带有场透镜的投影仪的制作方法

带有场透镜的投影仪
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于
2021
年2月
28
日递交的美国申请序列第
17/187,823
号的优先权，其内容通过引用全部并入本文
。
技术领域
3.本主题涉及投影仪领域
。


背景技术：

4.许多类型的投影仪生成用户可观看的图像，诸如用在护目镜装置中
。
附图说明
5.附图仅通过举例而非限制的方式描绘了一个或多个实施方式
。
在附图中，相同的附图标记表示相同或相似的元件
。
6.图
1a
是护目镜装置的示例硬件配置的侧视图，该护目镜装置示出了具有图像显示器的右光学组件，并且基于检测到的用户的头部或眼睛运动将视场调整应用于呈现在图像显示器上的用户界面；
7.图
1b
是图
1a
的护目镜装置的镜腿的顶部截面视图，描绘了可见光相机
、
用于跟踪护目镜装置的用户的头部运动的头部运动跟踪器和电路板；
8.图
2a
是护目镜装置的示例硬件配置的后视图，该护目镜装置包括镜架上的眼睛扫描器，该眼睛扫描器在用于识别护目镜装置的用户的系统中使用；
9.图
2b
是另一护目镜装置的示例硬件配置的后视图，该护目镜装置包括镜腿上的眼睛扫描器，该眼睛扫描器在用于识别护目镜装置的用户的系统中使用；
10.图
2c
和图
2d
是护目镜装置的示例硬件配置的后视图，包括两种不同类型的图像显示器：
11.图3示出了图
2a
的护目镜装置的后透视图，描绘了红外发射器
、
红外相机
、
镜架前部
、
镜架背部和电路板；
12.图4是穿过图3的护目镜装置的红外发射器和镜架所截取的截面视图；
13.图5图示了检测眼睛注视方向；
14.图6图示了检测眼睛位置；
15.图7描绘了由左可见光相机所捕捉的可见光作为左原始图像以及由右可见光相机所捕捉的可见光作为右原始图像的示例；
16.图
8a
是被配置为生成视觉图像的投影仪的侧视图；
17.图
8b
是壳体的侧剖视图，该壳体包围参考图
8a
所描述的系统的部件；
18.图
8c
图示了系统的作为投影仪的照射区段的部分以及投影仪的作为投影透镜的部分；
19.图
8d
图示了作为场透镜的曲率的函数的系统尺寸的曲线图；
20.图
8e
图示了生成穿过场透镜的偏心光束以及使显示器移位以生成具有角视轴补偿的显示图像的方法；以及
21.图9图示了包括投影仪的护目镜装置的电子部件的框图
。
具体实施方式
22.本公开针对一种具有曲面场透镜和移位的光调制显示器的投影仪
。
系统包括至少一个被配置为生成彩色光束的光源以及将该光束传送至显示器的棱镜
。
曲面场透镜联接至棱镜的面以将光束引导至显示器并捕捉反射光，从而将光束朝向投影透镜引导
。
显示器的中心从投影透镜的光轴移位
。
棱镜被设计为具有场透镜以均匀地照射偏心显示器
。
偏心光束和移位的显示器一起生成所创建图像的有利的偏移视轴
。
投影仪的部件的尺寸是曲面场透镜的曲率的函数
。
曲面场透镜的曲率越大，部件和整个投影仪的尺寸越小
。
投影仪可用在护目镜中
。
23.示例的额外的目的
、
优点和新颖特征将部分地在以下说明中进行阐述，并且对于本领域的普通技术人员而言在查阅以下内容和附图时将部分地变得清楚，或者可通过示例的生产或操作来学习
。
本主题的目的和优点可通过所附权利要求中具体指出的方法
、
手段和组合来实现和获得
。
24.在以下详细说明中，通过举例的方式阐述了许多具体细节，以便提供对相关教导内容的透彻理解
。
然而，对于本领域技术人员应当清楚的是，可在没有此类细节的情况下实践本教导内容
。
在其他示例中，众所周知的方法
、
过程
、
部件和电路已经在相对上位
、
没有细节地情况下进行了描述，以便避免不必要地使本教导内容的多个方面模糊不清
。
25.如本文所使用的术语“联接”是指任何逻辑
、
光学
、
物理或电连接
、
链路等，由此由一个系统元件生成或提供的信号或光被赋予另一联接元件
。
除非另有描述，否则经联接的元件或装置不一定直接连接至彼此，并且可通过可修改
、
操纵或携带光或信号的中间部件
、
元件或通信介质分离
。
26.护目镜装置
、
相关联的部件以及结合了眼睛扫描器和相机的任何完整装置
(
诸如在附图中的任一幅图中所示
)
的定向仅是通过举例的方式给出的，以用于图示和讨论的目的
。
在针对特定可变光学处理应用的操作中，护目镜装置可被定向在适合于该护目镜装置的特定应用的任何其他方向上，例如上
、
下
、
侧向或任何其他定向
。
而且，在本文中使用的范围内，任何方向术语
(
诸如，前
、
后
、
向内
、
向外
、
朝向
、
左
、
右
、
横向
、
纵向
、
上
、
下
、
上部
、
下部
、
顶部
、
底部和侧面
)
仅仅通过示例的方式使用，并不限制如本文以其他方式所描述构造的任何光学件或光学件的部件的方向或定向
。
27.现在详细参考在附图中图示的和以下讨论的示例
。
28.图
1a
是护目镜装置
100
的示例硬件配置的侧视图，该护目镜装置包括具有图像显示器
180d(
图
2a)
的右光学组件
180b。
护目镜装置
100
包括形成立体相机的多个可见光相机
114a-b(
图
7)
，其中右可见光相机
114b
位于右镜腿
110b
上
。
29.左和右可见光相机
114a-b
具有对可见光范围波长敏感的图像传感器
。
可见光相机
114a-114b
中的每个均具有不同的面向前方的覆盖角，例如，可见光相机
114b
具有所描绘的覆盖角
111b。
覆盖角是可见光相机
114a-b
的图像传感器拾取电磁辐射并生成图像的角度范围
。
这种可见光相机
114a-b
的示例包括高分辨率互补金属氧化物半导体
(cmos)
图像传感器
和视频图形阵列
(vga)
相机，诸如
640p(
例如，
640
×
480
像素总计
30
万像素
)、720p
或
1080p。
来自可见光相机
114a-b
的图像传感器数据与地理位置数据一起被捕捉，由图像处理器数字化，并且储存在存储器中
。
30.为了提供立体视觉，可见光相机
114a-b
可联接至图像处理器
(
图9的元件
912)
