CN107430285A - 适应于人眼分辨率的成像光学器件 - Google Patents

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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相应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。在从向前方向起的大于20°的径向角度处，光学系统的径向焦距分布随着径向角度的增大而减小。

Description

适应于人眼分辨率的成像光学器件
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，二者的标题都是“ImmersiveCompact Display Glasses”。这些申请都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
1.参考文献：
WO 2015/077718(PCT/US2014/067149)，标题为“Immersive Compact DisplayGlasses”，以下称为“PCT1”。
Ismael等人的美国专利申请No.US2010/0277575A1
Mizukawa的美国专利5,390,047。
“Dual-lens by Sensics”http://www.roadtovr.com/sensics-ceo-yuval-boger-dual-element-optics-osvr-hdk-vr-headset/和http://sensics.com/sample-quantities-of-osvr-custom-dual-asphere-optics-available-for-purchase/
F.Huang、K.Chen、G.Wiltzstein。“The Light Field Stereoscope:ImmersiveComputer Graphics via Factored Near-Eye Light Field Displays with FocusCues”，ACM SIGGRAPH(Transactions on Graphics 33，5)，2015(“Huang 2015”)
2.定义：
3.现有技术
头戴式显示器(HMD)技术是快速发展的领域。头戴式显示器技术的一个方面提供了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(其视觉地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它们全部结合起来。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)。
用于沉浸式虚拟现实的大多数现有HMD对于每只眼睛使用一个具有旋转对称表面的正透镜，以将由一个大的16:9数字显示器的一半发射的光投射到眼睛上(另一半用于另一只眼睛)。在US2010/0277575 A1中，描述了一个这样的设备。HMD的基本光学功能是立体镜(stereoviewer)的基本光学功能，诸如在美国专利5,390,047中所描述的立体镜。16:9数字显示器的典型维度为4至6英寸(100至150毫米)的对角线范围，因此用于每只眼睛的半个显示屏具有8:9的相当正方形的宽高比。旋转对称透镜的光轴设置成垂直于显示器的半体，并且大致通过该显示器半体的几何中心。位于虚像(其通常位于透镜光轴上)的中心处的焦距为35mm至45mm。透镜通常显示出由于色像差和几何像差而引起的越来越远离轴上场的场的图像质量的逐渐劣化。关于失真，单透镜设计通常显示出适度的枕形失真(当从数字显示屏到虚拟屏幕进行分析时)。这种失真还具有这样的效果：虚拟屏幕上外周的ipixel将在径向方向上看起来不是正方形并且稍微放大。失真常规地使得需要在软件中预处理图像，以在补偿镜筒失真的情况下在数字显示器上示出opixel上的图像，使得虚拟屏幕上的图像看起来不失真。
被称为“Sensics的双透镜”的现有技术设备每只眼睛使用两个透镜而不是一个，以校正色像差和几何像差。那种双透镜系统显示仍然有枕形失真，但是据称相对于单透镜设计减小到对于90度的视场和虚拟屏幕中心上35mm的焦距来说离直线投射仅有13％的偏差。于是，这需要在预处理时图像的更小变形(deformation)，并且虚拟屏幕的外周中的ipixel在径向方向将看起来仅放大13％。本文公开的一个实施例也使用校正色像差和几何像差的两个透镜，但是与这种现有技术相对照，枕形失真非常强(因此预处理中所需的变形也是如此)，以便使ipixel尺寸适应于外周视觉中的人眼分辨率。这使得我们的光学系统能够实现虚拟屏幕中心上的是“Sensics的双透镜”中的焦距的1.5倍或更大的焦距，这减小虚拟屏幕中心上ipixel的角尺寸相同的倍数，从而大大降低了虚拟屏幕的像素化。
