CN1894975A - 用于头戴式显示器的多个成像布置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种头戴式显示器，其利用单个视频显示屏幕将图像传输到双眼。通过从多个方向照明显示屏幕，或者通过用不同偏振的光束照明显示屏幕，产生多个偏转。聚焦显示屏幕的偏转，以便减小分光量，然后由位于显示图像的焦点附近的多个反射表面改向。通过隔行扫描多个用于显示的数据流，并且将每个数据流与特定照明方向、或者特定偏振相链接，可以将不同的图像发送到用户的每只眼睛。

Description

用于头戴式显示器的多个成像布置

对相关申请的交叉引用

本申请与同时提交、共同未决并且共同转让的，在2003年11月18日提交的，发明名称为“OPTICAL ARRANGEMENTS FOR HEADMOUNTED DISPLAYS”的美国专利申请No.10/715,911相关，在此将其公开内容引作参考。

技术领域

本发明一般涉及可视显示器，更具体地涉及从单个显示屏幕生成多个图像的、用于头戴式系统的光学布置。

背景技术

头戴式显示器(Head-Mounted Display，HMD)是一类图像显示设备，其可以用来显示来自电视、数字多用途盘、计算机应用、游戏控制台或其它类似应用的图像。HMD可以是单目的(由单眼观看的单个图像)、双目单像的(由双眼观看的单个图像)、或者双目的(由每只眼睛观看的不同图像)。此外，投射到眼睛上的图像可以被用户观看成完整的，或者观看成叠加在用户对外部世界的视图上。对于大部分HMD，设计必须考虑诸如图像分辨率、虚像与眼睛的距离、虚像的大小(或者虚像的角度)、虚像的变形、用户的左右瞳孔之间的距离(瞳孔间距离(IPD))、屈光度校正、由于图像分裂和传送的光的损失、功耗、重量和价格的参数。理想地，单个HMD将在各种用户上考虑这些参数，并且能够显示图像而不管它是立体的双目图像还是简单的单像双目图像。

如果HMD的内部显示器上的画面的分辨率是800×600像素，则由HMD的光学装置产生的虚像的可接受大小是与大约36°视角相对应的、在2m距离的大约1.5m(52”-56”)的虚像直径。为了正确地符合人头和眼，IPD应当在45mm与75mm之间可变。为了补偿近视和远视，至少±3屈光度校正是必要的。

在HMD中使用仅仅一个微显示器(而非对于每只眼睛使用一个)大大降低了该设备的价格。典型地，用于这样的单元的布置将微显示器置于用户的眼睛之间。然后，分裂、放大所产生的图像，并且将其单独地传送到每只眼睛。对于在具有中置显示器的单显示器HMD中进行光束分裂，在本技术领域内存在很多公知的设计，但是没有提供便宜、重量轻、尺寸小并且能够显示所有各种图像的解决方案。

用于头戴式系统的很多应用要求向用户的右眼传送的信息不同于向用户的左眼传送的信息。例如，为了向用户给予三维图像要求用户的每只眼睛观看相同图像的不同角度(prospective)。在诸如用于将数据投射到用户的视图上的系统(有时被称作“头上显示器”)的其它应用中，可能需要向每只眼睛传送完全无关的数据。

发明内容

本发明的实施例可以生成单个显示屏幕的独立多个图像，其由透镜聚焦，然后由位于所生成的图像的焦点附近的分光镜沿着单独的子光径定向(direct)。在一个实施例中，从不同的方向照明单个显示屏幕，从而产生该屏幕的多个图像，然后由透镜对这些图像聚焦。然后，以由透镜产生的减小的分光量，将图像分裂成传送到用户的单独眼睛的多个子图像。这些实施例可以利用对称V形镜面分光镜，其由布置在透镜的焦点周围的两个部分或完全反射表面组成。然后，这些图像由这些部分或完全反射表面沿着通向用户的各眼的单独子光径反射。

其它实施例可以通过用具有不同偏振的光源照明屏幕来生成显示屏幕的多个独立图像。然后，可以由非对称V形镜面分裂所产生的图像，其中非对称V形镜面由布置在透镜的焦点附近的偏振光束分光镜表面和完全反射表面组成。沿着不同的子光径反射来自每个光源的光。

实施例还可以通过用光源照明屏幕，偏振从显示器反射的光，然后在若干方向之一上交替偏振来生成单个显示屏幕的多个图像。通过交替偏振方向，可以由非对称V形镜面沿着不同的子光径改向子图像。

一些实施例还可以利用将显示屏幕的图像投射到其上的漫射片(diffuser)。可以使用具有小数值孔径的转变光学装置(transition optics)将实像投射到漫射片上，并且可以使用具有大数值孔径的目镜光学装置将图像传送到用户的眼睛。

