CN105492957B - 采用成对眼镜形式的图像显示设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种图像显示设备（1），包括至少一个空间光调制器（2）、至少一个点光源（3），其中，所述光源（3）放置在所述空间光调制器（2）的前面。所述显示设备适合用于可佩戴的增强现实（AR）和3D显示器。

Description

采用成对眼镜形式的图像显示设备
技术领域
本发明涉及图像显示设备，并且更特别地，涉及采用成对眼镜形式的可佩戴图像显示设备。
背景技术
可佩戴显示器是一种用于虚拟现实（VR）、增强现实（AR）和3D移动显示器的使能技术。存在很多用以将虚拟图像传递到眼睛的可佩戴技术，但是它们都要求在显示器面板与眼睛之间的中继透镜。
在可佩戴显示器的设计中，想要的是具有大的视场（FOV）和大的出射光瞳大小（12-15mm），以允许眼睛移动而不丢失图像。在现有技术实施例的状态下，在具有大的FOV（达到80°或120°）的军用HMD的防护镜和虚拟现实防护镜中存在头戴式显示器的一些示例，但是光器件变得非常庞大。用以减小光器件的大小和体积的替换方法已经利用了不同的解决方案：（i）有源瞳孔跟踪，是一种有前景的解决方案，但是被提供以跟踪瞳孔的光学机构是相当复杂的；（ii）非常规的光学中继，用以使用光引导中继、全息中继或基板引导中继来使光器件更紧凑，这是有前景的，但是仍然要求在FOV上的折衷，以实现薄形状因子；（iii）要求佩戴特殊接触镜的显示器。在8441731美国专利中开发了一种使用自发射透明OLED的环顾新型显示器。观看该显示器要求具有高屈光度中心透镜和偏振滤波器的特殊接触镜；（iv）直接放置在接触镜上的显示器，其归因于受限制的空间而将具有受限制的分辨率。更进一步地，从单独的发射机发射的光并不是相干的，并且归因于来自每个发射机的衍射而不能被用于在视网膜上写入图像，除非发射机被通过透镜耦合或者发射无衍射的高方向性光线（Jannick P. Rolland, Kevin P. Thompson, Hakan Urey, and Mason Thomas,Chapter: 10.4.1 "See-Through Head Worn Display (HWD) Architectures," Handbookof Visual Display Technology, 2011）。
由于眼睛不能在被放置在眼睛的前面（仅在几厘米的距离处）的显示器上聚焦，因此可佩戴显示器要求光器件把来自图像生成器的图像中继到眼睛。所要求的中继光器件和透镜大，并且归因于各种光学设计约束而不能被小型化。尽管在微技术上有了巨大进步，但是归因于如下的两个基本问题，缺少用于移动设备和增强现实（AR）的尤其是在3D可佩戴显示器上的真正突破：（i）从图像源到眼睛的中继透镜必须保持得大，以提供大的视场和3D感知；以及（ii）归因于缺少深度线索，观看舒适受到限制。
发明内容
本发明的目的在于实现一种图像显示设备，其具有大的视场，可扩展到3D感知，并且在没有归因于缺少深度线索而受到限制的情况下使得观看舒适成为可能。
在第一权利要求及其相应的权利要求中说明的为了达到本发明的目的而实现的图像显示设备包括：至少一个空间光调制器；至少一个点光源，其中，所述光源被放置在所述空间光调制器的前面，以使得所述光源直接照射所述空间光调制器的前表面；以及微反射器的矩阵，其被附接在所述空间光调制器的后表面上。微反射器包括微镜。
本发明克服了图像显示设备（尤其是可佩戴显示设备）的一些基本挑战：
（i）消除在空间光调制器与眼睛之间的中继光器件。使用提供无限聚焦深度的针孔显示器原理来克服眼睛的聚焦问题。结果，通过采取在微技术上的进步的完全的优点，可佩戴显示器的小型化将是可能的。
（ii）提供所有实质的3D深度线索，以避免感知错误和观看不适。在不损失分辨率的情况下，两只眼睛需要注视在对象的正确深度处而不是注视在显示器面板处，由此消除调节与会聚之间的冲突。
附图说明
为了达到本发明的目的而实现的图像显示设备被图解在随附的各图中，其中：
图1是本发明的优选实施例。
