生成三維物體重建的頭戴式顯示裝置的製作方法

2023-05-12 08:41:26 1

專利名稱：生成三維物體重建的頭戴式顯示裝置的製作方法
示裝置
本發明涉及一種用於生成三維視圖(物體和場景)重建的頭戴式顯示 裝置，其包含類似頭盔或護目鏡的頭戴裝置，具有至少一個前部和兩個隔 開一定距離設置的側部，其中前部相對於眼睛的位置。
GB1505873號專利文件介紹了一種頭盔式光學顯示裝置，用於給配戴 它的觀察者進行可視化呈像，在頭盔的前部觀察者的視野之內裝有反射目 鏡，常規生成的全息圖在目鏡上形成或者由目鏡傳送。重建光源可以被放 在頭盔的任何一個側部，並與反射的全息圖間隔一定距離，該距離使得如 果全息圖被照亮，其上的圖像只會在觀察者視野裡重建成小視圖。這種結 構的一個問題是可視化的重建僅僅局限於小幅視圖，因此頭盔式光學顯
示裝置不能用於大型物體的編碼和可視化，更別提電影場景了。
US5257094號專利文件介紹了一種頭盔式顯示裝置，該裝置包含光學 元件如反射鏡和光束分離器，以及前部的全息元件，目的在於提高來自側 部的兩個微型陰極射線管的外部提供的量和附加的顯示信息的通透性。該 顯示裝置還包含組合的聚焦透鏡。在微型陰極射線管的信息顯示屏幕和相 應觀察者瞳孔之間的光學鏈路設計成使包括顯示裝置在內的頭戴裝置的 重量減輕。
該裝置的問題之一在於，儘管已經努力減少安裝在頭部裝置上的顯示 裝置組件的重量，但由於頭戴裝置總體仍然很重，觀察者必須在頭部承受 相當重的負載。顯示裝置受到預製的光學和全息組件的給定結構的限制。
US4933755號專利文件介紹了一種頭戴式立體顯示裝置，該裝置將 左、右立體圖像分別為左眼和右眼在液晶顯示器上成像。從而可以觀看立 體視頻影像，而不產生在直視顯示器中常見的左右眼圖像的光學分離問 題。
7此外，US6674493號專利文件介紹了一種頭戴式顯示裝置，該裝置為 雙眼提供普通的液晶顯示器，通過有源式光束分離器持續不斷地為雙眼呈 現立體圖像。
立體的頭戴式顯示裝置的問題之一在於，儘管它們能夠生成立體圖 像，但該立體圖像卻展現了立體圖像生成的全部缺點，特別是眼睛對深維 度物體的適應性調節缺失的可能性，如在全息顯示裝置中顯示的，其中三 維物體的重建是基於計算機生成的視頻全息圖。
此外，DE102004063838A1號專利文件介紹了一種用於計算由計算 機生成的視頻全息圖的方法和裝置，其中在光調製器上編碼的全息圖的重 建可以從觀察者窗口中看到，在這些觀察者窗口中存在某些與將被真正的 三維場景投射到相同位置的光相同的復振幅和相位分布。觀察者通過觀察 者窗口觀看三維場景的重建，通常有兩個分離的觀察者窗口， 一個用於左 眼， 一個用於右眼。
觀察者窗口中波陣面的計算實際上通過以下步驟來完成在平截面、 即一個平截面狀的空間中將三維場景切片成剖面，通過轉換計算從這些平 面到觀察平面的光傳播，並把它們在觀察者窗口中加起來。觀察者窗口的 尺寸可以限制在一隻眼或一隻眼瞳孔的大小。
在重建期間，對於使某一三維視圖(物體和/或場景)在觀察者窗口中 可見而言是必需的波陣面，可以通過兩種不同的方式生成第一，通過編 碼光調製器中三維視圖的複雜波陣面直接生成，其中光調製器位於觀察面 外，並被投射到各自的觀察者窗口，或者，第二，通過將三維視圖的複雜 波陣面的轉換編碼為光調製器上的全息圖，並將複雜波陣面逆轉換到各自 的觀察者窗口中間接生成，其中光調製器仍然在觀察面以外。
在兩種情況下，在光調製器上編碼的信息都通過光學系統投射或逆轉 換到觀察者窗口，光學系統指屏幕。通常，希望實現儘可能大的屏幕區域， 如20英寸或更大，以及觀察者距離，就像桌面顯示器或電視機一樣。在 該區域要麼生成在光調製器上編碼的複雜波陣面的轉換，如前一種情況， 要麼生成光調製器上編碼的全息圖的擴大圖像，如後一種情況，在兩種情況下，平截面都由觀看屏幕表面的觀察者的視角所定。觀察 者離屏幕表面的距離就像使用桌面顯示器和電視機的距離。在兩種全息圖 直視顯示器中，觀察者都可以相對於屏幕表面移動，都可以從不同的位置 觀看三維視圖的重建。
已知的全息圖直視顯示器具有例如以下問題要求觀察者窗口的位置 隨著觀察者的移動而改變，即必須追蹤觀察者窗口，並為此提供一切必要 的設備，如檢測瞳孔位置的組件和追蹤觀察者窗口的光學器件。此外，還 要有一個大的屏幕區域，這使得全息圖顯示裝置的製造相對複雜和昂貴。