以用于数字处理以及捕捉场景的图像的时间戳
。
图像处理器
912
包括电路，该电路用于从可见光相机
114a-b
接收信号并将来自可见光相机
114a-b
的那些信号处理为适合于储存在存储器
(
图9的元件
934)
中的格式
。
时间戳可由图像处理器
912
或控制可见光相机
114a-b
的操作的其他处理器添加
。
可见光相机
114a-b
允许立体相机模拟人类双目视觉
。
立体相机提供了基于分别来自具有相同时间戳的可见光相机
114a-b
的两个捕捉的图像
(
图7的要素
758a-b)
来再现三维图像
(
图7的要素
715)
的能力
。
这种三维图像
715
允许沉浸式类似生活的体验
(
例如用于虚拟现实或视频游戏
)。
对于立体视觉，在给定时刻生成一对图像
758a-b—
左和右可见光相机
114a-b
各自生成一个图像
。
当
(
例如，通过图像处理器
912)
将来自左和右可见光相机
114a-b
的面向前方的视场
(fov)111a-b
的一对所生成的图像
758a-b
拼接在一起时，通过光学组件
180a-b
提供深度感知
。
31.在示例中，用户界面视场调整系统包括护目镜装置
100。
护目镜装置
100
包括镜架
105、
从镜架
105
的右侧边
170b
延伸的右镜腿
110b
以及透视图像显示器
180d(
图
2a-b)
，该透视图像显示器包括光学组件
180b
以向用户呈现图形用户界面
。
护目镜装置
100
包括连接至镜架
105
或左镜腿
110a
以捕捉场景的第一图像的左可见光相机
114a。
护目镜装置
100
还包括连接至镜架
105
或右镜腿
110b
的右可见光相机
114b
以
(
例如，与左可见光相机
114a
同时
)
捕捉场景的与第一图像部分重叠的第二图像
。
虽然在图
1a
至图
1b
中未示出，但是用户界面视场调整系统还包括处理器
932
，该处理器联接至护目镜装置
100
并且连接至可见光相机
114a-b
；存储器
934
，该存储器可由处理器
932
访问，并且在存储器
934
中编程，例如在护目镜装置
100
本身或用户界面视场调整系统的另一部分中编程
。
32.虽然在图
1a
中未示出，护目镜装置
100
还包括头部运动跟踪器
(
图
1b
的元件
109)
或眼睛运动跟踪器
(
图
2b
的元件
213)。
护目镜装置
100
还包括光学组件
180a-b
的分别用于呈现所显示图像的序列的透视图像显示器
180c-d
，以及图像显示驱动器
(
图9的元件
942)
，该图像显示驱动器联接至光学组件
180a-b
的透视图像显示器
180c-d
以控制光学组件
180a-b
的图像显示器
180c-d
呈现所显示图像
715
的序列，这在下文进一步详细描述
。
护目镜装置
100
还包括存储器
934
以及可访问图像显示驱动器
942
和存储器
934
的处理器
932。
护目镜装置
100
还包括在存储器中的编程
(
图9的元件
934)。
处理器
932
对编程的执行将护目镜装置
100
配置为执行功能，这些功能包括经由透视图像显示器
180c-d
呈现所显示图像的序列的初始显示图像的功能，该初始显示图像具有对应于初始头部方向或初始眼睛注视方向的初始视场
(
图5的要素
230)。
33.处理器
932
对编程的执行进一步将护目镜装置
100
配置为用于通过以下各项来检测护目镜装置的用户的运动：(i)经由头部运动跟踪器
(
图
1b
的元件
109)
跟踪用户的头部的头部运动，或
(ii)
经由眼睛运动跟踪器
(
图
2b、
图5的元件
213)
跟踪护目镜装置
100
的用户的眼睛的眼睛运动
。
处理器
932
对编程的执行进一步将护目镜装置
100
配置为基于所检测到的用户的运动来确定对初始显示图像的初始视场的视场调整
。
视场调整包括与连续的头部方向或连续的眼睛方向对应的连续的视场
。
处理器
932
对编程的执行进一步将护目镜装置
100
配置为基于视场调整生成所显示图像的序列中的连续显示图像
。
处理器
932
对编程的执行进一步配置护目镜装置
100
以经由光学组件
180a-b
的透视图像显示器
180c-d
呈现连续显示图像
。
34.图
1b
是描绘了右可见光相机
114b、
头部运动跟踪器
109
和电路板的图
1a
的护目镜装置
100
的镜腿的顶部截面视图
。
左可见光相机
114a
的构造和放置基本上类似于右可见光相机
114b
，除了连接和联接位于左外侧
170a
上之外
。
如图所示，护目镜装置
100
包括右可见光相机
114b
和电路板，该电路板可以是柔性印刷电路板
(pcb)140。
右铰链
126b
将右镜腿
110b
连接至护目镜装置
100
的右镜腿
125b。
在一些示例中，右可见光相机
114b
的部件
、
柔性
pcb 140
或其他电连接器或触点可位于右镜腿
125b
或右铰链
126b
上
。
35.如图所示，护目镜装置
100
具有头部运动跟踪器
109
，该头部运动跟踪器包括例如惯性测量单元
(imu)。
惯性测量单元是使用加速计和陀螺仪
(
有时还有磁力计
)
的组合来测量和报告身体的特定力
、
角速度以及有时身体周围的磁场的电子装置
。
惯性测量单元通过使用一个或多个加速度计检测线性加速度并使用一个或多个陀螺仪检测旋转速率来工作
。
惯性测量单元的通常配置对于如下三个轴中的每个包括用于每个轴的一个加速度计
、
陀螺仪和磁力计：用于左右运动的水平轴
(x)、
用于顶底运动的竖直轴
(y)
以及用于上下运动的深度或距离轴
(z)。
加速度计检测重力向量
。
磁力计定义磁场中的旋转
(
例如，朝南
、
向北等
)
，就像指南针一样，产生航向参考
。
这三个加速度计用于检测沿以上定义的水平
、
竖直和深度轴线的加速度，这可相对于地面
、
护目镜装置
100、
或佩戴护目镜装置
100
的用户来定义
。
36.护目镜装置
100
通过经由头部运动跟踪器
109
跟踪用户的头部的头部运动来检测护目镜装置
100
的用户的运动
。
