用于可变分辨率屏幕的方法和装置与流程

1.本文描述的系统、装置和方法大体涉及视频投影系统，并且尤其涉及用于诸如虚拟现实体验机等近眼显示器的视频投影系统。


背景技术：

2.自计算机和电视的早期发展以来，显示系统一直依赖于在屏幕上显示视觉信息。多年来，处理能力和小型化已使屏幕分辨率大大提高，但是在屏幕上均匀显示像素的基本方法已经普及。然而，这种方法要求通信和计算性能的显著提高，以随着分辨率的提高来释放所有像素。随着虚拟现实体验机的出现，这些问题已经变得尤为严重，其中，当通过但不限于目镜或波导观看图像时，与传统显示器相比，图像覆盖观看者的大量视场，并且最终使其像素中的一些通常或总是在观看者的周边视觉中或附近。
3.传统的显示器具有像素或扫描线，这些像素或扫描线具有固定的大小和彼此之间的距离，通常在平坦或轻微弯曲的屏幕上呈规则网格或类似的均匀分布的像素或扫描线图案。参见图1a，其示出了单像素101方法，以显示诸如lcd(液晶显示器)或oled(有机发光二极管)计算机或电视显示器等装置。图1b示出了扫描线方法102，其在诸如crt(阴极射线管)计算机或电视显示器以及crt或lbs(激光束控制)视频投影仪等其他显示装置中使用。但是眼睛以中心104处的高分辨率和外围105处降低的视觉来解释视场103，如图1c所示。尽管在视网膜中央凹视力104中具有更多感光细胞和视敏度的人类视觉与单像素101或扫描线102设计完全不同，但是当从许多距离和角度观看屏幕的每个部分时，像素或扫描线的这种固定和均匀分布确保了类似质量的图像。
4.像素或扫描线的这种均匀分布不适用的当前示例是非常有限的，并且大多是无意的，例如在通常将3d表面用作视频投影仪的屏幕的投影制图工业中。
5.近来，由于高分辨率微型显示器、显示器和投影仪的制造成本增加以及由于传统屏幕的分辨率和视场的增加而对为传统屏幕创建的显示内容的计算、带宽和存储要求更加苛刻，因此出现了对可变分辨率的屏幕103的需求，尤其是在虚拟现实、增强现实和混合现实体验机(从现在起称为“xr体验机”)中。
6.当前的xr体验机的目的是提供接近人类视场的视场，考虑到眼睛旋转，该视场平均地水平270度垂直135度，并且通常低于该角度，例如对于虚拟现实体验机水平90度垂直100度，对于增强现实体验机水平低于50度垂直50度，但是这仍高于许多处于正常观看距离的屏幕，例如监视器、电视和投影屏幕。
7.其他示例是视频投影仪，该投影仪可以被设置成投影非常宽，并且比诸如在正常观看距离处的crt、lcd、oled或微led监视器以及tv和投影屏幕等显示技术覆盖更多的观看者视场。
8.两者的混合体也是该方法和显示装置的潜在用例，例如已经被hmpd(头戴式投影显示器)证明，hmpd既是头戴式装置，又投影到逆反射投影屏幕(例如用于视频投影仪的那些)，而不是投影到利用目镜或类似于其他xr体验机的其他光学装置观看的波导或投影屏。
9.在如此高的视场下，相同数量的像素或扫描线在观看者视场的每度中提供较少的像素或扫描线，并且可能遭受明显缺乏细节、像素化和纱窗效应或扫描线之间的间隙的困扰。
10.当前在外围显示较少像素的方法是通过以下方式完成的：在显示器上的各处具有非常高的像素密度，并在显示在观看者的外围视觉附近或外围视觉中的像素上显示较低的分辨率而不是从那里开始具有较少的像素或扫描线。这是sony playstation vr和oculus go头戴式显示器使用的技术(类似于103)。
11.这种均匀地增加显示器上的像素或扫描线数量的方法带来了成本和计算挑战，因为需要更多的像素或扫描线来覆盖高视场，尤其是对于水平270度(每只眼睛195度)垂直135度的平均人类视场，这是每度60像素分辨率所需的，而20/20视觉将需要约每只眼睛水平11,700像素和垂直8100像素。
12.制造观看者的视网膜中央凹视图可以到达的具有更多像素的定制屏幕将非常昂贵，并且需要定制显示控制器。
13.即使有可能并且在经济上可行，创建上述针对此类屏幕的实时视网膜中央内容所需的计算能力也可以用于其他任务，例如实时渲染和显示更详细的虚拟现实图像。
14.迄今为止，已经提出了将两个投影仪或显示器光学组合以实现可变分辨率屏幕的方法，例如使用分光器。这种方法有很多缺点，例如成本较高、重量较大、尺寸较大、需要进行色彩校正以及在不同显示器或投影仪之间进行同步，并且利用两台显示器或投影仪只能在图像上具有一个高分辨率部分和一个低分辨率部分(参见以下专利中的教导：us20160240013a1、us9711072b1、us9983413b1、us9989774b1、us9711114b1、us9905143b1)。
15.而且，倾斜分光器或利用反射镜或棱镜控制图像以重新定位高分辨率区域是具有挑战性的，并且导致透视畸变和一些光学像差，本文描述的一些方法可以解决这些问题。另外，倾斜或旋转的机械组件具有与机械移动组件相关联的缺点，本文描述的一些方法解决这些缺点。


技术实现要素：

16.本文描述了一种用于在屏幕上创建可变分辨率图像流的光学装置，该光学装置由连接到视频源的投影仪组成，其中，投影仪以高分辨率小图像分量和低分辨率大图像分量的形式发送光图像流。可变分辨率图像流的每一帧可以是或包括以下之一：a)低分辨率大图像；b)高分辨率小图像，或高分辨率小图像和低分辨率大图像的叠加。该光图像流被发送到图像控制元件，该图像控制元件将高分辨率小图像分量和低分辨率大图像分量引导到小图像光学元件和大图像光学元件。另外，在实施例中，图像控制元件可以用作图像分离元件，并且可以将第一图像分量与第二图像分量分离。光学装置还可包括图像分离元件，该图像分离元件将高分辨率小图像分量和低分辨率大图像分量分离成高分辨率小图像流和低分辨率大图像流，其中，小图像光学元件和大图像光学元件将低分辨率大图像流和高分辨率小图像流聚焦在屏幕上，使得低分辨率大图像流和高分辨率小图像流作为可变分辨率图像流出现在屏幕上。
17.在一些实施例中，来自投影仪的光图像流在第一帧(帧n)中的高分辨率小图像分量和下一帧(帧n 1)中的低分辨率大图像分量之间被时分复用。图像分离元件可以是用于
管理时分复用的光学快门。或者，来自投影仪的光图像流可以在每个图像的一部分上具有高分辨率小图像分量，而在图像的另一部分上具有低分辨率大图像分量。图像分离元件可以是用于支撑该实施例的光学掩模(模版)。
18.在一些实施例中，屏幕被嵌入在虚拟现实体验机中。小图像光学元件可以包括透镜阵列。图像控制元件可以是旋转的光学平板、反射镜、分光器(例如，偏振分光器或反射型偏振分光器)、楔形(里斯利((risley)))棱镜、液晶可切换反射镜、光学快门或光学掩模元件。大图像光学元件可以是将低分辨率大图像流聚焦到屏幕或观看者视场的外部的透镜或其他光学元件。小图像光学元件可以是将高分辨率小图像流聚焦到屏幕或观看者视场的中心部分的透镜或其他光学元件。
19.本文描述了一种在屏幕上创建可变分辨率图像流的光学方法，其中，该方法包括以下步骤：利用连接到视频源的投影仪以高分辨率小图像分量和低分辨率大图像分量的形式创建光图像流；利用图像或光束控制元件将高分辨率小图像分量和低分辨率大图像分量引导到小图像光学元件和大图像光学元件；利用图像分离元件将高分辨率小图像分量和低分辨率大图像分量分离为高分辨率小图像流和低分辨率大图像流；以及由小图像光学元件和大图像光学元件将低分辨率大图像流和高分辨率小图像流聚焦以在屏幕上形成可变分辨率图像流。
20.在光学方法的一些实施例中，来自投影仪的光图像流在第一帧(帧n)中的高分辨率小图像分量和第二帧(帧n 1)中的低分辨率大图像分量之间被时分复用。这些组件的分离可以通过将光学快门用于图像分离元件来实现。在光学方法的另一实施例中，来自投影仪的光图像流可以在每个图像的一部分上具有高分辨率小图像分量，而在图像的另一部分上具有低分辨率大图像分量，并且图像分离元件可以是光学掩模(模版)。
21.在光学方法的一些实施例中，屏幕被嵌入在虚拟现实体验机中。小图像光学元件可以包括透镜阵列。图像控制元件可以是旋转的光学平板、反射镜、分光器、楔形(里斯利((risley)))棱镜、光学快门、液晶可切换反射镜或光学掩模元件。大图像光学元件可以是将低分辨率大图像流聚焦到屏幕或观看者视场的外部的透镜或其他光学元件。小图像光学元件可以是将高分辨率小图像流聚焦到屏幕或观看者视场的中心部分的透镜或其他光学元件。该屏幕可以是平坦或弯曲的漫射投影屏幕、平坦或弯曲的逆反射投影屏幕、平坦或弯曲的全息漫射器投影屏幕、结合到第一表面或投影屏幕的平坦或弯曲的光纤光锥、或者平坦或弯曲的反射镜或菲涅耳镜，反射镜或菲涅耳镜可将投影聚焦到观看者的视网膜上(例如，准直显示系统中使用的视网膜)。屏幕也可以是观看者的视网膜。投影仪可以是微型显示器或显示器。
22.下面阐述本公开的实施例的各种不同的示例实施方式。
23.1.一种光学装置，包括：图像源，被配置为输出第一图像分量和第二图像分量；以及一个或更多个光学元件，被配置为：接收第一图像分量并输出聚焦在屏幕上的高分辨率小图像；接收第二图像分量并输出聚焦在屏幕上的低分辨率大图像；其中，高分辨率小图像和低分辨率大图像作为可变分辨率图像出现在屏幕上。
24.2.根据示例1所述的光学装置，其中，所述图像源包括投影仪、显示器或微型显示器中的至少一个。
25.3.根据示例1所述的光学装置，其中，所述一个或更多个光学元件包括：小图像光
学元件，被配置为接收第一图像分量并输出聚焦在屏幕上的高分辨率小图像；以及大图像光学元件，被配置为接收第二图像分量并输出聚焦在屏幕上的低分辨率大图像。
26.4.根据示例3所述的光学装置，还包括：图像控制元件，用于将第一图像分量引导到小图像光学元件，并将第二图像分量引导到大图像光学元件。
27.5.根据示例3所述的光学装置，其中，所述小图像光学元件和大图像光学元件共享它们组成部分中的一个或更多个组成部分。
28.6.根据示例3所述的光学装置，其中，所述小图像光学元件包括复制元件和光学掩模元件。
29.7.根据示例6所述的光学装置，其中，所述光学掩模元件从中间图像平面轻微偏移以减小来自光学掩模元件的纱窗效应。
30.8.根据示例6所述的光学装置，其中，所述光学掩模元件还显示该高分辨率小图像的副本，其中，高分辨率小图像的单个复制品与高分辨率小图像的副本合并以提供高分辨率小图像的增加的对比度或增加的颜色深度中的至少一种。
31.9.根据示例6所述的光学装置，其中，复制元件接收高分辨率小图像并输出高分辨率小图像的多个复制品；光学掩模元件掩蔽高分辨率小图像的所述多个复制品中的一个或更多个，从而保留高分辨率小图像的一个或更多个复制品的部分，其中，高分辨率小图像的一个或更多个复制品的部分一起形成聚焦到屏幕上的目标位置的高分辨率小图像的完整单个复制品。
32.10.根据示例9所述的光学装置，其中，所述高分辨率小图像的一个或更多个复制品的部分包括高分辨率小图像的至少四个复制品的数字重排部分，并且其中，光学掩模元件被配置为从高分辨率小图像的至少四个复制品的数字重排部分重构高分辨率小图像的完整单个复制品。
33.11.根据示例1所述的光学装置，其中，所述一个或更多个光学元件包括掩模元件，其中，所述掩模元件显示低分辨率大图像的副本，并且其中，低分辨率大图像与低分辨率大图像的副本合并以提供低分辨率大图像的增加的对比度或增加的颜色深度中的至少一种。
34.12.根据示例1所述的光学装置，其中，所述第一图像分量和第二图像分量是图像流的不同帧，并且其中，所述图像源被配置为以时分复用方式在不同帧中输出第一图像分量和第二图像分量。
35.13.根据示例1所述的光学装置，其中，所述图像源被配置为输出包括第一图像分量和第二图像分量的初始图像，其中，第一图像分量包括初始图像的第一多个像素，第二图像分量包括初始图像的第二多个像素。
36.14.根据示例1所述的光学装置，其中，所述一个或更多个光学元件包括一个或更多个电可调透镜或反射镜，并且其中，电可调透镜或反射镜用作变焦透镜或反射镜，用于控制屏幕上的高分辨率小图像或低分辨率大图像中的至少一种的尺寸。
37.15.根据示例1所述的光学装置，其中，所述一个或更多个光学元件包括一个或更多个电可调透镜或反射镜，并且其中，所述一个或更多个电可调透镜或反射镜用作聚焦透镜或反射镜，用于控制屏幕上的高分辨率小图像或低分辨率大图像中的至少一种的焦点。
38.16.根据示例1所述的光学装置，还包括旋转光学平板，用于控制包括从小图像光学元件输出的高分辨率小图像的图像流。
39.17.根据示例1所述的光学装置，其中，所述屏幕包括观看者的视网膜。
40.18.根据示例1所述的光学装置，其中，所述图像源包括激光束控制(lbs)投影仪，其中，第一图像分量是由lbs投影仪产生的窄光束，并且其中，第二图像分量是由lbs投影仪产生的宽光束。
41.19.根据示例18所述的光学装置，其中，所述高分辨率小图像在屏幕上的位置由与lbs投影仪相关联的角度确定。
42.20.根据示例1所述的光学装置，还包括：凝视跟踪元件，用于检测观看者的视网膜中央凹视图；其中，高分辨率小图像或高分辨率小图像的单个复制品的位置对应于观看者的视网膜中央凹视图。
43.21.一种光学装置，包括：第一图像源，被配置为输出低分辨率大图像；第二图像源，被配置为输出高分辨率小图像；图像复制元件，用于接收高分辨率小图像并输出高分辨率小图像的多个复制品；以及光学掩模元件，用于掩蔽高分辨率小图像的多个复制品中的一个或更多个，从而保留高分辨率小图像的一个或更多个复制品的部分，其中，高分辨率小图像的一个或更多个复制品的部分一起形成聚焦到屏幕上的目标位置的高分辨率小图像的完整单个复制品；其中，高分辨率小图像的单个复制品和低分辨率大图像作为可变分辨率图像出现在屏幕上。
