CN107407816B - 具有时间复用的视觉显示器 - Google Patents

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Abstract

通过生成一系列部分实像来显示给定图像，每个部分实像表示给定图像的一部分并且一起表示所述给定图像，并且部分实像中的至少一些部分实像占据交叠的位置。接连地对部分实像进行成像，以形成从眼睛位置可视的子图像。子图像在空间和时间上组合，以形成从眼睛位置可视的虚像，使得不同部分实像的所述交叠部分形成虚像的不同部分。部分实像可以显示在数字或其它显示器上，并且由光学通道进行成像，每个光学通道使用一个或多个小透镜。

Description

具有时间复用的视觉显示器
对相关申请的交叉引用
本申请要求共同发明并受让的于2015年1月21日提交的美国临 时专利申请No.62/105,905和于2015年8月21日提交的No. 62/208,235的权益，这两个申请的标题都是“Immersive Compact Display Glasses”。这两个申请都通过引用整体上并入本文。本申请涉及于2015年5月28日公布的标题为“Immersive compact display glasses”的共同发明并受让的国际专利申请WO 2015/077718，其通 过引用整体上并入本文。
技术领域
本申请涉及视觉显示器，尤其涉及头戴式显示器技术。
背景技术
1.参考文献：
于2015年5月28日公布的标题为“Immersive compact display glasses”的WO2015/077718，其被共同发明并受让 PCT/US2014/067149，以下称为“PCT1”。
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R.Winston、J.C.
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和P.Benítez，Nonimaging optics， New York：Elsevier-Academic Press，2005(“Winston 2005”)
2.定义：
Figure BDA0001400857270000031
Figure BDA0001400857270000041
Figure BDA0001400857270000051
Figure BDA0001400857270000061
Figure BDA0001400857270000071
4.现有技术
4.1头戴式显示器
头戴式显示器(HMD)技术是快速发展的领域。头戴式显示器 技术的一个方面提供了完整的沉浸式视觉环境(其可以被描述为虚拟 现实)，使得用户仅观察到由一个或多个显示器提供的图像，而外部 环境被视觉遮挡。这些设备在诸如娱乐、游戏、军事、医药和工业之 类的领域中都有应用。在Ismael等人的US2010/0277575A1中，描 述了这种设备的一个示例。HMD的基本光学功能是立体镜 (stereoviewer)的基本光学功能，诸如在授予Mizukawa的美国专 利5,390,047中所描述的。
头戴式显示器通常由一个或两个显示器、它们对应的光学系统 (其将显示器成像到要被用户的眼睛可视化的虚拟屏幕中)以及头盔 (其视觉地遮挡外部环境并提供对所提到的组件的结构支撑)组成。 显示器还可以具有瞳孔跟踪器和/或头部跟踪器，使得由显示器提供 的图像随用户的移动而改变。
理想的头戴式显示器结合了高分辨率、大视场、低且良好分布的 重量以及具有小维度的结构。虽然一些技术单独地成功实现了这些期 望的特征，但迄今为止，还没有已知技术能够将这些期望的特征中的 所有特征结合起来。这导致对用户来说不完整或甚至不舒服的体验。 问题可以包括低现实程度和眼睛疲劳(低分辨率或光学成像质量)， 不能创造沉浸式环境(小视场)或者对用户头部的压力过大(过重)。
用来在维持分辨率的同时增加视场的一种方法是平铺，即，使用 以镶嵌图案布置并且不在同一平面中的每只眼睛多个显示器。那种方 法在参考文献Melzer1998或Cheng2011中给出。授予Massof的专 利US6,529,331B2也给出了这种解决方案。
小透镜阵列在多光圈相机领域中已经在虚拟机传感器中找到了相 当多的应用。他们有能力在使用小焦距的同时增加整个系统的视场， 这提供了紧凑性。存在两种受昆虫眼启发的基于小透镜阵列的传感器 的主要方法：(1)并置系统和(2)叠加系统。叠加系统使用若干相 邻的透镜来照亮单个传感器区域，从而形成环境的单个实像。在并置 系统中，表面上不存在单个实像形成。
存在并置多光圈相机系统的若干子类型，最为人所知的是每个小 透镜仅使用一个像素的类型，而在本公开中，每个小透镜有多个像素。 这种并置的小透镜阵列系统的一个示例可见于Brückner2011，第28 页。另一个示例可见于Duparré2006中找到，其中还公开了用于校 正散光的单面环形小透镜。
第二类型的并置多光圈相机系统使用光学缝合，其中每个小透镜 传送FoV的其相关部分，并且相邻的部分图像以相邻部分图像之间 的交点处的图像细节被保留的方式光学缝合在一起。一个示例可见于 Brückner2011，第75页的“Optical Cluster Eye”。在Brückner的 系统中，每个小透镜捕获视场(FoV)的非交叠部分。这与PCT1中 公开的设备形成对比，其中由每个小透镜捕获的FoV与其它的FoV 交叠，并且不需要掩模以避免串扰。Brückner使用词“光学通道” 来代替小透镜。我们在这里已修改了它，以保持一致。
第三种类型的并置多光圈相机系统使用段的电子缝合。在 Brückner2010中，使用了使用多小透镜方法的系统，使得在每个小 透镜中，仅记录整个FoV的一部分，并且最终的图像通过借助软件 处理缝合所有部分图像来创建。在利用电子缝合的多光圈相机中，小透镜的间距总是大于传感器中其照射的扇区的间距，以使其视场加宽 并最小化传感器面积。这意味着相机的输入瞳孔是虚拟的，位于传感 器后面，并且其位置和形状是无关紧要的并且在设计中不被考虑。
在同一参考文献Brückner2010，第24384页(也在 Brückner2011，第38页)中给出了多光圈相机的另一种现有技术方 法，其中它被称为“增加采样”。如PCT1的图2中所给出的，每个 相邻的小透镜对的部分图像被“编织”，以便对较低的焦距实现较高 的分辨率，并且通过像素的扇区聚焦到传感器中。Brückner描述的 编织完全消除了传感器到场映射中的冗余，即，传感器中的像素(本 文称为opixel)与这些opixel的图像(即，场中的像素(本文称为 ipixel))之间存在双射(即，点对点)映射。
PCT1教导了如何设计用于头戴式显示器的并置型光学器件。图 1(这是PCT1的图3)示出了仅具有四个群集0104t、0104b、0105t 和0105b的简单示例，其形成由数字显示器0107上的opixel创建的 复合图像。这些opixel由小透镜阵列光学器件投射，以在虚拟屏幕0108(为了简单起见，已经在这里被绘制为具有矩形轮廓的平面)上 形成ipixel的图像。每个opixel属于单个群集(任何两个群集的交集 都是空集并且所有群集的并集是整个数字显示器)。
每个群集在虚拟屏幕上显示图像的一部分。相邻的群集以一定的 移位显示图像的部分。图像的一些部分出现在多于一个群集中。为了 解释为什么这是必要的，在图1的顶部添加了二维示意图。它示出了 有关的光线来定义opixel和ipixel之间的映射的边缘。在这个图示中， 具有ipixel的虚拟屏幕被放置在无穷远处，因此光线0100a、0101a、 0102a和0103a的方向指示虚拟屏幕上的ipixel位置。为了简单起见， 该图示是二维的，但是投射在图1左下方的图像的实际设备是三维的 并且包含四个小透镜，两个在上面并且两个在下面，而不仅仅是在图 1顶部处的示意图中示出为0104和0105的两个小透镜。二维示意图 被用来解释opixel和ipixel之间的映射的水平坐标，并且类似的推理 适用于垂直坐标。
