全圖像掃描鏡顯示系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明揭示一種光學(xué)設(shè)備，其包含圖像源、掃描鏡、致動(dòng)器及掃描控制器。所述圖像源通過(guò)同時(shí)投影表示圖像的全部部分的圖像像素的二維陣列來(lái)輸出所述圖像。所述掃描鏡定位在所述圖像的光學(xué)路徑中以反射所述圖像。所述致動(dòng)器耦合到所述掃描鏡以圍繞至少一個(gè)軸選擇性地調(diào)整所述掃描鏡。所述掃描控制器耦合到所述致動(dòng)器以控制所述掃描鏡的圍繞所述至少一個(gè)軸的位置。所述掃描控制器包含用于連續(xù)且重復(fù)地調(diào)整所述掃描鏡的所述位置以致使在大于所述圖像的所述全部部分的眼睛框區(qū)域上掃描所述圖像的邏輯。
【專(zhuān)利說(shuō)明】全圖像掃描鏡顯示系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明大體上涉及光學(xué)領(lǐng)域，且更特定來(lái)說(shuō)但不排他地，涉及近眼式光學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]頭戴式顯示器(“HMD”)為在頭部上或圍繞頭部佩戴的顯示裝置。HMD通常并入有某種類(lèi)別的近眼式光學(xué)系統(tǒng)以在距人眼的若干厘米距離之內(nèi)顯示圖像。單眼顯示器稱(chēng)為單眼式HMD而雙眼顯示器稱(chēng)為雙眼式HMD。一些HMD僅顯示計(jì)算機(jī)產(chǎn)生圖像(“CGI”)，而其它類(lèi)型的HMD能夠在現(xiàn)實(shí)世界景物上疊加CGI。這后一種類(lèi)型的HMD通常稱(chēng)為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，這是因?yàn)橛^(guān)看者看到的世界圖像被重疊的CGI增強(qiáng)(它也稱(chēng)為抬頭顯示器(“HUD”))。
[0003]HMD具有許多實(shí)用應(yīng)用及休閑應(yīng)用。航空航天應(yīng)用允許飛行員在不使其視線(xiàn)離開(kāi)飛行路徑的情況下看見(jiàn)極其重要的飛行控制信息。公共安全應(yīng)用包含地圖及熱成像的戰(zhàn)術(shù)顯示器。其它應(yīng)用領(lǐng)域包含視頻游戲、交通運(yùn)輸及電信。隨著技術(shù)發(fā)展，必定存在新發(fā)現(xiàn)的實(shí)用應(yīng)用及休閑應(yīng)用；然而，這些應(yīng)用中的許多歸因于用于實(shí)施現(xiàn)有HMD的常規(guī)光學(xué)系統(tǒng)的成本、大小、視界、眼睛框及效率而受到限制。

【發(fā)明內(nèi)容】
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0004]參考附圖描述本發(fā)明的非限制性且非窮舉性實(shí)施例，其中相同參考數(shù)字在所有各種視圖中指代相同部件，除非另有指定。
[0005]圖1A說(shuō)明使用輸入透鏡及兩個(gè)鏡的近眼式光學(xué)系統(tǒng)。
[0006]圖1B說(shuō)明圖像的光柵掃描，其中整個(gè)圖像被每次一個(gè)像素地投影。
[0007]圖2A為說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的投影全圖像且使用掃描鏡來(lái)擴(kuò)展可從其觀(guān)看所述圖像的眼睛框的光學(xué)系統(tǒng)的框圖。
[0008]圖2B說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的全圖像，其中同時(shí)投影表示所述圖像的全部部分的圖像像素的二維陣列。
[0009]圖3A說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于擴(kuò)展眼睛框區(qū)域的水平全圖像掃描的技術(shù)。
[0010]圖3B說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于擴(kuò)展眼睛框區(qū)域的二維全圖像掃描的技術(shù)。
[0011]圖4A為說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的投影全圖像且使用安置在掃描鏡上的衍射光柵來(lái)擴(kuò)展眼睛框的光學(xué)系統(tǒng)的框圖。
[0012]圖4B為說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的投影全圖像且包含定位在所述圖像源與所述掃描鏡之間的光學(xué)路徑中的中間鏡的光學(xué)系統(tǒng)的框圖。
[0013]圖5為說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的投影全圖像且使用結(jié)合掃描鏡的實(shí)時(shí)眼睛跟蹤來(lái)擴(kuò)展眼睛框的光學(xué)系統(tǒng)的框圖。[0014]圖6為說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于控制包含眼睛跟蹤及全圖像掃描的光學(xué)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)的功能框圖。
