本發(fā)明一般涉及電子顯示器，并且更特別地涉及形成虛像的可穿戴電子顯示器。

背景技術(shù)：

正在開(kāi)發(fā)包括以類似常規(guī)的眼鏡或太陽(yáng)鏡的形式的近眼顯示器的頭戴式顯示器（hmd）以用于一系列多種多樣的用途，包括軍事、商業(yè)、工業(yè)、防火以及娛樂(lè)應(yīng)用。對(duì)于這些應(yīng)用中的許多應(yīng)用，在形成可以在視覺(jué)上疊加在位于hmd用戶的視場(chǎng)中的現(xiàn)實(shí)世界圖像之上的虛像時(shí)有特定的值。

一般而言，hmd光學(xué)器件必須滿足包括以下各項(xiàng)的數(shù)個(gè)基本要求以便被觀看者接受：

（i）充足的眼離隙或眼間隙。眼離隙范圍是基于觀看者舒適度和人眼自身的光學(xué)構(gòu)造來(lái)定義的。在實(shí)踐中，hmd光學(xué)器件的最后的光學(xué)表面與觀看者的眼睛之間的距離優(yōu)選地高于約20mm。

（ii）適當(dāng)?shù)墓馔叽纭９馔叽缫笫腔谟^看者面部結(jié)構(gòu)中的生理差異以及基于觀看期間的注視重定向。已發(fā)現(xiàn)至少約10mm直徑的光瞳尺寸是合期望的。

（iii）視場(chǎng)。寬視場(chǎng)是優(yōu)選的。對(duì)于諸如確定目標(biāo)和對(duì)象識(shí)別之類的許多視覺(jué)任務(wù)，接近約50度的視場(chǎng)（fov）被視為是合期望的。

（iv）亮度。所生成的虛像應(yīng)具有充足的亮度以實(shí)現(xiàn)良好的可見(jiàn)度和觀看者舒適度。

方面（i）-（iii）涉及眼盒（eyebox）。眼盒涉及觀察者的眼睛可以在其內(nèi)舒適地觀看圖像的體積。眼盒的尺寸部分地取決于從圖像源到觀看圖像的位置的光路的長(zhǎng)度以及圖像源尺寸，并且部分地取決于圖像源的散度和/或光在其被圖像源發(fā)出后的準(zhǔn)直度。眼盒的合期望的尺寸很大程度上取決于期望從顯示器得到的觀看體驗(yàn)的質(zhì)量。

除了光學(xué)要求之外，hmd設(shè)計(jì)必須還解決實(shí)際因素，諸如可變面部幾何結(jié)構(gòu)、可接受的形狀因數(shù)，其具有減小尺寸以便穿戴舒適、重量、和成本以及易于使用的期望。

大部分hmd系統(tǒng)的目標(biāo)是使得成像/中繼系統(tǒng)盡可能地緊湊；然而，當(dāng)使用常規(guī)光學(xué)器件時(shí)，存在基本限制。光學(xué)系統(tǒng)的輸出必須具有足夠大以支持合理尺寸的虛像并且還允許眼睛的一些移動(dòng)的光瞳。在雙目系統(tǒng)中，還存在在不同用戶之間的變化的眼內(nèi)距離（iod）的問(wèn)題，以及使光學(xué)系統(tǒng)的輸出光瞳允許這一點(diǎn)的需要。尤其是對(duì)于60度或更大的寬fov的情況，眼睛移動(dòng)、用戶的ido變化以及人的瞳孔尺寸可能要求20mm或更大的水平輸出光瞳尺寸。雖然可以在具有從圖像源到觀看圖像的位置的長(zhǎng)路徑的非常大的沉浸式顯示器中實(shí)現(xiàn)這點(diǎn)（例如，kessler等人的美國(guó)專利號(hào)6416181），但是具有短光路的緊湊式hmd對(duì)自準(zhǔn)直的虛像的散度施加了顯著的挑戰(zhàn)。結(jié)果，寬fov緊湊式hmd通常需要使用快速光學(xué)器件，其可能體積龐大、復(fù)雜、昂貴且展現(xiàn)出球面像差及其它像差。

