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CN110879468A - 可佩戴3d增强现实显示器 - Google Patents

可佩戴3d增强现实显示器 Download PDF

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CN110879468A
CN110879468A CN201910961573.3A CN201910961573A CN110879468A CN 110879468 A CN110879468 A CN 110879468A CN 201910961573 A CN201910961573 A CN 201910961573A CN 110879468 A CN110879468 A CN 110879468A
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reality display
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B.贾维迪
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University of Connecticut
University of Arizona
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Abstract

一种可佩戴3D增强现实显示器和方法，其可包括3D集成成像光学器件。

Description

可佩戴3D增强现实显示器
本申请是申请号为2015800230326、发明名称为“可佩戴3D增强现实显示器”的专利申请的分案申请。
技术领域
本发明总体上涉及可佩戴3D增强现实显示器，并且更特别地但不是排外地涉及包括3D集成成像（InI）光学器件的可佩戴3D增强现实显示器。
背景技术
允许在人的现实世界视图上叠加2D或3D数字信息的增强现实（AR）显示器长期以来已被描述为一项重新定义我们感知数字信息且与数字信息相互作用的方式的起改造作用的技术。尽管已经探索了若干个类型的AR显示设备，但是期望形式的AR显示器是轻质的光学看穿式（see-through）头戴式显示器（OST-HMD），其能够实现数字信息到物理世界的直观视图上的光学叠加并且保持对现实世界的看穿式视觉。随着无线网络的迅速增加的带宽、电子器件的小型化以及流行的云计算，当前挑战之一是实现不显眼（unobtrusive）AR显示器，其将OST-HMD、智能电话以及移动计算的功能集成在一副眼镜的体积内。
如果可用的话，这样的AR显示器将有潜力彻底改革许多实践的领域并且渗透生活的结构（fabric），包括医疗、防御和安全、制造、运输、教育和娱乐领域。例如，在医学中，AR技术可使得医生能够在实施手术的同时看到叠加在患者的腹腔上的患者的CT图像；在移动计算中，它可以允许旅行者在街上行走的同时访问他或她视线中的饭店的评论；在军事训练中，它可以允许战士在将3D虚拟对象混入现场训练环境中的环境中有效地训练。
通常，AR技术的大多数关键障碍是由显示器来限定的。缺少高性能、紧凑和低成本AR显示器会限制探索AR技术潜在提供的全范围益处的能力。近年，重要的研究和市场驱动已经朝向克服OST-HMD系统的笨重、类似头盔的外形因数，主要集中于实现紧凑且轻质的外形因数。已经探索了导致OST-HMD显著进步的几个光学技术。例如，大力宣传的googleGlass®是非常紧凑、轻质（~36克）、单眼OST-HMD，提供无障碍即时访问数字信息的益处。尽管它已展示了AR显示器的有前途且令人兴奋的未来前景，但是google Glass®的当前版本在640×360像素的图像分辨率下具有非常窄的FOV（沿对角线近似15°FOV）。这对有效增强许多应用程序中的现实世界视图提供了有限的能力。
尽管这样的承诺，但是现有的OST-HMD仍有许多问题，诸如AR显示器的视觉不适。因此，在实现低成本、高性能、轻质且真正3D OST-HMD系统的同时提供提供增加的视觉舒适度的OST-HMD将是本领域中的进步。
发明内容
在本发明的各方面之一中，本发明可以提供一种3D增强现实显示器，其具有用于提供向用户显示的虚拟3D图像的微显示器。例如，本发明的光学方法可将AR显示系统的光学路径和微InI子系统的光学路径唯一地组合以提供3D光场光源。此方法提供了实现不易受到适应-会聚差异问题影响的AR显示器的潜力。受益于自由形式的光学技术，该方法还可以创建轻质且紧凑的OST-HMD解决方案。
在这点上，在本发明的一个示例性配置中，显示光学器件可被提供用来从微显示器接收光学辐射并且可被配置成从所接收的辐射创建3D光场，即真正光学重构的3D实际或虚拟对象。（如这里所使用的，术语“3D光场”被定义成意指包括看起来要由3D场景发射以创建3D场景的感知的光线集合的3D场景的辐射场）。还可包括与显示光学器件光通信的目镜，其中该目镜被配置成从显示光学器件接收3D光场并将所接收到的辐射递送到该系统的出瞳以提供虚拟显示路径。目镜可包括被配置成从显示光学器件接收3D光场且将所接收到的辐射反射到该系统的出瞳以提供虚拟显示路径的所选表面。该所选表面还可被配置成从不同于微显示器的源接收光学辐射并将这样的光学辐射传输到出瞳以提供看穿式光学路径。该目镜可包括自由形式的棱镜形状。在一个示例性配置中，该显示光学器件可包括集成成像光学器件。
附图说明
当结合附图阅读时，可进一步理解本发明的示例性实施例的前述摘要和后面的详细描述，在附图中：
