SE519057C2 - Presentationsanordning med variabelt fokuseringsdjup - Google Patents

Description

20 25 30 35 « - u u no 519 os? 2 skärm, variabel lins samt dator. Med hjälp av information från blickriktningssensom kan datom avgöra vilket objekt användaren betraktar. Linsen ställs därefter om så att det betraktade objektet hamnar på rätt fokaldjup i förhållande till användaren.

En nackdel med ett sådant system är att alla objekt, även de som inte betraktas och hör hemma på annat fokalplan, momentant hamnar på ett och samma fokalplan. En annan nackdel är att en blickriktningssensori vissa fall inte tillräckligt exakt kan avgöra vilket objekt användaren momentant betraktar.

Föreliggande uppfinning ger en lösning på problemet att placera virtuella objekt i åtminstone två olika fokalplan i en och samma bild genom att uppfinningen får den utformning som framgår av det efterföljande självständiga patentkravet. Lämpliga utföringsforrner av uppfinningen framgår av övriga patentkrav.

Uppfinningen kommeri det följande att beskrivas närmare under hänvisning till bifogade ritning, där fig. 1 visar ett exempel på en bilsimulator enligt uppfinningen, fig. 2 visar en första utföringsform av uppfinningen som utnyttjar polarisationseffekter, fig. 3 visar en andra utföringsform av uppfinningen som utnyttjar styrbara strålningsblockerande anordningar, fig. 4 visar en tredje utföringsforrn av uppfinningen som utnyttjar två vàglångdsintervall och bandspärrfilter, fig. 5 visar en fjärde utföringsforrn av uppfinningen som utnyttjar en adaptiv spegel och har genomsikt, fig. 6 visar en femte utföringsform av uppfinningen som utnyttjar en adaptiv spegel och saknar genomsikt, Q fig. 7 visar en sjätte utföringsform av uppfinningen som utnyttjar en reflekterande spatial ljusmodulator, fig. 8 visar en sjunde utföringsfonn av uppfinningen som utnyttjar en spatial ljusmodulator med genomsikt i kombination med en sfärisk spegel och fig. 9 visar en åttonde utföringsform av uppfinningen som är en variant av den sjunde utföringsformen och som också utnyttjar en spatial ljusmodulator med genomsikt i kombination med en sfärisk spegel.

Grundläggande i uppfinningen är som nämnts att bildpunkter i en presenterad bild är genererade så att de av ett betraktande öga uppfattas på minst två olika fokal- 10 15 20 25 30 35 . . v . .u 519 057 3 avstånd. Presentationsanordningen presenterar bildema som resultat av elektriska signaler till presentationsanordningen. Bildema kan vara skapade i en dator, såsom vid presentation av en virtuell verklighet i spel och andra sammanhang.

Bildema kan emellertid också vara vanliga videobilder från ett videoband eller annat lagringsmedium som kombineras med lagrad information från en avstånds- mätande enhet t.ex. en laserradar över motsvarande område för att ge avståndet i varje pixel i videobilden. När man skall avgöra på vilket av de minst två fokalplanen som bildpunktema skall föriäggas, kan detta ske genom en enkel uppdelning i avståndsfållor.

Med den terminologi som används i denna patentansökan menas med en bild det som av betraktaren uppfattas som en bild. Den är sedan uppbyggd av delbilder, vilket är delar av nämnda bild. Delbilder kan utgöras av ytmässigt sammanhållna delar av bilden, se dock vidare nedan.

I vissa av tillämpningama i det följande används en bildkällan i form av en Virtual Retinal Display (VRD). VRD är en teknik där en intensitetsmodulerad laserstråle eller stråle från annan intensitetsmodulerad ljuskälla, t.ex. en lysdiod, avlänkasi horisontal- och vertikalled. Ljusstrålen tecknar på så sätt upp en bild på använda- rens näthinna. Med denna ansökans terminologi ger detta det extremfallet att varje bildpunkt kan ses som en delbild. Andra typer av bildkällor belyser ögat samtidigt med bildinformation från alla eller ett stort antal bildpunkter.

Ett sätt att generera de olika fokalplanen är att dela strålningen i olika strålknippen.

Strålningen som skall illuminera de bildpunkter som skall ligga på ett visst fokalplan får då gå en viss väg och strålning som skall illuminera andra bildpunkter leds en annan väg. Man kan tänka sig olika sätt att separera ljus som man på detta sätt önskar skall gå olika väg.

