CN107111142B

CN107111142B - 具有弯曲的微透镜阵列的头戴式成像装置

Info

Publication number: CN107111142B
Application number: CN201680004239.3A
Authority: CN
Inventors: J.M.米尔; R.J.舒尔茨
Original assignee: Iqueti
Current assignee: Iqueti
Priority date: 2015-01-06
Filing date: 2016-01-06
Publication date: 2021-04-27
Anticipated expiration: 2036-01-06
Also published as: WO2016112128A1; EP3243098A1; JP6797799B2; EP3243098A4; JP2018502322A; US10838209B2; CN107111142A; US20180003977A1

Abstract

一种头戴式成像装置具有可激励以投影承载图像的光的投影器以及引导来自投影器的承载图像的光并使之成形以形成实像平面的调光元件。微透镜阵列位于邻近于所述实像平面并且光学地被部署在离开曲面镜基本上一倍焦距处，其中，所述曲面镜的表面基本上是球面的。在来自所述微透镜阵列处的所述实像的光路中存在分束器，并且该分束器被部署成将光的至少一部分从所述实像引导朝向所述曲面镜。所述曲面镜引导来自所述分束器的光以为穿戴所述头戴式成像装置的观察者形成虚像。

Description

具有弯曲的微透镜阵列的头戴式成像装置

技术领域

本发明一般涉及电子显示器，并且更特别地涉及形成虚像的可穿戴电子显示器。

背景技术

正在开发包括以类似常规的眼镜或太阳镜的形式的近眼显示器的头戴式显示器（HMD）以用于一系列多种多样的用途，包括军事、商业、工业、防火以及娱乐应用。对于这些应用中的许多应用，在形成可以在视觉上叠加在位于HMD用户的视场中的现实世界图像之上的虚像时有特定的值。

一般而言，HMD光学器件必须满足包括以下各项的数个基本要求以便被观看者接受：

（i）充足的眼离隙或眼间隙。眼离隙范围是基于观看者舒适度和人眼自身的光学构造来定义的。在实践中，HMD光学器件的最后的光学表面与观看者的眼睛之间的距离优选地高于约20 mm。

（ii）适当的光瞳尺寸。光瞳尺寸要求是基于观看者面部结构中的生理差异以及基于观看期间的注视重定向。已发现至少约10 mm直径的光瞳尺寸是合期望的。

（iii）视场。宽视场是优选的。对于诸如确定目标和对象识别之类的许多视觉任务，接近约50度的视场（FOV）被视为是合期望的。

（iv）亮度。所生成的虚像应具有充足的亮度以实现良好的可见度和观看者舒适度。

方面（i）-（iii）涉及眼盒（eyebox）。眼盒涉及观察者的眼睛可以在其内舒适地观看图像的体积。眼盒的尺寸部分地取决于从图像源到观看图像的位置的光路的长度以及图像源尺寸，并且部分地取决于图像源的散度和/或光在其被图像源发出后的准直度。眼盒的合期望的尺寸很大程度上取决于期望从显示器得到的观看体验的质量。

除了光学要求之外，HMD设计必须还解决实际因素，诸如可变面部几何结构、可接受的形状因数，其具有减小尺寸以便穿戴舒适、重量、和成本以及易于使用的期望。

大部分HMD系统的目标是使得成像/中继系统尽可能地紧凑；然而，当使用常规光学器件时，存在基本限制。光学系统的输出必须具有足够大以支持合理尺寸的虚像并且还允许眼睛的一些移动的光瞳。在双目系统中，还存在在不同用户之间的变化的眼内距离（IOD）的问题，以及使光学系统的输出光瞳允许这一点的需要。尤其是对于60度或更大的宽FOV的情况，眼睛移动、用户的IDO变化以及人的瞳孔尺寸可能要求20mm或更大的水平输出光瞳尺寸。虽然可以在具有从图像源到观看图像的位置的长路径的非常大的沉浸式显示器中实现这点（例如，Kessler等人的美国专利号6416181），但是具有短光路的紧凑式HMD对自准直的虚像的散度施加了显著的挑战。结果，宽FOV紧凑式HMD通常需要使用快速光学器件，其可能体积庞大、复杂、昂贵且展现出球面像差及其它像差。