头部运动包括在图像显示器上呈现初始显示图像期间头部方向在水平轴
、
竖直轴或其组合上从初始头部方向的变化
。
在一个示例中，经由头部运动跟踪器
109
跟踪用户的头部的头部运动包括经由惯性测量单元
109
测量水平轴
(
例如，
x
轴
)、
竖直轴
(
例如，y轴
)
或其组合上
(
例如，横向或对角线运动
)
的初始头部方向
。
经由头部运动跟踪器
109
跟踪用户头部的头部运动还包括在呈现初始显示图像期间经由惯性测量单元
109
测量在水平轴
、
竖直轴或其组合上的连续头部方向
。
37.经由头部运动跟踪器
109
跟踪用户头部的头部运动还包括基于初始头部方向和连续头部方向两者确定头部方向的变化
。
检测护目镜装置
100
的用户的运动还包括响应于经由头部运动跟踪器
109
跟踪用户的头部的头部运动，确定头部方向的变化超过水平轴
、
竖直轴或其组合上的偏差角阈值
。
偏差角阈值为约3°
至
10
°
。
如本文所使用的，当提及角度时，术语“约”是指偏离所述量
±
10
％
。
38.沿水平轴的变化通过例如隐藏
、
取消隐藏或以其他方式调整三维对象的可见度来将诸如字符
、
表情贴纸
(bitmojis)、
应用图标等的三维对象滑入和滑出视场
。
在一个示例中，例如，当用户向上看时，沿竖直轴的变化显示天气信息
、
一天中的时间
、
日期
、
日历预约等
。
在另一示例中，当用户在竖直轴上向下看时，护目镜装置
100
可断电
。
39.右镜腿
110b
包括镜腿本体
211
和镜腿盖，在图
1b
的横截面中省略了镜腿盖
。
不同互连电路板
(
诸如
pcb
或柔性
pcb)
设置于右镜腿
110b
内部，其包括用于右可见光相机
114b
的控制器电路
、
麦克风
130、
扬声器
132、
低功率无线电路
(
例如，用于经由蓝牙
tm
的无线短程网络通信
)、
高速无线电路
(
例如，用于经由
wifi
的无线局域网通信
)。
40.右可见光相机
114b
联接至或被设置在柔性
pcb 240
上并且由可见光相机盖透镜覆盖，该可见光相机盖透镜通过形成在右镜腿
110b
中的开口瞄准
。
在一些示例中，连接至右镜腿
110b
的镜架
105
包括用于可见光相机盖透镜的开口
(
多个开口
)。
镜架
105
包括被配置为背离用户的眼睛向外的面向前侧
。
用于可见光相机盖透镜的开口形成在面向前侧上并穿过面向前侧
。
在该示例中，以护目镜装置
100
的用户的右眼的视线或视角，右可见光相机
114b
具有面向外的覆盖角
111b。
可见光相机盖透镜还可粘附至右镜腿
110b
的面向外的表面，其中，开口以面向外的覆盖角形成，但是在不同的向外方向上
。
联接还可以是间接的，经由介入部件
。
41.左
(
第一
)
可见光相机
114a
连接至左光学组件
180a
的左透视图像显示器
180c
以生成第一连续显示图像的第一背景场景
。
右
(
第二
)
可见光相机
114b
连接至右光学组件
180b
的右透视图像显示器
180d
以生成第二连续显示图像的第二背景场景
。
第一背景场景和第二背景场景部分重叠以呈现连续显示图像的三维可观察区域
。
42.柔性
pcb 140
被设置在右镜腿
110b
内部并联接至容纳在右镜腿
110b
中的一个或多个其他部件
。
尽管示出为形成于右镜腿
110b
的电路板上，但右可见光相机
114b
可形成于左镜腿
110a、
镜腿
125a-b
或镜架
105
的电路板上
。
43.图
2a
是护目镜装置
100
的示例硬件配置的后视图，该护目镜装置包括镜架
105
上的眼睛扫描器
113
，该眼睛扫描器在用于确定护目镜装置
100
的佩戴者
/
用户的的眼睛位置和注视方向的系统中使用
。
如图
2a
所示，护目镜装置
100
呈被配置为用于由用户佩戴的形式，护目镜装置在图
2a
的示例中是眼镜
。
护目镜装置
100
可采用其他形式并且可结合其他类型的镜架，例如，头帽
、
头戴耳机或头盔
。
44.在护目镜示例中，护目镜装置
100
包括镜架
105
，该镜架包括经由适配于用户的鼻子的鼻架
106
连接至右边缘
107b
的左边缘
107a。
左边缘
107a
和右边缘
107b
包括保持相应的光学元件
180a-b(
诸如透镜和透视显示器
180c-d)
的相应孔
175a-b。
如本文所使用，术语透镜意为覆盖具有弯曲和平坦表面的玻璃或塑料的透明或半透明片，该弯曲和平坦表面引起光会聚
/
发散或引起很少或不引起会聚
/
发散
。
45.虽然被示出为具有两个光学元件
180a-b
，但护目镜装置
100
可包括其他布置，诸如取决于护目镜装置
100
的应用或预期用户的单个光学元件
。
如进一步所示，护目镜装置
100
包括邻近镜架
105
的左外侧
170a
的左镜腿
110a
以及邻近镜架
105
的右外侧
170b
的右镜腿
110b。
镜腿
110a-b
可集成在相应侧
170a-b
上的镜架
105
中
(
如图所示
)
或实现为附接至相应侧
170a-b
上的镜架
105
的单独部件
。
可替代地，镜腿
110a-b
可集成在附接至镜架
105
的镜腿
(
未示出
)
中
。
46.在图
2a
的示例中，眼睛扫描器
113
包括红外发射器
115
和红外相机
120。
可见光相机通常包括蓝光滤波器以阻挡红外光检测，在示例中，红外相机
120
是可见光相机，诸如低分辨率视频图形阵列
(vga)
相机
(
例如，
640
×
480
像素总计
30
万像素
)
，其中移除了蓝色滤波器
。
红外发射器
115
和红外相机
120
共置在镜架
105
上，例如，两者被示出为连接至左边缘
107a
的上部部分
。
左镜腿
110a
和右镜腿
110b
中的一个或多个或镜架
105
包括电路板
(
未示出
)
，该电路板包括红外发射器
115
和红外相机
120。
红外发射器
115
和红外相机
120
可通过例如焊接连接至电路板
。
47.可以实现红外发射器
115
和红外相机
120
的其他布置，包括其中红外发射器
115
和
红外相机
120
