CN112119344B - 具有交叠投射仪组件的近眼显示器 - Google Patents

Abstract

提供了用于向观看者的眼睛提供图像的显示器和方法。显示器包括至少两个投射仪组件。每个投射仪组件包括光导光学元件(LOE)和图像投射仪装置，该图像投射仪装置用于生成部分图像并且被部署成将部分图像引入到LOE中以用于朝向观看者的眼睛耦出。至少两个投射仪组件协作以向观看者的眼睛显示具有部分交叠的图像。显示器还包括控制器，该控制器与图像投射仪装置相关联并且被配置成减小图像的第一部分与第二部分之间的部分交叠区域中的选定像素的像素强度以增强图像的感知均匀性。

Description

具有交叠投射仪组件的近眼显示器

技术领域

本发明涉及显示器，并且特别地涉及用于向观看者的眼睛提供图像的显示器。

背景技术

对于诸如近眼显示器的应用，期望具有大场的投射图像。这通常通过从单个图像投射仪将大场图像注入波导来实现。波导扩展投射图像的孔径，从而以大场图像照射眼睛。

然而，为了实现这样的孔径扩展，通常需要大投射仪和/或大光学器件，这对于使用在近眼显示器和显示器必须小以在期望应用中可使用的其他应用中是不利的。另外，来自给定波导和耦出装置的视场的角尺寸受限于几何光学考虑，该几何光学考虑例如为可以被捕获在波导内以通过内反射传播的角度范围以及避免图像及其在波导内的共轭之间的交叠。

发明内容

根据本发明的教导，提供了一种用于向观看者的眼睛提供图像的显示器，该显示器包括：(a)至少两个投射仪组件，每个投射仪组件包括：(i)光导光学元件(LOE)，其具有一对平行外表面，以及(ii)图像投射仪装置，其生成部分图像，图像投射仪装置被部署成将部分图像从图像投射仪装置引入到LOE中以在LOE内通过来自一对平行外表面的内反射传播，每个投射仪组件包括与LOE相关联并且被配置用于将部分图像从LOE朝向观看者的眼睛耦出的耦出装置，其中，将投射仪组件中的第一投射仪组件的LOE部署成与投射仪组件中的第二投射仪组件的LOE呈交叠关系，使得第一投射仪组件投射与图像的第一部分对应的第一部分图像，并且第二投射仪组件投射与图像的第二部分对应的第二部分图像，图像的第一部分和第二部分具有部分交叠，使得至少两个投射仪组件协作以向观看者的眼睛显示图像；以及(b)控制器，其包括至少一个处理器，控制器与至少第一投射仪组件和第二投射仪组件的图像投射仪装置相关联，并且被配置成减小由第一图像投射仪装置和第二图像投射仪装置中的至少一个投射的选定像素的像素强度以增强图像的感知均匀性，选定像素在图像的第一部分与第二部分之间的部分交叠的区域中。

根据本发明的教导，还提供了一种用于向观看者的眼睛提供图像的显示器，该显示器包括：(a)投射仪组件，其包括：(i)光导光学元件(LOE)，其具有一对平行外表面和非平行的两组相互平行反射表面，LOE被配置用于通过LOE传播的图像的2D孔径扩展，(ii)至少两个图像投射仪装置，其生成分别与图像的至少第一部分以及图像的至少第二部分对应的至少两个部分图像，至少两个图像投射仪装置被部署成将至少两个部分图像引入到LOE中以在LOE内通过来自一对平行外表面的内反射传播至少两个部分图像，投射仪组件包括与LOE相关联并且被配置用于将部分图像从LOE朝向观看者的眼睛耦出的耦出装置，其中，图像的至少第一部分和图像的至少第二部分具有部分交叠，使得至少两个投射仪组件协作以向观看者的眼睛显示图像；以及(b)控制器，其包括至少一个处理器，控制器与至少两个图像投射仪装置相关联，并且被配置成减小由第一图像投射仪装置和第二图像投射仪装置中的至少之一投射的选定像素的像素强度以增强图像的感知均匀性，选定像素在图像的第一部分与第二部分之间的部分交叠的区域中。

根据本发明的教导，还提供了一种向观看者的眼睛提供图像的方法，包括：通过包括第一LOE和第一图像投射仪装置的第一投射仪组件生成与图像的第一部分对应的第一部分图像以用于向观看者耦出；通过包括第二LOE和第二图像投射仪装置的第二投射仪组件生成与图像的第二部分对应的第二部分图像以用于向观看者耦出，其中，将第一LOE和第二LOE部署成呈交叠关系，使得图像的第一部分和第二部分在具有部分交叠的情况下向观看者耦出，使得投射仪组件协作以向观看者的眼睛显示图像；通过与第一图像投射仪装置和第二图像投射仪装置相关联的控制器确定部分交叠的区域中的像素子集以及通过控制器减小像素子集中的选定像素的强度以增强图像的感知均匀性，选定像素由第一图像投射仪装置和第二图像投射仪装置中的至少之一投射。

