具有相互遮挡和不透明度控制能力的用于光学透视头戴显示器的设备制造技术

本发明专利技术涉及具有相互遮挡和不透明度控制能力的用于光学透视头戴显示器的设备。本发明专利技术包括一种紧凑光学透视头戴显示器，其能够组合透视图像路径和虚拟图像路径，以便所述透视图像路径的不透明度可以被调制并且所述虚拟图像遮挡所述透视图像的部分，并且反之亦然。

Equipment with mutual occlusion and opacity control for optical perspective head wear display

The present invention relates to a device for optical perspective head wear display with mutual occlusion and opacity control. The present invention includes a compact optical see through head mounted display, which can combine perspective image path and virtual image path, so that the image path opacity can be modulated and the virtual image block the perspective image, and vice versa.

【技术实现步骤摘要】
具有相互遮挡和不透明度控制能力的用于光学透视头戴显示器的设备本申请是申请日为2013年4月5日、申请号为201380029550.X、名称为"具有相互遮挡和不透明度控制能力的用于光学透视头戴显示器的设备"的专利申请的分案申请。相关申请本申请要求在2012年4月5日提交的美国临时申请61/620574和在2012年4月5日提交的美国临时申请61/620581的优先权，通过引用将其公开的全部内容并入本文中。
本专利技术一般涉及头戴显示器，并且更具体地，但是不唯一地，涉及具有不透明度控制和相互遮挡能力的光学透视头戴显示器，在该光学透视头戴显示器中，真实物体可被位于前面的计算机渲染的虚拟物体遮挡或者反之亦然。
技术介绍
在过去几十年，增强实现(AR)技术已经被应用在许多应用领域，例如医疗和军事训练、工程设计和原型、远程操作和远程呈现(tele-presence)以及个人娱乐系统。透视头戴显示器(ST-HMD)为用于合并虚拟视图与物理场景的增强实现系统的使能技术当中的一种。有两种类型的ST-HMD：光学和视频(J.Rolland和H.Fuchs，“Opticalversusvideosee-throughheadmounteddisplays”，FundamentalsofWearableComputersandAugmentedReality，pp113-157，2001)。视频透视方法的主要缺点包括：透视视图的图像质量降低；源于进入视频流的处理的图像滞后；源于硬件/软件故障的透视视图的潜在损失。相反，光学透视HMD(OST-HMD)通过分束器提供真实世界的直接视图，并且从而具有对真实世界的视图的最小影响。这在用户对现场环境的意识是极为重要的苛刻应用中是高度优选的。然而，开发光学透视HDM面临复杂的技术挑战。关键问题之一在于，由于缺乏遮挡能力，在OST-HMD中的虚拟视图呈现“重影状(ghost-like)”并且在真实世界中浮动。图1示出通过典型的OST-HMD(图1a)的增强视图和通过能够遮挡的OST-HMD(OCOST-HMD)系统透视的增强视图(图1b)的对比说明。在图中，虚拟汽车模型被叠加在表示真实物体的立体平台上。如图1a中所示，不具有适当的遮挡管理，在典型的AR视图中，汽车与平台混合，难以区分汽车和平台的深度关系。相反，如图1b中所示，具有恰当的遮挡管理，汽车挡住平台的一部分，并且可以清晰地识别出汽车是位于平台的顶上。向AR显示器添加遮挡能力能够将虚拟物体真实地并入到真实环境中。这样的遮挡能力对AR显示器技术产生变革性影响，并且对许多基于增强实现的应用是非常具有吸引力的。OCOST-HMD系统典型地包括两个关键子系统。第一是允许用户在微显示器上看到放大图像的目镜光学部件；以及第二是收集并且调制来自真实世界中的外部场景的光的中继光学部件(relayoptics)，当向观察者呈现时，其能够对外部场景进行不透明度和遮挡控制。产生真正便携式和轻巧的OCOST-HMD系统的关键挑战在于解决三个基础问题：(1)允许两个子系统集成而没有向系统添加显著重量和体积的光学方案。(2)维持外部场景的坐标系统的宇称(parity)的适当的光学方法；(3)具有优雅的形状因子使能这些光学子系统设计的光学设计方法，这已经是HMD开发者的持续梦想。若干能遮挡的光学ST-HMD概念已经被开发(美国专利，7639208B1，KiyokawaK.、KurataY.和OhnoH.，“AnOpticalSee-ThroughDisplayForMutualOcclusionWithAReal-TimeStereoVisionSystem”,ElsevierComputer&Graphics,SpecialIssueOn“MixedRealities-BeyondConventions”,Vol.25,No.5,pp.2765-779,2001K.Kiyokawa,M.Billinghurst,B.Campbell,E.Woods,“AnOcclusion-CapableOpticalSee-ThroughHeadMountDisplayForSupportingCo-LocatedCollaboration”)。例如，Kiyokawa等使用常规的透镜、棱镜和反射镜开发ELMO系列遮挡显示器。不是仅由于所使用的元件的数目，更重要地是源于光学系统的旋转对称的性质，现有能遮挡的OST-HMD具有头盔状笨重的形状因子。由于沉重重量和累赘的设计，它们仅仅被用在实验环境中。累赘的头盔状形状因子阻碍了用于许多苛刻和新兴应用对技术的接受。
技术实现思路
本专利技术涉及一种具有不透明度控制和相互遮挡能力的光学透视头戴显示器(OST-HMD)装置。所述装置系统典型地由虚拟视图路径和透视路径组成，所述虚拟视图路径用于观察显示的虚拟图像，所述透视路径用于观察在真实世界中的外部场景。在本专利技术中，所述虚拟视图路径包括用于供应虚拟图像内容的小型图像显示器单元和目镜，用户通过所述目镜观察放大的虚拟图像。所述透视路径包括物镜光学部件、空间光调制器(SLM)和目镜光学部件，所述物镜光学部件直接捕获来自所述外部场景的所述光并且形成至少一个中间图像，所述空间光调制器位于或者接近在所述透镜路径中的中间图像平面以控制和调制所述透视视图的不透明度，所述观察者通过所述目镜光学部件看到所述调制的透视视图。在所述透视路径中，所述物镜光学部件和目镜一起作为用于将来自所述真实世界的所述光传递到观察者的眼睛的中继光学部件。为了实现紧凑形状因子并且降低视点偏移，所述透视路径通过若干反射表面被折成两层，前层接受来自外部场景的所述入射光并且背层通将由所述前层所捕获的光耦合到观察者的眼睛中。通过分束器将所述透视路径与所述虚拟图像路径合并，以便两个路径共用相同的目镜以用于观察显示的虚拟内容和调制的透视图像。通过所述分束器，将所述微显示器和所述SLM彼此光学共轭，这使得像素级控制是可能的。在本专利技术中，所述目镜、所述物镜光学部件或者二者为旋转对称透镜或者非旋转对称自由形状光学部件。在其一个显著方面，本专利技术在目镜光学部件、物镜光学部件或者二者中利用自由形状光学技术，以实现紧凑的并且轻巧的OCOST-HMD设计。用于折叠所述光学路径的所述反射表面可为具有光学度数(opticalpower)的平面反射镜、球面、非球面或者自由形状表面。在本专利技术的另一显著方面，一些反射表面利用自由形状光学技术。一些反面表面也可被策略地设计为所述目镜或者物镜光学部件的一体部分，其中所述反射表面不仅仅促进用于实现紧凑的显示设计的所述光学路径的折叠，还贡献光度数并且校正光像差。在示例性配置中，本专利技术使用单-反射或者多-反射自由形状棱镜作为目镜或者物镜光学部件，其中所述棱镜为包括折射表面和一个或多个反射表面的单个光学元件以用于折叠所述光学路径并且校正像差。在本专利技术的另一显著方面，在所述透视路径中的所述物镜光学部件形式至少一个可访问的中间图像(accessibleintermediateimage)，在所述中间图像附近放置有SLM以提供不透明度控制和透视调制。在本专利技术中，使用反射型SLM或者透射型SLM用于调制所述透视视图以用于遮挡控本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种紧凑光学透视头戴显示器系统，被配置为组合透视路径和虚拟视图路径，以便透视路径视图的不透明度能够被调制以遮挡所述透视路径的部分，所述系统包括：a.微显示器，用于在所述虚拟视图路径上生成要被用户观察的虚拟图像；b.空间光调制器，用于修改来自外部场景的光，以挡住所述透视路径的要被遮挡的部分；c.物镜光学部件，被配置为接收在所述透视路径上接收并折叠来自所述外部场景的所述光，并将来自所述外部场景的所述光作为中间图像聚焦到在所述物镜光学部件的背焦平面距离处的所述空间光调制器上，其中所述物镜光学部件为通过多个反射和折射表面形成的自由形状棱镜以将所述外部场景成像到所述空间光调制器中；d.组合单元，被配置为合并虚拟图像和遮挡的透视图像，在所述透视路径的那些遮挡的部分中产生来自所述微显示器的所述虚拟图像的组合的图像；e.目镜光学部件，被配置为放大所述组合的图像；f.出瞳，被配置为面对所述目镜光学部件，其中所述用户通过所述出瞳观察所述组合的图像；g.多个表面，被配置为将所述虚拟视图路径和所述透视路径折叠到所述出瞳，其中所述微显示器和所述空间光调制器为光学共轭，以便所述空间光调制器被设置为与所述组合单元相距这样的距离，该距离基本上等于所述微显示器相距所述组合单元的距离。...

