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CN114008516B - 用于重映射像素位置的方法和设备 - Google Patents

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CN114008516B CN201980087953.7A CN201980087953A CN114008516B CN 114008516 B CN114008516 B CN 114008516B CN 201980087953 A CN201980087953 A CN 201980087953A CN 114008516 B CN114008516 B CN 114008516B
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Abstract

用于光学地重映射投影像素以最大化利用并优化重映射的投影像素的分布以实现最佳视觉性能(通常均匀的分辨率和亮度)的设备和方法。一种置于投影仪和成像表面之间的装置，用于以最小像差光学地重映射投影像素位置。当该装置置于投影仪和成像表面之间时，它改变每个聚焦像素的终端位置，使得它最大程度地与成像表面重合，该成像表面通常是复杂曲率的表面，并且与投影仪的自然聚焦表面非常不同。该技术的一实施方式包括使用多个光学表面的装置。

Description

用于重映射像素位置的方法和设备
相关申请的相交引用
本申请要求2018年11月19日提交的标题为DEVICE FOR OPTICALLY REMAPPINGPROJECTED PIXEL LOCATIONS WITH MINIMAL ABERRATION的美国临时专利申请序列号62/769368的权益和优先权，其全部内容在此并入本文。
技术领域
本文公开的该技术总体涉及投影像素位置的光学重映射，更具体地，涉及具有最小像差的重映射。
背景技术
基于投影仪的视觉显示系统的成本和性能效率主要取决于可用投影仪像素的利用。商用投影仪旨在提供矩形投影平截头体，具有正方形像素和可忽略的场曲率。视觉显示系统通常设计为实现所需的视场(FOV)、分辨率和亮度。由于用于人类观察的最有效的像素分布是视觉球体的分布，并且矩形不能高效地镶嵌到球体上，因此这些视觉要求通常导致矩形、正方形像素、投影平截头体的利用不佳。
有一些特殊的透镜系统，即鱼眼(“f-θ”)和变形透镜，可以对矩形投影平截头体进行一些调节，但它们是不够的。鱼眼透镜对投影光的原点位置具有有限容差，这会迫使投影仪位于观察区域或其他物理障碍内。此外，鱼眼透镜对调节像素的局部分布的容差也较低。无焦变形柱面透镜系统设置在球面投影和相机物镜的光线的投影路径中于后透镜和图像之间的较长距离的一侧并用于获得所有图像点的清晰图像。变形柱面透镜系统已经为人所知，它由位于物镜前面的具有正柱面屈光力的透镜部件和另一透镜部件构成，另一透镜部件通过空气与第一分开并且具有负柱面屈光力，这些构件的圆柱轴彼此平行，所述两个部件中的每个由会聚透镜形成，该会聚透镜粘结到发散透镜，发散部件中的圆柱粘结表面具有会聚效果，其凹入表面朝向会聚部件，并且会聚部件的粘结表面具有发散效果，其会聚表面朝向发散部件。两个部件的轴位于竖直平面中，使得系统在水平平面中减小物镜的焦距，而在竖直平面中焦距保持不变，即在水平平面中实现图像比例的改变，而在竖直平面中图像比例保持不变。然而，变形透镜也相对不能容忍像素局部分布的调节。商用变形透镜也仅限于纵横比的微小变化。
迄今已知的另一物镜由至少五个透镜构成，发散部件由三个透镜构成。尽管透镜的数量和这些已知系统的布置、投影质量特别是在彗差和畸变方面并不令人满意。
需要一种更好的设备和/或方法来改进投影像素位置的光学重映射，更具体地，以最小的像差进行重映射。
发明内容
本文公开的技术包括一种用于光学地重映射投影像素以最大化利用并优化重映射投影像素的分布以实现最佳视觉性能(大致均匀分辨率和亮度)的方法和设备。举例来说，鱼眼透镜用来试图满足这种需要，但鱼眼透镜对于调节像素的局部分布具有较小的容差，而本文针对本技术及其各种实施例和实施方式提出的稍微柔性的镜元件(例如薄玻璃)允许这种调节，而无需再制造光学元件。
该技术的一实施方式是介于投影仪和成像表面之间的装置，用于以最小像差光学地重映射投影像素位置。当该设备介于投影仪和成像表面之间时，它改变每个聚焦像素的终端位置，使得它最大程度地与成像表面重合，该成像表面通常是复杂曲率的表面，并且与投影仪的自然聚焦表面非常不同。该技术的一实施方式包括使用多个光学表面的装置。然而，技术的一实施方式包括当重映射引起的像差(聚焦模糊)小于视觉显示系统所需的分辨率时有效的单个光学表面。该技术的另一实施方式包括使用反射和折射光学表面的组合的装置，然而，视觉显示系统性能通过纯反射或折射组光学表面得到改善。对于本发明的一实施方式，一个光学元件用于弯曲光，另一个用于校正焦点。