根据本发明的一些方面，显示器包括至少第三投射仪组件，至少第三投射仪组件包括：(i)LOE，其具有一对平行外表面，以及(ii)图像投射仪装置，其生成与图像的第三部分对应的第三部分图像，并且被部署成将图像的第三部分从图像投射仪装置引入到LOE中以在LOE内通过来自一对平行外表面的内反射传播，至少第三投射仪组件包括与LOE相关联并且被配置用于将第三部分图像从LOE朝向观看者的眼睛耦出的耦出装置，其中，将至少第三投射仪组件的LOE部署成与第一投射仪组件和第二投射仪组件中的至少之一的LOE呈交叠关系，使得至少三个投射仪组件协作以向观看者的眼睛显示图像，其中，控制器还与至少第三投射仪组件的图像投射仪装置相关联并且被配置成减小由投射仪组件中的至少之一的至少一个图像投射仪装置投射的选定像素的像素强度，选定像素是图像的至少两个部分之间的部分交叠区域。

根据本发明的一些方面，第一部分图像和第二部分图像共享公共像素集，并且其中，减小强度的选定像素是该公共像素集的子集。

根据本发明的一些方面，控制器响应于交叠区域调整输入而改变对公共像素集的子集的选择。

根据本发明的一些方面，从瞳位置传感器得到交叠区域调整输入。

根据本发明的一些方面，从手动用户输入得到交叠区域调整输入。

根据本发明的一些方面，控制器被配置成逐渐减小由第一投射仪装置跨部分交叠区域投射的选定像素的强度，并且逐渐增加由第二投射仪装置跨部分交叠区域投射的选定像素的强度。

根据本发明的一些方面，第二投射仪组件包括第二图像投射仪装置，第二图像投射仪装置生成与图像的第三部分对应的第三部分图像，并且被部署成将第三部分图像引入到第二投射仪组件的LOE中，使得图像的第一部分、第二部分和第三部分具有部分交叠，并且其中，控制器还与第二图像投射仪装置相关联并且被配置成减少由投射仪组件中的至少之一的至少一个图像投射仪装置投射的选定像素的像素强度，选定像素是图像的至少两个部分之间的部分交叠区域。

根据本发明的一些方面，将至少两个投射仪组件的LOE部署成彼此平行。

根据本发明的一些方面，将至少两个投射仪组件的LOE部署成彼此非平行。

根据本发明的一些方面，LOE被部署成围绕观看者或观看者的眼睛延伸或者部分地包围观看者或观看者的眼睛，显示器还包括围绕观看者在LOE之间部署的、形成与LOE的边缘的光学平滑过渡的一个或更多个折射率匹配介质。

附图说明

在文本中参照附图仅通过示例描述了本发明，在附图中：

图1A示意性地示出了将宽场投射到眼箱(eye-box)上；

图1B示意性地示出了将窄场投射到眼箱上；

图1C示意性地示出了将窄场的组合投射到眼箱上；

图2A示意性地示出了具有LOE和图像投射仪装置的第一投射仪组件；

图2B示意性地示出了具有LOE和两个图像投射仪装置的第二投射仪组件；

图2C示意性地示出了根据一些实施方式的本发明的显示器；

图2D至图2E示意性地示出了投射仪组件的截面图以及朝向不同瞳位置的耦出；

图2F示意性地示出了第一瞳位置处的角空间中的投射场中的选定点；

图2G示意性地示出了第二瞳位置处的角空间中的投射场中的选定点；

图3A至图3E示出了投射图像的角功率强度分布的示例；

图4A至图4C示意性地示出了根据本发明的显示器的不同配置的截面图；

图5A示意性地示出了被配置用于2D图像扩展的显示器的第一实施方式；

图5B示意性地示出了水平组合的图像；

图5C示意性地示出了竖直组合的图像；

图6示意性地示出了被配置用于2D图像扩展的显示器的第二实施方式；

图7示意性地示出了根据某些实施方式的显示器的示例功能框图；

图8示出了根据某些实施方式的用于向观看者的眼睛显示图像的方法的示例流程图；以及

图9A至图9C示出了根据替选实施方式的投射图像的角功率强度分布的示例。

具体实施方式

本发明提供了用于使用小尺寸光学器件通过投射要组合并且由观看者观看为单个大场图像的多个部分窄场图像来投射大场图像的显示器。

应当将本文中使用的术语“场”理解为指的是投射图像的视场。

应当将本文中使用的术语“眼箱”理解为指的是在观看图像时预期瞳处于的一般区域。预期眼箱内的实际瞳位置将跨不同观看者(例如基于瞳间距离(“IPD”))而不同，并且甚至对于给定观看者在不同时间(例如基于眼球旋转)也不同。

参照附图和所附描述可以更好地理解根据本发明的显示器的原理和操作。

现在参照附图，图1A示意性地示出了将宽场投射到眼箱上。图像生成器10a将光线发送到光学器件12a上，光学器件12a对光线进行准直并且照射眼镜箱14。从图1A中明显看出，为了生成具有大场的图像，光学器件12a必须相对大。从图1A中还明显看出，透射穿过光学器件12a的大量光线16a落在眼箱14外侧并且因此在对瞳不可见的意义上被“浪费”。

