ГОЛОВНОЕ ДИСПЛЕЙНОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2024 года по МПК G02B27/01 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к головному дисплейному (HMD, head-mounted display) устройству.

Уровень техники

Головные дисплейные устройства могут быть полезны для применений с дополненной реальностью. В обычных головных дисплейных устройствах (см., например, WO 2014/063716 А1) прозрачный листовой элемент снабжен массивом пиксельных элементов, которые могут приводиться в действие для отображения визуальных представлений, например, в виде цифр, символов, значков, фигур, графики, текста или других представлений изображений. Визуальное представление, далее также кратко именуемое «изображение», в традиционном уровне техники передается глазу пользователя головного дисплейного устройства с помощью системы оптических структур, обладающих эффектом линзы и/или эффектом зеркала. Оптические структуры сформированы вместе с пиксельными элементами на прозрачном листовом элементе и обладают коллимирующим эффектом для световых пучков, выходящих из пиксельных элементов. Изображение, отображаемое пиксельными элементами, может представлять, например, информативные сведения или может представлять собой изобразительный объект без информативного содержания. Пиксельные элементы распределены по прозрачному листовому элементу в области листа, расположенной в пределах поля зрения глаза или глаз пользователя головного дисплейного устройства, и оставляют достаточно места для того, чтобы пользователь мог видеть реальное изображение физического мира через прозрачный листовой элемент в дополнение к изображению, отображаемому пиксельными элементами.

Одна из проблем, связанных с головными дисплейными устройствами, заключается в обеспечении возможности пользователя головного дисплейного устройства видеть четкое (т.е. сфокусированное) изображение дополненной реальности, несмотря на неизбежное вращательное движение глаз.

Раскрытие сущности изобретения

Ввиду вышеуказанного, целью раскрытых в настоящем документе вариантов осуществления изобретения является обеспечение головного дисплейного устройства, позволяющего пользователю наблюдать четкое изображение дополненной реальности при различных положениях вращения его глаз.

Вышеуказанные и/или другие цели настоящего изобретения достигаются благодаря головному дисплейному устройству, определенному в прилагаемой формуле изобретения и показанному и описанному в настоящем документе.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения обеспечено головное дисплейное устройство, содержащее прозрачный элемент, снабженный множеством пиксельных элементов, выполненных с возможностью излучения света для отображения изображения. Множество пиксельных элементов распределены по дисплейной области прозрачного элемента таким образом, чтобы сформировать множество дисплейных сегментов. Каждый из множества дисплейных сегментов включает в себя подмножество из множества пиксельных элементов, при этом пиксельное расстояние между соседними пиксельными элементами, принадлежащими соседним дисплейным сегментам, больше, чем пиксельное расстояние между соседними пиксельными элементами в каждом из соседних дисплейных сегментов. Дисплейное устройство дополнительно содержит управляющую схему для электрического приведения в действие каждого из множества пиксельных элементов на основании преобразования (англ. mapping) пикселей исходного изображения во множество пиксельных элементов. Управляющая схема выполнена с возможностью преобразования множества разных частей исходного изображения в соответствующие разные сегменты из множества дисплейных сегментов, при этом управляющая схема выполнена с возможностью преобразования каждой из множества разных частей изображения в соответствующий отдельный набор сегментов. Каждый набор сегментов включает в себя первый дисплейный сегмент и по меньшей мере один второй дисплейный сегмент. В некоторых вариантах осуществления между первым дисплейным сегментом и каждым из по меньшей мере одного второго дисплейного сегмента из каждого набора сегментов расположен по меньшей мере один дисплейный сегмент из по меньшей мере одного другого набора сегментов.

По меньшей мере некоторые или все из множества частей исходного изображения могут содержать единственный пиксель исходного изображения; дополнительно или альтернативно, по меньшей мере некоторые или все из множества частей исходного изображения могут, каждая, содержать множество пикселей исходного изображения. В некоторых вариантах осуществления по меньшей мере некоторые или все из множества частей изображения содержат столько пикселей исходного изображения, сколько пиксельных элементов входит в дисплейный сегмент.

В некоторых вариантах осуществления набор сегментов включает в себя множество вторых дисплейных сегментов, расположенных в разных направлениях от первого дисплейного сегмента. Множество вторых дисплейных сегментов могут быть распределены с одинаковым угловым промежутком вокруг первого дисплейного сегмента. Всего в наборе сегментов может быть четыре, восемь или шестнадцать вторых дисплейных сегментов.

Дисплейные сегменты могут быть расположены или не быть расположены кластеризованным образом. Варианты осуществления настоящего изобретения с кластеризованным расположением дисплейных сегментов могут обеспечить головное дисплейное устройство, содержащее прозрачный элемент, снабженный множеством пиксельных элементов, выполненных с возможностью излучения света для отображения изображения, при этом множество пиксельных элементов распределены по дисплейной области прозрачного элемента таким образом, чтобы сформировать множество дисплейных сегментов. Каждый из множества дисплейных сегментов включает в себя подмножество из множества пиксельных элементов, при этом пиксельное расстояние между соседними пиксельными элементами, принадлежащими соседним дисплейным сегментам, больше, чем пиксельное расстояние между соседними пиксельными элементами в каждом из соседних дисплейных сегментов. Множество дисплейных сегментов распределены по дисплейной области прозрачного элемента таким образом, чтобы сформировать множество кластеров, причем каждый из множества кластеров включает в себя подмножество из множества дисплейных сегментов. Пиксельное расстояние между соседними пиксельными элементами, принадлежащими соседним кластерам, больше, чем пиксельное расстояние между соседними пиксельными элементами, принадлежащими соседним дисплейным сегментам в каждом из соседних кластеров. Эти соотношения расстояний применяются по меньшей мере в одном измерении дисплейной области. В некоторых вариантах осуществления кластеры распределены в двух измерениях по дисплейной области, например, в соответствии с квадратным или параллелограммным шаблоном сетки. В таких вариантах осуществления вышеуказанные соотношения расстояний могут применяться отдельно в каждом из двух измерений. В вариантах осуществления с двумерно распределенным расположением кластеров, кластерное расстояние может быть одинаковым в каждом из двух измерений.

Каждый из вышеуказанных наборов сегментов может быть включен в соответствующий отдельный набор кластеров, при этом каждый набор кластеров включает в себя два или более кластеров. В некоторых вариантах осуществления кластеры по меньшей мере одного набора кластеров включают в себя по меньшей мере одну пару соседних кластеров. В некоторых вариантах осуществления кластеры из по меньшей мере одного набора кластеров все являются несоседними. Дисплейные сегменты из каждого набора сегментов могут располагаться в соответствующих различных позициях сегментов в каждом из кластеров по меньшей мере одного набора кластеров.

В соответствии с некоторыми вариантами осуществления настоящего изобретения, также обеспечено головное дисплейное устройство, содержащее прозрачный элемент, снабженный множеством пиксельных элементов, выполненных с возможностью излучения света для отображения изображения, при этом множество пиксельных элементов распределены по дисплейной области прозрачного элемента таким образом, чтобы сформировать множество дисплейных сегментов. Каждый из множества дисплейных сегментов включает в себя подмножество из множества пиксельных элементов, при этом пиксельное расстояние между соседними пиксельными элементами, принадлежащими соседним дисплейным сегментам, больше, чем пиксельное расстояние между соседними пиксельными элементами в каждом из соседних дисплейных сегментов. Дисплейное устройство дополнительно содержит оптическую систему для уменьшения расходимости расходящегося светового пучка, излучаемого каждым из множества дисплейных сегментов, при этом оптическая система включает в себя множество оптических элементов, каждый из которых связан с соответствующей отдельной группой сегментов. Каждая группа сегментов включает в себя подмножество из множества дисплейных сегментов. Световой пучок, излучаемый каждым дисплейным сегментом из группы сегментов, направляется соответствующим оптическим элементом в позицию, обеспечивающую прием светового пучка на сетчатке глаза пользователя, носящего головное дисплейное устройство. Дисплейное устройство также содержит управляющую схему, выполненную с возможностью приведения в действие каждого дисплейного сегмента из набора сегментов для отображения одной и той же части (многопиксельной части или однопиксельной части) исходного изображения. Набор сегментов включает в себя два или более дисплейных сегментов из множества дисплейных сегментов, при этом каждый дисплейный сегмент из набора сегментов включен в отдельную группу сегментов.

