具有正确的单目深度线索的近眼顺序光场投影仪制造技术

技术编号:21958891 阅读:27 留言:0更新日期:2019-08-24 22:12
一种用于将近眼投影的图像投影到用户眼睛的光场投影仪,包括:光源(28),其包括被配置用于顺序地发射多个入射光场(38、40)的多个照明点光(34、36);空间光调制器(30),其被配置用于提供源图像序列;所述空间光调制器(30)此外被配置用于根据源图像来调制入射光场(38、40)中的每一个,诸如用于顺序地投影多个针孔孔径光场(16、18),每个针孔孔径光场(16、18)承载来自源图像的光场分量;其中每个顺序投影的针孔孔径光场(16、18)形成交叉虚拟针孔(20、22),可以通过所述交叉虚拟针孔看到来自源图像的分量,每个虚拟针孔(20、22)具有通过照明点光(34、36)的大小被确定的孔径光阑并且相对于彼此在空间上移位,所述近眼投影的图像通过所述多个虚拟针孔(20、22)被看到。

Near-Eye Sequential Light Field Projector with Correct Monocular Depth Clues

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有正确的单目深度线索的近眼顺序光场投影仪
本专利技术涉及一种用于将虚像投影到用户的眼睛、已经优化了单目深度线索(cue)的光场投影仪。本专利技术此外涉及一种包括所述光场投影仪的增强现实设备。
技术介绍
常规的三维(3D)显示器和投影仪主要通过双目线索来提供所投影的图像中的深度的幻象,并且在具有运动追踪能力的头戴式显示器和近眼投影仪的情况中,还有运动线索。典型地也存在另一次要深度线索。立体3D显示器和投影仪向观看者的每只眼睛递送图像,所述图像对应于如从每只眼睛的不同视点所见到的3D场景的图像,并且如果可能的话,根据观看者头部的运动来改变图像以便在人工生成的3D场景中模仿他改变的视点。在常规3D显示器和投影仪中,双目和运动深度线索通常与单目深度线索冲突,所述单目深度线索诸如眼睛适应以及由于有限的场深度而相关联的图像模糊。眼睛包含可变的晶状体,所述可变的晶状体在实际世界中必须聚焦在所观察的对象的距离上,以便将其锐利的图像投影到眼睛视网膜上。另一距离中的对象失焦并且其在视网膜上的像是模糊的。然而,常规的3D显示器和投影仪使用扫描激光射束或具有几乎为零的孔径光阑的光场从平面屏幕或通过直接的视网膜投影向每只眼睛提供图像。前者需要眼睛聚焦在光学系统中的平面屏幕的光学图像的距离上。此处并且在下文中,术语“光学图像”意指如通过光学系统所见的对象的视在定位。平面屏幕上所显示的图画要么全部锐利,要么在它们中已经存在模糊,并且不能利用眼睛适应来去掉模糊。当眼睛聚焦在除了显示的光学图像的距离之外的任何其它距离上的时候,所显示的图画的视网膜图像是模糊的。视网膜投影在视网膜上创建所投影的图画的随时聚焦(always-in-focus)的图像,并且眼睛适应仅仅影响图像的大小和定位。随时聚焦的光场承载所有瑕疵、诸如光学路径中的灰尘斑点的阴影。建议用于在3D场景的人工投影的光中创建正确的单目深度线索的若干概念;包括(i)全息显示;(ii)近眼投影仪,其具有快速变焦的光学元件,诸如与显示器相组合的自由形式镜件,诸如数字微镜件设备(DMD);(iii)具有光学器件的显示器,所述光学器件主动地控制显示的光学图像的距离,并且根据所测量的或所估计的眼睛焦距来在所显示的图画中产生对应的模糊;(iv)显示器,其通过微透镜阵列或点光阵列背光来在空间上复用所显示的图画。概念中的每一个具有某些优点和缺点。全息显示在理论上能够提供人工3D场景的全正确的光场,但是它们经受衍射和有色伪像,需要大量输入数据、相干光源、以及对光的高分辨率相位和幅度调制。快速变焦透镜和自由形式镜件是微妙的组件,其不是大量生产的,并且其光学性质遭受光学瑕疵影响。具有屏幕的光学图像的主动受控的距离和所显示的图画中的人工模糊的投影仪需要测量和估计眼睛的焦距,以及投影仪光学器件和数字模糊的随后适配。该概念经受通过单独的眼睛之间的差异被复杂化的测量误差,并且它实际上不提供正确的光场,它仅仅模仿光场的效应。通过微透镜阵列或点光背光与透明的空间光调制器、利用图像的空间复用的概念来实现商业上有吸引力的图像分辨率需要特殊的小节距高分辨率显示,因为人工场景的每个图像点在相同时刻被显示多次以便使得视网膜图像中的模糊正确地取决于眼睛的焦距。其在增强现实应用中作为透视(see-through)显示器的使用被以下事实复杂化:所述事实即微透镜阵列概念包括不透明的显示器并且点光阵列概念是庞大的。利用向列液晶或有机发光二极管显示器的基于图像的时间复用的多个其它概念经受这些显示器的小刷新时间。常规显示器和投影仪不产生具有正确单目深度线索的光场。已知在开发下的光场显示器和投影仪基于特殊组件,没有令人满意的参数,或由于技术限制在不久的将来不是可做的。以下参见更多细节。