本文的一些实施例使用由若干小透镜单元组成的光学器件，以将来自数字显示器的光投射到眼睛。PCT1将与那些实施例相关的概念公开为群集、opixel和ipxel。图1(PCT1的图3)示出了仅具有四个群集104t、104b、105t和105b的简单示例，其形成由数字显示器107上的opixel创建的复合图像。opixel由微透镜阵列光学器件投射，以在屏幕108上形成ipixel的图像(为了简单起见，已经在这里被绘制为具有矩形轮廓的平面)。每个opixel属于单个群集(任何两个群集的交集都是空集，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。相邻的群集以一定的移位显示图像的部分。图像的一些部分出现在多于一个群集中。为了解释为什么这是必要的，在图1的顶部添加了二维示意图。它示出了相关的光线来限定opixel和ipixel之间的映射的边缘。在这个图示中，具有ipixel的虚拟屏幕被放置在无穷远处，因此光线100a、101a、102a和103a的方向指示虚拟屏幕上的ipixel位置。为了简单起见，该图示是二维的，但是投射在图1左下方的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1顶部的示意图中示出为104和105的两个小透镜。二维示意图被用来解释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100a延伸到103a。在左群集104b中表示的图像的部分由到达瞳孔范围106的边缘的边缘光线100a和102a给出，其限定虚拟屏幕108上的垂直线100a和102a。类似地，在右群集105t和105b中表示的图像的部分由边缘光线101a和103a给出，其限定虚拟屏幕108上的两条垂直线。因此，101a和102a之间的虚拟屏幕108的部分将在左右群集中都显示。具体而言，小透镜104将虚拟屏幕的边缘光线100a和102a映射到数字显示器107上的100b和102b上。类似地，小透镜105将边缘光线101a和103a映射到数字显示器107上的101b和103b上。光学设计必须保证群集不交叠，这可以利用当101b和102b重合时数字显示器的最大限度使用来实现。顶部群集104t、105t与底部群集104b、105b的类似对准从图1中显而易见。
由于信息在群集上的部分重合，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)，并且ip3的网只包含op31。
发明内容
本公开的一个方面提供了一种显示设备，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。在虚像的从向前方向起的径向角度大于20°的区域中，光学系统的径向焦距随着径向角度的增大而减小。
另一方面提供了一种显示设备，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。显示装置被布置成产生部分虚像，所述部分虚像中的至少一个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视网膜中心凹上的视网膜中心凹部分，每个所述虚拟子图像的所述视网膜中心凹部分的分辨率比所述虚像的外周部分的分辨率高。
光学系统被布置成通过包括自由形状的小透镜来产生所述虚拟子图像，所述自由形状的小透镜具有跨所述自由形状的小透镜的活动区域变化的焦距。
于是，在虚像的从向前方向起的径向角度大于20°的区域中，光学系统的径向焦距可随着径向角度的增大而减小。
在虚像的从向前方向起的径向角度大于20°的基本上所有点处，光学系统的径向焦距可以随着径向角度的增大而减小。
在虚像的从向前方向起的径向角度大于20°的区域中，光学系统的矢状焦距也可以随着径向角度的增大而减小。
于是，在虚像的从向前方向起的径向角度大于20°的基本上所有点处，光学系统的矢状焦距可以随着径向角度的增大而减小。
光学系统可以被布置成产生具有视网膜中心凹部分的虚拟子图像，视网膜中心凹部分由在光线遇到眼球的点处以相对于眼球的径向方向的小于2.5°的外周角在眼睛位置处遇到眼球的瞳孔范围的任何部分的相应光线形成，子图像的视网膜中心凹部分的分辨率比子图像的外周部分高。
