三維虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種系統(tǒng)可以包括：選擇性透明的投射裝置，用于將圖像從空間中相對(duì)于觀察者眼睛的投射裝置位置朝向觀察者的眼睛投射，該投射裝置能夠在沒有圖像被投射時(shí)呈現(xiàn)基本透明的狀態(tài)；遮擋掩模裝置，其耦合到投射裝置，并且被配置成以與投射裝置投射的圖像相關(guān)的遮擋圖案，選擇性地阻擋從處于投射裝置的與觀察者的眼睛相反的一側(cè)的一個(gè)或多個(gè)位置朝向眼睛傳播的光；以及波帶片衍射圖裝置，其被置于觀察者的眼睛和投射裝置之間，并且被配置成使來自投射裝置的光在其向眼睛傳播時(shí)穿過具有可選擇的幾何結(jié)構(gòu)的衍射圖。
【專利說明】三維虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)數(shù)據(jù)
[0002] 本申請(qǐng)根據(jù)35U. S. C. § 119要求于2011年11月23日提交的美國臨時(shí)申請(qǐng)序列 號(hào)61/563, 403的優(yōu)先權(quán)。特此通過引用將前述申請(qǐng)的全部內(nèi)容結(jié)合到本申請(qǐng)中。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003] 本發(fā)明涉及虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)成像和可視化系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0004] 為了讓3D顯示產(chǎn)生真實(shí)的深度感覺、并且更具體地產(chǎn)生模擬的表面深度的感 覺，合乎期望的是，對(duì)于所述顯示的視野中的每一點(diǎn)生成與其虛擬深度相對(duì)應(yīng)的調(diào)節(jié)反應(yīng) (accommodative response)。如果對(duì)顯示點(diǎn)的調(diào)節(jié)反應(yīng)不與通過會(huì)聚的雙目深度線索和立 體視覺確定出的該點(diǎn)的虛擬深度相對(duì)應(yīng)，則人眼可能會(huì)經(jīng)歷調(diào)節(jié)沖突，從而導(dǎo)致不穩(wěn)定成 像、有害的眼疲勞、頭疼，并且在沒有調(diào)節(jié)信息的情況下會(huì)導(dǎo)致表面深度幾乎完全缺失。參 考圖1，通過用戶所處的現(xiàn)實(shí)內(nèi)的實(shí)際物體的用戶視野（例如包括公園環(huán)境中的混凝土臺(tái) 座物體（1120)的景觀項(xiàng)目）、以及被加入該視野中以產(chǎn)生"增強(qiáng)"現(xiàn)實(shí)視野的虛擬物體視 野，來描繪增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)情景（8);在此，機(jī)器人雕像（1110)被虛擬地顯示為站在該臺(tái)座物體 (1120)上，并且蜜蜂角色（2)被顯示為飛翔在靠近用戶頭部的空中。優(yōu)選地，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng) 是有3-D能力的，在這種情況下它向用戶提供以下感覺：雕像（1110)站在臺(tái)座（1120)上， 并且蜜蜂角色（2)在靠近用戶頭部的位置飛翔。這種感覺可以通過利用向用戶的眼睛和大 腦提供的以下視覺調(diào)節(jié)線索而得到極大增強(qiáng)：虛擬物體（2, 1110)具有不同的聚焦深度，并 且針對(duì)機(jī)器人雕像（1110)的聚焦深度或焦點(diǎn)半徑大約與臺(tái)座（1120)相同。諸如圖2中所 示之類的傳統(tǒng)的立體3-D模擬顯示系統(tǒng)一般具有兩個(gè)顯示（74, 76)，這兩個(gè)顯示各自針對(duì) 一只眼睛，具有固定的徑向焦距（10)。如上所述，這種傳統(tǒng)技術(shù)漏掉了由人眼和人腦用來檢 測和解釋三維中的深度的許多有價(jià)值線索，包括與下述相關(guān)聯(lián)的調(diào)節(jié)線索：眼睛在眼睛復(fù) 合體內(nèi)重新定位晶狀體以便用眼睛達(dá)到不同的聚焦深度。