在針對(duì)非常大型的系統(tǒng)的現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)描述了具有使用球透鏡的“單中心”設(shè)計(jì)的寬fov成像系統(tǒng)（如在先前提及的kessler等人的美國(guó)專利號(hào)6416181中）。由于長(zhǎng)的投影距離，諸如這些的大型系統(tǒng)可以容易地產(chǎn)生大的輸出光瞳尺寸盡管有相對(duì)窄的射束散度。通過(guò)對(duì)稱的球透鏡光學(xué)器件投影的圖像是在觀察者與準(zhǔn)直鏡之間的路徑中，從而防止使用附加的擴(kuò)束元件。還已提出了使用球透鏡和單中心光學(xué)設(shè)計(jì)的更緊湊的hmd光學(xué)器件（參見(jiàn)例如屬于cobb等人的美國(guó)專利號(hào)6,522,474b2）。然而，在那些情況中，形成位于球面鏡的焦平面處的圖像的球透鏡要求大的射束散度以在給定短的眼距離的情況下實(shí)現(xiàn)大的輸出光瞳。不幸的是，以高發(fā)散角使用的球透鏡或其它單中心光學(xué)器件展現(xiàn)出顯著的球面像差，這使得虛像退化并且最終危害了高清晰度內(nèi)容所需的圖像分辨率。

已經(jīng)描述了使用凹面鏡和“半透射”元件來(lái)投影圖像的緊湊式hmd（參見(jiàn)例如屬于高橋的美國(guó)專利號(hào)5,812,323以及屬于ophey的美國(guó)專利號(hào)6,487,021）。在這些情況中，具有平面或平坦表面的玻璃棱鏡元件能夠?qū)⒂伤詈系娘@示器（例如，oled、lcos）產(chǎn)生的圖像投影到半透射元件的面中的一個(gè)中。為了實(shí)現(xiàn)大于50度的寬fov，圖像顯示器必須具有顯著的尺寸，例如20mm或更大。由于半導(dǎo)體顯示器技術(shù)的成本隨著尺寸而急劇增加，所以此類顯示器可能非常昂貴。這對(duì)hmd的價(jià)格產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，半透射元件的類棱鏡的幾何結(jié)構(gòu)使得它們?cè)谠鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)配置中的使用復(fù)雜化，因?yàn)樗鼈兊膹澢幕虺山嵌鹊谋砻嬲凵鋪?lái)自直接“穿透的”或周圍環(huán)境的光。因此，為了將這些系統(tǒng)用在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)模式中，必須使用糾正的光學(xué)器件或數(shù)字成像器，這增加了成本、尺寸和重量。

出于這些原因，常規(guī)的hmd設(shè)計(jì)未能提供用以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高fov、非常大的輸出光瞳、用以僅實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和數(shù)字高清晰度內(nèi)容的部件、具有針對(duì)可穿戴性的緊湊幾何結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)的解決方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開(kāi)的目的在于促進(jìn)使用緊湊式頭戴式設(shè)備的虛像呈現(xiàn)的領(lǐng)域。有利地，本公開(kāi)的實(shí)施例提供了在需要最小或無(wú)需光學(xué)調(diào)整的情況下向具有寬范圍的iod的觀看者呈現(xiàn)高分辨率的寬fov內(nèi)容的放大的光瞳尺寸。

將通過(guò)回顧以下的優(yōu)選實(shí)施例的詳細(xì)描述以及隨附的權(quán)利要求并通過(guò)參考附圖來(lái)更清楚地理解和領(lǐng)會(huì)本發(fā)明的這些和其它方面、目標(biāo)、特征和優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)本公開(kāi)的一個(gè)方面，提供了一種頭戴式成像裝置，其包括：

投影器，其可激勵(lì)以投影承載圖像的光；

調(diào)光元件，其引導(dǎo)來(lái)自所述投影器的所述承載圖像的光并使之成形以形成實(shí)像平面；

微透鏡陣列，其位于鄰近于所述實(shí)像平面并且光學(xué)地被部署在離開(kāi)曲面鏡基本上一倍焦距處，其中，所述曲面鏡的表面基本上是球面的；以及

分束器，其在來(lái)自所述微透鏡陣列處的所述實(shí)像的光路中，并且被部署成將光的至少一部分從所述實(shí)像引導(dǎo)朝向所述曲面鏡；

其中，所述曲面鏡引導(dǎo)來(lái)自所述分束器的光以為穿戴所述頭戴式成像裝置的觀察者形成虛像。

附圖說(shuō)明

雖然本說(shuō)明書(shū)以特別指出且清楚地要求保護(hù)本發(fā)明的主題的權(quán)利要求來(lái)結(jié)束，但是要相信，在結(jié)合附圖來(lái)時(shí)將會(huì)從以下描述更好地理解本發(fā)明。