在针对非常大型的系统的现有技术中已经描述了具有使用球透镜的“单中心”设计的宽FOV成像系统（如在先前提及的Kessler等人的美国专利号6416181中）。由于长的投影距离，诸如这些的大型系统可以容易地产生大的输出光瞳尺寸尽管有相对窄的射束散度。通过对称的球透镜光学器件投影的图像是在观察者与准直镜之间的路径中，从而防止使用附加的扩束元件。还已提出了使用球透镜和单中心光学设计的更紧凑的HMD光学器件（参见例如属于Cobb等人的美国专利号6,522,474 B2）。然而，在那些情况中，形成位于球面镜的焦平面处的图像的球透镜要求大的射束散度以在给定短的眼距离的情况下实现大的输出光瞳。不幸的是，以高发散角使用的球透镜或其它单中心光学器件展现出显著的球面像差，这使得虚像退化并且最终危害了高清晰度内容所需的图像分辨率。

已经描述了使用凹面镜和“半透射”元件来投影图像的紧凑式HMD（参见例如属于高桥的美国专利号5,812,323以及属于Ophey的美国专利号6,487,021）。在这些情况中，具有平面或平坦表面的玻璃棱镜元件能够将由所耦合的显示器（例如，OLED、LCOS）产生的图像投影到半透射元件的面中的一个中。为了实现大于50度的宽FOV，图像显示器必须具有显著的尺寸，例如20mm或更大。由于半导体显示器技术的成本随着尺寸而急剧增加，所以此类显示器可能非常昂贵。这对HMD的价格产生负面影响。此外，半透射元件的类棱镜的几何结构使得它们在增强现实配置中的使用复杂化，因为它们的弯曲的或成角度的表面折射来自直接“穿透的”或周围环境的光。因此，为了将这些系统用在增强现实模式中，必须使用纠正的光学器件或数字成像器，这增加了成本、尺寸和重量。

出于这些原因，常规的HMD设计未能提供用以同时实现高FOV、非常大的输出光瞳、用以仅实现增强现实和数字高清晰度内容的部件、具有针对可穿戴性的紧凑几何结构的经济的解决方案。

发明内容

本公开的目的在于促进使用紧凑式头戴式设备的虚像呈现的领域。有利地，本公开的实施例提供了在需要最小或无需光学调整的情况下向具有宽范围的IOD的观看者呈现高分辨率的宽FOV内容的放大的光瞳尺寸。

