用于沉浸式虚拟现实的高级折射光学器件制造技术

一种显示设备，具有可操作以生成实像的显示器，以及包括一个或多个小透镜的光学系统，被布置成通过每个小透镜将来自显示器的光投射到眼睛位置而从显示器上的部分实像生成虚拟子图像。各子图像组合，以形成从眼睛位置可见的虚像。至少一个小透镜相对于平面是对称的，并且显示器表面是柱形的，其轴垂直于所述平面。

Advanced refracting optical devices for immersive virtual reality

A display device is operable to generate a real image display, and includes one or more small lens optical system is arranged by each small lens from the display light projected onto the eye position and generate virtual sub image from the image on the display part. Each sub image combination, to form a visible image from the eye position. At least one small lens is symmetrical to the plane, and the surface of the display is columnar, and its axis is perpendicular to the plane.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于沉浸式虚拟现实的高级折射光学器件对相关申请的交叉引用本申请要求于2015年1月21日提交的共同专利技术且受让的美国临时专利申请No.62/105,905以及于2015年8月21日提交的No.62/208,235的权益。这两个申请都通过引用整体上并入本文。本申请涉及共同专利技术人Benitez和的标题为“Immersivecompactdisplayglasses”的WO2015/077718(PCT/US2014/067149)，以下称为“PCT1”，其通过引用整体上并入本文。
本申请涉及视觉显示器，尤其涉及头戴式显示器技术。
技术介绍
1.定义2.现有技术头戴式显示器技术是快速发展的领域。头戴式显示器技术的一方面是它提供完整的沉浸式视觉环境(其可以被描述为虚拟现实)，使得用户仅观察到由一个或多个显示器提供的图像，而外部环境被视觉遮挡。这些设备在诸如娱乐、游戏、军事、医药和工业之类的领域中都有应用。头戴式显示器通常由一个或两个显示器、它们对应的光学系统(其将显示器成像到要被用户的眼睛可视化的虚拟屏幕中)以及头盔(其在视觉上遮挡外部环境并提供对所提到的组件的结构支撑)组成。显示器还可以具有瞳孔跟踪器和/或头部跟踪器，使得由显示器提供的图像随用户的移动而改变。理想的头戴式显示器结合了高分辨率、大视场、低且良好分布的重量以及具有小维度的结构。虽然一些技术单独地成功实现了这些期望的特征，但迄今为止，还没有已知技术能够将所有这些特征结合起来。这导致对用户来说不完整或甚至不舒服的体验。问题可以包括低现实程度和眼睛疲劳(低分辨率或光学成像质量)、不能创造沉浸式环境(小视场)或者对用户头部的压力过大(过重)。Mizukawa的美国专利5,390,047描述了立体查看器，用于容纳立体照片的常规旋转对称透镜和立体照片的保持包装。可以改变双目透镜与立体照片之间的距离，使得用户三维地观看立体照片。在Ismael等人的美国专利申请No.US2010/0277575A1中提出了具有用于双眼的单个大显示器和两个透镜(每只眼睛一个)的3D查看器的特定情况。这个专利申请示出了经由手持式媒体播放器(例如，个人数字助理(PDA)、蜂窝电话、或其它能够显示图像的便携式设备)提供3D图像和/或3D视频的方法和装置。具有用于双眼的一个数字显示器的HMD配置对于以大约5.7”(145mm)对角线的低成本背板技术制造的商业数字显示器是特别有吸引力的。这种数字显示器的侧向长度为126mm，约为平均人瞳孔间距离63mm的两倍。这通过图1来解释，图1从上方示出了两个眼球101分开瞳孔间距离105的示意图。数字显示器103发射被透镜102偏转并被发送到用户的眼睛的光。由于数字显示器的侧向长度的一半(即，104)等于瞳孔间距离105，因此透镜102在图中可以被左右对称地设计，因为从数字显示器的其对应的一半接收到的光锥将是对称的。虚线106指示数字显示器的对称轴。显示器可以是由堆叠(透射)LCD实现的所谓的光场显示器类型(F.Huang、K.Chen、G.Wiltzstein。“TheLightFieldStereoscope:ImmersiveComputerGraphicsviaFactoredNear-EyeLightFieldDisplayswithFocusCues”，ACMSIGGRAPH(TransactionsonGraphics33,5)，2015)。由于其厚度而特别有趣的是只有2个堆叠的LCD以及其间的分离器的情况。光场显示器支持焦点提示，它与设备的其余部分一起有助于以合理的成本和体积解决聚散－调节(vergence-accommodation)冲突。用来在维持高分辨率的同时增大视场的一种方法是拼接(tile)，即，使用以镶嵌图案布置并且不在同一平面中的每只眼睛多个显示器。