CN111512213B - 具有针孔镜的增强现实光学系统 - Google Patents
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Abstract
本文中提出的方法使得能够将增强现实虚拟图像显示在现实世界环境中。更具体地，经由虚拟图像投影部件将虚拟图像通过大致透明介质传输到与该大致透明介质接触的一组针孔镜上。然后，经由所述一组针孔镜向通过大致透明介质观看的使用者提供被转置在现实世界图像上的虚拟图像的视图。虽然人眼可以感知到形成虚拟图像的光，但是由于所述一组针孔镜中的每个针孔镜都比人眼的瞳孔小，因此由于所述针孔镜的尺寸而使人眼无法感知到所述一组针孔镜中的任何针孔镜。
Description
技术领域
本发明总体上涉及在增强现实的环境中的虚拟图像生成，并且更具体地涉及通过使用针孔镜显示虚拟图像来对增强现实技术进行改进。
背景技术
增强现实(AR)允许使用者实时查看或间接查看物理、现实世界环境，其中，由计算机生成诸如声音、视频、图形、触觉和/或GPS数据之类的感官输入来增强现实世界的对象。AR是一种计算机介导现实的类型，其中，通过计算机修改现实的视图，从而增强了体验到的环境或情况。AR技术通常是通过环境元素实时执行的，比如在具有信息叠加层的实时、动态视频中对真实对象进行注释。
与通过AR增强使用者对现实世界的感知相反，虚拟现实(VR)用模拟世界代替了现实世界。通常，VR使用头戴式耳机、触觉反馈设备或投影环境来创建一个虚拟环境，在该虚拟环境中，使用者的感觉被模拟的图像、声音和/或其他感觉刺激，就好像使用者实际上处于虚拟环境中一样。
尽管AR和VR最初主要用于娱乐和游戏环境，但是现在其他企业也使用AR和VR。例如，组织和个人越来越多地在诸如知识共享、教育、信息管理以及组织地理位置遥远会议之类的领域中使用AR和VR。
发明内容
技术问题
本发明的一个目的是通过使用针孔镜来提供增强现实光学系统，与常规的AR光学系统相比，所述增强现实光学系统在不需要或不使用其他光学元件的情况下提供改进的透视能力、更小的形状因数、更宽的眼箱以及更宽的景深。
问题的解决方案
本文中提出的方法使得能够将增强现实虚拟图像显示在现实世界环境中。更具体地，经由虚拟图像投影部件将虚拟图像通过大致透明介质传输到与该大致透明介质接触的一组针孔镜上。然后，经由所述一组针孔镜向通过大致透明介质观看的使用者提供被转置在现实世界图像上的虚拟图像的视图。虽然人眼可以感知形成虚拟图像的光，但是由于所述一组针孔镜中的每个针孔镜都比人眼的瞳孔小，因此由于所述针孔镜的尺寸而使得人眼无法感知到所述一组针孔镜中的任何针孔镜。
本发明的一方面包括增强现实透视设备，该增强现实透视设备包括：大致透明介质；与所述大致透明介质连续的一组针孔镜；以及虚拟图像投影部件，该虚拟图像投影部件将虚拟图像传输到一组针孔镜上，使得通过大致透明介质观看的使用者看到被转置在现实世界图像上的虚拟图像。
本发明的另一方面包括用于将增强现实虚拟图像显示在现实世界环境中的方法，该方法包括：经由虚拟图像投影部件将虚拟图像通过大致透明介质传输到与该大致透明介质接触的一组针孔镜上；以及经由一组针孔镜向通过大致透明介质观看的使用者提供被转置在现实世界图像上的虚拟图像的视图。
发明的有益效果
根据本发明，可以通过使用针孔镜来提供增强现实光学系统，当与常规的AR光学系统相比时，所述增强现实光学系统在不需要或不使用附加的光学元件的情况下提供了改进的透视能力、更小的形状因数、更宽的眼箱以及更宽的景深。
附图说明
通过以下结合附图对本发明各个方面的详细描述，可以更容易地理解本发明的这些和其他特征，在附图中：
图1A和图1B示出了示例性常规光学系统。
图2示出了根据示例性实施方式的使用针孔镜的增强现实(AR)光学系统的解决方案。
图3示出了根据示例性实施方式的具有针孔镜的AR光学系统的示例性实施方式。
图4A至图4E示出了根据示例性实施方式的用于AR光学系统的其他解决方案。
图5示出了根据示例性实施方式的仅利用一个针孔镜的限制性。
图6示出了根据示例性实施方式的使用针孔镜阵列的增强现实(AR)光学系统的解决方案。
