CN107037587B - 紧凑型增强现实/虚拟现实显示器 - Google Patents

紧凑型增强现实/虚拟现实显示器 Download PDF

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Abstract

本公开涉及紧凑型增强现实/虚拟现实显示器，提供了用于将显示器生成的光显示到预定的视场上的具有增强现实(AR)功能的显示设备的实现方式。在一个实现方式中，显示设备包括安装组件，被配置为与跟显示器相关联的移动计算设备可移除地附接，从而根据预定位置布置显示器。显示设备还包括光学装置，该光学装置具有相对于显示器的预定位置的预定布置并且限定视场。该光学装置包括第一反射镜元件，被配置为反射基于显示器所生成的光的第一入射光的第一部分，以及第二反射镜元件，被放置在视场内并且被配置为将基于第一入射光的第一部分的第二入射光的第二部分反射到视场上。

Description

紧凑型增强现实/虚拟现实显示器
技术领域
本公开总地涉及基于计算机的娱乐，并且更具体地涉及适合用于增强现实(AR)和/或虚拟现实(VR)显示设备的光学装置。
背景技术
自从第一批视频游戏被开发以来，计算机图形技术已经历了巨大的发展。现在，相对廉价的3D图形引擎可提供在仅仅花费几百美元的手持视频游戏平台、家庭视频游戏平台和个人计算机硬件平台上的接近照片真实感的交互式游戏体验。这些视频游戏系统通常包括手持控制器、游戏控制器或者在手持视频游戏平台的情况下包括集成控制器。用户与控制器交互以向视频游戏系统发送命令或其它指令，来控制视频游戏或其它模拟场景。例如，控制器可以包括由用户操作的游戏杆和按钮。
虽然视频游戏允许用户直接与视频游戏系统交互，但是这样的交互主要影响被显示在视频游戏设备上(或被连接的显示器上)的图形展示，而很少影响虚拟世界以外的任何其它物体。就是说，用户可以指定对视频游戏系统的输入，指示用户的虚拟化身应当执行跳跃动作，并且作为响应，视频游戏系统可以显示用户的虚拟化身正在跳跃。但是，这样的交互通常被局限于虚拟世界，而虚拟世界以外的任何交互都被限制(例如当特定动作发生时，手持游戏设备可能会振动)。
此外，很多手持游戏设备包括某种形式的视觉感知设备，该设备可以被用于捕获物理真实世界场景下的图像或图像序列。所捕获的图像随后可以被显示在例如手持游戏设备的显示器上。某些设备可以被配置为在所捕获的图像被显示之前向这些图像中插入虚拟对象。此外，其它设备或应用可能允许用户在物理场景的被捕获图像内绘制或涂画细节。但是，由于这些改动只应用于物理场景的单一图像，来自不同角度的该物理场景的后续被捕获图像可能不能体现用户的改动。
发明内容
这里所描述的一个实施例是一种具有增强现实(AR)功能的显示设备，用于将显示器所生成的光显示到预定的视场上。该显示设备包括光学装置，该光学装置具有相对于显示器的预定位置的预定布置并且限定视场。该光学装置包括：分束器元件，该分束器元件被放置在视场内并且被配置为透射基于显示器所生成的光的第一入射光的第一部分；以及第一反射镜元件，该第一反射镜元件被配置为向分束器元件反射基于第一部分的第二入射光的第二部分。分束器元件还被配置为将基于第二部分的第三入射光的第三部分反射到视场上。
这里所描述的另一实施例是一种具有增强现实(AR)功能的显示设备，用于将显示器所生成的光显示到预定的视场上。该显示设备包括光学装置，该光学装置具有相对于显示器的预定位置的预定布置并且限定视场。该光学装置包括：第一反射镜元件，该第一反射镜元件被配置为反射基于显示器所生成的光的第一入射光的第一部分；以及第二反射镜元件，该第二反射镜元件被放置在视场内并且被配置为将基于第一部分的第二入射光的第二部分反射到视场上。
这里所描述的另一实施例是一种具有增强现实(AR)功能的显示设备，用于将显示器所生成的光显示到预定的视场上。该显示设备包括被放置在视场内的透光显示器，以及第一透镜元件，该第一透镜元件被放置在视场内透光显示器的第一侧，该第一透镜元件具有正屈光度(optical power)。该显示设备还包括第二透镜元件，该第二透镜元件在视场内被放置在透光显示器的与第一侧相对的第二侧，该第二透镜元件具有与上述正屈光度的大小相等的负屈光度。
附图说明
通过参考附图，可以给出实现和更全面地理解上述那些方面的方式，以及对以上简单综述的本公开的实施例的更具体的描述。但是，应当注意附图仅仅图示了本公开的典型实施例，因此并不被认为是对本公开的范围的限制，本公开可以允许有其它等效实施例。
图1图示了根据一个实施例的示例性交互环境。
图2是图示了根据这里所描述的实施例的被配置为与移动计算设备交互的AR/VR头戴式设备的示图。
图3是图示了根据这里所描述的实施例的移动计算设备与安装组件的附装的示图。
图4-图11图示了根据各种实施例的紧凑型AR/VR显示设备的示例性实现方式。
具体实施方式
紧凑型AR/VR显示设备的各种实现方式在这里被公开。一般来说，将紧凑型AR/VR显示设备设计为具有相对较小的尺寸和重量是有益的，这样可以允许更年轻的用户或者小力量的用户使用，并且一般在使用时更少让人感到疲劳。与大型或笨重的显示设备相比，紧凑化的实现方式往往通过减少材料和处理需求来减少制造成本，并且对用户而言也更美观。
紧凑型AR/VR显示设备的实现方式可以使用专用硬件并且/或者可以使用智能电话或其它移动计算设备。例如，能够适配观看者的智能电话的实现方式可以提供紧凑型AR/VR显示设备的更低的制造成本，因为不需要包括单独的计算硬件或显示硬件。使用观看者自己的智能电话还可以为观看者带来更多的便利，并且可以提供相对较大的显示器供观看。
在紧凑型AR/VR显示设备内，移动计算设备和/或光学装置的放置也可以有利地被选择以减少施加在观看者上的力矩(例如对应于颈部或上体上的压力)。例如，在头戴式紧凑型AR/VR显示设备中，将智能电话放置为更接近观看者的头部提供更小的力矩。
