自由形式棱镜和具有增加视场的头戴式显示器制造技术

具有复合表面的自由形式波导棱镜，并且其与具有集成成像和中继组的头戴式光场显示器一起使用。

Free form prism and head mounted display with increased field of view

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】自由形式棱镜和具有增加视场的头戴式显示器相关申请本申请要求2017年3月9日提交的美国临时申请No.62/469,104的优先权的权益，该申请的全部内容通过引用并入本文中。政府许可权本专利技术是利用政府支持在NSF授予的拨款No.1422653下完成的。政府在本专利技术中具有必然权利。
本专利技术一般涉及头戴式显示器的领域，并且更特别地但非排他地涉及基于集成成像（InI）的头戴式显示器。
技术介绍
还通常被称为近眼显示器（NED）或头部配戴式显示器（HWD）的头戴式显示器（HMD）近年来已经获得了显著的关注，并且激发了巨大的努力来推动该技术向前以用于广泛的消费者应用。例如，轻量光学透视HMD（OST-HMD）是对于增强现实（AR）应用的关键使能技术之一，其使得能够将数字信息光学叠加到用户对物理世界的直接视图上，并维持对真实世界的透视视觉。宽视场（FOV）的沉浸式HMD是对于虚拟现实（VR）应用的关键使能技术，其使用户沉浸在计算机生成的虚拟世界或对远程真实世界的高分辨率视频捕获中。HMD在游戏、仿真和训练、国防、教育和其他领域中找到了无数的应用。尽管最近朝向VR和AR显示器两者的开发做出了很高的期许和巨大的进展，但是要最大限度地减少在延长时段内佩戴HMD所带来的视觉不适仍然是一个尚未解决的挑战。对视觉不适的关键促成因素之一是由于缺乏呈现正确焦点提示（包括调节提示和视网膜图像模糊效应）的能力所致的转向调节冲突（vergence-accommodationconflicts,VAC）。HMD中的VAC问题源于以下事实：图像源主要是位于距眼睛一固定距离处的2D平面。图1示出了典型的单眼HMD的示意布局，其主要包括作为图像源的2D微型显示器以及目镜，该目镜放大了在微型显示器上呈现的图像，并且形成了出现在距眼睛一固定距离处的虚拟图像。OST-HMD需要将光学组合器（例如，分束器）放置在眼睛前方，以组合虚拟显示和真实场景的光路。常规的HMD（无论是单眼的还是双眼的、透视的或沉浸式的）缺乏呈现针对数字信息的正确焦点提示的能力，该焦点提示可能出现在除与虚拟图像平面相对应的距离以外的其他距离处。因此，常规的HMD未能刺激自然的眼睛调节反应和视网膜模糊效应。HMD中缺乏正确的焦点提示的问题会导致若干视觉提示冲突。例如，常规的立体HMD根据一对二维（2D）透视图像（每只眼睛一个图像）、利用从两个略有不同的观看方位看到的3D场景的双眼视差和其他图片深度提示来刺激对3D空间和形状的感知。因此，常规的立体HMD迫使调节和会聚提示不自然地解耦。针对调节深度的提示由2D图像平面的深度决定，而3D场景的会聚深度由该图像对所呈现的双眼视差决定。显示器呈现的虚拟对象的视网膜图像模糊提示与自然场景创建的提示不匹配。许多研究已经提供了有力的支持性证据：与在常规HMD中不正确呈现的焦点提示有关的这些冲突的视觉提示可能会导致各种视觉伪影和退化的视觉性能。先前提出的若干种方法可以克服常规立体显示器的缺陷，该常规立体显示器包括体积显示器、超多视图自动立体显示器、基于集成成像的显示器、全息显示器、多焦平面显示器和计算多层显示器。由于它们巨大的硬件复杂性，许多这些不同的显示方法不适合于在HMD系统中实现。另一方面，多焦平面显示器、集成成像和计算多层方法通常被称为光场显示器，并且适合于头戴式应用。它们在HMD中的使用被称为头戴式光场显示器。头戴式光场显示器通过对3D场景在不同深度下的投影进行采样，或者对由3D场景明显地发射并且从不同眼睛方位观看到的光线的方向进行采样，来呈现真实的3D场景。它们能够呈现正确或几乎正确的焦点提示，并且能够解决常规VR和AR显示器中的转向调节失配问题。例如，基于集成成像（InI）的显示器通过对由3D场景明显地发射并且从不同眼睛方位观看到的光线的方向进行角度采样来重建3D场景的光场。如图2中图示的，简单的基于InI的显示器通常包括显示面板和2D阵列，该阵列可以是微透镜阵列（MLA）或针孔阵列。显示器呈现一组2D基元图像，每一个基元图像表示3D场景的不同视角。