44.22.根据示例21所述的光学装置，其中，第一图像源或第二图像源中的至少一个包括投影仪、显示器或微型显示器中的至少一个。
45.23.根据示例21所述的光学装置，还包括：一个或更多个电可调透镜或反射镜，其中，所述一个或更多个电可调透镜或反射镜用作变焦透镜或反射镜，用于控制屏幕上的高分辨率小图像、高分辨率小图像的单个复制品或低分辨率大图像中的至少一种的尺寸。
46.24.根据示例21所述的光学装置，还包括：一个或更多个电可调透镜或反射镜，其中，所述一个或更多个电可调透镜或反射镜用作聚焦透镜或反射镜，用于控制屏幕上的高分辨率小图像、高分辨率小图像的单个复制品或低分辨率大图像中的至少一种的焦点。
47.25.根据示例21所述的光学装置，其中，所述光学掩模元件从中间图像平面轻微偏移以减小来自光学掩模元件的纱窗效应。
48.26.根据示例21所述的光学装置，其中，所述光学掩模元件还显示高分辨率小图像的副本，其中，高分辨率小图像的单个复制品与高分辨率小图像的副本合并以提供高分辨率小图像的单个复制品的增加的对比度或增加的颜色深度中的至少一种。
49.27.根据示例21所述的光学装置，其中，所述光学掩模元件还显示低分辨率大图像的副本，其中，低分辨率大图像与低分辨率大图像的副本合并以提供低分辨率大图像的增加的对比度或增加的颜色深度中的至少一种。
50.28.根据示例21所述的光学装置，其中，所述屏幕包括观看者的视网膜。
51.29.根据示例21所述的光学装置，其中，还包括：凝视跟踪元件，用于检测观看者的视网膜中央凹视图；其中，高分辨率小图像的单个复制品的位置对应于观看者的视网膜中央凹视图。
52.30.根据示例21所述的光学装置，其中，所述高分辨率小图像的一个或更多个复制品的部分包括高分辨率小图像的至少四个复制品的数字重排部分，并且其中，光学掩模元件被配置为从高分辨率小图像的至少四个复制品的数字重排部分重构高分辨率小图像的
完整单个复制品。
53.31.一种光学装置，包括：图像源，被配置为输出第一图像分量和第二图像分量；图像控制元件，被配置为将第一图像分量引导到小图像光学元件，并且将第二图像分量引导到大图像光学元件；小图像光学元件，被配置为接收第一图像分量并输出聚焦在中间图像平面上的高分辨率小图像的多个复制品；大图像光学元件，用于接收第二图像分量并输出低分辨率大图像；以及光学掩模元件，用于掩蔽高分辨率小图像的多个复制品中的一个或更多个；其中，高分辨率小图像的多个复制品中的一个或更多个与低分辨率大图像的叠加形成组合图像。
54.32.根据示例31所述的光学装置，还包括：光束组合器，用于将高分辨率小图像的多个复制品中的一个或更多个与低分辨率大图像组合以产生组合图像。
55.33.根据示例32所述的光学装置，其中，所述光学掩模元件在小图像光学元件与光束组合器之间，并且其中，组合图像包括高分辨率小图像的单个复制品。
56.34.根据示例31所述的光学装置，其中，所述组合图像包括低分辨率大图像和高分辨率小图像的多个复制品，所述光学装置还包括第二图像控制元件，用于将组合图像分成高分辨率小图像的多个复制品和低分辨率大图像；将高分辨率小图像的多个复制品引导到第一屏幕上；将低分辨率大图像引导到第二个屏幕上；其中，所述光学掩模元件在第一屏幕与分光器之间，光学掩模元件掩蔽高分辨率小图像的多个复制品中的一个或更多个，使得高分辨率小图像的单个复制品到达第一屏幕；并且其中，高分辨率小图像的单个复制品和低分辨率大图像重新组合以产生可变分辨率的图像。
57.35.根据示例34所述的光学装置，其中，所述第二图像控制元件包括分光器。
58.36.根据示例35所述的光学装置，其中，所述分光器还将高分辨率小图像的单个复制品与低分辨率大图像重新组合，以产生可变分辨率图像。
59.37.根据示例34所述的光学装置，其中，所述第一屏幕和第二屏幕被包括在虚拟现实体验机中。
60.38.根据示例31所述的光学装置，其中，所述小图像光学元件或大图像光学元件中的至少一个包括用户控制的变焦透镜。
61.39.根据示例31所述的光学装置，其中，所述组合图像是聚焦在观看者的眼睛上的可变分辨率图像。
62.40.根据示例31所述的光学装置，还包括：目镜或波导，其中，所述组合图像是被引导到目镜或波导的可变分辨率图像。
63.41.根据示例31所述的光学装置，其中，所述图像源包括投影仪、显示器或微型显示器中的至少一个。
64.42.根据示例41所述的光学装置，其中，所述图像源包括用于多个颜色通道中每个颜色通道的单独的显示器或微型显示面板，所述光学装置还包括：三向棱镜、x
‑
立方棱镜或二向色滤光器中的至少一个，用于光学地组合多个颜色通道。
65.43.根据示例31所述的光学装置，还包括：凝视跟踪元件，用于检测观看者的视网膜中央凹视图；其中，高分辨率小图像的单个复制品在对应于观看者的视网膜中央凹视图的位置处被定位在低分辨率大图像上。
66.44.根据示例31所述的光学装置，其中，所述小图像光学元件包括透镜阵列。
67.45.根据示例31所述的光学装置，其中，所述光学掩模元件还显示该高分辨率小图像的副本，其中，高分辨率小图像的单个复制品与高分辨率小图像的副本合并以提供高分辨率小图像的增加的对比度或增加的颜色深度中的至少一种。
68.46.根据示例31所述的光学装置，其中，所述光学掩模元件掩蔽高分辨率小图像的所述多个复制品中的一个或更多个，从而保留高分辨率小图像的单个复制品。
69.47.一种光学装置，包括：第一图像源，被配置为输出高分辨率小图像；小图像光学元件，被配置为接收高分辨率小图像并输出高分辨率小图像的多个复制品；图像控制元件，用于将高分辨率小图像的多个复制品引导到屏幕上；光学掩模元件，用于掩蔽高分辨率小图像的多个复制品中的一个或更多个，从而保留高分辨率小图像的单个复制品；以及第二图像源，被配置为输出低分辨率大图像；其中，高分辨率小图像的单个复制品将与低分辨率大图像组合以产生可变分辨率图像。
70.48.根据示例47所述的光学装置，其中，所述图像控制元件包括分光器，其中，光学掩模元件位于屏幕和分光器之间，其中，高分辨率小图像的单个复制品被引导到分光器，其中，分光器用于将高分辨率小图像的单个复制品与低分辨率大图像组合以产生可变分辨率图像。
71.49.根据示例47所述的光学装置，其中，所述可变分辨率图像聚焦在观看者的眼睛上。
72.50.根据示例47所述的光学装置，其中，所述第一图像源包括投影仪、显示器或微型显示器中的至少一个。
73.51.根据示例50所述的光学装置，其中，所述图像源包括用于多个颜色通道中每个颜色通道的单独的显示器或微型显示面板，所述光学装置还包括：三向棱镜、x
‑
立方棱镜或二向色滤光器中的至少一个，用于光学地组合多个颜色通道。
74.52.根据示例47所述的光学装置，其中，所述小图像光学元件包括用户控制的变焦透镜。
75.53.根据示例47所述的光学装置，其中，所述第二图像源包括显示器。
76.54.根据示例53所述的光学装置，其中，所述显示器是液晶显示器或发光二极管显示器。
77.55.根据示例47所述的光学装置，其中，所述屏幕和第二图像源被包括在虚拟现实体验机中。
78.56.根据示例47所述的光学装置，其中，所述小图像光学元件包括透镜阵列。
79.57.根据示例47所述的光学装置，还包括：凝视跟踪元件，用于检测观看者的视网膜中央凹视图；其中，高分辨率小图像的单个复制品在对应于观看者的视网膜中央凹视图的位置处被定位在低分辨率大图像上。
80.58.根据示例47所述的光学装置，其中，由小图像光学元件输出的高分辨率小图像的多个复制品被聚焦在中间图像平面上，其中，光学掩膜元件是显示器或微型显示器，包括像素或子像素中的至少一个以及像素或子像素中的至少一个之间的间隙，并且其中，显示器或微型显示器偏离中间图像平面。
81.59.根据示例47所述的光学装置，其中，所述光学掩模元件还显示该高分辨率小图像的副本，其中，高分辨率小图像的单个复制品与高分辨率小图像的副本合并以提供高分
辨率小图像的增加的对比度或增加的颜色深度中的至少一种。
82.60.根据示例47所述的光学装置，还包括：目镜或波导，其中，可变分辨率图像被引导到目镜或波导。
83.61.一种光学装置，包括：图像源，被配置为输出第一图像分量和第二图像分量；图像控制元件，被配置为将第一图像分量引导到小图像光学元件，并且将第二图像分量引导到大图像光学元件；小图像光学元件，被配置为接收第一图像分量并输出聚焦在屏幕上的高分辨率小图像；以及大图像光学元件，被配置为接收第二图像分量并输出聚焦在屏幕上的低分辨率大图像，其中，高分辨率小图像和低分辨率大图像作为可变分辨率图像出现在屏幕上。
84.62.根据示例61所述的光学装置，其中，所述图像源包括投影仪、显示器或微型显示器中的至少一个。
85.63.根据示例61所述的光学装置，其中，所述第一图像分量和第二图像分量是图像流的不同帧，并且其中，所述图像源被配置为以时分复用方式在不同帧中输出第一图像分量和第二图像分量。
86.64.根据示例61所述的光学装置，其中，所述图像源被配置为输出包括第一图像分量和第二图像分量的初始图像，其中，第一图像分量包括初始图像的第一多个像素，第二图像分量包括初始图像的第二多个像素。
87.65.根据示例61所述的光学装置，还包括：图像分离元件，其将第一图像分量与第二图像分量分离，其中，图像分离元件包括光学掩模。
88.66.根据示例61所述的光学装置，其中，所述屏幕被包括在虚拟现实体验机中。
89.67.根据示例61所述的光学装置，其中，所述小图像光学元件包括透镜阵列，所述透镜阵列被配置为输出高分辨率小图像的多个复制品。
90.68.根据示例67所述的光学装置，还包括：光学掩模元件，用于掩蔽高分辨率小图像的多个复制品中的一个或更多个的至少一部分。
91.69.根据示例68所述的光学装置，其中，所述光学掩模元件包括显示器，并且其中，所述透镜阵列被配置为将高分辨率小图像的多个复制品聚焦到显示器的像素上，光学装置还包括：第二透镜阵列或透镜，用于将高分辨率小图像的单个复制品聚焦到屏幕上。
92.70.根据示例68所述的光学装置，其中，所述光学掩模元件包括微型显示器，并且其中，所述透镜阵列被配置为将高分辨率小图像的多个复制品聚焦到微型显示器的像素上，所述光学装置还包括：第二透镜阵列或透镜，用于将高分辨率小图像的单个复制品聚焦到屏幕上。
93.71.根据示例68所述的光学装置，其中，所述光学掩模元件被配置为从高分辨率小图像的至少四个复制品的数字重排部分重构高分辨率小图像的单个复制品。
94.72.根据示例61所述的光学装置，还包括：第二图像控制元件，用于控制高分辨率小图像在屏幕上的放置。
95.73.根据示例61所述的光学装置，其中：大图像光学元件包括至少一个透镜，被配置为将低分辨率大图像聚焦到观看者的视场上；所述小图像光学元件包括至少一个透镜，被配置为将高分辨率小图像聚焦到观看者视场的内部。
96.74.根据示例61所述的光学装置，其中，所述图像控制元件还被配置为将第一图像
分量与第二图像分量分离。
97.75.根据示例61所述的光学装置，还包括：
98.将第一图像分量与第二图像分量分离的图像分离元件，其中，所述图像分离元件包括光学快门。
99.76.根据示例61所述的光学装置，其中，所述图像控制元件包括可切换的液晶偏振旋转器和偏振分光器。
100.77.根据示例61所述的光学装置，还包括：掩模，用于掩蔽与高分辨率小图像重叠的低分辨率大图像的一部分。
101.78.根据示例61所述的光学装置，还包括：凝视跟踪元件，用于检测观看者的视网膜中央凹视图；其中，高分辨率小图像在对应于观看者的视网膜中央凹视图的位置处被定位在低分辨率大图像上。
102.79.根据示例61所述的光学装置，还包括：光束组合器，用于组合高分辨率小图像和低分辨率大图像，以产生输出到屏幕上的可变分辨率图像。
103.80.根据示例61所述的光学装置，其中，所述屏幕包括观看者的视网膜。
104.81.一种光学装置，包括：第一图像源，被配置为输出聚焦在屏幕上的低分辨率大图像；第二图像源，被配置为输出高分辨率小图像；图像复制元件，用于接收高分辨率小图像并输出高分辨率小图像的多个复制品；光学掩模元件，用于掩蔽高分辨率小图像的多个复制品中的一个或更多个，从而保留高分辨率小图像的一个或更多个复制品的部分，其中，高分辨率小图像的一个或更多个复制品的部分一起形成聚焦到屏幕上的目标位置的高分辨率小图像的完整单个复制品；其中，高分辨率小图像和低分辨率大图像作为可变分辨率图像出现在屏幕上。
105.82.根据示例81所述的光学装置，其中，第一图像源或第二图像源中的至少一个包括投影仪、显示器或微型显示器中的至少一个。
106.83.根据示例81所述的光学装置，其中，所述屏幕被包括在虚拟现实体验机中。
107.84.根据示例81所述的光学装置，其中，所述图像复制元件包括透镜阵列。
108.85.根据示例84所述的光学装置，其中，述光学掩模元件包括显示器，并且其中，所述透镜阵列被配置为将高分辨率小图像的多个复制品聚焦到显示器的像素上，光学装置还包括：第二透镜阵列或透镜，用于将高分辨率小图像的单个复制品聚焦到屏幕上。
109.86.根据示例84所述的光学装置，其中，所述光学掩模元件包括微型显示器，并且其中，所述透镜阵列被配置为将高分辨率小图像的多个复制品聚焦到微型显示器的像素上，所述光学装置还包括：第二透镜阵列或透镜，用于将高分辨率小图像的单个复制品聚焦到屏幕上。
