用于显示全息图的显示装置及其方法与流程

本发明大体上涉及显示装置的领域，且更具体地说，涉及显示装置的架构和设计，所述及的显示装置制作成一副眼镜的形态可用于包括虚拟现实和增强现实的各种应用中。尤其本发明采用振幅调制(am)和相位调制(pm)来实现全息图像以供例如在可穿戴显示装置中显示。

背景技术：

1、虚拟现实或vr通常定义为使用交互软件和硬件创建且通过主体的移动而体验或控制的三维环境的现实和沉浸式模拟。使用虚拟现实设备的人通常能够环顾人工产生的三维环境，在其中四处走动且与屏幕上或护目镜中描绘的特征或物件交互。虚拟现实人工地创建感觉体验，这可包括视觉、触觉、听觉以及不太普遍的嗅觉。

2、增强现实(ar)是在现有现实上增加计算机产生的增强以便通过与其交互的能力而使其更加有意义的技术。将ar发展到应用程序中且用在移动装置上以将数字成分混合到现实世界中，使得其彼此增强，但也可容易地辨别。ar技术正迅速成为主流。其用于在移动装置上显示关于电视播送的体育比赛的比分覆层且弹出3d电子邮件、照片或文本消息。此技术行业的领军者还使用ar来利用全息图和运动激活命令进行令人振奋和革命性的事项。

3、分开来看，虚拟现实和增强现实的递送方法是不同的。大部分2016年虚拟现实显示于计算机显示屏、投影仪屏幕上，或通过虚拟现实头戴装置(也称为头戴式显示器或hmd)来显示。hmd通常呈头戴式护目镜形式，其中屏幕处于眼部前面。虚拟现实实际上通过切断外部刺激而将用户带入数字世界。以此方式，用户仅仅关注正在hmd中显示的数字内容。增强现实越来越多地用在移动装置中，例如笔记本电脑、智能电话和平板计算机，以改变现实世界和数字图像、图形交叉和交互的方式。

4、事实上，并非始终将vr与ar相对，因为它们并非始终彼此独立地操作，而实际上是常常混合在一起以产生更为沉浸式的体验。举例来说，作为添加到与图形交互的振动和感觉的触觉反馈被视为增强。然而，其常用于虚拟现实场景内，以便通过触觉使体验更逼真。

5、虚拟现实和增强现实是希望在娱乐和游戏的模拟平台中变得身临其境或为数字装置与现实世界之间的交互添加新维度所推动的体验和交互的突出实例。毫无疑问，它们单独或混合在一起均打开了真实和虚拟两个世界。

6、图1a示出如今市面上常见的用于递送或显示vr或ar的应用的示范性护目镜。不管护目镜的设计如何，其看上去体积大且笨重，且当用户佩戴时产生不便。此外，大多数护目镜无法透视。换句话说，当用户佩戴护目镜时，他或她将不能看或做任何其它事。因此，需要一种可显示vr和ar且还允许用户在需要时执行其它任务的设备。

7、正在开发用于vr/ar和全息应用的各种可穿戴装置。图1b示出来自微软microsoft的hololens的简图。其重579g(1.2lbs)在此重量下，佩戴者在佩戴一段时间后将感到不舒适。实际上，市场上可获得的产品与正常眼镜(25g-100g)相比通常笨重且体积大。有报告称依据微软microsoft的hololens的可穿戴装置将供货给美军。如果真装备到士兵，可穿戴装置的重量将可能大大影响士兵的运动尤其在战场需要迅速地移动。因此，另外还需要一种可穿戴ar/vr观看或显示装置，其看起来类似于一副普通眼镜但还容许较小占用面积、增强的冲击性能、低成本封装和更容易的制造工艺。

8、可穿戴显示装置提供相对理想的检视环境来检视全息图，因为它们常常放置在眼睛附近且可能阻挡相当大量的环境光。因此，另外仍需要生成全息图以供投射到可穿戴显示装置中的例如透明镜片等媒介上的解决方案。

9、许多眼镜式显示装置使用将图像形成组件(例如lcos)放置在前方或镜片框附近的常用设计，希望能减小图像传输损耗且使用较少组件。然而，此类设计通常使眼镜式显示装置不平衡，眼镜式显示装置的前部部分比后部部分重很多，从而在鼻子上增加一些压力。因此，仍然还需要在此类显示装置由用户佩戴时对其重量进行分散。

10、无论可穿戴显示装置如何设计，仍然存在必须用于使显示装置起作用和可操作的许多组件、线和甚至电池。尽管已作出很多努力来将尽可能多的部分移动到可附接装置或外罩以从用户腰部或口袋驱动所述显示装置，但铜线等必要部分必须用于传输各种控制信号和图像数据。通常呈线缆形式的导线确实具有在佩戴者佩戴此类显示装置时增加对佩戴者的压力的重量。因此，仍然需要一种能够尽可能轻而不牺牲所需功能的传输媒介。

11、存在许多其它需求，虽未个别地列出，但所属领域的技术人员可很容易理解，本文详述的本发明的一个或多个实施例显然满足这些需求。

技术实现思路

1、本部分目的在于概述本发明的一些方面且简单介绍一些优选实施例。为避免混淆此部分、摘要和标题的目的，可在此部分以及在摘要和标题中作出简化或省略。此类简化或省略并不意欲限制本发明的范围。

