TWI407783B - 頭戴式顯示器之周邊處理技術 - Google Patents

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Description

頭戴式顯示器之周邊處理技術
本發明係關於在頭戴式顯示器中顯示影像。頭戴式顯示器(HMD)為人戴在頭上以便使視訊資訊直接顯示於眼睛前的顯示設備。HMD亦被稱作近眼式(near－to－eye)顯示器。HMD具有小的CRT、LCD或OLED顯示器具中之一者或兩者，該等顯示器具有放大透鏡及其他相關聯光學元件。顯示器及光學元件通常嵌入使用者可佩戴之頭盔、眼鏡或護目鏡(visor)中。透鏡及其他光學組件用以讓使用者感覺到影像來自較大距離以防止眼疲勞(eyestrain)。在使用單一顯示器之HMD中，通常經由將影像分割成兩個相同影像之光學元件來投影影像，且將每一影像重導向至各個眼。藉由兩個顯示器，HMD可顯示立體影像。立體影像試圖藉由模擬由每一眼在看物件時觀賞到之影像之間的角差(歸因於眼之不同位置)來創建影像的深度。此角差為人腦在處理影像時用來創建深度感或人類視覺距離之關鍵參數中的一者。
一些HMD可用來觀賞拼加於真實世界視圖上之透視影像，藉此創建通常所稱的增大之真實性。此增大之真實性可藉由經由部分反射性面鏡反射視訊影像來達成，以使得經由面鏡之反射性表面看到真實世界。在各種類型之應用中，可組合增大之真實性與立體影像。一些實例包括外科手術中之應用，在外科手術中，可組合放射線照相資料(諸如CAT掃描或MRI成像)與外科醫生之視覺。軍人、警察及消防隊員使用HMD來顯示相關戰術資訊，諸如地圖或熱成像資料。工程師及科學家使用HMD來提供CAD簡圖、模擬或遙感應用之立體視圖。消費者設備亦可用來在遊戲及娛樂應用中使用。
圖1A至圖1D展示不同之HMD顯示架構之一些例示性示意圖。圖1A展示透射性HMD顯示架構之實例。在此架構中，諸如白色LED之白光源照亮一液晶顯示器(LCD)，該LCD向使用者顯示一影像。接著接著經由一光學系統將該影像傳遞至使用者之眼睛，該光學系統可為非球面或繞射透鏡系統。此等透鏡系統為一般熟習此項技術者所熟知的，且亦將在下文更詳細地予以論述。
圖1B展示發射性HMD顯示架構之實例。在此架構中，顯示器為有機發光二極體(OLED)顯示器，且因此可避免單獨的光源。接著經由與上文關於圖1A所描述之系統類似的光學系統將該影像傳遞至使用者之眼睛。
圖1C展示反射性HMD顯示架構之實例。在此架構中，顯示器為矽上液晶(LCoS)顯示器。在LCoS中，將液晶塗覆至反射性面鏡基板。諸如白色或RGB LED之光源將光導向至LCoS顯示器上。當顯示器中之液晶打開及閉合時，自下方面鏡反射光，或阻擋光。此調變光且創建影像。接著經由與上文關於圖1A所描述之系統類似的光學系統將該影像傳遞至使用者之眼睛。
圖1D展示HMD之微機電(MEM)/雷射顯示架構的實例。MEM設備為能夠建設性及破壞性地干擾入射光源以產生一或多個光學信號的設備。通常使用微影技術由矽基(Silicon－based)材料來製造光學MEM設備。光學MEM設備具有反射帶，該等反射帶形成於適宜基板結構上，使得該等帶在空間上得以平行配置且耦接至基板結構。使用中，藉由在該等帶及該基板結構上施加操作偏壓或切換電壓來移動反射帶之幾部分。藉由交替或切換該偏壓之電位，使該等帶在用於建設性干擾及破壞性干擾入射光源以產生光學信號之位置之間交替。如圖1D中可見，該光源為雷射，且來自MEM設備之所得光學信號顯示於影像表面上且由使用者觀賞到。
HMD(主要是不為透視種類之HMD)的問題為，在每一眼睛前之顯示器上之影像填滿使用者之中央視野，但不填滿使用者之周邊視野。因此，視覺體驗類似於向箱或隧道內觀看，其在一距離處具有小螢幕。周邊視覺擅長偵測動作，且因此HMD中之封閉的周邊視覺可導致使用者在某一時間後經歷動暈症症狀。因此，儘管現有HMD可在短時段內為達成其預期目的而良好地工作，但繼續需要改良之HMD，其為使用者提供增強的長時間視覺體驗。
本發明提供用於在頭戴式顯示器中處理使用者之視野的周邊區域，且藉此創建頭戴式顯示器之改良之舒適度及可用性的方法及裝置。處理鄰近於所顯示之影像的周邊區域，以使得周邊區域與顯示器上之影像協調。該協調可呈(例如)由發光二極體(LED)或其他顯示器達成之彩色投影的形式，以使得在顯示器周圍之顏色動態地匹配顯示於顯示器上的顏色。因此，周邊區域與顯示區域"會聚"，此減少由使用者體驗之"隧道效應"或"箱效應"。本發明之各種實施例允許使用者定製頭戴式顯示器之不同觀賞參數以適應個別使用者之眼睛的變化。
