CN113795782A - 提供同心光场和单目-双目混合的显示*** - Google Patents

Abstract

一种用于实现具有单目‑双目混合的同心光场的显示***及其方法。至少一些实施例包括显示器和光学子***，显示器布置成基于来自内容引擎的图像内容发射或传输光线，光学子***布置成将光线配置成同心光场。同心光场在大的连续空间区域中提供虚拟图像，使得人类观看者的每只眼睛可以检测距离光场的单目深度，以提供大的视场。

Description

提供同心光场和单目-双目混合的显示***

相关申请的交叉引用

本申请要求2019年3月18日提交的美国临时专利申请号62/820096的权益，该申请通过引用整体结合于此。

本申请要求2020年2月18日提交的美国专利申请号16/793495的权益，该申请通过引用整体结合于此。

技术领域

这里介绍的技术总体涉及光场显示器。更具体地，这里介绍的技术涉及一种用于创建具有单目-双目混合(hybridization)的同心光场显示器的***。

背景技术

在当今社会，由于电子学和微制造的进步，对更沉浸式光场和/或自动立体三维(3D)显示器的吸引力越来越大。大多数当前常见的自动立体3D显示器可能需要虚拟现实(VR)头盔或类似设备。然而，VR头盔会导致眼睛疲劳和其他类似的相关疲劳问题。出现这些问题是由于当前常见的VR头盔存在两个主要问题。首先，最常见当前的VR头盔将图像分成两个观看区，其中从这些观看区提取视差并重叠以获得看似单一的完整图像。其次，大多数当前常见的VR头盔的观看区离用户的眼睛太近。大多数当前常见的VR头盔的另一个问题是投影图像中的双目间隙，这是由于图像被馈送到两个单独的观看区，用户的每只眼睛都有一个观看区，带有独立的光学器件。

附图说明

本公开的一个或多个实施例通过示例而非限制的方式在附图中示出，其中相似的附图标记表示相似的元件。

图1是包括安装在支架上的显示部分的显示***的透视图。

图2是图1的显示部分的透视图。

图3是图1的支架的透视图。

图4是根据这里介绍的技术的显示***的显示部分的部件的框图。

图5A至5D是显示***的预备光学器件的不同实施例的示意图。

图6是示出显示***的中继光学器件的替代实施例的示意图。

图7A至7D是显示***的第一组实施例的示意图。

图8A至8C是显示***的第二组实施例的示意图。

图9A至9C是显示***的第三组实施例的示意图。

图10A至10E是显示***的第四组实施例的示意图。

图11A至11C是显示***的第五组可选实施例的示意图。

图12是显示***的示意图，其中显示部分包括可佩戴的眼镜。

图13A和13B分别示出了平面光场和同心光场。

图14示意性地示出了共轭镜的使用和人类观看者相对于镜焦点的定位。

图15A、15B和15C分别示出了基于VR的双目隔离、基于AR的双目隔离和双目混合的示例。

图16示出了显示***的实施例，其使用共轭镜和分束器来提供具有双目混合的同心光场。

图17示出了显示***的实施例，其使用半反射曲面镜，四分之一波片设置在显示器上，以提供具有双目混合的同心光场。

具体实施方式

在本说明书中，对“实施例”、“一个实施例”或类似词语或短语的引用意味着所描述的特定特征、功能、结构或特性包括在本文介绍的技术的至少一实施例中。这种短语在本说明书中的出现不一定都指同一实施例。另一方面，本文提到的实施例也不一定相互排斥。

附图的所有图示都将描述本文介绍的技术的选定版本，并且不旨在限制这里介绍的技术的范围。一个或多个用户的所有引用都与使用这里介绍的技术的一个或多个个人有关。

这里介绍的技术包括产生高质量虚拟图像的显示***，该虚拟图像可以是2D、立体3D和/或多焦点图像，其中显示***具有用于人类观看者的预期(设计)观看点，其距离显示器至少10cm(与常规的头戴式显示器(HMD)形成对比)，但距离显示器不超过60cm，而不会引起人类观看者的视觉不适，同时提供至少45度的对角视场。***产生单个连续的光场，其使得能够由人类观看者的每只眼睛同时检测单目深度，其中单目深度可以大于显示器距离人类观看者的实际距离，并且当人类观看者位于预期观看点时，提供显示器的表观尺寸(由人类观看者感知)是显示器的实际尺寸的至少两倍(2X)。“单目深度”是一只眼睛感知到的光学深度，眼睛可以通过改变眼睛晶状体的焦距来适应。单目深度基于光波前的真实曲率。这与仅基于视差的立体深度形成对比。利用这里介绍的技术，单目深度也是动态可修改的，并且与当前的自动立体显示器相比，不固定在显示面板表面的物理位置。

例如，在一些实施例中，根据本文介绍的技术的显示***设计成位于距离观看者的眼睛约20cm，并且提供约80英寸对角的表观显示尺寸(即如人类观看者感知)，同时使用仅约24英寸对角尺寸的显示器，视场大于90度且头戴框(有用的观看区域)水平跨越至少60cm，全都同时提供高质量的虚拟图像，而不会给人类观看者带来视觉不适。在本文中，“水平”是指当人类观看者以正常(预期)方式观看显示器时，平行于穿过人类观看者两只眼睛的几何中心的假想线。

本文介绍的技术产生同心光场，并提供单目-双目混合。本文使用的术语“同心光场”(也称为“弯曲光场”)是指这样的光场，其中对于距离观看者固定半径处的显示器的任何两个像素(称为“第一像素”和“第二像素”)，从第一像素在垂直于显示器在第一像素处的表面的方向上发射的光锥的主光线与从第二像素在垂直于显示器在第二像素处的表面的方向上发射的光锥的主光线相交。同心光场产生的图像可在所有点处聚焦到眼睛，包括远离***光轴(曲率中心)的像素，其中图像是弯曲的而不是平坦的，并且图像可在光场前面的合理观看空间(头戴框)内观看。

