CN110892454B - 用于双目虚拟成像装置的图像移位校正 - Google Patents

Abstract

用于立体观看的成像装置具有抵靠观看者的头部安置的框架。左眼成像装置和右眼成像装置由该框架支撑。框架以改变左眼成像装置和右眼成像装置的相对对准以适应不同观看者头部解剖结构的方式可再成形。响应于框架的再成形的调整机构恢复左眼成像装置和右眼成像装置的相对对准，以将立体虚像传达给观看者。

Description

用于双目虚拟成像装置的图像移位校正

技术领域

本公开大体上涉及由观看者佩戴的用于形成左眼和右眼虚像的成对电子显示器，并且更特别地涉及在可调整的头戴式框架内的双目近眼显示器。

背景技术

头戴式显示器（HMD）已经被开发用于各种各样的用途，包括军事、商业、工业、消防和娱乐应用。对于这些应用中的许多应用，形成可以在视觉上叠加在位于HMD用户的视野中的真实世界图像上的虚像是有价值的。

对于立体成像，针对观看者的左眼和右眼生成并显示虚像内容。为了提供立体图像，形成单独的左眼图像和右眼图像，从而提供图像内容的稍微不同的视角，从而提供针对所显示的立体虚像的深度和体积的幻觉。尽管从稍微不同的视角提供图像，但是左眼图像和右眼图像彼此对准，使得两个图像可以在观看者的大脑中组合以给出3D深度的感知。

为了适应具有一定范围的头部尺寸的观看者人群，HMD设计的框架可以被制成可调整的。然而，这样的调整可能会干扰由安装在框架中的双目近眼显示器生成的左眼图像和右眼图像的对准。为了改善观看者舒适度和适配而对框架进行的调整可能降低图像质量或增加眼睛疲劳。

一种常规的方法通过提供允许在一定范围的位置内可调整地安装显示元件的刚性框架来特别地使HMD适合于各个用户。然后，可以对每个观看者使用单独的对准过程，从而识别用于对准左眼图像和右眼图像的组件的适当定位，并且机械地固定该定位。然而，这种方法无法使框架得以舒适地安装在观看者的头部上或允许观看者容易地与另一观看者共享头戴式显示器，因为单独的调整可能不是非常适合于另一观看者的视觉解剖结构。

发明内容

本公开的目的是推进使用紧凑的头戴式设备和类似的成像装置时的立体虚像呈现的技术。有利地，本公开的实施例的特征在于具有用于补偿不同观看者头部尺寸的可调整框架并且具有在这样的框架调整的范围内保持对于呈现立体图像所需的光学对准的相对可调整近眼显示器的立体成像装置。

通过阅读优选实施例的以下详细描述和所附权利要求并通过参考附图，将更清楚地理解和认识所公开的实施例的这些和其他方面、目的、特征和优点。

根据本公开的一个方面，提供了一种用于立体观看的成像装置，包括被布置为抵靠观看者的头部安置的框架、由框架支撑的左眼成像装置、以及由框架支撑的右眼成像装置，其中左眼成像装置和右眼成像装置可相对对准以向观看者传达立体虚像。框架以改变左眼成像装置和右眼成像装置的相对对准以适应不同的观看者头部解剖结构的方式可再成形（reshapeable）。响应于框架的再成形的调整机构恢复左眼成像装置和右眼成像装置的相对对准，以将立体虚像传达给观看者。

优选地，成像装置还包括至少一个传感器，该至少一个传感器耦合到框架并且被设置成提供与框架的再成形相关联并且指示左眼成像装置和右眼成像装置的相对对准的改变的输出信号。调整机构优选地包括致动器，该致动器响应于至少一个传感器的输出信号以调整左眼成像装置和右眼成像装置的一个或多个组件的相对角度设置。

至少一个传感器可以被布置成测量在框架的鼻梁（nose bridge）处或者在框架的一个或两个镜腿处的挠曲。左眼成像装置和右眼成像装置中的每一个可以包括将虚像传达给观看者的对应左眼和右眼的波导。致动器可以被布置成调整左眼成像装置和右眼成像装置中的至少一个的波导的相对角度设置。左眼成像装置和右眼成像装置中的每一个还可以包括投影仪，并且致动器可以被布置成调整投影仪相对于左眼成像装置和右眼成像装置中的至少一个的波导的相对角度设置。

成像装置还可以包括至少一个图像生成器，并且调整机构响应于至少一个传感器信号的输出信号而使由图像生成器生成的左眼图像内容和右眼图像内容相对地移位。

根据本公开的另一方面，提供了一种用于立体观看的成像装置，包括：柔性框架，其抵靠观看者的头部安置；以及左眼成像装置和右眼成像装置，其相对对准以将立体虚像传达给观看者。左眼成像装置和右眼成像装置在框架内彼此刚性地耦合。当柔性框架弯曲成不同形状以更好地适合观看者的头部尺寸时，左眼成像装置和右眼成像装置保持相对对准以将立体虚像传达给观看者。

柔性框架可以包括位于左眼成像装置和右眼成像装置之间的柔性鼻梁，并且当柔性鼻梁被弯曲成不同形状以更好地适合观看者的头部尺寸时，左眼成像装置和右眼成像装置保持相对对准以向观看者传达立体虚像。左眼成像装置和右眼成像装置可以通过柔性鼻梁中的销（pin）连接到框架。柔性框架可以包括空腔，在该空腔内，左眼成像装置和右眼成像装置相对于框架可相对移动。

