TW202011077A - 顯示裝置和控制系統 - Google Patents

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Abstract

本發明涉及用於提高光場均勻性的顯示裝置和控制系統。顯示裝置用於產生要由觀察者觀看的圖像，包括：光學系統，其包括具有出射瞳的光傳播通道，其被配置且能夠操作以接收輸入圖像攜載光，並且在出射瞳處產生具有與要呈現給觀察者的圖像對應的視場FOV的輸出光，光傳播通道的配置限定光學系統的表徵強度傳遞函數映射I1(x,Φ)；以及控制單元，其被配置且能夠操作以通過對圖像資料施加基於校正強度映射的強度調製來影響圖像資料，校正強度映射被配置成至少部分地補償光學系統的表徵強度傳遞函數映射I1(x,Φ)中的強度非均勻性，使得輸入圖像攜載光對應於指示要顯示的圖像的強度調製圖像資料IDmod，並且光學系統的出射瞳處的輸出光具有強度均勻性提高的調製強度映射。

Description

顯示裝置和控制系統
本發明大體在用於提高光學系統視場內的光場均勻性的光學技術領域。特別地，本發明在基於光導耦合器用於顯示虛擬影像的近眼顯示器中是有用的。
用於近眼顯示器(near-eye display，NED)中的光導耦合器的操作的主要物理原理在於，指示虛擬影像的光波通過來自基板主表面的全內反射被捕獲在基板內，並且通過一個或更多個(內部)至少部分反射或衍射的表面耦出至觀看者的眼睛中。限定NED性能的重要因素之一與對由從光導耦合器輸出的光形成的照明的均勻性的要求相關聯。非均勻性或非規則性是基於光導的NED固有的，與耦出的物理過程無關。非規則性可以看起來像圖像上的條紋或者具有較低/較高強度的帶，其中，角頻率大致處在1/4視場(field of view，FOV)與FOV/100之間的範圍內。在獨立處理顏色的光導架構中，這些顯示為跨場景的顏色變化。
已經開發了各種技術來提高照明的均勻性，並且例如在US6829095、US7724442、US8004765、US9551874和WO16132347中進行了描述，以上均轉讓給本申請的申請人。
如上所述，跨系統輸出的視場的照明/亮度的均勻性是系統性能的重要需求，尤其是對於包括虛擬成像系統的顯示裝置。上述更早的技術通過利用沿光傳播路徑的各種表面上的塗層來提高圖像的暗區和亮區的亮度平均水準以解決該問題。
而在最近提交的國際專利申請第PCT/IL2018/050010號中描述了由本申請的發明人開發的另一技術。根據該技術，使用了光學地耦合至光學單元的輸出的掩蔽光學元件，其中光學單元產生跨光學單元的視場的具有非均勻強度分佈的光。掩蔽元件被配置有根據非均勻強度分佈的跨元件的空間變化的透射分佈，使得與掩蔽元件的光相互作用(例如穿過)影響強度分佈內具有相對高的光強度的區域以將強度調製施加到穿過掩蔽光學元件的光，並且提高光強度均勻性。
本發明提供了用於提高由觀看者觀察到的通過系統產生的圖像的強度/亮度均勻性的新方法。本發明特別適用於那種利用光導光學元件(LOE)來引導光傳播通過該光導光學元件的光學系統。將這樣的LOE用在用於投影虛擬影像的近眼顯示裝置中。LOE被配置用於通過來自LOE主表面的全內反射來引導虛擬影像光傳播通過LOE，並且可以包括嵌入其中的用於朝向一個或更多個輸出方向引導虛擬影像光的一個或更多個光引導表面(例如至少部分反射表面)。
根據本發明，通過對要經由光學系統的入射瞳輸入至光學系統的圖像攜載光場施加強度調製，提高了由觀看者觀察到的圖像(即觀看者的眼瞳處的圖像)的照明均勻性分佈。可以電子地施加(例如，經由空間光調製器的操作)輸入場強度調製，該輸入場強度調製的電子施加可以與要輸入光學系統中的圖像資料的創建同時進行，或者對先前創建的圖像資料在輸入光學系統中之前施加輸入場強度調製。