本文使用的术语“单目-双目混合”(MBH)指的是在连续的可观看空间区域中产生立体图像的特征，该区域在至少一个维度(例如水平)上明显大于(例如至少两倍于)显示器的观看者的两只眼睛之间的距离，其中观看者的每只眼睛可以检测到光场提供的单目深度，并且可以检测到该深度上的正确立体提示。MBH产生的图像不需要双目隔离(双眼两个图像的隔离，比如在立体HMD或需要戴一副眼镜的任何3D中是必要的)来观看，这意味着左眼和右眼看到的图像之间没有间隙。

这里介绍的技术可以为用户提供减少和/或消除眼睛疲劳和用户眼睛上其他类似相关疲劳的设备。它还可以为用户提供这样的设备，其提供同心光场显示器，其中图像不被分成两个观看区。此外，该技术可以为用户提供不要求观看区离用户眼睛太近的设备。这里介绍的技术可以为用户提供这样的设备，其允许用户位于光场投影的中心，并消除或最小化投影图像中的双目间隙。本文介绍的技术还可以为用户提供产生朝向用户面部的连续会聚光线束的设备，以便创建环绕观看体验或全景观看体验。

这里介绍的技术包括实现具有MBH的同心光场的***和方法。如图1至3所示，在某些实施例中，根据这里介绍的技术的显示***1包括显示部分2和支架3，其中显示部分2在使用时附接到支架3，并且可以通过连接器4可移除地附接到支架3。图1示出了安装到支架3的显示部分2的透视图。图2示出了显示部分2自身的透视图，而图3示出了支架3自身的透视图。

***设计成使得显示部分2在使用时能够定位得非常靠近用户(本文也称为“观看者”)的眼睛，尽管不像常规的HMD设备那样近。因此，支架3可以包括基座5和通过一个或多个接头7连接的多个细长构件6。至少一些接头7可以允许连接构件6的枢转和/或旋转运动，以允许用户根据需要调节显示部分2的位置和定向。

在至少一些实施例中，基座5可连接到多个构件6的最底部构件，如图1所示。多个构件6可以是任何形状、尺寸、材料、特征、类型或种类、定向、位置、数量、部件和部件布置，这将允许这里介绍的技术实现这里介绍的技术的目标和意图。多个构件6可以端到端地枢转彼此附接。最底部构件可以安装到基座5的顶侧。最顶部构件可以安装到连接器4的后端。如图1所示，连接器4的后端可以安装到多个构件6的最顶部构件，而连接器4的前端安装到显示部分2。

如图4示意性所示，显示部分2具有机械壳体，其容纳计算机45、至少一个显示器41和光学子***46。光学子***46包括预备光学器件42、中继光学器件43和出射光瞳44。计算机45可以是任何形状、尺寸、材料、特征、类型或种类、定向、位置、数量、部件和部件布置，这将允许这里介绍的技术实现这里介绍的技术的目标和意图。如图4所示，计算机45可以主要包括内容引擎47和(可选地)一个或多个传感器48。传感器48可以包括例如跟踪传感器、定位传感器或其他类似物体中的一个或多个，和/或前述项目的任意组合。这种传感器还可以包括例如：映射传感器、相机传感器、飞行时间传感器、双单相机传感器设备、眼睛跟踪传感器、手跟踪传感器、头部跟踪传感器以及其他类似或类似相关的物体。

计算机45可以是或包括例如一个或多个常规的可编程微处理器、数字信号处理器、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)或这些类型器件的任意组合。计算机45中的内容引擎47使得计算机45能够生成用于生成图像的数字图像内容49。内容引擎47的至少一部分可以实现为软件或固件。数字内容49可以是要向用户显示的隔离内容、基于显示器周围的一些定位和/或跟踪数据的内容、其他类似相关的项目和/或前述项目的组合。计算机45能够预先补偿数字内容上所需的失真或修改，以产生需要生成给用户的图像，使得图像(基于数字内容)根据数字图像内容是3D、2D、多焦点和/或其他类似相关类型或种类，以校正的纵横比和结构从显示部分2发射到用户的眼睛。计算机45将数字图像内容49从内容引擎47发送到显示部分2的显示器41。在其他实施例中，计算机45和/或内容引擎47可以在显示部分2的外部。

仍参考图4，显示部分2包含至少一个显示器41，其可以从计算机提供的数字内容49生成图像。显示器41可以是或包括例如以下任何一个或多个：图像面板、投影仪、硅上液晶设备(LCoS)等。在显示器41是或包括面板的情况下，面板可以是例如平坦的或弯曲的，并且可以是液晶显示器(LCD)、有机发光二极管(OLED)、发光二极管(LED)或其他类似的相关类型。在显示器41是或包括投影仪的情况下，投影仪可以是类似于例如以下的类型或种类：用多个投影仪以不同角度投影的散射或漫射屏幕、微型投影仪、激光投影仪或其他类似相关的物体。显示器41可以通过生成的任何形式和/或形状的光线束将图像馈送到预备光学器件42。显示部分2的背光可以随角度变化，以在同心区域提供自动立体3D。在一些实施例中，这种角度光由垂直腔面发射激光器阵列(VCSEL)制备。在一些实施例中，显示器41是或包括LCD面板堆叠，以通过计算方法提供3D图像。

如图4所示，显示部分还包含预备光学器件42，其从显示器接收生成的光线束，调节生成的光线束以调节和/或调谐感知图像的深度和/或大小，并将调节的光线束提交给中继光学器件43。图5A至5D详细示出了预备光学器件42的不同实施例。在这些图和下面讨论的后续图中，箭头示出了***中的线束路径的示例。预备光学器件42可以包括例如：曲面(例如共轭)镜、双凸透镜阵列、场演变(FE)腔、菲涅尔板、可调透镜、投影屏幕、机械调节器和/或其他类似有关或相关的物体。预备光学器件42也可以使得图像可以从2D格式转换成3D呈现。

