CN101107557A - 直接视网膜显示器 - Google Patents

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Abstract

提供一种用于以宽视场在眼睛(62)的视网膜上显示图像的直接视网膜显示器(50)。该直接视网膜显示器(50)包括被配置为在两个维度中在各维度中的扫描角度上产生用图像调制的扫描光束(58)的扫描源(52)。直接视网膜显示器(50)还包括扫描光束(58)的路径中的发散反射器(54)，该发散反射器(54)被配置为向会聚反射器(56)用基本上放大的扫描角向外反射入射到发散反射器(54)上的扫描光束(58)，该会聚反射器(56)被配置为基本上向眼睛(62)的瞳孔(60)上的会聚点反射扫描光束用于以宽视场在视网膜上重建和显示图像。

Description

直接视网膜显示器
技术领域
本发明涉及直接视网膜显示器(DRD)。特别地，它涉及用于改善由DRD提供的视场的发展。
背景技术
DRD通过经由瞳孔将用图像信息调制的激光束或其它光束直接扫描到用户的眼睛的视网膜上提供观察用图像。具体而言，通过利用几种颜色的激光束并调制这些射束的强度，可以在用户的眼睛上产生彩色图像。例如，通过横过视网膜以光栅模式扫描光点依次产生图像。
DRD提供优于现有的基于屏幕的显示器的优点。分辨率可更高并且图像可被叠加在现实生活景物上。这使得DRD成为对于广泛的应用(特别是在虚拟或扩张的现实显示器中)的希望的选项。例如，头戴式DRD可在驾驶员或飞行员观看他们正在航行的景物的同时向他们提供视觉形式的信息。
为了与人眼的“现实生活”成像能力匹配，显示装置理想情况下对于单个眼球应具有水平140°和垂直90°的视场。眼睛可辨别的最大分辨率是1弧分的角分辨率，这转换成8400水平像素乘以5400垂直像素。由现有的DRD技术提供的分辨率依赖于激光波长、扫描器速度和调制带宽以及扫描光学。衍射受限的激光可在视网膜上产生约1弧分的角分辨率。但是，视场由包含由现有技术提供的扫描速度和调制带宽的许多因素支配。为了改善视场，必须增加扫描角度(在视网膜上扫描激光束的水平和垂直角度)。在扫描器上机械地增加扫描角度还要求增加扫描速度和/或调制带宽以保持相同的分辨率。因此，视场受确定扫描速度和调制带宽的当前技术的能力限制。
美国专利申请公开No.2004/0164926提出一种经由椭球面反射器扫描到用户的眼睛中以提供宽视场图像显示器的头戴式显示系统。
本发明的目的在于，提供改进的直接视网膜显示器，或至少向公众提供有用的选择。
发明内容
在第一方面中，本发明概括地是一种用于以宽视场在眼睛的视网膜上显示图像的直接视网膜显示器，该直接视网膜显示器包括：被配置为在两个维度中在各维度中的扫描角度上产生扫描光束的扫描源，该扫描光束已被图像调制；扫描光束的路径中的发散反射器，该发散反射器被配置为用放大的扫描角向外反射入射到发散反射器上的扫描光束；和反射的扫描光束的路径中的会聚反射器，该会聚反射器被配置为基本上向眼睛的瞳孔上的会聚点反射具有放大的扫描角的扫描光束用于以宽视场在视网膜上重建和显示图像。
优选地，发散反射器可在扫描光束的路径中至少部分包含球形反射面，使得入射到球形反射面上的扫描光束以放大扫描角度的变化的角度被反射，以产生宽视场。在一种形式中，发散反射器可以是半球形反射器。在另一种形式中，发散反射器可以是球面反射器。
优选地，会聚反射器可在从发散反射器反射的扫描光束的路径中至少部分包含基本上椭圆的反射面，使得入射到基本上椭圆的反射面上的扫描光束基本上向着眼睛的瞳孔上的会聚点被反射。在一种形式中，会聚反射器可以是椭圆形反射器。在另一形式中，会聚反射器可以是准椭圆形反射器，该准椭圆形反射器被成形为减少由发散反射器的形状导致的扫描光束在眼睛的瞳孔上的任何不会聚。
优选地，扫描源可包含用于产生光束的光束发生器、用于将图像像素分给扫描中的各位置上的光束的调制器、和用于在两个维度中在各维度中的扫描角度上使光束改变方向的扫描器。在一种形式中，光束发生器可包含激光器的配置。作为替代方案，扫描器的光束发生器可包含发光二极管的配置。
在一种形式中，扫描源可被配置为在各维度中的扫描角度上非线性扫描光束，以对发散反射器上的扫描角度的任何非线性放大进行补偿，由此保证正确地在视网膜上显示图像。
在另一种形式中，扫描源可被配置为使图像预先非线性变形，以对发散反射器上的扫描角度的任何非线性放大进行补偿，由此保证正确地在视网膜上显示图像。
优选地，扫描源可被配置为在两个维度中扫描光束以产生光束的锥形束。更优选地，扫描源可被配置为在眼睛的视网膜上扫描二维图像。另外，或者作为替代方案，扫描源可被配置为为了在眼睛的视网膜上显示三维图像根据图像的各像素的相对深度调整光束的焦点。
在一种形式中，会聚反射器可部分反射并且部分透明以使得图像能够被叠加到用于扩张的现实的现实生活景物上。
优选地，该直接视网膜显示器还可包括跟踪控制机构，该机构被配置为跟踪眼睛的移动和调整发散和会聚反射器的位置，使得会聚点跟随瞳孔移动。更优选地，该跟踪控制机构还可包括视网膜成像部件，以帮助跟踪眼睛的移动。
优选地，会聚点可足够大，以基本上覆盖眼睛的瞳孔以减少眼睛移动的影响。
优选地，相对于眼睛沿水平方向在眼睛上产生的视场可以为至少80度、更优选至少100度、甚至更优选至少120度。
优选地，相对于眼睛沿垂直方向在眼睛上产生的视场可以为至少60度、更优选至少80度、甚至更优选至少90度。