根據本發明，提供了關於光學系統的資料，即基於由光學系統限定的光傳播通道的已知配置測量或類比的資料。關於光學系統的這樣的資料包括跨光學系統的出射瞳的橫向尺寸x以及與要由光學系統呈現給觀看者的圖像對應的視場(FOV)的角跨度Φ的表徵強度傳遞函數映射I1(x,Φ)。換言之，光學系統在角空間的空間中具有其特徵強度分佈。分析該資料以適當地影響要輸入光學系統中的圖像資料，使得觀察者觀看到正在顯示的具有提高的強度均勻性的圖像。
因此，根據本發明的一個廣泛方面，提供了一種用於產生要由觀 察者觀看的圖像的顯示裝置。顯示裝置包括光學系統和控制單元。光學系統包括具有出射瞳的光傳播通道，並且被配置且可操作以接收指示圖像的輸入光並且在出射瞳處產生具有與要呈現給觀察者的圖像對應的視場(FOV)的輸出光，而光傳播通道的配置限定跨出射瞳的橫向尺寸x以及FOV的角跨度Φ的光學系統的表徵強度傳遞函數映射I1(x,Φ)。控制單元被配置且可操作以通過對要輸入光學系統中的圖像資料施加基於校正強度映射的強度調製來影響圖像資料，該校正強度映射被配置成至少部分地補償光學系統的表徵強度傳遞函數映射I1(x,Φ)中的強度非均勻性，使得光學系統的出射瞳處輸出的並且指示圖像的光具有由觀看者觀察到的具有提高的強度均勻性的調製強度映射。
在一些實施方式中，控制單元包括強度映射生成器模組，該強度映射生成器模組被配置且可操作以分析光學系統的表徵強度傳遞函數映射I1(x,Φ)和預定眼瞳相關資料，以確定指示從出射瞳到眼瞳的角強度傳遞的相應強度傳遞函數映射，並且生成校正強度映射。由強度映射調製器工具分析校正強度映射，強度映射調製器工具利用校正強度映射來生成相應強度調製並且將該強度調製施加到正被輸入至光學系統的圖像資料。將施加到圖像的強度調製作為指示校正強度映射的至少一部分的資料的反演來施加。
預定眼瞳相關資料包括指示眼瞳尺寸x’的資料(針對特定觀察者給定的或測量的)，和/或指示出射瞳與眼瞳之間的距離z(對於特定的頭戴近眼顯示裝置可以是固定的)的資料或者在設備的使用期間測量的資料，以及指示出射瞳與眼瞳之間的橫向偏移(x’-x)的資料。
在一些實施方式中，強度映射生成器模組包括積分器模組，該積分器模組被配置成在預定眼瞳尺寸x’以及出射瞳與眼瞳之間的預定橫向偏移(x’-x)上對表徵強度傳遞函數映射I1(x,Φ)進行卷積，以獲得指示卷積強度傳遞函數映射I’1((x’-x),Φ)的資料，卷積強度傳遞函數映射I’1((x’-x),Φ)指示從出射瞳到預定眼瞳尺寸x’的角強度傳遞。
如上所述，控制單元可以利用指示眼瞳尺寸x’的給定資料。
在一些實施方式中，指示卷積強度傳遞函數映射I’1((x’-x),Φ)的資 料包括對應於不同瞳範圍x’的多個卷積強度傳遞函數映射。
強度映射生成器模組可以包括選擇器模組/工具，其被配置且可操作以利用指示出射瞳與眼瞳之間的距離z以及出射瞳與眼瞳之間的橫向偏移(x’-x)的資料，並且分析卷積強度傳遞函數映射I’1((x’-x),Φ)以在卷積強度傳遞函數映射I’1((x’-x),Φ)中識別對應於特定距離z和偏移(x’-x)值的區域，並且生成校正強度映射。
強度映射調製器工具被配置成將強度調製生成為卷積強度傳遞函數映射I’1((x’-x),Φ)的所選區域的反演。
如上所述，可以在圖像顯示會話期間測量眼瞳相關資料的一個或更多個參數。為此，系統包括眼睛位置控制器，該眼睛位置控制器被配置且可操作以監測觀察者的眼瞳的一個或更多個參數，並且確定眼瞳相關資料，從而使控制單元能夠動態地調整校正強映射。
如上所述，在一些實施方式中，根據本發明的顯示裝置被配置為用於顯示虛擬影像的近眼顯示裝置，或者透視型顯示裝置以另外地並且同時地顯示真實場景圖像。這樣的近眼顯示裝置的光學系統可以包括光導光學元件(LOE)，該LOE包括波導並且包括一個或更多個光引導表面，波導被配置用於通過來自波導的主表面的全內反射來引導光傳播通過波導，所述一個或更多個光引導表面嵌入波導中並且被佈置成限定出射瞳以將光從波導中匯出。
