光学元件的运动耦合
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年6月27日提交的第16/455,395号美国申请的优先权，该美国申请的内容通过引用以其整体并入本文以用于所有目的。
3.公开领域
4.本公开的方面总体上涉及光学元件，并且尤其但不排他地，涉及光学组件的光学元件的对准特征。
5.背景
6.头戴式显示器(hmd)是一般戴在用户的头上的显示设备。hmd可以用在各种应用(例如游戏、航空、工程、医学、娱乐等)中以向用户提供人工现实内容。人工现实是一种在呈现给用户之前已经以某种方式被调整的现实形式，其可以包括例如虚拟现实(vr)、增强现实(ar)、混合现实(mixed reality，mr)、混杂现实(hybrid reality)、或它们的某种组合和/或衍生物。
7.被包括在hmd中的各种光学元件(如透镜、偏振器、波片等)的精度可能取决于特定的应用。例如，一些hmd可以包括眼睛跟踪系统，该眼睛跟踪系统包括用于跟踪用户眼睛运动的集成相机。因此，随着对眼睛跟踪系统的要求和精度的增加，眼睛跟踪系统所使用的各种光学元件的制造和组装所需的精度也增加了。
8.概述
9.本发明涉及一种用于与电子部件一起使用的光学组件。该光学组件包括第一光学元件和耦合到第一光学元件的第二光学元件。第二光学元件包括：具有面向第一光学元件的表面的光学衬底；用于接收光的光学部件，其中光学部件被包括在光学衬底的中间区域中；以及多个对准特征，多个对准特征被包括在光学衬底的在光学衬底的表面上的外围区域中。多个对准特征接触被包括在第一光学元件中的相对应的多个对准特征，以在第一光学元件和第二光学元件之间提供运动耦合，从而用于将第二光学元件的光学部件与第一光学元件的光学部件光学对准。
10.在一个实施例中，第二光学元件的对准特征可以包括形成在光学衬底的表面上的凸块(bump)或凹槽(groove)中的一个，并且第一光学元件的相对应的对准特征可以包括凸块或凹槽中的另一个。可选地，第二光学元件的对准特征可以包括弯曲横截面，优选地弯曲横截面具有正弦形状。在这种情况下，第二光学元件的对准特征可以在正弦形状的最大斜率区域处接触第一光学元件的相对应的对准特征。此外，正弦形状可以基于余弦函数。
11.在另一个实施例中，第一光学元件的对准特征可以包括具有基于第一余弦函数的第一正弦形状的第一弯曲横截面，以及第二光学元件的对准特征可以包括具有基于第二余弦函数的第二正弦形状的第二弯曲横截面，第二余弦函数不同于第一余弦函数。第一余弦函数的振幅和周期可以被配置成产生第一正弦形状，以及第二余弦函数的振幅和周期可以被配置成产生第二正弦形状，其中第一余弦函数的振幅或周期中的至少一个不同于第二余弦函数的相对应的振幅或周期。
12.在一个实施例中，光学组件还可以包括第三光学元件，其中第二光学元件被设置
在第一光学元件和第三光学元件之间。第二光学元件还包括附加的多个对准特征，附加的多个对准特征被包括在光学衬底的在光学衬底面向第三光学元件的另一表面上的外围区域中。附加的多个对准特征接触被包括在第三光学元件中的相对应的多个对准特征，以在第三光学元件和第二光学元件之间提供运动耦合，从而用于将第二光学元件的光学部件与第三光学元件的光学部件光学对准。
13.在一个实施例中，多个对准特征可以是旋转不对称的，以提供在第二光学元件的光学部件和第一光学元件的光学部件之间的旋转对准。
14.在一个实施例中，第一光学元件的光学部件和第二光学元件的光学部件可以各自包括以下中的至少一个：透镜、反射镜、漫射器、滤光器、偏振器、棱镜、窗口、分束器或衍射光栅。
15.在一个实施例中，电气部件包括以下中的至少一个：图像传感器、光学传感器、测距仪、lidar传感器、同时定位和建图(slam)传感器、激光器或发光设备。