预备光学器件42可以具有多个替代实施例中的任何一个。在图5A的实施例中，预备光学器件42包括场演变(FE)腔，其可以通过调制光线束的轨迹，即通过动态修改光线的路径长度来改变虚拟图像的焦平面。在某些情况下，FE腔可以将显示器的不同部分发送到不同的焦距。在该实施例中，预备光学器件42可以包括位于两个波片51之间的分束器板52。一个波片51靠近显示器41，而另一个波片51更靠近液晶(LC)板53的一侧。液体LC板53的另一侧靠近偏振相关分束器54。

在图5A至5D和下面讨论的其他图中，箭头示出了***中的线束路径的示例。在图5A的左侧部分，从显示器41发射的光线是x偏振的。当光线离开离显示器41更远的波片51时，它们变成y偏振。然后，当它们朝向观看者(未示出，但朝向图的左侧)离开偏振相关分束器54时，它们再次变成x偏振。相反，在图5A的右侧，被偏振相关分束器54反射回显示器41的光线保持y偏振，但当它们被更远离显示器41的波片51反射回(向左)观看者时，被转换成x偏振。

在图5B的实施例中，预备光学器件42可以包括在显示器41的提交端或侧上的无源光学器件55，使得图像可被补偿像差、失真和/或定向亮度校正。无源光学器件55的这样的示例可以包括例如：菲涅尔板、双凸透镜阵列、视差屏障、分层掩模和/或其他类似有关或类似相关的物体。

在图5C的实施例中，预备光学器件42包括无源FE腔，其长度(即从显示器41到分束器54的距离)可以通过机械致动器56或其他类似机构来变化或改变。在图5D的实施例中，预备光学器件42包括与安装在显示器41上的机械致动器57相结合的无源光学器件55，以改变显示器41相对于无源光学器件55的位置或距离。

再次参考图4，显示部分2还可以包括中继光学器件43。中继光学器件43可以是或包括例如自由形式后面罩、波导、具有全息元件的屏幕或它们的某种组合。然而，中继光学器件43也可以具有以下特征和特性的任意组合：弯曲或平坦、具有或不具有电磁超表面、具有或不具有全息元件、具有或不具有衍射光栅、具有或不具有菲涅耳光栅、偏振或非偏振、透明或不透明、利用几何光学器件或利用波导和/或其他类似有关和/或类似相关的物体或特征。图6示出了中继光学器件43如何可以包括这些特征/特性的各种组合。中继光学器件43可以在一端接收来自预备光学器件的提交的光线束，同时能够将那些光线束中继到出射光瞳。

如图4所示，显示部分可以具有出射光瞳44。出射光瞳44可以是围绕孔的假想三维歧管，该孔包围从显示部分2出射并传播离开的线束。出射光瞳44可以位于用户面部的前面和用户看到图像的显示部分2的剩余部分之间。

在某些实施例中，如下文进一步讨论，预备光学器件42包括曲面镜，比如共轭镜，以提供同心光场。如在平行于观看轴的垂直平面中观看，当在横截面中(即椭圆的半径最小的一端)观看时，共轭镜具有部分椭圆的形状。椭圆具有两个焦点。在这里介绍的技术中，显示部分2设计为定位成使得观看者的头部位于最靠近镜的焦点处或附近(即在几厘米之内)，并且位于镜部分形成的椭圆的两个焦点之间。

常规地，大多数曲面镜是双曲的、抛物面的、双圆锥的或球面的。当光接近光学元件的对称轴时，这种镜通常适用于傍轴区域的单点成像，例如望远镜或激光和感测应用中的镜。然而，在显示器中，这些镜失效，因为它们往往在图像的中心表现很好，但在边缘失效，因为边缘非常偏离轴且不再处于傍轴区域。在显示器和镜非常靠近在一起的情况下，它们不适合提供具有高图像精度的大水平视场。例如，如果一个人有长平坦水平显示器并将它定位在比抛物面镜更近的位置或在其焦点处且通过抛物面镜观看其反射，他将看到显示器中心的图像是可接受的，但从显示器中心看得越远，图像变得越失真和/或模糊。

诸如可以通过使用共轭镜产生的同心光场克服了这些问题。图13B示出了同心光场131，其与图13A所示的平面光场132形成对比。在图13A和图13B的每个中，示出了从显示器的各种不同像素发出的多束光线。在由图13B中的弯曲显示器产生的同心光场131中，来自每个像素的垂直光线将朝向焦点和来自其他像素的垂直光线会聚。相反，在图13A的平面光场132中，来自不同像素的垂直光线是平行的，因此不会聚。注意，在替代实施例中，可以使用衍射镜或纳米结构镜来代替共轭镜。

在本文介绍的技术的某些实施例中，如图14所示，观看者8的头部位于或靠近共轭镜143的焦点141(共轭镜143部分跟踪的椭圆144的两个焦点141、142之一)。显示器41靠近镜143，在用户的视场之上。从侧面看，分束器145以45度角定位在视场中。当观看者观看显示的图像时，椭圆144的另一焦点142在观看者的头部后面。

在至少一实施例中，椭圆144的焦点141、142之间的距离约为1.2m；并且观看者8可以在整个显示器上感知高质量的图像，只要他或她的头部位于沿着观看者的观看轴(未示出)测量的离最靠近镜143的焦点141的距离的约10％之内(在该示例中约12cm)。观看者可以在该范围内向前或向后移动(沿着观看轴)，并且仍可以看到具有高质量的图像。镜143中的反射，即观看者8实际看到的，垂直于焦点141、142之间的轴(未示出)，因此与椭圆144的长轴同轴。观看者8靠近椭圆144的焦点之一的事实(例如在焦点之间距离的约10％之内)允许观看者8与镜143的每个边缘具有几乎相等的距离，这减少了边缘像差。

此外，椭圆144的第二焦点142更远的事实意味着，与抛物面或双曲面镜不同，从共轭镜143的边缘传播的光线实际上不保持发散，而是更快地向内弯曲。这使得远离显示器中心的像素能够像显示器中心的像素一样聚焦。