本发明的另一方面包括一种近眼双目成像系统，包括用于生成图像的至少一个图像生成器、被布置成抵靠观看者的头部安置的框架、由框架支撑的用于将所生成的图像中的至少一些转换成观看者的左眼可观看的虚像的左眼成像装置、以及由框架支撑的用于将所生成的图像中的至少一些转换成观看者的右眼可观看的虚像的右眼成像装置。左眼成像装置和右眼成像装置被相对定向以用于相对对准观看者的左眼和右眼可观看的虚像，以向观看者传达立体虚像。框架以改变左眼成像装置和右眼成像装置的相对定向以适应不同观看者头部解剖结构同时对应地使观看者的左眼和右眼可观看的虚像失准的方式可再成形。由框架支撑的传感器检测并输出左眼成像装置和右眼成像装置的相对定向的改变的指示。与至少一个图像生成器相关联的处理器接收来自传感器的输出，确定调整量以补偿左眼成像装置和右眼成像装置的相对定向的改变，并且提供对由至少一个图像生成器生成的图像进行移位以用于恢复观看者的左眼和右眼可观看的虚像的相对对准以向观看者传达立体虚像。

左眼成像装置以及至少一个图像生成器中的第一个可以包括由框架支撑的第一波导和第一投影仪。第一投影仪包括第一图像生成器，并提供将由第一图像生成器生成的图像作为虚像投影到第一波导中，并且第一波导提供将虚像传达给观看者的左眼。右眼成像装置以及至少一个图像生成器中的第二个可以包括由框架支撑的第二波导和第二投影仪。第二投影仪包括第二图像生成器，并提供将由第二图像生成器生成的图像作为虚像投影到第二波导中，并且第二波导提供将虚像传达给观看者的右眼。处理器可以提供对由第一和第二图像生成器中的至少一个生成的图像进行移位以用于向观看者传达立体虚像。作为替选，处理器可以提供对由第一和第二图像生成器两者生成的图像进行移位以用于向观看者传达立体虚像。

框架可以经受挠曲以适应不同观看者头部解剖结构，并且传感器可以提供测量框架的挠曲。传感器可以包括安装在框架上的用于测量框架的挠曲的摄像机和距离传感器中的至少一个。框架可以包括支撑第一和第二波导的框架前部和支撑第一和第二投影仪的镜腿（temple）两者。此外，框架前部可以包括在第一和第二波导之间的鼻梁部分（nose-piecesection），并且传感器可以被布置成检测鼻梁部分的挠曲。作为替选，传感器可以是用于检测镜腿相对于框架前部的定向的改变的至少两个传感器中的一个。

作为方法的另一方面适应支撑左眼成像装置和右眼成像装置的框架的挠曲，在左眼成像装置和右眼成像装置中，由图像生成器生成的图像被转换成观看者的左眼和右眼可观看的虚像。左眼成像装置和右眼成像装置被相对定向以用于相对对准观看者的左眼和右眼可观看的虚像，以向观看者传达立体虚像。框架以改变左眼成像装置和右眼成像装置的相对定向以适应不同观看者头部解剖结构同时对应地使观看者的左眼和右眼可观看的虚像失准的方式再成形。感测框架的再成形，作为左眼成像装置和右眼成像装置的相对定向的改变的指示。从所感测的框架的再成形中确定用于补偿左眼成像装置和右眼成像装置的相对定向的改变的调整量。根据所确定的调整量来对由至少一个图像生成器生成的图像进行移位以用于恢复观看者的左眼和右眼可观看的虚像的相对对准，以向观看者传达立体虚像。

框架的再成形可以包括将左眼成像装置和右眼成像装置之间的框架的鼻梁部分弯曲，并且参考感测可以检测鼻梁部分的弯曲。至少一个图像生成器可以包括用于生成针对左眼成像装置的图像的第一图像生成器和用于生成针对右眼成像装置的图像的第二图像生成器。参考移位可以包括在相反方向上对由第一和第二图像生成器生成的图像进行移位，以向观看者传达立体虚像。

附图说明

图1A是用于为观看者形成立体虚像对的头戴式显示器（HMD）的示意图；

图1B是其中右眼图像和左眼图像失准的图1A的HMD的示意图；

图2A、2B和2C是以示意性形式的HMD的俯视图，包括以不同定向的成像组件以及对左眼和右眼虚像的定向的相对影响；

图3A、3B和3C是具有波导型成像组件和经受挠曲从而导致左眼和右眼虚像的不同定向的眼镜框架的HMD的俯视图；

图4A是在柔性框架内具有可调整成像组件的HMD的俯视截面图；

图4B是示出处于挠曲位置的框架的图4A的HMD的俯视截面图；

图5是使用本公开的各方面的用于立体增强现实观看的HMD的透视图；

图6A是柔性框架和嵌入的成像系统的俯视剖视图；

图6B是其中框架已经弯曲的图6A的柔性框架和嵌入的成像系统的俯视剖视图；

图7是具有框架的HMD的俯视图，该框架具有刚性和柔性部分；

图8是示出挠曲旋转轴的定位的AR/VR系统的俯视图；

图9是具有挠曲旋转轴的AR/VR系统的正视图；

图10是示出AR/VR系统的右手侧和挠曲旋转轴的定向的侧视图。

具体实施方式

本说明书针对形成根据本教导的装置的一部分或与根据本教导的装置更直接地协作的元件的各种组合。应当理解，没有具体示出或描述的元件可以采取本领域技术人员所公知的各种形式。

在本文使用它们的情况下，术语"第一"、"第二"等不一定表示任何次序、顺序或优先关系，而是仅用于更清楚地将一个元件或一组元件与另一个元件或另一组元件区分开，除非另外规定。