图1B示意性地示出了将窄场投射到眼箱上。对于窄场，与投射大场所需的图像生成器和光学器件(如图1A中)相比，图像生成器10b和光学器件12b可以更小。另外，准直光线中的大部分到达眼箱14，其中，相对于图1A，较少的光线16b落在眼箱14外侧。然而，与图1A的场相比，图1B的场将相对窄(并且也比人的自然的世界视野窄)，给观看者留下不太令人满意的图像观看体验。

图1C示意性地示出了将窄场的组合投射到眼箱上。将多个图像生成器10c彼此组合使用，其中每个单独的图像生成器投射窄场部分图像以使得到达眼箱14的最终图像是宽得多的场图像。从图1C中明显看出，图像生成器10c和光学器件12c可以是小的(如图1B中)，导致落在眼箱14外侧的较少的光线16c，而观看者仍然有利地观看宽场图像，即组合的多个窄场部分图像。在图1C中，虚线表示优选地被实现以向观察者生成连续感知的交叠图像数据(来自中心图像生成器的虚线以及来自左生成器的点划线)。由于物理限制，该交叠不能通过传统光学器件生成而不具有交叉遮蔽。根据本发明的一方面，光导光学元件(“LOE”)(在文本中也被称为“波导”)用于生成不具有遮蔽的该交叠。波导具有用于引入其中的光线的全内反射的一对平行外表面。

图像投射及组合

图2A示意性地示出了具有LOE 28a和图像投射仪装置20a的投射仪组件5a的第一实施方式。图像被示为表示光线的虚线。图像投射仪装置20a生成并且投射部分图像，并且将部分图像耦合到波导28a中。在一些实施方式中，图像投射仪装置包括光源、空间光调制器(例如硅基液晶或“LCOS”)和准直光学器件。可以有利地将这些部件布置在若干分束棱镜例如偏振分束器(PBS)立方体的表面上，如本领域中已知的。

图像投射仪装置20a被部署成将部分图像引入波导中以在波导内通过来自一对平行外表面的内反射传播部分图像。经由合适的光学装置实现部分图像向波导中的引入，该合适的光学装置被称为耦入装置，其通常包括具有与LOE的侧边缘或LOE的主表面之一相关联的成适当角度的表面的棱镜，和/或可以位于LOE内或与LOE的表面之一相关联的一个或更多个耦入反射器。为了简化对本发明的展示，从示意图中省去了包括耦入装置的图像投射仪装置的细节。将与LOE 28a相关联的耦出装置7a(示为LOE上的虚线矩形)部署成将来自波导的部分图像朝向观看者的眼睛耦出。

在一些实施方式中，投射仪装置20a可以是宽光学装置，或者可以包括用于横向孔径扩展的独特光学装置。通常将耦出装置7实现为一组或更多组成斜角的相互平行的内部分反射表面，或者实现为衍射光学元件，所有这些都是本领域已知的。由虚线指定将图像照明从其朝向观看者的眼睛耦出的LOE的一般区域。

图2B示意性地示出了具有LOE 28b和两个图像投射仪装置20b1和20b2的投射仪组件5b的第二实施方式。两个图像投射仪装置20b1和20b2生成并且投射不同部分图像(示为表示光线的虚线)。部分图像被耦入到波导28b中，使得每个部分图像被朝向观看者耦出(经由相应耦出装置7b1和7b2)。部分图像以相对于波导的不同角度被耦入至波导，使得耦出的图像不交叠。从图2B中明显看出，在图像投射仪装置的孔径之间存在间隙，导致耦出部分图像中的相应间隙。

图2C示意性地示出了根据本发明的显示器70的实施方式。经由投射仪组件5a(图2A)和投射仪组件5b(图2B)的组合实现显示器70，但是原则上可以存在多于两个投射仪组件。投射仪组件5a包括图像投射仪装置20a和LOE 28a。图像投射仪装置20a被配置成生成并且投射与图像的第一部分对应的第一部分图像。图像投射仪装置20a被部署成将第一部分图像引入到LOE 28a中以在LOE内通过来自LOE的一对平行外表面的内反射传播第一部分图像。与LOE 28a相关联的耦出装置7a(示为LOE上的虚线矩形)被部署成将来自波导的第一部分图像朝向观看者的眼睛耦出。

投射仪组件5b包括图像投射仪装置20b1和20b2以及LOE 28b。图像投射仪装置20b1被配置成生成并且投射与图像的第二部分对应的第二部分图像。图像投射仪装置20b2被配置成生成并且投射与图像的第三部分对应的第三部分图像。图像投射仪装置20b1和20b2被部署成分别将第二部分图像和第三部分图像引入LOE 28b2中以在LOE内通过来自LOE的一对平行外表面的内反射传播部分图像。与LOE 28b相关联的耦出装置7b1和7b2(示为LOE上的虚线矩形)被部署成分别将来自波导的第二部分图像和第三部分图像朝向观看者的眼睛耦出。注意，耦出装置7a实际上与投射仪组件5a相关联，但是这里在图2C中示出在投射仪组件5b上以示出耦出部分图像的交叠效应。

