CN111051963A - 具有多层分束器和颜色校正的头戴式投影显示器 - Google Patents

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Abstract

头戴式投影显示器包括具有波片的偏振分束器堆叠。偏振分束器堆叠减少了光学损失并具有低前向延伸。偏振分束器可以相对于视线成45度角或非45度角来使用。还可以对个体像素的强度执行校正以考虑后向反射器和其他光学部件的光学响应中的色彩不均匀性。

Description

具有多层分束器和颜色校正的头戴式投影显示器
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年6月30日提交的美国专利申请US 15/638846的权益，通过引用将其整体并入本文。
技术领域
本发明的实施例总体上涉及在虚拟现实应用和增强现实应用以及其他计算机图形应用中使用的头戴式投影显示器(HMPD)的技术。
背景技术
存在用于增强现实应用和虚拟现实应用的各种不同的头戴式显示器技术。头戴式显示器技术的普遍问题是难以同时获得高图像质量、紧凑尺寸和合理价格。例如，许多头戴式显示器在用户面部的前方伸出很远。例如，一些头戴式显示器从用户面部伸出十厘米或更多。许多设计遭受亮度差或图像质量问题的困扰。另外，价格是消费者应用中的重要的考虑因素。
这些考虑因素在头戴式投影显示器(HMPD)中也很重要，在HMPD中，附接到头戴式框架的图像投影仪投射光。这些方法中的许多方法还会遭受一个或多个问题，包括HMPD从用户面部伸出太远，亮度差，图像质量差或价格高。在HMPD中，难以同时获得低伸出、高亮度和高图像质量。
一种类型的HMPD利用45度分束器将投射光导向后向反射屏并允许将反射光传输到用户的眼睛。图1A示出了类似于美国专利US 5606458的现有技术装置。这种类型的HMPD利用一对45度分束器来引导非偏振光。在这种类型的HMPD中，HMPD在用户的每只眼睛前面都放置有一个分束器。每个图像投影仪将投射光引导通过相应的分束器并导向后向反射屏。后向反射光反射回原来的分束器，并且该分束器将反射光引导到用户的眼睛中。图1B更详细地示出了45度分束器的各方面。投影仪101、分束器102和后向反射屏103用于将图像呈现给观看者的眼睛104。
然而，图1的方法在每次穿过/通过分束器时都会导致显著的亮度损失并因此导致图像对比度下降。第一3dB损失路径105穿过来自投影仪101的分束器。第二3dB损失路径106在后向反射之后将光引导回到投影仪中，从而导致总共6dB的总损失。
为了减少这些损失，美国专利US 5621572和美国专利US 8259239开发了一种类似于图2A所示的改进的装置，在该装置中，偏振分束器与额外的波片一起使用。图2B更详细地示出了具有45度分束器和波片的装置。投影仪201产生具有平面偏振光(由附图中的符号“P”来表示)的图像，该平面偏振光以匹配的偏振取向以低损失从偏振分束器202的前表面反射，然后以为与入射光平面偏振轴成45度设置的快轴和慢轴穿过四分之一波片203，因此在从后向反射屏103反弹之前将偏振从平面偏振转换为圆偏振。
图2B的返回路径将光带回203，在这里，光被转换回平面偏振，然而，在两次穿过四分之一波片之后，偏振平面现在旋转了90度，然后这种光穿过偏振分束器202并以低损失到达用户的眼睛104。本领域技术人员将注意到，随着手性的改变，当光返回而穿过四分之一波片时，圆偏振光的反转会引起偏振面增加180度旋转，但是这种增加的翻转并不限于连续传播通过202的过程。
然而，波片定位的缺点在于：其会导致头戴式单元的前部具有不期望的延伸。这种延伸能够在图2A中看到并由图2B中的距离204表示。这包括与波片、光学底座、垫片、减震器或其他固定装置相关联的厚度。在商业产品中，光学器件必须相对坚固且制造便宜，因此在放置光学部件的紧密程度方面存在实际限制。另外，部件之间的间隔必须考虑对来自图像投影仪的光发生衍射，从分束器的反射和撞击波片的需要。所有这些因素的组合会引起前向延伸的显著增加。可以相信，与具有45度分束器但没有波片的基本设计相比，这将前向延伸增加了1cm至3cm。结果，对于许多消费者应用来说，总的前向延伸是不可接受的。例如，美国专利US 8259239的图5B示出了在用户的额头上方的区域中具有5厘米的厚度。
另外，图2A和图2B的方法需要一个制造步骤来安装并对准波片和相关联的固定装置。这会提高UMPD的价格。
此外，图2A和2B的方法引入了从波片203的内表面产生不想要的反射的可能性。而且，并非投影视场(FoV)中的所有光线都将以正交的入射角撞击波片，这会导致不完美的相位延迟和色彩失真。这些影响还会降低用户眼睛看到的图像的图像质量。
发明内容
