表示虚拟图像的体积显示装置及其方法与流程
本公开总体上涉及显示布置；并且更具体地涉及用于表示现实环境的视图中的图像的体积显示装置。此外，本公开还涉及用于表示现实环境的视图中的图像的方法。
背景技术：
近年来，随着技术的进步，三维(3d)内容可视化得到了普及，因为人脑能够有效地感知和保存以三维(3d)格式进行可视化的信息、数据、对象、模型等。因此，三维图像被用于教育(例如，向学校和学院的学生展示三维模型)、土木工程、空中交通管制管理(例如，模拟机场周围的空域)、建筑、医学、研究和科学、军事和国防(例如，描绘战场的地形模型)等领域。
已经开发了多种技术来呈现三维(3d)图像。通常，采用诸如为液晶显示器(liquidcrystaldisplay，lcd)、基于二极管的显示器等的二维显示器来以三维(3d)格式呈现诸如为图像、视频等的图形内容。然而，在二维显示器上表示三维图像的这种技术不能呈现对于三维图像的真实感表示而言必不可少的生理深度线索，从而限制了在这种显示器上观看内容的观看者的感知和空间觉知。此外，为了真实地表示三维对象和场景，采用诸如为立体显示器的现代三维显示技术，其包括头戴式显示器、头盔式显示器等。然而，这样的技术也与多种问题相关联。目前，采用立体显示器的技术利用传统的2d成像解决方案，从而允许仅呈现心理深度线索和有限的生理深度线索来模仿深度，因此不能正确地驱动视觉调节和会聚度。因此，这些自然相连的深度感测机制会解耦，这会对观看者造成不愉快的感觉并因此限制观看时间，并且还会基于由于不正确或不精确地感知的3d信息而进行的不充分决策而导致人为错误。
因此，根据前述讨论，存在克服与用于呈现三维图像的常规技术相关联的前述缺点的需求，该常规技术不仅表示心理深度线索，而且还表示正确的生理深度线索。
技术实现要素：
本公开寻求提供一种用于表示在现实环境的视图中的三维图像的体积显示装置。本公开还寻求提供一种用于经由体积显示装置来表示在现实环境的视图中的三维图像的方法。本公开寻求提供一种解决现有问题的解决方案，诸如用于三维成像的常规显示设备内的三维图像的不适当的可缩放性、低分辨率和表示。本公开的目的在于提供一种解决方案，该解决方案至少部分地克服了现有技术中遇到的问题，并且提供一种鲁棒的、用户友好的体积显示装置，该体积显示装置能够在亮度、对比度、分辨率等方面增强三维图形信息的表示。
一方面，本公开的实施例提供了一种体积显示装置，该体积显示装置用于为观看者的眼睛表示在现实环境的视图中的不同聚焦距离处的图像的内容，体积显示装置包括：
-至少一个图像投影单元，所述至少一个图像投影单元能够操作以投影图像的多个深度平面；
-至少一个电光单元，所述至少一个电光单元包括彼此平行布置的两个或更多个光学漫射器元件，所述至少一个电光单元被定位成接收其上的图像的经投影的多个深度平面，并且被配置成在给定时刻在所述两个或更多个光学漫射器元件之一处独立地显示图像的经投影的多个深度平面之一；以及
-光学组合器，所述光学组合器相对于所述至少一个电光单元定位，以将所述现实环境的视图与在所述至少一个电光单元中的图像的独立显示的多个深度平面进行组合。
另一方面，本公开的实施例提供了一种用于使用至少一个电光单元为观看者的眼睛表示在现实环境的视图中的不同聚焦距离处的图像的内容的方法，所述至少一个电光单元包括彼此平行布置的两个或更多个光学漫射器元件，所述方法包括：
-对图像的多个深度平面进行投影；
-在给定时刻在两个或更多个光学漫射器元件之一处独立地显示图像的经投影的多个深度平面之一；以及
-将现实环境的视图与图像的独立显示的多个深度平面进行组合。
本公开的实施例基本上消除了或者至少部分解决了现有技术中的前述问题，并且使得能够经由体积显示装置真实地描绘三维图像。此外，所表示的三维图像具有增强的心理深度线索和生理深度线索，以正确地模仿与观看者正在观看的图像相关联的深度。此外，通过将现实环境的视图与正在观看的图像进行结合，进一步增强了观看者的体验。
根据结合以下所附权利要求解释的说明性实施例的附图和详细描述，本公开的附加方面、优点、特征和目的将变得显而易见。
将理解的是，本公开的特征易于以各种组合进行组合，而不脱离如所附权利要求所限定的本公开的范围。
附图说明
当结合附图进行阅读时，将更好地理解以上概述以及说明性实施例的以下详细描述。为了说明本公开，在附图中示出了本公开的示例性构造。然而，本公开不限于本文中所公开的特定方法和手段。此外，本领域技术人员应当理解，附图未按比例进行绘制。相似的元件尽可能地以相同的附图标记表示。
现参考以下附图仅以示例的方式来描述本公开的实施例，在附图中：
图1是根据本公开的实施例的用于为观看者表示在现实环境的视图中的不同聚焦距离处的图像的内容的体积显示装置的示意图；
图2是根据本公开的实施例的体积显示装置的架构的示意图；
图3a至图3b以及图4至图5是根据本公开的各种实施例的被实施为可穿戴显示设备的体积显示装置的示意图；
图6a至图6b是根据本公开的不同实施例的被实施为桌面显示器的体积显示装置的示意图；
图7是根据本公开的实施例的被实施为车辆中的平视式显示器的体积显示装置的示意图；以及
图8是根据本公开的实施例的用于为观看者的眼睛表示在现实环境的视图中的不同的聚焦距离处的图像的内容的方法的步骤的图示。
在附图中，带下划线的数字用于表示带下划线的数字所在的项目或与带下划线的数字相邻的项目。未加下划线的数字与通过将未加下划线的数字链接至项目的线所标识的项目有关。当数字未加下划线并带有相关联的箭头时，未加下划线的数字用于标识箭头所指向的一般项目。
