近眼中央凹显示器
阅读：616发布：2020-05-12
专利汇可以提供近眼中央凹显示器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种用于在近眼显示装置中使用的显示屏的设备和系统。小型发光装置被放置在多个导光珠后面。用于显示装置和系统的发光装置和导光珠被放置在用户的前面以用于近眼显示。这使得用户能够体验具有更高的 分辨率 、更宽的 视野 和更快的 帧 速率的 近眼显示器 。本文描述了其他实施方式。，下面是近眼中央凹显示器专利的具体信息内容。
1.一种设备，包括：
多个导光珠，其中，所述珠被布置成具有第一维度和第二维度的图案，其中，所述第一维度包括水平维度，并且其中，所述第二维度包括竖直维度；以及
显示器，其包括多个像素，其中，所述显示器相对于人眼被布置在所述多个导光珠后面；
其中，所述多个导光珠中的每一个与所述多个像素中的至少一个相关联。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述珠选自由以下组成的组：鱼眼形珠、细长球形珠和六角形珠。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述珠包括微透镜阵列。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，具有所述第一维度和所述第二维度的所述图案被布置成遵循人眼的曲率。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个导光珠中的每一个与多于一个发光装置相关联。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个像素包括多个发光装置。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述图案包括互锁图案。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个导光珠中的每一个包括与所述显示器相邻的平坦侧。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个导光珠中的每一个包括为二的折射率。
10.根据权利要求1所述的装置，其中，所述珠与面板共同定位，其中，所述面板包括允许发射光的聚焦射线穿过所述面板和所述珠的组合的材料，并且其中，所述面板和所述珠的组合具有基本为二的折射率。
11.一种近眼显示系统，包括：
至少一个处理器；
电源，其可操作地耦接至所述处理器；
多个导光珠，其中，所述珠被布置成具有第一维度和第二维度的图案，其中，所述第一维度包括水平维度，并且其中，所述第二维度包括竖直维度；以及
显示器，其可操作地耦接至所述至少一个处理器和所述电源并且包括多个像素，其中，所述显示器相对于人眼被布置在所述多个导光珠后面；
其中，所述多个导光珠中的每一个与所述多个像素中的至少一个相关联；并且其中，所述多个导光珠将所述显示器产生的光引导至用户的眼睛以生成感知的图像。
12.根据权利要求11所述的系统，还包括用于跟踪用户的视线的视线跟踪装置，其中，基于所述用户的视线的位置来控制所述显示器。
13.根据权利要求11所述的系统，其中，所述珠包括细长球形珠。
14.根据权利要求11所述的系统，其中，所述珠包括鱼眼形珠。
15.根据权利要求11所述的系统，其中，具有所述第一维度和所述第二维度的所述图案被布置成遵循人眼的曲率。
16.根据权利要求11所述的系统，其中，所述多个导光珠中的每一个与多于一个发光装置相关联。
17.根据权利要求11所述的系统，其中，所述多个发光装置包括多个发光二极管。
18.根据权利要求11所述的系统，其中，所述图案包括互锁图案。
19.根据权利要求11所述的系统，其中，所述多个导光珠中的每一个包括与所述显示器相邻的平坦侧。
20.根据权利要求11所述的系统，其中，所述多个导光珠中的每一个包括基本为1.5的折射率。
近眼中央凹显示器
[0001] 要求优先权
