生成三维物体重建的头戴式显示装置的制作方法

专利名称：生成三维物体重建的头戴式显示装置的制作方法
示装置
本发明涉及一种用于生成三维视图(物体和场景)重建的头戴式显示 装置，其包含类似头盔或护目镜的头戴装置，具有至少一个前部和两个隔 开一定距离设置的侧部，其中前部相对于眼睛的位置。
GB1505873号专利文件介绍了一种头盔式光学显示装置，用于给配戴 它的观察者进行可视化呈像，在头盔的前部观察者的视野之内装有反射目 镜，常规生成的全息图在目镜上形成或者由目镜传送。重建光源可以被放 在头盔的任何一个侧部，并与反射的全息图间隔一定距离，该距离使得如 果全息图被照亮，其上的图像只会在观察者视野里重建成小视图。这种结 构的一个问题是可视化的重建仅仅局限于小幅视图，因此头盔式光学显
示装置不能用于大型物体的编码和可视化，更别提电影场景了。
US5257094号专利文件介绍了一种头盔式显示装置，该装置包含光学 元件如反射镜和光束分离器，以及前部的全息元件，目的在于提高来自侧 部的两个微型阴极射线管的外部提供的量和附加的显示信息的通透性。该 显示装置还包含组合的聚焦透镜。在微型阴极射线管的信息显示屏幕和相 应观察者瞳孔之间的光学链路设计成使包括显示装置在内的头戴装置的 重量减轻。
该装置的问题之一在于，尽管已经努力减少安装在头部装置上的显示 装置组件的重量，但由于头戴装置总体仍然很重，观察者必须在头部承受 相当重的负载。显示装置受到预制的光学和全息组件的给定结构的限制。
US4933755号专利文件介绍了一种头戴式立体显示装置，该装置将 左、右立体图像分别为左眼和右眼在液晶显示器上成像。从而可以观看立 体视频影像，而不产生在直视显示器中常见的左右眼图像的光学分离问 题。
7此外，US6674493号专利文件介绍了一种头戴式显示装置，该装置为 双眼提供普通的液晶显示器，通过有源式光束分离器持续不断地为双眼呈 现立体图像。
立体的头戴式显示装置的问题之一在于，尽管它们能够生成立体图 像，但该立体图像却展现了立体图像生成的全部缺点，特别是眼睛对深维 度物体的适应性调节缺失的可能性，如在全息显示装置中显示的，其中三 维物体的重建是基于计算机生成的视频全息图。
此外，DE102004063838A1号专利文件介绍了一种用于计算由计算 机生成的视频全息图的方法和装置，其中在光调制器上编码的全息图的重 建可以从观察者窗口中看到，在这些观察者窗口中存在某些与将被真正的 三维场景投射到相同位置的光相同的复振幅和相位分布。观察者通过观察 者窗口观看三维场景的重建，通常有两个分离的观察者窗口， 一个用于左 眼， 一个用于右眼。
观察者窗口中波阵面的计算实际上通过以下步骤来完成在平截面、 即一个平截面状的空间中将三维场景切片成剖面，通过转换计算从这些平 面到观察平面的光传播，并把它们在观察者窗口中加起来。观察者窗口的 尺寸可以限制在一只眼或一只眼瞳孔的大小。
在重建期间，对于使某一三维视图(物体和/或场景)在观察者窗口中 可见而言是必需的波阵面，可以通过两种不同的方式生成第一，通过编 码光调制器中三维视图的复杂波阵面直接生成，其中光调制器位于观察面 外，并被投射到各自的观察者窗口，或者，第二，通过将三维视图的复杂 波阵面的转换编码为光调制器上的全息图，并将复杂波阵面逆转换到各自 的观察者窗口中间接生成，其中光调制器仍然在观察面以外。
在两种情况下，在光调制器上编码的信息都通过光学系统投射或逆转 换到观察者窗口，光学系统指屏幕。通常，希望实现尽可能大的屏幕区域， 如20英寸或更大，以及观察者距离，就像桌面显示器或电视机一样。在 该区域要么生成在光调制器上编码的复杂波阵面的转换，如前一种情况， 要么生成光调制器上编码的全息图的扩大图像，如后一种情况，在两种情况下，平截面都由观看屏幕表面的观察者的视角所定。观察 者离屏幕表面的距离就像使用桌面显示器和电视机的距离。在两种全息图 直视显示器中，观察者都可以相对于屏幕表面移动，都可以从不同的位置 观看三维视图的重建。
已知的全息图直视显示器具有例如以下问题要求观察者窗口的位置 随着观察者的移动而改变，即必须追踪观察者窗口，并为此提供一切必要 的设备，如检测瞳孔位置的组件和追踪观察者窗口的光学器件。此外，还 要有一个大的屏幕区域，这使得全息图显示装置的制造相对复杂和昂贵。
