система формирования множественных изображений для головных дисплеев

Формула изобретения

1. Способ формирования множественных независимых изображений из одного экрана дисплея, содержащий этапы, на которых освещают экран дисплея с помощью совокупности источников для формирования совокупности подызображений дисплея, и фокусируют подызображения дисплея с помощью линзы дисплея, причем каждое подызображение дисплея перенаправляется вдоль одного из совокупности подпутей от точки вблизи фокальной точки указанной линзы дисплея.

2. Способ по п.1, в котором каждый источник освещает экран дисплея с отдельного направления.

3. Способ по п.2, в котором подпуть каждого подызображения дисплея связывают с направлением источника, формирующего подызображение дисплея.

4. Способ по п.1, в котором первый источник освещает экран дисплея светом, имеющим первую поляризацию, и в котором второй источник освещает экран дисплея светом, имеющим вторую поляризацию.

5. Способ по п.4, в котором подпуть подызображения дисплея связывают с поляризацией источника, формирующего подызображение дисплея.

6. Способ по п.1, дополнительно содержащий этап, на котором формируют действительное изображение вдоль, по меньшей мере, одного подпути.

7. Способ по п.1, в котором числовую апертуру каждого подызображения оптически регулируют для наблюдения глазом пользователя.

8. Способ передачи разных изображений в разные глаза пользователя с использованием одного экрана дисплея, содержащий этапы, на которых формируют совокупность подызображений одного экрана дисплея, причем подызображения фокусируют с помощью линзы вблизи экрана дисплея, и перенаправляют каждое подызображение на один из совокупности подпутей от точки вблизи фокальной точки указанной линзы.

9. Способ по п.8, в котором при формировании совокупности подызображений отображают на экране дисплея совокупность перемежающихся потоков данных, причем каждый поток данных связывают с направлением света, освещающего экран дисплея.

10. Способ по п.9, в котором первый поток данных связывают с первым источником, освещающим экран дисплея с первого направления, и второй поток данных связывают со вторым источником, освещающим экран дисплея со второго направления, и в котором экран дисплея освещают с помощью первого источника, когда отображается первый поток данных, и освещают с помощью второго источника, когда отображается второй поток данных.

11. Способ по п.8, в котором при перенаправлении фокусируют каждое подызображение в фокальную точку линзы, и размещают светоделитель вблизи фокальной точки линзы.

12. Способ по п.8, в котором каждый подпуть предназначен для наблюдения конкретным глазом пользователя.

13. Способ по п.12, в котором потоки данных формируют трехмерное изображение при наблюдении глазами пользователя.

14. Головной дисплей для формирования изображений, содержащий средство для освещения экрана дисплея с совокупности направлений, в котором формируется совокупность подызображений дисплея экрана дисплея, средство для фокусировки подызображений, и средство вблизи фокальных точек указанного средства фокусировки для перенаправления каждого подызображения вдоль одного из совокупности подпутей.

15. Головной дисплей по п.14, дополнительно содержащий источник света, падающего на экран дисплея с первого направления, причем первое направление света приводит к фокусировке подызображения в первую фокальную точку, и свет источника, падающий на экран дисплея со второго направления, причем второе направление света приводит к фокусировке подызображения во вторую фокальную точку.

16. Головной дисплей по п.15, дополнительно содержащий средство для блокировки света, размещенное между средством фокусировки и указанным средством для перенаправления.

17. Головной дисплей по п.15, дополнительно содержащий первую отражающую поверхность, размещенную так, чтобы осуществлять перенаправление света, сфокусированного в первую фокальную точку, вдоль первого подпути, и вторую отражающую поверхность, размещенную так, чтобы осуществлять перенаправление света, сфокусированного во вторую фокальную точку, вдоль второго подпути.

18. Головной дисплей по п.15, в котором совокупность потоков данных попеременно отображаются на экране дисплея, и в котором каждый поток данных связан с первым или вторым направлением света.

19. Головной дисплей по п.15, в котором экран дисплея освещается с первого направления света только, когда отображается первый поток данных, и экран дисплея освещается со второго направления света только, когда отображается второй поток данных.

20. Система для формирования множественных изображений, содержащая экран дисплея, освещаемый совокупностью источников света для формирования совокупности подызображений, оптика, размещенная вблизи экрана дисплея, предназначенная для фокусировки подызображений, и, по меньшей мере, одно устройство перенаправления, размещенное вблизи фокальной точки указанной оптики, причем устройство перенаправления способно перенаправлять подызображение вдоль одного из совокупности оптических подпутей.

21. Система по п.20, в которой каждый источник освещает экран дисплея с отдельного направления.

22. Система по п.20, дополнительно содержащая апертурную диафрагму, расположенную между указанной оптикой и, по меньшей мере, одним устройством перенаправления, в которой можно избирательно препятствовать свету, формирующему каждое подызображение, попадать на, по меньшей мере, один отражатель.

23. Система по п.20, дополнительно содержащая совокупность потоков данных, попеременно отображаемых на экране дисплея, в которой каждый поток данных связан с, по меньшей мере, одним источником света, и в которой экран дисплея освещается источником света, связанным с потоком данных, когда отображается поток данных.

24. Система по п.20, в которой, по меньшей мере, один отражатель источника света размещен вдоль оси дисплея, в которой отражатель источника света отражает, по меньшей мере, часть света от совокупности источников света на экран дисплея и передает, по меньшей мере, часть света, отраженного экраном дисплея.

25. Система по п.24, в которой отражатель источника света является поляризационным светоделителем.

26. Система по п.20, в которой совокупность источников света размещена около оси дисплея, и совокупность устройств перенаправления представляет собой частично отражающие поверхности, размещенные между экраном дисплея и источниками света.

27. Способ формирования множественных независимых изображений из одного экрана дисплея, содержащий этапы, на которых освещают экран дисплея совокупностью пучков света для формирования совокупности подызображений, причем, по меньшей мере, два пучка имеют разные поляризации, и фокусируют подызображения с помощью линзы, причем каждое подызображение перенаправляют вдоль независимого подпути от точки вблизи фокальных точек указанной линзы.

28. Способ по п.27, в котором асимметричное V-образное зеркало перенаправляет каждое подызображение дисплея вдоль одного из подпутей.

29. Способ по п.27, в котором указанная линза выполнена из стекла.