显示设备可以被布置成产生虚拟子图像，所述虚拟子图像中的至少一个虚拟子图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视网膜中心凹上的视网膜中心凹部分，每个所述虚拟子图像的所述视网膜中心凹部分的分辨率比所述虚拟子图像的外周部分的分辨率高。
显示设备可以被布置成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从至少一个所述小透镜产生由所述眼睛投射到所述眼睛的视网膜的1.5mm视网膜中心凹上的视网膜中心凹虚拟子图像，并且从至少一个其它所述小透镜产生由所述眼睛投射到所述视网膜的在所述视网膜中心凹之外的部分上的外周虚拟子图像，所述视网膜中心凹部分虚像具有比所述外周部分虚像更高的分辨率。
显示设备可以被布置成产生部分虚像，至少一个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视网膜中心凹上的部分，每个所述虚像的所述部分具有比外周部分更高的分辨率。
所述至少一个小透镜可以包括视网膜中心凹小透镜，该视网膜中心凹小透镜被布置成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视网膜的1.5mm视网膜中心凹上的视网膜中心凹部分虚像，以及外周小透镜，该外周小透镜被布置成产生由眼睛投射到视网膜的在视网膜中心凹之外的一部分上的外周部分虚像，视网膜中央凹部分虚像具有比外周部分虚像更高的分辨率。
光学系统可以包括具有光学上不同的第一子元件的第一环的第一光学元件，和具有光学上不同的第二子元件和第三子元件的第二环和第三环的第二光学元件。然后第一环中的交替子元件可以与第二环中的连续子元件一起形成相应小透镜，然后第一环中的剩余子元件可以与第三环中的连续子元件一起形成相应小透镜。
第一光学元件和第二光学元件可以是厚透镜的相对表面。
还提供了一种包括根据上述任一方面的显示设备的头戴装置，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。
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。
头戴装置的第一显示设备和所述第二显示设备可以是基本上相同的。例如，它们可以本质上完全相同，或者可以是彼此的镜像。
第一显示设备和第二显示设备的显示器可以是单个物理显示器的部分。
附图说明
从结合以下附图给出的某些实施例的以下更具体描述中，上述和其它方面、特征和优点将显而易见。在图中：
图1是ipixel到opixel映射的示意图(现有技术)。
图2示出了作为外周角的函数的典型人眼的角分辨率。
图3是三个不同实施例的映射函数。示出了线性、直线和适应映射。
图4是用于与图3中相同的三个实施例的径向焦距分布。
图5是提供图3和图4中给出的适应映射和径向焦距值的双透镜设计的等距视图。
图6A是图5所示的双透镜适应设计的2D横截面。已经绘制了用于不同ipixel的反向光线，从移位到眼睛中心的虚构的眼睛瞳孔朝向显示器。
图6B是相同的2D横截面，但是所示出的光线与当眼睛向前凝视时由眼睛瞳孔捕获的光线对应。
图7A是可以看到眼球以及执行opixel到ipixel挤压映射的两个光学装置的实施例的等距示意图。
图7B是图7A的两个光学装置的前视示意图。
图8是图7A和图7B的一个可能实施例的横截面。
图9是与旋转和自由形状适应实施例相比而言的线性映射的映射函数。
具体实施方式
人类视觉分辨率的峰值在场景的成像在视网膜中央凹(其直径为大约1.5mm)处的部分上，并且随着我们离开那个部分而迅速降低。图2示出了作为外周角的函数的典型人眼的角分辨率(根据J.J.Kerr，“Visual resolution in the periphery”，Perception&Psychophysics，第9卷(3)，1971)。如果考虑到球面角坐标系在凝视向量处具有极点(因此外周角与极角相一致)，那么角分辨率不依赖于方位角。而且，人类视觉分辨率大致各向同性，这意味着区分两个点源的能力不依赖于连接两个点源的线的方向。
由于人眼分辨率在外周视觉中比靠近凝视方向更加粗糙，因此我们可以适应(或调整(adapt))本说明书中任何实施例的设计条件(虚拟屏幕上的焦距和图像质量)，以匹配光学器件，使得虚拟屏幕的ipixel不比严格需要的更精细(因为眼睛不会注意到它)。
通过适应虚拟屏幕上的焦距(其固定了从opixel到ipixel的放大率)，我们将使ipixel在虚拟屏幕的凝视区域上尺寸较小并且在虚拟屏幕的外部区域中较大。这允许虚拟屏幕的凝视区域中的ipixel比在具有恒定像素尺寸的系统中更小(因为opixel的总数相同)，因此改善虚像的那个区域中的分辨率而不会实际地劣化其余部分，因为人脑不会感知到外周区域中较低的分辨率。对于最佳设计，必须在二维中进行ipixel尺寸的控制，因为人类分辨率是各向同性的。