110.87.根据示例81所述的光学装置，其中，所述屏幕包括观看者的视网膜。
111.88.根据示例81所述的光学装置，还包括：凝视跟踪元件，用于检测观看者的视网膜中央凹视图；其中，高分辨率小图像的单个复制品在对应于观看者的视网膜中央凹视图的位置处被定位在低分辨率大图像上。
112.89.根据示例81所述的光学装置，其中，所述高分辨率小图像的一个或更多个复制品的部分包括高分辨率小图像的至少四个复制品的数字重排部分，并且其中，掩模元件被配置为从高分辨率小图像的至少四个复制品的数字重排部分重构高分辨率小图像的完整
单个复制品。
113.90.根据示例81所述的光学装置，还包括：光束组合器，用于组合高分辨率小图像和低分辨率大图像，以产生输出到屏幕上的可变分辨率图像。
114.91.一种用于在屏幕上创建可变分辨率图像流的光学装置，所述装置包括：连接到视频源的投影仪，其中，所述投影仪以高分辨率小图像分量和低分辨率大图像分量的形式发送光图像流；图像控制元件，将高分辨率小图像分量和低分辨率大图像分量引导到小图像光学元件和大图像光学元件；图像分离元件，将高分辨率小图像分量和低分辨率大图像分量分离为高分辨率小图像流和低分辨率大图像流，其中，小图像光学元件和大图像光学元件将低分辨率大图像流和高分辨率小图像流聚焦在屏幕上，从而使低分辨率大图像流和高分辨率小图像流作为可变分辨率图像流出现在屏幕上。
115.92.根据实例91所述的装置，其中，来自投影仪的光图像流在第一帧中的高分辨率小图像分量和下一帧中的低分辨率大图像分量之间被时分复用。
116.93.根据实例92所述的装置，其中，所述图像分离元件是光学快门。
117.94.根据实例91所述的装置，其中，来自投影仪的光图像流在每个图像的一部分上具有高分辨率小图像分量，而在每个图像的另一部分上具有低分辨率大图像分量。
118.95.根据实例94所述的装置，其中，所述图像分离元件是光学掩模。
119.96.根据示例91所述的装置，其中，所述屏幕被嵌入在虚拟现实体验机。
120.97.根据示例91所述的装置，其中，所述小图像光学元件包括透镜阵列。
121.98.根据示例97所述的装置，还包括掩模显示器，用于掩蔽来自透镜阵列的高分辨率小图像流的未使用部分。
122.99.根据示例97所述的装置，还包括掩蔽微型显示器，用于掩蔽来自透镜阵列的高分辨率小图像流的未使用部分。
123.100.根据示例91所述的装置，还包括旋转光学平板，用于引导来自小图像光学元件的高分辨率小图像流。
124.101.根据示例91所述的装置，其中，所述大图像光学元件是将低分辨率大图像流聚焦到观看者视场的外部的透镜。
125.102.根据示例91所述的装置，其中，所述小图像光学元件是将高分辨率小图像流聚焦到观看者视场的中心部分的透镜。
126.103.根据示例91所述的装置，其中，所述屏幕是观看者的视网膜。
127.104.根据示例91所述的装置，其中，所述投影仪是微型显示器。
128.105.根据示例91所述的装置，其中，所述投影仪是显示器。
129.106.一种用于在屏幕上创建可变分辨率图像流的光学方法，所述方法包括：利用连接到视频源的投影仪以高分辨率小图像分量和低分辨率大图像分量的形式创建光图像流；利用图像控制元件将高分辨率小图像分量和低分辨率大图像分量引导到小图像光学元件和大图像光学元件；利用图像分离元件将高分辨率小图像分量和低分辨率大图像分量分离为高分辨率小图像流和低分辨率大图像流；以及由小图像光学元件和大图像光学元件将低分辨率大图像流和高分辨率小图像流聚焦以在屏幕上形成可变分辨率图像流。
130.107.根据示例106所述的方法，其中，来自投影仪的光图像流在第一帧中的高分辨率小图像分量与第二帧中的低分辨率大图像分量之间被时分复用。
131.108.根据示例107所述的方法，其中，所述图像分离元件是光学快门。
132.109.根据示例106所述的方法，其中，来自投影仪的光图像流在每个图像的一部分上具有高分辨率小图像分量，而在每个图像的另一部分上具有低分辨率大图像分量。
133.110.根据示例109所述的方法，其中，所述图像分离元件是光学掩模。
134.111.根据示例106所述的方法，其中，所述屏幕被嵌入在虚拟现实体验机中。
135.112.根据示例106所述的方法，其中，所述小图像光学元件包括透镜阵列。
136.113.根据示例112所述的方法，还包括：利用掩膜显示器掩蔽来自透镜阵列的高分辨率小图像流的未使用部分。
137.114.根据示例112所述的方法，还包括利用掩模微型显示器掩蔽来自透镜阵列的高分辨率小图像流的未使用部分。
138.115.根据示例106所述的方法，还包括使用旋转光学平板引导来自小图像光学元件的高分辨率小图像流。
139.116.根据示例106所述的方法，其中，大图像光学元件是将低分辨率大图像流聚焦到观看者视场的外部的透镜。
140.117.根据示例106所述的方法，其中，所述小图像光学元件是将高分辨率大图像流聚焦到观看者的视场的中心部分的透镜。
141.118.根据示例106所述的方法，其中，所述屏幕是观看者的视网膜。
142.119.根据示例106所述的方法，其中，所述投影仪是微型显示器。
143.120.根据示例106所述的方法，其中，所述投影仪是显示器。
附图说明
144.图1a示出了用于显示装置的单像素方法。
145.图1b示出了用于显示装置的扫描线方法。
146.图1c示出了用于显示器的多焦点方法。
147.图2示出了使用视觉暂留将来自两个连续帧的图像混合成一个最终图像。
148.图3示出了将微型显示器、显示器或投影仪的图像分成组合的两个部分。
149.图4a是在最简单的实施例中光通过光学功能的功能流。
150.图4b是在最简单的实施例中光通过光学元件的硬件流。
151.图5a是在轻微更复杂的实施例中光通过光学功能的功能流。
152.图5b是在轻微更复杂的实施例中光通过光学元件的硬件流。
153.图5c是如先前附图中的通过光学元件的光的硬件流，该光学元件具有光学掩模(模版)。
154.图5d是对于头戴式显示器中的每只眼睛，光通过如图5b中的光学元件的硬件流。
155.图5e示出了使用光学平板元件的实施例。
156.图5f是在轻微复杂的实施例中，使用屏幕的光通过光学元件的硬件流。
157.图5g是使用屏幕的光通过如前图中的光学元件的硬件流，该光学元件具有光学掩模。
158.图5h是对于头戴式显示器中的每个屏幕，光通过如图5f中的光学元件的硬件流。
159.图6a示出了具有代表各个像素的矩形的图示。
160.图6b示出了具有显示实际图像的各个像素的图示。
161.图7a示出了原始图像。
162.图7b示出了透视变形的图像。
163.图8a示出了没有失真或失真失配校正的图像。
164.图8b示出了具有失真失配的图像。
165.图9a示出了穿过光学平板的光。
166.图9b示出了以一定角度通过光学平板的光。
167.图9c示出以不同角度通过光学平板的光。
168.图9d示出了以两个相对的最大角度通过同一光学平板的光的叠加。
169.图10a示出了利用倾斜45度的两个反射镜偏移图像或光束。
170.图10b示出了利用倾斜40度的两个反射镜偏移图像或光束。
171.图11示出了利用成组的四个反射镜偏移图像或光束。
172.图12示出了使用成组的道威棱镜和四个反射镜偏移图像或光束。
173.图13示出了透镜阵列实施例中光通过光学功能的功能流。
174.图14示出了在第二透镜阵列实施例中光通过光学功能的功能流。
175.图15示出了通过一个透镜阵列实施例的元件的光流。
176.图16a和图16b示出了在使用透镜阵列之后，在屏幕或观看者的视网膜(图16b)上看到的图像(图16a)。
177.图17a示出了使用匹配的成组的透镜阵列和光学掩模元件的实施例。
178.图17b示出了用于光学掩模元件的反射微型显示器。
179.图17c示出了显示器的使用，例如，lcd显示器的使用，其反射层和背光层被去除为光学掩模元件。
180.图17d示出了用于生成具有已经光学组合的大和小部分的图像的元件，并具有隐藏小部分的复制的图像并显示其中之一的能力。
181.图17e示出了用于生成具有已经光学组合的大和小部分的图像的元件，并且具有隐藏小部分的复制的图像并显示其中之一的能力。
182.图17f示出了用于生成具有已经光学组合的大和小部分的图像的另一实施例的元件，并且具有隐藏小部分的复制的图像并显示其中之一的能力。
183.图17g示出了用于生成具有已经光学组合的大和小部分的图像的元件，并且具有隐藏小部分的复制的图像并显示其中之一的能力。
184.图18示出了图像的数字和光学重排部分。
185.图19示出了要光学和数字重排的图像部分不必从图像的中间被分割。
186.图20示出了在物理尺寸减小的头戴式显示器中本发明的安装的实施例。
187.图21示出了在使用反射镜以减小单元的物理尺寸的头戴式显示器中本发明的安装的实施例。
188.图22示出了本发明在使用反射镜和分光器以减小单元的物理尺寸的头戴式显示器中的安装的实施例。
189.图23示出了使用第一光源和第二光源的组合的实施例，该第一光源将图像输出到屏幕上以显示可变分辨率图像的第一部分，该第二光源显示可变分辨率图像的第二部分。
190.图24a示出了根据一个实施例的源图像。
191.图24b示出了根据一个实施例的在中间图像平面上的光学掩模元件上的图24a的源图像。
192.图24c示出了根据一个实施例的在与中间图像平面略微偏移的光学掩模元件上的图24a的源图像。
193.图25从左到右示出了空间调制图像两次或空间调制存储原始图像的不同位深(色深)信息的两个图像如何在右边产生更高对比度和/或更高位深(色深)的图像。
194.图26从左到右示出了再次空间调制高分辨率小图像或者空间调制在光学掩模元件上以较低分辨率显示的高分辨率小图像的不同的位深(色深)信息如何在右边产生更高对比度和/或更高位深(色深)的图像。
具体实施方式
195.本发明描述了用于实现可变分辨率屏幕的系统和方法，其中，观看者视场前面且视网膜中央凹视力期望最大分辨率的区域的分辨率高于屏幕外围区域的分辨率，在屏幕外围区域，外围视觉期望较低的分辨率和清晰度。在本技术中，描述了四个主要的(以及许多次要的)实施例。
196.以下发明描述了用于实现可变分辨率屏幕的方法和显示装置，该可变分辨率屏幕可以被限定为这样一种屏幕，该屏幕允许在直接或通过但不限于目镜(最靠近观看者的眼睛的透镜)或波导观看图像时，提供的分辨率在整个图像上不均匀，而是在图像上需要的地方(例如观看者视场的中心)，观看者可以看到更多的像素或扫描线，而在图像的其他一个或多个部分中看到较少的像素或扫描线。
197.这样的屏幕与显示预渲染或实时渲染的中央凹视觉内容的现有屏幕不同，因为可变分辨率内容显示的这种方法将内容的高分辨率部分限制为该屏幕的该部分可能的原始分辨率。术语“屏幕”也可以用来描述观看者的视网膜。
198.中央凹视觉内容是图像、视频或实时生成的图像，其中在每个图像上，分辨率在整个图像上变化，例如，仅在观看者正在看、能够看或打算看的地方显示更多分辨率。
199.与在不使用本文所述方法的情况下使用微型显示器、显示器或投影仪时可能实现的分辨率相比，本文所述的可变分辨率屏幕方法和装置允许实现在图像的一个或更多个部分中可见的更高分辨率。
200.可以使用诸如pc、移动电话或平板电脑之类的现有计算硬件来执行所描述的方法，以为其提供预渲染或实时渲染的内容。
201.可以利用少至一个可变分辨率的屏幕或上述之一用于一个可变分辨率的屏幕每只眼睛的屏幕(例如，头戴式显示器)的单个dlp(数字光处理)、lcos(硅上液晶)、lcd(液晶显示器)、oled(有机发光二极管)、microled或类似的微型显示器、显示器或投影仪或lbs(激光束控制)或类似的投影仪401、411、501、511、521、551、2301、5111、5121、5151、1401来执行这些方法。使用少至单个的微型显示器、显示器或投影仪或每只眼睛一个允许最小化生产这种可变分辨率屏幕装置的成本、减少装置的重量和尺寸。单个微型显示器、显示器或投影仪也可以指的是如下微型显示器、显示器或投影仪，其中，单独的显示器或微型显示面板用于每个色彩通道，它们是光学组合的，例如与三向色棱镜、x立方棱镜或二向色滤镜组
合。出于各种原因，例如消除颜色分离(也称为“彩虹伪影”)和提高刷新率，这可能是有用的。
202.这样的可变分辨率屏幕的使用是虚拟现实、增强现实和混合现实体验机(“xr体验机”)和视频投影仪，但不限于此。使用高分辨率小图像的反射镜或楔形棱镜定位在低分辨率大图像上。
203.在一个实施例中，可以通过利用反射镜或楔形(里斯利risley)棱镜将高分辨率小图像定位在低分辨率大图像上来实现可变分辨率的屏幕。
204.为了实现可变分辨率的屏幕，以快速刷新率操作诸如微型显示器或显示器401、411、501、511、521、551之类的单个显示技术。微型显示器或显示器的每个连续帧(帧n 1)用于通过共享帧201、202和后者的两个或更多个部分203、204之间的最终图像205的刷新率，来显示最终图像205的一部分的较小的高分辨率部分204或最终图像205的一部分的较大的低分辨率部分203。视觉暂留将这两部分203、204混合为一个最终图像205。请参见图2。