16.本发明还涉及一种用于在光学组件中使用的光学元件。该光学元件包括具有表面的光学衬底、用于接收光的光学部件和多个对准特征，其中光学部件被包括在光学衬底的中间区域中，多个对准特征被包括在光学衬底的在光学衬底的表面上的外围区域中。多个对准特征被配置成接触被包括在光学组件的另一光学元件中的相对应的多个对准特征，以提供在光学元件和另一光学元件之间的运动耦合，从而用于将光学元件的光学部件和另一光学元件的光学部件光学对准。
17.在一个实施例中，多个对准特征中的对准特征可以包括形成在光学衬底的表面上的凸块或凹槽中的一个。可选地，对准特征可以包括弯曲横截面，优选地弯曲横截面是正弦形状。在这种情况下，对准特征可以在正弦形状的最大斜率区域处接触另一光学元件的相对应的对准特征。此外，正弦形状可以基于余弦函数。
18.本发明还涉及一种用于与图像传感器一起使用的光学组件。该光学组件包括耦合到图像传感器的外壳、被包括在外壳内的第一光学元件和被包括在外壳内并耦合到第一光学元件的第二光学元件。第二光学元件包括：具有面向第一光学元件的表面的光学衬底；用于将光导向图像传感器的透镜，其中透镜被包括在光学衬底的中间区域中；以及多个对准特征，多个对准特征被包括在光学衬底的在光学衬底的表面上的外围区域中。多个对准特征接触被包括在第一光学元件中的相对应的多个对准特征，以在第一光学元件和第二光学元件之间提供运动耦合，从而用于将透镜与第一光学元件的光学部件光学对准。
19.在一个实施例中，第一光学元件的对准特征可以包括具有基于第一余弦函数的第一正弦形状的第一弯曲横截面，以及第二光学元件的对准特征可以包括具有基于第二余弦函数的第二正弦形状的第二弯曲横截面，第二余弦函数不同于第一余弦函数。
20.附图简述
21.参考以下附图描述了本公开的非限制性和非穷尽性方面，其中除非另有说明，否则在各个视图中相似的参考数字指相似的部件。
22.图1示出了根据本公开的方面的头戴式显示器(hmd)。
23.图2示出了根据本公开的方面的示例光学元件。
24.图3示出了根据本公开的方面的示例光学组件。
25.图4示出了根据本公开的方面的接触另一个对准特征的对准特征的示例横截面。
26.图5示出了根据本公开的方面的包括外壳和电子部件的示例光学组件。
27.图6示出了根据本公开的方面的具有光学元件的示例光学组件，该光学元件在光学元件的顶表面和底表面上都包括对准特征。
28.详细描述
29.在以下描述和相关附图中公开了多个方面和实施例，以示出与光学组件的光学元件的运动耦合相关的具体示例。相关领域的技术人员在阅读本公开后，可替换的方面和实施例将变得明显，并且可以在不脱离本公开的范围或精神的情况下构建和实践这些可替换的方面和实施例。另外，众所周知的元素将不被详细描述或者可能被省略，以便不模糊本文公开的方面和实施例的相关细节。
30.图1示出了根据本公开的方面的hmd 100。示出的hmd 100的示例被显示为包括观看结构140、顶部固定结构141、侧部固定结构142、后部固定结构143和前刚体144。在一些示例中，hmd 100被配置成佩戴在hmd 100的用户的头部，其中顶部固定结构141、侧部固定结构142和/或后部固定结构143可以包括织物带，该织物带包括弹性结构以及一个或更多个刚性结构(例如，塑料)，以用于将hmd 100固定到用户的头部。hmd 100还可以可选地包括一个或更多个耳机(earpiece)120，以用于将音频传送到hmd 100的用户的耳朵。
31.hmd 100的图示示例还包括用于接触hmd 100的用户的面部的界面膜118，其中界面膜118用于阻挡至少一些环境光到达hmd 100的用户的眼睛。
32.示例hmd 100还可以包括用于支撑hmd 100的观看结构140的硬件的底架(底架和硬件未在图1中明确示出)。观看结构140的硬件可以包括处理逻辑、用于发送和接收数据的有线和/或无线数据接口、图形处理器以及用于存储数据和计算机可执行指令的一个或更多个存储器中的任一项。在一个示例中，观看结构140可以被配置成接收有线电源和/或可以被配置成由一个或更多个电池供电。另外，观看结构140可以被配置成接收包括视频数据的有线和/或无线数据。