通过适应虚拟屏幕上的图像质量，我们可以实现其中ipixel被光学器件近似均等地分辨的配置。请注意，对于任何给定的ipixel，期望的图像质量将依赖于眼睛瞳孔在瞳孔范围内的位置，因此，应当对最坏的情况进行适应，最坏的情况是那个ipixel的外周角处于其最小值的眼睛瞳孔位置。就调制传递函数(MTF)而言，这种适应将意味着对于最差眼睛瞳孔位置的ipixel的奈奎斯特(Nyquist)频率处MTF值在整个虚拟屏幕上应当理想地大致相等。可替代地，就斑点的几何尺寸而言，虚拟屏幕处斑点的角均方根直径与对于最差眼睛瞳孔位置的ipixel尺寸之比应当在整个虚拟屏幕上理想地大致相等。如果光学器件在相反方向(从眼睛朝着虚拟屏幕处的点，直到到达显示器)被光线追踪，那么光学质量的这种适应意味着数字显示器处斑点的均方根直径与对于最差眼睛瞳孔位置的opixel尺寸之比应当在整个显示器上理想地大致相等(即使焦距变化)。
在PCT1中(参见第65页上的段落[0309])，引入了其图像质量适应于人类视觉的光学设计的想法，但是焦距的适应被限制在一个维度上并且仅对于极值外周角。在本文中，我们进一步发展了这种适应，以便在一维和二维中不仅匹配图像质量，而且匹配用于虚拟屏幕的整个外部区域的适应焦距。
第5节将描述具有旋转对称光学器件的实施例，其可以只控制径向方向上的ipixel尺寸，而第6节将描述具有自由形状(即，不具有旋转对称性)光学器件的实施例，其将在其二维中控制ipixel尺寸。
4.映射函数和焦距
为了使本文公开的实施例的解释清楚，接下来描述映射函数和焦距的形式定义。令(ρ,φ)为数字显示器上点r的极坐标，并且令θ,分别是虚拟屏幕上球面坐标的极坐标和方位角。和定义水平线；方向θ＝0称为前方向。函数称为映射函数。逆映射函数由给出。
虚拟屏幕方向处的径向焦距frad是并且被写作|rθ|。矢状焦距是对于与径向或矢状不同的其它方向，焦距由给出，其中α是由沿着其计算焦距的方向相对于径向方向形成的角度。焦距表明了在特定方向上的映射的扩展或收缩。当物体与图像之间的映射共形时，fα独立于α，这相当于映射扩展或收缩是各向同性的。当通过虚像上的光学系统看对应的opixel时沿着方向α的ipixel的角范围是物理opixel直径除以焦距，即，Di,α＝Do/fα。因此，方向α上的ipixel尺寸与焦距fα成反比(为了简单起见，本文考虑圆形opixel，但是该推理容易扩展到通常的正方形opixel)。由于人眼分辨率依赖于外周角，但它以良好的近似是各向同性的，因此它不依赖于沿着其评估分辨率的方向α。于是，期望的是，ipixel的角范围独立于α(否则，分辨率将由最大角直径给出)。由于opixel的直径一般对于α是相当恒定的，因此一般期望独立于α的fα。
现在假设我们有旋转对称的光学成像系统，其中对称轴是方向θ＝0，并且这个方向在点ρ＝0处在数字显示器上成像。由于旋转对称，映射函数使得ρ仅依赖于θ，即ρ＝ρ(θ)，并且径向焦距是frad＝|dρ/dθ|，并且矢状焦距是fsag＝ρ/sinθ。
成像光学器件中标准光学系统的映射通常是直线投射，其中ρ(θ)＝ftanθ，其中f是在θ＝0(虚拟屏幕的中心)处恰好等于frad＝fsag的常量。径向和矢状焦距重合frad＝fsag＝f/cosθ，并且是θ的递增函数。如果使用直线映射，而不是在外周有较大的ipixel，那么将使ipixel朝着视场的外围逐渐变小。在虚拟屏幕的注视区域的边缘(θ＝20°)，ipixel将比θ＝0处小6％，并且在100°视场的边缘(θ＝50°)，ipixel将比θ＝0处小35％。如前面所解释的，这将不会有用，因为在实际中眼睛永远不会凝视那些边缘像素。
单透镜HMD通常偏离直线映射，呈现出某种枕形失真，更接近线性映射ρ(θ)＝fθ(其中f同样是在θ＝0(虚拟屏幕的中心)处等于frad＝fsag的常量)。对于这种映射函数，对于所有的θ，frad＝f，并且fsag＝fθ/sinθ，这是个递增函数。即使在这个映射中，ipixel也将比利用直线映射的增长更少，仍然在θ＝45°，它们将在径向方向上相等，在矢状方向上比在θ＝0处的ipixel小11％。因此，光学器件仍然没有利用这样一个事实：从θ>20°起ipixel可以逐渐变大，而我们的视觉系统检测不到这种增大。
6.具有旋转对称光学器件的实施例
在本文中，我们给出了旋转对称的光学系统，其中径向焦距frad是递减函数，在虚拟屏幕的凝视区域之外对于θ具有近似恒定的斜率，因此ipixel至少在径向方向上显著更大，这显示出了焦距对人眼分辨率的更好适应。而且，光学系统的成像质量也近似地适应于眼睛的分辨率。