图7示出了根据示例性实施方式的具有针孔镜阵列的AR光学系统的示例性实施方式。
图8示出了根据示例性实施方式的使用针孔镜阵列的虚拟对象的视场的扩展。
图9示出了根据示例性实施方式的具有不同焦距的多个虚拟图像12A至12N的麦克斯韦视图的实现。
图10示出了根据示例性实施方式的用于执行本发明的实施方式的过程流程图。
附图不一定是按比例绘制的。附图仅是对本发明的特定参数的表示，并不意在描绘本发明的特定参数。附图意在仅描绘本发明的典型实施方式，因此不应当被视为对范围的限制。在附图中，相似的附图标记表示相似的元件。
具体实施方式
现在将参照示出示例性实施方式的附图在本文中更全面地描述示例性实施方式。将理解的是，本公开可以以许多不同的形式来体现，并且不应当被解释为限于本文中所阐述的示例性实施方式。相反，提供这些实施方式使得本公开将是透彻和完整的，并将向本领域技术人员充分传达本公开的范围。
此外，本文中所使用的术语仅用于描述特定实施方式的目的，并不意在限制本公开。除非上下文另外明确指出，否则如本文中所使用的，单数形式的“一”、“一种”和“该”还意在包括复数形式。此外，术语“一”、“一种”和“一组”等的使用不表示对量的限制，而是表示存在至少一个所引用的项目。此外，不同附图中的相似元件可以被指定相似的元件编号。将进一步理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包含有”或“包括”和/或“包括有”时，说明存在所述特征、区域、整数、步骤、操作、元件、和/或部件，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、区域、整数、步骤、操作、元件、部件和/或它们的组。
如上所述，本文中所描述的实施方式提供了将增强现实虚拟图像显示在现实世界环境中。更具体地，经由虚拟图像投影部件，将虚拟图像通过大致透明介质传输到与大致透明介质接触的一组针孔镜上。然后，经由一组针孔镜，向通过大致透明介质进行观看的使用者提供被转置在现实世界图像上的虚拟图像的视图。虽然人眼可以感知到形成虚拟图像的光，但是由于一组针孔镜中的每个针孔镜都比人眼的瞳孔小，因此由于针孔镜的尺寸而使人眼无法感知到该组针孔镜中的任何针孔镜。
常规的透视AR光学系统将虚拟图像与使用者通过透视系统(通常由透明物质、比如玻璃或其他透镜材料制成)看到的现实世界图像结合在一起。为了实现上述功能，透视AR光学系统从AR光学系统的使用者的视场之外投影虚拟图像。通常，虚拟图像从与使用者正在观察的现实世界图像大致垂直的角度被投影到透明物质中。虚拟图像被重新定向成朝向使用者并转置到现实世界图像上。然而，本发明的发明人已经发现这种常规的透视增强现实(AR)光学系统的若干缺陷。首先，现在参照图1A，发明人已经发现常规系统在虚拟图像12与现实世界环境14结合时存在问题。为了在现实世界环境14中为人眼16创建看起来似乎真实的虚拟图像12(即，创建结合的虚拟和真实图像18)，常规AR光学系统10需要在现实世界环境14中的特定的期望位置中去结合虚拟图像12。因此，必须使虚拟图像12出现在与现实世界对象——虚拟图像12意在与该现实世界对象“互相作用”——相同的位置并具有与该现实世界对象相同的焦距。
常规的AR光学系统10使用常规的光学技术、比如使用半反射镜20、光导或波导以使虚拟图像12出现在与现实世界环境14的现实世界对象相同的位置并具有与该现实世界对象相同的取向。由于这些常规光学技术在本领域中是已知的，因此出于对本发明的实施方式进行说明以及与本发明的实施方式进行比较的目的，此处将仅对这些常规光学技术进行有限详细的讨论。半反射镜技术可以用于将真实图像14与虚拟图像12在进入人眼16之前结合，这是由于一些光(对应于虚拟图像12)反射离开半反射镜，而一些其他光(对应于真实图像14)则穿过半反射镜。由于现实世界的光线必须穿过半反射镜，因此来自现实世界的对象可能显得暗淡。使用此技术的示例包括Google Glass、Epson Moverio设备和Meta视觉设备。(将理解的是，本文中所使用的所有商标和商品名称均为其相应的所有者的财产，并且仅用于说明性和描述性目的。)