效加拔模可產生朝向上文所提及所有三個區域傳播的雜散光。菲涅爾透鏡600可為高折射率菲涅爾透鏡，具有高折射率，諸如折射率大於或等於1.9，諸如1.9、1.95、2.0、2.05、2.1、2.15、2.2、2.25、2.3、2.35、2.4、2.45、2.5、2.55、2.6、2.65等。電子顯示器115可包括顯示面板（出於論述目的亦被稱為115）。菲涅爾透鏡600可具有面向顯示面板115之第一透鏡表面610-1及面向眼動範圍160之第二透鏡表面610-2。菲涅爾透鏡600可配置以將自顯示面板115上之各點發射之影像光（諸如發散影像光）變換為一束平行射線或實質上覆蓋眼動範圍160的準直光。出於論述目的，電子顯示器115所位於之菲涅爾透鏡600之一側可被稱為菲涅爾透鏡600之第一側，且眼動範圍160所位於的菲涅爾透鏡600之一側可被稱為菲涅爾透鏡600之第二側。
在一些具體實例中，系統601可包括PBP元件650，其配置以補償由菲涅爾透鏡600引起的色差。如在圖6A中所示，PBP元件650可安置在菲涅爾透鏡600與顯示面板115之間。在一些具體實例中，PBP元件650可安置在菲涅爾透鏡600與眼動範圍160之間。
在一些具體實例中，包括在高折射率菲涅爾透鏡600中之無效加拔模既非完美拔模，亦非無效拔模。圖6A亦說明菲涅爾透鏡600之菲涅爾結構602的放大視圖。菲涅爾透鏡600中之各別拔模小面607（或無效加拔模）之拔模角611可經專門配置，使得當電子顯示器115之顯示面板上之各點向菲涅爾透鏡600輸出影像光（諸如聚散影像光）時，自拔模小面607輸出之雜散光可朝向位於菲涅爾透鏡600之第一側處且在電子顯示器115外部的區域傳播。雜散光可被菲涅爾透鏡600之邊緣吸收。舉例而言，雜散光可被安置在邊緣處之安裝結構來吸收。交替地或另外地，雜散光可朝向位於菲涅爾透鏡600之第二側處且在眼動範圍160外部的區域傳播。因此，位於眼動範圍160內之眼睛不能感知雜散光，且不能感知由雜散光引起的光學偽影。
在一些具體實例中，位於第一透鏡表面610-1之不同區域處之拔模小面607之拔模角611可單獨配置，使得各拔模小面607可將入射於其上之影像光偏轉朝向位於菲涅爾透鏡600之第一側處且在電子顯示器115外部的區域，朝向位於菲涅爾透鏡600之第二側處且在眼動範圍160外部的區域，及/或朝向菲涅爾透鏡600之邊緣以被菲涅爾透鏡600之邊緣吸收。
在一些具體實例中，在菲涅爾透鏡600中，第一複數個無效加拔模607可配置以將入射至菲涅爾透鏡600上之（自顯示面板115輸出之）發散影像光之第一部分偏轉朝向位於菲涅爾透鏡600之面向眼動範圍160之一側處且在眼動範圍160外部的區域。第二複數個無效加拔模607可配置以將發散影像光之第二部分偏轉朝向位於菲涅爾透鏡600之面向電子顯示器115之一側處且在電子顯示器115外部的區域。第三複數個無效加拔模607可配置以將發散影像光之第三部分偏轉朝向菲涅爾透鏡600之邊緣，其中發散光之第三部分可被菲涅爾透鏡600之邊緣（諸如在邊緣處安裝結構）吸收。在一些具體實例中，複數個無效加拔模607可配置以執行以下中之至少兩者：將（自顯示面板115輸出之）發散影像光之第一部分偏轉朝向位於菲涅爾透鏡600之面向眼動範圍160之一側處且在眼動範圍160外部的區域，將發散影像光之第二部分偏轉朝向位於菲涅爾透鏡600之面向電子顯示器115之一側處且在電子顯示器114外部的區域，及將發散光之第三部分偏轉朝向菲涅爾透鏡之邊緣。
在一些具體實例中，第一透鏡表面610-1可相對於菲涅爾透鏡600之光軸625軸對稱。舉例而言，第一透鏡表面610-1可包括第一半部（例如，圖6A中所示之上半部）及第二半部（例如，圖6A中所示之下半部）。上半部及下半部可相對於光軸625對稱。位於第一透鏡表面610-1之上半部處之拔模小面607及位於第一透鏡表面610-1之下半部處之拔模小面607可相對於光軸625對稱。相對於光軸625對稱的拔模小面607之拔模角611可實質上相同。在一些具體實例中，無效加拔模之所有拔模角611可彼此不同。在一些具體實例中，位於第一透鏡表面610-1之上（或下）半部之不同區域處之拔模小面607之拔模角611可基於距菲涅爾透鏡600之中心距離來以不同方式配置。在一些具體實例中，第一複數個拔模角611可具有相同第一值，且第二複數個拔模角611可具有相同第二值，該第二值不同於第一值。
圖6A說明自眼動範圍160至顯示面板115的反向追蹤的射線，其間安置有菲涅爾透鏡600。菲涅爾透鏡600可配置有無效加拔模。如在圖6A中所示，眼動範圍160假定將三束平行射線或準直光631-1、631-2及631-3輸出朝向菲涅爾透鏡600之第一透鏡表面610-1處的三個不同區域。第一透鏡表面610-1處之三個不同區域可包括不同拔模小面，亦即，具有不同拔模角的拔模。三個準直光631-1、631-2及631-3可分別自眼動範圍160之上邊緣、中心及下邊緣輸出。在一些具體實例中，位於第一透鏡表面610-1之不同區域處的各別拔模小面（亦即，無效加拔模）之拔模角可單獨配置。因此，在反向射線追蹤中，自各拔模小面輸出之雜散光可朝向位於菲涅爾透鏡600之第二側處且在眼動範圍160外部之區域傳播，可被菲涅爾透鏡600之邊緣（例如，藉由安置在邊緣處之菲涅爾透鏡600之安裝結構吸收），及/或可朝向位於菲涅爾透鏡600之第一側處且在顯示面板115外部的區域傳播。