圖1是用于為觀察者的一只眼睛提供圖像的光學(xué)裝置組件的示意性側(cè)視圖。

圖2是示出微透鏡陣列如何擴(kuò)展光瞳尺寸的示意性側(cè)視圖。

圖3示出應(yīng)用于微透鏡陣列的場(chǎng)曲率。

圖4是示出用于光瞳擴(kuò)展的一般原理的示意圖。

圖5是示出為一只眼睛形成圖像的透視圖。

圖6是從觀看側(cè)來(lái)看的示出用于為觀察者提供虛像的頭戴式裝置的組件的透視圖。

圖7a、7b和7c是示出用于為觀察者提供虛像的頭戴式裝置的組件的正面透視圖。

具體實(shí)施方式

本描述特別地涉及到形成根據(jù)本發(fā)明的裝置的一部分或者更直接地與根據(jù)本發(fā)明的裝置合作的元件。要理解的是，沒(méi)有具體地示出或描述的元件可以采取本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的各種形式。

當(dāng)用在本文中時(shí)，術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”等等不一定表示任何順序、連續(xù)或優(yōu)先級(jí)關(guān)系，而是僅用來(lái)更清楚地區(qū)分一個(gè)元件或一組元件與另一元件或另一組元件，除非另外指明。術(shù)語(yǔ)“頂部”和“底部”不一定指示空間位置，而是提供關(guān)于結(jié)構(gòu)的相對(duì)信息，諸如以區(qū)分平面（平坦）波導(dǎo)的相對(duì)的表面。

在本公開(kāi)的上下文中，術(shù)語(yǔ)“觀看者”、“操作者”、“觀察者”和“用戶”被視為是等價(jià)的，并且指代穿戴該hmd觀看設(shè)備的人。

如本文中使用的，術(shù)語(yǔ)“可激勵(lì)”涉及在接收到電力時(shí)以及可選地在接收到啟用信號(hào)時(shí)執(zhí)行所指示的功能的設(shè)備或一組組件。

術(shù)語(yǔ)“可致動(dòng)”具有其常規(guī)含義，涉及響應(yīng)于刺激（例如諸如響應(yīng)于電信號(hào)）能夠產(chǎn)生動(dòng)作的設(shè)備或組件。

如本文中使用的術(shù)語(yǔ)“集合”指代非空集合，如一組元或成員的集合的概念在初等數(shù)學(xué)中廣泛地理解的那樣。除非另外明確地陳述，否則在本文中使用術(shù)語(yǔ)“子集”來(lái)指代非空真子集，亦即，指代具有一個(gè)或多個(gè)成員的較大的集合的子集。對(duì)于集合s，子集可以包括完整的集合s。然而，集合s的“真子集”被嚴(yán)格地包含在集合s中并且排除集合s的至少一個(gè)成員。

在本公開(kāi)的上下文中，術(shù)語(yǔ)“非直角的”意指以不是90度的整數(shù)倍的一定角度。例如如果兩條線、兩個(gè)線性結(jié)構(gòu)或者兩個(gè)平面以遠(yuǎn)離平行的至少約5度或更多、或者遠(yuǎn)離正交的至少約5度或更多的角度從彼此發(fā)散或向彼此會(huì)聚，則它們被視為相對(duì)于彼此成非直角。

在本公開(kāi)的上下文中，術(shù)語(yǔ)“被耦合”意圖指示在兩個(gè)或更多個(gè)組件之間的物理關(guān)聯(lián)、連接、關(guān)系或鏈接，使得一個(gè)組件的部署影響其耦合到的組件的空間部署。對(duì)于機(jī)械耦合，兩個(gè)組件不需要處于直接接觸，而是可以通過(guò)一個(gè)或多個(gè)中間組件來(lái)鏈接。用于光學(xué)耦合的組件允許將光能輸入到光學(xué)裝置或從其輸出。術(shù)語(yǔ)“擴(kuò)束器”和“光瞳擴(kuò)展器”被視為是同義的，在本文中可互換地使用。

