适应于人眼分辨率的成像光学器件制造技术

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相应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。在从向前方向起的大于20°的径向角度处，光学系统的径向焦距分布随着径向角度的增大而减小。

Imaging optical devices adapted to human eye resolution

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 display of the corresponding part of the image. Each sub image combination, to form a visible image from the eye position. At the radial angle greater than 20 degrees from the forward direction, the radial focal length distribution of the optical system decreases with the increase of the radial angle.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】适应于人眼分辨率的成像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，二者的标题都是“ImmersiveCompactDisplayGlasses”。这些申请都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
1.参考文献：WO2015/077718(PCT/US2014/067149)，标题为“ImmersiveCompactDisplayGlasses”，以下称为“PCT1”。Ismael等人的美国专利申请No.US2010/0277575A1Mizukawa的美国专利5,390,047。“Dual-lensbySensics”http://www.roadtovr.com/sensics-ceo-yuval-boger-dual-element-optics-osvr-hdk-vr-headset/和http://sensics.com/sample-quantities-of-osvr-custom-dual-asphere-optics-available-for-purchase/F.Huang、K.Chen、G.Wiltzstein。“TheLightFieldStereoscope:ImmersiveComputerGraphicsviaFactoredNear-EyeLightFieldDisplayswithFocusCues”，ACMSIGGRAPH(TransactionsonGraphics33，5)，2015(“Huang2015”)2.定义：3.现有技术头戴式显示器(HMD)技术是快速发展的领域。头戴式显示器技术的一个方面提供了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(其视觉地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它们全部结合起来。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)。用于沉浸式虚拟现实的大多数现有HMD对于每只眼睛使用一个具有旋转对称表面的正透镜，以将由一个大的16:9数字显示器的一半发射的光投射到眼睛上(另一半用于另一只眼睛)。在US2010/0277575A1中，描述了一个这样的设备。HMD的基本光学功能是立体镜(stereoviewer)的基本光学功能，诸如在美国专利5,390,047中所描述的立体镜。16:9数字显示器的典型维度为4至6英寸(100至150毫米)的对角线范围，因此用于每只眼睛的半个显示屏具有8:9的相当正方形的宽高比。旋转对称透镜的光轴设置成垂直于显示器的半体，并且大致通过该显示器半体的几何中心。位于虚像(其通常位于透镜光轴上)的中心处的焦距为35mm至45mm。透镜通常显示出由于色像差和几何像差而引起的越来越远离轴上场的场的图像质量的逐渐劣化。关于失真，单透镜设计通常显示出适度的枕形失真(当从数字显示屏到虚拟屏幕进行分析时)。这种失真还具有这样的效果：虚拟屏幕上外周的ipixel将在径向方向上看起来不是正方形并且稍微放大。失真常规地使得需要在软件中预处理图像，以在补偿镜筒失真的情况下在数字显示器上示出opixel上的图像，使得虚拟屏幕上的图像看起来不失真。被称为“Sensics的双透镜”的现有技术设备每只眼睛使用两个透镜而不是一个，以校正色像差和几何像差。那种双透镜系统显示仍然有枕形失真，但是据称相对于单透镜设计减小到对于90度的视场和虚拟屏幕中心上35mm的焦距来说离直线投射仅有13％的偏差。于是，这需要在预处理时图像的更小变形(deformation)，并且虚拟屏幕的外周中的ipixel在径向方向将看起来仅放大13％。本文公开的一个实施例也使用校正色像差和几何像差的两个透镜，但是与这种现有技术相对照，枕形失真非常强(因此预处理中所需的变形也是如此)，以便使ipixel尺寸适应于外周视觉中的人眼分辨率。这使得我们的光学系统能够实现虚拟屏幕中心上的是“Sensics的双透镜”中的焦距的1.5倍或更大的焦距，这减小虚拟屏幕中心上ipixel的角尺寸相同的倍数，从而大大降低了虚拟屏幕的像素化。本文的一些实施例使用由若干小透镜单元组成的光学器件，以将来自数字显示器的光投射到眼睛。PCT1将与那些实施例相关的概念公开为群集、opixel和ipxel。图1(PCT1的图3)示出了仅具有四个群集104t、104b、105t和105b的简单示例，其形成由数字显示器107上的opixel创建的复合图像。opixel由微透镜阵列光学器件投射，以在屏幕108上形成ipixel的图像(为了简单起见，已经在这里被绘制为具有矩形轮廓的平面)。每个opixel属于单个群集(任何两个群集的交集都是空集，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。相邻的群集以一定的移位显示图像的部分。图像的一些部分出现在多于一个群集中。为了解释为什么这是必要的，在图1的顶部添加了二维示意图。它示出了相关的光线来限定opixel和ipixel之间的映射的边缘。在这个图示中，具有ipixel的虚拟屏幕被放置在无穷远处，因此光线100a、101a、102a和103a的方向指示虚拟屏幕上的ipixel位置。为了简单起见，该图示是二维的，但是投射在图1左下方的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1顶部的示意图中示出为104和105的两个小透镜。二维示意图被用来解释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100a延伸到103a。在左群集104b中表示的图像的部分由到达瞳孔范围106的边缘的边缘光线100a和102a给出，其限定虚拟屏幕108上的垂直线100a和102a。类似地，在右群集105t和105b中表示的图像的部分由边缘光线101a和103a给出，其限定虚拟屏幕108上的两条垂直线。因此，101a和102a之间的虚拟屏幕108的部分将在左右群集中都显示。具体而言，小透镜104将虚拟屏幕的边缘光线100a和102a映射到数字显示器107上的100b和102b上。类似地，小透镜105将边缘光线101a和103a映射到数字显示器107上的101b和103b上。光学设计必须保证群集不交叠，这可以利用当101b和102b重合时数字显示器的最大限度使用来实现。顶部群集10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的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，在虚像的从向前方向起的径向角度大于20°的区域中，光学系统的径向焦距随着径向角度的增大而减小。