圖6B說明菲涅爾透鏡600之第一透鏡表面610-1處之菲涅爾結構602-1的放大視圖。菲涅爾結構602-1可包括斜坡小面605-1及拔模小面607-1。斜坡小面605-1可折射入射於其上之光631-1之第一部分作為朝向顯示面板115傳播之信號光635-1。拔模小面607-1之拔模角611-1（此為無效加拔模）可配置使得拔模小面607-1可經由全內反射（「TIR」）反射入射於其上之光631-1之第二部分作為雜散光633-1。舉例而言，拔模小面607-1之內表面可反射光631-1之第二部分。雜散光633-1可經由TIR在菲涅爾透鏡600內部傳播，例如，朝向菲涅爾透鏡600之周邊，直至不滿足TIR條件。舉例而言，經由TIR在菲涅爾透鏡600內部傳播的雜散光633-1可被另一斜坡小面朝向空氣折射，自第一透鏡表面610-1出射菲涅爾透鏡600。自菲涅爾透鏡600輸出之雜散光633-1可朝向位於菲涅爾透鏡600之第一側處且在顯示面板115外部的區域傳播。
圖6C說明菲涅爾透鏡600之第一透鏡表面610-1處之菲涅爾結構602-2的放大視圖。菲涅爾結構602-2可包括斜坡小面605-2及拔模小面607-2。斜坡小面605-2可折射入射於其上之光631-2之第一部分作為朝向顯示面板115傳播信號光635-2。拔模小面607-2之拔模角611-2（此為無效加拔模）可配置使得拔模小面607-2可經由TIR反射入射於其上之光631-2之第二部分作為雜散光633-2。舉例而言，拔模小面607-2之內表面可反射光631-2之第二部分。雜散光633-2可經由TIR在菲涅爾透鏡600內部傳播，例如，朝向菲涅爾透鏡600之周邊，直至不滿足TIR條件。舉例而言，經由TIR在菲涅爾透鏡600內部傳播的雜散光633-2可被另一斜坡小面朝向空氣折射，自第二透鏡表面610-2出射菲涅爾透鏡600。自菲涅爾透鏡600輸出之雜散光633-2可朝向位於菲涅爾透鏡600之第二側處且在眼動範圍160外部的區域傳播。因此，位於眼動範圍160中之眼睛可不能感知雜散光633-2，且因此，不能感知在菲涅爾透鏡600形成的影像中由雜散光633-2引起的光學偽影。
圖6D說明菲涅爾透鏡600之第一透鏡表面610-1處之菲涅爾結構602-3的放大視圖。菲涅爾結構602-3可包括斜坡小面605-3及拔模小面607-3。斜坡小面605-3可折射入射於其上之光631-3之第一部分作為朝向顯示面板115傳播之信號光635-3。拔模小面607-3之拔模角611-3（此為無效加拔模）可配置使得拔模小面607-3可經由TIR反射入射於其上之光631-3之第二部分作為雜散光633-3。舉例而言，拔模小面607-3之內表面可反射光631-3之第二部分。雜散光633-3可經由TIR在菲涅爾透鏡600內部例如朝向菲涅爾透鏡600之周邊傳播，直至被菲涅爾透鏡600之邊緣（例如，藉由安置在邊緣處之菲涅爾透鏡600之安裝結構）吸收。
出於說明目的，圖6A至圖6D示出自配置有無效加拔模之三個拔模小面607-1、607-2及607-3輸出之雜散光之傳播路徑。自其餘拔模小面中之各者輸出之雜散光可具有相似於圖6B、圖6C及圖6D中所示之彼等雜散光中之一者的傳播路徑。
返回參考圖6A，對於無效加拔模的各別拔模角611可藉由射線追蹤來判定。在射線追蹤中，系統601之參數（例如，菲涅爾透鏡600之大小、眼動範圍160之大小、電子顯示器115之顯示面板之大小、菲涅爾透鏡600與眼動範圍160之間的距離，菲涅爾透鏡600與電子顯示器115之間的距離，菲涅爾透鏡600的材料，及菲涅爾透鏡600的外部環境）經假定為固定。
用於判定各別拔模小面607之拔模角611的射線追蹤可包括兩個階段。由於第一透鏡表面610-1相對於光軸625係軸對稱的，因此射線追蹤可僅對第一透鏡表面610-1之一半執行以判定用於無效加拔模之各別拔模角611。舉例而言，第一透鏡表面610-1之上半部可劃分為複數個區域。各區域可包括至少一個菲涅爾結構602。
圖6E說明根據本揭示內容之具體實例的用於判定無效加拔模之拔模角的第一級射線追蹤的圖。在第一階段射線追蹤中，各別拔模小面之間距經假定為無限小。第一階段射線追蹤可判定各別拔模小面607處的輸入射線角度範圍。舉例而言，第一透鏡表面610-1之上半部可藉由自眼動範圍160輸出之第一射線661-1及第二射線661-2沿第一透鏡表面610-1之徑向方向（例如，自第一透鏡表面610-1之中心部分至周邊部分或自第一透鏡表面610-1之周邊部分至中心部分）上進行「掃描」。
第一射線661-1可自眼動範圍160之上邊緣輸出朝向各別區域。第二射線661-2可自眼動範圍160之下邊緣輸出朝向各別區域。第一射線661-1及第二射線661-2可自面向眼動範圍160之第二透鏡表面610-2進入菲涅爾透鏡600，自第二透鏡表面610-2傳播至上半部之各別區域，並自面向顯示面板115之第一透鏡表面610-1出射菲涅爾透鏡600。出於說明目的，圖6E示出第一透鏡表面610-1之上半部可藉由第一射線661-1、第二射線661-2在自第一透鏡表面610-1之中心部分至周邊部分的徑向方向上進行「掃描」。出於說明目的，圖6E示出第一射線661-1及第二射線661-2在第一時間時刻入射至上半部之第一區域上，且在第二時間時刻入射至上半部之不同於第一區域的第二區域。
當沿第一透鏡表面610-1之徑向方向上掃描第一透鏡表面610-1之上半部時，第一射線661-1及第二射線661-2中之各者可在菲涅爾透鏡600中以入射角入射至第一透鏡表面610-1之上半部之各別區域上。在射線追蹤中，射線在菲涅爾透鏡600中之入射角可定義為菲涅爾透鏡600中之射線與光軸625之間的角度。對於已經掃描或射線追蹤的第一透鏡表面610-1之上半部的各區域，菲涅爾透鏡600中之第一射線661-1的入射角α 1，及菲涅爾透鏡600中之第二射線661-3的入射角α 2可經由射線追蹤獲得。在第一透鏡表面610-1之上半部之各別區域處的輸入射線角範圍可為菲涅爾透鏡600中第一射線661-1之入射角α 1的絕對值與菲涅爾透鏡600中之第二射線661-3之入射角α 2的絕對值之間的範圍。在第一透鏡表面610-1之上半部的不同區域處輸入射線角度範圍可彼此不同。在一些具體實例中，在第一透鏡表面610-1之上半部之各別區域處之輸入射線角度範圍可經選擇為位於對應區域內的拔模小面處的輸入射線角度範圍。
