CN110286486A - 用于输送光学图像的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于输送光学图像的方法。根据本发明的一个方面，所述方法包括：从光学立方体接收所述光学图像，其中所述光学立方体与微型显示装置和光源相接，所述光学图像通过将来自所述光源的光线照到所述微型显示装置上而形成；通过将所述光学图像投射通过光学收缩镜片来使所述光学图像收缩；将所述收缩光学图像投射到光学导管中，其中所述光学导管包含光纤阵列；通过将所述收缩光学图像投射到光学扩展镜片中来将所述收缩光学图像扩展回到所述光学图像；将所述光学图像投射到集成镜片中以供观看者通过所述集成镜片观看。这样，可以尽可能减轻传送光学图像的装置的重量。

Description

用于输送光学图像的方法

技术领域

本发明大体上涉及显示的领域，且更具体地说，涉及一种用于输送光学图像的方法。

背景技术

虚拟现实或VR通常定义为使用交互软件和硬件创建且通过主体的移动而体验或控制的三维环境的现实和沉浸式模拟。使用虚拟现实设备的人通常能够环顾人工产生的三维环境，在其中四处走动且与屏幕上或护目镜中描绘的特征或物件交互。虚拟现实人工地创建感觉体验，这可包含视觉、触觉、听觉以及不太普遍地，嗅觉。

增强现实(AR)是在现有现实上增加计算机产生的增强以便通过与其交互的能力而使其更加有意义的技术。将AR发展到应用程序中且用在移动装置上以将数字成分混合到现实世界中，使得其彼此增强，但也可容易地辨别。AR技术正迅速成为主流。其用于在移动装置上显示关于电视播送的体育比赛的比分覆层且弹出3D电子邮件、照片或文本消息。此技术行业的领军者还使用AR来利用全息图和运动激活命令进行令人振奋和革命性的事项。

分开来看，虚拟现实和增强现实的递送方法是不同的。大部分2016年虚拟现实显示于计算机显示屏、投影仪屏幕上，或通过虚拟现实头戴装置(也称为头戴式显示器或HMD)来显示。HMD通常呈头戴式护目镜形式，其中屏幕处于眼部前面。虚拟现实实际上通过切断外部刺激而将用户带入数字世界。以此方式，用户仅仅关注正在HMD中显示的数字内容。增强现实越来越多地用在移动装置中，例如笔记本电脑、智能电话和平板计算机，以改变现实世界和数字图像、图形交叉和交互的方式。

事实上，并非始终将VR与AR相对，因为它们并非始终彼此独立地操作，而实际上是常常混合在一起以产生更为沉浸式的体验。举例来说，作为添加到与图形交互的振动和感觉的触觉反馈被视为增强。然而，其常用于虚拟现实场景内，以便通过触觉使体验更逼真。

虚拟现实和增强现实是希望在娱乐和游戏的模拟平台中变得身临其境或为数字装置与现实世界之间的交互添加新维度所推动的体验和交互的突出实例。毫无疑问，它们单独或混合在一起均打开了真实和虚拟两个世界。

图1A示出如今市面上常见的用于递送或显示VR或AR的应用的示范性护目镜。不管护目镜的设计如何，其看上去体积大且笨重，且当用户佩戴时产生不便。此外，大多数护目镜无法透视。换句话说，当用户佩戴护目镜时，他或她将不能看或做任何其它事。因此，需要一种可显示VR和AR且还允许用户在需要时执行其它任务的设备。

正在开发用于VR/AR和全息应用的各种可穿戴装置。图1B示出来自Microsoft的HoloLens的简图。其重579g(1.2lbs)在此重量下，佩戴者在佩戴一段时间后将感到不舒适。实际上，市场上可获得的产品与正常眼镜相比通常笨重且体积大。因此，另外还需要一种可穿戴AR/VR观看或显示装置，其看起来类似于一副普通眼镜但还容许较小占用面积、增强的冲击性能、低成本封装和更容易的制造工艺。

许多眼镜式显示装置使用将图像形成组件(例如LCOS)放置在前方或镜片框附近的常用设计，希望能减小图像传输损耗且使用较少组件。然而，此类设计通常使眼镜式显示装置不平衡，眼镜式显示装置的前部部分比后部部分重很多，从而在鼻子上增加一些压力。因此，仍然还需要在此类显示装置由用户佩戴时对其重量进行分散。

无论可穿戴显示装置如何设计，仍然存在必须用于使显示装置起作用和可操作的许多组件、线和甚至电池。尽管已作出很多努力来将尽可能多的部分移动到可附接装置或外罩以从用户腰部或口袋驱动所述显示装置，但铜线等必要部分必须用于传输各种控制信号和图像数据。通常呈线缆形式的导线确实具有在佩戴者佩戴此类显示装置时增加对佩戴者的压力的重量。因此，仍然需要一种能够尽可能轻而不牺牲所需功能的传输媒介。

存在许多其它需求，虽未个别地列出，但所属领域的技术人员可很容易理解，本文详述的本发明的一个或多个实施例显然满足这些需求。

发明内容

本部分目的在于概述本发明的一些方面且简单介绍一些优选实施例。为避免混淆此部分、摘要和标题的目的，可在此部分以及在摘要和标题中作出简化或省略。此类简化或省略并不意欲限制本发明的范围。

本发明大体上涉及可用于虚拟现实和增强现实应用的可穿戴装置的架构和设计。根据本发明的一个方面，一种显示装置制成一副眼镜的形式，且包含最小数目的部分以减小其复杂性和重量。单独壳套或外罩提供为便携式，以附连或附接到用户(例如，口袋或腰带)。所述外罩包含产生用于虚拟现实和增强现实应用的内容的所有必要部分和电路，从而产生眼镜上需要的最小数目的部分，因此使得眼镜的占用面积更小、冲击性能增强、封装成本更低且制造工艺更容易。内容由光缆以光学方式拾取且通过光缆中的光纤输送到眼镜，其中所述内容分别投射到特制镜片以用于在佩戴者的眼前显示所述内容。

