CN104423039B - 用于提供增强的视觉的眼罩式显示系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本申请案涉及一种用于提供增强的视觉的眼罩式显示系统及方法。一种眼罩式显示系统包含经耦合以捕获周围环境中的对象的图像的相机。投影仪经耦合以接收所述所捕获图像以输出所投影图像。偏振分束器经光学耦合以接收所述所投影图像及所述周围环境的实际视图。所述偏振分束器经光学耦合以输出组合有所述周围环境的所述实际视图的所述所投影图像的经组合视图。所述经组合图像将被引导到用户的眼睛。强度控制器光学耦合于所述周围环境与所述偏振分束器之间以控制由所述偏振分束器接收的所述周围环境的所述实际视图的强度。
Description
技术领域
本发明一般来说涉及眼罩式显示器，且更具体来说，涉及提供增强的视觉的眼罩式显示系统。
背景技术
可获得利用使用LCOS(硅基液晶)显示面板的微型投影仪的各种眼罩式显示器。这些眼罩式显示器还称为近眼显示器(near eye display或near to eye display)。眼罩式显示器可用于在用户看到其四周的视图的同时显示所述用户可看到的交互式计算机显示器。用户可使用其语音或其它手段来控制交互式显示器以及其它所连接装置。举例来说，用户可在不使用其手的情况下及在不必经由眼罩把目光从周围视图移开的情况下操作连接到眼罩式显示器的其移动电话。
眼罩式显示器还称为HMD，所述HMD代表头戴式显示器或头盔式显示器。传统上，用户将看到HMD的护目镜上所显示的呈单个非立体场景或呈立体场景的视图，但显示器是不透明类型的。单个显示器HMD主要用于军事操作中，举例来说，向一只眼显示IR场景，同时另一只眼可看到周围视图。立体HMD已成功地开发及用于军事及医学训练以及游戏应用中。
越来越多的人具有借助常规校正镜片、外科手术或医学治疗可无法再改善的较差视觉。目前预期感染年龄相关的眼科疾病的美国人的数目到2020年将从1200万加倍到2400万。所有年龄的患者均需要弱视辅助器以便维持其积极地生活方式及高质量的生活。
发明内容
本发明的一个方面涉及一种眼罩式显示系统。所述系统包括：相机，其经耦合以响应于捕获到周围环境中的对象的图像而输出所捕获图像；投影仪，其经耦合以接收所述所捕获图像以输出所投影图像；偏振分束器，其经光学耦合以接收来自所述投影仪的所述所投影图像，所述偏振分束器进一步经光学耦合以接收所述周围环境的实际视图，其中所述偏振分束器经光学耦合以输出组合有所述周围环境的所述实际视图的所述所投影图像的经组合视图，其中所述经组合图像将被引导到用户的眼睛；及强度控制器，其光学耦合于所述周围环境与所述偏振分束器之间以控制由所述偏振分束器接收的所述周围环境的所述实际视图的强度。
本发明的另一方面涉及一种用于提供增强的视觉的方法。所述方法包括：借助相机来捕获周围环境中的对象的图像；调整所述所捕获图像的放大率；借助投影仪来投影所述所捕获图像；借助第一偏振分束器来组合来自所述投影仪的所述所投影图像与所述周围环境的实际视图；将来自所述投影仪的所述所投影图像与所述周围环境的实际视图的所述经组合视图引导到用户的眼睛；及控制所述周围环境的所述实际视图的强度。
附图说明
参考以下各图描述本发明的非限制性及非穷尽性实施例，其中除非另有说明，否则贯穿各个视图，相似元件符号指代相似部件。
图1是图解说明根据本发明的教示的附接到眼镜的眼罩式显示系统的一个实例的图式。
图2A是图解说明根据本发明的教示的在由佩戴其上附接有实例眼罩式显示系统的眼镜的用户观看时叠加于周围环境的实际视图上方的透明显示窗中所显示的图像的一个实例的图式。
图2B是图解说明根据本发明的教示的在由佩戴其上附接有实例眼罩式显示系统的眼镜的用户观看时叠加于周围环境的实际视图上方的透明显示窗中所显示的图像的另一实例的图式。
图3是图解说明根据本发明的教示的眼罩式显示系统的实例的实例框图。
