CN207516638U - 为眼睛提供对象的视图的目镜系统、光学放大系统、显示系统 - Google Patents

Abstract

公开一种为眼睛提供对象的视图的目镜系统、光学放大系统、显示系统。所述系统包括：结构，其具有框架，所述框架被配置成将显示装置可移除地固定到所述框架；以及一对间隔开的目镜系统，其安装在所述结构上，位于所述框架的前面，以用于提供所述显示装置一旦安装在所述框架上之后的视图；其中所述目镜系统中的每个具有非球面光学表面并且提供棱镜折射。

Description

为眼睛提供对象的视图的目镜系统、光学放大系统、显示系统

相关申请

本申请要求2014年7月14日提交的第62/024,171号和2015年3月24日提交的第62/137,623号美国临时专利申请的优先权权益，该申请的内容以引用方式全文并入本文中。

技术领域

在一些实施例中，本发明涉及个人显示系统，确切地说，但不排他地，涉及一种近眼显示系统。

背景技术

三维(3D)图像越来越多地用于在电影、电子游戏和其他应用中显示生动的图像。例如，3D电影在电影院中播放并且由佩戴特殊3D眼镜的人观看。此外，3D电影和电子游戏可显示在特殊配置的电视机或计算机显示器上，以便由佩戴特殊3D眼镜的人观看。

显示3D图像的基本方法是分别向左眼和右眼显示两个稍微偏移的图像。用来完成这个目标的两个主要策略是：(1)让观众佩戴将每个偏移图像过滤到不同眼睛的特殊3D目镜；以及(2)在方向上将光源分到观众的每只眼睛中，从而消除特殊眼镜的需要。

投影立体图像对的一种越来越普遍的方法是头戴式显示系统，头戴式显示系统戴到人的头部并且在附加的目镜上显示虚拟图像。头戴式显示器通常用在模拟器中或用于游戏，但它们也可用来观看媒体，诸如，电影或数字照片。

实用新型内容

根据本发明的一些实施例的一方面，提供一种为眼睛提供对象的视图的目镜系统，所述目镜系统包括非球面光学表面并且提供棱镜折射，其中所述非球面光学表面和棱镜折射经过选择以将所述对象的光学中心朝向所述眼睛的颞侧偏移，同时保持所述对象的所有点对焦。

根据本发明的一些实施例的目镜系统，包括多个光学元件，每个光学元件具有不同的折射率和阿贝数的组合。

根据本发明的一些实施例的目镜系统，其包括透镜主体,所述透镜主体的特征为梯度折射率光学器件。

根据本发明的一些实施例，所述非球面光学表面包括具有非球面表面的透镜，并且所述目镜系统包括放置在所述透镜后面的至少一个棱镜元件。

根据本发明的一些实施例，所述非球面光学表面包括具有非球面表面的透镜，并且所述目镜系统包括放置在所述透镜前面的至少一个棱镜元件。

根据本发明的一些实施例的目镜系统，其使用衍射光学，且包括菲涅耳棱镜和菲涅耳透镜的堆叠。

根据本发明的一些实施例，所述非球面光学表面和所述目镜系统的相对表面在所述目镜系统的边缘的鼻部通过穿过厚度的切口而彼此间隔开。

根据本发明的一些实施例的目镜系统，其包括视力校正透镜。

根据本发明的一些实施例的一方面，提供一种光学放大系统。所述系统包括：结构，其具有框架，所述框架被配置成将对象可移动地固定到所述框架；以及一对间隔开的目镜系统，其安装在所述结构上，位于所述框架的前面，以用于在安装到所述框架上之后提供所述对象的视图；其中所述目镜系统中的每个包括前述的和可选择地且优选地下面详述的目镜系统。

根据本发明的一些实施例，所述系统包括被配置成将所述目镜系统中的每个移位和旋转的目镜操纵组件。

根据本发明的一些实施例，所述移位和所述旋转往复地从所述目镜系统的第一状态到所述目镜系统的第二状态；在所述第一状态，所述目镜系统的中心光路汇聚；在所述第二状态，所述中心光路大体彼此平行。

根据本发明的一些实施例，所述目镜系统的每个包括具有所述非球面表面的透镜和放置在所述透镜的前面并且与所述透镜分开的至少一个棱镜元件。

根据本发明的一些实施例，所述目镜操纵组件被配置成也旋转所述棱镜元件，并且其中所述旋转往复地从所述目镜系统的第一状态到所述目镜系统的第二状态；在所述第一状态，每个目镜系统将来自所述对象的所有光线集中；在所述第二状态，所述棱镜元件阻止来自所述对象的左部的左光束到达所述一对目镜系统中的右目镜系统的透镜，并且阻止来自所述对象的右部的右光束到达所述一对目镜系统中的左目镜系统的透镜。

根据本发明的一些实施例，所述目镜操纵组件被配置成改变所述目镜系统与所述框架之间的距离，其中所述距离在所述目镜系统的所述第一状态比在所述目镜系统的所述第二状态大。

根据本发明的一些实施例，所述目镜操纵组件可机械控制。

根据本发明的一些实施例，所述目镜操纵组件可电子控制。

根据本发明的一些实施例，所述框架和所述目镜系统布置成使得来自所述对象的光束直接到达所述目镜系统中的至少一个。

根据本发明的一些实施例，所述系统包括至少一对反射光学元件，其被配置成将来自所述对象的光束分别重新定向到所述一对目镜系统上。

根据本发明的一些实施例，所述结构包括用于在距所述一对目镜系统的可调整光学距离处支撑所述框架的可变长度支撑元件，并且其中所述目镜系统被配置成响应于所述光学距离的变化来调整焦距。

根据本发明的一些实施例，所述结构包括用于在距所述一对目镜系统的可调整光学距离处支撑所述框架的可变长度支撑元件，并且其中响应于所述光学距离的变化，所述目镜系统调整焦距，而且其中所述目镜操纵组件启动所述移位和所述旋转。

根据本发明的一些实施例，提供一种为眼睛提供对象的视图的目镜系统，所述目镜系统包括非球面光学表面并且提供棱镜折射，其中所述非球面光学表面和棱镜折射经过选择以将所述对象的光学中心朝向所述眼睛的鼻侧偏移，同时保持所述对象或图像的所有点对焦。

根据本发明的一些实施例，提供了一种显示系统，其包括：结构，其具有框架，所述框架被配置成将左显示装置和右显示装置可移除地固定到所述框架，所述显示装置之间处于倾斜关系；以及左目镜系统和右目镜系统，其安装在所述结构上，位于所述框架的前面，从而使得所述目镜系统的中心光路朝向所述框架发散，以分别提供所述左显示装置和所述右显示装置的放大视图；其中所述目镜系统中的每个包括根据前述的和可选地和优选地下面详述的目镜系统。

根据本发明的一些实施例，所述目镜系统中的每个是具有棱镜形状的透镜。

根据本发明的一些实施例，与所述非球面光学表面光学相对的所述透镜的第二光学表面是大体平坦或球面的。

根据本发明的一些实施例，与所述非球面光学表面光学相对的所述透镜的第二光学表面也是非球面的。

根据本发明的一些实施例，所述非球面光学表面和所述光学相对表面在所述透镜的边缘的颞部通过穿过厚度的切口而彼此间隔开。

根据本发明的一些实施例，所述目镜系统中的每个包括具有所述非球面表面的透镜和放置在所述透镜与所述框架之间或在所述透镜后面的至少一个棱镜元件。

根据本发明的一些实施例，其中所述目镜系统中的每个是衍射的。

根据本发明的一些实施例，所述显示系统包括具有电路的控制器，所述电路用于控制所述显示装置显示图像的不同部分，所述图像具有左边缘、双目镜重叠部分和右边缘，其中所述左显示装置显示所述左边缘和所述双目镜重叠部分，并且所述右显示装置显示所述双目镜重叠部分和所述右边缘。

根据本发明的一些实施例，所述控制器包括用户接口，并且其中电路被配置成响应于由所述用户接口接收的用户输入，在所述显示装置中的至少一个上移动所述双目镜重叠部分的位置。

根据本发明的一些实施例，所述显示系统包括分隔装置，所述分隔装置沿着所述左显示装置与所述右显示装置之间的对称线安装在所述结构上，以阻止来自所述左显示装置的光束到达所述右目镜系统，并且阻止来自所述右显示装置的光束到达所述左目镜系统。

根据本发明的一些实施例，所述分隔装置包括背对背的一对辅助显示装置，并且其中来自所述一对辅助显示装置中的左辅助显示装置的光束到达所述左目镜系统，并且来自所述一对辅助显示装置中的右辅助显示装置的光束到达所述右目镜系统。

根据本发明的一些实施例，所述显示系统包括一对可控制光阀，其分别放置在所述目镜系统与所述框架之间；以及控制器，其具有电路，所述电路被配置成接收来自所述显示装置的同步信号，并且响应于所述同步信号而以交替方式启动或停止所述光阀。

根据本发明的一些实施例，所述目镜系统中至少一种包括视力校正透镜。

根据本发明的一些实施例，所述目镜系统中的每个包括视力校正透镜，并且其中所述一对目镜系统中的第一透镜系统的视力校正透镜的折射能力不同于所述一对目镜系统中的第二透镜系统的视力校正透镜的折射能力。