图1A到1C示意性地图示单眼AR显示器中的适应-会聚提示（图1A）；双眼显示器（图1B）；以及观看实际对象（图1C）；
图2示意性地图示根据本发明的示例性3D-OST-HMD系统的框图，其包括微观集成成像（InI）单元、看穿式光学器件和目镜；
图3示意性地图示用于创建在本发明的设备和方法中使用的3D场景的3D光场的微观InI单元的图；
图4示意性地图示根据本发明的用于创建其中虚拟光场是远心的3D场景的3D光场的替代示例性微观InI（微InI）单元的图；
图5示意性地图示根据本发明的示例性头戴3D集成成像显示系统的图，其集成微InI单元和用于创建3D场景的虚拟光场的传统目镜光学器件；
图6A到6C示意性地图示根据本发明的使用自由形式的光学技术的3D增强现实光学看穿式HMD的示例性设计，其中图6A图示用于3D光场显示器的示例性自由形式目镜，图6B图示校正观察轴线偏离和偏差的示例性自由形式校正镜，以及图6C图示集成光学布局和射线追踪；
图7示意性地图示根据本发明的示例性微InI模块和目镜；
图8图示根据本发明的由微InI和自由形式目镜重构的微显示器、微透镜阵列、3D场景的示例性样机（prototype）；
图9图示在本发明的特定示范中使用的实验“3D”图像；以及
图10A到10D展示由放置在图8的样机的目镜处的数码照相机捕获的图像，其中照相机以4m（图10A）聚焦、30cm（图10B）聚焦、移动到出瞳左侧（图10C）以及移动到出瞳右侧（图10D）。
具体实施方式
尽管HMD的目前商业发展，已经作出了非常有限的努力来解决使AR显示器的视觉不适最小化的挑战，这是要求延长的使用时段的应用的极重要的关注。引起视觉不适的关键因素之一是所显示的数字信息与现实世界场景之间的适应-会聚差异，这是大多数现有AR显示器所固有的基本问题。适应提示指的是眼睛的聚焦动作，其中睫状肌改变晶状体的折光能力并因此使对于场景的固定深度的模糊量最小化。与眼睛适应变化相关的是视网膜图像模糊提示，其指的是随着从眼睛的固定点到更近或更远的点的距离变化的图像模糊效应。适应和视网膜图像模糊效应一起被称为聚焦提示。会聚提示指的是眼睛使视觉轴线向内或向外以便在近距离或远距离在感兴趣的3D对象处相交的旋转动作。
适应-会聚失配问题源于在大多数现有AR显示器中图像源是位于离眼睛固定距离处的2D平坦表面的事实。因此，这个类型的AR显示器缺少为要被叠加在位于不同于2D图像源的距离处的实际对象上的数字信息再现（render）正确聚焦提示的能力。它引起下面的三个适应-会聚冲突。（1）存在2D图像平面与现实世界场景之间的适应提示的失配（图1A）。提示眼睛在2D图像平面处适应以便在同时提示眼睛在数字信息被叠加到其上的实际3D对象的深度处适应和会聚的同时观看增强的信息。显示平面和现实世界对象之间的距离间隙可以容易地超越人类视觉系统（HVS）可以同时适应的事物。简单的示例是驾驶辅助的AR显示器的使用，其中眼睛需要时常在AR显示器和从近处（例如仪表板）跨越到远处（例如道路标志）的现实世界对象之间切换注意力。（2）在双眼立体显示中，通过利用双眼差异来再现一对立体图像，可再现增强信息以便在与2D显示表面不同的距离处显现（图1B）。当观看增强信息时，提示眼睛在2D显示表面处适应以便使虚拟显示焦点对准（in focus）但是同时促使眼睛会聚在由双眼差异指示的深度处以融合立体对。在观看自然场景中（图1C），眼睛会聚深度与适应深度相符并且在不同于感兴趣对象的深度处的对象看起来是模糊的。（3）经由立体图像再现的合成对象（不管它们所再现的离用户的距离）看起来都是焦点对准（在观看者集中在图像平面的情况下），或者看起来都模糊（在用户在不同于图像平面的距离处适应的情况下）。所显示的场景的视网膜图像模糊不会随着从眼睛固定点到模拟场景中的不同深度处的其它点的距离而变化。简言之，不正确的聚焦提示可促成观看立体显示的问题，诸如扭曲的深度感知、复视视觉、视觉不适和疲劳以及动眼反应的降级。
在本发明的各方面之一中，本发明涉及通过将3D光场创建技术与自由形式光学技术组合的OST-HMD设计的新颖方法。本发明的3D光场创建技术通过创建看起来要由3D场景发射的光线集合以及创建3D场景的感知来重构3D场景的辐射场。因此，如这里所使用的，术语“3D光场”被定义成意指包括看起来要由3D场景发射以创建3D场景的感知的光线集合的3D场景的辐射场。所重构的3D场景为HMD观看光学器件创建3D图像源，这能够实现利用3D源替代典型2D显示表面并且因此潜在地克服适应-会聚差异问题。可在本发明的设备和方法中使用能够生成3D光场的任何光学系统。例如，本发明的一个示例性配置将微集成成像（微InI）光学器件用于创建全视差3D光场以便光学地创建3D场景的感知。（本领域技术人员将意识到集成成像（InI）是多视图成像和显示技术，其通过利用针孔、透镜或微透镜阵列来捕获或显示3D场景的光场。在作为显示技术的情况下，微透镜阵列与显示设备组合，这提供每个都具有3D场景的不同视角的信息的一组基本图像。与显示设备组合的微透镜阵列再现由显示设备的不同像素发射的光线束，并且来自不同像素的这些光线束相交并光学地创建看起来发光并占用3D空间的3D点的感知。此方法允许利用所有方向上的全视差信息来重构3D场景的真正3D图像）。