圖6F說明根據本揭示內容之具體實例的用於判定無效加拔模之拔模角的第二級射線追蹤的圖。在第二階段射線追蹤中，可單獨判定各別拔模小面之拔模角。出於說明目的，圖6E示出圖6A中所示之菲涅爾透鏡600之兩個相鄰菲涅爾結構602-4及602-5。以菲涅爾結構602-4為實例，可以起始角度自菲涅爾結構602-4之拔模小面607-4之下端660朝向菲涅爾透鏡600之內部追蹤射線661。射線661之起始角可為射線661與菲涅爾透鏡600之光軸625之間形成的角度。
對於射線611之各可能起始角，可執行射線追蹤以獲得輸出射線。若輸出射線滿足三個條件中之一者，則輸出射線可經判定為有效輸出射線：朝向位於菲涅爾透鏡600之第二側處且在眼動範圍160外部之區域傳播，被菲涅爾透鏡600之邊緣（例如，藉由安置在邊緣處之安裝結構）吸收，及朝向位於菲涅爾透鏡600之第一側處且在顯示面板115外部的區域傳播。若輸出射線到達顯示面板115，則輸出射線可經判定為無效輸出射線。
基於射線611之所有可能起始角的輸出射線，可判定射線611在拔模小面607-4處的連續角度空間或起始角的範圍。在拔模小面607-4處的射線611之起始角之連續角空間可足夠寬，以適應在第一狀態射線追蹤中判定的拔模小面607-4處的輸入射線角範圍。當射線611之起始角在連續角度空間內時，輸出射線可為有效輸出射線。基於拔模小面607-4處之射線611之起始角之連續角空間且在拔模小面607-4處之輸入射線角範圍，可根據用於反射的菲涅爾方程判定拔模小面607-4之拔模角611-4。因此，藉助經判定拔模角611-4，拔模小面607-4可經由TIR將來自眼動範圍160之任何輸入射線反射至連續角度空間中，從而輸出滿足上文所提及三個條件中之一者的有效射線。在第一透鏡表面610-1之上半部處之剩餘拔模小面之拔模角可單獨相似地判定，此不再重複。
在一些具體實例中，對於菲涅爾透鏡600中之至少一個拔模小面，射線追蹤可返回滿足無效加拔模的要求的兩個或多於兩個拔模角。舉例而言，對於某一菲涅爾結構之拔模小面，可找到複數個拔模角以滿足無效加拔模的要求。在此類狀況下，可選擇複數個拔模角中之最小一者作為無效加拔模角之拔模角。
圖7A說明根據本揭示內容之具體實例的具有鋸齒形拔模之菲涅爾透鏡800的x-z剖視圖。圖7B說明根據本揭示內容之具體實例的在圖7A中所示之菲涅爾透鏡800之拔模小面807的放大視圖的示意圖。菲涅爾透鏡800可為高折射率菲涅爾透鏡。菲涅爾透鏡800可包括與圖3A至圖3D中所示之菲涅爾透鏡300、圖4A及圖4B中所示之菲涅爾透鏡400，圖5A中所示之菲涅爾透鏡500、圖5B中所示之菲涅爾透鏡520或圖6A至圖6D中所示之菲涅爾透鏡600中包括的彼等元件、結構及/或功能相同或相似的元件、結構及/或功能。相同或相似元件、結構及/或功能的詳細說明可係指上文結合圖3A至圖3D、圖4A及圖4B、圖5A、圖5B或圖6A至圖6D呈現的描述。
如在圖7B中所示，菲涅爾結構802可包括拔模小面807及斜坡小面805。拔模小面807可包括，或可劃分為，複數個子拔模小面，其中各者配置有拔模角。複數個子拔模小面可包括至少一個初級子拔模小面817及至少一個次級子拔模小面827。在圖7B中所示之具體實例中，複數個子拔模小面可包括交替配置的複數個初級子拔模小面817及複數個次級子拔模小面827。在各別菲涅爾結構802中，初級子拔模小面817之拔模角可實質上相同，次級子拔模小面827之拔模角可與初級子拔模小面817之拔模角實質上相同且不同。亦即，各別菲涅爾結構802之拔模小面807可具有非平面表面，而非平面表面。
在一些具體實例中，在各別菲涅爾結構802中，初級子拔模小面817之拔模角可配置用於無效加拔模。出於說明目的，圖7B亦示出表示拔模小面607-1之虛線，其為無效加拔模，包括在圖6A及圖6B中所示出之菲涅爾透鏡600中。具有鋸齒形拔模之拔模小面807可用圖6B中所示之無效加號拔模來代替拔模小面607-1。如在圖7B中所示，初級子拔模小面817可實質上平行於拔模小面607-1，且初級子拔模小面817之拔模角可與拔模小面607-1之拔模角實質上相同。次級子拔模小面827之拔模角可配置以小於初級子拔模小面817之拔模角。舉例而言，次級子拔模小面827之拔模角可為數度且接近於零。具有鋸齒形拔模之拔模小面807的功能可與拔模小面607-1相似，而菲涅爾結構802（包括具有鋸齒形拔模之拔模小面807）的可見性與包括拔模小面607-1（其為無效拔模）之菲涅爾結構602-1相比可降低。相似地，圖6C中之拔模小面607-2及圖6D中之拔模小面607-1亦可分別被對應鋸齒形拔模替代。
具有鋸齒形拔模的菲涅爾透鏡800的功能可與具有無效加拔模之菲涅爾透鏡600相似，其中與具有無效加拔模的菲涅爾透鏡600相比，菲涅爾結構802的可見性降低。舉例而言，當電子顯示器115之顯示面板上之各點向菲涅爾透鏡800輸出影像光時，自拔模小面輸出之雜散光可朝向位於菲涅爾透鏡800之第一側處且在電子顯示器115外部的區域傳播，可被菲涅爾透鏡800之邊緣吸收，及/或可朝向位於菲涅爾透鏡800之第二側處且在眼動範圍160外部的區域傳播。
鋸齒形拔模之設計原理及機制亦可適用於其他菲涅爾透鏡，以降低菲涅爾結構之可見性。舉例而言，無效拔模可被具有鋸齒形拔模之對應拔模小面替換。