具体实施方式
以下详细描述说明了本公开的实施例以及可以实施这些实施例的方式。尽管已经公开了执行本公开的一些方式，但是本领域技术人员将认识到，用于执行或实践本公开的其他实施例也是可能的。
一方面，本公开的实施例提供了一种体积显示装置，该体积显示装置用于为观看者的眼睛表示在现实环境的视图中的不同聚焦距离处的图像的内容，体积显示装置包括：
-至少一个图像投影单元，该至少一个图像投影单元能够操作以投影图像的多个深度平面；
-至少一个电光单元，该至少一个电光单元包括彼此平行布置的两个或更多个光学漫射器元件，该至少一个电光单元被定位成接收其上的图像的经投影的多个深度平面，并且被配置成在给定时刻在两个或更多个光学漫射器元件之一处独立地显示图像的经投影的多个深度平面之一；以及
-光学组合器，该光学组合器相对于至少一个电光单元定位，以将现实环境的视图与在至少一个电光单元中的图像的独立显示的多个深度平面进行组合。
另一方面，本公开的实施例提供了一种用于使用至少一个电光单元为观看者的眼睛表示在现实环境的视图中的不同聚焦距离处的图像的内容的方法，该至少一个电光单元包括彼此平行布置的两个或更多个光学漫射器元件，该方法包括：
-对图像的多个深度平面进行投影；
-在给定时刻在两个或更多个光学漫射器元件之一处独立地显示图像的经投影的多个深度平面之一；以及
-将现实环境的视图与图像的独立显示的多个深度平面进行组合。
遍及本公开，本文所使用的术语“体积显示装置”涉及用于以使三维(3d)图像真实地呈现出具有实际物理深度的方式向观看者呈现三维图像的专用设备。换句话说，体积显示装置能够操作以充当用于在三维空间中可视地呈现三维图像的设备。体积显示装置包括至少一个图像投影单元，该图像投影单元能够操作以投影图像的多个深度平面。体积显示装置还包括至少一个电光单元，该至少一个电光单元包括彼此平行布置的两个或更多个光学漫射器元件。关于体积显示装置的各个部件的配置和细节将在随后的段落中描述。
遍及本公开，本文所使用的术语“图像投影单元”涉及用于将三维图像的多个图像切片(部分)投影在体积显示装置的多个光学漫射器元件上的专用设备。可选地，图像投影单元包括光源、空间光调制器、处理器和投影光学器件。更可选地，图像投影单元涉及光学部件(例如，诸如透镜、反射镜、棱镜、光圈等)的装置，这些光学部件被配置成将经调制的光束引导到光学漫射器元件。值得注意的是，图像投影单元允许将多个图像切片清晰地聚焦在多个光学漫射器元件上。图像投影单元提供包含投影体积的足够的景深。结果，在多个光学漫射器元件上显示足够清晰的图像。此外，图像投影单元可以包括光圈，以至少调节多个图像切片的景深和亮度。
可选地，通过有源光学组件实施图像投影单元，这些有源光学组件是可电控的，以将多个图像切片有源地聚焦在其对应的光学漫射器元件上。这种有源光学组件的示例包括但不限于基于液晶的电活性透镜和静电可控膜。
可选地，图像投影单元的刷新率基于体积显示装置的体积刷新率和多个光学漫射器元件的数量。图像投影单元的刷新率可以理解为图像投影单元的投影仪投影多个图像切片时的速率。遍及本公开，术语“体积刷新率”涉及与单个三维图像有关的给定的多个图像切片在体积显示装置的多个光学漫射器元件上显示(在一些情况下重复地显示)的速率。
此外，术语“三维图像”涉及体积图像(即，在三维空间中具有高度、宽度和深度的图像)。给定的三维(3d)图像可以是至少一个三维对象(例如，诸如雕像、车辆、武器、乐器、抽象设计等)、三维场景(例如，诸如海滩场景、山地环境、室内环境等)的给定体积图像等。此外，术语“三维图像”还包括计算机生成的三维表面。此外，术语“三维图像”还包括三维点云。
遍及本公开，术语“图像切片”涉及三维图像的一部分(即，切片或片段)。通过图像处理算法，可以将三维图像解构(或分解)为与三维图像内的多个深度相对应的多个图像切片。在此，三维图像是多个图像切片的组合。应当理解，当通过多个光学漫射器元件实施给定的体积显示装置时，图像切片的不同部分被显示在不同的光学漫射器元件上。
本公开的体积显示装置被实施为用于在现实环境的视图中为观看者的眼睛表示在不同的聚焦距离处的图像的内容。如所讨论的，在体积显示装置中，图像投影单元能够操作以投影图像的多个深度平面。可选地，图像投影单元通信地耦合到处理器，该处理器被配置成将馈送到其的三维图像分离成多个图像切片。值得注意的是，处理器可以是具有专用图形处理单元或专用硬件、软件和/或固件组合的个人计算机。处理器可以被理解为执行用于体积显示装置的处理任务的单元。通过利用应用编程接口(apis)(可能具有各种组合，例如，诸如
此外，在体积显示装置中，至少一个电光单元包括彼此平行布置的两个或更多个光学漫射器元件，使得该至少一个电光单元被定位成接收其上的图像的经投影的多个深度平面，并且被配置成在给定时刻在两个或更多个光学漫射器元件之一处独立地显示图像的经投影的多个深度平面之一。在本发明的电光单元中，两个或更多个光学漫射器元件可以粘附在一起以形成单个单元，或者可以堆叠地布置，其间具有间隙(例如气隙)。在电光单元中需要至少两个光学漫射器元件以提供与3d图像相关联的深度。两个或更多个光学漫射器元件在给定时刻独立地显示图像的经投影的多个深度平面。在此，给定的时刻取决于图像投影单元的刷新率。