以这种方式使用共轭镜可以提供非常大的区域，其中虚拟放大的2D或3D图像在曲面或曲面体积上是可见的，所有像素都可聚焦到眼睛。这与在显示器前面有透镜或放大镜的情况不同，因为虚拟图像上的所有点可聚焦到眼睛，包括远离***光轴(曲率中心)的像素，虚拟图像是弯曲的而非平坦的。

根据这里介绍的技术，弯曲或同心光场可以照亮显示器前面几十厘米量级的大面积；该距离远大于(例如至少10倍于)普通成年人的双眼之间约6cm的距离，即至少60cm。因此，双眼不仅可以欣赏光场提供的单目深度，而且它们还可以在该深度上获得正确立体提示。单目深度是通过一只眼睛经由调节(焦距变化)眼睛晶状体感知到的深度；基于左眼和右眼中的图像之间的视差感知双目深度。在大多数常规***中，比如头戴式显示器，曲率要么太陡以至于它取代了自然的人类双眼视界，要么是完全平坦的。这会导致眼睛疲劳；尤其是当视场增大时。

此外，这里介绍的技术提供了非常大的视场，双目视觉没有间隙。与护目镜不同，在护目镜中，眼睛之间具有间隙，使其看起来像通过两个管道看，这里介绍的技术没有管道状效果(双目面罩)。这是由于单目-双目混合(MBH)以及可视区是大的连续区域，而不是每只眼睛前面的两个局部点。这允许用户移动和旋转他或她的头部，并且仍正确地感知深度。

人类大脑基于八个提示感知深度，其中五个是情境提示，三个是光学提示。光学提示是运动视差、静态视差和调节提示。如果光的波前被冲击以模拟虚拟距离，则感知的3D不仅提供调节深度提示，还提供运动视差和静态视差。然而，显示***可以仅提供这些深度提示中的一个；例如，自动立体和立体头戴式视图器仅依靠视差来提供深度。它们不为它们提供视差的所有深度提供单目深度提示。所有立体AR/AR头戴式视图器和需要佩戴眼镜的任何3D体验以及大多数无眼镜自动立体3D显示器都依赖于将不同内容的光馈送到左眼和右眼以产生视差的方法。大多数常规的实施方式需要佩戴某种双目镜来消除左眼和右眼之间的串扰。

相比之下，这里介绍的技术提供了单目深度(单眼可以感知的深度)，这在显示***前面的非常大的连续区域中是可感知的。这就是MBH，它不仅为每只眼睛提供了正确的深度，还为场景中不同深度的物体提供双眼的匹配聚散度(视差)。

图15A、15B和15C示出了常规技术和这里介绍的技术所提供的MBH之间的差异。具体地，图15A和15B分别示出了常规曲面显示HMD和平坦显示HMD出现的双目区域(双目隔离)中的间隙151。相比之下，图15C示出了使用这里介绍的技术提供的MBH(无间隙)。

与常规技术不同，这里介绍的技术的有效双目观看区域明显大于观看者眼睛之间的距离，从而观看者可以旋转和移动她的头部，并且向左和向右旋转她的眼睛，并且仍看到眼睛之间没有间隙的深度。因此，如这里介绍的技术提供，MBH意味着观看者可感知单目深度的区域大于观看者眼睛之间的距离，使得不仅每只眼睛的调节是正确的，而且眼睛的聚散度也跟随调节。这种混合比常规的3D显示器创建更真实的深度表示。

图16示出了根据这里介绍的技术的显示***的实施例，其使用共轭镜来实现同心光场和MBH。共轭镜163可以是闭合的或部分透明的，形成显示部分2的背面，即面罩，其可以如上所述安装到可调节支架3。在该实施例中，显示部分包括位于镜前面和上方的平坦定向或增强背光，其光发射表面水平面向下设置。显示器41位于背光161的下方并与之平行。背光161可以是标准的侧光漫射背光，或者优选地是定向背光，比如顶部具有定向膜或定向层的背光，或者具有衍射层以改变方向的背光。在至少一些实施例中，元件具有局部调光技术，比如微型LED背光，其中背光可以在某些区域变暗以提供更好的对比度和动态范围。背光中的元件可以是例如侧光波导、微型LED阵列、衍射定向波导、光漫射器。

隐私膜162或具有定向光学透射特性的其他类型的层设置在显示器41的面向下的表面上。例如，隐私膜可以具有小于100度的通过角。分束器165以45度角设置在镜163和观看者8之间(垂直于观看轴从侧面沿横截面观看)。

在操作中，由背光161发射并由显示器41调制的光向下传播，然后从分束器165向镜163反射，镜163以旋转的偏振将光反射回分束器165，使得反射光然后穿过分束器165并传播到观看者8的眼睛。吸收偏振器166可以设置在分束器163的下表面上，以减少反射。显示部分2的下挡板167可以平行于显示器设置在分束器163下方。一个或多个音频扬声器168可以位于任何方便的位置，比如附接到下挡板167的下侧。

图17示出了根据这里介绍的技术的显示***的另一实施例。在该实施例中，显示部分2包括曲面显示器41，其可以由许多连续的有源显示器制成，例如OLED元件。第一曲面四分之一波片171直接设置在曲面显示器41的光发射表面上。半反射曲面镜173设置在一个四分之一波片171的顶部。第二曲面四分之一波片171直接设置在半反射曲面镜173的表面上。曲面液晶(LC)板174可选地设置在第二四分之一波片的表面上。曲面线栅偏振器或偏振相关分束器175设置在LC板174(如果存在)或第二四分之一波片171的表面上。线176代表观看者8的视线。

图7A至12示出了这里介绍的技术的各种附加的替代实施例和说明性细节。在这些图的每个中，显示部分2可以安装在支架3(例如，如上所述的铰接臂)上，为了简单起见，在这些图中未示出。在图7A的实施例中，显示部分2包含至少两个显示面板71，一个位于用户视场上方，另一个位于用户视场下方。每个显示面板71在显示面板71的光发射表面上涂覆有预备光学器件72。此外，在该实施例中，显示部分2包括自由形式后面罩73形式的中继光学器件，以将光线束中继或反射向用户的视场。

