[发明专利]具有集成成像和中继光学器件的头戴式光场显示器

说明书

具有集成成像和中继组的头戴式光场显示器。

相关申请

本申请要求2017年3月9日提交的美国临时申请No.62/469,097的优先权的权益，该申请的全部内容通过引用并入本文中。

技术领域

本发明一般涉及头戴式显示器的领域，并且更特别地但非排他地涉及基于集成成像（InI）的头戴式显示器。

背景技术

还通常被称为近眼显示器（NED）或头部配戴式显示器（HWD）的头戴式显示器（HMD）近年来已经获得了显著的关注，并且激发了巨大的努力来推动该技术向前以用于广泛的消费者应用。例如，轻量光学透视HMD（OST-HMD）是对于增强现实（AR）应用的关键使能技术之一，其使得能够将数字信息光学叠加到用户对物理世界的直接视图上，并维持对真实世界的透视视觉。宽视场（FOV）的沉浸式HMD是对于虚拟现实（VR）应用的关键使能技术，其使用户沉浸在计算机生成的虚拟世界或对远程真实世界的高分辨率视频捕获中。HMD在游戏、仿真和训练、国防、教育和其他领域中找到了无数的应用。

尽管最近朝向VR和AR显示器两者的开发做出了很高的期许和巨大的进展，但是要最大限度地减少在延长时段内佩戴HMD所带来的视觉不适仍然是一个尚未解决的挑战。对视觉不适的关键促成因素之一是由于缺乏呈现正确焦点提示（包括调节提示和视网膜图像模糊效应）的能力所致的转向调节冲突（vergence-accommodation conflicts, VAC）。HMD中的VAC问题源于以下事实：图像源主要是位于距眼睛一固定距离处的2D平面。图1示出了典型的单眼HMD的示意布局，其主要包括作为图像源的2D微型显示器以及目镜，该目镜放大了在微型显示器上呈现的图像，并且形成了出现在距眼睛一固定距离处的虚拟图像。OST-HMD需要将光学组合器（例如，分束器）放置在眼睛前方，以组合虚拟显示和真实场景的光路。常规的HMD（无论是单眼的还是双眼的、透视的或沉浸式的）缺乏呈现针对数字信息的正确焦点提示的能力，该焦点提示可能出现在除与虚拟图像平面相对应的距离以外的其他距离处。因此，常规的HMD未能刺激自然的眼睛调节反应和视网膜模糊效应。HMD中缺乏正确的焦点提示的问题会导致若干视觉提示冲突。例如，常规的立体HMD根据一对二维（2D）透视图像（每只眼睛一个图像）、利用从两个略有不同的观看方位看到的3D场景的双眼视差和其他图片深度提示来刺激对3D空间和形状的感知。因此，常规的立体HMD迫使调节和会聚提示不自然地解耦。针对调节深度的提示由2D图像平面的深度决定，而3D场景的会聚深度由该图像对所呈现的双眼视差决定。显示器呈现的虚拟对象的视网膜图像模糊提示与自然场景创建的提示不匹配。许多研究已经提供了有力的支持性证据：与在常规HMD中不正确呈现的焦点提示有关的这些冲突的视觉提示可能会导致各种视觉伪影和退化的视觉性能。

先前提出的若干种方法可以克服常规立体显示器的缺陷，该常规立体显示器包括体积显示器、超多视图自动立体显示器、基于集成成像的显示器、全息显示器、多焦平面显示器和计算多层显示器。由于它们巨大的硬件复杂性，许多这些不同的显示方法不适合于在HMD系统中实现。另一方面，多焦平面显示器、集成成像和计算多层方法通常被称为光场显示器，并且适合于头戴式应用。它们在HMD中的使用被称为头戴式光场显示器。