因此，本发明的目的在于提供一种用于生成三维视图重建的头戴式显 示装置，上述头戴式显示装置被设计得更容易生产，也更便宜。
发明目的借助于权利要求1的特征得以实现。
根据权利要求1，用于生成三维视图重建的头戴式显示装置包含类似 头盗或护目镜的框架，该框架至少有一个前部和间隔一定距离设置的两个 侧部，其中前部相对于眼睛的位置，设计有至少一个光源、至少一个光学 系统、以及至少一个能被编码的光调制器，编码面带有三维视图波阵面编 码的光调制器位于观察平面的限定的观察者窗口的位置，或者编码面带有 三维视图波阵面的全息图编码的光调制器位于靠近观察者窗口前面的区 域，以便将全息图转换到观察者窗口，使得其尺寸至少要与各眼睛的瞳孔 移动范围的一部分相符，光调制器与编码装置相连，用来由三维视图为编 码面计算波阵面或全息图，光调制器可以直接被编码，这样如果光调制器 被照亮，观察者窗口就会出现三维视图的复杂波阵面,在重建平截面中可看 到三维视图的重建,其伸展在观察者窗口和光调制器之间，根据观察者窗口 的大小，至少有一个元件可以放在观察平面的附近用于抑制两眼之间偏光 的串扰。
这里，"视图(representation)"是一个集合术语，包括真实环境、影 片、视频录像中处于静止位置和移动状态的空间物体和空间场景。
光调制器的编码面置于观察平面的观察者窗口中，其可以用包含振幅 和相位的波阵面的复值来编码，或者使用源自编码装置提供的复值的值来
9编码，其中， 一个光调制器被直接放在左眼的观察者窗口里或观察者窗口 前，另一个光调制器被直接放在右眼的观察者窗口里或观察者窗口前。
为了对观察者窗口的波阵面的复值进行编码，可以提供调幅光调制器 和/或调相光调制器的组合，其通过光束分离器相连或者通过一个光调制器 投射到另外一个光调制器的方式相连。
调幅光调制器可以例如置于观察者窗口附近区域的观察平面外，与调 幅光调制器的调制图像重叠的调相光调制器可以直接放在观察平面，其 中，调幅光调制器的编码面借助于光学投射系统被投射到相应的调相光调 制器作为调制图像。
另一方面，调幅光调制器和调相光调制器也可以相反放置。
光调制器的编码面可以被定义为其大小与眼睛瞳孔的整个移动范围 相一致，以便当瞳孔移动时三维视图的重建持续可见。
光调制器的编码面最好可以和瞳孔表面积大小相同。
光调制器可选择地具有连续的或像素化的编码面，像素是振幅和/或相 位可被编码的面积单位。
如果在光学部分只使用一个光调制器，就将光调制器置于横跨中心轴 的位置，光源和光学系统置于该光调制器之前，光调制器后面放置着光束 分离器和两个反射镜，两个反射镜等距放在光束分离器的两侧并且相对于 瞳孔的中轴倾斜，位于观察平面前，借助于光学系统和光束分离器，光调 制器的编码面被转换到两个观察者窗口，转换装置置于光路上，上述转换 装置以给定频率交替地将交替出现在光调制器的编码面的复杂信息转换 到左右观察者窗口。
转换装置可以设计为用于光束的偏转装置的形式，由编码装置通过频 率控制。
转换装置可以位于未分离的光路或分离的光路上。
在光路中有至少一个光源、至少一个光调制器、照明光学系统形式 的光学系统、以及随着观察者窗口中波阵面的生成，可以至少有一个作为孔径光阑的元件或组件，用于在两眼之间阻隔衍射干扰从而防止串扰。
无源或有源光学元件形式的角度感应元件置于光调制器和眼睛之间， 上述元件只让由光调制器发射进一个小角度的光通过。
根据本发明，如果第二显示装置的光学部分使用了两个光调制器，就 可以放置过滤单元或者孔径光阑，其一方面在一个光调制器和一个观察者 窗口之间，另一方面在另一个光调制器和另一个观察者窗口之间，提供一 种具有短焦距镜头的紧凑设计。
编码装置可以至少包含计算装置和存储体以及编程工具，用于执行光 调制器编码面的个体像素编码信息的计算。
用于一只眼或双眼的光调制器和至少一个光源相连，以将充分相干光 导向光调制器。如果希望对颜色进行重建，光源可包含三个子光源，分别 发出绿色、红色、蓝色光谱，可通过时分多路的方式可选择地进行组合。
框架可以包含至少一个支承元件。透射和反射光学部分可以置于前 部，使用组件将光学部分牢固固定在框架上，主要是使用机械构件和支承 元件。
框架可以选择头盔、护目镜或者安装有少量至少用于光学部分的部件 的支承装置，显示装置可选择护目镜的形式(在面部戴的显示器)、或是 由头盔以稳固的固定形式支承(头盔式显示器)、或者以移动的方式与头 盔和/或观察者的头部稳固相连(头戴式显示器)。