根据本发明的一些实施例，非球面光学表面和光学相对表面在透镜的边缘的鼻部通过穿过厚度的切口而彼此间隔开。

根据本发明的一些实施例，目镜操纵组件被配置成也旋转棱镜元件，并且其中旋转往复地从第一状态到第二状态，在该第一状态，每个目镜系统将来自显示装置的所有光线集中，在该第二状态，棱镜元件阻止来自显示装置的左部的左光束到达一对目镜系统中的右目镜系统的透镜，并且阻止来自显示装置的右部的右光束到达一对目镜系统中的左目镜系统的透镜。

根据本发明的一些实施例，框架和目镜系统布置成使得来自显示装置的光束直接到达目镜系统中的至少一个。

根据本发明的一些实施例，所述系统包括至少一对反射光学元件，其被配置成将来自显示装置的光束分别重新定向到所述一对目镜系统上。

根据本发明的一些实施例，框架安装到结构上，从而使得结构以直立的位置戴在头部上，框架相对于竖直方向倾斜。

根据本发明的一些实施例，框架安装到结构上，从而使得结构以直立的位置戴在头部上，框架大体竖直。

根据本发明的一些实施例，结构包括用于在距一对目镜系统的可调整光学距离处支撑框架的可变长度支撑元件，并且其中目镜系统被配置成响应于光学距离的变化来调整焦距。

根据本发明的一些实施例，结构包括用于在距一对目镜系统的可调整光学距离处支撑框架的可变长度支撑元件，并且其中响应于光学距离的变化，目镜系统调整焦距，以及其中目镜操纵组件启动移位和旋转。

根据本发明的一些实施例的一方面，提供一种图像的方法，所述方法包括：将显示装置固定到系统；将结构放在眼睛附近；以及通过目镜系统来观看显示装置。

根据本发明的一些实施例的一方面，提供一种观看显示装置上所显示的图像的方法，所述方法包括：将显示装置固定到结构，该结构具有框架，该框架被配置成将显示装置固定到该框架；将结构戴在头部上；以及通过安装在结构上、位于框架前面的一对间隔开的目镜系统来观看图像，其中目镜系统中的每个具有非球面光学表面并且提供棱镜折射。

根据本发明的一些实施例，图像是具有针对左视图和右视图的交替图像序列的三维视频图像，并且所述方法包括：接收来自显示装置的同步数据；以及响应于同步信号，以对应于交替序列的交替方式启动和停止分别放置在目镜系统与框架之间的一对可控制光阀。

根据本发明的一些实施例，所述系统包括目镜系统的移位和旋转。

根据本发明的一些实施例，移位和旋转往复地从目镜系统的中心光路会聚的第一状态到中心光路大体彼此平行的第二状态。

根据本发明的一些实施例，目镜系统中的每个包括具有非球面表面的透镜，以及放置在透镜的前面并且与透镜分开的至少一个棱镜元件。

根据本发明的一些实施例，所述方法包括也将棱镜元件往复地从第一状态旋转到第二状态，在该第一状态，每个目镜系统将来自显示装置的所有光线集中，在该第二状态，棱镜元件阻止来自显示装置的左部的左光束到达一对目镜系统中的右目镜系统的透镜，并且阻止来自显示装置的右部的右光束到达一对目镜系统中的左目镜系统的透镜。

根据本发明的一些实施例，所述方法包括改变目镜系统与框架之间的距离，其中该距离在目镜系统的第一状态比在目镜系统的第二状态大。

根据本发明的一些实施例，结构包括用于支撑框架的可变长度支撑元件，并且所述方法包括：调整从一对目镜系统到框架的光学距离，以及也响应于光学距离的变化来调整焦距。

根据本发明的一些实施例的一方面，提供一种显示系统，所述显示系统包括：结构，其具有框架，该框架被配置成将左显示装置和右显示装置可移除地固定到该框架，所述显示装置之间处于倾斜关系；以及左目镜系统和右目镜系统，其安装在该结构上，位于框架的前面，从而使得目镜系统的中心光路朝向框架会聚，以分别提供左显示装置和右显示装置的放大视图；其中目镜系统中的每个具有非球面光学表面并且提供棱镜折射。

根据本发明的一些实施例，电路被配置成控制左辅助显示装置显示右边缘，并且控制右辅助显示装置显示左边缘。

根据本发明的一些实施例，所述系统包括：一对可控制光阀，其分别放置在目镜系统与框架之间；以及控制器，其具有电路，该电路被配置成接收来自显示装置的同步信号并且响应于同步信号以交替的方式启动和停止光阀。

根据本发明的一些实施例，结构包括用于在距一对目镜系统的可调整光学距离处支撑框架的可变长度支撑元件，并且其中目镜系统被配置成响应于光学距离的变化来调整焦距。

根据本发明的一些实施例，目镜系统中的一个的至少一个包括视力校正透镜。

根据本发明的一些实施例的一方面，提供一种观看图像的方法，所述方法包括：将左显示装置和右显示装置固定到系统；将结构放在眼睛附近；以及通过目镜系统来观看显示装置。

根据本发明的一些实施例的一方面，提供一种观看左显示装置和右显示装置上所显示的图像的方法，该图像具有左边缘、双目镜重叠部分和右边缘，所述方法包括：将显示装置固定到结构，该结构具有框架，该框架被配置成接纳显示装置，所述显示装置之间处于倾斜关系；将结构戴在头部上；以及通过左目镜系统观看左边缘、通过右目镜系统观看右边缘并且通过左目镜系统和右目镜系统中的至少一个观看双目镜重叠部分；其中目镜系统的中心光路朝向显示装置会聚，并且其中目镜系统中的每个具有非球面光学表面并且提供棱镜折射。

根据本发明的一些实施例，所述方法包括在显示装置中的至少一个上移动双目镜重叠部分的位置，以校正复视。

根据本发明的一些实施例，观看包括通过左目镜系统来观看左边缘和双目镜重叠部分，以及通过右目镜系统来观看双目镜重叠部分和右边缘。

根据本发明的一些实施例，所述系统包括观看显示右边缘的左辅助显示装置以及显示左边缘的右辅助显示装置，其中辅助显示装置沿着左显示装置与右显示装置之间的对称线布置成背对背布置。

根据本发明的一些实施例，双目镜重叠部分以交替方式显示在左显示装置和右显示装置上，并且其中观看包括在下列观看之间交替：当双目镜重叠部分显示在左显示装置上时，观看左显示装置；以及当双目镜重叠部分显示在右显示装置上时，观看右显示装置。

根据本发明的一些实施例的一方面，提供一种用于显示立体图像的显示系统，所述立体图像具有立体左边缘、立体双目镜重叠部分和立体右边缘，所述系统包括：结构，其具有框架，该框架被配置成将显示装置可移除地固定到该框架；多个辅助显示装置，该辅助显示装置各自安装在结构上，与框架所接合的平面成一定角，所述辅助显示装置包括至少左辅助显示装置和右辅助显示装置；左目镜系统和右目镜系统，其安装在结构上，位于框架和辅助显示装置的前面，其中左目镜系统的视野包括左辅助显示装置，并且右目镜系统的视野包括右辅助显示装置；以及控制器，其具有电路，所述电路被配置成(i)将立体左边缘的左眼图像显示在左辅助显示装置上，(ii)将立体双目镜重叠部分的左眼图像和右眼图像显示在并排配置的显示装置上，和(iii)将立体右边缘的右眼图像显示在右辅助显示装置上。

根据本发明的一些实施例，在所述系统中，多个辅助显示装置包括中心偏左辅助显示装置和中心偏右辅助显示装置，并且其中电路被配置成(iv)将立体左边缘的右眼图像显示在中心偏右辅助显示装置上，和(v)将立体右边缘的左眼图像显示在中心偏左辅助显示装置上。

根据本发明的一些实施例的一方面，提供一种观看立体图像的方法，所述方法包括：将显示装置固定到系统；将结构戴在头部上；以及通过目镜系统来观看显示装置和辅助显示装置。

根据本发明的一些实施例的一方面，提供一种改变图像的纵横比的方法，所述方法包括：识别图像上的第一区域和至少一个附加区域；对图像进行处理，以沿着至少一个维度调整至少一个附加区域的尺寸，同时维持第一区域的纵横比大体上不变，从而改变图像的纵横比；以及将图像传输到显示系统。

根据本发明的一些实施例，在所述方法中，处理包括改变至少一个附加区域的纵横比。

根据本发明的一些实施例，在所述方法中，处理包括在维持纵横比的同时调整第二区域的尺寸。

根据本发明的一些实施例，识别至少一个附加区域包括识别第二区域和第三区域。

根据本发明的一些实施例，第一区域是图像的中心区域，并且至少一个附加区域是图像的边缘区域。

根据本发明的一些实施例的一方面，提供一种用于增强现实的显示系统，所述系统包括：结构，其具有框架，该框架被配置成将显示装置可移除地固定到该框架，从而使得当结构戴在头部上时，框架在眼睛的上方；以及光学器件组件，其安装在结构上并且部分反射且部分投射，以同时提供显示装置上所显示的图像的视图和结构外部的环境的视图。