205.在图2中，这些帧交替低分辨率帧n 201与随后显示的高分辨率帧n 1 202。在具有足够的刷新率的情况下，眼睛将两者解释为单个图像205。组合的屏幕203的低分辨率部分在高分辨率区域204中可以具有中性色(黑色)。组合的屏幕204的高分辨率部分在低分辨率区域203中可以具有中性色(黑色)。两个区域203、204之间的轻微重叠将通过具有区域203、204重叠的混合区域来防止明显的接缝或缝隙。在另一个实施例中，低分辨率部分203未被掩蔽并且在高分辨率所驻留的区域中与高分辨率部分204混合。
206.可替代地，为了实现可变分辨率的屏幕，将诸如微型显示器或显示器之类的单一显示技术光学地分成两个或更多个部分301、302。该方法通过牺牲最终图像上的另一部分302(或多个部分)的分辨率，允许一个部分301(或多个部分)在最终图像上使用更多像素。见图3。
207.两种方法也可以组合以允许通过在部分之间共享微型显示器或显示器的分辨率和刷新率两者来在最终图像上创建更多部分，或者允许创建两个或更多个最终图像，例如用于使用单个微型显示器或显示器以在头戴式显示器中为双眼创建最终图像。
208.在图3中，示出了被分成两个部分301、302的16：9长宽比的微型显示器或显示器，例如，被分为1080x1080像素的较小的高分辨率部分301和840x1080像素的较大的低分辨率部分302(然后可以将后者光学翻转90度以获得更好的长宽比)的1920x1080像素的微型显示器或显示器。
209.使用光学方法或光学和机械方法以及可选地数字方法，部分301和302可以被调整大小并且彼此重叠305。较大的低分辨率部分303可以在较小的高分辨率部分304并且它们重叠的地方被掩蔽。
210.通过以下方式可以进一步使掩模更加无缝：通过在高分辨率小图像中以数字分辨率衰减使过渡不太突然或利用两个图像上的衰减使像素变暗，来光学或数字地融合边缘。
211.两个部分之间的亮度水平可以被光学地(例如使用中性密度滤光器)或数字地平衡。
212.参见图4a和图4b。为了能够对在最终图像405上具有不同大小和位置的每个部分使用相同的微型显示器或显示器401、411，采用图2中的第一种方法，对于每个帧，利用控制元件把微型显示器或显示器的图像光学机械地或光学地引向两个光学元件403、404、414、
415之一，控制元件例如但不限于旋转镜或分光器402、412和可选的反射镜413。图像控制元件的其他示例是液晶可切换镜、光学快门、楔形棱镜、旋转光学平板和光学掩模元件。图像控制元件还可以用作图像分离元件。替代地，除了图像控制元件之外，还可以使用单独的图像分离元件。图像分离元件的示例包括光学掩模元件、分光器、光学快门、液晶可切换镜等。在使用分光器而不是旋转镜作为控制元件的情况下，利用光学或机械快门(例如lcd快门)，每个图像每个帧相应地在光学元件403、404、414、415之前、内部或之后被阻挡或通过，以防止403、414和404、415接收每帧的相同图像，而不是不同连续帧的不同图像。在以下情况下这当然是不需要的：如果使用偏振分光器或反射型偏振分光器，并且图像的偏振可以在光束到达分光器之前被逐帧进行控制，例如使用可切换的液晶偏振旋转器。与半镀银的分光器或吸收型偏振分光器相比，使用反射型偏振分束器可以提供改善的图像对比度和/或光通量。
213.为了能够对在最终图像405上具有不同大小和位置的每个部分使用相同的微型显示器或显示器401、411，采用图3中的第二种方法，利用控制元件将微型显示器或显示器401、411的图像引向两个光学元件403、404、414、415，控制元件例如但不限于图像平面上的分光器、反射镜或任何其他上述光学控制元件402、412和可选反射镜413。在图像平面上使用分光器而不是反射镜的情况下，每个图像相应地利用光学掩模元件(例如模版)在光学元件403、404、414、415之前、内部或之后被掩蔽。反射镜或模板可以在图像平面上以创建清晰的切口。
214.控制元件402、412可以是但不限于反射镜、多个反射镜、分光器以及光学或机械快门或与上述之一组合的快门(例如，液晶可切换镜)。控制元件402、412可以被配置为将第一图像分量引导到小图像光学元件，并且将第二图像分量引导到大图像光学元件。在一些实施例中，大图像光学元件和小图像光学元件是完全分离的。在其他实施例中，小图像光学元件和大图像光学元件可以共享它们的一个或更多个组成部分。例如，小图像光学元件和大图像光学元件可以共享它们的大部分透镜，并且由于反射型偏振分光器，大图像光学元件可以具有用于使光束变宽的附加透镜，而这是窄光束无法达到的。在一些实施例中，单个光学元件用作大图像光学元件(或大图像光学元件的组件)和小图像光学元件(或小图像光学元件的组件)。例如，单个光学元件可包括一个或更多个电可调透镜(例如，液体透镜和/或液晶透镜)。电可调透镜可以通过电改变其焦距，这意味着，如果与其他透镜合适地集成，则对于时间序列实施例，单个光学元件可以在一帧中充当大图像光学元件，然后在下一帧中充当小图像光学元件。因此，单个光学元件可以在第一时间变成大图像光学元件的至少一部分，并且可以在第二时间变成小图像光学元件的至少一部分。另外，控制元件402、412可以用作图像分离元件，并且可以将第一图像分量与第二图像分量分离。
215.光学元件403、404、414、415可以是但不限于以下之一，或以下各项的组合：透镜、反射镜、棱镜、自由形式的反射镜。
216.光学元件404、415中的一个可以创建小图像417，而另一光学元件403、414可以创建相对大的图像416。
217.在图4a中，微型显示器或显示器401创建图像并将其光学发送到图像或光束控制元件402。图像控制元件402将图像分为两个(或多个)图像，将图像发送至创建低分辨率大图像403和高分辨率小图像404的光学元件。光学元件403、404的光学输出被发送到屏幕418
或到产生最终图像405的观看者的视网膜上。
218.参见图4b，微型显示器或显示器411创建图像，该图像由分光器412(例如半镀银反射镜或偏振分光器)分成沿不同方向行进的两个相同图像。一个指向产生大图像的光学元件414，另一个通过反射镜413到达产生小图像的另一个光学元件415。大图像光学元件414产生较低分辨率的图像416。小图像光学元件415产生较高分辨率的图像417。较低分辨率的图像416和较高分辨率的图像417都投影在屏幕418或观看者的视网膜上，如图5b所示。
219.通过以下方法再次实现在小图像417所在的大图像416的区域的掩模：数字地使黑像素显示在那里，或者光学地例如使模板在光学元件内部、之前或之后某处的图像平面上以物理地(光学地)掩蔽图像的那部分。
220.然后，可选地，可以通过但不限于以下一种或多种来实现小图像的定位：带反射镜的致动器、检流计扫描仪、具有楔形(risley)棱镜的致动器、具有倾斜或移位透镜的致动器，如图5a所示。
221.图5a示出了创建图像的微型显示器或显示器501，该图像被发送到图像或光束控制元件502(可以是分光器)。两个相同图像之一被发送到大图像光学元件503，另一图像被发送到小图像光学元件504。在一些实施例中，大图像光学元件503和小图像光学元件504是完全分离的。在其他实施例中，小图像光学元件504和大图像光学元件503可以共享它们的一个或更多个组成部分。例如，小图像光学元件504和大图像光学元件503可以共享它们的大部分透镜，并且由于反射型偏振分光器，大图像光学元件503可以具有用于使光束变宽的附加透镜，而这是窄光束无法达到的。小图像光学元件504将图像发送到图像或光束控制元件506(可以是反射镜)。然后将图像组合成最终图像505(例如，组合成两个图像的叠加)。
222.在一个实施例中，单个光学元件用作大图像光学元件503(或作为大图像光学元件503的组件)和小图像光学元件504(或作为小图像光学元件504的组件)。例如，单个光学元件可包括一个或更多个电可调透镜(例如，液体透镜和/或液晶透镜)。电可调透镜可以电改变其焦距，这意味着，如果与其他透镜合适地集成，则对于时间序列实施例，单个光学元件可以在一帧中充当大图像光学元件503，然后在下一帧中充当小图像光学元件504。
223.将两个图像光学地组合，例如利用分光器，并且直接地观看或通过但不限于目镜或波导观看。光学组合图像可以是两个图像的叠加。
224.参见图5b，示出了光学元件。微型显示器或显示器511将图像发送到分光器或旋转镜512，该分光器或旋转镜512将图像发送到大图像光学元件514和反射镜513，该反射镜513将图像重定向到小图像光学元件515。从小图像光学元件515，图像被发送到反射镜519，然后被发送到光束组合器518(例如，分光器)，以与大图像光学元件514的输出进行组合。从光束组合器518，大图像516和小图像517作为组合图像被发送到观察者的视网膜510(例如，两个图像的叠加)。在使用分光器而不是旋转镜作为控制元件的情况下，利用光学或机械快门(例如lcd快门)，每个图像每个帧相应地在光学元件514、515之前、内部或之后被阻挡或通过，以防止414和515接收每帧的相同图像，而不是不同连续帧的不同图像。在以下情况下这当然是不需要的：如果使用偏振分光器(例如反射型偏振分光器)，并且图像的偏振可以在光束到达分光器之前被逐帧进行控制，例如使用可切换的液晶偏振旋转器。
225.图5b和图5c之间的一个区别是图像显示为两条线，而不是到达光掩模元件之前的一条。这样做是为了说明如何通过光学掩模元件530、531来掩蔽/裁剪图像。
226.参见图5c，示出了光学元件，用于处理图3中的图像结构。微型显示器或显示器521将图像发送到分光器522，分光器522发送两个相同的图像，一个首先发送到反射镜523，然后发送到光学掩膜元件530、531(模板，遮挡部分图像的物理屏障)。模板可以在图像平面上以形成清晰的切口，因此也可以在光学元件(524和525)内部，或者光学元件之后。
227.图像从模版530、531离开到达大图像光学元件524和小图像光学元件525。图像从小图像光学元件525发送到反射镜529，然后到光束组合器528(例如，分光器)，以与大图像光学元件524的输出进行组合。大图像526和小图像527从光束组合器528作为组合图像发送到观看者的视网膜520。
228.参见图5d，我们看到了头戴式显示器的实施例，该实施例使用用于双眼的单个微型显示器或显示器551。首先，将微型显示器或显示器的分辨率在双眼之间进行划分，然后可以将每一帧用于一个投影(大或小图像)。例如，利用240hz dlp微型显示器，这提供每眼每张图像120hz刷新率。
229.微型显示器或显示器551将图像发送到分光器560，该分光器560发送两个相同的图像，一个首先到达反射镜580，然后到达模版561、571，该模版掩蔽未到达特定眼睛的图像的部分。在一个实施例中，模版561、571可以是诸如lcd快门或lcd pi
‑
单元(pi
‑
cell)之类的快门，因此每一帧可以被发送到一个光学元件，并且对于其余的光学元件554、555、574、575其被阻挡，诸如在图2所示的实例中。在另一个实施例中，可以移除模版561、571，从而可以将整个图像的每一帧发送到一个光学元件，并且对于其余的光学元件554、555、574、575其被阻挡，诸如在图2所示的实例中。例如，利用240hz dlp微型显示器，这提供每眼每张图像60hz刷新率。
230.左模板(图的顶部)561将图像发送到第二分光器552，第二分光器552发送两个相同的图像，一个首先到达反射镜553，然后到达两个lcd快门562、563(对于图2实施例)。对于图3的实施例，可以用模版(用于遮盖部分图像的物理屏障)代替快门562、563。模板必须在图像平面上才能产生清晰的切口，因此模板也可以位于光学元件(554和555)内部或光学元件之后。
231.图像从快门(或模板)562、563离开到达大图像光学元件554和小图像光学元件555。图像从小图像光学元件555被发送到反射镜559，然后被发送到光束组合器558(例如，分光器)，以与大图像光学元件554的输出进行组合。大图像556和小图像557从光束组合器558作为组合图像被发送到观看者的视网膜550。
232.右模板(图的底部)571将图像发送到第二分光器572，第二分光器572发送两个相同的图像，一个首先到达反射镜573，然后到达两个lcd快门580、581(对于图2实施例)。对于图3的实施例，可以用模版代替快门580、581。模板可以在图像平面上以产生清晰的切口，因此模板也可以位于光学元件(574和575)内部或光学元件之后。
233.图像从快门(或模板)580、581离开到达大图像光学元件574和小图像光学元件575。图像从小图像光学元件575被发送到反射镜579，然后被发送到光束组合器578(例如，分光器)，以与大图像光学元件574的输出进行组合。大图像576和小图像577从光束组合器578作为组合图像被发送到观看者的视网膜570。
234.由于图2中的方法的视觉暂留和图3中的方法的掩蔽，两个部分在图6b中作为一个均匀的图像604出现。
235.在图6a中，该图示出了代表各个像素601的矩形。图6b示出了利用各个像素来显示实际图像604的示图。
236.由于最终图像601、604中的较小的高分辨率部分603、606可以小于不使用这些方法时所呈现的样子，与在不使用本文所述方法的情况下利用显示技术可能实现的分辨率相比，本文所述的可变分辨率屏幕方法和装置允许实现在图像的一个或更多个部分中可见的更高分辨率。
237.这允许实现可变分辨率的屏幕，例如头戴式显示器屏幕，其使用一个微型显示器或显示器或每只眼睛一个，在观察者的视场中心具有高像素或扫描线密度，而在外围，像素或扫描线密度较小。