图1图示了根据一个实施例的示例性交互环境。在系统100内，计算设备105与一个或多个讲故事设备150、一个或多个传感器设备160、一个或多个显示设备170以及一个或多个音频输出设备180通信。下面将更详细地讨论，计算设备105可以为交互环境下的用户提供增强现实(AR)和/或虚拟现实(VR)显示功能。计算设备105可以按任何合适的形式来实现。在一些实施例中，计算设备105是体戴式(body-worn)计算设备，例如被集成到用户的头部、手臂等所佩戴的组件中。在一些实施例中，计算设备105包括移动计算设备，例如智能电话、平板计算机等。移动计算设备可以被配置为与体戴式组件进行物理上可移除的附装。
计算设备105包括但不限于处理器110和存储器115。一般来说，处理器110获取并执行被存储在存储器115中的程序指令。处理器110被包括，代表单个中央处理单元(CPU)、多个CPU、具有多个处理核的单个CPU、具有多个执行路径的图形处理单元(GPU)等。存储器115被大体上包括，代表随机访问存储器，但是也可以包括任何合适类型的非易失性存储装置。
存储器115一般包括用于实现与生成和维护讲故事环境相关的各种功能的程序代码。程序代码一般被描述为存储器115内的各种功能“模块”，但是替代实现方式可以具有不同的功能和/或功能的组合。在存储器115内，讲故事模块120一般被配置为使用所选择的预定的故事模板(例如被存储在存储器115中)来生成故事，并且基于可供参与到讲故事体验中的多个被标识的讲故事设备150。讲故事设备150可以利用通过任何合适的通信方法实现的注册过程来标识。一个非限制性示例包括：控制器设备(可以是讲故事设备150或计算设备105)发出诸如红外(IR)信号之类的第一信号，并且其它讲故事设备150响应于接收到该第一信号而发送诸如射频(RF)信号之类的响应信号。
传感器设备160可以是任何(一个或多个)类型的设备并且被配置为感知关于讲故事环境的信息。传感器设备160的一些非限制性示例包括视觉传感器165、压力传感器、加速度传感器和温度传感器。视觉传感器可以包括被配置为感知可见光和/或红外光的相机。在一些实施例中，传感器设备160可以由计算设备105包括(或者被包括在计算设备105内)。例如，在计算机设备105是智能电话或平板设备的情况下，传感器设备160可以包括被包括在智能电话/平板设备内的(一个或多个)相机、惯性运动单元(IMU)等。在一些实施例中，传感器设备160包括在计算设备105外部的传感器，例如头戴式设备所包括的视觉传感器165。
存储器115还包括：图像处理模块125，被配置为实现对视觉传感器165所捕获的视觉信息的处理。图像处理模块125可以包括任意数目的图像处理功能，例如对象检测和跟踪子模块130，被配置为检测交互环境内的物理对象(例如基于边缘检测信息、颜色信息和/或其它合适的特征)并且跟踪所检测到的对象的相对位置随时间的变化(例如，当用户和/或对象在整个交互环境中移动时)。图像处理模块125还包括深度估计子模块135，被配置为动态地估计所检测到的对象与用户的距离。
系统100包括一个或多个显示设备170以及一个或多个音频输出设备180。显示设备170可以包括任何合适类型的视觉显示器。显示设备170可以包括能够向用户显示视觉接口的任何类型的动态显示器，并且可以包括任何类型的发光二极管(LED)、有机LED(OLED)、阴极射线管(CRT)、液晶显示器(LCD)、等离子、电致发光(EL)或其它显示技术。在一些实施例中，显示设备170被包括在计算设备105内(例如智能电话、平板设备等的主显示屏)。在其它实施例中，显示设备170与计算设备105分开，但是被配置为将虚拟图像叠加到用户视场内的物理对象上。例如，显示设备170可以被集成到诸如头戴式设备之类的体戴式设备中，并且显示设备170可以被配置为被戴在用户的眼睛前面的目镜或镜头。在另一示例中，显示设备170可以被集成到用户所携带或手持的或者在讲故事体验中有任何其它合适的用户交互的其它设备中。例如，在参与讲故事体验时，用户可以携带包括用于瞄准的光学瞄准具的玩具枪，并且显示设备170可以被集成在光学瞄准具中。
音频输出设备180可以包括具有任何合适的形式因子(例如单独的、集成在立体声音响中的、耳机等)的传统的音频扬声器，以及使用产生用户可感受到的声音的替代方法的设备，例如体戴式设备中的骨传导换能器。在一些实施例中，音频输出设备180被包括在计算设备105内(例如智能电话、平板设备等的扬声器)。在其它实施例中，音频输出设备180与计算设备105分开。
在一些实施例中，计算设备105被配置为工作在增强现实(AR)模式下，大体上被配置为利用显示设备170将诸如人物、物体和/或动态视觉效果之类的虚拟图像叠加到用户对环境的自然视场内。用户的视场一般利用诸如视觉传感器165之类的传感器设备160来确定。在一些实施例中，计算设备105被配置为工作在虚拟现实(VR)模式下，一般利用显示设备170将用户对环境的自然视场用虚拟图像来替换。
例如，显示设备170可以叠加虚拟人物，使其看上去像是坐在环境内所检测到的物理椅子上。显示设备170上的虚拟人物的显示基于用户的视场(朝向)、所确定的椅子相对于用户的深度等被动态地调节。
在一些实施例中，计算设备105被配置为基于所感知到的环境的特征和/或基于讲故事模块所生成的故事动态地选择AR模式和VR模式中的一个。AR或VR模式的选择被表示为AR/VR显示模式140并且被包括在存储器115中。例如，视觉传感器165可能检测到环境非常亮(例如当用户处于阳光直射下时)，这可能使得用户很难用显示设备170查看覆盖信息。在另一示例中，讲故事模块120所生成的故事的虚拟设置指定夜间设置。在这些示例中，VR模式可以被实现以将用户的视场与周围的物理环境基本隔离开，从而减少从环境中接收到的光的量。在这两种情况下，AR/VR显示模式140的动态选择通过确保用户能够适当地查看覆盖信息或者通过提供与故事的虚拟设置相一致的更真实的设置，可以改善讲故事环境的逼真特质。