能够生成可与本发明一起使用的3D光场的其它光学系统包括但不限于全息显示（M. Lucente, “Interactive three-dimensional holographic displays:seeing the future in depth,” Computer Graphics, 31(2), pp. 63-67, 1997; P. A.Blanche等, “Holographic three-dimensional telepresence using large-areaphotorefractive polymer”, Nature, 468, 80-83, 2010年11月）、多层计算光场显示（G.Wetzstein等, “Tensor Displays: Compressive light field synthesis usingmultilayer displays with directional backlighting,” ACM Transactions onGraphics, 31(4), 2012）、以及体积显示（Blundell, B. G., 和Schwarz, A. J., “Theclassification of volumetric display systems: characteristics andpredictability of the image space,” IEEE Transaction on Visualization andComputer Graphics, 8(1), pp. 66-75, 2002；J. Y. Son, W.H. Son, S.K. Kim, K.H.Lee, B. Javidi, “Three-Dimensional Imaging for Creating Real-World-LikeEnvironments,” Proceedings of IEEE Journal, Vol. 101, issue 1, pp. 190-205,2013年1月）。
微InI系统具有以适合于可穿戴系统的非常紧凑的外形因数实现全视差3D对象重构和可视化的潜力。它可以显著地减轻传统自动立体InI显示器中的大多数限制（这归因于良好约束的观看位置的益处）并且可以被有效地用于解决传统HMD系统中的适应-会聚差异问题。微InI单元可以通过来自3D场景的很多所记录的感知图像的传播光线锥的相交来重构小型化3D场景。通过利用自由形式的光学技术，本发明的方法可以导致紧凑、轻质、护目镜风格的AR显示器，其潜在地更不易受到适应-会聚差异问题和视觉疲劳的影响。作为对现有AR显示器的适应-会聚差异问题的响应，我们开发了具有再现光学重构的3D场景的真正光场的能力的AR显示技术以及由此的对于跨大深度范围放置的数字信息的准确聚焦提示。
创建不易受到适应-会聚差异问题影响的轻质且紧凑OST-HMD解决方案的挑战是解决两个基础问题。第一个是针对与AR显示器中的眼睛会聚深度相关的场景的预期距离提供显示具有正确再现的聚焦提示的3D场景的能力，而不是显示在固定距离的2D平面上。第二个是创建具有与一副眼镜一样引人入胜的外形因数的目镜的光学设计。
图2中图示根据本发明的3D OST-HMD系统的框图。它包括三个主要子系统：光场创建模块（“3D光场创建模块”），其重现从受约束的视区看到的3D场景的全视差光场；目镜，其将重构的3D光场中继到观看者的眼睛中；以及看穿式系统（“看穿式光学器件”），其光学地实现现实世界场景的不显眼的视图。
在本发明各方面之一中，本发明提供一种将用于全视差3D场景光学可视化的3D微InI方法与用于OST-HMD观看光学器件的自由形式的光学技术集成的创新的OST-HMD系统。此方法实现具有全视差光场再现能力的紧凑3D InI光学看穿式HMD（InI-OST-HMD）的开发，其被预期克服持续的适应-会聚差异问题并且大大降低了用户的视觉不适和疲劳体验。
全视差光场创建方法。解决适应-会聚差异问题的重要步骤是提供正确地再现数字信息的聚焦提示（不管其到观看者的距离）而不是将数字信息再现在固定距离2D表面上的能力。在不同的非立体显示方法之中，我们选择使用InI方法，它允许看起来要由从受约束的或不受约束的视区看到的3D场景发射的3D场景的全视差光场的重构。与所有其它技术相比，InI技术要求最小量的硬件复杂性，这使得可能将它与OST-HMD光学系统集成并创建可佩戴真实3D AR显示器。
图3示意性地图示示例性微InI单元300。一组2D基本图像301（每个表示3D场景的不同视角）被显示在高分辨率微显示器310上。通过微透镜阵列（MLA）320，每个基本图像301充当空间上不相干的对象并且基本图像301中的像素发射的锥形射线束相交并完整地创建3D场景的感知，其中对象看起来沿着在参考面处具有深度范围Z0的表面AOB定位，例如以提供发光并占用3D空间的外观。微透镜阵列可被放置成离微显示器310为距离“g”处以创建虚拟或实际3D场景。微InI单元300允许利用全视差信息来光学重构3D表面形状。应该注意的是，基于InI的3D显示器从根本上不同于多视图立体系统来进行操作，其中透镜板用作空间解复用器，以取决于观看者位置来选择场景的适当不连续左眼和右眼平面视图。此类多视图系统产生通常仅具有水平视差的限定数目的双眼视图并且可继续遭受会聚适应冲突。