可选地，两个或更多个光学漫射器元件的厚度在0.3毫米至2毫米的范围内；特别是约1.1毫米。在示例中，至少一个光学漫射器的厚度可以是0.3毫米、0.4毫米、0.5毫米、0.6毫米、0.7毫米、0.8毫米、0.9毫米、1.0毫米、1.1毫米、1.2毫米或1.3毫米至0.5毫米、0.6毫米、0.7毫米、0.8毫米、0.9毫米、1.0毫米、1.2毫米、1.3毫米、1.4毫米、1.5毫米、1.6毫米、1.7毫米、1.8毫米、1.9毫米或2毫米。
此外，可选地，体积显示装置内的多个光学漫射器元件的数量在2至50的范围内。作为示例，体积显示装置可以包括2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个、11个、12个、13个、14个、15个、16个、17个、18个、19个、20个、21个、22个、23个、24个、25个、30个、35个或40个至6个、7个、8个、9个、10个、11个、12个、13个、14个、15个、16个、17个、18个、19个、20个、21个、22个、23个、24个、25个、30个、35个、40个、45个或50个光学漫射器元件。可替代地，可选地，体积显示装置内的多个光学漫射器元件的数量大于50。作为示例，体积显示装置可以包括55个、60个、65个、70个、75个、80个、85个、90个、95个或100个光学漫射器元件。
可选地，对三维图像进行处理以生成与其相对应的预定义数量的图像切片(遍及本公开，被称为图像的多个深度平面)。在实施例中，在处理三维图像时待生成的图像切片的预定义数量等于体积显示装置内的光学漫射器元件的数量。在这种情况下，当使用电光单元时，每个光学漫射器元件要投影一个图像切片。在另一实施例中，在处理三维图像时生成的多个图像切片的预定义数量小于体积显示装置内的多个光学漫射器元件的数量。在这种情况下，在将所有图像切片投影到多个其它光学漫射器元件上之后，将存在至少一个未使用的光学漫射器元件。作为示例，体积显示装置中的光学漫射器元件的数量可以等于10。在这种情况下，可以对三维图像进行处理以生成2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个或10个图像切片。
此外，可选地，处理器被配置为在处理三维图像以生成多个图像切片的同时执行至少一个图像处理操作。至少一个图像处理操作可以涉及预处理操作以及后处理操作。至少一个图像处理操作的示例包括但不限于三维图像的线性变换(例如，诸如平移、旋转等)、三维图像的剪切、对多个图像切片添加和/或移除图形信息和/或指针信息、三维图像的颜色调整、三维图像的对比度调整、三维图像的切片间抗失真。
在实施例中，两个或更多个光学漫射器元件中的每一个能够操作以在光学透明状态与光学光漫射状态之间切换。可选地，给定的光学漫射器元件具有至少两种操作状态，该至少两种操作状态至少包括光学透明状态和光学光漫射状态。当给定的光学漫射器元件处于光学透明状态时，电磁辐射的可见光谱内的光基本上从该给定的光学漫射器元件中通过，并且图像切片不在给定的显示元件处显示。然而，当给定的光学漫射器元件处于光学光漫射状态时，入射到给定的光学漫射器元件上的大部分光被前向散射，并且图像切片在给定的光学漫射器元件处显示。值得注意的是，在给定的时间点，至少两个光学漫射器元件中只有一个处于光学光漫射状态，而其余的光学漫射器元件将处于光学透明状态。
在实施例中，至少一个电光单元包括过渡介质层，该过渡介质层被布置在两个或更多个光学漫射器元件中的每一个之间，其中，过渡介质层的折射率等于与其接触的光学漫射器元件的一个或多个基片的折射率。过渡介质层被设置在两个或更多个光学漫射器元件中的每一个之间，其中，过渡介质层典型地是薄层。过渡介质层的折射率等于与其接触的两个或更多个光学漫射器元件中的每一个的基片的折射率，或者是与其接触的两个或更多个光学漫射器元件中的每一个的基片的折射率的平均值或中位数，以避免入射光中可能在过渡介质层和相应的光学漫射器元件的边界处发生的任何畸变。因此，在本发明的电光单元中，由于过渡介质层的折射率匹配，光学漫射器元件在彼此之间提供不受抑制的光传输，而在相应的光学漫射器元件之间的边界处没有太多的反射。
可选地，过渡介质层包括光学透明的粘性树脂和光学透明的粘合剂中的一种或多种，以将相邻的光学漫射器元件固定在一起。在示例中，过渡介质层可以层压或涂层的形式实施。在一个或多个示例中，两个或更多个光学漫射器元件中的每一个与它们之间的过渡介质层被压在一起，以从过渡介质层排出任何可能的气泡。
在实施例中，体积显示装置进一步包括控制器，该控制器能够操作地耦合到至少一个图像投影单元和至少一个电光单元，并且能够操作以便控制至少一个图像投影单元以时分复用的方式以与两个或更多个光学漫射器元件的光学状态变化基本上同步的方式投影图像的深度平面，使得当预期的光学漫射器元件处于光学光漫射状态时投影图像的相应的深度平面。术语“控制器”涉及专用硬件、软件、固件或它们的组合，该控制器被配置成控制体积显示装置的多个光学漫射器元件的操作状态。值得注意的是，控制器基于经由图像投影单元投影的多个图像切片来对多个显示元件的操作状态进行电控制。控制器以下述方式对多个光学漫射器元件的操作状态进行电控制，所述方式即，使得在任何给定时间，仅有一个光学漫射器元件(给定的图像切片待被投影到其上)处于光学光漫射状态，而其余的光学漫射器元件处于光学透明状态。此外，控制器利用控制信号来管理光学漫射器元件的操作。可选地，控制器以循环的方式控制至少两个光学漫射器元件中的每一个使其处于光学光漫射状态。在实施例中，将至少两个光学漫射器元件中的每一个切换到光学光漫射状态的渐进顺序是相对于观看者从最近的光学漫射器元件到最远的光学漫射器元件。在另一实施例中，将光学漫射器元件切换到光学光漫射状态的渐进顺序是相对于观看者从最远的光学漫射器元件到最近的光学漫射器元件。在又一实施例中，采用交错的顺序来将光学漫射器元件切换到光学光漫射状态。应当理解，控制器以与多个图像切片在光学漫射器元件上的投影基本上同步的方式控制光学漫射器元件的操作状态。