图4是图解说明根据本发明的教示的借助实例眼罩式显示系统而执行的实例处理的流程图。
贯穿图式的几个视图，对应参考字符指示对应组件。所属领域的技术人员将了解，各图中的元件是为简单及清晰起见而图解说明的，且未必按比例绘制。举例来说，为帮助改善对本发明的各种实施例的理解，各图中的元件中的一些元件的尺寸可能相对于其它元件被夸大。此外，通常未描绘在商业上可行的实施例中有用或必需的常见而众所周知的元件以便促进对本发明的这些各种实施例的较不受阻挡的观看。
具体实施方式
在以下说明中，陈述众多特定细节以提供对本发明的透彻理解。然而，所属领域的技术人员将明了，无需采用所述特定细节来实践本发明。在其它例子中，未详细描述众所周知的材料或方法以便避免使本发明模糊。
在本说明书通篇中所提及的“一个实施例”、“一实施例”、“一个实例”或“一实例”意味着结合所述实施例或实例所描述的特定特征、结构或特性包含于本发明的至少一个实施例中。因此，在本说明书通篇中的各个地方中出现的短语“在一个实施例中”、“在一实施例中”、“一个实例”或“一实例”未必全部指代同一实施例或实例。此外，所述特定特征、结构或特性可以任何适合组合及／或子组合而组合于一个或一个以上实施例或实例中。特定特征、结构或特性可包含于集成电路、电子电路、组合逻辑电路或提供所描述功能性的其它适合组件中。另外，应了解，随本文提供的各图是出于向所属领域的技术人员阐释的目的且图式未必按比例绘制。
揭示针对提供视觉增强的眼罩式显示系统的实例方法及设备。视力较差的用户可利用根据本发明的教示的便携式多功能弱视辅助器以便维持其积极的生活方式及高质量的生活。根据本发明的教示的实例可对患有黄斑变性、糖尿病视网膜病变及导致个人视力较差的其它退行性眼科疾病的个人提供帮助。
如将揭示，根据本发明的教示的提供视觉增强的实例眼罩式显示系统可包含相机，所述相机捕获具有较差视力的用户无法清楚地看到的对象的图像。使用根据本发明的教示的附接到眼镜的实例眼罩式显示系统的人可较清楚地看到由相机捕获的图像。
为图解说明，图1是图解说明根据本发明的教示的附接到眼镜106的眼罩式显示系统100的一个实例的图式。在一个实例中，眼罩式显示系统100适合于用夹子、扣件或类似物来附接到眼镜106。在另一实例中，为将眼罩式显示系统100附接到眼镜106，眼罩式显示系统100可通过胶粘剂、粘合剂或任何其它适合接合材料来附接到眼镜106。在一个实例中，眼罩式显示系统100包含相机102及透明显示窗104。在操作中，佩戴眼镜106的用户看到似乎投影于透明显示窗104中的图像，同时，所述用户还经由透明显示窗104看到背景中的周围环境208的实际视图。在一个实例中，投影于透明显示窗104中的图像可是在具有或不具有数字处理的情况下由相机102捕获的图像。
图2A是图解说明根据本发明的教示的在由佩戴其上附接有眼罩式显示系统100的眼镜106的用户观看时似乎被叠加于周围环境208的实际视图上方的投影于透明显示窗104中的图像210A的一个实例的图式。参考图1及图2A，佩戴眼镜106的用户可是具有较差视力使得所述用户无法清楚地看到周围环境208中的在远处的对象210的人。在操作中，相机102捕获来自周围环境208的对象210的图像。在操作中，用户观看对象210投影于附接到用户正佩戴的眼镜106的眼罩式显示系统100的透明显示窗104中的图像210A。在实例中，根据本发明的教示，用户能够同时观看投影于透明显示窗104中的图像210A以及周围环境208的实际视图。在一个实例中，根据本发明的教示，对于佩戴眼镜106的用户，图像210A显现在前景中且周围环境208的实际视图显现在背景中。
在实例中，根据本发明的教示，与周围环境208的实际视图中的在远处的对象210相比，用户能够较清楚地看到投影于透明显示窗104中的图像210A。换句话说，根据本发明的教示，由于用户具有较差视力，因此用户将能够看到叠加于周围环境208的实际视图中的对象210的模糊视图上方的投影于透明显示窗104中的清楚图像210A，如图2A中所展示。
