[发明专利]具有对于观看者的正确单目深度提示的光场混合现实系统

说明书

一种光场混合现实系统，包括：针式光阵列(10)，其生成照射光学光调制器(20)的入射光场(100)；光学光调制器(20)，被配置用于调制入射光场(100)并且生成调制的虚拟光场(111)；以及组合器(40)，被配置用于反射调制的虚拟光场(111)并且投影限定沿着投影轴(170)的眼动范围区(121)的所投影的虚拟光场(110)；其中所投影的虚拟光场(110)进一步形成针式光阵列(10)在眼动范围(121)内的出射光瞳(122)和光学光调制器(20)的沿着投影轴(170)在如下处的虚拟图像(114)：在出射光瞳(122)的前方或者在出射光瞳(122)后方；以及其中组合器(40)被进一步配置用于将来自现实世界(80)的自然光朝向眼动范围(121)传输，使得所投影的虚拟光场(110)和自然光(80)这两者被投影在眼动范围(121)内。

技术领域

本公开涉及用于混合人工创建的光场和现实世界光场的光学组合器。本公开进一步涉及近眼光场混合现实系统。

背景技术

混合现实硬件被认为将现实世界图像与人工生成的图像一起传递给人眼，现实世界图像和人工生成的图像需要由所谓的组合器进行组合的。这样的组合器包括光学元件，光学元件对于来自现实世界的光而言是透明的，即其让外部光通往观察者的眼睛瞳孔，同时其还将来自图像制成元件的虚拟图像的人工创建的光场引导至观察者的瞳孔。这样的图像制成元件可以是显示器或投影仪。现实光场和人工光场需要被以观察者可以在没有视觉冲突的情况下看到现实物体和虚拟物体这样的方式理想地组合。这要求人工创建的图像中的不同的虚拟物体可以被以不同的任意焦距来显示。该特征迄今还没有被适当地解决。

眼睛包含可变透镜，在实际世界中该可变透镜必须聚焦在所观察的物体的距离上，以便将其清晰图像投影在眼睛视网膜上。在另外的距离上的物体是离焦的，并且它们在视网膜上的图像是模糊的。然而，常规的3D显示器和投影仪从平坦屏幕将图像提供到每只眼睛或者通过使用扫描激光束或具有几乎为零的出射光瞳孔径的光场的直接视网膜投影来将图像提供到每只眼睛。前者要求眼睛聚焦在光学系统中的平坦屏幕的光学图像的距离上。

在此以及在下文中，术语“光学图像”意指物体的如通过光学系统看到的视位置。在平坦屏幕上显示的画面或者是完全清晰的或者是模糊已经存在于在它们之中并且不能被利用眼睛调节来消除模糊。当眼睛聚焦在不同于显示器的光学图像的距离的任何其它距离上时，所显示的画面的视网膜图像是模糊的。视网膜投影在视网膜上创建所投影的画面的始终对焦的图像，并且眼睛调节仅影响图像尺寸和位置。始终对焦的光场携带所有缺陷的阴影，缺陷诸如为光学路径中的尘埃斑点、眼睫毛和眼睛玻璃体浑浊。

建议了用以在3D场景的人工投影的光场中创建正确的单目深度提示的若干构思；包括：(i)全息显示器；(ii)具有快速变焦距光学元件的近眼投影仪，快速变焦距光学元件诸如为与快速显示器(诸如数字微镜面装置(DMD))组合的可变透镜或弯曲镜面；(iii)具有如下的光学器件的显示器：所述光学器件主动地控制显示器的光学图像的距离并且根据所测量或所估计的眼睛的焦距在所显示的画面中创建对应的模糊；(iv)显示器，其通过微透镜阵列或点光阵列背光来在空间上复用所显示的画面；或者(v)光学路径长度扩展器组合器或多层波导，其在两个或三个焦距上提供图像。