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映维网Nweon
2024年10月21日

）AR/VR近眼显示器以这样一种方式创建虚拟图像：图像出现在一定距离（显示在用户面前），并且看起来比创建虚拟图像的相应显示器生成的实际图像更大。用于近眼显示的光学透镜的关键性能指标包括注视分辨率、瞳游（眼睛在透镜周围移动时产生的图像失真）、图像对比度和重影等等。

尽管AR眼镜设备的透镜可以设计为在选定的视角和距离提供最佳的光学特性，但同样的方法可能不适用于VR头显。这是因为VR系统需要宽视场，而眼睛在宽视场旋转可能会导致图像问题。

例如，眼睛的瞳孔在大视场范围内移动时，若注视偏离主光轴，图像可能会失去清晰度。

针对这个问题，3M提出了一种注视点光学透镜。所述光学系统包括光学系统轴、显示器和至少一个透镜。光学系统形成由显示器发出的图像的虚拟图像。

对于相对于系统轴的第一视场角在约5度至约30度之间的每个第一虚拟图像位置，当以成像系统轴为中心的成像系统定位于人眼位置附近，并形成与第一虚拟图像位置相对应的图像时，所形成图像的分辨率随着成像系统旋转以使所述成像系统轴接近所述第一视场角而增加。

简单来说，当眼睛旋转以与第一视场轴对齐时，第一视网膜图像可以具有比当眼睛与光学系统轴对齐时更大的图像分辨率。角α1可以在约5度至约30度之间。

图1是发明描述的光学系统的侧视图，光学系统包括注视点光学透镜。光学系统300包括显示器20、光学系统轴10和至少一个透镜。透镜30和40可以是透镜组件中的独立透镜组件。

光学系统可进一步包括部分反射器50、反射偏振器60和光学缓速器90中的一个或多个。

在一个实施例中，光学系统300形成由显示器20发射的图像41的虚拟图像70。虚拟图像70可由用户眼睛80视为眼睛80视网膜上的第一视网膜图像82。

眼睛80可具有光轴81。可旋转眼睛80若干次，使得眼80的光轴81与光学系统轴10基本一致。另外，可旋转眼睛80若干次，使得光轴81与光学系统轴10不对齐。

光学系统300可具有基本上面向眼睛80的眼侧301和远离眼睛80并面向显示器20的显示侧302。光学系统300可以配置为当眼睛80位于靠近眼睛位置84时最佳地向眼睛80提供虚拟图像70。

在一个实施例中，当光轴81以角度α1旋转时，在眼睛80视网膜上形成的视网膜图像82的分辨率大于当光轴81与光学系统轴10基本对齐时形成的视网膜图像82的分辨率。角α1可以在约5度至约30度之间。

图2A和2B提供了图1光学系统的光轴。

图2A显示了位于接近眼位置84的用户眼睛80（即光学系统配置为为整个视场提供光学分辨率的位置），并且具有从眼睛80中央凹87的中心延伸通过眼睛80中心83并到瞳孔88的光学眼轴81。

在操作中，在视网膜86形成虚拟图像70的视网膜图像82。在图2A中，光学眼轴81的定位使得其基本上与光学系统轴10对齐。

在图2B中，眼睛80向上旋转，使得光学眼轴81现在基本上与在眼睛80和第一虚拟图像位置71之间延伸的第一视场轴72对齐。在一个实施例中，第一视场轴72产生具有光学系统轴10的第一视场角α1。在一个实施例中，第一场角α1可以在约5度至约30度之间。

在一个实施例中，当光学眼轴81与光学系统轴10基本重合时，第一视网膜图像82具有第一虚拟图像位置71的第一图像分辨率，并且当光学眼轴与第一视场轴72基本重合时，第一视网膜图像82具有第一虚拟图像位置71的第二图像分辨率。第二图像分辨率可以大于第一图像分辨率。