为了使用一个屏幕向用户的每只眼睛生成不同的图像，本发明的实施例可以隔行扫描多个数据流，以便在单个显示屏幕上显示，并且将每个数据流与照明光源之一相链接。然后，可以将隔行扫描的数据流显示在显示屏幕上，同时用所链接的光源照明显示屏。为了生成单独的图像，只有当显示屏显示特定光源的链接数据流时，才由该光源照明屏幕。使用光偏振来生成多个图像的实施例可以将每个数据流与偏振方向相链接。当显示屏幕显示数据流时，使用与该数据流相链接的偏振方向，以沿着适当的子路径发送该数据流的屏幕图像。

本发明的各个实施例所使用的多个照明光源可以是放置在显示透镜的焦点附近的宽频段光源，并且通过V形镜面分光镜用亮光照明显示屏幕。其它实施例可以使用被配置成模拟宽频段光源的多个窄频段光源。此外，实施例可以将照明光源布置成相邻于系统的光轴，并且使用介于分光镜和显示透镜之间的部分反射表面来反射来自光源的光。

前文相当概括地概述了本发明的特征和技术优点，以便可以更好地理解以下的本发明的详细描述。下文将描述本发明的另外特征和优点，其形成本发明的权利要求的主题。应当理解，所公开的概念和具体实施例可以容易地用作修改或设计用于实现本发明的相同目的的其它结构的基础。还应当认识到，这样的等效构造不脱离如在所附权利要求中所述的本发明。关于本发明的组织和操作方法，根据下面结合附图考虑的描述将会更好地理解被认为是本发明的特性的新颖特征、以及另外的目的和优点。然而，特别应当理解，每个附图仅仅是为了说明和描述的目的而提供的，并且不意欲作为限制本发明的限定。

附图说明

为了更全面地理解本发明，现在参考下面结合附图的描述，其中：

图1示出了根据本发明实施例布置的头戴式设备100的顶视图；

图2是根据本发明实施例布置的流程图；

图3以图形方式示出了根据本发明实施例的数据流的隔行扫描以及光源的链接；

图4是根据本发明实施例布置的头戴式设备的透视图；

图5和5A是根据本发明实施例布置的头戴式设备的自上而下视图(top down view)；

图6示出了根据本发明实施例布置的头戴式显示器的一部分的自上而下视图；以及

图7示出了根据本发明实施例布置的头戴式显示器的一部分的自上而下视图。

具体实施方式

图1示出了根据本发明实施例布置的头戴式设备100的顶视图。设备100内的子图像创建部件101从单个图像源创建多个子图像。显示屏幕110可以是任何适合的、可用来使用外部照明光源显示数据的可视图像的设备，例如液晶显示(LCD)屏幕。屏幕110沿着显示轴111而设置，在所示实施例中，显示轴111与屏幕110的表面正交，并且与用户的面部平面170垂直。显示透镜115沿着光径112并且垂直于其而放置，并且具有显示透镜焦点124。显示透镜焦点124位于光径112上，并且部件101被布置成显示透镜焦点124位于分光镜120内。在使用部件101的布置的实施例中，分光镜120是由右部分反射表面121和左部分反射表面122组成的对称V形镜面。部件101被布置成反射表面121和反射表面122共有公共边，并且关于显示轴111而对称布置。因此，部件101可以生成显示器110的两个完全完整且独立的图像(这里被称作子图像)，其中每个沿着独立的光径(这里被称作子路径)传播。

右光源125和左光源126包括在部件101中，其与显示透镜焦点124位于一条直线上，并且关于显示轴111而对称布置。来自光源125和126的光通过表面121和122，由显示透镜115准直，并且照明屏幕110。在图1的实施例中，所生成的准直光束将相对于光轴111而略微偏斜。右光源125向屏幕110的照明创建由透镜115聚焦而到达(impact)反射表面122的左眼显示子图像，反射表面122沿着子光径140改向左眼显示子图像。类似地，左光源126向屏幕110的照明创建由透镜115聚焦而到达反射表面121的右眼显示子图像，反射表面121沿着子光径130改向右眼显示子图像。

左眼子图像将沿着子光径140，并且通向用户的左眼146。沿着子光径140放置左眼反射镜142，其是被布置成将左眼子光径140改向90°并且进入左目镜光学装置145的完全反射表面。右眼子图像将沿着子光径130，并且通向用户的右眼136。沿着子光径130放置右眼反射镜132，其是被布置成将右眼子光径130改向90°并且进入右目镜光学装置135的完全反射表面。右目镜光学装置135和左目镜光学装置145可以分别由单个或多个透镜组成，该单个或多个透镜被设计成适当地放大右眼子图像以便由用户的右眼136观看，并且放大左眼子图像以便由用户的左眼146观看。一些实施例可以利用在其上创建实像的漫射片。然后，可以使用右和左目镜光学装置135、145放大图像，以便由用户观看。对于大视角(例如，36°)，应当在反射镜132、142之后并且紧邻右和左目镜光学装置135、145创建实像。