技术实现思路
本专利技术涉及数字地将经处理的信息投影到用户眼睛的电子和光学设备。更具体地,它涉及如下设备:所述设备创建可视场景的光,并且将所述光从眼睛的极邻近处投影到眼睛。所投影的光可以与从现实世界进入眼睛的自然光叠加。所投影的人造光具有这样的性质使得进行接收的眼睛可以自然地改变在所投影的可视场景中以及在现实世界中的对象的不同距离上的聚焦,并且可以观察其现实模糊和场深度。本专利技术还涉及如下设备:所述设备具有小形状因子并且可以被用作可每天佩戴的眼镜,其将上下文数字信息叠加到自然观察的现实世界中。本专利技术的目的是创建人造光场并且将所述光场递送到观看者的眼睛。更具体地,以小形状因子设备来配置光场投影,所述小形状因子设备将光场从眼睛的邻近处投影到眼睛,并且能够将所投影的光场与从现实世界进入观看者眼睛瞳孔的光混合。所公开的本专利技术是近眼光场投影仪,其向观看者提供正确的单目深度线索。投影仪通过时间复用并且顺序投影多个随时聚焦的光场分量到观看者瞳孔中而生成人造光场。由于自然的视觉等待时间,观看者感知所组成的光场,并且体验现实单目深度线索,诸如正确的眼睛适应和相关联的图像模糊。在本专利技术中所公开的近眼光场投影仪产生具有现实单目深度线索的光场,其产生观看者对现实有限场深度的感知以及在人工生成的3D场景中的正确适应。光场投影仪提供实际上无限并且几乎连续的深度范围、高图像分辨率、低图像持久性,利用可靠的当前大量生产的组件可做,并且它可以被嵌入在用于增强现实应用的、具有薄透明眼镜的系统中。投影仪将3D场景的光场提供到任何人类或动物的眼睛。光场投影仪的用户体验所投影的光场中的现实单目深度线索。投影仪适合用于递送具有正确眼睛适应的舒适度的3D虚拟和增强现实信息。附图说明借助于作为示例被给出并且通过附图所图示的实施例的描述,将更好地理解本专利技术,在所述附图中:图1a图示了根据实施例的针孔孔径(pinhole-aperture)光场的投影;图1b图示了根据实施例的另一个针孔孔径光场的投影;图1c图示了根据实施例的来自多个针孔孔径光场的宽孔径光场;图2a示出了根据实施例的针孔孔径光场的视网膜图像;图2b示出了根据实施例的另一个针孔孔径光场的视网膜图像;图2c示出了根据实施例的由两个针孔孔径光场所组成的视网膜图像;图2d示出了根据另一个实施例的由两个针孔孔径光场所组成的视网膜图像;图2e示出了根据另一个实施例的由两个针孔孔径光场所组成的视网膜图像;图3a示出了根据实施例的由九个针孔孔径光场所组成的光场的视网膜图像;图3b示出了根据另一个实施例的由九个针孔孔径光场所组成的光场的视网膜图像;图3c示出了根据另一个实施例的由九个针孔孔径光场所组成的光场的视网膜图像;图3d示出了根据实施例的由成百的针孔孔径光场所组成的光场的视网膜图像;图3e示出了根据另一个实施例的由成百的针孔孔径光场所组成的光场的视网膜图像;图3f示出了根据另一个实施例的由成百的针孔孔径光场所组成的光场的视网膜图像;图4a表示根据实施例的在照明步骤期间的光场投影仪的示意性视图;图4b表示在另一个照明步骤期间图4a的光场投影仪的示意性视图;图4c表示示出了多个照明步骤的图4a的光场投影仪的示意性视图;图5a表示根据另一个实施例的光场投影仪;图5b表示在顺序投影期间图5a的光场投影仪;图6表示根据另一个实施例的光场投影仪;图7示出了根据实施例的顺序照明步骤;图7b示出了根据实施例的四个半色调(halftone)图像分量;图8示出了根据另一个实施例本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种用于将近眼投影的图像投影到用户眼睛的光场投影仪,包括:光源(28),其包括被配置用于顺序地发射多个入射光场(38、40)的多个照明点光(34、36);空间光调制器(30),其被配置用于提供源图像序列;所述空间光调制器(30)此外被配置用于根据源图像来调制入射光场(38、40)中的每一个,诸如用于顺序地投影多个针孔孔径光场(16、18),每个针孔孔径光场(16、18)承载来自源图像的光场分量;其中每个顺序投影的针孔孔径光场(16、18)形成交叉虚拟针孔(20、22),通过所述交叉虚拟针孔能够看到来自源图像的分量,每个虚拟针孔(20、22)具有通过照明点光(34、36)的大小被确定的孔径光阑并且相对于彼此在空间上移位,所述近眼投影的图像通过所述多个虚拟针孔(20、22)被看到。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.11.15 US 62/4223731.