在本公开的上下文中，术语"观看者"、"操作者"和"用户"被认为是等同的，并且是指佩戴并使用HMD观看设备来观看图像的人。

术语"可致动"具有其常规含义，涉及能够响应于刺激（例如诸如响应于电信号）而实现动作的设备或组件。

这里使用的短语"光学像无限距"对应于摄像机和成像领域中的常规用法，指示使用基本上准直的光的图像形成，使得焦距超过至少约4米。

在本公开的上下文中，术语"耦合"意图指示两个或更多个组件之间的物理关联、连接、关系或链接，使得一个组件的设置影响其耦合到的组件的空间设置。对于机械耦合，两个组件不需要直接接触，而是可以通过一个或多个中间组件链接。用于光学耦合的组件允许光能输入到光学装置或从光学装置输出。

"嵌入的"对象或组件在这里意味着对象或组件的一部分在另一对象或组件内。在此并不是用于暗示对象或组件完全被另一对象或组件覆盖。

作为实像投影的替代，光学系统可以产生虚像显示。与用于形成实像的方法相比，虚像并不形成在显示表面上。也就是说，如果显示表面位于虚像的感知位置处，则在该表面上将不会形成图像。虚像显示针对增强现实显示具有固有的优点。例如，虚像的表观尺寸不受显示表面的尺寸或位置所限制。与投影实像的系统相比，可以通过形成看起来在一定距离之外的虚像来提供更加真实的观看体验。提供虚像还避免了补偿屏幕伪像的任何需要，而这在投影实像时可能是必要的。

图1A和1B示出了用于为观看者形成立体虚像对20的头戴式显示器HMD10。HMD10形成左眼虚像22l和右眼虚像22r，它们在HMD10前方一定距离处彼此适当对准，以提供立体呈现的优点。在图1A中，左眼图像22l和右眼图像22r被表示为对准以用于立体成像。在图1B中，左眼图像22l和右眼图像22r定位成不是水平对准的，如以放大形式所示。

从HMD10输出的虚像包括重叠射束，虚像在所述重叠射束内被角度编码。优选地，与左眼图像22l和右眼图像22r内的匹配点相对应的射束彼此对准或者以其他方式朝向HMD前方的空间中的公共点会聚以支持期望的立体呈现。因此，HMD10优选地被构造为维持左眼图像22l和右眼图像22r之间的期望的角度关系。

HMD优选地是可调整的，使得HMD可以舒适且有效地由具有不同头部尺寸或具有其他解剖结构变化（包括瞳孔间距的变化，其影响可佩戴显示器最佳地安装在观看者的头部上的方式）的观看者佩戴。本公开的实施例可以适应HMD的再成形，以适合不同观看者头部解剖结构，同时保持针对每个如此适合的观看者的期望立体呈现。

图2A、2B和2C的俯视示意图示出了左眼和右眼虚像的改变位置，其对应于头戴式显示器10的成像组件的相对位置的改变，诸如由于眼镜框架F或其他安装装置的挠曲而引起的改变。头戴式显示器10具有左眼成像装置12l和右眼成像装置12r。每个成像装置12l、12r具有图像形成光学器件，诸如对应的透镜L1l或L1r以及对应的图像生成器14l或14r。每个图像生成器14l、14r位于距其对应透镜L1l、L1r约焦距距离处，以用于为对应的眼睛El或Er形成无限远聚焦虚像22l、22r。

图2A示出了在预期位置处形成左眼和右眼虚像22l和22r以用于立体观看。图2B示出了由于框架F沿着鼻梁34的挠曲而引起的图像22l和22r的角度移位。图2C示出了图像22l和22r的定向的校正，以补偿框架F挠曲。图2B中所示的框架F的挠曲对应于可以用于适配框架F以适合较小头部尺寸的挠曲，其结果是图像22l和22r彼此移位开，从而需要诸如图2C中所示的校正来保持期望的立体呈现。

图3A、3B和3C示出了具有类似于常规的眼镜框架的更完整框架F的HMD，但是为了简单起见描绘了仅右眼图像22r的形成。框架F具有框架前部Ff和左右镜腿Tl和Tr。假定左眼图像也以对称方式形成。右眼成像装置包括采用安装在镜腿Tr上的投影仪32形式的图像生成器和安装在框架前部Ff上的平面平行波导40。投影仪32被定向为沿着由虚线箭头26表示的标称输入方向将角度编码的图像承载射束引导到波导40中。波导40诸如通过全内反射将图像承载射束传达到右眼Er前方的输出位置，其中图像承载射束被引导到波导40之外并且沿着由虚线箭头28表示的标称输出方向进入右眼Er。标称输入方向26和标称输出方向28两者都被示出为与波导40的法线N对准，该法线N也对应于虚像22r的标称定向。标称输入和输出方向26和28的其他开始定向是可能的，但是与法线N的对准提供了用于与图3B和3C的不同定向相比较的就绪（ready）参考点。

在图3B中，框架F被再成形（例如弯曲）以适合具有较小头部尺寸的观看者。挠曲的主要影响是右镜腿Tr相对于镜架前部Ff的定向的改变。用于适合较小头部尺寸的右镜腿Tr的移动的方向由箭头36表示。在投影仪32安装在右镜腿Tr上的情况下，所示的挠曲改变了来自投影仪32的图像承载射束沿着其进入波导40的标称输入方向26。由于波导40的规则对称性，图像承载射束沿着其离开波导40的标称输出方向28在相等但相反的角度方向上移位，由此所投影的虚像22r相对于观看者视场（FOV）向内移动。注意，这是与图2B所示的影响相反的影响，其中整个成像装置（例如，投影仪以及波导）绕鼻梁34枢转（pivot）以适应较小尺寸观看者头部。因此，在鼻梁34与镜腿Tl和Tr之间分布挠曲可以被用于适应较小头部尺寸，同时维持所投影的左和右虚像22l和22r之间的期望对准。