目镜光学装置135、145是可调单透镜，但是其它实施例可以使用任何分别适当地放大右眼子图像和左眼子图像以便由右眼136和左眼146观看的布置。此外，虽然设备100的反射镜132、142被示出为镜面，并且表面121、122被示出为部分反射表面，但是实施例不局限于使用镜面或部分反射表面来改向光径或子光径。相反，可以使用棱镜、偏振光束分光镜或者任何其它适合布置来改向光径或子光径。

设备100还能够通过光学元件的同步移动而针对不同用户的不同IPD进行调节。右目镜光学装置135和左目镜光学装置145可以分别通过移动152和151而偏移，以创建IPD 150a和IPD 150b。部件101可以通过移动155而偏移。当IPD距离150a变到IPD 150b时，部件101同时在移动155中朝向平面170偏移(在图1的视图中向下)。当IPD150b变到150a时，部件101同时远离屏幕170而偏移(在图1的视图中向上)。这些同步移动允许设备100进行调节以适应IPD 150a和150b之间的整个范围，同时分别保持沿着子光径130和140的反射镜121、122和目镜透镜135、145之间的长度不变。设备100还能够通过左目镜光学装置145的移动153和右目镜光学装置135的移动154的附加调节来进行屈光度校正。

两个偏轴孔径光阑189、199可以置于显示透镜115和分光镜120之间。在观看者的瞳孔附近成像的孔径光阑针对当观看虚拟屏幕的角部时覆盖用户的瞳孔移动所需的宽度而适当地调节大小。为了适应观看者的瞳孔移动的大范围，该孔径的大小应当大于对于传输显示屏幕110的分辨率所要求的空间频率范围所需的2-3倍。对于孔径光阑189、199的同源照明，左和右光源125、126应当为扩展(非点光源)大小。

图1的屏幕110可以将显示屏幕110的相同图像同时传送到用户的右眼和左眼。当使用光源125和126来同时照明屏幕110时，显示屏幕110的相同子图像将沿着子光径130和140传播。然而，如果光源125和126交替照明屏幕110，则可以将一组图像发送到用户的左眼，同时可以使用相同屏幕将不同一组图像发送到用户的右眼。

图2是根据本发明实施例布置的流程图。参照图200，头戴式设备例如设备100可以用来在使用单个屏幕时，将与传送到用户右眼的图像不同的图像传送到其左眼。典型地，头戴式设备的屏幕如图1的屏幕110显示作为数据流传达的数据。在图2中，图块201准备多个数据流以便在屏幕上显示。例如，可以准备一个数据流以便由用户的左眼观看，并且可以准备第二数据流以便由用户的右眼观看。在块202中，将每个数据流与针对适当布置的头戴式显示器而存在的多个照明光源之一相链接。例如，使用图1的设备100，可以将为由用户的右眼观看而准备的数据流与左光源126相链接，并且可以将为由用户的左眼观看而准备的数据流与右光源125相链接。回到图2，块203隔行扫描多个数据流，以便可以将它们显示在单个屏幕上。在块204中，在屏幕上显示隔行扫描的流，同时由与正被显示的数据流相链接的光源交替照明屏幕。例如使用设备100，当要由右眼136观看的数据流正由屏幕110显示时，屏幕110将由左光源126照明。当要由用户左眼观看的数据流正由屏幕110显示时，屏幕110将由右光源125照明。

图3以图形方式示出了根据本发明实施例的数据流的隔行扫描、以及光源的链接。图形组310包括数据流311和数据流312的图形表示。当以如上所述的方式使用时，一个实施例可以通过向显示器交替发送每个数据流的离散时间片段，隔行扫描数据流311和数据流312。例如，在时间片段341期间，将数据流311的一部分发送到屏幕以便显示。在时间片段342期间，将数据流312的一部分发送到屏幕以便显示。图形320示出了与数据流311相链接的光源的定时。当一个实施例正在向显示器发送数据流311的片段，例如时间片段341时，头戴式显示器的屏幕将由在图形320中作为光源321示出的、与该数据流链接的光源照明。图形330示出了与数据流312相链接的光源的定时。当一个实施例正在向显示器发送数据流312的片段，例如时间片段342时，头戴式显示器的屏幕将由在图形330中作为光源331示出的、与该数据流链接的光源照明。

本发明的实施例不局限于如图2和3所示的立体视觉技术。可以使用任何隔行扫描多个信号的模式。实际上，特定模式、数据流数、以及光源数将取决于应用。例如，很多LCD使用颜色顺序照明，即，在顺序LCD图像中发送红、绿和蓝光脉冲。为了适应此，实施例可以采用利用可单独控制的红、绿和蓝光源的光源125和126。用于生成显示屏幕110的多个图像的其它实施例的另外布置，例如用交替偏振方向的光照明显示屏幕110，可以需要对上述过程进行调整。