因此，本發明的目的在於提供一種用於生成三維視圖重建的頭戴式顯 示裝置，上述頭戴式顯示裝置被設計得更容易生產，也更便宜。
發明目的藉助於權利要求1的特徵得以實現。
根據權利要求1，用於生成三維視圖重建的頭戴式顯示裝置包含類似 頭盜或護目鏡的框架，該框架至少有一個前部和間隔一定距離設置的兩個 側部，其中前部相對於眼睛的位置，設計有至少一個光源、至少一個光學 系統、以及至少一個能被編碼的光調製器，編碼面帶有三維視圖波陣面編 碼的光調製器位於觀察平面的限定的觀察者窗口的位置，或者編碼面帶有 三維視圖波陣面的全息圖編碼的光調製器位於靠近觀察者窗口前面的區 域，以便將全息圖轉換到觀察者窗口，使得其尺寸至少要與各眼睛的瞳孔 移動範圍的一部分相符，光調製器與編碼裝置相連，用來由三維視圖為編 碼面計算波陣面或全息圖，光調製器可以直接被編碼，這樣如果光調製器 被照亮，觀察者窗口就會出現三維視圖的複雜波陣面,在重建平截面中可看 到三維視圖的重建,其伸展在觀察者窗口和光調製器之間，根據觀察者窗口 的大小，至少有一個元件可以放在觀察平面的附近用於抑制兩眼之間偏光 的串擾。
這裡，"視圖(representation)"是一個集合術語，包括真實環境、影 片、視頻錄像中處於靜止位置和移動狀態的空間物體和空間場景。
光調製器的編碼面置於觀察平面的觀察者窗口中，其可以用包含振幅 和相位的波陣面的復值來編碼，或者使用源自編碼裝置提供的復值的值來
9編碼，其中， 一個光調製器被直接放在左眼的觀察者窗口裡或觀察者窗口 前，另一個光調製器被直接放在右眼的觀察者窗口裡或觀察者窗口前。
為了對觀察者窗口的波陣面的復值進行編碼，可以提供調幅光調製器 和/或調相光調製器的組合，其通過光束分離器相連或者通過一個光調製器 投射到另外一個光調製器的方式相連。
調幅光調製器可以例如置於觀察者窗口附近區域的觀察平面外，與調 幅光調製器的調製圖像重疊的調相光調製器可以直接放在觀察平面，其 中，調幅光調製器的編碼面藉助於光學投射系統被投射到相應的調相光調 制器作為調製圖像。
另一方面，調幅光調製器和調相光調製器也可以相反放置。
光調製器的編碼面可以被定義為其大小與眼睛瞳孔的整個移動範圍 相一致，以便當瞳孔移動時三維視圖的重建持續可見。
光調製器的編碼面最好可以和瞳孔表面積大小相同。
光調製器可選擇地具有連續的或像素化的編碼面，像素是振幅和/或相 位可被編碼的面積單位。
如果在光學部分只使用一個光調製器，就將光調製器置於橫跨中心軸 的位置，光源和光學系統置於該光調製器之前，光調製器後面放置著光束 分離器和兩個反射鏡，兩個反射鏡等距放在光束分離器的兩側並且相對於 瞳孔的中軸傾斜，位於觀察平面前，藉助於光學系統和光束分離器，光調 制器的編碼面被轉換到兩個觀察者窗口，轉換裝置置於光路上，上述轉換 裝置以給定頻率交替地將交替出現在光調製器的編碼面的複雜信息轉換 到左右觀察者窗口。
轉換裝置可以設計為用於光束的偏轉裝置的形式，由編碼裝置通過頻 率控制。
轉換裝置可以位於未分離的光路或分離的光路上。
在光路中有至少一個光源、至少一個光調製器、照明光學系統形式 的光學系統、以及隨著觀察者窗口中波陣面的生成，可以至少有一個作為孔徑光闌的元件或組件，用於在兩眼之間阻隔衍射幹擾從而防止串擾。
無源或有源光學元件形式的角度感應元件置於光調製器和眼睛之間， 上述元件只讓由光調製器發射進一個小角度的光通過。
根據本發明，如果第二顯示裝置的光學部分使用了兩個光調製器，就 可以放置過濾單元或者孔徑光闌，其一方面在一個光調製器和一個觀察者 窗口之間，另一方面在另一個光調製器和另一個觀察者窗口之間，提供一 種具有短焦距鏡頭的緊湊設計。
編碼裝置可以至少包含計算裝置和存儲體以及編程工具，用於執行光 調製器編碼面的個體像素編碼信息的計算。
用於一隻眼或雙眼的光調製器和至少一個光源相連，以將充分相干光 導向光調製器。如果希望對顏色進行重建，光源可包含三個子光源，分別 發出綠色、紅色、藍色光譜，可通過時分多路的方式可選擇地進行組合。
框架可以包含至少一個支承元件。透射和反射光學部分可以置於前 部，使用組件將光學部分牢固固定在框架上，主要是使用機械構件和支承 元件。
框架可以選擇頭盔、護目鏡或者安裝有少量至少用於光學部分的部件 的支承裝置，顯示裝置可選擇護目鏡的形式(在面部戴的顯示器)、或是 由頭盔以穩固的固定形式支承(頭盔式顯示器)、或者以移動的方式與頭 盔和/或觀察者的頭部穩固相連(頭戴式顯示器)。