存在著對(duì)調(diào)節(jié)精確的顯示系統(tǒng)的 需要，所述調(diào)節(jié)精確的顯示系統(tǒng)考慮了人眼/人腦的圖像處理復(fù)雜過程的調(diào)節(jié)方面。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] -個(gè)實(shí)施例涉及三維圖像可視化系統(tǒng)，包括：選擇性透明的投射裝置，用于將圖像 從空間中相對(duì)于觀察者眼睛的投射裝置位置朝向觀察者的眼睛投射，該投射裝置能夠在沒 有圖像被投射時(shí)呈現(xiàn)基本透明的狀態(tài)；遮擋掩模裝置，其耦合到投射裝置，并且被配置成以 與投射裝置投射的圖像相關(guān)的遮擋圖案，選擇性地阻擋從處于投射裝置的與觀察者的眼睛 相反的一側(cè)的一個(gè)或多個(gè)位置朝向眼睛傳播的光；以及波帶片衍射圖裝置，其被置于觀察 者的眼睛和投射裝置之間，并且被配置成使來自投射裝置的光在其向眼睛傳播時(shí)穿過具有 可選擇的幾何結(jié)構(gòu)的衍射圖，并且以至少部分地基于衍射圖的可選擇的幾何結(jié)構(gòu)而模擬出 的距離眼睛的焦距進(jìn)入眼睛。系統(tǒng)還可以包括：控制器，其可操作地耦合到投射裝置、遮擋 掩模裝置和波帶片衍射圖裝置，并且被配置成協(xié)調(diào)以下操作：圖像和相關(guān)聯(lián)的遮擋圖案的 投射、以及以可選擇的幾何結(jié)構(gòu)插入衍射圖?？刂破骺梢园ㄎ⑻幚砥?。投射裝置可以包 括：基本上平面的透明數(shù)字顯示器，其基本上占據(jù)顯示平面。顯示平面可以被定向?yàn)榕c觀 察者的眼睛的視軸基本垂直?；旧掀矫娴耐该鲾?shù)字顯示器可以包括液晶顯示器?；旧?平面的透明數(shù)字顯示器可以包括有機(jī)發(fā)光二極管顯示器。投射裝置可以配置成將圖像以準(zhǔn) 直形式朝向眼睛投射，使得對(duì)于觀察者眼睛的聚焦深度是無窮大的聚焦深度。投射裝置可 以包括：高速迷你投射儀，其被f禹合到襯底引導(dǎo)型延遲出射光瞳擴(kuò)展器（substrate-guided delay exit pupil expander)裝置，該襯底引導(dǎo)型延遲出射光瞳擴(kuò)展器裝置被配置成在向 觀察者的眼睛遞送圖像之前擴(kuò)展圖像的尺寸。迷你投射儀可以安裝成基本上垂直于觀察者 眼睛的視軸，并且其中襯底引導(dǎo)型延遲出射光瞳擴(kuò)展器裝置被配置成從迷你投射儀接收?qǐng)D 像，并將圖像遞送到波帶片衍射圖裝置，并以基本上與眼睛的視軸對(duì)準(zhǔn)的方向以擴(kuò)展后的 尺寸將圖像遞送到觀察者的眼睛。波帶片衍射圖裝置和投射裝置可以包括至少一個(gè)共有結(jié) 構(gòu)。波帶片衍射圖裝置可以被集成到波導(dǎo)中，使得投射裝置包括高速迷你投射儀，該高速迷 你投射儀被耦合到波導(dǎo)并且配置成在圖像去往觀察者眼睛的途中在離開波導(dǎo)之前使圖像 穿過衍射圖。迷你投射儀可以安裝成基本上垂直于觀察者眼睛的視軸，并且波導(dǎo)可以配置 成從迷你投射儀接收?qǐng)D像，并以基本上與眼睛的視軸對(duì)準(zhǔn)的方向以擴(kuò)展后的尺寸將圖像遞 送到觀察者的眼睛。遮擋掩模裝置可以包括顯示器，該顯示器被配置成取決于在顯示器的 多個(gè)部分中的每個(gè)部分遮擋或透過光的相關(guān)命令，在每個(gè)部分處遮擋或透過光。遮擋掩模 裝置可以包括一個(gè)或多個(gè)液晶顯示器。波帶片衍射圖裝置可以包括：高頻二進(jìn)制顯示器，其 被配置成取決于在顯示器的多個(gè)部分中的每個(gè)部分遮擋或透過光的相關(guān)命令，在每個(gè)部分 處遮擋或透過光。波帶片衍射圖裝置可以具有大約500Hz和大約2, OOOHz之間的刷新速率。 波帶片衍射圖裝置可以具有大約720Hz的刷新速率?？刂破骺梢耘渲贸梢悦棵氪蠹s30到 大約60幀之間的速率來操作投射裝置和遮擋掩模裝置，并且操作波帶片衍射圖裝置以便 為投射裝置和遮擋掩模裝置的每個(gè)幀數(shù)字地顯示多至約12個(gè)不同的衍射圖。投射裝置、遮 擋掩模裝置和波帶片衍射圖裝置可以共同包括用于觀察者的一只眼睛的成像模塊，并且系 統(tǒng)還可以包括用于觀察者的另一只眼睛的第二成像模塊。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0006] 圖1描繪具有特定虛擬現(xiàn)實(shí)對(duì)象以及人觀察到的特定實(shí)際現(xiàn)實(shí)對(duì)象的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) 情景的圖解。