[0002] 本申请要求于2017年8月8日提交的题为“NEAR-EYE FOVEAL DISPLAY”的美国专利申请序列号为第15/671,694号的优先权，该申请是于2017年5月12日提交的题为“NEAR-EYE FOVEAL DISPLAY”的美国专利申请序列号为第15/594,029号的部分延续申请案，这两个美国专利申请的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
背景技术
[0004] 近来，虚拟现实、增强现实以及类似的近眼产品的使用和发展已经有了显著的增长。常见的虚拟现实用途包括视频游戏、电影、游乐模拟器等。虽然由娱乐推动普及开来，但是这些产品也在培训和教育中发挥作用。例如，虚拟现实头戴式耳机可以用于飞行模拟训练、医师的手术模拟、传统教室中用于激发学生对学科兴趣的技术等。
[0005] 产生虚拟现实仿真的一种方法是使用头戴式耳机。头戴式耳机包含在眼睛与显示器之间放置有透镜的显示器。透镜用于聚焦和重塑由眼睛感知的图像。以这种方式，由来自显示屏的二维图像形成三维图像。
[0006] 然而，这些虚拟现实头戴式耳机尺寸大且重量重。要求显示屏距用户的眼睛固定距离，其中透镜在显示器与眼睛之间，则需要一定的距离。另外地，光学部件以及计算机械和电子装置都是庞大且笨重的。此外，许多常规的虚拟现实头戴式耳机需要将另一装置例如用户的智能电话放置在设备中。许多头戴式耳机不包括专用于该设备的显示装置。
[0007] 更具局限性的是，常规的近眼显示器涉及在视野、图像分辨率以及帧速率之间进行三方权衡；由于这三个有益特征中的每一个都可以被扩展，而其伴随着在光学设计和计算能力方面以牺牲其他特征为代价。因此，系统通常会折衷这三个特征并且最终导致帧速率太慢以至于图像滞后，分辨率太低以至于显示器具有“屏幕门效应”(即可以看到单个像素而不是流畅的“视网膜显示器”)并且视野非常有限。
[0008] 需要用于将具有宽视野和高帧速率的高分辨率显示器集成至近眼观察系统例如虚拟现实头戴式耳机中以改善观看体验的方法。这样的装置在本文中被称为中央凹显示器，这是因为该装置通过将光直接聚焦至观察者的眼睛的中央凹中来实现其效果。
发明内容
[0009] 根据本发明，一种方法和系统使用相对于用户的眼睛在多个导光珠或微透镜后面的多个发光装置。该装置被称为中央凹显示器，这是因为该装置将光直接且精确地聚焦至观察者的眼睛的中央凹中。该装置取代了庞大且累赘的虚拟现实(VR)头戴式耳机中典型的光学元件。该装置或中央凹显示器使得在轻量化装置中能够进行高分辨率显示，从而为用户提供广角视图和快速的帧速率。
[0010] 该装置可以为平坦面板或曲面板显示器。导光微透镜或珠中的每一个与至少一个像素生成装置相关联。为了易于阅读，术语“透镜(lens)”或“多个透镜(lenses)”在此将贯穿始终。然而，应当理解，透镜、多个透镜、微透镜和/或珠指代装置内的同一结构。导光透镜可以具有使得透镜能够将光从发光装置正确地引导至用户的中央凹的形状。透镜可以以互锁配置或者在透镜之间具有间隙地间隔开。
[0011] 处理器控制装置的焦点。可以基于用户偏好来调整焦点。可替选地，处理器可以自动改变焦点。该装置可以部署在平坦面板或跟随眼睛曲率的曲面显示器中的大面板或近眼显示器中。由于轻量构造、高分辨率、快帧速、极宽的视野以及减少了针对辅助显示装置的需求，因此本装置相对于使用常规的近眼显示器提供了优势。在平坦面板显示器中，本装置在显示用于自动立体三维(3D)显示器的极宽的视野方面提供了优势。
[0012] 总而言之，一方面提供了一种装置，该装置包括：多个导光珠，其中，所述珠被布置成具有第一维度和第二维度的图案，其中，第一维度包括水平维度，并且其中，第二维度包括竖直维度；以及显示器，其包括多个像素，其中，显示器相对于人眼被布置在多个导光珠后面；其中，多个导光珠中的每一个与多个像素中的至少一个相关联。
