CN107430277A - 用于沉浸式虚拟现实的高级折射光学器件 - Google Patents

用于沉浸式虚拟现实的高级折射光学器件 Download PDF

Info

Publication number
CN107430277A
CN107430277A CN201680014251.2A CN201680014251A CN107430277A CN 107430277 A CN107430277 A CN 107430277A CN 201680014251 A CN201680014251 A CN 201680014251A CN 107430277 A CN107430277 A CN 107430277A
Authority
CN
China
Prior art keywords
display
lenslet
display device
lens
virtual
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201680014251.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN107430277B (zh
Inventor
P·贝尼特斯
J·C·米纳诺
M·布简
D·格拉伯维奇
P·扎莫拉
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tese Rand Co Ltd
Original Assignee
Tese Rand Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Tese Rand Co Ltd filed Critical Tese Rand Co Ltd
Publication of CN107430277A publication Critical patent/CN107430277A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN107430277B publication Critical patent/CN107430277B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/0006—Arrays
    • G02B3/0037—Arrays characterized by the distribution or form of lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B25/00—Eyepieces; Magnifying glasses
    • G02B25/001—Eyepieces
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/08—Catadioptric systems
    • G02B17/0804—Catadioptric systems using two curved mirrors
    • G02B17/0816—Catadioptric systems using two curved mirrors off-axis or unobscured systems in which not all of the mirrors share a common axis of rotational symmetry, e.g. at least one of the mirrors is warped, tilted or decentered with respect to the other elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B17/00—Systems with reflecting surfaces, with or without refracting elements
    • G02B17/08—Catadioptric systems
    • G02B17/0856—Catadioptric systems comprising a refractive element with a reflective surface, the reflection taking place inside the element, e.g. Mangin mirrors
    • G02B17/086—Catadioptric systems comprising a refractive element with a reflective surface, the reflection taking place inside the element, e.g. Mangin mirrors wherein the system is made of a single block of optical material, e.g. solid catadioptric systems
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
    • G02B30/20—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes
    • G02B30/22—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes of the stereoscopic type
    • G02B30/24—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images by providing first and second parallax images to an observer's left and right eyes of the stereoscopic type involving temporal multiplexing, e.g. using sequentially activated left and right shutters
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T15/00—3D [Three Dimensional] image rendering
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N13/00—Stereoscopic video systems; Multi-view video systems; Details thereof
    • H04N13/30—Image reproducers
    • H04N13/332—Displays for viewing with the aid of special glasses or head-mounted displays [HMD]
    • H04N13/341—Displays for viewing with the aid of special glasses or head-mounted displays [HMD] using temporal multiplexing
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N13/00—Stereoscopic video systems; Multi-view video systems; Details thereof
    • H04N13/30—Image reproducers
    • H04N13/332—Displays for viewing with the aid of special glasses or head-mounted displays [HMD]
    • H04N13/344—Displays for viewing with the aid of special glasses or head-mounted displays [HMD] with head-mounted left-right displays
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0123—Head-up displays characterised by optical features comprising devices increasing the field of view
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0132—Head-up displays characterised by optical features comprising binocular systems
    • G02B2027/0134—Head-up displays characterised by optical features comprising binocular systems of stereoscopic type
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/0101—Head-up displays characterised by optical features
    • G02B2027/0138—Head-up displays characterised by optical features comprising image capture systems, e.g. camera
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0093—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 with means for monitoring data relating to the user, e.g. head-tracking, eye-tracking
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T19/00—Manipulating 3D models or images for computer graphics
    • G06T19/006—Mixed reality
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N13/00—Stereoscopic video systems; Multi-view video systems; Details thereof
    • H04N13/30—Image reproducers
    • H04N13/366—Image reproducers using viewer tracking
    • H04N13/383—Image reproducers using viewer tracking for tracking with gaze detection, i.e. detecting the lines of sight of the viewer's eyes

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Computer Graphics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Lenses (AREA)
  • Testing, Inspecting, Measuring Of Stereoscopic Televisions And Televisions (AREA)
  • Control Of Indicators Other Than Cathode Ray Tubes (AREA)
  • Devices For Indicating Variable Information By Combining Individual Elements (AREA)

Abstract

一种显示设备，具有可操作以生成实像的显示器，以及包括一个或多个小透镜的光学系统，被布置成通过每个小透镜将来自显示器的光投射到眼睛位置而从显示器上的部分实像生成虚拟子图像。各子图像组合，以形成从眼睛位置可见的虚像。至少一个小透镜相对于平面是对称的，并且显示器表面是柱形的，其轴垂直于所述平面。