本发明的实施例不局限于如图1所示的头戴式显示器布置。图4是根据本发明实施例布置的头戴式设备的透视图。头戴式设备400包括如关于图1所述的部件101，其用来将显示器110的显示图像分裂成沿着左眼子光径140传播的左眼子图像、以及沿着右眼子光径130传播的右眼子图像。对于设备400，沿着左眼子光径140放置左眼转变光学装置443，以在它到达左眼反射镜142之前调节左眼子图像。左眼反射镜142朝向左目镜460反射左眼子图像。左目镜460由复合光学装置组成。左眼子图像到达左眼漫射片444，并且在表面上创建实像。左目镜复合光学装置将针对左眼146适当地从该实像创建放大的虚像。

类似地，右眼子图像沿着右眼子光径130进入右眼转变光学装置433。右眼转变光学装置433适当地调节右眼显示子图像，以便由右眼反射镜132反射到右目镜461中。右目镜461由复合光学装置组成。右眼子图像到达右眼漫射片434，并且创建实像。由复合光学装置针对右眼136从该实像创建放大的虚像。设备200能够通过复合光学装置460的移动253和复合光学装置461的移动254进行屈光度校正。

两个偏轴孔径光阑470、472可以置于显示透镜115和分光镜420之间，以确定转变光学装置433、443的空间频率成分。因此，图4的实施例中的孔径光阑的大小由显示分辨率确定，并且由此可以在图4的实施例中使用小于图1的孔径。

设备400还能够通过单独光学块的同步移动来进行IPD调节。可以通过移动251向右偏移左目镜460以及通过移动252向左偏移目镜461来缩短IPD 150。对于图4的实施例，转变光学装置443和漫射片444之间的子光径140的长度、以及漫射片444和目镜460之间的长度应当保持不变。这样，当目镜460在移动251中向右移动时，由于包括透镜443的中央块401远离面部平面而垂直移动，因此漫射片444和左眼反射镜142将保持在固定位置。同样地，转变光学装置443和漫射片434之间的子光径130的长度、以及漫射片434和目镜461之间的长度应当保持不变。这样，当目镜461在移动252中向左移动时，由于包括透镜443的中央块401在移动451中远离面部平面而垂直移动，因此漫射片434和右眼反射镜132将保持在固定位置。

本发明的实施例可以包括孔径光阑470。孔径光阑470允许光通过开口471和472。开口471、472可以交替地被布置为光闸，因而，它们可以用来阻挡从显示屏幕110反射的光的传播。使用这样的光闸，设备400可以控制是否以容易地可适用于图2和3的立体视觉技术的方式将图像发送到用户的任一眼。通过交替遮闭开口471、472，并且通过将该遮闭与特定数据流的显示相链接，一个实施例可以向每只眼睛仅仅传送所选数据流。

在图4的实施例中，转变光学装置433、443用来以大约1的放大率将显示图像传输到漫射片434、444。然后，由漫射片434、444增大入射实像的数值孔径。然后，目镜460、461将在漫射片434、444上创建的实像作为放大的虚像投射到眼睛136、146中。

本发明的实施例不局限于利用分光镜部件101的布置。图5和5A是根据本发明实施例布置的头戴式设备的自上而下视图。设备500包括子图像创建部件501。类似于部件101，部件501生成沿着子光径140的左眼显示子图像、以及沿着子光径130的右眼显示子图像。部件501的屏幕110有利地由来自光源570和光源580的准直光照明，其中光源570和光源580被布置成分别围绕光源光径576和光源光径586投射光。光源570包括蓝光源571，其优选地沿着光源光径576被布置在显示光学装置115的反射焦点524的位置或其附近。蓝光源571可以是任何能够产生蓝光的光源，例如Nichia NSCx100系列发光二极管(LED)。来自蓝光源571的光通过第一滤色镜574，其被布置成与光源光径576成适当角度，并且被选成通过蓝光并且反射绿光。绿光源572相邻于光源光径576而放置，并且被布置成以模拟在与蓝光源571相同的位置放置绿光源572的方式反射离开滤色镜574的光。蓝光和反射绿光沿着光源光径576通过被布置成与光源光径576成适当角度的第二滤色镜575。第二滤色镜575被选成使得它通过蓝和绿光，但是反射红光。红光源573相邻于光源光径576而放置，并且被布置成以模拟在与蓝光源571相同的位置放置红光源573的方式反射离开第二滤色镜575的光。然后，蓝光、反射绿光以及反射红光沿着光源光径576，并且由光源反射镜590反射。在所示实施例中，光源反射镜590可以是围绕显示轴111并且沿着光径112而布置的偏振反射镜。组合蓝、绿和红光被偏振并反射离开光源反射镜590，从而通过显示光学装置115。在所示实施例中，显示光学装置115是被选成具有焦点124(以及反射焦点524)的透镜。当通过显示光学装置115时，组合蓝、绿和红光以相对于轴111略微偏斜的准直光束照明显示器110。