那种方法在以下参考文献中提到：J.E.Malzer，“OvercomingtheFieldofView:ResolutionInvariantinHeadMountedDisplays”，SPIE第3362卷，1998，或D.Cheng等人的“Designofawide-angle,lightweighthead-mounteddisplayusingfree-formopticstiling”，Opt.Lett.36，2098-2100(2011)。Cheng等人描述了用于自由形状的透视光学系统的光学拼接。授予Massof等人的专利US6,529,331B2也给出了一种用于虚拟现实头戴式显示器和大约22mm焦距的光学拼接解决方案。如J.E.Meizer、K.Moffitt的“Partialbinocular-overlapinhelmet-mounteddisplays”SPIE1117，56-62，1989中所描述的，水平视场可以通过部分双眼交叠来扩大。通过部分交叠，人类视觉利用双目交叠的中心区域和外部单眼区域复制(replicate)。用一只眼睛工作的光学系统在物理上向内倾斜，以进行会聚交叠，或者向外倾斜，以进行发散交叠。交叠区域的光学性能是非常重要的。必须应用双目对准、对焦和失真校正。授予Harvey的US专利4,154,514描述了由具有变形透镜的单个投影仪、普通标准35mm变形膜和深度弯曲屏幕制成的电影投影系统。这种投影系统声称给予观众改善的感知深度。弯曲的透镜屏幕表面占据与圆的大约146度对应的弧，而屏幕宽度与屏幕高度之比为大约2.25比1(参见图2的示意性顶视图和示意性侧视图的示意图)。Harvey的屏幕的水平和垂直维度近似于估计的平均视场，水平方向大约为160度并且垂直方向为60度。本文中的一些实施例使用由若干小透镜单元组成的光学器件将来自数字显示器的光投射到眼睛。与本专利技术具有共同专利技术人的PCT1申请公开了与那些实施例相关的概念，如群集、opixel和ipixel。图3(也是PCT1中的图3)示出了仅具有四个群集304t、304b、305t和305b的简单示例，其形成由数字显示器307上的opixel创建的复合图像。opixel由小透镜阵列光学器件投射，以在虚拟屏幕308(为了简单起见，这里已经被绘制成具有矩形轮廓的平面)上形成ipixel的图像。因此，每个opixel属于单个群集，并且任何两个群集的交集都是空集合，并且所有群集的并集是整个数字显示器。每个群集在虚拟屏幕上显示图像的一部分。相邻的群集以在相邻区域中重合的一定移位显示图像的部分。为了解释为什么这是必要的，在图3的顶部添加了二维示意图。它示出了相关的光线，以定义opixel和ipixel之间的映射的边缘。在这个图中，具有ipixel的虚拟屏幕被放置在无穷远处，因此光线300a、301a、302a和303a的方向指示虚拟屏幕上的ipixel位置。为了简单起见，图是二维的，但是在图3中左下角投射图像的实际设备是三维的并且包含四个小透镜，两个在上面并且两个在下面，而不仅仅是在图3的顶部的示意图中示为304和305的两个小透镜。二维方案用来解释opixel和ipixel之间的映射的水平坐标，并且类似的推理适用于垂直坐标。虚拟屏幕的水平范围从300a延伸到303a。在左群集304t和304本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种显示设备，包括：显示器，可操作以生成实像；以及光学系统，包括一个或多个小透镜，被布置成通过每个小透镜将来自显示器的光投射到眼睛位置而从显示器上的相应部分实像生成虚拟子图像；其中各子图像组合，以形成从眼睛位置可见的虚像；其中至少一个所述小透镜相对于平面是对称的，并且显示器表面是柱形的，其轴垂直于所述平面。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.01.21 US 62/105,905;2015.08.21 US 62/208,2351.一种显示设备，包括：显示器，可操作以生成实像；以及光学系统，包括一个或多个小透镜，被布置成通过每个小透镜将来自显示器的光投射到眼睛位置而从显示器上的相应部分实像生成虚拟子图像；其中各子图像组合，以形成从眼睛位置可见的虚像；其中至少一个所述小透镜相对于平面是对称的，并且显示器表面是柱形的，其轴垂直于所述平面。2.如权利要求1所述的显示设备，其中每个所述小透镜相对于所述平面是对称的。3.如权利要求2所述的显示设备，其中所述一个或多个小透镜包括至少两个所述对称的小透镜。4.如权利要求1所述的显示设备，其中所述一个或多个小透镜包括至少两个小透镜，并且其中显示器上的所述相应部分实像被布置成使得各子图像组合，以作为给定图像的不间断的虚像形成所述可见的虚像。5.如权利要求1所述的显示设备，其中至少一个所述小透镜被布置成产生相应的所述部分虚像，该相应的所述部分虚像包含在眼睛的瞳孔在瞳孔范围内的情况下当所述眼睛处于眼睛位置处时由所述眼睛投射到所述眼睛的1.5mm视网膜中央凹上的部分，每个所述虚像的...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·贝尼特斯，J·C·米纳诺，M·布简，D·格拉伯维奇，P·扎莫拉，
申请(专利权)人：特塞兰德有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US