优选地，显示的图像的分辨率可以为水平方向上的至少800像素乘以垂直方向上的至少600像素、更优选水平方向上的至少1280像素乘以垂直方向上的至少1024像素、甚至更优选水平方向上的至少8000像素乘以垂直方向上的至少5000像素。
优选地，任一维度中的扫描角度可以为至少2度、更优选至少5度。
优选地，任一维度中的扫描角度可被放大至少20倍、更优选被放大至少25倍。
在一种形式中，显示器可用于在两个眼睛的视网膜上显示图像，并包含两个会聚反射器，每个会聚反射器用于一个眼睛，并且扫描源被配置为向着位于会聚反射器之间的发散反射器的对边在两个维度中在各维度中的扫描角度上产生用图像调制的二个扫描光束，该发散反射器被配置为向着各个会聚反射器以放大的扫描角度反射各扫描光束，各会聚反射器被配置为基本上向着各眼睛的瞳孔上的会聚点反射各扫描光束，用于在各眼睛的视网膜上重建和显示图像。优选地，会聚反射器可以是准椭圆形反射器，该准椭圆形反射器被成形为将扫描光束会聚到各眼睛的瞳孔上的会聚点上，并且发散反射器是球面反射器。
在另一种形式中，直接视网膜显示器可用于在两个眼睛的视网膜上显示图像，并包含用于各个眼睛的扫描源、发散反射器和会聚反射器。
优选地，直接视网膜显示器可被配置为安装到用户的头部上。
在第二方面中，本发明概括地是一种用于以宽视场在眼睛的视网膜上显示图像的直接视网膜显示器，该直接视网膜显示器包括：被配置为在两个维度中在各维度中的扫描角度上产生扫描光束的扫描源，该扫描光束被图像调制；扫描光束的路径中的具有球形反射面的发散反射器，该发散反射器被配置为用放大的扫描角向外反射入射到球形反射面上的扫描光束；和反射的扫描光束的路径中的具有基本上椭圆的反射面的会聚反射器，该会聚反射器被配置为基本上向眼睛的瞳孔上的会聚点反射具有放大的扫描角的扫描光束用于以宽视场在视网膜上重建和显示图像。
优选地，会聚反射器的椭圆形反射面可以是准椭圆形反射面，该准椭圆形反射面被成形为减少由发散反射器的球形反射面的形状导致的扫描光束在眼睛的瞳孔上的任何不会聚。
优选地，扫描源可包含用于产生光束的光束发生器、用于将图像像素分给扫描中的各位置上的光束的调制器、和用于在两个维度中在各维度中的扫描角度上使光束改变方向的扫描器。
优选地，扫描源可被配置为在各维度中的扫描角度上非线性扫描光束，以对发散反射器上的扫描角度的任何非线性放大进行补偿，由此保证正确地在视网膜上显示图像。
优选地，扫描源可被配置为使图像预先非线性变形，以对发散反射器上的扫描角度的任何非线性放大进行补偿，由此保证正确地在视网膜上显示图像。
优选地，扫描源可被配置为在两个维度中扫描光束以产生光束的锥形束。
优选地，扫描源可被配置为扫描以在眼睛的视网膜上显示二维图像。
优选地，扫描源可被配置为为了在眼睛的视网膜上显示三维图像根据图像的各像素的相对深度调整光束的焦点。
在第三方面中，本发明概括地是一种用于在用户的两个眼睛的视网膜上显示图像的直接视网膜显示器，该直接视网膜显示器包括：被配置为在两个维度中在各维度中的扫描角度上产生两个扫描光束的扫描源，每个扫描光束用于一个眼睛，该扫描光束被图像调制；扫描光束的路径中的发散反射器，该发散反射器被配置为用放大的扫描角向外反射入射到发散反射器的对边上的扫描光束；和各反射的扫描光束的路径中的两个会聚反射器，每个会聚反射器用于一个眼睛，该会聚反射器被配置为基本上向各眼睛的瞳孔上的会聚点反射具有放大的扫描角的扫描光束用于以宽视场在视网膜上重建和显示图像。
优选地，发散反射器可在扫描光束的路径中包含基本为球形的反射面。更优选地，发散反射器可以是位于两个会聚反射器之间的球面反射器。
优选地，会聚反射器可在从发散反射器反射的扫描光束的路径中包含准椭圆形反射面。
在一种形式中，存在两个发散反射器，每个发散反射器用于一个眼睛，每个位于扫描光束中的一个的路径中并被配置为将扫描光束反射到各个会聚反射器上。更加优选地，发散反射器可以是球面反射器并且会聚反射器是准椭圆形反射器。
优选地，显示器可被配置为可固定到用户的头部上。
在本说明书和权利要求中使用的术语“包含”意味着“至少部分由......组成”，也就是说，当解释包含该术语的本说明书和权利要求中的语句时，各语句中的以该术语开始的特征均需要具备，但其它的特性也可具备。
本发明包含上述内容，并且还设想以下仅给出例子的结构。
附图说明
现在仅作为例子参照附图说明本发明的优选实施例，其中：
图1是表示本发明的DRD的优选实施例的示意图，该DRD利用扫描器、半球形反射器和修改的椭圆形反射器以在视网膜上提供一维图像；
图2是半球形反射器上的扫描束的输入扫描角(θ)和输出扫描角(φ)之间的关系图；
图3是扫描器射束在瞳孔上的输入扫描角(θ)和瞳孔扫描角(β)之间的关系图；
图4是表示图1的DRD的示意图，其中无修改的椭圆形反射器代替修改的椭圆形反射器并导致扫描的射束的射线在瞳孔上的不会聚；
图5更详细表示由于使用图4所示的无修改椭圆形反射器导致的半球形反射器中的虚拟原点上的扫描射束的不会聚射线；
图6表示用于计算修改的椭圆形反射器的形状的总体几何和符号；
图7表示使用由多个椭圆限定的点产生修改的椭圆形反射器，其中仅示出两个椭圆；
图8表示球面反射器及相关的符号和参数之间的几何关系的近视图；
图9是输入扫描角(θscan)和球面角(φ)之间的关系图；
图10是输入扫描角(θscan)和反射的射线与水平线之间的夹角(ψ)之间的关系图；
图11是表示用于在视网膜上产生二维图像的本发明的优选实施例DRD的3D线框模型的示意图；
图12表示由图11的DRD产生的激光束点(出射孔)在用户的瞳孔的位置上的强度分布面；