光导技术可以用于通过使用多个半反射镜来将真实图像14和虚拟图像12组合，从而投影出与真实图像14组合而形成单个图像的分离的虚拟图像12。虽然光导技术可以使AR光学系统的厚度和尺寸减小，但是该技术还取决于复杂的光路，这会增加设计和生产的复杂度，同时使光通过多个半反射镜，从而使光效率降低。波导技术使用全息光学元件(HOE)和/或衍射光学元件(DOE)来将光束分成该光束的组成波长，然后组成波长被重新结合以形成虚拟图像12与真实图像14的结合。然而，此过程可能导致最终图像(即经结合的图像18)经受彩色缩减、比如无法将所有颜色聚焦至同一会聚点。
其次，现在参照图1B，本发明人发现常规的AR光学系统经受形成虚拟图像的问题。当人眼16聚焦在真实对象/图像14上时，虚拟图像12也必须清晰地形成在人眼16的视网膜22中。换句话说，当虚拟图像12意在具有相对于真实对象/图像14相同的位置时，则虚拟图像12的焦点必须使得人眼16在聚焦于真实对象/图像14时清晰地看到虚拟图像12。这可能是特别困难的，因为通常作为用于生成虚拟对象12的投影仪是AR光学系统的组成部件，与真实对象/图像14相比，由投影仪产生的虚拟对象12具有不同的焦距，因此，除非进行校正，否则可能显示为模糊的虚拟对象24。
常规的AR光学系统10使用常规的聚焦光学技术、比如调节焦距和扩展景深以使虚拟图像12与真实对象/图像14聚焦。由于这些常规的聚焦技术在本领域中是已知的，因此出于上述对本发明的实施方式进行说明以及与本发明的实施方式进行比较的目的，此处将仅对常规的聚焦技术进行有限详细的讨论。在调节虚拟图像12的焦距的常规AR光学系统10中，可以使用一个或更多个凹/凸透镜和/或反射镜来实现固定的焦距。在需要多个焦距的一些情况下，常规的AR光学系统10可以使用常规的聚焦光学技术：比如虚拟图像12的阵列，每个对应于不同的焦距；或者电控有源凹面镜或凸面镜。用于调节虚拟图像12的焦距的这些技术可能由于固定焦距而不灵活或者由于焦距作业区、比如上面所述的焦距作业区而过于复杂。
一些常规的AR光学系统附加地或替代性地尝试通过对用于虚拟图像12的景深进行扩展来实现虚拟图像12的麦克斯韦视图，意在不论焦距如何都在视网膜22中形成虚拟图像12的清晰图像。用于尝试实现虚拟图像12的麦克斯韦视图的技术包括针孔、针状光(pinlight)、激光显示、斑状光(spot light)和点状光。然而，使用这些技术，成功实现虚拟图像12的麦克斯韦视图仍然较为困难且复杂。例如，针孔技术可能存在衍射问题，因此需要结合器和附加的光学系统进行校正。在另一个示例中，斑状光和激光技术由于出射光瞳的尺寸而可能存在眼箱问题，因此也需要结合器和附加的光学系统进行校正。这是由于在使用这些技术时，眼16观察虚拟图像12的适当位置(即，光场与眼16的瞳孔位置匹配的位置)被限制在相对较小的区域，从而使眼16可以游动并仍然看到虚拟图像12的量减小。
鉴于以上所述，本发明的实施方式克服了上面所描述的常规AR光学系统的图像结合和图像成形限制。本文中所描述的解决方案提出了如下AR光学系统：该AR光学系统使用根据使用者的视角比人瞳孔在预定照明条件下的平均直径小的反射表面(即，小于4mm跨度)作为系统的光学元件。如将在下面进一步讨论和解释的，在与常规的AR光学系统相比时，本发明的实施方式在不需要或不使用附加的光学元件的情况下提供了改进的透视能力、更小的形状因数、更宽的眼箱以及更宽的景深。
还应当理解的是，尽管本文中主要针对AR进行了描述，但是本发明的实施方式也可以(例如，通过将观察介质从透明或大致透明转换成不透明或基本不透明；通过将附加的不透明或基本不透明介质引入系统；引入在其上可以产生VR元件的附加显示器；和/或等)与VR和相关的VR计算机系统一起使用。
现在参照图2，示出了根据本发明实施方式的用于AR光学系统的解决方案。如该图中所示，在本发明的一个实施方式中，使用一组针孔镜32(即，至少一个针孔镜32)作为AR光学系统30的光学元件。针孔镜32小于人瞳孔的平均直径。在一些实施方式中，针孔镜32根据使用者的视角小于4mm(大约5/32英寸)的跨度。在本发明的一些实施方式中，针孔镜32可以是相对正方形或矩形的，从使用者的视角来看，该针孔镜32的侧部不超过4mm。在其他实施方式中，针孔镜32可以是圆形或椭圆形的，从使用者的视角来看，该针孔镜32的直径不大于4mm。
