本申请要求于2015年11月13日提交的题为“methodsforsystemlayoutoptimizationforretro-reflectivebaseddisplaysystems”的美国临时专利申请序列号62/255,218的优先权，其通过引用全部并入本文。
背景技术：
当前现有技术水平的显示系统一般包括平板显示器或基于投影仪的显示器。平板显示器一般基于液晶显示器(lcd)像素，其具有发光二极管(led)背光或基于等离子体的屏幕。一般而言，由于各种考虑，难以获得在对角线尺寸上显著大于80英寸的屏幕大小。对于平板显示器，随着屏幕大小增大的成本的非线性增加以及高功耗能够以典型的消费者价格点将屏幕大小限制到80英寸以下。对于基于投影的显示器，如果显示器大小增加到80英寸以上，屏幕亮度降低以及能耗、投影仪大小和投影仪噪声增加可能是显著限制。当前现有技术水平的显示器的另一个限制是不存在低成本解决方案，以使得多个观看者能够在同一屏幕区域上同时观看个性化的内容。此外，对于两种类型的显示器而言，目前不存在用于裸眼三维(3d)沉浸式观看的简单解决方案。当前的3d显示系统依赖于主动式眼镜或被动式眼镜，或者要求观看者处于显示器视线中的、基本上受到约束的空间区域中。
技术实现要素：
本公开内容提供了解决当前可用的显示系统的各种限制的系统和方法并提供了对逆反射式(rr)显示系统的改进。本公开内容的显示系统可以包括投影仪和rr屏幕，其可以提供优于当前可用的其他系统的各种非限制性益处。例如，本公开内容的系统可以提供目前不存在于当前可用的显示系统的沉浸式多人游戏体验或模拟/训练环境。再例如，本公开内容的系统提供了定制的、用于广告或其他应用的大面积显示器，其中使多个用户(在一些情况下同时)观察唯一的内容流可以是有益的。再例如，本公开内容的显示系统可以允许多个观看者，在一些情况下同时，在同一屏幕区域上观看单独的定制图像、视频流或者其他内容，以及裸眼3d沉浸式观看能力。
本公开内容提供了利用投影仪和逆反射式屏幕(retro-reflectivescreen)实现显示系统的布局和系统级别配置优化的方法。这样的显示系统包括与逆反射式屏幕组合的投影仪和远离投影仪的观看者，使得观察角实质上很小，在一些情况下小于大约10度、5度、4度、3度、2度或1度。观察角被定义为从投影仪到屏幕上任何给定位置的线与从屏幕上相同位置到观看者眼睛的线之间的角。在某些应用中，为了增加或改变投影仪与最佳观看位置分离的物理距离，实现不同或更大的最佳观察角可能是期望的。在其他应用中，通过除了改变最佳观察角之外的方法增加或改变投影仪与最佳观看位置分离的物理距离可能是期望的。
本公开内容提供了利用投影仪和rr屏幕在显示系统中实现投影仪与最佳观看位置分离的物理距离的增加或改变的系统和方法。与标准投影仪/反射屏幕系统相比，逆反射式显示系统本质上可以实现显著改善的图像亮度。然而，对于许多应用来说，设计导致最佳逆反射光强度的观察角的值的能力可以显著改善到达观看者眼睛的光的强度以及改善到达观察者眼睛的光的感知均匀性。或者，在不牺牲亮度或感知均匀性的情况下，利用投影仪和rr屏幕在显示系统中增加或改变投影仪与观看者分离的物理距离可以显著改善观看者的用户体验。
本公开内容的一方面提供了一种用于靠近逆反射式屏幕添加附加光学元件的方法，使得反射光通过设计的角度以不同于完全平行于入射光束的角度返回。
本公开内容的一方面提供了一种用于靠近逆反射式屏幕添加附加光学元件的方法，使得反射光通过设计的角度以不同于完全平行于入射光束的角度返回。其他现有技术已经建议通过利用单个分束器来完成这一点，该单个分束器大约与屏幕大小相同以覆盖正在被投影的图像/视频的范围。分束器元件是一种光学元件，其以镜面方式反射一部分入射光并且允许剩余部分的光透射穿过该元件。在本公开内容中，所提出的光学元件是较小的分束器元件的阵列而不是单个非常大的分束器元件。这具有优于现有技术的优点，对于逆反射式显示系统的观察角的变化量允许更大范围的调整和灵活性。另外，通过使用分束器阵列，逆反射式显示系统可以避免与包括分束器的其他提出的rr显示系统相关联的各种挑战。一个问题是，使分束器在观察者的脸部附近会对观看者无遮挡地观看他/她的周围环境的能力产生负面影响。另一个挑战是当分束器放置在rr屏幕附近时，那么分束器的大小需要与屏幕大小一样大或者大于屏幕大小，这导致要实现的布局较大而困难。