[0015]圖7為說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于使用全圖像掃描及眼睛跟蹤產(chǎn)生近眼式顯示的過(guò)程的流程圖。
[0016]圖8為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的使用一對(duì)全圖像掃描顯示裝置的頭戴式顯示器的俯視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]本文描述用于使用全圖像掃描擴(kuò)展圖像顯示設(shè)備的眼睛框的系統(tǒng)及技術(shù)的實(shí)施例。在以下描述中，闡述許多特定細(xì)節(jié)以提供對(duì)實(shí)施例的透徹理解。然而，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，本文中描述的技術(shù)可在沒(méi)有所述特定細(xì)節(jié)中的一者或一者以上的情況下實(shí)踐或可以其它方法、組件、材料等等實(shí)踐。在其它例子中，未展示或詳細(xì)描述眾所周知的結(jié)構(gòu)、材料或操作以避免模糊某些方面。
[0018]貫穿本說(shuō)明書(shū)的對(duì)“一個(gè)實(shí)施例”或“一實(shí)施例”的參考意味著結(jié)合所述實(shí)施例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特性包含在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。因此，在貫穿本說(shuō)明書(shū)的各種地方出現(xiàn)短語(yǔ)“在一個(gè)實(shí)施例中”或“在一實(shí)施例中”不一定都指代同一實(shí)施例。此外，特定特征、結(jié)構(gòu)或特性可在一個(gè)或一個(gè)以上實(shí)施例中以任何合適方式組合。
[0019]圖1A說(shuō)明使用一輸入透鏡及兩個(gè)鏡的近眼式光學(xué)系統(tǒng)100。圖像源105輸出由兩個(gè)鏡110及115反射的圖像，兩個(gè)鏡110及115在眼睛120附近形成圖像。圖像源105通常安裝在頭部上方或安裝到頭部側(cè)面，而鏡110及115使觀(guān)看者的臉部前方附近的圖像朝向觀(guān)看者的眼睛120彎曲。因?yàn)槿搜弁ǔ２荒軌蚓劢乖诜胖迷谌舾衫迕追秶鷥?nèi)的物體上，所以此系統(tǒng)使用插入在第一鏡110與圖像源105之間的透鏡125。通過(guò)將圖像源105定位在透鏡125的焦點(diǎn)f內(nèi)，透鏡125產(chǎn)生與鏡115的實(shí)際位置相比從眼睛更遠(yuǎn)地向后移位的虛像。光學(xué)系統(tǒng)100受制于由鏡110及115的范圍及透鏡125的笨重性限制的相對(duì)小的視場(chǎng)(例如，約20度)。所述視場(chǎng)可通過(guò)將鏡110及115放置在高折射率材料中以壓縮入射角來(lái)稍微地改善，但仍是非常有限的，且波導(dǎo)的厚度迅速增加以實(shí)現(xiàn)較大視場(chǎng)。光學(xué)系統(tǒng)100還受制于相對(duì)小的眼睛框130。眼睛框?yàn)檠劬?20可從其觀(guān)看圖像的區(qū)域。如果眼睛120移動(dòng)到眼睛框130之外，那么圖像消失。過(guò)小的眼睛框可使用戶(hù)體驗(yàn)顯著降級(jí)，這是因?yàn)楣鈱W(xué)設(shè)備在使用期間的小偏移就可致使圖像消失。
[0020]圖1B說(shuō)明圖像的光柵掃描101，其中每次一個(gè)像素地投影整個(gè)圖像。在時(shí)間tl處，圖像源105開(kāi)始通過(guò)投影圖像中的第一像素141對(duì)圖像進(jìn)行逐像素掃描(光柵掃描)。在時(shí)間t2處，投影下一個(gè)像素142。每次在一排(行)中從左向右地掃描圖像直到所有像素已被個(gè)別地投影為止，此時(shí)使用下一個(gè)幀更新圖像且逐像素掃描重新開(kāi)始。光柵掃描101將整個(gè)圖像投影到單個(gè)位置。換句話(huà)說(shuō)，將每一像素投影到單個(gè)位置。此單個(gè)位置掃描連同對(duì)光學(xué)系統(tǒng)100的物理約束趨向于產(chǎn)生相對(duì)小的眼睛框130。
[0021]圖2A為說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的投影全圖像201 (見(jiàn)圖2B)且使用掃描鏡來(lái)擴(kuò)展可從其觀(guān)看圖像的眼睛框的光學(xué)系統(tǒng)200的框圖。所說(shuō)明的光學(xué)系統(tǒng)200的實(shí)施例包含圖像源205、透鏡210、掃描鏡215、致動(dòng)器220、掃描控制器225及屈光光學(xué)裝置230。
[0022]在操作期間，光源205通過(guò)同時(shí)投影表示圖像的全部部分的圖像像素235的二維陣列中的每一像素來(lái)產(chǎn)生全圖像201。雖然圖2B將全圖像201說(shuō)明為4 X 3像素矩陣，但應(yīng)了解，實(shí)際上全圖像201可包含顯著更大的像素陣列(例如，320x240、640x480、1280x720、1280x1080等等)。與圖1B中說(shuō)明的光柵掃描101形成對(duì)比，同時(shí)投影全圖像201內(nèi)的所
有像素。