Sätt A: Bildkällan kan vara en VRD. Eftersom bildinformationen från endast någon bild- punkt träffar ögat i varje ögonblick, kan objekt som består av ett eller flera bild- punkter förläggas på olika fokalplan om strålvägen för ljusstrålen kan skiftas i en hastighet som i storleksordning motsvarar ett fåtal bildpunkter. l figur 1 visas ett exempel på en bilsimulator. På en visningsanordning visas en bild föreställande en väg i ett landskap 1 samt bilens instrumentpanel 2 och vindrute- .~ ...- - ~. »aina »ølln 10 15 20 25 30 35 519 os? ::ï=- 4 torkare 3. I VRD-fallet byggs bilden upp av att en ljusstråle exempelvis avlänkas i följd från vänster till höger och uppifrån och ned. Den översta visade ljusstrålen bringas att gå en strålväg 4 (markerad svart), som motsvarar ett fokalplan på långt avstånd. Den undre visade ljusstrålen bringas att gå en annan strålväg 5 (markerad vit), som motsvarar ett fokalplan på nära avstånd. I det mellersta fallet 6 visas att strålvägen skiftas under ljusstrålens horisontella avlänkning då den passerar vindrutetorkaren, som ligger på ett annat fokalplan än omgivningen.

Sätt A1: Figur 2 visar en anordning som har en display 8 som bildkälla. Displayanordningen kan exempelvis vara av VRD-typ. Under alla omständigheter emitterar display- anordningen i varje ögonblick endast strålning som skall gå en och samma optiska väg. Strålningen når en polariserande stråldelare 13. En sådan stråldelare kan innefatta ett polariserande skikt, dvs. ett skikt med egenskapen att reflektera viss typ av polariserad strålning, exempelvis V-polariserad strålning, och transmittera en annan typ av polariserad strålning, exempelvis H-polariserad strålning. Stråldelaren kan även vara ett prisma av något av typema Wollaston, Thompson eller Glan.

Efter stråldelaren får strålningen i de båda optiska vägarna passera en polarisationsvridande platta 10 resp. 12 före och efter reflektion i de reflekterande anordningama 9 resp. 11. De reflekterande anordningama kan vara sfäriska speglar. l en speciell utföringsform kan anordningen 9 vara en sfärisk partiellt reflekterande spegel i avsikt att även ge genomsikt genom anordningen. Det betraktande ögats lins benämns 7.

De polarisationsvridande plattoma 10 resp. 12 vrider strålningens polarisations- riktningen 45° för varje passage, beroende på om spänning är pålagd stråldelaren 13 eller ej och tvärt om vid invers styrsignal på stråldelaren. Polarisationsvridama är av så kallad "icke reciprok typ", vilket medför att polansationsvridningen blir totalt 90° vid passage fram och åter genom resp. platta. I figuren kommer ljuset att återgå samma väg det kommit om plattoma 10 eller 12 ej aktiveras. Om plattan 12 aktiverats kommer det ljus som passerat stråldelaren 13 att reflekteras i denna efter reflektionen i spegeln 11. Om plattan 10 aktiverats så kommer det ljus som reflekterats i stråldelaren 13 att passera denna efter reflektionen i spegeln 9.

Sätt A2: l stället för att arbeta med polariserande ytor för spegling och transmission kan strålningsblockerande anordningar 10a resp. 12a användas. l figur 3 visas åter en sym; rlll; 10 15 20 25 30 35 s 19 os? 5 display 8 som bildkälla, exempelvis en VRD. Efter passage av en godtycklig strål- delare 13a får strålningen passera en strålningsblockerande anordning 10a resp. 12a, vilkas transmission kan styras elektriskt. Den strålningsblockerande anord- ningen kan vara av samma typ som används i displayer av typen LCD och utgöras av ett skikt flytande kristall med tillhörande polarisationsfilter. Sådana strålnings- blockerande anordningar har en spänningsstyrd ljusgenomsläpplighet. Övriga komponenter kan vara desamma som i figur 2, varvid exempelvis spegeln 9 kan vara helt reflekterande eller partiellt reflekterande.

Sätt B: Ett annat sätt att utföra presentationsanordningen utnyttjar en våglängdsskillnad för att skilja på strålning som skall gå olika optisk väg.

I det fall man önskar presentera en hel scen för betraktaren kan man lämpligen använda två smala våglängdsintervall som är så närbelägna att de av ett betrak- tande öga uppfattas som väsentligen samma våglängd. l annat fall kan man använda två skilda våglängdsintervall och använda den tydliga våglängds- skillnaden för att förtydliga exempelvis en symbolpresentation.

I dessa fall leds strålning till en godtycklig stråldelare 13a som delar upp strål- ningen i två delar. Vardera delen leds sedan till en reflekterande anordning 9 resp. 11 som reflekterar strålningen tillbaka till stråldelaren och anpassar respektive dels utsträckning när den faller på stråldelaren så att de av stråldelaren sammansätts till en fullständig avbildning av bildkällan. Denna bild leds sedan till betraktarens öga.