可以在光調製器和至少一個的框架支承元件之間設置調整裝置，可以 在光調製器和相應的光源之間設置鎖定裝置，藉助調整裝置和鎖定裝置， 光調製器和帶有光源以及光學系統的相應光學部分相對於觀察平面和/或 顯示裝置的中軸以及與顯示裝置的中軸線平行的瞳孔中軸線可調整和可 鎖定。
在調整裝置、鎖定裝置、光學部分和支承元件之間，主要使用機械聯 接來調整它們的位置，光源和光調製器通過電連接線纜與編碼裝置和供電 裝置連接。如果觀察者將根據本發明的頭戴式顯示裝置穩固地戴在頭上，諸如檢 測頭部和眼睛實際位置以及在觀察平面追蹤觀察者窗口的一些複雜裝置 會變得多餘，因為頭戴式顯示裝置會隨著觀察者的移動而自動移動，其相 對於眼睛的位置也會始終保持一致。
不過，對觀察者的移動做出反應也是可能的，比如在框架上安裝的至 少一個的傳感器，檢測頭部的移動，產生的信號被傳送給編碼裝置，於是 在光調製器中對修改後的內容進行編碼。在框架區域裡，就可以有至少一 個傳感器，其在觀察者移動頭部時根據其視角的改變發送信號給編碼裝 置，以便修改編碼光調製器的信息。
框架可以選擇結合至少一個音頻信號裝置，音頻信號的輸出和在各自 的光調製器中波陣面的編碼同步轉換。
根據本發明的第二顯示裝置中，在光調製器上編碼的全息圖的計算類 似於先前技術文檔或以前專利申請中所描述的方式執行一利用截面、剖 面、轉換到觀察者窗口和調製器平面一但與這些描述相反的是，其被設計 成適合頭戴式顯示器或靠近眼睛的顯示裝置，即在光調製器和觀察者眼睛 之間只有非常小的距離。
在顯示裝置中，不僅有上述全息圖計算的優點，即與公知的全息圖顯 示裝置相比，將觀察者窗口限制到一隻眼睛使得對光調製器的解析度的要 求很低，而且其光學裝置僅包含少數幾個小組件，相對簡單。
根據本發明，在對波陣面和全息圖使用的計算和編碼方法中，主要有 兩種頭戴式顯示裝置
在第一頭戴式顯示裝置中，將光調製器直接設置在觀察平面裡，或者 通過很短的距離，通常是幾釐米，把光調製器投射到觀察平面。觀察者窗 口中波陣面的復值通過編碼裝置直接寫入光調製器的編碼面。這種情況下 不需要額外的向觀察平面中的轉換。
與此相反，第二頭戴式顯示裝置中，作為全息圖被編碼的波陣面的復 值，從光調製器的平面被轉換到觀察平面，光調製器與觀察平面間隔一小 段距離設置，最好是幾釐米。此外，在計算全息圖時還可以結合一些其他已知方法，比如為共用平 面上重建的每一點直接計算子全息圖的方法，再比如還可以使用査找表， 所有子全息圖被加起來以便創建一個匯總的全息圖。
對光調製器的編碼面來說，可以執行子全息圖的計算。不過，同樣可 以在不同的平面上執行計算，然後將所有子全息圖加起來轉換到各自光調 制器的編碼面。如果單個子全息圖典型地都在光調製器的編碼面佔用大量 區域，可能會使計算變得複雜，但如果單個子全息圖在不同的平面更小， 會使計算更簡單。
以下藉助一些實施例和附圖對本發明做更詳細的說明，其中


圖1為俯視圖，示意性表示根據本發明的第一頭戴式顯示裝置，其帶 有兩個光調製器，設置在觀察平面的觀察者窗口中，緊貼在瞳孔的前面；
圖2示意性表示根據圖1的顯示器裝置的光學部分，調相光調製器設 置在觀察平面的每個觀察者窗口的瞳孔前方，調幅調製器設置在觀察者窗 口前面區域裡，並被投射到相應的調相光調製器上；
圖3示意性表示根據圖1的光調製器裝置，有兩個光調製器，設置在 觀察平面的觀察者窗口，緊貼在瞳孔前面，與瞳孔大小相同；
圖4示意性表示根據圖1光學部分的光調製器裝置，有兩個光調製 器，設置在觀察平面的觀察者窗口裡，緊貼瞳孔的前面，在每一個光調製 器和瞳孔之間有角度選擇元件；
圖5示意性表示根據本發明的第二種頭戴式顯示裝置，減少到只剩光 學部分，有兩個光調製器，設置在靠近觀察者窗口前部的區域，但在觀察 平面的外面，用來防止偏光串擾的孔徑光闌設置在光調製器和瞳孔之間區 域中的兩條平行光路之間，且與光路平行；
圖6示意性表示根據圖5所示的原理帶有光調製器並帶有光源及光 束分離器的前面部分，光調製器位於靠近觀察者窗口的區域觀察面外，光 束分離器用於將光調製器交替投射到觀察者窗口 ；
圖7表示一個平截面，在用不同大小不同距離的光調製器將三維物體
13圖像可視化到觀察者窗口時從觀察者窗口伸展；
圖8表示來自於兩個觀察者窗口的用於雙眼的兩個略微不同的平截 面，上述平截面偏離瞳孔中軸，用於一個到觀察者距離不同的共用光調製明.