图4示意性地图示根据本发明的微InI单元400的替代配置，其在表面AOB处创建3D场景的远心3D光场。与图3的配置的主要区别在于附加透镜（透镜430和/或透镜440）的使用，其帮助中继微透镜阵列（MLA）420的孔径并创建远心3D光场。（R. Martínez-Cuenca, H.Navarro, G. Saavedra, B. Javidi, 和M. Martínez-Corral, “Enhanced viewing-angle integral imaging by multiple-axis telecentric relay system,” OpticsExpress, Vol. 15, Issue 24, pp. 16255-16260, 2007年11月21日）。透镜430和透镜440具有相同的焦距f1=f2，其中透镜430直接附着到MLA 420并且透镜440被放置在离开焦距f1处。微显示器410与MLA 420之间的间隙与MLA 420的焦距f0相同。此替代设计的主要优点是重构3D场景的视角的潜在增加、紧凑、容易与HMD观看光学器件集成，并且阻止由MLA 420的微透镜421而不是正确配对的基本图像401和微透镜421所折射的射线创建的翻转图像。
尽管InI方法是有前途的，但是由于下面三个主要限制仍期望改进：（1）低横向和纵向分辨率；（2）窄的场深度（DOF）；以及（3）有限的视场角。这些限制受制于微透镜的有限成像能力和有限孔径、大尺寸显示器的差空间分辨率以及宽视角和高空间分辨率之间的权衡关系。传统的InI系统通常产生低横向和深度分辨率和窄DOF。然而，在本发明的可佩戴InI-HMD系统中可以减轻这些限制。首先，具有大像素计数和非常精细像素（例如~5μm像素尺寸）的微显示器可被用在本发明中以替换在传统InI显示器中使用的大像素显示设备（~200-500μm像素尺寸），从而提供空间分辨率的至少50x增益（图7）。其次，由于HMD系统的本质，视区被很好地限制且因此与大尺寸的自动立体积显示器相比数目少得多的基本图像将足以为限制的视区生成全视差光场。第三，为了在InI-HMD系统中产生从40cm到5m深度范围跨越的感知的3D体积，对于由微InI单元重构的中间3D场景来说非常窄的深度范围（例如Z0~3.5mm）就足够了，与在传统的独立InI显示系统中要求至少50cm深度范围可使用相比其更负担得起得多（图7）。最后，通过一起优化微透镜和HMD观看光学器件，整个InI-HMD系统的深度分辨率可以被显著地改进，从而克服独立InI系统的成像限制。
由微InI单元重构的小型化3D场景的光场可被目镜光学器件中继到眼睛中以便观看。目镜光学器件不仅将3D光场有效地耦合到眼睛（出）瞳中，而且还可以放大3D场景以创建看起来在离观看者的有限距离处的虚拟3D显示。
作为示例，图5示意性地图示微InI单元530与传统目镜光学器件540的集成。微InI单元530可包括可以以与图3中图示的那个类似的方式配置的微显示器510和微透镜阵列520。微InI单元530重构小型化3D场景（位于图5中的AOB处），其位于目镜光学器件540的后焦点附近。通过目镜光学器件540，小型化场景可被放大成在A'O'B'处的扩大3D显示，然后可从由目镜光学器件540的出瞳约束的小区域观看该扩大3D显示。归因于重构场景的3D本质，在出瞳内的不同位置处看到不同观看视角。
在用于HMD设计的不同方法之中，自由形式的光学技术在设计紧凑HMD系统中展示出广阔前景。图6A图示根据本发明的可佩戴3D增强现实显示器600的示例性配置的示意图。该可佩戴3D增强现实显示器600包括3D InI单元630和自由形式目镜640。该微 InI单元630可包括可以以与图3中图示的那个类似的方式配置的微显示器610和微透镜阵列620。此配置600采用楔形的自由形式棱镜作为目镜640，通过该目镜640来放大和观看由微InI单元630重构的3D场景。此类目镜640由分别标记为1、2和3的三个自由形式光学表面来形成，该三个自由形式光学表面可以是旋转非对称表面。出瞳是眼睛被放置以观看经放大的3D场景的地方，该经放大的3D场景位于与3D InI单元630的参考面共轭的虚拟参考面上。从位于中间场景处的3D点（例如A）发射的光线首先被位于最靠近参考面的自由形式目镜640的表面3折射。随后，光线经历由表面1'和2的两次连续反射，并最后通过表面1传输且到达系统的出瞳。来自相同对象点的多个射线方向（例如来自点A的3条射线中的每一个）撞击在出瞳的不同位置上并且在眼睛前面重构虚拟3D点（例如 A'），其中多个射线方向中的每一个表示对象的不同视图。
不是需要多个元件，而是将光学路径自然折叠在目镜640的三表面棱镜结构内，当与使用旋转对称元件的设计相比时这帮助大大降低光学器件的总体积和重量。
为了实现用于AR系统的看穿能力，目镜640的表面2可被涂覆为分束镜。可添加自由形式校正镜650以提供具有改进的看穿能力的可佩戴3D增强现实显示器690。该校正镜650可包括两个自由形式表面，其可被附着到目镜640的表面2以校正由自由形式棱镜目镜640引入到现实世界场景的观看轴线偏离和不期望的偏差。来自3D InI单元630所生成的虚拟光场的射线被棱镜目镜640的表面2反射，而来自现实世界场景的射线被传输通过自由形式目镜640和校正镜650，图6C。图6C示意性图示整体可佩戴3D增强现实显示器690的集成和射线追踪。自由形式校正镜650的前表面与棱镜目镜640的表面2的形状相匹配。当校正镜650与棱镜目镜640组合时，校正镜650的后表面4可被优化成使从现实世界场景引入到射线的移动和失真最小化。预期附加的校正镜650不会显著增加整个系统690的占用空间和重量。
因此，在本发明的设备中，自由形式目镜640可对3D表面AOB的光场成像，而不是对2D图像表面成像。在此类InI-HMD系统600、690中，自由形式目镜640可以在与实际对象的光场光学共轭的位置处重构虚拟3D对象A'O'B'的光场，而在传统HMD系统中，目镜创建与2D微显示表面光学共轭的经放大的2D虚拟显示。
示例。
