[发明专利]具有数字校正像差的光学混合现实系统

说明书

本发明描述了一种用于虚拟和增强现实的头戴式显示器系统和校正光学像差的方法。该系统包括头戴式显示器系统的初始分析和眼睛跟踪装置。

发明领域

本发明大体涉及光学系统领域，具体来说涉及用于虚拟现实(VR)和/或增强现实(AR)系统的光学成像设备。

更精确地，本发明实现了通过数字部件(即计算软件)校正VR/AR光学系统的像差。本发明在不引入额外的光学元件或设计修改的情况下通过提高VR/AR光学系统的质量来扩展其光学设计的局限性和/或适用性的范围。

发明背景

虚拟现实(VR)被定义为允许用户使其自身沉浸在其中的人工模拟的三维(3D)环境。VR的两个关键优点是沉浸感和交互性。沉浸感发生在所有五种感官都参与VR的时候，而交互性是在用户可以通过身体运动与他/她的环境交互的时候实现的。

因此，感官反馈和虚拟世界是创建虚拟环境的两个必要组成部分。虚拟世界包括虚拟物体及其在环境中的关系，这使得最终的虚拟环境有意义。感官反馈是以特定时间间隔对用户感官状态的反映。

当VR用模拟环境代替现实环境时，增强现实(AR)改变了人们对现实世界的当前感知(实时)，提供了一个现实世界环境的实时视图，其元素被计算机生成的感知信息“增强”(或减去)，理想地跨越与物理世界空间配准的多种感官形式(例如视觉、听觉、触觉、体感和嗅觉)，以实现沉浸感。“混合现实”在本文中被定义为将VR和/或AR成像技术结合的术语。

头戴式(或头盔式)显示器(HMD)是与VR/AR相关的最容易识别的设备(有时称为“VR眼镜”)。从复原到数据可视化，已发现基于HMD的混合现实技术有许多应用，如游戏、军事、航空、医学和工程环境。

通常，HMD是基于佩戴在头上的显示设备(或作为头盔的一部分)，在一只或两只眼睛前面有一个小显示器。广义而言，HMD可以被定义为一种附着在用户头部的设备，直接向眼睛呈现视觉信息，包括用户的周边视觉。

HMD在其操作技术和视觉信息方面有所不同，特别是在只显示计算机生成的图像(CGI)、来自物理世界的实时图像或两者的组合方面有所不同。

HMD还根据其目镜类型进行分类：单眼(单眼观看)和双眼(双眼观看)，可选地为每只眼睛提供略微不同的立体视觉图像视角。

HMD可进一步分类为：视频透视式、光学透视式和基于投影式。在透视式方法中，虚拟环境被(现实的)视频反馈所取代，并且AR被集成到数字化图像中。在光学透视式方法中，通过使用透视光学组合器(例如半透明反射镜、棱镜或全息光学元件)，AR信息被直接添加(叠加)到现实世界中。在投影HMD中，AR图像被投影到真实物体上，并被反射回到用户的眼睛中。

视网膜投影(也称为视网膜扫描显示器[RSD]或视网膜投影仪[RP])技术也适用于HMD。它使用将图像直接投影(光栅)到用户眼睛的视网膜上。用户看到的似乎是一个漂浮在他们面前空间的常规显示器。视网膜投影技术消除了对外部屏幕和复杂光学元件的需求。当前一代的视网膜投影VR头戴设备利用特殊的镜头来调整放置在眼睛附近的小屏幕的视距。

当设计HMD时，挑战在于获得高成像质量和紧凑性。这种规格具有挑战性，因为几何约束(适合用户的头部)会导致显著的几何像差。

大多数VR/AR系统利用某种形式的(位置)跟踪，这通常是通过HMD外部的传感器和相机来执行的。这些外设可以跟踪在设备范围内的任何位置中的用户头部、身体和手的位置。

特定的HMD配置包括一些眼睛跟踪装置，以测量用户注视的点，并允许计算机感测用户的视线(用户正在看的地方)。该信息对于使用用户界面导航的各种VR/AR应用程序非常重要。通过感测用户的注视(视线)，系统可以通过引起用户注意特定(例如添加的)细节来改变(由HMD显示的)信息。