Description

用于沉浸式虚拟现实的高级折射光学器件
对相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年1月21日提交的共同发明且受让的美国临时专利申请No.62/105,905以及于2015年8月21日提交的No.62/208,235的权益。这两个申请都通过引用整体上并入本文。本申请涉及共同发明人Benitez和的标题为“Immersive compactdisplay glasses”的WO 2015/077718(PCT/US 2014/067149)，以下称为“PCT1”，其通过引用整体上并入本文。
技术领域
本申请涉及视觉显示器，尤其涉及头戴式显示器技术。
背景技术
1.定义
2.现有技术
头戴式显示器技术是快速发展的领域。头戴式显示器技术的一方面是它提供完整的沉浸式视觉环境(其可以被描述为虚拟现实)，使得用户仅观察到由一个或多个显示器提供的图像，而外部环境被视觉遮挡。这些设备在诸如娱乐、游戏、军事、医药和工业之类的领域中都有应用。
头戴式显示器通常由一个或两个显示器、它们对应的光学系统(其将显示器成像到要被用户的眼睛可视化的虚拟屏幕中)以及头盔(其在视觉上遮挡外部环境并提供对所提到的组件的结构支撑)组成。显示器还可以具有瞳孔跟踪器和/或头部跟踪器，使得由显示器提供的图像随用户的移动而改变。
理想的头戴式显示器结合了高分辨率、大视场、低且良好分布的重量以及具有小维度的结构。虽然一些技术单独地成功实现了这些期望的特征，但迄今为止，还没有已知技术能够将所有这些特征结合起来。这导致对用户来说不完整或甚至不舒服的体验。问题可以包括低现实程度和眼睛疲劳(低分辨率或光学成像质量)、不能创造沉浸式环境(小视场)或者对用户头部的压力过大(过重)。
Mizukawa的美国专利5,390,047描述了立体查看器，用于容纳立体照片的常规旋转对称透镜和立体照片的保持包装。可以改变双目透镜与立体照片之间的距离，使得用户三维地观看立体照片。
在Ismael等人的美国专利申请No.US 2010/0277575 A1中提出了具有用于双眼的单个大显示器和两个透镜(每只眼睛一个)的3D查看器的特定情况。这个专利申请示出了经由手持式媒体播放器(例如，个人数字助理(PDA)、蜂窝电话、或其它能够显示图像的便携式设备)提供3D图像和/或3D视频的方法和装置。
具有用于双眼的一个数字显示器的HMD配置对于以大约5.7”(145mm)对角线的低成本背板技术制造的商业数字显示器是特别有吸引力的。这种数字显示器的侧向长度为126mm，约为平均人瞳孔间距离63mm的两倍。这通过图1来解释，图1从上方示出了两个眼球101分开瞳孔间距离105的示意图。数字显示器103发射被透镜102偏转并被发送到用户的眼睛的光。由于数字显示器的侧向长度的一半(即，104)等于瞳孔间距离105，因此透镜102在图中可以被左右对称地设计，因为从数字显示器的其对应的一半接收到的光锥将是对称的。虚线106指示数字显示器的对称轴。
显示器可以是由堆叠(透射)LCD实现的所谓的光场显示器类型(F.Huang、K.Chen、G.Wiltzstein。“The Light Field Stereoscope:Immersive Computer Graphics viaFactored Near-Eye Light Field Displays with Focus Cues”，ACM SIGGRAPH(Transactions on Graphics 33,5)，2015)。由于其厚度而特别有趣的是只有2个堆叠的LCD以及其间的分离器的情况。光场显示器支持焦点提示，它与设备的其余部分一起有助于以合理的成本和体积解决聚散－调节(vergence-accommodation)冲突。
用来在维持高分辨率的同时增大视场的一种方法是拼接(tile)，即，使用以镶嵌图案布置并且不在同一平面中的每只眼睛多个显示器。那种方法在以下参考文献中提到：J.E.Malzer，“Overcoming the Field of View:Resolution Invariant in Head MountedDisplays”，SPIE第3362卷，1998，或D.Cheng等人的“Design of a wide-angle,lightweight head-mounted display using free-form optics tiling”，Opt.Lett.36，2098-2100(2011)。Cheng等人描述了用于自由形状的透视光学系统的光学拼接。授予Massof等人的专利US6,529,331B2也给出了一种用于虚拟现实头戴式显示器和大约22mm焦距的光学拼接解决方案。
如J.E.Meizer、K.Moffitt的“Partial binocular-overlap in helmet-mounteddisplays”SPIE 1117，56-62，1989中所描述的，水平视场可以通过部分双眼交叠来扩大。通过部分交叠，人类视觉利用双目交叠的中心区域和外部单眼区域复制(replicate)。用一只眼睛工作的光学系统在物理上向内倾斜，以进行会聚交叠，或者向外倾斜，以进行发散交叠。交叠区域的光学性能是非常重要的。必须应用双目对准、对焦和失真校正。
授予Harvey的US专利4,154,514描述了由具有变形透镜的单个投影仪、普通标准35mm变形膜和深度弯曲屏幕制成的电影投影系统。这种投影系统声称给予观众改善的感知深度。弯曲的透镜屏幕表面占据与圆的大约146度对应的弧，而屏幕宽度与屏幕高度之比为大约2.25比1(参见图2的示意性顶视图和示意性侧视图的示意图)。Harvey的屏幕的水平和垂直维度近似于估计的平均视场，水平方向大约为160度并且垂直方向为60度。
本文中的一些实施例使用由若干小透镜单元组成的光学器件将来自数字显示器的光投射到眼睛。与本发明具有共同发明人的PCT1申请公开了与那些实施例相关的概念，如群集、opixel和ipixel。图3(也是PCT1中的图3)示出了仅具有四个群集304t、304b、305t和305b的简单示例，其形成由数字显示器307上的opixel创建的复合图像。opixel由小透镜阵列光学器件投射，以在虚拟屏幕308(为了简单起见，这里已经被绘制成具有矩形轮廓的平面)上形成ipixel的图像。因此，每个opixel属于单个群集，并且任何两个群集的交集都是空集合，并且所有群集的并集是整个数字显示器。
每个群集在虚拟屏幕上显示图像的一部分。相邻的群集以在相邻区域中重合的一定移位显示图像的部分。为了解释为什么这是必要的，在图3的顶部添加了二维示意图。它示出了相关的光线，以定义opixel和ipixel之间的映射的边缘。在这个图中，具有ipixel的虚拟屏幕被放置在无穷远处，因此光线300a、301a、302a和303a的方向指示虚拟屏幕上的ipixel位置。为了简单起见，图是二维的，但是在图3中左下角投射图像的实际设备是三维的并且包含四个小透镜，两个在上面并且两个在下面，而不仅仅是在图3的顶部的示意图中示为304和305的两个小透镜。二维方案用来解释opixel和ipixel之间的映射的水平坐标，并且类似的推理适用于垂直坐标。
虚拟屏幕的水平范围从300a延伸到303a。在左群集304t和304b中表示的图像的部分由到达瞳孔范围306的边缘的边缘光线300a和302a给出，其限定虚拟屏幕308上的垂直线300a和302a。类似地，在右群集305t和305b中表示的图像的部分由在虚拟屏幕308上限定两条垂直线的边缘光线301a和303a给出。因此，虚拟屏幕308在301a和302a之间的部分将在左群集和右群集中都显示。
具体而言，小透镜304将虚拟屏幕的边缘光线300a和302a映射到数字显示器307上的300b和302b上。类似地，小透镜305将边缘光线301a和303a映射到数字显示器307上的301b和303b上。光学设计意在保证群集不交叠，这通过在301b和302b重合时最大限度地利用数字显示器来实现。顶部群集304t、305t与底部群集304b、305b的类似对准从图3中显而易见。
由于信息在群集上的部分重合，因此ipixel ip1由四个opixel(op11、op12、op13和op14)的投射形成。Opixel的这个集合被称为ipixel ip1的“网”。位于虚拟屏幕中心的ipixel(诸如ip1)的网各自包含四个opixel。但是，接近虚拟屏幕边界的ipixel的网可以具有较少的opixel。例如，ipixel ip2的网只包含两个opixel(op21和op22)，ip3的网只包含op31。
发明内容
公开了具有一个或多个小透镜的HMD的折射光学设计，该一个或多个小透镜由具有垂直于数字显示器的对称平面的自由形状表面组成。数字显示器优选地为柱形(一般具有非球形方位(azimuthal)横截面)，柱形的轴是竖直的并且垂直于自由形状的表面的对称平面。