使用现成光学部件来实施根据图6C的配置的InI OST-HMD的概念验证单眼样机（图8）。利用焦距为3.3mm且间距为0.985mm的微透镜阵列（MLA）。（可以从Digital Optics公司、SUSS Microoptics等等购买这些类型的微透镜）。微显示器是0.8''有机发光显示器（OLED），其提供具有9.6μm像素尺寸的1920x1200彩色像素。（通过华盛顿州的贝尔维尤的eMagin公司的EMA-100820）。所使用的自由形式目镜连同看穿式校正器属于在国际专利申请号PCT/US2013/065422中公开的类型，通过参考将其整个内容合并于此。在下面的表中提供目镜640和校正器650的规格。目镜提供40度的视场和大约6.5mm的眼箱（eyebox）。归因于目镜设计的严格远心度，其适于具有合理地低串扰但具有窄的视区的InI设置。值得注意的是，实施本发明中描述的光学方法不需要修改此特定自由形式目镜设计。可为了此目的而设计和优化替代目镜。
对于显示路径的系统规定。
在表1中，表面#2—#4指定自由形式目镜640。表1表面#2和#4表示相同的物理表面 并且与图6A-6C中的目镜表面1相对应。表1表面#3与目镜表面2相对应，并且表1表面#5与图 6A-6C中的目镜表面3相对应。
表面编号 表面类型 Y半径 厚度 材料 折射模式
1 (停止) 球形 无穷大 0.000 折射
2 XY多边形 -185.496 0.000 PMMA 折射
3 XY多边形 -67.446 0.000 PMMA 折射
4 XY多边形 -185.496 0.000 PMMA 折射
5 XY多边形 -830.046 0.000 折射
6 球形 无穷大 0.000 折射
表1. 目镜的表面规定—AR显示路径。
表面编号 表面类型 Y半径 X 半径 厚度 材料 折射模式
1 (停止) 球形 无穷大 无穷大 0.000 折射
2 XY多边形 -185.496 -185.496 0.000 PMMA 折射
3 XY多边形 -67.446 -67.446 0.000 PMMA 折射
4 XY多边形 -67.446 -67.446 0.000 PMMA 折射
5 XY多边形 -87.790 -87.790 10.00 折射
6 圆柱形 无穷大 -103.400 6.5 NBK7 折射
7 球形 无穷大 无穷大 0.000 折射
表2. 对于看穿式路径的系统规定。
对于光学看穿式路径的系统规定。
在表2中，表面#2和#3是目镜表面1和3，与显示路径中相同地被建模。表面#4、#5指 定自由形式校正镜650。表面#4是表面#3的准确复制品（目镜表面2）。
Y 半径 -1.854965E+02 X**2 * Y**5 -1.505674E-10
圆锥常数 -2.497467E+01 X * Y**6 0.000000E+00
X 0.000000E+00 Y**7 -4.419392E-11
Y 0.000000E+00 X**8 4.236650E-10
X**2 -2.331157E-03 X**7 * Y 0.000000E+00
X * Y 0.000000E+00 X**6 * Y**2 -1.079269E-10
Y**2 6.691726E-04 X**5 * Y**3 0.000000E+00
X**3 0.000000E+00 X**4 * Y**4 -1.678245E-10
X**2 * Y -1.066279E-04 X**3 * Y**5 0.000000E+00
X Y**2 0.000000E+00 X**2 * Y**6 2.198604E-12
Y**3 -2.956368E-05 X * Y**7 0.000000E+00
X**4 -1.554280E-06 Y**8 -2.415118E-12
X**3 * Y 0.000000E+00 X**9 0.000000E+00
X**2 * Y**2 1.107189E-06 X**8 * Y 4.113054E-12
X * Y**3 0.000000E+00 X**7 * Y**2 0.000000E+00
Y**4 1.579876E-07 X**6 * Y**3 -1.805964E-12
X**5 0.000000E+00 X**5 * Y**4 0.000000E+00
X**4 * Y 1.789364E-07 X**4 * Y**5 9.480632E-13
X**3 * Y**2 0.000000E+00 X**3 * Y**6 0.000000E+00
X**2 * Y**3 -2.609879E-07 X**2 * Y**7 2.891726E-13
X * Y**4 0.000000E+00 X * Y**8 0.000000E+00
Y**5 -6.129549E-10 Y**9 -2.962804E-14
X**6 -3.316779E-08 X**10 -6.030361E-13
X**5 * Y 0.000000E+00 X**9 * Y 0.000000E+00
X**4 * Y**2 9.498635E-09 X**8 * Y**2 -7.368710E-13
X**3 * Y**3 0.000000E+00 X**7 * Y**3 0.000000E+00
X**2 * Y**4 9.042084E-09 X**6 * Y**4 9.567750E-13
X * Y**5 0.000000E+00 X**5 * Y**5 0.000000E+00
Y**6 -4.013470E-10 X**4 * Y**6 4.280494E-14