在另一方面，本公开内容提供了一种用于靠近投影仪添加附加光学元件的方法，使得投影仪与最佳观看位置分离的物理距离增加或改变而不改变最佳观察角。在一些实施方式中，这可以是以一定角度放置在投影仪附近的反射镜元件，使得从反射镜到投影仪的光路处于远离观看者的方向。如果放置在合理地非常靠近于投影机的位置，这样的反射镜可以很小，并且可以使观看者从rr屏幕亮度增加中受益，而不阻挡他/她的视线。在一些实施方式中，利用导致高投射比率的高投射比率投影仪或光学器件可能是期望的。投射比率定义为投影仪距屏幕的距离除以投影在该屏幕上的图像的宽度的比率。在这些实施方式中，使反射镜是平坦的或曲面的以实现期望的图像大小可能是期望的。入射到反射镜的高投射比率与曲面反射镜的组合可以实现投影仪距观看者的更大的分离，而不需要大的反射镜元件。
对于上述本发明的方面，可以有不同的实施方式。在一些实施方式中，(一个或多个)投影仪可安装在观看者的身体或头部上。在一些实施方式中，(一个或多个)投影仪不安装到观看者，而是安装在观看者和/或屏幕的大致附近的某处。在一些实施方式中，逆反射式屏幕包括截顶隅角立方反射器。在一些实施方式中，显示系统还包括用于提供声音以补充图像或视频的声音系统。在一些实施方式中，在分别向左眼和右眼提供不同图像或视频中图像或视频是立体显示的。在一些实施方式中，多个投影仪的投影图像可由多个观看者观看的，每个观看者能够观察他们自己的个性化内容。在一些实施方式中，多个观看者相对于逆反射式屏幕处于不同的位置。
根据下文的具体实施方式，本公开内容的附加方面和优点对于本领域技术人员而言将变得显而易见，其中仅示出和描述了本公开内容的说明性实施方式。如将认识到的，本公开内容能够具有其他实施方式和不同实施方式，并且其若干细节能够在不偏离本公开内容的情况下从各个明显的方面进行修改。因此，附图和描述本质上被认为是说明性的，而非限制性的。
援引并入
本说明书中所提及的所有出版物、专利和专利申请均通过引用并入本文，其程度如同具体地且单独地指出每个单独的出版物、专利或专利申请均通过引用而并入。在通过援引并入的出版物和专利或专利申请与本说明书中包含的公开内容相矛盾的情况下，本说明书旨在代替和/或优先于任何这样的矛盾材料。
附图说明
具体阐明了本发明的新颖特征。通过参考以下对其中利用到本发明原理的说明性实施方式加以阐述的描述和附图，将会获得对本发明的特征和优点的更好的理解，在附图(本文也称“图”)中：
图1示意性地示出了一部分代表性逆反射屏幕的放大正视图；
图2示意性地示出了代表性逆反射屏幕和投影仪系统的俯视图，其中观看者面向屏幕；
图3示意性地示出了代表性逆反射屏幕以及利用两个投影仪的投影仪系统的俯视图，其中一个投影仪靠近于每只眼睛；
图4示出了使多个用户/眼睛观看独立的图像源或视频源的能力的示意图的俯视图；
图5示出了在没有所提出的方法的情况下来自代表性逆反射屏幕的逆反射光的角分布的蒙特卡罗(montecarlo)模拟结果的示意图，其中还示出了观看者和投影仪；
图6示出了使用近屏幕分束器的逆反射式显示系统如何导致庞大的配置和4倍的强度损失的示意性图示；
图7示出了使用近表面分束器的逆反射式显示系统的示意性图示，该使用近表面分束器的逆反射式显示系统阻止对周围环境不受阻碍的观看和4倍的强度损失；
图8示出了从垂直于屏幕的方向具有相对小的角度偏移的分束器的潜在近屏幕阵列的低放大示意性视图；
图9示出了从垂直于屏幕的方向具有相对小的角度偏移的分束器的潜在近屏幕阵列的中等放大示意性视图；
图10示出了从垂直于屏幕的方向具有相对小的角度偏移的分束器的潜在近屏幕阵列的示意性视图，其中聚焦在单个分束器元件上并且其中角是标记出的；
图11示出了从垂直于屏幕的方向具有相对小的角度偏移的分束器的潜在近屏幕阵列的示意性视图，其中标记了系统级别尺寸；
图12示出了部分代表性分束器阵列的示意性图解，示出了分束器的最佳角度可以如何作为屏幕上位置的函数而变化；
图13示出了来自使用所提出的方法的代表性逆反射屏幕的逆反射光的角分布的蒙特卡罗模拟结果，其中还示出了观看者和投影仪；
图14示出了在头部上方具有投影仪的观看者的侧视图的示意性视图，该示意性视图示出了投影仪需要非常靠近于观看者；
图15示出了观看者的侧视图的示意性视图，其中投影仪与反射光学元件组合使得投影仪与观看者之间的距离增加；
图16示出了观看者的侧视图的示意性视图，其中高投射投影仪与曲面反射光学元件组合使得投影仪与观看者之间的距离进一步增加；
图17提供了图示在没有所提出的方法(左)与具有所提出的方法(右)的情况下的投影仪到观看者距离的替代示意性视图；
图18示出了方法如何可以用于利用较小投影仪的头戴式系统；以及
