[發明專利]一種創造自由空間光學反射表面的系統和方法

有效

• 申請號: 201180060662.2
• 申請日: 2011-12-20
• 公開（公告）號: CN103261945A
• 公開（公告）日: 2013-08-21
• 發明（設計）人: 格雷戈里·A·哈里森;大衛·艾倫·史密斯;加里·E·威斯
• 申請（專利權）人: 洛克希德馬丁公司
• 主分類號: G02B27/01
• 分類號: G02B27/01;G02B27/00;G02B17/06
• 代理公司: 上海申新律師事務所 31272
• 代理人: 竺路玲

相關專利申請的交叉引用

本申請權利要求的優先權文件為于2011年8月17日提交的美國專利號為No.13/211,389的專利，以及美國臨時專利號為No.64/405,440（頭盔式顯示器，提交于2010年10月21日），美國臨時專利號為No.61/417,325（彎曲堆疊的菲涅耳透鏡架構，提交于2010年11月26日），美國臨時專利號為No.61/417,326（彎曲的分光鏡造，提交于2010年11月26日），美國臨時專利號為No.61/417,327（包括菲涅耳透鏡和平面分光鏡的組合結構，提交于2010年11月26日），美國臨時專利號為No.61/417,328（包括菲涅耳透鏡和彎曲分光鏡的組合結構，提交于2010年11月26日）以及美國臨時專利號為No.61/427,530（用于頭盔式顯示器的曲面鏡，提交于2010年12月28日）的專利，下述通過引用包括了上述專利文件的共同技術特征。

技術領域

本發明涉及創造（即設計或設計和制造等）適用于頭盔式顯示器上的自由空間光學反射表面的方法和系統。更通常的，本發明涉及創造一種自由空間光學反射表面的方法和系統，所述自由空間光學反射表面適用于顯示由發光二極管顯示設備的成像，該顯示設備貼近觀看者的眼睛。

本發明中所述的光學反射表面也被稱為“自由空間”表面，由于其固有的空間位置、表面斜率以及地面定向并不相關聯于一個特定的基點（例如笛卡爾坐標系），而是在表面設計時，將基本的光學準則（例如費爾馬大定理）運用到三個二維空間中。

背景技術

頭盔式顯示器（本文中縮寫為“HDM”），例如軍用頭盔顯示器或者鏡片顯示器，是一種帶在使用者頭部的顯示器，且顯示器內部包括一個或多個顯示器件，用于定位使用者的一只眼睛，或更通常來說，定位使用者的兩只眼睛。圖1示出了一種HMD的基本構造，其中包括顯示器11，光學反射表面13以及使用者的眼睛15，并包括一個旋轉中心17。如圖1所示，顯示器11的光源10由光學反射表面13反射向使用者的眼睛15。

一些HMD顯示器（集成計算機部件）只模擬出與真實世界圖像相反的圖像，據此被稱為“虛擬現實”或沉浸式HMD。其他HMD將模擬圖像疊加（組合）在非模擬的真實世界圖像上。模擬/非模擬圖像的組合使得使用者可以透過例如面具或護目鏡等觀察到整個世界，與上述任務相關的附加數據均被疊加至使用者的向前視野中。這種疊加方式有時候也被稱為“增強現實”或者是“混合現實”。

可以采用一個部分反射/部分穿透的光學表面（一個分束器）將一個非模擬的、真實世界的圖像與一個模擬圖像組合，利用光學表面的反射性顯示虛擬圖像（在光學傳感中），利用光學表面的穿透性使得使用者可以直接觀察到真實世界（被稱為“光學透視系統”）。實現真實世界圖像和虛擬圖像的結合也可以采用電子方式，即由攝像部件拍下真實世界的圖像，并采用電子組合器將真實世界的圖像與虛擬圖像結合（被稱為“視頻透視系統”）。上述經過組合的圖像通過光學反射表面，以虛擬圖像的形式呈現在使用者眼前（在光學傳感中），這種情況下的光學反射表面無需具有穿透性。

如上所述能夠得到，光學反射表面可被用在HMD中，并帶給使用者：（i）模擬圖像和非模擬的真實世界圖像的組合；（ii）模擬圖像和真實世界圖像錄像的結合，或者是（iii）全部是模擬圖像（最后一種情況通常被稱為“沉浸式”系統）。在上述每種情況中，光學反射表面產生一個能被使用者觀察到的虛擬圖像（在光學傳感中）。然后，這樣的光學反射表面作為一個光學系統的一部分，該光學系統的出射光瞳實質上并不僅局限于使用者視場所及的動態視場，也局限于其靜態視場。特別地，若要看到由該光學系統產生的圖像，使用者需要將自己的肉眼對準出射光瞳并一直保持對準狀態，甚至這樣做了，使用者所能觀察到的圖像也不能完全覆蓋使用者的靜態視場。例如，現有技術中運用于HMD中的光學系統采用了光學反射表面，并作為瞳孔成像系統的一部分，具有出射光瞳的限制。

上述系統如此受限制的原因在于一個非?；A的事實：人類的視場實際上非常寬廣。因此，一個人類肉眼的靜態視場，包括肉眼的中心凹視點和周邊視點，在水平方向近似于-150°，在垂直方向近似于-130°（由于本發明的發明目的，150°也被看做是一個普通人肉眼向前看的靜態視場）。一種經過矯正的、包括能夠調整如此寬廣的視場的出射光瞳的光學系統并不常見，即使能夠被制造出來，這種光學系統的成本較高、體積較大。