根据本发明的一些实施例，在所述系统中，光学器件组件被配置成使来自显示装置的光束会聚，而不是来自环境的光束。

根据本发明的一些实施例，结构包括可变长度支撑元件，其用于在距光学器件组件的可调整光学距离处支撑框架，从而针对来自显示装置的光束实现焦距调整。

根据本发明的一些实施例，框架安装到结构上，从而使得结构以直立的位置戴在头部上，框架相对于竖直方向倾斜。

根据本发明的一些实施例，框架安装到结构上，从而使得结构以直立的位置戴在头部上，框架大体竖直。

根据本发明的一些实施例，光学器件组件包括用于将来自环境的光束反射到显示装置的背面的反射元件。

根据本发明的一些实施例的一方面，提供一种增强现实方法，所述方法包括：将显示装置安装在系统上；将结构放在眼睛附近；以及使用光学器件组件来观看显示装置和环境。

除非另行规定，否则本文所用的所有技术和/或科学术语与本发明所属领域的一般技术人员通常理解的意义相同。尽管在实践或测试本发明的实施例时可以使用类似于或等于本文所述这些的方法和材料，但下文描述示例性方法和/ 或材料。在产生冲突的情况下，将以本专利说明书(包括定义)为准。此外，所述材料、方法和实例仅仅是说明性的，而不意图进行必要地限制。

本发明的实施例的方法和/或系统的实施方式可以涉及手动、自动或其组合地执行或完成所选择的任务。此外，根据本发明的方法和/或系统的实施例的实际仪器和设备，可以由硬件、软件或固件或者它们的组合使用操作系统实施若干选择的任务。

例如，用于根据本发明的实施例的执行所选择的任务的硬件可以实施为芯片或电路。至于软件，根据本发明的实施例的选择任务可以实施为由计算机使用任何合适的操作系统执行的多个软件指令。在本发明的一个示例性实施例中，根据如本文所述的方法和/或系统的示例性实施例的一个或多个任务由数据处理器执行，诸如，用于执行多个指令的计算平台。任选地，数据处理器包括用于存储指令和/或数据的易失性存储器，和/或用于存储指令和/或数据的非易失性存储设备，例如，磁性硬盘和/或可移动介质。任选地，也提供网络连接。任选地还提供显示器和/或用户输入装置，诸如，键盘或鼠标。

附图说明

本文中参考附图以实例的方式描述本发明的一些实施例。现在详细参考附图，应强调，通过实例的方式并且出于说明性地论述本发明的实施例的目的来示出细节。就这点而言，结合附图的描述使得所属领域的技术人员明白可以如何实践本发明的实施例。

在附图中：

图1是并排式近眼3D显示器的示意图；

图2是示出根据本发明的一些实施例的光学放大系统的侧视图的示意图；

图3A是根据本发明的一些实施例的光学放大系统的俯视图的示意图；

图3B和图3C是示出根据本发明的一些实施例的目镜系统的示例性实施方案的示意图；

图4A到图4D是每个目镜系统包括多个光学元件的实施例的示意图；

图5是目镜系统包括视力校正透镜的本发明的实施例中的系统的示意图；

图6A和图6B是图像被分成交替场序列的本发明的实施例的示意图；

图7A到图7D是图像以并排式配置进行显示的本发明的实施例中的系统的示意图；

图8A到图8D是目镜系统中的每个包括具有非球面表面的透镜和放置在透镜的前面并且与透镜分开的棱镜元件的本发明的实施例中的系统的示意图；

图9是系统包括附加正透镜的本发明的实施例中的系统的示意图；

图10A到图10E是反射光学元件将来自显示装置的光束重新定向到目镜系统上的本发明的实施例中的系统的示意图；

图11A到图11C是系统包括用于将框架支撑在距目镜系统的可调整光学距离处的可变长度支撑元件的本发明的实施例中的系统的示意图；

图12是根据本发明的一些实施例的显示系统的示意图；

图13A和图13B是根据本发明的一些实施例的图像(图13A)和两个显示装置上的图像的不同部分(图13B)的示意图；

图14是根据本发明的一些实施例的系统使用两个16:9的显示装置来提供 24:9视图的配置的示意图；

图15A和图15B是系统校正眼睛的肌力不平衡或偏心注视的本发明的实施例中的系统的示意图；

图16示出系统包括分隔装置的本发明的实施例中的系统；

图17A和图17B是系统包括可控制光阀的本发明的实施例中的系统的示意图；

图18是根据本发明的一些实施例的包括侧面辅助显示装置的显示系统的示意图；

图19是根据本发明的一些实施例的在显示系统包括四个辅助显示装置的实施例中的显示系统的示意图；

图20是根据本发明的一些实施例的系统使用16:9显示器来提供21:9纵横比的3D图像的代表性实施方案的示意图；

图21A到图21C是根据本发明的一些实施例的可用于增强现实的显示系统的示意图；

图22A到图22D是根据本发明的一些实施例的适于改变图像的纵横比的方法的示意图；

图23A是示出根据本发明的一些实施例的非线性或分段线性纵横比转换的曲线图的示意图；

图23B是输入图像的纵横比从16:9转换成2:9、4:9和2:9的组合从而形成8:9的输出纵横比的代表性实施实例的示意图；

图24是描述根据本发明的一些实施例的设计考虑的示意图；以及

图25是根据本发明的一些实施例的可由控制器使用的电子电路的示意图。

具体实施方式

在一些实施例中，本发明涉及个人显示系统，确切地说，但不排他地，涉及一种近眼显示系统。

出于更好地理解本发明的一些实施例的目的，首先参考如图1所示的并排式近眼3D显示器的构造和操作。显示器将屏幕分成左部和右部，从而使得每只眼睛对应地接收半个屏幕。

诸如智能电话等便携式或移动电子装置(下文称为移动装置)能够生成和显示立体或3D电影或图像，在投影到目镜时观众看起来似乎该电影或图像具有深度。这种方法为观看3D图像提供低成本的移动解决方案，因为诸如智能电话等移动电子装置广泛使用并且相对便宜。因此，将需要能够将移动装置附接到头戴式显示器，头戴式显示器将3D图像或电影适当显示在附接目镜上。

本发明的发明人发现，无法使用图1所示的系统观看常规的操作系统(OS) 和2D内容。为了操作这样的系统来观看2D内容，需要OS上方的特殊软件层。或者，需要操作员将智能电话从显示系统中移开并且不通过该显示系统来观看内容。因此，这种显示系统的操作不方便，并且限于并排式内容。

本发明的一些实施例成功地提供一种系统，该系统提供至少100°或至少120°或至少140°或至少160°的视野，并且任选地允许从全屏视图切换到并排式 3D视图。作为不意图限制的代表性实例，本发明实施例的系统可提供相当于从约半米的距离无辅助地观看50”显示器的视野。在全屏视图中，本发明实施例的系统任选地且优选允许移动电子装置安装在系统上时的常规使用。

在详细说明本发明的至少一个实施例之前，应理解，本发明不必将其应用限制于以下具体实施方式中列出和/或附图和/或实例中示出的结构细节和部件和/或方法的布置。本发明能够用于其他实施例，或者能用各种方式实践或执行。

图2是示出根据本发明的一些实施例的光学放大系统20的侧视图的示意图。系统20包括结构22，该结构任选且优选地具有框架24，该框架被配置成将显示装置26可移除地固定到该框架。结构22优选是便携式的。在本发明的一些实施例中，结构22是头戴式的，在本发明的一些实施例中，结构22是可穿戴的，并且在本发明的一些实施例中，结构22是手持式的。结构22也可位于机械可调整臂或其他类型的支架上。

本文中使用的“可移除地固定”描述这样的配置：对象(例如，显示装置) 可与结构(例如，框架)附接和分开，从而使得当对象附接时，基本上阻止该对象相对于结构的任何移位(例如，公差小于1mm)。

在本发明的各种示例性实施例中，系统20包括一对间隔开的目镜系统28，该目镜系统在框架24的前面安装在结构22上，从而在安装在框架24上之后提供显示装置26的视图。在本发明的各种示例性实施例中，系统28的中心光路 (图2的侧视图中未示出，见例如图7A)远离系统28而朝向框架24会聚。

安装在框架24上之后，源于显示装置的双目重叠区域的中心并且朝向特定目镜系统传播的所有光线的集合被称为中心光束。在系统20中，双目重叠区域任选且优选地位于显示装置(安装在框架24上之后)的中心。

本文中使用的特定目镜系统的“中心光路”是指相对于中心光束而言位于中心的光线传播所沿着的路径。

本发明的发明人发现，中心光路的会聚允许目镜系统28中的每个提供显示装置26的整个屏幕的视图，而同时维持目镜系统28与装置26之间的相对较短距离。系统20任选且优选地还包括控制器44，该控制器一般包括被配置成与装置26通信的专用电路，如下文进一步详述。

在系统20的示例使用中，操作员将显示装置26(诸如，但不限于，手机、智能电话、便携式媒体播放器、便携式游戏装置、便携式数字助理装置、便携式导航装置等)固定到框架24、将结构22放置成使得目镜系统28在接收由目镜系统28提供的视图的用户眼睛30的前面。图2的视图示出系统20的侧视图，因此将目镜系统28示为单个装置。下文描述目镜系统28的原理和操作的更详细描述。

图3A示出根据本发明的一些实施例的系统20的俯视图。示出放在左眼 30L和右眼30R前面的左眼目镜系统28L和右眼目镜系统28R。针对具有约120 mm的宽度W的显示装置，目镜系统28与装置26之间的距离d优选从约60mm 到约80mm，例如，约70mm。目镜系统28与装置26的图像26’之间的最小模拟距离D优选从约200mm到约300mm，例如，约250mm。系统20任选且优选地设计成用于约64mm的平均瞳孔间距(IPD)和约50mm的最小IPD。在图3A中，d1FS表示用于较小IPD的目镜系统28L与28R之间的间距。因此，在本发明的一些实施例中，系统28L和28R可移动，以便针对不同的IPD 进行调整。下文描述的适于操纵系统28的组件加以必要的修改也可用来针对不同的IPD进行调整。