由基元图像中的对应像素发射的锥形射线束相交并且整体地创建对3D场景的感知，该场景似乎发光并且占据3D空间。使用2D阵列的基于InI的显示器允许在水平和垂直方向两者上利用全视差信息来重建3D形状，这是它与使用一维视差障碍或柱面双凸透镜的仅具有水平视差的常规自动立体显示器的主要区别。自其由Lippmann在1908年公布以来，基于InI的技术已被广泛探索，以便既用于捕获真实场景的光场，又用于其在无眼镜自动立体显示器中的使用。它已经以其在低横向和纵向分辨率、狭窄的景深（DOF）和狭窄的视角方面的限制而被知晓。与所有其他非立体3D显示技术相比，InI技术的简单光学架构使其对于与HMD光学系统进行集成并且创建可穿戴光场显示器来说具有吸引力。然而，像其他基于集成成像的显示和成像技术一样，当前基于InI的HMD方法也受到若干主要限制的影响：（1）狭窄的视场（在对角线上<30°）；（2）低横向分辨率（在视觉空间中约为10弧分）；（3）低纵向分辨率（在视觉空间中约为0.5屈光度）；（4）狭窄的景深（DOF）（对于10弧分的分辨率准则，约为1屈光度）；（5）用于无串扰观看的有限人眼窗口（eyebox）（<5mm）；以及（6）观看角度的有限分辨率（每次观看>20弧分）。这些限制不仅为采用该技术作为高性能解决方案创造了显著的障碍，而且还潜在地破坏了该技术用于解决调节会聚矛盾问题的有效性。因此，本公开详述了基于集成成像的高性能头戴式光场显示器的方法、设计和实施例，其克服了上面总结的现有技术的性能限制的一些方面。
技术实现思路
响应于上述挑战，在其方面中的一个方面中，本专利技术提供了一种基于集成成像的高性能HMD，其提供了高横向和纵向分辨率、大景深、无串扰的人眼窗口以及增加的观看角度分辨率。为此，本专利技术可以提供一种自由形式波导棱镜，包括：第一自由形式光学表面，其被设置成接收光并且将光折射到棱镜的主体中；第二自由形式光学表面，其被设置成接收来自第一自由形式光学表面的折射光，并且将该光反射到棱镜的主体中，以在棱镜的主体内提供中间图像；以及复合自由形式光学表面。该复合自由形式光学表面可以包括：上部自由形式光学表面，其连接到第二自由形式光学表面，并且被布置成使得来自第一自由形式光学表面的光不入射在其上；以及下部自由形式光学表面，其连接到上部自由形式光学表面，其中上部自由形式光学表面被设置在下部自由形式光学表面与第二自由形式光学表面之间。第三自由形式光学表面可以被设置成接收来自中间图像的光，并且将该光全内反射到棱镜的主体中；下部自由形式光学表面可以被设置成接收来自第三自由形式光学表面的反射光，并且以一角度将该光往回反射到第三自由形式表面，该角度允许该光离开棱镜。上部自由形式光学表面可以被设置成使得来自第三自由形式光学表面的光不入射在其上，并且上部和下部自由形式光学表面的坡度在这样的表面相交的位置处可以是相等的。第二自由形式光学表面可以被配置成将光全内反射到棱镜的主体中，并本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自由形式波导棱镜，包括：/n第一自由形式光学表面，其被设置成接收光并且将光折射到所述棱镜的主体中；/n第二自由形式光学表面，其被设置成接收来自所述第一自由形式光学表面的折射光，并且将所述光反射到所述棱镜的主体中，以在所述棱镜的主体内提供中间图像；/n复合自由形式光学表面，包括：/n上部自由形式光学表面，其连接到所述第二自由形式光学表面，并且被布置成使得来自所述第一自由形式光学表面的光不入射在其上；以及/n 下部自由形式光学表面，其连接到所述上部自由形式光学表面，其中所述上部自由形式光学表面被设置在所述下部自由形式光学表面与第二自由形式光学表面之间。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170309 US 62/4691041.一种自由形式波导棱镜，包括：
第一自由形式光学表面，其被设置成接收光并且将光折射到所述棱镜的主体中；
第二自由形式光学表面，其被设置成接收来自所述第一自由形式光学表面的折射光，并且将所述光反射到所述棱镜的主体中，以在所述棱镜的主体内提供中间图像；
复合自由形式光学表面，包括：
上部自由形式光学表面，其连接到所述第二自由形式光学表面，并且被布置成使得来自所述第一自由形式光学表面的光不入射在其上；以及
下部自由形式光学表面，其连接到所述上部自由形式光学表面，其中所述上部自由形式光学表面被设置在所述下部自由形式光学表面与第二自由形式光学表面之间。