图3示出了具有所选的适应实施例301的映射函数ρ＝ρ(θ)的图，以及直线映射302和线性映射303的映射函数。所有这些都被设计为与相同的视场(100°)和相同直径(5.7”，145mm)、16:9宽高比的数字显示器一起工作。显示器的一半用于每只眼睛，因此从显示器的半体的中心(透镜的光轴穿过的位置)到边缘的较近点的距离为大约32mm。
图3中的三条曲线通过与虚拟屏幕(光学器件的轴上场)的中心对应的原点(θ＝0,ρ＝0)，并在点(θend＝50°,ρend＝32mm)处结束。直线映射302对于所有角度都在线性映射303之下，而适应设计301的曲线在线性映射303上方。因此，曲线301起始于原点，具有高于比率ρend/θend的导数(derivative)，但与线性映射曲线303发生的相对照，结束于点ρend,θend，具有小于比率ρend/θend的导数。由于这些导数就是径向焦距(当横轴以弧度为单位表示时)，这指示，通过使外周处的径向焦距较小(即，径向较大的ipixel)，在虚拟屏幕的中心处301将具有比302和303大得多的焦距(即，较小的ipixel)。
图4示出了具有与四个映射对应的径向焦距的图：401与适应实施例对应，并且402和403分别用于直线和线性映射。由于图3中的曲线301、302和303共用同一终点，并且图4中的曲线就是图3中的曲线的导数，因此由曲线401、402和403中的任一条与横轴和线θ＝0和θ＝50°包围的面积是相同的。
作为比较，表1和表2分别示出在假设2560×1440opixel显示器(opixel间距＝50微米)的情况下若干参数分别在虚拟屏幕的中心处和边缘处的值。所选择的参数是焦距、ipixel的角尺寸、ipixel密度(每度的ipixel)和虚拟屏幕上的奈奎斯特频率(这是ipixel的开-关序列的角频率)。
根据表1，在虚拟屏幕的中心(θ＝0)处，适应实施例的ipixel尺寸为3弧分，大约比线性情况小1.5倍并且比直线情况小多于2倍。不幸的是，对于具有2560x1440opixel的这种数字显示器，3弧分的ipixel仍然是可区分的(因为人眼解析2弧分，如图2所指示的)，但是它们与其它两种映射相比不太可区分。
根据表2，在虚拟屏幕的边缘(θend＝50°)处，适应实施例中的ipixel的径向尺寸为28弧分，大约是线性情况的6倍和直线情况的7倍。尽管28弧分似乎是高的值，但是当眼睛向前凝视时，外周角为50°，并且人类视觉的分辨率极限为50弧分(参见图2)，因此将不能看出分辨率的粗糙性。但是，所选择的设计条件不是眼睛向前凝视，而是当眼睛旋转到θ＝20°时，虚拟屏幕的通常被凝视区域的边缘。于是，外周角为50-20°＝30°，并且根据图2，人类视觉分辨率是30弧分，接近于适应实施例的28弧分。
表1.在虚拟屏幕的中心处(θ＝0)对于具有2560×1440像素的5.7”(145mm)显示器的结果参数的比较。
表2.在虚拟屏幕的边缘处(θend＝50°)对于具有2560×1440像素的5.7”(145mm)显示器的结果参数的比较。
在这种旋转对称设计中，矢状焦距fsag＝ρ/sinθ(图4中未示出)不像径向焦距那样减小那么多。特别地，在虚拟屏幕的边缘处，fsag＝ρend/cosθend＝41mm，因此在这种适应设计中，外周区域中的ipixel在径向方向被强烈伸长。只有打破旋转对称才能充分利用适应的分辨率，因为两种焦距都可以取更接近的值，如第7节中所公开的。
倘若非球面的数量足够(优选地，4个或更多个)，那么适应映射曲线301可以利用使用多个旋转对称光学表面的系统来实现。当表面数量增加时，自由度更高，并且可以更好地实现适应，而具有较少表面的设计可能具有更受限的光学性能，因此映射301的倾斜度不太显著。
本说明书不限于特定的光学配置，但接下来将公开用两个透镜制成的特定示例。图5示出了提供在图3和图4中给出的适应映射和径向焦距值的双透镜设计的透视图。由折射透镜503和504组成的相应透镜对被放置在每只眼睛501和显示器502之间。显示器的每一半(由中心线505划分)与一只眼一起工作。由于用于这种设计的16:9显示器的特定维度(5.7”，145mm，对角线)，平均标准瞳孔间距离的每只眼睛的中心与显示器506的相应一半的中心对准。