AR和VR模式之间的切换可以通过任何合适的技术来实现。在一些实施例中，用户所佩戴的头戴式设备包括挡光组件，该组件包括被放置在用户的每个眼睛前面的交叉偏振器。当一个或两个交叉偏振器被旋转时，被透射到用户眼睛上的来自物理环境的光可以选择性地被减少，并且可以将用户的视场与物理环境基本隔离开(例如VR模式)。旋转交叉偏振器可以手动(例如用户转动与交叉偏振器相连的旋钮)或电动(例如电机基于AR/VR显示模式140接收来自计算设备105的控制信号并旋转交叉偏振器)被执行。在其它实施例中，挡光组件包括部分或全部透明的“透视(see-through)”显示器，例如OLED或侧面发光或自然发光的LCD。显示器基于AR/VR显示模式140接收来自计算设备105的控制信号并且可以选择性地使显示器变暗以将用户的视场与物理环境基本隔离开。
显示设备170一般被用在系统100内以提供在讲故事体验期间可以被用户携带或佩戴的紧凑型AR/VR显示器。如上所述，显示设备170可以包括与移动计算设备(例如智能电话或平板设备)的显示设备分开的设备。使用智能电话或其它移动计算设备来实现紧凑型AR/VR显示器具有若干优点。例如，能够适配观看者的智能电话的实现方式可以提供紧凑型AR/VR显示设备的更低的制造成本，因为不需要包括单独的计算硬件或显示硬件。智能电话中所包括的相机可以被用作视觉传感器165来动态地提供关于物理环境和用户视场的信息。使用智能电话还可以为用户带来更多便利，并且可以提供相对较大的显示器供观看。
很多考虑因素会影响到使用移动计算设备的紧凑型AR/VR显示器的设计。一般来说，紧凑型AR/VR显示器包括被配置为向用户的眼睛传送移动计算设备的一些或全部显示内容的光学装置。取决于当前所选择的模式(AR或VR)，该光学装置还被配置为将来自物理环境的一些或全部光传送至用户的眼睛。将紧凑型AR/VR显示器设计为具有相对较小的尺寸和重量可能是有益的。更小和更轻的体戴式实现方式允许更年轻的用户或者小身材和/或小力量的其他用户使用，并且一般在讲故事体验期间更少让人感到疲劳。移动计算设备和/或光学装置的放置也可以被选择以减少施加在用户上的力矩。例如，在头戴式紧凑型AR/VR显示设备中，与将智能电话放置为远离用户的头部的实现方式相比，将智能电话放置在更接近用户的头部的位置处提供更小的力矩(例如对应于颈部或上体上的压力)。紧凑型(小尺寸)的实现方式还通过减少材料和处理需求来减少制造成本。与大型或笨重的实现方式相比，紧凑型的实现方式对用户而言也更美观。
使用移动计算设备结合光学装置可以为用户提供相当好的视场，加强了交互环境的逼真特质。一般来说，用户视场的尺寸与针对与用户眼睛的特定距离而言被包括在光学装置中的元件的尺寸成比例。
图2是根据本文描述的实施例，示出被配置为与移动计算设备交互的AR/VR头戴式设备的图示。如图所示，图示200示出了移动计算设备210和作为AR/VR头戴式设备220形式的具有AR/VR功能的显示设备。AR/VR头戴式设备220大体上包括安装组件225(或“移动设备适配器“)、头带235和镜面透镜240。安装组件225限定开口230，开口230接纳移动计算设备210。一般地，将移动计算设备210插入开口230中提供了移动计算设备210与安装组件225的可移除附接，并且还将显示器215(表示图1的显示设备170的示例)安排在预定的位置。在该预定位置中，显示器215相对于包括在AR/VR头戴式设备220中的光学组件(未示出)具有合适的朝向。安装组件225可以包括用于可移除地附接移动计算设备210的任何适当的装置。安装组件225还被配置为将移动计算设备210保持或保有在对于AR/VR头戴式设备220的佩戴者而言所期望的位置和朝向。
由移动计算设备210的显示器215(例如，基于图1的显示信号175)产生的光通过AR/VR头戴式设备220的光学组件被重定向，使得光可以被AR/VR头戴式设备220的佩戴者看到。例如，所产生的光可以穿过分束器并且从镜面透镜240反射并进入佩戴者的眼睛。因此，使用显示器215显示的虚拟对象看起来好像存在于观看者的物理环境中。有利地，通过利用移动计算设备210的硬件资源，相对于包含专用计算机处理器、显示设备等的其他AR设备，AR/VR头戴式设备220可以以降低的成本生产和销售。
图3是根据本文描述的实施例，示出移动计算设备与安装组件的附接的图示。更具体地，图示300示出了用于将移动计算设备210插入安装组件225中的示例性顺序。安装组件225可以由具有适当的强度以保有移动计算设备210的任何材料的一个或多个元件形成。在一些实施例中，安装组件225由塑料材料形成，其有利地提供更轻的显示设备。
移动计算设备210通过形成在安装组件225中的开口230插入。中间位置310表示移动计算设备210在到达预定的最终位置315之前可能所处的位置。在移动计算设备210的预定的最终位置315处，移动计算设备210的显示器215具有相对于光学装置335的预定位置320。
安装组件225的下表面325对于由显示器215产生的光330而言是大体上光学透射的。在一些实施例中，下表面325由光学透射材料(例如，塑料或玻璃)形成，来自显示器215的光330被透射通过下表面325。在其他实施例中，下表面325限定了来自显示器215的光330透射通过的开口。例如，下表面325可以围绕移动计算设备210的外围支撑移动计算设备210。
