用于头戴式显示器的光学系统
1.本技术要求2021年1月29日提交的美国专利申请no.17/162,416以及2020年3月23日提交的美国临时专利申请no.62/993,505的优先权，这些专利申请据此全文以引用方式并入本文。
背景技术：2.本发明整体涉及光学系统，并且更具体地讲，涉及用于头戴式显示器的光学系统。
3.头戴式显示器，诸如虚拟现实眼镜，使用透镜来为用户显示图像。微显示器可为用户的每个眼睛生成图像。可将透镜放置在用户的每只眼睛和微显示器的一部分之间，使得用户可查看虚拟现实内容。
4.如果不加注意，则头戴式显示器可能佩戴起来非常笨重且令人疲劳。用于头戴式显示器的光学系统可能使用体积庞大且重的透镜布置。将头戴式显示器更多地与这种类型的光学系统一起使用可能令人不适。
5.因此，期望能够提供改进的头戴式显示器。
技术实现要素：6.一种头戴式显示器可包括显示系统和光学系统。显示系统和光学系统可由佩戴在用户头部上的外壳支撑。该头戴式显示器可在外壳佩戴于用户头部的同时使用显示系统和光学系统将图像呈现给用户。
7.显示系统可具有产生与图像相关联的图像光的像素阵列。显示系统还可具有线性偏振器和四分之一波片，来自像素阵列的图像光穿过该线性偏振器，光在穿过线性偏振器之后穿过该四分之一波片。
8.该光学系统可以是具有单个透镜元件的折反射(catadioptric)光学系统。单个透镜元件可以具有涂覆在透镜元件的弯曲表面上的延迟器(retarder)。在一个示例中，延迟器可以涂覆在透镜元件的非球面凹形表面上。在另一个示例中，延迟器可以涂覆在透镜元件的非球面凸形表面上。延迟器可以插置在透镜元件与部分反射镜之间。
9.在一些情况下，延迟器可以形成在透镜元件的两侧上。由延迟器提供的累积延迟可以有效地形成四分之一波片。在另一种可能的布置中，光学系统中可以包括单个反射偏振器和延迟器层，而不是反射偏振器和单独的延迟器层。反射偏振器和延迟器层可任选地提供光焦度。
10.在一些情况下，光学系统可使用一个或多个直接3d打印步骤来制造。在3d打印过程中，光学系统中的部件的材料(例如，透镜元件的材料)可以直接打印在堆叠中的下面层上。这种类型的直接打印过程可以用于光学系统中的一个或多个部件。这种类型的制造技术可以允许从光学系统中省略一个或多个粘合剂层和/或一个或多个硬涂层。
附图说明
11.图1是根据实施方案的例示性头戴式显示器的图示。
12.图2是根据一个实施方案的例示性头戴式显示器的图示，示出了头戴式显示器中例示性光学系统的部件。
13.图3是根据一个实施方案的例示性头戴式显示器的横截面侧视图，示出了当通过图2的光学系统时光的偏振如何改变。
14.图4是根据一个实施方案的例示性头戴式显示器的图示，示出了在非球面凸形表面上具有延迟器的头戴式显示器中的例示性光学系统的部件。
15.图5是根据一个实施方案的例示性头戴式显示器的图示，示出了在非球面凸形表面上具有第一延迟器并且在非球面凹形表面上具有第二延迟器的头戴式显示器中的例示性光学系统的部件。
16.图6是根据一个实施方案的例示性头戴式显示器的图示，示出了具有反射偏振器和延迟器层的头戴式显示器中的例示性光学系统的部件。
17.图7是根据一个实施方案的例示性头戴式显示器的横截面侧视图，示出了当通过图6的光学系统时光的偏振如何改变。
18.图8是根据一个实施方案的例示性头戴式显示器的图示，示出了具有提供光焦度的平面反射偏振器和延迟器层的头戴式显示器中的例示性光学系统的部件。
19.图9是根据一个实施方案的具有切口的例示性延迟器层的顶视图。
20.图10是根据一个实施方案的例示性头戴式显示器的横截面侧视图，示出了具有三个透镜元件、五个粘合剂层和五个硬涂层的例示性光学系统的部件。
21.图11是根据一个实施方案的例示性头戴式显示器的横截面侧视图，示出了具有三个透镜元件、三个粘合剂层和两个硬涂层的例示性光学系统的部件。
22.图12是根据一个实施方案的例示性头戴式显示器的横截面侧视图，示出了具有三个透镜元件、无粘合剂层和两个硬涂层的例示性光学系统的部件。
23.图13是根据一个实施方案的例示性头戴式显示器的横截面侧视图，示出了具有两个透镜元件、无粘合剂层和两个硬涂层的例示性光学系统的部件。
24.图14是根据一个实施方案的例示性头戴式显示器的横截面侧视图，示出了具有两个透镜元件、无粘合剂层、两个硬涂层以及涂覆在透镜元件中的一个透镜元件上的线性偏振器的例示性光学系统的部件。
25.图15是根据一个实施方案的例示性头戴式显示器的横截面侧视图，示出了具有一个透镜元件、无粘合剂层和两个硬涂层的例示性光学系统的部件。
26.图16是根据一个实施方案的例示性头戴式显示器的横截面侧视图，示出了具有直接打印在显示面板上的透镜元件的例示性光学系统的部件。
27.图17是根据一个实施方案的例示性头戴式显示器的横截面侧视图，示出了具有直接打印在显示面板上的微透镜阵列和直接打印在微透镜阵列上的透镜元件的例示性光学系统的部件。
28.图18是根据一个实施方案的例示性头戴式显示器的横截面侧视图，示出了具有三个透镜元件、三个粘合剂层、两个硬涂层和两个四分之一波片的例示性光学系统的部件。
具体实施方式
29.头戴式显示器可用于虚拟现实和增强现实系统。例如，一副穿戴在用户头上的虚
拟现实眼镜可用于向用户提供虚拟现实内容和/或增强现实内容。
30.图1中示出了一种例示性系统，其中电子设备(例如，头戴式显示器，诸如一副虚拟现实眼镜)用于向用户提供虚拟现实内容。如图1所示，虚拟现实眼镜10(有时称为眼镜10、电子设备10、头戴式显示器10等)可包括显示系统，诸如显示系统40，该显示系统形成图像并且可具有光学系统，诸如光学系统20，用户(参见例如，用户的眼睛46)可通过该光学系统在方向48中观看来查看由显示系统40产生的图像。
31.显示系统40(有时称为显示面板40或显示器40)可基于液晶显示器、有机发光二极管显示器、具有晶体半导体发光二极管管芯阵列的发光显示器和/或基于其他显示技术的显示器。系统40中可包括独立的左右显示器，用于用户的左眼和右眼，或单一显示器可跨越两个眼睛。
32.可使用安装在眼镜(头戴式显示器)10中的控制电路42和/或安装于眼镜10外部的控制电路(例如，与便携式电子设备、膝上型计算机或其他计算设备相关联)向显示系统(显示器)40提供虚拟内容(例如，用于静止和/或活动图像的图像数据)。控制电路42可包括存储装置，诸如硬盘存储装置、易失性和非易失性存储器、用于形成固态驱动器的电可编程存储装置，以及其他存储器。控制电路42还可包括一个或多个微处理器、微控制器、数字信号处理器、图形处理器、基带处理器、专用集成电路和其他处理电路。电路42中的通信电路可用于传输和接收数据(例如，无线地和/或通过有线路径)。控制电路42可使用显示系统40来显示视觉内容，诸如虚拟现实内容(例如，与虚拟世界相关联的计算机生成的内容)，用于电影或其他媒体的预先录制的视频或其他图像。控制电路42使用显示系统40为用户提供虚拟现实内容的例示性配置有时可在本文中作为示例来描述。然而，一般来讲，可由控制电路42使用显示系统40和眼镜10的光学系统20来向用户呈现任何合适的内容。
33.输入-输出设备44可耦接到控制电路42。输入-输出设备44可用于收集来自用户的用户输入，可用于对眼镜10周围的环境进行测量，可用于向用户提供输出，和/或可用于向外部电子设备提供输出。输入-输出设备44可包括按钮、操纵杆、小键盘、键盘按键、触摸传感器、跟踪垫、显示器、触摸屏显示器、麦克风、扬声器、用于为用户提供视觉输出的发光二极管、传感器(例如，力传感器、温度传感器、磁性传感器、加速度计、陀螺仪和/或用于测量眼镜10的取向、位置和/或运动的其他传感器、接近传感器、电容性触摸传感器、应变仪、气体传感器、压力传感器、环境光传感器和/或其他传感器)。如果需要，输入-输出设备44可包括一个或多个相机(例如，用于捕获用户环境的图像的相机、用于通过查看眼睛46进行凝视检测操作的相机和/或其他相机)。
34.图2为眼镜10的横截面侧视图，其示出了光学系统20和显示系统40可如何由头戴式支撑结构诸如眼镜10的外壳12来支撑。外壳12可具有用于一副眼镜的框架的形状(例如，眼镜10可类似于眼镜)，可具有头盔的形状(例如，眼镜10可形成头盔安装的显示器)，可具有一副泳镜的形状，或者可具有允许外壳12被佩戴于用户头部上的任何其他适当外壳形状。有时在本文中可以描述如下的配置作为示例：在用户在方向48上查看系统20和显示系统40时，外壳12在用户眼睛(例如，眼睛46)前方支撑光学系统20和显示系统40。如果需要，外壳12可具有其他期望的配置。