显示设备的一个方面包括可操作以生成实像的显示器以及包括一个或多个小透镜的光学系统，其被布置成通过每个小透镜将来自显示器的光投射到眼睛位置而从显示器上的相应部分实像生成虚拟子图像。各子图像组合，以形成从眼睛位置可见的虚像。至少一个所述小透镜相对于平面是对称的，并且显示器表面是柱形的，其轴垂直于同一平面。
每个所述小透镜可以相对于所提到的平面是对称的。
一个或多个小透镜包括对称的小透镜中的至少两个。
在一个或多个小透镜包括至少两个小透镜的情况下，显示器上的相应的部分实像可以被布置成使得各子图像组合，以形成作为给定图像的不间断虚像的可见虚像。
至少一个小透镜可以被布置成产生相应的部分虚像，该相应的部分虚像包含在眼睛的瞳孔在瞳孔范围内的情况下当所述眼睛处于假想的眼球位置处时由眼睛投射到眼睛的1.5mm视网膜中央凹上的部分，然后每个虚像的所述部分可以具有比外周部分更高的分辨率。
依赖于小透镜的数量，这些实施例有多种可能的配置。优选实施例具有一个、两个或四个小透镜。这些实施例可以被设计成与用于双眼的单个数字显示器、每只眼睛一个数字显示器或者每只眼睛两个数字显示器一起使用，并且数字显示器可以是弯曲的。
通过多项式展开的系数的多参数优化，优选地使用正交基，使用两个或更多个自由形状的表面来完成光学设计。设计要求适应于人眼分辨率，以最佳利用可用的自由度。这种适应意味着，当眼睛凝视每个ipixel附近时(即，当该ipixel被观察的外周角小时)，该ipixel的图像质量被最大化，因为该ipixel将被眼睛成像到视网膜中央凹上。另一方面，图像质量在外周角逐渐增大时逐渐降低，因为眼睛的分辨能力在较高的外周角处显著下降。
另一方面提供了一种显示设备，包括可操作以生成实像的显示器，以及包括多个小透镜的光学系统，每个小透镜被布置成通过每个小透镜将来自显示器的光投射到眼睛位置而从显示器上的相应部分实像生成虚拟子图像。各虚拟子图像组合，以形成从眼睛位置可见的虚像。每个小透镜包括第一和第二自由形状的光学透镜，被布置成使得来自显示器的光穿过第一自由形状光学透镜和第二自由形状光学透镜两者，到达眼睛位置。
于是，显示设备可以包括至少在表面和斜率上连续并且形成至少两个所述小透镜的第二自由形状光学透镜的自由形状透镜，所述至少两个所述小透镜形成不同的虚拟子图像。
形成不同虚拟子图像的那至少两个所述小透镜中的第一透镜可以是单个透镜的被至少斜率的断开处(break)分开的部分。
另一方面提供了一种头戴装置，其包括根据上面提到的任何方面的显示设备，具有用于将显示设备定位在人的头部上的安装座，显示设备的眼睛位置与人的眼睛重合。
然后，头戴装置还可以包括第二显示设备，安装成第二显示设备的眼睛位置与人的第二只眼睛重合。两个显示设备可以是相似的，并且可以完全相同或者是彼此的镜像。
于是，第一只眼睛的显示设备的显示器和第二只眼睛的显示设备的显示器可以是单个显示器的部分。
附图说明
图1是由2个旋转对称的透镜和一个大平板显示器构成的光学配置的示意图(现有技术)。
图2是电影投射系统的示意图(现有技术)。
图3是ipixel到opixel映射的示意图(现有技术)。
图4是由每只眼睛单个小透镜自由形状实施例和一个柱形数字显示器组成的光学配置的示意图。
图5是其水平横截面在图4中示出的设备的等距示意图。
图6示出了作为外周角的函数的典型人眼的角度分辨率。
图7是具有一个柱形数字显示器的两个2倍自由形状透镜的光学配置的示意图。
图8是由一个柱形数字显示器组成的光学系统的示意图，每只眼睛具有两个透镜：一个2倍自由形状透镜和一个旋转对称透镜。
图9是由一个柱形数字显示器组成的光学系统的示意图，每只眼睛具有两个2倍透镜，一个放置在另一个前面。
图10是图4中所示的光学系统的变体的示意图，具有两个柱形数字显示器和两个自由形状的单小透镜光学系统。
图11是图4中所示的光学系统的变体的示意图，具有两个倾斜的平坦数字显示器和两个自由形状的单个小透镜。
图12是其水平横截面在图11中示出的设备的等距示意图。
图13描述了用来表示一个详细设计的表面的局部坐标系。
图14是图13的详细设计的横截面图，示出了一些特征光线。
图15是图14中的相同设计的另一个横截面图。
图16是用于定义若干角度的图。
具体实施方式
图4示出了具有每只眼睛单个小透镜自由形状设计以及一个柱形数字显示器的一个实施例的顶视图的示意图。数字显示器的柱轴垂直于绘图平面。数字显示器被设计为围绕用户头部呈现柱形构造，如由401所示。这种几何形状允许比具有平坦数字显示器的类似设计更符合人体工程学和紧凑的设备，因为数字显示器的侧向部分更接近用户的脸。每只眼睛一个自由形状透镜402，每个透镜产生来自数字显示器的光的两次连续折射。每个自由形状透镜402具有平行于图4中的纸平面的对称平面。虚线403指示从虚拟屏幕朝着眼球行进的虚拟光线，而连续线404表示从数字显示器朝着眼球行进的实际光线，光线被相应透镜402的两个表面折射。本文所示的自由形状透镜的设计方法类似于PCT1的附录A的第6.14.1节和附录B的第6.14.2节中所描述的方法。但是，在PCT1中，使用柱形数字显示器的实施例具有平行于自由形状表面的对称平面的柱轴，而在图4中，柱轴垂直于那个平面。
图5是先前在图4中以2D示出的光学配置的透视图。数字显示器502向前放置并在水平方向上清楚地呈曲线形状。线503指示数字显示器的对称轴，其将显示器502分成两半。显示器502的每一半与其中一只眼睛501及其对应的透镜504一起工作。请注意，两个折射透镜都是自由形状(即，没有旋转对称)。这是由每个透镜的表面S1上绘制的网格的不规则曲线指示的。
用于45mm焦距和具有半径为100mm的选定圆形轮廓的弯曲数字显示器(该设计不限于这种轮廓)的这种设计配置的示例实现100°的视场。
另一个实施例是每只眼睛具有一个2倍自由形状透镜以及单个柱形显示器，并且在图7中以水平横截面示出。我们在这里将图4所示的单个小透镜情况扩展为2倍透镜。一般而言，我们可以将其扩展到k倍(k>2)的光学器件。与PCT1中公开的实施例对照，图7中的2倍透镜具有与横截面的平面重合的对称平面，并且柱形显示器的轴垂直于自由形状光学器件的对称平面。可替代地，可以使用两个分开的弯曲的或倾斜的显示器。
离开柱形数字显示器701的光线在2倍自由形状光学器件702上遭受两次折射。虚线704指示从虚拟屏幕朝着眼球705行进的虚拟光线，而连续线703表示从数字显示器701朝着眼球705行进的光线，如已经提到的那样，光线被光学器件702的两个表面折射。一般而言，透镜702的两半不是彼此对称的。
如图7所示，更靠近眼睛的表面S2(标记为706)被设计成在两个小透镜相遇的地方其导数具有不连续性。可以开发替代设计，其中更远离眼睛(标记为707)的表面S1具有尖端(即，导数不连续处)，而表面S2是连续的并且可微分的。在一个替代实施例中两个表面S1和S2也可以同时不可微分。
图8示出了具有弯曲数字显示器801和每只眼睛两个透镜(2倍自由形状透镜809和旋转对称透镜810)的实施例的2D横截面。人的眼球被标记为812，并且用户的鼻子被标记为813。如图8所示，由数字显示器801发射的光线806、807和808经历4次折射：首先，它们被2倍自由形状透镜809的两个表面(802和803)折射，之后被旋转对称透镜810的两个表面(804和805)折射，最后它们指向眼球中心811。
这种配置有4个表面要设计：2个自由形状(802和803)和2个优选地旋转对称(804和805)。与图7中所示的先前实施例相比，由2个新的旋转对称表面提供的这种配置的附加自由度可以被用来获得具有优化分辨率的设计，即，其焦距随着虚拟屏幕上ipixel的角方向而变化的设计。执行这种变化，以便与如在参考文献PCT1中所述的人类分辨率相匹配。
图9示出了由每只眼睛两个2倍自由形状透镜(标记为902和903并且连续放置在人眼911和弯曲显示器901之间)组成的实施例的水平横截面的示意图。透镜902由与透镜903不同的材料制成，以减少整个设备的色像差。由于要设计4个自由形状表面，因此这种配置具有足够的自由度，因此与每只眼睛仅给出两个自由形状表面并因此具有更少自由度的设计相比，它们可以被用来控制焦距、扩大视场并提高图像形成质量。可替代地，使表面924和915与925和916重合，因此它们可以接合并获得自由形状双体(doublet)。柱形数字显示器被标记为901。图9中用户的鼻子918和两个眼球911是为了定向而示出的。图9中示出了2倍设计，但这种配置可以显而易见地扩展到k倍光学器件，其中k>2。
光线906在其边界附近离开数字显示器901。然后，它被自由形状透镜902的表面923和924折射，随后由自由形状透镜903的表面925和926折射。在4次折射之后，当眼睛静止向前看时，这条光线朝着眼睛瞳孔910的中心被重定向。这条光线示意性地表示视场的外边界。光线919示意性地图示了视场的内部边界。一般而言，2倍自由形状透镜902或903的小透镜不是完全相同的，这也是因为视场的内角922和外角921相对于向前方向920不对称。如先前的设计中那样，我们必须保证不会发生光学串扰。分别来自群集912和913的边缘(其由于本文假设容限防护装置因而不在单点重合)的光线904和905在表面914、915和916上折射，然后撞击在透镜903的表面917的尖端上。之后，它们分别朝着由角度909限定的瞳孔范围的边缘907和908被重定向。这种设计条件确保到达瞳孔范围区域内的任何点的每条光线将不会经历光学串扰。