Оптические элементы могут включать в себя по меньшей мере одно из голографических и дифракционных оптических элементов. Голографические оптические элементы могут реализовывать пропускающие оптические структуры и/или отражающие оптические структуры. Дифракционные оптические элементы могут включать в себя по меньшей мере одно из микролинзовых структур, структур с микроотверстиями и микроотражающих зеркал (например, параболических зеркал).

В вариантах осуществления, имеющих кластеризованную компоновку дисплейных сегментов, каждый из множества кластеров может соответствовать соответствующей отдельной группе сегментов. Однако следует понимать, что группировка дисплейных сегментов для установления связи каждого из множества оптических элементов с соответствующей отдельной группой сегментов не зависит от физической кластеризации дисплейных сегментов и может быть также реализована в вариантах осуществления, демонстрирующих равномерное распределение дисплейных сегментов по всей дисплейной области.

В некоторых вариантах осуществления прозрачный элемент содержит прозрачный базовый элемент (или основной корпус) в виде пластины, слайса или линзы. Дисплейная область представляет собой сплошную, непрерывную область прозрачного элемента. Головное дисплейное устройство согласно настоящему изобретению может включать более одного прозрачного элемента. Если головное дисплейное устройство включает в себя два или более прозрачных элементов с физически различными прозрачными базовыми элементами, то любое количество из двух или более прозрачных элементов может быть снабжено соответствующим множеством пиксельных элементов в соответствии с настоящим изобретением. Используемый в настоящем документе термин «прозрачный» означает не только прозрачность с четкой видимостью, но также включает в себя полупрозрачность и матовость до уровня, который еще позволяет пользователю видеть и распознавать реальный мир через прозрачный элемент.Таким образом, вместо того, чтобы определять конкретный уровень прозрачности по шкале между полной прозрачностью и полной непрозрачностью, термин «прозрачный» в контексте настоящего изобретения относится к свойству прозрачного элемента обеспечивать прохождение света в видимом диапазоне длин волн через прозрачный элемент, что позволяет пользователю головного дисплейного устройства наблюдать реальный мир через прозрачный элемент.

Множество пиксельных элементов и множество дисплейных сегментов могут быть распределены в двух измерениях в дисплейной области. Кроме того, множество кластеров и/или множество групп сегментов могут быть распределены в двух измерениях в дисплейной области. Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения предусматривают по меньшей мере одно из следующего:

- множество кластеров равномерно распределены в каждом из двух измерений;

- множество дисплейных сегментов, включенных в каждый из множества кластеров, равномерно распределены в каждом из двух измерений; и

- подмножество пиксельных элементов, включенных в каждый из множества дисплейных сегментов, равномерно распределены в каждом из двух измерений.

Шаблоны распределения кластеров, сегментов и пиксельных элементов могут быть одинаковыми или разными. Возможные двумерные шаблоны распределения по меньшей мере одного из кластеров, сегментов в кластере и пиксельных элементов в сегменте включают в себя квадратный, прямоугольный, шестиугольный, параллелограммный или треугольный шаблон сетки.

В некоторых вариантах осуществления множество пиксельных элементов распределены вдоль первого направления и второго направления, которое перпендикулярно первому направлению. Каждый из дисплейных сегментов может включать в себя квадратный массив пиксельных элементов, например, массив 2×2 или 3×3 пиксельных элементов, при этом каждый из кластеров может включать в себя квадратный массив сегментов, например, массив 3x3 сегментов. Пиксельное расстояние в первом и/или втором направлениях между соседними пиксельными элементами, принадлежащими одному и тому же дисплейному сегменту, может быть одинаковым или различным для всего множества дисплейных сегментов, при этом сегментное расстояние в первом и/или втором направлениях между соседними дисплейными сегментами, принадлежащими одному и тому же кластеру дисплейных сегментов может быть одинаковым или различным во всем множестве кластеров. Подмножества пиксельных элементов каждого дисплейного сегмента расположены отстоящими друг от друга на заданное пиксельное расстояние в каждом из первого и второго направлений. Множество кластеров расположены отстоящими друг от друга на заданное кластерное расстояние в каждом из первого и второго направлений. И множество дисплейных сегментов каждого кластера расположены отстоящими друг от друга на заданное сегментное расстоянием в каждом из первого и второго направлений. Сегментное расстояние меньше, чем кластерное расстояние по меньшей мере в одном из первого и второго направлений, а пиксельное расстояние меньше, чем сегментное расстояние по меньшей мере в одном из первого и второго направлений.

В некоторых вариантах осуществления каждый из множества пиксельных элементов выполнен с возможностью излучения света с неизменной длиной волны или выполнен с возможностью излучения света с регулируемой длиной волны. Каждый из пиксельных элементов может быть выполнен с возможностью излучения видимого света (т.е. видимого для человеческого глаза). Изменение излучаемой длины волны (длин волн) пиксельных элементов может осуществляться посредством электрического управления.

В некоторых вариантах осуществления дисплейное устройство содержит оптическую систему, выполненную с возможностью приема света, излучаемого множеством пиксельных элементов, и преобразования света, излучаемого пиксельными элементами каждого набора сегментов, во множество коллимированных, по существу, параллельных, пространственно относительно смещенных световых пучков, каждый из которых несет свет, исходящий от соответствующего отдельного сегмента из дисплейных сегментов набора сегментов. Таким образом, реплицируемая изобразительная информация, исходящая из одной и той же части исходного изображения, может быть доставлена глазу пользователя взаимно смещенным образом.

Головное дисплейное устройство согласно настоящему изобретению может быть любым дисплейным устройством, предназначенным для ношения на голове человека, и, например, может быть частью шлема или может иметь собственную опорную конструкцию для поддержки головного дисплейного устройства на голове пользователя. Такая опорная конструкция может иметь, например, вид жесткой оправы, опирающейся на уши и/или нос пользователя, или может включать в себя эластичный ремешок, огибающий голову, или текстильную ленту для завязывания вокруг головы. В некоторых вариантах осуществления головное дисплейное устройство представляет собой пару очков, или визор, или является их частью. Головное дисплейное устройство согласно настоящему изобретению может быть выполнено таким образом, чтобы обеспечивать множество кластеров дисплейных сегментов только перед одним глазом пользователя (т.е. человека, носящего головное дисплейное устройство) или обеспечивать соответствующие множества дисплейных сегментов перед каждым из правого глаза и левого глаза пользователя.

Прозрачный элемент представляет собой деталь или часть дисплейного устройства, обладающую прозрачностью для видимого света, так что пользователь может видеть окружающий физический мир через прозрачный элемент. Область прозрачного элемента, обладающая прозрачностью, может называться прозрачной областью. Пиксельные элементы могут быть расположены на по меньшей мере на одной внешней поверхности прозрачного основного корпуса прозрачного элемента. Основной корпус может быть выполнен, например, в виде листа, пластины или линзы. Пиксельные элементы могут быть обеспечены по меньшей мере на одной внешней поверхности основного корпуса путем прикрепления прозрачной пленки или листа, содержащего пиксельные элементы, к основному корпусу с использованием, например, приклеивания или других методов соединения.

Пиксельный элемент - это элемент для отображения монохроматического или полихроматического пикселя изображения. В монохроматическом случае каждый пиксельный элемент может включать в себя один светоизлучающий диод. В полихроматическом случае каждый пиксельный элемент может включать в себя множество индивидуально управляемых светоизлучающих диодов разных цветов (например, красного, зеленого и синего). Пиксельные элементы могут включать в себя, например, органические светоизлучающие диоды (OLED) или микро-LED или ЖК-элементы.