[0023]將全圖像201投影到掃描鏡215上，掃描鏡215朝向屈光光學(xué)裝置230反射全圖像201 (或?qū)⑷珗D像201反射到屈光光學(xué)裝置230中)，屈光光學(xué)裝置230將全圖像201遞送到眼睛120。以物理方式將掃描鏡215安裝到致動(dòng)器220，致動(dòng)器220由掃描控制器225控制。在掃描控制器225的控制下，可經(jīng)由對(duì)掃描鏡215的位置的物理調(diào)整而跨越眼睛120掃描全圖像201?？缭蕉鄠€(gè)不同位置重復(fù)地掃描全圖像201產(chǎn)生比全圖像201自身更大的眼睛框區(qū)域240。相對(duì)于圖1B中說(shuō)明的光柵掃描技術(shù)，這具有增大眼睛框區(qū)域240的作用。增大的眼睛框區(qū)域240放松了眼睛屈光光學(xué)裝置230與用戶(hù)的眼睛120之間的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)約束，從而促成用戶(hù)體驗(yàn)的總體改善。
[0024]可使用可沿著一個(gè)、兩個(gè)或甚至三個(gè)維度操縱掃描鏡215的位置的各種不同機(jī)電裝置來(lái)實(shí)施致動(dòng)器220。舉例來(lái)說(shuō)，在一個(gè)實(shí)施例中，致動(dòng)器220為微機(jī)電系統(tǒng)(“MEMS”)掃描儀且掃描鏡215為安置在MEMS掃描儀上的反射表面(例如，金屬涂層)。在一個(gè)實(shí)施例中，可在兩個(gè)獨(dú)立軸上重新定位MEMS掃描儀。舉例來(lái)說(shuō)，MEMS掃描儀可能夠在兩個(gè)平移軸(例如，X及Y軸、X及Z軸等等)上進(jìn)行受控移動(dòng)，能夠圍繞兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸(例如，R1及R2)進(jìn)行受控移動(dòng)，或能夠在平移軸及旋轉(zhuǎn)軸兩者上一起進(jìn)行受控移動(dòng)。在掃描控制器225的控制下經(jīng)由致動(dòng)器220對(duì)掃描鏡215的位置調(diào)整使得能夠沿著多個(gè)光學(xué)路徑(例如，光學(xué)路徑250及255)重新導(dǎo)向從圖像源205輸出的全圖像201。通過(guò)相繼地且重復(fù)地循環(huán)通過(guò)不同的光學(xué)路徑(例如，每秒鐘循環(huán)通過(guò)光學(xué)路徑集合30或60次)，擴(kuò)大了眼睛框區(qū)域240，這是因?yàn)榭蓮母蟮奈恢梅秶^(guān)看全圖像201。
[0025]圖3A及3B說(shuō)明可使用光學(xué)系統(tǒng)200實(shí)現(xiàn)的兩種全圖像掃描技術(shù)。圖3A說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于水平地?cái)U(kuò)展眼睛框的一維水平掃描的技術(shù)。掃描控制器225可包含用于以使得全圖像201在眼睛120前方沿著水平路徑相繼且重復(fù)地移動(dòng)的方式來(lái)操縱掃描鏡215的邏輯。此水平掃描產(chǎn)生眼睛框區(qū)域305，眼睛框區(qū)域305是水平擴(kuò)展或放大的但在垂直方向上保持不變。換句話(huà)說(shuō)，水平全圖像掃描增大了眼睛120可從其觀(guān)看全圖像201的側(cè)向范圍。在一個(gè)實(shí)施例中，眼睛框區(qū)域305具有為未應(yīng)用全圖像掃描情況下的全圖像201的水平寬度的兩倍的水平寬度。雖然圖3A僅說(shuō)明時(shí)間tl、t2及t3處的全圖像201的三個(gè)構(gòu)成位置(且因此對(duì)應(yīng)地說(shuō)明掃描鏡215的三個(gè)位置)，但應(yīng)了解，實(shí)際上每一掃描循環(huán)可包含更大數(shù)目的中間位置。舉例來(lái)說(shuō)，在一個(gè)實(shí)施例中，全圖像201的每一連續(xù)重新定位可以等于像素間距的增量平移全圖像201直到到達(dá)末端位置(說(shuō)明為最右邊的位置)且接著重設(shè)回到初始位置(說(shuō)明為最左邊的位置)。在一個(gè)實(shí)施例中，掃描增量等于全圖像201的像素間距且掃描位置的數(shù)目等于全圖像201的一行中的像素的數(shù)目。當(dāng)然，可使用其它掃描增量及其它數(shù)目的掃描位置。
[0026]圖3B說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于水平且垂直地?cái)U(kuò)展眼睛框區(qū)域310的二維掃描技術(shù)。掃描控制器225可包含用于以使得全圖像201在眼睛120前方沿著水平且垂直地變化的路徑相繼且重復(fù)地移動(dòng)的方式來(lái)操縱掃描鏡215的邏輯。此水平且垂直掃描產(chǎn)生水平且垂直地?cái)U(kuò)展或擴(kuò)大的眼睛框區(qū)域310。換句話(huà)說(shuō)，眼睛120可從其觀(guān)看全圖像201的側(cè)向范圍及垂直范圍均被擴(kuò)展。在一個(gè)實(shí)施例中，眼睛框區(qū)域310具有為未應(yīng)用全圖像掃描的情況下的全圖像201的水平寬度的兩倍的水平寬度，且具有比未應(yīng)用全圖像掃描的情況下的全圖像201的垂直寬度大50%的垂直寬度。