图19示意性地图示了编程或以其他方式配置用于促进本公开内容的方法的计算机系统。
具体实施方式
虽然本文示出和描述了本发明的各种实施方式，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施方式仅以示例方式提供。本领域技术人员将在不偏离本发明的情况下想到多种变化、改变和替换。应当理解，可以采用针对本文描述的本发明实施方式的各种替代方案。
本文所使用的术语“逆反射”(本文中亦为“逆反射式”或“逆反射性”或者简写为“rr”)一般是指以最小的光散射将光反射回至其源的设备或表面。在逆反射屏幕中，电磁波沿着与波源方向平行但相反的向量反射回来。逆反射屏幕包括由许多小的单独的隅角立方反射元件或者诸如反射珠等其他rr元件组成的逆反射表面。
本文所使用的术语“隅角立方反射元件(cornercubereflectiveelement)”一般是指由三个相互垂直、几乎垂直或者成角度的平坦反射表面组成的反射性部分立方。利用这种几何形状，入射光被直接反射回所述源。
本文所使用术语“投影仪”一般是指被配置用于投影(或引导)光的系统或设备。投射的光可以投影图像或视频或文本或者任何其他图像内容。
本文所使用的术语“观察角”一般是指从投影仪指向屏幕上的给定位置的第一线与从屏幕上同一位置到观看者的一只或多只眼睛的第二线之间的角度。
本文所使用的术语“返回角”一般是指入射光束与来自屏幕的反射光束之间的角度。对于典型的表面，返回角具有宽范围的值。对于未按本文描述而形成的逆反射屏幕，返回角通常具有以零为中心的非常小的角度扩散。
本文所使用的术语“入射角”一般是指从投影仪指向屏幕上给定位置的第一线与正交于隅角立方的标称前表面的第二线之间的角度。如果隅角立方已经是完整的立方，则隅角立方的标称前表面被定义为与从隅角立方结构的角到立方的假想相对角的线的中点垂直并相交的表面。
本文所使用的术语“光学串扰”(本文中亦为“串扰”)一般是指来自投影仪的、到达不旨在接收光的观看者(或观看者的眼睛)的逆反射光。这可能导致通过“重影”而展示的较差的3d观看体验，“重影”是本文中用于描述在仅预期一个图像的情况下观看者所见的双重图像的术语。本文所使用的术语“感知串扰”一般是指来自投影仪的、到达观看者(或观看者的眼睛)的不期望的逆反射光的强度相对于期望的逆反射光的强度的比。可能存在绝对串扰强度已降低，但期望光的强度却降低甚至更大的量的情况，从而导致感知串扰的恶化。
逆反射式显示系统
本公开内容提供了对rr显示系统的改进以允许优化这些rr显示系统中的观察角。以这种方式，对于给定的系统级别配置，可以改善投影图像的亮度和均匀性。显示系统可以用于任何逆反射式显示应用。
逆反射式屏幕沿着与入射的传播方向基本相反的方向反射入射光。这种光的定向反射可以实现显著改善亮度。逆反射式屏幕由逆反射器元件阵列组成。每个逆反射器屏幕元件通常由以大约90度相交的三个相交的反射面组成。这些元件通常被称为隅角立方。逆反射式屏幕还可以由截顶的隅角立方反射器组成。逆反射式屏幕还可以由诸如反射珠等基于非隅角立方的元件组成，尽管来自这些屏幕的反射光的扩散通常大于来自隅角立方阵列的扩散。逆反射器元件内的反射平面可以由前表面反射平面或后表面全内反射平面组成。
逆反射式显示系统包括具有逆反射式屏幕元件的逆反射式屏幕，该逆反射式屏幕元件沿着与入射光方向相反的方向反射光。该系统还包括至少一个投影仪，该至少一个投影仪将光投影到后向逆反射式屏幕上，该光表征图像、视频、文本或其他媒体内容。
优选地，逆反射式显示系统可以在不需要分束器或漫射层的情况下操作，从而与不使用分束器的系统相比有利地提供降低的复杂度和/或成本以及避免大约4倍或更大的强度降低。关于使用简单分束器的挑战的进一步细节在本文其他地方描述。
在一些情况下，该系统包括多个投影仪。例如，该系统可以包括用于3d观看提供立体图像或视频的两个投影仪。另外，系统可以具有多个投影仪，其中每个投影仪(或非常靠近的投影仪对)针对给定用户。继而多个用户可以各自在同一屏幕区域上同时观看他们自己的个性化内容。
图像或视频可以是立体的，以描绘三维视图。例如，图像或视频由多于一个投影仪呈现，使得在由逆反射式屏幕反射后，对于观看者的左眼和右眼来说图像或视频是不同的。在一些情况下，图像或视频是立体或三维的，而不使用立即在眼前的任何光学器件，诸如3d眼镜。