33.观看结构140可以包括具有一个或更多个电子显示器的显示系统，以用于将光导向到hmd 100的用户的眼睛。显示系统可以包括lcd、有机发光二极管(oled)显示器或微led显示器中的一个或更多个，以用于将光(如，内容、图像、视频等)发射到hmd 100的用户。
34.在一些示例中，电子部件145可以被包括在观看结构140中。在一些方面，电子部件145是用于捕获hmd 100的用户的眼睛的图像以进行眼睛跟踪操作的相机或图像传感器。在其他方面，电子部件145是同时定位和建图(slam)传感器(例如光学传感器、测距仪、lidar传感器、声纳传感器等)，以用于绘制hmd 100周围的用户和/或环境。在其他示例中，电子部件145可以是激光器或其他发光设备。
35.在一些方面，电子部件145可以包括一个或更多个小直径光学部件，例如透镜、偏振器、波导、反射器、波片等。在一些方面，“小直径”光学部件是指直径(例如孔径)为3毫米或更小的光学部件。如上所述，随着对hmd的各种系统(例如，眼睛跟踪系统或slam系统)的要求和精度的增加，在制造和组装各种小直径光学部件时所需的精度也增加了。
36.常规的光学部件组装技术包括将各种光学部件装配到筒(barrel)或外壳中，筒或外壳又提供各种光学部件相对于彼此以及相对于电子部件的对准。然而，常规的外壳通常包括最小的间隙要求，以便有效地将光学部件插入外壳内，而不存在可能使部件变形的干扰。例如，一些常规的外壳要求在外壳和光学元件之间的最小内部间隙为5微米。在一些示
例中，常规外壳的最小间隙要求限制了光学部件可以对准的精度。
37.因此，本公开的方面提供了光学元件，该光学元件是包括光学部件(例如，透镜)以及形成在光学元件的表面上的多个对准特征的整体结构(monolithic structure)。对准特征被配置成接触被包括在另一光学元件中的相对应的一组对准特征，以提供光学元件之间的运动耦合，以及提供它们相应光学部件的精确光学对准。在一些方面，运动耦合被设计成在光学元件之间提供可再现且精确的耦合。运动耦合的设计可以符合“精确约束设计”的原理。在一些示例中，运动耦合消除了外壳内光学元件的过度约束，并且还可以对热膨胀不敏感。也就是说，当外壳和/或光学元件本身由于热变化而膨胀或收缩时，运动耦合可以保持光学部件的恒定对中性(constant centration)。在一些方面，本文提供的运动耦合可以允许光学部件的亚微米对准。
38.图2示出了根据本公开的方面的示例光学元件200。光学元件200是与图1的电子部件145一起使用的一种可能的光学元件。光学元件200的图示示例被示出为包括光学衬底202、表面204、光学部件206和对准特征208-212。图2中还示出了光学衬底202的中间区域214和外围区域216。
39.在一些示例中，光学元件200是包括光学部件206和多个对准特征208-212的整体结构。光学元件200可以由固体光学衬底202(例如塑料、玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)或其他丙烯酸树脂)形成。光学衬底202可以被切割或打磨(ground)成光学元件200的期望形状。此外，光学衬底202可以被加工以形成光学部件206的光学表面。光学衬底202的加工还可以包括同时形成对准特征208-212。因此，在一些示例中，对准特征208-212由与光学部件206相同的光学衬底202形成。在一些方面，通过快速刀具伺服金刚石车削或多轴金刚石铣削来完成光学衬底202的加工以形成光学部件206和对准特征208-212。
40.在其他示例中，光学元件200通过模具形成，该模具包括限定光学部件206以及对准特征208-212的形状。也就是说，可以将液体光学材料提供(浇注或注射)到模具中，以同时形成光学部件206和对准特征208-212。在一些实施例中，液体光学材料然后被固化成固态。