此外，根据本发明的教示，图像210A可以数字方式缩放或以光学方式放大，如图2B中所展示。明确地说，图2B是图解说明根据本发明的教示的在由佩戴其上附接有实例眼罩式显示系统100的眼镜106的用户观看时叠加于周围环境208的实际视图上方的显示于透明显示窗104中的图像210B的另一实例的图式。参考图1及图2B，用户观看对象210投影于附接到用户正佩戴的眼镜106的眼罩式显示系统100的透明显示窗104中的图像210B。在实例中，根据本发明的教示，用户能够同时观看透明显示窗104中的图像210B以及周围环境208的实际视图。
在实例中，图像210B是对象210的经放大或以数字方式缩放的表示。因此，根据本发明的教示，与周围环境208的实际视图中的在远处的对象210相比，用户能够较清楚地看到透明显示窗104中所放大的图像210B。换句话说，根据本发明的教示，由于用户具有较差视力，因此用户将能够清楚地看到叠加于周围环境208的实际视图中的对象210的模糊视图上方的透明显示窗104中的经扩大或经放大图像210B，如图2B中所展示。
应了解，透明显示窗104不是半透明显示器，例如，举例来说，其上显示有图像的液晶显示器(LCD)面板。而是，在一个实例中，透明显示窗104使用投影仪来将所显示图像投影到用户的视网膜上，同时周围环境208的实际视图对于用户还是可见的。因此，根据本发明的教示，用户将同时看到所投影图像及周围环境208的实际视图。所投影图像事实上经由虚拟窗在距用户的眼睛一段距离处显现给用户。此虚拟窗是透明显示窗104。因此，在一个实例中，透明显示窗104是根据本发明的教示的眼罩式显示系统100的虚拟出射光瞳。
图3是图解说明根据本发明的教示的眼罩式显示系统100的框图的一个实例。如图3中所描绘的实例中所展示，眼罩式显示系统100包含可捕获对象(例如，举例来说，周围环境208中的对象210)的图像的相机102。相机102将所捕获图像数据输出到数字处理器311。在一个实例中，数字处理器311可执行多种不同处理操作，例如，举例来说，重新缩放或调整所捕获图像数据的放大率。所捕获且经处理的图像数据接着从数字处理器311输出，其接着输入到投影仪(在一个实例中，其是LCOS显示器309)以用于投影由相机202捕获且由数字处理器311处理的图像。
在一个实例中，眼罩式显示系统100通过将眼罩式显示系统100附接到用户所佩戴的眼镜106而放置于用户的眼睛326的前方，如(举例来说)图1中所图解说明。在所描绘实例中，照明光源313发射照明光362，所述照明光是随机偏振光。在各种实例中，照明光源313可包含白色光源、白色光LED(发光二极管)、一组RGB(红色、绿色、蓝色)LED或白色光的任何其它适合源。可以白色光模式使用具有滤色器的LCOS显示器。当使用一组RGB LED时，可以顺序模式使用不具有滤色器的LCOS显示器。
照明光362在光隧道303中传播，所述光隧道可以是用以将照明光362从照明光源313引导到偏振器305的实心锥形物。随机偏振照明光362通过偏振器305，在所图解说明实例中，所述偏振器经定向以传递s偏振光364以进入PBS(偏振分束器)307。S偏振照明光364由PBS307朝向LCOS显示器309反射。如在实例中所展示，从LCOS显示器309所反射的经反射光366因引入LCOS显示器309中的调制而既具有s偏振又具有p偏振。光362的s偏振分量(未展示)由PBS307反射回照明光源313。在所描绘实例中，光366通过PBS307的p偏振分量图解说明为p偏振光368，如图3中所展示。因此，在所描绘实例中，p偏振光368表示从LCOS显示器309所投影的所捕获且经处理的图像。如先前所提及，从LCOS显示器309所投影的所捕获且经处理的图像是由相机202捕获且由数字处理器311处理的图像。