X**7 0.000000E+00 X**3 * Y**7 0.000000E+00
X**6 * Y -8.112755E-10 X**2 * Y**8 -7.143578E-15
X**5 * Y**2 0.000000E+00 X * Y**9 0.000000E+00
X**4 * Y**3 1.251040E-09 Y**10 3.858414E-15
X**3 * Y**4 0.000000E+00 N-半径 1.000000E+00
表3. 表1的表面#2和#4的光学表面规定。
Y 离心 Z 离心 阿尔法倾斜
6.775E+00 2.773E+01 7.711E+00
表4. 表1的表面#2和#4相对于表1的表面#1的离心。
Y 半径 -6.744597E+01 X**2 * Y**5 -3.464751E-11
圆锥常数 -1.258507E+00 X * Y**6 0.000000E+00
X 0.000000E+00 Y**7 -8.246179E-12
Y 0.000000E+00 X**8 -2.087865E-11
X**2 -1.300207E-03 X**7 * Y 0.000000E+00
X * Y 0.000000E+00 X**6 * Y**2 2.845323E-11
Y**2 4.658585E-04 X**5 * Y**3 0.000000E+00
X**3 0.000000E+00 X**4 * Y**4 -5.043398E-12
X**2 * Y -1.758475E-05 X**3 * Y**5 0.000000E+00
X Y**2 0.000000E+00 X**2 * Y**6 2.142939E-14
Y**3 -1.684923E-06 X * Y**7 0.000000E+00
X**4 -1.463720E-06 Y**8 1.607499E-12
X**3 * Y 0.000000E+00 X**9 0.000000E+00
X**2 * Y**2 -1.108359E-06 X**8 * Y -1.922597E-12
X * Y**3 0.000000E+00 X**7 * Y**2 0.000000E+00
Y**4 -1.098749E-07 X**6 * Y**3 1.100072E-13
X**5 0.000000E+00 X**5 * Y**4 0.000000E+00
X**4 * Y -7.146353E-08 X**4 * Y**5 -4.806130E-14
X**3 * Y**2 0.000000E+00 X**3 * Y**6 0.000000E+00
X**2 * Y**3 -1.150619E-08 X**2 * Y**7 -2.913177E-14
X * Y**4 0.000000E+00 X * Y**8 0.000000E+00
Y**5 5.911371E-09 Y**9 9.703717E-14
X**6 -5.406591E-10 X**10 2.032150E-13
X**5 * Y 0.000000E+00 X**9 * Y 0.000000E+00
X**4 * Y**2 -1.767107E-09 X**8 * Y**2 -1.037107E-13
X**3 * Y**3 0.000000E+00 X**7 * Y**3 0.000000E+00
X**2 * Y**4 -7.415334E-10 X**6 * Y**4 3.602862E-14
X * Y**5 0.000000E+00 X**5 * Y**5 0.000000E+00
Y**6 -5.442400E-10 X**4 * Y**6 -8.831469E-15
X**7 0.000000E+00 X**3 * Y**7 0.000000E+00
X**6 * Y 6.463414E-10 X**2 * Y**8 2.178095E-15
X**5 * Y**2 0.000000E+00 X * Y**9 0.000000E+00
X**4 * Y**3 1.421597E-10 Y**10 1.784074E-15
X**3 * Y**4 0.000000E+00 N-半径 1.000000E+00
表5. 表1的表面#3的光学表面规定。
Y 离心 Z 离心 阿尔法倾斜
1.329E+01 4.321E+01 -8.856E+00
表6. 表5的表面#3相对于表1的表面#1的离心。
Y 半径 -8.300457E+02 X**2 * Y**5 4.051880E-08
圆锥常数 -9.675799E+00 X * Y**6 0.000000E+00
X 0.000000E+00 Y**7 -3.973293E-09
Y 0.000000E+00 X**8 -1.881791E-10
X**2 -1.798206E-04 X**7 * Y 0.000000E+00
X * Y 0.000000E+00 X**6 * Y**2 5.519986E-09
Y**2 -2.606383E-03 X**5 * Y**3 0.000000E+00
X**3 0.000000E+00 X**4 * Y**4 3.822268E-09
X**2 * Y -7.767146E-05 X**3 * Y**5 0.000000E+00
X Y**2 0.000000E+00 X**2 * Y**6 -3.024448E-09
Y**3 -8.958581E-05 X * Y**7 0.000000E+00