根据本发明的另一方面，所述眼镜(即，其中的镜片)和外罩通过包含至少一个光纤的光缆耦接，其中光纤负责通过光纤内的全内反射将所述内容或光学图像从光纤的一端输送到其另一端。光学图像由聚焦镜片从外罩中的微型显示器拾取。

根据本发明的又一方面，每个镜片包含呈以下形式的棱镜：其将投射到棱镜一个边缘上的光学图像传播到用户可看到根据所述光学图像形成的图像的光学路径。所述棱镜还与光学校正镜片集成或堆叠在光学校正镜片上，所述光学校正镜片与棱镜的镜片互补或互反以形成所述眼镜的集成镜片。提供所述光学校正镜片以校正来自棱镜的光学路径，从而允许用户通过集成镜片观看而无光学失真。

根据本发明的又一方面，一种示范性棱镜是波导。集成镜片中的每个镜片包含光波导，其将投射到波导一端上的光学图像通过用户可看到根据所述光学图像形成的图像的光学路径传播到另一端。所述波导也可与光学校正镜片集成或堆叠在光学校正镜片上以形成所述眼镜的集成镜片。

根据本发明的又一方面，所述集成镜片还可涂布有具有放大用户眼前光学图像的光学特性的多个膜的一个。

根据本发明的又一方面，所述眼镜包含几个电子装置(例如传感器或麦克风)来实现佩戴者与所显示内容之间的各种交互。由装置(例如深度传感器)捕捉的信号通过无线方式(例如RF或蓝牙)传输到外罩以消除眼镜与外罩之间的有线连接。

根据本发明的又一方面，替代使用两个光缆输送来自两个微型显示器的图像，使用单个光缆输送来自一个微型显示器的图像。光缆可穿过眼镜的边撑中的任一个。安置在眼镜的鼻梁架附近或正好在鼻梁架上的拆分机构用于将图像拆分为两个版本，一个用于左镜片且另一个用于右镜片。这两个图像接着分别投射到可在两个镜片中使用的棱镜或波导中。

根据本发明的又一方面，光缆围封在形成一件衣服的部分的功能性多层结构内或附接到所述功能性多层结构。当用户穿着根据一个实施例制造或设计的衬衫时，线缆自身具有较少重量，而用户可进行较多活动。

根据本发明的又一方面，一种光学导管用于输送从图像源(例如微型显示器)接收的光学图像。所述光学导管包封于显示装置的边撑中或与边撑集成。取决于实施方案，包括光纤集束或阵列的光学导管可扭曲、薄化或以其它方式变形以配合边撑的时尚设计，同时将光学图像从边撑的一端输送到另一端。

为了进一步减小显示装置的重量，根据本发明的又一方面，一种有源光缆用作显示装置与便携式装置之间的通信媒介，其中所述便携式装置可由用户穿戴或可附接到用户。有源光缆包含两个端以及至少一个光纤和两根导线，其中所述两个端通过所述光纤和两根导线耦接。所述两根导线承载电源和接地以为所述两个端和显示装置的运行提供能量，而所述至少光纤用于携载所有数据、控制和指令信号。

根据本发明的又一方面，便携式装置可实施为独立装置或对接单元以接纳智能电话。便携式装置主要是连接到网络(例如互联网)的控制盒，且在受用户控制时产生控制和指令信号。当智能电话接纳在对接单元中时，可使用智能电话中提供的许多功能，例如网络接口和触摸屏以从用户接收输入。

本发明可实施为设备、方法、***的一部分。不同实施方案可产生不同益处、目标和优点。在一个实施例中，本发明是一种用于输送光学图像的方法，其特征在于，所述方法包括：从光学立方体接收所述光学图像，其中所述光学图像呈反向的纵横比，所述光学立方体与微型显示装置和光源相接，所述光学图像通过将来自所述光源的光线照到所述微型显示装置上而形成；将所述光学图像投射到光学导管中，其中所述光学导管包含光纤阵列，且以物理方式旋转90度；通过使所述光学图像通过所述光纤内的全内反射输送穿过所述光学导管而将所述光学图像旋转90度；以正常化的纵横比接收所述光学图像，之后将所述光学图像投射到集成镜片中以供观看者通过所述集成镜片观看。这样，可以使得封装光学导管的边撑即使在其用于在其中输送光学图像或视频时也能正常设计或设计有式样。

在另一实施例中，本发明是一种用于输送光学图像的方法，所述方法包括：从光学立方体接收所述光学图像，其中所述光学立方体与微型显示装置和光源相接，所述光学图像通过将来自所述光源的光线照到所述微型显示装置上而形成；通过将所述光学图像投射通过光学收缩镜片来使所述光学图像收缩；将所述收缩光学图像投射到光学导管中，其中所述光学导管包含光纤阵列；通过将所述收缩光学图像投射到光学扩展镜片中来将所述收缩光学图像扩展回到所述光学图像；将所述光学图像投射到集成镜片中以供观看者通过所述集成镜片观看。这样，可以尽可能的降低用于输送光学图像的装置的重量。

