CN110809884A - 利用用于立体视图的时间多路复用的视觉显示器 - Google Patents

Abstract

一种显示器设备，包括：显示器，其可操作以生成实像；以及光学系统，包括：多个光学通道束，每个束包括一个或多个通道，每个通道包括被布置为从显示器上的相应局部实像生成子图像的小透镜。每个小透镜被配置为将来自显示器的光投射到两个眼睛位置当中的对应眼睛位置。子图像进行组合以形成两个虚像，从而不同的光学通道束将显示器的同一部分成像到虚像的不同部分。光学系统被配置为允许光流动通过所选择的通道并防止光流动通过其它所选择的通道。系统相继地开放光学通道束，并显示与对应光学通道束的通道相关联的局部实像。

Description

利用用于立体视图的时间多路复用的视觉显示器

技术领域

本申请涉及视觉显示器，并且尤其涉及头戴式显示器技术。

定义：

以下定义贯穿整个说明书使用。

背景技术

1.引用的参考文献：

WO2015/077718，2015年5月28日公开，为“Immersive compact display glasses”的受让的PCT/US2014/067149，以下称为“PCT1”。

WO2016/118640，2016年7月28日公开，为“Visual display with timemultiplexing”的受让的PCT/US2016/014151，以下称为“PCT2”。

WO2016/118643，2016年7月28日公开，为“Display device with total internalreflection”的受让的PCT/US2016/014155，以下称为“PCT3”。

WO2016/118648，2016年7月28日公开，为“Imaging optics adapted to thehuman eye resolution”的受让的PCT/US2016/014163，以下称为“PCT6”。

授予Mizukawa的美国专利5,390,047。

授予R.W.Massof的美国专利6,529,331。

Ismael等人的美国专利申请公开No.US2010/0277575A1。

授予Fattal等人的美国专利9,201,270B2。

A.Brückner等人，Thin wafer-level camera lenses inspired by insectcompound eyes，Opt.Exp.Vol.18，No.14(2010)(“Brückner 2010”)。

A.Brückner，“Microoptical Multi Aperture Imaging System”Ph.D.学位论文Friedrich Schiller大学，Jena，德国，2011http://www.db-thueringen.de/servlets/DerivateServlet/Derivate-24992/br％C3％BCckner/dissertation_a_brueckner_Multi_Aperture_Imaging_Systems_2011_12_22.pdf(“Brückner2011”)。

D.Cheng等人，Design of a wide-angle,lightweight head-mounted displayusing free-form optics tiling，Opt.Lett.36，2098-2100(2011)(“Cheng 2011”)。

J.Duparré和R.Novel Optics/Micro Optics for Miniature ImagingSystems，Proc.SPIE 6196，Photonics in Multimedia，619607(2006年4月21日)；doi：10.1117/12.662757(“Duparré2006”)。

J.E.Melzer，Overcoming the Field of View:Resolution Invariant in HeadMounted Displays，SPIE Vol.3362，1998(“Melzer 1998”)。

D.Fattal、Z.Peng、T.Tran、S.Vo、M.Fiorentino、J.Brug和R.G.Beausoleil，“Amulti-directional backlight for a wide-angle,glasses-free three-dimensionaldisplay”，Nature，vol.495，7441，pp 348-351，2013.DOI：10.1038/nature11972(“Fattal2013”)。

所有以上参考文献的公开内容都通过引用以其整体并入本文。

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(其被描述为虚拟现实)，使得用户仅观察由一个或多个显示器提供的图像，同时外部环境在视觉上被阻挡。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US2010/0277575A1中，描述了这种设备的一个示例。HMD的基本光学功能是(诸如美国专利5,390,047中所描述的)立体观看器(stereoviewer)的基本光学功能。

头戴式显示器通常包含一个或两个显示器、它们对应的光学系统以及头盔，该光学系统将显示器成像到要通过用户的眼睛可视化的虚拟屏幕中，该头盔视觉上阻挡外部环境并提供对所提到的组件的结构支撑。显示器还可以具有光瞳跟踪器和/或头部跟踪器，使得由显示器提供的图像根据用户的移动而改变。

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功能，但迄今为止，还没有已知技术能够将它们全部结合起来。这导致对用户来说不完全或甚至不舒服的体验。问题可能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)或者用户的头部上的压力过大(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，每只眼睛使用以马赛克(mosaic)图案布置并且不在同一平面中的多个显示器。那种方法在参考文献“Melzer1998”或“Cheng 2011”中提出。美国专利6,529,331B2也提出了这种解决方案。

通道阵列在多孔径相机领域中已经在虚拟机传感器中发现了相当多的应用。它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。存在受昆虫眼睛启发的基于通道阵列的传感器的两种主要方法：(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。

存在并置若干子类型的多孔径相机系统，最为人所知的是每个通道仅使用一个像素的多孔径相机系统，而在本公开中，每个通道有多重像素。这种并置通道阵列系统的一个示例可见于“Brückner 2011”，第28页。另一个示例可见于“Duparré2006”，其中还公开了用于校正散光的单面环形通道。