图13表示图12的强度分布的反灰度级图像；
图14表示安装在用户的头部上的本发明的DRD的优选实施例的侧视图；
图15表示安装在用户的头部上的本发明的DRD的优选实施例的平面图，该DRD使用单一球面反射器；
图16表示安装在用户的头部上的本发明的DRD的替代性实施例的平面图，该DRD使用两个球面反射器。
具体实施方式
本发明涉及产生宽视场的DRD系统、该宽视场例如对各个眼睛约为水平的100度和垂直的90度。DRD包含非线性和非傍轴光学设计。DRD使得能够从相对较小的角度输入扫描进行宽角度输出扫描。特别地，DRD利用发散反射器以放大来自光源的扫描束的角度，并利用会聚反射器以重新将射束扫描会聚为基本上与眼睛的瞳孔一致的会聚点或会聚点，用于在眼睛的视网膜上重建图像。可以理解，会聚点或会聚点可根据DRD系统的规格改变表面积尺寸。在优选的形式中，会聚点基本上覆盖眼睛的瞳孔。
参照图1，示出DRD装置10的优选实施例。如上所述，DRD 10使用非线性光学角度放大以从相对较小的角度输入扫描在眼睛上产生宽视场(宽角度输出扫描)。DRD 10结合会聚反射器16使用用于从扫描源14放大扫描射束角度的发散反射器12，该会聚反射器16用于将射束扫描重新会聚到基本上与眼睛的瞳孔18一致的位置上。使用这种配置，DRD 10从相对较小的角度输入扫描产生宽视场。
为了清楚起见，将主要参照图1所示的DRD 10的二维(2D)平面图关于产生一维(1D-线)图像说明DRD。但是，可以理解，如后面关于图11～16说明的那样，DRD可被配置为在视网膜上产生二维或三维(3D)图像。并且，图1表示用于一个眼睛的DRD 10，但可以理解，DRD可根据需要很容易地被调整为适于两个眼睛，并且也将在后面关于图14～16说明这一点。
DRD 10利用包含光束发生器和用于在希望的角度20上扫描射束以产生发散的射线束22的扫描器的扫描源14。优选地，光束发生器产生希望的波长的激光束。扫描器可以为任何适当的用于在DRD应用中扫描激光束的技术。扫描器只需要较小的预定的扫描角度，诸如机械的至少2°，并可例如为倾斜-倾斜扫描器或任何其它类型的基于微型光机电系统(MOEMS)的扫描器。优选地，扫描器以至少20kHz的视频速率操作，但可以理解也可以根据应用使用更低的扫描速度。并且，可以理解，扫描器可以根据图像是1D、2D还是3D在例如水平或垂直方向或这两个方向上以一个或两个自由度扫描射束。光束发生器可例如包含用于产生有色的激光束的激光器或发光二极管(LED)的配置。在优选的实施例中，激光器被用于光束发生器中。扫描源14还包含将图像信息调制到从扫描源发射的激光束上的调制能力。
在操作中，依次由扫描源14扫描的射线束22中的各激光束在其路径中入射到发散反射器是12上。在图1所示的优选实施例中，发散反射器12为半球形或基本上为半球形，但可以理解，发散反射器可为球形、基本上为球形或者它只需要具有足够的球形或基本上为球形的表面以容纳射线束22的扫描角度20的侧向界限上的入射激光束。如果全球面反射器被使用，那么对于用户的第二个眼睛另一半可形成DRD的发散反射器的一部分，并且，将在下面参照图14～16说明这一点。
在扫描的激光束射到发散发光镜14上后，它被发散反射器反射到会聚发光镜16上。会聚反射器基于椭圆，该椭圆具有使得源自一个焦点的射线会聚到第二焦点上的几何特性。在优选的实施例中，会聚反射器16包含修改的椭圆(准椭圆)凹面，该凹面大到足以容纳在增加的扫描角度的侧向界限上从发散反射器12反射出去的激光束24。修改的椭圆形反射器16被成形为在瞳孔上重新会聚从发散反射器12反射出去的入射激光束24。眼睛的透镜从而可从射线束24在视网膜上重构(在这种情况下)一维图像。将在下面参照图4～10说明改变的椭圆形反射器的几何形状的计算。
发散反射器12和会聚反射器16可由玻璃、塑料或任何其它适当的材料形成。在优选的形式中，发散反射器12从玻璃成形和抛光得到，并且会聚反射器16从例如丙烯酸树脂的塑料形成或注模得到。根据用于形成反射器12、16的材料，它们将具有固有的反射质量或将被涂敷诸如保护铝的反射涂层。可以理解，发散反射器12是全反射的，但是，如果需要扩张的现实显示器，那么会聚反射器可以是全反射或部分反射的，由此使得图像与用户观察的现实生活景物重叠。
现在更详细说明图1所示的优选实施例DRD的操作。为了产生一维图像，在角度20上产生和扫描来自扫描源14的激光束，该角度20在这种情况下为4.5度，但可以理解，这种输入扫描角度可根据应用、希望的DRD的规格和扫描源的扫描器技术规格改变。在扫描角度20上的各不同的点上，激光束被调制为产生不同的图像承载射束，该图像承载射束与用于在视网膜上显示的图像的一个像素有关。扫描角度20上的单个调制射束的组合包含扫描坐标可能为笛卡尔坐标或极坐标的图像即光栅扫描。各单个调制的激光束(示为射线束22)依次射到半球形反射器12上。半球形反射器12然后向准椭圆形反射器16反射射线束22的各射束，在这样做时以依赖于其在半球形反射器12上的各入射(输入)角(θ)的输出角(φ)反射各个射束。图2是表示4.5度上的输入扫描角(θ)和输出扫描角(φ)之间的关系的示图，表示约12倍的扫描角度放大因子。图3是表示对于输入扫描的瞳孔上的角度(β)，对于第一扫描点和最后的扫描表观视场角度的β角不同。可以参照图6更好地解释这一点，其中，β0是从第一扫描点的瞳孔上的角度，它例如是约115度，βn是从最后的扫描点的瞳孔上的角度，它例如是约13度。两个β角之间的差值是瞳孔的视场，该视场在这种情况下超过100度。