可以在光调制器和至少一个的框架支承元件之间设置调整装置，可以 在光调制器和相应的光源之间设置锁定装置，借助调整装置和锁定装置， 光调制器和带有光源以及光学系统的相应光学部分相对于观察平面和/或 显示装置的中轴以及与显示装置的中轴线平行的瞳孔中轴线可调整和可 锁定。
在调整装置、锁定装置、光学部分和支承元件之间，主要使用机械联 接来调整它们的位置，光源和光调制器通过电连接线缆与编码装置和供电 装置连接。如果观察者将根据本发明的头戴式显示装置稳固地戴在头上，诸如检 测头部和眼睛实际位置以及在观察平面追踪观察者窗口的一些复杂装置 会变得多余，因为头戴式显示装置会随着观察者的移动而自动移动，其相 对于眼睛的位置也会始终保持一致。
不过，对观察者的移动做出反应也是可能的，比如在框架上安装的至 少一个的传感器，检测头部的移动，产生的信号被传送给编码装置，于是 在光调制器中对修改后的内容进行编码。在框架区域里，就可以有至少一 个传感器，其在观察者移动头部时根据其视角的改变发送信号给编码装 置，以便修改编码光调制器的信息。
框架可以选择结合至少一个音频信号装置，音频信号的输出和在各自 的光调制器中波阵面的编码同步转换。
根据本发明的第二显示装置中，在光调制器上编码的全息图的计算类 似于先前技术文档或以前专利申请中所描述的方式执行一利用截面、剖 面、转换到观察者窗口和调制器平面一但与这些描述相反的是，其被设计 成适合头戴式显示器或靠近眼睛的显示装置，即在光调制器和观察者眼睛 之间只有非常小的距离。
在显示装置中，不仅有上述全息图计算的优点，即与公知的全息图显 示装置相比，将观察者窗口限制到一只眼睛使得对光调制器的分辨率的要 求很低，而且其光学装置仅包含少数几个小组件，相对简单。
根据本发明，在对波阵面和全息图使用的计算和编码方法中，主要有 两种头戴式显示装置
在第一头戴式显示装置中，将光调制器直接设置在观察平面里，或者 通过很短的距离，通常是几厘米，把光调制器投射到观察平面。观察者窗 口中波阵面的复值通过编码装置直接写入光调制器的编码面。这种情况下 不需要额外的向观察平面中的转换。
与此相反，第二头戴式显示装置中，作为全息图被编码的波阵面的复 值，从光调制器的平面被转换到观察平面，光调制器与观察平面间隔一小 段距离设置，最好是几厘米。此外，在计算全息图时还可以结合一些其他已知方法，比如为共用平 面上重建的每一点直接计算子全息图的方法，再比如还可以使用査找表， 所有子全息图被加起来以便创建一个汇总的全息图。
对光调制器的编码面来说，可以执行子全息图的计算。不过，同样可 以在不同的平面上执行计算，然后将所有子全息图加起来转换到各自光调 制器的编码面。如果单个子全息图典型地都在光调制器的编码面占用大量 区域，可能会使计算变得复杂，但如果单个子全息图在不同的平面更小， 会使计算更简单。
以下借助一些实施例和附图对本发明做更详细的说明，其中


图1为俯视图，示意性表示根据本发明的第一头戴式显示装置，其带 有两个光调制器，设置在观察平面的观察者窗口中，紧贴在瞳孔的前面；
图2示意性表示根据图1的显示器装置的光学部分，调相光调制器设 置在观察平面的每个观察者窗口的瞳孔前方，调幅调制器设置在观察者窗 口前面区域里，并被投射到相应的调相光调制器上；
图3示意性表示根据图1的光调制器装置，有两个光调制器，设置在 观察平面的观察者窗口，紧贴在瞳孔前面，与瞳孔大小相同；
图4示意性表示根据图1光学部分的光调制器装置，有两个光调制 器，设置在观察平面的观察者窗口里，紧贴瞳孔的前面，在每一个光调制 器和瞳孔之间有角度选择元件；
图5示意性表示根据本发明的第二种头戴式显示装置，减少到只剩光 学部分，有两个光调制器，设置在靠近观察者窗口前部的区域，但在观察 平面的外面，用来防止偏光串扰的孔径光阑设置在光调制器和瞳孔之间区 域中的两条平行光路之间，且与光路平行；
图6示意性表示根据图5所示的原理带有光调制器并带有光源及光 束分离器的前面部分，光调制器位于靠近观察者窗口的区域观察面外，光 束分离器用于将光调制器交替投射到观察者窗口 ；
图7表示一个平截面，在用不同大小不同距离的光调制器将三维物体
13图像可视化到观察者窗口时从观察者窗口伸展；
图8表示来自于两个观察者窗口的用于双眼的两个略微不同的平截 面，上述平截面偏离瞳孔中轴，用于一个到观察者距离不同的共用光调制明.