Sätt B1: l en första utföringsform av denna typ av anordning, visad i figur 4, utgörs bild- källan 8 av en display, exempelvis av en VRD. Vardera strålknippet från strål- delaren får passera ett bandspärrfilter 10b resp. 12b. Det ena filtret spärrar strål- ning av den ena aktuella våglängden, eller våglängdsintervallet, och det andra filtret strålning av den andra aktuella våglängden, eller våglängdsintervallet. Häri- genom illumineras varje bildpunkt av den presenterade bilden endast av strålning av en våglängd. Övriga komponenter kan vara desamma som i figur 2, varvid exempelvis spegeln 9 kan vara helt reflekterande eller partiellt reflekterande. »iiva 10 15 20 25 30 35 519 os? 6 Sätt B22 Man kan också i en anordning med strålning av minst två våglängder, eller våg- längdsintervall, använda andra typer av bildkällortän VRD. Det är således möjligt att som bildkälla använda en display som bygger på ferro-elektriska flytande kristal- ler, FLC. l denna typ av displayer belyses en matris av bildpunkter. Bakom matrisplanet finns en spegel som reflekterar strålning när den framförliggande bildpunkten är transparent. Övriga komponenter kan vara desamma som i figur 4.

Sätt B32 Det är också möjligt att som bildkälla använda en display 8 som bygger på flytande kristaller, LCD. l denna typ av displayer belyses en matris av bildpunkter bakifrån.

Bildpunktema kan vara transparenta eller opaka beroende på bildpunktsinforma- tionen. Strålning passerar där matrisen är transparent. Övriga komponenter kan vara desamma som i figur 4.

Tekniken kan givetvis användas i ett färgsystem. Då krävs normalt 6 olika ljus- källor. l ett system med röd, grön och blå färg krävs då två röda, en för närbelägna föremål och en för föremål i fjärran, och två dito gröna och två dito blå. Tre andra lämpligt avpassade färger kan naturligtvis också användas. l stället för att dela upp strålknippeti separata delstrålknippen kan man på olika sätt styra varje bildpunkts fokalplan individuellt.

Sätt C: Det är möjligt att generera olika fokalplan i en och samma bild med hjälp av en elektriskt styrd spegel. En spegel av denna typ kan snabbt ändra brännvidd som funktion av pålagd styrpänning. En sådan spegel är en s.k. ”micromachined” adaptiv spegel 14. Spegelns placering i ett display-system framgår av figur 5 och 6, där figur 5 visar en anordning med genomsikt och figur 6 en utan. Övriga kompo- nenter har samma beteckningar som i övriga figurer.

En bild kan byggas upp av ett antal delbilder som exempelvis visas för ögat i en sekventiell följd. Genom att ändra spegelns brännvidd inför varje ny delbild kan bildobjekt placeras på olika fokalplan. Även här kan man arbeta med delbilder av olika färg, vanligen en röd, en grön och en blå. 10 15 20 519 osv ”* f* 7 Sätt D: Man kan också använda en spatial Ijusmodulator, SLM, för att styra varje bild- punkts fokalplan individuellt. En SLM består av en matris av optiska element som kan programmeras att ha olika optiska egenskaper. En SLM kan t.ex. vara av typen micromirror-SLM eller LC-SLM (Liquid Crystal). Vissa SLM:er är reflekterande genom att vara kombinerade med en spegelyta under det att andra är trans- parenta.

En SLM av det första slaget kan t.ex. programmeras att likna en sfärisk spegel. En SLM kan snabbt omprogrammeras, varför funktionen hos t.ex. en sfärisk spegel med variabel brännvidd kan efterliknas. l fig. 7 visas en SLM av det första slaget 15 placerad i en presentationsanordning. Om man inte är intresserad av genomsikt kan SLM:en som ett altemativ i stället vara placerad i strålgàngen mitt för det betraktande ögat 7.

En SLM med genomsikt 16 kan kombineras med en sfärisk eller plan spegel 11 och härigenom kan funktionen av en sfärisk spegel med variabel brännvidd efterliknas. I fig. 8 och 9 visas hur en sådan kombination kan se ut och hur den kan placeras i en presentationsanordning. Om man inte är intresserad av genomsikt kan spegeln som ett altemativ i stället vara placerad i strålgàngen mitt för det betraktande ögat 7.