大體而言，在一態樣中，本發明提供方法及裝置，其包括在用於使用者之頭戴式顯示裝置中投影源影像的電腦程式產品、實施及使用技術。第一顯示器投影可由使用者之第一眼睛觀賞的影像。第一周邊光元件經定位以在與第一顯示器之周邊緊接之處發射一或多個顏色的光。處理器接收表示源影像之資料，處理表示源影像之資料以產生用於第一顯示器之第一影像且產生用於第一周邊光元件之第一組周邊調節信號，將第一影像導向至第一顯示器，且將第一組周邊調節信號導向至第一周邊光元件。因此，為使用者創建增強之觀影經驗。
有利實施例可包括以下特徵中之一或多者。處理器可自外源接收表示源影像之資料。外源可為攜帶型源且可包括儲存有源影像之記憶體。可提供可操作地耦接至處理器之記憶體，表示源影像之資料係儲存於該記憶體中。第一顯示器可具有16：9之縱橫比。表示源影像之資料及第一影像可為電影之影像框。第一組周邊調節信號可包括由第一周邊光元件顯示哪一或多個顏色之指令。第一組周邊調節信號可包括顯示該或該等顏色多長時間之指令。
第一影像可包括一或多個顏色，且第一組周邊調節信號可包括顯示對應於第一影像中之顏色的至少一些顏色之顏色的指令。處理器可將第一影像分割成複數個區域，為每一區域確定主要顏色，且將主要顏色包括於第一組周邊調節信號中。周邊光元件可為發光二極體、電致發光顯示器或有機發光二極體。周邊光元件可位於與第一顯示器相距一距離處，且來自周邊光元件之光可藉由光纖或光管傳送至顯示器之周邊。
可提供包括一或多個控件之使用者介面，用於自使用者提供指令至處理器，該等指令係關於如何產生第一組周邊調節信號。漫射體可位於在第一周邊光元件與使用者之第一眼睛之間的光路中，以便在光到達使用者之第一眼睛前使由第一周邊光元件發射之光變柔和。
可提供第二顯示器，用於投影可由使用者之第二眼睛觀賞的影像，且第二周邊光元件可經定位以在與第二顯示器之周邊緊接之處發射一或多個顏色的光。處理器可接著處理表示源影像之資料以產生用於第二顯示器之第二影像且產生用於第二周邊光元件之第二組周邊調節信號；將第二影像導向至第二顯示器；且將第二組周邊調節信號導向至第二周邊光元件。第一影像及第二影像可經彼此相對平移。第一影像與第二影像可相同。第一組周邊調節信號與第二組周邊調節信號可相同。
可實施本發明之各種實施例以包括以下優點中之一或多者。一優點為，對視野之周邊區域的處理引起與習知HMD相比增加的觀賞舒適度，且亦可引起使用者在延長觀賞期間經歷"動暈症"現象之較小可能性。另一優點為，使用者可對其HMD進行個別調整以適合其眼睛之間的距離。其他優點包括較大的身臨其境體驗、較大的實際視野及增加的整體影像亮度。
在隨附圖式及以下描述中陳述本發明之一或多個實施例的細節。本發明之其他特徵及優點將由此描述及圖式且由申請專利範圍顯而易見。
將參考特定實施例來詳細描述本發明，該等實施例包括發明者預期之進行本發明之最佳模式。在隨附圖式中說明此等特定實施例之實例。儘管結合此等特定實施例來描述本發明，但應瞭解，此描述並非意欲將本發明限於所描述之實施例。相反，此描述意欲涵蓋可包括於本發明之精神及範疇內的替代、修改及均等物。在以下描述中，陳述特定細節以便提供對本發明之透徹理解。可在無某些或全部此等特定細節的情況下實踐本發明。另外，可未描述熟知的特徵或細節以避免不必要地使本發明變得模糊。為了充分理解本發明之各種實施例的性質，將闡釋某些與人類視覺及影像科學研究相關之概念。
視野(FOV) ：影像之視野描述影像之角範圍(angular extent)，亦即，在影像中可觀賞到之給定場景的量。人眼具有180度的視野，且投影於HMD中之顯示器上的影像通常僅展示小得多的視野。此很大程度上係歸因於用來記錄影像之透鏡的限制。如下文將描述，本發明之各種實施例提供用於最大化影像之FOV的機構，以使其儘可能地接近人眼之FOV。
周邊視覺 ：周邊視覺為在凝視之極中心外部之視覺的一部分。實際上，在視野中存在非中心點之極廣集合，其包括於周邊視覺之概念中。"遠周邊"視覺存在於視野之邊緣處，"中間周邊"視覺存在於視野之中間處，且"近周邊"(有時稱作"近中心")視覺存在於鄰近凝視中心之處。周邊視覺擅長偵測動作，且因此，HMD中之封閉的周邊視覺可導致使用者經歷動暈症症狀。
眼睛動作區(EMB) ：眼睛動作區(eye motion box)表示在完整FOV無損失的情況下使用者之眼睛可於其中移動的區域。具有足夠大的EMB為與使用者之觀賞舒適度相關之最重要參數中之一者。典型EMB為約10至15平方毫米。