[0007] 圖2示出傳統(tǒng)的立體視覺系統(tǒng)以模擬針對(duì)用戶的三維成像。
[0008] 圖3A和3B示出調(diào)節(jié)精確的顯示配置的若干方面。
[0009] 圖4A-4C示出曲率半徑和焦點(diǎn)半徑（focal radius)之間的關(guān)系。
[0010] 圖5-6C示出應(yīng)用于所述配置的衍射光柵的若干方面。
[0011] 圖7A-7C示出三個(gè)不同的焦點(diǎn)機(jī)制（focal mechanism)。
[0012] 圖7D示出菲涅耳波帶片。
[0013] 圖8A-8C示出衍射系統(tǒng)聚焦問題的各個(gè)方面。
[0014] 圖9不出具有嵌入的衍射光柵的波導(dǎo)的一個(gè)實(shí)施例。
[0015] 圖10不出具有嵌入的衍射光柵的波導(dǎo)的一個(gè)實(shí)施例，所述嵌入的衍射光柵被設(shè) 計(jì)成允許一個(gè)模式逃逸并允許其他模式保持被捕獲在波導(dǎo)中。
[0016] 圖11A-11B示出衍射成像模塊實(shí)施例的若干方面。
[0017] 圖12A-12B示出衍射成像模塊實(shí)施例的若干方面。
[0018] 圖13A-13B示出衍射成像模塊實(shí)施例的若干方面。

【具體實(shí)施方式】
[0019] 參考圖3A和3B，其描繪AAD系統(tǒng)的各個(gè)方面。參考圖3A，一個(gè)簡單的圖解示出： 代替立體視覺（圖2)中的兩個(gè)傳統(tǒng)顯示，可以利用兩個(gè)復(fù)雜圖像來向每只眼睛提供在感知 圖像內(nèi)分層的三維深度的感覺，所述兩個(gè)復(fù)雜圖像各自對(duì)應(yīng)一只眼睛，針對(duì)每個(gè)圖像的不 同方面（14)具有不同的徑向焦點(diǎn)深度（12)。
[0020] 參考圖3B，我們已經(jīng)確定：典型的人眼能夠基于徑向距離解釋大約12層深度（圖 3B中的層L1-L12-附圖標(biāo)記16)。大約0. 25米的近場限制（78)是大約最近的焦點(diǎn)深度； 大約3米的遠(yuǎn)場限制（80)意味著：比距離人眼約3米更遠(yuǎn)的任何條目接收無限的焦點(diǎn)。隨 著離眼睛越近，焦點(diǎn)的層變得越來越薄；換言之，眼睛能夠感覺到相對(duì)靠近眼睛的非常小的 焦距差別，并且這種效果隨著對(duì)象離眼睛越遠(yuǎn)而消散，如圖3B中所示。附圖標(biāo)記82示出： 在無限的對(duì)象位置，焦點(diǎn)深度/屈光間隔值大約是1/3屈光度。另一個(gè)描述圖3B的意義的 方式：在用戶眼睛和無限遠(yuǎn)之間有大約12個(gè)焦平面。可以利用這些焦平面以及所描繪的關(guān) 系內(nèi)的數(shù)據(jù)來定位供用戶觀察的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)情景內(nèi)的虛擬元素，因?yàn)槿搜鄄粩嗟貟哌^四周來 利用焦平面感覺深度。
[0021] 參考圖4A-4C，如果K(R)是用于等于1/R的曲率的動(dòng)態(tài)參數(shù)，其中R是一個(gè)條目相 對(duì)于一個(gè)表面的焦點(diǎn)半徑，則隨著增長的半徑（R3,到R2,直到R1)，你會(huì)具有減小的K(R)。 由點(diǎn)產(chǎn)生的光場具有球形曲率，其是該點(diǎn)距離用戶眼睛有多遠(yuǎn)的函數(shù)。這種關(guān)系也可以被 用于ADD系統(tǒng)。
[0022] 參考圖3,其示出傳統(tǒng)的衍射光柵（22)，其中光以角度（Θ-20)穿過光柵間距 (18)，通過使用下面的等式，所述角度與衍射級(jí)（η)、空間頻率和等于Ι/d的K因子有關(guān)： d*sin( Θ ) = η*波長（或者可替換地，代入K因子，sin( Θ ) = η*波長*K)。圖6A-6C示 出：在衍射圖（22, 24, 26)中隨著間距（18, 28, 30)的減少，角度（20, 32, 34)變大。