虚拟屏幕的水平范围从0100a延伸到0103a。在左群集0104t和 0104b中表示的图像的部分由到达瞳孔范围0106的边缘的边缘光线 0100a和0102a给出，其限定虚拟屏幕0108上的垂直线0100a和 0102a。类似地，在右群集0105t和0105b中表示的图像的部分由边缘光线0101a和0103a给出，其限定虚拟屏幕0108上的两条垂直线。 因此，虚拟屏幕0108的在0101a和0102a之间的部分将在左群集和 右群集中都显示。具体而言，小透镜0104将虚拟屏幕的边缘光线 0100a和0102a映射到数字显示器0107上的0100b和0102b上。类 似地，小透镜0105将边缘光线0101a和0103a映射到数字显示器 0107上的0101b和0103b上。光学设计意在保证群集不交叠，这可 以利用当0101b和0102b重合时数字显示器的最大限度使用来实现。 顶部群集0104t、0105t与底部群集0104b、0105b的类似对准从图1 中显而易见。
由于信息在群集上的部分重合，ipixel ip1由四个opixel(op11、 op12、op13和op14)的投射形成。Opixel的这个集合被称为ipixel ip1的“网”。位于虚拟屏幕中心的ipixel(诸如ip1)的网各包含四 个opixel。但是，接近虚拟屏幕边界的ipixel的网可以具有较少的 opixel。例如，ipixel ip2的网只包含两个opixel(op21和op22)， 并且ip3的网只包含op31。
4.2时间复用
用来增加视觉显示器中的分辨率的旧方法是基于时分复用 (TDM)方案。与电-光显示器中生成的图像的快速变化相比，它依 赖人视网膜上图像的相对长的持久性。这也是老式阴极射线管 (CRT)的基础，其中，当阴极射束在CRT的屏幕上被光栅扫描时， 屏幕的荧光体和我们的视网膜的荧光体的组合持久性从单个扫描点产 生稳定图像的错觉(一次仅绘制一个点)。
倘若用来在视网膜上创建完整图像的时间不大于存留时间，那么 TDM允许不一次全部，而是顺序地，在视网膜上形成帧的图像。在 帧期间在虚拟屏幕上要示出的图像被分割成称为子图像的若干部分。 这些部分中的每一个在时间帧的被称为子帧隙的一部分期间示出。在 时间帧结束时，所有图像部分已经至少在一个子帧隙期间被示出。
当使用时间复用技术时，帧图像的一部分使用opixel的用于仅 创建整个图像的这一部分的完整集合在子帧隙中显示。图像的其余部 分在稍后的子帧隙中生成，同时图像的之前部分仍然存留在视网膜中。 于是，图像的分辨率(ipixel的总数)可以大于显示器的分辨率 (opixel的总数)。
TDM技术已被应用到许多类型的数字显示器。Chinnock 2015 描述了通过利用显示面板中的每个像素的内部结构以在每个像素内生 成两个或更多个子像素来提高有效分辨率的多种方案。然后，较高分 辨率的图像被划分成两个或更多个交织的子图像，每个显示像素对每 个子图像贡献一个子像素。例如，如图2中所示，通过将10K像素 图像划分成四个2.5K像素的子图像(参见图2中的0201、0202、 0203和0204，其中每个非黑色方块表示1个活动的子图像像素)， Panasonic能够在2.5K像素的显示器上创建10K像素的图像，这些 子图像通过每个子图像在空间上略微移动而顺序显示，使得所显示的 子图像被交织或“编织”，如Brückner的“增加采样”的情况一样。 投影仪每秒运行240个子帧(fps)。由于这些子帧中的每一个与4 个子图像之一对应，因此合成图像以60fps刷新。用光学元件完成的 移动填充棋盘，以完成图像。
时间复用也用在自动多视点显示器中，参见Wetzstein 2012，其 基于以高刷新率工作并以快速切换的方向性背光(即，低分辨率光场 发射器)照明的多层面板。在这种情况下，图像像素不能被从图像平 面的小区域出射的所有光线限定，而是由占据某个相位空间区域的细 光线束来限定(即，具有空间和角度限定)。TDM被用来从物理显 示器的同一部分生成不同方向的光线束。
Lacoste等人的WO 2009156752A1公开了一种使用时间复用的、 用于HUD的全息显示器。在Lacoste公开的一些配置中，图像是单 色的，因此通过对不同颜色的图像进行时间复用来实现全色。在 Lacoste公开的配置中在子帧隙期间显示的图像总是完整的，即，它们填充虚拟屏幕。单色图像的这种时间复用有时被称为颜色顺序。颜 色顺序也已经被实现，例如使用液晶颜色快门(color shutter)，参 见Moore 1996。
Liu 2009将时间复用应用到近眼显示系统，以成像多达2个焦平 面。在每个子帧隙中显示的图像占据整个虚拟屏幕。几年后，Llull 2015对于6个焦平面实现了类似的概念。Liu 2009和Llull 2015使 用时间复用来解决常规立体显示器中不匹配的眼睛会聚和调节提示 (accommodation cue)。Liu 2009和Llull 2015通过使用高速焦点 调制器(由其焦距可以快速改变的液体透镜制成)显示具有不同焦平 面的若干连续图像(它们全都占据整个虚拟屏幕)来实现其目标。这 些不同的图像在每个帧时间期间显示。Lacoste等人的WO2009/156752 A1还公开了其中不同平面图像被时分复用的配置，但是 在Lacoste中是使用全息图。
发明内容
在本申请的一方面，显示眼镜使用每只眼睛单个数字显示器。图 像被示为一系列子图像，每个子图像在帧时间的被称为子帧隙的一小 部分期间显示。所有子帧隙的并集是帧显示时间，并且所有子图像的 并集形成虚拟屏幕上显示的完整图像。子图像可以在空间中交叠，不 像时间上没有相交的子帧隙。从数字显示器收集光的光学器件被划分 在不同的通道中；每个通道通常与单个子帧隙和单个子图像对应。术 语“通道”取自信号理论(Signal Theory)，在那里在时间复用中它 被用于不同的段。每个光学通道对同一物体(它是数字显示器)进行 成像，但具有不同的图像区域，因为子图像不重合。这个要求一般意味着用于每个光学通道的非对称配置；并且，由于这些不对称性受益 于自由形状的光学设计(即，既不具有旋转对称性也不具有平移对称 性的设计)，因此本申请中所描述的光学器件是自由形状的。单个通 道可以包括多于一个小透镜。因此，由通道生成的opixel和ipixel之 间的映射可以是不连续的，不同于由单个小透镜建立的在其应用域中 连续的映射。
在另一方面，一种显示设备包括可操作以生成实像的显示器以及 包括多个光学通道的光学系统，每个光学通道包括一个或多个小透镜， 被布置成通过每个小透镜将来自显示器的光投射到眼睛位置而生成来 自与那个通道相关联的显示器上的一个或多个相应的部分实像的一个 或多个子图像。子图像组合，以形成从眼睛位置可视的虚像，使得不 同的光学通道将显示器的同一部分成像到虚像的不同部分。光切换系 统允许光通过通道中的选定通道从显示器流到瞳孔范围，并防止光通 过通道中的其它选定通道从显示器流到瞳孔范围。光切换系统被布置 成接连地打开光学通道，以允许光接连地流过光学通道，并且，在每 个光学通道被打开时，显示器被布置为显示与那个通道相关联的一个 或多个相应的部分实像。
在另一方面，一种显示设备包括可操作以生成实像的显示器以及 包括多个光学通道的光学系统，每个光学通道包括一个或多个小透镜， 被布置成通过每个小透镜将来自显示器的光投射到眼睛位置而生成来 自显示器上的相应的部分实像的子图像。子图像组合，以形成从眼睛 位置可视的虚像，使得不同的光学通道将显示器的同一部分成像到虚像的不同部分。光切换系统允许光通过通道中的选定通道从显示器流 到瞳孔范围，并防止光通过通道中的其它选定通道从显示器流到瞳孔 范围。同步控制器可操作以控制显示器和光切换系统，以在打开光学 通道中相关联的光学通道时显示部分实像中的接连的部分实像，以允 许光流过光学通道中相关联的光学通道。
在另一方面，一种显示给定图像的方法包括生成一系列部分实像， 每个部分实像表示给定图像的一部分并且一起表示该给定图像，并且 部分实像中的至少一些占据空间交叠的位置并且接连地对部分实像进 行成像，以形成从眼睛位置可视的相应子图像，使得子图像在空间上 组合，以形成从眼睛位置可视的虚像，使得不同的部分实像的空间交 叠部分形成虚像的不同部分。
在另一方面，一种显示给定图像的方法包括生成一系列部分实像， 每个部分实像表示给定图像的一部分并且一起表示该给定图像，并且 部分实像中的至少一些占据空间交叠的位置并且接连地对部分实像进 行成像，以形成从眼睛位置可视的子图像。子图像在空间上组合，以 形成从眼睛位置可视的虚像，使得不同的部分实像的空间交叠部分形 成虚像的不同部分。