41.尽管图2示出了大体为具有圆形形状的光学元件200，但是根据本文提供的方面，光学元件200可以是各种形状中的任何一种，例如矩形(rectangular)、长方形(oblong)、正方形、椭圆形等。
42.光学部件206被示出为被包括在光学衬底202的中间区域214中。光学部件206可以是透镜、反射镜、漫射器、滤光器、偏振器、棱镜、窗口、分束器、衍射元件等中的一个或更多个。在一些示例中，光学部件206被配置成接收光并将光导向/传递到相对应的电子部件(例如，相机和/或图像传感器)。在其他示例中，光学部件206被配置成接收由相对应的电子部件(例如，激光器)生成的光，并将光导向/传递到环境中。
43.图2还示出了包括多个对准特征208-212的光学元件200，这些对准特征208-212被包括在光学衬底202的表面204上的外围区域216中。尽管图2示出了光学元件200包括三个对准特征(例如，208-212)，但是任何数量(包括两个或更多)的离散对准特征可以被包括在光学衬底202的表面204上。
44.在一些方面，对准特征208-212位于表面204上，以与另一光学元件的相对应的对准特征配合。举例来说，图3示出了根据本公开的方面的示例光学组件300的分解图。光学组
件300是用于与图1的电子部件145一起使用的一种可能的光学组件。所示的光学组件300的示例被示为包括耦合到另一光学元件314的光学元件202。
45.在一些示例中，对准特征208-212被配置为从表面204向外延伸(例如，突出)的凸块。在该示例中，光学元件314的相对应的对准特征308-312可以被配置为相对应的凹槽，其与凸块配合(即接触)以在光学元件200和314之间形成运动耦合。在其他示例中，对准特征208-212被配置为向内延伸(压入表面204)的凹槽。在该示例中，光学元件314的相对应的对准特征308-312可以被配置成与凹槽配合以形成运动耦合的相对应的凸块。在又一示例中，被包括在光学衬底202的表面204上的对准特征208-212是凸块和凹槽的混合(例如，对准特征208可以被配置成凸块，而对准特征210和212可以被配置为凹槽)。
46.在一些实施方式中，一个或更多个光学部件206和306可以是旋转不对称的。也就是说，光学部件206相对于光学部件306的旋转取向可能影响光学组件300的期望功能。举例来说，光学部件206可以是偏振器、非球面透镜、衍射光学元件等。因此，在一些实施例中，光学衬底的一个或更多个对准特征和/或形状可以被配置成确保光学部件的期望旋转取向。举例来说，在一个方面，对准特征208-212可以与对准特征308-312配对，以确保光学部件206和306的正确旋转取向。在一个方面，一个或更多个对准特征208-212可以具有与被包括在表面204上的其他对准特征208-212不同的形状和/或尺寸。在另一方面，对准特征208-212在表面204上的位置可以是旋转不对称的，以确保期望的旋转取向。在又一方面，光学衬底202可以与相对应的外壳配对(例如，外壳和光学衬底202可以是d形的，以在将光学元件200插入外壳时需要正确的旋转取向)。
47.在一些示例中，由对准特征208-212和308-312提供的运动耦合消除了光学元件202和314在相对应的外壳(图3中未示出)内的过度约束。此外，运动耦合提供光学部件206与光学部件306的光学对准。在一个示例中，光学部件206和306的光学对准指的是光学部件206的光轴与光学部件306的光学中心在同一轴上。如上所述，光学元件202和光学元件314之间的运动耦合甚至在响应于光学元件和/或外壳的热膨胀/收缩时也可以保持对准。
