用于近眼顯示器的光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】用于近眼顯示器的光學(xué)系統(tǒng)
[0001 ] 背景
[0002]混合現(xiàn)實(shí)是一種允許將虛擬圖像與現(xiàn)實(shí)世界物理環(huán)境相混合的技術(shù)。透視、近眼顯示設(shè)備可被配戴在用戶的頭上來觀看用戶的視野中所顯示的現(xiàn)實(shí)對象和虛擬對象的混合影像。為了便于形成三維深度的幻象，虛擬對象的圖像由頭戴式顯示設(shè)備獨(dú)立地顯示給左眼和右眼。左顯示和右顯示上的圖像可被放置成使得虛擬對象的角度與現(xiàn)實(shí)世界中的對象在眼睛上產(chǎn)生的雙眼差異相同。這一蓄意的水平雙眼差異(匯聚的或立體的)與水平分置的眼睛和位于經(jīng)定義的距離處的虛擬對象之間產(chǎn)生的水平視差接近地匹配。這一雙眼差異被大腦理解為指示虛擬對象在混合現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的深度。準(zhǔn)確地控制所顯示圖像的雙眼差異是期望的，因?yàn)槠x正確的角度可導(dǎo)致與諸如運(yùn)動視差之類的其它視覺信號沖突。這些沖突可能降低用戶體驗(yàn)，并且在最糟糕的情況下，可能丟失沉浸式體驗(yàn)。此外，偏離垂直方向上的圖像之間的對準(zhǔn)(垂直視差或垂直發(fā)散差)或發(fā)散的雙眼差異是不自然的，并且不能被眼睛大腦系統(tǒng)所適應(yīng)。即使是小的偏差(例如，I一2毫弧度)也可能產(chǎn)生不舒服，并且更大的誤差完全不能被眼睛大腦系統(tǒng)所融合，這導(dǎo)致虛擬圖像看上去像重像。
[0003]光學(xué)顯示系統(tǒng)可針對正確的雙眼差異初始地校準(zhǔn)。然而，通常頭戴式顯示設(shè)備是重量輕的，并且可能在震動下或者在被佩戴在用戶的頭上時(shí)變形。因此需要在檢測與頭戴式顯示器的左目鏡相對于右目鏡的偏移以便電子或機(jī)械地糾正該偏移。在一個(gè)示例中，一個(gè)目鏡上的激光光源跨過鼻梁向相對的目鏡上的光檢測器陣列發(fā)射。左目鏡和右目鏡的相對移動可能導(dǎo)致在激光撞擊到光檢測器陣列處的可檢測到的改變，以由此指示該相對偏移。
[0004]這一檢測器系統(tǒng)的一個(gè)缺點(diǎn)是一個(gè)目鏡相對于另一個(gè)目鏡的線性偏移可能不能從一個(gè)目鏡相對于另一個(gè)目鏡的角度偏移中被辨別出。這兩者都可導(dǎo)致相同的經(jīng)測量出的激光束在光檢測器陣列上的偏移。雖然添加額外的激光/光檢測器陣列配對可提供額外的信息，但是可能仍然存在某些轉(zhuǎn)換和/或旋轉(zhuǎn)組合無法用這一檢測器系統(tǒng)來分辨。此外，這一檢測器系統(tǒng)僅提供與一個(gè)目鏡相對于另一個(gè)目鏡的偏移有關(guān)的信息。所描述的傳統(tǒng)系統(tǒng)不能夠提供與左目鏡和右目鏡之一相對于頭戴式顯示器的框架的絕對移動有關(guān)的信息。
[0005]概述
[0006]本技術(shù)的各實(shí)施例涉及用于檢測顯示元件相對于用于呈現(xiàn)混合現(xiàn)實(shí)或虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)的頭戴式顯示設(shè)備上的參考位置的角度偏移的系統(tǒng)和方法。一旦檢測到偏移，該偏移可被糾正以維持顯示給頭戴式顯示設(shè)備的左顯示元件和右顯示元件的虛擬圖像的正確的雙眼差異。檢測系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例使用包括經(jīng)準(zhǔn)直的LED和相機(jī)的光學(xué)組件，LED和相機(jī)一起對于線性偏移不敏感。這一系統(tǒng)提供對頭戴式顯示設(shè)備上的一個(gè)或兩個(gè)顯示元件的角度偏移的真實(shí)測量。