在本发明的各种示例性实施例中，目镜系统28L和28R中的每个具有非球面光学表面，并且提供棱镜折射。在本发明的一些实施例中，透镜28中的至少一个包括具有棱镜附加物(LwP)的单个正透镜，并且在本发明的一些实施例中，透镜28中的至少一个包括LwP与棱镜的组合。还预期下列实施例：目镜系统28中的一个或多个使用渐变多焦透镜，例如，用于补偿目镜系统28与显示装置26上的不同区域之间的距离差。

在图3A的视图中，目镜系统28L和28R中的每个是具有棱镜形状的透镜。

用于目镜系统28L和28R的示例性实施方案在图3B和图3C中示出。图 3B示出具有非球面表面32和平坦表面34的透镜，该平坦表面与非球面表面 32光学相对。这些实施例在需要使用注射成型制作透镜28时尤其有用。图3C 示出非球面表面32是半成品的透镜，其中与非球面表面32光学相对的表面36 也是非球面。这些实施例尤其用于针对折射条件使用光学半成品毛坯的自由形式定制。

图4A到图4D是每个目镜系统28包括多个光学元件的实施例的示意图。为清楚地呈现，只示出目镜系统28L。图4A示出目镜系统中的至少一个包括多个光学元件(表示为透镜/棱镜-1到透镜/棱镜-i)的实施例。元件中的每个可具有折射率(RI)和阿贝数(NAbbe)的不同组合。或者，目镜系统中的至少一个可使用梯度折射率(GRIN)光学器件。这些实施例的优点在于，目镜系统的可变光学性质可减小或最小化色像差。本发明实施例的若干配置在图4B到图4D中示出，其中图4B示出目镜系统包括具有非球面表面的透镜和放置在透镜后面(透镜与眼睛之间的)至少一个棱镜元件的实施例，图4C示出目镜系统包括具有非球面表面的透镜和放置在透镜前面(透镜与框架之间)的至少一个棱镜元件的实施例，以及图4D示出目镜系统使用衍射光学器件(例如，包括菲涅耳棱镜和菲涅耳透镜的堆叠)的实施例。

在上述实施例的任一实施例中，针对目镜系统28L和28R中的任一个，透镜的非球面表面和透镜的光学相对表面优选在透镜的边缘的鼻部通过穿过厚度的切口38(见图3A到图3C)而彼此间隔开。具体而言，尽管透镜的两个表面 (例如，图3B中的表面32和34，或图3C中的表面32和36)大体连续连接 40，但例如，在透镜的颞侧，它们被鼻侧的切口38断开。这些实施例的优点在于，减小重量并且还为佩戴者的鼻子提供空间。切口任选且优选地平行于边缘射线，以便减小光场损失。

本发明实施例还预期目镜系统28中的一个或多个包括视力校正透镜的配置。这些实施例在图5中示出。在不被视作限制的所示实施例中，目镜系统28L 和28R中的每个包括分别视力校正透镜42L和42R，其中系统28L的视力校正透镜42L的折射能力不同于系统28R的视力校正透镜42R的折射能力。也预期系统系统28L和28R中只有一个包括视力校正的实施例以及系统28L和28R 都包括具有相同折射能力的视力校正透镜的实施例。

在本发明的各种示例性实施例中，系统20用于观看3D图像，任选且优选地，立体图像。这可采用不止一种方式来完成。

在图6A和图6B所示的一些实施例中，立体3D图像分成交替场序列，其中立体3D图像包括单帧的左眼图像48L和右眼图像48R场。优选地，帧占据装置26的整个区域。左眼和右眼图像的交替帧序列显示在显示装置26上。控制器44接收来自显示装置26的同步信号，并且基于控制信号来主动控制左眼和右眼的观看。例如，这可借助于分别放置在目镜系统28L和28R与显示装置 26之间的一对可控制光阀46L和26R来完成。更具体地参考图6A和图6B，当光阀46L打开而光阀46R关闭时(图6A)，只有左眼30L接收显示装置26 的视图。在这些时候，显示装置26显示左眼图像的帧。相反，当光阀46R打开而光阀46L关闭时(图6B)，只有右眼30R接收显示装置26的视图。在这些时候，显示装置26显示右眼图像的帧。

左眼图像和右眼图像优选以二维视频图像的速率的至少两倍的速率(例如，速率60Hz的两倍)交替，以便每只眼睛以二维视频图像的速率接收帧序列，从而提供立体视图的错觉，就好像同时观看每一帧的左眼图像和右眼图像一样。所生成的立体图像在48处示出。

在一些实施例中，采用并排式配置，其中左眼图像48L和右眼图像48R同时显示在显示装置26上，但在空间上彼此分开。装置26的屏幕的左部(通常是左半部)显示图像48L并且屏幕装置26的右部(通常是右半部)显示图像 48R，如图7A所示。分隔装置50(诸如，但不限于，不透明壁)任选地沿着显示装置26的左部与右部之间的对称线52安装在结构22(图7A中未示出，见图2)上，以便阻止来自左部的光束到达右目镜系统28R，并且阻止来自右部的光束到达左目镜系统28L。

优选地通过将所述目镜系统28布置成使得它们的中心光路54L和54R大体彼此平行(例如，与平行的偏差小于5°或小于4°或小于3°或小于2°或小于1°) 来实现并排式配置。这个布置不同于中心光路会聚成使得每个目镜系统提供装置26的整个屏幕的视图的布置。因此，在本发明的各种示例性实施例中，目镜系统28中的每个在空间操作，以便从全屏视图切换到并排视图。图7B到图7D 中示出针对左目镜系统28L的该过程。了解本文中描述的细节之后，所属领域的普通技术人员将明白针对目镜系统28R如何来调整该过程。

图7B示出适于全屏视图的目镜系统28L的第一状态，其中中心光路54L 和54R会聚，如上文进一步详述，并且图7D示出适于并排视图的目镜系统28L 的第二状态，其中中心光路54L和54R彼此平行，如下文进一步详述。状态之间的空间操纵在图7C中示出，展示了第一状态(实线)与第二状态(虚线) 之间的空间关系。如图所示，空间操纵包括移位56和旋转58的组合，其中针对从第一状态(全屏视图)过渡到第二状态(并排视图)，朝向颞侧移位和旋转，并且针对相反的过渡，朝向鼻侧移位和旋转。

空间操纵优选由移位和旋转目镜系统28L和28R中的每个的目镜操纵组件 64实现。目镜操纵组件64可包括一组销64a和对应的引导狭槽64b，其中通过在引导狭槽64b内建立销64a的相对滑动运动来实现从一个状态到另一状态的操纵。图7B到图7C示出销64a可移动并且狭槽64b固定的配置。或者，销 64a可制成固定的，并且狭槽64b可移动。无论是哪种情况，组件64的可移动部分优选地附接到透镜28的主体或形成在该主体上，并且组件64的固定部分优选地附接到结构22或形成在该结构上。根据需要，组件64可机械启动或电子启动，例如，由安装在结构22上的用户接口66(见图2)启动。针对机械启动，用户接口66可包括旋钮或手柄，针对电子启动，用户接口66可包括触摸屏或连接到建立移位和旋转的电机(未示出)的一组按钮。

图8A到图8D示出适于并排视图的另一实施例，其中目镜系统28中的每个包括具有非球面表面的透镜和放置在透镜前面并且与透镜分开的棱镜元件。系统28L和28R的透镜分别在60L和60R处示出，并且系统28L和28R的棱镜元件分别在62L和62R处示出。用于在全屏视图与并排视图之间切换的这些实施例的优点在于，棱镜元件可用于在全屏视图下提供装置26的整个屏幕的视图，并且在并排视图下充当分隔装置，如现在将说明。

图8A示出全屏视图配置中的系统20。棱镜元件62L和62R在透镜60L 和60R的前面，从而使得来自装置26的整个屏幕区域的光束被元件60L和60R 折射到透镜60L和60R上，透镜继而将光束折射到眼睛30L和60R中。图8B 示出适于观看立体图像的并排视图配置中的系统20，如上文进一步详述。在此配置中，透镜60L和60R朝向颞侧并且朝向固持显示装置60的框架24(未示出)移位，并且也旋转到它们的中心光路彼此平行的状态，如上文进一步详述。棱镜元件62L和62R也移位和旋转到大体沿着显示装置26的左部与右部之间的对称线52的位置，以便阻止来自显示装置的左部的左光束到达透镜60R，并且阻止来自显示装置的右部的右光束到达透镜60L。

在本发明的实施例中，目镜操纵组件64将透镜60L和60R朝向颞侧并且朝向框架24移位、旋转透镜60L和60R、并且也旋转棱镜元件62L和62R，优选围绕固定轴68旋转，如在图8C和图8D中示出。图8C和图8D只示出与目镜系统28L有关的组件64。了解本文中描述的细节之后，所属领域的普通技术人员将明白针对目镜系统28R如何来配置组件64。组件64包括销64a和引导狭槽64b，如上文进一步详述，并且还包括可滑动地旋转的连接构件64c，该连接构件例如经由形成或附接到透镜和棱镜元件的支撑销64d将透镜60与棱镜元件62连接起来。