35.外壳12可由塑料、金属、纤维复合材料诸如碳纤维材料、木材和其他天然材料、玻璃、其他材料和/或这些材料中的两种或更多种的组合形成。
36.输入-输出设备44和控制电路42可安装在具有光学系统20和显示系统40的外壳12中，和/或输入-输出设备44的部分和控制电路42可使用电缆、无线连接或其他信号路径耦接到眼镜10。
37.眼镜10的显示系统40和光学部件可被配置为使用轻重量和紧凑的布置来为用户46显示图像。光学系统20可以例如基于折反射透镜(例如，使用光的反射和折射的透镜)。
38.显示系统40可包括诸如像素阵列14的图像源。像素阵列14可包括发射图像光的像素p的二维阵列(例如，有机发光二极管像素、由半导体管芯形成的发光二极管像素、具有背光的液晶显示器像素、具有前光的硅上液晶像素等)。偏振器(诸如线性偏振器16)可放置在像素阵列14的前面和/或可被层压到像素阵列14以提供偏振图像光。线性偏振器16可具有与图2的x轴对准的通过轴(pass axis)(例如)。显示系统40还可包括波片，诸如四分之一波片18，以提供圆偏振图像光。该四分之一波片的快轴18可相对于线性偏振器16的通过轴以45度对准。四分之一波片18可安装在偏振器16前方(在偏振器16和光学系统20之间)。如果需要，四分之一波片18可附着到偏振器16(和显示器14)。
39.光学系统20可包括透镜元件，诸如透镜元件26。透镜元件26可以由透明材料(诸如塑料或玻璃)形成。透镜元件26可以具有面向显示系统40的表面s1和面向用户(例如，眼睛46)的表面s2。表面s1可以是凸形表面(例如，球面凸形表面、圆柱形凸形表面或非球面凸形表面)或凹形表面(例如，球面凹形表面、圆柱形凹形表面或非球面凹形表面)。表面s2可以是凸形表面(例如，球面凸形表面、圆柱形凸形表面或非球面凸形表面)或凹形表面(例如，球面凹形表面、圆柱形凹形表面或非球面凹形表面)。球面弯曲表面(例如，球面凸形表面或球面凹形表面)可以在整个表面上具有恒定曲率半径。相反，非球面弯曲表面(例如，非球面凹形表面或非球面凸形表面)可以在整个表面上具有变化的曲率半径。圆柱形表面可以仅围绕一条轴线弯曲，而不是像球面表面那样围绕多条轴线弯曲。在图2所示的一种例示性布置中，表面s1是非球面凸形表面，并且表面s2是非球面凹形表面。这种布置可以被描述为本文的示例。
40.光学结构，诸如部分反射涂层、波片、反射偏振器、线性偏振器、防反射涂层和/或其他光学部件，可结合到眼镜10(例如，系统20等)中。这些光学结构可允许来自显示系统40的光线穿过和/或从光学系统20中的表面，诸如表面s1和s2反射，由此为光学系统20提供期望的透镜光焦度。
41.图2中示出了光学层的例示性布置。首先，将描述这些层的结构布置。这些层的功能将结合图3更详细地讨论。
42.如图2所示，可在透镜元件26的非球面凸形表面s1上形成部分反射镜(例如，金属镜涂层或其他镜涂层，诸如具有50％透射率和50％反射率的电介质多层涂层)，诸如部分反射镜22。部分反射镜22有时可以称为分束器22、半镜22或部分反射层22。
43.波片诸如波片28可以形成在透镜元件26的非球面凹形表面s2上。波片28(有时称为延迟器28、四分之一波片28等)可以是适形于透镜元件26的表面s2的四分之一波片。延迟器28可以是透镜元件26的表面s2上的涂层。
44.反射偏振器30可以使用粘合剂层32附接到延迟器28。反射偏振器30可具有正交的反射轴和通过轴。平行于反射偏振器30的反射轴偏振的光将由反射偏振器30反射。垂直于反射偏振器30的反射轴并且因此平行于通过轴偏振的光将穿过反射偏振器30。粘合剂层32
可为光学透明粘合剂(optically clear adhesive，oca)层。
45.线性偏振器34可以使用粘合剂层36附接到反射偏振器30。偏振器34可被称为外部阻挡线性偏振器34。线性偏振器34可以具有与反射偏振器30的通过轴对准的通过轴。线性偏振器34可以具有与线性偏振器16的通过轴正交的通过轴。粘合剂层36可为光学透明粘合剂(oca)层。
46.一个或多个附加涂层38也可以包括在光学系统20(有时称为透镜20、透镜组件20或透镜模块20)中。涂层38可以包括抗反射涂层(arc)、抗污迹(as)涂层或任何其他期望涂层。
47.图3是例示性光学系统20和显示系统40的横截面侧视图，示出了来自显示器的光如何穿过图2的光学系统。应注意，在图3中未示出粘合剂层32和36以及涂层38，因为这些层不会显著地影响行进穿过系统的光的偏振。如图3所示，光线r1可以从显示器14发射。光线r1离开显示器14，该显示器具有偏振态的混合。由于图像光线r1离开显示器14并穿过线性偏振器16，因此光线r1变成与线性偏振器16的通过轴对准的线性偏振。线性偏振器16的通过轴可例如与图3的x轴对准。在穿过偏振器16之后，光线r2穿过波片18，其可为四分之一波片。当光线r2穿过四分之一波片18时，光线r3以圆偏振(例如，以顺时针圆偏振)离开四分之一波片。
48.当圆偏振光线r3入射到部分反射镜22时，一部分光线r3将穿过部分反射镜22，成为强度减小的光线r4。光线r4将被透镜元件26的非球面凸形表面s1的形状折射(部分聚焦)。应注意，在图3中将s1和s2的表面描绘为平面仅仅是例示性的。实际上，表面s1和s2可以是弯曲的(例如，非球面凸形和非球面凹形)，如结合图2所讨论的。
49.波片28可将光线r4的圆偏振转换成线性偏振。四分之一波片28可例如将圆偏振光线r4转换为具有与图2的x轴对准的线性偏振的光线r5。光学系统20中的四分之一波片28可相对于显示器40中的四分之一波片18旋转90度(例如，四分之一波片18和28的快轴是正交的)。
50.如先前所提及的，反射偏振器30可具有正交的反射轴和通过轴。平行于反射偏振器30的反射轴偏振的光将由反射偏振器30反射。垂直于反射偏振器30的反射轴并且因此平行于通过轴偏振的光将穿过反射偏振器30。在图3的例示性布置中，反射偏振器30具有与x轴对准的反射轴以及与y轴对准的通过轴，因此光线r5将从反射偏振器30反射为反射光线r6。应注意，反射偏振器30的通过轴与显示系统40中的线性偏振器16的通过轴正交。
51.反射光线r6具有与x轴对准的线性偏振。在穿过四分之一波片28之后，光线r6的线性偏振将被转换成圆偏振(即，光线r6将变成逆时针圆偏振光线r7)。
52.圆偏振光线r7将行进穿过透镜元件26，并且光线r7的一部分将在正z方向上由透镜元件26的凸形表面s1上的部分反射镜22反射为反射光线r8。来自表面s1的弯曲形状的反射为光学系统20提供了额外的光焦度。应注意，由部分反射层22透射的光线r7的任何部分(例如，负z方向上的r7’)可由四分之一波片18转换为线性偏振，并且然后到达线性偏振器16。这种线性偏振光具有与y轴对准(例如，与线性偏振器16的通过轴正交)的偏振，使得其被线性偏振器16吸收。因此，在可由用户查看的图像中防止了来自r7的该部分的对比度劣化和杂散光伪影。
53.来自部分反射镜22的光线r8被四分之一波片28从圆偏振光转换为线性偏振光r9。
穿过透镜元件26的弯曲表面s2还为光学系统20提供附加光焦度(例如，折射光焦度)。光线r9的线性偏振与y轴对准，该y轴平行于反射偏振器30的通过轴。因此，光线r9将作为光线r10穿过反射偏振器30以向用户提供可视图像。
54.线性偏振器34具有与反射偏振器30的通过轴对准的通过轴(即，在该示例中平行于y轴)，使得来自外部环境的任何光将被线性偏振器34偏振，使得光不被反射偏振器30反射。由线性偏振器34和反射偏振器30透射的任何光将穿过延迟器28和18并且被线性偏振器16吸收。线性偏振器34具有与显示器中线性偏振器16的通过轴(平行于x轴)正交的通过轴(平行于y轴)。
55.光学系统20可以形成为单个实心透镜组件，而没有任何中间气隙。另外，透镜组件(没有任何中间气隙)仅包括一个透镜元件(26)。如图2所示，光学系统20中的每个层直接附接到相邻层。这对于延迟器28直接附接到透镜元件26的非球面凹形表面s2的情况尤其值得注意。
56.常规地，延迟器是平面的。然而，在一些实施方案中，延迟器28是直接施加在透镜元件26的弯曲表面上以在透镜元件上提供均匀延迟的涂层。由此，图2中的延迟器28可以具有非球面曲率(例如，沿着多条轴线的曲率并且具有不同的曲率半径)，其具有相对均匀的厚度以提供相对均匀的延迟。延迟等于延迟器的厚度乘以延迟器材料的双折射。延迟器28的厚度62(在图2中示出)可以在整个光学系统(透镜组件)上相对均匀。延迟器28适形于透镜元件26的三维表面，并且有时可以称为涂层(例如，涂层28或延迟器涂层28)。