针孔镜32可以配置成将形成虚拟图像12的光线34重定向到使用者的眼上。更具体地，根据本发明的实施方式，针孔镜32在AR光学系统30中定位成使从虚拟图像投影部件36发射的光线34反射或折射，从而在使用者的人眼16定位在显示位置/区域40处以从现实世界环境14或现实世界环境14中的特定现实世界对象观看现实世界光线38时，将虚拟图像12投影至使用者的人眼16。
由于针孔镜32比人眼16的瞳孔42小(即，小于4mm)，因此使用者不能将针孔镜32识别为镜。而是，如果使用者的眼16试图聚焦在针孔镜32上，则使用者将只能看到经结合的图像18中的虚拟图像12。这是由于，当小于瞳孔的对象靠近瞳孔定位时，该对象便不能被看到。应当理解的是，针孔镜32的4mm跨度的测量是相对于从显示位置/区域40观察时的针孔镜32的感知长度，而不是针孔镜32的实际长度跨度。例如，在针孔镜32与显示位置/区域40以及与虚拟图像投影部件36呈45°角放置的情况下，则针孔镜32的实际长度可以为
mm(约5.7mm)，而针孔镜32在显示区域40处的感知长度保持为4mm。
在一些实施方式中，针孔镜32与大致透明介质28是连续的。例如，在一些实施方式中，针孔镜32插入在大致透明介质28中或嵌入在大致透明介质28内，该大致透明介质28形成AR光学系统30的本体。在一些其他实施方式中，针孔镜32位于形成AR光学系统30的本体的大致透明介质28的表面上。在一些实施方式中，大致透明介质28可以是透镜材料、比如玻璃或塑料(例如，丙烯酸、聚碳酸酯)。在一些其他实施方式中，针孔镜32可以插入框架或者由框架保持。AR光学系统30可以将来自虚拟图像投影部件36的虚拟图像12从AR光学系统30的使用者的视场的外部传输到针孔镜32上，使得通过大致透明介质28观看的使用者看到被转置在现实世界图像14上的虚拟图像12。例如，在一些实施方式中，虚拟图像投影部件36通过大致透明介质28(例如，透镜材料)的第一表面将虚拟图像12传输至针孔镜32，并且通过大致透明介质28观看的使用者通过大致透明介质28的第二表面看到被转置在现实世界图像/环境14上的虚拟图像12，其中，第二表面与第一表面不是相反的。在一实施方式中，虚拟图像投影部件36可以从大致垂直于使用者正在观察的现实世界图像12的角度投影虚拟图像12，但是可以利用任何投影角度以用于本发明的目的。应当理解的是，尽管图2中所示的实施方式示出了虚拟图像投影部件36的面与显示位置/区域40和现实世界环境14垂直，其中针孔镜32从这些面中的每个面旋转45°，但这种情况不是必须的。在一些实施方式中，虚拟图像投影部件36可以定向成除了在眼16和现实世界环境14的正后方或正前方之外的任何方向。
在AR光学系统30中使用针孔镜32克服了以上关于常规AR光学系统10所讨论的将虚拟图像12与现实世界环境14结合的问题。与先前的将虚拟图像12与现实世界环境14结合的解决方案不同，本发明的实施方式在结合过程期间不改变虚拟图像12或对现实世界环境14的感知。与使用半反射镜或包括多个半反射镜的光导不同，针孔镜32不会使现实世界环境14或虚拟图像12变暗或使光效率降低。此外，与波导所使用的HOE和/或DOE不同，本发明实施方式的针孔镜32不会有使虚拟图像12的彩色缩减的风险。此外，与利用光导或波导的常规AR光学系统相比，在AR光学系统中使用针孔镜32允许AR光学系统复杂性和体积显著降低。因此，针孔镜32允许AR光学系统相对简单，从而占用很小的空间，同时保持虚拟图像的完整性并呈现对现实世界的准确的透视感知。