图8C示出全屏视图配置下的目镜系统28L的状态。箭头MV2、MV3、 MV4和MV5示出在从第一状态(全屏视图)到第二状态(并排视图)的过渡中相应销的运动方向，并且VS1表示引导运动MV3的构件64c内的引导狭槽。图8D示出从第一状态(虚线)过渡之后的目镜系统28L的第二状态(实线)。为清楚地呈现，图8D中没有示出箭头MV2、MV3、MV4和MV5。

透镜60在第一状态与第二状态之间的移位量优选为约10mm，透镜60的旋转量优选从约10°到约20°，例如，约15°，并且棱镜元件62的旋转量优选从约90°到约120°，例如，约105°。

图9是系统20包括附加正透镜70L和70R并且任选地也包括至少覆盖由元件62L和62R处于第二状态之后形成的顶点74的中心光阀72的实施例中的系统20的示意图。本发明的发明人发现，这提高了观看立体图像的能力。附加正透镜70L和70R扩大了视野，并且中心光阀阻止从棱镜元件回到显示器16 上的多余反射。作为补充或替代，棱镜元件的背表面可被涂覆抗反射涂层。透镜70L和70R以及中心光阀72都可制成可移动或可折叠的，从而使得在全屏视图下不使用它们。

在上述实施例中，框架24和目镜系统28布置成使得来自显示装置26的光束直接到达目镜系统28中的至少一个。然而，不一定是这样的情况，因为在一些实施例中，可能需要具有一对或多对反射光学元件，以用于将来自显示装置26的光束分别重新定向到该对目镜系统28上。这些实施例在图10A到图10E 中示出。

图10A和图10B示出下列实施例中的系统20的侧视图：框架24安装在结构22上，从而使得当结构22以直立位置戴在头部78上时，框架24相对于竖直方向倾斜。竖直方向在74处示出，并且倾斜角表示为θ。为清楚地呈现，图 10B中没有示出头部78、结构22和框架24。θ的典型值介于约40°到约90°，更优选地，从约60°到约85°。来自显示装置26的光束大体向下定向，并且由放置在眼睛30前面一对反射器76沿目镜系统28的方向进行反射。由于是单一反射，因此接收到翻转的图像。因此，在本发明的各种示例性实施例中，显示装置26执行图像处理以提供镜像，从而使得一旦图像到达目镜系统28，它的方向便恢复。

图10C到图10E示出与图10A到图10B中示出的实施例类似的实施例中的系统20的侧视图，除了装置26大体竖直地安装在框架上之外。在这些实施例中，存在用于将光向下重新定向并且随后进入目镜系统28中的多对反射器 74。

从结构简洁性的角度来看，图10A到图10B中示出的配置是优选的，并且从图像处理简洁性的角度来看，图10C到图10E中示出的配置是优选的。反射器74可以是平坦的(图10A和图10C)，或者它们可以是凹形的(图10B和图 10E)，以用于添加正屈光度。也预期平坦和凹形反射器的组合(图10D)。

在本发明的一些实施例中，结构22包括用于在距目镜系统28的可调整光学距离处支撑框架24的可变长度支撑结构80。这些实施例在图11A到图11C 中示出。元件80可以是，例如，手风琴形弹簧，如图11A到图11C所示，或者是套筒式元件(未示出)。图11A到图11C中还示出柔性结构82，该柔性结构被设计并构造成应用于面部，以允许系统20的舒适佩戴并且任选且优选地也阻止环境光绕开系统20而进入眼睛30。优选地，目镜系统28被配置成响应于系统28与框架24之间的光学距离的变化来调整84它们的焦距。在本发明的一些实施例中，目镜操纵组件84(图11A到图11C中未示出)响应于光学距离的变化来启动上述移位和旋转，所述移位和旋转可使用任何已知技术来实施，诸如但不限于，如图11A到图11C所示的齿条与小齿轮机构，或者任何其他运动管理机构。

采用可变长度支撑元件有若干优点。一个优点在于，它可用于在不同视图配置中实现不同的距离。优选地，与并排视图配置相比，元件80为全屏视图配置提供目镜系统28与框架24之间的更大距离。这是因为可被每个目镜系统28 观看的显示装置的区域在全屏视图下比在并配视图下要大。另一优点在于，元件80可用于折叠系统20，例如，用于储存、在口袋中携带等。

在图11A到图11C中，图11A示出适于全屏视图的未折叠配置。在这个配置下，系统28与框架24之间的距离d_FS可以是约60mm。图11B示出适于并排视图的部分折叠配置，其中显示装置26与目镜系统28之间的距离减小。在这个配置下，系统28与框架24之间的距离d_SBS可以是约40mm。图11C示出用于储存的完全折叠配置。通过折叠结构可实现额外的紧凑，如图11所示。这些配置下的系统20的厚度因而可减小到约等于系统28的厚度，其中添加几毫米。通常，系统20可折叠到约20mm的厚度。

图12是根据本发明的一些实施例的显示系统120的示意图。显示系统120 包括具有框架24的头戴式结构22，所述框架被配置成将左显示装置26L和右显示装置26R可移除地固定到该框架，所述显示装置之间处于倾斜关系。显示装置26L和26R可以是上文相对于装置26描述的任何类型。系统120任选且优选地还包括分别提供左显示装置26L和右显示装置26R的放大视图的左目镜系统28L和右目镜系统28R。系统120还可包括控制器44和用户接口66，如上文进一步详述。

系统120中的目镜系统28的构造可类似于它们在系统20中的构造，除了在系统120中，目镜系统28L和28R的中心光路54L和54R朝向框架24发散。

系统120可用于观看互补显示在显示装置26L和26R上的图像。

本文中结合图像使用的术语“互补”是指两个图像的组合，以便提供大体重建由两个图像捕获的场景所需的信息。

已知人类视觉系统拥有能够在有足够信息到达视网膜的情况下基于图像的若干部分来推断完整图像的生理机制。这个生理机制在从视网膜的视杆细胞和视锥细胞接收的单色以及彩色信息上操作。因此，在累加性质中，到达每一只眼睛的两个视图可形成由用户感知的组合视野，该组合视野比提供到每只眼睛的单独视野宽广。因此，根据本发明的一些实施例，控制器44控制显示装置26L来显示相同图像的不同部分。通过上述生理机制，即使装置26L和26R都没有显示整个图像，借助系统28L和28R来观看装置26L和26R的用户可以感知整个图像

参考图13A到图13B可以更好地理解这个情形，该图示出图像122(图13A) 和装置26L和26R中的每个装置上的图像的不同部分(图13B)。图像122在图13A中定义为具有共同形成整个图像122的三个互相排斥部分，也就是不重叠并且之间不具有间隙的部分。所述部分被称为左边缘122L、双目镜重叠部分 122B和右边缘122R。双目镜重叠部分122B的中心在122C处示出。根据本发明的一些实施例，左显示装置26L显示左边缘122L和双目镜重叠部分12B，并且右显示装置26R显示双目镜重叠部分122B和右边缘122R。

在不被视作限制的图13B的代表性视图中，系统120使用两个16:9显示装置来提供21:9视图。由两个显示装置显示的双目镜重叠部分122B形成图像的宽度的11/21，并且左边缘和右边缘中的每个形成图像的5/21。图14示出系统 120使用两个16:9显示装置来提供24:9视图的配置。由两个显示装置显示的双目镜重叠部分形成图像的宽度的2/3，并且左边缘和右边缘中的每个形成图像的 1/3。也预期其他比例。双目镜重叠部分和边缘的相对比例是基于系统28L和 28R的折射能力而任选且优选地确定的。

一些实施例还为眼睛的肌力不平衡或偏心注视问题提供解决方案。在这些实施例中，用户操作用户接口66，以用信号通知控制器44在显示装置26L和 26R中的一个或多个的上方改变双目镜重叠部分的位置。图15A示出系统120 针对右眼的偏心注视的情况进行调整的实施例。右眼凝视是直线的，但它的注视点从小凹偏移一定量(例如，10°)。在这些实施例中，双目镜重叠部分122B 的中心点122C朝向右显示器的左端偏移，从而减小或防止复视。图15B示出系统120针对右眼的肌力不平衡的情况进行调整的实施例。右眼凝视因斜视状况而向左偏移，但保留中心注视。在这些实施例中，双目镜重叠部分122B的中心点122C朝向右显示器的右端偏移，以便允许右眼处于没有复视的停留位置。

图16示出下列实施例中的系统120：系统120包括分隔装置50，该分隔装置沿着左显示装置26L与右显示装置26R之间的对称线52安装在结构22(图 16中未示出，见图12)上，以便阻止来自左显示装置的光束到达右目镜系统 28R，并且阻止来自右显示装置的光束到达左目镜系统28L。本发明的发明人发现，通过提供分隔器50作为背对背的一对辅助显示装置124L和124R来增强观看体验。来自辅助显示装置124L的光束到达目镜系统28L，并且来自辅助显示装置124R的光束到达目镜系统28R。任选地，辅助显示装置124的像素密度小于装置26的像素密度，因为周边视觉对于图像识别而言不太重要，并且多数用于姿态感知。在本发明的各种示例性实施例中，控制器44控制左辅助显示装置124L显示右边缘122R，并且控制右辅助显示装置124R显示左边缘 122L。使用辅助显示装置124的优点在于，它们提供具有减小的不连续性或基本上没有不连续性的身临其境式视图。

图17A和图17B示出下列实施例中的系统120：系统120包括分别放置在目镜系统28L和28R与装置26L和26R之间的一对可控制光阀46L和46R。这些实施例也用于提供具有减小的不连续性或基本上没有不连续性的身临其境式视图，因此，优选用作辅助显示装置124的替代。