光源580包括蓝光源581，其优选地沿着光源光径586被布置在显示光学装置115的反射焦点524的位置或其附近。蓝光源571可以是任何能够产生蓝光的光源，例如Nochia NSCx100系列发光二极管(LED)。来自蓝光源581的光通过第一滤色镜584，其被布置成与光源光径586成适当角度，并且被选成通过蓝光并且反射绿光。绿光源582相邻于光源光径586而放置，并且被布置成以模拟在与蓝光源581相同的位置放置绿光源582的方式反射离开滤色镜584的光。蓝光和反射绿光沿着光源光径586通过被布置成与光源光径586成适当角度的第二滤色镜585。第二滤色镜585被选成通过蓝和绿光，但是反射红光。红光源583相邻于光源光径586而放置，并且被布置成以模拟在与蓝光源581相同的位置放置红光源583的方式反射离开第二滤色镜585的光。然后，蓝光、反射绿光以及反射红光沿着光源光径586，并且由光源反射镜590反射。在所示实施例中，光源反射镜590可以是围绕显示轴111并且沿着光径112而布置的偏振反射镜。组合蓝、绿和红光被偏振并反射离开光源反射镜590，从而通过显示光学装置115。在所示实施例中，显示光学装置115是被选成具有焦点124(以及反射焦点524)的透镜。当通过显示光学装置115时，组合蓝、绿和红光以相对于轴111略微偏斜的准直光束照明显示器110。

设备500的部件501还包括棱镜分光镜520，其围绕显示透镜焦点124而定位。部件501表示以焦点124为其中心而布置的棱镜分光镜520，但是这些实施例不局限于该布置。如果光源580和光源570被布置成相比于反射焦点524更靠近于光径112，则分光镜520应当被布置成相比于焦点124更远离于显示器110。相反，如果光源580和570被布置成相比于反射焦点524更远离于光径112，则分光镜520应当被布置成相比于焦点124，更接近于显示器100。这样，本发明的实施例不局限于这样的布置，其中图5的分光镜520(或者图1的分光镜120、或者图4的分光镜420)被放置在显示透镜115的焦点的附近，而是可以被布置在与由诸如透镜115的光学装置聚焦的显示图像所产生的减小分光量一致的任何点。来自光源570的光从屏幕110反射，形成由显示透镜115聚焦的屏幕110的图像，并且反射离开棱镜分光镜面521并且沿着右眼子光径130作为右眼子图像。来自光源580的光从屏幕110反射，形成屏幕110的图像，由显示透镜115聚焦，并且反射离开棱镜分光镜面522并且沿着子光径140作为左眼子图像。

左眼子图像将沿着子光径140，并且通向用户的左眼146。沿着子光径140放置左眼反射镜142，其是被布置成将左眼子光径140改向90°并且进入左目镜光学装置145的全反射表面。右眼子图像将沿着子光径130，并且通向用户的右眼136。沿着子光径130放置右眼反射镜132，其是被布置成将右眼子光径130改向90°并且进入右目镜光学装置135的全反射表面。右目镜光学装置135和左目镜光学装置145可以为单个或多个透镜，其被设计成分别适当地放大右眼子图像以便由用户的右眼136观看，并且放大左眼子图像以便由用户的左眼146观看。

目镜光学装置135和145是可调透镜，但是其它实施例可以使用任何分别适当地放大右眼子图像和左眼子图像以便由右眼136和左眼146观看的布置。此外，虽然设备500的反射镜142、132被示出为镜面，但是实施例不局限于使用镜面来改向子光径。相反，可以使用棱镜、部分反射表面、偏振光束分光镜或者任何其它适合布置来改向子光径。

设备500还能够针对不同用户的不同IPD进行校正。设备500可以通过左目镜光学装置145的移动、以及右目镜135的移动，并且同时垂直于面部平面而移动光学装置的中央部分，针对特定用户的IPD 150进行调节。设备500还能够通过左目镜光学装置135的移动和右目镜光学装置145的移动来进行屈光度校正。

本发明的实施例不局限于通过从多个方向照明显示屏幕来创建显示屏幕的多个独立图像，而是可以使用任何从单个显示器生成多个图像的方法。图6示出了根据本发明另一实施例布置的头戴式显示器的一部分的自上而下视图。设备600包括光源608，其被放置在反射焦点124R处，其光由偏振光束分光器690反射和偏振。来自光源608的光由透镜115准直，由显示器110反射，并且沿着光径112传播。沿着光径110布置诸如偏振旋转器609的偏振调节单元，其能够旋转来自光源608的光的偏振。偏振旋转器能够在两个或多个方向之间切换离开光的直线光偏振的方向。本发明的实施例不局限于偏振旋转器，也不局限于使用直线偏振光。相反，本发明的实施例可以使用直线、圆形、椭圆形或者任何其它形式的偏振光，并且可以使用任何适当的、允许实施例区分子图像的偏振调节单元。分光镜620是围绕透镜115的焦点124而布置的非对称V形镜面分光镜。分光镜620的表面621是偏振光束分光镜，并且表面622是全反射表面。