30. Способ по п.27, в котором подпуть подызображения определяется поляризацией света, создающего подызображение.

31. Способ передачи разных изображений в разные глаза пользователя с использованием одного экрана дисплея, содержащий этапы, на которых перемежают совокупность потоков данных, причем каждый поток данных связан с направлением поляризации падающего света, формируют совокупность подызображений экрана дисплея, отображая перемежающиеся потоки данных и освещая экран дисплея, причем подызображения фокусируют с помощью линзы, находящейся вблизи экрана дисплея, и перенаправляют каждое подызображение на один из совокупности подпутей от точки вблизи фокальной точки указанной линзы.

32. Способ по п.31, в котором падающий свет является линейно поляризованным, поляризованным по кругу, или эллиптически поляризованным.

33. Способ по п.31, в котором первый поток данных связывают со светом, поляризованным в первом направлении, и второй поток данных связывают со светом, поляризованным во втором направлении.

34. Способ по п.33, в котором экран дисплея освещают светом, поляризованным в первом направлении, когда отображается первый поток данных, и экран дисплея освещают светом, поляризованным во втором направлении, когда отображается второй поток данных.

35. Способ по п.33, в котором свет, отраженный от экрана дисплея, поляризован в первом направлении, когда отображается первый поток данных, и свет, отраженный от экрана дисплея, поляризован во втором направлении, когда отображается второй поток данных.

36. Способ по п.31, в котором при перенаправлении фокусируют каждое подызображение в фокальную точку линзы, и размещают асимметричное V-образное зеркало вблизи фокальной точки.

37. Способ по п.31, в котором указанная линза выполнена из стекла.

38. Способ по п.31, в котором каждый подпуть предназначен для наблюдения конкретным глазом пользователя.

39. Способ по п.31, в котором потоки данных формируют трехмерное изображение при наблюдении глазами пользователя.

40. Способ по п.31, в котором подпуть, вдоль которого передается подызображение, зависит от поляризации света, создающего подызображение.

41. Головной дисплей для формирования изображений, содержащий средство для освещения экрана дисплея пучками света, имеющими, по меньшей мере, две разные поляризации, средство фокусировки пучков света, и средство вблизи фокальных точек указанного средства фокусировки для перенаправления каждого подызображения вдоль одного из совокупности подпутей.

42. Головной дисплей по п.41, дополнительно содержащий свет от источника, который падает на экран дисплея и поляризован в первом направлении, тем самым создавая первое подызображение, и свет от источника, который падает на экран дисплея и поляризован во втором направлении, тем самым создавая второе подызображение.

43. Головной дисплей по п.41, дополнительно содержащий поляризационную светоразделяющую поверхность вблизи фокальной точки указанного средства фокусировки и размещенную так, чтобы осуществлять перенаправление света, отраженного от экрана дисплея, вдоль первого подпути, и отражающую поверхность вблизи фокальной точки и размещенную так, чтобы осуществлять перенаправление света, отраженного от экрана дисплея, вдоль второго подпути.

44. Головной дисплей по п.43, в котором свет, поляризованный в первом направлении, перенаправляется вдоль первого подпути в первый глаз пользователя, и свет, поляризованный во втором направлении, перенаправляется вдоль второго подпути во второй глаз пользователя.

45. Головной дисплей по п.43, в котором первый и второй потоки данных попеременно отображаются на экране дисплея, в котором экран дисплея освещается светом с первым направлением поляризации, когда отображается первый поток данных, и в котором экран дисплея освещается светом со вторым направлением поляризации, когда отображается второй поток данных.

46. Способ формирования множественных изображений из одного экрана дисплея, содержащий этапы, на которых освещают экран дисплея для формирования изображения экрана дисплея, фокусируют изображение с помощью линзы, пропускают изображение через регулируемый поляризатор, и перенаправляют изображение как подызображение вдоль одного из совокупности подпутей в зависимости от поляризации света.

47. Способ по п.46, дополнительно содержащий этапы, на которых формируют действительное изображение вдоль, по меньшей мере, одного подпути.

48. Способ по п.46, в котором подызображение оптически регулируют для наблюдения глазом пользователя.

49. Головной дисплей, содержащий источник света, освещающий экран дисплея, формируя изображение, линзу, фокусирующую изображение в точку, блок регулировки поляризации, способный поляризовать свет, формирующий изображение, и светоделитель, расположенный вблизи фокальной точки указанной линзы и способный перенаправлять изображение как подызображение вдоль одного из совокупности подпутей в зависимости от поляризации изображения.

50. Головной дисплей по п.49, в котором блок регулировки поляризации представляет собой вращатель плоскости поляризации или модулятор поляризации.

51. Головной дисплей по п.49, в котором первый и второй потоки данных попеременно отображаются на экране дисплея, в котором блок регулировки поляризации поляризует свет, создающий изображение, в первом направлении, когда отображается первый поток данных, и блок регулировки поляризации поляризует свет, формирующий изображение, во втором направлении, когда отображается второй поток данных.

52. Головной дисплей по п.51, дополнительно содержащий поляризационную светоразделяющую поверхность вблизи фокальной точки и размещенную так, чтобы осуществлять перенаправление света, поляризованного в первом направлении, вдоль первого подпути, и отражающую поверхность вблизи фокальной точки и размещенную так, чтобы осуществлять перенаправление света, поляризованного во втором направлении, вдоль второго подпути.

53. Система для формирования множественных изображений, содержащая экран дисплея, освещаемый, по меньшей мере, одним источником света, линзу, которая фокусирует свет, отраженный от экрана дисплея, и светоделитель, расположенный вблизи фокальной точки указанной линзы.

54. Система по п.53, дополнительно содержащая совокупность источников света, в которой такой источник освещает экран дисплея светом с разными поляризациями.

55. Система по п.54, в которой экран дисплея отображает совокупность потоков данных, в которой каждый поток данных связан с одним из источников света, и в которой экран дисплея освещается каждым источником только, когда отображается поток данных, связанный с источником.

56. Система по п.53, в которой светоделитель является асимметричным V-образным зеркалом.

57. Система для формирования множественных изображений, содержащая экран дисплея, освещаемый, по меньшей мере, одним источником света, линзу, которая фокусирует свет, отраженный от экрана дисплея, светоделитель, расположенный вблизи фокальной точки указанной линзы, и вращатель плоскости поляризации, размещенный между линзой и светоделителем.

