用于增强现实头戴式装置的光学系统与设计及制造方法与流程

背景技术：

随着计算机技术向精良、复杂性、力量及现实主义的方向变迁，可以说，最终目标是创造计算机化人类。随着这个过程在我们眼前展开，人类不再只是静静地坐着看，而是朝向进入计算机化世界迈进。我们已在过往随着《无敌金刚》的创作以及如同《黑客帝国》及《头号玩家》的科幻电影的变迁看到这一点。也许有一天，我们将生活在其中计算机及人类完全融合在一起的世界中，但与此同时，人类进入计算机世界的冒险正在虚拟现实及增强现实技术中发生。

虚拟现实(vr)是在经模拟环境内进行的交互式计算机生成体验。这种模拟环境通常包含音频及视觉元素，以及其它元素，例如感觉反馈(振动、运动、气味、温度及如同触觉的其它感觉反馈)。

触觉与触摸感有关，特别是与使用触摸感及本体感受感知及操纵物体有关。触觉感知是指“抓住某物”的能力。通常，这是通过移动对象主动地探索表面及物体来实现，这与在触觉感知期间由静态对象的被动接触相反。术语触觉(haptik)是由德国心理学家玛克斯·德索于1892年为呈“声学”及“光学”样式的触摸感建议一个学术研究名称时创造。

触觉技术或动觉通信通过将力、振动或运动施加到用户来重新产生触摸感。这种机械刺激可用于辅助在计算机模拟中产生虚拟物体，用于控制此类虚拟物体，且用于增强对机器及装置(遥操作机器人)的远程控制。触觉装置可并入测量由用户施加在界面上的力的触觉传感器以及用于检测运动的加速度计。

一般来说，存在与人类的触摸感有关的三个感觉系统：皮肤、动觉及触觉。由皮肤及/或动觉敏感性介导的所有感知被称为触觉感知。触摸感可被分类为被动及主动的，且术语“触觉”通常与主动触摸以传达或辨识物体相关联。

这种vr沉浸式环境可与现实世界类似或其可为奇幻的，从而产生在普通物理现实中不可能的体验。

增强现实(ar)系统也可被视为一种形式的vr。ar与vr之间的主要差异在于，ar在一人的环境的现场摄像机馈送或实际可视化上方层叠虚拟信息，其中眼睛赋予用户观看集成到其他或她的真实世界中的三维图像的能力。

目前，ar的变迁受限制困扰。这些限制中的一些包含设备的成本、设备的大小、庞大或重量及设备的受限功能。考虑到受限功能的限制，视场(fov)允许一个区域而非单个聚焦点的视觉覆盖。vr或ar内的fov越大，用户的沉浸感就越强。

在人类视觉中，视场由在我们的大脑中无缝地结合在一起作为一个双眼fov的两个单眼fov组成。个别地，我们的眼睛具有约135度的水平fov及刚好超过180度的垂直fov，但取决于个人的面部结构，这可能极大地变动。因而，在一些情况下，人类视场可能高达210度。例如，一人的鼻子、脸颊的大小，眼窝的深度等。当将单眼视场拼接在一起时，我们的双眼fov可为我们在水平方向上赋予约114度的视野且对于深度感知是必需的。我们的周边视觉构成剩余的60度到70度且仅具有单眼视觉，因为仅一只眼睛可看到视场的那3个区段。在典型vr及ar系统中，fov极大地受限制。例如，在magicleapone产品中，水平fov值被标识为40度，垂直fov值被标识为30度且对角线fov值被标识为50度。这比微软的hololens大大约三分之一。

这个受限fov可能不利地影响用户体验且在商业或军事环境中，可能极大地影响用户在使用ar时可实现的性能。因此，在所属领域中需要可在提供宽得多的fov的ar环境中使用的技术。

技术实现要素：

本公开涉及增强现实头戴式装置及更特定来说，包含图像源及成像光学装置的自由空间增强现实(ar)显示器。所述成像选项提供图像光。所述ar显示器还包含成像光学装置，所述光学装置由用于放大所述图像源的衍射、相息图、菲涅耳、球面及非球面元件，以及用于将所述图像光中继到佩戴者的眼睛中的非球面、圆锥形或自由形态组合器组成。使用计算机辅助自动过程一起优化所述中继光学装置及组合器以满足某些分辨率及大小度量。

