采用成對眼鏡形式的圖像顯示設(shè)備的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及圖像顯示設(shè)備，并且更特別地，涉及采用成對眼鏡形式的可佩戴圖像顯示設(shè)備。
【背景技術(shù)】
[0002]可佩戴顯示器是一種用于虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)和3D移動顯示器的使能技術(shù)。存在很多用以將虛擬圖像傳遞到眼睛的可佩戴技術(shù)，但是它們都要求在顯示器面板與眼睛之間的中繼透鏡。
[0003]在可佩戴顯示器的設(shè)計(jì)中，想要的是具有大的視場(F0V)和大的出射光瞳大小(12-15mm)，以允許眼睛移動而不丟失圖像。在現(xiàn)有技術(shù)實(shí)施例的狀態(tài)下，在具有大的F0V(達(dá)到80°或120°)的軍用HMD的防護(hù)鏡和虛擬現(xiàn)實(shí)防護(hù)鏡中存在頭戴式顯示器的一些示例，但是光器件變得非常龐大。用以減小光器件的大小和體積的替換方法已經(jīng)利用了不同的解決方案:(i )有源瞳孔跟蹤，是一種有前景的解決方案，但是被提供以跟蹤瞳孔的光學(xué)機(jī)構(gòu)是相當(dāng)復(fù)雜的；(ii)非常規(guī)的光學(xué)中繼，用以使用光引導(dǎo)中繼、全息中繼或基板引導(dǎo)中繼來使光器件更緊湊，這是有前景的，但是仍然要求在F0V上的折衷，以實(shí)現(xiàn)薄形狀因子；(iii)要求佩戴特殊接觸鏡的顯示器。在8441731美國專利中開發(fā)了一種使用自發(fā)射透明0LED的環(huán)顧新型顯示器。觀看該顯示器要求具有高屈光度中心透鏡和偏振濾波器的特殊接觸鏡；(iv)直接放置在接觸鏡上的顯示器，其歸因于受限制的空間而將具有受限制的分辨率。更進(jìn)一步地，從單獨(dú)的發(fā)射機(jī)發(fā)射的光并不是相干的，并且歸因于來自每個發(fā)射機(jī)的衍射而不能被用于在視網(wǎng)膜上寫入圖像，除非發(fā)射機(jī)被通過透鏡耦合或者發(fā)射無衍射的高方向性光線(Jannick P.Rol land, Kevin P.Thompson, Hakan Urey, and Mason Thomas ,Chapter: 10.4.1 ^See-Through Head Worn Display (HWD) Architectures, Handbookof Visual Display Technology, 2011)。
[0004]由于眼睛不能在被放置在眼睛的前面(僅在幾厘米的距離處)的顯示器上聚焦，因此可佩戴顯示器要求光器件把來自圖像生成器的圖像中繼到眼睛。所要求的中繼光器件和透鏡大，并且歸因于各種光學(xué)設(shè)計(jì)約束而不能被小型化。盡管在微技術(shù)上有了巨大進(jìn)步，但是歸因于如下的兩個基本問題，缺少用于移動設(shè)備和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)的尤其是在3D可佩戴顯示器上的真正突破:(i)從圖像源到眼睛的中繼透鏡必須保持得大，以提供大的視場和3D感知；以及(ii)歸因于缺少深度線索，觀看舒適受到限制。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于實(shí)現(xiàn)一種圖像顯示設(shè)備，其具有大的視場，可擴(kuò)展到3D感知，并且在沒有歸因于缺少深度線索而受到限制的情況下使得觀看舒適成為可能。
[0006]在第一權(quán)利要求及其相應(yīng)的權(quán)利要求中說明的為了達(dá)到本發(fā)明的目的而實(shí)現(xiàn)的圖像顯示設(shè)備包括:至少一個空間光調(diào)制器;至少一個點(diǎn)光源，其中，所述光源被放置在所述空間光調(diào)制器的前面，以使得所述光源直接照射所述空間光調(diào)制器的前表面；以及微反射器的矩陣，其被附接在所述空間光調(diào)制器的后表面上。微反射器包括微鏡。
[0007]本發(fā)明克服了圖像顯示設(shè)備(尤其是可佩戴顯示設(shè)備)的一些基本挑戰(zhàn):
(i)消除在空間光調(diào)制器與眼睛之間的中繼光器件。使用提供無限聚焦深度的針孔顯示器原理來克服眼睛的聚焦問題。結(jié)果，通過采取在微技術(shù)上的進(jìn)步的完全的優(yōu)點(diǎn)，可佩戴顯示器的小型化將是可能的。