如图1所示，与半球形反射器12上的相邻入射束的相对角度相比，各射束相对于其相邻射束的反射角度改变。这样，射线束22发散性增加，使得入射到准椭圆形反射器16上的射束的扫描角比入射到半球形反射器12上的射束的扫描角20大。在这种情况下，扫描角从4.5度增加到53度。如图3所示，这使最终在视网膜上显示的图像的表观视场增加到初始视场的约22倍。这使得能够在不需要增加扫描源14上的初始扫描角和处理增加调制带宽和扫描速度的相关问题以保持相同的分辨率的情况下在视网膜上以更大的格式显示相同的图像。反射角(φ)的大小依赖于球面半径、半球形反射器12到扫描源14的距离和入射扫描角(θ)。
半球形反射器12的角度放大因子相对于入射扫描角(θ)不是线性的，这导致像素间隔在视网膜上是非线性的。可以通过在射束角度20上非线性扫描以产生所需的线性间隔，即，通过预先使光栅扫描模式变形或者替代性地通过预先使要被显示的图像变形，对输入扫描源14补偿这种非线性。入射到准椭圆形反射器16上的发散的射线束24然后重新会聚到与眼睛的瞳孔一致的会聚点18上。瞳孔然后沿视网膜上的位置依次聚焦射线束24的各单个射束，以从由各调制激光束表示的像素重建图像。
现在将参照图4～10说明修改的椭圆形反射器的几何形状的计算。图4表示利用无修改椭圆形反射器32而不是修改的椭圆形反射器的DRD 30的替代性实施例。如图所示，无修改椭圆形反射器32不是优选的，因为它导致射线束在瞳孔上不会聚，并且这导致图像劣化。可以参照图5解释不会聚的原因，该图示出入射到半球形反射器12上的射束扫描射线22和得到的反射射线36。无修改椭圆形反射器具有如图5所示的位于半球形反射器12内的平均虚拟原点36上的焦点和如图4所示的眼睛的会聚点上的焦点。不会聚的射线34的模式是半球形反射器12内的虚拟射线模式在点38上的放大的反射。但是，无修改椭圆形反射器32的表面可被修改以对激光束的不会聚进行校正，以产生如图1的优选实施例DRD 10所示的准椭圆形反射器16。
作为例子，现在参照数学公式和图6～10说明在两个维度中计算修改的椭圆形反射器16或修改的椭圆函数的方法。首先，将说明计算过程的概要。该过程包括利用具有无修改椭圆的DRD 30配置的规格和几何参数的迭代计算。特别地，使用几何代数以有效地在半球形反射器12的表面上有效扫描射束，使得它被反射到无修改椭圆形反射器32上并然后被椭圆形反射器反射到会聚点18(瞳孔)。对于各射束位置，如图6和图7所示形成一组三角形。这些三角形边的长度和角度然后如下面进一步解释的那样被计算并被用于计算形成修改的椭圆或椭圆形状的一部分的空间中的点Pn。各点Pn然后被定位以保证来自半球形反射器12的反射的射束重新聚合到与瞳孔一致的一个点18上。通过对各个射束位置计算不同的椭圆参数实现这一点。椭圆的半长轴被固定，但偏心率对于各个椭圆变化。椭圆焦点中的一个被固定在与点18上的眼睛的瞳孔一致的位置上。如图7所示，另一焦点对于半球形反射器12上的扫描射线的与截点F2 n一致的各不同椭圆改变位置。
现在参照数学公式和图6～10说明详细的数学计算过程。对于本数学解释，半球形反射器12被称为球体，椭圆形反射器16被称为椭圆。以下参照图6～8说明变量的定义、开始的公式和用于产生修改的椭圆的解。
变量的定义
扫描的输入角＝扫描角+偏斜角(θ＝θscan+θoff)。
从扫描源到用于偏斜射线的球面的距离为d，并且球体的半径是R。
利用瞳孔上的焦点和射线在球体上的击点形成椭圆。参照图6，瞳孔上的焦点F1保持固定，而球体上的击点上的焦点F2随射线扫描而移动，即，F2代表各射束在球体上的击点。对于各扫描位置(一直到n)，产生新的椭圆以为位于新椭圆Pn上的射线击点上的修改的椭圆提供空间位置。注意，焦点F2具有上标n以指示该点限定几号椭圆。
椭圆参数：半长轴a、半短轴b和偏心率ε。注意，半长轴a被固定，偏心率ε随椭圆产生而变化并被编为索引表格。一个焦点F1上的点被固定，并且另一焦点F2上的点不被固定，因此被编为索引表格。对于焦点F1仅存在一个位置(固定在瞳孔上)。椭圆表面上的点Pn也被编为索引表格。
产生达到任意精度的修改的椭圆所需要的点数是n。特别地，n＝0到所需要的点数。例如，n＝0是θoff点即θscan＝0或第一椭圆。
参照图7，三角形的边由焦点之间的距离Gn和椭圆上的射线击点和焦点之间的距离An、Bn限定。
椭圆三角形的边的对角使用与A、B、G对应的小写希腊字母α、β、γ，即，A具有对角α，B具有对角β，G具有对角γ。这些角被标记为与边对应的列表。
参照图8，击点和球体的中心对着的角是φ，并且反射射线与水平线之间的夹角是ψ。入射角和从球体上的击点的反射角是ξ。并且，参照图6和图7，椭圆长轴到水平线的倾角是δ。三角形的边B和椭圆的长轴之间的夹角是Ω。这些角均被编为索引表格。
参照图8，球体的半径R减去球体击点在水平轴上的投影是ΔR，ΔR＝R(1-cosφ)。球体击点矢量R在垂直轴上的投影是h2。球体从输入射束的原点(扫描起始的点)移动的垂直距离是h1，该垂直距离被固定并由偏移角θoff限定，并且不是索引表。到扫描射束原点的水平线一般标为40。
开始的公式
将θ表达为φ的函数并然后求出φ。通过检查具有这些开始的表达式/公式：
θ＝θscan+θoff                   [1]
h1＝d Tan[θoff]                    [2]
h2＝R Sin[φ]                       [3]