益；
圖9表示的平截面，在靠近每隻眼前部的每個區域使用分離的小的光 調製器，相同的三維物體視圖為每隻眼得到了相同的平截面，如同使用遠 距離的單個大的光調製器一樣，如圖7或8所示。
圖1示意性表示根據本發明的用於生成三維視圖重建的第一頭戴式顯 示裝置l，上述裝置包含類似頭盔或護目鏡的框架2，其至少有一個前部3 和兩個間隔一定距離設置的側部5、 6，前部3與眼睛的位置7、 8相關， 框架2包含多個支承元件9、 10、 11。
根據本發明，前部3至少要設計兩個光源13、 14，兩個相應的光學系 統12、 15和兩個可使用復值信息編碼的光調製器16、 17，如圖1所示， 光調製器16、 17位於限定的觀察者窗口 18、 19的位置上，或者如圖2所 示處於靠近觀察者窗口 18、19前面的區域中以便於投射到觀察者窗口 18、 19，觀察者窗口 18、 19限定為其大小至少要與兩眼7、 8的瞳孔20、 21 的移動範圍相應，光調製器16、 17與編碼裝置26相連，三維視圖的波陣 面在編碼裝置26中計算，光調製器16、 17可以用波陣面加以編碼，從而 在觀察者窗口 18、 19中有用於視覺重建的復波陣面。
調整裝置22、 23可以各位於框架2的光調製器16、 17和支承元件9、 10、 11之間，鎖定裝置24、 25可以各位於光調製器16、 17和光源13、 14之間。
藉助於調整裝置22、 23和鎖定裝置24、 25，光調製器16、 17和光源 13、 14以及光學系統12、 15可以相對於觀察平面4和/或顯示裝置的中軸 線28及與之平行的瞳孔的中軸線29、 30調整和鎖定。
一方面調整裝置22、 23和鎖定裝置24、 25與另一方面光學系統12、 15和支承元件9、 10、 11之間有一些主要是機械的連接構件(用實線表示)， 同時光源13、 14和光調製器16、 17與編碼裝置26及供電裝置27通過電連接線纜連接(用虛線表示)。
編碼裝置26至少包含計算裝置、存儲體、編程部件，用以計算用於 編碼相應光調製器16、 17的編碼面的各個像素的信息。
如圖1所示，在根據本發明的第一顯示裝置1中，光調製器16、 17 位於觀察平面4的觀察者窗口 18、 19中。來自編碼設備26的波陣面的復 值可以被寫入兩個光調製器16、 17的編碼面中，第一光調製器16直接置 於第一觀察者窗口 18中用於左眼7，第二光調製器17直接置於第二觀察 者窗口 19中用於右眼8。
為了對波陣面的復值進行編碼，可以提供調幅和/或調相光調製器的組 合，其通過例如光束分離器或通過一個光調製器在另一個光調製器上的投 射相連。不過，這取決於編碼裝置26中對現有編程手段所期望的利用以 及顯示裝置1的光學部分的設計。
例如，如圖2所示，藉助於光學系統46、 47，調幅光調製器31、 32 可被投射到調相光調製器33、 34上，調相光調製器33、 34直接置於觀察 面4中，調幅光調製器31、 32的調製圖像35\ 36、同樣也置於觀察面4 中。調幅光調製器31、 32的編碼面35、 36置於靠近觀察者窗口 18、 19 的區域中，但在觀察平面4以外。調幅光調製器31、 32的編碼面35、 36 通過相應光學照明系統58、 59被光源13、 14照亮。
如果不能使用可以完全寫入復值的光調製器或者光調製器的組合，也 可以使用近似的方式重建波陣面的復值，例如，可以通過可以寫入到相位 調製器中的單純的相位分布。這會在觀察者窗口 18、 19的實際值與理想 值之間產生偏差，特別是與全息圖編碼一起時，這會導致重建出錯。結合 優化這種編碼過程的方法，即，在相位全息圖中常見的實用方法，如迭代 法，就有可能實現修正。
用於兩眼7、 8的光調製器16、 17， 31、 32， 33、 34由充分相干光照 亮。雷射束由光學照明系統58、 59加寬到光調製器16、 17， 31、 32， 33、
34的尺寸可作為例證。藉助於如紅、綠、藍光源的時分多路復用的通用方 法還可以實現彩色重建。用於眼睛7、 8的光學部件可以主要包含，光源
1513、 14，光投射系統12、 15,光調製器16、 17，光源13、 14的每一個都 可以包含三個子光源，比如LEDs，以便能夠實現彩色的重建。
此外，根據本發明既可以製成透視式顯示裝置也能製成反射式顯示裝 置。藉助於機械構件-支承構件9、 10、 11，帶有很少組件的這種裝置可以 牢固的安裝在如頭盔或護目鏡的框架上、觀察者的頭部、或緊固的安裝框 架。光調製器16、 17的尺寸以及觀察者窗口 18、 19的尺寸最好要能覆蓋 眼睛7、 8的瞳孔20、 21的整個移動範圍，以便在瞳孔20、 21移動時也 能連貫地看到圖像重建。
根據本發明的第一顯示裝置的另一個實施例，如圖3所示，光調製器 16、 17可以有像瞳孔20、 21面積一樣大小的編碼面，其中瞳孔20、 21 也有一定的移動，觀察者通過各自的光調製器16、 17觀看，不會看到三 維視圖的任何重建。