[0013] 另一方面提供了一种系统，该系统包括：至少一个处理器；电源，其可操作地耦接至处理器；多个导光珠，其中，所述珠被布置成具有第一维度和第二维度的图案，其中，第一维度包括水平维度，并且其中，第二维度包括竖直维度；以及显示器，其可操作地耦接至至少一个处理器和电源并且包括多个像素，其中，显示器相对于人眼被布置在多个导光珠后面；其中，多个导光珠中的每一个与多个像素中的至少一个相关联；并且其中，多个导光珠将显示器产生的光引导至用户的眼睛以生成感知的图像。附图说明
[0014] 图1是示出示例设备装置的框图。
[0015] 图2是示出实施方式中的近眼显示器的各层的侧视图的结构图。
[0016] 图3是示出实施方式中的近眼显示器的各层的详细侧视图的结构图。
[0017] 图4是示出实施方式中的近眼显示器的详细侧视图的结构图。
具体实施方式
[0018] 根据本发明，实施方式提供了一种提供高分辨率近眼显示器的方法和系统。该系统提供了近眼显示器，而没有在常规的虚拟现实头戴式耳机中可见的大且累赘的头戴式耳机。该设备包括多个导光珠或微透镜。为了简洁和易于阅读，在本申请中对导光透镜的引用也会被称为导光珠或珠。珠的形状可以包括鱼眼形、球形、卵形、六角形、正方形、圆柱形、三角形或类三维形状或类交叉维度形状(cross dimensinal shape)。术语珠不应被解释为仅指代球形结构，尽管球形珠可以为一个实施方式。附图中的珠形状仅说明了一个实施方式。在不同的实施方式中，所公开的珠形状中的每一个可以具有不同的折射率。透镜被布置成具有第一维度和第二维度的图案。第一维度可以包括水平维度并且第二维度可以包括竖直维度例如矩阵或网格状图案的形式。可替选地，具有第一维度和第二维度的图案可以不是网格状图案的形式而是可以包括不同的图案结构例如砖状图案结构、交替图案结构等。
[0019] 该设备还可以包括显示器，该显示器包含多个像素例如多个发光装置、足够高分辨率的打印图像等。显示器可以相对于人眼布置在多个导光透镜后面。例如，从眼睛的角度来看，导光透镜可以最靠近眼睛并且显示器可以在导光透镜后面。多个导光透镜中的每一个可以与至少一个发光装置或者足够高分辨率的打印图像的像素相关联。换言之，对于每个导光透镜，该装置可以具有相应的发光装置或静态打印图像。
[0020] 该装置包括眼睛附近的透镜矩阵，该透镜矩阵使得用户能够聚焦在发光装置或反射图像中的像素上以及相对于用户的眼睛在透镜后面的相关联的像素上。透镜可以为玻璃或塑料材料，其中优选的折射率在2.0至2.1的范围内。在实施方式中，透镜或珠可以是具有约1.5的折射率的鱼眼形状。这种相对高的折射率可以通过使用玻璃、塑料等来实现，并且可以包括专用添加剂例如通常用于反光珠中的添加剂，或者通过将微透镜阵列放置在具有高折射率的材料例如胆甾型液晶单元的周围或前面和/或后面来实现。如本领域技术人员应当理解的，具有高折射率的材料的这些示例仅是示例的而非意味着是限制的，因为用于实现高折射率的其他材料或这些材料的组合是可能的和可预期的。
[0021] 参照图1，描述了例如针对观察设备使用的装置1000。装置1000包括一个或更多个微处理器1002(统称为CPU 1002)，所述一个或更多个微处理器1002以常规方式从存储器1004检索数据和/或指令并且执行所检索的指令。存储器1004可以包括任何有形的计算机可读介质例如诸如磁盘和/或光盘、ROM和PROM的持久性存储器以及诸如RAM的易失性存储器。
[0022] CPU 1002和存储器1004通过常规的互连1006彼此连接，该互连1006在该说明性实施方式中为总线并且将CPU 1002和存储器1004连接至一个或更多个输入装置1008和/或输出装置1010、网络接入电路系统1012以及取向传感器1014。输入装置1008可以包括例如键盘、键区、触敏屏幕、鼠标和麦克风。实施方式可以包括用于眼球跟踪的输入装置例如摄像装置或光传感器。当用于近眼显示器中时，与特定选择的像素的计算机激活相关联的眼球跟踪是本发明的典型实现方式。输出装置1010可以包括显示器——例如OLED(有机发光二极管)、微型LED或液晶显示器(LCD)或足够高分辨率的打印图像——以及一个或更多个扬声器。网络接入电路系统1012通过计算机网络发送和接收数据。取向传感器1014在三个维度上测量装置1000的取向并且通过互连1006将所测量的取向报告至CPU1002。这些取向传感器可以包括例如加速度计、陀螺仪等并且可以用于识别用户的位置。