两者都在右边缘
107b
上的布置，或者在镜架
105
上的不同位置中的布置，例如，红外发射器
115
在左边缘
107a
上而红外相机
120
在右边缘
107b
上
。
在另一示例中，红外发射器
115
在镜架
105
上而红外相机
120
在镜腿
110a-b
之一上，或反之亦然
。
红外发射器
115
可基本上连接在镜架
105、
左镜腿
110a
或右镜腿
110b
上的任何位置以发射红外光的图案
。
类似地，红外相机
120
可基本上连接在镜架
105、
左镜腿
110a
或右镜腿
110b
上的任何位置以捕捉发射的红外光的图案中的至少一个反射变化
。
48.以眼睛的部分或全部视场，红外发射器
115
和红外相机
120
被布置为向内面向用户的眼睛，以便识别相应的眼睛位置和注视方向
。
例如，红外发射器
115
和红外相机
120
直接定位在眼睛的前方
、
镜架
105
的上部中或镜架
105
的任一端处的镜腿
110a-b
中
。
49.图
2b
是另一护目镜装置
200
的示例硬件配置的后视图
。
在这个示例配置中，护目镜装置
200
被描绘为包括在右镜腿
210b
上的眼睛扫描器
213。
如图所示，红外发射器
215
和红外相机
220
共置在右镜腿
210b
上
。
应当理解的是，眼睛扫描器
213
或眼睛扫描器
213
的一个或多个部件可位于左镜腿
210a
上以及护目镜装置
200
的其他位置
(
例如，镜架
105)
上
。
红外发射器
215
和红外相机
220
与图
2a
的红外发射器和红外相机类似，但是眼睛扫描器
213
可以变化以对不同光波长敏感，如之前在图
2a
中所描述的
。
50.类似于图
2a
，护目镜装置
200
包括镜架
105
，该镜架包括经由鼻架
106
连接至右边缘
107b
的左边缘
107a
；并且左边缘
107a
和右边缘
107b
包括保持包括透视显示器
180c-d
的相应光学元件
180a-b
的相应孔
。
51.图
2c
至图
2d
是护目镜装置
100
的示例硬件配置的后视图，包括两种不同类型的透视图像显示器
180c
至
180d。
在一个示例中，光学组件
180a-b
的这些透视图像显示器
180c-d
包括集成的图像显示器
。
如图
2c
所示，光学组件
180a-b
包括任何适合类型的适合的显示矩阵
180c-d
，诸如液晶显示器
(lcd)、
有机发光二极管
(oled)
显示器
、
波导显示器
、
或任何其他此类显示器
。
52.光学组件
180a-b
还包括一个或多个光学层
176
，该一个或多个光学层可包括任何组合的透镜
、
光学涂层
、
棱镜
、
反射镜
、
波导
、
光学带以及其他光学部件
。
光学层
176a-n
可包括棱镜，该棱镜具有适当尺寸和配置并且包括用于从显示矩阵接收光的第一表面和用于向用户的眼睛发射光的第二表面
。
光学层
176a-n
的棱镜在左边缘
107a
和右边缘
107b
中形成的相应孔
175a-b
的全部或至少一部分上延伸，以在用户的眼睛正在通过对应的左边缘
107a
和右边缘
107b
观看时允许用户看到棱镜的第二表面
。
光学层
176a-n
的棱镜的第一表面从镜架
105
面向上，并且显示矩阵置于棱镜上，使得由显示矩阵发射的光子和光撞击第一表面
。
棱镜被定尺寸和定形状为使得光在棱镜内被折射并被光学层
176a-n
的棱镜的第二表面引导朝向用户的眼睛
。
在这方面，光学层
176a-n
的棱镜的第二表面可以是凸的以便将光引向眼睛的中心
。
棱镜可以可选地被定尺寸和定形状以放大由透视图像显示器
180c-d
投射的图像，并且光行进通过棱镜，使得从第二表面观看的图像在一个或多个维度上大于由透视图像显示器
180c-d
发射的图像
。
53.在另一示例中，光学组件
180a-b
的透视图像显示器
180c-d
包括如图
2d
中所示的投影图像显示器
。
光学组件
180a-b
包括投影仪
150
，其可以是使用扫描镜的三色投影仪
、
检流计
、
激光投影仪或其他类型的投影仪
。
在操作期间，光源
(
诸如投影仪
150)
设置在护目镜装置
100
的镜腿
125a-b
之一中或之上
。
光学组件
180a-b
包括跨光学组件
180a-b
的镜片的宽度
或跨镜片的前表面与后表面之间的深度间隔开的一个或多个光学带
155a-n。
在图
8a
至图
8e
中示出了投影仪的详细示例
。
54.当由投影仪
150
投影的光子行进穿过光学组件
180a-b
的透镜时，光子遇到光学带
155a-n。
当特定光子遇到特定光学带时，该光子或者被重定向朝向用户的眼睛，或者该光子传递到下一光学带
。
投影仪
150
的调制与光带的调制的组合可控制特定的光子或光束
。
在示例中，处理器通过发起机械
、
声学或电磁信号来控制光学带
155a-n。
尽管被示出为具有两个光学组件
180a-b
，但是护目镜装置
100
可包括其他布置，诸如单个或三个光学组件，或者光学组件
180a-b
可根据护目镜装置
100
的应用或预期用户而具有不同的布置
。
55.如图
2c
至图
2d
中进一步所示，护目镜装置
100
包括邻近镜架
105
的左外侧
170a
的左镜腿
110a
及邻近镜架
105
的右外侧
170b
的右镜腿
110b。
镜腿
110a-b
可集成在相应外侧
170a-b
上的镜架
105
中
(
如图所示
)
或实现为附接至相应侧
170a-b
上的镜架
105
的单独部件
。
可替代地，镜腿
110a-b
可被集成在附接至镜架
105
的镜腿
125a-b
中
。
56.在一个示例中，透视图像显示器包括第一透视图像显示器
180c
和第二透视图像显示器
180d。
护目镜装置
100
包括第一和第二孔
175a-b
，第一孔和第二孔保持相应的第一和第二光学组件
180a-b。
第一光学组件
180a
包括第一透视图像显示器
180c(
例如，图
2c
的显示矩阵或光学带
155a-n’以及投影仪
150a)。
第二光学组件
180b
包括第二透视图像显示器
180d
，