附图说明

图1描绘虚拟图像的概念。

图2描绘具有微型显示器及大视场的arhs光学系统。

图3描绘可在各种实施例中使用的另一光学系统。

图4描绘传递通过菲涅耳透镜的光。

图5描绘具有菲涅耳透镜的衍射光学元件。

图6描绘使用菲涅耳/衍射光学元件的arhs光学系统。

图7描绘使用若干菲涅耳/衍射光学元件的arhs光学系统。

图8描绘具有马格宁镜的arhs光学系统。

图9描绘具有弯曲马格宁镜的arhs光学系统。

图10描绘具有布置为棱镜的多个自由形态表面的arhs光学系统。

图11描绘用于优化arhs系统的约束。

图12描绘使用具有自由形态表面的多通胶合棱镜对的arhs光学系统。

图13描绘使用多个弯曲反射表面的arhs光学系统。

图14描绘满足某些设计约束的实例性arhs光学系统。

图15描绘图14中的系统的另一视图。

图16描绘另一实例性arhs光学系统。

图17描绘另一实例性arhs光学系统。

图18描绘实例性arhs光学系统的mtf。

图19描绘实例性arhs光学系统的点列图。

图20描绘有关用户头部的模型的实例性arhs光学系统。

图21描绘优化之前与之后的arhs光学系统的大小的比较。

图22描绘arhs光学系统的额外比较及变体。

图23描绘arhs光学系统的额外比较及变体。

图24描绘实例性arhs光学系统上的适眼距。

具体实施方式

本发明以及其特征及方面涉及提供一种光学解决方案，所述光学解决方案为vr及ar系统及/或头戴式装置提供超宽视场。

本发明的各种实施例提供集成到真实世界图像中且可并入到例如ar头戴式装置的装置中的虚拟图像的呈现。

虚拟图像是从用户的视角来看未投影在屏幕上而是看起来存在于空间中的图像。因此，在ar系统中，生成虚拟图像以赋予存在于用户的真实世界空间中的外观。

可在美国公开专利申请案us20100290127a1中找到所属技术领域的良好指南，其在接下来的新段落中进行概述。

虚拟图像与真实图像不同且所述图像也不同地形成。真实图像是可由人类肉眼直接观察到的实际图像。真实图像存在于真实世界中且当从所述图像回弹的光通过瞳孔射入到眼睛中并落在眼睛内的视网膜壁上时，由人眼感知所述图像。因此，真实图像是对在给定位置处的物理上存在物体的感知。真实图像的实例是照片。可通过例如阴极射线管(crt)、液晶显示器(lcd)屏幕及有机发光二极管oled显示器的装置以电子方式产生真实图像。oled是提供真实图像的电子显示器的实例。显示器表面的大小限制可被提供给观察者的真实图像的大小。

虚拟图像显示器提供在物理上存在的观看表面上或在有形世界中观察不到的图像。虚拟图像经形成在其中不存在显示表面的空间中的一个位置处。产生虚拟图像的实例是当某人通过放大镜查看小物品时。放大镜使图像看起来更大且所述图像也看起来基本上位于其中物品实际上存在的表面后方。因此，在物品是真实图像时，物品的放大是虚拟图像。根据定义，虚拟图像可存在于其中不存在显示表面的位置处。因此，虚拟图像的大小不受显示表面的大小限制。因此，虚拟图像电子显示器具有消除对大显示表面的需要以便产生大电子图像的优点。

图1说明可如何通过经由放大透镜104观看物体102来产生虚拟图像。物体102经放置在放大透镜104的焦距f内。所形成的虚拟图像106在点108处显现给观看者且被放大并具有与源物体102相同的定向。作为这种类型的图像形成的结果，如由观看者112感知的虚拟图像106的大小受显示系统的放大率而非电子显示器的大小限制。这使能够设计每个屏幕提供与真实图像显示器相同的信息量但占用更小空间的虚拟图像显示器。

因此，可明白，可使用光学系统来产生虚拟图像。因而，眼睛及真实图像的观看表面性质是确定观看参数的因素，而在虚拟图像显示器中，光学系统确定大多数观看参数。

在产生ar环境(尤其是通过使用观看头戴式装置产生的ar环境)时，存在在其上提供真实图像的受限表面积及受限观看距离空间。在ar头戴式装置(arhs)中，首先由以电子方式通电以从图像数据形成图像的成像组件形成用作源物体的真实图像。在本发明的实施例中，利用oled或其它发射显示装置来产生真实图像且接着，然后通过光学系统产生虚拟图像。显然，在arhs内，成像源需要是小且便宜的以便减小arhs的大小及总成本。但应理解，虽然可利用oled，但也可利用其它图像源，例如lcd等。在所描述实施例中，光学系统接着形成由所述源或oled生成的真实图像的虚拟图像。接着，观看者看到虚拟图像连同其所处的实际真实世界。