在一个实施例中，在子帧隙期间仅照亮一个通道。为了避免光通 过其它通道进入，可以使用定向背光(参见例如Fattal 2013、授予 Fattal等人的US9201270B2和Wetzstein 2012)连同LCD作为数字 显示器。当数字显示器的角度发射模式不能被切换时，诸如在使用非 定向背光的OLED显示器或LCD显示器中，则可以使用每个通道的 入口(或光路)处的电子快门来阻止光通过不期望的通道。通过错误 通道的光线会造成幻像子图像。电子快门可以由铁电液晶(FLC)制 成。由于其通常低于100μs的快速切换时间，铁电液晶是有利的。
子图像一般交叠。这种交叠并不意味着这些区域比不交叠区域更 亮，尽管这些区域在多于一个子帧隙期间显示。
一个或多个显示器可以是称为光场显示器的类型，参见Huang 2015，特别是由堆叠透射LCD实现的那些。只有2个堆叠的LCD 以及其间的分隔器(separator)的LFD具有小厚度并且非常有吸引 力。光场显示器支持焦点线索，其与设备的其余部分一起有助于以合理的成本和体积来解决聚散－调节冲突。这种冲突会导致视觉不适和 疲劳、眼睛疲劳、双像视力、头痛、恶心、图像质量受损，甚至会导 致儿童视觉系统发展中的病态。这些级联显示器也可以被用来仅增加 opixel密度(空间分辨率)。特别是，Heide 2014表明双层显示可以 将表观空间分辨率提翻成四倍，并将有效刷新率翻倍。如Maimone 2015中所解释的，当眼睛被跟踪(并且所显示的信息被限制于那个 观看者位置)时，空间分辨率以及景深甚至可以增加得更多。
显示设备还可以包括声音产生设备和/或相机和显示器驱动器中 的一个或多个，显示驱动器可操作以在显示器上再现由相机捕获的图 像，或者两者之一或每一个都是两个，以提供立体声或立体视觉。
设备还可以包括头部跟踪设备和显示器驱动器，可操作以在显示 器上再现固定到物理地面的图像。
显示设备还可以包括系统，以调节从小透镜阵列到数字显示器的 距离，以补偿用户的瞳孔间距离和/或视觉缺陷。
设备还可以包括眼睛跟踪设备和显示器驱动器，其可操作以在显 示器上再现图像，当该图像通过光学器件被看见时，在眼睛跟踪设备 检测到的眼睛位置处可识别但不一定在其它眼睛位置处可识别该图像。
可以在显示器上生成一系列部分实像，并且部分实像中的至少一 个可以占据显示器的基本上整个活动区域。
可以在显示器上生成一系列部分实像，至少两个部分实像可以占 据显示器的非交叠部分，并且接连的成像接着可以包括同时对这两个 部分实像进行成像。然后，显示器可以显示那两个部分实像，并且与 所显示的部分实像的并集相关联的光学系统的部分可以被激活，同时 作为单个打开的光学通道。
光切换系统可以包括快门，快门可操作以选择性地防止光流过通 道中相关联的通道。作为替代方案，或者附加地，光切换系统可以可 操作以控制光流到显示器的选定部分或从中流出的方向。
接连地成像部分实像可以包括接连地成像同时显示的部分实像的 集合，其中至少一个所述集合包括多个不交叠的部分实像。
接连地成像可以包括允许光以重复的顺序循环地流过通道。每个 通道可以是打开的，并且相应的部分实像可以在那个重复顺序中循环 地同时显示。
至少一个通道可以包括两个并行的小透镜，其一起将显示器的一 个空间连续部分成像到一个空间连续的部分虚像。
该方法还可以包括接收输入图像，将输入图像的部分限定为各自 被指派给位置的部分输入图像，以及将部分输入图像生成为部分实像， 所述部分实像被定位成使得对应子图像对准，以形成输入图像的不间 断虚像。显示设备还可以包括图像生成器，其可操作以接收输入图像， 以生成每个被指派给显示器上的部分实像位置的部分输入图像，使得在将所生成的部分输入图像顺序地显示为所述部分实像时，对应的子 图像对准，以形成输入图像的不间断虚像。然后，部分实像位置中的 至少一些接着可以交叠并包含在那些位置将不会在显示器上形成单个 不间断图像的一部分的部分实像。
接收输入图像可以包括接收输入视频，为输入视频的一系列图像 中的每一个生成部分实像，每个部分实像被定位成使得对应的子图像 对准，以形成输入图像的不间断虚像。图像生成器可以操作以接收输 入视频，并且为输入视频的一系列图像中的每一个生成部分实像，每 个部分实像在显示器上被定位成使得对应的子图像对准，以形成输入 图像的不间断虚像。然后可以通过接连地显示输入视频的图像来将视 频显示在显示设备上，然后可以通过接连显示输入视频的图像中的每 个图像的部分实像来显示输入视频的该图像。
该方法可以包括将来自子图像的光指向瞳孔范围，该瞳孔范围包 括在眼睛位置处的直径为从21至27mm的假想球体的表面上的区域， 瞳孔范围包含对着球体的中心处的15度全角的圆。所有的光学通道 都可以被对准，以将来自其相应子图像的光指向那个尺寸的瞳孔范围。
该方法可以包括在包括物体像素的数字显示器上形成实像，将物 体像素分组成连续像素的群集，从而使每个群集形成与属于光学通道 中的一个光学通道的相应小透镜相关联的部分实像，并且根据相应的 光学通道中的哪个光学通道是活动的而在不同的时间将至少一些物体 像素分组到多于一个群集中。显示器可以是包括物体像素的数字显示器，其中物体像素被分组成连续像素的群集，每个群集形成部分实像 并且与属于光学通道中的一个光学通道的相应的小透镜相关联，其中 至少一些物体像素根据相应的光学通道中的哪个光学通道是活动的而 在不同的时间属于多于一个群集。
通过给定的小透镜落在所述瞳孔范围上的基本上所有成像光线都 可以来自相关联的部分实像，并且来自相关联的部分实像的落在所述 瞳孔范围上的基本上所有成像光线都可以通过相关联的小透镜。
然后朝着瞳孔范围离开给定小透镜并且几乎来自虚像的任何一个 位置的基本上所有成像光线可以从相关联的部分实像的单个位置生成。
接连地成像可以包括接连地使光或允许光从显示器通过多个光学 通道中的选定的光学通道流到眼睛位置，并且防止光通过多个光学通 道中的其它选定的光学通道从显示器流到瞳孔范围。
于是，接连地使光或允许光流动可以包括操作快门，以选择性地 防止光流过通道中的相关联的通道。
使光或允许光流动可以包括控制光流向实像的选定部分或从实像 的选定部分流出的方向。
光学通道可以包括从部分实像形成子图像的小透镜。
显示设备还可包括安装件，其可操作以相对于通常的人的头部将 设备保持在基本恒定的位置，一只眼睛位于由虚拟屏幕形成的假想球 体的中心处。
可以存在第二所述显示设备，用于将第一和第二显示设备相对于 彼此定位的安装件，使得相应假想球体的位置与人的两只眼睛的相对 位置匹配，以及显示器驱动器，可操作以使两个显示器显示物体，使 得当被人类观察者(其眼睛处于相应假想球体的中心位置处)观察时， 两个虚像组合，以形成单个图像。
安装件可操作，以相对于人的头部将设备维持在基本恒定的位置， 其中眼睛处于两个假想球体的位置处。
安装件可以包括安装特征，以将校正透镜保持在具有视觉缺陷的 用户眼睛的前方。
第一和第二显示设备的显示器可以形成单个显示器。
另一方面提供了一种包括上述任一方面的显示设备的头戴装置， 其具有用于将显示设备定位在人的头部上的安装座，显示设备的眼睛 位置与人的眼睛重合。
头戴装置还可以包括第二显示设备，其可以类似于第一显示设备， 第二显示设备安装成第二显示设备的眼睛位置与人的第二只眼睛重合。 两个显示设备可以完全相同，或者可以是彼此的镜像，并且可以共享 单个显示器。
另一方面提供了一种生成用于显示设备的图像数据的方法，包括 接收输入图像，生成与输入图像的部分对应的部分图像，以及向部分 图像指派位置，所述位置中的至少一些位置交叠，使得如果每个部分 图像在其指派的位置处被接连地显示，并且由根据上述方面中的任一 个的适当配置的显示设备的多个通道中的相应一个通道成像成虚拟子 图像，那么各虚拟子图像组合，以形成输入图像的不间断虚像。
另一方面提供了一种计算机可读数据，其可以被体现为包含计算 机可读数据的非暂态计算机可读存储设备，其中计算机可读数据表示 输入图像的多个部分图像和部分图像的位置，所述位置中的至少一些 位置交叠，使得如果每个部分图像在其指派的位置处被接连地显示， 并且由适当配置的显示设备的多个通道中的相应一个通道成像成虚拟 子图像，那么各虚拟子图像组合，以形成输入图像的不间断虚像。
附图说明
从结合以下附图给出的某些实施例的以下更具体描述中，上述和 其它方面、特征和优点将显而易见。在图中：
图1是ipixel到opixel映射的示意图(现有技术)。