(
例如，图
2c
的显示矩阵或光学带
155a-n”以及投影仪
150b)。
连续显示图像的连续视场包括水平
、
竖直或对角测量的约
15
°
至
30
°
的视角，并且更具体地为
24
°
。
具有连续视场的连续显示图像表示通过将在第一和第二图像显示器上所呈现的两个显示图像拼接在一起而可见的组合的三维可观察区域
。
57.如本文所使用的，“视角”描述与在光学组件
180a-b
的左图像显示器
180c
和右图像显示器
180d
中的每个上所呈现的显示图像相关联的视场的角度范围
。“覆盖角”描述可见光相机
114a-b
或红外相机
220
的透镜可成像的角度范围
。
通常，由透镜生成的图像圆足够大以完全覆盖胶片或传感器，可能包括一些渐晕
(
即，与图像中心相比，图像的亮度或饱和度朝着外围减小
)。
如果透镜的覆盖角未填充传感器，则图像圆将是可见的，通常具有朝向边缘的强渐晕，并且有效视角将受限于覆盖角
。“视场”旨在描述可观察区域的场，护目镜装置
100
的用户可经由呈现在光学组件
180a-b
的左和右图像显示器
180c-d
上的显示图像透过他或她的眼睛看到该可观察区域的场
。
光学组件
180a-b
的图像显示器
180c
可具有覆盖角在
15
°
至
30
°
(
例如，
24
°
)
的视场，并且具有
480
×
480
像素的分辨率
。
58.图3示出了图
2a
的护目镜装置的后透视图
。
护目镜装置
100
包括红外发射器
215、
红外相机
220、
镜架前部
330、
镜架背部
335
和电路板
340。
在图3中可看出，护目镜装置
100
的镜架的左边缘的上部部分包括镜架前部
330
和镜架背部
335。
用于红外发射器
215
的开口形成在镜架背部
335
上
。
59.如在镜架的左边缘的上部中间部分中的环绕截面4中所示，电路板
(
其为柔性
pcb 340)
被夹在镜架前部
330
与镜架背部
335
之间
。
还更详细地示出了左镜腿
110a
经由左铰链
126a
附接至左镜腿
325a。
在一些示例中，眼睛运动跟踪器
213
的部件
(
包括红外发射器
215、
柔性
pcb 340
或其他电连接器或触点
)
可位于左镜腿
325a
或左铰链
126a
上
。
60.图4是穿过红外发射器
215
和镜架的截面视图，其与图3的护目镜装置的圆形截面4相对应
。
在图4的横截面中图示了护目镜装置
100
的多个层，如所示，镜架包括镜架前部
330
和镜架背部
335。
柔性
pcb 340
设置在镜架前部
330
上并且连接至镜架背部
335。
红外发射器
215
设置在柔性
pcb 340
上并且由红外发射器盖透镜
445
覆盖
。
例如，红外发射器
215
回流焊接至柔性
pcb 340
的背部
。
回流焊接将红外发射器
215
附接至形成在柔性
pcb 340
的背部上的接触焊盘，通过对柔性
pcb 340
施加受控热量使焊膏熔化以连接两个部件
。
在一个示例中，回流焊接用于将红外发射器
215
表面安装在柔性
pcb 340
上并电连接两个部件
。
然而，应当理解的是，通孔可用于例如经由互连将来自红外发射器
215
的引线连接至柔性
pcb 340。
61.镜架背部
335
包括用于红外发射器盖透镜
445
的红外发射器开口
450。
红外发射器开口
450
形成在镜架背部
335
的面向后侧上，该镜架背部被配置为向内面向用户的眼睛
。
在该示例中，柔性
pcb 340
可经由柔性
pcb
粘合剂
460
连接至镜架前部
330。
红外发射器盖透镜
445
可经由红外发射器盖透镜粘合剂
455
连接至镜架背部
335。
联接还可以是间接的，经由介入部件
。
62.在示例中，处理器
932
利用眼睛跟踪器
213
确定如图5中所示的佩戴者眼睛
234
的眼睛注视方向
230
，以及如图6中所示的眼睛窗口内的佩戴者眼睛
234
的眼睛位置
236。
眼睛跟踪器
213
是扫描器，该扫描器使用红外光照射
(
例如，近红外
、
短波长红外
、
中波长红外
、
长波长红外
、
或远红外
)
来捕捉来自眼睛
234
的红外光的反射变化的图像以确定眼睛
234
的瞳孔
232
的注视方向
230
以及相对于透视显示器
180d
的眼睛位置
236。
63.图7描绘了用相机
114a-b
捕捉可见光的示例
。
可见光由具有圆形视场
(fov)111a
的左可见光相机
114a
捕捉
。
所选择的矩形左原始图像
758a
用于图像处理器
912(
图
9)
的图像处理
。
可见光由具有圆形
fov 111b
的右可见光相机
114b
捕捉
。
由图像处理器
912
选择的矩形右原始图像
758b
用于由处理器
912
的图像处理
。
基于对左原始图像
758a
和右原始图像
758b
的处理，三维场景的三维图像
715(
下文称为沉浸式图像
)
由处理器
912
生成并由显示器
180c
和
180d
显示，并且其可由用户查看
。
64.图
8a
是被配置为用于生成图像的投影仪
150
的侧视图，诸如在图
2d
中示出的并被描述为投影仪
150。
投影仪
150
包括显示器
812
，该显示器被配置为调制从一个或多个彩色光源照射到其上的光束以生成图像，一个或多个彩色光源示出为红色
/
蓝色发光二极管
(led)
灯
814
和绿色
led
灯
816。
红色
/
蓝色
led
灯
814
选择性地发射红色和蓝色光束
832
，该红色和蓝色光束穿过相应的聚光透镜
818
，从二向色透镜
820
反射，穿过复眼
822
，穿过由平面间隔物
828
彼此分开的动力棱镜
824
和反向全内反射
(rtir)
光棱镜
826
，并且在
rtir
光棱镜
826
的底部输出端
830
处输出至显示器
812
，如图所示
。
绿色灯
816
选择性地发射绿色光束
832
，该绿色光束穿过相应的聚光透镜
818
并且穿过二向色透镜
820、
复眼
822、
穿过动力棱镜
824、
穿过平面间隔物
828
和
rtir
光棱镜
826
，并且从底部
rtir
光棱镜输出端