除了在以下描述中通过本发明的实践达成且产生附图中示出的实施例的以上目标，存在许多其它目标。

附图说明

参考以下描述、所附权利要求书和附图将更好地理解本发明的这些和其它特征、方面以及优势，在附图中：

图1A示出如今市面上常见的用于递送或显示VR或AR的应用的示范性护目镜；

图1B示出来自Microsoft的HoloLens的简图；

图2A示出根据本发明的一个实施例可用于VR的应用的一副示范性眼镜；

图2B示出使用光纤沿着弯曲路径以更有效方式或通过光纤内的全内反射将光从一个位置传输到另一位置；

图2C示出根据本发明的一个实施例包封光纤或多个光纤的两个示范性方式；

图2D示出图像如何通过光纤线缆从微型显示器运送到成像媒介；

图2E示出一组示范性可变焦元件(VFE)以适应图像到光学对象(例如，成像媒介或棱镜)上的投射的调整；

图2F示出可用于图2A中示出的眼镜的示范性镜片，其中所述镜片包含两个部分，棱镜和光学校正镜片或校正器；

图2G示出在不规则棱镜中来自多个源(例如，传感器、成像媒介和多个光源)的内部反射；

图2H示出此类集成镜片与硬币和直尺的比较；

图2I示出衬衫，其中线缆围封在衬衫内或附接到衬衫；

图3A示出三个单一彩色图像如何在视觉上组合且由人类视觉感知为全色图像；

图3B示出在分别处于波长λ1、λ2和λ3的三种光下产生三个不同彩色图像，成像媒介包含三个膜，每个膜涂布有一种类型的磷光体。

图4示出使用波导将光学图像从波导的一端输送到其另一端；

图5示出示范性功能框图，其可用于单独壳套或外罩以产生关于虚拟现实和增强现实的内容以供在图2A的示范性眼镜上显示；

图6A示出图2A的修改版本，其中拆分机构用于将光缆传播或输送的图像拆分成两个部分(例如左图像和右图像)；

图6B示出根据本发明的一个实施例的示范性拆分机构；

图7A示出集成且定形以形成光纤导管的多个个体光纤的示范性集成；

图7B示出定形为眼镜边撑的一部分的导管；

图7C示出可用作图7B的光源的光源实施方案；

图7D示出其中光学导管并未旋转而是以标准定向接收光学图像的一个实施例；

图7E示出可用于本发明中所描述的显示眼镜的边撑的实例，其中所述边撑包含光学导管；

图8A示出本文中所称的有源光缆，其包含两个端和耦接在所述两个端之间的多个光纤；

图8B和图8C各自示出有源光缆的实例，其包含用于输送四个通道信号的四个光纤和用于电源和接地以及数据总线的三根导线；

图9A示出人类佩戴的一副眼镜的构架；

图9B示出眼镜边撑端附近的分解视图；

图9C示出另一实施例，其中将显示眼镜实施为普通阅读用眼镜上的一组夹持眼镜；

图9D示出其中并未将光学导管直接用在边撑中的实施例；

图9E示出将光学块集成在眼镜框或镜片框中的一个实施例，其中所述光学块包含立方体、微型显示器和光源；

图9F示出在显示眼镜用于VR应用时所用的遮蔽件或夹式覆盖件；

图10A示出根据本发明的一个实施例的结合智能电话(例如iPhone)使用一副显示眼镜(即，显示装置)的框图；以及

图10B示出示范性对接单元的内部功能框图，所述对接单元可用于图10A中或用作可由佩戴者操作以控制所述显示装置的独立便携式装置。

具体实施方式

本发明的详细描述很大程度上以程序、步骤、逻辑块、处理以及直接或间接相似于耦接到网络的数据处理装置的操作的其它符号表示来呈现。这些过程描述和表示通常由所属领域的技术人员使用以最有效地将其工作主旨传达给所属领域的其它技术人员。

本文中提及“一个实施例”或“实施例”意指结合所述实施例描述的特定特征、结构或特性可包含于本发明的至少一个实施例中。本说明书中各个位置中的短语“在一个实施例中”的出现未必完全是指相同实施例，也未必是与其它实施例相互排斥的单独或替代实施例。此外，表示本发明的一个或多个实施例的过程流程图或图示中的框的次序在本发明中在本质上并不指示任何特定次序，也不暗示任何限制。

本文中参考图2A到10B论述本发明的实施例。然而，所属领域的技术人员应易于了解，本文中相对于这些图给出的详细描述是为了解释性目的，因为本发明扩展超出这些有限的实施例。

现参考各图，其中贯穿若干视图，相同编号是指相同部分。图2A示出根据本发明的一个实施例用于VR/AR的应用的一副示范性眼镜200。所述眼镜200外观与一副正常眼镜无显著差异，但包含分别从边撑206和208延伸的两个柔性线缆202和204。根据一个实施例，所述两个柔性线缆202以及所述边撑206和208中的每一对在其一端集成或以可移除方式连接，且包含一个或多个光纤。在本文中，边撑也可以被称为镜腿，其可以被理解为位于边缘的支撑部件。

两个柔性线缆202均在其另一端耦接到便携式计算装置210，其中所述计算装置210基于微型显示器产生由所述线缆202俘获的图像。所述图像在所述柔性线缆202中通过其中的全内反射通过光纤一直输送到光纤的另一端，其中所述图像投射到眼镜200中的镜片上。

根据一个实施例，两个柔性线缆202中的每一个包含一个或多个光纤。光纤用于沿着弯曲路径以如图2B所示的更有效方式将光从一处传输到另一处。在一个实施例中，光纤由数千股折射率约1.7左右的极精细质量的玻璃或石英形成。一股的厚度微小。股线涂布有一层较低折射率的某种材料。股线的端部被抛光且在仔细将其对准之后牢固地夹持。当光以小角度入射在一端处时，其折射到股线(或光纤)中且入射在光纤和涂层的界面上。在入射角大于临界角的情况下，光线经历全内反射且基本上将光从一端输送到另一端，即使光纤弯曲时也是如此。取决于本发明的实施方案，单个光纤或平行布置的多个光纤可用于将投射到光纤的一端上的光学图像输送到其另一端。

图2C示出根据本发明的一个实施例包封光纤或多个光纤的两个示范性方式。包封的光纤可用作图2A中的线缆202或204，且延伸穿过非柔性边撑206和208中的每一个一直到其端部。根据一个实施例，所述边撑206和208由一副普通眼镜中常见的材料类型(例如塑料或金属)制成，所述线缆202或204的一部分嵌入于或集成在所述边撑206或208中，从而产生非柔性部分，而所述线缆202或204的另一部分仍是柔性的。根据另一实施例，所述线缆202或204的非柔性部分和柔性部分可通过一种接口或连接器以可移除方式连接。

现参考图2D，其示出图像如何通过光纤线缆242从微型显示器240输送到成像媒介244。如下文将进一步描述，所述成像媒介244可以是实体事物(例如，膜)或非实体事物(例如，空气)。所述微型显示器是具有极小屏幕(例如，小于一英寸)的显示器。在20世纪90年代末，商业上引入此类型的微小电子显示***。微型显示器的最常见应用包含后部投射TV和头戴式显示器。所述微型显示器可以是反射或透射的，这取决于光被允许通过显示单元的方式。通过镜片246，所述微型显示器240上所显示的图像(未示出)由所述光纤线缆242的一端拾取，所述端将图像输送到所述光纤线缆242的另一端。提供另一镜片248以从所述光纤线缆242收集图像且将图像投射到所述成像媒介244。取决于实施方案，存在不同类型的微型显示器和成像媒介。所述微型显示器和所述成像媒介的一些实施例将在下文详细描述。