虽然未明确示出，但是安装组件225可以包括用于将移动计算设备210与安装组件225可移除地附接的另外的元件。例如，可以使用以下各项在移动计算设备210和安装组件225之间形成压配合：(一个或多个)可调节角件、具有引导塞的滑动托盘、(一个或多个)肘接销钉、阶梯槽、可替换托盘等。例如，移动计算设备210可插入可替换托盘或其它适当的载体构件，然后该构件被插入到安装组件225中，从而将显示器215安排在预定位置320。以这种方式，不同的载体构件可以用于容纳针对特定安装组件225的不同类型的移动计算设备210。
移动计算设备210与安装组件225的可移除附接可以在相关联的显示设备内具有任何适当的朝向。光学装置335的这些元件共同限定相对于预定光学参考点的视场，并且显示装置一般被设计成使得观看者的(一只或两只)眼睛与光学参考点对准。为了支持显示设备的AR功能，移动计算设备210和安装组件225大体上设置在视场之外，以允许观看者通过光学装置335观察物理环境。例如，对于观看者的视线对应于光学装置335的视场的头戴式显示设备，移动计算设备210和安装组件225可以位于观看者视线的上方，下方或侧面。
图4根据一个实施例，示出了紧凑型AR/VR显示设备400的示例性实现方式。显示设备400示出了智能手机(即，移动计算设备210的一个示例)和被配置为将智能手机的显示器215的至少一部分反射到观看者的眼睛415的光学装置405。光学装置405的元件共同限定相对于预定光学参考点的视场410。显示设备400总体上被设计为使得观看者的眼睛415与光学参考点对准。
尽管未示出，但是光学装置405可以包括掩模，其被配置为阻挡来自显示器215的一些显示区域和/或来自智能手机的其他部分的光，以防止观看者看到这些部分。例如，可以提供掩模以防止智能手机边缘在视场410内可见，智能手机边缘易于使观看者偏离交互式环境的沉浸式性质。
如图所示，智能手机被布置成使其显示器215面向上。在一些实施例中，智能手机与显示设备200中的光学装置405可移除地附接，显示设备200可以是由观看者身体佩戴或携带的。智能手机的可移除附接允许无论观看者在使用期间如何移动，其显示器215均与光学装置405的元件保持期望的朝向。注意，为了简单起见，未示出与光学装置405、智能手机和/或观看者的部分附接的结构元件。例如，显示设备200可以包括柔性头带，以允许观看者在他或她的头部上舒适佩戴。由显示器215产生的光330(或“图像”)向上向第一反射镜元件425传输。在一些实施例中，第一反射镜元件425具有正屈光度，并且来自显示器215的图像通常聚焦在约1米和光学无限(optical infinity)之间。
基于光330，第一入射光430入射在分束器元件420上。分束器元件420被设置在视场410内，并且被配置为透射第一入射光430的第一部分435。在一些实施例中，分束器元件420反射第一入射光430的50％，并透射第一入射光430的50％。分束器元件420的替代实现方式可以具有其他的百分比。基于经透射的第一部分435(例如，第一入射光430的50％)的第二入射光440入射在第一反射镜元件425上，并且第二入射光440的第二部分445被第一反射镜元件425反射朝向分束器元件420。一般地，第一反射镜元件425是100％前表面涂覆的，以反射基本上所有的第二入射光440。第一反射镜元件的替代实现方式可具有其他的反射率。基于第二部分445的第三入射光450入射在分束器元件420上，并且分束器元件420将第三入射光450的第三部分455反射到视场410。在一些实施例中，分束器元件420将第三入射光450的50％反射到观看者的眼睛415。因此，在一个实施例中，由显示器215产生的光功率的大约25％(50％透射通过分束器的50％反射)被传输到观看者的眼睛。
如图所示，智能手机的相机460被包括在与显示器215相对的表面上。显示设备400还包括被配置为重定向相机460的传感轴线465的第二反射镜元件470。在一些实施例中，相机460沿着感测轴475向前感测，感测轴475对应于视场410的轴412。在该朝向中，相机460能够获取针对环境的视觉信息以执行光学检测和跟踪、深度估计等等。为了简单起见，第二反射镜元件470被示为单个90°弯折镜；然而，用于相机460的镜像布置可以更复杂，包括多个反射镜和/或不同的反射镜曲率。在另一实现方式中，智能手机的相机460可以与显示器215被包括在同一表面上。
显示设备400还包括被设置在视场410内的挡光组件480。在一些实施例中，挡光组件480包括交叉偏振器。当交叉偏振器中的一个或两个被旋转时，可以控制来自物理环境的被传输到观看者的眼睛(例如，通过分束器元件420)的光量，以基本上将视场410与物理环境隔离(例如，对应于所选择的VR模式)。旋转交叉偏振器可以手动(例如，观看者旋转与交叉偏振器链接的旋钮)或电子地执行。例如，与交叉偏振器链接的马达从相关联的计算设备(例如，移动计算设备210)接收控制信号，并且基于所选择的AR或VR显示模式来旋转交叉偏振器。在其他实施例中，挡光组件480包括部分或完全透射的“透视”显示器，例如OLED或侧光或自然照亮LCD。在这种情形中，部分或完全透射的显示器从相关联的计算设备接收控制信号，并基于所选择的AR或VR显示模式选择性地使显示器变暗。
注意，尽管相对于观看者的单个眼睛415示出了图4-11的光学装置，但是显示设备400、500等的实现方式可以包括针对观看者的每只眼睛的独立光学器件。此外，在一些实施例中，显示设备400、500等的实现方式可以包括一些独立的光学器件(例如，每个眼睛一个)和一些共享光学器件(例如，针对双眼一个)。在一个示例中，单个分束器元件420可以由对应于观看者的两只眼睛的两个独立的透镜系统(即，两个独立的正屈光度镜)共享。还要注意，显示设备400、500等的替代实现方式可以包括一个或多个单独的显示设备(即，不包括在智能手机中)和/或一个或多个单独的相机(或其他视觉传感器)。此外，针对特定实现方式描述的特征可以有利地应用于其他实现方式，而不需要明确的陈述。