图2是用于使用透射显示器和点源进行到视网膜上的针孔成像的实验设置。
图3是使用图2中的设置的初步实验性结果。
图4是本发明的另一实施例。
图5是使用屏幕上的SLM和微反射器阵列的图像显示设备基本操作。
图6是针对旋转的眼球的使用屏幕上的SLM和微反射器阵列的图像显示设备基本操作。
图7是为了每只眼睛实现超级多重观看使用多个光源，而在瞳孔的中心处具有多个照射的观看者的顶视图。
图8是具有被嵌入的微反射器、滤波器的屏幕的细节。
图9是具有被嵌入的微反射器、滤波器和在每个反射器上的衍射光栅的屏幕的细节。
1.图像显示设备
2.空间光调制器
3.点光源
3A.光阑
3B.相机
4.微反射器
5.滤波器
6.框架
7.鼻托
8.瞳孔***相机
9.接口线缆
10.出射光瞳复制器。
具体实施方式
本发明的图像显示设备（1）包括：至少一个空间光调制器（2）；至少一个点光源（3），其中，点光源（3）和观看者的眼睛（A）放置在空间光调制器（SLM）（2）的前侧上，以使得点光源（3）直接照射空间光调制器（2）的前表面，并且其特征在于：微反射器（4）的矩阵，其被附接在空间光调制器（2）的后表面上。
本发明的基础是针孔相机成像原理。本发明中所公开的基于针孔的成像原理可以在没有在SLM（2）与眼睛（A）之间使用外部中继透镜的情况下直接把宽视场成像产生到视网膜上。在本发明中，由点光源（3）创建的发散照射被通过微反射器（4）的矩阵转换为会聚照射（图1）。
虽然我们的眼睛不能聚焦在比25cm更近的对象上，但是在眼睛的前面使用针孔，人们可以容易地看见仅几cm之外的对象。从图像生成器到视网膜上的无透镜图像中继构思基于在瞳孔的200微米至1mm部分的范围中进行使用，与针孔相机成像原理十分相似但是针对可佩戴显示器而被利用。
使用图2中的实验设置来展现在相机的前面不使用针孔的针孔相机成像原理，其中，SLM（2）处于紧密接近观看者的眼睛（A），并且在SLM（2）与在25cm距离处聚焦以模仿放松的眼睛的成像相机（3B）之间不存在光学组件。点光源（3）是具有大的发射面积的LED，使用可调整的光阑（3A）而有效地减小了该大的发射面积。结果见于图3中。图中的第一图像示出当光阑（3A）完全打开时的相机（3B）图像；SLM上的特征是不可分辨的。图中的第二图像示出当光阑（3A）被部分地闭合以实现针孔相机效应时在分辨率上的改进。图3中的第三图像是第二图像的变焦版本。虽然图像是焦点对准的，但是分辨率归因于眼睛晶状体的有限的聚焦能力和衍射赝像而被限制于大约100μm。
归因于从SLM到相机（或者当利用眼睛观测时的视网膜）的传播的衍射赝像限制可实现的分辨率。通过计算从显示器到视网膜的***的传递函数，可以显示计算机生成的在SLM上的复数波函数，以使得衍射赝像被消除并且高分辨率图像被形成在视网膜上。可以使用内核来计算SLM上的图案，其近似被复数赋值并且快速变化的***传递函数的逆。将使用与在计算机生成的全息（CGH）和相位重获***中使用的那些算法相似的算法（通过考虑SLM技术的限制）来设计纯相位（phase only）内核。（J. R. Fienup, "Phase retrievalalgorithms: a comparison." Applied optics 21.15 , p. 2758-2769 (1982)、以及Buckley, Edward等人"Viewing angle enhancement for two-and three-dimensionalholographic displays with random superresolution phase masks. "Applied optics45.28 (2006): 7334-7341）。也可以在多个帧中实现内核，并且在眼睛处的积分将去除各单独的重构中的噪声。
用以预处理要被显示的图像的算法开发和优化牵涉使用衍射仿真的计算研究、图像处理以及迭代傅里叶变换算法的使用。可以使用精确的复数赋值的解卷积内核（使用***传递函数的逆而获得）来仿真***。可以考虑由SLM的动态范围和相位/幅度显示能力、针对不同使用者的解剖学的图像校准要求、用以激励不同的LED组的有源瞳孔跟踪以及实时实现所施加的约束来优化要被显示在SLM上的图案。