公开了一种偏振分束器，该偏振分束器是偏振分束器与至少一个其他光学层的多层堆叠，以优化朝向后向反射器的投射光的初始反射并使返回光的传输最大化。在一个实施例中，一种偏振分束器堆叠包括具有相位延迟器层或波片的偏振分束器。该堆叠例如可以被形成为被附接或结合到偏振分束器的膜。相位延迟器层可以是四分之一波长膜。多层分束器堆叠可以用于实现离开头戴式显示器(例如，头戴式投影显示器(HMPD))的投射光的最大反射。四分之一波长膜可以用于实现返回光的高传输。
在一个实施例中，偏振分束器堆叠被设计为使得特定手性(左旋或右旋)的圆偏振光将被反射为圆偏振光，然后在被后向反射之后，该光将向后穿过多层分束器以作为平面偏振光进入用户的眼睛。在一个实施例中，使用圆偏振投影仪并且可以将该投影仪定位在多层结构的前面。另外，在一个实施例中，可以对用户的每只眼睛都使用正交偏振以在不添加滤波的情况下实现对立体图像的立体隔离。
此外，在一个实施例中，在增强现实应用中使用的HMPD系统具有与投影仪相对于使投影图像返回到用户的眼睛的后向反射表面的位置和取向(姿态)有关的实时信息。基于该实时信息和关于后向反射表面的光学表征的校准信息，基于计算每个像素的入射角对投影像素的主色的强度进行调整，以便补偿因头戴式光学设备不完美和后向反射不完美导致的图像失真。
提供本发明内容来以简化形式介绍选择的概念，这些概念在下面的说明书中得到进一步描述。本发明内容既不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。
附图说明
当结合附图阅读时，将更好地理解前面的发明内容以及下面对说明性实施方式的详细描述。为了说明实施方式，在附图中示出了这些实施方式的示例构造。然而，这些实施方式并不限于所公开的特定方法和手段。在附图中：
图1A图示了用于由后向反射屏返回的图像的同轴观看装置，并且图1B图示了45度分束器的更多细节。
图2A图示了使用偏振光和偏振分束器的头戴式投影显示装置。
图2B图示了图2A的装置，其更详细地示出了偏振分束器的几何结构以及前向延伸距离。
图3A图示了根据实施例的偏振分束器和波片的堆叠。
图3B图示了投影仪旋转的角度和与分束器的非45度入射角的示例。
图3C图示了其中具有水平后向反射屏的实施例。
图3D图示了具有下降的视角的实施例。
图3E图示了根据实施例的FoV边界角。
图3F图示了具有用于改变投影仪角度的反射镜的实施例。
图3C-G图示了示出减小的前向延伸的实施例。
图4图示了在后向反射器上具有相位延迟膜的实施例。
图5图示了使用弯曲表面来堆叠偏振分束器与波片的实施例。
图5B图示了具有弯曲分束器的实施例，其示出了减小的前向延伸。
图6图示了使用半透明反射器来改变增强现实模式的实施例。
图7图示了根据实施例的允许通过遮光板向上倾斜来改变操作模式的头戴式框架。
图8是图示根据实施例的像素亮度校正方法的流程图。
图9是图示根据实施例的包括归一化和提升因子的像素亮度方法的流程图。
图10图示了用于计算角度以确定投影仪法向于后向反射屏的亮度校正因子的光学几何结构。
图11图示了用于计算角度以确定投影仪相对于后向反射屏朝下时的亮度校正因子的光学几何结构。
图12图示了用于计算角度以确定投影仪相对于后向反射屏朝上时的亮度校正因子的光学几何结构。
图13图示了在渲染管道中对像素亮度的校正。
图14图示了在后处理器中对像素亮度的校正。
图15图示了具有低前向突起的HMPD的眼镜实施例。
具体实施方式
本发明的实施例总体上涉及头戴式投影显示器(HMPD)的改进，但是本领域普通技术人员应当理解还有其他应用。这包括其中使用分束器将投射光引导出HMPD并接收返回光的HMPD。
图3A示出了其中HMPD的投影仪201通过四分之一波片光学延迟器301将投影仪201的平面偏振(投影仪201中的P)输出改变为圆偏振的实施例。然后，穿过四分之一波片光学延迟器301的圆偏振光遇到另一四分之一波长延迟膜302，该另一四分之一波长延迟膜302被放置(堆叠)在偏振分束器202的表面上，其快轴和慢轴被定向为相对于偏振分束器202的平面偏振轴成45°。可以通过诸如膜沉积或膜涂覆、膜结合、膜转移和粘附之类的制造技术或将膜堆叠在另一光学部件的顶部的其他制造技术将四分之一波长延迟膜302堆叠在偏振分束器的面上。
在光已经穿过四分之一波长延迟膜302而到达偏振分束器202的表面后，光被转换为正确取向的平面偏振以实现最大反射(例如，与穿过取向成90°或与之近似)。然而，在投射光从后向反射器103反射回来之后，该光被反射回来而通过四分之一波长延迟膜302。具体地，在从后向反射屏103返回的路径上，圆偏振光再次穿过四分之一波长延迟膜302，以变得与从偏振分束器反射光成90°的平面偏振。该平面偏振继而引起其在到达用户眼睛104的途中以低损失穿过偏振分束器202。这种损失减少产生了亮度方面的益处并因此提高了对比度。