作為實(shí)像投影的替換方案，光學(xué)系統(tǒng)可以產(chǎn)生虛像顯示。與用于形成實(shí)像的方法相比，虛像不被形成在顯示表面上。亦即，如果顯示表面位于虛像的感知位置處，那么將沒(méi)有圖像形成在該表面上。虛像顯示對(duì)于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示來(lái)說(shuō)具有數(shù)個(gè)固有優(yōu)點(diǎn)。例如，虛像的外觀尺寸不受顯示表面的尺寸或位置的限制。此外，用于虛像的源對(duì)象可以很??；作為簡(jiǎn)單示例，放大鏡提供其對(duì)象的虛像。與投影實(shí)像的系統(tǒng)相比，可以通過(guò)形成看起來(lái)距離更遠(yuǎn)一些的虛像來(lái)提供更現(xiàn)實(shí)的觀看體驗(yàn)。提供虛像還避免了對(duì)如可能當(dāng)投影實(shí)像時(shí)必須的那樣補(bǔ)償屏幕偽像的任何需要。

本公開(kāi)的實(shí)施例提供了一種用于利用擴(kuò)大的觀看光瞳來(lái)提供虛像的光學(xué)系統(tǒng)。

投影器的圖像空間f/#取決于到通過(guò)系統(tǒng)光闌的直徑劃分的圖像的距離（通過(guò)最后的的光學(xué)器件的孔徑尺寸來(lái)近似）。在合理距離上大于f/2.6的投影器對(duì)于hmd系統(tǒng)來(lái)說(shuō)會(huì)體積太大。投影在a>f/3.5距離處的具有8mm或更小的出口孔徑直徑的更緊湊的投影器無(wú)法適當(dāng)?shù)靥畛淇讖?。?duì)于系統(tǒng)光學(xué)器件的挑戰(zhàn)在于提供光學(xué)解決方案，其提供增大的f/#而不會(huì)明顯低增加光學(xué)系統(tǒng)的體積。

圖1的示意性側(cè)視圖示出用于向在出射光瞳e處的一只眼睛提供虛像的成像裝置10的組件，所述出射光瞳e位于被定義在兩個(gè)被示出大體上平行的線之間且定義圖像在何處對(duì)觀察者可見(jiàn)的眼盒b內(nèi)。投影器20在圖像平面處將圖像投影到微透鏡陣列30，以形成在微透鏡陣列30處或靠近微透鏡陣列30的實(shí)像。與利用反射擴(kuò)散器的解決方案截然相反，微透鏡陣列30充當(dāng)光的傳輸中的擴(kuò)散器。使提供微透鏡陣列30的基板3彎曲以減小在隨后的光處理時(shí)的佩茲伐曲率。微透鏡陣列30被部署在距球面曲面鏡34的一倍焦距處。

相對(duì)于圖1的視圖，微透鏡陣列30曲率向頁(yè)面中延伸；邊緣36基本上平行于頁(yè)面表面并且位于頁(yè)面表面之外。微透鏡陣列30擴(kuò)展有效射束寬度，并且從而擴(kuò)展從投影器20投影的射束的f/#。分束器32將經(jīng)擴(kuò)展的射束引導(dǎo)朝向球面曲面鏡34，球面曲面鏡34通過(guò)將光重新引導(dǎo)朝向出射光瞳e來(lái)形成放大的虛像v。虛像v看起來(lái)位于曲面鏡34的外邊緣之外。充分地確定眼盒b的尺寸以允許多個(gè)光瞳位置。曲面鏡34的表面基本上是球面的，但是可能具有非球面的曲率。曲面鏡34可以是部分透射的，諸如以便允許觀察者看到實(shí)際周圍環(huán)境的至少一部分以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用?？梢钥蛇x地提供諸如機(jī)械快門(mén)或光閥門(mén)（諸如lcd（液晶器件））之類的光學(xué)快門(mén)以控制通過(guò)曲面鏡34的光透射并且以阻擋或透射來(lái)自周圍環(huán)境的光。

圖2為了強(qiáng)調(diào)而以夸大的尺寸示出微透鏡陣列30如何擴(kuò)展射束寬度來(lái)提供光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)的較大的f/#。尤其感興趣的是以下內(nèi)容：

（i）圖像像素到微透鏡的映射。圖像像素到微透鏡的1:1映射是尤其有利的。對(duì)于此布置，微透鏡直徑優(yōu)選地約為個(gè)體的圖像像素的尺寸。替換地可以提供小于1:1的映射。

（ii）投影器焦點(diǎn)。投影器20焦點(diǎn)在靠近微透鏡陣列30的焦平面是有利的。在圖2中通過(guò)虛線示出投影器20的焦平面fp。如圖2所顯示的，投影器20焦點(diǎn)可以輕微地偏移，使得所投影的圖像沿著微透鏡陣列30的基板或者在微透鏡陣列30的基板內(nèi)但是在稍微在光路中的單獨(dú)微透鏡38的焦點(diǎn)f1后面聚焦。在此布置中，微透鏡陣列被視為位于鄰近于圖像平面。

（iii）放大角度。從投影器20投影的光通常在大約f/5或更高的范圍中，并且可以從f/6到f/10變動(dòng)。通過(guò)微透鏡陣列30擴(kuò)展的光在大約f/3.5或更低處。

（iv）微透鏡形狀。陣列30中的微透鏡38可以是凸的、凹的或其它適當(dāng)形狀。

（v）微透鏡陣列30曲率。圖3示出相對(duì)于球面曲率s的微透鏡陣列30的曲率。如圖3中所示，微透鏡陣列30彎曲約單個(gè)軸a；在相對(duì)短的距離上，此曲率可以嚴(yán)密地近似于球面曲率s。針對(duì)微透鏡陣列30的理想曲率將是球面的；然而，圓柱曲率提供了合理替換方案，如所示的那樣。這有助于減小佩茲伐曲率效應(yīng)。圖像平面的曲率不需要精確地匹配透鏡的佩茲伐曲率，但是應(yīng)當(dāng)至少在約1屈光度之內(nèi)，在可以被大部分的觀察者群體適應(yīng)的范圍內(nèi)。

圖4是示出用于成像系統(tǒng)的操作原理的示意圖。投影器20在微透鏡陣列30上形成實(shí)像，微透鏡陣列30操作以傳播來(lái)自每個(gè)像素的光。在圖4中通過(guò)透鏡l示意性地表示但是在本公開(kāi)的光學(xué)成像裝置10中通過(guò)曲面鏡34來(lái)執(zhí)行的放大系統(tǒng)然后提供為觀察者的眼睛形成虛像的光。在出射光瞳處的光為至少約f/4。

圖5是以虛線輪廓示出觀察者的眼盒b的相對(duì)位置的光學(xué)系統(tǒng)的一部分的部分圖。

圖6是示出在頭戴式設(shè)備（hmd）50中的光學(xué)組件的背向透視圖。圖7a、7b和7c示出從觀察者的前方看的視圖。調(diào)光光學(xué)器件40包括一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件，其引導(dǎo)來(lái)自投影器的承載圖像的光并使之成形以便形成實(shí)像平面。調(diào)光光學(xué)器件40將來(lái)自投影器20并通過(guò)彎曲微透鏡陣列30的光引導(dǎo)至分束器32。圖7a、7b和7c的正視圖示出曲面鏡34，其從被投影到彎曲微透鏡陣列30上的實(shí)像形成虛像。耳機(jī)60提供音頻信號(hào)輸出。

微透鏡陣列可以提供在玻璃基板上或在塑料基板上?？梢酝ㄟ^(guò)使陣列永久性地彎曲或者通過(guò)將陣列安裝在促使陣列彎曲至適當(dāng)形狀的框架中來(lái)提供微透鏡陣列的曲率。投影器可以使用固態(tài)光源，諸如例如與一個(gè)或多個(gè)光調(diào)制顯示面板（諸如硅基液晶（lcos）或數(shù)字光處理器（dlp））耦合在一起的發(fā)光二極管（led）。調(diào)光光學(xué)器件40可以包括透鏡、反射鏡、基于棱鏡的波導(dǎo)或用以引導(dǎo)、成形和修改從投影器20到微透鏡陣列30的承載圖像的光的其它器件?？梢杂谜{(diào)光光學(xué)器件40的全部元件的適當(dāng)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)圖像場(chǎng)或佩茲伐曲率。

本公開(kāi)的實(shí)施例允許使用小的投影器設(shè)備用于向具有大的眼盒的觀察者顯示虛像。

已經(jīng)特定地參考目前優(yōu)選的實(shí)施例詳細(xì)地描述了本發(fā)明，但是將理解的是，可以實(shí)現(xiàn)在本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)的變形和修改。目前公開(kāi)的實(shí)施例因此在所有方面都被視為是說(shuō)明性的而非限制性的。通過(guò)隨附的權(quán)利要求來(lái)指示本發(fā)明的范圍，并且落入隨附的權(quán)利要求的等價(jià)物的范圍和含義內(nèi)的全部改變都意圖涵蓋在其中。