[发明专利]具有有凹投影的光场虚拟和混合现实系统

说明书

本公开涉及一种光场投影系统，包括：生成照射光学光调制器（20）的入射光场（100）的针光阵列（10），该光学光调制器（20）用于调制入射光场（100）并沿着投影轴（170）投影多个经调制光场分量（110）；第一光学元件（70，32），被配置用于在第一针光平面（30）中形成第一针光图像（31）以及在调制器图像平面（115）中形成调制器图像（114）；以及第二光学元件（40），其限定眼盒区（121）并且用于在眼盒（121）内的第二针光平面（124）中形成第二针光图像（120）；第一和第二针光平面（30，40）和调制器图像平面（115）基本上垂直于投影轴（170）；该系统进一步包括至少一个光学设备（60，61，63，64），其处于第一针光平面（30）并且被配置用于与至少一个经调制光场分量（110）相互作用，从而在调制器图像平面（115）中使经调制光场分量空间移位。光场投影允许有凹投影。

技术领域

本公开涉及近眼光场虚拟和混合现实系统，并且特别涉及具有有凹投影的近眼光场虚拟和混合现实系统。

相关技术的描述

人类的眼睛有非常广阔的视场（FOV）。就个人而言，人眼的眼睛具有约为135°的水平FOV和略超过180°的垂直FOV。FOV允许覆盖一个区域，而不是单一的焦点。在虚拟现实（VR）和/或混合现实设备中，大型FOV对于得到沉浸式的逼真体验至关重要。更宽的FOV还为许多其他光学设备提供了更好的传感器覆盖或可达性。

虚拟或混合现实设备将不得不提供大约400000000个像素来用规则分布的像素覆盖该FOV，以满足眼睛的最高分辨率。

然而，眼睛的分辨率并不是均匀分布的。它仅在其视网膜中央凹周围约20 °FOV内具有高分辨率。覆盖20 °FOV的全HD显示器（1920x1080）已经达到视网膜中央凹处的视网膜分辨率。眼睛分辨率随着远离视网膜中央凹而逐渐下降。整个FOV（视网膜中央凹外部）可以被覆盖有与视网膜中央凹内部大约相同量的信息，从而使所需的像素总数达到大约4000000。

所谓的有凹渲染和投影正被引入虚拟和混合现实耳机，以恰好利用人类视觉的这一特征。但是这仍然是利用平面图像来执行的。光场设备对于有凹投影还没有任何解决方案。

文献US20190324272公开了一种三维（3D）图像显示装置。该装置包括多个光源；空间光调制器，被配置为根据3D图像信息调制来自多个光源的光；以及聚焦光学系统，被配置为将由空间光调制器形成的图像聚焦到焦平面上。多个光源可以被布置使得分别对应于多个光源的多个焦点形成在用户瞳孔附近的焦平面上。

发明内容

本公开涉及一种光场投影系统，包括：针光阵列，包括多个点光并生成照射光学光调制器的入射光场，所述光学光调制器被配置用于调制入射光场并沿着投影轴投影多个经调制光场分量；第一光学元件，被配置用于在第一针光平面中形成第一针光图像以及在调制器图像平面中形成调制器图像；以及第二光学元件，其限定眼盒区并且被配置用于在眼盒内的第二针光平面中形成第二针光图像；其中第一和第二针光平面和调制器图像平面基本上垂直于投影轴，并且其中调制器图像平面在第一光学元件和第二光学元件之间；并且其中所述系统进一步包括至少一个光学设备，其处于第一针光平面并且被配置为偏转至少一个经调制光场分量，以便在调制器图像平面中使调制器图像空间移位。

所述光场投影系统能够为任何人类、动物的眼睛或相机提供虚拟和混合现实体验。光场投影系统的用户可以体验真实和虚拟3D场景的逼真混合。所述光场投影系统适用于以正确的眼睛调节舒适性传递3D虚拟和增强现实信息。

所述光场投影系统可以包括眼睛跟踪和转向设备。眼睛跟踪和转向设备可以用于确定观看者正在看向何处，从而确定视网膜中央凹区相对于投影图像在何处。

所述光场投影系统允许有凹投影。特别地，所述光场投影系统可以创建光场，所述光场在窄视场（FOV）中提供较高角度分辨率的图像，并且为宽FOV提供低角度分辨率的图像。所述光场投影系统通过大大降低外围视觉中（在视网膜中央凹凝视的区域之外）的图像质量来降低渲染工作量。