圖8A說明根據本揭示內容之具體實例的系統1000的x-z剖視圖。如在圖8A中所示，系統1000可包括配置以輸出光之光輸出裝置1015，及配置以將光導引至光接收區域1060之菲涅爾透鏡1005。菲涅爾透鏡1005可安置在光輸出裝置1015與光接收區域1060之間。在一些具體實例中，光輸出裝置1015可為其他圖中所示之電子顯示器。在一些具體實例中，光輸出裝置1015可為任一合適裝置，自其輸出光，諸如除電子顯示器以外的光源，配置以偏轉光的光學元件。在一些具體實例中，光接收區域1060可為其他圖中所示之眼動範圍區域。在一些具體實例中，光接收區域1060可為光學感測器，或接收光之任何其他類型之裝置。系統1000可沿著z軸方向具有光軸1025。光輸出裝置1015可具有預定大小L3，且可與菲涅爾透鏡1005間隔開預定距離d2。光接收區域1060可具有預定大小L1，且可與菲涅爾透鏡1005間隔開預定距離d1。菲涅爾透鏡1005可具有預定大小，例如，預定孔徑大小L2。
圖8B說明根據本揭示內容之具體實例的在圖8A中所示之菲涅爾透鏡1005之x-z剖視圖。菲涅爾透鏡1005可包括光學透明基板（出於論述目的亦稱為1005），其具有第一透鏡表面1010-1及與第一透鏡表面1010-1相對的第二透鏡表面1010-2。第一透鏡表面1010-1或第二透鏡表面1010-2中之至少一者可包括複數個菲涅爾結構。圖8C說明根據本揭示內容之具體實例的包括在圖8B中所示之菲涅爾透鏡1005中菲涅爾結構1050之x-z剖視圖。如在圖8C中所示，包括在菲涅爾透鏡1005中之各別菲涅爾結構1050可包括斜坡小面1055及拔模小面1057。拔模小面1057的特徵可在於拔模角1054。斜坡小面1055的特徵可在於傾斜角1052。
參考圖8B及圖8C，在一些具體實例中，隨著各別菲涅爾結構1050距菲涅爾透鏡1005之中心的距離增加，各別斜坡小面1055之傾斜角1052可逐漸增加。在一些具體實例中，各別菲涅爾結構1050之拔模角1054可經具體配置，用於減少由自拔模小面1057輸出之雜散光引起的光學偽影，降低菲涅爾結構1050之可見性，並改良由菲涅爾透鏡1005形成之影像之品質。各別拔模小面1057之拔模角1054可具有本文中所揭示之任一合適配置。舉例而言，拔模角1054可配置用於完美拔模、無效拔模、無效加拔模、或鋸齒形拔模等。菲涅爾透鏡1005可為本文中所揭示之菲涅爾透鏡之具體實例，例如，具有完美拔模的菲涅爾透鏡，具有無效拔模的菲涅爾透鏡，具有混合拔模的菲涅爾透鏡，具有無效加拔模的菲涅爾透鏡，或具有鋸齒形拔模的菲涅爾透鏡等。在一些具體實例中，位於菲涅爾透鏡1005之相應透鏡表面之不同區域處的拔模小面1057之拔模角1054可彼此不同。在一些具體實例中，位於菲涅爾透鏡1005之對應透鏡表面之不同區域處的拔模小面中之至少兩者之拔模角1054可實質上相同。
在一些具體實例中，第一透鏡表面1010-1或第二透鏡表面1010-2中之至少一者可為扁平表面、凸面、凹面、圓柱面、自由面，或其組合。第一透鏡表面1010-1或第二透鏡表面1010-2中之至少一者之部分可包括菲涅爾結構1050。該部分可實質上等於整個透鏡表面，或小於整個透鏡表面。舉例而言，在一些具體實例中，菲涅爾結構1050可跨整個透鏡表面分佈。在一些具體實例中，菲涅爾結構1050可分佈在透鏡表面之一部分中，而非跨整個透鏡表面。包括菲涅爾結構1050之第一透鏡表面1010-1或第二透鏡表面1010-2之一部分可由菲涅爾表面輪廓界定。不包括菲涅爾結構1050之第一透鏡表面1010-1或第二透鏡表面1010-2之一部分可由平滑表面輪廓界定。
在一些具體實例中，第一透鏡表面1010-1可包括中心部分1047，及環繞中心部分1047之周邊部分1045。第二透鏡表面1010-2可包括中心部分1037，及環繞中心部分1037之周邊部分1035。在一些具體實例中，第二透鏡表面1010-2之中心部分1037及周邊部分1035可分別與第一透鏡表面1010-2之中心部分1047及周邊部分1045對準。在一些具體實例中，第二透鏡表面522-2之中心部分1037及周邊部分1035可分別不與第一透鏡表面522-1之中心部分1047及周邊部分1045對準。
在一些具體實例中，第一透鏡表面1010-1之中心部分1047可配置有菲涅爾表面輪廓。在一些具體實例中，第一透鏡表面1010-1之中心部分1047可配置有平滑表面輪廓。在一些具體實例中，第一透鏡表面1010-1之周邊部分1045可配置有菲涅爾表面輪廓。在一些具體實例中，第一透鏡表面1010-1之周邊部分1045可配置有平滑透鏡輪廓。在一些具體實例中，第二透鏡表面1010-2之中心部分1037可配置有菲涅爾表面輪廓。在一些具體實例中，中心部分1037可配置有平滑表面輪廓。在一些具體實例中，第二透鏡表面1010-2之周邊部分1035可配置有菲涅爾表面輪廓。在一些具體實例中，周邊部分1035可配置有平滑透鏡輪廓。
出於論述目的，圖8B示出菲涅爾透鏡1005之第一透鏡表面1010-1可為安置有菲涅爾結構1050之扁平表面。菲涅爾透鏡1005之第二透鏡表面1010-2可為無菲涅爾結構之凸面。參考圖8A，出於論述目的，圖8A示出菲涅爾透鏡1005之第一透鏡表面1010-1可面向光輸出裝置1015，且菲涅爾透鏡1005之第二透鏡表面1010-2可面向光接收區域1060。
在一些具體實例中，光輸出裝置1015可朝向菲涅爾透鏡1005發射光。舉例而言，光輸出裝置1015可包括電子顯示器。在一些具體實例中，光輸出裝置1015可未朝向菲涅爾透鏡1005發射光。相反，光輸出裝置1015可將光自另一光源重定向（例如，反射）朝向菲涅爾透鏡1005。舉例而言，光輸出裝置1015可包括物件，諸如現實世界物件，其被來自另一光源之光照明，並將照明光重定向至菲涅爾透鏡1005。在一些具體實例中，菲涅爾透鏡1005可將自光輸出裝置1015上之各點輸出之光變換為一束平行射線或準直光，其實質上覆蓋光接收區域1060。在一些具體實例中，眼睛可置放在光接收區域1060內。在一些具體實例中，光學透鏡可置放在光接收區域1060內。在一些具體實例中，光學透鏡可為偵測器之組件，諸如相機，且可配置以將自菲涅爾透鏡1005接收之光聚焦至偵測器之偵測區，諸如晶片。