为了将图像传送到用户的左眼，设备600选择使光源608的光被表面621沿着子光径130反射的、偏振旋转器609的状态。为了将图像传送到用户的右眼，设备600选择将使光源608的光经过表面621并且由此被表面622沿着子光径140反射的、偏振旋转器609的状态。图6的实施例还容易地适用于图2和3的立体视觉技术。可以以类似于上述的方式隔行扫描由显示屏幕110显示的数据流，并且将这些数据流与偏振旋转器609的状态相链接。

利用偏振创建显示屏幕的多个图像的实施例不局限于图6的布置。图7示出了根据本发明另一实施例布置的头戴式显示器的一部分的自上而下视图。设备700包括光源708和709，其被布置成用两个正交偏振的并发(co-incident)光束照明显示屏幕110。光源708通过偏振光束分光镜传播。光源709由偏振光束分光镜反射。这样，显示屏幕110由在一个方向上偏振的、来自光源708的准直光照明，并且由在第二方向上偏振的、来自光源709的准直光照明。表面790是对来自光源708、709的光的偏振没有影响的部分反射表面。

一旦从显示屏幕110反射，则来自光源708、709的光由透镜115聚焦到点124。分光镜620是非对称V形镜面分光镜，其中621是偏振光束分光镜，并且622是全镜面，并且表面621将沿着子光径130发射光源709的光，同时通过光源708的光，以从表面622反射。图7的实施例容易地适用于图2和3的立体视觉技术。可以以类似于上述的方式隔行扫描由显示屏幕110显示的数据流，并且将这些数据流与光源708或光源709相链接。通过按照隔行扫描数据流的显示而交替照明光源708、709，可以将不同的数据传送到用户的每只眼睛。

虽然使用非偏斜照明描述了上面实施例，但是一些显示类型(例如，数字光处理(DLP)或者其它微镜面显示)需要偏斜光束照明。为了适应这样的显示屏幕，本发明的实施例可以容易地适用于偏轴位置。例如，708、709可以被布置在偏轴位置，以照射两个正交偏振的并发偏斜光束。

虽然详细描述了本发明及其优点，但是应当理解，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的情况下，可以在其中进行各种改变、替换和变更。而且，本发明的范围不意欲局限于在本说明书中描述的处理、机器、产品、物质组成、装置、方法和步骤的特定实施例。从本公开内容可以容易地认识到，可以利用目前存在或者以后将要开发的、执行与这里描述的对应实施例本质上相同的功能或者实现与其本质上相同的结果的处理、机器、产品、物质组成、装置、方法或步骤。从而，所附权利要求意欲将这样的处理、机器、产品、物质组成、装置、方法或步骤包括在其范围内。

Claims (58)

1.一种从单个显示屏幕生成多个独立图像的方法，所述方法包括：

用多个光源照明所述显示屏幕，以创建多个显示子图像；以及

用显示透镜聚焦所述显示子图像，其中从邻近于所述显示子图像的焦点的点沿着多个子路径之一改向每个所述显示子图像。

2.如权利要求1所述的方法，其中每个光源从不同方向照明所述显示屏幕。

3.如权利要求2所述的方法，其中每个所述显示子图像的所述子路径与创建所述显示子图像的所述光源的所述方向相关联。

4.如权利要求1所述的方法，其中第一光源用具有第一偏振的光照明所述显示屏幕，并且其中第二光源用具有第二偏振的光照明所述显示屏幕。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述显示子图像的所述子路径与创建所述显示子图像的所述光源的所述偏振相关联。

6.如权利要求1所述的方法，还包括：

沿着至少一个所述子路径形成实像。

7.如权利要求1所述的方法，其中在光学上调节每个所述子图像的数值孔径，以便由用户的眼睛观看。

8.一种使用单个显示屏幕将不同图像传送到用户的每只眼睛的方法，所述方法包括：

创建所述单个显示屏幕的多个子图像，其中所述子图像由邻近于所述显示屏幕的透镜聚焦；以及

从邻近于所述子图像的焦点的点将每个所述子图像改向到多个子路径之一。

9.如权利要求8所述的方法，其中创建所述多个子图像包括：

在所述显示屏幕上显示多个隔行扫描数据流，其中每个所述数据流与照明所述显示屏幕的光的方向相链接。

10.如权利要求9所述的方法，其中第一数据流与从第一方向照明所述显示屏幕的第一光源相链接，并且第二数据流与从第二方向照明所述显示屏幕的第二光源相链接，并且其中当显示所述第一数据流时，由所述第一光源照明所述显示屏幕，而当显示所述第二数据流时，由所述第二光源照明所述显示屏幕。