2、本发明大体上涉及可用于虚拟现实和增强现实应用的可穿戴装置的架构和设计。根据本发明的一个方面，一种显示装置制成一副眼镜的形式，且包括最小数目的部分以减小其复杂性和重量。单独壳套或外罩提供为便携式，以附连或附接到用户(例如，口袋或腰带)。所述外罩包括产生用于虚拟现实和增强现实应用的内容的所有必要部分和电路，从而产生眼镜上需要的最小数目的部分，因此使得眼镜的占用面积更小、冲击性能增强、封装成本更低且制造工艺更容易。内容由光缆以光学方式拾取且通过光缆中的光纤输送到眼镜，其中所述内容分别投射到特制镜片以用于在佩戴者的眼前显示所述内容。

3、根据本发明的另一方面，所述眼镜不包括电子零部件和凭借一条传输线藕合接至一个外罩，此传输线包括一条或多条的光纤(光纤的单或多数于此之后可以互用表达)，其中光纤负责通过光纤内的全内反射将所述内容或光学图像从光纤的一端输送到其另一端。光学图像由聚焦镜片从外罩中的微型显示器拾取。

4、根据本发明的又一方面，光学图像在光纤中是较低分辨率的但它所接受的是正常刷新率的两倍速度(例如：120hz相对于60hz)。其中两帧连续处于较低分辨率的图像在靠近光纤的另一端组合而生成较高分辨率的图像，此中的组合图像被刷新而成为一般正常的刷新率。

5、根据本发明的又一方面，每个镜片包括呈以下形式的棱镜：其将投射到棱镜一个边缘上的光学图像传播到用户可看到根据所述光学图像形成的图像的光学路径。所述棱镜还与光学校正镜片集成或堆叠在光学校正镜片上，所述光学校正镜片与棱镜的镜片互补或互反以形成所述眼镜的集成镜片。提供所述光学校正镜片以校正来自棱镜的光学路径，从而允许用户通过集成镜片观看而无光学失真。

6、根据本发明的又一方面，一种示范性棱镜是波导。集成镜片中的每个镜片包括光波导，其将投射到波导一端上的光学图像通过用户可看到根据所述光学图像形成的图像的光学路径传播到另一端。所述波导也可与光学校正镜片集成或堆叠在光学校正镜片上以形成所述眼镜的集成镜片。

7、根据本发明的又一方面，所述集成镜片还可涂布一个多层膜具有的光学特性以增强用户眼前的光学图像。

8、根据本发明的又一方面，所述眼镜包括几个电子装置(例如传感器或麦克风)来实现佩戴者与所显示内容之间的各种交互。由装置(例如深度传感器)捕捉的信号通过无线方式(例如rf无线或蓝牙)传输到外罩以消除眼镜与外罩之间的有线连接。

9、根据本发明的又一方面，一种光学导管用于输送从图像源(例如微型显示器)接收的光学图像。所述光学导管包封于显示装置的镜腿中或与镜腿集成。取决于实施方案，包括光纤集束或阵列的光学导管可扭曲、薄化或以其它方式变形以配合镜腿的时尚设计，同时将光学图像从镜腿的一端输送到另一端。

10、根据本发明的再一方面，所述光学图像为全息图像/视频(全息图)。通过空间光调制(slm)装置对光学图像进行相位调制以及振幅调制来生成全息图。取决于实施方案，全息图可在集成镜片附近(镜腿的一端)生成或经由光纤从外部装置输送。

11、根据本发明的一个方面，在两个不同方向(例如，45度和0度)中控制光传播(例如，来自slm)以在液晶中同时执行振幅调制(am)和相位调制(pm)。根据本发明的另一方面，使用掩模形成压印微结构阵列或图案，其中所述图案包括对准单元的阵列，第一组对准单元在第一方向上对准，第二组对准单元在第二方向上对准。取决于应用，来自第一组和第二组的两个单元可对应于单个像素或两个相邻像素，从而产生像素内或像素阵列内的振幅调制和相位调制。

12、根据本发明的又一方面，可使用便携式装置来容纳slm以执行am和pm且提供全息图以供经由光纤输送。取决于实施方案，便携式装置可实施为独立装置或对接单元以接纳智能电话。便携式装置主要是连接到网络(例如互联网)的控制盒，且在受用户控制时产生控制和指令信号。当智能电话接纳在对接单元中时，可使用智能电话中提供的许多功能，例如网络接口和触摸屏以从用户接收输入。

13、本发明可实施为设备、方法、系统的一部分。不同实施方案可产生不同益处、目标和优点。在一个实施例中，本发明是一种显示装置，其包括：显示装置，其包括：一个眼镜镜框；至少一个集成镜片，其中所述集成镜片被框在所述眼镜镜框之中；空间光调制装置，其用以对光学图像进行振幅和相位调制以产生调制图像；以及至少一全息镜，其接收所述调制图像，并将所述调制图像旋转90度以将所述调制图像投射到所述集成镜片中，其中所述全息镜经光学涂覆以选择性地允许特定波长通过或反射，穿戴所述显示装置的用户在所述集成镜片中能够看到由所述调制图像产生的全息图。

14、在另一实施例中，本发明是一种显示装置的方法，所述方法包括：提供包括至少一个集成镜片的眼镜镜框和一个附接到所述眼镜镜框的镜腿；接收光学图像；在空间光调制装置中对所述光学图像进行振幅和相位调制；利用由均匀激光片照射的所述空间光调制装置反射的光强生成全息图；以及经由反射镜通过90度旋转将所述全息图投射到所述集成镜片中，其中所述反射镜经光学涂覆以选择性地允许特定波长通过或反射，穿戴所述显示装置的用户在所述集成镜片中能够看到由所述调制图像产生的全息图。

15、除了在以下描述中通过本发明的实践达成且产生附图中示出的实施例的以上目标，存在许多其它目标。