在一些实施例中，可以将另外的层(例如，抗反射涂层)添加到分束器202的眼睛侧，以减少从该侧的反射，并且/或者可以将非双折射光学透明层添加到堆叠中的选定位置处，以提高刚度、强度或提供表面保护。
在一些实施例中，将偏振分束器202相对于视线和投射光的入射角成45度角安装。然而，在一个实施例中，并未将分束器以45度角安装。特别地，可以使用基本上非45度的角度，例如，与传统的45度分束几何结构至少相差5度的角度。
另外，在一些实施例中，还将投影仪相对于视线法线以实质性角度倾斜。这能够用于多种目的，包括减少HMPD的前向延伸和/或为用户向下注视时的光学几何结构定制HMPD。
在眼镜设计中，特别是在用户的眼睛上方的额头区域中，存在前向延伸。眼镜的额头区域中的前向延伸部分与投影仪、用于安装偏振分束器的部件等相关联。偏振分束器优选与用户的眼睛大致同轴以便获得最大亮度，但是，在实践中，偏振分束器能够被安装在用户的眼睛的中心稍上方的位置。通常，减小偏振分束器和相关联的光学器件的厚度将对应地减小所需的额头区域中的前向延伸(并且在一些情况下还可以允许减小眼镜设计的观看透镜部分的厚度)。
图3B图示了其中将偏振分束器堆叠以相对于垂直方向的透镜堆叠旋转角度(LSRA)303安装并将投影仪以相对于垂直方向的投影仪旋转角度(PRA)304安装的示例。还图示了眼镜框330的侧视图，使得本领域普通技术人员将理解，利用未图示的一些常规光学部件(例如，观看透镜)将光学部件安装到眼镜框330。本领域技术人员将理解，将LSRA和PRA与投影仪光学器件的视场(FoV)一起的调整允许用于将视线设置到后向反射屏的设计选项。减小的LSRA还允许头戴式设备具有较小的前向延伸(这通常是期望的情况)。这种前向延伸的减小在图3G中被示为距离310。该距离310可以与当使用45度的几何结构的情况下的距离(如45度比较线所示)进行比较。根据所选择的LSRA和PRA，可以使与分束器相关联的额头区域中的前向延伸减少大约10％至50％或更多。
图3C图示了其中将后向反射屏103放置在用户面前的平板桌(例如，增强现实棋盘游戏)上的示例。在该示例中，期望调整LSRA和PRA以给出向下的视角。在图3D中示出了这样的示例性实施例，其中，LSRA被设置为22度，而PRA被设置为-31度，从而使视线相对于水平线降低了约15度。
本领域技术人员将理解，可以利用其他范围的LSRA和PRA的值来获得其他结果。例如，向下的视角的移位将取决于许多因素，例如，距水平的后向反射屏的距离以及HMPD在后向反射屏上方的高度。然而，在各种各样的应用中，视线的降低将在与水平线成5度到30度的范围内。然而，在许多游戏应用中，视线的降低在10度到20度的范围内。在特定应用中，可以基于其他考虑因素来进一步设置LSRA和PRA。例如，对LSRA和PRA的选择将影响透镜部分的前向突起。然而，对PRA和LSRA的选择也会影响偏振分束器堆叠的光学特性。特别地，如在下面更详细地描述的，光的非法向入射角会增加偏振分束器堆叠的一些波长相关的(色彩)不均匀性。
一些实施例可以在头戴式设备的框架中具有机械调整单元，以允许用户针对后向反射屏的不同应用或位置而改变LSRA布置和/或PRA布置。例如，枢轴和机械闩锁系统可以具有若干不同的设置，以供用户改变旋转角度并设置LSRA角度和/或PRA角度。例如，第一设置可以将LSRA/PRA设置为直向前地观看，例如看着墙壁或其他垂直表面。可以通过机械调整为向下的视角来选择至少一个其他设置。原则上，可以选择其他机械调整来获得向上的视角，例如注视墙壁或天花板上的高度。应当理解，除了机械调整之外，还可以使用微型电动机或致动器来支持使用微控制器对LSRA和/或PRA的自动调整。
在一个实施例中，眼睛的主光轴紧密(在正负10°内)对准投影仪的反射中心光线。这种情况能够在投影仪的位置被定位为使得其在透镜堆叠中的反射处于眼睛的位置时实现。框架和堆叠透镜的尺寸被选择得足够大并具有减小的LSRA，使得这些角度不会限制从投影仪FoV返回的光线到达眼睛的瞳孔。这种情况能够在图3E中看到，在图3E中，投影仪的FoV由边界光线306和307之间的角度表示，边界光线306和307被定位在极限308和309内的某个位置处(不一定按比例显示)，该极限308和309由框架的尺寸、透镜堆叠的宽度和LSRA位置来设置。当中心光线被紧密对准时，从306到307的角度的平分线将与从308到309的角度的平分线匹配。
该中心投射光线将以相对于垂直方向成PRA 304的角度发出，然后从以LSRA 303的角度定位的透镜堆叠反射出去。当透镜堆叠用作反射镜时，其旋转角度LSRA对产生的光线有双重影响，因此结果产生的光线相对于垂直方向的角度将等于2*LSRA-PRA。(其中，“*”是乘法运算，并且PRA上的负号是因为它是顺时针旋转。)然而，相对于水平方向计算投影仪的中心光线角度(PCRA)更为有用，因此可以按照下式施加90°校正：