在AR光学系统30中使用针孔镜32进一步克服了以上关于常规AR光学系统10所讨论的形成与现实世界环境14聚焦的虚拟图像12的问题。通过使用针孔镜32作为光学元件，AR光学系统30消除了任何对调节焦距的需求。针孔镜32是通过扩展景深以使虚拟图像12与真实对象/图像14聚焦来实现的。如此，与通过利用例如凹/凸透镜和/或反射镜的阵列或虚拟图像的阵列来调节焦距的常规AR光学系统相比，在AR光学系统中使用针孔镜32允许AR光学系统的复杂性和体积显著降低。此外，通过使用针孔镜32来扩展景深，AR光学系统30可以将针孔效应施加至虚拟图像12，从而在不使用合成器或其他校正光学系统的情况下获得麦克斯韦视图。
现在参照图3，示出了具有针孔镜32的AR光学系统30的示例性实施方式。在该示例中，AR光学系统30包括嵌入有针孔镜32的大致透明介质28(例如，呈矩形或其他三维形状的透镜)。如图3中所示，来自投影虚拟图像12的虚拟图像投影部件36(图2)的光线34从大致透明介质28的一侧被传输到大致透明介质28中，并且被针孔镜32反射离开以将虚拟图像12重新定向至显示区域40，使得使用者观察虚拟图像12与现实世界环境14的结合18。
容易理解的是，除了在图2和图3中为了说明的目的而示出的AR光学系统30之外，还设想了具有针孔镜32的AR光学系统的许多变型。在本发明的一些实施方式中，可以基于来自虚拟图像投影部件36的光线34的期望路径来修改针孔镜32。在一些这样的实施方式中，针孔镜32可以包括反射元件、比如反射镜。在一些其他这样的实施方式中，针孔镜32可以包括折射元件、比如透镜，以用于使来自虚拟图像投影部件36的光线34重新定向但不使光线34反射。在一些实施方式中，针孔镜32可以具有基本上完全反射的表面或基本上完全折射的表面。仍在其他这样的实施方式中，反射元件和折射元件的一些结合件可以用作AR光学系统30的光学元件。
此外，在一些实施方式中，针孔镜34的不透明度可以基于虚拟图像12的显示目标而变化(例如，针孔镜32的不透明度从0变化至约100％)。例如，在一些情况下，更大的针孔镜可能导致虚拟图像12的亮度减少到低于可接受的量。在那种情况下，可以增加针孔镜32的透明度，或者可以在AR光学系统300中使用半透明的针孔镜32以提高整体亮度。此外，取决于虚拟图像12的显示目标，针孔镜32可以由具有不同折射率的任何种类的物质制成。例如，在一些实施方式中，针孔镜32的材料可以是透明的、全息光学元件(HOE)、金属等。
此外，在本发明的一些实施方式中，针孔镜32的位置和取向可以基于来自虚拟图像投影部件36的光线34的期望路径而变化。例如，可以根据需要选择性地应用针孔镜插入AR光学系统30的透镜材料中的偏移、侧倾和/或俯仰(例如，在0°与180°之间)，以正确地示出在现实世界环境14中的虚拟图像12。在其他实施方式中，针孔镜32的尺寸可以改变。随着针孔镜32的尺寸增加，相关联的景深增加；然而，根据本发明的大多数实施方式，期望使针孔镜32保持比人瞳孔42的尺寸小。因此，意在于低光照条件下操作的AR光学系统(例如，夜视镜)在一些实施方式中可以具有较大的针孔镜(例如，直径达8mm的针孔镜)，而意在于高光照条件下操作的AR光学系统(例如，太阳镜)在一些实施方式中可以具有较小的针孔镜(例如，直径小于2mm的针孔镜)。在一些其他实施方式中，可以控制进入眼16的瞳孔42的光的量(例如，通过调节虚拟图像12和现实世界环境14的亮度)，以防止瞳孔42收缩到小于针孔镜32的尺寸和/或防止视场过度下降。
在一些实施方式中，在针孔镜32弯曲的情况下，针孔镜32的反射或折射表面可以执行与凹或凸光学元件相同的功能。在其他实施方式中，针孔镜32的反射或折射表面可以执行与诸如具有球形、非球形、圆锥、环形或变形表面的光学元件之类的自由表面光学元件相同的功能。
现在参照图4A至图4E，示出了根据本发明实施方式的用于AR光学系统的解决方案的其他实施方式。在本发明的一些实施方式中，可以在具有常规光学系统部件的AR光学系统中使用针孔镜32，因为在这些情况下仍然可以容易地实现麦克斯韦视图。例如，如在图4A的额外光学元件系统50A中所示，可以在虚拟图像投影部件36与针孔镜32之间放置附加的光学元件52。光学元件52可以配置成将来自虚拟图像投影部件36的光引导至针孔镜32。在一些实施方式中，该附加的光学元件52可以放置在额外的光学元件系统50A的大致透明介质28的外部或嵌入在介质28中。附加的光学元件52可以包括任何常规的光学元件、比如凸透镜或凹透镜或反射镜。在图4A中所示的示例中，凸透镜52可以用于对虚拟图像12的焦点进行调节，而针孔镜32使虚拟图像12的视场延伸。在另一实施方式中，如图4B的使用全反射50B的AR光学系统中所示，系统50B的大致透明介质28的内面上的反射表面54可以用于将来自虚拟图像投影部件36的光线34引导至针孔镜32。在一些实施方式中，反射表面54可以是镜或其他反射材料。在一些实施方式中，反射表面54可以是全反射或仅部分反射的。