影像焦平面 ：該平面為聚焦影像的平面。通常，具有定位於遠處之影像焦平面較為舒適，此係因為其最小化眼睛中之調節肌肉的疲勞。此等肌肉之疲勞被認為與近視(亦即，近視的視覺)相關。
鏡目距 ：鏡目距(eye relief)為最近的光學表面距離眼睛之偏移量。最佳鏡目距距離通常被認為是出射光瞳(exit pupil)與眼睛之瞳孔大致具有相同大小時的距離。最佳鏡目距距離通常在約18至30 mm之範圍中。使用小於觀賞者之瞳孔的出射光瞳可迫使使用者使其眼睛接近目鏡以便看見未漸暈之影像。或者，在舒適的觀賞位置處使用大於觀賞者之瞳孔的出射光瞳會引起光之損耗且使影像比最佳影像昏暗。
根據本發明之各種實施例之HMD的特別有用之應用係在娛樂領域內(亦即，觀看電影)。
圖2展示根據本發明之一實施例之HMD(200)的示意性俯視圖。如圖中可見，HMD(200)具有位於使用者之眼睛(212a；212b)前的兩個顯示器(202；204)。光學組件(210a；210b)在舒適的觀賞距離處將來自各別顯示器(202；204)之影像聚焦至使用者之眼睛(212a；212b)上。顯示器(202；204)之每一者的周邊由一或多個周邊光元件(206；208)環繞。周邊光元件(206；208)以周邊區域與顯示於顯示器上之當前影像顏色協調的方式來照明在顯示器(202；204)周圍之周邊區域。亦即，當影像在顯示器上變化時(例如，當顯示電影時)，周邊顏色亦動態地變化以匹配影像中之顏色。現將參看圖3及圖4來描述如何執行此顏色協調，圖3展示HMD中之影像產生系統(300)的示意圖，且圖4展示對傳入之視訊信號之處理及顯示的流程圖。
如圖3中可見，系統影像產生系統(300)包括左側顯示器(202)及右側顯示器(204)、處理器(306)及記憶體(308)。顯示器(202；204)之每一者由一或多個周邊光元件(206；208)環繞，該等周邊光元件(206；208)能夠回應於自處理器(306)接收到之指令而顯示不同顏色之光。處理器(306)連接至記憶體(308)，記憶體(308)包含如何處理包含於傳入之視訊信號(310)(該信號代表待顯示於HMD中之電影)中之影像框的指令，及如何基於該處理而產生待顯示於周邊光元件(206；208)上之顏色資料的指令。
在一些實施例中，如圖3中所示，周邊光元件(206；208)為位於HMD顯示器(202；204)周圍之兩個較大顯示器。此等較大顯示器(206；208)之每一者(例如)藉由顯示圖像之較大版本，或藉由顯示與顯示於正常顯示器(202；204)上之顏色相類似的顏色，來"擴大"正常顯示器(202；204)之周邊。應注意，較大顯示器(206；208)不需要顯示清晰之影像，因為周邊視覺主要用於偵測顏色及運動。事實上，研究表明，人眼通常僅觀賞顯示器之約12%，此12%位於顯示器之中心部分周圍。在某些狀況下，有可能超出利用與影像協調之顏色。一實例為使用周邊上之顯示影像來增強中心顯示影像。
在一些實施例中，周邊光元件(206；208)為發光二極體(LED)。LED可分散於顯示器(202；204)周圍或可具有離散顏色或所謂的RGB(紅綠藍)LED，RGB LED具有顯示許多不同顏色之能力。為了使來自LED之光變柔和，可將其置於某種半透明材料(諸如在光到達使用者之眼睛前使光擴散的玻璃或塑膠)之後。LED顏色可以多種方式在顏色及強度上轉變以產生所要的效果。舉例而言，自紅色快速地轉變至藍色或自紅色漸變至藍色。
一些實施例具有為電致發光顯示器(ELD)之周邊光元件。ELD為一般熟習此項技術者所熟知，且在ELD變得帶電且接著以光的形式損耗其能量的意義上，可通常將其描述為"有損耗電容器"。ELD藉由將磷光物質薄膜夾在兩個板之間而工作。一板塗佈有垂直導線且另一板塗佈有水平導線，該等導線形成柵格。當電流穿過水平及垂直導線時，在相交處之磷光膜發光，從而創建光點或像素。通常此實施例具有受限的顏色及解析度，但元件為可撓的且薄的，其提供其他可能的組態。舉例而言，光元件不必與中心顯示元件處於相同平面中。光元件亦可為非平面的，因為ELD可在彎曲時操作。
一些其他實施例具有由一捆光纖形成之周邊光元件，其中已在塗佈該等個別光纖之罩中進行刻痕或其他類型之標記。因此，光纖內部之光的一部分經由光纖之側面漏出而不是由罩反射回至光纖中。多個光纖及一小部分光使光纖處於不正常距離，此提供一種使光擴散之有效方式。在此等實施例中，光源(例如，LED)可位於與顯示器(202；204)相距一距離處，因為光傳播穿過光纖。光纖亦通常具相當的可撓性且可纏繞於顯示器(202；204)之周邊周圍。再者，藉由改變光纖之長度，可調節顯示器之不同大小而無需改變光源之數目。