圖5表示根據本發明的用於生成三維物體和場景重建的第二顯示裝置 40，上述顯示裝置減少到只有光學部分，包含類似於頭盔或護目鏡的框架， 至少帶有一個前部和間隔一定距離的兩個側部，前部相對於眼睛的位置， 與本發明的第一顯示裝置1類似。
相應的前部3設計成有兩個光源13、 14，兩個光學系統43、 44和可 以使用復值信息編碼的兩個光調製器41、 42，光調製器41、 42位於觀察 面4的外部、靠近觀察者窗口 18、 19的前方，觀察者窗口被限定大小以 便至少與各自眼睛7、 8的瞳孔20、 21的移動範圍的一部分相符，光調製 器41、 42與由三維視圖計算波陣面的編碼裝置26相連，光調製器41、 42 可以用這些波陣面的全息圖編碼，通過光學系統43、 44把全息圖轉換到 相應的觀察者窗口18、 19中，以便在觀察者窗口18、 19中有用於可視化 的復值波陣面。
帶有可選的支承元件9、 10、 ll和調整裝置、鎖定裝置和供電裝置57 的機械框架2可以設計成與根據本發明的第一顯示裝置1類似。
如DE102004063838A1號專利文件所述，在編碼裝置26中計算全息 圖，在觀察平面4中進行從三維視圖到剖面的轉換和部分波陣面的加和。如果光調製器位於觀察平面4以外，並且波陣面被編碼為全息圖，則只需 對加和的波陣面從觀察平面4到光調製器16、 17的平面進行轉換。
通過觀察者窗口 18、 19觀看的觀察者在由平截面60限定的區域中看 到三維視圖-場景-的重建，如圖7所示，其中該平截面60的頂角取決於光 調製器的像素間距。
現在，為把本發明的裝置與以前專利申請的裝置相比較，給出下面的 數字實例比如，直視顯示裝置的特點是其顯示區域為430x320mm2,像 素間距為207Pm，這裡全部像素都用作編碼複數，每行2048個像素。該 裝置在2m遠處產生約6mm寬的觀察者窗口
相反，根據本發明，如果一個寬6mm同樣有2048個像素(即像素間 距為3 Pm)的小光調製器安放在顯示裝置的觀察者窗口中，則在相干照射 下將在2米遠創建一個430 mm寬的衍射級。於是相同的平截面60在衍 射圖像和觀察者窗口之間伸展。這意味著，創建了相同的可視重建空間， 就像帶有大的屏幕區域的直視顯示裝置中創建的一樣。其中衍射級的邊緣 角度僅有幾度。
如果像素化的光調製器被用於編碼，會導致更高的衍射級。如果不採 取抑制更高衍射級的措施，平截面的旁邊會出現更高衍射形式的整個平截 面的大角度重影。這意味將會發生周期性的持續重建，但卻與理想的重建 在空間上是分離的。如果物體重建的頻率範圍相應有限，就會連著幾次感 覺到擴展的重建場景，但重建的單個重複空間上並不重疊。
根據本發明，有以下多種措施用於抑制高衍射級
在如圖4所示的顯示裝置的部分裡，例如是薄片狀的角度感應元件 37、 38置於觀察者窗口18、 19裡的光調製器16、 17和眼睛7、 8之間， 上述角度感應元件只允許從光調製器16、 17小角度射出的光通過，而大 角度射出的光到不了眼睛7、 8中。圖4所示裝置的優點是很緊湊。
在圖5所示的光學部分，光調製器41、 42自身置於觀察者窗口 18、 19之外，光學系統43、 44把光調製器41、 42轉換到觀察者窗口 18、 19 中。過濾單元，比如4-f系統(未顯示)或如圖5顯示的孔徑光闌45，置於光調製器16、 17和觀察者窗口 18、 19之間，用來避免觀察者兩眼7、 8 之間的串擾。該裝置設計緊湊，使用短焦距的透鏡，以便能夠將顯示裝置 40安裝到例如頭盔的框架上，或是像護目鏡戴在觀察者的頭上。
根據本發明，如圖5所示，在第二頭戴式顯示裝置40的第一實施例 中，光調製器41、 42置於觀察者的眼睛7、 8附近、觀察平面4以外，如 果採用相應代碼，光調製器41、 42也能被投射到觀察者窗口 18、 19中。
圖6表示根據本發明的第二頭戴式顯示裝置50的第二實施例，只使 用了一個可編碼的光調製器，置於橫跨顯示裝置中心軸28方向的位置。 光源13和光學系統53置於光調製器52的前面。隨後放置光分束器54和 兩個反射鏡，兩個反射鏡在光束分離器兩邊等距放置，位於觀察平面4的 前面，且相對於瞳孔的中軸線29、 30傾斜。光調製器52的編碼面通過光 分束器54轉換到觀察者窗口 18、 19中。同樣也可以藉助於隨後的光學系 統(未顯示)把光調製器52投射到觀察者窗口 18、 19中。不過，只有轉 換裝置57根據左右眼7、 8提供對應於光調製器52上的交互碼的波陣面 時，該顯示裝置才會啟用。
轉換裝置57可設計成光束偏轉裝置的形式，由編碼裝置26通過頻率 控制，置於未分束光路或已分束的光路上。
現在，討論光調製器位置的可伸縮性。
參考圖7、 8和9，如果平截面從觀察者窗口向屏幕表面伸展，且一直 持續至超出顯示器，如DE102004063838A1號專利文件的例子所描述的， 並且如果觀察者窗口位於顯示器前的中間，對於20英寸的屏幕區域和2 米的觀察距離、10英尺的屏幕區域和1米的觀察距離、5英尺的屏幕區域 和半米的觀察距離、都會創建相同的平截面60，以上假設光調製器解析度 相同，即像素大小隨光調製器到觀察者的距離按比例相異。