第二种类型的并置多孔径相机系统使用光学缝合，其中每个通道传送FOV的与该通道相关的部分，并且其中相邻的局部图像以相邻的局部图像之间的交集处的图像细节被保留的方式光学上缝合在一起。一个示例可见于“Brückner 2011”，第75页中的“OpticalCluster Eye”。在Brückner的系统中，每个通道捕获视场(FOV)的非重叠部分。这与PCT1中公开的设备形成对比，在PCT1中由每个通道捕获的FOV与其它FOV重叠，并且不需要遮掩(mask)以避免串扰。Brückner使用词语“光学通道”来代替通道。

第三种类型的并置多孔径相机系统使用段的电子缝合。在“Brückner 2010”中，使用多通道方法的系统被使用，使得在每个通道中，整个FOV的仅一部分被记录，并且最终的图像通过借助于软件处理而缝合所有局部图像来创建。在利用电子缝合的多孔径相机中，通道的间距(pitch)总是大于传感器中这些通道的照亮的扇区的间距，以使该传感器的视场加宽并最小化传感器面积。这意味着相机的输入光瞳是虚拟的，位于传感器后面，并且其位置和形状是不相关的并且在设计中不被考虑。传感器中的像素(在本文称为o像素)和这些o像素的图像之间存在双射(即，点到点)映射。

PCT1描述了如何设计用于头戴式显示器的并置型光学器件。本申请的图1(一般而言对应于PCT1的图2)示出了具有仅四个集群104t、104b、105t和105b的简单示例，这四个集群形成了由数字显示器107上的像素(本文称为o像素)创建的复合图像。所述o像素由通道阵列光学器件投射，以形成i像素或虚拟屏幕108上的像素的图像(为简单起见，这个虚拟屏幕在这里被绘制为具有矩形轮廓的平面)。每个o像素属于单个集群(任何两个集群的交集都是空集，并且所有集群的并集是整个数字显示器)。

每个集群在虚拟屏幕上显示图像的一部分。相邻的集群以一定的移位显示图像的部分。图像的一些部分在多于一个集群中出现。为了解释为什么这是必要的，在该图的顶部已添加二维示意图。它示出相关的射线，以限定o像素和i像素之间的映射的边缘。在这个图中，具有i像素的虚拟屏幕被放置在无穷远处，因此射线100a、101a、102a和103a的方向指示虚拟屏幕上的i像素位置。为了简单起见，该图是二维的，但是投射在图1左下方的图像的实际设备是三维的，并且包含四个通道，两个在上面并且两个在下面，而不仅仅是在图1顶部的示意图中示出为104和105的两个通道。二维示意图被用来解释o像素和i像素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100a延伸到103a。图像的在左集群104t和104b中表示的部分由到达光瞳范围106的边缘的边缘射线100a和102a给出，边缘射线100a和102a限定虚拟屏幕108上的垂直线100a和102a。类似地，图像的在右集群105t和105b中表示的部分由边缘射线101a和103a给出，边缘射线101a和103a限定虚拟屏幕108上的两条垂直线。因此，虚拟屏幕108的在101a和102a之间的部分将在左集群和右集群二者中都显示。具体而言，通道104将虚拟屏幕的边缘射线100a和102a映射到数字显示器107上的100b和102b上。类似地，通道105将边缘射线101a和103a映射到数字显示器107上的101b和103b上。光学设计必须保证集群不重叠，这可以利用当101b和102b重合时数字显示器的最大限度使用来实现。顶部集群104t、105t与底部集群104b、105b的类似对准根据图1是清楚的。

由于集群上信息的局部重合，i像素ip1由四个o像素op11、op12、op13和op14投射形成。o像素的这个集合被称为i像素ip1的“网”。位于虚拟屏幕中心的i像素(诸如ip1)的网各包含四个o像素。但是，接近虚拟屏幕的边界的i像素的网可以具有更少的o像素。例如，i像素ip2的网仅包含两个o像素op21和op22，并且ip3的网仅包含op31。

PCT2描述了如何设计头戴式显示器，其中图像以足够快的速度示出为一连串局部实像，因此人类视觉感知不会意识到存在一系列局部图像，而仅仅是一个图像。给定图像通过生成一连串局部实像来显示，这些局部实像中的每一个表示给定图像的一部分，并且一起表示给定图像。一般而言，局部实像中的一些占据完整图像的重叠位置。这些局部实像相继被成像，以形成可从眼睛位置观看的子图像。子图像在空间和时间上进行组合，以形成可从眼睛位置观看的虚像，从而不同的局部实像的所述重叠部分是虚像的不同部分。局部实像可以被显示在数字显示器或其它显示器上，并且借助于光学通道成像。还存在用以激活一个通道或另一个通道的附加的光控制，因此在显示器上显示的实像可以在虚像的一部分或另一部分中成像。

这种在虚拟屏幕的一部分或另一部分中使同一数字显示器成像的能力是这种策略的主要优点：因为o像素在帧时间内被使用若干次，并且在这些时隙中的每个时隙中，o像素正在使不同的i像素成像，所以增加i像素数计数超过o像素计数。因此，最终，i像素的总数是o像素的数量乘以它通过不同通道被示出的次数减去在重叠区域中重复的像素。

PCT2的图6示出了包含子图像的不同布置的若干虚拟屏幕(0601、0604、0607)。

活动快门3D系统

活动快门3D系统(也称为交替帧序列、交替图像、AI、交变场、场序或月食方法)是显示立体3D图像的技术。它通过以下步骤工作：在阻挡右眼的视野时仅呈现旨在用于左眼的图像，然后在阻挡左眼时呈现右眼图像，并快速地重复这个过程，以使得中断不会干扰两个图像到单个3D图像的感知到的融合。