В любом направлении распределения пиксельных элементов соседние пиксельные элементы могут иметь любое из трех расстояний одного от другого: относительно короткое внутрисегментное пиксельное расстояние; относительно более длинное внутрикластерное и межсегментное пиксельное расстояние (или просто межсегментное пиксельное расстояние в некластеризованных вариантах осуществления); и еще относительно более длинное межкластерное пиксельное расстояние (только для кластеризованных вариантов осуществления, т.е. вариантов осуществления с кластеризованным расположение дисплейных сегментов). Внутрисегментное пиксельное расстояние - это расстояние между ближайшими (то есть соседними) пиксельными элементами, принадлежащими одному и тому же дисплейному сегменту; внутрисегментное пиксельное расстояние также может называться просто пиксельным расстоянием. Внутрикластерное и межсегментное пиксельное расстояние - это расстояние между соседними пиксельными элементами, принадлежащими соседним дисплейным сегментам в пределах одного кластера (или просто между соседними пиксельными элементами, принадлежащими соседним дисплейным сегментам в некластеризованных вариантах осуществления); это расстояние можно назвать просто сегментным расстоянием. Межкластерное пиксельное расстояние - это расстояние между соседними пиксельными элементами, принадлежащими соседним кластерам (только для кластеризованных вариантов осуществления); это расстояние можно назвать просто кластерным расстоянием. В некоторых вариантах осуществления межкластерное пиксельное расстояние можно взять в качестве репрезентативной характеристики для расстояния между соседними кластерами (т.е. кластерного расстояния), а внутрикластерное и межсегментное пиксельное расстояние можно взять в качестве репрезентативной характеристики для расстояния между соседними дисплейными сегментами, принадлежащими одному и тому же кластеру дисплейных сегментов (т.е. сегментного расстояния).

Таким образом, некоторые варианты осуществления настоящего изобретения обеспечивают дисплейное устройство, в котором пиксельные элементы, расположенные в одном и том же дисплейном сегменте отстоят друг от друга на относительно меньшее пиксельное расстояние, тогда как дисплейные сегменты, расположенные в одном и том же кластере дисплейных сегментов, отстоят друг от друга на относительно большее сегментное расстояние, а пары соседних кластеров дисплейных сегментов отстоят друг от друга на относительно еще большее кластерное расстояние.

В обычном головном дисплейном устройстве пиксели исходного изображения преобразуют (англ. mapped) «один-в-один» в соответствующий пиксельный элемент головного дисплейного устройства. В некоторых вариантах осуществления настоящего изобретения, наоборот, установлено преобразование «один-во-много» пикселей исходного изображения во множество пиксельных элементов. В таких вариантах осуществления один пиксель исходного изображения преобразуют в группу пиксельных элементов, так что каждый из группы пиксельных элементов отображает один и тот же пиксель. Это позволяет реализовать методы репликации луча, способные доставлять четкое изображение глазу пользователя даже при наличии вращательного движения глаз относительно головного дисплейного устройства. Используя такие методы репликации луча, можно получить большой окуляр для головного дисплейного устройства согласно настоящему изобретению. Каждая из групп пиксельных элементов расположена в отдельном дисплейном сегменте, и каждый из дисплейных сегментов, включающих в себя группу пиксельных элементов, может быть расположен в отдельном кластере или в отдельной группе сегментов (при этом каждая группа сегментов связана с отдельным оптическим элементом оптической системы). В некоторых вариантах осуществления содержимое изображения, соответствующее размеру одного дисплейного сегмента, реплицируется по всей дисплейной области несколько раз, т.е. несколько отстоящих друг от друга дисплейных сегментов (каждый из которых может быть расположен в отдельном кластере) управляются и приводятся в действие для отображения одной и той же части исходного изображения одновременно.

Пиксельные элементы каждого дисплейного сегмента могут быть распределены, равномерно или неравномерно, в пределах области соответствующего дисплейного сегмента. Точно так же дисплейные сегменты каждого кластера могут быть распределены, равномерно или неравномерно, в пределах области соответствующего кластера, при этом кластеры также могут быть распределены, равномерно или неравномерно, в пределах дисплейной области прозрачного элемента.

Краткое описание чертежей

Дополнительные подробности, преимущества и аспекты настоящего изобретения станут очевидными из следующего подробного описания некоторых вариантов осуществления в сочетании с чертежами.

На чертежах:

на фиг. 1 схематично показаны очки, реализующие головное дисплейное устройство в соответствии с примерным вариантом осуществления;

на фиг. 2 схематично в аксонометрии показана часть прозрачного элемента головного дисплейного устройства в соответствии с примерным вариантом осуществления настоящего изобретения;

на фиг. 3 схематично в плане показана большая часть прозрачного элемента с фиг. 2;

на фиг. 4 схематично в плане показана часть прозрачного элемента с фиг. 2 и 3; и

на фиг. 5 показано схематическое представление оптического действия головного дисплейного устройства в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения.

Осуществление изобретения

Сначала рассмотрим фиг. 1. Очки в общем обозначены позицией 10 и содержат оправу 12 и две линзы (или два стекла) 14, удерживаемые на месте оправой 12. Оправа 12 включает в себя, как широко известно, боковые дужки 16 и мостик 18. При ношении пользователем, очки 10 боковыми дужками 16 опираются на уши пользователя, а мостик 18 опирается на нос пользователя. Линзы/стекла 14 могут быть оптическими линзами, обеспечивающими эффект коррекции зрения, полезный для ослабления дефекта зрения (например, близорукости, астигматизма, дальнозоркости, пресбиопии) глаз пользователя очков 10, или, альтернативно, могут быть простыми листами, слайсами или пластинами, изготовленными из прозрачного основного материала и не обеспечивающими эффекта коррекции зрения. В более общем смысле, каждая/каждое из линз/стекол 14 реализуют прозрачный элемент в понимании согласно настоящему изобретению. Глаза пользователя обозначены позицией 20 на фиг. 1. Следует понимать, что головное дисплейное устройство в соответствии с настоящим изобретением не ограничено реализацией в виде очков. Возможны и другие виды реализации, которые легко могут быть предусмотрены специалистом в данной области техники. Например, еще одной реализацией головного дисплейного устройства в соответствии с настоящим изобретением может быть визор шлема. Для реализации настоящего изобретения может быть использовано любое устройство, содержащее подходящую опорную головную конструкцию, позволяющую размещать прозрачный элемент перед одним или обоими глазами пользователя устройства. Головная опорная конструкция может быть выполнена из или состоять из одного или более твердых или жестких конструктивных компонентов (таких как, например, оправа 12) и/или одного или более гибких компонентов, таких как, например, эластичный ремень, текстильная лента, проволочный элемент и т.д.

Далее в настоящем документе очки 10 в целом также называются головным дисплейным устройством.

По меньшей мере одна (одно) из линз/стекол 14 содержит слой 22 пиксельных элементов и слой 24 оптических элементов. В примерном варианте осуществления, показанном на фиг. 1, обе (оба) линзы/стекла 14 снабжены слоем 22 пиксельных элементов и слоем 24 оптических элементов. Слой 22 пиксельных элементов содержит множество пиксельных элементов, а слой 24 оптических элементов содержит множество оптических элементов. Ни пиксельные элементы, ни оптические элементы на фиг. 1 конкретно не показаны; эти элементы будут раскрыты более подробно при рассмотрении фиг. 2-5. Пиксельные элементы распределены по области соответствующей (соответствующего) линзы/стекла 14 в общем неравномерным образом, формируя множество кластеров дисплейных сегментов (далее кратко - «кластеры»), каждый из которых содержит множество дисплейных сегментов (далее кратко - «сегменты»). Каждый сегмент, в свою очередь, содержит множество пиксельных элементов. Каждый пиксельный элемент слоя 22 пиксельных элементов служит для отображения соответствующего пикселя исходного изображения, отображаемого головным дисплейным устройством 10.

