近眼显示设备和显示三维图像的方法与流程

本公开总体上涉及显示系统；更具体地涉及用于显示三维图像的近眼显示设备。

背景技术：

通常，在很长一段时间以来，一直以不同形式向人们呈现视觉媒体。例如，出于各种目的，诸如出于娱乐、科学、国防和医疗等目的，已经以视频(或图像)的形式向观看者呈现视觉媒体。如今，视觉媒体的呈现和消费都采取越来越复杂的形式，诸如，越来越多地以三维格式呈现视频，以便能够向观看者提供更多信息和提高的消费内容质量。

传统上，通过使用类似于立体视觉的技术，将三维视频在诸如计算机屏幕或电影院屏幕的二维平面上呈现给观看者。此外，可以采用各种基于软件的技术来将附加信息并入三维视频中。例如，可以采用诸如线性透视、阴影、遮挡和纹理等技术，以便能够将三维视频内的深度线索呈现给观看者。然而，这种常规呈现技术伴随着许多问题。

三维视频的常规呈现技术仅向观看者提供深度呈现的错觉。此外，这种呈现技术限制了观看者使其无法感知可能与三维视频中呈现的对象的实际深度相关联的基本信息。例如，观看者不能真正感知与使用计算机辅助设计(cad)软件应用程序设计的计算机生成对象的不同平面相对应的信息。此外，这种常规呈现技术与视觉辐辏调节冲突相关联，其中，当试图聚焦于在所呈现的三维视频内图像的位于不同视距处的不同部分时，观看者的眼睛会感到难受。这种视觉辐辏调节冲突会导致观看者的不舒适的体验，诸如由于眼睛疲劳和头痛等，从而无法使观看者进行三维视频的消费。此外，这种常规呈现技术通常不能令人满意地呈现诸如在近眼显示器中位于与观看者的眼睛相距减小的距离处的三维图像。

因此，根据前述讨论，需要克服与向观看者呈现三维视觉媒体的常规技术相关联的前述缺点。

技术实现要素：

本公开试图提供一种用于向使用者的眼睛显示三维图像的近眼显示设备。本公开还试图提供一种用于使用近眼显示设备显示三维图像的方法。本公开试图提供一种针对与向观看者呈现三维视觉媒体的常规技术相关联的现有问题的解决方案。本公开的目的是提供一种解决方案，该解决方案至少部分地克服了现有技术中遇到的问题，并且提供了一种近眼显示设备以及一种向观看者显示三维图像的方法。一方面，本公开的实施例提供了一种用于向使用者的眼睛显示三维图像的近眼显示设备，其中，该设备包括：

-图像投影装置，以投影与三维图像相对应的第一组图像和第二组图像，其中，第一组图像和第二组图像中的对应图像形成与三维图像的不同横截面相关联的图像对；

-至少一个光学显示装置，该至少一个光学显示装置包括多个光学元件，其中，多个光学元件中的每个光学元件能够操作以在第一光学状态与第二光学状态之间切换；

-控制装置，该控制装置能够操作地被联接至图像投影装置和至少一个光学显示装置中的每一个，其中，控制装置能够操作以控制：

-至少一个光学显示装置，以将多个光学元件中的每个光学元件分别从第一光学状态切换至第二光学状态；以及

-图像投影装置，以将单独的图像对投影在处于第二光学状态下的每个光学元件上，以便向使用者的每只眼睛显示三维图像；

以及

-至少一个光学设备，该至少一个光学设备被布置在至少一个光学显示装置与使用者的眼睛之间，其中，至少一个光学设备能够向使用者的每只眼睛显示三维图像。

在另一方面，本公开的实施例提供了一种使用近眼显示设备显示三维图像的方法，近眼显示设备包括多个光学元件，其中，多个光学元件中的每个光学元件能够操作以在第一光学状态与第二光学状态之间切换，其中，该方法包括：

-投影与三维图像相对应的第一组图像和第二组图像，其中，第一组图像和第二组图像中的对应图像形成与三维图像的不同横截面相关联的图像对；

-将多个光学元件中的每个光学元件分别从第一光学状态切换至第二光学状态；以及

-通过在处于第二光学状态下的每个光学元件上提供单独的图像对而向使用者的每只眼睛显示三维图像。

本公开的实施例基本上消除了或至少部分地解决了现有技术中的上述问题，并且使得能够向观看者有效地呈现三维视觉媒体。

根据结合以下所附权利要求解释的说明性实施例的附图和详细描述，本公开的附加的方面、优点、特征和目的将变得显而易见。

将理解的是，本公开的特征易于以各种组合进行组合，而不脱离如所附权利要求所限定的本公开的范围。

附图说明

当结合附图进行阅读时，将更好地理解以上概述以及说明性实施例的以下详细描述。为了说明本公开，在附图中示出了本公开的示例性构造。然而，本公开不限于本文中所公开的特定方法和手段。此外，本领域技术人员应当理解，附图未按比例进行绘制。尽可能地，相同的元件都以相同的附图标记表示。

