用于增强现实头戴式装置的光学系统与设计及制造方法制造方法及图纸

一种投影增强现实头戴式装置(ARMS)，其提供宽视场及优化适眼距。所述ARMS包含投影装置，所述投影装置具有成像器及将图像光提供到部分反射组合器的成像光学装置。此外，所述部分反射组合器经配置以接收所述图像光，且经配置以重引导所述图像光朝向适眼区，其中在所述部分反射组合器与所述适眼区之间具有适眼距偏移。因而，所述成像光学装置包含具有经倾斜及经偏心以扩大视场的对称自由形态透镜表面的透镜元件的组合。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于增强现实头戴式装置的光学系统与设计及制造方法
技术介绍
随着计算机技术向精良、复杂性、力量及现实主义的方向变迁，可以说，最终目标是创造计算机化人类。随着这个过程在我们眼前展开，人类不再只是静静地坐着看，而是朝向进入计算机化世界迈进。我们已在过往随着《无敌金刚》的创作以及如同《黑客帝国》及《头号玩家》的科幻电影的变迁看到这一点。也许有一天，我们将生活在其中计算机及人类完全融合在一起的世界中，但与此同时，人类进入计算机世界的冒险正在虚拟现实及增强现实技术中发生。虚拟现实(VR)是在经模拟环境内进行的交互式计算机生成体验。这种模拟环境通常包含音频及视觉元素，以及其它元素，例如感觉反馈(振动、运动、气味、温度及如同触觉的其它感觉反馈)。触觉与触摸感有关，特别是与使用触摸感及本体感受感知及操纵物体有关。触觉感知是指“抓住某物”的能力。通常，这是通过移动对象主动地探索表面及物体来实现，这与在触觉感知期间由静态对象的被动接触相反。术语触觉(Haptik)是由德国心理学家玛克斯·德索于1892年为呈“声学”及“光学”样式的触摸感建议一个学术研究名称时创造。触觉技术或动觉通信通过将力、振动或运动施加到用户来重新产生触摸感。这种机械刺激可用于辅助在计算机模拟中产生虚拟物体，用于控制此类虚拟物体，且用于增强对机器及装置(遥操作机器人)的远程控制。触觉装置可并入测量由用户施加在界面上的力的触觉传感器以及用于检测运动的加速度计。一般来说，存在与人类的触摸感有关的三个感觉系统：皮肤、动觉及触觉。由皮肤及/或动觉敏感性介导的所有感知被称为触觉感知。触摸感可被分类为被动及主动的，且术语“触觉”通常与主动触摸以传达或辨识物体相关联。这种VR沉浸式环境可与现实世界类似或其可为奇幻的，从而产生在普通物理现实中不可能的体验。增强现实(AR)系统也可被视为一种形式的VR。AR与VR之间的主要差异在于，AR在一人的环境的现场摄像机馈送或实际可视化上方层叠虚拟信息，其中眼睛赋予用户观看集成到其他或她的真实世界中的三维图像的能力。目前，AR的变迁受限制困扰。这些限制中的一些包含设备的成本、设备的大小、庞大或重量及设备的受限功能。考虑到受限功能的限制，视场(FOV)允许一个区域而非单个聚焦点的视觉覆盖。VR或AR内的FOV越大，用户的沉浸感就越强。在人类视觉中，视场由在我们的大脑中无缝地结合在一起作为一个双眼FOV的两个单眼FOV组成。个别地，我们的眼睛具有约135度的水平FOV及刚好超过180度的垂直FOV，但取决于个人的面部结构，这可能极大地变动。因而，在一些情况下，人类视场可能高达210度。例如，一人的鼻子、脸颊的大小，眼窝的深度等。当将单眼视场拼接在一起时，我们的双眼FOV可为我们在水平方向上赋予约114度的视野且对于深度感知是必需的。我们的周边视觉构成剩余的60度到70度且仅具有单眼视觉，因为仅一只眼睛可看到视场的那3个区段。在典型VR及AR系统中，FOV极大地受限制。例如，在MAGICLEAPONE产品中，水平FoV值被标识为40度，垂直FoV值被标识为30度且对角线FoV值被标识为50度。这比微软的HoloLens大大约三分之一。这个受限FOV可能不利地影响用户体验且在商业或军事环境中，可能极大地影响用户在使用AR时可实现的性能。因此，在所属领域中需要可在提供宽得多的FOV的AR环境中使用的技术。
技术实现思路
本公开涉及增强现实头戴式装置及更特定来说，包含图像源及成像光学装置的自由空间增强现实(AR)显示器。所述成像选项提供图像光。所述AR显示器还包含成像光学装置，所述光学装置由用于放大所述图像源的衍射、相息图、菲涅耳、球面及非球面元件，以及用于将所述图像光中继到佩戴者的眼睛中的非球面、圆锥形或自由形态组合器组成。使用计算机辅助自动过程一起优化所述中继光学装置及组合器以满足某些分辨率及大小度量。附图说明图1描绘虚拟图像的概念。图2描绘具有微型显示器及大视场的ARHS光学系统。图3描绘可在各种实施例中使用的另一光学系统。图4描绘传递通过菲涅耳透镜的光。图5描绘具有菲涅耳透镜的衍射光学元件。图6描绘使用菲涅耳/衍射光学元件的ARHS光学系统。图7描绘使用若干菲涅耳/衍射光学元件的ARHS光学系统。图8描绘具有马格宁镜的ARHS光学系统。图9描绘具有弯曲马格宁镜的ARHS光学系统。图10描绘具有布置为棱镜的多个自由形态表面的ARHS光学系统。