57.作为具体示例，延迟器28在整个延迟器上提供的延迟可以在20％内、10％内、5％内、3％内、2％内、1％内等是均匀的。类似地，延迟器28在整个延迟器上的厚度62可以在20％内、10％内、5％内、3％内、2％内、1％内等是均匀的。换句话说，整个延迟器上的延迟变化不超过20％、不超过10％、不超过5％、不超过3％、不超过2％、不超过1％等。整个延迟器上的厚度变化不超过20％、不超过10％、不超过5％、不超过3％、不超过2％、不超过1％等。
58.透镜元件26的非球面表面s2上的高度均匀延迟器28的替代设计是在透镜组件中具有平面表面s2和附加透镜元件。在这种情况下，多透镜元件设计是期望的光焦度所需要的。然而，图2和图3的单透镜元件设计是比多个透镜元件设计更紧凑(更薄)、更轻的解决方案。具有紧凑的轻透镜设计对于改善用户体验是有价值的，特别是在头戴式设备中。图2和图3的单透镜元件设计还可以具有比多透镜元件设计更大的曲率。具有单透镜元件还消除了多透镜元件之间的对准的任何问题，并且可能导致从光学系统省略其他层(例如，其他粘合剂层、延迟器等)。作为又一个益处，图2和图3的单透镜元件模块由于层的数量减少和简化制造过程而具有较低的材料/制造成本。
59.延迟器28可以使用任何期望的过程由任何期望的材料形成。作为一个示例，延迟器28可以由沉积在光对准的对准层上方的液晶材料形成。作为另一个示例，延迟器28可以由使用剪切对准而对准的液晶材料形成。作为又一个示例，延迟器28可以使用倾斜沉积由无机材料形成。用于延迟器28的材料可以使用旋涂、喷涂、物理气相沉积(pvd)或任何其他期望的技术来沉积。
60.用于形成延迟器的具有均匀双折射和相对均匀双折射的材料的示例仅仅是例示性的。可以使用提供均匀延迟的任何类型的延迟器。作为一个示例，延迟器可以在第一部分中具有第一厚度和第一双折射。延迟器可以在第二部分中具有第二厚度和第二双折射。第
二双折射可以不同于第一双折射，并且第二厚度可以不同于第一厚度。然而，这两个部分中的延迟可以相同。换句话说，延迟器可以在不同部分中设置有不同双折射，该不同双折射由不同部分中的不同厚度补偿以提供均匀的延迟。这些类型的技术可用于提供均匀的延迟，即使从制造的观点来看均匀的厚度是不实际的。
61.图4是光学系统20的替代设计的横截面侧视图。图4中的光学系统20类似于结合图2所示的光学系统。图4中的光学系统20包括透镜元件26，该透镜元件具有非球面凸形表面s1和非球面凹形表面s2。在透镜元件26面向眼睛46的一侧上(例如，在表面s2上)，存在粘合剂层32、反射偏振器30、粘合剂层36、线性偏振器34和涂层38。在透镜元件26面向显示器14的一侧上(例如，在表面s1上)，存在部分反射层22。这些层全部处于与图2中相同的相对位置。
62.然而，在图2中，延迟器28邻近透镜元件26的s2定位。具体地，延迟器28插置在粘合剂层32和透镜元件26之间。相反，在图4中，延迟器28邻近透镜元件26的表面s1定位。图4中的延迟器28插置在部分反射层22和透镜元件26之间。
63.光学系统20中的光学层的功能在图4中与图2中相同。然而，在图4中，延迟器28在透镜元件的凸侧上(而不是在透镜元件的凹侧上)。图4中的延迟器28可以由相同的材料形成，并且可以具有相同的延迟和厚度均匀性，如结合图2所讨论的。从制造的观点来看，形成均匀厚度延迟器在透镜元件的凸侧上可以比在透镜元件的凹侧上更容易。因此，在透镜元件26的凸形表面s1上定位延迟器28可以提高制造的容易性和成本。
64.图5是光学系统20的替代设计的横截面侧视图。图5中的光学系统20类似于结合图2所示的光学系统。图5中的光学系统20包括透镜元件26，该透镜元件具有非球面凸形表面s1和非球面凹形表面s2。在透镜元件26面向眼睛46的一侧上，存在粘合剂层32、反射偏振器30、粘合剂层36、线性偏振器34和涂层38。在透镜元件26面向显示器14的一侧上，存在部分反射层22。这些层全部处于与图2中相同的相对位置。
65.然而，在图2中，光学系统20仅包括邻近透镜元件26的表面s2定位的一个延迟器28。相反，在图5中，光学系统20包括第一延迟器28-1和第二延迟器28-2，其中每个延迟器定位在透镜元件的相对侧上。具体地，延迟器28-2邻近透镜元件26的表面s2定位。延迟器28-2插置在粘合剂层32和透镜元件26之间。延迟器28-1邻近透镜元件26的表面s1定位。延迟器28-1插置在部分反射层22和透镜元件26之间。
66.光学系统20中的光学层的功能在图5中与图2中相同。然而，在图5中，延迟器28在透镜元件的两侧之间分开(而不是在透镜元件的一侧上)。具体地，延迟器28-2可以是补偿延迟器28-1中的延迟变化的补偿延迟器。将一个延迟器称为补偿延迟器仅仅是命名的问题。一般来讲，每个延迟器可以补偿另一延迟器的变化。两个延迟器共同提供在整个光学系统上的均匀延迟。
67.图5的两个延迟器可能能够解决单独沉积每个延迟器时的制造变化。例如，当在透镜元件的凸侧上形成延迟器28-1时，延迟器的边缘可以倾向于比延迟器的中心更厚。另一方面，当在透镜元件的凹侧上形成延迟器28-2时，延迟器的中心可以倾向于比延迟器的边缘更厚。因此，延迟器28-2的厚中心将与延迟器28-1的薄中心重叠，并且延迟器28-1的厚边缘将与延迟器28-1的薄中心重叠。因此，延迟器28-1和28-2的累积厚度可以在整个光学系统上是均匀的。
68.作为具体示例，延迟器28-1和28-2在整个光学系统上提供的累积延迟可以在20％内、10％内、5％内、3％内、2％内、1％内等是均匀的。类似地，延迟器28-1和28-2在整个延迟器上的累积厚度可以在20％内、10％内、5％内、3％内、2％内、1％内等是均匀的。换句话说，整个延迟器上的延迟变化不超过20％、不超过10％、不超过5％、不超过3％、不超过2％、不超过1％等。整个延迟器上的厚度变化不超过20％、不超过10％、不超过5％、不超过3％、不超过2％、不超过1％等。图5中的延迟器28-1和28-2可以由与结合图2所讨论的相同的材料和过程形成。
69.图6是光学系统20的替代设计的横截面侧视图。图6中的光学系统20类似于结合图2所示的光学系统。图6中的光学系统20包括透镜元件26，该透镜元件具有非球面凸形表面s1和非球面凹形表面s2。在透镜元件26面向眼睛46的一侧上，存在粘合剂层36、线性偏振器34和涂层38。在透镜元件26面向显示器14的一侧上，存在部分反射层22。这些层全部处于与图2中相同的相对位置。
70.然而，在图2中，存在在透镜元件26的表面s2上的延迟器28，以及使用粘合剂层32耦接到延迟器28的单独反射偏振器30。相反，在图6中，使用单个反射偏振器和延迟器层72，而不是单独形成的反射偏振器和延迟器。如图6所示，反射偏振器和延迟器层72(有时称为圆反射偏振器72)直接涂覆在透镜元件26的表面s2上。反射偏振器和延迟器层72可以反射具有第一圆偏振类型的光，并且可以透射具有相反的第二圆偏振类型的光。透射通过反射偏振器和延迟器层72的光可以从圆偏振光转换为线性偏振光。
71.反射偏振器和延迟器层72可以由胆甾型液晶或任何其他期望的材料形成。反射偏振器和延迟器层72对透射光提供的延迟在整个反射偏振器和延迟器层72上可以是均匀的。作为具体示例，反射偏振器和延迟器层72在整个反射偏振器和延迟器层上提供的延迟可以在20％内、10％内、5％内、3％内、2％内、1％内等是均匀的。类似地，反射偏振器和延迟器层72在整个反射偏振器和延迟器层上的厚度可以在20％内、10％内、5％内、3％内、2％内、1％内等是均匀的。换句话说，整个反射偏振器和延迟器层上的延迟变化不超过20％、不超过10％、不超过5％、不超过3％、不超过2％、不超过1％等。整个反射偏振器和延迟器层上的厚度变化不超过20％、不超过10％、不超过5％、不超过3％、不超过2％、不超过1％等。
72.图7是例示性光学系统20和显示系统40的横截面侧视图，示出了来自显示器的光如何穿过图6的光学系统。应注意，在图7中未示出粘合剂层36以及涂层38，因为这些层不会显著地影响行进穿过系统的光的偏振。如图7所示，光线r1可以从显示器14发射。光线r1离开显示器14，该显示器具有偏振态的混合。由于图像光线r1离开显示器14并穿过线性偏振器16，因此光线r1变成与线性偏振器16的通过轴对准的线性偏振。线性偏振器16的通过轴可例如与图7的x轴对准。在穿过偏振器16之后，光线r2穿过波片18，其可为四分之一波片。当光线r2穿过四分之一波片18时，光线r3以圆偏振(例如，以顺时针圆偏振)离开四分之一波片。