在图2C所示的实施方式中，第一部分图像(由图像投射仪装置20a投射)与第二部分图像(由图像投射仪装置20b1投射)和第三部分图像(由图像投射仪装置20b2投射)部分地交叠。LOE 28a和28b被部署成相对于彼此呈交叠关系，使得投射仪组件5a和5b协作以向观看者的眼睛显示图像。

应当注意，虽然LOE 28a被示为位于LOE 28b后面，但是原则上LOE28a替选地可以在LOE 28b前面。优选地，LOE 28a和28b应当尽可能彼此接近，但是通常需要空气间隙或模拟空气间隙的层以保持LOE的光导性能。在一些实施方式中，如果图像投射仪装置比其相关联的波导宽，使得图像投射仪的一部分延伸超过LOE的侧，则优选使图像投射仪装置20b1和20b2延伸超过LOE的相对侧。

优选地，当观看者的瞳在眼箱中的不同位置处时，应当保持场和孔径连续性以及像素强度均匀性。

虽然根据图2C中应当显而易见的是投射仪组件耦出交叠部分图像，但是不太明显的是，并非所有耦出至观看者的交叠像素将照射瞳，现在将参照图2D至图2E在下面详细描述。

图2D和图2E示意性地示出了投射仪组件5a和5b的截面俯视图，示出了朝向眼箱14耦出的部分交叠的部分图像。图2D示出了与整体视场的左半部分中的两个像素对应的射线方向，该两个像素由投射仪装置20a和20b1生成并且分别通过耦出装置7a和7b1耦出。图2E示出了与整体视场的右半部分中的两个像素对应的射线方向，该两个像素由投射仪装置20a和20b2生成并且分别通过耦出装置7a和7b2耦出。选择了这些像素以有助于理解本发明的某些方面，但是应当理解的是在使用期间整体图像的所有像素被同时耦出至观看者。在图2D和图2E中的每一个中示出了两个可能的瞳位置15a和15b。

图2F和图2G对应于图2D和图2E，并且示意性地示出了将由在瞳位置15a(图2F中所示)和瞳位置15b(图2G中所示)中的每一个处的瞳观察到的角空间中的投射场中的所选点(像素)。图2F和图2G说明了根据观看者的瞳位置的感知图像的变化。

现在将使用术语“交叠区域”(“overlap region”)、“交叠区域”(“region(s)ofoverlap”)和“部分交叠区域”(“region of partial overlap”)来指代由多于一个图像投射装置同时投射的图像数据。如上所述，通常交叠区域内的像素子集将在任何给定时间处从两个投射仪照射瞳(其他像素仅从一个投射仪到达眼睛，而来自另一投射仪的光落到瞳的左边或右边)。

现在参照图2F和图2G，像素1000F、1002F、2002F和2000F分别由光线1000、1002a/b、2002a/b和2000产生(图2D至图2E中所示)。在图2F和图2G中，编号相同的像素对应于相同的图像信息，如在图2F和2G中像素被定位在图像场内的相同位置处所示。

现在参照图2F，像素1002F通过光线1002a和光线1002b(分别源自图像投射仪装置20a和20b1)同时朝向观看者耦出。这两个光线均照射瞳。另一方面，像素2002F也通过两个光线——该两个光线为光线2002a和2002b(分别源自图像投射仪20a和20b2)——同时朝向观看者耦出。然而，在这种情况下，仅光线2002b照射瞳。

相比之下，当瞳处于瞳位置15b处时，情况正好相反，其中，对于像素1002F，仅光线1002b照射瞳，而对于像素2002F，光线2002a和2002b均照射瞳。

因此，对于瞳位置15a，交叠区域内的“选定像素”优选地包括像素1002F但不包括2002F。对于瞳位置15b，交叠区域内的选定像素优选地包括像素2002F但不包括1002F。

注意，在两个瞳位置15a和15b处，像素1000F或2000F均不包括在交叠区域中，因为这些像素中的每一个源自一个图像投射仪装置。

这说明尽管图像的交叠区域根据投射仪组件的配置是固定的，但是通常仅交叠区域内的像素子集将在给定时间处基于观看者的瞳位置从两个投射仪照射瞳。

像素强度减小

应当理解，与从一个源产生的其他像素相比，从两个源到达瞳的光线将产生具有几乎两倍强度的像素，从而导致所观看的图像中的感知非均匀性。为了解决该非均匀性，期望减小这些像素的强度。然而，如上已指出的，对于部分图像之间的交叠区域中的各个像素，照射到达观看者的瞳处的投射仪装置的数量将根据跨眼箱的瞳位置而变化。因此，如现在将详细描述的，优选地仅对部分图像的交叠区域内的选定像素子集执行根据本发明的一方面的强度校正。