[0007]在一個(gè)示例中，本技術(shù)涉及一種用于檢測顯示元件相對于用于在所述顯示元件上顯示虛擬圖像的頭戴式顯示設(shè)備上的參考位置的角度偏移的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括:一種對準(zhǔn)檢測組件，包括:附連在所述顯示元件和所述參考位置之一處的發(fā)射器，以及附連在所述顯示元件和所述參考位置中的不包括發(fā)射器的那個(gè)處的傳感器，所述傳感器能夠接收來自所述發(fā)射器的發(fā)射，并且所述傳感器能夠顯現(xiàn)來自所述發(fā)射器的指示所述顯示元件的角度偏移的發(fā)射，同時(shí)對來自所述發(fā)射器的指示所述顯示元件的線性偏移的發(fā)射不敏感；以及與所述對準(zhǔn)檢測組件通信并且接收來自所述傳感器的反饋的處理單元，所述處理單元根據(jù)所述反饋確定所述顯示元件的角度偏移，并且所述處理單元調(diào)整所述虛擬圖像向所述顯示元件的顯示以補(bǔ)償所述顯示元件的經(jīng)確定的角度偏移。
[0008]在另一示例中，本技術(shù)涉及一種用于檢測第一顯示元件相對于頭戴式顯示設(shè)備上的參考位置的角度偏移的系統(tǒng)，該頭戴式顯示設(shè)備用于向具有雙眼差異的所述第一顯示元件以及第二顯示元件顯示虛擬圖像，所述系統(tǒng)包括:一種對準(zhǔn)檢測組件，包括:一組用于發(fā)射光的光源，從所述組中的至少一個(gè)光源射出的光的方向基于所述第一顯示元件的角度偏移而改變，并且從所述至少一個(gè)光源射出的光的方向基于所述第一顯示元件的線性偏移而改變，用于接收來自所述一組光源中的兩個(gè)或更多個(gè)光源的光的相機(jī)，所述相機(jī)包括:用于接收來自所述兩個(gè)或更多個(gè)光源的光的經(jīng)準(zhǔn)直的透鏡，以及用于接收穿過所述經(jīng)準(zhǔn)直的透鏡的光的圖像平面，所述相機(jī)顯現(xiàn)所述第一顯示元件的角度偏移，同時(shí)對所述顯示元件的線性偏移不敏感；以及與所述對準(zhǔn)檢測組件通信并且接收來自所述相機(jī)的反饋的處理單元，所述處理單元根據(jù)所述反饋確定所述第一顯示元件的角度偏移，并且所述處理單元調(diào)整所述虛擬圖像向所述第一顯示元件的顯示以糾正由所述第一顯示元件的角度偏移導(dǎo)致的雙眼差異的改變。
[0009]在進(jìn)一步示例中，本技術(shù)涉及一種用于檢測第一顯示元件相對于頭戴式顯示設(shè)備上的參考位置的角度偏移的方法，所述頭戴式顯示設(shè)備用于向具有雙眼差異的所述第一顯示元件以及第二顯示元件顯示虛擬圖像，所述方法包括:(a)準(zhǔn)直來自所述第一顯示設(shè)備上的第一光源的光；(b)準(zhǔn)直來自所述第二顯不設(shè)備上的第二光源的光；(c)將來自所述第一和第二光源的經(jīng)準(zhǔn)直的光引導(dǎo)到相機(jī)中；(d)準(zhǔn)直所述相機(jī)中接收的光使得所述相機(jī)對從所述第一和第二光源接收的光的角度偏移敏感而對從所述第一和第二光源接收的光的線性偏移不敏感；以及(e)基于所述相機(jī)中接收的來自所述第一和第二光源的光的角度偏移來確定所述第一顯示元件的角度偏移。
[0010]提供本概述以便以簡化形式介紹將在以下詳細(xì)描述中進(jìn)一步描述的一些概念。該概述不旨在標(biāo)識所要求保護(hù)的主題的關(guān)鍵特征或基本特征，也不旨在被用來幫助確定所要求保護(hù)的主題的范圍。
[0011]附圖簡述
[0012]圖1是根據(jù)本技術(shù)的各實(shí)施例的包括對準(zhǔn)檢測組件的頭戴式顯示設(shè)備的俯視圖。
[0013]圖2是根據(jù)本技術(shù)的各實(shí)施例的對準(zhǔn)檢測組件的放大的俯視圖。