图10图示了图4中所示配置的另一种变体的2D横截面的示意图。代替用于双眼的一个弯曲的数字显示器401，本文示出了两个分开的弯曲的数字显示器1001和1002，每只眼睛一个。弯曲的数字显示器的这种分割也可以应用到图7、图8和图9中所示的实施例。
在图4和7中，柱形显示器是圆柱形。但是，图10中的柱形显示器1001、1002是更一般意义上的柱形，部分平坦且朝向眼睛部分凹入，在弯曲部分中具有相当平滑的曲线。柱形的轴可以作为与母线平行的任何方便的参考线。
因此，我们可以将柱形显示器体系架构近似为两个倾斜的平坦数字显示器，以便允许更符合人体工程学和紧凑的设备，因为数字显示器的侧向侧面更靠近用户的脸，如图11中所给出的。除了人体工程学，倾斜显示器或使其弯曲可以增大水平视场、提高图像质量，或同时两者兼有。
图11示出了图4和图10中所示的实施例的另一种变体的2D横截面的示意图。图4示出了每只眼睛一个自由形状透镜，以及一个大的弯曲的数字显示器。图10示出了具有两个分开的弯曲数字显示器(每只眼睛一个)的同一透镜。图11示出了两个单小透镜自由形状设计的2D水平横截面，当眼睛瞳孔静止向前看时，两个分开的平坦数字显示器相对于向前方向向内侧-外侧倾斜。虚线1104指示来自虚拟屏幕的虚拟光线朝着眼球1105上的眼睛瞳孔1106，而连续线1103表示来自数字显示器1101的光线朝着眼睛瞳孔1106，该光线被自由形状透镜1102的两个表面折射。
图12是图11中所示的相同光学器件的透视图，其中，当眼睛瞳孔静止向前看时，数字显示器1201相对于向前方向明显地向内侧-外侧倾斜。线1203属于这种配置的对称平面。每个数字显示器与其中一只眼睛1204及其对应的透镜1202一起工作。两个折射透镜都是自由形状。这通过在每个透镜的表面S1上绘制的网格的不规则形状来指示。透镜可以具有对称平面，具体地是具有穿过眼球中心并包含0,0方向(即，虚拟屏幕的中心)的水平平面的横截面。
本文所示的实施例的视场可以通过部分双目交叠来扩大。例如，图10和图11中用于每只眼睛的光学系统(透镜和显示器)可以相对于眼球中心向外侧旋转一个角度，例如大约5至15度。这使得整个HMD呈现更好的人体工程学，并且将水平视场增加那个角度的两倍。另一方面，视场的双目部分也减小那个角度的两倍。
具体示例
我们在本文中公开了与弯曲数字显示器(即，图7中示意性示出的配置的特定示例)一起工作的2倍透镜的特定自由形状光学设计。这种实施例有两种变体。如上面所提到的，它们中的一个在图7中示出，其中一个大的弯曲数字显示器与2倍透镜一起工作，并且其中透镜的两个小透镜不完全相同。另一种替代配置包括两个2倍的自由形状透镜，具有两个弯曲的数字显示器(每只眼睛一个)。如果柱形数字显示器的对称轴(垂直于柱形的轴)与眼睛旋转的中心相交，那么自由形状透镜的两个小透镜是完全相同的。自由形状透镜具有垂直于柱形显示器的对称平面，使得柱形轴垂直于自由形状表面的对称平面。已经设计出了每个小透镜的两个自由形状表面并利用Forbes-Q多项式进行描述(参见参考文献G.Forbes，Characterizing the shape of freeform optics，Optics Express，第20卷，第3期，第2483-2499页，(2012))。
三维中的任何自由形状表面可以用标准方程式来很好地拟合：
其中ρ，θ和z是柱坐标；u由u＝ρ/ρmax定义，因此0≤u≤1；c＝1/R，R为曲率半径；并且Qm n(v)是v中阶数n的Forbes Q多项式。这个实施例中的所有自由形状透镜至少具有垂直于数字显示器的柱形轴的一个对称平面。在不失一般性的情况下，我们可以认为这个对称平面与θ＝0度对应，意味着对于所有n和m，系数
用于多项式描述的每个表面的局部坐标系在图13中在yz平面(即，x＝0，其中z轴指向左并且y轴指向上)中示出。这个图图示了2倍折射光学器件的一个小透镜。图13中示出了小透镜的两个表面(1303和1305)连同弯曲数字显示器1301的一半和眼球1308的轮廓。我们将全局坐标系1307的中心放在眼球1308的中心(x,y,z)＝(0,0,0)。在以全局坐标系坐标(x,y,z)＝(0,6.31953,34.1892)为中心并且绕x1轴顺时针倾斜10.4312922648424度的局部坐标系x1y1z1 1304中描述标记为1303的表面S1。用于表面S2(标记为1305)的局部坐标系x2y2z2 1306以(x,y,z)＝(0,4.8118,24.5392)为中心并且绕x2轴顺时针倾斜13.5352856790129度。作为f＝22mm、FoV＝100度的特定小透镜设计的示例，图14和图15中所示的透镜的非空系数(全部以mm为单位，除了c以mm-1为单位以外)在下表1中给出：
表1
可以规定弯曲数字显示器的轮廓。在这个示例中，它已经被固定为由z(y)＝2ay6给出的曲线。
其中a＝-1.46434003091751e-008。数字显示器的局部坐标系x3y3z3位于全局坐标系的(x,y,z)＝(0,0,51.9457503)处(参见图13)。
图14示出了系统的相同yz横截面，x＝0(其中z轴指向左并且y轴指向上)。整个系统的一半在图14中示出。系统的另一半可以通过在包含轴1404(y＝0)的xz平面中反射的所示小透镜1410的镜像来得到。另一种替代方案将是系统的另一半由显示器的平坦延续和与平板显示器一起工作的小透镜组成(更多细节参见参考文献PCT1)。显然，两个小透镜都应当具有相似的光学特性(f，FoV)。
我们可以检查图14中的设计光线轨迹。反向光线1403来自瞳孔范围1411的边界，撞击在标记为1409的表面S2的尖端处，在标记为1408的表面S1上折射，然后它被发送到群集边缘1402。当眼睛瞳孔静止向前看时，反向光线1405平行于轴y＝0离开眼睛瞳孔中心。反向光线1406来自眼球1412的中心1413，并且它到达显示器。反向光线1407标记半视场，因为它是当眼睛瞳孔静止向前看时从眼睛瞳孔撞击在显示器的边界上的边界外周光线。
图15图示了属于也在先前描述的图13和图14中示出的2倍透镜配置的一个小透镜的xz截面(平面y＝0)。这个截面垂直于图14中所示的截面。我们可以认识到标记为1501的显示器和用户的眼睛1507。透镜被标记为1502，并且它与图14中的透镜1410对应。反向光线1504标记半视场，因为它是当眼睛静止向前看时从眼睛瞳孔中心撞击在显示器的边界上的边界外周光线。当眼睛瞳孔凝视瞳孔范围1508的边界附近时，反向光线1505离开眼睛瞳孔中心。
对于4mm的瞳孔直径，表2和表3示出了图14和图15中的设计的一些选定场的多色斑点的均方根(RMS)直径。这种设计对于向前方向具有大约22mm的焦距，并且朝着视场的边缘逐渐减小。对于2.1”(55mm)16:9显示器，其水平视场为100度并且垂直视场为68度，其中水平方向由y-z平面给出。角度χ和γ在图16中示出。χ被定义为外周角θ1603方向1604在xz平面上的投影1602与z轴之间的角度1601，而γ是同一外周角θ方向1604在yz平面上的投影1606与z轴之间的角度1605。
图6示出了作为外周角的函数的典型人眼的角度分辨率(根据J.J.Kerr，“Visualresolution in the periphery”，Perception&Psychophysics，第9卷(3)，1971)。由于人眼分辨率在外周视觉中远小于靠近凝视方向，因此我们可以调节本说明书中任何实施例的设计条件，以使ipixel被直接凝视时ipixel(在虚拟屏幕的凝视区域上的ipixel)的图像质量高于ipixel不被凝视时ipixel(具体来说，虚拟屏幕的外部区域中的ipixel)的图像质量。
表2与当眼睛凝视每个场时的情形对应，因此对于所有场，人眼感知的外周角为0，因此光学分辨率应当是最大的。这个表显示30-40微米的opixel可以被很好地解析，但是对于角度χ(度)的最高值，RMS在一定程度上增大。这主要是由色像差引起的。
表3与当眼睛向前凝视时的情形对应，因此人眼感知的外周角不是零，而是等于由等式给出的θ。因此，光学分辨率可以更低，而不影响人们对光学质量的认知。这种设计适应于图6的人眼分辨率，如PCT1中所讨论的。为此，对于相同的场，RMS值在表3中一般比在表2中高得多。
表2
表3
虽然已经描述了具体的实施例，但是对实践本发明的当前预期模式的前述描述不应当被认为是限制性的，而仅用于描述本发明的某些一般原理。与所述具体实施例的变化是可能的。例如，上面交叉参考的专利和申请描述了可以有利地与本申请的教导组合的系统和方法。虽然已经描述了具体的实施例，但是本领域技术人员将理解不同实施例的特征可以如何组合。
本发明的全部范围应当参考权利要求来确定，并且任何两个或更多个权利要求的特征可以组合。