图2E示出一组示范性可变焦元件(VFE)250以适应图像到光学对象(例如，成像媒介或棱镜)上的投射的调整。为促进本发明的各种实施例的描述，假设存在图像媒体。如图2E中所示，通过光纤线缆输送的图像252到达光纤线缆的端表面254。所述图像252通过本文中称为可变焦元件(VFE)的一组镜片256聚焦到成像媒介258上。提供VFE 256以进行调整以确保图像252精确聚焦到成像媒介258上。取决于实施方案，对VFE 256的调整可根据输入(例如从传感器获得的测量值)手动或自动完成。根据一个实施例，根据反馈信号自动执行对VFE 256的调整，所述反馈信号从来自对着佩戴图2A的眼镜200的佩戴者的眼睛(瞳孔)的传感器的感测信号得出。

现参考图2F，其示出可用于图2A中示出的眼镜的示范性镜片260。镜片260包含两个部分：棱镜262和光学校正镜片或校正器264。所述棱镜262和所述校正器264堆叠以形成所述镜片260。如名称所示，提供所述光学校正器264以校正来自所述棱镜262的光学路径，使得穿过所述棱镜262的光通过所述校正器264直行。换句话说，来自所述棱镜262的折射光通过所述校正器264校正或解除折射。在光学中，棱镜是具有使光折射的平坦、抛光表面的透明光学元件。平坦表面中的至少两个在其间必须具有某一角度。表面之间的确切角度取决于应用。传统几何形状是具有三角形底和矩形侧的三角棱镜，且在口语使用中，棱镜通常指代此类型。棱镜可由对其设计所针对的波长透明的任何材料制成。典型的材料包含玻璃、塑料和氟石。根据一个实施例，所述棱镜262的类型实际上不在于几何棱镜的形状，因此所述棱镜262在本文称为任意形状棱镜，这将所述校正器264引导到与所述棱镜262的形式互补、互反或共轭的形状以形成所述镜片260。

在所述镜片260的一个边缘或棱镜262的边缘上，存在至少三个利用棱镜262的项目。标为267的是对应于图2D的成像媒介244或图2E的成像媒介258的成像媒介。取决于实施方案，由图2D的光纤242输送的图像可直接投射到棱镜262的边缘上，或在其投射到棱镜262的边缘上之前形成于成像媒介267上。在任何情况下，根据棱镜262的形状，所投射图像在棱镜262中折射且随后被眼睛265看见。换句话说，佩戴使用镜片262的一副眼镜的用户可看见通过棱镜262或在所述棱镜中显示的图像。

提供传感器266以使眼睛265中的瞳孔的位置或移动成像。同样，基于棱镜262提供的折射，传感器266可发现瞳孔的位置。在操作中，捕捉眼睛265的图像。分析所述图像以得出瞳孔观看通过镜片260或在所述镜片中展示的图像的方式。在AR的应用中，瞳孔的位置可用于激活某一动作。视情况，提供光源268来照射眼睛265以促进传感器266进行的图像捕捉。根据一个实施例，光源268使用近推测源，由此用户或其眼睛265在光源268打开时将不受光源影响。

图2G示出来自多个源(例如传感器266、成像媒介267和光源268)的内部反射。由于棱镜尤其在形状上设计独特或具有特定边缘，来自所述源的光线在棱镜268内反射若干次且随后冲射到眼睛265上。出于完整起见，图2H示出此类镜片与硬币和直尺在大小上的比较。

如上文所描述，存在不同类型的微型显示器，因此存在不同成像媒介。下表概括可用于促进光学图像的产生的一些微型显示器，所述光学图像可由一个或多个光纤通过光纤内的全内反射从其一端输送到另一端。

LCoS＝硅上液晶；

LCD＝液晶显示器；

OLED＝有机发光二极管；

RGB＝红色、绿色和蓝色；以及

SLM＝空间光调制。

在以上表中展示的第一情况中，全色图像实际在硅上显示。如图2D中所示，可通过聚焦镜片或一组镜片拾取全色图像，所述镜片将全图恰好投射到光纤的一端上。图像在光纤内输送且再次由光纤另一端处的另一聚焦镜片拾取。由于所输送图像是可见且全色的，因此物理上可能并不需要图2D的成像媒介244。彩色图像可直接投射到图2F的棱镜262的一个边缘上。

在以上表中示出的第二情况中，LCoS与不同光源一起使用。具体地说，存在循序使用的至少三个彩色光源(例如，红色、绿色和蓝色)。换句话说，每一个光源产生单一彩色图像。光纤拾取的图像仅为单一彩色图像。当所有三个不同单一彩色图像组合时可再现全色图像。提供图2D的成像媒介244以从分别由光纤输送的三个不同单一彩色图像再现全色图像。

图2I示出衬衫270，其中线缆272围封在衬衫270内或与其附接。衬衫270是织物材料或多层件的实例。此类相对薄的线缆可嵌入所述多层件中。当用户穿着根据一个实施例制造或设计的此类衬衫时，线缆自身具有较少重量，而用户可更自由地四处活动。

图3A示出三个单一彩色图像302如何在视觉上组合且由人类视觉感知为全色图像304。根据一个实施例，使用三个彩色光源，例如循序接通的红色、绿色和蓝色光源。更具体地说，当红色光源接通时，作为结果(例如，从微型显示器)仅产生红色图像。红色图像随后由光纤以光学方式拾取和输送，且随后投射到图2F的棱镜262中。随着绿色和蓝色光随后循序接通，绿色和蓝色图像产生且由光纤分别输送，且随后投射到图2F的棱镜262中。众所周知，人类视觉拥有组合三个单一彩色图像且将其感知为全色图像的能力。在循序投射到棱镜中的三个单一彩色图像全部完全对齐的情况下，眼睛看到全色图像。