238.可选地，通过经由但不限于凝视跟踪摄像头或电极添加眼球跟踪，可以将小的高分辨率部分603、606定位在较大的低分辨率部分602、605上的最终图像601、604上，其中观看者的视网膜中央凹视图在任何给定的时间点。这允许在任何给定的时间点始终将更多的像素或扫描线集中在观察者的中央凹视觉以及近周边视觉中。
239.可选地，可以以与小的高分辨率部分603、606的定位相同的方式来实现大的低分辨率部分602、605的定位，例如，考虑到眼睛旋转，仅在观看者的眼睛的视场中具有像素，而不在观看者的总视场具有像素。
240.还可以有两个以上的部分，例如三个部分，一个用于视网膜中央凹视图，一个用于近外围，一个用于远外围，并且它们可以被组合并且可选地以与上述相同的方式定位。
241.本领域技术人员将理解，可以改变某些元件的顺序，并且可以添加更多的元件，例如在大图像和小图像被光学地组合后，一起控制大图像和小图像两者，或者添加更多元件以在最终图像上创建更多的小或大部分。
242.利用反射镜或楔形棱镜，将高分辨率窄投影光束定位在低分辨率宽投影光束上
243.在另一个实施例中，通过利用反射镜或楔形(risley)棱镜，将高分辨率窄视频投影定位在低分辨率宽视频投影上实现可变分辨率的屏幕。
244.为了实现可变分辨率的屏幕，诸如单个照明的微型显示器、显示器、lbs(激光束控制)投影仪或其他类型的视频投影仪等单个视频投影仪(以下称为“投影仪”)401、411、501、511、521、551、5111、5121、5151以快速刷新率被操作。投影仪的每个连续帧(帧n 1)用于通过共享帧201、202和后者的两个或更多个部分203、204之间的最终图像205的刷新率，来显示最终图像205的一部分的较小的高分辨率部分204或最终图像205的一部分的较大的低分辨率部分203。视觉暂留将这两部分203、204融合为一个最终投影图像205。
245.可替代地，在图3中，为了获得可变分辨率的屏幕305，诸如单个照明的微型显示器、显示器、lbs(激光束控制)投影仪或其他类型的视频投影仪等单个视频投影仪(以下称为“投影仪”)被光学地分成两个或更多部分301、302。该方法通过牺牲另一部分302、303(或多个部分)的分辨率，允许一个部分301、304(或多个部分)在最终投影图像305上使用更多像素。
246.两种方法也可以组合以允许通过在部分之间共享投影仪的分辨率和刷新率两者来在最终投影图像上创建更多部分，或者允许创建两个或更多个最终图像，例如用于使用单个投影仪在头戴式显示器中为双眼创建最终投影图像。
247.当直接观看或通过透镜或其他光学元件观看时，使用投影光束而不是微型显示器
和显示器具有多个优点：
248.首先，当使用微型显示器设计广视角的头戴式显示器同时试图使放大透镜或其他光学元件保持小巧轻便，与使用小得多的投影透镜来投射到比微型显示器大的屏幕上并且通过透镜或其他光学元件查看该屏幕相比，这是非常具有挑战性的。
249.第二，使用视频投影的优点在于，使得包括控制元件在内的所有光学元件都变得更小，因为它们可以在光学设计中定位在产生投影屏幕上的最终大图像的投影光学元件之前或之间的某处。
250.第三，由于反射型微型显示器(例如lcos、dlp和透射型微型显示器，例如lcd)的外部照明特性，每个像素的光束角可以比利用发射型微型显示器(例如oled或microled)的窄，这可以允许提供光学系统具有较少的杂散光，效率更高，同时为观看者提供相同或更高的亮度。
251.第四，由于反射型和透射型微型显示器的外部照明特性，与利用发射型微型显示器和lcd显示器相比，可以实现更高的亮度，该发射型微型显示器使物理像素自身发光(例如oled和微led)，lcd显示器使得自身提供足够的亮度是有挑战性的，尤其是随着显示器的视场和放大倍数的增加，或者对于增强现实的头戴式显示器，在光学系统中可能会损失很多光。
252.在图3中，单个16：9长宽比的微型显示器或显示器被分成两个部分，例如，被分为1080x1080像素的较小的高分辨率部分301和840x1080像素的较大的低分辨率部分302(然后可以将后者光学翻转90度以获得更好的长宽比)的1920x1080像素的微型显示器或显示器。
253.使用光学方法或光学和机械方法以及可选地数字方法，部分301和302可以被调整大小并且彼此重叠305。较大的低分辨率部分303可以在是较小的高分辨率部分304并且它们重叠的地方被掩蔽。
254.通过以下方式可以进一步使掩模更加无缝：通过在高分辨率小图像中以数字分辨率衰减使过渡不太突然或利用两个图像上的衰减使像素变暗，来光学或数字地融合边缘。
255.两个部分之间的亮度水平可以被光学地(例如使用中性密度滤光器)或数字地平衡。
256.参见图4a和图4b。为了能够对在最终投影图像405上具有不同大小和位置的每个部分使用相同的投影仪401、411，采用图2中的第一种方法，对于每个帧，利用控制元件把控制投影仪的光束光学机械地或光学地引向两个光学元件403、404、414、415之一，控制元件例如但不限于旋转镜或分光器402、412和可选的反射镜413。在使用分光器而不是旋转镜作为控制元件的情况下，利用光学或机械快门(例如lcd快门)，每个光束每个帧相应地在光学元件403、404、414、415之前、内部或之后被阻挡或通过，以防止403、414和404、415接收每帧的相同光束，而不是不同连续帧的不同光束。在以下情况下这当然是不需要的：如果使用偏振分光器(例如反射型偏振分光器)，并且光束的偏振可以在光束到达分光器之前被逐帧进行控制，例如使用可切换的液晶偏振旋转器。
257.为了能够对在屏幕418上的最终图像405上具有不同大小和位置的每个部分使用相同的投影仪401、411，采用图3中的第二种方法，利用控制元件将投影仪401、411的光束引向两个光学元件403、404、414、415，控制元件例如但不限于图像平面上的分光器或反射镜
402、412和可选反射镜413。在图像平面上使用分光器而不是反射镜的情况下，每个光束相应地利用光学掩模元件(例如模版)在光学元件403、404、414、415之前、内部或之后被掩蔽。反射镜或模板可以在图像平面上以创建清晰的切口。
258.控制元件402、412可以是但不限于一个反射镜、多个反射镜、分光器以及光学或机械快门或与上述之一组合的快门。
259.光学元件403、404、414、415可以是但不限于以下之一，或以下各项的组合：透镜、反射镜、棱镜、自由形式的反射镜。
260.光学元件404、415中的一个可产生窄光束417，而另一光学元件403、414可产生相对较宽的光束416。
261.参见图4b，投影仪411产生投影光束，该光束由分光器412(例如半镀银反射镜或偏振分光器)分成沿不同方向行进的两个相同的投影光束。一个指向产生宽光束的光学元件414，另一个通过反射镜413到达产生窄光束的另一个光学元件415。宽光束光学元件414产生较低分辨率的图像光束416。窄光束光学元件415产生较高分辨率的图像光束417。较低分辨率的光束416和较高分辨率的光束417都投影在观看者的视网膜或屏幕418上。
262.通过以下方法再次实现在窄光束417所在的宽光束416的区域的掩模：数字地使黑像素显示在那里，或者光学地例如使模板在光学元件内部、之前或之后某处的图像平面上以物理地(光学地)掩蔽投影图像的那部分。
263.然后，可选地，窄光束的小图像的定位可以通过但不限于以下一种或多种来实现：带反射镜的致动器、检流计扫描仪、具有楔形(risley)棱镜的致动器、具有倾斜或移位透镜的致动器，如图5a所示。
264.如图4b所示，两个光束被投影到相同的屏幕上，或者首先例如使用分光器被光学地组合，然后被投影到屏幕上并且被直接观看，或者通过但不限于目镜或波导观看。这在图5b的光束控制元件519和518中可见。
265.参见图5f，示出了光学元件。投影仪5111将投射光束发送到分光器或旋转镜5112，该分光器或旋转镜5112将投射光束发送到宽光束光学元件5114，并发送到反射镜5113，该反射镜5113将投射光束重定向到窄光束光学元件5115。光束从窄光束光学元件5115被发送到反射镜5119，然后被发送到光束组合器5118(例如，分光器)，以与宽光束光学元件5114的输出相组合。从光束组合器5118，宽光束5116和窄光束5117作为组合的投影光束被发送到观看者的视网膜或屏幕5110。在使用分光器而不是旋转镜作为控制元件的情况下，利用光学或机械快门(例如lcd快门)，每个光束每个帧相应地在光学元件5114、5115之前、内部或之后被阻挡或通过，以防止5114和5115接收每帧的相同光束，而不是不同连续帧的不同光束。在以下情况下这当然是不需要的：如果使用偏振分光器，并且图像的偏振可以在光束到达分光器之前被逐帧进行控制，例如使用可切换的液晶偏振旋转器。
266.图5f和图5g之间的一个区别是，投影光束被显示为两条线，而不是到达光掩模元件之前的一条。这样做是为了说明如何通过光学掩模元件5130、5131来掩蔽/裁剪投影光束。
267.参见图5g，示出了光学元件，用于处理图3中的图像结构。投影仪5121将投影光束发送到分光器5122，分光器5122发送两个相同的投影光束，一个首先发送到反射镜5123，然后发送到模板5130、5131(遮挡部分图像的物理屏障)。模板可以在图像平面上以形成清晰
的切口，因此也可以在光学元件(5124和5125)内部，或者光学元件之后。
268.光束从模板5130、5131离开到达宽光束光学元件5124和窄光束光学元件5125。光束从窄光束光学元件5125被发送到反射镜5129，然后发送到光束组合器5128(例如，分光器)，以与宽光束光学元件5124的输出进行组合。宽光束5126和窄光束5127从光束组合器5128作为组合的投影光束被发送到观察者的视网膜或屏幕5120。
269.参见图5h，我们看到了头戴式显示器的实施例，该实施例使用用于两个屏幕(双眼)的单个投影仪5151。首先，将微型显示器或显示器的分辨率在双眼之间进行划分，然后可以将每一帧用于一个投影(大或小图像)。例如，利用240hz dlp投影仪，这提供每个屏幕每张图像120hz刷新率。
270.投影仪5151将光束发送到分光器5160，分光器5160发送两个相同的光束，一个首先从反射镜5182被反射到模版5161、5171，该模版掩蔽未到达特定眼睛的图像的部分。在一个实施例中，模版5161、5171可以是诸如lcd快门或lcd pi
‑
单元之类的快门，因此每一帧可以被发送到一个光学元件，并且对于其余的光学元件5154、5155、5174、5175其被阻挡，诸如在图2所示的实例中。在另一个实施例中，可以移除模版5161、5171，从而可以将整个图像的每一帧发送到一个光学元件，并且对于其余的光学元件5154、5155、5174、5175其被阻挡，诸如在图2所示的实例中。例如，利用240hz dlp投影仪，这可以提供每眼每张图像60hz刷新率。
271.左模板(图的顶部)5161将光束发送到第二分光器5152，第二分光器5152发送两个相同的光束，一个首先到达反射镜5153，然后到达两个lcd快门5162、5163(对于图2实施例)。对于图3的实施例，可以用模版(用于遮盖部分投影光束的物理屏障)代替lcd快门5162、5163。模板可以在图像平面上才能产生清晰的切口，因此模板也可以位于光学元件(5154和5155)内部或光学元件之后。
272.光束从快门(或模板)5162、5163到达宽光束光学元件5154和窄光束光学元件5155。光束从窄光束光学元件5155被发送到反射镜5159，然后再到达光束组合器5158(例如，分光器)，以与宽光束光学元件5154的输出相结合。宽光束5156和窄光束5157从光束组合器5158作为组合的光束被发送到屏幕5150或观看者的视网膜。
273.右模板(图的底部)5171将光束发送到第二分光器5172，第二分光器5172发送两个相同的光束，一个首先到达反射镜5173，然后到达两个lcd快门5180、5181(对于图2实施例)。对于图3的实施例，可以用模版(用于遮盖部分投影光束的物理屏障)代替lcd快门5180、5181。模板必须在图像平面上才能产生清晰的切口，因此模板也可以位于光学元件(5174和5175)内部或光学元件之后。
274.光束从lcd快门(或模板)5180、5181离开到达宽光束光学元件5174和窄光束光学元件5175。光束从窄光束光学元件5175被发送到反射镜5179，然后到光束组合器5178(例如，分光器)以与宽光束光学元件5174的输出进行组合。宽光束5176和窄光束5177从光束组合器5178作为组合的光束被发送到屏幕5170或观看者的视网膜。
275.由于图2中的方法的视觉暂留和图3中的方法的掩蔽，两个部分在图6b中作为一个均匀的投影图像604出现。
276.在图6a中，该图示出了代表各个像素601的矩形。图6b示出了利用各个像素来显示实际图像604的示图。
277.由于最终投影图像601、604中的较小的高分辨率部分603、606可以小于不使用这些方法时所呈现的样子，与在不使用本文所述方法的情况下利用投影仪可能实现的分辨率相比，本文所述的可变分辨率屏幕方法和装置允许实现在投影图像的一个或更多个部分中可见的更高分辨率。
278.这允许实现可变分辨率的屏幕，例如头戴式显示器屏幕，其使用一个投影仪或每只眼睛一个，在观察者的视场中心具有高像素或扫描线密度而在外围像素或扫描线密度较小。