830
输出至显示器
812。
通过灯控制器
829
对彩色灯
814
和
816
进行时间排序，使得一次仅打开一个灯，并且显示器
812
一次仅调制一个彩色光束
832。
来自显示器
812
的调制光生成图像，该图像通过底部输出端
830
被引导回
rtir
光棱镜
826
，反射离开平面间隔物
828
，并且通过竖直
rtir
光棱镜输出
834
出射至投影透镜元件
836
以供在图像平面上显示
。
人眼将图像平面上显示的调制后的彩色光束进行整合，以感知彩色图像
。
显示器
812
可以是由德克萨斯州达拉斯的德州仪器公司制造的数字微镜装置
(dmd)
显示器，但是其他显示器也是可能的
。
到目前为止本文所描述的投影仪
810
的仅一部分是已知数字光投影
(dlp)
系统架构
(
诸如由德克萨斯州达拉斯的德州仪器制造
)。
65.为了将本文所描述的投影仪的视场
(fov)
从对角线
25
度
fov
增加到对角线
46
度
fov
，并且维持分辨率和显示像素间距，这将导致显示图像对角线的
1.9
倍大小
。
通过维持投影透镜f光圈数
(f/#)
且维持投影透镜处的远心性，显示器对角线的此增加将通常转换成投影透镜中的最大元件的直径的直接
1.9
倍大小
。
此外，由于需要使彩色光束穿过
rtir
棱镜
26
，投影透镜的后焦距也将改变大小，从而导致总长度也增加
。
66.根据本公开，如参考图
8a
至图
8e
所示出和描述的，通过结合正焦度场透镜，保持投影透镜远心，但是最后元件处的光线束显著减小，还减小了后焦距和投影透镜的总长度所需的尺寸
。
场透镜是在物镜之后到来并且位于图像平面附近的正焦度透镜
。
在投影仪的照射侧上看到额外益处，因为动力棱镜
824
表面的尺寸归因于场透镜中的功率而减小
。
在本发明中，所选择的场透镜功率在每一维度
(x、y、z)
上将最大长度减小
17
％
。
67.然而，专门为显示器投影仪提供的场透镜存在挑战
。
显示器投影仪要求以大的
34
度输入角度照射显示器
812
，并且以显示器
812
为中心的场透镜在显示器
812
的一侧上造成了均匀照射的问题
。
根据本公开，为了克服该限制，投影透镜被设计为支撑大得多的图像圆直径，并且进一步地，显示器
812
在图像平面中朝向更均匀的位置横向移位
/
偏移
。
该显示器
812
的移位导致视轴偏移
(
即，投影仪的
fov
从平行于旋转对称光轴偏移
)。
这在增强现实
(ar)
系统中是有利的，因为这使得投影仪能够与波导成非正交角度，诸如用于护目镜光学件中，从而允许在支持更大的全景角倾斜的工业设计中更好地配合
。
68.根据本公开，曲面场透镜
840
联接至形成
rtir
光棱镜
826
的底部输出端
830
的底部棱镜面
831
附近
。
曲面场透镜
840
配置有动力棱镜
824
，以使彩色光束
832
远离底部棱镜面
831
偏心并斜移角度
a(
如图所示
)
，并且均匀地照射在图像平面中向右偏移的显示器
812。
动力棱镜
824
和场透镜
840
使光束
832
相对于底部棱镜面
831
的法线以角度a斜移，使得光束
832
不垂直于棱镜面
831
的法线输出
。
69.显示器
812
的中心
846
向投影透镜
836
光轴的右侧偏移距离
d。
由场透镜
840
和动力棱镜
824
生成的彩色光束
832
的离心以及显示器
812
的偏移
/
定位导致由显示器
812
生成的有利的偏移视轴图像，如
838
所示，其离开投影透镜元件
836。
曲面场透镜
840
使得能够使用较小的系统部件，其中，曲面场透镜
840
的曲率越大，投影仪
150
越小，如将参考图
8d
讨论的
。
70.参考图
8b
，示出了壳体
860
的侧剖视图，该壳体包围参考图
8a
所描述的投影仪
150
的部件
。
壳体
860
可包括能够承受诸如由光束
832
所述生产的高温的材料，诸如金属或合成材料
。
71.参考图
8c
，图示了投影仪
150
的作为投影仪
150
的照射区段
870
的部分，以及投影仪
150
的是投影透镜
872
的部分
。
照射区段
870
被认为从光
816
延伸到由接近投影透镜元件
836
的
rtir
光棱镜
826
的竖直棱镜面形成的竖直输出
834。
投影透镜
872
被认为从投影透镜
840
的左侧延伸到投影透镜元件
836
的右端
。
72.参考图
8d
，示出了作为场透镜
840
的曲率的函数的系统尺寸的曲线图
。
73.曲线图a描绘了作为场透镜
840
的曲率的函数的
rtir
光棱镜
826
的棱镜面
831
在输出端
830
处的宽度尺寸
。
可以看出，场透镜
840
的曲率越大，
rtir
棱镜
826
的棱镜面
831
越窄
/
越小，并且系统
150
的尺寸越小
。
74.曲线图b描绘作为场透镜曲率的函数的最大投影透镜元件
836
的直径
。
可以看出，场透镜
840
的曲率越大，投影透镜元件
836
的直径越小
。
75.曲线图c描绘作为场透镜
840
的曲率的函数的投影透镜
836
的长度
。
可见，场透镜
840
的曲率越大，投影透镜
836
的长度越短
。
76.参考图
8e
，示出了使用场透镜生成偏心光束并且生成显示图像的方法
880。
77.在框
882
处，灯控制器
829
控制彩色光源
814
和
816
以选择性地生成红色
、
绿色和蓝色
(rgb)
彩色光束
。
选择性地控制光源，使得一次仅生成一个彩色光束
832。
78.在框
884
处，动力棱镜
824
和
rtir
棱镜
826
将光束
832
通过其中
。
光束
832
折射提供至形成输出端
830
的棱镜面
831。
79.在框
886
处，动力棱镜
824
和曲面场透镜
840
一起使光束
832
从棱镜面
831
偏心
。
场透镜
840
的曲率使光束
832
相对于棱镜面
831
以角度a斜移，使得以角度a斜移的光束不垂直于棱镜面
831。
80.在框
888
处，光束
832
由场透镜
840
引导至显示器
812
，该显示器调制光束
832
以形成视觉图像