在一些實施方式中，控制單元被配置成與存放裝置進行通信以接收指示光學系統的表徵強度傳遞函數映射的資料。替選地或另外地，控制單元可以包括模擬器模組，該模擬器模組被配置且可操作以接收指示光學系統的光傳播通道的配置的資料，並且確定包括指示光學系統的表徵強度傳遞函數映射的資料的類比資料。
根據本發明的另一廣泛方面，提供了一種用於控制由觀看者從具有光學系統的顯示裝置觀察到的圖像的照明均勻性的控制系統。控制系統被配置為包括資料處理器與分析器的電腦系統，該資料處理器與分析器包括強度映射生成器模組，以及與強度映射生成器模組進行資料通信的強度映射調製器工 具。強度映射生成器模組被配置且可操作以接收並且分析輸入資料，該輸入資料包括觀看者的眼瞳相關資料，以及跨光學系統的出射瞳的橫向尺寸x和視場(FOV)的角跨度Φ的光學系統的表徵強度傳遞函數映射I1(x,Φ)，視場對應於要由光學系統呈現給觀看者的圖像。強度映射生成器模組確定指示從出射瞳到眼瞳的角強度傳遞的相應強度傳遞函數映射，並且生成校正強度映射。強度映射調製器工具被配置且可操作以利用校正強度映射並且生成要施加至正輸入光學系統的圖像資料的相應強度調製，以影響圖像資料以至少部分地補償光學系統的表徵強度傳遞函數映射中的強度非均勻性，以提供在光學系統的出射瞳處的指示圖像的輸出光具有由觀看者觀察到的具有提高的強度均勻性的調製強度映射。
10‧‧‧顯示裝置
12‧‧‧圖像資料生成器
14‧‧‧光學系統
14A‧‧‧光傳播通道
14B‧‧‧出射瞳
18‧‧‧眼瞳
20‧‧‧控制單元
22‧‧‧圖像資料提供器
IDmod‧‧‧強度調製圖像資料
z‧‧‧距離
x,x’‧‧‧尺寸
Figure 108117529-A0202-12-0012-17
‧‧‧FOV的角跨度
24‧‧‧強度映射生成器模組
24A‧‧‧積分器模組
24B‧‧‧選擇器模組
26‧‧‧強度映射調製器工具
28‧‧‧眼瞳控制器(眼睛跟蹤器)
30‧‧‧平視顯示裝置
32,34‧‧‧主表面
31,35‧‧‧光引導元件
16‧‧‧LOE
17‧‧‧准直模組
36‧‧‧圖像創建設備
A‧‧‧線
α‧‧‧角取向
為了更好地理解在本文中公開的主題以及例示如何在實踐中實施主題，現在將參照圖式僅通過非限制性示例描述實施方式，在圖式中：第1圖是根據本發明配置的用於顯示要由觀察者觀看的圖像的顯示裝置的框圖；第2圖是本發明的用於第1圖的系統中以控制由觀看者觀察到的正在顯示的圖像的照明均勻性的控制系統的配置的框圖；第3A圖至第3D圖例示了本發明的用於提高在觀察正由利用基於LOE的光學系統的近眼顯示器顯示的圖像時的照明均勻性的技術；第4A圖至第4C圖和第5A圖至第5C圖例示了通過例示的基於LOE的光學系統的光方案(scheme)傳播如何影響LOE的出射瞳處的強度映射，該強度映射可以用於類比基於LOE光學系統的強度映射；以及第6圖例示了如何可以使用線CCD掃描測量角空間的空間中光學系統的表徵強度傳遞函數映射I1(x,Φ)。
參照第1圖，其通過框圖示出了本發明的顯示裝置10。顯示裝置 10包括與圖像資料生成器12相關聯的光學系統14。圖像資料生成器12被配置且可操作以從圖像資料提供器接收圖像資料並且生成相應的光場(具有光強度映射的結構光)。這可以通過使用空間光調製器例如基於LCD的調製器或者一般地使用光源(例如OLED)的矩陣來實現。
光學系統14包括限定光傳播通道14A的一個或更多個光學元件(未示出)，光傳播通道14A用於將對應於要顯示的圖像的結構光朝向出射瞳14B引導通過光傳播通道14A，出射瞳14B具有與要呈現給觀看者/觀察者的眼睛(即，眼瞳18)或者要由觀看者/觀察者的眼睛(即，眼瞳18)觀看的光學系統的圖像對應的視場(FOV)。光傳播通道14A的配置限定跨出射瞳14B的橫向尺寸x和FOV的角跨度
Figure 108117529-A0202-12-0006-16
的光學系統的表徵強度傳遞函數映射I1(x,Φ)。
在顯示裝置10中還設置有控制單元20，控制單元20根據本發明被配置且可操作以控制由觀看者觀察到的圖像的照明/強度均勻性。應當理解，本發明的目的是改進由觀看者觀察到的即在眼瞳18處的圖像的強度分佈。這將在下面更具體地進一步描述。