Claims (11)

1.一种显示设备，包括：
显示器，可操作以生成实像；以及
光学系统，包括一个或多个小透镜，被布置成通过每个小透镜将来自显示器的光投射到眼睛位置而从显示器上的相应部分实像生成虚拟子图像；
其中各子图像组合，以形成从眼睛位置可见的虚像；
其中至少一个所述小透镜相对于平面是对称的，并且显示器表面是柱形的，其轴垂直于所述平面。
2.如权利要求1所述的显示设备，其中每个所述小透镜相对于所述平面是对称的。
3.如权利要求2所述的显示设备，其中所述一个或多个小透镜包括至少两个所述对称的小透镜。
4.如权利要求1所述的显示设备，其中所述一个或多个小透镜包括至少两个小透镜，并且其中显示器上的所述相应部分实像被布置成使得各子图像组合，以作为给定图像的不间断的虚像形成所述可见的虚像。
5.如权利要求1所述的显示设备，其中至少一个所述小透镜被布置成产生相应的所述部分虚像，该相应的所述部分虚像包含在眼睛的瞳孔在瞳孔范围内的情况下当所述眼睛处于眼睛位置处时由所述眼睛投射到所述眼睛的1.5mm视网膜中央凹上的部分，每个所述虚像的所述部分具有比外周部分更高的分辨率。
6.一种头戴装置，包括如权利要求1所述的显示设备，具有用于将显示设备定位在人的头部上的安装座，显示设备的眼睛位置与人的眼睛重合。
7.如权利要求5所述的头戴装置，还包括如权利要求1所述的第二显示设备，安装成第二显示设备的眼睛位置与人的第二只眼睛重合。
8.如权利要求7所述的头戴装置，其中所述显示设备的所述显示器和所述第二显示设备的所述显示器是单个显示器的部分。
9.一种显示设备，包括：
显示器，可操作以生成实像；以及
光学系统，包括多个小透镜，每个小透镜被布置成通过每个小透镜将来自显示器的光投射到眼睛位置而从显示器上的相应部分实像生成虚拟子图像；
其中各虚拟子图像组合，以形成从眼睛位置可见的虚像；
其中每个小透镜包括第一和第二自由形状光学透镜，第一和第二自由形状光学透镜被布置成使得来自显示器的光穿过第一自由形状光学透镜和第二自由形状光学透镜两者，到达眼睛位置。
10.如权利要求9所述的显示设备，包括至少在表面和斜率上连续并且形成至少两个所述小透镜的第二自由形状光学透镜的自由形状透镜，所述至少两个所述小透镜形成不同的虚拟子图像。
11.如权利要求10所述的显示设备，其中形成不同虚拟子图像的所述至少两个所述小透镜的第一透镜是单个透镜的被至少斜率的间断处分开的部分。
CN201680014251.2A 2015-01-21 2016-01-20 用于沉浸式虚拟现实的高级折射光学器件 Active CN107430277B (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201562105905P 2015-01-21 2015-01-21
US62/105,905 2015-01-21
US201562208235P 2015-08-21 2015-08-21
US62/208,235 2015-08-21
PCT/US2016/014160 WO2016118647A1 (en) 2015-01-21 2016-01-20 Advanced refractive optics for immersive virtual reality

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN107430277A true CN107430277A (zh) 2017-12-01
CN107430277B CN107430277B (zh) 2020-09-15

Family

ID=56417699

Family Applications (4)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201680014252.7A Active CN107407817B (zh) 2015-01-21 2016-01-20 具有全内反射的显示设备
CN201680014251.2A Active CN107430277B (zh) 2015-01-21 2016-01-20 用于沉浸式虚拟现实的高级折射光学器件
CN201680014253.1A Active CN107430285B (zh) 2015-01-21 2016-01-20 适应于人眼分辨率的成像光学器件
CN201680014243.8A Active CN107407816B (zh) 2015-01-21 2016-01-20 具有时间复用的视觉显示器

Family Applications Before (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201680014252.7A Active CN107407817B (zh) 2015-01-21 2016-01-20 具有全内反射的显示设备

Family Applications After (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201680014253.1A Active CN107430285B (zh) 2015-01-21 2016-01-20 适应于人眼分辨率的成像光学器件
CN201680014243.8A Active CN107407816B (zh) 2015-01-21 2016-01-20 具有时间复用的视觉显示器

Country Status (6)

Country Link
US (5) US10782453B2 (zh)
EP (3) EP3248049B8 (zh)
JP (3) JP6670840B2 (zh)
KR (3) KR102549397B1 (zh)
CN (4) CN107407817B (zh)
WO (5) WO2016118643A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109752852A (zh) * 2018-12-12 2019-05-14 重庆爱奇艺智能科技有限公司 一种用于头戴式设备的显示系统及其设计方法