图2示出了被分解成以(现有技术)时分复用方案顺序示出的4 个子图像(0201、0202、0203和0204)的图像。
图3是头戴式显示器的2倍光学设计的示意图。
图4是另一种光学设计的等距视图。
图5是用于2通道2子帧显示设备的光学配置的垂直横截面视图。
图6A是2个时间复用子图像之间的虚拟屏幕分布的前视图。
图6B是2个时间复用子图像之间的另一种虚拟屏幕分布的前视 图。
图6C是4个时间复用子图像之间的虚拟屏幕分布的前视图。
图7是用于具有平坦快门的4通道4子帧显示设备的光学配置的 对角线横截面视图。它也是具有平坦快门的2通道2子帧实施例的光 学配置的垂直横截面视图。
图8是其对角线横截面在图7中示出的设备的等距示意图。
图9是显示设备的示意图。
图10A是示出用于非时间复用实施例的虚拟屏幕的子图像分布 和数字显示器的群集分布的图。
图10B是图9的显示设备的第一子帧隙的、类似于图10A的图。
图10C是图9的显示设备的第二子帧隙的、类似于图10A的图。
图10D是图9的显示设备的第三子帧隙的、类似于图10A的图。
图10E是图9的显示设备的第四子帧隙的、类似于图10A的图。
图11A示出了在第一子帧隙期间为了数字显示器的完全使用而 进行的虚拟屏幕的子图像分布和数字显示器的群集分布。
图11B示出了在第二子帧隙期间用于数字显示器的完全使用的 虚拟屏幕的子图像分布和数字显示器的群集分布。
图11C示出了在第三子帧隙期间用于数字显示器的完全使用的 虚拟屏幕的子图像分布和数字显示器的群集分布。
图11D示出了在第四子帧隙期间用于数字显示器的完全使用的 虚拟屏幕的子图像分布和数字显示器的群集分布。
图12是具有所有子图像的虚拟屏幕的前视图。
图13是用于3个通道的配置的示意图。
图14是用于2个通道的配置的示意图。
图15是2通道3小透镜实施例的等距视图。
图16是图15的2通道3小透镜实施例的水平横截面图。
具体实施方式
通过参考以下阐述了利用特定原理的说明性实施例的详细描述和 附图，可以获得对本设备的各种特征和优点的更好理解。
参考附图的图3至9和图10B至14，并且首先参考图3，头戴 式显示器的一个实施例包括一般由标号0311指示的一块固体电介质， 其面0302和0307配备有镜。这个设备通过眼睛0300将数字显示器 0308成像到视网膜。图3是2倍设计的横截面的侧视图，指示用户 的鼻子0309和眼睛0300的位置。在这种2倍配置中，数字显示器 0308被示出为放置在垂直位置。光线0304、0305和0306在入射表 面0301处经历折射，然后在镜面0302上经历反射，在表面0301上 经历反射，最后在出射表面0303上经历折射，以被引向眼睛0300。 在光线0304的情况下通过全内反射(TIR)执行第二反射，而在光 线0305和0306的情况下，这由表面0307的镜部分执行。
这种类型的光学部件有时被称为RXI，是指大多数有用光线经 受的折射(R)、反射(X)和全内反射(I)。本文中公开的一些 RXI在某种程度上类似于授予Benítez等人的美国专利No.7,460,985 B2中所公开的用于使用于照明应用(具体而言是用于汽车前灯)的 LED的光准直的设备。来自那个设备中的LED芯片的光在第一次折 射之后进入电介质片。之后，一些光线遭受全内反射、金属反射和最 终的折射。虽然光线入射的顺序与本文公开的一些实施例类似，诸如 图3中所示的，但是两个设备实际上完全不同，因为现有技术的设备 被设计用于照明，使用非成像光学器件的原理，参见例如Winston 2005(其是与本设备涉及的成像光学器件完全不同的框架)。特别是， 在本设备中必不可少的物体、图像、像素、瞳孔范围、图像质量等概 念在美国专利7,460,985B2中既没有意义也没有使用。虽然有这样的 区别，但是两种光学设备都可以归类为“RXI”。
图3的RXI光学器件0311的表面是自由形状的。数字显示器 0308中所示的图像以这样一种方式被分成两个群集，使得当它们通 过光学器件0311被投射到眼睛0300的视网膜时，两个群集子图像在 单个图像中平滑地组合，类似于在PCT1中所解释的。光学部件0311的2个对称部分(被由中心点线0312表示的垂直平面划分)中 的每一个被称为小透镜。每个子图像通过其对应的小透镜在视网膜上 形成。通过错误的小透镜的光线会产生被称为光学串扰的不期望的幻 影。以与PCT1中公开的完全相同的方式通过对瞳孔范围的限定来避 免小透镜之间的光学串扰：撞击在表面0301的扭折(kink)处的瞳 孔范围的边缘光线0310作为0306发送到群集边缘。
在图4中给出了相同的光学设计，但是在这种情况下，透镜旋转 90度，使得图3的平面变为水平平面，并且两个透镜0311一个安装 在另一个上面，以形成单个4倍透镜。RXI的这种朝向允许其中两 个透镜都与具有大约5至6英寸(125至150mm)对角线的单个标 准16:9显示器一起工作的配置。
图4示出了图3的配置的修改版本的3D图示，其中两个4刻面 透镜(每只眼睛一个，为了绘图清楚起见，未示出金属化部分)与对 角线为145mm(5.7”)的单个宽高比为16:9的标准数字显示器0401 一起工作。如从图4可以清楚地认识到的，放置在眼睛0402前面的 每个设备具有4个小透镜，每个小透镜基本上由最接近数字显示器 0401的折射表面0403、反射表面0404以及最接近眼睛0402的折射 表面0405组成。数字显示器0401发出光，光被表面0403折射，被 表面0404反射，在表面0403上再次被全内反射，在表面0405上被 折射，最后到达眼睛0402。
在图4中，每只眼睛具有两个通道(左和右)，但每个通道使用 两个小透镜(上和下)。可以使用该配置来防止光学表面(尤其是出 射表面0405)的过度弯曲，并且避免可能是这种过度弯曲的结果的 色像差。通过将表面0403、0404、0405中的任何一个或全部划分成 2个小透镜，表面的曲率减小，并且色像差得以缓解。
这种设计(图3和4)采用了一种修改，以通过对数字显示器上 显示的图像进行时分复用来增加虚拟屏幕上的ipixel的分辨率。由于 交替地遮挡通过每个小透镜的光线的若干快门，这种复用是可能的。 这个实施例可以使用快速铁电光晶体显示器(FLCD)充当快门。 FLCD作为经典的半波片工作，其光轴可以通过所施加的场被重定向。 FLCD的益处是其高分辨率和非常快的切换时间(小于100μs)。在 参考文献Nelson的US4,924,215中，这些FLCD也被用作快门。根 据Shilov 2010，东芝的活动-快门立体3D眼镜具有0.1ms(开到关/衰减)和1.8ms(关到开/上升)响应速度，而许多竞争解决方案分别 声明0.3ms和3.7ms的速度，或者甚至是2ms的“典型”响应时间。
图5中示出了这种新的实施例。它也是2小透镜示例，其中数字 显示器0501被示于左侧。不像图4的设计，整个数字显示器0501是 上下两个小透镜中每一个的物体。一次有单个群集，在这种情况下， 它占据完整的数字显示器。
如图5所示，数字显示器发射用于顶部小透镜的极端光线0504 和0505，其仅在顶部快门0502打开时由眼睛接收。在这种情况下， 底部快门0503闭合；因此眼睛只接收来自顶部小透镜的光。当顶部 快门0502闭合并且底部快门0503打开时，眼睛仅通过透镜的底部小 透镜接收信息。在这个实施例中，存在与2个子帧隙对应的2个通道 和每个通道单个小透镜。每个小透镜将数字显示器0501成像到虚拟 屏幕的不同区域上，因此顶部小透镜发送虚拟屏幕的上半部分，而底 部小透镜发送虚拟屏幕的下半部分。严格地说，两个子图像交叠，因 为它们必须允许眼睛在瞳孔范围内移动，因为这在本文公开的大多数 多小透镜设计中是常见的。这些是2个子图像，它们一起完整地填充 虚拟屏幕。
在帧的第一子帧隙期间，仅示出与顶部子图像对应的信息，而第 二(且最后一个)子帧隙示出底部子图像的信息。如果这两个子帧隙 之间的过渡执行得足够快，那么眼睛会感知到来自两个小透镜的全局 拼接(tile)或交叠图像，即，它将感知到多达几乎为我们最初在垂 直方向上所具有的两倍的总虚拟屏幕。这利用了在传统阴极射线管中 发生的相同的“持续视觉”效应，其中，当电子束在CRT屏幕上进 行光栅扫描时，屏幕的荧光体的和我们的视网膜的荧光体的组合持久 性从单个扫描点(一次仅绘制一个点)产生稳定图像的错觉。