控制單元20可以是圖像資料生成器12的一部分或是單獨的單元。控制單元20接收指示光強度映射的要輸入至光學系統的圖像資料ID，並且通過對圖像資料施加強度調製來影響該圖像資料，以生成強度調製圖像資料IDmod。通過任何合適的已知配置的空間光調製器(SLM)例如基於LCD的調製器將該強度調製圖像資料IDmod轉換成相應的光場(結構光)以傳播通過光學系統14。
由控制單元20施加的強度調製基於校正強度映射，校正強度映射由控制單元確定並且被配置成至少部分地補償光學系統的表徵強度傳遞函數映射I1(x,Φ)的強度非均勻性，使得光學系統14的出射瞳14B處的圖像攜載輸出光具有由觀看者觀察到的具有提高的強度均勻性的調製強度映射Imod。
如圖中所例示的，控制單元20從圖像資料提供器22(例如存放裝置)接收輸入資料(例如，訪問存儲這樣的資料的存放裝置)，該輸入資料包括指示光學系統的表徵強度傳遞函數映射I1(x,Φ)的數據。然而，應當注意，指示表徵強度傳遞函數映射I1(x,Φ)的資料可以包括先前創建(例如模擬的或測量 的)並且存儲在存放裝置中的這樣的映射資料本身；或者指示表徵強度傳遞函數映射I1(x,Φ)的這樣的資料可以包括關於給定光學系統的光傳播通道的配置的資料。在後一種情況下，控制單元20包括被配置且可操作以分析光傳播通道的配置並且確定光學系統的表徵強度傳遞函數映射I1(x,Φ)的類比資料的模擬器模組。這也將在下面更具體地進一步描述。
還如圖所示，控制單元20還可以利用眼瞳相關資料以生成強度調製圖像資料IDmod。這樣的眼瞳相關資料包括如眼瞳的橫向尺寸x’、出射瞳14B與眼瞳18之間的距離z以及出射瞳14B與眼瞳18之間的橫向偏移(x’-x)的這樣的參數中的一個或更多個。
在一些實施方式中，可以給出這些參數中的一個或更多個，即，典型值(例如，眼瞳的橫向尺寸x’通常約為3mm)；在顯示裝置相對於觀看者的位置固定的情況下，例如在頭戴式顯示裝置的情況下，出射瞳14B與眼瞳18之間的距離z和橫向偏移(x’-x)的值可以是幾乎固定的。
在一些其他實施方式中，如下面將進一步描述的，顯示裝置10可以替選地或另外地包括眼瞳控制器，眼瞳控制器配備有合適的眼睛跟蹤器，該眼睛跟蹤器在圖像顯示會話(session)期間監測/測量距離z和/或橫向偏移(x’-x)值的變化，並且生成相應的資料，控制單元回應於所生成的資料動態地調整/更新強度調製圖像資料IDmod。眼瞳控制器還可以包括測量觀看者的眼瞳尺寸x’的測量單元。
本發明的光學系統或其至少一部分(例如光導元件)可以具有非常緊湊的配置，並且可以安裝在平視顯示器(head-up display，HUD)上或者作為單獨的模組來與HUD一起使用。本發明的另一可能應用是作為安裝有預定軟體應用的智慧型電話的一部分。這樣的配置的示例例如可連接至HUD的掌上型光導元件等在轉讓給本申請的受讓人的US8004765中進行了描述。
第2圖示出了示例性控制單元20的配置的框圖。控制單元20包括未特別示出的資料登錄和輸出工具以及記憶體。控制單元20可以是圖像資料提供器22的一部分，或者可以是被配置成與圖像資料生成器12進行資料通信 的獨立單元/電路20，其中圖像資料生成器12又是圖像資料提供器22的一部分或者可連接至圖像資料提供器22。
控制單元20包括強度映射生成器模組24，如上所述，強度映射生成器模組24被配置且可操作以分析指示光學系統的(例如，給定的或模擬的)表徵強度傳遞函數映射I1(x,Φ)的資料以及觀看者的眼瞳相關資料，並且確定指示從出射瞳到眼瞳的角強度傳遞的相應強度傳遞函數映射，並且生成校正強度映射I2(x,Φ)。
如圖中所例示的，強度映射生成器模組24包括積分器模組24A，該積分器模組24A被配置成對表徵強度傳遞函數映射I1(x,Φ)在預定眼瞳尺寸x’以及出射瞳與眼瞳之間的預定橫向偏移(x’-x)上進行卷積，並且獲得指示卷積強度傳遞函數映射I’1((x’-x),Φ)的數據。這樣的卷積強度傳遞函數映射I’1((x’-x),Φ)指示從出射瞳14B到具有預定橫向尺寸以及相對於出射瞳的相對位置的眼瞳18的角度強度傳遞。