279.可选地，通过经由但不限于凝视跟踪摄像头或电极添加眼球跟踪，可以将小的高分辨率部分603、606定位在较大的低分辨率部分602、605上的最终投影图像601、604上，其中观看者的视网膜中央凹视图在任何给定的时间点。这允许在任何给定的时间点始终将更多的像素或扫描线集中在观察者的中央凹视觉以及可选地集中在近周边视觉中。
280.可选地，可以以与小的高分辨率部分603、606的定位相同的方式来实现大的低分辨率部分602、605的定位，例如，考虑到眼睛旋转仅在观看者的眼睛的视场而不是在观看者的总视场中具有像素。
281.还可以有两个以上的部分，例如三个部分，一个用于视网膜中央凹视图，一个用于近外围，一个用于远外围，并且它们可以被组合并且可选地以与上述相同的方式定位。
282.本领域技术人员将理解，可以改变某些元件的顺序，并且可以添加更多的元件，例如在大图像和小图像被光学地组合后，一起控制大图像和小图像两者，或者添加更多元件以在最终投影图像上创建更多的小或大的部分。用光学平板或反射镜移动高分辨率小图像或窄的投影光束到低分辨率大图像或宽的投影光束
283.在另一个实施例中，通过利用光学平板或反射镜在大而低分辨率图像或投影光束上移位/偏移小而高分辨率图像或投影光束，来实现可变分辨率屏幕。
284.为了实现可变分辨率的屏幕，以快速刷新率操作诸如微型显示器或显示器之类的单个显示技术或诸如单个照明微型显示器、显示器、lbs(激光束控制)投影仪或其他类型的视频投影仪等单个视频投影仪(以下称为“投影仪”)401、411、501、511、521、551、5111、5121、5151。在图2中，微型显示器、显示器或投影仪的每个连续帧(帧n 1)用于通过共享帧201、202和后者的两个或多个部分203、204之间的最终图像205的刷新率来显示或者投影最终图像205的一部分的较小的高分辨率部分204或最终图像205的一部分的较大的低分辨率部分203。视觉暂留将这两部分203、204融合为一个最终图像205。
285.图3示出了替代实施例，以实现可变分辨率的屏幕，诸如微型显示器或显示器之类的单个显示技术或诸如单个照明微型显示器、显示器、lbs(激光束控制)投影仪或其他类型的视频投影仪等单个视频投影仪(以下称为“投影仪”)被光学地分成两个或更多部分301、302。该方法通过牺牲较大的低分辨率部分(或多个部分)303，允许较小的高分辨率部分(或多个部分)304在最终图像305上使用更多像素。
286.两种方法也可以组合以允许通过在部分之间共享微型显示器、显示器或投影仪的分辨率和刷新率两者来在最终图像上创建更多部分，或者允许创建两个或更多个最终图像，例如用于使用单个微型显示器、显示器或投影仪在头戴式显示器中为双眼创建最终图像。
287.在图3中，单个16：9长宽比的微型显示器被分成两个部分，例如，被分为1080x1080
像素的较小的高分辨率部分301和840x1080像素的较大的低分辨率部分302(然后可以将后者光学翻转90度以获得更好的长宽比)的1920x1080像素的微型显示器或显示器。
288.使用光学方法或光学和机械方法以及可选地数字方法，部分301和302可以被调整大小并且彼此重叠305，并且。较大的低分辨率部分303可以在是较小的高分辨率部分304且它们重叠的地方被掩蔽。
289.通过以下方式可以进一步使掩模更加无缝：通过在高分辨率小图像304中以数字分辨率衰减使过渡不太突然或利用两个图像或者光束上的衰减使像素变暗来光学或数字地融合边缘。
290.两个部分之间的亮度水平可以被光学地(例如用中性密度滤光器)或数字地平衡。
291.参见图4a和图4b。为了能够对在最终图像405上具有不同大小和位置的每个部分使用相同的微型显示器、显示器或投影仪401、411，采用图2中的第一种方法，对于每个帧，通过控制元件将微型显示器或显示器的图像或者投影仪的光束光学机械地或光学地引向两个光学元件403、404、414、415之一，控制元件例如但不限于旋转镜或分光器402、412和可选的反射镜413。在使用分光器而不是旋转镜作为控制元件的情况下，利用光学或机械快门(例如lcd快门)，每个图像或光束每个帧相应地在光学元件403、404、414、415之前、内部或之后被阻挡或通过，以防止403、414和404、415接收每帧的相同图像或光束，而不是不同连续帧的不同图像或光束。在以下情况下这当然是不需要的：如果使用偏振分光器，并且光束的偏振可以在光束到达分光器之前被逐帧进行控制，例如使用可切换的液晶偏振旋转器。
292.为了能够对在最终图像405上具有不同大小和位置的每个部分使用相同的微型显示器、显示器或投影仪401、411，采用图3中的第二种方法，利用控制元件将微型显示器或显示器401、411的图像或投影仪401、411的光束引向两个光学元件403、404、414、415，控制元件例如但不限于图像平面上的分光器或反射镜402、412和可选反射镜413。在图像平面上使用分光器而不是反射镜的情况下，每个图像或光束相应地利用光学掩模元件(例如模版)在光学元件403、404、414、415之前、内部或之后被掩蔽。反射镜或模板可以在图像平面上以创建清晰的切口。
293.控制元件402、412可以是但不限于反射镜、多个反射镜、分光器以及光学或机械快门或与上述之一组合的快门。
294.光学元件403、404、414、415可以是但不限于以下之一，或以下各项的组合：透镜、反射镜、棱镜、自由形式的反射镜。
295.光学元件404、415中的一个可产生小图像或窄光束417，而另一光学元件403、414可产生相对较大的图像或较宽的光束416。
296.在图5a和图5b的实施例中，小图像或窄光束的定位可以通过但不限于以下一种或多种来实现：光学平板或反射镜506、519、529、559、579，2310、2311、5119、5129、5159、5179。
297.将两个图像或光束例如通过分光器光学地组合，并且直接地观看或通过但不限于目镜或波导观看。
298.由于图2中的方法的视觉暂留和图3中的方法的掩蔽，两个部分在图6b中作为一个均匀的图像604出现。
299.参见图5e，我们看到图5b或5f的变型，具有两个倾斜的光学平板2310和2311。微型显示器、显示器或投影仪2301产生图像或光束，并通过分光器或旋转镜2302发送图像或光
束。从分光器2302发出两个相同的图像或光束。一个图像或光束通过低分辨率大图像或宽光束光学元件2304被发送到分光器2308(在此用作光束组合器)，其中，在使用图3中的方法的情况下，高分辨率部分被掩蔽。另一个图像或光束从分光器2302发送到反射镜2303，再到高分辨率小图像或窄光束光学元件2305，其中，在使用图3中的方法的情况下，低分辨率图像被掩蔽。从小图像或窄光束光学元件2305，图像或光束从反射镜2309反射到两个光束控制元件2310、2311，以偏移大图像或宽光束的轴上的小图像或窄光束(在利用光束组合器2308被组合之后)。在该图示中，光束控制元件是两个厚的光学平板2310、2311，其分别在x和y轴上旋转以使图像或光束在这两个相应的轴上偏移。光学平板2310、2311均可以用在两个轴上旋转的单个反射镜或两个旋转/倾斜镜代替，仅列举一些可能的替代实施例。移位的图像或光束从第二光学平板2311行进至分光器2308(在此用作光束组合器)。低分辨率大图像或宽光束2306和高分辨率小图像或窄光束2307从分光器2308行进至屏幕2300或观看者的视网膜。
300.在使用分光器而不是旋转镜作为控制元件2302并使用图2中的方法的情况下，利用光学或机械快门(例如lcd快门)，每个图像每个帧相应地在光学元件2304、2305之前、内部或之后被阻挡或通过，以防止2304、2305接收每帧的相同图像，而不是不同连续帧的不同图像。在以下情况下这当然是不需要的：如果使用偏振分光器，并且图像的偏振可以在光束到达分光器之前被逐帧进行控制，例如使用可切换的液晶偏振旋转器。
301.在图6a中，该图示出了代表各个像素601的矩形。图6b示出了利用各个像素来显示实际图像604的示图。
302.利用倾斜/旋转镜和旋转楔形(risley)棱镜，投影光束或图像被控制并获得透视畸变，如图7b所示，并且随着图像或光束被控制远离中心，一些光学像差逐渐变差。为了固定透视畸变，可以对图像702进行数字预失真，这可以显著减小高分辨率小图像的可能尺寸以及使用的像素的数量。
303.另外，如果在定位过程中存在任何不准确性或精度问题，则可见的失真和接缝非常明显，因为数字失真和图像或投影光束与通过反射镜、棱镜或其他倾斜元件的当前定位不匹配，如图8a所示。
304.图7a是原始图像701，图7b是透视变形的图像702。
305.在图8a中，看到正确的图像801。在右侧的图像802(图8b)中，可以看到导致两个图像部分之间的失真和接缝的数字成像和图像定位以及失真失配。
306.替代地，通过移位/偏移图像或光束，这些问题不会发生。
307.光束或图像可以通过但不限于两个倾斜/旋转光学平板(每个轴一个)、两个双轴倾斜/旋转镜(例如optotunetmmr
‑
15
‑
30
‑
ps
‑
25x25d或四个倾斜/旋转镜(每个轴两个)被偏移。
308.在图9a
‑
d中，光学平板902是在可见光谱中透明的玻璃平板或塑料聚合物平板，其允许移位/偏移图像或投影光束903。
309.图像以及投影光束903都可以通过该方法移动。后者允许具有相对较小的平板902，该平板902可以将投影光束引导至投影光学元件，该投影光学元件可以产生较大的投影图像，而不需要通过头戴式显示装置中的目镜、波导或类似光学元件进行更大的放大。
310.然而，当目镜光学元件可以执行放大，目镜、波导或类似光学元件需要有限的移动
量或需要有限的放大时，也可以通过这种方法来移动图像。
311.在图9b中，我们看到了20x20x20mm的pmma(聚(甲基丙烯酸甲酯))聚合物光学平板902，准直的5mm宽638nm波长光束903穿过它并被偏移。在此示例中，平板可以倾斜 34度(范围为
±
34度)，并使光束偏移最多8.04毫米。考虑到这样的光束稍后穿过投影透镜并且在通过目镜或波导进行观察时5mm的光束意在覆盖20度视场的情况，16.08mm的偏移将允许移动高分辨率图像，光束包含超过64度或更大的角度，这比普通人可以舒适地旋转眼睛的角度还要大。
312.在图9b中，光学平板904倾斜
‑
34度，以使光束903向下偏移8.04mm。
313.如图5e所示，将需要两个这样的平板902、904，它们在不同的轴线上旋转以允许光束903在两个轴线上移动，或者使光学组件(例如dove道威棱镜)或相同的反射镜组件在两个平板902、904之间以允许它们在同一轴线上旋转。
314.该图示仅出于示例目的，并且平板902、904的不同材料和尺寸，光束903的不同尺寸和旋转范围都是可能的。
315.由光学平板902、904引起的rgb图像或投影光束903的轻微色散可以通过相应地使每个颜色通道数字偏移几个像素来补偿。由于仅可能需要仅对具有较高折射率的一个或两个颜色通道进行偏移，所以一个或两个颜色通道将无法在图像或投影光束903的边缘上达到相同的偏移，这可以通过轻微地在边缘上数字地或光学地裁剪图像或投影光束903来解决，因此每个颜色通道中的像素可以偏移所需的数量，以消除色散造成的颜色通道分离。与由于先前实施例的透视畸变的校正导致的像素/细节损失相比，边缘上像素损失可以忽略不计。
316.在以上示例中，在极端的
±
34度平板倾斜下，在445nm波长处的折射角为
±
21.9度，在638nm波长处的折射角为
±
22.1度。这导致图像或投影光束903的红色和蓝色通道之间0.06mm的色散。假定此5mm宽的图像或投影光束903的分辨率为1080像素乘以1080像素，则相当于0.06x1080/5＝12.96像素。在光束903的每个边缘上牺牲13个像素将允许数字地偏移颜色通道以消除任何角度的色散影响。
317.具体地看图9a，我们看到光束903通过空气901移动到平板902。由于平板902垂直于光束903，所以光束903笔直穿过平板902。
318.在图9b中，平板904倾斜
‑
34度，使光束903向下偏移8.04mm。
319.在图9c中，平板902倾斜 34度，使光束903向上偏移8.04mm。
320.在图9d中，存在彼此重叠的单个平板902、904的两个视图，用于说明光束从一个角度偏移到另一个角度的程度。平板视图904倾斜
‑
34度，导致光束903向下偏移8.04mm，而平板视图902倾斜 34，导致光束903向上偏移8.04mm。因此，光束903可以上下偏移，从而产生相距最多16.08mm的图像或光束。
321.如图10a和图10b所示，平板902、904也可以替换为2d反射镜(双轴倾斜/旋转反射镜，例如optotune
tm mr
‑
15
‑
30
‑
ps
‑
25x25d)或两个反射镜1001、1002或1003、1004。这样节省成本，但需要更大的空间。另一方面，色散不是反射镜的问题。
322.在图10a中反射镜1001、1002倾斜45度，在图10b中反射镜1003、1004倾斜40度。
323.如图11所示，在两个轴上旋转的两个2d反射镜或四个反射镜1101、1102、1103、1104可以用来在两个轴上移动光束或图像。
324.在图11中，仅出于说明目的，两个反射镜1101、1102均具有俯视图，第二组反射镜1103、1104在另一个轴上。