图5根据一个实施例，示出了紧凑型AR/VR显示设备500的示例性实现方式。在光学装置505内，第一反射镜元件包括平面镜510而不是弯曲的正屈光度镜(如图4所示)。光学装置505还包括设置在分束器元件420和平面镜510之间的透镜元件515。在一些实施例中，透镜元件515提供正屈光度。
由显示器215产生的图像(由光330表示)入射在分束器元件420上，并且一部分透射通过分束器元件420并通过透镜元件515，由平面镜510反射通过透镜元件515，并且一部分由分束器元件420反射到视场410。图像透射通过透镜元件515两次导致图像的屈光度加倍。
显示设备500的光学装置505一般提供减少的重量和成本。通常，通过缩短透镜的曲率半径来增加通过透镜元件的屈光度，这易于增加透镜的尺寸、重量和成本。如所公开的，两次通过相同的透镜元件515提供了增加的屈光度，而没有附加的尺寸、重量和成本。此外，透镜元件515的一个非限制性示例是Fresnel透镜，其与某些其它透镜实现方式相比是相对较轻的透镜。此外，平面镜510一般比曲面镜更便宜。
在一个替代实施例中，光学装置505还可以包括折射力(refractive power)。在该实施例中，包括在组520内的某些光学元件被组520′的光学元件替换。更具体地，组520′包括曲面镜525而不是平面镜510，并且还包括在透镜元件515和曲面镜525之间的层530。层530包括塑料或玻璃材料，并且具有某种厚度：该厚度可被选择为使得透镜元件515在由曲面镜525提供的屈光度之外还提供折射力。在另一实施例中，不是两个单独的元件，而是曲面镜525可以与透镜元件515熔合(或以其他方式一体形成)，以形成单折射透镜。例如，单折射透镜的顶表面具有反射涂层，并且塑料或玻璃的厚度在单折射透镜的中心附近较厚，以形成正屈光度弯月形透镜。适当的单折射透镜的一个非限制性示例是Mangin镜。单折射透镜可以用于缩短焦距并校正光学像差(例如球差)，从而提供更高质量的图像。
图6根据一个实施例，示出了紧凑型AR/VR显示设备600的示例性实现方式。与图4所示的显示设备400相比，显示设备600一般提供对由显示器215产生的光330的更大的恢复。
在显示设备600内，显示器215是产生线偏振(无论是s偏振还是p偏振)图像的偏振显示器，并且分束器元件包括偏振轴对准线偏振光330的偏振分束器610。基于线偏振光330，第一入射光430入射到偏振分束器610上。因为来自显示器215的线偏振光330和偏振分束器610的偏振轴对准，因此由偏振分束器610透射的第一部分435包括线偏振光330的大部分。
第一部分435穿过四分之一波片元件615(或“四分之一波长延迟片”)，其将第一部分435的线偏振转换成圆偏振。圆偏振光作为第二入射光440入射到第一反射镜元件上，并且第二入射光440的第二部分445被第一反射镜元件425反射。反射光穿过四分之一波片元件615，四分之一波片元件615将圆偏振光转换为具有从偏振分束器610的偏振轴净90°旋转偏振的线偏振光。第三入射光450入射到偏振分束器610上，并且第三部分455被偏振分束器610反射到视场410。第三部分455包括线偏振的第三入射光450的大部分。以这种方式，在光每次入射到偏振分束器元件610上(透射和随后的反射)时降低损耗。在一些实施例中，通过用偏振反射器代替第一反射镜元件425，使得入射在偏振反射器上的圆偏振的第二入射光440的大部分被反射(作为第二部分445)回来并通过四分之一波片元件615，到达观看者的眼睛415的线偏振光330的量可以进一步增加。
图7根据一个实施例，示出了紧凑型AR/VR显示设备700的示例性实现方式。如显示设备700所示，显示器215是面向下的。由显示器215产生的光330向下传输，并且基于光330的第一入射光720入射到设置在视场410内的第一反射镜元件710上。在显示设备700内，第一反射镜元件710包括分束器元件。第一入射光720的第一部分725被分束器元件反射并朝向第二反射镜元件715。第二反射镜元件715一般包括具有任何适当反射率的正屈光度透视镜。
第二入射光730入射到第二反射镜元件715上，并且第二部分735朝向第一反射镜元件710反射。经反射的第二部分735的光可以具有在大约1米到光学无限之间的焦距。第三入射光740入射到第一反射镜元件710上，并且第三部分745被透射通过第一反射镜元件710到观看者的眼睛415。
显示设备700的实现方式提供了若干益处。光学装置705的第一反射镜元件710具有远离观看者的眼睛415的朝向，这一般允许更舒适的佩戴或使用显示设备700。显示设备700的设计还允许第二反射镜元件715的焦距显著缩短，这减小了光学装置705的总体尺寸和重量。在一些情形中，显示设备700可以被缩放到上述显示设备400、500、600的尺寸的大约一半。例如，光学装置705的高度(从顶部到底部看)可以是大约两英寸。虽然未示出，但是光学装置705可以足够小，使得仅向观看者显示显示器215的一部分(例如，显示器215的一部分远离观看者延伸并且向前延伸到第二反射镜元件715)。
图8根据一个实施例，示出了紧凑型AR/VR显示设备800的示例性实现方式。在显示设备800内，显示器215包括产生线偏振(无论是s偏振还是p偏振)图像的偏振显示器，并且光学装置805的第一反射镜元件包括偏振轴与线偏振光330对准的偏振分束器元件810。光学装置805还包括具有垂直朝向(如图所示)并设置在偏振分束器元件810和第二反射镜元件715之间的四分之一波片元件815。