[0023] 例如，图1中概述的信息处理装置电路系统可以用于诸如虚拟现实、增强现实、平板电脑、智能电话、一般个人计算机装置和/或可以向用户提供近眼显示屏的电子装置的装置中。
[0024] 现在参照图2，以侧视图的方式示出了中央凹显示器201的实施方式。在实施方式中，整体装置在形状上可以为球形的，也就是说，矩阵球形珠的整体构造将被成型为围绕眼睛202的球的一部分。实施方式包括多个导光珠或微透镜203，所述多个导光珠或微透镜203被布置成具有第一维度和第二维度的图案。第一维度可以包括水平维度并且第二维度可以包括竖直维度。如上面所讨论的，图案可以包括矩阵图案、网格图案、砖状图案、交替图案、在珠之间具有间隔的图案等。例如，导光珠可以包括小球或珠。在一个示例中，珠可以非常小并且具有3.6毫米或3600微米的直径。在这样的示例中，像素间隔是3600/3600或1微米，从而生成在珠之间并且因此在像素之间具有间隔的网格状或砖状图案。
[0025] 实施方式可以包括显示器，该显示器包括多个发光装置。发光装置可以包括显示器例如在电视中那样的显示器或其他产生图片的显示器。每个发光装置可以对应于显示器的单个像素或一组像素。例如，如在电视中那样，每个像素是使用发光装置生成的。显示器相对于人眼被布置在多个导光透镜后面。实施方式可以包括与多个透镜中的每一个对应的至少一个发光装置。例如，该装置可以包括与透镜的数目相同的发光装置的数目。每个发光装置可以具有其中可以引导发光装置的光的相应透镜。发光装置可以为发光二极管(LED)、微型LED、有机发光二极管(OLED)、有源矩阵有机发光二极管(AMOLED)等。发光装置在尺寸上可以小到3000/英寸或约8微米。
[0026] 在一个实施方式中，该系统可以包括如由用户的眼睛所观察到的固定至透镜的背侧的足够高分辨率的打印图像，而不是发光装置。图像的每个像素或一组像素可以对应于一个透镜。例如，每个透镜可以“显示”图像的一个像素或一组像素。换言之，当用户透过透镜观看时，用户将通过单个透镜看到相应的像素或一组像素。因此，当用户透过多个透镜观看时，用户可以看到图像。为了易于阅读，将始终使用术语“发光装置”。然而，打印图像的使用是可能的，并且不旨在排除在本文中的讨论之外。
[0027] 多个导光透镜将来自发光装置的光或者将图像的像素正确地引导至用户的眼睛。换言之，当用户透过透镜观看时，透镜可以以向用户提供单个图像的视图的方式引导光或图像。导光透镜可以是任何形状，例如基本上为球形(尽管在许多实现方式中，将侧面和后部削掉以更紧密地装配在一起或者更好的装配至底层显示器，而同时仍然保持必须聚焦在适合观看的像素上的透镜的关键部分为球形背面)，使得来自发光装置的光或者足够高分辨率的打印图像能够正确地被引导至用户的眼睛。为了简洁和易于阅读，在本申请中对光导透镜的引用还可以被称为珠。珠的形状可以包括鱼眼形、球形、卵形、六角形、正方形、圆柱状、三角形或类三维形状或类交叉维度形状。显示器可以包括不同珠形状的混合。不同珠形状可以被布置成一组相似的珠或者散布有混合在一起的不同珠形状。珠可以被布置成使得珠互锁，或者可以具有由相邻珠的边缘形成的间隙。
[0028] 现在参照图3，以侧视图的方式示出了装置的珠300中之一的实施方式。实施方式示出了每个珠后面的最大区域301，该最大区域301需要是球形的并且由显示器中的像素覆盖，例如，在这种使用情况下，可以使用等式sinθ＝1/n＝1/2相当于θ＝30度来识别每个珠后面的最大区域。珠的不同尺寸、珠的数目等可以改变由每个珠覆盖的区域。图4示出了装置的不同珠后面的最大区域。当用户的眼睛401聚焦在特定的珠上时，以402A至402C为示例，每个珠仅需要提供最大预定区域403A至403C以用于聚焦。换言之，基于眼睛相对于珠的角度，眼睛仅能聚焦在珠后面的特定区域，而不是珠后面的整个角度。