X**4 1.978414E-05 Y**8 2.673713E-11
X**3 * Y 0.000000E+00 X**9 0.000000E+00
X**2 * Y**2 2.081156E-05 X**8 * Y 1.006915E-10
X * Y**3 0.000000E+00 X**7 * Y**2 0.000000E+00
Y**4 -1.073001E-06 X**6 * Y**3 -2.945084E-10
X**5 0.000000E+00 X**5 * Y**4 0.000000E+00
X**4 * Y 2.585164E-07 X**4 * Y**5 5.958040E-10
X**3 * Y**2 0.000000E+00 X**3 * Y**6 0.000000E+00
X**2 * Y**3 -2.752516E-06 X**2 * Y**7 -3.211903E-10
X * Y**4 0.000000E+00 X * Y**8 0.000000E+00
Y**5 -1.470053E-06 Y**9 2.296303E-11
X**6 -1.116386E-07 X**10 5.221834E-12
X**5 * Y 0.000000E+00 X**9 * Y 0.000000E+00
X**4 * Y**2 -3.501439E-07 X**8 * Y**2 1.135044E-11
X**3 * Y**3 0.000000E+00 X**7 * Y**3 0.000000E+00
X**2 * Y**4 1.324057E-07 X**6 * Y**4 -1.050621E-10
X * Y**5 0.000000E+00 X**5 * Y**5 0.000000E+00
Y**6 -9.038017E-08 X**4 * Y**6 5.624902E-11
X**7 0.000000E+00 X**3 * Y**7 0.000000E+00
X**6 * Y 3.397174E-10 X**2 * Y**8 5.369592E-12
X**5 * Y**2 0.000000E+00 X * Y**9 0.000000E+00
X**4 * Y**3 -1.873966E-08 Y**10 2.497657E-12
X**3 * Y**4 0.000000E+00 N-半径 1.000000E+00
表7. 表1的表面#5的光学表面规定。
Y离心 Z 离心 阿尔法倾斜
.427E+01 3.347E+01 7.230E+01
表8. 表面#5相对于表1的表面#1的离心。
Y半径 -8.779024E+01 X**2 * Y**5 -8.011955E-11
圆锥常数 -7.055198E+00 X * Y**6 0.000000E+00
X 0.000000E+00 Y**7 3.606142E-11
Y 0.000000E+00 X**8 3.208020E-11
X**2 -3.191225E-03 X**7 * Y 0.000000E+00
X * Y 0.000000E+00 X**6 * Y**2 -2.180416E-11
Y**2 4.331992E-03 X**5 * Y**3 0.000000E+00
X**3 0.000000E+00 X**4 * Y**4 -3.616135E-11
X**2 * Y -9.609025E-05 X**3 * Y**5 0.000000E+00
X Y**2 0.000000E+00 X**2 * Y**6 -5.893434E-12
Y**3 -2.432809E-05 X * Y**7 0.000000E+00
X**4 -2.955089E-06 Y**8 3.081069E-12
X**3 * Y 0.000000E+00 X**9 0.000000E+00
X**2 * Y**2 2.096887E-07 X**8 * Y 1.267096E-12
X * Y**3 0.000000E+00 X**7 * Y**2 0.000000E+00
Y**4 -9.184356E-07 X**6 * Y**3 -1.848104E-12
X**5 0.000000E+00 X**5 * Y**4 0.000000E+00
X**4 * Y 3.707556E-08 X**4 * Y**5 5.208420E-14
X**3 * Y**2 0.000000E+00 X**3 * Y**6 0.000000E+00
X**2 * Y**3 -1.535357E-07 X**2 * Y**7 1.198597E-13
X * Y**4 0.000000E+00 X * Y**8 0.000000E+00
Y**5 -1.445904E-08 Y**9 -6.834914E-14
X**6 -4.440851E-09 X**10 -1.706677E-14
X**5 * Y 0.000000E+00 X**9 * Y 0.000000E+00
X**4 * Y**2 1.686424E-09 X**8 * Y**2 -1.614840E-14
X**3 * Y**3 0.000000E+00 X**7 * Y**3 0.000000E+00
X**2 * Y**4 6.770909E-09 X**6 * Y**4 8.739087E-14
X * Y**5 0.000000E+00 X**5 * Y**5 0.000000E+00
Y**6 -3.713094E-10 X**4 * Y**6 3.940903E-15