控制器44接收来自显示装置的同步信号，并且响应于同步信号而以交替方式启动和停止光阀46。更具体地参考图17A和图17B，当光阀46L打开而光阀46R关闭(图17A)时，左显示装置26L显示左边缘122L和双目镜重叠部分122B，并且右显示装置26R在它位于左目镜系统28L的视野内的左部显示右边缘122R。相反，当光阀46R打开而光阀46L关闭(图17B)时，右显示装置26R显示双目镜重叠部分122B和右边缘122R，并且左显示装置26L 在它位于右目镜系统28R的视野内的左部显示左边缘122L。

光阀关闭与打开的交替速率优选地按照二维视频图像的速率的两倍的速率(例如，60Hz速率的两倍)，以便每只眼睛以二维视频图像的速率接收帧序列，从而提供好像同时观看两个显示器的错觉。

图18是根据本发明的一些实施例的包括侧面辅助显示装置的显示系统180 的示意图。系统180包括具有框架24的结构22，该框架被配置成可移除地固定显示装置26。系统180还包括多个辅助显示装置，所述辅助显示装置安装在结构22上，与框架24所接合的平面成一定角。在不被视作显示的图18中示出的视图内，系统18包括左辅助显示装置182L和右辅助显示装置182R。任选地，辅助显示装置182的像素密度小于装置26的像素密度。

系统180还包括左目镜系统184L和右目镜系统184L，所述目镜系统安装在结构22上，位于框架24以及辅助显示装置182L和182R的前面。左目镜系统184L和右目镜系统184R可具有与上述系统28L和28R类似的光学性质，但这不是必需的。在本发明的各种示例性实施例中，目镜系统184不包括非球面表面，并且在本发明的各种示例性实施例中，目镜系统184不是棱镜。无论是哪种情况，系统28L和28R都被设计并构造成使得左目镜系统184L的视野至少包括左辅助显示装置182，并且右目镜系统184R的视野至少包括右辅助显示装置182R。优选地，目镜系统184中的每个的视野还包括显示器26的区域的一半(或框架24的区域的一半)以便允许立体图像的并排视图。

系统180还包括控制器44和用户接口66。系统180尤其可用于在并排配置中显示立体图像。立体图像可包括立体左边缘200、立体双目镜重叠部分202 和立体右边缘204。立体图像的这些部分200、202和204中的每个也是立体的，因此，包括与相应图像版本的不同视角对应的左眼和右眼图像版本。这些左眼和右眼图像版本由字母L和R标记。因此，立体左边缘200具有表示为200L 的左眼图像版本和表示为200R的右眼图像版本等等。

控制器44优选地控制显示器26在它的左部上显示立体双目镜重叠部分 202的左眼图像202L，并且在它的右部上显示立体双目镜重叠部分202的右眼图像202R。任选地，控制器44也控制显示器26在左部上将立体右边缘的左眼图像204L显示在图像202L的右边，并且控制显示器26在右部上将立体左边缘200的右眼图像200R显示在图像202R的左边。

控制器44还控制显示器182L显示立体左边缘200的左眼图像200L，并且控制显示器182R显示立体右边缘204的右眼图像204R。

图19是根据本发明的一些实施例的在显示系统180包括四个辅助显示装置的实施例中的显示系统180的示意图。在所示的实施例中，除了辅助显示装置182L和182R之外，系统180包括中心偏左辅助显示装置186L和中心偏右辅助显示装置186R。装置286L和286R沿着显示装置26的左半部与右半部之间的对称线52安装在结构上22，优选地以便阻止来自显示装置26的左部的光束到达右目镜系统184R，并且阻止来自显示装置26的右部的光束到达左目镜系统184L。当部署中心偏左辅助显示装置186L和中心偏右辅助显示装置186R 时，它们可用来显示立体图像的边缘部分。具体而言，控制器44可控制显示器 186L显示图像204L，并且控制显示器186R显示图像200R。在这些实施例中，图像204L和200R优选地不由装置26显示，从而允许图像202L和202R中的每个占据装置26的较大部分(例如，图像202L可占据显示器26的左半部，并且图像202R可占据显示器26的右半部)。

系统180可用于提供立体图像的宽屏错觉。图20示出用于使用16:9显示器来提供21:9纵横比的3D图像的系统180的代表性实施方案。也预期其他纵横比。

图21A到图21C是根据本发明的一些实施例的可用于增强现实的显示系统 210的示意图。系统210可采用上文参考系统20、120和180描述的特征和技术中的任一个。在本发明的各种示例性实施例中，系统210包括具有框架24 的结构22，该框架被配置成将显示装置26可移除地固定到该框架，从而使得当结构22戴在头部78上时，框架24在眼睛的上方。装置26任选且优选地具有后置相机26’。在本发明的一些实施例中，系统210包括装置26。

系统210还包括光学器件组件212，该光学器件组件安装在结构22上，并且部分反射和部分透射，以同时提供显示装置26上所显示的图像的视图和结构 22外部的环境218的视图216。为清楚地呈现，没有示出装置26上所显示的图像。构成所显示的图像的光束由箭头214表示。

任选且优选地，系统210提供尤其可用于增强现实实施的并排视图。在这些实施例中，系统210可包括分隔装置50，该分隔装置可根据上述教示中的任一个(不透明壁、棱镜元件、辅助显示装置)来体现，安装在显示装置26的左部与右部之间的对称线(未示出)安装在结构22上，以便阻止来自显示装置 26的左部的光束到达右眼，并且阻止来自显示装置26的右部的光束到达左眼。

图21A示出下列实施例中的系统210的侧视图：框架24安装在结构22上，从而使得当结构22以直立位置戴在头部78上时，框架24相对于竖直方向74 以倾斜角θ进行倾斜，如上文进一步详述。来自显示装置26的光束大体向下定向，并且由光学器件212沿眼睛30的方向进行反射。由于是单一反射，因此接收到翻转的图像。因此，在本发明的各种示例性实施例中，显示装置26执行图像处理以提供镜像，从而使得一旦图像到达目镜系统28，它的方向便恢复。

图21B和图21C示出与图21A中示出的实施例类似的实施例中的系统210 的侧视图，除了装置26大体竖直地安装在框架上之外(为清楚地呈现，没有示出头部78、结构22和框架24)。在这些实施例中，光学器件212包括用于将光向下重新定向并且随后进入眼睛30中的多对反射器。

从结构简洁性的角度来看，图21A中示出的配置是优选的，并且从图像处理简洁性的角度来看，图21B到图21C中示出的配置是优选的。

在本发明的各种示例性实施例中，光学器件组件212使来自显示装置26 的光束214会聚，而不是来自环境218的光束216。这可采用不止一种方式来实现。

在一些实施例中，存在部分反射(且部分投射)的凹面镜220(见图21A)。光束214被镜子220的凹面反射，因此在反射之后会聚。光束216首先到达镜子220的凸面，并且在穿过镜子220的主体的同时发散，但随后被另一侧的凹面会聚。因此，根据本发明的一些实施例，镜子220的凹面和凸面具有相同的曲率半径，以便凹面的会聚抵消凸面的发散。

在一些实施例中，采用反射镜222与部分反射(且部分透射)的平坦表面 224的组合(见图21B)。光束214被镜子222的凹面反射，以形成朝向表面224 传播的会聚光束214’。光束214’随后被平坦表面224反射，该平坦表面相对于会聚或发散而言是中性的。光束216穿过平坦表面224，并且因表面224的中性而不会聚或发散。

也预期光束214两度会聚的实施例，如图21C所示。在这些实施例中，光学器件212包括反射凹面镜222和部分反射(且部分透射)的凹面镜220，其中光束先从镜子222中反射并且随后从镜子220中反射，并且光束216穿过镜子220。

在本发明的各种示例性实施例中，结构22包括可变长度支撑元件80(图 21A中示出)，该可变长度支撑元件用于在距光学器件组件212的可调整光学距离d(图21B和图21C中示出)处支撑框架，从而针对来自显示装置26的光束214实现焦距调整。

在各种示例性实施例中，光学器件组件212包括反射元件226，该反射元件用于将来自环境218的光束216重新定向到显示装置26的背面上。优选地，元件226经构成以将光束反射到装置26的后置相机26’上。本发明实施例的特定优点在于，它允许相机26’捕获头部78的向前方向中的场景。由于结构22 是头戴式的，因此，向前方向随着头部的运动而动态改变，以便相机26’基本上捕获用户的凝视方向上的对象的图像。显示装置26的数据处理器可识别场景中的对象，并且可添加将以与从场景中捕获的对象叠加的方式显示的虚拟对象。

现在参考图22A到图22D，这些图是根据本发明的一些实施例的适于改变图像的纵横比的方法的示意图。所述方法可用于在通过本文所述的系统中的任一个系统进行观看之前对图像进行处理。

所述方法可体现在许多形式中。例如，它可以体现在有形介质中，诸如，用于执行方法操作的计算机。它可以体现在计算机可读介质上，所述计算机可读介质包括用于实施方法操作的计算机可读指令。它还可以体现在电子装置中，所述电子装置具有经布置以在有形介质上运行计算机程序或在计算机可读介质上执行指令的数字计算机功能。这种电子装置的代表性实例是移动装置的数据处理器，诸如但不限于，智能电话或平板装置。