Оптические элементы слоя 24 оптических элементов могут включать в себя любые элементы, эффективно формирующие и/или направляющие световые пучки, излучаемые пиксельными элементами слоя 22 пиксельных элементов. Оптические элементы могут включать любые дифракционные, преломляющие, пропускающие и отражающие структуры. В некоторых вариантах осуществления оптические элементы образованы голографическими оптическими элементами, реализующими зеркала, отражающие световые пучки, излучаемые пиксельными элементами. В других вариантах осуществления оптические элементы образованы голографическими оптическими элементами, реализующими структуры собирающих линз, пропускающие световые пучки, излучаемые пиксельными элементами. В некоторых вариантах осуществления слой 22 пиксельных элементов и слой 24 оптических элементов обеспечены на одной и той же поверхности соответствующей (соответствующего) линзы/стекла 14; в других вариантах осуществления слои 22, 24 обеспечены на противоположных сторонах соответствующей (соответствующего) линзы/стекла 14. В примерном случае, показанном на фиг. 1, слой 22 пиксельных элементов расположен на стороне связанной (связанного) с ним линзы/стекла 14, обращенной (обращенного) к левому или правому глазу 20, а слой 22 оптических элементов расположен на противоположной стороне линзы/стекла 14, обращенной от левого или правого глаза 20. В этом случае пиксельные элементы слоя 22 пиксельных элементов излучают свои световые пучки в направлении от левого/правого глаза 20, а оптические элементы слоя 24 оптических элементов эффективно отражают принимаемые световые пучки и направляют их к левому/правому глазу 20. Слой 22 пиксельных элементов и слой 24 оптических элементов могут быть образованы отдельно изготовленными пленками или листами, которые могут быть прикреплены к линзе/стеклу 14, например, с помощью подходящего клея.

Головное дисплейное устройство 10 выполнено таким образом, чтобы направлять световые пучки, излучаемые пиксельными элементами слоя 22 пиксельных элементов, на левый или правый глаз 20, так что световые пучки, входящие в левый/правый глаз 20, фокусируются на сетчатке посредством роговицы и хрусталика. В некоторых вариантах осуществления слой 24 оптических элементов обладает коллимирующим эффектом для световых пучков, излучаемых пиксельными элементами слоя 22 пиксельных элементов. При излучении пиксельными элементами эти световые пучки обычно расходятся, и слой 24 оптических элементов уменьшает степень расхождения световых пучков для преобразования их в коллимированные световые пучки, имеющие, по существу, нулевое расхождение (и нулевое схождение) или имеющие остаточную малую степень расхождения.

Материал линз/стекол 14 обычно пропускает свет в видимом диапазоне длин волн (т.е. видимый для человеческого глаза). В то же время слой 22 пиксельных элементов оставляет достаточное пространство между соседними пиксельными элементами, позволяя пользователю головного дисплейного устройства 10 наблюдать изображение окружающего его физического мира через слой 22 пиксельных элементов. Эти промежутки остаются между соседними пиксельными элементами, принадлежащими разным сегментам или разным кластерам, а также могут быть оставлены между соседними пиксельными элементами, принадлежащими к одному и тому же сегменту. Таким образом, пользователь головного дисплейного устройства 10 может видеть физический мир вокруг себя и одновременно видеть изображение дополненной реальности, созданное слоем 22 пиксельных элементов в сочетании со слоем 24 оптических элементов.

Теперь дополнительно обратимся к фиг. 2, на которой схематически показана часть прозрачного элемента 26, снабженного множеством пиксельных элементов 28, распределенных неравномерным образом в дисплейной области 30 прозрачного элемента 26. Прозрачный элемент 26 выполнен из основного материала, который прозрачен для света в видимом диапазоне длин волн, или включает в себя такой материал, и может быть изготовлен из стекла или пластика. Прозрачный элемент 26 может быть образован любой (любым) из линз/стекол 14 головного дисплейного устройства 10, показанного на фиг. 1. В этом случае пиксельные элементы 28 могут быть включены в слой 22 пиксельных элементов. Как показано на фиг. 2, пиксельные элементы 28 сгруппированы в сегменты 32, каждый из которых в проиллюстрированном примерном варианте осуществления содержит равномерную компоновку 2×2 из четырех пиксельных элементов 28. Следует понимать, что количество пиксельных элементов 28 в каждом сегменте 32 не сводится к четырем, и что вместо этого в каждый сегмент 32 может быть включено любое другое количество пиксельных элементов 28. Кроме того, следует понимать, что шаблон расположения пиксельных элементов 28 в каждом сегменте 32 не ограничивается квадратной матричной компоновкой (например, в матрице 2×2, 5×5 или 20×20), но может быть любым шаблоном, включая, помимо прочего, прямоугольную матричную компоновку (например, 3×2, 5×3 или 10×5), треугольную матричную компоновку, ромбовидную матричную компоновку и т.д. В целом, общее количество пиксельных элементов 28 в сегменте 32 может составлять от 2 до более 100. Кроме того, следует понимать, что количество пиксельных элементов 28 может быть одинаковым или не одинаковым во всех сегментах 32.

В варианте осуществления, показанном на фиг. 2, сегменты 32 равномерно расположены в строках и столбцах с расстоянием Sx между соседними сегментами 32 в направлении строки (1-е направление, или х-направление) и расстоянием Sy между соседними сегментами 32 в направлении строки в направлении столбца (2-е направление, или у-направление). Расстояние Sx может измеряться, например, от центра до центра двух пиксельных элементов 28, которые соседствуют друг с другом в направлении строки, при этом каждый из них принадлежит другому сегменту 32 из пары соседних сегментов 32. Альтернативно, расстояние Sx может измеряться как промежуток от края до края между соседними пиксельными элементами 28. Расстояние Sx представляет внутрикластерное и межсегментное пиксельное расстояние в направлении строки и относится к х-расстоянию между соседними сегментами 32 в пределах одного кластера сегментов 32. Расстояние Sy может быть определено аналогичным образом и представляет собой внутрикластерное и межсегментное пиксельное расстояние в направлении столбца. Расстояние Sx и расстояние Sy могут быть равными или различными. В некоторых вариантах осуществления расстояние Sx одинаково для всех пар сегментов 32, которые соседствуют друг с другом в направлении строки и принадлежат одному кластеру. Аналогично, расстояние Sy является одинаковым в некоторых вариантах осуществления для всех пар сегментов 32, которые соседствуют друг с другом в направлении столбца и принадлежат одному кластеру. Кроме того, некоторыми вариантами осуществления предусмотрено, чтобы расстояние Sx было одинаковым во всех кластерах, и/или расстояние Sy было одинаковым во всех кластерах. Расстояние Sx можно кратко назвать сегментным расстоянием в направлении строки, а расстояние Sy можно кратко назвать сегментным расстоянием в направлении столбца.

Как также показано на фиг. 2, пиксельные элементы 28 каждого сегмента 32 распределены по тем же направлениям строк и столбцов, что и сегменты 32, и имеют внутрисегментное пиксельное расстояние Рх друг от друга в направлении строки и внутрисегментное пиксельное расстояние Ру друг от друга в направлении столбца. Расстояния Рх и Ру могут быть одинаковыми или различными. Опять же, расстояния Рх и Ру могут измеряться, например, от центра до центра двух соседних пиксельных элементов 28, принадлежащих одному и тому же сегменту 32, или могут измеряться как промежуток от края до края между двумя соседними пиксельными элементами 28. В некоторых вариантах осуществления расстояние Рх одинаково для всех пар пиксельных элементов 28, которые соседствуют друг с другом в направлении строки и принадлежат одному сегменту 32 (применимо только, если предусмотрено более двух пиксельных элементов в сегменте 32 в направлении строки). Аналогично, в некоторых вариантах осуществления расстояние Ру одинаково для всех пар пиксельных элементов 28, которые соседствуют друг с другом в направлении столбца и принадлежат одним и тем же сегментам 32 (применимо, только если предусмотрено более двух пиксельных элементов 28 в сегменте 32 в направлении столбца). Кроме того, в некоторых вариантах осуществления предусмотрено, что расстояние Рх будет одинаковым во всех сегментах 32 кластера и, возможно, также во всех кластерах, и/или расстояние Ру будет одинаковым во всех сегментах 32 кластера и, возможно, также во всех кластерах. Расстояние Рх можно кратко назвать пиксельным расстоянием или пиксельным шагом в направлении строки, а расстояние Ру можно кратко назвать пиксельным расстоянием или пиксельным шагом пикселя в направлении столбца.