將光源定位於遠離顯示器(202；204)之周邊之處的替代方法為使用光管(light pipe)。光管具有位於光源處之一端及位於接近於顯示器之周邊之處的另一端。一常見種類之光管為稜鏡光導，該等光導呈若干不同的幾何組態，但通常具有具圓形橫截面之圓柱形透明結構。光主要在光導內部之中空氣室(air space)中傳播，且每當光撞到稜鏡表面時經歷全內反射，其限制條件為光線與軸向所成之角小於稜鏡光導接受角。稜鏡光導之一優點為其低吸收程度。在任何中空光導中，光線將其大部分時間耗費於封閉之氣室中，在該氣室中損耗係可忽略的。儘管在遇到稜鏡微型結構時存在與光之繞射相關聯的基本損耗，但此等損耗非常小。在實際稜鏡光導中，主要損耗係歸因於製造微型結構所用之材料中的體吸收及散射以及稜鏡結構之表面粗糙度及光學缺陷。通常，此等損耗總計為小於每次壁反射2%。因此，對於在HMD中常見之短距離而言，此等損耗係可忽略的。光管之一特徵為導向光之能力。除眼睛外，位於顯示元件之前的光管將有可能將經協調之顏色導向至顯示元件之側面。此情形將類似於朝螢幕瞄準閃光燈，但具有改變顏色及強度之能力。
圖4展示藉由令周邊光元件(206；208)顯示與當前顯示於HMD中之各別顯示器(202；204)上之光匹配的光來執行周邊處理影像的過程。如圖4中可見，過程(400)開始於處理器(306)接收如圖3中之"視訊輸入"(310)所示之電影之影像框(步驟402)。可自外部視訊源(諸如連接至HMD之攜帶型視訊播放器)接收影像框，或甚至經由至某一外部視訊源的無線連接來接收影像框。或者，HMD中之記憶體(308)可包含一或多個先前下載之視訊，可由處理器(306)以與自外源存取視訊相同之方式存取該或該等視訊。
處理器(306)接著將接收到之影像框分割為待顯示於左側顯示器(202)上之左側影像及待顯示於右側顯示器(204)上之右側影像(步驟404)。在一實施例中，例如，藉由將傳入之影像框複製成兩個影像框(一者用於左側顯示器(202)且一者用於右側顯示器(204))來執行此步驟。在其他實施例中，處理器可在劃分傳入之影像框時執行額外操作，例如，在水平面中將影像平移某一小部分，以使得左側顯示器(202)及右側顯示器(204)將顯示稍微不同的影像。
接下來，處理器(306)確定右側影像及左側影像之每一者的周邊顏色(步驟406)。處理器(306)使用儲存於記憶體(308)中之軟體指令來進行此確定。如熟習此項技術之使用者所認識，存在進行此確定之許多可能方法。舉例而言，在一些實施例中，處理器(306)可將每一影像框分成中心區及右側周邊區、左側周邊區、上部周邊區及下部周邊區；確定該等周邊區之每一者中的主要顏色；且將此主要顏色指派為周邊顏色。在其他實施例中，可確定整個影像框之單一主要顏色且將其指派為周邊顏色。在另外其他實施例中，可為影像框之上半部確定一主要顏色，且可為影像框之下半部確定另一主要顏色，例如，為影像框確定藍色及黃色，其展示藍天在小麥田之上的風景圖像。在本發明之各種實施例中，亦可為使用者提供一選單，該選單允許使用者選擇處理器應使用哪一類型之模式來確定周邊顏色。處理器亦可量測影像之平均色域且藉由該平均色域對周邊顏色作出決定。處理器亦可量測影像之主要顏色以確定經協調之周邊顏色；亦即，天空、海洋、森林。在其他實施例中，處理器(306)甚至可確定在左側影像及右側影像之周邊周圍的像素或像素群之顏色；且將顏色指派至周邊光元件之相關聯像素或像素群(例如，可將光元件予以像素化)。
在確定周邊顏色後，處理器(306)將左側影像框導向至HMD中之左側顯示器(202)且將右側影像框導向至HMD中之右側顯示器(204)(步驟408)。處理器接著令左側周邊光元件顯示已確定之左側周邊顏色且令右側周邊光元件顯示右側周邊顏色(步驟410)。該過程接著確定是否存在待顯示之任何更多影像框(步驟412)。若存在額外影像框，則該過程返回至步驟402，且若不存在更多影像框，則該過程結束。
如上文所論述，存在可用於HMD中之廣泛種類的顯示架構。上文參看圖3及圖4所論述之原理可應用於此等架構中之任一者。此等架構之每一者具有其特定的優點及缺點。舉例而言，圖1A中所示之LCD微型顯示器具有高亮度、良好色飽和度、良好影像清晰度，且具有相對低的製造成本，但其亦表現出紗門效應(screen door effect)且具有一些固有大小限制(例如，大小、像素密度、對於高體積縮放之能力)。紗門效應通常在LCD發生在顯示器之解析度並非足夠高(足夠密集)，從而使使用者能夠看見個別像素的情況下。因為以直線形式配置像素，所以就像透視紗門一樣(每一像素之間的空間變為紗門中之導線)。