该技术的一实施方式包括投影仪，其提供入射到大部分圆柱形折射透镜上的投影光平截头体。该透镜的曲率中心与投影仪的光原点近似重合。该元件能够校正各向异性焦点，该焦点是为了实现重映射而由下游元件影响的角度偏差程度的产物。这是因为来自光原点的主光线(中心光线)很大程度上垂直于折射光学表面，因此经历最小偏差，但边缘光线(来自光原点的散焦点的边缘)经历显著偏差，这改变了给定像素的焦深(但不是位置)。对于本文公开和要求保护的技术的一实施方式，该透镜使用多个元件来减少色散(例如消色差双合)。离开上述透镜的光然后入射到一个或多个反射光学表面上，这些反射光学表面通过非平面表面几何形状重映射投影像素位置。
对于本文公开和要求保护的技术的一实施方式，使用单个反射表面，并且反射表面由第一表面涂覆的薄玻璃基板提供(例如对于厚度约为200微米的一实施方式)。该薄镜被强迫变成近似圆柱形双曲抛物面。当像素最终入射到成像表面上时，薄玻璃镜提供显著的各向异性放大，产生拉长的纵横比。它还在同一轴上产生显著的场曲率。在“跨驾驶舱准直”视觉显示系统以及“圆顶”视觉显示系统中，通常采用球形、环形或其他二次成像表面，从而比其高宽得多。前述薄玻璃镜调节像素位置和聚焦表面，以更优化地会聚在所述成像表面上。这使得单个较高分辨率投影仪能够取代两个或更多个较低分辨率投影仪。薄镜材料可以由能够被抛光到所需光学光滑度和/或在其上施加反射涂层的任何材料构成。镜具有反射涂层或反射部分，并且具有保持结构本身(基板)的另一部分。对于一实施方式，基板由玻璃、塑料、金属、金属复合材料、丙烯酸、陶瓷和碳纤维中的一种或多种构成。反射涂层的一实施方式包括玻璃上的铝、银或类似材料中的一种或多种。反射涂层可施加到塑料薄膜、硬质塑料或丙烯酸。在不脱离本发明的范围的情况下，可以使用基板和反射涂层的各种制造过程。
通过机械压力，薄玻璃镜的表面几何形状可被调节以实现自由形式光学形状，这更优化地分配每个视觉显示系统要求的像素。这使得能够适应屏幕表面几何形状与标称值的偏差，或者FOV角映射到成像表面上的偏差。对于该技术的一实施方式，使用了专有软件分析包(MATLAB代码和GUI)，这使得自由形式和非球面几何形状的经验(人在回路中)确定能够通过镜的机械调节来最佳地重映射像素。
用于监管认证的航空模拟训练的视觉显示系统使用多个具有重叠图像的投影仪来提供可认证的视觉性能。本文公开和要求保护的技术提供了用单个投影仪替换这些投影仪的能力。这极大地降低了保持相邻通道的“对准”(颜色、亮度、伽玛和几何性能)的成本和复杂性，并消除了对昂贵的、容易出错的相邻通道“混合”的需要。投影仪像素的低利用每年给视听(A/V)和视觉模拟(VizSim)市场带来数百万美元的成本。如果像素可被光学地重映射，则需要更少的投影仪，并且更少需要多投影仪对准系统。亮度、动态范围和系统MTBF都增加了。
对于该技术的一实施方式，利用视觉系统设计工具，然后可以对其进行修改以模拟所提出的系统的透镜行为。对于本文公开和要求保护的技术，本文所公开的技术通过镜形状提供对像素位置的更高级控制，并且产生曲线和局部像素重新分布，而不仅仅是角度均匀拉伸。特别地，视觉显示系统应用通常需要变形和局部像素重新分布的组合。如果使用鱼眼透镜，将会丢失大量像素。对于该技术的一实施方式，可以针对各种成像表面几何形状来调节解决方案。随着重映射程度的增加，焦点像差很快变得明显。本文公开和要求保护的技术寻求解决焦点问题。所公开和要求保护的技术的一实施方式是一种以对于显示系统的一个或多个观察者来说基本最大像素利用和基本最佳分辨率来重映射投影仪像素的装置。该装置介于投影仪内的图像形成和随后在弯曲屏幕上的图像形成之间的光路内。该装置至少包括位于光学序列中的折射元件和反射元件。折射和反射元件的聚焦表面各自具有最长尺寸，并且所述聚焦表面最长尺寸基本彼此正交。对于一实施方式，该装置首先使用折射来将投影图像的焦点基本像散化到与通过光学后续元件引入的聚焦像散基本相反的程度。对于一实施方式，该装置接下来使用反射将来自投影仪的光补充光学地重定向(也称为重映射像素)到弯曲屏幕上的最佳位置。该装置在其光学效果方面是可调节的，以便支持以下任何一个：各种投影仪、各种投影仪配置、各种显示系统、各种显示系统配置、显示系统部件的变化、观察者位置的变化以及所需视场和/或分辨率的变化。需要更少的投影仪，并且更少需要多投影仪对准系统。亮度、动态范围和系统MTBF都增加了。如果需要，装置可以是可调的。具有薄玻璃的薄镜配置最小化色差并且能够进行大放大/大重映射。已经讨论的特征、功能和优点可以在各种实施方式中独立实现，或者可以在其他实施方式中组合，其进一步的细节可以参考以下描述和附图来看到。