325.图12示出了另一个实施例。第二组反射镜1204、1205可以在另一个轴上翻转和旋转，或者为了节省一个轴上的空间，可以在两个2d反射镜或反射镜对1201、1202和1204、1205之间放置道威棱镜1203或等效的反射镜组件，以翻转由上一组执行的偏移的轴，并使将其移动/偏移的反射镜和组件在同一轴上。
326.在图12中，我们看到了使用道威棱镜1203时射线的行进路径(在此图中道威棱镜的比例和角度不准确，射线在道威棱镜本身内部的行进路径也不准确)。
327.由于最终图像中的较小的高分辨率部分可以小于其不使用这些方法时所呈现的，与在不使用本文所述方法的情况下利用显示器、微型显示器或投影仪可能实现的分辨率相比，本文所述的可变分辨率屏幕方法和装置允许实现在最终图像的一个或更多个部分中可见的更高分辨率。
328.这允许实现可变分辨率的屏幕，例如头戴式显示器屏幕，其使用少至一个微型显示器、显示器或或投影仪或每只眼睛一个，在观察者的视场中心具有高像素或扫描线密度而在外围中像素或扫描线密度较小。
329.通过经由但不限于凝视跟踪摄像头或电极添加眼球跟踪，可以将小的高分辨率部分在较大的低分辨率部分上的最终图像上移动，其中观看者的视网膜中央凹视图在任何给定的时间点。这允许在任何给定的时间点始终将更多的像素或扫描线集中在观察者的中央凹视觉以及近周边视觉中。
330.可选地，大的低分辨率部分的定位可以以与小的高分辨率部分的定位相同的方式来实现，例如，考虑到眼睛旋转仅在观看者的眼睛的视场而不在观看者的总视场中具有像素。
331.还可以有两个以上的部分，例如三个部分，一个用于视网膜中央凹视图，一个用于近外围，一个用于远外围，并且它们可以以与上述相同的方式被组合。
332.本领域技术人员将理解，可以改变图中某些元件的顺序，并且可以添加更多的元件，例如在大图像和小图像被光学地组合后，一起偏移大图像光束和小图像或光束两者，或者添加更多元件以在最终图像上创建更多更大或更小的部分。
333.无移动组件的可变分辨率的屏幕
334.在另一实施例中，在没有机械移动组件的情况下，通过在大的低分辨率图像或投影上创建并数字地光学定位小的高分辨率图像或投影实现可变分辨率的屏幕。
335.用于至少一个大的低分辨率部分201和至少一个小的高分辨率部分202的图像源可以是相同的微型显示器、显示器或投影仪，其具有在最终图像或光束的两个或更多部分203、204之间分布的连续帧(帧n和帧n 1)(请参见图2)。或者如图3所示，微型显示器、显示器或投影仪的图像的一部分可以光学地分成两个301、302或更多，并分配在至少一个大的低分辨率部分303和至少一个小的高分辨率部分304之间。或者，至少一个大的低分辨率部分和至少一个小的高分辨率部分每个可以具有不同的微型显示器、显示器或投影仪作为图像源，如图13所示。
336.参见图3，单个16：9长宽比的微型显示器或显示器被分成两个部分，例如，1920x1080像素的微型显示器或显示器分为1080x1080像素的较小的高分辨率部分301和
840x1080像素的较大的低分辨率部分302(然后可以将后者光学翻转90度以获得更好的长宽比)。
337.缺少机械移动组件具有以下优点：
338.首先，消除移动组件消除了对振动、未对准、机械故障、可听噪声或与使用机械移动组件相关的任何其他问题的敏感性。
339.其次，基于如下所述所使用的光学掩模元件的速度，小的高分辨率部分的重新定位可以花费低至几微秒到几毫秒的时间。相反，很难使致动器使反射镜、棱镜或平板旋转得与人眼的眼跳移动一样快，同时又要使这种马达对于可穿戴装置尽可能地小。
340.第三，定位花费相等的时间量，而与小的高分辨率部分必须定位到的新位置无关。
341.首先，在整个或大部分屏幕上或观看者的视网膜或人眼可以旋转或聚焦的屏幕的部分上，光学地复制图像或投影光束。
342.这可以例如通过使用透镜阵列来实现。为了说明性和示出示例的目的，使用了单面或双面透镜阵列，但是可以使用多元件透镜和/或透镜阵列设置来减少复制的图像或视频投影中的光学像差。
343.图13示出了使用透镜阵列的两个微型显示器、显示器或投影仪1301、1302的实施例。大图像或宽光束由第一微型显示器、显示器或投影仪1301创建，并直接(或通过大图像或宽光束光学元件)发送到最终图像1305。第二微型显示器、显示器或投影仪1302创建小图像或窄光束，将其发送到透镜阵列(或其他复制元件)1303，然后发送到光学掩模元件1304，以掩蔽(隐藏)要显示的一个复制的图像外部区域中的复制图像。图像或光束然后前进到最终图像1305，在此它与来自第一微型显示器、显示器或投影仪1301的大图像或宽光束组合。
344.图14示出了使用单个微型显示器、显示器或投影仪1401的类似实施例。图像或光束从微型显示器、显示器或投影仪1401到达图像或光束控制元件1402。控制元件1402分离图像或光束，最终图像或光束的大图像部分直接(或通过大图像或宽光束光学元件)发送到最终图像1405(在某些实施例中，例如图3中，图像相应地首先被掩蔽以提取较小和较大的图像部分)。最终图像或光束的小图像部分被发送到透镜阵列(或其他复制元件)1403，然后被发送到光学掩模元件1404，以掩蔽(隐藏)在要显示的一个复制品图像外部区域中的复制品。然后，该小图像或窄光束与来自控制元件1402的大图像或宽光束组合以形成最终图像1405。
345.图15显示了如何以这种方式复制显示器、微型显示器或投影光束的最简单设置，图16a和16b显示了模拟的结果。
346.在图15中，图像源(显示器、微型显示器或投影仪)1501将图像发送到透镜1502，透镜1502将其发送到孔径光阑1504。然后图像或光束前进到透镜阵列1503，然后到屏幕1505或观看者的视网膜。
347.图16a和16b示出了模拟的结果。图16a是来自显示器、微型显示器或投影仪1601的原始图像，图16b是屏幕或观看者的视网膜1602上的所得图像。
348.图17a示出了具有光掩蔽元件的一个可能位置的简单设置。1701是微型显示器、显示器或投影仪，1702是来自1701的单个像素的光锥(光束)。1703是多元件透镜的简化图示。1704是第一透镜阵列，其将像素光锥(光束)聚焦到中间图像平面上的lcd微型显示器光学掩膜元件1705上的像素，1706是第二透镜阵列，其将像素光锥再次聚焦到投影屏幕1707或
观看者的视网膜上的最终图像平面。第二透镜阵列1706也可以用其他光学元件代替，例如普通的投影透镜或目镜。
349.图17b示出了用于光学掩模元件的反射微型显示器，诸如lcos或dlp。1711是产生图像或光束的微型显示器、显示器或投影仪，1712是来自1711的单个像素的光锥(光束)，1713是多元件透镜的简化图示，1714是第一透镜阵列，将像素光锥(光束)聚焦到中间图像平面上的lcos微型显示器光学掩膜元件1715上的像素，1717是第二透镜阵列，其再次将像素光锥(光束)聚焦在投影屏幕1718或观看者视网膜上的最终图像平面上。偏振分光器或pbs(偏振分光器)立方体1716用于将从lcos微型显示器光学掩模元件1715反射的图像或光束重定向到第一透镜阵列侧面的90度而不是第一透镜阵列后面。第二透镜阵列1717也可以用其他光学元件代替，例如普通的投影透镜或目镜。利用dlp微型显示器，可以使用tir或rtir(全内反射)棱镜代替偏振分光器或pbs(偏振分光器)立方体1716。
350.图17c示出了也可以使用显示器而不是微型显示器，例如lcd显示器作为光学掩模元件，其中其反射层和背光层被去除。1721是产生图像或光束的微型显示器、显示器或投影仪，1722是来自1721的单个像素光锥(光束)，1723是多元件透镜的简化图示，1724是透镜阵列，其通过利用分光器1725反射光束，将像素光锥(光束)聚焦到在lcd显示器光学掩模元件1726后面的图像平面上的屏幕1727上的像素。来自第二显示器1728的图像也从分光器反射，因此眼睛1720直接看到或通过目镜或波导1729看到第二显示器和该屏幕。这里，屏幕1727用于显示小的高分辨率图像，显示器1728用于显示由分光器1725组合的最终组合图像的大的低分辨率图像。
351.替代地，也可以使用lcd显示器作为光学掩膜元件，其反射层和背光层被去除，利用单个的微型显示器、显示器或投影仪(或两个，如图13所示)产生图像或光束而没有第二显示器1728，如图17d所示。在如图2所示的时分复用方法的情况下，也不需要如图20和图21所示的分光器1725。
352.在一个实施例中，分光器1725是反射型偏振分光器。在一个实施例中，第一四分之一波片(未示出)可以位于分光器1725和屏幕1728之间和/或第二四分之一波片(未示出)可以位于分光器1725和屏幕1727之间。四分之一波片可以分别旋转屏幕1728和屏幕1727反射的光的偏振。
353.在图17d的图示中，未示出用于生成复制的图像或光束的元件，并且在表示微型显示器、显示器或投影仪或两个微型显示器、显示器或投影仪的1731中，具有如在图13和图14中所描述的已光学组合的宽光束和复制的光束。宽光束1732的单个像素的光锥(光束)和复制光束1733的单个像素的光锥(光束)通过被从分光器1734反射都聚焦在lcd显示器光学掩模元件1735后面的图像平面上的屏幕1736上的像素上。眼睛1738直接看到或通过目镜或波导1737看到屏幕1736。
354.在一个实施例中，分光器1734是反射型偏振分光器。第一四分之一波片(未示出)可以位于分光器1734和屏幕1736之间。四分之一波片可以旋转屏幕1736反射的光的偏振。
355.在将微型显示器、显示器或投影仪分成两个或更多个部分的情况下，如图3所示，可以使用分光器，并且还可以如图17e所示使用第二屏幕。
356.在如下描述图17e中，未示出用于生成复制的图像或光束的元件，并且这些元件在光学系统1741中，该光学系统表示微型显示器、显示器或投影仪或两个微型显示器、显示器
或投影仪、图像控制元件、小和/或大图像光学元件、图像分离元件和/或光束组合器的一个或更多个。在一个实施例中，光学系统1741包括一个或更多个图像源、图像控制元件、小图像光学元件、大图像光学元件和光束组合器。图像控制元件可以被配置为将图像分离为第一图像分量和第二图像分量，以及将第一图像分量引导至第一目的地并且将第二图像分量引导至第二目的地。宽光束(例如，代表低分辨率大图像)和复制的光束(例如，代表高分辨率小图像的多个复制品)可能已经在光学系统1741的输出端处如图13和图14中所述的进行了光学组合。宽光束可以是或代表低分辨率大图像，并且复制的光束可以是或代表高分辨率小图像的多个复制品。低分辨率大图像和高分辨率小图像的多个复制品可能已经如图13和图14中所述的被光学地组合为组合图像。
357.宽光束1742的单个像素的光锥(光束)和复制的光束1743的单个像素的光锥(光束)可以分别聚焦到第二屏幕1747和屏幕1746上的像素，后者通过从分光器1744被反射而在光学掩模元件1745(例如，可以是lcd显示器光学掩模元件或另一类型的光学掩模元件)之后的图像平面上。宽光束1742穿过分光器1744，而由于这些光束具有不同的偏振(或者在该分光器是具有不同的光波长的带通滤光器或二向色滤光器的情况下)，复制的光束从分光器1744被反射。在一个示例中，低分辨率大图像可以通过分光器1744到屏幕1747上，并且高分辨率小图像的多个复制品可以从分光器1744反射到屏幕1746上。光学掩模元件1745可以位于屏幕1746和分光器1744之间，并且可以掩蔽高分辨率小图像的多个复制品中的一个或更多个，从而保留高分辨率小图像的单个复制品，如所述以上。屏幕1746和1747由分光器1744光学组合，并由眼睛1749直接看到或通过目镜或波导1748看到。因此，分光器1744可将高分辨率小图像的单个复制品与低分辨率大图像重新组合，以产生可变分辨率的图像，该图像可以被引导到目镜或波导1748或直接聚焦在观看者的眼睛1749上。
358.在一个实施例中，分光器1744是反射型偏振分光器。在一个实施例中，第一四分之一波片(未示出)可以位于分光器1744和屏幕1747之间，和/或第二四分之一波片(未示出)可以位于分光器1744和屏幕1746之间。四分之一波片可以分别旋转从屏幕1747和屏幕1746反射的光的偏振，以允许来自屏幕1747的反射光从分光器1744(反射型偏振分光器)反射并且允许来自屏幕1746的反射光穿过分光器1744(反射型偏振分光器)并到达眼1749和/或目镜或波导1748。
359.可替代地，在如图3所示将微型显示器、显示器或投影仪分成两个或更多部分的情况下，类似于图2所示的时分复用的情况，既不需要分光器也不需要第二屏幕，如图17f和17g所示。
360.在图17f中，未示出用于生成复制的图像或光束的元件，并且这些原件在1751中，其表示微型显示器、显示器或投影仪或两个微型显示器、显示器或投影仪，如图13和图14已经描述的宽光束和复制的光束已经被光学组合。
361.宽光束1752的单个像素的光锥(光束)和复制的光束1753的单个像素的光锥(光束)通过被从分光器1754反射都聚焦到lcd显示器光学掩模元件1755后面的图像平面上的屏幕1756上的像素。眼睛1759直接看到或通过目镜或波导1757看到屏幕1756。
362.为了能够使宽光束和复制的光束都通过相同的lcd显示器光学掩模元件，但是使用光学掩模元件来阻挡复制的光束，使用可切换的液晶偏振旋转显示器而不是传统的lcd显示器光学掩模元件，可切换的液晶偏振旋转显示器是没有偏振器的lcd显示器光学掩模
元件。单个偏振器1758，而不是lcd显示器光学掩模元件和显示器上的两个偏振器，被放置在观看者的眼睛1759之前，目镜或波导1757的前面，或者位于它之前或lcd显示器光学掩模元件1755左侧的某处。