以另一种方式陈述，当眼睛80旋转以与第一视场轴72对齐时，第一视网膜图像82可以具有比当眼睛80与光学系统轴10对齐时更大的图像分辨率。

图3和图4介绍了注视焦点光学透镜的侧视图。图3和图4显示了本质上相同的光学系统，但眼睛在两个不同的旋转角度。

光学系统300包括光学系统轴10、透镜组件130和显示器20。透镜组件130具有配置为靠近用户眼睛80布置的眼侧301，以及配置为靠近显示器20布置的显示侧302。

透镜组件130包括设置在靠近显示器20的第一透镜组件30和设置在相对侧的第二透镜组件40。透镜组件130可以进一步包括设置在最靠近显示器20的第一透镜组件30的一侧的部分反射器50，设置在第一透镜组件30和第二透镜组件40之间的光学缓光器，以及设置在最靠近眼睛80的第二透镜组件40一侧的反射偏光器60。

基本上准直的光110沿着第一方向111传播。第一方向111与光学系统轴10形成第一角θ1。在一个实施例中，第一角度θ1可介于约5度至约30度之间。当基本上准直的光110从眼侧301照射光学系统300并进入光学系统300，同时基本上填充位于眼侧301附近的视场止光点120/121时，光110穿过透镜组件130并从显示侧302离开光学系统300到焦点112。

在一个实施例中，当眼80定位在眼位置84附近时，当视场止光点120/121基本上以光学系统轴10为中心时，焦斑112可以具有第一最小尺寸。当视场止光点120/121围绕靠近眼睛80中心的第一中心83旋转时，使得视场止光点120/121基本上垂直于第一方向111。第二最小尺寸可以小于第一最小尺寸。

在一个实施例中，视场止光口120/121的最大尺寸可以基于成人人类瞳孔的标称尺寸。

图5A和5B提供了用于光学系统300的光轴的视觉描述。其中，用户眼睛80由以成像系统轴141为中心的成像系统40所取代。

光学系统300b包括光学系统轴10、显示器和至少一个透镜。在一个实施例中，当眼睛位于靠近眼睛位置84时，光学系统300b可以形成虚拟图像70。

对于第一视场角α1处的每个第一虚拟图像位置71，当以成像系统轴141为中心的成像系统140定位于眼位置84附近并形成与第一虚拟图像位置71对应的虚拟图像70的图像时，所形成的虚拟图像70的分辨率可随着所述成像系统140的旋转而增加，使得所述成像系统轴141远离与光学系统轴10重合并趋近于第一视场角α1。

图6A和6B提供光学系统的一个实施例细节。

光学系统400可包括第一光学透镜40和第二光学透镜30。第一光学透镜40包括第一主要表面41和相对的第二主要表面42。第二光学透镜30包括第三主要表面31和相对的第四主要表面32。

第一光学透镜40的第二主要表面42与第三主要表面31相互面对。第一主要表面41可以包括由环形凹外部部分44包围的凸中心部分43。图6B提供了识别凸中心部分43和环形凹外部部分44的第一主表面41的正面视图。在一个实施例中，第二主要表面42可以是凸的，第三主要表面基本上可以是平面的，第四主要表面可以是凸的。

在一个实施例中，光学系统400可进一步包括部分反射器50、反射偏振器60和光学缓速器90中的一个或多个。

在所述实施例中，部分反射器50可以设置在第二光学透镜30的第四大表面32之上，反射偏光镜可以设置在第一光学透镜40的第二大表面42之上，光学缓速器90可以设置在第一光学透镜40的第二大表面42和第二光学透镜30的第三大表面31之间。

在这样的实施例中，当存在部分反射器50、反射偏振器60和光学缓速器90中的一个或多个时，光学系统轴10可以折叠，如图6A中的光路85所示。

换句话说，由显示器20的图像41发射的光85在到达光学感知系统145之前，可以多次重定向通过光学系统400。

相关专利

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3M Patent | Foveated optical lens for near eye display

名为”Foveated optical lens for near eye display“的3M专利申请最初在2023年7月提交，并在日前由美国专利商标局公布。