本文公开和要求保护的技术特别适用于具有更高像素密度的更大重映射的应用。更高像素密度需要更大重映射，这使得更新的解决方案成为必要并且是所描述的本技术的原因之一。此外，本技术提供了来自DEP的校正分辨率。现有技术没有将高像素密度大规模重映射到重映射位置，该重映射位置对于在整个视场上具有均匀分辨率的DEP来说是最佳的。此外，本技术可调节到现有技术没有教导的自由形式。作为说明，对于准直系统，该技术的一实施方式为至少两个观察者提供眼点，因此所公开和要求保护的技术优化了系统，以实现多个观察者之间的最佳平衡，因此当在此使用术语“设计眼位置”时，对于一实施方式，DEP是多个观察者的眼位置之间的平衡。在这种情况下，DEP代表许多观察者的位置，因此当在此使用术语观察者时，它可以指多个观察者。系统的调节参数可以相对于一个或多个观察者位置进行调节。公开的本技术的这些和其他有利特征将部分显而易见且部分地在下文指出。
附图说明
为了更好地理解所公开的本技术，可以参考附图，其中：
图1A和1B是模拟器的成像表面的图示；
图1C和1D是介于投影仪和成像表面以及设计眼点之间的薄镜的图示；
图2是像素到成像表面的映射的图示；
图3A至3C是“跨驾驶舱准直”视觉显示系统或“圆顶”视觉显示系统中的应用的图示；
图4是从DEP生成的一组观察向量的图示，以表示视场的投影；以及
图5是自由形式的图解说明。
虽然所公开的技术易于进行各种修改和替代形式，但其具体实施方式在附图中以示例的方式示出，并将在此详细描述。然而，应该理解的是，本文呈现的附图和详细描述并不旨在将本公开限制于所公开的特定实施方式，相反，本发明旨在覆盖落入所公开的和由所附权利要求限定的本技术范围内的所有修改、等同物和替代物。
具体实施方式
根据所公开的本技术的实施方式，各种视图在图1-5中示出，并且在所有附图的各种视图和图形中，相同的附图标记始终用于指代该技术的相同和相应的部分。此外，请注意，技术的给定项目或部分的参考号的第一个数字应对应于该项目或部分首次被识别的图号。说明书中对“一个实施例”或“一实施例”；“一个实施方式”或“一实施方式”的引用意味着结合该实施例或实施方式描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例或实施方式中。在说明书的不同地方出现的短语“在一实施例中”或“在一实施方式中”不一定都指相同实施例或相同实施方式，也不一定是与其他实施例或实施方式相互排斥的单独或替代的实施例或实施方式。
本文公开和要求保护的技术是一种用于光学地重映射投影像素以最大化利用并优化重映射投影像素的分布以实现最佳视觉性能(大致均匀分辨率和亮度)的方法和设备。该技术的一实施方式是介于投影仪和成像表面之间的装置，用于以最小像差光学地重映射投影像素位置。当该装置介于投影仪和成像表面之间时，它改变每个聚焦像素的终端位置，使得它最大程度地与成像表面重合，该成像表面通常是复杂曲率的表面，并且与投影仪的自然聚焦表面非常不同。该技术的一实施方式包括使用多个光学表面的装置。然而，技术的一实施方式包括当重映射引起的像差(聚焦模糊)小于视觉显示系统所需的分辨率时有效的单个光学表面。该技术的另一实施方式包括使用反射和折射光学表面的组合的装置，然而，视觉显示系统性能通过纯反射或折射的一组光学表面得到改善。本文公开和要求保护的技术特别适用于具有更高像素密度的更大重映射的应用。更高像素密度需要更大重映射，这使得更新的解决方案成为必要，并且是所描述的本技术的原因之一。此外，本技术提供了来自DEP的校正分辨率。现有技术没有将高像素密度大规模重映射到重映射位置，该重映射位置对于在整个视场上具有均匀分辨率的DEP来说是最佳的。此外，本技术可调节到现有技术没有教导的自由形式。
参考图1A和1B，提供了模拟器的成像表面的图示。图1A示出了其上投影有图像的表面，而图1B示出了投影在表面101上的图像。成像表面示出为复杂曲率的表面，并且与投影仪的自然聚焦表面非常不同，这教导了本文公开和要求保护的用于优化重映射投影像素的分布以实现最佳视觉性能(大致均匀分辨率和亮度)的设备和方法。如图1B所示的诸如飞行模拟器的视觉显示系统是本文公开和要求保护的技术的一个应用。
参考图1C和1D，示出了介于投影仪和成像表面以及设计眼点之间的薄镜的图示。提供薄膜聚脂膜镜的一实施方式在图1D中示出，其中薄膜聚脂膜镜形成在基底上以设定形状，并且张紧框架用于将基底的形状形成聚脂膜。
参考图2，示出了像素到成像表面的映射的图示。显示了从设计眼点和像素映射观察到的屏幕上视场。参考图3A-3C，示出了在“跨驾驶舱准直”视觉显示系统或“圆顶”视觉显示系统中的应用。光离开投影仪，穿过折射元件，然后从反射元件反射，然后入射到屏幕上。