现代活动快门3D系统一般使用液晶快门眼镜(也称为“LC快门眼镜”或“活动快门眼镜”)。每只眼睛的眼镜在交叉偏振器之间包含LC单元。这种LCD结构具有取决于接收到的信号而变得不透明或透明的特性。眼镜由定时信号控制，该定时信号允许眼镜与屏幕的刷新率同步地交替阻挡一只眼睛以及然后阻挡另一只眼睛。与视频装备的定时同步可以经由有线信号实现，或通过要么红外发送器要么射频(例如，蓝牙、DLP链路)发送器无线地实现。历史系统还使用转盘，例如Teleview系统。

活动快门3D系统被用于在一些剧院中呈现3D电影，并且它们可以用于在CRT、等离子、LCD、投射仪和其它类型的视频显示器上呈现3D图像。

发明内容

显示器眼镜使用单个数字显示器，在本申请中，该数字显示器借助于时分多路复用(TDM)在两只眼睛之间共享。使用单个数字显示器的常规显示器眼镜必须要么将显示器拆分成两个区域，每个区域专用于单只眼睛，要么将同一图像发送到两只眼睛。在前一种情况下，每只眼睛可用的像素减半。在后一种情况下，立体视觉是不可能的，从而使沉浸式环境恶化。如果切换时间足够快，那么本申请中给出的解决方案在对于每只眼睛使用高达总像素计数同时允许立体视觉。

两只眼睛之间的显示共享可以是完全的(显示器的任何部分交替地用于一只眼睛和另一只眼睛)或局部的(存在显示器的利用TDM在两只眼睛之间共享的部分，但存在专注于单只眼睛的其它部分)。每个眼睛视网膜上的图像被示为一连串子图像，每个子图像在称为子帧时隙的一部分帧时间期间示出。所有子帧时隙的并集是帧显示时间，并且所有子图像的并集形成每只眼睛的一个完整图像，该图像在虚拟屏幕上示出。子图像可以在空间中重叠，这与在时间上没有交集的子帧时隙不同。从数字显示器收集光的光学器件被划分为不同的通道；每个通道被指派给单只眼睛，并且通常与单个子帧时隙和单个子图像对应。每个光学通道将其集群(可以是完整数字显示器或其一部分)成像到其子图像中。一般而言，这个要求意味着每个光学通道的不对称配置；并且因为这些不对称性得益于自由形式的光学设计(即，不具有旋转或平移对称性的设计)，所以本申请中描述的光学设备一般而言是自由形式。光学器件可以由专用于单只眼睛的元件和/或由两只眼睛使用的光学元件组成。

在子帧时隙期间，只有被称为通道束的通道集合正在向眼睛发送图像。来自其余通道的光在到达眼睛的光瞳范围之前(即，在到达其中可能发现眼睛瞳孔的眼睛区域之前)被阻挡或偏离。

附图说明

根据结合以下附图呈现的某些实施例的以下更具体描述，上述和其它方面、特征和优点将是清楚的。

图1是根据实施例的用于头戴式显示器的示例并置型光学器件的图。

图2A是根据实施例的具有完整显示器的配置的示例水平截面的图，该完整显示器在两只眼睛和两个自由形式的透镜之间在时间上共享。

图2B是根据实施例的具有完整显示器并具有两个自由形式的棱镜的配置的示例性水平截面的图，该完整显示器在两只眼睛和两个自由形式的透镜之间在时间上共享。

图3是根据实施例的具有被分成两个部分的完整显示器的配置的示例水平截面的图。

图4A和图4B是根据实施例的包括具有垂直圆柱轴的弯曲圆柱形的显示器的配置的示例水平截面的图。

图5是根据实施例的水平布置的显示器的配置的示例垂直截面的图。

图6是根据实施例的水平布置且具有共享的光学元件的显示器的配置的示例垂直截面的图。

图7是根据实施例的显示两个给定图像的示例方法的流程图。

图8是根据实施例的为显示器设备生成图像数据的示例方法的流程图。

具体实施方式

与PCT2中描述的每只眼睛使用一个显示器的头戴式显示器(HMD)不同，下文描述的HMD使用在两只眼睛之间共享的单个显示器。与使用单个显示器的更常规的HMD不同，下文描述的HMD使用不仅在两只眼睛之间在空间上共享而且在时间上共享的显示器。两只眼睛之间的单个显示器的这种时间共享是本申请中最相关的创新。

图2A示出了一种可能的配置的示意性水平截面，在该可能的配置中如在活动快门3D系统中那样，完整显示器205在两只眼睛204之间在时间上共享。快门207交替地阻挡发射到一只眼睛的光，同时允许光到达另一只眼睛。在子帧时隙期间，只有被称为通道束的通道集合应当将图像正在发送到眼睛。为了避免剩余的通道点亮对应光瞳范围内的眼睛，可以使用定向背光(例如，参见美国专利9201270 B2，“Fattal 2013”和“Wezstein 2012”)以及作为数字显示器的LCD。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，则每个通道的入口处(或光路处)的电子快门可用于阻挡光通过不期望的通道。通过错误通道的光会造成幻像(ghost)子图像。电子快门可以由铁电液晶(FLC)制成。铁电液晶由于其通常低于100μs的快速切换时间而是有利的。

