瞳孔匹配的具有遮挡能力的光学透视头戴式显示器制造技术

描述了具有双环绕路径，能够渲染虚拟和真实视图之间的逐像素的相互遮挡以及正确的透视观察视角或瞳孔匹配观察的紧凑的具有遮挡能力的光学透视头戴式显示器(OCOST

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】瞳孔匹配的具有遮挡能力的光学透视头戴式显示器
[0001](一个或多个)相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2019年9月13日提交的、标题为“Pupil Matched Occlusion
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Capable Optical See
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Through Head
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Mounted Display”的序列号为62/900,204的临时申请的优先权。上述临时申请的全部内容作为本文档的公开内容的一部分通过引用并入。


[0003]本文档中的技术一般地涉及头戴式显示器，并且具体地涉及具有宽视场的头戴式显示器。

技术介绍

[0004]透视头戴式显示器(HMD)是用于在增强现实系统中将数字信息与物理场景合并的关键使能技术之一。虽然视频透视显示器和光学透视显示器两者有其独特的优势，但在提到真实场景分辨率、视点差异、视场(FOV)和图像延迟时，光学透视HMD(OST
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HMD)往往更受青睐。传统的光学透视头戴式显示器通常依靠诸如分束器或衍射光栅的光学组合器来将真实世界的光与虚拟对象的光均匀地组合。除了现有系统的额外费用、额外重量、额外对准考虑和增加的占地面积之外，传统系统的FOV还受到通常很窄的透视物镜光学器件的限制。