投影仪可以是可安装在观看者的身体上的。在一些示例中，投影仪可安装在观看者的头部上。投影仪可以是可安装有支撑构件的，支撑构件诸如为主体或头部支撑构件(例如，一个或多个支撑带)。投影仪还可以独立于观看者而安装在固定位置处，使得观看者可以进入投影仪的范围。
显示系统可以包括用于提供声音以补充图像或视频的声音系统。声音可以伴随观看者的观看体验，诸如通过耳机或其他本地扬声器系统的方式。
逆反射可以具有各种大小和配置。屏幕可以是基本上平坦的或弯曲的。屏幕可以具有至少约1米(m)、10m或50m的宽度，以及至少约1m，10m或50m的高度。在某些设置中，大面积显示对于广告目的或者其他展示演示可以是有效的，这至少部分是由于显示大小的质量以及使多个观察者在同一屏幕区域上观看唯一图片/视频/文本的能力。
图1示出了代表性逆反射屏幕的正视图。逆反射屏幕由截顶的隅角立方反射器的阵列组成。隅角立方反射器还可以由备选几何结构组成。在frey等人的美国专利号5,763,049以及smith的美国专利号7,261,424中提供了隅角立方反射器的示例，上述专利通过引用而全文并入于此。在一些实施方式中，每个隅角立方反射器的大小小于预计或预测的投影图像的大小，其中像素大小由投影仪显示系统和该投影仪距逆反射屏幕的距离的组合来确定。
图2示出了具有投影仪和逆反射屏幕的系统的示意性俯视图。屏幕的逆反射属性使得入射在屏幕上的大部分光不管入射角如何都以紧密的定向光锥反射回投影仪。这与以相对各向同性的方式散射入射光的一些常规屏幕相反。在这种常规屏幕设置中，入射在屏幕上的光中的仅非常小部分实际上射在观看者的眼睛上。由于这种类型的系统的逆反射效果，因此如果观看者的眼睛非常靠近于投影仪，使得由投影仪到反射屏幕并返回至观看者的眼睛的路径所限定的角度较小，则与常规投影仪和反射屏幕设置相比，图像的亮度可以显著增加。图2中的系统在一些情况下不具有分束器。
图3示意性地示出了代表性逆反射屏幕以及使用两个投影仪以便获得立体效果的投影仪系统的俯视图。在这种设置中，从右投影仪投影的图像可以主要被右眼看见，并且对于左投影仪和左眼是类似的。这种类型的显示设置的目标可以是使从右投影仪到左眼以及从左投影仪到右眼的图像的亮度(亦称为“串扰”)最小化。如果串扰和感知的串扰可以充分地最小化，则可以实现裸眼3d。
图4是示出了使多个观看者观看独立的图像源或视频源的能力的示意图的俯视图。该图中图示了投影仪、对应于投影光的光线以及观看者眼睛。
图5示出了来自代表性逆反射屏幕的逆反射光的角分布的蒙特卡罗模拟结果。逆反射屏幕中的变化和非完全均匀性已经通过引起包括逆反射式隅角立方元件的三个反射表面中的每个表面的法向矢量的轻微变化来模拟。可以观察到，来自投影仪的大部分光线以小返回角反射回来。图5中所示的返回角的分布仅是代表性的，而实际返回角可以具有取决于每个逆反射式屏幕的具体属性而具有不同角度扩散的分布轮廓。从这张图中我们可以看到，即使距观看者的头部稍远的距离安装的投影仪也会导致观看者的眼睛超出其中大部分反射强度所在的角度范围。除非使用新方法，否则这将导致图像亮度和均匀性差。
图6示出了在rr屏幕62附近使用分束器61的逆反射式显示系统的示意性图示。在图6中，投影仪63将光投射到分束器61上，分束器61相对于位于图的顶部的rr屏幕62的角度定位。这种类型的配置由于多种原因而不是最佳的。首先，在屏幕附近使用简单的分束器会导致庞大的配置和较大的系统占用空间。例如，如果期望的屏幕大小为20英尺宽，则分束器将可能需要大约25英尺长，并且在放置时以相对于rr屏幕必要的角度。由于这个角度不平行于rr屏幕，这种配置会导致非常大的系统占用空间。此外，如图6中所示，投影图像两次穿过分束器。这导致倍增的50％的强度损失乘以50％的强度损失，这相当于4倍的强度损失。另外，如果分束器大于50％/50％的分束器，诸如75％/25％的分束器，那么强度损失可能更加显著。例如，当投影图像两次穿过如图6中所示配置的75％/25％的分束器时，该分束器导致5.3倍的强度损失。
图7示出了使用近表面分束器71的逆反射式显示系统的示意性图示。尽管这种配置对整个系统大小的影响最小，但具有近表面分束器阻止了对周围环境的不受阻碍的观看。此外，近表面束分束器可能导致4倍或更大的强度损失。在附加的实施方式中，可以使用不同于分束器的不同类型的光学元件，该不同类型的光学元件导致光的类似反射/透射。例如，可以使用的不同类型的光学元件包括基于棱镜的光学元件，该基于棱镜的光学元件有效地拆分入射光束，使得反射光路、透射光路和逆反射光路的组合导致光的返回路径与原来的入射光束相比成显著偏移角。