如图3C所示，当诸如镜腿Tr的镜腿在如箭头38所示的相反方向上弯曲以适应具有较大头部尺寸的观看者时，会发生虚像22r的相反移动。例如，虚像22r被示出为根据伴随投影仪32与镜腿Tr在箭头38的方向上的相对向外枢转移动的标称输入方向26的改变而在观看者视场（FOV）内向外移动。

使用图2A-2C的HMD设计或图3A-3C的HMD设计，手动调整可以用于重新定位左和右成像装置12l和12r的组件，以校正与HMD框架F的观看者头部适应性挠曲相关联的左眼虚像22l和右眼虚像22r之间的失准。然而，这种手动调整是费时的并且针对每个单独的观看者的手动调整过程的需要会对HMD的整体可用性具有负面的影响。响应于容易地用同一HMD适应不同观看者的需要，本公开的实施例提供了一种自动调整机构，其测量框架F的挠曲，并且针对与适合观看者的不同头部大小的需要相关联的左眼和右眼虚像失准进行自动计算和调整。

参考图4A和4B的俯视示意图，HMD50被布置成通过改变左眼成像装置12l和右眼成像装置12r中的组件的角度对准来补偿所测量的框架挠曲和对应的观看者头部尺寸。在HMD50中，使用传感器52（诸如应变计或其他合适的位置感测设备）来感测框架F的挠曲。指示框架挠曲的量和左眼图像与右眼图像对准所需的对应图像定位调整的相对量的从传感器52接收的信号由诸如微控制器的控制逻辑处理器54处理。从处理器54生成的输出信号控制一个或两个致动器60，以调整左眼成像装置12l和右眼成像装置12r内的一个或多个组件的位置。例如，该位置调整可以改变透镜元件L1l和L1r的角度定向。作为替选，调整可以改变成像路径中的一些其他组件（包括波导或投影仪）的定向或行为，从而适当地对左眼虚像22l和右眼虚像22r的相对位置进行移位。可以通过仅移动左眼虚像22l和右眼虚像22r中的一个来校正立体观看，但是优选地，移动虚像22l和22r两者以将立体图像维持在视场内的期望位置（例如，中心）处并且在左眼成像装置12l和右眼成像装置12r的组件之间划分所需的校正量。

传感器52可以是应变计，其基于位于左眼成像装置和右眼成像装置12l、12r之间的框架F的鼻梁部分的感测到的挠曲来提供输出信号。作为替选或附加，可以使用传感器56来感测镜腿Tl和Tr处的变形或者镜腿Tl和Tr与框架前部Ff之间的变形。与传感器56信号通信的控制逻辑处理器54将接收到的信号转换为数字输入值，并使用该值来诸如从预先计算或经验导出的查找表（LUT）中确定用于调整透镜L1l和L1r的角度定向的值。

作为对成像组件的这种机械调整的替选或附加，可以在图像投影软件内调整虚像在其角度编码的射束内的编码。例如，在投影仪内生成的图像可以在被转换成从投影仪输出的角度编码射束之前被相对移位，使得得到的虚像在观看者的FOV内相对位移。基于来自一个或多个传感器52、56的感测信息，处理器54的控制逻辑根据感测到的框架挠曲来调整图像内容以使虚像22l和22r的相对左/右位置移位。也就是说，根据感测到的状况，虚像内的像素可以适当地向左或向右移位。

各种类型的感测和致动设备可以用于提供信号输出，所述信号输出用于一个或多个光学组件的角度校正或者替代地用于图像数据的控制逻辑调整。传感器类型可以包括应变计传感器、旋转传感器、霍尔效应传感器、极限开关或其他设备。作为替选或附加，传感器52可以是操作员控件或开关，诸如指轮开关，其感测用于左/右图像对准的手动控制的观看者调整。

图5的透视图示出了用于三维（3-D）增强现实观看的双目显示系统100。显示系统100被示为HMD，其具有左眼成像系统12l和对应的右眼成像系统12r，左眼成像系统具有用于左眼的瞳孔扩张器140l，右眼成像系统12r具有用于右眼的瞳孔扩张器140r。瞳孔扩张器140l和140r扩展指向观看者眼睛的角度编码图像承载射束之间的重叠区域，在该区域内可以看到预期的虚像。优选地在其他实施例中包含的瞳孔扩张器140l和140r提供适应不同观看者之间的瞳孔间距的变化。

诸如微微投影仪或类似设备的一个或多个图像源152为每只眼睛生成单独的图像，该图像被形成为具有所需的图像定向的虚像以用于直立图像显示。一个或多个传感器52提供指示用于左眼图像和右眼图像的对准的所需调整的信号。所生成的图像可以是用于3D观看的立体图像对。由光学系统形成的虚像可以看起来被叠加或覆盖到观看者所看到的真实世界场景内容上。还可以提供增强现实可视化领域的技术人员所熟悉的附加组件，诸如安装在HMD的框架上以用于观看场景内容或观看者注视跟踪的一个或多个摄像机。

