CN104730854B - 光学透视玻璃型显示设备和对应的光学单元 - Google Patents

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Abstract

光学透视玻璃型显示设备和对应的光学单元。光学透视玻璃型显示设备(100)包括：具有前面校正表面和后面校正表面(116a)的光学单元(110)；投射虚拟图像的图像投影仪(130)；以及用于捕捉周围场景图像的图像传感器(120)。光学单元(110)被配置为将通过前面校正表面(112a)进入的周围场景图像的光引导到图像传感器(120)并引导虚拟图像的光，使得虚拟图像的光通过后面校正表面(116a)出去。第一光学补偿元件(124)位于光学单元(110)和图像传感器(120)之间，第二光学补偿元件(134)位于图像投影仪(130)和光学单元(110)之间。设备进一步包括处理模块(140)，该处理模块(140)被配置为分析由图像传感器(120)捕捉到的周围场景图像。

Description

光学透视玻璃型显示设备和对应的光学单元
技术领域
本发明一般涉及光学透视玻璃型显示设备。
背景技术
光学透视玻璃型显示设备向观看者提供通过玻璃看到的重叠到周围场景上的虚拟图像。虚拟图像可以通过投影仪投射并经由玻璃上的光学元件引导到观看者的眼睛中。光学透视玻璃型显示设备可以通过在设备的左玻璃上显示左图像并且在右玻璃上显示右图像来呈现立体虚拟图像，使得观看者可以体验到有深度的三维感知。
在这样的光学透视玻璃型显示设备中，即使设备包含提供处方眼镜功能的校正表面，观看者也优选感知与周围场景图像在空间上连贯的虚拟图像，以便如果虚拟图像是立体虚拟图像，则以适当的位置和大小以及以适当的深度在周围场景图像上呈现虚拟图像。
作为多伦多大学的研究实验室的EyeTap个人成像(ePI)实验室开发了“EyeTap”技术，该技术在眼镜中组合显示器和相机，以便通过使用扁平的分束器板来保持现实世界和虚拟世界之间的对应，参见http://www.eyetap.org/research/eyetap.html。然而，该技术未针对眼镜包含处方眼镜的情况。
发明内容
根据本发明的一个方面，光学透视玻璃型显示设备包含：具有前面校正表面和后面校正表面的光学单元；投射虚拟图像的图像投影仪；以及，用于捕捉周围场景图像的图像传感器。光学单元被配置为将通过前面校正表面进入的周围场景图像的光引导到图像传感器，并且引导虚拟图像的光，使得虚拟图像的光通过后面校正表面出去。第一光学补偿元件位于光学单元和图像传感器之间的光路中，第二光学补偿元件位于图像投影仪和光学单元之间的光路中。设备进一步包括处理模块，处理模块被配置为分析由图像传感器捕捉的周围场景图像，以根据周围场景图像的分析结果准备要提供给图像投影仪的虚拟图像。
本发明的目标和优点将通过在权利要求书中具体指出的元件和组合来实现和获得。
要理解，前面的一般性描述和下面的详细描述只是示例性的和说明性的，而不是对如权利要求所述的本发明的限制。
附图说明
结合附图，根据下面的描述，本发明的这些及其他方面、特征和优点将变得显而易见，附图中：
图1示出根据本发明的实施例的透视玻璃型显示设备；
图2是根据本发明的实施例的透视玻璃型显示设备的组件的框图；以及
图3是示出来自周围场景并由图像传感器捕捉到的光的第一光路以及从图像投影仪投射并被定向到观看者的眼睛的光的第二光路的示意图。
具体实施方式
在下面的描述中，将描述本发明的实施例的各方面。为了说明，阐述了特定的配置和细节，以便提供全面的理解。然而，本发明可以不用在本文呈现的具体细节来实现，这对于本领域技术人员也将是显而易见的。
图1示出根据本发明的实施例的透视玻璃型显示设备。