在视场410内，偏振分束器元件810以及四分之一波片元件815和第二反射镜元件715的串联组合被布置成使得具有第一偏振的第一入射光720的大部分被偏振分束器元件810反射(作为第二部分725)，并且具有第二偏振(例如，从分束器元件810的偏振轴90°旋转的偏振)的第三入射光740的大部分被偏振分束器元件810透射(作为第三部分745)。以这种方式，在光每次入射到偏振分束器元件810上时降低损耗。
一般地，尽管第二反射镜元件715具有正屈光度，但是第二反射镜元件715不会使图像失真或重新聚焦，因为第二反射镜元件715的厚度是恒定的。换句话说，第二反射镜元件715具有反射屈光度，但不具有折射屈光度。在一个替代实施例中，第二反射镜元件715是偏振化的，以便进一步增加向偏振分束器元件810反射并最终传输到观看者的光(即，第二部分735)的量。
图9示出了根据一个实施例的紧凑型AR/VR显示设备900的示例性实现方式。在显示设备900中，分束器元件包括对于入射光的不同波长呈现不同透射和/或反射性质的二向色性分束器910(或“二向色镜(dichroic mirror)”)。此外，二向色性分束器910的具体光谱通带可以基于光的入射角而变化。在一个实施例中，由显示器215生成的光330包括大体上红色、绿色和蓝色(RGB)的波长，其在图表925中示出为红色波长930R、绿色波长930G和蓝色波长930B。在这种情况下，二向色性分束器910包括被配置为仅反射RGB波长、同时透射基本上所有其它波长的三波段二向色镜。其它实施例可以使用使用替代色彩模型的二向色性分束器910。在一些实施例中，二向色性分束器910包括被配置为反射一组波长的光而透射其它波长的光的二向色性表面(例如，二向色性涂层)。在一个实施例中，第二镜元件920(例如，正屈光度透视镜)也包括二向色性表面。
在一个实施例中，基于光330的第一入射光930以45°角入射到二向色性分束器910上，其提供第一类型的光反射率(作为第一部分950)。例如，在与二向色性分束器910成45°入射角时，特定RGB波长的光可以大部分被反射，而其它波长的光作为透射部分935通过二向色性分束器910。在与二向色性分束器910垂直(即，呈90°)入射时，RGB波长的光可以大部分透射通过二向色性分束器910，而不是被反射。图表955示出了二向色性分束器910针对红色波长960R、绿色波长960G和蓝色波长960B的这些反射率和透射率性质。
第二镜元件920(例如，取决于第二镜元件920是否包括二向色性表面)反射一些或基本上全部RGB波长的光。在第二镜元件920中包括二向色性表面通常可以使得光330中通过光学装置905透射到眼睛415的百分比增加。在一些实施例中，二向色性表面具有的光谱反射特性与二向色性分束器910的45°入射角的反射光谱、以及显示器215的发射光谱两者相匹配。在一些实施例中，二向色性表面的光谱反射特性也与二向色性分束器910的垂直入射的透射光谱相匹配。
第二入射光975入射到第二镜元件920上，第二入射光975的第二部分980朝向二向色性分束器910反射。在一些实施例中，基于第二部分980的第三入射光985以90°角入射在二向色性分束器910上，并且RGB波长的光大部分作为第三部分990透射通过二向色性分束器910。
光学装置905可以包括附加的(一个或多个)光学元件，以将第二入射光975适当地导向第二镜元件920，从而第三入射光985以大体90°的角度(或者以允许RGB波长大部分透射的替代性入射角)入射在二向色性分束器910上。如图所示，光学装置905包括第三镜元件915，第三镜元件915相对于二向色性分束器910和第二镜元件920具有预定的布置。第三镜元件915被配置为反射第四入射光965的第四部分970，其中第四入射光965基于由二向色性分束器910所反射的第一部分950。在一些实施例中，第三镜元件915包括平面镜，并且在一些情况下可以包括被配置为仅反射第四入射光965的RGB波长的二向色性表面。入射到第二镜元件920上的第二入射光975基于第四部分970。尽管相较其它显示设备400、500等，光学装置905的实现方式可能相对复杂，但是在显示设备900中使用二向色性表面通常允许对由显示器215生成的光330的更佳的能量保存。
在一些实施例中，二向色性分束器910在反射光的波长和透射光的波长上具有微小差别。图表940示出了对应于二向色性分束器910的反射率的第一组RGB波长945R1、945G1和945B1，以及对应于二向色性分束器910的透射率的第二组RGB波长945R2、945G2和945B2。这样的差异可以减少透射通过第二镜元件920的背景光的着色(tinging)效果，因为该差异通常导致观看者在视觉上整合两组色彩从而减少感知的着色效果。
图10示出根据一个实施例的紧凑型AR/VR显示设备1000的示例性实现方式。如上文所讨论的，显示设备400(图4)向观看者的眼睛透射由显示器生成的光功率的大约25％。在包括视场内的正屈光度透视镜的显示设备700(图7)中，所显示的光通过分束器两次并从正屈光度透视镜反射一次，这对应于被透射到观看者的眼睛的显示光功率的约1/8(即，12.5％)。其结果是，由显示器生成的图像和从物理背景透射的光对于观看者来说可能显得相对暗淡。
为了增加对观看者所显示的图像和背景光的亮度，光学装置1005包括几乎100％前表面镜像的第一镜元件1010，而不是分束器元件。光学装置1005还定义相对于观看者的眼睛415具有不同定位的视场410。在这种情况下，视场410延伸通过显示器215和第一镜元件1010之间的间隔1040。在一个实施例中，第一镜元件1010和显示器215之间的间隔1040大约为半英寸到一英寸。