在本发明的一些实施方式中，容置针孔镜32的大致透明介质28可以具有一个或更多个弯曲元件。例如，在一些实施方式中，针孔镜32可以是弯曲的针孔镜56，如图4C的具有弯曲的针孔镜50C的AR光学系统中所示。这样的实施方式在需要针孔镜32放大或缩小虚拟对象12的情况下可以是有用的。在一些其他实施方式中，图4D的弯曲构型的AR光学系统50D的大致透明介质28可以是弯曲的。这样的实施方式在期望使系统4D的大致透明介质28弯曲的情况下比如在一副眼镜、太阳镜或其他眼镜中可以是有用的。
在本发明的一些实施方式中，虚拟图像投影部件36可以是通常与AR光学系统一起使用的任何类型的图像投影仪或图像显示设备，该图像投影仪或图像显示设备比如有机发光二极管(OLED)、硅基发光二极管(LEDOS)、液晶显示器(LCD)、硅基液晶(LCOS)部件或微发光二极管(MicroLED)。例如，在一个实施方式中，虚拟图像投影部件36是LCOS显示器60。如图4E的AR光学系统50E中所示，由于LCOS显示器60是反射性的，因此LCOS显示器60可以用作光学元件。例如，LCOS显示器60可以通过将第一虚拟图像12的光线34A引导到针孔镜32上来将来自第一虚拟图像投影部件36(例如，背光的LCOS BLU显示器62)的第一虚拟图像12结合，同时将来自在LCOS显示器60上显示的第二虚拟图像12的光线34B引导到针孔镜32处。该技术可以用于将两个或多个虚拟图像12结合为同一经结合的真实和虚拟图像18的一部分，以用于由使用者观看。
现在参照图5，将示出并讨论本发明的仅利用一个针孔镜32的实施方式的限制性。单个针孔镜作为AR光学系统30中唯一的光学元件可能会导致较窄的视场64。这是由于，当眼16观看虚拟图像12时，虹膜66的阴影68可能覆盖经结合的图像18中的虚拟图像12中的一部分。虹膜66阻止来自虚拟图像12的光线34中的一些光线进入眼16并且阻止与视网膜22接触。因此，视场64变窄，并且使用者只能看到虚拟图像12的一部分。此外，当眼16移动时，阴影64也移动，从而导致用于针孔镜32的较小眼箱。
因此，现在参照图6，将示出并讨论本发明的使用针孔镜阵列来解决上述问题的实施方式。如该图中所示，在本发明的一个实施方式中，包括多个针孔镜32A至32N的阵列72被共同用作AR光学系统70的光学元件。虚拟图像投影部件36可以通过大致透明介质28将虚拟图像12的第一部分传输到多个针孔镜32A至32N中的第一针孔镜上，并且通过大致透明介质28将虚拟图像12的第二部分传输到多个针孔镜32A至32N中的第二针孔镜上。
在一些实施方式中，针孔镜32A至32N的阵列72可以是线性阵列。在一些其他实施方式中，阵列72可以是二维的，该阵列72具有水平以及竖向设置的多个针孔镜32A至32N。在其他实施方式中，阵列72可以是三维的，该阵列72具有沿着x轴、y轴和z轴设置的多个针孔镜32A至32N。在其他实施方式中，阵列72也可以是不规则阵列。如在AR光学系统30中，每个针孔镜32A至32N都小于人瞳孔的典型直径(即，小于4mm或5/32英寸跨度)。每个针孔镜32在AR光学系统70中定位成使从虚拟图像投影部件36(未示出)发射的光线34反射或折射，从而在使用者的人眼16定位在观看位置/区域时，将虚拟图像12传输至使用者的人眼16。由于每个针孔镜32A至32N比人眼16的瞳孔42(即，小于4mm)，因此使用者不能将针孔镜32A至32N中的任何针孔镜识别或区分为镜。
