用于具有多个出射光瞳的头戴显示器的方法和设备技术

本发明专利技术描述了一种用于显示眼睛可观看的图像的方法，所述图像是由便携式头戴显示器投射的，所述方法包括以下步骤：发射多个光束(206，301)，各光束之间波长不同；将所述多个光束引导至扫描反射镜(205)；根据由所述图像提供的强度信息对所述多个光束中的每个光束进行强度调制，强度由此代表所述图像内的像素值；利用所述扫描反射镜(205)沿两个不同的轴来扫描所述多个光束，以形成所述图像；以及使用用作光束的反射器的全息光学元件(204)将所述多个光束重新引导至所述眼睛，所述重新引导由此取决于光束的波长，以在所述眼睛(210)处为每个光束创建与其它光束的出射光瞳空间分开的出射光瞳(212，304)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及头戴显示器(HWD)，具体而言，涉及提供了使用具有内置显示功能的眼镜将虚拟图像叠加到正常视觉上的可能性的系统。
技术介绍
诸如智能电话等消费移动计算装置的大规模的使用为人与电脑以及周围环境的交互提供了新的可能性。预计下一代移动装置将通过采用与当前的手持便携式显示屏不同的方式显示信息来提供信息。投影显示技术的进步正在使得近眼显示器得以实现，例如，一副能够看穿的眼镜，其具有直接显示给用户的叠加信息。透视(see through)显示器已经在国防应用当中用了几十年。例如，喷气式战斗机飞行员使用飞机中的平视显示器(HUD)和头盔式显示器(HMD)向处于他/她的视场内的飞行员提供导航信息和其它关键信息。尽管投影技术在不断进步，但是当前在视场与透视HWD的体积和重量之间仍然面临两难境地。在大多数情况下，大的视场(>30-40度)需要大体积的光学设备，这使其难以应用于很多应用。人们引入了外形因子更可接受的较小视场系统，但是对于各种各样的应用乃至日常使用而言，创建具有美观的外形因子的透视显示器的可用实施方式仍是一个难题。HWD的设计当中的一个主要困难是扩展显示器的所谓的人眼窗口(eyebox)。人眼窗口是针对佩带者眼睛的放置和移动的光学系统容限。其密切对应于光学系统的出射光瞳。HWD中的常规方法是通过各种措施扩展光学系统的出射光瞳。但是，这通常导致更大体积的光学系统。HWD常常是使用诸如LCOS和OLED面板阵列等微型显示面板来实施的，采用允许佩带者看到微型显示器的远程图像的成像光学设备的形成光瞳或不形成光瞳的布置将所述面板呈现给眼睛。另一种不太常用的方法是视网膜投影。视网膜投影使用扫描元件将图像直接光栅扫描到用户的视网膜上。视网膜投影显示器始自于1980年开发的扫描激光检眼镜(SLO)。该项技术后来被开发成了虚拟视网膜显示器，这项开发是由Tom Furness于90年代在华盛顿州大学的HIT实验室主导的(Thomas A.Furness等于1989年提交的美国专利5162828，题为“Display system for a head mounted viewing transparency”)(Thomas A.Furness等于1992年提交的美国专利5467104，题为“Virtual retinal display”)。此后提交了很多使用基于MEMS的扫描投影仪(即视网膜显示器)的HWD专利。尤其需要指出的是在90年代中晚期最早致力于虚拟视网膜显示器的商业化的华盛顿州大学和Microvision(华盛顿州大学附属机构)所拥有的专利。该项工作所涉及的劳动的主要内容是扩展系统的出射光瞳，其在其它情况下会因为低集光率(etendue)激光源的原因而很小。在专利文献中发现的流行方法是使用衍射或漫射屏幕扩展光束，之后在将光束呈现给眼睛之前对其重新准直(Joel S.Kollin等于1996年提交的美国专利5701132，题为“Virtual retinal display with expanded exit pupil”)。