PRCA＝2*LSRA-PRA-90°
作为示例，与垂直方向成45°的分束器和从垂直方向直接指向下的投影仪产生的投影仪中心光线角度为：2*45°-0°-90°＝0°，而图3D的示例给出：PRCA＝2*22°-(-31°)-90°＝-15°。
在一些实施例中，投影仪的物理尺寸可能会使它们在堆叠透镜前面的放置较为笨重或不那么理想。本领域技术人员将理解，如图3F所示，可以在堆叠透镜的前面安装反射镜305或棱镜，从而允许将投影仪重新定位在上框架上。可以在软件中实施图像翻转以补偿由反射引入的反转。一些实施例可以利用用于305的弯曲反射光学器件，以便更好地控制投影仪的FOV扩展和/或对准。
当图像被投影通过平波片时，以广角入射的光线不会像中心光线那样以正交角穿过。在现有技术中，这是已知的对宽FoV的限制。在窄FoV下，大多数光线将接近法向入射，并且基于双折射(路径之间的折射率差异)和层的厚度，沿着慢轴的偏振相对于快轴将在相位上被延迟。在宽FoV下，远离中心的光线以与法线成θ的角度入射，使得通过该层的行进范围延伸到该层的厚度之外，从而近似变为该厚度除以cos(θ)。用所谓的“真零阶”波片至少可以示出该问题，在该“真零阶”波片中，该层太薄，以至于总行程仅足以满足指定的相位延迟，例如，1/4波。本领域技术人员将理解，本发明的实施例可以使用聚合物零阶膜，其相位延迟随波长和入射角发生的变化最小。在一定程度上，在整个视场中都存在波片中的相位延迟误差，这将导致亮度损失，可以在软件中通过应用针对被发送到投影仪的每个主色像素的校正映射图来校正这种相位延迟误差。
在另一实施例中，四分之一波片可以采取膜401的形式，膜401被放置或结合到后向反射片103的表面，如图4所示。在该实施例中，偏振光以平面偏振的形式从头戴式投影显示器传播，但是被膜401(具有45度的快轴和慢轴取向)转换而仅在与后向反射器103的表面接触时被圆偏振。像在之前的情况中一样，光在返回的途中再次穿过401，以便实现以低损失穿过202所需的90°平面旋转。相位延迟层可以与抗反射涂层结合，从而也减少了不期望的非后向反射镜面反射。
图5所示的实施例在偏振分束器501上使用四分之一波长延迟膜502的弯曲堆叠，以便因光被凸曲率扩散而允许更高的视场。这样使用弯曲反射器与补偿软件中的图像的预先失真相结合为投影仪201中的光学投影器件的设计增加了灵活性。本领域普通技术人员将理解，图4所示的具有四分之一波长膜的定制的后向反射器也可以与图5中的弯曲偏振分束器一起使用。如图5B所示，这样使用弯曲分束器也可以有利地减小前向延伸距离503。
在一个实施例中，提供了一种用于任选地以近眼模式将投影仪的输出直接重新定向回用户的眼睛的机构。这可以包括在单元上的夹子、遮光板或其他能够用于将输出重新定向到近眼模式的附件。在图6和图7中示出了示例性实施例，其中，在光路上引入了半透明的反射遮光板601以通过光学层301和502反射投影仪201的输出，然后将该输出反射回用户的眼睛104。遮光板601被锚定到头戴式设备，但是可以被布置为可以根据期望从光路中移出(如图7所示)以更改增强现实模式。如本领域中已知的，601的凹形内表面的曲率可以被整形为实质上反转投影仪输出的路径。
尽管被示为半透明的而使得环境光602能够与投影仪输出进行组合(典型的增强现实应用)，但是本领域技术人员将理解，601可以是完全反射的，从而将光学模式从增强现实改变为完全虚拟现实，或者由能够在光学状态(透明、半反射或全反射)之间切换的材料制成。本领域技术人员还将理解，可以通过从头部姿态确定电路接收信息的单元或检测在当前观看方向上不存在诸如103之类的后向反射屏的单元来控制遮光板601的光学状态，并且因此使遮光板601的光学状态进行切换而使计算机生成的图像对用户可见。
图7所示的实施例示出了具有铰链702的头戴式框架701，其允许反射或半反射遮光板601被“向上倾斜”出光路。在上位置中，投影仪705(组合的201与301)将图像光反射而离开被支撑在固定框架段703上的分束器704(组合的501与502)，图像光首先行进到外部后向反射器(未示出)，然后返回通过704。在下位置中，601将来自投影仪的图像直接反射回来而通过分束器704，从而在601是完全反射时提供常规的虚拟现实配置，而在601是半透明反射器时提供常规的增强现实配置。本领域技术人员将理解，遮光板601也可以在无需铰链装置的情况下以被夹到框架701上的方式被保持，或者可以利用用于改变反射状态的电子器件单元被永久地附接到框架701。
增强现实显示器常用的后向反射表面通常采用立体角设计或玻璃珠的形式。立体角后向反射表面具有较高的投射光返回百分比(返回率)，但是较为昂贵且可用的入射角范围较窄，而玻璃珠覆盖的织物价格较低且具有较宽的角度响应，但是返回率较低。