73.当圆偏振光线r3入射到部分反射镜22时，一部分光线r3将穿过部分反射镜22，成为强度减小的光线r4。光线r4将被透镜元件26的非球面凸形表面s1的形状折射(部分聚焦)。应注意，在图7中将s1和s2的表面描绘为平面仅仅是例示性的。实际上，表面s1和s2可以是弯曲的(例如，非球面)，如结合图2所讨论的。
74.反射偏振器和延迟层72可以反射具有顺时针圆偏振(第一循环偏振)的光，并且可
以透射具有逆时针圆偏振(相反的第二圆偏振)的光。因此，r4被反射偏振器和延迟层72反射。反射光线r5穿过透镜元件26，并且光线r5的一部分将在正z方向上由透镜元件26的凸形表面s1上的部分反射镜22反射为反射光线r6。来自表面s1的弯曲形状的反射为光学系统20提供了额外的光焦度。应注意，由部分反射层22透射的光线r5的任何部分(例如，负z方向上的r5’)可由四分之一波片18转换为线性偏振，并且然后到达线性偏振器16。这种线性偏振光具有与y轴对准(例如，与线性偏振器16的通过轴正交)的偏振，使得其被线性偏振器16吸收。因此，在可由用户查看的图像中防止了来自r5的该部分的对比度劣化和杂散光伪影。
75.来自部分反射镜22的光线r6被反射偏振器和延迟层72从圆偏振光转换为线性偏振光r7。反射偏振器和延迟层72透射逆时针圆偏振光并且将该光转换成线性偏振光。穿过透镜元件26的弯曲表面s2还为光学系统20提供附加光焦度。
76.光线r7的线性偏振与y轴对准，该y轴平行于线性偏振器34的通过轴。线性偏振器34具有与反射偏振器和延迟层72的通过轴对准的通过轴(即，在本示例中平行于y轴)，并因此将在光线r7到达查看者眼睛46之前从光线r7中移除任何残余的非y轴偏振。线性偏振器34具有与显示器中线性偏振器16的通过轴(平行于x轴)正交的通过轴(平行于y轴)。
77.图8是光学系统20的替代设计的横截面侧视图。图8中的光学系统20类似于结合图6所示的光学系统。图8中的光学系统20包括透镜元件26，该透镜元件具有非球面凸形表面s1。在透镜元件26面向眼睛46的一侧上，存在反射偏振器和延迟器层72、粘合剂层36、线性偏振器34、涂层38。在透镜元件26面向显示器14的一侧上，存在部分反射层22。这些层全部处于与图6中相同的相对位置。
78.然而，在图6中，透镜元件26的表面s2是非球面凹形的。在图8中，透镜元件26的表面s2是平面的。反射偏振器和延迟器层72也是平面的，但被图案化以提供附加光焦度。图8的光学系统中的层的功能与结合图6和图7所描述的相同(例如，以与图6和图7中相同的方式操纵光的偏振)。然而，图8中的反射偏振器和延迟器层72被图案化以具有光焦度。
79.反射偏振器和延迟器层72可以由图案化材料(诸如图案化的胆甾型液晶)形成。作为一个示例，反射偏振器和延迟器层72可以被图案化以形成菲涅耳透镜。使反射偏振器和延迟器层72提供光焦度允许实现相同的光焦度，同时使表面s2为平面的，这可提高制造的容易性和成本。反射偏振器和延迟器层72对透射光提供的延迟在整个反射偏振器和延迟器层72上可以是均匀的。作为具体示例，反射偏振器和延迟器层72在整个反射偏振器和延迟器层上提供的延迟可以在20％内、10％内、5％内、3％内、2％内、1％内等是均匀的。类似地，反射偏振器和延迟器层72在整个反射偏振器和延迟器层上的厚度可以在20％内、10％内、5％内、3％内、2％内、1％内等是均匀的。换句话说，整个反射偏振器和延迟器层上的延迟变化不超过20％、不超过10％、不超过5％、不超过3％、不超过2％、不超过1％等。整个反射偏振器和延迟器层上的厚度变化不超过20％、不超过10％、不超过5％、不超过3％、不超过2％、不超过1％等。
80.前述实施方案中的延迟器层中的任一者(例如，图2和图4中的延迟器28、图5中的延迟器28-1和28-2以及图6和图8中的反射偏振器和延迟器层72)可以使用任何期望的技术形成。例如，延迟器层可以(例如，使用旋涂、喷涂、物理气相沉积等)形成为透镜元件上的涂层(例如，液体涂层)。另选地，可以在透镜元件上形成基于膜的延迟器层(例如，可以将固体延迟器膜层压到透镜元件)。在又一个示例中，延迟器可以包括涂覆在平坦载体上的延迟器
层(例如，用于延迟器层的液体材料被涂覆在固体载体上)。然后将平坦载体和延迟器组合施加(例如，层压)到透镜元件的弯曲表面。在又一个示例中，载体层可用于透镜元件的平滑(例如，以覆盖透镜元件中的任何粗糙或缺陷)。例如，可以将延迟器的载体层施加(例如，涂覆或层压)到透镜元件，并且然后可以将延迟器层施加(例如，涂覆或层压)到载体层。
81.在延迟器层形成为层压到透镜元件26的表面的膜的情况下，延迟器层可以具有切口以改善膜适形于透镜元件的三维表面的能力。图9是具有切口的延迟器28的顶视图。
82.如图9所示，延迟器28具有多个切口28c。每个切口可被插置在延迟器的相应突出部分28p之间。这些切口允许延迟器适形于期望的三维表面(例如，非球面凹形表面或非球面凸形表面)。图9中切口的数量和切口的形状仅仅是例示性的。一般来讲，可以使用具有任何期望形状的任何期望数量的切口。另外，附加间隙填充材料(例如，具有与延迟器层相同的折射率)可以任选地施加在切口区域中以避免切口对观察者可见。
83.应注意，图9中的附图标记“28”的使用仅仅是例示性的。该技术可用于前述延迟层或其他膜中的任一者(例如，图2和图4中的延迟器28、图5中的延迟器28-1和28-2以及图6和图8中的反射偏振器和延迟器层72)。
84.光学系统20可以仅包括单个透镜元件26(例如，而没有附加透镜元件)。光学系统有时可以被称为透镜模块或透镜堆叠。光学系统包括在没有气隙的情况下耦接在一起的多个光学层。在一些情况下，(任选地)通过气隙与透镜模块分离的一个或多个附加透镜元件可以包括在头戴式设备中，以用于光学系统内的光的附加操纵。
85.包括仅单个透镜元件的光学系统20的前述示例仅仅是例示性的。在一些情况下，光学系统可以包括多于一个透镜元件(例如，两个透镜元件、三个透镜元件、四个元件、多于四个元件等)。
86.图10是包括三个透镜元件的光学系统20的横截面侧视图。如图所示，光学系统包括透镜元件26-1、透镜元件26-2和透镜元件26-3。透镜元件中的每个透镜元件可以由透明材料(诸如塑料或玻璃)形成。在图10的示例中，透镜元件26-1具有面向显示系统40的表面s1和面向用户(例如，眼睛46)的表面s2。透镜元件26-2具有面向透镜元件26-1和显示系统40的表面s3以及面向用户(例如，眼睛46)的表面s4。透镜元件26-5具有面向透镜元件26-1/26-2和显示系统40的表面s5以及面向用户(例如，眼睛46)的表面s6。
87.如图10的示例所示，表面s1、s3和s5(面向显示系统)可以是凸形表面，而表面s2、s4和s6(面向用户)可以是凹形表面。光学系统中的每个凸形表面可以是球面凸形表面、圆柱形凸形表面、非球面凸形表面等。光学系统中的每个凹形表面可以是球面凹形表面、圆柱形凹形表面、非球面凹形表面等。
88.光学结构，诸如部分反射涂层、波片、反射偏振器、线性偏振器、防反射涂层和/或其他光学部件，可结合到图10的光学系统中。与结合图2所述相同的功能层可以结合到图10的光学系统中。具体地，图10中的光学系统包括部分反射镜22、波片28、反射偏振器30、线性偏振器34和涂层38。涂层38可以包括抗反射涂层，并且有时可以称为抗反射涂层38或抗反射层38。
89.上述功能层相对于显示系统的顺序在图10中与图2中相同。换句话说，在图2中，光学系统按该顺序包括半镜22、波片28、反射偏振器30、线性偏振器34和抗反射涂层38(从显示器朝向观察者移动)。类似地，在图10中，光学系统按该顺序包括半镜22、波片28、反射偏
振器30、线性偏振器34和抗反射涂层38(从显示器朝向观察者移动)。因此，即使图10的光学系统相对于图2的光学系统包括附加透镜元件、硬涂层和粘合剂层，穿过该系统的光的偏振态在图10中将与在图2中相同(例如，图10中的光将具有类似于图3所示操纵的偏振态，具有来自附加透镜元件的附加折射)。
90.除了透镜元件26-1/26-2/26-3、半镜22、波片28、反射偏振器30、线性偏振器34和抗反射涂层38之外，光学系统还可以包括一个或多个硬涂层102和一个或多个粘合剂层104。硬涂层102(有时称为硬涂层102)可用于保护透镜元件在电子设备的组装和操作期间免受损坏。每个单独的透镜元件可以在制造期间单独产生。然后可以用粘合剂将单独的透镜元件组装在一起。在这种类型的制造过程中，硬涂层可以在组装过程期间保护透镜元件免受损坏。用于将离散透镜元件粘附在一起的粘合剂层104可以是光学透明粘合剂(oca)层，诸如液体光学透明粘合剂(loca)层。硬涂层102和光学透明粘合剂层104可以具有高透明度(大于80％、大于90％、大于95％、大于99％、大于99.9％等)以避免降低系统的效率。
