[发明专利]光学设备、头戴式显示器、成像系统和对对象成像的方法

说明书

提供了使用衍射光学元件的眼睛成像装置的示例。例如，光学设备包括：基板，其具有近端表面和远端表面；第一耦合光学元件，其设置在基板的近端表面和远端表面中的一者上；以及第二耦合光学元件，其设置在基板的近端表面和远端表面中的一者上并且从第一耦合光学元件偏移。第一耦合光学元件可以被配置为以一角度偏转光，以使光在近端表面和远端表面之间并朝向第二耦合光学元件全内反射(TIR)，并且第二耦合光学元件可以被配置为以一角度偏转出基板。眼睛成像装置可以用在诸如增强或虚拟现实显示器的头戴式显示器中。

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年3月21提交的、名称为“EYE-IMAGING APPARATUS USINGDIFFRACTIVE OPTICAL ELEMENTS(使用衍射光学元件的眼睛成像装置)”、序列号为62/474,419的美国临时专利申请的优先权，该申请的全部内容特此通过引用并入此文。

技术领域

本公开涉及虚拟现实和增强现实成像和可视化系统，并且特别涉及用于使用耦合光学元件将光导入相机组件来捕获眼睛的图像的紧凑成像系统。

背景技术

现代计算和显示技术已经有助于用于所谓的“虚拟现实”或“增强现实”体验的系统的开发，其中数字再现的图像或其部分以其看起来是真实的或可以被感知为真实的方式呈现给用户。虚拟现实或“VR”场景通常涉及数字或虚拟图像信息的呈现而对其它实际的真实世界视觉输入不透明；增强现实或“AR”场景通常涉及将数字或虚拟图像信息呈现为对用户周围的实际世界的可视化的增强。混合现实或“MR”场景是AR类型的场景，一般涉及被集成到自然世界中并对该自然世界做出响应的虚拟对象。例如，在MR场景中，AR图像内容可以被真实世界中的对象阻挡，或者以其他方式，可以被感知为与真实世界中的对象交互。

参考图1，描绘了增强现实场景10，其中，AR技术的用户看到了真实世界的公园状的设置20，该设置以人、树、背景中的建筑物以及混凝土平台30为特征。除了这些项之外，AR技术的用户还感知到他“看到”了“虚拟内容”，诸如站在真实世界平台30上的机器人雕像40，以及看起来是大黄蜂的化身的正在飞行的卡通式的化身角色50，即使这些元素40、50在真实世界中不存在。由于人类视觉感知系统是复杂的，因此要产生有助于在其他虚拟或真实图像元素当中舒适、感觉自然、丰富呈现的虚拟影像元素的AR技术具有挑战性。

本文公开的系统和方法解决了与AR和VR技术有关的各种挑战。

发明内容

所附权利要求的范围内的方法和装置的各种实施方式各自具有若干方面，其中没有一个实施方式单独负责本文所述的期望属性。在不限制所附权利要求的范围的情况下，本文描述了一些突出的特征。

本公开的一方面提供了使用不直视对象的相机组件来对该对象成像。因此，根据本文描述的实施例的光学设备被配置为将来自对象的光引导到离轴相机组件以捕获该对象的图像就像处于直视位置中一样。

在一些实施例中，公开了用于使用离轴相机组件来捕获对象的图像的系统、设备和方法。在一个实施方式中，公开了光学设备，该光学设备包括：基板，其具有近端表面和远端表面；第一耦合光学元件，其设置在基板的近端表面和远端表面中的一者上；以及第二耦合光学元件，其设置在基板的近端表面和远端表面中的一者上，并从第一耦合光学元件偏移。该第一耦合光学元件可以被配置为以一角度偏转光，以在近端表面和远端表面之间并朝向第二耦合光学元件全内反射(TIR)该光。该第二耦合光学元件可以被配置为以一角度将光偏转出基板。在一些实施例中，该第一耦合光学元件和该第二耦合光学元件中的至少一者包括多个衍射特征。