另外在上文示出的第二情况中，光源可近似不可见。根据一个实施例，三个光源产生接近UV带的光。在此类光照下，三个不同彩色图像仍可产生和被输送，但并不完全可见。在所述彩色图像可呈现给眼睛或投射到棱镜中之前，其将转换为三个原色图像，所述三个原色图像可随后感知为全色图像。根据一个实施例，提供图2D的成像媒介244。图3B示出在分别处于波长λ1、λ2和λ3的三个光源下产生三个不同彩色图像310，成像媒介312包含三个膜层314，每个膜层314涂布有一种类型的磷光体，即呈现发光现象的物质。在一个实施例中，波长405nm、435nm和465nm下的三种类型的磷光体用于转换在接近UV带的三个光源下产生的三个不同彩色图像。换句话说，当一个此类彩色图像投射到涂布有波长405nm下的磷光体的膜层上时，单一彩色图像转换为红色图像，所述红色图像随后聚焦且投射到棱镜中。对于通过涂布有波长435nm或465nm下的磷光体的膜层的另两个单一彩色图像，过程相同，从而产生绿色和蓝色图像。当此类红色、绿色和蓝色图像循序投射到棱镜中时，人类视觉将其一起感知为全色图像。

在上文表中示出的第三或第四情况中，代替使用人眼可见光谱中的或几近不可见的光，光源使用激光源。还存在可见激光和不可见激光。与第一和第二情况的操作无太大差异，第三或第四情况使用所谓的空间光调制(SLM)来形成全色图像。空间光调制器是描述用于在空间和时间中调制光波的振幅、相位或偏振的装置的一般术语。换句话说，SLM+激光(RGB循序)可产生三个单独彩色图像。当所述彩色图像在具有或不具有成像媒介的情况下组合时，可再现全色图像。在SLM+激光(不可见)的情况下，将呈现成像媒介以将不可见图像转换为全色图像，在此情况下，可如图3B中所示使用适当膜层。

现参考图4，其示出波导400用于将光学图像402从波导400的一端404输送到另一端406，其中波导400可与一片或多片玻璃或镜片(未示出)堆叠或涂布有一个或多个膜层以形成合适镜片，以用于应用于显示来自计算装置的图像的一副眼镜。所属领域的技术人员已知，光波导是用于导引光的空间不均匀结构，即，用于限制光可传播的空间区域，其中波导含有与周围媒介(通常称作包层)相比较增大的折射率的区域。

波导400是透明的，且在404端以适当方式定形以允许图像402沿着波导400传播到端406，其中用户408可通过波导400观看，从而看到传播的图像410。根据一个实施例，一个或多个膜层安置在波导400上以放大传播的图像410，使得眼睛408可看到显著放大的图像412。此类膜层的一个实例称作metalenses(超颖镜片)，实质上是在玻璃衬底上的薄的二氧化钛纳米片阵列。

现在参考图5，其示出可用于单独壳套或外罩以产生与虚拟现实和增强现实相关内容以在图2A的示范性眼镜上显示的示范性功能框图500。如图5中所示，提供了两个微型显示器502和504以将内容供应到图2A的眼镜中的两个镜片，基本上左图像去往左镜片且右图像去往右镜片。所述内容的实例为2D或3D图像和视频或全息图。微型显示器502和504中的每一个由对应的驱动器506或508驱动。

整个电路500由被编程以产生所述内容的控制器510控制和驱动。根据一个实施例，电路500设计成与互联网(未示出)通信，从其它装置接收所述内容。具体地说，电路500包含通过无线方式(例如RF或蓝牙)从远程传感器(例如图2F的传感器266)接收感测信号的接口。控制器510编程成分析所述感测信号且提供反馈信号以控制眼镜的某些操作，所述眼镜例如投射机构，其包含自动聚焦且将光学图像投射到图2F的棱镜262的边缘上的聚焦机构。此外，提供音频以与所述内容同步，且所述音频可以无线方式传输到耳机。

图5示出示范性电路500，其产生内容以供在本发明的一个实施例中预期的一副眼镜中显示。电路500示出存在两个微型显示器502和504，其用于将两个相应的图像或视频流提供到图2A中的眼镜的两个镜片。根据一个实施例，仅一个微型显示器可用于驱动图2A中的眼镜的两个镜片。由于所属领域的技术人员知道可如何设计所述电路或如何修改图5的电路500，因此本文不提供此类电路。

给定一个视频流或一个图像，优点是仅需要一个光缆来输送图像。图6A示出图2A的修改版本600，示出一个线缆602用于将外罩210耦接到眼镜208。替代如图2A中所示的使用两个光缆输送来自两个微型显示器的图像，使用单个光缆输送来自一个微型显示器的图像。光缆可穿过眼镜的任一边撑且还可能穿过一个上框的部分。安置在眼镜的鼻梁架附近或正好在鼻梁架上的拆分机构用于将图像拆分为两个版本，一个用于左镜片且另一个用于右镜片。这两个图像接着分别投射到可在两个镜片中使用的棱镜或波导中。

为拆分由线缆602传播或输送的图像，眼镜600设计成包含优选地安置在其鼻梁架附近或在鼻梁架处的拆分机构604。图6B示出根据本发明的一个实施例的示范性拆分机构610。提供立方体612，也称为用于将入射光拆分成两个独立组成部分的X立方体分束器，以通过线缆602接收来自微型显示器的图像。换句话说，图像投射到X立方体612的一侧上。X立方体612内部涂布有某些反射材料以将入射图像拆分成两个部分，一个部分往左且另一个部分往右，如图6B中所示。拆分的图像穿过偏振片614或616以冲击反射器618或620，所述反射器将图像反射回到偏振反射镜626或628。对应于针对左眼或右眼循序产生的图像，两个偏振片614和616以不同方式偏振(例如水平地和竖直地，或左、右旋圆)。涂覆有某些反射材料的情况下，偏振反射镜626或628将图像反射到对应的眼睛。取决于实施方案，来自偏振反射镜626或628的反射图像可冲射到图2F的棱镜262的一个边缘上或图4的波导400上。视情况，两个波片622和624分别安置在反射器618和620前。