虽然我们的眼睛不能聚焦在比25cm更近的对象上，但是在眼睛的前面使用针孔，人们可以容易地看见仅几cm之外的对象。从图像生成器到视网膜上的无透镜图像中继构思基于：使用瞳孔的<1mm部分，与针孔相机成像原理非常相似。虽然图像是焦点对准的，但是分辨率归因于衍射赝像而被限制于大约100μm。为了改进视网膜图像质量，可以使用复数函数。这样的复数相位和幅度函数可以被表示为处于高帧速率的SLM（2）上的一个或一系列图像，以使得所得到的积分图像被观看者的眼睛（A）感知。
以相似的方式，借助于图1中的微反射器（4）的矩阵，来自源的光被引导到观看者的瞳孔的方向上，并且图像的细节变为可分辨的。来自点光源（3）的光被反射到瞳孔的中心的方向上，以形成小的出射光瞳显示。由于仅使用瞳孔的一小部分，因此图像保持为被聚焦在不同的深度处，这确保在没有聚焦的损失的情况下并且在没有离轴像差的情况下的想要的大的视场。
在本发明的优选实施例中，空间光调制器（2）是液晶显示器（LCD）。LCD是纯相位空间光调制器（2）。
在本发明的优选实施例中，半透明的微反射器（4）被使用在微反射器（4）阵列中。微反射器（4）被嵌入在具有相同折射率的两个层之间，因此所透射的光线方向不受微反射器（4）影响。微反射器（4）的矩阵可以是自由形式的连续表面，可以由微反射器（4）的离散的1D或2D矩阵或不同类型的反射表面的组合构成。
在本发明的实施例中，图像显示设备（1）包括滤波器（5）。在本发明的实施例中，滤波器仅反射与光源（3）的发射带对应的波长。可以使用滤波器（5）（诸如基于薄金属层的涂层、介电反射器层、偏振器和彩色滤波器）来控制微反射器（4）的透明度的量。
期望每个微反射器（4）的大小是相同的大小，或者大于SLM（2）像素，但是需要以避免任何可见的衍射赝像和莫里（Moiré）图案这样的方式来优化间隔，一种方法是使它们为非周期性的。
在本发明的优选实施例中，点光源（3）是LED。
在本发明的实施例中，点光源（3）是边沿发射LED。
在本发明的其它实施例中，点光源（3）是窄带源（诸如激光器二极管或VCSEL）。
在本发明的其它实施例中，光源（3）和空间光调制器（2）与偏振器膜耦合。偏振器膜被图案化以在膜的不同部分中具有不同的偏振性质。
在本发明的优选实施例中，图像显示设备（1）采用成对眼镜的形式。
在本发明的所述实施例的版本中，点光源（3）位于眼镜的框架（6）上（图1）。
在本发明的所述实施例的另一版本中，点光源（3）位于眼镜的鼻托（7）上。该实施例在允许大的视场显示器的同时允许在观看者的脸部周围弯卷的具有曲率的屏幕表面（图4）。
在本发明的另一实施例中，真实世界的图像以及由点光源（3）和SLM（2）组合所形成的图像重叠在视网膜上。放置在SLM（2）后面的微反射器（4）对到来的光线给出适当倾斜，并且将它们朝向观看者的眼睛（A）导引（图5）。
通过激励位于眼睛瞳孔的中心的光学共轭处的另一点光源（3）来实现当眼睛旋转到另一位置时的图像形成（图6）。
在优选的发明的优选的实施例中，微反射器（4）的矩阵是半透明或透反射的。可以使用滤波器（5）（诸如基于薄金属层的涂层、介电反射器层、偏振器和仅反射与光源的发射带对应的波长的彩色滤波器）来控制透明度的量。可以通过在具有相同折射率的两个层之间嵌入微反射器（4）来实现透明度，因此，所透射的光线方向不受微反射器（4）影响（图7和图8）。在特定光源波长处的附加AR切口涂层可以被应用于增加滤波器的效率。
在本发明的另一实施例中，出射光瞳复制器（10）与微反射器（4）耦合。可以创建多个出射光瞳的出射光瞳复制器（10）可以选择自光栅（诸如二元衍射光栅、具有不同倾斜的镜的阵列或微透镜的阵列）。在光栅的情况下，光栅图案的周期应当小于微反射器（4），以使得至少3个周期的光栅图案跨每一微反射器（4）来进行配合。在优选的实施例中，光栅图案的周期应当足够小以确保所复制的出射光瞳被分离开大于眼睛瞳孔大小的距离（图9）。结果，光可以仅从所复制的瞳孔中的一个进入瞳孔。如果使用光栅，则那么所复制的各瞳孔之间的分离针对不同的波长而是不同的。如果使用非周期性图案（诸如具有稍微不同的倾斜的镜阵列），则可以减轻色彩依赖的分离问题。