参考图4，示出了从DEP生成的一组观察向量的图示，以表示视场的投影。参考图5，提供了自由形式的图示。这种类型的镜在本文将被称为“自由形式”折叠镜。自由形式折叠镜可被成形为减少或消除投影光锥边界附近的图像分量的分辨率损失。自由形式光学表面被定义为任何非旋转对称表面或者是围绕非对称轴的任何轴旋转的对称表面。与旋转对称表面相比，这些表面可以导致较小的系统尺寸。当被点光源照射时，自由形式镜在目标表面上产生给定的照明图案，目标表面可以是平的、球形的或其他形状。对于完成设计的一种方法，光线映射可以由二阶偏微分方程来建模。对于实现设计的另一种方法，光学表面的近似可以通过光线跟踪和光学表面的设计来建模和验证，特别是可以确定自由形式镜。除了第一弯曲部分，自由形式镜还可以包括与第一弯曲部分隔开的第二弯曲部分。在该布置中，第一平坦部分位于第一弯曲部分和第二弯曲部分之间。根据需要或必要，可以增加额外的弯曲部分。
自由形式镜技术的一个目标是均衡投影仪像素的大小和间距，以创建均匀分辨率，从而使图像的外观始终清晰。任何几何校正，比如将正方形预变形为“桶”形，使其在观察者看来是正方形，而不是使角看起来是细长的，都将由创建图像的图像生成器完成，而不是由镜完成。现有技术没有解决均匀分辨率。该技术的另一个目的是提供折叠镜，其在任何屏幕表面上产生均匀像素密度(因此均匀分辨率和更均匀亮度)。本文描述的自由形式折叠镜30将调节投影仪的光线在屏幕16上的分布，以均衡图像上的分辨率，并产生更加均匀的分辨率和亮度。举例来说，对于设计制造和提供自由形式镜的一实施方式，利用了光线跟踪优化器，其包括基于计算机的软件工具，用于对光线跟踪以及最终折叠镜的自由形式形状进行建模。自由形式镜可以利用这种基于计算机的工具预先制造。然而，对于一实施方式，自由形式镜用机械推/拉系统动态调节，该系统将镜的反射表面机械变形至适当的曲率。对于一实施方式，推/拉机构由计算机控制，以基于其他系统参数来调节镜的曲率，从而减少像差并提高分辨率。
通过参考附图，可以更好地理解所公开的技术的细节和各种实施方式。参考图1-5，所公开和要求保护的本技术的一实施方式包括介于投影仪104和成像表面106之间的装置102，用于以最小像差光学地重映射投影像素位置，由此，当该装置介于投影仪和成像表面之间时，它改变每个聚焦像素的终端位置(参见图2的图示)，使得它最大程度地与成像表面重合，成像表面通常是复杂曲率的表面并且与投影仪的自然聚焦表面非常不同，其教导了如本文公开和要求保护的用于优化重映射投影像素的分布以实现最佳视觉性能(大致均匀分辨率和亮度)的设备和方法。
本文公开和要求保护的技术的一实施方式是一种方法，其包括确定显示系统观察者位置，也称为设计眼点108，以及所需的视场110和视场的每个部分所需的分辨率。对于一实施方式，该方法包括生成从DEP 108生成的一组观察向量402，以表示视场110在图像形成表面上的投影。观察向量402与形成图像的弯曲屏幕相交。对于视场的每个部分，屏幕相交位置确定投影仪像素将基本映射到的位置。视场的给定部分所需的分辨率确定视场的所述部分内的最佳像素密度。
该方法的一实施方式包括在投影仪内的图像形成和弯曲屏幕上的后续图像形成101之间的光路404内插入装置102。对于一实施方式，该装置至少包括折射元件和反射元件，它们以光学连续顺序定位。折射和反射元件的聚焦表面各自具有最长尺寸，并且所述聚焦表面最长尺寸基本彼此正交。对于一实施方式，该方法包括调节可调节装置的光学效果，以便支持以下任何一个：各种投影仪、各种投影仪配置、各种显示系统、各种显示系统配置、显示系统部件的变化、观察者位置的变化、所需视场和/或分辨率的变化。该方法的一实施方式通过折射基本像散化投影图像的焦点，然后使用反射将来自投影仪的光补充光学地重定向到具有所述最佳像素密度的所述屏幕相交位置。该方法包括通过用最少的投影仪像素满足给定视场所需的分辨率来优化装置对投影仪像素的利用。
本文所公开和要求保护的技术的一实施方式包括一种装置，用于以最大像素利用和最佳分辨率为显示系统的一个或多个观察者重映射投影仪像素(参见项目202的图示)。该装置介于投影仪内的图像形成和在弯曲屏幕上的随后图像形成之间的光路内。对于该技术的一实施方式，该装置至少包括折射元件和反射元件，它们定位在光学序列中。折射和反射元件的聚焦表面各自具有最长尺寸，并且所述聚焦表面最长尺寸基本彼此正交定向。该装置配置成使用折射来将投影图像焦点基本像散化到与光学后续元件引入的聚焦像散基本相反的程度。对于一实施方式，该装置还配置成使用反射将来自投影仪的光补充光学地重定向到弯曲屏幕上的最佳位置。对于一实施方式，该装置配置为其光学效果是可调节的，以便支持以下任何一个：各种投影仪、各种投影仪配置、各种显示系统、各种显示系统配置、显示系统部件的变化、观察者位置的变化、所需视场和/或分辨率的变化。
对于另一实施方式，作为应用，当用作“跨驾驶舱准直”视觉显示系统或“圆顶”视觉显示系统时，通过准直镜(参见项目302的图示)观察弯曲屏幕，由此所需的总水平视场超过180度且分辨率小于每光学线对6.1弧分钟并且至少反射元件是可调节的。对于一实施方式，基本正交在70度和110度之间。
