CN105378540A

CN105378540A - 近眼显示

Info

Publication number: CN105378540A
Application number: CN201480037023.8A
Authority: CN
Inventors: D.尼斯特; G.克莱因
Original assignee: Microsoft Technology Licensing LLC
Current assignee: Microsoft Technology Licensing LLC
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2014-06-24
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2034-06-24
Also published as: EP3014341A1; WO2014209924A1; US9488837B2; TW201502580A; US20150002940A1; EP3014341B1; CN105378540B

Abstract

提供了用于图像的近眼显示的系统及相关方法。在一个示例中，近眼显示系统包括光源，其包括表面和具有5微米或更小的像素间距的多个像素。孔阵列定位在距光源的表面的2mm与5mm之间。孔阵列包括非重叠孔，每一个在等边三角形网格内的等边三角形的顶点上定心。每一个孔的中心以1mm与9mm之间的孔间隔与每一个相邻孔的中心间隔。孔阵列选择性地传递从像素发射的光以显示图像而没有双像状况。

Description

近眼显示

背景技术

头部安装的显示设备通过对于用户而言方便进行选择性参与的可穿戴设备而提供了使得能够实现诸如游戏、航空、工程、科学和医学之类的各种领域中的新型人类-计算机交互范例的前景。然而，关于这样的设备的一个约束在于，人眼不能聚焦在位于远离眼睛大约10厘米（cm）或更小距离处的点源上。出于该原因，头部安装的显示器可能利用眼睛前方的光学元件或波导，其导致比所期望的更厚且更笨重的设备。在这些设备中，用户舒适度、设备移动性和设备美感通常有所妥协。

用于头部安装的显示设备的另一可能的显示系统是视网膜扫描激光器。这样的解决方案也可能利用眼睛前方的元件，诸如镜面表面、波导或可操纵反射镜。一个示例可以是靠近用户太阳穴安装的激光二极管以将光束定向到扫描射束的可操纵微反射镜。经扫描的射束可以经由一个或多个其它反射镜而反射到眼睛中。在另一示例中，可操纵微反射镜可以定位在眼睛前方并且可以将射束直接反射到眼睛中。

关于将可操纵微反射镜定位在眼睛前方的问题在于其限制用户的视场，因为靠近眼睛的反射镜必须相对大以覆盖眼睛的旋转范围。具有靠近太阳穴安装的激光二极管的设备遭受类似的问题，因为镜面表面必然是强烈凸起的以使得射束能够从宽范围的角度进入瞳孔。对于一定范围的瞳孔定位而言，这样的约束难以解决。这在考虑到用户头部对射束的遮挡可能性的情况下尤其为真。

另一可能性可以是使用诸如菲涅尔透镜之类的非标准透镜类型。然而，菲涅尔感测被设计用于由相对于透镜的直径远离的观看者使用。还可以考虑透镜状透镜或透镜阵列。透镜状透镜典型地用于向打印品提供角度依赖性和立体效果。透镜状打印对于眼睛可以聚焦在的距离起作用，但是典型地在水平方向上添加角度依赖性。另外，如果试图从接近的范围进行观看，则图像至少在竖直方向上将是模糊的。

发明内容

为了解决以上问题，提供了包括光源和孔阵列的近眼显示系统及相关方法。在一个示例中，近眼显示系统可以包括光源，其包括表面和具有5微米或更小的像素间距的多个像素，其中像素被配置成发射包括图像的光。孔阵列定位成距光源表面2毫米（mm）与大约5mm之间。

孔阵列包括多个非重叠孔，每一个在等边三角形网格内的等边三角形的顶点上定心。每一个孔的中心以1mm与9mm之间的孔间隔与每一个相邻孔的中心间隔。孔阵列选择性地传递从像素发射的光以显示图像而没有双像状况。

提供本发明内容来以简化的形式引入以下在具体实施方式中进一步描述的概念的选择。本发明内容不意图标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不意图用于限制所要求保护的主题的范围。另外，所要求保护的主题不限于解决在本公开的任何部分中指出的任何或所有缺点的实现方式。

附图说明

图1是根据本公开的实施例的近眼显示系统的顶视图的示意性图示。

图2示出根据本公开的实施例的示例近眼显示设备。

图3是根据本公开的实施例的等边三角形和六边形网格内的孔布局的部分的示意性图示。

图4是根据本公开的另一实施例的近眼显示系统的顶视图的示意性图示。

图5是快门显示器的示意性图示。

图6是根据本公开的另一实施例的近眼显示系统的顶视图的示意性图示。

图7是根据本公开的另一实施例的近眼显示系统的顶视图的示意性图示。

图8A和8B是根据本公开的实施例的用于调节阻挡图像的位置的方法的流程图。

图9是计算设备的实施例的示意性图示。

将领会到的是，在图中示出的特定组件、特征、距离和布局并未关于彼此按比例示出，并且被图示以简化描述。

具体实施方式

图1示出根据本公开的实施例的近眼显示系统10的一个实施例的示意性顶视图。如以下更加详细描述的，图1中所示的近眼显示系统10包括光源14、非重叠开口52的开口阵列48、非重叠透镜44的透镜阵列40和相隔（standoff）表面56。开口阵列48和透镜阵列40中的每一个选择性地将从光源14发射的光通过瞳孔32传递到眼睛36的视网膜34，以从而在视网膜上显示图像而没有双像状况。

在图4、6和7中呈现本公开的近眼显示系统的其它示例实施例。例如，图4示出利用开口阵列48而没有透镜阵列的近眼显示系统400。图6示出利用透镜阵列40而没有开口阵列的近眼显示系统600。图7示出其中系统的各种组件可以在两个维度或三个维度上弯曲的近眼显示系统700。

如图1中所示，在一些示例中，近眼显示系统10可以使用有线连接而操作连接到计算设备18，或者可以采用经由WiFi、蓝牙或任何其它合适的无线通信协议的无线连接。如以下更加详细描述的，在一些示例中，近眼显示系统10可以包括复用程序20、眼睛追踪程序22和渲染程序24，其可以存储在计算设备18的大容量存储装置26中。复用程序20、眼睛追踪程序22和/或渲染程序24可以加载到存储器28中并且由计算设备18的处理器30执行以施行以下更加详细描述的方法和过程中的一个或多个。

