用于近眼显示器的光学系统的制作方法
【专利说明】用于近眼显示器的光学系统
[0001 ] 背景
[0002]混合现实是一种允许将虚拟图像与现实世界物理环境相混合的技术。透视、近眼显示设备可被配戴在用户的头上来观看用户的视野中所显示的现实对象和虚拟对象的混合影像。为了便于形成三维深度的幻象，虚拟对象的图像由头戴式显示设备独立地显示给左眼和右眼。左显示和右显示上的图像可被放置成使得虚拟对象的角度与现实世界中的对象在眼睛上产生的双眼差异相同。这一蓄意的水平双眼差异(汇聚的或立体的)与水平分置的眼睛和位于经定义的距离处的虚拟对象之间产生的水平视差接近地匹配。这一双眼差异被大脑理解为指示虚拟对象在混合现实环境中的深度。准确地控制所显示图像的双眼差异是期望的，因为偏离正确的角度可导致与诸如运动视差之类的其它视觉信号冲突。这些冲突可能降低用户体验，并且在最糟糕的情况下，可能丢失沉浸式体验。此外，偏离垂直方向上的图像之间的对准(垂直视差或垂直发散差)或发散的双眼差异是不自然的，并且不能被眼睛大脑系统所适应。即使是小的偏差(例如，I一2毫弧度)也可能产生不舒服，并且更大的误差完全不能被眼睛大脑系统所融合，这导致虚拟图像看上去像重像。
[0003]光学显示系统可针对正确的双眼差异初始地校准。然而，通常头戴式显示设备是重量轻的，并且可能在震动下或者在被佩戴在用户的头上时变形。因此需要在检测与头戴式显示器的左目镜相对于右目镜的偏移以便电子或机械地纠正该偏移。在一个示例中，一个目镜上的激光光源跨过鼻梁向相对的目镜上的光检测器阵列发射。左目镜和右目镜的相对移动可能导致在激光撞击到光检测器阵列处的可检测到的改变，以由此指示该相对偏移。
[0004]这一检测器系统的一个缺点是一个目镜相对于另一个目镜的线性偏移可能不能从一个目镜相对于另一个目镜的角度偏移中被辨别出。这两者都可导致相同的经测量出的激光束在光检测器阵列上的偏移。虽然添加额外的激光/光检测器阵列配对可提供额外的信息，但是可能仍然存在某些转换和/或旋转组合无法用这一检测器系统来分辨。此外，这一检测器系统仅提供与一个目镜相对于另一个目镜的偏移有关的信息。所描述的传统系统不能够提供与左目镜和右目镜之一相对于头戴式显示器的框架的绝对移动有关的信息。
[0005]概述
[0006]本技术的各实施例涉及用于检测显示元件相对于用于呈现混合现实或虚拟现实体验的头戴式显示设备上的参考位置的角度偏移的系统和方法。一旦检测到偏移，该偏移可被纠正以维持显示给头戴式显示设备的左显示元件和右显示元件的虚拟图像的正确的双眼差异。检测系统的一个实施例使用包括经准直的LED和相机的光学组件，LED和相机一起对于线性偏移不敏感。这一系统提供对头戴式显示设备上的一个或两个显示元件的角度偏移的真实测量。
[0007]在一个示例中，本技术涉及一种用于检测显示元件相对于用于在所述显示元件上显示虚拟图像的头戴式显示设备上的参考位置的角度偏移的系统，所述系统包括:一种对准检测组件，包括:附连在所述显示元件和所述参考位置之一处的发射器，以及附连在所述显示元件和所述参考位置中的不包括发射器的那个处的传感器，所述传感器能够接收来自所述发射器的发射，并且所述传感器能够显现来自所述发射器的指示所述显示元件的角度偏移的发射，同时对来自所述发射器的指示所述显示元件的线性偏移的发射不敏感；以及与所述对准检测组件通信并且接收来自所述传感器的反馈的处理单元，所述处理单元根据所述反馈确定所述显示元件的角度偏移，并且所述处理单元调整所述虚拟图像向所述显示元件的显示以补偿所述显示元件的经确定的角度偏移。