[0014]圖3是根據(jù)本技術(shù)的各實(shí)施例的對準(zhǔn)檢測組件的相機(jī)的光檢測器的圖像平面的正視圖。
[0015]圖4是根據(jù)本技術(shù)的各實(shí)施例的對準(zhǔn)檢測組件的一部分的正視圖。
[0016]圖5是根據(jù)本技術(shù)的各實(shí)施例的對準(zhǔn)檢測組件的一部分的透視圖。
[0017]圖6是根據(jù)本技術(shù)的各實(shí)施例的對準(zhǔn)檢測組件的放大的俯視圖。
[0018]圖7是根據(jù)本技術(shù)的各實(shí)施例的對準(zhǔn)檢測組件的相機(jī)的光檢測器的圖像平面的正視圖。
[0019]圖8是根據(jù)本技術(shù)的進(jìn)一步實(shí)施例的對準(zhǔn)檢測組件的放大的俯視圖。
[0020]圖9是根據(jù)本技術(shù)的各實(shí)施例的對準(zhǔn)檢測組件的相機(jī)的光檢測器的圖像平面的正視圖。
[0021]圖10是示出能夠測量角度偏移的對準(zhǔn)檢測組件的對轉(zhuǎn)換不敏感的方面的俯視圖。
[0022]圖11是示出能夠測量角度偏移的對準(zhǔn)檢測組件的角度偏移敏感性的俯視圖。
[0023]圖12—16是根據(jù)本技術(shù)的各實(shí)施例的檢測不同的角度偏移的對準(zhǔn)檢測組件的相機(jī)的光檢測器的圖像平面的正視圖。
[0024]圖17是根據(jù)本技術(shù)的各實(shí)施例的頭戴式顯示設(shè)備的操作的高級流程圖。
[0025]圖18是根據(jù)本技術(shù)的各實(shí)施例的確定要在頭戴式顯示設(shè)備上顯示的虛擬對象的外觀的不足206的進(jìn)一步細(xì)節(jié)。
[0026]圖19是根據(jù)本技術(shù)的替代實(shí)施例的包括對準(zhǔn)檢測組件的頭戴式顯示設(shè)備的俯視圖。
[0027]圖20是根據(jù)圖19的實(shí)施例的對準(zhǔn)檢測組件的放大的俯視圖。
[0028]圖21是根據(jù)本技術(shù)的替代實(shí)施例的對準(zhǔn)檢測組件的放大的俯視圖。
[0029]圖22是根據(jù)本技術(shù)的進(jìn)一步替代實(shí)施例的對準(zhǔn)檢測組件的放大的俯視圖。
[0030]圖23和24是相機(jī)的圖像平面上接收到的光圖案，該光圖案用于提供關(guān)于光源與相機(jī)和瞳孔間距離對準(zhǔn)有關(guān)的信息。
[0031]圖25是根據(jù)本技術(shù)的各實(shí)施例的可與頭戴式顯示設(shè)備一起使用的處理單元的框圖。
[0032]詳細(xì)描述
[0033]現(xiàn)在參考附圖1一 25描述本技術(shù)的各實(shí)施例，這些實(shí)施例一般涉及用于呈現(xiàn)混合顯示或虛擬顯示體驗(yàn)的頭戴式顯示設(shè)備中的對準(zhǔn)檢測組件和方法。對準(zhǔn)檢測組件可檢測頭戴式顯示設(shè)備的顯示元件中的一個(gè)或兩個(gè)相對于設(shè)備的參照位置的對準(zhǔn)。在各實(shí)施例中，來自對準(zhǔn)檢測組件的信息可被用作為閉環(huán)反饋系統(tǒng)的一部分以調(diào)整雙眼差異，圖像采用該雙眼差異來顯示給頭戴式顯示設(shè)備的左顯示元件和右顯示元件。以此方式，可維持所顯示的虛擬對象的三維深度的幻象。
[0034]此處所使用的術(shù)語“頂部”和“底部”、“上”和“下”以及“垂直”和“水平”僅僅作為示例和說明的目的，并且不意味著限制本發(fā)明的描述，因?yàn)樗峒暗捻?xiàng)可在位置和朝向上被互換。同樣，如此處所使用的，術(shù)語“基本上”、“大致”、和/或“大約”意味著所指定的大小或參數(shù)可在對于給定應(yīng)用而言可接受的制造公差內(nèi)變化。在一個(gè)實(shí)施例中，可接受的制造公差是 ±0.25%。