因此，根据一些实施方式，(例如，如下面将进一步详述的，经由控制器)减小交叠区域中的选定像素的像素强度以在观看者观看时增强图像的感知均匀性。

图3A和图3D示出了由独立的图像投射仪装置20b1、20a和20b2生成的部分图像(分别表示为‘(a)’、‘(b)’和‘(c)’)的在部分地减小了部分图像的交叠区域的像素强度之后的角功率强度分布(仅横轴)的示例。图3B、图3C和图3E示出了在将部分图像组合时像素强度的横向角分布的示例。应当注意，图3A至图3E示出了跨场的理论像素强度分布，而实际上给定投射仪装置的强度分布跨投射场通常是非均匀的，并且朝向场的末端逐渐下降。

图3A是针对观看者的瞳位于瞳位置15a处(见图2D至图2G)来优化的，在这种情况下，图像区域50中的从两个投射仪到达中央瞳位置的像素子集被减小到一半强度，使得在将来自所有图像投射仪装置的图像组合之后，到达眼睛的像素强度跨整个图像将是均匀的，如图3B中的虚线所示。

然而，如果将观看者的眼睛重新定位到瞳位置15b(见图2D至图2G)，则如图3C所示，由于从两个投射仪到达眼睛的交叠区域的像素子集的变化，组合图像的强度不再是均匀的。上面参照图2F至图2G描述了由于不同瞳位置而引起的到达眼睛的像素的变化，其中，点1002F由从两个投射仪被观看变为仅从一个投射仪被观看，而点2002F由从一个投射仪被观看变为从两个投射仪被观看。

因此，根据一些实施方式，控制器可以基于交叠区域调整输入(例如基于观看者的预期的或已知的瞳位置)改变针对其来减小强度的像素子集。在一些实施方式中，可以自动地例如经由瞳传感器来得到交叠区域调整输入。在一些实施方式中，可以通过来自用户的手动输入得到交叠区域调整输入。例如，可以向用户显示具有交叠部分的测试图像。可以要求用户看图像的各部分并且提供输入以减小选定像素的强度，例如通过致动耦合至控制器的旋钮或控制杆，在图像看起来均匀时。替选地，例如在校准过程期间，用户可以提供对由控制器作出的调整的反馈。接收这样的反馈的控制器可以改变用于强度减小的像素子集直到实现均匀感知图像的最佳近似。

作为示例，图3D示出了基于位于瞳位置15b处的观看者的眼睛的在减小了与图像区域50’对应的像素的强度之后的角度功率强度分布。注意，由于不同的瞳位置，图3D中用于像素强度减小的图像区域50’与图3A中的图像区域50略微不同。如图3E所示，在将单独的图像组合之后，使跨组合图像的强度均匀。

应当注意，当观看者看向不同方向时，即由于眼睛绕其旋转中心的旋转而看投射图像的不同部分时，瞳位置改变。通常，人眼对图像强度变化的敏感度在中心视区大得多，然而人更能容忍其周边视觉中的强度变化。因此，通常针对瞳位置、针对每个“接缝”(交叠区域)执行调整以优化强度校正区域，其中，瞳位置对应于看向该接缝的眼睛方向。因此，例如，可以有利地将上述手动用户调整执行为软件引导校准过程的一部分，在软件引导校准过程中首先指示用户看跨越第一接缝的投射校准图像(例如，向左看)，并且作出手动调整直到校准图像看起来均匀，然后看跨越第二个接缝的投射校准图像(例如，向右看)，并且作出手动调整直到校准图像看起来均匀。然后，可以独立于瞬时瞳位置来将这些设置连续地用于随后的图像投射，其中，应当理解的是在用户用其中心视觉看视场的接缝区域时，接缝区域将是高质量的，并且在周边视觉中接缝区域可能是略微非均匀的。

在一些实施方式中，可以将瞳传感器部署成动态地检测眼球旋转(例如，根据与预定旋转中心的偏差)。基于检测到的眼球旋转，控制器可以确定要减小强度的像素子集并且作出适当的调整，从而针对每个瞬时瞳位置提供全场均匀性优化。

图4A至图4C示意性地示出了根据本发明的显示器的不同配置的截面图。

在一些实施方式中，显示器可以包括用于每个图像投射仪装置的单独波导。在特别优选的实施方式中，显示器包括三个投射仪装置和三个相应波导，如图4A所示。三个投射仪装置配置有利地允许与观看者看图像的中心(与看向侧面相对)对应的中间场仅由中间投射仪装置生成并且通常没有交叠并且自然均匀。作为附加说明，在这里以及在本文中描述的所有其他实现方式中，不同投射仪装置的视场不需要相等。在某些示例中，以下会是有利的，为FOV的中心区域提供具有相对较大视场的投射仪装置，而整体FOV的横向区域可以由投射较小FOV的投射仪装置提供。

图4B示意性地示出了替选实施方式，其中，将两个投射仪装置与相应波导一起使用。由于部件数量减少，该配置的制造(以及操作)有利地相对较简单。另外，与产生两个不同交叠区域的三个投射仪装置配置相对照，在该配置中，有利地仅存在需要对其中的像素进行强度调整的单个交叠区域。对两个投射仪使用不同尺寸的FOV可以允许将接缝区域偏移到中心区域之外。