[0023] 參考圖5,其描繪3個(gè)不同的聚焦機(jī)制一通過透鏡（36)折射，用曲面鏡（38)反射， 以及用菲涅耳波帶片（40)衍射，其也如圖7D(40)中所示。
[0024] 參考圖8A，一個(gè)簡化版本的衍射被示出以說明：N = -1模式可以對(duì)應(yīng)于虛擬圖像； N = +1模式可以對(duì)應(yīng)于真實(shí)圖像，而N = 0模式可以對(duì)應(yīng)于在無窮遠(yuǎn)聚焦的圖像。這些圖 像對(duì)于人眼和人腦來說可能會(huì)是混亂的，并且如果如圖8B中所示這些圖像全部聚焦在軸 上則是特別有問題的。參考圖8C，離軸焦點(diǎn)配置可以被用來允許不想要的模式/圖像被阻 擋。例如，準(zhǔn)直的（r=無窮遠(yuǎn)）圖像可以通過N = 0模式形成；發(fā)散的虛擬圖像可以通過 N = -1模式形成；并且收斂的圖像可以通過N = +1模式形成。這些模式/圖像的空間位 置及其軌跡的差別允許過濾掉或者分離開從而防止前述與衍射成像相關(guān)聯(lián)的問題，例如疊 蓋（overlaying)、重影和"多重曝光"的感覺效果。
[0025] 參考圖8,其示出具有嵌入的衍射光柵的波導(dǎo)；這樣的波導(dǎo)例如可從諸如英國倫 敦的BAE系統(tǒng)PLC之類的供應(yīng)商獲得，并且這樣的波導(dǎo)可以被用來如圖所示從圖9的左邊 引入圖像，使該圖像穿過嵌入的衍射光柵（44)，并使作為結(jié)果而得到的圖像以一角度穿出 (在圖9中，例如，穿過波導(dǎo)的側(cè)面）。因此，重定向和衍射的雙重使用可以用這樣的元件來 實(shí)現(xiàn)。實(shí)際上，離軸聚焦技術(shù)（例如參考圖8C所述的那些）可以與例如圖9中所示的衍射 波導(dǎo)元件結(jié)合以產(chǎn)生例如圖10中所示的配置，其中不僅完成了重定向和衍射，而且還完成 了過濾，因?yàn)樵谒枥L的實(shí)施例中衍射波導(dǎo)的幾何結(jié)構(gòu)使得N =-1模式（即虛擬圖像）被 傳遞出波導(dǎo)并傳遞到用戶的眼睛中，并且其他兩種模式（N = 0和N =+1)通過反射被捕獲 在波導(dǎo)內(nèi)部。
[0026] 參考圖11A-13C，前述的概念由各種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示配置付諸實(shí)踐。
[0027] 參考圖11A，AAD系統(tǒng)包括位于用戶借以觀察世界的每只眼睛（4, 6)前方的成像模 塊（46, 48)。圖11B示出模塊（46)的更大視圖，模塊（46)具有其關(guān)聯(lián)的（經(jīng)由所描繪的電 子控制導(dǎo)線耦合；導(dǎo)線也可以是無線的）控制器（66)，該控制器（66)可以是微處理器、微 控制器、現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA)、專用集成電路（ASIC)等等。優(yōu)選地，控制器被耦合到 電源以及諸如無線互聯(lián)網(wǎng)或藍(lán)牙適配器之類的信息交換裝置，以便允許外部世界和控制器 (66)之間的信息交換。該系統(tǒng)可以配置成以一定的圖像刷新速率（例如每秒30和60幀 之間的速率）來操作?？刂破骺梢耘渲贸刹僮鞲咚⑿滤俾蕯?shù)字高分辨率顯示器（52)(例如 鐵流體、藍(lán)相或bent-corr顯示器）以便連續(xù)快速地顯示與大約12個(gè)深度層中的每一層有 關(guān)的不同波帶片幾何結(jié)構(gòu)。例如，在期望每秒60幀的總體性能的實(shí)施例中，波帶片顯示器 (52)可以以12乘以該速率所得的速率或720Hz操作，以便能夠向圖3B中所示的12個(gè)深度 層中的每一層提供模擬的調(diào)節(jié)。遮擋掩模（occluding mask)顯示器（54)被配置成顯示在 幾何結(jié)構(gòu)上與在其之前在透明投射層（56)上顯示的圖像相對(duì)應(yīng)的遮蔽圖像（blacked out image)-被遮蔽掉從而防止來自阻擋掩模顯示器另一側(cè)的光滲透或者干擾投射層（56)中 的期望的虛擬或增強(qiáng)圖像的顯示。