图6A是两个透镜适应设计的2D横截面，示出了眼睛601、显示器602以及两个透镜603和604的轮廓。已经绘制出了不同ipixel的反向光线，从想象的(notional)眼睛瞳孔605(移位到眼睛的中心，以简化几何结构)朝着显示器，撞击到对于不同ipixel的不同opixel上。这种眼睛瞳孔605允许我们模拟当ipixel在眼睛旋转时被凝视的情况下的ipixel的性能，因此这些被凝视的ipixel是性能应当最好的ipixel。用于图6A中的情况的光线跟踪模拟结果指示当眼睛凝视ipixel时撞击在显示器上的反向光线的多色均方根斑点直径在从θ＝0到θ＝20°(这是虚拟屏幕通常被凝视的区域的范围)的10-50微米的范围内(即，小于前述示例的50微米opixel间距)。
图6B是相同的2D横截面，但是所示出的光线与当眼睛向前凝视时由眼睛瞳孔捕获的光线对应。当外周角增大时，这些光线的图像质量可以逐渐放松，如由于人眼分辨率降低所允许的。
如从图6A和6B可以看出的，只有当实际的瞳孔(其在良好照明下具有仅大约3mm的典型直径)处于光线遇到眼球的位置处时，任何光线才会进入眼睛。如果光线在光线遇到瞳孔的点处相对于眼球601近似于是径向的，那么光线将到达视网膜中央凹。如果光线在光线遇到瞳孔的点处相对于眼球倾斜，那么光线将到达外周视网膜。大约2.5度的入射角(这与也是大约2.5度的外周角对应，因为凝视方向近似为通过瞳孔中心的半径)可以作为视网膜中心凹光线的极限。参见图6A中光线遇到“假想瞳孔”605。如果凝视变化，那么瞳孔将移动，落在新瞳孔位置上的不同光线束将进入眼睛，并且同样的考虑可以适用于不同的束。因此，通过确保透镜603、604的光学系统的图像质量对于几乎径向的光线是最高的，可以确保最高的图像清晰度总是投射到视网膜中央凹上，即使没有跟踪凝视方向的移动并主动地适应(或调整(adapt))光学器件或显示器602上的实像。
如图6A和6B所示，来自同一opixel的不同光线穿过透镜603、604的不同点，并落在眼睛601的瞳孔范围的不同部分上。每条光线遇到眼球601的入射角密切地依赖于光线遇到眼球601的点，并且也与光线遇到透镜603、604的光学表面的点紧密相关。因此，通过透镜603、604的适当设计，每个光线束的图像质量可以与光线遇到眼球的入射角高度相关，因此可以选出视网膜中心凹光线以进行锐聚焦。特别地，如图6B中最佳看到的，最外周的光线通过透镜603的外部部分，因此该外部部分可以按最低的图像质量成形。
透镜的轴对称非球面的轮廓可以很好地用以下标准方程拟合：
其中a0是沿着光轴的顶点位置(从显示器测量)，k是圆锥常数，δ＝1/R，R是顶点处的半径，g2i+4是Forbes Q-con多项式Qi con的系数(Forbes，Shape specification foraxialyl symmetric optical surfaces，Optics Express，第15卷，第8期，第5218-5226页(2007年))。例如，用于图6A中的透镜的这个拟合参数的具体值(全都以mm为单位，除k无量纲和δ以mm-1为单位以外)在下表3中给出，其中表面按照光线在从显示器向眼睛传播的过程中碰撞表面的顺序被排序为S1至S4。当眼睛向前凝视时从显示器到眼睛瞳孔的距离为64.94mm。坐标系的z轴从眼睛指向显示器，原点在z轴与显示器的交点处。透镜材料对于透镜604是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)并且对于透镜603是聚苯乙烯(PS)。
表3
7.具有自由形状光学器件的实施例
在具有旋转光学器件的前述实施例中，ipixel的放大倍率的适应限于径向维度。在本节中，我们公开了具有自由形状光学器件的实施例，其可以在二维中控制ipixel尺寸。
为了克服这个问题，我们提出了一种新的实施例，该实施例基于已经应用到非成像设计并且在JuanC.等人的专利US8,419,232中进行了大量解释的光学扩展量(étendue)挤压技术。图7A是本实施例的透视图，其中我们可以看到眼球701、光学装置702和703(其一般可以是透镜表面、双面透镜或任何其它光学装置)。为了清楚起见，在图示中未绘制出显示器，但是如在703中标识的那些扇区的扇区也被识别为群集。光学装置702和703给出一起工作的中央区域714和715，而两个装置的剩余区域都被划分为扇区。属于702的扇区沿着外部环分布，而703的扇区沿着两个不同的外部环分布。702的扇区的矢状方向的角范围是703的扇区的矢状方向的角范围的一半。另一方面，702的扇区的切线方向的角范围是703的扇区的切线方向的角范围的两倍。以这种方式，扇区方便地拼接起来(tessellate)并且群集也在数字显示器上方便地拼接起来。