图8示出了从与rr屏幕82的垂直方向具有特定角度偏移的分束器81的潜在近屏幕阵列的低放大示意性视图。关于确定角度的方法的细节在随后的图和相应描述中概述。分束器阵列放置在逆反射式屏幕的前方。类似于图7，可以使用不同类型的光学元件来代替或加之于导致光的类似反射/透射的分束器。在该图中，竖直线代表rr屏幕82，而短的几乎水平的线的阵列是分束器81的阵列。这种配置对系统级别占用空间的影响最小，并且因为它不是近表面解决方案，将仍然允许对周围环境的无阻碍观看。另外，如在下面和后面的图中可以更详细地看到的那样，使用这种设置的图像强度和亮度可以比诸如图6和图7中所示的分束器设置强约2倍。
图9示出了非常靠近于rr屏幕92放置的分束器91的潜在阵列的略高放大示意性视图。在该图中，我们可以看到从垂直于屏幕方向的相对小的角度偏移。分束器91的阵列可以接触rr屏幕92或者可以与rr屏幕92具有一些小的物理分离。在该图中，为了说明的目的，我们将分束器阵列绘制为条带。分束器阵列可以被配置成正方形/长方形/形状的二维阵列或者成分束器条带的一维阵列。在示例中，分束器大小可以与像素大小相当或者更小，因为分束器可以镜像到达分束器的部分图像。由于rr显示系统通常预计相对较大，这种大小可能不会是过分限制的。例如，在竖直方向上具有1080线的投影3米高图像的高分辨率投影仪可以具有3mm的竖直像素大小。另外，如果不同的节段在软件或硬件中具有在投影仪处或之前实现的镜像功能，则分束器还可以由较少但较大面板的阵列构成。只要面板大小保持显著低于单个面板分束器的大小，就可以将其设计为对整个系统占用空间的影响最小。投影仪相对于分束器的方向与图6和图7中所示的配置相比可以是根本不同的。如图6和7中可见，投影仪位于分束器与屏幕之间锐角(<90度)的一侧。在图9中，投影仪位于分束器与屏幕之间钝角(>90度)的一侧。同样地，方法和获得的反射对于图6和图7与在图9的上下文中所提出的是根本不同的。虽然图9图示了分束器的使用，在其他实施方式中可以使用不同类型的光学元件。例如，可以使用具有相同或类似的光反射/透射的光学元件。
分束器阵列可以包括多个单独分束器。单独分束器中的每一个可以设置在表面上，诸如逆反射式屏幕的表面或邻近逆反射式屏幕的分离支撑件。单独分束器中的每一个可以相对于表面的表面法线(surfacenormal)以小于约45°、40°、35°、30°、25°、20°、15°、10°或50°的角取向。多个单独分束器中的每一个可以将来自投影仪的光引导到逆反射式屏幕以提供至少约1度、5度、10度、15度、20度、25度，30度、35度、40度或45度的观察角。
图10示出了从垂直于屏幕的方向具有相对小的角度偏移的分束器的潜在近屏幕阵列的示意性视图，其中聚焦于跟踪单个光束以及该光束随着其部分地反射并穿过单个分束器元件的光路。在该图10中，当入射光束101到达分束器102时，大约50％的强度穿过并且大约50％的强度被反射(长虚线)。反射和透射的光到达rr屏幕103，并且每个分量逆反射回分束器。
在分束器处，具有约50％强度的逆反射分量中的每一个经历另一拆分。现在有4个光束，每个具有入射光束强度的大约25％。在这4个光束中，2个光束在投影仪的方向上返回，并且2个光束104被引导到预期的观看者。这些角度标记如下。角α是分束器102相对于水平方向105的角。角β是入射光束101相对于水平方向105的角。角α+β是入射光束101与分束器102之间的角。利用该图解，可以确定角θ以表示由观察者到分束器的线形成的角。另外，水平方向直接可以确定为θ＝2α+β。另外，可以调整观察角以便优化系统设计，同时仍然维持与简单分束器系统相比高约2倍的相对强度，并且同时保持系统占用空间较小并不阻挡周围的视野。
虽然分束器元件在图10中图示，本发明的其他实施方式可以利用导致光束分裂的不同光学元件。例如，不同的光学元件可以包括棱镜元件。具体而言，如图10中可见，从投影仪提供的光的一些部分可以不受阻碍地前进，而从投影仪提供的光的一些部分可以被反射。另外，光的两个各自部分的一部分可以返回到用户的眼睛，而与投影仪和观看者的位置具有角度的偏移。在一些示例中，偏移可以是至少4度。在一些示例中，偏移可以大于4度。在一些示例中，偏移可以是5度、6度、7度、8度、9度、10度、11度、12度、13度、14度、15度、16度、17度、18度、19度、20度、21度、22度、23度、24度、25度、26度、27度、28度、29度、30度、31度、32度、33度、34度、35度、36度、37度、38度、39度、40度、45度、50度、55度、60度或超过60度。