因此，如圖所示，在增強(qiáng)顯示配置中，來自真實(shí)背景的光 穿過遮擋掩模（54)的非掩蔽部分，穿過透明投射層（56)的透明（即，不傳播圖像的一部 分）部分，然后進(jìn)入波帶片層（52)以用于調(diào)節(jié)處理；在投射層（56)處投射的圖像在遮擋層 (54)處接收來自背景光的掩模遮擋，并且被向前投射到波帶片層（52)中以用于調(diào)節(jié)處理。 這些或者針對(duì)用戶的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的關(guān)聯(lián)感覺的結(jié)合非常接近"真實(shí)3D"。
[0028] 圖12A-12B描繪另一個(gè)實(shí)施例，在該實(shí)施例中，成像模塊（58)包括以大約垂直于 眼睛的視軸的角度定向的高分辨率迷你投射儀；包括襯底引導(dǎo)型延遲出射光瞳擴(kuò)展器裝 置（70)的波導(dǎo)放大來自小型迷你投射儀的圖像并將其重定向到波帶片層（52)中；遮擋層 (54)提供類似的掩蔽功能以保護(hù)被投射圖像的感覺不受背景照明的影響。
[0029] 圖13A-13B描繪另一個(gè)實(shí)施例，元件52和70被組合，使得波帶片和投射層基本被 容納在同一集成模塊（72)內(nèi)，該集成模塊（72)引入來自迷你投射儀￠8)的小圖像，將其 重定向并放大，然后又將其衍射，以便傳遞到眼睛；遮擋層（54)提供類似的掩蔽功能以保 護(hù)被投射圖像的感覺不受背景照明的影響。
[0030] 在此描述了本發(fā)明的各種示例性實(shí)施例。以非限制性的意義對(duì)這些示例做出參 考。提供這些示例來說明本發(fā)明的更寬廣的可適用方面。在不脫離本發(fā)明的真實(shí)精神和范 圍的情況下，可以對(duì)所描述的本發(fā)明進(jìn)行不同的改變并且可以替代以等效物。另外，可以做 出許多修改以適應(yīng)特定情況、材料、組合物、處理、針對(duì)對(duì)象的處理動(dòng)作或步驟、本發(fā)明的精 神或范圍。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在此描述和示出的個(gè)體變型中的每一個(gè)具有離 散的組件和特征，在不脫離本發(fā)明的范圍和精神的情況下，這些組件和特征可以容易地從 其他幾個(gè)實(shí)施例中任意一個(gè)的特征中分離或者與之結(jié)合。所有這樣的修改都意在處于與本 公開相關(guān)聯(lián)的權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
[0031] 本發(fā)明包括可使用所述裝置執(zhí)行的方法。該方法可以包括提供這樣的合適裝置的 動(dòng)作。這樣的提供可以由終端用戶執(zhí)行。換言之，"提供"動(dòng)作僅僅需要終端用戶獲取、訪 問、趨近、定位、設(shè)置、激活、上電或其他動(dòng)作以提供所述方法中的必需裝置。在此敘述的方 法可以以所述事件的任何邏輯上可能的順序來執(zhí)行，也可以以事件的敘述順序來執(zhí)行。
[0032] 在上文中，闡述了本發(fā)明的示例性方面以及與材料選擇和制造有關(guān)的細(xì)節(jié)。至于 本發(fā)明的其他細(xì)節(jié)，其可以結(jié)合上面參考的專利和公開來理解，或者可以是本領(lǐng)域技術(shù)人 員熟知或理解的。對(duì)于用通?；蜻壿嬌喜捎玫母郊觿?dòng)作表現(xiàn)的本發(fā)明的基于方法的各方 面，上述內(nèi)容同樣適用。
[0033] 另外，雖然已經(jīng)參考可選地包含各種特征的若干示例來描述本發(fā)明，但是本發(fā)明 不限于關(guān)于本發(fā)明的每個(gè)變型被描述或指示為預(yù)期到的那些示例。在不脫離本發(fā)明的真實(shí) 精神和范圍的情況下，可以對(duì)所述的發(fā)明做出各種改變，并且可以用（在此敘述或者為某 種程度的簡潔起見未包括在此的）等效物來替換。另外，在提供取值范圍的情況下，應(yīng)當(dāng)理 解該范圍上下限之間的每個(gè)中間值以及該陳述的范圍中的任何其他陳述的值或中間值應(yīng) 被包含在本發(fā)明之內(nèi)。