在一些具體實例中，光輸出裝置1015可包括電子顯示器115，該電子顯示器配置以輸出表示虛擬影像之影像光。電子顯示器115可包括具有預定大小L3的顯示面板。光接收區域1060可為眼動範圍160。菲涅爾透鏡1005可將自電子顯示器115之顯示面板上之各點輸出之影像光（例如發散影像光1020-1、1020-2或1020-3）變換為一束平行射線或實質上覆蓋眼動範圍160的準直光。當使用者之眼睛定位在眼動範圍160內時，使用者可感知具有減少光學偽影、降低菲涅爾結構之可見性及改良的影像品質的虛擬影像。
圖8A亦示出，菲涅爾透鏡1005之中心部分可將自位於顯示面板115之中心點處輸出之影像光1020-2變換為一束平行射線或實質上覆蓋眼動範圍160的準直光1022-2。菲涅爾透鏡1005之周邊部分可將自位於顯示面板115之周邊區域處之一點處輸出之影像光1020-1變換為一束平行射線或實質上覆蓋眼動範圍160的準直光1022-1。菲涅爾透鏡1005在中心部分與周邊部分之間的一部分可將自介於中心部分與周邊部分之間的顯示面板115之一部分處的一點輸出之影像光1020-3變換為一束平行射線或實質上覆蓋眼動範圍160的準直光1022-3。
在一些具體實例中，本揭示內容提供透鏡。透鏡可包括配置以將來自基板之第一側的入射於其上之發散光轉換為實質上覆蓋位於基板之第二側處之預定區域的準直光。透鏡可包括形成在基板之第一透鏡表面或第二透鏡表面中之至少一者上之複數個菲涅爾結構。各菲涅爾結構可包括斜坡小面及拔模小面。拔模小面中之至少一者可為第一類型之拔模小面，其配置以不與發散光之不與拔模小面中之至少一者平行之射線交互作用。在一些具體實例中，拔模小面中之至少兩者可為第一類型之拔模小面。拔模小面中之至少兩者之拔模角可實質上相同。在一些具體實例中，發散光及準直光中之兩者可不入射至拔模小面中之至少一者上。在一些具體實例中，透鏡可包括由具有小於1.9（諸如1.85、1.8、1.75、1.7、1.65、1.6、1.55、1.5、1.45、1.4、1.35、1.3、1.25、1.2）之折射率（其可被視為低折射率）的材料。在一些具體實例中，第一類型之各拔模小面可位於由發散光之兩個毗鄰射線形成的區內，兩個毗鄰射線中之一者在透鏡之外部環境中傳播，且兩個毗鄰射線中之另一者在透鏡本體內傳播。在一些具體實例中，拔模小面中之至少一者可為第二類型之拔模小面，其配置以反射發散光之至少一部分作為朝向位於基板之第二側處且在預定區域外部的區域傳播的光。在一些具體實例中，第一類型之拔模小面可位於基板之周邊部分處，且第二類型之拔模小面可位於基板之中心部分處。第二類型之拔模小面可配置有鋸齒形表面。
在一些具體實例中，本揭示內容提供透鏡。透鏡可包括配置以將來自基板之第一側的入射於其上之發散光轉換為實質上覆蓋位於基板之第二側處之預定區域的準直光。該透鏡亦可包括形成在基板之第一透鏡表面或第二透鏡表面中之至少一者上之複數個菲涅爾結構。各菲涅爾結構可包括斜坡小面及拔模小面。拔模小面可配置以將發散光偏轉至位於基板之第二側處且在預定區域外部之區域。在一些具體實例中，拔模小面之拔模角可彼此不同。透鏡可包括由具有小於1.9（諸如1.85、1.8、1.75、1.7、1.65、1.6、1.55、1.5、1.45、1.4、1.35、1.3、1.25、1.2）之折射率（其可被視為低折射率）的材料。在一些具體實例中，拔模小面可配置有鋸齒形表面。在一些具體實例中，拔模小面可配置以在拔模小面之內表面處將發散光反射至位於基板之第二側處且在預定區域外部的區域。
在一些具體實例中，本揭示內容提供透鏡。透鏡可包括配置以將來自位於基板之第一側處之第一預定區域的入射於其上之發散光轉換為實質上覆蓋位於基板之第二側處之第二預定區域的準直光。該透鏡亦可包括形成在基板之第一透鏡表面或第二透鏡表面中之至少一者上之複數個菲涅爾結構。各菲涅爾結構可包括斜坡小面及拔模小面。拔模小面可配置以將發散光偏轉至以下中之至少兩者：位於基板之第一側處且在第一預定區域外部的第一區域、位於基板之第二側處且在第二預定區域外部的第二區域，及基板之邊緣。透鏡可包括具有大於或等於1.9（諸如1.9、1.95、2.0、2.05、2.1、2.15、2.2、2.25、2.3、2.35、2.4、2.45、2.5、2.55、2.6、2.65等）之折射率的材料。在一些具體實例中，菲涅爾結構之拔模角可彼此不同。在一些具體實例中，第一複數個拔模小面可配置以將發散光之第一部分偏轉至位於基板之第一側處且在第一預定區域外部的第一區域。在一些具體實例中，第二複數個拔模小面可配置以將發散光之第二部分偏轉至位於基板之第二側處且在第二預定區域外部的第二區域。在一些具體實例中，第三複數個拔模小面可配置以將發散光之第三部分偏轉至基板之邊緣。拔模小面中之至少一者可配置有鋸齒形表面。
在一些具體實例中，本揭示內容提供包括光輸出裝置之系統，該光輸出裝置配置以輸出發散光。該系統亦可包括透鏡，該透鏡配置以將自透鏡之第一側入射於其上之發散光轉換為實質上覆蓋位於透鏡之第二側處之光接收區域的準直光，該透鏡包括形成在透鏡之第一透鏡表面或第二透鏡表面中之至少一者上的複數個菲涅爾結構。各菲涅爾結構可包括斜坡小面及拔模小面。拔模小面中之至少一者可為第一類型之拔模小面，其配置以不與發散光之不與拔模小面中之至少一者平行之射線交互作用。在一些具體實例中，拔模小面中之至少兩者可為第一類型之拔模小面，且拔模小面中之至少兩者之拔模角可實質上相同。在一些具體實例中，發散光及準直光中之兩者可不入射至拔模小面中之至少一者上。在一些具體實例中，透鏡可包括由具有小於1.9（諸如1.85、1.8、1.75、1.7、1.65、1.6、1.55、1.5、1.45、1.4、1.35、1.3、1.25、1.2）之折射率（其可被視為低折射率）的材料。在一些具體實例中，第一類型之各拔模小面可位於由發散光之兩個毗鄰射線形成的區內，兩個毗鄰射線中之一者在透鏡之外部環境中傳播，且兩個毗鄰射線中之另一者在透鏡本體內傳播。在一些具體實例中，拔模小面中之至少一者可為第二類型之拔模小面，其配置以反射發散光之至少一部分作為朝向位於透鏡之第二側處且在光接收區域外部的區域傳播的光。在一些具體實例中，第一類型之拔模小面可位於透鏡之周邊部分處，且第二類型之拔模小面可位於透鏡之中心部分處。在一些具體實例中，第二類型之拔模小面可配置有鋸齒形表面。