图2B或图2D示出光纤线缆220或242用于将图像从一端输送到另一端。使用通常包封在塑料等柔性材料中的光纤可显著地减小眼镜的重量。根据一个实施例，光纤线缆利用平行集成以形成光纤导管的多个光纤制成。图7A示出光纤导管700的示范性集成。多个个体光纤集成且定形以形成光纤导管700，其中其横截面是预定义形状(例如矩形或正方形)。当光学图像投射到导管700的一端上时，图像的光束分别在光纤中通过每个光纤中的全内反射行进且到达导管700的另一端。

现参考图7B，其示出导管710定形为眼镜边撑的一部分。总的来说，投射到所述导管710一端上的图像具有4:3或16:9的纵横比。不论所述比(描述图像宽度与高度之间的关系的属性)的确切数值如何，图像的水平尺寸通常比竖直尺寸长。优选的是，所述导管710呈具有与图像的纵横比类似的纵横比的形状，这将使边撑在水平上看起来厚。根据一个实施例，所述导管710在某些部分扭曲90度。换句话说，所述导管710以与反过来类似于图像纵横比的比开始，且接着以类似于图像纵横比的比结束。对于纵横比为16:9(即，水平:竖直)的图像，所述导管200的第一部分制为具有9:16的比，且所述导管200的第二部分制为具有16:9的比。此实施方案的一个重要优势、益处和目标在于，使眼镜的两个边撑设计成即使在其本身使用或包含输送图像或视频的导管时也看起来体积不那么大(即修型或时尚)。

图7B示出导管710在导管710的一端附近扭曲90度。光学图像从图像源投射到所述导管710的开始部分714上，其中图像源可轻易地旋转以适应开始界面714的形状。假设来自图像源的图像具有9:16的纵横比。因此，所述导管710的第一部分716可制造成在水平上比在竖直上薄。所述导管710接着在所述导管710的第二部分718中旋转90度，图像同样旋转90度。因此，出自导管710的结束部分720的图像具有16：9的纵横比，且可投射到集成镜片(例如图2F的260)或波导(例如图4的400)以供正常观看。

取决于实施方案，图像源可能仅仅是来自图2B或图2D的光纤线缆220或242的投射、从微型显示器240产生的光学图像或提供光学图像的光学立方体。根据一个实施例，提供微型显示器240(例如LCOS成像器724)以产生投射到光学立方体712中的光学图像。图7B中还示出所述光学立方体712的两个放大版本。在一个实施例中，所述光学立方体712包含三角形形状的两个光学片或块717和718。在两个块717与718之间提供特殊光学材料或膜层720。光源722将光投射到所述块717中。光接着通过所述膜层720转到所述微型显示器240(例如LCOS成像器724)以照射微型显示器240。所述微型显示器240利用来自光源722的光产生光学图像。图像接着反射到所述块718中且穿过所述膜层720。图像还投射到所述导管710的开始部分714上以在所述导管710内传输到其第二端720。此实施方案中的一个重要优势、益处和优点在于，使用光纤将图像从一端传输到另一端而不显著增大原本在使用具有导线阵列的线缆时存在的金属重量。根据一个实施例，提供波导726以将投射的光学图像输送到适当位置且基于投射的光学图像形成图像。

根据一个实施例，图7C示出可用作图7B的光源722的光源730的实施方案。光源730包含光导732、遮蔽物734和数个灯736(示出其中两个)。来自灯736的光线投射到导引件732中。在一个实施例中，遮蔽物734一侧能反射且另一侧不透光。提供此类遮蔽物734以将所述光线反射到块717上，此外防止任何光线从导引件730中透出。换句话说，所述遮蔽物734可通过膜层制造，其中一侧能反射且另一侧不透光。

图7B的描述是基于以下假设：在所述导管710的第一端714处接收到的光学图像已旋转90度。因此，使导管往回旋转90度以正常化图像定向。所属领域的技术人员可以了解，以上描述同等地适用于接收到的旋转任一度数的图像，在此情况下可使所述导管710回转相同量以正常化图像定向。图7D示出一个实施例，其中光学导管750并未旋转，而是以标准定向(例如维持16:9或4:3的纵横比)接收光学图像。使来自图像源752的光学图像穿过光学镜片754，所述光学镜片可相应地使图像在竖直或水平或这两个方向上收缩。为有助于本发明的描述，假设镜片754仅使接收到的图像在水平上收缩预定义量(例如70％)。这样，可使所述导管750的宽度或厚度更薄。在所述导管750的另一端，存在第二镜片756。在光学上，镜片756与镜片754进行的动作相反，即，使图像在水平上扩展预定义量(例如1/0.70)，以恢复来自立方体752的原始图像的尺寸。

在操作中，来自图像源752的纵横比为X:Y(例如16:9)的光学图像投射通过(水平缩小)镜片754。现在纵横比是Y:Y(例如9:9)。光学扭曲图像输送通过所述导管750且接着投射通过镜片756。如上文所描述，镜片756使光束水平扩展，从而使光学扭曲图像恢复到纵横比为X:Y(16:9)的正常图像。此实施例的一个优势、益处和目标在于使边撑即使在其用于在其中输送光学图像或视频时也能正常设计或设计有式样。换句话说，只要所述一对镜片754和756是共轭的，这意指其在光学上恰好相反操作，所述导管750就可设计成任何大小或形状。

图7E示出可用于本发明中所描述的显示眼镜中的边撑760的实例。无论所述边撑760可能使用何种材料，其包封光学导管762(例如导管710或750)和图像源764。由于光学导管762由光纤阵列制成，因此其可根据预定义形状结构化，甚至在需要时弯曲。总之，将光学导管762制为所述边撑760的部分。图像源764优选位于光学导管762端中的一端附近，且根据一个实施例还可围封在所述边撑760中。

不论图像源764如何构造，必须存在至少一些导线来用于将图像源764耦接到便携式装置以接收图像数据、各种信号和指令。根据一个实施例，图像源712或752中的微型显示器需要电力来运行和接收电子信号以产生如所期望的图像/视频。当所述微型显示器移入或靠近所述边撑时，必须将电力和信号带到微型显示器。可能必须使用各种铜线。在现有技术***中，通常使用包含一个或多个导体或导线的线缆。然而，线缆重量比光纤线缆显著更重，且可能在两个边撑连接或附接到此类线缆时增加一定压力到眼镜上。总的来说，线缆中的导线越多，所述边撑可能越重。