58. Система по п.57, в которой экран дисплея отображает первый и второй потоки данных, в которой первый поток данных связан с первым направлением поляризации, и второй поток данных связан со вторым направлением поляризации, и в которой вращатель плоскости поляризации поворачивает свет, отраженный от экрана дисплея, в первое направление поляризации, когда отображается первый поток данных, и поворачивает свет, отраженный от экрана дисплея, во второе направление поляризации, когда отображается второй поток данных.

Описание изобретения к патенту

Перекрестная ссылка на родственные заявки

Настоящая заявка связана с одновременно поданной, одновременно рассматриваемой патентной заявкой США №10/715,911, поданной 18 ноября 2003 г., озаглавленной "OPTICAL ARRANGEMENTS FOR HEAD MOUNTED DISPLAYS," раскрытие которой сим включена сюда посредством ссылки.

Область техники

Изобретение относится, в общем, к визуальным дисплеям и, в частности, к оптическим конфигурациям для головных систем, которые формируют множественные изображения из одного экрана дисплея.

Уровень техники

Головные дисплеи (HMD) или дисплеи, смонтированные на голове пользователя, представляют собой разновидность устройств отображения изображений, которые можно использовать для отображения изображений с телевизора, цифровых универсальных дисков, компьютерных приложений, игровых приставок или других подобных приложений. HMD может быть монокулярным (одно изображение наблюдается одним глазом), биокулярным (одно изображение наблюдается обоими глазами) или бинокулярным (отдельное изображение наблюдается каждым глазом). Кроме того, изображение, проецируемое в глаз(а), может наблюдаться пользователем как полное или в наложении на внешний мир, наблюдаемый пользователем. Для большинства HMD, при конструировании нужно учитывать такие параметры, как разрешение изображения, расстояние от мнимого изображения до глаза, размер мнимого изображения (или угловой размер мнимого изображения), искажения мнимого изображения, расстояние между левым и правым зрачками пользователя (межзрачковое расстояние (IPD)), поправку на остроту зрения, потерю света при разделении и передаче изображения, энергопотребление, вес и цену. В идеале, один HMD должен учитывать эти параметры для разных пользователей и иметь возможность отображать изображение независимо от того, является ли изображение стереоскопическим бинокулярным или простым моноскопическим бинокулярным изображением.

Если разрешение картинки на внутреннем дисплее HMD равно 800×600 пикселей, приемлемый размер мнимого изображения, создаваемого формирующей оптикой HMD, равен диаметру мнимого изображения, составляющему приблизительно 1,5 м (52"-56") на расстоянии 2 м, что соответствует углу зрения около 36°. Для правильного согласования головы и глаза человека IPD должно варьироваться между 45 мм и 75 мм. Для компенсирования близорукости и дальнозоркости необходима коррекция на по меньшей мере ±3 диоптрии.

Использование только одного микродисплея в HMD (вместо использования по одному на каждый глаз) значительно снижает стоимость устройства. Обычно, конфигурация такого устройства предусматривает размещение микродисплея между глазами пользователя. Затем сформированное изображение разделяется, увеличивается и по отдельности передается в каждый глаз. В области техники известно много конструкций для разделения пучка в однодисплейных HMD с дисплеем, установленным посередине, но ни одна из них не обеспечивает решение, отличающееся дешевизной, малым весом, малым размером и возможностью отображать все нюансы изображений.

Многие приложения для головных систем требуют, чтобы в правый глаз пользователя и в левый глаз пользователя передавалась разная перспектива. Например, чтобы представить пользователю трехмерное изображение, необходимо, чтобы каждый глаз пользователя видел отдельную перспективу одного и того же изображения. В других приложениях, например в системе для проецирования данных на вид пользователя (иногда именуемой "надголовным дисплеем"), в каждый глаз могут передаваться совершенно не связанные между собой данные.

Сущность изобретения

Согласно вариантам осуществления настоящего изобретения можно формировать независимые множественные изображения одного экрана дисплея, которые фокусируются линзой и затем направляются по отдельным оптическим подпутям посредством светоделителя, расположенного вблизи фокальной точки сформированных изображений. Согласно одному варианту осуществления единичный экран дисплея освещается с разных направлений, формируя множественные изображения экрана, которые затем фокусируются линзой. Затем изображения разделяются, в уменьшенном объеме разделения, создаваемом линзой, на совокупность подызображений, которые передаются в разные глаза пользователя. Эти варианты осуществления изобретения могут использовать светоделитель в виде симметричного V-образного зеркала, состоящий из двух частично или полностью отражающих поверхностей, размещенных вокруг фокальной точки линзы. Затем изображения отражаются частично или полностью отражающими поверхностями вдоль отдельных оптических подпутей, ведущих в отдельные глаза пользователей.

Согласно другим вариантам осуществления изобретения могут создаваться множественные независимые изображения экрана дисплея путем освещения экрана источниками разной поляризации. Затем сформированные изображения могут разделяться асимметричным V-образным зеркалом, состоящим поляризационной светоделительной поверхности и полностью отражающей поверхности, размещенных вблизи фокальной точки линзы. Свет от каждого источника отражается вдоль разных оптических подпутей.

Варианты осуществления изобретения также могут формировать множественные изображения одного экрана дисплея путем освещения экрана источником света, поляризацией света, отраженного от дисплея, и затем изменения поляризации в одном из нескольких направлений. Благодаря изменению направления поляризации, подызображения можно перенаправлять вдоль разных оптических подпутей посредством асимметричного V-образного зеркала.

Некоторые варианты осуществления изобретения могут также использовать рассеиватели, на которые проецируются изображения экрана дисплея. Переходную оптику, имеющую малую числовую апертуру, можно использовать для проецирования действительных изображений на рассеиватель, и оптику окуляра, имеющую большую числовую апертуру, можно использовать для передачи изображений в глаза пользователя.

Для создания разных изображений для разных глаз пользователя с использованием одного экрана варианты осуществления настоящего изобретения могут перемежать совокупность потоков данных для отображения на одном экране дисплея и связывать каждый поток данных с одним из источников освещения. Перемежающиеся потоки данных затем можно отображать на экране дисплея, когда экран дисплея освещается связанными источниками. Для формирования отдельных изображений экран освещается конкретным источником только, когда экран дисплея отображает поток данных, связанный с этим источником. Варианты осуществления изобретения, которые формируют множественные изображения с использованием поляризации света, могут связывать каждый поток данных с направлением поляризации. Когда экран дисплея отображает поток данных, направление поляризации, связанное с этим потоком данных, используется для передачи экранного изображения этого потока данных по соответствующему подпути.