图2示出本公开的近眼显示系统的各种示例可以与其一同使用的一副可穿戴眼镜200的示例。将领会到的是，可穿戴眼镜200可以采取其它合适的形式，其中显示器支撑在观看者的一只或两只眼睛前方。还将领会到的是，本公开的近眼显示系统的各种示例可以采取可穿戴眼镜200的形式或任何其它合适的形状因子。

在利用复用程序20、眼睛追踪程序22和/或渲染程序24的示例中，计算设备18可以集成到可穿戴眼镜200中或者与其分离。在其中计算设备18可以与可穿戴眼镜200分离的示例中，计算设备可以采取台式计算设备、诸如智能电话、膝上型电脑、笔记本或平板计算机之类的移动计算设备、诸如移动电话之类的移动通信设备、网络计算机、家庭娱乐计算机、交互式电视、游戏系统或其它合适类型的计算设备的形式。关于计算设备18的组件和计算方面的附加细节在下文参照图9进行更加详细地描述。

参照图1中所示的示例，在一些示例中，光源14可以包括有机发光二极管（OLED）显示器，其包括以响应于电流而发射光的发光像素42的形式的多个图像产生元件。每一个像素42可以具有小于5微米的像素间距。出于本公开的目的，其中像素42及其周围死区占据方形，像素的像素间距可以限定为方形的边长。将领会到的是，能够提供期望的像素间距、亮度、形状因子和其它相关质量的任何其它合适的显示技术可以用于光源14。

在更加具体的示例中，光源14可以包括OLED显示器，其包括具有大约4.7微米的像素间距的像素42。将领会到的是，大约4.7微米的像素间距导致大约每平方厘米450万个像素的像素密度，其大大超过典型的打印分辨率和便携式显示器分辨率。

为了便于本公开的近眼显示系统的各种实施例的描述，提供人类视觉系统和光学组件设计考虑的各方面的以下讨论。在人类视觉中，20/20的视觉灵敏度意味着人眼可以区分以1弧分或一度的1/60分离的两个点，其还等同于每度30个周期的角度分辨率。作为一个示例，从大约30cm的距离看到的1弧分的视觉角度对应于大约89微米的像素间距。

参照图1中所示的眼睛36，将领会到的是，定向在眼睛36处并且从靠近眼睛的点发出的光线将自然地在其整个区域之上进入瞳孔32。然而，这样的射线在它们到达角膜46时将不会充分地折射，并且因此将撞击在视网膜34的大区域上。对于会聚在视网膜34上的单个点上的射线，射线被约束成在它们到达角膜46时几乎平行。例如，这样的射线可以几乎平行，如果它们源自离开10cm或可能更远的点源以避免眼睛疲劳的话。

用于使射线束具有较小角度扩展的另一可能性将是在瞳孔32前方直接定位小于瞳孔的洞。除其它特性之外，这样的设计将用较小的光强度来交换较大的场深度。在无穷小的洞的限制中，眼睛36可以对焦地看向任何距离处（甚至是并发地）。因此，在该示例中，光源可以直接位于眼睛36前方，并且眼睛仍旧可以对焦地看到来自显示器的光，倘若显示器可以生成充足量的光的话。具有非常高曲率的小透镜也可以定位在洞之上，其将允许更多的光进入而同时维持靠近眼睛的聚焦。然而，与该方案有关的折衷将是焦点将限于由小焦距的透镜所瞄准的位置。

鉴于以上考虑，一种可能的方案将是作为光源的部分而合并洞。然而，光源上的单个洞创建可用性问题，因为眼睛36在旋转成看向不同物体时将从其移动离开。因此，可以考虑多个洞。然而，如果提供两个或更多洞，则双像状况将从靠近眼睛36的光源创建。双像状况可以限定为相对于彼此水平、竖直或对角移位的两个图像的感知。这样的双像将被创建，因为光源将通过多个洞中的每一个供应光，其中光在多个不同的位置处撞击视网膜34。在该示例中针对该双像状况的另一原因在于，瞳孔32与洞之间的距离相对于光源与洞之间的距离而言是不充足的（对于洞之间的给定相互间隔）。

现在参照图1和3-7，现在将提供根据本公开的近眼显示系统的实施例的描述。如以下更加详细解释的，近眼显示系统有利地显示图像而没有双像状况。在一些实施例中，近眼显示系统可以起作用以避免双像状况而同时还减少衍射。为了便于描述，关于用户的一只眼睛36（其可以是用户的左眼或右眼）来呈现以下示例。将领会到的是，近眼显示系统可以操作成并发地向用户的两只眼睛显示图像。

如以下更加详细讨论的，在图1和3-7的示例中，近眼显示系统包括光源14、相隔表面56以及透镜阵列40和开口阵列48中的一个或二者。出于本公开的目的，开口阵列48中的开口52可以限定为孔。此外，透镜阵列40中的透镜44可以限定为创建孔。因此并且出于本公开的目的，术语“孔”包括但不限于开口52和透镜44。

参照图1中所示的近眼显示系统10，光源14、开口阵列48、透镜阵列40和相隔表面56中的每一个在平行于x轴的横向方向上线性延伸。将领会到的是，在其它示例中，光源14、开口阵列48、透镜阵列40和相隔表面56中的每一个可以在两个维度或三个维度上弯曲。例如并且参照图7中所示的近眼显示系统700，光源14、开口阵列48、透镜阵列40和相隔表面56中的每一个可以关于x轴和y轴弯曲，或者关于x轴、y轴和z轴弯曲。在一些示例中，光源14、开口阵列48、透镜阵列40和相隔表面56中的一个或多个可以具有在眼睛36的旋转中心上定心的曲率半径。

如以上所指出的，20/20视觉灵敏度可以限定为一弧分或1/60度。这些测量涉及凹窝60的中心所检查的区，其对向约一度的角度。这可以被视为行进的限制，因为眼睛36将旋转使得凹窝60可以检查从其旋转中心向外前进的任何区。还将领会到，眼睛36能够在大约90度的角度范围之上旋转。

提供大约90度之上的高角度光密度将使得90*60=5400个像素的光源像素总数目或者覆盖对应方形的大约29,000,000个像素成为必要。将领会到，29兆像素（MP）是比当前平板电脑和智能电话显示器可以渲染的大得多的像素数目。有利地并且如以下更加详细描述的，本公开的近眼显示系统的配置可以通过使得眼睛36能够聚焦在所生成的光上来利用远远低于29MP的像素密度。