Families Citing this family (70)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20160364426A1 (en) * 2015-06-11 2016-12-15 Sap Se Maintenance of tags assigned to artifacts
US10567745B2 (en) 2016-02-12 2020-02-18 The Void, LLC Head mount display with automatic inter-pupillary distance adjustment
US10422976B2 (en) 2016-02-26 2019-09-24 Samsung Electronics Co., Ltd. Aberration corrected optical system for near-eye displays
US20170262020A1 (en) * 2016-03-10 2017-09-14 The Void Llc Head Mount Display with Near-Eye Projection for Virtual Reality System
CN107615770B (zh) * 2016-03-31 2020-02-21 华为技术有限公司 应用程序的处理方法及终端设备
GB2550137A (en) * 2016-05-09 2017-11-15 Euro Electronics (Uk) Ltd Method and apparatus for tiles light field display
GB2550885A (en) * 2016-05-26 2017-12-06 Euro Electronics (Uk) Ltd Method and apparatus for an enhanced-resolution light field display
US10664049B2 (en) 2016-12-09 2020-05-26 Nvidia Corporation Systems and methods for gaze tracking
US11042039B1 (en) * 2016-12-20 2021-06-22 Facebook Technologies, Llc Varifocal display with actuated reflectors
US10168668B2 (en) 2016-12-21 2019-01-01 Vladimir Yankov Method of forming a rarefied hologram for video imaging and 3D lithography
KR20180073166A (ko) * 2016-12-22 2018-07-02 엘지디스플레이 주식회사 증강 현실 기기
US10345562B2 (en) * 2017-02-07 2019-07-09 Raytheon Company All-reflective solar coronagraph sensor and thermal control subsystem
KR102655450B1 (ko) 2017-02-22 2024-04-05 루머스 리미티드 광 가이드 광학 어셈블리
DE102017104104A1 (de) * 2017-02-28 2018-08-30 Valeo Schalter Und Sensoren Gmbh Optisches Element für eine Sendeeinrichtung einer optischen Erfassungsvorrichtung, Sendeeinrichtung, optische Erfassungsvorrichtung, Kraftfahrzeug sowie Verfahren
JP6866738B2 (ja) * 2017-04-12 2021-04-28 オムロン株式会社 画像表示ユニット
DE102017111607B4 (de) 2017-05-29 2020-09-24 tooz technologies GmbH Abbildungsvorrichtung, Datenbrille und Verfahren zum Generieren eines Bildes aus einem Ausgangsbild in einer Datenbrille
CN108983488B (zh) * 2017-06-01 2021-04-20 台达电子工业股份有限公司 背光模块及显示设备
WO2018237263A1 (en) * 2017-06-22 2018-12-27 Tesseland Llc VISUAL DISPLAY WITH TEMPORAL MULTIPLEXING FOR STEREOSCOPIC VIEW
GB2564850A (en) * 2017-07-18 2019-01-30 Euro Electronics Uk Ltd Apparatus and method of light field display
CN107490847B (zh) * 2017-08-02 2023-02-28 滕少华 一种旋转变焦透镜系统及其实现方法
CN107300777A (zh) * 2017-08-18 2017-10-27 深圳惠牛科技有限公司 一种基于双自由曲面反射的成像系统
DE102017125731A1 (de) * 2017-11-03 2019-05-09 Carl Zeiss Ag Lichtleiter, Abbildungsvorrichtung und HMD mit separaten Abbildungskanälen
CN107861247B (zh) * 2017-12-22 2020-08-25 联想(北京)有限公司 光学部件及增强现实设备
CN107966825B (zh) * 2017-12-26 2023-12-19 广州弥德科技有限公司 一种拼接型指向性背光源及使用该背光源的显示系统
CN108227195B (zh) * 2017-12-29 2020-05-19 南京信息工程大学 一种离轴两反自由曲面光学系统
US10817052B1 (en) * 2018-01-09 2020-10-27 Facebook Technologies, Llc Eye emulator devices
CN108051921A (zh) * 2018-01-16 2018-05-18 塔普翊海（上海）智能科技有限公司 一种视场拼接的显示装置
KR102466153B1 (ko) * 2018-01-26 2022-11-11 림박 4피아이 에스.엘. 가상 및 혼합 현실을 위한 크로스형 구성의 소형 광학 기기
CN108333748B (zh) * 2018-02-24 2021-01-26 京东方科技集团股份有限公司 一种虚拟现实设备的透镜优化方法和装置
US10527863B2 (en) 2018-03-16 2020-01-07 Sharp Kabushiki Kaisha Compact head-mounted display system
US20210096380A1 (en) * 2018-03-22 2021-04-01 Lightspace Technologies, SIA Near-eye display apparatus and method of displaying three-dimensional images
US20190293950A1 (en) * 2018-03-22 2019-09-26 Lightspace Technologies, SIA Near-eye display apparatus and method of displaying three-dimensional images
CN108398788B (zh) * 2018-03-23 2024-04-16 京东方科技集团股份有限公司 眼睛跟踪装置及虚拟现实成像设备
EP3620844B1 (en) * 2018-04-23 2023-07-26 Sony Group Corporation Eyepiece optical system, medical viewer, and medical viewer system
US11454783B2 (en) * 2018-04-25 2022-09-27 Samsung Electronics Co., Ltd. Tiled triplet lenses providing a wide field of view
WO2019210254A1 (en) 2018-04-27 2019-10-31 Limbak 4Pi S.L. Human vision-adapted light field displays
US10497320B1 (en) * 2018-05-07 2019-12-03 Facebook Technologies, Llc Transparent and reflective illumination source
US10830938B2 (en) 2018-05-14 2020-11-10 Lumus Ltd. Projector configuration with subdivided optical aperture for near-eye displays, and corresponding optical systems
US11442273B2 (en) * 2018-05-17 2022-09-13 Lumus Ltd. Near-eye display having overlapping projector assemblies
US11415812B2 (en) 2018-06-26 2022-08-16 Lumus Ltd. Compact collimating optical device and system
KR102634595B1 (ko) * 2018-07-18 2024-02-07 삼성디스플레이 주식회사 증강 현실 제공 장치 및 그 제조방법
US20200033613A1 (en) * 2018-07-26 2020-01-30 Varjo Technologies Oy Display apparatus and method of displaying using curved optical combiner
US11448886B2 (en) 2018-09-28 2022-09-20 Apple Inc. Camera system
US11187914B2 (en) * 2018-09-28 2021-11-30 Apple Inc. Mirror-based scene cameras
JP7001042B2 (ja) * 2018-11-08 2022-01-19 日本電信電話株式会社 眼情報推定装置、眼情報推定方法、プログラム
CN109375381B (zh) * 2018-11-27 2021-09-07 浙江理工大学 一种高信息通量低串扰的三维显示方法和系统
US10866412B2 (en) 2018-12-07 2020-12-15 Sharp Kabushiki Kaisha Compact head-mounted display system
TWI683136B (zh) * 2019-01-03 2020-01-21 宏碁股份有限公司 視訊穿透式頭戴顯示器及其控制方法
US11237389B1 (en) * 2019-02-11 2022-02-01 Facebook Technologies, Llc Wedge combiner for eye-tracking
US10867538B1 (en) * 2019-03-05 2020-12-15 Facebook Technologies, Llc Systems and methods for transferring an image to an array of emissive sub pixels
US11340459B2 (en) * 2019-03-07 2022-05-24 Rockwell Collins, Inc. Steerable reticle for visor projected helmet mounted displays
WO2020183229A1 (en) 2019-03-12 2020-09-17 Lumus Ltd. Image projector
CN111999889A (zh) * 2019-05-11 2020-11-27 京东方科技集团股份有限公司 曲面透镜和显示装置
EP3990967A4 (en) 2019-06-27 2022-08-03 Lumus Ltd. APPARATUS AND METHODS FOR TRACKING THE EYE BASED ON IMAGING THE EYE THROUGH A LIGHT GUIDE OPTICAL ELEMENT
US11281005B2 (en) 2019-08-08 2022-03-22 Sharp Kabushiki Kaisha Compact head-mounted display system with orthogonal panels
CN116506715A (zh) * 2019-09-27 2023-07-28 苹果公司 用于操作透镜显示器的方法和设备
US20230221556A1 (en) * 2019-12-05 2023-07-13 Tesseland, Llc Lenslet based ultra-high resolution optics for virtual and mixed reality
US20230023525A1 (en) * 2020-01-08 2023-01-26 Letinar Co., Ltd Optical device for augmented reality using total internal reflection
AU2020458979A1 (en) * 2020-07-16 2023-03-09 Lusospace, Projectos Engenharia Lda Head-mounted display device
US11493772B1 (en) 2020-07-22 2022-11-08 Meta Platforms Technologies, Llc Peripheral light field display
WO2022079575A1 (en) 2020-10-13 2022-04-21 Tesseland Llc Display device with dark ring illumination of lenslet arrays for vr and ar
US11947134B2 (en) 2021-01-22 2024-04-02 National Taiwan University Device of generating 3D light-field image
KR20220113558A (ko) * 2021-02-05 2022-08-16 삼성디스플레이 주식회사 표시 장치, 이를 포함하는 헤드 마운트 표시 시스템 및 이의 구동 방법
KR20220136561A (ko) * 2021-03-31 2022-10-11 삼성디스플레이 주식회사 표시 장치 및 표시 장치 제어 방법
US20220413297A1 (en) 2021-06-24 2022-12-29 Meta Platforms Technologies, Llc Free-form light field displays for vr/ar headsets
WO2022272148A1 (en) * 2021-06-24 2022-12-29 Meta Platforms Technologies, Llc Free-form light field displays for vr/ar headsets
CN117396792A (zh) 2021-07-04 2024-01-12 鲁姆斯有限公司 具有提供视场的不同部分的堆叠光导元件的显示器
JP2023043250A (ja) * 2021-09-16 2023-03-29 株式会社リコー 伝搬光学系、虚像表示装置及びヘッドマウントディスプレイ
CN116413911A (zh) * 2021-12-31 2023-07-11 北京耐德佳显示技术有限公司 一种超薄型镜片、使用其的虚像成像装置和近眼显示器
KR20230174355A (ko) * 2022-06-20 2023-12-28 삼성디스플레이 주식회사 표시 장치 및 그 제어방법

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1343319A (zh) * 2000-01-06 2002-04-03 奥林巴斯光学工业株式会社 图像显示装置
CN1391126A (zh) * 2001-06-11 2003-01-15 伊斯曼柯达公司 用于立体显示的头戴式光学装置
US20070030543A1 (en) * 2005-08-08 2007-02-08 Bahram Javidi Depth and lateral size control of three-dimensional images in projection integral imaging
CN101359089A (zh) * 2008-10-08 2009-02-04 北京理工大学 轻小型大视场自由曲面棱镜头盔显示器光学系统
CN101887166A (zh) * 2010-07-15 2010-11-17 深圳航天科技创新研究院 目镜
CN101915992A (zh) * 2010-07-23 2010-12-15 浙江大学 一种基于自由曲面护目镜的穿透式头盔显示装置
US8384999B1 (en) * 2012-01-09 2013-02-26 Cerr Limited Optical modules
CN103207454A (zh) * 2012-09-17 2013-07-17 北京理工大学 具有扩展边缘的双视场自由曲面棱镜头盔显示器用光学系统
CN203519925U (zh) * 2013-06-29 2014-04-02 歌尔声学股份有限公司 一种头戴显示器