圖1B中所示之OLED微型顯示器表現出低功率消耗，需要簡單的光學元件，具有高對比率，且具有低製造成本，但其壽命有限且其亮度隨時間而減小。OLED微型顯示器亦可能具有潛在的解析度問題及像素一致性問題。
圖1C中所示之LCoS微型顯示器具有高像素密度及對比度、快速回應時間、IC相容性且在後投影TV(RPTV)中受到日益增加的應用。另一方面，當前存在關於LCoS微型顯示器之壽命之一些問題，LCoS微型顯示器遭受會產生彩虹效應之色分離現象(color break up)的影響，且此外，LCoS微型顯示器需要較複雜的光學元件且色飽和度差。彩虹效應通常為基於LCoS之顯示器系統的問題，因為該等系統需要使用"場序彩色照明"。LCoS中之像素接通並斷開，且因此反射或不反射。為了產生影像，將紅色、綠色及藍色相繼閃光至LCoS面板(場)上。LCoS與此協調且藉由使適當像素接通或斷開來創建影像。三個色序發生得非常快以致於眼睛不能看見個別顏色。但吾人可創建若干情況，其中藉由在顯示器前揮動手或在將眼睛迅速地移過該影像來使此等色序顯現。其顯現得像彩虹。
圖1D中所示之MEM雷射系統具有無限聚焦、最廣泛色域及小的大小。另一方面，當前存在關於安全及功率消耗之一些問題。此外，MEM雷射系統需要快速調變雷射。
視HMD之主要應用而定，顯示器可具有不同縱橫比。舉例而言，4×3之縱橫比(亦即，類似於電視螢幕)可為主要對使用HMD來觀看電視節目感興趣之使用者所需要的，而16×9之縱橫比(亦即，類似於電影院螢幕)可為主要對觀看長片感興趣之使用者所需要的。
以上論述已集中於HMD之影像產生系統及顯示器。HMD之另一重要組件為光學元件(210a；210b)，光學元件(210a；210b)實際上將顯示器上之影像轉換為可由人眼觀賞之影像。現將描述可根據本發明之各種實施例使用之各種光學配置的簡明概述。
非球面光學配置包括各種類型之稜鏡及/或透鏡配置。圖5A至圖5C展示可用於根據本發明之各種實施例之HMD中的非球面光學配置之一些實例。圖5A展示沿共同軸線配置之一組透鏡的同軸配置，且圖5B展示凹面鏡配置。此等配置之基本功能為放大微型顯示影像且在對於典型眼睛視覺而言舒適之焦點處呈現此影像。人類視覺通常不可聚焦於比10吋近之處。在HMD應用中，顯示器係置放於與眼睛緊接之處，且因此需要此等光學系統。同軸透鏡系統基本上使入射光(影像)彎曲。凹面鏡配置與同軸配置非常類似，但其亦摺疊光徑以創建虛擬的光學觀賞距離(亦即，經由若干面鏡來投影驗光室中之觀賞圖以模擬20 m的長度，儘管該驗光室小得多)。同軸光學元件通常為簡單且成本較低的。不幸的是，存在關於同軸光學元件與所需影像大小成比例之大小、球體偏差、HMD之龐大配置及小的眼睛動作區的問題。
圖5C展示自由形狀之稜鏡配置，其中來自顯示器之影像被重導向並放大。此配置提供大的視野且與廣泛種類之顯示設備相容，然而此配置可能比本文中所描述之其他光學配置稍大。
繞射光學配置包括可使光彎曲及展開之各種類型的配置。圖6A至圖6C展示可用於根據本發明之各種實施例之HMD中的繞射光學配置之一些實例。圖6A展示光導式光學元件(LOE)，其可由平面透明玻璃或塑膠製成。LOE組態增加了給定影像之眼睛動作區且可被製成與約2 mm一樣薄。LOE為可透視的且提供大的視野(高達約40度)，且亦可封裝於較大透鏡中(若需要)。LOE可與LCD及LCoS顯示器一起使用。
圖6B展示雙筒光導式光學元件(BLOE)，其可由平面透明玻璃或塑膠製成。在BLOE組態中，將居中的輸入影像導向至雙筒影像。正如圖6A中之LOE一樣，BLOE可被製成薄的，通常約3 mm厚，且為可透視的。BLOE可與LCD及OLED顯示器一起使用。BLOE與LOE相比之優點為，兩個影像之間的對準在BLOE設計中為固有的。左側及右側應與眼睛對準，否則其可能會引起使用者之身體不適。
圖6C展示楔形顯示器。影像進入楔形光學元件之邊緣，且在其被顯示給使用者之眼睛前傳播穿過擴展區域。楔形顯示器之厚度可為與約2 mm一樣小且其大小可為非常大(到目前為止已製造高達50吋之原型)。楔形顯示器亦有可能用於摺疊設計中，此情形與其他光學配置相比可節省空間，且其接受廣泛種類之顯示器類型。此技術已主要集中於螢幕顯示器(諸如電腦監視器及TV)，但亦可用於HMD中之顯示器螢幕中(楔形顯示器尚未用於HMD應用中)。