91.在图10中，存在五个硬涂层102-1、102-2、102-3、102-4和102-5。硬涂层102-1与透镜元件26-1的表面s1相邻(在透镜元件26-1和半镜22之间)。硬涂层102-2与透镜元件26-1的表面s2相邻(在透镜元件26-1和四分之一波片28之间)。硬涂层102-3邻近四分之一波片28(也在四分之一波片28和透镜元件26-1之间)。硬涂层102-4与透镜元件26-3的表面s5相邻(在透镜元件26-3和线性偏振器34之间)。硬涂层102-5邻近透镜元件26-3的表面s6定位(在透镜元件26-3与抗反射涂层38之间)。
92.在图10中，存在五个粘合剂层。粘合剂层104-1定位在硬涂层102-2和102-3之间。粘合剂层104-2邻近透镜元件26-2的表面s3定位(在四分之一波片28与透镜元件26-2之间)。粘合剂层104-3邻近透镜元件26-2的表面s4定位(在透镜元件26-2和反射偏振器30之间)。粘合剂层104-4定位在反射偏振器30和线性偏振器34之间。粘合剂层104-5定位在线性偏振器34和硬涂层102-4之间。
93.图10中所示的光学系统的示例仅仅是例示性的。在一些情况下，光学系统可使用一个或多个直接3d打印或3d形成步骤来制造。在3d打印过程中，光学系统中的部件的材料(例如，透镜元件的材料)可以直接打印在堆叠中的下面层上。这种类型的直接打印过程可以用于光学系统中的一个或多个部件。
94.在光学系统的制造期间使用直接3d打印存在许多益处。可以从光学系统中省略一个或多个粘合剂层(因为层直接形成在一起并且不需要与单独的粘合剂附接)。在光学系统中省略粘合剂层降低了光学系统的材料成本。另外，在光学系统中实现无气泡粘合剂层可能是具有挑战性的。因此，省略粘合剂层也简化了光学系统的制造成本和复杂性。
95.在光学系统制造期间使用直接3d打印减少了单独透镜元件的处理量。这允许省略堆叠中的一个或多个硬涂层。在光学系统中省略硬涂层降低了光学系统的成本和制造复杂性。
96.提供粘合剂层和/或硬涂层减少了光学系统的重量和厚度。重量是头戴式设备的重要性能度量，以确保用户的舒适操作。头戴式设备中的空间也可能是非常宝贵的，因此减小光学系统的厚度是有帮助的。
97.在光学系统中使用一个或多个部件的直接打印还改进了光学系统的透镜组件和对准过程。单个透镜组装站可以与以自下而上方式形成在下面部件上的每个部件一起使
用。这种类型的技术允许光学系统中的每个部件更容易与其相邻部件对准。
98.图11至图17是使用一个或多个直接打印步骤形成的例示性光学系统的横截面侧视图，允许相对于图10的示例省略一个或多个粘合剂层或硬涂层。
99.在图11的示例中，相对于图10省略了粘合剂层中的两个粘合剂层和硬涂层中的三个硬涂层(例如，图11中的光学系统包括3个粘合剂层和2个硬涂层)。因为部件在图11中以自下而上方式组装，所以仅使用两个硬涂层(例如，与透镜元件26-1的表面s1相邻的硬涂层102-1以及与透镜元件26-3的表面s6相邻的硬涂层102-2)。在图11的示例中，粘合剂层104-1可以直接形成在透镜元件26-1的表面s2上(例如，在没有气隙的情况下直接接触)，并且四分之一波片28可以直接形成在粘合剂层104-1上。换句话说，图11中可以省略来自图10的硬涂层102-2和102-3，图11中的透镜元件26-1和26-2之间没有硬涂层。另外，图11中可以省略来自图10的硬涂层102-4。因此，相对于图10，图11中省略了总共三个硬涂层。
100.透镜元件26-2可以直接打印在四分之一波片28上(例如，使用3d打印或3d形成过程)。因此，在最终堆叠中，透镜元件26-2和四分之一波片28之间没有粘合剂层。透镜元件26-2(例如，表面s3)和四分之一波片28可以直接接触而没有中间气隙。
101.透镜元件26-3可以直接打印在线性偏振器34上(例如，使用3d打印或3d形成过程)。因此，在最终堆叠中，在透镜元件26-3和线性偏振器34之间不存在粘合剂层。透镜元件26-3(例如，表面s5)和线性偏振器34可以直接接触而没有中间气隙。因此，相对于图10在图11中省略了总共两个粘合剂层。
102.在图12的示例中，相对于图10省略了粘合剂层中的所有五个粘合剂层和硬涂层中的三个硬涂层(例如，图12中的光学系统包括0个粘合剂层和2个硬涂层)。因为部件在图12中以自下而上方式组装，所以仅使用两个硬涂层(例如，与透镜元件26-1的表面s1相邻的硬涂层102-1以及与透镜元件26-3的表面s6相邻的硬涂层102-2)。
103.在图11中，光学系统中包括三个粘合剂层。粘合剂层104-1将透镜元件26-1附接到四分之一波片28。粘合剂层104-2将反射偏振器30附接到透镜元件26-2。粘合剂层104-3将线性偏振器34附接到反射偏振器30。
104.在图12中，使用直接3d打印过程形成四分之一波片28、反射偏振器30和线性偏振器34，从而避免了对粘合剂层的需要。如图12所示，四分之一波片28直接形成在透镜元件26-1的表面s2上而没有中间粘合剂层。反射偏振器30直接形成在透镜元件26-2的表面s4上而没有中间粘合剂层。线性偏振器34直接形成在反射偏振器30上而没有中间粘合剂层。因此，光学系统中不包括粘合剂层。
105.具有三个透镜元件的光学系统在图11和图12中的示例仅仅是例示性的。在图13所示的另一个示例中，图12的第一透镜元件和第二透镜元件可以合并到单个集成透镜元件26-1中。还包括第二透镜元件26-2。
106.四分之一波片28可以形成为透镜元件26-1的表面s2上的涂层。四分之一波片28可以使用直接3d打印或涂覆技术来形成，从而避免了在透镜元件和四分之一波片之间对粘合剂的需要。图13中的光学系统的其余部分具有与图12中相似的布置，其中反射偏振器30和线性偏振器形成在四分之一波片28与透镜元件26-2之间而没有任何中间粘合剂层。四分之一波片28可以是直接施加在透镜元件26-1的弯曲表面s2上的涂层，以在整个透镜元件上提供均匀延迟(例如，使用先前讨论的四分之一波片涂覆技术)。四分之一波片28可以在整个
表面s2上具有相对均匀的厚度。
107.作为具体示例，延迟器28在整个延迟器上提供的延迟可以在20％内、10％内、5％内、3％内、2％内、1％内等是均匀的。类似地，延迟器28在整个延迟器上的厚度可以在20％内、10％内、5％内、3％内、2％内、1％内等是均匀的。换句话说，整个延迟器上的延迟变化不超过20％、不超过10％、不超过5％、不超过3％、不超过2％、不超过1％等。整个延迟器上的厚度变化不超过20％、不超过10％、不超过5％、不超过3％、不超过2％、不超过1％等。
108.在图14所示的另一个示例中，线性偏振器34可以与透镜元件26-2集成。线性偏振器可以直接打印在透镜26-2上或集成到其中(例如，使用直接3d打印技术)。在图14中，线性偏振器34被描绘为打印在透镜元件26-2的表面s4上。该示例仅仅是例示性的。线性偏振器34可替代地打印在透镜元件26-2的表面s3上。
109.在图15所示的另一个示例中，图13和图14的第一透镜元件和第二透镜元件可以合并到单个集成透镜元件26中。如图所示，四分之一波片28可以形成为透镜元件26的表面s2上的涂层。四分之一波片28可以使用直接3d打印技术来形成，从而避免了在透镜元件和四分之一波片之间对粘合剂的需要。反射偏振器30和线性偏振器34形成在四分之一波片28和硬涂层102-2之间而没有任何中间粘合剂层。四分之一波片28可以是直接施加在透镜元件26的弯曲表面上的涂层，以在整个透镜元件上提供均匀延迟(如先前讨论的)。
110.因此，图11至图15的光学系统相对于图10的光学系统全部具有减少数量的部件。这导致光学系统的制造成本和复杂性降低。
111.在图16所示的光学系统20的另一可能实施方案中，透镜元件26-1可以直接打印在显示面板上。后续部件可以以自下而上方式附接到透镜元件，类似于结合图11至图15所讨论的。如图16所示，将透镜元件直接打印在显示面板上可以改善光学系统20和显示面板40之间的对准。在透镜元件26-1没有直接打印在显示面板40上的情况下，光学系统20必须在光学系统组装之后与显示面板40对准。通过在制造期间直接在面板40上形成光学系统，光学系统和显示面板40之间的对准被大大简化。
112.如图16所示，透镜元件26-1可以直接施加到显示面板40(例如，使用直接3d打印技术)。换句话说，透镜元件26-1的表面s1可以与显示面板40直接接触，而没有中间气隙。