将通过回顾以下的优选实施例的详细描述以及随附的权利要求并通过参考附图来更清楚地理解和领会本发明的这些和其它方面、目标、特征和优点。

根据本公开的一个方面，提供了一种头戴式成像装置，其包括：

投影器，其可激励以投影承载图像的光；

调光元件，其引导来自所述投影器的所述承载图像的光并使之成形以形成实像平面；

微透镜阵列，其位于邻近于所述实像平面并且光学地被部署在离开曲面镜基本上一倍焦距处，其中，所述曲面镜的表面基本上是球面的；以及

分束器，其在来自所述微透镜阵列处的所述实像的光路中，并且被部署成将光的至少一部分从所述实像引导朝向所述曲面镜；

其中，所述曲面镜引导来自所述分束器的光以为穿戴所述头戴式成像装置的观察者形成虚像。

附图说明

虽然本说明书以特别指出且清楚地要求保护本发明的主题的权利要求来结束，但是要相信，在结合附图来时将会从以下描述更好地理解本发明。

图1是用于为观察者的一只眼睛提供图像的光学装置组件的示意性侧视图。

图2是示出微透镜阵列如何扩展光瞳尺寸的示意性侧视图。

图3示出应用于微透镜阵列的场曲率。

图4是示出用于光瞳扩展的一般原理的示意图。

图5是示出为一只眼睛形成图像的透视图。

图6是从观看侧来看的示出用于为观察者提供虚像的头戴式装置的组件的透视图。

图7A、7B和7C是示出用于为观察者提供虚像的头戴式装置的组件的正面透视图。

具体实施方式

本描述特别地涉及到形成根据本发明的装置的一部分或者更直接地与根据本发明的装置合作的元件。要理解的是，没有具体地示出或描述的元件可以采取本领域技术人员公知的各种形式。

当用在本文中时，术语“第一”、“第二”等等不一定表示任何顺序、连续或优先级关系，而是仅用来更清楚地区分一个元件或一组元件与另一元件或另一组元件，除非另外指明。术语“顶部”和“底部”不一定指示空间位置，而是提供关于结构的相对信息，诸如以区分平面（平坦）波导的相对的表面。

在本公开的上下文中，术语“观看者”、“操作者”、“观察者”和“用户”被视为是等价的，并且指代穿戴该HMD观看设备的人。

如本文中使用的，术语“可激励”涉及在接收到电力时以及可选地在接收到启用信号时执行所指示的功能的设备或一组组件。

术语“可致动”具有其常规含义，涉及响应于刺激（例如诸如响应于电信号）能够产生动作的设备或组件。

如本文中使用的术语“集合”指代非空集合，如一组元或成员的集合的概念在初等数学中广泛地理解的那样。除非另外明确地陈述，否则在本文中使用术语“子集”来指代非空真子集，亦即，指代具有一个或多个成员的较大的集合的子集。对于集合S，子集可以包括完整的集合S。然而，集合S的“真子集”被严格地包含在集合S中并且排除集合S的至少一个成员。

在本公开的上下文中，术语“非直角的”意指以不是90度的整数倍的一定角度。例如如果两条线、两个线性结构或者两个平面以远离平行的至少约5度或更多、或者远离正交的至少约5度或更多的角度从彼此发散或向彼此会聚，则它们被视为相对于彼此成非直角。

在本公开的上下文中，术语“被耦合”意图指示在两个或更多个组件之间的物理关联、连接、关系或链接，使得一个组件的部署影响其耦合到的组件的空间部署。对于机械耦合，两个组件不需要处于直接接触，而是可以通过一个或多个中间组件来链接。用于光学耦合的组件允许将光能输入到光学装置或从其输出。术语“扩束器”和“光瞳扩展器”被视为是同义的，在本文中可互换地使用。

作为实像投影的替换方案，光学系统可以产生虚像显示。与用于形成实像的方法相比，虚像不被形成在显示表面上。亦即，如果显示表面位于虚像的感知位置处，那么将没有图像形成在该表面上。虚像显示对于增强现实显示来说具有数个固有优点。例如，虚像的外观尺寸不受显示表面的尺寸或位置的限制。此外，用于虚像的源对象可以很小；作为简单示例，放大镜提供其对象的虚像。与投影实像的系统相比，可以通过形成看起来距离更远一些的虚像来提供更现实的观看体验。提供虚像还避免了对如可能当投影实像时必须的那样补偿屏幕伪像的任何需要。

本公开的实施例提供了一种用于利用扩大的观看光瞳来提供虚像的光学系统。

投影器的图像空间f/#取决于到通过系统光阑的直径划分的图像的距离（通过最后的的光学器件的孔径尺寸来近似）。在合理距离上大于f/2.6的投影器对于HMD系统来说会体积太大。投影在a >f/3.5距离处的具有8mm或更小的出口孔径直径的更紧凑的投影器无法适当地填充孔径。对于系统光学器件的挑战在于提供光学解决方案，其提供增大的f/#而不会明显低增加光学系统的体积。