现参考以下附图仅以示例的方式来描述本公开的实施例，其中：

图1a至图1d是根据本公开的各种实施例的用于向使用者的眼睛显示三维图像的近眼显示设备的示意图；

图2a是根据本公开的实施例的用于向使用者的眼睛显示三维图像的近眼显示设备的示意图；

图2b是根据本公开的实施例的图2a的近眼显示设备的示例性应用的示意图；

图3是根据本公开的实施例的在虚拟现实耳机中实施的近眼显示设备(诸如图1a的近眼显示设备)的示意图；

图4a至图4b是根据本公开的不同实施例的在增强现实耳机中实施的近眼显示设备(诸如图1a的近眼显示设备)的示意图；以及

图5是根据本公开的实施例的使用近眼显示设备显示三维图像的方法的步骤的图示。

在附图中，带下划线的数字用于表示该带下划线的数字所在的项或与该带下划线的数字相邻的项目。未加下划线的数字与通过将未加下划线的数字连接至项的线来标识的项有关。当数字未加下划线并带有相关联的箭头时，未加下划线的数字用于标识箭头所指向的整体项目。

具体实施方式

以下详细描述说明了本公开的实施例以及可以实施这些实施例的方式。尽管已经公开了执行本公开的一些方式，但是本领域技术人员将认识到，用于执行或实践本公开的其他实施例也是可能的。

一方面，本公开的实施例提供了一种用于向使用者的眼睛显示三维图像的近眼显示设备，其中，该设备包括：

-图像投影装置，以投影与三维图像相对应的第一组图像和第二组图像，其中，第一组图像和第二组图像中的对应图像形成与三维图像的不同横截面相关联的图像对；

-至少一个光学显示装置，该至少一个光学显示装置包括多个光学元件，其中，多个光学元件中的每个光学元件能够被操作以在第一光学状态与第二光学状态之间切换；

-控制装置，该控制装置被能够操作地联接至图像投影装置和至少一个光学显示装置中的每一个，其中，控制装置能够被操作以控制：

-至少一个光学显示装置，以将多个光学元件中的每个光学元件分别从第一光学状态切换至第二光学状态；以及

-图像投影装置，以将单独的图像对投影在处于第二光学状态下的每个光学元件上，以便向使用者的每只眼睛显示三维图像；

以及

-至少一个光学设备，该至少一个光学设备被布置在至少一个光学显示装置与使用者的眼睛之间，其中，至少一个光学设备能够向使用者的每只眼睛显示三维图像。

在另一方面，本公开的实施例提供了一种使用近眼显示设备显示三维图像的方法，近眼显示设备包括多个光学元件，其中，多个光学元件中的每个光学元件能够被操作以在第一光学状态与第二光学状态之间切换，其中，该方法包括：

-投影与三维图像相对应的第一组图像和第二组图像，其中，第一组图像和第二组图像中的对应图像形成与三维图像的不同横截面相关联的图像对；

-将多个光学元件中的每个光学元件分别从第一光学状态切换至第二光学状态；以及

-通过在处于第二光学状态下的每个光学元件上提供单独的图像对而向使用者的每只眼睛显示三维图像。

本公开提供了近眼显示设备，该近眼显示设备包括图像投影装置、至少一个光学显示装置、控制装置以及至少一个光学设备。至少一个光学显示装置包括多个光学元件，其中，多个光学元件中的每个光学元件能够被操作以在第一光学状态与第二光学状态之间切换。此外，将与三维图像相对应的单独的图像对投影至处于第二光学状态下的多个光学元件中的一个光学元件上。随后，向使用者的每只眼睛显示所投影的三维图像。这种使用多个光学元件来对三维图像进行的显示使得能够为使用者提供与三维图像相关联的改进的深度感知。此外，在与被布置在三维空间中的多个光学元件相对应的不同物理层处呈现构成整个三维图像的单独的图像对，从而使得使用者的眼睛能够方便地聚焦于与三维图像相关联的不同的感知物理深度(与眼睛的距离)处。换句话说，与三维图像的更靠近使用者眼睛的横截面相比，三维图像的更远离使用者的横截面被渲染在更远离使用者眼睛的光学元件上。这使得使用者在观看3d图像时能够聚焦于不同的深度距离。因此，近眼显示设备和方法基本上克服了与用于呈现三维视觉媒体的常规技术相关联的视觉辐辏调节冲突的问题。因此，视觉辐辏调节冲突问题的减少确保了使用者的舒适的观看体验。此外，近眼显示设备可以用于诸如通过在虚拟现实耳机和增强现实耳机中实施而在使用者的眼睛附近呈现三维视觉媒体。

本公开从始至终地，本文所使用的术语“近眼显示设备”涉及一种诸如通过允许使用者将近眼显示设备穿戴(通过安装)在其头上而能够被定位在使用者的眼睛附近的设备。此外，这种近眼显示设备使得能够向使用者的眼睛呈现图像和/或视频。这种近眼显示设备的示例包括但不限于头戴式显示器(hmd)、平视显示器(hud)、虚拟现实显示设备和增强现实显示设备等。在一个示例中，近眼显示设备能够向用户呈现与三维(或3d)对象相关联的图像或视频。这种图像或视频可以对应于计算机生成的(或虚拟的)对象和真实的对象等。三维图像可以指对现实对象或计算机渲染的对象的三维表示，诸如对象的三维模型。三维图像可以指具有多个不同对象的风景或空间的图像。

在一个示例中，在近眼显示设备上显示的多个图像(或视频)对应于相同的三维图像。这样的多个图像(或视频)可以是代表三维图像的不同横截面的部分(或切片)。例如，三维图像可以是计算机生成的球形对象(诸如球)。在这样的示例中，多个图像包括12个图像，并且多个图像中的每个图像可以对应于球形对象的不同横截面。此外，多个图像中的第一个图像和最后一个图像可以分别对应于球形对象的前部圆形平面和后部圆形平面(具有最小的直径)，而第六个图像可以对应于球形对象的中心圆形平面(具有最大的直径)。