圖7展示可用於根據本發明之各種實施例之HMD中的MEM/雷射系統之示意圖。MEM/雷射系統使用具有單一或雙MEM設備之紅光、綠光及藍光雷射來產生光柵掃描影像。目前，水平掃描速率為約31 kHz且垂直掃描速率在約0至400 Hz之範圍中。當然，此等參數將隨著新類型之MEM元件及雷射變得可用而改變。MEM雷射系統之一優點為，其具有一無限焦距。此意謂，吾人可在任何距離處在平坦表面上創建影像，且該影像將為清晰聚焦的。不幸的是，影像之亮度可為有限的(隨著表面越遠，影像變得越模糊)。
上文所描述之各種實施例係集中於使用兩個顯示器之組態。然而，亦有可能使用由周邊光元件環繞之單一顯示器。或者，可提供光學元件，該光學元件以適當放大率將此單一影像及來自周邊光元件之光分割成待顯示於使用者之每一眼睛前的右側影像及左側影像。
在一些實施例中，顯示器大小大於習知HMD顯示器大小，且填滿使用者之視野的一較大部分，從而減少上文所描述之"箱效應"或"隧道效應"。亦可移動兩個顯示器使其分離較遠，以填滿使用者之周邊視覺的一較大部分，且可將稍微不同的影像顯示於顯示器上以達成類立體鏡效應。此組態可進一步增強使用者之觀影經驗，因為顯示器佔用使用者之周邊視覺的一較大部分。此組態描述於與本申請案同時申請之同在申請中的標題為"Enhanced Image Display in Head Mounted Displays"之美國專利申請案，其代理人案號為APL1499/P4248US1中，該案之全文以引用的方式併入本文中。上文所描述之周邊處理的原理在此等實施例中同等地可行。
在一些實施例中，周邊光元件(206；208)不位於鄰近於其自身顯示器之處，而是位於沿在顯示器(202；204)與使用者之眼睛(212a；212b)之間的光路的某處。精確位置將視HMD之特定光學配置而定，但周邊顯示元件之操作原理及作用與周邊光元件(206；208)位於鄰近於顯示器(202；204)之周邊之處的情況下相同。
在一些實施例中，上文所描述之HMD亦可配備有音訊系統，諸如一套頭戴式耳機或某一其他類型之音訊設備。此將允許使用者基本上在任何地方觀看劇情片及/或記錄片，且無須擔心習知問題，諸如螢幕眩光等等。此外，使用根據本發明之各種實施例之HMD來觀看電影的使用者體驗可與使用者在電影院中所體驗的一樣好，或甚至比其更好。
本發明可以數位電子電路，或以電腦硬體、韌體、軟體或其組合來實施。本發明之裝置可以電腦程式產品來實施，該電腦程式產品有形地體現為由可程式化處理器執行之機器可讀儲存設備；且本發明之方法步驟可由可程式化處理器執行，該可程式化處理器執行指令程式，以藉由對輸入資料進行操作且產生輸出來執行本發明之功能。本發明可有利地以可於可程式化系統上執行之一或多個電腦程式來實施，該可程式化系統包括至少一可程式化處理器，其經耦接以自資料儲存系統、至少一輸入設備及至少一輸出設備接收資料及指令，且將資料及指令傳輸至資料儲存系統、至少一輸入設備及至少一輸出設備。每一電腦程式可以高階程序性或物件導向式程式化語言來實施，或必要時以組合或機器語言來實施；且在任何狀況下，該語言可為編譯或解譯語言。舉例而言，適合之處理器包括通用微處理器與專用微處理器。通常，處理器將自唯讀記憶體及/或隨機存取記憶體接收指令及資料。通常，電腦將包括用於儲存資料檔案之一或多個大容量儲存設備；此等設備包括磁碟，諸如內部硬碟及抽取式碟片；磁光碟；及光碟。適合於有形地體現電腦程式指令及資料之儲存設備包括所有形式之非揮發性記憶體，舉例而言，其包括半導體記憶體設備，諸如EPROM、EEPROM及快閃記憶體設備；磁碟，諸如內部硬碟及抽取式碟片；磁光碟；及CD－ROM碟片。上述設備之任一者可由特殊應用積體電路(ASIC)補充或併入特殊應用積體電路(ASIC)中。
為了提供與使用者之互動，可將本發明實施於具有顯示設備(諸如用於向使用者顯示資訊之監視器或LCD螢幕)的電腦系統上。使用者可經由各種輸入設備，諸如鍵盤及指標設備(諸如滑鼠、軌跡球、麥克風、觸控敏感式顯示屏、傳感器讀卡機、讀磁帶機或讀紙帶機、輸入板、鐵筆、語音或手寫識別器)或任何其他熟知之輸入設備(當然，諸如其他組件)將輸入提供至電腦系統。電腦系統可經程式化以提供圖形使用者介面，電腦程式經由該圖形使用者介面與使用者互動。
最後，視情況可使用網路連接將處理器耦接至電腦或電信網路，例如，網際網路網路或企業內部網路網路，處理器在執行上述方法步驟的過程中可經由該網路連接自網路接收資訊，或可將資訊輸出至網路。經常表示為使用處理器所執行之指令之序列的此資訊可(例如)以體現於載波中之電腦資料信號的形式自網路被接收且被輸出至網路。上述設備及材料將為熟習電腦硬體及軟體技術者所熟悉的。