图1的示意性侧视图示出用于向在出射光瞳E处的一只眼睛提供虚像的成像装置10的组件，所述出射光瞳E位于被定义在两个被示出大体上平行的线之间且定义图像在何处对观察者可见的眼盒B内。投影器20在图像平面处将图像投影到微透镜阵列30，以形成在微透镜阵列30处或靠近微透镜阵列30的实像。与利用反射扩散器的解决方案截然相反，微透镜阵列30充当光的传输中的扩散器。使提供微透镜阵列30的基板3弯曲以减小在随后的光处理时的佩兹伐曲率。微透镜阵列30被部署在距球面曲面镜34的一倍焦距处。

相对于图1的视图，微透镜阵列30曲率向页面中延伸；边缘36基本上平行于页面表面并且位于页面表面之外。微透镜阵列30扩展有效射束宽度，并且从而扩展从投影器20投影的射束的f/#。分束器32将经扩展的射束引导朝向球面曲面镜34，球面曲面镜34通过将光重新引导朝向出射光瞳E来形成放大的虚像V。虚像V看起来位于曲面镜34的外边缘之外。充分地确定眼盒B的尺寸以允许多个光瞳位置。曲面镜34的表面基本上是球面的，但是可能具有非球面的曲率。曲面镜34可以是部分透射的，诸如以便允许观察者看到实际周围环境的至少一部分以实现增强现实应用。可以可选地提供诸如机械快门或光阀门（诸如LCD（液晶器件））之类的光学快门以控制通过曲面镜34的光透射并且以阻挡或透射来自周围环境的光。

图2为了强调而以夸大的尺寸示出微透镜阵列30如何扩展射束宽度来提供光学系统内的较大的f/#。尤其感兴趣的是以下内容：

（i）图像像素到微透镜的映射。图像像素到微透镜的1:1映射是尤其有利的。对于此布置，微透镜直径优选地约为个体的图像像素的尺寸。替换地可以提供小于1:1的映射。

（ii）投影器焦点。投影器20焦点在靠近微透镜阵列30的焦平面是有利的。在图2中通过虚线示出投影器20的焦平面FP。如图2所显示的，投影器20焦点可以轻微地偏移，使得所投影的图像沿着微透镜阵列30的基板或者在微透镜阵列30的基板内但是在稍微在光路中的单独微透镜38的焦点F1后面聚焦。在此布置中，微透镜阵列被视为位于邻近于图像平面。

（iii）放大角度。从投影器20投影的光通常在大约f/5或更高的范围中，并且可以从f/6到f/10变动。通过微透镜阵列30扩展的光在大约f/3.5或更低处。

（iv）微透镜形状。阵列30中的微透镜38可以是凸的、凹的或其它适当形状。

（v）微透镜阵列30曲率。图3示出相对于球面曲率S的微透镜阵列30的曲率。如图3中所示，微透镜阵列30弯曲约单个轴A；在相对短的距离上，此曲率可以严密地近似于球面曲率S。针对微透镜阵列30的理想曲率将是球面的；然而，圆柱曲率提供了合理替换方案，如所示的那样。这有助于减小佩兹伐曲率效应。图像平面的曲率不需要精确地匹配透镜的佩兹伐曲率，但是应当至少在约1屈光度之内，在可以被大部分的观察者群体适应的范围内。

图4是示出用于成像系统的操作原理的示意图。投影器20在微透镜阵列30上形成实像，微透镜阵列30操作以传播来自每个像素的光。在图4中通过透镜L示意性地表示但是在本公开的光学成像装置10中通过曲面镜34来执行的放大系统然后提供为观察者的眼睛形成虚像的光。在出射光瞳处的光为至少约f/4。

图5是以虚线轮廓示出观察者的眼盒B的相对位置的光学系统的一部分的部分图。

图6是示出在头戴式设备（HMD）50中的光学组件的背向透视图。图7A、7B和7C示出从观察者的前方看的视图。调光光学器件40包括一个或多个光学元件，其引导来自投影器的承载图像的光并使之成形以便形成实像平面。调光光学器件40将来自投影器20并通过弯曲微透镜阵列30的光引导至分束器32。图7A、7B和7C的正视图示出曲面镜34，其从被投影到弯曲微透镜阵列30上的实像形成虚像。耳机60提供音频信号输出。