图6A和6B是示出采用柔性框架AR/VR（增强现实或虚拟现实）系统200形式的HMD的俯视截面图的示图。柔性框架AR/VR系统200包括柔性鼻梁206，左眼框架部分202和右眼框架部分204附接到该柔性鼻梁206。左镜腿组装件208被刚性地附接到左眼框架部分202，并且右镜腿组装件210被刚性地附接到右眼框架部分204。在柔性鼻梁206内，附接有对支撑器具222进行支撑的支撑销220。当柔性鼻梁206被挠曲时，支撑销220和支撑器具222不移动。支撑器具222支撑左眼成像装置和右眼成像装置的左出射窗224和右出射窗226，并且当柔性鼻梁206挠曲时以彼此成固定的角度关系维持左出射窗224和右出射窗226。左眼框架部分202具有左腔228，左出射窗224设置在其中。右眼框部分204具有右腔230，右出射窗226设置在其中。左腔228和右腔230适应柔性鼻梁206的挠曲，而不会将任何显著的机械力、压力、应力或应变传递到左出射窗224或右出射窗226上。以此方式，左眼框架部分202和右眼框架部分204可以移动，而不会改变左出射窗224和右出射窗226之间的角度关系。

柔性框架AR/VR系统200还包括左成像路径，该左成像路径具有通过左光学附接元件232耦合到左出射窗224的左光学组件236。柔性框架AR/VR系统200还包括右成像路径，该右成像路径具有通过右光学附接元件234耦合到右出射窗226的右光学组件238。在一种布置中，左光学组件236和右光学组件238中的一个或两个是棱镜。在另一种布置中，左光学组件236和右光学组件238中的一个或两个是复合棱镜或多个棱镜的组装件。在另一布置中，左光学组件236和右光学组件238中的一个或两个是具有一个或多个棱镜和一个或多个反射镜的棱镜。

沿着它们各自的成像路径，左光学组件236光学地且机械地耦合到左投影系统244并且右光学组件238光学地且机械地耦合到右投影系统246。左通道240允许左光学组件236延伸到框架202的左眼部分中，并且右通道242允许右光学组件238延伸到右眼部分框架204中，使得左眼框架202和右眼框架204的挠曲运动不会将显著的力、压力、应力或应变施加到左光学组件236和右光学组件238上。左投影系统244和右投影系统246分别设置在左镜腿框腔248和右镜腿框腔250中，使得左镜腿组装件和右镜腿组装件的挠曲运动不会分别向左投影系统244或右投影系统246上施加任何显著的力、压力、应力或应变。因此，左眼成像装置和右眼成像装置的相对位置不会随着柔性鼻梁206挠曲而改变。

柔性框架AR/VR系统200还具有左系统组件252和右系统组件254，左系统组件252和右系统组件254分别刚性附接到左镜腿组装件208和右镜腿组装件210，并且因此，当这些镜腿组装件被弯曲（挠曲）以适应相对于左镜腿组装件和右镜腿组装件保持不挠曲的标称观看者头部尺寸更宽或更窄的观看者头部尺寸时，左系统组件252和右系统组件254与左镜腿组装件208和右镜腿组装件210一起移动。左系统组件252和右系统组件254可以包括电池、电路板和触摸板以及已知与AR/VR系统相关联的其他组件中的一个或多个。

图6A和6B进一步示出了左框架表面法线300和左出射窗表面法线302以及右框架表面法线304和右出射窗表面法线306。如图6A所示，当没有施加外力来弯曲柔性鼻梁206时，左框架法线300和左窗法线302被对准，并且右框架法线304和右窗法线306被对准。

然而，如图6B所示，外部施加的挠曲力（如左镜腿组装件部分208和右镜腿组装件部分210处的箭头所示）使柔性鼻梁206弯曲。结果，现在看到左框架法线300相对于左出射窗法线302倾斜。类似地，右框架法线304相对于右出射窗法线306倾斜。由于支撑销220、支撑器具222、左出射窗224和右出射窗226、左光学组件236和右光学组件238、以及左投影系统244和右投影系统246的机械刚性连接、以及由左腔228和右腔230、左通道240和右通道242、以及左镜腿腔248和右镜腿腔250提供的间隙，外部施加的力使鼻梁206弯曲，而不改变包括左眼成像装置和右眼成像装置的各种光学组件的相对设置。所需的间隙可以以各种方式创建，包括将空腔形成为狭槽，该狭槽允许框架相对于固定光学组件在意图挠曲的方向上的相对运动。

图7是以AR/VR系统400形式的HMD的俯视图，具有包括由鼻梁406接合的左出射窗部分402和右出射窗部分404的框架前部Ff。两个镜腿Tl和Tr中的每一个被分成由尺寸线区分的两个部分。左镜腿Tl包括前镜腿部分410和后镜腿部分420。右镜腿Tr包括前镜腿部分412和后镜腿部分424。AR/VR系统400还包括左眼成像装置和右眼成像装置。左眼成像装置包括固定在左出射窗部分402内的波导430以及固定到前镜腿部分410的投影仪432。类似地，右眼成像装置包括固定在右出射窗部分404内的波导440和固定到前镜腿部分412的投影仪442。

包括左出射窗部分402、右出射窗部分404和鼻梁406的框架前部以及左镜腿Tl和右镜腿Tr的前部410和412形成刚性结构，以用于维持左眼成像装置和右眼成像装置之间的适当对准以支持立体呈现。刚性鼻梁406以及鼻梁406与左出射窗部分402和右出射窗部分404两者之间的刚性连接一起维持两个波导430和440之间的固定角度关系。左出射窗部分402与左镜腿Tl的前部410之间的刚性连接维持波导430与投影仪432之间的固定角度关系。类似地，右出射窗部分404与右镜腿Tr的前部412之间的刚性连接维持波导440与投影仪442之间的固定角度关系。