在这种方案中，如果HMD必须具有相对紧凑的尺寸和合理的光学成像质量，那么光学器件必须为自由形式。图2A示出了作为光学系统的两个自由形式的透镜(每只眼睛一个)，而图2B示出了由类似于在PCT3中公开的棱镜的两个自由形式的棱镜(每只眼睛一个)形成的光学系统。这些棱镜中的每一个都由被表面201、202、203和206包围的单个介电件形成。来自显示器205并且穿过快门207的光(在对应的子帧时隙期间)被表面201折射，被表面202反射，再次被表面201或206反射，并且最后被表面203折射，以在穿过眼睛之后在视网膜上成像。表面202和206被金属涂层覆盖，以形成金属反射器。表面201处的反射是通过全内反射实现的。

图3示出了另一种可能的配置的示意性水平截面，在该可能的配置中显示器305被中线308分成两部分(左和右)。这两个部分中的每一个都专用于单只眼睛，并且包含时间多路复用的集群。该配置可以认为是PCT2的应用，其中左和右显示器共面放置并且彼此相邻，以形成单个显示器。

在图3中，存在四个集群，每只眼睛两个，并且同一只眼睛的集群共享物理显示器的时间多路复用的同一部分。实际上，该设备类似于通过引用以其整体并入本文的PCT2和PCT3中描述的设备的组合。

在图2A和2B的情况(其中完整显示器顺序地用于两只眼睛)和图3(其中没有用于两只眼睛的显示器的部分)的情况之间，存在中间设计，在该中间设计中，数字显示器的部分在两只眼睛之间在时间上共享，即，尽管不同子帧时隙的集群使用显示器的同一部分，它们也可以与不同的眼睛对应。

这是在图4A和图4B中示出的情况。在这种情况下，显示器设备400包括显示器405，该显示器405弯曲成具有垂直圆柱轴的圆柱形。显示器设备400还包括快门407、显示器驱动器430和一个或多个光学元件(诸如反射镜、小透镜和/或棱镜)。图4A和图4B示出了水平截面的示意性俯视图，其中圆圈404表示人眼，并且409表示鼻子。这种布置的时间多路复用配置对于每个帧时间包含两个相同的子帧时隙。图4A示出了在第一子帧时隙期间的开放通道和集群，而图4B示出了在第二子帧时隙期间的开放通道和集群。为简单起见，与PCT6中提到的情况不同，这个示例假设在整个视场(FOV)中没有可变焦距。

图4A和图4B的示例包含用于两只眼睛的四个集群。这四个集群根据它们出现时的子帧时隙分组为两对，即，有两个光学通道束。例如，第一光学通道束包括集群410和集群411，并且第二光学通道束包括集群412和集群413。集群410、411、412和413分别与通道420、421、422和423对应。这些通道束中任何一个通道束的两个集群的并集占据完整显示器405。在第一子帧时隙(图4A)期间，与左眼对应的集群410实质上大于右眼的集群411。在下一个子帧时隙(图4B)期间，这种情况被颠倒了，并且最大的集群413与右眼对应，而最小的集群412被发送到左眼。同一子帧时隙的所有集群(例如410以及411)的并集占据完整显示器405。开放通道和集群是由快门407的状态限定的。例如，在第一子帧时隙(图4A)期间，快门407a和407c关闭，并且快门407b和407d打开，而在第二子帧时隙(图4B)期间，快门407a和407c打开，并且快门407b和407d关闭。虽然在图4A和图4B的实施例中快门407a、407b、407c和407d被示为单独的快门，但是在其它实施例中，两个或更多个快门被提供为具有分别地可控部分的更大快门的部分(例如，每只眼睛一个快门，该快门包括快门部分407a和407b)。

因为在这个示例中光学器件的焦距在整个FOV上是恒定的，所以子图像的尺寸与集群的尺寸成比例。PCT6中所述的非恒定焦距策略可用于进一步提高分辨率，并且因此，使得子图像尺寸与集群尺寸的比例性被破坏。

在图4A和图4B的示例中，时间多路复用允许对于两只眼睛使用显示器405的中央部分，这简化了光学设计。换句话说，来自通道420的子图像和来自通道422的子图像组合以形成第一虚像(例如，用于左眼)，而来自通道421的子图像和来自通道423的子图像组合以形成第二虚像(例如，用于右眼)。每个虚像都可从眼睛位置(例如，左眼或右眼位置)观看，从而不同光学通道的通道束使显示器的同一部分(即，中心部分)成像到两个虚像的不同部分。

图5示出了另一个示例的示意性垂直截面。圆圈504表示眼球，并且509表示鼻子。显示器505水平设置，并且快门507垂直设置。光学器件由专用于单只眼睛的组件(例如，小透镜501)和由两只眼睛共享的组件(例如，曲面镜502)形成。

图6示出除了光学器件仅包含在两只眼睛之间共享的元件(例如，曲面镜602)之外与图5的情况相似的情况。

一般而言，不同通道的子图像重叠。即使这些区域在多于一个子帧时隙期间显示，这种重叠也不意味着这些区域看起来比不重叠的区域更亮。这是因为感知到的亮度仅取决于o像素的亮度、光学效率、子帧时隙时间在帧时间中所占的分数以及眼睛瞳孔的被照亮的部分的截面。对于子图像的重叠区域，这个截面取决于通道光学器件的相对位置和眼睛的注视方向，但是在根据PCT1的精心设计的设备中，不同通道对这个截面的贡献使光瞳的被照亮的部分的总量恒定。