对于投影系统，图像在投影仪内形成，并被投影以在屏幕上形成。对于一实施方式，投影仪可以包括投影透镜。在两个或更多个观察者的情况下，为视场的每个部分唯一地确定折衷设计眼睛位置(DEP)。
对于该技术的一应用，通过准直镜观察弯曲屏幕，在这种情况下，观察向量从准直镜反射并在与弯曲屏幕的相交处相交。对于一实施方式，弯曲屏幕是椭球体或圆环体的一部分，或其微小变化。所述微小变化不超过最大弯曲屏幕曲率半径的约0.25倍。对于一实施方式，弯曲屏幕包括近似无限的一个曲率半径。
像素密度是指每单位屏幕面积的像素数。通过像素移位，投影仪的分辨率可能会超过其像素计数。对于一实施方式，折射元件沿着光路定位在投影透镜之前、之后或之内。对于一实施方式，可以在从投影仪内的图像形成到设计眼睛位置(DEP)处的图像观察的整个光路中在任何光学元件周围或之间使用平面折叠镜。
对于一实施方式，折射元件包括多个子元件和多个折射光学表面。对于一实施方式，折射元件具有基本具有广义圆柱体的形状的一个或多个光学表面，其中聚焦表面基本靠近或包围投影仪的投影光平截头体的顶点位置。对于一实施方式，折射元件具有基本具有自由形式形状的一个或多个光学表面，其中聚焦表面基本靠近或包围投影仪的投影光平截头体的顶点位置。(根据ISO标准17450-1:2011定义的自由形式)。对于一实施方式，折射元件具有基本具有约为零的高斯曲率的一个或多个光学表面，其中聚焦表面基本靠近或包围投影仪的投影光平截头体的顶点位置。
对于一实施方式，折射元件在其光学效果方面是可调节的，使得折射元件可调节为自由形式形状(根据ISO标准17450-1:2011定义的自由形式)。对于一实施方式，折射元件调节通过任何折射表面的机械和/或热变形来实现。对于一实施方式，折射元件调节是通过调节子元件的相对位置来实现的。反射元件沿着光路定位在折射元件和投影透镜之后。对于一实施方式，反射元件可以结合多个子元件和反射光学表面。对于一实施方式，反射元件基本具有广义圆柱体的形状。对于一实施方式，反射元件基本具有自由形式形状(根据ISO标准17450-1:2011定义的自由形式)。反射元件表面基本具有近似为零的高斯曲率。
对于一实施方式，反射元件在其光学效果方面是可调节的。反射元件可调节为基本自由形式形状(根据ISO标准17450-1:2011定义的自由形式)。反射元件调节是通过反射表面的机械和/或热变形来实现的。对于一实施方式，反射元件调节是通过调节其相对于投影仪的位置、和/或其相对于折射元件的位置、和/或反射元件的子元件的相对位置来实现的。折射元件足够靠近反射元件，使得投影光在从反射元件反射之前和之后穿过折射元件。
以上所示的各种实施方式和示例说明了用于利用软件分析包(MATLAB代码和GUI)的方法和系统，这使得自由形式和非球面几何形状的经验(人在回路中)确定能够通过镜的机械调节来最佳地重映射像素。
根据期望的应用，本方法和系统的用户可以选择上述实施方式中的任何一种或其等同物。在这点上，认识到可以利用用于确定自由形式的主题软件分析方法和系统的各种形式，而不脱离所公开的本技术和各种实施方式的范围。
如从前面的描述中显而易见的，本实施方式的某些方面不受本文示出的示例的特定细节的限制，因此可以设想，本领域技术人员将会想到其他修改和应用或者其等同物。因此，权利要求将覆盖不脱离本实施方式的范围的所有这样的修改和应用。因此，说明书和附图被认为是说明性的，而不是限制性的。
本文将某些系统、设备、应用或过程描述为包括多个模块。模块可以是以软件、硬件或其组合呈现的不同功能的单元。当通过软件在任何部分执行分析模块的功能时，该模块包括计算机可读介质。分析模块可被视为通信耦合。本发明的主题可以以多种不同的实施方式来表示，其中存在许多可能的排列。
本文描述的方法不必以所描述的顺序或任何特定的顺序来执行。此外，针对本文所标识的方法描述的各种活动可以串行或并行方式执行。在前面的详细描述中，可以看出，为了简化本公开，在单个实施例中将各种特征组合在一起。该公开方法不应被解释为反映了要求保护的实施例需要比每个权利要求中明确陈述的更多的特征的意图。相反，如以下权利要求反映，发明主题可能在于少于单个公开实施例的所有特征。因此，下面的权利要求由此被结合到详细描述中，每个权利要求独立地作为单独的实施例。
在示例实施方式中，机器作为独立装置操作，或者可以连接(例如联网)到其他机器。在网络化部署中，机器可以在服务器-客户端网络环境中以服务器或客户端机器的身份运行，或者在对等(或分布式)网络环境中作为对等机器运行。该机器可以是服务器计算机、客户端计算机、个人计算机(PC)、平板PC、机顶盒(STB)、个人数字助理(PDA)、蜂窝电话、网络设备、网络路由器、交换机或网桥，或者能够执行指定该机器或计算设备要采取的动作的一组指令(顺序的或其他方式的)的任何机器。此外，虽然仅示出了单个机器，但术语“机器”也应被理解为包括单独或共同执行一组(或多组)指令以执行本文讨论的任何一种或多种方法的任何机器集合。