设备包括图像投影装置，以投影与三维图像相对应的第一组图像和第二组图像，其中，第一组图像和第二组图像中的对应图像形成与三维图像的不同横截面相关联的图像对。本公开从始至终地，本文所使用的术语“图像投影装置”涉及能够投影图像和/或视频的设备。这样的图像投影装置可以被实施为能够将图像和/或视频投影至表面(诸如屏幕)上的投影仪。

第一组图像和第二组图像是对应于三维图像的不同横截面的部分(或切片)。此外，第一组图像和第二组图像中的对应图像形成与三维图像的不同横截面相关联的图像对。在一个示例中，三维图像对应于矩形框，其中，矩形框与14个图像相关联，每个图像对应于其不同的横截面。在这样的示例中，第一组图像和第二组图像中的每一组图像的第一个图像对应于矩形框的前部平面(第一组和第二组的这种第一图像可以是相同图像)，并且第一组图像和第二组图像中的每一组图像的第十四个图像对应于矩形框的后部平面。在这样的示例中，应当理解，第一组和第二组中的每一组的对应图像对应于三维图像的相同横截面，因此，这样的对应图像形成图像对。在上述示例中，第一组图像和第二组图像中的每一组图像的第一图像形成第一图像对，第一组图像和第二组图像中的每一组图像的第二图像形成第二图像对，以此类推。可替代地，第一组图像和第二组图像中的对应图像可以是不同的图像，例如，表示三维图像的特定横截面的略微偏移的视角的图像。此外，第一组图像和第二组图像可对应于分别针对近眼显示设备的使用者的左眼和右眼进行显示的图像(或视频的帧)。例如，可以为使用者的左眼显示第一组图像，并且可以为使用者的右眼显示第二组图像。

图像投影装置每秒钟能够投影大量这样的图像(或视频的帧)。本公开从始至终地，这种每秒钟投影的图像的数量被称为图像投影装置的“体积刷新率”(或“每秒的体积”，缩写为“vps”)。图像投影装置的体积刷新率可以对应于第一组图像和/或第二组图像中的每个图像(或每个图像对)每秒钟被图像投影装置投影的次数。例如，当第一组图像和第二组图像包括10个图像(或者例如4-8个图像)并且图像投影装置的体积刷新率为50vps时，图像投影装置每秒钟能够投影10×50个图像(或500个图像)。在实施例中，图像投影装置具有大于50vps的体积刷新率。可选地，图像投影装置具有至少100vps的体积刷新率。这样的体积刷新率可以通过采用由美国德克萨斯州达拉斯市的德州仪器公司开发的技术来实现。同样，可以使用例如为四维(forthdimension)的快速铁电lcos。

在一个实施例中，图像投影装置包括单个投影仪，该单个投影仪能够同时投影第一组图像和第二组图像。例如，图像投影装置可以投影第一组图像和第二组图像，使得第一组图像和第二组图像分开预定的物理间隙。在另一实施例中，图像投影装置可以包括两个单独的投影仪，其中，两个投影仪中的每个投影仪能够分别独立地投影第一组图像和第二组图像。在又一实施例中，图像投影装置包括单个图像投影仪，该单个图像投影仪能够为使用者的两只眼睛投影与三维图像相对应的单组图像。

设备包括至少一个光学显示装置，该至少一个光学显示装置包括多个光学元件。本公开从始至终所使用的术语“光学显示装置”涉及被布置在设备中用于显示对应于三维图像的所投影的图像的光学显示设备。此外，光学显示装置包括用于显示图像的多个光学元件。本文使用的术语“光学元件”涉及能够在其上显示所投影的图像的屏幕。在一个示例中，光学元件可以是光学漫射器。在另一示例中，光学显示装置可被实施为包括多个光学漫射器的体积显示装置。

此外，多个光学元件中的每个光学元件能够被操作以在第一光学状态与第二光学状态之间切换。多个光学元件中的每个光学元件的这种光学状态可以通过改变光学元件的一个或多个特性来改变。在一个实施例中，多个光学元件包括活性物质。例如，多个光学元件中的每个光学元件的活性物质可以包括胆甾液晶基材料、诸如无聚合物液晶(或pflc)的液晶或者例如聚合物分散和聚合物稳定的液晶。此外，pflc可以是低粘度液晶和手性掺杂剂的混合物。在这样的示例中，可以改变活性物质的液晶分子的排列，以将光学元件中的每个光学元件从第一光学状态切换至第二光学状态(以及从第二光学状态切换至第一光学状态)。此外，可以通过在光学元件上施加电压来改变分子的这种排列。因此，光学元件可以在两种光学状态之间电切换。

在一个实施例中，第一光学状态是光学透明状态，并且第二光学状态是光学不透明状态。例如，在光学透明状态下，光学元件允许与由图像投影装置投影的图像相关联的光基本上穿过光学元件。因此，图像不会显示在处于其光学透明状态下的光学元件上。此外，在光学不透明状态下，光学元件阻挡/散射与由图像投影装置投影的图像相关联的光，因此，图像可以在光学元件上显示。通常，术语“光学透明状态”在本公开中是指下述光学状态：其中，光学元件充当可以在其上投影图像的屏幕。另外，在本公开中，光学不透明状态和术语“不透明”是指本公开中的半透明、光散射或光扩散的状态。此外，从光学元件的两侧都可以看到被投影到处于光学不透明状态下的光学元件上的图像。作为示例，在使用时，投影仪相对于使用者的眼睛位于光学元件的相反侧。