Совокупность источников освещения, используемая различными вариантами осуществления настоящего изобретения, может представлять собой широкополосные источники света, размещенные вблизи фокальной точки линзы дисплея и освещающие экран дисплея путем направления света через светоделитель в виде V-образного зеркала. Другие варианты осуществления изобретения могут использовать совокупность узкополосных источников света, выполненных с возможностью моделирования широкополосного источника света. Кроме того, варианты осуществления изобретения могут предусматривать размещение источников освещения вблизи оптической оси системы и отражение света из источников с использованием частично отражающей поверхности, помещенной между светоделителем и линзой дисплея.

Выше были достаточно широко описаны признаки и технические преимущества настоящего изобретения, чтобы можно было лучше понять нижеследующее подробное описание изобретения. Ниже будут описаны дополнительные признаки и преимущества изобретения, составляющие предмет формулы изобретения. Следует понимать, что концепция и конкретный раскрытый вариант осуществления изобретения можно легко использовать как основание для модификации или конструирования других структур для выполнения тех же целей настоящего изобретения. Также следует понимать, что такие эквивалентные конструкции не отклоняются от изобретения, изложенного в формуле изобретения. Существенные новые признаки, которые считаются характеристикой изобретения в отношении его организации и способа эксплуатации, совместно с дополнительными задачами и преимуществами, можно лучше понять из нижеследующего описания, приведенного совместно с прилагаемыми чертежами. Однако совершенно ясно, что каждая из фигур чертежей обеспечена только в целях иллюстрации и описания и не призвана для ограничения настоящего изобретения.

Краткое описание чертежей

Для более полного понимания настоящего изобретения нижеследующее описание приведено совместно с прилагаемыми чертежами, в которых:

фиг.1 - вид сверху головного устройства 100, конструкция которого отвечает варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.2 - блок-схема, отвечающая варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.3 - графическое представление перемежения потоков данных и привязки источников света согласно варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.4 - вид в перспективе головного устройства, конструкция которого отвечает варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.5 и 5A - виды сверху головного устройства, конструкция которого отвечает варианту осуществления настоящего изобретения;

фиг.6 - вид сверху участка головного дисплея, конструкция которого отвечает варианту осуществления настоящего изобретения; и

фиг.7 - вид сверху участка головного дисплея, конструкция которого отвечает варианту осуществления настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

На фиг.1 показан вид сверху головного устройства 100, конструкция которого отвечает варианту осуществления настоящего изобретения. Секция 101 создания подызображения, в устройстве 100, формирует совокупность подызображений из одного источника изображения. Экран 110 дисплея может представлять собой любое подходящее устройство, способное отображать визуальное изображение данных с использованием внешних источников освещения, например экран жидкокристаллического дисплея (ЖКД). Экран 110 располагается вдоль оси 111 дисплея, которая согласно показанному варианту осуществления перпендикулярна к поверхности экрана 110 и перпендикулярна к лицевой плоскости 170 пользователя. Линза 115 дисплея расположена вдоль и перпендикулярно к оптическому пути 112 и имеет фокальную точку 124 линзы дисплея. Фокальная точка 124 линзы дисплея лежит на оптическом пути 112, и секция 101 выполнена так, что фокальная точка 124 линзы дисплея размещена в светоделителе 120. Согласно вариантам осуществления изобретения, использующих конфигурацию секции 101, светоделитель 120 представляет собой симметричное V-образное зеркало, состоящее из правой частично отражающей поверхности 121 и левой частично отражающей поверхности 122. Секция 101 выполнена так, что отражающая поверхность 121 и отражающая поверхность 122 образуют общий угол и расположены симметрично относительно оси 111 дисплея. Таким образом, секция 101 может формировать два полностью законченных и независимых изображения (именуемых здесь подызображениями) дисплея 110, каждое из которых распространяется по независимым оптическим путям (именуемых здесь подпутями).

В состав секции 101 входят правый источник 125 света и левый источник 126 света, находящиеся на одной линии с фокальной точкой 124 линзы дисплея и размещенные симметрично относительно оси 111 дисплея. Свет от источников 125 и 126 проходит через поверхности 121 и 122, коллимируется линзой 115 дисплея и освещает экран 110. Согласно варианту осуществления изобретения, показанному на фиг 1, созданные коллимированные пучки света будут слегка скошены относительно оптической оси 111. Освещение экрана 110 правым источником 125 света создает подызображение дисплея для левого глаза, которое фокусируется линзой 115 на отражающую поверхность 122, которая перенаправляет подызображение дисплея для левого глаза по оптическому подпути 140. Аналогично, освещение экрана 110 левым источником 126 света создает подызображение дисплея для правого глаза, которое фокусируется линзой 115 на отражающую поверхность 121, которая перенаправляет подызображение дисплея для правого глаза по оптическому подпути 130.

Подызображение для левого глаза будет передаваться по оптическому подпути 140 и будет канализироваться в левый глаз 146 пользователя. Вдоль оптического подпути 140 размещен отражатель 142 левого глаза, который является полностью отражающей поверхностью, которая перенаправляет оптический подпуть 140 левого глаза на 90° и в формирующую оптику 145 левого окуляра. Подызображение для правого глаза будет передаваться по оптическому подпути 130 и будет канализироваться в правый глаз 136 пользователя. Вдоль оптического подпути 130 размещен отражатель 132 правого глаза, который является полностью отражающей поверхностью, которая перенаправляет оптический подпуть 130 правого глаза на 90° и формирующую оптику 135 правого окуляра. Формирующая оптика 135 правого окуляра и оптика 145 левого окуляра может состоять из одной или нескольких линз, выполненных с возможностью увеличения подызображения для правого глаза для наблюдения правым глазом 136 пользователя и подызображение для левого глаза для наблюдения левым глазом 146 пользователя соответственно. Некоторые варианты осуществления изобретения могут использовать рассеиватели, посредством которых создаются действительные изображения. Затем оптика 135, 145 правого и левого окуляра может использоваться для увеличения изображений для наблюдения пользователем. Для большого угла зрения (например, 36°) действительные изображения должны создаваться после отражателей 132, 142 и очень близко к оптике 135, 145 правого и левого окуляра.