如以上所讨论的，针对OLED显示器的示例像素间距是4.7微米。这样的像素间距使得对应于光源14的每一个像素42的像素锥能够如距瞳孔32的中心大约16mm那样靠近地定位而同时仍旧使得能够实现完全的20/20视觉灵敏度。由于该16mm距离在光源14与瞳孔32之间，因此光源与角膜46之间的距离将甚至更小，例如大约12mm。因此，相隔表面56可以定位成远离瞳孔32至少大约4mm或更多。

在提供光源14与眼睛36之间的透镜阵列40时引起的考虑在于，相关像素锥变成如与瞳孔32相对地关于透镜阵列中的每一个透镜44的像素锥。在透镜44相比于瞳孔32更靠近光源14的情况下，由光源产生的图像在瞳孔处的分辨率受损。有利地并且如以下更加详细解释的，本公开的近眼显示系统的组件和布局解决该考虑而同时还实现充足的有效分辨率。

现在参照图3，开口阵列48中的开口52和透镜阵列40中的透镜44的布局可以有利地最大化从光源14通过开口阵列递送至透镜阵列和通过透镜阵列递送至眼睛36的光的量。另外，并且如以下更加详细描述的，与近眼显示系统的其它特征组合的这样的布局可以避免创建双像而同时还减少衍射。

为了便于图3中所示的布局的描述，以下讨论参考图4中所示的示例近眼显示系统400，其中开口阵列48位于光源14与眼睛36之间，并且不利用分离的透镜阵列。将领会到的是，其它实施例的透镜阵列40中的透镜44也可以根据图3中所示和以下描述的布局来定位。

现在参照图4，从瞳孔32通过一个开口52进行反向射线追踪，瞳孔的边界的图像将近似为圆形。因此，贡献于穿过开口52的图像部分的像素42所发射的光将一般为圆形，如从眼睛36观看到的。因此，在该示例中，每一个开口52可以是圆形的。还将领会到，在一些示例中，开口阵列48中的每一个开口52包含流体，诸如大气，从像素42发射的光穿过它。

为了最大化由光源14的像素提供的光的数量，并且现在参照图3，在一个示例中，可以利用包括等边三角形206的网格202。如图3中示意性图示的，每一个等边三角形206的每一条边也是相邻等边三角形的边。此外，每一个等边三角形206的每一个顶点210也是五个其它三角形的顶点。将网格202用作参考，非重叠圆形开口52的阵列48可以配置成使得每一个开口在网格内的三角形206的顶点210上定心。可替换地表述，每一个圆形开口52的中心54可以位于网格202内的等边三角形206的顶点210处。

此外并且如在图3中示意性图示的，每一个非重叠圆形开口52可以配置成使得每一个开口由在网格202内的5个三角形206所共享的顶点210上定心的六边形214定界。如以下更加详细解释的，每一个等边三角形206的边长g可以确定开口52的布局和六边形214在网格202内的位置。每一个等边三角形206的边长g还可以表征为孔间隔。

继续参照图3和4，在确定每一个等边三角形206的边长g中的一个考虑是最大化通过每一个开口52投射的光的大体圆形部分在视网膜34上的覆盖。可替换地表述，边长g可以确定成使得投射在视网膜34上的圆形之间的任何间隙被最小化或消除。

将领会到，从等边三角形的中心到三角形的角落的距离为，其中g=三角形的边长。为了利用定心在其顶点上的圆形来覆盖等边三角形，每一个边长g将不大于，其中r是圆形半径。因此，如果网格202中的三角形的边长g小于或等于瞳孔32的半径的倍（或者是瞳孔直径的大约0.866倍），则来自开口52的光的投射不会在视网膜34上留下它们之间的间隙。

以此方式，将领会到，包括利用小于或等于瞳孔32的半径的倍的边长g定位的开口52的阵列48的近眼显示系统10可以投射来自开口52的光的多个部分，其不会在视网膜34上留下各部分之间的间隙。有利地，还将领会到，以此方式实现视网膜34上的完整覆盖不取决于从开口52的阵列48到瞳孔32的距离或者从瞳孔32到光源14的表面16的距离。

瞳孔32的直径可以被视为具有4mm的标称值，但是可以随照明而从大约2mm变化到大约8mm。因此，为了适应2mm瞳孔直径，三角形206的边长g可以不长于0.866*2mm=1.7mm。为了适应8mm瞳孔直径，三角形206的边长g可以不长于0.866*8mm=6.9mm。在一个示例中，向边长g添加设计裕度使得g的范围可以在1mm与9mm之间。在另一示例中，可以向边长g添加设计裕度使得g的范围可以在大约1mm与大约9mm之间。

现在参照图1中示出的示例近眼显示系统10，开口阵列48相比于瞳孔32而言可以更靠近表面16定位。图1的近眼显示系统10还包括定位在开口阵列48与眼睛36之间的非重叠透镜44（诸如微透镜）的透镜阵列40。还参照图3，在以下讨论中，将考虑以下参数：网格202中的三角形206的边长g、表面16与透镜44的外表面66之间的y轴距离d、瞳孔32的平面64与透镜44的外表面66之间的y轴距离c、瞳孔直径p（在渲染时刻中）以及视网膜限制r（限定为光源14可以递送完整分辨率所在的距瞳孔的最小距离）。

将领会到，边长g可以对应于相邻开口52的中心54之间的x轴距离和/或相邻透镜44的半径的中心58之间的x轴距离。在图1中所示的示例中，将领会到，相邻开口52的中心54与相邻透镜44的半径的中心58共同定位在相同位置中。此外，在以下讨论的其它示例中，距离d'可以限定为表面16与透镜44的半径的中心58或开口52的中心54之间的y轴距离。距离d和d'中的每一个还可以表征为孔距离。此外，在以下讨论的其它示例中，距离c'限定为瞳孔32的平面64与透镜44的半径的中心58或开口52的中心54之间的y轴距离。