与镜架的前部不同，后镜腿部分420和424相对于前镜腿部分410和412是柔性的，以适应不同观看者头部宽度。例如，后镜腿部分420和424可以由具有弹性记忆的一种或多种柔性弹性材料制成，其在横向位移时弹回到没有外力施加到后镜腿部分420和424时的标称位置。作为替选，左后镜腿部分420和右后镜腿部分424可以分别通过弹簧加载或弹性体铰链连接到左前镜腿部分410和右前镜腿部分412。左后镜腿部分420和右后镜腿部分424也可以被细分为柔性互连的部分。不管后镜腿部分420和424被推靠着不同宽度的观看者头部的柔性的模式如何，后镜腿部分420和424的柔性和可变设置都不影响用于支持立体呈现的左眼成像装置和右眼成像装置之间的对准。

图8是AR/VR系统400的俯视图，示出了柔性铰链旋转轴454在AR/VR系统400的鼻梁406区域中的定位。左固定出射窗部分402和右固定出射窗部分404在鼻梁406区域中被构造并接合在一起，使得它们可以绕铰链旋转轴454而不是其他轴进行旋转。绕铰链旋转轴454的这种旋转可以用于补偿AR/VR系统400的不同佩戴者的各种头部尺寸。绕铰链旋转轴454的挠曲旋转（AR/VR系统400的左、右半部分中的每一个沿相反方向旋转）使分别刚性附接到左固定框架部分410和右固定框架部分412的左固定出射窗部分402和右固定出射窗部分404沿相反方向旋转。鼻梁406与嵌入的铰链组装件（未示出，但参见图9的520）一起被构造为防止左固定出射窗部分402和右固定出射窗部分404之间的绕除铰链旋转轴454定义的轴之外的任何轴的扭曲和/或扭转运动。这种挠曲旋转使左虚像平面446和右虚像平面448向左或向右移位。虚像平面的这些移位可以在软件中被补偿，该软件生成要通过左平面波导430和右平面波导440显示的图像。

铰链旋转轴454可以由两个平面的相交线而限定以形成线，该线为铰链旋转轴454。第一平面是平行于左虚像平面446的左平面450，而第二平面是平行于右虚像平面448的右平面452，使得左平面450和右平面452的相交线限定了穿过AR/VR系统400的鼻梁406区域的线。左虚像平面446由左平面波导430生成，而右虚像平面由右平面波导440生成。左虚像平面446可以不平行于左平面波导430，并且右虚像平面448可以不平行于右平面波导440。

图9是具有右出射窗框架510、左出射窗框架512和鼻梁514的AR/VR系统500的正视图。嵌入在右出射窗框架510内的是平面波导（未示出，但参见图8的440），并且嵌入在左出射窗框架512内的是平面波导（未示出，但参见图8的430）。嵌入的铰链组装件520被设置在鼻梁514内，并且进一步机械地连接至右出射窗框架510且机械地连接至左出射窗框架512，使得右出射窗框架510和左出射窗框架512可以绕铰链旋转轴530枢转，从而绕铰链销旋转轴530旋转嵌入的平面波导（未示出）。铰链旋转轴530在图8中被定义为铰链旋转轴454。以此方式，嵌入的平面波导（参见图8的430、440）也绕铰链旋转轴530旋转。

嵌入的铰链组装件520可以由机械销522、左接片526和右接片524组成，使得左接片526和右接片524可以绕机械销522旋转。机械销522沿铰链销旋转轴530（其与图8的铰链旋转轴454相同）定位和对准。嵌入的铰链组装件520可以由右接片524和左接片526组成。右接片524可以具有圆柱形边缘（未示出）和基本上平坦的接片部分（未示出）。左接片526可以具有容座凹槽边缘（未示出）和基本上平坦的接片部分（未示出）。右接片524的圆柱形边缘可以滑入左接片526的容座凹槽边缘中以形成铰链组装件520。右接片524的圆柱形边缘沿铰链销旋转轴530对准。右接片524的圆柱形边缘可以是磁性的。左接片526的容座边缘凹槽边缘可以是磁性的和/或由可磁化的材料构成。铰链组装件520可以构造为两个半部，这两个半部可以由AR/VR系统500的佩戴者重复地接合和分离。铰链组装件520可以被构造为至少两部分（右和左部分），使得右部分是右出射窗框架510的连续部分，并且左部分是左出射窗框架512的连续部分。如本领域技术人员所知，还可以存在其他方式来构造类似于铰链的机构，其适于允许右出射窗框架510和左出射窗框架512在相反的旋转方向上绕铰链销旋转轴530而不是其他轴进行旋转，同时防止左出射窗框架512和右出射窗框架510之间的扭曲。

图10是示出至少包括右出射窗框架510、右出射窗552、嵌入的右平面波导（未示出，但参见图8的440）和右镜腿框架540的AR/VR系统500的右手侧的侧视图。右镜腿框架540还包括右固定镜腿框架544部分和右后框架542部分。右后框架542可以由已知的柔性材料构成。右后框架542可以被构造成单独的连接部分，一个或多个部分可以能够挠曲，而其他部分可以是刚性的。右镜腿框架540通过刚性框架连接550刚性地连接到右出射窗框架510。

图10进一步示出了铰链销旋转轴530的相对定向。竖直线562和水平线560彼此正交，并且仅用于描述定向目的。水平线560可以不垂直于由左虚像平面和右虚像平面的相交线所形成的线570。如所示，铰链销旋转轴530平行于线570并且与竖直线562成倾斜角582。倾斜角582可以是在5度至10度的角度范围内的角。倾斜角582可以在0至15度的角度范围内。倾斜角可以在-15度到+15度的角度范围内。