363.在这种情况下，宽光束没有被偏振，或者在偏振状态下，宽光束在穿过可切换的液晶偏振旋转器/lcd显示器光学掩模元件1755之后，偏振器1758不会滤除该宽光束。如lcd显示器光学掩模元件1755和偏振器1758所期望的，复制的光束被掩蔽，而宽光束未被掩蔽或在复制的光束未被掩蔽的地方被掩蔽。
364.在一个实施例中，分光器1754是反射型偏振分光器。在一个实施例中，第一四分之一波片(未示出)可以位于分光器1754和屏幕1756之间。四分之一波片可以旋转屏幕1756反射的光的偏振。
365.如前所述，分光器1754不是必需的，并且出于诸如减小装置的物理尺寸之类的原因而使用。图17g示出了与图17f相同的系统，其中没有分光器1754。
366.在图17g中，未示出用于生成复制的图像或光束的元件，并且这些元件在1761中，其表示微型显示器、显示器或投影仪或两个微型显示器、显示器或投影仪，具有如图13和图14中描述的已经光学组合的宽光束和复制的光束。
367.宽光束1762的单个像素的光锥(光束)和复制的光束1763的单个像素的光锥(光束)都聚焦到lcd显示器光学掩模元件1764后面的图像平面上的屏幕1765上的像素。眼睛1768直接或通过目镜或波导1766看到屏幕1765。
368.为了能够使宽光束和复制的光束都通过相同的lcd显示器光学掩模元件，但是使用光学掩模元件来阻挡复制的光束，使用可切换的液晶偏振旋转显示器而不是传统的lcd显示器光学掩模元件，可切换的液晶偏振旋转显示器是没有偏振器的lcd显示器光学掩模元件。单个偏振器1767，而不是lcd显示器光学掩模元件和显示器上的两个偏振器，被放置在观看者的眼睛1768之前，目镜或波导1766的前面，或者位于它之前或lcd显示器光学掩模元件1764左侧的某处。
369.在这种情况下，宽光束没有被偏振，或者在偏振状态下，宽光束在穿过没有偏振器的可切换的液晶偏振旋转器/lcd显示器光学掩模元件1764之后，偏振器1767不会滤除该宽光束。如没有偏振器的lcd显示器光学掩模元件1764和偏振器1767所期望的，复制的光束被掩蔽，而宽光束未被掩蔽或在复制的光束未被掩蔽的地方被掩蔽。
370.利用光学掩模元件，可以一次显示一个复制的图像，但是，通过对源帧进行数字处理，可以对复制的图像阵列区域上任何地方可见的原始图像进行数字和光学重建，同时隐藏所有其他内容，其位置精度最高可达光学掩模元件的像素分辨率，并且定位速度等于光学掩模元件的几微秒到毫秒的像素切换速度。
371.作为示例，让我们考虑每个复制的图像由4个部分(1、2、3和4)组成，如图18的项目1801所示。在图18中，左列的项目将这些部分图示为：带数字的正方形，而右列使用实际的图像部分。
372.在图18中，如1802，堆叠了4个这样的复制的图像。如果我们想在该阵列1802的中间显示一个复制的图像，则无法如项目1803所示。
373.然而，如果我们获取原始图像1801，将其数字地划分为4片段，然后像1804中那样以数字方式重新定位这些片段，那么即使一次显示4个复制品的一部分，我们也将获得想要
的结果。
374.然后，掩蔽复制品，并通过光学和数字方法正确地重建原始图像1801，如1805中所示。
375.由于所讨论的诸如dlp、lcos或lcd微型显示器或lcd显示器的光学掩模元件通常不是透镜阵列的分辨率的两倍而是更多，因此可以将图像划分为4个矩形，并且不仅可以在图像的中间进行数字化重新排列，而且可以在图像上的任何所需位置进行数字化重新排列，如在图19中的1901、1902、1903、1904中看到的那样，可能的限制是源图像显示器、微型显示器或投影仪的分辨率以及光学掩膜元件的分辨率。当然，来自光学掩模元件的可见部分不能大于来自阵列的单个复制的图像的尺寸。
376.头戴式显示器实施例
377.上面的光学设计可以用于许多不同类型的图像和视频显示器。在头戴式显示器中，小的空间要求带来了其他挑战。
378.图20示出了本发明在头戴式显示器中的安装的直接实施例。如图4a、图4b、图5、图13、图14、图17所示的可变分辨率光学元件2003产生直接发送到屏幕2004的高分辨率小图像2005和低分辨率大图像2006。人眼2001通过从屏幕2004上的图像中收集光2007的透镜2002或其他光学元件观看。
379.图21示出了本发明在头戴式显示器中的安装的间接实施例。如图4a、图4b、图5、图13、图14、图17中所示的可变分辨率光学元件2103产生从反射镜2108反射的图像。来自反射镜2108的高分辨率小图像2105和低分辨率大图像2106被发送到屏幕2104。人眼2101通过从屏幕2104上的图像中收集光2107的透镜2102或其他光学元件观看。
380.图22示出了在头戴式显示器中具有本发明的安装的分光器的间接实施例。如图4a、图4b、图5、图13、图14、图17中所示的可变分辨率光学元件2203产生从反射镜2208反射的图像。反射镜2208将光反射到分光器2209，分光器2209反射高分辨率小图像2205和低分辨率大图像2206到屏幕2204上。人眼2201透过透镜2202或其他光学元件以及分光器2209观看来自屏幕2204上的图像的光2207。
381.在一个实施例中，分光器2209是反射型偏振分光器。在一个实施例中，四分之一波片(未示出)可以位于分光器2209和屏幕2204之间。四分之一波片可以旋转从屏幕2204反射的光的偏振，以允许来自屏幕2204的反射光通过分光器2209(反射型偏振分光器)并到达眼睛2201和/或目镜或波导2202。
382.图23示出了使用第一光源和第二光源的组合的实施例，该第一光源将图像输出到屏幕上以示出可变分辨率图像的第一部分，该第二光源显示可变分辨率图像的第二部分。在一个实施例中，第一光源是将图像投影到投影屏幕上的投影仪，第二光源是显示器或微型显示器。
383.光学系统2341可以包括用于生成复制的图像或光束的元件，如上所述。光学系统可以包括例如图像源，诸如微型显示器、显示器或投影仪，并且还可以包括产生复制的光束(例如，高分辨率小图像的复制品)的透镜阵列。
384.复制的光束2343的单个像素的光锥(光束)可以聚焦到屏幕2346上的像素。屏幕2346可以通过从分光器2344被反射而在光学掩模元件2345(例如，可以是lcd显示器光学掩模元件或另一种类型的光学掩模元件)后面的图像平面上。因此，高分辨率小图像的多个复
制品可以从分光器2344反射到屏幕2346上。光学掩模元件2345可以位于屏幕2346和分光器2344之间，并且可以掩蔽高分辨率小图像的多个复制品中的一个或更多个，从而保留高分辨率小图像的单个复制品，如所述以上。
385.第二图像源2347可以是显示器或微型显示器，例如有机发光二极管(oled)显示器、液晶显示器(lcd)或其他屏幕显示器。
386.第二图像源2347可以输出低分辨率大图像(由单个光束2342表示)，该图像可以从分光器2344反射向眼睛2349、目镜和/或波导2348。高分辨率小图像(由单个光束2370表示)的单个剩余复制品可以通过分光器2344朝向2349、目镜和/或波导2348。高分辨率小图像的单个剩余复制品可以与低分辨率大图像合并(例如，叠加到其上)以形成可变分辨率图像，该可变分辨率图像可以定向到目镜或波导2348或直接聚焦到观看者的眼睛2349上。
387.反射型和透射型微型显示器或显示器(例如，dlp、lcos和lcd)在每个单独像素或子像素之间具有不透明或非反射间隙。如果将这样的微型显示器或显示器用作光掩膜元件，并将其恰好放置在中间图像平面上，并且投影到其上的图像的像素大小小于或接近像素间隙的大小，则分辨率会因以下原因而损失：一些像素完全或部分投影在这些不透明或非反射间隙上。这可能会导致“纱窗效应”，在纱窗效应中，在像素之间可能会出现水平和垂直黑线的网格。此外，如果添加分辨率，则来自光学掩膜元件微型显示器或显示器的任何纱窗效应都将保留。该问题的一种可能的方案是使光学掩模元件轻微偏离中间图像平面。例如，光学掩模元件可以偏离小图像光学元件的焦平面，可以偏离大图像光学元件的焦平面，或者可以偏离本文描述的光学系统的焦平面。这确实会产生使掩模和掩模边缘散焦的副作用。然而，如前所述，在一些实施例中，掩模和/或掩模边缘的散焦实际上可能是期望的效果。
388.图24a示出了根据一个实施例的源图像。图24b示出了根据一个实施例的在中间图像平面上的光学掩模元件上的图24a的源图像。如图所示，像素之间存在间隙，显示为水平和垂直黑线的网格。图24c示出了根据一个实施例的在与中间图像平面(焦平面)略微偏移的光学掩模元件上的图24a的源图像。如图所示，纱窗效应被最小化。
389.代替使高分辨率小图像的多个复制品在光掩模元件上被简单地掩模以仅反射或透射一个复制品，要反射和透射的一个或更多个复制品也可以使其在光学掩膜元件上的对应的像素显示相同的图像，尽管分辨率较低。类似地，光学掩模元件(或不同的光学掩模元件)可以不仅简单地完全透射或反射低分辨率大图像，而且可以显示相同的低分辨率大图像。这可能有两个目的：
390.1.通过对同一图像进行两次空间调制，即使在光学掩膜元件微型显示器或显示器上以可能更低的分辨率进行显示，也可以增强最终图像的对比度。如果光学掩模元件轻微偏移到中间图像平面，则由光学掩模元件显示的图像的低分辨率版本将变得模糊，但是还受益于其像素上没有尖角。所产生的效果与液晶电视和监视器中称为“全阵列局部调光”的技术所实现的效果非常相似。这可用于高分辨率小图像以及低分辨率大图像。
391.2.由于光学掩模元件的分辨率可能明显高于全阵列局部调光lcd电视和监视器内部的led阵列，并且由于低分辨率大图像的分辨率和光学掩模元件的分辨率可能相同，并且由于人眼对色度(颜色)的敏锐度比对照度(亮度)的敏锐度低，因此光学掩模元件不仅可以用于增强对比度，还可以用于增强最终图像的色深(位深)。产生的效果与通过视频编码和
解码技术实现的效果非常相似，该技术的色度(颜色)分辨率比照度(亮度)低，称为“色度子采样”。这可用于高分辨率小图像以及低分辨率大图像。
392.图25从左到右示出了空间调制图像两次或空间调制存储原始图像的不同位深(色深)信息的两个图像如何在右边产生更高对比度和/或更高位深(色深)的图像。在图25中，原始图像2505穿过光学掩模。光学掩模可以是显示图像2510的副本的显示器或微型显示器。原始图像2505和图像2510的副本可以被组合以形成合并的图像2515，与原始图像2505相比，其可以具有改善的对比度和/或改善的色深(位深)。图26从左到右示出了再次空间调制高分辨率小图像或者空间调制在光学掩模元件上以较低分辨率显示的高分辨率小图像的不同的位深(色深)信息如何在右边产生更高对比度和/或更高位深(色深)的图像。如图所示，透镜阵列可以输出高分辨率小图像2605的单个复制品。光学掩模元件可以掩蔽高分辨率小图像的其他副本，并且还可以显示高分辨率小图像2610的副本。高分辨率小图像2610的副本可以具有比高分辨率小图像2605的复制品低的分辨率。高分辨率小图像2605的单个复制品可以与高分辨率小图像2610的副本组合以形成合并的高分辨率小图像2615，与单独的高分辨率小图像2605的单个复制品相比，其可以具有改进的对比度和/或改进的色深(位深)。
393.如果微型显示器、显示器或投影仪具有子像素，则其可以存储最终图像的第一组位深(色深)，并且光学掩膜元件微型显示器或显示器可以显示其余部分。例如，oled微型显示器可以显示8位像素，然后可以使用光学掩膜元件lcos、lcd或dlp微型显示器来再次调制像素，以在最终图像上达到10位或更多位深(色深)。
394.如果微型显示器、显示器或投影仪按颜色顺序运行，则其可以存储最终图像的第一组位深(色深)，并且光学掩模元件微型显示器或显示器可以再次显示其余部分。例如，lcos微型显示器可以显示8位像素，然后可以使用光学掩膜元件lcos、lcd或dlp微型显示器再次调制像素，以在最终图像上达到10位或更多位深(色深)。
395.此外，如前所述，单个微型显示器、显示器或投影仪也可以指微型显示器、显示器或投影仪，其中将单独的显示器或微型显示面板用于每个颜色通道，并且例如利用三向色的棱镜、x
‑
立方体棱镜或二向色滤镜，将它们光学结合。在这种情况下，例如，三个lcos微型显示器每个可以显示8位像素，然后可以使用光学掩膜元件lcos、lcd或dlp微型显示器再次调制光学组合的24(8x3)位像素，以在最终图像上达到30位或更多位深(色深)。
396.具有至少一个高分辨率小光学元件和至少一个低分辨率大光学元件除了可以创建最终的可变分辨率图像外，还可以起到更多的作用，因为可变分辨率屏幕也可以用于允许用户在这些光学元件之间切换以控制屏幕的视场。例如，如果可变分辨率屏幕装置用作可穿戴显示器，则可以在不同的小或大光学元件之间切换以光学地调整虚拟显示器的尺寸。相反，通过数字方式这样做会降低分辨率。此外，光学元件之一可以包括用户控制的变焦透镜，以将虚拟显示器的尺寸调节到范围内的任何期望的尺寸。
397.本领域普通技术人员将熟悉并理解包括其实现的前述装置和操作。在不影响这些发明的范围的情况下，可以按比例放大或缩小或改变本说明书中使用的所有尺寸和比例。
398.以上对实施例、替代实施例和特定示例的描述是作为示例给出的，并且不应视为限制性的。此外，在不脱离本发明的精神的情况下，可以在本实施例的范围内进行许多改变和修改，并且本发明包括这样的改变和修改。