这一方案的缺陷在于光束扩展光学设备带来了具有与其它常规的HWD方法类似的权衡的额外的光学体积。有很多创建多个和/或可转向的小出射光瞳的方法。这些方法结合眼睛跟踪而使用用于多个人眼窗口位置的激光器阵列(M.Tidwell于1998年提交的美国专利6043799，题为“Virtual retinal display with scanner array for generating multiple exit pupils”)(M.Tidwell于2000年提交的美国专利6204829，题为“Scanned retinal display with exit pupil selected based on viewer's eye position”)。还提出了基于眼睛跟踪的具有可转向出射光瞳的系统(John R.Lewis等于1998年提交的美国专利6396461，题为“Personal display with vision tracking”)。这些系统依赖于眼睛跟踪，并且不使用对由多个出射光瞳产生的图像进行统一的方法。有几种使用全息光学元件(HOE)的HWD实施方式。Takahashi等针对使用HOE和Maxwellian观察装置的系统申请了专利(Hideya Takahashi等于2005年提交的美国专利申请11/576830，题为“Image Display Unit and Electronic Glasses”)，但是这一专利中的系统看起来并未考虑激光扫描投影仪，而是通过空间光调制器的扩展光束。此外，也没有针对复用或多个出射光瞳的讨论。使用微型显示器连同单层全息图作为合束器的概念也是已知的现有技术——例如美国专利3940204。根据所述工作的相关期刊出版物，描述了在这些系统中存在相当大的像差。这主要是因为在眼睛处需要12-15mm的大出射光瞳。这创建了更大孔隙、“更快的”光学系统，该系统将更加难以对像差进行控制。投影仪的尺寸还与光束的数值孔径以及眼睛位置上的出射光瞳的尺寸成正比。
技术实现思路
本专利技术提供了用于使用内置到护目镜中的显示器将图像显示在人的视觉上的方法和设备。在至少一个实施例中，本专利技术涉及使用几个元件创建的HWD。1)扫描投影系统，其由受到谐振微机电系统(MEMS)扫描反射镜反射的小集光率源(激光器或发光二极管(LED))构成。对于扫描反射镜的每个位置而言，可以通过光栅扫描在视网膜上形成像素。2)用作半反半透镜的体积全息光学元件(HOE)，即，对来自投影系统的光进行反射从而将光重新引导至眼睛的透明屏。半反半透镜元件执行两项主要功能。其允许来自外界的环境光通过从而向用户提供正常视觉。其还将来自投影仪的扫描光重新引导至眼睛，从而在视网膜上提供所显示的图像。在至少一个实施例中，本专利技术涉及用于将多个小出射光瞳置于眼睛上并对它们的位置加以控制的方法。小的分开的出射光瞳的组合创建了更大的有效人眼窗口。替代地，出射光瞳能够针对特定的观视位置而被策略性放置，而不是填满整个视场。在至少一个实施例中，使用反射全息记录技术来制造半反半透镜，在所述技术中，具有给定光波长和相似强度的两个相干激光光束发生干涉。在给定光波长上，两个光束中的被称为参考光束的光束以扫描投影系统的特性(即与投影机构(setup)匹配的入射角和位置)入射到全息材料上。给定光波长上的被称为对象光束的第二光束入射到全息材料的相对侧上，以产生反射全息图。在一个实施例中，对象光束穿过大聚焦透镜，从而在眼睛处产生反射全息图的焦点。这样做能够将投影系统的出射光瞳置于眼睛的入射光瞳的中心，使得对于给定眼睛位置和注视角度而言可以使投影图像的所有部分都是可视的。在另一个实施例中，可以不将出射光瞳位置置于眼睛的入射光瞳处，而是置于眼睛的旋转中心或者置于眼睛入射光瞳与眼睛旋转中心之间。此外，在至少一个实施例中，使用相似的感知颜色的几个独立的波长进行全息复用，以创建多个出射光瞳位置。