益；
图9表示的平截面，在靠近每只眼前部的每个区域使用分离的小的光 调制器，相同的三维物体视图为每只眼得到了相同的平截面，如同使用远 距离的单个大的光调制器一样，如图7或8所示。
图1示意性表示根据本发明的用于生成三维视图重建的第一头戴式显 示装置l，上述装置包含类似头盔或护目镜的框架2，其至少有一个前部3 和两个间隔一定距离设置的侧部5、 6，前部3与眼睛的位置7、 8相关， 框架2包含多个支承元件9、 10、 11。
根据本发明，前部3至少要设计两个光源13、 14，两个相应的光学系 统12、 15和两个可使用复值信息编码的光调制器16、 17，如图1所示， 光调制器16、 17位于限定的观察者窗口 18、 19的位置上，或者如图2所 示处于靠近观察者窗口 18、19前面的区域中以便于投射到观察者窗口 18、 19，观察者窗口 18、 19限定为其大小至少要与两眼7、 8的瞳孔20、 21 的移动范围相应，光调制器16、 17与编码装置26相连，三维视图的波阵 面在编码装置26中计算，光调制器16、 17可以用波阵面加以编码，从而 在观察者窗口 18、 19中有用于视觉重建的复波阵面。
调整装置22、 23可以各位于框架2的光调制器16、 17和支承元件9、 10、 11之间，锁定装置24、 25可以各位于光调制器16、 17和光源13、 14之间。
借助于调整装置22、 23和锁定装置24、 25，光调制器16、 17和光源 13、 14以及光学系统12、 15可以相对于观察平面4和/或显示装置的中轴 线28及与之平行的瞳孔的中轴线29、 30调整和锁定。
一方面调整装置22、 23和锁定装置24、 25与另一方面光学系统12、 15和支承元件9、 10、 11之间有一些主要是机械的连接构件(用实线表示)， 同时光源13、 14和光调制器16、 17与编码装置26及供电装置27通过电连接线缆连接(用虚线表示)。
编码装置26至少包含计算装置、存储体、编程部件，用以计算用于 编码相应光调制器16、 17的编码面的各个像素的信息。
如图1所示，在根据本发明的第一显示装置1中，光调制器16、 17 位于观察平面4的观察者窗口 18、 19中。来自编码设备26的波阵面的复 值可以被写入两个光调制器16、 17的编码面中，第一光调制器16直接置 于第一观察者窗口 18中用于左眼7，第二光调制器17直接置于第二观察 者窗口 19中用于右眼8。
为了对波阵面的复值进行编码，可以提供调幅和/或调相光调制器的组 合，其通过例如光束分离器或通过一个光调制器在另一个光调制器上的投 射相连。不过，这取决于编码装置26中对现有编程手段所期望的利用以 及显示装置1的光学部分的设计。
例如，如图2所示，借助于光学系统46、 47，调幅光调制器31、 32 可被投射到调相光调制器33、 34上，调相光调制器33、 34直接置于观察 面4中，调幅光调制器31、 32的调制图像35\ 36、同样也置于观察面4 中。调幅光调制器31、 32的编码面35、 36置于靠近观察者窗口 18、 19 的区域中，但在观察平面4以外。调幅光调制器31、 32的编码面35、 36 通过相应光学照明系统58、 59被光源13、 14照亮。
如果不能使用可以完全写入复值的光调制器或者光调制器的组合，也 可以使用近似的方式重建波阵面的复值，例如，可以通过可以写入到相位 调制器中的单纯的相位分布。这会在观察者窗口 18、 19的实际值与理想 值之间产生偏差，特别是与全息图编码一起时，这会导致重建出错。结合 优化这种编码过程的方法，即，在相位全息图中常见的实用方法，如迭代 法，就有可能实现修正。
用于两眼7、 8的光调制器16、 17， 31、 32， 33、 34由充分相干光照 亮。激光束由光学照明系统58、 59加宽到光调制器16、 17， 31、 32， 33、
34的尺寸可作为例证。借助于如红、绿、蓝光源的时分多路复用的通用方 法还可以实现彩色重建。用于眼睛7、 8的光学部件可以主要包含，光源
1513、 14，光投射系统12、 15,光调制器16、 17，光源13、 14的每一个都 可以包含三个子光源，比如LEDs，以便能够实现彩色的重建。
此外，根据本发明既可以制成透视式显示装置也能制成反射式显示装 置。借助于机械构件-支承构件9、 10、 11，带有很少组件的这种装置可以 牢固的安装在如头盔或护目镜的框架上、观察者的头部、或紧固的安装框 架。光调制器16、 17的尺寸以及观察者窗口 18、 19的尺寸最好要能覆盖 眼睛7、 8的瞳孔20、 21的整个移动范围，以便在瞳孔20、 21移动时也 能连贯地看到图像重建。
根据本发明的第一显示装置的另一个实施例，如图3所示，光调制器 16、 17可以有像瞳孔20、 21面积一样大小的编码面，其中瞳孔20、 21 也有一定的移动，观察者通过各自的光调制器16、 17观看，不会看到三 维视图的任何重建。