如图1所示，透视玻璃型显示设备100可以包括具有前面玻璃板112、中间玻璃板114和后面玻璃板116的玻璃板单元110，图像传感器120，图像投影仪130。图像传感器120经由第一光学光导元件122光学地连接到前面玻璃板112，图像投影仪130经由第二光学光导元件132光学地连接到中间玻璃板114。第一光学补偿元件124位于前板112和图像传感器120之间的光路中，在前板112的发射端后面。此外，第二光学补偿元件134位于图像投影仪130和中间板114之间的光路中，在中间板114的入射端前面。在下文中，将描述有关光学补偿元件124和134的细节。
设备100可以是眼镜型设备，如此，设备100还包括将两个玻璃板单元彼此连接的桥(未示出)和将分别在观看者的耳朵上方延伸以帮助将设备100保持在适当位置的脚丝臂(temple arms)(未示出)。在图1中，为了说明的简单性，只示出用于观看者的右眼105的设备100的一半组件。
前面玻璃板112具有位于周围场景侧的前面校正表面112a(在图1中未示出弯度)，用于校正观看者的近视力(近视)或远视力(远视)。当光进入玻璃板112中时，玻璃板112的前面校正表面112a折射来自周围场景的光150。
玻璃板单元110具有前面玻璃板112和中间玻璃板114之间的分离层113。例如，分离层113可以具有菲涅耳(Fresnel)结构。分离层113具有反射进入的光的一部分并透射进入的光的其他部分的半反射性特征。
分离层113将通过前面玻璃板112的前面校正表面112a重定向来自周围场景的光束，使得光束通过板112的两个表面之间的全内反射(TIR)在前面玻璃板112内横向地传播。在玻璃板112内传播的光束将经由第一光学光导元件122传播到图像传感器120，然后，在图像传感器120上被捕捉。分离层113还对于来自周围场景的光是透射的，以穿过分离层113，朝向观看者的眼睛105传播。
图像投影仪130被配置为投射虚拟图像。由图像投影仪130投射的虚拟图像的光束经由第二光学光导元件132引导，然后进入到中间玻璃板114中。光束160通过板114的两个表面之间的全内反射(TIR)，在中间玻璃板114内横向地传播。然后，光束的至少一部分被分离层113反射并朝向观看者的眼睛105引导。因此，向观看者呈现虚拟图像。
中间玻璃板114后面的后面玻璃板116具有位于观看者的眼睛侧的后面校正表面116a，用于校正观看者的近视力(近视)或远视力(远视)。后面校正表面折射116a从后面玻璃板116出去的光。
应该注意的是，前面玻璃板112的前面校正表面112a和后面玻璃板116的后面校正表面116a的弯度可以根据观看者的视觉特征来预定，观看者的视觉特征可以预先通过检查视敏度来确定。此外，应该注意的是，可以定义分离层113的半反射元件的尺寸、角度和反射/透射级别，使得在玻璃板单元110中建立周围场景图像光和虚拟图像光的上述光路。进一步地，例如，排除分离层113的区域的前面玻璃板112和中间玻璃板114之间的边界面以及中间玻璃板114和后面玻璃板116之间的边界面可以利用透明树脂形成，该透明树脂具有比玻璃板112、114和116的折射率低的折射率，使得可以在前面玻璃板112和中间玻璃板114内实现全内反射(TIR)。
设备100进一步包括连接到图像传感器120和图像投影仪130的处理模块140。模块140被配置为执行：1)对由图像传感器120捕捉到的周围场景图像的分析，例如用于指定周围场景图像中的被跟踪的特征；以及2)用于提供虚拟图像的虚拟图像重叠，使得虚拟图像根据捕捉到的周围场景图像中的被跟踪的特征的位置和大小，在合适的位置并以合适的大小，在玻璃板单元110上呈现。