可选地，控制器根据主从配置控制体积显示装置的操作。在这种情况下，控制器包括用于使图像投影单元和光学漫射器元件的操作同步的多个驱动器逻辑块，多个驱动器逻辑块以一个驱动器逻辑块充当“主块”而另一个或其他驱动器逻辑块充当“辅块”的方式分层地布置。“主块”向“一个或多个辅块”提供同步信号，以实施这样的同步操作。
在示例中，图像投影单元可以将待显示的给定三维图像的三个图像切片is1、is2和is3分别投影在三个光学漫射器元件de1、de2和de3上。在这种情况下，当图像切片is1待显示在光学漫射器元件de1上时，控制器可以被配置成将光学漫射器元件de1切换到光学光漫射状态，同时将其余的光学漫射器元件de2和de3切换到光学透明状态。类似地，当图像切片is2待显示在光学漫射器元件de2上时，控制器可以被配置成将光学漫射器元件de2切换到光学光漫射状态，同时将其余的光学漫射器元件de1和de3切换到光学透明状态。此外，当图像切片is3待显示在光学漫射器元件de3上时，控制器可以被配置成将光学漫射器元件de3切换到光学光漫射状态，同时将其余的光学漫射器元件de1和de2切换到光学透明状态。前述切换模式可以基于所需的刷新率在一秒内循环重复多次。
在另一示例中，控制器可以用于控制电光单元的操作。这种控制器的主要用途之一是选择用于显示3d图像的光学漫射器元件的数量。换句话说，电光单元可以包括八个光学漫射器元件，然而，控制器根据需要仅切换八个光学漫射器元件中的四个光学漫射器元件。
可替代地，可选地，控制器可以由采用固件和/或软件等的设备替代。例如，设备可以用于禁用或启用所选择的光学漫射器元件。即，在显示3d图像的同时，光学漫射器元件之一可以保持处于永久的光学透明状态。在一个示例中，光学漫射器元件中的一些可以保持处于大致永久的光学透明状态，并且根据需要通过使其余的光学漫射器元件在光学光漫射状态与光学透明状态之间循环来显示3d图像。
给定的光学漫射器元件可以被理解为充当电可控屏幕(即，由控制器进行控制)，该电可控屏幕在光学透明状态下操作时使光通过其自身，并且在光学光漫射状态下操作时使这种光对观看者可见。因此，在操作中，光学漫射器元件在至少两个操作状态之间快速且按顺序地切换，以显示多个图像切片。结果，在三维图像内产生实际物理深度的可见效果。
可选地，体积显示装置的体积刷新率在20赫兹至120赫兹的范围内。当与单个三维图像有关的给定的多个图像切片在光学漫射器元件处显示一次时，则认为体积显示装置显示了单个三维图像的一个体积。因此，体积显示装置的体积刷新率涉及体积显示装置在一秒内可以显示的体积的数量。应当理解，高体积刷新率有助于观看者获得无闪烁的图像观看体验。作为示例，如果体积显示装置的给定的体积刷新率为30赫兹，则体积显示装置可以在一秒内显示给定三维图像的30个体积。可选地，体积显示装置的体积刷新率在40赫兹至100赫兹的范围内。更可选地，体积显示装置的体积刷新率为50赫兹。因此，体积显示装置的体积刷新率可以在例如40赫兹、45赫兹、50赫兹、55赫兹、60赫兹、65赫兹、70赫兹、75赫兹或80赫兹至50赫兹、55赫兹、60赫兹、65赫兹、70赫兹、75赫兹、80赫兹、85赫兹、90赫兹、95赫兹或100赫兹的范围内。
在实施例中，体积显示装置可以被实施为增强现实设备、混合现实设备、平视式显示器和桌面显示设备中的一种。特别地，体积显示装置可以以平视式显示器或桌面显示器的形式被实施以增强现实体验或混合现实体验。应当理解，体积显示装置的电光单元可以在虚拟现实(virtualreality，vr)显示设备中实施，该虚拟现实显示设备诸如为立体vr耳机或头戴式显示器。vr显示主要用于虚拟数据(诸如3d图像)的3d表示。
此外，体积显示装置包括光学组合器，该光学组合器相对于至少一个电光单元定位，以将现实环境的视图与在至少一个电光单元中的图像的独立显示的多个深度平面进行组合。应当理解，通过包括光学组合器，体积显示装置可以在增强现实(ar)显示设备和混合现实(mr)显示设备中实施，其中，显示设备可以是头戴式显示器、平视式显示器、桌面显示器等。ar显示设备和mr显示设备被构造成确保现实环境和虚拟或数字投影的3d图像的光学融合(融合)。值得注意的是，ar显示设备和mr显示设备需要将现实环境的视图与图像的独立显示的多个深度平面进行组合，因此，光学组合器相对于至少一个电光单元定位，使得观看者能够通过光学组合器观看3d图像(由至少一个电光单元生成)和现实环境的组合视图。为了实现这一点，将至少一个电光单元中的图像的多个深度平面投影在光学组合器上。