根据一个实施例，这些导线中的大多数替换为光纤。图8A示出本文所称的有源光缆800，其包含两个端802和804以及耦接在所述两个端802和804之间的至少一个光纤806。另外，在图8A中至少有两根导线(不可见)嵌入光纤806，一个用于电源，另一个用于接地。这两根导线用以将电力从一端供应到另一端。取决于信号需要穿过线缆800的方式或多少，光纤803的数目可变化或恒定。取决于实际需要，两个端802和804可实施为可插拔式(例如USB-C型)。两个端802和804中的每一端包含转换器(例如光电二极管)以将电子信号转换为光或将光转换为电子信号。两个端802和804中的每一端还包含必要的集成电路以在需要时执行编码或解码功能，即，在接收到数据集或电子信号时进行编码且以彩色光呈现，或在接收到彩色光时进行解码以恢复电子信号。本文中不再提供所述端802或804的细节，以免混淆本发明的其它方面。假设线缆800用于将一组信号从端802输送到端804。当端802接收到信号时，端802中的转换器将信号转换为包含一组光学信号的光束，其中每个光学信号根据一个信号编码。或者，由转换器产生一组光束，每个光束对应于一个信号。接着在光纤内将光束从第一端802到第二端804。一旦到达第二端804，第二端804中的转换器就将光束转换回到一个或多个电子信号。所属领域的技术人员可了解，线缆800比原本用于携载这些信号的基于导线的线缆轻很多。还可容易理解，有源光缆需要一个或多个光纤来传输向观看者呈现合适的图像/视频所需的数据、控制信号或各种指令。

图8A列出规格，可基于所述规格实施此类线缆808。取决于实施方案，光纤的数目可特别地指定。在一个实例中，呈红色、绿色和蓝色的图像数据分别在三个不同光纤中输送，而控制信号在一个光纤中输送，由此为有源光缆可以制定4通道光纤配置。图8A还示出此类基于光纤线缆的柔性，其可折叠或延伸而不损失信号。图8B和图8C各自示出线缆800的实例，其包含用于输送图像数据和控制信号的4个光纤和用于电源、接地和I²C数据总线的三根导线，但具有不同接口(LVDS与DisplayPort)。由于此类应用中的功率消耗较小，因此用于电源或接地的导线可制造得极细以减小线缆800的重量。

现参考图9A，其示出人类佩戴的一副眼镜900的构架。图9B示出眼镜900的边撑端附近的分解视图。所述边撑包含光学导管902。光学导管902的一端连接到光学图像源904以从中接收光学图像。光学图像源904包含微型显示器906和光学立方体908。通过有源光缆910，光学图像源904接收控制信号以及图像或视频数据以产生光学图像或视频。光学信号投射到光学导管902中且通过所述光学导管902输送到其另一端。

图9C示出另一实施例，其中将所述显示眼镜实施为普通眼镜上的一组夹持眼镜920。略微不同于普通的夹持太阳镜，所述眼镜920包含至少一个边撑922，其中所述边撑922包封一个光学导管以将光学图像从一端传输到另一端。应注意，所述边撑922被截短。其未必一直延伸到人类或佩戴者耳部。取决于实施方案，所述截短边撑922的长度可约为一英寸或延伸到耳部。具有此类截短边撑922的目的之一是分散夹持眼镜920在从鼻子上的重量或压力，鼻子在很大程度上负责保持所述眼镜924以及所述夹持眼镜920。提供有源光缆(未示出)以将所述截短边撑922耦接到便携式装置(未示出)。

可选地或作为比较，图9D示出光学导管并未直接用在所述边撑中的实施例。替代地，靠近一个集成镜片(例如图2F的260)来提供图像源930。所述图像源930实施为块或光学块，所述块或光学块包含光学立方体。示出的块930位于显示镜片(例如图2F的集成镜片260)附近。图9E示出所述块930集成在眼镜框或镜片框932中的一个实施例。替代使用光学导管，使用有源光缆934以将数据图像一直递送到所述集成镜片(未示出)附近，其中包括微型显示器和光源的所述块930根据所述数据图像产生光学图像。有源光缆934内嵌于边撑936中或与其集成。光学图像接着投射到如图2F中所示的集成镜片中。可选地，图9F示出所述显示装置可覆盖有遮蔽件的实施例。在一些应用(例如VR或观看长视频)中，所述显示眼镜的透视特征在环境光或移动相对剧烈时可能带来一些破坏。因此，提供遮蔽件940，且可将其安装到所述显示眼镜942上。具体地说，所述遮蔽件940意在停用所述显示眼镜942的透视特征，因此观看者可专注于镜片944和946中显示的视频的观看。根据一个实施例，使所述遮蔽件940不透光以阻挡来自周围的光(例如环境光)。为方便起见，所述遮蔽件940可制成夹式太阳镜的形式以易于打开或关闭。在一个实施例中，所述遮蔽件940还可制成护目镜以阻挡来自周围的几乎所有的环境光照。

现参考图10A，其示出根据本发明的一个实施例的结合智能电话(例如iPhone)使用一副显示眼镜(即，显示装置)1002的框图1000。图2A的眼镜200或图9A的眼镜900可用作所述显示装置1002。线缆1004(例如图8A的有源光缆800)用于将所述眼镜1002耦接到对接单元1006，所述接单元1006被提供来接纳所述智能电话。所述对接单元1006允许用户(即所述显示装置1002的佩戴者)控制所述显示装置1002，例如选择媒介以供显示、与显示器交互、启用或停用应用(例如电子邮件、浏览器和移动支付)。

根据一个实施例，所述对接单元1006包括可通过电源线充电且用于在需要时给所述智能电话充电的一组电池。提供所述对接单元的实施例中的一个优势、益处和目标是使用所述智能电话中已有的许多功能。举例来说，无需在所述对接单元1006中设置网络接口，因为所述智能电话已具有所述网络接口。在操作中，用户可控制所述智能电话以获得预期目的，通过所述线缆1004将所述对接单元1006连接所述显示装置1002，就可以轻易地在所述显示装置1002上显示或再现其内容。