图2是根据本发明的实施例的透视玻璃型显示设备的组件的框图。如图2所示，设备200的组件包括图像投影仪210、处理模块230和图像传感器250。图像投影仪210和图像传感器250分别经由有线或无线连接，连接到模块230。
图像投影仪210包括用于投射虚拟图像的显示器215、用于控制显示器215的控制器220以及用于将光从显示器215引导到光学光导元件132(图1)的光学元件225。显示器215的示例性实现可以通过LCD(液晶显示器)和LED(发光二极管)RGB光源模块进行。应该注意的是，可以使用任何其他技术来实现显示器215。
模块230包括接收器235和存储器240。这些接收器235和存储器240被配置为接收和存储要被作为虚拟图像投射的图像或视频，这些图像或视频存储在任何类型的外部设备(未示出)中并经由有线或无线连接从外部设备接收，还被配置为接收并存储从图像传感器250捕捉到的周围场景图像。
模块230进一步包括处理器245。处理器245对存储在存储器240中的周围场景图像执行分析，以指定例如周围场景图像中的被跟踪的特征的大小和/或位置。在示例中，被跟踪的特征可以是在观看者的眼睛前面伸出的观看者的手。处理器245还执行虚拟图像重叠，用于提供虚拟图像，使得根据捕捉到的周围场景图像中的被跟踪的特征的位置和大小，在合适的位置并以合适的大小，在玻璃板单元110上呈现虚拟图像形成光束。
在示例中，处理器245可以根据捕捉到的周围场景图像中的被跟踪的观看者的手的位置和大小，确定要被显示在玻璃板单元110中的分离层113的区域中的虚拟图像的大小和位置，使得虚拟图像重叠在通过玻璃板单元110看到的周围场景图像中的被跟踪的观看者的手上或与其相邻，并且虚拟图像随着观看者的手移动。虚拟图像可以是由接收器235接收到的并存储在存储器240中的图像、视频、文本信息，等等。要被提供到图像投影仪210的虚拟图像由处理器245根据如上所述的周围场景图像的分析结果来准备。带有调整的大小和位置的虚拟图像的数据由处理器245输出到图像投影仪210，然后，由图像投影仪210投射带有调整的大小和位置的虚拟图像。
如上所述，对周围场景图像的分析由处理器245执行，以指定周围场景图像中的被跟踪的特征的大小和/或位置。需要对周围场景图像的分析，以便校准要被显示的虚拟图像，因此，一旦校准被确立，就可以去激活(deactivate)或去除处理器245上的分析处理和图像传感器250上的成像操作。在去激活的情况下，当应该再次指定周围场景图像中的被跟踪的特征的大小和/或位置时，例如，当改变周围场景图像和要被跟踪的特征时，可以重新激活那些处理和操作。对于不需要场景捕捉的消费者使用，去除图像传感器和成像操作就足够了。在此情况下，可以在例如具有专业设备的光学仪器店执行校准。在此情况下，消费者眼镜产品的复杂性和成本可以降低。
参考图1，由投影仪130投射的虚拟图像光160在中间玻璃板114中传播，并且虚拟图像光160的至少一部分被分离层113重定向到观看者的眼睛105。重定向的光到达眼睛105中的视网膜，然后，观看者将感知重叠在通过玻璃板单元110看到的周围场景图像上的虚拟图像。后面校正表面116a折射从后面玻璃板116出去的周围场景图像光和虚拟图像光二者。
图3是示出来自周围场景并由图像传感器捕捉到的光的第一光路以及从图像投影仪投射并被定向到观看者的眼睛的光的第二光路的示意图。图3所示出的前面玻璃板310、第一光学补偿元件315和图像传感器320分别对应于图1所示出的元件112、124和120。此外，图3所示出的图像投影仪350、第二光学补偿元件355、后面玻璃板360分别对应于图1所示出的元件130、134和116。