(h1+h2)/(d+ΔR)＝Tan[θ]
或
(h1+h2)＝(d+ΔR)Tan[θ]                                 [4]
将式[1]和[2]代入[4]中，给出：
d Tan[θoff]+R Sin[φ]＝(d+ΔR)Tan[θ]
或
Tan[θ]＝(d Tan[θoff]+R Sin[φ])/(d+ΔR)               [5]
从图8使用ΔR＝R-R Cos[φ]，给出：                       [6]
θ＝ArcTan[(d Tan[θoff]+R Sin[φ])/(d+R-R Cos[φ])]    [7]
解
求解φ给出：
φ＝ArcCos[(-d R Tan[θoff]Tan[θoff+θscan]+d R Tan[θoff+θscan]2+R2 Tan[θoff+θscan]2+√(R4-d2 R2Tan[θoff]2+2 d2 R2 Tan[θoff]Tan[θoff+θscan]+2dR3 Tan[θoff]Tan[θoff+θscan]-d2 R2 Tan[θoff+θscan]2-2 d R3 Tan[θoff+θscan]2))/(R2+R2 Tan[θoff+θscan]2)]                               [8]
由于其它的解是负的或接近错误方式，因此使用第4解。参照图9，输入扫描角(θscan)与击点上的球面角(φ)的关系以弧度被画出。
参照图6，来自球体上的击点的反射的射线与水平线之间夹角被限定如下：
ψ＝2φ+θ                                              [9]
因此，将式[7]和[8]代入[9]中，给出：
ψ＝θoff+θscan+2 ArcCos[(-d R Tan[θoff]Tan[θoff+θscan]+d R Tan[θoff+θscan]2+R2 Tan[θoff+θscan]2+√(R4-d2 R2 Tan[θoff]2+2 d2 R2 Tan[θoff]Tan[θoff+θscan]+2 d R3 Tan[θoff]Tan[θoff+θscan]-d2 R2 Tan[θoff+θscan]2-2 d R3 Tan[θoff+θscan]2))/(R2+R2 Tan[θoff+θscan]2)]        [10]
参照图10，输入扫描角(θscan)与击点上的发散的反射射线与水平线之间的夹角(ψ)的关系以弧度被画出。
现在椭圆长轴a倾斜角度δ，并且，随着射束扫描和椭圆以εn产生，倾角δn变化。通过角度的检查(π的弧度是180度)：
π-(Ω+δn)＝ψ
或
Ω＝π-δn-ψ                                              [11]
将r表达为Ω的函数，使得r(或Bn)是从焦点(击点)到角度Ω上的椭圆上的点的距离，给出：
R＝a(1-ε2)/(1+εCos[Ω])                                  [12]
设Bn＝|r|，参见图6或图7，给出：
Bn＝a(1-ε2)/(1+εCos[Ω])
对Ω使用上面的表达式[11]，给出：
Bn＝a(1-ε2)/(1+εCos[π-δn-ψ])
＝a(1-ε2)/(1+εCos[π-δn-2φ-θscan-θoff])              [13]
参照图6，三角形的水平的边Gn被限定为：
X＝G0 Cos δ0                                              [14]
Y＝G0 Sin δ0                                              [15]
并且，
X+ΔR＝Gn Cos[δn]                                          [16]
因此，
Cosδn＝(X+ΔR)/Gn                                          [17]
将式[6]和[14]代入[17]中，给出：
δn＝ArcCos[(G0 Cosδ0+R(1-Cosφ))/Gn]                      [18]
为了得到Gn的表达式，考虑Gn的笛卡尔边的和或平方：
Gn＝√((XΔR)2+(Y+h2)2)                                     [19]
将式[3]、[6]、[14]和[15]代入[19]中，给出：
Gn＝√((G0 Cosδ0+R(1-Cos[φ]))2+(G0 Sinδ0+R Sin[φ])2)    [20]
将式[20]代入[18]中，给出：
δn＝ArcCos[(G0 Cosδ0+R(1-Cosφ))/
√((G0 Cosδ0+R(1-Cos[φ]))2+(G0 Sinδ0+R Sin[φ])2)]       [21]
使用式[13]和[21]关于a、ε、φ、θscan、θoff、Go、δn和R提供Bn的表达式。如式[7]的解所示，φ可由R、d、θoff和θscan表达。从初始设置几何，R和d是已知的，并且θoff是已知的。因此，φ可被算出。θscan是驱动整组公式和椭圆的产生的驱动参数。从初始设置几体Go和δn也是已知的，在该阶段仅有的未知项是椭圆半长轴a和椭圆的偏心率ε。如上所述，半长轴a被固定，并且偏心率ε对于各个椭圆变化。