本發明使用各種電腦實施之操作，其涉及儲存於電腦系統中之資料。此等操作包括(但不限於)需要對物理量之物理操縱的操作。通常，但並非一定，此等量呈能夠被儲存、轉移、組合、比較及以其他方式操縱之電信號或磁信號的形式。本文中所描述之形成本發明之部分的操作為有用的機器操作。所執行之操縱經常被明確稱為諸如產生、識別、運作、確定、比較、執行、下載或偵測。主要由於共用之緣故，有時方便的是將此等電信號或磁信號稱為位元、值、元件、變數、字元、資料或其類似物。然而，應記住，所有此等及類似術語應與適當物理量相關聯且僅為應用於此等量之方便標記。
已描述本發明之許多實施例。然而，應瞭解，在不脫離本發明之精神及範疇之情況下可進行各種修改。舉例而言，周邊顯示器可用來創建模糊影像以與主要影像協調。周邊顯示器亦可創建非有效影像，其類似於將以不同方式增強主要影像之框。周邊顯示器亦可創建雖然並非有利，但在技術上增強影像之"抗周邊"影像或顏色。因此，其他實施例在以下申請專利範圍之範疇內。
200．．．頭戴式顯示器(HMD)
202．．．左側顯示器
204．．．右側顯示器
206．．．周邊光元件/較大顯示器
208．．．周邊光元件/較大顯示器
210a．．．光學組件
210b．．．光學組件
212a．．．使用者之眼睛
212b．．．使用者之眼睛
300．．．影像產生系統
306．．．處理器
308．．．記憶體
310．．．傳入之視訊信號/視訊輸入
圖1A至圖1D示意性地展示HMD中之一些例示性顯示組態。
圖2展示根據本發明之一實施例之在具有兩個顯示器之HMD中顯示器及相關聯周邊光元件相對於使用者之眼睛的置放之示意圖。
圖3展示根據本發明之一實施例之HMD影像產生系統的示意圖。
圖4展示根據本發明之一實施例之處理兩個HMD顯示器周圍之周邊區域之過程的流程圖。
圖5A至圖5C展示用於根據本發明之若干實施例之HMD中之非球面光學配置的一些示意圖。
圖6A至圖6C展示用於根據本發明之若干實施例之HMD中之繞射光學配置的一些示意圖。
圖7展示用於根據本發明之若干實施例之HMD中之MEM雷射系統的示意圖。
各種圖式中之相同參考符號指示相同元件。
200．．．頭戴式顯示器(HMD)
202．．．左側顯示器
204．．．右側顯示器
206．．．周邊光元件/較大顯示器
208．．．周邊光元件/較大顯示器
210a．．．光學組件
210b．．．光學組件
212a．．．使用者之眼睛
212b．．．使用者之眼睛

Claims (29)

  1. 一種用於一使用者之頭戴式顯示裝置，其包含：一第一顯示器，其可操作以投影一可由該使用者之第一眼睛觀賞的影像；一第一周邊光元件，其經定位以在與該第一顯示器之周邊緊接之處發射一或多個顏色的光；及一處理器，其可操作以：接收代表一源影像之資料；處理代表該源影像之該資料以產生一用於該第一顯示器之第一影像；決定該第一影像之周邊顏色；藉由導向該第一周邊光元件以在該第一影像之一周邊區域中僅顯示經決定之該等周邊顏色而將該第一影像及經決定之該等周邊顏色結合；以及投影經結合之該影像至該第一顯示器以為該使用者創建一增強之觀影經驗。
  2. 如請求項1之頭戴式顯示裝置，其中該處理器可操作以自一外源接收代表該源影像之資料。
  3. 如請求項2之頭戴式顯示裝置，其中該外源為一攜帶型源且包括一儲存有該源影像之記憶體。
  4. 如請求項1之頭戴式顯示裝置，其進一步包含：一儲存有代表該源影像之該資料的記憶體，該記憶體可操作地耦接至該處理器。
  5. 如請求項1之頭戴式顯示裝置，其中該第一顯示器具有一為16/9之縱橫比。
  6. 如請求項1之頭戴式顯示裝置，其中代表該源影像之該資料及該第一影像為一電影之若干影像框。
  7. 如請求項1之頭戴式顯示裝置，其中該第一影像包括一或多個顏色，且該等周邊顏色對應於該第一影像中之該等顏色的至少一些顏色。
  8. 如請求項7之頭戴式顯示裝置，其中該處理器可操作以：將該第一影像分割成複數個區域；為每一區域確定一主要顏色；且將該等主要顏色包括於該等周邊顏色中。
  9. 如請求項1之頭戴式顯示裝置，其中該第一周邊光元件係選自由發光二極體、電致發光顯示器及有機發光二極體組成之群。
  10. 如請求項1之頭戴式顯示裝置，其中該第一周邊光元件位於與該第一顯示器相距一距離處，且來自該第一周邊光元件之光由光纖或光管傳送至該顯示器之該周邊。
  11. 如請求項1之頭戴式顯示裝置，其進一步包含：一包括一或多個控件之使用者介面，該或該等控件用於提供來自該使用者之若干指令至該處理器，該等指令係關於如何產生該等周邊顏色。
  12. 如請求項1之頭戴式顯示裝置，其進一步包含一位於在該第一周邊光元件與該使用者之該第一眼睛之間的光路中之漫射體，該漫射體可操作以在該光到達該使用者之該第一眼睛前使由該第一周邊光元件發射之光變柔和。