在一个实例中，来自照明光362的一些p偏振光(未展示)可漏进穿过偏振器305、进入PBS307并到达任选分析仪312。由于分析仪312平行于偏振器305而定向，因此分析仪312将阻挡漏进的p偏振光。
从PBS307出射的P偏振光368在图3中展示为进入光隧道314的p偏振光370。光隧道314可以是空的空间或其可填充有光学材料。通过任选分析仪316且经光学耦合以由PBS318接收的p偏振光370图解说明为p偏振光372。因此，根据本发明的教示，PBS318经光学耦合以接收来自LCOS309的所投影图像与p偏振光372。分析仪316经定向以传递p偏振光。通过PBS318的p偏振光372图解说明为p偏振光374。P偏振光374到达且通过光学耦合到PBS318的四分之一波板320并变成圆偏振光376。圆偏振光376由镜322反射且变成反圆偏振光378。在一个实例中，镜322可以是光学耦合到四分之一波板320的曼京镜322。在反圆偏振光378第二次向后通过四分之一波板320之后，所述反圆偏振光变成s偏振光380。S偏振光380由PBS318朝向用户的眼睛326反射。因此，以此方式，将从LCOS显示器309所投影的图像投影到用户的眼睛326的视网膜。因此，在所描绘实例中，镜322可反射从LCOS显示器309所投影的图像以供用户观看。换句话说，曼京镜322可形成LCOS显示器309的图像以供用户观看。
在所描绘实例中，透明显示窗104经光学耦合以接收来自周围环境208的实际视图的随机偏振光384，如(举例来说)图1中所图解说明。如所展示，随机偏振光384经引导穿过透明显示窗104且到达偏振器325，在一个实例中，所述偏振器经定向以传递p偏振光385以进入LCPR(液晶偏振旋转器)324。LCPR324在所施加电压的控制下旋转通过其的光的偏振。因此，通过LCPR324的光387可具有p偏振及s偏振两个分量。光387通过经定向以传递p偏振光的偏振器323并进入PBS318变成p偏振光386。因此，根据本发明的教示，PBS318还经光学耦合以接收周围环境的实际视图与p偏振光386。偏振器323吸收光387的s偏振分量。
在所描绘实例中，根据本发明的教示，从周围环境208所接收的随机偏振光384的强度可由LCPR324及一对偏振器325及323调整。因此，在一个实例中，根据本发明的教示，强度控制器(在一个实例中，其具备LCPR324及一对偏振器325及323)光学耦合于周围环境208与PBS318之间以控制由PBS318接收的周围环境208的实际视图的亮度。在所图解说明实例中，通过调整施加到LCPR324的电压而控制从周围环境208所接收的光384的强度的减小。通过PBS318的p偏振光386(其图解说明为p偏振光388)经引导到用户的眼睛326。
因此，根据本发明的教示，用户的眼睛326将接收组合有p偏振光388中的周围环境208的实际视图的s偏振光382中的从LCOS显示器309所投影的图像的经组合视图。因此，在由用户观看时，与周围环境208的实际视图同时地观察从LCOS显示器309所投影的图像。在一个实例中，根据本发明的教示，对于用户的眼睛326，s偏振光382中的由LCOS显示器309所投影的视图将显现在前景中，而p偏振光388中的周围环境208的实际视图将显现在背景中。在一个实例中，周围环境208的实际视图的强度由LCPR324控制，所述LCPR光学耦合于周围环境208与PBS318之间，如上文所论述。在其它实例中，注意到，LCPR324及偏振器325可由中性密度(ND)滤光器替换以减小周围环境208的实际视图的亮度，所述中性密度(ND)滤光器可包含可变ND滤光器。