半长轴a可通过使用椭圆标准公式从初始设置几何算出：
a＝(A0+B0)/2                                    [22]
A0和B0是根据初始设置几何已知的。
随着射线被扫描，产生一组空间点Pn以在两个维度中规定修改的椭圆的表面。
由于Gn＝2aε，因此：
εn＝Gn/2a                                      [23]
因此，三角形的边Gn的长度可被用于计算椭圆的偏心率，然后，偏心率可被用于通过使用用于δn的式[21]和[13]计算Bn。
为了得到修改的椭圆的空间位置Pn，需要基准点。例如，球体的中心可被选为基准点。
参照图8，需要添加矢量R和r。
位置Pn的表格给出修改的椭圆的形状，并可通过增加n以任意的精度被计算。可以理解，上述技术可很容易地被扩展到三维中以为2D或3D DRD产生修改的椭圆的几何形状。
图11表示用于在眼睛的视网膜上产生二维图像的优选实施例DRD 50。DRD 50配置是用于在视网膜上产生一维图像的图1的DRD10的扩展。与DRD 10类似，DRD 50包含扫描源52、半球形反射器54和修改的椭圆形反射器56。在扫描源52上产生的激光束58可在半球形反射器54的两个维度上被扫描(光栅扫描)，并可承载被反射到修改的椭圆形反射器56(准椭圆形反射表面)上并以二维方式在用户的眼睛62的瞳孔60上重新会聚用于在视网膜上重建图像的二维图像。扫描源52的扫描器能够例如沿水平和垂直方向用至少两个自由度扫描激光束，以产生为二维图像示出的射线锥(射线的锥形束)。上面关于一维扫描说明的非线性和椭圆修改技术可很容易地适于二维扫描的应用。可以理解，DRD 50还可适于通过射束的重新聚焦在视网膜上提供三维图像。通过适当地调整激光束的焦点，各像素的相对深度可被传送给视网膜。
参照图12，示出由DRD 50产生的激光束点或出射孔的强度分布。特别地，示出从发散的半球形反射器54和会聚的修改的椭圆形反射器56反射之后的用户的眼睛62的瞳孔60上的激光束点的强度分布。图13将图12的同一强度分布表示为强度的反灰度级图像，使得图像的较黑的部分与激光束点的更强的部分对应。图13的图像具有作为例子用于提供激光束点(出射孔)的尺寸的指示的比例。在这种情况下，出射孔具有约12mm的直径，这是使眼睛移动的影响最小化的相对较大的出射孔。特别地，出射孔尺寸大到足以覆盖眼睛的瞳孔，使得即使眼睛有适度的移动激光束也仍会穿过视网膜。可以理解，出射孔的尺寸可以根据部件规格和设计要求增加或减小。在眼睛具有更大的总体移动使得出射孔错过瞳孔的情况下，可以如下面所述的那样利用跟踪控制机构以移动DRD反射部件或扫描器位置，以保证出射孔覆盖眼睛的瞳孔。
图14表示安装在用户的头部72上的DRD系统70的优选实施例的侧视图。DRD 70利用扫描源、发散的球面反射器74和会聚的修改的椭圆形反射器76。在该视图中，扫描源未被示出，并且扫描的激光束被引入页中引到球面反射器74上。扫描的激光束的角度偏斜，并被扫描到两个方向75以从发散的球面反射器74反射出来并反射到会聚的修改的椭圆形反射器76上，该椭圆形反射器76被安装在用户的眼睛78的前面。扫描的激光束然后被反射回用户的瞳孔79，从而产生与图12和图13所示的类似的强度分布。
图15表示安装在用户的头部82上的DRD系统80的另一优选实施例的平面图。在该DRD 80中，两个会聚的修改的椭圆形反射器84被示出，每个椭圆形反射器84用于一个眼睛，但只使用一个发散的球面反射器88，该球面反射器88可例如被安装在用户的鼻子85的鼻梁上。扫描源或扫描源的扫描器87被安装在头部82的边上并沿垂直和/或水平方向产生较小的偏斜扫描角，该扫描角被放大以在用户的瞳孔上产生超过90度角的视场。
图16表示使用安装在各眼睛94附近以及鼻子96的任一边的两个发散的球面反射器92的DRD系统90的替代性实施例的平面图。DRD90的其它部件与关于图15的DRD 80详细说明的相同。
可以理解，关于图14～16说明的头部安装的DRD可被集成到一副眼镜中，或者DRD可采取可被用户安全配戴的眼镜的形式。并且，可以理解，DRD可被配置为如上所述产生1D、2D或3D图像。
如上所述，所述的DRD可适于包含跟踪控制机构以移动发散和会聚反射器，以跟踪眼睛的移动，以保证如果眼睛移动导致瞳孔移动到激光束点(出射孔)外面保证图像的连续性。例如，反射器可被相互固定，使得它们一致地移动。以这种方式，球面反射器内的修改的椭圆形反射器的第一焦点相对于修改的椭圆形反射器保持静止。使用这种配置，瞳孔上的第二焦点将与反射器一致地移动。并且，可进行在其承窝中绕某点旋转的移动以模仿眼球的移动。作为替代方案，可以轻微地减小视场以通过扫描器允许整个图像的角移动，以对眼睛移动进行补偿。
所述的DRD还包含在显示图像的同时对视网膜中的血管的网络成像的能力。这有助于为随后的补偿测量任何眼睛移动，以保证扫描器保持在瞳孔中心，并且保证图像相对于视网膜静止。并且，血管的网络的图像可被用于唯一地识别DRD的用户。如上所述，DRD也可利用部分反射的会聚反射器，使得图像可重叠于现实生活景物上。可通过使用微型机电系统或微型光机电系统(MEMS/MOEMS)实现优选形式的或具有附加的任选的特性的DRD以减小装置的总体尺寸。