在图7B的实施例中，显示部分2包含位于用户视场下方(或上方，或侧面)的单个显示面板71。显示面板71可以在投影光线束的显示面板的表面上涂覆有预备光学器件72。该实施例中的显示部分2还包含与显示面板71相邻和/或相对的分束器75，具有预备光学器件，使得从具有预备光学器件的显示面板投射的光线束在到达或反射到自由形式后面罩形式的中继光学器件之前被馈送到分束器板，中继光学器件又将光线束发送到用户视场中。

在图7C的实施例中，除了显示面板71位于用户视场的每一侧之外，该替代实施例的显示部分2可被视为类似于图5A中的显示部分。在图7D所示的另一实施例中，该替代实施例的显示部分2可被视为类似于图7B中的显示部分，除了中继光学器件是平坦或弯曲特征的全息元件76，而不是自由形式后面罩。全息元件76可以是三层面板的形式，每层专用于显示器的不同颜色通道，比如红色、蓝色和绿色，或者一些其他颜色空间。虚线表示来自虚拟图像的光线轨迹。

如图8A至8C所示，这里介绍的技术包括这里介绍的技术的第二组替代实施例。在图8A的实施例中，显示部分2包含至少两个投影仪86形式的显示器，投影仪86位于用户视场的每个相对侧。此外，在该实施例中，显示部分2包含弯曲全息元件屏幕84，其中光线束从投影仪86朝向弯曲全息元件屏幕84投射。从那里，光线束被重定向到出射光瞳并通过至用户的视场。

在图8B所示的另一实施例中，显示部分2类似于图7B和7D实施例中的显示部分；然而，在该实施例中，显示部分的显示器利用一个或多个投影仪86，而不是平坦或弯曲面板。每个投影仪86可以在光线束穿过预备光学器件82之前将光线束穿过散射屏81。例如，散射屏81可以是定向的。在至少一些实施例中，散射屏81可以由多个投影仪86馈送，以创建高密度显示3D图像。该图像然后可被馈送通过到预备光学器件82。可替代地，散射屏81可以类似地由多个投影仪86馈送，以创建馈送到中继光学器件的三维图像的超多视角光线束。分束器87也以上述方式用于该实施例中。

在图8C的实施例中，显示部分包含一个或多个投影仪86、自由形式后面罩83形式的中继光学器件和透明散射屏88，从而不需要预备光学器件。在该实施例中，一个或多个投影仪86可以位于用户视场的一侧附近，并且与透明散射屏的透明侧相邻和/或相对，如图所示。透明散射屏88可以由例如具有金属微丝或纳米线阵列的网状物体制成，使得光线束可以从透明散射屏反射和/或散射向自由形式后面罩，其中为用户的眼睛准备那些光线束的会聚。透明散射屏88能够交替地在透射模式和/或反射模式下工作。透明散射屏88在其表面上可以具有不同的厚度和表面粗糙度，以允许光线束从透明散射屏88散射和/或反射。

图9A至9C示出了这里介绍的技术的第三组替代实施例。在图9A的实施例中，显示部分2包含至少两个显示器41，一个在显示部分的顶部，一个在底部。在光透射路径中，每个显示器之前可以有预备光学器件42。光线束可以从每个显示器41通过其相关的预备光学器件42馈送到中继光学器件43的顶端和底端。在一些替代实施例中，每个显示器41及其对应的预备光学器件42可以位于显示部分2的侧面，更具体地，位于显示部分2的中继光学器件43的侧面。

在图9A的实施例中，中继光学器件可以是波导93。波导93可以是单层或多层结构，其限制电磁波并允许少数模式的电磁波传播。波导管93可以是平坦或弯曲面板。波导93可以是透明材料，具有嵌入的成角度的反射表面，以允许光线束出射通过至出射光瞳。可替代地，波导93的出射面可以包含以衍射光栅为特征的表面，使得光线束可以衍射并从波导出射。或者，波导93可以类似于薄玻璃片，使得光线束被限制于几个模式的电磁波，并被允许沿着波导的出射面传播。

可替代地，图9A的实施例中的波导93可以是光导。光导可以在形状、尺寸、材料、特征、类型或种类、定向、位置、数量、部件和部件布置上类似于上述波导，除了光导可以是单层或多层透明面板，使得光线束在离开光导的出射面之前仅被反射几次。

在图9B的实施例中，显示部分2包含自由形式后面罩94形式的附加中继光学器件，使得在光线束从自由后面罩93通过出射光瞳发送给用户之前，波导93可以将光线束馈送给自由形式后面罩94。

在图9C的实施例中，显示部分包含弯曲LCoS显示器41。例如，弯曲LCoS显示器的内面或中间面可以涂覆或覆盖有双凸透镜阵列或类似物体形式的预备光学器件42。预备光学器件42的内面或中间面可被弯曲波导95覆盖。预备光学器件可以是弯曲FE腔或类似物体的形式。在来自显示器的光线束可以是定向的至少一些情况下，显示部分2可以不包含波导或其他类似相关的具有反射曲面的中继光学器件。

图10A至10E示出了这里介绍的技术的另一组实施例。在图10A的实施例中，显示部分2包含一个或多个空间映射和定位传感器108，每个可以包括一个或多个立体摄像机、飞行时间摄像机、深度摄像机和/或能够提供深度和/或映射信息的任何其他模块。这些传感器108尤其可以获取显示部分2的位置和/或定向信息。此外，该实施例可以包含眼睛跟踪模块、头部跟踪模块和/或提供或利用关于用户头部和/或凝视位置的信息来调节和/或校准图像或者操纵渲染数据的其他模块。例如，这些传感器108的输出可以用于用户与显示器的交互，或者用于基于显示器的位置调节内容。更具体的示例是显示器附接到旋转的办公椅(例如参见图11B和11C)，并且当用户旋转椅子时，显示器的内容基于传感器108给出的定位数据以数字方式改变。这为显示器的物理尺寸提供了数字扩展，并可用于将不同的数字文件放在不同的位置。另一示例是其中光场提供可由观看者交互的3D物体，并且其中传感器108可用于捕获和反馈关于交互的信息到显示***，以确定应该向用户显示的内容。