示例计算机系统和客户端计算机可以包括处理器(例如中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)或两者)、主存储器和静态存储器，它们通过总线彼此通信。计算机系统还可以包括视频/图形显示单元(例如液晶显示器(LCD)或阴极射线管(CRT))。计算机系统和客户端计算设备还可以包括字母数字输入设备(例如键盘)、光标控制设备(例如鼠标)、驱动单元、信号生成设备(例如扬声器)和网络接口设备。
驱动单元包括计算机可读介质，其上存储有一组或多组指令(例如软件)，这些指令体现了本文描述的任何一种或多种方法或系统。软件也可以在由计算机系统执行期间完全或至少部分地驻留在主存储器和/或处理器内，主存储器和处理器也构成计算机可读介质。软件还可以通过网络接口设备在网络上传输或接收。
术语“计算机可读介质”应被理解为包括存储一组或多组指令的单个介质或多个介质(例如集中式或分布式数据库，和/或相关高速缓存和服务器)。术语“计算机可读介质”还应被理解为包括能够存储或编码由机器执行的一组指令并使机器执行本实施方式的任何一种或多种方法的任何介质。因此，术语“计算机可读介质”应被理解为包括但不限于固态存储器、光学介质和磁性介质。
上面示出的各种光学重映射配置和实施方式示出了以最小像差重映射投影像素位置。根据期望的应用，所公开的本技术的用户可以选择上述实施方式中的任何一种或其等同物。在这点上，认识到在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用各种形式的主题光学重映射方法和设备。
从前面的描述显而易见的是，所公开的本技术的某些方面不受本文示出的示例的特定细节的限制，因此可以设想，本领域技术人员将会想到其他修改和应用或其等同物。因此，权利要求将覆盖不脱离所公开和要求保护的本技术的范围的所有这些修改和应用。
通过对附图、公开内容和所附权利要求的研究，可以获得所公开的本技术的其他方面、目的和优点。

Claims (58)

1.一种用于光学地重映射投影像素位置的方法，包括：
限定设计眼点(DEP)、对应于DEP的视场和观察投影图像时用于视场的多个部分的图像分辨率；
从代表视场投影到图像形成表面上的DEP生成一组观察向量，由此观察向量与将在其上形成投影图像的弯曲屏幕相交；
为视场的多个部分中的每个确定投影仪像素将基本映射到的屏幕相交位置；
基于所述视场的给定部分的图像分辨率，确定视场的多个部分中的每个内的最佳像素密度；
在投影仪内的图像源形成点和所述弯曲屏幕上的投影图像形成点之间的光路中插入光学装置，其中，所述光学装置至少包括位于光学子序列中的折射元件和反射元件，其中折射元件和反射元件的聚焦表面各自具有最长尺寸，并且所述聚焦表面最长尺寸基本彼此正交定向；
用所述光学装置折射和反射所述投影图像；
调节光学装置的光学效果，以便支持各种投影仪、各种投影仪配置、各种显示系统、各种显示系统配置、显示系统部件的变化、观察者位置的变化、视场的变化和图像分辨率的变化中的一个或多个；以及
通过折射基本像散化投影图像的焦点，使用折射来将投影图像焦点基本像散化到与光学后续元件引入的聚焦像散基本相反的程度；然后使用反射将来自投影仪的光补充光学地重定向到具有所述最佳像素密度的所述屏幕相交位置，由此，光学装置从而通过用最少的投影仪像素满足所述视场的给定部分的图像分辨率来优化投影仪像素的利用。
2.如权利要求1所述的用于光学地重映射投影像素位置的方法，包括：
在所述DEP和弯曲屏幕之间插入准直镜，由此在DEP处的观察者通过准直镜观察弯曲屏幕。
3.如权利要求2所述的用于光学地重映射投影像素位置的方法，其中，所述观察向量在与所述弯曲屏幕相交之前从所述准直镜反射。
4.如权利要求1所述的用于光学地重映射投影像素位置的方法，其中，水平视场超过180度，所述图像分辨率小于每光学线对6.1弧分，并且所述反射元件和折射元件中的一个或多个是可调节的。
5.如权利要求1所述的用于光学地重映射投影像素位置的方法，其中，基本正交是指彼此之间的角度在70度和110度之间。
6.如权利要求1所述的用于光学地重映射投影像素位置的方法，其中，所述投影仪包括投影透镜，投影仪通过该投影透镜投影图像。
7.如权利要求6所述的用于光学地重映射投影像素位置的方法，其中，所述折射元件沿着所述光路定位在所述投影透镜之前、之后和之内中的一个。
8.如权利要求1所述的用于光学地重映射投影像素位置的方法，还包括：
当有两个或更多个观察者时，为视场的多个部分中的每个确定折衷DEP。
9.如权利要求1所述的用于光学地重映射投影像素位置的方法，其中，所述弯曲屏幕是椭球体、圆环体和来自椭球体或圆环体的微小变化之一的一部分，其中所述微小变化不超过弯曲屏幕的最大曲率半径的0.25倍。