图7是根据实施例的显示两个给定图像的示例方法700的流程图。在实施例中，方法700由显示器驱动器430实现。

在方框702处，生成一连串局部实像。每个局部实像表示给定图像的一部分，并且一起表示两个给定图像。局部实像中的至少一些属于占据在空间上重叠的位置的不同给定图像。

在方框704处，局部实像被相继成像以形成相应的子图像，每个子图像可从两个眼睛位置中的一个眼睛位置观看。子图像在空间上进行组合以形成两个虚像，这两个虚像中的每一个可从两个眼睛位置中的不同位置观看，从而不同的局部实像的空间上重叠的部分形成两个虚像的不同部分。

在实施例中，使局部实像相继成像包括使同时显示的局部实像的集合相继成像，其中所述集合的至少一个集合包括多个不重叠的局部实像。

在实施例中，相继成像包括相继地引起或允许光流动通过多个光学通道中的所选择的光学通道从显示器到达两个眼睛位置，并防止光通过所述多个光学通道中的其它所选择的光学通道从显示器到达两个光瞳范围的流动，每个光瞳范围与两个眼睛位置之一对应。

在实施例中，相继地引起或允许光流动包括操作快门以选择性地防止光流动通过光学通道中的相关联的光学通道。

在实施例中，引起或允许光流动包括控制方向，光在该方向中流入或流出实像的所选择的部分。

在实施例中，光学通道包括从局部实像形成子图像的小透镜。

在实施例中，方法700还包括在包括对象像素的数字显示器上形成实像，将对象像素分组为连续像素的集群，使得每个集群形成与属于光学通道之一的小透镜相关联的局部实像，以及根据相应光学通道中的哪个是活动的，将至少一些对象像素在不同时间分组到多于一个集群中。

在实施例中，相继成像包括允许光以重复序列循环地流动通过i)多个通道中的所选择的通道，以及ii)多个光学通道中的其它所选择的通道。

在实施例中，方法700还包括在显示器上生成一连串局部实像，使得局部实像中的至少一个基本上占据显示器的整个活动区域。

在实施例中，方法700还包括在显示器上生成一连串局部实像，使得局部实像中的至少两个占据显示器的非重叠部分，并且相继成像包括同时使所述两个局部实像成像。

在实施例中，方法700还包括接收两个输入图像，将所述输入图像的部分限定为各自指派给位置的局部输入图像，以及将所述局部输入图像生成为所述局部实像，所述局部实像被定位为使得对应的子图像对准以形成输入图像的不中断虚像。

在实施例中，接收两个输入图像包括：接收两个输入视频，包括为输入视频的一连串图像中的每个图像生成所述局部实像，每个局部实像被定位为使得对应的子图像对准以形成输入图像的不中断虚像；通过接连显示输入视频的图像，显示视频；以及通过接连显示输入视频的每个图像的局部实像，显示输入视频的该图像。

在实施例中，方法700还包括将光从子图像指引到两个光瞳范围，每个光瞳范围包括在两个眼睛位置之一处具有从21到27mm的直径的虚构球体的表面上的区域，光瞳范围包括在球体的中心处对着15度全角的圆。

图8是根据实施例的为显示器设备生成图像数据的示例方法800的流程图。在实施例中，显示器设备是显示器405。在实施例中，方法800由显示器驱动器430实现。

在方框802处，接收两个输入图像。

在方框804处，生成与输入图像的各部分对应的局部图像。

在方框806处，将位置指派给局部图像，两个局部图像的位置中与不同输入图像对应的至少一些位置重叠。指派位置，从而如果每个局部图像在其所指派的位置处相继显示，并通过适当配置的显示器设备(例如，显示器设备400)的多个通道中的相应通道成像为虚拟子图像，那么虚拟子图像进行组合以形成输入图像的不中断虚像。

根据实施例，显示器设备包括可操作以生成实像的显示器，以及光学系统。该光学系统包括多个光学通道束，每个光学通道束包括一个或多个通道，每个通道包括被布置为从与那个通道相关联的显示器上的相应局部实像生成子图像的小透镜，其中每个小透镜被配置为将来自显示器的光投射到两个眼睛位置当中的对应的眼睛位置。子图像进行组合以形成两个虚像，每个虚像可从两个眼睛位置中的一个眼睛位置观看，从而不同的光学通道束将显示器的同一部分成像为两个虚像的不同部分。光学系统还包括光切换系统，该光切换系统被配置为允许光从显示器流过通道中选择的通道到达眼睛位置的光瞳范围，并防止光从显示器流过通道中其它选择的通道到达光瞳范围。光切换系统被配置为相继开放光学通道束，以允许光相继地流动通过对应的通道，并且在每个光学通道束开放的同时，显示器被布置为显示与对应光学通道束的通道相关联的一个或多个局部实像。

在实施例中，局部实像中的至少一个基本上占据显示器的整个活动区域。

在实施例中，局部实像中的至少两个占据显示器的非重叠部分，并且显示器被布置为显示那两个局部实像，并且在与单个光学通道相同的时间开放光学系统的与所显示的局部实像的并集相关联的部分。

