[发明专利]用于头戴式显示系统的光学系统

说明书

用于提供光学系统的系统和方法，该光学系统在弯曲表面上利用双菲涅尔透镜以用于显示系统，例如与头戴式显示器(HMD)系统一起使用的基于硅的微显示系统(例如，OLED微显示器)。本文中公开的光学系统可实现复用或混合，以提供平滑的轮廓过渡并减少菲涅尔表面的区域或场(例如，小FOV角、大FOV角)之间的像差，该菲涅尔表面由多个菲涅尔图案或函数限定。提供了用于微显示器的光学系统，该光学系统在弯曲表面上利用双菲涅尔透镜以缩短焦距，同时保持良好的形状因子以用于可模塑性和像差控制。

技术领域

本公开总体涉及用于显示器(诸如头戴式显示系统的微显示器)的光学系统。

背景技术

当前的一代虚拟现实(“VR”)体验使用头戴式显示器(“HMD”)创建，头戴式显示器可连接至固定计算机(诸如个人计算机(“PC”)、膝上型计算机或游戏控制台)、可与智能手机和/或其相关联的显示器组合和/或集成，或者可以是独立的。通常，HMD是佩戴在用户的头部上的显示设备，该显示设备在一个眼睛(单目HMD)或每个眼睛(双目HMD)的前面具有小的显示设备。显示单元通常是小型化的，并且可包括例如CRT、LCD、硅上液晶(LCos)或OLED技术。双目HMD具有向每个眼睛显示不同图像的潜力。该功能用于显示立体图像。

对性能提升的显示器的需求正在增加，包括智能手机和高清电视以及其它电子设备的发展。虚拟现实系统和增强现实系统的日益发展，特别是那些使用头戴式显示器的系统进一步增加了这种需求。虚拟现实系统通常完全包围佩戴者的眼睛并将“虚拟”现实替换为佩戴者面前的实际视图(或实际现实)，而增强现实系统通常在佩戴者的眼前提供一个或多个屏幕的半透明或透明覆盖，使得实际视图通过附加信息得到增强。

然而，这种使观看者的眼睛与显示器之间的距离减小并且通常具有完全模糊的视场的头戴式显示器以传统显示器无法满足的方式增加了显示器的性能要求，更不用说在成本效益水平上这么做了。诸如OLED微显示器的微显示器比传统显示器小得多，但涉及额外的挑战。例如，微显示器需要非常短焦距的透镜。另外，因为用户的眼睛瞳孔大小是固定的，所以使用微显示器的HMD的透镜的F/#减小，这倾向于增加特定透镜系统的像差。此外，微显示器具有小的像素。这增加了HMD光学元件的空间分辨率，进一步增加了设计和制造用于这种HMD的透镜的挑战。

发明内容

用于与微显示器一起使用的光学系统可概括为包括第一透镜元件和第二透镜元件，其中，第一透镜元件相对靠近微显示器设置，第一透镜元件包括面向微显示器的第一表面和背离微显示器的第二表面，第一表面包括凹表面以及第二表面包括凹表面，第一表面和第二表面中的至少一个上具有菲涅尔特征；第二透镜元件相对远离微显示器设置，第二透镜元件包括面向微显示器的第三表面和背离微显示器的第四表面，第三表面包括凸表面以及第四表面包括凹表面，第三表面和第四表面中的至少一个上具有菲涅尔特征。至少第一表面和第三表面可在其上具有菲涅尔特征。至少第二表面和第三表面可在其上具有菲涅尔特征。至少第一表面和第四表面可在其上具有菲涅尔特征。至少第二表面和第四表面可在其上具有菲涅尔特征。第一表面、第二表面、第三表面和第四表面中的至少三个可在其上具有菲涅尔特征。第一表面、第二表面、第三表面和第四表面中的至少一个可包括由多个菲涅尔图案限定的菲涅尔特征。第一表面、第二表面、第三表面和第四表面中的至少一个可包括由单个菲涅尔图案限定的菲涅尔特征。第一表面、第二表面、第三表面和第四表面中的至少一个可包括由第一菲涅尔图案限定的第一区域和由第二菲涅尔图案限定的第二区域。