在一些具體實例中，本揭示內容提供包括光輸出裝置之系統，該光輸出裝置配置以輸出發散光。該系統亦可包括透鏡，該透鏡配置以將自透鏡之第一側入射於其上之發散光轉換為實質上覆蓋位於透鏡之第二側處之光接收區域的準直光，該透鏡包括形成在透鏡之第一透鏡表面或第二透鏡表面中之至少一者上的複數個菲涅爾結構。各菲涅爾結構可包括斜坡小面及拔模小面。拔模小面可配置以將發散光偏轉至位於透鏡之第二側處且在光接收區域外部之區域。在一些具體實例中，拔模小面之拔模角可彼此不同。在一些具體實例中，透鏡可包括由具有小於1.9（諸如1.85、1.8、1.75、1.7、1.65、1.6、1.55、1.5、1.45、1.4、1.35、1.3、1.25、1.2）之折射率（其可被視為低折射率）的材料。在一些具體實例中，拔模小面可配置有鋸齒形表面。在一些具體實例中，拔模小面配置以在拔模小面之內表面處將發散光反射至位於透鏡之第二側處且在光接收區域外部的區域。
在一些具體實例中，本揭示內容提供包括光輸出裝置之系統，該光輸出裝置配置以輸出發散光。光輸出裝置可為電子顯示器、偏轉光之光學元件或可自其輸出光的任一其他合適裝置。該系統亦可包括透鏡，該透鏡配置以將自透鏡之第一側入射於其上之發散光轉換為實質上覆蓋位於透鏡之第二側處之光接收區域的準直光，該透鏡包括形成在透鏡之第一透鏡表面或第二透鏡表面中之至少一者上的複數個菲涅爾結構。光接收區域可為眼動範圍、接收光之光學感測器或接收光之任一其他合適裝置。各菲涅爾結構可包括斜坡小面及拔模小面。拔模小面可配置以將發散光偏轉至以下中之至少兩者：位於透鏡之第一側處且在光輸出裝置外部的第一區域、位於透鏡之第二側處且在光接收區域外部的第二區域，及透鏡之邊緣。在一些具體實例中，透鏡可包括具有大於或等於1.9（諸如1.9、1.95、2.0、2.05、2.1、2.15、2.2、2.25、2.3、2.35、2.4、2.45、2.5、2.55、2.6、2.65等）之折射率的材料。在一些具體實例中，菲涅爾結構之拔模角可彼此不同。在一些具體實例中，第一複數個拔模小面可配置以將發散光之第一部分偏轉至位於透鏡之第一側處且在光輸出裝置外部的第一區域。在一些具體實例中，第二複數個拔模小面可配置以將發散光之第二部分偏轉至位於透鏡之第二側處且在光接收區域外部的第二區域。在一些具體實例中，第三複數個拔模小面可配置以將發散光之第三部分偏轉至透鏡之邊緣。在一些具體實例中，拔模小面中之至少一者配置有鋸齒形表面。
本文中所描述之步驟、操作或程序中之任一者可單獨或與其他裝置組合使用一或多個硬體及/或軟體模組來執行或實施。在一個具體實例中，軟體模組用電腦程式產品實施，該電腦程式產品包括含有電腦程式碼之電腦可讀取媒體，該電腦程式碼可由電腦處理器執行以執行所描述之任何或所有步驟、操作或程序。在一些具體實例中，硬體模組可包括諸如裝置、系統、光學元件、控制器、電路、邏輯閘等的硬體組件。
此外，當圖式中說明的具體實例示出單個元件時，可理解，該具體實例或未在圖中示出但在本揭示內容之範圍內的具體實例可包括複數個此類元件。同樣地，當圖式中說明的具體實例示出複數個此類元件時，應理解，該具體實例或未在圖中示出但在本揭示內容之範圍內的具體實例可僅包括一個此類元件。圖式中所說明之元件數目僅出於說明目的，且不應解釋為對具體實例之範圍的限制。此外，除非另有說明，圖式中所示之具體實例並不相互排斥，且其可以任一合適方式組合。舉例而言，在一個圖/具體實例中示出但未在另一圖/具體實例中示出之元件仍可包括在其他圖/具體實例中。在本文中所揭示之包括一或多個光學層、薄膜、板或元件的任一光學裝置中，圖中所示之層、薄膜、板或元件的數目僅出於說明目的。在圖中未示出之其他具體實例中，其仍在本揭示內容之範圍之內，相同或不同圖/具體實例中所示之相同或不同的層、薄膜、板或元件可組合或以各種方式重複以形成堆疊。
已描述各種具體實例以說明例示性實施方案。基於所揭示之具體實例，所屬技術領域中具有通常知識者可在不脫離本揭示內容之範圍的情況下進行各種其他改變、修改、重新配置及替換。因此，雖然本揭示內容已參考上述具體實例進行詳細描述，但本揭示內容並不限於上文所描述之具體實例。本揭示內容可以其他等效形式體現，而不脫離本揭示內容之範圍。本揭示內容之範圍在所附申請專利範圍中界定。