如以上所讨论的，16mm可以是光源14与眼睛36的瞳孔32之间的最小可允许距离以使得能够实现20/20人类视觉灵敏度（没有利用开口阵列48）。因此，距离c可以控制成不小于通过提供最靠近眼睛36的透镜阵列40的侧面上的相隔表面56（诸如玻璃或聚碳酸酯表面）所规定的值。这样的相隔表面56还可以起作用来保护透镜阵列40以免受破坏。

合期望的是避免以下状况：来自光源14的特定像素42的射线通过行进通过两个不同开口52而到达视网膜34。如果该状况存在，则将以通过选择该像素的颜色不可解决的方式从该像素42生成双像状况。像素42将简单地向视网膜34上的两个不同地点贡献相同的颜色，因为其通过两个不同的开口52发送光。这样的光将包括不同角度处的至少两个射线，其二者进入瞳孔32。在该情况中，眼睛36中的折射将不足以把两个射线聚焦回到视网膜34上的相同点上。

前文造成可以用于避免双像的以下几何关系：

。

另一考虑是可能遭遇到的最大潜在瞳孔直径p。在本示例中，8mm可以是最大瞳孔直径p，如以上提到的那样。由于g合期望地不大于最小值p_min（其在本示例中为2mm）的倍，因此其遵循，或者换言之期望的是（c+d）/d大于。可替换地表述，可以报以比率并且表面16与透镜44的外表面66之间的距离d可以提供成小于表面16与瞳孔32之间的距离的0.22。这可以总结为不等式或者更一般地，且。

在一些示例中，可以向参数添加裕度以解决一个或多个其它考虑，诸如制造约束、工程考虑等。例如，g的值可以从由方程给出的特定值减小。在另一示例中，比率的值可以略微减小到由方程给出的特定值以下。

为了最小化近眼显示系统10的厚度，可能合期望的是尽可能靠近透镜阵列40来定位相隔表面56，诸如抵靠如图1中所示的透镜的外表面66毗连相隔表面。在该示例中，值c_min可以用于以上方程中的c，其中c_min表示瞳孔32与透镜44的外表面66之间的最小距离。值c_min包括（a）相隔玻璃的厚度（例如1mm），（b）相隔玻璃与眼睛36的眼睫毛之间的余隙（例如2mm），（c）眼睫毛的伸出长度（例如4mm）以及（d）角膜46尖端与瞳孔32之间的距离（例如3mm）。前文造成c_min=10mm。表面16与透镜44的外表面66之间的距离d然后可以通过在公式中求解d来确定，得出：

。

总结来说，在以上示例中获得的值：c_min=10mm，p_min=2mm并且p_max=8mm。此外，以下公式可以用于建立网格202中的三角形206的边长g，以及光源14的表面16与透镜阵列40中的透镜44的外表面66之间的距离d：

。

在以上公式中使用值c_min=10mm，p_min=2mm以及p_max=8mm得出g=1.73mm并且d=2.76mm。在利用针对c_min和p_max的其它值的其它实施例中，距离d可以在2mm与5mm之间变化。在再其它的实施例中，距离d可以在大约2mm与大约5mm之间变化。

有利地，图1中所示的近眼显示系统10使得能够通过不同的开口52顺序地观看来自特定显示像素42的射线。对应地，系统10不允许通过不同的开口52并发地观看来自特定显示像素42的射线。以此方式，本公开的近眼显示系统不同于被设计用于远程观看的诸如透镜状或规则透镜阵列显示器之类的其它显示系统。此外，本公开的近眼显示系统有利地提供不随观看方向变化的视锥。

现在将描述本公开的近眼显示系统与其中单个光学器件片段使得眼睛能够聚焦在近眼显示器上的其它显示系统之间的另一差异。在这样的其它显示系统中，光学器件可以使图像看起来被推开到远处，使得当眼睛旋转时，特定像素如同像素处于与对眼睛表观的聚焦距离相同的距离处（诸如例如几米）那样投射到眼睛中。

有利地，本公开的近眼显示系统避免该状况。而是，当眼睛36旋转时，来自显示像素42的射线表现得如同它们源自距眼睛36的瞳孔3216mm（或更小）的源。以此方式，创建其中用户的眼睛36能够聚焦在例如离开瞳孔3216mm或更小的点上的用户体验。同时，用户所感知的对眼睛的表观聚焦距离被控制为通过选择透镜44的焦距而选择的不同距离。当眼睛36旋转时，由特定显示像素42投射的射线在开口52之间切换并且在视网膜34上移动，如同其从例如16mm投射进来。

在一些示例中，该体验可以被用户的视觉系统解释为点在眼睛移动时简单地移动。此外，对于两只眼睛而言不可能趋于离开瞳孔3216mm的相同点上。因此，在一些示例中，本公开的近眼显示系统可以基于眼睛36的位置而适配显示像素42的渲染以使经渲染的图像看起来保持固定在比表面16距瞳孔的实际距离更大的距离处。

如以上所指出的，为了追踪眼睛36并且更具体地瞳孔32的定位，在一些示例中，近眼显示系统10可以利用包括眼睛追踪程序22的眼睛追踪系统。现在参照图2中的可穿戴眼镜200，在一个示例中，眼睛追踪系统可以利用至少一个面向内的传感器208。面向内的传感器208可以是被配置成从用户的眼睛获取以一个或多个眼睛定位参数的形式的图像数据的图像传感器。

倘若用户赞成该眼睛定位信息的获取和使用，则眼睛追踪程序22可以使用该信息以追踪用户眼睛的定位和/或移动。例如，眼睛追踪系统可以追踪用户的眼睛在人眼窗口（eyebox）内的定位，测量或估计从瞳孔32的中心到可穿戴眼镜200上的位置的距离，测量或估计用户眼睛的瞳孔中心之间的瞳间距离（IPD），测量或估计用户眼睛的视线，并且测量或估计涉及用户眼睛的其它眼睛定位参数。通过使用从眼睛追踪程序22获得的眼睛定位信息，渲染程序24可以控制光源14以适配显示像素42的渲染。

现在参照图1、4和6，在这些示例中，光源14和相隔表面56在横向、x轴方向上平行于彼此线性延伸。在图1和4中，开口阵列48也在横向、x轴方向上并且平行于光源14和相隔表面56线性延伸。在图1和6中，透镜阵列40也在x轴方向上平行于相隔表面56延伸。下文是以上描述的设计考虑和状况的讨论，因为它们可能涉及图1、4和6中所示的示例的平面且平行的表面和组件。