在实施例中，光切换系统包括可操作以选择性地防止光流动通过通道中的相关联的通道的快门。

在实施例中，光切换系统可操作以控制方向，光在该方向中流入或流出显示器的所选择的部分。

在实施例中，多个光学通道束中的每个光学通道束被布置为开放的，并且以重复的顺序循环地显示相应的一个或多个局部实像。

在实施例中，至少一个光学通道束包括平行的两个或更多个小透镜，这些小透镜使显示器的一个空间上连续的部分成像为一个空间上连续的虚拟子图像。

在实施例中，显示器设备还包括图像生成器，该图像生成器可操作以接收两个输入图像，以在显示器上生成各自指派给局部实像位置的局部输入图像，从而在将生成的局部输入图像显示为所述局部实像后，对应的子图像对准以形成输入图像的不中断虚像，其中局部实像位置中的至少一些重叠，并且包含在那些位置在显示器上将不形成单个不中断图像的部分的局部实像。

在实施例中，图像生成器可操作以接收两个输入视频，并且对于输入视频的一连串图像中的每个图像，生成局部实像，每个局部实像在显示器上被定位为使得对应的子图像对准以形成输入图像的不中断虚像。视频通过接连显示输入视频的图像而在显示器设备上显示，以及输入视频的每个图像通过接连显示输入视频的该图像的局部实像而显示。

在实施例中，所有光学通道都对准以从其相应的子图像将光指引到两个光瞳范围之一，每个光瞳范围包括在两个眼睛位置之一处具有从21到27mm的直径的虚构球体的表面上的区域，光瞳范围包括在球体的中心处对着15度全角的圆。

在实施例中，显示器是包括对象像素的数字显示器，其中这些对象像素被分组成连续像素的集群，每个集群形成局部实像并且与属于通道之一的相应小透镜相关联，其中，根据相应通道中的哪个是活动的，至少一些对象像素在不同的时间属于多于一个集群。

在实施例中，通过给定小透镜落在所述光瞳范围之一上的基本上所有成像光线都来自相关联的局部实像，并且来自相关联的局部实像的落在所述光瞳范围上的基本上所有所述成像光线都穿过相关联的小透镜。

在实施例中，朝着光瞳范围之一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都是从相关联的局部实像的单个位置生成的。

在实施例中，头盔包括如上所述的显示器设备，具有用于将显示器设备定位在人类头部的安装件，其中显示器设备的眼睛位置与人类的眼睛重合。

在实施例中，一种非暂态计算机可读存储设备包含表示两个输入图像的多个局部图像和局部图像的位置的计算机可读数据，两个局部图像的位置中与不同的输入图像对应的至少一些位置重叠，从而如果每个局部图像在其被指派的位置处相继地显示，并通过适当配置的显示器设备的多个通道中的相应通道成像为虚拟子图像，那么虚拟子图像进行组合以形成输入图像的不中断虚像。

显示器设备还可以包括安装件，该安装件可操作以将设备维持在相对于正常人头部基本恒定的位置，其中每只眼睛在由虚拟屏幕形成的虚构球体的中心。

还可以存在显示器驱动器430，该显示器驱动器430可操作以使得显示器显示对象，使得当人类观察者用眼睛在相应的虚构球体的中心位置处观看时，两个虚像进行组合以形成单个图像。显示器驱动器430包括处理器(例如，中央处理单元或适当的电路)和用于存储要由处理器执行的程序数据的存储器。

安装件可以包括将矫正透镜保持具有视力缺陷的用户眼前的安装特征。

显示器的类型可以被称为“光场显示器”(F.Huang、K.Chen、G.Wetzstein。“TheLight Field Stereoscope:Immersive Computer Graphics via Factored Near-EyeLight Field Displays with Focus Cues”，ACM SIGGRAPH(Transactions on Graphics33，5)，2015)，该文献的公开内容通过引用以其整体并入本文，特别是由堆叠透射LCD实现的那些显示器。只有两个堆叠的LCD的LFD具有小厚度，并且非常有吸引力，这两个堆叠的LCD在其间具有分隔器(separator)。光场显示器支持焦点提示(cue)，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视觉辐辏调节(vergence-accommodation)冲突。这种冲突可能导致视觉不适和疲劳、眼睛疲劳、复视、头痛、恶心、受损的图像质量，并且其甚至可能导致在儿童的发展视觉系统中的病态。这些级联显示器也可以被用来仅增加o像素的密度(空间分辨率)。特别地，F.Heide，D.Lanman，D.Reddy，J.Kautz，K.Pulli，D.Luebke，Cascaded Displays:Spatiotemporal Superresolution using Offset Pixel Layersdoi:10.1145/2601097.2601120示出双层显示器可以使表观空间分辨率成四倍，并使有效刷新率翻倍，该文献的公开内容通过引用以其整体并入本文。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，空间分辨率以及视野的深度甚至可以增加得更多，如其公开内容通过引用以其整体并入本文的A.Maimone，R.Chen，H.Fuchs，R.Raskar和G.Wetzstein的“Wide Field of View Compressive Light Field Display using aMultilayer Architecture and Tracked Viewers”,Journal of the Society forInformation Display,2015中所解释的，该文献的公开内容通过引用以其整体并入本文。