[0029] 对于珠，实施方式包括在多个珠后面的发光装置或者足够高分辨率的打印图像。对于每个珠存在至少一个发光装置。发光装置可以覆盖珠的整个相邻表面。可替选地，发光装置可以仅部分地覆盖珠的相邻侧。
[0030] 布鲁斯特角或偏振角是光以该角度处入射完全穿过透明表面而没有反射的入射角。当显示器的一部分在多个位置处可见时，会发生透镜状串扰(lenticular crosstalk)。透镜状串扰的减少或完全消除提供具有较高分辨率的显示器。选择合适的形状并且因此选择合适的导光珠会减少这种透镜状串扰，这是因为来自发光装置的光以一定的模式弯曲到用户的眼睛。美国专利公开第2015/0015946号描述了用于使透镜状串扰最小化的这种方法，并且其全部内容通过引用并入本文。
[0031] 装置的背面上的像素间距通过所需的角度分辨率并且乘以装置的厚度来设置。在实施方式中，该装置为平坦面板，而不是如上面所讨论的球形。例如，在具有真实视网膜成像的平坦面板中，角分辨率为1弧分＝1/3600弧度。在该示例中，仅位于该精确视图处的像素需要处于锐聚焦或者以非常快的刷新率进行更新，而位于精确视图中的像素周围的其他像素将以非常柔和的聚焦被眼睛看到(如果有的话)，并且因此可以由对显示器进行馈送的计算系统提供较少的信息。因此，该系统可以被设计成具有比所有像素需要一直被锐聚焦的情况相比小的像素处理能力的处理器。
[0032] 使用上面所讨论的示例，导光珠可以包括小球或珠。在一个示例中，珠可以非常小并且具有3.6毫米或3600微米的直径。在这样的示例中，像素间隔为3600/3600或1微米，以得到具有等于1弧分的分辨率的系统。在实施方式中，可以增加装置尺寸或者减小分辨率。较大的装置可能增加装置的总重量和功耗，但是提供了另外的好处例如较大的观察区域。
[0033] 对于一些示例，参见下表：
[0034]
[0036] 在实施方式中，球形珠可以被焦距等于球体所需的焦距的简单鱼眼透镜(即，超广角透镜)替代。这将允许与显示器相邻的透镜的表面是平坦的。此外，如本领域技术人员所理解的，可以利用鱼眼来设计透镜的光学元件，使得透镜直接聚焦在平坦的背面上而不需要如球形透镜所要求的这样的高折射率。在实施方式中，鱼眼透镜可以具有约1.5的折射率。可以对鱼眼透镜的设计进行优化，以使得具有较低折射率的材料聚焦在其背板上。在实施方式中，鱼眼透镜可以由玻璃或塑料制成。
[0037] 在实施方式中，视线跟踪可以被集成至装置中。视线跟踪确定用户的视线位置或者用户聚焦在装置上的位置。视线跟踪执行两个功能。首先，视线跟踪使得在用户未聚焦用户视线的位置处的装置区域中能够节省处理器资源。其次，视线跟踪使得在用户视线聚焦的区域中能够使用较高的分辨率和处理器资源。视线跟踪系统可以在用户视线的区域中实现更大的视觉分辨率，同时降低不在用户视线中的装置区域中的功耗和处理器资源。视线跟踪输入装置可操作地耦接至处理器，该处理器可以是或不是可操作地耦接至一个或更多个发光装置的同一处理器。
[0038] 最小的功耗减少了所需要的所需电力供应。这减少了装置的重量。功率的降低对于可能是便携式电子装置的装置是重要的，使得用户可以不需要携带额外的电池或者可以不需要将装置连接至充电器或外部电力供应。
[0039] 最小的功耗以及由此致使的电力存储和电力供应的减少也使装置的重量保持最小。由于该装置可以用于近眼显示装置，因此该设备通常被佩戴在头上。减小的重量使装置的体积最小化，减少了肌肉劳损，并且使得用户在使用该装置时能够有更大的运动范围。该装置的实施方式类似于游泳护目镜并且与典型的VR显示罩相比提供了改进。
[0041] 在实施方式中，导光珠(或鱼眼透镜)可以涂覆有附加层。这些层可以包括抗刮、抗眩光、防水、反射光以及光敏或热敏暗化涂层。
[0042] 在本申请中，对“处理器”的引用可以控制中央凹显示装置的焦点，控制单个发光装置，控制多个发光装置，控制中央凹显示装置与该装置的其他部件的交互，或者部分或全部由装置执行的处理的任意组合。
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