【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的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，在虚像的从向前方向起的径向角度大于20°的区域中，光学系统的径向焦距随着径向角度的增大而减小。2.如权利要求1所述的显示设备，其中，在虚像的从向前方向起的径向角度大于20°的基本上所有点处，光学系统的径向焦距随着径向角度增大而减小。3.如权利要求1所述的显示设备，其中，在虚像的从向前方向起的径向角度大于20°的区域中，光学系统的矢状焦距也随着径向角度的增大而减小。4.如权利要求3所述的显示器，其中，在虚像的从向前方向起的径向角度大于20°的基本上所有点处，光学系统的矢状焦距随着径向角度的增大而减小。5.如权利要求1所述的显示设备，被布置成产生虚拟子图像，所述虚拟子图像中的至少一个虚拟子图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视网膜中心凹上的视网膜中心凹部分，每个所述虚拟子图像的所述视网膜中心凹部分的分辨率比所述虚拟子图像的外周部分的分辨率高。6.如权利要求1所述的显示设备，被布置成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从至少一个所述小透镜产生由所述眼睛投射到所述眼睛的视网膜的1.5mm视网膜中心凹上的视网膜中心凹虚拟子图像，并且从至少一个其它所述小透镜产生由所述眼睛投射到所述视网膜的在所述视网膜中心凹之外的部分上的外周虚拟子图像，所述视网膜中心凹部分虚像具有比所述外周部分虚像更高的分辨率。7.如权利要求1所述的显示设备，其中光学系统包括具有光学上不同的第一子元件的第一环的第一光学元件、具有光学上不同的第二子元件和第三子元件的第二环和第三环的第二光学元件，其中第一环中的交替子元件与第二环中的连续子元件一起形成相应小透镜，并且第一环中的剩余子元件与第三环中的连续子元件一起形成相应小透镜。8.如权利要求7所述的显示设备，其中第一光学元件和第二光学元件是厚透镜的相对表面。9.一种头戴装置，包括如权利要求1所述的显示设备，具有用于将显示设备定位在人的头部上的安装座，显示设备的眼睛位置与人的眼睛重合。10.如权利要求9所述的头戴装置，还包括第二显示设备，安装成第二显示...

【专利技术属性】
技术研发人员：P·贝尼特斯，J·C·米纳诺，D·格拉伯维奇，刘佳尧，M·布简，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