在上述情況下，光調製器可對相同的三維視圖編碼。從三維視圖到剖 面以及到觀察者窗口的波陣面的復值計算是相同的。在觀察者窗口中也提 供相同的波陣面復值。唯一的不同是從觀察者窗口到光調製器的轉換的計 算，根據距離使用不同的相位因子，不同的復值從而在光調製器上編碼。或者，比如也可以直接計算並隨後從一個屏幕區域到另一個進行全息
圖的轉換，例如，從對於20英寸的屏幕和距觀察者兩米距離計算的全息 圖到IO英寸的屏幕和距觀察者一米的全息圖。
這個說明並不適用於高精度，如果使用單個光調製器，為左眼和右眼 創建兩個不同的觀察者窗口，它們分別都相對於屏幕表面的中心位置置於 離左眼和右眼中間一半的距離上(參照圖8)。如果在每隻眼睛前面都使用 獨立的光調製器，如圖9所示，每隻眼睛可以得到相同的平截面，就像只 使用一個光調製器一樣。
平截面的各個形式如圖7、 8、 9所示。
圖7表示三維視圖的可視化期間來自觀察者窗口的平截面60，使用不 同大小、與觀察者窗口 18的距離也不相同的光調製器52、，52",52"、。
圖8表示伸展自針對兩眼7、8的兩個觀察者窗口 18、 19的平截面62、 63，具有用於通用的光調製器52、，52",52"、的瞳孔中軸29、 30，上述通
用的光調製器以距觀察者不同的距離置於中軸線上，用於三維視圖的重建 61的可視化。
圖9表示兩個獨立的小光調製器41、 42，其分別置於靠近眼睛7、 8 前面的區域裡，對三維視圖的相同三維重建61為各個眼睛7、 8得到相同 的平截面60、 63，類似於如圖7或8所示的使用單個大光調製器52、、、 在較遠距離得到的平截面。
使用小的光調製器可以實現這個裝置，比如LCoS，小光調製器31、 32， 33、 34， 41、 42， 52置於離觀察平面4較近的距離內。
不同於上述圖l至4所提及的，光調製器16、 17置於觀察平面4中， 或是被投射到觀察平面4中。圖9中光調製器的編碼面位於觀察者附近， 但在觀察平面4以外。在這種結構下，在觀察面4中會連著產生多個衍射 級。如果觀察者窗口 18、 19比瞳孔20、 21大，觀察者就看不到任何周期 性持續。
觀察者窗口 18、 19的大小最好與眼睛7、 8的瞳孔20、 21的移動範 圍的大小相適應，以便如果觀察者的瞳孔移動時他也能保持在觀察者窗口18、 19中。
如果在屏幕表面和觀察者窗口 18、 19之間存在小段距離，則可以再 次對左眼和右眼分別使用不同的光調製器，在中間位置有相對於眼睛7、 8 的不同平截面60、 63。
如果左眼7的觀察者窗口 18的較高的衍射級到達右眼8，則只需抑制 較高的衍射級，反之亦然。
在一點上，圖5表示根據本發明的第二顯示裝置40的簡單光學布置， 包含為每個光調製器41、 42所用的光源13、 14，光照明系統43、 44 形式的光學系統，為每隻眼睛7、 8所用的光調製器41、 42，作為阻件的 元件或組件45，用來阻隔兩眼7、 8之間的更高的衍射級的光。阻件45 防止眼睛7、 8感受到各自所用光調製器之外的光調製器的更高的衍射級。 這種阻件45的一種可能實現為孔徑光闌。
如果設計的足夠緊湊，這種顯示裝置40也能被固定裝配到頭盔框架2 中或戴在觀察者頭部的護目鏡框架上。
本發明還可以實現頭戴式顯示裝置的相對簡單的光學配置。而且，與 大型的直視顯示裝置相比，沒有光源陣列，照明不需要的大的透鏡或者透 鏡陣列，對每隻眼睛來說只有單個光源，或者每種顏色一個光源，光調製 器大小的透鏡通常的直徑為0.5英寸到2英寸。這些都很容易製造。
可以毫無困難地使用二維編碼方法，不需要提供立體分離即可為每隻 眼睛提供一個全解析度的光調製器，而這在直視顯示裝置中是必須提供 的，也不需要提供左右全息圖的時分多路復用。
而且也不需要用於追蹤觀察者窗口到改變觀察者方位的複雜昂貴的 組件。
因為光源和光調製器都固定在頭盔或護目鏡框架中，它們與頭部一起 移動，因此不需要改變光源相對於光調製器的位置。因此，在直視顯示裝 置中用於追蹤的光閥顯示器或類似裝置也成了多餘的。這樣也有更強的亮 度效果，於是例如光學投射系統和大的屏幕區域也不需要了。
20如果顯示裝置1、 40、 50安裝在準備放在頭部的框架2或51上，顯 示裝置l、 40、 50相對於眼睛7、 8的位置最好在可視化開始時至少調整 一次。這樣，即便以後頭部會移動，但由於觀察者窗口 18、 19以相同方 式移動，就可以確保眼睛7、 8始終保持在觀察者窗口 18、 19內。因而不 再需要檢測觀察者位置的額外裝置。也沒有了追蹤觀察者位置不準確的困 擾。1第一顯示裝置
2框架
3前部
4觀察平面
5左側部
6右側部
7右眼
8左眼
9第一支承元件
IO第二支承元件
ll第三支承元件
12第一光學系統
13第一光源
14第二光源
15第二光學系統
16第一光調製器
17第二光調製器
18第一觀察者窗口
19第二觀察者窗口
20右眼瞳孔
21左眼瞳孔
22第一調整裝置