Как можно легко понять из показанного на фиг. 2, сегментное расстояние Sx в направлении строки больше, чем пиксельное расстояние Рх, а сегментное расстояние Sy в направлении столбца больше, чем пиксельное расстояние Ру. Например, сегментное расстояние Sx может быть больше в 2 или в 3 раза, или в 5, или в 10, или в 20 в более раз, чем пиксельное расстояние Рх, а сегментное расстояние Sy может быть больше в 2 или в 3 раза, или в 5, или в 10 или в 20 или в более раз, чем пиксельное расстояние Ру. Коэффициент, с которым сегментное расстояние Sx превышает пиксельное расстояние Рх, может быть таким же или отличным от коэффициента, с которым сегментное расстояние Sy превышает пиксельное расстояние Ру. Таким образом, сегменты 32 и пиксельные элементы 28 в каждом сегменте 32 расположены с разными расстояниями.

Пиксельные элементы 28 могут иметь любую структуру, пригодную для излучения света под электрическим управлением. В некоторых вариантах осуществления пиксельные элементы 28 выполнены из светоизлучающих диодов (включая органические светоизлучающие диоды, OLED, и микро-LED). В других вариантах осуществления для реализации пиксельных элементов 28 можно использовать другие типы светоизлучающих структур, включая микролазерные структуры и жидкокристаллические дисплейные (LCD) элементы.

Спектр светового излучения пиксельных элементов 28 может быть монохроматическим или полихроматическим. В случае полихроматического спектра каждый пиксельный элемент 28 может состоять из множества (например, трех) субпиксельных элементов, при этом каждый субпиксельный элемент выполнен с возможностью излучения света отличного монохроматического цвета, например красного, синего и зеленого. Благодаря индивидуальному управлению субпиксельными элементами с помощью подходящей схемы электрического приведения в действие можно создать множество цветов на основании полихроматического цветового диапазона. Каждый субпиксельный элемент может быть выполнен, например, как светоизлучающий диод, органический светоизлучающий диод, жидкокристаллический дисплейный элемент или микролазер.

На фиг. 2 дополнительно изображена управляющая схема 34, включающая в себя электрическую схему 36 приведения в действие пикселей и электронный блок 38 управления для индивидуального управления пиксельными элементами 28, включенными в сегменты 32. Управление, обеспечиваемое управляющей схемой 34, включает в себя управление включением-выключением пиксельных элементов 28, а в некоторых вариантах осуществления дополнительно включает в себя управление по меньшей мере одним из интенсивности и цвета света, излучаемого каждым пиксельным элементом 28. Управление включением-выключением определяет, активно ли излучает свет каждый пиксельный элемент 28 пикселей (т.е. включенное состояние) или остается темным (выключенное состояние). Блок 38 управления хранит пиксельную информацию или имеет доступ к пиксельной информации исходного пикселизированного изображения и соответствующим образом выполнен с возможностью (например, путем программирования) преобразования (англ. mapping) пиксельной информации исходного изображения в пиксельные элементы 28 прозрачного элемента 26. На основании указанного преобразования блок 38 управления управляет схемой 36 приведения в действие пикселей, чтобы электрически приводить в действие пиксельные элементы 28.

Теперь дополнительно рассмотрим фиг. 3, на которой показана большая часть прозрачного элемента 26 с фиг. 2. На фиг. 3 пиксельные элементы 28 прозрачного элемента 26 не изображены по отдельности. Напротив, на фиг. 3 показано только распределение сегментов 32 прозрачного элемента 26 по дисплейной области 30. Как показано, сегменты 32 сгруппированы в кластеры 40, которые равномерно распределены в одинаковых х- и у-направлениях (направлениях строк и столбцов) в виде сегментов 32 по фиг. 2, с расстоянием Сх, существующим между соседними кластерами 34 в направлении строки, и расстоянием Су, существующим между соседними кластерами 34 в направлении столбца. В примерном варианте осуществления, показанном на фиг. 3, каждый кластер 40 состоит всего из девяти сегментов 32, расположенных в матричном массиве 3x3. Следует понимать, что общее количество сегментов 32, входящих в каждый кластер 40, не ограничено девятью и может в других вариантах осуществления составлять любое другое количество сегментов 32. Однако, ради пояснения принципов настоящего изобретения здесь и далее предполагается, что каждый кластер 40 содержит всего девять сегментов 32. Кроме того, следует понимать, что шаблон расположения сегментов 32 в каждом кластере 40 не ограничивается квадратной матричной компоновкой (например, в матрице 2×2, 3×3, 4×4 или 5×5), но может быть любым шаблоном, включая, но не ограничиваясь этим, например, прямоугольную матричную компоновку (например, 3×2, 4×3 или 5×2), треугольную матричную компоновку, ромбовидную матричную компоновку и т.д. В целом, общее количество сегментов 32 в кластере 40 может составлять где-то от 2 до свыше 20.

Расстояние Сх может измеряться, например, от центра до центра двух пиксельных элементов 28, которые соседствуют друг с другом в направлении строки, при этом каждый принадлежит другому кластеру 40 из пары соседних кластеров 40. Альтернативно, расстояние Сх может измеряться как промежуток от края до края между соседними пиксельными элементами 28. Расстояние Сх представляет собой межкластерное пиксельное расстояние в направлении строки. Расстояние Су может быть определено аналогичным образом и представляет собой межкластерное пиксельное расстояние в направлении столбца. Расстояния Сх и Су могут быть одинаковыми или разными. В некоторых вариантах осуществления расстояние Сх одинаково для всех пар кластеров 40, которые соседствуют друг с другом в направлении строки. Аналогично, расстояние Су в некоторых вариантах осуществления одинаково для всех пар кластеров 40, которые соседствуют друг с другом в направлении столбца. Расстояния Сх и Су можно кратко назвать кластерным расстоянием в направлениях строки и столбца, соответственно.

Как можно легко понять из показанного на фиг. 3, кластерное расстояние Сх в направлении строки больше, чем сегментное расстояние Sx, а кластерное расстояние Су в направлении столбца больше, чем сегментное расстояние Sy. Например, кластерное расстояние Сх может быть в 2, или в 3 раза, или в 5, или в 10 раз больше, чем сегментное расстояние Sx, а кластерное расстояние Су может быть больше в 2, 3 раза, в 5, 10 или более раз, чем сегментное расстояние Sy. Коэффициент, с которым кластерное расстояние Сх превышает сегментное расстояние Sx, может быть таким же или отличным от коэффициента, с которым кластерное расстояние Су превышает сегментное расстояние Sy. Таким образом, кластеры 40 и сегменты 32 расположены с разными расстояниями; при кластеризации некоторые пары соседних сегментов 32 (т.е. те пары, у которых соседние сегменты 32 расположены в разных кластерах) имеют большее расстояние, чем другие пары соседних сегментов 32 (т.е. те пары, у которых соседние сегменты 32 расположены в одном кластере).

Размер и плотность пиксельных элементов 28, сегментов 32 и кластеров 40 выбираются таким образом, чтобы между пиксельными элементами 28, сегментами 32 и кластерами 40 оставалось достаточно места, чтобы пользователь мог распознавать физический мир на основании света, проходящего через прозрачный элемент 26 в промежутках между пиксельными элементами 28, сегментами 32 и кластерами 40.