关于瞳孔32的平面64与开口52的中心54之间的距离c’，将领会到，当开口52移动到更靠近光源14的表面16时，分辨率可能降低。为了解决这样的效应，开口阵列48可以被适配。在一个示例中并且还参照图5，开口阵列48可以包括液晶快门显示器502。在该示例中，每一个开口52可以包括液晶快门506，并且时间复用可以用于控制快门的打开和关闭。

有利地，通过经由时间复用控制快门，可以将从光源14的像素42发射的光选择性地提供到透镜44以增加每一个透镜的有效间距并且增加近眼显示系统10的有效分辨率。如以上指出的，在一些示例中，近眼显示系统10可以包括复用程序20，其可以经由时间复用来控制快门506，如以上所描述的。

在另一示例中并且现在参照图4和5，近眼显示系统400可以包括开口阵列48而没有分离的透镜阵列。在该示例中，液晶快门显示器502可以形成如所期望的开口52并且使用时间复用而随时间控制开口。此外，快门显示器502可以结合如以上所描述的眼睛追踪系统来利用以将开口适配于当前眼睛定位。

如以上所讨论的，将开口52移动离开眼睛36帮助避免由于来自相同像素的光线穿过两个不同开口所引起的双像。通过使用例如由快门显示器502启用的自适应开口52，眼睛追踪可以用于以跟随瞳孔32的中心的单个开口52来瞄准凹窝60。

当视觉轴与光学轴不相同时，开口52可以遵循与瞳孔32的中心略微间隔的位置。开口52还可以尽可能靠近眼睛36定位，诸如刚好定位在相隔表面56下方。有利地，这样的布置可以提供增强的分辨率而不产生双像。这样的布置还在凹窝60之上定心，这还解决了可能由于多个开口52瞄准凹窝60所引起的图像渲染中不合期望的线迹（stich）的潜在问题。

时间复用还可以用于也解决用户的周边视觉。如果不使用时间复用，则避免双像状况的期望可能将开口52推开得过远以不能实现视网膜34的覆盖。相反，在一个示例中，可以经由时间复用创建分离的时间片段以使用以上所描述的距离和位置处的开口52的阵列48来显示图像，但是阵列的中心区被遮掉以避免使中心区模糊。这可以以较低的分辨率产生视网膜34的完全覆盖，要指出的是，视网膜的周边区中的较低分辨率不太会引起异议。

现在将提供关于本公开的近眼显示系统的分辨率和衍射的描述。可能影响近眼显示系统的有效分辨率的三个示例因素是像素角度、孔角度和衍射限制。为了考虑这些因素，可以使用以下参数：

·d：显示表面与开口（例如开口52）之间的距离；

·h：显示像素的间距（例如4.7微米）；

·a：开口直径；以及

·λ：光的波长（例如700nm，可见光谱的上限）。

像素角度可以将分辨率（以弧度来陈述并且采取小值）限制到h/d。开口可以被视为非常薄的表面中的小圆洞。开口直径a也可以将分辨率限制到a/d。

从像素通过开口的角度范围（不考虑衍射）可以一般地表示为(h+a)/d。出于该原因并且为了避免损失像素所支持的分辨率，开口直径a可以如像素间距那样小，或者在一些示例中小于像素间距。另一方面，当开口的直径变得更小时，可能体验到衍射以及亮度损失。因此，可以在本公开的近眼显示系统中平衡涉及开口大小的这些考虑。

将领会到，衍射通过开口扩展光并且限制角度分辨率。针对离开距离c处的中心射线的偏移s的路径差异为：

或者

这可以通过（其大约为）处的平方根的导数乘以2sa来近似。这导致sa/c的路径长度差异。相消干涉可以最初发生在该路径长度差异与波长的一半相同时，或者2sa/c=λ时。偏移的两倍（从中心射线的两个方向）可以在该距离之上使用，或者2s/c，以近似由衍射导致的角度锥体以弧度计的小角度。总结来说，角度分辨率通过衍射限制到λ/a。为了找到针对给定波长和距离最小化a/d和λ/a的最大值的开口直径a，可以将两个比率设置成相等，或者λ/a=a/d，造成：

。

有利地，前文可以提供作为如从表面16上的点看到的孔角度和衍射之间的折衷的合期望的开口直径。如果可以使像素间距足够小，则可以使显示像素的间距h和开口直径a相等，使得h=a。在该情况中，衍射-开口折衷可以是限制性因素。因此，对于显示像素而言不必比可以分辨的更小，并且以弧度计的有效角度分辨率为：

。

在其中像素间距可能不如所期望的那样小的其它示例中，通过选择适当的开口直径a，视网膜34上的来自光源14的图像具有比可以实现的实际显示像素大小更大的分辨率。在该示例中，将领会到，如从开口看到的像素角度（其可以通过较小的显示像素和/或较长的距离来增加）可以是限制性因素。在该情况中，开口直径a可以增加直到其逼近显示像素大小，因为这增加亮度而不影响针对分辨率的限制性因素。因此在该示例中，开口直径和显示像素大小可以相等，使得a=h。

在该示例中，有效分辨率在h/d的量级上。由像素角度限制的分辨率与由衍射-孔折衷限制的分辨率之间的交叉点针对距离d发生使得：

或。

利用以上叙述的值并且使用距离d=12mm，可以从衍射-孔角度折衷实现开口直径微米。在一些示例中，显示像素可以明显小于92微米，诸如4.7微米，如以上所指出的。在其它示例中，显示像素可以选择为与开口直径a相同的大小，这得出以下有效分辨率：

。

在其中不利用透镜的本公开的近眼显示系统的示例中，以下表格针对两个不同像素大小提供用于光源14的表面16与开口52的阵列48之间的各种距离的有效分辨率的非限制性示例。还示出针对其实现该分辨率的开口直径。倒数第二列示出在假定理想光学器件并且加宽开口以避免衍射的情况下将实现的分辨率。最后一列示出对应于避免针对对应分辨率的衍射的开口直径：

。

在一些示例中，诸如图1和6中所示的近眼显示系统，可以利用具有球形表面的透镜44的一个或多个阵列。参照图1并且使用大约24mm的眼球直径，瞳孔32可以在半径12mm的球体上旋转。使用10mm的相隔距离c，透镜阵列40的外表面66在y轴方向上与眼睛的旋转中心间隔22mm。