总之，本发明的DRD通过从被图像调制的相对较小的角度输入扫描在眼睛的瞳孔上产生宽角度输出扫描提供宽视场。DRD可被配置为在一个眼睛上或同时在两个眼睛上显示图像。DRD可被配置为显示彩色或单色的1D、2D或3D图像。由DRD产生的相对于眼睛的沿水平方向的视场可根据需要被改变，并优选为至少80度、更优选至少100度，甚至更优选至少120度，以更接近地与人眼的水平角度性能匹配。由DRD产生的相对于眼睛的沿垂直方向的视场也可根据需要被改变，并优选为至少60度、更优选至少80度，甚至更优选至少90度，以与人眼的垂直角度性能匹配。由DRD显示的图像的分辨率(以像素表示)可根据图像源质量根据需要被选择，并优选为至少800×600(水平×垂直)、更优选为至少1280×1024、甚至更优选为至少8000×5000，以与人眼的分辨率极限匹配。扫描源上的输入扫描角优选为至少2度，更优选至少5度。可以理解，可以通过改变从扫描器到球面反射器的距离d和球面反射器的半径R调整输入扫描角的放大倍数，以产生希望的视场。作为例子，输入扫描角对于放大的扫描角的放大因子优选为至少20，更优选至少25。可以理解，DRD可被配置为根据需要显示静物或移动(例如视频)图像。
存在范围广泛的可利用根据本发明的DRD的应用。它可被加入用于娱乐、医疗、军事、培训设备等的虚拟和扩张的实现显示系统中。
本发明的上述说明包含其优选的形式。在不背离由所附的权利要求规定的本发明的范围的情况下，可以提出变更方式。

Claims (51)

1.一种用于以宽视场在眼睛的视网膜上显示图像的直接视网膜显示器，包括：
被配置为在两个维度中在各维度中的扫描角度上产生扫描光束的扫描源，该扫描光束已被图像调制；
扫描光束的路径中的发散反射器，该发散反射器被配置为用放大的扫描角向外反射入射到发散反射器上的扫描光束；和
反射的扫描光束的路径中的会聚反射器，该会聚反射器被配置为基本上向眼睛的瞳孔上的会聚点反射具有放大的扫描角的扫描光束用于以宽视场在视网膜上重建和显示图像。
2.根据权利要求1的直接视网膜显示器，其中，发散反射器在扫描光束的路径中至少部分包含球形反射面，使得入射到球形反射面上的扫描光束以放大扫描角度的变化的角度被反射，以产生宽视场。
3.根据权利要求2的直接视网膜显示器，其中，发散反射器是半球形反射器。
4.根据权利要求2的直接视网膜显示器，其中，发散反射器是球面反射器。
5.根据前面的权利要求中的任一项的直接视网膜显示器，其中，会聚反射器在从发散反射器反射的扫描光束的路径中至少部分包含基本上椭圆的反射面，使得入射到基本上椭圆的反射面上的扫描光束基本上向着眼睛的瞳孔上的会聚点被反射。
6.根据权利要求5的直接视网膜显示器，其中，会聚反射器是椭圆形反射器。
7.根据权利要求5的直接视网膜显示器，其中，会聚反射器是准椭圆形反射器，该准椭圆形反射器被成形为减少由发散反射器的形状导致的扫描光束在眼睛的瞳孔上的任何不会聚。
8.根据前面的权利要求中的任一项的直接视网膜显示器，其中，扫描源包含用于产生光束的光束发生器、用于将图像像素分给扫描中的各位置上的光束的调制器、和用于在两个维度中在各维度中的扫描角度上使光束改变方向的扫描器。
9.根据权利要求8的直接视网膜显示器，其中，光束发生器包含激光器的配置。
10.根据权利要求8的直接视网膜显示器，其中，扫描器的光束发生器包含发光二极管的配置。
11.根据前面的权利要求中的任一项的直接视网膜显示器，其中，扫描源被配置为在各维度中的扫描角度上非线性扫描光束，以对发散反射器上的扫描角度的任何非线性放大进行补偿，由此保证正确地在视网膜上显示图像。
12.根据权利要求1～10中的任一项的直接视网膜显示器，其中，扫描源被配置为使图像预先非线性变形，以对发散反射器上的扫描角度的任何非线性放大进行补偿，由此保证正确地在视网膜上显示图像。
13.根据前面的权利要求中的任一项的直接视网膜显示器，其中，扫描源被配置为在两个维度中扫描光束以产生光束的锥形束。
14.根据前面的权利要求中的任一项的直接视网膜显示器，其中，扫描源被配置为在眼睛的视网膜上扫描二维图像。
15.根据权利要求1～13中的任一项的直接视网膜显示器，其中，扫描源被配置为为了在眼睛的视网膜上显示三维图像根据图像的各像素的相对深度调整光束的焦点。
16.根据前面的权利要求中的任一项的直接视网膜显示器，其中，会聚反射器部分反射并且部分透明以使得图像能够被叠加到用于扩张的现实的现实生活景物上。
17.根据前面的权利要求中的任一项的直接视网膜显示器，还包括跟踪控制机构，该机构被配置为跟踪眼睛的移动和调整发散和会聚反射器的位置，使得会聚点跟随瞳孔移动。
18.根据权利要求17的直接视网膜显示器，其中，该跟踪控制机构还包括视网膜成像部件，以帮助跟踪眼睛的移动。
19.根据前面的权利要求中的任一项的直接视网膜显示器，其中，会聚点足够大，以基本上覆盖眼睛的瞳孔以减少眼睛移动的影响。
20.根据前面的权利要求中的任一项的直接视网膜显示器，其中，相对于眼睛沿水平方向在眼睛上产生的视场为至少80度。
21.根据权利要求1～19中的任一项的直接视网膜显示器，其中，相对于眼睛沿水平方向在眼睛上产生的视场为至少100度。
22.根据权利要求1～19中的任一项的直接视网膜显示器，其中，相对于眼睛沿水平方向在眼睛上产生的视场为至少120度。
23.根据前面的权利要求中的任一项的直接视网膜显示器，其中，相对于眼睛沿垂直方向在眼睛上产生的视场为至少60度。
24.根据权利要求1～22中的任一项的直接视网膜显示器，其中，相对于眼睛沿垂直方向在眼睛上产生的视场为至少80度。
25.根据权利要求1～22中的任一项的直接视网膜显示器，其中，相对于眼睛沿垂直方向在眼睛上产生的视场为至少90度。