В варианте осуществления по фиг. 2 и 3, кластеризация сегментов 32 может использоваться для так называемой репликации светового пучка, излучаемого конкретным сегментом 32, расположенным в конкретном кластере 40, путем управления одним или более другими сегментами 32, находящимися в одном или более других кластерах 40, для одновременного отображения одной и той же части исходного изображения, которая отображается в данный момент конкретным сегментом 32. В частности, некоторые варианты осуществления предусматривают, чтобы управляющая схема 34 была выполнена соответствующим образом для управления пиксельными элементами 28, чтобы часть исходного изображения, отображаемая в данный момент конкретным сегментом 32, расположенным в конкретном кластере 40, реплицировалась (т.е. отображалась одновременно) множеством других сегментов 32, каждый из которых расположен в другом соседнем кластере 40. Управляющая схема 34 способна выполнять требуемое преобразование (англ. mapping) конкретной части изображения исходного изображения во множество сегментов 32, находящихся в разных кластерах 40. Репликация отображения частей исходного изображения с использованием кластеризованной компоновки дисплейных сегментов 32 на фиг. 2 и 3 будет более подробно пояснена ниже при рассмотрении фиг. 4 и 5.

На фиг. 4 показан вид сверху части прозрачного элемента 26, показанного на фиг. 2 и 3. В общем, на фиг. 4 показаны девять кластеров дисплейных сегментов с 40-1 по 40-9 в компоновке 3x3. Каждый из кластеров с 40-1 по 40-9 на фиг. 4 соответствует одному из кластеров 40 на фиг. 3 и содержит, как и на фиг. 3, в общей сложности девять дисплейных сегментов 32, расположенных в матрице 3×3. Центральный кластер на фиг. 4 обозначен 40-1, а кластеры, окружающие центральный кластер 40-1, обозначены позициями с 40-2 по 40-9. Таким образом, каждый из кластеров с 40-2 по 40-9 является соседним по отношению к центральному кластеру 40-1. В примере, показанном на фиг. 4, окружающие кластеры с 40-2 по 40-9 распределены вокруг центрального кластера 40-1 с одинаковым угловым промежутком. Очевидно, что термин «центральный кластер» относится только к центральному местоположению кластера 40-1 в наборе кластеров, показанном на фиг. 4; при этом центральный кластер 40-1 не обязательно должен располагаться в центре прозрачного элемента 26, и наоборот - может располагаться в любом месте дисплейной области 30 прозрачного элемента 26.

Центральный кластер 40-1 имеет центральный сегмент 32 (первый сегмент), обозначенный указанным номером позиции 1 на фиг. 4. Термин «центральный сегмент» относится к сегменту, который расположен в центре матрицы 3×3 сегментов рассматриваемого кластера. Каждый из окружающих кластеров с 40-2 по 40-9 имеет периферийный сегмент 32 (второй сегмент), помеченный указанным номером позиции 1'. Термин «периферийный сегмент» относится к любому из сегментов, которые не являются центральным сегментом матрицы 3×3 сегментов рассматриваемого кластера. Номер позиции 1 указывает конкретную часть исходного изображения, которая отображается центральным сегментом 32 центрального кластера 40-1 в определенный момент времени. Номер позиции 1' указывает репликацию или «копию» той же части исходного изображения. Каждый из соседних, то есть окружающих кластеров с 40-2 по 40-9, имеет периферийный сегмент 32, который отображает «копию» 1' в тот же момент времени, в какой центральный сегмент 32 центрального кластера 40-1 отображает исходную часть 1 изображения. Сегмент 32, отображающий часть 1 исходного изображения, и сегменты 32, отображающие «копии» 1' части 1 исходного изображения, вместе образуют набор сегментов, каждый элемент которого приводится в действие управляющей схемой 34 для отображения одного изобразительного содержания одновременно. Блок 38 управления имеет функцию преобразования (англ. mapping) одной и той же части исходного изображения во все элементы набора сегментов.

Как показано на фиг. 4, периферийные сегменты 32, отображающие «копии» 1' части 1 исходного изображения, находятся в соответствующих различных периферийных положениях в кластерах с 40-2 по 40-9. В примерном варианте осуществления на фиг. 4 кластер 40-2, который является левым верхним соседом центрального кластера 40-1, отображает «копию» 1' в своем нижнем правом угловом сегменте 32, который является ближайшим к центральному кластеру 40-1. Аналогично, верхний правый, нижний правый и нижний левый соседние кластеры 40-4, 40-6 и 40-8, каждый, отображают «копию» 1' в их нижних левых, верхних левых и верхних правых угловых сегментах 32, соответственно. Верхний, правый, нижний и левый соседние кластеры 40-3, 40-5, 40-7 и 40-9 отображают «копию» 1' в их нижнем, левом, верхнем и правом средних краевых сегментах 32, соответственно.

В варианте осуществления, показанном на фиг. 4, кластеры с 40-1 по 40-9 вместе образуют набор кластеров в смысле настоящего изобретения. Каждый кластер из набора кластеров имеет сегмент 32, который отображает одинаковый набор пикселей исходного изображения, то есть одинаковую часть исходного изображения. Как отмечалось выше, каждый из кластеров с 40-2 по 40-9 является соседним по отношению к центральному кластеру 40-1. Однако следует понимать, что кластеры с 40-2 по 40-9, отображающие «копии» 1', не обязательно должны быть соседями центрального кластера 40-1. Напротив, в объем настоящего раскрытия входит набор кластеров, не включающий в себя взаимных соседей. Таким образом, набор кластеров может не включать в себя пару кластеров 40, которые являются соседями друг друга. Например, может быть предусмотрен вариант осуществления, в котором набор кластеров включает в себя центральный кластер 40 и множество окружающих кластеров 40, окружающих центральный кластер 40, например, с одинаковым угловым промежутком. Между каждым из окружающих кластеров 40 и центральным кластером 40, т.е. если смотреть в радиальном направлении от центрального кластера 40, может находиться по меньшей мере один другой кластер 40, принадлежащий другому набору кластеров.

Используя вышеприведенный шаблон репликации, часть исходного изображения, отображаемая в центральном сегменте 32 конкретного кластера 40, может быть реплицирована в общей сложности восемь раз соответствующими различными периферийными сегментами 32 (различными с точки зрения расположения вдоль периферии кластера) восьми окружающих кластеров 40. Сегменты 32 каждого кластера 40 затем, каждый, отображают разные части исходного изображения, при этом центральный сегмент 32 отображает, так сказать, часть «исходного» изображения, а остальные (т.е. периферийные) сегменты 32, каждый, отображают «реплику». Поясняемый в настоящем документе шаблон репликации может быть применен ко всем кластерам 40, обеспеченным в дисплейной области 30 прозрачного элемента 26, при условии, что кластеры 40, расположенные на периферии дисплейной области 30, не окружены со всех сторон другими кластерами 40, а только имеют уменьшенное количество соседних кластеров 40.

В приведенном выше иллюстративном сценарии восемь «копий» части «исходного» изображения проявляются в восьми «реплицированных» световых пучках, которые сдвинуты или смещены в плоскости х-у по отношению к световому пучку, создаваемому сегментом 32, отображающему «оригинал» рассматриваемой части изображения (т.е. «исходный» световой луч). В некоторых вариантах осуществления реплицированные световые пучки и исходный световой пучок проходят, как коллимированные световые пучки, по существу, параллельно друг другу от прозрачного элемента 26 до глаза (глаз) пользователя головного дисплейного устройства. Эти световые пучки могут быть пространственно не соединяющимися или могут частично накладываться друг на друга.

Обратимся далее к фиг. 5, где одинаковые или подобные компоненты обозначены теми же ссылочными позициями, что и на фиг. 1 - фиг. 4, с той разницей, что на фиг. 5 к указанным ссылочным позициям добавлена буква «а». Поскольку следующее пояснение к фиг. 5 не указывает на иное, для объяснения этих компонентов рассматривается вышеприведенное описание фиг. 1-фиг. 4.