显示器设备还可以包括声音产生设备和/或相机以及可操作以在显示器上再现由相机捕获的图像的显示器驱动器中的一个或多个，或者两者之一或每一个，以提供立体声或视觉。

设备还可以包括头部跟踪设备和可操作以在显示器上再现固定到物理地面的图像的显示器驱动器。

显示器设备还可以包括系统，用以调节从光学器件到数字显示器或到其它光学器件的距离，以补偿用户的瞳孔间距离和/或视力缺陷。

设备还可以包括眼睛跟踪设备和可操作以在显示器上再现图像的显示器驱动器，该图像当通过光学器件被看见时，在由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的位置处可识别。

在描述本发明的上下文中(尤其是在以下权利要求的上下文中)术语“一”、“一个”和“该”以及类似指代的使用应被解释为涵盖单数和复数两者，除非本文另有指示或者与上下文明显矛盾。除非另有提及，否则术语“包括”、“具有”、“囊括”和“包含”应被解释为开放式术语(即，意思是“包括，但不限于”)。术语“连接”应被解释为部分或全部包含在其中、附接到或结合在一起，即使存在某物介入中间。

除非本文另有指示，否则本文中值的范围的陈述仅旨在用作单独地指代落入该范围内的每个单独值的简写方法，并且每个单独值都被并入到说明书中，就如同在本文中被单独地陈述了一样。

除非本文另有指示或者另外与上下文明显矛盾，否则本文描述的所有方法可以以任何合适的顺序执行。除非另外要求，否则本文提供的任何和所有示例或示例性语言(例如，“诸如”)的使用仅旨在更好地阐明本发明的实施例，并且不对本发明的范围施加限制。各种实施例和元素可以根据需要以任何合适的方式互换或组合。

说明书中的任何语言都不应当被解释为将任何未要求保护的元素指示为对于本发明的实施必不可少。

对于本领域技术人员将清楚的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对本发明进行各种修改和变化。无意将本发明限制到所公开的一种或多种特定形式，相反，其意图是涵盖落入如所附权利要求书中所限定的本发明的精神和范围内的所有修改、替代构造和等同物。因此，意图是本发明覆盖本发明的修改和变化，只要这些修改和变化落入所附权利要求及其等同物的范围内即可。

Claims (29)

1.一种显示器设备，包括：

显示器，能够操作以生成实像；以及

光学系统，包括多个光学通道束，每个光学通道束包括一个或多个通道，每个通道包括被布置为从显示器上与那个通道相关联的相应局部实像生成子图像的小透镜，其中每个小透镜被配置为将来自显示器的光投射到两个眼睛位置当中的对应眼睛位置；

其中子图像进行组合以形成两个虚像，每个虚像能够从两个眼睛位置中的一个眼睛位置观看，从而不同的光学通道束将显示器的同一部分成像到所述两个虚像的不同部分；

光学系统还包括光切换系统，所述光切换系统被配置为允许光通过通道中的所选择的通道从显示器到达眼睛位置的光瞳范围的流动，并防止光通过通道中的其它所选择的通道从显示器到达光瞳范围的流动；以及

其中光切换系统被配置为相继开放光学通道束，以允许光相继地流动通过对应的通道，并且在每个光学通道束开放的同时，显示器被布置为显示与对应光学通道束的通道相关联的一个或多个局部实像。

2.如权利要求1所述的显示器设备，其中局部实像中的至少一个占据显示器的基本上整个活动区域。

3.如权利要求1所述的显示器设备，其中局部实像中的至少两个占据显示器的非重叠部分，并且显示器被布置为显示那两个局部实像，并且在与单个光学通道相同的时间开放光学系统的与所显示的局部实像的并集相关联的部分。

4.如权利要求1所述的显示器设备，其中光切换系统包括能够操作以选择性地防止光流动通过通道中的相关联通道的快门。

5.如权利要求1所述的显示器设备，其中光切换系统能够操作以控制方向，光在所述方向流入或流出显示器的所选择的部分。

6.如权利要求1所述的显示器设备，其中所述多个光学通道束中的每个光学通道束被布置为开放，并且以重复序列循环地显示相应的一个或多个局部实像。

7.如权利要求1所述的显示器设备，其中至少一个光学通道束包括平行的两个或更多个小透镜，所述小透镜使显示器的一个空间上连续的部分成像为一个空间上连续的虚拟子图像。

8.如权利要求1所述的显示器设备，还包括图像生成器，该图像生成器能够操作以接收两个输入图像，以在显示器上生成各自指派给局部实像位置的局部输入图像，从而在将生成的局部输入图像显示为所述局部实像后，对应的子图像对准以形成输入图像的不中断虚像，其中局部实像位置中的至少一些重叠，并且包含在那些位置在显示器上将不形成单个不中断图像的部分的局部实像。

9.如权利要求8所述的显示器设备，其中：

图像生成器能够操作以接收两个输入视频，并且对于输入视频的一连串图像中的每个图像，生成局部实像，每个局部实像在显示器上被定位为使得对应的子图像对准以形成输入图像的不中断虚像；

并且其中视频通过接连显示输入视频的图像而在显示器设备上显示，以及输入视频的每个图像通过接连显示输入视频的该图像的局部实像而显示。

10.如权利要求1所述的显示器设备，其中所有光学通道都对准以将光从光学通道的相应的子图像指引到两个光瞳范围之一，每个光瞳范围包括在两个眼睛位置之一处具有从21到27mm的直径的虚构球体的表面上的区域，光瞳范围包括在球体的中心处对着15度全角的圆。