图5表示根据本发明的用于生成三维物体和场景重建的第二显示装置 40，上述显示装置减少到只有光学部分，包含类似于头盔或护目镜的框架， 至少带有一个前部和间隔一定距离的两个侧部，前部相对于眼睛的位置， 与本发明的第一显示装置1类似。
相应的前部3设计成有两个光源13、 14，两个光学系统43、 44和可 以使用复值信息编码的两个光调制器41、 42，光调制器41、 42位于观察 面4的外部、靠近观察者窗口 18、 19的前方，观察者窗口被限定大小以 便至少与各自眼睛7、 8的瞳孔20、 21的移动范围的一部分相符，光调制 器41、 42与由三维视图计算波阵面的编码装置26相连，光调制器41、 42 可以用这些波阵面的全息图编码，通过光学系统43、 44把全息图转换到 相应的观察者窗口18、 19中，以便在观察者窗口18、 19中有用于可视化 的复值波阵面。
带有可选的支承元件9、 10、 ll和调整装置、锁定装置和供电装置57 的机械框架2可以设计成与根据本发明的第一显示装置1类似。
如DE102004063838A1号专利文件所述，在编码装置26中计算全息 图，在观察平面4中进行从三维视图到剖面的转换和部分波阵面的加和。如果光调制器位于观察平面4以外，并且波阵面被编码为全息图，则只需 对加和的波阵面从观察平面4到光调制器16、 17的平面进行转换。
通过观察者窗口 18、 19观看的观察者在由平截面60限定的区域中看 到三维视图-场景-的重建，如图7所示，其中该平截面60的顶角取决于光 调制器的像素间距。
现在，为把本发明的装置与以前专利申请的装置相比较，给出下面的 数字实例比如，直视显示装置的特点是其显示区域为430x320mm2,像 素间距为207Pm，这里全部像素都用作编码复数，每行2048个像素。该 装置在2m远处产生约6mm宽的观察者窗口
相反，根据本发明，如果一个宽6mm同样有2048个像素(即像素间 距为3 Pm)的小光调制器安放在显示装置的观察者窗口中，则在相干照射 下将在2米远创建一个430 mm宽的衍射级。于是相同的平截面60在衍 射图像和观察者窗口之间伸展。这意味着，创建了相同的可视重建空间， 就像带有大的屏幕区域的直视显示装置中创建的一样。其中衍射级的边缘 角度仅有几度。
如果像素化的光调制器被用于编码，会导致更高的衍射级。如果不采 取抑制更高衍射级的措施，平截面的旁边会出现更高衍射形式的整个平截 面的大角度重影。这意味将会发生周期性的持续重建，但却与理想的重建 在空间上是分离的。如果物体重建的频率范围相应有限，就会连着几次感 觉到扩展的重建场景，但重建的单个重复空间上并不重叠。
根据本发明，有以下多种措施用于抑制高衍射级
在如图4所示的显示装置的部分里，例如是薄片状的角度感应元件 37、 38置于观察者窗口18、 19里的光调制器16、 17和眼睛7、 8之间， 上述角度感应元件只允许从光调制器16、 17小角度射出的光通过，而大 角度射出的光到不了眼睛7、 8中。图4所示装置的优点是很紧凑。
在图5所示的光学部分，光调制器41、 42自身置于观察者窗口 18、 19之外，光学系统43、 44把光调制器41、 42转换到观察者窗口 18、 19 中。过滤单元，比如4-f系统(未显示)或如图5显示的孔径光阑45，置于光调制器16、 17和观察者窗口 18、 19之间，用来避免观察者两眼7、 8 之间的串扰。该装置设计紧凑，使用短焦距的透镜，以便能够将显示装置 40安装到例如头盔的框架上，或是像护目镜戴在观察者的头上。
根据本发明，如图5所示，在第二头戴式显示装置40的第一实施例 中，光调制器41、 42置于观察者的眼睛7、 8附近、观察平面4以外，如 果采用相应代码，光调制器41、 42也能被投射到观察者窗口 18、 19中。
图6表示根据本发明的第二头戴式显示装置50的第二实施例，只使 用了一个可编码的光调制器，置于横跨显示装置中心轴28方向的位置。 光源13和光学系统53置于光调制器52的前面。随后放置光分束器54和 两个反射镜，两个反射镜在光束分离器两边等距放置，位于观察平面4的 前面，且相对于瞳孔的中轴线29、 30倾斜。光调制器52的编码面通过光 分束器54转换到观察者窗口 18、 19中。同样也可以借助于随后的光学系 统(未显示)把光调制器52投射到观察者窗口 18、 19中。不过，只有转 换装置57根据左右眼7、 8提供对应于光调制器52上的交互码的波阵面 时，该显示装置才会启用。
转换装置57可设计成光束偏转装置的形式，由编码装置26通过频率 控制，置于未分束光路或已分束的光路上。
现在，讨论光调制器位置的可伸縮性。
参考图7、 8和9，如果平截面从观察者窗口向屏幕表面伸展，且一直 持续至超出显示器，如DE102004063838A1号专利文件的例子所描述的， 并且如果观察者窗口位于显示器前的中间，对于20英寸的屏幕区域和2 米的观察距离、10英尺的屏幕区域和1米的观察距离、5英尺的屏幕区域 和半米的观察距离、都会创建相同的平截面60，以上假设光调制器分辨率 相同，即像素大小随光调制器到观察者的距离按比例相异。