X**7 0.000000E+00 X**3 * Y**7 0.000000E+00
X**6 * Y -1.316067E-10 X**2 * Y**8 5.435162E-15
X**5 * Y**2 0.000000E+00 X * Y**9 0.000000E+00
X**4 * Y**3 7.924387E-10 Y**10 -2.259169E-15
X**3 * Y**4 0.000000E+00 N-半径 1.000000E+00
表9. 表2的表面#5的光学表面规定。
Y 离心 Z 离心 阿尔法倾斜
3.358E+00 4.900E+01 6.765E+00
表10. 表面#5相对于表2的表面#1的离心。
如在系统规定表（例如表1或2）中使用的，术语“XY多边形”指的是可以通过下面的等式表示的表面：
Figure DEST_PATH_DEST_PATH_IMAGE001
其中z是沿着局部x, y, z 坐标系的z轴测量的自由形式表面的下垂，c是顶点曲率（CUY），r是径向距离，k是圆锥常数，并且Cj是xmyn的系数。
出于展示的目的，模拟包括数字“3”和字母“D”的3D场景。在视觉空间中，对象“3”和“D”分别位于离开眼睛位置~4米和30cm处。为了清楚地展示聚焦的效果，利用黑线纹理而不是使用清晰的纯色来再现这些字符对象。模拟3D场景的18x11基本图像的阵列（图9），该阵列中的每一个由102 x102个颜色像素组成。微InI单元所重构的3D场景离开MLA大约10mm，并且两个重构目标的间隔在中间重构空间中的深度上为大约3.5mm。
图10A至10D示出利用放置在眼睛位置处的数码照相机捕获的一组图像。为了展示聚焦效果以及看穿式视图，在现实世界视图中，斯内伦字母图和打印的黑白栅格目标被分别放置在离开观看者~4米和30cm处，其分别与对象“3”和“D”的位置对应。
图10A和10B分别展示照相机在斯内伦图和栅格目标上的聚焦效果。当相机聚焦在远的斯内伦图上时对象“3”看起来处于锐聚焦，而当照相机聚焦在近的栅格目标上时对象“D”焦点对准。图10C和10D展示在照相机焦点被设置在近的栅格目标上的同时照相机位置从眼箱的左侧移动到右侧的效果。如所预期的，在这两个视图之间观察到细微的视角变化。尽管人工制品是公认地可见的并且需要进一步的开发，但是结果清楚地展示所提出的用于AR显示器的方法可以产生正确聚焦提示以及大深度范围中的真正3D观看。
这里描述和要求保护的发明在范围上不会受到这里公开的特定实施例的限制，因为这些实施例被旨在作为本发明的若干方面的说明。旨在使任何等同实施例处于本发明的范围之内。实际上，根据前面的描述，除了这里示出和描述的那些之外的本发明的各种修改对本领域技术人员来说将变得显而易见。还旨在使此类修改落入所附权利要求的范围之内。
在说明书中引用许多专利和非专利出版物，通过参考将这些出版物中的每一个的整个公开合并于此。
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Claims (13)

1.一种3D增强现实显示器，包括：
微显示器，用于提供向用户显示的虚拟3D图像；
显示光学器件，被配置成从所述微显示器接收光学辐射并且被配置成根据所接收的辐射在参考面处创建延伸经过深度范围的远心3D光场；以及
与所述显示光学器件光通信的目镜，被配置成从所述显示光学器件接收3D光场，并被配置为在虚拟参考面处创建3D光场的虚拟图像，所述参考面和虚拟参考面跨越所述目镜彼此光学共轭。
2.根据权利要求1所述的3D增强现实显示器，其中所述显示光学器件包括一对透镜，每个透镜具有相同的焦距，其中所述透镜之间的距离等于所述焦距以向所述3D光场提供远心度。
3.根据权利要求1所述的3D增强现实显示器，其中该显示光学器件包括集成成像光学器件。
4.根据权利要求1所述的3D增强现实显示器，其中该目镜包括被配置成从所述显示光学器件接收3D光场且将所接收的辐射反射到出瞳的所选表面，该所选表面还被配置成从不同于微显示器的源接收光学辐射并且将该光学辐射传输到出瞳。
5.根据权利要求1所述的3D增强现实显示器，其中该目镜包括自由形式的棱镜形状。
6.根据权利要求1所述的3D增强现实显示器，其中该目镜包括被配置成从显示光学器件接收光学辐射并折射该光学辐射的第一表面，并且包括被配置成从第一表面接收所折射的光学辐射的第二表面，该第二表面被配置成将光学辐射反射到目镜的第三表面，该第三表面被配置成将从第二表面反射的光学辐射反射到出瞳。
7.根据权利要求6所述的3D增强现实显示器，包括邻近目镜的第二表面设置的校正镜。
8.根据权利要求1所述的3D增强现实显示器，其中该目镜的表面中的一个或多个包括旋转非对称表面。
9.根据权利要求1所述的3D增强现实显示器，其中该目镜包括楔形形状。
10.根据权利要求1所述的3D增强现实显示器，其中该目镜包括由下面的等式表示的表面：
Figure 5627DEST_PATH_IMAGE001
其中z是沿着局部x, y, z 坐标系的z轴测量的自由形式表面的下垂，c是顶点曲率（CUY），r是径向距离，k是圆锥常数，并且Cj是xmyn的系数。
11.根据权利要求1所述的3D增强现实显示器，其中该显示光学器件包括全息显示器、多层计算光场显示器和体积显示器中的一个或多个。
12.根据权利要求1所述的3D增强现实显示器，其中该3D光场提供全视差。
13.根据权利要求1所述的3D增强现实显示器，其中所述3D光场提供局部视差。
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