现在参考图6A、6B和6C(统称为图6)，图6A表示每只眼睛 使用标准16:9数字显示器的虚拟屏幕0601。数字显示器被放置在水 平位置(即，其最大维度平行于地板)，并且形成透镜，使得显示器 的上下虚像0602、0603交叠，使得图5的实施例生成具有大致1:1 宽高比的虚拟屏幕(即，类似的垂直和水平视场)。关于垂直视场如 何加倍的解释可以在图6A中看到，图6A表示用于这种设计的虚拟 屏幕0601。点线矩形0602表示由顶部通道生成的虚拟屏幕的顶部子 图像，而虚线矩形0603表示由底部通道生成的虚拟屏幕的底部子图 像。如上面所解释的，两个子图像的相加生成更大的正方形形状的总 图像。子图像可以在中央区域交叠，如图6所示。
代替如上所述那样每只眼睛都有数字显示器，一种替代配置使用 单个标准的16:9数字显示器，对于双眼而言都具有大约145mm(5.7 英寸)的对角线，但是它不限于该尺寸。在这种情况下，RXI旋转 90°，被放置在水平位置，因此快门的两半左右对准。这种替代配置导致水平伸长的视场，在水平方向具有更大的视场。
图6B示出了在水平位置使用RXI生成具有16:9宽高比的虚拟 屏幕0604。物理屏幕0308现在是正方形的。点线正方形0605表示 由左通道生成的虚拟屏幕的左子图像，而虚线正方形0606表示由右 通道生成的虚拟屏幕的右子图像，从而得到更大的矩形形状的总视场。 在图6B的实施例的情况下，每个通道有2个小透镜。
时间复用背后的想法是通过在帧时段内在若干连续的部分中表示 图像并且使用所有可用opixel用于这些图像部分中的任何一个来增 加ipixel的数量。显然，这种策略的成功依赖于具有高开关率的数字 显示器(诸如OLED、透射或反射FLC或DMD数字显示器)的可 用性。在图5中，图像被划分成两部分，并且每个部分在半个帧时段 期间向眼睛示出。现在我们将公开其中图像被划分成τ2个子图像(τ2是大于1的整数)并且帧时段被划分成τ2个对应的子帧隙(在每个 子帧隙中向眼睛示出子图像)的体系架构。光学器件的在子帧隙期间 工作的部分被称为通道。存在与子帧隙和子图像一样多的通道，即， τ2个通道。在这里公开的体系架构中的两种当中，每个不同的子图像 由在视场上被规则地间隔开的一组正方形或六边形图像岛形成。所有 这些子图像的合并是整个图像，得益于我们的视网膜的持久性，整个 图像是眼睛所看到的。所有子帧隙的并集是帧显示时间(或帧时段)。 更精确地说，数字显示器可以在子帧隙之间被设置为黑色，以减少运 动模糊。在那种情况下，我们假设这个变黑时间属于一些子帧隙，使 得子帧隙的并集是整个帧时段。
图6C示出了以二乘二阵列交叠四个通道0608、0609、0610、 0611，以形成与数字显示器的物理屏幕大致相同形状的虚拟屏幕 0607的示例。为了简单起见，图6C已经用正方形屏幕绘制，但是它 当然可以具有任何期望的宽高比。
图7和8示出了4倍配置，其中应用τ2＝4的TDM。图7示出了 设备的对角线2D横截面，示出了数字显示器0701的对角线轮廓。 光线如何被快门交替地遮挡的解释是类似的。显然，在这种情形下， 我们将有4个快门(每个通道一个)而不是2个。图7示出了两个快 门0702和0703的对角线横截面，以及图中顶部小透镜的极端光线 0704和0705。这里所示的快门全部是共面的，这比图5中所示的有 角度快门0502、0503更容易实现。图8示出了图7的4倍配置0801 的前视图，示出了4个通道0802。图7和8中所示的4倍设计对于 用于双眼的具有大约5”至6”(125至150mm)对角线的单个16:9 数字显示器(图6C中的0607)也是兼容的，但不限于此。因此，透 镜的左上小透镜生成虚拟屏幕的左上部分，右上小透镜生成虚拟屏幕 的右上部分，依此类推。这由图6C表示，其中两个点划线正方形 0608和0609表示由左上和右下小透镜生成的虚拟屏幕的部分，而虚 线正方形0610和0611表示由右上和左下小透镜生成的虚拟屏幕的部 分，从而得到更大的总视场，宽高比大约为1:1，即，具有相似的水平和垂直视场。
图5中的2倍透镜可以略微修改，以便也允许共面快门。这种情 况的垂直横截面也可以由图7表示。两个共面快门可以由具有2个像 素的单个LCD制成，每个像素具有打开的快门的面积。在诸如此类 的2倍系统中，当一个快门打开时，另一个快门闭合，因此快门系统 只有2个状态，于是它可以用单个液晶像素制造。这可以使用各向异 性膜(诸如由位于Gewerbestrasse 18，4123Allschwil，瑞士的Rolic Technologies有限公司制造的各向异性膜) (http://www.rolic.com/products/display/rolicr-lcmo-optical-films/rolicr- lcmo-lx/)来实现。这些膜可以对于膜的不同区用不同的延迟来制造， 例如，对于每个快门用不同的延迟，使得当两个快门利用相同偏振的 进入光点亮时，离开两个快门的光的偏振彼此正交。在普通LCD的 两个偏振器之间使用这样的膜，可以实现单像素LCD显示器，使得 液晶的两种状态(有和没有电场)与快门系统的2种状态对应(2个 快门相反地打开和闭合)。这简化了设备的设计，因为在两个快门之 间不需要分离廊道(如果每个快门具有其自己的电极，那么将是需要 的)，并且对于LCD快门层只需要单个驱动信号，并且没有两个快 门通道失去同步的风险。但是，也因而不可能使用快门关断数字显示 器，因为没有两个快门都闭合的状态。如前面所提到的，在帧时段内 的某个时间关断整个数字显示器(尤其是当在子帧之间进行改变时) 可能对于减少运动模糊是有益的。
打开的小透镜的控制也可以在没有快门的情况下进行。另一种替 代选项是使用定向背光，如在授予Fattal等人的Fattal 2013， US9201270B2和Wetzstein 2012中所描述的。与其中光以不能被修 改的相对较大的角展度离开背光的常规背光不同，在定向背光中，光 离开背光的方向被控制，并且可以作为时间和空间的函数而改变。这 允许例如在每个子帧期间，定向背光仅朝着与那个子帧对应的小透镜 的入口发送光。定向背光也可以与快门一起使用，以最小化光学串扰 并放松定向背光设计要求。
为了减小光学器件的体积，我们还可以应用在PCT1中公开的策 略并将每个子图像分割成不同的群集。这已经在图4中完成了，其中 已经使用每个通道2个小透镜(并且因此每个子图像2个群集)，在 那种情况下，是为了防止表面0405的过度的凸弯曲。这种图像分割 策略与时间复用(TDM)的组合需要定义一些概念。这在上面给出 的定义列表中完成。考虑一般情况，其中光学器件由通道阵列组成， 每个通道包含若干小透镜(这些小透镜不一定由折射元件制成)。每 个小透镜在虚拟屏幕中形成其群集的图像。这个图像只有在其通道打 开的情况下才在子帧隙期间被发送到眼睛。同一通道的群集的图像的 并集被称为子图像。在非时间复用显示设备中，对于每个小透镜都存 在群集，并且任何opixel属于一个且仅一个群集。在TDM情况下， 如果群集与不同的子帧隙对应，那么opixel可以属于若干群集。在 这里回想一下，群集是通过给定的小透镜照亮瞳孔范围的opixel的 组。Opixel的这个组通过其对应的小透镜在虚拟屏幕中成像。在子 帧隙期间，每个opixel可以仅属于单个打开的群集，并且所有打开 的群集的集合形成数字显示器。快门被用来避免来自数字显示器的光 通过错误的小透镜(即，通过属于除打开的通道之外的其它通道的小 透镜)离开。因此，在子帧隙内，有一个打开的通道，其小透镜(具 有其对应的群集)显然也是打开的。其余通道闭合。任何小透镜属于 一个且仅一个通道并且，一般而言，没有通道在帧时间的多于一个子 帧隙期间打开。所有打开的群集的集合总是与整个数字显示器重合， 但是对于每个子帧隙，打开的群集是不同的。
TDM应用中的目标是利用高数字显示器帧速率(如一些OLED 显示器的帧速率)和长眼睛持久性来增加可用ipixel的数量。每个通 道在τ2个子帧隙中的一个期间打开，在此时间期间，它示出以全部 opixel生成的子图像。然后，利用τ2乘以在数字显示器中可用的opixel的数量，在τ2个连续的子帧隙中示出完整图像。这意味着 ipixel的数量上限为τ2乘以opixel的数量。由于图像交叠是小透镜阵 列固有的(即，因为一个ipixel可以由多于一个opixel形成，或者因 为，如图6所示，子图像被故意交叠以避免可视接缝的风险)，因此一般不能达到上限。