如图10A中所示，所述对接单元1006包含两个部分，任一一个或这两者可用于一个实施方案。第一部分包括接纳单元以接纳智能电话，且可能具有或可能不具有可再充电且在存在一个且接纳智能电话的情况下为所述智能电话充电的电池组。第二部分包含与所述智能电话通信的各种接口以从中接收数据和指令以供所述显示装置1002显示供佩戴者观看的图像/视频。本发明中的一个特征、益处和优势是使用光缆来将便携式装置耦接到所述显示装置1002。总的来说，便携式装置由佩戴者佩戴(例如挂在皮带上或放置于口袋内)。在一个实施例中，图2I的衣服270可用于隐藏线缆且为佩戴者四处活动提供更多自由。

现参考图10B，其示出示范性所述对接单元的内部功能框图1100，所述示范性对接单元可用于图10A或用作可由佩戴者操作以控制所述显示装置1002的独立便携式装置。如图10B中所示的装置包含微处理器或微控制器1022、其中存在应用模块1026的存储器空间1024、输入接口1028、用以通过显示接口1032驱动显示装置的图像缓冲器1030以及网络接口1034。所述应用模块1026是表示本发明的一个实施例的软件版本，且可通过网络从库(例如Apple Store)或指示服务器下载。所述应用模块1026提供的一个示范性功能是允许用户(或显示装置的佩戴者)通过图2F的传感器266感测的眼球预定义移动来实现与显示器的某些交互。

所述输入接口1028包含一个或多个输入机构。用户可使用输入机构通过将命令输入到所述微控制器1022来与所述显示装置交互。所述输入机构的实例包含接收音频命令的麦克风或mic和接收命令的键盘(例如所显示的软键盘)或触摸屏。所述输入机构的另一实例是提供以拍照或捕捉视频的相机，其中照片或视频的数据存储在装置中以通过所述应用模块1026即刻使用或后续使用。提供耦接到所述微控制器1022的图像缓冲器1030以缓冲用于产生用于在所述显示装置上显示的光学图像/视频的图像/视频数据。提供所述显示接口1032以驱动所述有源光缆且将数据从所述图像缓冲器1030馈送到所述有源光缆上。在一个实施例中，使所述显示接口1032对所述输入接口1028上接收到的某些指令进行编码且将其沿着所述有源光缆发送。提供所述网络接口1034以允许装置1100通过指定媒介(例如数据网络)与其它装置通信。所属领域的技术人员可了解，图10B中示出的某些功能或块容易在智能电话中提供，而在智能电话用于所述对接单元中时无需被提供。

本文中的“耦接”表示直接、间接的相接，从而使能信号能够通过耦接处传递。

已以一定细致度的充足细节来描述本发明。所属领域的技术人员应理解，仅通过实例得出实施例的本公开，且可在不脱离如要求保护的本发明的精神和范围的情况下对部分的布置和组合进行许多改变。因此，本发明的范围由所附权利要求书而非前文实施例的描述限定。

Claims (10)

1.一种用于输送光学图像的方法，其特征在于，所述方法包括：

从光学立方体接收所述光学图像，其中所述光学图像呈反向的纵横比，所述光学立方体与微型显示装置和光源相接，所述光学图像通过将来自所述光源的光线照到所述微型显示装置上而形成；

将所述光学图像投射到光学导管中，其中所述光学导管包含光纤阵列，且以物理方式旋转90度；

通过使所述光学图像通过所述光纤内的全内反射输送穿过所述光学导管而将所述光学图像旋转90度；

以正常化的纵横比接收所述光学图像，之后将所述光学图像投射到集成镜片中以供观看者通过所述集成镜片观看。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述集成镜片包括：

棱镜，其接收投射到所述棱镜的第一边缘上的所述光学图像，所述光学图像由穿戴者从所述棱镜的第二边缘观看；以及

光学校正镜片，其与所述棱镜集成以校正从所述棱镜出来的光学路径。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述将所述光学图像投射到光学导管中包括：

通过聚焦镜片将所述光学图像从所述光学立方体聚焦到所述光学导管的一端上。

4.根据权利要求3所述的方法，其还包括：

通过有源光缆接收电力以对所述微型显示装置提供能量，所述有源光缆包含光纤阵列和至少两根导线，一根导线用于所述电力，而另一根导线用于接地。

5.根据权利要求4所述的方法，其还包括：

从所述有源光缆中的所述光纤接收各种控制信号。

6.根据权利要求5所述的方法，其中所述有源光缆包括第一端和第二端，所述第一和第二端均与所述光纤和至少两根导线耦接，所述第一端将电子信号转换成在所述光纤中行进的光束，所述第二端将所述光束转换回到所述电子信号。

7.一种用于输送光学图像的方法，其特征在于，所述方法包括：

从光学立方体接收所述光学图像，其中所述光学立方体与微型显示装置和光源相接，所述光学图像通过将来自所述光源的光线照到所述微型显示装置上而形成；

通过将所述光学图像投射通过光学收缩镜片来使所述光学图像收缩；

将所述收缩光学图像投射到光学导管中，其中所述光学导管包含光纤阵列；

通过将所述收缩光学图像投射到光学扩展镜片中来将所述收缩光学图像扩展回到所述光学图像；

将所述光学图像投射到集成镜片中以供观看者通过所述集成镜片观看。

8.根据权利要求7所述的方法，其还包括：

通过有源光缆接收电力以对所述微型显示装置提供能量，所述有源光缆包含光纤阵列和至少两根导线，一根导线用于所述电力，而另一根导线用于接地。

9.根据权利要求8所述的方法，其还包括：

从所述有源光缆中的所述光纤接收各种控制信号。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述有源光缆包含第一端和第二端，所述第一和第二端均与所述光纤和至少两根导线耦接，所述第一端将电子信号转换成在所述光纤中行进的光束，所述第二端将所述光束转换回到所述电子信号。