Family Cites Families (75)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
ATE54768T1 (de) * 1985-01-24 1990-08-15 Cerberus Ag Infrarot-einbruchdetektor.
JPH0584930U (ja) 1992-04-23 1993-11-16 神鋼電機株式会社 表示素子及びそれを用いた表示装置
JPH0638219A (ja) 1992-07-20 1994-02-10 Olympus Optical Co Ltd 映像表示装置
US5326266A (en) * 1992-09-02 1994-07-05 Evans & Sutherland Computer Corporation Area of interest display system with opto/mechanical image combining
JPH08160344A (ja) 1994-12-05 1996-06-21 Olympus Optical Co Ltd 頭部装着式映像表示装置
JP3658034B2 (ja) 1995-02-28 2005-06-08 キヤノン株式会社 画像観察光学系及び撮像光学系
JP3599828B2 (ja) 1995-05-18 2004-12-08 オリンパス株式会社 光学装置
JPH0965245A (ja) * 1995-08-21 1997-03-07 Olympus Optical Co Ltd 画像表示装置
JP3371654B2 (ja) 1995-10-30 2003-01-27 ソニー株式会社 投射型ディスプレイ装置
JPH09219832A (ja) * 1996-02-13 1997-08-19 Olympus Optical Co Ltd 画像表示装置
US5838490A (en) 1996-11-04 1998-11-17 Honeywell Inc. Head mounted display system using mangin mirror combiner
JP3943680B2 (ja) * 1997-01-06 2007-07-11 オリンパス株式会社 映像表示装置
US20040108971A1 (en) 1998-04-09 2004-06-10 Digilens, Inc. Method of and apparatus for viewing an image
WO2000060398A1 (fr) * 1999-04-02 2000-10-12 Olympus Optical Co., Ltd. Systeme optique de visualisation et afficheur d'image contenant ce systeme
CA2393435A1 (en) 1999-12-23 2001-07-05 Fergal Patrick Shevlin A display device
JP2002040364A (ja) 2000-07-21 2002-02-06 Asahi Optical Co Ltd 立体視観察用光学系
KR100388819B1 (ko) 2000-07-31 2003-06-25 주식회사 대양이앤씨 헤드 마운트 디스플레이용 광학 시스템
US6543899B2 (en) * 2000-12-05 2003-04-08 Eastman Kodak Company Auto-stereoscopic viewing system using mounted projection
DE10103922A1 (de) * 2001-01-30 2002-08-01 Physoptics Opto Electronic Gmb Interaktives Datensicht- und Bediensystem
US7053967B2 (en) 2002-05-23 2006-05-30 Planar Systems, Inc. Light sensitive display
JP3994896B2 (ja) * 2002-09-25 2007-10-24 コニカミノルタホールディングス株式会社 映像表示装置
US6896381B2 (en) * 2002-10-11 2005-05-24 Light Prescriptions Innovators, Llc Compact folded-optics illumination lens
JP2004258332A (ja) * 2003-02-26 2004-09-16 Canon Inc 頭部装着型画像表示装置
JP2004317798A (ja) * 2003-04-16 2004-11-11 Canon Inc 画像表示装置
US7495638B2 (en) 2003-05-13 2009-02-24 Research Triangle Institute Visual display with increased field of view
ITTO20030734A1 (it) * 2003-09-24 2005-03-25 Fiat Ricerche Concentratore di luce multifocale per un dispositivo per la conversione di radiazione, ed in particolare per la conversione della radiazione solare in energia elettrica, termica o chimica.
AU2003299615B2 (en) * 2003-12-12 2008-07-17 Worldplay (Barbados) Inc. Multiple imaging arrangements for head mounted displays
JP2006329747A (ja) * 2005-05-25 2006-12-07 Tokyo Institute Of Technology 画像撮影装置
KR101170120B1 (ko) 2005-07-27 2012-07-31 삼성전자주식회사 비안경식 3차원 디스플레이 장치
KR100716829B1 (ko) * 2005-08-10 2007-05-09 삼성전기주식회사 초박형 모바일 카메라 광학 렌즈 시스템 및 이를 이용한이미지 결상 방법
US7486341B2 (en) 2005-11-03 2009-02-03 University Of Central Florida Research Foundation, Inc. Head mounted display with eye accommodation having 3-D image producing system consisting of, for each eye, one single planar display screen, one single planar tunable focus LC micro-lens array, one single planar black mask and bias lens
US7515345B2 (en) * 2006-10-09 2009-04-07 Drs Sensors & Targeting Systems, Inc. Compact objective lens assembly
JP2008165063A (ja) 2006-12-28 2008-07-17 Scalar Corp ヘッドマウントディスプレイ
US8605008B1 (en) 2007-05-04 2013-12-10 Apple Inc. Head-mounted display
JP5031452B2 (ja) 2007-06-20 2012-09-19 キヤノン株式会社 画像観察装置及び画像観察システム
JP4906680B2 (ja) 2007-11-02 2012-03-28 キヤノン株式会社 画像表示装置
KR101419230B1 (ko) 2007-11-29 2014-07-16 엘지디스플레이 주식회사 입체 표시 장치
EP2225601A1 (en) * 2007-12-18 2010-09-08 BAE Systems PLC Improvements in or relating to projection displays
US8314814B2 (en) * 2007-12-20 2012-11-20 Raytheon Company Imaging system
US20100149073A1 (en) 2008-11-02 2010-06-17 David Chaum Near to Eye Display System and Appliance
US20090295683A1 (en) 2008-05-27 2009-12-03 Randall Pugh Head mounted display with variable focal length lens
CN201242611Y (zh) * 2008-08-12 2009-05-20 贾怀昌 自由曲面全反射式的目视光学棱镜
JP5335375B2 (ja) * 2008-10-31 2013-11-06 キヤノン株式会社 画像表示装置
US20110194163A1 (en) * 2008-11-26 2011-08-11 Konica Minolta Opto, Inc. Image display device and head-mounted display
JP4863527B2 (ja) * 2009-12-01 2012-01-25 稔 稲葉 立体映像撮像装置
US20120081800A1 (en) * 2009-04-20 2012-04-05 Dewen Cheng Optical see-through free-form head-mounted display
JP2011145488A (ja) * 2010-01-14 2011-07-28 Sony Corp ヘッドマウントディスプレイ
US9244277B2 (en) * 2010-04-30 2016-01-26 The Arizona Board Of Regents On Behalf Of The University Of Arizona Wide angle and high resolution tiled head-mounted display device
US8717562B2 (en) * 2010-08-23 2014-05-06 Scattering Solutions, Inc. Dynamic and depolarized dynamic light scattering colloid analyzer
KR101728821B1 (ko) * 2010-09-28 2017-05-04 삼성디스플레이 주식회사 3차원 표시 장치
US8625200B2 (en) * 2010-10-21 2014-01-07 Lockheed Martin Corporation Head-mounted display apparatus employing one or more reflective optical surfaces
US8781794B2 (en) 2010-10-21 2014-07-15 Lockheed Martin Corporation Methods and systems for creating free space reflective optical surfaces
WO2012062681A1 (de) 2010-11-08 2012-05-18 Seereal Technologies S.A. Anzeigegerät, insbesondere ein head-mounted display, basierend auf zeitlichen und räumlichen multiplexing von hologrammkacheln
US9720228B2 (en) * 2010-12-16 2017-08-01 Lockheed Martin Corporation Collimating display with pixel lenses
AU2011348122A1 (en) * 2010-12-24 2013-07-11 Magic Leap Inc. An ergonomic head mounted display device and optical system
TWI432013B (zh) * 2011-06-30 2014-03-21 Acer Inc 立體影像顯示方法及影像時序控制器
JP2013044896A (ja) 2011-08-23 2013-03-04 Brother Ind Ltd ヘッドマウントディスプレイ
JP5875295B2 (ja) * 2011-08-30 2016-03-02 キヤノン株式会社 画像表示装置
US8929589B2 (en) * 2011-11-07 2015-01-06 Eyefluence, Inc. Systems and methods for high-resolution gaze tracking
CN102402005B (zh) * 2011-12-06 2015-11-25 北京理工大学 自由曲面双焦面单目立体头盔显示器装置
RU2623708C2 (ru) * 2012-01-24 2017-06-28 Дзе Аризона Борд Оф Риджентс Он Бехаф Оф Дзе Юниверсити Оф Аризона Компактный наголовный дисплей с отслеживанием движения глаз
JP6028357B2 (ja) * 2012-03-22 2016-11-16 ソニー株式会社 ヘッドマウントディスプレイ及び手術システム
DE102012205164B4 (de) * 2012-03-29 2021-09-09 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Projektionsdisplay und Verfahren zur Projektion virtueller Bilder
US10147232B2 (en) * 2012-08-30 2018-12-04 Atheer, Inc. Method and apparatus for selectively presenting content
CN103841395B (zh) 2012-11-27 2016-10-05 联想(北京)有限公司 合成图像显示方法和设备
US10192358B2 (en) * 2012-12-20 2019-01-29 Microsoft Technology Licensing, Llc Auto-stereoscopic augmented reality display
KR101294261B1 (ko) * 2013-01-08 2013-08-06 동서대학교산학협력단 마스크와 시간다중화 방식을 이용한 3차원 집적 영상 표시방법
WO2014188149A1 (en) * 2013-05-20 2014-11-27 Milan Momcilo Popovich Holographic waveguide eye tracker
TWI470267B (zh) * 2013-10-14 2015-01-21 Largan Precision Co Ltd 光學影像拾取系統、取像裝置以及可攜裝置
EP3075150B1 (en) 2013-11-25 2022-06-15 Tesseland LLC Immersive compact display glasses
WO2015088468A1 (en) 2013-12-09 2015-06-18 Moskalenko Mykhailo Device for representation of visual information
US9753288B2 (en) * 2014-01-21 2017-09-05 Osterhout Group, Inc. See-through computer display systems
US10203762B2 (en) * 2014-03-11 2019-02-12 Magic Leap, Inc. Methods and systems for creating virtual and augmented reality
WO2015162098A1 (en) * 2014-04-24 2015-10-29 Carl Zeiss Meditec, Inc. Functional vision testing using light field displays
US9759919B2 (en) * 2015-01-05 2017-09-12 Microsoft Technology Licensing, Llc Virtual image display with curved light path