图10示出了AR/VR系统500的右半部。应当理解，类似的构造和数量将以镜像对称的方式应用于AR/VR系统500的左半部。

由于嵌入的铰链组装件520的构造所引起的约束，AR/VR系统500的挠曲允许AR/VR系统500的右框架半部和左框架半部绕铰链销旋转轴530沿相反的旋转方向进行旋转，以适应不同佩戴者的头部尺寸。

可以以若干不同方式确定左出射窗框架512内的嵌入的平面波导（未示出，但参见图8的430）和右出射窗框架510内的嵌入的平面波导（未示出，但参见图8的440）绕铰链销旋转轴530进行旋转的角度量。一种方式是在图9的铰链组装件520内包括电子传感器元件，其可以感测绕铰链销旋转轴530的旋转的角度量（参见图4A和图4B中的传感器52）。确定嵌入波导的角度旋转的另一种方式是通过利用嵌入在例如AR/VR系统500的右半部的图9的前视摄像机602、以及嵌入在AR/VR系统500的左半部内的图9的前视距离传感器600，使得摄像机602和距离传感器600随着嵌入波导绕铰链销旋转轴530的旋转而旋转。摄像机602可以提供相对于摄像机的矢量法线方向的针对放置在AR/VR系统500前方的远处对象的角度定向，而距离传感器600可以提供相对于距离传感器的矢量法线方向的针对同一对象的角度定向以及到该对象的距离。利用这三个测量值、以及AR/VR系统500的已知构造（包括AR/VR系统500内的摄像机602和距离传感器600位置），可以确定左嵌入波导和右嵌入波导绕铰链销旋转轴530的角度定向。一旦确定了绕铰链销旋转轴530的角度旋转量，则可以由软件利用该角度旋转量，使得左虚像和右虚像可以通过生成左虚像和右虚像的软件来水平移位，以补偿平面波导相对于彼此的定向，从而向AR/VR系统500的佩戴者提供3维虚像。

作为替选，固定出射窗部分402和404的相对旋转可以以与波导430和440以及它们针对相应投影仪432和442（诸如图6A和6B中的系统200中所示）的相对定向独立的方式绕铰链旋转轴454（或530）发生，以用于适应不同的解剖结构而不改变左虚像平面446与右虚像平面448之间的角度关系。固定出射窗部分402和404可以独立于波导430和440枢转的量可以被限制成针对小的调整保持左虚像平面446和右虚像平面448之间的角度关系，而针对较大的调整改变左虚像平面446和右虚像平面448之间的角度关系。

本文描述突显了目前优选的实施例，但是应当理解，可以在总体教导的精神和范围内实现变化和修改。因此，目前公开的实施例在所有方面都被认为是说明性的而非限制性的，并且在其等同物的含义和范围内的所有改变都意图被包含在其中。

Claims (27)

1.一种用于立体观看的成像装置，包括：

框架，所述框架可操作以从第一形状再成形为第二形状；

由所述框架支撑的左眼成像装置；

由所述框架支撑的右眼成像装置；

其中，所述左眼成像装置和所述右眼成像装置具有当所述框架处于所述第一形状时可操作以向观看者传达立体虚像的第一相对对准；

其中当所述框架处于所述第二形状时所述左眼成像装置和所述右眼成像装置以第二相对对准来布置；以及

调整机构，所述调整机构可操作以改变所述左眼成像装置和/或所述右眼成像装置的一个或多个组件相对于所述框架的角度对准，以当所述框架处于所述第二形状时恢复所述左眼成像装置和所述右眼成像装置的所述第一相对对准。

2.根据权利要求1所述的装置，还包括至少一个传感器，所述至少一个传感器与所述框架耦合并且可操作以提供指示对所述左眼成像装置和所述右眼成像装置的所述第一相对对准和所述第二相对对准之间的相对对准的所述改变的输出信号。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述调整机构包括致动器，所述致动器可操作以对所述至少一个传感器的所述输出信号做出响应，其中所述致动器可操作以调整所述左眼成像装置和所述右眼成像装置的一个或多个组件的相对角度设置。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述至少一个传感器测量所述框架的鼻梁处的挠曲。

5.根据权利要求3所述的装置，其中所述框架包括左镜腿和右镜腿，且所述至少一个传感器可操作以测量一个或两个镜腿处的挠曲。

6.根据权利要求3所述的装置，其中，所述至少一个传感器是应变计。

7.根据权利要求3所述的装置，其中，所述至少一个传感器是操作员控件。

8.根据权利要求3所述的装置，其中，所述左眼成像装置和所述右眼成像装置中的每一个的所述一个或多个组件包括配置成将所述虚像传达给所述观看者的对应的左眼和右眼的波导。

9.根据权利要求8所述的装置，其中所述致动器可操作以调整所述左眼成像装置和所述右眼成像装置中的至少一个的波导的相对角度设置。

10.根据权利要求8所述的装置，其中所述左眼成像装置和所述右眼成像装置中的每一个的所述一个或多个组件包括投影仪，其中所述致动器可操作以调整所述投影仪相对于所述左眼成像装置和所述右眼成像装置中的至少一个的波导的相对角度设置。

11.根据权利要求1所述的装置，还包括至少一个图像生成器，其中所述调整机构可操作以响应于所述至少一个传感器的输出信号而使所述至少一个图像生成器所生成的左眼图像内容和右眼图像内容相对地移位。