26.根据前面的权利要求中的任一项的直接视网膜显示器，其中，显示的图像的分辨率为水平方向上的至少800像素乘以垂直方向上的至少600像素。
27.根据权利要求1～25中的任一项的直接视网膜显示器，其中，显示的图像的分辨率为水平方向上的至少1280像素乘以垂直方向上的至少1024像素。
28.根据权利要求1～25中的任一项的直接视网膜显示器，其中，显示的图像的分辨率为水平方向上的至少8000像素乘以垂直方向上的至少5000像素。
29.根据前面的权利要求中的任一项的直接视网膜显示器，其中，任一维度中的扫描角度为至少2度。
30.根据权利要求1～28中的任一项的直接视网膜显示器，其中，任一维度中的扫描角度为至少5度。
31.根据前面的权利要求中的任一项的直接视网膜显示器，其中，任一维度中的扫描角度被放大至少20倍。
32.根据权利要求1～30中的任一项的直接视网膜显示器，其中，任一维度中的扫描角度被放大至少25倍。
33.根据前面的权利要求中的任一项的直接视网膜显示器，其中，显示器用于在两个眼睛的视网膜上显示图像，并包含两个会聚反射器，每个会聚反射器用于一个眼睛，并且扫描源被配置为向着位于会聚反射器之间的发散反射器的对边在两个维度中在各维度中的扫描角度上产生用图像调制的二个扫描光束，该发散反射器被配置为向着各个会聚反射器以放大的扫描角度反射各扫描光束，各会聚反射器被配置为基本上向着各眼睛的瞳孔上的会聚点反射各扫描光束，用于在各眼睛的视网膜上重建和显示图像。
34.根据权利要求33的直接视网膜显示器，其中，会聚反射器是准椭圆形反射器，该准椭圆形反射器被成形为将扫描光束会聚到各眼睛的瞳孔上的会聚点上，并且发散反射器是球面反射器。
35.根据权利要求1～32中的任一项的直接视网膜显示器，其中，直接视网膜显示器用于在两个眼睛的视网膜上显示图像，并包含用于各个眼睛的扫描源、发散反射器和会聚反射器。
36.根据前面的权利要求中的任一项的直接视网膜显示器，其中，直接视网膜显示器被配置为安装到用户的头部上。
37.一种用于以宽视场在眼睛的视网膜上显示图像的直接视网膜显示器，包括：
被配置为在两个维度中在各维度中的扫描角度上产生扫描光束的扫描源，该扫描光束被图像调制；
扫描光束的路径中的具有球形反射面的发散反射器，该发散反射器被配置为用放大的扫描角向外反射入射到球形反射面上的扫描光束；和
反射的扫描光束的路径中的具有基本上椭圆的反射面的会聚反射器，该会聚反射器被配置为基本上向眼睛的瞳孔上的会聚点反射具有放大的扫描角的扫描光束用于以宽视场在视网膜上重建和显示图像。
38.根据权利要求37的直接视网膜显示器，其中，会聚反射器的椭圆形反射面是准椭圆形反射面，该准椭圆形反射面被成形为减少由发散反射器的球形反射面的形状导致的扫描光束在眼睛的瞳孔上的任何不会聚。
39.根据权利要求37或38的直接视网膜显示器，其中，扫描源包含用于产生光束的光束发生器、用于将图像像素分给扫描中的各位置上的光束的调制器、和用于在两个维度中在各维度中的扫描角度上使光束改变方向的扫描器。
40.根据权利要求37～39中的任一项的直接视网膜显示器，其中，扫描源被配置为在各维度中的扫描角度上非线性扫描光束，以对发散反射器上的扫描角度的任何非线性放大进行补偿，由此保证正确地在视网膜上显示图像。
41.根据权利要求37～39中的任一项的直接视网膜显示器，其中，扫描源被配置为使图像预先非线性变形，以对发散反射器上的扫描角度的任何非线性放大进行补偿，由此保证正确地在视网膜上显示图像。
42.根据权利要求37～41中的任一项的直接视网膜显示器，其中，扫描源被配置为在两个维度中扫描光束以产生光束的锥形束。
43.根据权利要求37～42中的任一项的直接视网膜显示器，其中，扫描源被配置为扫描以在眼睛的视网膜上显示二维图像。
44.根据权利要求37～42中的任一项的直接视网膜显示器，其中，扫描源被配置为为了在眼睛的视网膜上显示三维图像根据图像的各像素的相对深度调整光束的焦点。
45.一种用于在用户的两个眼睛的视网膜上显示图像的直接视网膜显示器，包括：
被配置为在两个维度中在各维度中的扫描角度上产生两个扫描光束的扫描源，每个扫描光束用于一个眼睛，该扫描光束被图像调制；
扫描光束的路径中的发散反射器，该发散反射器被配置为用放大的扫描角向外反射入射到发散反射器的对边上的扫描光束；和
各反射的扫描光束的路径中的两个会聚反射器，每个会聚反射器用于一个眼睛，该会聚反射器被配置为基本上向各眼睛的瞳孔上的会聚点反射具有放大的扫描角的扫描光束用于以宽视场在视网膜上重建和显示图像。
46.根据权利要求45的直接视网膜显示器，其中，发散反射器在扫描光束的路径中包含基本为球形的反射面。
47.根据权利要求45或46的直接视网膜显示器，其中，发散反射器是位于两个会聚反射器之间的球面反射器。
48.根据权利要求45～47中的任一项的直接视网膜显示器，其中，会聚反射器在从发散反射器反射的扫描光束的路径中包含准椭圆形反射面。
49.根据权利要求45的直接视网膜显示器，其中，存在两个发散反射器，每个发散反射器用于一个眼睛，每个位于扫描光束中的一个的路径中并被配置为将扫描光束反射到各个会聚反射器上。
50.根据权利要求49的直接视网膜显示器，其中，发散反射器是球面反射器并且会聚反射器是准椭圆形反射器。
51.根据权利要求45～50中的任一项的直接视网膜显示器，其中，显示器被配置为可固定到用户的头部上。
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