实施根据本发明的一些实施例的方法的计算机程序可以通常在分发介质上分发给用户，诸如但不限于，闪存装置、闪存盘，或者在一些实施例中，可借助于网络通信、通过互联网(例如，在云环境内)或通过蜂窝网络访问的驱动器。计算机程序可以从分发介质复制到硬盘或类似的中间存储介质。计算机程序可以通过将计算机指令从分发介质或中间存储介质加载到计算机的执行存储器中来运行，从而将计算机配置成根据本发明的方法采取行动。实施根据本发明的一些实施例的方法的计算机程序也可以由属于云计算环境的一个或多个数据处理器执行。所有这些操作都是计算机系统的领域的技术人员周知的。由本实施例的方法使用和/或提供的数据可以借助于网络通信、互联网、蜂窝网络或适于数据传输的任何类型的网络进行传输。

将理解，除非另行规定，否则下文所述的操作可以同时执行或者按很多执行组合或顺序相继执行。具体而言，流程图的顺序不应被视作限制。例如，按特定顺序出现在以下描述或流程图中的两个或更多操作可以按不同顺序(例如，相反的顺序)或大体同时执行。此外，下文描述的若干操作是任选的，并且可不执行。

所述方法可用于二维图像，以及用于立体图像。所述方法尤其可用于解决当在与原始图像具有不同纵横比的屏幕上显示时修剪宽图像的问题。例如，当显示装置接收具有与装置屏幕的尺寸兼容的纵横比的输入图像并且需要以不同的纵横比(例如，以并排视图配置)将图像显示在屏幕的子区域上时，需要修剪图像或者将图像的尺寸调整到小于所需的子区域的尺寸。

在寻找该问题的解决方案的过程中，本发明的发明人意识到，一般观众不太感兴趣的图像上的某些区域可以相对于一般用户更感兴趣的其他区域调整尺寸。

参考图22A到图22D，图22A示出输入图像。在所示的视图中，立体图像具有左眼可观看特征230和右眼可观看特征232，但所述方法也可用于二维图像、深度图像或者任何其他类型的图像。在图像上识别两个或更多区域。在所示的实例中，识别三个区域：中心区域234、左边缘区域236和右边缘区域238，但可识别任何数量的区域。

图像随后进行处理以改变区域236和238的纵横比，而维持区域234的纵横比基本不变，并且任选地也维持区域234的尺寸基本不变。通过沿着图像的至少一个方向拉伸或挤压区域来改变纵横比，从而使得处理之前的高度与宽度之比不同于处理之后的高度与宽度之比。图22B和图22C中分别针对左眼图像和右眼图像示出这个操作。这实现图像的纵横比的变化。所述方法随后将经处理的图像作为输出图像传输到计算机可读介质，或者在显示装置的屏幕上显示图像，如图22D所示。在本发明的一些实施例中，在保留区域236和238的纵横比的同时调整尺寸，并且在本发明的一些实施例中，调整区域236和238的尺寸实现纵横比的改变。任选地，执行处理，从而使得图像中的至少一个两个区域的相对纵横比改变。

本发明实施例的方法因而利用根据图像的坐标成非线性或分段线性的纵横比变化，如图23A中示出的根据输入图像的输出图像的曲线图所示。在图23A 中，zi是归一化为一的沿着输入图像的水平坐标，并且zo是归一化为一的沿着输出图像的水平坐标。线240对应于输入图像和输出图像的纵横比相同的情况。线242对应于典型的50％修剪操作(每一侧25％)，并且大体在244处示出的三条线对应于根据本发明的一些实施例的纵横比的非线性或分段线性变化。

用于改变输入图像的纵横比的本发明实施例的方法的代表性实施实例在图23B中示出。在所示的实例中，输入图像具有16:9的纵横比，并且输出图像具有8:9的纵横比。输入图像上的识别区域是具有6:9纵横比的输入左边缘区域ziL、具有4:9纵横比的中心区域和具有6:9纵横比的右边缘区域ziR。区域 ziL和ziR经过处理以分别提供各自具有2:9纵横比的输出左边缘区域zoL和 zoR。中心区域未更改，以使得输出中心区域zoC与区域ziC相同。

本文中使用的术语“约”是指±10％。

词语“示例性的”在本文中用于表示“用作实例、示例或例示”。被描述为“示例性的”任何实施例不必解释为优选或优于其他实施例，和/或排除其他实施例中的特征的合并。

本文中使用的词语“任选地”是指“在一些实施例中提供而在其他实施例中不提供”。本发明的任何特定实施例可包括多个“任选”特征，除非此类特征冲突。

术语“包括”、“包含”、“具有”以及它们的各种形式都是指“包括但不限于”。

术语“由……组成”是指“包括并且限于”。

术语“基本上由……组成”是指组分、方法或结构可包括额外的成分、步骤和/或零件，但只有所述额外的成分、步骤和/或零件实质上不改变所主张的组分、方法或结构的基础和新颖特征才行。

除非上下文以其他方式明确指出，否则本文中所用的单数形式“一个”、“一种”和“所述”包括复数形式。例如，术语“一种复合物”或“至少一种复合物”可包括多个复合物，包括它的混合物。

在本申请中，本发明的各种实施例可能以范围形式给出。应理解，以范围格式的描述仅仅是为了方便和简明，并且不应解释为对本发明的范围的不灵活限制。因此，范围的描述应被视作具体公开了所有可能的子范围以及该范围内的单独数值。例如，诸如从1到6的范围描述应被视作具体公开了诸如从1到 3、从1到4、从1到5、从2到4、从2到6、从3到6等子范围，以及该范围内的单独数字，例如，1、2、3、4、5和6。无论范围的宽度如何，这都适用。

无论本文中何时指明数字范围，它都是指包括所指明的范围内的任何引用的数字(分数或整数)。本文中使用的术语在第一指示数字与第二指示数字“之间的范围内”以及从第一指示数字到第二指示数字“的范围内”可互换，并且意图包括第一和第二指示数字以及它们之前所有的分数和整数数字。

应了解，为清楚起见，在单独实施例的上下文中描述的本发明的某些特征也可在单个实施例中以组合的方式提供。相反，为简洁起见，在单个实施例的上下文中描述的本发明的各个特征也可单独提供或以任何合适的子组合提供，或者作为本发明的任何其他所述实施例提供。在各实施例的上下文中描述的某些特征不应视作这些实施例的必要特征，除非没有这些元素所述实施例就不工作。

上文描绘和权利要求书部分主张的本发明的各个实施例和方面都在以下实例中找到实验支持。

实例

现在参考下列实例，所述实例与上述说明一起以非限制的方式解释本发明的一些实施例。

光学设计考虑

图24是描述上述系统的一些设计考虑的示意图。

需要使用将显示器的光学中心移动到左边以允许左眼容易凝视(理想情况下但不一定是直线)以及将显示器的光学中心移动到右边以允许右眼容易凝视 (理想情况下但不一定是直线)的目镜。

优选地，但未必的是，系统被配置成允许以透镜光学能力的最大视野角观看具有标准纵横比16:9的至少4”屏幕(例如，4到6")。优选为眼睛，至少为中心点提供容易的会聚。代表性实例是针对63mm IPD的1.5°会聚，等于26.5 cm裸眼距离。已认识到，会聚色像差可因水平方向上的棱镜偏移而逐步形成。为了减少水平色像差，目镜系统优选设计成使得沿着屏幕涂片的水平维度的初始白色像素(由RGB子像素组合而成)的涂片在单个邻近像素或更小上延伸。

本发明实施例的左边缘点和右边缘点在视野内并且与中心点大约等距。

非球面表面可例如通过泽尼克多项式进行设计，以便尽管距离不同但仍允许集中到所有点。优选地，6mm瞳孔直径用于计算表面，从而光线覆盖使不同点在视网膜上集中的透镜的整个活动表面区域。在计算之后，通孔可改变成约3mm的直径，该直径是相关照明水平下的典型瞳孔大小，以便进行视觉功能分析。

本发明实施例的系统优选针对约62mm的IPD距离进行设计。透镜极端鼻中点优选距中心约3mm，以允许在56mm到62mm的范围内进行IPD调整。

电子设计考虑

图25示出在上述系统中的任一系统中可由控制器44使用的电子电路布局。任选且优选地，电路由系统180用于使用单个中心显示装置通过优选的 MIPI-DSI接口来实现身临其境式视图。左辅助显示器和右辅助显示器优选也通过MIPI-DSI接口进行连接。

电路可对视频帧流(诸如，蓝光3D图像或者电影21:93D或24:93D内容) 以及来自SD卡、智能电话、磁盘钥匙盒(Disk-on-Key)或和媒体播放器的流进行解码。解码的流穿过媒体流转换引擎，该媒体流转换引擎将流转码到中心和辅助显示器，如上文参考图13到图20所述。针对较宽的内容，例如，360°内容，优选通过I2C或SPI接口进行连接的加速度传感器经由位置计算引擎来跟踪头部或身体运动(优选地，旋转)，并且从解码的流选择与视角对应的内容的部分和/或从媒体中检索与观看的角度对应的内容，以进行解码和转码。

此外，系统可具有优选通过与近红外(NIR)照明进行连接的眼睛跟踪相机，该眼睛跟踪相机优选经由通用输入/输出(GPIO)进行操作以用于各种应用，同时电子系统可具有瞳孔位置计算引擎。系统也可任选地与具有自动对焦机构的前置左和右相机连接，所述相机优选通过MIPI-CSI接口进行连接，以用于视频捕获、增强现实或者场景中的3D信息提取。系统也可通过USB或GPIOS 和嵌入式计算机与键盘/鼠标相互连接，优选经由外围部件互连快递(PCIE)接口进行连接。