技术实现思路

[0005]本文公开的技术可以在各种实施例中实现，以实现用于紧凑的具有遮挡能力的OCOST
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HMD设计的光学架构，除其他特征和益处外，该紧凑的具有遮挡能力的OCOST
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HMD还包括不受物镜光学器件限制的宽FOV。所公开的方法、系统和设备利用双环绕路径并提供能够渲染虚拟和真实视图之间的逐像素相互遮挡、正确透视观察视角或瞳孔匹配观察，以及非常宽的透视FOV的OCOST
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HMD。
[0006]所公开的实施例的一个方面涉及一种具有遮挡能力的光学透视头戴式显示器(OCOST
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HMD)，其包括配置为接收来自真实场景的光并在其输出处产生偏振光的偏振元件、偏振分束器(PBS)、物镜、空间光调制器(SLM)、目镜、四分之一波片(QWP)和反射光学元件，该反射光学元件被配置为反射在第一方向上入射在其上的基本上全部或部分光，并且使从第二方向入射在其上的从微显示器接收的基本上全部或部分光透射。SLM和物镜形成第一双通配置，其允许穿过物镜的至少一部分光从SLM反射并再次通过物镜传播。目镜和反射光学元件形成第二双通配置，其允许穿过目镜的至少一部分光从反射光学元件反射并再次通过目镜传播。
附图说明
[0007]图1A图示了先前提出的两层折叠OCOST
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HMD光学设计的示意图。
[0008]图1B图示了根据示例实施例的单层OCOST
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HMD光学系统的示意图。
[0009]图1C图示了根据示例实施例的单层OCOST
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HMD光学系统的另一配置。
[0010]图2图示了图1B的示例OCOST
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HMD系统的一部分光学元件的展开布局。
[0011]图3图示了根据示例实施例的原型OCOST
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HMD的光学组件的布局。
[0012]图4A图示了根据所公开的实施例的示例OCOST
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HMD系统的虚拟显示路径的调制传递函数(MTF)图。
[0013]图4B图示了根据所公开的实施例的示例OCOST
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HMD系统的空间光调制器(SLM)路径的MTF图。
[0014]图4C图示了根据所公开的实施例的示例OCOST
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HMD系统的透视路径的MTF图。
[0015]图5图示了根据所公开的实施例的示例OCOST
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HMD系统在全40度对角线视场(FOV)上的透视光学路径的失真网格。
[0016]图6图示了根据所公开的实施例的示例OCOST
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HMD布局和原型。
[0017]图7A图示了没有启用遮挡能力的真实世界和虚拟场景的示例增强视图。
[0018]图7B图示了当遮挡掩模显示在SLM上但没有虚拟内容在OLED显示器上示出时的示例真实世界场景。
[0019]图7C图示了SLM上有掩模且OLED显示器上显示了虚拟场景的情况下捕获的示例视图，其中虚拟内容被插入在两个真实对象之间。
[0020]图8示出了根据示例实施例的SLM、OLED和光学透视路径和相机的测量的轴上MTF图。
[0021]图9A示出了说明对于不同背景场景亮度值虚拟对象的图像对比度劣化的示例图，其中遮挡被禁用。
[0022]图9B示出了说明在启用遮挡的情况下对于不同背景场景亮度值虚拟对象的图像对比度劣化的示例图。
[0023]图10图示了可以用于实现所公开技术的某些方面的设备的框图。
具体实施方式
[0024]所公开的实施例涉及用于紧凑的具有遮挡能力的光学透视头戴式显示器(compact occlusion
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capable optical see
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through head mounted display,OCOST
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HMD)的新颖光学架构，除其他特征和益处外，该OCOST
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HMD使用具有双环绕路径(double
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wrapped path)的光学架构，并提供能够渲染虚拟视图和真实视图之间的逐像素的相互遮挡、正确的透视观察视角或瞳孔匹配观察，以及非常宽的透视视场(FOV)的OCOST
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HMD解决方案。为了说明的目的，描述了详细的示例植入和示例原型系统。该原型提供了对角线上大于40度的虚拟显示FOV和1920x1200像素的分辨率，在全FOV上具有大于20％的调制对比度的光学性能。此外，可以以相当于20/20视觉(vision)的1.0弧分的角分辨率实现90
°
乘40
°
的宽透视FOV。
[0025]开发OST
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HMD提出了许多技术挑战，其中之一在于正确渲染空间中数字和物理对象之间的光阻挡行为的挑战，也称为相互遮挡。增强现实显示中的遮挡是一种强大的深度线索；没有它，可能会发生严重的误判，诸如错误的颜色配准、降低的图像对比度和对象放置差异。为了具有正确的相互遮挡关系，前景中的不透明虚拟对象应该看起来是实体的并且遮挡位于背景中的真实对象，反之亦然。当混合虚拟和真实对象时，不透明的虚拟对象应该看起来完全不透明并遮挡位于其后面的真实对象，而真实对象应该自然地遮挡位于真实
对象后面的虚拟对象的视图。因此，存在两种类型的遮挡：真实场景对象遮挡虚拟对象的遮挡，以及虚拟对象遮挡真实场景的遮挡。真实对象对虚拟对象的遮挡通常可以以直接的方式实现，例如，当真实对象相对于虚拟场景的位置已知时，通过简单地不渲染遮挡真实对象所在处的虚拟对象。因此，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种具有遮挡能力的光学透视头戴式显示器(OCOST
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HMD)，包括：偏振元件，被配置为接收来自真实场景的光并在其输出处产生偏振光；偏振分束器(PBS)；物镜；空间光调制器(SLM)；目镜；四分之一波片(QWP)；以及反射光学元件，被配置为反射在第一方向上入射在其上的基本上全部或部分光，并且透射从第二方向入射在其上的从微显示器接收的基本上全部或部分光，其中SLM和物镜形成第一双通配置，其允许穿过物镜的至少一部分光从SLM反射并再次通过物镜传播，以及目镜和反射光学元件形成第二双通配置，其允许穿过目镜的至少一部分光从反射光学元件反射并再次通过目镜传播。2.根据权利要求1所述的OCOST
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HMD，其中：所述PBS定位成接收偏振光并向所述物镜反射该偏振光，所述PBS定位成接收从所述第一双通配置输出的光并通过其向所述目镜透射，并且向人眼的位置反射所述PBS从所述第二双通配置接收的包括来自所述微显示器的光的光。3.根据权利要求1所述的OCOST
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HMD，还包括第一反射表面，其中，所述PBS定位成：接收偏振光并通过其向所述物镜透射该偏振光，接收从所述第一双通配置输出的光并向所述目镜反射，向所述第一反射表面反射所述PBS从所述第二双通配置接收的包括来自所述微显示器的光的光，以及其中，所述第一反射表面定位成向人眼的位置反射入射在其上的光。4.根据权利要求1所述的OCOST
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HMD，其中，所述SLM被配置为调制入射在其上的光。5.根据权利要求4所述的OCOST
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HMD，其中，所述SLM被配置为在开关调制模式下操作。6.根据权利要求1所述的OCOST
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HMD，还包括对应于呈现在所述微显示器上的虚拟图像的遮挡掩模，其中，所述遮挡掩模用于实现所述SLM的一个或多个区域的调制。7.根据权利要求1所述的OCOST
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HMD，还包括所述微显示器。8.根据权利要求7所述的OCOST
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HMD，其中，所述反射光学元件定位在所述微显示器的表面上。9.根据权利要求7所述的OCOST
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HMD，其中，所述微显示器包括有机发光二极管(OLED)设备。10.根据权利要求1所述的OCOST
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HMD，其中，所述QWP定位在所述目镜和所述反射光学元件之间。11.根据权利要求1所述的OCOST
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HMD，其中，所述QWP定位在所述目镜和所述PBS之间。12.根据权利要求1所述的OCOST
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HMD，其中，所述SLM包括硅上液晶(LC...

【专利技术属性】
技术研发人员：H华，A威尔逊，
申请(专利权)人：代表亚利桑那大学的亚利桑那校董事会，
类型：发明
国别省市：