参考图1和3，如上所述，进入到前面玻璃板112中的光被板112的前面校正表面112a折射。因此，前面玻璃板112的前面校正表面112a使进入到前面玻璃板112中、在板112内传播并由图像传感器120捕捉到的周围场景图像变形(放大、缩小或失真)。如果不对捕捉到的周围场景图像施加补偿，则周围场景图像不被模块230中的处理器245(图2)正确地识别，这将导致对要由处理器245输出的虚拟图像的定位失误(miss-positioning)或大小估计失误(miss-sizing)，这会导致通过玻璃单元110看到的周围场景图像和要被重叠在周围场景图像上的虚拟图像之间的空间不连贯性(spatialincoherency)。这样的补偿可以通过要由处理器245执行的任何类型的图像处理实现，但是，此解决方案需要处理器245上的许多计算成本，并且将由于图像处理期间的再采样或内插导致捕捉到的周围场景图像的质量损耗。
根据本发明的实施例提供了不需要用于补偿捕捉到的周围场景图像的变形的图像处理的不同的方法。在实施例中，在图像传感器120的输入端提供第一光学补偿元件124。光学补偿元件124可以是光学透镜或光学表面等。光学补偿元件124具有补偿或抵消由前面玻璃板112的前面校正表面112a所导致的周围场景图像的变形的光学特性。在制造时，可以基于前面玻璃板112的前面校正表面112a的光学特性，选择光学补偿元件124的光学特性。由于光学补偿元件124，图像传感器120可以捕捉在图像传感器120的成像区域形成的经补偿的“原始”周围场景图像。
此外，如上所述，从图像投影仪投射的、在中间玻璃板114内传播并通过分离层160重定向到观看者的眼睛105的光被后面玻璃板116的后面校正表面116a折射。因此，观看者的眼睛105看见被后面玻璃板116的后面校正表面116a变形的(放大的、缩小的或失真的)虚拟图像。如果不对要向观看者呈现的虚拟图像施加任何补偿，则观看者将看见重叠在通过玻璃板单元110看到的、在不适当的位置处的和/或不适当的大小的周围场景上的虚拟图像，这将导致通过玻璃单元110看到的周围场景图像和要被重叠在周围场景图像上的虚拟图像之间的空间不连贯性。考虑到将由后面校正表面116a所导致的变形，可以预先通过图像处理使虚拟图像变形，然而，此方法需要许多计算成本，并且还将由于图像处理过程中的再采样或内插导致虚拟图像的质量损耗。
在此实施例中，在图像投影仪130的输出端提供第二光学补偿元件134。光学补偿元件134可以是光学透镜或光学表面等。光学补偿元件134具有补偿或抵消将由后面玻璃板116的后面校正表面116a所导致的虚拟图像的变形的光学特性。在制造时，可以基于后面玻璃板116的后面校正表面116a的光学特性，选择光学补偿元件134的光学特性。根据该实施例，光学补偿元件134使由图像投影仪130投射的“原始”虚拟图像变形(放大、缩小或失真)，然后，“变形的”虚拟图像光通过全内反射(TIR)，在中间玻璃板114内传播，通过分离层160反射并重定向到观看者的眼睛105，并且最后通过其后面校正表面116a，从后面玻璃板116出去。“变形的”虚拟图像通过当“变形的”虚拟图像光从后面校正表面116a出去时将导致的折射，恢复到“原始”虚拟图像。如此，向观看者的眼睛105呈现“原始”虚拟图像。
如上所述，在图1中，为了说明的简单性，只示出用于观看者的右眼105的设备100的一半组件。然而，应该注意的是，设备100可以以对称的方式包括如图1所示的用于观看者的左眼的相同组件，这将向观看者的两只眼睛提供虚拟图像。替代地，设备100可以只包括单个简单玻璃板和连接到玻璃板的脚丝，或者只包括空的框架而没有玻璃板和连接到框架的脚丝，用于观看者的左眼，这将只向观看者的一只眼睛提供虚拟图像，但是，其对某种目的的使用是可接受的。