在平面表面于x轴方向上延伸通过每一个透镜44的外表面66所占据的位置的假想情况中，用于视网膜34的90度覆盖的表面边长为44mm。使用44mm的该距离，并且参照图3和具有三角形边长g=1.76mm的网格202，将领会到，存在跨过44mm距离的网格的大约25个边长g。可替换地表述，存在跨过44mm距离的透镜六边形的大约25个直径。

在一个示例中，可以使用具有用于配合在六边形214内的最大可能直径的透镜44。在该示例中将领会到，接触每一个相邻六边形214的边的透镜的圆形圆周之间的区域（其中这样的区域包括不透明或部分不透明的材料）可以阻挡来自光源14的光。在该情况中，来自光源14的光的大约将经过透镜44的阵列40，假定没有光由于反射而损失。

在另一示例中，透镜阵列40中的透镜44的配置可以解决该考虑。在该示例中，透镜44具有球形表面，其具有给定曲率，并且其材料可以连续到其圆形之间的区域中。透镜44的表面上的点可以属于最靠近定心的透镜（Voronoi图可以用于确定最靠近定心的透镜）。每一个透镜44然后覆盖在正投影下是准确的六边形的区域。相邻六边形的端将会合并且六边形边界处的高度将相同。

将领会到，存在这些状况，因为每一个边界是Voronoi图中的边界，并且每一个边界与两个（或三个）透镜44相等地间隔。另外，六边形边界高度以对于所有透镜44相同的方式径向下落。将领会到，即使透镜表面未被设计为球体的部分，前文也保持为真。在该情况中，透镜表面可以设计为等同的回转曲面。在一些示例中，透镜44的阵列40的下侧可以具有相同的形状，或者可以一直延伸到光源14的表面16。

Lensmaker方程可以用于确定透镜44的半径：

其中f是焦距，n是折射率，R ₁和R ₂分别是最靠近和最远离光源14的透镜表面的曲率半径，并且h是沿光轴的透镜的厚度。如果一个半径是无穷的，则方程对于其它半径变成。这指示焦距大约等于直径（假定n=1.5）。

在一些示例中，可以使用针对聚碳酸酯的1.585的折射率n。在f=d=2.76mm且n=1.585的情况下，则半径R=1.61mm。将领会到，1.61mm的半径R多少类似于三角形边长g=1.73mm。这还导致4.37mm的尖端处的透镜阵列膜的总高度。

在另一示例中，透镜阵列可以利用包括光源14与透镜阵列之间的开放空间和球形背部的透镜。该示例可以有用于可变聚焦距离显示器。可变聚焦距离显示器的一个示例可以包括以类似于在一些自动对焦相机中利用的自动对焦机制的方式移动透镜阵列或光源的马达。

还将领会到，光源14的表面16上的所有点可能未对焦。当一个绕透镜44的球形表面旋转时，聚焦距离计算保持恒定并且焦点绕与透镜表面同心的球体移动，如与保持在显示平面上相反的。出于该原因，可以考虑调节以缓解该考虑。这样的调节可以包括例如向回小量移动焦距和利用非球形透镜。

另一调节可以包括利用透镜阵列40与光源14之间的开口阵列48，如图1的示例中所示。该配置可以利用由开口阵列48提供的聚焦深度中的增加，同时还增加光的供应而没有牺牲聚焦或导致经由透镜阵列40的衍射。这样的增强的光学性质还可以在视场增加时变得愈加合期望。

还可以考虑关于透镜阵列40和透镜阵列与光源14之间的开口阵列48的球形像差的潜在效应。在一些示例中，小于透镜半径的大约20%的开口直径a可以用于有利地避免用户的视觉灵敏度经由球形像差的明显降级。在其它示例中，可以使用透镜半径的大约30%的开口直径，其中用户视觉灵敏度出于其它原因而可能略微降级。

如以上所解释的，在一些示例中，提供透镜阵列40可以增加近眼显示系统的有效分辨率。然而，为了避免双像，可以将根据图3的网格202布置的开口阵列48移动离开眼睛36，从而导致较低的分辨率。相应地并且如以上所描述的，在一些示例中，开口52的时间复用也可以用于增加分辨率。通过使用时间复用，开口52可以定位成更靠近眼睛36并且从而增加有效分辨率。在使用四个分离通过的时间复用的一个示例中，在特定时间处活跃的开口52的有效直径可以加倍。有利地，这使得开口52能够更靠近眼睛36定位并且使有效分辨率加倍。

现在将描述图1中所示的近眼显示系统10的示例。光源14可以包括具有4.7微米间距的像素42。参照图3，等边三角形网格202可以包括三角形边长g=1.73mm。因此，开口阵列48中的相邻开口52的中心54可以以距离g=1.73mm间隔。在该示例中，开口52的每一个中心54的位置还是阵列40中的对应球形透镜44的半径R的中心58的位置。

光源14的表面16以距离d’=2.76mm与球形透镜44的中心58间隔。假定p_min=2mm的最小瞳孔直径，则该配置有利地提供视网膜34上的基本上完全图像覆盖。另外，假定p_max=8mm的最大瞳孔直径和距透镜44的中心58的最小相隔距离c’_min=10mm，则该配置还有利地避免双像状况。基于以上描述的像素角度限制，该示例配置还提供1.5mrad的分辨率。

使用距离d’=2.76mm和大约对应于用于透镜44的聚碳酸酯材料的折射率n=1.5，可以通过来确定每一个透镜44的半径R。还将领会到，透镜半径R=1.38mm产生等同于距离d’=2.76mm的焦距f=2.76mm。在其它示例中，每一个透镜44的半径R可以在大约1mm与大约2mm之间。

此外，为了避免衍射使分辨率进一步降级并且创建图像失真，每一个开口52的直径a可以为至少微米。如以上指出的，每一个开口52的中心54位于对应球形透镜44的半径R的中心58处。涉及角度分辨率上的球形像差的效应的孔径比计算为a/R。在本示例中，。为了减小球形像差的效应，可以使用大约1.5倍a/R。因此，。