通过使用具有小间隔的多个波长进行全息图的记录和读取，能够创建具有相似颜色的几个出射光瞳位置。通过将点光源的阵列中继成像至眼睛位置，在全本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于显示眼睛可观看的图像的方法，所述图像是从便携式头戴显示器投射的，所述方法包括以下步骤：发射多个光束，所述光束之间波长不同；将所述多个光束引导至扫描反射镜；根据从所述图像提供的强度信息对所述多个光束中的每一个光束进行强度调制，所述强度由此代表所述图像内的像素值；利用所述扫描反射镜沿两个不同的轴来扫描所述多个光束，以形成所述图像；以及使用用作所述光束的反射器的全息光学元件将所述多个光束重新引导至所述眼睛，所述重新引导由此取决于所述光束的波长，以在所述眼睛处为每个光束创建出射光瞳，所述出射光瞳与其它光束的出射光瞳空间分开。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.03.25 IB PCT/IB2013/052347;2013.11.18 IB PCT/1.一种用于显示眼睛可观看的图像的方法，所述图像是从便携式头戴显示器投射的，所述方法包括以下步骤：发射多个光束，所述光束之间波长不同；将所述多个光束引导至扫描反射镜；根据从所述图像提供的强度信息对所述多个光束中的每一个光束进行强度调制，所述强度由此代表所述图像内的像素值；利用所述扫描反射镜沿两个不同的轴来扫描所述多个光束，以形成所述图像；以及使用用作所述光束的反射器的全息光学元件将所述多个光束重新引导至所述眼睛，所述重新引导由此取决于所述光束的波长，以在所述眼睛处为每个光束创建出射光瞳，所述出射光瞳与其它光束的出射光瞳空间分开。2.根据权利要求1所述的方法，其中，发射所述多个光束的步骤还包括：通过选择要包括到人的视力所觉察的第一给定颜色内的特定谱带中的那些光束的对应波长来创建由所述多个光束中的确定数量的光束构成的第一捆，其中，所述第一捆中的所述光束中的每个光束与其出射光瞳相关联，所述出射光瞳与所述第一捆中的其它光束的出射光瞳空间分开。3.根据权利要求2所述的方法，其中，发射所述多个光束的步骤还包括：创建由光束构成的第二捆和第三捆，每捆对应于分别处于人的视力所觉察的第二给定颜色和第三给定颜色内的独立的谱带，其中，分别在所述第二捆和所述第三捆内，所述光束与所述第一捆中的所述光束的所述出射光瞳相关联，由此为所述出射光瞳中的每个出射光瞳创建对应于所述第一给定颜色、所述第二给定颜色和所述第三给定颜色的用于全色图像的三个光束。4.根据权利要求1到3中的任一项所述的方法，还包括针对所述光束中的每个光束向所述图像施加图像配准和失真校正，以根据每个光束的所述出射光瞳的位置来使所述多个光束产生的所显示的图像对准。5.根据权利要求1到4中的任一项所述的方法，还包括对由所述多个光束形成的所述出射光瞳进行空间布置，以形成使所述眼睛与所述便携式头戴显示器对准以观看所述图像的扩大的区域。6.根据权利要求1到5中的任一项所述的方法，其中，将所述多个光束引导至所述扫描反射镜的步骤还包括：在所述扫描反射镜处在空间和角度上对所述多个光束进行同轴合并，由此通过图像处理来对由各个所述出射光瞳的定位而在所述眼睛处产生的光束之间的显著角度差进行校正。7.一种用于显示眼睛可观看的图像的方法，所述图像是从便携式头戴显示器投射的，所述方法包括以下步骤：发射多个光束，所述光束之间波长不同；根据从所述图像提供的强度信息来对所述多个光束中的每一个光束进行强度调制，所述强度由此代表所述图像内的像素值；使用用作所述光束的反射器的光学元件将所述多个光束重新引导至所述眼睛，所述重新引导由此取决于所述光束的波长，以在所述眼睛处为每个光束创建出射光瞳。8.根据权利要求7所述的方法，其中，发射所述多个光束的步骤还包括：通过选择要包括到人的视力所觉察的第一给定颜色内的特定谱带中的那些光束的对应波长来创建由所述多个光束中的确定数量的光束构成的第一捆，其中，所述第一捆中的所述光束中的每个光束与其出射光瞳相关联，所述出射光瞳与所述第一捆中的其它光束的出射光瞳空间分开。