在上述情况下，光调制器可对相同的三维视图编码。从三维视图到剖 面以及到观察者窗口的波阵面的复值计算是相同的。在观察者窗口中也提 供相同的波阵面复值。唯一的不同是从观察者窗口到光调制器的转换的计 算，根据距离使用不同的相位因子，不同的复值从而在光调制器上编码。或者，比如也可以直接计算并随后从一个屏幕区域到另一个进行全息
图的转换，例如，从对于20英寸的屏幕和距观察者两米距离计算的全息 图到IO英寸的屏幕和距观察者一米的全息图。
这个说明并不适用于高精度，如果使用单个光调制器，为左眼和右眼 创建两个不同的观察者窗口，它们分别都相对于屏幕表面的中心位置置于 离左眼和右眼中间一半的距离上(参照图8)。如果在每只眼睛前面都使用 独立的光调制器，如图9所示，每只眼睛可以得到相同的平截面，就像只 使用一个光调制器一样。
平截面的各个形式如图7、 8、 9所示。
图7表示三维视图的可视化期间来自观察者窗口的平截面60，使用不 同大小、与观察者窗口 18的距离也不相同的光调制器52、，52",52"、。
图8表示伸展自针对两眼7、8的两个观察者窗口 18、 19的平截面62、 63，具有用于通用的光调制器52、，52",52"、的瞳孔中轴29、 30，上述通
用的光调制器以距观察者不同的距离置于中轴线上，用于三维视图的重建 61的可视化。
图9表示两个独立的小光调制器41、 42，其分别置于靠近眼睛7、 8 前面的区域里，对三维视图的相同三维重建61为各个眼睛7、 8得到相同 的平截面60、 63，类似于如图7或8所示的使用单个大光调制器52、、、 在较远距离得到的平截面。
使用小的光调制器可以实现这个装置，比如LCoS，小光调制器31、 32， 33、 34， 41、 42， 52置于离观察平面4较近的距离内。
不同于上述图l至4所提及的，光调制器16、 17置于观察平面4中， 或是被投射到观察平面4中。图9中光调制器的编码面位于观察者附近， 但在观察平面4以外。在这种结构下，在观察面4中会连着产生多个衍射 级。如果观察者窗口 18、 19比瞳孔20、 21大，观察者就看不到任何周期 性持续。
观察者窗口 18、 19的大小最好与眼睛7、 8的瞳孔20、 21的移动范 围的大小相适应，以便如果观察者的瞳孔移动时他也能保持在观察者窗口18、 19中。
如果在屏幕表面和观察者窗口 18、 19之间存在小段距离，则可以再 次对左眼和右眼分别使用不同的光调制器，在中间位置有相对于眼睛7、 8 的不同平截面60、 63。
如果左眼7的观察者窗口 18的较高的衍射级到达右眼8，则只需抑制 较高的衍射级，反之亦然。
在一点上，图5表示根据本发明的第二显示装置40的简单光学布置， 包含为每个光调制器41、 42所用的光源13、 14，光照明系统43、 44 形式的光学系统，为每只眼睛7、 8所用的光调制器41、 42，作为阻件的 元件或组件45，用来阻隔两眼7、 8之间的更高的衍射级的光。阻件45 防止眼睛7、 8感受到各自所用光调制器之外的光调制器的更高的衍射级。 这种阻件45的一种可能实现为孔径光阑。
如果设计的足够紧凑，这种显示装置40也能被固定装配到头盔框架2 中或戴在观察者头部的护目镜框架上。
本发明还可以实现头戴式显示装置的相对简单的光学配置。而且，与 大型的直视显示装置相比，没有光源阵列，照明不需要的大的透镜或者透 镜阵列，对每只眼睛来说只有单个光源，或者每种颜色一个光源，光调制 器大小的透镜通常的直径为0.5英寸到2英寸。这些都很容易制造。
可以毫无困难地使用二维编码方法，不需要提供立体分离即可为每只 眼睛提供一个全分辨率的光调制器，而这在直视显示装置中是必须提供 的，也不需要提供左右全息图的时分多路复用。
而且也不需要用于追踪观察者窗口到改变观察者方位的复杂昂贵的 组件。
因为光源和光调制器都固定在头盔或护目镜框架中，它们与头部一起 移动，因此不需要改变光源相对于光调制器的位置。因此，在直视显示装 置中用于追踪的光阀显示器或类似装置也成了多余的。这样也有更强的亮 度效果，于是例如光学投射系统和大的屏幕区域也不需要了。
20如果显示装置1、 40、 50安装在准备放在头部的框架2或51上，显 示装置l、 40、 50相对于眼睛7、 8的位置最好在可视化开始时至少调整 一次。这样，即便以后头部会移动，但由于观察者窗口 18、 19以相同方 式移动，就可以确保眼睛7、 8始终保持在观察者窗口 18、 19内。因而不 再需要检测观察者位置的额外装置。也没有了追踪观察者位置不准确的困 扰。1第一显示装置
2框架
3前部
4观察平面
5左侧部
6右侧部
7右眼
8左眼
9第一支承元件
IO第二支承元件
ll第三支承元件
12第一光学系统
13第一光源
14第二光源
15第二光学系统
16第一光调制器
17第二光调制器
18第一观察者窗口
19第二观察者窗口
20右眼瞳孔
21左眼瞳孔
22第一调整装置
23第二调整装置24第一锁定装置
25第二锁定装置
26编码装置
27供电装置
28显示装置的中心轴
29瞳孔的第一中轴
30瞳孔的第二中轴
31调幅光调制器
32调幅光调制器
33调相光调制器
34调相光调制器