此外，许多后向反射表面的返回率不仅随入射角变化，而且还随波长变化。普通的投影系统是基于投射红色、绿色和蓝色的每个主波长，但是所得到的感知颜色可能会基于每个主波长以撞击后向反射表面的光线的入射角从每个像素的返回率而变化。因此，物体会有问题地改变具有不同视角的颜色明暗。
在一个实施例中，调整主色像素的强度以至少部分补偿：1)每种主色从每个像素的返回率随以撞击后向反射表面的光线的入射角而变化的方式；和/或2)可能受入射角影响的其他光学特性，例如，处于非法向入射角的偏振分束器堆叠的光学特性。设计波片和后向反射器以补偿远离垂直方向的入射角需要额外费用，但是从HMPD的系统布置来看，根据实施例，通过调整像素的主色强度(不仅通过投影FoV内的固定入射角(如上所述)，而且还考虑了从姿态跟踪系统获得的关于从HMPD到后向反射表面的角度的实时信息)能够补偿该问题。
在HMPD中，头部姿态跟踪信息包括有关投影仪相对于后向反射表面的位置和取向(姿态)的信息，该信息将投影图像返回到用户的眼睛。该信息可以用于执行对各个像素颜色的亮度调整。该调整可以基于相对于表面的入射角来执行，并且该调整可以考虑后向反射器的各个方面以及堆叠的偏振分束器的光学特性。该调整可以在渲染管道中执行。替代地，该操作可以在后处理步骤中执行以调整要投影的各个像素颜色的亮度。
取决于期望的校正程度，亮度调整可以考虑不同的因素。首先，一些光源(例如，LED)不是纯单色的，而是在一定波长范围内发出的。因此，每种主色将具有一定范围的波长。通常来讲，后向反射器将既具有色彩响应又具有角度响应。另外，偏振分束器堆叠将具有色彩响应和角度响应。在一阶校正中，可以省略这些因素中的一些因素。如果需要更大的校正，则可以全部考虑不同的潜在校正。所有这些不同的影响都可以用于计算针对要被投影的图像的每个像素的亮度校正。
特别地，在一个实施例中，在对像素进行明暗处理中，系统可以使用相对于后向反射表面的头部姿态角度(已经根据波长和入射角预先校准了给定表面的返回特性)来计算针对每个主色波长的返回率，然后提升该主色的亮度以补偿预计的返回损失，以便在用户改变观看位置时保持平衡的感知明暗。
图8图示了对要被投影的图像的这种调整的示例性流程图。该操作被示为应用于每个投影仪的每个像素的每种颜色，但是本领域技术人员将理解，等效操作可以应用于整个缓冲图像或者应用于任何部分缓冲设计(例如逐行应用)。图8的方法依赖于针对每个投影仪的FoV的映射图(每种主色)及其随后的光学路径(在设备校准期间生成)，使得(针对每个投影仪的)每个投影仪像素位置对应于校正因子，该校正因子可以乘以缓冲图像像素的亮度值以跨FoV补偿相对亮度损失。
该映射图可以是查找表的形式，或者可以由产生等效因子的像素位置的参数化数学函数来表示。在给定校准的投影仪的情况下，对于要被投影的图像中的每个取回的像素(步骤800)，步骤801示出了在所述像素位置处查找针对投影仪的光学器件损失校正因子。步骤802示出了将像素亮度乘以校正因子以补偿该像素处的损失(针对所述像素处的每种主色来完成)。步骤803示出了使用(来自跟踪系统的)相对于后向反射表面的头部姿态来计算给定像素的光线与所述表面的入射角。步骤804示出了从校准数据中查找给定的后向反射表面以在步骤803中计算的入射角的后向反射损失因子。步骤805示出了针对来自步骤802的每种主色的校正亮度值乘以来自步骤804的表面损失校正因子，从而得到将在步骤806中传输到对应的投影仪的最终亮度值。
本领域技术人员将理解，图8的方法可以由编程的处理器、中央处理器(CPU)、图形处理单元(GPU)来执行，或者可以在(一个或多个)特定的逻辑门阵列、(一个或多个)ASIC或其他电路单元中实施。
图9示出了基于归一化和提升对要被投影的图像进行调整的另一示例性流程图。为了说明的目的，图示了对单个主色的校正，但是应当理解，可以对所有主色执行校正。在步骤901，接收针对像素的像素主色值。在步骤902中，执行预先缩放。预先缩放可以包括将接收到的强度值除以针对主色的最大提升因子。在步骤903中，查找针对处于针对该像素的入射角的主色的提升因子。也就是说，像素具有图像坐标(u，v)，并且存在从像素位置起的光线路径的对应的入射角，这将在下面更详细地描述。在步骤904中，然后由查找到的提升因子来提升经缩放的像素主色强度值以生成经校正的主色强度值。在步骤905，将该经校正的图像像素颜色强度值发送到显示缓冲器。
本领域技术人员将理解，图9的方法可以由编程的处理器、GPU来执行，或者可以在(一个或多个)特定的逻辑门阵列、(一个或多个)ASIC或其他电路单元中实施。
应当理解，可以独立执行图8和图9的校正。然而，也可以采用将共同因素用于初始步骤中的一个或多个初始步骤的变型。