11.如权利要求8所述的方法，其中所述改向包括：

将每个所述子图像聚焦到所述透镜的焦点；以及

将分光镜布置成邻近于所述透镜焦点。

12.如权利要求8所述的方法，其中每个所述子路径被规定为由用户的特定眼睛观看。

13.如权利要求12所述的方法，其中所述数据流在由所述用户的眼睛观看时生成三维图像。

14.一种用于生成图像的头戴式显示器，包括：

用于从多个方向照明显示屏幕的装置，其中创建显示屏幕的多个显示子图像；

聚焦所述子图像的装置；以及

邻近于所述子图像的焦点、用于沿着多个子路径之一改向每个所述子图像的装置。

15.如权利要求14所述的头戴式显示器，还包括：

从第一方向入射在所述显示屏幕上的光源，所述第一光方向使子图像聚焦到第一焦点；以及

从第二方向入射在所述显示屏幕上的光源，所述第二光方向使子图像聚焦到第二焦点。

16.如权利要求15所述的头戴式显示器，还包括：

介于所述聚焦装置和所述分光装置之间的、用于阻挡光的装置。

17.如权利要求15所述的头戴式显示器，还包括：

第一反射表面，被定位成沿着第一子路径改向聚焦到所述第一焦点的光；以及

第二反射表面，被定位成沿着第二子路径改向聚焦到所述第二焦点的光。

18.如权利要求15所述的头戴式显示器，其中：

在所述显示屏幕上交替显示多个数据流，并且其中每个数据流与所述第一或所述第二光方向相链接。

19.如权利要求15所述的头戴式显示器，其中只有当显示第一数据流时，才从所述第一光方向照明所述显示屏幕，并且只有当显示第二数据流时，才从所述第二光方向照明所述显示屏幕。

20.一种用于生成多个图像的系统，包括：

显示屏幕，由多个光源照明，以生成多个子图像；

被布置成邻近于所述显示屏幕、被定位成聚焦所述子图像的光学装置；以及

至少一个改向器，被布置成邻近于至少一个子图像的焦点，所述改向器可用于沿着多个子光径之一改向所述子图像。

21.如权利要求20所述的系统，其中每个光源从不同方向照明所述显示屏幕。

22.如权利要求20所述的系统，还包括：

孔径光阑，介于所述光学装置和所述至少一个定向器之间，其中可以选择性地阻止生成每个所述子图像的光达到所述至少一个反射镜。

23.如权利要求20所述的系统，还包括：

多个数据流，交替显示在所述显示屏幕上，其中每个所述数据流与至少一个光源相链接，并且其中当显示所述数据流时，由与所述数据流相链接的所述光源照明所述显示屏幕。

24.如权利要求20所述的系统，其中围绕显示轴布置至少一个光源反射镜，其中所述光源反射镜将来自所述多个光源的光的至少一部分反射到所述显示屏幕上，并且透射由所述显示屏幕反射的光的至少一部分。

25.如权利要求24所述的系统，其中所述光源反射镜是偏振光束分光镜。

26.如权利要求20所述的系统，其中围绕显示轴布置多个光源，并且该多个改向器是介于所述显示屏幕和所述光源之间的部分反射表面。

27.一种从单个显示屏幕生成多个独立图像的方法，所述方法包括：

用多个光束照明所述显示屏幕，以创建多个子图像，其中至少两个所述光束具有不同的偏振；以及

用透镜聚焦所述子图像，其中从邻近于所述子图像的焦点的点沿着独立子路径改向所述每个所述子图像。

28.如权利要求27所述的方法，其中非对称V形镜面沿着所述子路径之一改向每个所述显示子图像。

29.如权利要求27所述的方法，其中所述透镜是玻璃。

30.如权利要求27所述的方法，其中所述子图像的所述子路径由创建所述子图像的光的偏振确定。

31.一种使用单个显示屏幕将不同图像传送到用户的每只眼睛的方法，所述方法包括：

隔行扫描多个数据流，其中每个所述数据流与入射光的光偏振方向链接；

通过显示所述隔行扫描数据流并且照明所述显示屏幕，创建所述显示屏幕的多个子图像，其中所述子图像由邻近于所述显示屏幕的透镜聚焦；以及

从邻近于所述子图像的焦点的点将每个所述子图像改向到多个子路径之一。

32.如权利要求31所述的方法，其中所述入射光是直线偏振、圆形偏振或者椭圆形偏振的。

33.如权利要求31所述的方法，其中第一数据流与在第一方向上偏振的光相链接，并且第二数据流与在第二方向上偏振的光相链接。

34.如权利要求33所述的方法，其中当显示所述第一数据流时，由在所述第一方向上偏振的光照明所述显示屏幕，并且当显示所述第二数据流时，由在所述第二方向上偏振的光照明所述显示屏幕。

35.如权利要求33所述的方法，其中当显示所述第一数据流时，在所述第一方向上偏振从所述显示屏幕反射的光，并且当显示所述第二数据流时，在所述第二方向上偏振从所述显示屏幕反射的光。