在一个实施例中，光学元件的活性物质被包围在支撑基板之间。例如，可以使用诸如钠钙玻璃的透明介电材料的薄片来实施支撑基板。此外，可以使用诸如由具有与活性物质基本上相似的折射率(诸如，在95-100％以内)的材料制成的球体之类的光学透明的间隔物来分离支撑基板。例如，可以使用玻璃、硬塑料材料(诸如聚碳酸酯或聚(甲基丙烯酸甲酯))来制造光学透明的间隔物。此外，支撑基板中的每个支撑基板的面向活性物质的表面可以包括透明导电材料的涂层(或透明电极)，该透明导电材料(或透明电极)包括但不限于氧化铟锡(ito)、掺杂金属的氧化锌(诸如掺杂mg的zno、掺杂al的zno或掺杂cr的zno)、银纳米线网格、石墨烯层和导电聚合物薄膜等。可选地，支撑基板中的每个支撑基板的面向远离活性物质的表面可以包括抗反射材料的涂层，该抗反射材料包括但不限于sio2-tio2和sio2-nb2o5等的层状结构。活性物质、透明导电材料和光学透明间隔物等的这种布置可以通过沿着支撑基板的周界施加聚合物密封件而被密封在支撑基板之间。

在一个实施例中，多个光学元件形成整体结构。例如，多个光学元件可以被布置成使得光学显示装置形成光学元件的单个组。在这样的示例中，在形成光学显示装置的多个光学元件中的每个光学元件之间可以存在或可以不存在间隙。此外，可以诸如通过采用光学胶将多个光学元件层压在一起，以形成具有整体结构的光学显示装置。在另一实施例中，多个光学元件中的每个光学元件以彼此等距的方式进行布置或以彼此相距不同距离的方式进行布置。例如，多个光学元件中的每个光学元件被布置成彼此相距一预定距离。根据一个实施例，多个光学元件中的每个光学元件之间的距离等于0.2毫米，或者大于0.2毫米(诸如1毫米)。根据一个实施例，多个光学元件中的每个光学元件之间的距离为0.2毫米至4毫米、0.2毫米至2毫米或者0.2毫米至1毫米。可替代地，多个光学元件中的每个光学元件以彼此相距不同距离(诸如，相距递增或递减的距离)的方式进行布置。例如，连续的光学元件之间的距离基于对数或指数函数。例如，光学显示装置的第一光学元件与第二光学元件之间的距离为0.2毫米，第二光学元件与第三光学元件之间的距离为0.4毫米，第三光学元件与第四光学元件之间的距离为0.8毫米，以此类推。

设备包括控制装置，该控制装置被能够操作地联接至图像投影装置和至少一个光学显示装置中的每一个。可以使用有线或无线连接将控制装置能够操作地联接至图像投影装置和至少一个光学显示装置。此外，控制装置能够被操作以控制图像投影装置和至少一个光学显示装置的运行。控制装置能够被操作以控制至少一个光学显示装置以将多个光学元件中的每个光学元件分别从第一光学状态切换至第二光学状态。例如，控制装置能够被操作以将多个光学元件依次地从第一光学状态(诸如光学透明状态)按顺序切换至第二光学状态(诸如光学不透明状态)，并且在预定的持续时间之后(在该持续时间期间，图像被投影至在所述时间时处于光学不透明状态下的光学元件上)从第二光学状态切换回第一光学状态。在这样的示例中，控制装置可以将多个光学元件中的第一光学元件从第一光学状态切换至第二光学状态。随后，控制装置可以将第一光学元件从第二光学状态切换回第一光学状态，同时，控制装置可以将多个光学元件中的第二光学元件从第一光学状态切换至第二光学状态。在一个实施例中，在给定时刻处于第二光学状态下的光学元件被用作图像的投影屏幕。由于光学元件被布置在距离使用者的眼睛不同的光学深度中，因此这被称为图像深度平面。叠组中的其余光学元件处于第一光学状态下。

在一个实施例中，以顺序方式或隔行方式使多个光学元件在第一光学状态与第二光学状态之间切换。例如，如上文所讨论的，控制装置能够被操作以将第一光学元件从第一光学状态切换至第二光学状态。随后，当第一光学元件被切换回第一光学状态时，控制装置能够被操作以将第二光学元件切换至第二光学状态。类似地，所有光学元件被顺序地切换至第二光学状态，并且在前一帧期间用于投影图像的光学元件被切换回第一光学状态，并且其中，多个光学元件中的所有其他光学元件维持在第一光学状态下。可替代地，以隔行方式使多个光学元件在第一光学状态与第二光学状态之间切换。例如，将位于偶数位置(诸如第二位置、第四位置和第六位置等)的光学元件顺序地从第一光学状态切换至第二光学状态，随后将位于奇数位置(诸如第一位置、第三位置、第五位置等)的光学元件顺序地从第一光学状态切换至第二光学状态。隔行方式是有益的，因为其能够更快速地呈现用于显示图像的帧速率。在替代实施例中，多个光学元件以预定的任意顺序从第一光学状态转变为第二光学状态。在将图像投影在所述图像深度平面中之后，将对应的光学元件切换至第一光学状态。通常，根据实施例，将先前已经切换至第二光学状态的光学元件切换回第一光学状态。然后，将另一光学元件切换至第二光学状态(并且在对图像层进行投影之后，将其切换回第一光学状态)。在另一替代实施例中，基于内容将多个光学元件从第一光学状态转变为第二光学状态。作为示例，如果3d图像仅在距离使用者的第一距离(第一深度平面)和第二距离(第二深度平面)上具有元件，则将以循环的方式将相关的光学元件用于第一光学元件和第二光学元件。