因此，根据本发明的教示，由相机202捕获的图像似乎投影于透明显示窗104中。换句话说，用户将看到透明显示窗104中的所投影图像。所投影图像上覆周围环境208的实际视图，如图2A及2B中所展示。周围环境208的实际视图的强度可经控制以提供用于背景的自然且舒适的亮度水平，所述背景是周围环境208的实际视图。在一个实例中，透明显示窗104中所显示的图像的强度还可通过控制由照明光源313发射的照明光362的亮度而控制。可通过在数字处理器311中使用电子变焦处理或数字缩放或通过使用相机202中所包含的光学变焦来调整图像的放大率而改变所显示图像的放大率。除电子变焦或数字缩放之外，数字处理器311还可具有用以针对具有较差视觉的人执行视觉增强所需的所有校正及处理的其它功能及能力。
在一个实例中，应了解，用户可借助控制面板(未展示)与眼罩式显示系统100互动或控制眼罩式显示系统100，所述控制面板可通过缆线耦合到眼罩式显示系统100或可通过无线连接(例如蓝牙等)耦合。还应了解，可语音激活所述控制且因此不需要控制面板。在一个实例中，控制面板可安装于眼罩式显示系统100的侧上或附接到眼镜106，此可由用户在佩戴眼镜106时操作。
图4是图解说明根据本发明的教示的借助实例眼罩式显示系统(例如，举例来说，上文关于图1到3所描述的眼罩式显示系统100)所执行的实例处理的流程图430。如图4中所图解说明，过程框432展示相机捕获周围环境中的具有较差视觉的用户无法清楚地看到的对象的图像。在过程框434中，数字处理器处理所捕获图像，此可包含缩放或调整图像的放大率。在过程框436中，投影仪投影所捕获且经处理的图像。在过程框438中，分束器输出组合有周围环境的视图的来自投影仪的所投影图像的经组合视图。将所述组合视图引导到用户的眼睛，使得所投影图像及周围环境的视图两者同时在透明显示窗中显现给用户。在过程框440中，强度控制器控制周围环境的视图的强度或亮度，因此用户可舒适且自然地看到所投影图像与作为背景的周围环境的视图。在一个实例中，强度控制器包含LCPR或中性密度滤光器。在过程框442中，可能具有较差视觉的用户可清楚地看到所投影图像，而同时可警觉且察觉周围环境的实际视图，即使与所投影图像相比周围环境的实际视图对于用户可显得模糊。
包含发明摘要中所描述内容的本发明的所图解说明实例的以上说明并非打算为穷尽性的或限制于所揭示的确切形式。虽然出于说明性目的而在本文中描述本发明的特定实施例及实例，但可在不背离本发明的较宽广精神及范围的情况下做出各种等效修改。
可根据以上详细说明对本发明的实例做出这些修改。所附权利要求书中所使用的术语不应理解为将本发明限制于说明书及权利要求书中所揭示的特定实施例。而是，所述范围将完全由所附权利要求书来确定，所附权利要求书将根据权利要求阐述的既定原则来加以理解。本说明书及各图据此应视为说明性的而非限制性的。
Claims (12)
1.一种眼罩式显示系统，其包括：
相机，其经耦合以响应于捕获到周围环境中的对象的图像而输出所捕获图像，其中所述相机包含用以调整所述图像的第一放大率的光学变焦；
投影仪，其经耦合以接收所述所捕获图像以输出所投影图像；
偏振分束器，其经光学耦合以接收来自所述投影仪的所述所投影图像，所述偏振分束器进一步经光学耦合以接收所述周围环境的实际视图，其中所述偏振分束器经光学耦合以输出组合有所述周围环境的所述实际视图的所述所投影图像的经组合视图，其中所述经组合视图将被引导到用户的眼睛；
强度控制器，其光学耦合于所述周围环境与所述偏振分束器之间以控制由所述偏振分束器接收的所述周围环境的所述实际视图的强度，其中所述强度控制器包含液晶偏振旋转器LCPR；及
数字处理器，其经耦合以接收来自所述相机的所述所捕获图像，其中所述数字处理器经耦合而以数字方式缩放所述所捕获图像以调整提供到所述投影仪的所述所捕获图像的第二放大率，
其中所述偏振分束器是多个偏振分束器中的第一者，其中所述眼罩式显示系统进一步包括所述多个偏振分束器中的经光学耦合以接收来自照明光源的照明光的第二者，其中所述多个偏振分束器中的所述第二者适合于将所述照明光引导到所述投影仪，且其中所述多个偏振分束器中的所述第二者经光学耦合以将来自所述投影仪的所述所投影图像引导到所述多个偏振分束器中的所述第一者，