图4C示意性地示出了具有非平行波导28a、28b和28c的实施方式，非平行波导28a、28b和28c可以通过将波导定向成围绕观察者(或观察者的眼睛)延伸或部分地包围观察者(或观察者的眼睛)来进一步扩展图像场。应当注意，在该实施方式中，波导的边缘可以在观察者的视场内，并且因此可能在所观看的图像中引起散射和/或扰动效应。这些效应可以通过以下来至少部分地抑制或消除：在这些边缘之间引入折射率匹配介质43(例如保形塑料)，从而形成与LOE的边缘的光学平滑过渡。

该实施方式可以被进一步扩展到包含围绕观察者的任何期望角度的多个导光板，并且可选地在两个维度上复制以提供整体凹显示器，其可以被扩展以形成观看圆顶等。

图5A示意性地示出了被配置用于2D图像扩展的显示器的实施方式。在该实施方式中，显示器具有两个投射仪装置24和26，该两个投射仪装置24和26被部署成将部分图像耦入至用于2D图像扩展的单个2D LOE 28。LOE 28具有非平行的两组30和32相互平行小平面或衍射元件。在WO 2019/016813中进一步描述了被配置用于2D图像扩展的LOE(例如见该公布的图5A、图6)。

投射仪装置24和26以两个不同角度将图像投射到LOE 28中。来自两个投射仪装置的光首先被小平面30反射(从而在一个维度上例如竖直地扩展孔径)，并且随后由小平面32向外朝向观察者反射并且同时在另一维度上例如水平地扩展孔径。每个投射仪装置生成部分图像，该部分图像然后被耦出至观看者使得观看者看到组合图像。注意，部分图像之间的交叠区域可以是如图5B所示的并排水平布置，或者如图5C所示的上下竖直布置。投射仪装置24和26之间的水平或竖直倾斜的角度确定两个投射仪的光轴之间的偏移，并且因此在由观察者观看的图像中存在竖直和水平交叠的程度。注意，投射仪装置24和26的实际定位通常不重要，因为二维孔径扩展由小平面32和30对来自两个投射仪装置的光来执行。注意，在场的交叠区域中，必须管理由两个投射仪装置投射的强度以保持均匀的强度。在这种情况下，相对于多波导配置，跨眼箱的强度变化将减小。

图6示意性地示出了被配置用于2D图像扩展的显示器的第二实施方式。该实施方式使用四个投射仪装置。投射仪34将部分图像耦入至LOE 28以用于由小平面30进行反射和孔径扩展并且然后仅由小平面32进行反射。另一方面，投射仪装置36将部分图像耦入至LOE28以用于由小平面32进行反射和孔径扩展并且然后仅由小平面30进行反射。

将投射仪装置38定向成主要从小平面32反射，而将投射仪装置40定向成主要从小平面30反射。来自两个投射仪装置38和40的光在垂直的小平面组30和32之间经历一些来回反射，从而引起在竖直和水平维度上的孔径扩展。

图7示意性地示出了根据某些实施方式的显示器的示例功能框图。显示器70包括控制器74和两个或更多个投射仪组件5-1至5-n。

每个投射仪组件5包括至少一个图像投射仪装置20，以及具有一对平行外表面的至少一个LOE 28。图像投射仪装置20被配置成生成并且投射部分图像并且被部署成将部分图像引入LOE 28。LOE 28被配置成通过来自成对平行外表面的内反射在LOE内传播部分图像。在一些实施方式中，每个投射仪组件包括耦出装置7，其与LOE 28相关联并且被配置用于将部分图像从LOE朝向观看者的眼睛耦出。

在一些实施方式中，将各个投射仪组件的LOE 28部署成彼此呈交叠关系，使得每个投射仪组件投射与要向观看者显示的图像的相应部分对应的相应部分图像。图像的各部分具有部分交叠以使得两个或更多个投射仪组件协作以向观看者显示图像。

控制器74与每个投射仪组件的图像投射仪装置相关联。控制器74包括与存储器78相关联的至少一个处理器76。与相关联的存储器78组合，处理器76被配置成执行存储在存储器78中的一个或更多个功能模块以控制显示器70，包括例如减小由至少一个图像投射仪装置投射的选定像素的像素强度——选定像素在图像的部分之间的部分交叠的区域中——以增强向观看者显示的图像的感知均匀性。

在一些实施方式中，控制器可以被配置成考虑到跨场投射的投射仪装置的像素强度的任何变化和眼箱内的观看者的瞳位置来改变交叠区域中选定像素的像素强度。

在一些实施方式中，控制器可以被配置成逐渐减小由一个投射仪装置跨部分交叠区域投射的选定像素的强度，并且逐渐增加由第二投射仪装置跨部分交叠区域投射的选定像素的强度。

在一些实施方式中，控制器74可以耦合至被配置用于向控制器74提供用户输入的用户输入设备(未示出)，例如，如上面参照图3A和图3D所述。在一些实施方式中，控制器可以物理地位于与显示器70的其他部件相同的壳体或不同的壳体内。在一些实施方式中，控制器的不同部件可以被物理地定位成彼此分开。在一些实施方式中，控制器优选地但不限于在头戴式显示器中实现，并且最优选地以眼镜形式因子来实现。