  13. 如請求項1之頭戴式顯示裝置，其進一步包含：一第二顯示器，其可操作以投影一可由該使用者之第二眼睛觀賞的影像；及一第二周邊光元件，其經定位以在與該第二顯示器之周邊緊接之處發射一或多個顏色的光；其中該處理器可進一步操作以：處理代表該源影像之該資料以產生一用於該第二顯示器之第二影像；決定該第二影像之第二周邊顏色；藉由導向該第二周邊光元件以在該第二影像之一周邊區域中僅顯示該等第二周邊顏色而將該第二影像及該等第二周邊顏色結合以形成一第二結合影像；以及投影該第二結合影像至該第二顯示器。
  14. 如請求項13之頭戴式顯示裝置，其中該第一影像及該第二影像係經彼此相對水平平移。
  15. 如請求項13之頭戴式顯示裝置，其中該第一影像與該第二影像相同。
  16. 如請求項13之頭戴式顯示裝置，其中該等周邊顏色與該等第二周邊顏色相同。
  17. 一種在一用於一使用者之頭戴式顯示裝置中投影一源影像之電腦實施方法，該頭戴式顯示裝置具有一可操作以投影一可由該使用者之第一眼睛觀賞之第一影像的第一顯示器及一經定位以在與該第一顯示器之周邊緊接之處發射一或多個顏色之光的第一周邊光元件，該方法包含： 接收代表一源影像之資料；處理代表該源影像之該資料以產生一用於該第一顯示器之第一影像；決定用於該第一影像之周邊顏色；投影經結合之該影像至該第一顯示器；以及使用該第一周邊光元件並協同該第一影像投影該等周邊顏色以為該使用者創建一增強之觀影經驗。
  18. 如請求項17之方法，其中代表該源影像之該資料係儲存於該頭戴式顯示裝置中之一記憶體中，該記憶體可操作地耦接至該處理器。
  19. 如請求項17之方法，其中該第一顯示器具有一為16/9之縱橫比。
  20. 如請求項17之方法，其中該第一影像包括一或多個顏色，且該等周邊顏色對應於該第一影像中之該等顏色的至少一些顏色。
  21. 如請求項17之方法，其中處理包括：將該第一影像分割成複數個區域；為每一區域確定一主要顏色；及將該等主要顏色中之至少一者包括於該等周邊顏色中。
  22. 如請求項17之方法，其中該第一周邊光元件係選自由發光二極體、電致發光顯示器及有機發光二極體組成之群。
  23. 如請求項17之方法，其進一步包含： 提供來自該使用者之關於如何產生該等周邊顏色。
  24. 如請求項17之方法，其進一步包含：在該光到達該使用者之該第一眼睛前使由該第一周邊光元件發射之光擴散。
  25. 如請求項17之方法，其進一步包含：處理代表該源影像之該資料以產生一用於一第二顯示器之第二影像且產生用於第二周邊光元件之第二周邊顏色，該第二顯示器可操作以投影一可由該使用者之第二眼睛觀賞的影像，該第二周邊光元件經定位以在與該第二顯示器之周邊緊接之處發射一或多個顏色的光；將該第二影像導向至該第二顯示器；及將該等第二周邊顏色導向至該第二周邊光元件。
  26. 一種儲存於一機器可讀媒體上之電腦程式產品，其用於在一用於一使用者之頭戴式顯示裝置中投影一源影像，該頭戴式顯示裝置具有一可操作以投影一可由該使用者之第一眼睛觀賞之第一影像的第一顯示器及一經定位以在與該第一顯示器之周邊緊接之處發射一或多個顏色之光的第一周邊光元件，該電腦程式產品包含可操作以使一處理器執行以下動作之若干指令：接收代表一源影像之資料；處理代表該源影像之該資料以產生一用於該第一顯示器之第一影像；決定用於該第一影像之周邊顏色；投影經結合之該影像至該第一顯示器；以及使用該第一周邊光元件並協同該第一影像投影該等周 邊顏色以為該使用者創建一增強之觀影經驗。
  27. 如請求項26之電腦程式產品，其中該第一影像包括一或多個顏色，且該等周邊顏色對應於該第一影像中之該等顏色的至少一些顏色。
  28. 如請求項27之電腦程式產品，其中該等處理指令包括執行以下動作之若干指令：將該第一影像分割成複數個區域；為每一區域確定一主要顏色；及將該等主要顏色包括於該等周邊顏色中。
  29. 如請求項26之電腦程式產品，其進一步包含執行以下動作之若干指令：處理代表該源影像之該資料以產生一用於一第二顯示器之第二影像且產生用於一第二周邊光元件之第二周邊顏色，該第二顯示器可操作以投影一可由該使用者之一第二眼睛觀賞的影像，該第二周邊光元件經定位以在與該第二顯示器之周邊緊接之處發射一或多個顏色的光；將該第二影像導向至該第二顯示器；及將該等第二周邊顏色導向至該第二周邊光元件。
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