利用时间复用获得的ipixel的增加可以被用来增加视场、瞳孔范 围、分辨率或三者的任意组合。例如，通过使用更大焦距的小透镜设 计(其可以高达τ倍大)来增加分辨率(作为每度的ipixel的数量)。
本文描述的时间复用概念也适用于光场显示器(LFD)，唯一的 区别在于opixel到ipixel映射，以实现图像处理。LFD已经被 Huang等人(“Huang 2015“)应用到常规立体镜。
让我们进一步利用τ2＝4的另一个示例来解释TDM概念(稍后 我们将说明τ2＝2和τ2＝3的情况)。在图9所示的配置中，我们使用 以τ2＝4分组的小透镜阵列光学器件0902。图9左图示出小透镜阵列 光学器件0902放置在其前面的数字显示器0901。快门阵列0910被示出具有打开的快门0911和闭合的快门0912。人眼是0903。FLCD 快门可以被放置在小透镜阵列和眼睛之间，如图9所示，或者在数字 显示器和小透镜阵列之间。在小透镜阵列0902的中央部分的一组16 个小透镜0904被突出显示。它们对应的16个opixel群集0909在图 9的右侧以放大的细节示出。每个群集包含多个现在不相关的opixel。 图9中右侧的群集以不同的模式进行着色(shaded)，以指示每个群 集所属的通道：0905-白色矩形，0906-带有水平条纹的矩形，0907-带 有垂直条纹的矩形，以及0908-虚线矩形。
类似于PCT1第6.1节中段落[0158]-[0166]描述的4个小透镜的 介绍性示例，本文我们描述将要分析其16个中央小透镜的更大小透 镜阵列的等效示例。我们从图10A开始描述非时间复用情况(现有 技术)。图10A(右下)示出了被划分成其opixel群集的数字显示器1014。小透镜阵列光学器件在虚拟屏幕1015上形成了ipixel图像 (在图10A中左下示出)(为了简单起见，在这里它被绘制为具有 矩形轮廓的平面)。每个opixel属于单个群集。任何两个群集的交 集是空集，并且所有群集的并集是整个数字显示器。
在图10B、C、D和E中，我们示出了16个相似的小透镜如何 与TDM一起工作。图10B至10E中的每一个中的左列示出ipixel图 像并且右列示出具有与特定子帧隙对应的打开的群集划分的opixel 数字显示器1014。4行(B、C、D和E)表示4个子帧隙。右列上 的打开的群集由虚线界定。
图10B、10C、10D和10E中的右列还示出了16个中央小透镜 的轮廓。如前所述，由于τ2＝4，因为我们将小透镜分成四个通道 1009、1010、1011和1012。打开的群集以一定的移位显示图像的各 部分(参见图10A的虚拟屏幕1015)。这种移位使得图像的一些部 分被一个以上群集显示。在图10A之上已经添加了非时间复用情况 的二维示意图。图10A的顶部表示该布置的行中的一行的水平横截 面的底视图。它示出相关的光线，以限定opixel和ipixel之间的映射 的边缘。在这个图中，具有ipixel的虚拟屏幕被放置在无穷远处，因 此是光线1001a、1002a、1003a、1004a、1005a、1006a、1007a和 1008a的方向指示虚拟屏幕上的ipixel位置。为了简单起见，该图是 二维的，但是投射在图10A左侧的图像的实际阵列的中央部分是三 维的，并且以4×4阵列包含16个小透镜，而不仅仅是在图10A的 顶部示出的4个小透镜，其与单个小透镜阵列行的中央部分对应。图 10A顶部的这种二维方案被用来解释opixel和ipixel之间的映射的水 平坐标。类似的推理适用于垂直坐标。由图10A顶部的光线1001a 至1008a限定的方向与可以由虚拟屏幕上的点表示的像素对应。不过， 由于图10A顶部是横截面，因为图10A左侧的线1001a、1002a、 1003a、1004a、1005a、1006a、1007a和1008a中的任何一条表示其 在图10A顶部的表示投射在同一光线轨迹上的光线方向的集合。图 10A右侧的线1001b、1002b、1003b、1004b、1005b、1006b、1007b 和1008b是由其对应的小透镜被成像到虚拟屏幕的线1001a、1002a、 1003a、1004a、1005a、1006a、1007a和1008a的opixel(图10A左 侧)。群集在图10A右侧利用它们相应的小透镜的标号来标记。这 些小透镜中的一些(1009和1010)在图10A顶部示出。在这种特殊 情况下，图10A右侧的群集的轮廓与小透镜的投影一致。
图10B图示了时间复用情况的第一子帧隙。在图10B的顶部还 添加了时间复用情况的二维示意图。图10B顶部表示这种新的时间 复用布置的一行的水平横截面的顶视图。与图10A顶部相比，快门 阵列1020被添加在眼睛和小透镜阵列之间。快门可以替代地放置在 数字显示器和小透镜阵列之间。类似于之前，在图10B顶部，具有 ipixel的虚拟屏幕被放置的无穷远处。光线1001a、1003a、1004a和 1007a的方向指示虚拟屏幕上ipixel的位置。再次，为了简单起见， 绘图是二维的，但是在左侧投射图像的实际阵列的中央部分是三维的 并且包含16个小透镜，而不仅仅是图10B顶部所示的4个小透镜， 其对应于单个小透镜阵列行。图10B顶部的这种二维方案有助于解 释时间复用情况下第一子帧隙的打开的群集的opixel和ipixel之间的 新映射的水平坐标。图10B顶部示出了相关光线，以限定opixel和 ipixel之间的新映射的边缘。类似的推理适用于垂直坐标。
尤其是，突出显示打开的集群1009a的映射。通道1009(图 10B右侧)在第一子帧隙期间打开(图10B)。群集1009a(图10B 右侧)属于这个通道。这个群集生成由到达瞳孔范围1013的边缘 (图10B顶部)的边缘光线1004a和1007a界定(bound)的图像 1016的部分(图10B左侧)。图像1016的这个部分由虚拟屏幕 1015中的垂直线1004a和1007a界定(图10B左侧)。
在图10B所示的这个具体示例中，小透镜1009将边缘光线 1004a和1007a映射到数字显示器1014上的1004b'和1007b'(图 10B右侧)。图10B右侧的连续线是小透镜轮廓的投影。有16个小 透镜，每个小透镜都标有通道号(1009、1010、1011和1012)。在 图10B顶部可以看到四个小透镜横截面。同一通道的小透镜将完整 的数字显示(器)映射到虚拟屏幕的不同的非连接部分中，即，在子 帧隙期间，打开的群集不交叠，并且所有打开的群集的并集等于完整 的数字显示器。这就是为什么图10B顶部标记为1009的两个小透镜 将opixel1004b'映射到虚拟屏幕的两个不同的光线方向集合(1003a 和1004a)中的原因。这个子帧隙中的虚拟屏幕的其它部分由属于同 一通道1009的打开的群集表示。
如从附图中显见的，在时间复用情况下(图10B)的群集(诸如 1009a)是非时间复用情况下(图10A)的群集的4倍大，其尺寸与 单个小透镜1009的相似，而它们显示的图像部分对于TDM和非 TDM具有相同的尺寸。这意味着TDM情况下有4倍之多的opixel， 虽然它们只能显示1/4的时间。
类似的推理适用于后续的子帧隙。图10C图示了第二子帧隙。 现在，通道1010(图10C右侧)打开。打开的群集1010a生成图像 1017的一部分，同时在这个第二子帧隙中示出的图像的其它部分同 一通道的群集表示。第三子帧隙在图10D中表示。现在，打开的通 道被标记为1011(图10D右侧)。图像1018的该部分由打开的群集 1011a表示。图10E图示了第四子帧隙。群集1012a表示虚拟屏幕上 的图像1019的一部分(图10E左侧)。
图10还图示了在使用小透镜阵列的时间复用方案中存在的两种 类型的交叠：1)不同子帧隙的群集相交。任何opixel属于τ2个不同 的群集，例如，数字显示器中央的属于四个群集1009a、1010a、 1011a和1012a的opixel。这种群集交叠是时间复用的特性，并且其结果是，ipixel的数量可以高达τ2乘以opixel的数量。2)相邻群集 的子图像(例如，子图像1016、1017、1018和1019)也交叠，即， 存在通过多于一个小透镜被看到的ipixel。这种子图像交叠是小透镜 阵列的特性，因此它也出现在图10A底部的非时间复用情况中。这 种交叠的结果是，ipixel的数量通常小于τ2乘以opixel的数量，因此 这种子图像交叠(这对于减少光学器件体积是必需的)与TDM提供 的分辨率改进相竞争。这种子图像交叠产生了PCT1的第6.2节中与 ipixel相关联的网的概念。根据PCT1，网是映射到同一ipixel的 opixel的集合。对于TDM，这个定义必须被修改：网是在同一子帧 隙期间被映射到同一ipixel的opixel的集合。