在本发明的另一实施例中，图像显示设备（1）包括两组点光源（3）。因此，在用于3D视觉的眼镜之后提供虚拟点源。***使用与眼镜耦合的两个光源（R1）和（L1）（3），以对左眼和右眼（A）提供照射。SLM（2）显示空间信息，并且放置在SLM（2）之后的微反射器（4）将光束朝向眼睛（A）导引。微反射器（4）优选地是半透明的，并且允许与自然视觉重叠的电子显示信息。还可以使微反射器（4）完全阻隔自然视觉。在该优选的配置中，微反射器（4）是无源的，并且来自微反射器（4）的入射和反射角由跨表面变化的微反射器（4）的倾斜角度控制。SLM（2）可以被用于使用偏振光源（3）以及在SLM（2）与微反射器（4）之间的另一偏振器来控制每个像素的亮度（图5）。
在另一实施例中，有源地控制微反射器（4）以跟踪观看者的瞳孔或者调整电子显示器和自然场景的亮度。在该实施例的优选版本中，来自光源（R1）和（L1）（3）的光在透射模式下被阻挡在显示屏幕的出口处，以使得没有光从眼镜发射出去以为其它人所见。这是在微反射器（4）之后使用四分之一波片和附加的偏振器而实现的。在该实施例的另一版本中，可以使用在微反射器（4）之后的安装在眼镜上的有源快门滤波器（诸如LCD快门）来阻挡光。在该实施例的另一版本中，微反射器（4）是有源快门滤波器的部分，以使得它们在快门滤波器打开时透射，在快门滤波器闭合时反射。SLM（2）和光源（3）也与有源快门滤波器同步地进行操作，换言之，当有源快门滤波器闭合时接通，并且当有源快门滤波器打开时关断。这允许控制来自自然场景的透射光和来自电子显示单元的反射光的强度。有源快门滤波器操作频率应当比眼睛（A）可以感知的内容更快，以使得所感知的图像是无闪烁的。在该实施例的另一版本中，在表面处的薄膜涂层被用作为切口滤波器，以吸收从光源（3）发射出的特定波长带中的透射光（图5和图6）。
在本发明的实施例中，SLM（2）像素是相同的，并且不使用彩色滤波器。使用R、G、BLED作为光源（3）来在时间上顺次地获得基本的红色、绿色和蓝色色彩图像。
在另一实施例中，使用白色LED，并且可以在像素的前面使用彩色滤波器，与彩色LCD非常相似。
在本发明的另一实施例中，使用可编程的微反射器（4）的矩阵来控制SLM（2）像素强度。在想要的方向上倾斜微反射器（4）形成想要的出射光瞳。还通过倾斜微反射器（4）以在像素持续时间的一部分内指向到想要的出射光瞳方向上、并且在其余的像素持续时间中使其倾斜而离开眼睛瞳孔（A）来控制像素强度。还可以使用在反射SLM（2）中使用的脉宽调制和数字调制技术来控制像素强度（图8）。
在本发明的另一实施例中，图像显示设备（1）包括四个点光源（3）（在每一侧有两个）。在该实施例的优选版本中，以与每帧60Hz对应的180Hz速率示出以下的图像序列：帧1：R1、G2、B1；帧2：R2、G1、B2；被奇数编号的帧：与帧1相同；被偶数编号的帧：与帧2相同。R、G、B表示红色、绿色和蓝色通道，并且‘1’和‘2’表示透视图像L1和透视图像L2。结果，可以在不使总体帧速率加倍的情况下按60fps同时示出两个透视图像，（K. Aksit, O. Eldes, S.Viswanathen, M. Freeman, H. Urey, "Portable 3D laser projector using mixedpolarization technique," Journal of Displays, vol. 8 (10), pp. 582-589,2012）。因此，实现用以在用于超级多重观看3D视觉的眼镜之后形成两个虚拟点源的优选的配置（图7）。
在本发明的实施例中，图像显示设备（1）包括瞳孔***相机（8），其检测眼睛瞳孔（A）的位置并且提供反馈。基于瞳孔位置，对于瞳孔处于光学共轭位置的光源（3）被接通。接口线缆（9）提供对视频电子器件和电池的连接。从头戴式单元上的移动计算机中继视频信息或者使用来自远程计算机的无线通信手段来中继视频信息。可以将该构思整合到不同类型的头佩戴显示器和安装于头部和头盔的显示器以及头戴式投影仪。附加的传感器（诸如加速度计、陀螺仪、压力传感器、光水平传感器、接近传感器）可以被集成到***以用于已知的现有技术中的所添加的功能。在一个优选的实施例中，可以基于观看者位置和角度来改变所显示的内容。基于观看者的注视和周围光水平，可以调整由显示器使用的亮度、对比度以及视场的一部分。