在一个实施例中，设备进一步包括电压源，该电压源被能够操作地联接至至少一个光学显示装置和控制装置中的每一个，其中，控制装置进一步能够被操作以控制电压源向至少一个光学显示装置施加电压，以将每个光学元件从第二光学状态切换至第一光学状态，或者去除所施加的电压以将光学元件从第一光学状态切换至第二光学状态。电压源可以被能够操作地联接至控制装置，或者可选地，电压源可以与控制装置合并为控制模块。此外，电压源可以诸如使用被安装在多个光学元件中的每个光学元件上的焊料或铜基汇流条而被能够操作地联接至光学显示装置。在一个示例中，控制装置能够操作以向电压源提供指令，以向多个光学元件中的一个光学元件施加预定电压。响应于所施加的电压，光学元件从第二光学状态切换至第一光学状态。随后，在预定的持续时间之后，控制装置能够操作以向电压源提供指令，以去除所施加的电压。响应于这种去除所施加的电压，光学元件从第一光学状态切换回第二光学状态。

控制装置能够操作以控制图像投影装置，以将单独的图像对投影在处于第二光学状态下的每个光学元件上，以便向使用者的每只眼睛显示三维图像。控制装置能够操作以向图像投影装置提供指令，以将与三维图像相对应的单独的图像对投影在处于第二光学状态下的每个光学元件上。例如，三维图像与10个图像对相关联(使得第一组图像和第二组图像中的每一组包括10个图像)，并且多个光学元件包括10个光学元件。在这样的示例中，当第一光学元件处于第二光学状态下时，控制装置能够操作以控制图像投影装置将第一图像对投影在第一光学元件上。随后，当第一光学元件已经切换回第一光学状态并且第二光学元件处于第二光学状态下时，控制装置能够操作以控制图像投影装置将第二图像对投影在第二光学元件上。类似地，控制装置能够操作以使对不同的图像对的投影与将多个光学元件中的每个光学元件切换至第二光学状态同步，使得每个图像对以高体积刷新率(优选地，大于50vps，可选地至少为90vps)显示在光学显示装置上。以高体积刷新率显示图像对使得近眼显示设备的使用者能够体验到与三维图像相关联的增加的深度感知(诸如由于视觉残留)，同时基本上克服了与三维图像的常规呈现技术相关联的问题(诸如视觉辐辏调节冲突)。

在一个实施例中，设备进一步包括联接至控制装置的数据存储介质，其中，数据存储介质能够被操作以存储与三维图像相对应的第一组图像和第二组图像。本文所使用的术语“数据存储介质”涉及用于存储与三维图像相关联的图像、视频和文件等(诸如第一组图像和第二组图像)的存储设备。在这种情况下，数据存储介质能够被操作以向控制装置提供所存储的图像(或视频)，其中，可选地，控制装置能够操作以在向图像投影装置提供图像以投影图像之前执行图像处理。数据存储器可被通信地联接至控制装置，或者数据存储器可以被合并在控制模块内。

在一个实施例中，使用高通量有线通信网络或高通量无线通信网络中的至少一种将数据存储介质联接至控制装置。例如，可以使用高通量显示端口(displayport)连接、高清多媒体接口(或hdmi)连接、无线hd(或ultragig)连接、无线千兆联盟(或wigig)连接中的至少一种或者使用在极高频率范围(诸如，大于60ghz)下运行的任何其他连接，将数据存储介质联接至控制装置。使用高通量有线或无线通信网络的这种联接使得数据存储介质每秒钟能够向控制装置发送大量数据，以便使得近眼显示设备能够实现高体积刷新率。

设备包括至少一个光学设备，该至少一个光学设备被布置在至少一个光学显示装置与使用者的眼睛之间，其中，至少一个光学设备允许向使用者的每只眼睛显示三维图像。至少一个光学设备可以被实施为布置在近眼显示设备内用于使用者的每只眼睛的目镜，其中，目镜使得能够适当地放大显示在光学显示装置上的图像。对图像的这种放大使得能够为使用者提供与所显示的三维图像相关联的改进的深度感知。在一个示例中，至少一个光学设备包括被布置在光学显示装置与使用者的左眼之间的光路中的左目镜以及被布置在光学显示装置与使用者的右眼之间的光路中的右目镜。左目镜使得能够针对使用者的左眼显示第一组图像，而右目镜使得能够针对使用者的右眼显示第二组图像。在一个示例中，至少一个光学设备被实施为光学透镜、菲涅耳(fresnel)透镜、全息光学元件、曲面镜、自由镜和棱镜等中的至少一种。在一个示例中，至少一个光学设备被布置成针对使用者的左眼放大第一组图像并且针对使用者的右眼放大第二组图像。放大被布置成使虚拟图像深度平面彼此扩展。这允许以舒适的方式观看三维图像。