【技术特征摘要】
2012.04.05 US 61/620,574;2012.04.05 US 61/620,5811.一种紧凑光学透视头戴显示器系统，被配置为组合透视路径和虚拟视图路径，以便透视路径视图的不透明度能够被调制以遮挡所述透视路径的部分，所述系统包括：a.微显示器，用于在所述虚拟视图路径上生成要被用户观察的虚拟图像；b.空间光调制器，用于修改来自外部场景的光，以挡住所述透视路径的要被遮挡的部分；c.物镜光学部件，被配置为接收在所述透视路径上接收并折叠来自所述外部场景的所述光，并将来自所述外部场景的所述光作为中间图像聚焦到在所述物镜光学部件的背焦平面距离处的所述空间光调制器上，其中所述物镜光学部件为通过多个反射和折射表面形成的自由形状棱镜以将所述外部场景成像到所述空间光调制器中；d.组合单元，被配置为合并虚拟图像和遮挡的透视图像，在所述透视路径的那些遮挡的部分中产生来自所述微显示器的所述虚拟图像的组合的图像；e.目镜光学部件，被配置为放大所述组合的图像；f.出瞳，被配置为面对所述目镜光学部件，其中所述用户通过所述出瞳观察所述组合的图像；g.多个表面，被配...

【专利技术属性】
技术研发人员：C·高，Y·林，H·华，
申请(专利权)人：奇跃公司，
类型：发明
国别省市：美国,US