大约0.4的孔径比a/R处的球形像差为大约0.11度或1.7mrad分辨率。大约0.3的孔径比处的球形像差为大约0.04度，对应于大约1.5mrad的分辨率。在透镜半径R=1.38mm、相邻开口间隔g=1.73mm以及孔径比a/R=0.338mm的情况下，创建大约90度的视场。可替换地表述，该配置实现视网膜34上的至少大约90度的覆盖。略微朝向透镜44移动开口52（例如以0.1mm）和/或略微增加开口间隔g可以进一步加宽视场并且将视网膜覆盖延伸到逼近或超过90度。

在一个示例中，可以通过孔径比a/R=0.338mm将间隔g=1.73mm增加到1.73mm+0.338mm=2.068mm，并且仍旧维持视网膜覆盖。经领会到，是针对90度视场的最大透镜半径R。有利地，由于本示例中的透镜半径R=1.38mm，因此实现90度视场目标。还将领会到，分辨率在从凹窝60的大约5-10度内不受影响并且在视网膜34的周边中进一步降低。还将领会到，人类视觉灵敏度也在视网膜34的周边中降低。

在另一示例中，球形透镜44的外表面可以在360度内连续并且来自对应弯曲光源的像素42可以放置在球形透镜的背部上。在另一示例中，透镜可以包括透镜背侧上的发散表面构造以允许稍微增加距离，其可以进一步增强分辨率。

在图1的近眼显示系统10的一个示例中，系统可以具有厚度（光源14的厚度）+1mm（相隔表面56的厚度）=7.14mm。在其中相隔表面厚度为1mm的一个示例中，到瞳孔32的最小相隔距离c’为10mm-1.38mm-1mm=7.62mm。

图8A和8B图示了用于显示图像的方法800的流程图。参照以上描述的和在图1-7中示出的近眼显示系统的软件和硬件组件来提供方法800的以下描述。将领会到，方法800还可以在使用其它合适硬件和软件组件的其它上下文中执行。

在804处，方法800可以包括提供光源，其包括表面和具有5微米或更小的像素间距的多个像素，其中像素被配置成发射包括图像的光。在806处，光源和孔阵列可以在横向方向上线性延伸。在808处，方法800可以包括将孔阵列定位在距光源表面2mm与5mm之间的孔距离处，孔阵列包括多个非重叠孔，每一个在等边三角形网格内的等边三角形的顶点上定心，并且每一个孔的中心以1mm与9mm之间的孔间隔与每一个相邻孔的中心间隔。

在812处，每一个非重叠孔可以包括透镜。在816处，每一个透镜可以具有球形表面。在820处，每一个非重叠孔可以是包含诸如大气之类的流体的开口。在824处，每一个非重叠孔可以由网格内的六边形定界。在828处，方法800可以包括选择性地传递从像素发射的光以显示图像而没有双像状况。

在832处，孔阵列可以是第一孔阵列，多个非重叠孔可以是多个第一非重叠孔，并且孔距离可以是第一孔距离。方法800可以包括在第一孔阵列与光源之间提供第二孔阵列，其中第二孔阵列位于距光源表面的小于第一孔距离的第二孔距离处。第二孔阵列可以包括多个第二非重叠孔，每一个在等边三角形网格内的等边三角形的顶点上定心，并且多个第二孔中的每一个孔的中心可以以1mm与9mm之间的孔间隔与多个第二孔中的每一个相邻孔的中心间隔。

在836处，方法800可以包括提供快门显示器。在840处，方法800可以包括经由时间复用控制快门显示器以选择性地将从多个像素发射的光提供到非重叠孔，从而增加每一个非重叠孔的有效间距并且增加显示系统的有效分辨率。在844处，方法800可以包括确定用户眼睛的位置。在848处，方法800可以包括基于眼睛的位置适配像素的渲染。

将领会到，方法800通过示例的方式来提供并且不意为限制性的。因此要理解的是，方法800可以包括除图8A和8B中图示的那些之外的附加和/或可替换的步骤。另外要理解的是，方法800可以以任何合适的次序执行。再另外要理解的是，可以从方法800省略一个或多个步骤而不脱离本公开的范围。

图9示意性地示出可以执行一个或多个以上所描述的方法和过程的计算设备900的非限制性实施例。以简化形式示出计算设备900。要理解的是，实际上可以使用任何计算机架构而不脱离本公开的范围。在不同的实施例中，计算设备900可以采取大型计算机、服务器计算机、台式计算机、膝上型计算机、平板计算机、家庭娱乐计算机、网络计算设备、移动计算设备、移动通信设备、游戏设备等的形式。计算设备900还可以集成到可穿戴眼镜200中。

如图9中所示，计算设备900包括逻辑子系统904、数据保持子系统908、显示子系统912、通信子系统916和传感器子系统920。计算设备900可以可选地包括图9中未示出的其它子系统和组件。计算设备900还可以可选地包括其它用户输入设备，诸如例如键盘、鼠标、游戏控制器和/或触摸屏。另外，在一些实施例中，本文所描述的方法和过程可以实现为包括一个或多个计算机的计算系统中的计算机应用、计算机服务、计算机API、计算机库和/或其它计算机程序产品。

逻辑子系统904可以包括被配置成执行一个或多个指令的一个或多个物理设备。例如，逻辑子系统可以被配置成执行作为一个或多个应用、服务、程序、例程、库、对象、组件、数据结构或其它逻辑构造的部分的一个或多个指令。这样的指令可以实现成执行任务、实现数据类型、变换一个或多个设备的状态或以其它方式达到所期望的结果。

逻辑子系统904可以包括被配置成执行软件指令的一个或多个处理器。此外或可替换地，逻辑子系统可以包括被配置成执行硬件或固件指令的一个或多个硬件或固件逻辑机。逻辑子系统的处理器可以是单核或多核的，并且其上执行的程序可以被配置用于并行或分布式处理。逻辑子系统可以可选地包括遍及两个或更多设备分布的各个组件，其可以远程定位和/或配置用于协调处理。逻辑子系统的一个或多个方面可以被虚拟化并由配置在云计算配置中的远程可访问联网计算设备执行。

数据保持子系统908可以包括一个或多个物理、持久性设备，其被配置成保持由逻辑子系统904可执行的数据和/或指令以实现本文所描述的方法和过程。当实现这样的方法和过程时，可以变换数据保持子系统908的状态（例如，以保持不同的数据）。