此外，针孔镜32A至32N的阵列72的使用使虚拟图像12的视场64变宽，从而使阴影68减小。这是由于多个针孔镜32B至32D可以串联作业以通过使用相对于瞳孔42的不同入射角将来自虚拟图像12中的不同部分的光线34反射或折射到眼12的视网膜22的不同部分上。这降低了虹膜66阻挡光线34进入眼16的能力。因此，可以在视网膜22上实现更宽的视场，并最终被使用者看到。此外，使用针孔镜32的阵列72的该技术导致更宽的眼箱和更灵活的出射光瞳，从而为眼16提供更多的游动空间，同时仍然看到虚拟图像12。这是由于随着眼16移动(例如，向左移动)，相邻的针孔镜32A至32C执行与由针孔镜32B至32D先前所执行的作用相同的作用，从而不管眼16的位置如何都允许使用者继续看到虚拟图像12的相同外观。
现在参照图7，示出了具有多个针孔镜32A至32N的阵列72的AR光学系统70的示例性实施方式。在该示例中，AR光学系统70包括大致透明介质28(例如，成形为矩形透镜)，针孔镜32A至32N的阵列72嵌入在该大致透明介质28中。每个针孔镜32A至32N定位成与阵列72中的其他针孔镜32A至32N相距一间隔74。在本发明的一些实施方式中，间隔74可以根据叠加由每个针孔镜产生的图像的期望程度而变化。为了减少交叠的量，在一些实施方式中，间隔74约为瞳孔42的直径，换句话说，间隔74大约为4mm。来自虚拟图像投影部件36(未示出)的、传输虚拟图像12(未示出)的光线34可以在材料的一侧进入所述材料，并且可以被一个或更多个针孔镜32A至32N反射出来到显示区域40(未示出)，在该显示区域40，使用者可以观察虚拟图像12与现实世界环境14(未示出)的结合18(未示出)。
在一些实施方式中，两个针孔镜32A至32N之间的间隔74可以根据AR光学系统70的用途和功能而变化(即，以便根据需要示出虚拟图像12)。在一些实施方式中，取决于AR光学系统70的用途和功能，阵列72可以包括若干行和/或若干列针孔镜32A至32N。此外，取决于阵列72中的针孔镜32A至32N的数量和针孔镜32A至32N之间的间隔74，与AR光学系统70相关联的视场可以从大约10°扩展至180°。这可以使用针孔镜阵列来实现，如图8中所示。随着阵列72中的针孔镜32A至32N的数量水平地增加，视场水平地增大，如与由三个针孔镜32A至32C的线性阵列所产生的降低的视场64B相比，由五个针孔镜32A至32E的线性阵列所产生的增加的视场64C所示的。同样，随着阵列72中的针孔镜32A至32N的数量竖向地增加，视场竖向地增大，如由具有第一行针孔镜32AA至32AD和第二排针孔镜32BA至32BE的针孔镜阵列所产生的增加的视场64D所示的。将进一步理解的是，此处无需另外详细阐述，以上关于具有单个针孔镜32的AR光学系统30所讨论的所有变型也可以在具有针孔镜32A至32N的阵列72的AR光学系统70的实施方式中实现。
现在参照图9，描绘了本发明的能够获得具有不同焦距的多个虚拟图像12A至12N的麦克斯韦视图的实施方式。在该实施方式中，多个针孔镜中的针孔镜32A至32N被嵌入在AR光学系统80的大致透明介质28中。每个针孔镜32A至32N与多个虚拟图像中的不同虚拟图像12A至12N相关联。虚拟图像12A至12N是经制造的虚拟图像，并且至少一个经制造的虚拟图像制造成具有与所述多个虚拟图像12A至12N中的至少一个其他经制造的虚拟图像不同的焦距。第一虚拟图像投影部件36(未示出)将第一虚拟图像12A通过大致透明介质28传输到多个针孔镜32A至32N中的与第一虚拟图像12A相关联的第一针孔镜32A上。第二虚拟图像投影部件36(未示出)将第二虚拟图像12B通过大致透明介质28传输到多个针孔镜32A至32N中的与第二虚拟图像12B相关联的第二针孔镜32B上。