图11描绘用于优化ARHS系统的约束。图12描绘使用具有自由形态表面的多通胶合棱镜对的ARHS光学系统。图13描绘使用多个弯曲反射表面的ARHS光学系统。图14描绘满足某些设计约束的实例性ARHS光学系统。图15描绘图14中的系统的另一视图。图16描绘另一实例性ARHS光学系统。图17描绘另一实例性ARHS光学系统。图18描绘实例性ARHS光学系统的MTF。图19描绘实例性ARHS光学系统的点列图。图20描绘有关用户头部的模型的实例性ARHS光学系统。图21描绘优化之前与之后的ARHS光学系统的大小的比较。图22描绘ARHS光学系统的额外比较及变体。图23描绘ARHS光学系统的额外比较及变体。图24描绘实例性ARHS光学系统上的适眼距。具体实施方式本专利技术以及其特征及方面涉及提供一种光学解决方案，所述光学解决方案为VR及AR系统及/或头戴式装置提供超宽视场。本专利技术的各种实施例提供集成到真实世界图像中且可并入到例如AR头戴式装置的装置中的虚拟图像的呈现。虚拟图像是从用户的视角来看未投影在屏幕上而是看起来存在于空间中的图像。因此，在AR系统中，生成虚拟图像以赋予存在于用户的真实世界空间中的外观。可在美国公开专利申请案US20100290127A1中找到所属
的良好指南，其在接下来的新段落中进行概述。虚拟图像与真实图像不同且所述图像也不同地形成。真实图像是可由人类肉眼直接观察到的实际图像。真实图像存在于真实世界中且当从所述图像回弹的光通过瞳孔射入到眼睛中并落在眼睛内的视网膜壁上时，由人眼感知所述图像。因此，真实图像是对在给定位置处的物理上存在物体的感知。真实图像的实例是照片。可通过例如阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)屏幕及有机发光二极管OLED显示器的装置以电子方式产生真实图像。OLED是提供真实图像的电子显示器的实例。显示器表面的大小限制可被提供给观察者的真实图像的大小。虚拟图像显示器提供在物理上存在的观看表面上或在有形世界中观察不到的图像。虚拟图像经形成在其中不存在显示表面的空间中的一个位置处。产生虚拟图像的实例是当某人通过放大镜查看小物品时。放大镜使图像看起来更大且所述图像也看起来基本上位于其中物品实际上存在的表面后方。因此，在物品是真实图像时，物品的放大是虚拟图像。根据定义，虚拟图像可存在于其中不存在显示表面的位置处。因此，虚本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种投影增强现实头戴式装置(ARHS)，其提供宽视场及优化适眼距，其包括：/n投影ARHS，其具有成像器及将图像光提供到部分反射组合器的成像光学装置；/n所述部分反射组合器，其经配置以接收所述图像光，且经配置以重引导所述图像光朝向适眼区，其中在所述部分反射组合器与所述适眼区之间具有适眼距偏移；/n其中所述成像光学装置包含具有经倾斜及经偏心以扩大视场的对称自由形态透镜表面的透镜元件的组合。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181210 US 62/777,689;20191209 US 16/708,4241.一种投影增强现实头戴式装置(ARHS)，其提供宽视场及优化适眼距，其包括：
投影ARHS，其具有成像器及将图像光提供到部分反射组合器的成像光学装置；
所述部分反射组合器，其经配置以接收所述图像光，且经配置以重引导所述图像光朝向适眼区，其中在所述部分反射组合器与所述适眼区之间具有适眼距偏移；
其中所述成像光学装置包含具有经倾斜及经偏心以扩大视场的对称自由形态透镜表面的透镜元件的组合。


2.根据权利要求1所述的ARHS，其中所述部分反射组合器距佩戴者的眼睛至少20mm，但不超过40mm。


3.根据权利要求1所述的ARHS，其中所述视场是在水平方向上每只眼睛至少65度。


4.根据权利要求1所述的ARHS，其中所述适眼区是在水平及垂直方向上至少10mm宽。


5.根据权利要求2所述的ARHS，其中所述部分反射组合器包括后表面及前表面，所述后表面是部分反射球面、圆锥形、非球面或自由形态表面，所述前表面是透射球面、圆锥形、非球面或自由形态表面。


6.根据权利要求2所述的ARHS，其中可将经部分反射涂覆的前表面及所述透射后表面一起用作马格宁镜以校正像差。


7.根据权利要求2所述的ARHS，其中所述组合器可由具有部分反射第二表面的两个胶合元件组成。


8.根据权利要求1所述的ARHS，其中所述成像光学装置使用由塑料或玻璃制成的球面、非球面及自由形态透镜表面的组合。


9.根据权利要求8所述的ARHS，其中所述所描述元件可经倾斜或经偏心以将所述头戴式装置的...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭子琪，唐·迪尔沃思，
申请(专利权)人：奥罗拉科技公司，
类型：发明
国别省市：美国;US