为了校正从后向反射屏返回的损失，必须计算从投影仪处的投影图像中的像素位置到屏上的拦截点的光线路径的入射角。图10示出了指向垂直的后向反射屏1002的图像投影仪1001的布置，这种布置使得投影仪1001具有位于孔1004后面的焦距(f)1007处的图像生成面板1003，使得来自在面板上具有图像坐标u＝0和v＝0的中心点1005的光将形成中心光线1006，该中心光线1006行进距离(Z)1008以在其中心点(屏坐标X＝0并且Y＝0)处垂直接触屏1002。由于在孔1004处的图像光线交叉，因此面板1003在访问其像素单元之前翻转被发送给它的坐标的符号；下面的讨论将使用翻转之前的坐标(u，v)。图10还示出了来自图像点1009的光线1010，其中，这样的图像点具有(预先翻转的)图像坐标u＝0和v＝a，并且已经穿过孔1004而在屏坐标为X＝0和Y＝yl的点1011处撞击屏1002，其中，光线1010以入射角1012相交。
通过对投影仪1001使用常规的针孔模型，能够示出在给定面板1003的像素阵列中的垂直像素像素单元尺寸CellSize以及图像垂直(v)坐标值(a)的情况下，光线1010相对于中心光线1006的出射角将等于arctan((a)*CellSize/f)，并且入射角1012也将具有该值。通常，当图像坐标u＝0时，对于图像坐标v的所有值，入射角将等于arctan(v*CellSize/f)。为了简化，令k＝CellSize/f(其给出角度)，然后入射角将等于arctan(v*k)。
上面的情况直接适用于当v＝0时的u坐标，使得在针对v＝0时的u的所有值，沿着屏X轴的入射角将等于arctan(u*k)。为了推广到所有图像坐标，只需要认识到u位移和v位移形成这样一个向量：该向量的长度为sqrt(u2+v2)*CellSize(假设单元为正方形)，并且与面板的法线的夹角因此将等于arctan(k*sqrt(u2+v2))。
图10中的投影仪被示为直接指向后向反射屏。就角度而言，这种布置是在距离Z处以偏航＝0、俯仰＝0和横滚＝0的姿态下进行的。图11示出了这样一种布置：因将投影仪的俯仰角度设置为-r度，投影仪已经向下旋转了角度1113。在这种情况下，图10中的拦截点1011已经向下(较低的Y值)移动到图11中的拦截点1112。入射角1110也减小了负俯仰值。简单的几何结构表明，新角度1110是图像光线相对于投影仪中心光线1006所产生的角度与因投影仪旋转产生的该中心光线相对于屏1002的角度位移的组合。给定(Pitch)作为新的投影仪俯仰角的值，角度1110的值将等于Pitch+arctan(v*k)。
图12示出了图11的匹配布置，不同之处在于俯仰r现在处于正方向。
如上所述，u方向的图像坐标值的情况遵循相同的模式。因此，我们能够发现当v＝0时屏X方向上的入射角等于Yaw+arctan(u*k)。为了在屏上得到尺寸的近似组合并计算入射角的估计值，必须将角度转换为屏上的距离并取平方和的平方根的反正切值。这种近似会损失视点中心的准确性，但足以说明问题。到屏的距离Z将抵消项的减少，从而剩下：
入射角＝arctan(sqrt((tan(Yaw+arctan(u*k)))^2+(tan(Pitch+arctan(v*k)))^2)) [1]
因此，我们有表达式来表示从任何图像坐标到以任何偏航和俯仰面向屏的投影仪的光线的入射角。除了投影仪也可以向左或向右横滚之外，这几乎完成了任务。在偏航＝0且俯仰＝0的情况下，横滚对入射角没有影响，但是在一般情况下会有影响。下一步骤的关键是要观察到，如果投影仪的横滚＝0，则找到针对给定的像素光线在横滚下的入射角与找到针对驻留在图像面板上的相同位置中的像素的入射角相同。为此，能够将图像坐标中的向量(u，v)旋转了投影仪的横滚角Roll，以给出向量(u'，v')，该向量(u'，v')然后可以在上面的公式[1]中使用以找到结果。(在该示例中的Roll是沿着投影仪中心光线1006逆时针方向测量的)。
通过众所周知的向量旋转方程，我们有：
u'＝u*cos(Roll)－v*sin(Roll) [2]
v'＝v*cos(Roll)+u*sin(Roll) [3]
将[2]和[3]替换为[1]产生了通解：
入射角＝arctan(sqrt((tan(Yaw+arctan((u*cos(Roll)-v*sin(Roll))*k))))^2+(tan(Pitch+arctan((v*cos(Roll)+u*sin(Roll))*k)))^2))[4]
在一个实施例中，入射角用于索引针对每种主色的校正提升。由于它仅用于索引，因此不是一定要执行[4]中的平方根函数和反正切函数，而是可以仅基于以下公式来执行索引函数或校正函数：
校正函数的索引或输入＝(tan(Yaw+arctan((u*cos(Roll)-v*sin(Roll))*k)))^2+(tan(Pitch+arctan((v*cos(Roll)+u*sin(Roll))*k)))^2[5]