[0008]在另一示例中，本技术涉及一种用于检测第一显示元件相对于头戴式显示设备上的参考位置的角度偏移的系统，该头戴式显示设备用于向具有双眼差异的所述第一显示元件以及第二显示元件显示虚拟图像，所述系统包括:一种对准检测组件，包括:一组用于发射光的光源，从所述组中的至少一个光源射出的光的方向基于所述第一显示元件的角度偏移而改变，并且从所述至少一个光源射出的光的方向基于所述第一显示元件的线性偏移而改变，用于接收来自所述一组光源中的两个或更多个光源的光的相机，所述相机包括:用于接收来自所述两个或更多个光源的光的经准直的透镜，以及用于接收穿过所述经准直的透镜的光的图像平面，所述相机显现所述第一显示元件的角度偏移，同时对所述显示元件的线性偏移不敏感；以及与所述对准检测组件通信并且接收来自所述相机的反馈的处理单元，所述处理单元根据所述反馈确定所述第一显示元件的角度偏移，并且所述处理单元调整所述虚拟图像向所述第一显示元件的显示以纠正由所述第一显示元件的角度偏移导致的双眼差异的改变。
[0009]在进一步示例中，本技术涉及一种用于检测第一显示元件相对于头戴式显示设备上的参考位置的角度偏移的方法，所述头戴式显示设备用于向具有双眼差异的所述第一显示元件以及第二显示元件显示虚拟图像，所述方法包括:(a)准直来自所述第一显示设备上的第一光源的光；(b)准直来自所述第二显不设备上的第二光源的光；(c)将来自所述第一和第二光源的经准直的光引导到相机中；(d)准直所述相机中接收的光使得所述相机对从所述第一和第二光源接收的光的角度偏移敏感而对从所述第一和第二光源接收的光的线性偏移不敏感；以及(e)基于所述相机中接收的来自所述第一和第二光源的光的角度偏移来确定所述第一显示元件的角度偏移。
[0010]提供本概述以便以简化形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概念。该概述不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或基本特征，也不旨在被用来帮助确定所要求保护的主题的范围。
[0011]附图简述
[0012]图1是根据本技术的各实施例的包括对准检测组件的头戴式显示设备的俯视图。
[0013]图2是根据本技术的各实施例的对准检测组件的放大的俯视图。
[0014]图3是根据本技术的各实施例的对准检测组件的相机的光检测器的图像平面的正视图。
[0015]图4是根据本技术的各实施例的对准检测组件的一部分的正视图。
[0016]图5是根据本技术的各实施例的对准检测组件的一部分的透视图。
[0017]图6是根据本技术的各实施例的对准检测组件的放大的俯视图。
[0018]图7是根据本技术的各实施例的对准检测组件的相机的光检测器的图像平面的正视图。
[0019]图8是根据本技术的进一步实施例的对准检测组件的放大的俯视图。
[0020]图9是根据本技术的各实施例的对准检测组件的相机的光检测器的图像平面的正视图。
[0021]图10是示出能够测量角度偏移的对准检测组件的对转换不敏感的方面的俯视图。
[0022]图11是示出能够测量角度偏移的对准检测组件的角度偏移敏感性的俯视图。
[0023]图12—16是根据本技术的各实施例的检测不同的角度偏移的对准检测组件的相机的光检测器的图像平面的正视图。
[0024]图17是根据本技术的各实施例的头戴式显示设备的操作的高级流程图。
[0025]图18是根据本技术的各实施例的确定要在头戴式显示设备上显示的虚拟对象的外观的不足206的进一步细节。
[0026]图19是根据本技术的替代实施例的包括对准检测组件的头戴式显示设备的俯视图。
[0027]图20是根据图19的实施例的对准检测组件的放大的俯视图。
[0028]图21是根据本技术的替代实施例的对准检测组件的放大的俯视图。
[0029]图22是根据本技术的进一步替代实施例的对准检测组件的放大的俯视图。
[0030]图23和24是相机的图像平面上接收到的光图案，该光图案用于提供关于光源与相机和瞳孔间距离对准有关的信息。
[0031]图25是根据本技术的各实施例的可与头戴式显示设备一起使用的处理单元的框图。
[0032]详细描述