23第二調整裝置24第一鎖定裝置
25第二鎖定裝置
26編碼裝置
27供電裝置
28顯示裝置的中心軸
29瞳孔的第一中軸
30瞳孔的第二中軸
31調幅光調製器
32調幅光調製器
33調相光調製器
34調相光調製器
35編碼面
35'調製圖像
36編碼面
36'調製圖像
37角度選擇元件
38角度選擇元件
40第二顯示裝置(第一實施例)
41光調製器
42光調製器
43第三光學系統
44第四光學系統
45孔徑光闌
46第四光學系統47第六光學系統
50第二顯示裝置(第二實施例)
51第二框架
52'光調製器
52"光調製器
52"'光調製器
53第七光學系統
54光束分離器
55第一反射鏡
56第二反射鏡
57轉換裝置
58第一光學照明系統
59第二光學照明系統
60第一平截面
61三維視圖的重建
62第二平截面
63第三平截面
2權利要求
1.用於生成三維視圖重建的頭戴式顯示裝置，包含類似於頭盔或護目鏡的框架，該框架至少有一個前部和兩個間隔一定距離的側部，前部與眼睛位置相關，設計有至少一個光源(13，14)、至少一個光學系統(12，15；46，47)、以及至少一個能被編碼的光調製器(16，17；31，32；33，34；41，42；52)，編碼面帶有三維視圖波陣面編碼的光調製器位於觀察平面(4)的限定的觀察者窗口的位置，或者編碼面帶有三維視圖波陣面的全息圖編碼的光調製器位於靠近觀察者窗口(18、19)前面的區域，以便將全息圖轉換到觀察者窗口，使得其尺寸至少要與各眼睛(7、8)的瞳孔(20、21)移動範圍的一部分相符，光調製器(16，17；31，32；33，34；41，42；52)與編碼裝置(26)相連，用來由三維視圖為編碼面計算波陣面或全息圖，光調製器(16，17；31，32；33，34；41，42；52)可以直接被編碼，這樣如果光調製器(16，17；31，32；33，34；41，42；52)被照亮，觀察者窗口(18、19)就會出現三維視圖的複雜波陣面，在重建平截面(60、63)中可看到三維視圖的重建(61)，其伸展在觀察者窗口(18、19)和光調製器(16，17；31，32；33，34；41，42；52)之間，根據觀察者窗口(18、19)的大小，至少有一個元件(37、38、39)可以放在觀察平面(4)的附近用於抑制兩眼(7、8)之間偏光的串擾。
2. 根據權利要求1所述的顯示裝置，其特徵在於，位於觀察平面(4) 的觀察者窗口 (18、 19)中的光調製器(16、 17)的編碼面可以用包含振 幅和相位的復值編碼，或者用源自編碼裝置(26)提供的這些量的數值編 碼。
3. 根據權利要求1或2所述的顯示裝置，其特徵在於，為了對觀察者 窗口 (18、 19)中波陣面的復值進行編碼，提供調幅光調製器和/或調相光 調製器的組合，其通過光束分離器相連或者通過光調製器(31、 32)投射 到另一個光調製器(33、 34)的方式相連。
4. 根據權利要求3所述的顯示裝置，其特徵在於， 一方面，調幅光調 制器(31、 32)位於靠近觀察者窗口 (18、 19)的區域，但在觀察平面(4) 以外，調相光調製器(33、 34)直接位於觀察平面(4)中，藉助於光學 投射系統(46、 47)，調幅光調製器(31、 32)的編碼面(35、 36)可以被 投射到相應的調相光調製器(33、 34)作為調整圖像(35、、 36、)，或者， 另一方面，調幅光調製器和調相光調製器反過來放置。
5. 根據上述權利要求中的一個所述的顯示裝置，其特徵在於，光調製 器(16、 17)的編碼面的尺寸被限制成與眼睛(7、 8)的瞳孔(20、 21) 的整個移動範圍大小相符。
6. 根據權利要求1至5所述的顯示裝置，其特徵在於，光調製器(16、 17)的編碼面與瞳孔(20、 21)的表面區域的大小相同。
7. 根據權利要求1所述的顯示裝置，其特徵在於，在光學部分使用一 個可編碼的光調製器(52)，上述光調製器(52)置於橫跨中心軸(28) 的位置，光源(13)和光學系統(53)置於該光調製器前面，光調製器後 面放置著光束管理器(54)和兩個反射鏡(55、 56)，兩個反射鏡等距放 在光束分離器的兩側並且相對於瞳孔的中軸(29、 30)傾斜，處於觀察平 面(4)的前面，藉助於光學系統(53)和光束分離器(54)，光調製器(52) 的編碼面被照亮並被轉換到兩個觀察者窗口 (18、 19)，轉換裝置(57) 置於分離的光路上，上述轉換裝置(57)以給定頻率交替地將交替出現在 光調製器的編碼面的複雜信息轉換到左右觀察者窗口 (18、 19)。
8. 根據權利要求7所述的顯示裝置，其特徵在於，轉換裝置(57)設 計為用於光束的偏轉裝置的形式，由編碼裝置(26)通過頻率控制。
9. 根據權利要求8所述的顯示裝置，其特徵在於，轉換裝置(57)位 於未分離的光路或分離的光路上。