其中所述眼罩式显示系统进一步包括安置于所述照明光源和偏振器之间的实心锥形光隧道，其中所述实心锥形光隧道将所述照明光引导至所述偏振器以进入所述多个偏振分束器中的所述第二者，且
其中所述所投影图像的偏振正交于由所述多个偏振分束器中的所述第一者输出并被引导至所述用户的眼睛的所述经组合视图中的所述周围环境的所述实际视图的偏振。
2.根据权利要求1所述的眼罩式显示系统，其中所述眼罩式显示系统适合于附接到所述用户将佩戴的眼镜。
3.根据权利要求1所述的眼罩式显示系统，其中所述投影仪包含硅基液晶LCOS显示器，其中所述多个偏振分束器中的所述第二者经耦合以将所述照明光反射至所述LCOS显示器，其中所述LCOS显示器经光学耦合以接收经反射的所述照明光且作为响应将所述所投影图像引导至所述多个偏振分束器中的所述第二者，且其中所述多个偏振分束器中的所述第二者将所述所投影图像传输至所述多个偏振分束器中的所述第一者。
4.根据权利要求1所述的眼罩式显示系统，其进一步包括光学耦合到所述偏振分束器的四分之一波板。
5.根据权利要求4所述的眼罩式显示系统，其进一步包括光学耦合到所述四分之一波板的曼京镜。
6.根据权利要求1所述的眼罩式显示系统，其中所述多个偏振分束器中的所述第二者经光学耦合以将所述所投影图像通过传输引导至所述多个偏振分束器中的所述第一者。
7.根据权利要求1所述的眼罩式显示系统，其进一步包括：
镜，其经耦合以从所述多个偏振分束器中的所述第一者接收所述所投影图像，其中所述镜经光学耦合以将所述所投影图像反射回所述多个偏振分束器中的所述第一者，且其中所述镜从所述用户的眼睛偏置而定位。
8.根据权利要求1所述的眼罩式显示系统，其中所述偏振器是多个偏振器中的第一者，且其中所述眼罩式显示系统进一步包括所述多个偏振器中的第二者，其中所述多个偏振器中的所述第二者光学耦合于所述镜与所述多个偏振分束器中的所述第一者之间。
9.一种用于提供增强的视觉的方法，其包括：
借助眼罩式显示系统的相机来捕获周围环境中的对象的图像；
调整所述图像的第一放大率，其中调整所述第一放大率包括调整包含于所述相机中的光学变焦；
借助投影仪来投影所捕获图像，其中所述借助投影仪来投影所捕获且经调整的所述图像包括借助硅基液晶LCOS显示器来投影所述所捕获且经调整的所述图像；
借助从第一偏振分束器引导的照明光来照明所述LCOS显示器，其中所述照明光是从照明光源通过安置于所述照明光源和偏振器之间的实心锥形光隧道而引导的，其中所述实心锥形光隧道将所述照明光引导至所述偏振器以进入所述第一偏振分束器；
借助第二偏振分束器来组合来自所述投影仪的所投影图像与所述周围环境的实际视图，其中所述所投影图像的偏振正交于所述周围环境的所述实际视图的偏振；
将来自所述投影仪的所述所投影图像与所述周围环境的所述实际视图的经组合视图引导到用户的眼睛；及
控制所述周围环境的所述实际视图的强度，其中所述控制所述周围环境的所述实际视图的所述强度包括调整施加到液晶偏振旋转器LCPR的电压。
10.根据权利要求9所述的方法，其进一步包括调整所述所捕获图像的第二放大率，其中所述调整所述第二放大率包括：借助数字处理器以数字方式缩放来自所述相机的所述所捕获图像。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述捕获所述周围环境中的所述对象的所述图像包括：捕获所述周围环境中的所述用户无法清楚地看到的对象的图像。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述将来自所述投影仪的所述所投影图像与所述周围环境的所述实际视图的所述经组合视图引导到所述用户的所述眼睛包括：将来自所述投影仪的所述所投影图像与所述周围环境的所述实际视图的所述经组合视图引导到所述用户的视网膜。
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