使用第一反射镜元件1010，将由显示器215生成的光330的功率的大约一半(即50％)透射到观看者的眼睛415，与显示设备700相比相当于亮度增加到四倍(即4x)，同时具有基本上相同的成本和重量。基于光330的第一入射光1020入射在第一镜元件1010上，并且表示基本上全部(即100％)的光功率的第一部分1025被朝向第二镜元件1015反射。第二镜元件1015通常包括正屈光度透视镜。基于第一部分1025的第二入射光1030入射到第二镜元件1015上，第二镜元件1015将第二部分1035反射到视场410上。在一些实施例中，第二部分1035代表由显示器215生成的光功率的一半(即50％)。
在一个实施例中，光学装置1005包括对应于观看者的两只眼睛的两个第二镜元件1015(即，两个正屈光度透视镜)。在另一实施例中，光学装置1005包括单个第二镜元件1015，使得观看者的两只眼睛都看到同一第二镜元件1015，这可以是较便宜的实现方式。通常，具有单个第二镜元件1015的实现方式适合于以显示器215的全光栅(full raster)的全分辨率来提供双眼显示设备(即，向两只眼睛提供相同的图像)，而不是在观看者的双眼间分开显示(其可能损失分辨率)。
图11示出根据一个实施例的紧凑型AR/VR显示设备1100的示例性实现方式。在显示设备1100中，透光显示器1110布置在第一透镜元件1105和第二透镜元件1115之间的视场410内。换言之，第一透镜元件1105布置在透光显示器1110的第一侧，第二透镜元件1115布置在透光显示器1110的第二侧。在一些实施例中，第一透镜元件1105具有正屈光度，第二透镜元件1115具有在大小与该正屈光度相等的负屈光度。第一透镜元件1105和第二透镜元件1115可以布置为尽可能靠近透光显示器1110。
透光显示器1110选择性地透射来自物理环境的光。例如，透光显示器1110的每个像素包括透明(即透射)部分、和允许通过像素阵列的部分可见性的反射(或发射)部分。透光显示器1110的一些非限制性示例包括边缘照明LCD、自然光照LCD和透明OLED显示器。在一些实施例中，透光显示器1110是与移动计算设备(例如智能手机)分离的显示器。然而，智能电话的处理能力可以用于驱动分离的透光显示器1110。
在一些实施例中，第一透镜元件1105具有用于观看透光显示器1110的正屈光度。第一透镜元件1105创建透光显示器1110的像，焦距在约1米与光学无限。然而，通过第一透镜元件1105观看透光显示器1110导致来自物理环境的光被散焦(例如，模糊背景)。在显示设备1100内，通过将具有大小与正屈光度相等的负屈光度的第二透镜元件1115包括在内来补偿第一透镜元件1105的效果。第一透镜元件1105和第二透镜元件1115的净效果是透光显示器1110和没有屈光度的背景的清晰视图。换言之，第二透镜元件1115的负屈光度校正来自物理环境的光，使得环境对于观看者显得不失真。
有利地，显示设备1100提供非常紧凑的实现方式。例如，显示设备1100的光学装置的高度(从顶部到底部看)可以是大约二分之一英寸到一英寸。由于显示设备1100通常可对第一透镜元件1105和第二透镜元件1115使用较短焦距透镜，显示设备1100还可为观看者提供更宽的视场。此外，显示设备1100不需要将由透光显示器1110提供的虚拟图像1125与来自环境的物理图像1120光学地组合的分束器元件。其结果是，显示设备1100可以布置得更靠近观看者的眼睛，并且实现方式通常比包括分束器元件的实施方式更小、更轻和更便宜。
在前文中，参考了本公开的实施例。然而，本公开不限于具体描述的实施例。相反，前述特征和元件的任何组合(无论是否涉及不同的实施例)都被设想为实现和实施本公开。此外，尽管本公开的实施例可以实现优于其它可能的解决方案和/或相对于现有技术的优点，但给定实施例是否实现特定优点并不限制本公开。因此除非在权利要求中明确地陈述，前述方面、特征、实施例和优点仅仅是示例性的，并且不被认为是所附权利要求的元素或限制。同样地，除非在权利要求中明确地陈述，对“本公开”的引用不应被解释为本文公开的任何发明主题的概括，并且不应被认为是所附权利要求的元素或限制。
本公开的各方面可以体现为系统、方法或计算机程序产品。因此，本公开的各方面可以采取完全硬件实施例、完全软件实施例(包括固件、常驻软件、微代码等)、或者组合软件和硬件方面的实施例的形式，其在本文可以全部通称为“电路”、“模块”或“系统”。此外，本公开的各方面可以采取体现在一种或多种计算机可读介质(其上实现有计算机可读程序代码)中的计算机程序产品的形式。
可以使用一种或多种计算机可读介质的任何组合。计算机可读介质可以是计算机可读信号介质或计算机可读存储介质。计算机可读存储介质可以是例如但不限于电、磁、光、电磁、红外或半导体的系统、装置或设备、或前述项的任何合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的示例(非穷举列表)包括以下项：具有一根或多根线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤，便携式光盘只读存储器(CD-ROM)、光存储设备、磁存储设备、或前述项的任何合适的组合。在本文档的上下文中，计算机可读存储介质可以是可以包含或存储由指令执行系统、装置或设备所使用(或与其结合使用)的程序的任何有形介质。
计算机可读信号介质可以包括其中实现有计算机可读程序代码(例如，在基带中或作为载波的一部分)的传播数据信号。这样的传播信号可以采取各种形式中的任何一种，包括但不限于电磁、光学或其任何合适的组合。计算机可读信号介质可以是并非计算机可读存储介质的，并且可以传送、传播或传输由指令执行系统、装置或设备使用或与其结合使用的程序的任何计算机可读介质。
实现在计算机可读介质中的程序代码可以使用任何适当的介质传输，包括但不限于无线、有线、光纤线缆、RF等，或前述项的任何合适的组合。