113.光学系统的其余部分具有与图11所示类似的布置，其中图16中的透镜元件26-2具有与图11中的透镜元件26-1相同的特性，图16中的透镜元件26-3具有与图11中的透镜元件26-2相同的特性，并且图16中的透镜元件26-4具有与图11中的透镜元件26-3相同的特性。使用打印在显示器上的透镜元件26-1(如图16所示)允许图11中的硬涂层102-1从图16的光学系统中省略。换句话说，在图16的光学系统中，在透镜元件26-2和显示系统40之间不存在硬涂层。在图16的光学系统中，仅包括一个硬涂层102(与透镜元件26-4的表面s8相邻)。
114.透镜元件26-1可以具有适形于透镜元件26-2的凸形表面的凹形表面s2，以及适形于显示面板40的上表面的表面s1(例如平面表面)。在显示面板40弯曲的情况下，表面s1可以具有曲率(例如，凹曲率或凸曲率)。
115.总之，包括直接邻近显示面板40的附加透镜元件改善了光学系统和显示系统的对准。另外，直接邻近显示器的附加透镜元件允许省略光学系统内的硬涂层。
116.透镜元件26-1和26-2可以由相同的材料形成并且可以具有相同的折射率。在这种情况下，来自显示面板40的光将不会在透镜元件26-1和26-2之间的界面处折射。另选地，透
镜元件26-1和26-2可以由具有不同折射率的不同材料形成。在这种类型的布置中，来自显示面板40的光将在透镜元件26-1和26-2之间的界面处折射。换句话说，透镜元件26-1将在透镜元件26-1和26-2之间的界面处提供附加的透镜光焦度。
117.在图17所示的另一个实施方案中，可能期望在显示面板40上方包括微透镜阵列106。微透镜阵列可以包括多个微透镜，其中每个微透镜具有弯曲上表面并且被配置为聚焦来自显示器的光。在显示系统中包括微透镜阵列106可以增加显示系统的效率。微透镜阵列106可以被称为显示面板40的一部分。另选地，微透镜阵列106可以被称为形成在显示面板40上方。应当理解，图10-图17中的显示面板40可以包括像素阵列14、线性偏振器16和波片18(例如，如图2所示)。作为示例，微透镜阵列106可以形成在四分之一波片18上方(例如，在四分之一波片18和透镜元件26-1之间)。
118.在制造期间，微透镜阵列106可以使用3d打印过程形成在显示系统40上。随后，也可使用3d打印过程在微透镜阵列上方形成透镜元件26-1。该示例仅仅是例示性的。在另一个可能的示例中，显示系统40可以单独形成为包括微透镜阵列106。在这种情况下，透镜元件26-1沉积可以是自下而上光学系统制造的第一3d打印步骤。
119.图16和图17示出了具有直接打印在显示系统40上的光学系统20的透镜元件的示例。图16和图17中的光学系统20的其余部分与图11中的光学系统相同。应注意，该示例仅是例示性的。一般来讲，图16和图17的面板打印技术(其中透镜元件打印在显示面板上以改善对准)可与具有图11、图12、图13、图14、图15的布置或任何其他期望光学系统布置的光学系统一起使用。在图11至图15中的每一者中，可以在显示面板和透镜元件26-1之间的显示面板上打印附加透镜元件(以及任选微透镜阵列)，以实现图16或图17的面板打印技术。
120.附加四分之一波片可以任选地包括在光学系统中。图18是具有两个四分之一波片的例示性光学系统的横截面侧视图。图18的光学系统具有与图11中的光学系统相同的布置，加上两个附加层。除了第一四分之一波片28(形成在透镜元件26-2和透镜元件26-1之间)之外，第二四分之一波片108形成在线性偏振器34和透镜元件26-3之间。附加抗反射涂层也可包括在光学系统中。当存在四分之一波片108时，可以在透镜元件26-3的表面s5上形成抗反射涂层110。因此，透镜元件26-3插置在抗反射涂层110和38之间。
121.四分之一波片108可以减轻来自透镜元件26-3的s5上方的界面(例如，来自透镜元件26-3的s6、用户的眼睛等)的反射。以这种方式减轻反射有利地增加了系统中的对比度。
122.四分之一波片108可以是在线性偏振器34与透镜元件26-3之间3d形成的qwp膜。另选地，四分之一波片108可以由涂覆在线性偏振器34和透镜元件26-3之间的界面上的液体材料形成。作为另一选项，四分之一波片108可以由3d打印在线性偏振器和透镜元件26-3之间的界面上的液体材料形成。一般来讲，四分之一波片108可以由任何期望的材料形成，并且可以使用任何期望的技术来施加。
123.图18示出了被施加到图11的系统的附加四分之一波片。然而，应当理解，可以将附加四分之一波片(插置在用户和线性偏振器34之间)和任选的附加抗反射涂层(插置在附加四分之一波片和透镜元件之间)施加到任何系统(例如，图10至图17中所示的系统中的任一个系统)。
124.在图10至图18中，在光学系统20中的一些相邻层之间示出了空间。应当理解，这仅仅是为了说明目的。实际上，光学系统20中的每个层可以与其相邻层直接接触，使得光学系
统中不存在气隙，并且光学系统20被形成为单个实心透镜组件。如果需要，可以任选地在光学系统中的层之间形成一个或多个气隙。
125.物理环境是指人们在没有电子系统帮助的情况下能够感测和/或交互的物理世界。物理环境诸如物理公园包括物理物品，诸如物理树木、物理建筑物和物理人。人们能够诸如通过视觉、触觉、听觉、味觉和嗅觉来直接感测物理环境和/或与物理环境交互。
126.相反，计算机生成现实(cgr)环境是指人们经由电子系统(例如，包括本文所述的显示系统的电子系统)感测和/或交互的完全或部分模拟的环境。在cgr中，跟踪人的物理运动的一个子集或其表示，并且作为响应，以符合至少一个物理定律的方式调节在cgr环境中模拟的一个或多个虚拟对象的一个或多个特征。例如，cgr系统可以检测人的头部转动，并且作为响应，以与此类视图和声音在物理环境中变化的方式类似的方式调节呈现给人的图形内容和声场。在一些情况下(例如，出于可达性原因)，对cgr环境中虚拟对象的特征的调节可以响应于物理运动的表示(例如，声音命令)来进行。
127.人可以利用其感觉中的任一者来感测cgr对象和/或与之交互，包括视觉、听觉、触觉、味觉和嗅觉。例如，人可以感测音频对象和/或与音频对象交互，该音频对象创建3d或空间音频环境，该3d或空间音频环境提供3d空间中点音频源的感知。又如，音频对象可以使能音频透明度，该音频透明度在有或者没有计算机生成的音频的情况下选择性地引入来自物理环境的环境声音。在某些cgr环境中，人可以感测和/或只与音频对象交互。cgr的示例包括虚拟现实和混合现实。
128.虚拟现实(vr)环境是指被设计成对于一个或多个感觉完全基于计算机生成的感官输入的模拟环境。vr环境包括人可以感测和/或交互的多个虚拟对象。例如，树木、建筑物和代表人的化身的计算机生成的图像是虚拟对象的示例。人可以通过在计算机生成的环境内人的存在的模拟和/或通过在计算机生成的环境内人的物理移动的一个子组的模拟来感测和/或与vr环境中的虚拟对象交互。
129.与被设计成完全基于计算机生成的感官输入的vr环境相比，混合现实(mr)环境是指被设计成除了包括计算机生成的感官输入(例如，虚拟对象)之外还引入来自物理环境的感官输入或其表示的模拟环境。在虚拟连续体上，混合现实环境是完全物理环境作为一端和虚拟现实环境作为另一端之间的任何状况，但不包括这两端。
130.在一些mr环境中，计算机生成的感官输入可以对来自物理环境的感官输入的变化进行响应。另外，用于呈现mr环境的一些电子系统可以跟踪相对于物理环境的位置和/或取向，以使虚拟对象能够与真实对象(即，来自物理环境的物理物品或其表示)交互。例如，系统可以导致移动使得虚拟树木相对于物理地面看起来是静止的。混合现实的示例包括增强现实和增强虚拟。
131.增强现实(ar)环境是指其中一个或多个虚拟对象叠加在物理环境或其表示之上的模拟环境。例如，用于呈现ar环境的电子系统可具有透明或半透明显示器，人可以透过该显示器直接查看物理环境。该系统可以被配置为在透明或半透明显示器上呈现虚拟对象，使得人利用该系统感知叠加在物理环境之上的虚拟对象。另选地，系统可以具有不透明显示器和一个或多个成像传感器，该成像传感器捕获物理环境的图像或视频，这些图像或视频是物理环境的表示。系统将图像或视频与虚拟对象组合，并在不透明显示器上呈现组合物。人利用系统经由物理环境的图像或视频而间接地查看物理环境，并且感知叠加在物理
环境之上的虚拟对象。如本文所用，在不透明显示器上显示的物理环境的视频被称为“透传视频”，意味着系统使用一个或多个图像传感器捕获物理环境的图像，并且在不透明显示器上呈现ar环境时使用那些图像。进一步另选地，系统可以具有投影系统，该投影系统将虚拟对象投射到物理环境中，例如作为全息图或者在物理表面上，使得人利用该系统感知叠加在物理环境之上的虚拟对象。