10.如权利要求1所述的用于光学地重映射投影像素位置的方法，其中，所述弯曲屏幕包括无限的曲率半径。
11.如权利要求1所述的用于光学地重映射投影像素位置的方法，其中，像素密度是每单位屏幕面积的像素数，并且其中，所述投影仪的分辨率可以通过像素移位超过投影仪的像素计数。
12.如权利要求1所述的用于光学地重映射投影像素位置的方法，其中，在从投影仪内的图像源形成点到所述DEP处的图像观察的整个光路中在任何光学元件周围或之间使用一个或多个平面折叠镜。
13.如权利要求1所述的用于光学地重映射投影像素位置的方法，其中，所述折射元件包括多个子元件和多个折射光学表面。
14.如权利要求13所述的用于光学地重映射投影像素位置的方法，其中，所述折射元件包括基本具有广义圆柱体的形状的一个或多个光学表面，其中聚焦表面基本靠近或包围投影仪的投影光平截头体的顶点位置。
15.如权利要求13所述的用于光学地重映射投影像素位置的方法，其中，所述折射元件包括基本具有自由形式形状的一个或多个光学表面，其中聚焦表面基本靠近或包围投影仪的投影光平截头体的顶点位置。
16.如权利要求13所述的用于光学地重映射投影像素位置的方法，其中，所述折射元件包括基本具有为零的高斯曲率的一个或多个光学表面，其中聚焦表面基本靠近或包围投影仪的投影光平截头体的顶点位置。
17.如权利要求13所述的用于光学地重映射投影像素位置的方法，其中，调节所述光学装置的光学效果包括所述折射元件的任何折射光学表面的机械变形和热变形中的一个或多个。
18.如权利要求13所述的用于光学地重映射投影像素位置的方法，其中，调节所述光学装置的光学效果包括调节所述折射元件的子元件的相对位置。
19.如权利要求1所述的用于光学地重映射投影像素位置的方法，还包括：
通过改变所述折射元件的光学效果来调节折射元件。
20.如权利要求19所述的用于光学地重映射投影像素位置的方法，其中，所述折射元件被调节到自由形式形状。
21.如权利要求1所述的用于光学地重映射投影像素位置的方法，其中，所述反射元件沿着光路定位在折射元件和投影透镜之后。
22.如权利要求1所述的用于光学地重映射投影像素位置的方法，其中，所述反射元件包括多个子元件和多个反射光学表面中的一个或多个。
23.如权利要求1所述的用于光学地重映射投影像素位置的方法，其中，所述反射元件具有广义圆柱体的形状。
24.如权利要求1所述的用于光学地重映射投影像素位置的方法，其中，所述反射元件具有自由形式的形状。
25.如权利要求1所述的用于光学地重映射投影像素位置的方法，其中，所述反射元件具有为零的高斯曲率。
26.如权利要求1所述的用于光学地重映射投影像素位置的方法，其中，所述反射元件在其光学效果方面是可调节的。
27.如权利要求1所述的用于光学地重映射投影像素位置的方法，其中，所述反射元件可调节到基本自由形式形状。
28.如权利要求1所述的用于光学地重映射投影像素位置的方法，其中，调节所述光学装置的光学效果包括所述反射元件的反射表面的机械变形和热变形中的一个或多个。
29.如权利要求13所述的用于光学地重映射投影像素位置的方法，其中，调节所述光学装置的光学效果包括调节以下中的一个或多个：所述反射元件相对于投影仪的位置、所述反射元件相对于折射元件的位置以及反射元件的子元件的相对位置。
30.如权利要求1所述的用于光学地重映射投影像素位置的方法，其中，所述折射元件足够靠近所述反射元件，使得投影光在从反射元件反射之前和之后穿过折射元件。
31.一种用于为显示系统的观察者光学地重映射投影像素的设备，包括：
投影仪和弯曲屏幕，其定向和定位成用于设计眼点(DEP)和相应的视场，并且用于将图像从投影仪投影到弯曲屏幕上；
介于投影仪内的图像源形成点和弯曲屏幕上的投影图像形成点之间的光路内的光学装置，其中该光学装置至少包括位于光学序列中的折射元件和反射元件，并且其中折射元件的聚焦表面和反射元件的聚焦表面各自具有最长尺寸，并且该最长尺寸基本彼此正交定向；
所述折射元件配置成将投影图像焦点基本像散化到使用通过折射元件的折射与光学后续元件引入的聚焦像散基本相反的程度；
所述反射元件配置成将来自投影仪的光补充光学地重定向到弯曲屏幕上的最佳位置，从而光学地重映射像素，其中，所述反射元件使用反射来光学地重定向所述光；以及
所述光学装置配置为在其光学效果方面是可调节的，以便支持各种投影仪、各种投影仪配置、各种显示系统、各种显示系统配置、显示系统部件的变化、观察者位置的变化以及视场的变化和图像分辨率的变化中的一个或多个，
由此实现所述显示系统的一个或多个观察者的基本最大像素利用和基本最佳图像分辨率。
32.如权利要求31所述的用于为显示系统的观察者光学地重映射投影像素的设备，其中，准直镜位于DEP和弯曲屏幕之间，从而通过准直镜观察弯曲屏幕，并且来自所述DEP的一组观察向量在与弯曲屏幕相交之前从准直镜反射。