應當注意，可以是這樣的情況，指示卷積強度傳遞函數映射I’1((x’-x),Φ)的資料被設置成包括對應於不同瞳範圍x’的多個卷積強度傳遞函數映射。在該示例中，強度映射生成器模組24還包括選擇器模組24B，該選擇器模組24B被配置且可操作以利用指示出射瞳14B與眼瞳18之間的距離z以及出射瞳與眼瞳之間的橫向偏移(x’-x)的資料，以在卷積強度傳遞函數映射I’1((x’-x),Φ)中識別對應於距離z和偏移(x’-x)值的區域，並且生成校正強度映射I2(x,Φ)。
在控制單元20中還設置有強度映射調製器工具26，該強度映射調製器工具26從圖像資料生成器12接收圖像資料ID(例如虛擬影像)，並且從強度映射生成器模組24接收校正強度映射I2(x,Φ)。強度映射調製器工具26被配置且可操作以分析校正強度映射I2(x,Φ)並且生成相應的強度調製，並且將該調製施加到圖像資料ID，從而產生強度調製圖像資料IDmod。產生強度調製並將強度調製例如作為校正強度映射的反演(或一定近似的反演)--即卷積強度傳遞函數映射I’1((x’-x),Φ)的所選區域的反演--來施加到圖像資料ID。
將這樣創建的強度調製圖像資料IDmod轉換成進入具有表徵強度傳遞函數映射I1(x,Φ)的光學系統14的相應光場(結構光)，以至少部分地補償光學系統的表徵強度傳遞函數映射I1(x,Φ)中的強度非均勻性。因此，光學系統的出射瞳處的指示原始圖像的輸出光具有經調製的強度映射，使得由觀察者(在眼瞳處)觀看到具有改進的強度映射I’2(x,Φ)的相應圖像。
考慮到在虛擬成像系統中使用的顯示裝置，顯示裝置通常包括動態地調整/更新眼瞳相關參數(通常，距離z和橫向偏移(x’-x))中的一個或更多個的眼瞳控制器(眼睛跟蹤器)28。因此，控制單元20(其強度映射生成器24)動態地調整校正強度映射I2(x,Φ)。
現在參照第3A圖至第3D圖，其例示了本發明的用於控制近眼顯示器中使用的基於LOE光學系統的操作的技術。
第3A圖例示了平視顯示裝置30，該平視顯示裝置30包括光學系統14，光學系統14利用具有主表面32和34以及嵌入其中的光引導元件31和35(至少部分地反射)的LOE 16、以及准直模組17，這些一同限定通過光學系統14的光傳播通道14A。還如圖所示，平視顯示裝置30包括如上所述配置的圖像創建設備36(例如，包括投影儀，例如基於SLM的投影儀)，以將圖像資料轉換成相應的圖像攜載光。圖像創建設備由包括控制單元20或可連接至控制單元20的圖像資料提供器22(例如，如上所述配置)操作。如圖所示，圖像攜載光穿過准直模組17，進入LOE(波導/基板)16，從光引導元件(反射器)31反射並且被捕獲在LOE的基板/主體中，其中，光通過來自主表面32和34的全內反射被引導並且與光引導元件(即至少部分反射元件)35依次相互作用，其中光引導元件35將光從基板耦出以朝向觀看者的眼睛的瞳孔(即，眼瞳18)傳播。
這樣的基於LOE的光學系統14的配置和操作自身是已知的並且在本申請的受讓人的以上提及的更早的專利公佈中被例示。這樣的光學系統的配置和操作不形成本發明的一部分，並且因此這裡不詳細描述。關於使用光學系統的配置來確定/類比光學系統的表徵強度傳遞函數映射I1(x,Φ)的原理，這些在下面將更具體地進一步描述。
第3B圖例示了跨出射瞳的橫向尺寸x以及與要呈現給觀察者的圖像對應的FOV的角跨度Φ並且還沿出射瞳與觀察者的眼瞳之間的距離z的光學系統的表徵強度傳遞函數映射I1(x,Φ)。這裡，線A及其角取向α分別對應於眼瞳的橫向尺寸x’以及相對於光學系統的出射瞳的眼瞳位置z。
第3C圖示出了卷積強度傳遞函數映射I’1((x’-x),Φ)，其通過在預定眼瞳尺寸x’以及出射瞳與眼瞳之間的預定橫向偏移(x’-x)上對第3B圖的表徵強度傳遞函數映射I1(x,Φ)進行卷積而獲得。這樣的卷積強度傳遞函數映射I’1((x’-x),Φ)指示從出射瞳到預定眼瞳尺寸x’的角強度傳遞。