在图10B的实施例中，显示部分2(其可以类似于前面讨论的其他实施例的显示部分)通过一个或多个刚性构件111或类似物体连接到肩托110。肩托110可以类似于例如通常在如背包的物体中发现的肩带。此外，肩托可以包含计算机45(图4)或另一台计算机(未示出)来帮助呈现图像。可替代地，肩托110可以包含可以容纳这种计算机的项链状物体(未示出)。

在图10C的实施例中，显示部分2(其可以类似于其他实施例的显示部分)可以包含在眼镜状结构112内。显示部分2可以包含单一连续的中继光学器件，其从用户视场的一端延伸到用户视场的相对端，或者从用户的一只眼睛延伸到用户的另一只眼睛。三维感知可以由应用于单一显示器的自动立体机制提供。

在图10D的实施例中，显示部分2(其可以类似于其他实施例的显示部分)可以通过一个或多个刚性构件附接到平板或笔记本型计算设备114，使得显示部分2可以收进或抵靠平板或笔记本型计算设备114。在图10E所示的该实施例的变型中，显示器的内容引擎可以包括在智能设备115中，比如手机、平板电脑、便携式屏幕面板或其他类似物体。

图11A至11C示出了这里介绍的技术的另一组实施例。在图11A的实施例中，支架3的基座5可以附接或安装到床或其他类似物体，使得用户可以在使用显示***时躺下。在图11B的实施例中，支架3可以附接到或安装到椅子119、沙发或其他类似物体的头靠或靠背上，以允许用户在没有桌子或台子的情况下使用这里介绍的技术，支架的底座可以搁在桌子或台子上。在一些实施例中，显示***可以包含其他传感器和/或机械致动器，其中椅子的运动可以与从显示部分显示的图像内容结合同步，其方式类似于游乐园坐骑。在图11B的实施例的变型中，如图11C所示，显示部分2可以像眼镜一样佩戴在用户的脸上，同时以相同类型由支架3支撑和/或从其悬挂。

图12示出了又一实施例，其中显示部分2包括用户佩戴的可佩戴眼镜122。可佩戴眼镜122可以是简单透镜。可替代地，可佩戴眼镜122可以包括在透镜上的交叉偏振膜，以提供与屏幕共轭的三维内容，该屏幕将立体信息编码成不同的偏振。或者，可佩戴眼镜122可以包含串联的多个透镜，从而可以增加景深，使得用户的头部可以移动得更靠近和/或更远离显示部分，而不会丢失光学焦点。

某些实施例的示例

本文介绍的技术的某些实施例总结在以下编号的示例中：

1.一种显示***，包括：显示器，其布置成发射或透射共同形成第一图像的光线；以及光学子***，其光学联接到显示器，并且布置成将来自显示器的光线配置成单个连续的光场，该光场基于第一图像形成虚拟图像并且当人类观看者正在观看虚拟图像时同时包围人类观看者的双眼，使得对于人类观看者来说显示器的表观尺寸是显示器的实际尺寸的至少两倍，同时显示器和光学子***定位成距离人类观看者的眼睛至少10cm。

2.如示例1所述的显示***，该显示***具有用于人类观看者的预期观看点，其距离显示器至少10cm且距离显示器不超过60cm。

3.如示例1或示例2所述的显示***，其布置成提供至少45度对角的视场。

4.如示例1至3中任一个所述的显示***，其布置成使得虚拟图像距离人类观看者的单目深度大于显示器距离人类观看者的实际深度。

5.如示例1至4中任一个所述的显示***，其布置成使得虚拟图像距离人类观看者的单目深度是显示器距离人类观看者的实际深度的至少五(5)倍。

6.如示例1至5中任一个所述的显示***，其布置成使得光场在人类观看者的视觉参照系中水平跨越至少20cm的连续空间区域中形成图像，并且人类观看者的每只眼睛可以检测显示器在连续空间区域内的任何地方的单目深度。

7.如示例1至6中任一个所述的显示***，其中光学子***包括曲面镜以产生光场作为同心光场。

8.如示例1至7中任一个所述的显示***，其中光学子***包括共轭、衍射或纳米结构镜。

9.如示例1至8中任一个所述的显示***，其中光学子***包括：预备光学器件，其布置成调节虚拟图像的大小或深度；以及中继光学器件，其布置成接收来自预备光学器件的光线，并将光线中继到显示***的出射光瞳。

10.如示例1至9中任一个所述的显示***，其中预备光学器件包括以小于100度的通过角执行定向光学透射的层。

11.如示例1至10中任一个所述的显示***，其中预备光学器件包括场演变(FE)腔，通过该场演变腔来调制光线束的轨迹以修改虚拟图像的焦平面。

12.如示例1至11中任一个所述的显示***，其中FE腔布置成将显示器的不同部分设置到不同深度。

13.如示例1至12中任一个所述的显示***，其中预备光学器件包括小透镜阵列。

14.如示例1至13中任一个所述的显示***，还包括可调节臂，其中显示器和光学子***容纳在显示部分内，并且显示部分从可调节臂的一端悬挂。

15.如示例1至14中任一个所述的显示***，其中可调节臂包括能够调节可调节臂的多个构件。

16.如示例1至15中任一个所述的显示***，还包括：传感器模块，用于获取显示***的位置或定向信息；以及处理器，用于基于显示***的位置或定向信息修改图像。

17.如示例1至16中任一个所述的显示***，还包括显示部分，该显示部分包括显示器和光学子***；其中显示器是平坦的，并且布置在显示***的视场的附近和外部，以将光线发射或透射到视场中；并且其中光学子***包括：曲面镜，其形成或设置在显示部分的内部后表面上；以及分束器，其相对于显示器的输出表面以锐角设置在视场内，该分束器布置成将来自显示器的光线朝向曲面镜反射，使得曲面镜将光线反射回分束器，分束器然后将曲面镜反射的光线朝向显示***的出射光瞳透射通过。