在一些实施方式中，显示器70还包括瞳传感器72，该瞳传感器72被配置成检测观看者的当前瞳位置，并且使用指示当前瞳位置的数据来更新控制器74。

在一些实施方式中，控制器74被配置成基于从瞳传感器获得的数据或基于用户输入来确定部分图像之间的公共像素子集，对于该公共像素子集照射同时从两个投射仪到达瞳，并且控制器74被配置成实现该像素子集的强度减小。在一些实施方式中，控制器还被配置成响应于交叠区域调整输入来改变对公共像素子集的选择。可以从瞳传感器或手动用户输入得到交叠区域调整输入。

在一些实施方式中，控制器可以被配置成与瞳传感器72协作获得校准数据并且将所获得的校准数据存储在存储器78中，并且基于存储的校准数据针对每一瞳位置确定合适的交叠区域调整。

图8示出了根据某些实施方式的用于向观看者的眼睛显示图像的方法的示例流程图，其中，传感器用于检测观看者的瞳位置，作为一次校准过程或用于持续的实时调整。除非另有说明，否则所有步骤均由处理器76执行。

在步骤86处，瞳传感器检测观看者的眼睛的瞳位置。

在步骤88处，在每个不同瞳位置处，确定向观看者显示的图像的交叠区域中的像素子集。

在步骤90处，减小所确定的子集内的像素强度以增强向观看者的眼睛显示的图像的均匀性。通常通过修改发送至投射仪的图像数据，减小发送至两个投射仪的相关像素子集的像素强度值来执行该强度减小。例如，假设投射仪的理想线性响应，可以将来自感知交叠区域的RGB值为(200，80，168)的像素发送至两个投射仪，就像像素数据是相同颜色的较暗像素例如(100，40，84)。实际上，可能需要根据投射仪组件的特定硬件特性来对校正进行校准。另外，如上所述，不同投射仪组件的输出强度通常跨场是不均匀的，并且强度校正应当优选地考虑这些非均匀性。

尽管在本文中将强度减小轮廓示为了阶梯函数，其中，在感知交叠区域中由每个投射仪贡献50％的强度，但是应当注意，对于任何给定像素在两个投射仪之间的强度细分不需要相等，并且通过使用线性渐减(tapering)或以其他方式平滑的过渡轮廓，通常将极大地增强所得图像的平滑度。

图9A示出了以下实施方式：其中，对于瞳位置15a，可见图像强度跨感知交叠区域在每两个相邻投射仪之间逐渐切换，优选地在感知交叠区域的开始处以超过80％的强度开始，在中间某处经过50∶50，并且对于每个投射仪达到对感知交叠像素的外端处的相关像素强度的小于20％的贡献。该逐渐变化优选地单调并且跨过渡区域逐渐发生。

图9B示出了通过如图9A所示的线性渐减进行的校正之后组合图像中的强度分布。在一些实施方式中，如果通过如上所述的线性或其他逐渐渐减——优选地利用更平缓的坡和在较大过渡区域上——执行强度校正，则校正图像可以对于在任何瞳位置处的观看均在可接受界限内，从而避免检测瞳位置并且执行动态校正的需要，如图9C所示。在手动用户输入以调整强度减小区域的情况下，可以有利地在校准期间将强度减小轮廓临时切换到阶梯函数轮廓以使强度非均匀性更加明显，并且然后在正常操作期间切换回到逐渐变化。另外，在投射仪装置为具有逐渐空间强度衰减的类型的情况下，可以根据相应投射仪装置的衰减特性以及眼箱内的瞳位置来修改这里描述的逐渐强度下降，以保持由眼睛观看的均匀图像强度。

本领域技术人员应当理解，可以在虚拟现实和增强现实应用(即，其中，虚拟显示元素与现实世界的直接视图组合)中实现本文中提供的显示器。

应当理解，以上描述仅意在用作示例，并且在所附权利要求书中限定的本发明的范围内，许多其他实施方式是可能的。

Claims (12)

1.一种用于向观看者的眼睛提供图像的显示器，所述显示器包括：

(a)至少两个投射仪组件，每个投射仪组件包括：

(i)光导光学元件LOE，其具有一对平行外表面，以及

(ii)图像投射仪装置，其经由准直光学器件生成部分图像，所述图像投射仪装置被部署成将所述部分图像从所述图像投射仪装置引入到所述LOE中，以在所述LOE内通过来自所述一对平行外表面的内反射传播，每个投射仪组件包括与所述LOE相关联的耦出装置并且被配置用于将所述部分图像从所述LOE朝向所述观看者的眼睛耦出，

