[发明专利]一种创造自由空间光学反射表面的系统和方法

说明书

相关专利申请的交叉引用

本申请权利要求的优先权文件为于2011年8月17日提交的美国专利号为No.13/211,389的专利，以及美国临时专利号为No.64/405,440（头盔式显示器，提交于2010年10月21日），美国临时专利号为No.61/417,325（弯曲堆叠的菲涅耳透镜架构，提交于2010年11月26日），美国临时专利号为No.61/417,326（弯曲的分光镜造，提交于2010年11月26日），美国临时专利号为No.61/417,327（包括菲涅耳透镜和平面分光镜的组合结构，提交于2010年11月26日），美国临时专利号为No.61/417,328（包括菲涅耳透镜和弯曲分光镜的组合结构，提交于2010年11月26日）以及美国临时专利号为No.61/427,530（用于头盔式显示器的曲面镜，提交于2010年12月28日）的专利，下述通过引用包括了上述专利文件的共同技术特征。

技术领域

本发明涉及创造（即设计或设计和制造等）适用于头盔式显示器上的自由空间光学反射表面的方法和系统。更通常的，本发明涉及创造一种自由空间光学反射表面的方法和系统，所述自由空间光学反射表面适用于显示由发光二极管显示设备的成像，该显示设备贴近观看者的眼睛。

本发明中所述的光学反射表面也被称为“自由空间”表面，由于其固有的空间位置、表面斜率以及地面定向并不相关联于一个特定的基点（例如笛卡尔坐标系），而是在表面设计时，将基本的光学准则（例如费尔马大定理）运用到三个二维空间中。

背景技术

头盔式显示器（本文中缩写为“HDM”），例如军用头盔显示器或者镜片显示器，是一种带在使用者头部的显示器，且显示器内部包括一个或多个显示器件，用于定位使用者的一只眼睛，或更通常来说，定位使用者的两只眼睛。图1示出了一种HMD的基本构造，其中包括显示器11，光学反射表面13以及使用者的眼睛15，并包括一个旋转中心17。如图1所示，显示器11的光源10由光学反射表面13反射向使用者的眼睛15。

一些HMD显示器（集成计算机部件）只模拟出与真实世界图像相反的图像，据此被称为“虚拟现实”或沉浸式HMD。其他HMD将模拟图像叠加（组合）在非模拟的真实世界图像上。模拟/非模拟图像的组合使得使用者可以透过例如面具或护目镜等观察到整个世界，与上述任务相关的附加数据均被叠加至使用者的向前视野中。这种叠加方式有时候也被称为“增强现实”或者是“混合现实”。

可以采用一个部分反射/部分穿透的光学表面（一个分束器）将一个非模拟的、真实世界的图像与一个模拟图像组合，利用光学表面的反射性显示虚拟图像（在光学传感中），利用光学表面的穿透性使得使用者可以直接观察到真实世界（被称为“光学透视系统”）。实现真实世界图像和虚拟图像的结合也可以采用电子方式，即由摄像部件拍下真实世界的图像，并采用电子组合器将真实世界的图像与虚拟图像结合（被称为“视频透视系统”）。上述经过组合的图像通过光学反射表面，以虚拟图像的形式呈现在使用者眼前（在光学传感中），这种情况下的光学反射表面无需具有穿透性。

如上所述能够得到，光学反射表面可被用在HMD中，并带给使用者：（i）模拟图像和非模拟的真实世界图像的组合；（ii）模拟图像和真实世界图像录像的结合，或者是（iii）全部是模拟图像（最后一种情况通常被称为“沉浸式”系统）。在上述每种情况中，光学反射表面产生一个能被使用者观察到的虚拟图像（在光学传感中）。然后，这样的光学反射表面作为一个光学系统的一部分，该光学系统的出射光瞳实质上并不仅局限于使用者视场所及的动态视场，也局限于其静态视场。特别地，若要看到由该光学系统产生的图像，使用者需要将自己的肉眼对准出射光瞳并一直保持对准状态，甚至这样做了，使用者所能观察到的图像也不能完全覆盖使用者的静态视场。例如，现有技术中运用于HMD中的光学系统采用了光学反射表面，并作为瞳孔成像系统的一部分，具有出射光瞳的限制。

上述系统如此受限制的原因在于一个非常基础的事实：人类的视场实际上非常宽广。因此，一个人类肉眼的静态视场，包括肉眼的中心凹视点和周边视点，在水平方向近似于-150°，在垂直方向近似于-130°（由于本发明的发明目的，150°也被看做是一个普通人肉眼向前看的静态视场）。一种经过矫正的、包括能够调整如此宽广的视场的出射光瞳的光学系统并不常见，即使能够被制造出来，这种光学系统的成本较高、体积较大。