图7B示出了两个光学装置702和703的前视图，其中突出显示了5个扇区，以便解释它们如何被布置成成对工作。以这种方式，装置702的扇区704、705、706、707和708分别与装置703的扇区709、710、711、712和713一起工作。虽然扇区704至708必须拼接，以保证从眼睛看不到严重的间隙，但是微透镜709至713可以显示间隙(因此图7B中指示为709至713的区域只是扇区可以占据的最大区域)。
图8示出了图7A中实施例的可能实现的横截面，其中光学装置702和703中的每一个被制成相应的自由形状表面的厚透镜。因此，表面702的扇区704、705、706、707和708分别与表面703的扇区709、710、711、712和713一起工作，从而形成小透镜(704-709、705-710等)。图8示出了显示器801、眼睛802和这种厚透镜的三个小透镜(所有其它外周小透镜可通过旋转叠加到所示的三个小透镜中的一个)。
第一中央小透镜相对于中心轴813旋转对称，并且其横截面轮廓811和812与图7A和7B中的中心区域714和715对应。第二小透镜是相对于平面对称的自由形状小透镜，并且与图7A和7B中的扇区705和710对应。图8中的线809和808是其对称平面中包含图8中的轴813和图7B中的线717的横截面轮廓。第三小透镜也是自由形状，并且相对于另一平面是对称的，并且与图7A和7B中的扇区708和713对应。图8中的线806和807是其对称平面中包含图8中的轴813和图7B中的线716的横截面轮廓。请注意，第二和第三小透镜的轮廓不是共面的，并且它们在图8中被一起绘制，这仅仅是为此解释。除此之外，光线轨迹将反向，使得这个解释中的光从眼睛行进到数字显示器。
反向的光线810从眼睛通过透镜的中心部分812、811行进并撞击到显示器801的中心部分上。另一方面，光线803和804的反向扇面(fan)通过透镜的外周区域806-807和808-809传播并撞击到显示器805的外部区域上。光线扇面804(用虚线绘制)撞击在虚线表面808上，然后撞击在虚线表面809上，并被引向显示器。另一方面，光线扇面803(用连续线绘制)撞击在表面806上，然后撞击在表面807上，并被引向显示器。请注意，表面对808-809收集具有比表面对806-807更小的外周角的反向光线。
如本文所述的群集和小透镜的拼接允许矢状焦距相对于旋转解决方案减小，并且给出在虚拟屏幕的中心处获得较大径向焦距的空间。图9图示了这一点，示出了这个自由形状实施例沿着对称平面的映射函数901的示意曲线。扇区θ＝0-25°与旋转对称的小透镜714、715对应。曲线901从θ＝25°-37.5°的部分与图8中所示的光线扇面804对应，并到达数字显示器的边缘(对于16:9、5.7”示例是在31.75mm处)。那条曲线901从θ＝37.5°-50°的最后一部分与图8中所示的光线扇面803对应(如前面所提到的，803在现实中不与804共面)，并且也到达数字显示器的边缘。为了比较，还示出了与扇区6的线性映射函数902和旋转对称映射函数903对应的曲线。如上面已经解释过的，通过利用挤压映射技术拉长矢状方向上的ipixel尺寸，获得在虚拟屏幕中心处的高焦距(在所选示例中为70.5mm)(较大的斜率)。映射挤压允许在角度区域θ＝25°-50°中维持与旋转适应设计在那个角度范围中相同的斜率，因此维持相同的径向焦距。
如从图9可以看到的，曲线901可以在小透镜之间的边界处不连续，但是如果不连续性被良好地设计，那么，即使曲线本身不连续，曲线的梯度也可以是连续的。与光线扇面804和803之间的边界对应的台阶在图9中点线示出，以强调至少在理想情况下它是不连续的，并且不是负斜率的片段。与那种理想情况的任何偏离(例如，与小透镜之间的尖端(cusp)的倒角(rounding)的偏离)优选地保持最小，因为它表示光线可以在不期望的方向上散射并且劣化图像质量的地方。
虽然已经描述了具体的实施例，但是对于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，而是仅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，以上交叉引用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 (23)

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的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，在虚像的从向前方向起的径向角度大于20°的区域中，光学系统的径向焦距随着径向角度的增大而减小。
2.如权利要求1所述的显示设备，其中，在虚像的从向前方向起的径向角度大于20°的基本上所有点处，光学系统的径向焦距随着径向角度增大而减小。