雖然圖3B僅說(shuō)明時(shí)間tl到t6處的全圖像201的三個(gè)構(gòu)成水平位置及兩個(gè)垂直位置(且因此對(duì)應(yīng)地說(shuō)明掃描鏡215的六個(gè)位置)，但應(yīng)了解，實(shí)際上每一掃描循環(huán)可包含更大數(shù)目的中間水平位置及垂直位置。舉例來(lái)說(shuō)，在一個(gè)實(shí)施例中，全圖像201的每一連續(xù)重新定位可以等于像素間距的增量平移全圖像201直到到達(dá)末端位置(說(shuō)明為最右邊的位置)且接著重設(shè)回到后續(xù)行上的初始列位置(說(shuō)明為最左邊的位置)。在一個(gè)實(shí)施例中，水平掃描增量等于全圖像201的水平像素間距，垂直掃描增量等于全圖像201的垂直像素間距，水平掃描位置的數(shù)目等于全圖像201的一行中的像素的數(shù)目，且垂直掃描位置的數(shù)目等于全圖像201的一列中的像素的數(shù)目的一半。當(dāng)然，可使用其它掃描增量及其它數(shù)目的掃描位置。
[0027]返回到圖2A，所說(shuō)明的光學(xué)系統(tǒng)200的實(shí)施例包含透鏡210以通過(guò)從眼睛120虛擬地向后移位全圖像201使得圖像201可被聚焦而在近眼式配置中發(fā)揮輔助作用。在一個(gè)實(shí)施例中，透鏡210可準(zhǔn)直全圖像201，從而將虛像置于無(wú)窮遠(yuǎn)處。然而，在一些配置中，可省略透鏡201。舉例來(lái)說(shuō)，在一個(gè)實(shí)施例中，圖像源205輸出經(jīng)準(zhǔn)直圖像?？梢愿鞣N光學(xué)引擎實(shí)施圖像源205，例如有機(jī)發(fā)光二極管(“0LED”)源、有源矩陣液晶顯示器(“AMIXD”)源、激光源、激光微型投影儀或其它光學(xué)引擎。
[0028]提供屈光光學(xué)裝置230使得可在眼睛120周邊的位置(例如，用戶(hù)的太陽(yáng)穴區(qū)域)處產(chǎn)生全圖像201且可將全圖像201傳送到眼睛120前方的位置以在近眼式配置中向眼睛120發(fā)射。可以各種不同的光學(xué)裝置實(shí)施屈光光學(xué)裝置230。所說(shuō)明的實(shí)施例包含定位在眼睛120前方的簡(jiǎn)單反射表面。在一個(gè)實(shí)施例中，所述反射表面可為部分透明的，使得來(lái)自外部場(chǎng)景的外部光可透過(guò)而到達(dá)眼睛120且可將全圖像201 (例如，計(jì)算機(jī)產(chǎn)生圖像)疊加在所述外部場(chǎng)景上，從而向用戶(hù)顯示增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。在其它實(shí)施例中，屈光光學(xué)裝置230可包含各種其它結(jié)構(gòu)，包含平面波導(dǎo)、光導(dǎo)管、熔接光纖束、部分反射透鏡或其它結(jié)構(gòu)。
[0029]圖4A為說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的使用全圖像掃描及衍射光柵來(lái)進(jìn)一步擴(kuò)展眼睛框區(qū)域的光學(xué)系統(tǒng)401的框圖。光學(xué)系統(tǒng)401與圖2A中說(shuō)明的光學(xué)系統(tǒng)200類(lèi)似，只是添加了安置在掃描鏡215的表面上的衍射光柵405。衍射光柵405可經(jīng)配置以充當(dāng)發(fā)散透鏡，所述發(fā)散透鏡增大從掃描鏡215反射離開(kāi)的光(全圖像401)的散度，從而增大投影到眼睛120上的全圖像401的大小且相對(duì)于眼睛框區(qū)域240而增大眼睛框區(qū)域410。在其它實(shí)施例中，不需要將衍射光柵405安置在掃描鏡215上，而可將衍射光柵405安置在定位在掃描鏡215的表面上方的板膜上。
[0030]圖4B為說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的使用全圖像掃描及衍射光柵以擴(kuò)展眼睛框區(qū)域410且包含定位在圖像源205與掃描鏡215之間的光學(xué)路徑中的中間鏡415的光學(xué)系統(tǒng)402。光學(xué)系統(tǒng)402與光學(xué)系統(tǒng)401類(lèi)似，只是添加了中間鏡415且對(duì)圖像源205進(jìn)行了新的定向。中間鏡415相對(duì)于圖像源215及掃描鏡215傾斜地定向，從而允許旋轉(zhuǎn)圖像源215，使得其不需要直接面向掃描鏡215。此經(jīng)旋轉(zhuǎn)配置在用于頭戴式顯示器中時(shí)促進(jìn)有效且緊湊的設(shè)計(jì)。舉例來(lái)說(shuō)，可將中間鏡415及圖像源215組合為單個(gè)物理單元中且安裝到用戶(hù)的太陽(yáng)穴區(qū)域附近的眼鏡耳架，而掃描鏡215及致動(dòng)器220可定位在所述耳架?chē)Ш锨巴哥R或前眼鏡框構(gòu)件的眼鏡前方角落中(例如，見(jiàn)圖8)。[0031]圖5為說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的使用結(jié)合實(shí)時(shí)眼睛跟蹤的全圖像掃描以擴(kuò)展眼睛框區(qū)域的光學(xué)系統(tǒng)500的框圖。所說(shuō)明的光學(xué)系統(tǒng)500的實(shí)施例包含圖像源205、透鏡210、掃描鏡215、致動(dòng)器220、屈光光學(xué)裝置230、衍射光柵405及注視跟蹤系統(tǒng)505。所說(shuō)明的注視跟蹤系統(tǒng)505的實(shí)施例包含注視跟蹤攝影機(jī)510及控制系統(tǒng)515。