18.如示例1至16中任一个所述的显示***，其中显示器是弯曲的且定位成当人类观看者正在观看显示器时处于人类观看者的视线中；并且其中光学子***包括：一对弯曲四分之一波片，其设置成比显示器更靠近人类观看者的预期观看位置，弯曲四分之一波片中的至少一个邻近显示器，以及弯曲半反射镜，其设置在人类观看者的预期视线中的四分之一波片之间。

19.如示例18所述的显示***，其中光学子***还包括：弯曲液晶板，其设置在最接近人类观看者的预期观看位置的四分之一波片之一的表面上；以及弯曲偏振元件，其设置在液晶板的表面上。

20.如示例1至19中任一个所述的显示***，还包括：可调节臂，其包括多个构件以允许调节可调节臂的位置；以及显示部分，其包括显示器和光学子***，联接到可调节臂并且从可调节臂悬挂，使得显示部分的位置和定向是可调节的。

21.如示例1至20中任一个所述的显示***，还包括基座，显示部分联接到或者可以联接到基座，基座设计成能够将基座可移除地附接到家具。

22.如示例1至21中任一个所述的显示***，还包括基座，显示部分联接到或者可以联接到基座，基座设计成可移除地附接到人类观看者的躯干。

23.一种显示***，包括：显示器，其布置成基于来自内容引擎的图像内容发射或透射共同形成第一图像的光线；以及光学联接到显示器的光学子***，其包括曲面镜和光学联接到曲面镜的无源定向光学元件，光学子***布置成将来自显示器的光线配置成单个连续的同心光场，该光场基于第一图像形成虚拟图像并且能够由人类观看者的每只眼睛同时检测单目深度，光场使得显示***具有用于人类观看者的所设计的观看点，其距离显示器至少10cm并且距离显示器不超过60cm并且提供至少45度对角的视场，光场进一步使得当人类观看者位于所设计的观看点时，虚拟图像的单目深度大于显示器的实际深度，并且对于人类观看者来说，显示器的表观尺寸是显示器的实际尺寸的至少两倍。

24.如示例23所述的显示***，其中光学子***包括曲面镜以产生同心光场。

25.如示例23或示例24所述的显示***，其中光学子***包括：预备光学器件，其布置成调节虚拟图像的大小或深度；以及中继光学器件，其布置成接收来自预备光学器件的光线，并将光线中继到显示***的出射光瞳。

26.如示例23至25中任一个所述的显示***，其中预备光学器件包括场演变(FE)腔，通过场演变腔来调制或改变光线束的轨迹以修改虚拟图像的焦平面。

27.一种通过显示***显示内容的方法，该方法包括：在显示***中获取指示第一图像的电子信号；由显示***中的显示器产生共同形成第一图像的光线；以及将光线配置成单个连续的光场，该光场同时包围人类观看者的双眼且基于第一图像形成虚拟图像，光场使得人类观看者的每只眼睛能够同时检测单目深度，光场使得对于人类观看者来说显示器的表观尺寸是显示器的实际尺寸的至少两倍，同时显示器定位成距离人类观看者的眼睛至少10cm。

28.如示例27所述的方法，其中对于人类观看者来说，图像的最佳观看点距离显示器至少10cm并且距离显示器不超过60cm。

29.如示例27或示例28所述的方法，还包括使用场演变(FE)腔来调制光线束的轨迹，以修改虚拟图像的焦平面。

30.如示例27至29中任一个所述的方法，其中处理光线包括使用共轭、衍射或纳米结构曲面镜。

31.一种显示***，包括：用于获取指示第一图像的电子信号的装置；用于产生共同形成第一图像的光线的装置；以及用于将光线配置成单个连续的光场的装置，该光场同时包围人类观看者的双眼且基于第一图像形成虚拟图像，光场使得人类观看者的每只眼睛能够同时检测单目深度，光场使得对于人类观看者来说显示器的表观尺寸是显示器的实际尺寸的至少两倍，同时显示器定位成距离人类观看者的眼睛至少10cm。

32.如示例31所述的显示***，其中对于人类观看者来说，图像的最佳观看点距离显示器至少10cm并且距离显示器不超过60cm。

33.如示例31或示例32所述的显示***，还包括用于使用场演变(FE)腔来调制光线束的轨迹以修改虚拟图像的焦平面的装置。

34.如示例31至33中任一个所述的显示***，其中用于处理光线的装置包括共轭、衍射或纳米结构曲面镜。

如上所述的特征和功能中的任何一个或全部可以彼此组合，除了上面可能另外陈述的程度或者任何这样的实施例由于它们的功能或结构而不兼容的程度，这对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。除非与物理可能性相反，可以设想(i)本文描述的方法/步骤可以任何顺序和/或任何组合来执行，并且(ii)各个实施例的部件可以任何方式组合。

尽管已经用特定于结构特征和/或动作的语言描述了主题，但应当理解，所附权利要求中定义的主题不一定限于上述特定特征或动作。相反，上面描述的特定特征和动作被公开为实现权利要求的示例，并且其他等同特征和动作旨在落入权利要求的范围内。

Claims (30)

1.一种显示***，包括：

显示器，其布置成发射或透射共同形成第一图像的光线；以及

光学子***，其光学联接到显示器，并且布置成将来自显示器的光线配置成单个连续的光场，该光场基于第一图像形成虚拟图像并且当人类观看者正在观看虚拟图像时同时包围人类观看者的双眼，使得对于人类观看者来说显示器的表观尺寸是显示器的实际尺寸的至少两倍，同时显示器和光学子***定位成距离人类观看者的眼睛至少10cm。

2.如权利要求1所述的显示***，该显示***具有用于人类观看者的预期观看点，其距离所述显示器至少10cm且距离所述显示器不超过60cm。

3.如权利要求1所述的显示***，其布置成提供至少45度对角的视场。

4.如权利要求1所述的显示***，其布置成使得所述虚拟图像距离人类观看者的单目深度大于所述显示器距离人类观看者的实际深度。

5.如权利要求4所述的显示***，其布置成使得所述虚拟图像距离人类观看者的单目深度是所述显示器距离人类观看者的实际深度的至少五(5)倍。

6.如权利要求1所述的显示***，其布置成使得所述光场在人类观看者的视觉参照系中水平跨越至少20cm的连续空间区域中形成所述图像，并且人类观看者的每只眼睛可以检测所述显示器在所述连续空间区域内的任何地方的单目深度。