36.如权利要求31所述的方法，其中所述改向包括：

将每个所述子图像聚焦到所述透镜的焦点；以及

将非对称V形镜面布置成邻近于所述焦点。

37.如权利要求31所述的方法，其中所述透镜是玻璃。

38.如权利要求31所述的方法，其中每个子路径被规定为由用户的特定眼睛观看。

39.如权利要求31所述的方法，其中所述数据流在由所述用户的眼睛观看时生成三维图像。

40.如权利要求31所述的方法，其中沿着其传送所述子图像的所述子路径取决于创建所述子图像的光的所述偏振。

41.一种用于生成图像的头戴式显示器，包括：

用于用至少两个不同偏振的光束照明显示屏幕的装置；

聚焦所述光束的装置；以及

邻近于所述子图像的焦点、用于沿着多个子路径之一改向每个所述子图像的装置。

42.如权利要求41所述的头戴式显示器，还包括：

入射在所述显示屏幕上并且在第一方向上偏振从而创建第一子图像的、来自光源的光；以及

入射在所述显示屏幕上并且在第二方向上偏振从而创建第二子图像的、来自光源的光。

43.如权利要求41所述的头戴式显示器，还包括：

偏振光束分光表面，邻近于所述第一子图像的焦点，并且被定位成沿着第一子路径改向从所述显示屏幕反射的光；以及

反射表面，邻近于所述焦点，并且被定位成沿着第二子路径改向从所述显示屏幕反射的光。

44.如权利要求43所述的头戴式显示器，其中沿着所述第一子路径将在所述第一方向上偏振的光改向到用户的第一眼睛，并且沿着所述第二子路径将在所述第二方向上偏振的光改向到用户的第二眼睛。

45.如权利要求43所述的头戴式显示器，其中将第一和第二所述数据流交替显示在所述显示屏幕上，其中当显示所述第一数据流时，所述显示屏幕由来自所述第一偏振方向的所述光照明，并且其中当显示所述第二数据流时，由来自所述第二偏振方向的光照明所述显示屏幕。

46.一种用于从单个显示屏幕生成多个图像的方法，所述方法包括：

照明所述显示屏幕，以生成所述显示屏幕的图像；

用透镜聚焦所述图像；

使所述图像通过可调偏振器；以及

根据光的偏振沿着多个子路径之一改向该图像作为子图像。

47.如权利要求46所述的方法，还包括：

沿着至少一个所述子路径形成实像。

48.如权利要求46所述的方法，其中在光学上调节所述子图像，以便由用户的眼睛观看。

49.一种头戴式显示器，包括：

光源，照明创建图像的显示屏幕；

透镜，将所述图像聚焦到点；

偏振调节单元，可用于偏振创建所述图像的光；以及

分光镜，被定位成邻近于所述焦点，可用于根据所述图像的偏振沿着多个子路径之一改向所述图像作为子图像。

50.如权利要求49所述的头戴式显示器，其中所述偏振调节单元是偏振旋转器或偏振调制器。

51.如权利要求49所述的头戴式显示器，其中将第一和第二数据流交替显示在所述显示屏幕上，其中当显示所述第一数据流时，所述偏振调节单元在第一方向上偏振创建所述图像的光，并且当显示所述第二数据流时，所述偏振调节单元在第一方向上偏振创建所述图像的光。

52.如权利要求51所述的头戴式显示器，还包括：

偏振光束分光表面，邻近于所述焦点，并且被定位成沿着第一子路径改向在第一方向上偏振的光；以及

反射表面，邻近于所述焦点，并且被定位成沿着第二子路径改向在第二方向上偏振的光。

53.一种用于生成多个图像的系统，所述系统包括：

显示屏幕，由至少一个光源照明；

透镜，聚焦从所述显示屏幕反射的光；以及

分光镜，邻近于来自所述至少一个光源的光的焦点而放置。

54.如权利要求53所述的系统，还包括：

多个光源，其中这样的所述光源用不同偏振的光照明所述显示屏幕。

55.如权利要求54所述的系统，其中所述显示屏幕显示多个数据流，其中每个所述数据流与所述光源之一相链接，并且其中只有当显示与所述光源相链接的所述数据流时，才由每个所述光源照明所述显示屏幕。

56.如权利要求53所述的系统，其中所述分光镜是非对称V形镜面。

57.一种用于生成多个图像的系统，所述系统包括：

显示屏幕，由至少一个光源照明；

透镜，聚焦从所述显示屏幕反射的光；

分光镜，邻近于来自所述至少一个光源的光的焦点而放置；以及

偏振旋转器，介于所述透镜和所述分光镜之间。

58.如权利要求57所述的系统，其中所述显示屏幕显示第一和第二数据流，其中所述第一数据流与第一偏振方向相链接，并且第二数据流与第二偏振方向相链接，并且其中当显示所述第一数据流时，所述偏振旋转器在所述第一偏振方向上旋转从所述显示屏幕反射的光，并且当显示所述第二数据流时，所述偏振旋转器在所述第二偏振方向上旋转从所述显示屏幕反射的光。

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