在实施例中，体积显示装置进一步包括成像设备，该成像设备被配置成捕获现实环境的视图并将其投影到光学组合器上。成像设备可以包括深度相机、图像配准设备、数字单透镜反光(dslr)相机、无镜相机和其它投影光学器件中的至少一个。成像设备与图像投影单元通信地耦合并同步。成像设备捕获现实环境的视图并将该视图投射在光学组合器上，使得观看者能够观看图像的多个深度平面以及在光学组合器上组合的现实环境的视图。现实环境的视图与图像的多个深度平面的这种融合使得观看者能够感知虚拟现实、增强现实或混合现实(如所配置的)中的3d图像。可选地，成像设备可以用于渲染图像，诸如用于真实世界和虚拟世界的融合，从而重新创建经改变的或混合的现实内容。在另一实施方式中，来自成像设备的一个或多个图像通过直接将图像从成像设备投影到光学漫射器元件或者通过在控制器处进行数字处理而与被投影在光学漫射器元件上的虚拟图像进行数字组合，以感知在虚拟现实、增强现实或混合现实(如所配置的)中的经组合的3d图像。
可选地，至少一个辅助设备可以通信地耦合到图像投影单元。至少一个辅助设备包括但不限于开关、传感器、多个传感器的组合、多个开关的组合等。值得注意的是，至少一个辅助设备用于配置、改变或补充体积显示装置的操作。
在实施例中，光学组合器被实施为部分透明反射镜、可切换玻璃、棱镜、波导、全息光学元件、透镜和衍射光栅中的至少一种。光学组合器可以是部分透明反射镜，使得由于光学组合器的透明性质，观看者能够通过光学组合器观察到现实环境(即，周围环境)的视图。此外，光学组合器由于其反射性质，使得来自电光单元的经投影的3d图像的一部分被反射向观看者。因此，光学组合器确保了实际现实与经投影的3d图像(即，经数字处理的或虚拟现实)的光学融合。此外，光学组合器可以是一个棱镜或多个棱镜的组合、波导、全息光学元件、透镜或透镜的组合、衍射光栅等。
可选地，被实施为波导的光学组合器包括入耦合元件和出耦合元件。与图像的多个深度平面相关联的光由波导借助全内反射现象通过入耦合元件进行投影(或引导)，并且光到达出耦合元件。由此，观看者能够经由出耦合元件观察到重新创建的3d图像。
可选地，波导可以是几何折射型波导。在这样的波导中，入耦合元件可以是诸如为棱镜的光学元件。此外，出耦合元件可以是一系列的成角度的半透明(例如波长敏感)反射镜等。
更可选地，波导可以是全息型波导。在这样的波导中，入耦合元件可以是专门为波导定制的衍射光栅。此外，出耦合元件可以是衍射(诸如全息)光栅。
在实施例中，体积显示装置包括第一电光单元和第二电光单元，其中，至少一个图像投影单元能够操作以将与图像相对应的第一组图像和第二组图像分别投影到第一电光单元和第二电光单元上，以提供立体效果。通常在与立体显示器相关联的ar显示设备中采用被实施为波导的光学组合器。立体显示器需要两组图像，每组图像被投影在第一电光单元和第二电光单元上。此外，图像投影单元通信地耦合到第一电光单元和第二电光单元，以便将第一组图像和第二组图像投影在相应的电光单元上。
在实施例中，光学组合器具有平面形状、弯曲形状和自由形式的形状中的一种。光学组合器可以具有弯曲形状，以为光学组合器提供光学强度。可选地，光学组合器可以是抛物线或球形结构。此外，根据电光单元的应用，光学组合器可以呈任何自由形式的形状。
在实施例中，体积显示装置进一步包括被布置在至少一个电光单元与光学组合器之间的至少一个光学构件，其中，至少一个光学构件将图像的独立显示的多个深度平面的投影从至少一个电光单元引导到光学组合器上。被布置在至少一个电光单元与光学组合器之间的至少一个光学构件被配置成对形成在两个或更多个光学漫射器元件上的图像的多个深度平面的投影进行引导，观看者通过光学组合器观看到这种被引导的投影。
在实施例中，至少一个光学构件是单个透镜，或多个透镜的组合、菲涅耳透镜、棱镜、全息光学元件和超材料光学元件。可选地，至少一个光学构件可以平行于电光单元布置。至少一个光学构件可以是单个光学透镜，该单个光学透镜被配置成朝向光学组合器引导投影。此外，光学构件可以是被配置成引导投影的一个或多个光学透镜的组合。此外，至少一个光学构件可以是菲涅耳透镜、棱镜、全息光学元件和超材料光学元件或其组合。应当理解，使用这样的光学构件使得3d图像投影在从电光单元投影到光学组合器时能够具有增强的亮度和对比度。
在另一实施例中，至少一个光学构件是放大光学元件。可选地，至少一个光学构件可以相对于电光单元以一角度设置。例如，至少一个光学构件与电光单元之间的角度可以在30度至60度的范围内。优选地，至少一个光学构件和电光单元之间的角度可以是45度。放大光学元件被配置成将来自至少一个光学构件的重新创建的3d图像投射到光学组合器。可选地，放大光学元件可以是单个光学元件或多个光学元件，其中，多个光学元件包括光学透镜、平面镜、曲面镜、非球面镜、自由曲面镜等中的至少一个。
在又一实施例中，至少一个光学构件是半透明分束器。在该实施例中，光学构件优选地被配置成引导投影朝向光学组合器。值得注意的是，半透明分束器沿两个方向对入射光进行分束。半透明分束器引导投影朝向光学组合器。可选地，半透明分束器是基本平坦的光学构件。更可选地，半透明分束器是50/50分束器，其中，50/50分束器被配置成透射50％的入射光并反射50％的入射光。应当理解，使用这样的至少一个光学构件使光学组合器上的图像的经投影的多个深度平面中的畸变(如果有的话)最小化。