12.一种用于立体观看的成像装置，包括：

柔性框架，所述柔性框架可操作以从第一形状再成形为第二形状；

左眼成像装置；

右眼成像装置；

其中所述左眼成像装置和所述右眼成像装置具有可操作以当所述框架处于所述第一形状时向观看者传达立体虚像的相对对准；

所述左眼成像装置和所述右眼成像装置在所述框架内彼此刚性地耦合，其中所述框架可操作以相对于所述左眼成像装置和所述右眼成像装置进行挠曲；以及

其中当所述框架处于所述第二形状时所述左眼成像装置和所述右眼成像装置保持所述相对对准。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述柔性框架包括位于所述左眼成像装置和所述右眼成像装置之间的柔性鼻梁。

14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述左眼成像装置和所述右眼成像装置通过所述柔性鼻梁中的销连接到所述框架。

15.根据权利要求12所述的装置，其中，所述柔性框架包括空腔，在所述空腔内，所述左眼成像装置和所述右眼成像装置相对于所述框架可相对移动。

16.一种近眼双目成像系统，包括：

至少一个图像生成器，可操作以生成角度编码的图像承载射束；

框架，所述框架配置成供观看者佩戴，其中所述框架可操作以从第一形状再成形为第二形状；

由所述框架支撑的左眼成像装置，其中所述左眼成像装置可操作以将至少一部分所述图像承载射束传送至所述观看者的左眼；

由所述框架支撑的右眼成像装置，其中所述右眼成像装置可操作以将至少一部分所述图像承载射束传送至所述观看者的右眼；

其中，所述左眼成像装置和所述右眼成像装置具有可操作以当所述框架处于所述第一形状时向所述观看者传达立体虚像的第一相对对准；

其中当所述框架处于所述第二形状时所述左眼成像装置和所述右眼成像装置以第二相对对准来布置；

传感器，由所述框架支撑，其中所述传感器可操作以检测所述左眼成像装置和所述右眼成像装置的相对定向中的改变；以及

与所述至少一个图像生成器相关联的处理器，其中所述处理器可操作以接收来自所述传感器的输出，并确定可操作以补偿对所述左眼成像装置和所述右眼成像装置的所述相对定向的改变的调整量，并且

其中所述处理器可操作以调整所述图像承载射束的所述角度编码以在所述框架处于所述第二形状时至少部分地恢复观看者的左眼和右眼可观看的所述立体虚像的所述相对对准。

17.根据权利要求16所述的近眼双目成像系统，其中所述至少一个图像生成器包括由所述框架支撑的第一投影仪并且所述左眼成像装置包括第一波导，其中所述第一投影仪可操作以将角度编码的图像承载射束投影到所述第一波导中。

18.根据权利要求17所述的近眼双目成像系统，其中所述至少一个图像生成器包括由所述框架支撑的第二投影仪并且所述右眼成像装置包括第二波导，其中所述第二投影仪可操作以将角度编码的图像承载射束投影到所述第二波导中。

19.根据权利要求18所述的近眼双目成像系统，其中所述处理器可操作以调整第一和第二图像生成器中的至少一个的所述图像承载射束的所述角度编码以用于向观看者传达立体虚像。

20.根据权利要求19所述的近眼双目成像系统，其中所述框架经受挠曲以适应不同观看者头部解剖结构，并且所述传感器可操作以测量所述框架的所述挠曲。

21.根据权利要求20所述的近眼双目成像系统，其中所述传感器包括安装在所述框架上的可操作以测量所述框架的所述挠曲的摄像机和距离传感器中的至少一个。

22.根据权利要求20所述的近眼双目成像系统，其中所述框架包括支撑第一和第二波导的框架前部和支撑第一和第二投影仪的镜腿。

23.根据权利要求22所述的近眼双目成像系统，其中所述框架前部包括在第一波导和第二波导之间的鼻梁部分，并且所述传感器可操作以检测所述鼻梁部分的挠曲。

24.根据权利要求22所述的近眼双目成像系统，其中所述传感器是可操作以检测镜腿相对于框架前部的定向的改变的至少两个传感器中的一个。

25.一种适应支撑左眼成像装置和右眼成像装置的框架的挠曲的方法，在所述左眼成像装置和所述右眼成像装置内，由至少一个图像生成器生成的角度编码的图像承载射束被传达到观看者的左眼和右眼，所述方法包括：

当所述框架处于第一形状时，对所述左眼成像装置和所述右眼成像装置进行相对定向以用于相对对准观看者的左眼和右眼可观看的虚像，以向观看者传达立体虚像；

再成形所述框架，由此所述左眼成像装置和所述右眼成像装置的相对定向可操作以改变成适应不同观看者头部解剖结构同时对应地使观看者的左眼和右眼可观看的虚像失准，其中所述框架处于第二形状；

感测所述框架的所述再成形，作为所述左眼成像装置和所述右眼成像装置的相对定向的改变的指示；

当所述框架处于第二形状时，从所感测的所述框架的再成形中确定用于补偿对所述左眼成像装置和所述右眼成像装置的所述相对定向的改变的调整量；以及

根据所确定的调整量来对由至少一个图像生成器生成的所述图像承载射束的所述角度编码进行调整以用于在所述框架处于第二形状时，至少部分地恢复所述立体虚像的相对对准。

26.根据权利要求25所述的方法，其中，再成形的步骤包括将左眼成像装置和右眼成像装置之间的框架的鼻梁部分弯曲，并且感测的步骤检测所述鼻梁部分的所述弯曲。

27.根据权利要求25所述的方法，其中，所述至少一个图像生成器包括可操作以生成针对所述左眼成像装置的角度编码的图像承载射束的第一图像生成器，和可操作以生成针对所述右眼成像装置的角度编码的图像承载射束的第二图像生成器，并且调整所述图像承载射束的所述角度编码的步骤包括在相反方向上对由第一和第二图像生成器生成的所述图像承载射束的所述角度编码进行调整。