2.根据权利要求1所述的自由形式波导棱镜，包括第三自由形式光学表面，其被设置成接收来自所述中间图像的光，并且将所述光全内反射到所述棱镜的主体中。


3.根据权利要求2所述的自由形式波导棱镜，其中所述下部自由形式光学表面被设置成接收来自所述第三自由形式光学表面的反射光，并且以一角度将所述光往回反射到所述第三自由形式表面，所述角度允许所述光离开所述棱镜。


4.根据权利要求2或3所述的自由形式波导棱镜，其中所述上部自由形式光学表面被设置成使得来自所述第三自由形式光学表面的光不入射在其上。


5.根据前述权利要求中任一项所述的自由形式波导棱镜，其中所述上部和下部自由形式光学表面的坡度在这样的表面相交的位置处可以是相等的。


6.根据前述权利要求中任一项所述的自由形式波导棱镜，其中所述第二自由形式光学表面被配置成将光全内反射到所述棱镜的主体中。


7.根据前述权利要求中任一项所述的自由形式波导棱镜，其中所述第三自由形式光学表面被配置成将来自所述第二自由形式光学表面的光全内反射到所述棱镜的主体中。


8.根据前述权利要求中任一项所述的自由形式波导棱镜，其中所述下部自由形式光学表面被镜面化。


9.根据前述权利要求中任一项所述的自由形式波导棱镜，其中所述下部自由形式光学表面包括分束涂层。


10.根据前述权利要求中任一项所述的自由形式波导棱镜，其中对于正交的X-Y-Z坐标系，Z轴沿着观看方向，Y轴平行于与用户的瞳孔间方向对齐的水平方向，并且X轴在与用户的头部取向对齐的垂直方向上。


11.根据权利要求7所述的自由形式波导棱镜，其中所述自由形式波导棱镜关于水平（Y-Z）平面对称。


12.根据权利要求7或8所述的自由形式波导棱镜，其中所述自由形式光学表面沿着水平的Y轴偏心并且围绕垂直的X轴旋转。


13.根据前述权利要求中任一项所述的自由形式波导棱镜，其中所述自由形式光学表面中的任一个的形状由下式给出：



其中z是沿着局部x、y、z坐标系的z轴测量的自由形式表面的下陷度，c是顶点曲率（CUY），r是径向距离，k是圆锥常数，并且C是xmyn的系数。


14.一种头戴式显示器集成成像（InI）系统，包括：
微观InI单元（微型InI），其被配置成在沿所述系统的光轴的所选方位处创建所选3D场景...

【专利技术属性】
技术研发人员：华宏，黄河昆，
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