Оптика 135 и 145 окуляра представляет собой регулируемые единичные линзы, но другие варианты осуществления могут использовать любую конфигурацию, которая надлежащим образом увеличивает подызображение для правого глаза и подызображение для левого глаза для наблюдения правым глазом 136 и левым глазом 146 соответственно. Кроме того, хотя отражатели 132, 142 устройства 100 изображены в виде зеркал и поверхности 121, 122 изображены в виде частично отражающих поверхностей, варианты осуществления изобретения не ограничиваются использованием зеркал или частично отражающих поверхностей для перенаправления оптического пути или подпути. Вместо этого, для перенаправления оптического пути или подпути можно использовать призмы, поляризующие светоделители или любые другие подходящие структуры.

Устройство 100 выполнено также с возможностью регулирования для подстройки под IPD разных пользователей посредством синхронизированных перемещений оптических элементов. Оптика 135 правого окуляра и оптика 145 левого окуляра может сдвигаться посредством перемещений 152 и 151 соответственно для создания IPD 150a и IPD 150b. Секция 101 может сдвигаться посредством перемещения 155. Когда расстояние 150a IPD изменяется на IPD 150b, секция 101 одновременно смещается к плоскости 170 на перемещение 155 (вниз на виде фиг.1). Когда IPD 150b изменяется на 150a, секция 101 одновременно смещается от плоскости 170 (вверх на виде фиг.1). Эти синхронизированные перемещения позволяют устройству 100 осуществлять регулирование в пределах всего диапазона между IPD 150a и 150b, поддерживая при этом постоянные длины между отражателями 121, 122 и линзами 135, 145 окуляра вдоль подпутей 130 и 140 соответственно. Устройство 100 также способно осуществлять поправку на остроту зрения посредством дополнительных регулировок перемещения 153 оптики 145 левого окуляра и перемещения 154 оптики 135 правого окуляра.

Две внеосевые апертурные диафрагмы 189, 199 могут размещаться между линзой 115 дисплея и светоделителем 120. Апертурная диафрагма, изображенная вблизи зрачка наблюдателя, соответствующим образом регулируется по размеру в соответствии с шириной, необходимой для охвата перемещения зрачка пользователя при наблюдении углов виртуального экрана. Для охвата широкого диапазона перемещения зрачка пользователя размер апертуры должен быть в 2-3 раза больше, чем необходимо для передачи диапазона пространственной частоты, требуемого разрешением экрана 110 дисплея. Для однородного освещения апертурных диафрагм 189, 199 левый и правый источники 125, 126 света должны быть протяженными (не точечными источниками).

Экран 110, показанный на фиг.1, может передавать идентичные изображения экрана 110 дисплея одновременно в правый глаз и левый глаз пользователя. Идентичные подызображения экрана 110 дисплея будут передаваться по оптическим подпутям 130 и 140, когда оба источника света 125 и 126 используются для одновременного освещения экрана 110. Если же источники света 125 и 126 попеременно освещают экран 110, один набор изображений может передаваться в левый глаз пользователя, а другой набор изображений может передаваться в правый глаз пользователя с использованием одного и того же экрана.

На фиг.2 показана блок-схема в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения. Согласно схеме 200 головное устройство, например устройство 100, можно использовать для передачи разных изображений в левый и правый глаз пользователя с использованием одного экрана. Обычно, экраны головных устройств, например экран 110, показанный на фиг.1, отображают данные, переносимые в виде потоков данных. Согласно фиг.2 блок 201 схемы представляет подготовку множественных потоков данных для отображения на экране. Например, один поток данных может подготавливаться для наблюдения левым глазом пользователя и второй поток данных может подготавливаться для наблюдения правым глазом пользователя. На блоке 202 каждый поток данных связан с одним из совокупности источников освещения, которые имеют место для головного дисплея соответствующей конструкции. Например, с использованием устройства 100, показанного на фиг.1, поток данных, подготовленный для наблюдения правым глазом пользователя, должен быть связан с левым источником 126 света, и поток данных, подготовленный для наблюдения левым глазом пользователя, должен быть связан с правым источником 125 света. Согласно фиг.2 на блоке 203 множественные потоки данных перемежаются, что позволяет отображать их на одном экране. На блоке 204 перемежающиеся потоки отображаются на экране, когда экран попеременно освещается источниками света, связанными с отображаемыми потоками данных. Например, с использованием устройства 100, когда поток данных, подлежащий наблюдению правым глазом 136, отображается на экране 110, экран 110 будет освещаться левым источником 126 света. Когда поток данных, подлежащий наблюдению левым глазом пользователя, отображается на экране 110, экран 110 будет освещаться правым источником 125 света.

На фиг.3 показано графическое представление перемежения потоков данных и привязки источников света согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Набор 310 графиков содержит графическое представление потока данных 311 и потока данных 312. При использовании вышеописанным образом вариант осуществления изобретения может предусматривать перемежение потока данных 311 и потока данных 312 путем попеременной отправки на дисплей дискретных временных отрезков каждого потока данных. Например, в течение отрезка 341 времени, часть потока данных 311 передается на экран для отображения. В течение отрезка 342 времени часть потока данных 312 передается на экран для отображения. На графике 320 показано хронирование источника света, связанного с потоком данных 311. Когда согласно варианту осуществления изобретения передается на дисплей часть потока 311 данных, например отрезок 341 времени, экран головного дисплея будет освещаться источником света, связанным с этим потоком данных, показанным на графике 320 как источник 321. На графике 330 показано хронирование источника света, связанного с потоком данных 312. Когда согласно варианту осуществления изобретения передается на дисплей часть потока 312 данных, например отрезок 342 времени, экран головного дисплея будет освещаться источником света, связанным с этим потоком данных, показанным на графике 330 как источник 331.