在实施例中，体积显示装置进一步包括被布置在至少一个图像投影单元与至少一个电光单元之间的光学元件，其中，光学元件能够操作以允许将来自至少一个图像投影单元的图像的多个深度平面中的每一个深度平面投影到至少一个电光单元的指定的光学漫射器元件上。可选地，光学元件的形状可以是弯曲的。这样的弯曲光学元件确保了从图像投影单元到指定的光学漫射器元件上的经聚焦的光。更可选地，光学元件可以具有抛物线形状、球形形状、自由形式的形状等。值得注意的是，光学元件的形状被设计成与图像投影单元的投影仪的投影透镜配合工作，从而确保电光单元上的清晰图像的投影。更可选地，光学元件可以是平面形状的反射镜、波导等。
在实施方式中，在驱动辅助系统中采用体积显示装置的电光单元。值得注意的是，一些车辆配备有平视式显示器(hud)系统，其中，hud系统向汽车驾驶员提供信息，而不需要将眼睛从汽车正在行驶的道路上移开。此外，hud系统还被设计成将图像的多个深度平面叠加在现实环境的视图之上。通过实施hud系统，可以对关于汽车的现实环境补充地图的投影、需要注意的各种物体(诸如行人、其他汽车、动物等)的高光、汽车的行驶速度等，以辅助驾驶员。现有的hud系统基于这种图形信息的二维(2d)表示。换句话说，现有的汽车hud系统重新创建向汽车驾驶员显示相关信息的虚拟屏幕(诸如在光学组合器上)。尽管对于最基本的信息而言2d图形信息似乎已经足够了，但是对于改进的空间觉知和多功能性，需要真正的三维hud系统。
利用两个或更多个光学漫射器元件的本发明的体积显示装置允许虚拟深度平面在相对于汽车驾驶员的多个距离处进行投影，从而通过光学组合器将第三维度添加到感知图像中。值得注意的是，虚拟深度平面的数量和位置由电光单元的设计确定。可选地，虚拟深度平面可以在2个至25个的范围内。例如，虚拟深度平面可以在2个、4个、6个、8个、10个、12个、14个或16个至6个、8个、10个、12个、14个、16个、18个、20个、22个、24个或25个的范围内。应当理解，通过提供虚拟深度平面(诸如四个虚拟深度平面)，可以改进汽车驾驶员的空间觉知。在这样的实施方式中，通过图像投影单元对图像的多个深度平面进行投影。此外，光学构件能够操作以将多个深度平面投影到光学组合器上。可选地，光学元件可用于将所需的光学设计容纳在汽车的前面板内。在实施例中，汽车的挡风玻璃被实施为将现实环境的视图与图像的多个深度平面进行组合的光学组合器。
可选地，为了提供经投影并经处理的图像和现实环境的有效衰减，挡风玻璃可以被实现为半透明反射镜，其中，透明度与反射的比被配置成遵循90％/10％、85％/15％、80％/20％、75％/25％、70％/30％等的比率。更可选地，挡风玻璃的一部分(或部段)可以用薄膜状材料处理，从而得到半透明反射镜。更可选地，薄膜状材料可以是电可控的，以在施加/除去电压或电流时改变光学性质。此外，薄膜状材料可以是对环境光条件的强度敏感的光学材料(诸如一种类型的无源光铬材料)。此外，从光学组合器(即挡风玻璃)反射的经投影的光的一部分可以近似为倾斜的平面镜。反射光到达汽车驾驶员，该驾驶员观察反射光作为感知的虚拟深度平面。
在另一实现方式中，在紧凑型3d显示系统(诸如桌面显示器)采用体积显示装置的电光单元。这种系统主要用于教育、科学、专业、休闲等的室内使用。紧凑型3d显示系统中的图像投影单元配备有广角透镜，从而确保了大的图像投射比。可选地，图像投影单元可以是数字微镜设备、硅上液晶(liquidcrystalonsilicon，lcos)设备、透射式lcd空间光调制器、固态微led阵列等。值得注意的是，广角投影透镜的使用对于确保外壳的减小尺寸并因此对于确保紧凑型3d显示系统的减小尺寸而言很重要。来自图像投影单元的光朝向电光单元投影。可替代地，可选地，从投影单元到电光单元的光路可以结合用于聚焦光的光学元件。此外，从电光单元通过光学构件的光被引导朝向光学组合器。
在示例中，光学组合器可以是被固定到桌面显示器的盖上的高反射平面镜。可替代地，光学组合器可以是半透明反射镜。利用反射平面镜作为光学组合器可以提供虚拟现实体验；并且利用半透明反射作为光学组合器可以向直接观看光学组合器的观看者提供增强的或混合的现实体验。可选地，光学组合器可以是全息光学组合器。更可选地，光学组合器可以是曲面镜，诸如抛物面镜。更可选地，光学组合器可以是自由形状的反射镜。
应当理解，来自光学组合器的光到达观看者，该观看者将图像感知为多个虚拟深度平面，其中，多个虚拟深度平面包含在空间上有差异的信息，从而引起对图像深度的感觉。在紧凑型3d显示系统的另一种实施方式中，在图像投影单元与电光单元之间采用光学元件，以便将来自图像投影单元的光聚焦到电光单元。
本公开还涉及用于使用至少一个电光单元为观看者的眼睛表示在现实环境的视图中的不同聚焦距离处的图像的内容的方法，该至少一个电光单元包括彼此平行布置的两个或更多个光学漫射器元件。该方法包括投影图像的多个深度平面。该方法进一步包括在给定时刻在两个或更多个光学漫射器元件之一处独立地显示图像的经投影的多个深度平面之一。该方法进一步包括将现实环境的视图与图像的独立显示的多个深度平面进行组合。上文所公开的各种实施例和变形，加以必要的修改，适用于该方法。
附图的详细描述