用于执行本公开的方面的操作的计算机程序代码可以以一种或多种编程语言的任何组合来编写，编程语言包括面向对象的程序设计语言(例如Java、Smalltalk、C++等)以及常规的过程式编程语言(例如“C”编程语言或类似的编程语言)。程序代码可以完全在用户计算机上执行、部分在用户计算机上执行、作为独立软件包执行、部分在用户计算机上执行、部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在后一种情况下，远程计算机可以通过任何类型的网络(包括局域网(LAN)或广域网(WAN))连接到用户的计算机，或者可以连接到外部计算机(例如，通过使用互联网服务提供商的互联网)。
上文参考根据本公开的实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图图示和/或框图描述了本公开的各方面。应当理解，流程图和/或框图的每个框以及流程图和/或框图中的框的组合可以由计算机程序指令实现。这些计算机程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器以产生机器，使得经由计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行的指令创建用于实现流程图和/或框图的一个或多个块中指定的功能/动作的装置。
这些计算机程序指令还可以存储在可以指示计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备以特定方式工作的计算机可读介质中，使得存储在计算机可读介质中的指令生成制品，该制品包括实现在流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的指令。
计算机程序指令还可以被加载到计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上，以使得在计算机、其它可编程装置或其它设备上执行一系列操作步骤来生成计算机实现的过程，从而使得在计算机或其它可编程装置上执行的指令提供用于实现流程图和/或框图的一个或多个框中指定的功能/动作的过程。
附图中的流程图和框图示出了根据本公开的各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个框可以表示包括用于实现指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令的代码的部分、模块、或分段。在一些替代的实现方式中，在框中标注的功能可以不按照附图中所示的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能，前后示出的两个框实际上可以基本同时执行，或者这些框有时可以以相反的顺序执行。框图和/或流程图中的每个框以及框图和/或流程图中的框的组合可以由执行指定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以由专用目的硬件和计算机指令来实现。
在所附的附录中提供了讲故事设备和故事管理和创建技术，以及接近检测技术和通信协议的附加示例。
虽然前述内容针对的是本公开的实施例，但是在不脱离本公开的基本范围的情况下，可以构想本公开的其它和进一步的实施例，并且本公开的范围由所附权利要求来确定。

Claims (7)

1.一种具有增强现实(AR)功能的显示设备，用于将显示器所生成的光显示到预定的视场上，所述显示设备包括：
光学装置，该光学装置具有相对于所述显示器的预定位置的预定布置并且限定所述视场，所述光学装置包括：
第一反射镜元件，该第一反射镜元件被配置为反射基于所述显示器所生成的光的第一入射光的第一部分，以及
第二反射镜元件，该第二反射镜元件被放置在所述视场内并且被配置为将基于所述第一部分的第二入射光的第二部分反射到所述视场上，其中，所述第一反射镜元件是分束器元件，该分束器元件还被配置为在所述视场内透射基于所述第二部分的第三入射光的第三部分，
其中，所述分束器元件包括二向色性分束器，所述光学装置还包括第三反射镜元件，该第三反射镜元件被配置为反射基于由所述第一反射镜元件所反射的第一部分的第四入射光的第四部分，并且
其中，所述第二反射镜元件上的第二入射光基于所述第四部分。
2.根据权利要求1所述的显示设备，其中，所述显示器被配置为生成线偏振光，并且其中，所述分束器元件包括偏振分束器，该偏振分束器的偏振轴与所述线偏振光对齐，所述光学装置还包括：
被放置在所述视场内且在所述第一反射镜元件和所述第二反射镜元件之间的四分之一波片元件，使得所述第三入射光具有相对于所述偏振轴成90度的线偏振。
3.根据权利要求1所述的显示设备，其中，所述第二反射镜元件包括二向色性表面，该二向色性表面的谱反射特性与垂直入射情况下所述二向色性分束器的透射谱相匹配。
4.根据权利要求1所述的显示设备，其中，所述视场延伸穿过所述显示器与所述第一反射镜元件之间的间隔。
5.根据权利要求1所述的显示设备，其中，所述显示器被包括在移动计算设备中，所述显示设备还包括：
安装组件，该安装组件被配置为与所述移动计算设备可移除地附接，从而给所述显示器布置所述预定位置。
6.根据权利要求1所述的显示设备，其中，所述光学装置提供正屈光度和折射力中的一者或两者。
7.根据权利要求1所述的显示设备，还包括：
被放置在所述视场内的挡光组件，其中，所述挡光组件被配置为在所述显示设备的预定的虚拟现实(VR)显示模式内将所述视场与物理环境基本隔离开。
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