在上文中，已经在包括前面玻璃板112、中间玻璃板114和后面玻璃板116三个元件的上下文中讨论了玻璃板单元110。然而，应该注意的是，玻璃板单元100可以具有任何配置，只要它执行玻璃板单元的上述功能，功能可以至少包括虚拟图像光的注入和提取、引导周围场景图像光和虚拟图像光以及视觉校正。在这个意义上，两个邻近的板112和114和/或两个邻近的板114和116可以彼此合并，如此，玻璃板单元110可以具有比三个板更少的板。
进一步地，在上述示例中，周围场景图像光150和虚拟图像光160分别在板112和114内通过全内反射(TIR)引导。应该注意的是，玻璃板单元110可以被配置为利用与TIR方法不同的方法引导光150和160中的至少一个。例如，在分离层113上反射的周围场景图像光150可以通过第一光学补偿元件124直接聚集在图像传感器120上，并且/或者从图像投影仪130投射并经过第二光学补偿元件134的虚拟图像光160可以直接施加于分离层113。
进一步地，在本发明的一个实施例中，玻璃板单元110可以包括反射镜元件阵列而不是分离层113，反射镜元件以如下方式定位：在至少两个元件之间存在间隙。在本发明的另一个实施例中，玻璃板单元110可以包括半反射镜元件阵列而不是分离层113，半反射镜元件也以如下方式彼此隔开：在至少两个元件之间存在间隙。这样的间隙允许外部光通过它。
此处列举的所有示例和条件语言是针对教学目的，以帮助读者理解本发明以及发明人为促进技术所贡献的构思，并且将被解释为不对这样的专门列举的示例和条件施加限制，这样的示例在说明书中的组织也不涉及表明本发明的优劣。

Claims (6)

1.一种光学透视玻璃型显示设备，包括：
具有前校正表面和后校正表面的光学单元；
投射虚拟图像的图像投影仪；以及，
用于捕捉周围场景图像的图像传感器，
其中，所述光学单元被配置为将通过所述前校正表面进入的所述周围场景图像的光引导到所述图像传感器，并且引导所述虚拟图像的光，使得所述虚拟图像的光通过所述后校正表面出去，
其中，第一光学补偿元件位于所述光学单元和所述图像传感器之间的光路中以补偿由于前校正表面所导致的周围场景图像的变形，第二光学补偿元件位于所述图像投影仪和所述光学单元之间的光路中以补偿由于后校正表面所导致的虚拟图像的变形，以及
其中，所述设备进一步包括处理模块，所述处理模块被配置为分析由所述图像传感器捕捉到的所述周围场景图像，以根据对所述周围场景图像的分析结果准备要提供给所述图像投影仪的虚拟图像。
2.根据权利要求1所述的显示设备，其中，所述处理模块被配置为通过对所述周围场景图像的分析指定所述周围场景图像中的被跟踪的特征，并根据所述被跟踪的特征的大小和位置，准备所述虚拟图像。
3.根据权利要求1所述的显示设备，其中，所述第一光学补偿元件具有补偿所述前校正表面所导致的图像的变形的光学特性，所述第二光学补偿元件具有补偿要由所述后校正表面所导致的图像的变形的光学特性。
4.根据权利要求1所述的显示设备，其中，所述光学单元包括分离层，所述分离层被配置为反射进入的光的一部分，并透射进入的光的其他部分。
5.根据权利要求1所述的显示设备，其中，所述光学单元包括具有所述前校正表面的前板、具有所述后校正表面的后板以及置于前板和后板之间的中间板。
6.根据权利要求5所述的显示设备，其中，所述第一光学补偿元件位于所述前板和所述图像传感器之间的光路中，所述第二光学补偿元件位于所述图像投影仪和所述中间板之间的光路中。
CN201410798667.0A 2013-12-20 2014-12-18 光学透视玻璃型显示设备和对应的光学单元 Active CN104730854B (zh)

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