参照图1，示出了根据本公开的实施例的体积显示装置100的示意图，该体积显示装置用于为观看者102表示在现实环境的视图中的不同聚焦距离处的图像的内容。如图所示，体积显示装置100包括至少一个图像投影单元104、至少一个电光单元106以及能够操作以对图像的多个深度平面进行投影的光学组合器108。此外，至少一个电光单元106包括彼此平行布置的三个光学漫射器元件106a、106b和106c。至少一个电光单元106被定位成接收其上的图像的经投影的多个深度平面，并且被配置成在给定时刻在两个或更多个光学漫射器元件(诸如，106a、106b和106c)之一处独立地显示图像的经投影的多个深度平面中的一个深度平面。此外，光学组合器108相对于至少一个电光单元106定位，以将现实环境的视图与在至少一个电光单元106中的图像的独立显示的多个深度平面进行组合。特别地，最接近观看者102的光学漫射器元件106a显示与车辆的一个或多个动态状态有关的信息，诸如当前速度、燃料表等。此外，光学漫射器元件106b显示道路上的障碍物，诸如岩石、其他车辆等，并且如果违反了安全指示则会生成警告。此外，如光学漫射器元件106c上的箭头所示，光学漫射器元件106c显示诸如左转或右转的导航信息。
参照图2，示出了根据本公开的实施例的体积显示装置200的架构的示意图。如图所示，能够操作以投影三维图像的多个深度平面的电光单元202通信地耦合到对电光单元202的操作状态进行控制的控制器204。此外，图像投影单元206通信地耦合到控制器204。图像投影单元206通信地耦合到处理器208，该处理器被配置成将馈送到其的三维图像分离成多个图像切片。此外，图像投影单元206通信地耦合到成像设备210，其中，成像设备210被配置成捕获现实环境的视图。
参照图3a，示出了根据本公开的实施例的被实施为诸如耳机的可穿戴显示设备的体积显示装置300a的示意图。体积显示装置300a包括平面光学组合器302a。如图所示，三维图像304a的多个深度平面被投影到电光单元306a上。此外，由电光单元306a再现三维图像304a的多个深度平面，并且从电光单元306a发射的相应光被引导通过被布置在电光单元306a与平面光学组合器302a之间的光学构件308a，以朝向平面光学组合器302a被投影。平面光学组合器302a朝向观看者310a反射三维图像304a的多个深度平面的一部分。如图所示，观看者310a通过平面光学组合器302a观看平面光学组合器302a上的经投影的三维图像，该经投影的三维图像与来自光学组合器302a后方的现实环境的视图进行组合。值得注意的是，平面光学组合器302a本质上可以是半透明的，使得观看者310a能够观察周围环境，从而确保现实环境与经数字处理的三维图像304a的光学融合，以向观看者310a提供增强的或混合的现实体验。
参照图3b，示出了根据本公开的实施例的被实施为诸如耳机的可穿戴显示设备的体积显示装置300b的示意图。体积显示装置300b包括弯曲光学组合器302b。如图所示，三维图像304b的多个深度平面被投影到电光单元306b上。此外，由电光单元306b再现三维图像304b的多个深度平面，并且从电光单元306b发射的相应光将朝向弯曲光学组合器302b被投影。可以理解，由于光学组合器302b是弯曲的，因此体积显示装置300b可以不需要聚焦透镜等(诸如图3a的光学构件308a)。弯曲光学组合器302b朝向观看者310b反射三维图像304b的多个深度平面的一部分。如图所示，观看者310b通过弯曲光学组合器302b观看。值得注意的是，弯曲光学组合器302b本质上是半透明的，使得观看者310b能够观察周围环境，从而确保现实环境与三维图像304b的多个深度平面的光学融合，以向观看者310b提供增强的或混合的现实体验。值得注意的是，弯曲光学组合器302b具有增强的光学强度(与如图3a所示的体积显示装置300a的平面光学组合器302a相比)，并且因此能够朝向观看者310b有效地反射三维图像304b的多个深度平面，以向观看者310b提供增强的或混合的现实体验。
参照图4，示出了根据本公开的另一实施例的被实施为诸如耳机的可穿戴显示设备的体积显示装置400的示意图。体积显示装置400包括弯曲光学组合器402和光学构件404。本文中，光学构件404是半透明反射镜。如图所示，三维图像406的多个深度平面被投影到电光单元408上。此外，三维图像406的多个深度平面由电光单元408再现，并且从电光单元408发射的相应光被投影到光学构件404，该光学构件相对于电光单元408的法线以45度的角度布置。此外，弯曲光学组合器402收集从光学构件404反射的经投影的三维图像，并且在将三维图像与现实环境组合之后对经投影的三维图像的朝向观看者410聚焦的一部分进行反射，从而确保现实环境和经投影的三维图像的最小畸变，以向观看者410提供无畸变的增强或混合的现实体验。
参照图5，示出了根据本公开的实施例的被实施为诸如耳机的可穿戴显示设备的体积显示装置500的示意图。体积显示装置500包括被实施为波导502的光学组合器。如图所示，波导502包括入耦合元件502a和出耦合元件502b。此外，采用电光单元504来接收三维图像506的多个深度平面。此外，三维图像506的多个深度平面由电光单元504再现，并且从电光单元504发射的相应光被引导通过被布置在电光单元504与波导502之间的光学构件508。特别地，与三维图像的多个深度平面相关联的光通过入耦合元件502a借助全内反射被投影(或引导)在波导502上，并且光到达出耦合元件502b。由此，朝向波导502(特别是在出耦合元件502b处)观看的观看者510能够经由出耦合元件502b观察到与其后面的现实环境混合的重新创建的三维图像。