在一些示例中，棱镜元件可以用于与诸如分束器等其他光学元件相对或一起使用，以便以期望的偏移角度向用户提供光。具体而言，穿过棱镜元件的来自投影仪的光可以从逆反射式屏幕反射出来，并且具有与来自投影仪的入射光源差异很大的角度。例如，光可以具有从入射光源偏移4度、5度、6度、7度、8度、9度、10度、11度、12度、13度、14度、15度、16度、17度、18度、19度、20度、21度、22度、23度、24度、25度、26度、27度、28度、29度、30度、31度、32度、33度、34度、35度、36度、37度、38度、39度、55度、60度或超过60度的偏移量的角度。
图11示出了从垂直于屏幕的方向具有相对小的角度偏移的分束器的潜在近屏幕阵列的示意图，其中标记了系统级别尺寸。在该图中，未示出单独的分束器元件，并且使用单个竖直线111来代表分束器阵列和rr屏幕。示出了单个入射光束112和相应的反射光束113。α、β和θ的定义与图10描述中给出的定义相同。附加尺寸定义如下：d1表示投影仪距屏幕的水平距离，d2表示观看者距屏幕的水平距离，d3表示投影仪距屏幕顶部的垂直距离，d4表示观察者距底部屏幕的垂直距离，z表示入射光束与屏幕/分束器阵列的交点距屏幕顶部的垂直距离，z'表示入射光束的交点与屏幕/分束器阵列的交点距屏幕底部的垂直距离，而h表示屏幕的高度。
在标记了这些尺寸的情况下，可以确定作为垂直位置相对于逆反射式屏幕的函数的α的最佳角度如下：
注意由于不同的顶部/底部距离，通过利用分束器的二维阵列可以实现使用基于条带的分束器的一维阵列之外的进一步优化。由于从投影仪/观看者到屏幕的距离通常显著大于屏幕的大小，因此这样做的有益影响可能相对较小。但是，在从投影仪/观看者到屏幕的距离与屏幕大小近似或更小的情况下，该配置可以进一步改善强度和均匀性。
图12示出了部分代表性分束器阵列的示意性图解，示出了α的最佳角度如何作为屏幕上位置的函数而变化。为了能够观看到分束器，图中x和y比例不一定按比例绘制。另外，在该图中仅绘制了代表性的两米屏幕高度的顶部121和底部122。具体而言，高度部分表示为范围从0mm到2000mm。屏幕右侧的数字代表了距离屏幕底部的毫米距离。断点符号123代表乐未示出的屏幕部分。可以看到，在分束器阵列/rr屏幕121的顶部区域处，最佳α的值导致使分束器以α为略微正值成角度，而在分束器阵列/rr屏幕122的底部区域处，最佳α的值导致使分束器以α为略微负值成角度。关于分束器阵列的制造方法，可以使用多种方法，范围从单独分束器的单独组装到在并行工序中获得分束器阵列的工序。另外，分束器阵列可以完全独立于rr屏幕并与rr屏幕物理分离，或者阵列能够以与rr屏幕相同的工序制造并与其紧密集成。分束器阵列还可以单独于rr屏幕而制造，但继而在单独且随后的加工操作中紧密集成或连接到rr屏幕。如在图10-图12中所示，分束器可以用不同形式的光学元件代替或增强，该光学元件可以具有与分束器相比相同或类似的光反射/透射。
图13示出了来自具有所提出的分束器阵列的代表性逆反射屏幕的逆反射光的角分布的蒙特卡罗模拟结果的代表性示意图，其中还示出了观看者和投影仪。我们在该图中看到，可以增加分离投影仪和观看者头部的物理距离，这例如以降低的噪音和改善的舒适度的形式具有更灵活的系统设计和更好的用户体验的益处。另外，与图5相比，我们还可以看到可以将rr光束轮廓的中心设计为更加集中在观看者的眼睛上，这可以导致用户接收到的光的强度和均匀性得到改善。
图14示出了在头部上方具有投影仪的观看者的侧视图的示意性视图，该示意性视图示出了如果没有应用附加方法，逆反射式显示系统的投影仪非常靠近于观看者。逆反射式屏幕可以导致光在入射光束方向周围以紧圆锥形反射。在该图中，从屏幕的顶部逆反射的光由圆锥形141示意性地示出。类似地，使用另一个圆锥形142来示出从屏幕的底部逆反射的光。由于紧圆锥形分布，即使使用直接在观看者头顶上方的投影仪，观看者的眼睛也可能位于逆反射光的紧圆锥形内的理想位置之外。虽然观看者仍然可以看到一些光强度，但是来自逆反射的强度增加的益处可能会显著减少。