Claims (13)

- -a- .. .- v . »u-f -.._ 10 15 20 25 30 35 519 8 Patentkrav:

1. Presentationsanordning som från elektriska signaler för en betraktares öga (7) presenterar en bild uppbyggd av minst två delbilder, vardera omfattande bild- punkter, k å n n e t e c k n a d a v att presentationsanordningen genererar fokuseringsdjup i bilden genom att olika delbilder genereras med olika fokalavstànd och att objekt i bilden i form av ett antal bildpunkter fördelas på delbildema med hänsyn till den djupverkan man avser skapa i bilden.

2. Presentationsanordning enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d a v att bildpunkter på ett visst fokalavstànd genereras av ett strålknippe som har letts en viss optisk väg mellan bildkällan (8) och resp. bildpunkt och bildpunkter på något visst annat fokalavstànd genereras av ett strålknippe som har letts en annan optisk väg mellan bildkällan och resp. bildpunkt, att strålningen delas upp i olika strål- knippen med hjälp av en stråldelare (13,13a), att vardera strålknippet är lett till en reflekterande anordning (9,11) som reflekterar strålning tillbaka till stråldelaren och anpassar respektive dels utsträckning när den faller på stråldelaren så att de av stråldelaren sammansätts till en fullständig bild.

3. Presentationsanordning enligt patentkravet 2, k ä n n e t e c k n a d a v att den ena reflekterande anordningen (9,11) är en totalreflekterande spegel och den andra en partiellt reflekterande anordning, i avsikt att ge genomsikt genom presentationsanordningen.

4. Presentationsanordning enligt patentkravet 2 eller 3, k ä n n e t e c k n a d a v att bildkällan (8) i varje ögonblick endast émitterar strålning som skall gå en och samma optisk väg, att stråldelaren är en polariserande stråldelare (13), att en polarisationsvridande anordning (10,12) är placerad i vardera strålknippets väg och att man utnyttjar polarisationen för att se till att från vardera optisk väg endast de bildpunkter når ett betraktande öga som är avsedda att ligga på det fokalavstànd som den optiska vägen ger upphov till.

5. Presentationsanordning enligt patentkravet 2 eller 3, k ä n n e t e c k n a d a v att bildkällan (8) i varje ögonblick endast emitterar strålning som skall gå en och samma optiska väg, att styrbara strålningsblockerande anordningar (10a,12a) är placerad i vardera strålknippets väg, varvid de strålningsblockerande anordning- ama är anordnade att styras så att från vardera optisk väg endast de bildpunkter niin: 10 15 20 25 30 35 i s 19 057 9 når ett betraktande öga som är avsedda att ligga på det fokalavstànd som den optiska vägen ger upphov till.

6. Presentationsanordning enligt patentkravet 5, k ä n n e t e c k n a d a v att de styrbara stràlningsblockerande anordningama (10a,12a) innefattar ett skikt flytande kristall med tillhörande polarisationsfilter med en spänningsstyrd ljusgenomsläpp- lighet.

7. Presentationsanordning enligt patentkravet 2 eller 3, k å n n e t e c k n a d a v att bildpunktema strålar inom endera av minst två olika våglängdsintervall och att presentationsanordningen innefattar en anordning (10b,12b) som utnyttjar våglängdsskillnaden för att för att skilja på strålning som skall gå olika optisk väg.

8. Presentationsanordning enligt patentkravet 7, k ä n n e t e c k n a d a v att våglängdsintervallen är så vàglängdsmässigt närbelägna att de av ett betraktande öga (7) uppfattas som samma våglängdsintervall.

9. Presentationsanordning enligt patentkravet 7, k ä n n e t e c k n a d a v att vàglängdsintervallen är så vàglängdsmässigt avlägsna att de av ett betraktande öga uppfattas som olika våglängder, vilket används för att markera en skillnad, såsom för att utmärka symboleri en bildmässig omgivning.

10. Presentationsanordning enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d a v att bildkällan (8) i varje ögonblick endast emitterar strålning som skall gå en och samma optiska väg och att en adaptív sfärlsk spegel (14) ingåri strålgången, vilken styrs så att den i varje ögonblick ger det fokalavstånd som de då emitterade bild- punktema skall framställas på.

11. Presentationsanordning enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a d a v att en spatial ljusmodulator (15,16) ingåri strålgången, vilken ljusmodulator styrs så att varje bildpunkt presenteras på det avsedda fokalavståndet.

12. Presentationsanordning enligt något av de tidigare patentkraven, k ä n n e t e c k n a d a v att bildkällan utgörs av en s.k. Virtual Retinal Display. .- v . uno: u-a . n n 0 n n aa a n a n I n 0 o n u: u :vn-n I . ø u 1:11: i a p 519 057 šïï=šïïiëIfië f* 10

13. Presentationsanordning enligt något av de tidigare patentkraven, k ä n n e t e c k n a d a v att bildkällan utgörs av en belyst matris av flytande kristall. o .nu .o