11.如权利要求1所述的显示器设备，其中显示器是包括对象像素的数字显示器，其中对象像素被分组成连续像素的集群，每个集群形成局部实像并且与属于通道之一的相应小透镜相关联，其中，根据相应通道中的哪个通道是活动的，至少一些对象像素在不同的时间属于多于一个集群。

12.如权利要求1所述的显示器设备，其中通过给定小透镜落在所述光瞳范围之一上的基本上所有成像光线都来自相关联的局部实像，并且来自相关联的局部实像的落在所述光瞳范围上的基本上所有所述成像光线都穿过相关联的小透镜。

13.如权利要求1所述的显示器设备，其中朝着光瞳范围之一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都是从相关联的局部实像的单个位置生成的。

14.一种头盔，包括如权利要求1所述的显示器设备，具有用于将显示器设备定位在人类头部的安装件，其中显示器设备的眼睛位置与人类的眼睛重合。

15.一种显示两个给定图像的方法，包括：

生成一连串局部实像，每个局部实像表示给定图像的部分，并且一起表示两个给定图像，并且局部实像中的至少一些属于占据在空间上重叠的位置的不同给定图像；以及

使局部实像相继成像以形成相应的子图像，每个子图像能够从两个眼睛位置中的一个眼睛位置观看；

其中子图像在空间上进行组合以形成两个虚像，两个虚像中的每一个能够从两个眼睛位置中的不同眼睛位置观看，从而不同局部实像的空间上重叠的部分形成两个虚像的不同部分。

16.如权利要求15所述的方法，其中使局部实像相继成像包括使同时显示的局部实像的集合相继成像，其中所述集合中的至少一个集合包括多个不重叠的局部实像。

17.如权利要求15所述的方法，其中相继成像包括相继地引起或允许光流动通过多个光学通道中的所选择的光学通道从显示器到达两个眼睛位置，并且防止光通过所述多个光学通道中的其它所选择的光学通道从显示器到达两个光瞳范围的流动，每个光瞳范围与两个眼睛位置之一对应。

18.如权利要求17所述的方法，其中相继地引起或允许光流动包括操作快门以选择性地防止光流动通过光学通道中的相关联的光学通道。

19.如权利要求17所述的方法，其中引起或允许光流动包括控制方向，光在所述方向中流入或流出实像的所选择的部分。

20.如权利要求17所述的方法，其中光学通道包括从局部实像形成子图像的小透镜。

21.如权利要求17所述的方法，还包括：

在包括对象像素的数字显示器上形成实像，

将对象像素分组为连续像素的集群，

使得每个集群形成与属于光学通道之一的小透镜相关联的局部实像，以及

根据相应光学通道中的哪个是活动的，将至少一些对象像素在不同时间分组到多于一个集群中。

22.如权利要求17所述的方法，其中相继成像包括允许光以重复序列循环地流动通过i)多个通道中的所选择的通道，以及ii)所述多个光学通道中的其它所选择的通道。

23.如权利要求15所述的方法，包括在显示器上生成一连串局部实像，使得局部实像中的至少一个基本上占据显示器的整个活动区域。

24.如权利要求15所述的方法，包括在显示器上生成一连串局部实像，使得局部实像中的至少两个占据显示器的非重叠部分，并且相继成像包括同时使所述两个局部实像成像。

25.如权利要求15所述的方法，还包括接收两个输入图像，将所述输入图像的部分限定为各自指派给位置的局部输入图像，以及将所述局部输入图像生成为所述局部实像，所述局部实像被定位为使得对应的子图像对准以形成输入图像的不中断虚像。

26.如权利要求15所述的方法，其中接收两个输入图像包括：

接收两个输入视频，包括为输入视频的一连串图像中的每个图像生成所述局部实像，每个局部实像被定位为使得对应的子图像对准以形成输入图像的不中断虚像；

通过接连显示输入视频的图像，显示视频；以及

通过接连显示输入视频的每个图像的局部实像，显示输入视频的该图像。

27.如权利要求15所述的方法，包括将光从子图像指引到两个光瞳范围，每个光瞳范围包括在两个眼睛位置之一处具有从21到27mm的直径的虚构球体的表面上的区域，光瞳范围包括在球体的中心处对着15度全角的圆。

28.一种为显示器设备生成图像数据的方法，包括：

接收两个输入图像；

生成与输入图像的各部分对应的局部图像；以及

将位置指派给局部图像，两个局部图像的位置中与不同输入图像对应的至少一些位置重叠；

从而如果每个局部图像在所述每个局部图像的被指派的位置处相继显示，并通过如权利要求1所述的适当配置的显示器设备的多个通道中的相应通道成像为虚拟子图像，那么虚拟子图像进行组合以形成输入图像的不中断虚像。

29.一种非暂态计算机可读存储设备，包含表示两个输入图像的多个局部图像和局部图像的位置的计算机可读数据，两个局部图像的位置中与不同的输入图像对应的的至少一些位置重叠，

从而如果每个局部图像在所述每个局部图像的被指派的位置处相继显示，并通过适当配置的显示器设备的多个通道中的相应通道成像为虚拟子图像，那么虚拟子图像进行组合以形成输入图像的不中断虚像。

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