[0032]提供注視跟蹤系統(tǒng)505以連續(xù)地監(jiān)視眼睛120的移動(dòng)，實(shí)時(shí)地確定眼睛120的注視方向(例如，瞳孔的位置)，及向致動(dòng)器220提供反饋信號(hào)。實(shí)時(shí)反饋控制可用于動(dòng)態(tài)地調(diào)整掃描鏡215的偏置位置，使得可平移全圖像401以跟蹤眼睛120的移動(dòng)。在一個(gè)實(shí)施例中，所述反饋控制還可用于調(diào)整施加到圖像201的預(yù)失真以補(bǔ)償可能歸因于掃描鏡215的位置變化而發(fā)生的任何動(dòng)態(tài)圖像失真。經(jīng)由適當(dāng)反饋控制，可以互補(bǔ)方式使得全圖像401的中央掃描位置與眼睛120 —起移動(dòng)，以進(jìn)一步增大眼睛框410的大小及/或向眼睛120顯示的圖像401的視場(chǎng)。舉例來(lái)說(shuō)，如果眼睛120向左看，那么可將圖像401偏移到左邊以跟蹤眼睛移動(dòng)且圖像401可保持處于用戶(hù)的視野中心。注視跟蹤系統(tǒng)505還可經(jīng)配置以實(shí)施其它各種功能。舉例來(lái)說(shuō)，注視跟蹤系統(tǒng)505可用于實(shí)施由眼睛運(yùn)動(dòng)控制的用戶(hù)界面，所述眼睛運(yùn)動(dòng)使得用戶(hù)能夠選擇其視野內(nèi)的物體且發(fā)布其它命令。
[0033]在一個(gè)實(shí)施例中，注視跟蹤攝影機(jī)510可經(jīng)定位以獲得眼睛120的直接圖像。在其它實(shí)施例中，注視跟蹤攝影機(jī)510可經(jīng)定位以經(jīng)由從屈光光學(xué)裝置230的反射獲得眼睛圖像。
[0034]圖6為說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于使用結(jié)合實(shí)時(shí)眼睛跟蹤的全圖像掃描的光學(xué)系統(tǒng)的控制系統(tǒng)600的功能框圖。控制系統(tǒng)600表示圖5中說(shuō)明的控制系統(tǒng)505的一個(gè)可能實(shí)施方案。所說(shuō)明的控制系統(tǒng)600的實(shí)施例包含計(jì)算機(jī)產(chǎn)生圖像(“CGI”)引擎605、注視跟蹤控制器610及掃描控制器225。由控制系統(tǒng)600提供的功能性及其個(gè)別組件可完全以硬件(例如，專(zhuān)用集成電路、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列等等)實(shí)施，完全以在通用處理器上執(zhí)行的固件/軟件實(shí)施，或以?xún)烧叩慕M合實(shí)施。
[0035]圖7為說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的控制系統(tǒng)600的操作過(guò)程700的流程圖。在過(guò)程700中過(guò)程框中的一些或所有過(guò)程框出現(xiàn)的順序不應(yīng)被視為是限制性的。而是，受益于本發(fā)明的所屬領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將理解，可以未說(shuō)明的各種順序執(zhí)行或甚至并行執(zhí)行所述過(guò)程框中的一些。
[0036]在過(guò)程框705中，注視跟蹤攝影機(jī)510捕獲眼睛120的注視圖像615?？勺鳛橹苯訄D像或從一個(gè)或一個(gè)以上反射表面的反射而獲得注視圖像615?？勺鳛閳D像的視頻流而連續(xù)獲得新注視圖像615。在過(guò)程框710中，通過(guò)注視跟蹤控制器610分析注視圖像615以確定眼睛120的當(dāng)前注視方向。可基于瞳孔在注視圖像615內(nèi)的位置來(lái)確定注視方向。在確定了實(shí)時(shí)注視方向的情況下，注視跟蹤控制器610可向掃描控制器225提供反饋控制信號(hào)以實(shí)時(shí)地調(diào)整致動(dòng)器220及掃描鏡215的偏置點(diǎn)(過(guò)程框715)。所述偏置點(diǎn)為圍繞其重復(fù)調(diào)整掃描鏡215的位置；然而，所述偏置點(diǎn)可為重復(fù)的運(yùn)動(dòng)循環(huán)中的任何位置且不需要為中心位置。在一個(gè)實(shí)施例中，注視跟蹤控制器610可進(jìn)一步向CGI引擎605提供反饋控制信號(hào)以促進(jìn)實(shí)時(shí)預(yù)失真校正，以補(bǔ)償可能由于掃描鏡215、衍射透鏡405或屈光光學(xué)裝置230發(fā)生的任何圖像失真。對(duì)掃描鏡215的實(shí)時(shí)調(diào)整可引起動(dòng)態(tài)變化的光學(xué)失真。因此，到CGI引擎605的反饋控制信號(hào)可用于賦予補(bǔ)償性的預(yù)失真。預(yù)失真可包含施加各種類(lèi)型的互補(bǔ)光學(xué)校正效果，例如梯形、桶形及枕形。[0037]在過(guò)程框720中，通過(guò)CGI引擎605產(chǎn)生CGI且將CGI作為全圖像201從圖像源205輸出。在過(guò)程框725中，掃描控制器225指示致動(dòng)器220開(kāi)始圍繞在過(guò)程框715中設(shè)定的偏置點(diǎn)跨越眼睛120重復(fù)地掃描全圖像201。在過(guò)程框730中，捕獲眼睛120的新注視圖像且將所述新圖像用于確定眼睛120是否已改變其注視。如果檢測(cè)到眼睛移動(dòng)(決定框735)，那么過(guò)程700返回到過(guò)程框710且從過(guò)程框710繼續(xù)。每一次眼睛120移動(dòng)時(shí)，便確定注視方向且基于所述注視方向選擇新偏置點(diǎn)。接著，圍繞所述偏置點(diǎn)重復(fù)地掃描全圖像。