[0008](ii)提供所有實(shí)質(zhì)的3D深度線索，以避免感知錯誤和觀看不適。在不損失分辨率的情況下，兩只眼睛需要注視在對象的正確深度處而不是注視在顯示器面板處，由此消除調(diào)節(jié)與會聚之間的沖突。
【附圖說明】
[0009]為了達(dá)到本發(fā)明的目的而實(shí)現(xiàn)的圖像顯示設(shè)備被圖解在隨附的各圖中，其中:
圖1是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例。
[0010]圖2是用于使用透射顯示器和點(diǎn)源進(jìn)行到視網(wǎng)膜上的針孔成像的實(shí)驗(yàn)設(shè)置。
[0011]圖3是使用圖2中的設(shè)置的初步實(shí)驗(yàn)性結(jié)果。
[0012]圖4是本發(fā)明的另一實(shí)施例。
[0013]圖5是使用屏幕上的SLM和微反射器陣列的圖像顯示設(shè)備基本操作。
[0014]圖6是針對旋轉(zhuǎn)的眼球的使用屏幕上的SLM和微反射器陣列的圖像顯示設(shè)備基本操作。
[0015]圖7是為了每只眼睛實(shí)現(xiàn)超級多重觀看使用多個光源，而在瞳孔的中心處具有多個照射的觀看者的頂視圖。
[0016]圖8是具有被嵌入的微反射器、濾波器的屏幕的細(xì)節(jié)。
[0017]圖9是具有被嵌入的微反射器、濾波器和在每個反射器上的衍射光柵的屏幕的細(xì)
Τ ο
[0018]1.圖像顯示設(shè)備
2.空間光調(diào)制器
3.點(diǎn)光源 3Α.光闌 3Β.相機(jī)
4.微反射器
5.濾波器
6.框架 7.鼻托
8.瞳孔跟蹤器相機(jī)
9.接口線纜
10.出射光瞳復(fù)制器。
【具體實(shí)施方式】
[0019]本發(fā)明的圖像顯示設(shè)備(1)包括:至少一個空間光調(diào)制器(2);至少一個點(diǎn)光源
(3)，其中，點(diǎn)光源(3)和觀看者的眼睛(Α)放置在空間光調(diào)制器(SLM)(2)的前側(cè)上，以使得點(diǎn)光源(3)直接照射空間光調(diào)制器(2)的前表面，并且其特征在于:微反射器(4)的矩陣，其被附接在空間光調(diào)制器(2)的后表面上。
[0020]本發(fā)明的基礎(chǔ)是針孔相機(jī)成像原理。本發(fā)明中所公開的基于針孔的成像原理可以在沒有在SLM(2)與眼睛(A)之間使用外部中繼透鏡的情況下直接把寬視場成像產(chǎn)生到視網(wǎng)膜上。在本發(fā)明中，由點(diǎn)光源(3)創(chuàng)建的發(fā)散照射被通過微反射器(4)的矩陣轉(zhuǎn)換為會聚照射(圖1)。
[0021]雖然我們的眼睛不能聚焦在比25cm更近的對象上，但是在眼睛的前面使用針孔，人們可以容易地看見僅幾cm之外的對象。從圖像生成器到視網(wǎng)膜上的無透鏡圖像中繼構(gòu)思基于在瞳孔的200微米至1mm部分的范圍中進(jìn)行使用，與針孔相機(jī)成像原理十分相似但是針對可佩戴顯示器而被利用。
[0022]使用圖2中的實(shí)驗(yàn)設(shè)置來展現(xiàn)在相機(jī)的前面不使用針孔的針孔相機(jī)成像原理，其中，SLM(2)處于緊密接近觀看者的眼睛(A)，并且在SLM(2)與在25cm距離處聚焦以模仿放松的眼睛的成像相機(jī)(3B)之間不存在光學(xué)組件。點(diǎn)光源(3)是具有大的發(fā)射面積的LED，使用可調(diào)整的光闌(3A)而有效地減小了該大的發(fā)射面積。結(jié)果見于圖3中。圖中的第一圖像示出當(dāng)光闌(3A)完全打開時(shí)的相機(jī)(3B)圖像;SLM上的特征是不可分辨的。圖中的第二圖像示出當(dāng)光闌(3A)被部分地閉合以實(shí)現(xiàn)針孔相機(jī)效應(yīng)時(shí)在分辨率上的改進(jìn)。圖3中的第三圖像是第二圖像的變焦版本。雖然圖像是焦點(diǎn)對準(zhǔn)的，但是分辨率歸因于眼睛晶狀體的有限的聚焦能力和衍射贗像而被限制于大約ΙΟΟμπι。