出于说明的目的，已经提出了上述三角函数近似算法，而没有访问计算机图形领域中的技术人员可能使用的更复杂的数学方法。例如，可以在其中头部姿态以四元数形式可用的实施方式中实践实施例，使得对于每个(u，v)，可以在穿过孔1004的方向上计算单位长度方向向量，因此该向量被转换为四元数以与头部姿态四元数相乘(即，将旋转操作乘以两个1/2角倍数)，被返回到归一化的向量形式，然后被用于获得具有针对表面的法向向量的缩放积。(可以使用向量旋转矩阵代替四元数来对向量执行完全相同的操作。)缩放积将是所需入射角的余弦值。如上所述，不需要采用反余弦，而是可以将余弦直接用作针对颜色校正函数的索引或输入。
亮度校正可以在渲染管道中执行，如图13所示。例如，亮度校正计算机程序可以作为计算机程序指令被存储在非瞬态计算机可读存储器中。例如，亮度校正可以由可编程图形处理单元(GPU)运行。例如，GPU可以接收跟踪姿态数据并输出图像数据，该图像数据然后会被提供给HMPD的投影仪。可以使用任何已知技术来生成跟踪姿态数据，例如从内部安装在HMPD中的过孔跟踪传感器的外部跟踪监视器来生成跟踪姿态数据。图14示出了其中使用后处理器来执行亮度校正的替代实施例。例如，来自GPU的图像数据可以被发送到后处理器(例如，CPU或微控制器)，该后处理器继而在像素被投影之前对像素执行亮度校正。例如，在一个实施例中，后处理器被并入到HMPD中。
在一个实施例中，前述特征中的一个或多个特征可以用于实施眼镜设计或者在眼镜设计中执行亮度校正。图15图示了具有框架1501、观看透镜1503和图像投影仪1502的玻璃设计的实施例。如图所示，图像投影仪可以相对于透镜1503在额头区域中突起。额头区域中的突起部分与投影仪和其他电子器件相关联，但是在一些实施例中，投影仪能够如前所述地被定位为远离额头区域。如前所述，偏振分束器和相关联的光学器件的厚度是额头区域中的前向延伸的重要因素。因此，减小偏振分束器和相关联的光学器件的前向延伸非常直接地减小了额头区域中的总前向延伸。应当理解，上述实施例中的任一实施例都可以被设计为适配到观看透镜1503中。在一个实施例中，包括分束器在内的观看透镜的突起不超过两厘米。在一个实施例中，包括分束器在内的观看透镜的突起不超过一厘米。在一个实施例中，包括分束器在内的观看透镜的突起不超过二分之一厘米。
通过引用的并入内容
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替代、修改和等效方案
虽然已经结合特定实施例描述了本发明，但是应当理解，其并不旨在将本发明限制于所描述的实施例。相反，其意图是覆盖可以被包括在由权利要求限定的本发明的精神和范围内的替代、修改和等效方案。可以在没有这些具体细节中的一些或所有内容的情况下实践本发明。另外，可能没有详细描述众所周知的特征，以避免不必要地混淆本发明。根据本发明，可以使用各种类型的操作系统、编程语言、计算平台、计算机程序和/或计算设备来实施部件、处理步骤和/或数据结构。另外，本领域普通技术人员将认识到，在不脱离本文公开的发明构思的范围和精神的情况下，也可以使用诸如硬连线设备、现场可编程门阵列(FPGA)、专用集成电路(ASIC)等的设备。本发明也可以被有形地实施为在计算机可读介质(例如，存储器设备)上存储的计算机指令集。

Claims (25)

1.一种头戴式投影显示器，包括：
图像源，其具有圆偏振；
偏振分束器，其用于将输出图像引导到后向反射屏并传输返回的反射的后向反射图像以供用户观看；
光学延迟膜，其被形成在所述偏振分束器的面向所述后向反射屏的表面上，所述光学延迟膜用于调整所述输出图像的偏振以减少所述图像在从所述分束器被反射到所述后向反射屏时的亮度损失，并且还用于减少当所述图像穿过所述分束器时接收到的要供所述用户观看的后向反射图像的亮度损失，其中，所述图像源投射到所述偏振分束器的所述表面上的所述光学延迟膜上，所述偏振分束器配置总共三次穿过所述光学延迟膜的光路。
2.根据权利要求1所述的头戴式投影显示器，其中，所述光学延迟膜是四分之一波长延迟膜。
3.根据权利要求2所述的头戴式投影显示器，其中，所述偏振分束器具有快光轴和慢光轴，所述快光轴和所述慢光轴被定向为实现所述输出图像的最大反射并将所述输出图像引导到所述后向反射屏，并且进一步地，其中，后向反射图像具有旋转的偏振，使得所述后向反射图像以最小的反射穿过所述偏振分束器。
4.根据权利要求1所述的头戴式投影显示器，其中，所述图像源是平面偏振的，并且所述图像源利用四分之一波片来输出所述圆偏振。
5.根据权利要求1所述的头戴式投影显示器，其中，所述偏振分束器在与用户的眼睛大致同轴的光路上传输后向反射光。