100:系統 110:顯示模組 115:電子顯示器 118:虛擬物件 119:凝視點/凝視線 120:觀察光學模組 125:透鏡組裝件 130:物件追蹤系統 131:IR光源 133:光學感測器 140:控制器 150:左眼/右眼 155:眼睛瞳孔 157:出射瞳孔 160:眼動範圍區域 200:菲涅爾透鏡 202-1:菲涅爾透鏡 202-2:菲涅爾透鏡 202-3:菲涅爾透鏡 202-4:菲涅爾透鏡 205:斜坡小面 207:拔模小面 209:傾斜角 211:拔模角 215:電子顯示器 231:準直光 233:光 233-1:第一部分 235:光 237:第一區域 239:第二區域 250:光學透鏡 251:準直光 253:光 255:平面 257:第一區域 259:第二區域 260:眼動範圍 300:菲涅爾透鏡 301:系統 302:菲涅爾結構 305:斜坡小面 305-1:斜坡小面 305-2:斜坡小面 307:拔模小面 310-1:第一透鏡表面 310-2:第二透鏡表面 311:拔模角 320:預定區域 325:光軸 331-1:準直光 331-2:準直光 331-3:準直光 335-1:射線 335-2:射線 335-3:射線 340:箭頭/方向 361-1:第一射線 361-2:第二射線 366-1:射線 366-2:射線 367-1:射線 367-2:射線 368-1:射線 368-2:射線 400:菲涅爾透鏡 401:系統 402:菲涅爾結構 405:斜坡小面 405-1:斜坡小面 405-2:斜坡小面 407:拔模小面 410-1:第一透鏡表面 410-2:第二透鏡表面 411:拔模角 420:預定區域 422:區域 425:光軸 431:準直光 433:雜散光 434:光 435:光 461-1:第一射線 461-2:第二射線 463:第三射線 500:菲涅爾透鏡 502-1:第一透鏡表面 502-2:第二透鏡表面 505:周邊部分 507:中心部分 520:菲涅爾透鏡 522-1:第一透鏡表面 522-2:第二透鏡表面 525:周邊部分 527:中心部分 535:周邊部分 537:中心部分 600:菲涅爾透鏡 601:系統 602:菲涅爾結構 602-1:菲涅爾結構 602-2:菲涅爾結構 602-3:菲涅爾結構 602-4:菲涅爾結構 602-5:菲涅爾結構 605:斜坡小面 605-1:斜坡小面 605-2:斜坡小面 605-3:斜坡小面 605-4:斜坡小面 605-5:斜坡小面 607:拔模小面 607-1:拔模小面 607-2:拔模小面 607-3:拔模小面 607-4:拔模小面 607-5:拔模小面 610-1:第一透鏡表面 610-2:第二透鏡表面 611:拔模角 611-1:拔模角 611-2:拔模角 611-3:拔模角 611-4:拔模角 625:光軸 631-1:準直光 631-2:準直光 631-3:準直光 633-1:雜散光 633-2:雜散光 633-3:雜散光 635-1:信號光 635-2:信號光 635-3:信號光 650:PBP元件 660:下端 661:射線 661-1:第一射線 661-2:第二射線 800:菲涅爾透鏡 802:菲涅爾結構 805:斜坡小面 807:拔模小面 817:初級子拔模小面 827:次級子拔模小面 1000:系統 1005:菲涅爾透鏡 1010-1:第一透鏡表面 1010-2:第二透鏡表面 1015:光輸出裝置 1020-1:發散影像光 1020-2:發散影像光 1020-3:發散影像光 1022-1:準直光 1022-2:準直光 1022-3:準直光 1025:光軸 1035:周邊部分 1037:中心部分 1045:周邊部分 1047:中心部分 1050:菲涅爾結構 1052:傾斜角 1054:拔模角 1055:斜坡小面 1057:拔模小面 1060:光接收區域 A:點 A':點 B:點 C:點 d1:預定距離 d2:預定距離 dv:聚散深度 L1:預定大小 L2:預定孔徑大小 L3:預定大小 β1:銳角/鈍角 β2:銳角/鈍角 θ1:角度 θ2:角度 θ3:角度
以下圖式係根據各種所揭示具體實例提供說明目的，並不旨在限制本揭示內容之範圍。在圖式中：
[圖1A]說明根據本揭示內容之具體實例的系統的示意圖；
[圖1B]說明根據本揭示內容之具體實例的圖1A中所示之系統的示意性剖面圖；
[圖2A]說明習用菲涅爾透鏡的示意圖；
[圖2B]及[圖2C]說明圖2A中所示之習用菲涅爾透鏡之一部分中之反向追蹤射線；
[圖3A]說明根據本揭示內容之具體實例的包括具有完美拔模之菲涅爾透鏡之系統的示意圖；
[圖3B]至[圖3D]說明根據本揭示內容之具體實例的在圖3A中所示之包括在系統中之菲涅爾透鏡之一部分中之反向追蹤射線的放大視圖；
[圖3E]說明根據本揭示內容之具體實例的用於在圖3A中所示之菲涅爾透鏡中判定完美拔模之拔模角的射線追蹤的圖；
[圖4A]說明根據本揭示內容之具體實例的包括具有無效拔模之菲涅爾透鏡之系統的示意圖；
[圖4B]說明根據本揭示內容之具體實例的在圖4A中所示之菲涅爾透鏡之一部分中的反向追蹤射線的放大視圖；
[圖4C]說明根據本揭示內容之具體實例的用於在圖4A中所示之菲涅爾透鏡中判定完美拔模之拔模角的射線追蹤的圖；
[圖5A]說明根據本揭示內容之具體實例的具有混合拔模之菲涅爾透鏡的示意圖；
[圖5B]說明根據本揭示內容之具體實例的具有混合拔模之菲涅爾透鏡的示意圖；
[圖6A]說明根據本揭示內容之具體實例的包括具有無效加（「null+」）拔模之菲涅爾透鏡之系統的示意圖；
[圖6B]至[圖6D]說明根據本揭示內容之具體實例的圖6A中所示之菲涅爾透鏡之部分中反向追蹤射線的放大視圖；
[圖6E]說明根據本揭示內容之具體實例的用於在圖6A中所示之菲涅爾透鏡中判定完美拔模之拔模角的第一級射線追蹤的圖；
[圖6F]說明根據本揭示內容之具體實例的用於在圖6A中所示之菲涅爾透鏡中判定完美拔模之拔模角的第二級射線追蹤的圖；
[圖7A]說明根據本揭示內容之具體實例的具有鋸齒形拔模之菲涅爾透鏡的示意圖；
[圖7B]說明根據本揭示內容之具體實例的在圖7A中所示之菲涅爾透鏡之一部分的放大視圖的示意圖；
[圖8A]說明根據本揭示內容之具體實例的系統的示意圖；
[圖8B]說明根據本揭示內容之具體實例的包括在圖8A中所示之系統中之菲涅爾透鏡的示意圖；及
[圖8C]說明根據本揭示內容之具體實例的包括在圖8B中所示之菲涅爾透鏡中之菲涅爾結構的示意圖。
110:顯示模組
115:電子顯示器
118:虛擬物件
119:凝視點/凝視線
120:觀察光學模組
125:透鏡組裝件