在例如通过使用arhs来产生ar环境时，观看者可用的视场至关重要。全视场被定义为虚拟图像的最大视尺寸与到虚拟图像的视距的比。这通常等效于真实图像显示表面的视场。在图1中所说明的系统中，宽视场需要大光圈，通过所述大光圈观看到所述图像具有舒适的适眼距，即，显示器与眼睛之间的距离。因此可明白，在arhs的界限内，可能极难实现大fov。

fov可通过以下公式来确定：

fov(度)＝2tan-1(s/2f)，其中s是源图像的大小且f是光学装置的焦距。基于这个关系，可通过将较大源图像s提供到光学系统或提供较短焦距f来增大所述场的大小。

图2是可用于产生大视场的光学系统。图像源200(例如微型oled)用于产生真实图像。所述光学系统包含进行操作以扩大可在arhs眼屏2处观看到的虚拟图像的fov的一系列堆叠式透镜19、17、15、13、11、9、7及5。

图3是可在各种实施例中使用的另一光学系统。在这个实施例中，微型oled302用于产生真实图像。光传递通过由凹透镜304、凸透镜306、凹透镜308及玻璃310构造的光学系统以产生反射通过光学观看器312且从光学观看器312反射6的虚拟图像。接着，用户314可通过光学观看器312进行观看以看到其真实世界环境，其中插入虚拟图像。利用如此构造的光学系统，所述装置的fov可高达130度到140度。

可从微型oled602获得的真实图像为约5度到20度。在光传递通过衍射透镜604时，视场随着光接近衍射透镜的边缘而扩大，或凹透镜弯曲得更多，因此使光从中心轴转向。接着，光传递通过凸透镜606，其中中心的光减慢且外边缘上的光被引导朝向中心轴。

接着，这个光射入菲涅耳衍射透镜608，其中所述光甚至进一步散开且引导所述光通过玻璃610朝向观看眼镜612。以所述光射出玻璃盖610的角度及到观看眼镜612的距离，能够实现宽fov。在水平平面及垂直平面中情况均是如此。

应理解，在此配置中，重要的是阻挡环境光以避免产生彩虹效应。然而，通过阻挡环境光，其阻止对真实环境的观看。因而，如图2及图3中所展示的光学系统可利用菲涅尔透镜以在不阻挡环境光的情况下帮助抵消彩虹效应。

菲涅耳透镜由蚀刻到透镜表面中的一系列同心凹槽组成。其纤薄、轻巧构造，依小以及大尺度的可用性，及出色的聚光能力使其可用于多种应用中。菲涅尔透镜最常用于聚光应用中，例如聚光器系统或发射器/检测器装备。其还可用作照明系统中的放大器或投影透镜，及成像(imageformulation)。

菲涅耳透镜用一系列同心凹槽取代常规光学透镜的弯曲表面。这些轮廓充当个别折射表面，从而将平行光线弯曲到共同焦距。因此，菲涅耳透镜虽然在外形上是物理上较窄的，但能够与常规光学透镜类似地聚焦光且与其较厚对应者相比具有若干优点。

首先，菲涅耳透镜改进适眼距，所述适眼距是可将光学系统保持于之距眼睛的距离，其中眼睛仍能够观看整个虚拟图像。由于与将眼睛置于紧邻光学装置相关联的不便及不适，提供短适眼距的光学装置是非期望的。因此，通常优选的是，光学系统提供超过20mm的适眼距以使能够在距光学装置舒适且方便的距离范围内通过光学装置观看经放大图像且允许佩戴眼镜的人观看。

另外，菲涅耳透镜有利地增大“适眼区(eye-box)”，所述“适眼区”是眼睛可在其内移动的空间，例如眼睛可相对于光学系统移动且眼睛在其内仍可通过光学系统看到整个虚拟图像的的横向距离。菲涅耳透镜基于光的传播方向在介质内不改变(除非散射)的原理。代替地，光线仅在介质的表面处偏离。因此，透镜中心的材料体积仅用于增大所述系统内的重量及吸收量。因此，利用菲涅耳透镜有利地减小光学系统的大小及重量。菲涅耳透镜是一种通过塌缩透镜厚度同时保持聚焦所必需的曲率来消除常规透镜的体积的类型的透镜。