当眼16通过AR光学系统80观看时，眼16可以看到来自每个虚拟图像12A至12N的、通过与那个虚拟图像相关联的针孔镜32A至32N反射的光。然而，由于虚拟图像12A至12N已经制造成具有不同的焦距，因此当眼16聚焦在虚拟图像12A至12N中的一个虚拟图像上时，其他虚拟图像12A至12N对于眼16来说将显得模糊。这些不同的焦距允许眼16将这种感知到的模糊和聚焦解释为表示虚拟图像12A至12N看上去与眼16的距离不同。如此，一组虚拟图像12A至12N中的每个图像看上去都与眼16的距离不同，从而创建具有深度的虚拟图像12A至12N的画面。例如，如图9中所示，当眼16试图聚焦在虚拟图像12A上时，虚拟图像12B至12N同时看起来位于眼16的焦点之外。同样，当眼16试图聚焦在虚拟图像12C上时，虚拟图像12A、12B和12N同时看起来位于眼16的焦点之外。因此，虚拟图像12B看起来比虚拟图像12A更靠近眼16，但是比虚拟图像12C更远离眼16。
现在参照图10，示出了用于执行本发明的实施方式的过程流程图100。具体地，流程图100示出了用于将增强现实虚拟图像12显示在现实世界环境14中的方法。在102，AR光学系统30经由虚拟图像投影部件36将虚拟图像12通过大致透明介质传输到与该大致透明介质接触的一组针孔镜32上。在104，AR光学系统30经由一组针孔镜32向通过大致透明介质观看的使用者提供被转置在现实世界图像14上的虚拟图像12的视图。图10的过程流程图100示出了本发明的系统和方法的可能实施方案的架构、功能和操作。在一些替代性实施方式中，框图中指出的功能可以不按附图中所指出的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能，实际上可以大致同时执行连续示出的两个框图，或者有时可以以相反的顺序执行这些框图。
尽管已经结合示例性实施方式具体示出并描述了本发明，但是应当理解的是，本领域技术人员将想到各种变型和改型。因此，应当理解的是，所附权利要求书意在涵盖落入本发明的真实精神内的所有此类改型和变型。
Claims (9)
1.一种增强现实透视设备，所述增强现实透视设备包括：
透明介质；
一组针孔镜，所述一组针孔镜与所述透明介质是连续的；以及
虚拟图像投影部件，所述虚拟图像投影部件将虚拟图像传输到所述一组针孔镜上，使得通过所述透明介质观看的使用者看到被转置在现实世界图像上的所述虚拟图像，
其中，所述一组针孔镜是多个针孔镜，
其中，所述多个针孔镜中的每个针孔镜与多个虚拟图像中的不同虚拟图像相关联，
其中，所述多个虚拟图像是经制造的虚拟图像，并且
其中，所述多个虚拟图像中的第一虚拟图像具有与所述多个虚拟图像中的第二虚拟图像不同的焦距，
所述虚拟图像投影部件包括第一虚拟图像投影部件和第二虚拟图像投影部件，
所述第一虚拟图像投影部件和所述第二虚拟图像投影部件包括硅基液晶部件，
所述第一虚拟图像投影部件将在所述第一虚拟图像投影部件上显示的第一虚拟图像的光引导到所述一组针孔镜，同时将来自所述第二虚拟图像投影部件的第二虚拟图像的光反射并引导到所述一组针孔镜。
2.根据权利要求1所述的增强现实透视设备，其中，所述一组针孔镜是针孔镜阵列，所述阵列包括多个针孔镜。
3.根据权利要求2所述的增强现实透视设备，所述阵列具有多排针孔镜和多列针孔镜中的至少一者。
4.根据权利要求1所述的增强现实透视设备，所述一组针孔镜中的每个针孔镜根据所述使用者的视角都不超过4mm的跨度。
5.根据权利要求1所述的增强现实透视设备，所述一组针孔镜中的每个针孔镜根据所述使用者的视角都不大于人瞳孔在预定照明条件下的平均直径。
6.根据权利要求1所述的增强现实透视设备，还包括光学元件，所述光学元件被配置成将来自所述虚拟图像投影部件的光引导至所述针孔镜。
7.根据权利要求1所述的增强现实透视设备，所述一组针孔镜具有完全反射表面和完全折射表面中的至少一者。
8.根据权利要求1所述的增强现实透视设备，所述透明介质是透镜材料，所述一组针孔镜被嵌入在所述透镜材料中，其中，所述虚拟图像投影部件通过所述透镜材料的第一表面将所述虚拟图像传输至所述一组针孔镜，并且通过所述透镜材料观看的所述使用者通过所述透镜材料的第二表面看到被转置在所述现实世界图像上的所述虚拟图像，其中，所述透镜材料的所述第二表面与所述第一表面不是相反的。
9.根据权利要求8所述的增强现实透视设备，所述第二表面被配置成允许所述使用者观看现实世界环境。
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