第3D圖示出了校正強度映射I2(x,Φ)，其通過利用距離z和橫向偏移(x’-x)以從卷積強度傳遞函數映射I’1((x’-x),Φ)提取對應於這些距離z和偏移(x’-x)值的區域而獲得。
如上所述，然後使用這樣獲得的校正強度映射I2(x,Φ)以將強度調製作為校正強度映射I2(x,Φ)的反演來施加到圖像資料，並且相應地操作圖像創建設備36(例如投影儀)。
參照第4A圖至第4C圖以及第5A圖至第5C圖，其例示了通過例示的基於LOE光學系統的光方案傳播如何影響光學系統(即LOE的)的出射瞳處的強度映射，該強度映射可以用於模擬跨出射瞳的橫向尺寸x以及與要呈現給觀察者的圖像對應的FOV的角跨度Φ的光學系統的表徵強度傳遞函數映射I1(x,Φ)。這些圖示出了暗帶效應的本質及其在角空間的空間中的表示，即在表徵特定光學系統的強度傳遞函數映射I1(x,Φ)中的表示。
第4A圖示出了與所謂的“結構帶”相關聯的效應：由於對於以不同角度進入LOE的光線在與光引導元件31的光相互作用的不同，在FOV上，一些光線比其他光線經受更多的衰減。更特別地，結構帶以每個全內反射的倍數增長，因此，在較高編號的光引導元件/刻面(按照在通過LOE的光傳播的大體方向上連續排布的小平面(facet)的順序)處，例如，在第三刻面處，其累加而產生明顯可見的帶。這在第5A圖中示出。
第4B圖和第5B圖示出了“照明非均勻性”相關帶：在入射瞳上 的不均勻照明通過LOE被複製並且形成亮度的週期性變化。
第4C圖和第5C圖示出了所謂的“欠交疊帶效應”：在較低的角處存在光線不能填充的薄區域，而在較高的角處存在光線兩次填充的類似區域。
因此，對於任何瞳橫向尺寸和z距離，可以使用光學系統的表徵強度傳遞函數映射I1(x,Φ)來確定關於視場上的暗帶的完整資料。使用該資料可以確定校正映射，並且可以電子地補償暗帶效應(其中，精確度依賴於眼睛位置知識)。
除了上述基於塗層的解決方案之外，還可以使用本發明的技術。例如，發明人已發現，對於基於LOE的光學系統，最成問題的暗帶效應出現在瞳尺寸/FOV映射的中心處，並且這可以通過適當的塗層設計來改進，而其他效應可以通過如上所述的校正映射電子地補償/改進。
還如上所述，可以測量給定光學系統的表徵強度傳遞函數映射I1(x,Φ)。這樣的測量可以例如通過使用線CCD掃描出射瞳輸出來實現。這在第6圖中進行例示，第6圖示出了線CCD映射，即在角空間的空間中的測量強度分佈(跨出射瞳的橫向尺寸x，沿距出射瞳的距離z，以及FOV的角跨度Φ)。線分佈是跨瞳x的FOV上的強度變化，並且斜度(slope)α對應於眼距(eye relief)或距離z。
測量或模擬的這樣的映射包含針對眼距(z距離)、眼睛位置(橫向偏移)和眼瞳直徑(橫向尺寸)的所有強度資料。因此，該映射是在角空間的空間中的光學系統的表徵強度傳遞函數映射I1(x,Φ)，該映射可以用於補償(動態地經由眼睛跟蹤器或靜態地)強度非均勻性源(暗帶效應)。
10‧‧‧顯示裝置
12‧‧‧圖像資料生成器
14‧‧‧光學系統
14A‧‧‧光傳播通道
14B‧‧‧出射瞳
18‧‧‧眼瞳
20‧‧‧控制單元
22‧‧‧圖像資料提供器
IDmod‧‧‧強度調製圖像資料
z‧‧‧距離
x‧‧‧尺寸
Figure 108117529-A0202-11-0002-15
‧‧‧FOV的角跨度

Claims (23)