可选地，至少一个光学设备使得能够放大显示在光学显示装置上的图像，使得在不同的视距处(或者在位于不同距离处的图像平面处)显示图像。例如，光学显示装置包括彼此等距布置的10个光学元件。在这样的示例中，至少一个光学设备使得图像对(对应于第一组图像和第二组图像)能够在对应于不同图像平面的不同距离处被显示。例如，对应于第二光学元件的图像对可以在第二光学元件与第一光学元件相距的第一距离处被显示。此外，对应于第三光学元件的图像对可以在第三光学元件与第二光学元件相距的第二距离处被显示，其中，第二距离大于第一距离。类似地，对应于连续的光学元件的图像对可以在图像平面相对于前一图像平面的递增(或递减)的距离处被显示。将理解的是，这样的在不同距离处显示图像对使得能够改进使用者的眼睛的视觉调节和会聚度。使用者附近的图像平面将被定位成彼此更靠近，从而使得使用者的眼睛能够舒适地移动焦距，诸如通过会聚在一起并迅速地调节以感知显示在图像平面上的图像对。此外，远离使用者的图像平面将被定位成彼此远离，从而使得使用者的眼睛能够发散并逐渐调节以感知显示在图像平面上的图像对。因此，通过至少一个光学设备对图像进行放大使得使用者能够更好地感知与三维图像相关联的深度，从而基本上克服了与三维图像的常规呈现技术相关联的视觉辐辏调节冲突的问题。

在一个实施例中，设备进一步包括被布置在图像投影装置与至少一个光学显示装置之间的至少一个第二光学设备，其中，至少一个光学设备能够操作以允许在多个光学元件上投影图像对。这样的至少一个第二光学设备使得能够适当地放大并聚焦由图像投影装置投影的图像对，从而使得能够将该图像对正确地投影到光学显示装置上。在一个示例中，至少一个第二光学设备被实施为光学透镜、菲涅耳透镜、全息光学元件、曲面镜、自由镜和棱镜等中的至少一种。

在一个实施例中，三维图像与虚拟现实环境或增强现实环境中的至少一个相关联。例如，近眼显示设备被实施为虚拟现实耳机，其中，虚拟现实耳机能够操作以向其使用者呈现虚拟现实环境。在这样的示例中，三维图像与形成虚拟环境的一个或多个计算机生成的对象相关联。可替代地，近眼显示设备被实施为增强现实耳机，其中，增强现实耳机能够操作以向其使用者呈现增强现实环境。在这样的示例中，三维图像与作为现实环境的一部分被呈现的一个或多个计算机生成的对象相关联，其中，一个或多个计算机生成的对象和现实环境形成增强现实环境。

在一个实施例中，至少一个光学设备被实施为光学组合器，其中，光学组合器能够操作以将现实环境的视图与计算机生成的图像的视图进行组合，以向使用者的眼睛显示增强现实环境。本文所使用的术语“光学组合器”涉及一种光学设备，该光学设备将(例如通过叠加)与由图像投影装置投影的三维图像相关联的图像对与入射在使用者眼睛上的跟现实环境相关联的环境光线进行组合。这样的组合使得能够将三维图像作为使用者的现实环境的一部分显示给使用者的眼睛。可选地，光学组合器被实施为部分透明的反光镜、棱镜、波导、全息光学元件、透镜、可切换的玻璃中的至少一种。例如，光学组合器可以包括可切换的玻璃，诸如光致变色玻璃或电致变色材料。在这样的示例中，当从现实环境入射的环境光与高强度相关联时(诸如，当现实环境对应于明亮的室外环境时)，光学组合器能够操作以控制入射环境光的强度(通过使该入射环境光变暗)，从而为使用者提供改进的观看体验。

在一个实施例中，设备进一步包括被能够操作地联接至控制装置的图像捕获设备，其中，使用图像捕获设备生成现实环境的视图。例如，图像捕获设备被实施为高分辨率照相机、视频记录器、深度数据捕获装置和三维摄像头(即，以彼此相距一定距离的方式布置以形成三维图像/立体图像对的两个摄像头)等。图像捕获设备可以被安装在近眼显示设备上并且可被通信地联接至控制装置。此外，图像捕获设备能够操作以捕获使用者的现实环境的一个或多个图像(或视频)。随后，向控制装置提供所捕获的现实环境的一个或多个图像(或视频)。在这种情况下，控制装置能够操作以实时地将现实环境的一个或多个图像(或视频)与和三维图像相关联的图像对进行组合，以向使用者显示增强现实环境。

基于另一实施例，设备被构造成基于辐辏角针对所形成的图像对中的每个图像对调整视差值，其中，辐辏角与视觉调节的相应光学平面相关联。视觉调节的光学平面是处于第二光学状态(不透明)的相应光学元件。作为示例，考虑三维图像，该三维图像是包括靠近使用者的第一对象和远离使用者的第二对象的风景。与第一对象相关联的第一图像对具有与和第二对象相关联的第二图像对不同的视差值。当渲染三维图像时，可以考虑与视觉调节的平面(图像对被投影的平面)中的每个平面相关联的辐辏角。即，视觉调节的光学平面实际上对应于图像对被投影的相应平面。