35编码面
35'调制图像
36编码面
36'调制图像
37角度选择元件
38角度选择元件
40第二显示装置(第一实施例)
41光调制器
42光调制器
43第三光学系统
44第四光学系统
45孔径光阑
46第四光学系统47第六光学系统
50第二显示装置(第二实施例)
51第二框架
52'光调制器
52"光调制器
52"'光调制器
53第七光学系统
54光束分离器
55第一反射镜
56第二反射镜
57转换装置
58第一光学照明系统
59第二光学照明系统
60第一平截面
61三维视图的重建
62第二平截面
63第三平截面
2权利要求
1.用于生成三维视图重建的头戴式显示装置，包含类似于头盔或护目镜的框架，该框架至少有一个前部和两个间隔一定距离的侧部，前部与眼睛位置相关，设计有至少一个光源(13，14)、至少一个光学系统(12，15；46，47)、以及至少一个能被编码的光调制器(16，17；31，32；33，34；41，42；52)，编码面带有三维视图波阵面编码的光调制器位于观察平面(4)的限定的观察者窗口的位置，或者编码面带有三维视图波阵面的全息图编码的光调制器位于靠近观察者窗口(18、19)前面的区域，以便将全息图转换到观察者窗口，使得其尺寸至少要与各眼睛(7、8)的瞳孔(20、21)移动范围的一部分相符，光调制器(16，17；31，32；33，34；41，42；52)与编码装置(26)相连，用来由三维视图为编码面计算波阵面或全息图，光调制器(16，17；31，32；33，34；41，42；52)可以直接被编码，这样如果光调制器(16，17；31，32；33，34；41，42；52)被照亮，观察者窗口(18、19)就会出现三维视图的复杂波阵面，在重建平截面(60、63)中可看到三维视图的重建(61)，其伸展在观察者窗口(18、19)和光调制器(16，17；31，32；33，34；41，42；52)之间，根据观察者窗口(18、19)的大小，至少有一个元件(37、38、39)可以放在观察平面(4)的附近用于抑制两眼(7、8)之间偏光的串扰。
2. 根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，位于观察平面(4) 的观察者窗口 (18、 19)中的光调制器(16、 17)的编码面可以用包含振 幅和相位的复值编码，或者用源自编码装置(26)提供的这些量的数值编 码。
3. 根据权利要求1或2所述的显示装置，其特征在于，为了对观察者 窗口 (18、 19)中波阵面的复值进行编码，提供调幅光调制器和/或调相光 调制器的组合，其通过光束分离器相连或者通过光调制器(31、 32)投射 到另一个光调制器(33、 34)的方式相连。
4. 根据权利要求3所述的显示装置，其特征在于， 一方面，调幅光调 制器(31、 32)位于靠近观察者窗口 (18、 19)的区域，但在观察平面(4) 以外，调相光调制器(33、 34)直接位于观察平面(4)中，借助于光学 投射系统(46、 47)，调幅光调制器(31、 32)的编码面(35、 36)可以被 投射到相应的调相光调制器(33、 34)作为调整图像(35、、 36、)，或者， 另一方面，调幅光调制器和调相光调制器反过来放置。
5. 根据上述权利要求中的一个所述的显示装置，其特征在于，光调制 器(16、 17)的编码面的尺寸被限制成与眼睛(7、 8)的瞳孔(20、 21) 的整个移动范围大小相符。
6. 根据权利要求1至5所述的显示装置，其特征在于，光调制器(16、 17)的编码面与瞳孔(20、 21)的表面区域的大小相同。
7. 根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，在光学部分使用一 个可编码的光调制器(52)，上述光调制器(52)置于横跨中心轴(28) 的位置，光源(13)和光学系统(53)置于该光调制器前面，光调制器后 面放置着光束管理器(54)和两个反射镜(55、 56)，两个反射镜等距放 在光束分离器的两侧并且相对于瞳孔的中轴(29、 30)倾斜，处于观察平 面(4)的前面，借助于光学系统(53)和光束分离器(54)，光调制器(52) 的编码面被照亮并被转换到两个观察者窗口 (18、 19)，转换装置(57) 置于分离的光路上，上述转换装置(57)以给定频率交替地将交替出现在 光调制器的编码面的复杂信息转换到左右观察者窗口 (18、 19)。
8. 根据权利要求7所述的显示装置，其特征在于，转换装置(57)设 计为用于光束的偏转装置的形式，由编码装置(26)通过频率控制。
9. 根据权利要求8所述的显示装置，其特征在于，转换装置(57)位 于未分离的光路或分离的光路上。
10. 根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，在光路中有至少一个光源(13、 14)，至少一个光调制器(41、 42; 52)，照明光学系统(43、 44; 53)，以及随着观察者窗口 (18、 19)各自波阵面的生成，还有至少 一个作为孔径光阑的元件或组件(45)，用于在两眼(7、 8)之间阻隔衍 射光干扰。