当同一通道的打开的小透镜彼此充分隔离时，打开的群集不共享 信息，因此在前述示例中，网由单个opixel形成。这是图10的情况。 不过，如前所述，在不同子帧隙中打开的群集会共享信息。但是，靠 近数字显示器边界或位于群集中央的opixel与ipixel具有一一对应关 系。
一个理想的设计条件是所有打开的群集的并集等于整个数字显示器。如果所有打开的群集的尺寸相等，那么所有这些群集的并集的轮廓将逐子帧隙移位，使得通常不可能满足这个条件，因为数字显示器的轮廓确实改变。为此，可以将数字显示器的边界附近的一些群集限 定为大于其余群集，使得在任何子帧隙处所有打开的群集的并集的轮 廓与数字显示器的轮廓一致。这些较大的群集可以已经被指派较大的 子图像，以在整个数字显示器上保持ipixel与opixel之比恒定。
图11中示出了在所有子帧隙期间使用整个数字显示器的群集和 子图像的可能布置。如图10所示，左列图示了虚拟屏幕1101上的子 图像，右列示出了数字显示器1111上的群集(由粗虚线界定)。存 在4个通道(因此有4个子帧隙)和每个通道9个小透镜(总共 6x6＝36个小透镜)。每个小透镜有1个子图像。图11中的行与4个 子帧隙对应。图11A(第一子帧隙)标记了一些特定的群集：最小的 群集1112，最大的群集1114和中央群集1113。中央群集1113是唯 一的规则群集。其它两个群集具有适应于它们在数字显示器上的情形 的尺寸。在那个子帧隙期间离开轮廓的打开的小透镜是用细虚线绘制 的小透镜，诸如1123，其是将群集1113成像到子图像1103中的小 透镜。这些打开的小透镜在图11B、C和D中未突出显示。在图11 中给出的示例中，为了简化解释，没有子图像交叠，因此左列中所示 的子图像的并集在虚拟屏幕上形成完整图像，并且这些子图像之间没 有相交。每个子图像的尺寸与其群集的尺寸成比例。左列中的虚线表 示常规子图像将具有的尺寸。他们被绘制，用于与不规则的子图像进 行比较。只有4个中央群集1113、1115、1116和1117具有规则尺寸 的子图像1103、1105、1106和1107。
具有更多小透镜的实施例将在中央部分具有更多规则的群集，并 且通常仅在数字显示器的边缘或虚拟屏幕的边缘周围具有两行不规则 的群集和子图像。不规则行的数量随通道数量而变化。
图12是组合所有子图像的虚拟屏幕的前视图。细连续线表示子 图像的边界。4个常规子图像已被标记为1203、1205、1206和1207。
我们已经应用到4通道实施例的相同概念可以扩展到其它数量的 通道。例如，图13示出3个通道(τ2＝3)的示例。具有六边形布置 的小透镜阵列光学器件1305在图13的左侧示出。这个阵列被放置在 数字显示器1304和快门(图13中未示出)的前方。图13右侧示出了具有群集布置(粗虚线)和小透镜的出射孔的轮廓(细连续线)的 数字显示器的前视图。小透镜阵列被划分成3个通道：具有水平条带 的六边形小透镜1306、具有垂直条带的六边形小透镜1307和白色六 边形小透镜1308。图13右侧还示出了与小透镜组1308(白色六边形) 对应的打开的群集1309。图14示出了具有2个通道(τ2＝2)的示例。 一个通道的小透镜是具有水平条带1401的矩形，另一个通道的小透 镜是白色矩形1402。图14还示出了与通道1402(白色矩形)对应的 打开的群集1403。在具有与图14相同的数字显示器和相同的虚拟屏 幕的非TDM实施例中，群集将具有与小透镜孔相似的尺寸，并且小 透镜的焦距将比TDM实施例的小透镜的焦距小因子τ(其中，在这 个实施例中，τ2＝√2)。
Ipixel交织(在PCT1(第6.2和6.9节)中引入并发展的概念) 允许在小透镜尺寸小于眼睛瞳孔时减少子图像交叠冗余。这种交织概 念包括将小透镜分组成集合，使得每个集合向眼睛投射与其它集合交 织的图像，利用数字显示器opixel的发射面积通常仅为完整的opixel 面积的一小部分的事实。交织的图像的示例是图2的四个图像，假设 在图像0201、0202、0203和0204的非黑色正方形中的每一个上存在 单个ipixel。于是，由于图像被交织，因此它们不是冗余的。如果交 织集合的数量为k2，其中k2>1为整数(k2＝1表示不进行交织)，那 么PCT1中描述的交织系统具有k2>1和τ2＝1(即，无时间复用)。 另一方面，迄今为止在这里公开的时间复用方案具有k2＝1和τ2>1。 但是，按照本文和PCT1中描述的设计规则，这两个概念可以与 k2>1和τ2>1组合，即，同时使用ipixel交织和时间复用，从而进一 步增加视场、瞳孔范围、分辨率或这三者的任意组合。交织集合可以 与TDM通道一致，但这不是必要条件。
也可以利用数字微镜设备(DMD)作为数字显示器来实现时间 的复用。在这种情况下，可以利用DMD照明器的适当设计来选择要 照亮的小透镜部分，而不是使用快门。对于这种替代方案，每个通道 有一个照明集合。当DMD示出与对应通道对应的图像的一部分时，这个照明集合才打开(ON)。照明集合可以利用LED加上均匀地照 射DMD并具有一定准直的光学聚光器实现，使得DMD像素由有角 度的狭窄光线束来照亮。这些光线的方向使得一旦被DMD在其2个 状态中的一个状态下反射，光就仅到达对应的通道。这种照明开关方 案也可以通过如前面提到的定向背光单元那样的定向正面光单元的适 当设计应用到LCOS数字显示器。
用于本文所有实施例的设计过程可以使用以下步骤来执行：
1)选择通道的数量。这个数量的选择依赖于显示器的切换时间， 以及在被使用时的快门的切换时间。对于目前市售的设备，一般而言， 显示器切换时间更为严格。显示器的最大帧速率的倒数将给出最小子 帧隙时间。通道数乘以最小子帧隙时间给出虚像的最小显示时间。例 如，具有2个通道的180fps的显示帧速率将为虚像的显示给出90fps 的速率。
2)选择子图像结构。在这个步骤中选择子图像的尺寸和大致位 置。图6给出了2个子图像的一些示例。与图9、10和11对应的示 例是针对正方形矩阵结构中的4个子图像的。图13(虚线)示出了 六边形矩阵结构中的3个子图像，而图14示出了正方形矩阵结构中 的2个子图像。图15示出了2通道配置。在这种情况下，存在中央 通道和围绕中央通道的第二通道。透镜1500具有用于第一通道的中 央小透镜1503。第二通道由位于中央小透镜1503的任一侧的2个小 透镜1504形成。光学系统1500位于眼睛1502和数字显示器1501之 间。群集在同一通道的小透镜之间共享数字显示器。使用中央小透镜 1503，第一通道具有占据整个数字显示器1501的单个群集。使用外 部小透镜1504，第二通道具有沿虚线1505划分数字显示器的两个群 集，每个小透镜有一个群集。
图16示出了类似于图15的透镜1500的透镜1600的水平横截面。 中央通道1603中的一些示例性光线用虚线被绘制在图16的下半部分 中。第二通道中的一些示例性光线在图16的上半部分中以连续线绘 制。该图关于链接眼睛1602中央的中央和数字显示器1601的中央的 线是对称的。因此，上半部分和下半部分的光线也是对称的。由于上 面提到的对称性，数字显示器1601的中央分离第二通道的2个群集。 特别感兴趣的是来自数字显示器1601的中央并到达瞳孔范围1606的 一个边缘的光线1607，这是避免串扰的必要设计条件，如PCT1中 所解释的。
3)光学设计。光学设计可以根据PCT1的第6节(特别是6.2 到6.7)进行。唯一的区别是同一通道的小透镜可以间隔开，即使其 在实像显示器上的对应的opixel群集是连续的(contiguous)。这是 图16中的2个隔离的小透镜1604的情况，其2个群集1608是连续 的。
4)快门设计。当使用快门时，这些必须被放置在沿着通道的光 线路径的某处，使得每个快门遮挡其相应通道中的所有光线，而不遮 挡其它通道中的光线。为了最大化对准和制造容限，建议将快门定位 在不同通道的光线轨迹不交叠并且优选地不连续的区域中。良好的位 置通常在数字显示器和透镜之间的路径中，靠近透镜，如图16中所 示。在这个示例中，用于所有群集的快门1605被放置在同一平面上。 与中央通道对应的快门示为黑色。示为白色的第二通道的快门被划分 成与2个隔离的小透镜1604对应的2个部分。