На фиг. 5 головное дисплейное устройство в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения в целом обозначено 42а и, как показано, расположено для надлежащего использования перед глазом 20а пользователя, носящего головное дисплейное устройство 42а. Головное дисплейное устройство 42а содержит множество пиксельных элементов (не показаны на фиг. 5), которые обеспечены на прозрачном элементе (не показан, но образован, например, прозрачным элементом 26 с фиг. 2-фиг. 4) и сгруппированы во множество дисплейных сегментов 32а, имеющих кластеризованную компоновку. Группирование пиксельных элементов в сегменты 32а может следовать тем же принципам, которые объяснялись в связи с фиг. 2, а группирование дисплейных сегментов 32а в кластеры 40а может следовать тем же принципам, которые объяснялись в связи с фиг. 3 и 4. На фиг. 5 показаны три кластера 40а-1, 40а-2 и 40а-3 с тремя сегментами 32а в каждом кластере 40а-1, 40а-2, 40а-3. Следует понимать, что общее количество сегментов 32а в каждом кластере 40а-1, 40а-2 или 40а-3 может быть больше трех и может быть, например, девятью (как на фиг. 3 и 4). Вид головного дисплейного устройства 42а на фиг. 5 соответствует виду в разрезе прозрачного элемента 26 на фиг. 3 и 4, чтобы сегменты 32а, расположенные в плоскостях спереди и сзади от плоскости чертежа на фиг. 5, не были видны на виде в разрезе на фиг. 5.

Головное дисплейное устройство 42а дополнительно содержит оптическую систему 43а, включающую в себя множество голографических оптических элементов 44а, которые вместе могут образовывать слой 24 оптических элементов по фиг. 1 или быть включены в него. В примерном сценарии, показанном на фиг. 5, голографические оптические элементы 44а расположены на расстоянии от сегментов 32а на обращенной к глазу 20а стороне сегментов 32а и пропускают световые пучки 46а, создаваемые сегментами 32а. Пиксельные элементы, включенные в сегменты 32а, ориентированы так, чтобы излучать свет в общем направлении глаза 20а. В альтернативных вариантах осуществления пиксельные элементы, включенные в сегменты 32а, ориентированы так, чтобы излучать свет в направлении от глаза 20а. В таких вариантах осуществления головное дисплейное устройство 42а будет включать в себя топографические оптические элементы, расположенные на расстоянии от сегментов 32а на стороне сегментов 32а, обращенной от глаза 20а, и обеспечивающие отражающий эффект для световых пучков 46а. Голографические оптические элементы 44а (пропускающие или отражающие для световых пучков 46а) уменьшают расхождение световых пучков 46а, которые расходятся при излучении из сегментов 32а, чтобы преобразовать световые пучки 46а в коллимированные световые пучки 48а и направлять коллимированные световые пучки 48а к глазу 20а. Множество коллимированных световых пучков 48а, несущих изобразительную информацию от одной части исходного изображения (т.е. исходный световой пучок и один или более реплицированных световых пучков), распространяются параллельно друг другу от местоположения гол о графических оптических элементов 44а к глазу 20а, как показано на фиг. 5. И наоборот, коллимированные световые пучки 48а, несущие изобразительную информацию от разных частей исходного изображения, могут распространяться от местоположения голографических оптических элементов 44а к глазу 20а либо параллельно, либо под углом друг к другу.

На фиг. 5 каждый топографический оптический элемент 44а связан с соответствующим отдельным кластером 40а. Таким образом, кластер 40а-1 связан с голографическим оптическим элементом 44а-1, кластер 40а-2 связан с голографическим оптическим элементом 44а-2, а кластер 40а-3 связан с голографическим оптическим элементом 44а-3. Только световые пучки 46а, исходящие из сегментов 32а конкретного кластера 40а, будут должным образом коллимированы и направлены в глаз 20а соответствующим голографическим оптическим элементом 44а. Другие голографические оптические элементы 44а, которые не связаны с конкретным кластером 40а, не будут должным образом коллимировать и направлять световые пучки 46а, выходящие из сегментов 32а конкретного кластера, в глаз 20а пользователя.

В примерной ситуации, показанной на фиг. 5, три световых пучка 46а, создаваемые центральным сегментом 32а кластера 40а-2, нижним сегментом 32а кластера 40а-1 и верхним сегментом 32а кластера 40а-3 отображают одну и ту же часть исходного изображения. Используя терминологию, введенную выше, световой пучок 46а, создаваемый центральным сегментом 32а кластера 40а-2, можно назвать исходным световым пучком, тогда как световые пучки 46а, создаваемые нижним сегментом 32а кластера 40а-1 и верхним сегментом 32а кластера 40а-3 можно назвать реплицированными световыми пучками. Как показано, эти световые пучки после коллимации голографическими оптическими элементами 44а-1, 44а-2, 44а-3 доходят как взаимно параллельные коллимированные световые пучки 48а до глаза 20а и попадают на переднюю поверхность глаза 20а на соответствующие различные, относительно смещенные в пространстве позиции или области. Для пояснения предположим, что головное дисплейное устройство 42а на фиг. 5 имеет такую же компоновку 3x3 сегментов 32а в каждом кластере 40а, как показано на фиг. 3 и 4, дополнительные шесть реплицированных световых пучков будут создаваться головным дисплейным устройством 42а в качестве реплик исходного светового пучка, излучаемого из центрального сегмента 32а кластера 40а-2, три будут излучаться сегментами 32а в кластерах 40а, расположенных перед плоскостью чертежа на фиг. 5, и три будут излучаться сегментами 32а в кластерах 40а, расположенных позади плоскости чертежа на фиг. 5.

Подводя итог, можно сказать, что оптическая система 43а преобразует свет, полученный от сегментов 32а, в коллимированные световые пучки 48а. Оптическая система 43а выполнена таким образом, что коллимированные световые пучки 48а, исходящие из сегментов 32а, которые одновременно отображают одну и ту же часть исходного изображения, имеют одинаковое направление распространения от оптической системы 43а к глазу 20а и пространственно смещены друг относительно друга. Коллимированные световые пучки 48а, исходящие из сегментов 32а, которые отображают разные части исходного изображения и, таким образом, несут разную изобразительную информацию, могут, наоборот, распространяться во взаимно различных направлениях от оптической системы 43а к глазу 20а.

В примерном варианте осуществления, показанном на фиг. 5, голографические оптические элементы 44а показаны с взаимным перекрыванием. Следует понимать, что вполне допустимы и другие варианты осуществления, в которых голографические оптические элементы 44а выполнены без взаимного перекрывания.

Головное дисплейное устройство в соответствии с настоящим изобретением может иметь выходной зрачок большего размера, чем обычные головные дисплейные устройства, не обеспечивающие репликацию пучка, т.е. без репликации исходного светового пучка во множестве пространственно смещенных положений по области массива пиксельных элементов головного дисплейного устройства. Выходной зрачок может стать больше в результате создания множества пространственно смещенных световых пучков. Таким образом, варианты осуществления настоящего изобретения могут гарантировать, что изобразительная информация исходного изображения может достичь зрачка пользователя и попасть в зрачок пользователя также при наличии движений глаза пользователя относительно головного дисплейного устройства.

В соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения кластеры дисплейных сегментов могут быть равномерно распределены по дисплейной области прозрачного элемента головного дисплейного устройства, при этом каждый кластер может включать в себя равномерное распределение дисплейных сегментов, а каждый дисплейный сегмент может включать в себя равномерное распределение пиксельных элементов. В других вариантах осуществления, не имеющих кластеризованной компоновки дисплейных сегментов, дисплейные сегменты могут быть равномерно распределены по дисплейной области прозрачного элемента. Множеством поднаборов пиксельных элементов головного дисплейного устройства можно управлять так, чтобы каждый из множества поднаборов отображал одну и ту же (многопиксельную или однопиксельную) часть исходного изображения. Некоторые варианты осуществления настоящего изобретения предусматривают преобразование (англ. mapping) «один-во-много» (многопиксельных или однопиксельных) частей исходного изображения в соответствующие отдельные наборы дисплейных сегментов, так что каждый сегмент из набора сегментов отображает одну и ту же часть исходного изображения, а разные части исходного изображения отображаются разными наборами сегментов. Сегменты каждого набора сегментов могут быть взаимно не соседними, т.е. между каждой парой сегментов конкретного набора сегментов могут располагаться один или более сегментов из по меньшей мере одного другого набора сегментов. Головное дисплейное устройство, предлагающее окуляр большого размера, можно обеспечить путем репликации изобразительного содержимого на наборе взаимно не соседних дисплейные сегменты. Управляющая схема головного дисплейного устройства может быть выполнена подходящим образом для преобразования (англ. mapping) одной и той же части изображения в каждый из поднаборов пиксельных элементов и для управления пиксельными элементами поднаборов в соответствии с указанным преобразованием. Таким образом, множество световых пучков, представляющих одну и ту же изобразительную информацию от одной и той же части исходного изображения, могут быть созданы и доставлены к глазу пользователя пространственно распределенным образом. Даже при движении глаз пользователь всегда может видеть четкое изображение информации, отображаемой головным дисплейным устройством.

