[发明专利]三维虚拟和增强现实显示系统

说明书

相关申请数据

本申请根据35U.S.C.§119要求于2011年11月23日提交的美国临时申请序列号61/563,403的优先权。特此通过引用将前述申请的全部内容结合到本申请中。

技术领域

本发明涉及虚拟现实和增强现实成像和可视化系统。

背景技术

为了让3D显示产生真实的深度感觉、并且更具体地产生模拟的表面深度的感觉，合乎期望的是，对于所述显示的视野中的每一点生成与其虚拟深度相对应的调节反应(accommodative response)。如果对显示点的调节反应不与通过会聚的双目深度线索和立体视觉确定出的该点的虚拟深度相对应，则人眼可能会经历调节冲突，从而导致不稳定成像、有害的眼疲劳、头疼，并且在没有调节信息的情况下会导致表面深度几乎完全缺失。参考图1，通过用户所处的现实内的实际物体的用户视野(例如包括公园环境中的混凝土台座物体(1120)的景观项目)、以及被加入该视野中以产生“增强”现实视野的虚拟物体视野，来描绘增强现实情景(8)；在此，机器人雕像(1110)被虚拟地显示为站在该台座物体(1120)上，并且蜜蜂角色(2)被显示为飞翔在靠近用户头部的空中。优选地，增强现实系统是有3-D能力的，在这种情况下它向用户提供以下感觉：雕像(1110)站在台座(1120)上，并且蜜蜂角色(2)在靠近用户头部的位置飞翔。这种感觉可以通过利用向用户的眼睛和大脑提供的以下视觉调节线索而得到极大增强：虚拟物体(2,1110)具有不同的聚焦深度，并且针对机器人雕像(1110)的聚焦深度或焦点半径大约与台座(1120)相同。诸如图2中所示之类的传统的立体3-D模拟显示系统一般具有两个显示(74,76)，这两个显示各自针对一只眼睛，具有固定的径向焦距(10)。如上所述，这种传统技术漏掉了由人眼和人脑用来检测和解释三维中的深度的许多有价值线索，包括与下述相关联的调节线索：眼睛在眼睛复合体内重新定位晶状体以便用眼睛达到不同的聚焦深度。存在着对调节精确的显示系统的需要，所述调节精确的显示系统考虑了人眼/人脑的图像处理复杂过程的调节方面。

发明内容

一个实施例涉及三维图像可视化系统，包括：选择性透明的投射装置，用于将图像从空间中相对于观察者眼睛的投射装置位置朝向观察者的眼睛投射，该投射装置能够在没有图像被投射时呈现基本透明的状态；遮挡掩模装置，其耦合到投射装置，并且被配置成以与投射装置投射的图像相关的遮挡图案，选择性地阻挡从处于投射装置的与观察者的眼睛相反的一侧的一个或多个位置朝向眼睛传播的光；以及波带片衍射图装置，其被置于观察者的眼睛和投射装置之间，并且被配置成使来自投射装置的光在其向眼睛传播时穿过具有可选择的几何结构的衍射图，并且以至少部分地基于衍射图的可选择的几何结构而模拟出的距离眼睛的焦距进入眼睛。系统还可以包括：控制器，其可操作地耦合到投射装置、遮挡掩模装置和波带片衍射图装置，并且被配置成协调以下操作：图像和相关联的遮挡图案的投射、以及以可选择的几何结构插入衍射图。控制器可以包括微处理器。投射装置可以包括：基本上平面的透明数字显示器，其基本上占据显示平面。显示平面可以被定向为与观察者的眼睛的视轴基本垂直。基本上平面的透明数字显示器可以包括液晶显示器。基本上平面的透明数字显示器可以包括有机发光二极管显示器。投射装置可以配置成将图像以准直形式朝向眼睛投射，使得对于观察者眼睛的聚焦深度是无穷大的聚焦深度。投射装置可以包括：高速迷你投射仪，其被耦合到衬底引导型延迟出射光瞳扩展器(substrate-guided delay exit pupil expander)装置，该衬底引导型延迟出射光瞳扩展器装置被配置成在向观察者的眼睛递送图像之前扩展图像的尺寸。迷你投射仪可以安装成基本上垂直于观察者眼睛的视轴，并且其中衬底引导型延迟出射光瞳扩展器装置被配置成从迷你投射仪接收图像，并将图像递送到波带片衍射图装置，并以基本上与眼睛的视轴对准的方向以扩展后的尺寸将图像递送到观察者的眼睛。波带片衍射图装置和投射装置可以包括至少一个共有结构。波带片衍射图装置可以被集成到波导中，使得投射装置包括高速迷你投射仪，该高速迷你投射仪被耦合到波导并且配置成在图像去往观察者眼睛的途中在离开波导之前使图像穿过衍射图。迷你投射仪可以安装成基本上垂直于观察者眼睛的视轴，并且波导可以配置成从迷你投射仪接收图像，并以基本上与眼睛的视轴对准的方向以扩展后的尺寸将图像递送到观察者的眼睛。遮挡掩模装置可以包括显示器，该显示器被配置成取决于在显示器的多个部分中的每个部分遮挡或透过光的相关命令，在每个部分处遮挡或透过光。遮挡掩模装置可以包括一个或多个液晶显示器。波带片衍射图装置可以包括：高频二进制显示器，其被配置成取决于在显示器的多个部分中的每个部分遮挡或透过光的相关命令，在每个部分处遮挡或透过光。波带片衍射图装置可以具有大约500Hz和大约2,000Hz之间的刷新速率。波带片衍射图装置可以具有大约720Hz的刷新速率。控制器可以配置成以每秒大约30到大约60帧之间的速率来操作投射装置和遮挡掩模装置，并且操作波带片衍射图装置以便为投射装置和遮挡掩模装置的每个帧数字地显示多至约12个不同的衍射图。投射装置、遮挡掩模装置和波带片衍射图装置可以共同包括用于观察者的一只眼睛的成像模块，并且系统还可以包括用于观察者的另一只眼睛的第二成像模块。