Варианты осуществления настоящего изобретения не ограничиваются стереоскопической техникой, описанной на фиг.2 и 3. Можно использовать любой шаблон перемежения совокупности сигналов. На практике, конкретный шаблон, количество потоков данных и количество источников света будет зависеть от приложения. Например, многие ЖКД используют освещение последовательностью цветов, а именно импульсы красного, зеленого и синего света передаются в последовательных изображениях ЖКД. Для этого согласно вариантам осуществления изобретения могут применять источники 125 и 126 света, которые используют отдельно управляемые красный, зеленый и синий источники. Другие конфигурации согласно другим вариантам осуществления для формирования множественных изображений экрана 110 дисплея, например, освещающие экран 110 дисплея светом с переменным направлением поляризации, могут потребовать регулировки вышеописанных процедур.

Варианты осуществления настоящего изобретения не ограничиваются конфигурациями головного устройства, например, описанными на фиг.1. На фиг.4 показан вид в перспективе головного устройства, конструкция которого отвечает варианту осуществления настоящего изобретения. Головное устройство 400 включает в себя секцию 101, описанную со ссылкой на фиг.1, которая предназначена для разделения отображаемого изображения дисплея 110 на подызображение для левого глаза, передаваемого по оптическому подпути 140 левого глаза, и подызображение для правого глаза, передаваемого по оптическому подпути 130 правого глаза. Для устройства 400 переходная оптика 443 левого глаза размещена вдоль оптического подпути 140 левого глаза для регулировки подызображения для левого глаза до того, как оно попадет на отражатель 142 левого глаза. Отражатель 142 левого глаза отражает подызображение для левого глаза в левый окуляр 460. Левый окуляр 460 состоит из составной оптики. Подызображение для левого глаза попадает на рассеиватель 444 левого глаза и создает действительное изображение на поверхности. Сложная оптика левого окуляра будет надлежащим образом создавать увеличенное мнимое изображение из этого действительного изображения для левого глаза 146.

Аналогично, подызображение для правого глаза передается по оптическому подпути 130 правого глаза на переходную оптику 433 правого глаза. Переходная оптика 433 правого глаза соответствующим образом регулирует подызображение дисплея для правого глаза для отражения отражателем правого глаза 132 в правый окуляр 461. Правый окуляр 461 состоит из составной оптики. Подызображение для правого глаза попадает на рассеиватель 434 правого глаза и формирует действительное изображение. Увеличенное мнимое изображение создается из действительного изображения составной оптикой для правого глаза 136. Устройство 200 способно осуществлять поправку на остроту зрения посредством перемещения 253 составной оптики 460 и перемещения 254 составной оптики 461.

Две внеосевые апертурные диафрагмы 470, 472 могут размещаться между линзами 115 дисплея и светоделителем 420 для определения содержимого пространственных частот переходной оптики 433, 443. Поэтому размер апертурной диафрагмы согласно варианту осуществления, показанному на фиг.4, определяется разрешением дисплея, и, таким образом, согласно варианту осуществления, показанному на фиг.4, можно использовать меньшие апертуры, чем показанные на фиг.1.

Устройство 400 также выполнено с возможностью регулировки IPD посредством синхронизированных перемещений отдельных оптических блоков. IPD 150 сокращается путем смещения левого окуляра 460 к правому окуляру на перемещение 251 и окуляра 461 к левому на перемещение 252. Согласно варианту осуществления изобретения, показанному на фиг.4, длина оптических подпутей 140 между переходной оптикой 443 и рассеивателем 444 и длина между рассеивателем 444 и окуляром 460 должна поддерживаться неизменной. Таким образом, когда окуляр 460 перемещается вправо на перемещение 251, рассеиватель 444 и отражатель 142 левого глаза будут оставаться в фиксированном положении, когда центральный блок 401, включающий в себя линзу 443, перемещается перпендикулярно от лицевой плоскости. Аналогично, длина оптического подпути 130 между переходной оптикой 433 и рассеивателем 434 и длина между рассеивателем 434 и окуляром 461 должна поддерживаться неизменной. Таким образом, когда окуляр 461 перемещается влево на перемещение 252, рассеиватель 434 и отражатель 132 правого глаза будут оставаться в фиксированном положении, когда центральный блок 401, включающий в себя линзу 443, перемещается на перемещение 451 перпендикулярно от лицевой плоскости.

Варианты осуществления настоящего изобретения могут включать в себя апертурную диафрагму 470. Апертурная диафрагма 470 позволяет свету проходить через отверстия 471 и 472. Отверстия 471, 472 могут быть альтернативно устроены как затворы, которые можно использовать для блокировки распространения света, отраженного от экрана 110 дисплея. С использованием таких затворов устройство 400 может управлять передачей изображения в тот или иной глаз пользователя, что можно легко приспособить к стереоскопической технике, показанной на фиг.2 и 3. Благодаря поочередному перекрыванию отверстий 471, 472 и благодаря связыванию этого перекрывания с отображением конкретных потоков данных, вариант осуществления может передавать в каждый глаз лишь выбранные потоки данных.

Согласно варианту осуществления, показанному на фиг.4, переходная оптика 433, 443 используется для передачи изображения дисплея на рассеиватели 434, 444 с увеличением, примерно равным 1. Затем числовая апертура падающих действительных изображений увеличивается рассеивателями 434, 444. Затем окуляры 460, 461 проецируют действительные изображения, создаваемые на рассеивателях 434, 444 в глаза 136, 146 как увеличенные мнимые изображения.