48.在一些示例中，对准特征208-212和308-312中的每一个都具有有助于形成在光学元件200和光学元件314之间的运动耦合的物理几何形状。例如，在一个方面，对准特征208-212中每一个可以包括弯曲横截面，而对准特征308-312包括径向定向的线性挤压凹槽。在一些方面，弯曲横截面是正弦形状。作为示例，图4示出了通过示例对准特征408a接触另一对准特征408b的方式的运动耦合400，其中所示出的对准特征408a和408b中的每一个都具有弯曲正弦曲线形状的横截面。对准特征408a和408b是本文讨论的任何对准特征(包括图2的对准特征208-212和/或308-312)的可能的示例。
49.如图4所示，对准特征408a(配置成凹槽)被包括在(例如，第一光学元件的)光学衬底402a的表面404a上，而对准特征408b(配置成凸块)被包括在(例如，第二光学元件的)光学衬底402b的表面404b上。图4还示出了区域410，其表示对准特征408a物理地接触对准特征408b的区域。在一些方面，区域410位于对准特征408b(当被配置为凸块时)的正弦形状的最大斜率处。如图4所示，在一些实施方式中，对准特征408a和对准特征408b之间的接触可以导致对准特征之间的气隙412。
50.在一些示例中，对准特征408a和/或408b的正弦形状基于余弦函数。举例来说，对准特征408a的正弦形状可以基于：
51.y＝agcos(πtgx)
ꢀꢀꢀꢀꢀ
[等式1]
[0052]
其中，ag是振幅，而tg是决定被配置为凹槽的对准特征的正弦形状的函数的周期。类似地，对准特征408b的正弦形状可以基于：
[0053]
y＝a
b cos(πtbx)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
[等式2]
[0054]
其中，ab是振幅，而tb是表示配置为凸块的对准特征的正弦形状的函数的周期。在所示示例中，对准特征408a的横截面的弯曲形状不同于对准特征408b的横截面的弯曲形状。在一些示例中，相对应的对准特征的横截面的形状不同，使得当进行组装时，相对应的对准特征仅在区域410处进行物理接触(例如，对准特征408a仅在区域410处接触对准特征408b)。因此，在一些方面，决定对准特征408a的形状的余弦函数(例如，等式1)不同于决定对准特征408b的形状的余弦函数(例如，等式2)。在一些示例中，等式1的振幅不同于等式2的振幅(即ag≠ab)。在其他示例中，等式1的周期不同于等式2的周期(即tg≠tb)。在另一个示例中，等式1的振幅和周期二者不同于等式2相对应的振幅和周期二者。
[0055]
在一些实施例中，对准特征408a是线性挤压的凹槽，而对准特征408b关于轴线414的旋转对称。在其他实施例中，对准特征408a和408b关于轴线414旋转不对称，以帮助旋转定向它们相对应的光学部件。
[0056]
图5是根据本公开的方面的示例光学组件500的分解图，该示例光学组件500包括外壳510和电子部件512。光学组件500包括电子部件512，这是图1的电子部件145的一个可能的示例。光学组件500的图示示例在图5中被示出为包括第一光学元件502a、第二光学元件502b、外壳510、电子部件512和印刷电路板(pcb)514。第一光学元件502a被示为包括对准特征506a和508a以及光学部件504a。第二光学元件502b被示为包括对准特征506b和508b以及光学部件504b。
[0057]
在一些实施方式中，电子部件512是图像传感器，其中光学部件504b被配置成透镜以将光导向图像传感器。如图5所示，第一光学元件502a的对准特征506a被配置成与第二光学元件502b的相对应的对准特征506b的物理接触。类似地，对准特征508a被配置成与相对应的对准特征508b的物理接触。如上所述，对准特征506a、508a、506b和508b还被配置成在第一光学元件502a和第二光学元件502b之间提供运动耦合，以将光学部件504a和光学部件504b光学对准。在一些实施方式中，外壳510被配置成包含第一光学元件502a和第二光学元件502b。外壳510可以包括比光学元件的尺寸大的内部尺寸，以在安装期间提供光学元件的“松配合(loose-fit)”，并使对准特征进入近似位置，以允许它们位于其正确位置。在将光学元件502a/502b插入外壳510内之后，对准特征506a、508a、506b和508b可以提供光学元件相关于彼此的最终位置。