微透镜阵列可以提供在玻璃基板上或在塑料基板上。可以通过使阵列永久性地弯曲或者通过将阵列安装在促使阵列弯曲至适当形状的框架中来提供微透镜阵列的曲率。投影器可以使用固态光源，诸如例如与一个或多个光调制显示面板（诸如硅基液晶（LCOS）或数字光处理器（DLP））耦合在一起的发光二极管（LED）。调光光学器件40可以包括透镜、反射镜、基于棱镜的波导或用以引导、成形和修改从投影器20到微透镜阵列30的承载图像的光的其它器件。可以用调光光学器件40的全部元件的适当设计来实现图像场或佩兹伐曲率。

本公开的实施例允许使用小的投影器设备用于向具有大的眼盒的观察者显示虚像。

已经特定地参考目前优选的实施例详细地描述了本发明，但是将理解的是，可以实现在本发明的精神和范围内的变形和修改。目前公开的实施例因此在所有方面都被视为是说明性的而非限制性的。通过随附的权利要求来指示本发明的范围，并且落入随附的权利要求的等价物的范围和含义内的全部改变都意图涵盖在其中。

Claims

1.一种头戴式成像装置，其包括：

投影器，其可激励以投影承载图像的光；

曲面镜，其是部分透射的以允许周围环境对观察者眼睛的至少部分的可见度；

微透镜阵列，其位于邻近于所述实像平面并且光学地被部署在离开曲面镜基本上一倍焦距处，其中，所述曲面镜的部分反射表面基本上是球面的；以及

其中，所述曲面镜引导来自所述分束器的光以为穿戴所述头戴式成像装置的观察者的眼睛形成虚像，以及

其中所述微透镜阵列包括具有相应焦点的多个微透镜，并且所述实像平面在所述光路上位于所述多个微透镜的焦点的前面且偏移的位置。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述微透镜阵列包括围绕至少一个轴弯曲的基板，并且所述实像平面位于所述基板内。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述微透镜阵列包括基板，所述多个微透镜包括在所述光路上从基板朝向分束器侧突出的相应的凸表面，并且所述实像平面位于所述基板内。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，多个投影器像素以1:1或更小的比率被映射到所述微透镜阵列。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述微透镜阵列将像素照明从大于约f/5改变到小于约f/4。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述曲面镜包括被部署以阻挡或透射来自周围环境的光的可移除机械光挡板或电子光快门。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述微透镜中的一个或多个是凹面的。

8.根据权利要求1所述的装置，还包括一个或多个耳机。

9.一种装配头戴式成像装置以便为观察者形成虚像的方法，所述方法包括：

布置投影器以在像平面处形成实像；

邻近于所述像平面放置微透镜阵列；

使曲面镜定位在距像平面的基本上一倍焦距处，其中，所述曲面镜是部分透射的以允许周围环境对观察者眼睛的至少部分的可见度，并且所述曲面镜包括基本上是球面的部分反射表面；以及

将分束器部署在来自所述微透镜阵列处的所述实像的光路中以将光的至少一部分从所述实像引导朝向所述曲面镜；

其中，所述曲面镜引导来自所述分束器的光以为所述观察者的眼睛形成所述虚像，以及

其中所述微透镜阵列包括具有相应焦点的多个微透镜，并且放置所述微透镜阵列的步骤包括放置所述微透镜阵列使得所述像平面在所述光路上位于所述多个微透镜的焦点的前面且偏移的位置。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述微透镜阵列包括围绕至少一个轴弯曲的基板，并且放置所述微透镜阵列的步骤包括放置所述微透镜阵列以使得所述像平面位于所述基板内。