一种用于将近眼投影的图像投影到用户眼睛的光场投影仪,包括:光源(28),其包括被配置用于顺序地发射多个入射光场(38、40)的多个照明点光(34、36);空间光调制器(30),其被配置用于提供源图像序列;所述空间光调制器(30)此外被配置用于根据源图像来调制入射光场(38、40)中的每一个,诸如用于顺序地投影多个针孔孔径光场(16、18),每个针孔孔径光场(16、18)承载来自源图像的光场分量;其中每个顺序投影的针孔孔径光场(16、18)形成交叉虚拟针孔(20、22),通过所述交叉虚拟针孔能够看到来自源图像的分量,每个虚拟针孔(20、22)具有通过照明点光(34、36)的大小被确定的孔径光阑并且相对于彼此在空间上移位,所述近眼投影的图像通过所述多个虚拟针孔(20、22)被看到。2.根据权利要求1所述的光场投影仪,其中所述多个顺序投影的针孔孔径光场(16、18)形成交叉宽孔径光场(26)。3.根据权利要求2所述的光场投影仪,其中所述宽孔径光场(26)具有如下孔径光阑,所述孔径光阑通过照明点光(34、36)的大小被确定,并且足够大使得所述多个顺序投影的针孔孔径光场(16、18)能够至少部分地进入用户的眼睛瞳孔(10)。4.根据权利要求3所述的光场投影仪,其中宽孔径光场(26)的出射瞳的直径在5mm和100mm之间。5.根据权利要求1至4中任一项所述的光场投影仪,包括光学设备(32),所述光学设备(32)被配置用于将来自光源(28)的所述多个入射光场(38、40)引导到空间光调制器(30),并且用于在空间光调制器(30)与宽孔径光场(26)之间引导针孔孔径光场(16、18)。6.根据权利要求1至4中任一项所述的光场投影仪,其中所述空间光调制器(30)包括快速反射型空间光调制器、数字微镜件设备、或硅上的铁电液晶。7.根据权利要求1至5中任一项所述的光场投影仪,包括显示控制电子电路(88),其被配置用于在空间光调制器(30)上产生源图像(110、112)的序列。8.根据权利要求1至6中任一项所述的光场投影仪,包括照明控制电子电路(90),其被配置用于提供信号来用于控制所述多个照明点光(34、36)。9.根据权利要求1至7中任一项所述的光场投影仪,其中光源(28)的所述多个照明点光(34、36)被布置在一维、二维或三维阵列中。10.根据权利要求7和8所述的光场投影仪,其中所述照明控制电子电路(90)被配置用于根据时间序列函数来照射所述多个点光(34、36)的子集。11.根据权利要求4至9中任一项所述的光场投影仪,其中所述光学设备(32)包括准直器(42),所述准直器(42)被配置用于将入射光场(38、40)变换成平面波。12.根据权利要求4至10中任一项所述的光场投影仪,其中所述光学设备(32)包括第一光学元件(44),所述第一光学元件(44)被配置用于反射具有比全反射角更大的反射角的针孔孔径光场(16、18)。13.根据权利要求4至11中任一项所述的光场投影仪,其中所述光学设备(32)此外在空间光调制器(30)与宽孔径光场(26)之间包括傅里叶滤光器(54)。14.根据权利要求4至12中任一项所述的光场投影仪,其中所述光学设备(32)此外包括凸透镜(52),所述凸透镜(52)被配置用于执行所反射的针孔孔径光场(16、18)的光学傅里叶变换。15.根据权利要求4至13中任一项所述的光场投影仪,其中所述光学设备(32)此外包括第二光学元件(46),所述第二光学元件(46)被配置用于将所反射的针孔孔径光场(16、18)集中在宽孔径光场(26)内。16.根据权利要求1至14中任一项所述的光场投影仪,其中所述源图像包括单色颤动像,其包括多个像素,亮像素的密度确定亮度。17.一种用于由用户佩戴的增强现实设备,包括根据权利要求1至16中任一项所述的光场投影仪;其中所述点光源(28)与空间光调制器(30)被布置使得当增强现实设备被佩戴的时候针孔孔径光场(16、18)沿着用户的至少一只眼睛(132)的视轴(172)被投影,诸如抵达眼睛视网膜(24)。18.根据权利要求17所述的增强现实设备,其中当由用户佩戴的时候,点光源(28)和空间光调制器(30)被布置在眼睛(132)的视场外;并且其中所述光场投影仪包括镜件(58、59),所述镜件被配置用于沿着视轴(172)反射针孔孔径光场(16、18)。19.根据权利要求18所述的增强现实设备,其中镜件(58、59)被包括在透明眼镜(64、134)的表面上,或被嵌入在透明眼镜(64、134)的内部...

【专利技术属性】
技术研发人员:T斯路卡
申请(专利权)人:见真实三维股份有限公司
类型:发明
国别省市:瑞士,CH

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