图15示出了观看者的侧视图的示意图，其中投影仪与反射光学元件组合使得投影仪与观看者之间的距离增加。这是本发明的不需要使用上述分束器阵列的不同方面。在该图中，从屏幕的顶部逆反射的光由圆锥形151示意性地示出。类似地，使用另一个圆锥形152来示出从屏幕的底部逆反射的光。在这种情景下，在投影仪附近使用投影仪(该投影仪可以是旋转的)和反射镜，以将投影的图像或视频反射到rr屏幕。通过这种配置，我们看到投影仪可以进一步远离观看者放置，同时仍然允许观看者的眼睛在逆反射光的圆锥形内，使得用户可以受益于rr屏幕提供的强度增加。在该代表性的实施例中，投影仪在观看者眼睛位置的前下方。投影仪放置在观看者的上方或侧面的其他配置也是可能的。
反射镜可以设置在用户眼睛的平面之上或之下。反射镜的位置可以是可调节的。反射镜可以将来自投影仪的光引导到逆反射式屏幕，使得在从逆反射式屏幕反射时，用户能够以小于约30°、25°、20°、15°、10°、5°或1°的观察角观看图像或视频。
图16示出了观看者的侧视图的示意性视图，其中高投射投影仪151与曲面反射光学元件152组合使得投影仪与观看者之间的距离进一步增加。在附加实施例中，可以使用投射比率大于约2、4、6、8或10的超高投射比率投影仪，使得在到达曲面反射光学元件(诸如曲面镜)之前，光束几乎是平行的。投影仪放置在观看者的上方或侧面的其他配置也是可能的。
图17提供了图示在没有所提出的方法(左)与具有所提出的方法(右)的情况下的投影仪到观看者的距离的替代示意性视图。我们再次看到，使用所提出的配置，相对于没有使用所提出的方法的配置(左)，投影仪与用户之间的允许距离可以显著增加(右)。
图18示出了方法如何可以用于利用较小投影仪的头戴式系统。由于所需的光路，许多投影仪在投影路径的方向上具有较大的尺寸。在这种情况下，旋转投影仪的能力允许可行的头戴式几何形状。
计算机系统
本公开内容的另一方面提供了一种被编程或以其他方式配置用于实现本公开内容的方法的系统。该系统可以包括可操作地耦合到投影仪和光电检测器的计算机服务器。投影仪和光电检测器可以是独立单元或者集成为投影与检测系统。
图19示出了包括被编程用于实现本文公开的方法的计算机服务器(“服务器”)1801的系统1800。服务器1801包括中央处理器(cpu，本文中亦为“处理器”和“计算机处理器”)1805，其可以是单核或多核处理器或者用于并行处理的多个处理器。服务器1801还包括存储器1810(例如，随机存取存储器、只读存储器、闪速存储器)、电子存储单元1815(例如，硬盘)、用于与一个或多个其他系统通信的通信接口1820(例如，网络适配器)以及外围设备1825，诸如高速缓存、其他存储器、数据存储器和/或电子显示适配器。存储器1810、存储单元1815，接口1820和外围设备1825通过诸如主板等通信总线(实线)与cpu1805通信。存储单元1815可以是用于储存数据的数据存储单元(或数据储存库)。服务器1801可以借助于通信接口1820可操作地耦合至计算机网络(“网络”)。网络可以是因特网、互联网和/或外联网，或者与因特网通信的内联网和/或外联网。在一些情况下，网络是电信网络和/或数据网络。网络可以包括一个或多个计算机服务器，计算机服务器可以实现分布式计算，诸如云计算。在一些情况下借助服务器1801，网络可以实现对等网络，该对等网络可以使耦合至服务器1801的设备能够表现为客户端或服务器。
存储单元1815可以储存文件或数据。服务器1801可以包括在服务器1801外部的，诸如位于远程服务器上的一个或多个附加数据存储单元，远程服务器通过内联网或因特网与服务器1801通信。
在一些情况下，系统1800包括单一服务器1801。在其他情况下，系统1800包括通过内联网和/或因特网彼此通信的多个服务器。
服务器1801可适于储存投影环境的用户信息和数据或者与投影环境相关的用户信息和数据，举例而言，诸如显示角度和强度设置。服务器1801可被编程用于通过耦合至服务器1801的投影仪来显示图像或视频。
如本文描述的方法可以通过在服务器1801的电子存储位置上，举例而言，诸如在存储器1810或电子存储单元1815上，储存的机器(或计算机处理器)可执行代码(或软件)的方式来实现。在使用期间，代码可以由处理器1805执行。在一些情况下，代码可以从存储单元1815取回并储存在存储器1810上以供处理器1805迅速访问。在一些情况下，可以排除电子存储器单元1815，并且将机器可执行指令储存在存储器1810上。
代码可被预编译并配置用于与具有适于执行该代码的处理器的机器一起使用，或者可以在运行时期间被编译。代码能够以可被选择以使该代码能够以预编译或编译时(as-compiled)的方式执行的编程语言来提供。