[0035]圖1是包括對準(zhǔn)檢測組件102的頭戴式顯示設(shè)備100的俯視圖。頭戴式顯示設(shè)備100可具有各種各樣的組件和特征，但一般來說被用于向佩戴設(shè)備100的用戶呈現(xiàn)混合現(xiàn)實(shí)環(huán)境。在一替代實(shí)施例中，頭戴式顯示設(shè)備100可被用來提供純粹虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，即其中現(xiàn)實(shí)世界對象被擋住不可見而僅僅虛擬對象被顯示的環(huán)境。以下描述了頭戴式顯示設(shè)備100的組件和特征中的一些，但是對準(zhǔn)檢測組件102可與之一起使用的頭戴式顯示設(shè)備100的示例的進(jìn)一步細(xì)節(jié)被公開在美國公開的專利申請?zhí)?012/01272284、題為“Head-MountedDisplay Device Which Provides Surround Video”(提供環(huán)繞視頻的頭戴式顯不設(shè)備)、公開于2012年5月24日的申請中。
[0036]在各實(shí)施例中，頭戴式顯示設(shè)備100可包括分別與用戶的左眼和右眼相關(guān)聯(lián)的一對顯示元件104、106。顯示元件104、106在一定程度上透明，以使得用戶可透過顯示元件看到該用戶的視野(FOV)內(nèi)的現(xiàn)實(shí)世界對象。顯示元件還提供將虛擬圖像投射到該用戶的FOV中以使得所述虛擬圖像也可出現(xiàn)在現(xiàn)實(shí)世界對象旁邊并與之混合的能力。虛擬對象可以以考慮了視差的雙眼差異來投射到顯示元件104、106，從而產(chǎn)生虛擬對象的三維深度的幻象。在各實(shí)施例中，頭戴式顯示設(shè)備100可自動地跟蹤用戶正在看之處，使得系統(tǒng)可確定將虛擬圖像插入到該用戶的FOV中的何處。一旦系統(tǒng)知曉了如何將該虛擬圖像投射至相應(yīng)的顯示元件以及要將該虛擬圖像投射至相應(yīng)的顯示元件的何處，就使用該顯示元件來投射該圖像。
[0037]頭戴式顯示設(shè)備100可包括集成處理單元108。在進(jìn)一步實(shí)施例中，設(shè)備100可經(jīng)由有線或無線連接與分開的處理單元108通信。在各實(shí)施例中，包括其處理單元108的頭戴式顯示設(shè)備100可構(gòu)建混合顯示環(huán)境的模型，該模型包括6個(gè)自由度:用戶、現(xiàn)實(shí)世界對象和虛擬三維對象在該環(huán)境中的x、y、z、俯仰、偏航以及滾轉(zhuǎn)位置。處理單元108的一個(gè)示例的細(xì)節(jié)在以下參照圖25來描述。在進(jìn)一步的實(shí)施例中，處理單元108可包括額外或替代的組件。
[0038]除了顯示元件104和106，頭戴式顯示設(shè)備100可進(jìn)一步包括鏡腿110、112、鼻梁116以及框架118。對準(zhǔn)檢測組件102可具有安裝在顯示元件104和106上的部分(如以下所闡述的)，而顯示元件104和106可被安裝到框架118。在各實(shí)施例中，框架118可由剛性材料制成，諸如舉例而言聚碳酸酯或其它塑料。所示出的框架118的配置僅僅是示例，并且可具有各種各樣其它配置用于支撐顯示元件104、106以及對準(zhǔn)檢測組件102。
[0039]不同用戶具有不同的瞳孔間距，因此一種大小的頭戴式顯示設(shè)備100可能不適合所有用戶。因此，在各實(shí)施例中，框架118可用(圖1中示意性示出的)機(jī)構(gòu)126來形成，以允許調(diào)整顯示元件104和顯示元件106之間的距離(也稱為瞳孔間距或“IPD”)。
[0040]如所闡述的，除了感測角度偏移(例如由于IPD調(diào)整機(jī)構(gòu)中的機(jī)械溢出或公差所導(dǎo)致的)，對準(zhǔn)檢測組件10