9.根据权利要求8所述的方法，其中，发射所述多个光束的步骤还包括：创建由光束构成的第二捆和第三捆，每捆对应于分别处于人的视力所觉察的第二给定颜色和第三给定颜色内的独立的谱带，其中，分别在所述第二捆和所述第三捆内，所述光束与所述第一捆中的所述光束的所述出射光瞳相关联，由此为所述出射光瞳中的每个出射光瞳创建对应于所述第一给定颜色、所述第二给定颜色和所述第三给定颜色的用于全色图像的三个光束。10.根据权利要求7所述的方法，还包括针对所述光束中的每个光束向所述图像施加图像配准和失真校正，以根据每个光束的所述出射光瞳的位置来使所述多个光束产生的所述显示的图像对准。11.根据权利要求7所述的方法，还包括对由所述多个光束形成的所述出射光瞳进行空间布置，以形成使所述眼睛与所述便携式头戴显示器对准以观看所述图像的扩大的区域。12.根据权利要求7所述的方法，其中，在对所述多个光束进行重新引导的步骤中，所述光学元件是全息光学元件。13.一种产生用于根据权利要求1到12中的任一项所述的方法中的光学元件的方法，包括利用与所述多个光束的波长密切匹配的多个全息图写入激光器来记录全息光学元件，并且由此在全息图记录机构中对所述写入激光器中的每个写入激光器的光束进行空间布置，以匹配接下来由所述便携式头戴显示器创建的所述出射光瞳的空间取向。14.根据权利要求13所述的方法，其中，通过光纤对所述写入激光器中的每个写入激光器的所述光束进行空间布置。15.根据权利要求1到12中的任一项所述的方法，还包括对应于给定时刻所述眼睛的位置而使所述多个光束中的选定的与所述出射光瞳中的每个出射光瞳相关联的光束无效，眼睛跟踪信息由此用于使未对准的出射光瞳无效，以降低装置功耗。16.根据权利要求1到12或15中的任一项所述的方法，还包括对由所述多个光束形成的所述出射光瞳进行空间布置，每个个体光束由此形成多个空间分开的出射光瞳，以创建不被所述眼睛同时看到的多个感兴趣区域，每个感兴趣区域具有更大的总视场内的子集视场以及相关联的多个出射光瞳。17.根据权利要求7到12或15到16中的任一项所述的方法，其中，对所述多个光束中的每一个光束进行强度调制的步骤包括：从面板微显示器进行投射。18.根据权利要求7到12或15到16中的任一项所述的方法，还包括将所述多个光束引导至扫描反射镜；以及利用所述扫描反射镜沿两个不同的轴来扫描所述多个光束，以形成所述图像。19.根据权利要求1到12或15到18所述的方法，还包括在空间和角度上对所述多个光束进行同轴合并，由此通过图像处理来对由各个所述出射光瞳的定位而在所述眼睛处产生的所述光束之间的显著角度差进行校正。20.根据权利要求1到12或15到18所述的方法，还包括使在所述光束之间具有角度差的所述多个光束合并，以使所述出射光瞳处的所述光束的其中之一的角度值与所述光束中的任何其它光束的角度值大体上相似，因此降低对图像处理的要求，由此然后通过图像处理对由各个所述出射光瞳的定位而在所述眼睛处产生的所述光束之间的剩余角度差进行校正。21.根据权利要求20所述的方法，其中，通过远心透镜来使在所述光束之间具有角度差的所述多个光束合并，由此对发射所述光束之间波长不同的所述光束的多个光源的二维布置进行准直和合并，其中所述远心透镜在所述远心透镜的出射光瞳处对所述光束进行合并。22.根据权利要求20到21中的任一项所述的方法，其中，通过用于所述光束的其它远心透镜、衍射光学元件和孔隙的组合对发射所述光束之间波长不同的所述光束的所述多个光源进行空间和光谱滤波。23.根据权利要求22所述的方法，其中，所述衍射光学元件是下述列表的其中之一：衍射光栅、体积全息元件。24.