服务器1801耦合至投影仪1830和光电检测器1835(例如，与其通信)。在一个示例中，投影仪1830可以将图像或视频投影到逆反射屏幕上。在另一示例中，投影仪1830可以将紫外光或红外光投影到逆反射屏幕上。光电检测器1835可以检测(或测量)来自逆反射屏幕的反射光
投影仪1830可以包括用于将图像或视频引导和/或聚焦到逆反射屏幕上的一个或多个光学器件。光电检测器可以是被配置用于在暴露于光下时生成电流的器件，举例而言，诸如电荷耦合器件(ccd)。
本文提供的系统和方法的各方面，诸如服务器1801，可以体现在编程中。该技术的各个方面可被认为是“产品”或“制品”，其通常为在一种类型的机器可读介质上携带或在该介质中体现的机器(或处理器)可执行代码和/或相关联数据的形式。机器可执行代码可以储存在诸如存储器(例如，只读存储器、随机存取存储器、闪速存储器)或硬盘等电子存储单元上。“存储”型介质可以包括任何或所有的计算机有形存储器、处理器等，或其相关联的模块，诸如各种半导体存储器、磁带驱动器、磁盘驱动器等，其可以在任何时间为软件编程提供非暂时性存储。软件的全部或部分有时可以通过因特网或各种其他电信网络进行通信。这样的通信例如可以使软件能够从一个计算机或处理器加载到另一计算机或处理器中，例如，从管理服务器或主机加载到应用服务器的计算机平台中。因此，可以承载软件元件的另一类型的介质包括诸如跨本地设备之间的物理接口、通过有线和光学陆上通信线网络以及通过各种空中链路而使用的光波、电波和电磁波。携带此类波的物理元件，诸如有线或无线链路、光学链路等，也可被认为是承载软件的介质。如本文所使用的，除非限制于非暂时性有形“存储”介质，否则诸如计算机或机器“可读介质”等术语是指参与向处理器提供指令以供执行的任何介质。
因此，诸如计算机可执行代码等机器可读介质可以采取许多形式，包括但不限于有形存储介质、载波介质或物理传输介质。非易失性存储介质包括例如光盘或磁盘，诸如任何一个或多个计算机中的任何存储设备等，诸如附图中所示的可用于实现数据库的那些介质等。易失性存储介质包括动态存储器，诸如这样的计算机平台的主存储器。有形传输介质包括同轴电缆、铜线和光纤，包括构成计算机系统内的总线的导线。载波传输介质可以采取电信号或电磁信号或者声波或光波如射频(rf)和红外(ir)数据通信期间生成的那些的形式。因此，计算机可读介质的常见形式包括例如：软盘、柔性盘、硬盘、磁带、任何其他磁性介质、cd-rom、dvd或dvd-rom、任何其他光学介质、穿孔纸带、任何其他具有孔洞图案的物理存储介质、ram、rom、prom和eprom、flash-eprom、任何其他存储器芯片或匣盒、传送数据或指令的载波、传送这样的载波的电缆或链路，或者计算机可以从中读取程序代码和/或数据的任何其他介质。这些计算机可读介质形式中的许多可涉及将一个或多个指令的一个或多个序列携带至处理器以供执行。
本公开内容的方法和系统可以通过一个或多个算法的方式实现。算法可以在由中央处理器1805执行时通过软件的方式实现。算法可例如确定逆反射屏幕元件的最佳偏移。
本文提供的系统和方法可以与其他系统和方法组合或者由其他系统和方法修改，诸如，例如在美国专利公开号2013/0342813；pct申请号pct/us15/32757和pct/us15/57625；美国专利号3,817,596、4,775,219、5,763,049、7,261,424和7,370,981；以及p.r.yoder,“studyoflightdeviationerrorsintriplemirrorsandtetrahedralprisms”,j.opticalsoc.amer.,第48卷，第7期，第496-499页(1958年7月)中所描述的那些，上述中的每一个通过引用而全部并入本文。
虽然本文示出和描述了本发明的优选实施方式，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施方式仅以示例的方式提供。本发明不旨在通过说明书中提供的具体示例来限制。虽然已经参考前述说明书描述了本发明，但本文的实施方式的描述和图示不应以限制性的意义来解释。本领域技术人员现将在不偏离本发明的情况下想到众多变更、改变和替换。此外，应当理解，本发明的所有方面不限于本文阐述的具体描绘、配置或相对比例，而是取决于多种条件和变量。应当理解，在本发明的实践中可以采用本文描述的本发明的实施方式的各种备选方案。因此可以设想，本发明还应当覆盖任何这样的替代、修改、改变或等同物。以下权利要求旨在限定本发明的范围，并且旨在由此涵盖这些权利要求及其等同物的范围内的方法和结构。