[0038]圖8為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的使用一對(duì)近眼式光學(xué)系統(tǒng)801的頭戴式顯示器(“HMD”)800的俯視圖。每一近眼式光學(xué)系統(tǒng)801可以光學(xué)系統(tǒng)200、光學(xué)系統(tǒng)401、光學(xué)系統(tǒng)402、光學(xué)系統(tǒng)500或其各種組合實(shí)施。近眼式光學(xué)系統(tǒng)801安裝到框架組合件，所述框架組合件包含鼻梁架805、左耳架810及右耳架815。所說(shuō)明的近眼式光學(xué)系統(tǒng)801的實(shí)施例各自包含圖像源205、中間鏡415、致動(dòng)器220、掃描鏡215、衍射透鏡405、掃描控制器225及屈光光學(xué)裝置820。
[0039]在所說(shuō)明的實(shí)施例中，屈光光學(xué)裝置820包含其中嵌入有掃描鏡215及部分透明重新導(dǎo)向鏡的光導(dǎo)管或外殼。將全圖像201導(dǎo)向到安置在眼睛120前方的部分透明鏡上，在所述部分透明鏡處，全圖像201朝向眼睛120而退出。雖然所說(shuō)明的HMD800的實(shí)施例包含光導(dǎo)管以用于實(shí)施屈光光學(xué)裝置，但應(yīng)了解，實(shí)施例在此方面不受限制。而是，可使用包含自由空間空氣及重新導(dǎo)向鏡的各種不同屈光光學(xué)裝置。此外，雖然圖8說(shuō)明雙眼實(shí)施例，但HMD800也可實(shí)施為單眼實(shí)施例。
[0040]兩個(gè)近眼式光學(xué)系統(tǒng)801緊固到可佩戴在用戶(hù)的頭部上的眼鏡布置中。左耳架810及右耳架815擱在用戶(hù)的耳朵上，而鼻子組合件805擱在用戶(hù)的鼻子上。所述框架組合件經(jīng)成形且設(shè)定大小以在用戶(hù)的對(duì)應(yīng)眼睛120前方定位屈光光學(xué)裝置820的發(fā)射表面。當(dāng)然，可使用其它框架組合件(例如，用于雙眼的單個(gè)、連體防護(hù)眼鏡、集成式頭帶或護(hù)目鏡型眼鏡等等)。
[0041]所說(shuō)明的HMD800的實(shí)施例能夠向用戶(hù)顯示增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。屈光光學(xué)裝置820允許用戶(hù)經(jīng)由外部場(chǎng)景光825看到現(xiàn)實(shí)世界圖像?？赏ㄟ^(guò)耦合到相應(yīng)光源205的一個(gè)或兩個(gè)CGI引擎(未說(shuō)明)產(chǎn)生左邊及右邊(雙眼實(shí)施例)CGI830。CGI830作為疊加在現(xiàn)實(shí)世界上的虛像而作為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)被用戶(hù)看到。在一些實(shí)施例中，可阻斷或選擇性地阻斷外部場(chǎng)景光825以提供頭戴式虛擬現(xiàn)實(shí)顯示。
[0042]可從計(jì)算機(jī)軟件及硬件的角度來(lái)描述上文解釋的過(guò)程。所描述的技術(shù)可構(gòu)成體現(xiàn)在有形機(jī)器(例如，計(jì)算機(jī))可讀存儲(chǔ)媒體內(nèi)的機(jī)器可執(zhí)行指令，當(dāng)由機(jī)器執(zhí)行時(shí)，所述指令將致使所述機(jī)器執(zhí)行所描述的操作。此外，所述過(guò)程可體現(xiàn)在硬件內(nèi)，例如專(zhuān)用集成電路(“ASIC”)或類(lèi)似物。
[0043]有形機(jī)器可讀存儲(chǔ)媒體包含以機(jī)器(例如，計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)裝置、個(gè)人數(shù)字助理、制造工具、具有一組一個(gè)或一個(gè)以上處理器的任何裝置等等)可存取形式提供(即，存儲(chǔ))信息的任何機(jī)構(gòu)。舉例來(lái)說(shuō)，機(jī)器可讀存儲(chǔ)媒體包含可記錄/不可記錄媒體(例如，只讀存儲(chǔ)器(ROM)、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM)、磁盤(pán)存儲(chǔ)媒體、光學(xué)存儲(chǔ)媒體、快閃存儲(chǔ)器裝置等等)。
[0044]對(duì)本發(fā)明的所說(shuō)明的實(shí)施例的以上描述(包含在說(shuō)明書(shū)摘要中描述的內(nèi)容)不希望為窮舉性的或?qū)⒈景l(fā)明限于所揭示的精確形式。如所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，雖然出于說(shuō)明目的描述了本發(fā)明的特定實(shí)施例及本發(fā)明的實(shí)例，但在本發(fā)明的范圍內(nèi)可能進(jìn)行各種修改。