132.增强现实环境也是指其中物理环境的表示被计算机生成的感官信息进行转换的模拟环境。例如，在提供透传视频中，系统可以对一个或多个传感器图像进行转换以施加与成像传感器所捕获的视角不同的选择视角(例如，视点)。又如，物理环境的表示可以通过图形地修改(例如，放大)其部分而进行转换，使得经修改部分可以是原始捕获图像的代表性的但不是真实的版本。再如，物理环境的表示可以通过以图形方式消除其部分或将其部分进行模糊处理而进行转换。
133.增强虚拟(av)环境是指其中虚拟或计算机生成的环境结合来自物理环境的一个或多个感官输入的模拟环境。感官输入可以是物理环境的一个或多个特性的表示。例如，av公园可以具有虚拟树木和虚拟建筑物，但人的脸部是从对物理人拍摄的图像逼真再现的。又如，虚拟对象可以采用一个或多个成像传感器所成像的物理物品的形状或颜色。再如，虚拟对象可以采用符合太阳在物理环境中的定位的阴影。
134.有许多不同类型的电子系统使人能够感测和/或与各种cgr环境交互。示例包括头戴式系统、基于投影的系统、平视显示器(hud)、集成有显示能力的车辆挡风玻璃、集成有显示能力的窗户、被形成为被设计用于放置在人眼睛上的透镜的显示器(例如，类似于隐形眼镜)、耳机/听筒、扬声器阵列、输入系统(例如，具有或没有触觉反馈的可穿戴或手持控制器)、智能电话、平板电脑、和台式/膝上型计算机。头戴式系统可以具有一个或多个扬声器和集成的不透明显示器。另选地，头戴式系统可以被配置成接受外部不透明显示器(例如，智能电话)。头戴式系统可以结合用于捕获物理环境的图像或视频的一个或多个成像传感器、和/或用于捕获物理环境的音频的一个或多个麦克风。头戴式系统可以具有透明或半透明显示器，而不是不透明显示器。透明或半透明显示器可以具有媒介，代表图像的光通过该媒介被引导到人的眼睛。显示器可以利用数字光投影、oled、led、uled、硅基液晶、激光扫描光源或这些技术的任意组合。媒介可以是光学波导、全息图媒介、光学组合器、光学反射器、或它们的任意组合。在一个实施方案中，透明或半透明显示器可被配置为选择性地变得不透明。基于投影的系统可以采用将图形图像投影到人的视网膜上的视网膜投影技术。投影系统也可以被配置为将虚拟对象投影到物理环境中，例如作为全息图或在物理表面上。本文所述的显示系统可以用于这些类型的系统和用于任何其他期望的显示布置。
135.如上所述，本技术的一个方面在于采集和使用信息，诸如来自输入-输出设备的信息。本公开构想，在一些情况下，可采集包括唯一地识别或可用于联系或定位特定人员的个人信息的数据。此类个人信息数据可包括人口统计数据、基于位置的数据、电话号码、电子邮件地址、twitter id、家庭地址、与用户的健康或健身等级相关的数据或记录(例如，生命信号测量结果、药物信息、锻炼信息)、出生日期、用户名、口令、生物识别信息、或任何其他识别信息或个人信息。
136.本公开认识到在本公开技术中使用此类个人信息可以用于使用户受益。例如，该个人信息数据可用于递送用户较感兴趣的目标内容。因此，使用此类个人信息数据使得用
户能够对所递送的内容进行有计划的控制。此外，本公开还预期个人信息数据有益于用户的其他用途。例如，健康和健身数据可用于向用户的总体健康状况提供见解，或者可用作使用技术来追求健康目标的个人的积极反馈。
137.本公开设想负责采集、分析、公开、传输、存储或其他使用此类个人信息数据的实体将遵守既定的隐私政策和/或隐私实践。具体地，此类实体应当实行并坚持使用被公认为满足或超出对维护个人信息数据的隐私性和安全性的行业或政府要求的隐私政策和实践。此类政策应该能被用户方便地访问，并应随着数据的采集和/或使用变化而被更新。来自用户的个人信息应当被收集用于实体的合法且合理的用途，并且不在这些合法使用之外共享或出售。此外，应在收到用户知情同意后进行此类采集/共享。此外，此类实体应考虑采取任何必要步骤，保卫和保障对此类个人信息数据的访问，并确保有权访问个人信息数据的其他人遵守其隐私政策和流程。另外，这种实体可使其本身经受第三方评估以证明其遵守广泛接受的隐私政策和实践。另外，应当调整政策和实践，以便采集和/或访问的特定类型的个人信息数据，并适用于包括管辖范围的具体考虑的适用法律和标准。例如，在美国，某些健康数据的收集或访问可能受联邦和/或州法律诸如健康保险及责任法案(hipaa)的管辖，而其他国家中的健康数据可能受其他法规和政策约束并且应当相应地加以处理。因此，在每个国家应为不同的个人数据类型保持不同的隐私实践。
138.不管前述情况如何，本公开还预期用户选择性地阻止使用或访问个人信息数据的实施方案。即本公开预期可提供硬件元件和/或软件元件，以防止或阻止对此类个人信息数据的访问。例如，本技术可被配置为允许用户在注册服务期间或其后随时选择参与采集个人信息数据的“选择加入”或“选择退出”。又如，用户可以选择不提供特定类型的用户数据。再如，用户可以选择限制特定于用户的数据被保持的时间长度。除了提供“选择加入”和“选择退出”选项外，本公开设想提供与访问或使用个人信息相关的通知。例如，用户可以在下载应用程序(“应用”)时被告知其个人信息数据将被访问，然后就在个人信息数据被应用访问之前再次提醒用户。
139.此外，本公开的目的是应管理和处理个人信息数据以最小化无意或未经授权访问或使用的风险。一旦不再需要数据，通过限制数据收集和删除数据可最小化风险。此外，并且当适用时，包括在某些健康相关应用程序中，数据去标识可用于保护用户的隐私。在适当的情况下，可以通过移除特定标识符(例如，出生日期等)、控制存储的数据的量或特征(例如，在城市级而非地址级收集位置数据)、控制数据的存储方式(例如，在用户之间聚合数据)和/或其他方法来促进去标识。
140.因此，虽然本公开广泛地覆盖了使用可包括个人信息数据的信息来实现一个或多个各种所公开的实施方案，但本公开还预期各种实施方案也可在无需访问个人信息数据的情况下被实现。即，本发明技术的各种实施方案不会由于缺少此类个人信息数据的全部或一部分而无法正常进行。
141.根据实施方案，提供了一种被配置为显示用户可视的图像的头戴式显示器，该头戴式显示器包括显示面板，该显示面板被配置为产生用于图像的光；以及透镜模块，该透镜模块从显示面板接收光，该透镜模块包括第一透镜元件、第二透镜元件和第三透镜元件，该第一透镜元件、第二透镜元件和第三透镜元件中的每一者具有凸形表面和凹形表面；部分反射镜，该部分反射镜插置在第一透镜元件和显示面板之间；四分之一波片，该四分之一波
片形成在第一透镜元件和第二透镜元件之间，在四分之一波片和第二透镜元件之间不存在粘合剂层；反射偏振器，该反射偏振器形成在第二透镜元件和第三透镜元件之间；以及线性偏振器，该线性偏振器形成在第二透镜元件和第三透镜元件之间，在线性偏振器和第三透镜元件之间不存在粘合剂层。
142.根据另一个实施方案，第一透镜元件插置在第二透镜元件和显示面板之间，并且第二透镜元件插置在第一透镜元件和第三透镜元件之间。
143.根据另一个实施方案，线性偏振器插置在第三透镜元件和反射偏振器之间。
144.根据另一个实施方案，反射偏振器和线性偏振器之间不存在粘合剂层。
145.根据另一个实施方案，反射偏振器和第二透镜元件之间不存在粘合剂层。
146.根据另一个实施方案，透镜模块包括插置在第一透镜元件和显示面板之间的第一硬涂层，以及第二硬涂层，第三透镜元件插置在第二硬涂层和线性偏振器之间，并且第一硬涂层和第二硬涂层是透镜模块中包括的仅有硬涂层。
147.根据另一个实施方案，头戴式显示器包括附加四分之一波片，线性偏振器插置在四分之一波片和附加四分之一波片之间。
148.根据实施方案，提供了一种被配置为显示用户可视的图像的头戴式显示器，该头戴式显示器包括显示面板，该显示面板被配置为产生用于图像的光，显示面板具有上表面；以及透镜模块，该透镜模块接收来自显示面板的光，透镜模块包括直接形成在显示面板的上表面上的第一透镜元件，该第一透镜元件具有相对的第一表面和第二表面，并且第一表面适形于显示面板的上表面，具有相对的第三表面和第四表面的第二透镜元件，第一透镜元件的第二表面适形于第二透镜元件的第三表面；部分反射镜，该部分反射镜插置在第一透镜元件和第二透镜元件之间；四分之一波片，第二透镜元件插置在四分之一波片和第一透镜元件之间；反射偏振器，四分之一波片插置在反射偏振器和第二透镜元件之间；以及线性偏振器，反射偏振器插置在线性偏振器和四分之一波片之间。
149.根据另一个实施方案，显示面板包括微透镜阵列，并且第一透镜元件插置在微透镜阵列和部分反射镜之间。