Варианты осуществления настоящего изобретения не ограничиваются конфигурациями, использующими секцию 101 светоделителя. На фиг.5 и 5A показаны виды сверху головного устройства, конструкция которого отвечает варианту осуществления настоящего изобретения. Устройство 500 включает в себя секцию 501 создания подызображений. Подобно секции 101, секция 501 формирует подызображение дисплея для левого глаза, которое передается по оптическому подпути 140, и подызображение дисплея для правого глаза, передающееся по оптическому подпути 130. Экран 110 секции 501 предпочтительно освещается коллимированным светом от источника 570 света и источника 580 света, предназначенных для проецирования света по пути 576 света источника и пути 586 света источника соответственно. Источник 570 света содержит источник 571 синего света, размещенный вдоль пути 576 света источника, предпочтительно, в положении в или вблизи отраженной фокальной точки 524 оптики 115 дисплея. Источник 571 синего света может представлять собой любой источник света, способный излучать синий свет, например светодиод серии Nochia NSCx100 (СИД). Свет из синего источника 571 проходит через первый цветной светофильтр 574, установленный под определенным углом к пути 576 света источника и выбранный для пропускания синего света и отражения зеленого света. Зеленый источник 572 размещен вблизи пути 576 света источника для отражения света цветного светофильтра 574, чтобы моделировать размещение зеленого источника 572 в том же месте, где находится синий источник 571. Синий свет и отраженный зеленый свет распространяются по пути 576 света источника, проходя через второй цветной светофильтр 575, установленный под определенным углом к пути 576 света источника. Второй цветной светофильтр 575 выбирается так, чтобы он пропускал синий и зеленый свет, но отражал красный свет. Красный источник 573 размещен вблизи оптического пути 576 света от источника и отражает свет второго цветного светофильтра 575, чтобы моделировать размещение красного источника 573 в том же месте, где находится синий источник 571. Синий свет, отраженный зеленый свет и отраженный красный свет затем распространяются по оптическому пути 576 света источника и отражаются отражателем 590 света источника. Согласно описанному варианту осуществления, отражатель 590 света источника может представлять собой поляризационный отражатель, размещенный около оси 111 дисплея и вдоль оптического пути 112. Комбинированный синий, зеленый и красный свет поляризуется и отражается отражателем 590 света источника через оптику 115 дисплея. Согласно описанному варианту осуществления оптика 115 дисплея представляет собой линзу, выбранную с возможностью иметь фокальную точку 124 (и отраженную фокальную точку 524). При прохождении через оптику 115 дисплея комбинированный синий, зеленый и красный свет освещает дисплей 110 коллимированным пучком, который слегка скошен относительно оси 111.

Источник 580 света содержит источник 581 синего света, размещенный вдоль пути света от источника 586, предпочтительно, в положении в или вблизи отраженной фокальной точки 524 оптики 115 дисплея. Источник 581 синего света может представлять собой любой источник света, способный излучать синий свет, например светодиод серии Nochia NSCx100 (СИД). Свет из синего источника 581 проходит через первый цветной светофильтр 584, установленный под определенным углом к пути 586 света источника и выбранный для пропускания синего света и отражения зеленого света. Зеленый источник 582 размещен вблизи пути 586 света источника и призван отражать свет цветного светофильтра 584, чтобы моделировать размещение зеленого источника 582 в том же месте, где находится синий источник 581. Синий свет и отраженный зеленый свет распространяются по пути 586 света источника, проходя через второй цветной светофильтр 585, установленный под определенным углом к пути 586 света источника. Второй цветной светофильтр 585 выбирается так, чтобы он пропускал синий и зеленый свет, но отражал красный свет. Красный источник 583 размещен вблизи оптического пути 586 света источника и отражает свет второго цветного светофильтра 585, чтобы моделировать размещение красного источника 583 в том же месте, где находится синий источник 581. Синий свет, отраженный зеленый свет и отраженный красный свет затем распространяются по оптическому пути 586 света источника и отражаются отражателем 590 света источника. Согласно описанному варианту осуществления изобретения отражатель 590 света источника может представлять собой поляризационный отражатель, размещенный около оси дисплея 111 и вдоль оптического пути 112. Комбинированный синий, зеленый и красный свет поляризуется и отражается отражателем 590 света источника через оптику 115 дисплея. Согласно описанному варианту осуществления оптика 115 дисплея представляет собой линзу, которая должна иметь фокальную точку 124 (и отраженную фокальную точку 524). При прохождении через оптику 115 дисплея комбинированный синий, зеленый и красный свет освещает дисплей 110 коллимированным пучком, который слегка скошен относительно оси 111.

Секция 501 устройства 500 дополнительно содержит призматический светоделитель 520, ориентированный относительно фокальной точки 124 линзы дисплея. Секция 501 изображена так, что фокальная точка 124 находится в центре призматического светоделителя 520, но варианты осуществления изобретения не ограничиваются этой конфигурацией. Если источники света 580 и источники света 570 размещены ближе к оптическому пути 112, чем отраженная фокальная точка 524, светоделитель 520 должен быть размещен дальше от дисплея 110, чем фокальная точка 124. Напротив, если источники света 580 и 570 размещены дальше от оптического пути 112, чем отраженная фокальная точка 524, то светоделитель 520 должен быть размещен ближе к дисплею 110, чем фокальная точка 124. Таким образом, варианты осуществления настоящего изобретения не ограничиваются конфигурациями, в которых светоделитель 520, показанный на фиг.5 (или светоделитель 120, показанный на фиг.1, или светоделитель 420 показанный на фиг.4), размещен вблизи фокальной точки линзы 115 дисплея, но может быть размещен в любой точке, совпадающей с уменьшенным объемом разделения, созданным изображением дисплея, сфокусированным оптикой, например линзой 115. Свет из источника 570 отражается от экрана 110, формирует изображение экрана 110, которое фокусируется линзой 115 дисплея, и отражается гранью 521 призматического светоделителя и вдоль оптического подпути 130 как подызображение для правого глаза. Свет из источника 580 отражается от экрана 110, формирует изображение экрана 110, фокусируется линзой 115 дисплея, отражается гранью 522 призматического светоделителя и проходит вдоль оптического подпути 140 как подызображение для правого глаза.

Подызображение для левого глаза будет передаваться по оптическому подпути 140 и канализироваться в левый глаз 146 пользователя. Вдоль оптического подпути 140 расположен отражатель 142 левого глаза, который является полностью отражающей поверхностью, и перенаправляет оптический подпуть 140 левого глаза на 90° и в оптику 145 левого окуляра. Подызображение для правого глаза будет передаваться по оптическому подпути 130 и канализироваться в правый глаз 136 пользователя. Вдоль оптического подпути 130 расположен отражатель 132 правого глаза, который является полностью отражающей поверхностью, и перенаправляет оптический подпуть 130 правого глаза на 90° и в оптику 135 правого окуляра. Оптика 135 правого окуляра и оптика 145 левого окуляра может состоять из одной или нескольких линз, предназначенных для соответствующего увеличения подызображения для правого глаза для наблюдения правым глазом 136 пользователя и подызображения для левого глаза для наблюдения левым глазом 146 пользователя соответственно.