菲涅耳透镜可与衍射光学元件组合以减小由菲涅耳透镜所引起的色差。在rgb光以不同角度经过时，传递通过菲涅耳产生色差。然而，将菲涅耳透镜放置在衍射光学元件上抵消以不同角度透射的rgb光的色差。图4说明传递通过衍射光学元件生成衍射级402、403、404、405、406的光的效应。应明白，虽然所说明实例展示以方波方式产生的轮廓401，但可使用各种各样形状中的任一者，包含锯齿形、弯曲锯齿形等。因而，菲涅耳透镜可为非球面、球面、自由形态等。

图5说明包含并入在其中的菲涅耳透镜502的衍射光学元件501。

图6说明与图3中所说明的光学系统内的衍射光学元件610组合的菲涅耳透镜的使用。

图7说明可从例如微型oled702的源实现宽fov的光学系统的另一实施例。在此，再次由微型oled702产生真实图像。在光传递通过透镜704、菲涅耳透镜702及菲涅耳透镜708的光学系统时，接着由观看者714通过眼镜712可见虚拟图像。

菲涅耳透镜意为纯折射透镜。相息图透镜组合菲涅耳透镜及波带片的折射及衍射性质以产生可聚焦并且抵消色差的高效衍射透镜。因此，组合的菲涅耳透镜及相息图透镜可被包含在光学系统中。

在一些实施例中，马格宁镜透镜可用于观看眼镜。图8是用于这个元件的光学装置的插图。在此，来自微型oled及光学系统802的真实图像行进到观看眼镜812的表面。观看眼镜812包含与另一透镜818相连的马格宁镜透镜816。在光传递通过观看眼镜812的表面时，其由于折射而向上弯曲。当光击中马格宁镜透镜816的背面时，其被反射且角度α。在光再次传递通过观看眼镜812的表面时，其再次被折射。这种结构提供光击中的三个点820、821及822的优点。所说明的马格宁镜具有平坦表面，然而，应明白，也可利用弯曲表面。

图9是具有弯曲透镜的马格宁镜的另一插图。在此，护目镜912包含胶合到另一透镜918的马格宁镜916。光线两次击中三个表面820、822及821。

图10到13是光学系统的额外特征。图10描绘其中光从点光源通过自由形态表面1001射入，从自由形态表面1003反射，且作为经准直射线束通过自由形态表面1002射出的系统。图12描绘其中光通过一对胶合的自由形态表面棱镜的自由形态面1201射入，且在从自由形态表面1202、1203、1204及1205的若干次反射之后，作为经准直光束射出到用户的眼睛的系统。图13描绘其中来自点光源的光在传递通过一或多个折射元件1303且从马格宁镜1404反射到用户的眼睛之前，从若干自由形态或非球面镜1301、1302反射的系统。

图14描绘实例性系统。这些系统包含其曲率可为(但不限于)多项式、泽尼克多项式或标准非球面的多个自由形态及非球面表面1401、1402、1403。这些表面可为非常高阶(50阶到100阶)的表面。光学装置1404及组合器1401经一起生成，优化及带公差以便满足目标性能及大小要求。

图15到17及20描绘若干额外实例性系统。图15描绘图14中的系统的另一视图，其展示组合器1501及成像光学装置1502。图16描绘另两个系统，包括一个系统中的组合器1601及成像光学装置1602，及另一系统中的组合器1604及成像光学装置1603。图17描绘另两个系统，其包括一个系统中的组合器1701及成像光学装置1702，及另一系统中的组合器1703及成像光学装置1704。

图18是图14中的实例性系统的调制传递函数(mtf)的绘图。这个系统在635nm、525nm及450nm波长下的mtf1801、1802及1803在35个循环/毫米下分别超过0.8。mtf描述光学系统的分辨率或清晰度。高mtf是有利的，因为其允许用户看到更多细节且更清晰地阅读文本；然而，在给定大小约束下，可能难以实现高mtf。本发明使用呈优化配置的非球面、菲涅耳及相息图元件来实现这个性能。

此外，图18中所描绘的mtf可在至少10mm宽度的适眼区1405内实现。随着等于系统的出射光瞳大小的适眼区大小增大，变得更难以维持高mtf。这是因为若干光学像差随光瞳大小而急剧地增大。非球面、菲涅耳及相息图元件用于校正这些像差且维持高mtf。