。
显示器
812
的中心相对于棱镜面
831
的中心偏移，并且调制光束
832
均匀地照射显示器
。
光图像具有向下的视轴，如在
838
处所示
。
81.照射区段
870
的尺寸是曲面场透镜
840
的曲率的函数，并且投影透镜
872
的尺寸是曲面场透镜
840
的曲率的函数
。
场透镜
840
的曲率越大，形成投影仪
150
的部件的尺寸越小，因此，照射区段
870
和投影透镜
872
的尺寸越小
。
82.图9描绘了包括设置在护目镜
100
和
200
中的示例电子部件的高级功能框图
。
所图示的电子部件包括处理器
932、
存储器
934
和透视图像显示器
180c
和
180d。
83.存储器
934
包括用于由处理器
932
执行以实现护目镜
100/200
的功能的指令，包括用于处理器
932
控制图像
715
的指令
。
处理器
932
从电池
(
未示出
)
接收电力并执行储存在存储器
934
中或者在芯片上与处理器
932
集成的指令以执行护目镜
100/200
的功能，并且经由无线连接与外部装置通信
。
84.用户界面调整系统
900
包括可穿戴装置，该可穿戴装置是具有眼睛运动跟踪器
213(
例如，在图
2b
中示出为红外发射器
215
和红外相机
220)
的护目镜装置
100。
用户界面调整系统
900
还包括经由不同网络连接的移动装置
990
和服务器系统
998。
移动装置
990
可以是智能电话
、
平板
、
笔记本电脑
、
接入点或能够使用低功率无线连接
925
和高速无线连接
937
两者与护目镜装置
100
连接的任何其他此类装置
。
移动装置
990
连接至服务器系统
998
和网络
995。
该网络
995
可包括有线连接和无线连接的任何组合
。
85.护目镜装置
100
包括至少两个可见光相机
114a-b(
一个与左外侧
170a
相关联而一个与右外侧
170b
相关联
)。
护目镜装置
100
还包括光学组件
180a-b
的两个透视图像显示器
180c-d(
一个与左外侧
170a
相关联而一个与右外侧
170b
相关联
)。
护目镜装置
100
还包括图像显示驱动器
942、
图像处理器
912、
低功率电路
920
和高速电路
930。
图9所示的用于护目镜装置
100
和
200
的部件位于镜腿中的一个或多个电路板
(
例如
pcb
或柔性
pcb)
上
。
可替代地或另外地，所描绘的部件可位于护目镜装置
100
和
200
的镜腿
、
镜架
、
铰链或鼻架中
。
左和右可见光相机
114a-b
可包括数字相机元件，诸如互补的金属氧化物半导体
(cmos)
图像传感器
、
电荷联接装置
、
透镜或可用于捕捉数据
(
包括具有未知对象的场景的图像
)
的任何其他相应的可见或光捕捉元件
。
86.眼睛运动跟踪程序
945
实施用户界面视场调整指令，包括用于使护目镜装置
100
经由眼睛运动跟踪器
213
跟踪护目镜装置
100
的用户的眼睛的眼睛运动
。
其他实施的指令
(
功能
)
使护目镜装置
100
和
200
基于所检测到的用户的对应于连续眼睛方向的眼睛运动来确定对初始
fov 111a-b
的
fov
调整
。
进一步实施的指令基于视场调整生成所显示图像的序列的连续显示图像
。
连续显示图像经由用户界面被生成作为对用户的可见输出
。
该可见输出出现在光学组件
180a-b
的透视图像显示器
180c-d
上，该透视图像显示器由图像显示驱动器
934
驱动以呈现连续显示图像，包括具有初始视场的初始显示图像和具有连续视场的连续显示图像
。
87.如图9所示，高速电路
930
包括高速处理器
932、
存储器
934
和高速无线电路
936。
在示例中，图像显示驱动器
942
联接至高速电路
930
并由高速处理器
932
操作以便驱动光学组件
180a-b
的左图像显示器
180c
和右图像显示器
180d。
高速处理器
932
可以是能够管理护目镜装置
100
所需的任何通用计算系统的高速通信和操作的任何处理器
。
高速处理器
932
包括用于管理使用高速无线电路
936
在高速无线连接
937
上到无线局域网
(wlan)
的高速数据传输所需的处理资源
。
在特定示例中，高速处理器
932
执行操作系统，诸如
linux
操作系统或护目镜装置
100
的其他此类操作系统，并且该操作系统被储存在存储器
934
中以供执行
。
除了任何其他任务之外，执行护目镜装置
100
的软件架构的高速处理器
932
用于管理利用高速无线电路
936
的数据传输
。
在特定示例中，高速无线电路
936
被配置为用于实现电气和电子工程师协会
(ieee)802.11
通信标准，在此也被称为
wi-fi。
在其他示例中，其他高速通信标准可由高速无线电路
936
实现
。
88.护目镜装置
100
和
200
的低功率无线电路
924
和高速无线电路
936
可包括短程收发器
(
蓝牙
tm
)
和无线广域
、
局域网或广域网收发器
(
例如，蜂窝或
wifi)。
移动装置
990(
包括经由低功率无线连接
925
和高速无线连接
937
进行通信的收发器
)
可使用护目镜装置
100
的架构的细节来实现，网络
995
的其他元件也是如此
。
89.存储器
934
包括能够存储不同数据和应用的任何存储装置，不同数据和应用包括
(
除其他事项外
)
色图
、
由左和右可见光相机
114a-b
和图像处理器
912
生成的相机数据
、
以及由图像显示驱动器
942
在光学组件
180a-b
的透视图像显示器
180c-d
上显示生成的图像
。
虽然存储器
934
被示出为与高速电路
930
集成，但是在其他示例中，存储器
934
可以是护目镜装置
100
的独立元件
。
在特定的此类示例中，电气布线可提供通过包括高速处理器
932
的芯片从图像处理器
912
或低功率处理器
922
到存储器
934
的连接
。
在其他示例中，高速处理器
932
可管理存储器
934
的寻址，使得低功率处理器
922
将在需要涉及存储器
934