一种用于显示眼睛可观看的图像的方法，所述图像是由便携式头戴显示器投射的，所述方法包括以下步骤：发射多个光束；将所述多个光束中的每个光束引导至对应的空间分开的扫描反射镜；根据从所述图像提供的强度信息对所述多个光束中的每一个光束进行强度调制，所述强度由此代表所述图像内的像素值；利用多个所述空间分开的扫描反射镜中的对应的扫描反射镜沿两个不同的轴来扫描所述多个光束中的每一个光束，以形成所述图像；以及利用用作所述光束的反射器的光学元件将所述多个光束重新引导至所述眼睛，所述重新引导由此取决于所述光束在所述光学元件上的入射角，以在所述眼睛处为每个光束创建出射光瞳，所述出射光瞳与其它光束的出射光瞳空间分开。25.根据权利要求24所述的方法，还包括针对所述光束中的每个光束向所述图像施加图像配准和失真校正，以根据每个光束的所述出射光瞳的位置来使由所述多个光束产生的所显示的图像对准。26.根据权利要求24和25中的任一项所述的方法，还包括对由所述多个光束形成的所述出射光瞳进行空间布置，以形成使所述眼睛与所述便携式头戴显示器对准以观看所述图像的扩大的区域。27.根据权利要求24到26中的任一项所述的方法，其中，更进一步地在发射所述多个光束的步骤中，将具有独立的可见波长的三个光束引导至每个扫描反射镜，并使所述三个光束合并，以形成所述出射光瞳的其中之一，由此为所述出射光瞳中的每个出射光瞳创建用于全色图像的三个光束。28.根据权利要求24所述的方法，其中，在对所述多个光束进行重新引导的步骤中，所述光学元件是全息光学元件。29.一种产生用于根据权利要求24到28中的任一项所述的方法中的光学元件的方法，还包括利用与所述多个光束的波长密切匹配的多个全息图写入激光器来记录全息光学元件，并且由此在全息图记录机构中对所述写入激光器中的每个写入激光器的光束进行空间布置，以匹配接下来由所述便携式头戴显示器创建的所述出射光瞳和投射源点的空间和角度取向。30.根据权利要求29所述的方法，其中，通过光纤对所述写入激光器中的每个写入激光器的所述光束进行空间布置。31.根据权利要求24到28中的任一项所述的方法，还包括对应于给定时刻所述眼睛的位置而使所述多个光束中的选定的与所述出射光瞳中的每个出射光瞳相关联的光束无效，眼睛跟踪信息由此用于使未对准的出射光瞳无效，以降低装置功耗。32.根据权利要求24到28的任一项所述的方法，还包括以下步骤：对由所述多个光束形成的所述出射光瞳进行布置，每个个体光束由此形成多个空间分开的出射光瞳，以创建不被所述眼睛同时看到的多个感兴趣区域，每个感兴趣区域具有更大的总视场内的子集视场以及相关联的多个出射光瞳。33.一种用于显示眼睛可观看的图像的方法，所述图像是从便携式头戴显示器投射的，所述方法包括以下步骤：发射多个光束；根据从所述图像提供的强度信息对所述多个光束中的每一个光束进行强度调制，所述强度由此代表所述图像内的像素值；使用用作所述光束的反射器的光学元件在不在所述眼睛处创建光学出射光瞳的情况下将多个大体上准直的光束重新引导至所述眼睛，所述重新引导由此取决于所述光束的入射角和波长，从而创建多个子集视场，所述多个子集视场在所述眼睛处整体上构成总视场。34.根据权利要求33所述的方法，其中，在对所述多个光束进行重新引导的步骤中，所述光学元件是全息光学元件。35.一种产生用于权利要求33和34中的任一项所述的方法中的光学元件的方法，包括利用与所述多个光束的波长密切匹配的多个全息图写入激光器来记录全息光学元件，并且由此在全息图记录机构中对所述写入激光器中的每个写入激光器的光束进行空间布置，以匹配接下来由所述便携式头戴显示器创建的所述子集视场的空间和角度取向。36.根据权利要求33到35中的任一项所述的方法，还包括针对所述光束中的每个光束向所述图像施加图像配准和失真校正，以使所述子集视场的图像对准，从而以连续方式整体上形成所述总视场。37.根据权利要求33到36中的任一项所述的方法，其中，在发射所述多个...

【专利技术属性】
技术研发人员：E·特伦布莱，M·纪尧姆，C·默泽，
申请(专利权)人：英特尔公司，
类型：发明
国别省市：美国;US