[0045]根據(jù)以上詳細(xì)描述可對(duì)本發(fā)明做出這些修改。所附權(quán)利要求書(shū)中使用的術(shù)語(yǔ)不應(yīng)被解釋為將本發(fā)明限于說(shuō)明書(shū)中揭示的特定實(shí)施例。而是，本發(fā)明的范圍將完全由應(yīng)根據(jù)沿用已久的權(quán)利要求解釋規(guī)則來(lái)解釋的所附權(quán)利要求書(shū)確定。
【權(quán)利要求】
1.一種圖像顯示設(shè)備，其包括:圖像源，其用于通過(guò)同時(shí)投影表示圖像的全部部分的圖像像素的二維陣列來(lái)輸出所述圖像；掃描鏡，其定位在從所述圖像源輸出的所述圖像的光學(xué)路徑中以反射所述圖像；致動(dòng)器，其耦合到所述掃描鏡以圍繞至少一個(gè)軸選擇性地調(diào)整所述掃描鏡；及掃描控制器，其耦合到所述致動(dòng)器以控制所述掃描鏡的圍繞所述至少一個(gè)軸的位置，其中所述掃描控制器包含用于重復(fù)地調(diào)整所述掃描鏡的所述位置以致使在大于所述圖像的所述全部部分的眼睛框區(qū)域上掃描所述圖像的邏輯。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像顯示設(shè)備，其中所述掃描控制器的所述邏輯耦合到所述致動(dòng)器以水平地掃描所述圖像的所述全部部分，以擴(kuò)大可從其觀(guān)看所述圖像的所述眼睛框區(qū)域的水平尺寸。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的圖像顯示設(shè)備，其中所述致動(dòng)器經(jīng)耦合以圍繞兩個(gè)軸選擇性地調(diào)整所述掃描鏡，其中所述掃描控制器的所述邏輯進(jìn)一步耦合到所述致動(dòng)器以水平且垂直地掃描所述圖像的所述全部部分，以擴(kuò)大可從其觀(guān)看所述圖像的所述眼睛框區(qū)域的所述水平尺寸及垂直尺寸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像顯示設(shè)備，其中所述致動(dòng)器包括微機(jī)電系統(tǒng)“MEMS”掃描儀且所述掃描鏡包括 安置在所述MEMS掃描儀上的反射表面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的圖像顯示設(shè)備，其進(jìn)一步包括:衍射透鏡，其安置在所述MEMS掃描儀上的所述反射表面上，所述衍射透鏡經(jīng)配置以增大所述圖像的光線(xiàn)的散度以展開(kāi)所述圖像。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的圖像顯示設(shè)備，其中所述光學(xué)設(shè)備包括頭戴式顯示器，所述頭戴式顯示器在由用戶(hù)佩戴時(shí)在所述用戶(hù)的眼睛的周邊位置中定位所述圖像源及所述掃描鏡，所述光學(xué)設(shè)備進(jìn)一步包括:屈光光學(xué)裝置，其定位在所述掃描鏡與所述用戶(hù)的所述眼睛之間的所述光學(xué)路徑中以將所述圖像傳送到所述眼睛的前方。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的圖像顯示設(shè)備，其進(jìn)一步包括:中間鏡，其定位在所述圖像源與所述掃描鏡之間的所述光學(xué)路徑中且相對(duì)于所述圖像源的發(fā)射孔傾斜地定向以將從所述圖像源投影的所述圖像重新導(dǎo)向到所述掃描鏡上，其中所述圖像源及所述中間鏡定位在所述頭戴式顯示器的太陽(yáng)穴區(qū)域中，而所述掃描鏡及致動(dòng)器定位在所述頭戴式顯示器的眼鏡前向角落處。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的圖像顯示設(shè)備，其進(jìn)一步包括:注視跟蹤攝影機(jī)，其經(jīng)光學(xué)地對(duì)準(zhǔn)以在所述用戶(hù)佩戴所述光學(xué)設(shè)備時(shí)捕獲所述眼睛的實(shí)時(shí)眼睛圖像 '及注視跟蹤控制器，其經(jīng)耦合以從所述注視跟蹤攝影機(jī)接收所述眼睛圖像，經(jīng)耦合以分析所述眼睛圖像以確定注視方向，且耦合到所述掃描控制器以向所述掃描控制器提供反饋控制信號(hào)，以基于所述眼睛的所述注視方向動(dòng)態(tài)地調(diào)整所述致動(dòng)器的偏置位置。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的圖像顯示設(shè)備，其中基于根據(jù)所述眼睛的所述注視方向確定的所述偏置位置來(lái)選擇在其內(nèi)掃描所述圖像的所述眼睛框的位置。