本说明书还涉及如上所述的方法。上文所公开的各种实施例和变形，加以必要的修改，适用于该方法。

使用近眼显示设备显示三维图像的方法，近眼显示设备包括多个光学元件，其中，多个光学元件中的每个光学元件能够被操作以在第一光学状态与第二光学状态之间切换，其中，该方法包括投影与三维图像相对应的第一组图像和第二组图像，其中，第一组图像和第二组图像中的对应图像形成与三维图像的不同横截面相关联的图像对；分别将多个光学元件中的每个光学元件从第一光学状态切换至第二光学状态；以及通过将单独的图像对提供在处于第二光学状态下的每个光学元件上来向使用者的每只眼睛显示三维图像。

可选地，该方法进一步包括施加电压以将每个光学元件从第二光学状态切换至第一光学状态；以及去除所施加的电压以将光学元件从第一光学状态切换至第二光学状态。

可选地，以顺序方式、隔行方式、任意方式或取决于内容的方式使多个光学元件在第一光学状态与第二光学状态之间切换。可以在操作期间更改切换的顺序，以考虑内容和观看情况。例如，如果图像在某一时刻基本上是二维的，则可以在该时刻期间使用单个光学元件来投影图像(即，处于不透明状态下)。另外，可以使用切换的组合，例如将顺序和隔行方式进行组合。

可选地，该方法进一步包括存储与三维图像相对应的第一组图像和第二组图像。

可选地，三维图像与虚拟现实环境或增强现实环境中的至少一个相关联。

可选地，该方法进一步包括捕获现实环境的视图以生成增强现实环境。

可选地或替代地，该方法进一步包括基于辐辏角针对所形成的图像对中的每个图像对调整视差值，其中，辐辏角与视觉调节的相应光学平面相关联。视觉调节的光学平面是处于第二光学状态(如本公开中所限定的不透明，即半透明、光散射或光扩散状态)下的相应的光学元件。作为示例，考虑三维图像，该三维图像是包括靠近使用者的第一对象和远离使用者的第二对象的风景。与第一对象相关联的第一图像对具有与和第二对象相关联的第二图像对不同的视差值。当渲染三维图像时，可以考虑与视觉调节的平面(图像对被投影或看起来被投影所在的平面)中的每个平面相关联的辐辏角。因此，在该示例中，当为了生成相应的图像对(为了再现3d图像或场景)而考虑将辐辏角的整个范围划分为与特定的视觉调节平面(光学扩散器元件)相关联的子集时，辐辏角这基本上减轻了与视觉调节-会聚度冲突有关的不利影响。在一些实施例中，针对所形成的图像对的子集(诸如针对一个、两个、三个、四个或五个对或者更多对)调整所形成的图像对的视差可能就足够了。

附图的详细描述

参照图1a，示出了根据本公开的实施例的用于向使用者的眼睛102a-b显示三维图像的近眼显示设备100的示意图。近眼显示设备100包括图像投影装置104，以投影与三维图像(未示出)相对应的第一组图像106a和第二组图像106b。此外，近眼显示设备100包括至少一个光学显示装置108，该至少一个光学显示装置包括多个光学元件110a-f。此外，近眼显示设备100包括控制装置112，该控制装置被能够操作地联接至图像投影装置104和至少一个光学显示装置108中的每一个。如图所示，近眼显示设备100包括至少一个光学设备114a-b，该至少一个光学设备被布置在至少一个光学显示装置108与使用者的眼睛102a-b之间。

参照图1b，示出了根据本公开的另一实施例的图1a的近眼显示设备100的示意图。如图所示，使用投影第一组图像106a的第一图像投影装置104a以及投影对应于三维图像的第二组图像106b的第二图像投影装置104b来实施图像投影装置104。此外，使用在其上显示第一组图像106a的第一光学显示装置108a以及在其上显示第二组图像106a的第二光学显示装置108b来实施光学显示装置108。此外，近眼显示设备100包括至少一个光学设备116a-b，该至少一个光学设备被分别布置在至少一个光学显示装置108a-b中的每一个与使用者的眼睛102a-b之间。

参照图1c，示出了根据本公开的又一实施例的图1a的近眼显示设备100的示意图。如图所示，图像投影装置104投影与三维图像(未示出)相对应的单组图像106。近眼显示设备100包括光学设备118a-b，该光学设备被布置在至少一个光学显示装置108与使用者的眼睛102a-b之间。如图所示，光学设备118a-b相对于光学显示装置108与使用者的眼睛102a-b之间的光路略微地旋转，以向使用者的每只眼睛102a-b提供三维图像的略微不同的视角。

参照图1d，示出了根据本公开的又一实施例的图1a的近眼显示设备100的示意图。如图所示，图像投影装置104将第一组图像和第二组图像投影到至少一个光学显示装置108上，其中，第一组图像和第二组图像对应于第一三维图像120a-b和第二三维图像122a-b。此外，第一三维图像120a-b和第二三维图像122a-b以彼此物理分离的方式被投影在光学显示装置108的多个光学元件上。由于与第一三维图像120a-b和第二三维图像122a-b之间的物理分离相关联的视差(立体图像对)，这种投影使得使用者的眼睛102a-b能够感知与所显示的三维图像相关联的深度。而且，由于对于两只眼睛而言存在真实的体积图像106a和106b，因此使用者可以将眼睛聚焦于图像中的相关距离。

参照图2a，示出了根据本公开的实施例的用于向使用者的眼睛202显示三维图像(未示出)的近眼显示设备200的示意图。如图所示，光学显示装置204如所指示的那样(例如，以在上方或垂直的方式)被布置在使用者的眼睛202与至少一个光学设备206之间的光路上。此外，对应于三维图像的图像对被投影至光学显示装置204上。所投影的三维图像被显示至使用者的眼睛202，其中，使用者感知到三维图像被定位在光学显示装置204的视位204’处。