  1. 一種用於產生要由觀察者觀看的圖像的顯示裝置，所述顯示裝置包括：光學系統，其包括具有出射瞳的光傳播通道，所述光學系統被配置且能夠操作以接收指示要顯示的圖像的輸入圖像攜載光，並且在所述出射瞳處產生具有與要呈現給所述觀察者的所述圖像對應的視場(FOV)的輸出光，所述光傳播通道的配置限定跨所述出射瞳的橫向尺寸x和所述FOV的角跨度Φ的所述光學系統的表徵強度傳遞函數映射I 1(x,Φ)；以及控制單元，其被配置且能夠操作以通過對圖像資料施加基於校正強度映射的強度調製來影響所述圖像資料，所述校正強度映射被配置成至少部分地補償所述光學系統的所述表徵強度傳遞函數映射I 1(x,Φ)中的強度非均勻性，使得所述輸入圖像攜載光對應於指示要顯示的所述圖像的強度調製圖像資料ID mod，並且所述光學系統的所述出射瞳處的指示所述圖像的所述輸出光具有由所述觀看者觀察到的具有提高的強度均勻性的調製強度映射。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的顯示裝置，其中，所述控制單元包括：強度映射生成器模組，其被配置且能夠操作以分析所述光學系統的所述表徵強度傳遞函數映射I 1(x,Φ)以及預定眼瞳相關資料，確定指示從所述出射瞳到所述眼瞳的角強度傳遞的相應強度傳遞函數映射，並且生成所述校正強度映射；以及強度映射調製器工具，其被配置且能夠操作以利用所述校正強度映射來生成相應強度調製並且將所述強度調製施加到正輸入至所述光學系統的所述圖像資料。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的顯示裝置，其中，所述預定眼瞳相關資料包括指示眼瞳尺寸x’的資料。
  4. 如申請專利範圍第2或3項所述的顯示裝置，其中，所述預定眼瞳相關資料包括指示所述出射瞳與所述眼瞳之間的距離z以及所述出射瞳與所述眼瞳之間的橫向偏移(x’-x)的資料。
  5. 如申請專利範圍第2至4項中任一項所述的顯示裝置，其中，所述強度映射生成器模組包括積分器模組，所述積分器模組被配置成在預定眼瞳尺寸x’ 以及所述出射瞳與所述眼瞳之間的預定橫向偏移(x’-x)上對所述表徵強度傳遞函數映射I 1(x,Φ)進行卷積，以獲得指示卷積強度傳遞函數映射I’ 1((x’-x),Φ)的資料，所述卷積強度傳遞函數映射I’ 1((x’-x),Φ)指示從所述出射瞳到所述預定眼瞳尺寸x’的角強度傳遞。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的顯示裝置，其中，所述控制單元利用指示所述眼瞳尺寸x’的給定數據。
  7. 如申請專利範圍第5或6項所述的顯示裝置，其中，指示卷積強度傳遞函數映射I’ 1((x’-x),Φ)的所述資料包括對應於不同瞳範圍x’的多個卷積強度傳遞函數映射。
  8. 如申請專利範圍第5至7項中任一項所述的顯示裝置，其中，所述強度映射生成器模組包括選擇器模組，所述選擇器模組被配置且能夠操作以利用指示所述出射瞳與所述眼瞳之間的距離z以及所述出射瞳與所述眼瞳之間的橫向偏移(x’-x)的資料，並且分析指示所述卷積強度傳遞函數映射I’ 1((x’-x),Φ)的所述資料以在所述卷積強度傳遞函數映射I’ 1((x’-x),Φ)中識別對應於所述距離z和所述偏移(x’-x)的區域，並且生成所述校正強度映射。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的顯示裝置，其中，所述強度映射調製器工具被配置成將所述強度調製生成為所述卷積強度傳遞函數映射I’ 1((x’-x),Φ)的所選區域的反演。
  10. 如申請專利範圍第2至9項中任一項所述的顯示裝置，包括眼睛位置控制器，所述眼睛位置控制器被配置且能夠操作以在圖像顯示會話期間監測所述觀察者的眼瞳的一個或更多個參數，確定所述眼瞳相關資料，從而使所述控制單元能夠動態地調整所述校正強度映射。
  11. 如申請專利範圍第1至10項中任一項所述的顯示裝置，其被配置為用於顯示虛擬影像的近眼顯示裝置。
  12. 如申請專利範圍第1至11項中任一項所述的顯示裝置，其中，所述光學系統包括光導光學元件(LOE)，所述光導光學元件包括波導並且包括一個或更多個光引導表面，所述波導被配置用於通過來自所述波導的主表面的全內反射來引導光傳播通過所述波導，所述一個或更多個光引導表面嵌入所述波導中 並且被佈置成限定所述出射瞳以將光從所述波導中匯出。