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1343319A (zh) * 2000-01-06 2002-04-03 奥林巴斯光学工业株式会社 图像显示装置
CN1391126A (zh) * 2001-06-11 2003-01-15 伊斯曼柯达公司 用于立体显示的头戴式光学装置
US20070030543A1 (en) * 2005-08-08 2007-02-08 Bahram Javidi Depth and lateral size control of three-dimensional images in projection integral imaging
CN101278565A (zh) * 2005-08-08 2008-10-01 康涅狄格大学 在投射全景成像中控制三维图像的深度和横向尺寸
CN101359089A (zh) * 2008-10-08 2009-02-04 北京理工大学 轻小型大视场自由曲面棱镜头盔显示器光学系统
CN101887166A (zh) * 2010-07-15 2010-11-17 深圳航天科技创新研究院 目镜
CN101915992A (zh) * 2010-07-23 2010-12-15 浙江大学 一种基于自由曲面护目镜的穿透式头盔显示装置
US8384999B1 (en) * 2012-01-09 2013-02-26 Cerr Limited Optical modules
CN103207454A (zh) * 2012-09-17 2013-07-17 北京理工大学 具有扩展边缘的双视场自由曲面棱镜头盔显示器用光学系统
CN203519925U (zh) * 2013-06-29 2014-04-02 歌尔声学股份有限公司 一种头戴显示器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DEWEN CHENG 等: "Design of a wide-angle, lightweight head-mounted display using free-form optics tiling", 《OPTICS LETTERS》 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109752852A (zh) * 2018-12-12 2019-05-14 重庆爱奇艺智能科技有限公司 一种用于头戴式设备的显示系统及其设计方法

Also Published As

Publication number Publication date
EP3248049A4 (en) 2018-10-31
WO2016160099A3 (en) 2016-11-24
JP2018510372A (ja) 2018-04-12
CN107407816A (zh) 2017-11-28
KR20170104603A (ko) 2017-09-15
EP3248053A4 (en) 2018-10-24
US10782453B2 (en) 2020-09-22
WO2016118648A1 (en) 2016-07-28
EP3248053B1 (en) 2020-05-20
EP3248049B1 (en) 2020-10-21
CN107430285A (zh) 2017-12-01
KR102549397B1 (ko) 2023-06-28
US20180003999A1 (en) 2018-01-04
US20180003862A1 (en) 2018-01-04
CN107407817A (zh) 2017-11-28
US10436951B2 (en) 2019-10-08
CN107407816B (zh) 2020-06-12
JP2018509646A (ja) 2018-04-05
JP6670840B2 (ja) 2020-03-25
KR20170104604A (ko) 2017-09-15
US20180004000A1 (en) 2018-01-04
WO2016160099A2 (en) 2016-10-06
EP3248053A1 (en) 2017-11-29
EP3248052A4 (en) 2018-10-24
JP6821574B2 (ja) 2021-01-27
CN107430277B (zh) 2020-09-15
CN107407817B (zh) 2020-09-08
US20180003978A1 (en) 2018-01-04
WO2016118643A1 (en) 2016-07-28
JP2018504637A (ja) 2018-02-15
KR102627249B1 (ko) 2024-01-18
EP3248049A1 (en) 2017-11-29
EP3248052A1 (en) 2017-11-29
US10690813B2 (en) 2020-06-23
JP6782703B2 (ja) 2020-11-11
US10663626B2 (en) 2020-05-26
KR20170105095A (ko) 2017-09-18
EP3248052B1 (en) 2020-07-22
CN107430285B (zh) 2020-07-17
EP3248049B8 (en) 2020-12-30
US20180003963A1 (en) 2018-01-04
KR102549398B1 (ko) 2023-06-29
EP3248052B8 (en) 2020-09-09
WO2016118640A1 (en) 2016-07-28
WO2016118647A1 (en) 2016-07-28
US10459126B2 (en) 2019-10-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN107430277A (zh) 用于沉浸式虚拟现实的高级折射光学器件
EP3075150B1 (en) Immersive compact display glasses
KR101916079B1 (ko) 하나 또는 그 이상의 프레넬 렌즈를 수반하는 헤드 장착 디스플레이 장치
TWI553344B (zh) 使用一或多個菲涅耳透鏡（ｆｒｅｓｎｅｌ ｌｅｎｓｅｓ）之頭戴式顯示裝置
CN106662731A (zh) 可佩戴3d增强现实显示器
KR20170102543A (ko) 머리 착용가능 디스플레이를 위한 하이브리드 렌즈 시스템
CN109557666A (zh) 近眼光学成像系统、近眼显示装置及头戴式显示装置
EP2564259A1 (en) Wide angle and high resolution tiled head-mounted display device
WO2012052981A2 (en) Head-mounted display apparatus employing one or more fresnel lenses
CN102402005A (zh) 自由曲面双焦面单目立体头盔显示器装置
CN103261944A (zh) 采用一个或多个反射光表面的头戴式显示装置
US20220091416A1 (en) Optical system for ar headsets, and method for design and manufacturing
CN110447224A (zh) 在显示器中控制虚像的方法
CN114365027A (zh) 显示具有景深的物体的系统与方法
GB2557942A (en) Apparatus to achieve compact head mounted display with reflectors and eyepiece element
CN117031758A (zh) 一种双片折超混合vr镜头
JP4790547B2 (ja) 視覚表示装置
JP4790556B2 (ja) 視覚表示装置
JP2008176180A (ja) 視覚表示装置
CN117331227A (zh) 近眼显示系统以及头戴显示设备
TW202332965A (zh) 顯示一個具有景深的物體的系統
JP2008076799A (ja) 視覚表示装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant