具有可寻址焦点提示的立体显示器制造技术

本发明专利技术一般地涉及立体显示器，并且更特别地、但非排他地涉及具有可寻址焦点提示的立体显示器。一种具有可寻址焦点提示的虚拟显示系统，包括：微型显示器，用于提供虚拟图像以便显示给用户；反射有源光学元件，被构造成提供可变光学功率；中继透镜，沿着微型显示器与有源光学元件之间的光学路径设置，该中继透镜位于其之间，使得微型显示器和有源光学元件被设置在中继透镜的共轭面处；分束镜，以接收来自有源光学元件的光学辐射的取向沿着微型显示器与有源光学元件之间的光学路径设置；以及包括选择表面的透视目镜，被构造成接收来自分束镜的光学辐射并将接收辐射反射到系统的出射光瞳以提供虚拟显示路径，该选择表面还被构造成接收来自除微型显示器之外的源的光学辐射，并将此类光学辐射透射到出射光瞳以提供透视光学路径。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】【专利说明】 相关申请 本申请要求2012年10月18日提交的美国临时申请号61/795, 500的优先权的利益， 该申请的全部内容被通过引用结合到本文中。 政府许可权限 本专利技术是根据由NSF颁布的IIS0915035在政府支持下完成的。政府对本专利技术拥有某 些权利。
本专利技术一般地涉及立体显示器，并且更特别地、但非排他地涉及具有可寻址焦点 提示的立体显示器。
技术介绍
常规立体3D显示器基于双目视差来创建深度幻觉，在到观察者的固定距离处从 一对2D透视图像再现3D场景。因此，常规立体显示器迫使调视和会聚提示的非自然解 耦，其可促进立体显示器中的各种视觉伪像，诸如感知深度失真、复视视力、视觉不适以及 疲劳。已经提出了许多可克服常规立体显示器的缺点的方法，包括体积（volumetric)显示 器、全息显示器和多焦平面显示器。然而，需要开发一种光学透视立体显示器，其解决基本 调视一一会聚问题，并且还以高图像质量和无闪烁速度再现大体积的连续3D场景。 具有可寻址焦点提示的立体显示器是解决提供再现用于虚拟3D对象的正确或接 近正确的焦点提示的能力的基本调视--会聚问题的最有前途的方法中的一个。不像传统 立体显示器，具有可寻址焦点提示的立体显示器使得能够实现根据观看者的感兴趣区通过 有源光学元件来动态地改变虚拟显示器的焦距(称为变焦显示模式）或在不需要跟踪观看 者的感兴趣区的情况下以无闪烁速度来呈现多个焦平面(称为多焦显示模式）的能力。例 如，多焦平面显示器在沿着视轴的多个谨慎放置的离散焦距处呈现透视2D图像。三个离散 焦平面将3D场景体积采样成多个区，并且由相应的成对相邻焦平面来再现区内的对象，如 图1中所示。因此，多焦平面显示器能够以不同的深度再现用于虚拟对象的正确或接近正 确的焦点提示。与诸如全息显示器和体积显示器之类的多视点显示器相反，多焦平面显示 器是固定视点显示器。通过限制观看位置，多焦平面显示系统只须显示少量的视点。此外， 多交点显示器可以保留常规2D显示器中的视差、遮挡和透视以及再现观看相关照明效果， 诸如镜面反射和阴影。特别地，可以将多焦平面显示器的实现分成两类：空间复用或时间复 用。在空间复用系统中，通过堆叠多个2D显示器来实现多焦能力。在替换且更精致的时间 复用系统中，来自单个2D显示器的图像的焦距被有源光学元件与多个焦平面的帧再现同 步地快速切换。一般地，多焦平面显示器可以在没有对光学布局的太多改变的情况下很容 易适应于在变焦模式下的使用。 另外，最近已在立体显示器领域取得进展，该立体显示器可以是头部安装的，并且 具有可寻址焦平面以用于改善的深度感知，但是与现有方法相比要求基本上更小的计算 能力，该现有方法如在其内容被通过引用结合到本文中的共同所有美国专利申请(编号为 2011/0075257)中所反映。然而，仍需要能够在具有可寻址焦点提示的立体显示器中提供增 强成像性能的光学成像系统。
技术实现思路
在其方面中的一个中，本专利技术可提供具有可寻址焦点提示的虚拟显示系统，其包 括用于提供虚拟图像以便向用户显示的微型显示器。还可提供被构造成提供可变光学功率 的反射有源光学元件。可沿着微型显示器与有源光学元件之间的光学路径设置中继透镜， 该中继透镜位于其之间，使得微型显示器和有源光学元件被设置在中继透镜的共轭面处。 可以以接收来自有源光学元件的光学辐射的取向沿着微型显示器与有源光学元件之间的 光学路径设置分束镜。另外，可提供透视目镜，其包括被构造成接收来自分束镜的光学辐射 并将接收辐射反射到系统的出射光瞳以提供虚拟显示路径的选择表面。还可将该选择表面 构造成接收来自除微型显示器之外的源(诸如现实世界）的光学辐射并将此类光学辐射透 射到出射光瞳以提供透视光学路径。目镜可包括自由形式的棱镜形状，并且特别地，可包括 被构造成接收并折射来自分束镜的光学辐射的第一表面，并且可包括被构造成接收来自第 一表面的折射光学辐射的第二表面，该第二表面被构造成将光学辐射反射到目镜的选择表 面。可将第二表面构造成对光学辐射进行全内反射，并且目镜的表面中的一个或多个可包 括旋转不对称表面。 在其方面中的另一个中，本专利技术可提供具有可寻址焦点提示的虚拟显示系统，其 包括用于提供虚拟图像以便向用户显示的微型显示器以及包括反射光学元件的目镜，该反 射光学元件被构造成将来自微型显示器的光学辐射反射到系统的出射光瞳。可沿着微型显 示器与目镜之间的光学路径设置中继透镜以将来自微型显示器的图像中继到目镜，该中继 透镜包括被构造成提供可变光学功率的折射有源光学元件。中继透镜可包括沿着光学路径 设置的第一和第二透镜组，有源光学元件位于第一和第二透镜组之间。另外，可沿着微型显 示器与目镜之间的光学路径设置分束镜，该分束镜被构造成接收来自除微型显示器之外的 源(诸如现实世界)的光学辐射并将其透射到出射光瞳以提供透视光学路径。目镜可包括球 面镜，并且该系统在微型显示器中可以是远心的。该系统还可具有小于3的f数。【附图说明】 在结合附图来阅读时可进一步理解本专利技术的示例性实施例的前述
技术实现思路
和以 下详细描述，在所述附图中： 图1示意性地图示出由多个焦平面相对于观看者再现的3D对象； 图2示意性地图示出根据本专利技术的示例性显示系统的折叠光学路径； 图3A示意性地图示出根据本专利技术的示例性显示系统的虚拟显示光学器件的2D布局； 图3B示意性地图示出图3A的示例性显示系统的2D布局，但是具有包括两个光学元件 而不是单件的场透镜； 图3C示意性地图示出图3A-3B的自由形式目镜和补偿器，示出了透视光学路径； 图3D示意性地示出出图3A-3B的自由形式目镜和补偿器，示出了透视和显示路径两 者； 图4A-4E图示出用于图3B的虚拟显示系统的通过显示路径的多色MTF ; 图4F图示出用于图3B的虚拟显示系统的通过显示路径的畸变网格； 图5A-5E图示出用于图3B的虚拟显示系统的通过透视路径的多色MTF ; 图5F图示出用于图3B的虚拟显示系统的通过透视路径的畸变网格； 图6A示意性地图示出具有图3B的显示系统的中继光学器件的自由形式目镜的3D布 局； 图6B示意性地图示出图6A的显示系统的组装自由形式目镜和补偿器的3D Solidworks 模型； 图7A图示出通过用于根据图3B的设计构建的原型的目镜捕捉的40度视场和3屈光 度的深度的深度融合6焦平面3D场景； 图7B-7C图示出用于根据图3B的设计构建的原型的分别地由在2m和30cm处聚焦的 照相机捕捉的6焦平面3D场景； 图8A图示出与在双焦平面显示器中的眼调节相关的视网膜图像MTF，两个焦平面分别 地位于1. 2D和1当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有可寻址焦点提示的虚拟显示系统，包括：微型显示器，用于提供虚拟图像以便显示给用户；反射有源光学元件，被构造成提供可变光学功率；中继透镜，沿着微型显示器与有源光学元件之间的光学路径设置，该中继透镜位于其之间，使得微型显示器和有源光学元件被设置在中继透镜的共轭面处；分束镜，以接收来自有源光学元件的光学辐射的取向沿着微型显示器与有源光学元件之间的光学路径设置；以及包括选择表面的透视目镜，被构造成接收来自分束镜的光学辐射并将接收辐射反射到系统的出射光瞳以提供虚拟显示路径，该选择表面还被构造成接收来自除微型显示器之外的源的光学辐射，并将此类光学辐射透射到出射光瞳以提供透视光学路径。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：华宏，胡昕达，
申请(专利权)人：亚利桑那大学评议会，
类型：发明
国别省市：美国;US