[0023]歸因于從SLM到相機(jī)(或者當(dāng)利用眼睛觀測時(shí)的視網(wǎng)膜)的傳播的衍射贗像限制可實(shí)現(xiàn)的分辨率。通過計(jì)算從顯示器到視網(wǎng)膜的系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，可以顯示計(jì)算機(jī)生成的在SLM上的復(fù)數(shù)波函數(shù)，以使得衍射贗像被消除并且高分辨率圖像被形成在視網(wǎng)膜上?？梢允褂脙?nèi)核來計(jì)算SLM上的圖案，其近似被復(fù)數(shù)賦值并且快速變化的系統(tǒng)傳遞函數(shù)的逆。將使用與在計(jì)算機(jī)生成的全息(CGH)和相位重獲系統(tǒng)中使用的那些算法相似的算法(通過考慮SLM技術(shù)的限制)來設(shè)計(jì)純相位(phase only)內(nèi)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-dimens1nalholographic displays with random superresolut1n phase masks."Applied optics45.28 (2006): 7334-7341)。也可以在多個幀中實(shí)現(xiàn)內(nèi)核，并且在眼睛處的積分將去除各單獨(dú)的重構(gòu)中的噪聲。
[0024]用以預(yù)處理要被顯示的圖像的算法開發(fā)和優(yōu)化牽涉使用衍射仿真的計(jì)算研究、圖像處理以及迭代傅里葉變換算法的使用?？梢允褂镁_的復(fù)數(shù)賦值的解卷積內(nèi)核(使用系統(tǒng)傳遞函數(shù)的逆而獲得)來仿真系統(tǒng)?？梢钥紤]由SLM的動態(tài)范圍和相位/幅度顯示能力、針對不同使用者的解剖學(xué)的圖像校準(zhǔn)要求、用以激勵不同的LED組的有源瞳孔跟蹤以及實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)所施加的約束來優(yōu)化要被顯示在SLM上的圖案。
[0025]雖然我們的眼睛不能聚焦在比25cm更近的對象上，但是在眼睛的前面使用針孔，人們可以容易地看見僅幾cm之外的對象。從圖像生成器到視網(wǎng)膜上的無透鏡圖像中繼構(gòu)思基于:使用瞳孔的〈1mm部分，與針孔相機(jī)成像原理非常相似。雖然圖像是焦點(diǎn)對準(zhǔn)的，但是分辨率歸因于衍射贗像而被限制于大約ΙΟΟμπι。為了改進(jìn)視網(wǎng)膜圖像質(zhì)量，可以使用復(fù)數(shù)函數(shù)。這樣的復(fù)數(shù)相位和幅度函數(shù)可以被表示為處于高幀速率的SLM(2)上的一個或一系列圖像，以使得所得到的積分圖像被觀看者的眼睛(A)感知。
[0026]以相似的方式，借助于圖1中的微反射器(4)的矩陣，來自源的光被引導(dǎo)到觀看者的瞳孔的方向上，并且圖像的細(xì)節(jié)變?yōu)榭煞直娴?。來自點(diǎn)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顯示。由于僅使用瞳孔的一小部分，因此圖像保持為被聚焦在不同的深度處，這確保在沒有聚焦的損失的情況下并且在沒有離軸像差的情況下的想要的大的視場。
[0027]在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，空間光調(diào)制器(2)是液晶顯示器(IXDhlXD是純相位空間光調(diào)制器(2)。
[0028]在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，半透明的微反射器(4)被使用在微反射器(4)陣列中。微反射器(4)被嵌入在具有相同折射率的兩個層之間，因此所透射的光線方向不受微反射器(4)影響。微反射器(4)的矩陣可以是自由形式的連續(xù)表面，可以由微反射器(4)的離散的1D或2D矩陣或不同類型的反射表面的組合構(gòu)成。
[0029]在本發(fā)明的實(shí)施例中，圖像顯示設(shè)備(1)包括濾波器(5)。在本發(fā)明的實(shí)施例中，濾波器僅反射與光源(3)的發(fā)射帶對應(yīng)的波長?？梢允褂脼V波器(5)(諸如基于薄金屬層的涂層、介電反射器層、偏振器和彩色濾波器)來控制微反射器(4)的透明度的量。
[0030]期望每個微反射器(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見的衍射贗像和莫里(Moirg)圖案這樣的方式來優(yōu)化間隔，一種方法是使它們?yōu)榉侵芷谛缘摹?br>[0031]在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，點(diǎn)光源(3)是LED。
[0032]在本發(fā)明的實(shí)施例中，點(diǎn)光源(3)是邊沿發(fā)射LED。<