虽然已经描述了具体的实施例，但是对于实践本发明的当前预期 模式的前述描述不应当被认为是限制性的，而是仅仅用于描述本发明 的某些一般原理。与所述具体实施例的变化是可能的。例如，以上交 叉引用的专利和申请描述了可以有利地与本申请的教导组合的系统和 方法。虽然已经描述了具体实施例，但是本领域技术人员将理解不同 实施例的特征可以如何组合。
例如，代替在显示器和小透镜之间或小透镜和眼睛之间的光学通 道中提供快门，在一些实施例中，有可能将快门放在光源和显示器之 间，或者开或关不同的部分光源，以产生独特的光流。
本发明的全部范围应当参考权利要求来确定，并且任何两个或更 多个权利要求的特征可以组合。

Claims (30)

1.一种显示设备，包括：
显示器，可操作以生成实像；以及
光学系统，包括多个光学通道，每个光学通道包括一个或多个小透镜，被布置成通过每个小透镜将来自显示器的光投射到眼睛位置而从与该通道相关联的显示器上的一个或多个相应的部分实像生成虚像的一个或多个部分；
其中虚像的部分组合，以形成从眼睛位置可视的虚像，使得不同的光学通道将显示器的同一部分成像到虚像的不同部分；
包括光切换系统，允许光通过通道中的选定通道从显示器流到瞳孔范围，并且防止光通过通道中的其它选定通道从显示器流到瞳孔范围；以及
其中光切换系统被布置成接连地打开光学通道，以允许光接连地流过光学通道，并且，在光学通道中的每一个光学通道打开时，显示器被布置成显示与该通道相关联的一个或多个相应的部分实像。
2.如权利要求1所述的显示设备，其中所述部分实像中的至少一个部分实像基本上占据显示器的整个活动区域。
3.如权利要求1所述的显示设备，其中所述部分实像中的至少两个部分实像占据显示器的非交叠部分，并且显示器被布置成显示那两个部分实像，并且同时作为单个光学通道打开光学系统的与所显示的部分实像的并集相关联的部分。
4.如权利要求1所述的显示设备，其中光切换系统包括快门，快门可操作以选择性地防止光流过通道中的相关联的通道。
5.如权利要求1所述的显示设备，其中光切换系统可操作以控制光流到显示器的选定部分或者从显示器的选定部分流出的方向。
6.如权利要求1所述的显示设备，其中按重复的顺序循环地将每个通道布置成打开并且显示相应的一个或多个部分实像。
7.如权利要求1所述的显示设备，其中至少一个通道包括并行的两个或更多个小透镜，所述两个或更多个小透镜将显示器的一个空间连续的部分成像到虚像的一个空间连续的虚拟部分。
8.如权利要求1所述的显示设备，还包括图像生成器，所述图像生成器可操作以接收输入图像，以生成各自被指派给显示器上的部分实像位置的部分输入图像，使得在显示所生成的部分输入图像作为所述部分实像时，虚像的对应部分对准以形成输入图像的不间断虚像，其中部分实像位置中的至少一些部分实像位置交叠并包含在那些位置将不会在显示器上形成单个不间断图像的一部分的部分实像。
9.如权利要求8所述的显示设备，其中：
图像生成器可操作以接收输入视频，并且为输入视频的一系列图像中的每一个图像生成部分实像，每个部分实像在显示器上被定位成使得虚像的对应部分对准，以形成输入图像的不间断虚像；
并且其中视频是通过接连地显示输入视频的图像而显示在显示设备上的，并且输入视频的每个图像是通过接连地显示输入视频的那个图像的部分实像而显示的。
10.如权利要求1所述的显示设备，其中所有光学通道被对准，以将来自其相应虚像部分的光指向包括眼睛位置处的从21至27mm直径的假想球体的表面上的区域的瞳孔范围，所述瞳孔范围包含对着球体中心处的15度全角的圆。
11.如权利要求1所述的显示设备，其中显示器是包括物体像素的数字显示器，其中物体像素被分组成连续像素的群集，每个群集形成部分实像并且与属于光学通道之一的相应小透镜相关联，其中，根据相应的光学通道中的哪个光学通道是活动的，至少一些物体像素在不同的时间属于多于一个群集。
12.如权利要求1所述的显示设备，其中通过给定的小透镜落在所述瞳孔范围上的基本上所有成像光线来自相关联的部分实像，并且从相关联的部分实像落在所述瞳孔范围上的基本上所有所述成像光线通过相关联的小透镜。
13.如权利要求1所述的显示设备，其中朝着瞳孔范围离开给定小透镜并且虚拟地来自虚像的任何一个位置的基本上所有成像光线是从相关联的部分实像的单个位置生成的。
14.一种头戴装置，包括如权利要求1所述的显示设备，具有用于将显示设备定位在人的头部上的安装座，显示设备的眼睛位置与人的眼睛重合。
15.如权利要求14所述的头戴装置，还包括第二显示设备，其中，第二显示设备与所述显示设备相同，第二显示设备被安装成使得第二显示设备的眼睛位置与人的第二只眼睛重合。
16.如权利要求15所述的头戴装置，其中所述显示设备的所述显示器和所述第二显示设备的所述显示器是单个显示器的部分。
17.一种显示给定图像的方法，包括：
生成一系列部分实像，每个部分实像表示给定图像的一部分，并且一起表示所述给定图像，并且部分实像中的至少一些部分实像占据空间上交叠的位置；以及
接连地对部分实像进行成像，以形成从眼睛位置可视的虚像的相应部分；
其中虚像的部分在空间上组合，以形成从眼睛位置可视的虚像，使得不同部分实像的空间交叠部分形成虚像的不同部分。
18.如权利要求17所述的方法，其中对部分实像接连地进行成像包括对同时显示的部分实像的集合接连地进行成像，其中至少一个所述集合包括多个不交叠的部分实像。
19.如权利要求17所述的方法，其中接连地成像包括接连地使光或允许光通过多个光学通道中的选定的光学通道从显示器流到眼睛位置，并防止光通过所述多个光学通道中的其它选定的光学通道从显示器流到眼睛位置处的瞳孔范围。
20.如权利要求19所述的方法，其中接连地使光或允许光流动包括操作快门，以选择性地防止光流过通道中的相关联的通道。
21.如权利要求19所述的方法，其中使光或允许光流动包括控制光流到实像的选定部分或从实像的选定部分流出的方向。
22.如权利要求19所述的方法，其中光学通道包括从部分实像形成虚像的部分的小透镜。
23.如权利要求19所述的方法，包括在包括物体像素的数字显示器上形成实像，将物体像素分组成连续像素的群集，使得每个群集形成与属于光学通道之一的小透镜相关联的部分实像，并且根据相应的光学通道中的哪个光学通道是活动的，在不同的时间将至少一些物体像素分组到多于一个群集中。
24.如权利要求19所述的方法，其中接连地成像包括允许光以重复的顺序循环地流过通道。
25.如权利要求17所述的方法，包括在显示器上生成一系列部分实像，使得部分实像中的至少一个部分实像基本上占据显示器的整个活动区域。
26.如权利要求17所述的方法，包括在显示器上生成一系列部分实像，使得部分实像中的至少两个部分实像占据显示器的非交叠部分，并且接连地成像包括在同一时间对所述两个部分实像进行成像。
27.如权利要求17所述的方法，还包括接收输入图像，将所述输入图像的部分限定为各自被指派给位置的部分输入图像，以及生成所述部分输入图像作为所述部分实像，所述部分实像被定位成使得虚像的对应部分对准以形成输入图像的不间断虚像。
28.如权利要求27所述的方法，其中接收输入图像包括接收输入视频，包括为输入视频的一系列图像中的每一个图像生成所述部分实像，每个所述部分实像被定位成使得虚像的对应部分对准以形成输入图像的不间断虚像；以及
通过接连显示输入视频的各图像来显示视频，以及
通过接连显示输入视频的图像中的每个图像的部分实像来显示输入视频的图像中的每个图像。
29.如权利要求17所述的方法，包括将来自虚像的部分的光指向包括眼睛位置处的直径为从21至27mm的假想球体的表面上的区域的瞳孔范围，所述瞳孔范围包含对着球体的中心处的15度全角的圆。
30.一种为显示设备生成图像数据的方法，包括：
接收输入图像；
产生与输入图像的部分对应的部分图像；以及
将位置指派给部分图像，所述位置中的至少一些位置交叠；
使得如果每个部分图像在其指派位置处被接连地显示，并且由适当配置的如权利要求1所述的显示设备的多个通道中的相应一个通道成像为其相应的虚像部分，那么虚像的虚拟部分组合，以形成输入图像的不间断虚像。
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