Оптика 135 и 145 окуляра представляет собой регулируемые линзы, но в других вариантах осуществления можно использовать любую конфигурацию, которая надлежащим образом увеличивает подызображение для правого глаза и подызображение для левого глаза для наблюдения правым глазом 136 и левым глазом 146 соответственно. Кроме того, хотя отражатели 142, 132 устройства 500 изображены в виде зеркал, варианты осуществления не ограничиваются использованием зеркал для перенаправления оптического подпути. Вместо этого, для перенаправления оптического пути или подпути можно использовать призмы, поляризующие светоделители или любые другие подходящие структуры.

Устройство 500 также способно осуществлять коррекцию для изменения IPD для разных пользователей. Устройство 500 подстраиваться под IPD 150 конкретного пользователя путем перемещения оптики 145 левого окуляра и путем перемещения оптики 135 правого окуляра, и одновременного перемещения центральной части оптики перпендикулярно лицевой плоскости. Устройство 500 также способно осуществлять поправку на остроту зрения посредством перемещения оптики 135 левого окуляра и перемещения оптики 145 правого окуляра.

Варианты осуществления настоящего изобретения не ограничиваются созданием множественных независимых изображений экрана дисплея путем освещения экрана дисплея с множественных направлений, но, вместо этого, могут использовать любой способ формирования множественных изображений из одного дисплея. На фиг.6 показан вид сверху участка головного дисплея, конструкция которого отвечает другому варианту осуществления настоящего изобретения. Устройство 600 включает в себя источник 608, размещенный в отраженной фокальной точке 124R, свет которого отражается и поляризуется поляризационным светоделителем 690. Свет из источника 608 коллимируется линзой 115, отражается дисплеем 110 и распространяется вдоль оптического пути 112. Вдоль оптического пути 110 размещен блок регулировки поляризации, например вращатель 609 плоскости поляризации, который способен поворачивать плоскость поляризации света от источника 608. Вращатель плоскости поляризации способен переключать направление линейной поляризации света излучаемого света между двумя или более направлениями. Варианты осуществления настоящего изобретения не ограничиваются ни вращателями плоскости поляризации, ни использованием линейно поляризованного света. Напротив, вариант осуществления настоящего изобретения может использовать линейную, круговую, эллиптическую или любую другую поляризацию света и может использовать любой подходящий блок регулировки поляризации, который позволяет согласно варианту осуществления изобретения разделять подызображения. Светоделитель 620 представляет собой светоделитель в виде асимметричного V-образного зеркала, размещенного около фокальной точки 124 линзы 115. Поверхность 621 светоделителя 620 является поляризационным светоделителем и поверхность 622 является полностью отражающей поверхностью.

Для передачи изображения в левый глаз пользователя устройство 600 выбирает состояние вращателя 609 плоскости поляризации, которое приводит к отражению света от источника 608 вдоль оптического подпути 130 поверхностью 621. Для передачи изображения в правый глаз пользователя устройство 600 выбирает состояние вращателя 609 плоскости поляризации, которое приводит к тому, что свет от источника 608 будет пропущен поверхностью 621 и, таким образом, отражен поверхностью 622 вдоль оптического подпути 140. Вариант осуществления изобретения, показанный на фиг.6, также легко приспособить к стереоскопической технике, показанной на фиг.2 и 3. Потоки данных, отображаемые экраном 110 дисплея, можно перемежать наподобие описанного выше и связывать с состоянием вращателя 609 плоскости поляризации.

Варианты осуществления изобретения, которые создают множественные изображения экрана дисплея с использованием поляризации, не ограничиваются конфигурацией фиг.6. На фиг.7 показан вид сверху участка головного дисплея, конструкция которого отвечает еще одному варианту осуществления настоящего изобретения. Устройство 700 включает в себя источники 708 и 709, предназначенные для освещения экрана дисплея 110 двумя совпадающими пучками со взаимно ортогональными направлениями поляризации. Свет источника 708 распространяется через поляризационный светоделитель. Свет источника 709 отражается поляризационным светоделителем. Таким образом, экран 110 дисплея освещается коллимированным светом от источника 708, поляризованным в одном направлении, и освещается коллимированным светом от источника 709, поляризованным во втором направлении. Поверхность 790 является частично отражающей поверхностью, которая не влияет на поляризацию света от источника 708, 709.

Будучи отражен от экрана 110 дисплея, свет от источников 708, 709 фокусируется линзой 115 в точку 124. Светоделитель 620 является светоделителем в виде асимметричного V-образного зеркала, в которой 621 это поляризационный светоделитель и 622 это полностью отражающее зеркало, и поверхность поляризационного светоделителя 621 будет отражать свет от источника 709 вдоль оптического подпути 130, в то же время пропуская свет от источника 708, подлежащий отражению от поверхности 622. Вариант осуществления, показанный на фиг.7, легко приспособить к стереоскопической технике, показанной на фиг.2 и 3. Потоки данных, отображаемые экраном 110 дисплея, могут перемежаться наподобие описанного выше и затем связываться с источником 708 или источником 709. Благодаря попеременному освещению источниками 708, 709 при отображении перемежающихся потоков данных, можно передавать разные данные в разные глаза пользователя.

Хотя вышеописанные варианты осуществления описаны с использованием освещения без перекоса, некоторые типы дисплеев (например, дисплей с цифровой обработкой света (DLP) или другие микрозеркальные дисплеи) требуют освещение с косыми пучками света. Для работы с такими экранами дисплея варианты осуществления настоящего изобретения можно легко приспособить ко внеосевым позициям. Например, 708, 709 могут быть размещены во внеосевых позициях для освещения двумя совпадающими скошенными пучками со взаимно ортогональными направлениями поляризации.

Хотя настоящее изобретение и его преимущества были подробно описаны, следует понимать, что они допускают различные вариации, замены и изменения, не выходящие за рамки изобретения, заданные прилагаемой формулой изобретения. Кроме того, объем настоящей заявки не призван ограничиваться конкретными вариантами осуществления процесса, машины, изготовления, состава веществ, средств, способов и этапов, описанными в описании изобретения. Как следует из раскрытия, можно использовать процессы, машины, изготовления, составы веществ, средства, способы или этапы, существующие в настоящее время или те, которые будут разработаны в будущем, осуществляющие, по существу, ту же функцию или приводящие к, по существу, тому же результату, что и соответствующие варианты осуществления изобретения, раскрытые здесь. Соответственно, прилагаемая формула изобретения призвана включать в свой объем такие процессы, машины, изготовления, составы веществ, средства, способы или этапы.