150.根据另一个实施方案，透镜模块包括插置在四分之一波片和反射偏振器之间的第三透镜元件，以及第四透镜元件，线性偏振器插置在第四透镜元件和反射偏振器之间。
151.根据实施方案，提供了一种被配置为显示用户可视的图像的头戴式显示器，该头戴式显示器包括像素阵列，该像素阵列被配置为产生图像；线性偏振器，与图像相关联的光穿过该线性偏振器；四分之一波片，该四分之一波片接收来自线性偏振器的光；透镜模块，该透镜模块接收来自四分之一波片的光，透镜模块包括具有相对的第一表面和第二表面的透镜元件，第一表面是非球面凸形表面，并且第二表面是非球面凹形表面；部分反射镜，该部分反射镜插置在透镜元件和四分之一波片之间；以及延迟器涂层，该延迟器涂层形成在透镜元件的第一表面和第二表面中的选定表面上。
152.根据另一个实施方案，透镜模块包括反射偏振器，第二表面插置在反射偏振器和第一表面之间。
153.根据另一个实施方案，反射偏振器具有第一通过轴，并且线性偏振器具有与第一通过轴正交的第二通过轴。
154.根据另一个实施方案，线性偏振器是第一线性偏振器，并且透镜模块包括第二线
性偏振器，反射偏振器插置在透镜元件和第二线性偏振器之间。
155.根据另一个实施方案，透镜模块包括插置在延迟器涂层和反射偏振器之间的第一光学透明粘合剂层，以及插置在反射偏振器和线性偏振器之间的第二光学透明粘合剂层。
156.根据另一个实施方案，延迟器涂层形成在第二表面上。
157.根据另一个实施方案，延迟器涂层形成在第一表面上。
158.根据另一个实施方案，延迟器涂层是第一延迟器涂层，并且透镜模块包括形成在第二表面上的第二延迟器涂层。
159.根据另一个实施方案，延迟器涂层具有在整个延迟器涂层上变化小于10％的厚度。
160.根据另一个实施方案，延迟器涂层是第二四分之一波片。
161.根据另一个实施方案，延迟器涂层是反射偏振器和形成在第二表面上的延迟器层。
162.前述内容仅为示例性的并且可对所述实施方案作出各种修改。前述实施方案可独立实施或可以任意组合实施。
技术特征：1.一种头戴式显示器，所述头戴式显示器被配置为显示能够由用户查看的图像，所述头戴式显示器包括：显示面板，所述显示面板被配置为产生用于所述图像的光；以及透镜模块，所述透镜模块从所述显示面板接收所述光，其中所述透镜模块包括：第一透镜元件、第二透镜元件和第三透镜元件，其中所述第一透镜元件、所述第二透镜元件和所述第三透镜元件中的每一者具有凸形表面和凹形表面；部分反射镜，所述部分反射镜插置在所述第一透镜元件和所述显示面板之间；四分之一波片，所述四分之一波片形成在所述第一透镜元件和所述第二透镜元件之间，其中在所述四分之一波片和所述第二透镜元件之间不存在粘合剂层；反射偏振器，所述反射偏振器形成在所述第二透镜元件和所述第三透镜元件之间；以及线性偏振器，所述线性偏振器形成在所述第二透镜元件和所述第三透镜元件之间，其中在所述线性偏振器和所述第三透镜元件之间不存在粘合剂层。2.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其中所述第一透镜元件插置在所述第二透镜元件和所述显示面板之间，并且其中所述第二透镜元件插置在所述第一透镜元件和所述第三透镜元件之间。3.根据权利要求2所述的头戴式显示器，其中所述线性偏振器插置在所述第三透镜元件和所述反射偏振器之间。4.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其中在所述反射偏振器和所述线性偏振器之间不存在粘合剂层。5.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其中在所述反射偏振器和所述第二透镜元件之间不存在粘合剂层。6.根据权利要求1所述的头戴式显示器，其中所述透镜模块还包括：第一硬涂层，所述第一硬涂层插置在所述第一透镜元件和所述显示面板之间；以及第二硬涂层，其中所述第三透镜元件插置在所述第二硬涂层和所述线性偏振器之间，并且其中所述第一硬涂层和所述第二硬涂层是被包括在所述透镜模块中的仅有的硬涂层。7.根据权利要求1所述的头戴式显示器，还包括：附加四分之一波片，其中所述线性偏振器插置在所述四分之一波片和所述附加四分之一波片之间。8.一种头戴式显示器，所述头戴式显示器被配置为显示能够由用户查看的图像，所述头戴式显示器包括：显示面板，所述显示面板被配置为产生用于所述图像的光，其中所述显示面板具有上表面；以及透镜模块，所述透镜模块从所述显示面板接收所述光，其中所述透镜模块包括：直接形成在所述显示面板的所述上表面上的第一透镜元件，其中所述第一透镜元件具有第一和第二相对表面，并且其中所述第一表面适形于所述显示面板的所述上表面；具有第三和第四相对表面的第二透镜元件，其中所述第一透镜元件的所述第二表面适形于所述第二透镜元件的所述第三表面；部分反射镜，所述部分反射镜插置在所述第一透镜元件和所述第二透镜元件之间；
四分之一波片，其中所述第二透镜元件插置在所述四分之一波片和所述第一透镜元件之间；反射偏振器，其中所述四分之一波片插置在所述反射偏振器和所述第二透镜元件之间；以及线性偏振器，其中所述反射偏振器插置在所述线性偏振器和所述四分之一波片之间。9.根据权利要求8所述的头戴式显示器，其中所述显示面板包括微透镜阵列，并且其中所述第一透镜元件插置在所述微透镜阵列和所述部分反射镜之间。10.根据权利要求8所述的头戴式显示器，其中所述透镜模块还包括：第三透镜元件，所述第三透镜元件插置在所述四分之一波片和所述反射偏振器之间；以及第四透镜元件，其中所述线性偏振器插置在所述第四透镜元件和所述反射偏振器之间。11.一种头戴式显示器，所述头戴式显示器被配置为显示能够由用户查看的图像，所述头戴式显示器包括：像素阵列，所述像素阵列被配置为产生所述图像；线性偏振器，与所述图像相关联的光穿过所述线性偏振器；四分之一波片，所述四分之一波片从所述线性偏振器接收所述光；透镜模块，所述透镜模块从所述四分之一波片接收所述光，其中所述透镜模块包括：具有第一和第二相对表面的透镜元件，其中所述第一表面是非球面凸形表面，并且其中所述第二表面是非球面凹形表面；部分反射镜，所述部分反射镜插置在所述透镜元件和所述四分之一波片之间；以及延迟器涂层，所述延迟器涂层形成在所述透镜元件的所述第一表面和所述第二表面中被选择的一个表面上。12.根据权利要求11所述的头戴式显示器，其中所述透镜模块还包括：反射偏振器，其中所述第二表面插置在所述反射偏振器和所述第一表面之间。13.根据权利要求12所述的头戴式显示器，其中所述反射偏振器具有第一通过轴，并且其中所述线性偏振器具有与所述第一通过轴正交的第二通过轴。14.根据权利要求12所述的头戴式显示器，其中所述线性偏振器是第一线性偏振器，并且其中所述透镜模块还包括：第二线性偏振器，其中所述反射偏振器插置在所述透镜元件和所述第二线性偏振器之间。15.根据权利要求14所述的头戴式显示器，其中所述透镜模块还包括：第一光学透明粘合剂层，所述第一光学透明粘合剂层插置在所述延迟器涂层和所述反射偏振器之间；以及第二光学透明粘合剂层，所述第二光学透明粘合剂层插置在所述反射偏振器和所述线性偏振器之间。16.根据权利要求11所述的头戴式显示器，其中所述延迟器涂层形成在所述第二表面上。17.根据权利要求11所述的头戴式显示器，其中所述延迟器涂层形成在所述第一表面
上。18.根据权利要求17所述的头戴式显示器，其中所述延迟器涂层是第一延迟器涂层，并且其中所述透镜模块还包括：形成在所述第二表面上的第二延迟器涂层。19.根据权利要求11所述的头戴式显示器，其中所述延迟器涂层具有在整个所述延迟器涂层上变化小于10％的厚度。20.根据权利要求11所述的头戴式显示器，其中所述延迟器涂层是第二四分之一波片。21.根据权利要求11所述的头戴式显示器，其中所述延迟器涂层是形成在所述第二表面上的反射偏振器和延迟器层。
技术总结一种头戴式显示器可包括由外壳支撑的显示系统和光学系统。该光学系统可以是具有一个或多个透镜元件的折反射光学系统。在一个示例中，该光学系统包括单个透镜元件和涂覆在该透镜元件的弯曲表面上的延迟器。该延迟器可以涂覆在该透镜元件的非球面凹形表面上。在另一个示例中，该延迟器可以涂覆在该透镜元件的非球面凸形表面上。该光学系统的一个或多个部件可使用直接打印技术来形成。这可允许从该光学系统中省略一个或多个粘合剂层以及一个或多个硬涂层。透镜元件可被直接打印在该显示系统上以改善该光学系统与该显示系统之间的对准。以改善该光学系统与该显示系统之间的对准。以改善该光学系统与该显示系统之间的对准。
技术研发人员：贺然 Z
受保护的技术使用者：苹果公司
技术研发日：2021.02.18
技术公布日：2022/11/1