系统也可配备音频编解码器，以接收语音命令或记录声音并且用于生成声音。系统优选通过I2S接口连接到系统电子设备。

尽管结合具体实施例描述了本发明，但显然，所属领域的技术人员将明白许多替代、更改和变形。因此，意图涵盖所附权利要求书的精神和广泛范围内的所有此类替代、更改和变形。

本说明书中提及的所有公开、专利和专利申请都以引用的方式全文并入本说明书中，如同每个单独的申请、专利或专利申请具体并个别地指明以引用的方式并入本文中。此外，本申请中的任何参考的引用或确定不应解释为承认这种引用可用作本发明的现有技术。在使用段落标题的程度上，它们不应解释为必要地限制。

Claims (38)

1.一种为眼睛提供对象的视图的目镜系统，所述目镜系统包括非球面光学表面并且提供棱镜折射，其中所述非球面光学表面和棱镜折射经过选择以将所述对象的光学中心朝向所述眼睛的颞侧偏移，同时保持所述对象的所有点对焦。

2.根据权利要求1所述的目镜系统，其包括多个光学元件，每个光学元件具有不同的折射率和阿贝数的组合。

3.根据权利要求1所述的目镜系统，其包括透镜主体,所述透镜主体的特征为梯度折射率光学器件。

4.根据权利要求1所述的目镜系统，其中所述非球面光学表面包括具有非球面表面的透镜，并且所述目镜系统包括放置在所述透镜后面的至少一个棱镜元件。

5.根据权利要求1所述的目镜系统，其中所述非球面光学表面包括具有非球面表面的透镜，并且所述目镜系统包括放置在所述透镜前面的至少一个棱镜元件。

6.根据权利要求1所述的目镜系统，其使用衍射光学。

7.根据权利要求1所述的目镜系统，其中所述非球面光学表面和所述目镜系统的相对表面在所述目镜系统的边缘的鼻部通过穿过厚度的切口而彼此间隔开。

8.根据权利要求1所述的目镜系统，其包括视力校正透镜。

9.一种光学放大系统，其包括：

结构，其具有框架，所述框架被配置成将对象固定到所述框架；以及

一对间隔开的目镜系统，其安装在所述结构上，位于所述框架的前面，以用于在安装到所述框架上之后提供所述对象的视图；

其中所述目镜系统中的每个包括根据权利要求1到7中任一项所述的目镜系统。

10.根据权利要求9所述的光学放大系统，其中所述目镜系统中的每个包括视力校正透镜，并且其中所述一对目镜系统中的第一透镜系统的视力校正透镜的折射能力不同于所述一对目镜系统中的第二透镜系统的视力校正透镜的折射能力。

11.根据权利要求9所述的光学放大系统，其还包括：

一对可控制光阀，其分别放置在所述目镜系统与所述框架之间；以及

控制器，其具有电路，所述电路被配置成接收来自所述对象的同步信号，并且响应于所述同步信号而以交替方式启动或停止所述光阀。

12.根据权利要求9所述的光学放大系统，其还包括被配置成将所述目镜系统中的每个移位和旋转的目镜操纵组件。

13.根据权利要求12所述的光学放大系统，其中所述移位和所述旋转往复地从所述目镜系统的第一状态到所述目镜系统的第二状态；在所述第一状态，所述目镜系统的中心光路汇聚；在所述第二状态，所述中心光路大体彼此平行。

14.根据权利要求12所述的光学放大系统，其中所述目镜系统中的每个包括具有所述非球面表面的透镜和放置在所述透镜的前面并且与所述透镜分开的至少一个棱镜元件。

15.根据权利要求14所述的光学放大系统，其中所述目镜操纵组件被配置成也旋转所述棱镜元件，并且其中所述旋转往复地从所述目镜系统的第一状态到所述目镜系统的第二状态；在所述第一状态，每个目镜系统将来自所述对象的所有光线集中；在所述第二状态，所述棱镜元件阻止来自所述对象的左部的左光束到达所述一对目镜系统中的右目镜系统的透镜，并且阻止来自所述对象的右部的右光束到达所述一对目镜系统中的左目镜系统的透镜。

16.根据权利要求15所述的光学放大系统，其中所述目镜操纵组件被配置成改变所述目镜系统与所述框架之间的距离，其中所述距离在所述目镜系统的所述第一状态比在所述目镜系统的所述第二状态大。

17.根据权利要求12所述的光学放大系统，其中所述目镜操纵组件可机械控制。

18.根据权利要求12所述的光学放大系统，其中所述目镜操纵组件可电子控制。

19.根据权利要求9所述的光学放大系统，其中所述框架和所述目镜系统布置成使得来自所述对象的光束直接到达所述目镜系统中的至少一个。

20.根据权利要求9所述的光学放大系统，其还包括至少一对反射光学元件，其被配置成将来自所述对象的光束分别重新定向到所述一对目镜系统上。

21.根据权利要求9所述的光学放大系统，其中所述结构包括用于在距所述一对目镜系统的可调整光学距离处支撑所述框架的可变长度支撑元件，并且其中所述目镜系统被配置成响应于所述光学距离的变化来调整焦距。

22.根据权利要求12所述的光学放大系统，其中所述结构包括用于在距所述一对目镜系统的可调整光学距离处支撑所述框架的可变长度支撑元件，并且其中响应于所述光学距离的变化，所述目镜系统调整焦距，而且其中所述目镜操纵组件启动所述移位和所述旋转。

23.一种为眼睛提供对象的视图的目镜系统，所述目镜系统包括非球面光学表面并且提供棱镜折射，其中所述非球面光学表面和棱镜折射经过选择以将所述对象的光学中心朝向所述眼睛的鼻侧偏移，同时保持所述对象或图像的所有点对焦。

24.一种显示系统，其包括：

结构，其具有框架，所述框架被配置成将左显示装置和右显示装置可移除地固定到所述框架，所述显示装置之间处于倾斜关系；以及

左目镜系统和右目镜系统，其安装在所述结构上，位于所述框架的前面，从而使得所述目镜系统的中心光路朝向所述框架发散，以分别提供所述左显示装置和所述右显示装置的放大视图；

其中所述目镜系统中的每个包括根据权利要求23所述的目镜系统。

25.根据权利要求24所述的显示系统，其中所述目镜系统中的每个是具有棱镜形状的透镜。

26.根据权利要求25所述的显示系统，其中与所述非球面光学表面光学相对的所述透镜的第二光学表面是大体平坦或球面的。

27.根据权利要求25所述的显示系统，其中与所述非球面光学表面光学相对的所述透镜的第二光学表面也是非球面的。

28.根据权利要求26所述的显示系统，其中所述非球面光学表面和所述光学相对表面在所述透镜的边缘的颞部通过穿过厚度的切口而彼此间隔开。

29.根据权利要求24和25中任一项所述的显示系统，其中所述目镜系统中的每个包括具有所述非球面表面的透镜和放置在所述透镜与所述框架之间或在所述透镜后面的至少一个棱镜元件。

30.根据权利要求24和25中任一项所述的显示系统，其中所述目镜系统中的每个使用衍射光学。

31.根据权利要求24和25中任一项所述的显示系统，其还包括具有电路的控制器，所述电路用于控制所述显示装置显示图像的不同部分，所述图像具有左边缘、双目镜重叠部分和右边缘，其中所述左显示装置显示所述左边缘和所述双目镜重叠部分，并且所述右显示装置显示所述双目镜重叠部分和所述右边缘。

32.根据权利要求31所述的显示系统，其中所述控制器包括用户接口，并且其中电路被配置成响应于由所述用户接口接收的用户输入，在所述显示装置中的至少一个上移动所述双目镜重叠部分的位置。

33.根据权利要求31所述的显示系统，其还包括分隔装置，所述分隔装置沿着所述左显示装置与所述右显示装置之间的对称线安装在所述结构上，以阻止来自所述左显示装置的光束到达所述右目镜系统，并且阻止来自所述右显示装置的光束到达所述左目镜系统。

34.根据权利要求33所述的显示系统，其中所述分隔装置包括背对背的一对辅助显示装置，并且其中来自所述一对辅助显示装置中的左辅助显示装置的光束到达所述左目镜系统，并且来自所述一对辅助显示装置中的右辅助显示装置的光束到达所述右目镜系统。

35.根据权利要求24和25中任一项所述的显示系统，其还包括：

一对可控制光阀，其分别放置在所述目镜系统与所述框架之间；以及

控制器，其具有电路，所述电路被配置成接收来自所述显示装置的同步信号，并且响应于所述同步信号而以交替方式启动或停止所述光阀。

36.根据权利要求24和25中任一项所述的显示系统，其中所述结构包括用于在距所述一对目镜系统的可调整光学距离处支撑所述框架的可变长度支撑元件，并且其中所述目镜系统被配置成响应于所述光学距离的变化来调整焦距。

37.根据权利要求24和25中任一项所述的显示系统，其中所述目镜系统中的至少一个包括视力校正透镜。

38.根据权利要求37所述的显示系统，其中所述目镜系统中的每个包括视力校正透镜，并且其中所述一对目镜系统中的第一透镜系统的视力校正透镜的折射能力不同于所述一对目镜系统中的第二透镜系统的视力校正透镜的折射能力。