图20描绘关于实例性用户头部的图14及图15的实例性系统，其展示组合器2001、成像器光学装置2002及3个场的光路径2003、2004、2005。

图21描绘若干实例性系统。2101是优化之前的系统；其使用球面表面且尚未针对大小进行优化。2102由优化之后的若干变体系统的比较组成。这些优化系统使用高阶非球面及自由形态表面(高达但不限于66阶)来实现大约25x25x55mm或以下的目标大小约束。这些非球面及自由形态表面经优化以由可射出成型玻璃或光学塑料制成以便减小成本，因为经研磨或经加工非球面元件对于大规模生产及一般原型制作来说极其昂贵。

图22及图23描绘若干额外此类比较及实例性系统。在这些系统中的一些中，所述组合器是马格宁镜2103、2201、2301，其中部分反射前表面及透射后表面一起用于校正光学像差。在这些系统中的一些中，倾斜及偏心透镜元件已用于使成像光学装置更靠近佩戴者头部，从而允许以220mm以下的总宽度实现宽视场。任何反射、部分反射或马格宁镜元件的倾斜角度可为正或负，因为这些元件可指向不同方向。这些反射、部分反射或马格宁镜元件的倾斜角度相对于先前元件可高达且包含正或负90度。从图像源开始的任何透射或衍射元件的倾斜角度相对于那个元件的法线通常将小于但不限于正或负30度。

图24描绘具有20mm到40mm的适眼距2401的实例性系统。适眼距是从组合器到用户的眼睛的距离；20mm到40mm允许用户在arhs下佩戴处方眼镜，而不对所述系统增加过量体积。过量适眼距可能因使重量平衡前移而严重地影响装置的可用性，这在长时间使用期间可能引起不适及颈部拉伤。适眼距的这个20mm到40mm范围从我们的反覆优化过程确定且可在光学系统的其余部分实现。这是与其它系统设计约束兼容的重要系统设计约束，包含但不限于大小、视场、适眼区大小、mtf及可制造性。

图19展示如由从适眼区到图像源的反向射线追踪确定的实例性系统的点列图。最大光斑大小1901不足成像器像素间距的2倍，其在这个系统中是10微米。点列图还指示这个系统具有降至低于由成像器的分辨率及系统的视场确定的阈值的几何失真；这个失真可通过将空间变动变换施加到显示在图像源上的图像而非由所述失真生成的图像而在于arhs、主计算机或基于云的服务上运行的软件中进行校正。

图19还指示实例性系统具有横向色差1902；不同波长的光斑未完全重叠且其位置相差1个到2个像素。发生横向色差是因为折射率的波长相依性引起成像光学装置对不同波长具有不同放大率。在这个系统中，横向色差可通过与由所述像差引起的放大率差不同地且相反地缩放红色、绿色及蓝色成像通道而在于arhs、主计算机或基于云的服务上运行的软件中进行校正。优化过程优先最小化纵向色差而不是横向色差；纵向色差是引起信息丢失的散焦效应且因而难以在软件中校正。

由于衍射及各种光学像差，图19中的实例性系统具有大于成像器的像素间距的光斑大小。为了改进图像的感知质量，可在于arhs、主计算机或基于云的表面上运行的软件中使用感知(perceptually-aware)算法(例如边缘检测或反锐化掩模)来锐化显示在成像器上的图像。去卷积算法也可用于相同效应。

arhs将虚拟内容叠加在真实世界上。因而，如由佩戴者感知的图像的外观可取决于内容及环境而改变。外部传感器，结合在arhs、主计算机或基于云的表面上运行的软件，可用于执行内容及环境感知调整(包含但不限于亮度、对比度及色彩校正)，以便为用户改进舒适度及质量。

图11描绘用于优化实例性系统的一组几何约束。在这些约束中，成像光学装置模块1101的容许倾斜、组合器1102距用户眼睛的容许距离及尺寸限制结合自动设计软件使用以优化满足arhs需求的系统。

在构造arhs时，可使用两个光学系统，每只眼睛一个以产生重叠是双眼的单眼区域。借助于微型oled及菲涅耳透镜技术的采用，光学系统可为小且轻巧的。附加优点是光学系统的元件可用射出成型产生，因此进一步减小制造成本。

本发明已使用其实施例的详细描述进行描述，所述实施例是以实例方式提供且并非意在限制本发明的范围。所描述实施例包括不同特征，并非在本发明的所有实施例中需要所有所描述特征。本发明的一些实施例仅利用一些特征或可能的特征组合。所属领域的技术人员将想到所描述的本发明的实施例的变型及包括所描述实施例中所指出的特征的不同组合的本发明的实施例。

所属领域的技术人员将明白，本发明不受上文中已特定地展示及描述的内容限制。相反，本发明的范围由下文权利要求书界定。