130:物件追蹤系統
131:IR光源
133:光學感測器
140:控制器
150:左眼/右眼
155:眼睛瞳孔
157:出射瞳孔
160:眼動範圍區域
dv:聚散深度

Claims (20)

  1. 一種系統，其包含： 光輸出裝置，其配置以輸出發散光；及 透鏡，其配置以將自該透鏡之第一側入射於其上之該發散光轉換為實質上覆蓋位於該透鏡之第二側處之光接收區域的準直光，該透鏡包括形成在該透鏡之第一透鏡表面或第二透鏡表面中之至少一者上的複數個菲涅爾結構， 其中各菲涅爾結構包括斜坡小面及拔模小面，且 其中所述拔模小面中之至少一者為第一類型之拔模小面，其配置以不與該發散光之不與所述拔模小面中之該至少一者平行之射線交互作用。
  2. 如請求項1之系統，其中所述拔模小面中之至少兩者為該第一類型之拔模小面，且所述拔模小面中之該至少兩者之拔模角實質上相同。
  3. 如請求項1之系統，其中該發散光及該準直光兩者皆不入射至所述拔模小面中之該至少一者上。
  4. 如請求項1之系統，其中該透鏡包括具有小於1.9之折射率的材料。
  5. 如請求項1之系統，其中該第一類型之各拔模小面位於由該發散光之兩個毗鄰射線形成的區域內，該兩個毗鄰射線中之一者在該透鏡之外部環境中傳播，且該兩個毗鄰射線中之另一者在該透鏡之本體內傳播。
  6. 如請求項1之系統，其中所述拔模小面中之至少一者為第二類型之拔模小面，其配置以反射該發散光之至少一部分作為朝向位於該透鏡之該第二側處且在該光接收區域外部的區域傳播的光。
  7. 如請求項1之系統，其中該第一類型之拔模小面位於該透鏡之周邊部分處，且該第二類型之拔模小面位於該透鏡之中心部分處。
  8. 如請求項1之系統，其中該第二類型之拔模小面配置有鋸齒形表面。
  9. 一種系統，其包含： 光輸出裝置，其配置以輸出發散光；及 透鏡，其配置以將自該透鏡之第一側入射於其上之該發散光轉換為實質上覆蓋位於該透鏡之第二側處之光接收區域的準直光，該透鏡包括形成在該透鏡之第一透鏡表面或第二透鏡表面中之至少一者上的複數個菲涅爾結構， 其中各菲涅爾結構包括斜坡小面及拔模小面，且 其中所述拔模小面配置以將該發散光偏轉至位於該透鏡之該第二側處且在該光接收區域外部的區域。
  10. 如請求項9之系統，其中所述拔模小面之拔模角彼此不同。
  11. 如請求項9之系統，其中該透鏡包括具有小於1.9之折射率的材料。
  12. 如請求項9之系統，其中該拔模小面配置有鋸齒形表面。
  13. 如請求項9之系統，其中所述拔模小面配置以在所述拔模小面之內表面處將該發散光反射至位於該透鏡之該第二側處且在該光接收區域外部的該區域。
  14. 一種系統，其包含： 光輸出裝置，其配置以輸出發散光；及 透鏡，其配置以將自該透鏡之第一側入射於其上之該發散光轉換為實質上覆蓋位於該透鏡之第二側處之光接收區域的準直光，該透鏡包括形成在該透鏡之第一透鏡表面或第二透鏡表面中之至少一者上的複數個菲涅爾結構， 其中各菲涅爾結構包括斜坡小面及拔模小面，且 其中所述拔模小面配置以將該發散光偏轉至以下中之至少兩者：位於該透鏡之該第一側處且在該光輸出裝置外部的第一區域、位於該透鏡之該第二側處且在該光接收區域外部的第二區域，及該透鏡之邊緣。
  15. 如請求項14之系統，其中該透鏡包括具有大於或等於1.9之折射率的材料。
  16. 如請求項14之系統，其中所述菲涅爾結構之拔模角彼此不同。
  17. 如請求項14之系統，其中第一複數個拔模小面配置以將該發散光之第一部分偏轉至位於該透鏡之該第一側處且在該光輸出裝置外部的該第一區域。
  18. 如請求項17之系統，其中第二複數個拔模小面配置以將該發散光之第二部分偏轉至位於該透鏡之該第二側處且在該光接收區域外部的該第二區域。
  19. 如請求項18之系統，其中第三複數個拔模小面配置以將該發散光之第三部分偏轉至該透鏡之該邊緣。
  20. 如請求項14之系統，其中所述拔模小面中之至少一者配置有鋸齒形表面。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20230273432A1 (en) * 2022-02-03 2023-08-31 Microsoft Technology Licensing, Llc Slanted surface relief grating replication by optical proximity recording
CN116953824B (zh) * 2023-09-21 2024-02-06 江西联昊光电有限公司 菲涅尔透镜及其制备方法、光学成像设备

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP4239378A1 (en) * 2016-09-13 2023-09-06 Facebook Technologies, LLC Fresnel lens with dynamic draft for reduced optical artifacts
US10473827B1 (en) * 2017-11-17 2019-11-12 Facebook Technologies, Llc Fresnel lens with textured draft surfaces
LU100898B1 (en) * 2018-08-10 2020-02-17 Starbreeze Ip Lux Ii S A R L Method for designing a fresnel surface and fresnel surface obtained by such a method

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