3.如权利要求1所述的显示设备，其中，在虚像的从向前方向起的径向角度大于20°的区域中，光学系统的矢状焦距也随着径向角度的增大而减小。
4.如权利要求3所述的显示器，其中，在虚像的从向前方向起的径向角度大于20°的基本上所有点处，光学系统的矢状焦距随着径向角度的增大而减小。
5.如权利要求1所述的显示设备，被布置成产生虚拟子图像，所述虚拟子图像中的至少一个虚拟子图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视网膜中心凹上的视网膜中心凹部分，每个所述虚拟子图像的所述视网膜中心凹部分的分辨率比所述虚拟子图像的外周部分的分辨率高。
6.如权利要求1所述的显示设备，被布置成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从至少一个所述小透镜产生由所述眼睛投射到所述眼睛的视网膜的1.5mm视网膜中心凹上的视网膜中心凹虚拟子图像，并且从至少一个其它所述小透镜产生由所述眼睛投射到所述视网膜的在所述视网膜中心凹之外的部分上的外周虚拟子图像，所述视网膜中心凹部分虚像具有比所述外周部分虚像更高的分辨率。
7.如权利要求1所述的显示设备，其中光学系统包括具有光学上不同的第一子元件的第一环的第一光学元件、具有光学上不同的第二子元件和第三子元件的第二环和第三环的第二光学元件，其中第一环中的交替子元件与第二环中的连续子元件一起形成相应小透镜，并且第一环中的剩余子元件与第三环中的连续子元件一起形成相应小透镜。
8.如权利要求7所述的显示设备，其中第一光学元件和第二光学元件是厚透镜的相对表面。
9.一种头戴装置，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。
10.如权利要求9所述的头戴装置，还包括第二显示设备，安装成第二显示设备的眼睛位置与人的第二只眼睛重合。
11.如权利要求10所述的头戴装置，其中所述显示设备和所述第二显示设备基本相同。
12.如权利要求10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。
13.一种显示设备，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的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；
其中光学系统被布置成产生虚拟子图像，所述虚拟子图像中的至少一个虚拟子图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视网膜中心凹上的视网膜中心凹部分，所述虚拟子图像的所述视网膜中心凹部分的分辨率比所述虚拟子图像的外周部分的分辨率高。
14.如权利要求13所述的数字显示设备，其中光学系统被布置成产生具有视网膜中心凹部分的虚拟子图像，视网膜中心凹部分由在光线遇到眼球的点处以相对于眼球的径向方向的小于2.5°的外周角在眼睛位置处遇到眼球的瞳孔范围的任何部分的相应光线形成，子图像的视网膜中心凹部分的分辨率比子图像的外周部分高。
15.如权利要求13所述的显示设备，其中光学系统被布置成通过包括自由形状的小透镜来产生所述虚拟子图像，所述自由形状的小透镜具有跨所述自由形状的小透镜的活动区域变化的焦距。
16.如权利要求13所述的显示设备，其中，在虚像的从向前方向起的径向角度大于20°的区域中，光学系统的径向焦距随着径向角度的增大而减小。
17.如权利要求16所述的显示设备，其中，在虚像的从向前方向起的径向角度大于20°的基本上所有点处，光学系统的径向焦距随着径向角度的增大而减小。
18.如权利要求13所述的显示设备，其中，在虚像的从向前方向起的径向角度大于20°的区域中，光学系统的矢状焦距随着径向角度的增大而减小。
19.如权利要求18所述的显示设备，其中，在虚像的从向前方向起的径向角度大于20°的基本上所有点处，光学系统的矢状焦距随着径向角度的增大而减小。
20.一种头戴装置，包括如权利要求13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。
21.如权利要求20所述的头戴装置，还包括第二显示设备，安装成第二显示设备的眼睛位置与人的第二只眼睛重合。
22.如权利要求21所述的头戴装置，其中所述显示设备和所述第二显示设备基本相同。
23.如权利要求21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。
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