7.如权利要求1所述的显示***，其中，所述光学子***包括曲面镜，以产生所述光场作为同心光场。

8.如权利要求1所述的显示***，其中，所述光学子***包括共轭、衍射或纳米结构镜。

9.如权利要求1所述的显示***，其中，所述光学子***包括：

预备光学器件，其布置成调节所述虚拟图像的大小或深度；以及

中继光学器件，其布置成接收来自预备光学器件的光线，并将光线中继到所述显示***的出射光瞳。

10.如权利要求9所述的显示***，其中，所述预备光学器件包括以小于100度的通过角执行定向光学传输的层。

11.如权利要求9所述的显示***，其中，所述预备光学器件包括场演变(FE)腔，通过所述场演变腔来调制光线束的轨迹以修改所述虚拟图像的焦平面。

12.如权利要求11所述的显示***，其中，所述FE腔布置成将所述显示器的不同部分设置到不同深度。

13.如权利要求9所述的显示***，其中，所述预备光学器件包括小透镜阵列。

14.如权利要求1所述的显示***，还包括可调节臂，其中，所述显示器和光学子***容纳在显示部分内，并且显示部分从可调节臂的一端悬挂。

15.如权利要求14所述的显示***，其中，所述可调节臂包括能够调节可调节臂的多个构件。

16.如权利要求1所述的显示***，还包括：

传感器模块，用于获取所述显示***的位置或定向信息；以及

处理器，用于基于所述显示***的位置或定向信息修改所述图像。

17.如权利要求1所述的显示***，还包括显示部分，该显示部分包括所述显示器和光学子***；

其中，所述显示器是平坦的，并且布置在显示***的视场的附近和外部，以将光线发射或透射到视场中；并且

其中，所述光学子***包括：

曲面镜，其形成或设置在所述显示部分的内部后表面上；以及

分束器，其相对于显示器的输出表面以锐角设置在视场内，该分束器布置成将来自显示器的光线朝向曲面镜反射，使得曲面镜将光线反射回分束器，分束器然后将曲面镜反射的光线朝向显示***的出射光瞳透射通过。

18.如权利要求1所述的显示***，其中，所述显示器是弯曲的且定位成当人类观看者正在观看显示器时处于人类观看者的视线中；并且

其中，所述光学子***包括：

一对弯曲四分之一波片，其设置成比显示器更靠近人类观看者的预期观看位置，弯曲四分之一波片中的至少一个邻近显示器，以及

弯曲半反射镜，其设置在人类观看者的预期视线中的四分之一波片之间。

19.如权利要求18所述的显示***，其中，所述光学子***还包括：

弯曲液晶板，其设置在最接近人类观看者的预期观看位置的四分之一波片之一的表面上；以及

弯曲偏振元件，其设置在液晶板的表面上。

20.如权利要求1所述的显示***，还包括：

可调节臂，其包括多个构件以允许调节可调节臂的位置；以及

显示部分，其包括所述显示器和光学子***，联接到可调节臂并且从可调节臂悬挂，使得显示部分的位置和定向是可调节的。

21.如权利要求1所述的显示***，还包括基座，所述显示部分联接到或者可以联接到基座，基座设计成能够将基座可移除地附接到家具。

22.如权利要求1所述的显示***，还包括基座，所述显示部分联接到或者可以联接到基座，基座设计成可移除地附接到人类观看者的躯干。

23.一种显示***，包括：

显示器，其布置成基于来自内容引擎的图像内容发射或透射共同形成第一图像的光线；以及

光学联接到显示器的光学子***，其包括曲面镜和光学联接到曲面镜的无源定向光学元件，光学子***布置成将来自显示器的光线配置成单个连续的同心光场，该光场基于第一图像形成虚拟图像并且能够由人类观看者的每只眼睛同时检测单目深度，光场使得显示***具有用于人类观看者的所设计的观看点，其距离显示器至少10cm并且距离显示器不超过60cm并且提供至少45度对角的视场，光场进一步使得当人类观看者位于所设计的观看点时，虚拟图像的单目深度大于显示器的实际深度，并且对于人类观看者来说，显示器的表观尺寸是显示器的实际尺寸的至少两倍。

24.如权利要求23所述的显示***，其中，所述光学子***包括曲面镜，以产生所述同心光场。

25.如权利要求24所述的显示***，其中，所述光学子***包括：

预备光学器件，其布置成调节所述虚拟图像的大小或深度；以及

中继光学器件，其布置成接收来自预备光学器件的光线，并将光线中继到所述显示***的出射光瞳。

26.如权利要求25所述的显示***，其中，所述预备光学器件包括场演变(FE)腔，通过所述场演变腔来调制或改变光线束的轨迹以修改所述虚拟图像的焦平面。

27.一种通过显示***显示内容的方法，该方法包括：

在显示***中获取指示第一图像的电子信号；

由显示***中的显示器产生共同形成第一图像的光线；以及

将光线配置成单个连续的光场，该光场同时包围人类观看者的双眼且基于第一图像形成虚拟图像，光场使得人类观看者的每只眼睛能够同时检测单目深度，光场使得对于人类观看者来说显示器的表观尺寸是显示器的实际尺寸的至少两倍，同时显示器定位成距离人类观看者的眼睛至少10cm。

28.如权利要求27所述的方法，其中，对于人类观看者来说，所述图像的最佳观看点距离所述显示器至少10cm并且距离所述显示器不超过60cm。

29.如权利要求27所述的方法，还包括使用场演变(FE)腔来调制光线束的轨迹，以修改所述虚拟图像的焦平面。

30.如权利要求25所述的方法，其中，处理光线包括使用共轭、衍射或纳米结构曲面镜。

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