11. 根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，至少有一个有源 或无源光学元件形式的角度感应元件置于光调制器(16、 17)和眼睛(7、 8)之间，上述元件只让由光调制器(16、 17)以小角度射出的光通过， 光调制器(16、 17)直接置于观察者窗口 (18、 19)。
12. 根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，使用两个光调制 器(41、 42)，过滤单元或孔径光阑(45) —方面处于一个光调制器(41) 和一个观察者窗口 (18)之间的光学部分中，另一方面处于另一个光调制 器(42)和另一个观察者窗口 (19)之间的光学部分中，提供一种具有短 焦距镜头的紧凑设计。
13. 根据权利要求1至12所述的显示装置，其特征在于，编码装置(26) 至少包含计算装置、存储体和编程工具，用于执行用于对各个光调制器(16、 17; 31、 32; 33、 34; 41、 42; 52)的编码面进行编码的信息的 计算。
14. 根据上述权利要求中的一项所述的显示装置，其特征在于，光调 制器(16、 17; 31、 32; 33、 34; 41、 42; 53)和至少一个光源(13、 14)相连，该光源将充分相干光导向光调制器(16、 17; 31、 32; 33、 34; 41、 42; 53)。
15. 根据上述权利要求中的一项所述的显示装置，其特征在于，需要 对彩色进行重建，光源(13、 14)包含三个子光源，分别发射绿、红、蓝 色光谱，通过时分多路复用将其组合起来。
16. 根据权利要求1所述的显示装置，其特征在于，框架(2)包含至少一个支承元件(9、 10、 11)。
17. 根据前述的权利要求中的一项所述的显示装置，其特征在于，前 部(3)使用透明的和反射的光学部分，使用机械装置和支承元件(9、 10、 11)将该光学部分稳固装配在框架(2、 51)上。
18. 根据权利要求1至17所述的显示装置，其特征在于，框架(2，51) 是头盔、护目镜或者安装有少量至少用于光学部分的部件的支承装置， 显示装置(1、 40、 50)可选择地具有护目镜的形式、或是由头盔支承的 稳固的静止形式、或者以移动的方式与头盔和/或观察者的头部稳固相连。
19. 根据权利要求16至18所述的显示装置，其特征在于，调整装置 (22、 23)置于光调制器(16、 17; 31、 32; 33、 34; 41、 42; 52)和框架(2; 51)的至少一个支承元件(9、 10、 11)之间，锁定装置(24、 25) 置于光调制器(16、 17)和相应的光源(13、 14)之间，借助调整装置(22、 23)和锁定装置(24、 25)，光调制器(16、 17; 31、 32; 33、 34; 41、 42;52) 和带有光源(13、 14)的以及光学系统(12、 15)的相应光学部分相 对于观察平面(4)和/或显示装置的中轴线(28)以及与显示装置的中轴线 平行的瞳孔中轴(29、 30)可调整和可锁定。
20. 根据权利要求19所述的显示装置，其特征在于，在调整装置(22、 23)和锁定装置(24、 25)以及光学部分和支承元件(9、 10、 11)之间 使用机械连接，光源(13、 14)、光调制器(16、 17)和编码装置(26)、 供电装置(27)通过电连接线缆连接。
21. 根据权利要求1至20所述的显示装置，其特征在于，在框架(2) 的区域里，至少有一个感应器，当观察者移动头部时根据其视角的变化发 射信号给编码装置(26)，以便修正光调制器(16、 17; 31、 32; 33、 34; 41、 42; 52)的编码信息。
22. 根据权利要求1至21所述的显示装置，其特征在于，框架(2)可有选择的与至少一个音频信号装置组合，音频信号的输出与各个光调制器(16、 17; 31、 32; 33、 34; 41、 42; 52)中的波阵面的编码同步转换。
全文摘要
涉及一种用于生成三维视图重建的头戴式显示装置(1)，包含框架(2)，该框架至少有一个光源(13，14)、至少一个光学系统(12，15)、以及至少一个能被编码的光调制器(16，17)，编码区域带有三维视图波阵面编码的光调制器位于观察平面(4)的限定的观察者窗口(18、19)的位置，或者编码区域带有三维视图波阵面的全息图编码的光调制器位于靠近观察者窗口(18、19)前面的区域，以便将全息图转换到观察者窗口，这样如果光调制器被照亮，观察者窗口就会出现三维视图的复杂波阵面，在由观察者窗口的光调制器生成的视锥体中可以看到三维视图的重建。
文档编号H04N13/00GK101600982SQ200780045888
公开日2009年12月9日 申请日期2007年12月4日 优先权日2006年12月12日
发明者诺伯特·莱斯特 申请人:视瑞尔技术公司