其中，将所述投射仪组件中的第一投射仪组件的所述LOE的耦出装置部署成与所述投射仪组件中的第二投射仪组件的所述LOE的耦出装置呈交叠关系，使得所述第一投射仪组件投射与所述图像的第一部分对应的第一部分图像，并且所述第二投射仪组件投射与所述图像的第二部分对应的第二部分图像，所述图像的所述第一部分和所述第二部分具有部分交叠，使得所述至少两个投射仪组件协作以向所述观看者的眼睛显示所述图像；以及

(b)控制器，其包括至少一个处理器，所述控制器与至少所述第一投射仪组件和所述第二投射仪组件的所述图像投射仪装置相关联，并且被配置成减小由第一图像投射仪装置和第二图像投射仪装置中的至少之一投射的选定像素的像素强度以增强所述图像的感知均匀性，所述选定像素在所述图像的所述第一部分与所述第二部分之间的所述部分交叠的区域中。

2.根据权利要求1所述的显示器，其中，所述第一部分图像和所述第二部分图像共享公共像素集，并且其中，减小强度的所述选定像素是所述公共像素集的子集。

3.根据权利要求2所述的显示器，其中，所述控制器响应于交叠区域调整输入而改变对所述公共像素集的所述子集的选择。

4.根据权利要求3所述的显示器，其中，从瞳位置传感器得到所述交叠区域调整输入。

5.根据权利要求3所述的显示器，其中，从手动用户输入得到所述交叠区域调整输入。

6.根据权利要求1所述的显示器，其中，所述控制器被配置成逐渐减小由所述第一图像投射仪装置跨所述部分交叠区域投射的所述选定像素的强度，并且逐渐增加由所述第二图像投射仪装置跨所述部分交叠区域投射的所述选定像素的强度。

7.根据权利要求1所述的显示器，包括至少第三投射仪组件，所述至少第三投射仪组件包括：

(i)LOE，其具有一对平行外表面，以及

(ii)图像投射仪装置，其生成与所述图像的第三部分对应的第三部分图像，并且被部署成将所述图像的所述第三部分从所述图像投射仪装置引入到所述LOE中以在所述LOE内通过来自所述一对平行外表面的内反射传播，所述至少第三投射仪组件包括与所述LOE相关联并且被配置用于将所述第三部分图像从所述LOE朝向所述观看者的眼睛耦出的耦出装置，

其中，将所述至少第三投射仪组件的所述LOE的耦出装置部署成与所述第一投射仪组件和所述第二投射仪组件中的至少之一的所述LOE的耦出装置呈交叠关系，使得至少三个投射仪组件协作以向所述观看者的眼睛显示所述图像，

其中，所述控制器还与所述至少第三投射仪组件的所述图像投射仪装置相关联，并且被配置成减小由所述投射仪组件中的至少之一的至少一个图像投射仪装置投射的选定像素的像素强度，所述选定像素是所述图像的至少两个部分之间的部分交叠区域。

8.根据权利要求1所述的显示器，其中，所述第二投射仪组件包括第三图像投射仪装置，所述第三图像投射仪装置生成与所述图像的第三部分对应的第三部分图像，并且被部署成将所述第三部分图像引入到所述第二投射仪组件的所述LOE中，使得所述图像的所述第一部分、所述第二部分和所述第三部分具有部分交叠，并且

其中，所述控制器还与所述第三图像投射仪装置相关联，并且被配置成减小由所述投射仪组件中的至少之一的至少一个图像投射仪装置投射的选定像素的像素强度，所述选定像素是所述图像的至少两个部分之间的部分交叠区域。

9.根据权利要求1所述的显示器，其中，将所述至少两个投射仪组件的所述LOE部署成彼此平行。

10.根据权利要求1所述的显示器，其中，将所述至少两个投射仪组件的所述LOE部署成彼此非平行。

11.根据权利要求9所述的显示器，其中，所述LOE被部署成围绕所述观看者或所述观看者的眼睛延伸或者部分地包围所述观看者或所述观看者的眼睛，所述显示器还包括围绕所述观看者在所述LOE之间部署的、形成与所述LOE的边缘的光学平滑过渡的一个或更多个折射率匹配介质。

12.一种向观看者的眼睛提供图像的方法，包括：

通过包括第一LOE和第一图像投射仪装置的第一投射仪组件、经由准直光学器件生成与所述图像的第一部分对应的第一部分图像以用于向所述观看者耦出；

通过包括第二LOE和第二图像投射仪装置的第二投射仪组件、经由准直光学器件生成与所述图像的第二部分对应的第二部分图像以用于向所述观看者耦出，其中，将所述第一LOE的耦出装置和所述第二LOE的耦出装置部署成呈交叠关系，使得所述图像的所述第一部分和所述第二部分在具有部分交叠的情况下向所述观看者耦出，使得所述投射仪组件协作以向所述观看者的眼睛显示所述图像；

通过与所述第一图像投射仪装置和所述第二图像投射仪装置相关联的控制器确定所述部分交叠的区域中的像素子集；以及

通过所述控制器减小所述像素子集中的选定像素的强度以增强所述图像的感知均匀性，所述选定像素由所述第一图像投射仪装置和所述第二图像投射仪装置中的至少之一投射。

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