33.如权利要求31所述的用于为显示系统的观察者光学地重映射投影像素的设备，其中，所述投影仪和弯曲屏幕相对于DEP配置成使得水平视场超过180度，所述图像分辨率小于每光学线对6.1弧分，并且至少所述反射元件是可调节的。
34.如权利要求31所述的用于为显示系统的观察者光学地重映射投影像素的设备，其中基本正交意味着在70度和110度之间。
35.如权利要求31所述的用于为显示系统的观察者光学地重映射投影像素的设备，其中投影仪包括投影透镜。
36.如权利要求31所述的用于为显示系统的观察者光学地重映射投影像素的设备，其中当有两个或更多个观察者时，投影仪和弯曲屏幕定向和定位成用于视场的每个部分的折衷DEP。
37.如权利要求31所述的用于为显示系统的观察者光学地重映射投影像素的设备，其中，所述弯曲屏幕是椭球体、圆环体、来自椭球体的微小变化和来自圆环体的微小变化之一的一部分，其中，所述微小变化不超过所述弯曲屏幕的最大曲率半径的0.25倍。
38.如权利要求37所述的用于为显示系统的观察者光学地重映射投影像素的设备，其中，所述弯曲屏幕具有无限的曲率半径。
39.如权利要求35所述的用于为显示系统的观察者光学地重映射投影像素的设备，其中，所述折射元件沿着所述光路定位在所述投影透镜之前和之后中的一个。
40.如权利要求31所述的用于为显示系统的观察者光学地重映射投影像素的设备，其中，在从投影仪内的图像源形成点到DEP处的图像观察的整个光路中在任何光学元件周围或之间使用平面折叠镜。
41.如权利要求31所述的用于为显示系统的观察者光学地重映射投影像素的设备，其中，折射元件包括多个折射子元件和多个折射光学表面。
42.如权利要求41所述的用于为显示系统的观察者光学地重映射投影像素的设备，其中，所述折射元件包括基本具有广义圆柱体的形状的一个或多个光学表面，其中聚焦表面基本靠近或包围投影仪的投影光平截头体的顶点位置。
43.如权利要求41所述的用于为显示系统的观察者光学地重映射投影像素的设备，其中，所述折射元件包括基本具有自由形式形状的一个或多个光学表面，其中聚焦表面基本靠近或包围投影仪的投影光平截头体的顶点位置。
44.如权利要求41所述的用于为显示系统的观察者光学地重映射投影像素的设备，其中，所述折射元件包括基本具有为零的高斯曲率的一个或多个光学表面，其中聚焦表面基本靠近或包围投影仪的投影光平截头体的顶点位置。
45.如权利要求31所述的用于为显示系统的观察者光学地重映射投影像素的设备，其中，所述折射元件配置为在其光学效果方面是可调节的。
46.如权利要求45所述的用于为显示系统的观察者光学地重映射投影像素的设备，其中，所述折射元件配置为可调节至自由形式形状。
47.如权利要求46所述的用于为显示系统的观察者光学地重映射投影像素的设备，其中，所述折射元件的调节是通过折射元件的折射光学表面的机械变形和热变形中的一个或多个来实现的。
48.如权利要求41所述的用于为显示系统的观察者光学地重映射投影像素的设备，其中，所述光学装置的光学效果可通过调节所述折射元件的子元件的相对位置来调节。
49.如权利要求35所述的用于为显示系统的观察者光学地重映射投影像素的设备，其中，所述反射元件沿着所述光路定位在所述折射元件和投影透镜之后。
50.如权利要求31所述的用于为显示系统的观察者光学地重映射投影像素的设备，其中，所述反射元件包括多个反射子元件和多个反射光学表面中的一个或多个。
51.如权利要求31所述的用于为显示系统的观察者光学地重映射投影像素的设备，其中，所述反射元件具有广义圆柱体的形状。
52.如权利要求31所述的用于为显示系统的观察者光学地重映射投影像素的设备，其中，所述反射元件具有自由形式的形状。
53.如权利要求31所述的用于为显示系统的观察者光学地重映射投影像素的设备，其中，所述反射元件具有高斯曲率为零的光学表面。
54.如权利要求31所述的用于为显示系统的观察者光学地重映射投影像素的设备，其中，所述反射元件在其光学效果方面是可调节的。
55.如权利要求54所述的用于为显示系统的观察者光学地重映射投影像素的设备，其中，所述反射元件可调节到基本自由形式形状。
56.如权利要求54所述的用于为显示系统的观察者光学地重映射投影像素的设备，其中，所述反射元件的调节是通过反射元件的反射表面的机械变形和热变形中的一个或多个来实现的。
57.如权利要求54所述的用于为显示系统的观察者光学地重映射投影像素的设备，其中，所述反射元件的调节是通过调节以下中的一个或多个来实现的：其相对于投影仪的位置、其相对于折射元件的位置以及反射元件的反射子元件的相对位置。
58.如权利要求31所述的用于为显示系统的观察者光学地重映射投影像素的设备，其中，所述折射元件定位成足够靠近所述反射元件，使得由所述投影仪投影的光在从反射元件反射之前和之后穿过折射元件。
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