6.根据权利要求1所述的头戴式投影显示器，其中，所述偏振分束器被定向为相对于来自所述图像源的入射图像的光成四十五度角。
7.根据权利要求1所述的头戴式投影显示器，其中，所述偏振分束器被定向为相对于来自所述图像源的入射图像的光成与四十五度相差至少五度的入射角。
8.根据权利要求1所述的头戴式投影显示器，其中，选择透镜堆叠旋转角(LSRA)和投影仪旋转角(PRA)以相对于外部后向反射屏来调整视线。
9.根据权利要求8所述的头戴式投影显示器，其中，调整所述视线以使所述用户观看水平的后向反射游戏板。
10.根据权利要求9所述的头戴式投影显示器，其中，所述视线被减小至少10度。
11.根据权利要求8所述的头戴式投影显示器，其中，选择LSRA和所述PRA以减小所述偏振分束器的前向延伸。
12.根据权利要求9所述的头戴式投影显示器，其中，所述头戴式投影显示器包括具有所述图像源和所述偏振分束器的眼镜框，其中，所述图像源和所述偏振分束器被设置在所述眼镜框中，并且所述头戴式显示器的额头部分的前向延伸小于一厘米。
13.根据权利要求12所述的头戴式投影显示器，其中，所述前向延伸小于二分之一厘米。
14.根据权利要求1所述的头戴式投影显示器，其中，所述偏振分束器以凸曲率弯曲以形成凸偏振分束器，从而与平面偏振分束器相比增大了视场。
15.根据权利要求14所述的头戴式投影显示器，其中，所述凸曲率被选择为减小所述偏振分束器的横向宽度。
16.根据权利要求14所述的头戴式投影显示系统，还包括：
可移动的半透明遮光板，其具有凹形半透明表面，所述凹形半透明表面被整形为移动到使从所述凸偏振分束器反射的图像的光路反转而向后通过所述凸偏振分束器的位置中。
17.根据权利要求1所述的头戴式投影显示器，还包括：至少一个处理器，其用于生成针对所述图像源的图像，包括生成针对像素的至少每个主色分量的亮度值，其中，调整每个主色分量的亮度以至少部分补偿外部后向反射器的角度色彩响应。
18.根据权利要求1所述的头戴式投影显示器，还包括：至少一个处理器，其用于生成针对所述图像源的图像，包括生成针对像素的至少每个主色分量的亮度值，其中，调整每个主色分量的亮度以至少部分补偿所述偏振分束器和所述光学延迟膜的角度色彩响应。
19.根据权利要求17所述的头戴式投影显示器，其中，所述至少一个处理器从姿态跟踪系统接收指示从所述HMPD到所述后向反射屏的角度的信息；并且
鉴于从所述姿态跟踪系统获得的所述信息来调整图像的像素的主色强度。
20.根据权利要求17所述的头戴式投影显示器，其中：
针对要被投影的图像的每个像素的所述至少一个处理器取回每个主色亮度；至少部分基于相对于后向反射表面的像素光线入射角来确定亮度校正因子；
并且所述至少一个处理器基于所述亮度校正因子来校正针对每个像素的每个主色的亮度。
21.根据权利要求1所述的头戴式投影显示器，还包括：
至少一个处理器，其用于生成针对所述图像源的图像，包括至少部分基于对每个像素的入射角的计算来调整投影像素的主色的强度，以至少部分补偿因头戴式光学设备不完美或后向反射不完美导致的图像失真。
22.根据权利要求1所述的头戴式投影显示器，还包括：
至少一个处理器，其用于生成针对所述图像源的图像，其中，渲染管道使用关于后向反射表面的头部姿态角度来计算针对给定的主色波长的返回率以对像素进行明暗处理，然后提升所述主色波长的亮度以补偿预计的返回损失，以便在所述用户改变观看位置时保持平衡的感知明暗。
23.一种具有低前向延伸的头戴式投影显示器，包括：
眼镜框；
图像源，其被安装到所述眼镜框并具有圆偏振；
偏振分束器，其被安装到所述眼镜框，所述偏振分束器用于将输出图像引导到后向反射屏并传输返回的反射的后向反射图像以供用户观看；
光学延迟膜，其被形成在所述偏振分束器的至少一个表面上，所述光学延迟膜用于调整所述输出图像的偏振以减少被反射到所述后向反射屏的出射图像的亮度损失并且还减少接收到的后向反射图像的亮度损失；并且
其中，所述眼镜框在额头区域中的前向延伸小于一厘米。
24.根据权利要求23所述的头戴式投影显示器，还包括：
至少一个处理器，其用于至少部分基于头部姿态跟踪信息来生成针对所述图像源的图像，包括至少部分基于对每个像素的入射角的计算来调整投影像素的主色的强度，以至少部分补偿因头戴式光学设备不完美或由后向反射屏进行的后向反射的色彩不完美导致的图像失真。
25.一种操作头戴式投影显示器的方法，包括：
利用具有集成的光学延迟膜的偏振分束器将投射光引导到后向反射屏并传输返回的图像；并且
通过至少部分基于对每个像素的入射角的计算调整投影像素的主色的强度对被投影到所述后向反射屏的图像的像素的强度执行亮度校正，从而至少部分补偿因头戴式光学设备不完美或后向反射不完美导致的图像失真。
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