[0033]现在参考附图1一 25描述本技术的各实施例，这些实施例一般涉及用于呈现混合显示或虚拟显示体验的头戴式显示设备中的对准检测组件和方法。对准检测组件可检测头戴式显示设备的显示元件中的一个或两个相对于设备的参照位置的对准。在各实施例中，来自对准检测组件的信息可被用作为闭环反馈系统的一部分以调整双眼差异，图像采用该双眼差异来显示给头戴式显示设备的左显示元件和右显示元件。以此方式，可维持所显示的虚拟对象的三维深度的幻象。
[0034]此处所使用的术语“顶部”和“底部”、“上”和“下”以及“垂直”和“水平”仅仅作为示例和说明的目的，并且不意味着限制本发明的描述，因为所提及的项可在位置和朝向上被互换。同样，如此处所使用的，术语“基本上”、“大致”、和/或“大约”意味着所指定的大小或参数可在对于给定应用而言可接受的制造公差内变化。在一个实施例中，可接受的制造公差是 ±0.25%。
[0035]图1是包括对准检测组件102的头戴式显示设备100的俯视图。头戴式显示设备100可具有各种各样的组件和特征，但一般来说被用于向佩戴设备100的用户呈现混合现实环境。在一替代实施例中，头戴式显示设备100可被用来提供纯粹虚拟现实环境，即其中现实世界对象被挡住不可见而仅仅虚拟对象被显示的环境。以下描述了头戴式显示设备100的组件和特征中的一些，但是对准检测组件102可与之一起使用的头戴式显示设备100的示例的进一步细节被公开在美国公开的专利申请号2012/01272284、题为“Head-MountedDisplay Device Which Provides Surround Video”(提供环绕视频的头戴式显不设备)、公开于2012年5月24日的申请中。
[0036]在各实施例中，头戴式显示设备100可包括分别与用户的左眼和右眼相关联的一对显示元件104、106。显示元件104、106在一定程度上透明，以使得用户可透过显示元件看到该用户的视野(FOV)内的现实世界对象。显示元件还提供将虚拟图像投射到该用户的FOV中以使得所述虚拟图像也可出现在现实世界对象旁边并与之混合的能力。虚拟对象可以以考虑了视差的双眼差异来投射到显示元件104、106，从而产生虚拟对象的三维深度的幻象。在各实施例中，头戴式显示设备100可自动地跟踪用户正在看之处，使得系统可确定将虚拟图像插入到该用户的FOV中的何处。一旦系统知晓了如何将该虚拟图像投射至相应的显示元件以及要将该虚拟图像投射至相应的显示元件的何处，就使用该显示元件来投射该图像。
[0037]头戴式显示设备100可包括集成处理单元108。在进一步实施例中，设备100可经由有线或无线连接与分开的处理单元108通信。在各实施例中，包括其处理单元108的头戴式显示设备100可构建混合显示环境的模型，该模型包括6个自由度:用户、现实世界对象和虚拟三维对象在该环境中的x、y、z、俯仰、偏航以及滚转位置。处理单元108的一个示例的细节在以下参照图25来描述。在进一步的实施例中，处理单元108可包括额外或替代的组件。
[0038]除了显示元件104和106，头戴式显示设备100可进一步包括镜腿110、112、鼻梁116以及框架118。对准检测组件102可具有安装在显示元件104和106上的部分(如以下所阐述的)，而显示元件104和106可被安装到框架118。在各实施例中，框架118可由刚性材料制成，诸如举例而言聚碳酸酯或其它塑料。所示出的框架118的配置仅仅是示例，并且可具有各种各样其它配置用于支撑显示元件104、106以及对准检测组件102。
[0039]不同用户具有不同的瞳孔间距，因此一种大小的头戴式显示设备100可能不适合所有用户。因此，在各实施例中，框架118可用(图1中示意性示出的)机构126来形成，以允许调整显示元件104和显示元件106之间的距离(也称为瞳孔间距或“IPD”)。
[0040]如所阐述的，除了感测角度偏移(例如由于IPD调整机构中的机械溢出或公差所导致的)，对准检测组件10