Изобретение относится к устройствам дополненной реальности. Головное дисплейное устройство содержит прозрачный элемент, снабженный множеством пиксельных элементов, выполненных с возможностью излучения света для отображения изображения. Множество пиксельных элементов распределены по дисплейной области прозрачного элемента таким образом, чтобы сформировать множество кластеров, при этом каждый из множества кластеров включает в себя множество дисплейных сегментов, а каждый из множества дисплейных сегментов включает в себя подмножество из множества пиксельных элементов. Кластерное расстояние (Сх, Су) между соседними кластерами больше, чем сегментное расстояние (Sx, Sy) между соседними дисплейными сегментами в каждом из соседних кластеров. Сегментное расстояние больше, чем пиксельное расстояние между соседними пиксельными элементами в каждом из соседних дисплейных сегментов. Технический результат - повышение четкости изображения. 2 н. и 18 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Головное дисплейное устройство, содержащее:

прозрачный элемент, снабженный множеством пиксельных элементов, выполненных с возможностью излучения света для отображения изображения, при этом множество пиксельных элементов распределены по дисплейной области прозрачного элемента таким образом, чтобы сформировать множество дисплейных сегментов, причем каждый из множества дисплейных сегментов включает в себя подмножество из множества пиксельных элементов,

причем пиксельное расстояние между соседними пиксельными элементами, принадлежащими соседним дисплейным сегментам, больше, чем пиксельное расстояние между соседними пиксельными элементами в каждом из соседних дисплейных сегментов,

причем головное дисплейное устройство дополнительно содержит управляющую схему для электрического приведения в действие каждого из множества пиксельных элементов на основании преобразования пикселей исходного изображения во множество пиксельных элементов, при этом управляющая схема выполнена с возможностью преобразования множества разных частей исходного изображения в соответствующие разные сегменты из множества дисплейных сегментов,

причем управляющая схема выполнена с возможностью преобразования каждой из множества отдельных частей изображения в соответствующий отдельный набор сегментов, при этом каждый набор сегментов включает в себя первый дисплейный сегмент и по меньшей мере один второй дисплейный сегмент.

2. Дисплейное устройство по п. 1, в котором пиксельное расстояние между соседними пиксельными элементами, принадлежащими соседним кластерам, больше, чем пиксельное расстояние между соседними пиксельными элементами, принадлежащими соседним дисплейным сегментам в каждом из соседних кластеров.

3. Головное дисплейное устройство, содержащее:

прозрачный элемент, снабженный множеством пиксельных элементов, выполненных с возможностью излучения света для отображения изображения, при этом множество пиксельных элементов распределены по дисплейной области прозрачного элемента таким образом, чтобы сформировать множество дисплейных сегментов, причем каждый из множества дисплейных сегментов включает в себя подмножество из множества пиксельных элементов,

причем пиксельное расстояние между соседними пиксельными элементами, принадлежащими соседним дисплейным сегментам, больше, чем пиксельное расстояние между соседними пиксельными элементами в каждом из соседних дисплейных сегментов,

причем головное дисплейное устройство дополнительно содержит оптическую систему для уменьшения расходимости расходящегося светового пучка, излучаемого каждым из множества дисплейных сегментов, при этом оптическая система включает в себя множество оптических элементов, каждый из которых связан с соответствующей отдельной группой сегментов из множества групп сегментов, при этом каждая группа сегментов включает в себя подмножество из множества дисплейных сегментов,

причем световой пучок, излучаемый каждым дисплейным сегментом из группы сегментов, направлен соответствующим оптическим элементом на позицию, обеспечивающую прием светового пучка на сетчатке глаза пользователя, носящего головное дисплейное устройство,

причем головное дисплейное устройство содержит управляющую схему, выполненную с возможностью приведения в действие каждого дисплейного сегмента из набора сегментов для отображения одной и той же части исходного изображения, при этом набор сегментов включает в себя два или более дисплейных сегментов из множества дисплейных сегментов,

причем каждый дисплейный сегмент из набора сегментов включен в отдельную группу сегментов.

4. Дисплейное устройство по п. 1, в котором между первым дисплейным сегментом и каждым из по меньшей мере одного второго дисплейного сегмента из набора сегментов расположен по меньшей мере один дисплейный сегмент из по меньшей мере одного другого набора сегментов.

5. Дисплейное устройство по п. 1 или 4, в котором набор сегментов включает в себя множество вторых дисплейных сегментов, расположенных в разных направлениях от первого дисплейного сегмента.

6. Дисплейное устройство по п. 5, в котором множество вторых дисплейных сегментов распределены с одинаковым угловым промежутком вокруг первого дисплейного сегмента.

7. Дисплейное устройство по п. 5 или 6, в котором множество вторых дисплейных сегментов составляет четыре, восемь или шестнадцать вторых дисплейных сегментов.

8. Дисплейное устройство по п. 2, в котором между первым дисплейным сегментом и каждым из по меньшей мере одного второго дисплейного сегмента из набора сегментов расположен по меньшей мере один дисплейный сегмент из по меньшей мере одного другого набора сегментов.

9. Дисплейное устройство по п. 2, в котором набор сегментов включает в себя множество вторых дисплейных сегментов, расположенных в разных направлениях от первого дисплейного сегмента.

10. Дисплейное устройство по п. 9, в котором множество вторых дисплейных сегментов распределены с одинаковым угловым промежутком вокруг первого дисплейного сегмента.

11. Дисплейное устройство по п. 9 или 10, в котором множество вторых дисплейных сегментов составляет четыре, восемь или шестнадцать вторых дисплейных сегментов.

12. Дисплейное устройство по любому из пп. 2 и 8-11, в котором каждый набор сегментов включен в соответствующий отдельный набор кластеров, причем каждый набор кластеров включает в себя два или более кластеров.

13. Дисплейное устройство по п. 12, в котором кластеры по меньшей мере одного набора кластеров включают в себя по меньшей мере одну пару соседствующих кластеров.

14. Дисплейное устройство по п. 12, в котором все кластеры по меньшей мере одного набора кластеров являются несоседними.

15. Дисплейное устройство по любому из пп. 12-14, в котором дисплейные сегменты каждого набора сегментов расположены в соответствующих различных позициях сегментов в каждом из кластеров по меньшей мере одного набора кластеров.

16. Дисплейное устройство по любому из пп. 1 и 3-15, в котором множество пиксельных элементов и множество дисплейных сегментов распределены в двух измерениях в дисплейной области.

17. Дисплейное устройство по п. 2, в котором множество пиксельных элементов и множество дисплейных сегментов распределены в двух измерениях в дисплейной области.

18. Дисплейное устройство по п. 17, в котором множество кластеров распределены в двух измерениях в дисплейной области.

19. Дисплейное устройство по п. 3, в котором множество групп сегментов распределены в двух измерениях в дисплейной области.

20. Дисплейное устройство по п. 3, в котором множество дисплейных сегментов распределены по дисплейной области прозрачного элемента таким образом, чтобы сформировать множество кластеров, при этом каждый из множества кластеров соответствует соответствующей отдельной группе сегментов, причем пиксельное расстояние между соседними пиксельными элементами, принадлежащими соседним кластерам, больше, чем пиксельное расстояние между соседними пиксельными элементами, принадлежащими соседним дисплейным сегментам в каждом из соседних кластеров.