参照图6a，示出了根据本公开的实施例的被实施为桌面显示器(类似于膝上型计算机设备)的体积显示装置600a的示意图。如图所示，用于对三维图像的多个深度平面进行投影的图像投影单元602被布置在桌面显示器的盖610的下方。此外，来自图像投影单元602的多个深度平面朝向电光单元604被引导，该电光单元能够操作以从图像投影单元602接收相应的图像深度平面。此外，从电光单元604发射的多个深度平面通过光学构件606被引导朝向光学组合器608。值得注意的是，光学组合器608是被固定到桌面显示器的外壳611的盖610的平面镜，其中，盖610的一端经由铰链机构612枢转地联接到体积显示装置600a中的桌面显示器的外壳611。特别地，光学组合器608是半透明反射镜，其提供图像的多个深度平面与其后面的现实环境的混合，从而向观看者614提供增强的现实体验。在一些示例中，光学组合器608自身用作盖。本文中，来自光学组合器608的多个深度平面到达观看者614，该观看者将三维图像感知为多个虚拟聚焦平面616a、616b、616c、616d、616d、616e和616f，该多个虚拟聚焦平面包含相对于现实环境在空间上有差异的信息，从而引起对深度的感觉。
参照图6b，示出了根据本公开的实施例的被实施为桌面显示器的体积显示装置600b的示意图。如图所示，用于对三维图像的多个深度平面进行投影的图像投影单元602被布置在桌面显示器的盖610的下方。此外，来自图像投影单元602的多个深度平面朝向电光单元604被引导，该电光单元能够操作以从图像投影单元602接收相应的图像深度平面。本文中，来自图像投影单元602的多个深度平面通过光学元件618和620朝向电光单元604被引导，其中，光学元件618和620被布置在图像投影单元602与电光单元604之间，以使图像投影单元602与电光单元604之间的光路最小化，使得本发明的桌面显示系统的尺寸紧凑。此外，从电光单元604发射的多个深度平面通过光学构件606被引导朝向光学组合器608。值得注意的是，光学组合器608是被固定到桌面显示器的外壳611的盖610的平面镜，其中，盖610的一端经由铰链机构612枢转地联接到体积显示装置600中的桌面显示器的外壳611。特别地，光学组合器608是半透明反射镜，其提供图像的多个深度平面与其后面的现实环境的混合，从而向观看者614提供增强的现实体验。在一些示例中，光学组合器608自身用作盖。本文中，来自光学组合器608的多个深度平面到达观看者614，该观看者将三维图像感知为多个虚拟聚焦平面616a、616b、616c、616d、616d、616e和616f，该多个虚拟聚焦平面包含相对于现实环境在空间上有差异的信息，从而引起对深度的感觉。
参照图7，示出了根据本公开的实施例的被实施为车辆702中的平视式显示器(或驾驶员辅助系统)的体积显示装置700的示意图。如图所示，图像投影单元704用于对三维图像的多个深度平面进行投影。此外，来自图像投影单元704的多个深度平面朝向电光单元706被引导，该电光单元被布置成从图像投影单元704接收相应的图像深度平面。此外，从电光单元706发射的多个深度平面通过光学构件708被引导朝向车辆702的挡风玻璃710，其中，挡风玻璃710用作光学组合器。值得注意的是，包括图像投影单元704、电光单元706和光学构件708的组件被布置在车辆702的前面板712的下方，使得从电光单元706发射并穿过被布置在前面板712中的光学构件708的多个深度平面被引导朝向挡风玻璃710。来自挡风玻璃710的多个深度平面被反射到观看者716，该观看者将三维图像感知为包含在空间上有差异的信息的多个虚拟聚焦平面718a、718b和718c，从而引起对深度的感觉。在本实施方式中，最接近观看者716的虚拟聚焦平面718a显示与车辆的一个或多个动态状态有关的信息(诸如当前速度、燃油表等)，虚拟聚焦平面718b显示道路上的障碍物(诸如岩石、其他车辆等)，并且如果违反了安全指令则会生成警告，并且虚拟聚焦平面718c显示导航信息(诸如在虚拟聚焦平面718c上的箭头所描绘的左转或右转)；从而向观看者716提供对正在投影在其前方道路的现实环境的信息的感知，从而提供混合的现实体验。在一些示例中，体积显示装置700包括用于配准现实环境的成像设备714。值得注意的是，现实三维图像被导出到图像投影单元704，其中，三维现实环境与从电光单元706发射的多个深度平面进行组合以被投影在挡风玻璃710上，从而提供增强的现实体验，例如用于在模拟器中学习驾驶。
参照图8，示出了根据本公开的实施例的方法800的步骤，该方法用于使用至少一个电光单元为观看者的眼睛表示在现实环境的视图中的不同聚焦距离处的图像的内容，该至少一个电光单元包括彼此平行布置的两个或更多个光学漫射器元件。在步骤802，对图像的多个深度平面进行投影。在步骤804，在给定时刻在两个或更多个光学漫射器元件之一处独立地显示图像的经投影的多个深度平面之一。在步骤806，将现实环境的视图与图像的独立显示的多个深度平面进行组合。
在不背离所附权利要求所限定的本公开的范围的情况下，可以对在前文讨论中所描述的本公开的实施例进行修改。用于描述和要求保护本公开的诸如“包含”、“包括”、“含有”、“具有”、“是”的表述旨在以非排他性的方式进行解释，即允许存在未被明确描述的项目、组件或元件。提及单数也应解释为涉及复数。
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