Claims (22)

1.一种采用成对眼镜形式的图像显示设备（1），包括：
- 至少一个空间光调制器（2），采用具有第一侧和第二相对侧并且被安装在所述眼镜的玻璃位置上的平坦地延伸的介质的形式，
- 至少一个点光源（3），其中，所述点光源（3）放置在相对于所述空间光调制器（2）的第一第一侧区域处，以使得所述点光源（3）直接照射所述空间光调制器（2）的第一侧的表面，以及
其特征在于，微反射器（4）的矩阵，所述微反射器（4）附接在所述空间光调制器SLM（2）的第二相对侧的表面上并且在相对于所述空间光调制器（2）的第二第一侧区域处把来自所述点光源（3）的光导引到至少一个观看区域的方向上，以使得由所述点光源（3）创建的发散照射被所述微反射器（4）的矩阵转换为会聚照射。
2.如权利要求1所述的图像显示设备（1），其中，所述空间光调制器（2）是液晶显示器LCD。
3.如权利要求2所述的图像显示设备（1），其中，LCD是纯相位空间光调制器（2）。
4.如权利要求1所述的图像显示设备（1），其中，所述微反射器（4）是半透明的。
5.如权利要求1所述的图像显示设备（1），其中，所述微反射器（4）被涂敷有薄金属层。
6.如权利要求1所述的图像显示设备（1），其中，所述微反射器（4）被嵌入在具有相同的折射率的两个层之间。
7.如权利要求1所述的图像显示设备（1），其中，来自所述点光源（3）的光在瞳孔的中心的方向上被反射以形成小的出射光瞳显示。
8.如权利要求1所述的图像显示设备（1），包括滤波器（5），其仅反射具有与所述点光源（3）的发射带对应的波长的光。
9.如权利要求1所述的图像显示设备（1），还包括偏振器膜，其中，所述空间光调制器（2）与所述偏振器膜耦合。
10.如权利要求1所述的图像显示设备（1），其中，每个微反射器（4）的大小是相同的大小或者每个微反射器（4）的大小大于SLM像素，并且各微反射器（4）之间的间隔为非周期性的，以避免任何可见的衍射赝像和Moiré图案。
11.如权利要求1所述的图像显示设备（1），其中，所述点光源（3）位于所述眼镜的框架（6）上。
12.如权利要求1所述的图像显示设备（1），其中，所述点光源（3）位于所述眼镜的鼻托（7）上。
13.如权利要求1所述的图像显示设备（1），其中，所述点光源（3）是窄带源。
14.如权利要求1所述的图像显示设备（1），还包括偏振器，其中，所述点光源（3）与所述偏振器耦合。
15.如权利要求1所述的图像显示设备（1），其特征在于，所述图像显示设备（1）是以成对眼镜的形式，用以提供对右眼和左眼（A）的照射。
16.如权利要求1所述的图像显示设备（1），其特征在于，微反射器（4），其被有源地控制以跟踪观看者的眼睛的瞳孔。
17.如权利要求1所述的图像显示设备（1），其特征在于，微反射器（4），其被有源地控制以调整电子显示器和自然场景的亮度。
18.如权利要求1所述的图像显示设备（1），其特征在于，使用可编程的微反射器（4）的阵列来控制SLM像素强度。
19.如权利要求1所述的图像显示设备（1），其特征在于，所述点光源（3）包括至少四个点光源（3），其中至少两个点光源用于观看者的眼睛（A）中的每一个。
20.如权利要求1所述的图像显示设备（1），还包括瞳孔***相机（8），所述瞳孔***相机（8）检测观看者的眼睛（A）的瞳孔的位置。
21.如权利要求1所述的图像显示设备（1），其特征在于，对于观看者的眼睛的瞳孔处于光学共轭位置的所述点光源（3）被接通。
22.如权利要求1所述的图像显示设备（1），还包括出射光瞳复制器（10），所述出射光瞳复制器（10）与所述微反射器（4）耦合。
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