10. 根據權利要求1所述的顯示裝置，其特徵在於，在光路中有至少一個光源(13、 14)，至少一個光調製器(41、 42; 52)，照明光學系統(43、 44; 53)，以及隨著觀察者窗口 (18、 19)各自波陣面的生成，還有至少 一個作為孔徑光闌的元件或組件(45)，用於在兩眼(7、 8)之間阻隔衍 射光幹擾。
11. 根據權利要求1所述的顯示裝置，其特徵在於，至少有一個有源 或無源光學元件形式的角度感應元件置於光調製器(16、 17)和眼睛(7、 8)之間，上述元件只讓由光調製器(16、 17)以小角度射出的光通過， 光調製器(16、 17)直接置於觀察者窗口 (18、 19)。
12. 根據權利要求1所述的顯示裝置，其特徵在於，使用兩個光調製 器(41、 42)，過濾單元或孔徑光闌(45) —方面處於一個光調製器(41) 和一個觀察者窗口 (18)之間的光學部分中，另一方面處於另一個光調製 器(42)和另一個觀察者窗口 (19)之間的光學部分中，提供一種具有短 焦距鏡頭的緊湊設計。
13. 根據權利要求1至12所述的顯示裝置，其特徵在於，編碼裝置(26) 至少包含計算裝置、存儲體和編程工具，用於執行用於對各個光調製器(16、 17; 31、 32; 33、 34; 41、 42; 52)的編碼面進行編碼的信息的 計算。
14. 根據上述權利要求中的一項所述的顯示裝置，其特徵在於，光調 制器(16、 17; 31、 32; 33、 34; 41、 42; 53)和至少一個光源(13、 14)相連，該光源將充分相干光導向光調製器(16、 17; 31、 32; 33、 34; 41、 42; 53)。
15. 根據上述權利要求中的一項所述的顯示裝置，其特徵在於，需要 對彩色進行重建，光源(13、 14)包含三個子光源，分別發射綠、紅、藍 色光譜，通過時分多路復用將其組合起來。
16. 根據權利要求1所述的顯示裝置，其特徵在於，框架(2)包含至少一個支承元件(9、 10、 11)。
17. 根據前述的權利要求中的一項所述的顯示裝置，其特徵在於，前 部(3)使用透明的和反射的光學部分，使用機械裝置和支承元件(9、 10、 11)將該光學部分穩固裝配在框架(2、 51)上。
18. 根據權利要求1至17所述的顯示裝置，其特徵在於，框架(2，51) 是頭盔、護目鏡或者安裝有少量至少用於光學部分的部件的支承裝置， 顯示裝置(1、 40、 50)可選擇地具有護目鏡的形式、或是由頭盔支承的 穩固的靜止形式、或者以移動的方式與頭盔和/或觀察者的頭部穩固相連。
19. 根據權利要求16至18所述的顯示裝置，其特徵在於，調整裝置 (22、 23)置於光調製器(16、 17; 31、 32; 33、 34; 41、 42; 52)和框架(2; 51)的至少一個支承元件(9、 10、 11)之間，鎖定裝置(24、 25) 置於光調製器(16、 17)和相應的光源(13、 14)之間，藉助調整裝置(22、 23)和鎖定裝置(24、 25)，光調製器(16、 17; 31、 32; 33、 34; 41、 42;52) 和帶有光源(13、 14)的以及光學系統(12、 15)的相應光學部分相 對於觀察平面(4)和/或顯示裝置的中軸線(28)以及與顯示裝置的中軸線 平行的瞳孔中軸(29、 30)可調整和可鎖定。
20. 根據權利要求19所述的顯示裝置，其特徵在於，在調整裝置(22、 23)和鎖定裝置(24、 25)以及光學部分和支承元件(9、 10、 11)之間 使用機械連接，光源(13、 14)、光調製器(16、 17)和編碼裝置(26)、 供電裝置(27)通過電連接線纜連接。
21. 根據權利要求1至20所述的顯示裝置，其特徵在於，在框架(2) 的區域裡，至少有一個感應器，當觀察者移動頭部時根據其視角的變化發 射信號給編碼裝置(26)，以便修正光調製器(16、 17; 31、 32; 33、 34; 41、 42; 52)的編碼信息。
22. 根據權利要求1至21所述的顯示裝置，其特徵在於，框架(2)可有選擇的與至少一個音頻信號裝置組合，音頻信號的輸出與各個光調製器(16、 17; 31、 32; 33、 34; 41、 42; 52)中的波陣面的編碼同步轉換。
全文摘要
涉及一種用於生成三維視圖重建的頭戴式顯示裝置(1)，包含框架(2)，該框架至少有一個光源(13，14)、至少一個光學系統(12，15)、以及至少一個能被編碼的光調製器(16，17)，編碼區域帶有三維視圖波陣面編碼的光調製器位於觀察平面(4)的限定的觀察者窗口(18、19)的位置，或者編碼區域帶有三維視圖波陣面的全息圖編碼的光調製器位於靠近觀察者窗口(18、19)前面的區域，以便將全息圖轉換到觀察者窗口，這樣如果光調製器被照亮，觀察者窗口就會出現三維視圖的複雜波陣面，在由觀察者窗口的光調製器生成的視錐體中可以看到三維視圖的重建。
文檔編號H04N13/00GK101600982SQ200780045888
公開日2009年12月9日 申請日期2007年12月4日 優先權日2006年12月12日
發明者諾伯特·萊斯特 申請人:視瑞爾技術公司