  13. 如申請專利範圍第1至12項中任一項所述的顯示裝置，其中，所述控制單元被配置成與存放裝置進行通信以接收指示所述光學系統的所述表徵強度傳遞函數映射I 1(x,Φ)的所述數據。
  14. 如申請專利範圍第1至13項中任一項所述的顯示裝置，其中，所述控制單元包括模擬器模組，所述模擬器模組被配置且能夠操作以接收指示所述光學系統的所述光傳播通道的所述配置的資料並且確定包括指示所述光學系統的所述表徵強度傳遞函數映射I 1(x,Φ)的所述資料的類比資料。
  15. 一種用於控制由觀看者從具有光學系統的顯示裝置觀察到的圖像的照明均勻性的控制系統，所述控制系統包括資料登錄和輸出工具、記憶體工具以及資料處理器與分析器，所述資料處理器與分析器包括：強度映射生成器模組，其被配置且能夠操作以進行以下操作：接收並且分析輸入資料，所述輸入資料包括觀看者的眼瞳相關資料，以及跨所述光學系統的出射瞳的橫向尺寸x和視場(FOV)的角跨度Φ的所述光學系統的表徵強度傳遞函數映射I 1(x,Φ)，所述視場對應於要由所述光學系統呈現給所述觀看者的圖像；確定指示從所述出射瞳到所述眼瞳的角強度傳遞的相應強度傳遞函數映射；並且生成校正強度映射；以及強度映射調製器工具，其被配置且能夠操作以利用所述校正強度映射並且生成要施加到正被轉換成圖像攜載光的圖像資料的相應強度調製，所述圖像攜載光指示要輸入至所述光學系統的圖像，所述強度調製影響所述圖像資料以至少部分地補償所述光學系統的所述表徵強度傳遞函數映射I 1(x,Φ)中的強度非均勻性，以提供在所述光學系統的所述出射瞳處的指示所述圖像的輸出光具有由所述觀看者觀察到的具有提高的強度均勻性的調製強度映射。
  16. 如申請專利範圍第15項所述的控制系統，其中，所述預定眼瞳相關資料包括指示眼瞳尺寸x’的資料。
  17. 如申請專利範圍第15或16項所述的控制系統，其中，所述預定眼瞳相關資料包括指示所述出射瞳與所述眼瞳之間的距離z以及所述出射瞳與所述眼瞳之間的橫向偏移(x’-x)的資料。
  18. 如申請專利範圍第15至17項中任一項所述的控制系統，其中，所述 強度映射生成器模組包括積分器模組，所述積分器模組被配置成在預定眼瞳尺寸x’以及所述出射瞳與所述眼瞳之間的預定橫向偏移(x’-x)上對所述表徵強度傳遞函數映射I 1(x,Φ)進行卷積，以獲得指示卷積強度傳遞函數映射I’ 1((x’-x),Φ)的資料，所述卷積強度傳遞函數映射I’ 1((x’-x),Φ)指示從所述出射瞳到所述預定眼瞳尺寸x’的角強度傳遞。
  19. 如申請專利範圍第18項所述的控制系統，其中，所述強度映射生成器模組資料接收包括所述眼瞳尺寸x’的輸入資料。
  20. 如申請專利範圍第18或19項所述的控制系統，其中，指示卷積強度傳遞函數映射I’ 1((x’-x),Φ)的所述資料包括對應於不同瞳範圍x’的多個卷積強度傳遞函數映射。
  21. 如申請專利範圍第18至20項中任一項所述的控制系統，其中，所述強度映射生成器模組包括選擇器模組，所述選擇器模組被配置且能夠操作以利用指示所述出射瞳與所述眼瞳之間的距離z以及所述出射瞳與所述眼瞳之間的橫向偏移(x’-x)的資料，並且分析指示所述卷積強度傳遞函數映射I’ 1((x’-x),Φ)的所述資料以在所述卷積強度傳遞函數映射I’ 1((x’-x),Φ)中識別對應於所述距離z和所述偏移(x’-x)的區域，並且生成所述校正強度映射。
  22. 如申請專利範圍第21項所述的控制系統，其中，所述強度映射調製器工具被配置成將所述強度調製生成為所述卷積強度傳遞函數映射I’ 1((x’-x),Φ)的所選區域的反演。
  23. 如申請專利範圍第15至22項中任一項所述的控制系統，其被配置成回應於包括在圖像顯示會話期間所述觀看者的眼瞳的一個或更多個參數的輸入資料，確定所述眼瞳相關資料，並且動態地調整所述校正強度映射。
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