10.一種用于向用戶(hù)顯示圖像的頭戴式顯示器“HMD”，所述頭戴式顯示器包括:近眼式光學(xué)系統(tǒng)，其包含:圖像源，其用于通過(guò)同時(shí)投影表示所述圖像的全部部分的圖像像素的二維陣列來(lái)輸出所述圖像；掃描鏡，其定位在從所述圖像源輸出的所述圖像的光學(xué)路徑中以反射所述圖像；致動(dòng)器，其耦合到所述掃描鏡以圍繞至少一個(gè)軸選擇性地調(diào)整所述掃描鏡；及掃描控制器，其耦合到所述致動(dòng)器以控制所述掃描鏡的圍繞所述至少一個(gè)軸的位置，其中所述掃描控制器包含用于連續(xù)且重復(fù)地調(diào)整所述掃描鏡的所述位置以致使在大于所述圖像的所述全部部分的眼睛框區(qū)域上掃描所述圖像的邏輯；及框架組合件，其用于支撐所述近眼式光學(xué)系統(tǒng)以用于在所述用戶(hù)的頭部上佩戴。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的HMD，其中所述致動(dòng)器包括微機(jī)電系統(tǒng)“MEMS”掃描儀且所述掃描鏡包括安置在所述MEMS掃描儀上的反射表面。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的HMD，其中所述近眼式光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)一步包括:衍射透鏡，其安置在所述MEMS掃描儀上的所述反射表面上，所述衍射透鏡經(jīng)配置以增大所述圖像的光線(xiàn)的散度以展開(kāi)所述圖像。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的HMD，其中所述框架組合件在所述用戶(hù)的眼睛的周邊位置中安裝所述圖像源及所述掃描鏡，所述HMD進(jìn)一步包括:屈光光學(xué)裝置，其定位在所述掃描鏡與所述用戶(hù)的所述眼睛之間的所述光學(xué)路徑中以將所述圖像傳送到所述眼睛的前方。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光學(xué)設(shè)備，其中所述近眼式光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)一步包括: 中間鏡，其定位在所述圖像源與所述掃描鏡之間的所述光學(xué)路徑中且相對(duì)于所述圖像源的發(fā)射孔傾斜地定向，以將從所述圖像源投影的所述圖像重新導(dǎo)向到所述掃描鏡上，其中所述圖像源及所述中間鏡在所述HMD的太陽(yáng)穴區(qū)域中安裝到所述框架組合件，而所述掃描鏡及致動(dòng)器安裝在所述HMD的眼鏡前向角落處。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的HMD，其進(jìn)一步包括:注視跟蹤攝影機(jī)，其經(jīng)光學(xué)地對(duì)準(zhǔn)以在所述用戶(hù)佩戴所述HMD時(shí)捕獲所述眼睛的實(shí)時(shí)眼睛圖像；及注視跟蹤控制器，其經(jīng)耦合以從所述注視跟蹤攝影機(jī)接收所述眼睛圖像，經(jīng)耦合以分析所述眼睛圖像以確定注視方向，且耦合到所述掃描控制器以向所述掃描控制器提供反饋控制信號(hào)，以基于所述眼睛的所述注視方向動(dòng)態(tài)地調(diào)整所述致動(dòng)器的偏置位置。
16.一種用頭戴式顯示器顯示圖像的方法，所述方法包括:同時(shí)投影表示來(lái)自圖像源的所述圖像的全部部分的圖像像素的二維陣列，所述圖像源定位在用戶(hù)的眼睛的周邊位置處；用光光學(xué)設(shè)備將所述圖像從所述周邊位置傳送到所述眼睛的前方；用定位在所述圖像的光學(xué)路徑內(nèi)的鏡同時(shí)反射所述圖像的所述全部部分；重復(fù)地致動(dòng)所述鏡以沿著不同光學(xué)路徑重新導(dǎo)向所述圖像；及因?yàn)橹聞?dòng)所述鏡而在大于所述圖像的所述全部部分的眼睛框區(qū)域上掃描所述圖像的全部部分。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中在所述眼睛框區(qū)域上掃描所述圖像的所述全部部分包括跨越所述用戶(hù)的所述眼睛水平地掃描所述圖像的所述全部部分以擴(kuò)大所述眼睛框區(qū)域的水平尺寸。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中在所述眼睛框區(qū)域上掃描所述圖像的所述全部部分包括跨越所述用戶(hù)的所述眼睛水平且垂直地掃描所述圖像的所述全部部分以擴(kuò)大所述眼睛框區(qū)域的所述水平尺寸及垂直尺寸，其中在至少兩個(gè)維度中致動(dòng)所述鏡。
19.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其進(jìn)一步包括:衍射所述圖像以增大所述圖像的散度且增大可從其觀(guān)看所述圖像的所述眼睛框區(qū)域，其中通過(guò)安置在所述鏡的表面上的衍射光柵執(zhí)行所述衍射。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其進(jìn)一步包括:在向所述眼睛顯示所述圖像的同時(shí)捕獲所述用戶(hù)眼睛的注視圖像；在向所述眼睛顯示所述圖像的同時(shí)分析所述注視圖像以實(shí)時(shí)地確定注視方向；及響應(yīng)于所述確定的注視方向調(diào)整 所述重復(fù)致動(dòng)借以振蕩的所述鏡的偏置位置以借助所述圖像來(lái)跟蹤眼睛移動(dòng)。
【文檔編號(hào)】G02B27/02GK103649816SQ201280034285
【公開(kāi)日】2014年3月19日 申請(qǐng)日期:2012年6月6日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月12日
【發(fā)明者】伊赫桑·賽義迪, 繆瀟宇, 巴巴克·阿米爾帕爾維茲 申請(qǐng)人:谷歌公司