[0058]
尽管图5示出了包括两个光学元件502a和502b的光学组件500，但是光学组件500可以包括任何数量(包括两个或更多个)的光学元件。例如，图6示出了包括三个光学元件602a、602b和602c的光学组件600。
[0059]
光学组件600包括电子部件512，这是图1的电子部件145的一个可能的示例。光学组件600的图示示例在图6中示出为包括第一光学元件602a、第二光学元件602b、第三光学元件602c、外壳510、电子部件512和pcb 514。第一光学元件602a被示出为包括对准特征604a和606a。第二光学元件602b示出为包括在顶表面612上(即，面向第一光学元件602a)的对准特征604b和606b。第二光学元件602b被示出为还包括在底表面614上(即，面向第三光
学元件602c)的对准特征608b和610b。第三光学元件602c被示出为包括对准特征608c和610c。
[0060]
如图6所示，第一光学元件602a的对准特征604a被配置成与第二光学元件602b的相对应的对准特征604b物理接触。类似地，对准特征606a被配置成与相对应的对准特征606b物理接触。对准特征604a、604b、606a和606b被配置成在第一光学元件602a和第二光学元件602b之间提供运动耦合，以将它们相应的光学部件光学对准。
[0061]
图6还示出了第二光学元件602b的对准特征608b，其被配置成与第三光学元件602c的相对应的对准特征608c物理接触。类似地，对准特征610b被配置成与相对应的对准特征610c物理接触。对准特征608b、608c、610b和610c被配置成在第二光学元件602b和第三光学元件602c之间提供运动耦合，以将它们相应的光学部件光学对准。
[0062]
本发明的实施例可以包括人工现实系统或者结合人工现实系统的制造来实现。人工现实是一种在呈现给用户之前已经以某种方式进行了调整的现实形式，其可以包括例如虚拟现实(vr)、增强现实(ar)、混合现实(mixed reality，mr)、混杂现实(hybrid reality)或它们的某种组合和/或衍生物。人工现实内容可以包括完全生成的内容或者与所捕获的(例如，真实世界)内容组合地生成的内容。人工现实内容可以包括视频、音频、触觉反馈、或它们的某种组合，且它们中任何一个都可以在单个通道中或在多个通道中被呈现(例如向观看者产生三维效果的立体视频)。此外，在一些实施例中，人工现实还可以与应用、产品、附件、服务或它们的某种组合相关联，这些应用、产品、附件、服务或它们的某种组合被用于例如在人工现实中创建内容和/或在人工现实中以其他方式被使用(例如在人工现实中执行活动)。提供人工现实内容的人工现实系统可以在各种平台上被实现，这些平台包括连接到主计算机系统的头戴式显示器(hmd)、独立的hmd、移动设备或计算系统、或者能够向一个或更多个观看者提供人工现实内容的任何其他硬件平台。
[0063]
包括摘要中描述的内容在内的本发明的所示实施例的上述描述并不旨在穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。虽然本文出于说明的目的描述了本发明的具体实施例和示例，但是相关领域的技术人员将会认识到，在本发明的范围内进行各种修改是可能的。
[0064]
根据以上详细描述，可以对本发明进行这些修改。在所附权利要求中使用的术语不应被解释为将本发明限制于说明书中公开的特定实施例。更确切地，本发明的范围完全由所附权利要求来确定，这些权利要求将根据权利要求解释的既定原则来解释。