数据保持子系统908可以包括可移除介质和/或内置设备。数据保持子系统908可以包括光学存储器设备（例如，CD、DVD、HD-DVD、蓝光盘等）、半导体存储器设备（例如，RAM、EPROM、EEPROM等）和/或磁存储器设备（例如，硬盘驱动器、软盘驱动器、磁带驱动器、MRAM等）等等。数据保持子系统908可以包括具有以下特性中的一个或多个的设备：易失性、非易失性、动态、静态、读取/写入、只读、随机存取、顺序存取、位置可寻址、文件可寻址和内容可寻址。在一些实施例中，逻辑子系统904和数据保持子系统908可以集成到一个或多个公共设备中，诸如专用集成电路或片上系统。

图9还示出以可移除计算机可读存储介质924的形式的数据保持子系统908的方面，其可以用于存储和/或传送数据和/或可执行指令以实现本文所描述的方法和过程。可移除计算机可读存储介质924可以采取CD、DVD、HD-DVD、蓝光盘、EEPROM和/或软盘等等的形式。

要领会到，数据保持子系统908包括一个或多个物理、持久性设备。相比之下，在一些实施例中，本文所描述的指令的各方面可以以暂时性方式通过未被物理设备在至少有限的持续时间内保持的纯信号（例如电磁信号、光学信号等）而传播。另外，关于本公开的数据和/或其它形式的信息可以通过纯信号传播。

显示子系统912可以用于呈现由数据保持子系统908保持的数据的视觉表示。显示子系统912可以包括例如可穿戴眼镜200的光源14。如以上所描述的，方法和过程改变数据保持子系统908所保持的数据，并且因此变换数据保持子系统的状态，显示子系统912的状态可以同样地变换成在视觉上表示底层数据中的改变。

通信子系统916可以被配置成将计算设备900与一个或多个网络和/或一个或多个其它计算设备通信耦合。通信子系统916可以包括与一个或多个不同的通信协议兼容的有线和/或无线通信设备。作为非限制性示例，通信子系统916可以被配置用于经由无线电话网络、无线局域网、有线局域网、无线广域网、有线广域网等进行通信。在一些实施例中，通信子系统可以允许计算设备900经由诸如因特网之类的网络向其它设备发送消息和/或从其它设备接收消息。

传感器子系统920可以包括被配置成感测不同物理现象（例如可见光、红外光、声音、加速度、取向、定位等）的一个或多个传感器。例如，传感器子系统920可以包括如以上所描述的一个或多个眼睛追踪传感器。传感器子系统920可以被配置成向例如逻辑子系统904提供诸如眼睛追踪信息之类的观察信息。如以上所描述的，在一些示例中，诸如眼睛追踪信息之类的观察信息可以用于执行以上所描述的方法和过程。

术语“程序”可以用于描述实现成执行一个或多个特定功能的近眼显示系统的方面。在一些情况下，这样的程序可以经由逻辑子系统904执行由数据保持子系统908保持的指令来实例化。要理解的是，不同的程序可以从相同的应用、服务、代码块、对象、库、例程、API、功能等实例化。同样地，相同的程序可以由不同的应用、服务、代码块、对象、例程、API、功能等实例化。术语“程序”意在涵盖单独的可执行文件、数据文件、库、驱动器、脚本、数据库记录等或者其分组。

要理解到，本文描述的配置和/或方案本质上是示例性的，并且这些具体实施例或示例不应以限制性的含义来看待，因为众多变形是可能的。本文描述的具体例程或方法可以表示任何数目的处理策略中的一个或多个。照此，所图示的各种动作可以以图示的顺序、以其它顺序、并行地或者在一些情况下有所忽略地执行。同样地，以上所述过程的次序可以改变。

本公开的主题包括各种过程、系统和配置，与本文所公开的其它特征、功能、动作和/或性质，以及其任何和全部等同物的所有新颖和非显而易见的组合与子组合。

Claims

1.一种近眼显示系统，包括：

光源，其包括表面和具有5微米或更小的像素间距的多个像素，其中像素被配置成发射包括图像的光；以及

位于距光源的表面的孔距离处的孔阵列，孔距离在2mm与5mm之间，孔阵列包括多个非重叠孔，每一个在等边三角形网格内的等边三角形的顶点上定心，每一个孔的中心以1mm与9mm之间的孔间隔与每一个相邻孔的中心间隔，其中孔阵列选择性地传递从像素发射的光以显示图像而没有双像状况。

2.权利要求1的近眼显示系统，其中光源和孔阵列在两个或三个维度上弯曲。

3.权利要求1的近眼显示系统，其中每一个非重叠孔是透镜。

4.权利要求1的近眼显示系统，其中每一个非重叠孔是包含流体的开口。

5.权利要求1的近眼显示系统，其中孔阵列是第一孔阵列，多个非重叠孔是多个第一非重叠孔，并且孔距离是第一孔距离，并且还包括在第一孔阵列与光源之间的第二孔阵列，第二孔阵列位于距光源的表面的小于第一孔距离的第二孔距离处，第二孔阵列包括多个第二非重叠孔，每一个在等边三角形网格内的等边三角形的顶点上定心，并且多个第二孔中的每一个孔的中心以1mm与9mm之间的孔间隔与多个第二孔中的每一个相邻孔的中心间隔。

6.一种用于显示图像的方法，包括：

提供光源，该光源包括表面和具有5微米或更小的像素间距的多个像素，其中像素被配置成发射包括图像的光；

将孔阵列定位在距光源的表面2mm与5mm之间的孔距离处，孔阵列包括多个非重叠孔，每一个在等边三角形网格内的等边三角形的顶点上定心，每一个孔的中心以1mm与9mm之间的孔间隔与每一个相邻孔的中心间隔；以及

选择性地传递从像素发射的光以显示图像而没有双像状况。

7.权利要求6的方法，其中光源和孔阵列在横向方向上线性延伸。

8.权利要求6的方法，其中多个非重叠孔中的每一个由网格内的六边形定界。

9.权利要求6的方法，还包括：

确定用户眼睛的位置；以及

基于眼睛的位置适配像素的渲染。

10.权利要求6的方法，还包括：

提供快门显示器；以及

经由时间复用控制快门显示器以选择性地将从多个像素发射的光提供到非重叠孔，从而增加每一个非重叠孔的有效间距并且增加显示系统的有效分辨率。