[0034] 還可以預(yù)期，所述發(fā)明變型的任何可選特征可以被獨(dú)立地或者與此處所述的任意 一個(gè)或多個(gè)特征結(jié)合地被闡述或要求保護(hù)。對(duì)單一項(xiàng)的提及包括存在多個(gè)相同的項(xiàng)的可能 性。更具體地，在此處及其相關(guān)聯(lián)的權(quán)利要求中使用的單數(shù)形式的"一個(gè)"、"所述"、"該"包 括復(fù)數(shù)指代物，除非另行特別指出。換言之，冠詞的使用允許表示上文的描述以及與本公開 相關(guān)聯(lián)的權(quán)利要求中的所述項(xiàng)目的"至少一個(gè)"。還應(yīng)當(dāng)指出，這樣的權(quán)利要求可以被撰寫 為排除任何可選的元件。因此，本聲明意在充當(dāng)關(guān)于權(quán)利要求元素的陳述而言對(duì)如"單獨(dú) 地"、"僅僅"等等之類的排他術(shù)語的使用或"否定"限制的使用的在先基礎(chǔ)。
[0035] 在不使用這樣的排他性術(shù)語的情況下，與本公開相關(guān)聯(lián)的權(quán)利要求中的術(shù)語"包 括"應(yīng)當(dāng)允許包括任何附加要素一無論是在這樣的權(quán)利要求中枚舉了給定數(shù)量的要素，還 是特征的添加可以被視為轉(zhuǎn)變了這樣的權(quán)利要求中闡述的要素的特性。除了在此具體定義 的之外，此處使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語將被盡可能寬廣地賦予一般理解的含義、并同時(shí) 保持權(quán)利要求有效性。
[0036] 本發(fā)明的寬度將不限于所提供的示例和/或所述說明書，而是只由與本公開相關(guān) 聯(lián)的權(quán)利要求語言的范圍來限定。
【權(quán)利要求】
1. 一種三維圖像可視化系統(tǒng)，包括： a. 選擇性透明的投射裝置，用于將圖像從空間中相對(duì)于觀察者的眼睛的投射裝置位置 朝向觀察者的眼睛投射，所述投射裝置能夠在沒有圖像被投射時(shí)呈現(xiàn)基本透明的狀態(tài)； b. 遮擋掩模裝置，其耦合到所述投射裝置，并且被配置成以與所述投射裝置投射的所 述圖像相關(guān)的遮擋圖案，選擇性地阻擋從處于所述投射裝置的與觀察者的眼睛相反的一側(cè) 的一個(gè)或多個(gè)位置朝向眼睛傳播的光；以及 c. 波帶片衍射圖裝置，其被置于觀察者的眼睛和所述投射裝置之間，并且被配置成使 來自所述投射裝置的光在其向眼睛傳播時(shí)穿過具有可選擇的幾何結(jié)構(gòu)的衍射圖，并且以至 少部分地基于所述衍射圖的所述可選擇的幾何結(jié)構(gòu)而模擬出的距離眼睛的焦距進(jìn)入眼睛。
2. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，還包括：控制器，其可操作地耦合到所述投射裝置、遮擋 掩模裝置和所述波帶片衍射圖裝置，并且被配置成協(xié)調(diào)以下操作：所述圖像和相關(guān)聯(lián)的遮 擋圖案的投射，以及以所述可選擇的幾何結(jié)構(gòu)插入所述衍射圖。
3. 如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述控制器包括微處理器。
4. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述投射裝置包括：基本上平面的透明數(shù)字顯示器， 其基本上占據(jù)顯示平面。
5. 如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述顯示平面被定向?yàn)榕c觀察者的眼睛的視軸基本 垂直。
6. 如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述基本上平面的透明數(shù)字顯示器包括液晶顯示 器。
7. 如權(quán)利要求4所述的系統(tǒng)，其中所述基本上平面的透明數(shù)字顯示器包括有機(jī)發(fā)光二 極管顯示器。
8. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述投射裝置被配置成將所述圖像以準(zhǔn)直形式朝向 眼睛投射，使得對(duì)于觀察者的眼睛的聚焦深度是無窮大的聚焦深度。
9. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述投射裝置包括：高速迷你投射儀，其被耦合到襯 底引導(dǎo)型延遲出射光瞳擴(kuò)展器裝置，所述襯底引導(dǎo)型延遲出射光瞳擴(kuò)展器裝置被配置成在 向觀察者的眼睛遞送所述圖像之前擴(kuò)展所述圖像的尺寸。
10. 如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述迷你投射儀被安裝成基本上垂直于觀察者的 眼睛的視軸，以及其中所述襯底引導(dǎo)型延遲出射光瞳擴(kuò)展器裝置被配置成從所述迷你投射 儀接收所述圖像，并將所述圖像遞送到所述波帶片衍射圖裝置，并以基本上與眼睛的視軸 對(duì)準(zhǔn)的方向以擴(kuò)展后的尺寸將所述圖像遞送到觀察者的眼睛。
11. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述波帶片衍射圖裝置和投射裝置包括至少一個(gè) 共有結(jié)構(gòu)。
12. 如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述波帶片衍射圖裝置被集成到波導(dǎo)中，使得所 述投射裝置包括高速迷你投射儀，所述高速迷你投射儀被耦合到所述波導(dǎo)并且被配置成在 所述圖像去往觀察者的眼睛的途中在離開所述波導(dǎo)之前使所述圖像穿過所述衍射圖。
13. 如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述迷你投射儀被安裝成基本上垂直于觀察者的 眼睛的視軸，以及其中所述波導(dǎo)被配置成從所述迷你投射儀接收所述圖像，并以基本上與 眼睛的視軸對(duì)準(zhǔn)的方向以擴(kuò)展后的尺寸將所述圖像遞送到觀察者的眼睛。
14. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述遮擋掩模裝置包括顯示器，所述顯示器被配置 成取決于在所述顯示器的多個(gè)部分中的每個(gè)部分遮擋或透過光的相關(guān)命令，在每個(gè)部分處 遮擋或透過光。
15. 如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述遮擋掩模裝置包括一個(gè)或多個(gè)液晶顯示器。
16. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述波帶片衍射圖裝置包括：高頻二進(jìn)制顯示器， 其被配置成取決于在所述顯示器的多個(gè)部分中的每個(gè)部分遮擋或透過光的相關(guān)命令，在每 個(gè)部分處遮擋或透過光。
17. 如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述波帶片衍射圖裝置具有大約500Hz和大約 2,000Hz之間的刷新速率。
18. 如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述波帶片衍射圖裝置具有大約720Hz的刷新速 率。
19. 如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述控制器被配置成以每秒大約30幀和每秒大約 60幀之間的速率來操作所述投射裝置和遮擋掩模裝置，以及操作所述波帶片衍射圖裝置以 便為所述投射裝置和遮擋掩模裝置的每個(gè)幀數(shù)字地顯示多至約12個(gè)不同的衍射圖。
20. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述投射裝置、遮擋掩模裝置和所述波帶片衍射圖 裝置共同包括用于觀察者的一只眼睛的成像模塊，所述系統(tǒng)還包括用于觀察者的另一只眼 睛的第二成像模塊。
【文檔編號(hào)】G06T15/00GK104067316SQ201280067730
【公開日】2014年9月24日 申請(qǐng)日期:2012年11月23日 優(yōu)先權(quán)日:2011年11月23日
【發(fā)明者】J·G·麥克納馬拉 申請(qǐng)人:奇躍公司