的读或写操作的任何时间引导高速处理器
932。
90.服务器系统
998
可以是作为服务或网络计算系统的一部分的一个或多个计算装置
(
例如包括处理器
、
存储器和网络通信接口
)
以便通过网络
995
与移动装置
990
和护目镜装置
100/200
进行通信
。
护目镜装置
100
和
200
与主计算机连接
。
例如，护目镜装置
100
经由高速无线连接
937
与移动装置
990
配对或经由网络
995
连接至服务器系统
998。
91.护目镜装置
100
的输出部件包括视觉部件，诸如在图
2c
至图
2d
中描述的光学组件
180a-b
的左和右图像显示器
180c-d(
例如，显示器，诸如液晶显示器
(lcd)、
等离子显示面板
(pdp)、
发光二极管
(led)
显示器
、
投影仪或波导
)。
光学组件
180a-b
的图像显示器
180c-d
由图像显示驱动器
942
驱动
。
护目镜装置
100
的输出部件还包括声学部件
(
例如，扬声器
)、
触觉
部件
(
例如，振动马达
)、
其他信号发生器等
。
护目镜装置
100
和
200、
移动装置
990
和服务器系统
998
的输入部件可包括字母数字输入部件
(
例如，键盘
、
被配置为用于接收字母数字输入的触摸屏，光电键盘或其他字母数字输入部件
)、
基于点的输入部件
(
例如，鼠标
、
触摸板
、
轨迹球
、
操纵杆
、
运动传感器或其他指示仪器
)、
触觉输入部件
(
例如，物理按钮
、
提供触摸或触摸手势的位置和力的触摸屏
、
或其他触觉输入部件
)、
音频输入部件
(
例如，麦克风
)
等
。
92.护目镜装置
100
可以可选地包括附加外围装置元件
919。
这种外围装置元件可包括环境光和光谱传感器
、
生物计量传感器
、
附加传感器或与护目镜装置
100
集成的显示元件
。
例如，外围装置元件
919
可包括任何
i/o
部件，包括输出部件
、
运动部件
、
位置部件或本文所描述的任何其他此类元件
。
护目镜装置
100
可采用其他形式并且可以结合其他类型的镜架，例如，头帽
、
头戴耳机或头盔
。
93.例如，用户界面视场调整
900
的生物特征部件包括用于检测表达
(
例如，手势
、
面部表情
、
声音表达
、
身体姿势或眼睛跟踪
)、
测量生物信号
(
例如，血压
、
心率
、
体温
、
汗液或脑电波
)、
识别人
(
例如，语音识别
、
视网膜识别
、
面部识别
、
指纹识别或基于脑电图的识别
)
等的部件
。
运动部件包括加速度传感器组件
(
例如，加速度计
)、
重力传感器组件
、
旋转传感器组件
(
例如，陀螺仪
)
等
。
位置部件包括用以生成位置坐标的位置传感器组件
(
例如，全球定位系统
(gps)
接收器组件
)、
用以生成定位系统坐标的
wifi
或蓝牙
tm
收发器
、
高度传感器组件
(
例如，高度计或可从中导出高度的检测空气压力的气压计
)、
定向传感器组件
(
例如，磁力计
)
和类似物
。
这种定位系统坐标也可通过无线连接
925
和
937
经由低功率无线电路
924
或高速无线电路
936
从移动装置
990
接收
。
94.根据一些示例，“应用
(application)”或“应用
(applications)”是执行在程序中定义的功能的程序
。
可采用不同编程语言来创建以各种方式结构化的应用中的一个或多个，诸如面向对象的编程语言
(
例如，
objective-c、java
或
c++)
或过程编程语言
(
例如，c或汇编语言
)。
在具体示例中，第三方应用
(
例如，由不同于特定平台的供应商的实体使用
android
tm
或
ios
tm
软件开发包
(sdk)
开发的应用
)
可以是在移动操作系统
(
诸如
ios
tm
、android
tm
、phone)
或另一移动操作系统上运行的移动软件
。
在该示例中，第三方应用可调用由操作系统提供的
api
调用以促进本文所描述的功能
。
95.将理解的是，本文所使用的术语和表达具有与其相应的调查和研究领域相关的普通含义，除了本文已经另外阐述具体含义之外
。
诸如第一和第二等之类的关系术语可仅用来将一个实体或动作与另一实体或动作区分开来，而不必要求或暗示这些实体或动作之间的任何实际此类关系或次序
。
术语“包括
(comprises)”、“包括
(comprising)”、“包括
(includes)”、“包括
(including)”或其任何其他变型旨在涵盖非排他性的包括，使得包括
comprises)
或包括
(includes)
一系列元件或步骤的过程
、
方法
、
物品或设备不仅仅包括那些元件或步骤，而且还可包括未明确列出的或此类过程
、
方法
、
物品或设备固有的其他元件或步骤
。
在没有进一步限制的情况下，前面有“一个”或“一种”的元件不排除在包括该元件的过程
、
方法
、
物品或设备中存在另外的相同元件
。
96.除非另外说明，否则在本说明书
(
包括在以下权利要求书中
)
中阐述的任何和所有测量
、
值
、
评级
、
位置
、
幅值
、
尺寸以及其他规范都是近似的
、
不精确的
。
此类数值旨在具有与其涉及的功能以及与其所属领域的惯例的相一致的合理范围
。
例如，除非另有明确说明，参数值等可能与所规定的数值偏差多达
±
10
％
。
97.此外，在以上详细说明中，可以看出，出于简化本公开的目的，不同特征在不同示例中被组合在一起
。
本公开的方法不应被解释为反映所要求保护的示例需要比在每个权利要求中明确陈述的特征更多的特征的意图
。
相反，如以下权利要求反映的，要保护的主题位于比任何单个公开的示例的所有特征少的特征中
。
因此，以下权利要求由此并入详细说明中，其中每个权利要求独立地作为单独要求保护的主题
。
98.虽然前述内容已描述了被认为是最佳模式和其他示例的内容，但应理解的是，可以在其中做出不同修改，并且本文所公开的主题可以不同形式和示例来实现，并且其可应用于许多应用中，本文仅描述了其中的一些应用
。
所附权利要求旨在要求保护落入本概念的真实范围内的任何和所有修改和变化
。