参照图2b，示出了根据本公开的实施例的图2a的近眼显示设备200的示例性使用者场景的示意图。与三维图像相对应的图像对被投影在光学显示装置204上，使得使用者感知到三维图像被定位在光学显示装置204的视位204’处。此外，使用者的眼睛202可以感知到使用者的眼睛202的辐辏角θ上的三维图像。如图所示，辐辏角θ被细分为辐辏角θ1-θ6，其中，光学显示装置204的每个光学元件显示对应于与辐辏角θ1-θ6相关联的图像深度平面(被示出为每个光学元件周围的阴影区域)的三维图像的一部分。在这种情况下，至少一个光学设备206使得能够在光学元件之间的分隔间隙中外推出在每个光学元件上显示的图像对，使得使用者的眼睛202感知到与在辐辏角θ上的三维图像相关联的深度。在该示例中，对于不同的图像对视差值(即，图像对相对于眼睛彼此相距一距离，以为使用者形成表观上的3d图像体验)不同，这取决于深度值和辐辏角。

参照图3，示出了根据本公开的实施例的在虚拟现实耳机(未示出)中实施的近眼显示设备300(诸如图1a的近眼显示设备100)的示意图。近眼显示设备300包括图像投影装置304，该图像投影装置用于投影与三维图像(诸如计算机生成的对象)的不同横截面相关联的图像对。此外，近眼显示设备300包括至少一个光学显示装置306，该至少一个光学显示装置包括用于显示所投影的图像对的多个光学元件。此外，近眼显示设备300包括被布置在光学显示装置306与使用者的眼睛302之间的至少一个光学设备308以及被布置在图像投影装置304与至少一个光学显示装置306之间的至少一个第二光学设备310。如图所示，近眼显示设备300包括控制装置312，该控制装置被能够操作地联接至图像投影装置304和至少一个光学显示装置306中的每一个。控制装置312进一步联接至电压源314和数据存储介质316。

参照图4a，示出了根据本公开的实施例的在增强现实耳机(未示出)中实施的近眼显示设备400(诸如图1a的近眼显示设备100)的示意图。近眼显示设备400包括图像投影装置404，该图像投影装置用于投影与三维图像(诸如计算机生成的对象)的不同横截面相关联的图像对。此外，近眼显示设备400包括至少一个光学显示装置406，该至少一个光学显示装置包括用于显示所投影的图像对的多个光学元件。此外，近眼显示设备400包括被布置在光学显示装置406与使用者的眼睛402之间的至少一个光学设备408以及被布置在图像投影装置404与至少一个光学显示装置406之间的至少一个第二光学设备410。如图所示，近眼显示设备400进一步包括光学组合器412，其中，光学组合器能够操作以将现实环境的视图(与环境光a-b相关联)与三维图像的视图(与光x-y相关联)进行组合。此外，近眼显示设备400包括控制装置414，该控制装置被能够操作地联接至图像投影装置404和至少一个光学显示装置406中的每一个。控制装置414进一步被联接至电压源416和数据存储介质418。

参照图4b，示出了根据本公开的另一实施例的在增强现实耳机(未示出)中实施的图4a的近眼显示设备400的示意图。如图所示，近眼显示设备400不包括光学组合器412(图4a中所示)。近眼显示设备400进一步包括被能够操作地联接至控制装置414的图像捕获设备420，其中，使用图像捕获设备420生成现实环境的视图(包括诸如树430a和房屋430b的3d对象)。

参照图5，示出了根据本公开的实施例的使用近眼显示设备显示三维图像的方法500的步骤。在步骤502，投影与三维图像相对应的第一组图像和第二组图像，其中，第一组图像和第二组图像中的对应图像形成与三维图像的不同横截面相关联的图像对。在步骤504，将多个光学元件中的每个光学元件分别从第一光学状态切换至第二光学状态。在步骤506，通过将单独的图像对提供在处于第二光学状态下的每个光学元件上来向使用者的每只眼睛显示三维图像。

步骤502至506仅是说明性的，并且也可以提供替他替代方案，其中添加、移除或以不同的顺序提供一个或多个步骤，而不脱离本文权利要求的范围。在一个示例中，方法500进一步包括施加电压以将每个光学元件从第二光学状态切换至第一光学状态的步骤；以及去除所施加的电压以将光学元件从第一光学状态切换至第二光学状态的步骤。在另一示例中，第一光学状态是光学透明状态，并且第二光学状态是光学不透明状态。在又一示例中，以顺序方式或隔行方式使多个光学元件在第一光学状态与第二光学状态之间切换。

在一个示例中，方法500进一步包括存储与三维图像相对应的第一组图像和第二组图像的步骤。在另一示例中，三维图像与虚拟现实环境或增强现实环境中的至少一个相关联。在又一示例中，方法500进一步包括捕获现实环境的视图以生成增强现实环境的步骤。

在不背离所附权利要求所限定的本公开的范围的情况下，可以对在前述公开中描述的本公开的实施例进行修改。用于描述和要求保护本公开的诸如“包含”、“包括”、“含有”、“具有”、“是”的表述旨在以非排他性的方式进行解释，即允许存在未被明确描述的项、组件或元件。提及单数也应被解释为涉及复数。